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Die Erfindung betrifft eine Beleuchtungseinrichtung gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
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I. Stand der Technik
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Eine derartige Beleuchtungseinrichtung ist beispielsweise in der Offenlegungsschrift
WO 2013/182450 A1 offenbart. Diese Schrift beschreibt eine Beleuchtungseinrichtung mit mehreren Laserlichtquellen, deren Licht über einen ringförmigen Reflektor auf ein Lichtwellenlängenkonversionselement gelenkt wird.
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II. Darstellung der Erfindung
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Es ist Aufgabe der Erfindung, eine gattungsgemäße Beleuchtungseinrichtung bereitzustellen, die eine hohe Bestrahlungsstärke, eine möglichst homogene Ausleuchtung des Lichtwellenlängenkonversionselements und geringe Lichtverluste ermöglicht.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch eine Beleuchtungseinrichtung mit den Merkmalen aus dem Anspruch 1 gelöst. Besonders vorteilhafte Ausführungen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen beschrieben.
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Die erfindungsgemäße Beleuchtungseinrichtung besitzt eine Lichterzeugungsvorrichtung und mindestens ein Lichtwellenlängenkonversionselement sowie mindestens ein Lichtlenkungsmittel, wobei die Lichterzeugungsvorrichtung und das mindestens eine Lichtlenkungsmittel derart ausgebildet sind, dass linear polarisiertes Licht erzeugt und aus unterschiedlichen Richtungen zu dem mindestens einen Lichtwellenlängenkonversionselement gelenkt wird, so dass es jeweils unter einem Einfallswinkel auf eine Oberfläche des mindestens einen Lichtwellenlängenkonversionselements auftrifft, der einem Brewsterwinkel, insbesondere einem Brewsterwinkel des mindestens einen Lichtwellenlängenkonversionselements, entspricht, wobei die Polarisationsrichtung des Lichts parallel zu seiner Einfallsebene ist, wobei die Einfallsebene definiert ist durch das Lot auf die Oberfläche des Lichtwellenlängenkonversionselements und durch die Ausbreitungsrichtung des auf diese Oberfläche auftreffenden Laserlichtbündels.
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Durch die Verwendung von linear polarisiertem Licht, das aus unterschiedlichen Richtungen unter einem Brewsterwinkel auf eine Oberfläche des mindestens einen Lichtwellenlängenkonversionselements auftrifft und parallel zu seiner Einfallsebene polarisiert ist, werden eine hohe Bestrahlungsstärke und eine homogene Beleuchtung des mindestens einen Lichtwellenlängenkonversionselements sowie geringe Lichtverluste ermöglicht. Insbesondere reduziert die vorgenannte Kombination von Einfallswinkel und Polarisationsrichtung des Lichts Verluste durch Reflexion an der Oberfläche des mindestens einen Lichtwellenlängenkonversionselements, so dass der größte Teil der Lichtintensität in das mindestens eine Lichtwellenlängenkonversionselement eindringen kann. Dadurch, dass das linear polarisierte Licht aus unterschiedlichen Richtungen auf die Oberfläche des mindestens einen Lichtwellenlängenkonversionselements auftrifft, wird eine homogene Beleuchtung des mindestens einen Lichtwellenlängenkonversionselements mit hoher Bestrahlungsstärke und eine entsprechend homogene Lichtwellenlängenkonversion ermöglicht.
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Vorzugsweise sind die Lichterzeugungsvorrichtung und das mindestens eine Lichtlenkungsmittel der erfindungsgemäßen Beleuchtungseinrichtung derart ausgebildet, dass sich das aus unterschiedlichen Richtungen kommende, linear polarisierte Licht auf der Oberfläche des mindestens einen Lichtwellenlängenkonversionselements überlappt. Dadurch kann im Überlappungsbereich eine besonders hohe Bestrahlungsstärke erreicht werden. Außerdem kann dadurch auch im Fall von Lichtstrahlen mit nicht rotationssymmetrischem Strahlprofil ein nahezu homogener Leuchtfleck auf der Oberfläche des mindestens einen Lichtwellenlängenkonversionselements erzeugt werden.
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Vorteilhafterweise sind zumindest das mindestens eine Lichtlenkungsmittel sowie das mindestens eine Lichtwellenlängenkonversionselement der erfindungsgemäßen Beleuchtungseinrichtung auf einem gemeinsamen Träger angeordnet. Dadurch kann eine präzise räumliche Lage und Ausrichtung der vorgenannten Komponenten der erfindungsgemäßen Beleuchtungseinrichtung relativ zueinander gewährleistet werden. Vorzugsweise ist zu dem vorgenannten Zweck zusätzlich auch die Lichterzeugungsvorrichtung auf dem gemeinsamen Träger angeordnet.
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Vorzugsweise sind die Lichterzeugungsvorrichtung und das mindestens eine Lichtlenkungsmittel sowie das mindestens eine Lichtwellenlängenkonversionselement der erfindungsgemäßen Beleuchtungseinrichtung auf einer, vorzugsweise eben ausgebildeten Montagefläche des gemeinsamen Trägers angeordnet. Dadurch können die vorgenannten Komponenten der erfindungsmäßen Beleuchtungseinrichtung als oberflächenmontierte Bauteile ausgeführt werden und beispielsweise bereits während ihrer Herstellung auf dem gemeinsamen Träger angebracht werden. Außerdem kann dadurch auch eine besonders präzise Ausrichtung der vorgenannten Komponenten der erfindungsgemäßen Beleuchtungseinrichtung relativ zueinander gewährleistet werden.
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Die erfindungsgemäße Beleuchtungseinrichtung besitzt vorteilhafterweise Polarisationsmittel zur Beeinflussung der Polarisationsrichtung des von der Lichterzeugungsvorrichtung generierten Lichts. Mittels der Polarisationsmittel kann auf einfache Weise die Polarisationsrichtung des von der Lichterzeugungsvorrichtung generierten Lichts derart beeinflusst werden, dass das aus unterschiedlichen Richtungen auf die Oberfläche des mindestens einen Lichtwellenlängenkonversionselements auftreffende Licht parallel zu seiner Einfallsebene linear polarisiert ist.
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Vorzugsweise besitzt die Lichterzeugungsvorrichtung der erfindungsgemäßen Beleuchtungseinrichtung mehrere Laserlichtquellen, um auf einfache Weise durch eine entsprechende räumliche Anordnung und Ausrichtung der Laserlichtquellen polarisiertes Licht mit hoher Leuchtdichte zu erzeugen, das aus unterschiedlichen Richtungen auf das mindestens eine Lichtwellenlängenkonversionselement gelenkt werden kann und dessen Polarisationsrichtung mit Hilfe von Polarisationsmitteln gegebenenfalls geändert werden kann, so dass das auf die Oberfläche des mindestens einen Lichtwellenlängenkonversionselements auftreffende Laserlicht parallel zu seiner Einfallsebene polarisiert ist. Die Laserlichtquellen sind vorzugsweise als Laserdioden ausgebildet, um eine kompakte, platzsparende Ausführung der Lichterzeugungsvorrichtung der erfindungsgemäßen Beleuchtungseinrichtung zu ermöglichen.
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Vorteilhafterweise ist jeder Laserlichtquelle ein mit einer Reflexionsfläche versehenes Lichtlenkungsmittel zugeordnet, das derart ausgebildet ist, dass Licht von der jeweiligen Laserlichtquelle mittels der Reflexionsfläche des ihr zugeordneten Lichtlenkungsmittels auf das mindestens eine Lichtwellenlängenkonversionselement reflektiert wird. Alternativ oder ergänzend können auch refraktive Optiken zur Strahlumlenkung verwendet werden. Die Verwendung eines eigenen Lichtlenkungsmittels für jede Laserlichtquelle hat den Vorteil, dass das von der jeweiligen Laserlichtquelle emittierte Licht auf einfache Weise und ohne Umwege direkt zu dem mindestens einen Lichtwellenlängenkonversionselement gelenkt werden kann.
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Die vorgenannten Reflexionsflächen der Lichtlenkungsmittel der erfindungsgemäßen Beleuchtungseinrichtung sind vorzugsweise jeweils um einen Winkel W gegenüber der Montagefläche des gemeinsamen Trägers geneigt, wobei sich dieser Winkel W berechnet zu W = 45° + WB/2, und wobei WB den Brewsterwinkel des mindestens einen Lichtwellenlängenkonversionselements bezeichnet. Durch diese Ausbildung der Reflexionsflächen kann mit einfachen Mitteln erreicht werden, dass von den Laserlichtquellen parallel zur Montageoberfläche des gemeinsamen Trägers emittiertes Licht an den Reflexionsflächen der Lichtlenkungsmittel reflektiert wird, so dass es unter dem Brewsterwinkel auf die Oberfläche des mindestens einen Lichtwellenlängenkonversionselements auftrifft und dadurch möglichst geringe Verluste durch Lichtreflexion an der Oberfläche des Lichtwellenlängenkonversionselements auftreten. Alternativ können auch lichtbrechende Oberflächen der oben genannten refraktiven Optiken derart ausgebildet sein, dass das von der jeweiligen Laserlichtquelle emittierte Licht zu dem mindestens einen Lichtwellenlängenkonversionselement gelenkt wird, so dass es unter dem Brewsterwinkel auf eine Oberfläche des mindestens einen Lichtwellenlängenkonversionselements auftrifft. Die Verwendung von Reflexionsflächen bei den Lichtlenkungsmitteln hat gegenüber der Verwendung von lichtbrechenden Oberflächen bei refraktiven Optiken den Vorteil einer höheren Effizienz, da keine Verluste durch Lichtabsorption auftreten.
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Vorzugsweise sind die Laserlichtquellen der erfindungsgemäßen Beleuchtungseinrichtung um das mindestens eine Lichtwellenlängenkonversionselement herum, entlang mindestens einer fiktiven geschlossenen mathematischen Kurve, auf der Montagefläche des gemeinsamen Trägers angeordnet, wobei jede Laserlichtquelle und das ihr zugeordnete Lichtlenkungsmittel vorzugsweise kollinear zu dem mindestens einen Lichtwellenlängenkonversionselement angeordnet sind, um eine möglichst homogene Beleuchtung des mindestens einen Lichtwellenlängenkonversionselements zu gewährleisten.
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Vorteilhafterweise ist die Lichterzeugungsvorrichtung der erfindungsgemäßen Beleuchtungseinrichtung dazu ausgebildet, linear polarisiertes Licht mit einer Wellenlänge aus dem Wellenlängenbereich von 380 Nanometer bis 490 Nanometer zu erzeugen, und das mindestens eine Lichtwellenlängenkonversionselement der erfindungsgemäßen Beleuchtungseinrichtung ist vorteilhafterweise ausgebildet, Licht aus dem vorgenannten Wellenlängenbereich anteilig in Licht anderer Wellenlänge mit einem Intensitätsmaximum im Wellenlängenbereich von 560 Nanometer bis 590 Nanometer zu konvertieren. Dadurch kann auf einfache Weise weißes Licht generiert werden, das eine Mischung aus reflektiertem oder gestreutem, nicht-konvertiertem blauem Licht und emittiertem, konvertiertem gelbem Licht ist. Um eine hohe Leuchtdichte zu erreichen, enthält die Lichterzeugungsvorrichtung der erfindungsgemäßen Beleuchtungseinrichtung vorzugsweise Laserdioden, die während ihres Betriebs blaues, linear polarisiertes Licht emittieren, das mittels des mindestens einen Lichtwellenlängenkonversionselements anteilig in gelbes Licht konvertiert wird, so dass die Mischung aus nicht-konvertiertem blauem Laserlicht und am Lichtwellenlängenkonversionselement in gelbes Licht konvertiertem Laserlicht weißes Licht ergibt.
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Der gemeinsame Träger weist vorteilhafterweise eine Wärmesenke auf oder ist als Wärmesenke ausgebildet, um eine Kühlung des mindestens einen Lichtwellenlängenkonversionselements und vorzugsweise zusätzlich auch eine Kühlung der Laserlichtquellen zu ermöglichen.
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Vorteilhafterweise ist das mindestens eine Lichtwellenlängenkonversionselement auf einem lichtreflektierenden Oberflächenabschnitt des gemeinsamen Trägers angeordnet. Dadurch wird die Effizienz der erfindungsgemäßen Beleuchtungseinrichtung erhöht, weil sowohl das in das mindestens eine Lichtwellenlängenkonversionselement eindringende nicht-konvertierte Licht als auch das in dem mindestens einen Lichtwellenlängenkonversionselement konvertierte Licht an dem lichtreflektierenden Oberflächenabschnitt des gemeinsamen Trägers in das mindestens eine Lichtwellenlängenkonversionselement zurück reflektiert werden und dadurch das mindestens eine Lichtwellenlängenkonversionselement nur durch die Oberfläche an der vom Träger abgewandten Seite verlassen können, die auch der Lichteinkopplung dient.
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Die erfindungsgemäße Beleuchtungseinrichtung ist vorzugsweise von einem Gehäuse umgeben, um einen Schutz vor Beschädigung und Verschmutzung zu ermöglichen.
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Die erfindungsgemäße Beleuchtungseinrichtung ist vorzugsweise als Bestandteil eines Kraftfahrzeugscheinwerfers ausgebildet und dient in dem Kraftfahrzeugscheinwerfer als Lichtquelle zum Erzeugen von weißem Licht.
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III. Beschreibung des bevorzugten Ausführungsbeispiels
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Nachstehend wird die Erfindung anhand von bevorzugten Ausführungsbeispielen näher erläutert. Es zeigen:
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1 eine Draufsicht auf die Beleuchtungseinrichtung gemäß einem bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung in schematischer Darstellung
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2 einen Querschnitt durch eine Einheit der in 1 abgebildeten Beleuchtungseinrichtung in schematischer Darstellung
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3 eine Draufsicht auf die in 2 abgebildete Einheit in schematischer Darstellung
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4 einen Querschnitt durch ein Lichtlenkungsmittel und das Lichtwellenlängenkonversionselement sowie den gemeinsamen Träger der in 1 abgebildeten Beleuchtungseinrichtung
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5 eine schematische Darstellung des Laserstrahlprofils einer Laserlichtquelle der in Figur abgebildeten Beleuchtungseinrichtung
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6 eine schematische Darstellung des Laserstrahlprofils einer Laserlichtquelle der in Figur abgebildeten Beleuchtungseinrichtung nach Drehung der Polarisationsrichtung
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7 eine Draufsicht auf die beleuchtete Oberfläche des Lichtwellenlängenkonversionselements der in 1 abgebildete Beleuchtungseinrichtung
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8 einen Querschnitt durch ein Lichtlenkungsmittel, das Lichtwellenlängenkonversionselement und einer Überwachungseinheit sowie den gemeinsamen Träger der in 1 abgebildeten Beleuchtungseinrichtung
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Die Beleuchtungseinrichtung gemäß dem bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung ist Bestandteil eines Kraftfahrzeugscheinwerfers und besitzt eine Lichterzeugungsvorrichtung 1, ein Lichtwellenlängenkonversionselement 2, Lichtlenkungsmittel 31, 32, 33, 34, 35 und einen gemeinsamen Träger 4 für die vorgenannten Komponenten der Beleuchtungseinrichtung. Außerdem umfasst die Beleuchtungseinrichtung eine Überwachungseinheit 5 für die Lichterzeugungsvorrichtung 1.
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Die Lichterzeugungsvorrichtung 1 besitzt fünf gleichartigen Laserdioden 11, 12, 13, 14, 15, die entlang eines fiktiven Kreises an den Ecken eines fiktiven regelmäßigen Fünfecks auf einer Montagefläche 40 des gemeinsamen Trägers 4 angeordnet sind. Die Laserdioden 11, 12, 13, 14, 15 erzeugen während ihres Betriebs jeweils blaues Licht mit einer Wellenlänge von 450 Nanometer und einer elektrischen Leistung im Bereich von 2 Watt bis 3 Watt. Sie sind jeweils als sogenanntes SMT Package (SMT = Surface Mounted Technology) ausgebildet und direkt auf die Montagefläche 40 des gemeinsamen Trägers 4 gelötet.
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Zusätzlich weist die Lichterzeugungsvorrichtung 1 fünf Verzögerungsplatten 111, 121, 131, 141, 151 und fünf Kollimatoren 112, 122, 132, 142, 152 auf, die jeweils in dem Lichtstrahlengang einer der Laserdioden 11, 12, 13, 14 bzw. 15 angeordnet sind. Die Verzögerungsplatten 111, 121, 131, 141, 151 sind jeweils als sogenanntes λ/2-Plättchen ausgebildet, das die Polarisationsrichtung des von der Laserdiode emittierten Lichts, in dessen Lichtstrahlengang das λ/2-Plättchen angeordnet ist, um einen Winkel von 90 Grad dreht. Die Kollimatoren 112, 122, 132, 142, 152 reduzieren die Divergenz des von der jeweiligen Laserdiode emittierten Lichts.
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Das Lichtwellenlängenkonversionselement 2 besteht aus mit Cer dotiertem Yttriumaluminiumgranat (YAG:Ce), das auf einer lichtreflektierenden metallischen Schicht 20 auf der Montagefläche 40 des gemeinsamen Trägers 4 angeordnet ist. Das Lichtwellenlängenkonversionselement 3 ist als quadratische Scheibe mit einer Fläche von ca. 4 mm2 ausgebildet. Seine Dicke bzw. seine Höhe über der lichtreflektierenden metallischen Schicht 20 beträgt ungefähr 35 Mikrometer. Das Lichtwellenlängenkonversionselement 2 ist im Zentrum des von den fünf Laserdioden 11, 12, 13, 14, 15 gebildeten fiktiven regelmäßigen Fünfecks angeordnet.
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Die Lichtlenkungsmittel 31, 32, 33, 34, 35 sind entlang eines fiktiven Kreises um das Lichtwellenlängenkonversionselement 2 herum, an den Ecken eines fiktiven regelmäßigen Fünfecks auf der Montagefläche 40 des gemeinsamen Trägers 4 angeordnet. Das Lichtwellenlängenkonversionselement 2 befindet sich im Zentrum des von den Lichtlenkungsmitteln 31, 32, 33, 34, 35 gebildeten fiktiven regelmäßigen Fünfecks als auch im Zentrum des von den Laserdioden 11, 12, 13, 14, 15 gebildeten fiktiven regelmäßigen Fünfecks. Jeder Laserdiode ist einer der zylindrischen Reflektoren zugeordnet. Insbesondere ist der ersten Laserdiode 11 das erste Lichtlenkungsmittel 31, der zweiten Laserdiode 12 das zweite Lichtlenkungsmittel 32, der dritten Laserdiode 13 das dritte Lichtlenkungsmittel 33, der vierten Laserdiode 14 das vierte Lichtlenkungsmittel 34 und der fünften Laserdiode 15 das fünfte Lichtlenkungsmittel 35 zugeordnet. Die erste Laserdiode 11 und das erste Lichtlenkungsmittel 31 sind kollinear mit dem Lichtwellenlängenkonversionselement 2 auf der Montagefläche 40 des gemeinsamen Trägers 4 angeordnet. Das heißt, dass die erste Laserdiode 11, das Lichtwellenlängenkonversionselement 2 und das erste Lichtlenkungsmittel 31 entlang einer fiktiven Geraden auf der Montagefläche 40 des gemeinsamen Trägers 4 angeordnet sind. Das Lichtwellenlängenkonversionselement 2 befindet sich zwischen der ersten Laserdiode 11 und dem ersten Lichtlenkungsmittel 31 auf der Montagefläche 40 des gemeinsamen Trägers 4. Ebenso sind die zweite Laserdiode 12 und das zweite Lichtlenkungsmittel 32, die dritte Laserdiode 13 und das dritte Lichtlenkungsmittel 33, die vierte Laserdiode 14 und das vierte Lichtlenkungsmittel 34 sowie die fünfte Laserdiode 15 und das fünfte Lichtlenkungsmittel 35 jeweils kollinear mit dem Lichtwellenlängenkonversionselement 2 auf der Montagefläche 40 des gemeinsamen Trägers 4 angeordnet, wobei jeweils das Lichtwellenlängenkonversionselement 2 zwischen der jeweiligen Laserdiode und dem ihr zugeordneten Lichtlenkungsmittel angeordnet ist.
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Die Lichtlenkungsmittel 31, 32, 33, 34, 35 sind jeweils als zylindrische Reflektoren ausgebildet. Die zylindrischen Reflektoren 31, 32, 33, 34, 35 bestehen aus Kunststoff, alternativ aus Glas oder einem Kunststoff-Glas-Verbundkörper, und besitzen jeweils eine lichtreflektierende Reflexionsfläche 310, die dem Lichtwellenlängenkonversionselement 2 und der ihr zugeordneten Laserdiode zugewandt ist. Die Reflexionsfläche 310 wird von einer lichtreflektierenden Beschichtung 311 auf dem transparenten Material des jeweiligen zylindrischen Reflektors gebildet. Die Reflexionsfläche 310 der zylindrischen Reflektoren 31, 32, 33, 34, 35 bildet mit der Montagefläche 40 des gemeinsamen Trägers 4 jeweils einen Winkel W, der sich berechnet zu W = 45° + WB/2, wobei WB den Brewsterwinkel des Lichtwellenlängenkonversionselements 2 bezeichnet. Der Brewsterwinkel WB des Lichtwellenlängenkonversionselements 2 besitzt einen Wert von ca. 60°. Die zylindrischen Reflektoren 31, 32, 33, 34, 35 sind als Kunststoffspritzgussteile ausgebildet. Sie können auch als einstückiges Spritzgussteil gefertigt werden, mit dem Vorteil einer engeren Justage-Toleranz bezüglich der Laserlichtquellen und dem Trägerelement (4).
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Der Träger 4 ist als Montageplatte ausgebildet und besitzt eine Montagefläche 40, auf der alle Komponenten der Beleuchtungseinrichtung gemäß dem bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung montiert sind. Der als Montageplatte ausgebildete Träger 4 besitzt die Kontur eines regelmäßigen Fünfecks. Zusätzlich zu den Laserdioden 11, 12, 13, 14, 15, dem Lichtwellenlängenkonversionselement 3 und den Lichtlenkungsmitteln 31, 32, 33, 34, 35 sind auf der Montagefläche 40 des Trägers 4 Komponenten einer Betriebsvorrichtung (nicht abgebildet) für die Laserdioden 11, 12, 13, 14, 15 angeordnet, die durch ebenfalls auf dem Träger 4 angeordnete Leiterbahnen mit den Laserdioden 11, 12, 13, 14, 15 verbunden sind. Außerdem ist der Träger 4 als Wärmesenke für die auf seiner Montagefläche 40 angeordneten Laserdioden 11, 12, 13, 14, 15 und für das Lichtwellenlängenkonversionselement 2 sowie für die Komponenten der Betriebsvorrichtung (nicht abgebildet) ausgebildet.
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Nachstehend wird die Funktionsweise der Beleuchtungseinrichtung gemäß dem bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung näher erläutert.
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Die fünf Laserdioden 11, 12, 13, 14, 15 erzeugen jeweils blaues Licht mit einer Wellenlänge von 450 Nanometer, das jeweils parallel zur Montagefläche 40 emittiert wird. Das von den fünf Laserdioden 11, 12, 13, 14, 15 emittierte Licht besitzt jeweils ein elliptisches Profil mit einer Fast Axis F, die senkrecht zur Montagefläche 40 des Trägers orientiert ist, und ist jeweils parallel zur Montagefläche 40 linear polarisiert. In 5 sind die Fast Axis F-F und die Polarisationsrichtung S des von einer Laserdiode 11 emittierten Laserlichts schematisch dargestellt. Alle anderen Laserdioden emittieren Laserlicht mit den gleichen Eigenschaften hinsichtlich Profil, Fast Axis und Polarisation.
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Mit Hilfe der als λ/2-Plättchen ausgebildeten Verzögerungsplatten 111, 121, 131, 141, 151 wird die Polarisationsrichtung des von den Laserdioden 11, 12, 13, 14, 15 emittierten Lichts jeweils um 90 Grad gedreht, so dass die Polarisationsrichtung P des Laserlichts jeweils mit der Fast Axis F-F übereinstimmt. In 6 sind schematisch die Fast Axis F-F und die Polarisationsrichtung P des von der Laserdiode 11 emittierten Laserlichts nach dem Passieren der Verzögerungsplatte 111 dargestellt. Fast Axis F-F und Polarisationsrichtung P sind nach dem Passieren der Verzögerungsplatte 111 senkrecht zur Montagefläche 40 orientiert. Analog dazu wird auch das von den anderen Laserdioden 12, 13, 14, 15 emittierte Laserlicht jeweils mittels einer Verzögerungsplatte 121, 131, 141, 151 um 90 Grad gedreht, so dass dessen Polarisationsrichtung mit der Fast Axis übereinstimmt und senkrecht zur Montageplatte 40 polarisiert ist.
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Mit Hilfe der Kollimatoren 112, 122, 132, 142, 152 wird die Divergenz des von den Laserdioden 11, 12, 13, 14, 15 emittierten Lichts jeweils reduziert, so dass insgesamt fünf parallel zur Montagefläche 40 verlaufende Laserstrahlenbündel erzeugt werden, die jeweils auf die Reflexionsfläche 310 eines der Lichtlenkungsmittel 31, 32, 33, 34, 35 gerichtet sind. Die Parallelität bezieht sich auf die Erstreckungsebene des Trägerelements (4) und der optischen Hauptausbreitungsrichtung der jeweiligen Laserstrahlenbündel.
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In 2 ist schematisch am Beispiel der ersten Laserdiode 11, der ersten Verzögerungsplatte 111, des ersten Kollimators 112, des ersten Lichtlenkungsmittels 31 und des Lichtwellenlängenkonversionselements 2 der Lichtstrahlengang des von der ersten Laserdiode 11 erzeugten Laserlichts dargestellt. Das von der ersten Laserdiode 11 erzeugte Laserlichtbündel 5 passiert die erste Verzögerungsplatte 111 und den ersten Kollimator 112 und trifft auf die Reflexionsfläche 310 des ersten, als zylindrischer Reflektor ausgebildeten Lichtlenkungsmittels 31 auf. An der Reflexionsfläche 310 des ersten Lichtlenkungsmittels 31 wird das der ersten Laserdiode 11 emittierte Laserlichtbündel 5 in Richtung des Lichtwellenlängenkonversionselements 2 reflektiert. Die Reflexionsfläche 310 des ersten Lichtlenkungsmittels 31 ist derart gewölbt, dass das Laserlichtbündel 5 an der Reflexionsfläche 310 parallel zur Montagefläche 40 und senkrecht zur Lichtausbreitungsrichtung aufgefächert wird, um damit einen möglichst großen Teil der Oberfläche 200 des Lichtwellenlängenkonversionselements 2 ausleuchten zu können. In der Draufsicht der 3 ist die Auffächerung des Laserlichtbündels schematisch dargestellt. Außerdem bildet die Reflexionsfläche 310 einen Winkel W mit der Montagefläche 40 des Trägers 4 und der Oberfläche 200 des auf der Montagefläche 40 angeordneten Lichtwellenlängenkonversionselements 2. 4 zeigt einen Querschnitt durch die Reflexionsfläche 310 des ersten Lichtlenkungsmittels 31 und das Lichtwellenlängenkonversionselement 2 sowie dem Träger 4 in schematischer Darstellung.
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Das von der ersten Laserdiode 11 emittierte Laserlichtbündel 5 verläuft parallel zur Montagefläche 40 des Trägers 4 und trifft mit dem Einfallswinkel WE = 90° – W auf die Reflexionsfläche 310 des ersten Lichtlenkungsmittels auf. An der Reflexionsfläche 310 wird das Laserlichtbündel 5 mit dem Reflexionswinkel WR = WE in Richtung des Lichtwellenlängenkonversionselements 2 reflektiert. Der an der Reflexionsfläche 310 reflektierte Teil 5‘ des Laserlichtbündels 5 der ersten Laserdiode 11 trifft unter dem Brewsterwinkel WB des Lichtwellenlängenkonversionselements auf die Oberfläche 200 des Lichtwellenlängenkonversionselements 2 auf, da die Reflexionsfläche 310 mit der Montagefläche 40 einen Winkel W bildet, der sich zu W = 45° + WB/2 berechnet. Da das Laserlichtbündel 5 gemäß der schematischen Darstellung in 6 senkrecht zur Montagefläche 40 linear polarisiert ist, ist der an der Reflexionsfläche 310 reflektierte Teil 5‘ des Laserlichtbündels 5 beim Auftreffen auf die Oberfläche 200 des Lichtwellenlängenkonversionselements 2 parallel zu seiner Einfallsebene linear polarisiert (p-polarisiert), und kann daher ohne große Reflexionsverluste in das Lichtwellenlängenkonversionselement 2 eindringen. Diese Einfallsebene wird durch das Lot L auf die Oberfläche 200 des Lichtwellenlängenkonversionselements 2 und durch die Ausbreitungsrichtung des auf die Oberfläche 200 auftreffenden, an der Reflexionsfläche 310 reflektierten Teils 5‘ des Laserlichtbündels 5 aufgespannt.
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Am Lichtwellenlängenkonversionselement 2 wird der Teil 5‘ des Laserlichtbündels 5‘ anteilig in Licht anderer Wellenlänge mit einem Intensitätsmaximum im Wellenlängenbereich von 560 Nanometer bis 590 Nanometer, der dem Spektralbereich von gelbem Licht entspricht, konvertiert. Von der Oberfläche 200 des Lichtwellenlängenkonversionselements 2 wird daher weißes Licht in alle Richtungen mit quasi-lambert’scher Verteilung abgestrahlt, das eine Mischung aus nicht-konvertiertem blauem Licht und konvertiertem gelbem Laserlicht ist. Der relative Anteil von konvertiertem gelbem und nicht-konvertiertem blauem Licht ist abhängig von der Schichtdicke des Lichtwellenlängenkonversionselements 2 und von der Cer-Konzentration im Yttriumaluminiumgranat des Lichtwellenlängenkonversionselements 2. Das von der Oberfläche 200 des Lichtwellenlängenkonversionselements 2 abgestrahlte weiße Licht wird mittels einer über dem Lichtwellenlängenkonversionselement 2 platzierten Optik 6, die in 2 schematisch dargestellt ist und mehrere optische Linsen oder Reflektoren umfassen kann, auf die Fahrbahn vor dem Fahrzeug projiziert.
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Die lichtreflektierende metallische Schicht 20 zwischen dem Lichtwellenlängenkonversionselement 2 und der Montagefläche 40 des Trägers 4 erhöht die Systemeffizienz, weil sowohl nicht-konvertiertes blaues Licht als auch konvertiertes gelbes Licht an der metallischen Schicht 20 reflektiert wird, so dass es das Lichtwellenlängenkonversionselement 2 an der Oberfläche 200 verlassen kann. Außerdem verbessert die metallische Schicht 20 die Kühlung des Lichtwellenlängenkonversionselements 2.
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Analog zu der oben näher beschriebenen Anordnung von erster Laserdiode 11, erster Verzögerungsplatte 111, erstem Kollimator 112 und erstem Lichtlenkungsmittel 31 sind auch die zweite Laserdiode 12, die zweite Verzögerungsplatte 121, der zweite Kollimator 122 und das zweite Lichtlenkungsmittel 32 bezüglich des Lichtwellenlängenkonversionselements 2 auf der Montagefläche 40 des Trägers 4 angeordnet. Insbesondere wird das von der zweiten Laserdiode 12 erzeugte Laserlichtbündel mittels des zweiten Lichtlenkungsmittels 32 auf die Oberfläche 200 des Lichtwellenlängenkonversionselements 2 reflektiert, wobei die zweite Verzögerungsplatte 112 die Polarisationsrichtung des Laserlichtbündels um 90 Grad dreht, so dass es beim Auftreffen auf die Oberfläche 200 des Lichtwellenlängenkonversionselements 2 parallel zur Einfallsebene (p-polarisiert) polarisiert ist, und wobei die Reflexionsfläche 310 des zweiten Lichtlenkungsmittels 32 ebenfalls den Winkel W mit der Montagefläche 40 bildet, so dass das von der zweiten Laserdiode 12 emittierte Laserlichtbündel ebenfalls mit dem Brewsterwinkel WB auf die Oberfläche 200 des Lichtwellenlängenkonversionselements 2 auftrifft.
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Analog dazu sind auch die anderen Laserdioden 13, 14 bzw. 15 und die ihnen zugeordneten Verzögerungsplatten 131, 141 bzw. 151, Kollimatoren 132, 142 bzw. 152 sowie Lichtlenkungsmittel 33, 34 bzw. 35 angeordnet und ausgebildet. Die Darstellungen in den 2, 3 und 4 ist daher stellvertretend für jede der fünf Laserdioden 11 bis 15 und die ihnen zugeordneten Komponenten bestehend aus der jeweiligen Verzögerungsplatte, dem jeweiligen Kollimator und dem jeweiligen Lichtlenkungsmittel.
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Wie in 1 schematisch dargestellt ist, wird das von den fünf Laserdioden 11, 12, 13, 14, 15 emittierte Laserlicht jeweils über die Reflexionsfläche 310 eines Lichtlenkungsmittels 31, 32, 33, 34, 35 auf die Oberfläche 200 des Lichtwellenlängenkonversionselements 2 reflektiert. Die Laserdioden 11, 12, 13, 14, 15 sind an den Eckpunkten eines fiktiven regelmäßigen Fünfecks angeordnet und das den Laserdioden 11, 12, 13, 14, 15 zugeordnete jeweilige Lichtlenkungsmittel 31, 32, 33, 34 bzw. 35 ist jeweils kollinear mit dem Lichtwellenlängenkonversionselement 2 und der entsprechenden Laserdiode auf der Montagefläche 40 des Trägers 4 angeordnet. Aufgrund dieser Anordnung treffen die von den Laserdioden 11, 12, 13, 14, 15 parallel zur Montagefläche 40 emittierten Laserlichtbündel aus unterschiedlichen Richtungen auf die Oberfläche 200 des Lichtwellenlängenkonversionselements 2 auf. Insbesondere bilden die Einfallsrichtungen der an den Reflexionsflächen 310 der fünf Lichtlenkungsmittel 31, 32, 33, 34, 35 reflektierten Teile 5‘ der Laserlichtbündel 5 jeweils einen Winkel von 72 Grad miteinander, so dass sich die fünf Laserlichtbündel 5 mit ihren elliptischen Profilen auf der Oberfläche 200 des Lichtwellenlängenkonversionselements 2 überlagern. In 7 ist diese Überlagerung der fünf Laserlichtbündel 5 auf der Oberfläche 200 des Lichtwellenlängenkonversionselements 2 schematisch dargestellt. Der auf der Oberfläche 200 des Lichtwellenlängenkonversionselements 2 erzeugte Leuchtfleck 50 besitzt eine Kontur, die sich durch die Überlagerung der Laserlichtbündel 5 mit um jeweils 72 Grad winkelversetzter Abstrahlrichtung und der Anordnung der Laserdioden 11, 12, 13, 14, 15 und der ihnen zugeordneten Lichtlenkungsmittel 31, 32, 33, 34, 35 sowie durch das elliptische Profil der Laserlichtbündel 5 ergibt. Durch die Überlagerung der jeweils um 72 Grad versetzten Laserlichtbündel auf dem Konversionselement wird eine Lichtabstrahlung des Konversionselementes erzeugt, die aus der Überlagerung der fünf einzelnen, quasi-lambertschen Lichtabstrahlcharakteristiken resultiert.
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Die Beleuchtungseinrichtung gemäß dem bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung besitzt zusätzlich zu den oben bereits beschriebenen Komponenten der Beleuchtungseinrichtung Elemente 71, 72, 73, 8 zur Überwachung des von den Laserdioden 11, 12, 13, 14, 15 und vom Lichtwellenlängenkonversionselement 2 emittierten Lichts. Diese Elemente 71, 72, 73, 8 sind nur in 8 schematisch und exemplarisch am Beispiel der ersten Laserdiode 11 und des ihr zugeordneten ersten Lichtlenkungsmittels dargestellt. In den anderen Figuren wurden diese Elemente der Einfachheit halber weggelassen. Für die anderen Laserdioden 12 bis 15 sind ebenfalls entsprechende Elemente zur Überwachung vorgesehen.
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Das auf die Reflexionsfläche 310 auftreffende Laserlichtbündel 5 wird zum größten Teil in Richtung des Lichtwellenlängenkonversionselements 2 reflektiert. Der an der Reflexionsfläche 310 reflektierte Teil 5‘ des Laserlichtbündels 5 enthält mehr als 95 Prozent der Lichtintensität des Laserlichtbündels 5. Die Reflexionsfläche 310 bzw. die Beschichtung 311, aus der die Reflexionsfläche 310 besteht, ist partiell transparent, so dass ein Teil 5“ des Laserlichtbündels 5 in das Innere des ersten Lichtlenkungsmittels 31 eindringt. Der von der Beschichtung 311 transmittierte Teil 5“ des Laserlichtbündels 5 besitzt eine Lichtintensität von weniger als 5 Prozent der Lichtintensität des Laserlichtbündels 5. Der transmittierte Teil 5“ passiert das transparente Kunststoffmaterial des ersten Lichtlenkungsmittels 31 und wird von einem Umlenkreflektor 8 auf eine erste Fotodiode 71 gelenkt, die sensitiv für Licht aus dem blauen Spektralbereich und auf der Montagefläche 40 des Trägers 4 angeordnet ist. Mittels der ersten Fotodiode 71 wird unmittelbar das von der ersten Laserdiode 11 emittierte Laserlicht überwacht. Insbesondere können dadurch ein Defekt der ersten Laserdiode 11 oder Änderungen der Intensität des von der ersten Laserdiode 11 emittierten Laserlichtbündels 5 nachgewiesen werden und beispielsweise eine Sicherheitsabschaltung der Beleuchtungseinrichtung aktiviert werden. Die Laserlichtbündel 5 und der reflektierte Teil 5‘ sowie der transmittierte Teil 5‘‘ der Laserlichtbündel sind in den 1, 4 und 8 jeweils idealisiert mittels einer Linie dargestellt, welche die Ausbreitungsrichtungen dieser Laserlichtbündel 5, 5‘ bzw. 5‘‘, ohne Berücksichtigung einer etwaigen Divergenz oder Auffächerung der Laserlichtbündel, anzeigt.
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Da die Beschichtung 311 auf dem ersten Lichtlenkungsmittel 31 partiell transparent ist, dringt auch ein Teil des von der Oberfläche 200 des Lichtwellenlängenkonversionselements 2 emittierten Mischlichts 5‘‘‘ mit geringer Intensität in das Innere des ersten Lichtlenkungsmittels 31 ein und wird durch Totalreflexion an einer parallel zur Montagefläche 40 verlaufenden Grenzfläche des ersten Lichtlenkungsmittels 31 in Richtung der Montagefläche 40 des Trägers 4 zurückreflektiert und trifft auf eine zweite und dritte Fotodiode 72, 73, die ebenfalls auf der Montagefläche 40 des Trägers 4 angeordnet sind. Die zweite Fotodiode 72 ist sensitiv für Licht aus dem gelben Spektralbereich und die dritte Fotodiode 73 ist sensitiv für Licht aus dem blauen Spektralbereich. Mit Hilfe der zweiten 72 und dritten Fotodiode 73 wird das von dem Lichtwellenlängenkonversionselement 2 emittierte weiße Mischlicht überwacht. Insbesondere kann mittels der beiden Fotodioden 72, 73 die Intensität und der relative Anteil von nichtkonvertiertem blauem und konvertiertem gelbem Licht überwacht werden und gegebenenfalls eine Sicherheitsabschaltung ausgelöst werden oder die Lichtintensität des Laserlichtbündels 5 von der ersten Laserlichtdiode 11 nachgeregelt werden. Da für jede der fünf Laserdioden 11, 12, 13, 14, 15 drei Fotodioden und ein Umlenkreflektor analog zu den in 8 abgebildeten Fotodioden 71, 72, 73 und Umlenkreflektor 8 vorgesehen sind, kann mittels der ersten Fotodiode 71 die Lichtintensität des von jeder einzelnen Laserdiode 11, 12, 13, 14, 15 emittierten Laserlichtbündels 5 separat überwacht werden, und mittels der zweiten 72 und dritten Fotodioden 73, die aufgrund ihrer in 8 dargestellten Anordnung um das Lichtwellenlängenkonversionselement 2 herum platziert sind, kann zusätzlich auch eine Lichtemission von der Oberfläche 200 des Lichtwellenlängenkonversionselements 2 detektiert werden und es kann die Leistung der Laserdioden 11, 12, 13, 14, 15 mittels einer Regeleinrichtung gegebenenfalls entsprechend nachgeregelt werden, um die Lichtintensität der von der Laserdioden emittierten Laserlichtbündel 5 zu regulieren, so dass eine möglichst homogene Ausleuchtung der Oberfläche 200 des Lichtwellenlängenkonversionselements 2 gewährleistet ist. Alternativ dazu kann die Regeleinrichtung dazu verwendet werden, die Laserleistung der Laserdioden individuell einzustellen und so die Lichtabstrahlung des Lichtwellenlängenkonversionselements 2 zu beeinflussen.
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Die Abmessungen der Beleuchtungseinrichtung gemäß dem bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung sind so gering, dass sie in einem quaderförmigen Gehäuse mit einer quadratischen Bodenfläche von 40 mm mal 40 mm und einer Höhe von 10 mm untergebracht werden kann. Insbesondere beträgt die Bauhöhe der auf der Montagefläche 40 des Trägers 4 angeordneten Laserdioden 11, 12, 13, 14, 15, Verzögerungsplatten 111, 121, 131, 141, 151 und Lichtlenkungsmittel 31, 32, 33, 34, 35 sowie weiteren Komponenten 71, 72, 73, 8 und auch der Komponenten der Betriebsvorrichtung (nicht abgebildet) weniger als 10 mm. Der Träger 4 kann beispielsweise mit seiner von der Montagefläche 40 abgewandten Seite auf der Bodenfläche des quaderförmigen Gehäuses aufliegen und die Optik 6 kann in einer der Bodenfläche gegenüberliegenden Deckelfläche des quaderförmigen Gehäuses integriert sein. Die Bodenfläche des quaderförmigen Gehäuses kann beispielsweise als Kühlkörper ausgebildet sein und Kühlrippen aufweisen. Alternativ kann die Beleuchtungseinrichtung auch in einem zylindrischen Gehäuse untergebracht sein, das eine kreisscheibenförmige Bodenfläche mit einer Größe von mindestens 1600 mm2 und eine Höhe von 10 mm aufweist.
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Die Beleuchtungseinrichtung gemäß dem bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung kann aufgrund ihrer geringen Abmessungen als Lichtquelle in einen Fahrzeugscheinwerfer eingesetzt werden.
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Die Erfindung beschränkt sich nicht auf das oben näher erläuterte Ausführungsbeispiel der Erfindung. Beispielsweise kann die Anzahl, Anordnung und Beschaffenheit der Laserdioden bei der erfindungsgemäßen Beleuchtungseinrichtung geändert werden. Außerdem kann auch die Form des Trägers und die Gestaltung der Lichtlenkungsmittel an die gewünschte Anwendung angepasst werden. Ferner können die Lichtfarbe des von den Laserdioden emittierten Lichts und die Eigenschaften des Lichtwellenlängenkonversionselements, zum Beispiel die Konversionsfarbe oder die Verteilung der Konversionszentren im Material des Lichtwellenlängenkonversionselements, an die gewünschte Anwendung angepasst werden.
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Die Anordnung der Laserdioden, Lichtlenkungsmittel und Sensoreinrichtung ist nicht auf eine 5-zählige Symmetrie beschränkt, sondern kann im Allgemeinen eine (2n + 1)-zählige Symmetrie ausweisen, mit n = 1, 2, 3, ... usw.
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Alternativ kann das Lichtwellenlängenkonversionselement in einer transmissiven Anordnung betrieben werden, bei der das erzeugte Mischlicht, das heißt, die Mischung von am Lichtwellenlängenkonversionselement konvertiertem Laserlicht und das nicht-konvertierte Laserlicht, auf der der Montagefläche 40 gegenüberliegenden Seite des Trägers 4 abgestrahlt wird. In diesem Fall wird die lichtreflektierende Schicht 20 entfallen oder durch eine transparente Schicht ersetzt, und der Träger 4 ist in diesem Fall an dieser Stelle transparent ausgebildet oder Träger 4 besitzt einen Durchbruch, in welchem das Lichtwellenlängenkonversionselement 2 angeordnet ist.
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Weiterhin kann bei einer transmissiven Anordnung die Beaufschlagung des Lichtwellenlängenkonversionselements mit Laserlicht zweiseitig erfolgen, in dem die Laserdioden sowohl auf beiden Seiten des Trägers angeordnet werden und somit das Lichtwellenlängenkonversionselement von beiden Seiten aus bestrahlen. In dieser Anordnung erfolgt auch die Lichtabstrahlung des Lichtwellenlängenkonversionselements in beide Halbräume.
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Die hier verwendeten Begriffe Licht, Beleuchtung, Lichtverluste, Lichtintensität, Lichtfarbe, Leuchtdichte etc. sollen die für die elektromagnetische Strahlung aus den nicht sichtbaren Spektralbereichen Ultraviolett und Infrarot verwendeten adäquaten Begriffe wie Strahlung, Bestrahlung, Strahlungsverluste, Strahlintensität, Strahldichte mit umfassen. Insbesondere können daher die Laserdioden derart ausgebildet sein, dass sie Ultraviolette Laserstrahlung oder Infrarote Laserstrahlung anstelle von Licht erzeugen.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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