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Technisches Gebiet
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Die vorliegende Erfindung betrifft eine Bestrahlungsvorrichtung mit einer Pumpstrahlungseinheit zur Emission von Pumpstrahlung und einem Konversionselement zur zumindest teilweisen Konversion derselben in eine Konversionsstrahlung.
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Stand der Technik
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Bei Bestrahlungsvorrichtungen der in Rede stehenden Art wird ein Konversionselement, auch als Leuchtstoffelement bezeichnet, mit Pumpstrahlung bestrahlt, welche dabei in eine Konversionsstrahlung anderer spektraler Zusammensetzung konvertiert wird. Die Pumpstrahlung kann bspw. blaues Licht sein, wobei dann, im Falle einer sog. Teilkonversion, anteilig nicht konvertiertes blaues Licht gemeinsam mit gelbem Licht als Konversionsstrahlung in Mischung Weißlicht ergeben kann. Die Pumpstrahlungseinheit, typischerweise ein Laser, und das Konversionselement sind zueinander beabstandet angeordnet, womit sich eine Bestrahlungsvorrichtung hoher Strahl- bzw. Leuchtdichte realisieren lässt. Ein jüngeres Anwendungsgebiet ist die Straßenausleuchtung mit einem Kfz-Frontscheinwerfer, was den vorliegenden Gegenstand illustrieren, aber zunächst nicht in seiner Allgemeinheit beschränken soll.
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Darstellung der Erfindung
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Der vorliegenden Erfindung liegt das technische Problem zugrunde, eine besonders vorteilhafte Bestrahlungsvorrichtung anzugeben.
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Erfindungsgemäß löst diese Aufgabe eine Bestrahlungsvorrichtung gemäß Anspruch 1. Bei deren Konversionselement ist das Konversionsmaterial an der Abstrahlfläche mit mehreren Unterbrechungen vorgesehen. Dabei ist dieser Abstrahlfläche eine Optik zugeordnet, über welche die Konversionsstrahlung abgeführt wird (gegebenenfalls in Mischung mit anteilig nicht konvertierter Pumpstrahlung) und so bspw. zur Beleuchtungsanwendung gelangt. Diese Optik ist abbildend vorgesehen, sie bildet also die Abstrahlfläche und damit auch die Unterbrechungen des Konversionsmaterials ab. Dies mag zunächst insoweit nachteilig erscheinen, als damit der Strahl- bzw. Lichtstärkeverteilung beleuchtungsseitig eine gewisse Unterbrechung auferlegt wird. Im Bereich der Unterbrechungen wird nämlich weniger bzw. auch gar keine Konversionsstrahlung emittiert.
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Die Erfinder haben jedoch festgestellt, dass eine entsprechende Modulierung sogar von Vorteil sein kann, weil damit bspw. ein definiertes Raster in der Strahl- bzw. Lichtstärkeverteilung hinterlegt werden kann. Bildlich gesprochen kann mit den Unterbrechungen also eine Art Lineal bzw. Maßstab oder Skala in der Verteilung beleuchtungsseitig hinterlegt werden, was weitergehende Mess- bzw. Kalibriermöglichkeiten eröffnen kann. Im Falle der eingangs genannten Kfz-Anwendungen kann ein entsprechend aufmoduliertes Gitter bzw. Raster bspw. genutzt werden, um im Beleuchtungskegel befindliche Objekte, wie z. B. andere Straßenverkehrsteilnehmer etc., in eine Relativanordnung zueinander zu setzen. Die Unterbrechungen können interessante Anwendungsmöglichkeiten eröffnen, insoweit wird ausdrücklich auch auf die nachstehende Beschreibung verwiesen.
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Bevorzugte Ausgestaltungen 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. Wird also bspw. eine für einen bestimmten Betrieb geeignete bzw. eingerichtete Bestrahlungsvorrichtung beschrieben, ist dies stets auch als Offenbarung eines entsprechenden Betriebsverfahrens bzw. entsprechender Verwendungen zu betrachten, und umgekehrt.
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Das Konversionselement weist einen Leuchtstoff als Konversionsmaterial auf, wobei der „Leuchtstoff“ auch eine Leuchtstoffmischung aus mehreren Einzel-Leuchtstoffen sein kann. Ein bevorzugter Einzel-Leuchtstoff kann mit Cer dotiertes Yttrium-Aluminium-Granat (YAG:Ce) sein, dann mit gelbem Licht als Konversionsstrahlung. Im Allgemeinen sind jedoch alternativ oder zusätzlich auch ein anderer bzw. andere Einzel-Leuchtstoff(e) möglich, etwa zur Emission von rotem und/oder grünem Konversionslicht, wobei auch ein anderer Gelbleuchtstoff denkbar ist.
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Auch unabhängig von den spektralen Eigenschaften im Einzelnen kann das Konversionsmaterial in dem Konversionselement bspw. partikelförmig vorgesehen sein. In einem einfachen Fall können die Partikel bspw. auf einen Träger aufgebracht sein, bspw. durch Aufbringen einer Suspension mit den Partikeln und Abdampfen der Trägerflüssigkeit. Ebenso können die Partikel aber bspw. auch in ein Matrixmaterial eingebettet sein, im Allgemeinen auch Kunststoff, aufgrund der hohen Leistungsdichten jedoch bevorzugt Glas oder dergleichen. Bei dem Konversionselement kann es sich aber auch um eine Keramik handeln (Leuchtstoffkeramik), die dann insbesondere monokristallin sein kann.
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Unabhängig von dem Aufbau bzw. der Beschaffenheit des Konversionselements im Einzelnen ist dessen Konversionsmaterial an der Abstrahlfläche lokal unterbrochen, ist also lokal weniger bzw. kein Konversionsmaterial da und/oder ein Konversionsmaterial anderer Materialzusammensetzung, also jedenfalls nicht das Konversionsmaterial des übrigen Konversionselements.
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An der Abstrahlfläche sind „mehrere“ bzw. „eine Mehrzahl“ Unterbrechungen vorgesehen, also mindestens 2, 4, 6, 8, 10, 12, 14 bzw. 15 Unterbrechungen (in der Reihenfolge der Nennung zunehmend bevorzugt). Es sind auch deutlich mehr Unterbrechungen möglich, etwa wenn eine gitter- bzw. rasterartige Unterteilung vorgesehen wird. Mögliche Obergrenzen können bspw. bei höchstens 1.000, 500, 200 bzw. 100 Unterbrechungen liegen.
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Das Konversionselement kann im Allgemeinen auch in Reflexion betrieben werden. Dabei fallen eine Einstrahlfläche, auf welche die Pumpstrahlung trifft, und die Abstrahlfläche zusammen, wird also die Pumpstrahlung auf derselben Seite zugeführt, auf der auch die Konversionsstrahlung abgeführt wird. Eine Rückseite des Konversionselements kann dann bspw. für Kühlzwecke genutzt werden, umgekehrt kann an der Vorderseite die Strahlführung etwas komplexer sein (Entkopplung von Pump- und Konversionsstrahlung, z. B. mit einem wellenlängenabhängigen Spiegel). Bevorzugt ist ein Betrieb in Transmission, bei dem die Einstrahl- und die Abstrahlfläche einander entgegengesetzt liegen. Generell wird vorliegend als Einstrahl- bzw. Abstrahlfläche jeweils die gesamte Seitenfläche des Konversionselements betrachtet, wobei dann ein Pumpstrahlungs-Spot davon mitunter auch nur einen kleinen Teilbereich ausfüllt und entsprechend auch nur aus einem kleinen Teilbereich Konversionsstrahlung abgegeben wird.
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Bei einer bevorzugten Ausführungsform sind die Unterbrechungen Löcher, die sich jeweils von der Abstrahlfläche in das Konversionselement hinein erstrecken. Bilden bspw. agglomerierte Leuchtstoffpartikel das Konversionselement, so weist diese Partikelanordnung entsprechende Löcher auf. Sind die Partikel in ein Matrixmaterial eingebettet, ist bevorzugt auch dieses entsprechend gelöchert. Gleiches gilt für eine Leuchtstoffkeramik.
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Die Abstrahlfläche des Konversionselements muss dabei nicht zwangsläufig eben sein, sondern kann auch konvex und/oder konkav ausgeführt sein und/oder eine stufenförmige Oberflächenausprägung aufweisen. Bevorzugt kann gleichwohl eine plane Abstrahlfläche sein. Das Konversionselement kann rund oder rechteckig ausgeführt sein.
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Die Löcher können bevorzugt einen kreisrunden Querschnitt haben. Dies ist aber nicht zwingend, es sind bspw. auch polygonförmige bzw. rechteckige Querschnittsformen denkbar, ein „Loch“ kann zunächst jede beliebige Vertiefung in der Abstrahlfläche sein. Bevorzugt haben die Löcher jeweils eine größere Tiefen- als Weitenerstreckung, wobei die Tiefe entlang der Loch-Mittenachse (siehe unten) und die Weite in der Abstrahlfläche genommen wird (als mittlere Weite, also als Mittelwert aus kleinster und größter Erstreckung). Auch muss die Querschnittsform der Löcher nicht konstant sein, sondern kann sich entlang einer Erstreckungsrichtung verändern, insbesondere so verändern, dass sich eine konische, trichterförmige Struktur ausbildet (siehe unten). Dabei kann sich die größere der beiden Endflächen Pumpstrahl-seitig oder Auskoppel-seitig befinden. Auch können die Löcher, insbesondere ausgangseitig, als Langlöcher ausgeführt ein, bei denen die abstrahlseitige Querschnittsform der eines Langloches entspricht.
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Im Allgemeinen kann es sich bei den Löchern auch um Sacklöcher handeln, die also das Konversionselement nicht vollständig durchsetzen, sondern innerhalb des Konversionselements enden. Bezogen auf die Be- bzw. Durchstrahlung mit der Pumpstrahlung verbleibt also umgekehrt zumindest etwas Konversionselementmaterial, was mitunter sogar auch bevorzugt sein kann. Jener Teil der Pumpstrahlung, der durch die Löcher geht, kann somit nämlich etwas gestreut werden. Dies kann einem Austreten von kollimierter bzw. gebündelter Pumpstrahlung vorbeugen helfen, was anderenfalls ein erhebliches fotobiologisches Risiko austrittsseitig darstellen könnte.
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Die Pumpstrahlungseinheit weist als Strahlquelle bevorzugt eine Laserquelle auf, die bspw. auch aus mehreren Einzel-Laserquellen aufgebaut sein kann; die Einzel-Strahlenbündel können bspw. mit einer Stahlkompressionsoptik überlagert werden. Als Laserquelle bzw. Einzel-Laserquelle ist eine Laserdiode bevorzugt. Unabhängig davon im Einzelnen durchsetzt die Pumpstrahlung infolge des zu der Pumpstrahlungseinheit „beabstandet“ angeordneten Konversionselements letzterem vorgelagert bevorzugt optisch wirksam ein Fluidvolumen, bevorzugt ein Gasvolumen, besonders bevorzugt Luft; ein solcher Aufbau wird auch als „LARP-Anordnung“ bezeichnet (Laser Activated Remote Phosphor) .
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Auch unabhängig von der Beschaffenheit der Pumpstrahlungseinheit im Einzelnen fällt die Pumpstrahlung in der Regel mit hoher Leistungsdichte, insbesondere kollimiert/gebündelt auf das Konversionselement. Auch wenn die Pumpstrahlung dem Leuchtstoffelement vorgelagert gebündelt ist, also das Strahlenbündel einen Öffnungswinkel von nur wenigen Grad hat, tritt sie auch im Falle der eingangs genannten Teilkonversion beleuchtungsseitig nicht gebündelt aus. Der nicht konvertierte Teil der Pumpstrahlung wird nämlich bspw. aufgrund von Streuprozessen im Konversionselement aufgefächert und kann dann dem Konversionselement nachgelagert eine der Konversionsstrahlung vergleichbare Strahlstärkeverteilung haben. Die Konversionsstrahlung wird an der Abstrahlfläche typischerweise Lambertsch abgegeben.
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Bei einer bevorzugten Ausführungsform sind die Löcher Durchgangslöcher, erstrecken sie sich also jeweils durch das Konversionselement hindurch. Dies kann bspw. hinsichtlich der Herstellung von Vorteil sein, die Löcher können bspw. mit einem Laserschneidwerkzeug eingebrannt werden, was weniger aufwendig als die Herstellung von Sacklöchern sein kann (die bspw. eine sequenzielle Herstellung in mehreren Lagen erfordern kann). Selbstverständlich können in dem Konversionselement im Allgemeinen auch sowohl Durchgangs- als auch Sacklöcher vorgesehen sein, können die Lochtypen also kombiniert werden. Bevorzugt ist indes ausschließlich die eine oder die andere Variante, besonders bevorzugt sind die Durchgangslöcher.
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Auch im Falle der Durchgangslöcher muss die Pumpstrahlung nicht notwendigerweise kollimiert/gebündelt zur Beleuchtungsanwendung hin austreten. Die Pumpstrahlung kann nämlich auch an den Innenwandflächen, also den Laibungen, der Durchgangslöcher zumindest anteilig gestreut werden, insbesondere wenn die Löcher vergleichsweise klein sind (siehe unten). Bei einem scannenden Betrieb (siehe unten) können die Löcher auch „ausgespart“ werden, vorteilhafterweise können sie dann sogar auch für eine gezielte anderweitige Emission genutzt werden, bspw. von Infrarotstrahlung (siehe unten).
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Bei einer bevorzugten Ausführungsform erstrecken sich die Löcher bezogen auf die Abstrahlfläche jeweils schräg, steht also jeweils die Loch-Mittenachse nicht senkrecht auf der Abstrahlfläche. Zu einer Flächennormalen auf der Abstrahlfläche kann sie bspw. um mindestens 5°, 10°, 15° bzw. 20° verkippt sein, mit möglichen (davon unabhängigen) Obergrenzen bei bspw. höchstens 60°, 50° bzw. 40°. Die einzelnen Löcher können im Allgemeinen auch unterschiedlich stark und/oder in unterschiedliche Richtungen verkippt sein, bevorzugt sind sie alle um den gleichen Betrag und in die gleiche Richtung verkippt (liegen die Loch-Mittenachsen also parallel zueinander).
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Die schrägen Löcher können insbesondere im Falle der Durchgangsöffnungen einem ungehinderten Austreten von kollimierter/gebündelter Pumpstrahlung vorbeugen helfen. Die Durchgangslöcher sind bevorzugt derart schräg, dass jeweils die Lochöffnung an der Abstrahlfläche mit jener an der entgegengesetzten Seitenfläche in einer Richtung senkrecht zur Abstrahlfläche gesehen nicht deckungsgleich ist.
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In bevorzugter Ausgestaltung sind die Unterbrechungen vergleichsweise klein, haben sie nämlich eine mittlere Weite von höchstens 100 µm, in der Reihenfolge der Nennung zunehmend bevorzugt höchstens 90 µm, 80 µm, 70 µm, 60 µm, 50 µm, 40 µm bzw. 30 µm. Von diesen Obergrenzen unabhängige Untergrenzen können bspw. bei mindestens 1 µm, in der Reihenfolge der Nennung zunehmend bevorzugt mindestens 2 µm, 3 µm, 4 µm, 5 µm, 6 µm, 7 µm, 8 µm, 9 µm bzw. 10 µm liegen. Verhältnismäßig kleine Löcher können bspw. aufgrund der erwähnten Durchstrahlungsproblematik von Vorteil sein, es wird dann verhältnismäßig viel Strahlung an den Laibungen gestreut. Die gestreute Pumpstrahlung wird nicht oder allenfalls diffus durch die Optik abgebildet, stellt dann also beleuchtungsseitig keine optische Gefahr dar.
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Die Weite der Löcher bzw. Unterbrechungen wird in der Abstrahlfläche genommen, wobei als mittlere Weite der Mittelwert aus der kleinsten und größten in der Abstrahlfläche genommenen Erstreckung zugrunde gelegt wird. Bevorzugt haben die Unterbrechungen bzw. Löcher über ihre Tiefenerstreckung eine gleichbleibende Form, ändert sich also der Querschnitt nicht. Die Unterbrechungen bzw. Löcher haben dann also über die Tiefenerstreckung eine konstante mittlere Weite. Im Allgemeinen sind also bspw. auch konische Löcher denkbar, bevorzugt sind zylindrische Löcher. Generell sind die Löcher jeweils um ihre Loch-Mittenachse bevorzugt rotationssymmetrisch. Im Falle der Konusform kann sich diese zur Abstrahlfläche hin verengen oder weiten, entsprechende Durchgangslöcher können also bspw. entweder von der einen oder der anderen Seite eingebracht werden.
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Bei einer bevorzugten Ausführungsform sind die Unterbrechungen regelmäßig angeordnet. Diese Regelmäßigkeit bezieht sich zunächst auf zumindest eine gedanklich in die Abstrahlfläche gelegte Linie, es sollen die auf der Linie liegenden Unterbrechungen einer bestimmten Verteilung entsprechend aufeinanderfolgen. Dabei müssen selbstverständlich nicht sämtliche Unterbrechungen entlang einer einzigen Linie angeordnet sein, es können sogar mehrere Linien bevorzugt sein (bei einer raster- bzw. gitterartigen Unterteilung). Im Allgemeinen ist auch die Anordnung auf einer gekrümmten, etwas kreisbogenförmigen Linie möglich, bevorzugt kann eine gerade Linie sein, entlang der die Unterbrechungen dann zeilenförmig angeordnet sind.
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Die „Regelmäßigkeit“ kann bspw. einer logarithmischen Skalierung entsprechen, bevorzugt ist eine lineare Anordnung. Die regelmäßig angeordneten Unterbrechungen folgen besonders bevorzugt äquidistant aufeinander, bildlich gesprochen kann dies der Projektion eines „Lineals“ entsprechen. Ganz allgemein ausgedrückt kann „regelmäßig“ meinen, dass sich bestimmte Abstände wiederholen bzw. die Abstände einer mathematischen Funktion entsprechen, eben bspw. logarithmisch liegen, es sind aber auch Polynomfunktionen etc. möglich. Die Unterbrechungen können auch in ihrer jeweiligen mittleren Weite und/oder Form variieren und z. B. auch hierbei einer gewissen Regelmäßigkeit genügen (z. B. den cm- und mm-Strichen eines Lineals vergleichbar). Andererseits können aber auch, wie bereits erwähnt, Unterbrechungen bevorzugt sein, die untereinander hinsichtlich ihrer Form und mittleren Weite identisch sind.
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Bei einer bevorzugten Ausführungsform ist die abbildende Optik der Abstrahlfläche derart zugeordnet, dass sie diese ins Unendliche abbildet. Es wird also eine Ortsverteilung auf der Abstrahlfläche vollständig in eine Raumwinkelverteilung umgesetzt, an einer jeweiligen Stelle der Abstrahlfläche abgegebene Konversionsstrahlung wird jeweils in eine eigene Raumrichtung geführt (funktional entspricht dies einer Fourier-Transformation). Auch unabhängig von der Ausgestaltung der Abbildung im Einzelnen weist die Optik bevorzugt eine Sammellinse auf, diese kann vorzugsweise als Linsensystem aus mehreren Einzellinsen aufgebaut sein (die sequenziell durchstrahlt werden). Eine Einzellinse, die in Alleinstellung oder auch in Kombination mit anderen Einzellinsen vorgesehen sein kann, kann dabei insbesondere achromatisch vorgesehen sein. Zusätzlich oder im Allgemeinen auch alternativ ist auch eine Strahlführung über einen Reflektor möglich, auf Systemebene, insbesondere im Kfz-Frontscheinwerfer, kann eine entsprechende Kombination sogar bevorzugt sein.
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Bei einer bevorzugten Ausführungsform hat die abbildende Optik einen Abbildungsmaßstab von mindestens 1.000:1 (tausend zu eins), in der Reihenfolge der Nennung zunehmend bevorzugt mindestens 10.000:1, 100.000:1, 125.000:1, 150.000:1, 175.000:1 bzw. 200.000:1. Der Abbildungsmaßstab ergibt sich als Verhältnis von Bild- zu Gegenstandsgröße, also vorliegend Größe im Fernfeld zu Größe auf der Abstrahlfläche. Bevorzugte Obergrenzen können (von den Untergrenzen unabhängig) bspw. bei höchstens 1.000.000:1, 500.000:1, 400.000:1 bzw. 300.000:1 liegen.
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Geht man bspw. von einem besonders bevorzugten Abbildungsmaßstab von 200.000:1 aus, so wird eine Unterbrechung mit einer Weite von 1 µm auf eine Größe von 20 cm abgebildet. Das Abbild einer Unterbrechung mit einer Weite von 5 µm hat im Fernfeld eine Größe von rund 1 m. Auch in dieser Hinsicht motivieren sich die vorstehend angegebenen Werte der mittleren Weite. Ein entsprechendes Muster bzw. Gitter kann dann nämlich gut von einer Kamera wahrgenommen und zu Mess- bzw. Kalibrierungszwecken verwendet werden.
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Wie verschiedentlich betont, sind die Unterbrechungen bevorzugt Löcher im Konversionselement, ist also nicht nur das Konversionsmaterial, sondern das Konversionselement insgesamt unterbrochen. Dies ist aber umgekehrt im Allgemeinen nicht zwingend, die geschilderten Effekte können nämlich auch erreicht werden, wenn tatsächlich nur, wie hauptanspruchsgemäß gefordert, das Konversionsmaterial unterbrochen ist. Ist das Konversionselement bspw. aus einem Matrixmaterial mit Leuchtstoffpartikeln darin vorgesehen, könnte sich das Matrixmaterial unterbrechungsfrei erstrecken und könnten lediglich im Bereich der Unterbrechungen keine Leuchtstoffpartikel eingelagert sein. Das Matrixmaterial wäre damit nicht durchlöchert, das Konversionsmaterial aber gleichwohl unterbrochen. Ein entsprechendes Konversionselement ließe sich bspw. herstellen, indem die Leuchtstoffpartikel auf eine Oberfläche des Matrixmaterials aufgebracht und dann eindiffundiert werden (z. B. bei erhöhter Temperatur), wobei die Oberfläche des Matrixmaterials im Bereich der Unterbrechungen bspw. beschichtet wird (mit aus der Mikroelektronik bekannten Verfahren), sodass dort also kein Konversionsmaterial eindiffundiert.
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Ebenso können die Unterbrechungen im Allgemeinen sogar auch mit einem anderen Konversionsmaterial aufgefüllt sein, dessen Anregungs- und/oder Konversionswellenlängen sich von dem Konversionsmaterial des Konversionselements unterscheiden. Dieses weitere, in den Unterbrechungen angeordnete Konversionsmaterial ist dann im Verhältnis zu dem Konversionsmaterial des Konversionselements aber bspw. in deutlich geringerem Umfang vorgesehen, mögliche Massenverhältnisse können bspw. bei höchstens 1/10, 1/50 bzw. 1/100 liegen (mit möglichen Untergrenzen bei mindestens 1/10.000 bzw. 1/1.000). Selbstverständlich ist auch eine Ergänzung mit mehreren unterschiedlichen Konversionsmaterialien möglich, können also bspw. die Löcher mit jeweils einer eigenen „Farbe“ aufgefüllt werden, zumindest gruppenweise. Die Farbe kann auch als zusätzliche Information im Mess- bzw. Kalibrierungsgitter genutzt werden.
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Zur Herstellung könnten bspw. zunächst Löcher in das Konversionselement eingebracht werden, die anschließend mit dem weiteren Konversionsmaterial aufgefüllt werden. Das weitere Konversionsmaterial kann bspw. gelbes, blaues, grünes oder auch weißes (kaltweiß, warmweiß etc.) Licht als Konversionsstrahlung emittieren, die weitere Konversionsstrahlung soll sich jedenfalls zumindest in der Farbtemperatur unterscheiden, bevorzugt ist eine tatsächlich andere Farbe. Bevorzugt sind die Unterbrechungen jedoch, wie bereits erwähnt, gänzlich konversionsmaterialfrei, ist insbesondere das Konversionselement mit entsprechenden Löchern versehen. Dies kann in der Herstellung vereinfacht und damit bspw. auch in Kostenhinsicht von Vorteil sein.
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Bei einer bevorzugten Ausführungsform ist die Bestrahlungsvorrichtung für einen scannenden Betrieb eingerichtet, wird also die Einstrahlfläche des Konversionselements mit einem Pumpstrahlungs-Spot abgefahren bzw. abgerastert. Die Abmessungen eines Beleuchtungslichtkegels austrittsseitig bestimmen sich nach dem Bereich der Abstrahlfläche, aus dem heraus Konversionsstrahlung abgegeben wird. In einem jeweiligen Zeitpunkt wird bei diesem scannenden Betrieb dann zwar nur aus einem kleinen Bereich heraus emittiert, zeitlich aufintegriert überstreicht der Pumpstrahlungs-Spot eine größere Fläche auf der Einstrahlfläche und wird auch an der Abstrahlfläche aus einer entsprechend großen Fläche heraus emittiert. Bevorzugt wird die Bestrahlung mit Pumpstrahlung selektiv ein- und ausgeschaltet, was ein bestimmtes Bestrahlungs- und damit entsprechendes Abstrahlmuster ergibt.
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Diese Ortsverteilung wird mit der Optik in eine Winkelverteilung umgesetzt (siehe vorne), es werden also entsprechend einige der Raumwinkelbereiche mit Konversionsstrahlung versorgt (gegebenenfalls mit anteilig nicht konvertierter Pumpstrahlung gemischt), und andere Raumwinkelbereiche nicht. Im Falle der bevorzugten Kfz-Anwendungen lässt sich damit eine adaptive Straßenausleuchtung realisieren, es kann also bspw. in Abhängigkeit von einer Kamera- bzw. anderweitigen Sensorerfassung (LIDAR etc.) wahlweise in bestimmte Raumwinkelbereiche beleuchtet werden, und in andere nicht, bspw. zur Vermeidung einer Blendung von anderen Verkehrsteilnehmern etc.
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Vorliegend wird generell ein im Betrieb über die Einstrahlfläche bewegter Spot als „scannender Betrieb“ bezeichnet. Bevorzugt wird das Abscannen mit einer Strahlführung über einen beweglichen, insbesondere verkippbaren bzw. schwingenden Spiegel erreicht, insbesondere einen MEMS-Spiegel. Dabei ist der „Spot“ jener Bereich der Einstrahlfläche, auf den die Strahlung bei eingeschalteter Bestrahlung in einem jeweiligen Zeitpunkt fallen würde. Der Spot muss also umgekehrt nicht dauerhaft auch tatsächlich bestrahlt werden, was das Beispiel der adaptiven Straßenausleuchtung illustriert. Der Spot kann in einer Zeile hin und her bewegt werden, bevorzugt ist eine zweidimensionale Bewegung, etwa in Zeilen und Spalten, es sind aber auch komplexere Muster möglich (z. B. Lissajous-artig).
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In bevorzugter Ausgestaltung ist eine scannend betriebene Bestrahlungsvorrichtung derart eingerichtet, dass die Bestrahlung mit der Pumpstrahlung jeweils zumindest verringert wird, wenn der Pumpstrahlungs-Spot eine der Unterbrechungen überstreift. Dies kann insbesondere im Falle von Durchgangslöchern einem beleuchtungsseitigen Austritt von kollimierter/gebündelter Pumpstrahlung hoher Intensität vorbeugen helfen. Besonders bevorzugt kann die Pumpstrahlung (kurzzeitig) vollständig ausgeschaltet werden, wenn der Spot die Unterbrechungen/Löcher überstreicht.
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Bei einer bevorzugten Ausführungsform weist die Bestrahlungsvorrichtung zusätzlich eine Infrarotquelle zur Emission von Infrarotstrahlung auf. Diese kann zu der Pumpstrahlungseinheit gesondert vorgesehen sein, sie kann aber auch integriert sein. Letzteres ist insbesondere bei einer Laserdiode bzw. -dioden als Pumpstrahlungsquelle(n) möglich, die gemeinsam gehäust sind (bspw. in einem sogenannten Multi Die Package). Es kann dann auch die Infrarotquelle, bei der es sich ebenfalls bevorzugt um eine Laserdiode handelt, auch in dieses Gehäuse integriert sein. Selbstverständlich sind auch mehrere Infrarotquellen denkbar, mit den gleichen oder auch unterschiedlichen Emissionswellenlängen, wobei die einzelnen Strahlenbündel dann analog der Pumpstrahlung überlagert werden können (z. B. mit Treppenspiegeln etc.).
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In bevorzugter Ausgestaltung ist die Bestrahlungsvorrichtung für einen scannenden Infrarot-Betrieb eingerichtet, wird also ein Infrarotstrahlungs-Spot über die Einstrahlfläche bewegt, bspw. mit einem MEMS-Spiegel. Bezüglich der Definition von „Spot“ wird auf die vorstehenden Angaben verwiesen. In dem Infrarotstrahlungs-Spot, der scannend über die Einstrahlfläche wandert, muss also nicht notwendigerweise dauerhaft tatsächlich bestrahlt werden, auch die Infrarotstrahlung kann selektiv zugeführt werden. Bevorzugt ist eine Kombination aus scannendem Pumpstrahlungs- und scannendem Infrarotstrahlungs-Betrieb, wobei die Spots bspw. auch über dieselbe Verkippeinheit, insbesondere einen MEMS-Spiegel, auf die Einstrahlfläche geführt werden können, was aber umgekehrt nicht zwingend ist.
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Bevorzugt ist die für einen scannenden Infrarot-Betrieb eingerichtete Bestrahlungsvorrichtung dann derart vorgesehen, dass die Infrarotbestrahlung jeweils zumindest dann eingeschaltet wird, wenn der Infrarotstrahlungs-Spot eine der Unterbrechungen überstreift, insbesondere ein Loch bzw. Durchgangsloch. Zwischen zwei Unterbrechungen kann die Infrarotbestrahlung auch reduziert oder vollständig weggeschaltet werden, was bspw. die Energieeffizienz betreffend von Vorteil sein kann. Insgesamt kann sich damit bspw. ein Bestrahlungsmuster ergeben, das zu jenem der Pumpstrahlung genau invers ist.
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Generell kann die Be- bzw. Durchstrahlung der Unterbrechungen/Löcher mit Infrarot bspw. insoweit von Vorteil sein, als dann ein entsprechendes „Gitter“ bzw. „Lineal“ etc. außerhalb des mit menschlichem Auge optisch Wahrnehmbaren liegt, aber bspw. mit einer Infrarotkamera gut erfasst werden kann. Deshalb kann die Infrarotbestrahlung insgesamt eine interessante Ergänzung sein, im Allgemeinen auch unabhängig von einem scannenden Betrieb, insbesondere einem scannenden Pumpstrahlungs-Betrieb (bspw. auch bei Tagfahrten, Abblendlicht bzw. Fernlicht etc., auch wenn nicht adaptiv beleuchtet wird).
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Die Erfindung betrifft auch einen Kfz-Frontscheinwerfer mit einer vorliegend offenbarten Bestrahlungsvorrichtung. Dabei können, wie vorstehend angedeutet, dem Konversionselement und der Optik nachgelagert weitere optische Elemente zur Strahl- bzw. Lichtkegelformung angeordnet sein. Ein Reflektor wurde bereits erwähnt, zusätzlich oder alternativ kann es selbstverständlich auch weitergehende Linsensysteme etc. geben.
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Ebenso betrifft die Erfindung eine Verwendung einer vorliegend offenbarten Bestrahlungsvorrichtung in einem Scheinwerfer, wobei es sich im Allgemeinen bspw. auch um einen Scheinwerfer zur Film- und Bühnen- bzw. auch Architekturbeleuchtung, insbesondere „Architainment“, handeln kann. Auch bei der Beleuchtung von Baustellen, Werkshallen etc. kann die mittels der Unterbrechungen in dem Beleuchtungslicht hinterlegte Skalierung bzw. Bemaßung Vorteile bieten. Auch im Bereich „Horticulture“ sind Anwendungen möglich, insbesondere zur Pflanzenbeleuchtung.
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Bevorzugt ist eine Anwendung im Bereich der Kfz-Beleuchtung, insbesondere Außenbeleuchtung, insbesondere in einem Frontscheinwerfer. Im Allgemeinen sind alternativ bspw. auch Wasser- bzw. Luftfahrzeuge denkbar, könnte also bspw. im Suchscheinwerfer eines Hubschraubers eine Skala zur Boden- bzw. Terrainerfassung hinterlegt sein. Bevorzugt sind Kraftfahrzeuge, im Allgemeinen etwa auch Lastkraftwagen oder Motorräder, bevorzugt Personenkraftwägen.
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Auch unabhängig von dem Einsatzgebiet im Einzelnen erfolgt eine Verwendung in bevorzugter Ausgestaltung derart, dass ein mittels der Unterbrechungen beleuchtungsseitig hinterlegtes Muster zu Mess- und/oder Kalibrierungszwecken verwendet wird. Das Gitter bzw. die Skala kann bspw. der Abstandsbestimmung zu einem im Beleuchtungslichtkegel befindlichen Objekt dienen, insbesondere wenn dieses eine an sich bekannte Größe hat (was insbesondere bei gängigen Verkehrsteilnehmern, wie anderen Kraftfahrzeugen etc., mit einer gewissen Verteilung der Fall ist). Das hinterlegte Muster kann bspw. auch die Vermessung einer Oberflächenform erleichtern, insbesondere einer Objektkrümmung. Bezogen auf die Kfz-Anwendungen kann bspw. auch die Vermessung des Straßenverlaufs ermöglicht bzw. unterstützt werden, es lassen sich nämlich insbesondere Profile besser erkennen, also etwa eine Straßensteigung.
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In diesem Zusammenhang wird auch nochmals auf die vorstehend beschriebene Ergänzung um eine Infrarotquelle verwiesen. Insbesondere damit, im Allgemeinen aber auch mit einer anderen zusätzlichen Quelle oder auch nur einem entsprechend modulierten Betrieb der Pumpstrahlungseinheit selbst, lassen sich auch gezielt zusätzliche Überhöhungen/Vertiefungen im Intensitätsmuster erreichen. Es können also gezielt Intensitätsprofile ausgesendet werden, und zwar im Zeitverlauf auch unterschiedliche Intensitätsprofile. Damit kann ein weiterer Parameter zur Vermessung bzw. Kalibrierung zur Verfügung stehen.
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Bislang wurden die Vorteile der Vertiefungen/Löcher vorrangig hinsichtlich des Erfassens bzw. Vermessens externer Objekte diskutiert. Das im Beleuchtungslichtkegel hinterlegte Muster kann aber auch zu Kalibrierungszwecken, also zum Überprüfen oder (dauerhaften) Überwachen der Bestrahlungsvorrichtung selbst genutzt werden. Mit dem hinterlegten Muster kann bspw. bereits in der Fertigung festgestellt werden, ob die einzelnen Komponenten (Pumpstrahlungseinheit, Konversionselement, Optik etc.) an der gewünschten Montageposition sitzen. Es kann also ein mittels der Unterbrechungen erzeugtes Ist-Muster mit einem Soll-Muster abgeglichen werden, wobei gewisse Toleranzen etc. definiert sein können.
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Auf dieselbe Weise ist auch im Einsatz der Bestrahlungsvorrichtung eine Überprüfung möglich, bspw. bei einer Revision, etwa in der Werkstatt. Es kann aber andererseits auch eine Überwachungsfunktion integral vorgesehen sein, bspw. über eine Kamera- und Auswerte-/Steuereinheit des Kraftfahrzeugs. Damit lässt sich dann über den Betrieb hinweg, dauerhaft oder in Intervallen, das Ist-Muster mit einem Soll-Muster abgleichen, wobei Abweichungen bspw. ein Früh- bzw. Vorstadium einer Schädigung des Konversionselements anzeigen können.
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Wie vorstehend erläutert, kann ein beschädigtes (gerissenes/gebrochenes) oder insbesondere von einem Träger abgefallenes Konversionselement einen kritischen Pumpstrahlungsaustritt beleuchtungsseitig zur Folge haben. Mit der Überwachung der Position des Konversionselements kann ein Versetzen bzw. Wandern desselben auf dem Träger oder in einer Halterung frühzeitig erkannt werden, und es kann bspw. die Pumpstrahlungseinheit abgeschaltet oder auf einen unkritischen Wert gedimmt werden (zusätzlich kann eine Fehlermeldung ausgegeben werden).
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Figurenliste
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Im Folgenden wird die Erfindung anhand eines Ausführungsbeispiels 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 Bestrahlungsvorrichtung in schematischer Darstellung;
- 2a-d verschiedene Konversionselemente für die Bestrahlungsvorrichtung gemäß 1;
- 3 in schematischer Darstellung eine Intensitätsvariation bei der Bestrahlung mit Pumpstrahlung;
- 4a-c verschiedene Möglichkeiten zur Ausgestaltung von Unterbrechungen in den Konversionselementen gemäß 2a-d im Schnitt;
- 5a,b Kalibrierungs- bzw. Überwachungsmöglichkeiten, die sich mit den in einem Konversionselement hinterlegten Unterbrechungen eröffnen;
- 6 eine Anwendungsmöglichkeit für die Bestrahlungsvorrichtung gemäß 1.
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Bevorzugte Ausführung der Erfindung
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1 zeigt eine erfindungsgemäße Bestrahlungsvorrichtung 1 mit einer Pumpstrahlungseinheit 2 zur Emission von Pumpstrahlung 3 und einem Konversionselement 4 zur zumindest teilweisen Konversion der Pumpstrahlung 3 in eine Konversionsstrahlung 5. Das Konversionselement 4 wird in Transmission betrieben, eine Einstrahlfläche 4a, auf welche die Pumpstrahlung 3 in einem Pumpstrahlungs-Spot 6 fällt, liegt einer Abstrahlfläche 4b entgegengesetzt. An der Abstrahlfläche 4b wird die Konversionsstrahlung 5 aus einem Konversionsstrahlungs-Spot 7 heraus abgegeben.
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Vorliegend ist der Einfachheit halber dem Konversionselement 4 nachgelagert nur die Konversionsstrahlung 5 dargestellt, in der Praxis kann sich dort jedoch auch anteilig nicht konvertierte Pumpstrahlung ausbreiten, die dann der Konversionsstrahlung 5 entsprechend aufgefächert ist (aufgrund von Streuprozessen im Konversionselement 4) .
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Bei der Pumpstrahlung 3 kann es sich bspw. um blaues Licht handeln, das dann bspw. mit einem YAG:Ce-Leuchtstoff, also mit Cer-dotiertem Yttrium-Aluminium-Granat, in gelbes Konversionslicht umgewandelt werden kann. Mit der geschilderten Teilkonversion verbleibt dann auch anteilig blaues Pumplicht, sodass sich in Mischung mit dem gelben Konversionslicht Weißlicht ergibt. Dieses kann zur Beleuchtung benutzt werden, etwa in einem Kfz-Frontscheinwerfer.
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Auch die Pumpstrahlungseinheit 2 und die Führung der Pumpstrahlung 3 sind schematisch dargestellt. In der Praxis wird die Pumpstrahlungseinheit 2 eine oder mehrere Laserdioden aufweisen, die bspw. jeweils mit einer Kollimationslinse versehen sind. Das bzw. die Laserstrahlenbündel werden dann über eine weitere Optik, etwa eine Sammellinse, ggf. in Kombination mit einer Strahlkompressionsoptik, auf die Einstrahlfläche 4a des Konversionselements 4 geführt.
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Der Abstrahlfläche 4b des Konversionselements 4 ist eine Optik 8 zugeordnet, vereinfacht als einzelne Sammellinse dargestellt, über welche die Konversionsstrahlung 5 zur Beleuchtungsanwendung hin geführt wird. Die Optik 8 bildet die Abstrahlfläche 4b ins Unendliche ab, die an einer jeweiligen Stelle der Abstrahlfläche 4b emittierte Konversionsstrahlung wird also jeweils in eine eigene Raumrichtung geführt. Die Optik 8 setzt eine Ortsverteilung auf der Abstrahlfläche 4b in eine Raumwinkelverteilung um.
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Dabei ist die Bestrahlungsvorrichtung 1 ferner für einen scannenden Betrieb eingerichtet, es wird nämlich der Pumpstrahlungs-Spot 6 über die Einstrahlfläche 4a bewegt. Dazu wird die Pumpstrahlung 3 über einen verkippbaren Spiegel 9, konkret einen MEMS-Spiegel, auf die Einstrahlfläche 4a geführt. Der verkippbare Spiegel 9 schwingt im Betrieb, sodass der Pumpstrahlungs-Spot 6 in dieser vereinfachten Darstellung periodisch nach links und rechts bewegt wird. Wird diese Anordnung mit einem weiteren verkippbaren Spiegel kombiniert (nicht dargestellt), kann der Pumpstrahlungs-Spot 6 flächig über die Einstrahlfläche 4a bewegt werden.
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Dabei kann die Bestrahlung mit der Pumpstrahlung 3 wahlweise, also je nach Position des Pumpstrahlungs-Spots 6, ein- oder ausgeschaltet werden, sodass ein Pumpstrahlungsmuster erzeugt wird. Mit dem Pumpstrahlungs-Spot 6 wandert auch der Konversions-Strahlungsspot 7. Es wird somit im Zeitverlauf aus unterschiedlichen Bereichen der Abstrahlfläche 4b heraus Konversionsstrahlung 5 emittiert, oder eben nicht, entsprechend dem Pumpstrahlungsmuster auf der Einstrahlfläche 4a. Diese Ortsverteilung wird mit der Optik 8 in eine Raumwinkelverteilung umgesetzt, es kann selektiv einzelnen Raumwinkelbereichen Beleuchtungslicht zugeführt werden. Im Bereich der adaptiven Straßenausleuchtung kann damit bspw. Gegenverkehr von der Beleuchtung ausgenommen werden, um Blendeffekte zu vermeiden.
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Bei der erfindungsgemäßen Bestrahlungsvorrichtung 1 sind in das Konversionselement 4 Unterbrechungen 10 an der Abstrahlfläche 4a eingebracht, die in 1 schematisch dargestellt sind. Aufgrund dieser Unterbrechungen, die jeweils nur eine mittlere Weite von rund 5 µm haben, ist die Emission der Konversionsstrahlung 5 lokal unterbrochen, was sich im Fernfeld der Optik 8 nachgelagert als Muster abzeichnet. Wie nachstehend im Einzelnen diskutiert, kann ein solches Muster dann zu Kalibrierungs- bzw. Überwachungszwecken (5a,b) oder auch zu Messzwecken generell genutzt werden (6).
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Die 2a-d zeigen unterschiedliche Konversionselemente 4 in Aufsicht, jeweils auf die Abstrahlfläche 4b blickend. Die Unterbrechungen 10 können zeilen- und spaltenartig angeordnet sein, wobei sich die Zeilen bzw. Spalten jeweils nicht zwingend über das gesamte Konversionselement 4 hinweg erstrecken müssen (2a). Ferner können die Unterbrechungen 10 das Sichtfeld bzw. einen Bereich darin auch vorrangig einfassen, bspw. ein bestimmtes Fenster definieren (2b). Die 2c und d illustrieren weitere Anordnungsmöglichkeiten, wobei sich mit Unterbrechungen unterschiedlicher Größe eine weitergehende Untergliederung des Sichtfelds erreichen lässt (in 2d nur konzeptionell gezeigt).
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3 illustriert ferner, dass sich eine Ortsinformation in dem Sichtfeld nicht nur über die Unterbrechungen 10 hinterlegen lässt, sondern auch über die Bestrahlung mit Pumpstrahlung. Hierbei sind exemplarisch nur zwei Unterbrechungen gezeigt, wobei in dem scannenden Betrieb (siehe vorne) die eine Unterbrechung mit höherer Pumpstrahlungsleistung bestrahlt wird als die andere. Dies ergibt eine weitergehende Modulation im Sichtfeld.
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Die 4a-c illustrieren Möglichkeiten zur Ausgestaltung der Unterbrechungen 10. Diese können als Sacklöcher 10a (4a) oder als Durchgangslöcher 10b (4b,c) ausgeführt sein. Ferner müssen sich die Sack- bzw. Durchgangslöcher 10a,b nicht, wie in den 4a,b dargestellt, senkrecht zur Abstrahlfläche 4b erstrecken, sondern kann auch eine schräge Orientierung bevorzugt sein (4c), dargestellt für ein Durchgangsloch 10b. Bezüglich der Vorteile der einzelnen Varianten wird auf die Beschreibungseinleitung verwiesen.
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Die 5a,b illustrieren nun zunächst unterschiedliche Möglichkeiten zur regelmäßigen Anordnung der Unterbrechungen 10, wiederum in einer Aufsicht analog den 2a-d. Die Unterbrechungen 10 können bspw. einer logarithmischen Skalierung folgend angeordnet sein (5a), ebenso ist eine lineare Skalierung möglich (5b). Die Anordnung kann entlang des Sichtfeldrands verlaufen ( 5b), aber auch quer (diagonal) durch das Sichtfeld ( 5a) .
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Ferner illustrieren die 5a,b die im Sichtfeld gemessene Abweichung eines Ist-Zustands (strichliert) von einem Soll-Zustand (durchgezogene Linie). Es gibt hier also einen gewissen Versatz zwischen der Position, an welcher das Muster im Sichtfeld eigentlich liegen soll und der tatsächlich gemessenen Position. Dies bedeutet umgekehrt, dass sich das Konversionselement 4 nicht an der gewünschten Montageposition befindet. Dies kann während des laufenden Betriebs einerseits ein verrutschtes/versetztes Konversionselement 4 anzeigen, also einen möglichen Schadensfall in einem Frühstadium (vgl. die Anmerkungen in der Beschreibungseinleitung im Einzelnen). Andererseits kann dies auch genutzt werden, um in der Fertigung die korrekte Montage zu überprüfen.
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6 zeigt schließlich einen bevorzugten Anwendungsfall, nämlich eine Integration der Bestrahlungsvorrichtung 1 in einen Kfz-Frontscheinwerfer 60. Der Lichtkegel 61 des Kfz-Frontscheinwerfers 60 ist analog der vorstehenden Beschreibung mittels eines Musters 62 unterteilt, welches mit den Unterbrechungen 10 im Konversionselement 4 hinterlegt ist. Vorliegend könnte bspw. jeder Knotenpunkt mit einer Unterbrechung 10 definiert sein. Der Frontscheinwerfer 60 ist mit einer Steuereinheit 65 des Kraftfahrzeugs 66 verbunden, die Erfassung erfolgt mit einer Kamera 67. Bezüglich weiterer Möglichkeiten, insbesondere ein „Infrarotmuster“ betreffend, wird ausdrücklich auf die Beschreibungseinleitung verwiesen.
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Bezugszeichenliste
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| Bestrahlungsvorrichtung |
1 |
| Pumpstrahlungseinheit |
2 |
| Pumpstrahlung |
3 |
| Konversionselement |
4 |
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Einstrahlfläche |
4a |
| |
Abstrahlfläche |
4b |
| Konversionsstrahlung |
5 |
| Pumpstrahlungs-Spots |
6 |
| Konversionsstrahlungs-Spot |
7 |
| Optik |
8 |
| |
optische Achse |
8a |
| Spiegel |
9 |
| Unterbrechungen |
10 |
| Sacklöcher |
10a |
| Durchgangslöcher |
10b |
| Kfz-Frontscheinwerfer |
60 |
| Muster |
62 |
| Steuereinheit |
65 |
| Kraftfahrzeug |
66 |
| Kamera |
|
67 |
