DE102016214517A1

DE102016214517A1 - Beleuchtungsvorrichtung

Info

Publication number: DE102016214517A1
Application number: DE102016214517.7A
Authority: DE
Inventors: Stefan Hadrath
Original assignee: Osram GmbH
Current assignee: Osram GmbH
Priority date: 2016-08-05
Filing date: 2016-08-05
Publication date: 2018-02-08
Also published as: US20190178460A1; CN109690179B; CN109690179A; US10704755B2; WO2018024470A1

Abstract

Eine Beleuchtungsvorrichtung (5) weist eine Lichterzeugungseinrichtung (102) zum Erzeugen eines Primärlichtstrahls (B), einen mittels des Primärlichtstrahls (B) bestrahlbaren Leuchtstoffkörper (105) zur teilweisen Umwandlung von Primärlicht (P) des Primärlichtstrahls (B) in Sekundärlicht (S) und ein dem Leuchtstoffkörper (105) nachgeschaltetes Spektralfilter (2), welches für das Sekundärlicht (S) stärker durchlässig ist als für das Primärlicht (P), auf, wobei das Spektralfilter (2) entlang einer Strahlachse (A) des auf den Leuchtstoffkörper (105) einfallenden Primärlichtstrahls (B) angeordnet ist. Die Erfindung ist beispielsweise anwendbar auf LARP-Anordnungen. Die Erfindung ist besonders vorteilhaft anwendbar für Zwecke der Fahrzeugbeleuchtung, der Allgemeinbeleuchtung, der Außenbeleuchtung, der Bühnenbeleuchtung, der Effektbeleuchtung usw.

Description

Die Erfindung betrifft eine Beleuchtungsvorrichtung, aufweisend eine Lichterzeugungseinrichtung zum Erzeugen eines Primärlichtstrahls und einen mittels des Primärlichtstrahls bestrahlbaren Leuchtstoffkörper zur teilweisen Umwandlung von Primärlicht in Sekundärlicht. Die Erfindung ist beispielsweise anwendbar auf LARP-Anordnungen. Die Erfindung ist besonders vorteilhaft anwendbar für Zwecke der Fahrzeugbeleuchtung, der Allgemeinbeleuchtung, der Außenbeleuchtung, der Bühnenbeleuchtung, der Effektbeleuchtung usw.
DE 10 2012 220 472 A1 offenbart eine Kfz-Beleuchtungsvorrichtung mit einer Laserlichtquelle zur Ausstrahlung eines Primärlichtbündels in einen Primärraumwinkelbereich um eine Primärabstrahlrichtung. Die Beleuchtungsvorrichtung umfasst ein Leuchtstoff- oder Photolumineszenzelement, welches derart angeordnet ist, dass das mit der Laserlichtquelle ausstrahlbare Primärlichtbündel z.B. über eine Zwischenoptik oder ein Strahlführungsmittel auf das Photolumineszenzelement trifft, und welches derart ausgebildet ist, dass durch das auftreffende Primärlichtbündel eine Sekundärlichtverteilung unter Ausnutzung von Photolumineszenz ausstrahlbar ist. Außerdem ist eine Abstrahloptikeinrichtung vorgesehen, welche derart ausgebildet ist, dass die Sekundärlichtverteilung in eine Abstrahllichtverteilung der Beleuchtungsvorrichtung umformbar ist. Zur Erhöhung der Sicherheit ist ein Abstrahlhemmungsmittel vorgesehen, welches derart ausgebildet und angeordnet ist, dass die Umformung in die Abstrahllichtverteilung für solche Lichtbündel unterdrückbar ist, welche ausgehend von der Laserlichtquelle in dem Primärraumwinkelbereich um die Primärabstrahlrichtung verlaufen.
Es ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, die Nachteile des Standes der Technik zumindest teilweise zu überwinden und insbesondere eine verbesserte Möglichkeit bereitzustellen, ein von einem Leuchtstoffkörper abgestrahltes Lichtabstrahlmuster mit einfachen Mitteln farblich zu vereinheitlichen bzw. zu homogenisieren, insbesondere für LARP-Anordnungen.
Diese Aufgabe wird gemäß den Merkmalen der unabhängigen Ansprüche gelöst. Bevorzugte Ausführungsformen sind insbesondere den abhängigen Ansprüchen entnehmbar.
Die Aufgabe wird gelöst durch eine Beleuchtungsvorrichtung, aufweisend eine Lichterzeugungseinrichtung zum Erzeugen eines Primärlichtstrahls, einen mittels des Primärlichtstrahls bestrahlbaren Leuchtstoffkörper zur teilweisen Umwandlung von Primärlicht des Primärlichtstrahls in Sekundärlicht und ein dem Leuchtstoffkörper optisch nachgeschaltetes Spektralfilter, welches für das Sekundärlicht stärker durchlässig ist als für das Primärlicht, wobei das Spektralfilter entlang einer Strahlachse des auf den Leuchtstoffkörper einfallenden Primärlichtstrahls angeordnet ist.
Von dem Leuchtstoffkörper wird teilweise umgewandeltes Sekundärlicht und nicht-umgewandeltes Primärlicht als Nutzlicht abgestrahlt. Das Nutzlicht ist also ein Mischlicht. Dabei ist der Primärlichtanteil des Nutzlichts häufig stärker gerichtet als das Sekundärlicht, und zwar in Richtung der Strahlachse des auf den Leuchtstoffkörper einfallenden Primärlichtstrahls. Beispielsweise kann der Primärlichtanteil eine kegel- oder keulenartige Form aufweisen, während das Sekundärlicht mit einem praktisch Lambertschen Abstrahlmuster abgestrahlt wird, wobei in verschiedenen Abstrahlrichtungen unterschiedliche Divergenzwinkel auftreten können. Dadurch weist das Nutzlicht in einem (Raumwinkel- oder Orts-)Bereich, der sich unmittelbar um die Strahlachse herum erstreckt, einen gegenüber einem Soll-Summenfarbort des Mischlichts merklich erhöhten Primärlichtanteil auf. Daran schließt sich ein "neutraler" Bereich an, dessen Summenfarbort zumindest ungefähr dem Soll-Summenfarbort des Mischlichts entspricht. Noch weiter von der Strahlachse entfernt kann das Mischlicht einen erhöhten Sekundärlichtanteil aufweisen. Dabei fällt der erhöhte Sekundärlichtanteil einem Betrachter weniger auf als der weit stärker lokalisierte (Raumwinkel- oder Orts-)Bereich mit erhöhtem Primärlichtanteil.
Diese Beleuchtungsvorrichtung ergibt den Vorteil, dass aufgrund der stärkeren Filterung des Primärlichtanteils im Bereich der Strahlachse hinter dem Spektralfilter dort die Erhöhung des Primärlichtanteils abgeschwächt oder sogar ganz beseitigt werden kann. Dadurch wiederum wird eine farbliche Vereinheitlichung des von dem Leuchtstoffkörper abgestrahlten Lichtabstrahlmusters mit einfachen Mitteln erreicht. Tritt in diesem Bereich auch eine farbunabhängige Erhöhung der Leuchtdichte im Vergleich zu einem umgebenden Bereich auf, wird auch eine Vereinheitlichung der Helligkeitsverteilung des von dem Leuchtstoffkörper abgestrahlten Lichtabstrahlmusters erreicht.
Der Soll-(Gesamt-)Farbort kann ein für das Nutzlicht vorgegebener Farbort sein. Der Soll-Gesamtfarbort kann auch ein Farbbereich oder Farbband sein. Die Fläche des Spektralfilters kann in Bezug auf ihre Form und ihre Größe so ausgelegt sein, dass der Gesamtfarbort eines "zentralen" Winkelbereichs des Lichtabstrahlmusters, der von der Strahlachse durchlaufen wird, dem Soll-Gesamtfarbort entspricht.
Es ist eine Weiterbildung, dass der Leuchtstoffkörper von der Lichterzeugungseinrichtung bzw. von deren mindestens einer Lichtquelle beabstandet ist. Dies ergibt den Vorteil einer vergleichsweise einfachen Kühlung.
Die Lichterzeugungseinrichtung kann eine oder mehrere Lichtquellen aufweisen. Bei Vorhandensein mehrerer Lichtquellen können die von ihnen erzeugten Einzel-Lichtstrahlen getrennt auf den Leuchtstoffkörper (in einer Weiterbildung auch auf einen jeweiligen Leuchtstoffkörper) gelenkt werden. Alternativ können die Einzel-Lichtstrahlen zu einem gemeinsamen Lichtstrahl zusammengefasst werden.
Mindestens eine Lichtquelle kann ein lichtemittierendes Halbleiter-Bauelement ("Halbleiterlichtquelle") sein, z.B. eine Leuchtdiode oder eine Laserdiode. Die mindestens eine Leuchtdiode kann in Form mindestens einer einzeln gehäusten Leuchtdiode oder in Form mindestens eines LED-Chips vorliegen. Mehrere LED-Chips können auf einem gemeinsamen Substrat ("Submount") montiert sein. Anstelle oder zusätzlich zu anorganischen Leuchtdioden, z.B. auf Basis von InGaN oder AlInGaP, sind allgemein auch organische LEDs (OLEDs, z.B. Polymer-OLEDs) einsetzbar. Jedoch ist die Lichtquelle nicht auf Halbleiterlichtquellen beschränkt und kann z.B. auch eine andere Art von Laser sein.
Es ist eine weitere Ausgestaltung, dass die Lichterzeugungseinrichtung mindestens einen Laser – insbesondere Halbleiterlaser – aufweist und der Leuchtstoffkörper beabstandet von dem mindestens einen Laser angeordnet ist. Eine solche, auch als LARP ("Laser Activated Remote Phosphor") bezeichnete Lichterzeugungseinrichtung weist unter anderem die Vorteile einer hohen Leuchtdichte und einer vergleichsweise einfachen Kühlung auf. Zudem ist der von dem mindestens einen Laser erzeugte Primärlichtstrahl bereits vorteilhafterweise hochgradig kollimiert, so dass auf eine aufwändige Optik zwischen dem mindestens einen Laser und dem Leuchtstoffkörper verzichtet werden kann.
Es ist noch eine Weiterbildung, dass der von der Lichterzeugungseinrichtung (insbesondere dem mindestens einen Laser) erzeugte Primärlichtstrahl direkt auf den Leuchtstoffkörper fällt.
Es ist auch noch eine Weiterbildung, dass zwischen der Lichterzeugungseinrichtung dem Leuchtstoffkörper mindestens ein optisches Element vorhanden ist, beispielsweise um den Primärlichtstrahl geeignet zu formen, z.B. für eine Strahlaufweitung, eine Strahlfokussierung auf den Leuchtstoffkörper, usw. und/oder um eine Strahlrichtung des Primärlichtstrahls umzulenken, z.B. durch einen faseroptischen Lichtleiter und/oder einen Spiegel und/oder durch eine schwingenden Spiegel in Form eines MEMS-Spiegels oder eines DMD (Digital Mirror Device).
Dass der Leuchtstoffkörper der Lichterzeugungseinrichtung optisch nachgeschaltet ist, kann insbesondere umfassen, dass der Leuchtstoffkörper durch das Primärlicht bestrahlbar ist. Insbesondere befindet sich ein Oberflächenbereich des Leuchtstoffkörpers, auf den das Primärlicht einfällt (im Folgenden ohne Beschränkung der Allgemeinheit auch als "Leuchtfleck" bezeichnet), vollständig auf dem Leuchtstoffkörper.
Der Leuchtfleck kann oval oder elliptisch gestreckt sein oder auch kreisförmig ausgebildet sein. Es ist eine Weiterbildung, dass der Leuchtfleck einen Durchmesser zwischen 300 Mikrometern und 500 Mikrometern aufweist.
Der Leuchtstoffkörper kann aus wellenlängenumwandelnder Keramik bestehen und insbesondere als ein Keramikplättchen vorliegen. Das Keramikplättchen kann in einer Weiterbildung eine laterale Ausdehnung (z.B. einen Durchmesser) von ca. ein bis zwei Millimetern aufweisen.
Der Leuchtstoffkörper weist mindestens einen Leuchtstoff auf, welcher dazu geeignet ist, einfallendes Primärlicht zumindest teilweise in Sekundärlicht unterschiedlicher Wellenlänge umzuwandeln oder zu konvertieren. Bei Vorliegen mehrerer Leuchtstoffe mögen diese Sekundärlicht von zueinander unterschiedlicher Wellenlänge erzeugen. Die Wellenlänge des Sekundärlichts mag länger sein (sog. „Down Conversion“) oder kürzer sein (sog. „Up Conversion“) als die Wellenlänge des Primärlichts. Beispielsweise mag blaues Primärlicht mittels eines Leuchtstoffs in grünes, gelbes, orangefarbenes oder rotes Sekundärlicht umgewandelt werden. Bei einer nur teilweisen Wellenlängenumwandlung oder Wellenlängenkonversion wird von dem Leuchtstoffkörper eine Mischung aus Sekundärlicht und nicht umgewandeltem Primärlicht abgestrahlt, die als Nutzlicht dienen kann. Beispielsweise mag weißes Nutzlicht aus einer Mischung aus blauem, nicht umgewandeltem Primärlicht und gelbem Sekundärlicht erzeugt werden. Jedoch ist auch eine Vollkonversion möglich, bei der das Nutzlicht entweder nicht mehr oder zu einem nur vernachlässigbaren Anteil in dem Nutzlicht vorhanden ist. Ein Umwandlungsgrad hängt beispielsweise von einer Dicke und/oder einer Leuchtstoffkonzentration des Leuchtstoffs ab. Bei Vorliegen mehrerer Leuchtstoffe können aus dem Primärlicht Sekundärlichtanteile unterschiedlicher spektraler Zusammensetzung erzeugt werden, z.B. gelbes und rotes Sekundärlicht. Das rote Sekundärlicht mag beispielsweise dazu verwendet werden, dem Nutzlicht einen wärmeren Farbton zu geben, z.B. sog. "warm-weiß". Bei Vorliegen mehrerer Leuchtstoffe mag mindestens ein Leuchtstoff dazu geeignet sein, Sekundärlicht nochmals wellenlängenumzuwandeln, z.B. grünes Sekundärlicht in rotes Sekundärlicht. Ein solches aus einem Sekundärlicht nochmals wellenlängenumgewandeltes Licht mag auch als "Tertiärlicht" bezeichnet werden.
Der Leuchtstoffkörper kann auf einem lichtdurchlässigen Träger, z.B. einem Saphirträger, angeordnet sein. Der Saphirträger kann auch einer Wärmeableitung dienen. Der Träger kann insbesondere ein transparenter Träger sein.
Dass das Spektralfilter dem Leuchtstoffkörper optisch nachgeschaltet ist, kann umfassen, dass das Spektralfilter bei eingeschalteter Beleuchtungsvorrichtung von Nutzlicht, das von dem Leuchtstoffkörper abgestrahlt wird, bestrahlt wird.
Es ist eine Weiterbildung, dass das Spektralfilter von dem Leuchtstoffkörper beabstandet ist. Dies ergibt den Vorteil, dass eine Fläche des Spektralfilters mit höheren Maßtoleranzen gefertigt werden kann und/oder das Spektralfilter einen besonders kleinen Bereich (d.h., einem Raumwinkelbereich oder Ortsbereich) belegen kann. Zudem lässt sich so eine Erwärmung des Spektralfilters gering halten. Alternativ kann das Spektralfilter in einem kurzen Abstand von wenigen Millimetern zur Austrittsfläche des Leuchtstoffkörpers angeordnet sein, um den Zentralbereich der Abstrahlung möglichst vollständig abzudecken. In einer weiteren Variante kann der Spektralfilter auch direkt auf der Austrittsseite des Leuchtstoffkörpers aufgebracht bzw. angeordnet sein.
Es ist noch eine Ausgestaltung, dass sich das Spektralfilter nur in einem primärlichtlastigen (d.h., einen merklich erhöhten Primärlichtanteil aufweisenden) Bereich des von dem Leuchtstoffkörper abgestrahlten Mischlichts befindet. Dies ergibt den Vorteil, dass das Primärlicht nicht auch in dem bereits sekundärlichtlastigen (d.h., einen merklich erhöhten Sekundärlichtanteil aufweisenden) Raumwinkel- oder Ortsbereich verringert wird. Jedoch kann sich das Spektralfilter beispielsweise auch geringfügig über den primärlichtlastigen Bereich hinaus erstrecken, um Fertigungstoleranzen gering halten zu können.
Es ist eine weitere Ausgestaltung, dass das Spektralfilter den gesamten primärlichtlastigen (Raumwinkel- oder Orts-)Bereich des Lichtabstrahlmusters abdeckt. Dies ergibt den Vorteil, dass eine Vergleichmäßigung des Nutzlicht-Abstrahlmusters besonders effektiv unterstützt wird.
Es ist noch eine weitere Ausgestaltung, dass der Primärlichtstrahl mittig durch das Spektralfilter bzw. durch einen Mittelpunkt des Spektralfilters verläuft. Dadurch kann der Primärlichtanteil in einem um die Strahlachse symmetrischen "Kern" des Nutzlicht-Abstrahlmusters verringert werden, was bei einer typischerweise symmetrischen Form des Nutzlicht-Abstrahlmusters dessen Vergleichmäßigung weiter unterstützt.
Es ist eine Weiterbildung, dass eine entlang der Strahlachse projizierte Fläche des Spektralfilters einer Form eines Strahlquerschnitts des Primärlichtstrahls entspricht. Es ist eine Weiterbildung, dass eine entlang der Strahlachse projizierte Fläche des Spektralfilters kreisrund oder symmetrisch gestreckt (z.B. oval oder elliptisch) ist.
Es ist eine Weiterbildung, dass der Spektralfilter in einer Zwischenbildebene eines abbildenden Linsensystems angeordnet ist.
Dass das Spektralfilter für das Sekundärlicht stärker durchlässig ist als für das Primärlicht, bedeutet insbesondere, dass ein Transmissionsgrad Ts für das Sekundärlicht höher ist als ein Transmissionsgrad Tp für das Primärlicht, also Ts > Tp gilt. Allgemein kann zur Annäherung an den Soll-Gesamtfarbort vorteilhaft sein, wenn das Spektralfilter für das Primärlicht überwiegend undurchlässig ist, insbesondere Tp kleiner als 10%, bevorzugt kleiner als 5%, besonders bevorzugt kleiner als 1% ist. Es ist eine zum besonders effektiven Ausblenden des Primärlichtanteils an seiner Lichtstärkespitze vorteilhafte Weiterbildung, dass das Spektralfilter für das Primärlicht praktisch undurchlässig (Tp < 1%) ist.
Auch kann es zur Annäherung an den Soll-Gesamtfarbort vorteilhaft sein, dass das Spektralfilter für das Sekundärlicht praktisch durchlässig ist, d.h., Ts > 80%, insbesondere Ts > 90%, insbesondere Ts > 95%, gilt.
Bei blauem Primärlicht und gelbem Sekundärlicht kann eine Filterkante des Spektralfilters beispielsweise bei ca. 470 nm liegen.
Es ist ferner eine Ausgestaltung, dass das Spektralfilter ein dichroitischer Spiegel ist. Dies ergibt den Vorteil, dass das Spektralfilter das Primärlicht und das Sekundärlicht besonders präzise trennen kann, kompakt ist und einfach herstellbar ist.
Es ist auch eine Ausgestaltung, dass die Beleuchtungsvorrichtung einen Lichtsensor aufweist, der so angeordnet ist, dass auf den dichroitischen Spiegel auftreffendes Primärlicht in den Lichtsensor reflektierbar ist. Dadurch kann eine Lichtmenge (z.B. ein Lichtstrom) des von dem dichroitischen Spiegel reflektierten Lichts gemessen werden. Beispielsweise können so eine Schädigung des Leuchtstoffkörpers und/oder ein Ausfall der Lichterzeugungseinrichtung detektiert oder erkannt werden. Der dichroitische Spiegel kann dazu in Bezug auf die Strahlachse des Primärlichtstrahls schräggestellt sein. Die Schrägstellung kann allgemein vorteilhaft sein, um eine Rückspiegelung des Primärlichts in die Lichterzeugungseinrichtung zu verhindern.
Es ist eine Weiterbildung, dass der Lichtsensor ein für das Primärlicht und das Sekundärlicht empfindlicher Lichtsensor ist. Dieser kann vorteilhafterweise besonders hohe Lichtströme auswerten. Zur Detektion einer Schädigung des Leuchtstoffkörpers kann beispielsweise davon ausgegangen werden, dann im Schädigungsfall das Primärlicht schwächer als bisher in Sekundärlicht umgewandelt wird (z.B. aufgrund eines Fehlens von Leuchtstoff, durch Risse usw.) und daher ein geringerer Anteil des von dem Leuchtstoffkörper erzeugten Sekundärlichts auf den dichroitischen Spiegel fällt, bzw. ein höherer Lichtstrom des Primärlichts. Daher kann eine Erhöhung des in den Lichtsensor einfallenden Primärlichts bzw. eine Verringerung des Sekundärlichts auf eine Schädigung hinweisen.
Es ist noch eine Weiterbildung, dass der Lichtsensor ein nur für das Primärlicht (und nicht für das Sekundärlicht) empfindlicher Lichtsensor ist. Im Schädigungsfall kann eine starke Erhöhung des in den Lichtsensor einfallenden Primärlichts auf eine Schädigung hinweisen.
Es ist noch eine Weiterbildung, dass der Lichtsensor ein nur für das Sekundärlicht (und nicht für das Primärlicht) empfindlicher Lichtsensor ist. Im Schädigungsfall kann eine Verringerung des in den Lichtsensor einfallenden Sekundärlichts auf eine Schädigung hinweisen.
Es ist noch eine Weiterbildung, dass der Lichtsensor separat einerseits für das Primärlicht und andererseits für das Sekundärlicht oder das gemischte Nutzlicht (Primärlicht und Sekundärlicht) empfindlich ist oder zwei unterschiedliche Lichtsensor umfasst, nämlich einen nur für das Primärlicht und einen nur für das Sekundärlicht oder für das Nutzlicht empfindlichen Lichtsensor. Diese Weiterbildung ergibt den Vorteil, dass nun auch Schwankungen des Primärlichtstroms von der Lichterzeugungseinrichtung berücksichtigt werden können und so Fehldetektionen eines Schadensfalls noch weiter vermieden werden können. Beispielsweise kann eine Erhöhung des Primärlichtstroms von der Lichterzeugungseinrichtung dadurch erkannt werden, dass sowohl der Lichtstrom des in den (mindestens einen) Lichtsensor einfallenden Primärlichtanteils als auch der Lichtstrom des einfallenden Sekundärlichtanteils anwächst.
Es ist außerdem eine Ausgestaltung, dass die Beleuchtungsvorrichtung eine mit dem Lichtsensor und der Lichterzeugungseinrichtung gekoppelte Steuereinrichtung aufweist, die dazu eingerichtet ist, ein Messsignal des Lichtsensors auf eine Beschädigung des Leuchtstoffkörpers hin auszuwerten und einen Lichtstrom des von der Lichterzeugungseinrichtung abgestrahlten Primärlichts bei Erkennen einer Beschädigung zu verringern. Dadurch kann eine mögliche Augenschädigung durch austretendes kollimiertes Primärlicht mit hohem Lichtstrom besonders sicher verhindert werden. Das Verringern des Lichtstroms kann ein Verringern, aber nicht Ausschalten ("Dimmen") des Lichtstroms umfassen, beispielsweise um noch eine schwache Notbeleuchtung aufrechtzuerhalten. Das Verringern des Lichtstroms kann aber auch ein Deaktivieren oder Ausschalten des Primärlichts umfassen.
Die Winkelstellung des dichroitischen Spiegels ist dabei insbesondere so gewählt, dass von ihm zurückreflektiertes Licht im Wesentlichen nicht auf das Konversionselement zurück fällt. Je nach Größe des dichroitischen Spiegels und des abzudeckendes Orts- bzw. Winkelbereichs kann dazu eine passende Winkelstellung des Spiegels zur optischen Strahlachse gewählt werden. Der Wertebereich der Winkelstellung kann beispielsweise zwischen 10° und 80° liegen, insbesondere zwischen 30° und 55°, insbesondere zwischen 40° und 50°. Der dichroitische Spiegel kann rechteckförmig, polygonal, kreisförmig oder freiförmig ausgeführt sein.
Es ist zudem eine Ausgestaltung, dass das Spektralfilter an einem dem Leuchtstoffkörper optisch nachgeschalteten Durchlichtelement angeordnet ist. Dies kann eine Herstellung und Anordnung erleichtern. Ein solches Durchlichtelement kann z.B. eine Linse oder eine Abdeckscheibe sein. Die Linse oder die Abdeckscheibe können Bestandteile eines LARP-Moduls sein und dieses in Abstrahlrichtung abschließen. Die Abdeckscheibe kann aber auch eine Komponente der Beleuchtungsvorrichtung außerhalb des LARP-Moduls sein, beispielsweise eine Abdeckscheibe eines Scheinwerfers.
Es ist auch noch eine Ausgestaltung, dass das Spektralfilter an einer dem Leuchtstoffkörper abgewandten Seite des Durchlichtelements aufgebracht ist, das Primärlicht von dem Spektralfilter durch das Durchlichtelement hindurch zu einer dem Leuchtstoffkörper zugewandten Seite reflektierbar ist und die dem Leuchtstoffkörper zugewandte Seite im Bereich des reflektierten Primärlichts als TIR-freier Bereich ausgebildet ist. Bei dieser Ausgestaltung durchläuft also Nutzlicht das Durchlichtelement und wird durch das Spektralfilter zurück durch das Durchlichtelement reflektiert. Der TIR-freie Bereich bewirkt, dass das in dem Durchlichtelement zurücklaufende Licht nicht an der dem Leuchtstoffkörper zugewandten Seite aufgrund von innerer Totalreflexion zurück in das Durchlichtelement reflektiert wird, sondern aus dem Durchlichtelement ausgekoppelt wird.
Alternativ kann das Spektralfilter an einer dem Leuchtstoffkörper zugewandten Seite des Durchlichtelements aufgebracht sein. In noch einer Alternative kann das Spektralfilter innerhalb des Körpers angeordnet sein.
Es ist zudem noch eine Ausgestaltung, dass das Durchlichtelement ein strahlformendes Durchlichtelement ist. Das Durchlichtelement kann insbesondere ein lichtbrechendes Element wie eine Linse, ein Kollimator, ein abbildendes Linsensystem usw. sein. Diese Ausgestaltung ermöglicht einen besonders kompakten Aufbau. Bei einem abbildenden Linsensystem kann der Spektralfilter bevorzugt in der Zwischenbildebene des Leuchtflecks angeordnet sein. Es ist eine alternative Weiterbildung, dass das Durchlichtelement ein nicht strahlformendes, sondern strahlneutrales Durchlichtelement ist, beispielsweise eine Abdeckscheibe, an welche der Spektralfilter angebracht oder in diese integriert ist.
Es ist außerdem noch eine Ausgestaltung, dass das Spektralfilter einen Durchmesser zwischen 100 Mikrometern und 300 Mikrometern aufweist.
Es ist eine Weiterbildung, dass die Beleuchtungsvorrichtung ein weiteres dem Leuchtstoffkörper nachgeschaltetes Spektralfilter aufweist, das für das Primärlicht stärker durchlässig ist als für das Sekundärlicht, und das in einem sekundärlichtlastigen Bereich des Nutzlichts angeordnet ist. So können auch weiter von der Strahlachse des einfallenden Primärlichtstrahls entfernte Bereiche in Richtung des Soll-Summenfarborts des Nutzlichts verschoben werden, was eine Farbverteilung des Lichtabstrahlmusters noch weiter vereinheitlichen kann.
Es ist auch noch eine Ausgestaltung, dass die Beleuchtungsvorrichtung ein Scheinwerfer ist. Der Scheinwerfer kann eine Abdeckung aus Glas oder Kunststoff aufweisen. Es ist eine Weiterbildung, dass das Spektralfilter an der Abdeckung angeordnet ist.
Es ist auch noch eine Ausgestaltung, dass die Beleuchtungsvorrichtung eine Fahrzeug-Beleuchtungsvorrichtung ist. Das Fahrzeug kann ein Kraftfahrzeug (z.B. ein Kraftwagen wie ein Personenkraftwagen, Lastkraftwagen, Bus usw. oder ein Motorrad), eine Eisenbahn, ein Wasserfahrzeug (z.B. ein Boot oder ein Schiff) oder ein Luftfahrzeug (z.B. ein Flugzeug oder ein Hubschrauber) sein. Die Beleuchtungsvorrichtung kann aber auch für Zwecke der Allgemeinbeleuchtung, Außenbeleuchtung, Bühnenbeleuchtung, Effektbeleuchtung usw. eingesetzt werden.
Die oben beschriebenen Eigenschaften, Merkmale und Vorteile dieser Erfindung sowie die Art und Weise, wie diese erreicht werden, werden klarer und deutlicher verständlich im Zusammenhang mit der folgenden schematischen Beschreibung von Ausführungsbeispielen, die im Zusammenhang mit den Zeichnungen näher erläutert werden. Dabei können zur Übersichtlichkeit gleiche oder gleichwirkende Elemente mit gleichen Bezugszeichen versehen sein.
1 zeigt als Schnittdarstellung in Seitenansicht eine LARP-Beleuchtungsvorrichtung ohne ein Spektralfilter;
2 zeigt einen Verlauf einer Leuchtdichte des Primärlichtstrahls und eines Summenfarborts des Nutzlichts entlang eines zu der Strahlachse symmetrischen Winkelabschnitts;
3 zeigt in Sicht entlang einer Strahlachse ein Lichtabstrahlmuster des Nutzlichts der LARP-Beleuchtungsvorrichtung aus 1;
4 zeigt als Schnittdarstellung in Seitenansicht eine erste LARP-Beleuchtungsvorrichtung mit einem Spektralfilter;
5 zeigt als Schnittdarstellung in Seitenansicht eine zweite LARP-Beleuchtungsvorrichtung mit einem Spektralfilter; und
6 zeigt als Schnittdarstellung in Seitenansicht eine dritte LARP-Beleuchtungsvorrichtung mit einem Spektralfilter.
1 zeigt als Schnittdarstellung eine LARP-Beleuchtungsvorrichtung 101 ohne ein Spektralfilter.
Die LARP-Beleuchtungsvorrichtung 101 weist eine Lichterzeugungseinrichtung in Form einer Laserdiode 102 zum Erzeugen eines (Primärlicht-)Strahls B aus blauem Primärlicht P auf. Der Laserdiode 102 sind zwei Linsen 103 und 104 zum Strahlformen des Primärlichtstrahls B optisch nachgeschaltet. Der Primärlichtstrahl B trifft auf einen Leuchtstoffkörper in Form eines konvertierenden Keramikplättchens 105, und zwar entlang einer Strahlachse A.
Das Keramikplättchen 105 kann auf einem Träger 106 aus transparentem Sapir, Glas usw. aufgebracht sein. Mittels des Keramikplättchens 105 wird das Primärlicht P teilweise in gelbes Sekundärlicht S umgewandelt. Von dem Keramikplättchen 105 wird folglich blau-gelbes bzw. weißes Mischlicht mit einem Anteil aus dem Primärlicht P und einem Anteil aus dem Sekundärlicht S als Nutzlicht P, S abgestrahlt. Dabei liegt hier eine transmittierende Anordnung vor, bei welcher das Nutzlicht P, S von einer der Laserdiode 102 abgewandten Seite des Keramikplättchens 105 abgestrahlt wird. Grundsätzlich ist aber auch eine reflektierende Anordnung einsetzbar, bei der das Nutzlicht P, S von derselben Seite des Keramikplättchens 105 abgestrahlt wird, auf die auch das Primärlicht P bzw. der Primärlichtstrahl B einfällt (das Keramikplättchen 105 kann dann z.B. auf einem reflektierenden Träger aufgebracht sein). Das Nutzlicht P, S kann von einem weiteren strahlformenden Durchlichtelement, hier in Form einer weiteren Linse 107, strahlgeformt werden, z.B. kollimiert werden. Die Komponenten 102 bis 107 können Komponenten eines LARP-Moduls N sein.
2 zeigt einen Verlauf einer Leuchtdichte Lv des Primärlichtstrahls B und eines Summenfarborts Cx des Nutzlichts P, S auf einer Lichtaustrittsfläche des Keramikplättchens 105 entlang einer Richtung x senkrecht zur optischen Strahlachse A. Dieser gelb-blaue Ortsraum kann in unterschiedlichen Richtungen senkrecht zu der optischen Strahlachse A unterschiedliche Ausdehnungen aufweisen, so dass sich zum Beispiel in der Austrittsebene des Keramikplättchens 105 ein elliptisches Farbprofil ergibt. Das Farbprofil kann aber auch wie in 3 dargestellt rotationssymmetrisch zu der Strahlachse A ausgebildet sein. Die Strahlachse A trifft den gezeigten Ortsraum mittig.
Die Leuchtdichte Lv ist maximal am Ort der Strahlachse A und sinkt mit steigender Entfernung davon. Der Summenfarbort Cx des Nutzlichts P, S weist in einem ersten, die Strahlachse A umfassenden Abschnitt ("Zentralabschnitt" S1) einen Blaustich auf. Dies bedeutet, dass dort der Anteil des blauen Primärlichts P so hoch ist, dass der Summenfarbort Cx sich außerhalb eines neutral weißen Farbbands C1 befindet, und zwar in Richtung des Farborts des Primärlichts P, d.h. nach blau verschoben.
Daran schließt sich nach außen bzw. mit steigendem Abstand x zur optischen Strahlachse A ein "neutraler" Abschnitt S2 an, in dem der Summenfarbort Cx sich in dem neutral weißen Farbband C1 befindet. Mit noch weiterem Abstand von der Strahlachse A, hier in einem "Außenabschnitt" S3, weist der Summenfarbort Cx einen Gelbstich auf. Dies bedeutet, dass dort der Anteil des gelben Sekundärlichts S so hoch ist, dass der Summenfarbort Cx sich nach gelb hin verschoben hat und sich außerhalb des neutral weißen Farbbands C1 befindet.
Die Übergänge zwischen den Bereich S1, S2 und S3 sind nicht abrupt bzw. stufenförmig, sondern weisen einen graduellen Übergang auf, der vom Strahlprofil des Primärlichts P und den Eigenschaften des konvertierenden Keramikplättchens 105, wie z.B. dessen Leuchtstoff-Konzentration und Verteilung möglicher Streubereiche, abhängt.
3 zeigt ein um die Strahlachse A zentriertes rotationssymmetrisches Lichtabstrahlmuster des Nutzlichts P, S der LARP-Beleuchtungsvorrichtung 101 ohne Spektralfilter, und zwar auf der Austrittsseite des konvertierenden Keramikplättchens 105 in einer Ansicht entlang der Strahlachse A in einer Ebene senkrecht zu der Strahlachse A. Ein dem Zentralabschnitt S1 aus 2 entsprechender Zentralbereich K1 ist hier kreisförmig ausgebildet und um die Zentralachse A zentriert. Der Zentralbereich K1 ist von einem dem neutralen Abschnitt S2 entsprechenden ringförmigen Neutralbereich K2 umgeben. Der Neutralbereich K2 wiederum ist von einem dem Außenabschnitt S3 entsprechenden ringförmigen Außenbereich K3 umgeben. Im Allgemeinen kann das Farbprofil bzw. das Lichtabstrahlmuster auf der Austrittsseite des Konversionselements oval oder elliptisch geformt sein.
4 zeigt als Schnittdarstellung in Seitenansicht eine erste LARP-Beleuchtungsvorrichtung 1, die ähnlich zu der LARP-Beleuchtungsvorrichtung 101 aufgebaut ist, aber nun zusätzlich mit einem Spektralfilter in Form eines dichroitischen Spiegels 2 ausgestattet ist. Der dichroitische Spiegel 2 ist für das gelbe Sekundärlicht S stärker durchlässig als für das blaue Primärlicht P.
Der dichroitische Spiegel 2 ist an der weiteren Linse 107 angebracht, und zwar an einer der Laserdiode 102 zugewandten Seite 3. Der dichroitische Spiegel 2 ist dabei entlang der Strahlachse A angeordnet, und zwar dergestalt, dass er das vom Zentralbereich S1 emittierte Primärlicht P im Wesentlichen vollständig abdeckt (und ggf. auch noch einen geringen Teil des vom neutralen Bereichs S2 abgestrahlten Primärlichts), wie in 2 für den Ortsraum ausgeführt ist. Der dichroitische Spiegel 2 weist dazu eine ovale oder eine kreisrunde Form auf und ist so gegen die Strahlachse A geneigt, dass seine entlang der Strahlachse A projizierte Fläche der Form des Zentralbereichs K1 entsprechend ausgeprägt ist. Die entlang der Strahlachse A projizierte Fläche des dichroitischen Spiegel 2 weist einen vorgegebenen Durchmesser d auf, wie auch in 2 angedeutet. Dieser Durchmesser d ist so gewählt, dass der primärlichtlastige (Orts- oder Raumwinkel-)Bereich ganz abgedeckt ist und ggf. – wie in 2 dargestellt – sogar noch leicht darüber hinausgeht. Der Durchmesser d kann beispielsweise mindestens zwischen 100 Mikrometern und 300 Mikrometern betragen. Jedoch können die Bereiche K1, K2 und/oder K3 alternativ eine nicht kreisrunde Form aufweisen, z.B. gestreckt sein, beispielsweise elliptisch geformt sein. Der dichroitische Spiegel 2 ist bevorzugt in geringem Abstand zu dem konvertierenden Keramikplättchen 105 angeordnet, beispielsweise im Bereich von einigen Millimetern.
Folglich ist das blaue Primärlicht P hinter dem dichroitischen Spiegel 2 abgeschwächt. Bei Vorhandensein eines nicht-geschädigten Keramikplättchens 105, das hier gepunktet angedeutet ist, wird folglich der Anteil des Primärlichts P an dem Nutzlicht P, S in dem Zentralbereich K1 verringert, und zwar so, dass das Nutzlicht dort einen Summen-Farbort in dem neutral weißen Farbband C1 aufweist. Bezug nehmend auf 2 ist dies durch die gepunktete Linie L angedeutet.
Ist das Keramikplättchen 105 jedoch beschädigt oder sogar von dem Träger 106 abgefallen, fällt der Primärlichtstrahl P mit seiner höchsten Leuchtdichte auf den dichroitischen Spiegel 2 und wird von diesem in einen Lichtsensor 4 reflektiert. Dadurch wird der Vorteil einer verbesserten Augensicherheit erreicht, da das Primärlicht P die Beleuchtungsvorrichtung 1 nur noch stark geschwächt verlassen kann.
Zudem wird durch den Lichtsensor 4 bei einem geschädigten oder abgefallenen Keramikplättchen 105 ein stark erhöhter einfallender Lichtstrom festgestellt, wodurch der Schädigungsfall (einschließlich eines Abfalls des Keramikplättchens 105) sicher feststellbar ist. Aufgrund des Feststellens des Schädigungsfalls kann der Primärlichtstrahl B beispielsweise gedimmt oder ganz ausgeschaltet werden, z.B. mittels einer Steuereinrichtung (o. Abb.), die sowohl mit der Laserdiode 102 als auch mit dem Lichtsensor 4 gekoppelt oder verbunden ist.
Diese Beleuchtungsvorrichtung 1 kann ein Scheinwerfer oder einen Teil eines Scheinwerfers (z.B. ein LARP-Modul M davon) darstellen, insbesondere für ein Fahrzeug.
5 zeigt als Schnittdarstellung in Seitenansicht eine zweite LARP-Beleuchtungsvorrichtung 5 mit dem dichroitischen Spiegel 2. Die LARP-Beleuchtungsvorrichtung 5 ist ähnlich zu der LARP-Beleuchtungsvorrichtung 1 aufgebaut, wobei nun jedoch der dichroitische Spiegel 2 an einer dem Keramikplättchen 105 abgewandten Seite 6 der weiteren Linse 107 aufgebracht ist. Zumindest das vom zentralen Kernbereich K1 emittierte Primärlicht P ist von dem dichroitischen Spiegel 2 durch die Linse 107 hindurch zu der dem Keramikplättchen 105 zugewandten Seite 3 zurück reflektierbar. An einem Auftreffbereich des zurückreflektierten Primärlichts P ist die Seite 6 als ein TIR-freier Bereich 7 ausgebildet.
6 zeigt als Schnittdarstellung in Seitenansicht eine dritte LARP-Beleuchtungsvorrichtung 8 mit dem dichroitischen Spiegel 2. Die LARP-Beleuchtungsvorrichtung 8 kann als ein Fahrzeugscheinwerfer mit einem LARP-Modul N nach 1 ausgebildet sein, dem ein Durchlichtelement in Form einer frontseitigen Abdeckscheibe 9 nachgeschaltet ist. Die LARP-Beleuchtungsvorrichtung 8 ist ähnlich zu der LARP-Beleuchtungsvorrichtung 1 oder 4 aufgebaut, wobei der dichroitische Spiegel 2 nun an der Abdeckscheibe 9 angebracht ist. Die Abdeckscheibe 9, der dichroitische Spiegel 2 und der Lichtsensor 4 stellen hier keine Komponenten des LARP-Moduls N dar.
Obwohl die Erfindung im Detail durch die gezeigten Ausführungsbeispiele näher illustriert und beschrieben wurde, so ist die Erfindung nicht darauf eingeschränkt und andere Variationen können vom Fachmann hieraus abgeleitet werden, ohne den Schutzumfang der Erfindung zu verlassen.
So kann bei einer weiteren Ausführungsform an Stelle der Linse 107 ein abbildendes Linsensystem, zum Beispiel in einer 1:1 abbildenden Ausführung, vorhanden sein, welches ein Zwischenbild des auf der Fokusebene liegenden Spotprofils (Leuchtdichte und Farbverteilung) der Abstrahlfläche des konvertierenden Keramikplättchens 105 erzeugt. Der dichroitische Spiegel 2 ist dann in einer Zwischenbildebene auf der optischen Strahlachse A zu dieser Strahlachse A geneigt angeordnet, so dass das von dem dichroitische Spiegel 2 reflektierte Licht auf einen beabstandeten Sensor 4 fällt, so wie analog in 5a ausgeführt.
Allgemein kann außer einem Keramikplättchen 105 auch ein anderer wellenlängenändernder Konversionskörper vorhanden sein.
Allgemein kann unter "ein", "eine" usw. eine Einzahl oder eine Mehrzahl verstanden werden, insbesondere im Sinne von "mindestens ein" oder "ein oder mehrere" usw., solange dies nicht explizit ausgeschlossen ist, z.B. durch den Ausdruck "genau ein" usw.
Auch kann eine Zahlenangabe genau die angegebene Zahl als auch einen üblichen Toleranzbereich umfassen, solange dies nicht explizit ausgeschlossen ist.
Bezugszeichenliste

1: LARP-Beleuchtungsvorrichtung
2: Dichroitischer Spiegel
3: Seite
4: Lichtsensor
5: LARP-Beleuchtungsvorrichtung
6: Seite
7: TIR-freier Bereich
8: LARP-Beleuchtungsvorrichtung
9: Abdeckscheibe
101: LARP-Beleuchtungsvorrichtung
102: Laserdiode
103: Linse
104: Linse
105: Keramikplättchen
106: Träger
107: Linse
A: Strahlachse
B: Primärlichtstrahl
C1: Neutral weißes Farbband
Cx: Summenfarbort
d: Durchmesser
K1: Zentralbereich
K2: Neutralbereich
K3: Außenbereich
Lv: Leuchtdichte
M: LARP-Modul
N: LARP-Modul
P: Primärlicht
S: Sekundärlicht
S1: Zentralabschnitt
S2: Neutraler Abschnitt
S3: Außenabschnitt
α: Winkel

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102012220472 A1 [0002]

Claims

Beleuchtungsvorrichtung (1; 5; 8), aufweisend – eine Lichterzeugungseinrichtung (102) zum Erzeugen eines Primärlichtstrahls (B), – einen mittels des Primärlichtstrahls (B) bestrahlbaren Leuchtstoffkörper (105) zur teilweisen Umwandlung von Primärlicht (P) des Primärlichtstrahls (B) in Sekundärlicht (S) und – ein dem Leuchtstoffkörper (105) nachgeschaltetes Spektralfilter (2), welches für das Sekundärlicht (S) stärker durchlässig ist als für das Primärlicht (P), wobei – das Spektralfilter (2) entlang einer Strahlachse (A) des auf den Leuchtstoffkörper (105) einfallenden Primärlichtstrahls (B) angeordnet ist.
Beleuchtungsvorrichtung (1; 5; 8) nach Anspruch 1, wobei die Strahlachse (A) mittig durch das Spektralfilter (2) verläuft.
Beleuchtungsvorrichtung (1; 5; 8) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Spektralfilter (2) den gesamten primärlichtlastigen Bereich eines Lichtabstrahlmusters des Leuchtstoffkörpers (105) abdeckt.
Beleuchtungsvorrichtung (1; 5; 8) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Spektralfilter (2) ein dichroitischer Spiegel ist.
Beleuchtungsvorrichtung (1; 5; 8) nach Anspruch 3 oder 4, ferner aufweisend einen Lichtsensor (4), der so angeordnet ist, dass auf den dichroitischen Spiegel (2) auftreffendes Primärlicht (P) in den Lichtsensor (4) reflektierbar ist.
Beleuchtungsvorrichtung nach Anspruch 5, wobei die Beleuchtungsvorrichtung (1; 5; 8) eine mit dem Lichtsensor (4) und der Lichterzeugungseinrichtung (102) gekoppelte Steuereinrichtung aufweist, die dazu eingerichtet ist, ein Messsignal des Lichtsensors (4) auf eine Beschädigung des Leuchtstoffkörpers (2) hin auszuwerten und einen Lichtstrom des von der Lichterzeugungseinrichtung (102) abgestrahlten Primärlichtstrahls (P) bei Erkennen einer Beschädigung zu verringern.
Beleuchtungsvorrichtung (1; 5; 8) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Spektralfilter (2) an einem dem Leuchtstoffkörper (105) optisch nachgeschalteten Durchlichtelement (107; 9) angeordnet ist.
Beleuchtungsvorrichtung (5) nach Anspruch 7 und einem der Ansprüche 5 oder 6, wobei – das Spektralfilter (2) an einer dem Leuchtstoffkörper (105) abgewandten Seite (6) des Durchlichtelements (107) aufgebracht ist, – das Primärlicht (P) von dem Spektralfilter (2) durch das Durchlichtelement (107) hindurch zu einer dem Leuchtstoffkörper (105) zugewandten Seite (3) reflektierbar ist und – die dem Leuchtstoffkörper (105) zugewandten Seite (3) im Bereich des reflektierten Primärlichts (P) als ein TIR-freier Bereich (7) ausgebildet ist.
Beleuchtungsvorrichtung (1; 5) nach einem der Ansprüche 7 bis 8, wobei das Durchlichtelement (107) ein abbildendes Durchlichtelement ist und das Spektralfilter (2) in einer Zwischenbildebene angeordnet ist.
Beleuchtungsvorrichtung (1; 5; 8) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Spektralfilter (2) einen Durchmesser (d) zwischen 100 Mikrometern und 300 Mikrometern aufweist.
Beleuchtungsvorrichtung (1; 5; 8) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Lichterzeugungseinrichtung (102) mindestens einen Halbleiterlaser aufweist und der Leuchtstoffkörper (105) beabstandet von dem mindestens einen Halbleiterlaser angeordnet ist.
Beleuchtungsvorrichtung (1; 5; 8) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Beleuchtungsvorrichtung (1; 5; 8) ein Scheinwerfer ist.
Beleuchtungsvorrichtung (1; 5; 8) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Beleuchtungsvorrichtung (1; 5; 8) eine Fahrzeug-Beleuchtungsvorrichtung ist.