DE102021114225A1

DE102021114225A1 - Beleuchtungseinrichtung

Info

Publication number: DE102021114225A1
Application number: DE102021114225.3A
Authority: DE
Inventors: Hubert Halbritter; Bruno Jentzsch
Original assignee: Osram Opto Semiconductors GmbH
Current assignee: Ams Osram International GmbH
Priority date: 2021-06-01
Filing date: 2021-06-01
Publication date: 2022-12-01
Also published as: WO2022253851A1; DE112022002861A5; CN117413439A

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Beleuchtungseinrichtung mit einem Gehäuse mit Lichtaustrittsbereich (16) und einem unterhalb des Lichtaustrittsbereichs (16) angeordneten Montageelement (14). Ein Konversionselement (12) ist auf dem Montagelement (14) angeordnet und ausgebildet, Pumplicht in einem Oberflächenbereich (13) des Konversionselements (12) in Abstrahllicht zu wandeln und über den Oberflächenbereich abzustrahlen (13), Zwei oberflächenemittierende Laservorrichtung (10a, 10b,0c, 10d) zur Erzeugung des Pumplichts, sind auf dem Montagebereich einander gegenüberliegend und seitlich versetzt zu dem Lichtaustrittsbereich angeordnet und beabstandet zu dem Konversionselement (12) und von diesem beabstandet angeordnet. Ein mit dem Gehäuse verbundenes Reflektorelement (20) ist welches oberhalb Laservorrichtungen angeordnet und ausgebildet, das von den Laservorrichtungen (10a, 10b) abgegebene Pumplicht auf den Oberflächenbereich zu reflektieren. Das Montageelement (14) dient zu einer Wärmeabführung der erzeugten Wärme bei gleichzeitig weitgehender thermischen Entkopplung zu dem Konversionselement (14) .

Description

HINTERGRUND
Einige Anwendungen beispielsweise im Bereich von Automotive benötigen für Beleuchtungseinrichtungen eine sehr starke Leuchtstärke. Für die Erzeugung von weißem Licht gekommen hierzu zwei verschiedene Varianten zum Einsatz. In einer ersten Variante wird Licht verschiedener Farben durch Leuchtdioden bzw. Laser erzeugt und direkt gemischt. Beispielsweise können rote, grüne und blaue Laser hierzu verwendet werden, deren Mischlicht weißes Licht bewirkt.
Alternativ dazu kann weißes Licht auch mittels eines blauen Pumplichts und einer anschließenden Konversion mit einem gelben Farbstoff erfolgen. Derartige Konversionselemente werden vereinfacht auch als Phosphor bezeichnet. Eine Nachteile bei derartigen Anwendungen besteht jedoch in der thermischen Degradation. Bei einer großen thermischen Belastung sinkt die Effizienz des Konversionselements und es können Farbverschiebungen auftreten. Zudem altert der Konversionsfarbstoff deutlich schneller und die Lebensdauer der Bauelemente sinkt dadurch.
Entsprechend besteht das Bedürfnis, Beleuchtungseinrichtungen mit sehr hohen Leuchtstärken anzugeben, bei denen die oben genannten Nachteile reduziert sind.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
Die Erfinder haben erkannt, dass eine thermische Entkopplung der Laservorrichtungen und des Konversionselements eine kompakte Bauweise ermöglich und die Lebensdauer derartiger Beleuchtungseinrichtungen erhöht. Sie machen sich dabei verschiedene Aspekte zunutze, die gemeinsam das gewünschte Ziel erreichen.
In einem Aspekt umfasst eine Beleuchtungseinrichtung ein Gehäuse mit einem Lichtaustrittsbereich und einem unterhalb des Lichtaustrittsbereichs angeordneten Montageelement. Auf dem Montageelement ist ein Konversionselement angeordnet und mit diesem thermisch verbunden. Das Konversionselement ist nun ausgebildet, Pumplicht einer Wellenlänge, welches in einem Oberflächenbereich auf das Konversionselement fällt in ein Abstrahllicht mit einer zweiten Wellenlänge zu wandeln und über den Oberflächenbereich abzustrahlen, der unterhalb des Lichtaustrittsbereichs (16) liegt. Weiterhin ist eine erste und eine zweite oberflächenemittierende Laservorrichtung zur Erzeugung des Pumplichts vorgesehen, die auf dem Montagebereich seitlich versetzt zu dem Lichtaustrittsbereich angeordnet sind. Die erste Laservorrichtung ist dabei entlang einer ersten Seite des Konversionselements und von diesem beabstandet auf dem Montageelement thermisch angekoppelt befestigt. Die zweite Laservorrichtung ist entlang einer der ersten Seite gegenüberliegende zweite Seite des Konversionselements von diesem beabstandet und ebenfalls thermisch auf dem Montagelement befestigt
Schließlich umfasst die Beleuchtungseinrichtung ein mit dem Gehäuse verbundenes Reflektorelement, welches oberhalb der ersten und der zweiten Laservorrichtung angeordnet und ausgebildet ist, das von den Laservorrichtungen abgegebene Pumplicht auf den Oberflächenbereich zu reflektieren. Damit ist die Beleuchtungseinrichtung zur Erzeugung eines Mischlicht ausgeführt, dass zum einen aus einem Pumplichtanteil und zum anderen aus einem konvertierten Lichtanteil gebildet ist.
Durch die Konzentration an Konverterpartikeln in dem Konversionselement, der Form oder die ausgestaltung kann der Konversionsgrad und damit die Farbe des Mischlichtes eingestellt werden.
Schließlich ist nach dem vorgeschlagenen Prinzip das Montageelement zu einer Wärmeabführung von im Betrieb der ersten und zweiten Laservorrichtung erzeugten Wärme bei gleichzeitig weitgehender thermischen Entkopplung zu dem Konversionselement ausgeführt. Dies lässt sich zum einen durch eine geeignete Größe des Montagelements erreichen, aber auch durch die erwähnte Beabstandung der Laservorrichtungen von dem Konversionselement. Durch die thermische Entkopplung kann die Lichtleistung auf das Konversionselement erhöht werden, ohne dass dies durch Abwärme von den Laservorrichtungen in seiner Konversionseffizienz maßgeblich beeinflusst wird.
Ein weiterer Aspekt betrifft die Symmetrie, da durch eine gleichmäßige Ausleuchtung des Konversionselement Temperaturgradienten reduziert und so die Lebensdauer erhöht wird. Zudem wird eine über den gesamten Abstrahlraum gleichmäßigere Verteilung des Mischlichts bewirkt. Zu diesem Zweck weist die Beleuchtungseinrichtung in einigen Aspekten eine dritte und eine vierte Laservorrichtung auf, die einander gegenüberliegend und von dem Konversionselement beabstandet angeordnet sind, so dass die Laservorrichtungen optional entlang oder auf den Seiten eines fiktiven Rechtecks um das Konversionselement liegen.
In einem Aspekt umfassen die erste und/oder zweite Laservorrichtung wenigstens einen HCSEL oder einen VCSEL aufweist. Ebenso können die dritte und vierte Laservorrichtung ein HCSEL oder ein VCSEL als oberflächenemittierende Laser aufweisen. Derartige Laser zeichnen sich zum einen durch eine kompakte Bauform aus und bieten eine sehr hohe Lumineszenz bei gleichzeitig geringer Abwärme. Dadurch kann eine sehr hohe Beleuchtungsstärke durch das Mischlicht erreicht werden. In einem Aspekt ist ein oberflächenemittierender Bereich des HCSEL oder des VCSEL parallel zu dem Oberflächenbereich des Konversionselements ist. das Pumplicht wird somit im Wesentlichen senkrecht zur Oberfläche abgestrahlt und von dem Reflektorelement auf den Oberflächenbereich des Konversionselements gelenkt.
In anderen Aspekten umfasst das wenigstens eine HCSEL oder VCSEL jeweils eine lichtformende Optik, die in dem oberflächenemittierenden Bereich integriert ist, so dass eine Abstrahlung des Pumplichts in einem zur senkrechten gekippten Winkel, insbesondere in Richtung auf das Konversionselement erfolgt. Damit kann in einigen Aspekten ein steilerer Einfallswinkel auf den Oberflächenbereich des Konversionselements erreicht werden. Wieder in anderen Aspekten weist das wenigstens eine HCSEL oder VCSEL wenigstens eine lichtformende Optik auf, die auf dem jeweiligen oberflächenemittierenden Bereich angeordnet ist, so dass eine Abstrahlung des Pumplichts in einem zur senkrechten gekippten Winkel, insbesondere in Richtung auf das Konversionselement erfolgt. Es sei an dieser Stelle zu erwähnen, dass die hier erläuterten Optiken einen Teil der Laservorrichtung und speziell der HCSEL oder der VCSEL bilden.
In einigen Aspekten ist, wie erwähnt, die Laservorrichtung mit einem oder mehreren HCSEL gebildet. Dieser umfasst einen Laserresonator, der im Wesentlichen senkrecht zu der der Laservorrichtung benachbarten Seite des Konversionselements liegt. Der oberflächenemittierende Bereich des HCSEL, der auch als Auskoppelbereich bezeichnet wird liegt benachbart zum Konversionselement. In einigen Aspekten ist somit ein hochreflektierender Bereich des Laserresonators dem Konversionselement abgewandt ist.
In anderen Aspekten weist der Laserresonator, der im Wesentlichen senkrecht zu der der Laservorrichtung benachbarten Seite des Konversionselements liegt einen Auskoppelbereich aus, der dem Konversionselement abgewandt ist. In einigen Aspekten erstreckt sich ein Laserresonator wenigstens eines HCSEL einer Laservorrichtung zumindest teilweise unterhalb des Konversionselement, wobei der oberflächenemittierende Bereich der Laservorrichtung benachbart zum Konversionselement ist.
In einigen Aspekten umfasst der oberflächenemittierende Bereich des oberflächenemittierenden Lasers und insbesondere des HCSEL eine geätzte Facette in einem Graben, insbesondere mit einem Winkel von 40° bis 50°.
Ein weiterer Gesichtspunkt betrifft das Gehäuse und das Reflektorelement. So kann das Gehäuse zumindest teilweise mit einem transparenten Material gefüllt sein. Das Reflektorelement kann in diesem Zusammenhang auf dem Gehäuse angeordnet oder auch in dem Material des Gehäuses integriert sein.
In einem weiteren Aspekt ist eine reflektierende Oberfläche des Reflektorelements parallel zu dem Oberflächenbereich des Konversionselements ausgerichtet ist. In diesem Aspekt sind die oben erwähnten Optiken in der Laservorrichtung vorhanden, so dass das Licht auf die Reflektorfläche unter einem Winkel ungleich 90° fällt. In einigen Aspekten ist das Reflektorelement als Ring ausgebildet, dessen innere Aussparung den Lichtaustrittsbereich bildet. Dadurch kann auch ein gleichmäßigerer Eindruck durch einen Benutzer gegeben sein, der von außen auf das Gehäuse schaut. Ein ring lässt sich zudem einfach ausrichten und in das transparente Material des Gehäuses integrieren oder auf diesem anordnen.
In einem anderen Aspekt ist das Reflektorelement als Kegelstumpf ausgeführt. Dadurch ist generell die reflektierende Oberfläche des Reflektorelements gegenüber dem Oberflächenbereich des Konversionselements geneigt, dies kann in einigen Ausführungen die Reflexion verbessern, so dass Licht unter einem steileren oder flacheren Winkel auf den Oberflächenbereich des Konversionselements trifft.
Die Oberfläche ist in einigen Beispielen mit einem Metall, insbesondere Silber oder Aluminium beschichtet oder ausgeführt. Das Reflektorelement kann in einem sehr einfachen Fall auch einfach eine metallische dünne Schicht sein, die auf dem Gehäuse abgeschieden oder in dieses integriert wird.
Zur weiteren Lichtformung wird in einigen Aspekten eine besondere Lichtauskoppelstruktur vorgesehen. Diese kann eine lichtführende oder lichtformende Optik umfassen, aber auch einfach nur zu einer besseren Auskopplung des Lichts aus dem Material des Gehäuses dienen. Die Optik oder auch die Lichtauskoppelstruktur kann in dem Lichtaustrittsbereich integriert sein oder auf diesem angeordnet werden. Letzteres erlaubt eine gewisse Flexibilität je nach gewünschter Anwendung.
Ein anderer Aspekt betrifft die Lichtführung oder -Formung innerhalb des Gehäuses der Beleuchtungseinrichtung. In einem Aspekt weist das Konversionselement ein den Oberflächenbereich des Konversionselements umgebendes Element auf, dass sich das sich über den Oberflächenbereich in Richtung auf den Lichtaustrittsbereich hin erstreckt. Dieses umgebende Element kann Streulicht auf den Lichtaustrittsbereich umlenken bzw. reflektieren. Dazu ist es in einigen Aspekten mit TiO₂ oder einem anderen weißen bzw. reflektierenden Material ausgeführt. Zum anderen kann das umgebende Element auch mit einem Metall ausgebildet sein, wobei hier zusätzlich eine thermische Ankopplung an das Gehäuse oder das Montageelement erfolgen kann. Dadurch wird eine mögliche thermische Belastung weiter reduziert und eine gute Wärmeabfuhr ermöglicht.
Um mögliches Streulicht zu reduzieren, ist in einigen Aspekten vorgesehen, das umgebende Element als Ring mit Aussparungen zu versehen. Diese befinden sich an Positionen für das Pumplicht, so dass dieses durch das umgebende Element gelangen kann. In einem weiteren Aspekt hat das umgebende Element eine reflektierende Oberfläche. Alternativ oder zusätzlich kann es auch geneigt sein, so dass die sich an den Oberflächenbereich anschließende Oberfläche eine reflektierende Wand bildet, die vom Konversionselement abgegebenes Licht auf den Lichtaustrittbereich reflektiert. Ebenso ist es in einigen Aspekten möglich eine nach innen gerichtete Außenseite des Konversionselements reflektierend auszugestalten. Dadurch wird entweder Pumplicht aber auch konvertiertes Licht zurückgeworfen. In diesem Zusammenhang ist es zweckmäßig, zumindest den Boden des Konversionselements, d.h. die Auflagefläche auf das Montageelement mit einer reflektierenden Schicht zu versehen.
Figurenliste
Weitere Aspekte und Ausführungsformen nach dem vorgeschlagenen Prinzip werden sich in Bezug auf die verschiedenen Ausführungsformen und Beispiele offenbaren, die in Verbindung mit den begleitenden Zeichnungen ausführlich beschrieben werden.

1 zeigt eine erste Ausgestaltungsform nach dem vorgeschlagenen Prinzip in Draufsicht;
2 zeigt die Ausgestaltungsform der 1 in einer Seitenansicht;
3 zeigt eine zweite Ausgestaltungsform einer Beleuchtungseinrichtung mit einigen Aspekten des vorgeschlagenen Prinzips;
4 stellt eine weitere Ausgestaltung einer Beleuchtungseinrichtung mit VCSEL Matrizen dar;
5 zeigt eine Ausgestaltungsform einer Beleuchtungseinrichtung mit einigen Aspekten des vorgeschlagenen Prinzips;
6 zeigt eine Seitenansicht eine Ausgestaltungsform einer Beleuchtungseinrichtung;
7 zeigt die Seitenansicht der Ausgestaltungsform nach 5 mit einigen Aspekten des vorgeschlagenen Prinzips;
8 zeigt die Seitenansicht der Ausgestaltungsform der 3 bzw. auf der 4 abgewandelter Ansicht;
9 zeigt eine erste Ausführung eines HCSEL, wie er in einer Beleuchtungseinrichtung nach dem vorgeschlagenen Prinzip einsetzbar ist;
10 zeigt eine zweite Ausführung eines HCSEL, wie er in einer Beleuchtungseinrichtung nach dem vorgeschlagenen Prinzip einsetzbar ist;
11 zeigt eine dritte Ausführung eines HCSEL, wie er in einer Beleuchtungseinrichtung nach dem vorgeschlagenen Prinzip einsetzbar ist;
12 zeigt Ausführungen eines VCSEL, wie er in einer Beleuchtungseinrichtung nach dem vorgeschlagenen Prinzip einsetzbar ist;
13 stellt eine weitere Ausgestaltungsform einer Beleuchtungseinrichtung mit einigen Aspekten des vorgeschlagenen Prinzips in Draufsicht dar;
14 zeigt die Ausgestaltungsform der Beleuchtungseinrichtung der 13 in Seitenansicht;
15 stellt eine weitere Ausgestaltungsform einer Beleuchtungseinrichtung mit einigen Aspekten des vorgeschlagenen Prinzips in Draufsicht dar;
16 zeigt die Ausgestaltungsform der Beleuchtungseinrichtung der 15 in Seitenansicht.

DETAILLIERTE BESCHREIBUNG
Die folgenden Ausführungsformen und Beispiele zeigen verschiedene Aspekte und ihre Kombinationen nach dem vorgeschlagenen Prinzip. Die Ausführungsformen und Beispiele sind nicht immer maßstabsgetreu. Ebenso können verschiedene Elemente vergrößert oder verkleinert dargestellt werden, um einzelne Aspekte hervorzuheben. Es versteht sich von selbst, dass die einzelnen Aspekte und Merkmale der in den Abbildungen gezeigten Ausführungsformen und Beispiele ohne weiteres miteinander kombiniert werden können, ohne dass dadurch das erfindungsgemäße Prinzip beeinträchtigt wird. Einige Aspekte weisen eine regelmäßige Struktur oder Form auf. Es ist zu beachten, dass in der Praxis geringfügige Abweichungen von der idealen Form auftreten können, ohne jedoch der erfinderischen Idee zu widersprechen.
1 zeigt eine erste Ausgestaltung einer Beleuchtungsanordnung des vorgeschlagenen Prinzips in einer Draufsicht. Figur zwei ist die entsprechende Darstellung in einer Seitenansicht. Die Beleuchtungseinrichtung ist in einem Gehäuse 19 integriert, welches beispielsweise rechteckig oder quadratisch ausgestaltet sein kann. Unterschiedliche Formen hinsichtlich der Größe und der Form der Beleuchtungseinrichtung sind dabei möglich. Die Beleuchtungseinrichtung umfasst neben dem Gehäuse 19 auch ein Montageelement 14, welches mehrere Funktionen übernimmt. Zum einen dient das Montageelement 14 zur Befestigung der verschiedenen weiteren Elemente der Beleuchtungseinrichtung und zum anderen erfüllt es die Aufgabe, Wärme im Betrieb der Beleuchtungsvorrichtung hauptsächlich durch die Laservorrichtungen erzeugt effizient und insbesondere vom Konversionselement entfernt abzuführen.
Auf dem Montageelement 14 sind insgesamt vier waren unförmige Oberflächen emittierende Laservorrichtungen 10a, 10b, 10c und 10d angeordnet. Die Oberflächen emittierende Laservorrichtungen sind dabei als HCSEL (horizontal cavity surface emitting laser) d. h. als horizontal-kavität oberflächenemittierende Laser ausgebildet. In diesem Ausführungsbeispiel zeigen alle Laservorrichtungen 10a insgesamt zwei oberflächenemittierende Bereiche 101, die an den entgegengesetzten Enden der Laservorrichtungen 10a bis 10d angeordnet sind. Die 4 Laservorrichtungen 10a bis 10d sind auf einer virtuellen und fiktiven Linie eines Quadrates entlang der jeweiligen Seiten angeordnet. In dem durch die Laservorrichtung gebildeten Zwischenraum ist nun ein Konversionselement 12 auf dem Montageelement 14 aufgebracht. Das Konversionselemente 12 umfasst eine Umrandung, die von den jeweiligen Laservorrichtungen beanstandet ist. Der Abstand ist dabei so gewählt, dass in einem Betrieb der Laservorrichtungen eine thermische Kopplung zwischen den Laservorrichtungen und dem Konversionselement ausgeschlossen ist. Eine thermische Anbindung findet, wenn überhaupt, nur über das Montageelement 14 statt.
Oberhalb des Gehäuses 19 ist wie in der Seitenansicht der 2 dargestellt ein Reflektorelement 20 aufgebracht. Dieses ist in der Draufsicht der 1 aus Übersichtsgründen nicht dargestellt. Das Reflektorelement 20 erstreckt sich vom Rand des Gehäuses bis in etwa auf die Höhe der Konversionseinrichtung 12. Zwischen dem Reflektorelement ist ein Auskoppelelement 16 angeordnet, welches für das von dem Konversionselement abgegebene Licht transparent ausgestaltet ist. In einem Betrieb erzeugen die Laservorrichtungen 10a bis 10d Licht einer Pumpwellenlänge, dass im Folgenden auch als Pumplicht bezeichnet wird und strahlen dies über ihre Oberflächen emittierenden Bereiche 101 in Richtung auf das Konversionselement 12.dabei erfolgt die abstrahlt Richtung in einem geneigten Winkel, d. h. nicht entlang der senkrechten zu den jeweiligen Oberflächen emittierenden Bereich hierzu sind Optiken bzw. andere Elemente vorgesehen, die folgenden noch näher.
Das von den Laservorrichtungen abgegebene Pumplicht fällt auf das Reflektorelement 20 und wird von diesem in Richtung auf einen Oberflächenbereich 13 des Konversionselements 12 gelenkt. Innerhalb dieses Oberflächenbereichs des Konversionselements findet eine Konversion des Pumplichts in Licht einer zweiten Wellenlänge statt. Dabei ist die Konzentration der Konverterpartikel innerhalb des Bereiches 13 bzw. auch des Konversionselements 12 so gewählt, dass gemeinsam mit dem Pumplicht eine Konversion in Licht einer gelben Wellenlänge stattfindet, sodass eine weiße Mischfarbe im erzeugt wird. Der in der 1 dargestellte Oberflächenbereich im Wesentlichen kreisförmig aufgrund des ellipsenförmigen Kegel des Pumplichts, der auf den Oberflächenbereich 13 auftritt.
Aufgrund des Abstandes der Laservorrichtungen von dem Konversionselements 12 ist eine thermische Entkopplung zwischen den Elementen gewährleistet das Montageelement, auf dem sowohl die Laservorrichtungen 10a bis 10d als auch das Konversationselement 12 aufgebracht ist, dient dabei insbesondere zur Wärmeabfuhr der durch den Betrieb der Laservorrichtungen bzw. die Lichtkonvention erzeugten Wärme. Dabei ist der Montageblock 14 derart ausgestaltet, dass Wärme von den Laservorrichtungen nicht ins Konversionselements gelangen kann. Zu diesem Zweck umfasst der Montageelement 14 beispielsweise Brücken, die den Bereich des Montageelements des unterhalb des Konversionselements 12 von Bereichen unterhalb der Laservorrichtungen trennt. Ebenso kann das Montageelement zumindest teilweise aus einem Material mit einer schlechten Wärmeleitfähigkeit ausgebildet sein. Beispielsweise kann dieses Material die Brücken zwischen den Bereichen unterhalb des Konversionselements unterhalb der Laservorrichtungen bilden. Damit kann das Montageelement 14 beispielsweise als Leadframe ausgeführt werden.
6 zeigt eine alternative Ausgestaltung dieser Beleuchtungsvorrichtung, bei der im Gegensatz zur vorangegangenen Ausgestaltung die Reflektorelemente innerhalb des Gehäuses integriert sind. Zudem ist das Reflektorelement 20 als hohler Pyramidenstumpf ausgeführt. Die Öffnung dieses Pyramidenstumpfs ist über dem Oberflächenbereich 13 des Konversionselements 12 angeordnet. Innerhalb der Aussparung des die Öffnung bildenden Pyramidenstumpfs ist eine Auskoppeloptik 16a aus einem transparenten Material vorgesehen. Das Gehäuse 19 selbst ist mit einem transparenten Material 19a gefüllt, sodass das Reflektorelement und die Auskoppeloptik 16a in Position gehalten wird
3 zeigt eine weitere Ausgestaltungsform einer Beleuchtungseinrichtung nach dem vorgeschlagenen Prinzip in seiner Draufsicht. Eine korrespondierende Seitenansicht ist in 8 dargestellt. Die Beleuchtungseinrichtung ist in ähnlicher Weise wie die Ausführungsformen der 1 gebaut. Jedoch umfasst sie zusätzlich auf dem Konversionselements 12 einen Ring 40. Dieser Ring ist ellipsen- bzw. kreisförmig um den Oberflächenbereich 13 angeordnet und bildet einen umlaufenden Ring. In einigen Ausführungsformen besitzt der Ring im wesentlichen senkrechte Seitenwände bezogen auf den Oberflächen der Bereiche 13. In anderen Ausgestaltungen können diese Seitenwände auch geneigt sein, sodass von den Oberflächenbereich 13 abgestrahltes Licht an den Seitenwänden reflektiert und in Richtung des Abstrahlbereichs 16 abgegeben wird.
Weiterhin ist in der Seitendarstellung der 8 dieser Ausführungsform zu erkennen, dass die Reflektorelemente 20 innerhalb des Gehäuses geneigt angeordnet sind. Die Neigung erfolgt dabei derart, dass die den Gehäuseseiten benachbarten Enten des Reflektorelements dem Montageelement näherliegen. Der dadurch erzeugte Winkel zwischen dem oberflächenemittierenden Bereich der Laservorrichtungen 10a und 10c sowie dem Reflektorelement 20 führt zu einem flacheren Eintrittswinkel und damit einer leicht anderen Reflexion des von den Laservorrichtungen abgegebenen Pumplichts.
Durch eine geeignete Wahl der Höhe des Rings 40 sowie der Neigung und der Position der Reflektorelemente 20 oberhalb der Laservorrichtungen 10a und 10c und der Position des Konversionselements 12 kann eine geeignete Lichtführung in das Zentrum des Konversionselements 12 erreicht werden. Innerhalb des Bereiches 13 des Konversionselements 12 findet eine Konvertierung des Licht statt, sodass sich ein weißes Mischlicht gibt. Dieses wird vom Konversionselement 12 nach oben hin in Richtung auf eine Auskoppeloptik 16b abgestrahlt. Die Auskoppeloptik 16b ist dabei in den Deckel des Gehäuses 19 als Linse zur Lichtformung integriert und überlappt teilweise die in das Gehäuse integrierte Reflektorelemente 20.
Eine weitere Ausführungsform in Draufsicht zeigt die 4, bei der die Laservorrichtungen als vertikale emittierende Laserdioden ausgeführt sind. Diese sogenannten VCSEL zeichnet sich durch eine besonders kleine Bauform aus, sodass die Laservorrichtungen die in Ausführungsformen dargestellt durch ein Array aus 4 × 5 einzelnen VCSELn aufgebaut sind. Dadurch besitzt jede Laservorrichtung 11a bis 11d insgesamt neun Oberflächen emittierende Bereiche. Je zwei gegenüberliegende Laservorrichtungen sind in gleicher Orientierung auf dem Montageelement angeordnet. Mit anderen Worten ist bei dieser 5x4 VCSEL-Matrix in der Laservorrichtung jeweils ein Streifen mit vier oberflächenemittierenden Bereichen und ein Streifen mit fünf oberflächenemittierenden Bereichen von VCSELn je zwei gegenüberliegenden Kanten des Konversionselements 12 benachbart.
Jeder VCSEL der Laservorrichtungen 11a bis 11d besitzt eine in den oberflächenemittierenden Bereich integrierte oder auf diesen aufgebrachte Optik, die ausgestaltet ist, das von dem VCSEL erzeugte Pumplicht auf die Reflektorelemente zu lenken. 8 zeigt eine entsprechende Seitenansicht dieser Reflektorelemente, nur, dass im Gegensatz zu den Laservorrichtungen 10a und 10c nun die Matrizen aus den VCSEL eingesetzt sind.
5 weitere Ausgestaltungsform einer Beleuchtungseinrichtung nach dem vorgeschlagenen Prinzip in der Draufsicht. 7 ist eine entsprechende Ausgestaltung in Seitenansicht. Bei dieser ist wie in der Seitenansicht der 7 zu erkennen, der den Oberflächenbereich 13 des Konversionselement 12 umschließende Ring 40a deutlich höher ausgeführt. Dadurch dient zum einen dazu, Streulicht der Laservorrichtungen von außen abzublocken und zum anderen das von dem Konversionselements 12 konvertierte Licht einer seiner Innenumwandlung zu reflektieren und in den Ausgangsbereich 16 abzustrahlen. Der Ring umfasst, wie in der Draufsicht dargelegt mehrere Aussparungen 41, die sich an der Position der von den Laservorrichtung 10a bis 10d die abgegebenen Lichtkegel bzw. Lichtstrahlen befinden. Somit lassen die Aussparungen 41 im Ring 40a das von den Laservorrichtungen 10a bis 10d erzeugte Pumplicht hindurch und verhindern ansonsten ein Auftreffen von Streulicht auf den Bereich 13 des Konversionselements. Auch in diesem Ausführungsbeispiel ist das Reflektorelement 20 als umlaufender Ring ausgeführt, dessen Unterseite wie in den vorangegangenen Ausführungsbeispielen geneigt ist.
Die 9 bis 12 zeigen verschiedene Ausgestaltungsform eines HCSEL bzw. VCSEL, wie in den Laservorrichtungen der vorgeschlagenen Beleuchtungseinrichtung einsetzbar ist. 9 zeigt einen oberflächenemittierenden Laser, dessen zwei abstrahlende Bereiche 101 durch das gleiche Lasermodul angesteuert werden. Dabei umfasst die Laservorrichtung ein GaN Substrat 111, auf das eine Antireflexionsschicht 110 aufgebracht ist. Zwischen den beiden oberflächenemittierenden Bereichen 101 ist ein n-Kontakt 119 aufgebracht. Dieser dient zur Zuführung der Ladungsträger. Auf der dem Kontakt abgewandten Seite der GaN-Schicht 111 schließt sich eine DBR-Struktur 112 an. Der DBR Struktur 112 nachfolgend befindet sich eine n-dotierte GaN-Schicht 116, sowie ein Mehrfachquantenwell 115. Der Mehrfachquantenwell 115 ist wiederum über eine p-dotierte Schicht 117 mit dem p-Kontakt 114 verbunden.
Zur Erzeugung eines HCSEL sind nun die Seitenbereiche einem Ätzprozess unterworfen, sodass sich geneigte, insbesondere im 45° Winkel abgeschrägte oder geneigte Facetten 113 ausbilden. Der HCSEL verfügt somit über eine um 45 Grad geätzte Facette, die eine interne Totalreflexion innerhalb des als Laserresonator wirkende Struktur 115 erzeugt. Das Laserlicht verlässt die Kavität in einem Winkel senkrecht zum Substrat. In einigen Aspekten kann die Facette zudem mit einer reflektierenden jedoch elektrisch isolierten Schicht bedeckt sein.
10 zeigt eine ähnliche Ausgestaltung wie in 9. Der wesentliche Unterschied besteht darin, dass die hier lediglich eine Facette mit einer reflektierenden und zur Totalreflexion geeigneten Schicht 113 vorgesehen ist. Oberhalb dieser Schicht ist auf dem GaN Substrat 111 eine Linse 120 oberhalb der Laserfacette 113 aufgebracht. Diese dient dazu, das total reflektierte und das die DBR-Struktur durchstrahlende Laserlicht in die gewünschte Richtung auf das Konversionselement zu lenken. Eine alternative Ausgestaltung eines HCSEL Lasers zeigt 11. Bei diesem Laser ist eine entsprechende Optik 121 innerhalb der GaN-Schicht 111 vorgesehen und in dieser integriert. Oberhalb der Auskoppeloptik 121 ist zudem die Antireflexionsschicht 110 angeordnet. Diese Ausgestaltung besitzt den Vorteil, dass sie noch während der Herstellungsphase eines HCSEL Laser in diese integriert und auf die darunterliegende Struktur und die Position der Facette abgestimmt werden kann.
Entsprechende Ausgestaltungsformen gibt es auch für den VCSEL Laser. Dieser bildet wie der HCSEL ein oberflächenemittierendes Bauelement, nur ist hier der Resonator vertikal und nicht horizontal angeordnet. 12 zeigt zwei Ausgestaltungsformen eines VCSEL, bei der unterschiedliche optische Elemente 120, auf den oberflächenemittierenden Bereich aufgebracht sind. Diese können zum einen eine Linse bilden, wie beispielsweise in der linken Teilfigur dargestellt, zum anderen aber auch eine Prismenstruktur wie in der rechten Teilfigur. Beide Optiken 120 dienen dazu, das von der Laservorrichtung abgegebene Pumplicht in Richtung auf das Reflektorelement für eine darauffolgende geeignete Reflexion auf das Konversionselement zu lenken.
Neben den hier dargestellten Ausführungsformen existieren weitere Möglichkeiten der Anordnung der jeweiligen Laservorrichtungen in Bezug auf das Konversionselements 12. Dabei können verschiedene weitere Aspekte wie die Wärmeentwicklung der Laservorrichtungen, die Größe der Beleuchtungseinrichtung sowie die gewünschten Lichtabstrahlungsverhältnisse berücksichtigt werden. 13 zeigt hierzu ein weiteres Ausführungsbeispiel in seiner Draufsicht. In 14 ist die Ausführungsform der Beleuchtungseinrichtung schematisch in der Seitenansicht dargestellt.
In der dargestellten Ausführung ist die Beleuchtungseinrichtung mit mehreren Laservorrichtungen ausgeführt, die zwischen den Seiten von zwei Gräben 130 angeordnet sind. Die beiden einander gegenüberliegenden Gräben 130 bilden dabei ein Oktaeder, wobei die Laserresonatoren 131 der jeweiligen Laservorrichtungen zwischen den Seitenkanten der Gräben liegen. An jeder Seite des Konversionselements 12 abgewandten Grabens 130 ist eine hochreflektierende Schicht 135 angeordnet, um das durch die Laservorrichtung erzeugte Licht wieder in Richtung auf die Auskoppelfacette und damit den oberflächenemittierenden Bereich 101 zu lenken. Der äußere Graben kann dabei eine senkrechte Bewandung haben, die mit der Schicht 135 bedeckt ist. an dieser Stelle kann auch eine Steuerdiode oder ein anderes Element zur Steuerung der Laservorrichtung angeordnet sein.
Die dem Konversionselement benachbarte Graben 130 umfasst an seinen Seitenwänden jeweils eine geätzte 45° Facette, die senkrecht zum jeweiligen Laserresonator liegt. Durch diese Ausgestaltung befinden sich zumindest große Bereiche des länglichen Laserresonator weiter von dem Konversionselement 12 entfernt, sodass die im Betrieb erzeugte Wärme noch weniger das Konversionselements 12 beeinflussen kann. Lediglich der oberflächenemittierenden Bereiche der jeweiligen Laservorrichtungen sind in der Nähe des Konversionselements 12 angeordnet. Dadurch wird eine noch bessere thermische Trennung zwischen dem Konversionselement und den einzelnen Laservorrichtungen erreicht, da eine Wärme hauptsächlich in dem nun weiter entfernt angeordneten Laserresonator erzeugt wird.
Daneben kann durch diese Anordnung der Laserresonator in seiner Länge flexibler ausgestaltet werden, da er im Gegensatz zu den vorangegangenen Ausführungsbeispielen nicht durch die Seitenlänge des Konversionselements eingeschränkt ist. Auf diese Weise werden Laserresonatoren möglich, die eine besonders hohe Quanteneffizienz, Photonenmultiplikation und damit Leuchtstärke aufweisen. Das Konversionselements sowie die beiden Gräben 130, zwischen denen die Laservorrichtungen mit ihren Kämmen angeordnet sind, sind in diesem Ausführungsbeispiel in Form eines Oktaeders ausgeführt. Dadurch umfasst die Beleuchtungseinrichtung insgesamt 8 Laservorrichtungen, deren oberflächenemittierenden Bereiche zu dem Konversionselement benachbart sind. Durch das in 14 dargestellte geneigte Reflektorelement 12, was sich teilweise oberhalb der Laserkresonatoren und über den Randbereich des Konversionselements 12 erstreckt, wird das im Oberflächenbereich 101 abgegebene Pumplicht auf das Konversionselement reflektiert. Wie in den vorangegangenen Beispielen umfassen auch hier der oberflächenemittierenden Bereiche eine integrierte bzw. aufgesetzte Optik, um den Lichtstrahl wie dargestellt nicht senkrecht zur Oberfläche bzw. zum Laserresonator abzustrahlen, sondern bereits in Richtung auf das Konversionselement.
Das Konversionselements 12 erzeugt nun mit einem Teil des einfallenden Pumplichts einen gelben Anteil, der mit dem restlichen Pumplicht zu einem weißen Mischlicht gemischt wird. Nicht konvertiertes Pumplicht wird von dem Konversionselement zurückgestrahlt und gelangt so gemeinsam mit dem konvertierten Licht in den Abstrahlbereich 16 und wird als weißes Mischlicht abgegeben.
In der Seitenansicht der 14 ist zudem das Montageelement 14 dargestellt. Dieses ist als Leadframe ausgebildet, und umfasst erste Elemente 14, auf denen die Laservorrichtungen 10a und 10c angeordnet sind. Daneben umfasst das Montageelement einen zentralen Bereich 14', der wie dargestellt von den Elementen 14 räumlich und damit auch thermisch getrennt ist. Auf dem zentralen Bereiche 14 ist nun das Konversionselements 12 angeordnet. Der zentrale Bereich 14 ist dabei lediglich über dünne Brücken, die hier nicht dargestellt, sind mit den Elementen 14 verbunden. Auf diese Weise wird eine sehr gute thermische Trennung zwischen den einzelnen Laservorrichtungen und dem Konversionselement erreicht. Alternativ kann auch der zentrale Bereich 14' über einen Kunststoff, beispielsweise einen Mould mit den Bereichen 14 verbunden sein. Ein derartiger Kunststoff zeichnet sich generell durch eine geringe Wärmeleitfähigkeit aus, so dass dadurch eine thermische Trennung erreicht oder verbessert wird.
Zusätzlich sei festgehalten, dass durch die Anordnung der Laservorrichtungen ein durchschnittlicher Wärmebeitrag auch räumlich weiter entfernt von dem Konversionselement 12 stattfindet, sodass eine thermische Ankopplung und eine Übertragung dieser Wärme auf das Konversionselement 12 weiter reduziert wird. Insgesamt lässt sich diese Ausgestaltung somit mit einer sehr hohen Beleuchtungsstärke betreiben, um so eine Beleuchtungseinheit mit einer hohen Lichtstärke zu erhalten.
Ein weiteres Beispiel einer Beleuchtungseinrichtung zeigen die 15 und 16, bei der sich die Beleuchtungseinrichtung durch eine besonders kompakte Bauform bei gleichzeitig hoher Leuchtstärke auszeichnet. Die Beleuchtungseinrichtung ist wie dargestellt von einer Mesakante 140 umgeben und besitzt eine im wesentlichen quadratische Ausführungsform. Entlang der vorhandenen Mesakante können die einzelnen Bauelemente anschließend vereinzelt und weiterverarbeitet werden.
Zentral auf der Oberfläche dieser Struktur ist die Konversionseinrichtung 12 angeordnet, wie dies in 16 dargestellt ist. Daneben ist, wie auch im vorangegangenen Beispiel ein Graben 130 vorgesehen, der als Oktaeder ausgeführt ist und das Konversionselement umgibt. Dieses ist hier als Ring oder Zylinder ausgeformt, kann aber auch eine oktaederförmige Struktur oder eine andere Form aufweisen. Der Graben weit Seitenwände auf, die in einem 45° Winkel geätzt sind. Dadurch bilden die Seitenwände ein Element zur Totalreflexion eines im Laserresonator erzeugten Lichts, so dass Licht nach oben abgegeben wird und sich so für die Laservorrichtungen ein oberflächenemittierender Bereich 101 ergibt.
Die Laserresonatoren 131 der entsprechenden Laservorrichtungen liegen in dieser Ausführungsform unterhalb des Konversionselementes 12 treffen sich zentral in einem Punkt. Mit anderen Worten ist somit jeweils ein Laserresonator mit zwei entsprechenden oberflächenemittierenden Bereichen 101 ausgeführt.
Das Konversionselement ist in diesem Ausführungsbeispiel auf einem gemeinsamen in Kontakt 132 angeordnet. Der gemeinsame n-Kontakt ist dabei als durchgehende metallische Fläche ausgestaltet, an dem Wärme auf geeignete Weise wegtransportiert werden kann. Die jeweiligen Laserresonatoren sind auf der Rückseite über einen p-Kontakt einzeln kontaktierbar.
In dieser Ausgestaltungsform wird somit eine besonders kompakte Realisierung erreichbar. Dennoch bleibt durch die metallische Oberfläche 132, die auch als Wärmeleiter wirkt, eine thermische Trennung zwischen Konversionselement und den darunterliegenden Laservorrichtungen weitestgehend vorhanden. Durch eine geeignete Auskoppeloptik in dem oberflächenemittierenden Bereich 101 wird das von den Laservorrichtungen erzeugte Licht auf die geneigten Reflektorelemente 20 abgegeben und von diesen auf das Konversionselement 12 reflektiert.
Die hier vorgestellten Beispiele und Ausführungsformen sind in ihren einzelnen Elementen ohne weiteres kombinierbar. Insbesondere lässt sich das Montageelement mit seinen beiden voneinander thermisch getrennten Elementen für die Beleuchtungseinrichtungen verwenden. Gleiches gilt für die Reflektorelemente 20 und Auskoppelstrukturen 16, deren einzelne Beispiele in den jeweiligen Ausführungen auch für andere Beispiele verwendet werden können.
Bezugszeichenliste

10a, 10b, 10c 10d: Laservorrichtung
12: Konversionselement
13: Oberflächenbereich
14: Montagelement
16: Lichtaustrittsbereich
16a: Optik
19: Gehäuse
19': transparentes Gehäusematerial
20: Reflektorelement
40, 40a: Ring
41: Aussparung
101: oberflächenemittierender Bereich
110: nicht reflektierende Beschichtung
111: GaN Substrat
112: DBR
113: Auskoppelfacette
114: p-Kontakt
115: Mehrfachquantenwell
116: n-dotiertes GaN
117: p-dotiertes GaN
118: reflektierende Grenze
119: n-Kontakt
120: lichtformende Optik
120': lichtformende Optik
121: integrierte Optik
130: Graben
131: Laserresonator
132: gemeinsamer n-Kontakt
135: reflektierende Schicht
140: Mesastruktur

Claims

Beleuchtungseinrichtung aufweisend: - ein Gehäuse mit einem Lichtaustrittsbereich (16) und einem unterhalb des Lichtaustrittsbereichs (16) angeordneten Montageelement (14); - ein Konversionselement (12), welches auf dem Montagelement (14) angeordnet ist, - wobei das Konversionselement ausgebildet ist, Pumplicht einer Wellenlänge, welches in einem Oberflächenbereich (13) auf das Konversionselement (12) fällt in ein Abstrahllicht mit einer zweiten Wellenlänge zu wandeln und über den Oberflächenbereich abzustrahlen (13), der unterhalb des Lichtaustrittsbereichs (16) liegt; - eine erste und eine zweite oberflächenemittierende Laservorrichtung (10a, 10b, 10c, 10d) zur Erzeugung des Pumplichts, die auf dem Montagebereich seitlich versetzt zu dem Lichtaustrittsbereich angeordnet sind; - wobei die erste Laservorrichtung (10a) entlang einer ersten Seite des Konversionselements (12) und von diesem beabstandet angeordnet ist, und die zweite Laservorrichtung (10b) entlang einer der ersten Seite gegenüberliegende zweite Seite des Konversionselements (12) und von diesem beabstandet angeordnet ist; - ein mit dem Gehäuse verbundenes Reflektorelement (20), welches oberhalb der ersten und der zweiten Laservorrichtung angeordnet und ausgebildet ist, das von den Laservorrichtungen (10a, 10b) abgegebene Pumplicht auf den Oberflächenbereich zu reflektieren; - wobei das Montageelement (14) zu einer Wärmeabführung von im Betrieb der ersten und zweiten Laservorrichtung erzeugten Wärme bei gleichzeitig weitgehender thermischen Entkopplung zu dem Konversionselement (14) ausgeführt ist.
Beleuchtungseinrichtung nach Anspruch 1, weiter umfassend eine dritte und eine vierte Laservorrichtung, die einander gegenüberliegend und von dem Konversionselement (12) beabstandet angeordnet sind, so dass die Laservorrichtungen optional entlang oder auf den Seiten eines fiktiven Rechtecks um das Konversionselement angeordnet sind.
Beleuchtungseinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der die ersten und/oder zweite Laservorrichtung wenigstens einen HCSEL oder einen VCSEL aufweist.
Beleuchtungseinrichtung nach Anspruch 3, bei der ein oberflächenemittierender Bereich des HCSEL oder des VCSEL parallel zu dem Oberflächenbereich (13) des Konversionselements ist.
Beleuchtungseinrichtung nach Anspruch 3, bei der das wenigstens eine HCSEL oder VCSEL eine lichtformende Optik in dem jeweiligen oberflächenemittierenden Bereich integriert hat, so dass eine Abstrahlung des Pumplichts in einem zur senkrechten gekippten Winkel, insbesondere in Richtung auf das Konversionselement erfolgt.
Beleuchtungseinrichtung nach Anspruch 3, bei der das wenigstens eine HCSEL oder VCSEL wenigstens eine lichtformende Optik aufweist, die auf dem jeweiligen oberflächenemittierenden Bereich angeordnet ist, so dass eine Abstrahlung des Pumplichts in einem zur senkrechten gekippten Winkel, insbesondere in Richtung auf das Konversionselement erfolgt.
Beleuchtungseinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der die Laservorrichtungen (10a, 10b, 10c, 10d) parallel zu dem Konversionselement (12) angeordnet sind.
Beleuchtungseinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der die Laservorrichtung einen Laserresonator (131) aufweist, der im Wesentlichen senkrecht zu der der Laservorrichtung benachbarten Seite des Konversionselements liegt, wobei der oberflächenemittierende Bereich der Laservorrichtung benachbart zum Konversionselement ist.
Beleuchtungseinrichtung nach Anspruch 8, bei der ein hochreflektierender Bereich des Laserresonators (131) dem Konversionselement abgewandt ist.
Beleuchtungseinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, bei der die Laservorrichtung (10a, 10b, 10c, 10d) einen Laserresonator (131) aufweist, der sich unterhalb des Konversionselement erstreckt, wobei der oberflächenemittierende Bereich der Laservorrichtung benachbart zum Konversionselement ist.
Beleuchtungseinrichtung nach Anspruch 8, bei der der oberflächenemittierende Bereich durch eine geätzte Facette, insbesondere mit einem Winkel von 25° bis 65°, insbesondere von 40° bis 50° gebildet ist.
Beleuchtungseinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der das Gehäuse zumindest teilweise mit einem transparenten Material (19') gefüllt ist.
Beleuchtungseinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der eine reflektierende Oberfläche des Reflektorelements (20) parallel zu dem Oberflächenbereich (13) des Konversionselements ausgerichtet ist.
Beleuchtungseinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der das Reflektorelement (20) als Ring ausgebildet, dessen innere Aussparung den Lichtaustrittsbereich (16) bildet.
Beleuchtungseinrichtung nach Anspruch 13, bei der das Reflektorelement als Kegelstumpf ausgebildet ist; und/oder die reflektierende Oberfläche des Reflektorelements (20) gegenüber dem Oberflächenbereich (13) des Konversionselements (12) geneigt ist.
Beleuchtungseinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der zumindest eine Oberfläche des Reflektorelements ein Metall, insbesondere Silber oder Aluminium aufweist.
Beleuchtungseinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, weiter umfassend eine Auskoppelstruktur (16a, 16b), insbesondere eine lichtführende oder lichtformende Optik, die in oder auf dem Lichtaustrittsbereich (16) angeordnet ist.
Beleuchtungseinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der das Reflektorelement auf dem Gehäuse angeordnet ist.
Beleuchtungseinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, weiter umfassend einen den Oberflächenbereich (13) des Konversionselements (12) umgebendes Element (40), das sich über den Oberflächenbereich (13) in Richtung auf den Lichtaustrittsbereich (16) hin erstreckt.
Beleuchtungseinrichtung nach Anspruch 18, bei der das den Oberflächenbereich (13) des Konversionselements (12) umgebende Element (40) mit Aussparungen für das Pumplaserlicht der Laservorrichtungen versehen ist.
Beleuchtungseinrichtung nach einem der Ansprüche 18 oder 19, bei der das umgebende Element (40) eine reflektierende Oberfläche und/oder geneigte sich an den Oberflächenbereich anschließende Oberfläche aufweist.
Beleuchtungseinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der eine nach innen gerichtete Außenseite des Konversionselements reflektierend ausgestaltet ist.
Beleuchtungseinrichtung nach einem der Ansprüche 21 oder 22, bei der das umgebende Element und/oder die nach innen gerichtete Außenseite mit TiO2 ausgebildet ist.