DE102017215060A1

DE102017215060A1 - Bestrahlungseinheit zur emission von strahlung

Info

Publication number: DE102017215060A1
Application number: DE102017215060.2A
Authority: DE
Inventors: Sergey Khrushchev
Original assignee: Osram GmbH
Current assignee: Osram GmbH
Priority date: 2017-08-29
Filing date: 2017-08-29
Publication date: 2019-02-28

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Bestrahlungseinheit (1) zur Emission von Strahlung, mit einer Laserquelle (2) mit einer Emissionsfläche (3) zur Emission von Laserstrahlung (20), einem Leuchtstoffelement (5) zur zumindest teilweisen Konversion der Laserstrahlung (20) und einer abbildenden Optik (4), über welche die Laserstrahlung (20) von der Laserquelle (2) auf eine Einstrahlfläche (5a) des Leuchtstoffelements (5) geführt wird, wobei die Optik (4) eine ideale Objektebene (10) und dieser zugeordnet eine ideale Bildebene (11) hat, und wobei die Laserquelle (2) relativ zu der Optik (4) derart angeordnet ist, dass die Emissionsfläche (3) zu der idealen Objektebene (10) versetzt liegt.

Description

Technisches Gebiet
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Bestrahlungseinheit mit einer Laserquelle zur Emission von Laserstrahlung und einem Leuchtstoffelement zur zumindest teilweisen Konversion der Laserstrahlung.
Stand der Technik
Mit der Kombination aus einer anregenden Laserquelle und einem Leuchtstoffelement, welches die Laserstrahlung zumindest anteilig konvertiert, lassen sich Bestrahlungseinheiten hoher Strahldichte, insbesondere also Lichtquellen hoher Leuchtdichte realisieren. Im sichtbaren Spektralbereich kann bspw. blaue Laserstrahlung auf ein gelb konvertierendes Leuchtstoffelement fallen, sodass sich dann bspw. bei einer Teilkonversion Weißlicht ergibt (als Mischung aus gelbem Konversionslicht und anteilig nicht konvertierter blauer Laserstrahlung). Andererseits ist im Allgemeinen aber auch eine Vollkonversion möglich, bei welcher die gesamte Laserstrahlung konvertiert wird. Ebenso können Wellenlängen außerhalb des sichtbaren Spektralbereichs von Interesse sein, etwa im Ultravioletten oder Infraroten.
Darstellung der Erfindung
Der vorliegenden Erfindung liegt das technische Problem zugrunde, eine besonders vorteilhafte Bestrahlungseinheit anzugeben.
Erfindungsgemäß wird dies mit einer Bestrahlungseinheit gemäß Anspruch 1 gelöst. Die Laserstrahlung wird über eine Optik auf einer Einstrahlfläche des Leuchtstoffelements geführt, wobei eine Emissionsfläche der Laserquelle zu einer idealen Objektebene dieser Optik versetzt liegt. Der Erfinder hat festgestellt, dass sich mit diesem Versatz zwischen Emissionsfläche und idealer Objektebene vorteilhafterweise eine Homogenisierung des mit der Laserstrahlung auf der Einstrahlfläche des Leuchtstoffelements erzeugten Spots erreichen lässt. Der Spot ist jener Bereich der Einstrahlfläche, der mit der von der Laserquelle emittierten und über die Optik geführten Laserstrahlung bestrahlt wird (nachstehend auch „Bestrahlungsbereich“). Mit dem Versatz zwischen idealer Objektebene und Emissionsfläche können Schwankungen der Bestrahlungsstärke über den Spot hinweg zumindest verringert werden. Dies kann bspw. einer schädigungsträchtigen lokalen Überhöhung der Bestrahlungsstärke vorbeugen helfen bzw. auch mit Blick auf ein gleichmäßiges Emissionsprofil von Interesse sein.
Bevorzugte Ausführungsformen finden sich in den abhängigen Ansprüchen und der gesamten Offenbarung, wobei in der Darstellung nicht immer im Einzelnen zwischen Vorrichtungs- und Verfahrens- bzw. Verwendungsaspekten unterschieden wird; jedenfalls implizit ist die Offenbarung hinsichtlich sämtlicher Anspruchskategorien zu lesen.
Erfindungsgemäß wird also bewusst eine Abweichung von der idealen Abbildung eingestellt. Die ideale Bildebene ist jene Ebene, in der über die Optik ein ideales Bild eines in der idealen Objektebene der Optik angeordneten Objekts erhalten wird. Das „ideale Bild“ ist möglichst klein und möglichst scharf. In anderen Worten ist also das mit der Optik von einem in der idealen Objektebene angeordneten Objekt in der idealen Bildebene erzeugte Bild das kleinste und schärfste Bild, welches die Optik erlaubt.
Die Laserquelle ist bevorzugt eine Laserdiode, auch „Halbleiter-Laser“ genannt. Bevorzugt kann die Laserdiode ein Kantenemitter sein, die Emissionsfläche also an der Seitenkante liegen. Die Emissionsfläche wird auch als „Laserfacette“ bezeichnet. Die Laserstrahlung kann im Allgemeinen bspw. auch UV- oder sogar Infrarot-Strahlung sein, bevorzugt liegt sie im sichtbaren Spektralbereich (405 nm bis 780 nm). Besonders bevorzugt kann blaue Laserstrahlung sein.
Bei dem Leuchtstoffelement kann es sich bspw. um in Partikelform auf einen Träger aufgebrachten Leuchtstoff handeln, aber auch um eine Leuchtstoffkeramik, die insbesondere monokristallin sein kann. „Leuchtstoff“ ist dabei auch auf eine Mischung mehrerer Einzel-Leuchtstoffe zu lesen. Ein bevorzugter Einzel-Leuchtstoff kann mit Cer dotiertes Yttrium-Aluminium-Granat (YAG:Ce) sein. An der Einstrahl-/Abstrahlfläche kann das Leuchtstoffelement entspiegelt sein, bspw. mit einem dichroitischen Schichtsystem. Im Allgemeinen ist auch ein Betrieb des Leuchtstoffelements in Reflexion denkbar (Einstrahl-/Abstrahlfläche fallen zusammen), bevorzugt wird es in Transmission betrieben (Einstrahl-/Abstrahlfläche liegen einander entgegengesetzt).
Einer Abstrahlfläche des Leuchtstoffelements ist bevorzugt eine Abführoptik zugeordnet, mit welcher die an der Abstrahlfläche abgegebene Konversionsstrahlung, ggf. in Mischung mit anteilig nicht konvertierter Laserstrahlung, abgeführt wird. Die Abführoptik kann abbildend oder nicht-abbildend sein, wobei auch eine nicht-abbildende Optik für sich abbildende Optikkomponenten (Linsen, Spiegel) aufweisen kann. Bevorzugt bündelt die Abführoptik die an der Abstrahlfläche aufgefächert, typischerweise Lambertsch abgegebene Konversionsstrahlung, verringert sie also den Öffnungswinkel. Im Falle einer Teilkonversion ist in der Regel auch die verbleibende Laserstrahlung an der Abstrahlfläche aufgefächert (etwa aufgrund von Streuprozessen im Leuchtstoffelement) und wird sie mit der Abführoptik gebündelt. Bevorzugt kann eine Abführoptik sein, welche die Abstrahlfläche ins Unendliche abbildet.
Im Folgenden wird die zwischen der Laserquelle und dem Leuchtstoffelement angeordnete Optik weiter im Detail beschrieben.
Bei einer bevorzugten Ausführungsform ist die Emissionsfläche zu der Optik hin versetzt (bezogen auf die ideale Objektebene proximal der Optik angeordnet), liegt die Emissionsfläche also bezogen auf die Emissionsrichtung der Laserstrahlung vorversetzt. „Proximal“ meint näher dran gelegen, von der Optik ist die Emissionsfläche dann also weniger weit entfernt als die ideale Objektebene. In anderen Worten durchsetzt die Laserstrahlung dann nicht die ideale Objektebene. Die „Emissionsrichtung“ ergibt sich als Hauptrichtung der Laserstrahlung an der Emissionsfläche. Eine „Hauptrichtung“ von Strahlung bzw. Licht wird im Rahmen dieser Offenbarung generell als Schwerpunktrichtung sämtlicher Richtungsvektoren gebildet, entlang welchen sich die Strahlung bzw. das Licht an der jeweiligen Stelle ausbreitet, wobei bei dieser Mittelwertbildung jeder Richtungsvektor mit der ihm zugehörigen Strahlstärke gewichtet wird. Die Emissionsrichtung steht in der Regel senkrecht auf der Emissionsfläche.
Der Erfinder hat festgestellt, dass mit dem Platzieren der Emissionsfläche proximal der Optik, also dem Versetzen zu letzterer hin (nachstehend auch „negativer Versatz“ genannt), eine besonders gute Homogenisierung erreicht werden kann. Umgekehrt wird beim Versetzen von der Optik weg auch eine Verbesserung beobachtet, ist das Bestrahlungsstärkeprofil aber gleichwohl noch zumindest näherungsweise gaußförmig, jedenfalls im Falle einer Einzellinse, sieh unten. Demgegenüber kann mit dem Versetzen zu der Optik hin ein sogenanntes Flat-Top-Profil erreicht werden, wiederum zumindest in gewisser Näherung, das über die Fläche des Bestrahlungsbereichs eine verhältnismäßig geringe Schwankung zeigt.
In bevorzugter Ausgestaltung ist die Emissionsfläche zu der idealen Bildebene um den Betrag nach mindestens 10 µm versetzt, wobei mindestens 15 µm, 20 µm bzw. 25 µm in der Reihenfolge der Nennung zunehmend bevorzugt sind. Der Versatz „dem Betrag nach“ kann im Allgemeinen auch von der Optik weg sein (Emissionsfläche liegt bezogen auf die ideale Objektebene distal der Optik), was im Folgenden auch als „positiver Versatz“ bezeichnet wird (der Abstand zwischen Emissionsfläche und Optik ist größer, deshalb „positiv“). „Distal“ meint weiter weg gelegen, die Emissionsfläche liegt dann also weiter von der Optik entfernt als die ideale Objektebene. In anderen Worten durchsetzt die Laserstrahlung dann die ideale Objektebene. Bevorzugt ist ein negativer Versatz (zur Optik hin), insbesondere im Falle einer Einzellinse als Optik bzw. im Falle einer Optik mit einer ungeraden Zahl an Einzellinsen, und bezieht sich die Betragsangabe hierauf. Im Einzelnen können aber bspw. auch Aberrationen (Abbildungsfehler) einen Einfluss auf die geeignete Versatzrichtung haben.
Umgekehrt ist der betragsweise Versatz bevorzugt nicht zu groß, liegt er nämlich bei in der Reihenfolge der Nennung zunehmend bevorzugt höchstens 500 µm, 450 µm, 400 µm, 375 µm, 350 µm, 325 µm, 300 µm, 275 µm, 250 µm, 225 µm, 200 µm, 175 µm, 150 µm, 140 µm, 130 µm, 120 µm, 110 µm, 100 µm, 90 µm, 80 µm, 70 µm, 60 µm, 50 µm, 45 µm, 40 µm bzw. 35 µm. Das Vorsehen einer Obergrenze kann ausdrücklich auch unabhängig von einer Untergrenze von Interesse sein, und Ober- und Untergrenzen sollen auch entsprechend unabhängig voneinander offenbart sein. Generell wird zur Quantifizierung des Versatzes der Abstand vom Flächenschwerpunkt der Emissionsfläche weg genommen, und zwar parallel zur Emissionsrichtung (siehe vorne), also in der Regel senkrecht zur Emissionsfläche.
Besonders bevorzugt kann ein Versatz um dem Betrag nach ca. 30 µm sein, insbesondere wenn die Emissionsfläche eine Größe von ca. 15 µm hat (die Angabe „circa“ meint jeweils maximal +/- 10 %). Bei einer Emissionsflächengröße von ca. 30 µm kann ein besonders bevorzugter Versatz bspw. bei ca. 50 µm liegen. Bei einer Emissionsflächengröße von ca. 350 µm kann ein besonders bevorzugter Versatz bspw. bei ca. 350 µm liegen. Von der Größe der Emissionsfläche kann die Wellenlänge der Laserstrahlung abhängen, vgl. die Anmerkungen unten.
Bei einer bevorzugten Ausführungsform sind die Emissionsfläche und die ideale Objektebene um höchstens 5° zueinander verkippt, wobei eine Verkippung um höchstens 4°, 3°, 2° bzw. 1° in der Reihenfolge der Nennung zunehmend bevorzugt ist. Besonders bevorzugt liegen die Emissionsfläche und die ideale Objektebene parallel zueinander (jedenfalls im Rahmen technisch üblicher Genauigkeit); der vorstehend diskutierte Abstand wird dann senkrecht dazu genommen. Generell ist die Emissionsfläche für sich bevorzugt plan, liegt sie also in einer Ebene.
In bevorzugter Ausgestaltung hat die Emissionsfläche eine längliche Form. Dies meint bspw., dass ihre Längenerstreckung zu ihrer Breitenerstreckung in einem Verhältnis von mindestens 5:1 steht, wobei 6:1, 7:1, 8:1, 9:1, 10:1, 11:1, 12:1, 13:1 bzw. 14:1 weitere, in der Reihenfolge der Nennung zunehmend bevorzugte Untergrenzen sind. Besonders bevorzugt kann ein Verhältnis von 15:1 sein. Bevorzugt hat die Emissionsfläche eine rechteckige Form und ergibt sich die Längenerstreckung als Abmessung der längeren Seitenkante und die Breitenerstreckung als Abmessung der kürzeren Seitenkante des Rechtecks. Generell werden Längen- und Breitenerstreckung senkrecht zueinander genommen.
In bevorzugter Ausgestaltung beträgt das Verhältnis von Längen- zu Breitenerstreckung höchstens 400:1, mit weiteren bevorzugten Obergrenzen bei 380:1, 360:1, 340:1 bzw. 320:1 (in der Reihenfolge der Nennung zunehmend bevorzugt). Etwa im Falle eines Infrarotlasers kann ein relevantes Verhältnis bspw. bei 300:1 liegen. Andererseits kann das Verhältnis aber mit abnehmender Wellenlänge der von der Laserquelle emittierten Strahlung auch noch deutlich kleiner werden, und es liegen weitere bevorzugte Obergrenzen bei 250:1, 200:1, 150:1, 100:1, 80:1, 60:1, 40:1, 30:1, 20:1, 18:1 bzw. 16:1 (wiederum in der Reihenfolge der Nennung zunehmend bevorzugt).
Bei einer bevorzugten Ausführungsform hat die Emissionsfläche eine Flächendiagonale von höchstens 400 µm, wobei weitere vorteilhafte Obergrenzen bei höchstens 380 µm, 360 µm, 340 µm bzw. 320 µm liegen (in der Reihenfolge der Nennung zunehmend bevorzugt). Im Falle von Infrarotstrahlung können dann Untergrenzen bspw. bei mindestens 200 µm, 220 µm, 240 µm, 260 µm bzw. 280 µm liegen. Es können aber auch deutlich kleinere Untergrenzen bevorzugt sein (insbesondere mit Blick auf den UV- bzw. sichtbaren Bereich), bspw. von mindestens 10 µm, 11 µm, 12 µm, 13 µm bzw. 14 µm (in der Reihenfolge der Nennung zunehmend bevorzugt). Insoweit können dann weitere vorteilhafte Obergrenzen bspw. bei höchstens 250 µm, 200 µm, 150 µm, 100 µm, 80 µm, 60 µm, 40 µm, 30 µm, 20 µm, 19 µm, 18 µm, 17 µm bzw. 16 µm liegen. Besonders bevorzugt können rund 15 µm sein (auch in Zusammenhang mit den quantitativen Versatzangaben).
Bei einer bevorzugten Ausführungsform ist der Bestrahlungsbereich bzw. „Spot“ im Wesentlichen quadratisch. Generell wird für den Bestrahlungsbereich die gesamte von der Laserquelle emittierte und über die Optik auf die Einstrahlfläche geführte Laserstrahlung zugrundegelegt, soweit diese erstmalig auf die Einstrahlfläche gelangt (bspw. Rückstreuungen und Rückreflexe etc. bleiben also außer Betracht). Im Einzelnen ergibt sich der Bestrahlungsbereich dann aus der auf der Einstrahlfläche erzeugten Bestrahlungsstärke, wobei sich der Rand des Bestrahlungsbereichs nach der Halbwertsbreite bestimmt (alternativ zur Betrachtung des halben Maximalwerts könnte bspw. auch 1/e² zugrunde gelegt werden). Der Rand wird dabei von außen kommend ermittelt; er liegt also jeweils dort, wo von außen (vom Rand der Einstrahlfläche) kommend erstmals die Hälfte der maximalen Bestrahlungsstärke erreicht wird.
Der Rand des „im Wesentlichen quadratischen“ Bestrahlungsbereichs soll bspw. vollständig zwischen zwei ineinander geschachtelten Quadraten liegen (die Mittelpunkte der Quadrate fallen zusammen, und diese sind zueinander nicht verdreht). Das kleinere Quadrat hat dabei eine Diagonale, die um 20 %, weiter und besonders bevorzugt 10 % bzw. 5 %, kleiner als die Diagonale des Bestrahlungsbereichs ist; das größere Quadrat hat eine Diagonale, die um 20 %, weiter und besonders bevorzugt 10 % bzw. 5 % größer als die Diagonale des Bestrahlungsbereichs ist. Vereinfacht zusammengefasst kann der Rand also eine gewisse Abweichung von einem idealen Quadrat haben, lässt er sich aber zwischen zwei Quadraten leicht unterschiedlicher Größe einpassen (der Größenabstand der Quadrate stellt gewissermaßen die Schwankungsbreite dar).
Die Optik hat in bevorzugter Ausgestaltung eine Vergrößerung von mindestens 3, weiter und besonders bevorzugt mindestens 4 bzw. 5. Vorteilhafte Obergrenzen, die im Allgemeinen auch von den Untergrenzen unabhängig offenbart sein sollen, liegen bei in der Reihenfolge der Nennung zunehmend bevorzugt höchstens 15, 14, 13, 12, 11, 10, 9, 8, 7 bzw. 6. Im Designprozess kann sich die Vergrößerung der Optik bspw. nach der Leistung des Lasers und der Größe der Emissionsfläche (Laserfacette) in Verbindung mit einer maximalen Leistungsdichte bestimmen, bei welcher das Leuchtstoffelement noch schädigungsfrei betrieben werden kann. Die Spotgröße muss sich aber auch nicht immer zwingend nach der maximalen Leistungsdichte bestimmen, sondern kann z. B. auch applikationsseitig vorgegeben sein. Im Allgemeinen kann bspw. auch ein Reflektor die Optik bzw. einen Teil davon bilden.
Bei einer bevorzugten Ausführungsform weist die Optik eine Sammellinse auf. Der Begriff „Linse“ bzw. „Sammellinse“ bezieht sich vorliegend auf eine Einzellinse; ein ebenfalls als Optik mögliches Linsensystem (siehe unten) ist dann aus mehreren Einzellinsen aufgebaut. Die Optik kann bspw. auch aus genau einer Sammellinse aufgebaut sein (deren Vergrößerung sich dann nach dem Newtonschen Gesetz richtet); insbesondere kann die Optik die Sammellinse auch als einzige optische Komponente enthalten. Generell ist bei einer Optik mit einer insgesamt ungeraden Anzahl an Sammellinsen, insbesondere also bei einer Optik mit genau einer Sammellinse, ein negativer Versatz bevorzugt, also eine zu der Optik hin versetzte Emissionsfläche.
In bevorzugter Ausgestaltung weist die Optik eine erste und eine zweite Sammellinse auf, wobei die zweite Sammellinse der ersten in Bezug auf die Durchstrahlung mit der Laserstrahlung nachgelagert angeordnet ist. Generell ist bei einer Optik mit einer insgesamt geraden Anzahl an Sammellinsen, insbesondere also einer Optik mit genau zwei Sammellinsen, ein positiver Versatz bevorzugt (auch dies kann im Einzelnen von Aberrationen abhängen), also eine von der Optik weg versetzte Emissionsfläche. Relativ zueinander sind die beiden Sammellinsen bevorzugt derart vorgesehen, dass die hintere Brennebene der ersten (zuerst durchstrahlten) Sammellinse mit der vorderen Brennebene der zweiten (danach durchstrahlten) Sammellinse zusammenfällt.
Die erste Sammellinse kann bspw. eine erste Brennweite f₁ von mindestens 2 mm, 3 mm bzw. 4 mm haben, mit möglichen (davon unabhängigen) Obergrenzen bei höchstens 8 mm, 7 mm bzw. 6 mm. Die zweite Sammellinse kann bspw. eine zweite Brennweite f₂ von mindestens 5 mm, 10 mm, 15 mm, 20 mm, 25 mm bzw. 30 mm haben, mit möglichen (davon unabhängigen) Obergrenzen bei bspw. höchstens 100 mm, 80 mm, 60 mm, 50 mm bzw. 40 mm. Die Vergrößerung m ergibt sich dann zu m=f₂/f₁. Generell hat die Optik bevorzugt eine optischen Achse, um welche sie in ihren lichtführenden Eigenschaften rotationssymmetrisch ist.
Bei einer bevorzugten Ausführungsform ist auch die Einstrahlfläche des Leuchtstoffelements ein Stück weit versetzt, nämlich zu der idealen Bildebene der Optik. Bevorzugt ist ein Versatz, der dem Betrag nach im Wesentlichen dem betragsmäßigen Versatz der Emissionsfläche zur idealen Objektebene entspricht. „Im Wesentlichen“ meint hier bspw. eine Abweichung (des kleineren Werts vom größeren Wert) von nicht mehr als 15 %, 10 % bzw. 5 %, besonders bevorzugt sind die beiden dem Betrag nach gleich groß (0 %).
Eine Untergrenze des Versatzes der Einstrahlfläche zu der idealen Bildebenen kann bspw. bei mindestens 10 µm liegen, eine Obergrenze (davon unabhängig) z. B. bei höchstens 500 µm. Im Übrigen wird auf die vorstehend zum Versatz zwischen Emissionsfläche und idealer Objektebene verwiesen. Bevorzugt liegt die Einstrahlfläche bezogen auf die ideale Bildebene distal der Optik, als hinter der idealen Bildebene (der idealen Bildebene des ungestörten Systems), wenn die Emissionsfläche relativ zur idealen Objektebene proximal der Optik liegt. Umgekehrt liegt die Einstrahlfläche bezogen auf die ideale Bildebene bevorzugt proximal der Optik, als vor der idealen Bildebene, wenn die Emissionsfläche relativ zur idealen Objektebene distal der Optik liegt.
Bevorzugt ist der Abstand zwischen der Emissionsfläche und der Einstrahlfläche genau so groß wie der Abstand zwischen der idealen Objektebene und der idealen Bildebene. Die Einstrahlfläche liegt bevorzugt um nicht mehr als 5°, 4°, 3°, 2° bzw. 1° zu der idealen Bildebene verkippt, besonders bevorzugt parallel dazu.
Die Erfindung trifft auch ein Verfahren zum Herstellen einer vorliegend offenbarten Bestrahlungseinheit. Bevorzugt wird dabei der Optik nachgelagert ein Flächensensor angeordnet, etwa ein CCD- oder CMOS-Sensor. Dessen strahlungssensitive Sensorfläche hat dann zu der Emissionsfläche der Laserquelle einen Abstand d, der entlang eines Mittenstrahls des Strahlenbündels, in dem die Laserstrahlung geführt ist, der Optik nachgelagert genommen wird (der Mittenstrahl liegt mittig im Strahlenbündel, parallel zur Hauptrichtung). Bevorzugt wird die Sensorfläche in der idealen Bildebene platziert.
Bei zumindest zeitweilig eingeschalteter Laserquelle und damit über die Optik bestrahltem Flächensensor werden dann die Komponenten justiert, wird also ihre Relativanordnung optimiert. Dazu werden die Laserquelle und die Optik relativ zueinander versetzt, wird also ihr Abstand verändert. Dabei wird umgekehrt der Abstand d zwischen der Emissionsfläche der Laserquelle und der Sensorfläche bevorzugt konstant gehalten; es kann also bspw. die Optik relativ zur übrigen Bestrahlungseinheit und damit insbesondere relativ zu der Laserquelle und dem Flächensensor versetzt werden. Dabei wird mit dem Flächensensor die Bestrahlungsstärke überwacht und wird der Versatz, dem Betrag nach und/oder hinsichtlich der Richtung (positiv/negativ), in Abhängigkeit davon angepasst.
In bevorzugter Ausgestaltung wird mit dem Relativversetzen von der Laserquelle und der Optik ein auf der Sensorfläche bestrahlter Bereich dahingehend optimiert, dass er dann im Wesentlichen quadratisch ist. Insoweit wird auf die vorstehende Definition verwiesen, wobei vorliegend der Rand der auf der Sensorfläche erzeugten Bestrahlungsstärkeverteilung entsprechend zwischen zwei unterschiedlich große, ineinander geschachtelte Quadrate eingepasst wird (das kleinere ist 20 %, 10 % bzw. 5 % kleiner als die Diagonale der Bestrahlungsstärkeverteilung, das größere 20 %, 10 % bzw. 5 % größer). Der Rand bestimmt sich bspw. wiederum nach der Halbwertsbreite.
Generell kann die Justage einerseits in diskreten Einzelschritten erfolgen, kann also nach einem Relativversetzen die Laserquelle eingeschaltet und dann mit dem Flächensensor gemessen werden. Die Laserquelle kann dann wieder ausgeschaltet, und ein neuer Relativversatz eingestellt werden, bis in mehreren iterativen Schritten ein Optimum erreicht ist. Andererseits kann aber auch eine dynamische Justage erfolgen, bei welcher die Laserquelle auch während des Relativversetzens eingeschaltet ist; das Messsignal des Fläschensensors kann dann beispielsweise direkt in eine Regelschleife eingehen.
Die Erfindung betrifft auch die Verwendung einer vorliegend offenbarten Bestrahlungseinheit zur Beleuchtung, die emittierte Strahlung ist also bevorzugt sichtbares Licht (im Folgenden auch „Beleuchtungslicht“). Bevorzugt kann sich das Beleuchtungslicht als Mischung aus der Konversionsstrahlung und anteilig nicht konvertierter Laserstrahlung ergeben (Teilkonversion, siehe auch vorne). Das an der Abstrahlfläche des Leuchtstoffelements abgegebene Beleuchtungslicht wird bevorzugt mit einer Abführoptik der Beleuchtungsanwendung zugeführt, siehe vorne. Besonders bevorzugt kann das Beleuchtungslicht dann im weiteren über einen Flächenlichtmodulator, etwa ein Microspiegelarray (DMD-Array) oder ein LCD (Liquid Crystal Display) geführt werden. Im Allgemeinen sind auch Anwendungen im Unterhaltungs- bzw. auch Architainment- bzw. auch bei der Gebäudebeleuchtung generell denkbar.
Ein bevorzugtes Anwendungsgebiet kann (auch unabhängig von einem Flächenlichtmodulator und/oder einer Abführoptik) im Bereich der Fahrzeugbeleuchtung liegen, insbesondere der Fahrzeugaußenbeleuchtung. Im Allgemeinen ist auch ein Einsatz bei Schiffen bzw. Fluggeräten (Helikopter/Flugzeuge) möglich, bevorzugt sind Kraftfahrzeuge, etwa Lastkraftwagen oder auch Krafträder, besonders bevorzugt Personenkraftwagen (Pkw). Bevorzugt ist eine Anwendung in einem Frontscheinwerfer, im Falle des Kraftfahrzeugs (Kfz) zur Straßenausleuchtung.
Mit dem Flächenlichtmodulator wird vorteilhafterweise eine adaptive Straßenausleuchtung möglich, es kann durch Hinzu- bzw. Wegschalten der einzelnen Mikrospiegel bzw. einzelner LCD-Pixel ein jeweiliger Raumwinkelbereich selektiv mit Licht versorgt werden, also die Beleuchtungslichtzufuhr raumwinkelbereichsweise ein- oder ausgeschaltet werden. So kann bspw. ein entgegenkommendes oder vorausfahrendes Fahrzeug zur Vermeidung einer Blendung von dem Beleuchtungslichtkegel ausgenommen werden, und zwar mit dem Mikrospiegel-Array (und der großen Anzahl Mikrospiegel) auch mit einer sehr hohen Auflösung. Es kann bspw. sogar noch das andere Fahrzeug an sich beleuchtet und nur die Fahrgastzelle von der Beleuchtung ausgenommen werden.
Figurenliste
Im Folgenden wird die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen näher erläutert, wobei die einzelnen Merkmale im Rahmen der nebengeordneten Ansprüche auch in anderer Kombination erfindungswesentlich sein können und auch weiterhin nicht im Einzelnen zwischen den unterschiedlichen Anspruchskategorien unterschieden wird.
Im Einzelnen zeigt

1 eine erfindungsgemäße Bestrahlungseinheit in schematischer Ansicht mit zugehörigem Strahlengang;
2a-c die Justage einer erfindungsgemäßen Bestrahlungseinheit in schematischer Ansicht;
3a-c unterschiedliche Bestrahlungsstärkeprofile, den Justagepositionen gemäß den 2a-c entsprechend.

Bevorzugte Ausführung der Erfindung
1 zeigt eine erfindungsgemäße Bestrahlungseinheit 1, vorliegend eine Beleuchtungseinheit eines Kfz-Frontscheinwerfers. Die Bestrahlungseinheit 1 weißt eine Laserquelle 2 auf, nämlich eine Laserdiode, die an einer Emissionsfläche 3 Laserstrahlung 20 emittiert. Die Emissionsfläche 3 hat eine längliche Form (siehe vorne), wobei die Längenrichtung vorliegend in der Zeichenebene, also vertikal liegt. Die Laserstrahlung 20 wird über eine Optik 4 auf ein Leuchtstoffelement 5 geführt, konkret auf dessen Einstrahlfläche 5a.
Auf die Anregung mit der Laserstrahlung 20 hin emittiert das Leuchtstoffelement 5 eine Konversionsstrahlung 6, die an einer der Einstrahlfläche 5a entgegengesetzten Abstrahlfläche 5b abgeführt wird. Das Leuchtstoffelement 5 wird also in Transmission betrieben. Vorliegend handelt es sich bei der Laserstrahlung 20 um blaues Licht, das Leuchtstoffelement 5 weist mit Cer-dotiertes Yttrium-Aluminium-Granat (YAG:Ce) als Leuchtstoff auf, die Konversionsstrahlung 6 ist gelbes Licht. Die Laserstrahlung 20 wird in dem Leuchtstoffelement 5 nur anteilig konvertiert (Teilkonversion), der verbleibende Teil der blauen Laserstrahlung 20 bildet in Mischung mit dem gelben Konversionslicht Weißlicht.
Die Optik 4 ist aus einer ersten Sammellinse 4a und einer zweiten Sammellinse 4b aufgebaut. Die beiden Sammellinsen 4a,b sind derart angeordnet, dass die hintere Brennebene 4a,b der ersten Sammellinse 4a mit der vorderen Brennebene 4ba der zweiten Sammellinse 4b zusammenfällt. Die Optik 4 hat eine ideale Objektebene 10 und eine ideale Bildebene 11. In der vorliegenden Anordnung fällt die ideale Objektebene 10 mit der vorderen Brennebene 4aa der ersten Linse 4a zusammen, und die ideale Bildebene 11 mit der hinteren Brennebene 4bb der zweiten Sammellinse 4b.
Erfindungsgemäß ist die Laserquelle 2 relativ zur der Optik 4 derart angeordnet, dass die Emissionsfläche 3 zu der idealen Objektebene 10 versetzt liegt. Bezogen auf eine Emissionsrichtung 7 liegt die Emissionsfläche 3 vorliegend zurückversetzt, also bezogen auf die ideale Objektebene 10 distal der Optik 4.
Dem Betrag nach liegt der Versatz bei rund 30 Mikrometern, also aufgrund des Zurückversetztseins bei rund +30 µm (positiver Versatz, weil der Abstand zwischen Emissionsfläche und Optik größer wird). Die Emissionsfläche 3 ist rechteckig, mit 1 µm × 15 µm. Mit dem (leichten) Versatz der Emissionsfläche gegenüber der idealen Objektebene 10 wird bewusst eine gewisse Abweichung von einer idealen Abbildung erzeugt. Der Erfinder hat beobachtet, dass sich damit eine Homogenisierung des auf der Einstrahlfläche 5a des Leuchtstoffelements 5 erzeugten Bestrahlungsstärkeprofils erreichen lässt.
Auch das Leuchtstoffelement 5, konkret dessen Einstrahlfläche 5a, ist ein Stück weit versetzt, und zwar gegenüber der idealen Bildebene 11. Der Versatz beträgt rund 30 µm, und zwar zu der Optik 4 hin (bezogen auf die ideale Bildebene 11 ist die Einstrahlfläche 5a proximal der Optik 4 angeordnet). Die erste Sammellinse 4a hat eine erste Brennweite f₁ von 4 mm, die zweite Sammellinse 4b eine zweite Brennweite f₂ von 22,8 mm. Insgesamt hat die Optik eine Vergrößerung m von 5,7 (m=f₂/f₂).
Die 2a-c illustrieren die Justage einer erfindungsgemäßen Bestrahlungseinheit 1, die vorliegend nur schematisch gezeigt ist. Die Justage erfolgt bei eingeschalteter Laserquelle 2, diese emittiert also die Laserstrahlung 20 durch die Optik 4, vorliegend einer Einzellinse. Anstelle des Leuchtstoffelements 5 ist in diesem Ausführungsbeispiel der Optik 4 nachgelagert ein Flächensensor 21 angeordnet, die Laserstrahlung 20 fällt auf dessen strahlungssensitive Sensorfläche 21a. Vorliegend ist ein CCD-Sensor vorgesehen.
2a zeigt die Ausgangssituation, die Emissionsfläche 3 der Laserquelle 2 liegt in der idealen Objektebene 10, die Sensorfläche 21a in der idealen Bildebene 11. Die Emissionsfläche 3 und die Sensorfläche 21a haben einen Abstand d zueinander. Dieser Abstand d wird auch im Folgenden konstant gehalten, wenn die Optik 4 relativ zu der Laserquelle 2 und dem Flächensensor 21 versetzt wird. 2b zeigt dabei einen positiven Versatz, die Emissionsfläche 3 liegt also bezogen auf die ideale Objektebene 10 distal der Optik 4. 2c zeigt hingegen einen negativen Versatz, die Emissionsfläche 3 liegt bezogen auf die ideale Objektebene 10 proximal der Optik 4. Der Abstand d bleibt dabei unverändert, entsprechend liegt die sensitive Sensorfläche 21a einmal vor der idealen Bildebene 11 (2b) und einmal dahinter (2c).
Die 3a-c illustrieren schematisch die entsprechende, jeweils mit dem Flächensensor 21 auf einer Achse x gemessene Bestrahlungsstärke E. Im Falle der Anordnung gemäß 2a resultiert eine lokal deutliche Überhöhung. Mit dem Versatz der Emissionsfläche 3 von der Optik 4 weg wird eine gewisse Homogenisierung erreicht, das Profil ist aber noch näherungsweise gaußförmig. Im Unterschied dazu wird mit dem Versatz zu der Optik 4 hin ( 2c) eine Homogenisierung dahingehend erreicht, dass in der x-y-Ebene ein im Wesentlichen quadratischer Bestrahlungsstärkebereich (Spot) resultiert, und zwar mit einer Flat-Top-ähnlichen Bestrahlungsstärkeverteilung. Im Einzelnen kann das Spot-Profil dann auch durch Aberrationen beeinflusst sein.
Bezugszeichenliste

Bestrahlungseinheit	1
Laserquelle	2
Emissionsfläche	3
Optik	4
Sammellinse	4a,b
Erste Sammellinse	4a
Zweite Sammellinse	4b
Hintere Brennebene	4ab
Vordere Brennebene	4ba
Leuchtstoffelement	5
Einstrahlfläche	5a
Konversionsstrahlung	6
Emissionsrichtung	7
Objektebene	10
Bildebene	11
Laserstrahlung	20
Flächensensor	21
Sensorfläche	21a

Claims

Bestrahlungseinheit (1) zur Emission von Strahlung, mit einer Laserquelle (2) mit einer Emissionsfläche (3) zur Emission von Laserstrahlung (20), einem zu der Laserquelle (2) beabstandet angeordneten Leuchtstoffelement (5) zur zumindest teilweisen Konversion der Laserstrahlung (20) in eine Konversionsstrahlung (6) und einer abbildenden Optik (4), über welche die Laserstrahlung (20) von der Laserquelle (2) auf eine Einstrahlfläche (5a) des Leuchtstoffelements (5) geführt wird, wobei die Optik (4) eine ideale Objektebene (10) und dieser zugeordnet eine ideale Bildebene (11) hat, und wobei die Laserquelle (2) relativ zu der Optik (4) derart angeordnet ist, dass die Emissionsfläche (3) zu der idealen Objektebene (10) versetzt liegt.
Bestrahlungseinheit (1) nach Anspruch 1, bei welcher die Emissionsfläche (3) bezogen auf eine Emissionsrichtung (7) der Laserstrahlung (20) relativ zu der idealen Objektebene (10) vorversetzt liegt, also bezogen auf die ideale Objektebene (10) proximal der Optik (4).
Bestrahlungseinheit (1) nach Anspruch 1 oder 2, bei welcher die Emissionsfläche (3) zu der idealen Bildebene (11) um den Betrag nach mindestens 10 µm und höchstens 500 µm versetzt liegt.
Bestrahlungseinheit (1) nach einem der vorstehenden Ansprüche, bei welcher die Emissionsfläche (3) zu der idealen Objektebene (10) um höchstens 5° verkippt ist.
Bestrahlungseinheit (1) nach einem der vorstehenden Ansprüche, bei welcher die Emissionsfläche (3) eine längliche Form hat, also eine Längenerstreckung der Emissionsfläche (3) zu einer senkrecht dazu genommenen Breitenerstreckung der Emissionsfläche (3) in einem Verhältnis von mindestens 5:1 steht.
Bestrahlungseinheit (1) nach Anspruch 5, bei welcher das Verhältnis von Längenerstreckung zu Breitenerstreckung höchstens 400:1 beträgt.
Bestrahlungseinheit (1) nach einem der vorstehenden Ansprüche, bei welcher die Emissionsfläche eine Flächendiagonale von mindestens 10 µm und höchstens 400 µm hat.
Bestrahlungseinheit (1) nach einem der vorstehenden Ansprüche, bei welcher ein Bereich der Einstrahlfläche (5a) des Leuchtstoffelements (5), der mit der über die Optik (4) geführten Laserstrahlung (20) bestrahlt wird, im Wesentlichen quadratisch ist.
Bestrahlungseinheit (1) nach einem der vorstehenden Ansprüche, bei welcher die Optik (4) eine Vergrößerung von mindestens 3 und höchstens 15 hat.
Bestrahlungseinheit (1) nach einem der vorstehenden Ansprüche, bei welcher die Optik (4) eine Sammellinse (4a,b) aufweist.
Bestrahlungseinheit (1) nach Anspruch 10, bei welcher die Optik (4) eine erste Sammellinse (4a) und in Bezug auf die Durchstrahlung darauffolgend eine zweite Sammellinse (4b) aufweist, wobei die hintere Brennebene (4ab) der ersten Sammellinse (4a) mit der vorderen Brennebene (4ba) der zweiten Sammellinse (4b) zusammenfällt.
Bestrahlungseinheit (1) nach einem der vorstehenden Ansprüche, bei welcher die Einstrahlfläche (5a) des Leuchtstoffelements (5) zu der idealen Bildebene (11) der Optik (4) versetzt liegt, vorzugsweise um den Betrag nach mindestens 10 µm und höchstens 500 µm versetzt liegt.
Verfahren zum Herstellen einer Bestrahlungseinheit (1) nach einem der vorstehenden Ansprüche, bei welchem in Bezug auf die Durchstrahlung auf die Optik (4) folgend ein Flächensensor (21) mit einer strahlungssensitiven Sensorfläche (21a) in einem Abstand d zu der Emissionsfläche (3) der Laserquelle (2) angeordnet wird, wobei dann im Zuge einer Optimierung die Laserquelle (2) und die Optik (4) relativ zueinander versetzt werden, wobei jedenfalls zur Überprüfung eines jeweiligen Versatzes die Laserquelle (2) eingeschaltet wird und die Laserquelle (2) die Laserstrahlung (20) über die Optik (4) auf die Sensorfläche (21a) emittiert.
Verfahren nach Anspruch 13, bei welchem mit dem Relativversetzen von der Laserquelle (2) und der Optik (4) im Zuge der Optimierung ein Bereich der Sensorfläche (21a), der mit der über die Optik (4) geführten Laserstrahlung (20) bestrahlt wird, dahingehend optimiert wird, dass er dann im Wesentlichen quadratisch ist.
Verwendung einer Bestrahlungseinheit (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 13 zur Beleuchtung, insbesondere zur Außenbeleuchtung eines Kraftfahrzeugs, insbesondere zur adaptiven Straßenausleuchtung.