DE102014217326A1

DE102014217326A1 - Beleuchtungsvorrichtung mit einer Wellenlängenkonversionsanordnung

Info

Publication number: DE102014217326A1
Application number: DE102014217326.4A
Authority: DE
Inventors: Ulrich Hartwig
Original assignee: Osram GmbH
Current assignee: Coretronic Corp
Priority date: 2014-08-29
Filing date: 2014-08-29
Publication date: 2016-03-03
Also published as: WO2016030121A1; EP3186675A1; CN208367333U

Abstract

Die Erfindung schlägt eine Beleuchtungsvorrichtung (1) mit einer Anregungslichtquelle (2) und einer Wellenlängenkonversionsanordnung vor, wobei die Wellenlängenkonversionsanordnung so ausgelegt ist, dass das Anregungslicht (3) nicht nur zu Konversionslicht wellenlängenkonvertiert wird sondern zusätzlich und gezielt, zumindest zeitweise und mindestens teilweise unkonvertiert, d.h. spektral unverändert, als Reflexionslicht (3) reflektiert wird. Dazu weist die Wellenlängenkonversionsanordnung zumindest ein Reflexionselement (7) auf, um das Reflexionslicht (3) auf einen vom Anregungslichtpfad und Konversionslichtpfad räumlich getrennten Reflexionslichtpfad zu lenken. Mit Hilfe eines dichroitischen Spiegels (4) wird das Konversionslicht einerseits vom Anregungslicht getrennt und andererseits mit dem umgelenkten Reflexionslicht (3) zusammengeführt.

Description

Technisches Gebiet
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Beleuchtungsvorrichtung mit einer Anregungslichtquelle zur Emission von als Anregungslicht nutzbarer Primärstrahlung und einer Wellenlängenkonversionsanordnung zur Konversion des Anregungslichts in Konversionslicht.
Stand der Technik
Lichtquellen hoher Leuchtdichte können beispielsweise im Bereich der Endoskopie oder bei Projektionsgeräten Anwendung finden, wobei hierfür gegenwärtig Gasentladungslampen noch am weitesten verbreitet sind. Jüngere Entwicklungen gehen dahin, eine Anregungslichtquelle hoher Leistungsdichte, zum Beispiel einen Laser, mit einem dazu beabstandet angeordneten Leuchtstoffelement zu kombinieren.
Aus dem Stand der Technik sind derartige Beleuchtungsvorrichtungen bekannt, welche ein Wellenlängenkonversionselement in Form eines Leuchtstoffelements aufweisen. Diese Beleuchtungsvorrichtungen umfassen dabei eine Anregungslichtquelle, die den Leuchtstoff zur Emission von Licht mit einer von der Anregungslichtwellenlänge verschiedenen Wellenlänge anregt. Insbesondere wird auch Anregungslicht im blauen Spektralbereich verwendet. Durch geeignete Umlenkung des blauen Anregungslichts und des vom Leuchtstoff emittierten Konversionslichts können diese beiden Lichtpfade zusammengeführt und einem optischen Integrator zugeführt werden.
Als Wellenlängenkonversionsanordnung kann insbesondere auch ein Leuchtstoffrad vorgesehen sein, das um eine Rotationsachse rotiert und dabei auf einer Kreisspur mit Anregungslicht bestrahlt wird. Dabei können in Umlaufrichtung aufeinanderfolgend auch verschiedene Farbleuchtstoffe auf dem Leuchtstoffrad angeordnet werden, sodass eine zeitliche Abfolge verschiedenfarbigen Konversionslichts, beispielsweise rotes (R), grünes (G) und blaues (B) Licht erzeugt wird. Die Farben des Konversionslichts spannen dann sequentiell gemeinsam einen RGB-Farbraum auf.
Das Dokument CN 102385233 A zeigt eine Beleuchtungsvorrichtung für einen Projektor mit einem Anregungslaser, einem Leuchtstoffrad zur Wellenlängenumwandlung des Anregungslaserlichts in Konversionslicht und einem Filterrad, zur spektralen Filterung des Konversionslichts. Das Filterrad und das Leuchtstoffrad sind auf einer gemeinsamen Achse angeordnet und drehen so mit der gleichen Geschwindigkeit. Das Anregungslaserlicht wird mit Hilfe eines dichroitischen Spiegels auf das Leuchtstoffrad reflektiert. Das vom Leuchtstoffrad zurückgestrahlte Konversionslicht hingegen passiert den dichroitischen Spiegel und trifft danach auf das Filterrad. Durch ein Transparenzsegment im Leuchtstoffrad kann das Anregungslaserlicht das Leuchtstoffrad spektral unverändert passieren und wird über eine sogenannte Wrap-Around-Schleife dem dichroitischen Spiegel zu- und mit dem Konversionslichtpfad zusammengeführt.
Darstellung der Erfindung
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine alternative Beleuchtungsvorrichtung zur Nutzung des Anregungslichts und des Konversionslichts anzugeben.
Diese Aufgabe wird gelöst durch eine Beleuchtungsvorrichtung zur Erzeugung von Licht mittels einer Wellenlängenkonversionsanordnung, umfassend mindestens eine Anregungslichtquelle, die dazu ausgelegt ist, Anregungslicht auszusenden, eine in einem Anregungslichtpfad angeordnete Wellenlängenkonversionsanordnung mit mindestens einem Wellenlängenkonversionselement, das dafür ausgelegt ist, das von der mindestens einen Anregungslichtquelle auf einem lokalen Anregungslichtpfad zumindest zeitweise auf das Wellenlängenkonversionselement eingestrahlte Anregungslicht zumindest teilweise in Konversionslicht zu konvertieren und das Konversionslicht in denselben Halbraum abzustrahlen, von dem das Anregungslicht auf die Oberfläche des Wellenlängenkonversionselements einstrahlt, und mindestens einem Reflexionselement, das dafür ausgelegt ist, das von der mindestens einen Anregungslichtquelle auf dem lokalen Anregungslichtpfad zumindest zeitweise auf das Reflexionselement eingestrahlte Anregungslicht mindestens teilweise unkonvertiert als Reflexionslicht so zu reflektieren, dass das Reflexionslicht durch eine Richtungsänderung vom lokalen Anregungslichtpfad weg und auf einen Reflexionslichtpfad abgelenkt wird, ein optisches Trennungselement, das dafür angeordnet und ausgelegt ist, das von dem mindestens einen Wellenlängenkonversionselement kommende Konversionslicht von dem auf dem lokalen Anregungslichtpfad kommenden und auf das mindestens eine Wellenlängenkonversionselement einstrahlenden Anregungslicht zu trennen und auf einen Konversionslichtpfad zu führen, eine optische Zusammenführungsanordnung, die für die Zusammenführung des vom Reflexionslichtpfad kommenden Reflexionslichts und des vom Konversionslichtpfad kommenden Konversionslichts ausgelegt ist.
Besonders vorteilhafte Ausgestaltungen finden sich in den abhängigen Ansprüchen und in der nachstehenden Beschreibung.
Als Anregungslicht ist blaues Licht (d.h. Licht im blauen Spektralbereich) bevorzugt, insbesondere blaues Laserlicht, da sich das Anregungslicht dann außer zur Anregung eines Leuchtstoffes zusätzlich auch als blauer Farbkanal (blaues Reflexionslicht) nutzen lässt.
Der Grundgedanke der vorliegenden Erfindung besteht nun darin, die Wellenlängenkonversionsanordnung so auszulegen, dass das Anregungslicht nicht nur wellenlängenkonvertiert wird (im Folgenden auch verkürzend Konversionslicht genannt) sondern zusätzlich und gezielt, zumindest zeitweise und mindestens teilweise unkonvertiert, d.h. spektral unverändert, reflektiert wird (im Folgenden auch verkürzend Reflexionslicht genannt). Dazu weist die Wellenlängenkonversionsanordnung zumindest ein Reflexionselement auf, um das Reflexionslicht auf einen vom Anregungslichtpfad und Konversionslichtpfad räumlich getrennten Reflexionslichtpfad zu lenken. Durch die räumliche Trennung von Konversionslichtpfad und Reflexionslichtpfad ist eine separate Beeinflussung der Strahleigenschaften von Reflexionslicht und Konversionslicht möglich, bevor das Reflexionslicht und das Konversionslicht wieder zusammengeführt werden.
Die räumliche Trennung von Konversionslicht und Reflexionslicht wird erfindungsgemäß dadurch erreicht, dass das Reflexionslicht durch eine Richtungsänderung vom lokalen Anregungslichtpfad, d.h. vom Anregungslichtpfad am Ort der Reflexion, weg und zur weiteren Nutzung auf einen Reflexionslichtpfad abgelenkt wird.
Ein Maß für die Richtungsänderung ist der Änderungswinkel α3 zwischen der lokalen optischen Achse L1 des Anregungslichtpfads und der lokalen optische Achse L2 des Reflexionslichtpfads. Mit der „lokalen“ optischen Achse ist die jeweilige optische Achse des betreffenden Lichtpfads am Schnittpunkt mit der Oberfläche des Wellenlängenkonversionselements bzw. des Reflexionselements gemeint.
Die Richtungsänderung wird beispielsweise dadurch erzielt, dass das Wellenlängenkonversionselement, beispielsweise eine Leuchtstoffschicht, und das Reflexionselement, beispielsweise eine Spiegelfläche, auf einem drehbaren Körper so ausgebildet sind, dass die lokale optische Achse L1 des Anregungslichtpfads mit der zugehörigen Flächennormalen N1 des Wellenlängenkonversionselements einen Winkel α1 bildet, der verschieden ist vom Winkel α2 zwischen der lokalen optischen Achse L1 des Anregungslichtpfads und der zugehörigen Flächennormalen N2 des Reflexionselements. Mit anderen Worten sind die Oberfläche des Wellenlängenkonversionselements und die Oberfläche des Reflexionselements nicht in einer gemeinsamen Ebene angeordnet sondern gezielt gegeneinander verkippt oder unterschiedlich gekrümmt. Auf diese Weise wird verhindert, dass das Reflexionslicht auf dem Konversionslichtpfad zurückreflektiert wird, d.h. dass α1 gleich α2 ist. Stattdessen ist das Reflexionselement gegenüber dem Wellenlängenkonversionselement so ausgebildet, dass das Reflexionslicht vom Konversionslichtpfad weg reflektiert wird.
Das Wellenlängenkonversionselement ist jedenfalls so ausgebildet, dass das Konversionslicht in denselben Halbraum abstrahlt, von dem das Anregungslicht auf die Oberfläche des Wellenlängenkonversionselements einstrahlt.
Vorzugsweise ist das Reflexionselement so ausgebildet, dass der Winkel α2 ungefähr 45°, der Änderungswinkel α3 zwischen Anregungslichtstrahl und Reflexionslichtstrahl also ungefähr 90° beträgt (der Änderungswinkel entspricht dem Reflexionswinkel, d.h. α3 = 2 mal α2). Dies ermöglicht einerseits eine gute räumliche Trennung von Anregungslicht und Reflexionslicht, andererseits aber auch eine ausreichend kompakte Anordnung. Jedenfalls ist das Reflexionselement so ausgebildet, dass sich ein Änderungswinkel α3 größer als 0° ergibt (α3 = 0° entspricht einer Rückreflexion, die wie erwähnt bevorzugt ist für das Konversionslicht) und kleiner als 180° (α3 = 180° entspricht einer ungehinderten Transmission). In der Praxis wird man den Änderungswinkel α3 besser größer 40° und kleiner 140°, noch besser größer 60° und kleiner 120°, vorzugsweise 90° wählen. Dem Änderungswinkel α3 kann auch ein Streuwinkel kleiner 30° überlagert sein. Dazu ist das Reflexionselement z.B. geeignet diffus verspiegelt, so dass beispielsweise mehr als 50% der einfallenden Strahlung in einen Vollwinkel von 30° reflektiert wird.
Bevorzugt wird das Anregungslicht mit Hilfe einer Sammeloptik auf die Wellenlängenkonversionsanordnung, d.h. das mindestens eine Wellenlängenkonversionselement bzw. das mindestens eine Reflexionselement, fokussiert. Dazu ist die Sammeloptik optisch zwischen der Anregungslichtquelle und der Wellenlängenkonversionsanordnung angeordnet. Die Sammeloptik dient außerdem dazu, das von dem Wellenlängenkonversionselement emittierte Konversionslicht zu sammeln und zu kollimieren. Die Sammeloptik ist also dazu ausgelegt, einerseits das Anregungslicht der Anregungslichtquelle auf die Wellenlängenkonversionsanordnung zu fokussieren, andererseits das vom Wellenlängenkonversionselement der Wellenlängenkonversionsanordnung emittierte Konversionslicht zu sammeln und zu kollimieren. Zu diesem Zweck sind das Wellenlängenkonversions- und Reflexionselement bevorzugt, zumindest zeitweise, im oder zumindest in der Nähe des Fokus der Sammeloptik angeordnet bzw. bewegen sich diese im oder zumindest in der Nähe des Fokus der Sammeloptik durch den Anregungslichtstrahl hindurch.
Das innerhalb des Laserflecks auf das Wellenlängenkonversionselement auftreffende Anregungslicht wird durch das Wellenlängenkonversionselement in Konversionslicht konvertiert und beispielsweise in einer Lambertschen Verteilung in denselben Halbraum abgestrahlt, von dem das Anregungslicht auf die Oberfläche des Wellenlängenkonversionselements einstrahlt.
Damit die Sammeloptik das Konversionslicht mit möglichst geringen Verlusten einsammelt, ist die Oberfläche des Wellenlängenkonversionselements bevorzugt zumindest im Bereich des Schnittpunkts mit der optischen Achse L1 des Anregungslichtpfads im Wesentlichen senkrecht zur optischen Achse L1 ausgebildet. Dann wird das von der Sammeloptik gesammelte und kollimierte Konversionslicht auf dem Anregungslichtpfad gegenläufig zum Anregungslicht zurück geführt.
Außerdem ist dem Reflexionselement vorzugsweise eine Kollimationsoptik nachgeschaltet, um das im Fokus von dem Reflexionselement divergierend reflektierte Reflexionslichtbündel zu kollimieren.
Wie bereits erwähnt kann die räumliche Trennung von Anregungslicht und Konversionslicht auch eine teilweise Überlappung von Anregungslichtpfad und Konversionslichtpfad umfassen, nämlich dann, wenn das Wellenlängenkonversionselement zumindest lokal, d.h. am Ort des auftreffenden Anregungslichts, im wesentlichen senkrecht zum Anregungslichtpfad steht (Winkel α1 = 0°), also gegenläufig zum Anregungslicht zurückgestrahlt wird. Das in diesem und im übrigen bevorzugten Fall für die räumliche Trennung des Konversionslichts vom gegenläufigen Anregungslicht vorgesehene optische Trennungselement umfasst bevorzugt einen dichroitischen Spiegel. Dieser dichroitische Spiegel ist schräg, bevorzugt unter 45°, im Anregungslicht- bzw. Konversionslichtpfad angeordnet. Außerdem ist der dichroitische Spiegel für das Anregungslicht reflektierend und das Konversionslicht transmittierend ausgebildet oder umgekehrt. Auf diese Weise trennt der dichroitische Spiegel jedenfalls den überlappenden Abschnitt von Anregungslicht- bzw. Konversionslichtpfad in unterschiedliche Richtungen. Eine derartige optische Anordnung mit dichroitischem Spiegel zur Trennung von Anregungs- und gegenläufigem Konversionslicht ist besonders kompakt.
Die für die Zusammenführung des Konversionslichts mit dem Reflexionslicht vorgesehene optische Zusammenführungsanordnung kann ebenfalls einen dichroitischen Spiegel umfassen. Außerdem kann die optische Zusammenführungsanordnung noch mindestens einen Umlenkspiegel umfassen. Der mindestens eine Umlenkspiegel ist im Reflexionslichtpfad angeordnet und dazu ausgelegt ist, das Reflexionslicht auf den dichroitischen Spiegel der Zusammenführungsanordnung umzulenken.
Der dichroitische Spiegel des optischen Trennungselements und der dichroitische Spiegel der optischen Zusammenführungsanordnung kann auch ein und derselbe dichroitische Spiegel sein. In diesem Fall ist die Beleuchtungsvorrichtung besonders kompakt. Außerdem ist in diesem Fall für die Zusammenführungsvorrichtung ein zweiter Umlenkspiegel vorteilhaft.
Für eine Mischung des Reflexionslichts und des Konversionslichts ist es vorteilhaft, die mittels der Zusammenführungsanordnung zusammengeführten Lichtstrahlenbündel mittels einer optisch nachgeordneten zweiten Sammeloptik in einen optischen Integrator zu lenken. Der optische Integrator homogenisiert die einfallenden Lichtstrahlenbündel, beispielsweise durch Mehrfachreflexion auf dem Weg vom Integrator-Eingang zum -Ausgang. Dazu kann der optische Integrator beispielsweise als eine längliche, konische TIR-Optik (TIR = Total Internal Reflexion) ausgebildet sein.
Zur Verbesserung der Mischung von Reflexions- und Konversionslicht, insbesondere zur Angleichung der Intensitäts- und Winkelverteilungen, können im Reflexionslichtpfad und/oder dem Konversionslichtpfad geeignete optische Elemente angeordnet sein, beispielsweise optische Streuelemente. Außerdem können durch optische Streuelemente im Reflexionslichtpfad Kohärenzeffekte (Speckle) verringert werden.
Die Wellenlängenkonversionsanordnung kann als um eine Achse drehbarer Körper ausgebildet sein, auf dem das Wellenlängenkonversionselement und das Reflexionselement angeordnet sind. Das Wellenlängenkonversionselement kann beispielsweise als mindestens eine Leuchtstoffschicht ausgebildet sein. Die Leuchtstoffschicht kann auch eine Leuchtstoffmischung umfassen, also eine Mischung mehrerer Konversionsmaterialien. Bevorzugt ist für eine jeweilige Leuchtstoffschicht jedoch genau ein jeweiliges Konversionsmaterial entsprechend dem gewünschten Farblichtkanal vorgesehen, also beispielsweise ein Gelbleuchtstoff wie z.B. (Y_0.96Ce_0.04)₃Al_3.75Ga_1.25O₁₂ für den Gelblichtkanal, ein Grünleuchtstoff wie z.B. YAG:Ce (Y_0.96Ce_0.04)₃Al_3.75Ga_1.25O₁₂ für den Grünlichtkanal etc.. Für Konversionslicht mit mehr als einem Farblichtkanal (zusätzlich zu dem Reflexionslichtkanal) sind entsprechend viele Wellenlängenkonversionselemente vorgesehen. Das Reflexionselement kann beispielsweise als Spiegelbeschichtung oder – bei einem metallischen Körper – als blanker, eventuell polierter Abschnitt ausgestaltet sein.
Beispielsweise kann die Wellenlängenkonversionsanordnung als Leuchtstoffrad ausgebildet sein, welches um eine Drehachse des Leuchtstoffrads drehbar ist. Dabei ist der drehbare Körper als kreisscheibenförmiger Träger des Leuchtstoffrads ausgebildet. Auf einer Scheibenfläche des Trägers ist das Wellenlängenkonversionselement, z.B. eine Leuchtstoffschicht, kreisringsegmentförmig angeordnet. Beispielsweise können zwei oder mehr Leuchtstoffsegmente sequentiell auf dem Leuchtstoffrad angeordnet sein. Wenn die Scheibenfläche mit dem mindestens einen Leuchtstoffsegmente senkrecht zur lokalen optischen Achse des Anregungslichtpfads und folglich senkrecht zum einstrahlenden Anregungslichtstrahl angeordnet ist, wird das Konversionslicht vom bestrahlten Leuchtstoff entgegen dem einstrahlenden Anregungslichtstrahl zurückemittiert, d.h. α1 ist gleich 0°. Das Reflexionselement kann beispielsweise als konisches Kreisringspiegelsegment auf dem Träger ausgebildet sein. Aufgrund der konischen Oberfläche des Reflexionselements erfährt der Reflexionslichtstrahl bei der Reflexion eine Richtungsänderung gegenüber dem Anregungslichtstrahl bzw. dem Konversionslichtstrahl, d.h. α2 ist ungleich α1 und folglich ist der Änderungswinkel α3 größer als 0°.
Bevorzugt umfasst die Anregungslichtquelle mindestens eine Laserdiode. Um die für viele Anwendungen erforderliche hohe Anregungslichtleistung bereitstellen zu können, kann es vorteilhaft sein, mehrere Laserdioden-Chips in einem gemeinsamen Gehäuse anzubringen. Jede Laserdiode kann mit mindestens einer eigenen und/oder gemeinsamen Optik („Multi-Lens-Array“) zur Strahlführung ausgerüstet sein, z.B. mindestens einer Fresnel-Linse, Kollimator, und so weiter. Auch andere Anregungslichtquellen sind denkbar, wie beispielsweise solche, die Superlumineszensdioden, LEDs, organische LEDs und dergleichen umfassen.
Generell ist eine Verwendung der Beleuchtungsvorrichtung als Lichtquelle beispielsweise in einem Projektionsgerät oder einem Endoskop sowie für Raumbeleuchtungszwecke, industrielle und medizinische Anwendungen vorteilhaft. Insbesondere ist die Verwendung in Geräten für die Lichtprojektion für Unterhaltungszwecke sowie Daten-, Film- und Videoprojektion bevorzugt.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Im Folgenden soll die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen näher erläutert werden. Die Figuren zeigen:
1a ein Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Beleuchtungsvorrichtung mit Leuchtstoffrad in einer Reflexionslichtphase,
1b das Leuchtstoffrad aus 1a in einer Position entsprechend der Reflexionslichtphase,
1c das Ausführungsbeispiel aus 1a in einer Konversionslichtphase,
1d das Leuchtstoffrad aus 1c in einer Position entsprechend der Konversionslichtphase,
2a ein Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Beleuchtungsvorrichtung mit Leuchtstoffrad und Streuelementen in einer Reflexionslichtphase,
2b das Ausführungsbeispiel aus 2a in einer Konversionslichtphase,
3a ein weiteres Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Beleuchtungsvorrichtung mit Leuchtstoffrad in einer Reflexionslichtphase,
3b das Ausführungsbeispiel aus 3a in einer Konversionslichtphase.
Bevorzugte Ausführung der Erfindung
Gleiche oder gleichartige Merkmale können im Folgenden der Einfachheit halber auch mit gleichen Bezugszeichen bezeichnet sein.
1a zeigt eine schematische Darstellung einer Beleuchtungsvorrichtung 1 gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung. Die Beleuchtungsvorrichtung 1 umfasst eine als Laservorrichtung ausgebildete Anregungslichtquelle 2. Die Laservorrichtung kann beispielsweise als eine eine Mehrzahl an Laserdioden umfassende Laserdioden-Matrix ausgebildet sein. Das Anregungslicht 3 wird auch als blauer Farbkanal mit genutzt. Deshalb ist die Anregungslichtquelle 2 dazu ausgelegt, Anregungslicht 3 im blauen Spektralbereich, beispielsweise im Bereich 440–470 nm, besonders bevorzugt bei ca. 450 nm, zu emittieren. Außerdem ist dies für viele Leuchtstoffe eine geeignete Anregungswellenlänge.
Das vorzugsweise zumindest näherungsweise kollimierte blaue Laserlicht 3 der Anregungslichtquelle 2 wird mittels einem dichroitischen Spiegel 4 auf eine Wellenlängenkonversionsanordnung gelenkt, die als Leuchtstoffrad 5 ausgebildet ist.
Im Folgenden wird nun auch auf 1b Bezug genommen, das das Leuchtstoffrad 5 in der Orientierung gemäß 1a in einem schematischen Querschnitt (unten) sowie einer entsprechenden Draufsicht (oben) zeigt. Das Leuchtstoffrad 5 umfasst einen kreisscheibenförmigen Träger 6, der drehbar um die Drehachse A gelagert ist. Die dem einfallenden Anregungslicht 3 zugewandte Seite des Trägers 6 ist mit einem kreisringsegmentförmigen Wellenlängenkonversionselement y versehen, das als Gelbleuchtstoffschicht ausgebildet ist. Außerdem weist der Träger 6 ein als konisches Kreisringspiegelsegment ausgebildetes Reflexionselement 7 auf, das sich an dem Wellenlängenkonversionselement y anschließt und blaues Licht spektral unverändert reflektiert. Der volle Öffnungswinkel β des Konus beträgt hier ca. 90°.
Die in 1a dargestellte Beleuchtungsvorrichtung 1 ist also für eine zeitlich sequentielle Abfolge von gelbem Konversionslicht (Y) bzw. blauem Reflexionslicht (B) vorgesehen. Sie ist beispielsweise als für das menschliche Auge zeitlich gemittelte Weißlichtquelle geeignet. Darüber hinaus können bei Bedarf auch weitere oder andere Leuchtstoffsegmente vorgesehen sein, beispielsweise zusätzlich oder alternativ Leuchtstoffsegmente mit einer Grünleuchtstoffschicht (für grünes Konversionslicht G) und/oder Rotleuchtstoffschicht (für rotes Konversionslicht R) für eine RGB- oder RGBY-Lichtquelle. Ebenso kann auch mehr als ein Reflexionselement vorgesehen sein.
Während der in 1a gezeigten Reflexionslichtphase der Beleuchtungsvorrichtung 1 dreht das Reflexionselement 7 des Leuchtstoffrads 5 durch den Anregungslichtpfad des blauen Laserlichts 3 hindurch. Dabei trifft der mittels einer ersten Sammeloptik 8 fokussierte Laserfleck 9 auf das Reflexionselement 7 und wird von diesem auf eine Kollimationsoptik 10 reflektiert. Dabei bildet die Flächennormale N2 des konischen Kreisringspiegelsegments 7 im Laserfokus einen Winkel α2 von 45° mit der lokalen optischen Achse L1 des blauen Anregungslichts 3, d.h. die jeweiligen optische Achsen L1 und L2 des einfallenden Anregungslichts 3 bzw. ausfallenden Reflexionslichts 3 bilden einen Änderungswinkel α3 von 90°. Auf diese Weise ist sichergestellt, dass das Reflexionslicht nicht auf dem Konversionslichtpfad zurück sondern durch eine Richtungsänderung um den Änderungswinkel α3 auf einen davon räumlich getrennten Reflexionslichtpfad reflektiert wird. Nach der Kollimationsoptik 10 gelangt das blaue Reflexionslicht 3 über zwei 45°-Umlenkspiegel 11, 12 auf die Rückseite des dichroitischen Spiegels 4 und wird von diesem über eine zweite Sammeloptik 13 in einen optischen Integrator 14 gelenkt.
Der optische Integrator 14 ist beispielsweise ein geeigneter Glasstab, der das sequentielle blaue und gelbe Licht auf der Basis mehrfacher innerer Totalreflexion räumlich homogenisiert und zeitlich integriert betrachtet für das menschliche Auge zu weißem Mischlicht mischt.
Die beiden Umlenkspiegel 11, 12 sowie der dichroitische Spiegel 4 sind der Einfachheit halber in einer gemeinsamen Ebene angeordnet und jeweils um 45° zur jeweiligen optischen Achse gekippt. Es können aber auch davon abweichende Winkel eingestellt werden, solange sich dies lediglich auf die geometrische Anordnung der einzelnen optischen Elemente und nicht auf die prinzipielle Funktion der Anordnung auswirkt.
In 1c ist eine Konversionslichtphase der Beleuchtungsvorrichtung 1 dargestellt, während der das Gelbleuchtstoffsegment y des Leuchtstoffrads 5 durch den Lichtpfad des blauen Laserlichts 3 hindurch dreht. Im Folgenden wird auch Bezug auf 1d genommen, die das bereits in 1b gezeigte Leuchtstoffrad 5 hier in der Orientierung gemäß 1c zeigt, nämlich um 180° weitergedreht.
Während der in 1c, 1d dargestellten Konversionslichtphase wird das blaue Laserlicht 3 durch den Gelbleuchtstoff des Wellenlängenkonversionselements y in Konversionslicht im gelben Spektralbereich konvertiert (nachfolgend verkürzend auch als „gelbes Konversionslicht“ (Y) bezeichnet). Dazu wird das vom dichroitischen Spiegel 4 umgelenkte blaue Laserlicht 3 mittels der Sammeloptik 8 auf das Wellenlängenkonversionselements y fokussiert und erzeugt dort den Laserfleck 9. Das innerhalb des Laserflecks 9 auftreffende blaue Laserlicht wird durch den Gelbleuchtstoff in gelbes Konversionslicht 15 konvertiert und näherungsweise in einer Lambertschen Verteilung in denselben Halbraum abgestrahlt, von dem das Anregungslicht 3 auf die Oberfläche des Wellenlängenkonversionselements y einstrahlt. Da das Wellenlängenkonversionselement y zumindest lokal im Wesentlichen senkrecht zur lokalen optischen Achse L1 des Anregungslichtpfads angeordnet ist, fällt die Hauptrichtung der Lambertschen Verteilung mit der Flächennormale N1 des Wellenlängenkonversionselements y und der lokalen optischen Achse L1 des Anregungslichtpfads zusammen. Der Winkel α2 zwischen Flächennormale N1 und lokaler optischer Achse L1 des Anregungslichtpfads beträgt hier also 0°. Das deshalb gegenläufig zum Anregungslicht 3 abgestrahlte Konversionslicht 15 wird von der ersten Sammeloptik 8 gesammelt und kollimiert. Das kollimierte Konversionslicht 15 transmittiert den für das gelbe Konversionslicht 15 transparenten dichroitischen Spiegel 4 und wird danach über die zweite Sammeloptik 13 in einen optischen Integrator 14 gelenkt.
Auf diese Weise trennt der zwischen die erste Anregungslichtquelle 2 und die erste Sammeloptik 8 geschaltete erste dichroitische Spiegel 4 das Konversionslicht 15 räumlich von dem gegenläufigen, von der Anregungslichtquelle kommenden Anregungslicht 3 und führt es weiter auf dem Konversionslichtpfad, der auf der Gelbleuchtstoffschicht y beginnt und am Ende in den optischen Integrator 14 mündet. Andererseits führt der dichroitische Spiegel 4 das durch ihn transmittierte Konversionslicht 15 mit dem von ihm auf seiner Rückseite reflektierten Reflexionslicht zusammen. In der Beleuchtungsvorrichtung 1 fungiert der dichroitische Spiegel 4 also sowohl als optisches Trennungselement für das Anregungslicht 3 und das Konversionslicht 15 als auch als optische Zusammenführungsanordnung für das Konversionslicht 15 und das Reflexionslicht 3.
Das von optischen Integrator 14 abgestrahlte Licht wird bei ausreichend schnell ausgeführten Lichtfolgen, z.B. bei einer Drehung des Leuchtstoffrads 5 von mindestens 25 Umdrehungen pro Sekunde, als ein Mischlicht mit gelben (Konversionslicht 15) und blauen (Reflexionslicht 3) Farbanteilen wahrgenommen.
In einer nicht dargestellten Alternative kann der dichroitische Spiegel 4 für das blaue Anregungslicht 3 transmittierend und für das gelbe Konversionslicht 15 reflektierend ausgelegt sein. Dann sind lediglich die beiden Positionen für die Anregungslichtquelle 2 und die optischen Integrator 14 gegeneinander zu vertauschen.
Bei Bedarf kann die ringförmig umlaufende Leuchtstoffschicht auch zwei oder mehr sequentiell aufeinander folgende Leuchtstoffe umfassen, beispielsweise einen Rotund einem Grünleuchtstoff für RGB-Mischlicht. Der Farbort des Mischlichts kann durch die Gewichtung der Farblichtkomponenten eingestellt werden. Durch Steuerung der Leistung und/oder Taktung der Laserlichtquelle 2 kann die Steuerung des Farborts auch dynamisch während des Betriebs der Beleuchtungsvorrichtung 1 erfolgen.
Die 2a, 2b zeigen schematische Darstellungen der IReflexions- bzw. Konversionsphase einer Variante 1 der in 1a, 1c gezeigten Beleuchtungsvorrichtung 1. Im Unterschied zur letzteren ist bei der Beleuchtungsvor-Irichtung 1 der für die Trennung von Konversionslicht 15 und Anregungslicht 3 vorgesehene erste dichroitische Spiegel 4‘ nicht für das blaue Anregungslicht 3 sondern für das gelbe Konversionslicht 15 reflektierend ausgelegt. Dadurch ist bei dieser Variante für die Zusammenführung des blauen Reflexionslichts 3 und des gelben Konversionslichts 15 ein zweiter dichroitischer Spiegel 4‘‘ erforderlich. Dabei gelangt das durch die Kollimationsoptik 10 kollimierte Reflexionslicht 3 über einen Umlenkspiegel 11 auf den zweiten dichroitischen Spiegel 4‘‘. Der zweite dichroitische Spiegel 4‘‘ ist für das blaue Reflexionslicht 3 durchlässig und das gelbe Konversionslicht 15 spiegelnd ausgelegt. Das mittels des zweiten dichroitischen Spiegels 4‘‘ zusammengeführte Reflexionslicht 3 und Konversionslicht 15 werden mit Hilfe einer dem dichroitischen Spiegel 4‘‘ optisch nachgeschalteten weiteren Sammeloptik 13 in den optischen Integrator 14 gelenkt.
Die durch die besondere Ausgestaltung der Wellenlängenkonversionsanordnung 5 und insbesondere des Reflexionselements 7 erzielte räumliche Auftrennung von Konversionslichtpfad und Reflexionslichtpfad ermöglicht es, darin optische Elemente wie beispielsweise je ein Streuelement 16, 17, anzuordnen. Dadurch kann die räumliche Intensitäts- sowie Winkelverteilung von Konversionslicht 15 und Reflexionslicht 3 vor der Zusammenführung mit dem zweiten dichroitischen Spiegel 4‘‘ angeglichen werden.
Die 3a, 3b zeigen schematische Darstellungen der Reflexions- bzw. Konversionsphase einer weiteren Variante 1 ^II der erfindungsgemäßen Beleuchtungsvorrichtung. Sie unterscheidet sich von der Variante 1 ^I im wesentlichen durch den Verzicht der Streuelemente und dadurch, dass der zweite dichroitische Spiegel 4 komplementär ausgelegt ist, d.h. für das blaue Reflexionslicht 3 spiegelnd und das gelbe Konversionslicht 15 durchlässig. Schließlich ist die geometrische Anordnung des optischen Integrators 14 entsprechend angepasst.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

CN 102385233 A [0005]

Claims

Beleuchtungsvorrichtung (1) zur Erzeugung von Licht mittels einer Wellenlängenkonversionsanordnung, umfassend – mindestens eine Anregungslichtquelle (2), die dazu ausgelegt ist, Anregungslicht (3) auszusenden, – eine in einem Anregungslichtpfad angeordnete Wellenlängenkonversionsanordnung (5) mit – mindestens einem Wellenlängenkonversionselement (y), das dafür ausgelegt ist, das von der mindestens einen Anregungslichtquelle (2) auf einem lokalen Anregungslichtpfad zumindest zeitweise auf das Wellenlängenkonversionselement (y) eingestrahlte Anregungslicht (3) zumindest teilweise in Konversionslicht (15) zu konvertieren und das Konversionslicht (15) in denselben Halbraum abzustrahlen, von dem das Anregungslicht (3) auf die Oberfläche des Wellenlängenkonversionselements (y) einstrahlt, und – mindestens einem Reflexionselement (7), das dafür ausgelegt ist, das von der mindestens einen Anregungslichtquelle (2) auf dem lokalen Anregungslichtpfad zumindest zeitweise auf das Reflexionselement (7) eingestrahlte Anregungslicht (3) mindestens teilweise unkonvertiert als Reflexionslicht (3) so zu reflektieren, dass das Reflexionslicht (3) durch eine Richtungsänderung vom lokalen Anregungslichtpfad weg und auf einen Reflexionslichtpfad abgelenkt wird, – ein optisches Trennungselement (4), das dafür angeordnet und ausgelegt ist, das von dem mindestens einen Wellenlängenkonversionselement (y) kommende Konversionslicht (15) von dem auf dem lokalen Anregungslichtpfad kommenden und auf das mindestens eine Wellenlängenkonversionselement (y) einstrahlenden Anregungslicht zu trennen und auf einen Konversionslichtpfad zu führen, – eine optische Zusammenführungsanordnung (4), die für die Zusammenführung des vom Reflexionslichtpfad kommenden Reflexionslichts (3) und des vom Konversionslichtpfad kommenden Konversionslichts (15) ausgelegt ist.
Beleuchtungsvorrichtung (1) nach Anspruch 1, wobei durch die Richtungsänderung ein Änderungswinkel α3 zwischen der lokalen optische Achse (L1) des Anregungslichtpfads und der lokalen optische Achse (L2) des Reflexionslichtpfads gebildet ist und wobei für den Änderungswinkel α3 in der Reihenfolge zunehmend bevorzugt gilt: 0° < α3 < 180° 40° < α3 < 140° 60° < α3 < 120°.
Beleuchtungsvorrichtung (1) nach Anspruch 2, wobei der Änderungswinkel α3 ca. 90° beträgt.
Beleuchtungsvorrichtung (1) nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei das Wellenlängenkonversionselement (y) und das Reflexionselement (7) so ausgebildet sind, dass die lokale optische Achse (L1) des Anregungslichtpfads mit der lokalen Flächennormalen (N1) des Wellenlängenkonversionselements (y) einen Winkel α1 bildet, der verschieden ist vom Winkel α2 zwischen der lokalen optischen Achse (L1) des Anregungslichtpfads und der lokalen Flächennormalen (N2) des Reflexionselements (7).
Beleuchtungsvorrichtung (1) nach Anspruch 4, wobei der Winkel α1 ca. 0° beträgt.
Beleuchtungsvorrichtung (1) nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei die Wellenlängenkonversionsanordnung (5) als um eine Achse (A) drehbarer Körper (6) ausgebildet ist, auf dem das Wellenlängenkonversionselement (y) und das Reflexionselement (7) angeordnet sind.
Beleuchtungsvorrichtung (1) nach Anspruch 6, wobei das Wellenlängenkonversionselement (y) als Leuchtstoffschicht und das Reflexionselement (7) als Spiegelfläche auf dem drehbaren Körper (6) ausgebildet sind.
Beleuchtungsvorrichtung (1) nach Anspruch 7, wobei der drehbare Körper als kreisscheibenförmiger Träger (6) eines Leuchtstoffrads (5) ausgebildet ist und wobei die Leuchtstoffschicht (y) kreisringsegmentförmige auf einer Scheibenfläche des Trägers (6) angeordnet ist und wobei die Spiegelfläche als konisches Kreisringspiegelsegment (7) auf dem Träger (6) ausgebildet ist.
Beleuchtungsvorrichtung (1) nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei das optische Trennungselement (4) einen dichroitischen Spiegel umfasst.
Beleuchtungsvorrichtung (1) nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei die optische Zusammenführungsanordnung (4) einen dichroitischen Spiegel umfasst.
Beleuchtungsvorrichtung (1) nach Anspruch 9 und 10, wobei der dichroitische Spiegel des optischen Trennungselements und der dichroitische Spiegel der optischen Zusammenführungsanordnung ein und derselbe dichroitische Spiegel (4) ist.
Beleuchtungsvorrichtung (1) nach einem der Ansprüche 10 oder 11, wobei die optische Zusammenführungsanordnung (4) mindestens einen Umlenkspiegel (11, 12) umfasst, der im Reflexionslichtpfad angeordnet und dazu ausgelegt ist, das Reflexionslicht (3) auf den dichroitische Spiegel (4; 4‘‘) der Zusammenführungsanordnung (4) umzulenken.
Beleuchtungsvorrichtung (1) nach einem der vorstehenden Ansprüchen mit einer ersten Sammeloptik (8), die optisch zwischen der Anregungslichtquelle (2) und der Wellenlängenkonversionsanordnung (5) angeordnet ist, wobei die Sammeloptik (8) dazu ausgelegt ist, einerseits das Anregungslicht (3) der Anregungslichtquelle (2) auf die Wellenlängenkonversionsanordnung (5) zu fokussieren, andererseits das vom Wellenlängenkonversionselement (y) der Wellenlängenkonversionsanordnung (5) emittierte Konversionslicht (15) zu sammeln und zu kollimieren.
Beleuchtungsvorrichtung (1) nach einem der vorstehenden Ansprüche mit einer Kollimationsoptik (10), die dem Reflexionselement (7) optisch nachgeschaltet und für die Kollimation des Reflexionslichts ausgelegt ist.
Verwendung einer Beleuchtungsvorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche für zumindest eine der folgenden Anwendungen: Projektionsgerät, Endoskop, Lichtprojektion für Unterhaltungszwecke, Raumbeleuchtungszwecke, industrielle und medizinische Anwendungen.