DE212020000510U1

DE212020000510U1 - Laserbasiertes wellenleitergekoppeltes Weißlichtsystem für eine Beleuchtungsanwendung

Info

Publication number: DE212020000510U1
Application number: DE212020000510.9U
Authority: DE
Original assignee: Kyocera SLD Laser Inc
Current assignee: Kyocera SLD Laser Inc
Priority date: 2019-01-18
Filing date: 2020-01-21
Publication date: 2021-11-23
Anticipated expiration: 2030-01-22
Also published as: WO2020150744A1; JP3236102U; CN216450931U

Abstract

Laserbasiertes fasergekoppeltes Weißlichtbeleuchtungssystem, aufweisend:ein oder mehrere Weißlichtquellenmodule, die an einer Quellenposition positioniert sind, jeweils aufweisend:eine Laservorrichtung, die ein Gallium und Stickstoff enthaltendes Material umfasst und als Anregungsquelle konfiguriert ist, wobei die Laservorrichtung eine Ausgangsfacette umfasst, die konfiguriert ist, eine Laseremission mit einer ersten Wellenlänge im Bereich von 385 nm bis 495 nm auszugeben;ein Leuchtstoffelement, das als Wellenlängenkonverter und Emitter konfiguriert und so angeordnet ist, dass die elektromagnetische Laserstrahlung optisch mit einer primären Oberfläche des Leuchtstoffelements gekoppelt werden kann;einen Einfallswinkel, der zwischen der elektromagnetischen Laserstrahlung und der primären Oberfläche des Leuchtstoffelements konfiguriert ist, wobei das Leuchtstoffelement so konfiguriert ist, dass es mindestens einen Teil der elektromagnetischen Laserstrahlung mit der ersten Wellenlänge, die in einem Punkt von mehr als 5 µm auf die primären Oberfläche einfällt, in eine Leuchtstoffemission mit einer zweiten Wellenlänge umwandelt, die länger ist als die erste Wellenlänge;einen Lichtemissionsmodus, der das Leuchtstoffelement mit einer Weißlichtemission charakterisiert, die aus mindestens einer Wechselwirkung der elektromagnetischen Laserstrahlung mit der Leuchtstoffemission erzeugt wird, wobei die Weißlichtemission aus einer Mischung von Wellenlängen besteht, die durch mindestens die zweite Wellenlänge aus dem Leuchtstoffelement charakterisiert ist;eine oder mehrere Fasern, die so konfiguriert sind, dass sie erste Enden haben, die mit dem einen oder den mehreren Weißlichtquellenmodulen gekoppelt sind, um die Weißlichtemission an jeweiligen zweiten Enden auszugeben; undeinen oder mehrere passive Leuchtkörper, die im Wesentlichen frei von elektrischer Leistungsversorgung sind, die an einer Beleuchtungsposition angeordnet sind und mit den jeweiligen zweiten Enden gekoppelt sind, um die Weißlichtemission auf ein oder mehrere Beleuchtungsmuster zu verteilen, wobei die Beleuchtungsposition von einer Position des einen oder der mehreren Weißlichtquellenmodule durch einen entfernten Abstand getrennt ist.

Description

QUERVERWEIS AUF VERWANDTE ANMELDUNGEN
Diese Anmeldung ist eine Teilfortsetzung der US-Anmeldung Nr. 16/597,795 , eingereicht am 9. Oktober 2019, und der US-Anmeldung Nr. 16/597,791 , eingereicht am 9. Oktober 2019, die jeweils eine Teilfortsetzung der US-Anmeldung Nr. 16/380,217 , eingereicht am 10. April 2019, bei der es sich um eine Teilfortsetzung der US-Anmeldung Nr. 16/252,570 , eingereicht am 18. Januar 2019, handelt, deren gesamter Inhalt durch Bezugnahme in vollem Umfang für alle Zwecke hierin aufgenommen wird.
HINTERGRUND
hohen Effizienz, der langen Lebensdauer, der niedrigen Kosten und der Ungültigkeit, die die Festkörper-Beleuchtungstechnologie bietet, haben sich Leuchtdioden (LED) schnell als Beleuchtungstechnologie der Wahl durchgesetzt. Am 7. Oktober 2014 wurde der Nobelpreis für Physik an Isamu Akasaki, Hiroshi Amano und Shuji Nakamura für „die Erfindung von effizienten blauen Leuchtdioden, die helle und energiesparende weiße Lichtquellen ermöglicht hat“ oder, weniger formell, LED-Lampen verliehen.
ZUSAMMENFASSUNG
Gemäß einer Ausführungsform enthält ein Lichtsystem ein oder mehrere Weißlichtquellenmodule, die sich an einer Quellenposition befinden und jeweils Folgendes umfassen: eine Laservorrichtung, die ein Gallium und Stickstoff enthaltendes Material umfasst und als Anregungsquelle konfiguriert ist, wobei die Laservorrichtung eine Ausgangsfacette umfasst, die so konfiguriert ist, dass sie eine Laseremission mit einer ersten Wellenlänge im Bereich von 385 nm bis 495 nm ausgibt; ein Leuchtstoffelement, das als Wellenlängenwandler und Emitter konfiguriert und so angeordnet ist, dass die elektromagnetische Laserstrahlung optisch mit einer primären Oberfläche des Leuchtstoffelements gekoppelt werden kann; einen Einfallswinkel, der zwischen der elektromagnetischen Laserstrahlung und der primären Oberfläche des Leuchtstoffelements konfiguriert ist, wobei das Leuchtstoffelement so konfiguriert ist, dass es mindestens einen Teil der elektromagnetischen Laserstrahlung mit der ersten Wellenlänge, die in einem Fleck von mehr als 5 µm auf der primären Oberfläche einfällt, in eine Leuchtstoffemission mit einer zweiten Wellenlänge umwandelt, die länger als die erste Wellenlänge ist; und einen Lichtemissionsmodus, der das Leuchtstoffelement mit einer Weißlichtemission charakterisiert, die aus mindestens einer Wechselwirkung der elektromagnetischen Laserstrahlung mit der Leuchtstoffemission erzeugt wird, wobei die Weißlichtemission aus einer Mischung von Wellenlängen besteht, die durch mindestens die zweite Wellenlänge aus dem Leuchtstoffelement charakterisiert ist. Das Beleuchtungssystem umfasst auch eine oder mehrere Fasern, die so konfiguriert sind, dass sie erste Enden aufweisen, um mit dem einen oder den mehreren Weißlichtquellenmodulen zu koppeln, um die Weißlichtemission an jeweilige zweite Enden auszugeben; und eine oder mehrere passive Leuchten, die im Wesentlichen frei von elektrischer Energieversorgung sind und an einem Beleuchtungsort angeordnet sind, der mit den jeweiligen zweiten Enden gekoppelt ist, um die Weißlichtemission auf ein oder mehrere Beleuchtungsmuster zu verteilen, wobei der Beleuchtungsort von dem einen oder den mehreren Weißlichtquellenmodulen durch einen entfernten Abstand getrennt ist.
Gemäß einer anderen Ausführungsform umfasst ein Beleuchtungssystem mit verteiltem Weißlicht eine oder mehrere laserbasierte Weißlichtquellen, die in einem oder mehreren dedizierten Quellenbereichen angeordnet sind, wobei jede Lichtquelle aufweist: eine Laservorrichtung, die ein Gallium und Stickstoff enthaltendes Material umfasst und als Anregungsquelle konfiguriert ist, wobei die Laservorrichtung eine Ausgangsfacette umfasst, die so konfiguriert ist, dass sie eine elektromagnetische Laseremission mit einer ersten Wellenlänge im Bereich von 385 nm bis 495 nm ausgibt; ein Leuchtstoffelement, das als Wellenlängenwandler und Emitter konfiguriert und so angeordnet ist, dass es die elektromagnetische Laseremission umwandelt, um eine zweite elektromagnetische Strahlung mit einer zweiten Wellenlänge, die länger als die erste Wellenlänge ist, zu emittieren; und einen Lichtemissionsmodus, der das Leuchtstoffelement mit einer Weißlichtemission charakterisiert, die aus mindestens einer Wechselwirkung der elektromagnetischen Laserstrahlung mit der zweiten elektromagnetischen Emission als eine Mischung von Wellenlängen erzeugt wird, die durch mindestens die zweite Wellenlänge aus dem Leuchtstoffelement charakterisiert ist. Das Beleuchtungssystem umfasst auch ein Weißlichtzuführungselement, das so konfiguriert ist, dass es mit der einen oder den mehreren laserbasierten Weißlichtquellen koppelt, um eine gerichtete Weißlichtemission zu bilden; ein optisches Schaltmodul, das so konfiguriert ist, dass es die gerichtete Weißlichtemission mit einem oder mehreren von mehreren Kanälen koppelt, um den Lichtintensitätspegel auf einen vorbestimmten Pegel zu steuern, der in den einen oder die mehreren Kanäle einzufügen ist; und mehrere Transportfasern, die so konfiguriert sind, dass sie jeweils mit den mehreren Kanälen koppeln, um die Weißlichtemission von einem beliebigen Kanal mit dem vorbestimmten Lichtpegel-Status zu empfangen und die Weißlichtemission zu einem oder mehreren verteilten Beleuchtungsbereichen zu liefern.
Gemäß einer anderen Ausführungsform umfasst ein intelligentes Beleuchtungssystem eine oder mehrere laserbasierte Weißlichtquellen, die in einem Quellenbereich angeordnet sind, wobei die eine oder mehreren Lichtquellen umfassen: eine Laservorrichtung, die ein Gallium und Stickstoff enthaltendes Material umfasst und als Anregungsquelle konfiguriert ist, wobei die Laservorrichtung eine Ausgangsfacette umfasst, die so konfiguriert ist, dass sie eine elektromagnetische Laseremission mit einer ersten Wellenlänge im Bereich von 385 nm bis 495 nm ausgibt; ein Leuchtstoffelement, das als Wellenlängenwandler und Emitter konfiguriert und so angeordnet ist, dass es die elektromagnetische Laseremission umwandelt, um eine zweite elektromagnetische Strahlung mit einer zweiten Wellenlänge, die länget als die erste Wellenlänge ist, zu emittieren; und einen Lichtemissionsmodus, der das Leuchtstoffelement mit einer Weißlichtemission charakterisiert, die aus mindestens einer Wechselwirkung der elektromagnetischen Laserstrahlung mit der zweiten elektromagnetischen Emission als eine Mischung von Wellenlängen erzeugt wird, die durch mindestens die zweite Wellenlänge aus dem Leuchtstoffelement charakterisiert ist. Das intelligente Beleuchtungssystem umfasst auch eine oder mehrere Transportfasern, die so konfiguriert sind, dass ein erstes Ende mit der einen oder den mehreren laserbasierten Weißlichtquellen gekoppelt ist, um die Weißlichtemission zu einem zweiten Ende in einem Beleuchtungsbereich in einem entfernten Abstand zu transportieren; einen oder mehrere Sensoren, die in dem Beleuchtungsbereich angeordnet und so konfiguriert sind, dass sie ein oder mehrere Sensorsignale erfassen; und eine Steuerung, die so konfiguriert ist, dass sie das eine oder die mehreren Sensorsignale elektrisch oder optisch empfängt und das eine oder die mehreren Sensorsignale verarbeitet, um ein Rückkopplungssignal zurück zu der laserbasierten Weißlichtquelle zu erzeugen, um eine Lichtantwort zu erzeugen.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform umfasst eine fasergekoppelte Weißlichtbeleuchtungsquelle eine oder mehrere laserbasierte Weißlichtquellen, die in einem Quellenbereich angeordnet sind, wobei die eine oder die mehreren Lichtquellen umfassen: eine Laservorrichtung, die ein Gallium und Stickstoff enthaltendes Material umfasst und als Anregungsquelle konfiguriert ist, wobei die Laservorrichtung eine Ausgangsfacette umfasst, die so konfiguriert ist, dass sie eine elektromagnetische Laseremission mit einer ersten Wellenlänge im Bereich von 385 nm bis 495 nm ausgibt; ein Leuchtstoffelement, das als Wellenlängenwandler und Emitter konfiguriert und so angeordnet ist, dass es die elektromagnetische Laseremission umwandelt, um eine zweite elektromagnetische Strahlung mit einer zweiten Wellenlänge, die länger als die erste Wellenlänge ist, zu emittieren; und einen Lichtemissionsmodus, der das Leuchtstoffelement mit einer Weißlichtemission charakterisiert, die aus mindestens einer Wechselwirkung der elektromagnetischen Laserstrahlung mit der zweiten elektromagnetischen Emission als eine Mischung von Wellenlängen erzeugt wird, die durch mindestens die zweite Wellenlänge aus dem Leuchtstoffelement charakterisiert ist. Die Weißlichtbeleuchtungsquelle umfasst auch eine oder mehrere passive Leuchtkörper, die mit der Weißlichtemission von der laserbasierten Weißlichtquelle gekoppelt sind; wobei die eine oder die mehreren passiven Leuchten bzw. Leuchtkörper so konfiguriert sind, dass sie ein oder mehrere Beleuchtungsmuster in einem oder mehreren Beleuchtungsbereichen verteilen; wobei die eine oder die mehreren passiven Leuchten bzw. Leuchtkörper frei von einer elektrischen Stromversorgung sind und sich in einem entfernten Abstand von der einen oder den mehreren laserbasierten Weißlichtquellen befinden; und optional eine Zwischentransportfaser, deren erstes Ende mit der laserbasierten Weißlichtquelle gekoppelt ist, um die Weißlichtemission zu einem zweiten Ende zu transportieren, das mit der einen oder den mehreren passiven Leuchten gekoppelt ist.
In der vorliegenden Erfindung ist das fasergekoppelte Weißlichtsystem für eine Beleuchtungsanwendung konfiguriert, wie z. B. eine Spezialbeleuchtungsanwendung, eine allgemeine Beleuchtungsanwendung, eine Infrastrukturbeleuchtungsanwendung, wie z. B. Brückenbeleuchtungen, Tunnelbeleuchtungen, Bohrlochbeleuchtungen, eine architektonische Beleuchtungsanwendung, eine Sicherheitsbeleuchtungsanwendung, eine Gerätebeleuchtungsanwendung, wie z. B. Kühlschrank, Gefrierschrank, Ofen oder ein anderes Gerät, eine Freizeit- oder medizinische Beleuchtungsvorrichtung, wie z. B. für die Beleuchtung von Spas, Whirlpools, Schwimmbädern usw.
Figurenliste

1 ist ein vereinfachtes Diagramm, das eine in ein oberflächenmontiertes Gehäuse integrierte laserbasierte Weißlichtquelle mit reflektierendem Leuchtstoffelement gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt.
2 ist ein vereinfachtes Diagramm, das eine integrierte laserbasierte Weißlichtquelle mit mehreren Laserdiodenvorrichtungen in einem oberflächenmontierten Gehäuse gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt.
3 ist ein vereinfachtes Diagramm, das eine integrierte laserinduzierte Weißlichtquelle zeigt, die in einem oberflächenmontierbaren Gehäuse montiert und mit einem Kappenelement gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung versiegelt ist.
4 ist ein vereinfachtes Diagramm, das eine integrierte laserinduzierte Weißlichtquelle zeigt, die in einem oberflächenmontierbaren Gehäuse montiert und mit einem Kappenelement gemäß einer anderen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung versiegelt ist.
5 ist ein vereinfachtes Diagramm, das eine integrierte laserinduzierte Weißlichtquelle zeigt, die in einem oberflächenmontierten Gehäuse montiert ist, das gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung an einem Steuerbord angebracht ist.
6 ist ein vereinfachtes Diagramm, das eine integrierte laserinduzierte Weißlichtquelle zeigt, die in einem flachen Gehäuse mit einer kollimierenden Optik gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung montiert ist.
7 ist ein vereinfachtes Diagramm, das eine integrierte laserinduzierte Weißlichtquelle zeigt, die in einem flachen Gehäuse mit einer Kollimationsoptik gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung montiert ist.
8 ist ein vereinfachtes Diagramm, das eine integrierte laserinduzierte Weißlichtquelle zeigt, die in einem flachen Gehäuse montiert und mit einem Kappenelement gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung versiegelt ist.
9 ist ein vereinfachtes Diagramm, das eine integrierte laserinduzierte Weißlichtquelle zeigt, die in einem Gehäuse vom Dosentyp mit einer Kollimationslinse gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung montiert ist.
10 ist ein vereinfachtes Diagramm, das eine integrierte laserinduzierte Weißlichtquelle zeigt, die in einem oberflächenmontierbaren Gehäuse montiert ist, das auf einer Wärmesenke mit einem Kollimationsreflektor gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung angebracht ist.
11 ist ein vereinfachtes Diagramm, das eine integrierte laserinduzierte Weißlichtquelle zeigt, die in einem oberflächenmontierbaren Gehäuse mit einem Kollimationsreflektor gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung montiert ist.
12 ist ein vereinfachtes Diagramm, das eine integrierte laserinduzierte Weißlichtquelle zeigt, die in einem oberflächenmontierbaren Gehäuse auf einem Kühlkörper mit einer Kollimationslinse gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung montiert ist.
13 ist ein vereinfachtes Diagramm, das eine integrierte laserinduzierte Weißlichtquelle zeigt, die in einem oberflächenmontierbaren Gehäuse montiert ist, das auf einem Kühlkörper mit einer Kollimationslinse und einem Reflektorelement gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung angebracht ist.
14 ist ein vereinfachtes Blockdiagramm eines laserbasierten fasergekoppelten Weißlichtsystems gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
14A ist ein beispielhaftes Diagramm eines laserbasierten fasergekoppelten Weißlichtsystems gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
15 ist ein vereinfachtes Blockdiagramm eines laserbasierten fasergekoppelten Weißlichtsystems gemäß einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
16 ist ein vereinfachtes Blockdiagramm eines laserbasierten fasergekoppelten Weißlichtsystems gemäß einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
17 ist ein vereinfachtes Blockdiagramm eines laserbasierten fasergekoppelten Weißlichtsystems gemäß einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
18 ist ein vereinfachtes Diagramm von A) einem laserbasierten fasergekoppelten Weißlichtsystem auf Basis einer SMD-Weißlichtquelle (Surface Mount Device) und B) einem laserbasierten fasergekoppelten Weißlichtsystem mit teilweise belichteter SMD-Weißlichtquelle gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
19 ist ein vereinfachtes Diagramm eines laserbasierten, fasergekoppelten Weißlichtsystems, das auf einer Faser-Ein- und Faser-Aus-Konfiguration gemäß einer anderen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung basiert.
20 ist eine schematische Darstellung einer Leckfaser bzw. undichten Faser, die für ein laserbasiertes fasergekoppeltes Weißlichtsystem gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung verwendet wird.
21 ist eine beispielhafte Darstellung einer undichten Faser mit einer Vielzahl von Löchern im Faserkern gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
22 zeigt die Lichteinfangrate für Lambertsche-Strahler gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
23 ist eine schematische Darstellung eines fasergespeisten weißen Lichts für Automobilscheinwerfer gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
23A ist eine schematische Darstellung eines Automobils mit mehreren laserbasierten fasergespeisten Scheinwerfermodulen mit kleinem Formfaktor gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
23B ist ein schematisches Diagramm eines laserbasierten fasergespeisten Automobilscheinwerfermodule in einem vorderen Kühlergrillmuster gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung versteckt.
24 ist eine schematische Darstellung einer laserbasierten Weißlichtquelle, die mit einer Leckfaser bzw. undichten Faser gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung gekoppelt ist.
25 ist eine schematische Darstellung einer laserbasierten fasergekoppelten Weißlichtlampe gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
26 ist eine schematische Darstellung eines Laserlichtkolbens gemäß einer anderen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
27 ist eine schematische Darstellung eines Multifilament-Laserlichtkolbens gemäß einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
28 ist eine schematische Darstellung eines laserbasierten Weißlichtsystems gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
29 ist eine schematische Darstellung einer laserbasierten Weißlichtquelle, die mit mehr als einer optischen Faser gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung gekoppelt ist.
30 ist eine schematische Darstellung einer laserbasierten Weißlichtquelle, die mit mehr als einer optischen Faser gemäß einer anderen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung gekoppelt ist.
31 ist eine schematische Darstellung eines laserbasierten Weißlichtsystems mit einer optischen Schaltvorrichtung oder einem Modul gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
32 ist eine schematische Darstellung eines laserbasierten Weißlichtsystems mit einer schnell schaltenden optischen Schalteinheit gemäß einer speziellen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
33 ist eine schematische Darstellung eines intelligenten Beleuchtungssystems gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
34 ist eine schematische Darstellung einer Pendelleuchte für ein laserbasiertes faserzugeführtes Beleuchtungssystem gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
35 ist eine schematische Darstellung einer Pendelleuchte für ein laserbasiertes fasergespeistes Beleuchtungssystem gemäß einer anderen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
36 ist ein schematisches Diagramm der passiven Montageoptikaufsätze gemäß einigen Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung.
37 ist eine schematische Darstellung einer passiven dekorativen Leuchte gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
38 ist ein schematisches Diagramm einiger exemplarischer Quellen mit hoher Leuchtdichte, die mit einem Lichtleiter und/oder einem entfernten Leuchtstoff bzw. Phosphor gemäß einigen Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung gekoppelt sind.
39 zeigt Simulationsergebnisse, die darauf hinweisen, dass der CRI-Wert der Lichtquelle durch Wellenlängen-Rotverschiebung des roten Leuchtstoffs bzw. Phosphors gemäß einigen Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung eingestellt werden kann.
40 zeigt Beispiele von Lichtstärkeverteilungskurven, die von einer gerichteten Linienlichtquelle gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung emittiert werden.
41 zeigt eine gerichtete Linienquelle, die mit einer lichtemittierenden Faser konfiguriert ist, mit A) Lichtextraktionsmerkmalen, die ein radial unsymmetrisches Muster erzeugen, B) Lichtextraktionsmerkmalen, die ein symmetrisches Muster erzeugen, und die mit einem Reflektorelement ausgestattet sind, und C) Lichtextraktionsmerkmalen, die ein symmetrisches Muster erzeugen, und die mit einem alternativen Reflektorelement gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ausgestattet sind.
42 zeigt eine schematische Konfiguration zur Anwendung von laserbasierten Weißlichtrichtlinienquellen gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung.
43 zeigt eine schematische Konfiguration zur Anwendung von laserbasierten Weißlichtrichtstrahlquellen gemäß einer anderen Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung.
44 zeigt eine schematische Konfiguration für die Anwendung von laserbasierten Weißlichtrichtstrahlquellen gemäß einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung.
45 zeigt eine schematische Konfiguration für die Anwendung von laserbasierten Weißlicht-Richtstrahlquellen gemäß einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung.
46 zeigt ein schematisches Diagramm der Einspeisung von laserbasiertem Weißlicht in Fenstervorhangmaterial gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung.
47 zeigt eine schematische Darstellung eines Fenstervorhangs aus leuchtendem Material, der laserbasiertes Weißlicht gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung empfängt.
48A ist eine schematische Darstellung einer Anwendung von faserzugeführtem laserbasiertem Weißlicht für Kühlschränke gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung.
48B ist eine schematische Darstellung einer Anwendung von faserzugeführtem laserbasiertem Weißlicht für Kühlschränke gemäß einer anderen Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung.
48C ist eine schematische Darstellung einer Anwendung von faserzugeführtem laserbasiertem Weißlicht für Kühlschränke gemäß einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung.
49A ist eine schematische Darstellung einer Anwendung von faserzugeführtem laserbasiertem Weißlicht für Schwimmbäder gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung.
49B ist eine schematische Darstellung einer Anwendung von faserzugeführtem laserbasiertem Weißlicht für Schwimmbäder gemäß einer anderen Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung.
50 ist eine schematische Darstellung einer Anwendung von faserzugeführtem laserbasiertem Weißlicht für Whirlpools gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung.

DETAILLIERTE BESCHREIBUNG
Die vorliegende Erfindung stellt ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Emittieren weißer, farbiger elektromagnetischer Strahlung unter Verwendung einer Kombination von Laserdiodenanregungsquellen auf der Basis von Gallium und Stickstoff enthaltenden Materialien und einer lichtemittierenden Quelle auf der Basis von Leuchtstoffmaterialien bzw. Phosphormaterialien bereit. In dieser Erfindung wird eine violette, blaue oder andere Wellenlängen-Laserdiodenquelle auf Basis von Gallium- und Stickstoffmaterialien eng mit Leuchtstoffmaterialien integriert, um eine kompakte, hochhelle und hocheffiziente, weiße Lichtquelle zu bilden.
In verschiedenen Ausführungsformen sind die Laservorrichtung und die Leuchtstoffvorrichtung separat verpackt oder auf einem entsprechenden Trägerelement montiert, und die Leuchtstoffmaterialien werden in einem reflektierenden Modus betrieben, um eine weiß emittierende Lichtquelle auf Laserbasis zu ergeben. In weiteren verschiedenen Ausführungsformen wird die elektromagnetische Strahlung von der Laservorrichtung entfernt an die Leuchtstoffvorrichtung durch Mittel wie Freiraumkopplung oder Kopplung mit einem Wellenleiter wie einem Glasfaserkabel oder einem anderen festen Wellenleitermaterial gekoppelt, und wobei die Leuchtstoffmaterialien in einem reflektierenden Modus betrieben werden, um eine weiß emittierende laserbasierte Lichtquelle zu ergeben. Lediglich als Beispiel kann die Erfindung auf Anwendungen wie weiße Beleuchtung, weiße Spot-Beleuchtung, Blitzlichter, Autoscheinwerfer, Geländewagen-Beleuchtung, Blitzlichtquellen wie Kamerablitze, Lichtquellen in Freizeitsportarten wie Radfahren, Surfen, Laufen, Rennen, Bootfahren, Lichtquellen für Drohnen, Flugzeuge, Roboter, andere mobile oder Roboter-Anwendungen, Sicherheit, Gegenmaßnahmen in der Verteidigung Anwendungen, mehrfarbige Beleuchtung, Beleuchtung für Flachbildschirme, medizinische, Messtechnik, Strahlprojektoren und andere Displays verwendet werden, Hochintensitätslampen, Spektroskopie, Unterhaltung, Theater, Musik und Konzerte, Analysebetrug, Detektion und/oder Authentifizierung, Werkzeuge, Wasseraufbereitung, Laserblender, Targeting, Kommunikation, LiFi, Kommunikation mit sichtbarem Licht (VLC), Sensorik, Detektion, Entfernungsmessung, Light Detection And Ranging (LIDAR), Transformationen, autonome Fahrzeuge, Transport, Nivellierung, Aushärtung und andere chemische Behandlungen, Erhitzen, Schneiden und/oder Abtragen, Pumpen anderer optischer Geräte, andere optoelektronische Geräte und verwandte Anwendungen, und Quellenbeleuchtung und dergleichen.
Eine Gallium und Stickstoff enthaltende Laserdiode (LD) oder superlumineszente lichtemittierende Diode (SLED) kann mindestens eine Gallium und Stickstoff enthaltende Vorrichtung mit einem aktiven Bereich und einem Hohlraumelement umfassen und ist durch emittierte Spektren gekennzeichnet, die durch die stimulierte Emission von Photonen erzeugt werden. In einigen Ausführungsformen wird eine Laservorrichtung bereitgestellt, die rotes Laserlicht emittiert, d. h. Licht mit einer Wellenlänge zwischen etwa 600 nm und 750 nm. Diese roten Laserdioden können mindestens eine Gallium-Leuchtstoff und Arsen enthaltende Vorrichtung mit einem aktiven Bereich und einem Hohlraumelement umfassen und sind durch emittierte Spektren gekennzeichnet, die durch die stimulierte Emission von Photonen erzeugt werden. Die ideale Wellenlänge für ein rotes Bauelement für Display-Anwendungen ist ~635 nm, für Grün ~530 nm und für Blau 440-470 nm. Es kann zu Kompromissen kommen, welche Farben mit einem Display bei Verwendung von Lasern mit unterschiedlichen Wellenlängen wiedergegeben werden und auch wie hell das Display ist, da das Auge für einige Wellenlängen empfindlicher ist als für andere.
In einigen Ausführungsformen gemäß der vorliegenden Erfindung sind mehrere Laserdiodenquellen so konfiguriert, dass sie denselben Leuchtstoff oder dasselbe Leuchtstoffnetzwerk anregen. Das Kombinieren mehrerer Laserquellen kann gemäß der vorliegenden Erfindung viele potenzielle Vorteile bieten. Erstens kann die Anregungsleistung durch die Strahlkombination erhöht werden, um einen stärkeren Anregungsspieß bereitzustellen und somit eine hellere Lichtquelle zu erzeugen. In einigen Ausführungsformen sind separate einzelne Laserchips innerhalb der Laser-Leuchtstoff-Lichtquelle konfiguriert. Durch die Einbeziehung mehrerer Laser, die jeweils 1W, 2W, 3W, 4W, 5W oder mehr Leistung emittieren, kann die Anregungsleistung erhöht werden und somit die Helligkeit der Quelle gesteigert werden. Wenn zum Beispiel zwei 3-W-Laser denselben Leuchtstoffbereich anregen, kann die Anregungsleistung auf 6 W erhöht werden, um die Helligkeit des weißen Lichts zu verdoppeln. In einem Beispiel, in dem etwa 200 Lumen Weißlicht pro 1 Watt Laseranregungsleistung erzeugt werden, würde die Weißlichtleistung von 600 Lumen auf 1200 Lumen erhöht. Über die Skalierung der Leistung jedes einzelnen Laserdioden-Emitters hinaus kann der Gesamtlichtstrom der Weißlichtquelle erhöht werden, indem die Gesamtzahl der Laserdioden weiter erhöht wird, die von 10s über 100s bis hin zu 1000s von Laserdioden-Emittern reichen kann, was zu 10s bis 100s von kW Laserdioden-Anregungsleistung führt. Die Skalierung der Anzahl der Laserdiodenemitter kann auf viele Arten erreicht werden, z. B. durch die Einbeziehung mehrerer Laser in ein Co-Package, räumliche Strahlkombination durch konventionelle refraktive Optik oder Polarisationskombination und andere. Darüber hinaus können Laserdiodenbalken oder - arrays und Minibalken verwendet werden, bei denen jeder Laserchip viele benachbarte Laserdiodenemitter enthält. Zum Beispiel könnte ein Balken 2 bis 100 Laserdiodenemitter enthalten, die in einem Abstand von etwa 10 Mikrometern bis etwa 400 Mikrometern angeordnet sind. In ähnlicher Weise kann die Zuverlässigkeit der Quelle erhöht werden, indem mehrere Quellen bei niedrigeren Ansteuerungsbedingungen verwendet werden, um die gleiche Anregungsleistung zu erreichen wie eine einzelne Quelle, die bei härteren Bedingungen wie höherem Strom und höherer Spannung betrieben wird.
In einigen Ausführungsformen kann die hierin beschriebene Erfindung auf einen fasergespeisten Scheinwerfer angewendet werden, der aus einer oder mehreren Gallium und Stickstoff enthaltenden sichtbaren Laserdioden besteht, um Laserlicht zu emittieren, das effizient in einen Wellenleiter (wie z. B. eine optische Faser) eingekoppelt wird, um die Laseremission an ein entferntes Leuchtstoffelement zu liefern, das am anderen Ende der optischen Faser konfiguriert ist. Die Laseremission dient dazu, das Leuchtstoffelement anzuregen und ein weißes Licht mit hoher Helligkeit zu erzeugen. In einer Scheinwerferanwendung erfolgt die Erzeugung des Leuchtstoffelements und des weißen Lichts in einem endgültigen Scheinwerfermodul, von wo aus das Licht kollimiert und auf der Straße geformt wird, um das gewünschte Lichtmuster zu erzielen.
Diese Offenbarung nutzt die Faserzuführung von sichtbarem Laserlicht von einer Gallium und Stickstoff enthaltenden Laserdiode zu einem entfernten Leuchtstoffelement, um eine weiße Lichtemission mit hoher Leuchtdichte zu erzeugen, und hat mehrere entscheidende Vorteile gegenüber anderen Ansätzen. Ein Vorteil liegt in der Erzeugung einer steuerbaren Lichtleistung bzw. Lichtmenge für Abblend- oder Fernlicht unter Verwendung eines modularen Aufbaus in einer Miniatur-Scheinwerfermodul-Fläche. Ein weiterer Vorteil liegt in der Bereitstellung einer hohen Leuchtdichte und einer großen Reichweite der Sichtbarkeit. Basierend auf aktuellen Fahrgeschwindigkeiten und sicheren Bremswegen ist beispielsweise eine Reichweite von 800 Metern bis 1 km bei 200 Lumen auf der Straße möglich, wenn man eine Optikstruktur der Größe<35 mm mit Lichtquellen verwendet, die 1000 cd pro mm2 haben. Durch die Verwendung von Lichtquellen mit höherer Leuchtdichte kann man bei gleicher Optikgröße eine größere Reichweite erzielen. Ein weiterer Vorteil des fasergespeisten Weißlicht-Scheinwerfers ist die Möglichkeit, einen hohen Kontrast zu erzielen. Es ist wichtig, die Blendung zu minimieren und die Sicherheit und Sichtbarkeit für Fahrer und andere Personen zu maximieren, einschließlich Gegenverkehr, Fußgänger, Tiere und Fahrer, die in die gleiche Richtung wie der vorausfahrende Verkehr fahren. Eine hohe Leuchtdichte ist erforderlich, um scharfe Lichtverläufe und die spezifischen geregelten Lichtmuster für die Fahrzeugbeleuchtung zu erzeugen. Darüber hinaus können mit einem Wellenleiter, wie z. B. einer optischen Faser, extrem scharfe Lichtgradienten und eine ultra-sichere Blendungsreduzierung erzeugt werden, indem die entscheidende Lichtabschneidung, die im Lichtemissionsprofil vom Kern zum Mantel besteht, umgeformt und projiziert wird.
Ein großer Vorteil ist der kleine Formfaktor der Lichtquelle und eine kostengünstige Lösung zum Schwenken des Lichts zur Blendungsbegrenzung und Verbesserung der aerodynamischen Leistung. Zum Beispiel können Miniaturoptiken < 1 cm Durchmesser in einem Scheinwerfermodul verwendet werden, um nahezu 100 % des Lichts aus der Faser zu erfassen. Das weiße Licht kann mit winzigen Diffusoren oder einfachen optischen Elementen kollimiert und geformt werden, um das gewünschte Strahlmuster auf der Straße zu erzeugen. Für das Styling des Fahrzeugs sind extrem kleine Optikgrößen erwünscht. Durch die Verwendung von Lichtquellen mit höherer Leuchtdichte lassen sich bei gleicher Sichtweite kleinere Optiken realisieren. Bei diesem Scheinwerferdesign kann man das Scheinwerfermodul in den Kühlergrill, auf die Radabdeckung, in die Fugen zwischen Motorhaube und Stoßfänger etc. integrieren. Dieses Scheinwerferdesign zeichnet sich durch ein Scheinwerfermodul aus, das eine extrem niedrige Masse und ein geringes Gewicht aufweist. Dadurch wird das Gewicht im vorderen Bereich des Fahrzeugs minimiert, was sich positiv auf die Sicherheit, den Kraftstoffverbrauch und das Geschwindigkeits-/Beschleunigungsverhalten auswirkt. Für Elektrofahrzeuge bedeutet dies eine erhöhte Fahrzeugreichweite. Darüber hinaus basiert dieses Scheinwerfermodul auf einer Solid-State-Lichtquelle und hat eine lange Lebensdauer > 10.000 Stunden. Redundanz und Austauschbarkeit sind durch einfaches Austauschen der fasergespeisten Laserlichtquelle problemlos möglich.
Faserkonfiguration im Design des fasergespeisten Laser-induzierten Weißlicht-Scheinwerfermoduls wird die Zuverlässigkeit maximiert, indem die Laser-induzierte Lichtquelle weg vom heißen Bereich in der Nähe des Motors und anderer Wärme erzeugender Komponenten positioniert wird. Dadurch kann das Scheinwerfermodul bei extrem hohen Temperaturen >100 °C arbeiten, während das Lasermodul in einem kühlen Bereich mit ausreichender Wärmeableitung arbeiten kann. In einer speziellen Ausführungsform verwendet die vorliegende Erfindung eine thermisch stabile Gehäusetechnologie nach militärischem Standard vom Typ Telcordia. Die einzigen Elemente, die der Fahrzeugfront ausgesetzt sind, sind das komplexe passive Scheinwerfermodul, das aus winzigen makro-optischen Elementen besteht. Es wird kein Laser direkt im Scheinwerfermodul eingesetzt, nur inkohärentes weißes Licht und eine reflektierende Leuchtstoffarchitektur im Inneren.
einfachen Erzeugung neuer Lichtmuster und des modularen Ansatzes zur Lumen-Skalierung ermöglicht diese fasergespeiste Lichtquelle eine Änderung der Lumen und des Strahlmusters für jeden Bereich, ohne dass ein komplett neuer Scheinwerfer umgerüstet werden muss. Diese bequeme Möglichkeit zur Änderung der Lichtverteilung kann durch den Austausch kleiner Optiken oder Diffusoren erreicht werden, ohne dass ein neuer großer Reflektor angeschafft werden muss. Darüber hinaus kann die fasergespeiste Weißlichtquelle in Innenleuchten und Tagfahrlicht (DRL) eingesetzt werden, mit transport- oder seitenemittierenden Kunststoff-Lichtleitern (POF).
Raumdynamische Strahlformungsgeräte wie Digital-Light-Processing (DLP), Flüssigkristallanzeige (LCD), 1 oder 2 MEMS- oder Galvo-Spiegelsysteme, leichte Drehgelenke, scannende Faserspitzen. Zukünftige räumlich-dynamische Quellen benötigen möglicherweise noch helleres Licht, wie z.B. 5000 - 10000 Lumen von der Quelle, um eine hochauflösende räumliche Lichtmodulation auf der Straße mit MEMS- oder Flüssigkristallkomponenten zu erzeugen. Solche dynamischen Beleuchtungssysteme sind unglaublich sperrig und teuer, wenn die Lichtquelle, die Elektronik, der Kühlkörper, die Optik und die Lichtmodulatoren sowie die Sekundäroptik gemeinsam untergebracht werden. Daher benötigen sie fasergespeistes Weißlicht mit hoher Leuchtdichte, um die räumliche Lichtmodulation auf kompakte und kostengünstigere Weise zu ermöglichen.
Ein zusätzlicher Vorteil der Kombination der Emission von mehreren Laserdioden-Emittern ist das Potenzial für einen kreisförmigeren Fleck durch Drehen des ersten elliptischen Laserstrahls im freien Raum um 90 Grad relativ zum zweiten elliptischen Laserstrahl im freien Raum und Überlappen der zentrierten Ellipsen auf dem Leuchtstoff. Alternativ kann ein kreisförmigerer Spot erreicht werden, indem der erste freiraumdivergierende elliptische Laserstrahl um 180 Grad relativ zum zweiten freiraumdivergierenden elliptischen Laserstrahl gedreht wird und die Ellipsen auf dem Leuchtstoff außermittig überlappt werden, um den Spotdurchmesser in Richtung der langsamen Divergenzachse zu vergrößern. In einer anderen Konfiguration sind mehr als 2 Laser enthalten und es wird eine Kombination der oben beschriebenen Strahlformung der Spotgeometrie erreicht. Ein dritter und wichtiger Vorteil ist, dass mehrere Farblaser in einer emittierenden Vorrichtung die Farbqualität (CRI und CQS) durch eine Verbesserung der Füllung der Spektren im violett/blauen und cyanfarbenen Bereich des sichtbaren Spektrums deutlich verbessern können. So können z. B. zwei oder mehr blaue Anregungslaser mit leicht verstimmten Wellenlängen (z. B. 5 nm, 10 nm, 15 nm usw.) einbezogen werden, um einen gelben Leuchtstoff anzuregen und ein größeres blaues Spektrum zu erzeugen.
Ein Beispiel für eine verpackte CPoS-Weißlichtquelle gemäß der vorliegenden Erfindung wird in einer Weißlichtquelle im Reflexionsmodus bereitgestellt, die in einem Gehäuse vom Typ SMD (Surface Mount Device) konfiguriert ist. 1 ist ein vereinfachtes Diagramm zur Veranschaulichung eines reflektierenden Modus Leuchtstoff integrierte Laser-basierte Weißlichtquelle in einem Gehäuse für die Oberflächenmontage gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung montiert. In diesem Beispiel ist eine Weißlichtquelle im Reflexionsmodus in einem Gehäuse vom Typ SMD (Surface Mount Device) konfiguriert. Das Beispiel-SMD-Gehäuse hat ein Basiselement 1201 mit dem Reflexionsmodus-Leuchtstoffelement 1202, das auf einem Trägerelement oder auf einem Basiselement montiert ist. Die Laserdiodenvorrichtung 1203 kann auf einem Trägerelement 1204 oder einem Basiselement montiert sein. Das Trägerelement und das Basiselement sind so konfiguriert, dass sie die Wärme vom Leuchtstoffelement und der Laserdiode ableiten. Elektrische Verbindungen von der p-Elektrode und der n-Elektrode der Laserdiode werden mit Hilfe von Drahtbonds 1205 und 1206 zu den internen Durchführungen 1207 und 1208 hergestellt. Die Durchführungen sind elektrisch mit externen Leitungen gekoppelt. Die externen Leitungen können elektrisch mit einer Stromquelle gekoppelt werden, um die Weißlichtquelle zu elektrifizieren und Weißlichtemission zu erzeugen. Die Oberseite des Basiselements 1201 kann aus einer reflektierenden Schicht bestehen, mit dieser beschichtet oder gefüllt sein, um Verluste durch nach unten gerichtetes oder reflektiertes Licht zu verhindern oder zu mindern. In dieser Konfiguration ist die Weißlichtquelle nicht abgedeckt oder versiegelt, so dass sie der offenen Umgebung ausgesetzt ist. Natürlich ist 1 nur ein Beispiel und soll eine mögliche einfache Konfiguration einer oberflächenmontierten verpackten Weißlichtquelle veranschaulichen.
Ein alternatives Beispiel für eine eingehauste Weißlichtquelle mit 2 Laserdiodenchips gemäß der vorliegenden Erfindung ist in der schematischen Darstellung von 2 dargestellt. In diesem Beispiel ist eine Reflexionsmodus-Weißlichtquelle in einem Gehäuse vom Typ SMD (Surface Mount Device) konfiguriert. Das Beispiel-SMD-Gehäuse hat ein Basiselement 1301 mit dem Reflexionsmodus-Leuchtstoffelement 1302, das auf einem Trägerelement oder auf einem Basiselement montiert ist. Eine erste Laserdiodenvorrichtung 1323 kann auf einem ersten Trägerelement 1324 oder einem Basiselement montiert sein. Eine zweite Laserdiodenvorrichtung 1325 kann auf einem zweiten Trägerelement 1326 oder einem Basiselement montiert sein. Das erste und das zweite Trägerelement und das Basiselement sind so konfiguriert, dass sie die Wärme von dem Leuchtstoffelement 1302 und den Laserdiodenelementen 1323 und 1325 ableiten. Die externen Leitungen können elektrisch mit einer Stromquelle gekoppelt werden, um die Laserdiodenquellen zu elektrifizieren, um einen ersten Laserstrahl 1328 von der ersten Laserdiodenvorrichtung 1323 und einen zweiten Laserstrahl 1329 von einer zweiten Laserdiodenvorrichtung 1325 zu emittieren. Die Laserstrahlen treffen auf das Leuchtstoffelement 1302, um einen Anregungsfleck und eine Weißlichtemission zu erzeugen. Vorzugsweise werden die Laserstrahlen auf dem Leuchtstoff 1302 überlagert, um eine optimierte Geometrie und/oder Größe des Anregungsflecks zu erzeugen. Im Beispiel gemäß 2 sind beispielsweise die Laserstrahlen der ersten und zweiten Laserdiode um 90 Grad zueinander gedreht, so dass die langsame Achse des ersten Laserstrahls mit der schnellen Achse des zweiten Laserstrahls ausgerichtet ist. Die Oberseite des Grundkörpers 1301 kann aus einer reflektierenden Schicht bestehen, mit dieser beschichtet oder gefüllt sein, um Verluste durch nach unten gerichtetes oder reflektiertes Licht zu verhindern oder zu vermindern.
3 ist eine schematische Darstellung der CPoS-Weißlichtquelle, die in einem SMD-Gehäuse konfiguriert ist, jedoch mit einem zusätzlichen Kappenelement, das eine Dichtung um die Weißlichtquelle bildet. Wie in 3 zu sehen ist, hat das SMD-Gehäuse ein Basiselement 1441, an dem die Weißlichtquelle 1442 befestigt ist. Über der Weißlichtquelle befindet sich ein Kappenelement 1443, das um den Umfang herum an dem Basiselement befestigt ist. Das Kappenelement 1443 weist mindestens einen transparenten Fensterbereich auf und besteht in bevorzugten Ausführungsformen hauptsächlich aus einem transparenten Fensterbereich, wie z. B. der in 3 dargestellten transparenten Kuppelkappe. Der Dichtungstyp kann eine Umgebungsdichtung oder eine hermetische Dichtung sein, und in einem Beispiel ist die versiegelte Packung mit einem Stickstoffgas oder einer Kombination aus einem Stickstoffgas und einem Sauerstoffgas hinterfüllt. Die elektrischen Verbindungen von der p-Elektrode und der n-Elektrode der Laserdiode werden über Drahtbonds 1444 und 1445 hergestellt. Die Drahtbonds verbinden die Elektrode mit elektrischen Durchführungen 1446 und 1447, die elektrisch mit externen Leitungen wie 1448 an der Außenseite des versiegelten SMD-Gehäuses verbunden sind. Die Leitungen sind dann elektrisch mit einer Stromquelle verbunden, um die Weißlichtquelle zu elektrifizieren und Weißlichtemission zu erzeugen. In einigen Ausführungsformen ist eine Linse oder eine andere Art von optischem Element zum Formen, Lenken oder Kollimieren des weißen Lichts direkt im Kappenelement enthalten. Natürlich ist das Beispiel in 3 nur ein Beispiel und soll eine mögliche Konfiguration der Abdichtung einer Weißlichtquelle veranschaulichen. Insbesondere kann diese Ausführungsform für Anwendungen geeignet sein, bei denen eine hermetische Abdichtung erforderlich ist.
4 ist eine schematische Darstellung der Weißlichtquelle, die in einem Gehäuse vom SMD-Typ konfiguriert ist, jedoch mit einem zusätzlichen Kappenelement, um eine Dichtung um die Weißlichtquelle zu bilden. Wie in 4 zu sehen ist, hat das SMD-Gehäuse ein Basiselement 1501 mit der Weißlichtquelle, die aus einem Reflektionleuchtstoffelement 1502 und einem Laserdiodenelement 1503 besteht, die an Unterbauelementen oder dem Basiselement 1501 montiert sind. Über der Weißlichtquelle befindet sich ein Kappenelement 1504, das seitlich an dem Basiselement befestigt ist. Das Kappenelement 1504 hat mindestens einen transparenten Fensterbereich und würde in bevorzugten Ausführungsformen hauptsächlich aus einem transparenten Fensterbereich bestehen, wie das in 4 dargestellte transparente flache Kappenelement 1504. Die elektrischen Verbindungen von der p-Elektrode und der n-Elektrode der Laserdiode werden über Drahtbonds 1505 und 1506 hergestellt. Die Drahtbonds verbinden die Elektrode mit elektrischen Durchführungen, die elektrisch mit externen Leitungen an der Außenseite des versiegelten SMD-Gehäuses verbunden sind. In einigen Ausführungsformen ist eine Linse oder eine andere Art von optischem Element zum Formen, Richten oder Kollimieren des weißen Lichts direkt im Kappenelement enthalten. Natürlich ist das Beispiel in 4 nur ein Beispiel und soll eine mögliche Konfiguration der Versiegelung einer Weißlichtquelle veranschaulichen.
In einigen Ausführungsformen werden zusätzliche optische Elemente verwendet, um reflektiertes oder streuendes Anregungslicht zu recyceln. In einem Beispiel wird eine Re-Imaging-Optik verwendet, um den reflektierten Laserstrahl wieder auf den Leuchtstoff abzubilden und somit das reflektierte Licht wieder zu recyceln.
In einigen Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung können zusätzliche Elemente in das Gehäuseelement aufgenommen werden, um eine Abschirm- oder Blockierfunktion für Streulicht oder reflektiertes Licht von dem Laserdiodenelement bereitzustellen. Durch das Blockieren von optischen Artefakten wie reflektiertem Anregungslicht, Leuchtstoffblütenmustern oder dem von der Laserdiode emittierten Licht, das sich nicht im primären Emissionsstrahl befindet, wie z. B. spontanes Licht, Streulicht oder Licht, das aus einer hinteren Facette austritt, kann die optische Emission der Weißlichtquelle idealer für die Integration in Beleuchtungssysteme sein. Außerdem wird die integrierte Weißlichtquelle durch die Blockierung solchen Streulichts inhärent sicherer. Schließlich kann ein Abschirmungselement als Apertur fungieren, so dass die weiße Emission aus dem Leuchtstoffelement durch ein Loch in der Abschirmung durchgelassen wird. Dieses Aperturmerkmal kann das Emissionsmuster der Weißlichtquelle bilden.
In vielen Anwendungen gemäß der vorliegenden Erfindung wird die verpackte, integrierte Weißlichtquelle an einem Kühlkörper befestigt sein. Der Kühlkörper ist konfiguriert, um die thermische Energie von der verpackten Weißlichtquelle an ein Kühlmedium zu übertragen. Das Kühlmedium kann ein aktiv gekühltes Medium sein, wie z. B. ein thermoelektrischer Kühler oder ein Mikrokanalkühler, oder es kann ein passiv gekühltes Medium sein, wie z. B. eine luftgekühlte Konstruktion mit Merkmalen zur Maximierung der Oberfläche und zur Erhöhung der Wechselwirkung mit der Luft, wie z. B. Rippen, Säulen, Pfosten, Platten, Rohre oder andere Formen. Der Kühlkörper wird typischerweise aus einem Metallteil gebildet, kann aber auch aus anderen Materialien wie wärmeleitender Keramik, Halbleitern oder Verbundwerkstoffen bestehen.
Das Kühlkörperelement ist so konfiguriert, dass es thermische Energie von der verpackten Weißlichtquelle auf Laserdiodenbasis zu einem Kühlmedium transportiert. Das Kühlkörperelement kann aus einem Metall, einer Keramik, einem Verbundwerkstoff, einem Halbleiter oder einem Kunststoff bestehen und wird vorzugsweise aus einem wärmeleitenden Material hergestellt. Beispiele für in Frage kommende Materialien sind Kupfer, das eine Wärmeleitfähigkeit von etwa 400 W/(m·K) haben kann, Aluminium, das eine Wärmeleitfähigkeit von etwa 200 W/(m·K) haben kann, 4H-SiC, das eine Wärmeleitfähigkeit von etwa 370 W/(m·K) haben kann, 6H-SiC, das eine Wärmeleitfähigkeit von etwa 490 W/(m·K) haben kann, AlN, das eine Wärmeleitfähigkeit von etwa 230 W/(m·K) haben kann, ein synthetischer Diamant, der eine Wärmeleitfähigkeit von etwa >1000 W/(m·K) haben kann, ein Verbunddiamant, Saphir oder andere Metalle, Keramiken, Verbundstoffe oder Halbleiter. Das Kühlkörperelement kann aus einem Metall wie Kupfer, Kupfer-Wolfram, Aluminium oder anderen durch maschinelles Bearbeiten, Schneiden, Beschneiden oder Formen geformt werden.
5 ist eine schematische Darstellung einer Weißlichtquelle, die in einem versiegelten SMD-Gehäuse konfiguriert ist, das auf einem Leiterplattenelement, wie z. B. einer Steuerplatine, gemäß der vorliegenden Erfindung montiert ist. Die versiegelte Weißlichtquelle 1612 in einem SMD-Gehäuse ist ähnlich wie das in 4 gezeigte Beispiel. Wie in 5 zu sehen ist, hat das SMD-Gehäuse ein Basiselement 1611 (d. h. das Basiselement 1401 aus 3) mit der Weißlichtquelle 1612, die an der Basis montiert ist, und ein Kappenelement 1613, das eine Abdichtung für die Lichtquelle 1612 bereitstellt. Das Kappenelement 1613 hat mindestens einen transparenten Fensterbereich. Das Basiselement 1611 des SMD-Gehäuses ist an einem Steuerelement 1614 befestigt, das so konfiguriert ist, dass es die elektrische und mechanische Montage der integrierten Weißlichtquelle ermöglicht, elektrische und mechanische Schnittstellen zum SMD-Gehäuse bereitstellt und die thermische Schnittstelle zur Außenwelt, wie z. B. einen Kühlkörper, versorgt. Das Kühlkörperelement 1614 kann aus einem Material wie einem Metall, einer Keramik, einem Verbundwerkstoff, einem Halbleiter oder einem Kunststoff bestehen und besteht vorzugsweise aus einem wärmeleitenden Material. Beispiele für in Frage kommende Materialien sind Aluminium, Aluminiumoxid, Kupfer, Kupfer-Wolfram, Stahl, SiC, AlN, Diamant, ein Verbunddiamant, Saphir oder andere Materialien. Natürlich ist 5 nur ein Beispiel und soll eine mögliche Konfiguration einer Weißlichtquelle gemäß der vorliegenden Erfindung veranschaulichen, die auf einem Kühlkörper montiert ist. Insbesondere könnte der Kühlkörper Merkmale zur Unterstützung der Wärmeübertragung, wie z. B. Rippen, aufweisen.
In einigen Ausführungsformen dieser Erfindung wird die integrierte Weißlichtquelle CPoS mit einem optischen Element kombiniert, um das erzeugte Weißlicht zu manipulieren. In einem Beispiel könnte die weiße Lichtquelle in einem Spot-Licht-System wie eine Taschenlampe oder ein Autoscheinwerfer oder andere Lichtanwendungen dienen, wo das Licht auf einen bestimmten Ort oder Bereich gerichtet oder projiziert werden muss. Um das Licht zu lenken, sollte es beispielsweise so kollimiert werden, dass sich die Photonen, aus denen das weiße Licht besteht, parallel zueinander entlang der gewünschten Ausbreitungsachse ausbreiten. Der Grad der Kollimation hängt von der Lichtquelle und der Optik ab, die zur Kollimation der Lichtquelle verwendet wird. Für die höchste Kollimation ist eine perfekte Punktlichtquelle mit 4-pi-Emission und einem Durchmesser im Submikrometer- oder Mikrometerbereich wünschenswert. In einem Beispiel wird die Punktquelle mit einem parabolischen Reflektor kombiniert, wobei die Lichtquelle im Brennpunkt des Reflektors platziert wird und der Reflektor die von der Punktquelle erzeugte Kugelwelle in einen kollimierten Strahl ebener Wellen umwandelt, die sich entlang einer Achse ausbreiten.
In einem anderen Beispiel wird eine einfache einzelne Linse oder ein System von Linsen verwendet, um das weiße Licht zu einem projizierten Strahl zu kollimieren. In einem speziellen Beispiel wird eine einzelne asphärische Linse vor dem Leuchtstoffelement platziert, das weißes Licht emittiert, und so konfiguriert, dass das emittierte weiße Licht kollimiert wird. In einer anderen Ausführungsform ist die Linse in der Kappe des Gehäuses konfiguriert, das die integrierte Weißlichtquelle enthält. In einigen Ausführungsformen ist eine Linse oder eine andere Art von optischem Element zum Formen, Lenken oder Kollimieren des weißen Lichts direkt im Kappenelement enthalten. In einem Beispiel besteht die Linse aus einem transparenten Material wie Glas, SiC, Saphir, Quarz, Keramik, Verbundwerkstoff oder Halbleiter.
Solche kollimierenden optischen Elemente für weißes Licht können mit der Weißlichtquelle auf verschiedenen Ebenen der Integration kombiniert werden. Zum Beispiel kann die Kollimationsoptik in demselben Gehäuse wie die integrierte Weißlichtquelle in einer Co-Packaged-Konfiguration untergebracht sein. In einer weiteren Integrationsstufe kann sich die Kollimationsoptik auf demselben Unterbau oder Trägerteil wie die Weißlichtquelle befinden. In einer anderen Ausführungsform kann sich die Kollimationsoptik außerhalb des Gehäuses befinden, das die integrierte Weißlichtquelle enthält.
In einer Ausführungsform gemäß der vorliegenden Erfindung ist eine integrierte Weißlichtquelle im Reflexionsmodus in einem flachen Gehäuse mit einem Linsenelement konfiguriert, um einen kollimierten weißen Strahl zu erzeugen, wie in 6 dargestellt. Wie in 6 zu sehen ist, hat das flache Gehäuse eine Basis oder ein Gehäuseelement 1701 mit einer kollimierten Weißlichtquelle 1702, die an der Basis montiert und so konfiguriert ist, dass sie einen kollimierten Weißstrahl erzeugt, der aus einem Fenster 1703 austritt, das in der Seite der Basis oder des Gehäuseelements. 1701 konfiguriert ist. Elektrische Verbindungen zur Weißlichtquelle 1702 können mit Drahtverbindungen zu den Durchführungen 1704 hergestellt werden, die elektrisch mit externen Stiften 1705 gekoppelt sind. In diesem Beispiel umfasst die Weißlichtquelle 1702 im kollimierten Reflexionsmodus die Laserdiode 1706, den Leuchtstoff-Wellenlängenkonverter 1707, der so konfiguriert ist, dass er einen von der Laserdiode 1706 emittierten Laserstrahl aufnehmen kann, und eine Kollimationslinse, wie z. B. eine asphärische Linse 1708, die vor dem Leuchtstoff 1707 konfiguriert ist, um das emittierte Weißlicht zu sammeln und einen kollimierten Strahl zu bilden. Der kollimierte Strahl ist auf das Fenster 1703 gerichtet, das aus einem transparenten Material besteht. Die externen Stifte 1705 sind elektrisch mit einer Stromquelle gekoppelt, um die Weißlichtquelle 1702 zu elektrifizieren und die Weißlichtemission zu erzeugen. Wie in der Figur zu sehen ist, kann eine beliebige Anzahl von Stiften auf dem Flatpack enthalten sein. In diesem Beispiel gibt es 6 Pins und ein typischer Laserdiodentreiber benötigt nur 2 Pins, einen für die Anode und einen für die Kathode. Somit können die zusätzlichen Pins für zusätzliche Elemente wie Sicherheitsfunktionen wie Fotodioden oder Thermistoren zur Überwachung und Unterstützung der Temperaturregelung verwendet werden. Natürlich ist das Beispiel in 6 nur ein Beispiel und soll eine mögliche Konfiguration der Abdichtung einer Weißlichtquelle veranschaulichen.
In einer Ausführungsform gemäß der vorliegenden Erfindung ist eine integrierte Weißlichtquelle im transmissiven Modus in einem flachen Gehäuse mit einem Linsenelement konfiguriert, um einen kollimierten weißen Strahl zu erzeugen, wie in 7 dargestellt. Wie in 7 zu sehen ist, hat das flache Gehäuse ein Basis- oder Gehäuseelement 1801 mit einer kollimierten Weißlichtquelle 1812, die an dem Basiselement 1801 montiert und so konfiguriert ist, dass sie einen kollimierten Weißstrahl erzeugt, der aus einem Fenster 1803 austritt, das in der Seite des Basis- oder Gehäuseelements 1801 konfiguriert ist. Elektrische Verbindungen zur Weißlichtquelle 1812 können mit Drahtverbindungen zu den Durchführungen 1804 hergestellt werden, die elektrisch mit externen Stiften 1805 gekoppelt sind. In diesem Beispiel umfasst die kollimierte transmissive Weißlichtquelle 1812 die Laserdiode 1816, den Leuchtstoff-Wellenlängenkonverter 1817, der so konfiguriert ist, dass er einen von der Laserdiode 1816 emittierten Laserstrahl aufnehmen kann, und eine Kollimationslinse, wie z.B. eine asphärische Linse 1818, die vor dem Leuchtstoff 1817 konfiguriert ist, um das emittierte weiße Licht zu sammeln und einen kollimierten Strahl zu bilden. Der kollimierte Strahl ist auf das Fenster 1803 gerichtet, das aus einem transparenten Material besteht. Die externen Stifte 1805 sind elektrisch mit einer Stromquelle gekoppelt, um die Weißlichtquelle 1812 zu elektrifizieren und die Weißlichtemission zu erzeugen. Natürlich ist das Beispiel in 7 nur ein Beispiel und soll eine mögliche Konfiguration der Abdichtung einer Weißlichtquelle veranschaulichen.
Die in den 17 und 18 gezeigten flachen Verpackungsbeispiele gemäß der vorliegenden Erfindung sind in einer unverschlossenen Konfiguration ohne Deckel dargestellt, um Beispiele für interne Konfigurationen zu zeigen. Allerdings sind flache Verpackungen leicht mit einem Deckel oder Kappenelement versiegelt. 8 ist ein Beispiel für eine versiegelte flache Verpackung mit einer kollimierten Weißlichtquelle im Inneren. Wie in 8 zu sehen ist, hat das flache Gehäuse ein Basis- oder Gehäuseelement 1921 mit externen Stiften 1922, die für die elektrische Kopplung mit internen Komponenten wie der Weißlichtquelle, Sicherheitsfunktionen und Thermistoren konfiguriert sind. Das abgedichtete flache Gehäuse ist mit einem Fenster 1923 für den Austritt des kollimierten Weißlichtstrahls und einem Deckel oder einer Kappe 1924 konfiguriert, um eine Dichtung zwischen der äußeren Umgebung und den internen Komponenten zu bilden. Der Dichtungstyp kann eine Umgebungsdichtung oder eine hermetische Dichtung sein, und in einem Beispiel ist die versiegelte Packung mit einem Stickstoffgas oder einer Kombination aus einem Stickstoffgas und einem Sauerstoffgas hinterfüllt.
In einer alternativen Ausführungsform zeigt 9 eine schematische Darstellung der CPoS-Weißlichtquelle, die in einem Gehäuse vom Typ TO-Dose konfiguriert ist, jedoch mit einem zusätzlichen Linsenelement, das zum Kollimieren und Projizieren des Weißlichts konfiguriert ist. Die Beispielkonfiguration für ein kollimiertes Weißlicht aus einem Gehäuse vom Typ TO-Dose gemäß 9 umfasst eine TO-Dosenbasis 2001, eine Kappe 2012, die mit einem transparenten Fensterbereich 2013 konfiguriert ist, der an der Basis 2001 montiert ist. Die Kappe 2012 kann an die Basis gelötet, gelötet, geschweißt oder geklebt werden. Ein asphärisches Linsenelement 2043, das außerhalb des Fensterbereichs 2013 konfiguriert ist, wobei die Linse 2043 dazu dient, das emittierte weiße Licht, das das Fenster passiert, einzufangen, das Licht zu kollimieren und es dann entlang der Achse 2044 zu projizieren. Natürlich ist dies nur ein Beispiel und soll eine mögliche Konfiguration der Kombination der integrierten Weißlichtquelle gemäß dieser Erfindung mit einer Kollimationsoptik zu veranschaulichen. In einem anderen Beispiel könnte die Kollimationslinse in das Fensterelement auf der Kappe integriert sein oder innerhalb des Gehäuseelements enthalten sein.
In einer alternativen Ausführungsform, bietet 10 eine schematische Darstellung einer weißen Lichtquelle, die gemäß dieser Erfindung in einem SMD-Typ-Gehäuse konfiguriert ist, jedoch auch mit einem zusätzlichen parabolischen Element konfiguriert ist, um das weiße Licht zu kollimieren und projizieren. Die Beispielkonfiguration für ein kollimiertes Weißlicht aus einem SMD-Gehäuse gemäß 10 umfasst ein SMD-Gehäuse 2151 mit einer Basis und einem Kappen- oder Fensterbereich und der integrierten Weißlichtquelle 2152. Das SMD-Gehäuse ist an einem Kühlkörperelement 2153 befestigt, das so konfiguriert ist, dass es die in dem SMD-Gehäuse vom Laser und dem Leuchtstoffelement erzeugte Wärme transportiert und/oder speichert. Ein Reflektorelement 2154, z. B. ein parabolischer Reflektor, ist so konfiguriert, dass sich das Weißlicht emittierende Leuchtstoffelement der Weißlichtquelle im oder in der Nähe des Brennpunkts des parabolischen Reflektors befindet. Der parabolische Reflektor dient zur Kollimation und Projektion des weißen Lichts entlang der Projektionsachse 2155. Natürlich ist dies nur ein Beispiel und soll eine mögliche Konfiguration der Kombination der integrierten Weißlichtquelle gemäß dieser Erfindung mit einem Reflektor Kollimationsoptik zu veranschaulichen. In einem anderen Beispiel könnte der Kollimationsreflektor in das Fensterelement der Kappe integriert sein oder innerhalb des Gehäuseelements enthalten sein. In einer bevorzugten Ausführungsform ist der Reflektor in das Unterteil integriert oder an diesem befestigt.
In einer alternativen Ausführungsform bietet 11 eine schematische Darstellung einer weißen Lichtquelle, die gemäß dieser Erfindung in einem SMD-Typ-Gehäuse konfiguriert ist, jedoch auch mit einem zusätzlichen parabolischen Reflektor Element oder alternativ einem kollimierenden optischen Element wie eine Linse oder TIR-Optik konfiguriert ist, um das weiße Licht zu kollimieren und projizieren. Die Beispielkonfiguration für ein kollimiertes weißes Licht aus einem SMD-Gehäuse gemäß 11 umfasst ein SMD-Gehäuse 2261, das eine Basis 2211 und einen Kappen- oder Fensterbereich sowie die integrierte weiße Laser-basierte Lichtquelle 2262 umfasst. Das SMD-Gehäuse 2261 ist an einem Steuerelement 2214 befestigt, das so konfiguriert ist, dass es die elektrische und mechanische Befestigung der integrierten Weißlichtquelle ermöglicht, elektrische und mechanische Schnittstellen zum SMD-Gehäuse 2261 bereitstellt und die thermische Schnittstelle zur Außenwelt, wie z. B. einen Kühlkörper, versorgt. Ein Reflektorelement 2264, wie z. B. ein Parabolreflektor, ist so konfiguriert, dass sich das weißes Licht emittierende Leuchtstoffelement der Weißlichtquelle im oder in der Nähe des Brennpunkts des Parabolreflektors befindet. Der parabolische Reflektor 2264 dient zur Kollimation und Projektion des weißen Lichts entlang der Projektionsachse 2265. Natürlich ist dies nur ein Beispiel und soll eine mögliche Konfiguration der Kombination der integrierten Weißlichtquelle gemäß dieser Erfindung mit einem Reflektor Kollimationsoptik zu veranschaulichen. In einem anderen Beispiel könnte der Kollimationsreflektor in das Fensterelement der Kappe integriert sein oder innerhalb des Gehäuseelements enthalten sein. Die Kollimationsoptik könnte ein Linsenelement, ein TIR-Optikelement, ein parabolisches Reflektorelement oder eine alternative Kollimationstechnologie oder eine Kombination sein. In einer alternativen Ausführungsform ist der Reflektor in das Unterteil integriert oder daran befestigt.
In einer alternativen Ausführungsform bietet 12 eine schematische Darstellung einer Weißlichtquelle, die gemäß dieser Erfindung, die in einem SMD-Typ-Gehäuse konfiguriert ist, jedoch auch mit einem zusätzlichen Linsenelement konfiguriert ist, um das weiße Licht zu kollimieren und projizieren. Die Beispielkonfiguration für ein kollimiertes Weißlicht aus einem SMD-Gehäuse gemäß 12 umfasst ein SMD-Gehäuse 2361 mit einer Basis und einem Kappen- oder Fensterbereich und der integrierten Weißlichtquelle 2362. Das SMD-Gehäuse 2361 ist an einem Kühlkörperelement 2373 befestigt, das so konfiguriert ist, dass es die in dem SMD-Gehäuse 2361 von dem Laser und dem Leuchtstoffelement erzeugte Wärme transportiert und/oder speichert. Ein Linsenelement 2374, wie z. B. eine asphärische Linse, ist mit dem Weißlicht emittierenden Leuchtstoffelement der Weißlichtquelle 2362 konfiguriert, um einen wesentlichen Teil des emittierten Weißlichts zu sammeln und zu kollimieren. Das Linsenelement 2374 wird von Stützelementen 2375 getragen, um das Linsenelement 2374 mechanisch in einer festen Position in Bezug auf die Weißlichtquelle 2362 zu verankern. Die Stützelemente 2375 können aus Metallen, Kunststoffen, Keramiken, Verbundwerkstoffen, Halbleitern oder anderen bestehen. Das Linsenelement 2374 dient zur Kollimation und Projektion des weißen Lichts entlang der Projektionsachse 2376. Natürlich ist dies nur ein Beispiel und soll eine mögliche Konfiguration der Kombination der integrierten Weißlichtquelle gemäß dieser Erfindung mit einem Reflektor Kollimationsoptik zu veranschaulichen. In einem anderen Beispiel könnte der Kollimationsreflektor in das Fensterelement der Kappe integriert sein oder innerhalb des Gehäuseelements enthalten sein. In einer bevorzugten Ausführungsform ist der Reflektor in das Unterteil integriert oder an diesem befestigt.
In einer Ausführungsform gemäß der vorliegenden Erfindung, bietet 13 eine schematische Darstellung einer weißen Lichtquelle, die gemäß dieser Erfindung in einem SMD-Typ-Paket konfiguriert ist, jedoch auch mit einem zusätzlichen Linsenelement und Reflektorelement konfiguriert ist, um das weiße Licht zu kollimieren und projizieren. Die Beispielkonfiguration für ein kollimiertes Weißlicht aus einem SMD-Gehäuse gemäß 13 umfasst ein SMD-Gehäuse 2461, das eine Basis und einen Kappen- oder Fensterbereich und die integrierte Weißlichtquelle 2462 umfasst. Das SMD-Gehäuse 2461 ist an einem Kühlkörperelement 2483 befestigt, das so konfiguriert ist, dass es die in dem SMD-Gehäuse 2461 von dem Laser und dem Leuchtstoffelement erzeugte Wärme transportiert und/oder speichert. Ein Linsenelement 2484, wie z. B. eine asphärische Linse, ist mit der Weißlichtquelle 2462 konfiguriert, um einen wesentlichen Teil des emittierten weißen Lichts zu sammeln und zu kollimieren. Ein Reflektorgehäuseteil 2485 oder Linsenelement 2484 ist zwischen der Weißlichtquelle 2462 und dem Linsenelement 2484 konfiguriert, um jegliches Streulicht oder Licht (das ansonsten das Linsenelement nicht erreichen würde) in das Linsenelement zu reflektieren, um es zu kollimieren und zum kollimierten Strahl beizutragen. In einer Ausführungsform wird das Linsenelement 2484 von dem Reflektorgehäuseelement 2485 getragen, um das Linsenelement 2484 in einer festen Position in Bezug auf die Weißlichtquelle 2462 mechanisch zu verankern. Das Linsenelement 2484 dient zur Kollimation und Projektion des weißen Lichts entlang der Projektionsachse 2486. Natürlich ist dies nur ein Beispiel und soll eine mögliche Konfiguration der Kombination der integrierten Weißlichtquelle gemäß dieser Erfindung mit einer Reflektorkollimationsoptik veranschaulichen. In einem anderen Beispiel könnte der Kollimationsreflektor in das Fensterelement der Kappe integriert sein oder innerhalb des Gehäuseelements enthalten sein. In einer bevorzugten Ausführungsform ist der Reflektor in das Unterteil integriert oder an diesem befestigt.
Lasergeräte plus Leuchtstoffanregungsquellen, die in Gehäusen wie einem SMD-Gehäuse integriert sind, können auf einer externen Platine befestigt werden, um die elektrische und mechanische Montage von Gehäusen zu ermöglichen. Zusätzlich zur Bereitstellung elektrischer und mechanischer Schnittstellen zum SMD-Gehäuse liefern diese Platinen auch die thermische Schnittstelle zur Außenwelt, wie z. B. einen Kühlkörper. Solche Platinen können auch für eine verbesserte Handhabung von kleinen Gehäusen wie einem SMD (typischerweise weniger als 2 cm × 2 cm) während der Endmontage sorgen.
In einem Aspekt stellt die vorliegende Offenbarung ein wellenleitergekoppeltes Weißlichtsystem basierend auf einer integrierten laserinduzierten Weißlichtquelle bereit. 14 zeigt ein vereinfachtes Blockdiagramm eines funktionalen wellenleitergekoppelten Weißlichtsystems gemäß einigen Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung. Dieses Diagramm ist lediglich ein Beispiel, das den Umfang der Ansprüche nicht unangemessen einschränken soll. Ein Fachmann würde viele Variationen, Alternativen und Modifikationen erkennen. Wie dargestellt, umfasst das wellenleitergekoppelte Weißlichtsystem 2500 eine Weißlichtquelle 2510 und einen damit gekoppelten Wellenleiter 2520, um das Weißlicht für verschiedene Anwendungen zu liefern. In einigen Ausführungsformen ist die Weißlichtquelle 2510 eine laserbasierte Weißlichtquelle mit mindestens einer Laservorrichtung 2502, die so konfiguriert ist, dass sie ein Laserlicht mit einer blauen Wellenlänge in einem Bereich von etwa 385 nm bis etwa 495 nm emittiert. Optional ist die mindestens eine Laservorrichtung 2502 ein Laserdioden (LD)-Chip, der als Chip-on-Submount (CoS)-Form konfiguriert ist und einen Gallium und Stickstoff enthaltenden emittierenden Bereich aufweist, der in einem ersten Wellenlängenbereich arbeitet, der aus dem Wellenlängenbereich von 395 nm bis 425 nm, dem Wellenlängenbereich von 425 nm bis 490 nm und dem Bereich von 490 nm bis 550 nm ausgewählt ist. Optional ist die Laservorrichtung 2502 als eine Chip-on-Submount (CoS)-Struktur konfiguriert, die auf abgehobenen und übertragenen epitaktischen gallium- und stickstoffhaltigen Schichten basiert. Optional enthält die mindestens eine Laservorrichtung 2502 einen Satz von mehreren Laserdioden (LD)-Chips. Jeder enthält einen GaN-basierten Emissionsstreifen, der so konfiguriert ist, dass er durch einen unabhängigen Antriebsstrom oder eine unabhängige Spannung von einem Lasertreiber angesteuert wird, um ein Laserlicht zu emittieren. Das gesamte emittierte Laserlicht von den mehreren LD-Chips kann zu einem Strahl elektromagnetischer Strahlung kombiniert werden. Optional handelt es sich bei den mehreren LD-Chips um blaue Laserdioden mit einer aggregierten Ausgangsleistung von weniger als 1 W, oder etwa 1 W bis etwa 10 W, oder etwa 10 W bis etwa 30 W, oder etwa 30 W bis 100 W, oder größer. Optional wird jedes emittierte Licht separat angesteuert und geführt.
In einigen Ausführungsformen umfasst das laserbasierte, wellenleitergeköppelte Weißlichtsystem 2500 außerdem ein Leuchtstoffelement 2503. Optional ist das Leuchtstoffelement 2503 auf einem entfernten/separaten Trägerelement montiert, das innerhalb der Weißlichtquelle 2510 mitverpackt ist. Optional ist das Leuchtstoffelement 2503 auf einem gemeinsamen Trägerelement mit der Laservorrichtung 2502 in einer Chip- und-Leuchtstoff-auf-Submount (CPoS) Struktur montiert. Das Leuchtstoffelement 2503 umfasst eine flache Oberfläche oder eine pixelierte Oberfläche, die in der Nähe der Laservorrichtung 2502 in einer bestimmten geometrischen Konfiguration angeordnet ist, so dass der Strahl der von der Laservorrichtung 2502 emittierten elektromagnetischen Strahlung in einem Fleck auf der Anregungsoberfläche des Leuchtstoffelements 2503 mit einer in einem Bereich von etwa 50µm bis 5 mm begrenzten Punktgröße landen kann.
Optional besteht das Leuchtstoffelement 2503 aus einem keramischen Yttrium-Aluminium-Granat (YAG), das mit Ce dotiert ist, oder einem einkristallinen YAG, das mit Ce dotiert ist, oder einem pulverförmigen YAG, das ein Bindemittelmaterial enthält. Die Leuchtstoffplatte hat eine optische Umwandlungseffizienz von mehr als 50 Lumen pro optischem Watt, mehr als 100 Lumen pro optischem Watt, mehr als 200 Lumen pro optischem Watt oder mehr als 300 Lumen pro optischem Watt.
Optional besteht das Leuchtstoffelement 2503 aus einer Einkristallplatte oder Keramikplatte, die aus einer Lanthan-Siliziumnitrid-Verbindung und einer Lanthan-Aluminium-Silizium-Stickstoffoxid-Verbindung ausgewählt ist, die Ce3+-Ionen in einer Atomkonzentration von 0,01 % bis 10 % enthält.
Optional absorbiert das Leuchtstoffelement 2503 die Laseremission der elektromagnetischen Strahlung der ersten Wellenlänge im violetten, blauen (oder grünen) Spektrum, um eine Leuchtstoffemission einer zweiten Wellenlänge im gelben Spektralbereich zu induzieren. Optional wird die Leuchtstoffemission der zweiten Wellenlänge teilweise mit einem Teil des eintreffenden/reflektierenden Laserstrahls der elektromagnetischen Strahlung der ersten Wellenlänge gemischt, um einen Weißlichtstrahl zu erzeugen und eine laserinduzierte Weißlichtquelle 2510 zu bilden. Optional ist der von der Laservorrichtung 2502 emittierte Laserstrahl mit einem relativen Einfallswinkel des Strahls in Bezug auf eine Richtung der Anregungsoberfläche des Leuchtstoffelements 2503 in einem Bereich von 5 Grad bis 90 Grad konfiguriert, um in dem Punkt auf der Anregungsoberfläche einzufallen. Optional wird der Einfallswinkel des Laserstrahls in einem kleineren Bereich von 25 Grad bis 35 Grad oder von 35 Grad bis 40 Grad eingeengt. Optional wird die Weißlichtemission der Weißlichtquelle 2510 im Wesentlichen von der gleichen Seite der Anregungsfläche (oder pixelierten Fläche) des Leuchtstoffelements 2503 reflektiert. Optional kann die Weißlichtemission der Weißlichtquelle 2510 auch durch das Leuchtstoffelement 2503 übertragen werden, um aus einer anderen, der Anregungsfläche gegenüberliegenden Oberfläche auszutreten. Optional wird die vom Leuchtstoffelement reflektierte oder durchgelassene Weißlichtemission umgelenkt oder als Weißlichtstrahl geformt, der für verschiedene Anwendungen verwendet wird. Wahlweise kann die Weißlichtemission aus dem Leuchtstoff in einem Lichtstrom von mindestens 250 Lumen, mindestens 500 Lumen, mindestens 1000 Lumen, mindestens 3000 Lumen oder mindestens 10.000 Lumen erfolgen. Alternativ kann die Weißlichtemission aus dem Weißlichtsystem 2500 mit einer Leuchtdichte von 100 bis 500 cd/mm2, 500 bis 1000cd/mm2, 1000 bis 2000 cd/mm2, 2000 bis 5000 cd/mm2 und größer als 5000 cd/mm2 erfolgen.
In einigen Ausführungsformen ist die Weißlichtquelle 2510, die die Laservorrichtung 2502 und das Leuchtstoffelement 2503 zusammenfasst, ein SMD-Gehäuse (Surface Mount Device). Optional ist das SMD-Gehäuse hermetisch versiegelt. Optional ist das gemeinsame Trägerelement zum Tragen der Laservorrichtung 2502 und des Leuchtstoffelements 2503 vorgesehen. Optional bietet das gemeinsame Trägerelement eine Wärmesenke, die so konfiguriert ist, dass sie eine thermische Impedanz von weniger als 10 Grad Celsius pro Watt bereitstellt, eine Elektronikplatine, die so konfiguriert ist, dass sie elektrische Verbindungen für die Laservorrichtung bereitstellt, einen Treiber zum Modulieren der Laseremission und Sensoren, die mit dem SMD-Gehäuse verbunden sind, um die Temperatur und die optische Leistung zu überwachen. Optional ist die Elektronikplatine so konfiguriert, dass sie einen elektrischen Kontakt für Anode(n) und Kathode(n) des SMD-Gehäuses bereitstellt. Optional kann die Elektronikplatine einen Treiber enthalten oder einbetten, um eine zeitliche Modulation für Anwendungen im Zusammenhang mit der Kommunikation bereitzustellen, wie z. B. LiFi-Lichtkommunikation im freien Raum und/oder Datenkommunikation unter Verwendung von Lichtwellenleitern. Oder der Treiber kann so konfiguriert sein, dass er eine zeitliche Modulation für Anwendungen im Zusammenhang mit LiDAR-Fernerkundung bereitstellt, um Entfernungen zu messen, 3D-Bilder zu erzeugen oder andere verbesserte 2D-Bildgebungsverfahren. Optional enthalten die Sensoren einen Thermistor zur Temperaturüberwachung und Photodetektoren zur Alarm- oder Betriebszustandssignalisierung. Optional umfassen die Sensoren Fasersensoren. Optional hat die Elektronikplatine eine seitliche Abmessung von 50 mm oder weniger.
In einigen Ausführungsformen umfasst die Weißlichtquelle 2510 ein oder mehrere optische Elemente, um die Weißlichtemission aus dem Leuchtstoff-Element 2503 entweder im Reflexionsmodus oder im Durchlassmodus zu verarbeiten. Optional umfassen das eine oder die mehreren optischen Elemente Linsen mit hohen numerischen Aperturen, um die Lambertsche Emission (hauptsächlich für die Weißlichtemission aus der Oberfläche des Leuchtstoffelements 2503) einzufangen. Optional umfassen das eine oder die mehreren optischen Elemente Reflektoren, wie z. B. Spiegel, MEMS-Vorrichtungen oder andere Lichtablenker. Optional umfassen das eine oder die mehreren optischen Elemente eine Kombination aus Linsen und Reflektoren (einschließlich Total-Innen-Reflektor). Optional ist jedes oder alle der ein oder mehreren optischen Elemente so konfiguriert, dass die Abmessungen weniger als 50 mm betragen, um eine ultrakompakte Verpackungslösung zu ermöglichen.
In einigen Ausführungsformen umfasst das laserbasierte, wellenleitergekoppelte Weißlichtsystem 2500 auch eine Wellenleitervorrichtung 2520, die mit der Weißlichtquelle 2510 gekoppelt ist, um einen Strahl der Weißlichtemission an ein Lichtkopfmodul an einem entfernten Zielort zu liefern oder direkt als eine Lichtauslösevorrichtung in verschiedenen Beleuchtungsanwendungen zu dienen. In einer Ausführungsform ist die Wellenleitervorrichtung 2520 eine optische Faser, um die Weißlichtemission von einem ersten Ende zu einem zweiten Ende an einem entfernten Ort zu liefern. Optional besteht die optische Faser aus einer Single-Mode-Faser (SMF) oder einer Multi-Mode-Faser (MMF). Optional ist die Faser eine Glas-Kommunikationsfaser mit Kerndurchmessern im Bereich von etwa 1µm bis 10µm, etwa 10µm bis 50µm, etwa 50µm bis 150µm, etwa 150µm bis 500µm, etwa 500µm bis 1mm oder größer als 1mm, was eine Durchlässigkeit von mehr als 90% pro Meter ergibt. Das optische Kernmaterial der Faser kann aus einem Glas wie z.B. Quarzglas bestehen, wobei das Quarzglas mit verschiedenen Bestandteilen dotiert sein kann und einen vorbestimmten Anteil an Hydroxylgruppen (OH) für eine optimierte Ausbreitungsverlustcharakteristik aufweist. Das Glasfasermaterial kann auch aus einem Fluoridglas, einem Phosphatglas oder einem Chalkogenidglas bestehen. In einer alternativen Ausführungsform wird eine optische Faser aus Kunststoff verwendet, um die Weißlichtemission mit einer Durchlässigkeit von mehr als 50 % pro Meter zu transportieren. In einer anderen alternativen Ausführungsform besteht die optische Faser aus einer linsenförmigen Faser, deren optische Linsenstruktur in den Faserkern eingebaut ist, um die elektromagnetische Strahlung im Inneren der Faser über eine beliebige Länge zu leiten, die erforderlich ist, um die Weißlichtemission zu einem entfernten Ziel zu liefern. Optional ist die Faser in einer 3-dimensionalen (3D) Einstellung, die in verschiedene Beleuchtungsanwendungsdesigns entlang eines Pfades der Lieferung der weißen Lichtemission zu dem entfernten Ziel passt. Optional ist die Wellenleitervorrichtung 2520 ein planarer Wellenleiter (z. B. ein in einem Siliziumwafer geformter Halbleiterwellenleiter), um das Licht in einer 2D-Einstellung zu transportieren.
In einer anderen Ausführungsform ist die Wellenleitervorrichtung 2520 so konfiguriert, dass sie eine verteilte Lichtquelle ist. Optional ist die Wellenleitervorrichtung 2520 ein Wellenleiter oder eine Faser, die es ermöglicht, dass Licht zumindest teilweise aus ihrer äußeren Oberfläche herausgestreut wird. In einer Ausführungsform enthält die Wellenleitervorrichtung 2520 eine undichte Faser, um die Weißlichtemission über seitliche Streuung direkt aus der Außenfläche der Faser freizusetzen. Optional hat die undichte Faser je nach Anwendung eine bestimmte Länge. Innerhalb der Länge wird die von der Weißlichtquelle 2510 eingekoppelte Weißlichtemission im Wesentlichen aus der Faser als Beleuchtungsquelle ausgekoppelt. Optional ist die undichte Faser eine gerichtete, seitlich streuende Faser, um eine bevorzugte Beleuchtung in einem bestimmten Winkel zu ermöglichen. Optional bietet die undichte Faser eine flexible 3D-Einstellung für verschiedene Beleuchtungsanwendungen mit 3D-Beleuchtung. Optional ist die Wellenleitervorrichtung 2520 eine Form eines Leckwellenleiters bzw. undichten Wellenleiters, der in einem flachen Paneelsubstrat ausgebildet ist und eine 2D-gemusterte Beleuchtung in spezifischen 2D-Beleuchtungsanwendungen bietet.
In einer alternativen Ausführungsform ist die Wellenleitervorrichtung 2520 eine undichte Faser, die direkt mit der Laservorrichtung gekoppelt ist, um ein Laserlicht im blauen Spektrum einzukoppeln. Optional ist die undichte Faser mit Leuchtstoffmaterial in oder auf der Oberfläche beschichtet oder dotiert, um eine verschiedenfarbige Leuchtstoffemission zu induzieren und die Farben des durch das darüber beschichtete Leuchtstoffmaterial emittierten Lichts zu verändern.
In einer speziellen Ausführungsform, wie in 14A gezeigt, umfasst das laserbasierte fasergekoppelte Weißlichtsystem eine Weißlichtquelle, die einen Strahl weißer Lichtemission in einen Faserabschnitt koppelt. Optional befindet sich die Weißlichtquelle in einem SMD-Gehäuse, das mindestens eine Laservorrichtung und ein Leuchtstoffelement enthält, die von einem gemeinsamen Trägerelement getragen werden. Das gemeinsame Trägerelement kann als Wärmesenke konfiguriert sein, die mit einer elektronischen Platine gekoppelt ist, die einen externen elektrischen Anschluss (E-Anschluss) hat. Das SMD-Gehäuse kann auch so konfiguriert sein, dass es ein oder mehrere optische Elemente zum Kollimieren und Fokussieren der emittierten weißen Lichtemission aus dem Leuchtstoffelement zu einem Eingangsende der zweiten Faser und zum Transport des weißen Lichts zu einem Ausgangsende hält. Optional, bezogen auf 14A, befindet sich die Weißlichtquelle in einem Gehäuse mit einer kubischen Form mit einer kompakten Abmessung von etwa 60 mm. Die E-Verbindung ist an einer (unteren) Seite vorgesehen, während das Eingangsende der Faser mit einer gegenüberliegenden (vorderen) Seite des Gehäuses gekoppelt ist. Optional enthält das Ausgangsende der Faser, nach einer beliebigen Länge, einen optischen Anschluss. Optional befindet sich der optische Stecker nur an einem mittleren Punkt statt am Ausgangsende der Faser und ein weiterer Faserabschnitt mit einem passenden Stecker (nicht dargestellt) kann enthalten sein, um das weiße Licht weiter zum Ausgangsende zu transportieren. Auf diese Weise wird die Faser zu einer abnehmbaren Faser, was praktisch ist, um das laserbasierte, fasergekoppelte Weißlichtsystem in eine modulare Form zu bringen, die ein Weißlichtquellenmodul separat und abnehmbar mit einem Lichtkopfmodul gekoppelt enthält. Zum Beispiel wird ein Stecker vom Typ SMA-905 verwendet. Optional enthält die Elektronikplatine auch einen Treiber, der so konfiguriert ist, dass er (zumindest zeitweise) die Laseremission für die LiFi-Kommunikation oder für die LiDAR-Fernerkundung moduliert.
In einer alternativen Ausführungsform enthält das laserbasierte fasergekoppelte Weißlichtsystem eine Weißlichtquelle im SMD-Gehäuse, die vorgesehen ist, um eine Weißlichtemission zur Aufteilung in mehrere Fasern einzukoppeln. In einer weiteren alternativen Ausführungsform umfasst das laserbasierte fasergekoppelte Weißlichtsystem mehrere Weißlichtquellen im SMD-Gehäuse, die einen kombinierten Strahl der Weißlichtemission in eine Faser einkoppeln.
In einer Ausführungsform umfasst das laserbasierte fasergekoppelte Weißlichtsystem 2500 eine Weißlichtquelle 2510 im SMD-Gehäuse, die mit zwei abnehmbaren Faserabschnitten gekoppelt ist, die durch einen optischen Stecker verbunden sind. Optional können SMA-, FC- oder andere optische Stecker verwendet werden, wie z. B. Stecker vom Typ SMA-905.
Optional enthält die Faser 2520 zusätzliche optische Elemente am zweiten Ende zur Kollimation oder Formung oder Erzeugung von Mustern der austretenden Weißlichtemission in einem Kegelwinkel von 5 - 50 Grad. Optional ist die Faser 2520 mit einer numerischen Apertur von 0,05 ~ 0,7 und einem Durchmesser von weniger als 2 mm für Flexibilität und geringe Kosten versehen.
In einer Ausführungsform kann die Weißlichtquelle 2510 als ein Gehäuse hergestellt werden, das aus mehreren verschiedenen Typen von integrierten laserinduzierten Weißlichtquellen aus 3 bis 13 ausgewählt wird. Optional ist das Gehäuse mit einer Abmessung von 60 mm für Kompaktheit versehen. Das Gehäuse bietet einen mechanischen Rahmen zur Aufnahme und Befestigung der SMD-verpackten . Weißlichtquelle, der Leuchtstoffelemente, der Elektronikplatine, eines oder mehrerer optischer Elemente usw., und ist optional mit einem Treiber integriert. Das Leuchtstoffelement 2503 in der Weißlichtquelle 2510 kann entweder als Reflexionsmodus oder als Transmissionsmodus eingestellt werden. Optional ist die Laservorrichtung 2502 in einem oberflächenmontierbaren Gehäuse montiert und mit einem Kappenelement versiegelt. Optional ist die Laservorrichtung 2502 in einem oberflächenmontierbaren Gehäuse montiert, das an einem Steuerbrett befestigt ist. Optional ist die Laservorrichtung 2502 in einem flachen Gehäuse montiert und mit einem optischen Kollimationselement gekoppelt. Optional ist die Laservorrichtung 2502 in einem flachen Gehäuse montiert und mit einem Kappenelement versiegelt. Optional ist die Laservorrichtung 2502 in einem spaltbaren Gehäuse mit einer Kollimationslinse montiert. Optional ist die Laservorrichtung 2502 in einem oberflächenmontierbaren Gehäuse montiert, das auf einem Kühlkörper mit einem Kollimationsreflektor montiert ist. Optional ist die Laservorrichtung 2502 in einem oberflächenmontierten Gehäuse mit einem kollimierenden Reflektor montiert, das auf einem Steuerbord montiert ist. Optional ist die Laservorrichtung 2502 in einem oberflächenmontierten Gehäuse montiert, das auf einer Wärmesenke mit einer Kollimationslinse montiert ist. Optional ist die Laservorrichtung 2502 in einem oberflächenmontierten Gehäuse montiert, das auf einer Wärmesenke mit einer Kollimationslinse und einem Reflektorelement montiert ist.
Aus dem laserbasierten fasergekoppelten Weißlichtsystem lassen sich viele Vorteile und Anwendungen ableiten. Zum Beispiel wird es als verteilte Lichtquelle mit dünner Kunststoff-Lichtleitfaser für kostengünstige weiße Faserbeleuchtung verwendet, einschließlich Tagfahrlicht für Autoscheinwerfer, Innenbeleuchtung für Autos, Außenbeleuchtung in Städten und Geschäften. Alternativ kann sie auch für Kommunikations- und Datenzentren verwendet werden. Außerdem ist eine neue lineare Lichtquelle als Lichtdraht mit < 1mm Durchmesser vorgesehen, die entweder weißes Licht oder RGB-Farblicht erzeugt. Optional ist die lineare Lichtquelle mit einer Laserdiode plus Leuchtstoffquelle versehen, um weißes Licht in die Faser einzubringen, die eine undichte Faser ist, um seitlich gestreutes weißes Licht zu verteilen. Optional ist die lineare Lichtquelle mit RGB-Laserlicht in die Faser eingekoppelt, die ein direktes Leck bzw. Undichtigkeit für seitlich gestreutes RGB-Farblicht ist. Optional ist die lineare Lichtquelle so konfiguriert, dass sie blaues Laserlicht in die Faser einkoppelt, die mit Leuchtstoffmaterial(en) beschichtet ist, damit die lasergepumpte Leuchtstoffemission seitlich aus der äußeren Oberfläche der Faser gestreut wird. Analog kann eine 2D-gemusterte Lichtquelle gebildet werden, indem entweder die lineare Faser in einer 2D-Anordnung angeordnet wird oder stattdessen 2D-Festkörperwellenleiter auf einem planaren Substrat gebildet werden.
In einer alternativen Ausführungsform zeigt 15 ein vereinfachtes Blockdiagramm eines funktionalen laserbasierten, wellenleitergekoppelten Weißlichtsystems 2600. Das laserbasierte, wellenleitergekoppelte Weißlichtsystem 2600 umfasst eine Weißlichtquelle 2610, die im Wesentlichen der in 14 gezeigten Weißlichtquelle 2510 ähnelt und mindestens eine Laservorrichtung 2602 aufweist, die so konfiguriert ist, dass sie einen Laserstrahl mit blauem Spektrum und einer ersten Wellenlänge auf ein Leuchtstoffelement 2603 emittiert. Die mindestens eine Laservorrichtung 2602 wird von einem Lasertreiber 2601 angesteuert. Der Lasertreiber 2601 erzeugt einen Ansteuerungsstrom, der zum Ansteuern einer oder mehrerer Laserdioden geeignet ist. In einer speziellen Ausführungsform ist der Lasertreiber 2601 so konfiguriert, dass er ein pulsmoduliertes Signal in einem Frequenzbereich von etwa 50 bis 300 MHz erzeugt. Das Leuchtstoffelement 2603 ist im Wesentlichen dasselbe wie das Leuchtstoffelement 2503 als Wellenlängenkonverter und Emitter, der durch den Laserstrahl von der mindestens einen Laservorrichtung 2602 angeregt wird, um eine Leuchtstoffemission mit einer zweiten Wellenlänge im gelben Spektrum zu erzeugen. Das Leuchtstoffelement 2603 kann zusammen mit der Laservorrichtung 2602 in einer CPoS-Struktur auf einem gemeinsamen Trägerelement untergebracht sein. Die Leuchtstoffemission wird teilweise mit dem Laserstrahl mit der ersten Wellenlänge im violetten oder blauen Spektrum gemischt, um eine Weißlichtemission zu erzeugen. Optional enthält das wellenleitergekoppelte Weißlichtsystem 2600 eine laserinduzierte Weißlichtquelle 2610, die mehrere Laserdiodenvorrichtungen 2602 in einem gemeinsamen Gehäuse mit einem Leuchtstoffelement 2603 enthält und von einem Treibermodul 2601 angesteuert wird, um ein Laserlicht mit einer Leistung von jeweils 1 W, 2 W, 3 W, 4 W, 5 W oder mehr zu emittieren, um eine hellere Weißlichtemission mit einer kombinierten Leistung von 6 W oder 12 W oder 15 W oder mehr zu erzeugen. Optional ist die Weißlichtemission aus der laserinduzierten Weißlichtquelle mit einer Leuchtdichte von 100 bis 500 cd/mm2, 500 bis 1000cd/mm2, 1000 bis 2000 cd/mm2, 2000 bis 5000 cd/mm2, und größer als 5000 cd/mm2. Optional ist die Weißlichtemission eine Emission im Reflexionsmodus aus einem Punkt mit einer Größe von mehr als 5µm auf einer Anregungsoberfläche des Leuchtstoffelements 2603, basierend auf einer Konfiguration, dass der Laserstrahl von der Laservorrichtung 2602 mit einem exzentrischen Einfallswinkel im Bereich zwischen 0 Grad und 89 Grad auf die Anregungsoberfläche des Leuchtstoffelements 2603 geführt wird.
In der Ausführungsform umfasst das laserbasierte, wellenleitergekoppelte Weißlichtsystem 2600 ferner ein optisches Element 2620, das so konfiguriert ist, dass es die Weißlichtemission aus dem Leuchtstoffelement 2603 der Weißlichtquelle 2610 kollimiert und fokussiert. Darüber hinaus umfasst das laserbasierte, wellenleitergekoppelte Weißlichtsystem 2600 eine Wellenleitervorrichtung oder -baugruppe 2630, die so konfiguriert ist, dass sie mit dem optischen Element 2620 koppelt, um die fokussierte Weißlichtemission mit einem Kopplungswirkungsgrad von mindestens 20%, 40%, 60% oder 80% zu empfangen. Die Wellenleitervorrichtung 2630 dient als Transportelement, um das weiße Licht an ein ferngesteuertes Gerät oder Lichtkopfmodul zu liefern. Optional dient die Wellenleitervorrichtung 2630 als Beleuchtungselement, um direkt eine Beleuchtungsfunktion auszuführen. Vorzugsweise ist die Wellenleitervorrichtung 2630 eine Faser. Optional umfasst die Wellenleitervorrichtung 2630 alle Arten von Fasern, einschließlich Singlemode-Fasern, Mehrfachmodule, polarisierte Fasern, undichte Fasern, Linsenfasern, Kunststofffasern usw.
16 zeigt ein vereinfachtes Blockdiagramm eines laserbasierten, wellenleitergekoppelten Weißlichtsystems 2700 gemäß einer weiteren alternativen Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung. Wie gezeigt, umfasst eine laserbasierte Weißlichtquelle 2710 eine Laservorrichtung 2702, die von einem Treibermodul 2701 angesteuert wird, um einen Laserstrahl aus elektromagnetischer Strahlung mit einer ersten Wellenlänge im violetten oder blauen Spektralbereich zu emittieren. Die elektromagnetische Strahlung mit der ersten Wellenlänge wird auf eine Anregungsfläche eines Leuchtstoffelements 2703 gelandet, das zusammen mit der Laservorrichtung 2702 in einer CPoS-Struktur in der Weißlichtquelle 2710 untergebracht ist. Das Leuchtstoffelement 2703 dient als Wellenlängenkonverter und Emitter, um eine Leuchtstoffemission mit einer zweiten Wellenlänge im gelben Spektralbereich zu erzeugen, die teilweise mit der elektromagnetischen Strahlung der ersten Wellenlänge gemischt wird, um eine Weißlichtemission zu erzeugen, die von einem Punkt auf der Anregungsoberfläche reflektiert wird. Optional enthält die Laservorrichtung 2702 eine oder mehrere Laserdioden, die Gallium und Stickstoff im aktiven Bereich enthalten, um Laser der ersten Wellenlänge in einem Bereich von 385 nm bis 495 nm zu erzeugen. Optional werden die eine oder mehreren Laserdioden durch das Treibermodul 2701 angesteuert und die Laseremission von jeder Laserdiode wird kombiniert, um zur Anregungsfläche des Leuchtstoffelements 2703 geleitet zu werden. Optional umfasst das Leuchtstoffelement 2703 ein Leuchtstoffmaterial, das durch eine Wellenlängenkonversionseffizienz, eine Beständigkeit gegen thermische Beschädigung, eine Beständigkeit gegen optische Beschädigung, eine thermische Löschcharakteristik, eine Porosität zur Streuung des Anregungslichts und eine Wärmeleitfähigkeit gekennzeichnet ist. In einer bevorzugten Ausführungsform besteht das Leuchtstoffmaterial aus einem gelb emittierenden, mit Ce dotierten YAG-Material mit einem Umwandlungswirkungsgrad von mehr als 100 Lumen pro optischem Watt, mehr als 200 Lumen pro optischem Watt oder mehr als 300 Lumen pro optischem Watt und kann ein polykristallines Keramikmaterial oder ein Einkristallmaterial sein.
In der Ausführungsform sind die Laservorrichtung 2702, das Tauchermodul 2710 und das Leuchtstoffelement 2703 auf einem Trägerelement montiert, das ein Kühlkörperelement 2740 enthält oder mit diesem in Kontakt steht, das so konfiguriert ist, dass es die von der Laservorrichtung 2702 während der Laseremission und dem Leuchtstoffelement 2703 während der Leuchtstoffemission erzeugte Wärme leitet. Optional besteht das Trägerelement aus einem wärmeleitenden Material wie Kupfer mit einer Wärmeleitfähigkeit von etwa 400 W/(m·K), Aluminium mit einer Wärmeleitfähigkeit von etwa 200 W/(m·K), 4H-SiC mit einer Wärmeleitfähigkeit von etwa 370 W/(m. K), 6H-SiC mit einer Wärmeleitfähigkeit von etwa 490 W/(m·K), AlN mit einer Wärmeleitfähigkeit von etwa 230 W/(m·K), einem synthetischen Diamant mit einer Wärmeleitfähigkeit von etwa > 1000 W/(m·K), Saphir, oder anderen Metallen, Keramiken oder Halbleitern. Optional ist das Trägerelement eine Submount-Struktur aus Hochtemperatur-Keramik (High Temperature Co-fired Ceramic, HTCC), die so konfiguriert ist, dass elektrisch leitende Drähte darin eingebettet werden können. Diese Art von keramischem Trägerelement bietet eine hohe Wärmeleitfähigkeit zur effizienten Ableitung der von der Laservorrichtung 2702 und dem Leuchtstoffelement 2703 erzeugten Wärme an einen Kühlkörper, der mit dem Trägerelement in Kontakt gebracht wird. Elektrische Stifte sind so konfiguriert, dass sie eine externe Stromversorgung mit leitenden Drähten verbinden, die in die HTTC-Keramikunterstützungsstruktur eingebettet sind, um Treibersignale für die Laservorrichtung 2702 bereitzustellen. Jede der Laserdioden ist auf einer einzelnen Keramik oder mehreren Chips auf einer Keramik konfiguriert, die auf dem Kühlkörperelement 2740 angeordnet sind.
In der Ausführungsform umfasst die laserbasierte, wellenleitergekoppelte Weißlichtquelle 2700 ein Gehäuse, das die eine oder mehrere Laserdioden 2702, das Leuchtstoffelement 2703, das Treibermodul 2701 und ein Kühlkörperelement 2740 enthält. Optional enthält das Gehäuse auch alle freien optischen Elemente 2720, wie z. B. Koppler, Kollimatoren, Spiegel usw., oder koppelt diese an. Die Optikteile 2720 sind räumlich mit optischer Ausrichtung konfiguriert, um die Weißlichtemission aus der Anregungsfläche des Leuchtstoffteils 2703 auszukoppeln oder die Weißlichtemission in einen Wellenleiter 2730 zu refokussieren. Optional ist der Wellenleiter 2730 eine Faser oder ein Wellenleitermedium, das auf einem flachen Plattensubstrat ausgebildet ist.
In der Ausführungsform umfasst die laserbasierte, wellenleitergekoppelte Weißlichtquelle 2700 ferner ein optisches Element 2720 zum Koppeln der Weißlichtemission aus der Weißlichtquelle 2710 an eine Wellenleitervorrichtung 2730. Optional umfasst das optische Element 2720 eine Freiraum-Kollimationslinse, Spiegel, eine Fokuslinse, einen Faseradapter oder andere. Optional umfasst die Wellenleitervorrichtung 2730 einen auf einem Substrat ausgebildeten Flachwellenleiter oder optische Fasern. Optional umfasst die optische Faser eine Singlemode-Faser, eine Multimode-Faser, eine linsenförmige Faser, eine undichte Faser oder andere. Optional ist die Wellenleitervorrichtung 2730 so konfiguriert, dass sie die Weißlichtemission an ein Lichtkopfelement 2740 liefert, das die Weißlichtemission umformt und in verschiedene Arten von Lichtstrahlen für verschiedene Beleuchtungsanwendungen projiziert. Optional dient die Wellenleitervorrichtung 2730 selbst einer Beleuchtungsquelle oder -elementen, die in das Lichtkopfelement 2740 integriert sind.
17 zeigt ein umfassendes Diagramm eines laserbasierten, wellenleitergekoppelten Weißlichtsystems 2800 gemäß einer spezifischen Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung. Bezugnehmend auf 17 enthält das laserbasierte, wellenleitergekoppelte Weißlichtsystem 2800 eine Laservorrichtung 2802, die als eine oder mehrere Laserdioden (LDs) konfiguriert ist, die auf einem Trägerelement montiert sind und von einem Treiber 2801 angesteuert werden, um einen Strahl elektromagnetischer Laserstrahlung zu emittieren, der durch eine erste Wellenlänge im Bereich von 395 nm bis 490 nm gekennzeichnet ist. Das Trägerelement ist mit einer Wärmesenke 2810 ausgebildet oder in Kontakt gebracht, um die während der Laseremission durch die LDs freigesetzte Wärmeenergie ausreichend zu transportieren. Optional enthält das laserbasierte, wellenleitergekoppelte Weißlichtsystem 2800 eine Faser zum Sammeln der elektromagnetischen Laserstrahlung mit einer Kopplungseffizienz von mindestens 20 %, 40 %, 60 % oder 80 % und zur Abgabe an einen Leuchtstoff 2804 in einem bestimmten Winkelverhältnis, um einen Laserpunkt auf einer Anregungsfläche des Leuchtstoffs 2804 zu erzeugen. Der Leuchtstoff 2804 dient auch als Emitter, um die eintreffende elektromagnetische Laserstrahlung in eine Leuchtstoffemission mit einer zweiten Wellenlänge, die länger als die erste Wellenlänge ist, umzuwandeln. Optional ist der Leuchtstoff 2804 auch mit dem Kühlkörper 2810, der der Laservorrichtung 2802 in einer CPoS-Struktur gemeinsam ist, montiert oder in Kontakt gebracht, damit die durch die Laseremission und die Wellenlängenumwandlung entstehende Wärme ordnungsgemäß abgegeben werden kann. Optional kann ein Sperrelement installiert werden, um ein Austreten der elektromagnetischen Laserstrahlung durch direkte Reflexion von der Anregungsfläche des Leuchtstoffs 2804 zu verhindern.
In der Ausführungsform führt eine Kombination aus der Laseremission der Laservorrichtung 2802, der Winkelbeziehung zwischen der von der Faser abgegebenen elektromagnetischen Laserstrahlung und der Anregungsfläche des Leuchtstoffs 2804 und der Leuchtstoffemission aus dem Fleck auf der Anregungsfläche zu einer zumindest teilweisen Vermischung der Leuchtstoffemission mit der elektromagnetischen Laserstrahlung, die eine Weißlichtemission erzeugt. In der Ausführungsform umfasst das laserbasierte wellenleitergekoppelte Weißlichtsystem 2800 ein optisches Element 2820, das so konfiguriert ist, dass es die Weißlichtemission kollimiert und in einen Wellenleiter 2830 fokussiert. Optional ist das optische Element 2820 so konfiguriert, dass es die Weißlichtemission in den Wellenleiter 2830 mit einer Kopplungseffizienz von mindestens 20 %, 40 %, 60 % oder 80 % koppelt. Optional umfasst das optische Element 2820 eine Freiraum-Kollimationslinse, Spiegel, eine Fokuslinse, einen Faseradapter oder andere. Optional kann eine nichttransparente Raumabdeckungsstruktur installiert werden, um Lichtverluste in die Umgebung oder unerwünschte Schäden zu reduzieren.
In der Ausführungsform umfasst die laserbasierte, wellenleitergekoppelte Weißlichtquelle 2800 ferner ein Lichtkopfelement 2840,das mit dem Wellenleiter 2830 gekoppelt ist, um die Weißlichtemission darin zu empfangen. Optional umfasst der Wellenleiter 2830 einen auf einem Substrat ausgebildeten Flachwellenleiter oder optische Fasern, Optional umfasst die optische Faser eine Singlemode-Faser, eine Multimode-Faser, eine linsenförmige Faser, eine undichte Faser oder andere. Optional ist der Wellenleiter 2830 so konfiguriert, dass er die Weißlichtemission an das Lichtkopfelement 2840 liefert, das an einem entfernten, für bestimmte Anwendungen geeigneten Ort angeordnet ist. Das Lichtkopfelement 2840 ist so konfiguriert, dass es die gesammelte Weißlichtemission verstärkt, umformt und in verschiedene Arten von Lichtstrahlen für verschiedene Beleuchtungsanwendungen projiziert. Optional dient der Wellenleiter 2830 selbst als Beleuchtungsquelle oder -element, das in das Lichtkopfelement 2840 integriert ist.
18 ist ein vereinfachtes Diagramm von A) einem laserbasierten fasergekoppelten Weißlichtsystem auf Basis einer SMD-Weißlichtquelle (Surface Mount Device) und B) einem laserbasierten fasergekoppelten Weißlichtsystem mit teilweise belichteter SMD-Weißlichtquelle gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Diese Darstellung ist lediglich ein Beispiel, das den Umfang der Ansprüche nicht unangemessen einschränken soll. Wie dargestellt, basiert das laserbasierte fasergekoppelte Weißlichtsystem 2900 auf einer laserinduzierten Weißlichtquelle 2910, die in einem SMD-Gehäuse (Surface Mount Device) konfiguriert ist. In einigen Ausführungsformen wird die laserinduzierte Weißlichtquelle 2910 als eine der in 3 bis 13 gezeigten laserbasierten Weißlichtquellen im SMD-Gehäuse bereitgestellt und ist so konfiguriert, dass sie eine Weißlichtemission mit einer Leuchtdichte von 100 bis 500 cd/mm2, 500 bis 1000cd/mm2, 1000 bis 2000 cd/mm2, 2000 bis 5000 cd/mm2 und größer als 5000 cd/mm2 erzeugt.
In einer in 18 gezeigten Ausführungsform ist eine Linsenstruktur 2920 in die SMD-eingehauste Weißlichtquelle 2910 integriert und so konfiguriert, dass sie die von der Weißlichtquelle 2910 ausgegebene Weißlichtemission kollimiert und fokussiert. Optional ist die Linsenstruktur 2920 auf der Oberseite des SMD-Gehäuses montiert. Optional umfasst das wellenleitergekoppelte Weißlichtsystem 2900 eine kegelförmige Kofferraumabdeckung 2950, und die Linsenstruktur 2920 ist so konfiguriert, dass sie mit ihrem Umfang an der Kofferraumabdeckung 2950 befestigt ist. Die Manschettenabdeckung 2950 dient auch zur Befestigung einer Faser 2940 mit einer Endfacette 2930 innerhalb der Manschettenabdeckung 2950, um sie mit der Linsenstruktur 2920 auszurichten. Eine geometrische Kombination aus der Linsenstruktur 2920 und der kegelförmigen Kofferraumabdeckung 2950 sorgt für eine physische Ausrichtung zwischen der Endfacette 2930 der Faser 2940 und der Linsenstruktur 2920, um die Weißlichtemission mit einer Kopplungseffizienz von mindestens 20 %, 40 %, 60 % oder 80 % in die Faser einzukoppeln. Die Faser 2940 ist dann für die Abgabe der Weißlichtemission für Beleuchtungsanwendungen vorgesehen. Optional besteht die Kofferraumabdeckung 2950 aus einem nicht-transparenten festen Material, wie Metall, Kunststoff, Keramik oder anderen geeigneten Materialien.
19 ist ein vereinfachtes Diagramm eines faserzugeführten, laserinduzierten, fasergekoppelten Weißlichtsystems, das auf einer Faser-ein- und Faser-aus-Konfiguration gemäß einer anderen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung basiert. In der Ausführungsform umfasst das faserzugeführte, laserinduzierte, fasergekoppelte Weißlichtsystem 3000 eine Leuchtstoffplatte 3014, die auf einem Kühlkörper-Trägerelement 3017 montiert ist, das von einer Laservorrichtung entfernt ist. Die Leuchtstoffplatte 3014 ist als Wellenlängenkonversionsmaterial und Emissionsquelle konfiguriert, um einen von der Laservorrichtung erzeugten Laserstrahl 3013 zu empfangen, der über eine erste optische Faser 3010 abgegeben wird und aus einem ersten Faserende 3012 in einer abgewinkelten Konfiguration (wie in 19 gezeigt) austritt, um auf einem Oberflächenpunkt 3015 der Leuchtstoffplatte 3014 einzufallen. Der Laserstrahl 3013 enthält elektromagnetische Strahlung im Wesentlichen mit einer ersten Wellenlänge im violetten oder blauen Spektralbereich von 385 nm bis 495 nm. Der Laserstrahl 3013 verlässt das Faserende 3012 mit einer begrenzten Strahldivergenz, um im Oberflächenfleck 3015 einzufallen, wo er zumindest teilweise durch das Leuchtstoffelement 3914 absorbiert und in eine Leuchtstoffemission mit einer zweiten Wellenlänge im Wesentlichen im gelben Spektrum umgewandelt wird. Zumindest teilweise wird die Leuchtstoffemission mit dem Laserstrahl 3013 gemischt, der aus dem ersten Faserende 3012 austritt oder von der Oberfläche der Leuchtstoffplatte 3014 reflektiert wird, um eine Weißlichtemission 3016 zu erzeugen. Die Weißlichtemission 3016 wird im Wesentlichen in einem Reflexionsmodus von der Oberfläche der Leuchtstoffplatte 3014 ausgegeben.
In einer Ausführungsform umfasst das faserinduzierte fasergekoppelte Weißlichtsystem 3000 ferner eine Linse 3020, die so konfiguriert ist, dass sie die Weißlichtemission 3016 kollimiert und auf eine zweite Endfacette 3032 einer zweiten optischen Faser 3030 fokussiert. Die Linse 3020 ist innerhalb einer Raumabdeckungsstruktur 3050 montiert und ist mit ihrem Umfang an der Innenseite der Raumabdeckungsstruktur 3050 befestigt. Optional hat die Raumabdeckungsstruktur 3050 eine nach unten gerichtete Kegelform mit einer größeren Öffnung, die mit dem Kühlkörper-Trägerelement 3017 gekoppelt ist, und einer kleineren Oberseite, um den Durchgang der zweiten optischen Faser 3030 zu ermöglichen. Die zweite optische Faser 3030 ist an der kleineren Oberseite der Raumabdeckungsstruktur 3050 befestigt, wobei ein Abschnitt der Faser darin verbleibt und die zweite Endfacette 3032 im Wesentlichen mit der Linse 3020 ausgerichtet ist. Die Linse 3020 ist in der Lage, die Weißlichtemission 3016 in die zweite Endfacette 3032 der zweiten optischen Faser 3030 mit einer Kopplungseffizienz von mindestens 20%, 40%, 60% oder 80% zu fokussieren. Die zweite optische Faser 3020 kann eine beliebige Länge haben, um entweder die darin eingekoppelte Weißlichtemission an ein entferntes Ziel zu liefern oder funktionell als Beleuchtungselement für eine direkte Beleuchtung zu dienen. Der zweite Lichtwellenleiter 3030 ist beispielsweise eine undichte Faser, die direkt als Beleuchtungselement dient, indem sie das Licht aus ihrer Außenfläche entweder gleichmäßig oder eingeschränkt in einem bestimmten Winkelbereich seitlich streut.
20 ist eine schematische Darstellung einer undichten Faser bzw. undichten Faser, die für ein laserbasiertes fasergekoppeltes Weißlichtsystem gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung verwendet wird. Bezug nehmend auf die in 19 gezeigte Ausführungsform kann die optische Faser 3030 aus einer undichten Faser gewählt werden, die es ermöglicht, dass darin eingekoppelte elektromagnetische Strahlung über einen seitlichen Abstrahleffekt wie ein Leuchtdraht austritt. Wie in 20 gezeigt, lässt ein Abschnitt 3105 der undichten Faser 3101 Strahlung 3106 aus dem Faserkern 3104 durch den Mantel 3103 austreten. Ein Puffer 3102 ist ein transparentes Material, das die Ummantelung 3103 bedeckt. Die Strahlung 3106 tritt im Wesentlichen in einer Richtung senkrecht zur Längsachse der optischen Faser 3101 aus.
21 ist eine beispielhafte Darstellung einer undichten Faser mit einer Vielzahl von Löchern im Faserkern gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Bezug nehmend auf 21 ist eine Polymerfaser mit einer Vielzahl von Luftblasen versehen, die in ihrem Kern ausgebildet sind. Die Luftblasen wirken als Lichtstreuzentren, um ein Austreten aus den Faserseitenwänden zu induzieren.
In einigen Ausführungsformen umfasst jedes der hier beschriebenen laserbasierten, fasergekoppelten Weißlichtsysteme einen Weißlichtemitter (z. B. einen Leuchtstoffbasierten Emitter, um eine Laserstrahlung mit einer ersten Wellenlänge in eine Leuchtstoffemission mit einer zweiten Wellenlänge umzuwandeln) und eine Faser, die so konfiguriert ist, dass sie die Emission des Weißlichtemitters mit hoher Effizienz koppelt. Es können einige Annahmen aufgestellt werden, um einige grundlegende Merkmale der Lichterfassungsanforderung für das System zu berechnen. Zum Beispiel wird angenommen, dass der Weißlicht-Emitter ein lambertscher-Emitter ist. 22 zeigt die Lichterfassungsrate für lambertsche Emitter bzw. Strahler gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Wie gezeigt, zeigt ein erstes Diagramm die relative Intensität gegen den geometrischen Winkel der lambertschen Emission im Vergleich zu einer nicht lambertschen Emission. Das Halbwertsbreitenmaximum (FWHM) des Spektrums liegt bei ~120 Grad (-60 Grad bis 60 Grad) für die lambertsche Emission. Ein zweites Diagramm zeigt den relativen kumulierten Fluss gegen einen halben Kegelwinkel für den Lichteinfang. Offensichtlich können bei einem FWHM-Kegelwinkel von 120 Grad 60 % des Lichts der lambertschen Emission eingefangen werden. Optional werden alle weißen Emissionen aus der Leuchtstoffoberfläche entweder in einem reflektierenden Modus oder in einem transmissiven Modus in der vorliegenden Offenlegung als im Wesentlichen lambertsche Emission betrachtet.
In einer Ausführungsform bietet die vorliegende Offenbarung einen fasergespeisten Fahrzeugscheinwerfer. 23 zeigt ein schematisches Funktionsdiagramm des fasergespeisten Fahrzeugscheinwerfers 3400, bestehend aus einer Weißlichtquelle 3410 mit hoher Leuchtdichte, die effizient in einen Wellenleiter 3430 eingekoppelt wird, der dazu verwendet wird, das weiße Licht an ein endgültiges Scheinwerfermodul 3420 zu liefern, das das Licht kollimiert und es auf der Straße formt, um das gewünschte Lichtmuster zu erreichen. Optional ist die Weißlichtquelle 3410 eine laserbasierte SMD-gepackte Weißlichtquelle (Laserlicht-SMD, angeboten von Sorra Laser Diode, Inc), die im Wesentlichen aus einer von mehreren SMD-gepackten Weißlichtquellen ausgewählt ist, die in den 14 bis 24 beschrieben sind. Optional ist der Wellenleiter 3430 eine optische Transportfaser. Optional ist das Scheinwerfermodul 3420 so konfiguriert, dass es 35% oder 50% oder mehr Licht von der Quelle 3410 auf die Straße bringt. In einem Beispiel ist die Weißlichtquelle 3410, basierend auf der Etendue-Erhaltung und dem Lumenbudget von der Quelle zur Straße und der Lambertschen Emitter-Annahme von 22, gekennzeichnet durch etwa 1570 Lumen (unter der Annahme eines optischen Wirkungsgrads von 60 % für die Einkopplung der Weißlichtemission in eine Faser), 120 Grad FWHM Kegelwinkel, etwa 0,33 mm Quellendurchmesser für die Weißlichtemission. Im Beispiel hat die Transportfaser 3430, die im fasergespeisten Scheinwerfer 3400 eingesetzt wird, 942 Lumen (unter der Annahme von 4 unbeschichteten Oberflächen mit ca. 4% Verlust im Scheinwerfermodul 3420), ca. 0,39 numerische Apertur und einen Kegelwinkel von ~40 Grad und ca. 1 mm Faserdurchmesser. Zusätzlich ist im Beispiel das Scheinwerfermodul 3420 des fasergespeisten Scheinwerfers 3400 so konfiguriert, dass es Licht mit einer Gesamtleistung von 800 Lumen bei einem Gesamtwirkungsgrad von mehr als 35%, +/- 5 Grad vertikaler und +/- 10 Grad horizontaler Strahldivergenz und einer Größe von 4x4 mm auf die Straße bringt. Optional ist jedes einzelne der obigen Elemente modular und kann dupliziert werden, um entweder höhere Lumen zu liefern oder jede einzelne Lumen-Einstellung zu reduzieren weiß steigende Anzahl von Modulen.
In einem anderen Beispiel können vier SMD-gepackte Weißlichtquellen, die jeweils 400 Lumen liefern, in der Weißlichtquelle 3410 kombiniert werden, um mindestens 1570 Lumen zu liefern. Die Transportfaser benötigt separate Abschnitte von Fasern, die jeweils die Weißlichtemission zu vier Scheinwerfermodulen 3420 leiten, die jeweils 200 Lumen abgeben, mit einer kombinierten Größe von 4x16 mm. In einem weiteren Beispiel ergibt sich für jede Weißlichtquelle 3410 ein Durchmesser von etwa 0,625 mm für die Weißlichtemission. Während die Faser 3430 mit einer numerischen Apertur von 0,50, einem Konuswinkel von ~50 Grad und einem Faserdurchmesser von 1,55 mm gewählt werden kann. In diesem Beispiel ist das Scheinwerfermodul 3420 so konfiguriert, dass es Licht in 800 Lumen auf die Straße abgibt, mit einem Gesamtwirkungsgrad von mehr als 35 % und einer Größe von nur ~7,5 mm.
In einer Ausführungsform ist der Aufbau des fasergespeisten Autoscheinwerfers 3400 modular und kann daher die erforderliche Lichtmenge für Abblendlicht und/oder Fernlicht in einer Miniatur-Scheinwerfermodul-Fläche erzeugen. Ein Beispiel für eine Weißlichtquelle mit hoher Leuchtdichte 3410 ist die verpackte Laserlicht-SMD-Weißlichtquelle, die eine oder mehrere Hochleistungs-Laserdioden (LDs) mit Gallium-und-Stickstoff-basierten Emittern enthält und 500 Lumen bis Tausende von Lumen pro Gerät erzeugt. Für das Abblendlicht auf der Straße werden beispielsweise 600-800 Lumen benötigt, und typische Scheinwerferoptiken/Reflektoren haben einen optischen Durchsatz von 35% oder mehr oder 50% oder mehr. Für die Fernsicht aus kleinen Optiken sind Lichtquellen mit hoher Leuchtdichte erforderlich. Basierend auf aktuellen Fahrgeschwindigkeiten und sicheren Bremswegen ist beispielsweise eine Reichweite von 800 Metern bis 1 km aus 200 Lumen auf der Straße möglich, wenn man eine Optik mit einem Layout kleiner als 35 mm und einer Quellenleuchtdichte von 1000 cd pro mm2 verwendet. Durch die Verwendung von Lichtquellen mit höherer Leuchtdichte lassen sich bei gleicher Optikgröße größere Reichweiten erzielen. Eine hohe Leuchtdichte ist erforderlich, um scharfe Lichtverläufe und die spezifischen, geregelten Lichtmuster für die Automobilbeleuchtung zu erzeugen. Darüber hinaus können bei Verwendung eines Wellenleiters 3430, wie z. B. einer optischen Faser, extrem scharfe Lichtgradienten und eine äußerst sichere Blendungsreduzierung erzeugt werden, indem die entscheidende Lichtabschneidung, die im Lichtemissionsprofil vom Kern zum Mantel besteht, umgeformt und projiziert wird. Als Ergebnis ist der faserzugeführte Autoscheinwerfer 3400 so konfiguriert, dass er die Blendung minimiert und die Sicherheit und Sichtbarkeit für den Autofahrer und andere Personen, einschließlich Gegenverkehr, Fußgänger, Tiere und Fahrer, die in die gleiche Richtung wie der vorausfahrende Verkehr fahren, maximiert.
Farbgleichheit von typischen weißen LEDs sind blaue LED-gepumpte Leuchtstoffquellen und benötigen daher eine sorgfältige Integration mit speziellem Reflektordesign, Diffusor und/oder Gerätedesign. Ähnlich, typisch blau Laser angeregte gelbe Leuchtstoff muss mit speziellen Reflektor-Design verwaltet. In einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird räumlich homogenes weißes Licht durch Mischen des Lichts im Wellenleiter, wie z. B. einer Multimode-Faser, erreicht. In diesem Fall ist ein Diffusor typischerweise nicht erforderlich. Darüber hinaus kann man kostspielige und zeitaufwendige Verzögerungen vermeiden, die mit der Abstimmung der Farbhomogenität verbunden sind, indem man die Zusammensetzung des Leuchtstoffs oder das Design des Reflektors neu gestaltet.
Lasergepumpte Leuchtstoffe, die in dem laserbasierten, fasergespeisten Autoscheinwerfer 3400 verwendet werden, sind breitbandige Festkörperlichtquellen und bieten daher die gleichen Vorteile wie LEDs, jedoch mit höherer Leuchtdichte. Direkt emittierende Laser wie R-G-B-Laser sind für den Einsatz auf der Straße nicht sicher, da R-G-B-Quellen Lücken im Spektrum hinterlassen, die dazu führen würden, dass übliche Ziele am Straßenrand wie Gelb oder Orange nicht mehr ausreichend reflektiert werden. Das vorliegende Design ist kostengünstig, da es eine leuchtstarke Weißlichtquelle mit einfacher Makro-Optik, eine kostengünstige Transportfaser und eine kostengünstige kleine Makro-Optik verwendet, um ein Miniatur-Scheinwerfermodul 3420 herzustellen. Aufgrund der Abgesetztheit der Lichtquellen 3410 kann die Weißlichtquelle 3410 auf einen bereits vorhandenen Kühlkörper mit ausreichender thermischer Masse montiert werden, der sich an beliebiger Stelle im Fahrzeug befindet, wodurch ein Kühlkörper im Scheinwerfer überflüssig wird.
In einer Ausführungsform kann ein Miniatur-Optikelement mit einem Durchmesser von < 1 cm im Scheinwerfermodul 3420 verwendet werden, um nahezu 100 % des weißen Lichts von der Transportfaser 3430 einzufangen. Mit Hilfe des Optikteils kann das weiße Licht kollimiert und mit winzigen Diffusoren oder einfachen optischen Elementen geformt werden, um das gewünschte Strahlmuster auf der Straße zu erzeugen. Diese Miniaturgröße ermöglicht auch die kostengünstige Möglichkeit, das Licht zur Blendungsbegrenzung zu schwenken, sowie einen kleinen Formfaktor für verbesserte aerodynamische Eigenschaften. 23A zeigt ein Beispiel für ein Automobil mit mehreren laserbasierten, fasergespeisten Scheinwerfermodulen, die vorne installiert sind. Wie man sieht, hat jedes Scheinwerfermodul einen viel kleineren Formfaktor als herkömmliche Autoscheinwerfer. Jedes Scheinwerfermodul kann unabhängig voneinander mit hoher Leuchtkraft betrieben werden. 23B zeigt ein Beispiel für mehrere laserbasierte, fasergespeiste Autoscheinwerfermodule, die in der Frontplatte eines Autos installiert sind. Der kleine Formfaktor (< 1 cm) des Scheinwerfermoduls erlaubt es, diesen so zu gestalten, dass er im . Grillmuster der Autofront versteckt wird. Jedes Scheinwerfermodul enthält ein oder mehrere optische Elemente, um den weißen Lichtstrahl zu formen, umzulenken und in eine bestimmte Form zu projizieren, wobei die Richtung und der Lichtstrom gesteuert werden können.
Für viele Fahrzeuge ist es erwünscht, extrem kleine Optikgrößen für das Styling des Fahrzeugs zu haben. Durch die Verwendung von Lichtquellen mit höherer Leuchtdichte lassen sich bei gleichem Sichtbereich kleinere Optiken realisieren. Dieses Design des laserbasierten, fasergespeisten Autoscheinwerfers 3400 erlaubt es, das Scheinwerfermodul 3420 in die Struktur des Frontgrills, auf die Radabdeckung, in die Nähte zwischen Motorhaube und vorderem Stoßfänger etc. zu integrieren. Das Scheinwerfermodul 3420 kann eine extrem niedrige Masse und ein geringes Gewicht aufweisen und sich so an ein minimiertes Gewicht im vorderen Bereich des Fahrzeugs anpassen, was zur Sicherheit, zum Kraftstoffverbrauch und zum Geschwindigkeits-/Beschleunigungsverhalten beiträgt. Bei Elektrofahrzeugen bedeutet dies eine erhöhte Fahrzeugreichweite. Darüber hinaus nutzt die entkoppelte, faserzugeführte Architektur die bereits im Fahrzeug vorhandene thermische Masse des Kühlkörpers, wodurch das Gewicht im Auto weiter minimiert wird.
Dieser Scheinwerfer 3400 basiert auf einer Festkörperlichtquelle und hat eine lange Lebensdauer > 10.000 Stunden. Zusätzlich kann Redundanz durch die Verwendung mehrerer Laserdioden auf der Laserlicht-SMD-basierten Weißlichtquelle 3410 und durch die Verwendung mehrerer solcher Weißlichtquellen eingeplant werden. Sollten im Feld Probleme auftreten, ist die Austauschbarkeit durch den Austausch der einzelnen Weißlichtquelle 3410 problemlos möglich. Bei Verwendung der Weißlichtquellen 3410 mit hoher Leuchtdichte sind die gelieferten Lumen pro elektrischem Watt höher als bei LED-Quellen mit den gleichen optischen Größen und Reichweiten, die typisch für die Kfz-Beleuchtung sind, wie z. B. Hunderte von Metern. In einer Ausführungsform weist der Scheinwerfer 3400 einen optischen Durchsatzwirkungsgrad von mindestens 35 % oder 50 % auf, was ähnlich wie bei LED-Scheinwerfern ist, jedoch treten die Verluste in dieser faserzugeführten Ausführung bei der Weißlichtquelle 3410 auf, wodurch die Temperatur/Größe/das Gewicht des Scheinwerfermoduls 3420 minimiert wird.
Faserkonfiguration in diesem Design wird die Zuverlässigkeit durch die Positionierung der Weißlichtquelle 3410 weg vom heißen Bereich in der Nähe des Motors und anderer wärmeproduzierender Komponenten maximiert. Dies ermöglicht es dem Scheinwerfermodul 3420, bei extrem hohen Temperaturen >100 °C zu arbeiten, während die Weißlichtquelle 3410 in einem kühlen Bereich mit ausreichender Wärmeableitung arbeiten kann, um ihre Umgebung auf einer Temperatur von weniger als 85 °C zu halten. In einer Ausführungsform verwendet die vorliegende Konstruktion eine thermisch stabile, Technologie nach militärischem Standard vom Typ Telcordia. Die einzigen Elemente, die der Fahrzeugfront ausgesetzt sind, sind das komplex passive Scheinwerfermodul 3420, das aus winzigen makro-optischen Elementen besteht. In einer Ausführungsform, bei der eine Weißlichtquelle 3410 auf Basis des leuchtstarken Laserlicht-SMD-Gehäuses verwendet wird, wurden UL- und IEC-Sicherheitszertifizierungen erreicht. In diesem Fall gibt es keinen Laser durch die Faser, sondern nur inkohärentes Weißlicht, und das SMD verwendet eine fernreflektierende Leuchtstoffarchitektur im Inneren. Im Gegensatz zu direkt emittierenden Lasern wie R-G-B-Lasern, die bei hoher Leistung nicht sicher auf der Straße eingesetzt werden können, verwendet das Scheinwerfermodul 3400 keinen direkt emittierenden Laser zur Straßenbeleuchtung.
Aufgrund der einfachen Erzeugung neuer Lichtmuster und des modularen Ansatzes bei der Lumen-Skalierung ermöglicht dieses Scheinwerferdesign eine Änderung der Lumen und des Strahlmusters für jeden Bereich, ohne dass ein komplett neuer Scheinwerfer umgerüstet werden muss. Diese bequeme Fähigkeit, die Lichtverteilung zu ändern, kann durch den Austausch von kleinen Optiken und oder Diffusoren erreicht werden, statt durch die Umrüstung auf neue große Reflektoren. Darüber hinaus kann die Weißlichtquelle 3410 in Innenleuchten und Tagfahrlicht (DRL) eingesetzt werden, mit Transport- oder seitlich abstrahlenden Kunststoff-Lichtleitern (POF). Die abnehmbare Weißlichtquelle 3410 kann zusammen mit der Elektronik untergebracht werden und ermöglicht so aufgerüstete Hochgeschwindigkeits- öder andere Spezialtreiber zur Beleuchtung für Lidar, LiFi, dynamische Strahlformung und andere neue Anwendungen mit Sensorintegration.
In einer Ausführungsform kann eine laserbasierte fasergekoppelte Weißlicht-Beleuchtungsquelle eine Weißlichtquelle mit hoher Leuchtdichte umfassen, die effizient in eine Transportfaser eingekoppelt wird, die verwendet wird, um das Weißlicht an einen entfernten Ort zur Beleuchtungsanwendung zu liefern. Am Standort wird optional ein optischer Stecker verwendet, um die Transportfaser mit einer in einer Feature-Struktur konfigurierten undichten Faser zu verbinden. Optional basiert die Weißlichtquelle auf einer Laservorrichtung, die so konfiguriert ist, dass sie einen blauen Laser erzeugt, der von einem Laserchip ausgegeben wird, der Gallium und Nitridmaterial enthält. Der von dem Laserchip erzeugte blaue Laser wird zu einer Leuchtstoffeinrichtung geleitet, die mit optischen Strahlkollimations- und -formungselementen integriert ist, um eine in die Transportfaser kollimierte Weißlichtemission anzuregen. Optional ist die Weißlichtquelle eine laserbasierte SMD-eingehauste Weißlichtquelle, ausgewählt aus einer der hier beschriebenen mehrfachen SMD-eingehausten Weißlichtquellen. Optional können mehrere Laser an einem sicheren Ort, z. B. in einem Automobil, angeordnet sein. Ein oder mehrere Leuchtstoffe werden von den mehreren blauen Laserchips angeregt, um weißes Licht mit unterschiedlichem Spektrum oder unterschiedlicher Leuchtdichte zu erzeugen. Optional sind eine oder mehrere Transportfasern so angeordnet, dass sie mit dem einen oder mehreren Leuchtstoff(en) koppeln, um das weiße Licht einzukoppeln, und so konfiguriert sind, dass sie das weiße Licht an entfernte Anwendungsorte liefern. Optional handelt es sich bei der Transportfaser und der undichten Faser um ein und dieselbe Faser. Optional ist die Transportfaser mit der undichten Faser über einen Stecker gekoppelt oder zusammengespleißt. Optional enthält die undichte Faser einen oder mehrere Abschnitte, die als Beleuchtungselemente mit benutzerdefinierten Formen/Anordnungen konfiguriert sind und um verschiedene Merkmalspositionen für verschiedene Beleuchtungsanwendungen angeordnet sind.
Die undichte Fasern sind so konfiguriert, dass sie eine gerichtete seitliche Streuung des darin befindlichen weißen Lichts induzieren, um eine bevorzugte Beleuchtung in weiten Winkelbereichen von null Grad entlang der Länge der Fasern bis zu 90 Grad senkrecht zur Faser zu ermöglichen. Optional ist die undichte Faser so konfiguriert, dass sie partielles weißes Licht mit einem effektiven Lichtstrom von mehr als 25 Lumen oder mehr als 50 Lumen, 150 Lumen oder mehr als 300 Lumen oder mehr als 600 Lumen oder mehr als 800 Lumen oder mehr als 1200 Lumen mit einem optischen Wirkungsgrad von mehr als 35% aus dem Faserkörper ausgibt. Optional sind mehrere Faserverbinder enthalten, um die Transportfasern und die undichte Fasern zu koppeln. Optional wird die undichte Faser mit der Transportfaser gespleißt. Die Transportfaser ist eine nicht-leckende bzw. dichte Faser. Optional sind die undichten Fasern zu verschiedenen linearen oder teilweisen 2-dimensionalen Formen mit unterschiedlichen Längen oder Breiten konfiguriert. Natürlich können mehr als eine solche Weißlicht-Beleuchtungsquelle an verschiedenen Stellen konfiguriert werden, basierend auf einem oder mehreren blauen Lasern und einem oder mehreren Leuchtstoffen, die so konfiguriert sind, dass sie ein weißes Spektrum mit hoher Leuchtdichte von 100 bis 500 cd/mm2, 500 bis 1000cd/mm2, 1000 bis 2000 cd/mm2, 2000 bis 5000 cd/mm2 und größer als 5000 cd/mm2 mit langer Lebensdauer und niedrigen Kosten erzeugen.
In einer Ausführungsform ist die undichte Faser im Allgemeinen als ein Beleuchtungselement konfiguriert, das im Wesentlichen flexibel um die Struktur herum angeordnet ist und ein Muster bildet, das mit der Struktur übereinstimmt und dennoch die gewünschte Beleuchtung liefert.
In einer Ausführungsform ist die laserbasierte fasergekoppelte Weißlichtquelle auf Basis der undichten Faser direkt um ein Lichtmodul herum konfiguriert. Optional wird die undichte Faser der laserbasierten fasergekoppelten Weißlicht-Beleuchtungsquelle verwendet, um flexibel verschiedene geformte Beleuchtungselemente zu bilden. Natürlich kann das Lichtmodul an verschiedenen Stellen angeordnet werden.
Alternativ ist die laserbasierte fasergekoppelte Weißlicht-Beleuchtungsquelle auf Basis von undichten Fasern für die Innenraumanwendung konfiguriert. Optional ist die laserbasierte fasergekoppelte Weißlicht-Beleuchtungsquelle auf Basis von undichten Fasern als Innenraumbeleuchtung um ein beliebiges Innenraummerkmal herum ausgebildet. Optional wird die undichte Faser der laserbasierten fasergekoppelten Weißlicht-Beleuchtungsquelle auf die Merkmale aufgebracht. Optional wird die undichte Faser der laserbasierten fasergekoppelten Weißlicht-Beleuchtungsquelle auf Deckenmerkmale aufgebracht. Optional ist die Kaschierung in der Helligkeit steuerbar. Optional ist auch die Beleuchtungsfarbe abstimmbar.
In einer Ausführungsform kann die räumlich dynamische Strahlformung mit DLP, LCD, 1 oder 2 Mems- oder Galvospiegelsystemen, leichten Drehgelenken, scannenden Faserspitzen erreicht werden. Zukünftige räumlich dynamische Quellen können noch mehr Licht benötigen, wie z.B. 5000 - 10000 Lumen von der Quelle, um eine hochauflösende räumliche Lichtmodulation auf der Straße mit MEMS oder Flüssigkristallkomponenten zu erzeugen.
In einer weiteren spezifischen Ausführungsform stellt die vorliegende Offenbarung eine laserbasierte Weißlichtquelle bereit, die mit einer undichten Faser gekoppelt ist, die als Leuchtfaden für eine direkte Beleuchtungsanwendung dient. 24 ist eine schematische Darstellung einer laserbasierten Weißlichtquelle, die mit einer undichten Faser gekoppelt ist, gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Wie gezeigt, umfasst die laserbasierte Weißlichtquelle 3500 eine vorverpackte Weißlichtquelle 3510, die so konfiguriert ist, dass sie eine Weißlichtemission erzeugt. Optional ist die vorverpackte Weißlichtquelle 3510 eine verpackte Laserlicht-SMD-Weißlichtquelle, die von Sorra Laser Diode, Inc., Kalifornien, angeboten wird und die im Wesentlichen vakuumversiegelt ist, mit Ausnahme von zwei elektrischen Pins zur Bereitstellung von externer Energie, um eine Laservorrichtung im Inneren des Gehäuses der Weißlichtquelle 3510 zu betreiben. Die Laservorrichtung (in dieser Figur nicht vollständig dargestellt) emittiert eine blaue Laserstrahlung zur Induzierung einer Leuchtstoffemission aus einem Leuchtstoffelement, das ebenfalls innerhalb des Gehäuses der Weißlichtquelle 3510 angeordnet ist. Die partielle Mischung der Leuchtstoffemission, die eine längere Wellenlänge als die der blauen Laserstrahlung hat, mit der blauen Laserstrahlung erzeugt die bereits erwähnte Weißlichtemission.
Die laserbasierte Weißlichtquelle 3500 umfasst ferner ein optisches Element 3520, das mit der vorverpackten Weißlichtquelle 3510 in einem Außengehäuse 3530 (das zur Veranschaulichung halbiert ist) integriert ist. Das optische Element 3520 ist optional eine Kollimationslinse, die so konfiguriert ist, dass sie die Weißlichtemission in einen Abschnitt der Faser 3540 einkoppelt. Optional ist der Abschnitt der Faser 3540 mit einem Freiraumspalt zwischen einer Endfacette und der Kollimationslinse 3520 angeordnet, der im Wesentlichen optisch an einem Brennpunkt davon ausgerichtet ist. Optional ist der Abschnitt der Faser 3540 mit einem Anschlussadapter (nicht explizit dargestellt) montiert, der mit dem Außengehäuse 3530 befestigt ist. In der Ausführungsform ist der Faserabschnitt 3540 eine Leckfaser bzw. undichte Faser, die das darin enthaltene weiße Licht in radialer Richtung über ihre Länge austreten lässt. Die undichte Faser 3540 wird nach dem Einkoppeln der Weißlichtemission zu einem Leuchtelement, das für direkte Beleuchtungsanwendungen genutzt werden kann.
25 ist eine schematische Darstellung einer laserbasierten fasergekoppelten Weißlichtlampe gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. In der Ausführungsform wird der laserbasierte fasergekoppelte Weißlichtkolben als eine Anwendung einer undichten Faser in der in 24 beschriebenen laserbasierten fasergekoppelten Weißlichtquelle bereitgestellt. In der Ausführungsform umfasst eine Basiskomponente 3605 der Glühbirne eine elektrische Anschlussstruktur, die ein traditionelles Gewindeanschlussmerkmal aufweist, obwohl auch viele andere Anschlussmerkmale implementiert werden können. Innerhalb der Anschlussstruktur kann ein Wechselstrom-Gleichstrom-Wandler und/oder ein Spannungswandler, der nicht explizit dargestellt ist, in der Sockelkomponente 3605 enthalten sein, um einen Gleichstrom-Antriebsstrom für eine Laserdiode bereitzustellen, die in einem miniaturisierten Weißlicht-Emitter 3610 montiert ist. In der Ausführungsform enthält der Weißlichtemitter 3610 ein Wellenlängenumwandlungsmaterial, wie z. B. einen Leuchtstoff, der so konfiguriert ist, dass er eine Leuchtstoffemission erzeugt, die durch ein von der darin befindlichen Laserdiode emittiertes Laserlicht induziert wird. Das Wellenlängenumwandlungsmaterial ist zusammen mit dem Weißlichtemitter 3610 verpackt. Die Laserdiode ist so konfiguriert, dass sie einen aktiven Bereich hat, der ein Gallium- und Stickstoffelement enthält, und wird durch den Treiberstrom angetrieben, um das Laserlicht mit einer ersten Wellenlänge im violetten oder blauen Spektrum zu emittieren. Die Leuchtstoffemission hat eine zweite Wellenlänge im gelben Spektrum, die länger ist als die erste Wellenlänge im blauen Spektrum. Durch Mischen der Leuchtstoffemission und des Laserlichts wird ein weißes Licht erzeugt und aus dem Leuchtstoff emittiert. In der Ausführungsform ist das Wellenlängenkonversionsmaterial zusammen mit dem Weißlichtemitter 3610 verpackt, so dass nur das weiße Licht vom Weißlichtemitter 3610 emittiert wird. Die laserbasierte, fasergekoppelte Weißlichtlampe enthält außerdem einen Abschnitt einer undichten Faser 3640, die mit dem Weißlichtemitter 3610 gekoppelt ist, um (mit einer bestimmten Kopplungseffizienz) das weiße Licht zu empfangen. Der Abschnitt der undichten Faser 3640 hat eine bestimmte Länge, die spiralförmig oder in anderen Formen verläuft, und ist vollständig in einer Gehäusekomponente 3645 der Glühbirne angeordnet, die an der Sockelkomponente 3605 befestigt und mit ihr abgedichtet ist. Wenn der Weißlicht-Emitter 3610 betrieben wird, um die Weißlicht-Kopplung in die undichte Faser 3640 zu emittieren, ermöglicht die undichte Faser 3640 effektiv das Austreten des Weißlichts aus der äußeren Oberfläche der Faser und wird zu einem Leuchtfaden in einer Glühbirne, die als Weißlicht-Beleuchtungsquelle verwendet werden kann.
26 ist eine schematische Darstellung eines Laserlichtkolbens gemäß einer anderen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. In dieser Ausführungsform umfasst der Laserlichtkolben eine Sockelkomponente 3605, die als elektrische Verbindungsstruktur konfiguriert ist, ein Außengewinde ähnlich wie in 25 gezeigt, obwohl andere Formen der elektrischen Verbindungsstruktur implementiert werden können. Ein Wechselstrom-Gleichstrom-Wandler und/oder ein Spannungswandler sind innerhalb der Sockelkomponente 3605 installiert, um einen Treiberstrom für eine Laservorrichtung 3600 bereitzustellen, die in der Nähe einer Ausgangsseite der Sockelkomponente 3605 installiert ist. Die Laservorrichtung 3600 ist so konfiguriert, dass sie eine Laserdiode mit einem aktiven Bereich ist, der ein Gallium- und Stickstoffelement enthält, und wird durch den Treiberstrom angesteuert, um ein Laserlicht mit einer ersten Wellenlänge im blauen Spektrum zu emittieren. In der Ausführungsform ist die Laservorrichtung 3600 mit einer Faser 3640 gekoppelt, die als Leckfaser bzw. undichte Faser konfiguriert ist, die in ein Wellenlängenumwandlungsmaterial 3680, wie z. B. einen Leuchtstoff, eingebettet ist. Die Faser 3640 ist so konfiguriert, dass sie das von der Laservorrichtung 3600 emittierte Laserlicht mit einer Kopplungseffizienz von 20 %, 40 % oder 60 % oder mehr in ihren Kern einkoppelt. Wenn die Laservorrichtung 3600 betrieben wird, um das Laserlicht zu emittieren, wird das Laserlicht, das in die Faser 3640 eingekoppelt wird, vom Kern durch die äußere Oberfläche der Faser 3640 in das Wellenlängenkonversionsmaterial 3680 entweichen. Das ausgetretene Laserlicht wird somit in weißes Licht umgewandelt, das aus dem Wellenlängenwandlermaterial 3680 emittiert wird. In der Ausführungsform hat die Faser 3640 eine geeignete Länge, die in eine bestimmte Größe des Wellenlängenumwandlungsmaterials 3680 gewickelt ist, das vollständig innerhalb einer Gehäusekomponente 3645 des Laserlichtkolbens angeordnet ist. Das weiße Licht, das aus dem Wellenlängenumwandlungsmaterial 3680 in dem Gehäuse 3645, das als transparent eingestellt ist, emittiert wird, bildet eine Beleuchtungsquelle für die Beleuchtungsanwendung.
27 ist ein schematisches Diagramm einer Multi-Filament-Laser-Glühbirne bzw. Lichtkolbens gemäß einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Wie gezeigt, umfasst der Laserlichtkolben eine Sockelkomponente 3605 als eine elektrische Verbindungsstruktur konfiguriert, ein Außengewinde Merkmal ähnlich einem in 25 gezeigt, obwohl andere Formen der elektrischen Verbindungsstruktur implementiert werden können. Ein Wechselstrom-Gleichstrom-Wandler und/oder ein Spannungswandler sind innerhalb der Basiskomponente 3605 installiert, um einen Treiberstrom für eine Laservorrichtung 3600 bereitzustellen, die in der Nähe einer Ausgangsseite der Basiskomponente 3605 installiert ist. Die Laservorrichtung 3600 ist so konfiguriert, dass sie eine eingehauste Gallium und Stickstoff enthaltende Laserdiode ist und durch den Treiberstrom angesteuert wird, um ein Laserlicht mit einer ersten Wellenlänge im blauen Spektrum zu emittieren. Der Ausgang der Laservorrichtung 3600 ist mit einem Eingangsanschluss verbunden, der mit mehreren optischen Fasern 3690 gekoppelt ist, damit das Laserlicht der ersten Wellenlänge mit einer Kopplungseffizienz von > 20 %, > 40 % oder > 60 % in die Fasern 3690 eingekoppelt werden kann. In der Ausführungsform ist jede der mehrfachen optischen Fasern 3690 ein Abschnitt einer undichten Faser, die mit einem wellenlängenkonvertierenden Material, wie z. B. Leuchtstoffen, beschichtet oder eingebettet (umgeben) ist. Auch hier sind die mehrfachen optischen Fasern 3690 alle innerhalb einer Gehäusekomponente 3645 des Laserlichtkolbens angeordnet, die mit der Basiskomponente 3605 befestigt und abgedichtet ist. Wenn jeder Abschnitt der undichten Faser ein Laserlicht empfängt, wird das Laserlicht teilweise von der äußeren Oberfläche der Faser in das Wellenlängenumwandlungsmaterial ausgetreten und wird aus der äußeren Oberfläche des Wellenlängenumwandlungsmaterials in weißes Licht umgewandelt. Jede Faser, die mit dem Wellenlängenkonvertierungsmaterial beschichtet ist, wird so zu einem Leuchtkörper für die Laser-Glühbirne bzw. Lichtkolben. In einer Ausführungsform sind verschiedene Abschnitte der undichten Fasern mit unterschiedlichen Leuchtstoffmischungen beschichtet, so dass aus mehreren Abschnitten der undichten Fasern jeweils unterschiedliches (wärmeres oder kühleres) weißes Farblicht emittiert werden kann. In dieser Ausführungsform wird die Gesamtlichtfarbe der Laserlampe durch die relative Helligkeit jedes Leuchtfadens im jeweiligen Abschnitt der undichten Faser bestimmt und kann durch die beschichteten Leuchtstoffmischungen um die mehreren Abschnitte der undichten Fasern herum gesteuert werden.
In der vorliegenden Erfindung ist das laserbasierte fasergekoppelte Weißlichtsystem für eine Beleuchtungsanwendung konfiguriert. Solche Beleuchtungsanwendungen umfassen, sind aber nicht beschränkt auf Spezialbeleuchtungsanwendungen, allgemeine Beleuchtungsanwendungen, Beleuchtungsanwendungen für mobile Maschinen wie Fahrzeugbeleuchtung, LKW-Beleuchtung, Beleuchtung für Luftfahrt, Beleuchtung für Drohnen, Beleuchtung für Marinefahrzeuge, Infrastruktur Beleuchtungsanwendung wie Brückenbeleuchtung, Tunnelbeleuchtung, Bohrloch-Beleuchtung, architektonische Beleuchtungsanwendungen, Sicherheitsbeleuchtungsanwendungen, Anwendungen für Geräte- oder Versorgungsbeleuchtung wie in Kühlschränken, Gefrierschränken, Öfen oder anderen Geräten, in einer Unterwasserbeleuchtungsanwendung wie für die Beleuchtung von Spas, die Beleuchtung von Whirlpools, die Beleuchtung von Schwimmbädern oder sogar die Beleuchtung in natürlichen Gewässern wie Seen, Ozeanen oder Flüssen.
In einer bevorzugten Ausführungsform ist die vorliegende Erfindung mit einer laserbasierten fasergekoppelten Weißlichtquelle in einem verteilten oder zentralen Beleuchtungssystem konfiguriert. In dieser bevorzugten Ausführungsform sind eine oder mehrere laserbasierte Lichtquellen an einem ersten vorgesehenen Ort untergebracht. Eine elektrische Stromquelle ist mit einer elektrischen Treibereinheit gekoppelt, die so konfiguriert ist, dass sie Strom und Spannung an die laserbasierte Weißlichtquelle liefert. Die zugeführte Leistung ist so konfiguriert, dass sie eine oder mehrere in der laserbasierten Lichtquelle enthaltene Laserdioden aktiviert, um weißes Licht zu erzeugen. Eine oder mehrere Fasern sind optisch mit der einen oder den mehreren laserbasierten Weißlichtquellen gekoppelt. Die eine oder mehreren optischen Fasern sind so konfiguriert, dass sie das weiße Licht von der ersten bestimmten Stelle zu einer oder mehreren Beleuchtungsstellen transportieren. In einigen Beispielen können die Beleuchtungsorte in kurzen Abständen von der ersten bezeichneten Quelle angeordnet sein, z. B. weniger als 5 Meter oder weniger als 1 Meter. In anderen Beispielen können die Beleuchtungspositionen in größeren Abständen von der ersten bezeichneten Quellenposition konfiguriert werden, z. B. mehr als 5 Meter oder mehr als 50 Meter. In anderen Beispielen können die Beleuchtungspositionen in einem sehr großen Abstand von der ersten bezeichneten Quellenposition konfiguriert werden, z. B. in einem Abstand von mehr als etwa 500 Metern.
28 zeigt eine schematische Darstellung eines laserbasierten Weißlichtsystems gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Wie in 28 zu sehen ist, befindet sich eine laserbasierte Weißlichtquelle 3901 an einem ersten vorgesehenen Quellenort. Eine oder mehrere optische Transportfasern 3903 sind optisch mit der Weißlichtquelle 3901 gekoppelt. Das weiße Licht tritt in die eine oder mehreren optischen Transportfasern 3903 ein. Die optischen Transportfasern 3903 dienen als Wellenleiter, um das weiße Licht zu einem oder mehreren Beleuchtungsbereichen zu transportieren. Der gesamte optische Kopplungswirkungsgrad der Weißlichtemission zu der einen oder den mehreren Fasern könnte im Bereich von etwa 30% bis 50%, 50% bis 70%, 70% bis 90% oder größer als 90% liegen. Wie in 28 dargestellt, wird das weiße Licht zu einem bestimmten Beleuchtungsraum transportiert. Optional ist der Beleuchtungsraum ein Innenraum, der sich in einer Wohnung, einem Büro, einem Arbeitsbereich, einem Geschäft, einem Lager oder anderen Arten von Räumen befinden könnte, in denen Licht benötigt wird. Die Transportfasern 3903 werden zu verschiedenen Beleuchtungsorten innerhalb des vorgesehenen Beleuchtungsraums geführt. Das weiße Licht, das von den Fasern 3903 transportiert wird, tritt in verschiedene Leuchtenelemente ein, die so konfiguriert sind, dass sie das weiße Licht in einem vorbestimmten Muster an bestimmten Stellen innerhalb des Beleuchtungsraums emittieren. In einigen Konfigurationen gibt es mehrere Fasern 3903, die mit der Weißlichtquelle 3901 gekoppelt sind, wobei jede der Fasern 3903 zu ihrem eigenen eindeutigen Beleuchtungsort geführt wird. In anderen Konfigurationen ist eine (oder mehrere) Faser(n) 3903 mit der Weißlichtquelle 3091 gekoppelt, wobei die eine (oder mehrere) Faser(n) dann in mehrere Fasern aufgeteilt wird (werden) und die mehreren Fasern dann zu den einzelnen Beleuchtungsorten geführt werden. Optional sind die mehreren Fasern Streu- oder undichten Fasern 3905, die so konfiguriert sind, dass sie das weiße Licht emittieren oder streuen. Optional kann die Aufteilung des weißen Lichts von der einen (oder mehreren) Faser(n) auf die mehreren Fasern mit Faserteilern, Schaltern oder Spiegeln erfolgen.
Optional umfassen die Leuchtenelemente eine oder mehrere passive Leuchten bzw. Leuchtkörper 3910. Im Beispiel von 28 werden die passiven Leuchten 3910 am Ende der einen oder mehreren Transportfasern eingesetzt, um das Licht zu modifizieren, bevor das Licht mit dem Zielort interagiert. Die passiven Leuchten bzw. Leuchtkörper 3910 dienen dazu, das Licht zu modifizieren, indem sie das Licht lenken, das weiße Licht streuen, das weiße Licht formen, das weiße Licht reflektieren, die Farbtemperatur oder den Rendering-Index des weißen Lichts verändern oder andere Effekte erzielen. Zusätzlich zu den passiven Leuchtenelementen 3910 des Weißlichtsystems gemäß 28 könnten Streufaser- oder undichten Faserelemente 3905 in das Weißlichtsystem einbezogen werden. Optional bilden die undichten Fasern linienförmig emittierende Weißlichtquellen im Beleuchtungsraum, die mit den passiven Leuchtenelementen 3910 kombiniert sein könnten oder eigenständig und in die architektonischen Gestaltungsmerkmale wie Fußleisten oder Kranzleisten eingebettet sein könnten.
Ein solches zentrales oder verteiltes Beleuchtungssystem hat viele Vorteile. Durch die Verlegung passiver optischer Fasern in der gesamten Infrastruktur, wie z. B. in Häusern oder Gebäuden, um Licht anstelle von elektrischen Leitungen zu liefern, können die Kosten und die Komplexität des Beleuchtungssystems reduziert werden, und das Risiko von Feuer oder anderen Gefahren wäre geringer, was eine sichere Umgebung schafft. Da in den Wänden, Decken und Böden herkömmlicher Gebäude Tausende von Metern Kupferdraht verlegt sind, die durch kostengünstigere Glas- oder Kunststofffasern ersetzt werden könnten, bieten laserbasierte Weißlichtsysteme eine enorme Kosteneinsparungsmöglichkeit. Da die Kupferdrähte, die konventionelle Beleuchtungssysteme mit Strom versorgen, oft mit Hochspannung geladen sind, kann die Beseitigung oder Reduzierung solcher Hochspannungsleitungen aus dem Gebäude das Risiko von Lichtbögen oder Funkenbildung und damit die Brandgefahr verringern.
Ein weiterer Vorteil gemäß der vorliegenden Erfindung ist ein verbessertes Styling-Beleuchtungssystem. Mit großen Lichtmengen [200 Lumen bis 3000 Lumen], die von einer winzigen optischen Faser [Kerndurchmesser von 100m bis 2mm oder größer wie 3 bis 4mm] geliefert werden, können die Beleuchtungsvorrichtungen, die verwendet werden, um das Licht zu manipulieren, zu formen und auf das gewünschte Ziel zu lenken, drastisch kleiner sein als herkömmliche Leuchten, die auf LEDs oder Glühbirnen-Technologie basieren, was das Styling erheblich verbessert und die Kosten des Beleuchtungssystems reduziert. Darüber hinaus kann durch die Verwendung von undichten Fasern eine verteilte oder linienförmige Lichtquelle geschaffen werden, was mit LED nicht effizient möglich ist. Dadurch kann ein verbessertes Lichtstyling erreicht werden und das Licht kann tatsächlich in das Baumaterial integriert werden, so dass es ohne diskrete und spitze Beleuchtungskörper, die für das menschliche Auge oft unattraktiv sind, „versteckt“ wird.
Energieeinsparungen können in einem laserbasierten zentralen Beleuchtungssystem gemäß der vorliegenden Erfindung realisiert werden, da die Lichtquelle entfernt von dem Beleuchtungsbereich angeordnet werden kann. Das heißt, die Lichtquelle, die eine erhebliche Menge an Wärmeerzeugung erzeugt, kann räumlich von einem Beleuchtungsbereich isoliert werden, um zu verhindern, dass unerwünschte Wärmeenergie in den Beleuchtungsbereich hinzugefügt wird. Zum Beispiel ist es in einem heißen Klima, in dem die Klimaanlagen ständig laufen, um die Innenräume zu kühlen, wünschenswert, alle wärmeerzeugenden Objekte und Prozesse aus dem Raum zu entfernen. Bei konventioneller Beleuchtung, bei der die Lichtquelle am Ort der Emission fixiert ist [co-located], wirken die Lichtquellen effektiv als Heizungen und wirken den Kühlprozessen entgegen, wodurch das System weniger effizient ist. Zum Beispiel kann eine einzelne Lichtquelle zwischen 1 W und 100 W abführen, so dass in einer Situation, in der jede Leuchte 10 W Wärme in einem großen Bereich abführt, in dem 100 oder mehr dieser Leuchten benötigt werden, mehr als 1 kW Abwärme im Beleuchtungsbereich abgeführt werden würde. Mit einer fasergespeisten, laserbasierten Weißlichtquelle könnte die gesamte Wärmeerzeugung der Quelle vom Beleuchtungsbereich abgekoppelt werden und somit nicht zur unerwünschten Erwärmung beitragen. In Situationen, in denen jedoch Wärme im Beleuchtungsbereich erwünscht ist [z. B. bei kaltem Klima], könnte die Wärme vom laserbasierten Weißlichtsystem gesammelt und über einen Kanal oder auf andere Weise in den Bereich transportiert werden.
Ein weiterer Vorteil dieser zentralen Beleuchtung oder verteilten Beleuchtung gemäß der vorliegenden Erfindung für fasergespeistes laserbasiertes Weißlicht besteht darin, dass der Austausch einer defekten oder ausgefallenen laserbasierten Lichtquelle oder die Aufrüstung auf eine verbesserte Quelle im Vergleich zum Austausch herkömmlicher Glühbirnen- oder LED-Technologie weniger komplex ist. Bei konventionellen Lichtquellen, bei denen die eigentliche Lichterzeugungsquelle zusammen mit dem Emissionsbereich angeordnet ist [z. B. in einer Decke], muss man auf den Emissionsort zugreifen, um eine defekte oder ausgefallene Quelle zu ersetzen oder ihre Leuchten auf verbesserte oder differenzierte Leuchten aufzurüsten. Da sich der Emissionsbereich oder der Standort der Beleuchtung oft in hoch gelegenen Bereichen befindet, die nicht ohne weiteres zugänglich sind, kann es sehr zeitaufwendig, teuer und sogar gefährlich sein, solche Quellen auszutauschen. Es kann Stunden oder sogar Tage dauern, die Deckenbeleuchtung in Büros oder Wohnungen auszutauschen, und es kann spezielle Ausrüstung wie Leitern und mechanisch betriebene Aufzüge erfordern. In extremeren Beispielen wie Straßen-, Brücken- oder Tunnelbeleuchtungen kann der Austausch der Lichtquellen mit starken Gefahren für die Ausrüstung und die Umwelt verbunden sein und sehr hohe Kosten verursachen, die von den Unternehmen, den privaten Parteien oder sogar von den Steuerzahlern in staatlichen oder kommunalen Anwendungen getragen werden. Bei der vorliegenden Erfindung, bei der die laserbasierten Weißlichtquellen in einem von den Emissionspunkten entfernten Bereich untergebracht sind, könnten die Lichtquellen an einem leicht zugänglichen Ort untergebracht werden, an dem der Quellenwechsel schnell, effizient und sicher erfolgen kann und keine spezielle Ausrüstung erfordert, die die Kosten und die Komplexität der Lichtquelle erhöhen kann.
In der vorliegenden Ausführungsform gemäß dieser Erfindung, die als zentrales Beleuchtungssystem oder verteiltes Beleuchtungssystem konfiguriert ist, wird das von der laserbasierten Weißlichtquelle erzeugte weiße Licht von dem ersten bezeichneten Quellenort zu einem oder mehreren Beleuchtungsorten transportiert, wo das weiße Licht konfiguriert ist, um ein oder mehrere Objekte und/oder Bereiche zu beleuchten. In einem Beispiel besteht die laserbasierte Weißlichtquelle aus einer Quelle vom Typ SMD (Surface Mount Device), in der eine oder mehrere Laserdioden mit einem oder mehreren Wellenlängenkonvertierungselementen, wie z. B. Leuchtstoffelementen, in einem Co-Package zusammengefasst sind. Die gesamte laserbasierte Weißlichtquelle könnte aus mehreren einzelnen Quellen bestehen, z. B. aus mehreren laserbasierten Weißlicht emittierenden SMD-Quellen. Die mehreren Quellen könnten in einem gemeinsamen Gehäuse mit einer gemeinsamen Stromversorgung angeordnet sein, die in Anordnungen wie Array- oder Stack-Anordnungen konfiguriert sind. In einer alternativen Anordnung sind die einzelnen Quellen in separaten Gehäuseteilen mit separaten Stromversorgungen konfiguriert. In einer bevorzugten Ausführungsform würde die Konstruktion den Austausch der einen oder mehreren laserbasierten Weißlichtquellen ermöglichen, wenn ein Quellenausfall auftritt, eine defekte Quelle angetroffen wird oder eine Aufrüstung oder Modifikation gewünscht ist.
Gemäß der vorliegenden Ausführungsform könnte jede der einen oder mehreren laserbasierten Weißlichtquellen mit einer oder mehreren Transport-Lichtleitfasern gekoppelt sein, wobei die Transport-Lichtleitfaser so konfiguriert ist, dass sie das weiße Licht von der ersten bezeichneten Quellenposition zu einem oder mehreren Beleuchtungsbereichen transportiert. Als Beispiel könnte eine der einen oder mehreren SMD-Quellen so konfiguriert sein, dass sie zwischen 50 und 5000 Lumen erzeugt, die aus einem Emissionsbereich auf dem Leuchtstoff von 50 um bis etwa 1 mm oder bis etwa 3 mm oder größer emittieren. In einem anderen Beispiel könnte die laserbasierte Weißlichtquelle mit einem T0-Kanister-Gehäuse [T0-cannister package] konfiguriert sein.
In einem anderen Beispiel umfasst eine Konfiguration des laserbasierten Weißlichtsystems gemäß der vorliegenden Erfindung eine oder mehrere laserbasierte Weißlichtquellen mit einem Laserstrahl aus der Kombination von mehreren Laserdioden-Chips, die entweder durch die Kombination des Strahls von mehreren einzeln verpackten Laserdioden oder durch Kombinieren der Laserstrahlen von den Laser-Chips innerhalb eines Multi-Chip-Laser-Pakets gebildet werden und konfiguriert sind, um die Ausgangsemissionsstrahlen von den mehreren Laser-Chips zu kombinieren. In einigen Beispielen wird eine Kombination von verpackten Lasertypen verwendet. Die kombinierten Laserstrahlen könnten in einigen Ausführungsformen mit optischen Elementen kollimiert werden und sind so konfiguriert, dass sie einen Leuchtstoff anregen und das weiße Licht erzeugen. Die durch die kombinierten Laserstrahlen erzeugte Weißlichtemission vom Leuchtstoff wird in ein optisches Faserelement eingekoppelt, wobei das optische Faserelement so konfiguriert ist, dass es das weiße Licht transportiert und/oder das weiße Licht streut, um eine Linienquelle zu erzeugen. Durch die Verwendung von Multi-Chip-Gehäusen oder Multi-Chip-Konfigurationen kann die gesamte optische Leistung im kombinierten Laserstrahl >10W, >30W, >50W, 100W oder größer als 500W sein. Mit solch hohen optischen Leistungen können sehr große Weißlicht-Lumenwerte an einem öder mehreren Leuchtstoffen erzeugt werden. Zum Beispiel können mehr als 1.000 Lumen, mehr als 2.000 Lumen, mehr als 5.000 Lumen, mehr als 10.000 Lumen oder mehr als 100.000 Lumen erzeugt werden. Dieses erzeugte weiße Licht an dem einen oder den mehreren Leuchtstoffelementen kann dann über Fasern an Transportfasern gekoppelt werden, um das weiße Licht an einen oder mehrere gewünschte Beleuchtungsbereiche zu liefern. Die eine oder mehreren Transportfasern können aus einer oder mehreren Vollkernfasern, einem oder mehreren Faserbündeln, einer Kombination aus Vollkern- und Faserbündeltyp-Fasern oder anderen Fasertypen bestehen. In einigen Ausführungsformen sind undichte oder streuende Fasern enthalten, um eine Linienquelle zu bilden.
In einigen Ausführungsformen werden die kombinierten Laserstrahlen von einem Multi-Chip-Paket oder von mehreren separat verpackten Lasern in eine optische Faser gekoppelt, wobei die optische Faser so konfiguriert ist, dass sie das Laserlicht zu einem entfernten Leuchtstoff transportiert, um eine entfernte Weißlichtquelle zu bilden. Durch die Verwendung von Multi-Chip-Gehäusen oder Multi-Chip-Konfigurationen kann die optische Gesamtleistung im kombinierten Laserstrahl >10W, >30W, >50W, 100W oder größer als 500W sein. Mit solch hohen optischen Leistungen können sehr große Weißlicht-Lumenwerte an einem oder mehreren Leuchtstoffen erzeugt werden. Zum Beispiel können mehr als 1.000 Lumen, mehr als 2.000 Lumen, mehr als 5.000 Lumen, mehr als 10.000 Lumen oder mehr als 100.000 Lumen erzeugt werden. Dieses erzeugte weiße Licht an dem einen oder den mehreren Leuchtstoffelementen kann dann über Fasern an Transportfasern gekoppelt werden, um das weiße Licht an einen oder mehrere gewünschte Beleuchtungsbereiche zu liefern. Die eine oder mehreren Transportfasern können aus einer oder mehreren Vollkernfasern, einem oder mehreren Faserbündeln, einer Kombination aus Vollkern- und Faserbündeltyp-Fasern oder anderen Fasertypen bestehen. In einigen Ausführungsformen sind undichte oder streuende Fasern enthalten, um eine Linienquelle zu bilden.
In einer spezifischen Ausführungsform ist ein Punkt mit hoher Lumenemission vom Leuchtstoff so konfiguriert, dass er 1000 bis 5000 Lumen oder mehr Lumen weißes Licht aus einer Punktfläche von etwa 300 µm bis etwa 3 mm oder größer emittiert. Eine oder mehrere optische Transportfasern aus Kunststoff oder Glas sind mit der Weißlichtemission des Leuchtstoffs gekoppelt, so dass zwischen 5 % und 95 % des emittierten Weißlichts in die eine oder mehrere optische Fasern eingekoppelt werden. Die eine oder mehreren optischen Fasern umfassen 1 bis etwa 10 Fasern, oder 10 bis etwa 50 Fasern, oder 50 bis etwa 1500 Fasern. Die eine oder mehreren optischen Fasern könnten aus optischen Fasern mit festem Kern mit Kerndurchmessern im Bereich von etwa 100 µm bis etwa 2 oder etwa 3 mm bestehen, oder sie könnten aus Faserbündelkernen bestehen, wobei die einzelnen Stränge, die das Bündel umfassen, Durchmesser von etwa 25 µm bis etwa 250 µm haben könnten, um einen „Bündelkern“-Durchmesser von etwa 200 µm bis etwa 2 mm oder größer, wie etwa 3 bis 4 mm, zu umfassen. Die 1 oder mehreren optischen Transportfasern werden dann von der ersten bezeichneten Quellstelle zu einer oder mehreren bezeichneten Beleuchtungsstellen geführt, wo sie das weiße Licht an das Ziel oder den Bereich abgeben.
In einer anderen spezifischen Ausführungsform ist ein Lichtpunkt mit niedriger bis mittlerer Lumenemission des Leuchtstoffs so konfiguriert, dass er 50 bis 1000 Lumen weißes Licht aus einem Lichtpunktbereich von etwa 50 µm bis etwa 1 mm emittiert. Eine oder mehrere optische Transportfasern aus Kunststoff oder Glas sind mit der Weißlichtemission des Leuchtstoffs gekoppelt, so dass zwischen 5 % und 95 % des emittierten Weißlichts in die eine oder mehrere optische Fasern eingekoppelt werden. Die eine oder mehreren optischen Fasern umfassen 1 bis etwa 5 Fasern, oder 5 bis etwa 20 Fasern, oder 20 bis etwa 40 Fasern. Die eine oder mehreren optischen Fasern könnten aus optischen Fasern mit festem Kern mit Kerndurchmessern im Bereich von etwa 100µm bis etwa 2mm oder größer bestehen, oder sie könnten aus Faserbündelkernen bestehen, wobei die einzelnen Stränge, die das Bündel umfassen, Durchmesser von etwa 25µm bis etwa 250µm haben könnten, um einen „Bündelkern“-Durchmesser von etwa 200µm bis etwa 2mm oder größer, wie etwa 3 bis 4mm, zu umfassen. Die 1 oder mehreren optischen Transportfasern werden dann von der ersten bezeichneten Quellenstelle zu einer oder mehreren bezeichneten Beleuchtungsstellen geführt, wo sie das weiße Licht an das Ziel oder den Bereich abgeben.
Im Folgenden werden mehrere zentrale Beleuchtungssysteme auf Basis einer laserbasierten, fasergekoppelten Weißlichtquelle offengelegt. 29 zeigt eine schematische Darstellung einer laserbasierten Weißlichtquelle, die mit mehr als einer optischen Faser gekoppelt ist, gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Wie in der 29 dargestellt, ist die laserbasierte Weißlichtquelle 4010 in einem Gehäuseteil 4005 eingeschlossen. Die Weißlichtquelle 4010 ist so konfiguriert, dass sie einen elektrischen Eingang 4001 empfängt, um die Emission von weißem Licht zu aktivieren. Optional enthält die Weißlichtquelle 4010 einen elektrischen Treiber oder ein Leiterplattenelement, das so konfiguriert ist, dass es den elektrischen Eingang 4001 aufbereitet. Optional wird die Weißlichtemission von der laserbasierten Quelle 4010 mit optionalen optischen Elementen 4015, wie z. B. kollimierenden Linsenelementen und/oder fokussierenden Linsenelementen, geformt und in mehrere optische Fasern 4030 eingespeist, die zum Transport des weißen Lichts 4002 konfiguriert sind. Optional können Verbindungseinheiten 4020 vorgesehen sein, um eine einfache Lösbarkeit der optischen Fasern 4030 zu ermöglichen, was den Austausch von Teilen oder der Gesamtheit des Gehäuseteils 4005 für die Lichtquelle 4010 oder den Austausch einer oder mehrerer der optischen Transportfasern ermöglichen würde.
30 zeigt ein schematisches Diagramm von mehreren laserbasierten Weißlichtquellen, die mit mehr als einer optischen Faser gemäß einer anderen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung gekoppelt sind. Wie in der 30 gezeigt, sind die mehreren laserbasierten Weißlichtquellen 4111 in einem einzigen Gehäuseteil 4105 eingeschlossen. Alle Weißlichtquellen 4111 sind so konfiguriert, dass sie einen elektrischen Eingang 4001 empfangen, um die Weißlichtemission zu aktivieren. Optional enthält jede der mehreren Weißlichtquellen 4111 einen elektrischen Treiber oder ein Leiterplattenelement, das so konfiguriert ist, dass es den elektrischen Eingang 4001 aufbereitet. Die Weißlichtemission von jeder der laserbasierten Weißlichtquelle 4111 wird mit optionalen optischen Elementen 4151 wie Kollimationslinsenelementen und/oder Fokussierungslinsenelementen geformt und in einen Kanal (z. B. Kanal 1) eingespeist, um das Weißlicht 4002 zu transportieren oder auszugeben. Optional enthält jeder Kanal, z. B. Kanal 1, mehrere Transportwellenleiter oder Fasern, die für den Transport des weißen Lichts konfiguriert sind. Optional können Steckereinheiten 4121 enthalten sein, um eine einfache Abtrennbarkeit der Lichtwellenleiter für jeden Kanal zur jeweiligen Weißlichtquelle zu ermöglichen. Die Anschlusseinheiten 4121 ermöglichen den Austausch der Lichtquelle oder den Austausch der Transportfaserelemente in jedem Kanal.
Gemäß den Ausführungsformen des zentralen Beleuchtungs- oder verteilten Beleuchtungssystems, das auf einer laserbasierten, fasergekoppelten Weißlichtquelle basiert, könnten eine oder mehrere Transportfasern in einem oder mehreren Kanälen das weiße Licht von dem ersten vorgesehenen Quellenbereich zu einem oder mehreren Beleuchtungsbereichen transportieren. In einem Beispiel würde die laserbasierte Weißlichtquelle Licht durch eine Transportfaser liefern, um ein einzelnes Objekt oder einen Bereich an einem bestimmten Ort oder in einem bestimmten Raum zu beleuchten. In einem anderen Beispiel sind mehrere Transportfasern mit der einen oder mehreren Weißlichtquellen gekoppelt, um Weißlicht an mehrere Objekte und/oder Bereiche innerhalb eines gegebenen Bereichs oder Ortes zu liefern, z. B. innerhalb eines einzelnen Raums. In einem weiteren Beispiel sind mehrere Transportfasern mit der einen oder den mehreren Weißlichtquellen gekoppelt, um Weißlicht an mehrere Objekte und/oder Bereiche innerhalb mehrerer Bereiche oder Orte zu liefern, wie z. B. an verschiedene Räume desselben Gebäudes oder Hauses.
In einem solchen „zentralen Beleuchtungssystem“, das eine laserbasierte Weißlichtquelle enthält, könnten die Beleuchtungsorte mehr als einen Ort in einem einzigen Raum oder mehr als einen Ort in mehr als einem Raum einer Struktur umfassen und sogar Innen- und Außenbeleuchtungsorte einschließen. Beispielsweise könnte das laserbasierte zentrale Beleuchtungssystem zur Beleuchtung eines kompletten Hauses, einer kompletten Bürostruktur, eines kompletten Einkaufs- oder Geschäftsgebäudes usw. verwendet werden. Ein wichtiger Konstruktionsaspekt des laserbasierten Beleuchtungssystems ist die Systemeffizienz und die damit verbundene Möglichkeit, die Helligkeit oder die Lumenabgabe unabhängig für jeden der verschiedenen Beleuchtungsorte einzustellen. In einem einfachen Beispiel wird die Lichtleistung an einem bestimmten Ort durch die Abstimmung der Weißlichtleistung der laserbasierten Weißlichtquelle gesteuert, die das Licht für den bestimmten Ort bereitstellt, indem der elektrische Eingang der Quelle gesteuert wird. Obwohl dies ein einfacher Ansatz zur Steuerung der Lichtleistung ist und ausreichen würde, wenn die spezifizierte laserbasierte Weißlichtquelle nur einen einzigen Beleuchtungsort mit Licht versorgt, bietet sie in Konfigurationen, in denen eine laserbasierte Weißlichtquelle in mehrere Fasern gekoppelt ist, um mehrere Orte zu beleuchten, nicht die Flexibilität, den Grad des an jeden der mehreren Orte gelieferten Lichts unabhängig zu steuern.
In dem laserbasierten Weißlichtsystem gemäß der vorliegenden Erfindung gibt es mehrere Konfigurationen, die eine unabhängige Einstellung der an jeden der Beleuchtungsorte gelieferten Lichtpegel bieten können. 31 zeigt eine schematische Darstellung eines laserbasierten Weißlichtsystems mit einer optischen Schaltvorrichtung oder einem Modul gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Bezugnehmend auf 31 wird das laserbasierte Weißlicht, das von der laserbasierten Weißlichtquelle 4010 erzeugt wird, über ein koppelndes optisches Element 4015 durch einen optischen Anschluss 4020 in ein Weißlichtversorgungselement 4040 eingefangen oder optisch eingekoppelt. Optional ist die laserbasierte Weißlichtquelle 4010 in einem Gehäuseteil 4005 untergebracht und wird durch den Empfang eines elektrischen Eingangs 4001 aktiviert, wie in dem laserbasierten Weißlichtsystem in 29 beschrieben. Optional besteht das Weißlichtzuführungselement 4040 aus einem einzelnen Medium, wie z. B. einer Faser mit großem Durchmesser, einem Wellenleiter oder anderem, oder es besteht aus einem Mehrkomponentenmedium, wie z. B. einem Faserbündel. Das Weißlichtversorgungselement 4040 liefert das optisch gekoppelte Weißlicht an ein optisches Schaltsystem 4050. Das optische Schaltsystem 4050 ist so konfiguriert, dass es das zugeführte Weißlicht auf eine oder mehrere Ausgangstransportfasern 4030 leitet. Jede der Ausgangstransportfasern 4030 liefert das weiße Licht 4002 an einen bestimmten Beleuchtungsbereich. Durch die Verwendung des optischen Schaltsystems kann das Licht nur zu den Beleuchtungsorten geleitet werden, an denen das Licht benötigt wird.
Optional ist das in 31 gezeigte optische Schaltsystem 4050 eine Vorrichtung, die als optischer Modulator optische Beleuchtungssignale selektiv ein- oder ausschaltet. In einigen Ausführungsformen ist das optische Schaltsystem so konfiguriert, dass es Datensignale als ein Datensignalmodulator ein- oder ausschaltet. In einigen Ausführungsformen ist das optische Schaltsystem 4050 so konfiguriert, dass es Signale vom Weißlichtversorgungselement 4040 zu einem bestimmten Kanal als optischer Raumschalter des Verteilers auswählt, um die Beleuchtung an einen bestimmten Ort zu liefern. Da der Schaltvorgang des optischen Schaltsystems 4050 zeitlich oder räumlich sein kann, sind solche Schaltvorgänge analog zu Einweg- oder Zweiwegschaltungen in elektrischen Schaltungen. Unabhängig davon, wie das Licht selbst geschaltet wird, werden Systeme, die Lichtstrahlen an verschiedene Orte leiten, oft als „photonische“ Schalter bezeichnet. Generell können optische Modulatoren und Router aus einander hergestellt werden.
Optional kann das optische Schaltsystem 4050 durch mechanische Mittel arbeiten, wie z. B. die physische Verschiebung einer optischen Faser, um eine oder mehrere alternative Fasern zu steuern, oder durch elektrooptische Effekte, magnetooptische Effekte oder andere Methoden, wie z. B. scannende Faserspitzen oder Mikropositionierer. Optional können optische Schalter mit niedriger Geschwindigkeit ausschließlich für die Weiterleitung von optischer Beleuchtung an bestimmte Beleuchtungsquellen verwendet werden. In einem Beispiel für einen optischen Schalter mit niedriger Geschwindigkeit sind die optischen Fasern so konfiguriert, dass sie sich physisch bewegen, um das Beleuchtungslicht von der Quelle zum Beleuchtungsbereich zu leiten. Optional können optische Hochgeschwindigkeitsschalter, z. B. mit elektrooptischen oder magnetooptischen Effekten, verwendet werden, um die optische Beleuchtung von der Quelle zum gewünschten Beleuchtungsbereich zu leiten und logische Operationen durchzuführen.
Optional enthält das optische Schaltsystem 4050 gemäß der vorliegenden Erfindung MEMS-Geräte wie Scanning-Mikrospiegel oder digitale Lichtverarbeitungs-Chips (DLP), die Arrays von Mikrospiegeln enthalten, die das laserbasierte Beleuchtungslicht zu dem entsprechenden Empfänger oder bezeichneten Beleuchtungsbereich ablenken können. Optional umfasst das optische Schaltsystem 4050 gemäß der vorliegenden Erfindung piezoelektrische Strahlsteuerungsvorrichtungen, die piezoelektrische Keramikfunktionen umfassen, um das laserbasierte Beleuchtungslicht auf den entsprechenden Empfänger oder den bezeichneten Beleuchtungsbereich zu lenken. Zusätzlich umfasst das optische Schaltsystem 4050 gemäß der vorliegenden Erfindung eine auf Scanning-Faserspitzentechnologie, Mikropositionierem, Inkjet-Verfahren, die den Schnittpunkt zweier Wellenleiter beinhalten, Flüssigkristalltechnologie wie Flüssigkristall auf Silizium (LCOS), thermische Verfahren, akusto-optische, magneto-optische Technologieansätze Funktion, um das laserbasierte Beleuchtungslicht auf den entsprechenden Empfänger oder bezeichneten Beleuchtungsbereich zu lenken.
Optional kann das optische Schaltsystem 4050 gemäß der vorliegenden Erfindung aus Schaltern vom digitalen Typ, die nur zwei Positionen haben, zusammengesetzt sein. Die erste Position entspricht das Licht nominell „ausgeschaltet“, so dass minimale Mengen an Licht in die Transportfaser eingekoppelt und an den Beleuchtungsort geliefert wird. Die zweite Position entspricht dem „Einschalten“ des Lichts, so dass das weiße Licht an die vorgesehene Beleuchtungsstelle geliefert wird. Digitale Schalterkonfigurationen könnten Mikrospiegel, MEMS-Technologie einschließlich scannender Spiegel und Arrays von Spiegeln, elektrooptische Ventile usw. umfassen. In anderen laserbasierten Weißlichtsystemen gemäß der vorliegenden Erfindung umfasst das Schaltsystem 4050 analoge Schalter, die ein dynamisches Bereichsniveau des Lichts zwischen dem „Aus“-Zustand und dem „Ein“-Zustand bereitstellen können. Solche analogen Schalter können eine Ventilfunktion bereitstellen, die eine Licht-„Dimm“-Funktion ermöglicht. Die Fähigkeit, das Licht an bestimmten Beleuchtungsorten zu dimmen, ist eine wichtige Funktion für viele Beleuchtungsanwendungen.
Wie in 31 gezeigt, ist die laserbasierte Weißlichtquelle 4010 in einem Gehäuseteil 4005 eingeschlossen. Die Weißlichtquelle 4010 ist so konfiguriert, dass sie einen elektrischen Eingang 4001 (einschließlich Leistungs- und Steuersignalen) empfängt, um die laserbasierte Weißlichtquelle 4010 zu aktivieren, um eine Weißlichtemission zu erzeugen. Optional enthält die Weißlichtquelle 4010 einen elektrischen Treiber oder ein Leiterplattenelement, das so konfiguriert ist, dass es die Leistung und den elektrischen Eingang 4001 aufbereitet. DieWeißlichtemission von der laserbasierten Quelle 4010 wird optional mit optionalen optischen Elementen 4015 wie Kollimationslinsenelementen und/oder Fokussierungslinsenelementen geformt. Das von der Weißlichtquelle 4010 emittierte Weißlicht ist mit einem optionalen optischen Versorgungselement 4040 gekoppelt, das so konfiguriert ist, dass es das Licht von der Weißlichtquelle 4010 zu der optischen Schaltvorrichtung oder dem Modul 4050 transportiert. Das optische Versorgungselement 4040 kann Längenabmessungen von sehr kurzen Längen von etwa 1 mm bis zu sehr viel längeren Längen von 10 Metern oder mehr aufweisen. Das optische Versorgungselement 4040 kann aus einem Lichtleiter, wie z. B. einem massiven Wellenleiter, einer aus einem Glas- oder Kunststoffmaterial oder einem anderen Material geformten optischen Faser, einem Bündel von optischen Fasern, konfiguriert werden oder könnte aus einer Freiraumkonstruktion konfiguriert werden. Das optische Versorgungselement 4040 ist so konfiguriert, dass es das weiße Licht an eine optische Schalteinrichtung oder ein Modul 4050 liefert. Die von der optischen Schalteinrichtung oder dem Modul 4050 durchgeführte optische Schaltung ist so ausgelegt und konfiguriert, dass sie das weiße Licht an ein Netzwerk von optischen Transportfasern 4030 weiterleitet. Die optischen Transportfasern 4030 verteilen und liefern das weiße Licht an die gewünschten Beleuchtungsbereiche. Durch Betätigung des optischen Schaltmoduls 4050 kann das weiße Licht zu bestimmten optischen Fasern „eingeschaltet“ werden, die zu Orten geleitet werden, an denen das Licht benötigt wird, und zu bestimmten anderen optischen Fasern „ausgeschaltet“ werden, die zu Orten geleitet werden, an denen das Licht nicht benötigt wird. In einigen Beispielen des laserbasierten Weißlichtsystems, das ein optisches Schaltmodul enthält, kann ein Weißlichtversorgungselement 4040 nicht enthalten sein, wobei das Weißlicht von der laserbasierten Weißlichtquelle 4010 direkt in das optische Schaltmodul 4050 eingekoppelt wird.
Optional kann das optische Schaltmodul in 31 MEMS-Vorrichtungen wie scannende Mikrospiegel oder digitale Lichtverarbeitungschips (DLP) mit Arrays von Mikrospiegeln enthalten, die das laserbasierte Beleuchtungslicht zum entsprechenden Empfänger oder zum vorgesehenen Beleuchtungsbereich ablenken können. In einer anderen Konfiguration gemäß der vorliegenden Erfindung umfasst das optische Schaltmodul 4050 piezoelektrische Strahlsteuerungsvorrichtungen, Vorrichtungen, die auf einer der folgenden Technologien basieren: Scanning-Faserspitzentechnologie, Mikropositionierer, Inkjet-Verfahren, bei denen sich zwei Wellenleiter kreuzen, Flüssigkristalltechnologie, wie z. B. Flüssigkristall auf Silizium (LCOS), thermische Verfahren, akusto-optische, magnetooptische Technologie, und sind so konfiguriert, dass sie das laserbasierte Beleuchtungslicht auf den entsprechenden Empfänger oder den vorgesehenen Beleuchtungsbereich lenken. In einigen Ausführungsformen sind Kombinationen aus verschiedenen Schalttechnologien enthalten.
Optional umfasst das Schaltmodul 4050 in 31 Schalter vom digitalen Typ, um das Licht an bestimmten Stellen „ein“ und „aus“ zu schalten. Optional enthält das Schaltmodul 4050 Schalter vom analogen Typ, die eine Steuerung der an bestimmten Stellen abgegebenen Lichtmenge ermöglichen, um eine Dimmfunktion bereitzustellen. Optional enthält das Schaltmodul 4050 eine Kombination aus Schaltern des digitalen und des analogen Typs. Digitale Schalterkonfigurationen könnten Mikrospiegel, MEMS-Technologie, elektrooptische Ventile usw. umfassen. In anderen laserbasierten Weißlichtsystemen können die im Schaltmodul verwendeten analogen Schalter einen dynamischen Bereichspegel des Lichts zwischen dem „Aus“-Zustand und dem „Ein“-Zustand bereitstellen. Solche analogen Schalter können eine Ventilfunktion bereitstellen, die eine Licht-„Dimmfunktion“ ermöglicht. Diese Fähigkeit, das Licht an bestimmten Beleuchtungsorten entsprechend dem laserbasierten Weißlichtsystem zu dimmen, ist eine wichtige Funktion für viele Beleuchtungsanwendungen, da verschiedene Anlässe, Tageszeiten, Vorlieben der Bewohner und andere Faktoren unterschiedliche Lichtstärken an einem bestimmten Ort zu verschiedenen Zeiten erfordern.
In verschiedenen Ausführungsformen gemäß der vorliegenden Erfindung ist das laserbasierte Weißlichtsystem so konfiguriert, dass es im Vergleich zum Stand der Technik Energieeinsparungen ermöglicht. Durch die Konfiguration des zentralen Beleuchtungssystems mit optischen Schaltern und Routern, um das Licht von der Quelle bevorzugt dorthin zu leiten, wo das Licht gewünscht wird, wie oben beschrieben, zusammen mit der Bereitstellung der Fähigkeit, das auf der Quellenebene erzeugte Licht und die zugehörige Eingangsleistung zum Antrieb der Quelle einzustellen, kann der Betriebszustand des Systems optimiert werden, um den Stromverbrauch für eine gegebene Betriebsanforderung zu minimieren.
Zusätzlich zu den oben beschriebenen digitalen und analogen Schaltmöglichkeiten, die eine präzise Steuerung der von der laserbasierten Weißlichtquelle an die gewünschten Beleuchtungsbereiche abgegebenen Lichtpegel ermöglichen, kann die Lichtmenge, die von dem einen oder den mehreren Weißlichtquellenmodulen abgegeben wird, eingestellt werden, um ein zusätzliches Maß an Kontrolle über die Erzeugung des Weißlichtsystems und die Verteilung des Lichts an die Beleuchtungsorte zu ermöglichen. Durch sorgfältige Berücksichtigung der Systemeigenschaften und der Beleuchtungsanforderungen bei einer bestimmten Einsatzbedingung können die optischen Schalter in Verbindung mit der Einstellung der Eingangsleistung, die die laserbasierte Quelle zur Erzeugung des weißen Lichts antreibt, für eine optimierte Systemeffizienz eingestellt werden. Durch die Anpassung der Leistung oder des Stroms, der an die eine oder mehrere laserbasierte Weißlichtquellen geliefert wird, wird die Menge der elektrischen Eingangsleistung und des Ausgangslichtstroms, der von der Weißlichtquelle erzeugt wird, verändert. In Zeiten, in denen nur eine relativ geringe Menge an weißem Licht benötigt wird, z. B. wenn nur an wenigen Stellen Licht benötigt wird, wie z. B. tagsüber oder spät in der Nacht, wenn nur 1 bis 3 Lichter in einem Haus eingeschaltet sind, kann die eine oder mehrere Weißlichtquelle(n) bei relativ niedrigen Lichtstrom-Ausgangsniveaus betrieben werden, was weniger Eingangsleistung erfordert und somit Energie spart.
Für eine optimale Nutzungseffizienz des von der laserbasierten Weißlichtquelle erzeugten Lichts und damit eine optimale Effizienz des Stromverbrauchs ist es erforderlich, dass ein hoher Anteil des von der Quelle erzeugten Nutzlichts in die spezifischen Transportfasern geleitet werden kann, die das Licht zu einem bestimmten Zeitpunkt an die gewünschten Beleuchtungsorte liefern. In einem räumlich statischen Systembeleuchtungssystem, das sogar ein optisches Schaltmodul enthalten könnte, ist es eine extreme technische Herausforderung, das gesamte erzeugte Licht so effizient zu nutzen.
Zur Veranschaulichung eines Beispiels für Energieeffizienz in einem laserbasierten Weißlichtsystem wird ein System beschrieben, das eine einzige laserbasierte Weißlichtquelle umfasst, die zehn optische Transportfasern speist, die zu zehn separaten Beleuchtungsorten geführt werden. Die optischen Transportfasern sind optisch mit der Weißlichtquelle gekoppelt, wobei ein Kopplungspfad und optische Schalter verwendet werden, um den Lichtpegel an jedem Beleuchtungsort zu steuern. Wenn an allen zehn Beleuchtungsstellen Licht gewünscht wird, wird die Weißlichtquelle mit Strom versorgt, um den gewünschten Lichtpegel an der Quelle zu erzeugen, und alle Lichtschalter sind in der Position „Ein“ für digitale Schalter oder auf den gewünschten Pegel für analoge Schalter geöffnet. In dieser Konfiguration kann das laserbasierte Weißlichtsystem, vorausgesetzt, die Faserkopplungsarchitektur ist gut ausgelegt, in einem Zustand optimaler Energieeffizienz arbeiten. Falls jedoch nur an zwei der zehn Standorte Licht gewünscht wird, würden bei einem solchen räumlich statischen System die Lichtschalter für die zwei Transportfasern, die diese beiden Standorte versorgen, in der Position „ein“ für Schalter des digitalen Typs oder „offen“ auf den gewünschten Pegel für Schalter des analogen Typs konfiguriert werden. Die Lichtschalter für die acht Transportfasern, die das Licht zu den Beleuchtungsorten führen, an denen kein Licht erwünscht ist, würden in der Position „aus“ für digitale Schalter oder in der Position „geschlossen“ für analoge Schalter konfiguriert werden. In einer solchen Konfiguration wäre das gesamte Licht, das zu den Transportfaserstellen geleitet wird, bei denen die optischen Schalter in der „Aus“- oder „Geschlossen“-Position konfiguriert wurden, verschwendetes Licht. In diesem Fall würden nur etwa zwei Zehntel des nutzbaren Lichts im System an die Beleuchtungsbereiche geliefert werden, was nur einen Wirkungsgrad von 20 % des nützlichen fasergekoppelten Lichts ergibt.
Eine Lösung für diese Effizienzherausforderung, um ein möglichst energieeffizientes laserbasiertes Weißlichtsystem zu schaffen, ist das Hinzufügen einer räumlichen Modulationsfähigkeit. Durch das Hinzufügen einer räumlichen Modulationsfunktion kann das von der laserbasierten Weißlichtquelle gelieferte Weißlicht räumlich auf die ausgewählten Transportfasern gelenkt werden, die das Licht an die Orte liefern, an denen zu einem bestimmten Zeitpunkt Licht gewünscht wird. Das heißt, in den oben genannten Beispielszenarien mit einer laserbasierten Weißlichtquelle, die in zehn optische Transportfasern einspeist, könnte das System in beiden Fällen mit hoher Energieeffizienz arbeiten. Im ersten Fall, in dem Licht an allen zehn Beleuchtungsorten erwünscht ist, würde der räumliche Modulator so angesteuert, dass er das Licht der Quelle räumlich auf alle zehn Fasereingänge lenkt und das gesamte oder den größten Teil des Nutzlichts von der Quelle auf die zehn Beleuchtungsorte verteilt: Im zweiten Fall, in dem Licht nur an zwei der zehn Beleuchtungsorte erwünscht ist, würde der räumliche Modulator so angesteuert, dass er das Licht der Quelle räumlich nur auf die beiden Fasereingänge richtet, die das Licht zu den beiden Beleuchtungsorten transportieren, an denen Licht erwünscht ist. Um die Energieeffizienz des Systems im letzteren Fall zu optimieren, könnte die Eingangsleistung der laserbasierten Lichtquelle so reduziert werden, dass die Lichtquelle nur etwa 20 % des Lichts des ersten Falls erzeugt, unter der Annahme, dass das an allen Orten benötigte Licht etwa gleich groß ist. Auf diese Weise würde die Menge an verschwendetem Licht minimiert.
Die räumliche Modulationsvorrichtung, die in dem laserbasierten Weißlichtsystem enthalten ist, könnte als Teil des optischen Schaltmoduls oder -geräts konfiguriert sein, sie könnte das optische Schaltmodulgerät selbst sein oder sie könnte getrennt vom optischen Schaltmodul konfiguriert sein. In einigen Ausführungsformen ist die räumliche Modulationsvorrichtung als das Schaltmodul enthalten, da der räumliche Modulationseffekt selbst dazu dienen kann, Transportfasern „einzuschalten“, indem Licht in sie hineingeleitet wird, oder Transportfasern „auszuschalten“, indem Licht von ihnen weggeleitet wird.
In einigen Ausführungsformen gemäß der vorliegenden Erfindung kann die räumliche Modulation eine „langsame“ Modulation sein, bei der die Lichtquelle von einer statischen Position, in der sie mit einer gewünschten Zufuhr von Licht zu Transportfasern arbeiten kann, zu mehreren anderen statischen Positionen konfigurierbar ist, in denen sie mit einer anderen gewünschten Zufuhr von Licht zu Transportfasern arbeiten kann. Dieses System kann als ein rekonfigurierbares statisches System betrachtet werden, bei dem der räumliche Modulator das Versorgungslicht an vorbestimmte Stellen ändern kann, um Licht an vorbestimmte Transportfasern zu liefern. Diese räumliche Modulation kann mit elektromechanischen Mechanismen, piezoelektrischen Mechanismen, MEMS-Mechanismen (micro-electromechanical system) wie Abtastspiegeln und/oder digitalen Spiegelarrays wie DMDs, Flüssigkristallmechanismen, Strahlsteuerungsmechanismen, akusto-optischen Mechanismen und anderen Mechanismen erreicht werden. Viele dieser Mechanismen existieren heute und werden als optische Schalter, Modulatoren, Mikro-Displays oder andere Technologien in verschiedenen Systemen wie z. B. in Telekommunikationssystemen eingesetzt.
In einigen Ausführungsformen gemäß der vorliegenden Erfindung kann die räumliche Modulation eine „schnelle“ Modulation sein, bei der das Quellenlicht aktiv oder dynamisch über ein räumliches Feld gescannt wird, das die optischen Eingangswege zu den Transportfasern umfasst. Diese „schnelle“ räumliche Modulationskonfiguration ermöglicht die Hinzufügung eines Zeitbereichselements zur räumlichen Modulation. Mit der Fähigkeit zur aktiven räumlichen Modulation über einen räumlichen Bereich bei hohen Geschwindigkeiten können die Abtastrate und das Muster so gestaltet werden, dass eine höhere zeitlich gemittelte Lichtmenge an bestimmte optische Transportfasereingänge, eine niedrigere zeitlich gemittelte Lichtmenge an bestimmte andere optische Transportfasereingänge und sogar keine oder eine sehr niedrige zeitlich gemittelte Lichtmenge an bestimmte andere Transportfasereingänge geliefert wird, so dass der in jede Transportfaser eintretende Lichtpegel auf den gewünschten Lichtpegel abgestimmt werden kann, der mit dem entsprechenden Beleuchtungsbereich verbunden ist. In dieser Ausführungsform der räumlichen Modulation, die eine schnelle Modulationsfähigkeit beinhaltet, würde das Versorgungslicht von der laserbasierten Weißlichtquelle so konfiguriert sein, dass ein Großteil oder ein großer Teil des nutzbaren weißen Lichts von der Quelle innerhalb des Lichtstrahls liegt, der über das räumliche Feld gescannt wird und für den Eintritt in die Transportfasern zur Verfügung steht. Eine solche Abtastkonfiguration in Verbindung mit der Möglichkeit, die Gesamtlichtleistung der laserbasierten Weißlichtquelle durch Steuerung der elektrischen Eingangsleistung abzustimmen, würde ein hocheffizientes Weißbeleuchtungssystem ergeben, da die an der Quelle erzeugte Lichtmenge so abgestimmt werden kann, dass nur die Lichtmenge bereitgestellt wird, die an dem einen oder den mehreren Beleuchtungsorten benötigt wird, um Lichtverschwendung durch Beleuchtung unnötiger Bereiche zu vermeiden.
Die schnelle räumliche Modulation des laserbasierten weißen Lichts gemäß der vorliegenden Erfindung kann auf viele Arten erreicht werden. Um einige zu nennen, kann das schnelle Schalten mit elektromechanischen Mechanismen, piezoelektrischen Mechanismen, mikroelektromechanischen System (MEMS)-Mechanismen wie Abtastspiegeln und/oder digitalen Spiegelarrays wie DMDs, Flüssigkristallmechanismen, Strahlsteuerungsmechanismen, akustooptischen Mechanismen und anderen Mechanismen erreicht werden.
In einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird das schnelle Schalten mit einer MEMS-Technologie durchgeführt. Gemäß der vorliegenden Erfindung wird das Licht von der laserbasierten Weißlichtquelle in einen Weißlichtstrahl kollimiert. Der Weißlichtstrahl wird dann auf einen oder mehrere scannende MEMS-Spiegel gelenkt. Die abtastenden MEMS-Spiegel können dann den Weißlichtstrahl auf ein räumliches Feld richten, das die optischen Pfade zum Eingang der Transportfasern enthält, so dass, wenn der MEMS-Spiegel den Weißlichtstrahl abtastet, er das Licht auf der Grundlage einer Steuerschaltung, die das MEMS ansteuert, auf jede der optischen Transportfasern richten kann, so dass eine vorbestimmte Menge an zeitlich gemitteltem Licht optisch in die gewünschten Transportfasern eingekoppelt werden kann, um eine ausgewählte Lichtmenge an ausgewählte Beleuchtungsbereiche zu liefern. Die MEMS-Spiegel können aus einem elektrostatisch aktivierten Spiegel, einem elektromagnetisch aktivierten Spiegel und einem piezo-aktivierten Spiegel ausgewählt werden und können in einem resonanten oder einem nicht-resonanten Vektorabtastmodus betrieben werden. Der MEMS-Spiegel kann so konfiguriert werden, dass er auf einer einzelnen Achse scannt, um eine 1D-Anordnung von optischen Transportfasereingangspfaden zu scannen, er kann als biaxialer Scannerspiegel konfiguriert werden, um 2D-Anordnungen von optischen Fasereingangspfaden zu scannen, oder er kann mit mehreren MEMS-Spiegeln konfiguriert werden, wie z. B. unter Verwendung von 2 MEMS-Spiegeln mit einachsigem Scannen oder anderen Konfigurationen.
Die Abtastrate eines „schnellen“ räumlich modulierten Lichts kann vom Hertz-Bereich über den Kilohertz-Bereich bis in den Megahertz-Bereich und sogar in den Gigahertz-Bereich reichen. Die Abtastrate des räumlich modulierten Lichtsignals wäre vorzugsweise so schnell, dass es für das menschliche Auge nicht detektierbar wäre. In einigen Ansätzen der räumlichen Modulation könnte die Modulation an eine schnelle oder langsame Abtastung angepasst werden, je nach den momentanen Bedürfnissen des laserbasierten Weißlichtsystems. Zum Beispiel könnte durch die Verwendung eines nicht-resonanten, vektoriell scannenden MEMS-Spiegels die Zufuhr von Weißlicht nur auf eine statische Position des Feldes gerichtet werden, so dass Licht nur in ausgewählte Transportfasern eingekoppelt wird, aber auch das gesamte Feld mit einem vorgegebenen Muster abtasten, um Licht in alle Transportfasern mit der gewünschten Menge einzukoppeln.
In einigen Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung, die eine räumliche Modulation beinhalten, würde die Weißlichtversorgung in Verbindung mit der räumlichen Modulation moduliert werden. Das heißt, entweder durch Modulation des Stroms zur laserbasierten Weißlichtquelle oder unter Verwendung eines externen Modulators kann der Weißlichtpegel auf- und abwärts gedreht werden, während der räumliche Modulator das Versorgungsweißlicht über das räumliche Feld einschließlich der optischen Eingänge zu den Transportfasern abtastet. Durch die Amplitudenmodulation der Weißlichtversorgung kann ein weiterer Grad an Energieeffizienz erreicht werden, da die Lichtquelle ausgeschaltet oder im Wesentlichen ausgeschaltet werden kann, wenn sich die räumliche Position des Versorgungslichts zwischen den Eingängen der Transportfasern befindet, um die Lichtverschwendung zu eliminieren, die entstehen würde, wenn der räumliche Modulator das Quellenlicht zwischen den Fasereingängen bewegt. Außerdem kann durch die Modulation des Lichtpegels eine weitere Ebene der selektiven Abstimmung der in die verschiedenen Transportfasern eingekoppelten Lichtmenge erreicht werden. Dieses Merkmal ermöglicht die Fähigkeit, die Lichtpegel an den unabhängigen Beleuchtungspositionen, die von den Transportfasern gespeist werden, selektiv zu dimmen und aufzuhellen.
In einem weiteren Beispiel für ein laserbasiertes Weißlichtsystem mit geringem Energieverbrauch ist das System mit einer räumlichen Modulationsfähigkeit konfiguriert, um die Weißlichtquelle selektiv in mehrere Transportfasern zu leiten und optisch einzukoppeln, mit der Fähigkeit zur Amplitudenmodulation des Ausgangs der laserbasierten Weißlichtquelle und mit einem optionalen optischen Schaltmodul, das aus analogen Schaltern besteht, die sich auf verschiedenen Ebenen öffnen und schließen können, um einen Bereich von Weißlichtmengen durchzulassen und an den gewünschten Beleuchtungsort zu liefern. Durch Einstellen des räumlichen Modulationsabtastmusters und der Eigenschaften [z. B. Abtastfrequenz und Wiederholungsrate] zusammen mit der Amplitude des von der laserbasierten Weißlichtquelle erzeugten Lichts und den analogen Schaltern in jedem der optischen Pfade zu den mehreren Beleuchtungsorten kann die gewünschte Lichtmenge mit optimierter Effizienz an die Beleuchtungsorte geliefert werden.
In einem konkreten Beispiel der vorliegenden Ausführungsform werden zwei Einsatzbedingungen skizziert, um zu verdeutlichen, wie ein solches System die Energieeffizienz optimieren kann. Im ersten Szenario besteht ein hoher Bedarf an Gesamtlicht von der zentralen Beleuchtungsanlage. Ein Beispiel für eine Zeit mit hohem Lichtbedarf könnten die frühen Abendstunden sein, kurz nachdem die Sonne untergegangen ist und die Menschen noch gut wach sind, entweder bei der Arbeit, in ihrem Zuhause oder beim Einkaufen oder bei Unterhaltungsangeboten. Während dieses ersten Szenarios, in dem ein hoher Lichtbedarf besteht, würde vielleicht jeder Raum im Haus oder Gebäude, der mit dem zentralen Beleuchtungssystem ausgestattet ist, eine hohe Beleuchtungsstärke benötigen. In dieser Konfiguration würde die Eingangsleistung der einen oder mehreren laserbasierten Weißlichtquellen auf einen hohen Pegel aufgedreht, zum Beispiel in die Nähe eines maximalen Nennpegels, und der räumliche Modulator würde das von der einen oder den mehreren Weißlichtquellen erzeugte Versorgungsweißlicht über das gesamte Feld einschließlich der optischen Kopplungspfade zu den Transportfasern abtasten, um Licht an alle Beleuchtungsorte zu liefern. Durch Einstellen einer Kombination aus der räumlichen Modulationsabtastcharakteristik, einem Amplitudenmodulationsmuster an den laserbasierten Weißlichtquellen und den analogen Schaltern an jeder der Transportfasern kann der genaue Pegel des gewünschten Lichts an jede unabhängige Beleuchtungsstelle geliefert werden. In einem zweiten Szenario wird ein Zwischenlevel an Licht in der Wohnung gewünscht. Ein Beispiel für eine solche Zwischenzeit kann die Zeit nach dem Abendessen und vor dem Schlafengehen sein, wenn viele Lichter in der Wohnung nicht benutzt werden, es noch einige aktive Räume in der Wohnung gibt und einige Räume, in denen nur ein geringes Lichtniveau gewünscht ist, wie z. B. ein Leselicht. In diesem Szenario würde die räumliche Abtastcharakteristik des Raummodulators und/oder das Amplitudenmodulationsmuster der Weißlichtquelle so modifiziert, dass kein Licht in das räumliche Feld gelenkt wird, das die optischen Kopplungseingänge für die Transportfasern enthält, die die Beleuchtungsorte versorgen, an denen kein Licht gewünscht ist. Darüber hinaus könnten die optischen Schalter zu diesen Stellen abgeschaltet werden, um ein zu geringes Licht zu verhindern. Die eingestellte räumliche Modulationscharakteristik und/oder das eingestellte Weißlicht-Amplitudenmodulationsmuster würden dem räumlichen Feld, das die Eingangskopplungspfade für die Transportfasern enthält, die die Beleuchtungsorte speisen, in denen hohe und niedrige Beleuchtungspegel erwünscht sind, Eingangsquellenlicht zuführen. Die optischen Schalter an jedem der Transportfaserkanäle könnten eine Feinabstimmung der Lichtpegel vornehmen.
32 zeigt eine schematische Darstellung eines laserbasierten Weißlichtsystems mit einer schnell schaltenden optischen Schalteinheit gemäß einer speziellen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Wie in der 32 zu sehen ist, ist die laserbasierte Weißlichtquelle 4310 in einem Gehäuseteil 4305 eingeschlossen. Die Weißlichtquelle 4310 ist so konfiguriert, dass sie einen elektrischen Eingang 4001 (einschließlich Leistungs- und Steuersignale) empfängt, um die Weißlichtemission zu aktivieren und zu erzeugen. Optional enthält die Weißlichtquelle 4310 einen elektrischen Treiber oder ein Leiterplattenelement, das so konfiguriert ist, dass es den elektrischen Eingang 4001 aufbereitet. Die Weißlichtemission von der laserbasierten Quelle 4310 wird optional mit optionalen optischen Elementen 4315 wie Kollimationslinsenelementen und/oder Fokussierungslinsenelementen geformt. Die Weißlichtemission ist über die optische Anschlusseinheit 4320 mit einem optionalen optischen Versorgungselement 4340 gekoppelt. Das optische Versorgungselement 4340 ist dazu konfiguriert, das Weißlicht 4002 von der Weißlichtquelle 4310 zum optischen Schaltmodul 4350 zu transportieren. Das optische Zuführungselement 4340 ist so konfiguriert, dass es in einem Längenbereich von sehr kurzen Längen von etwa 1 mm bis zu viel längeren Längen von 10 Metern oder mehr liegt. Das optische Versorgungselement 4340 kann aus einem Lichtleiter, wie z. B. einem massiven Wellenleiter, einer optischen Faser, die aus einem Glas- oder Kunststoffmaterial oder einem anderen Material gebildet ist, einem Bündel von optischen Fasern konfiguriert werden, oder könnte aus einer Freiraumkonstruktion konfiguriert werden. Optional ist das optische Versorgungselement 4340 konfiguriert, um das weiße Licht 4002 an ein optisches Schaltmodul 4350 zu liefern. Optional ist das optische Schaltmodul 4350 ein schnelles optisches Schaltmodul, das so konfiguriert ist, dass es das zugeführte weiße Licht 4002 an ein Netzwerk von optischen Transportfasern 4330 weiterleitet. Die optischen Transportfasern 4330 sind so konfiguriert, dass sie das weiße Licht 4003 verteilen und an die gewünschten Beleuchtungsbereiche liefern.
Im Beispiel gemäß 32 verwendet das schnelle optische Schaltmodul 4350 einen MEMS-Spiegel, um das zugeführte weiße Licht 4002 zu reflektieren und direkt zu den Eingängen der optischen Transportfasern 4330 zu leiten. Die optischen Transportfasern 4330 können in 1-dimensionalen Arrays oder 2-dimensionalen Arrays konfiguriert sein. Optional kann der MEMS-Spiegel so konfiguriert werden, dass er auf einer Achse des ID-Arrays der optischen Fasern 4330 abtastet, oder er kann für eine biaxiale Abtastung konfiguriert werden, um 2D-Arrays optischer Transportfasern 4330 zu versorgen. Durch Betätigung des scannenden MEMS-Spiegels in verschiedene Positionen, wie z. B. 01, 02, 03, wird das zugeführte weiße Licht 4002 ordnungsgemäß in verschiedene Richtungen 01', 02', 03' reflektiert, was zu unterschiedlichen Eingängen der optischen Transportfasern 4330 führt. Daher entsprechen unterschiedliche Auslenkungsgrade des Abtastspiegels der Einkopplung von Licht in unterschiedliche Eingänge der Transportfasern und steuern somit die Zufuhr von Licht zu den Transportfasern 4330. Durch die schnelle Umschaltung des MEMS-Scannerspiegels in Kombination mit der Möglichkeit, den Amplitudenpegel des Eingangsweißlichts durch Modulation der laserbasierten Weißlichtquelle 4310 gleichzeitig zu modulieren, kann der genaue Lichtpegel zu jedem optischen Transportfasereingang präzise gesteuert werden. Gemäß dieser Ausführungsform kann der Lichtpegel an jedem Beleuchtungsort präzise gesteuert werden. In einigen Beispielen des laserbasierten Weißlichtsystems, das ein optisches Schaltmodul 4350 enthält, kann ein Weißlichtversorgungselement 4340 nicht enthalten sein, wobei das Weißlicht 4002 von der laserbasierten Weißlichtquelle 4310 direkt in das Schaltmodul 4350 eingekoppelt wird.
Optional kann das in 32 enthaltene Schnellschaltmodul MEMS-Bauteile, wie z. B. scannende Mikrospiegel, enthalten, die in digitale Lichtverarbeitungschips (DLP) integriert sind, einschließlich Arrays von Mikrospiegeln, die das laserbasierte Beleuchtungslicht zum entsprechenden Empfänger oder zum vorgesehenen Beleuchtungsbereich ablenken können. In einigen Ausführungsformen sind mehrere Scanning-Spiegel enthalten. In anderen Ausführungsformen werden Scanning-Spiegel mit anderen Schalttechnologien kombiniert, z. B. mit Spiegelarrays wie DMD- oder DLP-Technologien. In wieder anderen Ausführungsformen werden verschiedene schnelle Schalttechnologien verwendet.
In einem weiteren Beispiel der optischen Schaltsystemkonfigurationen gemäß der vorliegenden Erfindung, das optische Schaltmodul gemäß der vorliegenden Erfindung, umfasst piezoelektrische Strahlsteuerungsvorrichtungen, die piezoelektrische Keramik-Funktion, um die laserbasierte Beleuchtungslicht auf den entsprechenden Empfänger oder bezeichneten Beleuchtungsbereich zu richten. In weiteren Beispielen des optischen Schaltsystems gemäß der vorliegenden Erfindung, Scannen Faserspitze Technologie, MikroPositionierer, Inkjet-Verfahren, die die Kreuzung von zwei Wellenleitern, FlüssigkristallTechnologie wie Flüssigkristall auf Silizium (LCOS), thermische Methoden, akusto-optische, magneto-optische Technologie Ansätze Funktion, um die Laser-basierte Beleuchtungslicht auf den entsprechenden Empfänger oder bezeichneten Beleuchtungsbereich zu lenken. In einigen Ausführungsformen sind Kombinationen aus verschiedenen Schalttechnologien enthalten.
In verschiedenen Ausführungsformen gemäß der vorliegenden Erfindung ist das laserbasierte Weißlichtsystem für eine intelligente Beleuchtungsfähigkeit konfiguriert. In einem Beispiel kann durch die Ausstattung des laserbasierten zentralen Beleuchtungssystems mit Sensoren zur Rückmeldung, um die Beleuchtung basierend auf der besagten Sensorrückmeldung anzupassen, ein intelligentes Beleuchtungssystem realisiert werden. In diesem Beispiel können photovoltaische Lichtsensoren verwendet werden, um die Beleuchtung bei Umgebungslicht auszuschalten oder bei Dunkelheit einzuschalten. Zusätzlich könnten Bewegungssensoren IR-Sensoren verwendet werden, um die Anwesenheit von Menschen zu erkennen und die Beleuchtung des Bereichs nur dann zu aktivieren, wenn sie benötigt wird. In einem weiteren Beispiel eines intelligenten Beleuchtungssystems, das auf laserbasiertem Weißlicht basiert, kann das laserbasierte Weißlichtsystem gemäß der vorliegenden Erfindung ein intelligentes Beleuchtungssystem sein, indem es als Kommunikationssystem für sichtbares Licht zur Übertragung von Daten wie LiFi dient.
Die vorliegende Offenbarung stellt ein intelligentes Beleuchtungssystem oder eine intelligente Beleuchtungsvorrichtung bereit, die mit verschiedenen sensorbasierten Rückkopplungsschleifen konfiguriert ist, die mit gallium- und stickstoffhaltigen Laserdioden integriert sind, die auf einem übertragenen gallium- und stickstoffhaltigen Materiallaserprozess und Verfahren zur Herstellung und Verwendung davon basieren. Lediglich als Beispiele bietet sich die Erfindung ferner für Remote-und integrierte intelligente Laserbeleuchtungsgeräte und Methoden, Projektion Displays und räumlich dynamische Beleuchtungsgeräte und Methoden, LIDAR, LiFi und sichtbares Licht Kommunikationsgeräte und Methoden, und verschiedene Kombinationen von oben in Anwendungen der allgemeinen Beleuchtung, kommerzielle Beleuchtung und Displays, Fahrzeugbeleuchtung und Kommunikation, Verteidigung und Sicherheit, industrielle Verarbeitung und Internetkommunikation, und andere an.
Das laserbasierte Weißlichtsystem gemäß der vorliegenden Offenbarung kann eine smarte oder intelligente Beleuchtungsfunktion enthalten. Eine solche smarte oder intelligente Funktion kann Merkmale und Funktionen umfassen, wie z. B. Sensoren für Feedback, Reaktionsantworten basierend auf Sensorfeedback oder anderen Eingaben, Speichervorrichtungen, zentrale Verarbeitungseinheiten und andere Prozessoren, die Algorithmen ausführen können, künstliche Intelligenz (AI), Konnektivität, wie z. B. im Internet der Dinge (IOT), Datenübertragung, z. B. unter Verwendung einer sichtbaren Lichtkommunikation (VLC) oder LiFi, Datenempfang, z. B. mit Fotodetektoren oder anderen Sensoren, Kommunikation, Abtastung, z. B. Entfernungsmessung oder 3D-Bildgebung, LIDAR, zeitliche oder räumliche Modulation, eine dynamische räumliche Modulation, Farbabstimmungsfähigkeiten, Helligkeitsniveau und Musterfähigkeit und jede Kombination dieser Merkmale und Funktionen, einschließlich anderer. Beispiele sind in der US-Anmeldung Nr. 15/719,455 , eingereicht am 28. September 2017, enthalten, deren gesamter Inhalt durch Bezugnahme in vollem Umfang für alle Zwecke hier aufgenommen wird.
In einigen Ausführungsformen ist die Lichtquelle des laserbasierten fasergekoppelten Weißlichtsystems für die Kommunikation mit sichtbarem Licht oder LiFi-Kommunikation konfiguriert. Optional enthält die Lichtquelle einen Controller, der ein Modem und einen Treiber umfasst. Das Modem ist konfiguriert, um ein Datensignal zu empfangen. Der Controller ist konfiguriert, um ein oder mehrere Steuersignale zu erzeugen, um den Treiber zu betreiben, um einen Treiberstrom und ein Modulationssignal basierend auf dem Datensignal zu erzeugen. In einer Konfiguration wird das elektrische Modulationssignal mit der Laserdiodenvorrichtung in der laserbasierten Weißlichtquelle gekoppelt, um den Laser entsprechend dem Signal anzusteuern und ein entsprechendes optisches Ausgangssignal von der Laserdiode zu erzeugen. In einem Beispiel, in dem die laserbasierte Weißlichtquelle eine Gallium und Stickstoff enthaltende Diode, die im violett/blauen Wellenlängenbereich von 400-480 nm arbeitet, und ein als Wellenlängenumwandlungselement dienendes Leuchtstoffelement umfasst, würde das Modulationssignal hauptsächlich durch die violett/blaue direkte Diodenwellenlänge von der Lichtquelle zu einem Empfangselement übertragen.
Optional bezieht sich der hier verwendete Begriff „Modem“ auf ein Kommunikationsgerät. Die Vorrichtung kann auch eine Vielzahl anderer Datenempfangs- und -übertragungsvorrichtungen für drahtlose, drahtgebundene, kabelgebundene oder optische Kommunikationsverbindungen sowie eine beliebige Kombination davon umfassen. In einem Beispiel kann die Vorrichtung einen Empfänger mit einem Sender oder einen Transceiver mit geeigneten Filtern und analogen Frontends umfassen. In einem Beispiel kann das Gerät mit einem drahtlosen Netzwerk gekoppelt sein, wie z. B. einem vermaschten Netzwerk, einschließlich Zigbee, Zeewave und anderen. In einem Beispiel kann das drahtlose Netzwerk auf einem 802.11-Funkstandard oder Äquivalenten basieren. In einem Beispiel kann das drahtlose Gerät auch eine Schnittstelle zu Telekommunikationsnetzwerken, wie 3G, LTE, 5G und anderen, aufweisen. In einem Beispiel kann das Gerät eine Schnittstelle zu einer physikalischen Schicht wie Ethernet oder anderen haben. Das Gerät kann auch eine Schnittstelle zu einer optischen Kommunikation einschließlich eines Lasers haben, der mit einer Antriebsvorrichtung oder einem Verstärker gekoppelt ist. Natürlich kann es auch andere Variationen, Modifikationen und Alternativen geben.
In einigen Ausführungsformen des laserbasierten fasergekoppelten Weißbeleuchtungssystems gemäß der vorliegenden Offenbarung umfasst das Beleuchtungssystem einen oder mehrere Sensoren, die in einer mit dem Controller gekoppelten Rückkopplungsschleifenschaltung konfiguriert sind. Der eine oder die mehreren Sensoren sind so konfiguriert, dass sie einen oder mehrere Rückkopplungsströme oder - spannungen basierend auf den verschiedenen Parametern, die mit dem in Echtzeit detektierten Ziel von Interesse verbunden sind, an den Controller liefern, wobei eine oder mehrere Reaktionen aus Lichtbewegung, Lichtfarbe, Lichthelligkeit, räumlichem Lichtmuster und Datensignalkommunikation ausgelöst werden.
Optional umfassen der eine oder die mehreren Sensoren einen oder eine Kombination mehrerer Sensoren, ausgewählt aus Mikrofon, Geophon, Bewegungssensor, RFID-Empfängern (Radio Frequency Identification), Hydrophon, chemischen Sensoren einschließlich eines Wasserstoffsensors, CO2-Sensors oder elektronischen Nasensensors, Durchflusssensor, Wasserzähler, Gaszähler, Geigerzähler, Höhenmesser, Fluggeschwindigkeitssensor, Geschwindigkeitssensor, Entfernungsmesser, piezoelektrischer Sensor, Gyroskop, Trägheitssensor, Beschleunigungsmesser, MEMS-Sensor, Hall-Effekt-Sensor, Metalldetektor, Spannungsdetektor, fotoelektrischer Sensor, Fotodetektor, Fotowiderstand, Drucksensor, Dehnungsmessstreifen, Thermistor, Thermoelement, Pyrometer, Temperaturmessgerät, Bewegungsdetektor, passiver Infrarotsensor, Dopplersensor, Biosensor, Kapazitätssensor, Videokameras, Wandler, Bildsensor, Infrarotsensor, Radar, SONAR, LIDAR.
Optional ist der eine oder die mehreren Sensoren in der Rückkopplungsschleifenschaltung konfiguriert, um einen Rückkopplungsstrom oder eine Rückkopplungsspannung bereitzustellen, um ein Steuersignal zum Betreiben des Treibers abzustimmen, um Helligkeit und Farbe der gerichteten elektromagnetischen Strahlung vom Lichtemitter an einem Beleuchtungsort einzustellen, der mit dem einen oder den mehreren Sensoren korreliert.
Optional ist der eine oder die mehreren Sensoren in der Rückkopplungsschleifenschaltung so konfiguriert, dass sie einen Rückkopplungsstrom oder eine Rückkopplungsspannung bereitstellen, um ein Steuersignal zum Betreiben des optischen Strahlsteuerungselements abzustimmen, um eine räumliche Position und ein räumliches Muster einzustellen, das von dem Strahl des Weißfarbspektrums beleuchtet wird.
Optional ist der eine oder die mehreren Sensoren in der Rückkopplungsschleifenschaltung so konfiguriert, dass sie einen Rückkopplungsstrom oder eine Rückkopplungsspannung an den Controller zurücksenden, um den Treiberstrom und das Modulationssignal zu ändern, um das Datensignal zu ändern, das durch mindestens einen Teil der gerichteten elektromagnetischen Strahlung, die durch das Modulationssignal moduliert wird, übertragen werden soll.
Optional ist der Controller ferner so konfiguriert, dass er Steuersignale bereitstellt, um den Strahlformer zur dynamischen Modulation des Weißfarbspektrums basierend auf der Rückmeldung von dem einen oder den mehreren Sensoren abzustimmen.
Optional ist der Controller ein Mikroprozessor, der in einem Smartphone, einer Smartwatch, einem computergestützten Wearable Device, einem Tablet-Computer, einem Laptop-Computer, einem in einem Fahrzeug eingebauten Computer oder einer Drohne angeordnet ist.
In einigen Ausführungsformen ist das intelligente Beleuchtungssystem sowohl mit Sensoren für Rückkopplungsschleifen als auch mit einer Kommunikationsfunktion wie LiFi oder VLC ausgestattet. 33 zeigt eine schematische Darstellung eines intelligenten Beleuchtungssystems gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Das intelligente Beleuchtungssystem umfasst eine laserbasierte fasergekoppelte Weißlichtquelle, die sowohl mit Sensoren für Rückkopplungsschleifen als auch mit einer Kommunikationsfunktion ausgestattet ist. Wie in 33 gezeigt, umfasst das System eine oder mehrere laserbasierte Weißlichtquellen 4401, wobei das Weißlicht mit optischen Transportfasern 4403 an einen oder mehrere Beleuchtungsorte geliefert wird. Die optischen Transportfasern 4403 sind so konfiguriert, dass sie das weiße Licht zu passiven Leuchtelementen 4410 leiten, die das Licht ebenfalls formen oder mustern und es auf entsprechende Beleuchtungsziele richten. Das laserbasierte, fasergekoppelte Weißlichtsystem gemäß 33 umfasst auch Sensoren 4406, die mit den Fasern 4403 gekoppelt und in der Nähe der einen oder mehreren Beleuchtungsstellen positioniert sind. Diese Sensoren 4406 sind so konfiguriert, dass sie gewünschte Merkmale der Umgebung oder Situation erfassen, wie z. B. Temperatur, Bewegung, Umgebungslichtpegel, Belegung des Bereichs, Profil oder Merkmale der Belegung, Status einer Situation oder andere, die jedes mögliche Merkmal umfassen könnten, das erfasst werden kann. Die Sensorsignale sind mit einer Verbindung zu einer Verarbeitungseinheit 4408 konfiguriert. Die Verbindung der Sensoren 4406 mit der Verarbeitungseinheit 4408 könnte mit einer verdrahteten Leitung 4407, wie einem elektrischen Kabel oder einem optischen Kabel, oder durch eine drahtlose Übertragung realisiert werden. Die Verarbeitungseinheit 4408 ist dann so konfiguriert, dass sie die Sensoreingangsdaten interpretiert und eine Rückmeldung 4409 an die laserbasierte Weißlichtquelle 4401 gibt. Wenn bestimmte Sensorsignale erkannt werden, löst die Verarbeitungseinheit 4408 bestimmte Rückmeldungen aus, um den Betrieb der laserbasierten Weißlichtquelle 4401 zu steuern. Diese Befehle umfassen das Erhöhen oder Verringern der an den Beleuchtungsbereich gelieferten Lichtmenge, das Ändern der Farbtemperatur oder des CRI des Lichts, das Ändern des räumlichen Musters des Lichts oder andere mögliche Reaktionen.
Das laserbasierte, fasergekoppelte Weißlichtsystem in 33 umfasst auch eine Kommunikationsfunktion zur Bereitstellung eines Kommunikationssignals 4420. Die eine oder mehreren laserbasierten Weißlichtquellen 4401 werden mit Daten moduliert oder kodiert, die an einen oder mehrere Beleuchtungsorte abgegeben oder projiziert werden sollen. In einigen Ausführungsformen werden verschiedene Datenströme an verschiedene Orte oder Beleuchtungsorte geliefert, indem sie auf verschiedenen laserbasierten Weißlichtquellen 4401 kodiert werden, die jeweils so konfiguriert sind, dass sie Licht an die verschiedenen Orte liefern. Optional werden die verschiedenen Datenströme durch Kodierung auf einer Lichtquelle bereitgestellt, jedoch durch eine Hochgeschwindigkeits-Schaltfunktionseinheit (nicht dargestellt), um an die jeweiligen verschiedenen Orte zu liefern. Optional kann das Kommunikationsschema eine LiFi oder eine VLC Kommunikation sein. Optional wird die Kommunikation mit Datenraten von >0,5 Gb/s, > 1 Gb/s, >5 Gb/s, > 10 Gb/s oder größer als 50 Gb/s betrieben. In einigen Ausführungsformen liefern die Sensoren 4406 ein Rückmeldesignal an die Verarbeitungseinheit 4408, das eine Änderung des Kommunikationssignals 4420 auslöst. In einem Beispiel könnten, wenn bestimmte elektronische Geräte, Objekte oder Lebewesen wie Menschen oder Tiere von den Sensoren 4406 erkannt werden, bestimmte Kommunikationssignale 4420 ausgelöst werden, um übertragen zu werden.
Natürlich kann es viele Variationen in der in 33 gezeigten Ausführungsform des intelligenten Beleuchtungssystems geben. In einigen Implementierungen sind die Sensoren ohne die Kommunikationsfunktion enthalten. In anderen Ausführungsformen ist die Kommunikationsfunktion ohne die Sensorelemente enthalten. In wieder anderen Implementierungen sind weitere Funktionen enthalten, z. B. kann das System einen Konnektivitäts-Hub für das Internet der Dinge bereitstellen.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist die vorliegende Erfindung mit einer laserbasierten fasergekoppelten Weißlichtquelle in einer architektonischen Beleuchtungsvorrichtung konfiguriert. Optional ist die Beleuchtungsvorrichtung mit dem verteilten oder zentralen Beleuchtungssystem gemäß der vorliegenden Offenbarung verbunden. In einem Beispiel umfasst die architektonische Beleuchtungsvorrichtung eine passive Leuchte. Die passive Leuchte ist so konfiguriert, dass sie das weiße Licht formt, das weiße Licht mustert oder einen gewünschten Lichteffekt erzeugt. Die passive Leuchte kann Funktionen und Designs zur Streuung des weißen Lichts, zur Reflexion des weißen Lichts, zur Wellenleitung des weißen Lichts, zur Verteilung des weißen Lichts, zur Änderung der Farbtemperatur des weißen Lichts, zur Änderung der Farbwiedergabecharakteristik des weißen Lichts, zur Erzeugung von Verteilungsmustern mit variierter Farbe, Helligkeit oder anderen Charakteristiken, anderen Effekten oder einer Kombination umfassen.
In einer Ausführungsform ist eine Beleuchtungsvorrichtung mit einer lasergesteuerten Leuchtstoff-Lichtquelle mit hoher Leuchtdichte konfiguriert, die mit einem faseroptischen Kabel gekoppelt ist. Optional ist das Lichtwellenleiterkabel am oberen Ende der Vorrichtung angeordnet. Die Beleuchtungsvorrichtung in dieser Konfiguration und Funktionalität wird als aktive Baugruppe oder Light Engine bezeichnet. Das Licht wandert entlang der Länge des Glasfaserkabels nach unten und tritt an einem unteren Ende des Kabels aus, wo eine optische Baugruppe eingekoppelt ist. Diese optische Baugruppe am unteren Ende wird als passive Baugruppe bezeichnet. Die gesamte Länge der Beleuchtungsvorrichtung ist dazu bestimmt, an einem architektonischen Element aufgehängt zu werden und erstreckt sich durch die Schwerkraft nach unten. Optional wird die gesamte Beleuchtungsvorrichtung als Pendelleuchte bezeichnet.
In einem Beispiel einer aktiven Baugruppe sind der Laser und der Leuchtstoff in einem oberflächenmontierten Bauteil (SMD) angeordnet, das auf einer gedruckten elektrischen Leiterplatte montiert ist, so dass die Vorrichtung von außen mit Strom versorgt werden kann. Das optische SMD-Fenster ist in der Nähe von optischen Linsen angeordnet, die die maximale praktische Lichtmenge sammeln und das Licht in das obere Ende des Glasfaserkabels leiten. Da die Lichtquelle sehr klein ist, können auch die optische Baugruppe und das Gehäuse recht klein sein, in der Größenordnung von 3 cm Durchmesser oder weniger.
Da die laserbetriebene Leuchtstoff-Lichtquelle mit hoher Leuchtdichte sehr klein ist, kann das Glasfaserkabel auch einen kleinen Durchmesser haben, 1 mm oder weniger, während es immer noch einen großen Teil des gesamten Lichts von der Quelle transportiert. Alternativ kann ein größeres Glasfaserkabel das Licht sammeln und dann in zwei oder mehr Kabel aufgeteilt werden, die alle ihren Teil des Lichts transportieren. Auf diese Weise kann eine Light Engine potenziell mehrere Glasfaserkabel für verschiedene Pendelleuchten mit Licht versorgen. Optional kann das Lichtleiterkabel aus Glas oder transparentem Kunststoff wie Acryl (PMMA) oder Polycarbonat bestehen. Das Glasfaserkabel kann eine beliebige Länge haben, wobei in Beleuchtungsanwendungen die Länge typischerweise von der Decke oder dem Balken bis zu einer Arbeitsfläche oder ein bis zehn Meter beträgt. Die Pendelleuchten können auch im Freien an einem Gebäudeelement, einer Traverse oder einem Mast angebracht werden. Optional kann die Lichtemission durch Einschlüsse innerhalb einer transparenten Faser gestreut werden, so dass sie aus der zylindrischen Oberfläche der Faser austritt. Auf diese Weise scheint die Faser ganz oder teilweise zu leuchten, um einen dekorativen oder beleuchtungstechnischen Effekt zu erzielen. Optional kann das Glasfaserkabel auch nur das Licht zum unteren Ende transportieren und kann auch ummantelt oder beschichtet sein, so dass es dunkel oder in einer anderen Farbe erscheint. Während die Schwerkraft allein dazu führt, dass das Kabel gerade ist und nach unten zeigt, können zusätzliche Rahmen und Strukturen angebracht werden, um dem Lichtwellenleiter eine Kurve, Form oder Gestalt zu geben, bei der das untere oder distale Ende noch nach unten oder in eine andere Richtung zeigen kann.
Optional kann das untere Ende des Glasfaserkabels mit einem Stecker mit Schraubgewinde oder Bajonettverschluss oder einer anderen Art von Anschlussmechanismus versehen werden, wodurch ein optisches Element angebracht werden kann. Ein oder mehrere optische Elemente und die passive Baugruppe können aus einer Linse und einem Gehäuse bestehen, so dass das Licht auf die Arbeitsfläche gerichtet ist. Alternativ können die optischen Elemente das Licht seitlich mit Linsen oder dekorativen Elementen oder einer Kombination davon streuen. Da diese optischen Elemente das Licht von einem Glasfaserkabel mit kleinem Durchmesser sammeln, kann die passive Baugruppe so konfiguriert werden, dass sie sehr klein ist, 3 cm oder weniger, und dennoch einen großen Teil des emittierten Lichts lenkt oder auch einen geraden schmalen kollimierten Strahl im Beispiel der gerichteten Beleuchtung erzeugt. Alternativ kann die passive Baugruppe so gestaltet werden, dass sie wie eine herkömmliche Beleuchtungsvorrichtung oder Glühbirne aussieht, wie z. B. ein Stromschienenkopf, eine MR-16-Lampe, eine dekorative Kerzenlampe, eine Gebrauchs- oder Grobbetriebslampe, ein Kronleuchter oder eine herkömmliche Glühbirne. Im Gegensatz zu diesen konventionellen Lampen enthält das Innere der passiven Baugruppe jedoch keine elektrischen Teile, die ausfallen oder Wärme erzeugen können.
Eine schematische Darstellung einer Pendelleuchte, die mit einer laserbasierten Weißlichtquelle gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung beleuchtet wird, ist in 34 dargestellt. Wie in der Figur gezeigt, ist die laserbasierte Lichtquelle 4500 entfernt von dem passiven Leuchtelement 4530 angeordnet, befindet sich aber dennoch in der Nähe der Leuchte, um eine Pendelleuchte zu bilden. Beispielsweise kann die laserbasierte Weißlichtquelle 4500 innerhalb von wenigen Zentimetern, bis zu einigen Metern, bis zu 10-100 Metern von dem Leuchtelement 4530 entfernt angeordnet sein. Darüber hinaus ist die laserbasierte Weißlichtquelle 4500 so konfiguriert, dass sie nur ein diskretes Leuchtelement 4530 mit Licht versorgt, das nicht Teil eines größeren Laser-Weißlichtverteilungssystems ist. Die laserbasierte Weißlichtquelle ist eine Light Engine, wie oben beschrieben, mit einer SMD-Laser- und Leuchtstoffkomponente 4501, die auf einer Leiterplatte ausgebildet ist, und einem Satz von faseroptischen Koppellinsen 4505. Die laserbasierte Weißlichtquelle ist eine Light Engine 4500, die optisch mit einem Glasfaserkabel 4510 gekoppelt ist, so dass das Weißlicht so geführt wird, dass es die passive Leuchte 4530 erreicht. In einem Beispiel kann das Glasfaserkabel 4510 eine Transportfaser sein, so dass das weiße Licht mit einem im Wesentlichen hohen Kopplungswirkungsgrad von mehr als 20 % bis zu 90 % von der laserbasierten Weißlichtquelle 4500 zu der passiven Leuchte bzw. Leuchtkörper 4530 für eine gerichtete oder gleichmäßige Lichtausleuchtung 4535 geführt wird. In einem anderen Beispiel ist der Lichtwellenleiter 4510 mit streuenden Elementen konfiguriert, um eine undichte Faser zu erzeugen, so dass die Faser selbst das weiße Licht 4515 emittiert und „leuchtet“. In einem weiteren Beispiel ist der Lichtwellenleiter 4510 aus mehreren Abschnitten mit unterschiedlichen Leit- und Streueffekten aufgebaut. Wie in 34 gezeigt, könnte die passive optische Leuchte 4530 mit einem Stecker 4520 konfiguriert sein, um an das Glasfaserkabel 4510 angeschlossen zu werden. Dies würde in jedem Fall einen einfachen Austausch der passiven Leuchte 4530 ermöglichen. Der Stecker 4520 könnte ein Gewindestecker sein, wie z. B. ein SMA, könnte aber auch andere Stecker sein, wie z. B. Schnappstecker.
optische Baugruppe der Pendelleuchte ist viel kleiner als bei herkömmlichen Pendelleuchten. Die Lichtmaschine, die Faser und die passive Baugruppe haben ein feines und minimal invasives Aussehen, während sie immer noch effektiv und attraktiv leuchten. Die gesamte (sowohl aktive als auch passive) Baugruppe ist außerdem leichter und benötigt weniger mechanische Unterstützung. Die passive Baugruppe hat keine elektrischen oder beweglichen Teile, so dass sie zuverlässiger und weniger anfällig für Beschädigungen ist, obwohl sie sich in der Nähe der Arbeitsfläche befindet. Die Lichtmaschine oder aktive Baugruppe ist relativ weit vom Arbeitsbereich entfernt und kann so angeordnet werden, dass sie bequemer gewartet werden kann, ohne Hindernisse im Arbeitsbereich zu erzeugen.
In einigen Ausführungsformen ist die passive Leuchte in einem laserbasierten Beleuchtungssystem konfiguriert, wobei das laserbasierte Weißlicht von einer entfernten Weißlichtquelle, die sich an einem bestimmten Quellenort befindet, zur passiven Leuchte transportiert wird. 35 zeigt eine schematische Darstellung einer Pendelleuchte, die mit einer entfernten laserbasierten Weißlichtquelle gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung beleuchtet wird. Wie in der 35 dargestellt, wird das passive Leuchtelement 4630 von einer Weißlichtquelle (nicht dargestellt) gespeist, die Teil eines größeren laserbasierten Weißlichtverteilungssystems ist. Die Weißlichtquelle kann beispielsweise einige Meter von dem passiven Leuchtelement 4630 entfernt sein, sie kann sich in einer Entfernung von 10 bis 100 Fuß befinden, oder in einer Entfernung von mehr als 100 Fuß oder 1000 Fuß von der Beleuchtungsquelle 4630. Darüber hinaus kann die laserbasierte Weißlichtquelle so konfiguriert sein, dass sie nur viele Beleuchtungsorte innerhalb eines größeren Laser-Weißlichtverteilungssystems versorgt. In diesem Beleuchtungssystem wird das laserbasierte Weißlicht von einer oder mehreren Quellen an mehrere Beleuchtungsorte verteilt.
Bezugnehmend auf 35 ist die laserbasierte Lichtquelle an einem zentralen Ort konfiguriert, um das weiße Licht 4601 zu liefern. Optional stellen eine oder mehrere Weißlichtquellen das Weißlicht 4601 für ein Netzwerk von Beleuchtungsbereichen bereit, das eine Vielzahl von passiven optischen Elementen wie eine Pendelleuchte 4630 umfasst, wie in 35 gezeigt. Die laserbasierte Weißlichtquelle ist optisch mit einem Lichtwellenleiter 4611 gekoppelt, so dass das Weißlicht 4601 so geführt wird, dass es die passive Leuchte 4630 erreicht. Optional ist das Lichtleiterkabel 4611 eine Transportfaser, die über einen Stecker 4621 mit einem zweiten Lichtleiterkabel 4612 gekoppelt ist. Das zweite Lichtleiterkabel 4612 ist so konfiguriert, dass es das weiße Licht direkt an die passive Leuchte 4630 liefert. In einem Beispiel kann das zweite optische Faserkabel 4612 auch eine Transportfaser sein, so dass im Wesentlichen das gesamte Licht von der Laserlichtquelle zu der passiven Leuchte 4630 geleitet wird. In einem anderen Beispiel ist das zweite optische Faserkabel 4612 mit Streuelementen konfiguriert, um eine undichte Faser zu erzeugen, so dass die Faser selbst weißes Licht aussendet und „leuchtet“. In einem weiteren Beispiel besteht das zweite Lichtwellenleiterkabel 4612 aus mehreren Abschnitten mit unterschiedlichen Leit- und Streueffekten. Wie in 35 gezeigt, könnte die passive optische Leuchte 4630 mit einem Stecker 4622 konfiguriert sein, um an das zweite Lichtleitfaserkabel 4612 angeschlossen zu werden. Dies würde ein einfaches Auswechseln der passiven Leuchte 4630 gegen eine neue Leuchte oder einen anderen Leuchtentyp oder die Durchführung von Wartungsarbeiten an der passiven Leuchte 4630 ermöglichen. Der Steckverbinder 4622 könnte ein Gewindestecker sein, wie z. B. ein SMA, es könnten aber auch andere Steckverbinder sein, wie z. B. Snap-in-Steckverbinder.
Die Ausführungsformen der passiven Leuchten, die durch das fasergekoppelte Weißlichtsystem ermöglicht werden, bieten eine noch nie dagewesene Flexibilität, die sich auf viele Vorteile und Formfaktoren erstrecken kann. Ein Hauptvorteil ist, dass bei der passiven Leuchte die Elektronik, die Kühlkörper und andere Komponenten nicht in das sichtbare Leuchtelement integriert werden müssen. Dies ermöglicht es dem Konstrukteur nicht nur, die Wärmelast vom Lichtaustrittspunkt zu trennen, sondern auch, die Leuchten bzw. Leuchtkörper viel kleiner, leichter und/oder preiswerter zu gestalten als herkömmliche Leuchtenelemente, bei denen die Lichtquellen zusammen mit dem Austrittspunkt angeordnet sind. Die passiven Leuchtenelemente können in jeder beliebigen Form hergestellt werden, einschließlich Linienquellen, Pendelleuchten, Ätzen [etch], und können als völlig neuartige Konzepte entworfen werden oder könnten bestehende Beleuchtungskörper replizieren, um eine imitierte Leuchte zu schaffen. Beispiele für imitierte Leuchtentypen könnten jede Art von bereits existierenden Glühbirnen oder neuen Glühbirnen beinhalten, einschließlich MR-Lampen wie die MR-16, A-Lampen, PAR-Lampen wie die PAR30, Edison-Lampen, Röhrenlampen wie T-Lampen und andere Arten von Glühbirnen, die im Handel erhältlich sind. Die Lichtquellen können als eingelassene Seitenbeleuchtung, indirekte Pendelleuchten, direkte / indirekte Pendelleuchten, Einbauleuchten, Wandleuchten, Wandleuchten, Arbeitsplatzbeleuchtung, Unterbauleuchten, Deckeneinbauleuchten, Deckenleuchten, Wandeinbauleuchten, Wandleuchten, Bodeneinbauleuchten, Flutlicht, Unterwasserleuchten, Poller, Garten- und Wegeleuchten und andere sein.
36 zeigt schematische Darstellungen von passiven optischen Baugruppen für eine Pendelleuchte gemäß einigen Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung. Bezug nehmend auf 36 umfasst die passive Baugruppenoptikbefestigung ein Transportfaserkabel 4710 und einen Stecker 4720, die mit einer passiven Baugruppe 4731 konfiguriert sind, die eine oder mehrere Kollimationsoptiken umfasst. In einem anderen Beispiel enthält die passive Baugruppe 4732 ein sehr kleines optisches Element für Flutlicht. In einem anderen Beispiel enthält die passive Baugruppe 4733 Merkmale zur seitlichen Streuung.
In einigen Ausführungsformen werden Steckverbinder für den einfachen Austausch der passiven Leuchten und Halterungen verwendet. Neue Vorrichtungen können leicht ersetzt und aktualisiert werden, und sie können niedrigere Kosten ermöglichen, da die Vorrichtungen keine Elektronik- oder Kühlkörperelemente umfassen. In einigen Ausführungsformen kann das fasergekoppelte laserbasierte Weißlichtsystem der vorliegenden Offenbarung so konfiguriert werden, dass es das Dekor der passiven Leuchte ändert, die Farbe des Lichts ändert, indem es die Farbe der Lichtquelle ändert oder indem die passive Leuchte die Farbe ändert, oder es könnte das Strahlmuster ändern, oder eine Kombination.
In einer anderen Ausführungsform kann die aktive Baugruppe als Lichtquelle oder Lichtmaschine für eine dekorative Beleuchtungsvorrichtung positioniert werden, die von der Decke einer Struktur wie einem Kronleuchter abgehängt ist. Ein Kronleuchter hat zahlreiche Lichtaustrittspunkte, oft mehr als zehn. Bei konventioneller Beleuchtung verwendet jeder Lichtpunkt in der Baugruppe eine einzelne elektrische Beleuchtungslampe, wie zum Beispiel eine Glüh- oder LED-Kerzen-Dekorationslampe. Im Laufe der Betriebszeit des Kronleuchters kann eine der Lampen ausfallen und dadurch das ästhetische Gesamtbild des Kronleuchters stören. Das Auswechseln der Lampe führt zu Betriebskosten und zur Unmöglichkeit, den Raum zu nutzen, da Kronleuchter oft in großer Höhe montiert sind. Das Auswechseln von Lampen in großer Höhe erfordert Ausrüstung, Zeit und Personal, was zu großen Kosten führt.
Optional ist die Light Engine mit einem Glasfaserkabel gekoppelt, das das Licht zum Kronleuchter transportiert. Optional kann das Lichtleiterkabel in mehrere Lichtleiterkabel aufgeteilt sein, die zu den Beleuchtungsendpunkten des Kronleuchters führen. An jedem dieser Beleuchtungsendpunkte gibt das Lichtleiterkabel das Licht in ein optisches Element ab, das das Licht entsprechend dem Design des Kronleuchters verteilt. Um den Effekt einer Kerzenlampe zu duplizieren, streut das optische Element am Endpunkt des Kronleuchters das Licht optional in einem Weitwinkelmuster.
Vorteilen dieses Kronleuchterdesigns gehört die einfache Wartung und Instandhaltung. Die einzelne entfernte Quelle kann in einem bequemen Bereich platziert werden, wo eine Reparatur oder ein Austausch mit wenig Störung des Beleuchtungsbereichs, der sich in großer Höhe befinden kann, durchgeführt werden kann. Der Beleuchtungseffekt ist gleichmäßiger, da es nur eine einzige Quelle gibt und nicht mehrere Quellen, die unabhängig voneinander mit unterschiedlichen Eigenschaften arbeiten. Da die Größe der laserbasierten Weißlichtquelle viel kleiner ist als die anderer Lichtquellen, können das Glasfaserkabel und andere Beleuchtungskomponenten viel kleiner, feiner und weniger sichtbar sein, um einen besseren ästhetischen Effekt zu erzielen.
37 zeigt eine schematische Darstellung einer passiven dekorativen Leuchte gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Wie in der 37 gezeigt, wird das weiße Licht in einer laserbasierten Weißlichtquelle 4800, wie z. B. einer Laserdiode in Kombination mit einem wellenlängenkonvertierenden Leuchtstoffelement in einem Gehäuse, wie z. B. einem Gehäuse für oberflächenmontierbare Bauteile, erzeugt. Das weiße Licht 4802 wird dann in einen Versorgungswellenleiter 4810, wie z. B. einen Lichtwellenleiter, eingekoppelt, wie in 37 dargestellt. Das weiße Licht 4802 im Versorgungswellenleiter 4810 wird dann in zwei oder mehr Kanäle 4811 und 4812 des weißen Lichts aufgeteilt. Die zwei oder mehr Kanäle werden dann zu mehreren Beleuchtungsendpunkten 4830 geleitet, um das weiße Licht in diesem dekorativen Beleuchtungssystem zu emittieren. In dieser Anwendung können die mehrfachen Beleuchtungsendpunkte auch aus Linienquellen wie z. B. Streufasern, diskreten Emissionspunkten oder einer Kombination aus beidem bestehen.
Einer der wesentlichen Vorteile von weißem Licht, das durch die Beleuchtung von Leuchtstoffen mit einem blauen Festkörperlaser erzeugt wird, ist die hohe Leuchtdichte. Diese hohe Leuchtdichte ermöglicht eine effiziente Einkopplung von Weißlicht in optische Fasern oder kleine optische Elemente. Die hohe Leuchtdichte dieser Weißlichtquellen erzeugt jedoch aufgrund von Stokes-Verlusten und anderen Ineffizienzen in Leuchtstoffen erhebliche Wärme in einem kleinen Volumen.
Die üblichen Arbeitstemperaturbegrenzungen von Abwärtsumwandlungsmaterialien (typischerweise <250 C°) erfordern Ansätze, um entweder die Konzentration der Abwärtsumwandlungsrate zu begrenzen oder die Wärme effektiv zu verteilen.
können mehrere Strategien eingesetzt werden, um die Wärme effizient zu verteilen, einschließlich einer Kombination aus der Wahl des Abwärtskonversionsmaterials, der Konzentration des Abwärtskonversionsmaterials in einer Matrix, der Geometrie einer Kombination aus Abwärtskonversionsmaterial und Matrix, der Wärmeleitfähigkeitseigenschaften der Matrix und der Entwicklung von Wärmepfaden von der Abwärtskonversion und der Matrix.
Ein gängiger Ansatz ist die Einbettung von Abwärtskonversionsmaterial in eine Matrix mit hoher Wärmeleitfähigkeit, die optisch transparent ist (z. B. Al2O3). Gängige Herstellungsverfahren für Al2O3 erfordern jedoch Hochtemperatursintern, was die Auswahl an Abwärtskonversionsmaterialien auf solche mit Schmelzpunkten nahe oder höher als Al2O3 beschränkt. Häufig verwendete Abwärtskonversion- und Matrix-Kombinationen für laserbasierte Lichtquellen sind Yttrium-Aluminium-Granat dotiert mit Cer (YAG:Ce3+) in Al2O3. Häufig verwendete rote Abwärtskonversionsmaterialien (z. B. Eu2+-dotierte Nitride) haben jedoch viel niedrigere Schmelzpunkte und sind nicht mit dem Sinterprozess für Al2O3 kompatibel.
Eine alternative Strategie zur Steuerung der Wärme- und Materialkompatibilität besteht darin, die Abwärtskonvertierungsrate einer oder mehrerer Farben von der weißen oder nicht-weißen Quelle zu begrenzen. Dies kann z. B. durch die Verwendung einer blau-grünen Farblichtquelle erreicht werden, die optisch mit einer Faser oder anderen bestimmten optischen Elementen gekoppelt ist. Diese optischen Elemente können in Form eines entfernten Leuchtstoffs, der ein festes Element ist, oder eines mit variierenden Leuchtstoffkonzentrationsgradienten, oder einer Faser oder eines Lichtleiters, der Leuchtstoffe enthält, vorliegen. Man kann sich dies als ein System mit einer Quelle hoher Leuchtdichte vorstellen, die mit einem Lichtleiter und einem entfernten Leuchtstoff gekoppelt ist, wobei einige Beispiele in 38 dargestellt sind. Auf diese Weise kann die Quelle mit hoher Leuchtdichte eine Kombination aus Leuchtstoff und Verbundwerkstoff verwenden, die effektiv Wärme ableiten kann. Die Hochluminanzquelle ist effektiv mit optischen Elementen gekoppelt. Dies ermöglicht auch die Verwendung anderer Leuchtstoffe, die thermische, optische oder mechanische Eigenschaften haben, die verhindern, dass sie in den Hochluminanzbereich des Systems integriert werden. Eine optische Einschränkung, die mit dieser Art von System überwunden wird, ist die Verwendung von Materialien mit niedrigem Blaulicht-Absorptionsquerschnitt (z. B. Eu3+-Leuchtstoffe), bei denen das Volumen oder die Konzentration des Leuchtstoffs für begrenzte Systeme unpraktisch ist.
Die Hinzufügung eines roten Leuchtstoffs zu einer blauverschobenen gelben Lichtquelle kann wärmeres Weiß (d. h. niedrigere korrelierte Farbtemperatur - CCT) und höhere CRI-Quellen ermöglichen. Durch Einstellen der Menge und Wellenlänge der Rot-Abwärtskonvertierung kann der effektive CRI der Quelle eingestellt werden. Wie in 39 gezeigt, zeigen die Simulationsergebnisse zum Beispiel, dass der CRI-Wert von 65 bis 90 eingestellt werden kann, indem die Wellenlängen-Rotverschiebung des roten Leuchtstoffs von einer Basislinie bis zu +25 nm angepasst wird.
LINIENQUELLE
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist die laserbasierte fasergekoppelte Weißlichtquelle der vorliegenden Offenbarung mit einer undichten Faser in einer architektonischen Beleuchtungskomponente oder einem architektonischen Beleuchtungssystem konfiguriert, um eine Linienquelle für weißes Licht bereitzustellen. In einigen Ausführungsformen ist die undichte Faser, die weißes Licht als Linienquelle emittiert, so konfiguriert, dass sie weißes Licht in einem gleichmäßigen Muster um die radiale Achse der Faser emittiert. In anderen Ausführungsformen ist die undichte Faser, die weißes Licht als Linienquelle emittiert, mit einem optionalen optischen Element konfiguriert, um weißes Licht in einem gerichteten Muster von einem vorbestimmten Abschnitt der Radialachse zu emittieren. Die optische Faser, zusammen mit dem optionalen optischen Element, wird als „gerichtete Linienquelle“ bezeichnet. In einer Ausführungsform ist die optische Faser mit Lichtextraktionsmerkmalen ausgestattet, die Licht entlang der Länge der Faser extrahieren. Optional sind die Lichtauskopplungsmerkmale nach einer der beiden Möglichkeiten oder einer Kombination der beiden Möglichkeiten ausgeführt:

1. Zur Auskopplung von Licht in einem radial nicht symmetrischen Muster
2. Um Licht in einem radial symmetrischen Muster zu extrahieren, und ein externes optisches Element ist außerhalb der Faser konfiguriert oder ist an der Faser befestigt, so dass die Faser und das optische Element zusammen ein radial unsymmetrisches Muster erzeugen

40 zeigt Beispiele von Lichtstärkeverteilungskurven durch eine optische Faser mit optionalem externen optischen Element gemäß einigen Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung. Die optische Faser kann auf verschiedene Weise modifiziert werden, um ein solches gerichtetes/nicht-radial-gleichförmiges oder asymmetrisches Sendemuster zu erreichen. In einigen Beispielen kann die optische Faser geformt oder aufgerauht werden. In anderen Beispielen kann der Mantel der optischen Faser selektiv entfernt oder gemustert werden, um Licht bevorzugt von einer vorbestimmten Oberfläche oder Seite der Faser zu emittieren. In anderen Beispielen kann die optische Faser mit Partikeln, Hohlräumen oder anderen Objekten eingebettet werden, um eine selektive Streuung zu induzieren.
41 zeigt schematische Beispiele für gerichtet emittierende Linien-Weißlichtquellen auf Basis von emittierenden optischen Fasern. Es gibt viele mögliche Ansätze zur Erzeugung einer gerichteten Emission oder eines radial asymmetrischen Emissionsmusters des weißen Lichts aus der Faser. In einem Beispiel, das in Teil A von 41 dargestellt ist, enthält die optische Faser 5200 Lichtextraktionsmerkmale 5205, die ein radial unsymmetrisches Muster erzeugen. Die Lichtauskopplungsmerkmale 5205 könnten mit einer sorgfältig gestalteten Brechungsindexanordnung innerhalb der Faser unter Verwendung von Luftblasen, modifizierten Kernbereichen, modifizierten Mantelbereichen, ungleichmäßig imprägnierten Fasern, implantierten Fasern, geformten Fasern, so dass sie nicht vollständig symmetrisch ist, enthalten sein.
Die gerichtete Linienquelle kann mit Sekundärreflektoren und Linsen konfiguriert werden, um eine gleichmäßige Beleuchtungsstärke auf der Wandoberfläche zu erzeugen. Die Reflektor- und Linsenanordnung wandelt die gleichmäßige Lichtleistungsintensität der linearen Linienquelle in eine variable und asymmetrische Intensitätsverteilung um. In dem Beispiel, in dem die Linienquelle an der Decke installiert ist, kann die Intensität im deckennahen Bereich der Wand sehr gering sein, um die gewünschte Beleuchtungsstärke in Lichtstrom pro Fläche zu erzeugen. Mit zunehmender Entfernung entlang der Wand zum Boden hin steigt die Lichtstärke an. Das Maximum der Beleuchtungsstärke wird im bodennahen Bereich der Wand erreicht, so dass die Beleuchtungsstärke die gleiche ist wie in Deckennähe. Dadurch hat die gesamte Wand über ihre Fläche die gleiche Beleuchtungsstärke und erscheint dem Betrachter bei insgesamt gleichmäßigem Reflexionsvermögen als gleichmäßig beleuchtet.
Teil B von 41 zeigt eine Illustration einer optischen Faser 5201 mit Lichtextraktionsmerkmalen, die ein symmetrisches radiales Emissionsmuster erzeugen und mit einem optischen Reflektorelement 5210 ausgestattet sind, das das Licht nach oben lenkt. Durch die Kombination der gleichmäßig emittierenden Faser mit dem optischen Reflektorelement 5210, das sich um > 180 Grad der Faser 5201 wickelt, wird das Licht vom optischen Reflektorelement 5210 nach außen gerichtet. Durch sorgfältige Auslegung und Auswahl des optischen Reflektorelements 5210 kann das gerichtete Emissionsmuster der Lichtquelle so konfiguriert werden, dass das gewünschte Emissionsmuster entsteht und die gewünschte Wirkung erzielt wird.
In einem weiteren Beispiel zeigt Teil C von 41 eine Illustration einer optischen Faser 5200 mit Lichtextraktionsmerkmalen, die ein symmetrisches radiales Emissionsmuster erzeugen und mit einem alternativen optischen Reflektorelement 5220 ausgestattet sind, das das Licht nach oben richtet. In dieser Konfiguration ist die symmetrisch emittierende Faser 5201 vollständig im optischen Reflektorelement 5220 versenkt, so dass die Faser 5201 aus vielen Betrachtungswinkeln verdeckt wäre und das Licht mit einer hohen Richtwirkung emittiert wird. Dies sind nur Beispiele dafür, wie die laserbasierte fasergekoppelte Weißlicht-Linienquelle konfiguriert werden kann, um Licht in einer gewünschten Richtung oder einem gewünschten Muster zu emittieren, aber natürlich kann es viele andere geben.
Die radial gleichmäßig emittierende oder gerichtet emittierende Linienquelle unter Verwendung einer streuenden oder undichten Faser gemäß der vorliegenden Erfindung, einschließlich einer fasergekoppelten laserbasierten Weißlichtquelle, kann für viele Beleuchtungsanwendungen eingesetzt werden. In einer Anwendung wird die Linienquelle verwendet, um Innen- oder Außenwände, Decken, Brücken, Tunnel, Straßen, Landebahnen, unten Löcher, in Höhlen, in Autos, Flugzeuge, Boote, Züge oder jede andere mobile Maschine zu beleuchten, und sie könnte dies in vielen anderen einschließlich Schwimmbäder, Spas, Geräte wie Kühlschränke und Gefrierschränke.
In einer Ausführungsform gemäß der vorliegenden Erfindung ist die gerichtete Linienquelle in die Kranzleiste bzw. Deckenleiste eines Raumes integriert, um eine Wandwäsche bereitzustellen. Die Linienquelle ist so positioniert, dass eine Person, die im Raum in einem typischen Abstand zu den Wänden steht oder sitzt, keinen direkten Blick auf die Linienquelle hat. Die Linienquelle hat eine gerichtete Abstrahlung, die die an sie angrenzende Wand beleuchtet: Eine Linienquelle, die aus einer schmalen optischen Faser und einem optischen Element besteht, ermöglicht es dem optischen Element, das Licht zu formen (eine Lichtstärkeverteilung zu erzeugen), die die Wand in einem gewünschten Muster, z. B. einer gleichmäßigen Ausleuchtung, beleuchtet, ohne dass die Größe des optischen Elements unpraktisch groß sein muss.
42 zeigt eine schematische Konfiguration für die Anwendung von laserbasierten Weißlicht-Linienquellen gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung. Bezugnehmend auf 42 ist die laserbasierte Weißlicht-Richtlinienquelle in eine Kronenleiste zur Wandbeleuchtung implementiert. Die laserbasierte Weißlichtquelle ist mit einer Streu- oder undichten Faser gekoppelt, um weißes Licht in einem symmetrischen oder gerichteten Muster zu emittieren. Die undichte Faser wird dann in ein architektonisches oder bauliches Merkmal der Umgebung eingebettet. In dem in 42 dargestellten Beispiel ist die Linienquelle in eine Kranzleiste eingebettet. Die undichte Faser wird an der Wand innerhalb der Kronenleiste oder in einem Spalt zwischen der Kronenleiste und der Wand positioniert, um gerichtetes Licht nach unten entlang der Wandoberfläche zu liefern, um eine Wandbeleuchtung zu erzeugen. Optional kann ein optisches Element, wie z. B. ein Reflektor, hinzugefügt werden, um die Bildung des gerichteten Lichts zu verbessern, das aus der Linienquelle (z. B. der undichten Faser) austritt.
Alternative Konfigurationen für die gerichtete Linienquelle sind möglich. Zu den Ausführungsformen gehören spezielle Wandleuchten, die am/im Schnittpunkt von Wänden und Decke, an der von Decke und Boden entfernten Wand oder am/im Schnittpunkt von Wänden und Boden, z. B. in den Fußleisten, montiert sind. In einigen Ausführungsformen ist die gerichtete Linienquelle so ausgerichtet, dass sie die an sie angrenzende Wand beleuchtet, und ein Strukturelement, das die direkte Sicht auf die Linienquelle von Personen in typischen Positionen im Raum blockiert. In anderen Ausführungsformen ist die gerichtete Linienquelle in die Fußleiste integriert, die sich am/im Schnittpunkt von Wänden und Boden befindet.
In einer weiteren Ausführungsform kann die gerichtete Linienquelle so konfiguriert werden, dass sie die Decke beleuchtet, während sie in eine Kronenleiste integriert ist. Andere Konfigurationen sind möglich, bei denen eine deckenbeleuchtende Richtungslinienquelle mit einem Strukturelement integriert ist, das die direkte Sicht auf die Linienquelle von Personen in typischen Positionen im Raum blockiert. Dieses Strukturelement kann in die Wand- oder Deckenkonstruktion integriert werden und bildet eine eingelassene Seitenbeleuchtung, wenn eine gerichtete Linienquelle darin integriert ist. Die gerichtete Linienquelle kann zusammen mit dem Strukturelement auch eine deckenbeleuchtende Leuchte bilden, die an der Wand montiert wird, typischerweise oberhalb der Augenhöhe, um eine Blendung der Raumnutzer zu vermeiden.
43 zeigt eine schematische Konfiguration für die Anwendung von laserbasierten Weißlicht-Linienquellen gemäß einer anderen Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung. Bezug nehmend auf 43 ist die laserbasierte Weißlicht-Richtlinienquelle in eine Kronenverkleidung zur Deckenbeleuchtung implementiert. Die laserbasierte Weißlicht-Linienquelle ist mit einer streuenden oder leckenden Faser-Linienquelle gekoppelt. Die undichte Faser wird dann in ein architektonisches oder bauliches Merkmal der Umgebung eingebettet. Optische Elemente wie ein oder mehrere Reflektorelemente können einbezogen werden. In dem in 43 dargestellten Beispiel ist die laserbasierte Weißlicht-Linienquelle in eine Deckenleiste eingebettet. Die Faser wird an der Decke innerhalb der Kronenleiste oder in einem Spalt zwischen der Kronenleiste und der Decke positioniert. Das Licht wird dann über die Decke gerichtet, um eine Deckenbeleuchtung zu erzeugen.
Eine laserbasierte Weißlicht-Linienquelle kann von einer Wand zu einer gegenüberliegenden Wand geführt werden, und zwar in einer Höhe über dem Boden, in der sie die typischen Aktivitäten der Raumnutzer nicht physisch behindert. Die laserbasierte Weißlicht-Linienquelle ist physisch an den beiden gegenüberliegenden Wänden verankert, mit optionalen Verankerungspunkten an der Decke in einem oder mehreren Punkten entlang der Länge der Linienquelle. Die laserbasierte Weißlicht-Linienquelle kann optional mit einem Strukturelement entlang ihrer Länge versehen werden, das das nach unten abgestrahlte Licht reduziert oder eliminiert, um die Blendung der Bewohner im Raum zu reduzieren. Das Strukturelement kann die Linienquelle auch mechanisch verstärken, um Beschädigungen durch versehentlichen Kontakt mit Gegenständen, die von den Bewohnern im Raum gehandhabt werden, zu verhindern. Mehrere Linienquellen können in einem Raum konfiguriert werden, um die gewünschte Stärke, das Muster und die Gleichmäßigkeit der Deckenbeleuchtung zu erzeugen.
44 zeigt eine schematische Konfiguration für die Anwendung laserbasierter Weißlicht-Linienquellen gemäß einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung. Bezug nehmend auf 44 wird die laserbasierte Weißlicht-Linienquelle in einer Wand-zu-Wand-Konfiguration zur Deckenbeleuchtung eingesetzt. In dieser Konfiguration ist die laserbasierte Weißlicht-Linienquelle zwischen zwei Wänden befestigt oder durch einen Ankerpunkt von der Decke abgehängt. Die laserbasierte Weißlicht-Linienquelle ist so konfiguriert, dass sie das Licht nach oben zur Decke abstrahlt, um die Decke zu beleuchten. In anderen Beispielen kann das Licht auf den Boden oder die Wände gerichtet sein.
Optional enthält die laserbasierte Weißlicht-Richtstrahlquelle Sekundäroptiken wie Linsen und Reflektoren, um ein Deckenfeld von einem oder beiden Rändern gleichmäßig zu beleuchten. Optional soll sie in einer bestimmten Zone der Decke, die sich mit der Zeit über die Decke bewegt, eine Beleuchtungsstärke erzeugen, die höher ist als der Rest des Feldes. In einem Beispiel würde die Zone mit der hohen Beleuchtungsstärke früh am Tag an einer Ecke der Decke beginnen und sich allmählich über die Decke bewegen und den Tag an der gegenüberliegenden Ecke der Decke beenden. Dieser Effekt könnte durch mechanisch bewegte Optiken erzeugt werden, wird aber am sinnvollsten durch den Einsatz von Flüssigkristall-Linsen in der Optik der gerichteten Linienquelle erreicht. Mit einer elektronischen Steuerung könnte die Gleichmäßigkeit der Deckenbeleuchtungsstärke moduliert werden. Die Zone mit hoher Beleuchtungsstärke an der Decke simuliert teilweise die Bewegung der Sonne über den Himmel im Laufe des Tages und hat Vorteile für den zirkadianen Rhythmus und die Gesundheit von Mensch und Tier. Natürliches Licht ist nicht immer gleichmäßig und verändert sich im Laufe des Tages, was zu wechselnden Schatten führt. Ein höherer Raumkomfort wird durch eine Beleuchtung mit einem Gradienten und/oder einer Einfallsrichtung erreicht. Ein zusätzlicher Nutzen wird durch die Implementierung mehrerer Quellen in der gerichteten Linienquelle mit unterschiedlichen Farbtemperaturen erzielt. Wenn die relativen Leistungspegel der verschiedenen Quellen moduliert werden, kann die Ausgangsfarbtemperatur geändert werden, um die Simulation von natürlichem Licht zu verbessern, da sich die Farbe des Lichts zusammen mit der relativen Position der Sonne am Himmel ändert.
In einigen Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung, die eine wellenleitergekoppelte laserbasierte Weißlichtquelle umfassen, umfasst der Wellenleiter einen 2-dimensionalen (2D) Wellenleiter, wobei zumindest ein Teil des 2D-Wellenleiters weißes Licht emittiert. In einigen Beispielen sind die laserbasierten Weißlichtquellen in eine muldenartige Leuchte eingekoppelt, wobei sie über den emittierenden Oberflächenbereich einer solchen Muldenleuchte emittieren können. Andere Beispiele für existierende 2D-Leuchtentypen sind Wafer-Leuchten, Scheiben-Leuchten, Akzent-Leuchten und Hinterleuchtungen wie die Hinterleuchtung von Stein oder anderen architektonischen Merkmalen.
In einigen Ausführungsformen ermöglicht die hohe Helligkeit der Laserdiode basierte Weißlichtquelle eine überlegene Kopplung und Leistungscharakteristik der Kopplung in bestehende Elemente in Gebäude, Architektur, Natur oder andere, so dass Elemente unserer vorbestehenden Umgebung zu Lichtstrahlern werden. Diese Ausführungsform der vorliegenden Erfindung bietet wesentliche Vorteile der bestehenden Technologie. Ein Vorteil ist, dass es die Ästhetik der Umgebung durch die Entfernung von diskreten konventionellen Lichtquellen, die die Schönheit eines Objekts oder einer Struktur beeinträchtigen können, verbessern könnte. Beispielsweise könnten durch die Beleuchtung aus vorhandenen Elementen Beleuchtungskörper wie Dosenleuchten oder Glühbirnenleuchten eliminiert oder in ihrer Anzahl reduziert werden. Oberflächen wie z. B. Decken könnten sauber und frei von nicht immer schön anzusehenden Beleuchtungskörpern sein. Zusätzlich kann diese Ausführungsform Kosten oder die Komplexität eines Systems einsparen, da weniger konventionelle Beleuchtungsinfrastruktur in einem Gebäude oder Haus installiert werden müsste.
Die einzigartige Weißlicht-Linienquelle, die durch die vorliegende Erfindung ermöglicht wird, einschließlich eines wellenleitergekoppelten laserbasierten Weißlichts, kann für die Innen- oder Außenbeleuchtung auf unzählige Arten eingesetzt werden. In einem Beispiel ein weißes Licht emittierenden Wellenleiterelement wie eine optische Faser ist konfiguriert, um zu umreißen oder Linie bestimmte Merkmale oder Objekte, die eine Umgebung oder Struktur. In einem Beispiel der vorliegenden Ausführungsform werden weißes Licht emittierende Fasern um Fensterelemente herum konfiguriert, um ein Beleuchtungsmuster zu erzeugen, das das Fenster umreißt. Die Beleuchtung könnte als dekorative Beleuchtung dienen und/oder könnte dazu dienen, nützliches Licht zur Beleuchtung der Umgebung zu liefern. Als Beispiel ist in 45 ein Fensterelement mit einer eindimensionalen weißen Lichtlinienquelle dargestellt, die so konfiguriert ist, dass sie das Fenster umgibt. In anderen Beispielen dieser Ausführungsform kann die laserbasierte Weißlicht-Linienquelle um andere Objekte wie Türöffnungen usw. herum konfiguriert werden.
46 stellt eine Ausführungsform gemäß der vorliegenden Erfindung dar, bei der eine laserbasierte Weißlichtquelle (nicht dargestellt) in Fensterabdeckungen wie Vorhänge eingekoppelt wird und die Vorhänge durch lichtemittierendes Material so konfiguriert sind, dass sie eingespeistes weißes Licht von der laserbasierten Weißlichtquelle empfangen und das Licht nach außen emittieren oder den inneren Teil eines halbtransparenten Außenmaterials mit Licht versorgen. Durch das Erreichen eines wellenleitenden und gleichmäßig streuenden oder emittierenden Designs scheinen die Vorhänge optional mit weißem Licht zu leuchten und die Umgebung zu beleuchten. Vorhänge stellen eine attraktive Wahl für 2D-Beleuchtungsobjekte dar, da sie Orte in einem Haus oder Gebäude repräsentieren, an denen Licht während der Tageslichtstunden in den Raum eindringen würde. Indem die Vorhänge, Fensterdekorationen oder andere Objekte an oder um das Fenster herum angebracht werden, kann das Haus, das Büro, das Geschäft oder ein anderes Gebäude so beleuchtet werden, dass die natürlichen Tageslichtbedingungen dargestellt werden. In einigen Beispielen umfassen die Vorhänge ein kontinuierliches Folienmaterial, das so konfiguriert ist, dass es das weiße Licht wellenleitend leitet und die Streuung bewirkt. Das kontinuierliche Filmmaterial könnte aus einem Kunststoff oder organischen Material, Keramik, Metall oder einem anderen Material bestehen. In anderen Ausführungsformen bestehen die Vorhänge aus einem Netzwerk von Fasern wie Kunststofffasern oder Glasfasern, die miteinander verwoben sind. In einigen Ausführungsformen sind die Vorhänge durch lichtemittierendes Material so konfiguriert, dass sie das Licht gerichtet emittieren, so dass ein Großteil des Lichts in Richtung der Vorderseite des Vorhangs emittiert wird, um den Raum oder den Bereich zu beleuchten, in dem sich der Vorhang befindet, und nur ein kleiner Teil oder kein Licht nach hinten in Richtung eines Fensters oder einer Wand hinter dem Vorhang emittiert wird. Darüber hinaus gibt es viele ähnliche 2D-Objekte, die für die Lichtemission verwendet werden könnten. Die Ausführungsform des Vorhangs ist nur ein Beispiel gemäß der vorliegenden Erfindung unter Verwendung von laserbasierten Weißlichtquellen.
In einem anderen Beispiel wird das Weißlicht direkt von den Fensterelementen oder von durchsichtigen Vorrichtungen, die auf den Fenstern platziert werden können, emittiert. 47 zeigt eine Ausführungsform gemäß der vorliegenden Erfindung, bei der eine laserbasierte Weißlichtquelle (nicht explizit dargestellt) direkt in ein Fensterelement oder ein am Fenster angebrachtes Fensterzubehörteil eingekoppelt wird und so gestaltet ist, dass sie tagsüber oder bei nicht aktivierter Beleuchtungsfunktion vollständig transparent ist und nicht wahrgenommen wird. Durch die Erzielung einer Wellenleitung im Fensterelement oder Fensterzubehörteil zusammen mit einem gleichmäßigen Streu- oder Emissionsmuster kann das Fenster oder Fensterzubehörteil mit eingespeistem Weißlicht von der laserbasierten Weißlichtquelle leuchten. Das leuchtende Fensterelement (z. B. Glas) sorgt für die Beleuchtung der Umgebung. Fensterelemente oder Fensterzubehörteile stellen eine attraktive Wahl für 2D-Beleuchtungsobjekte dar, da sie Stellen in einem Haus oder Gebäude repräsentieren, an denen während der Tageslichtstunden natürliches Licht in den Raum eindringen würde. Daher kann durch das Leuchten der Fenster das Haus, das Büro, das Geschäft oder ein anderes Gebäude so beleuchtet werden, dass natürliche Tageslichtbedingungen dargestellt werden. In einigen Beispielen werden die Fenster aus einem durchgehenden Material gebildet, das so konfiguriert ist, dass es das Weißlicht wellenleitend leitet und die Streuung bewirkt. Das durchgehende Material könnte aus einem Kunststoff, Glas, organischen Material, Keramik, Metall oder einem anderen Material bestehen. In anderen Ausführungsformen bestehen das Fenster oder das Fensterzubehör aus einem Netzwerk von Fasern wie Kunststofffasern oder Glasfasern, die miteinander verwoben sind. In einigen Ausführungsformen sind die Licht emittierenden Fenster so konfiguriert, dass sie das Licht gerichtet emittieren, so dass ein Großteil des Lichts in das Innere des Gebäudes oder der Wohnung emittiert wird, um den Raum oder den Bereich, in dem sich das Fenster befindet, zu beleuchten, und nur ein kleiner Teil oder kein Licht nach hinten in Richtung der Außenseite emittiert wird. Darüber hinaus gibt es viele ähnliche 2D-Objekte, die für die Lichtemission verwendet werden könnten. Die Ausführungsform des Fensters oder des Fensterzubehörs ist nur ein Beispiel gemäß der vorliegenden Erfindung, bei der laserbasierte Weißlichtquellen verwendet werden.
Bei der vorliegenden Erfindung wird das weiße Licht von der laserbasierten Weißlichtquelle in ein Wellenleiterelement eingekoppelt und zu einem Emissionspunkt transportiert, an dem das Licht von einem passiven Element in die äußere Umgebung geleitet wird. In dieser Konfiguration können die aktiven Elemente der Lichtquelle, die eine elektrische Leistungsaufnahme benötigen und Wärme abführen, an einem von der Umgebung, in der die Weißlichtemission erwünscht ist, entfernten Ort angeordnet werden. Neben anderen Vorteilen der vorliegenden Erfindung kann die entfernte Quellenkonfiguration eine Energieeinsparung bieten, da die mit der Quelle verbundene Wärmeableitung nicht in Bereichen angeordnet sein muss, die zwar beleuchtet werden müssen, aber auch auf kühlen Temperaturen gehalten werden müssen und oft eine aktive Kühlung benötigen. Bei konventionellen Beleuchtungslösungen, bei denen die Wärme an der Quelle abgeführt wird und die Quelle mit der für den Zielort vorgesehenen Emission zusammenfällt, werden die Lichtquellen unweigerlich die Umgebung aufheizen und sich kontraproduktiv auf die Kühlung der Umgebung auswirken. In vielen Fällen wird dies das aktive Kühlsystem der Umgebung zwingen, stärker zu arbeiten und mehr Energie zu verbrauchen, was zu einer geringeren Gesamteffizienz führt. Das wellenleiterzugefürte Weißlichtsystem gemäß der vorliegenden Erfindung bietet eine überlegene Lösung, die Einsparungen bei der Energieeffizienz bietet, da die laserbasierte Weißlichtquelle an einem entfernten Ort relativ zu dem Ort, an dem die Beleuchtung benötigt wird, angeordnet werden kann.
In einer Ausführungsform liefert das wellenleiterbasierte Weißlichtsystem das Weißlicht über ein Liefersystem an einen Ort, der von den aktiven Elementen der Lichtquelle entfernt ist. Das Liefersystem umfasst passive optische Elemente, passive Leuchtelemente oder passive lichtabgebende Elemente (wie z. B. Streufasern). Optional können diese passiven lichtabgebenden Elemente kostengünstig und widerstandsfähig gestaltet werden. Optional können die passiven lichtabgebenden Elemente in rauen Umgebungen, wie z. B. unter Wasser, unter extremen Bedingungen, wie z. B. ultrahohe oder niedrige Temperaturen, korrosive Umgebungen, explosive Umgebungen usw., angeordnet werden. Bei der Verwendung einer konventionellen Lichtquelle, bei der solche rauen Bedingungen die Lichtquelle schnell beschädigen oder zersetzen würden, oder bei der eine elektrifizierte Quelle das Potenzial hat, schlecht mit der Umgebung zu reagieren, wie z. B. eine Explosion zu verursachen, werden extreme und oft kostspielige Maßnahmen ergriffen, um die Lichtquelle zu schützen, und der Austausch kann kompliziert und kostspielig sein. Zum Beispiel erfordert die Beleuchtung von Unterwasserumgebungen wie Schwimmbädern, Spas oder industriellen Unterwasseranwendungen mit konventionellen Quellen die Verwendung eines sorgfältig wasserdichten Gehäuses und spezieller Komponenten, was Größe, Gewicht, Komplexität und Kosten erhöht. Darüber hinaus erfordert der Wechsel der Lichtquelle oft Arbeiten unter Wasser, was eine spezielle Ausrüstung erfordert und einen zeitraubenden und teuren Prozess darstellt. Mit einem wellenleitergespeisten, laserbasierten Weißlicht gemäß der vorliegenden Erfindung kann die Lichtquelle jedoch in einem trockenen Bereich aufbewahrt werden, der für den Austausch leicht zugänglich ist. Der passive Wellenleiter, wie z. B. eine Kunststoff- oder Glasfaser, würde das Licht an den untergetauchten Beleuchtungsbereich liefern. Weitere Beispiele sind raue Umgebungen wie chemische Behandlungsanlagen, chemische Verarbeitungsanlagen, Industrieanlagen und Fabriken, Halbleiterverarbeitung usw.
In einer Gruppe von bevorzugten Ausführungsformen, die die Vorteile der Fernübertragung von weißem Licht durch die vorliegende Erfindung ermöglichen, ist die wellenleitergestützte Weißlichtquelle in einem Haushaltsgerät oder einem Gebrauchsgerät konfiguriert. Solche Geräte können Kühlschränke, Gefrierschränke, Öfen, Mikrowellen, Geschirrspüler, Waschmaschinen, Trockner, Weinkeller und andere umfassen, sind aber nicht darauf beschränkt. Die Anwendung der Geräte kann von der privaten oder häuslichen Nutzung über die gewerbliche Nutzung, wie z. B. in Geschäften, Büros und anderen Verkaufsstellen, bis hin zur industriellen Nutzung einschließlich sehr großer Geräte reichen. Anwendungen, bei denen das Licht immer oder die meiste Zeit eingeschaltet sein muss, bieten die größten Energiesparvorteile. Zum Beispiel würden Geräte wie Kühl- oder Gefrierschränke mit einer durchsichtigen oder Glastür, so dass Außenbetrachter immer den Inhalt des Kühl- oder Gefrierschranks sehen können, erfordern, dass die Innenbeleuchtung für einen großen Teil der Zeit eingeschaltet ist. Andere Beispiele, in denen die vorliegende Erfindung würde erhebliche Mengen an Energieeinsparungen bieten würde in Geräten mit großen Bereichen, die beleuchtet werden müssen oder wo extreme Ebenen der Beleuchtung erforderlich sind, sein. Zum Beispiel, industrielle Arten von Gefrierschränken wie Lager Gefrierschränke verwendet, um große Bestände von gefrorenen oder kalten Waren zu speichern erfordern ausreichend Beleuchtung für die Arbeit in der aktiv gekühlt Gefrierschrank Lager durchgeführt werden. Durch die Platzierung der aktiven Lichtquellen außerhalb der gekühlten Umgebung und die Fasereinkopplung des weißen Lichts in den Tiefkühlbereich, fügen die Lichtquellen dem Inneren des Tiefkühlbereichs keine Wärme hinzu.
48A, 48B und 48C zeigen einige Ausführungsformen des wellenleiterzugeführten laserbasierten Weißlichts zur Verwendung in Kühlschränken und Gefriergeräten gemäß der vorliegenden Erfindung. Wie in 48A gezeigt, hat ein Kühlschrank für den Hausgebrauch das Kühlfach mit Beleuchtung ausgestattet, so dass, wenn die Fachtüren geöffnet werden, das Licht aktiviert wird. In diesem Beispiel wird das weiße Licht von der laserbasierten Weißlichtquelle über einen Wellenleiter oder ein Faserelement in das Kühlschrankfach geleitet. Dadurch, dass sich die laserbasierte Lichtquelle außerhalb des Fachs befindet, das aktiv durch eine Wärmepumpe (mechanisch, elektronisch oder chemisch) gekühlt wird, bewirkt die Wärmeabgabe der Wärmequelle nicht, dass das gekühlte Fach erwärmt wird und die Wärmepumpe stärker arbeiten und mehr Energie verbrauchen muss.
Optional kann derselbe Energieeffizienzvorteil der entfernten Lichtquelle eine größere Auswirkung an Orten haben, an denen das Licht für einen großen Teil der Zeit eingeschaltet sein muss. Wie in 48B gezeigt, hat ein gewerblicher oder privater Kühlschrank oder Gefrierschrank mittlerer Größe das gekühlte Fach mit durchsichtigen Türen umschlossen, so dass ein Betrachter von außen den Inhalt des gekühlten Fachs sehen kann. Das gekühlte Fach ist mit einer Beleuchtung ausgestattet, so dass der Betrachter von außen den Inhalt leicht sehen kann. In Einzelhandelsanwendungen kann es erforderlich sein, dass die Beleuchtung 16 bis 24 Stunden pro Tag und 7 Tage pro Woche eingeschaltet ist. In diesem Beispiel eines Gefrier- oder Kühlschranks mit einem durchsichtigen Gehäuse, das in 48B dargestellt ist, wird das Weißlicht von der laserbasierten Weißlichtquelle über einen Wellenleiter oder ein Faserelement in das Kühl- oder Gefrierfach geleitet. Dadurch, dass sich die laserbasierte Lichtquelle außerhalb des Fachs befindet, das aktiv durch eine Wärmepumpe (mechanisch, elektronisch oder chemisch) gekühlt wird, erfolgt keine Wärmeabgabe von der Wärmequelle, die das gekühlte Fach zu erwärmt, und die Wärmepumpe wird nicht dazu gebracht, stärker zu arbeiten und mehr Energie zu verbrauchen.
Optional kann derselbe Energieeffizienzvorteil der entfernten Lichtquelle einen großen Einfluss in großvolumigen gekühlten Fächern haben, bei denen das Licht für einen großen Teil der Zeit eingeschaltet sein muss. Wie in 48C gezeigt, hat ein kommerzieller oder industrieller Großraumkühl- oder -gefrierschrank das große gekühlte Fach mit durchsichtigen Türen umschlossen, so dass ein Betrachter von außen den Inhalt des gekühlten Fachs sehen kann. Das gekühlte Fach ist mit einer Beleuchtung ausgestattet, so dass der Betrachter von außen immer noch den Inhalt des Fachs sehen kann, wenn die Türen nicht geöffnet sind. In Einzelhandelsanwendungen könnte es erforderlich sein, dass die Beleuchtung 16 bis 24 Stunden pro Tag, 7 Tage die Woche, eingeschaltet ist. In diesem Beispiel, ähnlich wie bei dem in 48B gezeigten Gefrierschrank oder Kühlschrank mit durchsichtigem Gehäuse, wird das weiße Licht von der laserbasierten Weißlichtquelle über einen Wellenleiter oder ein Faserelement in das Kühl- oder Gefrierfach geleitet. Dadurch, dass sich die laserbasierte Lichtquelle außerhalb des Fachs befindet, das aktiv durch eine Wärmepumpe (mechanisch, elektronisch oder chemisch) gekühlt wird, erfolgt keine Wärmeabgabe von der Wärmequelle, die das gekühlte Fach erwärmt, und die Wärmepumpe wird nicht dazu gebracht, stärker zu arbeiten und mehr Energie zu verbrauchen.
In einer anderen Gruppe von bevorzugten Ausführungsformen wird das wellenleitergelieferte laserbasierte Weißlicht in Anwendungen unter Wasser oder in rauen Umgebungen eingesetzt, was einen wesentlichen Vorteil gegenüber herkömmlichen Lichtquellentechnologien darstellt. In diesen Anwendungen wird das Beleuchtungslicht an Orten unter Wasser oder in anderen Chemikalien und Umgebungen benötigt, die nicht leicht zugänglich sind. In einem Beispiel wird die wellenleiter- oder faserzugeführte laserbasierte Weißlichtquelle für Schwimmbäder eingesetzt. Wie in 49A gezeigt, kann das fasergespeiste Weißlicht 6001 unter das Wasser getaucht werden und ein gleichmäßiges Licht unter dem Wasser erzeugen. In einer anderen Konfiguration, die in 49B gezeigt ist, kann die fasergespeiste Weißlichtquelle über dem Wasser positioniert und so konfiguriert werden, dass sie weißes Licht 6002 für die Beleuchtung nach unten ins Wasser liefert. In beiden Beispielen wird das weiße Licht (6001 oder 6002) von einem emittierenden Wellenleiter, wie z. B. Streu- oder undichten Fasern (6010 oder 6020), abgestrahlt und liefert eine sehr schöne und gleichmäßige Weißlichtverteilung. In einigen Beispielen kann die Farbe des Lichts abgestimmt werden, einschließlich der Änderung der Farbtemperatur des weißen Lichts oder der Änderung in reine Farben wie Rot, Blau, Grün, Violett, Gelb, Orange oder andere Farben. In diesen Beispielen befinden sich die laserbasierten Weißlichtquellen außerhalb des Schwimmbadbereichs, z. B. in einer kleinen Einhausung in der Nähe des Schwimmbads. Das Schwimmbad kann ein Aufstellbecken oder ein Unterflurbecken sein.
In einer anderen Ausführungsform wird das über den Wellenleiter gelieferte laserbasierte Licht an eine Badewanne oder einen Whirlpool geliefert. Wie in 50 gezeigt, kann das vom Wellenleiter gelieferte weiße Licht als Unterwasser-Beleuchtungslicht 6110 konfiguriert werden und ein gleichmäßiges Lichtmuster in der Badewanne erzeugen. In diesem Beispiel wird das weiße Licht 6110 von einem emittierenden Wellenleiter wie einer Streu- oder undichten Faser (wie durch die gekrümmten Linien schematisch angedeutet) abgestrahlt und sorgt für eine sehr schöne und gleichmäßige Weißlichtverteilung. Die ebenfalls in 50 gezeigte fasergespeiste Weißlichtquelle kann so konfiguriert werden, dass sie das Licht an diskrete passive Leuchten bzw. Leuchtkörper 6120 unter dem Wasser abgibt, um ein Netzwerk von Punktlichtern zu erzeugen. In diesem Beispiel werden Transportfasern (nicht dargestellt) verwendet, um das Licht von der laserbasierten Lichtquelle zu den passiven Leuchten 6120 zu transportieren. In einigen Beispielen sind Kombinationen aus diskreten passiven Leuchten und emittierenden Wellenleiterleuchten enthalten, wie z. B. streuende optische Fasern . In einigen Beispielen kann die Farbe des Lichts abgestimmt werden, einschließlich der Änderung der Farbtemperatur des weißen Lichts oder der Änderung in reine Farben wie Rot, Blau, Grün, Violett, Gelb, Orange oder andere Farben. In diesen Beispielen befinden sich die laserbasierten Lichtquellen außerhalb des Whirlpoolbereichs, z. B. in einem kleinen Gehäuse oder unterhalb des Whirlpools. Das Schwimmbad kann ein Aufstellbecken oder ein Unterflurbecken sein.
In allen seitengepumpten und transmissiven und reflektierenden Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung können die zusätzlichen Merkmale und Ausgestaltungen enthalten sein. Zum Beispiel kann die Formgebung des Anregungslaserstrahls zur Optimierung der Strahlpunkteigenschaften auf dem Leuchtstoff durch sorgfältige Designüberlegungen des Laserstrahleinfallswinkels auf den Leuchtstoff oder mit der Verwendung integrierter Optiken wie Freiraumoptiken wie Kollimationslinsen erreicht werden. Sicherheitsmerkmale können einbezogen werden, wie z. B. passive Merkmale wie physikalische Designüberlegungen und Strahlabwürfe und/oder aktive Merkmale wie Photodetektoren oder Thermistoren, die in einem geschlossenen Regelkreis verwendet werden können, um den Laser bei einem Signal abzuschalten. Darüber hinaus können optische Elemente einbezogen werden, um das erzeugte weiße Licht zu manipulieren. In einigen Ausführungsformen werden Reflektoren wie Parabolspiegel oder Linsen wie Kollimationslinsen verwendet, um das weiße Licht zu kollimieren oder einen Lichtpunkt zu erzeugen, der in einem Autoscheinwerfer, einer Taschenlampe, einem Scheinwerfer oder einer anderen Leuchte eingesetzt werden kann.
In einer Ausführungsform stellt die vorliegende Erfindung ein laserbasiertes fasergekoppeltes Weißlichtsystem bereit. Das System hat ein vorverpacktes laserbasiertes Weißlichtmodul, das auf einem Trägerelement montiert ist, und mindestens eine Gallium und Stickstoff enthaltende Laserdiodenvorrichtung, die mit einem Leuchtstoffmaterial auf dem Trägerelement integriert ist. Die von einem Treiber angesteuerte Laserdiodenvorrichtung ist in der Lage, eine Emission eines Laserstrahls mit einer Wellenlänge vorzugsweise im blauen Bereich von 425 nm bis 475 nm oder im ultravioletten oder violetten Bereich von 380 nm bis 425 nm bereitzustellen, kann aber auch andere Wellenlängen aufweisen, wie z. B. im cyanfarbenen Bereich von 475 nm bis 510 nm oder im grünen Bereich von 510 nm bis 560 nm. In einer bevorzugten Ausführungsform kann das Leuchtstoffmaterial eine gelbliche Leuchtstoffemission im Bereich von 560 nm bis 580 nm aufweisen, so dass bei Mischung mit der blauen Emission der Laserdiode ein weißes Licht erzeugt wird. In anderen Ausführungsformen können Leuchtstoffe mit roter, grüner, gelber und sogar blauer Farbemission in Kombination mit der Laserdioden-Anregungsquelle verwendet werden, um eine Weißlichtemission mit Farbmischung in unterschiedlicher Helligkeit zu erzeugen. Das laserbasierte Weißlichtmodul ist so konfiguriert, dass die Emission des Laserstrahls von der Laserdiodeneinrichtung auf das Leuchtstoffmaterial mit einer nicht geführten Laserstrahlcharakteristik im freien Raum übertragen wird. Die spektrale Breite, Wellenlänge, Größe, Form, Intensität und Polarisation des Laserstrahls sind so konfiguriert, dass das Leuchtstoffmaterial angeregt wird. Der Strahl kann konfiguriert werden, indem er im genauen Abstand zum Leuchtstoff positioniert wird, um die Strahldivergenzeigenschaften der Laserdiode auszunutzen und die gewünschte Spotgröße zu erreichen. In anderen . Ausführungsformen können Freiraumoptiken wie Kollimationslinsen verwendet werden, um den Strahl vor dem Auftreffen auf den Leuchtstoff zu formen. Der Strahl kann durch eine Polarisationsreinheit von mehr als 60 % und weniger als 100 % gekennzeichnet sein. Wie hierin verwendet, bedeutet der Begriff „Polarisationsreinheit“, dass mehr als 50 % der emittierten elektromagnetischen Strahlung in einem im Wesentlichen gleichen Polarisationszustand ist, wie z. B. dem transversalen elektrischen (TE) oder transversalen magnetischen (TM) Polarisationszustand, kann aber auch andere Bedeutungen haben, die mit der üblichen Bedeutung übereinstimmen. In einem Beispiel hat der auf den Leuchtstoff einfallende Laserstrahl eine Leistung von weniger als 0,1 W, mehr als 0,1 W, mehr als 0,5 W, mehr als 1 W, mehr als 5 W, mehr als 10 W oder mehr als 10 W. Das Leuchtstoffmaterial ist gekennzeichnet durch einen Umwandlungswirkungsgrad, eine Beständigkeit gegen thermische Beschädigung, eine Beständigkeit gegen optische Beschädigung, eine thermische Löschcharakteristik, eine Porosität zur Streuung von Anregungslicht und eine Wärmeleitfähigkeit. In einer bevorzugten Ausführungsform besteht das Leuchtstoffmaterial aus einem gelb emittierenden, mit Ce dotierten YAG-Material mit einem Umwandlungswirkungsgrad von mehr als 100 Lumen pro optischem Watt, mehr als 200 Lumen pro optischem Watt oder mehr als 300 Lumen pro optischem Watt und kann ein polykristallines keramisches Material oder ein einkristallines Material sein. Die Weißlichtvorrichtung hat auch eine elektrische Eingangsschnittstelle, die so konfiguriert ist, dass sie elektrische Eingangsleistung an die Laserdiodenvorrichtung koppelt, um den Laserstrahl zu erzeugen und das Leuchtstoffmaterial anzuregen. Die Weißlichtquelle ist so konfiguriert, dass sie einen Lichtstrom von mehr als 1 Lumen, 10 Lumen, 100 Lumen, 250 Lumen, 500 Lumen, 1000 Lumen, 3000 Lumen oder 10000 Lumen erzeugt. Das Trägerelement ist so konfiguriert, dass es thermische Energie von der mindestens einen Laserdiodenvorrichtung und dem Leuchtstoffmaterial zu einem Kühlkörper transportiert. Das Trägerelement ist so konfiguriert, dass es eine thermische Impedanz von weniger als 10 Grad Celsius pro Watt oder weniger als 5 Grad Celsius pro Watt Verlustleistung bereitstellt, die einen thermischen Pfad von der Laservorrichtung zu einer Wärmesenke charakterisiert. Das Trägerelement besteht aus einem wärmeleitenden Material wie Kupfer, Kupfer-Wolfram, Aluminium, SiC, Saphir, AlN oder anderen Metallen, Keramiken oder Halbleitern.
In einer Ausführungsform ist ein Lasertreiber in dem vorverpackten laserbasierten Weißlichtmodulvorgesehen. Unter anderem ist der Lasertreiber angepasst, um die der Laserdiode bereitzustellende Leistungsmenge einzustellen. Beispielsweise erzeugt der Lasertreiber einen Ansteuerungsstrom, der auf einem oder mehreren Pixeln aus dem einen oder mehreren Signalen, wie z. B. Bildrahmen, basiert, wobei die Ansteuerungsströme angepasst sind, um eine Laserdiode anzusteuern. In einer spezifischen Ausführungsform ist der Lasertreiber so konfiguriert, dass er ein pulsmoduliertes Signal in einem Frequenzbereich von etwa 50 bis 300 MHz erzeugt. Der Treiber kann eine zeitliche Modulation für Anwendungen im Zusammenhang mit der Kommunikation bereitstellen, wie z. B. LiFi-Lichtkommunikation im freien Raum und/oder Datenkommunikation über Lichtwellenleiter. Alternativ kann der Treiber eine zeitliche Modulation für Anwendungen im Zusammenhang mit der LIDAR-Fernerkundung bereitstellen, um Entfernungen zu messen, 3D-Bilder oder andere verbesserte 2D-Bildgebungsverfahren zu erzeugen.
In bestimmten Ausführungsformen umfasst das vorverpackte laserbasierte Weißlichtmodul einen Wärmeverteiler, der zwischen das gemeinsame Trägerelement und den Kühlkörper gekoppelt ist.
In bestimmten Ausführungsformen des laserbasierten, fasergekoppelten Weißlichtmoduls umfasst die Wellenleitervorrichtung eine optische Faser beliebiger Länge, einschließlich einer Monomode-Faser (SMF) oder einer Multimode-Faser (MMF), mit Kerndurchmessern im Bereich von etwa 1 m bis 10 m, etwa 10 m bis 50 m, etwa 50 m bis 150 m, etwa 150 m bis 500 m, etwa 500 m bis 1 mm oder größer als 1 mm. Die optische Faser ist mit einem Kollimationsoptikelement ausgerichtet, um die kollimierte Weißlichtemission mit einer numerischen Apertur von etwa 0,05 bis 0,7 in einem Kegelwinkel von 5 Grad bis 50 Grad zu empfangen.
In bestimmten Ausführungsformen des laserbasierten fasergekoppelten Weißlichtmoduls enthält die Wellenleitervorrichtung eine undichte Faser einer bestimmten Länge zur Verteilung des seitlich gestreuten Lichts über die Länge.
In bestimmten Ausführungsformen des laserbasierten fasergekoppelten Weißlichtmoduls enthält die Wellenleitervorrichtung eine linsenförmige Faser einer bestimmten Länge, wobei die linsenförmige Faser direkt mit dem vorverpackten Weißlichtmodul ohne zusätzliche Kollimationslinse gekoppelt ist.
In bestimmten Ausführungsformen des laserbasierten fasergekoppelten Weißlichtmoduls umfasst die Wellenleitervorrichtung einen planaren Wellenleiter, der auf Glas, einem Halbleiterwafer oder einem anderen Flachplattensubstrat ausgebildet ist.
In einer Ausführungsform wird die Weißlichtemission von der laserbasierten Weißlichtquelle direkt in ein erstes Ende eines optischen Faserelements eingekoppelt. Das optische Faserelement kann aus einer Glasfaser, einer optischen Kunststofffaser (POF), einer Hohlfaser oder einer alternativen Art von Multimode- oder Singlemode-Faserelement oder Wellenleiterelement bestehen. Das erste Ende der Faser kann aus einer flachen Oberfläche bestehen oder könnte aus einer geformten oder linsenförmigen Oberfläche bestehen, um die Eingangskopplungseffizienz des weißen Lichts in die Faser zu verbessern. Das erste Ende des Faserelements kann mit einer Antireflexionsbeschichtung oder einer Reflexionsmodifikationsbeschichtung beschichtet sein, um die Einkopplungseffizienz des weißen Lichts in das Faserelement zu erhöhen. Das Faser- oder Wellenleiterelement steuert das Licht auf der Grundlage von Stufenindex- oder graduellen Indexänderungen im Wellenleiter, brechenden diffraktiven Abschnitten oder Elementen, holografischen Abschnitten oder Elementen, polarisationsempfindlichen Abschnitten oder Elementen und/oder reflektierenden Abschnitten oder Elementen. Die Faser oder der Wellenleiter ist durch einen Kern-Wellenleiterdurchmesser und eine numerische Apertur (NA) gekennzeichnet. Der Durchmesser reicht von 1µm bis 10µm, 10µm bis 100µm, 100µm bis 1mm, 1mm bis 10mm, oder 10mm bis 100mm. Die NA kann von 0,05 bis 0,1, 0,1 bis 0,2, 0,2 bis 0,3, 0,3 bis 0,4, 0,4 bis 0,5, 0,5 bis 0,6 oder 0,6 bis 0,7 reichen. Die Transmission reicht von 30 bis 40 %, 40 bis 50 %, 50 bis 60 %, 60 bis 70 %, 70 bis 80 %, 80 bis 90 % und 90 bis 100 %. Die Faser kann das Licht zum Ende transportieren oder eine gerichtete, seitlich streuende Faser sein, um eine bevorzugte Beleuchtung in einem bestimmten Winkel zu ermöglichen, oder beides. Die Faser kann eine Beschichtung oder Dotierung oder einen in oder auf einer Oberfläche integrierten Leuchtstoff enthalten, um die Farbe der Emission durch oder aus der Faser zu modifizieren. Die Faser kann eine abnehmbare Faser sein und einen.Stecker, wie z. B. einen SMA, FC und / oder alternative optische Stecker, enthalten. Die Faser kann einen beweglichen Spitzenmechanismus am Eingangs- oder Ausgangsteil zur Abtastung des Fasereingangs oder -ausgangs enthalten, wobei die Faserspitze bewegt wird, um Änderungen der Einkopplungsmenge oder der Farbe oder anderer Eigenschaften des Lichts zu erzeugen, oder auf der Ausgangsseite, um eine Bewegung des Lichts zu erzeugen, oder, wenn zeitlich gemittelt, um ein Lichtmuster zu erzeugen. Die undichte Faser könnte eine gebündelte undichte Faser sein. Zum Beispiel könnte die undichte Faser ein Bündel von 3 oder mehr, oder 19 oder mehr Fasern mit Durchmessern im Bereich von 20µm bis 200µm mit einem Gesamtkerndurchmesser von 0,4mm bis 4mm sein. Die gebündelten Fasern könnten aus Glasfasern oder Kunststofffasern bestehen.
In einer bevorzugten Ausführungsform wird die Weißlichtemission von der laserbasierten Weißlichtquelle durch eine Kollimationslinse geleitet, um die Divergenz des Weißlichts zu reduzieren. Zum Beispiel könnte die Divergenz von 180 Grad Vollwinkel oder 120 Grad Halbwertsbreite, wie sie von der lambertschen Emission gesammelt wird, auf weniger als 12 Grad, weniger als 5 Grad, weniger als 2 Grad oder weniger als 1 Grad reduziert werden. Die Linsen können reflektierende Oberflächen, Stufenindex- oder graduelle Gradientenindex-Änderungen im Material, refraktive Abschnitte oder Elemente, diffraktive Abschnitte oder Elemente, holografische Abschnitte oder Elemente, polarisationsempfindliche Abschnitte oder Elemente und/oder reflektierende Abschnitte oder Elemente einschließlich totaler interner reflektierender Elemente enthalten. Die Linse kann eine Kombination aus diffraktiven und/oder reflektierenden Abschnitten enthalten, wie z. B. eine TIR-Optik (Total Internal Reflection). Der Linsendurchmesser reicht von 1µm bis 10µm, 10µm bis 100µm, 100µm bis 1mm, 1mm bis 10mm, oder 10mm bis 100mm. Die NA kann von 0,05 bis 0,1, 0,1 bis 0,2, 0,2 bis 0,3, 0,3 bis 0,4, 0,4 bis 0,5, 0,5 bis 0,6 oder 0,6 bis 0,7 reichen. Die Transmission reicht von 30 bis 40%, 40 bis 50%, 50 bis 60%, 60 bis 70%, 70 bis 80%, 80 bis 90% und 90 bis 100%.
Das erste Ende der Faser kann aus einer flachen Oberfläche bestehen oder könnte aus einer geformten öder linsenförmigen Oberfläche bestehen, um die Einkopplungseffizienz des weißen Lichts in die Faser zu verbessern. Das erste Ende des Faserelements kann mit einer Antireflexionsbeschichtung oder einer Reflexionsmodifikationsbeschichtung beschichtet sein, um die Einkopplungseffizienz des weißen Lichts in das Faserelement zu erhöhen. Das optische Faserelement kann aus einer Glasfaser, einer optischen Kunststofffaser (POF) oder einer anderen Art von Faserelement bestehen. Das erste Ende der Faser kann aus einer flachen Oberfläche bestehen oder eine geformte oder linsenförmige Oberfläche aufweisen, um die Einkopplungseffizienz des weißen Lichts in die Faser zu verbessern. Die Faser ist durch einen Kernhohlleiterdurchmesser und eine numerische Apertur (NA) gekennzeichnet. Der Durchmesser reicht von 1µm bis 10µm, 10µm bis 100µm, 100µm bis 1mm, 1mm bis 10mm, oder 10mm bis 100mm. Die NA kann von 0,05 bis 0,1, 0,1 bis 0,2, 0,2 bis 0,3 und 0,3 bis 0,4, 0,4 bis 0,5, 0,5 bis 0,6 oder 0,6 bis 0,7 reichen. Die Transmission reicht von 30 bis 40%, 40 bis 50%, 50 bis 60%, 60 bis 70%, 70 bis 80%, 80 bis 90% und 90 bis 100%. Die Faser kann das Licht zum Ende transportieren oder eine gerichtete, seitlich streuende Faser sein, um eine bevorzugte Beleuchtung in einem bestimmten Winkel zu ermöglichen, oder beides: Die Faser kann eine Beschichtung oder Dotierung oder einen in oder auf einer Oberfläche integrierten Leuchtstoff enthalten, um die Farbe der Emission durch oder aus der Faser zu modifizieren. Die Faser kann eine abnehmbare Faser sein und einen Stecker, wie z. B. einen SMA, FC und/oder alternative optische Stecker, enthalten. Die Faser kann einen beweglichen Spitzenmechanismus am Eingangs- oder Ausgangsteil zur Abtastung des Fasereingangs oder -ausgangs enthalten, wobei die Faserspitze bewegt wird, um Änderungen der Einkopplungsmenge oder Farbe oder anderer Eigenschaften des Lichts zu erzeugen, oder auf der Ausgangsseite, um eine Bewegung des Lichts zu erzeugen, oder, wenn zeitlich gemittelt, um ein Lichtmuster zu erzeugen.
In einer anderen bevorzugten Ausführungsform wird die Weißlichtemission von der laserbasierten Weißlichtquelle durch eine Kollimationslinse geleitet, um die Divergenz des Weißlichts zu reduzieren. Zum Beispiel könnte die Divergenz von 120 Grad, wie sie von der lambertschen Emission gesammelt wird, auf weniger als 12 Grad, weniger als 5 Grad, weniger als 2 Grad oder weniger als 1 Grad reduziert werden. Die Linsen können reflektierende Oberflächen, Stufenindex- oder graduelle Gradientenindex-Änderungen im Material, refraktive Abschnitte oder Elemente, diffraktive Abschnitte oder Elemente, holografische Abschnitte oder Elemente, polarisationsempfindliche Abschnitte oder Elemente und/oder reflektierende Abschnitte oder Elemente einschließlich totaler interner reflektierender Elemente enthalten. Die Linse kann eine Kombination aus diffraktiven und/oder reflektierenden Abschnitten enthalten, wie z. B. eine TIR-Optik (Total Internal Reflection). Der Linsendurchmesser reicht von 1µm bis 10µm, 10µm bis 100µm, 100µm bis 1mm, 1mm bis 10mm, oder 10mm bis 100mm. Die NA kann von 0,05 bis 0,1, 0,1 bis 0,2, 0,2 bis 0,3, 0,3 bis 0,4, 0,4 bis 0,5, 0,5 bis 0,6 oder 0,6 bis 0,7 reichen. Die Transmission reicht von 30 bis 40%, 40 bis 50%, 50 bis 60%, 60 bis 70%, 70 bis 80%, 80 bis 90% und 90 bis 100%. Die undichte Faser könnte eine gebündelte undichte Faser sein. Zum Beispiel könnte die undichte Faser ein Bündel aus 3 oder mehr oder 19 oder mehr Fasern mit Durchmessern im Bereich von 20 m bis 200 m mit einem Gesamtkerndurchmesser von 0,4 mm bis 4 mm sein. Die gebündelten Fasern könnten aus Glasfasern oder Kunststofffasern bestehen.
Das erste Ende der Faser kann aus einer flachen Oberfläche bestehen oder aus einer geformten oder linsenförmigen Oberfläche bestehen, um die Einkopplungseffizienz des weißen Lichts in die Faser zu verbessern. Das erste Ende des Faserelements kann mit einer Antireflexionsbeschichtung oder einer Reflexionsmodifikationsbeschichtung beschichtet sein, um die Einkopplungseffizienz des weißen Lichts in das Faserelement zu erhöhen. Das optische Faserelement kann aus einer Glasfaser, einer optischen Kunststofffaser (POF) oder einer anderen Art von Faserelement bestehen. Das erste Ende der Faser kann aus einer flachen Oberfläche bestehen oder eine geformte oder linsenförmige Oberfläche aufweisen, um die Einkopplungseffizienz des weißen Lichts in die Faser zu verbessern. Die Faser ist durch einen Kernhohlleiterdurchmesser und eine numerische Apertur (NA) gekennzeichnet. Der Durchmesser reicht von 1µm bis 10µm, 10µm bis 100µm, 100µm bis 1mm, 1mm bis 10mm, oder 10mm bis 100mm. Die NA könnte von 0,05 bis 0,1, 0,1 bis 0,2, 0,2 bis 0,3 und 0,3 bis 0,4, 0,4 bis 0,5, 0,5 bis 0,6 oder 0,6 bis 0,7 reichen. Die Transmission reicht von 30 bis 40%, 40 bis 50%, 50 bis 60%, 60 bis 70%, 70 bis 80%, 80 bis 90% und 90 bis 100%. Die Faser kann das Licht zum Ende transportieren oder eine gerichtete, seitlich streuende Faser sein, um eine bevorzugte Beleuchtung in einem bestimmten Winkel zu ermöglichen, oder beides. Die Faser kann eine Beschichtung oder Dotierung oder einen in oder auf einer Oberfläche integrierten Leuchtstoff enthalten, um die Farbe der Emission durch oder aus der Faser zu modifizieren. Die Faser kann eine abnehmbare Faser sein und einen Stecker, wie z. B. einen SMA, FC und / oder alternative optische Stecker, enthalten. Die Faser kann einen beweglichen Spitzenmechanismus am Eingangs- oder Ausgangsteil zur Abtastung des Fasereingangs oder -ausgangs enthalten, wobei die Faserspitze bewegt wird, um Änderungen der Einkopplungsmenge oder der Farbe oder anderer Eigenschaften des Lichts zu erzeugen, oder auf der Ausgangsseite, um eine Bewegung des Lichts zu erzeugen, oder, wenn zeitlich gemittelt, um ein Lichtmuster zu erzeugen. Die undichte Faser könnte eine gebündelte undichte Faser sein. Zum Beispiel könnte die undichte Faser ein Bündel von 3 oder mehr, oder 19 oder mehr Fasern mit Durchmessern im Bereich von 20µm bis 200µm mit einem Gesamtkerndurchmesser von 0,4mm bis 4mm sein. Die gebündelten Fasern könnten aus Glasfasern oder Kunststofffasern bestehen.
Wie zuvor beschrieben, kann das optische Faserelement aus einer Glasfaser, einer optischen Kunststofffaser oder einer alternativen Art von Faserelement bestehen. Der Kern oder der Wellenleiterbereich der Faser kann einen Durchmesser im Bereich von 1µm bis 10µm, 10µm bis 100µm, 100µm bis 1mm, 1mm bis 10mm oder 10mm bis 100mm haben. Die Weißlichtemission wird dann durch die Faser auf eine beliebige Länge, je nach Anwendung, übertragen. Zum Beispiel könnte die Länge von 1cm bis 10 cm, 10 cm bis Im, 1 m bis 100 m, 100 m bis 1 km oder größer als 1km reichen.
In einer Ausführungsform sind die Transporteigenschaften des optischen Faserelements so ausgelegt, dass die Lichtmenge, die vom ersten Ende der Faser zu einem zweiten Ende der Faser gelangt, maximiert wird. In dieser Ausführungsform ist die Faser auf geringe Absorptionsverluste, geringe Streuverluste und geringe Leckverluste des weißen Lichts aus der Faser ausgelegt. Das weiße Licht tritt am zweiten Ende der Faser aus, wo es zur Beleuchtung an das Zielobjekt abgegeben wird. In einer bevorzugten Ausführungsform wird das am zweiten Ende der Faser austretende weiße Licht durch eine Linse zur Kollimation des weißen Lichts geleitet. Die Linse kann reflektierende Oberflächen, Stufenindex- oder graduelle Gradientenindex-Änderungen im Material, refraktive Abschnitte oder Elemente, diffraktive Abschnitte oder Elemente, holografische Abschnitte oder Elemente, polarisationsempfindliche Abschnitte oder Elemente und/oder reflektierende Abschnitte oder Elemente einschließlich totaler interner reflektierender Elemente enthalten. Die Linse kann eine Kombination von diffraktiven und/oder reflektierenden Abschnitten enthalten, wie z. B. eine Totalreflexionsoptik, z. B. eine TIR-Optik. Der Linsendurchmesser reicht von 1µm bis 10µm, 10µm bis 100µm, 100µm bis 1mm, 1mm bis 10mm, oder 10mm bis 100mm. Die NA kann von 0,05 bis 0,1, 0,1 bis 0,2, 0,2 bis 0,3, 0,3 bis 0,4, 0,4 bis 0,5, 0,5 bis 0,6 oder 0,6 bis 0,7 reichen. Die Transmission reicht von 30 bis 40%, 40 bis 50%, 50 bis 60%, 60 bis 70%, 70 bis 80%, 80 bis 90% und 90 bis 100%.
Zusätzlich kann eine Strahlformungsoptik eingebaut werden, um den Strahl des weißen Lichts in ein vorgegebenes Muster zu formen. In einem Beispiel wird der Strahl in das erforderliche Muster für eine Automobilstandard-Fernlichtform oder Abblendlichtform geformt. Das Strahlformungselement kann eine Linse oder eine Kombination von Linsen sein. Die Linse kann reflektierende Oberflächen, Stufenindex- oder graduelle Gradientenindex-Änderungen im Material, refraktive Abschnitte oder Elemente, diffraktive Abschnitte oder Elemente, holografische Abschnitte oder Elemente, polarisationsempfindliche Abschnitte oder Elemente und/oder reflektierende Abschnitte oder Elemente einschließlich totaler interner reflektierender Elemente enthalten. Die Linse kann eine Kombination aus diffraktiven Linsen und/oder Reflexionsabschnitten enthalten, wie z. B. eine Totalreflexionsoptik, z. B. eine TIR-Optik. Es kann auch ein strahlenformender Diffusor verwendet werden, wie z. B. ein holografischer Diffusor. Der Durchmesser der Linse und/oder des Diffusors reicht von 1µm bis 10µm, 10µm bis 100µm, 100µm bis 1mm, 1mm bis 10mm, oder 10mm bis 100mm. Die Form der Linse kann nicht kreisförmig sein, wie z. B. rechteckig oder oval oder mit einer alternativen Form, wobei eine der Abmessungen von 1µm bis 10µm, 10µm bis 100µm, 100µm bis 1mm, 1mm bis 10mm oder 10mm bis 100mm reicht. Die NA könnte von 0,05 bis 0,1, 0,1 bis 0,2, 0,2 bis 0,3, 0,3 bis 0,4, 0,4 bis 0,5, 0,5 bis 0,6 oder 0,6 bis 0,7 reichen. Die Transmission reicht von 30 bis 40%, 40 bis 50%, 50 bis 60%, 60 bis 70%, 70 bis 80%, 80 bis 90% und 90 bis 100%. Die undichte Faser könnte eine gebündelte undichte Faser sein. Zum Beispiel könnte die undichte Faser ein Bündel aus 3 oder mehr oder 19 oder mehr Fasern mit Durchmessern im Bereich von 20 m bis 200 m mit einem Gesamtkerndurchmesser von 0,4 mm bis 4 mm sein. Die gebündelten Fasern könnten aus Glasfasern oder Kunststofffasern bestehen.
In einer anderen Ausführungsform ist das optische Faserelement absichtlich so gestaltet, dass es undicht ist, so dass das weiße Licht die Faser entlang ihrer Achse verlässt, um eine verteilte Weißlichtquelle zu erzeugen. Die Faserkonstruktion kann Luftblasen, Hohlräume, Verbundmaterialien oder andere Konstruktionen enthalten, um Störungen im Brechungsindex entlang der Achse des Wellenleiters einzuführen, um die Streuung des weißen Lichts zu fördern.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform kann die Faser so gestaltet sein, dass Licht aus dem Kernwellenleiterbereich in den Mantelbereich austritt. In einigen Ausführungsformen ist die undichte Faser so ausgelegt, dass das weiße Licht nur aus bestimmten Richtungen des Faserumfangs austritt. Zum Beispiel kann die Faser gerichtetes Leck aufweisen und Licht aus 180 Grad des 360-Grad-Umfangs der Faser emittieren. In anderen Beispielen kann die Faser lecken und Licht aus 90 Grad des 360-Grad-Umfangs der Fasern emittieren.
Die undichte Faser-Ausführung der fasergekoppelten Weißlicht-Erfindung beschrieben kann feine Verwendung in vielen Anwendungen. Eine solche Beispielanwendung mit der undichten Faser als verteilte Lichtquelle enthalten als Tagfahrlicht in einem Fahrzeugscheinwerfermodul. Darüber hinaus könnten die verteilten Lichtquellen in der Fahrzeuginnenbeleuchtung und der Heckbeleuchtung verwendet werden. In einer anderen Anwendung wird die Quelle als verteilte Beleuchtung für Tunnel, Straßen, Unterwasserbeleuchtung, Büro- und Wohnbeleuchtung, Industriebeleuchtung und andere Beleuchtungsarten verwendet. In einer anderen Anwendung könnte die undichte Faser in einer Glühbirne als Glühfaden enthalten sein. Die undichte Faser könnte eine gebündelte undichte Faser sein. Zum Beispiel könnte die undichte Faser ein Bündel von 3 oder mehr, oder 19 oder mehr Fasern mit Durchmessern im Bereich von 20µm bis 200µm mit einem Gesamtkerndurchmesser von 0,4mm bis 4mm sein. Die gebündelten Fasern könnten aus Glasfasern oder Kunststofffasern bestehen.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform kann eine elektronische Platine mit der Lichtquelle verwendet werden. Sie kann einen Abschnitt enthalten, der eine anfängliche Wärmesenke für die Lichtquelle bereitstellt, mit einem Wärmewiderstand von weniger als 1 Grad Celsius pro Watt, oder 1 bis 2 Grad Celsius pro Watt, oder 2 bis 3 Grad Celsius pro Watt, oder 3 bis 4 Grad Celsius pro Watt, oder 4 bis 5 Grad Celsius pro Watt, oder 5 bis 10 Grad Celsius pro Watt. Die Elektronikplatine kann einen elektrischen Kontakt für Anode(n) und Kathode(n) der Lichtquelle bereitstellen. Die Elektronikplatine kann einen Treiber für die Lichtquelle oder eine Spannungsversorgung für die Lichtquelle enthalten. Die Elektronikplatine kann Treiberelemente enthalten, die eine zeitliche Modulation für Anwendungen im Zusammenhang mit der Kommunikation bereitstellen, wie z. B. LiFi-Lichtkommunikation im freien Raum und/oder Datenkommunikation über Glasfaser. Die Elektronikplatine kann Treiberelemente enthalten, die eine zeitliche Modulation für Anwendungen im Zusammenhang mit der LiDAR-Fernerkundung zur Messung von Entfernungen, zur Erzeugung von 3D-Bildern oder für andere verbesserte 2D-Bildgebungsverfahren bereitstellen. Die Elektronikplatine kann Sensoren für SMD wie Thermistor- oder Prozessdetektoren von SMD wie Photodetektor-Signalaufbereitung oder Fasersensoren enthalten. Die elektronische Platine kann mit einer Software verbunden sein. Die Software kann maschinelles Lernen oder künstliche Intelligenz-Funktionalität bereitstellen. Der Durchmesser der elektronischen Platine kann von 1µm bis 10µm, 10µm bis 100µm, 100µm bis 1mm, 1mm bis 10mm oder 10mm bis 100mm reichen. Die Form der elektronischen Platine kann nicht kreisförmig sein, wie z.B. rechteckig oder oval oder mit einer alternativen Form, wobei eine der Abmessungen von 1µm bis 10µm, 10µm bis 100µm, 100µm bis 1mm, 1mm bis 10mm oder 10mm bis 100mm beträgt. Die NA könnte von 0,05 bis 0,1, 0,1 bis 0,2, 0,2 bis 0,3, 0,3 bis 0,4, 0,4 bis 0,5, 0,5 bis 0,6 oder 0,6 bis 0,7 reichen.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform kann ein Kühlkörper mit der Lichtquelle verwendet werden. Der Kühlkörper kann einen thermischen Widerstand von weniger als 1 Grad Celsius pro Watt, oder 1 bis 2 Grad Celsius pro Watt, oder 2 bis 3 Grad Celsius pro Watt, oder 3 bis 4 Grad Celsius pro Watt, oder 4 bis 5 Grad Celsius pro Watt, oder 5 bis 10 Grad Celsius pro Watt haben. Der Kühlkörper kann zylindrisch sein mit einem Durchmesser, der von 1µm bis 10µm, 10µm bis 100µm, 100µm bis 1mm, 1mm bis 10mm, oder 10mm bis 100mm reichen kann. Die Form des Kühlkörpers kann nicht-zylindrisch sein mit einer alternativen Form, wobei eine der Dimensionen von 1µm bis 10µm, 10µm bis 100µm, 100µm bis 1mm, 1mm bis 10mm oder 10mm bis 100mm betragen kann. Der Kühlkörperrahmen kann durch Drehen hergestellt werden, um ein flexibles ästhetisches Aussehen von einem gemeinsamen Lichtquellenmodul darunter zu ermöglichen.
Zusätzlich kann ein mechanischer Rahmen verwendet werden, an dem die Lichtquelle, die Optik, die Faser, die Elektronikplatine oder der Kühlkörper befestigt werden. Der mechanische Rahmen kann zylindrisch sein mit einem Durchmesser, der von 1µm bis 10µm, 10µm bis 100µm, 100µm bis 1mm, 1mm bis 10mm oder 10mm bis 100mm reichen kann. Die Form des Kühlkörpers kann nicht-zylindrisch sein mit einer alternativen Form, wobei eine der Dimensionen von 1µm bis 10µm, 10µm bis 100µm, 100µm bis 1mm, 1mm bis 10mm oder 10mm bis 100mm betragen kann. Der mechanische Rahmen kann durch Drehen hergestellt werden, um ein flexibles ästhetisches Aussehen von einem gemeinsamen Lichtquellenmodul darunter zu ermöglichen.
Optional kann die Lichtquelle mit einem einzelnen Faserausgang mit Kollimationsoptik und Strahlmustergenerator konfiguriert werden. Optional kann die Lichtquelle mit mehreren Faserausgängen konfiguriert werden, jeder mit kollimierender Optik und Strahlmustergenerator. Optional können mehrere Lichtquellen mit einem einzelnen Faserausgang mit kollimierender Optik und Strahlmustergenerator konfiguriert werden. Optional können mehrere Lichtquellen für mehrere Faserbündelausgänge mit kollimierender Optik und Strahlmustergenerator konfiguriert werden. Optional können mehrere Lichtquellen für mehrere Faserbündelausgänge konfiguriert werden, jeweils mit Kollimationsoptik und Strahlmustergenerator. Optional können mehrere Lichtquellen mit unterschiedlichen Farbeigenschaften für eine oder mehrere Fasern konfiguriert werden, um unterschiedliche Farbeigenschaften der Emission zu erzeugen.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

US 16/597795 [0001]
US 16/597791 [0001]
US 16/380217 [0001]
US 16/252570 [0001]
US 15/719455 [0139]

Claims

Laserbasiertes fasergekoppeltes Weißlichtbeleuchtungssystem, aufweisend: ein oder mehrere Weißlichtquellenmodule, die an einer Quellenposition positioniert sind, jeweils aufweisend: eine Laservorrichtung, die ein Gallium und Stickstoff enthaltendes Material umfasst und als Anregungsquelle konfiguriert ist, wobei die Laservorrichtung eine Ausgangsfacette umfasst, die konfiguriert ist, eine Laseremission mit einer ersten Wellenlänge im Bereich von 385 nm bis 495 nm auszugeben; ein Leuchtstoffelement, das als Wellenlängenkonverter und Emitter konfiguriert und so angeordnet ist, dass die elektromagnetische Laserstrahlung optisch mit einer primären Oberfläche des Leuchtstoffelements gekoppelt werden kann; einen Einfallswinkel, der zwischen der elektromagnetischen Laserstrahlung und der primären Oberfläche des Leuchtstoffelements konfiguriert ist, wobei das Leuchtstoffelement so konfiguriert ist, dass es mindestens einen Teil der elektromagnetischen Laserstrahlung mit der ersten Wellenlänge, die in einem Punkt von mehr als 5 µm auf die primären Oberfläche einfällt, in eine Leuchtstoffemission mit einer zweiten Wellenlänge umwandelt, die länger ist als die erste Wellenlänge; einen Lichtemissionsmodus, der das Leuchtstoffelement mit einer Weißlichtemission charakterisiert, die aus mindestens einer Wechselwirkung der elektromagnetischen Laserstrahlung mit der Leuchtstoffemission erzeugt wird, wobei die Weißlichtemission aus einer Mischung von Wellenlängen besteht, die durch mindestens die zweite Wellenlänge aus dem Leuchtstoffelement charakterisiert ist; eine oder mehrere Fasern, die so konfiguriert sind, dass sie erste Enden haben, die mit dem einen oder den mehreren Weißlichtquellenmodulen gekoppelt sind, um die Weißlichtemission an jeweiligen zweiten Enden auszugeben; und einen oder mehrere passive Leuchtkörper, die im Wesentlichen frei von elektrischer Leistungsversorgung sind, die an einer Beleuchtungsposition angeordnet sind und mit den jeweiligen zweiten Enden gekoppelt sind, um die Weißlichtemission auf ein oder mehrere Beleuchtungsmuster zu verteilen, wobei die Beleuchtungsposition von einer Position des einen oder der mehreren Weißlichtquellenmodule durch einen entfernten Abstand getrennt ist.
Laserbasiertes fasergekoppeltes Weißlichtbeleuchtungssystem nach Anspruch 1, wobei jedes der ein oder mehreren Weißlichtquellenmodule ein Gehäuse vom Typ SMD (Surface Mount Device) umfasst, oder jedes der ein oder mehreren Weißlichtquellenmodule ein Gehäuse umfasst, das aus einem flachen Gehäuse, TO9 Can, TO56 Can, TO-5 Can, TO-46 Can, CS-Mount, G-Mount, C-Mount und einem mikrokanalgekühlten Gehäuse ausgewählt ist.
Laserbasiertes fasergekoppelte Weißlichtbeleuchtungssystem nach Anspruch 1, wobei das eine oder die mehreren Weißlichtquellenmodule so konfiguriert sind, dass sie die Weißlichtemission von einem Quellendurchmesser von etwa 0,10 mm bis etwa 3 mm mit einem Gesamtlichtstrom von etwa 100 Lumen bis etwa 2000 Lumen oder mehr erzeugen.
Laserbasiertes fasergekoppeltes Weißlichtbeleuchtungssystem nach Anspruch 1, wobei die eine oder die mehreren Fasern Wellenleiter umfassen, die auf einem zweidimensionalen Substrat verlegt sind, sowie optische Faserkabel, die in einer eindimensionalen Konfiguration angeordnet sind.
Laserbasiertes fasergekoppeltes Weißlichtbeleuchtungssystem nach Anspruch 1, wobei jede der einen oder mehreren Fasern eine Glasfaser oder eine Kunststofffaser mit einem Kerndurchmesser von etwa 100 µm bis etwa 2 mm oder größer umfasst, und wobei der Faserkern aus einer Vollkernfaser oder einem Faserbündelkern oder einer Kombination aus Vollkern- und Faserbündeltyp-Fasern konfiguriert werden kann.
Laserbasiertes fasergekoppeltes Weißlichtbeleuchtungssystem nach Anspruch 1, wobei eine oder mehrere Fasern direkt mit dem einen oder den mehreren Weißlichtquellmodulen gekoppelt sind oder wobei die undichten Fasern mit den jeweiligen zweiten Enden der einen oder mehreren Fasern gekoppelt sind, um die weiße Emission zu liefern.
Laserbasiertes fasergekoppeltes Weißlichtbeleuchtungssystem nach Anspruch 1, das ferner aufweist: einen optischen Verbinder zum lösbaren Verbinden der einen oder mehreren passiven Leuchtkörper mit den jeweiligen zweiten Enden der einen oder mehreren Fasern, um die weiße Emission zu liefern; ein Weißlichtzuführungselement, das optisch mit einem oder mehreren Weißlichtquellenmodulen gekoppelt ist, mindestens einen Pegel, der aus größer als 20 %, größer als 40 %, größer als 60 % und größer als 80 % ausgewählt ist; und/oder ein optisches Schaltmodul, das so konfiguriert ist, dass es einen Eingang der Weißlichtemission zu einem von mehreren Ausgängen bzw. zu mehreren optischen Kanälen schaltet, die jeweils mit mehreren passiven Leuchtkörpern gekoppelt sind, einen schnell schaltenden MEMS-Spiegel, um eine räumliche Modulation des einen oder der mehreren Beleuchtungsmuster zu erzeugen, einen oder mehrere Sensoren, um Umgebungsinformationen an der Beleuchtungsstelle zu sammeln, und einen Controller mit einer Sensorsignaleingabeeinheit, einer Verarbeitungseinheit und einer Treibereinheit, die so konfiguriert sind, dass sie das Sensorsignal verarbeiten, um ein Rückkopplungssteuersignal zum Ansteuern des einen oder der mehreren Weißlichtquellenmodule zu erzeugen, wobei das eine oder die mehreren Weißlichtquellenmodule so konfiguriert sind, dass sie die elektromagnetische Laserstrahlung von der Laservorrichtung und die Leuchtstoffemission von dem Leuchtstoffelement einstellen, um eine Farbabstimmung und eine Beleuchtungsmustereinstellung der Weißlichtemission zu erreichen.
Laserbasiertes fasergekoppeltes Weißlichtbeleuchtungssystem nach Anspruch 1, wobei der Lichtemissionsmodus, der das Leuchtstoffelement mit einer Weißlichtemission charakterisiert, einen von einem Reflexionsmodus oder einem Transmissionsmodus umfasst, wobei im Reflexionsmodus die Weißlichtemission von derselben Oberfläche des Leuchtstoffelements emittiert wird, auf die der Laserstrahl auftrifft, und im Transmissionsmodus die Weißlichtemission von mindestens einer anderen Oberfläche des Leuchtstoffelements emittiert wird, als derjenigen, auf der der Laserstrahl auftrifft.
Laserbasiertes fasergekoppeltes Weißlichtbeleuchtungssystem nach Anspruch 1, wobei der eine oder die mehreren passiven Leuchtkörper eine oder mehrere undichte Fasern umfassen, die jeweils mit der einen oder den mehreren Fasern durch einen oder mehrere abnehmbare optische Verbinder oder durch Spleißen gekoppelt sind, wobei mindestens eines erfüllt ist aus: dass die undichte Faser ein Streuungsmerkmal darin auf weist, um eine gleichmäßige Lichtstreuung über Beleuchtungswinkel bis zu 360 Grad herum zu erzeugen; dass die undichte Faser ein Streuungsmerkmal darin auf weist, um eine gerichtete Seitenstreuungscharakteristik zu erzeugen, die eine bevorzugte Beleuchtung in einem Bereich von Winkeln von null Grad entlang der Länge des Faserkörpers bis zu 90 Grad senkrecht zum Faserkörper ergibt; dass die undichte Faser Lichtemissionsmerkmale auf weist, die auf Streuung, Reflexion und Kollimation beruhen, um ein Beleuchtungsmuster in einem festen oder variierten Richtungswinkelbereich zu erzeugen; oder dass die undichte Faser eine Lichtabgabe auf weist, die durch einen effektiven Lichtstrom von mehr als 25 Lumen oder mehr als 50 Lumen oder mehr als 150 Lumen oder mehr als 300 Lumen oder mehr als 600 Lumen oder mehr als 800 Lumen oder mehr als 1200 Lumen bei einer optischen Effizienz von mehr als 35% aus dem Faserkörper heraus charakterisiert ist.
Laserbasiertes fasergekoppeltes Weißlichtbeleuchtungssystem nach Anspruch 1, wobei der passive Leuchtkörper eine oder mehrere Lichtemissions- und Lichtformungsmerkmale darin aufweist, die auf Streuung, Reflexion, Farbkonvertierung und/oder Kollimation basieren, um ein gewünschtes räumliches Beleuchtungsmuster, eine Farbqualität und/oder eine ästhetische Eigenschaft zu erzeugen.
Laserbasiertes fasergekoppeltes Weißlichtbeleuchtungssystem nach Anspruch 1, wobei der eine oder mehrere passive Leuchtkörper an Pendelleuchten oder Kronleuchtern ausgebildet sind.
Laserbasiertes fasergekoppeltes Weißlichtbeleuchtungssystem nach Anspruch 1, wobei der eine oder mehrere passive Leuchtkörper in Wellenleitern enthalten sind, die in Muldenleuchten integriert, in Textilien, Möbeln und/oder Gebäudedesign-Elementen eingebaut sind.
Laserbasiertes fasergekoppeltes Weißlichtbeleuchtungssystem nach Anspruch 1, wobei der eine oder mehrere passive Leuchtkörper als Beleuchtungselemente für Innen-/Außenbeleuchtung, dekorative Accessoires, architektonische Merkmale, Haushalts- oder Industriegeräte, Fahrzeuge, Unterwasserbeleuchtungen für Schwimmbäder und Whirlpools enthalten sind.
Zentrales Beleuchtungssystem mit verteiltem Weißlicht, aufweisend, eine oder mehrere laserbasierte Weißlichtquellen, die in einem oder mehreren dedizierten Quellenbereichen angeordnet sind, wobei jede Lichtquelle aufweist: eine Laservorrichtung, die ein Gallium und Stickstoff enthaltendes Material umfasst und als Anregungsquelle konfiguriert ist, wobei die Laservorrichtung eine Ausgangsfacette umfasst, die konfiguriert ist, eine elektromagnetische Laseremission mit einer ersten Wellenlänge im Bereich von 385 nm bis 495 nm auszugeben; ein Leuchtstoffelement, das als Wellenlängenkonverter und Emitter konfiguriert und so angeordnet ist, dass es die elektromagnetische Emission des Lasers umwandelt, um eine zweite elektromagnetische Strahlung mit einer zweiten Wellenlänge, die länger als die erste Wellenlänge ist, zu emittieren; und einen Lichtemissionsmodus, der das Leuchtstoffelement mit einer Weißlichtemission charakterisiert, die aus mindestens einer Wechselwirkung der elektromagnetischen Laserstrahlung mit der zweiten elektromagnetischen Emission als eine Mischung von Wellenlängen erzeugt wird, die durch mindestens die zweite Wellenlänge aus dem Leuchtstoffelement charakterisiert ist; ein Weißlichtversorgungselement, das so konfiguriert ist, dass es mit der einen oder den mehreren laserbasierten Weißlichtquellen koppelt, um eine gerichtete Weißlichtemission zu erzeugen; ein optisches Schaltmodul, das so konfiguriert ist, dass es die gerichtete Weißlichtemission mit einem oder mehreren von mehreren Kanälen koppelt, um den Lichtintensitätspegel auf einen vorbestimmten Pegel zu steuern, der in den einen oder die mehreren Kanäle einzufügen ist; und mehrere Transportfasern, die so konfiguriert sind, dass sie jeweils mit den mehreren Kanälen koppeln, um die Weißlichtemission von jedem Kanal mit dem vorbestimmten Lichtpegelstatus zu empfangen und die Weißlichtemission an einen oder mehrere verteilte Beleuchtungsbereiche zu liefern.
Zentrales Beleuchtungssystem nach Anspruch 14, wobei jede der einen oder mehreren weißen Lichtquellen ein Gehäuse vom Typ SMD (Surface Mount Device) umfasst.
Zentrales Beleuchtungssystem nach Anspruch 14, wobei der Lichtemissionsmodus, der das Leuchtstoffelement mit einer Weißlichtemission charakterisiert, einen von einem Reflexionsmodus oder einem Transmissionsmodus umfasst, wobei im Reflexionsmodus die Weißlichtemission von derselben Oberfläche des Leuchtstoffelements emittiert wird, auf die der Laserstrahl auftrifft, und im Transmissionsmodus die Weißlichtemission von mindestens einer anderen Oberfläche des Leuchtstoffelements als auf derjenigen, auf der der Laserstrahl auftrifft, emittiert wird.
Zentrales Beleuchtungssystem nach Anspruch 14, die ferner einen oder mehrere optische Verbinder umfasst, um lösbare optische Kopplungen zwischen der einen oder den mehreren Weißlichtquellen und dem Weißlichtversorgungselement zu bilden, das die Weißlichtemission lenkt.
Zentrales Beleuchtungssystem nach Anspruch 14, wobei der eine oder die mehreren optischen Verbinder SMA-Typ, FC-Typ, Snap-in-Typ umfassen.
Zentrales Beleuchtungssystem nach Anspruch 14, wobei das Weißlichtzuführungselement ein optisches Wellenleiterelement, wie z. B. eine Faser, und optional eine Kombination von Linsen, Spiegeln, Reflektoren zur Formung und Kollimation der Weißlichtemission umfasst.
Zentrales Beleuchtungssystem nach Anspruch 14, wobei das optische Schaltmodul MEMS-Vorrichtungen mit abtastenden Mikrospiegeln oder digitale Lichtverarbeitungschips (DLP) einschließlich Arrays von Mikrospiegeln oder piezoelektrische Strahlsteuerungsvorrichtungen oder Abtastfaserspitzenvorrichtungen, Mikropositioniervorrichtungen, Tintenstrahlvorrichtungen mit einem Schnittpunkt zweier Wellenleiter, Flüssigkristall-auf-Silizium-(LCOS)-Vorrichtungen oder Vorrichtungen, die auf thermischen Methoden, akusto-optischer oder magneto-optischer Technologie basieren, umfasst, die die Weißlichtemission zu einer ausgewählten von mehreren Transportfasern umlenken können.
Zentrales Beleuchtungssystem nach Anspruch 14, wobei das optische Schaltmodul eine digitale Vorrichtung umfasst, die einen „EIN“- oder „AUS“-Zustand zu einem optischen Pfad steuert, um die Weißlichtabgabe von dem Weißlichtzuführungselement zu leiten, oder eine analoge Vorrichtung, die die Steuerung der Menge der abgegebenen Weißlichtabgabe ermöglicht, um eine Dimmfunktion bereitzustellen.
Zentrales Beleuchtungssystem nach Anspruch 14, wobei die mehrfach verteilten Beleuchtungsbereiche einen abgelegenen Bereich umfassen, der von den dedizierten Quellbereichen mit einem kurzen Abstand von mindestens 6 Zoll bis zu einem langen Abstand von mehreren zehn Metern getrennt ist, ein Bereich, der eine Umgebung aufweist, die im Wesentlichen frei von Einschränkungen in Bezug auf Temperatur, Feuchtigkeit, Strahlung, Zugänglichkeit und Sicherheit ist, die für die dedizierten Quellbereiche festgelegt wurden.
Zentrales Beleuchtungssystem nach Anspruch 14, wobei jede der mehreren Transportfasern eine Glasfaser oder eine Kunststofffaser mit einem Kerndurchmesser von etwa 100 um bis etwa 2 mm oder größer umfasst, und wobei der Faserkern aus einer Vollkernfaser oder einem Faserbündelkern oder einer Kombination aus Vollkern- und Faserbündeltyp-Fasern konfiguriert werden kann.
Zentrales Beleuchtungssystem nach Anspruch 14, wobei jede der mehreren Transportfasern so konfiguriert ist, dass sie die Weißlichtemission von der Weißlichtquelle mit einem Kopplungswirkungsgrad transportiert, der mindestens in einem Bereich liegt, der aus größer als 20%, größer als 40%, größer als 60% und größer als 80% ausgewählt ist.
Zentrales Beleuchtungssystem nach Anspruch 14, wobei die eine oder die mehreren Transportfasern die weiße Lichtemission an eine oder mehrere passive Leuchtkörper an einem Beleuchtungsort liefern, um die weiße Lichtemission auf ein oder mehrere Beleuchtungsmuster zu verteilen, wobei mindestens eines erfüllt ist aus: dass der eine oder die mehreren passiven Leuchtkörper eine oder mehrere undichte Fasern umfassen, die jeweils mit der einen oder den mehreren Fasern durch einen oder mehrere lösbare optische Verbinder oder durch Spleißen gekoppelt sind, und wobei die undichte Faser mit einem massiven Kern, einem Faserbündelkern oder einer anderen Art von Kern konfiguriert ist, wobei die undichte Faser ein Streuungsmerkmal darin umfasst, um eine gleichmäßige Lichtstreuung über Beleuchtungswinkel bis zu 360 Grad herum zu erzeugen, oder wobei die undichte Faser ein Streuungsmerkmal darin umfasst, um eine gerichtete Seitenstreuungscharakteristik zu erzeugen, die eine bevorzugte Beleuchtung in einem Bereich von Winkeln von null Grad entlang der Länge des Faserkörpers bis zu 90 Grad senkrecht zum Faserkörper ergibt, oder wobei die undichte Faser Lichtemissionsmerkmale darin umfasst, die auf Streuung, Reflexion und Kollimation basieren, um ein Beleuchtungsmuster in einem festen oder variierten Richtungswinkelbereich zu erzeugen; dass der eine oder die mehreren passiven Leuchtkörper eine oder mehrere Lichtemissions- und Lichtformungseigenschaften darin aufweisen, die auf Streuung, Reflexion, Farbkonvertierung und/oder Kollimation basieren, um ein gewünschtes räumliches Beleuchtungsmuster, eine Farbqualität und/oder eine ästhetische Eigenschaft zu erzeugen; dass der eine oder die mehreren passiven Leuchtkörper an Pendelleuchten oder Kronleuchtern ausgebildet sind; oder dass der eine oder die mehreren passiven Leuchtkörper in Wellenleitern enthalten sind, die in Muldenleuchten, in Textilien, Möbeln und/oder Gebäudedesign-Elementen eingebaut sind.
Intelligentes Beleuchtungssystem, aufweisend, eine oder mehrere laserbasierte Weißlichtquellen, die in einem Quellenbereich angeordnet sind, wobei die eine oder mehreren Lichtquellen umfassen: eine Laservorrichtung, die ein Gallium und Stickstoff enthaltendes Material umfasst und als Anregungsquelle konfiguriert ist, wobei die Laservorrichtung eine Ausgangsfacette umfasst, die konfiguriert ist, eine elektromagnetische Laseremission mit einer ersten Wellenlänge im Bereich von 385 nm bis 495 nm auszugeben; ein Leuchtstoffelement, das als Wellenlängenkonverter und Emitter konfiguriert und so angeordnet ist, dass es die elektromagnetische Emission des Lasers umwandelt, um eine zweite elektromagnetische Strahlung mit einer zweiten Wellenlänge, die länger als die erste Wellenlänge ist, zu emittieren; und einen Lichtemissionsmodus, der das Leuchtstoffelement mit einer Weißlichtemission charakterisiert, die aus mindestens einer Wechselwirkung der elektromagnetischen Laserstrahlung mit der zweiten elektromagnetischen Emission als eine Mischung von Wellenlängen erzeugt wird, die durch mindestens die zweite Wellenlänge aus dem Leuchtstoffelement charakterisiert ist; eine oder mehrere Transportfasern, die so konfiguriert sind, dass ein erstes Ende mit der einen oder den mehreren laserbasierten Weißlichtquellen gekoppelt ist, um die Weißlichtemission zu einem zweiten Ende in einem Beleuchtungsbereich in einer entfernten Entfernung zu transportieren; einen oder mehrere Sensoren, die im Beleuchtungsbereich angeordnet und so konfiguriert sind, dass sie ein oder mehrere Sensorsignale erfassen; einen Controller, der so konfiguriert ist, dass er das eine oder die mehreren Sensorsignale elektrisch oder optisch empfängt und das eine oder die mehreren Sensorsignale verarbeitet, um ein Rückkopplungssignal zurück an die laserbasierte Weißlichtquelle zu erzeugen, um eine Lichtantwort zu erzeugen.
Intelligentes Beleuchtungssystem nach Anspruch 26, wobei die eine oder die mehreren laserbasierten Weißlichtquellen in einem Gehäuse vom Typ SMD (Surface Mount Device) enthalten sind.
Intelligentes Beleuchtungssystem nach Anspruch 26, wobei die laserbasierte Weißlichtquelle so konfiguriert ist, dass sie die Weißlichtemission von einem Quellendurchmesser von etwa 0,1 mm bis 3 mm mit einem Gesamtlichtstrom von etwa 100 Lumen bis etwa 2000 Lumen oder mehr mit Amplitudenmodulationsfähigkeit ausgibt.
Intelligentes Beleuchtungssystem nach Anspruch 26, wobei der Lichtemissionsmodus, der das Leuchtstoffelement mit einer Weißlichtemission charakterisiert, einen von einem Reflexionsmodus oder einem Transmissionsmodus umfasst, wobei im Reflexionsmodus die Weißlichtemission von derselben Oberfläche des Leuchtstoffelements emittiert wird, auf die der Laserstrahl auftrifft, und im Transmissionsmodus die Weißlichtemission von mindestens einer anderen Oberfläche des Leuchtstoffelements als derjenigen, auf der der Laserstrahl auftrifft, emittiert wird.
Intelligentes Beleuchtungssystem nach Anspruch 26, das ferner einen ersten optischen Anschluss umfasst, um eine lösbare optische Kopplung zwischen der laserbasierten Weißlichtquelle und dem ersten Ende einer Transportfaser oder eines Versorgungselements zu bilden.
Intelligentes Beleuchtungssystem nach Anspruch 26, das ferner einen zweiten optischen Verbinder umfasst, um eine lösbare optische Kopplung zwischen dem zweiten Ende der Transportfaser und einer passiven Leuchte an der Beleuchtungsfläche zu bilden, wobei mindestens eines erfüllt ist aus: dass der passive Leuchtkörper eine Streufaser oder undichte Faser umfasst, die so konfiguriert ist, dass sie eine Lichtleistung liefert, die durch einen effektiven Lichtstrom von mehr als 10 Lumen, mehr als 25 Lumen oder mehr als 50 Lumen oder mehr als 150 Lumen oder mehr als 300 Lumen oder mehr als 600 Lumen oder mehr als 800 Lumen oder mehr als 1200 Lumen charakterisiert ist; dass der passive Leuchtkörper eine undichte Faser umfasst, die ein Streuungsmerkmal darin umfasst, um eine gleichmäßige Lichtstreuung über Beleuchtungswinkel bis zu 360 Grad herum zu erzeugen; und wobei der Faserkern mit einem festen Kern, einem Faserbündelkern oder einer anderen Art von Kern konfiguriert sein kann, dass der passive Leuchtkörper eine oder mehrere Lichtemissions- und Lichtformungsfunktionen darin umfasst, die auf Streuung, Reflexion, Farbumwandlung und/oder Kollimation basieren, um ein gewünschtes räumliches Beleuchtungsmuster, eine Farbqualität und/oder eine ästhetische Eigenschaft zu erzeugen; dass der eine oder die mehreren passiven Leuchtkörper an Pendelleuchten oder Kronleuchtern ausgebildet sind; oder dass der eine oder die mehreren passiven Leuchtkörper in Wellenleitern enthalten sind, die in Muldenleuchten, in Textilien, Möbeln und/oder Gebäudedesign-Elementen eingebaut sind.
Intelligentes Beleuchtungssystem nach Anspruch 26, das ferner ein optisches Schaltmodul umfasst, das so konfiguriert ist, dass es das Schalten oder Aufteilen der Weißlichtemission auf einen oder mehrere von mehreren passiven Leuchtkörpern, die in mehreren Beleuchtungsbereichen angeordnet sind, steuert, wobei das optische Schaltmodul MEMS-Vorrichtungen mit abtastenden Mikrospiegeln oder digitale Lichtverarbeitungs-Chips (DLP), die Arrays von Mikrospiegeln enthalten, oder piezoelektrische Strahlsteuerungsvorrichtungen oder abtastende Faserspitzenvorrichtungen, MikroPositioniervorrichtungen, Tintenstrahlvorrichtung mit einer Kreuzung von zwei Wellenleitern, Flüssigkristall-auf-Silizium-(LCOS)-Vorrichtungen oder Vorrichtungen, die auf thermischen Verfahren, akusto-optischer oder magneto-optischer Technologie basieren, und wobei das optische Schaltmodul eine digitale Vorrichtung, die einen „EIN“- oder „AUS“-Zustand für einen optischen Pfad steuert, um die Weißlichtemission von dem WeißlichtZuführungselement zu leiten, oder eine analoge Vorrichtung umfasst, die eine Steuerung der Menge der gelieferten Weißlichtemission ermöglicht, um eine Dimmfunktion bereitzustellen.
Intelligentes Beleuchtungssystem nach Anspruch 26, konfiguriert für ein LiFi oder ein Kommunikationssignal mit sichtbarem Licht, das zumindest innerhalb einer Reichweite des Beleuchtungsbereichs empfangbar ist.
Intelligentes Beleuchtungssystem nach Anspruch 26, wobei die auf dem Beleuchtungssystem basierende Kommunikation die Kommunikation für ein lokales Netzwerk bereitstellt, intelligente Geräte verbindet, Daten bereitstellt, die die Umgebung oder Umwelt beschreiben, digitale Inhalte liefert, Sicherheit bereitstellt, die Effizienz des intelligenten Beleuchtungssystems oder anderer Systeme optimiert oder anderen Funktionen dient.
Intelligentes Beleuchtungssystem nach Anspruch 26, wobei einer oder mehrere Sensoren ausgewählt sind aus einem oder mehreren aus Mikrofon, Geophon, Bewegungssensor, Radiofrequenz-Identifikations-Empfängern (RFID), Hydrophon, chemischen Sensoren einschließlich eines Wasserstoffsensors, CO2-Sensors oder elektronischen Nasensensors, Durchflusssensor, Wasserzähler, Gaszähler, Geigerzähler, Höhenmesser, Fluggeschwindigkeitssensor, Geschwindigkeitssensor, Entfernungsmesser, piezoelektrischer Sensor, Gyroskop, Trägheitssensor, Beschleunigungsmesser, MEMS-Sensor, Hall-Effekt-Sensor, Metalldetektor, Spannungsdetektor, fotoelektrischer Sensor, Fotodetektor, Fotowiderstand, Drucksensor, Dehnungsmessstreifen, Thermistor, Thermoelement, Pyrometer, Temperaturmessgerät, Bewegungsdetektor, passiver Infrarotsensor, Dopplersensor, Biosensor, Kapazitätssensor, Videokameras, Wandler, Bildsensor, Infrarotsensor, Radar, SONAR, LIDAR.
Intelligentes Beleuchtungssystem nach Anspruch 26, wobei die auf der Sensorrückmeldung basierende Lichtreaktion eine Reaktion auf die räumliche Verteilung der Beleuchtung, eine Reaktion auf die Bewegung des Beleuchtungsmusters, eine Reaktion auf die Beleuchtungsfarbe, eine Reaktion auf die Helligkeit oder den Lichtpegel der Beleuchtung, eine Reaktion auf das Kommunikationssignal oder eine Kombination davon umfasst.
Intelligentes Beleuchtungssystem nach Anspruch 26, wobei die Lichtreaktion basierend auf der Sensorrückmeldung die Beleuchtungseigenschaften an einem oder mehreren Beleuchtungsorten anpasst, um die Energieeffizienz des intelligenten Beleuchtungssystems zu maximieren.
Intelligentes Beleuchtungssystem nach Anspruch 26, wobei die Lichtreaktion basierend auf dem Sensorfeedback die Beleuchtungseigenschaften an einem oder mehreren Beleuchtungsorten anpasst, um die Beleuchtungseigenschaften für einen gegebenen Satz von Umständen zu optimieren.
Intelligentes Beleuchtungssystem nach Anspruch 26, wobei die Lichtreaktion basierend auf der Sensorrückmeldung eine Kommunikationsfunktion bereitstellt, um Benutzer des intelligenten Beleuchtungssystems zu benachrichtigen oder zu alarmieren, dass eine bestimmte Bedingung erfüllt ist.
Fasergekoppelte Weißlichtbeleuchtungsquelle, umfassend: eine oder mehrere laserbasierte Weißlichtquellen, die in einem Quellenbereich angeordnet sind, wobei die eine oder mehreren Lichtquellen umfassen: eine Laservorrichtung, die ein Gallium und Stickstoff enthaltendes Material umfasst und als Anregungsquelle konfiguriert ist, wobei die Laservorrichtung eine Ausgangsfacette umfasst, die konfiguriert ist, eine elektromagnetische Laseremission mit einer ersten Wellenlänge im Bereich von 385 nm bis 495 nm auszugeben; ein Leuchtstoffelement, das als Wellenlängenkonverter und Emitter konfiguriert und so angeordnet ist, dass es die elektromagnetische Emission des Lasers umwandelt, um eine zweite elektromagnetische Strahlung mit einer zweiten Wellenlänge, die länger als die erste Wellenlänge ist, zu emittieren; und einen Lichtemissionsmodus, der das Leuchtstoffelement mit einer Weißlichtemission charakterisiert, die aus mindestens einer Wechselwirkung der elektromagnetischen Laserstrahlung mit der zweiten elektromagnetischen Emission als eine Mischung von Wellenlängen erzeugt wird, die durch mindestens die zweite Wellenlänge aus dem Leuchtstoffelement charakterisiert ist; einen oder mehrere passive Leuchtkörper, die mit der Weißlichtemission von der laserbasierten Weißlichtquelle gekoppelt sind; wobei der eine oder die mehreren passiven Leuchtkörper so konfiguriert sind, dass sie ein oder mehrere Beleuchtungsmuster in einem oder mehreren Beleuchtungsbereichen verteilen; der eine oder die mehreren passiven Leuchtkörper frei von einer elektrischen Stromversorgung sind und sich in einem entfernten Abstand von der einen oder mehreren laserbasierten Weißlichtquellen befinden; und optional eine Zwischentransportfaser mit einem ersten Ende, das an die laserbasierte Weißlichtquelle gekoppelt ist, um die Weißlichtemission zu einem zweiten Ende zu transportieren, das an den einen oder die mehreren passiven Leuchtkörper gekoppelt ist.
Fasergekoppelte Weißlichtbeleuchtungsquelle nach Anspruch 40, wobei die laserbasierte Weißlichtquelle ein Gehäuse vom Typ SMD (Surface Mount Device) umfasst.
Fasergekoppelte Weißlichtbeleuchtungsquelle nach Anspruch 40, wobei die laserbasierte Weißlichtquelle so konfiguriert ist, dass sie die Weißlichtemission aus einem Quellendurchmesser von etwa 0,1 mm bis etwa 3 mm mit einem Gesamtlichtstrom von etwa 100 Lumen bis etwa 2000 Lumen oder mehr mit Amplitudenmodulationsfähigkeit ausgibt.
Fasergekoppelte Weißlichtbeleuchtungsquelle nach Anspruch 40, wobei der Lichtemissionsmodus, der das Leuchtstoffelement mit einer Weißlichtemission charakterisiert, einen von einem Reflexionsmodus oder einem Transmissionsmodus umfasst, wobei im Reflexionsmodus die Weißlichtemission von derselben Oberfläche des Leuchtstoffelements emittiert wird, auf die der Laserstrahl auftrifft, und im Transmissionsmodus die Weißlichtemission von mindestens einer anderen Oberfläche des Leuchtstoffelements als derjenigen, auf der der Laserstrahl auftrifft, emittiert wird.
Fasergekoppelte Weißlichtbeleuchtungsquelle nach Anspruch 40, wobei die Transportfaser eine Glasfaser oder eine Kunststofffaser mit einem Kerndurchmesser von etwa 100 um bis etwa 2 mm oder größer umfasst, und wobei der Faserkern aus einer Vollkernfaser oder einem Faserbündelkern oder einer Kombination aus Vollkern- und Faserbündeltyp-Fasern konfiguriert werden kann; und wobei die Weißlichtemission von der laserbasierten Weißlichtquelle über einen Verbinder mit dem einen oder den mehreren passiven Leuchtkörpern mit einem Kopplungswirkungsgrad gekoppelt ist, der mindestens ein Wert ist, der aus größer als 20 %, größer als 40 %, größer als 60 % und größer als 80 % ausgewählt ist, und wobei der Verbinder einen abnehmbaren Mechanismus umfasst, um jede passive Leuchte von dem System zu trennen.
Fasergekoppelte Weißlichtbeleuchtungsquelle nach Anspruch 40, wobei ein oder mehrere passive Leuchtkörper eine streuende oder undichte Faser mit einer eingebauten Eigenschaft zur Erzeugung einer gleichmäßigen oder gerichteten Linienbeleuchtungsquelle umfassen; wobei der Kern der undichten Faser aus einem massiven Kern, einem Faserbündelkern oder einer anderen Art von Kern konfiguriert sein kann, und wobei die undichte Faser so konfiguriert ist, dass sie einen Lichtausgang liefert, der durch einen effektiven Lichtstrom von mehr als 25 Lumen oder mehr als 50 Lumen oder mehr als 150 Lumen oder mehr als 300 Lumen oder mehr als 600 Lumen oder mehr als 800 Lumen oder mehr als 1200 Lumen bei einer optischen Effizienz von mehr als 35% charakterisiert ist.
Fasergekoppelte Weißlichtbeleuchtungsquelle nach Anspruch 40, wobei ein oder mehrere passive Leuchtkörper an einer Pendelleuchte mit einer Anordnung von Kollimationslinsenoptiken für gerichtete Beleuchtung oder Flutbeleuchtung oder Seitenwegbeleuchtung ausgebildet sind, die von der Transportfaser oder einer undichten Faser gekoppelt sind.
Fasergekoppelte Weißlichtbeleuchtungsquelle nach Anspruch 40, wobei ein oder mehrere passive Leuchtkörper einen Kronleuchter mit mehreren Beleuchtungszweigen umfassen, die von einem Zuleitungskabel abgezweigt sind, das von der Transportfaser oder einer undichten Faser gekoppelt ist.
Fasergekoppelte Weißlichtbeleuchtungsquelle nach Anspruch 40, wobei ein oder mehrere passive Leuchtkörper einen oder mehrere Leuchtstoffe mit alternativen Farbelementen, Gradienten, Lichtemissionsmoden, die von der Transportfaser oder einer undichten Faser gekoppelt sind, umfassen, um die Farbcharakteristik der von den passiven Leuchtkörpern emittierten Beleuchtung zu modifizieren.
Fasergekoppelte Weißlichtbeleuchtungsquelle nach Anspruch 40, wobei ein oder mehrere passive Leuchtkörper eine verteilte Linienquelle umfassen, die aus einer Streufaser mit Lichtextraktionsmerkmalen besteht, die ein radial unsymmetrisches Muster erzeugen.
Fasergekoppelte Weißlichtbeleuchtungsquelle nach Anspruch 40, wobei ein oder mehrere passive Leuchtkörper eine verteilte Linienquelle umfassen, die aus einer Streufaser mit Lichtextraktionsmerkmalen besteht, die ein radial symmetrisches Muster erzeugen, und wobei die verteilte Linienquelle optional ein optisches Reflektorelement umfasst, das das radial symmetrische Muster auf einen eingeschränkten Winkelbereich lenkt, wobei mindestens eines erfüllt ist aus: dass die verteilte Linienquelle zur Wand- oder Deckenbeleuchtung in Kranzleisten integriert oder auf beliebige architektonische Gestaltungselemente wie Fußleisten, Deckenbalken, Leisten, Säulen, Fenster, Türen, Treppen verteilt wird; dass die verteilte Linienquelle als wellengeführte Muldenleuchte in den Innenraum integriert wird, eingebettet in Stoff oder Glas für eine halbtransparente leuchtende Beleuchtung; dass die dezentrale Stromquelle für eine Innenbeleuchtung in einem Gerät mit einer Türöffnungsauslösung oder einer permanenten Einschaltung mit einer Glastür integriert ist; oder wobei die verteilte Leitungsquelle in untergetauchte Bereiche unter Wasser in einem Schwimmbad, Whirlpool, Flüssigkeitsvorratstank integriert wird.