DE102018206706A1

DE102018206706A1 - RADIATION UNIT

Info

Publication number: DE102018206706A1
Application number: DE102018206706.6A
Authority: DE
Inventors: Philip Pikart
Original assignee: Osram GmbH
Current assignee: Osram GmbH
Priority date: 2018-05-02
Filing date: 2018-05-02
Publication date: 2019-11-07

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Bestrahlungseinheit (1) mit einer Pumpstrahlungsquelle (2) zur Emission einer Pumpstrahlung (20), einem Konversionselement (3) zur zumindest teilweisen Konversion der Pumpstrahlung (20) in eine Konversionsstrahlung (4), einer Sammellinse (23) und einem Reflektor (24) mit einer Reflexionsfläche (24a), wobei sich die Reflexionsfläche (24a) um eine optische Achse der Sammellinse (23) umlaufend erstreckt und in Schnittebenen betrachtet, die jeweils die optische Achse beinhalten, eine konkave Krümmung hat, und wobei die Sammellinse (23) und die Reflexionsfläche (24a) einer Abstrahlfläche (3a) des Konversionselements (3), an welcher die Konversionsstrahlung (4) in Form eines Strahlenbündels (22) abgegeben wird, derart zugeordnet sind, dass
- ein in einem Mittensegment (22a) des Strahlenbündels (22) geführter Teil der Konversionsstrahlung (4) die Sammellinse (23) durchsetzt, und
- ein außerhalb des Mittensegments (22a), in einem Randsegment (22b) des Strahlenbündels (22) geführter Teil der Konversionsstrahlung (4) auf die Reflexionsfläche (24a) fällt und daran zurück zu dem Konversionselement (3) reflektiert wird.

The present invention relates to an irradiation unit (1) having a pump radiation source (2) for emitting a pump radiation (20), a conversion element (3) for at least partial conversion of the pump radiation (20) into a conversion radiation (4), a converging lens (23) and a reflector (24) having a reflection surface (24a), the reflection surface (24a) extending circumferentially about an optical axis of the condenser lens (23) and viewed in sectional planes each including the optical axis, having a concave curvature, and wherein Conveying lens (23) and the reflection surface (24a) of a radiating surface (3a) of the conversion element (3), at which the conversion radiation (4) is emitted in the form of a beam (22), are assigned such that
a part of the conversion radiation (4) guided in a center segment (22a) of the radiation beam (22) passes through the converging lens (23), and
a part of the conversion radiation (4) guided outside the center segment (22a) in an edge segment (22b) of the radiation beam (22) falls onto the reflection surface (24a) and is reflected back to the conversion element (3).

Description

Technisches GebietTechnical area

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Bestrahlungseinheit mit einer Pumpstrahlungsquelle zur Emission von Pumpstrahlung und einem Konversionselement zur zumindest teilweisen Konversion derselben in eine Konversionsstrahlung.The present invention relates to an irradiation unit having a pump radiation source for emitting pump radiation and a conversion element for at least partial conversion thereof into a conversion radiation.

Stand der TechnikState of the art

Bei Bestrahlungseinheiten 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. Ebenso kann bei einer Vollkonversion dem gelben Licht mit einer weiteren Quelle blaues Licht hinzugemischt werden. Die Pumpstrahlungsquelle, typischerweise ein Laser, und das Konversionselement sind zueinander beabstandet angeordnet, womit sich eine Bestrahlungseinheit 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.In irradiation units of the type in question, a conversion element, also referred to as a phosphor element, is irradiated with pump radiation, which is thereby converted into a conversion radiation of other spectral composition. The pump radiation may, for example, be blue light, in which case, in the case of a so-called partial conversion, proportionally unconverted blue light together with yellow light as conversion radiation in mixture may result in white light. Similarly, in a full conversion, the yellow light can be mixed with another source of blue light. The pumping radiation source, typically a laser, and the conversion element are arranged at a distance from each other, with which an irradiation unit of high beam or luminance can be realized. A more recent field of application is the street illumination with a motor vehicle headlight, which illustrates the present subject matter, but should not initially limit its generality.

Darstellung der ErfindungPresentation of the invention

Der vorliegenden Erfindung liegt das technische Problem zugrunde, eine besonders vorteilhafte Bestrahlungseinheit anzugeben.The present invention is based on the technical problem of specifying a particularly advantageous irradiation unit.

Dies wird erfindungsgemäß mit der Bestrahlungseinheit gemäß Anspruch 1 gelöst. Diese weist eine Sammellinse und einen Reflektor auf, die einer Abstrahlfläche des Konversionselements zugeordnet sind. An der Abstrahlfläche wird, auf die Anregung des Konversionselements mit der Pumpstrahlung hin, die Konversionsstrahlung in Form eines Strahlenbündels abgegeben, typischerweise Lambertsch, also aufgefächert in den Halbraum. Die Sammellinse und der Reflektor sind der Abstrahlfläche derart zugeordnet, dass ein unter steilem Winkel abgegebener Teil der Konversionsstrahlung die Sammellinse durchsetzt und so bspw. zur Beleuchtungsanwendung gelangt, wohingegen ein unter flachem Winkel abgegebener Teil davon auf eine Reflexionsfläche des Reflektors fällt und zurück zum Konversionselement reflektiert wird.This is achieved according to the invention with the irradiation unit according to claim 1. This has a converging lens and a reflector, which are associated with a radiating surface of the conversion element. At the emission surface, the excitation of the conversion element with the pump radiation out, the conversion radiation in the form of a beam emitted, typically Lambertsch, so fanned out in the half space. The converging lens and the reflector are associated with the radiating surface in such a way that a part of the conversion radiation emitted at a steep angle passes through the converging lens and thus, for example, reaches the illumination application, whereas a part emitted at a shallow angle falls onto a reflection surface of the reflector and reflects back to the conversion element becomes.

Diese Anordnung ist insoweit von Vorteil, als sich damit die Effizienz verbessern lässt, nämlich die Ausbeute an steilwinklig abgegebener Konversionsstrahlung erhöht werden kann. Die zum Konversionselement zurückreflektierte Konversionsstrahlung wird dort nämlich gestreut und infolgedessen zumindest mit gewisser Wahrscheinlichkeit unter einem steileren Winkel, also mit zur Sammellinse passender Etendue abgegeben. Jedenfalls ein Teil der zurückreflektierten Konversionsstrahlung gelangt somit letztlich doch durch die Sammellinse und kann genutzt werden. This arrangement is advantageous insofar as it can improve the efficiency, namely, the yield of steep-angle emitted conversion radiation can be increased. The conversion radiation reflected back to the conversion element is in fact scattered there and, as a result, at least with a certain probability at a steeper angle, that is to say with Etendue matching the convergent lens. In any case, a part of the back-reflected conversion radiation thus ultimately passes through the condenser lens and can be used.

Der Erfinder hat in ersten Versuchen eine Erhöhung des Lichtstroms um rund 20 % beobachtet.The inventor has observed in first attempts to increase the luminous flux by about 20%.

Um das unter den flachen Winkeln abgegebene Licht zurück zum Konversionselement zu reflektieren, erstreckt sich die Reflexionsfläche um die optische Achse der Sammellinse umlaufend. Ferner hat sie in Schnittebenen betrachtet, die jeweils die optische Achse beinhalten, eine konkave Krümmung, sie bildet einen dem Konversionselement zugewandten Hohlspiegel. Dieser erstreckt sich jedoch nicht über die gesamte Abstrahlfläche hinweg, sondern ist derart unterbrochen bzw. mit einem Loch vorgesehen, dass die unter steilen Winkeln abgegebene Konversionsstrahlung nicht auf die Reflexionsfläche, sondern durch die Sammellinse gelangt.In order to reflect the light emitted at the shallow angles back to the conversion element, the reflection surface extends circumferentially about the optical axis of the condenser lens. Furthermore, it has considered in sectional planes, each including the optical axis, a concave curvature, it forms a conversion element facing the concave mirror. However, this does not extend across the entire radiating surface, but is interrupted or provided with a hole in such a way that the conversion radiation emitted at steep angles does not reach the reflection surface, but passes through the converging lens.

Zusammengefasst wird mit der vorgeschlagenen Anordnung flachwinklig, in einem Randsegment des Strahlenbündels abgegebene Konversionsstrahlung zurück zum Konversionselement geführt und dort mit gewisser Wahrscheinlichkeit in ein steilwinklig abgegebenes Mittensegment gestreut, welches die Sammellinse durchsetzt. Damit wird die Strahl- bzw. Leuchtdichte erhöht und im Ergebnis mehr Strahlung bzw. Licht unter steilen Winkeln und damit zu der Sammellinse bzw. auch nachgelagerten optischen Bauteilen „passend“ abgegeben. Eine Erhöhung der Strahl- bzw. Leuchtdichte ließe sich zwar prinzipiell auch durch eine Erhöhung der Pumpstrahlungsintensität erreichen. Von dem Energiebedarf abgesehen würde dies jedoch zusätzlich die thermische Belastung des Konversionselements erhöhen, welche durch die zurückreflektierte Konversionsstrahlung bzw. die Streuprozesse typischerweise geringer ausfällt. In summary, with the proposed arrangement at a flat angle, conversion radiation emitted in an edge segment of the radiation beam is guided back to the conversion element and there, with a certain probability, scattered into a center segment emitted at a steep angle, which passes through the condenser lens. Thus, the beam or luminance is increased and delivered as a result more radiation or light at steep angles and thus to the converging lens or also downstream optical components "suitable". An increase in the beam or luminance could, in principle, also be achieved by increasing the pump radiation intensity. Apart from the energy requirement, however, this would additionally increase the thermal load of the conversion element, which is typically lower due to the reflected radiation or the scattering processes reflected back.

Bevorzugte Ausgestaltungen finden sich in den abhängigen Ansprüchen und der gesamten Offenbarung, wobei bei der Darstellung der Merkmale nicht im Einzelnen zwischen Vorrichtungs- und Verfahrens- bzw. Verwendungsaspekten unterschieden wird; jedenfalls implizit ist die Offenbarung hinsichtlich sämtlicher Anspruchskategorien zu lesen.Preferred embodiments can be found in the dependent claims and the entire disclosure, wherein in the representation of the features is not distinguished in detail between device and process or use aspects; In any case, implicitly, the disclosure must be read with regard to all categories of claims.

Hauptanspruchsgemäß wird auf ein Mittensegment und ein Randsegment des Strahlenbündels der Konversionsstrahlung Bezug genommen, Ersteres durchsetzt die Sammellinse, Letzteres fällt auf die Reflexionsfläche. Das Randsegment erstreckt sich, bezogen auf die optische Achse der Sammellinse, um das Mittensegment umlaufend. Die beiden Segmente müssen miteinander nicht zwingend das gesamte Strahlenbündel ausfüllen, es muss also in anderen Worten nicht zwingend der gesamte Teil der Konversionsstrahlung, der nicht die Sammellinse durchsetzt, auf die Reflexionsfläche fallen, wenngleich dies aus Effizienzgründen bevorzugt ist.According to the main claim, reference is made to a center segment and an edge segment of the radiation beam of the conversion radiation, the first passes through the condenser lens, the latter falls on the Reflecting surface. The edge segment extends, relative to the optical axis of the converging lens, circumferentially around the center segment. The two segments do not necessarily have to fill the entire bundle of rays with one another; in other words, it is not absolutely necessary for the entire part of the conversion radiation, which does not pass through the convergent lens, to fall onto the reflection surface, although this is preferred for reasons of efficiency.

Die Pumpstrahlungsquelle ist bevorzugt eine Laserquelle, die bspw. auch aus mehreren Einzel-Laserquellen aufgebaut sein kann. Als Einzel-Laserquelle ist eine Laserdiode bevorzugt, sodass dann bspw. mehrere Laserdioden gemeinsam die Pumpstrahlungsquelle bilden können (im Allgemeinen kann aber selbstverständlich auch eine einzige Laserdiode vorgesehen sein). Die Strahlenbündel der Einzel-Laserquellen bzw. Laserdioden können dann bspw. mit einer Strahlkompressionsoptik zusammengeführt und überlagert auf das Konversionselement gebracht werden. Generell durchsetzt die Pumpstrahlung dem Konversionselement vorgelagert bevorzugt Luft als Fluidvolumen, wobei im Allgemeinen aber bspw. auch ein Inertgas (Argon etc.) denkbar wäre. Ein solcher Aufbau wird auch als LARP-Anordnung bezeichnet (Laser Activated Remote Phosphor, LARP). Die Pumpstrahlung kann bspw. auch über eine Fiberoptik bzw. Lichtleiter geführt werden, wobei dann alternativ zu LARP auch eine Anordnung des Konversionselements direkt am Ausgang des Lichtleiters möglich sein kann.The pump radiation source is preferably a laser source, which, for example, can also be constructed from a plurality of individual laser sources. As a single laser source, a laser diode is preferred, so then, for example, a plurality of laser diodes together can form the pump radiation source (in general, however, can of course also be provided a single laser diode). The beams of the individual laser sources or laser diodes can then be brought together, for example, with a beam compression optics and placed superimposed on the conversion element. In general, the pump radiation preferably passes through the conversion element upstream of air as the volume of fluid, but generally, for example, an inert gas (argon, etc.) would also be conceivable. Such a structure is also called a LARP arrangement (Laser Activated Remote Phosphor, LARP). The pump radiation can, for example, also be guided via a fiber optic or light guide, in which case an arrangement of the conversion element directly at the output of the light guide may be possible as an alternative to LARP.

Das Konversionselement kann bspw. ein Matrixmaterial aufweisen, etwa eine Keramik, Glas oder auch ein Kunststoffmaterial, in dem der Leuchtstoff auf diskrete Bereiche verteilt angeordnet ist, z. B. in Körnern der Keramik oder in Partikelform in das Glas bzw. den Kunststoff eingebettet (zusätzlich können bspw. auch thermische Füllsubstanzen bzw. Partikel zur besseren Wärmeableitung eingebettet sein, etwa Diamant, Silizium, Carbid). Im Allgemeinen ist aber auch ein Konversionselement in z. B. monokristalliner Form denkbar, etwa ein YAG:Ce-Monokristall. Ferner kann das Konversionselement bspw. auch aus agglomerierten Leuchtstoffpartikeln vorgesehen sein, die bspw. in einer Suspension aufgebracht werden, deren Trägerflüssigkeit dann abdampft. Funktional bildet der Leuchtstoff „Konversionszentren“ in dem Konversionselement, dort wird die Pumpstrahlung konvertiert. Auch ist es denkbar, ein Konversionselement in einem 3D-Druckverfahren oder einem Spritzgussverfahren herzustellen.The conversion element can, for example, have a matrix material, for example a ceramic, glass or even a plastic material, in which the phosphor is arranged distributed over discrete regions, eg. B. in grains of ceramic or in particle form embedded in the glass or plastic (in addition, for example, thermal fillers or particles may be embedded for better heat dissipation, such as diamond, silicon, carbide). In general, however, is also a conversion element in z. As monocrystalline form conceivable, such as a YAG: Ce monocrystal. Furthermore, the conversion element can, for example, also be provided of agglomerated phosphor particles which, for example, are applied in a suspension whose carrier liquid then evaporates. Functionally, the phosphor forms "conversion centers" in the conversion element, where the pump radiation is converted. It is also conceivable to produce a conversion element in a 3D printing process or an injection molding process.

3D-Druck kann insoweit von Vorteil sein, als aufgrund der technischen Freiheitsgrade eine gezielte Gestaltung der lokalen Verteilungen (Leuchtstoff, weitere Füllsubstanzen, Matrixmaterial) möglich sein kann. Auch können strahlbegrenzende Elemente mit eindruckt werden (Beam-Confinement), etwa im Falle eines von AlO₂-Strukturen umgebenen Leuchtstoffbereichs. Eine Confinement-Struktur kann reflektiv oder zumindest bereichsweise transluzent sein, und sie kann auch einen Reflexions- und/oder Transluzens-Gradienten aufweisen. Die Confinement-Struktur kann auch mehrteilig ausgeführt sein3D printing can be advantageous insofar as, due to the technical degrees of freedom, a specific design of the local distributions (phosphor, further filling substances, matrix material) can be possible. Also, beam-elements can be impressed with (Beam confinement), as in the case of an AlO ₂ structures surrounded phosphor area. A confinement structure may be reflective, or at least partially translucent, and may also have a reflectance and / or translucency gradient. The confinement structure can also be designed in several parts

Der Begriff „Leuchtstoff“ kann sich auch auf eine Mischung mehrerer Einzel-Leuchtstoffe beziehen, die bspw. jeweils Konversionsstrahlung mit unterschiedlichen spektralen Eigenschaften emittieren. Geeignete Leuchtstoffe können bspw. oxidische oder (oxi-)nitridische Materialien, wie Granate, Orthosilikate, Nitrido(alumo)silikate, Nitridoorthosilikate oder Halogenide oder Halophosphate aufweisen. Konkrete Beispiele können dotierte Yttrium-Aluminium-Granate wie YAG:Ce, dotierte Lutetium-Aluminium-Granat wie LuAG:Ce, dotierte Siliziumnitrid-Materialien wie Eu-dotiertes CaAlSiN3 oder dergleichen aufweisen. Dotiermaterialien können generell bspw. Ce, Tb, Eu, Yb, Pr, Tm und/oder Sm sein. Weiterhin sind auch zusätzliche Dotierungen möglich, also Co-Dotierungen. Besonders bevorzugt kann ein Konversionselement mit Cerdotiertem Yttrium-Aluminium-Granat (YAG:Ce) sein, insbesondere mit YAG:Ce als einzigem Leuchtstoff. Mit dessen gelber Konversionsstrahlung kann sich in Mischung mit blauem Licht dann Weißlicht ergeben.The term "phosphor" may also refer to a mixture of a plurality of individual phosphors which, for example, each emit conversion radiation with different spectral properties. Suitable phosphors may, for example, oxide or (oxi-) nitridic materials such as garnets, orthosilicates, nitrido (alumo) silicates, Nitridoorthosilikate or halides or halophosphates have. Concrete examples may include doped yttrium aluminum garnets such as YAG: Ce, doped lutetium-aluminum garnets such as LuAG: Ce, doped silicon nitride materials such as Eu-doped CaAlSiN3 or the like. Doping materials may generally be, for example, Ce, Tb, Eu, Yb, Pr, Tm and / or Sm. Furthermore, additional dopants are possible, so co-dopants. Particularly preferred may be a conversion element with cerium-doped yttrium-aluminum garnet (YAG: Ce), in particular with YAG: Ce as the sole phosphor. With its yellow conversion radiation, white light can then result in mixture with blue light.

Bei einer bevorzugten Ausführungsform hat das Mittensegment des Strahlenbündels, welches die Sammellinse durchsetzt, dieser vorgelagert einen Öffnungswinkel von höchstens 130°, 120° bzw. 110° (in der Reihenfolge der Nennung zunehmend bevorzugt). Wäre der Abstrahlfläche nur die Sammellinse und nicht die Reflexionsfläche zugeordnet, müsste der Öffnungswinkel maximiert werden, um möglichst viel Konversionsstrahlung aufzusammeln. Es wäre also eine entsprechend große numerische Apertur erforderlich, was ein mitunter relativ komplexes Linsendesign und einen dementsprechend hohen Aufwand bedeuten kann, auch in Kostenhinsicht. Im Vergleich dazu erlaubt der vorliegende Ansatz vereinfacht ausgedrückt, eine etwas weniger komplexe bzw. aufwändige Linse vorzusehen, weil diese eben nicht auch noch die flachwinklige Konversionsstrahlung aufsammeln muss, die ja über den Reflektor „recycelt“ wird. Davon abgesehen kann auch die Etendue eines nachgelagerten optischen Elements, etwa eines Mikrospiegel-Arrays, limitierend sein, sodass die aufwändig mit dem Linsensystem aufgesammelte, flachwinklige Strahlung dann dort mitunter gar nicht verarbeitet werden könnte.In a preferred embodiment, the center segment of the radiation beam passing through the converging lens has an opening angle of at most 130 °, 120 ° or 110 ° upstream of it (increasingly preferred in the order of the reference). If the radiating surface were assigned only to the converging lens and not to the reflection surface, the opening angle would have to be maximized in order to collect as much conversion radiation as possible. So it would be a correspondingly large numerical aperture required, which may mean a sometimes relatively complex lens design and a correspondingly high cost, also in cost perspective. In comparison, the present approach, in simple terms, allows to provide a somewhat less complex or complex lens, because it does not have to collect even the flat-angle conversion radiation, which is indeed "recycled" via the reflector. Apart from that, the etendue of a downstream optical element, such as a micromirror array, may also be limiting, so that the flat-angle radiation which has been collected with great effort by the lens system could then not be processed there at times.

Mögliche Untergrenzen des Öffnungswinkels (des Mittensegments der Sammellinse vorgelagert), die im Allgemeinen auch unabhängig von den genannten Obergrenzen offenbart sein sollen, liegen bei in der Reihenfolge der Nennung zunehmend bevorzugt mindestens 80°, 90° bzw. 100°. Entsprechende Öffnungswinkel bzw. -bereiche lassen sich mit vertretbarem optischen Aufwand erreichen, bspw. mit einer numerischen Apertur von kleiner 0,9. Bevorzugt ist das Mittensegment um die optische Achse der Sammellinse rotationssymmetrisch, ist also der Öffnungswinkel über den Umlauf konstant (im Falle eines umlaufend variierenden Öffnungswinkels wird ein über den Umlauf gebildete Mittelwert zugrunde gelegt). Der Begriff „Öffnungswinkel“ bezeichnet generell ohne ausdrücklich gegenteilige Angabe den vollen Öffnungswinkel.Possible lower limits of the opening angle (upstream of the centering segment of the converging lens), which are generally also disclosed independently of the stated upper limits, are increasingly preferred in the order of entry at least 80 °, 90 ° or 100 °. Corresponding opening angles or ranges can be achieved with reasonable optical complexity, for example with a numerical aperture of less than 0.9. The center segment is preferably rotationally symmetrical about the optical axis of the converging lens, that is to say the opening angle is constant over the revolution (in the case of a circumferentially varying opening angle, an average formed over the revolution is used). The term "opening angle" generally refers to the full opening angle without expressly indicating otherwise.

Bezogen auf die optische Achse der Sammellinse kann sich die Reflexionsfläche in einer die optische Achse beinhaltenden Schnittfläche betrachtet bspw. mindestens ab einem Winkel von 80°, 75° bzw. 70° erstrecken (in der Reihenfolge der Nennung zunehmend bevorzugt), vorzugsweise bis mindestens 90° (sie kann sogar ein Stück weit darüber hinaus gezogen sein). Generell ist die Sammellinse um die „optische Achse“ bevorzugt zumindest drehsymmetrisch, vorzugsweise rotationssymmetrisch.With reference to the optical axis of the converging lens, the reflection surface may extend in an intersecting surface containing the optical axis, for example at least at an angle of 80 °, 75 ° or 70 ° (increasingly preferred in the order in which it is mentioned), preferably up to at least 90 ° ° (she may even have moved a little way beyond that). In general, the converging lens about the "optical axis" is preferably at least rotationally symmetrical, preferably rotationally symmetrical.

In bevorzugter Ausgestaltung ist die Sammellinse eine Kollimationslinse, ist das Mittensegment der Sammellinse nachgelagert also ein Parallel-Strahlenbündel. Letzteres meint, dass das Mittensegment dann einen Öffnungswinkel von höchstens 5°, 4°, 3°, 2° bzw. 1° haben soll (in der Reihenfolge der Nennung zunehmend bevorzugt), besonders bevorzugt ist ein Öffnungswinkel von 0° (im Rahmen technisch üblicher Genauigkeit). Die Sammellinse kollimiert des Mittensegment idealerweise für sich, also als Einzellinse, es ist bspw. kein aufwändiges Linsensystem aus mehreren aufeinanderfolgenden Linsen erforderlich. Auch hierin kommt der eben skizzierte Gedanke zum Ausdruck, dass die Umverteilung mittels der Reflexionsfläche eine Vereinfachung der Kollimationsoptik erlaubt.In a preferred embodiment, the converging lens is a collimating lens, the center segment of the converging lens is thus downstream of a parallel beam. The latter means that the center segment should then have an opening angle of at most 5 °, 4 °, 3 °, 2 ° or 1 ° (increasingly preferred in the order of entry), particularly preferred is an opening angle of 0 ° (in the context of technical usual accuracy). Ideally, the converging lens collimates the center segment on its own, ie as a single lens; for example, it is not necessary to use a complex lens system comprising a plurality of successive lenses. Here, too, the idea just outlined expresses that the redistribution by means of the reflection surface allows a simplification of the collimation optics.

Der Vollständigkeit halber ist anzumerken, dass der Erfindungsgedanke in seiner allgemeinen Form selbstverständlich auch in Verbindung mit einer komplexeren bzw. aufwändigeren Sammellinse realisiert werden. Die Sammellinse kann bspw. sogar auch als Gradientenlinse ausgeführt sein (Grin-Linse) und einen Brechungsindexgradienten haben. Bevorzugt hat das Linsenmaterial jedoch einen konstanten Brechungsindex. Im Allgemeinen ist bspw. auch eine Saphirlinse denkbar, bevorzugt ist eine Kunststoff- bzw. Glaslinse, auch in Kostenhinsicht.For the sake of completeness, it should be noted that the concept of the invention in its general form is, of course, also realized in conjunction with a more complex or expensive collecting lens. The condenser lens can, for example, even be embodied as a gradient lens (Grin lens) and have a refractive index gradient. However, the lens material preferably has a constant refractive index. In general, for example, a sapphire lens is conceivable, preferably a plastic or glass lens, also in cost perspective.

Bei einer bevorzugten Ausführungsform ist die Reflexionsfläche sphärisch gekrümmt, liegt ihr also eine Kugelform zugrunde. In den die optische Achse der Sammellinse beinhaltenden Schnittebenen betrachtet hat die Reflexionsfläche somit jeweils die Form eines Kreisabschnitts. Bevorzugt ist der Reflektor derart angeordnet, dass der Mittelpunkt der der Reflexionsfläche zugrundeliegenden Kugel in dem Konversionselement bzw. in dessen Abstrahlfläche liegt.In a preferred embodiment, the reflection surface is spherically curved, so it is based on a spherical shape. In the sectional planes containing the optical axis of the condenser lens, the reflection surface thus has the shape of a circle segment. Preferably, the reflector is arranged such that the center of the reflection surface underlying ball is located in the conversion element or in its emission surface.

In bevorzugter Ausgestaltung erstreckt sich der Reflektor vollständig umlaufend, also über 360° um die optische Achse. Entsprechend bildet die Reflexionsfläche entlang der optischen Achse gesehen eine Ringform, in deren Mitte die Sammellinse angeordnet ist. Eine vollständig umlaufende, also in sich geschlossene Ringform kann bspw. hinsichtlich der Effizienz von Vorteil sein, wenngleich im Allgemeinen auch bereits mit einer lokal unterbrochenen Reflexionsfläche Verbesserungen erzielt werden (Unterbrechungen können bspw. montagebedingt sein).In a preferred embodiment, the reflector extends completely circumferentially, ie over 360 ° about the optical axis. Accordingly, the reflection surface along the optical axis forms an annular shape, in the center of which the converging lens is arranged. A completely encircling, ie self-contained ring shape may be advantageous, for example, in terms of efficiency, although in general improvements are also already made with a locally interrupted reflection surface (interruptions may be due to assembly, for example).

Bei einer bevorzugten Ausführungsform sind die Sammellinse und der Reflektor monolithisch miteinander ausgebildet, ist nämlich die Reflexionsfläche an einem transmissiven Körper ausgebildet und bildet derselbe transmissive Körper zumindest eine Brechungsfläche der Sammellinse, bevorzugt die gesamte Sammellinse. Im Allgemeinen ist sogar auch eine Anordnung derart denkbar, dass die im Randsegment geführte Konversionsstrahlung der Reflexionsfläche vorgelagert den transmissiven Körper durchsetzt, die Reflexionsfläche also mit anderen Worten auf einer Seitenfläche des transmissiven Körpers angeordnet ist, die radial außen liegt (die Radialrichtungen stehen senkrecht auf der optischen Achse und weisen von dieser Weg nach außen). Der transmissiven Körper könnte also bspw. als Halbkugel (geschnittene Kugel) vorgesehen und mit der Schnittfläche an die Abstrahlfläche gesetzt sein, wobei ein an die Schnittfläche grenzender Randbereich der Kugelform verspiegelt wäre. In einem an die Spiegelfläche anschließenden, mittleren Bereich könnte der transmissive Körper dann eine von der Kugelform abweichende Oberflächenkrümmung haben, um dort die Brechungsfläche der Sammellinse zu bilden.In a preferred embodiment, the converging lens and the reflector are monolithically formed with each other, namely, the reflection surface is formed on a transmissive body and forms the same transmissive body at least one refractive surface of the converging lens, preferably the entire converging lens. In general, even an arrangement is conceivable such that the guided in the edge segment conversion radiation of the reflection surface passes through the transmissive body, ie the reflection surface is arranged in other words on a side surface of the transmissive body, which lies radially outward (the radial directions are perpendicular to the optical axis and point outward from this path). The transmissive body could thus be provided, for example, as a hemisphere (cut ball) and placed with the cut surface on the emission surface, wherein an edge region bordering the cut surface of the spherical shape would be mirrored. In a central region adjoining the mirror surface, the transmissive body could then have a surface curvature deviating from the spherical shape in order to form the refractive surface of the condenser lens there.

In bevorzugter Ausgestaltung begrenzen jedoch die Sammellinse und der Reflektor miteinander einen Hohlraum an der Abstrahlfläche. Diesen durchsetzt das Strahlenbündel der Linse bzw. Reflexionsfläche vorgelagert. Hierbei ist gleichwohl eine monolithische Ausgestaltung von Reflektor und Sammellinse möglich, wobei die Reflexionsfläche im Unterschied zur Variante des vorherigen Absatzes an einer Seitenwandfläche des Reflektors angeordnet ist, die radial innen liegt bzw. der optischen Achse zugewandt ist. Der Reflektor begrenzt also die bevorzugt sphärische Reflexionsfläche in seinem Inneren, axial schließt die Sammellinse an. Dieser Aufbau lässt sich auch mit einem zusammenhängenden transmissiven Körper realisieren, dessen sphärische Innenwandfläche dann beschichtet wird, bspw. mit einer Silberschicht.In a preferred embodiment, however, limit the converging lens and the reflector together a cavity on the radiating surface. This penetrates the beam of the lens or reflection surface upstream. In this case, however, a monolithic configuration of reflector and condenser lens is possible, wherein the reflection surface is arranged in contrast to the variant of the previous paragraph on a side wall surface of the reflector, which lies radially inward and faces the optical axis. The reflector thus restricts the preferably spherical reflection surface in its interior, the collecting lens enclosing axially. This structure can also be realized with a coherent transmissive body whose spherical inner wall surface is then coated, for example with a silver layer.

Generell kann der Reflektor aus Kunststoff oder bspw. auch Metall vorgesehen sein. Insbesondere im letztgenannten Fall kann auch der Reflektor selbst, also dessen Grundkörper, die Reflexionsfläche bilden. Andererseits kann auch eine Schicht bzw. ein Schichtsystem die Reflexionsfläche bilden, auch im Falle eines metallischen Grundkörpers (wenn bspw. ein besonders hohe Reflektivität erforderlich ist). Generell kann die Reflexionsfläche im Spektralbereich der Konversionsstrahlung bspw. eine Reflektivität von mindestens 85 %, 90 % bzw. 95 % haben (in der Reihenfolge der Nennung zunehmend bevorzugt). Wenngleich im Allgemeinen ein idealer Reflektor (100 %) bevorzugt wäre, können technisch bedingt Obergrenzen bspw. bei höchstens 99,9 %, 99,5 % bzw. 99 % liegen.In general, the reflector can be made of plastic or, for example, also metal. In particular, in the latter case, the reflector itself, so its body, the reflection surface form. On the other hand, a layer or a layer system can also form the reflection surface, even in the case of a metallic base body (if, for example, a particularly high reflectivity is required). In general, the reflection surface in the spectral range of the conversion radiation may, for example, have a reflectivity of at least 85%, 90% or 95% (increasingly preferred in the order in which they are mentioned). Although in general an ideal reflector (100%) would be preferred, for technical reasons upper limits can, for example, be at most 99.9%, 99.5% and 99%, respectively.

In bevorzugter Ausgestaltung ist der Hohlraum, den die Sammellinse und der Reflektor miteinander begrenzen, zumindest teilweise evakuiert und/oder mit einem Schutzgas befüllt, bspw. mit Argon. Gegenüber der Umgebungsluft soll der Sauerstoffanteil jedenfalls reduziert sein, was insbesondere auch einer Degradation des Leuchtstoffs vorbeugen bzw. diese zumindest verzögern kann. Generell grenzt der Hohlraum, den Sammellinse und Reflektor gemeinsam bilden, direkt an die Abstrahlfläche des Konversionselements.In a preferred embodiment, the cavity which the collecting lens and the reflector define with one another is at least partially evacuated and / or filled with a protective gas, for example with argon. Compared to the ambient air, the oxygen content should in any case be reduced, which in particular also prevents degradation of the phosphor or may at least delay it. In general, the cavity, the collective lens and reflector together form, directly adjacent to the radiating surface of the conversion element.

Bei einer bevorzugten, zu der monolithischen Ausgestaltung alternativen Ausführungsform sind die Sammellinse und der Reflektor zusammengesetzt. Vorzugsweise bildet der Reflektor ein Durchgangsloch, in welches die Sammellinse eingesetzt und dann bspw. mit einem Klemmsitz oder auch einer Hinterschneidung (Rastmechanismus) gehalten ist. Selbstverständlich ist auch ein stoffschlüssiges Verbinden möglich, bspw. ein Fügen, insbesondere ein Verkleben. Die in das Durchgangsloch eingesetzte Sammellinse muss nicht notwendigerweise über ihre gesamte axiale Bautiefe in dem Reflektor aufgenommen sein, bevorzugt liegt jedenfalls die der Abstrahlfläche des Konversionselements zugewandte Eintrittsfläche der Sammellinse innerhalb des Reflektors, was im Schnitt betrachtet eine dem menschlichen Auge vergleichbare Form ergibt.In a preferred embodiment, which is alternative to the monolithic embodiment, the condenser lens and the reflector are composed. Preferably, the reflector forms a through hole into which the converging lens is inserted and then held, for example, with a clamping seat or an undercut (latching mechanism). Of course, a cohesive bonding is possible, for example. A joining, in particular a bonding. The converging lens used in the through-hole does not necessarily have to be accommodated in the reflector over its entire axial depth. Preferably, the entrance surface of the convergent lens facing the emission surface of the conversion element lies inside the reflector, which, viewed in section, gives a shape comparable to the human eye.

Im Allgemeinen kann der Erfindungsgegenstand auch bei einem in Transmission betriebenen Konversionselement Anwendung finden, können also die Abstrahl- und eine Einstrahlfläche einander entgegengesetzt liegen. Auf die Einstrahlfläche fällt im Betrieb die Pumpstrahlung. Bei dem Betrieb in Transmission kann sie zur Erhöhung der Effizienz auch wellenlängenabhängig verspiegelt sein, also mit einer für die Pumpstrahlung transmissiven, für die Konversionsstrahlung jedoch reflektiven Schicht versehen sein, typischerweise einem dichroitischen Schichtsystem (aus mehreren Schichten mit unterschiedlichen Brechungsindizes) .In general, the subject of the invention can also be applied to a conversion element operated in transmission, that is to say that the emission and an irradiation surface can lie opposite one another. During operation, the pump radiation falls on the radiation surface. In operation in transmission, it can also be wavelength-dependent mirrored to increase the efficiency, ie be provided with a transmissive to the pump radiation, but for the conversion radiation reflective layer, typically a dichroic layer system (of several layers with different refractive indices).

In bevorzugter Ausgestaltung wird das Konversionselement in Reflexion betrieben, ist also die Abstrahlfläche zugleich auch Einstrahlfläche. Idealerweise wird dann die zum Abführen der Konversionsstrahlung vorgesehene Sammellinse auch zum Koppeln der Pumpstrahlung auf das Konversionselement genutzt, durchsetzt also ein Pumpstrahlungs-Strahlenbündel die Sammellinse (in entgegengesetzter Richtung zu dem Strahlenbündel mit der Konversionsstrahlung). Mit der Sammellinse wird die Pumpstrahlung auf die kombinierte Einstrahl-/Abstrahlfläche fokussiert. Generell wird vorliegend als Einstrahl- bzw. Abstrahlfläche jeweils die gesamte entsprechende Seitenfläche des Konversionselements betrachtet, also nicht nur der mit Pumpstrahlung bestrahlte bzw. Konversionsstrahlung abgebende Bereich (der als Spot bezeichnet wird).In a preferred embodiment, the conversion element is operated in reflection, that is, the emission surface at the same time also Einstrahlfläche. Ideally, the converging lens provided for dissipating the conversion radiation is then also used for coupling the pump radiation to the conversion element, ie a pump radiation beam penetrates the convergent lens (in the opposite direction to the radiation beam with the conversion radiation). With the converging lens, the pump radiation is focused on the combined Einstrahl- / radiating surface. In general, in the present case the entire corresponding side surface of the conversion element is considered as the radiation or emission surface, ie not only the area irradiated with pump radiation or conversion radiation (which is referred to as the spot).

Die Kombination aus Sammellinse und Reflektor mit dem Betrieb in Reflexion kann bspw. insoweit von besonderem Vorteil sein, als dann an der Reflexionsfläche nicht nur flachwinklig abgegebene Konversionsstrahlung recycelt werden kann, sondern auch unter flachen Winkeln gestreute Pumpstrahlung. Typischerweise wird nämlich nicht immer die gesamte Pumpstrahlung konvertiert, sondern wird ein gewisser Teil davon auch gestreut und damit auch zur Seite hin abgegeben. Dieser Teil der Pumpstrahlung kann über die Reflexionsfläche zurück zum Konversionselement geführt und dort (mit gewisser Wahrscheinlichkeit) konvertiert werden. Dies kann hinsichtlich des thermischen Haushalts in der Gesamtauslegung berücksichtigt werden, sodass bspw. originär etwas weniger Pumpstrahlung eingestrahlt wird, als aus thermischer Sicht bzw. hinsichtlich des Konversionsgrads möglich.The combination of convergent lens and reflector with the operation in reflection may, for example, be of particular advantage insofar as then not only flat-angle emitted conversion radiation can be recycled at the reflection surface, but also at low angles scattered pump radiation. Typically, the entire pump radiation is not always converted, but a certain part of it is also scattered and thus also emitted to the side. This part of the pump radiation can be guided over the reflection surface back to the conversion element and converted there (with a certain probability). This can be taken into account in terms of the thermal budget in the overall design, so that, for example, originally slightly less pump radiation is irradiated, as possible from a thermal point of view or in terms of the degree of conversion.

Zudem kann der Betrieb in Reflexion thermisch generell von Vorteil sein, weil an der Rückseite des Konversionselements, welche der Einstrahl-/Abstrahlfläche entgegengesetzt liegt, ein Kühlkörper angeordnet werden kann. Davon unabhängig kann auch der Reflektor eine gewisse Kühlfunktion erfüllen, kann er also bspw. aus einem besonders wärmeleitfähigen Material (Metall) und/oder mit einer auf Wärmeabfuhr optimierten Geometrie, bspw. Kühlrippen, vorgesehen sein. Es kann z. B. eine der Reflexionsfläche entgegengesetzte Außenwandfläche mit Kühlrippen geformt sein. Auch davon unabhängig ist eine direkte thermische Anbindung zwischen dem rückseitigen Kühlkörper und dem Reflektor möglich und bevorzugt, kann also Letzterer bspw. eine zusätzliche Wärmesenke darstellen. Der Reflektor kann bspw. mit dem Kühlkörper, auf welchem das Konversionselement angeordnet ist, stoffschlüssig verbunden, etwa verlötet sein.In addition, the operation in reflection thermally generally be advantageous because at the rear of the conversion element, which is opposite to the Einstrahl- / radiating, a heat sink can be arranged. Irrespective of this, the reflector can also fulfill a certain cooling function, ie it can be provided, for example, of a material which is particularly thermally conductive (metal) and / or with a geometry optimized for heat dissipation, for example cooling fins. It can, for. B. a reflection surface opposite outer wall surface may be formed with cooling fins. Independently of this, a direct thermal connection between the rear-side heat sink and the reflector is possible and preferred, that is to say that the latter can, for example, constitute an additional heat sink. The reflector can, for example, with the heat sink on which the conversion element is arranged, cohesively connected, be soldered about.

Die Einstrahl- und/oder die Abstrahlfläche kann generell mit einer Mikrostruktur gefasst sein, also einer angerauten Oberfläche, womit gegebenenfalls die Koppeleffizienz verbessert werden kann. Im Falle der Einstrahlfläche kann also bspw. der Anteil an eingekoppelter Pumpstrahlung erhöht werden, im Falle der Abstrahlfläche der Anteil an ausgekoppelter Konversionsstrahlung. Eine solche Mikrostruktur kann über die gesamte Seitenfläche des Konversionselements vorgesehen sein, oder aber auch nur bereichsweise, bspw. mittig oder ringförmig. Die Mikrostruktur an sich kann mit einer gewissen Periodizität regelmäßig oder auch eine statistisch bzw. zufallsverteilte Kontur haben.The Einstrahl- and / or the radiating surface can be taken in general with a microstructure, ie a roughened surface, which if necessary, the coupling efficiency can be improved. In the case of the irradiation surface, it is thus possible, for example, to increase the proportion of coupled pump radiation, in the case of the emission surface the proportion of decoupled conversion radiation. Such a microstructure may be provided over the entire side surface of the conversion element, or even only partially, for example. Centrally or annularly. The microstructure per se may have regular or random or random distribution with a certain periodicity.

Generell kann eine statische Anordnung bevorzugt sein, bei welcher das Konversionselement in seiner Relativposition zu Sammellinse und Reflektor lagefixiert ist. Dies ist aber im Allgemeinen nicht zwingend, der Erfindungsgedanke lässt sich ebenso auf ein bewegbar gelagertes, bspw. drehbares Konversionselement anwenden. Ein Beispiel ist ein sogenanntes Leuchtstoffrad, bei dem das Konversionselement ring- bzw. segmentförmig vorgesehen ist, bspw. auf einer drehbar gelagerten Scheibe (ringförmig um deren Drehachse). Ein Pumpstrahlungs-Spot bestrahlt nur einen kleinen Teilbereich der Ringform, das Konversionselement wird unter dem Spot hinweg gedreht. Damit lässt sich bspw. mit einem Konversionselement, das unterschiedliche Leuchtstoffe aufweist, im Zeitverlauf ein Farbwechsel realisieren. Dies kann in Verbindung mit einem Flächenlichtmodulator zu Projektions- bzw. auch Effektbeleuchtungszwecken genutzt werden.In general, a static arrangement may be preferred, in which the conversion element is fixed in position in its relative position to converging lens and reflector. However, this is generally not mandatory, the concept of the invention can also be applied to a movably mounted, for example. Rotatable conversion element. An example is a so-called phosphor wheel, in which the conversion element is provided in a ring-shaped or segment-shaped manner, for example on a rotatably mounted disk (annular around its axis of rotation). A pump radiation spot irradiates only a small portion of the ring shape, the conversion element is rotated away under the spot. Thus, for example, with a conversion element having different phosphors, a color change over time can be realized. This can be used in conjunction with a surface light modulator for projection or also effects lighting purposes.

Bezogen auf die vorliegende Anordnung wird dann zwar das Konversionselement kontinuierlich unter dem Reflektor und der Linse hindurchgedreht, ergibt dies jedoch hinsichtlich der Strahlführung keine Variationen bzw. Fluktuationen, weil der Pumpstrahlungs-Spot relativ zu Reflektor und Sammellinse ruht und dementsprechend auch ein Konversionsstrahlungs-Spot relativ dazu ruht, trotz des bewegten Konversionselements. Bevorzugt ist gleichwohl eine statische Anordnung, sind also Konversionselement, Sammellinse und Reflektor relativ zueinander lagefixiert.With reference to the present arrangement, although the conversion element is then rotated continuously under the reflector and the lens, this results in no variations or fluctuations in terms of the beam guidance because the pump radiation spot rests relative to the reflector and condenser lens and, accordingly, also a conversion radiation spot relatively to rest, despite the moving conversion element. However, a static arrangement is nevertheless preferred, that is to say the conversion element, converging lens and reflector are fixed in position relative to one another.

Bei einer bevorzugten Ausführungsform hat die Abstrahlfläche des Konversionselements in die optische Achse der Sammellinse beinhaltenden Schnittebenen betrachtet eine konvexe Wölbung, tritt sie als bereichsweises zur Sammellinse hin ein Stück weit hervor. Bevorzugt hat die Abstrahlfläche in besagten Schnittebenen betrachtet einen glatten, also nicht gestuften Verlauf (von einer etwaigen Mikrostruktur abgesehen). Bevorzugt liegt das Maximum der konvexen Wölbung dort, wo die optische Achse der Sammellinse das Konversionselement durchsetzt.In a preferred embodiment, the radiating surface of the conversion element, viewed in the optical axis of the condensing lens-containing cutting planes viewed a convex curvature, it emerges as a section to the converging lens to a point far out. The emission surface preferably has a smooth, ie non-stepped course (apart from a possible microstructure) in said sectional planes. Preferably, the maximum of the convex curvature is where the optical axis of the converging lens passes through the conversion element.

Im vorliegenden Zusammenhang kann die bereichsweise konvexe Wölbung bspw. insoweit von Vorteil sein, als dann speziell bei dem Betrieb in Reflexion ein spekularer Reflex der entlang der optischen Achse einfallenden Pumpstrahlung nach außen verkippt auf die Reflexionsfläche treffen kann. Im Falle einer planen Einstrahl-/Abstrahlfläche würde dieser spekulare Reflex, der bspw. durch Fresnel-Reflexionen bedingt sein kann, hingegen wieder durch die Sammellinse austreten, bliebe also die entsprechende Pumpstrahlung ungenutzt. Durch die gewölbte Oberfläche wird er nach außen verkippt, wird also dieser Teil der Pumpstrahlung auf die Reflexionsfläche geführt und damit zum Konversionselement zurückreflektiert. Es wird auf die Anmerkungen zu der unter flachen Winkeln gestreuten Pumpstrahlung verwiesen.In the present context, the region-wise convex curvature may, for example, be advantageous insofar as a specular reflection of the pump radiation incident along the optical axis, tilted outwards onto the reflection surface, can then occur, especially during operation in reflection. In the case of a plan Einstrahl- / radiating surface of this specular reflection, which may be caused, for example, by Fresnel reflections, however, would emerge again through the converging lens, so the corresponding pump radiation would remain unused. Due to the curved surface, it is tilted outwards, so this part of the pump radiation is guided to the reflection surface and thus reflected back to the conversion element. Reference is made to the comments on the pump radiation scattered at shallow angles.

Im Allgemeinen ist eine gekrümmte Abstrahlfläche indes nicht zwingend, diese kann auch eine plane (ebene) Form haben. Dies kann bspw. die Herstellung des Konversionselements vereinfachen, auch die Justage von Sammellinse und Reflektor kann einfacher sein.In general, however, a curved radiating surface is not mandatory, it may also have a planar (planar) shape. This can, for example, simplify the production of the conversion element, and the adjustment of converging lens and reflector can be simpler.

In bevorzugter Ausgestaltung wird das Konversionselement in Vollkonversion betrieben. Es ist also derart bemessen, dass die gesamte, auf die Einstrahlfläche fallende Pumpstrahlung konvertiert wird. Im Allgemeinen ist dies auch im Falle eines in Transmission betriebenen Konversionselements denkbar, bevorzugt ist ein Betrieb in Reflexion. Generell kann die Vollkonversion, die sich bspw. über eine entsprechende Dickenanpassung des Konversionselements erreichen lässt, gegenüber einer Teilkonversion Effizienzvorteile bzw. Etendue-Vorteile bieten (im Falle der Teilkonversion können sich diesbezüglich Nachteile aus der „Untrennbarkeit“ von Pump- und Konversionsstrahlung ergeben). Hinsichtlich des vorliegenden Erfindungsgegenstands kann sie bspw. insoweit von besonderem Vorteil sein, als über die Reflexionsfläche dann ausschließlich bzw. vorrangig Konversionsstrahlung zurückgeführt wird, sodass sich durch die zurückreflektierte Strahlung bspw. kein Farbortgang über die Abstrahlfläche ergeben kann.In a preferred embodiment, the conversion element is operated in full conversion. It is so dimensioned that the entire, falling on the Einstrahlfläche pump radiation is converted. In general, this is also conceivable in the case of a conversion element operated in transmission, an operation in reflection is preferred. In general, the full conversion, which can be achieved, for example, by means of a corresponding thickness adaptation of the conversion element, offers efficiency advantages or etendue advantages over partial conversion (in the case of partial conversion, disadvantages may arise from the "inseparability" of pumping and conversion radiation in this respect). With regard to the present subject matter of the invention, it may, for example, be of particular advantage insofar as exclusively or predominantly conversion radiation is returned via the reflection surface, so that, for example, no color passage over the emission surface can result due to the back-reflected radiation.

Im Falle der Vollkonversion kann die Bestrahlungseinheit bspw. noch eine oder mehrere weitere Strahlungsquelle(n) aufweisen, deren Strahlung bzw. Licht mit der Konversionsstrahlung gemischt das gewünschte Beleuchtungslicht ergibt. Dies kann bspw. mit einer blauen LED erreicht werden, deren blaues Licht in Mischung mit gelben Konversionslicht Weißlicht ergibt. Alternativ kann dem Konversionselement vorgelagert bspw. auch ein Teil der Pumpstrahlung abgezweigt werden, etwa mit einem kleinen Vollspiegel, der das Pumpstrahlungs-Strahlenbündel nicht vollständig ausfüllt. Dieser kleine Vollspiegel kann insbesondere an einem wellenlängenabhängigen Spiegel angeordnet sein, mit welchem beim Betrieb in Reflexion der Strahlengang der einfallenden Pumpstrahlung von jenem der abgeführten Konversionsstrahlung getrennt wird. Der mit dem Vollspiegel abgezweigte Teil der Pumpstrahlung kann bspw. auf einen Streuer geführt und damit aufgefächert werden, um eine der Konversionsstrahlung vergleichbare Etendue zu haben. Dies zur Illustration, im Allgemeinen kann selbstverständlich auch die Konversionsstrahlung selbst, ohne hinzugemischte Strahlung, zur Beleuchtung genutzt werden.In the case of full conversion, the irradiation unit may, for example, still have one or more further radiation sources whose radiation or light mixed with the conversion radiation results in the desired illumination light. This can be achieved, for example, with a blue LED whose blue light in combination with yellow conversion light gives white light. Alternatively, upstream of the conversion element, for example, part of the pump radiation can also be branched off, for example with a small full mirror, which does not completely fill the pump radiation beam. This small full mirror can in particular be arranged on a wavelength-dependent mirror, with which in the operation in reflection of the beam path of the incident pump radiation from that of the discharged Conversion radiation is separated. The branched off with the full mirror portion of the pump radiation can, for example. Guided on a spreader and thus fanned to have a conversion radiation comparable Etendue. As an illustration, in general, of course, the conversion radiation itself, without admixed radiation, can also be used for illumination.

Bei einer bevorzugten Ausführungsform ist der Reflektor und/oder die Sammellinse mit einer Leiterbahnstruktur zur Überwachung der mechanischen Integrität versehen. Letzteres meint, dass die Leiterbahnstruktur eine elektrische Überwachung ermöglicht, etwa resistiv, kapazitiv oder induktiv, anhand derer das Vorhanden- und Unbeschadetsein des Reflektors und/oder der Linse überprüft werden kann. Die Pumpstrahlung kann einerseits im Betrieb eine hohe Materialbeanspruchung bedingen, andererseits kann im Versagensfall, wenn also einzelne optische Bauteile kaputt gehen, austretende Pumpstrahlung ein erhebliches Risiko darstellen. Insbesondere eine Reflexion von kollimierter/gebündelter Pumpstrahlung zu Beleuchtungsanwendung hin kann kritisch sein, bspw. wenn sich in der Sammellinse ungünstig ein Riss bildet.In a preferred embodiment, the reflector and / or the converging lens is provided with a conductor track structure for monitoring the mechanical integrity. The latter means that the interconnect structure allows electrical monitoring, such as resistive, capacitive or inductive, on the basis of which the presence and Nichtladadetsein the reflector and / or the lens can be checked. On the one hand, the pump radiation can cause a high material stress during operation, on the other hand, in the event of a failure, ie when individual optical components break, exiting pump radiation can pose a considerable risk. In particular, a reflection of collimated / focused pump radiation towards illumination application can be critical, for example if a fissure unfavorably forms in the converging lens.

Bevorzugt ist die Leiterbahnstruktur an der Reflexionsfläche angeordnet und/oder ist sie an zumindest einer der Durchtrittsflächen der Sammellinse angeordnet, also auf der dem Konversionselement zugewandten Eintrittsfläche und/oder der abgewandelten Austrittsfläche. Bevorzugt ist die Leiterbahnstruktur aus einem zumindest transluzenten, bevorzugt weitgehend transparenten Material vorgesehen. Bevorzugt ist Indium-Zinn-Oxid als Leiterbahnmaterial.Preferably, the conductor track structure is arranged on the reflection surface and / or it is arranged on at least one of the passage surfaces of the converging lens, ie on the conversion element facing the inlet surface and / or the modified exit surface. Preferably, the conductor track structure is provided from an at least translucent, preferably substantially transparent material. Indium tin oxide is preferred as the conductor material.

Die Erfindung betrifft auch die Verwendung einer vorliegend offenbarten Beleuchtungseinheit zur Beleuchtung, insbesondere zur Kfz-Beleuchtung, insbesondere zur Kfz-Außenbeleuchtung, bevorzugt in einem Frontscheinwerfer. Im Allgemeinen kann die Beleuchtungseinheit bspw. auch als Lichtquelle im Projektionsbereich zur Beleuchtung im Bühnen- oder Unterhaltungsbereich oder für medizinische Beleuchtung, z. B. Endoskopiebeleuchtung, genutzt werden, auch im Architekturbereich sind Anwendungen möglich. Es ist auch eine Außenbeleuchtung von Fluggeräten (Hubschrauber/Flugzeuge) möglich, oder auch von Schiffen. Bevorzugt ist ein Einsatz in einem Straßenfahrzeug, bspw. auch einem Kraftrad oder einem Lastkraftwagen, besonderes bevorzugt in einem Personenkraftwagen (Pkw).The invention also relates to the use of a presently disclosed lighting unit for lighting, in particular for automotive lighting, in particular for automotive exterior lighting, preferably in a headlight. In general, the lighting unit can, for example, as a light source in the projection area for lighting in the stage or entertainment area or for medical lighting, z. As endoscopy lighting, can be used, also in the field of architecture applications are possible. It is also an outdoor lighting of aircraft (helicopters / aircraft) possible, or even ships. A use in a road vehicle, for example, also a motorcycle or a truck, particularly preferably in a passenger car (car) is preferred.

Figurenlistelist of figures

Im Folgenden wird die Erfindung anhand eines Ausführungsbeispiels näher erläutert, wobei die einzelnen Merkmale im Rahmen der nebengeordneten Ansprüche auch in andere Kombination erfindungswesentlich sein können und auch weiterhin nicht im Einzelnen zwischen den unterschiedlichen Anspruchskategorien unterschieden wird.In the following, the invention will be explained in more detail with reference to an exemplary embodiment, wherein the individual features in the context of the independent claims in other combination may be essential to the invention and continue to distinguish not in detail between the different claim categories.

Im Einzelnen zeigt

1 ein Beleuchtungssystem mit einer erfindungsgemäßen Bestrahlungseinheit in der Anwendung in schematischer Darstellung;
2 das Konversionselement der Bestrahlungseinheit gemäß 1 in einer Detailansicht;
3 ein Diagramm zur Illustration des mit der Anordnung gemäß 2 möglichen Effizienzgewinns.

In detail shows

1 an illumination system with an irradiation unit according to the invention in the application in a schematic representation;
2 the conversion element of the irradiation unit according to 1 in a detailed view;
3 a diagram illustrating the arrangement according to 2 possible efficiency gain.

Bevorzugte Ausführung der ErfindungPreferred embodiment of the invention

1 zeigt eine Bestrahlungseinheit 1, nämlich eine Anordnung aus Pumpstrahlungsquelle 2 und Konversionselement 3, in einer Beleuchtungsanwendung. Dabei wird eine von dem Konversionselement 3 abgegebene Konversionsstrahlung 4, vorliegend gelbes Licht, mit blauem Licht 5 gemischt, welches eine LED 6 emittiert. 1 shows an irradiation unit 1 namely an arrangement of pump radiation source 2 and conversion element 3 , in a lighting application. In this case, one of the conversion element 3 emitted conversion radiation 4 , in the present case yellow light, with blue light 5 mixed, which is an LED 6 emitted.

Die Konversionsstrahlung 4 und das blaue Licht 5 ergeben in Mischung Weißlicht 7, welches auf einen Flächenlichtmodulator 8 geführt wird, nämlich ein Mikrospiegel-Array. Dessen Mikrospiegelaktoren (nicht dargestellt) leiten das Weißlicht 7 je nach Kippstellung zur Beleuchtungsanwendung oder nicht, womit sich beleuchtungsseitig einzelne Raumwinkelsegmente 9a, b des Beleuchtungsfelds selektiv mit dem Weißlicht 7 versorgen lassen. Bei der bevorzugten Anwendung im Kfz-Umfeld kann dies bspw. zur adaptiven Straßenausleuchtung genutzt werden, ebenso lassen sich aber bspw. auch Informationen auf die Straße projizieren.The conversion radiation 4 and the blue light 5 result in a mixture of white light 7 pointing to a surface light modulator 8th is guided, namely a micromirror array. Its micro-mirror actuators (not shown) conduct the white light 7 Depending on the tilt position for lighting application or not, bringing the lighting side single solid angle segments 9a , b of the illumination field selectively with the white light 7 be supplied. In the preferred application in the automotive environment, this can, for example, be used for adaptive street lighting, but also, for example, information can also be projected onto the street.

Bevor die übrigen Elemente der Anordnung gemäß 1 weiter im Detail beschrieben werden, wird zunächst anhand von 2 der hauptanspruchsgemäße Erfindungsgegenstand im Detail erläutert. 2 zeigt das Konversionselement 3, auf dessen Einstrahlfläche 3a die von der Pumpstrahlungsquelle 2 emittierte Pumpstrahlung 20 geführt wird. Auf diese Anregung mit der Pumpstrahlung 20 hin emittiert das Konversionselement 3 die Konversionsstrahlung 4. Das Konversionselement 3 wird in Reflexion betrieben, d. h. die Einstrahlfläche 3a ist zugleich auch Abstrahlfläche.Before the remaining elements of the arrangement according to 1 will be further described in detail, is first based on 2 the main subject of the invention explained in detail. 2 shows the conversion element 3 , on its irradiation surface 3a that of the pump radiation source 2 emitted pump radiation 20 to be led. On this excitation with the pump radiation 20 down the conversion element emits 3 the conversion radiation 4 , The conversion element 3 is operated in reflection, ie the Einstrahlfläche 3a is at the same time a radiating surface.

Die Konversionsstrahlung 4 wird Lambertsch abgegeben, d. h. in den Halbraum aufgefächert. Ein Mittensegment 22a des Strahlenbündels 22 mit der Konversionsstrahlung 4 durchsetzt eine Sammellinse 23 und wird dabei kollimiert. Ein flachwinklig abgegebener Teil der Konversionsstrahlung 4, der in einem das Mittensegment 22a umgebenden Randsegment 22b geführt ist, „passt“ hingegen nicht durch die Sammellinse 23, sondern fällt auf eine Reflexionsfläche 24a eines Reflektors 24. Die Konversionsstrahlung 4 wird daran zurück zum Konversionselement 3 reflektiert und dort gestreut, also mit gewisser Wahrscheinlichkeit erneut unter einem steileren Winkel abgegeben, um die Sammellinse 23 dann in dem Mittensegment 22a zu durchsetzen.The conversion radiation 4 Lambertsch is delivered, ie fanned out into the half-space. A center segment 22a of the beam 22 with the conversion radiation 4 intersperses a condenser lens 23 and is collimated. A flat angle emitted part of the conversion radiation 4 who is in the middle segment 22a surrounding edge segment 22b is guided, however, does not "fit" through the condenser lens 23 but falls on a reflective surface 24a a reflector 24 , The conversion radiation 4 gets back to the conversion element 3 reflected and scattered there, so with some probability again at a steeper angle given to the convergent lens 23 then in the middle segment 22a to enforce.

Diese Anordnung ist insoweit von Vorteil, als im Ergebnis mehr Konversionsstrahlung 4 unter steilen Winkeln abgegeben wird und damit beleuchtungsseitig nutzbar ist. Zum einen würde das Aufsammeln der flachwinklig abgegebenen Konversionsstrahlung 4 mit der Sammellinse 23 einen zunehmenden Aufwand bedeuten, je flachwinkliger die Strahlung abgegeben wird. Zum anderen „passt“ zu den nachgelagerten optischen Komponenten, insbesondere dem Flächenlichtmodulator 8, ohnehin nur Strahlung bzw. Licht bestimmter Etendue. In anderen Worten ist die Etendue der Sammellinse 23 an jene des Flächenlichtmodulators 8 angepasst und wird die insofern zu flachwinklig abgegebene Strahlung mit der Reflexionsfläche 24a recycelt.This arrangement is advantageous to the extent that, as a result, more conversion radiation 4 is delivered at steep angles and thus can be used on the lighting side. On the one hand, the collection of the flat angle emitted conversion radiation 4 with the condenser lens 23 an increasing effort, the more flat the radiation is emitted. On the other hand, "fits" to the downstream optical components, in particular the area light modulator 8th , anyway only radiation or light of certain etendue. In other words, the etendue is the condenser lens 23 to those of the area light modulator 8th adapted and is the extent given to flat angle radiation with the reflection surface 24a recycled.

Der Reflektor 24 ist aus Metall vorgesehen, die Sammellinse 23 ist in eine Durchgangsöffnungen im Reflektor 24 eingesetzt und vorliegend über eine Klebeverbindung fixiert. Der Reflektor 24 ist ferner mit einem Kühlkörper 25 zusammengesetzt, auf welchem das Konversionselement 3 angeordnet ist. Der Reflektor 24 und die Sammellinse 23 begrenzen miteinander, gemeinsam mit dem Kühlkörper 25, einen Hohlraum 26. Dieser kann zum Schutz des Konversionselements 3 bedarfsweise evakuiert oder mit einem Schutzgas gefüllt werden.The reflector 24 is made of metal, the convergent lens 23 is in a passage openings in the reflector 24 used and fixed in the present case via an adhesive bond. The reflector 24 is also with a heat sink 25 composed on which the conversion element 3 is arranged. The reflector 24 and the condenser lens 23 limit each other, together with the heat sink 25 , a cavity 26 , This can protect the conversion element 3 if necessary evacuated or filled with a protective gas.

Die Reflexionsfläche 24a des Reflektors 24 ist sphärisch gekrümmt, der Mittelpunkt der zugrunde liegenden Kugel liegt in der Einstrahl- bzw. Abstrahlfläche 3a. Die Reflexionsfläche 24 ist nicht nur hinsichtlich des Zurückführens der Konversionsstrahlung 4 von Vorteil, sondern kann selbst verständlich auch Pumpstrahlung 20 zurückreflektieren, die bspw. im Konversionselement 3 gestreut wird (und deshalb unerwünscht austritt).The reflection surface 24a of the reflector 24 is spherically curved, the center of the underlying sphere lies in the Einstrahl- or radiating surface 3a , The reflection surface 24 is not only in terms of returning the conversion radiation 4 advantageous, but can of course also pump radiation 20 reflect back, the example. In the conversion element 3 is scattered (and therefore undesirably escapes).

Das Diagramm gemäß 3 illustriert den Effizienzgewinn, der mit dem Reflektor 24 möglich ist, also durch das Zurückreflektieren der flachwinklig abgegebenen Konversionsstrahlung 4. Auf der X-Achse ist die Etendue E des Systems aufgetragen. Bildlich gesprochen bestimmt sich danach, wie viel Licht durch das System „passt“ (bei gegebenem Lichtstrom), je größer die Etendue, desto größer der Öffnungswinkel bzw. Strahlquerschnitt, der noch verarbeitet werden kann.The diagram according to 3 illustrates the efficiency gained with the reflector 24 is possible, so by the back reflection of the flat angle emitted conversion radiation 4 , On the X-axis the Etendue E of the system is plotted. Figuratively speaking, it is determined by how much light "passes through" the system (given a luminous flux), the larger the etendue, the larger the aperture angle or beam cross-section that can still be processed.

Auf der Y-Achse ist die Lichtausbeute L aufgetragen. Gezeigt ist das Ergebnis einer Simulation, der gewisse Vereinfachungen zugrunde lagen. Gleichwohl zeigt der Vergleich der Lichtausbeute ohne Reflektor (strichlierte Linie) und mit Reflektor an der Abstrahlfläche (durchgezogene Linie) eine Verbesserung der Lichtausbeute um mehr als 40 %.The light output L is plotted on the Y axis. Shown is the result of a simulation based on certain simplifications. Nevertheless, the comparison of the light output without reflector (dashed line) and with reflector on the emission surface (solid line) shows an improvement in the luminous efficacy of more than 40%.

Im Folgenden werden die übrigen Komponenten der Anordnung gemäß 1 weiter im Detail diskutiert. Die Pumpstrahlungsquelle 2 weist eine Mehrzahl matrixförmig angeordneter Laserdioden auf (nicht dargestellt). Mit einer Strahlkompressionsoptik 30a,b Pumpstrahlung bzw. das Pumpstrahlungs-Strahlenbündel zunächst im Querschnitt verjüngt, dann durchsetzt es zur Homogenisierung eine Streuscheibe 31. An einem wellenlängenabhängigen Spiegel 32, der für die Pumpstrahlung 20 reflektiv, für die Konversionsstrahlung 4 jedoch transmissiv ist, wird die Pumpstrahlung 20 auf das Konversionselement 3 reflektiert (zuvor durchsetzt sie die Sammellinse 23).In the following, the remaining components of the arrangement according to 1 further discussed in detail. The pump radiation source 2 has a plurality of matrix-like arranged laser diodes (not shown). With a beam compression optics 30a , b pump radiation or the pump radiation beam initially tapered in cross-section, then it passes through a lens for homogenization 31 , At a wavelength-dependent mirror 32 that for the pump radiation 20 reflective, for the conversion radiation 4 however transmissive, the pump radiation becomes 20 on the conversion element 3 reflects (before she penetrates the condenser lens 23 ).

Die daraufhin von dem Konversionselement 3 emittierte Konversionsstrahlung 4 durchsetzt den wellenlängenabhängigen Spiegel 32, wobei dort zugleich das blaue Licht der LED 6 in den Strahlengang gekoppelt wird. Dem wellenlängenabhängigen Spiegel 32 nachgelagert ist zur Durchmischung ein Mikrolinsen-Array 33 angeordnet. Über eine Linse 34 wird das Weißlicht 7 auf den Flächenlichtmodulator 8 geführt, eine diesem zugeordnete Optik 35 bildet die einzelnen Aktoren je nach Anwendung auf die Straße (Projektion) oder ins Unendliche ab (adaptive Beleuchtung).The result of the conversion element 3 emitted conversion radiation 4 intersperses the wavelength-dependent mirror 32 , where there at the same time the blue light of the LED 6 is coupled into the beam path. The wavelength-dependent mirror 32 downstream is for mixing a microlens array 33 arranged. About a lens 34 becomes the white light 7 on the area light modulator 8th guided, a this associated optics 35 Depicts the individual actuators depending on the application on the street (projection) or infinity (adaptive lighting).

BezugszeichenlisteLIST OF REFERENCE NUMBERS

Bestrahlungseinheitirradiation unit 11 PumpstrahlungsquellePump radiation source 22 Konversionselementconversion element 33 Einstrahl-/AbstrahlflächeIncidence / emission surface 3a3a Konversionsstrahlungconversion radiation 44 Blaues LichtBlue light 55 LEDLED 66 WeißlichtWhite light 77 FlächenlichtmodulatorSpatial light modulator 88th RaumwinkelsegmenteSolid angle segments 9a, b9a, b Pumpstrahlungpump radiation 2020 Strahlenbündelray beam 2222 Mittensegmentmiddle segment 22a22a Randsegmentedge segment 22b22b Sammellinseconverging lens 2323 Reflektorreflector 2424 Reflexionsflächereflecting surface 24a24a Träger/KühlkörperCarrier / heatsink 2525 Hohlraumcavity 2626 StrahlkompressionsoptikBeam compression optics 30a, b30a, b Streuscheibediffuser 3131 Spiegelmirror 3232 Mikrolinsen-ArrayMicrolens array 3333 Linselens 3434 Optikoptics 3535

Claims

Irradiation unit (1) with a pump radiation source (2) for emitting a pump radiation (20), a conversion element (3) for the at least partial conversion of the pump radiation (20) into a conversion radiation (4), a converging lens (23) and a reflector (24) having a reflection surface (24a), wherein the reflection surface (24a) extends circumferentially around an optical axis of the condenser lens (23) and is viewed in sectional planes each including the optical axis, has a concave curvature, and wherein the condenser lens (23) and the reflection surface (24a) are a radiating surface (3a) of the conversion element (3), on which the conversion radiation (4) is emitted in the form of a beam (22), are assigned such that a part of the conversion radiation (4) guided in a center segment (22a) of the radiation beam (22) passes through the converging lens (23), and a part of the conversion radiation (4) guided outside the center segment (22a) in an edge segment (22b) of the radiation beam (22) falls onto the reflection surface (24a) and is reflected back to the conversion element (3).

Irradiation unit (1) according to Claim 1 in which the center segment (22a) of the radiation beam (22) of the converging lens (23) has an opening angle of at least 80 ° and at most 130 ° upstream.

Irradiation unit (1) according to Claim 1 or 2 in which the converging lens (23) is a collimating lens, the center segment (22a) of the beam (22) of the convergent lens (23) is thus downstream of a parallel beam.

An irradiation unit (1) according to any one of the preceding claims, wherein the reflection surface (24a) is spherically curved.

Irradiation unit (1) according to one of the preceding claims, in which the reflector (24) extends over the optical axis over one complete revolution, that is to say when the reflection surface (24a) forms an annular shape along the optical axis.

Irradiation unit (1) according to one of the preceding claims, in which the converging lens (23) and the reflector (24) are formed monolithically with one another insofar as the reflection surface (24a) is formed on a transmissive body and the same transmissive body at least one refraction surface of the condenser lens (23) forms.

Irradiation unit (1) according to one of the preceding claims, in which the convergent lens (23) and the reflector (24) delimit together a cavity on the emission surface (3a) of the conversion element (3).

Irradiation unit (1) according to Claim 7 , except combinations with Claim 6 in which the converging lens (23) is assembled with the reflector (24), preferably inserted along the optical axis into a through hole formed by the reflector (24).

Irradiation unit (1) according to Claim 7 or 8th in which the cavity is hermetically sealed and at least partially evacuated and / or filled with a protective gas.

Irradiation unit (1) according to one of the preceding claims, wherein the conversion element (3) is operated in reflection, that is, the emission surface (3a) at the same time represents an incident surface on which the pump radiation (20) falls and passes through the convergent lens (23).

Irradiation unit (1) according to Claims 9 and 10 in which the conversion element (3) is arranged on a carrier (25) and the converging lens (23) and the reflector (24) form the hermetically sealed cavity together with the carrier (25), so that the conversion element (3) as a whole is protected from ambient air is protected.

Irradiation unit (1) according to one of the preceding claims, in which the emission surface (3a) of the conversion element (3) is viewed convexly in sectional planes each containing the optical axis of the condenser lens (23).

Irradiation unit (1) according to one of the preceding claims, wherein the conversion element (3) is operated in full conversion, that is dimensioned such that the entire pump radiation (20) is converted into the conversion radiation (4).

Irradiation unit (1) according to one of the preceding claims, wherein the reflector (24) and / or the convergent lens (23) for monitoring a mechanical integrity are at least partially provided with a conductor track structure, preferably of indium tin oxide.

Use of an irradiation unit (1) according to one of the preceding claims for illumination, in particular for automotive exterior lighting, preferably in conjunction with a surface light modulator (8).