DE102014207664A1

DE102014207664A1 - Leuchtvorrichtung mit Lichterzeugungseinrichtung und Leuchtstoffkörper

Info

Publication number: DE102014207664A1
Application number: DE102014207664.1A
Authority: DE
Inventors: Martin Daniels
Original assignee: Osram GmbH
Current assignee: Coretronic Corp
Priority date: 2014-04-23
Filing date: 2014-04-23
Publication date: 2015-10-29
Also published as: US20150308636A1; US9611995B2

Abstract

Die Leuchtvorrichtung (1), weist mindestens eine Lichterzeugungseinrichtung (2, 3) zum Erzeugen mindestens eines polarisierten Primärlichtstrahls (P) und mindestens einen von der mindestens eine Lichterzeugungseinrichtung (2, 3) beabstandeten Leuchtstoffkörper (5), der von dem polarisierten Primärlichtstrahl (P) beleuchtbar ist, auf, wobei der mindestens eine polarisierte Primärlichtstrahl (P) unter einem Brewster-Winkel (αB) auf eine Oberfläche (V) des Leuchtstoffkörpers (5) auftrifft und in Bezug auf diese Oberfläche (V) p-polarisiert (pol) ist. Die Erfindung ist insbesondere anwendbar auf eine Leuchtvorrichtung für ein Fahrzeug, insbesondere Kraftfahrzeug, oder eine Bildprojektionsvorrichtung, z.B. einen sog. Beamer.

Description

Die Erfindung betrifft eine Leuchtvorrichtung, aufweisend mindestens eine Lichterzeugungseinrichtung zum Erzeugen mindestens eines polarisierten Primärlichtstrahls und aufweisend mindestens einen von der mindestens eine Lichterzeugungseinrichtung beabstandeten Leuchtstoffkörper, der von dem polarisierten Primärlichtstrahl beleuchtbar ist. Die Erfindung ist insbesondere anwendbar auf eine Leuchtvorrichtung für ein Fahrzeug, insbesondere Kraftfahrzeug, oder eine Bildprojektionsvorrichtung, z.B. einen sog. Beamer.
Bei einer Bestrahlung eines Leuchtstoffkörpers mit Primärlicht kann es aufgrund des zu Luft unterschiedlichen Brechungsindex‘ des Leuchtstoffkörpers zu einer teilweisen Reflexion der Primärstrahlung an der Leuchtstoffoberfläche kommen, die sich gemäß der fresnelschen Formeln berechnen lässt. Zur Unterdrückung dieser Fresnel-Reflexion mag eine Entspiegelungsschicht auf die Leuchtstoffoberfläche aufgebracht werden. Dies ist jedoch häufig unpraktisch, da z.B. das Material der Leuchtstoffoberfläche keine langlebige Aufbringung einer Entspiegelungsschicht erlaubt. Auch ist es bekannt, dass die Primärstrahlung zuerst durch einen transparenten Träger für den Leuchtstoffkörper und dann erst auf den Leuchtstoffkörper strahlt. Die dem Leuchtstoffkörper abgewandte Seite des Trägers mag dann mit einer Entspiegelungsschicht versehen sein. Hierbei ist es nachteilig, dass sich auch Fresnel-Reflexionen an der Grenzfläche zwischen Träger und Leuchtstoffkörper bilden können und zudem der Träger für die Primärstrahlung absorbierend wirken kann.
Es ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, die Nachteile des Standes der Technik zumindest teilweise zu überwinden. und insbesondere eine Möglichkeit zur besonders verlustarmen Einkopplung von Primärstrahlung in Leuchtvorrichtungen der betreffenden Art bereitzustellen.
Diese Aufgabe wird gemäß den Merkmalen der unabhängigen Ansprüche gelöst. Bevorzugte Ausführungsformen sind insbesondere den abhängigen Ansprüchen entnehmbar.
Die Aufgabe wird gelöst durch eine Leuchtvorrichtung, aufweisend mindestens eine Lichterzeugungseinrichtung zum Erzeugen mindestens eines polarisierten Primärlichtstrahls und mindestens einen von der mindestens eine Lichterzeugungseinrichtung beabstandeten Leuchtstoffkörper, der von dem polarisierten Lichtstrahl beleuchtbar ist, wobei der mindestens eine polarisierte Primärlichtstrahl unter einem Brewster-Winkel auf eine Oberfläche des Leuchtstoffkörpers auftrifft und in Bezug auf diese Oberfläche p-polarisiert ist.
Diese Leuchtvorrichtung weist den Vorteil auf, dass eine Fresnel-Reflexion besonders gering ist, z.B. im Vergleich zu einer (polarisationsunabhängigen) senkrechten Einstrahlung und zu einem in Bezug auf eine Einfallebene s-polarisierten Primärlichtstrahl. Insbesondere bei Leuchtvorrichtungen mit einem reflektiven Aufbau mag so ein zu einer Farbverfälschung des reflektierten Nutzlichts führender unerwünschter Primärlichtanteil gering gehalten werden. Die Anregung des Leuchtstoffkörpers durch den Primärlichtstrahl kann zudem weniger verlustreich erfolgen, da auch ohne Entspiegelung der Oberfläche des Leuchtstoffkörpers praktisch die gesamte Strahlungsleistung in den Leuchtstoffkörper eingekoppelt werden kann. Durch die nicht-senkrechte Einstrahlung des geeignet polarisierten Primärlichts unter dem Brewster-Winkel lässt sich zudem ohne weitere Hilfsmittel ein gestreckter(er) Leuchtfleck erzeugen, was beispielsweise für Projektionsanwendungen, die ein hohes Aspektverhältnis des zu erzeugenden Bilds von beispielsweise 4:3 oder 16:9 benötigen, vorteilhaft sein kann. Durch die Streckung des Lichtflecks kann zudem eine maximale Leistungsdichte des Primärlichtstrahls auf dem Leuchtstoffkörper verringert werden.
Der Leuchtstoffkörper weist mindestens einen Leuchtstoff auf, welcher dazu geeignet ist, einfallendes Primärlicht zumindest teilweise in Sekundärlicht unterschiedlicher Wellenlänge umzuwandeln oder zu konvertieren. Bei Vorliegen mehrerer Leuchtstoffe können diese Sekundärlicht von zueinander unterschiedlicher Wellenlänge erzeugen. Die Wellenlänge des Sekundärlichts mag länger sein (sog. „Down Conversion“) oder kürzer sein (sog. „Up Conversion“) als die Wellenlänge des Primärlichts. Beispielsweise mag blaues Primärlicht mittels eines Leuchtstoffs in grünes, gelbes, orangefarbenes oder rotes Sekundärlicht umgewandelt werden. Bei einer nur teilweisen Wellenlängenumwandlung oder Wellenlängenkonversion wird von dem Leuchtstoffkörper eine Mischung aus Sekundärlicht und nicht umgewandeltem Primärlicht abgestrahlt, die als Nutzlicht dienen kann. Beispielsweise mag weißes Nutzlicht aus einer Mischung aus blauem, nicht umgewandeltem Primärlicht und gelbem Sekundärlicht erzeugt werden. Jedoch ist auch eine Vollkonversion möglich, bei der das Primärlicht entweder nicht mehr oder zu einem nur vernachlässigbaren Anteil in dem Nutzlicht vorhanden ist. Ein Umwandlungsgrad hängt beispielsweise von einer Dicke und/oder einer Leuchtstoffkonzentration des Leuchtstoffs ab. Bei Vorliegen mehrerer Leuchtstoffe können aus dem Primärlicht Sekundärlichtanteile unterschiedlicher spektraler Zusammensetzung erzeugt werden, z.B. gelbes und rotes Sekundärlicht. Das rote Sekundärlicht mag beispielsweise dazu verwendet werden, dem Nutzlicht einen wärmeren Farbton zu geben, z.B. sog. „warm-weiß“. Bei Vorliegen mehrerer Leuchtstoffe mag mindestens ein Leuchtstoff dazu geeignet sein, Sekundärlicht nochmals wellenlängenumzuwandeln, z.B. grünes Sekundärlicht in rotes Sekundärlicht. Ein solches aus einem Sekundärlicht nochmals wellenlängenumgewandeltes Licht mag auch als „Tertiärlicht“ bezeichnet werden.
Unter einem p-polarisierten Primärlichtstrahl wird ein linear polarisierter Primärlichtstrahl verstanden, dessen Polarisationsrichtung in einer Einfallsebene liegt. Die Einfallsebene wird durch eine Strahlrichtung des auf den Leuchtstoffkörper einfallenden Primärlichtstrahls und die zugehörige Fresnel-Reflexion oder z.B. auch durch die Strahlrichtung des auf den Leuchtstoffkörper einfallenden Primärlichtstrahls und die zugehörige Normalenrichtung der Leuchtstoffoberfläche am Einfallsort aufgezogen. Unter einem s-polarisierten Primärlichtstrahl wird ein linear polarisierter Primärlichtstrahl verstanden, dessen Polarisationsrichtung senkrecht zu der oben beschriebenen Einfallsebene liegt.
Eine Lichterzeugungseinrichtung mag mindestens eine Lichtquelle aufweisen. Bei mehreren Lichtquellen können deren Primärlichtstrahlen zusammengeführt sein. Die Lichterzeugungseinrichtung mag auch eine oder mehrere optische Elemente aufweisen, z.B. zur Strahlformung des von der mindestens einen Lichtquelle erzeugten Primärlichtstrahls. Das mindestens eine optische Element mag z.B. mindestens einen Polarisator oder mindestens ein Polarisationsfilter aufweisen, beispielsweise falls der von der mindestens einen Lichtquelle emittierte Primärlichtstrahl noch nicht linear polarisiert ist, insbesondere noch nicht p-polarisiert ist.
Der Brewster-Winkel αB ist definiert als αB = arctan(n2/n1) mit n1 dem Brechungsindex von Luft und n2 dem Brechungsindex des Leuchtstoffkörpers. Typischerweise gilt n1 = 1, so dass der Brewster-Winkel dann auch als αB = arctan(n2) geschrieben werden kann. Jedoch kann statt Luft auch jedes andere geeignete Gas, Flüssigkeit oder transparenter Feststoff, zum Beispiel ein Saphirsubstrat, verwendet werden.
Der Brewster-Winkel αB wird insbesondere in Bezug auf die Oberfläche des Leuchtstoffkörpers am Leuchtfleck definiert, wobei die Ebene der Leuchtstoffkörpers selbst einen Mittelwert über eine mikrostrukturierte Oberfläche oder Oberflächenrauhigkeit darstellen kann.
Falls der Leuchtstoffkörper mittels mehrerer Primärlichtstrahlen bestrahlbar ist, mögen diese jeweils unter dem Brewster-Winkel αB einfallen. Sie können beispielsweise in einer Umfangsrichtung winkelversetzt angeordnet sein. Die Primärlichtstrahlen können also auch von verschiedenen Richtungen her unter dem gleichen Brewster-Winkel αB auf den Leuchtstoffkörper einstrahlen, beispielsweise in dem sie gemäß einer sphärischen Kugelschalenanordnung um den Leuchtstoffkörper herum angeordnet werden.
Der Leuchtstoffkörper kann gleichzeitig oder intermittierend reflektiv und/oder transmittiv angeregt werden. Dabei können Laserwellenlängen und die sich daraus ergebenden Brewster-Winkel αB gleich oder unterschiedlich sein.
Es ist eine Ausgestaltung, dass die mindestens eine Lichterzeugungseinrichtung mindestens eine Halbleiterlichtquelle aufweist. Diese weist typischerweise eine geringe Divergenz und eine hohe Strahlintensität auf.
Es ist eine Weiterbildung, dass die Halbleiterlichtquelle als ein Halbleiterlaser ausgebildet ist. Dieser weist eine besonders geringe Divergenz auf. Zudem ist ein von einem Halbleiterlaser emittierter Laserstrahl meist schon linear polarisiert, so dass dem Halbleiterlaser keine weitere polarisationsbeeinflussende Optik mehr nachgeschaltet zu werden braucht.
Der mindestens eine Halbleiterlaser mag insbesondere ein oder mehrere Laserdioden umfassen. Mehrere Laserdioden können z.B. als „Laserstack“ angeordnet sein.
Der mindestens eine Halbleiterlaser mag beispielsweise eine Vielzahl von in gleicher Richtung linear polarisierten Laserdioden umfassen, die z.B. matrixartig angeordnet sind und auf denselben Bereich des Leuchtstoffkörpers oder auf verschiedene Bereiche des Leuchtstoffkörpers einstrahlen. Die Laserdioden können die gleiche oder eine unterschiedliche Laserwellenlänge emittieren, wobei jede Laserdiode so auf den zu bestrahlenden Leuchtstoffbereich gerichtet sein kann, dass der Einfallswinkel dem zu der jeweiligen Laserwellenlänge gehörigen Brewster-Winkel entspricht.
Nichtkonvertiertes Primärlicht kann allgemein über eine geeignete polarisierende Reflexionsanordnung (Polarisations-Recycling) zumindest teilweise unter dem gleichen Brewster-Winkel wie der Brewster-Winkel beim ursprünglichen Einfall wieder in den Leuchtstoffkörper zurückreflektiert werden, was die Konversionsausbeute der Leuchtvorrichtung erhöht.
Es ist noch eine Ausgestaltung, dass der Leuchtstoffkörper aus Verbundmaterial mit einem lichtdurchlässigen, insbesondere transparenten, Matrixmaterial und Leuchtstoff als Füllstoff besteht. Mögliches Matrixmaterial umfasst beispielsweise Silikon oder Wasserglas. Deren Brechungsindex n2 liegt typischerweise in einem Bereich zwischen ca. 1,4 und ca. 1,9.
Der Brewster-Winkel αB mag dann insbesondere auf das Matrixmaterial abgestimmt sein. Bei einem Bereich des Brechungsindex n2 zwischen 1,4 und 1,9 entspricht dies folgenden Werten:

n2 αB

1,4 54,5°

1,5 56,3°

1,6 58,0°

1,7 59,5°

1,8 60,9°

1,9 62,2°
Es ist eine weitere Ausgestaltung, dass der Leuchtstoffkörper ein keramisches Leuchtstoffplättchen ist. Auch ein solches Leuchtstoffplättchen weist einen Bereich seines Brechungsindex n2 zwischen ca. 1,4 und ca. 1,9 auf.
Es ist eine weitere Ausgestaltung, dass ein Divergenzwinkel des mindestens einen polarisierten Primärlichtstrahls an einer Oberfläche des Leuchtstoffkörpers nicht mehr als 10°, insbesondere nicht mehr als 5°, insbesondere nicht mehr als 2°, insbesondere nicht mehr als 1°, beträgt. Dadurch kann eine Fresnel-Reflexion – auch unter Berücksichtigung weiterer realer Einflüsse wie einer nicht ideal glatten Oberfläche des Leuchtstoffkörpers – sehr gering gehalten werden. Denn der kleine Divergenzwinkel begrenzt Abweichungen des Primärlichtstrahls von dem Brewster-Winkel auf praktisch vernachlässigbare Größen. Der Divergenzwinkel entspricht insbesondere einem Winkel zwischen einer Strahlmitte, häufig entsprechend einer optischen Achse, und einem Strahlrand. Der Strahlrand mag beispielsweise derjenige Bereich eines Lichtstrahls sein, welcher eine Strahlungsintensität aufweist, die nur noch um einen Faktor 1/e (mit e der eulerschen Zahl) so groß ist wie eine maximale Strahlungsintensität dieses Lichtstrahls.
Es ist ferner eine Ausgestaltung, dass die mindestens eine Lichterzeugungseinrichtung und der mindestens eine Leuchtstoffkörper in einer reflektiven Anordnung vorliegen. Bei der reflektiven Anordnung wird das von dem Leuchtstoffkörper abgestrahlte Nutzlicht (wellenlängenumgewandeltes Sekundärlicht oder eine Mischung aus wellenlängenumgewandeltem Sekundärlicht und ohne Wellenlängenumwandlung gestreutem oder reflektiertem Primärlicht) an der gleichen Seite bzw. in den gleichen Halbraum abgestrahlt, an bzw. aus welcher auch das Primärlicht einfällt. Dazu mag an einer dem eingestrahlten Primärlicht abgewandten Seite des Leuchtstoffkörpers ein Reflektor vorhanden sein. Der Leuchtstoffkörper mag insbesondere auf dem Reflektor aufliegen. Der Reflektor mag z.B. als ein Träger für den Leuchtstoffkörper dienen, ggf. auch als ein Kühlkörper.
Es ist auch eine Ausgestaltung, dass die mindestens eine Lichterzeugungseinrichtung und der mindestens eine Leuchtstoffkörper in einer transmittiven Anordnung vorliegen. Bei der transmittiven Anordnung oder Durchlichtanordnung wird das von dem Leuchtstoffkörper abgestrahlte Nutzlicht an derjenigen Seite abgestrahlt, welcher der Seite, auf die das Primärlicht einfällt, entgegengesetzt ist. Falls der Leuchtstoffkörper auf einem Träger aufliegt, ist dieser zumindest teilweise lichtdurchlässig.
Es ist auch eine Ausgestaltung, dass in einem Primärlichtpfad zwischen der mindestens einen Lichterzeugungseinrichtung und dem mindestens einen Leuchtstoffkörper mindestens eine strahlumlenkende Optik, insbesondere Durchlichtoptik, vorhanden ist. Dadurch lässt sich ein besonders kompakter Aufbau erreichen. Beispielsweise kann so der Primärlichtstrahl zunächst weniger geneigt zu der Oberfläche des Leuchtstoffkörpers auf die strahlumlenkende Optik gestrahlt werden (ggf. sogar senkrecht zu der Oberfläche), um dann durch die Optik auf den Brewster-Winkel abgelenkt zu werden. Dies mag erst kurz vor dem Leuchtstoffkörper geschehen. Die strahlumlenkende Optik ermöglicht gleichzeitig eine effektive Strahleinsammlung des von dem Leuchtstoffkörper üblicherweise breitwinklig abgestrahlten Nutzlichts, insbesondere bei reflektiver Anordnung. Dazu verläuft ein Sekundärlichtpfad ebenfalls durch die mindestens eine Durchlichtoptik.
Eine besonders einfache Trennung von Primärlichtstrahl und Nutzlichtstrahl wird vorteilhafterweise erreicht, wenn der Primärlichtpfad zumindest zwischen der mindestens einen Durchlichtoptik und dem mindestens einen Leuchtstoffkörper im Querschnitt lokal begrenzt in dem Sekundärlichtpfad verläuft. Der Nutzlichtstrahl bzw. dessen Pfad ist also breiter als der Primärlichtstrahl bzw. dessen Pfad, und der Primärlichtstrahl verläuft nur in einem kleinen, lokal begrenzten Teil des Sekundärlichtstrahls. Dieser Aufbau ist aufgrund der überlappenden Lichtpfade besonders kompakt, und dennoch ist das Nutzlicht zum größten Teil räumlich von dem Primärlichtstrahl getrennt.
Es ist eine Weiterbildung, dass der Primärlichtstrahl außermittig in Bezug auf eine optische Achse der mindestens einen strahlumlenkenden Optik angeordnet ist. Dies ermöglicht auf besonders einfache Weise eine Trennung des hochgradig intensiven Primärlichtstrahls und eines üblicherweise senkrecht zu einer Oberfläche des Leuchtstoffkörpers ausgerichteten Winkelbereichs des Nutzlichts mit hoher Intensität.
Es ist außerdem eine Ausgestaltung, dass der mindestens eine polarisierte Primärlichtstrahl durch einen lichtdurchlässigen Teilbereich eines Reflektors auf einen in einem Brennfleck des Reflektors befindlichen Leuchtstoffkörpers strahlbar ist. Dadurch lässt sich ein besonders effektiver und baulich kompakter Aufbau erreichen, insbesondere zur Erzeugung einer Lichtprojektion in ein Fernfeld, z.B. für Bildprojektoren und Fahrzeugscheinwerfer. Die schräge Einstrahlung auf den Leuchtstoffkörper bewirkt, dass das besonders stark senkrecht wieder abgestrahlte Nutzlicht vollständig von dem Reflektor aufgefangen werden kann. Im Gegensatz dazu würde der intensivste Nutzlichtbereich bei senkrechter Einstrahlung des Primärlichtstrahls durch ein Durchtrittsfenster für den Primärlichtstrahl wieder nutzlos aus dem Reflektor austreten.
Der Reflektor mag allgemein mindestens ein Durchtrittsfenster zum Einstrahlen mindestens eines Primärlichtstrahls aufweisen.
Der Reflektor mag beispielsweise ein sphärischer Reflektor (d.h., ein Reflektor mit einer zumindest bereichsweise sphärisch geformten Reflexionsfläche) sein.
Es ist zudem eine Ausgestaltung, dass der Reflektor zwei voneinander beabstandete Brennflecke aufweist. Dies ermöglicht eine räumlich eng begrenzbare Lichtauskopplung. So mag der Leuchtfleck auf dem Leuchtstoffkörper sich an einem der beiden Brennflecken befinden, während sich an dem anderen Brennfleck beispielsweise eine Auskoppeloptik befinden mag.
Es ist noch eine Ausgestaltung, dass der Reflektor ein ellipsoider Reflektor ist. Eine mit einem solchen ellipsoiden Reflektor ausgestattete Leuchtvorrichtung mag insbesondere einen Leuchtstoffkörper in reflektiver Anordnung an einem der beiden Brennflecke des ellipsoiden Reflektors aufweisen. An dem anderen Brennfleck mag sich z.B. eine Auskoppeloptik befinden. Auch hier wird durch die schräge Einstrahlung des Primärlichtstrahls unter dem Brewster-Winkel ein besonders großer Anteil des von dem Leuchtstoffkörper abgestrahlten Nutzlichts von dem Reflektor aufgefangen.
Es ist zudem eine Ausgestaltung, dass die Leuchtvorrichtung zur Verwendung mit einem Fahrzeug vorgesehen ist, insbesondere ein Fahrzeugscheinwerfer ist. Das Fahrzeug mag beispielsweise ein wasser-, luft- oder landgestütztes Fahrzeug sein, z.B. ein Personenkraftfahrzeug, ein Lastkraftfahrzeug oder ein Motorrad. Der Fahrzeugscheinwerfer mag beispielsweise zur Erzeugung eines Abblend-, Fern-, Nebel-, Tagfahr-, und/oder Kurvenlichts vorgesehen sein.
Die oben beschriebenen Eigenschaften, Merkmale und Vorteile dieser Erfindung sowie die Art und Weise, wie diese erreicht werden, werden klarer und deutlicher verständlich im Zusammenhang mit der folgenden schematischen Beschreibung von Ausführungsbeispielen, die im Zusammenhang mit den Zeichnungen näher erläutert werden. Dabei können zur Übersichtlichkeit gleiche oder gleichwirkende Elemente mit gleichen Bezugszeichen versehen sein.
1 zeigt als Schnittdarstellung in Seitenansicht einen Grundaufbau einer erfindungsgemäßen Leuchtvorrichtung;
2 bis 4 zeigen in Draufsicht die Kontur mehrerer Leuchtflecke unter verschiedenen Brewster-Winkeln;
5 zeigt als Schnittdarstellung in Seitenansicht eine mögliche Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Leuchtvorrichtung mit reflektiver Anordnung;
6 zeigt als Schnittdarstellung in Seitenansicht eine weitere mögliche Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Leuchtvorrichtung mit transmittiver Anordnung; und
7 zeigt als Schnittdarstellung in Seitenansicht noch eine weitere mögliche Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Leuchtvorrichtung mit nun wieder reflektiver Anordnung.
1 zeigt als Schnittdarstellung in Seitenansicht einen Grundaufbau einer erfindungsgemäßen Leuchtvorrichtung 1. Die Leuchtvorrichtung 1 weist mindestens eine Leuchtvorrichtung in Form mindestens einer Laserdiode 2 auf. Die Laserdiode 2 sendet einen linear polarisierten Primärlichtstrahl P aus, wie durch die Polarisationsrichtung pol angedeutet. Zunächst wird ein Divergenzwinkel des von der mindestens einen Laserdiode 2 emittierten Primärlichtstrahls P mittels einer optionalen Primäroptik, z.B. einer Linse 3, verringert. In einer folgenden Optik 4, z.B. einer Linse, wird der dann vergleichsweise breite Primärlichtstrahl P auf eine Vorderseite V eines Leuchtstoffkörpers 5 fokussiert. Der Leuchtstoffkörper 5 mag beispielsweise als ein keramisches Plättchen oder als eine Schicht aus Leuchtstoff-Verbundmaterial vorliegen. Der Leuchtstoffkörper 5 wandelt den einfallenden Primärlichtstrahl P in Nutzlicht N um. Das Nutzlicht N mag vollständig aus wellenlängenumgewandeltem Sekundärlicht oder aus einer Mischung aus Sekundärlicht und nicht umgewandeltem Primärlicht bestehen. Beispielsweise mag das Nutzlicht N blau-gelbes bzw. weißes Mischlicht aus blauem Primärlicht und gelbem Sekundärlicht sein. Es mag alternativ rein grünes, rotes oder gelbes Sekundärlicht sein.
Der Leuchtstoffkörper 5 ist von der Laserdiode 2 beabstandet angeordnet, so dass die Leuchtvorrichtung 1 eine LARP(„Laser Activated Remote Phosphor“)-Vorrichtung darstellt.
Der Primärlichtstrahl P trifft unter einem Brewster-Winkel αB auf eine ebene Vorderseite V des Leuchtstoffkörpers 5 auf. Die von dem Primärlichtstrahl P beleuchtete Fläche des Leuchtstoffkörpers 5 wird im Folgenden als Leuchtfleck F bezeichnet. Die Fläche der Vorderseite des Leuchtstoffkörpers 5 mag z.B. einen Quadratmillimeter (1 mm²) aufweisen.
Der Brewster-Winkel αB ist als ein Winkel zwischen einer Flächennormalen n der Vorderseite V am Leuchtfleck F und einer hier horizontal eingezeichneten Einstrahlrichtung des Primärlichtstrahls P bzw. einem mittigen Hauptstrahl H des Primärlichtstrahl(bündel)s P definiert. Es sei in diesem Ausführungsbeispiel angenommen, dass der Leuchtstoffkörper 5 einen Brechungsindex von 1,8 aufweist, so dass der Brewster-Winkel αB = 60,95° beträgt.
Eine Form des Leuchtflecks F entspricht einer Projektion des Querschnitts des Primärlichtstrahls P an der Vorderseite V des Leuchtstoffkörpers 5. Die Form des Leuchtflecks F ist dadurch gegenüber dem Querschnitt des Primärlichtstrahls P gestreckt und zwar um einen Faktor 1/cos(αB). Der hier vorliegende Leuchtfleck F weist also bei runder Querschnittsform des Primärlichtstrahls P eine elliptische Form mit einer langen Hauptachse auf, welche um einen Faktor 2,06 länger ist als eine kurze Hauptachse.
2 zeigt einen Leuchtfleck F bei senkrechter Einstrahlung eines im Querschnitt kreisrunden Primärlichtstrahls P auf die ebene Oberfläche des Leuchtstoffkörpers 5. Der Leuchtfleck F ist ebenfalls kreisrund. 3 zeigt einen elliptischen Leuchtfleck F bei schräger Einstrahlung unter einem Brewster-Winkel αB von 54,5° (entsprechend einem Brechungsindex n2 des Leuchtstoffkörpers 5 von 1,4). Die (hier vertikal ausgerichtete) lange Hauptachse ist um einen Faktor 1,72 länger ist als die (hier horizontal ausgerichtete) kurze Hauptachse. 4 zeigt einen elliptischen Leuchtfleck F bei schräger Einstrahlung unter einem Brewster-Winkel αB von 62,2° (entsprechend einem Brechungsindex n2 des Leuchtstoffkörpers 5 von 1,9). Die lange Hauptachse ist um einen Faktor 2,14 länger als die kurze Hauptachse. Durch die Längsstreckung des Leuchtflecks F lässt sich ein Bildseiten- oder Aspektverhältnis des Nutzlichtstrahls N entsprechend einstellen. Dies mag z.B. für Bildprojektionen mit einem von Eins unterschiedlichen Aspektverhältnis des gewünschten Bilds vorteilhaft sein, z.B. falls das Bild ein Aspektverhältnis von 16:9, entsprechend 1,78, aufweisen soll.
Nun wieder Bezug nehmend auf 1 würde der Primärlichtstrahl P unter idealen Bedingungen (z.B. bei vollständig glatter Vorderseite V, genau konstantem Brechungsindex des Leuchtstoffkörpers 5 an seiner Vorderseite V, genau kollimiertem Primärlichtstrahl P) vollständig in den Leuchtstoffkörper 5 eintreten und es keinen fresnelschen Reflex Rf geben. Dies gilt jedoch nur für einen p-polarisierten Primärlichtstrahl P, dessen Polarisationsrichtung in einer Einfallsebene des Primärlichtstrahls P liegt. Diese Einfallsebene, welche in der gezeigten Darstellung der Bildebene entspricht, wird durch die Einstrahlrichtung des Primärstrahls P und durch die Flächennormale n am Leuchtfleck F aufgespannt.
Unter realen Bedingungen wird es jedoch zu geringen Abweichungen von den idealen Bedingungen kommen, z.B. durch eine Oberflächenrauhigkeit des Leuchtstoffkörpers 5 oder eine Divergenz des Primärlichtstrahls P. So mag unter realen Bedingungen nur der mittige Hauptstrahl H des Primärlichtstrahl(bündel)s P genau unter dem Brewster-Winkel αB auf die Vorderseite V auftreffen. Da der Primärlichtstrahl P nicht ideal kollimiert ist, sondern an der Vorderseite V des Leuchtstoffkörpers 5 einen (ggf. gezielt eingebrachten) Divergenzwinkel aufweist, treffen andere Teilstrahlen des Primärlichtstrahls P von dem Brewster-Winkel αB leicht abweichend auf die Vorderseite V auf. Unter einem Divergenzwinkel wird hier insbesondere der Winkel am Leuchtfleck F zwischen dem Hauptstrahl H und einem Teilstrahl am Rand R des Primärlichtstrahls P verstanden. Dabei kommt es grundsätzlich nicht darauf an, ob der Primärlichtstrahl P in Richtung des Leuchtstoffkörpers 5 zusammenläuft bzw. konvergiert oder auseinanderläuft bzw. divergiert. Dennoch lassen sich die unter realen Bedingungen auftretenden Fresnel-Reflexionen Rf sehr gering halten. Dazu mag es besonders vorteilhaft sein, wenn der Divergenzwinkel des Primärlichtstrahls P an der Vorderseite V einen Wert von (absolut) 2° nicht überschreitet, insbesondere von 1° nicht überschreitet. Unter sonst idealen Bedingungen wird bei einem Divergenzwinkel von 2° ein Anteil der Fresnel-Reflexionen Rf an der gesamten Strahlenergie von 0,1% oder weniger erreicht. Bei einer zu der p-Polarisation senkrechten s-Polarisation (in der gezeigten Darstellung senkrecht zu der Bildebene) beträgt der Anteil der Fresnel-Reflexionen Rf an der gesamten Strahlenergie bei ansonsten gleichen Bedingungen über 28%. Bei senkrechtem Einfall des Primärlichtstrahls P auf die Vorderseite V, bei welchem es nicht auf die Richtung der linearen Polarisation ankommt, werden an der Vorderseite V über 8% der Strahlenergie reflektiert. Selbst unter realen Bedingungen wird also durch eine Einstrahlung des Primärlichtstrahls P unter dem Brewster-Winkel eine erhebliche Verringerung des Strahlungsverlusts aufgrund der Unterdrückung der Reflexion an der Oberfläche des Leuchtstoffkörpers 5 ermöglicht.
Das Nutzlicht N weist eine zumindest annähernd Lambertsche Strahlungsverteilung senkrecht zu der Oberfläche auf, so dass eine höchste Strahlungsintensität des Nutzlichts N in einer Abstrahlrichtung parallel zu der Flächennormalen n am Leuchtfleck F auftritt. Der Primärlichtstrahl P und der Nutzlichtstrahl N sind trotz des kompakten und einfachen Aufbaus also weitgehend räumlich getrennt.
Bei einer reflektiven Anordnung wird das von der Leuchtvorrichtung 1 abgestrahlte Nutzlicht N an der Vorderseite V des Leuchtstoffkörpers 5 abgestrahlt, wie durch den dort angezeigten Pfeil angedeutet. Dazu mag an einer Rückseite B des Leuchtstoffkörpers 5 beispielsweise eine reflektierende Fläche vorhanden sein, die das an der Rückseite B austretende Licht wieder in den Leuchtstoffkörper 5 zurückwirft. Der Leuchtstoffkörper 5 mag beispielsweise an einem an der Rückseite B angeordneten reflektierenden Träger befestigt sein. Der Träger mag zur Kühlung des Leuchtstoffkörpers 5 beispielsweise aus Metall bestehen und als Kühlkörper ausgestaltet sein oder mit einem Kühlkörper verbunden sein.
Bei einer transmittiven Anordnung wird das von der Leuchtvorrichtung 1 abgestrahlte Nutzlicht N an der Rückseite B des Leuchtstoffkörpers 5 abgestrahlt, wie durch den dort angezeigten Pfeil angedeutet. Der Leuchtstoffkörper 5 mag dazu beispielsweise auf einem transparenten Träger angeordnet sein, z.B. auf einem Saphirplättchen. Das Saphirplättchen kann dabei auch effektiv als Wärmespreizelement dienen.
Das Nutzlicht N wird nach seiner Aussendung von dem Leuchtstoffkörper 5 insbesondere von mindestens einer nachgeschalteten Optik (z.B. umfassend mindestens eine Linse, mindestens einen Reflektor und/oder mindestens eine Blende, o. Abb.) weiter geformt, z.B. zur Aussendung in einem gewünschten Lichtabstrahlmuster in ein Fernfeld. Die nachgeschaltete Optik mag zur Erzeugung variabel einstellbarer Bildinhalte auf der Grundlage z.B. eines matrixartigen Aufbaus von Bildpunkten beispielsweise einen Bildgenerator umfassen.
5 zeigt eine mögliche Ausgestaltung der Leuchtvorrichtung 1 auf Grundlage eines reflektiven Aufbaus. Der Primärlichtstrahl P wird zunächst parallel zu einer Normalenrichtung n eingestrahlt, und zwar auf eine Umlenkoptik 4, die zwei hintereinander angeordnete Linsen 4a und 4b aufweist. Die optischen Achsen O der beiden Linsen 4a, 4b sind deckungsgleich zu der mittigen Flächennormalen n am Leuchtfleck F des Leuchtstoffkörpers 5. Der Primärlichtstrahl P verläuft hingegen seitlich zu den optischen Achsen O versetzt, was im Folgenden auch als „außermittig“ bezeichnet wird. Er wird durch die beiden Linsen 4a und 4b nach innen in Richtung der optischen Achsen O abgelenkt, so dass er unter dem Brewster-Winkel p-polarisiert auf die Vorderseite V des Leuchtstoffkörpers 5 trifft.
Das an der Vorderseite V des Leuchtstoffkörpers 5 wieder abgestrahlte Licht wird lambertsch abgestrahlt und damit symmetrisch zu der Flächennormalen n. Der Leuchtstoffkörper 5 ist rückseitig an einem Reflektor 7 angeordnet, welcher Reflektor 7 auch als Kühlkörper dienen kann oder mit einem Kühlkörper verbunden ist. Der Leuchtstoffkörper 5 kann von der Linse 4, 4b beabstandet oder direkt kontaktierend angeordnet sein.
Das Nutzlicht N weist seine höchste Intensität entlang der Normalenrichtung n auf. Das abgestrahlte Nutzlicht N wird durch die beiden Linsen 4a, 4b eingefangen und strahlgeformt. Die Linsen 4a und 4b stellen also sowohl eine Fokussierungsoptik für den Primärlichtstrahl P als auch eine Auskopplungsoptik für den Nutzlichtstrahl N dar, was einen besonders kompakten Aufbau ermöglicht.
Dadurch, dass der Primärlichtstrahl P nur in einem im Querschnitt lokal eng begrenzten Teilbereich des Nutzlichtstrahls N verläuft, welcher zudem nicht einem Bereich der höchsten Intensität des Nutzlichts N entspricht und darüber hinaus gegen den Strahl des Nutzlichts N geneigt sein mag, lässt sich das Nutzlicht N von dem Primärlichtstrahl P praktisch einfach räumlich trennen.
Das Nutzlicht N mag beispielsweise vollständig aus grünem Sekundärlicht bestehen, das mittels einer Vollkonversion von blauem Primärlicht P entstanden ist. Der Leuchtstoffkörper 5 weist dann blau-grün konvertierenden Leuchtstoff auf.
6 zeigt eine weitere mögliche Ausgestaltung der Leuchtvorrichtung 1 auf Grundlage eines nun transmittiven Aufbaus. Der Leuchtstoffkörper 5 liegt auf einem transparenten Träger in Form eines Saphirplättchens 8 auf. Der Primärlichtstrahl P trifft unter einem solchen Einfallswinkel α auf das Saphirplättchen 8, dass er nach Durchlauf durch das Saphirplättchen 8 unter dem Brewster-Winkel auf die Vorderseite V des Leuchtstoffkörpers 5 trifft. Insbesondere falls eine Änderung einer Strahlrichtung des Primärlichtstrahls P durch das Saphirplättchen 8 vernachlässigbar ist, mag der Primärlichtstrahl P unter dem Brewster-Winkel auf das Saphirplättchen 8 auftreffen. Ansonsten mag sich der Einfallswinkel α auf das Saphirplättchen 8 von dem Brewster-Winkel unterscheiden.
Das Nutzlicht N wird an der Rückseite R des Leuchtstoffkörpers 5 abgestrahlt, und zwar weitgehend symmetrisch zu der Flächennormalen n. Das Nutzlicht N mag durch eine Auskoppeloptik 9 strahlgeformt werden.
7 zeigt noch eine weitere mögliche Ausgestaltung der Leuchtvorrichtung 1 auf Grundlage eines nun wieder reflektiven Aufbaus.
Das Primärlicht P strahlt durch ein lichtdurchlässiges Durchtrittsfenster 10 in einen ellipsoiden Reflektor 11, und zwar auf einen Leuchtstoffkörper 5, der sich an einem ersten Brennfleck f1 des Reflektors 11 befindet. Das Primärlicht P wird unter dem Brewster-Winkel αB auf die Vorderseite V des Leuchtstoffkörpers 5 eingestrahlt. Der Leuchtstoffkörper 5 mag an seiner Rückseite R mit einem Reflektor 7 verbunden sein, der auch als Kühlkörper dienen mag. Das von dem Leuchtstoffkörper 5 abgestrahlte (z.B. weiße) Nutzlicht N wird grundsätzlich lambertsch, und zwar mit höchster Intensität entlang der Normalenrichtung n senkrecht nach oben, abgestrahlt. Da das Durchtrittsfenster 10 sich weit seitlich zu dem intensivsten Bereich des Nutzlichts N befindet, ist ein Verlust durch Austritt von Nutzlicht N aus dem Durchtrittsfenster 10 gering.
Bei einer senkrechten Einstrahlung des Primärlichtstrahls P hingegen würde durch das sich dann vertikal oberhalb des Brennflecks f1 befindliche Durchtrittsfenster 12 auch ein großer Anteil des Nutzlichts N austreten, was einen hohen Energieverlust zur Folge hätte. Zudem würden dann auch signifikant stärkere Reflexionen an dem Leuchtstoffkörper auftreten.
Das an dem Brennfleck f1 erzeugte Nutzlicht N wir mittels des Reflektors 11 auf einen zweiten Brennfleck f2 reflektiert, an dem sich eine Auskoppeloptik 13, z.B. ein Kollimator, zur Auskopplung des Nutzlichts N befindet.
Obwohl die Erfindung im Detail durch die gezeigten Ausführungsbeispiele näher illustriert und beschrieben wurde, so ist die Erfindung nicht darauf eingeschränkt und andere Variationen können vom Fachmann hieraus abgeleitet werden, ohne den Schutzumfang der Erfindung zu verlassen.
Der Reflektor kann beispielsweise aus mehreren Segmentstücken unterschiedlicher Formgebung zusammengesetzt sein.
Allgemein kann unter "ein", "eine" usw. eine Einzahl oder eine Mehrzahl verstanden werden, insbesondere im Sinne von "mindestens ein" oder "ein oder mehrere" usw., solange dies nicht explizit ausgeschlossen ist, z.B. durch den Ausdruck "genau ein" usw.
Auch kann eine Zahlenangabe genau die angegebene Zahl als auch einen üblichen Toleranzbereich umfassen, solange dies nicht explizit ausgeschlossen ist.
Bezugszeichenliste

1: Leuchtvorrichtung
2: Laserdiode
3: Linse
4: Optik
4a: Linse
4b: Linse
5: Leuchtstoffkörper
7: Reflektor
8: Saphirplättchen
9: Auskoppeloptik
10: Durchtrittsfenster
11: Ellipsoider Reflektor
12: Durchtrittsfenster
13: Auskoppeloptik
α: Einfallswinkel
αB: Brewster-Winkel
B: Rückseite des Leuchtstoffkörpers
F: Leuchtfleck
f1: Erster Brennfleck des ellipsoiden Reflektors
f2: Zweiter Brennfleck des ellipsoiden Reflektors
H: Hauptstrahl des Primärlichtstrahls
N: Nutzlicht
n: Flächennormale
O: Optische Achse
P: Primärlichtstrahl
R: Rand des Primärlichtstrahls
Rf: Fresnelscher Reflex
V: Vorderseite des Leuchtstoffkörpers

Claims

Leuchtvorrichtung (1), aufweisend – mindestens eine Lichterzeugungseinrichtung (2, 3) zum Erzeugen mindestens eines polarisierten Primärlichtstrahls (P) und – mindestens einen von der mindestens eine Lichterzeugungseinrichtung (2, 3) beabstandeten Leuchtstoffkörper (5), der von dem polarisierten Primärlichtstrahl (P) beleuchtbar ist, wobei – der mindestens eine polarisierte Primärlichtstrahl (P) unter einem Brewster-Winkel (αB) auf eine Oberfläche (V) des Leuchtstoffkörpers (5) auftrifft und – in Bezug auf diese Oberfläche (V) p-polarisiert (pol) ist.
Leuchtvorrichtung (1) nach Anspruch 1, wobei die mindestens eine Lichterzeugungseinrichtung (2, 3) mindestens eine Halbleiterlichtquelle, insbesondere Halbleiterlaser, insbesondere Laserdiode (2), aufweist.
Leuchtvorrichtung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Leuchtstoffkörper (5) aus Verbundmaterial mit einem lichtdurchlässigen Matrixmaterial und Leuchtstoff als Füllstoff besteht und der Brewster-Winkel (αB) auf das Matrixmaterial abgestimmt ist.
Leuchtvorrichtung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Leuchtstoffkörper (5) ein keramisches Leuchtstoffplättchen ist.
Leuchtvorrichtung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei ein Divergenzwinkel des mindestens einen p-polarisierten Primärlichtstrahls (P) an einer Oberfläche (V) des Leuchtstoffkörpers (5) nicht mehr als 2°, insbesondere von nicht mehr als 1°, beträgt.
Leuchtvorrichtung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die mindestens eine Lichterzeugungseinrichtung (2, 3) und der mindestens eine Leuchtstoffkörper (5) in einer reflektiven Anordnung vorliegen.
Leuchtvorrichtung (1) nach Anspruch 6, wobei – in einem Pfad des Primärlichts (P) zwischen der mindestens einen Lichterzeugungseinrichtung (2, 3) und dem mindestens einen Leuchtstoffkörper (5) mindestens eine umlenkende Durchlichtoptik (4, 4a, 4b) vorhanden ist, – ein Pfad des Nutzlichts (N) durch die mindestens eine Durchlichtoptik (4a, 4b) verläuft und – der Pfad des Primärlichts (P) zumindest zwischen der mindestens einen Durchlichtoptik (4a, 4b) und dem mindestens einen Leuchtstoffkörper (5) im Querschnitt lokal begrenzt in dem Pfad des Nutzlichts (N) verläuft.
Leuchtvorrichtung (1) nach Anspruch 6, wobei der mindestens eine p-polarisierte Primärlichtstrahl (P) durch einen lichtdurchlässigen Teilbereich (10) eines Reflektors (11) auf einen in einem Brennfleck (f1) des Reflektors (11) befindlichen Leuchtstoffkörper (5) strahlbar ist.
Leuchtvorrichtung (1) nach Anspruch 8, wobei der Reflektor (11) zwei voneinander beabstandete Brennflecke (f1, f2) aufweist.
Leuchtvorrichtung (1) nach Anspruch 9, wobei der Reflektor (11) ein ellipsoider Reflektor ist.
Leuchtvorrichtung (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei die mindestens eine Lichterzeugungseinrichtung (2, 3) und der mindestens eine Leuchtstoffkörper (5) in einer transmittiven Anordnung vorliegen.
Leuchtvorrichtung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Leuchtvorrichtung (1) zur Verwendung mit einem Fahrzeug vorgesehen ist, insbesondere ein Fahrzeugscheinwerfer ist.