DE102015213861A1 - Laserbasierte Lichtquelle und Fahrzeugscheinwerfer mit der laserbasierten Lichtquelle - Google Patents

Laserbasierte Lichtquelle und Fahrzeugscheinwerfer mit der laserbasierten Lichtquelle Download PDF

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Abstract

Laserbasierte Lichtquelle mit einer Laserlichtquelle (2), der ein Konverter (10, 36) zugeordnet ist, mittels dem ein Laserlicht (4) der Laserlichtquelle (2) zumindest teilweise konvertierbar ist. Weiter ist eine lichtemittierende Diode (20) vorgesehen ist, deren LED-Licht (22) mit dem Laserlicht (4) überlagerbar ist. Fahrzeugscheinwerfer mit einer derartigen laserbasierten Lichtquelle.

Description

  • Technisches Gebiet
  • Die Erfindung geht aus von einer bekannten laserbasierten Lichtquelle, bei der zur Erzeugung von gewünschtem Weißlicht eine Überlagerung stattfindet von einem mittels eines Konverters aus blauem Laserlicht erzeugten gelben Konversionslicht und einem blauen Rest-Laserlicht. Üblicherweise kommt dabei ein teilkonvertierender Konverter zum Einsatz. Weil dabei aber Rest-Laserlicht emittiert ist, müssen für eine Zulassung der laserbasierten Lichtquelle strenge Laser-Sicherheitsvorschriften eingehalten werden, was wegen des erhöhten Aufwands und der damit verbundenen erhöhten Kosten nachteilig ist. Sofern die Laser-Sicherheitsvorschriften nicht eingehalten werden können, kann das zu einer Einschränkung bei der Zulassung oder gar zur Nichtzulassung führen.
  • Die DE 11 2011 104 985 T5 beschreibt eine Laser-LED-Hybrid Beleuchtungsvorrichtung für medizinische Anwendungen.
  • Darstellung der Erfindung
  • Eine der Erfindung zugrundeliegende Aufgabe wird gelöst durch die laserbasierte Lichtquelle gemäß den Merkmalen des Patentanspruchs 1.
  • Eine weitere der Erfindung zugrundeliegende Aufgabe der Erfindung wird gelöst durch einen Fahrzeugscheinwerfer gemäß den Merkmalen des nebengeordneten Patentanspruchs.
  • Besonders vorteilhafte Ausgestaltungen finden sich in den abhängigen Ansprüchen.
  • Eine vorteilhafte laserbasierte Lichtquelle enthält eine Laserlichtquelle, der ein Konverter zugeordnet ist, mittels dem ein Laserlicht der Laserlichtquelle zumindest teilweise konvertierbar ist. Die Laserlichtquelle kann eine oder mehrere Laserlicht emittierende Lichtquellen enthalten, insbesondere gleiche oder unterschiedliche Laserlicht emittierende Lichtquellen, insbesondere Laserdioden. Weiter ist mindestens eine lichtemittierende Diode (LED) vorgesehen, deren LED-Licht mit dem konvertierten Laserlicht, insbesondere einem Konversionslicht, überlagerbar ist. Vorteilhaftweise ergibt eine räumliche Überlagerung des Konversionslichts und des LED-Lichts ein Nutzlicht.
  • Eine lichtemittierende Diode kann in Form mindestens einer einzeln gehäusten Leuchtdiode oder in Form mindestens eines LED-Chips vorliegen. Alternativ oder zusätzlich können mehrere LED-Chips auf einem gemeinsamen Substrat ("Submount") montiert sein. Die mindestens eine LED kann mit mindestens einer eigenen und/oder gemeinsamen Optik zur Strahlführung ausgerüstet sein, z.B. mindestens einer Fresnel-Linse, Kollimator, und so weiter. Anstelle oder zusätzlich zu anorganischen LEDs, z.B. auf Basis von InGaN oder AlInGaP, sind allgemein auch organische LEDs (OLEDs, z.B. Polymer-OLEDs) einsetzbar. Alternativ kann die LED eine Laserdiode oder eine Laserdiodenanordnung sein. Die Emissionswellenlängen der LED können im ultravioletten, sichtbaren oder infraroten Spektralbereich liegen.
  • Vorteilhafterweise ist das Laserlicht von dem Konverter im Wesentlichen vollständig oder vollständig konvertierbar. Somit ist ein Laserlichtanteil in dem Nutzlicht, wie oben erwähnt der Überlagerung von konvertiertem Laserlicht und einem Emissionslicht der LED, der laserbasierten Lichtquelle im Wesentlichen vollständig oder vollständig vermeidbar und eine laserbasierte Lichtquelle geschaffen, bei der trotz der Verwendung von Laserlicht zur Erzeugung von gewünschtem beziehungsweise gefordertem Nutzlicht, insbesondere einem Weißlicht, die Zulassung der laserbasierten Lichtquelle vereinfacht und darüber hinaus ein mögliches Sicherheitsrisiko durch eventuell austretendes Rest-Laserlicht reduziert ist. Darüber hinaus ist mindestens im Fall der vollständigen Konversion ein Aufwand und somit Kosten bei der Zulassung der laserbasierten Lichtquelle reduziert, da sie ohne Laserlicht, insbesondere ohne Rest-Laserlicht, im Nutzlicht geringere Zulassungsanforderungen erfüllen muss. Des Weiteren kann somit auf vorrichtungstechnisch einfache Weise beispielsweise Weißlicht mittels einer Kombination des konvertierten Laserlichts mit dem LED-Licht geschaffen werden.
  • Vorteilhafterweise ist der Konverter in einer reflektierenden Anordnung ausgebildet, insbesondere hat der Konverter dabei ein reflektierendes, insbesondere hochreflektierendes, Substrat. Das Substrat kann ein Trägerelement und/oder ein Kühlkörper sein. Alternativ dazu ist der Konverter in einer durchlässigen Anordnung ohne ein reflektierendes Substrat ausgebildet. Somit stehen unterschiedliche Alternativen zur Verfügung, um die laserbasierte Lichtquelle gemäß der vorliegenden Erfindung zu verwirklichen.
  • Vorteilhafterweise ist das hochreflektierend ausgebildete Substrat als ein metallisch beschichteter Spiegel ausgebildet, wobei die metallische Beschichtung und/oder das Substrat Aluminium oder Silber enthalten kann.
  • Vorteilhafterweise enthält der Konverter einen Leuchtstoff, insbesondere ein Leuchtstoffgemisch, der insbesondere pulverförmig in einem Trägermaterial enthalten ist. Alternativ dazu ist der Leuchtstoff pulverförmig auf dem Substrat abgeschieden. Weiter alternativ besteht der Konverter aus verfestigtem pulverförmigem Leuchtstoff und ist, vorzugsweise mittels eines Sinterverfahrens hergestellt, als ein keramischer Konverter ausgebildet.
  • Vorteilhafterweise weist der Konverter eine möglichst geringe Schichtdicke bei möglichst hoher Packungsdichte des Leuchtstoffs auf. Eine Dotierung des Konverters ist derart angepasst, dass bei der möglichst geringen Schichtdicke des Konverters eine möglichst vollständige Konversion erreicht ist. Somit ist eine durch eine nicht angepasste, insbesondere nicht an die Schichtdicke angepasste, Dotierung und/oder große Schichtdicke bedingte schlechte Wärmeabfuhr aus dem Konverter vermeidbar, die ansonsten einen Temperaturanstieg im Konverter zur Folge hat und zu einer verschlechterten Konversionseffizienz führt. Zudem ist damit einer lateralen Aufweitung einer lichtemittierenden Fläche am Konverter entgegengewirkt, die eine Reduzierung einer Leuchtdichte zur Folge hat. Für eine hohe Leuchtdichte ist neben einer geringen Größe der lichtemittierenden Fläche am Konverter anzustreben, dass diese nur unwesentlich größer sein soll als eine gepumpte Fläche auf dem Konverter, das heißt, eine Fläche am Konverter, an der das von der Laserlichtquelle erzeugte Laserlicht, insbesondere ein Pumplicht, eindringt.
  • Da aus den obigen Gründen eine laterale Ausbreitung des Pumplichts in dem Konverter und somit die lichtemittierende Fläche am Konverter nicht groß sein soll, ist dies, insbesondere bei dem Konverter in reflektierender Anordnung, durch geeignete Maßnahmen begrenzbar, alternativ oder zusätzlich zu den oben genannten Maßnahmen durch Zurückstreuung mittels insbesondere im eingesetzten Trägermaterial des Konverters vorgesehenen Streuzentren. Die Streuzentren weisen eine beispielsweise von dem Trägermaterial verschiedene Brechungszahl auf, womit das in den Konverter eingestrahlte Licht zurückstreubar ist und somit die laterale Ausbreitung des Pumplichts in dem Konverter vermeidbar beziehungsweise begrenzbar ist. Insbesondere bei dem aus verfestigtem pulverförmigen Leuchtstoff bestehenden Konverter ist eine Porosität des Konvertermaterials vorgesehen, mittels der das in den Konverter eingestrahlte Licht zurückstreubar ist. Die Porosität ist, insbesondere bei keramischen Konvertern, durch Anpassen der betreffenden Parameter beim Sintervorgang erzielbar und soll nicht Gegenstand dieser Beschreibung sein.
  • Vorteilhafterweise ist ein Filter, insbesondere als ein dichroitisches Element ausgebildet, vorgesehen, der unterhalb und/oder oberhalb eines Grenzwerts für eine Wellenlänge von Licht einen unterschiedlichen Transmissionsgrad und einen unterschiedlichen Reflexionsgrad aufweist. Insbesondere ist Rest-Laserlicht mit einer Wellenlänge unterhalb des Grenzwerts von dem Filter reflektiert, und ist der Filter für konvertiertes Laserlicht, insbesondere von dem Leuchtstoff emittiertes Licht, mit einer Wellenlänge oberhalb des Grenzwerts durchlässig. Somit ist, beispielsweise bei einem Defekt an dem Konverter, Rest-Laserlicht am Austritt aus der laserbasierten Lichtquelle gehindert.
  • Vorteilhafterweise ist der Filter in einem Konversionslichtstrahlengang ausgehend von dem Konverter bis zu einem Nutzlichtaustritt der laserbasierten Lichtquelle vorgesehen.
  • Vorteilhafterweise ist der Filter in einem Pumplichtstrahlengang ausgehend von der Laserlichtquelle bis zu dem Konverter und in dem Konversionslichtstrahlengang vorgesehen. Somit ist bei den unterschiedlichen Anordnungen des Filters das Rest-Laserlicht am Austritt aus der laserbasierten Lichtquelle hinderbar.
  • Vorteilhafterweise ist der Filter in Richtung des Pumplichtstrahlengangs vor dem Konverter in reflektierender Anordnung angeordnet, und das Laserlicht, insbesondere das Pumplicht, in dem Pumplichtstrahlengang ist mittels des Filters zu dem Konverter in reflektierender Anordnung ablenkbar. Somit ist Laserlicht dem Konverter zuführbar und mittels des Konverters konvertierbar.
  • Des Weiteren ist der Filter vorteilhaftweise derart angeordnet, dass vom Konverter in reflektierender Anordnung beziehungsweise vom Leuchtstoff emittiertes Licht, insbesondere Konversionslicht und gegebenenfalls Rest-Laserlicht (beispielsweise bei einem Defekt des Konverters), zu dem Filter strahlt.
  • Vorteilhafterweise ist der Filter bei einer bevorzugten Ausführungsform nach dem Konverter in durchlässiger Anordnung angeordnet, und das Rest-Laserlicht in einem Abschnitt des Konversionslichtstrahlengangs von dem Konverter in durchlässiger Anordnung bis hin zu dem Filter ist mittels des Filters zu einem Absorber für Laserlicht, insbesondere Rest-Laserlicht, ablenkbar. Somit ist das Rest-Laserlicht an einem Austritt aus der laserbasierten Lichtquelle hinderbar.
  • Vorteilhafterweise ist der Filter schräg zu dem Pumplichtstrahlengang, beziehungsweise schräg zu dem Konversionslichtstrahlengang angeordnet. Insbesondere stehen der Pumplichtstrahlengang und der Konversionslichtstrahlengang etwa senkrecht zueinander. Der Filter kann dann an einem Kreuzungsbereich des Pumplichtstrahlengangs und des Konversionslichtstrahlengangs jeweils in einem etwa 45°-Winkel zu dem Pumplichtstrahlengang und zu dem Konversionslichtstrahlengang angeordnet sein.
  • Vorteilhafterweise ist das LED-Licht von der LED auf den Filter abstrahlbar und von dem Filter zum Überlagern des LED-Lichts mit dem Konversionslicht in den Konversionslichtstrahlengang reflektierbar. Insbesondere ist die LED derart angeordnet, dass LED-Licht auf die vom Konverter und von der Laserlichtquelle abgewandte Seite des Filters abstrahlbar ist, wobei das LED-Licht vom Filter reflektierbar ist.
  • Vorteilhafterweise ist das Nutzlicht der laserbasierten Lichtquelle mittels einer Überlagerung von, insbesondere zwei, Farbkanälen erzeugbar.
  • Vorzugsweise ist eine räumliche Überlagerung der Farbkanäle im Wesentlichen deckungsgleich oder deckungsgleich.
  • Vorteilhafterweise enthält das Nutzlicht Konversionslicht, das mit dem LED-Licht der LED überlagert ist.
  • Vorteilhafterweise ist ein erster Farbkanal ein Gelbkanal und ein zweiter Farbkanal ein Blaukanal. Dabei enthält der Blaukanal im Sinne der vorliegenden Erfindung vorteilhaftweise von der LED, insbesondere einer blauen LED, emittiertes blaues LED-Licht mit einer Wellenlänge von weniger als etwa 485 nm. Die blaue LED kann eine Hochleistungs-LED sein, insbesondere kann sie ein Licht mit einer Wellenlänge von kleiner als etwa 485 nm abstrahlen, vorzugsweise Licht mit einer Wellenlänge von etwa 440 bis etwa 465 nm. Weiter kann der Gelbkanal im Sinne der vorliegenden Erfindung ein aus dem Laserlicht einer blauen Laserdiode mittels des Konverters erzeugtes Konversionslicht mit einer Wellenlänge von mehr als etwa 485 nm enthalten, dessen Licht für das menschliche Auge gelb erscheint. Bevorzugt ist der Leuchtstoff des Konverters bei etwa 440 bis etwa 465 nm angeregt und im gelben Spektralbereich breitbandig emittiert, wobei die Dominanzwellenlänge bei etwa 570 nm liegt. Insbesondere bei vollständiger Konversion besteht der Gelbkanal vollständig aus Konversionslicht. Die blaue Laserdiode kann eine Hochleistungs-Laserdiode sein, insbesondere strahlt sie ein Laserlicht mit einer Wellenlänge von kleiner als etwa 485 nm ab, vorzugsweise Laserlicht mit einer Wellenlänge von etwa 440 bis etwa 465 nm.
  • Der Filter kann ein dichroitisches Element sein, das vorzugsweise für blaues Licht, insbesondere für Licht mit einer Wellenlänge von weniger als etwa 485 nm, einen hohen Reflexionsgrad aufweist und für Licht mit einer größeren Wellenlänge als blaues Licht, insbesondere für Licht mit einer Wellenlänge von mehr als etwa 485 nm, einen hohen Transmissionsgrad aufweist.
  • Vorteilhafterweise ist der Gelbkanal mittels des Filters, insbesondere mittels des dichroitischen Elements, mit dem Blaukanal überlagerbar, um das Nutzlicht, insbesondere das Weißlicht, zu erzielen.
  • Vorteilhafterweise ist mittels der Überlagerung des Laserlichts, insbesondere des Konversionslichts, mit dem LED-Licht das gewünschte beziehungsweise geforderte Weißlicht erzielbar, dessen Koordinaten innerhalb eines CIExy1931 Weißfelds liegen. Insbesondere hat das Weißlicht eine Farbtemperatur von etwa 6.000 K, bei etwa x = 0,32, y = 0,35 nach CIExy1931 Farbkoordinaten.
  • Vorteilhaftweise ist die Farbtemperatur des Weißlichts je nach einem Größenanteil des Blaukanals und des Gelbkanals im Nutzlicht mittels additiver Farbmischung veränderbar, insbesondere entlang einer gedachten Linie in einem Farbraumdiagramm nach CIExy1931 zwischen der Wellenlänge des Blaukanals von etwa 450 nm und der Wellenlänge des Gelbkanals von etwa 570 nm.
  • Vorteilhaftweise ist ein intermittierender Betrieb der Laserlichtquelle, insbesondere der Laserdiode, und der LED, insbesondere der blauen Hochleistungs-LED, vorgesehen, bei dem die Farbtemperatur des Nutzlichts außerhalb des CIExy1931 Weißfelds liegt. Damit sind, insbesondere beim Anschalten der laserbasierten Lichtquelle, optische Effekte erzielbar, die geeignet sind, eine höhere Aufmerksamkeit zu erregen.
  • Vorteilhaftweise sind die Laserlichtquelle und die LED zumindest in einer Einschaltphase mit gleicher oder unterschiedlicher Pulsdauer betreibbar, die zeitlich synchron oder nicht synchron zueinander sind. Insbesondere beim Anschalten der laserbasierten Lichtquelle sind somit weitere optische Effekte zur Erhöhung ihrer Wahrnehmbarkeit erzielbar.
  • Vorteilhafterweise ist dem Filter ein Photodetektor zugeordnet. Dieser ist derart angeordnet, dass er vom Filter nicht reflektiertes Laserlicht erfasst. Der Photodetektor ist vorzugsweise auf der von der Laserlichtquelle abgewandten Seite des Filters angeordnet. Besonders bevorzugt ist der Photodetektor etwa auf einer Achse angeordnet, die entlang eines Abschnitts des Pumplichtstrahlengangs verläuft, der sich ausgehend von der Laserlichtquelle bis hin zu dem Filter erstreckt.
  • Vorteilhafterweise ist der Photodetektor vorgesehen, um bei Versagen des Filters ein Rest-Laserlicht zu erfassen, wobei der Photodetektor hierfür mit einer Steuereinrichtung verbindbar sein kann. Somit ist beispielsweise ein Fehlen des Filters, insbesondere ein Versagen beziehungsweise eine Funktionsstörung des Filters, bei Vorhandensein von Laserlicht und/oder Rest-Laserlicht nach dem Filter feststellbar und geeignete Maßnahmen sind ergreifbar, beispielsweise die Ausgabe einer Fehlermeldung mittels der Steuereinrichtung oder dem Photodetektor, beispielsweise an eine von einem Fahrer einsehbare Anzeigeeinrichtung. Alternativ oder zusätzlich dazu kann ein Abschalten oder Dimmen der Laserlichtquelle mittels des Photodetektors und/oder der Steuereinrichtung erfolgen.
  • Vorteilhafterweise ist ein redundanter Filter in dem Konversionslichtstrahlengang nach dem Filter angeordnet. Dieser kann derart angeordnet sein, dass Rest-Laserlicht zu einem redundanten Photodetektor ablenkbar ist und mittels des redundanten Photodetektors erfassbar ist. Der redundante Filter hat vorzugsweise dieselben Eigenschaften wie der Filter und der redundante Photodetektor hat vorzugsweise dieselben Eigenschaften wie der Photodetektor. Somit ist auf eine erhöhte Sicherheit gegen Vorhandensein von Rest-Laserlicht im Nutzlicht gegeben.
  • Insbesondere ist mit der LED das Vorhandensein von Laserlicht und/oder Rest-Laserlicht erfassbar. Dazu ist die LED sehr kurz abschaltbar (Austastlücke), damit ein möglicherweise parasitär vorhandenes Laserlicht und/oder Rest-Laserlicht detektierbar ist. Die LED wirkt somit aufgrund des photoelektrischen Effekts als Sensor für parasitär vorhandenes Laserlicht.
  • Bei Vorhandensein von Rest-Laserlicht nach dem Filter ist somit unabhängig von einer Art und Weise der Erfassung beispielsweise ein Fehlen des Filters, insbesondere ein Versagen beziehungsweise eine Funktionsstörung des Filters, feststellbar und geeignete Maßnahmen sind ergreifbar, beispielsweise die Ausgabe einer Fehlermeldung mittels der Steuereinrichtung oder dem Photodetektor, beispielsweise an eine von einem Fahrer einsehbare Anzeigeeinrichtung. Alternativ oder zusätzlich dazu kann ein Abschalten oder Dimmen der Laserlichtquelle mittels des Photodetektors, und/oder der LED, und/oder der Steuereinrichtung erfolgen.
  • Vorteilhafterweise ist das LED-Licht von der LED auf den Filter und/oder auf den redundanten Filter, insbesondere auf der von dem Konverter abgewandten Seite des Filters oder des redundanten Filters, abstrahlbar, von dem es jeweils zum Überlagern des LED-Lichts von dem Filter und/oder dem redundanten Filter mit dem Konversionslicht in einen Abschnitt des Konversionslichtstrahlengangs ausgehend von dem Filter oder von dem redundanten Filter bis hin zu dem Nutzlichtaustritt reflektierbar ist.
  • Die Filter sind vorzugsweise in dem Konversionslichtstrahlengang in Reihe angeordnet. Die Filter können beispielsweise etwa im Parallelabstand zueinander angeordnet sein. Der redundante Photodetektor ist vorzugsweise auf derjenigen Seite des redundanten Filters angeordnet, die von der Laserlichtquelle weg beziehungsweise zum Filter hin weist. Denkbar ist weiter, dass der redundante Photodetektor der einzige Photodetektor ist.
  • Vorteilhafterweise ist der Gelbkanal mittels des redundanten Filters, der ein redundantes dichroitisches Element sein kann, mit dem Blaukanal überlagerbar.
  • Vorteilhafterweise ist in dem Pumplichtstrahlengang zwischen der Laserlichtquelle und dem Konverter mindestens eine Optik vorgesehen. Somit ist eine Möglichkeit einer Strahlformung gegeben.
  • Vorteilhafterweise ist die zumindest eine Optik zwischen der Laserlichtquelle und dem Filter vorgesehen. Somit ist das Laserlicht optimal auf den Filter strahlbar.
  • Vorteilhafterweise ist in dem Pumplichtstrahlengang vor dem Konverter, insbesondere zwischen dem Filter und dem Konverter in reflektierender Anordnung, eine weitere Optik vorgesehen. Somit ist das Laserlicht optimal auf den Konverter strahlbar.
  • Vorteilhafterweise ist die weitere Optik in dem Konversionslichtstrahlengang vor dem Filter, insbesondere zwischen dem Konverter in reflektierender Anordnung oder dem Konverter in durchlässiger Anordnung und dem Filter, vorgesehen. Somit ist das Konversionslicht optimal auf den Filter beziehungsweise durch den Filter strahlbar.
  • Anstelle der Laserlichtquelle kann ein Pumpmodul mit einer LED, insbesondere einer Hochleistungs-LED, verwendet werden. Dabei handelt es sich dann um einen LED-gepumpten Leuchtstoff, bei dem kein Laserlicht beteiligt ist.
  • Insbesondere ist anstelle der Laserlichtquelle ein Kombinations-Pumpmodul verwendbar, das eine Laserlichtquelle und eine LED, insbesondere einer Hochleistungs-LED, enthält, die vorzugsweise beide eine ähnliche oder die gleiche Dominanzwellenlänge aufweisen.
  • Ein vorteilhafter Fahrzeugscheinwerfer enthält eine laserbasierte Lichtquelle nach einem oder mehreren der vorhergehenden Aspekte.
  • Vorteilhafterweise weist der Fahrzeugscheinwerfer eine Ablenkeinrichtung zum Ablenken des Nutzlichts auf. Somit ist insbesondere ein Kurvenlicht mit den oben beschriebenen Vorteilen der erfindungsgemäßen laserbasierten Lichtquelle geschaffen.
  • Vorteilhafterweise weist der Fahrzeugscheinwerfer eine Scaneinrichtung zum, insbesondere gegenverkehrabhängigen, Verringern und/oder Ablenken des Nutzlichts auf. Somit ist bei dem Fahrzeugscheinwerfer mit den oben beschriebenen Vorteilen der erfindungsgemäßen laserbasierten Lichtquelle eine Blendung von entgegenkommenden Fahrzeugen, Fußgängern und/oder Tieren vermeidbar.
  • Mittels eines zusätzlichen/weiteren Strahlteilers kann Licht einer zusätzlichen/weiteren LED mit geringerer Emissionswellenlänge, insbesondere etwa 400 bis etwa 440 nm, mit dem Nutzlicht überlagerbar sein. Damit ist eine Fluoreszenz beispielsweise bei Kleidung von Verkehrsteilnehmern anregbar und eine erhöhte beziehungsweise frühere Wahrnehmung erzielbar.
  • Kurze Beschreibung der Zeichnungen
  • Im Folgenden soll die Erfindung anhand mehrerer Ausführungsbeispiele näher erläutert werden. Die Figuren zeigen:
  • 1 eine schematische Darstellung einer erfindungsgemäßen laserbasierten Lichtquelle gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel nach einem reflektiven Konzept,
  • 2 eine schematische Darstellung einer erfindungsgemäßen laserbasierten Lichtquelle gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel nach einem reflektiven Konzept mit Photodetektoren,
  • 3 eine schematische Darstellung einer erfindungsgemäßen laserbasierten Lichtquelle gemäß einem dritten Ausführungsbeispiel nach einem transmissiven Konzept,
  • 4 ein Diagramm eines Farbortes eines erzielbaren Weißlichts, und
  • 5 ein Diagramm für einen erzielbaren Lichtstrom.
  • Bevorzugte Ausführung der Erfindung
  • Die in 1 dargestellte erfindungsgemäße laserbasierte Lichtquelle 1 enthält eine Laserlichtquelle 2, die als eine blaue Hochleistungs-Laserdiode ausgebildet ist.
  • Ein aus der blauen Hochleistungs-Laserdiode abgestrahltes Laserlicht 4 mit einer Wellenlänge von etwa 440 bis etwa 465 nm wird durch zumindest eine Optik 6 optimiert auf einen Filter 8 geleitet.
  • Der Filter 8 ist als ein dichroitisches Element ausgebildet, der für blaues Licht, insbesondere für Licht mit einer Wellenlänge von weniger als etwa 485 nm, einen hohen Reflexionsgrad aufweist und für Licht mit einer größeren Wellenlänge als blaues Licht, insbesondere für Licht mit einer Wellenlänge von mehr als etwa 485 nm, einen hohen Transmissionsgrad aufweist.
  • Das dichroitische Element 8 ist in einem Pumplichtstrahlengang von der Laserlichtquelle 2 bis zu dem Konverter 10 nach der zumindest einen Optik 6 und vor einem Konverter 10 in reflektierender Anordnung angeordnet.
  • Das Laserlicht 4 ist an dem dichroitischen Element 8 auf den Konverter 10 in reflektierender Anordnung reflektiert, aus dem es als konvertiertes Laserlicht, insbesondere als Konversionslicht 12, in einen Konversionslichtstrahlengang von dem Konverter 10 bis zu einem Nutzlichtaustritt 14 der laserbasierten Lichtquelle 1 abgestrahlt ist. Dabei ist es zur optimierten Strahlformung durch eine weitere Optik 15 geführt und passiert das dichroitische Element 8 aufgrund seiner durch die Konversion geänderten Wellenlänge. Ein (nicht dargestellter) Anteil Rest-Laserlicht ist wegen seiner unveränderten Wellenlänge an dem dichroitischen Element 8 reflektiert und somit an einem Austritt aus der laserbasierten Lichtquelle gehindert.
  • Der Konverter 10 in reflektierender Anordnung ist als ein keramischer Konverter aus verfestigtem pulverförmigen Leuchtstoff 16 ausgebildet, der mit einem Substrat 18 versehen ist. Das Substrat 18 ist als ein metallisch beschichteter Spiegel ausgebildet und somit hochreflektierend. Das Substrat und/oder die Beschichtung kann Aluminium oder Silber enthalten.
  • Ein aus einer blauen Hochleistung-LED 20 abgestrahltes blaues LED-Licht 22 mit einer Wellenlänge von etwa 440 bis etwa 465 nm wird durch eine zusätzliche Optik 24 optimiert auf das dichroitische Element 8 geleitet. Wegen seiner Wellenlänge ist es von dem dichroitischen Element 8 in einen Mischlichtstrahlengang von dem dichroitischen Element 8 bis zu dem Nutzlichtaustritt 14 reflektiert und mit dem Konversionslicht 12 zu einem Nutzlicht überlagert.
  • Das in 2 dargestellte zweite Ausführungsbeispiel des laserbasierten Lichtquelle 1 basiert auf dem in 1 dargestellten und oben beschriebenen ersten Ausführungsbeispiel. Hier sollen lediglich die davon abweichenden beziehungsweise zusätzlichen Merkmale beschrieben werden.
  • Ein Photodetektor 26 zur Erfassung von Laserlicht und/oder von Rest-Laserlicht 4 ist nach dem dichroitischen Element 8 in einem Laserlichtstrahlengang von der Laser-Diode 2 bis zu dem Photodetektor 26 angeordnet. Zur Optimierung der Strahlführung ist eine Strahlformoptik 28 vor dem Photodetektor 26 vorgesehen. Bei einem Fehlen oder Versagen oder einer Funktionsstörung des dichroitischen Elements 8 ist somit Laserlicht und/oder Rest-Laserlicht 4 detektierbar und geeignete Maßnahmen sind dann ergreifbar, beispielsweise die Ausgabe einer Fehlermeldung an eine Steuereinrichtung und/oder an eine von einem Fahrer einsehbare Anzeigeeinrichtung und/oder ein Abschalten oder Dimmen der Laserdiode 2.
  • In dem Konversionslichtstrahlengang ist nach dem dichroitischen Element 8 ein redundanter Filter 30 angeordnet, über den Rest-Laserlicht 4 zu einem redundanten Photodetektor 32 ablenkbar ist und mittels des redundanten Photodetektors 32 erfassbar ist. Zur Optimierung der Strahlführung ist eine Hilfsoptik 34 vor dem redundanten Photodetektor 32 vorgesehen.
  • Der redundante Filter 32 ist wie der Filter 8 als dichroitisches Element 8 ausgebildet und hat dieselben Eigenschaften. Der redundante Photodetektor 32 hat dieselben Eigenschaften wie der Photodetektor 26. Somit ist eine doppelte Sicherheit gegen Vorhandensein von Rest-Laserlicht 4 im Nutzlicht gegeben.
  • Das aus der blauen Hochleistung-LED 20 abgestrahlte blaue LED-Licht 22 wird durch die zusätzliche Optik 24 optimiert auf das redundante dichroitische Element 32 geleitet. Wegen seiner Wellenlänge ist es von dem dichroitischen Element 8 in den Mischlichtstrahlengang reflektiert und mit dem Konversionslicht 12 zu einem Nutzlicht überlagert.
  • Das in 3 dargestellte dritte Ausführungsbeispiel der laserbasierten Lichtquelle 1 basiert auf dem in 1 dargestellten und oben beschriebenen ersten Ausführungsbeispiel. Hier sollen lediglich die davon abweichenden beziehungsweise zusätzlichen Merkmale beschrieben werden.
  • Das aus der blauen Hochleistungs-Laserdiode 2 abgestrahlte Laserlicht 4 wird durch die zumindest eine Optik 6 optimiert auf einen Konverter 36 in durchlässiger Anordnung geleitet.
  • Das mittels des Konverters 36 in durchlässiger Anordnung konvertierte Laserlicht wird als Konversionslicht 12 in dem Konversionslichtstrahlengang von dem Konverter 36 in durchlässiger Anordnung bis hin zu dem Nutzlichtaustritt 14 durch die weitere Optik 15 optimiert auf das dichroitische Element 8 geleitet, den es wegen seiner durch die Konversion geänderten Wellenlänge in Richtung Nutzlichtaustritt 14 passiert.
  • Ein Anteil (nicht dargestellten) Rest-Laserlichts 4 in einem Abschnitt des Konversionslichtstrahlengangs von dem Konverter 36 in durchlässiger Anordnung bis hin zu dem dichroitischen Element 8 ist an dem dichroitischen Element 8 reflektiert und zu einem Absorber 38 für Rest-Laserlicht 4 abgelenkt und somit an einem Austritt aus der erfindungsgemäßen laserbasierten Lichtquelle gehindert.
  • Das aus der blauen Hochleistung-LED 20 abgestrahlte blaue LED-Licht 22 wird durch die zusätzliche Optik 24 optimiert auf das dichroitische Element 8 geleitet. Wegen seiner Wellenlänge ist es von dem dichroitischen Element 8 in den Mischlichtstrahlengang reflektiert und mit dem Konversionslicht 12 zu dem Nutzlicht überlagert.
  • Die in 4 und 5 dargestellten Diagramme eines Farbortes und eines Lichtstroms stellen an einem konkreten Beispiel anschaulich dar, welches Weißlicht mit der erfindungsgemäßen laserbasierten Lichtquelle erzielbar ist.
  • In 4 ist das Nutzlicht in einem Koordinatensystem von CIExy 1931-Farbkoordinaten dargestellt, in 5 das dazugehörige Spektrum.
  • Anhand eines (nicht dargestellten) Beispiels sollen die möglichen Leistungsdichten, Lichtströme und Leuchtdichten aufgezeigt werden. So generiert die kommerziell verfügbare LED "LE B P1W" von OSRAM Opto Semiconductors in der Binning-Gruppe FY eine optische Leistung von etwa 13 W aus einer Fläche von etwa 3,9 mm2. Durch spektrale Überlagerung mit etwa 32 W optischer Leistung eines gelben Ce:YAG Konversionselementes ergibt sich ein Gesamtlichtstrom von etwa 15.780 lm bei einer Farbtemperatur von etwa etwa 6.000 K mit den CIExy1931 Farbkoordinaten von etwa x = 0,320 und y = 0,350. Etwa 32 W optische Leistung aus etwa 3,9 mm2 lassen sich mit Hilfe der OSRAM PHASER® Technologie realisieren.
  • Etwa 15.780 lm aus einer Fläche von etwa 3,9 mm2 entsprechen einer Lichtstromflächendichte von etwa 4.046 lm/mm2. Im Fall einer Lambertian Abstrahlung resultiert daraus eine Leuchtdichte von etwa 1.300 cd/mm2, die deutlich über den mit Weißlicht-LEDs erreichbaren Leuchtdichten liegen, z.B. ergeben sich für die kommerziell verfügbare LED "OSTAR Headlamp Pro (LE UW U1A2 01)" von OSRAM Opto Semiconductors in der höchsten Helligkeitsgruppe 8P etwa 105 cd/mm2.
  • Für Anwendungen im Automobilbereich werden häufig Weißlichtströme zwischen etwa 500 und etwa 3.000 lm benötigt. Durch Flächenskalierung des hier vorgeschlagenen Konzeptes sind somit etwa 500 lm aus einer Fläche von etwa 0,12 mm2 möglich, z.B. aus einer kreisförmigen Lichtquelle mit etwa 400 µm Durchmesser oder aber etwa 3.000 lm aus einer Fläche von etwa 0,74mm2, z.B. aus einer kreisförmigen Lichtquelle mit etwa 1 mm Durchmesser.
  • Zur geeigneten Überlagerung des LED-Lichts der blauen LED (Blaukanal) und des gelben Lichtes des Leuchtstoffes (Gelbkanal) muss die Étendue beider Farbkanäle gleich groß sein. Da LEDs übelicherweise in bestimmten Größen hergestellt werden (z.B. 0,56 mm2, 1mm2, 2mm2), kann die Étendue des Blaukanals durch Anpassung der numerischen Apertur der Primäroptik eingestellt werden. So hat beispielsweise eine LED mit 2mm2 Chip-Fläche eine Étendue von 6,28mm2 sr. In dem oben genannten Beispiel für 3.000 lm aus einer Fläche von 0,74 mm2 wird jedoch eine Étendue von nur 2,32mm2 sr benötigt. Die Anpassung der Étendue kann nun erfolgen, indem nur ein Teil des generierten Lichtes von der Primäroptik eingesammelt wird. Besitzt die Primäroptik eine numerische Apertur von 0,6, was einem Öffnungswinkel von etwa +/–37° entspricht, so kann die Étendue von 6,28mm2 sr auf 2,32mm2 sr reduziert werden. In diesem Fall werden zwar nur 40% des insgesamt generierten Lichtstromes genutzt, jedoch kann ein LED-Chip mit einer Standardgröße zum Einsatz kommen und die Anforderungen an die Primäroptik sind signifikant reduziert.
  • Durch eine Einstellung der Leistungen der Laserlichtquelle und/oder der blauen Hochleistungs-LED lässt sich der Farbort sowie das Nutzlichtspektrum verändern. So kann beispielsweise ein mehr bläuliches oder ein mehr gelbliches Licht bereitgestellt werden. Damit lässt sich bei Anwendung in beispielsweise einem Fahrzeugscheinwerfer die Lichtfarbe ändern, beispielsweise in Abhängigkeit von Lichtverhältnissen (Tag, Dämmerung, Nacht) und/oder Wetterbedingungen (Regen, Schnee, Hagel, Sonnenschein) und/oder Straßenoberflächen (Farbe und/oder Qualität des Straßenbelags) und/oder einer Kamera- oder Sensorfunktion und/oder eines altersangepassten Farbortes, da sich mit zunehmenden Alter die spektrale Sensitivität des menschlichen Auges verändert und/oder einer Fahrgeschwindigkeit und/oder eines Fahrmodus (Autobahnfahrt, Stadtfahrt) und/oder eines automatischen Fahrbetriebs (fahrerloses Fahren). Dabei kann die Laserdiode im Konstant- oder Pulsbetrieb und/oder PWM-Betrieb betrieben werden. Das Gleiche gilt auch für die blaue Hochleistungs-LED. Damit lässt sich der Farbort des Nutzlichts in gewissen Grenzen einstellen.
  • Weiterhin lässt sich die erfindungsgemäße laserbasierte Lichtquelle als Signal- oder Warnlicht verwenden. Dazu wird in einem intermittierenden Betrieb wechselweise die blaue LED für die Erzeugung von blauem LED-Licht (etwa 405 bis etwa 485 nm) und die Laserlichtquelle zur Erzeugung von konvertiertem Gelblicht, insbesondere Konversionslicht, in Betrieb genommen. Dadurch kann in zeitlich sequentieller Weise ein Wechselbetrieb zwischen den Farben Blau und Gelb realisiert werden, wobei eine Startfarbe und eine Schlussfarbe je nach Einsatzfall und/oder Zweck frei wählbar sind. Eine Länge der Farbsequenzen und gegebenenfalls von Pausen dazwischen kann beispielsweise im Bereich von 10 Millisekunden bis einigen Sekunden liegen, wobei die einzelnen Zeitphasen unterschiedlich lang sein können.
  • In einer weiteren Ausbildung können die Farbsequenzen in einer beliebigen Reihenfolge erzeugt bzw. angesteuert werden, beispielsweise Blau-Gelb-Gelb-Blau, jeweils unterbrochen von einer Dunkelphase oder einer Weißlichtphase, in welcher dann beide Lichtquellen in Betrieb sind. Weitere Ausgestaltungsvarianten der Reihenfolge der Farbsequenzen sind möglich. Diese können auch miteinander in beliebiger Weise in einer fest definierten zeitlichen Sequenz und/oder in einer zeitlich regulären oder irregulären Abfolge kombiniert werden. Weiterhin kann die Phasenabfolge auch ein oder mehrere Weißsequenzen beinhalten, bei denen beide Lichtquellen gleichzeitig angeschaltet sind.
  • Sofern die oben beschriebene Signal- und/oder Warnlichtfunktion in einem Automobil-Schweinwerfer zur Anwendung kommt, können linker und rechter Scheinwerfer mit gleichen oder unterschiedlichen Farb-Sequenzen angesteuert werden. Dies gilt auch für die untenstehend aufgeführten Ausgestaltungsmerkmale.
  • Für Off-Road oder Spezialanwendungen kann auch nur das blaue LED-Licht oder das gelbe Konversionslicht verwendet werden.
  • Beide Lichtquellen lassen sich auch im Nichtfahrbetrieb anschalten, also bei ausgeschalteter Zündung bzw. Unterbrechung zur Batterie (e-cars). Das Einschalten bzw. Aktivieren der Lichtquellen und die Erzeugung von Farbsequenzen kann remote erfolgen, also beispielsweise durch eine Funkverbindung einer Smart-Phone Nutzer-App zu einem Steuergerät, welches dann die Stromzuführung zu den Lichtquellen aktiviert. Die zeitliche Länge, Intensität und Abfolge der Farbsequenzen können auch musikgesteuert sein, beispielsweise über eine dafür geeignete Smartphone-App oder andere Signalgeber (wie zum Beispiel OSRAM Lightify).
  • Die Laserlichtquelle und die blaue LED können dabei zeitgleich an- und abgeschaltet werden, beispielsweise mittels eines von einem der Lichtquellen-Betriebsgeräte erzeugten Steuersignals. Die Laserlichtquelle und die blaue LED können jeweils eine eigene Einschaltkurve bzw. Einschaltcharakteristik haben. So kann beispielsweise die Laserlichtquelle mit voller Leistung eingeschaltet werden und die blaue LED mit einer zunehmenden Leistung dazu geschaltet werden. Damit ergibt sich ein kurzzeitig gelbes Nutzlicht, das dann in Weiß übergeht. Oder die Laserlichtquelle wird in einem Pulsbetrieb mit gleichen oder sich verändernden Pulsweiten hochgefahren, wobei die blaue LED von Anfang an mit Nominalleistung betrieben wird. Damit ergibt sich zunächst ein kurzzeitig blaues Nutzlicht, das dann in Weiß übergeht. Hier sind weitere Varianten und Anschaltkombinationen möglich. So können beispielsweise beide Lichtquellen (Laserdiode und blaue LED) in der Einschaltphase mit gleich oder unterschiedlich langen Pulsdauern betrieben werden, die zeitlich gesehen synchron oder nicht synchron sein können, also zeitlich voll überlappend oder zeitweise überlappend oder zeitweise gar nicht überlappend sein können. Dadurch lassen sich weitere Anlaufeffekte erzeugen.
  • Diese Einschaltsequenzen können in einem sehr kurzen Zeitfenster durchgeführt werden, beispielsweise in einem Zeitfenster von etwa 10 bis etwa 200 Millisekunden, bevorzugt etwa 140 bis etwa 160 Millisekunden, also in etwa dem Zeitfenster, in welchen eine klassische Automobil-Halogen-Scheinwerferlampe ihr Nennlicht erreicht.
  • Diese kurzzeitige Änderung bzw. Variation der Lichtfarbe kann von Verkehrsteilnehmern bewusst oder unbewusst besser wahrgenommen werden und kann somit für eine erhöhte Aufmerksamkeit für ein mit einem derartigen Scheinwerfer ausgerüstetes Fahrzeug sorgen. Diese kann beispielsweise bei einer Warnlichtfunktion und/oder einer Lichthupe von Vorteil sein.
  • Aber auch beim Einschalten eines mit der laserbasierten Lichtquelle bestückten Scheinwerfers lässt sich durch die Einschaltcharakteristik ein Aufmerksamkeitseffekt erzielen.
  • Offenbart ist eine laserbasierte Lichtquelle, bei der konvertiertes Laserlicht, insbesondere gelbes Konversionslicht, mit LED-Licht, insbesondere blauem LED-Licht, zur Erzielung eines gewünschten beziehungsweise geforderten Weißlichts überlagerbar ist. Ein gegebenenfalls vorhandener Anteil an Rest-Laserlicht ist von einem Filter reflektiert und somit an einem Austritt aus der laserbasierten Lichtquelle gehindert. Weiter ist gegebenenfalls vorhandenes Rest-Laserlicht detektierbar und im Fall eines Vorhandenseins von Rest-Laserlicht ist beispielsweise eine Laserlichtquelle der laserlichtbasierten Lichtquelle abschaltbar.
  • Weiter offenbart ist ein Fahrzeugscheinwerfer mit der erfindungsgemäßen laserbasierten Lichtquelle.
  • ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
  • Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
  • Zitierte Patentliteratur
    • DE 112011104985 T5 [0002]

Claims (15)

  1. Laserbasierte Lichtquelle, insbesondere Fahrzeugscheinwerfer, mit einer Laserlichtquelle (2), der ein Konverter (10, 36) zugeordnet ist, mittels dem ein Laserlicht (4) der Laserlichtquelle (2) zumindest teilweise konvertierbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass eine lichtemittierende Diode (20) vorgesehen ist, deren LED-Licht (22) mit dem Laserlicht (4) überlagerbar ist.
  2. Laserbasierte Lichtquelle nach Anspruch 1, wobei das Laserlicht (4) von dem Konverter (10, 36) im Wesentlichen vollständig oder vollständig konvertierbar ist.
  3. Laserbasierte Lichtquelle nach Anspruch 1 oder 2, wobei der Konverter (10, 36) als ein Konverter (36) in durchlässiger Anordnung ausgebildet ist, oder als ein Konverter (10) in reflektierender Anordnung ausgebildet ist.
  4. Laserbasierte Lichtquelle nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei ein Filter (8) in einem Konversionslichtstrahlengang von dem Konverter (10, 36) bis zu einem Nutzlichtaustritt (14) der laserbasierten Lichtquelle vorgesehen ist.
  5. Laserbasierte Lichtquelle nach Anspruch 4, wobei der Filter (8) in einem Pumplichtstrahlengang von der Laserlichtquelle (2) bis zu dem Konverter (10) in reflektierender Anordnung und in dem Konversionslichtstrahlengang vorgesehen ist.
  6. Laserbasierte Lichtquelle nach Anspruch 4 oder 5, wobei Rest-Laserlicht (4) von dem Filter (8) reflektiert ist und der Filter (8) für Konversionslicht (12) durchlässig ist.
  7. Laserbasierte Lichtquelle nach einem der Ansprüche 4 bis 6, wobei der Filter (8) nach dem Konverter (36) in durchlässiger Anordnung angeordnet ist, und wobei Rest-Laserlicht (4) in dem Konversionslichtstrahlengang mittels des Filters (8) zu einem Absorber (38) ablenkbar ist.
  8. Laserbasierte Lichtquelle nach Anspruch 5 oder 6, wobei der Filter (8) derart angeordnet ist, dass ein Pumplicht in dem Pumplichtstrahlengang mittels des Filters (8) zu dem Konverter (10) in reflektierender Anordnung ablenkbar ist.
  9. Laserbasierte Lichtquelle nach einem der Ansprüche 4 bis 8, wobei ein Photodetektor (26) zum Erfassen von Rest-Laserlicht (4) vorgesehen ist, wobei die Laserlichtquelle (2) bei erfasstem Rest-Laserlicht (4) dimmbar und/oder abschaltbar ist.
  10. Laserbasierte Lichtquelle nach einem der Ansprüche 4 bis 9, wobei in dem Konversionslichtstrahlengang nach dem Filter (8) ein redundanter Filter (30) angeordnet ist.
  11. Laserbasierte Lichtquelle nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei ein intermittierender Betrieb der Laserlichtquelle und der LED vorgesehen ist.
  12. Laserbasierte Lichtquelle nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Laserlichtquelle (2) und die LED (20) zumindest in einer Einschaltphase mit gleicher oder unterschiedlicher Pulsdauer betreibbar sind, die zeitlich synchron oder nicht synchron zueinander sind.
  13. Laserbasierte Lichtquelle nach Anspruch 12, wobei die Einschaltphase eine Zeitdauer von weniger als etwa 200 ms ist.
  14. Laserbasierte Lichtquelle nach einem der Ansprüche 4 bis 13, wobei das LED-Licht (22) auf den Filter (8) und/oder auf den redundanten Filter (30) abstrahlbar ist, von dem es jeweils zum Überlagern des LED-Lichts (22) mit dem Konversionslicht (12) in einen Abschnitt des Konversionslichtstrahlengangs ausgehend von dem Filter (8) oder von dem redundanten Filter (30) bis hin zu dem Nutzlichtaustritt (14) reflektierbar ist.
  15. Fahrzeugscheinwerfer, dadurch gekennzeichnet, dass eine laserbasierte Lichtquelle nach einem der vorhergehenden Ansprüche vorgesehen ist.
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