DE102013222430A1

DE102013222430A1 - Beleuchtungsvorrichtung und Verfahren zum Erzeugen von Licht mittels einer Wellenlängenkonversionsanordnung und eines Bandstoppfilters sowie Verfahren zum Bereitstellen eines Bandstoppfilters

Info

Publication number: DE102013222430A1
Application number: DE201310222430
Authority: DE
Inventors: Oliver Mehl
Original assignee: Osram GmbH
Current assignee: Coretronic Corp
Priority date: 2013-11-05
Filing date: 2013-11-05
Publication date: 2015-05-07
Also published as: US9885864B2; CN104614927A; CN104614927B; US20150124430A1

Abstract

Die Erfindung schlägt eine Beleuchtungsvorrichtung (1) mit einer Wellenlängenkonversionsanordnung (12) und einem statischen Bandstoppfilter (14) vor. Die Wellenlängenkonversionsanordnung (12) weist zwei Wellenlängenkonversionselemente auf, die mittels von einer Anregungsquelle (2) abgestrahlter Anregungsstrahlung zur Emission von Konversionslicht anregbar sind. Um den mit den beiden Wellenlängenkonversionselementen adressierbaren Farbraum zu vergrößern, wird mit Hilfe des Bandstoppfilters (14) die kürzere Dominanzwellenlänge des Konversionslichts beider Wellenlängenkonversionselemente verkürzt und die längere Dominanzwellenlänge verlängert. Zu diesem Zweck wird die Spitzenwellenlänge des Bandstoppfilters (14) so gewählt, dass sie zwischen den beiden Dominanzwellenlängen des von den beiden Wellenlängenkonversionselementen emittierten Konversionslichts liegt. Durch die Verwendung eines so ausgelegten statischen Bandstoppfilters (14) kann auf separate Filterelemente für jedes Wellenlängenkonversionselement verzichtet werden. Wenn die Wellenlängenkonversionsanordnung als Leuchtstoffrad (12) ausgebildet ist, kann insbesondere auf ein mit dem Leuchtstoffrad zu synchronisierendes separates Filterrad verzichtet werden.

Description

Beleuchtungsvorrichtung und Verfahren zum Erzeugen von Licht mittels einer Wellenlängenkonversionsanordnung und eines Bandstoppfilters sowie Verfahren zum Bereitstellen eines Bandstoppfilters
Technisches Gebiet
Die Erfindung geht aus von einer Beleuchtungsvorrichtung mit einer Anregungsstrahlungsquelle und einer Wellenlängenkonversionsanordnung.
Ferner betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Erzeugen von Licht mittels einer Wellenlängenkonversionsanordnung sowie ein Verfahren zum Bereitstellen eines Bandstoppfilters für die erfindungsgemäße Beleuchtungsvorrichtung.
Die Erfindung ist insbesondere anwendbar für Projektionsvorrichtungen, beispielsweise für die Film- und Videoprojektion, in der technischen und medizinischen Endoskopie, für Lichteffekte in der Unterhaltungsindustrie, für medizinische Bestrahlungen sowie im Fahrzeugbereich, insbesondere für Scheinwerfer für Kraftfahrzeuge.
Stand der Technik
Das Dokument US 2009/0116114 A1 offenbart dichroitische Filter für das Zusammenführen von blauem Licht einer Leuchtdiode (LED) und dem gelben Licht von einem Leuchtstoff zu weißem Mischlicht. Dabei wird das blaue Licht der LED transmittiert und das gelbe Licht des Leuchtstoffs reflektiert.
Das Dokument US 2010/0156958 A1 offenbart in 8 ein Projektionssystem 800 mit einer Beleuchtungsvorrichtung zum Beleuchten der beiden Bilderzeugungseinheiten 820, 822. Die Beleuchtungsvorrichtung weist eine Lampe 802, insbesondere eine Hochdrucklampe auf, deren weißes Licht mit Hilfe eines rotierenden Farbfilterrades 806 sequentiell in Farblichtanteile gefiltert wird. Ein dem Farbfilterrad 806 nachgeschaltetes gelbes Notch-Filter 818 filtert den Gelblichtanteil aus den zuvor gefilterten Farblichtanteilen, um damit den Farbraum zu verbessern.
Das Dokument US 2012/0274908 A1 offenbart eine Beleuchtungsvorrichtung für einen Projektor. Die Beleuchtungsvorrichtung weist eine Hochdruck-Quecksilberdampflampe und zumindest jeweils einen rotes Licht und einen grünes Licht emittierenden Laser. Der Rotlichtlaser soll den zu geringen Rotlichtanteil von Hochdruck-Quecksilberdampflampen kompensieren. Ein gelbes Notch-Filter dient der Unterdrückung des bei Hochdruck-Quecksilberdampflampen sehr hohen Gelblichtanteils und damit der Einstellung eines für die Projektion korrekten Weißpunktes.
Das Dokument US 2013/062637 A1 offenbart eine Halbleiterlichtquelle mit einer Leuchtstoffschicht, insbesondere eine LED in einem Gehäuse mit einer Leuchtstoffschicht. Eine Zweifach-Notch-Filterschicht lässt gewünschte Wellenlängen, wie grün und rot, passieren und reflektiert andere, wie beispielsweise gelb und blau, zurück zum Leuchtstoff.
Nachteilig bei derzeit verfügbaren Leuchtstoffen ist, dass die Größe des adressierbaren Farbraums geringer als gewünscht ist. Für viele Projektionsanwendungen, z.B. Home-Cinema, Simulation, sind diese Leuchtstoffe nicht gut geeignet. Angestrebt wird ein Farbraum, der für den grünen und roten Farbkanal etwa Rec. 709 entspricht (sRGB-Farbraum). Dafür ist die sogenannte Dominanzwellenlänge von Grünleuchtstoffen, also im grünen Spektralbereich, üblicherweise zu lang und die Dominanzwellenlänge zumindest von effizienten Rotleuchtstoffen, also im roten Spektralbereich, zu kurz. Rotleuchtstoffe mit geeigneter Dominanzwellenlänge haben in der Regel eine geringere Konversionseffizienz. Die Dominanzwellenlänge (auch als dominante Wellenlänge bezeichnet) von Licht einer Lichtfarbe (Farblicht) ist im CIE-Farbdiagramm (Normfarbtafel) durch den Schnittpunkt der vom Weißpunkt über den ermittelten Farbort des Farblichts verlängerten Geraden mit dem Spektralzug des nächstliegenden Rands des CIE-Farbdiagramms definiert.
Das Dokument CN 102385233 A zeigt eine Beleuchtungsvorrichtung für einen Projektor mit einem Pumplaser, einem Leuchtstoffrad zur Wellenlängenumwandlung des Pumplaserlichts in Konversionslicht und einem Filterrad, zur spektralen Filterung des Konversionslichts. Das Filterrad und das Leuchtstoffrad sind auf einer gemeinsamen Achse angeordnet und drehen so mit der gleichen Geschwindigkeit. Das Pumplaserlicht wird mit Hilfe eines dichroitischen Spiegels auf das Leuchtstoffrad reflektiert. Das vom Leuchtstoffrad zurückgestrahlte Konversionslicht hingegen passiert den dichroitischen Spiegel und trifft danach auf das Filterrad. Durch ein Transparenzsegment im Leuchtstoffrad kann das Pumplaserlicht das Leuchtstoffrad spektral unverändert passieren und wird über eine sogenannte Wrap-Around-Schleife dem dichroitischen Spiegel zu- und mit dem Konversionslichtpfad zusammengeführt.
Die Verwendung eines zusätzlichen Filterrades vor dem Integrator innerhalb eines DLP Projektors verursacht zusätzliche Kosten, zusätzlichen Platzbedarf und gegebenenfalls zusätzlichen Aufwand in der Ansteuerung des Filterrades und der Synchronisation mit dem Leuchtstoffrad.
Darstellung der Erfindung
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine Beleuchtungsvorrichtung mit einem insbesondere für Projektionsanwendungen ausreichend großen adressierbaren Farbraum anzugeben und dabei die Nachteile des Standes der Technik weitgehend zu vermeiden.
Diese Aufgabe wird gelöst durch eine Beleuchtungsvorrichtung zur Erzeugung von Licht mittels einer Wellenlängenkonversionsanordnung, umfassend eine Anregungsstrahlungsquelle, welche dazu ausgelegt ist, Anregungsstrahlung auszusenden, eine Wellenlängenkonversionsanordnung, die mindestens ein erstes Wellenlängenkonversionselement und ein zweites Wellenlängenkonversionselement umfasst, welche Wellenlängenkonversionsanordnung derart angeordnet ist, dass von der Anregungsstrahlungsquelle ausgesendete Anregungsstrahlung zumindest mittelbar auf das erste Wellenlängenkonversionselement und auf das zweite Wellenlängenkonversionselement einstrahlbar ist, wobei das erste Wellenlängenkonversionselement dazu ausgelegt ist, Anregungsstrahlung in Licht mit einem ersten Spektrum und einer ersten Dominanzwellenlänge zu konvertieren, und wobei das zweite Wellenlängenkonversionselement dazu ausgelegt ist, Anregungsstrahlung in Licht mit einem zweiten Spektrum und einer zweiten Dominanzwellenlänge zu konvertieren, wobei die zweiten Dominanzwellenlänge (λ_D2) länger ist als die erste Dominanzwellenlänge (λ_D1), dadurch gekennzeichnet, dass die Beleuchtungsvorrichtung weiterhin mindestens ein Bandstoppfilter umfasst, das derart angeordnet ist, dass von dem ersten Wellenlängenkonversionselement und dem zweiten Wellenlängenkonversionselement emittiertes Licht zumindest zum Teil und zumindest mittelbar auf den Bandstoppfilter einstrahlbar ist, wobei das Bandstoppfilter dazu ausgelegt ist, das von den Wellenlängenkonversionselementen emittierte und auf das Bandstoppfilter eingestrahlte Konversionslicht derart zu filtern, dass die erste Dominanzwellenlänge verkürzt und die zweite Dominanzwellenlänge verlängert wird.
Besonders vorteilhafte Ausgestaltungen finden sich in den abhängigen Ansprüchen.
Außerdem wird die Aufgabe hinsichtlich ihrer Aspekte zum Erzeugen von Licht gelöst durch ein Verfahren mit den Merkmalen des darauf gerichteten unabhängigen Verfahrensanspruchs. Schließlich wird die Aufgabe hinsichtlich ihrer Aspekte zum Bereitstellen eines Bandstoppfilters gelöst durch ein Verfahren mit den Merkmalen des darauf gerichteten unabhängigen Verfahrensanspruchs.
Die im Folgenden für die erfindungsgemäße Beleuchtungsvorrichtung und deren Ausgestaltungsmöglichkeiten beschriebenen Merkmale und deren Vorteile gelten, soweit anwendbar, in analoger Weise auch für das erfindungsgemäße Verfahren zur Lichterzeugung bzw. Bereitstellung eines Bandstoppfilters und umgekehrt.
Der Grundgedanke der vorliegenden Erfindung besteht darin, den mit Hilfe einer Wellenlängenkonversionsanordnung adressierbaren Farbraum mit Hilfe eines statischen Filters zu vergrößern, in dem von zwei mittels Leuchtstoffkonversion realisierten Farbkanälen die kürzere Dominanzwellenlänge verkürzt und die längere Dominanzwellenlänge verlängert wird. Dazu ist erfindungsgemäß ein optisches Bandstoppfilter, auch Bandsperr- oder Kerbfilter genannt (engl. notch filter), vorgesehen.
Ein Bandstoppfilter weist zumindest ein „Stoppband” mit starker Dämpfung, idealerweise verschwindend geringer Transmission, und beidseitig vom Stoppband hoher, idealerweise 100% Transmission. Die Sperrwirkung kann mittels Absorption oder Reflexion realisiert sein. Ein Bandstoppfilter wird üblicherweise durch eine Spitzenwellenlänge (auch Zentrums- oder Mittenwellenlänge genannt) charakterisiert, die in der Mitte des Stoppbands liegt. Als Filterbreite wird üblicherweise der Wellenlängenbereich definiert, bei dem beidseits der Mittenwellenlänge die Transmission auf 50% der Maximaltransmission abfällt (FWHM = Full Width at Half Maximum). Bandstoppfilter haben typischerweise eine Filterbreite von 10 nm bis einige 10 nm.
Erfindungsgemäß wird die Spitzenwellenlänge des Bandstoppfilters so gewählt, dass sie zwischen den Dominanzwellenlängen der beiden Farbkanäle liegt, wobei die beiden Farbkanäle durch zwei geeignete Wellenlängenkonversionselemente ausgebildet sind.
In einer bevorzugten Ausführungsform ist eines der beiden Wellenlängenkonversionselemente derart ausgebildet, dass seine Dominanzwellenlänge in einem grünen oder zumindest gelbgrünen Spektralbereich liegt. Dieses Wellenlängenkonversionselement weist also einen Grün- bzw. Grüngelbleuchtstoff auf. Das andere Wellenlängenkonversionselement ist vorzugsweise derart ausgebildet, dass seine Dominanzwellenlänge in einem roten oder gelbroten Spektralbereich liegt. Dieses Wellenlängenkonversionselement weist also einen Rot- bzw. Gelbrotleuchtstoff auf. Das Bandstoppfilter ist in diesem Fall derart ausgebildet, dass es einen gelben Spektralbereich sperrt. Die Spitzenwellenlänge des Bandstoppfilters liegt also vorzugsweise im Bereich zwischen 555 und 605 nm, insbesondere zwischen 565 und 585 nm. Die Filterbreite (FWHM) liegt vorzugsweise im Bereich zwischen 5 und 25 nm, insbesondere zwischen 10 und 20 nm.
Das erfindungsgemäße Bandstoppfilter kann, wie üblich, durch ein geeignetes Schichtendesign oder auch als Rugatefilter, also mittels kontinuierlicher Modulation des Brechungsindex, realisiert sein.
Zumindest während der Filterung ist das Bandstoppfilter statisch im Lichtpfad des von den Wellenlängenkonversionselementen konvertierten Lichts angeordnet. Es kann also beispielsweise auf einem starren Träger angeordnet oder auch auf einer Fläche eines der anderen optischen Elemente, beispielsweise einer Strahlformungslinse, aufgebracht sein. Gleichwohl kann das Bandstoppfilter aber auch für die Filterung in den Lichtpfad einschwenkbar sein. Ebenso können zwei oder mehr verschiedene Bandstoppfilter auf einer drehbaren Vorrichtung angeordnet sein derart, dass sich wahlweise eines der beiden bzw. mehreren Bandstoppfilter in den Lichtpfad hineindrehen lassen. Auf diese Weise kann die Filterwirkung, beispielsweise während des Betriebs der Vorrichtung, auf verschiedene Bedürfnisse angepasst werden.
Die Wellenlängenkonversionsanordnung ist vorzugsweise als Leuchtstoffrad ausgebildet, welches um eine Drehachse des Leuchtstoffrads drehbar ist. Das erste Wellenlängenkonversionselement ist zumindest in einem Segment eines ringförmigen um die Drehachse des Leuchtstoffrads verlaufenden Bereichs des Leuchtstoffrads angeordnet. Das zweite Wellenlängenkonversionselement ist zumindest in einem zweiten Segment eines ringförmig um die Drehachse des Leuchtstoffrads verlaufenden Bereichs angeordnet.
Darüber hinaus können auch noch ein oder mehrere weitere Wellenlängenkonversionselemente auf dem Leuchtstoffrad angeordnet sein. Das bzw. ein weiteres Wellenlängenkonversionselemente kann beispielsweise einen Gelbleuchtstoff, d.h. einem Leuchtstoff mit einer Dominanzwellenlänge im gelben Spektralbereich, aufweisen oder auch einen anderen Leuchtstoff.
Außerdem kann das Leuchtstoffrad in zumindest einem dritten bzw. weiteren Segment eines ringförmig um die Drehachse verlaufenden Bereichs einen für die Anregungsstrahlung durchlässigen Bereich aufweisen.
Die erwähnten ringförmig um die Drehachse verlaufenden Bereiche können für die einzelnen Segmente identisch sein, d.h. alle Segmente sind auf ein und dem selben ringförmig um die Drehachse verlaufenden Bereich angeordnet. Alternativ kann zumindest ein weiteres Segment auf einem zusätzlichen ringförmig um die Drehachse verlaufenden Bereich angeordnet sein, wobei die ringförmig um die Drehachse verlaufenden Bereiche zueinander konzentrisch angeordnet sind.
Dabei ist die Beleuchtungsvorrichtung derart ausgestaltet, dass die von der Anregungsstrahlungsquelle abgestrahlte Anregungsstrahlung zumindest mittelbar bei einer Drehung des Leuchtstoffrads auf jedes Segment des ringförmig um die Drehachse verlaufenden Bereichs bzw. Bereiche des Leuchtstoffrads sequentiell einstrahlbar ist.
Die durch den durchlässigen Bereich transmittierte Anregungsstrahlung kann über Umlenkspiegel auf einen im Lichtpfad des von den Wellenlängenkonversionselementen konvertierten Lichts angeordneten dichroitischen Spiegel zurück- und mit dem konvertierten Licht zusammengeführt werden. Für weitere Details hierzu wird auf das Ausführungsbeispiel verwiesen.
Das statische Bandstoppfilter kann vor oder nach dem dichroitischen Spiegel angeordnet sein. In jedem Fall ist es nach dem Leuchtstoffrad im Lichtpfad der rotierenden Wellenlängenkonversionselemente angeordnet. Damit wirkt es entsprechend seiner Filtercharakteristik zeitlich sequentiell auf das Konversionslicht aller Wellenlängenkonversionselemente.
Das erfindungsgemäße Verfahren zum Erzeugen von Licht mittels einer Wellenlängenkonversionsanordnung, welche mindestens zwei Wellenlängenkonversionselemente aufweist, umfasst folgende Verfahrensschritte:

– Bereitstellen eines ersten Wellenlängenkonversionselements, welches bei einer Absorption von Anregungsstrahlung diese in Licht mit einem ersten Spektrum und einer ersten Dominanzwellenlänge (λ_D1) konvertiert,
– Bereitstellen eines zweiten Wellenlängenkonversionselements, welches bei einer Absorption von Anregungsstrahlung diese in Licht mit einem zweiten Spektrum und einer zweiten Dominanzwellenlänge (λ_D1) konvertiert, wobei die erste Dominanzwellenlänge (λ_D1) kürzer ist als die zweite Dominanzwellenlänge (λ_D2),
– Einstrahlen von Anregungsstrahlung auf das erste Wellenlängenkonversionselement,
– Einstrahlen von Anregungsstrahlung auf das zweite Wellenlängenkonversionselement,
– Bereitstellen eines statischen Bandstoppfilters, mit dem das von den Wellenlängenkonversionselementen konvertierte Licht derart gefiltert wird, dass die erste Dominanzwellenlänge (λ_D1) verkürzt und die zweite Dominanzwellenlänge (λ_D2) verlängert wird.

Die Wellenlängenkonversion mit Hilfe des ersten Wellenlängenkonversionselements und des zweiten Wellenlängenkonversionselements kann insbesondere zeitlich sequentiell erfolgen, beispielsweise indem die Wellenlängenkonversionselemente auf einem drehbaren Leuchtstoffrad angeordnet sind.
In einem weiteren Verfahrensschritt kann das mit Hilfe des ersten Wellenlängenkonversionselements konvertierte Licht mit dem mit Hilfe des zweiten Wellenlängenkonversionselements konvertierte Licht zusammengeführt und gemischt werden. Die Lichtmischung kann vor oder auch nach der Filterung durchgeführt werden und resultiert, gegebenenfalls zeitlich sequentiell betrachtet, in Mischlicht.
Das erfindungsgemäße Bereitstellen des Bandstoppfilters umfasst folgenden Verfahrensschritt:

– Auswählen der Spitzenwellenlänge und der Filterbreite (FWHM) des Bandstoppfilters derart, dass durch das Bandstoppfilter die Dominanzwellenlänge des Lichts mit dem ersten Spektrum verkleinert und die Dominanzwellenlänge des Lichts mit dem zweiten Spektrum vergrößert wird.

Insbesondere wird die Spitzenwellenlänge des Bandstoppfilters so gewählt, dass sie zwischen der ersten und zweiten Dominanzwellenlänge des jeweiligen ungefilterten wellenlängenkonvertierten Lichts mit dem ersten bzw. zweiten Spektrum liegt.
Je nach Anwendungsfall kann es vorteilhaft sein, beim Auswählen der geeigneten Spitzenwellenlänge und Filterbreite des Bandstoppfilters zu berücksichtigen, dass durch das Bandstoppfilter der Gesamtlichtstrom des wellenlängenkonvertierten Lichts mit dem ersten Spektrum und des wellenlängenkonvertierten Lichts mit dem zweiten Spektrum auf nicht weniger als 75%, insbesondere nicht weniger als 80% verringert wird.
Je nach Anwendungsfall kann es auch vorteilhaft sein, beim Auswählen der geeigneten Spitzenwellenlänge und Filterbreite des Bandstoppfilters zu berücksichtigen, dass die korrelierte Farbtemperatur (CCT) des Mischlichts, das aus dem wellenlängenkonvertierten Licht mit dem ersten Spektrum und dem wellenlängenkonvertierten Licht mit dem zweiten Spektrum und gegebenenfalls einem oder mehrerer weiterer Farblichtanteile gemischt wird, gegenüber dem ungefilterten Mischlicht erhöht wird.
Die für den jeweiligen Anwendungsfall zu bevorzugenden konkreten Werte für die Spitzenwellenlänge und die Filterbreite des Bandstoppfilters hängen unter anderem von den verwendeten Leuchtstoffen ab und lassen sich durch einige orientierende Messungen, etwa wie nachfolgend anhand der Messwerte in den 6 bis 12 gezeigt, ermitteln.
Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus den Ansprüchen, der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsformen sowie anhand der Zeichnungen.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Im Folgenden soll die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen näher erläutert werden. Die Figuren zeigen:
1 ein Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Beleuchtungsvorrichtung mit gelbem Bandstoppfilter,
2 das in der Beleuchtungsvorrichtung gemäß 1 verwendete Leuchtstoffrad,
3 den Einfluss des gelben Bandstoppfilters auf den Farbort des grünen Farbkanals der Beleuchtungsvorrichtung gemäß 1,
4 den Einfluss des gelben Bandstoppfilters auf den Farbort des roten Farbkanals der Beleuchtungsvorrichtung gemäß 1,
5a, b den Einfluss des gelben Bandstoppfilters auf das Emissionsspektrum des Rotleuchtstoffs des Leuchtstoffrads,
6 den Einfluss der Spitzenwellenlänge eines Bandstoppfilters auf den jeweiligen Lichtstrom der einzelnen Farbkanäle,
7 den Einfluss der Spitzenwellenlänge eines Bandstoppfilters auf den gesamten Lichtstrom,
8 den Einfluss der Spitzenwellenlänge eines Bandstoppfilters auf die Farbtemperatur und die Abweichung von der Planck-Kurve,
9 den Einfluss der Spitzenwellenlänge eines Bandstoppfilters auf die Dominanzwellenlänge des grünen bzw. roten Farbkanals,
10 den Einfluss der Filterbreite eines Bandstoppfilters auf die Dominanzwellenlänge des grünen bzw. roten Farbkanals,
11 den Einfluss der Filterbreite eines Bandstoppfilters auf den jeweiligen Lichtstrom der einzelnen Farbkanäle,
12 den Einfluss der Filterbreite eines Bandstoppfilters auf den gesamten Lichtstrom,
13 den Einfluss des gelben Bandstoppfilters auf das Emissionsspektrum eines Gelbleuchtstoffs.
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 umfasst dabei eine als Laserdioden-Array ausgebildete Anregungsstrahlungsquelle 2, welche eine Mehrzahl an Laserdioden 3 umfasst. Deren jeweilige Laserwellenlänge kann prinzipiell je nach Bedarf gleich oder unterschiedlich ausgelegt sein. Auch andere Strahlungsquellen wären denkbar, wie beispielsweise solche, die LASER, Superlumineszensdioden, LEDs, organische LEDs und dergleichen umfassen. Die Anregungsstrahlungsquelle 2 ist dazu ausgelegt, Anregungsstrahlung 4 im blauen oder ultravioletten Spektralbereich, bevorzugt im Bereich 440–470 nm, besonders bevorzugt bei ca. 450 nm, zu emittieren, da dies für die meisten Leuchtstoffe eine geeignete Anregungswellenlänge darstellt und zudem auch als blauer Farbkanal nutzbar ist. Über optische Elemente 5–11 wird das Licht dieser Laserdioden 4 auf eine Wellenlängenkonversionsanordnung gelenkt, die als Leuchtstoffrad 12 ausgebildet ist. Die beiden optischen Elemente 7 und 8 bilden ein verkleinerndes Teleskop. Darüber hinaus ist im Strahlengang der optischen Elemente 5–11 ein Diffusor 30 angeordnet, um durch Streuung der Anregungsstrahlung 4 ein aufgeweitetes Intensitätsprofil auf den Leuchtstoffen des Leuchtstoffrads 12 zu erzeugen.
Für die detailliertere Erläuterung des Aufbaus des Leuchtstoffrad 12 wird nun auch Bezug auf die 2 genommen. Das für den Reflexionsmodus ausgelegte Leuchtstoffrad 12 ist dabei drehbar um die Drehachse A ausgebildet und weist einen ringförmig um die Drehachse A verlaufenden, segmentierten Bereich 16 auf. Dabei ist jeweils in zwei Segmenten dieses Bereichs 16 ein als Grünleuchtstoff 18 und in zwei weiteren Segmenten dieses Bereichs 16 ein als Rotleuchtstoff 20 ausgebildetes Wellenlängenkonversionselement angeordnet. Weitere zwei Segmente des ringförmigen Bereichs 16 weisen keinen Leuchtstoff auf sondern sind mit einer Durchgangsöffnung 22 ausgebildet. Der in der oberen Durchgangsöffnung 22 dargestellte Kreis 24 soll hierbei schematisch die auf das Leuchtstoffrad 12 fokussierte Anregungsstrahlung 4 der Anregungsstrahlungsquelle 2 (vgl. 1) darstellen. Durch Drehung des Leuchtstoffrads 12 kann so jedes Segment des ringförmigen Bereichs mit der Anregungsstrahlung 2 sequentiell angestrahlt werden. Durch Anregung des Grünleuchtstoffs 18 mittels der Anregungsstrahlung 4 emittiert der Grünleuchtstoff 18 Licht mit einem Emissionsspektrum, das insbesondere eine Dominanzwellenlänge λ_DG im grünen Spektralbereich aufweist. Ebenso emittiert der Rotleuchtstoff 20 bei Anregung durch die Anregungsstrahlung 4 Licht mit einem Emissionsspektrum, das eine Dominanzwellenlänge λ_DR im roten Spektralbereich aufweist. Die Segmentgrößen des Leuchtstoffrads 12 können je nach gewünschtem Lichtstrom in den einzelnen Farbkanälen bzw. den gewünschten Lichtstromverhältnissen der verschieden farbigen Lichtströme zueinander je nach Anwendungsfall ausgestaltet sein.
Das vom Leuchtstoffrad 12 konvertierte und emittierte Licht wird von zwei Linsen 11, 10 gesammelt und kollimiert und passiert danach einen dichroitischen Spiegel 9, der dazu ausgelegt ist, Licht im blauen Spektralbereich zu reflektieren und Licht im nicht blauen Spektralbereich, d.h. Licht mit größeren Wellenlängen, zu transmittieren. Durch diese Auslegung dient der dichroitische Spiegel dem Zusammenführen des vom Leuchtstoffrad 12 konvertierten und emittierten Licht mit der durch die Durchgangsöffnungen 22 des Leuchtstoffrads 12 transmittierten Anregungsstrahlung 4. Zum Umlenken der transmittierten Anregungsstrahlung 4 sind drei Umlenkspiegel 13 vorgesehen, die im Strahlengang jeweils in einem Winkel von 45° zur einfallenden Anregungsstrahlung 4 angeordnet sind („Wrap-Around” Pfad der Anregungsstrahlung). In diesem Wrap-Around-Pfad ist noch ein weiterer Diffusor 31 angeordnet.
Die mittels des dichroitischen Spiegels 9 zusammengeführte Licht- bzw. Anregungsstrahlung wird mit Hilfe eines optischen Notch-Filters 14 (beispielsweise Fa. Thorlabs) gefiltert und gelangt über eine Fokussier-Linse 15 in einen optischen Integrator 17. Das Notch-Filter 14 hat eine Spitzenwellenlänge von 575 nm und eine Filterbreite (FWHM) von 15 nm.
3 zeigt den Einfluss des Notch-Filters 14 auf den grünen Farbkanal G, d.h. auf das vom Grünleuchtstoff 18 konvertierte und emittierte grüne Licht, anhand eines Ausschnitts aus der CIE-Norm-Farbtafel. Es handelt sich hier um einen mit Cer dotierten Granatleuchtstoff. Deutlich ist die Verschiebung des ursprünglichen Farborts G1 ohne Filterung in die gewünschte Richtung zum Farbort G2 mit Filterung erkennbar.
4 zeigt den entsprechenden Einfluss des Notch-Filters 14 auf den roten Farbkanal R, d.h. auf das vom Rotleuchtstoff 20 konvertierte und emittierte rote Licht. Es handelt sich hier um ein mit Europium dotierten nitridischen Leuchtstoff. Deutlich ist die Verschiebung des ursprünglichen Farborts R1 ohne Filterung in Richtung längerer Wellenlänge mit Filterung zum Farbort R2 erkennbar. Durch die Filterung verlängert sich die Dominanzwellenlänge λ_D des roten Farbkanals von 600,8 nm (ungefiltert) auf 604,5 nm. Im Gegenzug nimmt der Lichtstrom des roten Farbkanals durch die Filterung auf akzeptable 86% ab (ungefiltert = 100%). Die 5a, b zeigen in schematischer Darstellung das ungefilterte bzw. gefilterte Emissionsspektrum des Rotleuchtstoffs 20. Die Y-Achse entspricht der spektralen Leistungsdichte in beliebigen Einheiten. Auf der X-Achse ist die Wellenlänge in Nanometer (nm) aufgetragen.
6 zeigt den Einfluss der Spitzenwellenlänge λ_F (X-Achse) eines Notch-Filters auf den jeweiligen Lichtstrom (Φ) der einzelnen Farbkanäle. Die Filterbreite ist hier mit 15 nm (FWHM) konstant. Der Lichtstrom des blauen Farbkanals B, der durch die Anregungsstrahlung 4, d.h. die blaue Laserstrahlung, ausgebildet ist, wird im dargestellten Bereich der variierten Spitzenwellenlänge im Bereich zwischen 555 nm und 605 nm nicht beeinflusst und deshalb mit 100% angesetzt. Im betrachteten Bereich nimmt der Lichtstrom des roten Farbkanals R mit zunehmender Spitzenwellenlänge λ_F des Notch-Filters ab. Mit dem Lichtstrom des grünen Farbkanals G verhält es sich genau umgekehrt. Bei einer Spitzenwellenlänge von ca. 575 nm sind die Lichtströme des roten und grünen Farbkanals ungefähr gleich, nämlich jeweils ca. 85%.
7 zeigt den Einfluss der Spitzenwellenlänge λ_F (X-Achse) eines Notch-Filters (15 nm FWHM) auf den gesamten Lichtstrom (Φ) sowie auf die Größe des mittels der Farblichtanteile adressierbaren Farbraums R. Markiert sind die entsprechenden Werte für das in 1 verwendete Notch-Filter 14 mit einer Spitzenwellenlänge von 575 nm, bei dem die Lichtströme des roten und grünen Farbkanals ungefähr gleich groß sind, wie in der Beschreibung zu 6 bereits erwähnt. Damit resultiert – wie gewünscht – eine Vergrößerung des Farbraums um ca. 12,6% sowie ein akzeptabler Gesamtlichtstrom von ca. 87%.
8 zeigt den Einfluss der Spitzenwellenlänge λ_F (X-Achse) eines Notch-Filters (15 nm FWHM) auf die Farbtemperatur CCT und die Abweichung von der Planck-Kurve in (uv) der CIExy-1976-Normfarbtafel. Markiert sind wieder die entsprechenden Werte bei Verwendung des in 1 verwendete Notch-Filters 14 mit einer Spitzenwellenlänge von 575 nm. Damit resultiert eine Erhöhung der Farbtemperatur von 6500K auf 7660K und eine Abweichung von der Planck-Kurve von (uv) = 0,0018 (ungefiltert 0,0029). (uv) bezeichnet den geometrischen Abstand des ermittelten Farbortes von der Planck-Kurve mit derselben korrelierten Farbtemperatur, also die Länge der Isotherme zwischen Weißpunkt und Planck-Kurve.
9 zeigt den Einfluss der Spitzenwellenlänge λ_F (X-Achse) eines Notch-Filters (15 nm FWHM) auf die Dominanzwellenlänge λ_DG des grünen Farbkanals (rechte Y-Achse) und die Dominanzwellenlänge λ_DR des roten Farbkanals (linke Y-Achse). Markiert sind auch hier wieder die entsprechenden Werte für das in 1 verwendete Notch-Filter 14 mit einer Spitzenwellenlänge von 575 nm. Damit resultiert – wie angestrebt – eine Verringerung der Dominanzwellenlänge λ_DG im grünen Farbkanal auf 550,7nm (von ungefiltert 555,1nm) bzw. eine Vergrößerung der Dominanzwellenlänge λ_DR im roten Farbkanal auf 604,5nm (von ungefiltert 600,8nm).
10 zeigt den Einfluss der Filterbreite FWHM (X-Achse) eines Notch-Filters (Spitzenwellenlänge λ_F = 575 nm) auf die Dominanzwellenlänge λ_DG des grünen Farbkanals (rechte Y-Achse) und die Dominanzwellenlänge λ_DR des roten Farbkanals (linke Y-Achse). Die entsprechenden Werte bei Verwendung des in 1 verwendeten Notch-Filters 14 mit einer Filterbreite von 15 nm (markiert) entsprechen insofern den bereits bei der Beschreibung der 9 angegebenen Werten.
11 zeigt den Einfluss der Filterbreite FWHM (X-Achse) eines Notch-Filters (Spitzenwellenlänge λ_F = 575 nm) auf den jeweiligen Lichtstrom in den einzelnen Farbkanälen. Erwartungsgemäß nimmt der Lichtstrom sowohl des grünen Farbkanals G als auch des roten Farbkanals R mit zunehmender Filterbreite ab, wohingegen der blaue Farbkanal im dargestellten Bereich unbeeinflusst bleibt. Folglich zeigt auch der in 12 dargestellte Gesamtlichtstrom das gleiche Verhalten wie der grüne bzw. rote Farbkanal. Die Markierung hebt wieder den Wert für das in 1 verwendete Notch-Filter heraus.
Zusammengefasst werden mit dem statischen Notch-Filter 14, das eine Spitzenwellenlänge von 575 nm und eine Filterbreite von 15 nm FWHM hat, folgende vorteilhafte Ergebnisse erzielt:

– Verringerung der Dominanzwellenlänge im grünen Farbkanal von 555,1 nm auf 550,7 nm,
– Vergrößerung der Dominanzwellenlänge im roten Farbkanal von 600,8 nm auf 604,5 nm,
– Vergrößerung des adressierbaren Farbraumes auf 112,6%, dies entspricht 106,2% der Fläche des Rec. 709 Farbraumes (ohne Filter 94,3% von Rec. 709),
– Erhöhung der Farbtemperatur von 6500K auf 7660K. Im Vergleich dazu sind folgende Nachteile akzeptabel:
– Verringerung des Lichtstromes im grünen Farbkanal auf 87%,
– Verringerung des Lichtstromes im roten Farbkanal auf 86%,
– Verringerung des Gesamtlichtstromes auf 87%.

Das vorstehend erläuterte Ausführungsbeispiel geht von drei primären Lichtfarben aus, nämlich rot, grün und blau (RGB). Die Erfindung ist aber nicht auf diese drei primären Lichtfarben beschränkt. Ihre vorteilhaften Wirkungen werden vielmehr auch mit mehr als drei, beispielsweise vier primären Lichtfarben, insbesondere rot, grün, blau und gelb (RGBY) erzielt. Die 13a, b zeigen in schematischer Darstellung das ungefilterte bzw. gefilterte Emissionsspektrum eines Gelbleuchtstoffs. Hierbei handelt es sich um einen Cer dotierten Granatleuchtstoff. Die Y-Achse entspricht jeweils der spektralen Leistungsdichte in beliebigen Einheiten. Auf der X-Achse ist jeweils die Wellenlänge in Nanometer (nm) aufgetragen. Das verwendete Notch-Filter hat wieder eine Filterbreite von 15 nm. Die Spitzenwellenlänge ist auf 570 nm angepasst, um die Dominanzwellenlänge λ_DY des gelben Farbkanals durch die Filterung möglichst beizubehalten. Die Dominanzwellenlänge λ_DY beträgt nach der Filterung 568,1 nm, ungefiltert 568,4 nm. Der Lichtstrom des gelben Farbkanals nimmt durch die Filterung auf 82% (ungefiltert 100%) ab.
Wie die vorstehenden Ergebnisse zeigen, lässt sich mit Hilfe einiger Messungen ein für die jeweilige Zielvorgabe geeignetes Bandstoppfilter auslegen und bereitstellen.
Für die in 1 schematisch dargestellte Beleuchtungsvorrichtung sind zahlreiche Modifikationen möglich, ohne den Schutzbereich der Erfindung zu verlassen. Beispielweise kann das Leuchtstoffrad statt im Reflexions- auch im Transmissionsmodus betrieben werden. Entsprechend kann das Bandstoppfilter statt – wie gezeigt – in Transmission auch in Reflexion ausgelegt sein. Außerdem kann z.B. der dichroitische Spiegel auch transmittierend für die Anregungsstrahlung und reflektierend für das konvertierte Licht ausgelegt sein, wobei in diesem Fall lediglich die Positionen von Anregungsstrahlungsquelle und optischem Ausgang bzw. Integrator zu tauschen sind. Ferner kann das Notch-Filter zwischen dem Leuchtstoffrad und dem dichroitischen Spiegel oder nach dem dichroitischen Spiegel im Konversionslichtpfad angeordnet sein.
Die Erfindung schlägt eine Beleuchtungsvorrichtung mit einer Wellenlängenkonversionsanordnung und einem statischen Bandstoppfilter vor. Die Wellenlängenkonversionsanordnung weist zwei Wellenlängenkonversionselemente auf, die mittels von einer Anregungsquelle abgestrahlter Anregungsstrahlung zur Emission von Konversionslicht anregbar sind. Um den mit den beiden Wellenlängenkonversionselementen adressierbaren Farbraum zu vergrößern, wird mit Hilfe des Bandstoppfilters die kürzere Dominanzwellenlänge des Konversionslichts beider Wellenlängenkonversionselemente verkürzt und die längere Dominanzwellenlänge verlängert. Zu diesem Zweck wird die Spitzenwellenlänge des Bandstoppfilters so gewählt, dass sie zwischen den beiden Dominanzwellenlängen des von den beiden Wellenlängenkonversionselementen emittierten Konversionslichts liegt. Durch die Verwendung eines so ausgelegten statischen Bandstoppfilters kann auf separate Filterelemente für jedes Wellenlängenkonversionselement verzichtet werden. Wenn die Wellenlängenkonversionsanordnung als Leuchtstoffrad ausgebildet ist, kann insbesondere auf ein mit dem Leuchtstoffrad zu synchronisierendes separates Filterrad verzichtet werden.
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 2009/0116114 A1 [0005]
US 2010/0156958 A1 [0006]
US 20120274908 A1 [0007]
US 2013/062637 A1 [0008]
CN 102385233 A [0010]

Claims

Beleuchtungsvorrichtung (1) zur Erzeugung von Licht mittels einer Wellenlängenkonversionsanordnung (12, 18, 20), umfassend – eine Anregungsstrahlungsquelle (2), welche dazu ausgelegt ist, Anregungsstrahlung (4) auszusenden, – eine Wellenlängenkonversionsanordnung (12, 18, 20), die mindestens ein erstes Wellenlängenkonversionselement (18) und ein zweites Wellenlängenkonversionselement (20) umfasst, welche Wellenlängenkonversionsanordnung derart angeordnet ist, dass von der Anregungsstrahlungsquelle (2) ausgesendete Anregungsstrahlung (4) zumindest mittelbar auf das erste Wellenlängenkonversionselement (18) und auf das zweite Wellenlängenkonversionselement (20) einstrahlbar ist, wobei das erste Wellenlängenkonversionselement (18) dazu ausgelegt ist, Anregungsstrahlung (4) in Licht mit einem ersten Spektrum und einer ersten Dominanzwellenlänge (λ_D1) zu konvertieren, und wobei das zweite Wellenlängenkonversionselement (20) dazu ausgelegt ist, Anregungsstrahlung (4) in Licht mit einem zweiten Spektrum und einer zweiten Dominanzwellenlänge (λ_D2) zu konvertieren, wobei die zweiten Dominanzwellenlänge (λ_D2) länger ist als die erste Dominanzwellenlänge (λ_D1), dadurch gekennzeichnet, dass die Beleuchtungsvorrichtung (1) weiterhin mindestens ein Bandstoppfilter (14) umfasst, das derart angeordnet ist, dass von dem ersten Wellenlängenkonversionselement (18) und dem zweiten Wellenlängenkonversionselement (20) emittiertes Licht zumindest zum Teil und zumindest mittelbar auf das Bandstoppfilter (14) einstrahlbar ist, wobei das Bandstoppfilter (14) dazu ausgelegt ist, das von den Wellenlängenkonversionselementen (18; 20) emittierte und auf das Bandstoppfilter (14) eingestrahlte Licht derart zu filtern, dass die erste Dominanzwellenlänge (λ_D1) verkürzt und die zweite Dominanzwellenlänge (λ_D2) verlängert wird.
Beleuchtungsvorrichtung (1) nach Anspruch 1, wobei das erste Wellenlängenkonversionselement (18) derart ausgebildet ist, dass die erste Dominanzwellenlänge (λ_D1) in einem grünen oder gelbgrünen Spektralbereich liegt.
Beleuchtungsvorrichtung (1) nach Anspruch 1 oder 2, wobei das zweite Wellenlängenkonversionselement (20) derart ausgebildet ist, dass die zweite Dominanzwellenlänge (λ_D2) in einem roten oder gelbroten Spektralbereich liegt.
Beleuchtungsvorrichtung (1) nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei das Bandstoppfilter (14) derart ausgebildet ist, dass es einen gelben Spektralbereich sperrt.
Beleuchtungsvorrichtung (1) nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei das Bandstoppfilter (14) eine Spitzenwellenlänge im Bereich zwischen 555 und 605 nm, insbesondere zwischen 565 und 585 nm hat.
Beleuchtungsvorrichtung (1) nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei das Bandstoppfilter (14) eine FWHM-Filterbreite im Bereich zwischen 5 und 25 nm, insbesondere zwischen 10 und 20 nm hat.
Beleuchtungsvorrichtung (1) nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei das Bandstoppfilter (14) als statisches Filter ausgebildet ist.
Beleuchtungsvorrichtung (1) nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei die Wellenlängenkonversionsanordnung als Leuchtstoffrad (12) ausgebildet ist, welches um eine Drehachse (A) des Leuchtstoffrads (12) drehbar ist, wobei das erste Wellenlängenkonversionselement (18) zumindest in einem Segment eines ringförmigen um die Drehachse des Leuchtstoffrads (12) verlaufenden Bereichs (16) des Leuchtstoffrads (12) angeordnet ist, und wobei das zweite Wellenlängenkonversionselement (20) zumindest in einem zweiten Segment des oder eines weiteren ringförmig um die Drehachse des Leuchtstoffrads (12) verlaufenden Bereichs (16) angeordnet ist.
Beleuchtungsvorrichtung (1) nach Anspruch 8, wobei das Leuchtstoffrad (12) in zumindest einem dritten Segment des oder eines weiteren ringförmig um die Drehachse verlaufenden Bereichs (16) einen für die Anregungsstrahlung durchlässigen Bereich (22) aufweist.
Beleuchtungsvorrichtung (1) nach Anspruch 8 oder 9, wobei die Beleuchtungsvorrichtung (1) derart ausgestaltet ist, dass von der Anregungsstrahlungsquelle (2) abgestrahlte Anregungsstrahlung (4) zumindest mittelbar bei einer Drehung des Leuchtstoffrads (12) auf jedes Segment des ringförmig um die Drehachse (A) verlaufenden Bereichs (16) des Leuchtstoffrads (12) sequentiell einstrahlbar ist.
Verfahren zum Erzeugen von Licht mittels einer Wellenlängenkonversionsanordnung (12, 18, 20), welche mindestens zwei Wellenlängenkonversionselemente umfasst, mit den folgenden Verfahrensschritten: – Bereitstellen eines ersten Wellenlängenkonversionselements (18), welches bei einer Absorption von Anregungsstrahlung (4) diese in Licht mit einem ersten Spektrum und einer ersten Dominanzwellenlänge (λ_D1) konvertiert, – Bereitstellen eines zweiten Wellenlängenkonversionselements (20), welches bei einer Absorption von Anregungsstrahlung (4) diese in Licht mit einem zweiten Spektrum und einer zweiten Dominanzwellenlänge (λ_D2) konvertiert, wobei die erste Dominanzwellenlänge (λ_D1) kürzer ist als die zweite Dominanzwellenlänge (λ_D2), – Einstrahlen von Anregungsstrahlung (4) auf das erste Wellenlängenkonversionselement (18), – Einstrahlen von Anregungsstrahlung (4) und auf das zweite Wellenlängenkonversionselement (20), gekennzeichnet durch den weiteren Verfahrensschritt, – Bereitstellen eines Bandstoppfilters (14), mit dem das von den Wellenlängenkonversionselementen konvertierte Licht derart gefiltert wird, dass die erste Dominanzwellenlänge (λ_D1) verkürzt und die zweite Dominanzwellenlänge (λ_D2) verlängert wird.
Verfahren zum Bereitstellen eines Bandstoppfilters (14), zur Verwendung in einer Beleuchtungsvorrichtung (1) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 10, gekennzeichnet durch den folgenden Verfahrensschritt: – Auswählen der Spitzenwellenlänge und der Filterbreite (FWHM) des Bandstoppfilters (14) derart, dass durch das Bandstoppfilter die Dominanzwellenlänge (λ_D1) des wellenlängenkonvertierten Lichts mit dem ersten Spektrum verkleinert und die Dominanzwellenlänge (λ_D2) des wellenlängenkonvertierten Lichts mit dem zweiten Spektrum vergrößert wird.
Verfahren nach Anspruch 12 mit folgendem zusätzlichen Verfahrensschritt: – Auswählen der Spitzenwellenlänge und der Filterbreite (FWHM) des Bandstoppfilters (14) derart, dass durch das Bandstoppfilter der Gesamtlichtstrom des wellenlängenkonvertierten Lichts mit dem ersten Spektrum und des wellenlängenkonvertierten Lichts mit dem zweiten Spektrum auf nicht weniger als 75%, insbesondere nicht weniger als 80% verringert wird.
Verfahren nach Anspruch 12 oder 13 mit folgendem zusätzlichen Verfahrensschritt: – Auswählen der Spitzenwellenlänge des Bandstoppfilters (14) derart, dass durch das Bandstoppfilter die Farbtemperatur (CCT) des Mischlichts, das aus dem wellenlängenkonvertierten Licht mit dem ersten Spektrum und dem wellenlängenkonvertierten Licht mit dem zweiten Spektrum und gegebenenfalls einem oder mehrerer weiterer Farblichtanteile gemischt wird, gegenüber dem ungefilterten Mischlicht erhöht wird.