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Die vorliegende Erfindung betrifft eine Lichtaussendevorrichtung, eine Lichtaussendeanordnung und ein Verfahren zum Aussenden von Licht.
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Stand der Technik
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Aus Sicherheitsaspekten sollen moderne Fahrzeugscheinwerfer gewissen Anforderungen entsprechen, um einerseits eine gute Sicht zu gewährleisten, andererseits den Gegenverkehr nicht zu blenden. Unter Fahrzeug werden im Folgenden Kraftfahrzeuge, Lastkraftwagen, eBikes, Scooter und Ähnliches verstanden. Das von dem Fahrzeugscheinwerfer ausgestrahlten Licht weist vorzugsweise eine Lichtverteilung auf, welche in einem zentralen Bereich des Lichtkegels eine höhere Intensität aufweist als in peripheren Bereichen. Dadurch wird der zentrale Bereich gut ausgeleuchtet, wodurch eine gute Sicht ermöglicht wird, und die Randbereiche sind gegenüber dem Zentralbereich gedimmt, wodurch verhindert wird, dass weitere Verkehrsteilnehmer geblendet werden können.
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Beispielsweise ist aus der
DE 10 2010 028 949 A1 eine Beleuchtungseinrichtung bekannt, welche eine Lichtquelle zum Aussenden eines Laserstrahls aufweist, wobei der ausgesendete Laserstrahl über eine Strahlablenkeinheit abgelenkt und auf ein Leuchtschichtelement auftrifft, wodurch weißes Licht ausgesendet wird.
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Eine beispielhafte Lichtaussendevorrichtung 1 ist in 9 illustriert. Hierbei wird durch eine Lichtquelle 10 ein Laserlichtstrahl 11 ausgesendet, welcher auf eine schwenkbare Lichtablenkeinrichtung 12 trifft, welche um einen Schwenkwinkel x verschwenkbar ist. Der Laserlichtstrahl 11 wird von der Lichtablenkeinrichtung 12 um einen Ablenkwinkel z abgelenkt, trifft auf eine Lumineszenzeinrichtung 13 und regt diese zum Aussenden von Licht an. Die Lichtumlenkeinrichtung 12 ist beispielsweise ein schwenkbarer Mikrospiegel, welcher harmonische Schwingungen ausführt, wobei der abgelenkte Laserlichtstrahl 11 entlang einer Achse 14 verschwenkt wird. Eine Aufenthaltswahrscheinlichkeit der Lichtablenkeinrichtung 12 ist hierbei aufgrund unterschiedlicher Schwenkgeschwindigkeiten der Lichtablenkeinrichtung 12 in einer maximalen Auslenkposition höher als in einer unausgelenkten Position, in welcher der Laserlichtstrahl 11 senkrecht entlang einer zentralen Achse 15 auf ein Zentrum 17 der Lumineszenzeinrichtung 13 auftrifft. Folglich werden Randbereiche 18, 19 der Lumineszenzeinrichtung 13 bei einer zeitlich gemittelten Betrachtung länger durch den abgelenkten Laserlichtstrahl 11 zum Aussenden von Licht angeregt als das Zentrum 17.
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In 9 ist weiter eine entsprechende Lichtverteilung A des von der Lumineszenzeinrichtung 13 ausgesendeten Lichts illustriert, wobei die Intensität bzw. Amplitude in Abhängigkeit eines Lichtaussendeortes aufgetragen ist. Die Helligkeit des durch die Lumineszenzeinrichtung 13 ausgesendeten Lichts ist in Randbereichen größer als in einem zentralen Bereich. Diese Lichtverteilung ist der oben beschriebenen gewünschten Lichtverteilung jedoch gerade entgegengesetzt.
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Offenbarung der Erfindung
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Die Erfindung schafft eine Lichtaussendevorrichtung mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1, eine Lichtaussendeanordnung mit den Merkmalen des Patentanspruchs 9 und ein Verfahren zum Aussenden von Licht mit den Merkmalen des Patentanspruchs 10.
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Die Erfindung schafft demnach eine Lichtaussendevorrichtung mit einer Lichtquelle, welche dazu ausgebildet ist, einen Laserlichtstrahl auszusenden und einer schwenkbaren Lichtablenkeinrichtung, welche dazu ausgebildet ist, den ausgesendeten Laserlichtstrahl abzulenken. Weiter umfasst die Lichtaussendevorrichtung eine Lichtumlenkeinrichtung, welche dazu ausgelegt ist, den abgelenkten Laserlichtstrahl in Abhängigkeit von einem Auftreffwinkel auf die Lichtumlenkeinrichtung umzulenken. Die Lichtaussendevorrichtung umfasst weiter eine Lumineszenzeinrichtung, welche durch den umgelenkten Laserlichtstrahl bestrahlbar und dadurch zum Aussenden von Licht anregbar ist.
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Weiter umfasst die Erfindung eine Lichtaussendeanordnung mit einer Vielzahl von nebeneinander angeordneten Lichtaussendevorrichtungen.
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Weiter schafft die vorliegende Erfindung demnach ein Verfahren zum Aussenden von Licht, wobei ein Laserlichtstrahl ausgesendet wird und der ausgesendete Laserlichtstrahl durch eine schwenkbare Lichtablenkeinrichtung abgelenkt wird. Der abgelenkte Laserlichtstrahl wird durch eine Lichtumlenkeinrichtung in Abhängigkeit von einem Auftreffwinkel des abgelenkten Laserlichtstrahls auf die Lichtumlenkeinrichtung umgelenkt. Eine Lumineszenzeinrichtung sendet beim Auftreffen des umgelenkten Laserlichtstrahls auf die Lumineszenzeinrichtung Licht aus.
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Bevorzugte Weiterbildungen sind Gegenstand der jeweiligen Unteransprüche.
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Vorteile der Erfindung
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Die erfindungsgemäße Lichtaussendevorrichtung hat den Vorteil, dass durch geeignete Wahl der Lichtumlenkeinrichtung das abgelenkte Laserlicht derart umgelenkt werden kann, dass es in Abhängigkeit von dem Auftreffwinkel auf einen entsprechend vorgegebenen Punkt der Lumineszenzeinrichtung trifft. Die jeweilige relative Zeitdauer, während welcher ein entsprechender Bereich der Lumineszenzeinrichtung durch das umgelenkte Licht beleuchtet wird und dadurch zum Aussenden von Licht angeregt wird, ist somit durch Wahl der entsprechenden Lichtumlenkeinrichtung beliebig einstellbar. Wird die Lichtaussendevorrichtung beispielsweise für ein Fahrzeug verwendet, so kann die Lichtumlenkeinrichtung derart ausgelegt sein, dass ein Zentrum der Lumineszenzeinrichtung länger beleuchtet wird als Randbereiche. Somit wird eine Lichtverteilung des durch die Lumineszenzeinrichtung ausgesendeten Lichts erzeugt, welche eine erhöhte Helligkeit im Zentralbereich aufweist. Dadurch ist eine gezielte Beleuchtung möglich, ohne Verkehrsteilnehmer im Randbereich unnötig zu blenden. Es sind jedoch auch weitere Lichtverteilungen durch Wahl der Lichtumlenkeinrichtung erzeugbar.
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Gemäß einer weiteren Ausführungsform der Lichtaussendevorrichtung weist die Lichtumlenkeinrichtung holografisch optische Elemente auf. Mit Hilfe dieser Elemente kann ein auftreffender Laserlichtstrahl in eine nahezu beliebige Richtung umgelenkt werden und dadurch auf einen gewünschten Bereich der Lumineszenzeinrichtung ausgerichtet werden.
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Gemäß einer weiteren Ausführungsform umfassen die holografisch optischen Elemente Kugelwellenumlenker und/oder sind die holografisch optischen Elemente pixelförmig angeordnet.
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Gemäß einer weiteren Ausführungsform der Lichtaussendevorrichtung weist die Lichtablenkeinrichtung einen Mikrospiegel auf, welcher mit einer vorgegebenen Schwingungsamplitude und/oder Schwingungsfrequenz verschwenkbar ist. Insbesondere kann die Schwingungsamplitude und/oder Schwingungsfrequenz der Lichtablenkeinrichtung steuerbar sein, wodurch ein ausgeleuchteter Bereich variiert werden kann.
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Gemäß einer weiteren Ausführungsform der Lichtaussendevorrichtung weist die Lumineszenzeinrichtung eine Konverterschicht auf, welche dazu ausgebildet ist, Laserlichtstrahlen einer ersten Wellenlänge in Lichtstrahlen mindestens einer zweiten Wellenlänge zu konvertieren. Beispielsweise kann Laserlicht in weißes Licht konvertiert werden.
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Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung der Lichtaussendevorrichtung ist die Lichtumlenkeinrichtung derart ausgebildet, dass zwei Laserlichtstrahlen, welche unter demselben Auftreffwinkel relativ zu einer normalen Achse der Lichtumlenkeinrichtung auftreffen, auf denselben Punkt der Lumineszenzeinrichtung umgelenkt werden. Es kann somit eine Lichtverteilung des ausgesendeten Lichts erzielt werden, bei welcher ein Bereich mit einer geringen Intensität einem Randbereich entspricht.
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Gemäß einer weiteren Ausführungsform der Lichtaussendevorrichtung lenkt die Lichtumlenkeinrichtung auftreffende Laserlichtstrahlen derart um, dass die Laserlichtstrahlen umso näher zu einem Zentrum der Lumineszenzeinrichtung hin umgelenkt werden, je größer der Auftreffwinkel relativ zu einer normalen Achse der Lichtumlenkeinrichtung ist. Hierdurch kann die Intensitätsverteilung gegenüber einer Lichtaussendevorrichtung ohne Lichtumlenkeinrichtung invertiert werden, sodass das Helligkeitsmaximum in einen zentralen Bereich verschoben wird.
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Gemäß einer weiteren Ausführungsform der Lichtaussendevorrichtung lenkt die Lichtumlenkeinrichtung auftreffende Lichtstrahlen derart um, dass Laserlichtstrahlen, welche auf einen bestimmten Bereich der Lichtumlenkeinrichtung auftreffen, in einen entsprechenden Bereich der Lumineszenzeinrichtung umgelenkt werden, welcher umso schmäler ist, je näher sich der Bereich der Lichtumlenkeinrichtung an einem Zentrum der Lichtumlenkeinrichtung befindet. Die Randbereiche werden hierdurch weiter aufgefächert, während zentrale Bereiche nicht aufgefächert oder sogar fokussiert werden, wodurch eine Änderung der Lichtverteilung dahingehend stattfindet, dass das Helligkeitsmaximum in einen zentralen Bereich verschoben werden kann.
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Kurze Beschreibung der Zeichnungen
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Es zeigen:
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1, 2 Schnittansichten einer Lichtaussendevorrichtung gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
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3 eine Schnittansicht einer Lichtaussendeanordnung gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
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4 eine Intensitätsverteilung eines ausgesendeten Lichts;
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5, 6, 7 Querschnittsansichten von Lichtaussendevorrichtungen gemäß Ausführungsformen der Erfindung;
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8 ein Flussdiagramm zur Erläuterung eines Verfahrens zum Aussenden von Licht gemäß einer Ausführungsform der Erfindung; und
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9 eine Schnittansicht einer beispielhaften Lichtaussendevorrichtung.
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In allen Figuren sind gleiche bzw. funktionsgleiche Elemente und Vorrichtungen – sofern nichts anderes angegeben ist – mit denselben Bezugszeichen versehen.
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Beschreibung der Ausführungsbeispiele
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1 zeigt eine Querschnittsansicht einer Lichtaussendevorrichtung 2 gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Eine Lichtquelle 10 ist dazu ausgebildet, einen Laserlichtstrahl 11 auszusenden. Der Laserlichtstrahl 11 kann beispielsweise eine vorgegebene Wellenlänge aufweisen, beispielsweise kann die Lichtquelle 10 blaues Laserlicht aussenden.
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Weiter umfasst die Lichtaussendevorrichtung 2 eine schwenkbare Lichtablenkeinrichtung 12, welche dazu ausgebildet ist, den ausgesendeten Laserlichtstrahl 11 abzulenken. Die Lichtablenkeinrichtung 12 ist hierbei entlang einer Achse um einen Schwenkwinkel x verschwenkbar. Gemäß weiteren Ausführungsformen kann die Lichtablenkeinrichtung auch entlang mehrerer Achsen verschwenkbar sein.
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Beispielsweise kann die Lichtablenkeinrichtung 12 einen Mikrospiegel aufweisen, welcher über Federelemente an einem Substrat angeordnet ist und durch Anlegen einer Spannung periodisch in Schwingung versetzbar ist und somit um den Schwenkwinkel x verschwenkbar ist. Vorzugsweise ist die Lichtablenkeinrichtung 12 hierbei mit einer vorgegebenen Schwingungsamplitude und/oder Schwingungsfrequenz verschwenkbar.
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Der Laserlichtstrahl 11 wird entsprechend abgelenkt und trifft auf eine Lichtumlenkeinrichtung 20, welche dazu ausgelegt ist, den abgelenkten Laserlichtstrahl 11 umzulenken. Ein Umlenkwinkel hängt hierbei von einem Auftreffwinkel y des Laserlichtstrahls 11 auf die Lichtumlenkeinrichtung 20 ab, welcher mit Bezug auf eine normale Achse 16 gemessen wird, welche senkrecht zur Lichtumlenkeinrichtung 20 durch den Auftreffpunkt des abgelenkten Laserlichtstrahls 11 geht.
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Vorzugsweise weist die Lichtumlenkeinrichtung 20 holografisch optische Elemente (HOE) auf. Die HOE können Kugelwellenumlenker aufweisen. Insbesondere können die holografisch optischen Elemente Photopolymere umfassen. Weiter können die HOE pixelförmig angeordnet sein. Bei pixelförmig angeordneten holografisch optischen Elementen kann eine Pixelgröße bzw. Voxelgröße der verwendeten HOE im Bereich von etwa 100 µm × 100 µm liegen. Eine Umlenkfunktion, Linsenfunktion und Beugungseffizienz der pixelförmig angeordneten HOE kann jeweils auf einen vorgegebenen Wert eingestellt werden. Durch Verwendung von entsprechenden HOE ist es möglich, den abgelenkten Laserlichtstrahl 11 in Abhängigkeit von dem Auftreffwinkel y in eine vorgegebene Richtung abzulenken, das heißt einen entsprechenden Umlenkwinkel einzustellen.
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Vorzugweise ist die Lichtumlenkeinrichtung 20 planar ausgebildet, die Lichtumlenkeinrichtung 20 kann jedoch auch gewölbt sein.
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Gemäß der in 1 illustrierten Ausführungsform ist die Lichtumlenkeinrichtung 20 derart ausgebildet, dass zwei Laserlichtstrahlen 11, welche unter demselben Auftreffwinkel y auftreffen, auf denselben Punkt der Lumineszenzeinrichtung 13 umgelenkt werden. So werden beispielsweise äußere Laserlichtstrahlen 21 und 22, welche unter gleich großen jeweiligen Auftreffwinkeln y1 bzw. y2, gemessen mit Bezug auf jeweilige normale Achsen 23 bzw. 24 auf die Lichtumlenkeinrichtung 20 auftreffen, auf denselben Punkt 25 an einem linken Rand der Lumineszenzeinrichtung 13 umgelenkt.
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Die Umlenkung ist hierbei stetig, sodass Lichtstrahlen, welche auf äußere Bereiche der Lichtumlenkeinrichtung 20 auftreffen, in einen linken Bereich der Lumineszenzeinrichtung 13 umgelenkt werden, während Laserlichtstrahlen 11, welche auf einen zentralen Bereich der Lichtumlenkeinrichtung 20 auftreffen, in einen rechten Bereich der Lumineszenzeinrichtung 13 umgelenkt werden.
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Die umgelenkten Laserlichtstrahlen 11 treffen auf eine Lumineszenzeinrichtung 13, welche vorzugsweise eine Konverterschicht aufweist, welche dazu ausgebildet ist, die Laserlichtstrahlen 11 einer ersten Wellenlänge in Lichtstrahlen mindestens einer zweiten Wellenlänge zu konvertieren. Beispielsweise kann die Lumineszenzeinrichtung 13 eine Leuchtstoffschicht, insbesondere mit Seltenerdmetallen wie etwa Cer, aufweisen, welche Laserlichtstrahlen 11 einer im blauen Sichtbereich befindlichen Wellenlänge in weißes Licht umwandelt.
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Schwingt der Lichtablenkeinrichtung 12 periodisch, so ist die Aufenthaltswahrscheinlichkeit der Lichtablenkeinrichtung 12 in stark verschwenkten Positionen höher als die Aufenthaltswahrscheinlichkeit nahe einer nicht verschwenkten Position. Durch die Umlenkung ergibt sich die in 1 illustrierte Lichtverteilung A des von der Lumineszenzeinrichtung 13 ausgesendeten Lichts, wobei eine Intensität von links nach rechts abnimmt.
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In 2 ist eine Schnittansicht der Lichtaussendevorrichtung 2 illustriert, wobei ein maximaler Schwenkwinkel x der Lichtablenkeinrichtung 12 reduziert ist, die Schwenkamplitude der Lichtaussendevorrichtung 2 also reduziert ist. Der Laserlichtstrahl 11 wird hierdurch durch die Lichtablenkeinrichtung 12 nicht mehr auf Randbereiche der Lichtumlenkeinrichtung 20 abgelenkt, so dass ein linker Randbereich 30 der Lumineszenzeinrichtung 13 nicht mehr durch umgelenkte Laserlichtstrahlen 11 bestrahlt wird. Die Lichtverteilung A des von der Lumineszenzeinrichtung 13 ausgesendeten Lichts wird somit nach rechts hin verschoben. Die gesamte Lichtmenge bleibt jedoch gleich, so dass die maximale Intensität des ausgesendeten Lichts erhöht wird. Somit sind durch Änderung der Schwenkamplitude der Lichtaussendevorrichtung 2 die Lichtverteilung und/oder die maximale Intensität des ausgesendeten Lichts einstellbar.
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In 3 ist eine Lichtaussendeanordnung 40 illustriert, wobei zwei Lichtaussendevorrichtungen 2 nebeneinander angeordnet sind. Durch die Kombination wird eine Amplitudenverteilung A erzielt, deren Intensitätsmaximum in einem zentralen Bereich liegt. Insbesondere kann ein Fahrzeugscheinwerfer für ein Fahrzeug mit einer Lichtaussendeanordnung 40 vorgesehen sein.
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In 4 ist eine Lichtverteilung B von durch einen derartigen Fahrzeugscheinwerfer ausgesendetem Licht auf einer Straße 50 illustriert.
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Gemäß weiterer Ausführungsformen der Lichtaussendeanordnung 40 kann eine Vielzahl von Lichtaussendevorrichtungen arrayförmig angeordnet sein, wobei die Lichtaussendevorrichtungen vorzugsweise derart kombiniert werden, dass ein Intensitätsmaximum des ausgesendeten Lichts in einem zentralen Bereich des ausgesendeten Lichts erzielt wird.
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5 zeigt eine Querschnittsansicht einer Lichtaussendevorrichtung 6 gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung. Die Lichtaussendevorrichtung 6 weist hierbei eine Lichtumlenkeinrichtung 60 auf, welche derart ausgelegt ist, dass auftreffende Laserlichtstrahlen 11 derart umgelenkt werden, dass die Laserlichtstrahlen 11 umso näher zu einem Zentrum 17 der Lumineszenzeinrichtung 13 hin umgelenkt werden, je größer der Auftreffwinkel y auf die Lichtumlenkeinrichtung 60 ist. Somit werden Laserlichtstrahlen 11, welche nahe der zentralen Achse 15 unter kleinen Auftreffwinkeln y auftreffen, auf Randbereiche 18 bzw. 19 der Lumineszenzeinrichtung 13 umgelenkt, während Laserlichtstrahlen 11, welche unter großen Auftreffwinkeln y auf die Lichtumlenkeinrichtung 60 auftreffen, zum Zentrum 17 der Lumineszenzeinrichtung 13 hin umgelenkt werden. Hierdurch wird eine Lichtverteilung A erzielt, bei welcher die maximale Intensität in einem zentralen Bereich liegt und nach außen hin abnimmt.
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Eine derartige Umlenkung kann beispielsweise durch geeignete Wahl von HOE erzielt werden.
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In 6 ist die Lichtverteilung A für den Fall illustriert, dass die Lichtablenkeinrichtung 12 nicht bis zu einem maximalen Schwenkwinkel x geschwenkt wird, sondern die Schwingungsamplitude der Lichtablenkeinrichtung 12 reduziert wird. Hierbei werden keine Laserlichtstrahlen 11 durch die Lichtablenkeinrichtung 12 in Randbereiche der Lichtumlenkeinrichtung 60 abgelenkt, so dass keine Laserlichtstrahlen 11 zu einem zentralen Bereich 61 der Lumineszenzeinrichtung 13 hin umgelenkt werden. Die Lumineszenzeinrichtung 13 sendet somit kein Licht in einen zentralen Bereich aus, so dass sich die Lichtverteilung derart ändert, dass ein zentraler Bereich abgedunkelt wird. Die gesamte Lichtmenge bleibt jedoch erhalten.
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In 7 ist eine Lichtaussendevorrichtung 7 gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung illustriert. Die Lichtaussendevorrichtung 7 umfasst eine Lichtumlenkeinrichtung 70, welche derart ausgebildet ist, dass auf die Lichtumlenkeinrichtung 70 auftreffende Laserlichtstrahlen 11 derart umgelenkt werden, dass Laserlichtstrahlen 11, welche auf einen bestimmten Bereich der Lichtumlenkeinrichtung 70 auftreffen, in einen entsprechenden Bereich der Lumineszenzeinrichtung 13 umgelenkt werden, welcher umso schmäler ist, je näher sich der Bereich der Lichtumlenkeinrichtung 70 an einem Zentrum der Lichtumlenkeinrichtung 70 befindet.
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In 7 sind ein erster Lichtumlenkeinrichtungsbereich 71, ein zweiter Lichtumlenkeinrichtungsbereich 72 und ein dritter Lichtumlenkeinrichtungsbereich 73 illustriert, welche gleich groß sind und einen zunehmenden Abstand von der zentralen Achse 15 aufweisen. Laserlichtstrahlen 11, welche auf den ersten Lichtumlenkeinrichtungsbereich 71, zweiten Lichtumlenkeinrichtungsbereich 72 und dritten Lichtumlenkeinrichtungsbereich 73 auftreffen, werden in einen ersten Lumineszenzeinrichtungsbereich 75, zweiten Lumineszenzeinrichtungsbereich 76 bzw. dritten Lumineszenzeinrichtungsbereich 77 umgelenkt, deren Größe mit zunehmendem Abstand von der zentralen Achse 15 zunimmt, wodurch eine Auffächerung bewirkt wird. Vorzugsweise ist die Größe des ersten Lumineszenzeinrichtungsbereichs 75 kleiner als die Größe des ersten Lichtumlenkeinrichtungsbereichs 71, sodass nahe der zentralen Achse 15 eine Fokussierung stattfindet. Es wird eine Lichtverteilung A erzielt, deren Maximum in einem zentralen Bereich liegt und nach außen hin abnimmt.
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Die Lichtumlenkeinrichtung 70 kann wiederum HOE aufweisen. Gemäß einer weiteren Ausführungsform kann die Lichtumlenkeinrichtung 70 einen gewölbten Spiegel aufweisen.
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8 zeigt ein Flussdiagramm zur Erläuterung eines Verfahrens zum Aussenden von Licht. In einem ersten Schritt S1 wird ein Laserlichtstrahl 11 durch eine Laserlichtquelle 10 ausgesendet. In einem zweiten Verfahrensschritt S2 wird der ausgesendete Laserlichtstrahl 11 durch eine schwenkbare Lichtablenkeinrichtung 12, insbesondere einen Mikrospiegel abgelenkt.
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In einem weiteren Verfahrensschritt S3 wird der abgelenkte Laserlichtstrahl 11 durch eine Lichtumlenkeinrichtung, in Abhängigkeit von einem Auftreffwinkel y des abgelenkten Laserlichtstrahls 11 auf die Lichtumlenkeinrichtung, umgelenkt.
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In einem weiteren Verfahrensschritt S4 wird Licht durch die Lumineszenzeinrichtung 13 beim Auftreffen des umgelenkten Laserlichtstrahls 11 auf die Lumineszenzeinrichtung 13 ausgesendet. Das Verfahren kann insbesondere mit Hilfe einer der oben beschriebenen Lichtaussendevorrichtungen durchgeführt werden.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102010028949 A1 [0003]
