DE102017208469A1 - LIGHT MODULE FOR GENERATING MIXED LIGHT, HEADLAMP AND LIGHT - Google Patents
LIGHT MODULE FOR GENERATING MIXED LIGHT, HEADLAMP AND LIGHT Download PDFInfo
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- F21Y2115/30—Semiconductor lasers
Abstract
Die Erfindung betrifft ein Lichtmodul (10) zur Erzeugung von Mischlicht, insbesondere weißem Licht (32), mit einer Lichtquelleneinheit (12) zum Abstrahlen eines ersten blauen Lichtbündels (14a), welches auf ein Wellenlängenkonversionselement (18) eingestrahlt wird, das das eingestrahlte Licht in Licht mit einer dominanten Wellenlänge in zumindest einem vom blauen verschiedenen Wellenlängenbereich konvertiert, und als ein erstes konvertiertes Lichtbündel (14b) abstrahlt, wobei die Lichtquelleneinheit (12) dazu ausgelegt ist, ein zweites Lichtbündel (16a) abzustrahlen, und wobei das Lichtmodul (10) derart ausgestaltet ist, dass ein Teil eines ersten optischen Pfads, welcher vom ersten konvertierten Lichtbündel (14b) durchlaufen wird, mit zumindest einem Teil eines zweiten optischen Pfads, welcher vom zweiten Lichtbündel (16a, 16b) durchlaufen wird, überlagert ist, und der überlagerte Teil des ersten und zweiten optischen Pfads einen Ausgang (30) des Lichtmoduls (10) bereitstellen. Dabei weist das Lichtmodul (10) ein Streuelement (28) auf, welches dazu ausgelegt ist, das auf das Streuelement (28) eingestrahlte zweite Lichtbündel (16a) als zweites divergentes Lichtbündel (16b) derart abzustrahlen, dass eine Abstrahlcharakteristik des zweiten divergenten Lichtbündels (16b) in einem Nahfeld und in einem Fernfeld innerhalb einer bestimmten Toleranz mit einer Abstrahlcharakteristik des ersten konvertierten Lichtbündels (14b) übereistimmt.The invention relates to a light module (10) for producing mixed light, in particular white light (32), with a light source unit (12) for emitting a first blue light beam (14a) which is irradiated onto a wavelength conversion element (18) which irradiates the incident light is converted into light having a dominant wavelength in at least one wavelength region different from blue, and radiates as a first converted light beam (14b), the light source unit (12) being configured to radiate a second light beam (16a), and wherein the light module (10 ) is configured such that a portion of a first optical path traversed by the first converted light beam (14b) is superposed with at least a portion of a second optical path traversed by the second light beam (16a, 16b); superimposed part of the first and second optical path an output (30) of the light module (10) provide len. In this case, the light module (10) has a scattering element (28) which is designed to radiate the second light bundle (16a) incident on the scattering element (28) as a second divergent light bundle (16b) in such a way that a radiation characteristic of the second divergent light bundle (16b) ( 16b) in a near field and in a far field within a certain tolerance with a radiation characteristic of the first converted light beam (14b) over.
Description
Die Erfindung betrifft ein Lichtmodul zur Erzeugung von Mischlicht, insbesondere weißem Licht, wobei das Lichtmodul eine Lichtquelleneinheit aufweist, die dazu ausgelegt ist, ein erstes Lichtbündel in einem ersten Wellenlängenbereich abzustrahlen, und auf ein Wellenlängenkonversionselement einzustrahlen, wobei das Wellenlängenkonversionselement dazu ausgelegt ist, dass auf das Wellenlängenkonversionselement durch das erste Lichtbündel eingestrahlte Licht im ersten Wellenlängenbereich in Licht zu konvertieren, welches eine dominante Wellenlänge in zumindest einem zweiten vom ersten verschiedenen Wellenlängenbereich aufweist, und das konvertierte Licht als ein erstes konvertiertes Lichtbündel abzustrahlen. Des Weiteren ist die Lichtquelleneinheit dazu ausgelegt, ein zweites Lichtbündel in einem dritten Wellenlängenbereich abzustrahlen, wobei das Lichtmodul derart ausgestaltet ist, dass ein erster Teil eines ersten optischen Pfads, welcher vom ersten konvertierten Lichtbündel durchlaufen wird, mit zumindest einem ersten Teil eines zweiten optischen Pfads, welcher vom zweiten Lichtbündel durchlaufen wird, überlagert ist, und der überlagerte erste Teil des ersten und zweiten optischen Pfads einen Ausgang des Lichtmoduls bereitstellen. Des Weiteren betrifft die Erfindung auch einen Scheinwerfer und eine Leuchte mit einem solchen Lichtmodul.The invention relates to a light module for generating mixed light, in particular white light, wherein the light module has a light source unit which is designed to emit a first light beam in a first wavelength range and to radiate it to a wavelength conversion element, wherein the wavelength conversion element is designed to converting the wavelength conversion element by the first light beam irradiated light in the first wavelength range into light having a dominant wavelength in at least a second of the first different wavelength range, and to radiate the converted light as a first converted light beam. Furthermore, the light source unit is configured to emit a second light beam in a third wavelength range, wherein the light module is configured such that a first part of a first optical path, which is traversed by the first converted light beam, with at least a first part of a second optical path , which is traversed by the second light beam, is superimposed, and the superimposed first part of the first and second optical paths provide an output of the light module. Furthermore, the invention also relates to a headlamp and a luminaire with such a light module.
Die vorliegende Erfindung ist insbesondere auf dem Gebiet der LARP(Laser Activated Remote Phosphor)-basierten Lichtquellen angesiedelt. Lichtquellen mit hoher Leuchtdichte in den Bereichen Entertainment und Medizin werden aktuell durch klassische Lampen dominiert. Im Falle von Scheinwerfern mit kleinem Öffnungswinkel (des Lichtkegels) kommen Entladungslampen zum Einsatz, da hohe Leuchtdichten von über 1000 Candela pro Quadratmillimeter benötigt werden. Licht emittierende Dioden (LED) erreichen aktuell nur Leuchtdichten von bis zu etwa 200 Candela pro Quadratmillimeter. Als Alternative zu Entladungslampen bieten sich auch LARPbasierte Lichtquellen an, die Leuchtdichten von mehreren 1000 Candela pro Quadratmillimeter generieren und auch Lebensdauern ermöglichen, die deutlich über denen von Entladungslampen liegen.The present invention is particularly in the field of LARP (Laser Activated Remote Phosphor) based light sources. Light sources with high luminance in the fields of entertainment and medicine are currently dominated by classic lamps. In the case of headlamps with a small opening angle (the cone of light), discharge lamps are used because high luminances of more than 1000 candelas per square millimeter are required. Currently, light-emitting diodes (LEDs) only achieve luminance levels of up to about 200 candela per square millimeter. As an alternative to discharge lamps, LARP-based light sources are also available, which generate luminous intensities of several 1000 candelas per square millimeter and also enable lifetimes significantly higher than those of discharge lamps.
Bei Einsatz der LARP-Technologie wird Weißlicht im Allgemeinen durch die geeignete Überlagerung mehrerer einzelner spektraler Komponenten generiert. Bei einer solchen LARP-Lichtquelle wird üblicherweise ein blauer Laserstrahl verwendet, der auf einen Leuchtstoff oder ein Leuchtstoffrad eingestrahlt wird. Auf dem Leuchtstoffrad können sich in verschiedenen Radsegmenten verschiedene Wellenlängenkonversionselemente, zum Beispiel verschiedene Leuchtstoffe, befinden, die das eingestrahlte blaue Laserlicht in Licht anderer Wellenlängen konvertieren. So können sich auf dem Leuchtstoffrad beispielsweise in einem Segment ein Leuchtstoff zur Generierung von rotem Licht, ein Leuchtstoff zur Generierung von gelbem Licht und ein Leuchtstoff zur Generierung von grünem Licht befinden. Durch Drehung des Rads werden die jeweiligen Leuchtstoffe sequenziell vom blauen Laserlicht beleuchtet und dadurch sequenziell die verschiedenen spektralen Komponenten bereitgestellt. Weiterhin kann sich auf dem Leuchtstoffrad in einem Segment auch eine Durchgangsöffnung befinden, die der blaue Laserstrahl durchdringen kann ohne auf einen Leuchtstoff einzuwirken, sodass dieser nach einer geeigneten Umlenkung auf dem gleichen Teilpfad wie die sequenziell erzeugten konvertierten spektralen Komponenten zu einem Ausgang geführt werden kann. So werden in einem sequenziellen Verfahren spektrale Komponenten von konvertiertem Licht mit dem direkten Blau der Laserdioden alterniert. Problematisch hierbei ist jedoch, dass für viele Applikationen der sequenzielle Farbwechsel unerwünscht ist, z.B. für bewegte Lichtquellen, Scheinwerfer oder Leuchten, sogenannte Movingheads im Entertainment-Bereich) oder auch aufgrund von Problemen, die sich im Zusammenhang mit der Aufzeichnung durch Videokameras ergeben. Dieses Problem kann beispielsweise dadurch behoben werden, indem von einer ersten Laserlichtquelle Licht auf einen gelben Leuchtstoff eingestrahlt wird, welches dann mit blauem Licht einer zweiten und separat bereitgestellten Laserlichtquelle überlagert wird.When using the LARP technology, white light is generally generated by the appropriate superposition of several individual spectral components. Such a LARP light source usually uses a blue laser beam which is irradiated onto a phosphor or a phosphor wheel. Different wavelength conversion elements, for example different phosphors, which convert the irradiated blue laser light into light of other wavelengths may be located on the phosphor wheel in different wheel segments. For example, a phosphor for generating red light, a phosphor for generating yellow light and a phosphor for generating green light can be located on the phosphor wheel in one segment. By rotating the wheel, the respective phosphors are sequentially illuminated by the blue laser light, thereby sequentially providing the various spectral components. Furthermore, on the phosphor wheel in a segment can also be a through hole, which can penetrate the blue laser beam without acting on a phosphor, so that it can be led to a suitable deflection on the same sub-path as the sequentially generated converted spectral components to an output. Thus, in a sequential process, spectral components of converted light are alternated with the direct blue of the laser diodes. The problem here, however, is that for many applications, the sequential color change is undesirable, e.g. for moving light sources, headlamps or lights, so-called moving heads in the entertainment area) or because of problems that arise in connection with the recording by video cameras. This problem can be remedied, for example, by irradiating light from a first laser light source onto a yellow phosphor, which is then superimposed with blue light from a second and separately provided laser light source.
Allerdings tritt in allen Fällen noch ein weiteres Problem auf, nämlich dass keine ausreichende Strahlhomogenisierung des letztendlich kombinierten Lichtstrahls bereitgestellt werden kann. Bei dem beschriebenen Verfahren entstehen üblicherweise Farbsäume im Nahfeld, im Fernfeld oder aber im Übergangsbereich. Weiterhin kommt es zu einer Abhängigkeit des Weißpunktes vom Strahlradius. Durch den Einsatz von Verfahren zur Strahlhomogenisierung, zum Beispiel durch Mikrolinsenarrays, Lichtmischstäben oder Ähnlichem können diese Effekte zwar etwas reduziert, jedoch oft nicht auf ein akzeptables Maß eingedämmt werden.However, in all cases, another problem arises, namely that sufficient beam homogenization of the ultimately combined light beam can not be provided. In the described method, color fringing usually occurs in the near field, in the far field or in the transition region. Furthermore, there is a dependence of the white point on the beam radius. By using methods for beam homogenization, for example by microlens arrays, light mixing rods or the like, these effects can be reduced somewhat, but often can not be reduced to an acceptable level.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, ein Lichtmodul zur Erzeugung von Mischlicht, insbesondere weißem Licht, bereitzustellen, mittels welchem Mischlicht mit höherer Homogenität ermöglicht wird.It is therefore an object of the present invention to provide a light module for producing mixed light, in particular white light, by means of which mixed light with higher homogeneity is made possible.
Diese Aufgabe wird gelöst durch ein Lichtmodul mit den Merkmalen gemäß dem Anspruch 1. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der abhängigen Patentansprüche, der Beschreibung sowie der Figuren.This object is achieved by a light module having the features according to claim 1. Advantageous embodiments of the invention are the subject of the dependent claims, the description and the figures.
Das erfindungsgemäße Lichtmodul zur Erzeugung von Mischlicht, insbesondere weißem Licht, weist eine Lichtquelleneinheit auf, die dazu ausgelegt ist, ein erstes Lichtbündel in einem ersten Wellenlängenbereich abzustrahlen und auf ein Wellenlängenkonversionselement einzustrahlen, wobei das Wellenlängenkonversionselement dazu ausgelegt ist, das auf das Wellenlängenkonversionselement durch das erste Lichtbündel eingestrahlte Licht im ersten Wellenlängenbereich in Licht zu konvertieren, welches eine dominante Wellenlänge in zumindest einem zweiten vom ersten verschiedenen Wellenlängenbereich aufweist, und das konvertierte Licht als ein erstes konvertiertes Lichtbündel abzustrahlen. Dabei ist die Lichtquelleneinheit weiterhin dazu ausgelegt, ein zweites Lichtbündel in einem dritten Wellenlängenbereich abzustrahlen, wobei das Lichtmodul derart ausgestaltet ist, dass ein erster Teil eines ersten optischen Pfads, welcher vom ersten konvertierten Lichtbündel durchlaufen wird, mit zumindest einem ersten Teil eines zweiten optischen Pfads, welcher vom zweiten Lichtbündel durchlaufen wird, überlagert ist, und der überlagerte erste Teil des ersten und zweiten optischen Pfads einen Ausgang des Lichtmoduls bereitstellen. Weiterhin weist das Lichtmodul ein Streuelement auf, welches in einem zweiten vom ersten verschiedenen Teil des zweiten optischen Pfads angeordnet ist, und welches dazu ausgelegt ist, das auf das Streuelement eingestrahlte zweite Lichtbündel als divergentes zweites Lichtbündel derart abzustrahlen, dass eine Abstrahlcharakteristik des zweiten divergenten Lichtbündels in einem Nachfeld und in einem Fernfeld innerhalb einer bestimmten Toleranz mit einer Abstrahlcharakteristik des konvertierten Lichtbündels übereinstimmtThe light module according to the invention for producing mixed light, in particular white light, has a light source unit configured to radiate a first light beam in a first wavelength range and radiate it onto a wavelength conversion element, wherein the wavelength conversion element is adapted to convert the radiated to the wavelength conversion element by the first light beam in the first wavelength range in light, which has a dominant wavelength in at least a second of the first different wavelength range, and to radiate the converted light as a first converted light beam. In this case, the light source unit is further configured to emit a second light bundle in a third wavelength range, the light module being configured such that a first part of a first optical path, which is traversed by the first converted light bundle, with at least a first part of a second optical path , which is traversed by the second light beam, is superimposed, and the superimposed first part of the first and second optical paths provide an output of the light module. Furthermore, the light module has a scattering element, which is arranged in a second different from the first part of the second optical path, and which is adapted to radiate the incident on the scattering element second light beam as a divergent second light beam such that a radiation characteristic of the second divergent light beam in a far field and in a far field within a certain tolerance with a radiation characteristic of the converted light beam matches
Die Erfindung beruht dabei auf der Erkenntnis, dass die Problematik der Mischlichthomogenität, und insbesondere auch der Weißlichtinhomogenität, vorwiegend darin begründet ist, dass sich der blaue Laserstrahl und das konvertierte Licht maßgeblich in ihrem Abstrahlverhalten bzw. ihrer Abstrahlcharakteristik unterscheiden. Dabei wirken sich sowohl Abweichungen dieser Abstrahlcharakteristik im Fernfeld als auch im Nachfeld auf die Homogenität des letztendlich kombinierten Lichtstrahls negativ aus. Diese Erkenntnis macht sich die Erfindung dadurch zu Nutze, indem nun das zweite Lichtbündel auf ein Streuelement eingestrahlt wird, durch welches es ermöglicht wird, dass das zweite Lichtbündel als divergentes zweites Lichtbündel von diesem Streuelement wieder abgestrahlt wird, und zwar mit einer im Wesentlichen gleichen Abstrahlcharakteristik wie die des konvertierten ersten Lichtbündels. So wird es vorteilhafterweise ermöglicht, dass das letztendlich am Ausgang bereitgestellte kombinierte Licht zu mindestens 90 %, insbesondere mindestens zu 95 % bestimmte Anforderungen, zum Beispiel in Bezug auf Farbort und maximal zulässiger Abweichung von diesem, einer bestimmten Applikation erfüllt. Hierdurch ist vorteilhafterweise durch das Lichtmodul Mischlicht, insbesondere weißes Licht, erzeugbar, welches für jede beliebige Anwendung bzw. Applikation immer zu mindestens 90 %, insbesondere 95 %, als Nutzlicht verwendbar ist.The invention is based on the finding that the problem of mixed light homogeneity, and in particular also the white light inhomogeneity, is mainly due to the fact that the blue laser beam and the converted light differ significantly in their emission behavior or their emission characteristic. Both deviations of this emission characteristic in the far field and in the after field on the homogeneity of the ultimately combined light beam have a negative effect. This knowledge makes use of the invention by now the second light beam is irradiated onto a scattering element, by which it is possible that the second light beam is emitted as a divergent second light beam from this scattering element again, with a substantially same radiation characteristic like that of the converted first light bundle. Thus, it is advantageously possible for the combined light finally provided at the output to satisfy at least 90%, in particular at least 95%, certain requirements, for example with respect to color locus and maximum permissible deviation therefrom, of a specific application. This advantageously by the light module mixed light, in particular white light can be generated, which is always usable for any application or application to at least 90%, in particular 95%, as useful light.
Bei einer anschließenden Kombination, die durch die Überlagerung der betreffenden ersten Teile des ersten und zweiten optischen Pfads bereitgestellt ist, kann damit kombiniertes Licht, insbesondere weißes Licht, mit einer besonders hohen Lichthomogenität im Nah- und Fernfeld bereitgestellt werden.In a subsequent combination, which is provided by the superimposition of the respective first parts of the first and second optical path, combined light, in particular white light, with a particularly high light homogeneity in the near and far field can be provided therewith.
Die Lichtquelleneinheit kann zur Bereitstellung des ersten und zweiten Lichtbündels eine oder mehrere Laserlichtquellen, wie beispielsweise Laserdioden, aufweisen. Im Allgemeinen kann die Lichtquelleneinheit das erste und zweite Lichtbündel gleichzeitig oder auch zeitlich sequenzielle bereitstellen. Bevorzugt ist es jedoch, dass die Lichtquelleneinheit dazu ausgelegt ist, das erste und zweite Lichtbündel gleichzeitig und über zumindest zum Teil getrennte optische Pfade bereitzustellen, sodass die Problematik des sequenziellen Farbwechsels vorteilhafterweise vermieden werden kann. Hierdurch ist es möglich, das Wellenlängenkonversionselement mit dem ersten Lichtbündel und das Streuelement mit dem zweiten Lichtbündel gleichzeitig zu beleuchten und entsprechend auch die vom Wellenlängenkonversionselement und dem Streuelement wieder abgestrahlten Lichtbündel, zum Beispiel durch geeignete Umlenkung oder Kombinationsoptiken, zu einem gemeinsamen Lichtbündel zu kombinieren, welches entsprechend auf dem ersten Teil des ersten und zweiten Pfads bereitgestellt wird. Zusätzlich werden das zweite divergente blaue Lichtbündel und das erste konvertierte Lichtbündel vor ihrer Kombination noch kollimiert werden, zum Beispiel durch eine Kollimationsoptik. Weiterhin ist es bevorzugt, dass der erste Wellenlängenbereich und der dritte Wellenlängenbereich im blauen, UV- und oder violetten Wellenlängenbereich angesiedelt sind. Insbesondere befinden sich der erste und dritte Wellenlängenbereich vorzugsweise im Bereich zwischen 365 nm und 475 nm. Die Bereitstellung eines ersten Lichtbündels in einem solchen Wellenlängenbereich hat den großen Vorteil, dass sich die meisten Leuchtstoffe, und damit auch das Wellenlängenkonversionselement, welches als ein solcher Leuchtstoff ausgebildet ist oder einen solchen Leuchtstoff umfasst, mit einer Anregungsstrahlung in einem solchen Wellenlängenbereich anregen lassen. Die Bereitstellung des zweiten Lichtbündels in diesem Wellenlängenbereich, insbesondere im blauen Wellenlängenbereich, hat den Vorteil, dass sich blaues Licht zur Erzeugung von weißem Licht eignet, insbesondere in Kombination mit gelbem Licht, weshalb vorzugsweise der zweite Wellenlängenbereich des konvertierten Lichtbündels im gelben Wellenlängenbereich angesiedelt ist. Um also durch eine Kombination des ersten konvertierten Lichtbündels und des zweiten, vorzugsweise blauen, und gestreuten Lichtbündels weißes Licht bereitzustellen, ist es daher vorteilhaft, wenn das Wellenlängenkonversionselement einen gelben Leuchtstoff aufweist oder als solcher ausgebildet ist, sodass das auf das Wellenlängenkonversionselement eingestrahlte erste Lichtbündel in Licht mit einer dominanten Wellenlänge im gelben Spektralbereich konvertiert wird. So kann vorteilhafterweise durch nur einen einzigen Leuchtstoff, dem gelben Leuchtstoff, und der Kombination des konvertierten gelben Lichts mit dem zweiten gestreuten, insbesondere blauen, Lichtbündel, weißes Licht erzeugt werden. Alternativ besteht jedoch auch die Möglichkeit, dass das Wellenlängenkonversionselement verschiedene Leuchtstoffe aufweist, die das eingestrahlte erste Lichtbündel in Licht mit jeweils unterschiedlichen dominanten Wellenlängen, zum Beispiel im roten Spektralbereich und im grünen Spektralbereich konvertieren. Auch hierdurch lässt sich durch Überlagerung mit dem blauen zweiten Lichtbündel weißes Licht erzeugen.The light source unit may include one or more laser light sources, such as laser diodes, for providing the first and second light beams. In general, the light source unit can provide the first and second light bundles simultaneously or temporally sequential. However, it is preferred that the light source unit is designed to provide the first and second light bundles simultaneously and via at least partially separate optical paths, so that the problem of the sequential color change can be advantageously avoided. This makes it possible to simultaneously illuminate the wavelength conversion element with the first light bundle and the scattering element with the second light bundle and accordingly also combine the light beams emitted again by the wavelength conversion element and the scattering element, for example by suitable deflection or combination optics, to form a common light bundle is provided corresponding to the first part of the first and second path. In addition, the second divergent blue light beam and the first converted light beam will still be collimated prior to their combination, for example by collimation optics. Furthermore, it is preferred that the first wavelength range and the third wavelength range are located in the blue, UV and / or violet wavelength range. In particular, the first and third wavelength ranges are preferably in the range between 365 nm and 475 nm. The provision of a first light bundle in such a wavelength range has the great advantage that most of the phosphors, and thus also the wavelength conversion element, are formed as such a phosphor or comprises such a phosphor, can be excited with an excitation radiation in such a wavelength range. The provision of the second light beam in this wavelength range, in particular in the blue wavelength range, has the advantage that blue light is suitable for generating white light, in particular in combination with yellow light, which is why preferably the second wavelength range of the converted light beam is located in the yellow wavelength range. So by a combination of the first converted light beam and the second, preferably blue, and scattered light beam white light Therefore, it is advantageous if the wavelength conversion element has a yellow phosphor or is formed as such, so that the first light beam incident on the wavelength conversion element is converted into light having a dominant wavelength in the yellow spectral range. Thus, advantageously, only a single phosphor, the yellow phosphor, and the combination of the converted yellow light with the second scattered, in particular blue, light beam, produce white light. Alternatively, however, there is also the possibility that the wavelength conversion element has different phosphors which convert the irradiated first light bundle into light having respectively different dominant wavelengths, for example in the red spectral range and in the green spectral range. This also makes it possible to generate white light by superposition with the blue second light beam.
Das Lichtmodul kann aber nicht nur zur Erzeugung von weißem Licht genutzt werden, sondern in gleicher Weise auch zur Erzeugung von Licht beliebiger Farbe mit besonders hoher Homogenität. Zu diesem Zweck kann also auch beispielsweise der zweite Wellenlängenbereich durch geeignete Wahl des Leuchtstoffs für das Wellenlängenkonversionselement in anderen spektralen Bereichen, zum Beispiel im roten oder im grünen Spektralbereich, angesiedelt sein. Auch können mehrere Wellenlängenkonversionselemente, die unterschiedlichen Spektralbereiche zugeordnet sind, vorgesehen sein. Ebenso kann entsprechend auch das zweite Lichtbündel als Licht in anderen spektralen Bereichen als blau bereitgestellt werden.However, the light module can not only be used for generating white light, but in the same way for the production of light of any color with a particularly high homogeneity. For this purpose, therefore, for example, the second wavelength range can be settled by suitable choice of the phosphor for the wavelength conversion element in other spectral ranges, for example in the red or green spectral range. Also, a plurality of wavelength conversion elements associated with different spectral regions may be provided. Likewise, according to the second light beam can be provided as light in spectral regions other than blue.
Unabhängig davon, d.h. insbesondere auch für die Erzeugung von weißem Licht, können der erste und der dritte Wellenlängenbereich gleich, aber auch voneinander verschieden sein. Beispielsweise kann der erste Wellenlängenbereich im Bereich von 440 nm bis 460 nm liegen und der dritte Wellenlängenbereich im Bereich zwischen 455 und 470 nm liegen.Regardless, i. In particular, for the generation of white light, the first and the third wavelength range may be the same, but also different from each other. For example, the first wavelength range may be in the range of 440 nm to 460 nm, and the third wavelength range may be in the range of 455 to 470 nm.
Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung stellt die Abstrahlcharakteristik des ersten konvertierten Lichtbündels eine erste Strahlungsverteilung dar und die Abstrahlcharakteristik des zweiten divergenten Lichtbündels eine zweite Strahlungsverteilung dar. Insbesondere wird dabei unter einer Strahlungsverteilung im Nahfeld die Ortsabhängigkeit der Bestrahlungsstärke, und im Fernfeld die Winkelabhängigkeit der Lichtstärke verstanden. Dabei ist weiterhin die Bestrahlungsstärke als Lichtstrom pro Fläche definiert, während die Lichtstärke als Lichtstrom pro Raumwinkel definiert ist. Damit gibt die Strahlungsverteilung also die Verteilung der Strahlung in Abhängigkeit von einer Raumkoordinate, d.h. also entweder in Abhängigkeit von einer Ortskoordinate oder einem Winkel, an. Folglich wird es also durch die Streuung des zweiten Lichtbündels am Streuelement vorteilhafterweise ermöglicht, dass das abgestrahlte und gestreute zweite Lichtbündel im Wesentlichen die gleiche Lichtverteilung aufweist, wie das konvertierte erste Lichtbündel. Somit kann das zweite vom Streuelement abgestrahlte Lichtbündel vorteilhafterweise mit einer im Wesentlichen gleichen Winkelabhängigkeit der Lichtstärke im Fernfeld, und im wesentlichen gleichen Ortsabhängigkeit der Bestrahlungsstärke im Nahfeld bereitgestellt werden, wie das vom Wellenlängenkonversionselement abgestrahlte konvertierte erste Lichtbündel.According to an advantageous embodiment of the invention, the emission characteristic of the first converted light beam is a first radiation distribution and the radiation characteristic of the second divergent light beam is a second radiation distribution. In particular, a radiation distribution in the near field means the location dependence of the irradiance, and in the far field the angular dependence of the light intensity , In this case, furthermore, the irradiance is defined as the luminous flux per area, while the luminous intensity is defined as the luminous flux per solid angle. Thus, the radiation distribution thus gives the distribution of the radiation as a function of a spatial coordinate, i. So either depending on a location coordinate or an angle to. Consequently, it is thus advantageously made possible by the scattering of the second light bundle at the scattering element that the emitted and scattered second light bundle has substantially the same light distribution as the converted first light bundle. Thus, the second light beam emitted by the scattering element can advantageously be provided with substantially the same angular dependence of the far field intensity and substantially the same spatial dependence of the near field irradiance as the converted first light beam emitted by the wavelength conversion element.
Weiterhin können das erste konvertierte Lichtbündel sowie das gestreute zweite Lichtbündel auch unter den im Wesentlichen gleichen Abstrahlwinkeln vom Wellenlängenkonversionselement bzw. vom Streuelement abgestrahlt werden, und auch die Quellgrößen, d.h. die Bereiche, aus welchem das erste konvertierte Lichtbündel sowie das gestreute zweite Lichtbündel abgestrahlt werden, können sich im Wesentlichen entsprechen. Mit anderen Worten können das Streuelement und das Wellenlängenkonversionselement derart in Abstimmung aufeinander ausgebildet sein, dass das zu einem Zeitpunkt vom Wellenlängenkonversionselement abgestrahlte erste konvertierte Lichtbündel von einem ersten Bereich des Wellenlängenkonversionselement abgestrahlt wird, und dass das zu einem Zeitpunkt vom Streuelement abgestrahlte Licht aus einem zweiten Bereich des Streuelements abgestrahlt wird, wobei sich eine Größe des zweiten Bereichs um weniger als eine bestimmte Toleranz von der Größe des ersten Bereichs unterscheidet. Die Größen des jeweiligen ersten und zweiten Bereichs definieren hierbei die Quellgrößen des konvertierten und vom Wellenlängenkonversionselement abgestrahlten Lichtbündels sowie des divergenten und vom Streuelement abgestrahlten zweiten blauen Lichtbündels.Furthermore, the first converted light beam as well as the scattered second light beam can also be emitted at substantially the same emission angles from the wavelength conversion element or from the scattering element, and also the source quantities, i. the areas from which the first converted light beam and the scattered second light beam are radiated may be substantially the same. In other words, the scattering element and the wavelength conversion element may be formed in coordination with each other so that the first converted light beam emitted from the wavelength conversion element is radiated from a first region of the wavelength conversion element at one time, and the light emitted from the scattering element at a time from a second region the scattering element is emitted, wherein a size of the second region differs from the size of the first region by less than a certain tolerance. The magnitudes of the respective first and second regions in this case define the source quantities of the converted light beam emitted by the wavelength conversion element and of the divergent second blue light beam emitted by the scattering element.
So können durch die im Wesentlichen gleichen Strahlungsverteilungen im Nahfeld und im Fernfeld für das divergente zweite Lichtbündel ebenso im Wesentlichen die gleichen Abstrahlwinkel und eine im Wesentlichen gleiche Quellgröße erreicht werden, wie für das konvertierte erste Lichtbündel, was wie beschrieben zu einer besonders hohen Farbhomogenität des letztendlich bereitgestellten kombinierten Lichtstrahls führt.Thus, by substantially the same radiation distributions in the near field and in the far field for the divergent second light bundle, substantially the same emission angles and a substantially same source size can be achieved as for the converted first light bundle, which, as described, ultimately leads to a particularly high color homogeneity provided combined light beam leads.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung stimmen die Abstrahlcharakteristiken des zweiten divergenten Lichtbündels und des konvertierten Lichtbündels derart innerhalb der bestimmten Toleranz überein, dass die Summe aller betragsmäßigen Abweichungen der normierten ersten Strahlungsverteilung von der normierten zweiten Strahlungsverteilung weniger als 10 %, insbesondere weniger als 5 %, besonders bevorzugt weniger als 1 %, des Mittelwerts der sich aus den jeweiligen normierten ersten und zweiten Strahlungsverteilungen ergebenden Gesamtstrahlung beträgt. Wird die normierte erste Strahlungsverteilung mit P1,n (R) und die normierte zweite Strahlungsverteilung mit P2,n (R) bezeichnet, so lässt sich dieser Zusammenhang auch wie folgt ausdrücken:
R bezeichnet hierbei die Raumkoordinate. Im Nahfeld bezeichnet die Raumkoordinate eine Ortskoordinate, zum Beispiel x oder y, insbesondere senkrecht zu einer Hauptausbreitungsrichtung der betreffenden Lichtbündel, die dann zum Beispiel in z-Richtung verläuft, wobei sich dann x, y, auf ein kartesisches Koordinatensystem beziehen. Die Integralgrenzen Rmin, Rmax bezeichnen dann in diesem Fall -∞ und +∞. Im Fernfeld bezeichnet die Raumkoordinate einen Winkel, zum Beispiel α, bezüglich der Hauptausbreitungsrichtung der betreffenden Lichtbündel. Die Integralgrenzen Rmin, Rmax bezeichnen dann in diesem Fall-90° und +90°.R here denotes the space coordinate. In the near field, the spatial coordinate denotes a location coordinate, for example x or y, in particular perpendicular to a main propagation direction of the respective light bundle, which then runs, for example, in the z-direction, in which case x, y refer to a Cartesian coordinate system. The integral limits Rmin, Rmax then designate -∞ and + ∞. In the far field, the space coordinate denotes an angle, for example α, with respect to the main propagation direction of the respective light bundles. The integral limits Rmin, Rmax then designate -90 ° and + 90 ° in this case.
Weiterhin sind die Strahlungsverteilung P1,n (R), P2,n (R) derart normiert, dass die jeweiligen Maxima der beiden Verteilungen in ihrem Wert übereinstimmen. Beispielsweise können die Maxima der Strahlungsverteilungen P1,n (R), P2,n (R) auf 1 normiert sein.Furthermore, the radiation distribution P 1, n (R), P 2, n (R) are normalized such that the respective maxima of the two distributions match in their value. For example, the maxima of the radiation distributions P 1, n (R), P 2, n (R) can be normalized to 1.
Der Begriff der bestimmten Toleranz, sowie auch der zuvor und nachfolgend verwendete Begriff „im Wesentlichen gleich“ soll dabei vorzugsweise im Sinne obiger Definition verstanden werden.The term of the specific tolerance, as well as the term "essentially the same" used previously and subsequently, should preferably be understood in the sense of the above definition.
Um nun sich der Art entsprechende Abstrahlcharakteristiken in Bezug auf das erste konvertierte Lichtbündel und das gestreute zweite Lichtbündel zu erreichen, kommen vielzählige vorteilhafte Ausbildungsmöglichkeiten des Streuelements infrage. Besonders gute Ergebnisse lassen sich dabei insbesondere durch die nachfolgend beschriebenen Ausführungsformen des Streuelements erreichen.In order to achieve radiation characteristics which correspond to the type with respect to the first converted light beam and the scattered second light beam, numerous advantageous training possibilities of the scattering element come into consideration. Particularly good results can be achieved in particular by the embodiments of the scattering element described below.
Gemäß einer vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung ist das Streuelement dazu ausgebildet, dass das auf das Streuelement auftreffende zweite Lichtbündel einen elastischen Streuprozess durchläuft. Hierdurch lässt sich vorteilhafterweise für das vom Streuelement abgestrahlte und damit divergente zweite Lichtbündel die im wesentlichen gleiche Abstrahlcharakteristik wie für das erste konvertierte Lichtbündel erreichen. Ein weiterer großer Vorteil eines solchen elastischen Streuprozesses besteht zudem darin, dass auch die Kohärenzeigenschaften des blauen Laserlichts teilweise zerstört werden, wodurch wiederum Speckle-Effekte reduziert werden können.According to an advantageous embodiment of the invention, the scattering element is designed so that the incident on the scattering element second light beam undergoes an elastic scattering process. As a result, it is advantageously possible for the second light bundle emitted by the scattering element and thus divergent to achieve the substantially same emission characteristic as for the first converted light bundle. Another great advantage of such an elastic scattering process is that the coherence properties of the blue laser light are also partially destroyed, which in turn allows speckle effects to be reduced.
Bei einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung umfasst das Streuelement als ein Material Titandioxid und/oder Aluminiumoxid und/oder Bariumsulfat. Diese Materialien sind vorteilhafterweise dazu geeignet, ein ähnliches Abstrahlverhalten wie ein Leuchtstoff zu generieren, ohne jedoch die Wellenlänge zu konvertieren. Zudem sind diese Materialien besonders temperaturbeständig, sodass sie sich auch für sehr hohe Lichtleistungen, wie diese durch die Lichtquelleneinheit bereitgestellt werden können, eignen.In a further advantageous embodiment of the invention, the scattering element comprises as a material titanium dioxide and / or alumina and / or barium sulfate. These materials are advantageously capable of generating a similar radiation behavior as a phosphor, but without converting the wavelength. In addition, these materials are particularly temperature resistant, so they are also suitable for very high light outputs, as they can be provided by the light source unit.
Bei einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung umfasst das Streuelement als ein Material Yttriumaluminiumgranat. Yttriumaluminiumgranat ist als Streuelement geeignet, da es im blauen Spektralbereich optisch transparent ist und gleichzeitig einen hohen Brechungsindex aufweist.In a further advantageous embodiment of the invention, the scattering element comprises as a material yttrium aluminum garnet. Yttrium aluminum garnet is suitable as a scattering element, since it is optically transparent in the blue spectral range and at the same time has a high refractive index.
Die genannten Streumaterialien, nämlich Titandioxid, Aluminiumoxid, Bariumsulfat und Yttriumaluminiumgranat können dabei einzeln oder auch in Kombination zum Einsatz kommen. Weiterhin können die streuenden Partikel direkt auf einem Substrat aufgebracht sein oder aber in ein geeignetes Bindematerial eingebettet sein.The scattering materials mentioned, namely titanium dioxide, aluminum oxide, barium sulfate and yttrium aluminum garnet can be used individually or in combination. Furthermore, the scattering particles may be applied directly to a substrate or embedded in a suitable binding material.
Zudem können durch die geeignete Wahl von Materialkomposition, insbesondere der bereits genannten Materialien, Schichtdicke und eventuell ein ebenso verwendetes Bindematerial, wie zum Beispiel Silikon, besonders gut aufeinander abgestimmte Abstrahlcharakteristiken bereitgestellt werden, und hierdurch das System, d.h. das Abstrahlverhalten des zweiten gestreuten Lichtbündels, optimiert werden in Anpassung an das Abstrahlverhalten des konvertierten ersten Lichtbündels. Ebenso lässt sich durch die geeignete Wahl von Materialkomposition und Schichtdicke auch die Quellgröße des vom Streuelement abgestrahlten zweiten Lichtbündels in Anpassung an die Quellgröße des vom Wellenlängenkonversionselement abgestrahlten ersten konvertierten Lichtbündels optimiert aufeinander anpassen. Die Größe der Quelle im Falle der Lichtkonversion mittels eines Leuchtstoffs ergibt sich zum einen durch die Größe und Verteilung des Pumplichtes, das heißt des auf den Leuchtstoff eingestrahlten Lichtbündels, auf dem Leuchtstoff, und zum anderen durch die Spotverbreiterung im Leuchtstoff. Darunter ist der Effekt zu verstehen, dass die abstrahlende Fläche größer ist als die Fläche des blauen Anregungsstrahls auf der Leuchtstoffoberfläche. Durch geeignete Wahl der oben beschriebenen Parameter, also Material bzw. Materialzusammensetzung und Schichtdicken, kann so vorteilhafterweise für das gestreute zweite Lichtbündel die gleiche Quellgröße, sowie die gleiche Strahlungsverteilung im Nahfeld und im Fernfeld wie für das konvertierte erste Strahlbündel erreicht werden.In addition, due to the suitable choice of material composition, in particular of the already mentioned materials, layer thickness and possibly also used binding material, such as silicone, particularly well matched radiation characteristics can be provided, thereby optimizing the system, ie the radiation behavior of the second scattered light beam be adapted to the radiation behavior of the converted first light beam. Likewise, the source size of the second light beam emitted by the scattering element can be adapted to one another in an adapted manner to the source size of the first converted light beam emitted by the wavelength conversion element by the suitable choice of material composition and layer thickness. The size of the source in the case of light conversion by means of a phosphor results on the one hand by the size and distribution of the pump light, that is, the light beam irradiated on the phosphor, on the phosphor, and on the other by the spot broadening in the phosphor. This is to be understood as the effect that the radiating surface is larger than the surface of the blue excitation beam on the phosphor surface. By a suitable choice of the parameters described above, ie material or material composition and layer thicknesses, so advantageously for the scattered second light beam, the same source size, and the same radiation distribution in the near field and in the far field as be achieved for the converted first beam.
Alternativ zur Bereitstellung des Streuelements mit den oben beschriebenen Materialien, kann das Streuelement auch mit einem blauen Leuchtstoff ausgebildet sein, der das eingestrahlte zweite Lichtbündel in Licht einer anderen Wellenlänge konvertiert. Das konvertierte Licht kann damit eine andere Wellenlänge aufweisen als das eingestrahlte zweite Lichtbündel. Das eingestrahlte zweite Lichtbündel kann beispielsweise in einem blauen Wellenlängenbereich liegen und durch den blauen Leuchtstoff in einen anderen blauen Wellenlängenbereich konvertiert werden. Das eingestrahlte zweite Lichtbündel kann aber auch beispielsweise im UV-Bereich liegen und durch den blauen Leuchtstoff in Licht in einem blauen Wellenlängenbereich konvertiert werden. Auch hierdurch kann die Abstrahlcharakteristik im Nahfeld und Fernfeld des abgestrahlten zweiten Lichtbündels auf das des vom Wellenlängenkonversionselement abgestrahlten konvertierten ersten Lichtbündels angepasst werden.As an alternative to providing the scattering element with the materials described above, the scattering element may also be formed with a blue phosphor which converts the irradiated second light bundle into light of a different wavelength. The converted light can thus have a different wavelength than the irradiated second light beam. The irradiated second light bundle may, for example, be in a blue wavelength range and be converted by the blue phosphor into another blue wavelength range. However, the irradiated second light beam can also be, for example, in the UV range and be converted by the blue phosphor into light in a blue wavelength range. This also makes it possible to adapt the emission characteristic in the near field and far field of the emitted second light bundle to that of the converted first light bundle emitted by the wavelength conversion element.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist die Lichtquelleneinheit derart eingerichtet, dass eine Strahlungsleistung oder ein Lichtstrom des ersten Lichtbündels unabhängig von einer Strahlungsleistung oder einem Lichtstrom des zweiten Lichtbündels einstellbar ist und/oder die Strahlungsleistung oder der Lichtstrom des zweiten Lichtbündels unabhängig von der Strahlungsleistung oder dem Lichtstrom des ersten Lichtbündels einstellbar. Dies lässt sich zum Beispiel dadurch bewerkstelligen, indem das erste Lichtbündel und das zweite Lichtbündel jeweils durch separate Laserlichtquellen bereitgestellt werden. Weiterhin ist mindestens eine dieser Laserlichtquellen in Bezug auf die durch sie abgestrahlte Strahlungsleistung oder den Lichtstrom einstellbar. Durch zwei unterschiedliche Laserlichtquellen zur Bereitstellung des ersten und zweiten Lichtbündels, wird es vorteilhafterweise ermöglicht, das Leistungsverhältnis in beiden Kanälen zu variieren und damit zum Beispiel eine aktive Farbortsteuerung des letztendlich kombinierten Lichts bereitzustellen.According to a further advantageous embodiment of the invention, the light source unit is arranged such that a radiation power or a luminous flux of the first light beam is independent of a radiation power or a luminous flux of the second light beam adjustable and / or the radiation power or the luminous flux of the second light beam regardless of the radiation power or adjustable to the luminous flux of the first light beam. This can be done, for example, by providing the first light beam and the second light beam respectively by separate laser light sources. Furthermore, at least one of these laser light sources is adjustable in relation to the radiant power radiated by them or the luminous flux. By means of two different laser light sources for providing the first and second light bundles, it is advantageously made possible to vary the power ratio in both channels and thus to provide, for example, an active chromaticity control of the ultimately combined light.
Bei einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist das Lichtmodul derart eingerichtet, dass das zweite Lichtbündel in einer Einstrahlungsrichtung auf das Streuelement eingestrahlt wird, wobei das Streuelement derart eingerichtet ist, dass eine Hauptabstrahlrichtung des vom Streuelement abgestrahlten zweiten divergenten Lichtbündels der Einstrahlrichtung entgegengesetzt ist. Das zweite Lichtbündel wird damit nach Durchlaufen des Streuelements reflektiert und durchläuft dieses erneut. Dies kann beispielsweise durch eine rückseitige und reflektierende Beschichtung oder ein anderes reflektierendes und an der Rückseite des Streuelements angeordnetes Element bewerkstelligt werden. Dadurch kann einerseits eine deutlich bessere Streuung des zweiten Lichtbündels erreicht werden, da das Streuelement zweimal vom Lichtbündel durchlaufen und dabei gestreut wird, und andererseits kann durch das Vorsehen einer reflektierenden Beschichtung auch gleichzeitig eine verbesserte Wärmeabfuhr bereitgestellt werden, beispielsweise indem ein derartig reflektierendes Element gleichzeitig als Kühlkörper ausgebildet ist oder ein Kühlkörper an einem solchen reflektierenden Element direkt angeordnet ist. Dadurch können durch das Lichtmodul deutlich höhere Leistungen erreicht werden, als beispielsweise mit einer transmissiven Geometrie. Eine Anordnung in Transmission hat neben der schlechteren Wärmeabfuhr auch Nachteile in Bezug auf die Lichthomogenität, da in Transmission auch ein großer nichtgestreuter Blauanteil enthalten ist. Vorzugsweise gilt dies in gleicher Weise auch für das erste auf das Wellenlängenkonversionselement eingestrahlte Lichtbündel. Auch dieses wird vorzugsweise als konvertiertes erstes Lichtbündel entgegen seiner Einstrahlrichtung wieder abgestrahlt, wodurch sich ebenfalls die gleichen Vorteile erzielen lassen, nämlich eine deutlich bessere Wärmeabfuhr und die daraus resultierende Möglichkeit zum Erreichen höherer Leistungen.In a further advantageous embodiment of the invention, the light module is set up in such a way that the second light bundle is irradiated onto the scattering element in an irradiation direction, the scattering element being set up in such a way that a main emission direction of the second divergent light bundle emitted by the scattering element is opposite to the direction of irradiation. The second light beam is thus reflected after passing through the scattering element and passes through this again. This may be accomplished, for example, by a back and reflective coating or other reflective element disposed on the back of the diffuser element. As a result, on the one hand a significantly better scattering of the second light beam can be achieved, since the scattering element is traversed twice by the light beam and thereby scattered, and on the other hand can be provided by the provision of a reflective coating at the same time an improved heat dissipation, for example by such a reflective element simultaneously as Heat sink is formed or a heat sink is disposed directly on such a reflective element. As a result, significantly higher powers can be achieved by the light module than, for example, with a transmissive geometry. An arrangement in transmission has in addition to the poorer heat dissipation also disadvantages in terms of light homogeneity, as in transmission also a large non-scattered blue component is included. Preferably, this also applies in the same way to the first light beam irradiated to the wavelength conversion element. This, too, is preferably radiated again as a converted first light bundle counter to its direction of irradiation, whereby the same advantages can also be achieved, namely a significantly better heat dissipation and the resulting possibility of achieving higher powers.
Alternativ besteht jedoch auch die Möglichkeit, sowohl das Wellenlängenkonversionselement als auch das Streuelement in transmissiver Geometrie zu realisieren, sodass diese jeweils von den entsprechenden ersten und zweiten Lichtbündeln durchlaufen und dabei konvertiert bzw. gestreut werden, und dann entsprechend als erstes konvertiertes Lichtbündel bzw. divergentes zweites Lichtbündel abgestrahlt werden in einer Hauptabstrahlrichtung, welche dann mit den jeweiligen Einstrahlrichtungen gleichgerichtet sind. Um dabei hohe Leistungen erreichen zu können und für eine gute Wärmeabfuhr zu sorgen, eignen sich beispielsweise Saphir-Substrate, insbesondere sowohl für das Wellenlängenkonversionselement als auch für das Streuelement.Alternatively, however, it is also possible to realize both the wavelength conversion element and the scattering element in transmissive geometry, so that they each pass through the corresponding first and second light bundles and are thereby converted or scattered, and then correspondingly as the first converted light bundle or divergent second Light beams are emitted in a Hauptabstrahlrichtung, which are then rectified with the respective irradiation directions. In order to achieve high performance and to ensure good heat dissipation, for example, sapphire substrates, in particular both for the wavelength conversion element and for the scattering element are.
Bei einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist im zweiten optischen Pfad zwischen der Lichtquelleneinheit und dem Streuelement ein Polarisationsstrahlteiler angeordnet, wobei die Lichtquelleneinheit dazu ausgelegt ist, das zweite Lichtbündel als linear polarisiertes Licht mit einer ersten Polarisation bereitzustellen, und wobei der Polarisationsstrahlteiler dazu ausgelegt ist, Licht nur der ersten Polarisation zumindest zum Großteil zu transmittieren und Licht mit einer zweiten Polarisation, die sich von der ersten Polarisation um 90° unterscheidet, zu reflektieren. Somit kann mittels eines solchen Polarisationsstrahlteilers das zweite blaue und vom Streuelement reflektierte Lichtbündel auf einfache Weise vom eingestrahlten zweiten Lichtbündel getrennt werden, insbesondere wenn das eingestrahlte zweite Lichtbündel und das gestreute zweite Lichtbündel im gleichen Wellenlängenbereich liegen. Die üblicherweise zur Kombination im Stand der Technik verwendeten dichroitischen Strahlteiler eignen sich in dieser Konstellation nicht. Die Erfindung nutzt dabei die Erkenntnis, dass das von der Lichtquelleneinheit bereitgestellte linear polarisierte Licht nach Streuung am Streuelement eine statistisch verteilte Polarisation aufweist, weshalb zur Strahlkombination nun vorteilhafterweise ein Polarisationsstrahlteiler verwendet werden kann, der zumindest einen Teil des vom Streuelement reflektierten Lichts, d.h. des zweiten divergenten Lichtbündels, reflektiert, so dass nun dieser reflektierte Anteil mit dem konvertierten ersten Lichtbündel kombiniert werden kann. Darüber hinaus ist es vorteilhaft, wenn das Lichtmodul ein Depolarisationselement aufweist, welches zwischen dem Polarisationsstrahlteiler und dem Ausgang angeordnet ist. Dies ist insbesondere dann besonders vorteilhaft, wenn in einer nachgeschalteten Optik polarisationssensitive Elemente zum Einsatz kommen.In a further advantageous embodiment of the invention, a polarization beam splitter is arranged in the second optical path between the light source unit and the scattering element, wherein the light source unit is designed to provide the second light beam as linearly polarized light with a first polarization, and wherein the polarization beam splitter is designed to At least for the most part, to transmit light of only the first polarization and to reflect light with a second polarization, which differs from the first polarization by 90 °. Thus, by means of such a polarization beam splitter, the second blue light beam reflected by the scattering element can be easily separated from the incident second light beam, in particular if the irradiated second light beam and the scattered second light beam in the same wavelength range. The dichroic beam splitters commonly used for combination in the prior art are not suitable in this constellation. The invention makes use of the knowledge that the linearly polarized light provided by the light source unit has a statistically distributed polarization after scattering at the scattering element, for which reason advantageously a polarization beam splitter can be used for the beam combination, comprising at least part of the light reflected by the scattering element, ie the second divergent light beam, reflected, so that now this reflected portion can be combined with the converted first light beam. Moreover, it is advantageous if the light module has a depolarization element which is arranged between the polarization beam splitter and the output. This is especially advantageous when polarization-sensitive elements are used in a downstream optical system.
Im Falle einer UV-Quelle für das zweite Lichtbündel und eines blauen Konverters für das Streuelement, wird anstelle des Polarisationsstrahlteilers vorzugsweise ein dichroitischer Strahlteiler verwendet; ein Depolarisationselement ist dann nicht vorteilhaft, da ein blauer Konverter bereits statistisch polarisiertes Licht emittiert.In the case of a UV source for the second light beam and a blue converter for the scattering element, a dichroic beam splitter is preferably used instead of the polarization beam splitter; a depolarization element is not advantageous since a blue converter already emits statistically polarized light.
Bei einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist das Wellenlängenkonversionselement auf einem um eine Drehachse drehbaren Rad angeordnet, wobei das Wellenlängenkonversionselement ringförmig um die Drehachse mit einem ersten Abstand zur Drehachse angeordnet ist. Die Anordnung des Wellenlängenkonversionselements auf einem drehbaren Rad, welches sich insbesondere während des Betriebs des Lichtmoduls dreht, so dass verschiedene Bereiche des Wellenlängenkonversionselements durch das erste Lichtbündel zeitlich sequentiell beleuchtet werden, hat den großen Vorteil, dass sich hierdurch wiederum deutlich höhere Leistungen erzielen lassen, da die mittlere Leistung vom ersten Lichtbündel im zeitlichen Mittel auf eine größere Fläche verteilt wird. Dadurch erhitzt sich das Wellenlängenkonversionselement auch bei sehr hohen Leistungsdichten des eingestrahlten ersten blauen Lichtbündels nicht übermäßig. Die durch Bestrahlung des Wellenlängenkonversionselements entstehende Wärme kann so deutlich besser über die größere Fläche des Rades an die Umgebung abgeführt werden.In a further advantageous embodiment of the invention, the wavelength conversion element is arranged on a rotatable about a rotation axis wheel, wherein the wavelength conversion element is arranged annularly about the axis of rotation at a first distance from the axis of rotation. The arrangement of the wavelength conversion element on a rotatable wheel, which rotates in particular during the operation of the light module, so that different areas of the wavelength conversion element are sequentially illuminated by the first light beam temporally sequentially, has the great advantage that in turn significantly higher performance can be achieved since the average power of the first light beam is distributed over a larger area in the time average. As a result, the wavelength conversion element does not overheat even at very high power densities of the irradiated first blue light beam. The heat generated by irradiation of the wavelength conversion element can be dissipated much better over the larger surface of the wheel to the environment.
Bei einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung kann auch das Streuelement auf dem Rad angeordnet sein, insbesondere ebenso ringförmig um die Drehachse und mit einem zweiten Abstand zur Drehachse, wobei der erste Abstand vorzugsweise größer ist als der zweite Abstand. Mit anderen Worten liegt die Leuchtstoffspur, d.h. die Spur mit dem Wellenlängenkonversionselement, auf dem drehbaren Rad radial weiter außen als die Spur mit dem Streuelement. Dies ist vorteilhaft, da die thermische Belastung im konvertierten Kanal deutlich größer ist und somit die Leistung auf eine größere überstrichene Fläche verteilt werden kann.In a further advantageous embodiment of the invention, the scattering element may also be arranged on the wheel, in particular likewise annular around the axis of rotation and at a second distance from the axis of rotation, wherein the first distance is preferably greater than the second distance. In other words, the phosphor trace, i. the track with the wavelength conversion element, on the rotatable wheel radially outward than the track with the scattering element. This is advantageous because the thermal load in the converted channel is significantly greater and thus the power can be distributed over a larger swept area.
Alternativ können das Wellenlängenkonversionselement sowie das Streuelement auch statisch angeordnet sein.Alternatively, the wavelength conversion element and the scattering element can also be arranged statically.
Des Weiteren betrifft die Erfindung auch einen Scheinwerfer oder eine Leuchte mit einem erfindungsgemäßen Lichtmodul oder eines seiner Ausgestaltungen.Furthermore, the invention also relates to a headlamp or a luminaire with a light module according to the invention or one of its embodiments.
Weitere Vorteile und Merkmale sind der folgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen anhand der beigefügten Figuren zu entnehmen. In den Figuren bezeichnen gleiche Bezugszeichen gleiche Merkmale und Funktionen.Further advantages and features will become apparent from the following description of embodiments with reference to the accompanying figures. In the figures, like reference numerals designate like features and functions.
Es zeigen:
-
1 eine schematische Darstellung eines Lichtmoduls zur Bereitstellung von weißem Licht, gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung; und -
2 eine schematische Darstellung eines Rads als Träger für einen Leuchtstoff und eines Streuelements des Lichtmoduls aus1 , gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung.
-
1 a schematic representation of a light module for providing white light, according to an embodiment of the invention; and -
2 a schematic representation of a wheel as a carrier for a phosphor and a scattering element of the light module from1 , According to an embodiment of the invention.
Das von der zweiten Laserlichtquelle
Um ein ähnliches Abstrahlverhalten wie der Leuchtstoff
Da das zum Einsatz kommende Material des Streuelements
Bei dieser Ausführungsform können etwa 50 % der durch die zweite Laserlichtquelle
Trotz des Lichtverlustes aufgrund des durch den Polarisator
Falls in der dem Lichtmodul
Weiterhin sind in diesem Beispiel sowohl der Leuchtstoff
Weiterhin bieten die zwei unterschiedlichen Laseranordnungen, d.h. die erste Pumplaserlichtquelle
Prinzipiell ist es auch denkbar, kontinuierliche Weißlichtquellen auch mit teilkonvertierenden Leuchtstoffrädern in transmissiver Geometrie zu realisieren, allerdings wird bei einem solchen Aufbau die Leistung durch den Einsatz von nicht metallischen Substraten mit geringerer Wärmeleitfähigkeit begrenzt. Zudem ist die Winkelabhängigkeit der Lichtstärke unterschiedlich, da die Strahlung im Blaukanal nur teilweise gestreut werden kann, und zudem stellt dies auch keine Möglichkeit zur aktiven Regelung des Verhältnisses zwischen konvertiertem Kanal zu Blaukanal bereit.In principle, it is also conceivable to realize continuous white light sources with partially converting fluorescent wheels in transmissive geometry, but in such a construction, the performance is limited by the use of non-metallic substrates with lower thermal conductivity. In addition, the angular dependence of the light intensity is different, since the radiation in the blue channel can be only partially scattered, and also this does not provide any possibility for active regulation of the ratio between converted channel to blue channel.
Je nach Ausbildung des Lichtmoduls
Insgesamt kann so durch ein erfindungsgemäßes Lichtmodul und seine Ausführungsformen eine kontinuierliche Weißlichtquelle bereitgestellt werden, die aufgrund der Abstimmmöglichkeiten der Abstrahlcharakteristik und Quellgröße zwischen Blaukanal und konvertiertem Kanal durch das Vorsehen eines Streuelements eine besonders hohe Farbhomogenität aufweist.Overall, a continuous white light source can thus be provided by an inventive light module and its embodiments, which has a particularly high color homogeneity due to the ability to tune the radiation pattern and source size between blue channel and converted channel by providing a scattering element.
BezugszeichenlisteLIST OF REFERENCE NUMBERS
- 1010
- Lichtmodullight module
- 1212
- LichtquelleneinheitLight source unit
- 1414
- erste Laserlichtquellefirst laser light source
- 14a14a
- erstes Lichtbündelfirst light bundle
- 14b14b
- konvertiertes erstes Lichtbündelconverted first light beam
- 1616
- zweite Laserlichtquellesecond laser light source
- 16a16a
- zweites Lichtbündelsecond light bundle
- 16b16b
- gestreutes zweites Lichtbündelscattered second light bundle
- 1818
- Leuchtstofffluorescent
- 20a20a
- Kollimatorcollimator
- 20b20b
- Kollimatorcollimator
- 22a22a
- Optik zur HomogenisierungOptics for homogenization
- 22b22b
- Optik zur HomogenisierungOptics for homogenization
- 2424
- dichroitischer Strahlteilerdichroic beam splitter
- 26a26a
- optisches Systemoptical system
- 26b26b
- optisches Systemoptical system
- 2828
- Streuelementscattering element
- 3030
- Ausgangoutput
- 3232
- weißes LichtWhite light
- 3434
- PolarisationsstrahlteilerPolarization beam splitter
- 3838
- Depolarisatordepolarizer
- 4040
- Radwheel
- AA
- Drehachseaxis of rotation
- α1α1
- erster maximaler Abstrahlwinkelfirst maximum radiation angle
- α2α2
- zweiter maximaler Abstrahlwinkelsecond maximum radiation angle
- HA1, HA2HA1, HA2
- Hauptabstrahlrichtungmain radiation
- R1R1
- erster Abstandfirst distance
- R2R2
- zweiter Abstandsecond distance
Claims (12)
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