DE102019102460A1

DE102019102460A1 - Beleuchtungsvorrichtung für ein Kraftfahrzeug

Info

Publication number: DE102019102460A1
Application number: DE102019102460.9A
Authority: DE
Inventors: Abdelmalek Hanafi; Helmut Erdl
Original assignee: Bayerische Motoren Werke AG
Current assignee: Bayerische Motoren Werke AG
Priority date: 2019-01-31
Filing date: 2019-01-31
Publication date: 2020-08-06
Also published as: US20220099262A1; US11326754B2; CN113039388A; CN113039388B; WO2020157060A1

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Beleuchtungsvorrichtung für ein Kraftfahrzeug. Die Beleuchtungsvorrichtung umfasst eine Lichtquelle (1) zum Aussenden von Licht einer ersten Mischfarbe, wobei die Lichtquelle (1) eine oder mehrere Laserdioden (2) zur Erzeugung von monochromatischem Licht und ein erstes Konvertierungselement (3) zur Konvertierung des monochromatischen Lichts in das Licht der ersten Mischfarbe beinhaltet. Ferner beinhaltet die Beleuchtungsvorrichtung eine erste optische Einrichtung (4), welche die Lichtquelle (1) als reelles Bild (B) in eine Zwischenbildebene (Z) abbildet, sowie eine zweite optische Einrichtung (6), welche aus dem reellen Bild (B) in der Zwischenbildebene (Z) eine vorgegebene Lichtverteilung (LV) generiert. Die Beleuchtungsvorrichtung zeichnet sich dadurch aus, dass am Ort des reellen Bilds (B) in der Zwischenbildebene (Z) ein zweites Konvertierungselement (5) vorgesehen ist, um das Licht der ersten Mischfarbe in Licht einer zweiten Mischfarbe zu konvertieren.

Description

Die Erfindung betrifft eine Beleuchtungsvorrichtung für ein Kraftfahrzeug sowie ein entsprechendes Kraftfahrzeug.
Aus dem Stand der Technik ist es bekannt, in Kraftfahrzeug-Beleuchtungsvorrichtungen sog. Konvertierungselemente einzusetzen, die das monochromatische Licht einer Lichtquelle in einen anderen Wellenlängenbereich wandeln, um z.B. Weißlicht zu generieren.
Bei der Verwendung von Konvertierungselementen in Kraftfahrzeug-Beleuchtungsvorrichtungen, die auf Laserlicht basieren, besteht das Problem, dass durch die hohe Leistung des Laserlichts eine starke Erwärmung des Konvertierungsmaterials auftritt, was die Effizienz der Lichtwandlung vermindert und unter Umständen dazu führt, dass eine stabile Farbkonvertierung nicht mehr gewährleistet ist.
Aufgabe der Erfindung ist es, eine auf Laserlicht basierende Beleuchtungsvorrichtung für ein Kraftfahrzeug mit einer effizienten und stabilen Lichtkonvertierung zu schaffen.
Diese Aufgabe wird durch die Beleuchtungsvorrichtung gemäß Patentanspruch 1 gelöst. Weiterbildungen der Erfindung sind in den abhängigen Patentansprüchen definiert.
Die erfindungsgemäße Beleuchtungsvorrichtung ist für ein Kraftfahrzeug, wie z.B. einen PKW, einen LKW und ggf. auch ein Motorrad, vorgesehen. Die Beleuchtungsvorrichtung umfasst eine Lichtquelle zum Aussenden von Licht einer ersten Mischfarbe, wobei die Lichtquelle eine oder mehrere Laserdioden zur Erzeugung von monochromatischem Licht und ein erstes Konvertierungselement zur Konvertierung des monochromatischen Lichts in das Licht der ersten Mischfarbe beinhaltet. Die Lichtquelle basiert somit auf Laserlicht, dessen Wellenlänge über ein geeignetes erstes Konvertierungselement in eine erste Mischfarbe gewandelt wird. Das Licht der Lichtquelle ist dabei die vom ersten Konvertierungselement ausgehende Lichtstrahlung in der ersten Mischfarbe. Hier und im Folgenden ist unter dem Licht der ersten Mischfarbe und auch unter dem weiter unten definierten Licht der zweiten Mischfarbe Lichtstrahlung in einem Wellenlängenbereich zu verstehen, der für das menschliche Auge sichtbar ist. Im Unterschied hierzu kann das monochromatische Licht der Laserdiode bzw. der Laserdioden im sichtbaren und ggf. auch im nichtsichtbaren Wellenlängenspektrum liegen.
Die erfindungsgemäße Beleuchtungsvorrichtung beinhaltet ferner eine erste optische Einrichtung, welche die Lichtquelle als reelles Bild in eine Zwischenbildebene abbildet. Mit anderen Worten bewirkt die erste optische Einrichtung eine optische Abbildung, die ein reelles Bild der Lichtquelle in einer entsprechenden Zwischenbildebene generiert. Die Beleuchtungsvorrichtung umfasst ferner eine zweite optische Einrichtung, welche aus dem reellen Bild in der Zwischenbildebene eine vorgegebene Lichtverteilung generiert.
Die erfindungsgemäße Beleuchtungsvorrichtung zeichnet sich dadurch aus, dass am Ort des reellen Bilds in der Zwischenbildebene ein zweites Konvertierungselement vorgesehen ist, um das Licht der ersten Mischfarbe in Licht einer zweiten Mischfarbe zu konvertieren. Mit anderen Worten ist das zweite Konvertierungselement räumlich getrennt vom ersten Konvertierungselement in der Zwischenbildebene positioniert und von dem ersten Konvertierungselement thermisch entkoppelt. Auf diese Weise verteilt sich die Wärmeentwicklung, die durch das von der Lichtquelle stammende Licht hervorgerufen wird, auf zwei Konvertierungselemente, was bei gleicher eingestrahlter Lichtleistung im Vergleich zur Verwendung eines einzelnen Konvertierungselements zu geringeren Temperaturen in den jeweiligen Konvertierungselementen und damit zu einer effizienten und stabilen Lichtkonvertierung führt.
In einer besonders bevorzugten Ausführungsform ist die auf Laserlicht basierende Lichtquelle eine im Wesentlichen punktförmige Lichtquelle. Die maximale Ausdehnung der punktförmigen Lichtquelle in Draufsicht, d.h. gesehen in Hauptstrahlrichtung mit größter Intensität der Lichtquelle, beträgt in einer besonders bevorzugten Ausführungsform 500 µm oder weniger, vorzugsweise 100 µm oder weniger und besonders bevorzugt 20 µm oder weniger. Ferner weist die punktförmige Lichtquelle in Draufsicht vorzugsweise eine emittierende Fläche von 0,5 mm² oder weniger auf, insbesondere von 0,01 mm² oder weniger und besonders bevorzugt von 0,0002 mm² oder weniger. Die punktförmige Lichtquelle umfasst insbesondere eine emittierende eckige Fläche, deren Kanten eine Länge von 500 µm oder weniger und vorzugsweise von 20 µm oder weniger aufweisen. Die punktförmige Lichtquelle mit den soeben beschriebenen Ausdehnungen ist dabei vorzugsweise derart ausgestaltet, dass sie einen Lichtstrom von 100 Lm oder mehr und insbesondere von 200 Lm oder mehr generiert und/oder eine Strahlleistung von 1 Watt oder mehr und/oder eine Leuchtdichte von mindestens 3×10⁸ Cd/m² und insbesondere von 10⁹ Cd/m² oder mehr aufweist. Solche punktförmigen Lichtquellen können nur mit Laserlicht unter Verwendung von Laserdioden erreicht werden.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform sind die Laserdiode oder Laserdioden zur Erzeugung von blauem Licht (Wellenlängenbereich 420 nm bis 490 nm) und/oder violettem Licht (Wellenlängenbereich 380 nm bis 420 nm) und/oder UV-Licht (Wellenlängenbereich 200 nm bis 380 nm) konfiguriert. Demgegenüber ist die erste Mischfarbe vorzugsweise eine Weißlichtfarbe. Diese Weißlichtfarbe liegt in einer besonders bevorzugten Ausgestaltung im sog. ECE-Weißlichtbereich. Dieser Weißlichtbereich ist in den sog. ECE-Regelungen betreffend die Annahme einheitlicher technischer Vorschriften für Kraftfahrzeuge in der Regelung Nr. 48 definiert (https://www.unece.org/fileadmin/DAM/trans/main/ wp29/wp29regs/2013/R048r9e.pdf). Der ECE-Weißlichtbereich ist dabei durch Ecken eines Polygons in der CIE-Normfarbtafel definiert. Das Polygon umgibt den ECE-Weißlichtbereich und stellt somit seinen Rand dar. In der detaillierten Beschreibung werden die entsprechenden Koordinaten der Eckpunkte des Polygons explizit angegeben.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist auch die zweite Mischfarbe, die durch das zweite Konvertierungselement erzeugt wird, eine Weißlichtfarbe, welche vorzugsweise ebenfalls im ECE-Weißlichtbereich liegt. Auf diese Weise wird eine für Kraftfahrzeug-Beleuchtungsvorrichtungen übliche Weißlichtmischfarbe generiert.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist das zweite Konvertierungselement derart ausgestaltet, dass es die erste Mischfarbe zu der zweiten Mischfarbe in den ECE-Weißlichtbereich hinein verschiebt. Hierbei macht man sich die Erkenntnis zunutze, dass bekannte (erste) Konvertierungselemente oftmals eine Mischfarbe generieren, welche nicht bzw. am Rand des ECE-Weißlichtbereichs liegt. Durch die Verwendung eines geeigneten zweiten Konvertierungselements kann erreicht werden, dass eine bevorzugte Mischfarbe im Inneren des Weißlichtbereichs eingestellt wird.
In einer weiteren, besonders bevorzugten Ausführungsform ist das zweite Konvertierungselement derart ausgestaltet, dass es zur Erzeugung der zweiten Mischfarbe Lichtleistung in einem blauen Spektralanteil die erste Mischfarbe reduziert und Lichtleistung in einem roten Spektralanteil die erste Mischfarbe erhöht.
Erste bzw. zweite Konvertierungselemente mit den oben beschriebenen Eigenschaften zur Erzeugung einer ersten bzw. zweiten Mischfarbe als Weißlichtfarbe bzw. zur Reduktion der Lichtleistung im blauen Spektralanteil und Erhöhung der Lichtleistung im roten Spektralanteil sind dem Fachmann geläufig. Insbesondere können solche Konvertierungselemente zum Einsatz kommen, die in den Druckschriften US 9,550,939 B2 und US 2007/0189352 A1 beschrieben sind. Der gesamte Offenbarungsgehalt dieser Druckschriften wird zum Inhalt der vorliegenden Anmeldung gemacht.
In einer bevorzugten Ausführungsform wird als erstes Konvertierungselement Ce:YAG-Phosphor oder Cer-dotierter Nitrid-Phosphor oder Cer-dotierter Oxidnitrid-Phosphor verwendet, wohingegen als zweites Konvertierungselement vorzugsweise ein sog. roter Phosphor genutzt wird, der Lichtleistung in einem blauen Spektralanteil reduziert und Lichtleistung in einem roten Spektralanteil erhöht. Beim roten Phosphor handelt es sich vorzugsweise um eine Europium-dotierte Substanz.
In einer bevorzugten Ausführungsform wird als erstes Konvertierungselement eines der folgenden Materialien verwendet:

Ce:YAG-Phosphor, Cer-dotierter Nitrid-Phosphor, Cer-dotierter Oxidnitrid-Phosphor, CaAlSiN₃:Eu²⁺, Sr₂Si₅N₈:Eu²⁺, M₂SiO₄:Eu²⁺ mit M = Ba²⁺ oder Sr²⁺ oder Ca²⁺, Sr_1-xAlSi₄N₇:Eu_x, wobei vorzugsweise x = 0,03, Li₃Ba₂La₃(MoO₄)₈:(Eu3+,Tb3+), Y₂O₂S:Eu³⁺.

Vorzugsweise wird eines der soeben genannten Materialen auch für das zweite Konvertierungselement genutzt, wobei sich die Materialien des ersten und zweiten Konvertierungselements jedoch voneinander unterscheiden können. Von den oben genannten Materialien wird der Ce:YAG-Phosphor vorzugsweise mit einer oder mehreren blauen Laserdioden kombiniert, wohingegen der Cer-dotierte Nitrid-Phosphor bzw. der Cer-dotierte Oxidnitrid-Phosphor vorzugsweise mit einer oder mehreren violetten Laserdioden kombiniert wird. Demgegenüber werden für die oben genannten Europium-dotierten Substanzen mit Ausnahme der zuletzt genannten Substanz vorzugsweise eine oder mehrere Laserdioden mit blauem und/oder violettem Laserlicht genutzt, wohingegen die Substanz Y₂O₂S:Eu³⁺ vorzugsweise mit einer oder mehreren Laserdioden kombiniert wird, welche UV-Licht aussenden.
In einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Beleuchtungsvorrichtung werden das erste Konvertierungselement und das zweite Konvertierungselement aus dem gleichen Grundmaterial gebildet, d.h. sie weisen (bis auf die Dotieratome) die gleiche chemische Zusammensetzung auf. Die Dotieratome werden hier und im Folgenden aufgrund ihrer geringen Konzentration nicht der chemischen Zusammensetzung zugeordnet. Vorzugsweise beinhalten die beiden Konvertierungselemente jedoch auch die gleiche Art von Dotieratomen, ggf. auch mit der gleichen Konzentration.
In einer alternativen Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Beleuchtungsvorrichtung werden das erste Konvertierungselement und das zweite Konvertierungselement aus unterschiedlichen Grundmaterialien gebildet, d.h. die Konvertierungselemente weisen unterschiedliche chemische Zusammensetzungen auf. Die Dotieratome bzw. deren Konzentration können dabei für beide Konvertierungselemente gleich oder auch unterschiedlich sein.
Je nach Ausgestaltung können das erste Konvertierungselement und/oder das zweite Konvertierungselement remissiv oder transmissiv sein. Ein remissives Konvertierungselement zeichnet sich dadurch aus, dass die konvertierte Lichtstrahlung von der gleichen Seite des Konvertierungselements ausgesendet wird, auf welche die zu konvertierende Lichtstrahlung fällt. Ein transmissives Konvertierungselement zeichnet sich dadurch aus, dass die konvertierte Lichtstrahlung von der Seite des Konvertierungselements ausgesendet wird, welche der Seite der einfallenden zu konvertierenden Lichtstrahlung gegenüber liegt.
Je nach Ausführungsform können die erste bzw. zweite optische Einrichtung unterschiedliche Bauelemente umfassen. Insbesondere können sie eine oder mehrere Linsen und/oder einen oder mehrere Reflektoren, wie z.B. Formreflektoren, umfassen. Die zweite optische Einrichtung muss dabei nicht zwangsläufig eine optische Abbildung bewirken. Vielmehr ist es ausreichend, wenn durch die zweite optische Einrichtung eine geeignete Strahlablenkung bewirkt wird. Beispielsweise kann die zweite optische Einrichtung lediglich aus einer Streuscheibe bestehen.
Die erfindungsgemäße Beleuchtungsvorrichtung kann unterschiedliche Funktionen im Kraftfahrzeug übernehmen. Vorzugsweise handelt es sich bei der Beleuchtungsvorrichtung um einen Scheinwerfer, insbesondere um einen Frontscheinwerfer, mit dem eine Weißlichtverteilung generiert wird. Nichtdestotrotz kann die Beleuchtungsvorrichtung ggf. auch eine Signalleuchte darstellen, wie z.B. ein Rücklicht.
Die Erfindung betrifft darüber hinaus ein Kraftfahrzeug, welches eine oder mehrere erfindungsgemäße Beleuchtungsvorrichtungen bzw. eine oder mehrere bevorzugte Varianten der erfindungsgemäßen Beleuchtungsvorrichtung umfasst.
Ausführungsbeispiele der Erfindung werden nachfolgend anhand der beigefügten Figuren detailliert beschrieben.
Es zeigen:

1 die Darstellung einer Farbverschiebung in der CIE-Normfarbtafel zur Erläuterung der durch die Erfindung gelösten Problemstellung;
2 die Darstellung des Spektrums am Weißlichtpunkt W der 1 in einer herkömmlichen Beleuchtungsvorrichtung;
3 eine schematische Darstellung einer Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Beleuchtungsvorrichtung;
4 die Darstellung einer Farbverschiebung in der CIE-Normfarbtafel, die gemäß der Ausführungsform der Beleuchtungsvorrichtung der 3 erreicht wird; und
5 die Darstellung des Spektrums am Weißlichtpunkt W der 4, das mit der Beleuchtungsvorrichtung der 3 generiert wird.

Nachfolgend wird eine Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Beleuchtungsvorrichtung anhand eines Frontscheinwerfers beschrieben, der mittels einer Laserdiode eine Weißlichtverteilung in der Form von Abblendlicht bzw. Fernlicht vor dem Kraftfahrzeug generiert. Nichtdestotrotz ist die Erfindung auch auf andere Arten von Kraftfahrzeug-Beleuchtungsvorrichtungen und insbesondere Signalleuchten anwendbar, die auch ggf. farbiges Licht, wie z.B. rotes Licht, abstrahlen können.
1 zeigt den an sich bekannten Farbraum des CIE-Normvalenzsystems, der auch als CIE-Normfarbtafel bezeichnet wird. Die Farbwahrnehmung wird dabei durch die beiden Farbkoordinaten x und y beschrieben. Die CIE-Normfarbtafel enthält die hufeisenförmige Spektralfarblinie SL, entlang welcher die reinen Spektralfarben verlaufen. Die Spektralfarblinie SL wird von unten durch die sog. Purpurlinie PL begrenzt. Alle für das Auge wahrnehmbaren Mischfarben sind durch die Spektralfarblinie SL und die Purpurlinie PL eingegrenzt. In 1 ist ferner ein Polygon mit den Eckpunkten W1, W2, W3, W4, W5 und W6 wiedergegeben. Die vom Polygon begrenzte Fläche entspricht dem an sich bekannten ECE-Weißlichtbereich, der geeignete Weißlichtmischungen für Beleuchtungsvorrichtungen in Kraftfahrzeugen gemäß den sog. ECE-Regelungen festlegt. Konkret ist dieser Weißlichtbereich in der ECE-Regelung Nr. 48 unter Abschnitt 2.29.1 definiert (https://www.unece.org/fileadmin/ DAM/trans/main/wp29/wp29regs/2013/R048r9e.pdf).
In der entsprechenden ECE-Regelung sind die Werte für die Koordinaten x und y der Eckpunkte W1 bis W6 wie folgt festgelegt:

x y

W1 0,310 0,348

W2 0.453 0,440

W3 0.500 0,440

W4 0,500 0,382

W5 0,443 0,382

W6 0,310 0,283
In einem herkömmlichen, auf Laserlicht basierenden Scheinwerfer wird das Scheinwerferlicht z.B. mit einer Laserlichtquelle generiert, welche blaues Licht von einer oder mehreren Laserdioden mittels eines Konvertierungselements in der Form eines Cer-dotierten YAG-Phosphors in Weißlicht konvertiert. Der Wellenlängenbereich des blauen Laserlichts ist dabei durch den Bereich B1 in 1 dargestellt. Durch den Phosphor wird eine Farbmischung erreicht, indem ein Teil des blauen Lichts in Licht mit einem spektralen Schwerpunkt in Bereich B2 gewandelt wird. Der Bereich B2 repräsentiert dabei eine Mischfarbe im gelben Farbbereich. Über die Variation der Schichtdicke des Konvertierungselements bzw. die Veränderung der Dotierkonzentration des YAG-Phosphors mit Cer kann die Farbmischung variiert werden, so dass die Mischfarbe in der CIE-Normfarbtafel linear entlang der Linie L zwischen den Bereichen B1 und B2 wandern kann, wie durch den Doppelpfeil P angedeutet ist. Ziel ist es nunmehr, die Mischfarbe so einzustellen, dass sie möglichst zentral im ECE-Weißlichtbereich liegt, da sich dort besonders geeignete Weißlichtfarben für Scheinwerfer befinden.
Wie aus 1 ersichtlich, besteht bei der Verwendung von Cer-dotiertem YAG-Phosphor als Konvertierungselement das Problem, dass Weißlicht im Wesentlichen nur am Punkt W am Rand des ECE-Weißlichtbereichs generiert werden kann, da eine Farbverschiebung nur linear gemäß dem Pfeil P erreicht werden kann. Das Spektrum der Mischfarbe am Weißlichtpunkt W ist dabei in 2 wiedergegeben. Die Abszisse dieses Diagramms entspricht der Wellenlänge Ä und die Ordinate repräsentiert die Lichtleistung LP in Abhängigkeit von den Wellenlängen des Spektrums. Wie man erkennt, enthält das Spektrum des Weißlichtpunkts W einen Peak an der blauen Wellenlänge λ_ex. Dieser Peak weist die Breite B_ex sowie eine Höhe I_ex auf und repräsentiert den blauen Farbanteil gemäß dem Bereich B1 in 1. Darüber hinaus enthält das Spektrum den deutlich breiteren Peak an der Wellenlänge λ_em, der eine Breite B_em und eine Höhe I_em aufweist.
Um den Weißlichtpunkt W in den ECE-Weißlichtbereich hinein zu verschieben, gibt es im Stand der Technik den Ansatz, den Cer-dotierten YAG-Phosphor zusätzlich mit Gadolinium-Atomen zu dotieren. Diese bewirken, dass der Schwerpunkt der Farbmischung im Bereich B2 nach rechts wandert, was einer Verkippung der Linie L nach rechts entspricht. Dies führt jedoch zu einer erhöhten Erzeugung von Wärme im Phosphor, was wiederum Effizienzverluste in Bezug auf die Lichtstärke mit sich bringt. Darüber hinaus kann die erhöhte Erzeugung von Wärme zum Effekt des sog. Quenchings führen, bei dem ein Heraufsetzen der Leistung der zur Lichterzeugung verwendeten Laserdioden ab einer bestimmten Laserleistung zu einer Abnahme der Lichtleistung führt (sog. Rollover).
Im Stand der Technik gibt es ferner Ansätze, den Cer-dotierten Phosphor mit einem anderen Phosphor zu mischen, insbesondere mit rotem Phosphor, der z.B. mit Europium dotiert ist. Mit dieser Mischung kann auch eine Verschiebung des Weißlichtpunkts in den ECE-Weißlichtbereich erreicht werden, jedoch tritt bei roten Phosphor das oben genannte Quenching bereits bei relativ niedrigen Temperaturen auf, die bei der Verwendung von Laserlichtquellen in der Regel erreicht werden. Es kann somit bei längerer Betriebszeit keine stabile Farbmischung mehr gewährleistet werden, da der rote Phosphor in das Quenching übergeht.
Um die oben beschriebenen Nachteile zu umgehen, werden in der hier beschriebenen Ausführungsform der erfindungsgemäßen Beleuchtungsvorrichtung zwei Konvertierungselemente verwendet, die räumlich voneinander getrennt sind und somit thermisch entkoppelt sind. Dies wird aus der Darstellung der 3 ersichtlich. Die dort gezeigte Ausführungsform eines Scheinwerfers umfasst in an sich bekannter Weise eine Laserlichtquelle 1, die nur schematisch wiedergegeben ist und eine Weißlichtquelle darstellt. Der Strahlengang des Lichts der Laserlichtquelle durch den Scheinwerfer ist dabei durch gestrichelte Pfeile wiedergegeben. Die Laserlichtquelle beinhaltet eine Laserdiode 2, deren blaues Licht auf ein transmissives Konvertierungselement 3 gerichtet wird. Mit einer (nicht gezeigten) Optik wird auf dem Konvertierungselement ein im Wesentlichen punktförmiger Lichtspot aus Weißlicht mit hoher Leuchtdichte von 3×10⁸ Cd/m² oder mehr generiert. In an sich bekannter Weise ist das Konvertierungselement 3 aus Cer-dotierten YAG-Phosphor gebildet, so dass die Weißlichtquelle ein Spektrum aufweist, das dem Spektrum der 2 entspricht und am Rand des ECE-Weißlichtbereichs liegt.
Die Weißlichtquelle wird in der Beleuchtungsvorrichtung der 3 mittels einer ersten optischen Einrichtung in der Form eines Freiformreflektors 4 in eine Zwischenbildebene Z optisch abgebildet, d.h. es wird ein reelles Bild B des Lichtspots in der Zwischenbildebene Z generiert. Am Ort dieses reellen Bildes B befindet sich nunmehr ein zweites transmissives Konvertierungselement 5, das aus dem bereits oben erwähnten roten Phosphor gebildet ist. Im Unterschied zum Stand der Technik ist der rote Phosphor 5 nunmehr räumlich getrennt von dem Phosphor 3 angeordnet und somit thermisch von diesem entkoppelt. Dies hat zur Folge, dass die Wärme, welche durch die Wellenlängenkonvertierung des Phosphors 3 hervorgerufen wird, nicht mehr auf den Phosphor 5 übergeht. Demzufolge ist die Wärmeentwicklung im Phosphor 5 deutlich reduziert, wodurch der oben beschriebene Effekt des Quenchings vermieden wird und eine stabile Mischfarbe durch das Konvertierungselement 5 erhalten wird.
Das Bild B der Laserlichtquelle, dessen Weißlichtfarbmischung mittels des roten Phosphors 5 in den ECE-Weißlichtbereich hinein wandert, wird schließlich durch eine zweite optische Einrichtung in der Form einer Sekundäroptik 6 in eine Lichtverteilung LV auf der Straße gewandelt. Bei der zweiten optischen Einrichtung handelt es sich wiederum um einen Freiformreflektor, wobei die zweite optische Einrichtung und analog auch die erste optische Einrichtung auch anders ausgebildet sein können und alternativ oder zusätzlich eine oder mehrere Linsen umfassen können.
4 zeigt anhand der CIE-Normfarbtafel die Generierung von Weißlicht, wie sie durch den Scheinwerfer der 3 bewirkt wird. Analog zu der Darstellung der 1 ist wiederum die Spektralfarblinie SL sowie die Purpurlinie PL im Farbraum wiedergegeben. Darüber hinaus ist auch der ECE-Weißlichtbereich als Polygon dargestellt, wobei aus Übersichtlichkeitsgründen die Bezugszeichen W1 bis W6 für die Eckpunkte des Polygons weggelassen wurden. Durch den roten Phosphor 5 wird eine Konvertierung eines Teils des blauen Lichts in den roten Farbbereich erreicht, der in 4 mit B3 bezeichnet ist. Dies führt dazu, dass der ursprüngliche Weißlichtpunkt W des Lichts der Weißlichtquelle 1 vom Rand des ECE-Bereichs in diesen hinein wandert, so dass die neue Weißlichtfarbmischung am Weißlichtpunkt W' erhalten wird. Die Generierung des Weißlichts am Farbort W' wird dabei ohne die oben beschriebenen negativen Effekte des Quenchings erreicht.
Das Spektrum des Lichts, das durch die Beleuchtungsvorrichtung der 3 am Weißlichtpunkt W' erzeugt wird, ist in 5 wiedergegeben. Analog zu 2 ist dabei entlang der Abszisse die Wellenlänge λ und entlang der Ordinate die Lichtleistung LP wiedergegeben. Wie man erkennt, enthält das Spektrum nunmehr zusätzlich zu den Peaks bei den Wellenlängen λ_ex und λ_em einen Peak bei der roten Wellenlänge λ_em2. Dieser Peak weist eine Breite von B_em2 und einer Höhe I_em2 auf und wird durch die Konvertierung von Lichtleistung im blauen Wellenlängenbereich (Peak bei λ_ex) zum roten Wellenlängenbereich bewirkt.
Die im Vorangegangenen beschriebene Ausführungsform der Erfindung weist eine Reihe von Vorteilen auf. Insbesondere kann mit einer Kraftfahrzeug-Beleuchtungsvorrichtung eine stabile Weißlichtverteilung an zentralen Punkten im ECE-Weißlichtbereich erreicht werden, wodurch eine bevorzugte Weißlichtmischung für Scheinwerferlicht gewährleistet wird. Durch die thermische Entkopplung von zwei Konvertierungselementen wird dabei die Erzeugung von Wärme verteilt, wodurch die negativen Effekte des sog. Quenchings vermieden werden und eine stabile Weißlichtfarbe mit hoher Effizienz generiert wird.
Obwohl die Erfindung im Vorangegangenen anhand der Generierung von Weißlicht beschrieben wurde, kann sie analog auch zur Erzeugung von anderen Mischfarben eingesetzt werden. Erfindungswesentlich ist dabei die thermische Entkopplung von zwei zur Lichtkonvertierung verwendeten Konvertierungselementen. Darüber hinaus kann die Erfindung ggf. auch für zwei Konvertierungselemente eingesetzt werden, die aus demselben Material bestehen, beispielsweise aus dem oben beschriebenen Cer-dotierten YAG-Phosphor. In diesem Fall können bei gleicher Konversionsrate die beiden Konvertierungselemente dünner als im Vergleich zur Verwendung eines einzelnen Konvertierungselements ausgestaltet werden. Dies führt in jedem Konvertierungselement zu einer verminderten Wärmentwicklung, was wiederum eine höhere Effizienz bei der Lichterzeugung mit sich bringt und den Effekt des Quenchings auch bei höheren Betriebsleistungen der Laserdioden vermeidet.
Bezugszeichenliste

x, y: Koordinaten in der CIE-Normfarbtafel
SL: Spektralfarblinie
PL: Purpurlinie
B1, B2, B3: Bereiche von Mischfarben
W, W': Weißlichtpunkte
L: Linie
P: Doppelpfeil
W1, W2, ..., W6: Eckpunkte des ECE-Weißlichtbereichs
LP: Lichtleistung
λ: Wellenlänge
I_ex, I_em, I_em2: Höhe von Peaks
B_ex, B_em, B_em2: Breite von Peaks
λ_ex, λ_em, λ_em2: Wellenlängen von Peaks
1: Lichtquelle
2: Laserdiode
3: erstes Konvertierungselement
4: erste optische Einrichtung
5: zweites Konvertierungselement
B: reelles Licht der Lichtquelle
Z: Zwischenbildebene
6: zweite optische Einrichtung
LV: Lichtverteilung

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

US 9550939 B2 [0014]
US 2007/0189352 A1 [0014]

Claims

Beleuchtungsvorrichtung für ein Kraftfahrzeug, umfassend: - eine Lichtquelle (1) zum Aussenden von Licht einer ersten Mischfarbe, wobei die Lichtquelle (1) eine oder mehrere Laserdioden (2) zur Erzeugung von monochromatischem Licht und ein erstes Konvertierungselement (3) zur Konvertierung des monochromatischen Lichts in das Licht der ersten Mischfarbe beinhaltet, - eine erste optische Einrichtung (4), welche die Lichtquelle (1) als reelles Bild (B) in eine Zwischenbildebene (Z) abbildet, und - eine zweite optische Einrichtung (6), welche aus dem reellen Bild (B) in der Zwischenbildebene (Z) eine vorgegebene Lichtverteilung (LV) generiert, dadurch gekennzeichnet, dass am Ort des reellen Bilds (B) in der Zwischenbildebene (Z) ein zweites Konvertierungselement (5) vorgesehen ist, um das Licht der ersten Mischfarbe in Licht einer zweiten Mischfarbe zu konvertieren.
Beleuchtungsvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Lichtquelle (1) eine im Wesentlichen punktförmige Lichtquelle ist.
Beleuchtungsvorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Laserdiode (2) oder Laserdioden (2) zur Erzeugung von blauem Licht und/oder violettem Licht und/oder UV-Licht konfiguriert sind.
Beleuchtungsvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Mischfarbe eine Weißlichtfarbe ist, vorzugsweise im ECE-Weißlichtbereich .
Beleuchtungsvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die zweite Mischfarbe eine Weißlichtfarbe ist, vorzugsweise im ECE-Weißlichtbereich .
Beleuchtungsvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das zweite Konvertierungselement (5) derart ausgestaltet ist, dass es die erste Mischfarbe zu der zweiten Mischfarbe in den ECE-Weißlichtbereich hinein verschiebt.
Beleuchtungsvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das zweite Konvertierungselement (5) zur Erzeugung der zweiten Mischfarbe Lichtleistung in einem blauen Spektralanteil der ersten Mischfarbe reduziert und Lichtleistung in einen roten Spektralanteil der ersten Mischfarbe erhöht.
Beleuchtungsvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das erste Konvertierungselement (3) und/oder das zweite Konvertierungselement (5) jeweils aus einem der folgenden Materialien gebildet sind: Ce:YAG-Phosphor, Cer-dotierter Nitrid-Phosphor, Cer-dotierter Oxidnitrid-Phosphor, CaAlSiN₃:Eu²⁺, Sr₂Si₅N₈:Eu²⁺, M₂SiO₄:Eu²⁺ mit M = Ba²⁺ oder Sr²⁺ oder Ca²⁺, Sr_1-xAlSi₄N₇:Eu_x, wobei vorzugsweise x = 0,03, Li₃Ba₂La₃(MoO₄)8:(Eu3+,Tb3+), Y₂O₂S: Eu³⁺.
Beleuchtungsvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das erste Konvertierungselement (3) und das zweite Konvertierungselement (5) aus dem gleichen Grundmaterial gebildet sind.
Beleuchtungsvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass das erste Konvertierungselement (3) und das zweite Konvertierungselement (5) aus unterschiedlichen Grundmaterialien gebildet sind.
Beleuchtungsvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das erste Konvertierungselement (3) remissiv oder transmissiv ist und/oder das zweite Konvertierungselement (5) remissiv oder transmissiv ist.
Beleuchtungsvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die erste und/oder zweite optische Einrichtung (4, 6) jeweils eine oder mehrere Linsen und/oder einen oder mehrere Reflektoren umfassen.
Beleuchtungsvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Beleuchtungsvorrichtung ein Scheinwerfer oder eine Signalleuchte ist.
Kraftfahrzeug, dadurch gekennzeichnet, dass das Kraftfahrzeug eine oder mehrere Beleuchtungsvorrichtungen nach einem der vorhergehenden Ansprüche umfasst.