DE102016205566A1 - Lichtemittierende baugruppe, anzeigevorrichtung, frontscheinwerfer eines kraftfahrzeugs und verfahren zum betreiben einer lichtemittierenden baugruppe - Google Patents

Lichtemittierende baugruppe, anzeigevorrichtung, frontscheinwerfer eines kraftfahrzeugs und verfahren zum betreiben einer lichtemittierenden baugruppe Download PDF

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Abstract

In verschiedenen Ausführungsbeispielen wird bereitgestellt eine lichtemittierende Baugruppe (20), mit mindestens einer ersten Laserlichtquelle (22) zum Erzeugen eines ersten Laserstrahls (32) und mit einem transluzenten Streukörper (28), der im Strahlengang des ersten Laserstrahls (32) und mit einem vorgegebenen Abstand größer null zu der Laserlichtquelle (22) angeordnet ist und der so ausgebildet ist, dass er das Licht des ersten Laserstrahls (32) streut und dass die Wellenlänge des gestreuten Lichts gleich der Wellenlänge des Lichts des ersten Laserstrahls (32) ist.

Description

  • Die Erfindung betrifft eine lichtemittierende Baugruppe, eine Anzeigevorrichtung, einen Frontscheinwerfer eines Kraftfahrzeugs und ein Verfahren zum Betreiben einer lichtemittierenden Baugruppe.
  • Die Digitalisierung und Vernetzung lichttechnischer Komponenten führt zu neuen Möglichkeiten, wie zum Beispiel der Steuerung von Helligkeit und/oder Lichtfarbe in Abhängigkeit von der Tageszeit und/oder der Anwesenheit einer oder mehrerer Personen. Ferner können durch die Modulation von Licht Daten übertragen werden und/oder der Standort eines Nutzers ermittelt werden. Das Dimmen und die Lichtmodulation sind sehr aktive Bereiche in der Forschung und Entwicklung und es werden darin viel Zeit und Ressourcen investiert. Auch die Steuerung der Lichtfarbe ist derzeit in der Forschung ein sehr aktiver Bereich. Des Weiteren spielt die Steuerbarkeit von Licht, also die gezielte Veränderung des Fernfeldes einer Lichtquelle, eine wichtige Rolle. Die Steuerbarkeit umfasst dabei beispielsweise eine Veränderbarkeit des Abstrahlwinkels der Lichtquelle, eine Veränderbarkeit der Ausrichtung des entsprechenden Lichtstrahls und/oder eine komplexe, im Rahmen der Möglichkeiten der Beleuchtungseinheit, frei wählbare Fernfeldverteilung der entsprechenden Lichtquelle.
  • Lichtquellen mit veränderlichem Fernfeld sind besonders aus der Bühnenbeleuchtung, dem Stage-Lighting Bereich, bekannt. Dabei werden meistens große mechanische Teile bewegt, um die Änderung des Fernfeldes zu erzeugen.
  • Beispielsweise wird bei sogenannten Moving-Heads die ganze Beleuchtungseinheit durch eine motorisierte, beispielsweise kardanisch aufgehängte, Einheit bewegt. Hierbei können verschiedene Ausstrahlrichtungen nacheinander angefahren werden. Die Geschwindigkeit der Bewegung ist durch die Masse der Vorrichtung begrenzt. Außerdem gibt es eine relativ starke Geräuschentwicklung, die Bewegung ist langsam, große bewegte Teile sind frei zugänglich, und Motoren und schwere, bewegte mechanische Teile begrenzen die Lebensdauer.
  • Ferner sind in der Beleuchtungstechnik mechanisch verstellbare Optiken bekannt. Ähnlich wie in der abbildenden Optik, beispielsweise bei einer Kamera mit einem Zoom-Objektiv, gibt es auch in der Beleuchtungstechnik verfahrbare optische Elemente, wie Linsen und Spiegel, die eine Änderung der Richtung oder des Strahlwinkels herbeiführen können. Die Verfahrwege sind aber auch hier relativ groß, so dass ähnliche Nachteile entstehen wie bei den Moving-Heads.
  • Jüngst wurde eine Entwicklung bekannt, bei der es sich um eine Vorrichtung mit 61 in einer Halbkugel angeordneten Hochleistungs-LEDs mit jeweils einer stark fokussierenden Optik handelt. Dabei kann elektronisch gesteuert werden, welche der 61 LEDs Licht emittieren. Allerdings ist es nicht möglich, eine hohe Beleuchtungsstärke in eine bestimmte Raumrichtung zu lenken, da nur je eine der LEDs in eine spezifische Richtung weist. Damit ist die Möglichkeit den Raum mit Licht zu erfüllen und gleichzeitig bestimmte Punkte stark hervorzuheben beschränkt. Der Abstrahlwinkel kann nur „digital", also durch Ein- oder Ausschalten einzelner LEDs verändert werden, ebenso kann die Abstrahlrichtung nur durch Ein- oder Ausschalten von LEDs in diskreten Schritten verändert werden.
  • Ferner sind LARP(laser activated remote phosphor)-Lichtquellen bekannt, wie sie beispielsweise für den Automotive-Bereich, insbesondere für Frontscheinwerfer, in Entwicklung sind. Hierbei wird blaue Laser-Anregungsstrahlung als Pumpstrahlung über ein Konversionselement, insbesondere eine Konversionskeramik, gerastert, die Teile des blauen Lichts in weißes Licht verwandelt. Ein derartiges Konversionselement kann auch als Konverterelement bezeichnet werden. Das sich ergebende weiße Licht kann über ein abbildendes Optiksystem auf die Straße projiziert werden, wobei das dadurch erzeugte Fernfeld statisch (z.B. bei der „Laser Headlamp") oder dynamisch (z.B. bei dem „AFS Laser Headlamp System) sein kann. Die Leuchtdichte und der Gesamtlichtfluss sind hier aufgrund der starken Erwärmung des Konversionselements aufgrund von Stokes-Verlusten begrenzt. Außerdem sinkt die Konversionseffizienz über 200°C deutlich ab. So werden etwa 20% des blauen Pumplichts direkt in Wärme umgesetzt.
  • Eine Aufgabe der Erfindung ist es, eine lichtemittierende Baugruppe bereitzustellen, die eine Steuerbarkeit, insbesondere eine Veränderung des Fernfelds, des emittierten Lichts und/oder die Emission von Licht mit einer besonders hohen Lichtintensität ermöglicht und/oder die für die Allgemeinbeleuchtung verwendbar ist.
  • Eine Aufgabe der Erfindung ist es, eine Anzeigevorrichtung bereitzustellen, die die Anzeige eines oder mehrerer Bilder oder eines Videos bei einer besonders hohen Lichtintensität ermöglicht.
  • Eine Aufgabe der Erfindung ist es, einen Frontscheinwerfer für ein Kraftfahrzeug bereitzustellen, dessen Lichtverteilung im Fernfelds veränderbar ist und/oder der die Emission von Licht mit einer besonders hohen Lichtintensität ermöglicht.
  • Eine Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren zum Betreiben einer lichtemittierenden Baugruppe bereitzustellen, das eine Steuerbarkeit, insbesondere eine Veränderung des Fernfelds, des emittierten Lichts bei einer hohen Lichtintensität ermöglicht.
  • Eine Aufgabe der Erfindung wird gelöst durch eine lichtemittierende Baugruppe, mit mindestens einer ersten Laserlichtquelle zum Erzeugen eines ersten Laserstrahls und mit einem transluzenten Streukörper, der im Strahlengang des ersten Laserstrahls und mit einem vorgegebenen Abstand größer null zu der Laserlichtquelle angeordnet ist und der so ausgebildet ist, dass er das Licht des ersten Laserstrahls streut und dass die Wellenlänge des gestreuten Lichts gleich der Wellenlänge des Lichts des ersten Laserstrahls ist.
  • Der Streukörper bewirkt, dass eine Kohärenz des ersten Laserstrahls aufgebrochen wird und dass die linienförmige Lichtverteilung des ersten Laserstrahls in eine Gauß‘sche Lichtverteilung, insbesondere eine lambert‘sche Lichtverteilung, umgewandelt wird. Durch den Streukörper wird die Leuchtdichte des Laserlichts zwar um mehrere Größenordnungen herabgesetzt, jedoch stellt die lichtemittierende Baugruppe für Beleuchtungszwecke immer noch eine Lichtquelle mit extrem hoher Leuchtdichte dar.
  • Beispielsweise kann Laserstrahlung grundsätzlich auf Spotgrößen von wenigen Mikrometern fokussiert werden. Durch die Streuung im Streukörper entsteht jedoch ein Lambert‘scher Strahler mit Durchmessern eher im Bereich von einigen hundert Mikrometern. Allerdings hat eine normale LED oder Glühwendel eine Leuchtdichte von lediglich ca. 50 MCd/m2 bis 100 MCd/m2 und wenn Laserstrahlung von 10W auf einen Bereich von 500 µm Durchmesser fokussiert wird, ergibt sich eine Leuchtdichte von ca. 5000 MCd/m2.
  • Die erreichbare Leuchtdichte wird durch die Zerstörungsschwelle des Streukörpers vorgegeben. Da der Streukörper jedoch das Licht des ersten Laserstrahls im Gegensatz zu einer herkömmlichen LARP-Anwendung nicht konvertiert, insbesondere da er frei von Konvertermaterial ist, absorbiert der Streukörper beispielsweise deutlich weniger des auf ihn treffenden Lichts als ein Konversionselement bei einer LARP-Anwendung, weswegen sich der Streukörper deutlich weniger als ein derartiges Konversionselement erhitzt. Insbesondere ist der Streukörper so ausgebildet, dass er die verwendete Laserstrahlung nicht absorbiert. Dies ermöglicht, mittels der lichtemittierenden Baugruppe eine Leuchtdichte und/oder einen Lichtfluss zu erzeugen, die bzw. der beispielsweise um einen Faktor 20 größer sind, als bei einer herkömmlichen LARP-Anwendung.
  • Als Material für den Streukörper sind im Prinzip alle weiß streuenden Körper denkbar, die eine ausreichend geringe Absorption aufweisen, so dass sie nicht durch unbeabsichtigt absorbierte Laserstrahlung überhitzen und zerstört werden.
  • Gemäß einer Weiterbildung weist die lichtemittierende Baugruppe eine zweite Laserlichtquelle zum Erzeugen eines zweiten Laserstrahls und/oder eine dritte Laserlichtquelle zum Erzeugen eines dritten Laserstrahls auf. Dies ermöglicht, das Licht der Laserstrahlen mittels der Streuung in dem Streukörper zu mischen, wodurch Licht einer bestimmten Farbe oder weißes Licht erzeugt werden kann, und/oder Licht mit einer besonders hohen Leuchtdichte zu erzeugen.
  • Gemäß einer Weiterbildung hat das Licht des zweiten Laserstrahls und/oder das Licht des dritten Laserstrahls die gleiche Wellenlänge wie das Licht des ersten Laserstrahls. Durch die Kombination mehrerer Laserlichtquellen, die Licht der gleichen Farbe emittieren, wird eine besonders leistungsstarke Lichtquelle geschaffen.
  • Gemäß einer Weiterbildung hat das Licht des zweiten Laserstrahls eine andere Wellenlänge als das Licht des ersten Laserstrahls und/oder das Licht des dritten Laserstrahls hat eine andere Wellenlänge als das Licht des ersten Laserstrahls und das Licht des zweiten Laserstrahls. Die drei Laserstrahlen in den drei entsprechenden Laserfarben werden zu einer leistungsstarken Strahlungsquelle mit einer Lichtfarbe, beispielsweise weiß, vereint, indem die drei Laserfarben auf den Streukörper gerichtet und das Licht der verschiedenen Laserfarben in dem Streukörper aufgrund der Streuung gemischt wird. Beispielsweise werden die drei Laserfarben an einer Position auf oder in dem Streukörper vereint, wodurch eine Lichtquelle, beispielsweise eine Weißlichtquelle, von besonders hoher Leuchtdichte entsteht.
  • Gemäß einer Weiterbildung ist das Licht des ersten Laserstrahls rotes Licht, das Licht des zweiten Laserstrahls ist gelbes Licht und/oder das Licht des dritten Laserstrahls ist blaues Licht. Mittels geeigneter Komposition der drei Grundfarben kann der Farbort innerhalb des aufgespannten Farbdreiecks durch entsprechende Ansteuerung der Laserlichtquellen verändert und/oder eingestellt werden.
  • Gemäß einer Weiterbildung hat der Streukörper eine erste Seite, die als Lichteintrittsfläche dient, und eine von der ersten Seite abgewandte zweite Seite, die als Lichtaustrittsfläche dient, so dass das Licht des entsprechenden Laserstrahls auf der ersten Seite in den Streukörper eintritt und auf der zweiten Seite aus dem Streukörper austritt. Bei dieser transmissiven Konfiguration sind die Laserlichtquellen in einem von dem Streukörper begrenzten Halbraum angebracht und das gestreute Licht wird im Wesentlichen in den anderen Halbraum jenseits des Streukörpers abgestrahlt. Eine oder mehrere abbildende Optiken können dann im jenseitigen Halbraum angebracht sein.
  • Der Streukörper kann mittels einer Halterung an lateralen Seitenflächen, die die erste und die zweite Seite verbinden, befestigt sein. Die im Betrieb in dem Streukörper entstehende Wärme kann mittels der Halterung abgeführt werden.
  • Gemäß einer Weiterbildung hat der Streukörper eine erste Seite, die als Lichteintrittsfläche und als Lichtaustrittsfläche dient, sodass das Licht des entsprechenden Laserstrahls auf der ersten Seite in den Streukörper eintritt und austritt. Bei dieser reflektiven Konfiguration sind die Laserlichtquellen und gegebenenfalls weitere abbildende Optiken in demselben von dem Streukörper begrenzten Halbraum angebracht. Vorteilhaft ist bei dieser Konfiguration beispielsweise, dass nahezu das gesamte erzeugte Licht in die Nutzrichtung abgestrahlt werden kann und dass die Kühlung besonders gut ausgestaltet sein kann, da der Streukörper mit der gesamten Rückseite mit einer entsprechenden Halterung, die als Wärmesenke dient, gekoppelt sein kann.
  • Gemäß einer Weiterbildung ist in Strahlrichtung des entsprechenden Laserstrahls hinter dem Streukörper eine Spiegelfläche ausgebildet. Die Spiegelfläche kann beispielsweise an einer Rückseite des Streukörpers ausgebildet sein oder an einer dem Streukörper zugewandten Vorderseite einer entsprechenden Halterung an der Rückseite des Streukörpers. Die Spiegelfläche erhöht den Anteil des reflektierten und gestreuten Lichts und damit die Effizienz der lichtemittierenden Baugruppe.
  • Gemäß einer Weiterbildung ist zwischen dem Streukörper und der Spiegelfläche ein Dielektrikum ausgebildet. Das Dielektrikum kann beispielsweise dazu beitragen, hin zu der Rückseite des Streukörpers und/oder gegebenenfalls hin zu der Vorderseite der Halterung eine planare Fläche zu bilden und/oder die optische Ankopplung der Spiegelfläche an den Streukörper zu verbessern.
  • Gemäß einer Weiterbildung ist im Strahlengang des entsprechenden Laserstrahls zwischen der Laserlichtquelle und dem Streukörper eine Kollimationslinse angeordnet, die das Licht des entsprechenden Laserstrahls kollimiert. Dies kann dazu beitragen, dass das Laserlicht beim Auftreffen auf den Streukörper einen geeigneten Strahldurchmesser hat.
  • Gemäß einer Weiterbildung ist im Strahlengang des entsprechenden Laserstrahls vor dem Streukörper ein dynamisch verstellbarer Spiegel angeordnet, der so ausgebildet ist, dass der entsprechende Laserstrahl auf den Streukörper gelenkt werden kann und eine Position, an der der entsprechende Laserstrahl auf den Streukörper trifft, verändert werden kann. Werden der eine oder mehrere Laserstrahlen mit entsprechenden mehreren Spiegeln auf dem Streukörper hin und her bewegt, entsteht dort abhängig von den Farben der Laserstrahlen und abhängig von der Farbmischung ein weißes oder farbiges Bild. Mittels dynamischen Verstellens des bzw. der Spiegel während des Betriebs der lichtemittierenden Baugruppe und mittels einer optisch nachgeschalteten Weitwinkeloptik können dadurch beliebige weiße oder farbige Lichtverteilungen in den Raum projiziert werden. Dabei können an beliebigen Orten Glanzlichter und/oder Spots mit der vollen Leuchtdichte des Systems gesetzt werden, aber auch flexibel eine Hintergrundbeleuchtung realisiert werden. Insbesondere können auf dem Streukörper ein oder mehrere Schriftzüge, eine oder mehrere Grafiken und/oder ein oder mehrere Bilder, beispielsweise ein Film oder Video, erzeugt werden, wodurch der Streukörper als Display verwendet werden kann. Die auf dem Streukörper erzeugten Schriftzüge, Grafiken und/oder Bilder bzw. Videos können mittels einer Weitwinkeloptik in den Raum abgebildet werden, wodurch die lichtemittierende Baugruppe als Projektor verwendet werden kann.
  • Gemäß einer Weiterbildung ist der Spiegel Teil eines Mikrospiegelsystems. Das Mikrospiegelsystem ermöglicht auf besonders einfache und besonders präzise Art und Weise den bzw. die Laserstrahlen über den Streukörper zu bewegen.
  • Eine Aufgabe der Erfindung wird gelöst durch eine Anzeigevorrichtung, die die im Vorhergehenden erläuterte lichtemittierende Baugruppe aufweist. Die Anzeigevorrichtung kann beispielsweise das Display oder der Projektor sein.
  • Eine Aufgabe der Erfindung wird gelöst durch einen Frontscheinwerfer eines Kraftfahrzeugs, der die im Vorhergehenden erläuterte lichtemittierende Baugruppe aufweist. Mittels der lichtemittierenden Baugruppe kann das mittels des Frontscheinwerfers abgestrahlte Licht abhängig von der Fahrsituation, beispielsweise abhängig von der Geschwindigkeit und/oder von einer in Fahrtrichtung vor dem Kraftfahrzeug liegenden Fahrstrecke, beispielsweise einer Kurve, und/oder abhängig von einem Fahrerwunsch, beispielsweise dem Wunsch nach Abblendlicht oder Fernlicht, dynamisch angepasst werden.
  • Eine Aufgabe der Erfindung wird gelöst durch ein Verfahren zum Betreiben einer lichtemittierenden Baugruppe, bei dem: mindestens ein erster Laserstrahl erzeugt wird und auf einen dynamisch verstellbaren Spiegel abgestrahlt wird; der erste Laserstrahl mittels des dynamisch verstellbaren Spiegels auf einen transluzenten Streukörper reflektiert wird; das Licht des reflektierten ersten Laserstrahls von dem Streukörper gestreut wird, wobei die Wellenlänge des gestreuten Lichts gleich der Wellenlänge des Lichts des ersten Laserstrahls ist; und eine Position, an der der erste Laserstrahl in den Streukörper eintritt, mittels des dynamisch verstellbaren Spiegels verändert wird.
  • Die im Vorhergehenden erläuterten Vorteile und Ausführungsformen der lichtemittierenden Baugruppe können ohne weiteres auf das Verfahren zum Betreiben der lichtemittierenden Baugruppe übertragen werden. Insbesondere ist das Verfahren zum Betreiben der lichtemittierenden Baugruppe vorteilhaft, wenn diese Teil der Anzeigevorrichtung, beispielsweise des Displays oder des Projektors, oder des Frontscheinwerfers ist.
  • Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Figuren dargestellt und werden im Folgenden näher erläutert.
  • Es zeigen:
  • 1 eine schematische Darstellung eines Ausführungsbeispiels einer lichtemittierenden Baugruppe;
  • 2 eine schematische Darstellung eines Ausführungsbeispiels einer lichtemittierenden Baugruppe;
  • 3 eine schematische Darstellung eines Ausführungsbeispiels einer lichtemittierenden Baugruppe;
  • 4 eine schematische Darstellung eines Ausführungsbeispiels einer lichtemittierenden Baugruppe;
  • 5 ein Ablaufdiagramm eines Ausführungsbeispiels eines Verfahrens zum Betreiben einer lichtemittierenden Baugruppe.
  • In der folgenden ausführlichen Beschreibung wird auf die beigefügten Zeichnungen Bezug genommen, die Teil dieser Beschreibung bilden und in denen zur Veranschaulichung spezifische Ausführungsbeispiele gezeigt sind, in denen die Erfindung ausgeübt werden kann. Da Komponenten von Ausführungsbeispielen in einer Anzahl verschiedener Orientierungen positioniert werden können, dient die Richtungsterminologie zur Veranschaulichung und ist auf keinerlei Weise einschränkend. Es versteht sich, dass andere Ausführungsbeispiele benutzt und strukturelle oder logische Änderungen vorgenommen werden können, ohne von dem Schutzumfang der vorliegenden Erfindung abzuweichen. Es versteht sich, dass die Merkmale der hierin beschriebenen verschiedenen Ausführungsbeispiele miteinander kombiniert werden können, sofern nicht spezifisch anders angegeben. Die folgende ausführliche Beschreibung ist deshalb nicht in einschränkendem Sinne aufzufassen, und der Schutzumfang der vorliegenden Erfindung wird durch die angefügten Ansprüche definiert. In den Figuren sind identische oder ähnliche Elemente mit identischen Bezugszeichen versehen, soweit dies zweckmäßig ist.
  • Eine lichtemittierende Baugruppe weist ein, zwei oder mehr Laserlichtquellen und einen Streukörper aufweisen. Optional kann eine lichtemittierende Baugruppe auch ein, zwei oder mehr elektronische Bauelemente aufweisen. Ein elektronisches Bauelement kann beispielsweise ein aktives und/oder ein passives Bauelement aufweisen. Ein aktives elektronisches Bauelement kann beispielsweise eine Rechen-, Steuer- und/oder Regeleinheit und/oder einen Transistor aufweisen. Ein passives elektronisches Bauelement kann beispielsweise einen Kondensator, einen Widerstand, eine Diode oder eine Spule aufweisen. Ferner kann eine lichtemittierende Baugruppe ein, zwei oder mehr optische Bauelemente aufweisen. Ein optisches Bauelement kann beispielsweise eine optische Linse, ein optischer Filter, ein Spiegel, ein Beugungsgitter oder ein Prisma sein.
  • 1 zeigt, insbesondere auf der linken Seite, eine schematische Darstellung eines Ausführungsbeispiels einer lichtemittierenden Baugruppe 20. die lichtemittierende Baugruppe 20 weist einen Streukörper 28 und mindestens eine Laserlichtquelle, insbesondere eine erste Laserlichtquelle 22, eine zweite Laserlichtquelle 24, und eine dritte Laserlichtquelle 26, auf. Die erste Laserlichtquelle 22 erzeugt einen ersten Laserstrahl 32, die zweite Laserlichtquelle 24 erzeugt einen zweiten Laserstrahl 34 und die dritte Laserlichtquelle 26 erzeugt einen dritten Laserstrahl 36. Der erste Laserstrahl 32 weist rotes Licht auf, der zweite Laserstrahl 34 weist grünes Licht auf und der dritte Laserstrahls 36 weist der blaues Licht auf.
  • Die Laserlichtquellen 22, 24, 46 sind jeweils leistungsstarke Festkörperlaser. Die erste Laserlichtquelle 22 zum Erzeugen des roten ersten Laserstrahls 32 weist mindestens eine rot, beispielsweise in einem Wellenlängenbereich um 630 nm, emittierende Laserdiode aus dem Materialsystem AlGaInP auf. Die zweite Laserlichtquelle 24 zum Erzeugen des grünen zweiten Laserstrahls 34 emittiert grünes Licht, beispielsweise im Wellenlängenbereich bei 532 nm, wobei sie mindestens eine elektromagnetische Strahlung emittierende Diode aufweist, die die elektromagnetische Strahlung beispielsweise bei der doppelten Wellenlänge emittieren kann, beispielsweise bei 1064 nm, beispielsweise einen gepumpten, frequenzverdoppelten Nd:YAG Laser. Die dritte Laserlichtquelle 24 zum Erzeugen des blauen dritten Laserstrahls 36 weist mindestens eine blau, beispielsweise um 450 nm, emittierende GaN Laserdiode auf. Alternativ dazu können die Laserlichtquellen 22, 24, 26 von anderen Lasern gebildet sein und/oder Licht anderer Farbe emittieren. Beispielsweise können alle drei Laserlichtquellen 22, 24, 26 Licht der gleichen Farbe emittieren. Ferner können mehr oder weniger als die gezeigten Laserlichtquellen 22, 24, 26 angeordnet sein. Beispielsweise können für eine oder mehrere der gewünschten Farben jeweils zwei oder mehr Laserlichtquellen angeordnet sein.
  • Der Streukörper 28 weist eine den Laserlichtquellen 22, 24, 26 zugewandte erste Seite und eine von den Laserlichtquellen 42, 24, 26 abgewandte zweite Seite auf. Die erste und die zweite Seite bilden je eine Hauptfläche des Streukörpers 28. Der Streukörper 28 weist weiter laterale Seitenflächen auf, die die beiden Hauptflächen verbinden. An den lateralen Seitenflächen wird der Streukörper 28 von einer Halterung 30 gehalten. Der Streukörper 28 ist von einem streuenden, beispielsweise transluzenten, Material gebildet und/oder weist ein transparentes Trägermaterial auf, in dem Streupartikel eingebettet sind. Der Streukörper 28 ist frei von Konvertermaterial. In anderen Worten beeinflusst der Streukörper 28 die Wellenlänge des von ihm gestreuten Lichts nicht. Der Streukörper 28 ist beispielsweise ein weiß streuender Körper, der eine ausreichend geringe Absorption aufweist, so dass er nicht durch unbeabsichtigt absorbierte Laserstrahlung überhitzt und zerstört wird. Der Streukörper 28 ist beispielsweise von einer porösen, transluzenten Keramik, beispielsweise aus Al2O3, gebildet. Alternativ dazu kann der Streukörper 28 von einem Glas mit Poren und/oder hochbrechenden Streupartikeln gebildet sein. Alternativ dazu kann der Streukörper 28 von einer oder mehreren auf einem Glas- oder Saphir-Träger aufgebrachten Beschichtungen, die Streupartikel, bspw. aus TiO2 oder Al2O3, aufweisen, gebildet sein. Diese können auch in Matrizen aus Silikon oder Silanharz eingebettet sein. Optional kann die erste Seite des Streukörpers 28 einen oder mehrere Farbfilter aufweisen, die zwar das Licht der Laserlichtquellen 22, 24, 26 hin zu dem Streukörper 28 durchlassen, jedoch das gestreute Licht nicht mehr zurück in den Halbraum lassen, in dem die Laserlichtquellen sein 20, 24, 26 angeordnet sind, sondern beispielsweise das entsprechende Licht weg von den Lichtquellen 22, 24, 26 hin zu der zweiten Seite des Streukörpers 28 reflektieren.
  • Die Laserstrahlen 32, 34, 36 treffen auf der ersten Seite auf den Streukörper 28 und treten an der ersten Seite in den Streukörper 28 ein. Der Streukörper 28 streut das Licht der Laserstrahlen 32, 34, 36, so dass sich dieses in dem Streukörper 28 mischt. An der zweiten Seite des Streukörpers 28 tritt gestreutes Licht 38, das auch als gemischtes Licht bezeichnet werden kann, aus dem Streukörper 28 aus. Der Streukörper 28 bewirkt außerdem, dass die Kohärenzen der Laserstrahlen 32, 34, 36 aufgebrochen werden. Bei dem in 1 gezeigten Ausführungsbeispiel entsteht aufgrund der Mischung des Lichts der Laserstrahlen 32, 34, 36 weißes Licht mit einer besonders hohen Leuchtdichte. Somit ist das gestreute Licht 38 weißes Licht. Somit ist die in 1 gezeigte lichtemittierende Baugruppe 20 eine Weißlichtquelle, die eine sehr hohe Leuchtdichte aufweist. Falls die einzelnen Laserlichtquellen 42, 24, 26 jeweils eine Lichtleistung von beispielsweise 10 W haben und das gestreute Licht 38 einen Spot mit 500 µm Durchmesser bildet, ergibt sich eine Leuchtdichte von mehr als 5000 MCd/m2.
  • In 1 auf der rechten Seite sind übereinander ein erstes Diagramm 40 und ein zweites Diagramm 50 dargestellt. Das erste Diagramm 40 weist ein erstes Koordinatensystem 42 auf, in dem eine erste Lichtverteilung 44 eingezeichnet ist. Die erste Lichtverteilung 44 ist die Lichtverteilung eines der Laserstrahlen 32, 34, 36. Die erste Lichtverteilung 44 ist nahezu linienförmig und hat einen spitzen Peak um den Wert null. Die zweite Lichtverteilung 54 ist die Lichtverteilung des gestreuten Lichts 38. Die zweite Lichtverteilung 54 ist gaußförmig bzw. hat eine gauß‘sche Glockenform. Der Streukörper 28 bewirkt somit, dass die einzelnen linienförmigen Lichtverteilungen der Laserstrahlen 32, 34, 36 in eine einzige gauß‘sche Lichtverteilung, insbesondere eine lambert‘sche Lichtverteilung, umgewandelt werden. Somit ist die in 1 gezeigte lichtemittierende Baugruppe 20 eine Weißlichtquelle, die eine sehr hohe Leuchtdichte mit einer lambert‘schen Lichtverteilung aufweist.
  • Da der Streukörper 28 das Licht der Laserstrahlen 32, 34, 36 nicht konvertiert, absorbiert der Streukörper 28 nur einen sehr geringen Anteil des auf ihn treffenden Lichts, beispielsweise lediglich zwischen 0,1% und 10%, beispielsweise lediglich zwischen 1% und 5%, beispielsweise lediglich ungefähr 2% des auf ihn treffenden Lichts. Daher erwärmt sich der Streukörper 28 im Betrieb der lichtemittierenden Baugruppe 20 deutlich weniger und/oder deutlich schlechter, als ein Konverterkörper, wie er beispielsweise bei einer LARP-Anwendung verwendet wird. Falls der Streukörper 28 materialbedingt beispielsweise bei 400°C betrieben werden kann, so können mittels der lichtemittierenden Baugruppe 20 eine Leuchtdichte und/oder ein Lichtfluss erzeugt werden, die bzw. der beispielsweise um einen Faktor 20 größer sind, als bei einer ähnlich aufgebauten LARP-Anwendung.
  • Optional kann dem Streukörper 28 eine das gestreute Licht 38 beeinflussende in den Figuren nicht dargestellte Optik, beispielsweise eine Weitwinkeloptik, nachgeschaltet sein. Mittels der Weitwinkeloptik kann das gestreute Licht 38 an einen beliebigen Punkt im Raum fokussiert werden, wodurch beispielsweise ein weißer Spot mit einer sehr hohen Leuchtdichte erzeugt werden kann. Falls die nachgeschaltete Optik beispielsweise einen oder mehrere verstellbare Spiegel und/oder eine oder mehrere verstellbare Linsen aufweist, so können ein Durchmesser und/oder eine Position des Spots im Raum verändert werden, wodurch im Raum ein Beleuchtungsschema mit nahezu beliebiger Form und Position und besonders hoher Leuchtdichte realisiert ist.
  • 2 zeigt eine schematische Darstellung eines Ausführungsbeispiels einer lichtemittierenden Baugruppe 20. Die lichtemittierende Baugruppe 20 kann beispielsweise weitgehend der in 1 erläuterten lichtemittierenden Baugruppen 20 entsprechen. In Strahlrichtung sind zwischen den Laserlichtquellen 22, 24, 26 und dem Streukörper 28 Linsen 62, 64, 66 angeordnet. Insbesondere ist eine erste Linse 62 so zwischen der ersten Laserlichtquelle 22 und dem Streukörper 28 angeordnet, dass die erste Linse 62 den ersten Laserstrahl 32 auf die erste Seite des Streukörpers 28 fokussiert. Außerdem ist eine zweite Linse 64 so zwischen der zweiten Laserlichtquelle 24 und dem Streukörper 28 angeordnet, dass die zweite Linse 64 den zweiten Laserstrahl 34 auf die erste Seite des Streukörpers 28 fokussiert. Ferner ist eine dritte Linse 66 so zwischen der dritten Laserlichtquelle 26 und dem Streukörper 28 angeordnet, dass die dritte Linse 66 den dritten Laserstrahl 36 auf die erste Seite des Streukörpers 28 fokussiert. Alternativ dazu können die Linsen 62, 64, 66 jeweils als Kollimationslinsen ausgebildet sein. Optional können die Linsen 62, 64, 66 verstellbar sein, so dass ein Grad der Fokussierung und/oder Positionen der Fokuspunkte auf der ersten Seite des Streukörpers 28 mittels der Linsen 62, 64, 66 veränderbar sind. Beispielsweise können die Linsen 62, 64, 66 Fluidlinsen sein.
  • Der Streukörper 28 streut die auf ihn treffenden fokussierten oder kollimierten Laserstrahlen 32, 34, 36 und mischt das entsprechende Licht, so dass das gestreute, gemischte Licht 38 auf der zweiten Seite aus dem Streukörper 28 austritt.
  • 3 zeigt eine schematische Darstellung eines Ausführungsbeispiels einer lichtemittierenden Baugruppe 20. Die lichtemittierende Baugruppe kann beispielsweise weitgehend einer der im Vorhergehenden erläuterten lichtemittierenden Baugruppen 20 entsprechen. In Strahlrichtung und optisch zwischen den Laserlichtquellen 22, 24, 26 und dem Streukörper 28 sind dynamisch verstellbare Spiegel 72, 74, 76 angeordnet. Insbesondere ist ein erster dynamisch verstellbarer Spiegel 72 so angeordnet, dass er den ersten Laserstrahl 32 hin zu dem Streukörper 28 reflektiert und dass ein reflektierter erster Laserstrahl 82 auf den Streukörper 28 trifft. Außerdem ist ein zweiter dynamisch verstellbarer Spiegel 74 so angeordnet, dass er den zweiten Laserstrahl 34 hin zu dem Streukörper 28 reflektiert und dass ein reflektierter zweiter Laserstrahl 84 auf den Streukörper 28 trifft. Ferner ist ein dritter dynamisch verstellbarer Spiegel 76 so angeordnet, dass er den dritten Laserstrahl 36 hin zu dem Streukörper 28 reflektiert und dass ein reflektierter dritter Laserstrahl 86 auf den Streukörper 28 trifft.
  • Die Spiegel 72, 74, 76 sind jeweils mit einem nicht dargestellten und elektrisch verstellbaren Stellelement mechanisch gekoppelt. Die Stellelemente sind jeweils elektrisch ansteuerbar und ermöglichen ein Verstellen der entsprechenden Spiegel 72, 74, 76. Mittels Verstellens der Spiegel 72, 74, 76 können die reflektierten Laserstrahlen 82, 84, 86 bzw. deren auf der ersten Seite erzeugten Lichtpunkte über die erste Seite des Streukörpers 28 bewegt werden. Mittels des Veränderns der Positionen der Laserstrahlen auf der ersten Seite des Streukörpers 28 können eine Farbe, Position und/oder Richtung des gestreuten Lichts 38 verändert und/oder vorgegeben werden. Dies ermöglicht beispielsweise auf der zweiten Seite des Streukörpers 28 verschiedene Formen und Farben darzustellen, beispielsweise eine oder mehrere Grafiken, einen oder mehrere Schriftzüge und/oder ein oder mehrere Bilder, beispielsweise einen Film oder ein Video. Falls dem Streukörper 28 die Weitwinkeloptik nachgeschaltet ist, so ermöglichen die dynamisch verstellbaren Spiegel 72, 74, 76 die Verwendung der lichtemittierenden Baugruppe 20 als Projektor, da die in dem Streukörper 28 erzeugten Schriftzüge Grafiken bzw. Bilder bzw. Filme oder Videos in den Raum, beispielsweise an eine Wand projiziert werden können. Die Spiegel 72, 74, 76 können Teil eines Mikrospiegelsystems (MEMS) sein oder ein Mikrospiegelsystem bilden.
  • Das in 3 gezeigte Ausführungsbeispiel der lichtemittierenden Baugruppe 20 kann beispielsweise mit dem mit Bezug zu 2 erläuterten Ausführungsbeispiel der lichtemittierenden Baugruppe 20 kombiniert werden. Beispielsweise kann das in 3 gezeigte Ausführungsbeispiel der lichtemittierenden Baugruppe 20 die Linsen 62, 64, 66 aufweisen.
  • 4 zeigt eine schematische Darstellung eines Ausführungsbeispiels einer lichtemittierenden Baugruppe 20. Die lichtemittierende Baugruppe 20 kann beispielsweise weitgehend einer der im Vorhergehenden erläuterten lichtemittierenden Baugruppen 20 entsprechen. Die Halterung 30 ist an der zweiten Seite des Streukörpers 28 befestigt und weist diesen zugewandt eine Spiegelfläche 94 auf. Zwischen dem Streukörper 28 und der Halterung 30 ist eine transparente Planarisierungsschicht 92 angeordnet.
  • Das von dem Streukörper 28 gestreute Licht trifft auf die Spiegelfläche 94 und wird von dieser reflektiert, so dass reflektiertes gestreutes Licht 90 aus dem Streukörper 28 in den gleichen Halbraum austritt, in dem auch die Laserlichtquellen 22, 24, 26 angeordnet sind. Das reflektierte gestreute Licht 90 kann genauso genutzt werden wie das im Vorhergehenden erläuterte gestreute Licht 38.
  • Die Planarisierungsschicht 92 dient dazu, hin zu der Halterung 30, insbesondere der Spiegelfläche 94, eine ebene Fläche bereitzustellen und/oder eine Effizienz der lichtemittierenden Baugruppe 20 durch geeignete Wahl ihres Brechungsindex positiv zu beeinflussen. Alternativ dazu kann auf die Planarisierungsschicht 92 verzichtet werden.
  • Ferner kann alternativ zu der Spiegelfläche 94 auf der Halterung 30 die zweite Seite des Streukörpers 28 reflektierend ausgestaltet sein, beispielsweise durch Aufbringen eines oder mehrerer reflektierender Metalle, wie beispielsweise Aluminium oder Silber. Beispielsweise kann ein Schichtstapel mit entsprechenden reflektierenden Materialien auf der zweiten Seite des Streukörpers 28 ausgebildet sein. Der Schichtstapel kann beispielsweise mittels Lötens an der Halterung 30 befestigt sein. Unabhängig von der Ausführung und/oder Position der Spiegelfläche 94 dient die Halterung 30 im Betrieb der lichtemittierenden Baugruppe 20 als Wärmesenke und/oder zum Abtransportieren der in dem Streukörper 28 entstehenden Wärme.
  • Das in 4 gezeigte Ausführungsbeispiel der lichtemittierenden Baugruppe 20 kann optional mit Bezug zu den in den 2 und/oder 3 erläuterten Ausführungsbeispielen der lichtemittierenden Baugruppe 20 kombiniert werden. Beispielsweise kann das in 3 gezeigte Ausführungsbeispiel der lichtemittierenden Baugruppe 20 die Linsen 62, 64, 66 und/oder die Spiegel 72, 74, 76 aufweisen.
  • 5 zeigt ein Ablaufdiagramm eines Ausführungsbeispiels eines Verfahrens zum Betreiben einer lichtemittierenden Baugruppe, beispielsweise der mit Bezug zu 3 erläuterten lichtemittierenden Baugruppe 20.
  • In einem Schritt S2 werden mindestens ein erster Laserstrahl und optional ein, zwei oder mehr weitere Laserstrahlen, beispielsweise die Laserstrahlen 32, 34, 36, erzeugt und auf je einen dynamisch verstellbaren Spiegel, beispielsweise die im Vorhergehenden erläuterten Spiegel 72, 74, 76 abgestrahlt. Die Spiegel 72, 74, 76 sind so ausgerichtet, dass sie die Laserstrahlen 32, 34, 36 hin auf einen Streukörper, beispielsweise den im Vorhergehenden erläuterten Streukörper 28, reflektieren. Der Streukörper 28 mischt und streut das Licht der auf ihn treffenden Laserstrahlen und wird dadurch zu einer Lichtquelle, beispielsweise einer Weißlichtquelle, mit einer sehr hohen Leuchtdichte und einer Gauß‘schen bzw. lambert‘schen Lichtverteilung.
  • In einem Schritt S4 werden die Spiegel 72, 74, 76 dynamisch verstellt, so dass sich eine Lichtverteilung, Leuchtdichte und/oder Farbe des von dem Streukörper 28 gestreuten Lichts 38, 90 verändert, wodurch auf dem Streukörper 28 oder auf einer Fläche in einem Raum ein veränderbarer Spot, ein Schriftzug, eine Grafik und/oder eines oder mehrere Bilder, insbesondere ein Film oder ein Video, darstellbar sind.
  • Die Erfindung ist nicht auf die angegebenen Ausführungsbeispiele beschränkt. Beispielsweise können die gezeigten lichtemittierenden Baugruppen 20 jeweils mehr oder weniger Laserlichtquellen aufweisen. Ferner können die erläuterten lichtemittierenden Baugruppen 20 miteinander kombiniert werden. Ferner kann jede der erläuterten lichtemittierenden Baugruppen 20 je eine dem Streukörper 28 optisch nachgeschaltete Optik zum Beeinflussen des gestreuten Lichts 38, 90 aufweisen, beispielsweise eine Weitwinkeloptik.
  • Bezugszeichenliste
    • 20
    Lichtemittierende Baugruppe
    22
    erste Laserlichtquelle
    24
    zweite Laserlichtquelle
    26
    dritte Laserlichtquelle
    28
    Streukörper
    30
    Halterung
    32
    erster Laserstrahl
    34
    zweiter Laserstrahl
    36
    dritter Laserstrahl
    38
    gestreutes Licht
    40
    erstes Diagramm
    42
    erstes Koordinatensystem
    44
    erste Lichtverteilung
    50
    zweites Diagramm
    52
    zweites Koordinatensystem
    54
    zweite Lichtverteilung
    62
    erste Linse
    64
    zweite Linse
    66
    dritte Linse
    72
    erster Spiegel
    74
    zweiter Spiegel
    76
    dritter Spiegel
    82
    erster reflektierte Laserstrahl
    84
    zweiter reflektierter Laserstrahl
    86
    dritter reflektierte Laserstrahl
    90
    reflektiertes gestreutes Licht
    92
    Dielektrikum
    94
    Spiegelfläche
    F
    Fläche
    D
    Dicke
    S2
    Erster Schritt
    S4
    Zweiter Schritt

Claims (15)

  1. Lichtemittierende Baugruppe (20), mit mindestens einer ersten Laserlichtquelle (22) zum Erzeugen eines ersten Laserstrahls (32), einem transluzenten Streukörper (28), der im Strahlengang des ersten Laserstrahls (32) und mit einem vorgegebenen Abstand größer null zu der ersten Laserlichtquelle (22) angeordnet ist und der so ausgebildet ist, dass er das Licht des ersten Laserstrahls (32) streut und dass die Wellenlänge des gestreuten Lichts (38, 90) gleich der Wellenlänge des Lichts des ersten Laserstrahls (32) ist.
  2. Lichtemittierende Baugruppe (20) nach Anspruch 1, die mindestens eine zweite Laserlichtquelle (24) zum Erzeugen eines zweiten Laserstrahls (34) und/oder eine dritte Laserlichtquelle (26) zum Erzeugen eines dritten Laserstrahls (36) aufweist.
  3. Lichtemittierende Baugruppe (20) nach Anspruch 2, bei der das Licht des zweiten Laserstrahls (34) und/oder das Licht des dritten Laserstrahls (36) die gleiche Wellenlänge hat wie das Licht des ersten Laserstrahls (32).
  4. Lichtemittierende Baugruppe (20) nach Anspruch 2, bei der das Licht des zweiten Laserstrahls (34) eine andere Wellenlänge hat als das Licht des ersten Laserstrahls (32) und/oder bei der das Licht des dritten Laserstrahls (36) eine andere Wellenlänge hat als das Licht des ersten Laserstrahls (32) und das Licht des zweiten Laserstrahls (34).
  5. Lichtemittierende Baugruppe (20) nach Anspruch 4, bei der das Licht des ersten Laserstrahls (32) blaues Licht ist, das Licht des zweiten Laserstrahls (34) grünes Licht ist und/oder das Licht des dritten Laserstrahls (36) rotes Licht ist.
  6. Lichtemittierende Baugruppe (20) nach einem der vorstehenden Ansprüche, bei der der Streukörper (28) eine erste Seite, die als Lichteintrittsfläche dient, und eine von der ersten Seite abgewandte zweite Seite, die als Lichtaustrittsfläche dient, hat, so dass das Licht des entsprechenden Laserstrahls (32, 34, 36) auf der ersten Seite in den Streukörper (28) eingekoppelt wird und als gestreutes Licht (38) auf der zweiten Seite aus dem Streukörper (28) ausgekoppelt wird.
  7. Lichtemittierende Baugruppe (20) nach einem der Ansprüche 1 bis 5, bei der der Streukörper (28) eine erste Seite hat, die als Lichteintrittsfläche und als Lichtaustrittsfläche dient, sodass das Licht des entsprechenden Laserstrahls (32, 34, 36) auf der ersten Seite in den Streukörper (28) eingekoppelt und ausgekoppelt wird.
  8. Lichtemittierende Baugruppe (20) nach Anspruch 7, bei der in Strahlrichtung des entsprechenden Laserstrahls (32, 34, 36) hinter dem Streukörper (28) eine Spiegelfläche (94) ausgebildet ist.
  9. Lichtemittierende Baugruppe (20) nach Anspruch 8, bei der zwischen dem Streukörper (28) und der Spiegelfläche (94) ein Dielektrikum (92) ausgebildet ist.
  10. Lichtemittierende Baugruppe (20) nach einem der vorstehenden Ansprüche, bei der im Strahlengang des entsprechenden Laserstrahls (32, 34, 36) zwischen der Laserlichtquelle (22, 24, 26) und dem Streukörper (28) eine Kollimationslinse angeordnet ist, die das Licht des entsprechenden Laserstrahls (32, 34, 36) kollimiert.
  11. Lichtemittierende Baugruppe (20) nach einem der vorstehenden Ansprüche, bei der im Strahlengang des entsprechenden Laserstrahls (32, 34, 36) vor dem Streukörper (28) ein dynamisch verstellbarer Spiegel (72, 74, 76) angeordnet ist, der so ausgebildet ist, dass der entsprechende Laserstrahl (32, 34, 36) auf den Streukörper (28) gelenkt werden kann und eine Position, an der der entsprechende Laserstrahl auf den Streukörper (28) trifft, verändert werden kann.
  12. Lichtemittierende Baugruppe (20) nach Anspruch 11, bei der der Spiegel (72, 74, 76) Teil eines Mikrospiegelsystems ist.
  13. Anzeigevorrichtung, die die lichtemittierende Baugruppe (20) nach einem der Ansprüche 11 oder 12 aufweist.
  14. Frontscheinwerfer eines Kraftfahrzeugs, der die lichtemittierende Baugruppe (20) nach einem der Ansprüche 1 bis 12 aufweist.
  15. Verfahren zum Betreiben einer lichtemittierenden Baugruppe (20), bei dem mindestens ein erster Laserstrahl (32) erzeugt wird und auf einen dynamisch verstellbaren Spiegel (72) abgestrahlt wird, der erste Laserstrahl (32) mittels des dynamisch verstellbaren Spiegels (72) auf einen transluzenten Streukörper (28) reflektiert wird, das Licht des reflektierten ersten Laserstrahls (82) von dem Streukörper (28) gestreut wird, wobei die Wellenlänge des gestreuten Lichts (38) gleich der Wellenlänge des Lichts des ersten Laserstrahls (32) ist, und eine Position, an der der erste Laserstrahl (32) in den Streukörper (28) eintritt, mittels des dynamisch verstellbaren Spiegels (72) verändert wird.
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US20110044070A1 (en) * 2009-08-18 2011-02-24 Sharp Kabushiki Kaisha Light source device
US20150062903A1 (en) * 2011-12-04 2015-03-05 Appotronics Corporation Limited Light emitting device and projection system adopting same
DE102013226614A1 (de) * 2013-12-19 2015-06-25 Osram Gmbh Beleuchtungseinrichtung

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