DE102013208549A1

DE102013208549A1 - Leuchtstoffrad und Beleuchtungsvorrichtung mit diesem Leuchtstoffrad und einer Pumplichtquelle

Info

Publication number: DE102013208549A1
Application number: DE201310208549
Authority: DE
Inventors: Ulrich Hartwig; Martin Daniels
Original assignee: Osram GmbH
Current assignee: Coretronic Corp
Priority date: 2013-05-08
Filing date: 2013-05-08
Publication date: 2014-11-13
Also published as: US9411153B2; CN104141924A; US20140333901A1; CN104141924B

Abstract

Die Erfindung schlägt eine Beleuchtungsvorrichtung (1) mit einer Pumplichtquelle (2) und einem Leuchtstoffrad (4) vor. Das Leuchtstoffrad (4) weist mindestens zwei segmentierte Leuchtstoffschichten auf. Die vorderseitigen Oberflächen der Leuchtstoffschichten bilden nicht eine gemeinsame Ebene sondern vielmehr eine Art Relief, bei dem die Oberflächen der Leuchtstoffschichten sich in unterschiedlichen gedachten Ebenen erstrecken. Wenn das Leuchtstoffrad (4) durch eine Strahltaille des Pumplichts rotiert, wird auf diese Weise die Größe des Pumplichtflecks und damit auch die Leistungsdichteverteilung der Pumplichts auf der jeweiligen Leuchtstoffschicht angepasst.

Description

Technisches Gebiet
Die Erfindung geht aus von einer Beleuchtungsvorrichtung mit einer Pumplichtquelle und einem Leuchtstoffrad zur Umwandlung zumindest eines Teils des Pumplichts in Konversionslicht.
Eine derartige Beleuchtungsvorrichtung ist insbesondere einsetzbar als Licht erzeugende Einheit in einem Projektor, z.B. für Videoprojektoren oder Datenprojektoren.
Stand der Technik
Aus dem Stand der Technik, beispielsweise dem Dokument US 2010/0245777 A1 , sind Beleuchtungsvorrichtungen für Projektionsanwendungen bekannt, welche ein Leuchtstoffrad mit einem oder mehreren Leuchtstoffen aufweisen. Diese Beleuchtungsvorrichtungen umfassen dabei eine Pumplichtquelle, die den Leuchtstoff zur Emission von Licht mit einer von der Pumplichtwellenlänge verschiedenen Wellenlänge anregt (Wellenlängenkonversion des Pumplichts mittels Leuchtstoff). Üblicherweise sind die Leuchtstoffe in Rotationsrichtung des Leuchtstoffrads aufeinander folgend angeordnet, so dass das von dem jeweiligen Leuchtstoff emittierte Licht (Konversionslicht) zeitlich sequentiell erzeugt und dem bildgebenden System zugeführt wird.
Als Pumplichtquelle werden vorzugsweise Laser, beispielsweise Laserdioden, eingesetzt. In diesem Fall ist die Technologie auch unter der Bezeichnung LARP ("Laser Activated Remote Phosphor") bekannt.
Die Konversionseffizienz eines Leuchtstoffs (= Strahlungsleistung des Konversionslichts bezogen auf die Strahlungsleistung des Pumplichts) ist abhängig von der Temperatur des Leuchtstoffs und somit von der Intensität des Pumplichts auf dem Leuchtstoff. Mit steigender Temperatur und Intensität sinkt die Konversionseffizienz des Leuchtstoffs. Da die Temperaturverteilung eines Leuchtstoffs auch abhängig ist von der Intensitätsverteilung des Pumplichts auf diesem Leuchtstoff, gibt es grundsätzlich zumindest eine indirekte Abhängigkeit der Konversionseffizienz des Leuchtstoffs von der Intensitätsverteilung des Pumplichts auf dem Leuchtstoff. Den Abfall der Konversionseffizienz von Leuchtstoffen mit steigender Leuchtstofftemperatur oder Pumpintensität bezeichnet man als Quenching.
Die Lichtverteilung auf dem Leuchtstoff, z. B. in einer LARP-Projektionsanwendung, ist in der Regel ein Kompromiss zwischen der Konversionseffizienz des Leuchtstoffs und der geometrischen Effizienz der Optik, die das Konversionslicht vom Leuchtstoff einsammelt und für die Anwendung aufbereitet, im Folgenden auch als Sammeloptik bezeichnet. Je niedriger die Pumplichtintensität, desto höher die Leuchtstoffeffizienz. Mit Vergrößerung der mit dem Pumplicht bestrahlten Fläche auf dem Leuchtstoff (Pumplichtfläche) sinkt auf der anderen Seite die Effizienz der Sammeloptik, wenn das von der Sammeloptik erzeugte Bild der Pumplichtfläche durch eine Apertur zunehmend beschnitten wird. Damit ist die Größe der Pumplichtfläche ein Kompromiss, um die Gesamteffizienz (das ist das Produkt aus Leuchtstoffkonversionseffizienz und Effizienz der Sammeloptik) zu maximieren.
Unterschiedliche Leuchtstoffe weisen unterschiedliche Quenchingverhalten auf. Dadurch gibt es unterschiedliche Anforderungen an die Pumplichtverteilung auf den Leuchtstoffen, um die Gesamteffizienz zu maximieren. Befinden sich die Leuchtstoffe auf einem ebenen Leuchtstoffrad, werden bei einer zeitlich unveränderlichen Pumplichtquelle bisher alle Leuchtstoffe mit derselben Pumplichtverteilung beleuchtet. Hierbei kann es zu Einbußen der Gesamteffizienz des Systems kommen, da das Produkt aus Leuchtstoffkonversionseffizienz und geometrischer Effizienz für jeden Leuchtstoff auf dem Leuchtstoffrad anders ist.
Darstellung der Erfindung
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, die Nachteile des Standes der Technik zumindest teilweise zu überwinden und insbesondere ein Leuchtstoffrad für eine Beleuchtungsvorrichtung, insbesondere eine Beleuchtungsvorrichtung für Projektionsanwendungen, anzugeben, das auch für höhere Pumpleistungen geeignet ist, insbesondere auch bei Verwendung von Leuchtstoffen mit bei zu hohen Pumpleistungsdichten verminderter Konversionseffizienz.
Diese Aufgabe wird gemäß den Merkmalen der unabhängigen Ansprüche gelöst. Bevorzugte Ausführungsformen sind insbesondere den abhängigen Ansprüchen entnehmbar.
Diese Aufgabe wird gelöst durch ein Leuchtstoffrad für eine Beleuchtungsvorrichtung zur Umwandlung von Pumplicht zu Konversionslicht, das für eine Rotation um eine Rotationsachse ausgelegt ist, mit einem Trägersubstrat und mindestens zwei darauf angeordneten Leuchtstoffbereichen, wobei ein erster Leuchtstoffbereich eine erste Leuchtstoffschicht mit einem ersten Leuchtstoff zur Emission von Konversionslicht einer ersten Lichtfarbe umfasst, ein zweiter Leuchtstoffbereich eine zweite Leuchtstoffschicht mit einem zweiten Leuchtstoff zur Emission von Konversionslicht einer zweiten Lichtfarbe umfasst, die für die Bestrahlung mit dem Pumplicht vorgesehene vorderseitige Oberfläche der ersten Leuchtstoffschicht eben ausgelegt ist derart, dass die Oberfläche eine erste gedachte Ebene definiert, die für die Bestrahlung mit dem Pumplicht vorgesehene vorderseitige Oberfläche der zweiten Leuchtstoffschicht eben ausgelegt ist derart, dass die Oberfläche eine zweite gedachte Ebene definiert, und wobei die erste Ebene und die zweite Ebene gegeneinander um einen Abstand D parallelverschoben sind.
Der Grundgedanke der vorliegenden Erfindung besteht darin, auf Leuchtstoffen mit unterschiedlicher Abhängigkeit der Konversionseffizienz, insbesondere unterschiedlicher pumplichtleistungsabhängiger Konversionseffizienz, unterschiedliche Pumplichtverteilungen vorzusehen. Dazu ist das Leuchtstoffrad so ausgelegt, dass zumindest die vorderseitigen (d.h. der auftreffenden Pumplichtstrahlung zugewandten) Oberflächen der verschiedenen Leuchtstoffschichten in verschiedenen Ebenen bezüglich der auftreffenden Pumplichtstrahlung angeordnet sind. Die vorderseitigen Oberflächen der Leuchtstoffschichten bilden also gleichsam eine Art Relief. Die rückseitigen Oberflächen der Leuchtstoffe können insgesamt eben oder auch reliefartig ausgebildet sein, wobei auch im letzteren Fall die jeweiligen Leuchtstoffschichten unterschiedlich dick sein können.
Die optische Auslegung kann so erfolgen, dass der Pumplaserfokus vor, in oder hinter der vorderseitigen Oberfläche einer Leuchtstoffs liegt. Im letzteren Fall kann der (gedachte) Pumplaserfokus insbesondere auch innerhalb einer Leuchtstoffschicht liegen.
Bei entsprechender optischer Auslegung treffen die Pumplichtstrahlen beispielsweise die vorderseitige Oberfläche einer Leuchtstoffschicht in der Brennebene einer Fokussieroptik und die vorderseitige Oberfläche einer anderen Leuchtstoffschicht vor oder hinter der Brennebene. Da sich die vom Pumplicht bestrahlte Fläche einer Leuchtstoffschicht (= Pumplichtfläche) mit dem Abstand von der Brennebene vergrößert (und zwar innerhalb der Strahltaille in beiden Richtungen von der Brennebene weg), verringert sich entsprechend die Pumplichtintensität (= Pumplichtleistung bezogen auf die bestrahlte Fläche) auf der bestrahlten Leuchtstoffschicht und somit die lokale Temperaturbelastung des Leuchtstoffs.
Üblicherweise wird das Konversionslicht mit Hilfe einer Optik gesammelt und kollimiert. Wenn die Leuchtstoffkonversion im Reflexionsmodus erfolgt, kann dafür auch die oben erwähnte Fokussieroptik dienen. Das Konversionslicht durchläuft die Optik dann in umgekehrter Richtung wie das einfallende Pumplicht. Wenn das Leuchtstoffrad für den Transmissionsmodus ausgelegt ist, erfolgt das Sammeln und Kollimieren des Konversionslichts mit Hilfe einer separaten Kollimationsoptik, die auf der anderen Seite des Leuchtstoffrads als die Fokussieroptik angeordnet ist.
Außerdem kann das Konversionslicht, eventuell zusammen mit einem Teil des Pumplichts, zur räumlichen Homogenisierung in einen optischen Integrator eingekoppelt werden. Dazu wird der aufgrund der Konversionslichtemission leuchtende Bereich des Leuchtstoffs (Konversionsleuchtfleck), der weitgehend mit dem Pumpstrahlfleck übereinstimmt, in die Eingangsapertur des optischen Integrators abgebildet. Typisch bei Projektionsanwendungen sind Abbildungsverhältnisse von 2:1 bis 4:1. Damit das vom leuchtenden Bereich emittierte Konversionslicht effizient durch die Integratorapertur geleitet werden kann, muss die Größe des leuchtenden Bereichs auf eine maximale Größe begrenzt werden. Diese maximale Größe entspricht der Fläche des Bildes der optischen Abbildung der Integratorapertur auf der Oberfläche der Leuchtstoffschicht. Vergrößert man den Pumpstrahlfleck und damit den Leuchtfleck über diese Fläche hinaus, nimmt also die optische Effizienz ab.
Andererseits steigt bei Leuchtstoffen, die starkes Quenchen aufweisen, die Konversionseffizienz besonders stark mit abnehmender Pumpleistung. Bei solchen Leuchtstoffen kann es vorteilhaft sein, den Pumpstrahlfleck zu vergrößern und zwar immer dann, wenn die Zunahme der Konversionseffizienz des Leuchtstoffs die Abnahme der optischen Effizienz überwiegt. Wie dem in 6 dargestellten Beispiel zu entnehmen ist, gibt es für unterschiedliche Leuchtstoffe (hier rot R und gelb Y) unterschiedliche Kompromisse zur Maximierung der in die Integratorapertur eingekoppelten Ausgangsleistung P_A. Da der rote Leuchtstoff R stärker mit der Pumpintensität quencht als der gelbe Y, ist es hier vorteilhaft, einen größeren Pumpstrahlfleckdurchmesser Φ zu verwenden. Die in den Ausführungsbeispielen weiter unten verwendeten grün emittierenden Leuchtstoffe („Grünleuchtstoffe“) zeigen übrigens ein ähnliches Verhalten, insbesondere Quenchingverhalten, wie der in 6 gezeigte Gelbleuchtstoff.
Der Unterschied zwischen den Größen der jeweiligen Pumplichtflecken auf der jeweiligen vorderseitigen Oberfläche zweier Leuchtstoffschichten kann unter anderem durch den Abstand D der zugehörigen gedachten Ebenen beeinflusst werden. Der Abstand D liegt in dieser Reihenfolge zunehmend bevorzugt, im Bereich zwischen 0,1 mm und 2 mm, 0,1 mm und 1 mm, 0,1 mm und 0,5 mm.
Der Abstand D zwischen den vorderseitigen Oberflächen zweier Leuchtstoffschichten kann dadurch realisiert sein, dass die beiden Leuchtstoffschichten in unterschiedlichen Dicken auf einer ebenen oder reliefartig geformten Seite des Trägersubstrats des Leuchtstoffrads aufgebracht sind.
Der Abstand D kann auch zumindest teilweise mit einer Abstandsschicht zwischen Trägersubstrat und zumindest einem der Leuchtstoffschichten realisiert sein. Insbesondere können die Leuchtstoffschichten in dieser Ausführungsform auch gleich dick sein. Dadurch lässt sich Leuchtstoffmaterial einsparen.
Der Abstand D zwischen den Leuchtstoffoberflächen kann auch dadurch realisiert sein, dass der Bereich des Trägersubstrats mit dem ersten Leuchtstoffbereich und der Bereich des Trägersubstrats mit dem zweiten Leuchtstoffbereich zueinander uneben geformt sind. Insbesondere können die Leuchtstoffschichten auch bei dieser Ausführungsform gleich dick sein, d.h. der Abstand D kann ausschließlich durch eine geeignete Formgebung realisiert sein.
Jedenfalls bilden die vorderseitigen Oberflächen der Leuchtstoffschichten nicht eine gemeinsame Ebene sondern vielmehr eine Art Relief, bei dem die Oberflächen der Leuchtstoffschichten sich in unterschiedlichen gedachten Ebenen erstrecken. Vorzugsweise erstrecken sich die gedachten Ebenen senkrecht zur Rotationsachse des Leuchtstoffrads.
Die Bereiche auf dem Trägersubstrat des Leuchtstoffrads, in dem die Leuchtstoffschichten angeordnet sind, sind vorzugsweise als kreis- oder kreisringförmige Segmente ausgebildet.
Die Aufgabe wird auch gelöst durch eine Beleuchtungsvorrichtung mit mindestens einem Leuchtstoffrad wie oben beschrieben und mindestens einer Pumplichtquelle, insbesondere einer Halbleiterlichtquelle, zum Bestrahlen des Leuchtstoffrads mit Pumplicht, welches mittels der mindestens zwei Leuchtstoffbereiche des Leuchtstoffrads zumindest teilweise in Konversionslicht wellenlängenkonvertierbar ist.
In einer Weiterbildung ist eine Optik zwischen der Pumplichtquelle und dem Leuchtstoffrad angeordnet, wobei die Optik dazu ausgelegt ist, einerseits die Pumplichtstrahlen der Pumplichtquelle auf das Leuchtstoffrad zu fokussieren, andererseits das Konversionslicht zu sammeln und zu kollimieren.
Vorzugsweise umfasst die Optik ein chromatisches Objektiv. Die für verschiedene Lichtwellenlängen unterschiedlichen Brennweiten eines chromatischen Objektivs werden gezielt genutzt für die sich in unterschiedlichen Ebenen erstreckenden und folglich unterschiedlich weit vom Objektiv entfernten vorderseitigen Oberflächen der Leuchtstoffschichten. Bevorzugt ist die vorderseitige Oberfläche derjenigen Leuchtstoffschicht, für deren Konversionslicht das chromatische Objektiv eine längere Brennweite hat als für das Konversionslicht der anderen Leuchtstoffschicht, um den Abstand D entfernter von dem chromatische Objektiv angeordnet als die vorderseitige Oberfläche der anderen Leuchtstoffschicht.
Im Hinblick auf die Effizienz für das Sammeln des Konversionslichtes ist das chromatische Objektiv bevorzugt so ausgelegt und die erste Leuchtstoffschicht so angeordnet, dass bei Rotation des Leuchtstoffrades die vorderseitige Oberfläche der ersten Leuchtstoffschicht durch den Brennpunkt des chromatischen Objektivs für das Konversionslicht von der ersten Leuchtstoffschicht rotiert. Ebenso bevorzugt rotiert die vorderseitige Oberfläche der zweiten Leuchtstoffschicht durch den Brennpunkt des chromatischen Objektivs für das Konversionslicht von der zweiten Leuchtstoffschicht.
Für die Trennung von Pumplicht und Konversionslicht kann zwischen dem Leuchtstoffrad und der Pumplichtquelle, bevorzugt zwischen der Fokussier- und Sammeloptik und der Pumplichtquelle, ein dichroitisches Spiegelelement vorgesehen sein. Dadurch wird das vom Leuchtstoffrad kommende und sich in diesem Bereich entgegen der Pumplichtrichtung ausbreitende Konversionslicht in eine von der Pumplichtrichtung verschiedene Richtung gelenkt.
Außerdem kann ein optischer Integrator zum Einspeisen und räumlichen Homogenisieren des Konversionslichts und optional zusätzlich des Pumplichts vorgesehen sein.
Die vorstehend beschriebene Beleuchtungsvorrichtung kann beispielsweise in einem Projektor verwendet werden. Dazu wird das von dem optischen Integrator kommende Licht auf eine bildgebende Einheit gelenkt. Für die sequentielle Erzeugung der Farbteilbilder ist die bildgebende Einheit mit dem Leuchtstoffrad synchronisiert. Die Farbteilbilder werden mittels eine Projektionsoptik auf eine Projektionsfläche projiziert.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Im Folgenden soll die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen näher erläutert werden. Die Figuren zeigen schematisch:
1 ein Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Beleuchtungsvorrichtung mit einem erfindungsgemäßen Leuchtstoffrad,
2 das Leuchtstoffrad gemäß 1,
3 eine alternative Ausführungsform für das Leuchtstoffrad,
4 eine weitere alternative Ausführungsform für das Leuchtstoffrad,
5 noch eine alternative Ausführungsform für das Leuchtstoffrad,
6 Messkurven der in einen optischen Integrator eingekoppelten Leistung für gelbes bzw. rotes Konversionslicht in Abhängigkeit vom Durchmesser des Pumplichtflecks auf der betreffenden Leuchtstoffschicht.
Bevorzugte Ausführung der Erfindung
Gleiche oder gleichartige Merkmale können im Folgenden der Einfachheit halber auch mit gleichen Bezugszeichen bezeichnet sein.
1 zeigt eine schematische Darstellung einer Beleuchtungsvorrichtung 1 gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung.
Die Beleuchtungsvorrichtung 1 weist eine Laservorrichtung 2 als Pumplichtquelle auf. Die Laservorrichtung 2 ist dazu ausgelegt, Laserlicht im blauen Spektralbereich zu emittieren, da dies einerseits für die meisten Leuchtstoffe eine geeignete Anregungswellenlänge darstellt. Andererseits ermöglicht dies die Nutzung des unkonvertierten blauen Laserlichts als Blaulichtkanal (B), beispielsweise für eine RGB-Projektionseinheit. Die Emissionswellenlänge der blauen Laserstrahlung I_B liegt vorzugsweise im Bereich von z.B. ca. 400–470 nm. Die Pumplichtquelle 2 kann beispielsweise als Laserdiodenmatrix ausgebildet sein, welche eine Mehrzahl an Laserdioden aufweist.
Das blaue Laserlicht I_B (= Pumplicht) wird mittels eines optischen Linsensystems 3 auf ein Leuchtstoffrad 4 fokussiert. Das Leuchtstoffrad 4 weist ein kreisplattenförmiges Trägersubstrat 5 mit einer dazu senkrecht und mittig angeordneten Drehachse 6 auf.
Im Folgenden wir nun auch Bezug auf die 2a, 2b genommen, die das Leuchtstoffrad 4 in schematischer Darstellung zeigen, und zwar in Draufsicht bzw. in einer Schnittansicht entlang der Schnittlinie AA. Die der Laservorrichtung 2 zugewandte plane Seite des Trägersubstrats 5 des Leuchtstoffrads 4 weist einen kreisringförmigen Bereich auf, der in zwei halbkreisringförmige Segmente unterteilt ist. Das erste Segment 7 ist mit einem Grünleuchtstoff G beschichtet und das zweite Segment 8 mit einem Rotleuchtstoff R. Die Schichtdicken d beider Leuchtstoffe sind unterschiedlich, nämlich d_G = 250 µm für den Grünleuchtstoff G bzw. d_R = 100 µm für den Rotleuchtstoff R. Die der Laservorrichtung 2 zugewandten (= vorderseitigen) jeweiligen Oberflächen der Grünleuchtstoff- und Rotleuchtstoffschicht liegen also in unterschiedlichen gedachten Ebenen A_G bzw. A_R, die einen Abstand D = d_G – d_R = 150µm voneinander haben. Der besseren Erkennbarkeit wegen sind die Leuchtstoffschichten in 2b übertrieben dick dargestellt. In 1 sind die Leuchtstoffschichten auf dem Leuchtstoffrad 4 hingegen nicht zu erkennen.
Das Leuchtstoffrad kann prinzipiell auch mehr als zwei Leuchtstoffsegmente aufweisen, insbesondere mit unterschiedlichen Farbleuchtstoffen, beispielsweise mit einem zusätzlichen Gelbleuchtstoff oder auch zusätzlichen Farbnuancen, beispielsweise verschiedene Rotleuchtstoffe. Außerdem kann das Leuchtstoffrad auch ein oder mehrere Durchlichtsegmente aufweisen, die zumindest für das Pumplicht transparent sind. Damit lässt sich beispielsweise ein Wrap-Around-Zweig für die zeitlich sequentielle Kombination von Pumplicht und Konversionslicht realisieren (siehe z.B. 6 der Schrift US 2010/0245777 A ).
Das Leuchtstoffrad 4 ist bezüglich des optischen Linsensystems 3 so angeordnet, dass die Fokusebene für das Laserlicht I_B in der Ebene A_G der Schicht des Grünleuchtstoffs G liegt. Folglich dreht sich die vorderseitige Oberfläche der Grünleuchtstoffschicht 7 durch den Fokusfleck b_G des blauen Laserlichts I_B. Auf der vorderseitige Oberfläche der Grünleuchtstoffschicht 7 (entspricht der Fokusebene) hat der Laserstrahl also den kleinsten Durchmesser Φ_G (= Fokusfleck). Die Ebene A_G der Schicht des Rotleuchtstoffs R liegt hingegen um den Abstand D hinter der Fokusebene. Die vorderseitige Oberfläche der Rotleuchtstoffschicht 8 dreht sich also durch den größeren Fleck b_R des blauen Laserlichts I_B mit dem Fleckdurchmesser Φ_R > Φ_G. Folglich ist die (lokale) Intensität des Laserlichts auf der Rotleuchtstoffschicht R geringer als auf der Grünleuchtstoffschicht G.
Außerdem sammelt das Linsensystem 3 das von dem jeweiligen Leuchtstoff R, G innerhalb des Pumplichtflecks b_R, b_G emittierte Konversionslicht (hier rotes bzw. grünes Licht) ein, wirkt für das Konversionslicht also als Sammeloptik. Zu diesem Zweck ist das Linsensystem 3 als chromatisches Objektiv mit den beiden Sammellinse 31, 32 konzipiert. Das chromatische Objektiv 3 ist aus Effizienzgründen vorzugsweise so ausgelegt, dass sein Brennweitenunterschied für rotes bzw. grünes Licht zumindest ungefähr dem Abstand D der beiden Ebenen A_G bzw. A_R entspricht. Da außerdem die Brennweite für rotes Licht länger ist als für grünes, sammelt das chromatische Objektiv 3 das von der um den Abstand D entfernter angeordneten Rotleuchtstoffschicht 8 emittierte rote Licht bzw. das von der entsprechend näher angeordneten Grünleuchtstoffschicht 7 emittierte grüne Licht besonders effizient ein.
Das von der jeweiligen unter dem Pumplichtfleck b_R, b_G vorbei drehenden Leuchtstoffschicht R bzw. G zurückgestrahlte, wellenlängenumgewandelte Farblicht (= Konversionslicht) wird von dem chromatischen Linsensystem 3 (Linse 31 und Linse 32) gesammelt, kollimiert und über einen dichroitischen Spiegel 9 mittels Reflexion aus dem Pumplichtstrahlengang ausgekoppelt. Dazu ist der dichroitische Spiegel 9 zwischen der Pumplichtquelle 2 und dem Linsensystem 3 in 45°-Kippstellung zum Pumplicht- bzw. gegenläufigen Konversionslichtstrahlengang angeordnet. Außerdem ist der dichroitische Spiegel 9 dazu ausgelegt, zwar Licht im blauen Spektralbereich (also insbesondere das blaue Pumplicht I_B) zu transmittieren, hingegen Licht im nicht blauen Spektralbereich (also insbesondere das Konversionslicht) zu reflektieren. Dadurch kann das blaue Pumplicht I_B einerseits durch den dichroitischen Spiegel 9 hindurch auf das Leuchtstoffrad 4 gelangen, andererseits koppelt der dichroitische Spiegel 9 das zeitlich sequentiell auftreffende Konversionslicht, also grüne I_G bzw. rote Licht I_R, senkrecht aus dem Pumplichtstrahlengang aus. Der dichroitische Spiegel 9 dient hier also als wellenlängenselektiver Strahlumlenker, der das Pumplicht transmittiert und das Konversionslicht reflektiert. Über ein weiteres Fokussierlinsensystem 10 wird das Konversionslicht beispielsweise in einen optischen Integrator 11 eines Projektionsmoduls fokussiert.
Je nach Anforderung an die Geometrie des optischen Aufbaus kann die Position der Pumplichtquelle 2 auch mit dem Ausgang für das ausgekoppelte Licht vertauscht werden. Dazu ist lediglich der dichroitischen Spiegel dergestalt abzuändern, dass er das blaue Pumplicht I_B reflektiert und das Konversionslicht transmittiert. Außerdem kann der dichroitische Spiegel auch mit einem von 45° abweichenden Kippwinkel angeordnet sein.
In den 3a, 3b ist eine alternative Ausführungsform des Leuchtstoffrads aus 2a, 2b schematisch dargestellt. Der Unterschied besteht darin, dass die Grünleuchtstoffschicht 7 und die Rotleuchtstoffschicht 8 zwar die gleiche Dicke aufweisen. Allerdings ist zwischen dem Trägersubstrat 5 und der Grünleuchtstoffschicht 7 eine Abstandsschicht 12 der Dicke D angeordnet. Auf diese Weise lässt sich Grünleuchtstoff G einsparen und dennoch die jeweiligen Oberflächen der Grünleuchtstoff- und Rotleuchtstoffschicht in unterschiedlichen gedachten Ebenen im Abstand D anordnen. Bevorzugt weist das Material für die Abstandsschicht eine hohe thermische Leitfähigkeit und geringe Absorption auf.
Eine weitere alternative Ausführungsform des Leuchtstoffrads ist in den 4a, 4b schematisch dargestellt. Hier ist das Trägersubstrat 5‘ des Leuchtstoffrads im halbkreisringförmigen Bereich der Rotleuchtstoffschicht 8 nach hinten versetzt, also von der Pumplichtquelle 2 weg, geformt. Der restliche Teil des Trägersubstrats 5‘ ist eben, also auch der halbkreisringförmige Bereich, auf dem die Grünleuchtstoffschicht 7 aufgebracht ist. Auf diese Weise sind die Oberflächen beider Leuchtstoffe R, G auch bei gleichen Schichtdicken in unterschiedlichen gedachten Ebenen im Abstand D anordnet. Auf eine zusätzliche Abstandsschicht wie im vorherigen Beispiel kann hier verzichtet werden.
Die 5a, 5b zeigen schließlich in schematischer Darstellung eine Variante der vorherigen Ausführungsform des Leuchtstoffrads. Das Trägersubstrat 5‘ des Leuchtstoffrads ist gleichartig geformt. Allerdings ist hier nicht die nach hinten versetzte Seite der halbkreisringförmigen Ausformung mit Rotleuchtstoff 7 beschichtet, sondern die andere, nach vorn versetzte Seite mit Grünleuchtstoff 8. Die halbkreisringförmige Grünleuchtstoffschicht 7 ist auf dem ebenen Bereich des Trägersubstrats 5‘ des Leuchtstoffrads aufgebracht. Auf diese Weise sind die vorderseitigen Oberflächen beider gleichdicker Leuchtstoffschichten 7, 8 ebenfalls in unterschiedlichen gedachten Ebenen im Abstand D anordnet.
Die Erfindung schlägt eine Beleuchtungsvorrichtung mit einer Pumplichtquelle und einem Leuchtstoffrad vor. Das Leuchtstoffrad weist mindestens zwei segmentierte Leuchtstoffschichten auf. Die vorderseitigen Oberflächen der Leuchtstoffschichten bilden nicht eine gemeinsame Ebene sondern vielmehr eine Art Relief, bei dem die Oberflächen der Leuchtstoffschichten sich in unterschiedlichen gedachten Ebenen erstrecken. Wenn das Leuchtstoffrad durch eine Strahltaille des Pumplichts rotiert, wird auf diese Weise die Größe des Pumplichtflecks und damit auch die Leistungsdichteverteilung der Pumplichts auf der jeweiligen Leuchtstoffschicht angepasst.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

US 2010/0245777 A1 [0003]
US 2010/0245777 A [0042]

Claims

Leuchtstoffrad (4) für eine Beleuchtungsvorrichtung (1) zur Umwandlung von Pumplicht zu Konversionslicht, das für eine Rotation um eine Rotationsachse (6) ausgelegt ist, mit einem Trägersubstrat (5) und mindestens zwei darauf angeordneten Leuchtstoffbereichen (7, 8), wobei ein erster Leuchtstoffbereich (7) eine erste Leuchtstoffschicht mit einem ersten Leuchtstoff (G) zur Emission von Konversionslicht einer ersten Lichtfarbe umfasst, ein zweiter Leuchtstoffbereich (8) eine zweite Leuchtstoffschicht mit einem zweiten Leuchtstoff (R) zur Emission von Konversionslicht einer zweiten Lichtfarbe umfasst, die für die Bestrahlung mit dem Pumplicht vorgesehene vorderseitige Oberfläche der ersten Leuchtstoffschicht (G) eben ausgelegt ist derart, dass die Oberfläche eine erste gedachte Ebene (A_G) definiert, die für die Bestrahlung mit dem Pumplicht vorgesehene vorderseitige Oberfläche der zweiten Leuchtstoffschicht (R) eben ausgelegt ist derart, dass die Oberfläche eine zweite gedachte Ebene (A_R) definiert, und wobei die erste Ebene (A_G) und die zweite Ebene (A_R) gegeneinander um einen Abstand D parallelverschoben sind.
Leuchtstoffrad nach Anspruch 1, wobei die beiden gedachten Ebenen (A_G, A_R) senkrecht zur Rotationsachse (6) des Leuchtstoffrads sind.
Leuchtstoffrad nach Anspruch 1 oder 2, wobei der Abstand D, in dieser Reihenfolge zunehmend bevorzugt, im Bereich zwischen 0,1 mm und 2 mm, 0,1 mm und 1 mm, 0,1 mm und 0,5 mm liegt.
Leuchtstoffrad nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei die erste Leuchtstoffschicht (G) und die zweite Leuchtstoffschicht (R) unterschiedlich dick ausgeführt sind.
Leuchtstoffrad nach einem der vorstehenden Ansprüche mit einer Abstandsschicht (12) zwischen Trägersubstrat (5) und zumindest einem der Leuchtstoffschichten (G).
Leuchtstoffrad nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei der Bereich des Trägersubstrats (5‘) mit dem ersten Leuchtstoffbereich (7) und der Bereich des Trägersubstrats (5‘) mit dem zweiten Leuchtstoffbereich (R) zueinander uneben geformt sind.
Leuchtstoffrad nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei die Leuchtstoffbereiche (7, 8) als kreis- oder kreisringförmige Segmente ausgebildet sind.
Beleuchtungsvorrichtung (1), mit mindestens einem Leuchtstoffrad (4) nach einem der vorstehenden Ansprüche und mindestens einer Pumplichtquelle (2), insbesondere Halbleiterlichtquelle, zum Bestrahlen des Leuchtstoffrads (4) mit Pumplicht (I_B), welches mittels der mindestens zwei Leuchtstoffbereiche (7, 8) des Leuchtstoffrads (4) zumindest teilweise in Konversionslicht wellenlängenkonvertierbar ist.
Beleuchtungsvorrichtung (1) nach Anspruch 8, mit einer Optik (3), die zwischen der Pumplichtquelle (2) und dem Leuchtstoffrad (4) angeordnet ist, wobei die Optik (3) dazu ausgelegt ist, einerseits die Pumplichtstrahlen (I_B) der Pumplichtquelle (2) auf das Leuchtstoffrad (4) zu fokussieren, andererseits das Konversionslicht (I_G, I_R) zu sammeln und zu kollimieren.
Beleuchtungsvorrichtung (1) nach Anspruch 9, wobei die Optik (3) ein chromatisches Objektiv umfasst, und wobei die vorderseitige Oberfläche derjenigen Leuchtstoffschicht (R), für deren Konversionslicht das chromatische Objektiv eine längere Brennweite hat als für das Konversionslicht der anderen Leuchtstoffschicht (G), um den Abstand D entfernter von dem chromatische Objektiv angeordnet ist als die vorderseitige Oberfläche der anderen Leuchtstoffschicht (G).
Beleuchtungsvorrichtung (1) nach einem der Ansprüche 8 bis 10, wobei das chromatische Objektiv so ausgelegt und die erste Leuchtstoffschicht (G) so angeordnet ist, dass bei Rotation des Leuchtstoffrades (4) die vorderseitige Oberfläche der ersten Leuchtstoffschicht (G) durch den Brennpunkt des chromatischen Objektiv für das Konversionslicht von der ersten Leuchtstoffschicht (G) rotiert.
Beleuchtungsvorrichtung (1) nach einem der Ansprüche 8 bis 11, wobei das chromatische Objektiv so ausgelegt und die zweite Leuchtstoffschicht (R) so angeordnet ist, dass bei Rotation des Leuchtstoffrades (4) die vorderseitige Oberfläche der zweiten Leuchtstoffschicht (R) durch den Brennpunkt des chromatischen Objektiv für das Konversionslicht von der zweiten Leuchtstoffschicht (R) rotiert.
Beleuchtungsvorrichtung (1) nach einem der Ansprüche 8 bis 12 mit einem dichroitischen Spiegelelement (9) zwischen dem Leuchtstoffrad (4) und der Pumplichtquelle (2) zur Trennung von Pumplicht (I_B) und Konversionslicht (I_G, I_R).
Beleuchtungsvorrichtung (1) nach einem der Ansprüche 8 bis 13 mit einem optischen Integrator (11) zum Einspeisen des Konversionslichts und optional zusätzlich des Pumplichts.
Verwendung des Leuchtstoffrades nach einem der Ansprüche 1 bis 7 oder der Beleuchtungsvorrichtung nach einem der Ansprüche 8 bis 14 in einem Projektor.