DE102017100902B4

DE102017100902B4 - Konvertervorrichtung und Verfahren zu deren Betrieb

Info

Publication number: DE102017100902B4
Application number: DE102017100902.7A
Authority: DE
Inventors: Andreas Roderburg
Original assignee: Vossloh Schwabe Lighting Solutions GmbH and Co KG
Current assignee: Vossloh Schwabe Lighting Solutions GmbH and Co KG
Priority date: 2017-01-18
Filing date: 2017-01-18
Publication date: 2019-10-24
Anticipated expiration: 2037-01-19
Also published as: DE102017100902A1

Abstract

Konvertervorrichtung (10)
mit einer Halbleiterlichtquelle (11), die primäres Licht (Lp) auf einen Konversionskörper (12) abstrahlt, der ein Konversionsmittel mit einem Konversionsstoff (13) enthält, wobei der Konversionsstoff (13) durch das primäre Licht (Lp) der Halbleiterlichtquelle (11) angeregt wird und sekundäres Licht (Ls) abstrahlt,
mit wenigstens einem Linearaktor (31, 32), wobei jeder Linearaktor (31, 32) mit dem Konversionskörper (12) bewegungsgekoppelt und dazu eingerichtet ist, den Konversionskörper (12) relativ zu der Halbleiterlichtquelle (11) in einer jeweiligen Linearrichtung (x, y) zu bewegen, wobei die Bewegung des Konversionskörpers (12) durch den wenigstens einen Linearaktor (31, 32) derart vorgegeben ist, dass eine Wahrscheinlichkeit (p_NH) für eine thermisch bedingte Werkstoffumwandlung des Konversionsstoffes kleiner ist als ein vorgegebener Wahrscheinlichkeitsschwellenwert (p_s).

Description

Die Erfindung betrifft eine Konvertervorrichtung sowie ein Verfahren zum Betreiben einer Konvertervorrichtung. Die Konvertervorrichtung weist eine Lichtquelle auf, die Licht auf einen Konversionsstoff bzw. Leuchtstoff abstrahlt. Der Konversionsstoff wird dadurch angeregt und strahlt Licht mit einer anderen mittleren Lichtwellenlänge bzw. einer anderen Lichtfarbe ab verglichen mit dem von der Lichtquelle stammenden Licht. Auf diese Weise kann beispielsweises blaues Licht einer Lichtquelle mit gelbem Licht, das durch die Anregung des Konversionsstoffes abgestrahlt wird, gemischt werden.
Solche Konvertervorrichtungen sind an sich bekannt. Es besteht allerdings das Problem, dass der Konversionsstoff an Effizienz verliert bzw. seine Funktionsfähigkeit teilweise oder vollständig einbüßt, wenn er längere Zeit mit einer hohen Energiedichte bestrahlt wird. Es wurden verschiedene Maßnahmen in Erwägung gezogen, um diesen nachteiligen Effekt zu vermeiden. Beispielsweise kann die von der Lichtquelle bestrahlte Fläche des Konversionsstoffs vergrößert werden um die Energiedichte zu reduzieren. Bei der Verwendung einer optischen Einrichtung, durch die das vom Konversionsstoff emittierte Licht hindurchtreten soll, ist eine vergrößerte beleuchtete Fläche aber nachteilig.
Um den Verschleiß des Konversionsstoffes bzw. Leuchtstoffes zu mindern schlägt US 8 393 741 B2 vor, den Leuchtstoff als Ring an einem rotierenden Rad anzubringen, das von einem Motor angetrieben wird. Der Leuchtstoffring bewegt sich somit auf einer Kreisbahn um die Rotationsachse relativ zu der Lichtquelle. Dadurch wird kontinuierlich ein anderer Bereich des Leuchtstoffrings von der Lichtquelle angestrahlt, wenn das Rad rotiert. Dies kann zwar die Lebensdauer und Funktionsfähigkeit des Leuchtstoffes aufrechterhalten, jedoch ist für eine ausreichende Relativgeschwindigkeit ein vergleichsweise großer Radius und mithin großer Bauraum für das Vorsehen des Motors sowie des Rades notwendig. Außerdem wird nur eine relativ kleine ringförmige Fläche des Rades ausgenutzt. Die zentrale Kreisfläche koaxial bleibt ungenutzt. Die Relativgeschwindigkeit zwischen einem Leuchtstoffpartikel und der Lichtquelle hängt außerdem von dem radialen Abstand zwischen der Rotationsachse und dem Leuchtstoffpartikel ab. Die Leuchtstoffpartikel haben somit abhängig vom Abstand zur Rotationsachse unterschiedliche Relativgeschwindigkeiten gegenüber der Lichtquelle.
Eine ähnliche Lösung wird auch in JP 2015 228 312 A vorgeschlagen. Dort hat das rotativ angetriebene Rad einen Ring aus einem Leuchtstoffmaterial, dessen Dicke radial nach innen zur Rotationsachse hin zunimmt. Der Anteil des von der Lichtquelle abgestrahlten Lichts, dessen Wellenlänge durch den Leuchtstoff umgewandelt wird, hängt auch von der Weglänge ab, die das Licht im Leuchtstoff zurücklegt. Über eine Einstelleinrichtung kann die Lichtquelle radial zur Rotationsachse verschoben werden. Dadurch soll der Anteil des umgewandelten Lichts der Lichtquelle einstellbar sein.
US 2013/0107221 A1 beschreibt eine Konvertervorrichtung mit einem rotativ angetriebenen Rad, das unterschiedliche Leuchtstoffe aufweist, die sich jeweils in einem Umfangsabschnitt um die Rotationsachse herum erstrecken und aneinander anschließen. Abhängig davon, welcher Bereich von der Lichtquelle bestrahlt wird, kann Licht unterschiedlicher Farbe erzeugt werden. Beispielsgemäß ist roter, grüner, blauer und gelber Phosphor als Leuchtstoff auf dem Rad vorhanden, die einen geschlossenen Ring bilden.
DE 10 2014 208 660 A1 beschreibt eine Leuchtvorrichtung für einen Scheinwerfer zur Erzeugung eines Lichtabstrahlmusters im Fernfeld. Auf einem plattenartigen Träger sind mehrere Leuchtstoffvolumina angeordnet. Licht einer Lichtquelle wird wahlweise auf eines der mehreren Leuchtstoffvolumina abgestrahlt. Durch Bewegen des Trägers kann jeweils ein ausgewähltes Leuchtstoffvolumina in dem Bereich positioniert werden, in den die Lichtquelle Licht auf den Träger abstrahlt. Dabei ist die Beleuchtungsfläche auf dem Träger bevorzugt kleiner als die Leuchtstofffläche der jeweiligen Leuchtstoffvolumina, um freie Bereiche auf dem Träger zwischen den Leuchtstoffvolumina nicht zu beleuchten.
Ausgehend von diesem Stand der Technik kann es als Aufgabe der Erfindung angesehen werden, bekannte Konvertervorrichtungen und bekannte Verfahren zum Betreiben von Konvertervorrichtungen zu verbessern und die Fläche eines den Leuchtstoff aufweisenden Konversionskörpers effizient zu nutzen.
Diese Aufgabe wird durch eine Konvertervorrichtung mit den Merkmalen des Patentansprüche 1 sowie ein Verfahren mit den Merkmalen des Patentanspruches 15 gelöst.
Erfindungsgemäß weist die Konvertervorrichtung eine Halbleiterlichtquelle auf, die primäres Licht auf einen Konversionskörper abstrahlt. Als Halbleiterlichtquelle kann beispielsweise eine Leuchtdiode oder eine Laserdiode verwendet werden. Das primäre Licht weist bei einem Ausführungsbeispiel eine erste mittlere Wellenlänge auf und kann beispielsweise blaues Licht emittieren.
Der Konversionskörper enthält ein Konversionsmittel mit einem Konversionsstoff beispielsweise einem lumineszierenden Leuchtstoff. Wenn primäres Licht auf den Konversionsstoff bzw. lumineszierenden Leuchtstoff auftrifft, wird dieser angeregt und emittiert sekundäres Licht. Das sekundäre Licht hat vorzugsweise eine zweite mittlere Wellenlänge, die von der ersten mittleren Wellenlänge verschieden ist. Abhängig von dem verwendeten Leuchtstoff kann es sich bei dem sekundären Licht beispielsweise um rotes, gelbes oder grünes Licht handeln.
Dem Konversionskörper ist wenigstens ein Linearaktor zugeordnet. Bei einem bevorzugten Ausführungsbeispiel sind zwei Linearaktoren vorhanden. Der wenigstens eine Linearaktor ist mit dem Konversionskörper gekoppelt und dazu eingerichtet, den Konversionskörper relativ zu der Halbleiterlichtquelle in einer dem betreffenden Linearaktor zugeordneten Linearrichtung zu bewegen. Die Linearrichtung, in der ein jeweiliger Linearaktor den Konversionskörper bewegen kann, ist vorzugsweise rechtwinklig zu der Einfallsrichtung des primären Lichts ausgerichtet. Wenn mehrere Linearaktoren vorhanden sind, kann der Konversionskörper mithin parallel zu einer Ebene bewegt werden. Abhängig von der Ansteuerung des wenigstens einen Linearaktors, bewegt sich eine Lichtauftreffstelle, an der das primäre Licht der Halbleiterlichtquelle auf den Konversionskörper auftrifft, entlang einer Bahn.
Abhängig von dem erreichbaren maximalen Hub oder Weg, den ein betreffender Linearaktor verursachen kann, kann die Auftreffstelle in einem hubabhängigen Flächenbereich jede Stelle bzw. jeden Punkt an dem Konversionskörper erreichen. Der Konversionsstoff innerhalb dieses Flächenbereichs kann effizient eingesetzt werden. Die Größe der der Halbleiterlichtquelle zugewandten Fläche des Konversionskörpers kann im Wesentlichen mit diesem Flächenbereich übereinstimmen. Dadurch können unnötig vergrößerte bewegte Massen des Konversionskörpers vermieden werden.
Sämtliche Punkte auf dem Konversionskörper weisen durch den Antrieb mittels des wenigstens einen Linearaktors dieselbe Relativgeschwindigkeit gegenüber der Halbleiterlichtquelle auf. Eine zeitliche Verzögerung zwischen dem Lichteinfall des primären Lichts und dem Maximum der Emission des sekundären Lichts kann auftreten und kann wiederum für alle vom primären Licht angeregten Bestandteile bzw. Partikel des Konversionsstoffes zu einem räumlichen Versatz zwischen der Lichtauftreffstelle des primären Lichts und der Lichtaustrittsstelle des Maximums des sekundären Lichts führen. Dieser zeitliche und wegen der Bewegung des Konversionskörpers auch räumliche Versatz ist in der Regel klein und kann vernachlässigt werden. Es ist vorteilhaft, wenn das Konversionsmaterial und die Betriebsparameter wie Intensität, Wellenlänge, Größe des Fokus an der Lichtauftreffstelle, usw. des primären Lichts derart vorgegeben werden, dass der Versatz möglichst klein ist, idealerweise gleich null. Bei keinem oder einem vernachlässigbar kleinen Versatz vereinfacht sich Konversionsvorrichtung. Insbesondere lassen sich bei beliebigen Bahnkurven sämtliche Bahnkurvenabschnitte unabhängig von der aktuellen vektoriellen Geschwindigkeit bzw. Beschleunigung des Konversionskörpers nutzen und ein Ein- und Ausschalten der Lichtquelle ist nicht erforderlich. Auch das Anordnen einer optionalen Optikanordnung für das sekundäre Licht nach der Lichtaustrittsstelle wird vereinfacht.
Durch die Bewegung des Konversionskörpers wird außerdem im Konversionskörper entstehende Wärme durch Konvektion abgeführt.
Der wenigstens eine Linearaktor kann beispielsweise durch einen Piezoaktor bzw. Ultraschallaktor oder dergleichen gebildet sein.
Der als Konversionsstoff verwendbare lumineszierende Leuchtstoff kann fluoreszierendes Material und/oder ein phosphoreszierendes Material aufweisen.
Die Bewegung des Konversionskörpers durch den wenigstens einen Linearaktor ist derart vorgegeben, dass eine Wahrscheinlichkeit für eine thermisch bedingte Werkzeugstoffumwandlung des Konversionsstoffes kleiner ist als ein vorgegebener Wahrscheinlichkeitsschwellenwert. Der Konversionsstoff kann höheren Temperaturen nur für bestimmte Zeitdauern Stand halten. Abhängig vom Material und der Leistung bzw. Energiedichte des primären Lichts kann beispielsweise durch Versuche eine maximal tolerierbare Verweildauer des Konversionsstoffes im Bereich des Lichtflecks bzw. der Auftreffstelle des primären Lichts ermittelt werden. Diese Verweildauer hängt auch von der Historie ab, also von der vorhergehenden Einwirkung des primären Lichts auf ein bestimmtes Volumen des Konversionsstoffs. Zur Vereinfachung dieser Einflüsse wird häufig eine Kennzahl, z.B. eine mittlere und/oder gewichtete Temperaturfläche (Einheit: °Cs), bestimmt und verwendet. Abhängig von dieser Kennzahl kann die Wahrscheinlichkeit bestimmt werden, ob es zu einer ungewollten Umwandlung des Konversionsstoffes durch die Energie des primären Lichts kommt. Die von dem wenigstens einen Linearaktor durchgeführte Bewegung des Konversionskörpers kann derart festgelegt werden, dass ein vorgegebener Wahrscheinlichkeitsschwellenwert für die Materialumwandlung nicht überschritten wird. Beispielsweise kann wenigstens ein Parameter der von dem wenigstens einen Linearaktor ausgeführten Bewegung definiert werden, wie beispielsweise der maximale Hub und/oder der Weg bzw. die Bahn der Lichtauftreffstelle entlang des Konversionskörpers und eine oder mehrere zeitliche Ableitungen davon (die Geschwindigkeit, die Beschleunigung, der Ruck, ...). Durch geeignete Wahl des Parameters kann erreicht werden, dass der Wahrscheinlichkeitsschwellenwert nicht überschritten wird.
Es ist auch vorteilhaft, die Kennzahl abhängig von einer Differenz zwischen einer Momentan-Grenztemperatur des Konversionsstoffes und einer momentanen Temperatur des Konversionsstoffes zu definieren. Die Kennzahl kann bei einem Ausführungsbeispiel gleich oder proportional zu dieser Differenz sein, es sind aber auch andere mathematische lineare oder nicht-lineare Abhängigkeiten zwischen dieser Differenz und der Kennzahl definierbar.
Bei einem Ausführungsbeispiel ist der Konversionskörper als Platte ausgeführt, die eine Konversionsstoffschicht aufweist oder durch die Konversionsstoffschicht gebildet ist. Die äußere Kontur dieser Platte kann kreisrund, rechteckig bzw. quadratisch sein oder eine andere beliebige polygonale oder gekrümmte Kontur aufweisen. Es ist bevorzugt, wenn die Konversionsstoffschicht eine erste Fläche und eine mit Abstand zu der ersten Fläche angeordnete zweite Fläche aufweist. Die erste Fläche und die zweite Fläche können parallel zueinander ausgerichtet sein, so dass die Konversionsstoffschicht eine konstante Dicke aufweist.
Jede Linearrichtung, in der der Konversionskörper durch einen betreffenden Linearaktor bewegt werden kann, ist vorzugsweise parallel zu der ersten Fläche und/oder der zweiten Fläche ausgerichtet.
Wenn zwischen der Halbleiterlichtquelle und dem Konversionskörper eine Optikanordnung vorhanden ist, kann die optische Achse dieser Optikanordnung rechtwinklig zu der ersten Fläche ausgerichtet sein. Vorzugsweise fällt das primäre Licht rechtwinklig zu der ersten Fläche ein, eine Divergenz des von der Halbleiterlichtquelle abgestrahlten Lichts vernachlässigt wird und die rechtwinkelige Ausrichtung bezogen ist auf einen zentralen Lichtstrahl entlang der Hauptabstrahlrichtung der Halbleiterlichtquelle.
Die Konvertervorrichtung kann einen transmittierenden Konversionskörper oder einen reflektierenden Konversionskörper aufweisen. Bei dem transmittierenden Konversionskörper fällt das primäre Licht an der ersten Fläche ein und das sekundäre Licht tritt an der zweiten Fläche aus. Bei einem reflektierenden Konversionskörper fällt das primäre Licht an der ersten Fläche ein und das sekundäre Licht tritt an der ersten Fläche aus.
Der reflektierende Konversionskörper kann im Anschluss an seine zweite Fläche eine Reflexionsschicht aufweisen. Bei dieser Ausführung ist es auch möglich, benachbart zur Reflexionsschicht einen Kühlkörper anzubringen.
Bei einem Ausführungsbeispiel kann zwischen der Halbleiterlichtquelle und dem Konversionskörper eine erste Optikanordnung vorhanden sein. Alternativ oder zusätzlich kann an einer Lichtaustrittsstelle, an der das sekundäre Licht aus dem Konversionskörper austritt, eine zweite Optikanordnung vorahnden sein. Die optischen Achsen der ersten Optikanordnung und der zweiten Optikanordnung können parallel zueinander ausgerichtet sein. Die optische Achse der ersten Optikanordnung und/oder der zweiten Optikanordnung kann rechtwinklig zu der jeweils benachbarten Fläche des Konversionskörpers ausgerichtet sein.
Es ist vorteilhaft, wenn ein erster Linearaktor und ein zweiter Linearaktor vorhanden sind. Der erste Linearaktor ist dazu eingerichtet, den Konversionskörper in einer ersten Linearrichtung zu bewegen und der zweite Linearaktor ist dazu eingerichtet, den Konversionskörper in einer zweiten Linearrichtung zu bewegen. Vorzugsweise sind die beiden Linearrichtungen rechtwinklig zueinander ausgerichtet. Es ist ausreichend, wenn der Konversionskörper in nur zwei Linearrichtungen bewegbar ist.
Es ist vorteilhaft, wenn jeder vorhandene Linearaktor dazu eingerichtet ist, eine vorgegebene Schwingungsbewegung des Konversionskörpers in der betreffenden Linearrichtung auszuführen. Die Schwingungsbewegung kann sich periodisch wiederholen. Die Schwingungsbewegung kann Stillstandsphasen aufweisen oder frei von Stillstandsphasen sein. Unter einer Stillstandsphase ist ein Zeitabschnitt zu verstehen, bei dem sowohl die Geschwindigkeit der Bewegung des Konversionskörpers als auch seine Beschleunigung in die betreffende Linearrichtung gleich Null ist. Eine bloße Richtungsumkehr der Bewegungsrichtung ist daher keine Stillstandsphase.
Es ist weiter bevorzugt, wenn die Bahn, entlang der sich die Lichtauftreffstelle des primären Lichts auf dem Konversionskörper bewegt, wiederholt von einem Ausgangspunkt bis zu einem Endpunkt durchlaufen wird. Der Anfangspunkt und der Endpunkt können zusammenfallen, so dass eine geschlossene Bahn entsteht. Eine geschlossene Bahn kann beispielsweise von einer Zykloide, einer Doppelspirale (von außen spiralförmig nach innen und auf einer weiteren Spiralbahn wieder von innen nach außen) gebildet sein.
Es ist vorteilhaft, wenn die Bahn frei ist von Knicken oder Unstetigkeitsstellen. Vorzugsweise ist die Geschwindigkeit und/oder die Beschleunigung der Relativbewegung zwischen der Lichtauftreffstelle und dem Konversionskörper entlang der Bahn frei von Knickstellen und/oder Unstetigkeitsstellen. Auf diese Weise lässt sich eine kontinuierliche bzw. ruckfreie Bewegung erzeugen.
Es ist außerdem vorteilhaft, wenn die Intensität des primären Lichts einstellbar ist und vorzugsweise abhängig von der aktuellen Bewegung und/oder Position des Konversionskörpers einstellbar ist. Die Halbleiterlichtquelle kann bei einer Ausführungsform dauerhaft primäres Licht abstrahlen, so dass die Intensität stets ungleich null ist. Bei einer anderen Ausführungsform kann nur während sich die Lichtauftreffstelle entlang bestimmter Bahnabschnitte bewegt und/oder während bestimmter zeitlicher Phasen der Bewegung des Konversionskörpers primäres Licht abgestrahlt werden, beispielsweise wenn ein nicht vernachlässigbar kleiner Zeitverzug zwischen dem Auftreffen eines Photons des primären Lichts an der Lichtauftreffstelle und dem Emissionsmaximum des sekundären Lichts existiert. Um zu erreichen, dass sich die Lichtaustrittsstelle des sekundären Lichts an einer bestimmten räumlichen Position befindet - bezogen auf ein ortsfestes Koordinatensystem der Konvertervorrichtung - kann das Anregen des Konversionsstoffes durch primäres Licht zeitweise unterbunden werden, beispielsweise durch Reduzieren der Intensität der Halbleiterlichtquelle unterhalb eines für die Anregung des Konversionsstoffes erforderlichen Intensitätsschwellenwertes. Dieses Reduzieren der Intensität des primären Lichts an der Lichtauftreffstelle kann beispielsweise durch Ausschalten der Halbleiterlichtquelle erreicht werden. Es ist auch möglich, den Lichtweg von der Halbleiterlichtquelle zur Lichtauftreffstelle zeitweise zu blockieren, beispielsweise mittels einer Blende. Wenn die Leistung der Halbleiterlichtquelle einstellbar ist, kann auch die Leistung reduziert werden.
Vorzugsweise wird ausschließlich der Konversionskörper durch den wenigstens einen Linearaktor bewegt, während die anderen Komponenten der Konvertervorrichtung während ihres Betriebs relativ zueinander unbewegt angeordnet sind.
Während des Betriebs der Konvertervorrichtung wird durch die Halbleiterlichtquelle zumindest zeitweise primäres Licht auf den Konversionskörper abgestrahlt. Dieser befindet sich dabei zumindest zeitweise in Bewegung relativ zu der Halbleiterlichtquelle. Der Konversionsstoff des Konversionskörpers wird angeregt und strahlt sekundäres Licht ab.
Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den abhängigen Patentansprüchen, der Beschreibung und den Zeichnungen. Nachfolgend werden bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand der beigefügten Zeichnungen im Einzelnen erläutert. Es zeigen:

1 eine schematische, blockschaltbildähnliche Darstellung eines Ausführungsbeispiels einer Konvertervorrichtung,
2 eine schematische, blockschaltbildähnliche Darstellung eines weiteren Ausführungsbeispiels einer Konvertervorrichtung,
3 eine schematische, blockschaltbildähnliche Darstellung von zwei durch eine Steuereinrichtung angesteuerten Linearaktoren zur Bewegung eines zur Rotationsachse Konversionskörpers einer Konvertervorrichtung,
4a bis 4f jeweils eine schematische beispielhafte Darstellung einer Relativbewegungsbahn zwischen einer Lichtauftreffstelle von einfallendem primären Licht und einen Konversionskörper einer Konvertervorrichtung,
5 eine beispielhafte schematische Darstellung eines Temperaturverlaufes abhängig von der Zeit an einer Stelle eines Konversionskörpers, sowie einen schematisch dargestellten, beispielhaften kritischen Grenztemperaturverlauf.
6 eine qualitative Darstellung einer Wahrscheinlichkeit für eine thermische bedingte Werkstoffumwandlung des Leuchtstoffes des Konversionskörpers abhängig von einer Kennzahl,
7 beispielhafte Ansteuerungen von zwei Linearaktoren und einer Lichtquelle einer Konvertervorrichtung abhängig von der Zeit
8 eine beispielhafte Darstellung einer Momentan-Grenztemperatur T_Grenz(t), einer momentaner Leuchtstofftemperatur T_Mat(t) sowie einer kritischen Temperatur für den stationären Fall T_{krit,stationär} (t) jeweils abhängig von der Zeit t, und
9 und 10 jeweils eine schematische, blockschaltbildähnliche Darstellung eines weiteren Ausführungsbeispiels einer Konvertervorrichtung.

In den 1 und 2 ist jeweils ein Blockschaltbild einer Ausführungsform einer Konvertervorrichtung 10 veranschaulicht. Die Konvertervorrichtung 10 weist eine Halbleiterlichtquelle 11 und einen Konversionskörper 12 auf. Die Halbleiterlichtquelle 11 kann primäres Licht Lp zum Konversionskörper 12 hin abstrahlen. Der Konversionskörper 12 weist ein Konversionsmittel mit einem Konversionsstoff, beispielsgemäß einen lumineszierenden Leuchtstoff 13 auf, der eine Leuchtstoffschicht 14 bildet. Die Leuchtstoffschicht 14 hat eine erste Fläche 15 und eine davon mit Abstand angeordnete zweite Fläche 16. Beim Ausführungsbeispiel bildet die Leuchtstoffschicht 14 den Konversionskörper 12, der beispielsgemäß eine plattenförmige Gestalt aufweist.
Die erste Fläche 15 erstreckt sich beispielsgemäß in einer Ebene. Die zweite Fläche 16 erstreckt sich beispielsgemäß ebenfalls in einer Ebene. Die beiden Flächen 15, 16 sind beim veranschaulichten Ausführungsbeispiel parallel zueinander angeordnet, so dass die Leuchtstoffschicht 14 eine konstante Dicke aufweist.
Als Halbleiterlichtquelle 11 wird beispielsweise eine Leuchtdiode und vorzugsweise eine Laserdiode verwendet. Im Falle einer Laserdiode ist das primäre Licht Lp stark gebündelt. Die Hauptabstrahlrichtung der Halbleiterlichtquelle 12 ist vorzugsweise rechtwinklig zur ersten Fläche 15 orientiert.
Das primäre Licht Lp trifft an einer Lichtauftreffstelle 20 auf die erste Fläche 15 auf. Es breitet sich innerhalb der Leuchtstoffschicht 14 weiter aus und trifft dabei auf Partikel des Leuchtstoffs 13 der Leuchtstoffschicht 14. Der Leuchtstoff 13 absorbiert das primäre Licht Lp zumindest teilweise, wird angeregt und emittiert sekundäres Licht Ls an einer Lichtaustrittsstelle 21.
Bei dem in 1 dargestellten Ausführungsbeispiel ist der Konversionskörper 12 transmissiv und das sekundäre Licht Ls tritt an der Lichtaustrittsstelle 21 an der zweiten Fläche 16 aus. Im Unterschied dazu kann der Konversionskörper 12 auch reflektiv sein (2). In diesem Fall kann sich auf der zweiten Fläche 16 eine Reflexionsschicht 22 befinden. Das sekundäre Licht Ls wird dann zur ersten Fläche 15 hin reflektiert und tritt dort an der Lichtaustrittsstelle 21 aus. Bei einer solchen Ausführungsform kann an dem Konversionskörper 12 benachbart zu der Reflexionsschicht 22 ein Kühlkörper 23 zur Wärmeableitung angeordnet sein.
Zwischen der Halbleiterlichtquelle 11 und der ersten Fläche 15 kann eine erste Optikanordnung 27 mit wenigstens einem das primäre Licht Lp beeinflussendes optisches Element vorhanden sein, beispielsweise einer Linse und/oder einen Streukörper und/oder einen Spiegel oder dergleichen. Benachbart zur Lichtaustrittsstelle 21 kann eine zweite Optikanordnung 28 vorhanden sein, die wenigstens ein das sekundäre Licht Ls beeinflussendes optisches Element aufweist, beispielsweise eine Linse und/oder einen Streukörper und/oder einen Spiegel oder dergleichen. Mittels der Optikanordnungen 27, 28 kann eine Bündelung bzw. Streuung und/oder eine Richtungsänderung des jeweiligen Lichts Lp, Ls durchgeführt werden.
In den 9 und 10 sind weitere Ausführungsbeispiele der Konvertervorrichtung 10 veranschaulicht. Das Ausführungsbeispiel gemäß 9 entspricht dabei im Wesentlichen dem Ausführungsbeispiel gemäß 1 und das Ausführungsbeispiel gemäß 10 entspricht dabei im Wesentlichen dem Ausführungsbeispiel gemäß 2, so dass auf die vorstehende Beschreibung verwiesen werden kann. Der wesentliche Unterschied in den Beispielen der 9 und 10 gegenüber dem bisher erläuterten Ausführungsbeispielen ist darin zu sehen, dass die zweite Optikanordnung 28 in etwa gleich groß ist wie die zweite Fläche 16 des Konversionskörpers 12 oder größer. Dadurch wird über die zweite Optikanordnung 28 das gesamte aus der zweiten Fläche 16 austretende Licht aufgefangen. Da sich der Konversionskörper 12 in einer x-y-Ebene bewegen kann, kann die Größe der zweiten Optikanordnung 28 derart gewählt werden, dass bei sämtlichen Positionen des Konversionskörpers 12 das an der zweiten Fläche 16 austretende Licht in die zweite Optikanordnung 28 eintritt.
Bei sämtlichen Ausführungsbeispielen kann das primäre Licht Lp rechtwinklig oder schräg zu der x-y-Ebene auf den Konversionskörper 12 an der Lichtauftreffstelle 20 auftreffen. Dies ist insbesondere dann sinnvoll, wenn bei der reflexiven Anordnung gemäß 10 eine große zweite Optikanordnung 28 verwendet wird. Es ist dabei auch vorteilhaft, den Abstand zwischen dem Konversionskörper 12 und der zweiten Optikanordnung 28 geeignet zu wählen, um den Einfallwinkel des primären Lichts Lp anforderungsgemäß einstellen zu können. Je größer der Abstand zwischen dem Konversionskörper 12 und der zweiten Optikanordnung 28 ist, desto kleiner kann der Winkel zwischen dem einfallenden primären Licht Lp und dem Normalenvektor auf der ersten Fläche 15 (rechtwinklig zur x-y-Ebene) gewählt werden.
Der Leuchtstoff 13 kann abhängig von der Leistung bzw. der Energiedichte des primären Lichts, der Größe der Lichtauftreffstelle 20 und der Beleuchtungsdauer derselben Stelle bzw. desselben Volumens des Leuchtstoffes 13 eine thermisch bedingte Umwandlung durchführen, wodurch der Leuchtstoff an Effizienz verliert und seine Funktion ganz oder teilweise einbüßen kann. Würde beispielsweise der Laserstrahl einer Laserdiode zu lange auf dieselbe Stelle des Konversionskörpers 12 bzw. des Leuchtstoffes 13 gerichtet, könnte dadurch zumindest teilweise eine Werkstoffumwandlung des Leuchtstoffs 13 erfolgen.
Um dies zu vermeiden, ist der Konversionskörper 12 gegenüber der Halbleiterlichtquelle 11 bewegbar gelagert. Die Konvertervorrichtung 10 weist wenigstens einen Linearaktor und beim Ausführungsbeispiel einen ersten Linearaktor 31 und einen zweiten Linearaktor 32 auf, die zur Bewegung des Konversionskörpers 12 eingerichtet und mit dem Konversionskörper 12 bewegungsgekoppelt sind. Der zweite Linearaktor 32 ist aus Gründen der Übersichtlichkeit in den 1 und 2 nicht veranschaulicht, sondern lediglich in der Draufsicht auf die erste Fläche 15 des Konversionskörpers 12 bzw. der Leuchtstoffschicht 14 in 3. Jeder Linearaktor 31, 32 ist dazu eingerichtet, den Konversionskörper 12 in eine zugeordnete Linearrichtung linear zu bewegen. Dementsprechend ist der erste Linearaktor 31 dazu eingerichtet, den Konversionskörper 15 in eine erste Linearrichtung x zu bewegen und der zweite Linearaktor 32 ist dazu eingerichtet, den Konversionskörper 12 in eine zweite Linearrichtung y zu bewegen. Die Linearrichtungen x, y spannen eine Ebene auf, die parallel zu der ersten Fläche 15 und beispielsgemäß auch der zweiten Fläche 16 ausgerichtet ist.
Die Abstrahlrichtung oder Einfallsrichtung des primären Lichts Lp ist beispielsgemäß rechtwinklig zur ersten Linearrichtung x und zur zweiten Linearrichtung y ausgerichtet. Der Konversionskörper 12 kann mithin rechtwinklig zum Lichtstrahl bzw. Laserstrahl des primären Lichts Lp bewegt werden.
Die beiden Linearaktoren 31, 32 sind mit dem Konversionskörper 12 verbunden, um diesen in die betreffende Linearrichtung x, y zu bewegen. Dabei ist es möglich, eine Verbindung vorzusehen, die in der jeweils zugeordneten Linearrichtung x bzw. y bewegungsstarr ist und in der jeweils anderen Linearrichtung y bzw. x eine Relativbewegung zulässt, so dass der eine Linearaktor 31, 32 eine Bewegung des Konversionskörpers 12 in die zugeordnete Linearrichtung x bzw. y ausführen kann, jedoch die Bewegung des Konversionskörpers 12 in die jeweils andere Linearrichtung y bzw. x, die durch den jeweils anderen Linearaktor 32 bzw. 32 hervorgerufen wird, nicht behindert. Beispielsweise kann die Verbindung zwischen dem ersten Linearaktor 31 und dem Konversionskörper 32 in die zweite Linearrichtung y verschiebbar oder verschwenkbar sein. Gleichermaßen kann die Verbindung zwischen dem zweiten Linearaktor 32 in die erste Linearrichtung x verschiebbar oder verschwenkbar sein.
Die Linearaktoren 31, 32 können z.B. derart mit dem Konversionskörper 12 verbunden sein, dass sie jeweils eine Bewegung des Konversionskörpers 12 in die betreffende Linearrichtung x, y vom Linearaktor 31 bzw. 32 weg sowie zum jeweiligen Linearaktor 31 bzw. 32 hin ausführen können. Alternativ hierzu ist es auch möglich, den Konversionskörper 12 in einem Bewegungssinn, also von einem zugeordneten Linearaktor 31, 32 weg bzw. zu einem Linearaktor 31 bzw. 32 hin elastisch vorzuspannen und den Linearaktor 31 bzw. 32 so auszuführen, dass er lediglich eine Bewegung entgegen der elastischen Vorspannkraft aktiv durchführt. Bei dieser Ausführungsform kann eine Bewegungsübertragung auf den Konversionskörper 12 in Drückrichtung vom Linearaktor 31, 32 weg oder in Zugrichtung zum Linearaktor 31, 32 hin ausreichen und die jeweils andere Bewegung durch die elastische Vorspannkraft durchgeführt werden. Auch dadurch kann erreicht werden, dass die Verbindungen zwischen den Linearaktoren 31, 32 und dem Konversionskörper 12 die Bewegung des jeweils anderen Linearaktors nicht behindern.
Die Linearaktoren 31, 32 werden von einer Steuereinrichtung 33 angesteuert. Als Linearaktoren 31, 32 können beispielsweise Piezo- bzw. Ultraschallaktoren eingesetzt werden. Die Steuereinrichtung 33 kann optional auch dazu eingerichtet sein, die Halbleiterlichtquelle 11 anzusteuern, beispielsweise um die Intensität I des primären Lichts Lp einzustellen und/oder die Halbleiterlichtquelle 11 ein- und auszuschalten.
Durch Ansteuerung des ersten Ultraschallaktors 31 kann der Konversionskörper 12 eine erste Bewegung mit dem Weg sx in die erste Linearrichtung x ausführen. Durch die Ansteuerung des zweiten Ultraschallaktors 32 kann der Konversionskörper 12 eine Bewegung mit einem Weg sy in die zweite Linearrichtung y ausführen. Die beiden Bewegungen können überlagert werden, was schematisch in 7 veranschaulich ist. Dort ist auch zu erkennen, dass die Bewegung, die ein jeweiliger Linearaktor 31, 32 in die betreffende Linearrichtung x bzw. y verursacht, als periodische Schwingung ausgebildet sein kann. Die Schwingungen können unterschiedliche Amplituden und/oder unterschiedliche Frequenzen aufweisen, wie es schematisch veranschaulicht ist. Die Schwingungen sind in 7 beispielhaft durch einen sinusförmigen bzw. cosinusförmigen Verlauf gekennzeichnet. Auch andere periodische Bewegungsabläufe, wie etwa Rechteckkurven, Dreieckkurven, Sägezahnkurven usw. der Schwingung könnten vorgesehen sein.
Aus 7 ist auch ersichtlich, dass die Halbleiterlichtquelle 11 bei dieser Ausführung nicht dauerhaft primäres Licht Lp mit derselben Intensität I abstrahlt, sondern dass die Intensität I des primären Lichts Lp beispielsgemäß abhängig von der Position und/oder der Bewegung des Konversionskörpers 12 bzw. des wenigstes einen Linearaktors 31, 32 variiert.
Beim Ausführungsbeispiel kann die Intensität I des primären Lichts Lp vom Weg sx in die erste Linearrichtung x variiert werden. Beispielsgemäß wird die Halbleiterlichtquelle 11 eingeschaltet, wenn sich der Konversionskörper 12 von einem ersten Umkehrpunkt U1 weg bewegt und die Halbleiterlichtquelle 11 wird ausgeschaltet, wenn sich der Konversionskörper 12 vom zweiten Umkehrpunkt U2 zum ersten Umkehrpunkt U1 zurückbewegt. Dadurch ist es möglich, die Lichtaustrittsstelle 21 in einer gewünschten Position der Konvertervorrichtung 10 beispielsweise fluchtend zu einer ortsfest angeordneten zweiten Optikanordnung 28 zu positionieren. Denn das Emittieren des sekundären Lichts Ls kann bei einigen Ausführungsformen derart zeitverzögert zum Auftreffen des primären Lichts Lp stattfinden, dass die Zeitverzögerung nicht vernachlässigbar ist. Da sich der Konversionskörper 12 bewegt, ist die Lichtaustrittsstelle 21 dann räumlich in Bewegungsrichtung von der Lichtauftreffstelle 20 versetzt. Über die Bewegungsrichtung und die Geschwindigkeit des Konversionskörpers 12 kann somit die Stelle definiert werden, an der der Teil des Leuchtstoffes 13, der durch das primäre Licht Lp angeregt wurde, das sekundäre Licht Ls emittiert. Bei konstanter Geschwindigkeit und gleichbleibender Bewegungsrichtung ist somit der Versatz zwischen der Lichtauftreffstelle 20 und der Lichtaustrittstelle 21 konstant und die Position der Lichtaustrittsstelle 21 bekannt. Die Halbleiterlichtquelle 11 kann daher während solcher Abschnitte der Bewegung des Konversionskörpers 12 aktiviert werden und primäres Licht Lp abstrahlen, so dass die Emission des sekundären Lichts Ls an einer gewünschten Position gegenüber einem ortsfesten Koordinatensystem der Konvertervorrichtung 10 stattfindet. Während anderer Bewegungsphasen kann die Halbleiterlichtquelle 11 ausgeschaltet bzw. die Intensität I unter einen die Emission des sekundären Lichts Ls auslösenden Schwellenwert abgesenkt werden.
Es ist bevorzugt, dass die Konversionsvorrichtung 10 derart eingerichtet wird, dass der beschriebene Zeitverzug zwischen Anregung des Konversionsmaterials und Emittieren des sekundären Lichts Ls (mit der maximalen Intensität) und mithin auch der räumliche Versatz zwischen der Lichtauftreffstelle 20 und der Lichtaustrittsstelle 21 vernachlässigt werden kann. Beispielsweise kann durch Auswahl des Konversionsmaterials und der Halbleiterlichtquelle 11 sowie das geeignete Einstellen der Betriebsparameter (Intensität und/oder Größe des Fokus an der Lichtauftreffstelle 20 und/oder Wellenlänge des primären Lichts Lp, etc.) der Versatz minimiert werden.
Durch die Bewegung des Konversionskörpers 12 in die beiden Linearrichtungen x, y kann eine Relativbewegung zwischen der ersten Fläche 15 und der Lichtauftreffstelle 20 entlang einer Bahn B erzeugt werden. Beispiele für verschiedene Bahnen B sind in den 3 und 4a bis 4f schematisch veranschaulicht. Die Anzahl der möglichen Bahnen B lässt sich beliebig erweitern. Es ist jedoch zu erkennen, dass die Bahn B im Wesentlichen die gesamte erste Fläche 15 des Konversionskörpers 12 einnehmen kann. Somit kann Leuchtstoff 13 der gesamten Leuchtstoffschicht 14 zur Emission des sekundären Lichts Ls eingesetzt werden. Der Flächenabschnitt, innerhalb dem die Bahn B liegen kann, ist durch den maximalen Weg sx bzw. sy oder den maximalen Hub der betreffenden Linearaktoren 31, 32 begrenzt. Innerhalb dieses Flächenabschnitts kann jedoch der Punkt bzw. jede Stelle erreicht werden.
Grundsätzlich kann die Bahn B einen Anfangspunkt und einen Endpunkt aufweisen, die voneinander entfernt sind, so dass nach Erreichen des Endpunkts die Bahn B entweder in entgegengesetzter Richtung durchlaufen wird oder durch eine Rückstellbewegung zum Anfangspunkt stattfindet. Eine derart offene Bahn ist beispielhaft in 4a gezeigt. Bei anderen Ausführungsbeispielen ist die Bahn B geschlossen, wobei der Endpunkt und der Anfangspunkt der Bahn B zusammenfallen. Eine einfache geschlossene Bahn B ist beispielsweise eine Kreisbahn (4c).
Die Bahn B kann beispielsweise wellenförmig, mäandrierend oder zickzackförmig sein (4a). Die Bahnkurve B gemäß 4b verbindet zwei dreieckförmig bzw. zickzackförmig verlaufende Bahnabschnitte zu einer insgesamt geschlossenen Bahn B.
In 4d ist beispielhaft eine Bahn B dargestellt, die aus mehreren zueinander verdrehten elliptischen Bahnabschnitten besteht.
Eine vorteilhafte Ansteuerung der Linearaktoren 31, 32 kann durch die Vorgabe einer Doppelspiralbahn erreicht werden, die in 4e schematisch gezeigt ist. Dabei bewegt sich die Auftreffstelle 20 entlang einer spiralförmigen Bahnabschnitt entweder von außen nach innen oder von innen nach außen. Am Endpunkt angekommen, wird die Bewegung entlang einem an einer Geraden G gespiegelten zweiten spiralförmigen Bahnabschnitt fortgesetzt, der in 4e gestrichelt veranschaulicht ist. Die Gerade G ist so gewählt, dass der Anfangspunkt und der Endpunkt der beiden spiralförmigen Bahnabschnitte auf der Geraden G liegen. Dadurch kann eine sehr einfach zu erzeugende kontinuierlich fortgesetzte Bahn B erreicht werden, die durch eine periodische Schwingung der beiden Linearaktoren 31, 32 mit zunehmender bzw. abnehmender Amplitude erreicht wird. Der Abstand der Spirallinien kann eingestellt werden und konstant oder variabel sein.
In 4f ist beispielhaft eine Bahn mit statisch verteilt angeordneten Punkten veranschaulicht. Die Bewegung zwischen den Punkten kann durch lineare Bahnabschnitte (wie veranschaulicht) oder durch gekrümmte Bahnabschnitte erfolgen.
Grundsätzlich sind eine Vielzahl von möglichen Verläufen der Bahn B realisierbar. Bevorzugt wird eine geschlossene Bahn B, die beispielsweise eine Doppelspirale (4e) oder auch Zykloide bilden kann. Die Form bzw. der Verlauf der Bahn B kann so gewählt werden, dass der Betrag einer Beschleunigungsänderung möglichst klein ist.
Beispielsgemäß werden auch solche Bahnen B bevorzugt, bei denen die Linearaktoren 31, 32 jeweils eine periodische Bewegung des Konversionskörpers 12 in die betreffende Linearbewegung x bzw. y verursachen.
Die Relativbewegung zwischen dem Konversionskörper 12 und der Halbleiterlichtquelle 11 verhindert oder reduziert eine thermisch bedingte Umwandlung des Leuchtstoffes 13, um zu vermeiden, dass der Leuchtstoff 13 seine Eigenschaft, durch Anregung sekundäres Licht Ls zu erzeugen, verliert, bzw. deren Effizienz reduziert wird. Diese Materialumwandlung erfolgt dann, wenn die durch das primäre Licht Lp auf eine Stelle bzw. ein Volumen eingetragen Energiemenge zu groß ist. Die temperaturinduzierten Umwandlungsmechanismen hängen unter anderem vom verwendeten Leuchtstoff, von der Leistung der Halbleiterlichtquelle, von den Intensitätsverteilung des Lichts im Lichtstrahl bzw. Laserstrahl des primären Lichts Lp und von der Wärmeabgabe des Konversionskörpers 12 an die Umgebung ab. Diese thermisch-chemische Reaktion kann untersucht werden und lässt sich abhängig von der konkreten Ausführung und den oben genannten Parametern für ein bestimmtes Ausführungsbeispiel der Konvertervorrichtung 10 feststellen. Dabei kann eine Kennzahl K ermittelt werden, die die für die Umwandlung verantwortlichen Einflüsse bzw. Parameter zumindest teilweise beschreibt.
5 zeigt eine beispielhafte schematische Darstellung eines Temperaturverlaufes abhängig von der Zeit an einer Stelle i eines Konversionskörpers (durchgezogene Linie). Die gestrichelte Kurve stellt schematisch eine von unendlich vielen möglichen kritischen Grenztemperaturverläufen dar, deren Überschreitung zur erhöhten Wahrscheinlichkeit für Verschleiß führt.
Eine andere Darstellung kann sich bezüglich der Zeitachse t auf ein eindeutiges wiederholbares Zeitintervall beschränken (in Analogie zur 1.Brillouin-Zone des reziproken Raumes eines periodischen Punktgitters). Weitere sinnvolle Bedingungen an eine derartige „normalisierte“ Darstellung wären ein Beginn der Kurve (t=0) bei der absolut maximal zulässigen Werkstofftemperatur, sowie die Forderung nach monoton fallendem Verlauf. Aber auch in dieser Darstellung gibt es prinzipiell noch unendlich viele erlaubte Grenzkurven. Eine mehr oder weniger grobe Charakterisierung dieser gesamten Kurvenschaar kann anhand einer Kennzahl K erfolgen, beispielsweise durch den mittleren und/oder gewichteten Flächeninhalt unter diesen erfolgen. Diese Größe ist dann einer von im Allgemeinen mehreren Faktoren, die in die Kennzahl K eingehen. Weitere Faktoren können die oben erwähnte absolute Maximaltemperatur oder die mittlere Temperatur über ein bestimmtes Zeitintervall sein.
Z.B. kann eine sogenannte gewichtete Temperaturfläche A_gN als Kennzahl K definiert werden. Die gewichtete Temperaturfläche A_gN wird als Funktion abhängig von weiteren Variablen erhalten, die beispielsweise empirisch ermittelt werden können. Eine Temperaturfläche A_Ni wird für jede Stelle i angegeben, entlang der sich die Auftreffstelle 20 des primären Lichts Lp auf der Leuchtstoffschicht 14 bewegt. Die Temperaturfläche A_Ni ist durch die Integration der Temperatur Temp über der Zeit t für die betreffende Stelle i gebildet.
Eine Temperaturfläche A_Ni ist für den beispielhaften Temperaturverlauf (durchgezogene Linie in 5) in 5 zu einem Betrachtungszeitpunkt t0 veranschaulicht. Eine solche Temperaturfläche A_Ni kann für jede Stelle der Leuchtstoffschicht 14 entlang der Bahn B ermittelt werden.
Anhand der einzelnen Temperaturflächen A_Ni sowie des eine Temperaturfläche A_Ni charakterisierenden zeitabhängigen Verlaufs der Temperatur Temp kann die gewichtete Temperaturfläche A_gN ermittelt werden. Es hat sich gezeigt, dass eine Wahrscheinlichkeit zur Materialumwandlung p_NH abhängig von der gewichteten Temperaturfläche A_gN einen charakteristischen Verlauf aufweist, der in 6 wiedergegeben ist. Die Wahrscheinlichkeit p_NH steigt bis zu einem Wert A_i für die gewichtete Temperaturfläche A_gN langsam an. Für Werte der gewichteten Temperaturfläche A_gN die kleiner oder gleich dem Wert A_i sind, gibt sich der gewünschte angestrebte Arbeitsbereich der Konvertervorrichtung 10 ( 6). In diesem Arbeitsbereich ist die Wahrscheinlichkeit einer Materialumwandlung aufgrund der über das primäre Licht Lp eingetragene Energie relativ klein. Der Wert A_i für die gewichtete Temperaturfläche A_gN entspricht einem Wahrscheinlichkeitsschwellenwert p_s . Die Wahrscheinlichkeit, dass sich der Leuchtstoff 13 des Konversionskörpers 12 umwandelt, ist im Arbeitsbereich daher kleiner als der Wahrscheinlichkeitsschwellenwert p_s .
Eine alternative Möglichkeit zur Schaar von Grenztemperaturverläufen besteht in der Definition einer zeitlich veränderlichen Momentan-Grenztemperatur T_Grenz(t) (8). Die Momentan-Grenztemperatur T_Grenz(t) weist an jeder Stelle eine Steigung auf, welche mit steigender momentaner Leuchtstofftemperatur T_Mat(t) abnimmt und umgekehrt. Die Momentan-Grenztemperatur T_Grenz(t) kann für den verwendeten Leuchtstoff 13 und die konkreten Anwendungsbedingungen empirisch ermittelt, simuliert und anhand von Modellen ermittelt werden. Zu Beginn des Betriebs der Leuchteinrichtung bei t=0 hat die Momentan-Grenztemperatur T_Grenz (t) ihren Maximalwert und eine Steigung d (T_Grenz(0))/dt=0 . Durch die Bestrahlung des Leuchtstoffes 13 wird sich dieser aufwärmen, und die Momentan-Grenztemperatur T_Grenz (t) wird (mit negativer Steigung) zu sinken beginnen, spätestens sobald die momentane Leuchtstofftemperatur T_Mat(t) eine kritische Temperatur für den stationären Fall T_{krit,stationär} zu einem ersten Zeitpunkt t=t1 überschreitet. Bei weiterer Erwärmung des Leuchtstoffes 13 fällt die Momentan-Grenztemperatur T_Grenz(t) schneller ab, so dass eine Differenz D mit $D = T_{Grenz} (t) - T_{Mat} (t))$
zwischen der Momentan-Grenztemperatur T_Grenz(t) und der momentanen Leuchtstofftemperatur T_Mat(t) mit zunehmendem Betrag der negativen Steigung sinkt. Erst bei Abkühlung des Leuchtstoffes 13 ab einem zweiten Zeitpunkt t=t2 (momentane Leuchtstofftemperatur T_Mat(t) sinkt) nimmt die Steigung der Momentan-Grenztemperatur T_Grenz(t) wieder zu (Betrag der negativen Steigung nimmt ab) und die Steigung kann durch ausreichende Abkühlung des Leuchtstoffes 13 auch positiv werden, was bei dem beispielhaften Verlauf der Momentan-Grenztemperatur T_Grenz (t) zu einem dritten Zeitpunkt t=t3 erfolgt. Nach hinreichender Abkühldauer nimmt die Differenz D zwischen der Momentan-Grenztemperatur T_Grenz(t) und der momentanen Leuchtstofftemperatur T_Mat(t) beispielsgemäß wieder zu. Mit steigender Differenz D sinkt die Wahrscheinlichkeit einer irreversiblen Umwandlung des Leuchtstoffes 13. Die Differenz D kann daher als Kennzahl K verwendet werden (D=K). Wird die momentane Leuchtstofftemperatur T_Mat(t) größer als die Momentan-Grenztemperatur T_Grenz (t) (T_Mat>T_Grenz), d.h. die Kennzahl K kleiner als null (K<0), dann überschreitet die Umwandlungswahrscheinlichkeit hingegen einen vorgegebenen kritischen Wahrscheinlichkeitsschwellenwert p_s , der z.B. kleiner oder gleich 50% ist.
Durch die Relativbewegung des Konversionskörpers 12 gegenüber der Halbleiterlichtquelle 11 wird somit die Funktionsfähigkeit des Leuchtstoffes 13 aufrechterhalten bzw. die Wahrscheinlichkeit zu einer dieser Funktionsfähigkeit einschränkenden Materialumwandlung möglichst gering gehalten.
Durch die erfindungsgemäße Bewegung des Konversionskörpers 12, die durch wenigstens einen Linearaktor 31, 32 erzeugt wird, kann außerdem eine verfügbare Fläche des Konversionskörpers 12 im Wesentlichen vollständig ausgenutzt werden. Anders ausgedrückt kann es erreicht werden, dass die Umwandlungskennzahlen bzw. Umwandlungswahrscheinlichkeiten über der gesamten ersten Fläche 15 des Konversionskörpers 12 möglichst gleichverteilt sind. In vielen Fällen wird schon die Umwandlung oder Zerstörung eines kleinen, besonders beanspruchten Teilbereichs des Konversionskörpers 12 z.B. der Mittelpunkt einer kreisförmig bestrahlten Fläche - zum Ausfall der ganzen Anordnung führen.
Der Konversionskörper 12 ist leicht und kann über Linearaktoren 31, 32 beispielsweise Piezo-oder Ultraschallaktoren beschleunigt werden, um die gewünschte Bewegungsbahn B zu erhalten. Dabei bewegen sich sämtliche Stellen des Konversionskörpers 12 jeweils mit der gleichen Geschwindigkeit relativ zur Halbleiterlichtquelle 11. Durch die Bewegung des Konversionskörpers 12 relativ zur umgebenden Atmosphäre, insbesondere Luft, wird außerdem eine verbesserte Kühlung des Konversionskörpers erreicht, so dass Wärme schneller an die Umgebung abgegeben wird.
Ein weiterer Vorteil der Erfindung kann in der generellen Steigerung der Umwandlungseffizienz einer Konvertervorrichtung 10 mit einem Konversionsmittel (z.B. Leuchtstoff 13 aufweisendes Konversionsmittel) liegen, was durch eine Optimierung des Verhältnisses von Anregungsdauer und Rekombinationszeit (Leuchtzeit) durch geeignete Abstimmung der relativen Bahngeschwindigkeit des Primärstrahls zum Konversionskörper 12 bzw. Konversionsmittel erreicht wird. Dieses ist vergleichbar mit einem gepulsten Betrieb der Primärlichtquelle im Fall einer statischen Bestrahlung einer Konvertervorrichtung 10.
Die mechanische Lagerung des Konversionskörpers 12 in der Ebene seiner Bewegung kann z.B. durch eine Aufhängung an Federn, durch Andruck an Rollen oder auch durch pneumatische Kräfte erfolgen.
Die Erfindung betrifft eine Konvertervorrichtung 10 sowie ein Verfahren zu deren Betrieb. Die Konvertervorrichtung 10 hat eine Halbleiterlichtquelle, einen Konversionskörper 12 mit einem lumineszierenden Leuchtstoff 13 und wenigstens einen Linearaktor 31, 32 zur Bewegung des Konversionskörpers 12 relativ zur Halbleiterlichtquelle 11 in einer jeweiligen Linearrichtung x, y. Der wenigstens eine Linearaktor 31, 32 und/oder die Halbleiterlichtquelle 11 können durch eine Steuereinrichtung 33 angesteuert werden. Die Halbleiterlichtquelle strahlt primäres Licht Lp auf den Leuchtstoff 13 des Konversionskörpers 12 ab. Dieser wird angeregt und emittiert sekundäres Licht Ls. Durch die Relativbewegung zwischen dem Konversionskörper 12 und der Halbleiterlichtlichtquelle 11 mittels des wenigstens einen Linearaktors 31, 32 kann die Wahrscheinlichkeit einer thermisch induzierten Materialumwandlung reduziert werden. Jeder Linearaktor 31, 32 ist dazu eingerichtet, den Konversionskörper 12 in genau einem Freiheitsgrad, nämlich der zugeordneten Linearrichtung x, y zu bewegen.
Bezugszeichenliste

10: Konvertervorrichtung
11: Halbleiterlichtquelle
12: Konversionskörper
13: Konversions- oder Leuchtstoff
14: Konversions- oder Leuchtstoffschicht
15: erste Fläche
16: zweite Fläche
20: Lichtauftreffstelle
21: Lichtaustrittsstelle
22: Reflexionsschicht
23: Kühlkörper
27: erste Optikanordnung
28: zweite Optikanordnung
31: erster Linearaktor
32: zweiter Linearaktor
33: Steuereinrichtung
A_gN: gewichtete Temperaturfläche
A_Ni: Temperaturfläche an einer Stelle i
B: Bahn
D: Differenz
G: Gerade
I: Intensität des primären Lichts
K: Kennzahl
Lp: primäres Licht
Ls: sekundäres Licht
p_NH: Wahrscheinlichkeit
p_s: Wahrscheinlichkeitsschwellenwert
sx: Weg in erster Linearrichtung
sy: Weg in zweiter Linearrichtung
t: Zeit
t₀: Betrachtungszeitpunkt
t1: erster Zeitpunkt
t2: zweiter Zeitpunkt
t3: dritter Zeitpunkt
Temp: Temperatur
T_Grenz: Momentan-Grenztemperatur
T_{krit,stationär}: kritische Temperatur für den stationären Fall
T_Mat: momentane Leuchtstofftemperatur
U1: erster Umkehrpunkt
U2: zweiter Umkehrpunkt
x: erste Linearrichtung
y: zweite Linearrichtung

Claims

Konvertervorrichtung (10) mit einer Halbleiterlichtquelle (11), die primäres Licht (Lp) auf einen Konversionskörper (12) abstrahlt, der ein Konversionsmittel mit einem Konversionsstoff (13) enthält, wobei der Konversionsstoff (13) durch das primäre Licht (Lp) der Halbleiterlichtquelle (11) angeregt wird und sekundäres Licht (Ls) abstrahlt, mit wenigstens einem Linearaktor (31, 32), wobei jeder Linearaktor (31, 32) mit dem Konversionskörper (12) bewegungsgekoppelt und dazu eingerichtet ist, den Konversionskörper (12) relativ zu der Halbleiterlichtquelle (11) in einer jeweiligen Linearrichtung (x, y) zu bewegen, wobei die Bewegung des Konversionskörpers (12) durch den wenigstens einen Linearaktor (31, 32) derart vorgegeben ist, dass eine Wahrscheinlichkeit (p_NH) für eine thermisch bedingte Werkstoffumwandlung des Konversionsstoffes kleiner ist als ein vorgegebener Wahrscheinlichkeitsschwellenwert (p_s).
Konvertervorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Konversionskörper (12) als Platte ausgeführt ist, die eine Konversionsstoffschicht (14) aufweist oder durch die Konversionsstoffschicht (14) gebildet ist.
Konvertervorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Konversionsstoffschicht (14) eine erste Fläche (15) und eine mit Abstand zu der ersten Fläche (15) angeordnete zweite Fläche (16) aufweist.
Konvertervorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Fläche (15) und die zweite Fläche (16) parallel zueinander ausgerichtet sind.
Konvertervorrichtung nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass jede Linearrichtung (x, y) parallel zu der ersten Fläche (15) und/oder der zweiten Fläche (16) ausgerichtet ist.
Konvertervorrichtung nach einem der Ansprüche 3 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass das primäre Licht (Lp) rechtwinkelig zur ersten Fläche (15) einfällt.
Konvertervorrichtung nach einem der Ansprüche 3 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass das sekundäre Licht (Ls) an der zweiten Fläche (16) oder der ersten Fläche (15) austritt.
Konvertervorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine erste Optikanordnung (27) vorhanden ist, die zwischen der Halbleiterlichtquelle (11) und dem Konversionskörper (12) angeordnet ist und/oder dass eine zweite Optikanordnung (28) vorhanden ist, die an einer Lichtaustrittsstelle (21), an der das sekundäre Licht (Ls) austritt, angeordnet ist.
Konvertervorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein erster Linearaktor (31) vorhanden ist, der dazu eingerichtet ist, den Konversionskörper (12) in einer ersten Linearrichtung (x) zu bewegen, und dass ein zweiter Linearaktor (32) vorhanden ist, der dazu eingerichtet ist, den Konversionskörper (12) in einer zweiten Linearrichtung (y) zu bewegen.
Konvertervorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Linearrichtung (x) und die zweite Linearrichtung (y) rechtwinkelig zueinander ausgerichtet sind.
Konvertervorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass jeder Linearaktor (31, 32) dazu eingerichtet ist, eine vorgegebene Schwingungsbewegung des Konversionskörpers (12) in der jeweiligen Linearrichtung (x, y) auszuführen.
Konvertervorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das primäre Licht (Lp) an einer Lichtauftreffstelle (20) auf den Konversionskörper (12) auftrifft, und dass der wenigstens eine Linearaktor (31, 32) dazu eingerichtet ist, eine Bewegung des Konversionskörpers (12) zu veranlassen, so dass sich die Lichtauftreffstelle (20) entlang einer sich in einer Ebene erstreckenden Bahn (B) bewegt.
Konvertervorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Halbleiterlichtquelle (11) dazu eingerichtet ist, das primäre Licht (Lp) abhängig von der aktuellen Bewegung und/oder Position des Konversionskörpers (12) abzustrahlen.
Verfahren zum Betreiben einer Konvertervorrichtung (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche mit folgenden Schritten: - Abstrahlen von primärem Licht (Lp) auf den Konversionskörper (12), - Bewegen des Konversionskörpers (12) in der wenigstens einen Linearrichtung (x, y).