DE102016208138A1

DE102016208138A1 - Beleuchtungsvorrichtung zur Emission von Beleuchtungslicht

Info

Publication number: DE102016208138A1
Application number: DE102016208138.1A
Authority: DE
Inventors: Sergey Khrushchev
Original assignee: Osram GmbH
Current assignee: Osram GmbH
Priority date: 2016-05-11
Filing date: 2016-05-11
Publication date: 2017-11-16

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Beleuchtungsvorrichtung (1) mit einer Mehrzahl Laserquellen (2) zur Emission von Laserstrahlung und einem Leuchtstoffelement (5) zur zumindest teilweisen Konversion der Laserstrahlung in ein Konversionslicht, wobei die Laserquellen (2) und das Leuchtstoffelement (5) derart relativ zueinander angeordnet sind, dass im Betrieb der Beleuchtungsvorrichtung (1) auf einer Einstrahlfläche (6) des Leuchtstoffelements (5) von einer ersten (2a) der Laserquellen (2) mit einem ersten Laser-Strahlenbündel (3a) eine erste Laser-Bestrahlungsfläche (20a) bestrahlt wird und von einer zweiten (2b) der Laserquellen (2) mit einem zweiten Laser-Strahlenbündel (3b) eine zweite Laser-Bestrahlungsfläche (20b) bestrahlt wird, wobei die erste (20a) und die zweite Laser-Bestrahlungsfläche (20b) zumindest teilweise überlappfrei sind.

Description

Technisches Gebiet
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Beleuchtungsvorrichtung zur Emission von Beleuchtungslicht, welche ein Leuchtstoffelement aufweist.
Stand der Technik
Bei Beleuchtungsvorrichtungen der vorliegend relevanten Art wird ein Leuchtstoffelement mit einer Pumpstrahlung bestrahlt. Das Leuchtstoffelement konvertiert die Pumpstrahlung in ein Konversionslicht, welches dann zumindest anteilig das von der Beleuchtungsvorrichtung abgegebene Beleuchtungslicht bildet. Das Konversionslicht kann im Falle einer sogenannten Teilkonversion gemeinsam mit einem nicht konvertierten Anteil an Pumpstrahlung das Beleuchtungslicht bilden, wobei dann bspw. blaues Pumplicht als Pumpstrahlung bevorzugt sein kann. Andererseits kann aber auch das Konversionslicht allein das Beleuchtungslicht bilden (Vollkonversion).
Darstellung der Erfindung
Der vorliegenden Erfindung liegt das technische Problem zugrunde, eine besonders vorteilhafte Beleuchtungsvorrichtung anzugeben.
Erfindungsgemäß löst diese Aufgabe eine Beleuchtungsvorrichtung zur Emission von Beleuchtungslicht, mit einer Mehrzahl Laserquellen, die jeweils zur Emission von Laserstrahlung vorgesehen sind, und einem Leuchtstoffelement zur zumindest teilweisen Konversion der Laserstrahlung in ein Konversionslicht, welches zumindest anteilig das Beleuchtungslicht bildet, wobei die Laserquellen und das Leuchtstoffelement derart relativ zueinander angeordnet sind, dass im Betrieb der Beleuchtungsvorrichtung auf einer Einstrahlfläche des Leuchtstoffelements jeweils im zeitlichen Integral von einer ersten der Laserquellen mit einem ersten Laser-Strahlenbündel eine erste Laser-Bestrahlungsfläche bestrahlt wird und von einer zweiten der Laserquellen mit einem zweiten Laser-Strahlenbündel eine zweite Laser-Bestrahlungsfläche bestrahlt wird, wobei die erste und die zweite Laser-Bestrahlungsfläche zumindest teilweise überlappfrei sind.
Bevorzugte Ausführungsformen finden sich in den abhängigen Ansprüchen und der gesamten Offenbarung, wobei in der Darstellung nicht immer im Einzelnen zwischen Vorrichtungs- und Verfahrens- bzw. Verwendungsaspekten unterschieden wird; jedenfalls implizit ist die Offenbarung hinsichtlich sämtlicher Anspruchskategorien zu lesen.
Es sind also mindestens zwei Laserquellen zur Emission von Pumpstrahlung bzw. -licht vorgesehen, wovon jede auf der Einstrahlfläche des Leuchtstoffelements eine jeweilige Laser-Bestrahlungsfläche bestrahlt. Diese Laser-Bestrahlungsflächen sind „zumindest teilweise überlappfrei“, sie überlappen also zumindest nicht vollständig, sind also jedenfalls nicht vollständig deckungsgleich. Die erste und die zweite Laser-Bestrahlungsfläche können bspw. eine gemeinsame Schnittmenge haben, sodass also eine Vereinigungsmenge der ersten und zweiten Laser-Bestrahlungsfläche größer als jede davon für sich ist. Bevorzugt sind die erste und die zweite Laser-Bestrahlungsfläche entweder vollständig überlappfrei, liegen sie also nebeneinander, oder ist eine davon eine echte Teilmenge der anderen, also vollständig darin enthalten (und dabei kleiner).
Die Vorteile lassen sich am besten anhand einer bevorzugten Anwendung illustrieren, nämlich dem Einsatz zur Straßenausleuchtung mit einem Kfz-Frontscheinwerfer. Einer Abstrahlfläche des Leuchtstoffelements ist dabei eine Beleuchtungsoptik zugeordnet, mit welcher an unterschiedlichen Stellen der Abstrahlfläche abgegebenes Beleuchtungslicht in unterschiedliche Raumrichtungen geführt wird. Die Emission bzw. ein Emissionsmuster an der Abstrahlfläche, aus welchem Bereich davon also wie viel Beleuchtungslicht emittiert und damit letztlich in eine jeweilige Raumrichtung geführt wird, korreliert mit einem Einstrahlmuster und damit insbesondere mit Lage und Größe der Laser-Bestrahlungsflächen.
Mit dem Teilmengen-Konzept, wenn also eine kleinere Laser-Bestrahlungsfläche einer größeren überlagert ist, kann die größere Laser-Bestrahlungsfläche z. B. eine Grundausleuchtung in einem Fernlichtbetrieb schaffen, also eine Fernlichtfunktion zumindest unterstützen (dies ist ein Beispiel, es ist auch eine Verwendung für Abblend- oder andere Lichtarten möglich). Die Bestrahlung der kleineren Laser-Bestrahlungsfläche kann dann optional hinzugeschaltet werden, bspw. erst, wenn das Fahrzeug eine gewisse Mindestgeschwindigkeit erreicht hat, bspw. ab 100 km/h als „Autobahn-Boost“. Generell wird beim Hinzuoder Wegschalten einer Laserquelle bevorzugt deren Ausgangsleistung geschaltet, wird die Laserquelle also einoder ausgeschaltet (im eingeschalteten Zustand ist auch ein PWM-Betrieb möglich). Im ausgeschalteten Zustand ist die mittlere Ausgangsleistung z. B. um mindestens 80 % bzw. 90 % geringer als im eingeschalteten Zustand (es ist noch ein Ruhestrom denkbar), bevorzugt ist sie gleich Null.
Die nebeneinander angeordneten Laser-Bestrahlungsflächen können hingegen bspw. für eine adaptive Straßenausleuchtung derart genutzt werden, dass z. B. ein insgesamt abgegebener Lichtkegel in Abhängigkeit von entgegenkommenden/vorausfahrenden Fahrzeugen angepasst, also eingeschränkt bzw. dann wieder erweitert wird. Über die Beleuchtungsoptik versorgt jede Laser-Bestrahlungsfläche einen jeweiligen Raumwinkelbereich (über die entsprechende Emission an der Abstrahlfläche), wobei diese Raumwinkelbereiche im Fernfeld nebeneinander liegen (den nebeneinander angeordneten Laser-Bestrahlungsflächen entsprechend). Indem nun selektiv, in Abhängigkeit von einer Kamera-Aufnahme des mit dem Lichtkegel maximal zugänglichen Bereichs (aufgenommen mit einer in das Kfz integrierten Kamera), einem jeweiligen Raumwinkelbereich durch Bestrahlung der jeweiligen Laser-Bestrahlungsfläche Beleuchtungslicht zugeführt wird, oder eben nicht, lässt sich eine adaptive Straßenausleuchtung realisieren.
„Mehrzahl“ ist generell auf mindestens 2 zu lesen, bevorzugt können auch mindestens 3, 4, 5 bzw. 6 als Untergrenzen sein (in der Reihenfolge der Nennung zunehmend bevorzugt); mögliche Obergrenzen können (davon unabhängig) bspw. bei höchstens 5.000, 4.000, 3.000, 2.000, 1.000, 500, 400, 300, 200, 100, 50, 40, 30, bzw. 20 liegen. Es gibt also bspw. eine entsprechende Anzahl an Laserquellen und entsprechend auch an Laser-Bestrahlungsflächen. Davon können dann auch einige deckungsgleich sein, können also bspw. bei dem Teilmengen-Konzept mehrere Laser-Bestrahlungsflächen deckungsgleich die Grundausleuchtung schaffen und/oder mehrere Laser-Bestrahlungsflächen deckungsgleich überlagert die lokale Überhöhung (für z. B. den „Autobahn-Boost“) bilden.
Andererseits kann aber auch bevorzugt sein, dass sämtliche Laser-Bestrahlungsflächen der Beleuchtungsvorrichtung überlappfrei nebeneinander angeordnet sind, etwa in Form einer Zeile oder matrixförmig (in Zeilen und Spalten), bevorzugt regelmäßig; eine zeilen- bzw. matrixförmige Anordnung kann insbesondere im Falle der adaptiven Straßenausleuchtung von Interesse sein.
Das mit den Laserquellen bestrahlte „Leuchtstoffelement“ ist bevorzugt einstückig, es kann also insbesondere ein Bereich davon mit der ersten Laser-Bestrahlungsfläche nicht zerstörungsfrei von einem Bereich mit der zweiten Laser-Bestrahlungsfläche getrennt werden, also nicht ohne zumindest teilsweise Zerstörung (nur irreversibel) des Leuchtstoffelements bzw. eines Teils davon. Das „Leuchtstoffelement“ kann bspw. ein bevorzugt transparenter Träger mit dem Leuchtstoff darauf sein, wobei der Leuchtstoff vorzugsweise direkt an den Träger grenzt und/oder eine durchgehende Schicht bildet; im Allgemeinen kann er aber auch über eine Fügeverbindungsschicht, insbesondere Klebstoffschicht, damit verbunden sein.
Das Leuchtstoffelement kann aber bspw. auch ein Matrixmaterial, bspw. eine Keramik, Glas, oder ein Kunststoffmaterial aufweisen, in dem der Leuchtstoff auf diskrete Bereiche verteilt angeordnet ist, etwa in Körnern der Keramik oder in Partikelform in Glas/Kunststoff eingeformt. Das Leuchtstoffelement kann ferner auch ein Monokristall des Leuchtstoffs sein, etwa ein YAG:Ce-Monokristall. Bei der zuvor diskutierten zumindest teilweisen Zerstörung würde nun bspw. der Einkristall, das Matrixmaterial bzw. der Träger und/oder der Leuchtstoff selbst lokal aufgetrennt werden.
Das Leuchtstoffelement kann aber auch aus mehreren separaten Leuchtstoffelementteilen aufgebaut sein, was insbesondere bei überlappfrei angeordneten Laser-Bestrahlungsflächen von Interesse sein kann. Es liegt dann also die eine Laser-Bestrahlungsfläche auf dem einen Leuchtstoffelementteil und die andere auf dem anderen, was aufgrund einer optischen Entkopplung zwischen den Leuchtstoffelementteilen Vorteile bieten kann (es wird einer unbeabsichtigten Anregung des jeweilig anderen Leuchtstoffelementteils durch bspw. Streuprozesse vorgebeugt). Andererseits kann aber auch ein einstückiges Leuchtstoffelement derart optisch voneinander entkoppelte Bereiche aufweisen, wobei die Bereiche bspw. mit einer Trennwand (z. B. aus einem reflektiven oder absorbierenden Material) voneinander entkoppelt sein können; es kann aber auch (trotz der insgesamt einstückigen Ausgestaltung) eine Entkopplung durch eine bereichsweise mechanische Auftrennung, bspw. in einer Leuchtstoffschicht eines insgesamt mehrlagigen Leuchtstoffelements, geschaffen werden.
Mit Cer dotiertes Yttrium-Aluminium-Granat (YAG:Ce) ist als Leuchtstoff generell bevorzugt. Im Allgemeinen kann „Leuchtstoff“ aber auch auf eine Mischung mehrerer Einzel-Leuchtstoffe zu lesen sein, wovon dann einer bspw. YAG:Ce sein kann. Im Allgemeinen ist mit einer jeweiligen Laserquelle auch eine ortsveränderliche Bestrahlung der Einstrahlfläche denkbar, kann die Laser-Bestrahlungsfläche also bspw. abgerastert werden. Auch insofern wird begrifflich zwischen „Bestrahlungsbereich“ als dem gesamten mit der jeweiligen Laserstrahlung in einem jeweiligen Zeitpunkt (Momentaufnahme) bestrahlten Bereich der Einstrahlfläche und „Bestrahlungsfläche“ unterschieden, wobei sich letztere im zeitlichen Integral ergibt.
Die Laser-Bestrahlungsfläche einer jeweiligen Laserquelle ergibt sich als Vereinigungsmenge aller mit der jeweiligen Laserquelle bestrahlten Laser-Bestrahlungsbereiche. Dies meint die Betrachtung „im Integral“. Eine jeweilige Laser-Bestrahlungsfläche ist also die über den Betrieb hinweg von der jeweiligen Laserquelle insgesamt bestrahlte Fläche. Bevorzugt sind die jeweiligen Laser-Bestrahlungsbereiche über den Betrieb hinweg, sofern mit der jeweiligen Laserquelle bestrahlt wird, ortsunveränderlich. Ein jeweiliger Bestrahlungsbereich (Momentaufnahme) kann während des Betriebs hinzu- oder weggeschaltet werden, ist dann im Übrigen aber deckungsgleich mit der jeweiligen Bestrahlungsfläche. Ein jeweiliger Bestrahlungsbereich / eine jeweilige Bestrahlungsfläche wird auf der Einstrahlfläche bevorzugt nach der Halbwertsbreite genommen, und zwar bezogen auf die Bestrahlungsstärke, hat seinen Rand also dort, wo diese auf die Hälfte abgefallen ist. Alternative Definitionsmöglichkeiten wären bspw. ein Abfall auf 1/e² oder auf 2-Sigma bzw. 3-Sigma.
Bevorzugt wird das Leuchtstoffelement in Transmission betrieben, sind also die Einstrahl- und die Abstrahlfläche einander entgegengesetzt (gleichwohl sind das Abstrahlmuster auf der Abstrahlfläche und das Einstrahlmuster auf der Einstrahlfläche im Wesentlichen deckungsgleich). Im Allgemeinen wäre aber auch ein Betrieb in Reflexion möglich, könnten also Einstrahl- und Abstrahlfläche auch zusammenfallen (und die entgegengesetzte Seitenfläche des Leuchtstoffelements dann bspw. verspiegelt sein). Generell kann an der Einstrahl- und/oder der Abstrahlfläche eine dichroitische Verspiegelung vorgesehen sein, bspw. beim Betrieb in Transmission an der Einstrahlfläche eine für das Konversionslicht reflektive / die Laserstrahlung transmissive Beschichtung und/oder an der Abstrahlfläche eine für das Konversionslicht transmissive / die Laserstrahlung reflektive Beschichtung. Die Konversion ist bevorzugt eine Down-Konversion, das Konversionslicht ist gegenüber der Laserstrahlung also längerwellig (niedrigerenergetisch).
Im Allgemeinen kann eine jeweilige „Laserquelle“ auch aus mehreren Einzel-Laserquellen aufgebaut sein, deren jeweilige Einzel-Strahlenbündel bspw. mit einer Strahlkompressionsoptik überlagert werden können. Bevorzugt ist jede Laserquelle für sich eine Einzel-Laserquelle, wobei als Einzel-Laserquelle generell eine Laserdiode bevorzugt ist (besonders bevorzugt entspricht also jede Laserquelle genau einer Laserdiode). Je Laserquelle durchsetzt die Laserstrahlung auf ihrem Pfad zu der Einstrahlfläche bevorzugt optisch wirksam ein Fluidvolumen, bevorzugt ein Gasvolumen, besonders bevorzugt Luft; ein solcher Aufbau wird auch als LARP-Anordnung bezeichnet (Laser Activated Remote Phosphor).
Bei einer bevorzugten Ausführungsform treffen die Laser-Strahlenbündel jeweils mit einer jeweiligen Schwerpunktrichtung auf die Einstrahlfläche und ist jene des ersten Laser-Strahlenbündels zu jener des zweiten Laser-Strahlenbündels verkippt, bspw. um mindestens 3°, 5°, 7°, 9° bzw. 10° und (davon unabhängig) um z. B. nicht mehr als 40°, 30° bzw. 20° (jeweils in der Reihenfolge der Nennung zunehmend bevorzugt). Eine jeweilige „Schwerpunktrichtung“ eines jeweiligen Strahlenbündels ergibt sich generell als Mittelwert sämtlicher Richtungsvektoren des Strahlenbündels an der jeweilig betrachteten Stelle, wobei bei dieser Mittelwertbildung jeder Richtungsvektor mit der ihm zugehörigen Strahlstärke gewichtet wird.
Eine verkippte Strahlführung kann bspw. insoweit vorteilhaft sein, als so trotz eines montagebedingten Mindest-Relativabstands der Laserquellen zueinander eine Anordnung der Laser-Bestrahlungsflächen nahe beisammen bzw. teilweise überlappend realisiert werden kann, und zwar mit vergleichsweise einfachen optischen Mitteln (siehe unten um Detail). Bevorzugt treffen sämtliche Laser-Strahlenbündel zueinander verkippt auf die Einstrahlfläche, ist also jedes der Laser-Strahlenbündel jeweils zu jedem der übrigen verkippt (es wird auf die auf die Winkelangaben im vorherigen Absatz verwiesen).
In bevorzugter Ausgestaltung ist jeder der Laserquellen eine jeweilige Kollimationslinse zugeordnet, welcher unmittelbar nachgelagert der Öffnungswinkel des jeweiligen Laser-Strahlenbündels zumindest verringert ist (im Vergleich zu unmittelbar vorgelagert), bspw. um mindestens 30 %, 50 % bzw. 70 %. Wenngleich der Kollimationslinse nachgelagert ein perfekt kollimiertes Laser-Strahlenbündel (Öffnungswinkel 0°) bevorzugt sein kann, kann bspw. technisch bedingt eine Obergrenze der Öffnungswinkel-Verringerung bei z. B. 99,9 % liegen. Der jeweiligen Kollimationslinse unmittelbar nachgelagert soll der Öffnungswinkel bspw. nicht größer als 5°, 4°, 3° bzw. 2° sein, wobei eine Untergrenze (davon unabhängig) bspw. bei 0,1° liegen kann. Andererseits kann aber der Kollimationslinse nachgelagert sogar auch ein konvergentes Strahlenbündel bevorzugt sein. Sollte das Strahlenbündel in den Achsen senkrecht zu seiner Schwerpunktrichtung unterschiedliche Öffnungswinkel haben, wird als Öffnungswinkel der Mittelwert aus dem kleinsten und dem größten Öffnungswinkel betrachtet. Wenngleich der Öffnungswinkel im Allgemeinen bspw. auch dort genommen werden könnte (hinsichtlich einer seitlichen Begrenzung des Strahlenbündels), wo die Leistung auf 1/e² einer maximalen Leistung abgefallen ist, wird er vorliegend bevorzugt dort genommen, wo die Leistung auf die Hälfte abgefallen ist (Halbwertsbreite).
Bevorzugt durchsetzt zumindest eines der Laser-Strahlenbündel die zugeordnete Kollimationslinse zu deren optischer Achse seitlich versetzt und wird dadurch die Verkippung der Laser-Strahlenbündel auf der Einstrahlfläche des Leuchtstoffelements zumindest unterstützt. Das entsprechende Laser-Strahlenbündel wird mit dem versetzten Durchtritt zur optischen Achse dieser Kollimationslinse verkippt (betrachtet der Kollimationslinse unmittelbar nachgelagert), bspw. um mindestens 2°, 3°, 4°, 5°, 6° bzw. 7° und (davon unabhängig) um z. B. nicht mehr als 20°, 15° bzw. 10° (jeweils in der Reihenfolge der Nennung zunehmend bevorzugt). Der Kollimationslinse unmittelbar vorgelagert ist das Laser-Strahlenbündel bevorzugt nicht verkippt zu deren optischer Achse (0°), im Allgemeinen ist aber auch eine leicht verkippte Kollimationslinse denkbar. Generell wird bei der Betrachtung der Verkippung eines Laser-Strahlenbündels dessen Schwerpunktrichtung an der jeweiligen Stelle betrachtet.
Bevorzugt ist die Verkippung relativ zur optischen Achse der Kollimationslinse dieser unmittelbar nachgelagert gleich der Verkippung an der Einstrahlfläche relativ zu einer Flächennormalen auf der Einstrahlfläche, würde also in anderen Worten ein der Kollimationslinse nachgelagert zu deren optischer Achse paralleles Laser-Strahlenbündel senkrecht auf die Einstrahlfläche treffen. Die „optische Achse“ einer Linse ist generell bevorzugt eine Symmetrieachse, zu welcher die jeweilige Linse, jedenfalls ihre Lichtdurchtrittsflächen, zumindest dreh-, bevorzugt rotationssymmetrisch ist. Die Angaben „vorgelagert“ und „nachgelagert“ beziehen sich generell auf den Pfad der Strahlungsausbreitung. Im Allgemeinen könnte die Kollimationslinse auch aus einer Mehrzahl aufeinanderfolgend angeordneter Einzellinsen aufgebaut sein, bevorzugt wird sie jedoch von genau einer Einzellinse gebildet.
Bei einer bevorzugten Ausführungsform ist zumindest eine der Kollimationslinsen seitlich zu ihrer optischen Achse versetzbar gelagert, kann also in dieser Lagerung der seitliche Versatz zwischen der optischen Achse und dem entsprechenden Laser-Strahlenbündel verändert werden. Generell (auch im Falle einer statischen Anordnung) bezieht sich der „seitliche Versatz“ des Strahlenbündels zur optischen Achse auf den Versatz eines Mittenstrahls des Laser-Strahlenbündels zur optischen Achse, und zwar in einer tangential an die Einstrahlfläche der Kollimationslinse gelegten, zu deren optischer Achse senkrechten Ebene. Der Mittenstrahl hat die Schwerpunktrichtung des Laser-Strahlenbündels und liegt mittig in diesem, also in einer zur Schwerpunktrichtung senkrechten Schnittebene im geometrischen Flächenschwerpunkt. Infolge des „seitlichen Versatzes“ muss also nicht notwenigerweise das jeweilige Laser-Strahlenbündel im Gesamten neben der optischen Achse liegen.
Die seitlich versetzbar gelagerte Kollimationslinse ist mit zumindest einer Richtungskomponente senkrecht zu ihrer optischen Achse versetzbar gelagert, bspw. stufenlos verschiebbar, etwa getrieben über einen Linearmotor bzw. -aktor oder auch 3D-Aktor. Bevorzugt ist die Beleuchtungsvorrichtung dann für ein Versetzen der Kollimationslinse im Betrieb eingerichtet, sodass also die Position des entsprechenden Laser-Bestrahlungsbereichs im Betrieb verändert und damit aktiv zur Anpassung der Abstrahlcharakteristik genutzt werden kann. Andererseits kann eine versetzbare Lagerung aber bspw. auch nur in bestimmten Intervallen außerhalb des eigentlichen Betriebs der Beleuchtungsvorrichtung genutzt werden, bspw. zum Nachjustieren.
Bei einer bevorzugten Ausführungsform unterscheiden sich die jeweiligen Paare aus Laserquelle mit zugeordneter Kollimationslinse in ihrem jeweiligen Relativabstand zwischen Laserquelle und Kollimationslinse. In anderen Worten durchsetzt das erste Laser-Strahlenbündel in einem ersten Abstand zur ersten Laserquelle die erste Kollimationslinse und das zweite Laser-Strahlenbündel in einem zweiten Abstand zur zweiten Laserquelle die zweite Kollimationslinse, wobei der erste und der zweite Abstand unterschiedlich groß sind. Ein jeweiliger Abstand wird entlang des Mittenstrahls des jeweiligen Strahlenbündels von der Austrittsfläche (auch als „Facette“ bezeichnet) der jeweiligen Laserquelle bis zur Eintrittsfläche der jeweiligen Kollimationslinse genommen.
Mit den unterschiedlichen Abständen können Laser-Bestrahlungsflächen unterschiedlicher Größe eingestellt werden, sodass also bspw. von baugleichen Laserquellen ausgehend mit dem einen Abstand ein größerer Laser-Bestrahlungsbereich (etwa zur Grundausleuchtung) und mit dem anderen Abstand ein kleinerer Laser-Bestrahlungsbereich (z. B. für den „Autobahn-Boost“) realisiert werden kann. Baugleiche Laserquellen sind generell bevorzugt, Größenunterschiede der Laser-Bestrahlungsflächen werden optisch erreicht.
Bei einer bevorzugten Ausführungsform ist zumindest eine der Kollimationslinsen entlang ihrer optischen Achse versetzbar gelagert, also mit zumindest einer Richtungskomponente parallel zu der optischen Achse. Das entlang der optischen Achse versetzbar Gelagertsein kann auch mit einem seitlich versetzbar Gelagertsein kombiniert sein, es kann aber andererseits auch eine Lagerung bevorzugt sein, die jeweils ausschließlich einen Versatz parallel zur optischen Achse oder senkrecht dazu erlaubt. Die Beleuchtungsvorrichtung kann einerseits dazu eingerichtet sein, dass die Kollimationslinse während des Betriebs entlang der optischen Achse versetzt wird, die Flächenänderung des jeweiligen Laser-Bestrahlungsbereichs also aktiv zur Anpassung der Abstrahlcharakteristik genutzt wird. Andererseits ist aber auch eine Justage außerhalb des eigentlichen Betriebs möglich, selbstverständlich auch eine Kombination der beiden Varianten. Bevorzugt erlaubt die Lagerung ein stufenloses Verschieben, bspw. getrieben über einen Linearmotor.
Bei einer bevorzugten Ausführungsform ist die jeweilige Kollimationslinse die einzige Linse, die das jeweilige Laser-Strahlenbündel zwischen der jeweiligen Laserquelle und dem Leuchtstoffelement durchsetzt. Vielfach werden Laserdioden in der Praxis bereits originär mit einer Kollimationslinse versehen, die dann insoweit in einer standardisierten Relativposition zur Laserdiode lagefixiert ist. Für die eigentliche Strahlformung und/oder -führung zu einem Leuchtstoffelement hin sind dann weitere optische Bauteile notwendig.
Der Erfinder hat festgestellt, dass sich bspw. mit einer individuellen Justage der Kollimationslinsen zum einen Einstellungsmöglichkeiten eröffnen (Position und Form der jeweiligen Laser-Einstrahlfläche, siehe vorne), zum anderen aber auch Unterschiede kompensieren lassen, die sich bspw. durch die Montage der Laserquellen relativ zueinander ergeben, etwa beim Verlöten auf einer Leiterplatte. Dementsprechend kann auf (eine) weitere Linse(n) zum Einstellen/Justieren verzichtet werden, was in Kostenhinsicht Vorteile bieten und auch das Gewicht bzw. letztlich die Robustheit optimieren helfen kann.
Bei einer bevorzugten Ausführungsform durchsetzen die Laser-Strahlenbündel jeweils ausschließlich abbildende optische Elemente, gibt es also bspw. keinen Integrator (Light Guide) zur Lichtmischung. Bevorzugt ist je Laser-Strahlenbündel genau eine Linse (die Kollimationslinse) und ein Reflektor, bevorzugt ein Reflektor mit elliptischer Reflexionsfläche, vorgesehen; der Reflektor ist bevorzugt ein gemeinsamer Reflektor aller Laser-Strahlenbündel. Ein Reflektor im Strahlengang kann generell bevorzugt sein, wobei die Laser-Strahlenbündel über die elliptische Reflexionsfläche zur Einstrahlfläche des Leuchtstoffelements geführt werden. An dem Leuchtstoffelement zurückgestreute Laserstrahlung kann dann bspw. zumindest anteilig auf eine andere Reflexionsfläche des Reflektors fallen, die bevorzugt sphärisch gekrümmt ist, um die Rückstreu-Laserstrahlung dann erneut zur Einstrahlfläche zu führen. Die beiden Reflexionsflächen unterschiedlicher Krümmung können auch fließend ineinander übergehen. Bzgl. der Vorteile, die der Verzicht auf nichtabbildende optische Elemente hat, wird auf den vorherigen Absatz verwiesen (z. B. Kosten- und Gewichtsoptimierung).
Generell kann bevorzugt eine Strahlkompressionsoptik vorgesehen sein, mit welcher die Laser-Strahlenbündel näher zusammengeführt werden, also bezogen auf eine Richtung senkrecht zur jeweiligen Haupt-Ausbreitungsrichtung. Bevorzugt ist die Strahlkompressionsoptik derart vorgesehen, dass sie den Öffnungswinkel eines jeweiligen Laser-Strahlenbündels und/oder die Verkippung der Laser-Strahlenbündel relativ zueinander nicht ändert. Bevorzugt kann eine Strahlkompressionsoptik mit einem Reflexionsprisma sein, wobei das jeweilige Laser-Strahlenbündel weiter bevorzugt mit zwei Reflexionen in dem Reflexionsprisma geführt ist (bevorzugt Totalreflexion). Bevorzugt hat das jeweilige Laser-Strahlenbündel dem Reflexionsprisma vorgelagert dieselbe Schwerpunktrichtung wie unmittelbar nachgelagert und breitet es sich in dem Reflexionsprisma schräg und damit zu dem/den anderen Laser-Strahlenbündeln hin aus.
Bei einer bevorzugten Ausführungsform sind die Laser-Bestrahlungsflächen, wie bereits erwähnt, vollständig überlappfrei nebeneinander angeordnet, was besonders bevorzugt sämtliche Laser-Bestrahlungsflächen der Beleuchtungsvorrichtung betrifft. Generell weist die Beleuchtungsvorrichtung bevorzugt eine der Abstrahlfläche zugeordnete Beleuchtungsoptik auf, bevorzugt eine abbildende Optik. Die Beleuchtungsoptik kann bspw. aus einer Linse (einer Einzellinse oder einem System aus mehreren Einzellinsen) und/oder einem Reflektor aufgebaut sein. Bevorzugt wird mit der Beleuchtungsoptik das an einem Punkt der Abstrahlfläche abgegebene Beleuchtungslicht für sich kollimiert in eine jeweilige Raumrichtung geführt.
Die nebeneinander angeordneten Laser-Bestrahlungsflächen können bspw. um mindestens 50 µm, bevorzugt mindestens 100 µm, weiter bevorzugt mindestens 150 µm, zueinander beabstandet sein (hierbei betrachtet der kleinste Abstand zwischen nächstbenachbarten Laser-Bestrahlungsflächen); mögliche Obergrenzen des kleinsten Abstands nächstbenachbarter, nebeneinander angeordneter Laser-Bestrahlungsflächen können bspw. bei höchstens 1.000 µm, 900 µm, 800 µm, 700 µm, 600 µm, 500 µm, 400 µm bzw. 300 µm liegen (in der Reihenfolge der Nennung zunehmend bevorzugt). Jeweils für sich kann eine der nebeneinander angeordneten Laser-Bestrahlungsflächen eine mittlere Erstreckung (Mittelwert aus kleinster und größter Erstreckung) von bspw. mindestens 100 µm, 200 µm bzw. 300 µm haben, mit (davon unabhängig) möglichen Obergrenzen bei z. B. höchstens 1.000 µm, 900 µm, 800 µm bzw. 700 µm.
Bei einer bevorzugten, zu der vollständig überlappfreien Anordnung alternativen Ausführungsform ist die zweite Laser-Bestrahlungsfläche eine Teilmenge der ersten Laser-Bestrahlungsfläche, ist sie also kleiner und vollständig in der ersten Laser-Bestrahlungsfläche enthalten. Es wird ausdrücklich auch auf die Ausführungen vorstehend verwiesen.
Bei einer anderen bevorzugten Ausführungsform haben die Laser-Bestrahlungsflächen jeweils eine längliche Form und überkreuzen sie sich, also überkreuzen sie einander. Eine Laser-Bestrahlungsfläche hat eine „längliche Form“, wenn sie entlang einer Längenachse eine um mindestens das 2-fache, in der Reihenfolge der Nennung zunehmend bevorzugt mindestens das 4-, 6-, 8-, 10- bzw. 12-fache, größere Erstreckung als entlang einer dazu senkrechten Breitenachse hat; mögliche Obergrenzen können bspw. bei höchstens dem 200-, 150-, 100-, 50- bzw. 25-fachen liegen. Im Allgemeinen ist dabei bspw. auch eine elliptische Form denkbar, bevorzugt sind die länglichen Laser-Bestrahlungsflächen jeweils im Wesentlichen rechteckförmig. Laser-Bestrahlungsflächen mit derart länglicher Form können ausdrücklich auch unabhängig von der Anordnung über Kreuz von Interesse sein, können also auch überlappfrei nebeneinander auf der Einstrahlfläche liegen.
Bei der bevorzugten Anordnung über Kreuz erstreckt sich die eine Laser-Bestrahlungsfläche über die andere hinweg (bzw. umgekehrt); es gibt also eine Überlappfläche, wobei jede der Laser-Bestrahlungsflächen sich jeweils beidseits der Überlappfläche erstreckt (entlang ihrer jeweiligen Längenachse). Bevorzugt ist eine Anordnung über Kreuz derart, dass in jeder der Laser-Bestrahlungsflächen der Überlappbereich mittig liegt. Das „sich Kreuzen“ bzw. die Anordnung „über Kreuz“ soll im Allgemeinen keine Implikation dahingehend haben, dass die Anordnung rechtwinklig ist, also der zwischen den Längenachsen genommene Schnittwinkel 90° beträgt. Insbesondere bei mehr als zwei über Kreuz angeordneten Laser-Bestrahlungsflächen kann er bspw. auch entsprechend kleiner sein.
Auch bei mehr als zwei miteinander über Kreuz angeordneten Laser-Bestrahlungsflächen gibt es bevorzugt einen einzigen gemeinsamen Überlappbereich, in dem sich alle Laser-Bestrahlungsflächen schneiden. Generell ist eine drehsymmetrische Anordnung der einander kreuzenden Laser-Bestrahlungsflächen bevorzugt, wobei eine Achse der Drehsymmetrie weiter bevorzugt im Überlappbereich liegt.
Bei einer bevorzugten Ausführungsform ist als jeweilige Laserquelle eine jeweilige Laserdiode vorgesehen, und zwar jeweils mit langsamer und schneller Achse, wobei jedenfalls die erste und die zweite Laserdiode in Bezug auf ihre Achsen zueinander verdreht angeordnet sind. Eine Laserdiode mit langsamer und schneller Achse emittiert ein Laser-Strahlenbündel, das in einer die schnelle Achse und den Mittenstrahl beinhaltenden Schnittebene einen maximalen Öffnungswinkel und in einer die langsame Achse und den Mittenstrahl beinhaltenden Schnittebene einen minimalen Öffnungswinkel hat. Dabei ist der maximale Öffnungswinkel um mindestens das 2-fache, in der Reihenfolge der Nennung zunehmend bevorzugt mindestens das 4-, 6-, 8-, 10- bzw. 12-fache, größer als der minimale Öffnungswinkel ist; mögliche Obergrenzen liegen (davon unabhängig) bspw. bei höchstens dem 40-, 30-, bzw. 25-fachen.
Sind zwei Laserdioden in Bezug auf ihre Achsen zueinander verdreht, meint dies, dass in einer gemeinsamen Referenzebene, welche die von den zueinander verdrehten Laserdioden emittierten Laser-Strahlenbündel jeweils senkrecht durchsetzen, die Achse, entlang welcher das eine Laser-Strahlenbündel seinen maximalen Öffnungswinkel hat (schnelle Achse) zu der entsprechenden Achse des anderen Laser-Strahlenbündels verdreht (nicht parallel) ist. Eine solche Referenzebene kann bspw. zwischen den Laserdioden und den Kollimationslinsen liegen.
Bei einer bevorzugten Ausführungsform ist die Anordnung der länglichen Laser-Bestrahlungsflächen über Kreuz (siehe vorne) durch ein entsprechendes Verdrehen von Laserdioden mit jeweils langsamer und schneller Achse realisiert, wobei je Laserdiode/Laser-Strahlenbündel die langsame Achse mit der Längenachse der jeweiligen Laser-Bestrahlungsfläche zusammenfällt und die schnelle Achse mit der Breitenachse. Bei einer Laserdiode mit langsamer/schneller Achse hat bereits deren Austrittsfläche eine längliche Form, wobei auf der längeren Achse das Strahlenbündel weniger aufgespreizt wird, was der langsamen Achse entspricht (auf der kürzeren Achse wird stärker aufgespreizt, was der schnellen Achse entspricht). Wird die Austrittsfläche auf das Leuchtstoffelement abgebildet, fallen somit langsame Achse und Längenachse sowie schnelle Achse und Breitenachse zusammen.
Im Allgemeinen könnten die Laser-Bestrahlungsflächen mit länglicher Form aber bspw. auch von einer Laserdiode ohne langsame/schnelle Achse ausgehend realisiert werden, bspw. indem das entsprechende Laser-Strahlenbündel über eine Zylinderlinse geführt wird (was dann die Asymmetrie bedingt).
Die Erfindung betrifft auch einen Kfz-Scheinwerfer mit einer vorliegend offenbarten Beleuchtungsvorrichtung, bevorzugt einen Automobil- und/oder Frontscheinwerfer. Sofern generell davon die Rede ist, dass die Beleuchtungsvorrichtung bzw. der Kfz-Scheinwerfer für einen bestimmten Betrieb „eingerichtet“ ist, meint dies bspw., dass eine entsprechende Treiber- und/oder Steuerelektronik vorgesehen ist, mit welcher die Beleuchtungseinheit / der Kfz-Scheinwerfer dann entsprechend betrieben wird.
In bevorzugter Ausgestaltung ist der Kfz-Scheinwerfer so eingerichtet, dass die zweite Laserquelle zur Bestrahlung der zweiten, als Teilmenge in der ersten enthaltenen Laser-Bestrahlungsfläche in Abhängigkeit von der Kfz-Geschwindigkeit hinzugeschaltet wird. Dies geschieht vorzugsweise ab einer Mindestgeschwindigkeit, bspw. von mindestens 80 km/h, 100 km/h bzw. 120 km/h (sie sollte dann bspw. jedenfalls ab 130 km/h hinzugeschaltet sein). Bevorzugt betrifft dies generell einen Fernlichtmodus des Kfz-Scheinwerfers, bildet bzw. unterstützt also auch bereits das auf die Bestrahlung mit der zweiten Laserquelle hin abgegebene Beleuchtungslicht ein Fernlicht.
Ein in bevorzugter Ausgestaltung vorgesehener Kfz-Scheinwerfer, bei dessen Beleuchtungsvorrichtung die Laser-Bestrahlungsflächen überlappfrei nebeneinander liegen, ist zum Zwecke einer adaptiven Straßenausleuchtung dahingehend eingerichtet, dass die Bestrahlung der Laser-Bestrahlungsflächen selektiv und unabhängig voneinander weggeschaltet wird. Es richtet sich nach der Situation im jeweiligen Raumwinkelbereich, ob dort also bspw. ein anderer Verkehrsteilnehmer detektiert wurde (z. B. mit einer Kamera, siehe vorne), ob Beleuchtungslicht zugeführt und dementsprechend die zugeordnete Laser-Bestrahlungsfläche bestrahlt werden soll. Es wird auch auf die vorstehenden Ausführungen verwiesen.
Die Erfindung betrifft auch ein Verfahren zum Herstellen einer vorliegend offenbarten Beleuchtungsvorrichtung / eines Kfz-Scheinwerfers, wobei zumindest einer der Laserquellen eine Kollimationslinse zugeordnet und diese Kollimationslinse justiert wird. Zunächst wird die Laserquelle positioniert und dabei bevorzugt auch gleich relativ zur übrigen Beleuchtungsvorrichtung (bzw. den in diesem Herstellungsschritt bereits vorhandenen Teilen davon) lagefixiert, bspw. durch Verkleben und/oder Verlöten. Zum Justieren der Kollimationslinse wird diese dann der Laserquelle zugeordnet und wird die Laserquelle in Betrieb gesetzt, sodass das Laser-Strahlenbündel die Kollimationslinse durchsetzt (die Kollimationslinse kann auch bei betriebener Laserquelle zugeordnet, also in das Laser-Strahlenbündel eingeschoben werden).
Anschließend wird die Kollimationslinse entlang ihrer optischen Achse versetzt, und zwar bis sie eine Austrittsfläche („Facette“) der Laserquelle in eine Referenzebene abbildet. Ein Abbildungsmaßstab (Bild:Austrittsfläche) kann dabei bspw. bei mindestens 2:1, 3:1, 4:1 bzw. 5:1 liegen, wobei mögliche Obergrenzen (davon unabhängig) bspw. bei höchstens 30:1, 25:1, 20:1 bzw. 15:1 liegen können (jeweils in der Reihenfolge der Nennung zunehmend bevorzugt). Auf verschiedenen Achsen kann der Abbildungsmaßstab dabei auch unterschiedlich sein, bspw. bei Verwendung einer Zylinderlinse, bevorzugt ist er identisch. In der Referenzebene kann bspw. eine Vierquadranten-Diode bzw. ein Flächenlichtsensor, etwa ein CCD-Array, angeordnet sein, mit dem die Fokussierung überwacht wird. Bei der fertigen Beleuchtungsvorrichtung ist in der Referenzebene entweder das Leuchtstoffelement selbst, insbesondere dessen Einstrahlfläche, angeordnet, oder es wird die Referenzebene auf das Leuchtstoffelement, insbesondere dessen Einstrahlfläche, abgebildet, etwa über einen Reflektor.
Anschließend, nachdem für die Kollimationslinse in der beschriebenen Weise eine Referenzposition ermittelt wurde, in welcher sie die Austrittsfläche der Laserquelle in die Referenzebene abbildet, wird die Kollimationslinse entlang ihrer optischen Achse versetzt. Der mit dem Laser-Strahlenbündel in der Referenzebene bestrahlte Bereich wird damit vergrößert, mit Blick auf die resultierende Beleuchtungsvorrichtung wird für den Laser-Bestrahlungsbereich bzw. die Laser-Bestrahlungsfläche die gewünschte Größe eingestellt. Ist diese erreicht, werden die Kollimationslinse und die Laserquelle in ihrer Relativposition zueinander festgelegt, bspw. miteinander verklebt. Dazu kann bspw. ein UV-härtender Klebstoff genutzt werden, der bei Erreichen der gewünschten Relativposition belichtet und damit gehärtet wird.
In bevorzugter Ausgestaltung wird die Kollimationslinse auch seitlich zu ihrer optischen Achse versetzt und wird so eine Position des bestrahlten Bereichs in der Referenzebene und damit letztlich eine Position des Laser-Bestrahlungsbereichs bzw. der -fläche auf der Einstrahlfläche eingestellt. Die Einstellung von Position und Größe kann sequenziell oder auch gleichzeitig erfolgen, anschließend werden die Laserquelle und die Kollimationslinse in ihrer Relativposition festgelegt, siehe vorne.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Im Folgenden wird die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen näher erläutert, wobei die einzelnen Merkmale im Rahmen der nebengeordneten Ansprüche auch unabhängig voneinander von Interesse sein können und auch weiterhin nicht immer im Einzelnen zwischen den unterschiedlichen Anspruchskategorien unterschieden wird.
Im Einzelnen zeigt
1 eine erste erfindungsgemäße Beleuchtungsvorrichtung mit drei Laserquellen;
2 die Einstrahlfläche eines Leuchtstoffelements der Beleuchtungsvorrichtung gemäß 1 in einer Aufsicht;
3 eine zweite erfindungsgemäße Beleuchtungsvorrichtung mit acht Laserquellen in einer Schrägansicht;
4 die Beleuchtungsvorrichtung gemäß 3 in einer Seitenansicht;
5 die Einstrahlfläche eines Leuchtstoffelements der Beleuchtungsvorrichtung gemäß den 3 und 4 in einer Aufsicht;
6a die Einstrahlfläche eines Leuchtstoffelements einer weiteren Beleuchtungsvorrichtung in einer Aufsicht;
6b die Abstrahlfläche des Leuchtstoffelements gemäß 6a in einer Aufsicht;
7 eine weitere erfindungsgemäße Beleuchtungsvorrichtung mit drei Laserquellen;
8a die Einstrahlfläche eines Leuchtstoffelements der Beleuchtungsvorrichtung gemäß 7 in einer Aufsicht;
8b die Abstrahlfläche des Leuchtstoffelements gemäß 8a in einer Aufsicht.
Bevorzugte Ausführung der Erfindung
1 zeigt eine erfindungsgemäße Beleuchtungsvorrichtung 1 mit drei Laserquellen 2a, b, c, nämlich drei Laserdioden. Jede der Laserquellen 2a, b, c emittiert ein jeweiliges Laser-Strahlenbündel 3a, b, c. Jeder der Laserquellen 2a, b, c ist jeweils unmittelbar nachgelagert eine jeweilige Kollimationslinse 4a, b, c zugeordnet, welche das jeweilige Laser-Strahlenbündel 3a, b, c durchsetzt und dabei jeweils kollimiert wird.
Über eine Strahlkompressionsoptik (siehe unten) werden die Laser-Strahlenbündel 3a, b, c auf ein Leuchtstoffelement 5 geführt. Sie treffen auf eine Einstrahlfläche 6 des Leuchtstoffelements 5, woraufhin an einer entgegengesetzten Abstrahlfläche 7 Beleuchtungslicht 8 emittiert wird. Das Beleuchtungslicht 8 setzt sich aus anteilig nicht konvertierter Laserstrahlung, vorliegend blauem Laserlicht, und einem Konversionslicht zusammen. Der Leuchtstoff ist Yttrium-Alumnium-Granat (YAG:Ce), und das auf die Anregung mit dem blauen Laserlicht erzeugte Konversionslicht ist Gelblicht. Das sich in Mischung ergebende Beleuchtungslicht 8 ist Weißlicht.
Vorliegend nicht im Einzelnen gezeigt ist eine Beleuchtungsoptik, mit welcher das Beleuchtungslicht der Beleuchtungsanwendung zugeführt wird (siehe auch die Beschreibungseinleitung im Detail). Ferner könnte in Abhängigkeit von der Einbaulage die Laserstrahlung nicht wie gezeigt direkt auf das Leuchtstoffelement 5 treffen, sondern zunächst über einen Reflektor umgelenkt werden (der Einfachheit halber nicht gezeigt); dort wo in 1 die Laser-Strahlenbündel 3a, b, c auf der Einstrahlfläche 6 zusammentreffen, könnte also bspw. der erste Brennpunkt einer elliptischen Reflexionsfläche liegen, und das Leuchtstoffelement 5 wäre dann im zweiten Brennpunkt angeordnet (dabei könnte das Leuchtstoffelement 6 im Allgemeinen auch geneigt/verkippt zur Einstrahlrichtung angeordnet sein).
2 zeigt das Leuchtstoffelement 5 in Aufsicht, und zwar in Einstrahlrichtung auf die Einstrahlfläche 6 blickend. Dabei sind zwei im Betrieb mit Laserstrahlung bestrahlte Laser-Bestrahlungsflächen 20 zu erkennen, nämlich eine erste Laser-Bestrahlungsfläche 20a (punktiert eingefasst) und eine demgegenüber kleinere, zweite Laser-Bestrahlungsfläche 20b (strichliert eingefasst). Die erste Laser-Bestrahlungsfläche 20a wird im Betrieb der ersten Laserquelle 2a mit dem ersten Laser-Strahlenbündel 3a bestrahlt, und die zweite Laser-Bestrahlungsfläche 20b wird im Betrieb der zweiten Laserquelle 2b mit dem zweiten Laser-Strahlenbündel 3b bestrahlt. Auch mit dem dritten Laser-Strahlenbündel 3c der dritten Laserquelle 2c wird eine Laser-Bestrahlungsfläche bestrahlt, die deckungsgleich mit der ersten Laser-Bestrahlungsfläche 20a und deshalb in der Figur nicht im Einzelnen gezeigt ist.
Wird die Beleuchtungsvorrichtung 1 als Lichtquelle in einem Kfz-Scheinwerfer eingesetzt, wird mit einem Betrieb der ersten 2a und dritten Laserquelle 2c eine Grundausleuchtung in einem Fernlichtbetrieb geschaffen. Die Bestrahlung mit der zweiten Laserquelle 2b kann optional hinzugeschaltet werden, womit dann die Bestrahlungsstärke im Bereich der zweiten Laser-Bestrahlungsfläche 20b lokal überhöht wird. Entsprechend wird dann auch an der Abstrahlfläche 7 die Leuchtdichte lokal erhöht, womit sich umgekehrt die Reichweite des Beleuchtungslichts verbessern lässt. Die zweite Laserquelle 2b kann oberhalb einer Mindestgeschwindigkeit des Kraftfahrzeugs als Autobahn-Boost hinzugeschaltet werden.
Die Positionierung und Größe der Laser-Bestrahlungsflächen 20 ist vorteilhafterweise über die Kollimationslinsen 4a, b, c eingestellt. Die erste 4a und die dritte Kollimationslinse 4c werden von dem jeweiligen Laser-Strahlenbündel 3a, c, jeweils leicht seitlich versetzt zur jeweiligen optischen Achse durchsetzt und damit ein Stück weit verkippt, nämlich das erste Laser-Strahlenbündel 3a in 1 etwas nach unten und das dritte Laser-Strahlenbündel 3c nach oben. Im Ergebnis laufen die Laser-Strahlenbündel 3a, b, c so den Kollimationslinsen 4a, b, c nachgelagert bereits aufeinander zu. Ein alternativer Ansatz hätte darin bestanden, sich den Kollimationslinsen 4a, b, c nachgelagert parallel zueinander ausbreitende Laser-Strahlenbündel 3a, b, c durch eine gemeinsame Linse zu führen und damit aufeinander zu zu brechen. Demgegenüber ist der vorliegende Ansatz insoweit vorteilhaft, als eine relativ große zusätzliche Linse eingespart werden kann.
Um den Abstand zwischen den Laserquellen 2a, b, c, und dem Leuchtstoffelement 5 zu verkürzen, werden das erste 3a und das dritte Laser-Strahlenbündel 3c jeweils durch ein Reflexionsprisma 10a, b geführt und jeweils durch eine zweifache Reflexion (Totalreflexion) näher an das zweite Laser-Strahlenbündel 3b gebracht. Die Verkippung zwischen den Laser-Strahlenbündeln 3a, b, c wird dadurch jedoch nicht verändert.
Die unterschiedliche Größe der ersten 20a und zweiten Laser-Bestrahlungsfläche 20b ist darüber eingestellt, dass die erste Kollimationslinse 4a von der ersten Laserquelle 2a (von deren Austrittsfläche) einen anderen axialen Abstand hat als die zweite Kollimationslinse 4b von der zweiten Laserquelle 2b.
Die 3 und 4 zeigen eine zweite erfindungsgemäße Beleuchtungsvorrichtung 1, und zwar in einer Schrägansicht (3) und einer Seitenansicht (4). In diesem Fall sind acht Laserquellen 2a–h (wiederum Laserdioden) vorgesehen, die matrixförmig in zwei Zeilen / vier Spalten angeordnet sind.
Den Laserquellen 2a–h ist wiederum jeweils eine Kollimationslinse zugeordnet, die jedoch vorliegend nicht zu erkennen sind, weil sie in einem jeweiligen Linsenhalter 30a–h angeordnet sind (solche Linsenhalter sind bei der Beleuchtungsvorrichtung gemäß 1 auch vorgesehen, jedoch nicht dargestellt). Die Laser-Strahlenbündel 3a–h werden der Beleuchtungsvorrichtung 1 gemäß 1 vergleichbar bereits mit ihrer jeweiligen Kollimationslinse relativ zueinander verkippt, was insbesondere die Seitenansicht gemäß 4 veranschaulicht.
Die Laser-Strahlenbündel 3a–h werden dabei aber nicht nur innerhalb einer jeweiligen Zeile (à vier Laserquellen), sondern auch zwischen den Zeilen zueinander verkippt. Die Laser-Strahlenbündel 3a–h werden also nicht nur in der Zeichenebene gemäß 4, sondern auch senkrecht dazu verkippt, und zwar die Laser-Strahlenbündel 3a–d der in 4 sichtbaren Laserquellen 2a–d ein Stück weit in die Zeichenebene hinein. In dieser Hinsicht von unten kommen dann die Laser-Strahlenbündel 3e–h derart hinzu, dass die acht resultierenden Laser-Bestrahlungsflächen auf der Einstrahlfläche 6 des Leuchtstoffelements 5 entlang einer Geraden nebeneinander angeordnet sind. In 4 dröseln sich die Laser-Strahlenbündel 3a–d den Reflexionsprismen 10a, b nachgelagert also nicht auf, sondern kommen dort die Laser-Strahlenbündel 3e–h der zweiten Zeile an Laserquellen 2e–h hinzu, vgl. auch die Schrägansicht gemäß 3.
Im Ergebnis liegen die Laser-Bestrahlungsflächen der Beleuchtungsvorrichtung 1 gemäß den 3 und 4 in einer Zeile nebeneinander, und zwar überlappfrei. Es überlappt also keine der Laser-Bestrahlungsflächen mit einer anderen. Der Abstrahlfläche 7 des Leuchtstoffelements 5 ist wiederum eine (nicht dargestellte) Beleuchtungsoptik zugeordnet, mit welcher das von einem jeweiligen Punkt der Abstrahlfläche 7 ausgehend abgegebene Beleuchtungslicht in eine jeweilige Raumrichtung geführt wird, und zwar vorzugsweise jeweils für sich kollimiert. Im Ergebnis induziert also jede der Laserquellen 2a–h die Versorgung einer jeweiligen Raumrichtung bzw. eines jeweiligen Raumwinkelbereichs mit Beleuchtungslicht.
Die Beleuchtungsvorrichtung 1 könnte dann derart in einem Kfz-Scheinwerfer angeordnet sein, dass die Laser-Bestrahlungsflächen in horizontaler Richtung (bezogen auf die Einbaulage im Fahrzeug) nebeneinander angeordnet sind (die Darstellung gemäß 4 wäre dann eine Aufsicht, entlang der Vertikalen daraufblickend). Werden sämtliche Laserquellen 2a–h betrieben, wird die Straße bspw. samt Gegenspur und auch ein Bereich daneben großflächig ausgeleuchtet. Wird nun bspw. über ein Kamerasystem des Kraftfahrzeugs ein entgegenkommendes Fahrzeug detektiert, werden jene Raumwinkelbereiche, in denen sich dieses befindet, weggeschaltet, werden also die jeweilig zugeordneten Laserquellen 2a–h dann zeitweilig nicht oder mit reduzierter Leistung betrieben. Dies ist ein Beispiel zur Illustration der adaptiven Straßenausleuchtung.
5 zeigt das Leuchtstoffelement 5 der Beleuchtungsvorrichtung 1 gemäß den 3 und 4 in einer Aufsicht, auf die Einstrahlfläche 6 blickend. Die Laser-Bestrahlungsflächen 20a–h sind überlappfrei nebeneinander angeordnet. Wenngleich das Leuchtstoffelement 5 durchgehend dargestellt ist, sind die Laser-Bestrahlungsflächen 20a–h derart optisch entkoppelt, dass sich an der Abstrahlfläche 7 entsprechend nebeneinander angeordnete Beleuchtungslicht-Ausstrahlflächen (nicht im Einzelnen dargestellt) ergeben. Die optische Entkopplung kann bspw. mit das Leuchtstoffelement 5 durchsetzenden Trennwänden (absorbierend oder reflektierend) bzw. auch durch Unterbrechungen (bspw. durch Sägen eingebracht) realisiert sein.
6a zeigt die Einstrahlfläche 6 eines Leuchtstoffelements 5, das in einer 1 prinzipiell entsprechenden Anordnung bestrahlt wird, wobei die Laser-Bestrahlungsflächen 20a, b, c in diesem Fall überlappfrei nebeneinander liegen. Die Laser-Bestrahlungsflächen 20a–c sind dabei auch nicht, wie unter Verweis auf 5 erläutert, optisch entkoppelt, sondern es ist ein optisch durchgehendes Leuchtstoffelement 5 vorgesehen. An dessen der Einstrahlfläche 6 entgegengesetzter Abstrahlfläche 7 ergeben sich deshalb nicht separate Beleuchtungslicht-Ausstrahlflächen, sondern eine zusammenhängende Beleuchtungslicht-Ausstrahlfläche 60. Eine solche Anordnung kann bspw. insoweit vorteilhaft sein, als mit den nebeneinander angeordneten Laser-Bestrahlungsflächen 20a–c eine für das Leuchtstoffelement 5 schonende und hinsichtlich der Strahlführung der Laser-Strahlenbündel auch vergleichsweise einfache Anregung realisiert werden kann, die gleichwohl eine homogene Beleuchtungslicht-Ausstrahlung ergibt.
7 zeigt eine weitere Beleuchtungsvorrichtung 1, die analog jener gemäß 1 mit drei Laserquellen 2a, b, c realisiert ist. Im Unterschied zu der Beleuchtungsvorrichtung 1 gemäß 1 sind die Laserquellen jedoch teilweise zueinander verdreht, und zwar in Bezug auf ihre langsame/schnelle Achse. Konkret ist die zweite Laserquelle 2b derart orientiert, dass ihre schnelle Achse senkrecht auf der Zeichenebene steht. Demgegenüber ist die schnelle Achse der ersten Laserquelle 2a (und auch jene der dritten Laserquelle 2c) verkippt. So durchsetzt die schnelle Achse der ersten Laserquelle 2a die Zeichenebene unter einem Winkel von 45°, Gleiches gilt für die schnelle Achse der dritten Laserquelle 2c.
Ein jeweiliges Laser-Strahlenbündel 3a, b, c hat entlang der schnellen Achse seinen maximalen Öffnungswinkel, entlang der dazu senkrechten langsamen Achse hingegen den minimalen Öffnungswinkel.
8a illustriert für die Anordnung gemäß 7 die resultierende Ausrichtung und Positionierung der Laser-Bestrahlungsflächen 20a, b, c auf der Einstrahlfläche 6. Die Laser-Bestrahlungsflächen 20a, b, c haben jeweils eine längliche Form, nämlich jeweils entlang einer Längenachse genommen eine um ca. das 15-fache größere Erstreckung als entlang einer dazu senkrechten Breitenachse. Die Längenachse fällt jeweils mit der langsamen Achse zusammen, die Breitenachse mit der schnellen Achse. Die Laser-Bestrahlungsflächen 20a, b, c überkreuzen einander, schneiden sich also jeweils in einem gemeinsamen Überlappbereich 80. Die Anordnung ist drehsymmetrisch, die Drehachse liegt im Überlappbereich 80 (und durchsetzt die Einstrahlfläche 6 / die Zeichenebene senkrecht).
8b illustriert das resultierende Abstrahlmuster auf der Abstrahlfläche 7 des Leuchtstoffelements 5. Es ist wiederum eine im Wesentlichen homogene Beleuchtungslicht-Ausstrahlfläche 60 zu erkennen (vgl. 6b), weil das Leuchtstoffelement 5 durchgehend ausgebildet ist.
Bezugszeichenliste

1: Beleuchtungsvorrichtung
2a–h: Laserquellen
3a–h: Laser-Strahlenbündel
4a, b, c: Kollimationslinsen
5: Leuchtstoffelement
6: Einstrahlfläche
7: Abstrahlfläche
8: Beleuchtungslicht
10a, b: Reflexionsprismen
20a, b: Laser-Bestrahlungsflächen
30a–h: Linsenhalter
60: Beleuchtungslicht-Ausstrahlfläche
80: Überlappbereich

Claims

Beleuchtungsvorrichtung (1) zur Emission von Beleuchtungslicht (8), mit einer Mehrzahl Laserquellen (2), die jeweils zur Emission von Laserstrahlung vorgesehen sind, und einem Leuchtstoffelement (5) zur zumindest teilweisen Konversion der Laserstrahlung in ein Konversionslicht, welches zumindest anteilig das Beleuchtungslicht (8) bildet, wobei die Laserquellen (2) und das Leuchtstoffelement (5) derart relativ zueinander angeordnet sind, dass im Betrieb der Beleuchtungsvorrichtung (1) auf einer Einstrahlfläche (6) des Leuchtstoffelements (5) jeweils im zeitlichen Integral von einer ersten (2a) der Laserquellen (2) mit einem ersten Laser-Strahlenbündel (3a) eine erste Laser-Bestrahlungsfläche (20a) bestrahlt wird und von einer zweiten (2b) der Laserquellen (2) mit einem zweiten Laser-Strahlenbündel (3b) eine zweite Laser-Bestrahlungsfläche (20b) bestrahlt wird, wobei die erste (20a) und die zweite Laser-Bestrahlungsfläche (20b) zumindest teilweise überlappfrei sind.
Beleuchtungsvorrichtung (1) nach Anspruch 1, bei welcher das erste Laser-Strahlenbündel (3a) mit einer ersten Schwerpunktrichtung auf die Einstrahlfläche (6) trifft und das zweite Laser-Strahlenbündel (3b) mit einer zweiten Schwerpunktrichtung auf die Einstrahlfläche (6) trifft, wobei die erste und die zweite Schwerpunktrichtung zueinander verkippt sind.
Beleuchtungsvorrichtung (1) nach Anspruch 2, bei welcher jedes der Laser-Strahlenbündel (3) der jeweiligen Laserquelle (2) nachgelagert eine jeweilige Kollimationslinse (4) durchsetzt, wobei zumindest eines der Laser-Strahlenbündel (3) die jeweilige Kollimationslinse (4) zu deren optischer Achse seitlich versetzt durchsetzt, was die Verkippung der Laser-Strahlenbündel (3) zueinander zumindest unterstützt.
Beleuchtungsvorrichtung (1) nach Anspruch 2 oder 3, bei welcher jedes der Laser-Strahlenbündel (3) der jeweiligen Laserquelle (2) nachgelagert eine jeweilige Kollimationslinse (4) durchsetzt, wobei zumindest eine der Kollimationslinsen (4) seitlich zu ihrer optischen Achse versetzbar gelagert ist.
Beleuchtungsvorrichtung (1) nach einem der vorstehenden Ansprüche, bei welcher jedes der Laser-Strahlenbündel (3) der jeweiligen Laserquelle (2) nachgelagert eine jeweilige Kollimationslinse (4), die in einem jeweiligen Abstand zu der jeweiligen Laserquelle (2) angeordnet ist, durchsetzt, wobei die jeweiligen Abstände zumindest zum Teil unterschiedlich groß sind.
Beleuchtungsvorrichtung (1) nach einem der vorstehenden Ansprüche, bei welcher jedes der Laser-Strahlenbündel (3) der jeweiligen Laserquelle (2) nachgelagert eine jeweilige Kollimationslinse (4) durchsetzt, wobei zumindest eine der Kollimationslinsen (4) entlang ihrer optischen Achse versetzbar gelagert ist.
Beleuchtungsvorrichtung (1) nach einem der vorstehenden Ansprüche, bei welcher jedes der Laser-Strahlenbündel (3) der jeweiligen Laserquelle (2) nachgelagert eine jeweilige Kollimationslinse (4) durchsetzt, wobei die jeweilige Kollimationslinse (4) jeweils die einzige Linse ist, die das jeweilige Laser-Strahlenbündel (3) zwischen der jeweiligen Laserquelle (2) und der Einstrahlfläche (6) des Leuchtstoffelements (5) durchsetzt.
Beleuchtungsvorrichtung (1) nach einem der vorstehenden Ansprüche, bei welcher jedes der Laser-Strahlenbündel (3) zwischen der jeweiligen Laserquelle (2) und der Einstrahlfläche (6) des Leuchtstoffelements (5) jeweils ausschließlich abbildende optische Elemente durchsetzt.
Beleuchtungsvorrichtung (1) nach einem der vorstehenden Ansprüche, bei welcher die erste und die zweite Laser-Bestrahlungsfläche auf der Einstrahlfläche (6) des Leuchtstoffelements (5) vollständig überlappfrei nebeneinander angeordnet sind.
Beleuchtungsvorrichtung (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 8, bei welcher die zweite Laser-Bestrahlungsfläche (20b) eine Teilmenge der ersten Laser-Bestrahlungsfläche (20a) ist.
Beleuchtungsvorrichtung (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 8, bei welcher die erste (20a) und die zweite Laser-Bestrahlungsfläche (20b) jeweils für sich eine längliche Form haben, also jeweils entlang einer Längenachse eine um mindestens das 2-fache größere Erstreckung als entlang einer dazu senkrechten Breitenachse haben, wobei die erste (20a) und die zweite Laser-Bestrahlungsfläche (20b) einander auf der Einstrahlfläche (6) des Leuchtstoffelements (5) überkreuzen.
Beleuchtungsvorrichtung (1) nach einem der vorstehenden Ansprüche, bei welcher als die erste (2a) und die zweite Laserquelle (2b) jeweils eine Laserdiode vorgesehen ist, wobei die Laserdioden jeweils eine langsame und eine schnelle Achse haben und in Bezug auf diese Achsen zueinander verdreht angeordnet sind.
Beleuchtungsvorrichtung (1) nach den Ansprüchen 11 und 12, bei welcher bei einer jeweiligen Laserquelle (2) und der jeweilig zugehörigen Laser-Bestrahlungsfläche (20) die langsame Achse mit der Längenachse zusammenfällt und die schnelle Achse mit der Breitenachse zusammenfällt.
Kfz-Scheinwerfer mit einer Beleuchtungsvorrichtung (1) nach einem der vorstehenden Ansprüche.
Kfz-Scheinwerfer nach Anspruch 14 mit einer Beleuchtungsvorrichtung (1) nach Anspruch 10, der so eingerichtet ist, dass die zweite Laserquelle (2b) zur Bestrahlung der zweiten Laser-Bestrahlungsfläche (20b) in Abhängigkeit von der Kfz-Geschwindigkeit hinzugeschaltet wird.
Kfz-Scheinwerfer nach Anspruch 14 mit einer Beleuchtungsvorrichtung (1) nach Anspruch 9, der für eine adaptive Straßenausleuchtung so eingerichtet ist, dass die Laserquellen (2) zur Bestrahlung der nebeneinander angeordneten Laser-Bestrahlungsflächen jeweils selektiv hinzu- und weggeschaltet werden.
Verfahren zum Herstellen einer Beleuchtungsvorrichtung (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 13 oder eines Kfz-Scheinwerfers nach einem der Ansprüche 14 bis 16, gemäß welchem Verfahren zumindest einer der Laserquellen (2) eine Kollimationslinse (4) zugeordnet und diese justiert wird, indem – die zumindest eine Laserquelle (2) positioniert wird; – die zumindest eine positionierte Laserquelle (2) betrieben wird und ein Laser-Strahlenbündel (3) emittiert; – die Kollimationslinse (4) derart platziert wird, dass das Laser-Strahlenbündel (3) die Kollimationslinse (4) durchsetzt; – die Kollimationslinse (4) entlang ihrer optischen Achse versetzt wird, bis eine Austrittsfläche der zumindest einen Laserquelle (2) in eine Referenzebene abgebildet wird, in der bei der fertig montierten Beleuchtungsvorrichtung (1) das Leuchtstoffelement (5) angeordnet ist oder die auf die Einstrahlfläche (6) des Leuchtstoffelements (5) abgebildet wird; wobei anschließend – die Kollimationslinse (4) entlang ihrer optischen Achse versetzt und so ein Bestrahlungsbereich gewünschter Größe eingestellt wird.
Verfahren nach Anspruch 17, bei welchem die Kollimationslinse (4) seitlich zu ihrer optischen Achse versetzt und so eine Position des Bestrahlungsbereichs eingestellt wird.