DE102015103696A1

DE102015103696A1 - Vorrichtung und System sowie Verfahren zur Umwandlung von monochromatischem Licht in polychromatisches Licht

Info

Publication number: DE102015103696A1
Application number: DE102015103696.7A
Authority: DE
Inventors: Gabriele Eberhardt; Susanne Spira; Isabel Kinski
Original assignee: LDT Laser Display Technology GmbH
Current assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Priority date: 2015-03-13
Filing date: 2015-03-13
Publication date: 2016-09-15
Also published as: EP3268660A1; WO2016146440A1

Abstract

Vorrichtung sowie Verfahren zur Umwandlung von monochromatischem Licht in polychromatisches Licht mit einem Konversionselement, welches monochromatisches Licht in polychromatisches Licht wandeln kann, wobei das Konversionselement eine Struktur auf der Einstrahlebene und / oder der Abstrahlebene aufweist. Durch diese Struktur wirkt das abgestrahlte polychromatische Licht in seiner Abstrahlcharakteristik gegenüber einer planen Ebene derart verändert, dass der Abstrahlwinkelbereich eingegrenzt wird, die Strahldichte erhöht wird und / oder die Strahlstärke erhöht wird.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung sowie ein Verfahren zur Umwandlung von monochromatischem Licht in polychromatisches Licht. Diese Art der Vorrichtung wird für Beleuchtungszwecke jeglicher Art benötigt, bei der die Lichtquelle einen eingeschränkteren Wellenbereich aufweist als das gewünschte abzugebende Licht. Dies ist insbesondere bei Automobilscheinwerfern der Fall.
Hierzu ist es bekannt, eine Lichtquelle, welche monochromatisches Licht abgibt, also Licht mit einem stark begrenzten Wellenlängenbereich, auf ein Konversionselement strahlen zu lassen. Das Konversionselement beinhaltet ein chemisches Element oder eine chemische Verbindung, welche das eingestrahlte, monochromatische Licht in polychromatisches Licht mit einem größeren Wellenlängenbereich umwandelt. Nach dem Stand der Technik ist Phosphor als chemisches Element bekannt. Da sich die Lichtquelle somit entfernt von dem Konversionselement befindet, ist diese Art von Konvertierung als „Remote Phosphor“ Methode bekannt. Dies ist unter anderem in der DE 10 2012 223 854 A1 und DE 10 2012 223 857 A1 gezeigt.
Bei diesen Methoden wird also monochromatisches Licht auf das Konversionselement gestrahlt, welches den Wellenlängenbereich des monochromatischen Lichtes so verändert, dass polychromatisches Licht entsteht, beispielsweise weißes Licht.
Üblicherweise wirken solche Konversionselemente als Lambert’sche Strahler und senden das konvertierte Licht nach diffuser Reflexion bzw. Transmission gleichmäßig in alle Raumrichtungen aus. Wie bereits in DE 10 2012 223 857 A1 beschrieben, ist eine Abstrahlcharakteristik, wie sie beim Lambert’schen Strahler vorliegt und bei der das Licht in ebener Darstellung über 180° halbkreisförmig verteilt ist, nachteilig, da nur ein begrenzter Winkelbereich durch eine Nachfolgeoptik eingefangen und dadurch nutzbar gemacht werden kann. Um das abgestrahlte Licht wirkungsvoller und weniger verlustbehaftet weiter verarbeiten zu können, ist somit eine andere Abstrahlcharakteristik als die Lambert’sche erstrebenswert.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es somit, eine Vorrichtung zur Umwandlung von monochromatischem Licht in polychromatisches Licht bereitzustellen, bei der das abgestrahlten Licht, verglichen mit einem Lambert’schen Strahler, nicht mehr vollkommen diffus ist, sondern eine Vorzugsrichtung erhält. Diese Aufgabe wird mit der Vorrichtung aus Anspruch 1, dem System nach Anspruch 15 sowie dem Verfahren aus Anspruch 13 gelöst.
Die Vorrichtung zur Umwandlung von monochromatischem Licht in polychromatisches Licht benutzt dabei mindestens ein Konversionselement, welches das monochromatische Licht in polychromatisches Licht konvertieren kann. Hierzu sind nach dem Stand der Technik Konversionselemente bekannt, die chemische Bestandteile aufweisen, durch die der Wellenlängenbereich des Lichts so verändert werden kann, dass das eingestrahlte Licht einen anderen Wellenlängenbereich beziehungsweise eine andere resultierende dominante Wellenlänge besitzt als das abgestrahlte Licht. Bevorzugterweise wird dabei der Wellenlängenbereich erweitert. Das heißt, dass das konvertierte und abgestrahlte Licht eine größeren Wellenlängenbereich aufweist als das eingestrahlte Licht. Dadurch kann einfarbiges Licht beispielsweise in weißes Licht umgewandelt werden.
Das Konversionselement ist dabei flächig ausgeführt und meist scheibenförmig. Das Konversionselement kann jedoch neben einer scheibenförmigen, das heißt kreisrunden, Gestalt auch in weiteren Gestaltungsformen auftreten und beispielsweise eckig sein. Durch die flächige Ausführung besitzt das Konversionselement zwei Seiten, beziehungsweise zwei Oberflächen, die als Einstrahlebene und als Abstrahlebene wirken.
Das monochromatische Licht kommt zuerst mit der Einstrahlebene, also mit der in Lichtrichtung ersten Oberfläche in Kontakt. Wird das monochromatische Licht von der in Lichtrichtung letzten Oberfläche des Konversionselementes wieder abgestrahlt und beim Durchtritt durch das Konversionselement konvertiert, liegt ein transmittives Konversionselement vor. Es ist aber auch möglich, dass Einstrahlebene und Abstrahlebene die gleiche Ebene und somit die gleiche Seite des flächigen Konversionselements darstellen. In diesem Falle ist die Seite, von der das monochromatische Licht eingestrahlt wird und die Seite, von der aus das konvertierte polychromatische Licht das Konversionselement verlässt, dieselbe. Hierbei spricht man von einem reflexiven Konversionselement. Hier ist das Konversionselement vorzugsweise auf einer Halterung angebracht, die das Licht bestmöglich reflektiert.
Die chemischen Bestandteile, in die das Licht in dem Konversionselement konvertieren, können beispielsweise aus Phosphor bestehen, da dies bekanntermaßen dazu geeignet ist, die Wellenlänge des eingestrahlten Lichtes zu konvertieren. Ebenso sind aber auch chemische Elemente und Verbindungen aus dem Bereich der seltenen Erden denkbar, insbesondere Cer.
Erfindungsgemäß wird das Konversionselement mit mindestens einer Struktur auf der Einstrahlebene und / oder der Abstrahlebene versehen, welche, gemäß der Aufgabe der vorliegenden Erfindung, die Abstrahlcharakteristik des abgestrahlten polychromatischen Lichts gegenüber der Abstrahlcharakteristik einer planen Fläche verändert. Diese Veränderung der Abstrahlcharakteristik erzielt eine Eingrenzung des Abstrahlwinkelbereichs und / oder eine Erhöhung der Strahlstärke beziehungsweise Strahldichte des abgestrahlten Lichts in einer bevorzugten Lichtrichtung. Die Eingrenzung des Abstrahlwinkelbereichs bewirkt, dass nicht mehr, wie bei einem Lambert‘schen Strahler in der ebenen Darstellung das Licht über 180° abgegeben wird, sondern der Abstrahlwinkelbereich beispielsweise auf 120° +/–40° eingegrenzt wird. Dadurch ergibt sich ein größerer Wirkungsgrad bei der Weiterverarbeitung des abgegebenen Lichtes im Vergleich zu Lambert’schen Abstrahlcharakteristiken.
Die oben genannte Struktur kann sphärisch-konkav oder sphärisch-konvex ausgestaltet sein. Das bedeutet, dass die Oberfläche der Abstrahlebene und / oder der Einstrahlebene ein sphärisch-konkav oder sphärisch- konvex ausgestaltetes Profil aufweist. Ebenso ist es möglich, neben sphärischen, auch asphärische, pyramidale und/oder gitterförmige Profile als Strukturen bereitzustellen. Eine weitere Methode die Oberfläche der Abstrahlebene gezielt zu verändern, ist sie mit einer Mikrorauigkeit zu versehen. Durch diese Struktur wird die Abstrahlcharakteristik des abgestrahlten polychromatischen Lichtes verändert, sodass entweder der Abstrahlwinkelbereich des abgestrahlten Lichtes im Vergleich zu Lambert’schen Strahlern eingegrenzt wird und / oder die Strahlstärke beziehungsweise die Strahldichte des abgestrahlten Lichts in einer bevorzugten Lichtrichtung erhöht wird. Durch die Veränderung der Abstrahlcharakteristik kann eine gezielte Strahlformung des abgestrahlten Lichts erzielt werden. Diese gezielte Strahlformung lässt sich durch die auf dem Konversionselement aufgebrachten Strukturen aufgrund der physikalischen Gesetze der Optik in Verbindung mit den Effekten der Strahlungskonversion erreichen.
Außerdem kann durch eine Mikrorauigkeit auf der Einstrahl- und/oder Abstrahlebene die gerichtete Reflexion des einfallenden Laserstrahls vermindert werden. Hierbei wird die Oberfläche der Einstrahl- und/oder Abstrahlebene im Mikrometerbereich aufgeraut. Dadurch erfolgt eine komplette Konversion des einfallenden monochromatischen Lichtes in abgestrahltes polychromatisches Licht.
Bevorzugterweise werden die oben genannten Strukturen durch einen Kurzpulslaser in das Konversionselement eingebracht. Dadurch ist es jedoch notwendig, dass das Konversionselement ein thermisch belastbares Material aufweist, welches durch den Kurzpulslaser bearbeitet werden kann. Hierbei haben sich keramische Konversionselemente als besonders vorteilhaft erwiesen, bevorzugterweise ein keramischer Einkristall (zum Beispiel ein Yttrium-Aluminium-Granat). Die verwendeten chemischen Materialien zur Konvertierung des Lichtes können dann in dieses Material eingebettet sein oder auf der Oberfläche aufgetragen sein. Sollten sie auf der Oberfläche aufgetragen werden, muss dies natürlich nach der Bearbeitung mit dem Kurzpulslaser geschehen.
Zur weiteren Optimierung der Abstrahlcharakteristik des polychromatischen Lichts können auch mehrere Konversionselemente verwendet werden, mit denen, nach Reflexion oder Transmission, das eingestrahlte Licht in das abgestrahlten Licht konvertiert wird.
Als Oberflächenstruktur kann auch eine Kombination aus den voran erwähnten sphärischen, asphärischen, pyramidalen und rauen Strukturen benutzt werden. Je nach Anwendungsfall bei der Verwendung eines Gitters hat es sich als besonders vorteilhaft erwiesen, wenn das Gitter einen Gitterlinienabstand von 20 µm bis 100 µm aufweist. Bevorzugterweise wird für die Einstrahlung monochromatisches Licht mit der Wellenlänge 420 nm bis 480 nm verwendet, welches durch das Konversionselement in polychromatisches Licht umgewandelt wird, bevorzugterweise mit einer Farbtemperatur von 3500 K bis 6500 K.
Die Farbgebung, beziehungsweise Farbtemperatur sowie der Wellenlängenbereich des vom Konversionselement abgestrahlten Lichts, ergibt sich aus der Dicke des Konversionselementes, also durch den optischen Weg, den das eingestrahlte monochromatische Licht durch das Material des Konversionselementes nehmen muss. Da durch die Bearbeitung zur Einbringung der Struktur in das Konversionselement teilweise Material vom Konversionselement entfernt wird, ist darauf zu achten, dass das Konversionselement an seiner dünnsten Stelle die gewünschte Dicke für die gewünschte Farbtemperatur aufweist. Bevorzugterweise sind dies 0,2 mm bis 1 mm.
Zur Umwandlung des monochromatischen Lichts in polychromatisches Licht wird also eine Lichtquelle benötigt, die monochromatisches Licht aussendet. Dies können Halbleiterlichtquellen, wie LED oder Laserdioden, oder handelsübliche Laser sein.
Von dieser Lichtquelle wird nun monochromatisches Licht auf die Einstrahlebene einer erfindungsgemäßen Vorrichtung eingestrahlt. Das eingestrahlte monochromatische Licht wird, wie oben beschrieben, durch das Konversionselement, beziehungsweise durch die chemischen Elemente und / oder chemischen Verbindungen, zu polychromatischem Licht konvertiert. Dieses hat einen größeren Wellenlängenbereich als das eingestrahlte Licht.
Das umgewandelte polychromatische Licht wird an der Abstrahlebene abgestrahlt, wobei sich durch die Struktur auf der Einstrahlebene und / oder der Abstrahlebene die Abstrahlcharakteristik gegenüber einer planen Oberfläche dahingehend verändert, dass die Abstrahlcharakteristik nicht mehr einem Lambert’schen Strahler zuzuordnen ist, sondern der Abstrahlwinkelbereich eingegrenzt wird und / oder sich die Strahldichte beziehungsweise Strahlstärke des abgestrahlten Lichts in einer bevorzugten Lichtrichtung erhöht. Dadurch wird die Abstrahlcharakteristik des abgestrahlten Lichts gemäß einer Nachfolgeoptik optimiert und dadurch ein höherer Wirkungsgrad bei der weiteren Verarbeitung erzielt, als dies mit einer Lambert’schen Abstrahlcharakteristik der Fall ist.
Weitere Merkmale ergeben sich aus den nachfolgenden Zeichnungen.
Es zeigen:
1 ein reflexives Konversionselement mit konkaver, asphärischer Struktur,
2 ein transmittives Konversionselement mit konvexer, sphärischer Struktur und
3 durch die Struktur veränderte Abstrahlcharakteristik des abgestrahlten Lichts.
In 1 ist ein reflexives Konversionselement 2 mit konkaver asphärischer Struktur zu erkennen. Das eingestrahlte monochromatische Licht 1 wird hierbei auf der gleichen Seite des Konversionselements 2 eingestrahlt, wie das abgestrahlte polychromatische Licht 5 abgegeben wird. Die Einstrahlebene 3 ist hierbei gleich der Abstrahlebene 4. Als Struktur in der Abstrahlebene 4 beziehungsweise der Einstrahlebene 3 des Konversionselements 2 ist ein konkaver, asphärischer Bereich eingebracht. Das Konversionselement 2 sollte, da es als reflexives Konversionselement 2 ausgestaltet ist, auf einer lichtundurchlässigen Halterung 5 aufgebracht sein. Die Aufbringung erfolgt durch die der Einstrahlebene 3 gegenüberliegenden Seite. Dadurch wird das eingestrahlte Licht 1 bestmöglich reflektiert.
Durch die Struktur ist deutlich zu erkennen, dass das abgestrahlte Licht 5 einen eingegrenzten Abstrahlwinkelbereich aufweist. Wäre keine Struktur vorhanden, also das Konversionselement plan, würde das abgestrahlte Licht 5 über eine Abstrahlcharakteristik eines Lambert‘schen Strahlers verfügen.
In 2 ist dagegen ein transmittives Konversionselement 2 gezeigt, also ein Konversionselement 2, bei dem die Einstrahlebene 3, auf die das eingestrahlte monochromatische Licht 1 trifft, eine andere Ebene ist, als die Abstrahlebene 4, an der das abgestrahlte Licht 5 abgegeben wird. Bei einem transmittiven Konversionselement 2 ist die Einstrahlebene 4 in Lichtrichtung die erste Oberfläche auf die das eingestrahlte monochromatische Licht trifft und die Abstrahlebene 3 die letzte Oberfläche aus die das abgestrahlte polychromatische Licht austritt.
Auf dieses Konversionselement 2 ist eine konvex-sphärische Struktur aufgebracht, um ebenfalls die Abstrahlcharakteristik des abgestrahlten polychromatischen Lichts 5 zu verändern. Auch hier ist deutlich zu erkennen, dass das polychromatische Licht einen eingegrenzten Abstrahlwinkelbereich 6 aufweist.
Das monochromatische Licht 1 hat seinen Ursprung jeweils in einer nicht gezeigten Lichtquelle, die eine Halbleiterlichtquelle, wie eine LED oder Laserdiode oder ein handelsüblicher Laser sein kann.
In einer erfindungsgemäßen Vorrichtung können mehrere solcher Konversionselemente 2 kombiniert werden, durch die dann das eingestrahlte monochromatische Licht 1 durch die Kombination der Konversionselemente 2 geleitet wird. Dadurch können genauere veränderte Abstrahlcharakteristiken ermöglicht werden.
3 zeigt mögliche Abstrahlcharakteristika durch das abgestrahlte polychromatische Licht 5. Zu sehen ist jeweils die Abstrahlebene 4, welche gegenüber einem Lambert‘schen Strahler einen eingegrenzten Abstrahlwinkelbereich aufweist und die Strahldichte 10 beziehungsweise die Strahlstärke 11 erhöht.
Auf der linken Seite der 3 ist die Erhöhung der Strahldichte 10 gezeigt, die einhergeht mit der Eingrenzung des Abstrahlwinkelbereichs. Auf der rechten Seite ist die Verteilung der Strahlstärke 11 gezeigt, die ebenfalls durch die Veränderung der Abstrahlcharakteristik erhöht ist. Im Gegensatz zu einem Lambert‘schen Strahler ist hierbei das polychromatische, abgestrahlte Licht als diffuser Strahler mit einer Vorzugsrichtung ausgeführt.
Die vorliegende Erfindung ist nicht auf die oben genannten Merkmale beschränkt. Vielmehr sind weitere Ausführungen denkbar. So kann der Kurzpulslaser als Femtosekundenlaser ausgeführt sein oder die Wellenlänge des eingestrahlten monochromatischen Lichts eine andere Wellenlänge aufweisen. Ebenso sind nicht sichtbare Wellenlängen elektromagnetischer Strahlung als monochromatisches Licht denkbar. Zudem ist die Erfindung als Lichtquelle unter anderem für Video-Projektionssysteme, für Scheinwerfer und insbesondere in Fahrzeuglicht- und beleuchtungsvorrichtungen anwendbar.
Bezugszeichenliste

1: monochromatisches Licht
2: Konversionselement
3: Einstrahlebene
4: Abstrahlebene
5: polychromatisches Licht
6: Abstrahlwinkelbereich
10: Strahldichte in Abhängigkeit vom Betrachtungswinkel
11: Strahlstärke in Abhängigkeit vom Betrachtungswinkel

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102012223854 A1 [0002]
DE 102012223857 A1 [0002, 0004]

Claims

Vorrichtung zur Umwandlung von monochromatischem Licht (1) in polychromatisches Licht (5), mit mindestens einem Konversionselement (2), welches das monochromatische Licht (1) in polychromatisches Licht (5) konvertieren kann, mit einer Einstrahlebene (3) zur Einstrahlung des monochromatischen Lichts (1) und einer Abstrahlebene (4) zur Abstrahlung des polychromatischen Lichts (5), dadurch gekennzeichnet und dass das Konversionselement (2) mindestens eine Struktur auf der Einstrahlebene (3) und/oder der Abstrahlebene (4) aufweist, welche die Abstrahlcharakteristik des abgestrahlten polychromatischen Lichts (5) gegenüber einer planen Ebene verändert.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Konversionselement (2) als keramisches Konversionselement ausgeführt ist.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Konversionselement (2) als keramischer Einkristall mit eingebetteten Cer-Partikeln ausgeführt ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Struktur mit einem Kurzpulslaser eingebracht ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Struktur sphärisch, pyramidal, asphärisch und/oder als Gitter ausgeführt und/oder die Oberfläche der Struktur eine Mikrorauigkeit aufweist.
Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Struktur als Kombination aus sphärisch, pyramidal, asphärisch, aus einem Gitter und/oder aus einer Oberfläche mit Mikrorauigkeit ausgeführt ist.
Vorrichtung nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Gitter einen Gitterlinienabstand von 20µm bis 100µm aufweist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass das Konversionselement (2) monochromatisches Licht (1) der Wellenlänge 420nm bis 480nm in polychromatisches Licht (5) mit einer Farbtemperatur von 3500K bis 6500K konvertiert.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass das Konversionselement (2) das abgestrahlte, polychromatische Licht (5) auf einen Abstrahlwinkelbereich (6) von 120° +/–40° Grad eingrenzt.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass das Konversionselement (2) an seiner dünnsten Stelle eine Dicke von 0,2mm bis 1mm aufweist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Einstrahlebene (3) und die Abstrahlebene (4) als gemeinsame Ebene ausgeführt sind.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass das Konversionselement (2) als reflexives und/oder transmittives Konversionselement ausgeführt ist.
Verfahren zur Umwandlung von monochromatischem Licht (1) in polychromatisches Licht (5), wobei eine Lichtquelle monochromatisches Licht (1) auf die Einstrahlebene (3) einer Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 12 einstrahlt, dadurch gekennzeichnet, dass das Konversionselement (2) das eingestrahlte, monochromatische Licht (1) der Lichtquelle in polychromatisches Licht (5) umwandelt und dass das polychromatische Licht (5) an der Abstrahlebene (4) abgestrahlt wird, wobei durch die Struktur auf der Einstrahlebene (3) und/oder der Abstrahlebene (4) die Abstrahlcharakteristik gegenüber einer planen Ebene verändert wird.
Verfahren nach Anspruch 14, wobei die Veränderung der Abstrahlcharakteristik durch Eingrenzung des Abstrahlwinkelbereichs (6), durch Erhöhung der Strahldichte (10) und/oder Erhöhung der Strahlstärke (11) erreicht wird.
System zur Umwandlung von monochromatischem Licht (1) in polychromatisches Licht (5), dadurch gekennzeichnet, dass das System mindestens eine Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1–12 beinhaltet, dass das System eine Lichtquelle beinhaltet, welche monochromatisches Licht (1) erzeugt und auf die Vorrichtung einstrahlt und dass das System mindestens ein optisches Mittel beinhaltet, welches im Lichtstrahl des abgestrahlten polychromatischen Lichts (5) angeordnet ist.