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Technisches Gebiet
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Die vorliegende Erfindung betrifft eine Beleuchtungsvorrichtung mit einer Pumpstrahlungsquelle zur Emission von Pumpstrahlung und einem Leuchtstoffelement zur Konversion der Pumpstrahlung in Konversionslicht.
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Stand der Technik
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Mit der Kombination aus Pumpstrahlungsquelle und Leuchtstoffelement lassen sich bspw. Lichtquellen hoher Leuchtdichte realisieren. Dabei wird die Pumpstrahlungsquelle, in der Regel ein Laser, über ein Gasvolumen zu dem Leuchtstoffelement beabstandet angeordnet. Es fällt dann also bspw. ultraviolette oder blaue Laserstrahlung auf eine Einstrahlfläche des Leuchtstoffelements, woraufhin dieses dann sichtbares Konversionslicht emittiert. Dieses kann dann bspw. zu Beleuchtungszwecken genutzt werden.
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Darstellung der Erfindung
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Der vorliegenden Erfindung liegt das technische Problem zugrunde, eine besonders vorteilhafte Beleuchtungsvorrichtung mit Pumpstrahlungsquelle und Leuchtstoffelement anzugeben.
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Erfindungsgemäß löst diese Aufgabe eine Beleuchtungsvorrichtung mit einer Pumpstrahlungsquelle zur Emission von Pumpstrahlung, einem Leuchtstoffelement, beispielsweise einem gelb emittierenden mit Cer dotierten Yttrium-Aluminium-Granat (YAG:Ce), zur zumindest teilweisen Konversion der Pumpstrahlung in Konversionslicht, welches zumindest anteilig ein Nutzlicht bildet, einer Pre-Kollimationslinse, die einer Abstrahlfläche des Leuchtstoffelements zugeordnet von einem Strahlenbündel mit zumindest einem Teil des Nutzlichts (Konversionslicht und in der Regel ein Anteil nicht konvertierter Pumpstrahlung) durchsetzt wird und den Öffnungswinkel des Strahlenbündels verringert, und einer der Pre-Kollimationslinse nachgelagerten Spiegellinse, über welche das Strahlenbündel einer Beleuchtungsanwendung zugeführt wird, wozu das Nutzlicht durch eine Lichteintrittsfläche in die Spiegellinse eintritt und durch eine Lichtaustrittsfläche aus der Spiegellinse austritt, wobei eine der Lichteintrittsfläche entgegengesetzte erste Seitenfläche der Spiegellinse zumindest bereichsweise konvex gekrümmt und mit einer ersten Spiegelfläche verspiegelt ist, an welcher ersten Spiegelfläche das Strahlenbündel der Lichteintrittsfläche nachgelagert und der Lichtaustrittsfläche vorgelagert reflektiert wird.
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Bevorzugte Ausführungsformen finden sich in den abhängigen Ansprüchen und der gesamten Offenbarung, wobei in der Darstellung nicht immer im Einzelnen zwischen Vorrichtungs- und Verwendungsaspekten unterschieden wird; jedenfalls implizit ist die Offenbarung auf sämtliche Anspruchskategorien zu lesen.
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Die vorliegende Erfindung beschäftigt sich mit dem Abführen des Nutzlichts von der Abstrahlfläche des Leuchtstoffelements. Dazu wird eine Kombination aus mindestens zwei Linsen vorgeschlagen, wovon die erste als Pre-Kollimationslinse den Öffnungswinkel des Nutzlicht-Strahlenbündels verringert und die zweite als Spiegellinse eine zumindest bereichsweise verspiegelte Seitenfläche aufweist. Diese erste Seitenfläche der Spiegellinse ist konvex gekrümmt, sodass die dort angeordnete erste Spiegelfläche von innerhalb der Spiegellinse aus gesehen konkav gekrümmt ist, also funktional einen Hohlspiegel bildet.
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Die Spiegellinse kann bspw. aus Sicherheitsgründen von Interesse und vorteilhaft sein. In der Anwendung, wenn die Kombination aus Pumpstrahlungsquelle und Leuchtstoffelement also zur Beleuchtung genutzt wird, kann ein abgefallenes und damit aus dem Strahlengang der Pumpstrahlung genommenes Leuchtstoffelement als ein möglicher Fehlerfall zu berücksichtigen sein. Wird die Beleuchtungsvorrichtung bevorzugt als Lichtquelle in einem Kfz-Scheinwerfer eingesetzt (siehe unten im Detail), wird einerseits nur in Intervallen geprüft/gewartet, können aber andererseits hohe mechanische Belastungen wirken (z. B. thermomechanisch- oder vibrationsbedingt). In der Folge kann es bspw. zum Versagen einer das Leuchtstoffelement haltenden Klebstoffschicht kommen bzw. ist ein solcher Fall zumindest als Szenario zu berücksichtigen.
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Wird das Leuchtstoffelement bspw. in Transmission betrieben, also gewissermaßen durchstrahlt, würde die hochenergetische Pumpstrahlung im Fehlerfall (kein Leuchtstoffelement) in kollimierter Form den eigentlich für das Nutzlicht vorgesehenen Pfad nehmen. Im Unterschied zu dem üblicherweise Lambertsch abgegebenen Nutzlicht ist die Pumpstrahlung im Fehlerfall in der Regel nämlich perfekt kollimiert, ist also auch die Leistungsdichte um ein Vielfaches höher. Während des normalen Betriebs wird hingegen auch im bevorzugten Fall der Teilkonversion (Nutzlicht enthält auch Pumpstrahlung) die Pumpstrahlung im Leuchtstoffelement gestreut und damit aufgefächert.
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Mit der Spiegellinse besteht nun die Möglichkeit, die Pumpstrahlung im Fehlerfall aus dem Pfad zur Beleuchtungsanwendung hin zu nehmen. Die Spiegelfläche kann bspw. mit einem vergleichsweise kleinen Loch, also einer Aussparung der metallischen Beschichtung, versehen werden, durch welches die (kollimierte) Pumpstrahlung im Fehlerfall austritt; das Loch ist aber im Verhältnis zu dem Strahlbündelquerschnitt des Lambertsch abgegebenen Nutzlichts klein, es geht also ansonsten wenig Nutzlicht verloren. Dies soll zunächst einen möglichen Vorteil der Spiegellinse illustrieren, den Gegenstand jedoch nicht in seiner Allgemeinheit beschränken. Kann die Spiegellinse also einerseits im Fehlerfall Vorteile bieten, ist sie andererseits während des „Normalbetriebs“ nicht störend.
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Im Gegenteil trägt sie aufgrund ihrer gekrümmten Form auch zur Formung des Nutzlicht-Strahlenbündels bei, hilft sie als dieses für die Beleuchtungsanwendung anpassen. Insgesamt wird so eine hohe Integrationstiefe erreicht, was kompakte Bauformen ermöglichen kann.
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Die Angaben „vorgelagert“/„nachgelagert“ beziehen sich wie auch die Durchnummerierung „erste“/„zweite“ ohne ausdrücklich gegenteilige Angabe auf den Pfad des Nutzlichts von dem Leuchtstoffelement zur Beleuchtungsanwendung. Mit der der Spiegellinse vorgelagerten Pre-Kollimationslinse wird der Öffnungswinkel des Nutzlicht-Strahlenbündels verringert, bspw. um mindestens 40 %, 50 % bzw. 60 % (in der Reihenfolge der Nennung zunehmend bevorzugt); mögliche Obergrenzen können davon unabhängig bspw. bei höchstens 90 %, 80 % bzw. 70 % liegen.
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Der Öffnungswinkel des Nutzlicht-Strahlenbündels kann der Pre-Kollimationslinse unmittelbar nachgelagert bspw. bei höchstens 80°, 70°, 60° bzw. 50° liegen (in der Reihenfolge der Nennung zunehmend bevorzugt); davon unabhängig können mögliche Untergrenzen bspw. bei mindestens 10°, 20° bzw. 30° liegen (ebenfalls in der Reihenfolge der Nennung zunehmend bevorzugt). Im Falle einer perfekt Lambertschen Abstrahlcharakteristik und einer vollständigen Konversionslicht-Nutzung liegt der Öffnungswinkel der Pre-Kollimationslinse unmittelbar vorgelagert bei 120°.
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Der „Öffnungswinkel“ wird zwischen den Mantelflächen des Nutzlicht-Strahlenbündels genommen, und zwar jeweils in einer die Mittenachse des Strahlenbündels beinhaltenden Schnittebene. Die „Mittenachse“ liegt parallel zur Schwerpunktrichtung des Strahlenbündels im jeweilig betrachteten Abschnitt und erstreckt sich mittig im Strahlenbündel, liegt also in einer zur Schwerpunktrichtung senkrechten Schnittebene betrachtet im Flächenschwerpunkt der Querschnittsfläche des Strahlenbündels. Die Mantelfläche des Strahlenbündels soll hinsichtlich eines Abstands zur Mittenachse bspw. dort liegen, wo die Leistung auf 1/e des Maximums oder vorzugsweise auf die Hälfte des Maximums (Halbwertsbreite) abgefallen ist.
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Die „Schwerpunktrichtung“ ergibt sich als Mittelwert sämtlicher Richtungsvektoren des Strahlenbündels im jeweilig betrachteten Abschnitt zwischen zwei optischen Elementen, insbesondere lichtbrechenden Flächen/Spiegeln, welche die Schwerpunktrichtung ändern können. Bei der Mittelwertbildung wird jeder Richtungsvektor mit der ihm zugehörigen Lichtstärke gewichtet.
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„Lichteintrittsfläche“ und „Lichtaustrittsfläche“ meint jeweils den gesamten von dem Nutzlicht-Strahlenbündel beim Eintritt in die bzw. Austritt aus der Spiegellinse durchstrahlten Bereich einer in der Regel insgesamt größeren Außenfläche der Linse, also jeweils die Schnittmenge aus Nutzlicht-Strahlenbündel (beim Eintritt oder Austritt) und entsprechender Außenfläche der Linse. Im Allgemeinen ist auch eine seitliche Ein- und/oder Auskopplung in die Spiegellinse denkbar. Bevorzugt ist die Lichteintrittsfläche jedoch in der zweiten Seitenfläche angeordnet und/oder ist die Austrittsfläche in einer der beiden Seitenflächen angeordnet, bevorzugt der zweiten. Dabei ist ein Überlapp zwischen Lichteintrittsfläche und Lichtaustrittsfläche möglich oder können die beiden auch überlappfrei nebeneinander liegen.
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Die erste und zweite Seitenfläche der Spiegellinse sind jene Seitenflächen, die aus den zwei einander entgegengesetzten, zur optischen Achse der Spiegellinse parallelen Richtungen auf die Spiegellinse blickend sichtbar sind. Die zweite Seitenfläche ist dabei von dem Leuchtstoffelement aus blickend sichtbar, die erste Seitenfläche aus dazu entgegengesetzter Richtung auf die Spiegellinse blickend, gewissermaßen auf deren Rückseite. Im Übrigen bezieht sich das „einander entgegengesetzt Sein“ auf den Pfad des Nutzlicht-Strahlenbündels in der Spiegellinse.
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Die erste Seitenfläche ist bevorzugt im Gesamten konvex gekrümmt. Die zweite Seitenfläche kann je nach Ausführung teilweise konkav oder teilweise konvex sein, bevorzugt bei einer Einfach-Reflexion im Gesamten konvex und bei einer Mehrfach-Reflexion (siehe unten im Detail) plan-konkav.
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Der Begriff „Linse“ ist im Allgemeinen auf einen in seinem Linsenmaterial transmissiven Körper mit zumindest einer gekrümmten Seitenfläche zu lesen. Als Linsenmaterial ist im Allgemeinen auch ein Kunststoffmaterial, etwa Polycarbonat, möglich; bevorzugt ist jedoch Glas, was wegen der hohen Leistungsdichten auch thermisch bevorzugt sein kann. Die erste Spiegelfläche wird bevorzugt von einer reflektiven Beschichtung gebildet, besonders bevorzugt einem reflektiven Metallfilm (gleiches gilt bevorzugt für eine etwaige zweite/dritte Spiegelfläche).
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Wie bereits erwähnt, ist die Pumpstrahlungsquelle bevorzugt eine Laserquelle, weiter bevorzugt auf Basis einer Laserdiode. Besonders bevorzugt kann eine aus einer Mehrzahl Laserdioden, etwa mindestens 4, 6, 8 bzw. 10 Laserdioden, aufgebaute Pumpstrahlungsquelle sein, wobei mögliche Obergrenzen (davon unabhängig) bspw. bei höchstens 50, 40 bzw. 30 Laserdioden liegen können. Im Allgemeinen können sich die Laserdioden dabei bspw. auch in der Wellenlänge ihrer Strahlung unterscheiden, bevorzugt haben sie dieselbe Wellenlänge, besonders bevorzugt sind sie baugleich.
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Bei einer bevorzugten Ausführungsform ist die erste Spiegelfläche asphärisch. Wenngleich im Allgemeinen auch eine asphärische Form höherer Ordnung möglich ist, ist eine ellipsoidale, hyperboloide oder paraboloide Form bevorzugt, etwa aufgrund einer besseren Beherrschbarkeit in der Fertigung. Besonders bevorzugt ist die gesamte erste Seitenfläche entsprechend asphärisch.
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Bei dem Nutzlicht, das sich bevorzugt aus Konversionslicht, z.B. gelbem Licht, und unkonvertiertem blauem Laserlicht zusammensetzt, handelt es sich generell bevorzugt um Weißlicht oder jedenfalls Licht mit mehreren spektralen Anteilen. Der Erfinder hat festgestellt, dass es in einem Linsensystem zur Nutzlicht-Führung zu chromatischen Aberrationen kommen kann. Wird das Nutzlicht bspw. zur Beleuchtung eines scharf begrenzten Bereichs (Spot) genutzt, kann sich an dessen Rand ein Farbverlauf zeigen. In der Spiegellinse wird nun das Nutzlicht-Strahlenbündel reflektiert, was bildlich gesprochen die chromatischen Aberrationen „umkehrt“. Fächert ein Weißlicht-Strahl in infolge der Dispersion in ein farbiges Bündel auf, wird dieses mit der Reflexion gewissermaßen wieder zusammengeführt. Das System mit der Spiegellinse kann die Qualität des Nutzlichts beleuchtungsseitig verbessern helfen.
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Anfängliche Versuche des Erfinders gingen dahin, die chromatischen Aberrationen mit einer Kombination aus Linsen mit unterschiedlicher Dispersion zu korrigieren, was jedoch aufgrund der großen Brechkraft der Pre-Kollimationslinse kaum möglich ist. Im Allgemeinen ist die beschriebene Umkehr der dispersionsbedingten Divergenz auch an einer sphärisch gekrümmten Spiegelfläche möglich. Im Falle der asphärischen Form hat der Erfinder jedoch eine im Ergebnis gute chromatische Korrektur bei einem im Gesamten von seiner Komplexität her noch beherrschbaren optischen Aufbau beobachtet.
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In bevorzugter Ausgestaltung haben die Pre-Kollimationslinse und die Spiegellinse jeweils eine optische Achse, wobei sich die optischen Achsen zueinander versetzt parallel zueinander erstrecken. Der Abstand zwischen den optischen Achsen kann bspw. mindestens 0,5 cm, 1 cm bzw. 1,5 cm betragen; mögliche Obergrenzen können in Abhängigkeit vom gesamten Aufbau bspw. bei höchstens 50 cm, 40 cm, 30 cm, 20 cm bzw. 10 cm liegen.
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Bevorzugt ist in diesem Fall eine weitere Linse zwischen der Pre-Kollimationslinse und der Spiegellinse angeordnet, welche die Hauptausbreitungsrichtung des Strahlenbündels auf dem Weg hin zur Spiegellinse relativ zur optischen Achse der Pre-Kollimationslinse verkippt und auf dem Weg von der Spiegellinse weg bevorzugt wieder parallel dazu ausrichtet. Das Nutzlicht-Strahlenbündel nimmt nach der Reflexion einen anderen Pfad als zur ersten Reflexionsfläche hin, es ergibt sich also eine Strahlauftrennung. Sind die Pre-Kollimationslinse und die Spiegellinse bevorzugt Teil eines abbildenden optischen Systems (siehe unten im Detail), lassen sich so Objekt- und Bildebene räumlich separieren.
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Bei anderen bevorzugten Ausführungsform wird eine Strahlauftrennung erreicht, indem die optischen Achsen von Pre-Kollimationslinse und Spiegellinse zueinander verkippt angeordnet sind. Eine erste optische Achsrichtung, die zur optischen Achse der Pre-Kollimationslinse parallel liegt (und in Richtung der Spiegellinse weist), kann mit einer zweiten optischen Achsrichtung, die zur optischen Achse der Spiegellinse parallel liegt (und in Richtung der ersten Spiegelfläche weist), bspw. einen Winkel von dem Betrag nach mindestens 10°, 12°, 14°, 16° bzw. 18° einschließen (in der Reihenfolge der Nennung zunehmend bevorzugt), wobei mögliche Obergrenzen davon unabhängig bspw. bei in der Reihenfolge der Nennung zunehmend bevorzugt höchstens 50°, 45°, 40°, 35°, 30° bzw. 25° liegen. Mit den zueinander verkippten optischen Achsen lässt sich auch bei vergleichsweise kompakten Bauformen eine Strahlauftrennung erreichen, vgl. 2 und 3 zur Illustration.
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Zu ihrer „optischen Achse“ kann die jeweilige Linse bspw. zumindest mit ihren Seitenflächen, jedenfalls jenem Bereich davon, über bzw. durch welchen das Strahlenbündel geführt ist, drehsymmetrisch sein, vorzugsweise rotationssymmetrisch sein. Besonders bevorzugt ist die jeweilige Linse im Gesamten zu ihrer optischen Achse dreh- bzw. rotationssymmetrisch.
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Bei einer bevorzugten Ausführungsform ist zumindest eine von der Lichteintritts- und der Lichtaustrittsfläche asphärisch, vorzugsweise sind beide asphärisch. Besonders bevorzugt liegen die Lichteintritts- und die Lichtaustrittsfläche auf derselben Seitenfläche der Spiegellinse und ist diese Seitenfläche im Gesamten asphärisch. Im Allgemeinen kann die asphärische Form wiederum höherer Ordnung sein, bevorzugt ist eine ellipsoidale, hyperboloide oder paraboloide Form.
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Im Allgemeinen können die Lichteintritts- und/oder die Lichtaustrittsfläche auch konkav sein, kann also insbesondere die gesamte zugrunde liegende Seitenfläche der Spiegellinse konkav sein, vgl. 1 zur Illustration. Bei bevorzugten Ausführungsformen sind Lichteintritts- und Lichtaustrittsfläche jedoch konvex gekrümmt, was bspw. einen insgesamt kompakteren Aufbau ermöglichen kann, vgl. 2,3 zur Illustration.
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Besonders bevorzugt ist auch in diesem Fall wiederum die gesamte Seitenfläche der Linse konvex gekrümmt.
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Bei einer bevorzugten Ausführungsform ist eine der ersten Spiegelfläche entgegengesetzte zweite Seitenfläche der Linse zumindest bereichsweise mit einer zweiten Spiegelfläche verspiegelt. Das Nutzlicht-Strahlenbündel wird der ersten Spiegelfläche nach- und der Lichtaustrittsfläche vorgelagert an der zweiten Spiegelfläche reflektiert. Wenngleich im Allgemeinen bspw. auch eine seitliche Einkopplung in die Spiegellinse denkbar ist, liegt generell die Lichteintrittsfläche bevorzugt in der zweiten Seitenfläche, ist diese dann also nur in einem Bereich verspiegelt.
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In bevorzugter Ausgestaltung ist die erste Seitenfläche der Linse zusätzlich mit einer dritten Spiegelfläche verspiegelt, wobei das Nutzlicht-Strahlenbündel der zweiten Spiegelfläche nach- und der Lichtaustrittsfläche vorgelagert an der dritten Spiegelfläche reflektiert wird. Die erste und die dritte Spiegelfläche, die jeweils an der ersten Seitenfläche vorgesehen sind, hängen bevorzugt zusammen, werden also bspw. von einer durchgehenden Beschichtung gebildet. Generell können die Ausführungsformen mit Mehrfach-Reflexionen innerhalb der Spiegellinse bspw. wegen einer kompakten Bauform Vorteile bieten.
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Ferner sind diese Lösungen mechanisch vergleichsweise robust, etwa im Vergleich zu einer aus mehreren Einzelkomponenten aufgebauten entsprechenden Optik. Dies kann insbesondere bei der bevorzugten Anwendung in Kfz-Scheinwerfern von Bedeutung sein. Insbesondere bei der Variante mit der Dreifach-Reflexion hat der Erfinder auch einen Vorteil dahingehend beobachtet, dass es bei einer leichten Dejustage im Wesentlichen nur zu einer lateralen Verschiebung der Austrittsfläche, nicht aber zu einer maßgeblichen Verkippung des Strahlenbündels der Lichtaustrittsfläche nachgelagert kommt. Dies kann eine größere Toleranz gegenüber Fertigungsschwankungen oder auch sich über die Lebensdauer einstellenden Abweichungen bedeuten.
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In bevorzugter Ausgestaltung ist bzw. sind die zweite Spiegelfläche und/oder die dritte Spiegelfläche (soweit vorhanden) asphärisch, vorzugsweise ellipsoidal, hyperboloid oder paraboloid. Die zweite Spiegelfläche ist bevorzugt in einem konkav gekrümmten Bereich der zweiten Seitenfläche angeordnet, ist also vom Inneren der Spiegellinse aus gesehen konvex; das Nutzlicht-Strahlenbündel wird dann bei der Reflexion an der zweiten Spiegelfläche etwas aufgeweitet. Die erste Seitenfläche ist im Bereich der dritten Spiegelfläche bevorzugt konvex gekrümmt, vorzugsweise mit derselben asphärischen Form wie im Bereich der ersten Spiegelfläche. Vom Inneren der Spiegellinse aus gesehen ist die dritte Spiegelfläche dann konkav, wird also mit der Reflexion der Öffnungswinkel verringert.
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Im Falle der Spiegellinse mit Dreifach-Reflexion ist die zweite Seitenfläche im Bereich der Lichteintritts- und der Lichtaustrittsfläche vorzugsweise plan. Vom Inneren der Spiegellinse aus gesehen sind die erste und die dritte Spiegelfläche konkav (vgl. vorstehender Absatz); dazwischen fällt das Nutzlicht-Strahlenbündel auf die bevorzugt von innen gesehen konvexe zweite Spiegelfläche. Die zweite Spiegelfläche wird bevorzugt von der optischen Achse der Spiegellinse durchsetzt und ist drehsymmetrisch, bevorzugt rotationssymmetrisch, dazu. Auch der bevorzugt plane Bereich der zweiten Seitenfläche, in dem Lichteintritts- und Lichtaustrittsfläche angeordnet sind, ist zur optischen Achse bevorzugt dreh- bzw. rotationssymmetrisch.
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In bevorzugter Ausgestaltung sind die Pre-Kollimationslinse und die Spiegellinse Teil eines abbildenden optischen Systems mit einer Objekt- und einer Bildebene, wobei das Leuchtstoffelement in ersterer angeordnet ist. Im Allgemeinen ist auch ein dahingehend symmetrischer Aufbau denkbar, dass, wenngleich Objekt und Bild nicht zusammenfallen, die beiden dennoch in einer gemeinsamen Ebene liegen. Dazu müsste bspw. bei der Ausführungsform gemäß 4 anstelle des der Austrittsfläche nachgelagerten Spiegels das Strahlenbündel mit einer der Pre-Kollimationslinse vergleichbaren Linse fokussiert werden. Bevorzugt fallen Objekt- und Bildebene nicht zusammen, sind sie also parallel zueinander versetzt oder zueinander verkippt.
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Bevorzugt ist in der Bildebene eine Blende zur Strahlbündelformung angeordnet; das Querschnittsprofil des Strahlenbündels kann so wie für die Beleuchtungsanwendung gewünscht angepasst werden. Der Spiegellinse nach- und der Bildebene vorgelagert kann generell auch ein schaltbarer Spiegel angeordnet sein, etwa ein Mikrolinsen-Array (Flächenlichtmodulator) oder ein Microscanner, womit sich das Bild bspw. insgesamt zu- oder wegschalten lässt. Dies kann bspw. in einem Fehlerfall (siehe unten) eine zusätzliche Sicherheit bieten.
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In bevorzugter Ausgestaltung hat das abbildende optische System eine Vergrößerung von dem Betrag nach mindestens 3, vorzugsweise mindestens 4, besonders bevorzugt mindestens 5. Vorteilhafte Obergrenzen der Vergrößerung können bspw. bei in der Reihenfolge der Nennung zunehmend bevorzugt höchstens 10, 9, 8, 7 bzw. 6 liegen. Der Begriff „Vergrößerung“ bezieht sich bevorzugt auf die lineare Vergrößerung, wird also als Verhältnis zwischen dem in der Bildebene mit dem Strahlenbündel ausgeleuchteten Bereich und der Konversionslicht-Abstrahlfläche des Leuchtstoffelements genommen. Sollte die Vergrößerung in zur jeweiligen Hauptausbreitungsrichtung des Strahlenbündels senkrechten Achsen unterschiedlich groß sein, wird ein mit dem Maximalwert (Achse mit der größten Vergrößerung) und dem Minimalwert (Achse mit der kleinsten Verkleinerung) gebildeter Mittelwert betrachtet.
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In bevorzugter Ausgestaltung hat die Spiegellinse für sich eine Vergrößerung von in der Reihenfolge der Nennung zunehmend bevorzugt mindestens –1,5, –1,4, –1,3, –1,2 bzw. –1,1; davon unabhängig liegen vorteilhafte Obergrenzen bei höchstens –0,5, –0,6, –0,7, –0,8 bzw. –0,9 (ebenfalls in der Reihenfolge der Nennung zunehmend bevorzugt); besonders bevorzugt ist eine Vergrößerung von –1. Betrachtet wird in diesem Fall die Winkelvergrößerung, also das Verhältnis der Öffnungswinkel des Nutzlicht-Strahlenbündels der Spiegellinse unmittelbar vor- und unmittelbar nachgelagert (konkret der Tangens des Öffnungswinkels vor im Verhältnis zum Tangens des Öffnungswinkels nach der Spiegellinse). Im Falle einer in den zur jeweiligen Hauptausbreitungsrichtung senkrechten Achsen unterschiedlichen Öffnungswinkeländerung wird ein Mittelwert betrachtet (siehe vorne). Hierbei ist der Öffnungswinkel eines divergenten Strahlenbündels größer 0, eines perfekt kollimierten Strahlenbündels gleich 0 und eines konvergenten Strahlenbündels kleiner 0.
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Die Spiegellinse macht bevorzugt aus einem divergenten Strahlenbündel ein konvergentes, besonders bevorzugt näherungsweise symmetrisch, also mit einer Vergrößerung im eben genannten Intervall. Der Öffnungswinkel der Spiegellinse unmittelbar vorgelagert beträgt vorzugsweise mindestens 10°, besonders bevorzugt mindestens 20°, und (davon unabhängig) bspw. nicht mehr als 50°, bevorzugt nicht mehr als 40°. Der der Spiegellinse unmittelbar nachgelagert genommene Öffnungswinkel liegt dem Betrag nach bevorzugt im selben Intervall wie unmittelbar vorgelagert.
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In bevorzugter Ausgestaltung wird das Nutzlicht-Strahlenbündel der Bildebene nachgelagert kollimiert, vorzugsweise perfekt kollimiert (Öffnungswinkel von 0°). Der Bildebene nachgelagert ist das Strahlenbündel divergent, es könnte im Allgemeinen bspw. auch mit einer Linse kollimiert werden. Bevorzugt ist dazu ein Konkavspiegel vorgesehen, dessen Reflexionsfläche besonders bevorzugt paraboloid ist.
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Bei einer bevorzugten Ausführungsform ist in der ersten Spiegelfläche ein Loch vorgesehen, ist also bspw. die metallische Beschichtung unterbrochen, also lokal weggelassen, durch welches Loch zumindest ein Großteil der Pumpstrahlung, etwa mindestens 60 %, 70 %, 80 % bzw. 90 %, austreten würde, wenn das Leuchtstoffelement aus dem Pumpstrahlungs-Strahlengang genommen würde. Im Allgemeinen kann dies auch in Verbindung mit einem in Reflexion betriebenen Leuchtstoffelement sinnvoll sein, das bspw. auf einer verspiegelten Fläche angeordnet ist. Wird das Leuchtstoffelement entfernt, wird die volle, relativ stark gebündelte Pumpstrahlung in den eigentlich für das Nutzlicht vorgesehenen Pfad reflektiert. Bevorzugt findet dieses Sicherheitskonzept im Falle eines in Transmission betriebenen Leuchtstoffelements Anwendung, bei welchem Pumpstrahlungs-Einstrahlfläche und Konversionslicht-Abstrahlfläche einander entgegengesetzt liegen, was im Rahmen dieser Offenbarung generell bevorzugt ist.
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Die Funktionsweise des Sicherheitskonzepts beruht darauf, dass die Etendue des Nutzlichts um ein Vielfaches größer als jene der Pumpstrahlung dem Leuchtstoffelement vorgelagert ist, letztere im Fehlerfall also einen erheblich kleineren Teil der ersten Spiegelfläche ausleuchten würde; dieser wird durch das Loch ausgenommen. Dies kann insbesondere im Falle einer Teilkonversion von Interesse sein, wenn also nicht die gesamte Pumpstrahlung (typischerweise blaues Pumplicht) in dem Leuchtstoffelement konvertiert wird und der nicht konvertierte Teil zusammen mit dem Konversionslicht als Mischlicht genutzt wird. Hierbei kann nämlich im Normalbetrieb, etwa aufgrund von Streuprozessen, auch die Etendue der nicht konvertierten Pumpstrahlung vergrößert werden, sodass diese einen vergleichsweise großen Bereich der ersten Spiegelfläche ausleuchtet. Ohne Leuchtstoffelement gibt es keine solche Aufweitung und tritt die Pumpstrahlung durch das Loch aus.
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Im Fehlerfall, wenn also das Leuchtstoffelement nicht vorhanden ist, es Defektstrukturen aufweist und/oder thermisches Quenchen einsetzt, breitet sich die Pumpstrahlung aus, als würde sie das Leuchtstoffelement wechselwirkungsfrei (ohne jede Wechselwirkung, wie Konversion/Streuung) durchsetzen. Das Loch ist bevorzugt dort angeordnet, wo die Mittenachse des Nutzlicht-Strahlenbündels die Spiegelfläche durchsetzt. Generell kann das Loch bevorzugt eine runde, insbesondere kreisrunde, Form annehmen; bevorzugt kann auch eine elliptische Form sein, wobei die große Halbachse der zugrundeliegenden Ellipse dann weiter bevorzugt parallel zur schnellen Achse der Laser-Pumpstrahlung ausgerichtet ist.
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Im Falle einer Spiegellinse mit Mehrfach-Reflexionen kann ein entsprechendes Loch für die Pumpstrahlung auch in der zweiten und/oder dritten Spiegelfläche vorgesehen sein.
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Es können mehrere/sämtliche Spiegelflächen mit einem Loch versehen sein, etwa um einen aufgrund von Oberflächenreflexionen zuvor noch nicht ausgekoppelten Teil der Pumpstrahlung weiter zu verringern.
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Eine bevorzugte Ausführungsform, die bevorzugt alternativ zu der eben beschriebenen Anwendung ist, wird die erste Spiegelfläche von einer elektrochromen Beschichtung gebildet und ist sie somit zumindest teilweise wegschaltbar, lässt sich also die als Mittelwert über den Spektralbereich der Pumpstrahlung genommene Reflektivität bspw. um mindestens 50 %, vorzugsweise mindestens 70 %, besonders bevorzugt mindestens 90 %, verringern.
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Eine Ansteuerung der elektrochromen Beschichtung ist bevorzugt mit einem Sensor gekoppelt, der bspw. optisch messen kann, ob Konversionslicht emittiert wird; ist dies trotz eingeschalteter Pumpstrahlungsquelle nicht der Fall, kann auf ein abgefallenes oder defektes Leuchtstoffelement geschlossen und die erste Spiegelfläche soweit möglich weggeschaltet werden. Das Wegschalten kann auch in Abhängigkeit anderer Messgrößen des Kfz erfolgen, etwa in Abhänigkeit von der Detektion eines (drohenden) Unfalls dienenden Daten, bspw. Beschleunigungsdaten (z. B. Verzögerung mit Gyro-Sensoren ermittelt) und/oder Daten der Auslöseeinheit eines Airbags.
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Soweit vorhanden können auch die zweite und/oder dritte Spiegelfläche jeweils von einer elektrochromen Beschichtung gebildet und dementsprechend wegschaltbar sein, alternativ zu oder auch in Verbindung mit einer wegschaltbaren ersten Spiegelfläche. Die elektrochrome Beschichtung kann bspw. aus Wolframoxid/Polyanilin gebildet sein.
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Die Erfindung betrifft auch einen Kfz-Scheinwerfer mit einer vorliegend offenbarten Beleuchtungsvorrichtung, insbesondere einen Kfz-Frontscheinwerfer, besonders bevorzugt einen Automobil-Frontscheinwerfer.
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Kurze Beschreibung der Zeichnungen
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Im Folgenden wird die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen näher erläutert, wobei die einzelnen Merkmale im Rahmen der nebengeordneten Ansprüche auch in anderer Kombination erfindungswesentlich sein können und auch weiterhin nicht im Einzelnen zwischen den Anspruchskategorien unterschieden wird. Im Einzelnen zeigt
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1 eine erste Beleuchtungsvorrichtung mit Pre-Kollimationslinse und Spiegellinse in einem Schnitt;
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2 eine zweite Beleuchtungsvorrichtung in einem Schnitt;
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3 eine dritte Beleuchtungsvorrichtung, die in ihrem Aufbau jener gemäß 2 prinzipiell vergleichbar ist, in einem Schnitt;
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4 eine vierte Beleuchtungsvorrichtung in einem Schnitt, wobei das Nutzlicht in der Spiegellinse mehrfach reflektiert wird;
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5 den prinzipiellen Aufbau eines Kfz-Scheinwerfers mit einer erfindungsgemäßen Beleuchtungsvorrichtung in einem Schnitt.
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Bevorzugte Ausführung der Erfindung
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1 zeigt eine Beleuchtungsvorrichtung 1 mit einem blauen Laser als Pumpstrahlungsquelle 2 und einem Leuchtstoffelement 3 zur teilweisen Konversion der Pumpstrahlung 4 in Konversionslicht. Das Leuchtstoffelement 3 wird in Transmission betrieben, eine Pumpstrahlungs-Einstrahlfläche 5 und eine Konversionslicht-Abstrahlfläche 6 sind einander entgegengesetzt. Ein an der Konversionslicht-Abstrahlfläche 6 abgeführtes Nutzlicht setzt sich aus dem Konversionslicht und unkonvertierter Pumpstrahlung der Pumpstrahlungsquelle 2, hier einer blau emittierenden Laserdiodenanordnung, zusammen.
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An der Konversionslicht-Abstrahlfläche 6 wird das Konversionslicht Lambertsch abgegeben, wobei ein Strahlenbündel 7 des Nutzlichts mit dem Konversionslicht mit einer nachfolgend im Detail beschriebenen Optik einer Beleuchtungsanwendung zugeführt wird. Als erster Teil der Optik ist der Konversionslicht-Abstrahlfläche 6 unmittelbar nachgelagert eine Pre-Kollimationslinse 8 angeordnet, welche den Öffnungswinkel des Nutzlicht-Strahlenbündels von ca. 120° auf ca. 40° verringert. Das unkonvertierte Laserlicht wird an den Leuchtstoffpartikeln gestreut und tritt, je nach Leuchtstoffzusammensetzung und -dicke, mehr oder weniger Lambertsch gestreut aus dem Leuchtstoffelement 3 aus.
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Der Pre-Kollimationslinse nachgelagert ist eine Plankonvexlinse 9 angeordnet, über welche das Nutzlicht-Strahlenbündel 7 zu einer Spiegellinse 10 geführt wird. Das Nutzlicht fällt auf eine zweite Seitenfläche 11 der Spiegellinse 10 und tritt durch eine Lichteintrittsfläche 12 als Teilbereich der zweiten Seitenfläche 11 in die Spiegellinse 10 ein. In der Figur ist die Lichteintrittsfläche 12 punktiert gekennzeichnet, was aber lediglich den vom Nutzlicht durchstrahlten Bereich kenntlich macht (die zweite Seitenfläche 11 ist dort nicht beschichtet oder dergleichen).
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Der Lichteintrittsfläche 12 entgegengesetzt fällt das Nutzlicht-Strahlenbündel 7 auf eine erste Seitenfläche 13 der Spiegellinse 10, die mit einem Metallfilm 14 verspiegelt ist. Letzterer bildet eine erste Spiegelfläche 15, an welcher das Nutzlicht-Strahlenbündel 7 reflektiert wird, um dann durch eine Lichtaustrittsfläche 16 der zweiten Seitenfläche 11 aus der Spiegellinse 10 auszutreten.
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Der Austrittsfläche 16 nachgelagert durchsetzt das Nutzlicht-Strahlenbündel 7 erneut die Plankonvexlinse 9 und wird von dieser in einer Bildebene 17 fokussiert. Mit dem optischen System aus Pre-Kollimationslinse 8, Plankonvexlinse 9 und Spiegellinse 10 wird das in einer Objektebene 18 angeordnete Leuchtstoffelement 3 (konkret die Konversionslicht-Abstrahlfläche 6) in die Bildebene 17 abgebildet.
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Die Pre-Kollimationslinse 8 hat eine optische Achse 19 und die Spiegellinse 10 eine optische Achse 20, wobei sich diese optischen Achsen 19, 20 versetzt zueinander parallel erstrecken. Die Plankonvexlinse 9 ist so angepasst, dass ein Hauptstrahl 21 des Nutzlicht-Strahlenbündels 7 in die Mitte der ersten Spiegelfläche 15 fällt, also auf deren Schnittpunkt mit der optischen Achse 20. Bei dieser Ausführungsform wird so trotz der parallel zueinander angeordneten optischen Achsen 19, 20 eine Strahltrennung zwischen dem Strahlenbündel hin zu und weg von der Spiegellinse 10 erreicht.
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2 zeigt eine weitere Beleuchtungsvorrichtung 1, wobei die das Leuchtstoffelement 3 anregende Pumpstrahlungsquelle 2 der Übersichtlichkeit halber nicht dargestellt ist und insofern auf 1 verwiesen wird. Generell bezeichnen im Rahmen dieser Offenbarung dieselben Bezugszeichen Teile mit derselben Funktion und wird insofern immer auch auf die Beschreibung zu den jeweilig anderen Figuren verwiesen.
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Bei der Beleuchtungsvorrichtung 1 gemäß 2 ist die Spiegellinse 10 der Pre-Kollimationslinse 8 unmittelbar nachgelagert angeordnet. Die optischen Achsen 19, 20 von Pre-Kollimationslinse 8 und Spiegellinse 10 sind um ca. 19° gegeneinander verkippt, sodass sich gleichwohl eine Strahltrennung ergibt. Wie im Falle der Spiegellinse 10 gemäß 1 ist auch vorliegend die erste Seitenfläche 13 mit einer asphärischen Form konvex gekrümmt. Im Unterschied zu der Spiegellinse 10 gemäß 1 ist bei dem Aufbau gemäß 2 auch die zweite Seitenfläche konvex gekrümmt, also insbesondere auch im Bereich der Lichteintrittsfläche 12 und der Lichtaustrittsfläche 16. In beiden Fällen (konkave Form gemäß 1 und konvexe Form gemäß 2) liegt eine Asphäre zugrunde.
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Der Austrittsfläche 16 nachgelagert ist bei der Beleuchtungsvorrichtung gemäß 2 ein Auskoppelspiegel 25 angeordnet, über welchen das Nutzlicht-Strahlenbündel 7 in die Zwischenbildebene 17 geführt wird. Insgesamt kann der Aufbau gemäß 2 aufgrund seiner kompakteren Bauform bevorzugt sein.
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3 zeigt eine weitere Beleuchtungsvorrichtung 1, die prinzipiell jener gemäß 2 vergleichbar aufgebaut ist. Die Beleuchtungsvorrichtung 1 gemäß 3 ist noch weiter auf Kompaktheit hin optimiert, wozu der Winkel zwischen den optischen Achsen 19, 20 kleiner gewählt ist und das Strahlenbündel unter geringerer Verkippung auf den Auskoppelspiegel 25 fällt (geringerer Verkippung zu einer Flächennormalen darauf). Das in der Bildebene 17 liegende Bild rückt so deutlich näher an die Spiegellinse 10 heran, der zur Verfügung stehende Raum wird optimal genutzt.
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4 zeigt eine weitere Beleuchtungsvorrichtung 1 mit Leuchtstoffelement 3, Pre-Kollimationslinse 8 und Spiegellinse 10 (die Pumpstrahlungsquelle ist der Übersichtlichkeit halber wiederum nicht dargestellt). Im Unterschied zu den bisher diskutierten Ausführungsformen ist vorliegend bei der Spiegellinse 10 auch die zweite Seitenfläche 11 mit einem Metallfilm 40 teilweise verspiegelt. Dieser bildet eine zweite Spiegelfläche 41.
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Das Nutzlicht-Strahlenbündel 7 wird an der ersten Spiegelfläche 15 auf die zweite Spiegelfläche 41 reflektiert.
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Im Bereich des Metallfilms 40 ist die zweite Seitenfläche 11 der Spiegellinse 10 konkav gekrümmt, sodass die zweite Spiegelfläche 41 vom Inneren der Spiegellinse 10 aus gesehen konvex ist. Bei der Reflexion an der zweiten Spiegelfläche 41 wird der Öffnungswinkel des Strahlenbündels aufgeweitet. Der zweiten Spiegelfläche 41 nachgelagert trifft das Strahlenbündel auf eine dritte Spiegelfläche 42, an welcher es durch die Austrittsfläche 16 aus der Spiegellinse 10 reflektiert wird.
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Die erste Seitenfläche 13 der Spiegellinse 11 ist mit einer asphärischen Form im Gesamten konvex gekrümmt und es bildet der die gesamte erste Seitenfläche 13 bedeckende Metallfilm 14 die beiden Spiegelflächen 15, 42. Die zweite Seitenfläche 11 ist nur im Bereich des Metallfilms 14 konkav gekrümmt, im Übrigen ist sie plan, es sind also insbesondere die Lichteintrittsfläche 12 und die Lichtaustrittfläche 16 plan. Der Lichtaustrittsfläche 16 nachgelagert fällt das Strahlenbündel 7 wiederum auf einen Auskoppelspiegel 25 und wird davon in die Bildebene 17 reflektiert.
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5 zeigt Teile eines Kfz-Frontscheinwerfers mit einer erfindungsgemäßen Beleuchtungsvorrichtung 1. Letztere entspricht in ihrem prinzipiellen Aufbau den anhand der 2 und 3 erläuterten Beleuchtungsvorrichtungen 1, es wird auf die vorstehende Beschreibung verwiesen.
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In der Bildebene 17 ist eine Blende 50 angeordnet, mit welcher der Querschnitt des Strahlenbündels in eine zur Straßenbeleuchtung gewünschte Form gebracht wird (z. B. halbkreisförmig). Der Blende 50 nachgelagert ist ein Konkavspiegel 51 im Strahlengang angeordnet, wobei das Nutzlicht-Strahlenbündel 7 mit der Reflexion daran kollimiert wird. Mit dem kollimierten Strahlenbündel wird die Straße ausgeleuchtet.
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Die Spiegelfläche 14 der Spiegellinse 10 ist mit einem Loch 52, also einer lokal fehlenden metallischen Beschichtung, unterbrochen. Würde in einem Fehlerfall das Leuchtstoffelement 3 etwa erschütterungsbedingt abfallen, könnte die die Pre-Kollimationslinse 8 und die Spiegellinse 10 dann kollimiert durchsetzende Pumpstrahlung 4 aus dem Loch 52 austreten und würde so nicht der Beleuchtungsanwendung zugeführt werden. Auch in allen vorgenannten Ausführungsbeispielen gemäß den 1 bis 4 kann diese Option realisiert werden und so zur Sicherheit des Gesamtsystems beitragen.
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Alternativ kann als Sicherheitskonzept im Falle einer in den 1 bis 4 gezeigten Beleuchtungsvorrichtung 1 anstelle des Metallfilms eine elektrochrome Verspiegelung vorgesehen sein, welche im Fehlerfall weggeschaltet wird. Zur Charakterisierung eines Fehlerfalls können auch externe Signale verwendet werden, beispielsweise das Auslösen eines Airbags oder die Übermittlung eines Warnsignals an die Steuereinheit der Laserdioden.
