DE102014214600A1

DE102014214600A1 - Bestrahlungsvorrichtung mit einer Pumpstrahlungsquelle

Info

Publication number: DE102014214600A1
Application number: DE102014214600.3A
Authority: DE
Inventors: Sergey Khrushchev
Original assignee: Osram GmbH
Current assignee: Osram GmbH
Priority date: 2014-07-24
Filing date: 2014-07-24
Publication date: 2016-01-28
Also published as: WO2016012111A1; CN106662305B; US20170205049A1; CN106662305A; US10101010B2

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Bestrahlungsvorrichtung (50) mit einer Pumpstrahlungsquelle (51) zur Emission von Pumpstrahlung (2), einem Konversionselement (3) zur Konversion der Pumpstrahlung (2) in längerwellige Konversionsstrahlung (16, 18) und einer für die Konversionsstrahlung (16, 18) reflektiven Reflexionsfläche (11), auf welche eine an einer Rückstreu-Abstrahlfläche (8) und damit entgegen einer Nutzrichtung abgegebene Rückstreu-Konversionsstrahlung (16) fällt und davon zurück zu dem Konversionselement (3) reflektiert wird; diese Reflexionsfläche (11) ist mit Bezug auf das Konversionselement (3) derart konkav gekrümmt, dass zumindest die von einem Flächenschwerpunkt (15) der Rückstreu-Abstrahlfläche (8) divergent abgegebene Rückstreu-Konversionsstrahlung (16a) unter einem Einfallswinkel von dem Betrag nach höchstens 20° auf die Reflexionsfläche (11) fällt.

Description

Technisches Gebiet
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Bestrahlungsvorrichtung mit einer Pumpstrahlungsquelle zur Emission von Pumpstrahlung und einem Konversionselement zur zumindest teilweisen Konversion der Pumpstrahlung in längerwellige Konversionsstrahlung.
Stand der Technik
Das Konversionselement kann beispielsweise in Verbindung mit einem Laser als Pumpstrahlungsquelle eingesetzt werden und dessen kurzwellige und damit höherenergetische Pumpstrahlung konvertieren. Bei der Pumpstrahlung kann es sich beispielsweise um UV-Strahlung oder blaues Licht handeln, die Wellenlänge der Konversionsstrahlung liegt bevorzugt im sichtbaren Spektralbereich. Ein entsprechendes Konversionselement wird auch als Leuchtstoffelement bezeichnet und kann in einer sogenannten remote phosphor-Anordnung zur Pumpstrahlungsquelle beabstandet angeordnet sein. Wird das Konversions-/Leuchtstoffelement dann im Betrieb mit Pumpstrahlung bestrahlt, emittiert es Konversionsstrahlung, beispielsweise sichtbares Konversionslicht, und kann so beispielsweise als Lichtquelle hoher Leuchtdichte genutzt werden.
Der vorliegenden Erfindung liegt das technische Problem zugrunde, eine gegenüber dem Stand der Technik vorteilhafte Bestrahlungsvorrichtung mit Pumpstrahlungsquelle und Konversionselement anzugeben.
Darstellung der Erfindung
Erfindungsgemäß löst diese Aufgabe eine Bestrahlungsvorrichtung mit einer Pumpstrahlungsquelle zur Emission von Pumpstrahlung, einem Konversionselement zur zumindest teilweisen Konversion der Pumpstrahlung in längerwellige Konversionsstrahlung, welches Konversionselement eine Konversionsstrahlungs-Abstrahlfläche aufweist, und einer für die Konversionsstrahlung zumindest teilweise reflektiven Reflexionsfläche, auf welche eine Rückstreu-Konversionsstrahlung fällt, die das Konversionselement an einer der Konversionsstrahlungs-Abstrahlfläche entgegengesetzten Rückstreu-Abstrahlfläche abgibt, welche Reflexionsfläche mit Bezug auf das Konversionselement derart konkav gekrümmt ist, dass zumindest die gesamte in einem Flächenschwerpunkt der Rückstreu-Abstrahlfläche divergent abgegebene Rückstreu-Konversionsstrahlung unter einem jeweiligen Einfallswinkel von dem Betrag nach höchstens 20 ° auf die Reflexionsfläche fällt.
Bevorzugte Ausgestaltungen finden sich in der Beschreibung und den abhängigen Ansprüchen, wobei in der Darstellung nicht immer im Einzelnen zwischen Vorrichtungs- und Verfahrens- bzw. Verwendungsaspekten unterschieden wird; jedenfalls implizit ist die Offenbarung hinsichtlich sämtlicher Anspruchskategorien zu lesen.
Bei einer bevorzugten Ausführungsform liegen eine Pumpstrahlungs-Einstrahlfläche des Konversionselements und die Konversionsstrahlungs-Abstrahlfläche auf einander entgegengesetzten Seiten des Konversionselements, wird dieses also in Transmission betrieben (vgl. beispielsweise 1). Die Pumpstrahlung fällt dabei auf die Pumpstrahlungs-Einstrahlfläche, und es wird die an der entgegengesetzten Konversionsstrahlungs-Abstrahlfläche abgegebene Konversionsstrahlung genutzt, beispielsweise als Konversionslicht zur Beleuchtung. Die Emission der Konversionsstrahlung erfolgt jedoch im Prinzip omnidirektional (und damit auch „nach hinten“). „Nach vorne“, zur Konversionsstrahlungs-Abstrahlfläche abgegebenes Licht kann ferner beispielsweise auch durch Streuprozesse innerhalb des Konversionselements „nach hinten“ umgelenkt werden.
Im Ergebnis wird beim Betrieb in Transmission jedenfalls nicht nur an der Konversionsstrahlungs-Abstrahlfläche, sondern auch an der Pumpstrahlungs-Einstrahlfläche Konversionsstrahlung abgegeben. Andererseits kann das Konversionselement auch in Reflexion betrieben werden, also die Pumpstrahlung an einer Pumpstrahlungs-Einstrahlfläche eingestrahlt und die Konversionsstrahlung von der selben Fläche abgeführt (im oben dargestellten Sinne genutzt) werden; die Pumpstrahlungs-Einstrahlfläche ist dann also gleich der Konversionsstrahlungs-Abstrahlfläche. Auch in diesem Fall wird an einer der Konversionsstrahlungs-Abstrahlfläche entgegengesetzten Fläche aus den genannten Gründen Konversionsstrahlung abgegeben.
Die unabhängig von Betrieb in Transmission oder Reflexion der Konversionsstrahlungs-Abstrahlfläche (von welcher das Licht der Beleuchtung zugeführt wird) entgegengesetzte Fläche des Konversionselements wird als „Rückstreu-Abstrahlfläche“ bezeichnet. Im Falle des Betriebs in Transmission ist die Rückstreu-Abstrahlfläche zugleich Pumpstrahlungs-Einstrahlfläche, im Falle des Betriebs in Reflexion liegt sie der Pumpstrahlungs-Einstrahlfläche entgegengesetzt.
Jedenfalls wird vereinfacht gesprochen an der Rückstreu-Abstrahlfläche Konversionsstrahlung in die falsche Richtung abgegeben. Deshalb ist die Reflexionsfläche vorgesehen, um den Anteil der „nach vorne“ abgegebenen Konversionsstrahlung zu erhöhen. Vorliegend wird als „Rückstreu-Konversionsstrahlung“ der Teil der an der Rückstreu-Abstrahlfläche abgegebenen Konversionsstrahlung bezeichnet, der auf die Reflexionsfläche fällt.
Infolge einer Reflexion zurück zum Konversionselement hat die Rückstreu-Konversionsstrahlung dann eine Richtungskomponente nach vorne, wird also der nach vorne abgegebene Anteil der Konversionsstrahlung erhöht. „Nach vorne“ meint mit einer Richtungskomponente entlang einer Normalen auf die Konversionsstrahlungs-Abstrahlfläche, „nach hinten“ mit einer entgegengesetzten Richtungskomponente (ist gleich bei Transmission und Reflexion). Mit Blick auf eine möglichst effiziente Nutzung der erzeugten Konversionsstrahlung können beispielsweise mindestens 60 %, vorzugsweise mindestens 80 %, weiter bevorzugt mindestens 90 %, der an der Rückstreu-Abstrahlfläche abgegebenen Konversionsstrahlung Rückstreu-Konversionsstrahlung sein.
Wie nachstehend weiter im Detail erläutert, ist die Reflexionsschicht bei einem Betrieb in Transmission bevorzugt eine dichroitische Schicht, die für die Pumpstrahlung transmissiv ist, die Konversionsstrahlung jedoch reflektiert. Diese dichroitische Schicht ist dann vorzugsweise an einer dem Konversionselement hinsichtlich der Pumpstrahlung vorgelagerten Linse vorgesehen. Von der Pumpstrahlungsquelle ausgehend durchsetzt die Pumpstrahlung dann also die Linse und die Reflexionsschicht und fällt auf die Pumpstrahlungs-Einstrahlfläche. Im Gegensatz dazu wird die an dieser abgegebene Rückstreu-Konversionsstrahlung an der Reflexionsfläche nicht transmittiert, sondern reflektiert, jedenfalls weitgehend.
Bei der erfindungsgemäßen Bestrahlungsvorrichtung ist nun die Reflexionsfläche derart konkav gekrümmt, dass zumindest die mittig der Pumpstrahlungs-Einstrahlfläche divergent (also in unterschiedliche Raumwinkel) abgegebene Rückstreu-Konversionsstrahlung unter Einfallswinkeln auf die Reflexionsfläche fällt, die dem Betrag nach höchstens 20 °, in dieser Reihenfolge zunehmend bevorzugt höchstens 15 °, 10 °, 5 ° bzw. 3 °, ausmachen. Betrachtet wird hierbei der Betrag, also eine Betragsfunktion des Einfallswinkels (der absolute Betrag).
Der „Einfallswinkel“ wird als der kleinste Winkel zwischen dem jeweiligen einfallenden Strahl und einer jeweiligen Flächennormalen auf die Pumpstrahlungs-Einstrahlfläche im jeweiligen Einfallpunkt genommen; es ist also anders ausgedrückt ein im Wesentlichen senkrechter Einfall (parallel zur jeweiligen Flächennormalen, Einfallswinkel von 0 °) der Rückstreu-Konversionsstrahlung auf die Reflexionsfläche bevorzugt (sowohl beim Betrieb in Transmission als auch in Reflexion). Die Reflexionsfläche ist „mit Bezug auf“ das Konversionselement konkav gekrümmt, also vom Konversionselement aus gesehen vom Konversionselement weg gewölbt (vom Rand der Reflexionsfläche nach innen gehend).
Mit der Krümmung nimmt nicht nur ein Mittelwert der Einfallswinkel ab, sondern auch deren Varianz. Im Vergleich dazu würde beispielsweise im Falle einer planen, parallel zur Rückstreu-Abstrahlfläche orientierten Reflexionsfläche die Rückstreu-Konversionsstrahlung unter sämtlichen Einfallswinkeln zwischen 0 ° und beispielsweise 70 ° (oder mehr, je nach Anordnung und Abstand) auf die Reflexionsfläche treffen. Die Emission der Konversionsstrahlung an der Rückstreu-Abstrahlfläche erfolgt typischerweise Lambertsch. Im Vergleichsfall würde die Konversionsstrahlung also unter verschiedensten Einfallswinkeln auftreffen. Dies kann beispielsweise insoweit nachteilig sein, als die Reflexionseigenschaften einer dichroitischen Reflexionsschicht eine mitunter starke Abhängigkeit vom Einfallswinkel zeigen können, vgl. 4 zur Illustration.
So kann eine dichroitische Reflexionsschicht, die beispielsweise als Dielektrika-Mehrschichtsystem aufgebaut ist, beispielsweise auf senkrechten Strahlungseinfall (Einfallswinkel von 0°) hin optimiert sein. Verschiebt sich nun mit zunehmendem Einfallswinkel das Reflexionsfenster, kann beispielsweise unbeabsichtigt Konversionsstrahlung transmittiert werden, was die Effizienz verschlechtert. Indem erfindungsgemäß die Varianz der Einfallswinkel verringert wird, kann entsprechend mehr Strahlung unter für die jeweilige Reflexionsfläche geeigneten Einfallswinkeln auftreffen.
Andererseits kann eine entsprechend konkave Krümmung jedoch auch im Falle einer Reflexionsfläche von Vorteil sein, die auch die Pumpstrahlung reflektiert (auch als „Vollverspiegelung“ bezeichnet). Dies ist einerseits bei einem Betrieb (des Konversionselements) in Reflexion möglich. Andererseits kann die Reflexionsfläche für einen Betrieb in Transmission beispielsweise eine im Verhältnis zu ihrer Fläche kleine Blende aufweisen, durch welche die Pumpstrahlung von der Pumpstrahlungsquelle zur Pumpstrahlungs-Einstrahlfläche gelangt (alternativ kann die Pumpstrahlung auch an der Reflexionsfläche vorbeigeführt werden). Im Falle einer solchen Vollverspiegelung kann die konkave Krümmung dann beispielsweise auch hinsichtlich einer Reflexion von Rückstreu-Pumpstrahlung Vorteile bieten, also nicht konvertierte, an der Rückstreu-Abstrahlfläche reemittierte Pumpstrahlung betreffend.
Die Rückstreu-Pumpstrahlung kann an der Rückstreu-Abstrahlfläche der Rückstreu-Konversionsstrahlung vergleichbar divergent abgegeben werden, etwa ebenfalls Lambertsch. Auf eine erfindungsgemäß gekrümmte Reflexionsfläche trifft dementsprechend auch die Rückstreu-Pumpstrahlung näherungsweise senkrecht auf. Hin- und Rückweg sind damit näherungsweise identisch, die Rückstreu-Pumpstrahlung wird also zurück zum Konversionselement geführt, was dann den insgesamt konvertierten Anteil erhöhen und somit die Effizienz verbessern kann.
Ferner kann die konkave Krümmung auch generell, also sowohl im Falle einer dichroitischen Reflexionsschicht als auch bei einer Vollverspiegelung, auch beim Zurückführen der Rückstreu-Konversionsstrahlung einen Vorteil bieten. Mit dem im Wesentlichen senkrechten Einfall der Rückstreu-Konversionsstrahlung fallen Hin- und Rückweg näherungsweise zusammen, trifft also ein guter Teil der reflektierten Rückstreu-Konversionsstrahlung auf die Rückstreu-Abstrahlfläche. Durchsetzt diese Rückstreu-Konversionsstrahlung dann das Konversionselement, kann sie diesem nachgelagert gemeinsam mit der originär an der Konversionsstrahlungs-Abstrahlfläche abgegebenen Konversionsstrahlung genutzt werden. Eine dem Konversionselement nachgelagerte Optik muss also beispielsweise nicht eigens „neben“ dem Konversionselement vorbeigeführte Rückstreu-Konversionsstrahlung berücksichtigen.
Generell kann der Konversionsstrahlungs-Abstrahlfläche bevorzugt eine Optik zum „Aufsammeln“ der dort abgegebenen Konversionsstrahlung zugeordnet sein, etwa eine abbildende Optik, wie beispielsweise eine Linse oder ein Reflektor, oder eine nicht-abbildende Optik, wie beispielsweise ein Compound Parabolic Concentrator (CPC). Im Falle des Betriebs (des Koversionselements) in Reflexion kann diese Optik beziehungsweise ein Teil davon vorzugsweise zugleich die Pumpstrahlung zum Konversionselement führen.
Zurück zur Reflexionsfläche: Die Einfallswinkel-Bedingung bezieht sich auf den Flächenschwerpunkt, es kann also beispielsweise beabstandet zum Flächenschwerpunkt abgegebene Rückstreu-Konversionsstrahlung auch mit einem (etwas) stärker variierenden Einfallswinkel auf die Reflexionsfläche treffen. Gegenüber dem Vergleichsfall einer planen Reflexionsfläche ist durch eine Optimierung in Bezug auf den Flächenschwerpunkt jedoch auch die Einfallswinkel-Varianz für beabstandet zum Flächenschwerpunkt abgegebene Rückstreu-Konversionsstrahlung verringert.
Der „Flächenschwerpunkt“ kann beispielsweise im bevorzugten Fall einer rechteckförmigen Rückstreu-Abstrahlfläche dem Schnittpunkt der Diagonalen oder im Falle einer kreisförmigen Rückstreu-Abstrahlfläche dem Kreismittelpunkt entsprechen. Vorzugsweise durchsetzt eine optische Achse der Linse den Flächenschwerpunkt. Eine Flächennormale auf die Rückstreu-Abstrahlfläche im Flächenschwerpunkt kann im Allgemeinen beispielsweise auch verkippt zu einer optischen Achse der Linse liegen; vorzugsweise liegen diese Flächennormale und die optische Achse der Linse jedoch parallel zueinander.
In bevorzugter Ausgestaltung ist die Reflexionsfläche derart konkav gekrümmt, dass zumindest 80 %, vorzugsweise mindestens 90 %, besonders bevorzugt mindestens 95 %, der gesamten Rückstreu-Konversionsstrahlung unter einem Einfallswinkel auf die Reflexionsfläche fallen, der dem Betrag nach nicht mehr als 20 ° beträgt (hinsichtlich weiterer bevorzugter maximaler Einfallswinkel wird auf die vorstehende Offenbarung verwiesen). Indem die Krümmung entsprechend auf die gesamte Rückstreu-Abstrahlfläche hin optimiert ist, wird die Varianz der Einfallswinkel insgesamt reduziert, also auch für beabstandet zum Flächenschwerpunkt emittierte Rückstreu-Konversionsstrahlung.
Wie bereits erwähnt, wird bei einer bevorzugten Ausführungsform das Konversionselement in Transmission betrieben, ist also die Rückstreu-Abstrahlfläche dann gleich der Pumpstrahlungs-Einstrahlfläche (die Nutz-Konversionsstrahlung wird an der entgegengesetzten Seite abgeführt). Insoweit ist in der vorliegenden Offenbarung also „Rückstreu-Abstrahlfläche“ auch also Pumpstrahlungs-Einstrahlfläche zu lesen. Soweit generell von einem Betrieb in Transmission/Reflexion die Rede ist, bezieht sich dies in er gesamten Offenbarung auf das Konversionselement, also darauf, an welcher Seite davon die Nutz-Konversionsstrahlung abgeführt wird.
Im Falle des Betriebs in Transmission ist vorzugsweise eine Linse zwischen der Pumpstrahlungsquelle und dem Konversionselement angeordnet, welche Linse die Reflexionsfläche aufweist; es kann also beispielsweise eine dichroitische Beschichtung auf der Eintritts- oder Austrittsfläche der Linse vorgesehen sein.
Die Linse mit der Reflexionsfläche ist „zwischen“ der Pumpstrahlungsquelle und dem Konversionselement angeordnet, was sich auf den Pfad der Pumpstrahlung bezieht. Ist der Pumpstrahlungspfad beispielsweise über einen Spiegel umgelenkt, kann die insoweit zwischen Pumpstrahlungsquelle und Konversionselement angeordnete Linse auch außerhalb einer (geometrischen) Verbindungsgeraden von Pumpstrahlungsquelle zu Konversionselement liegen. Die „Linse“ ist ein in seinem Volumen, von gegebenenfalls der Reflexionsfläche abgesehen, für Pump- und Konversionsstrahlung transmissiver Körper, wobei bevorzugt zumindest die Pumpstrahlungs-Eintrittsfläche oder die Austrittsfläche gekrümmt ist, vorzugsweise beide gekrümmt sind (vgl. nachstehende Beschreibung im Detail).
In bevorzugter Ausgestaltung ist die Linse so vorgesehen und angeordnet, dass sie die Pumpstrahlung auf das Konversionselement fokussiert, vorzugsweise auf dessen Pumpstrahlungs-Einstrahlfläche. In anderen Worten hat die Linse eine positive Brennweite und ist die Pumpstrahlungs-Einstrahlfläche des Konversionselements dann im Brennpunkt angeordnet. Im Allgemeinen kann die Pumpstrahlung beispielsweise auch nicht kollimiert auf die Linse treffen, etwa im Falle einer Plankonvexlinse, auf die fokussierte Pumpstrahlung fällt (siehe unten). Als „Pumpstrahlungs-Einstrahlfläche“ wird im Rahmen dieser Offenbarung die gesamte Seitenfläche des Konversionselements bezeichnet, durch welche die Pumpstrahlung eintritt, also nicht nur der von der Pumpstrahlung durchleuchtete Bereich davon. Im Falle eines quaderförmigen Konversionselements kann die Pumpstrahlungs-Einstrahlfläche also beispielsweise eine rechteckige Seitenfläche des Quaders sein, und im Falle eines zylinderförmigen Konversionselements beispielweise die kreisförmige Grundfläche des Zylinders.
In bevorzugter Ausgestaltung ist zwischen der Reflexionsfläche und dem Konversionselement ein optisch wirksames Gasvolumen angeordnet, etwa ein Inertgasvolumen oder vorzugsweise ein Luftraum. Dies gilt bevorzugt im Falle eines in Transmission betriebenen Konversionselements. Dabei bezieht sich „zwischen“ auf den Pfad der Rückstreu-Konversionsstrahlung. Dieses Gasvolumen muss nicht den gesamten Bereich zwischen Reflexionsfläche und Konversionselement auffüllen, sondern es kann beispielsweise zusätzlich auch eine nachstehend weiter im Detail erläuterte Trägerplatte zwischen Reflexionsfläche und Konversionselement vorgesehen sein. „Optisch wirksam“ meint, dass das Gasvolumen den Strahlengang im Gesamten verändert, es sich also beispielsweise nicht bloß um mikroskopische Lufteinschlüsse in einer Klebstoffschicht handelt.
Vorzugsweise grenzt das Gasvolumen an die Reflexionsfläche (die in diesem Fall bei einem Betrieb in Transmission auf einer Pumpstrahlungs-Austrittsfläche der Linse vorgesehen ist). Das Gasvolumen kann beispielsweise die Einstellbarkeit der Krümmung betreffend Vorteile bieten, also hinsichtlich der Gestaltungsmöglichkeiten.
Im Allgemeinen könnte bei einem Betrieb in Transmission die Linse hingegen beispielsweise auch als Plankonvexlinse vorgesehen sein, auf deren konvexer Seite dann die Reflexionsfläche angeordnet wäre (ist die konvexe Seite dann dem Konversionselement abgewandt, ist die Reflexionsfläche in Bezug darauf gleichwohl konkav); das Konversionselement könnte dann beispielsweise auch in direktem optischen Kontakt mit der planen Seite vorgesehen sein, also beispielsweise angeklebt. Es könnte dann beispielsweise auf die konvexe Pumpstrahlungs-Eintrittsfläche mit der Reflexionsschicht Pumpstrahlung fallen, die derart fokussiert ist, dass sie die (konvexe) Pumpstrahlungs-Eintrittsfläche senkrecht durchsetzt.
Im Falle eines in Reflexion betriebenen Konversionselements kann in bevorzugter Ausgestaltung ebenfalls eine Plankonvexlinse die Reflexionsfläche aufweisen; es ist dann also beispielsweise die konvexe Seite dieser Plankonvexlinse mit einer die Reflexionsfläche bildenden Reflexionsschicht versehen, etwa einem Metallfilm. Diese Plankonvexlinse und das Konversionselement werden dann beispielsweise so angeordnet, dass die Rückstreu-Abstrahlfläche des Konversionselements der planen Seite der Plankonvexlinse zugewandt liegt, vorzugsweise wird das Konversionselement an der planen Seite befestigt, etwa über eine Klebstoffschicht.
Die Plankonvexlinse kann dann also einen Träger für das Konversionselement darstellen und dieses auch in gewissem Umfang kühlen. Die an der Rückstreu-Abstrahlfläche abgegebene Rückstreu-Konversionsstrahlung durchsetzt dann jedenfalls die Plankonvexlinse und wird an der konvexen Reflexionsfläche zurück zum Konversionselement reflektiert, jedenfalls teilweise. Gleiches gilt für nicht-konvertierte Pumpstrahlung.
In bevorzugter Ausgestaltung ist die Reflexionsfläche so vorgesehen, dass sie zumindest bereichsweise die Form einer Kugeloberfläche hat. „Zumindest bereichsweise“ meint etwa, dass zumindest 70 %, vorzugsweise mindestens 80 %, weiter bevorzugt mindestens 90 %, jenes Bereichs der Reflexionsfläche, auf welchen Rückstreu-Konversionsstrahlung fällt, die Form einer Kugeloberfläche hat. Vorzugsweise fällt auf die gesamte Reflexionsfläche Rückstreu-Konversionsstrahlung, sind die Prozentangaben also auf die Reflexionsfläche im Gesamten zu lesen.
Der „Kugeloberfläche“ liegt vorzugsweise eine einzige Kugel zugrunde, die einen Radius R hat. Vorzugsweise ist die Reflexionsfläche die Oberfläche eines Kugelsegments, also eine Kugelkappe. Hinsichtlich eines Flächeninhalts kann bevorzugt sein, dass die kugelförmige Reflexionsfläche einen Flächeninhalt hat, der in dieser Reihenfolge zunehmend bevorzugt mindestens 20 %, 30 %, 40 % bzw. 45 % des Flächeninhalts der vollständigen Kugeloberfläche ausmacht (eine vollständige Kugel theoretisch zugrunde gelegt). Mögliche Obergrenzen können etwa bei höchstens 70 %, 60 % bzw. 55 % liegen.
Die Rückstreu-Abstrahlfläche hat eine mittlere Erstreckung x, welche sich per definitionem als Mittelwert ihrer kleinsten und größten Erstreckung ergibt; im bevorzugten Fall einer planen Rückstreu-Abstrahlfläche wird eine jeweilige (kleinste und größte) Erstreckung entlang einer jeweiligen, in der Ebene der Rückstreu-Abstrahlfläche liegenden Geraden genommen. Im Falle einer kreisförmigen Rückstreu-Abstrahlfläche ergibt sich die mittlere Erstreckung als der entsprechende Kreisdurchmesser (im Falle eines Rechtecks als Mittelwert aus kleinster Kantenlänge und einer Diagonalen).
In bevorzugter Ausgestaltung wird bei einer Reflexionsfläche mit der Form einer Kugeloberfläche der Radius R der dieser zugrunde liegenden Kugel so gewählt, dass er größer/gleich der halben mittleren Erstreckung x ist (R ≥ x/2). Weitere vorteilhafte Untergrenzen für R können beispielsweise bei in dieser Reihenfolge zunehmend bevorzugt mindestens 3x/4, x, 5x/4, 3x/2, 7x/4 bzw. 2x liegen; davon unabhängig können mögliche Obergrenzen beispielsweise bei höchstens 10x, 8x, 6x, 4x bzw. 3x liegen. Das Vorsehen einer Untergrenze kann vorteilhaft sein, weil die Rückstreu-Abstrahlfläche mit zunehmendem Radius R zunehmend „punktförmig“, also im Verhältnis klein, erscheinen kann, womit sich die Einfallswinkel-Bedingung gut erreichen lässt. Andererseits kann eine Obergrenze etwa hinsichtlich einer kompakten Bauweise bzw. auch den Materialbedarf betreffend von Interesse sein.
Der Flächenschwerpunkt der Rückstreu-Abstrahlfläche hat zu der Reflexionsfläche einen entlang einer Flächennormalen (im Flächenschwerpunkt) genommenen Abstand d. In bevorzugter Ausgestaltung wird dieser Abstand d größer/gleich dem Radius R der Kugel gewählt, welche der kugelförmigen Reflexionsfläche zugrunde liegt. Mögliche Obergrenzen können beispielsweise bei d ≤ 3R bzw. d ≤ 2R liegen. Breitet sich die Rückstreu-Konversionsstrahlung zwischen Rückstreu-Abstrahlfläche und Reflexionsfläche brechungsfrei aus, ist also beispielsweise keine nachstehend weiter erläuterte Trägerplatte vorgesehen, gilt vorzugsweise d = R. In anderen Worten liegt dann also der Kugelmittelpunkt auf der Rückstreu-Abstrahlfläche.
Auch unabhängig vom im Einzelnen gewählten Abstand d, wird eine kugelförmige Reflexionsfläche vorzugsweise derart angeordnet, dass der Mittelpunkt der ihr zugrundeliegenden Kugel auf einer Geraden liegt, die sich senkrecht zur Rückstreu-Abstrahlfläche durch deren Flächenschwerpunkt erstreckt.
In bevorzugter Ausgestaltung ist zwischen Konversionselement und Linse ein transmissiver Träger vorgesehen, vorzugsweise eine planparallele Platte. An dem Träger ist zumindest das Konversionselement befestigt, beim Betrieb in Transmission vorzugsweise auch die Linse. Dabei (Betrieb in Transmission) ist das Konversionselement mit seiner Pumpstrahlungs-Einstrahlfläche dem Träger zugewandt mit diesem verbunden, vorzugsweise über eine Fügeverbindungsschicht, besonders bevorzugt über eine Klebstoffschicht. Insoweit kann ein Vorteil des erfindungsgemäßen Aufbaus beispielsweise auch darin bestehen, dass das Konversionselement nicht direkt auf die Reflexionsfläche aufgeklebt ist. Dies könnte nämlich beispielsweise im Falle einer dichroitischen Reflexionsschicht (bzw. generell im Falle einer sehr glatten Reflexionsfläche) zu Haftungsproblemen führen.
Das „Konversionselement“ ist generell ein Körper mit einem Konversionsmaterial, welches die Pumpstrahlung konvertiert, vorzugsweise mit einem Leuchtstoff, der die Pumpstrahlung in sichtbares Licht konvertiert. Das Konversionselement kann beispielsweise als Leuchtstoff-Einkristall vorgesehen sein, was etwa im Falle eines YAG- oder LuYAG-Leuchtstoffs bevorzugt sein kann (der beispielsweise mit einem Impfkristall aus der Schmelze gezogen wird).
Alternativ zum Leuchtstoff-Einkristall kann beispielsweise auch eine Leuchtstoff-Keramik als Konversionselement vorgesehen sein, kann das Konversionselement also beispielsweise durch Sintern hergestellt werden. Ein weiteres, ebenfalls für Hochtemperaturanwendungen geeignetes Konversionselement kann beispielsweise aus einem erhöht wärmeleitfähigen Matrixmaterial mit einem darin eingebetteten Konversionsmaterial vorgesehen sein; „erhöht wärmeleitfähig“ kann beispielsweise eine Wärmeleitfähigkeit von mindestens 0,5 W/mK, vorzugsweise mindestens 1 W/mK, weiter bevorzugt mindestens 1,5 W/mK meinen (ein mögliches Matrixmaterial ist beispielsweise Glas).
Nun zurück zu dem Träger mit dem daran befestigten Konversionselement (in Transmission betrieben). Vorzugsweise ist auch die Linse an dem Träger befestigt, und zwar an dessen dem Konversionselement entgegengesetzter Seite. Es ist dann vorzugsweise gleichwohl ein Gasvolumen zwischen Linse und Träger vorgesehen (hinsichtlich des Pfades der Rückstreu-Konversionsstrahlung). Die Reflexionsfläche kann also beispielsweise auf einer Pumpstrahlungs-Austrittsfläche der Linse vorgesehen sein, die sich vom Träger domartig weg erhebt (die Befestigung zwischen Linse und Träger kann sich um diesen Dom umlaufend erstrecken).
In bevorzugter Ausgestaltung ist der Träger aus Saphir vorgesehen, was beispielsweise hinsichtlich der Wärmeabfuhr von dem daran befestigten Konversionselement bevorzugt sein kann.
Wie bereits erwähnt, ist der Träger vorzugsweise eine planparallele Platte. Diese hat eine senkrecht zu den Plattenrichtungen, also den Richtungen der planen Erstreckung, genommene Dicke t. Zusammen mit ihrem Brechungsindex n (genommen bei der Dominantwellenlänge der Konversionsstrahlung) ergibt sich dann in bevorzugter Ausgestaltung für den Abstand d zwischen Flächenschwerpunkt der Rückstreu-Abstrahlfläche (= Pumpstrahlungs-Einstrahlfläche) und Reflexionsfläche: d ≥ 0,7·(R + t·(1 – 1/n)) (Glg. 1) und d ≤ 1,3·(R + t·(1 – 1/n)) (Glg. 2).
Weiter bevorzugte Untergrenzen für d können bei dem 0,8- bzw. 0,9-fachen von (R + t·(1 – 1/n)) liegen und weiter bevorzugte Obergrenzen bei dem 1,2- bzw. 1,1-fachen von (R + t·(1 – 1/n)). Das Vorsehen einer Untergrenze (Glg. 1) soll ausdrücklich auch unabhängig vom Vorsehen einer Obergrenze (Glg. 2) offenbart sein.
Der Abstand d ist dann also derart auf die planparallele Platte (Dicke t und Brechungsindex n) angepasst, dass trotz des Versatzes, also trotz der Brechung an der planparallelen Platte, die Rückstreu-Konversionsstrahlung weitgehend senkrecht auf die Reflexionsfläche fällt.
In bevorzugter Ausgestaltung ist die Reflexionsfläche entweder auf der Pumpstrahlungs-Eintrittsfläche oder der Pumpstrahlungs-Austrittsfläche der Linse vorgesehen, wobei letzteres bevorzugt ist. Die entsprechende Pumpstrahlungs-Durchtrittsfläche ist dann bezogen auf das Konversionselement konkav gekrümmt – die dem Konversionselement zugewandte Pumpstrahlungs-Austrittsfläche ist dann also auch bei Betrachtung der Linse allein konkav, wohingegen die entgegengesetzte und damit dem Konversionselement abgewandte Pumpstrahlungs-Eintrittsfläche bei Betrachtung der Linse allein konvex ist (und damit konkav in Bezug auf das Konversionselement).
Im Allgemeinen könnte die „Linse“ (Betrieb in Transmission) beispielsweise auch ein Linsensystem aus mehreren, beispielsweise über Klebstoff miteinander verbundenen Einzellinsen sein (Kittgruppe). Die Reflexionsfläche könnte dann auch auf jener Durchtrittsfläche einer der Einzellinsen vorgesehen sein, die dann nach dem Zusammensetzen innerhalb des Linsensystems liegt. Vorzugsweise meint „Linse“ jedoch eine Einzellinse und ist die Reflexionsfläche auf der Pumpstrahlungs-Eintrittsfläche oder eben bevorzugt der Austrittsfläche vorgesehen.
Die Pumpstrahlungs-Eintrittsfläche ist hinsichtlich des Pumpstrahlungspfads der Pumpstrahlungsquelle zugewandt, und die entgegengesetzte Pumpstrahlungs-Austrittsfläche ist dem Konversionselement zugewandt, ebenfalls hinsichtlich des Pumpstrahlungspfads.
Ist die Reflexionsfläche in bevorzugter Ausgestaltung auf der Pumpstrahlungs-Austrittsfläche vorgesehen, ist die Pumpstrahlungs-Eintrittsfläche weiter bevorzugt mit Bezug auf das Konversionselement ebenfalls konkav gekrümmt, also bei Betrachtung der Linse selbst konvex. In anderen Worten hat die Linse bevorzugt die Form eines Meniskus, und zwar eines positiven Meniskus, der die Pumpstrahlung fokussiert.
Es hat dann also vorzugsweise die Pumpstrahlungs-Austrittsfläche (mit der Reflexionsfläche) einen größeren Krümmungsradius R als die Pumpstrahlungs-Eintrittsfläche. Ein Vorteil einer Linse, bei welcher sowohl Pumpstrahlungs-Eintrittsfläche als auch Austrittsfläche gekrümmt ist, kann sich beispielsweise bei einer Optimierung ergeben. Vereinfacht gesprochen kann dann nämlich die Krümmung der Reflexionsfläche unabhängig von der Pumpstrahlungs-Fokussierung optimiert werden und ist dann bei der Optimierung der die Pumpstrahlung fokussierenden Pumpstrahlungs-Eintrittsfläche lediglich der Versatz an der Pumpstrahlungs-Austrittsfläche zu berücksichtigen.
Vorzugsweise sind der positive Meniskus und das Konversionselement dann derart zueinander angeordnet, dass die optische Achse des positiven Meniskus den Flächenschwerpunkt der Pumpstrahlungs-Einstrahlfläche durchsetzt; besonders bevorzugt ist eben eine planparallele Trägerplatte dazwischen vorgesehen, auf welche die optische Achse dann senkrecht steht.
Wie bereits eingangs erwähnt, ist die Reflexionsschicht beim Betrieb in Transmission in bevorzugter Ausgestaltung eine dichroitische Reflexionsschicht, welche für die Pumpstrahlung transmissiv ist, also mindestens 70 %, vorzugsweise mindestens 80 %, weiter bevorzugt mindestens 90 %, der Pumpstrahlung transmittiert. Die Transmissivität ergibt sich hier als Mittelwert über den Spektralbereich der Pumpstrahlung bezogen auf konkret die Bestrahlungssituation (hinsichtlich der Durchtrittswinkel) in der Bestrahlungsvorrichtung. Auch in dieser Hinsicht kann die in Bezug auf das Konversionselement gekrümmte Reflexionsfläche Vorteile bieten, nämlich beispielsweise die Varianz der Durchtrittswinkel verringern.
Eine entsprechende dichroitische Reflexionsschicht wird vorzugsweise als Mehrschichtsystem aufgebracht, das aus mindestens zwei jeweiligen Schichtmaterialien aufgebaut ist; die Schichtmaterialien unterscheiden sich dabei in ihren Brechungsindizes. Ein erstes Schichtmaterial kann beispielsweise Siliziumdioxid und ein zweites Schichtmaterial beispielsweise Titandioxid sein. Für das Mehrschichtsystem sind dann jeweils aus jedem Schichtmaterial eine Vielzahl Schichten gebildet und so angeordnet, dass die verschiedenen Schichtmaterialien abwechselnd aufeinander folgen.
Auch unabhängig vom Aufbau im Einzelnen muss eine dichroitische Reflexionsschicht dabei (technisch bedingt) nicht zwingend die gesamte Konversionsstrahlung reflektieren. So kann die Reflektivität gemittelt über den Spektralbereich der Konversionsstrahlung beispielsweise bei in dieser Reihenfolge zunehmend bevorzugt mindestens 30 %, 40 %, 50 %, 60 %, 70 % bzw. 80 % liegen, wiederum bezogen auf konkret die Situation in der Bestrahlungsvorrichtung (die Einfallswinkel betreffend).
Im Falle einer dichroitischen Reflexionsfläche ist weiter bevorzugt, dass diese dann die gesamte Pumpstrahlungs-Eintrittsfläche oder Austrittsfläche bedeckt, vorzugsweise letztere. Als „Pumpstrahlungs-Eintrittsfläche“ bzw. „Austrittsfläche“ wird vorliegend die entsprechende, von der Pumpstrahlung durchsetzte Seitenfläche der Linse bezeichnet; eine Seitenfläche der Linse kann insofern beispielsweise ein jeweiliger Teil einer Außenfläche sein, der einen konstanten Krümmungsradius R hat (oder plan ist).
Wie ebenfalls bereits eingangs erwähnt, kann auch beim Betrieb in Transmission alternativ zu der dichroitischen Reflexionsfläche auch eine Vollverspiegelung vorgesehen sein. Die Pumpstrahlung kann dann etwa durch ein Loch in der Reflexionsfläche oder vorzugsweise an der Reflexionsfläche vorbei geführt sein; die Pumpstrahlung kann die Linse also insbesondere zu deren optischer Achse versetzt durchsetzen (off axis-Konfiguration).
Wie bereits eingangs erwähnt, handelt es sich bei der Pumpstrahlungsquelle vorzugsweise um einen Laser (Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation), beispielsweise eine Laserdiode. Dabei kann „Laser“ insbesondere auch auf eine Mehrzahl Laser-Quellen zu lesen sein, etwa auf ein Array aus Laserdioden.
Die Erfindung betrifft auch die Verwendung einer vorliegend offenbarten Bestrahlungsvorrichtung als Lichtquelle zur Beleuchtung. Wenngleich die Konversionsstrahlung im Allgemeinen beispielsweise auch Infrarot-Strahlung sein könnte, handelt es sich dabei vorzugsweise um sichtbares Licht. Es wird dann das an der Konversionsstrahlungs-Abstrahlfläche abgegebene Konversionslicht zur Beleuchtung genutzt, etwa zu Projektionszwecken (als Lichtquelle eines Projektionsgeräts) oder zur Außenbeleuchtung eines Kraftfahrzeugs. Eine bevorzugte Anwendung kann beispielsweise als Lichtquelle eines Kfz-Frontscheinwerfers sein. Generell muss nicht zwingend die gesamten Pumpstrahlung konvertiert werden (Vollkonversion), sondern kann auch nur ein Teil konvertiert und dann beispielsweise auch eine Mischung aus Pumpstrahlung (Pumplicht) und Konversionslicht genutzt werden (Teilkonversion); bevorzugt ist eine Vollkonversion.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Im Folgenden wird die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen näher erläutert, wobei die einzelnen Merkmale im Rahmen der nebengeordneten Ansprüche auch in anderer Kombination erfindungswesentlich sein können und auch weiterhin nicht immer im Einzelnen zwischen den unterschiedlichen Anspruchskategorien unterschieden wird.
Im Einzelnen zeigt:
1 einen Teil einer ersten erfindungsgemäßen Beleuchtungsvorrichtung mit einer dichroitischen Reflexionsfläche in einem schematischen Schnitt;
2 Randbedingungen bei der Konstruktion der dichroitischen Reflexionsfläche gemäß 1;
3 einen Teil einer zweiten erfindungsgemäßen Beleuchtungsvorrichtung mit einer auch für die Pumpstrahlung reflektiven Reflexionsfläche in einem schematischen Schnitt;
4 die Abhängigkeit der Reflektivität einer dichroitischen Reflexionsschicht vom Einfallswinkel;
5 eine erfindungsgemäße Beleuchtungsvorrichtung mit Konversionselement, Linse und Pumpstrahlungsquelle;
6 einen Teil einer dritten erfindungsgemäßen Beleuchtungsvorrichtung mit einer dichroitischen Reflexionsfläche in einem schematischen Schnitt;
7 eine vierte erfindungsgemäße Beleuchtungsvorrichtung, bei welcher das Konversionselement im Gegensatz zu jenen gemäß den 1 bis 6 in Reflexion betrieben wird;
8 eine Detailansicht zu der Beleuchtungsvorrichtung gemäß 7.
Bevorzugte Ausführung der Erfindung
1 zeigt einen Teil einer erfindungsgemäßen Beleuchtungsvorrichtung, nämlich eine Linse 1, die Pumpstrahlung 2 auf ein Konversionselement 3 fokussiert. Die Pumpstrahlung 2 trifft in diesem Fall kollimiert auf eine Pumpstrahlungs-Eintrittsfläche 4 der Linse 1, um dann fokussiert an einer Pumpstrahlungs-Austrittsfläche 5 auszutreten.
Die Linse 1 ist an einer planparallelen Trägerplatte 6 befestigt, nämlich festgeklebt. Zwischen der Pumpstrahlungs-Austrittsfläche 5 und der Trägerplatte 6 durchsetzt die Pumpstrahlung 2 ein Gasvolumen, nämlich in diesem Fall einen Luftraum 7, um dann durch die Trägerplatte 6 auf eine Pumpstrahlungs-Einstrahlfläche 8 des Konversionselements 3 zu treffen.
Bei dem Konversionselement 3 handelt es sich um ein Leuchtstoffelement, und zwar eine Leuchtstoff-Keramik, welche die Pumpstrahlung 2 (vorliegend blaues Pumplicht) zu Konversionsstrahlung längerer Wellenlänge konvertiert, welche vorliegend im sichtbaren Spektralbereich liegt und im Folgenden als Konversionslicht bezeichnet wird. Der Leuchtstoff kann beispielsweise ein YAG:Ce-Leuchtstoff sein, der gelbes Konversionslicht emittiert. Es wird dann das an einer der Pumpstrahlungs-Einstrahlfläche 8 entgegengesetzten Konversionsstrahlungs-Abstrahlfläche 9 abgegebene Konversionslicht genutzt.
Die Emission des Konversionslichts erfolgt jedoch im Prinzip omnidirektional, es wird also nicht nur an der Konversionsstrahlungs-Abstrahlfläche 9, sondern auch an der Pumpstrahlungs-Einstrahlfläche 8 Konversionslicht emittiert (diese ist auch Rückstreu-Abstrahlfläche, wird im Folgenden jedoch weiterhin als Pumpstrahlungs-Einstrahlfläche bezeichnet).
Zur Erhöhung der Effizienz, um also auch das an der Pumpstrahlungs-Einstrahlfläche 8 abgegebene Konversionslicht zumindest teilweise zur Beleuchtung nutzen zu können, ist auf der Pumpstrahlungs-Austrittsfläche 5 der Linse 1 eine Reflexionsschicht 10 vorgesehen. An der zugehörigen Reflexionsfläche 11 wird ein Großteil des an der Pumpstrahlungs-Einstrahlfläche 8 abgegebenen Konversionslichts zurück zum Konversionselement 3 reflektiert. Die Nutzung dieses Rückstreu-Konversionslichts erhöht die Effizienz.
Damit die Pumpstrahlung 2 die Reflexionsschicht 10 passieren kann, ist letztere dichroitisch vorgesehen. Die Reflexionsschicht 10 ist also für die Pumpstrahlung 2 transmissiv, die Rückstreu-Konversionsstrahlung wird daran jedoch reflektiert. Um diese wellenlängenabhängige Transmission/Reflexion zu erreichen, ist die Reflexionsschicht 10 als Mehrschichtsystem aus aufeinanderfolgenden Siliziumdioxid-/Titandioxid-Schichten aufgebaut.
3 illustriert die wellenlängenabhängige Reflektivität eines solchen Schichtsystems, dieses ist für das gelbe Konversionslicht also reflektiv, kann jedoch die blaue Pumpstrahlung transmittieren. In 4 ist die Reflektivität (y-Achse) über die Wellenlänge (x-Achse) aufgetragen, und zwar für fünf unterschiedliche Einfallswinkel AoI (Angle of Incidence) zur Flächennormalen. Mit zunehmendem Einfallswinkel verschiebt sich die Grenzwellenlänge, unterhalb welcher das Mehrschichtsystem transmissiv wird, zunehmend nach links, also zu kleinen Wellenlängen. Ferner ist auch eine Veränderung im Reflexionsfenster zu erkennen, kommt es nämlich bei großen Einfallswinkeln zwischen ca. 520 und 580 nm zu einem Einbruch der Reflektivität.
Wie aus 1 ersichtlich, ist die Pumpstrahlungs-Austrittsfläche 5 der Linse 1 und damit die Reflexionsschicht 10 mit der Reflexionsfläche 11 derart konkav gekrümmt, dass zumindest das in einem Flächenschwerpunkt 15 der Pumpstrahlungs-Einstrahlfläche 8 abgegebene Rückstreu-Konversionslicht 16a im Wesentlichen senkrecht auf die Reflexionsfläche trifft. Ein jeweiliger Einfallswinkel, also der Winkel zwischen einer jeweiligen Flächennormalen und dem jeweilig einfallenden Strahl, liegt im Rahmen technisch üblicher Genauigkeit bei 0°.
Es wird jedoch an der gesamten Pumpstrahlungs-Einstrahlfläche 8 Rückstreu-Konversionslicht 16 abgegeben, nicht nur im Flächenschwerpunkt 15. Das beabstandet zum Flächenschwerpunkt 15 abgegebene Rückstreu-Konversionslicht 16b trifft jedoch ebenfalls nahezu senkrecht auf die Reflexionsfläche 11, selbst für am Rand der Pumpstrahlungs-Einstrahlfläche 8 abgegebenes Rückstreu-Konversionslicht beträgt der Einfallswinkel maximal einige Grad (weniger als 3°).
Im Vergleich zu einem Referenzfall mit einer planen, senkrecht zur optischen Achse 17 orientierten Reflexionsfläche 11 variieren die Einfallswinkel einerseits deutlich weniger und ist auch ein mittlerer Einfallswinkel deutlich geringer. Damit ist die Reflektivität der Reflexionsschicht 10 für das gesamte Rückstreu-Konversionslicht 16 im Wesentlichen gleich, kann das Mehrschichtsystem also entsprechend optimiert und das Rückstreu-Konversionslicht 16 damit effizient genutzt werden. Es wird im Ergebnis mehr Konversionslicht 18 an der Konversionsstrahlungs-Abstrahlfläche 9 abgegeben (der Übersichtlichkeit halber ist nur das in deren Flächenschwerpunkt abgegebene Konversionslicht 18 dargestellt, die Emission erfolgt entsprechend Lambertsch über die gesamte Abstrahlfläche 9).
2 veranschaulicht die Konstruktion einer entsprechenden Anordnung aus Linse 1, Trägerplatte 6 und Konversionselement 3. Die Trägerplatte 6 aus Saphir ist planparallel und hat eine senkrecht zu den Richtungen der planen Erstreckung genommene Dicke t; ihr Brechungsindex n liegt bei ca. 1,8.
Der Flächenschwerpunkt 15 der Pumpstrahlungs-Einstrahlfläche 8 hat einen entlang einer Flächennormalen 21 genommenen Abstand d zur Reflexionsfläche 11. Die Krümmung der Reflexionsfläche 11 hat einen Radius R, der in etwa dem 1,2-fachen der mittleren Erstreckung x der Pumpstrahlungs-Einstrahlfläche 8 entspricht. Vorliegend ist die Pumpstrahlungs-Einstrahlfläche 8 quadratisch und ergibt sich die mittlere Erstreckung x als Mittelwert von Kantenlänge und Diagonale. Die Pumpstrahlungs-Einstrahlfläche 8 hat in diesem Beispiel eine senkrecht zur optischen Achse 17 genommene Fläche von 1 × 1 mm², x ergibt sich also zu x ≈ 1,2 mm. Der Radius R beträgt 0,7 mm und d ergibt sich in etwa zu d ≈ 0,83 mm. Die Dicke der Trägerplatte 6 beträgt 0,5 mm, und sie hat einen Brechungsindex n = 1,78.
Im Falle kollimiert auf die Pumpstrahlungs-Eintrittsfläche 4 der Linse 1 fallender Pumpstrahlung 2 beträgt der Radius R_EF der Pumpstrahlungs-Eintrittsfläche 4 dann beispielsweise 1,08 mm bei einem entlang der optischen Achse 17 genommenen Abstand zur Reflexionsfläche 11 von 2 mm (Brechungsindex der Linse: 1,62). Fällt das Pumplicht 2 beispielsweise leicht fokussiert auf die Pumpstrahlungs-Eintrittsfläche 4, kann der Radius R_EF dann 1,2 mm bei einem Abstand zur Reflexionsfläche 11 von 2 mm betragen (Brechungsindex der Linse: 1,62).
Nun liegt zunächst der Mittelpunkt 22 der der Reflexionsfläche 11 zugrunde liegenden Kugel mit dem Radius R auf einer Geraden entlang der Flächennormalen 21. Ferner ist der Abstand d so angepasst, dass er der Summe aus Radius R und t(1 – 1/n) entspricht. Es wird also ein durch die Trägerplatte 6 bedingter Versatz derart berücksichtigt, dass im Ergebnis das Rückstreu-Konversionslicht 16 senkrecht auf die Reflexionsfläche 11 fällt.
3 zeigt eine hinsichtlich der Reflexions-/Transmissionseigenschaften der Reflexionsschicht 31 mit der Reflexionsfläche 32 zu der Ausführungsform gemäß den 1 und 2 alternative Ausgestaltung. In diesem Fall ist nämlich eine Vollverspiegelung vorgesehen, an der Reflexionsfläche 32 wird also nicht nur das Rückstreu-Konversionslicht (der Übersichtlichkeit halber nicht dargestellt), sondern auch zurückgestreute Rückstreu-Pumpstrahlung 33 reflektiert.
Damit die von der Pumpstrahlungsquelle stammende Pumpstrahlung 2 gleichwohl durch die Linse 1 zum Konversionselement 3 gelangen kann, ist die Pumpstrahlungs-Austrittsfläche 5 in diesem Fall nicht vollständig mit der Reflexionsschicht 31 bedeckt. Die Pumpstrahlung 2 durchsetzt die Linse 1 versetzt zu ihrer optischen Achse 17 und passiert so die Reflexionsschicht 31.
Indem im Bereich der Reflexionsschicht 31 dann neben dem Rückstreu-Konversionslicht auch Rückstreu-Pumpstrahlung 33 reflektiert wird, kann die Effizienz der Beleuchtungsvorrichtung weiter erhöht werden. Die Reflexionsfläche 32 ist nämlich analog der vorstehenden Beschreibung konkav gekrümmt, sodass die Rückstreu-Pumpstrahlung 33, wie das Rückstreu-Konversionslicht auch, im Wesentlichen senkrecht auf die Reflexionsfläche 32 fällt. Sowohl das Rückstreu-Konversionslicht als auch die Rückstreu-Pumpstrahlung 33 werden nämlich an der Pumpstrahlungs-Einstrahlfläche Lambertsch und damit mit der gleichen Winkelverteilung emittiert.
Die Rückstreu-Pumpstrahlung 33 trifft also im Wesentlichen senkrecht auf die Reflexionsfläche 32 und wird folglich zu ihrem Ursprungsort auf der Pumpstrahlungs-Einstrahlfläche 8 zurückreflektiert, trifft also erneut auf das Konversionselement 3 und kann konvertiert werden. Die Effizienz wird also nicht nur durch die Nutzung des Rückstreu-Konversionslichts, sondern auch durch eine verbesserte Nutzung der Pumpstrahlung erhöht.
5 zeigt von der Linse gemäß den 1 und 2 ausgehend, also für den Fall einer dichroitischen Reflexionsschicht 11, den Aufbau einer Bestrahlungsvorrichtung 50 im Gesamten.
Die Pumpstrahlung 2 (der Übersichtlichkeit halber ist nur ein Hauptstrahl gezeigt) wird von einer Laserdiode 51 emittiert und einer plankonvexen Kondensorlinse 52 kollimiert. Dieser nachgelagert ist eine Überlagerungsoptik 53 vorgesehen, welche die von der Laserdiode 51 emittierte Pumpstrahlung 2 mit der Pumpstrahlung weiterer Laserdioden überlagert. Vorliegend ist also ein Array aus Laserdioden 51 vorgesehen, die senkrecht zur Zeichenebene aufgereiht angeordnet sind. Konkret sind dies drei Laserdioden, wovon neben der dargestellten Laserdiode 51 eine hinter und die andere vor der Zeichenebene liegt.
Die Überlagerungsoptik 53 führt die drei Laserstrahlen zusammen, und zwar über Reflexionen in Keilplatten 53a und eine nachgelagerte Plankonvexlinse 53b. Über einen Spiegel 54 wird die Pumpstrahlung 2 dann auf die Pumpstrahlungs-Eintrittsfläche 4 der Linse 1 gelenkt, durchsetzt die Linse 1 und die nachgeordnete Trägerplatte 6 und trifft schließlich auf die Pumpstrahlungs-Einstrahlfläche 8 des Konversionselements 3. Hinsichtlich des weiteren Zusammenwirkens der Linse (mit der vorliegend nicht dargestellten dichroitischen Reflexionsschicht 10) mit an der Pumpstrahlungs-Einstrahlfläche 8 abgegebenen Rückstreu-Konversionslicht wird auf die vorstehende Beschreibung verwiesen.
6 zeigt als weitere Ausführungsform einen Teil einer Bestrahlungsvorrichtung, und zwar eine plankonvexe Linse 1, die Pumpstrahlung 2 auf ein Konversionselement 3 fokussiert. In diesem Fall trifft die Pumpstrahlung 2 von einer vorgelagerten (nicht dargestellten) Linse fokussiert auf die konvexe (in Bezug auf das Konversionselement 3 konkave) Pumpstrahlungs-Eintrittsfläche 4 der Linse 1. Die Pumpstrahlung 2 ist derart fokussiert, dass sie senkrecht auf die Pumpstrahlungs-Eintrittsfläche 4 fällt.
Die Reflexionsschicht 10 ist auf der konvexen Pumpstrahlungs-Eintrittsfläche 4 vorgesehen. Von dem Konversionselement 3 (wiederum YAG:Ce) an der Pumpstrahlungs-Einstrahlfläche 8 (= Rückstreu-Abstrahlfläche) abgegebenes Rückstreu-Konversionslicht 16a, b fällt wiederum unter geringen Einfallswinkeln (im Wesentlichen senkrecht) auf die in Bezug auf das Konversionselement 3 konkave Reflexionsfläche 11 und wird zurück zum Konversionselement 3 reflektiert, was den Anteil des an der Konversionsstrahlungs-Abstrahlfläche 9 abgegebenen Konversionslichts 18 erhöht.
Die gekrümmte Reflexionsschicht 10 mit der Reflexionsfläche 11 ist in diesem Fall auf der konvexen Pumpstrahlungs-Eintrittsfläche 4 vorgesehen. Auf der planen Pumpstrahlungs-Austrittsfläche 5 ist direkt (in unmittelbarem optischen Kontakt) das Konversionselement 3 angeordnet, nämlich aufgeklebt.
In diesem Fall hat die Reflexionsfläche 11 bei einem Konversionselement 3 mit einer senkrecht zur optischen Achse genommenen (quadratischen) Fläche von 1 × 1 mm² (x ≈ 1,2) einen Krümmungsradius von 2 mm bei einem Brechungsindex der Linse 1 von 1,78.
Die bisherigen Ausführungsbeispiele gemäß den 1, 2, 3, 5 und 6 waren jeweils auf ein in Transmission betriebenes Konversionselement 3 gerichtet, bei dem also die Rückstreu-Abstrahlfläche 8 gleich der Pumpstrahlungs-Einstrahlfläche 8 ist bzw. in anderen Worten an einer Seite (Pumpstrahlungs-Einstrahlfläche) die Pumpstrahlung zu- und an der entgegengesetzten Seite (Konversionsstrahlungs-Abstrahlfläche) das Konversionslicht abgeführt wird.
Demgegenüber wird das Konversionselement bei dem Ausführungsbeispiel gemäß den 7 und 8 in Reflexion betrieben, wird also an einer Seite Pumpstrahlung zu- und das Konversionslicht an derselben Seite abgeführt. Die Pumpstrahlungs-Einstrahlfläche 71 ist in diesem Fall zugleich Konversionsstrahlungs-Abstrahlfläche 72, und die Rückstreu-Abstrahlfläche 8 liegt den beiden 71, 72 entgegengesetzt (vgl. 8 für eine Detailansicht).
7 illustriert den Aufbau, mit welchem das Konversionselement 3 in Reflexion betrieben wird, in einer Übersicht. Die wiederum von einer Laserdiode 51 ausgehende Pumpstrahlung 2 wird mit der plankonvexen Kondensorlinse 52 kollimiert (Kollimationslinse). Dieser nachgelagert ist ein Strahlteiler 75 mit einer dichroitischen Reflexionsschicht 76 angeordnet, an welcher die Pumpstrahlung 2 reflektiert wird, die dann jedoch für das Konversionslicht transmissiv ist. Über ein Linsensystem 77 aus einer Plankonvexlinse 77a und einem Meniskus 77b wird die Pumpstrahlung 2 auf die Pumpstrahlungs-Einstrahlfläche 71 des Konversionselements 3 fokussiert.
Das infolgedessen erzeugte Konversionslicht wird zum Teil (~50 %) an der Konversionsstrahlungs-Abstrahlfläche 72 emittiert, der andere Teil (~50 %) wird als Rückstreu-Konversionsstrahlung 16 an der Rückstreu-Abstrahlfläche 8 abgegeben. Darauf wird anhand von 8 noch im Detail Bezug genommen.
Das an der Konversionsstrahlungs-Abstrahlfläche 72 abgegebene Konversionslicht wird über das (auch zur Einkopplung der Pumpstrahlung genutzte) Linsensystem 77 weitgehend kollimiert, durchsetzt die dichroitische Schicht 76 und den Strahlteiler 75 und wird anschließend von einer Auskoppellinse 78 fokussiert und der Beleuchtungsanwendung zugeführt. Der Übersichtlichkeit halber ist der Strahlengang des Konversionslichts in 7 nicht dargestellt.
8 zeigt das Konversionselement 3 mit der in diesem Fall hinsichtlich des Pfades der Pumpstrahlung 2 nachgelagerten Plankonvexlinse 79 in einer vergrößerten Darstellung. In diesem Fall ist nicht die Pumpstrahlung, sondern das Konversionslicht dargestellt, und zwar mit einigen, exemplarisch einer ray tracing-Simulation entnommenen Strahlen. Dabei ist sowohl originär an der Konversionsstrahlungs-Abstrahlfläche 72 abgegebenes Konversionslicht als auch an der Rückstreu-Abstrahlfläche 8 abgegebenes Rückstreu-Konversionslicht 16 dargestellt.
Das Konversionselement 3 ist auf die Linse 7 aufgeklebt, das Rückstreu-Konversionslicht 16 tritt also (über die im Prinzip vernachlässigbare Klebstoffschicht) in die Plankonvexlinse 79 ein und trifft dann auf die Reflexionsfläche 81 der Reflexionsschicht 82 (einem Metallfilm) und wird zurück zum Konversionselement 3 reflektiert. Dieses zurückreflektierte Rückstreu-Konversionslicht durchsetzt dann das Konversionselement 3 und tritt jedenfalls zum Großteil an der Konversionsstrahlungs-Abstrahlfläche 72 aus. Es kann gemeinsam mit dem originär dort abgegebenen Konversionslicht 18 genutzt werden.
Andererseits wird auch nicht die gesamte Pumpstrahlung 2 beim ersten Durchtritt durch das Konversionselement 3 konvertiert, sondern tritt auch ein Teil davon an der Rückstreu-Abstrahlfläche 8 aus, und zwar aufgrund von Streuprozessen auch winkelverkippt zur optischen Achse 17. Der Übersichtlichkeit halber ist die Pumpstrahlung in 8 nicht dargestellt, die an der Rückstreu-Abstrahlfläche 8 abgegebene Pumpstrahlung wird jedoch dem Rückstreu-Konversionslicht 16 vergleichbar an der gekrümmten Reflexionsfläche 81 zurück zum Konversionselement 3 reflektiert. Die Vollverspiegelung ist sowohl für die Pumpstrahlung also auch für das Konversionslicht reflektiv.
Die zum Konversionselement 3 zurückreflektierte Pumpstrahlung wird dann (beim erneuten Durchtritt durch das Konversionselement 3) zum Großteil konvertiert, was die Effizienz erhöht. Die gekrümmte Reflexionsfläche 81 ist also sowohl hinsichtlich des Konversionslichts (Nutzung gemeinsam mit dem originär an der Konversionsstrahlungs-Abstrahlfläche 72 abgegebenen Konversionslicht) als auch die Pumpstrahlung betreffend von Vorteil, weil sie letztere auf das Konversionselement 3 reflektiert.

Claims

Bestrahlungsvorrichtung (50) mit einer Pumpstrahlungsquelle (51) zur Emission von Pumpstrahlung (2), einem Konversionselement (3) zur zumindest teilweisen Konversion der Pumpstrahlung (2) in längerwellige Konversionsstrahlung (16, 18), welches Konversionselement (3) eine Konversionsstrahlungs-Abstrahlfläche (9) aufweist, und einer für die Konversionsstrahlung (16, 18) zumindest teilweise reflektiven Reflexionsfläche (11), auf welche eine Rückstreu-Konversionsstrahlung (16) fällt, die das Konversionselement (3) an einer der Konversionsstrahlungs-Abstrahlfläche (9, 72) entgegengesetzten Rückstreu-Abstrahlfläche (8) abgibt, welche Reflexionsfläche (11) mit Bezug auf das Konversionselement (3) derart konkav gekrümmt ist, dass zumindest die gesamte in einem Flächenschwerpunkt (15) der Rückstreu-Abstrahlfläche (8) divergent abgegebene Rückstreu-Konversionsstrahlung (16a) unter einem jeweiligen Einfallswinkel von dem Betrag nach höchstens 20 ° auf die Reflexionsfläche (11) fällt.
Bestrahlungsvorrichtung (50) nach Anspruch 1, bei welcher die Reflexionsfläche (11) derart konkav gekrümmt ist, dass zumindest 80 % der gesamten Rückstreu-Konversionsstrahlung (16) unter einem Einfallswinkel auf die Reflexionsfläche (11) fallen, der dem Betrag nach kleiner als 20° ist.
Bestrahlungsvorrichtung (50) nach einem der vorstehenden Ansprüche, bei welcher zwischen der Reflexionsfläche (11) und dem Konversionselement (3) ein optisch wirksames Gasvolumen angeordnet ist.
Bestrahlungsvorrichtung (50) nach einem der vorstehenden Ansprüche, bei welcher die Reflexionsfläche (11) zumindest bereichsweise die Form eine Kugeloberfläche hat.
Bestrahlungsvorrichtung (50) nach Anspruch 4, bei welcher die der Kugeloberfläche zugrundeliegende Kugel einen Radius R hat und die Rückstreu-Abstrahlfläche (8) eine mittlere Erstreckung x hat, wobei R ≥ x/2.
Bestrahlungsvorrichtung (50) nach Anspruch 4 oder 5, bei welcher der Flächenschwerpunkt (15) der Rückstreu-Abstrahlfläche (8) einen entlang einer Flächennormalen (21) genommenen Abstand d zu der Reflexionsfläche (11) hat und die der Kugeloberfläche zugrundeliegende Kugel einen Radius R hat, wobei d ≥ R.
Bestrahlungsvorrichtung (50) nach einem der vorstehenden Ansprüche, bei welcher die Rückstreu-Abstrahlfläche (8) gleich einer Pumpstrahlungs-Einstrahlfläche (8) ist, das Konversionselement (3) also in Transmission betrieben wird.
Bestrahlungsvorrichtung (50) nach Anspruch 7, bei welcher die Reflexionsfläche (11) Teil einer Linse (1) ist, welche zwischen der Pumpstrahlungsquelle (51) und dem Konversionselement (3) angeordnet ist, welche Linse (1) vorzugsweise so vorgesehen und angeordnet ist, dass sie die Pumpstrahlung (2) auf das Konversionselement (3) fokussiert.
Bestrahlungsvorrichtung (50) nach Anspruch 8 mit einem für die Pumpstrahlung (2) und die Konversionsstrahlung (16, 18) transmissiven Träger (6), vorzugsweise einer planparallelen Platte, der zwischen der Linse (1) und dem Konversionselement (3) angeordnet ist und an dem zumindest das Konversionselement (3) befestigt ist.
Bestrahlungsvorrichtung (50) nach Anspruch 9 in Verbindung mit Anspruch 6, bei welcher der Träger (6) eine planparallele Platte ist, die eine Dicke t und einen Brechungsindex n hat, wobei 0,7·(R + t·(1 – 1/n)) ≤ d ≤ 1,3·(R + t·(1 – 1/n)).
Bestrahlungsvorrichtung (50) nach einem der Ansprüche 8 bis 10, bei welcher die Linse (1) eine Pumpstrahlungs-Eintrittsfläche (4) und eine Pumpstrahlungs-Austrittsfläche (5) hat und die Reflexionsfläche (11) auf einer davon vorgesehen ist, vorzugsweise auf der Pumpstrahlungs-Austrittsfläche (5).
Bestrahlungsvorrichtung (50) nach Anspruch 11, bei welcher die Reflexionsfläche (11) auf der Pumpstrahlungs-Austrittsfläche (5) vorgesehen ist und auch die Pumpstrahlungs-Eintrittsfläche (4) mit Bezug auf das Konversionselement (3) konkav gekrümmt ist, nämlich die Linse (1) die Form eines positiven Meniskus hat.
Bestrahlungsvorrichtung (50) nach einem der Ansprüche 8 bis 12, bei welcher eine dichroitische Reflexionsschicht (10) die Reflexionsfläche (11) zur Verfügung stellt, welche dichroitische Reflexionsschicht (10) für die Pumpstrahlung (2) weitgehend transmissiv ist.
Bestrahlungsvorrichtung (50) nach Anspruch 13, bei welcher die Linse (1) eine Pumpstrahlungs-Eintrittsfläche (4) und eine Pumpstrahlungs-Austrittsfläche (5) aufweist und die Reflexionsschicht (10) eine davon vollständig bedeckt.
Bestrahlungsvorrichtung (50) nach einem der Ansprüche 8 bis 13, bei welcher die Reflexionsfläche (11) für die Pumpstrahlung (2) reflektiv ist und die Pumpstrahlung (2) an der Reflexionsfläche (11) vorbei durch die Linse (1) geführt wird.
Verwendung einer Bestrahlungsvorrichtung (50) nach einem der vorstehenden Ansprüche als Lichtquelle zur Beleuchtung, wobei an der Konversionsstrahlungs-Abstrahlfläche (9) abgegebenes Konversionslicht (18) zur Beleuchtung genutzt wird.