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Technisches Gebiet
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Die Erfindung betrifft eine Beleuchtungseinrichtung mit mindestens einer Halbleiterlichtquelle und einem Leuchtstoff enthaltenden Lichtwellenlängenkonversionselement zur partiellen oder vollständigen Wellenlängenkonversion des von der mindestens eine Halbleiterlichtquelle emittierten Lichts (Anregungslicht). Derartige Beleuchtungseinrichtungen emittieren in der Regel farblich inhomogenes Licht (Nutzlicht), weil die Wellenlängenkonversion des Lichts im Lichtwellenlängenkonversionselement lokal inhomogen ist und dadurch auch die Anteile von nicht-wellenlängenkonvertiertem Licht (Anregungslicht) und wellenlängenkonvertiertem Licht (Konversionslicht) im von dem Lichtwellenlängenkonversionselement abgestrahlten Licht über die lichtemittierende Oberfläche des Lichtwellenlängenkonversionselements lokal variieren.
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Darstellung der Erfindung
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Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine gattungsgemäße Beleuchtungseinrichtung bereitzustellen, die zumindest über einen bestimmten Raumwinkel hinweg Licht emittiert, das eine farblich möglichst homogene Mischung von nicht-wellenlängenkonvertiertem Licht der mindestens einen Halbleiterlichtquelle und wellenlängenkonvertiertem Licht ist.
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Diese Aufgabe wird gelöst durch eine Beleuchtungseinrichtung mit den Merkmalen aus dem Anspruch 1. Besonders vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen offenbart.
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Die erfindungsgemäße Beleuchtungseinrichtung besitzt mindestens eine Halbleiterlichtquelle und ein Leuchtstoff enthaltendes Lichtwellenlängenkonversionselement zur Wellenlängenkonversion von Licht von der mindestens einen Halbleiterlichtquelle, wobei auf einer Oberfläche des Lichtwellenlängenkonversionselements zusätzlicher Leuchtstoff angeordnet ist.
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Mit Hilfe des zusätzlichen Leuchtstoffs, der auf einer Oberfläche des Lichtwellenlängenkonversionselements der erfindungsgemäßen Beleuchtungseinrichtung angeordnet ist, wird insbesondere in Bereichen des Lichtwellenlängenkonversionselements, die von der mindestens einen Halbleiterlichtquelle mit einer im Vergleich zu anderen Bereichen des Lichtwellenlängenkonversionselements hohen Lichtintensität bestrahlt werden, der Anteil des wellenlängenkonvertierten Lichts im von dem Lichtwellenlängenkonversionselement emittierten Licht erhöht. Dadurch wird vom Lichtwellenlängenkonversionselement Licht mit einer homogeneren Lichtfarbe abgestrahlt.
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Vorteilhafterweise ist der zusätzliche Leuchtstoff auf einen Abschnitt der Oberfläche des Lichtwellenlängenkonversionselements beschränkt, um mittels des zusätzlichen Leuchtstoffs eine Erhöhung des Anteils des wellenlängenkonvertierten Lichts im von dem Lichtwellenlängenkonversionselement abgestrahlten Licht lokal zu erreichen. Vorzugsweise ist daher der zusätzliche Leuchtstoff nur auf denjenigen Oberflächenabschnitten des Lichtwellenlängenkonversionselements angeordnet, die einen vergleichsweise hohen Anteil an nicht-wellenlängenkonvertiertem Halbleiterlichtquellenlicht emittieren. Insbesondere ist der zusätzliche Leuchtstoff deshalb besonders bevorzugt auf einem Oberflächenabschnitt des Lichtwellenlängenkonversionselements angeordnet, auf den das Licht der mindestens einen Halbleiterlichtquelle mit kleinem Einfallswinkel, das heißt senkrecht oder nahezu senkrecht, auftrifft.
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Das Leuchtstoff enthaltende Lichtwellenlängenkonversionselement der erfindungsgemäßen Beleuchtungseinrichtung umfasst vorzugsweise eine Leuchtstoffkeramik oder ist als Leuchtstoffkeramik ausgebildet, um wegen des Energieeintrags, der durch eine Wellenlängenkonversion des Halbleiterlichtquellenlichts in Licht mit größerer Wellenlänge verursacht wird, eine gute Kühlung bzw. Entwärmung des Lichtwellenlängenkonversionselements zu gewährleisten.
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Vorteilhafterweise umfasst das Lichtwellenlängenkonversionselement der erfindungsgemäßen Beleuchtungseinrichtung einen Träger für die Leuchtstoffkeramik, um die mechanische Stabilität der Leuchtstoffkeramik zu erhöhen und eine gute Wärmeabfuhr von der Leuchtstoffkeramik zu ermöglichen. Der Träger besteht vorzugsweise aus Saphir, da es transparent ist und eine hohe Wärmeleitfähigkeit aufweist.
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Der zusätzliche Leuchtstoff ist vorteilhafterweise mit Hilfe von Bindemitteln auf der Oberfläche des Lichtwellenlängenkonversionselements und insbesondere auf einer Oberfläche der Leuchtstoffkeramik angeordnet. Das Bindemittel ist vorzugsweise glasartig ausgebildet. Dadurch wird der zusätzliche Leuchtstoff zuverlässig mit der Oberfläche des Lichtwellenlängenkonversionselements verbunden.
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In einer bevorzugten Ausführung ist der Leuchtstoff bereits mit dem Bindemittel vermischt, so dass ein Leuchtstoff-Bindemittel-Gemisch gebildet wird, das im Folgenden auch als Zusatzleuchtstoffelement bezeichnet wird. Die Leuchtstoffkonzentration im Zusatzleuchtstoffelement ist bevorzugt höher als die Leuchtstoffkonzentration im übrigen Lichtwellenlängenkonversionselement bzw. als in der Leuchtstoffkeramik. Im Allgemeinen kann die Leuchtstoffkonzentration im Zusatzleuchtstoffelement aber auch gleich oder niedriger sein als in der Leuchtstoffkeramik. Als Bindemittel dient vorzugsweise Glas, insbesondere Wasserglas, beispielsweise in Form einer Alkalisilikat-Wasser-Mischung, die beispielsweise in der
DE 102010063756 beschrieben ist. Bei dem Alkalisilikat kann es sich beispielsweise um Mischungen von Lithium-, Natrium- oder bzw. und Kaliumsilikat handeln. Wasserglas verursacht aufgrund seiner Transparenz keine Lichtabsorption und ermöglicht außerdem eine hohe Leuchtstoffkonzentration sowie eine Schmelzverbindung mit dem Lichtwellenlängenkonversionselement bzw. der Leuchtstoffkeramik.
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Vorteilhafterweise ist der zusätzliche Leuchtstoff bzw. das zusätzliche Leuchtstoff-Bindemittel-Gemisch auf bzw. an der Oberfläche des Lichtwellenlängenkonversionselements der erfindungsgemäßen Beleuchtungseinrichtung angeordnet und bildet dadurch eine zusätzliche Leuchtstoffschicht bzw. Leuchtstoffvolumen aus. Dadurch kann die Leuchtstoffkonzentration über die Dicke oder die Form oder die Dicke und die Form der Schicht bzw. des Volumens auf einen gewünschten Wert eingestellt werden. Die Schicht kann beispielsweise einen kreisförmigen, elliptischen, polygonalen oder freiförmigen Rand aufweisen. Das Leuchtstoff-Bindemittel-Gemisch kann in vielseitigen Formen aufgebracht werden, beispielsweise halbkugelförmig, kegelförmig, kegelstumpfförmig, pyramidal oder freiförmig. Die Grundfläche des Leuchtstoff-Bindemittel-Gemischs kann kreisförmig, elliptisch, polygonal oder freiförmig sein. Außerdem kann der zusätzliche Leuchtstoff bzw. das zusätzliche Leuchtstoff-Bindemittel-Gemisch dadurch lokal auf ausgewählte Abschnitte der Oberfläche des Lichtwellenlängenkonversionselements beschränkt werden, die einen hohen Anteil an nicht-wellenlängenkonvertiertem Halbleiterlichtquellenlicht emittieren. Gemäß einem bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung ist der zusätzliche Leuchtstoff bzw. das zusätzliche Leuchtstoff-Bindemittel-Gemisch auf einer Oberfläche der Leuchtstoffkeramik angeordnet.
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Die mindestens eine Halbleiterlichtquelle der erfindungsgemäßen Beleuchtungseinrichtung ist vorzugsweise als blaues Licht emittierende Laserdiode ausgebildet und der Leuchtstoff in dem Leuchtstoff enthaltenden Lichtwellenlängenkonversionselement sowie der zusätzliche Leuchtstoff bzw. das zusätzliche Leuchtstoff-Bindemittel-Gemisch umfassen vorzugsweise mit Cer dotiertes Yttriumaluminiumgranat. Dadurch erzeugt die erfindungsgemäße Beleuchtungseinrichtung weißes Licht, das eine Mischung aus nicht-wellenlängenkonvertiertem blauem Licht und vom Lichtwellenlängenkonversionselement wellenlängenkonvertiertem Licht, insbesondere gelbem Licht ist. Eine solche Anordnung wird auch als Laser Activated Remote Phosphor (LARP) bezeichnet.
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Die erfindungsgemäße Beleuchtungseinrichtung ist vorzugsweise als Bestandteil eines Kraftfahrzeugscheinwerfers ausgebildet und dient beispielsweise zum Erzeugen eines Fernlichts. Insbesondere erfüllt die erfindungsgemäße Beleuchtungseinrichtung daher die gesetzlichen Anforderungen an weißes Licht, die beispielsweise in der ECE-Norm ECE/324/Rev.1/Adb.47/Reg.No.48/Rev.12 an Kraftfahrzeugscheinwerfer gestellt werden.
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Außerdem kann die erfindungsgemäße Beleuchtungseinrichtung auch für die Bereiche Projektion, Effektlicht und Entertainment-Anwendungen, medizinische Anwendungen und optische Anwendungen, wie beispielsweise Mikroskopie und Spektroskopie genutzt werden.
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Kurze Beschreibung der Zeichnungen
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Nachstehend wird die Erfindung anhand eines Ausführungsbeispiels näher erläutert. Die Figuren zeigen:
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1 eine Beleuchtungseinrichtung gemäß dem bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung in schematischer, teilweise geschnittener Darstellung,
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2 einen Querschnitt durch das Lichtwellenlängenkonversionselement der in 1 abgebildeten Beleuchtungseinrichtung in schematischer Darstellung
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3 eine Draufsicht auf das in 2 abgebildete Lichtwellenlängenkonversionselement
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4 eine Seitenansicht des in den 2 und 3 abgebildeten Lichtwellenlängenkonversionselements ohne Substrat
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Bevorzugte Ausführung der Erfindung
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In 1 ist schematisch eine Beleuchtungseinrichtung gemäß dem bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung teilweise geschnitten dargestellt, die als Bestandteil eines Kraftfahrzeugscheinwerfers ausgebildet ist.
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Die Beleuchtungseinrichtung 1 gemäß dem bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung besitzt ein zylindrisches Gehäuse 10 mit einer Lichtaustrittsöffnung 100, die beispielsweise durch eine transparente Gehäusewand oder transparente Abdeckung 11 an einer Stirnseite des Gehäuses 10 gebildet ist, eine innerhalb des Gehäuses 10 angeordnete Laserdiode 2 und ein Lichtwellenlängenkonversionselement 3. Die Proportionen der einzelnen Komponenten dieser Beleuchtungseinrichtung 1 sind in 1 nicht maßstabsgetreu dargestellt.
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Die Laserdiode 2 erzeugt während ihres Betriebs blaues Licht mit einer Wellenlänge von 450 Nanometer und einer Leistung im Bereich von 2 bis 4 Watt.
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Das Lichtwellenlängenkonversionselement 3 besteht aus mit Cer dotiertem Yttriumaluminiumgranat (YAG:Ce), das auf einem transparenten Substrat 30 aus Saphir angeordnet ist und als keramischer Leuchtstoff 31 ausgebildet ist. Das Substrat 30 ist als Kreisscheibe mit einem Durchmesser von 2 mm und einer Dicke D1 von 0,5 mm ausgebildet. Die aus mit Cer dotiertem Yttriumaluminiumgranat (YAG:Ce) bestehende Leuchtstoffkeramik 31 ist als Kreisscheibe mit einem Durchmesser von 0,8 mm und einer Dicke D2 von 0,07 mm ausgebildet. Die Leuchtstoffkeramik 31 ist koaxial zum Substrat 30 auf einer Oberfläche des Substrats 30 angeordnet. Das Lichtwellenlängenkonversionselement 3 ist innerhalb des Gehäuses 10 zwischen der Laserdiode 2 und der Lichtaustrittsöffnung 100 des Gehäuses angeordnet, so dass von der Laserdiode 2 abgestrahltes Laserlicht 20 mittig auf eine von der Lichtaustrittsöffnung 100 abgewandte Unterseite 301 des Lichtwellenlängenkonversionselements 3 bzw. Substrats 30 auftrifft. Die Leuchtstoffkeramik 31 ist auf einer der Lichtaustrittsöffnung 100 zugewandten Oberseite 302 des Substrats 30 und koaxial zum Substrat 30 angeordnet. Auf einer der Lichtaustrittsöffnung 100 zugewandten Oberfläche 310 der Leuchtstoffkeramik 31 ist zusätzlicher Leuchtstoff in Form eines Leuchtstoff-Bindemittel-Gemischs 32 angeordnet, das zentral auf der Oberfläche 310 der Leuchtstoffkeramik 31 angebracht ist, wobei das Wasserglas auch zur Anbindung des Leuchtstoff-Bindemittel-Gemischs auf der Leuchtstoffkeramik 31 dient. Die Dicke D3 bzw. Höhe des zusätzlichen Leuchtstoffs über der Oberfläche 310 beträgt beispielsweise 0,03 mm. Als zusätzlicher Leuchtstoff dient mit Cer dotiertes Yttriumaluminiumgranat (YAG:Ce). Der zusätzliche Leuchtstoff wird beispielsweise als Pulver flüssigem Wasserglas, beispielsweise flüssigem Kaliumsilikat oder Natriumsilikat, beigemischt und anschließend wird die Mischung zentral auf die Oberfläche 310 der Leuchtstoffkeramik 31 aufgebracht und bei einer Temperatur von 150–200°C ausgehärtet. Dadurch bildet sich auf der Oberfläche 310 im Zentrum eine tropfenförmige, mit Cer dotiertes Yttriumaluminiumgranat (YAG:Ce) enthaltende Leuchtstoff-Bindemittel-Gemisch 32 aus.
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Das von der Laserdiode 2 emittierte Laserlicht 20 trifft in etwa mittig auf die Unterseite 301 des Substrats 30 und des Lichtwellenlängenkonversionselements 3 und durchdringt das Substrat 30 aus Saphir, die Leuchtstoffkeramik 31 und das zusätzlichen Leuchtstoff enthaltende Wasserglas. Dabei wird das Laserlicht 20 von der Leuchtstoffkeramik 31 und von dem zusätzlichen Leuchtstoff gestreut und anteilig in Licht anderer Wellenlänge konvertiert, so dass von der Oberfläche 310 der Leuchtstoffkeramik 31 und von der Oberfläche des zusätzlichen Leuchtstoff enthaltenden Wasserglases weißes Licht emittiert wird, das eine Mischung aus nicht-wellenlängenkonvertiertem blauem Laserlicht 20 und von der Leuchtstoffkeramik 31 bzw. vom zusätzlichen Leuchtstoff wellenlängenkonvertiertem, im wesentlichen gelbem Licht ist.
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Da nicht die gesamte Unterseite 301 des Lichtwellenlängenkonversionselements 3, sondern die Unterseite 301 nur in ihrem Zentrum mit Laserlicht 20 beleuchtet wird, ist der nicht-wellenlängenkonvertierte blaue Anteil im weißen Mischlicht, das vom Zentrum der Oberfläche 310 der Leuchtstoffkeramik 31 emittiert wird, höher als der nicht-wellenlängenkonvertierte blaue Anteil im weißen Mischlicht, das vom Randbereich der Oberfläche 310 der Leuchtstoffkeramik 31 emittiert wird. Außerdem ist der wellenlängenkonvertierte, im Wesentlichen gelbe Anteil im weißen Mischlicht, das vom Zentrum der Oberfläche 310 der Leuchtstoffkeramik 31 emittiert wird, geringer als der wellenlängenkonvertierte gelbe Anteil im weißen Mischlicht, das vom Randbereich der Oberfläche 310 der Leuchtstoffkeramik 31 emittiert wird. Ein weiterer Grund für die vorgenannte Inhomogenität ist die Tatsache, dass Licht vom Randbereich des Lichtwellenlängenkonversionselements 3 aufgrund von Lichtstreuung und wegen seines längeren, im Lichtwellenlängenkonversionselement 3 zurückgelegten Weges eine höhere Wahrscheinlichkeit für eine Wellenlängenkonversion besitzt.
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Mit Hilfe des im Wasserglas eingebetteten zusätzlichen Leuchtstoffs, wird der wellenlängenkonvertierte Anteil des weißen Mischlichts, das vom Zentrum der Oberfläche 310 der Leuchtstoffkeramik 31 emittiert wird, erhöht und der nicht-wellenlängenkonvertierte Anteil entsprechend reduziert. Dadurch wird eine Angleichung der relativen Anteile von nicht-wellenlängenkonvertiertem und wellenlängenkonvertiertem Licht im weißen Mischlicht, das vom Zentrum und vom Randbereich der Oberfläche 310 abgestrahlt wird, erreicht. Insgesamt wird dadurch eine Homogenisierung der Lichtfarbe des weißen Mischlichts erzielt, das von der Oberseite des Lichtwellenlängenkonversionselements 3 emittiert wird, die der Lichtaustrittsöffnung 100 zugewandt ist.
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Die Ausdehnung und Dicke D3 des zusätzlichen Leuchtstoff enthaltenden Wasserglastropfens 32 auf der Oberfläche 310 der Leuchtstoffkeramik 31 sowie auch die Konzentration des zusätzlichen Leuchtstoffs im Wasserglas kann in Abhängigkeit von der Größe des Leuchtflecks des Laserlichts 20 auf der Unterseite 301 des Lichtwellenlängenkonversionselements 3 und der Intensität des Laserlichts 20 sowie den Eigenschaften der Leuchtstoffkeramik 31 verändert werden.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Beleuchtungseinrichtung
- 10
- Gehäuse
- 100
- Lichtaustrittsöffnung
- 11
- transparente Abdeckung
- 2
- Laserdiode
- 20
- Laserlicht
- 3
- Lichtwellenlängenkonversionselement
- 30
- Substrat
- 31
- Leuchtstoffkeramik
- 32
- zusätzlicher Leuchtstoff bzw. zusätzliches Leuchtstoff-Bindemittel-Gemisch
- 301
- Unterseite des Substrats
- 302
- Oberseite des Substrats
- 310
- Oberfläche der Leuchtstoffkeramik
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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Zitierte Nicht-Patentliteratur
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- ECE-Norm ECE/324/Rev.1/Adb.47/Reg.No.48/Rev.12 [0013]
