EP2986906B1 - Leuchtvorrichtung zur erzeugung von weisslicht - Google Patents

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EP2986906B1
EP2986906B1 EP14720052.1A EP14720052A EP2986906B1 EP 2986906 B1 EP2986906 B1 EP 2986906B1 EP 14720052 A EP14720052 A EP 14720052A EP 2986906 B1 EP2986906 B1 EP 2986906B1
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EP
European Patent Office
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light
conversion elements
conversion
excitation light
conversion element
Prior art date
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EP14720052.1A
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Johann Zehetner
David SCHMIDMAYR
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Zumtobel Lighting GmbH Austria
Original Assignee
Zumtobel Lighting GmbH Austria
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Publication date
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    • F21K9/60—Optical arrangements integrated in the light source, e.g. for improving the colour rendering index or the light extraction
    • F21K9/64—Optical arrangements integrated in the light source, e.g. for improving the colour rendering index or the light extraction using wavelength conversion means distinct or spaced from the light-generating element, e.g. a remote phosphor layer
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
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    • F21V—FUNCTIONAL FEATURES OR DETAILS OF LIGHTING DEVICES OR SYSTEMS THEREOF; STRUCTURAL COMBINATIONS OF LIGHTING DEVICES WITH OTHER ARTICLES, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
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    • F21V13/02—Combinations of only two kinds of elements
    • F21V13/08—Combinations of only two kinds of elements the elements being filters or photoluminescent elements and reflectors
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    • F21V9/30—Elements containing photoluminescent material distinct from or spaced from the light source
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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
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    • F21V—FUNCTIONAL FEATURES OR DETAILS OF LIGHTING DEVICES OR SYSTEMS THEREOF; STRUCTURAL COMBINATIONS OF LIGHTING DEVICES WITH OTHER ARTICLES, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
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    • F21V9/30—Elements containing photoluminescent material distinct from or spaced from the light source
    • F21V9/38—Combination of two or more photoluminescent elements of different materials
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
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    • F21Y2103/10—Elongate light sources, e.g. fluorescent tubes comprising a linear array of point-like light-generating elements
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    • F21Y2115/00—Light-generating elements of semiconductor light sources
    • F21Y2115/10—Light-emitting diodes [LED]
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F21—LIGHTING
    • F21Y—INDEXING SCHEME ASSOCIATED WITH SUBCLASSES F21K, F21L, F21S and F21V, RELATING TO THE FORM OR THE KIND OF THE LIGHT SOURCES OR OF THE COLOUR OF THE LIGHT EMITTED
    • F21Y2115/00—Light-generating elements of semiconductor light sources
    • F21Y2115/10—Light-emitting diodes [LED]
    • F21Y2115/15—Organic light-emitting diodes [OLED]
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    • F21Y2115/00—Light-generating elements of semiconductor light sources
    • F21Y2115/30—Semiconductor lasers

Definitions

  • the present invention relates to a lighting device and a method for producing mixed light, preferably for generating white light.
  • the present invention proposes to convert the light of an excitation light source into at least two conversion elements arranged one behind the other in the beam direction of the excitation light source and spaced from each other, and to combine the excitation light with the converted light.
  • the prior art discloses a lighting device with a blue-emitting light-emitting diode (LED) as the light source, in which a white light is produced by partial color conversion of the blue light.
  • a white light is produced by partial color conversion of the blue light.
  • a part of the blue light of the LED is in particular converted by a color conversion layer which is either applied directly to the LED or arranged as a so-called "remote phosphor" layer at a distance from the LED.
  • the mixture of the blue light of the LED and the light generated in the color conversion layer appears as a white light to a viewer of the lighting device as a whole.
  • various fluorescent dyes are usually used as the conversion agent, which are excited by the blue light of the LED and then each emit light of a different wavelength.
  • the disadvantage here is that these conversion means have overlaps of their absorption and emission spectra to each other in part.
  • light emitted by one fluorescent dye is also absorbed by another fluorescent dye which emits in the longer wavelength range.
  • This circumstance has the consequence that larger quantities of the fluorescent dyes than would actually be required for the desired white light generation must be used. In addition, this also makes it difficult to model the color conversion layer.
  • the present invention has for its object to further improve the above-mentioned prior art.
  • a further object of the present invention is to reduce the amount of the conversion agent used and, if possible, to consume only the quantities necessary for the desired light generation.
  • a further object of the present invention is to provide a luminous means whose light output, in particular its color impression, is more homogeneous.
  • the present invention relates to a lighting device for generating mixed light, preferably white light, comprising: a light source for emitting excitation light of a certain wavelength, at least two conversion elements, which are arranged one behind the other in the propagation direction of the excitation light, wherein a first conversion element designed for this purpose is to convert the wavelength of a part of the excitation light, a second conversion element is adapted to convert the wavelength of a part of the excitation light not converted by the first conversion element, and the first conversion element and the second conversion element by a first distance from each other are separated.
  • Both conversion elements are in this case designed as a disk with two opposite flat sides and a lateral surface, wherein the conversion elements are designed and arranged such that unconverted excitation light successively through the flat sides through all Conversion elements passes through, and further each of the conversion elements is designed such that thereof converted excitation light almost completely exits via the lateral surfaces.
  • the lighting device emits a total of light composed of at least the wavelength of the excitation light, the wavelength of the first converted light, and the wavelength of the second converted light.
  • the excitation light may be from the ultraviolet or blue spectral range and mixed with light from the yellow and / or green spectral range converted in the conversion elements to produce the white light of the light emitting device.
  • the light source and / or the conversion elements can also generate light from other spectral ranges, depending on the desired mixed light of the lighting device.
  • the distance between the conversion elements has the consequence that a large part of the wavelength-converted light in a conversion element is totally reflected at the light exit surface or the light entry surface of the unconverted excitation light.
  • the reason for this is that the light converted to a different wavelength has, compared to the remainder of the excitation light, for the most part an altered emission direction and therefore for the most part falls at different angles than the excitation light to, for example, the light exit surface, these angles being subject to total reflection.
  • the distance between the conversion elements is preferably filled with a material or a medium which has a lower refractive index than the material of the conversion elements, that is to say a visually less dense medium than the conversion elements.
  • the unconverted light Due to the change in the direction of propagation of the converted light, it is output from the conversion element elsewhere, specifically in such a way that it does not enter the subsequent conversion element.
  • the unconverted light largely retains its direction of propagation and therefore will not be totally reflected at the light exit surface of a conversion element, at least for the most part, and may enter the subsequent conversion element.
  • an interaction between the various conversion elements can be minimized, since mainly unconverted light from a conversion element is transmitted to the next. Consequently, the conversion means responsible for the wavelength conversion in the conversion elements need only be used in amounts required for the desired mixed light. The material consumption is thus reduced. It also simplifies modeling the individual conversion elements. The resulting mixed light of the lighting device can therefore be predicted more precisely.
  • the distance and the thickness of the conversion elements in the direction of propagation are preferably chosen so that the viewer is given a homogeneous impression of the light color or the light color temperature of the mixed light. A small distance between the conversion elements already suffices to achieve the total reflection of the wavelength-converted light.
  • the conversion elements have predefined and planar light entry and exit surfaces for the excitation light, so that the total reflection of the wavelength-converted light generated in the conversion elements is better predictable.
  • a third conversion element is configured to convert the wavelength of a portion of the excitation light not converted by the second conversion element, and the second conversion element and the third conversion element are separated by a second distance.
  • a mixture of at least four different wavelengths makes it possible to produce particularly natural-looking white light.
  • a better adjustment of the light color temperature is possible.
  • the three conversion elements can emit light from the yellow, green and red spectral range. Together with, for example, blue light from the LED, the natural-looking white light can be mixed.
  • two adjacent conversion elements are separated by an air gap.
  • a material having a higher refractive index than air in the air gaps is selected as the material of the conversion elements.
  • the air between the Conversion elements is a visually less dense medium than the conversion elements themselves.
  • the air gap makes it possible to produce the total reflection of the light generated described above.
  • the material consumption for an arrangement with air gaps is minimal.
  • a filling material between two adjacent conversion elements having a lower refractive index than the refractive index of the two conversion elements may be provided in order to increase the stability of the arrangement.
  • the filling material may be formed, for example, as an optical plate, a disk, a layer, a film or the like.
  • each of the conversion elements is adapted to convert the wavelength of the excitation light into a different wavelength, preferably a different color, than the other conversion elements.
  • a natural-looking white light can be generated.
  • each of the conversion elements is configured as a disk with two opposite flat sides and a lateral surface, and the conversion elements are designed and arranged in such a way that unconverted excitation light successively passes through the flat sides through all the conversion elements.
  • the flat sides serve as the light entrance and light exit surface for the excitation light. Due to the change of direction, light generated in the conversion elements is largely totally reflected on the flat sides, since it undergoes a change in direction during the conversion.
  • the flat sides of the conversion elements are at least approximately aligned parallel to each other.
  • the excitation light or the light not converted in the conversion elements can, at least for the most part, pass through the successive conversion elements without total reflection.
  • each of the conversion elements is designed such that excitation light converted therefrom exits almost completely over the lateral surfaces.
  • the converted light can largely escape in the radial direction over the lateral surface. As a result, this converted light is deflected in such a way that it does not enter the subsequent conversion element. Thus, an interaction between the conversion elements is minimized.
  • each of the conversion elements is designed as a semicircular disc having an end face which is provided with a mirror layer.
  • Light is mirrored at the mirror layer, so that the light is directed and exits only on one side of the conversion elements on the semi-circular lateral surfaces.
  • a light source can serve well, for example as a neon tube replacement.
  • each of the conversion elements has at least one other conversion means than the other conversion elements.
  • each conversion means As a result, differently converted light, i.e., light, is converted in each conversion means. generates a different wavelength of light.
  • each conversion element Preferably, each conversion element generates light of a different color or color temperature.
  • each of the conversion elements is formed of a transparent thermoplastic material, preferably PMMA, and the conversion agent is embedded in the transparent thermoplastic material.
  • the conversion agents are each phosphor and / or quantum dots.
  • Fluorescent substances such as, for example, fluorescent dyes or phosphorus
  • the phosphor can scattered, for example, as a powder, particles or clusters in the material of the conversion elements.
  • Each conversion element can also be provided with an inner or outer layer. It is also possible for each conversion element to have a film on both sides, which is preferably coated on its inner side with a conversion layer containing at least one distributed phosphor. Excitation light that strikes phosphor particles is wavelength converted and scattered so that it strikes mostly at angles to the flat sides of the conversion element that favor total reflection.
  • the first distance and the possibly second distance are the same size.
  • the distances can also be adapted to the wavelengths of the excitation light and / or the converted light.
  • the first distance and the optionally second distance are in a range of 1 to 10 mm.
  • a distance can be selected that is equal to or just greater than the wavelength of the light generated in the conversion element. Since light with different wavelengths is preferably generated in the conversion elements, the first distance and the second distance may be different as described above, for example, as large as the respectively generated wavelengths or slightly larger.
  • the lighting device further comprises means for combining the unconverted excitation light and the light converted by the conversion elements to produce the mixed light, preferably white light.
  • scattering agents such as a diffusing layer can be used to obtain a homogeneous impression of the mixed light emitted by the lighting device.
  • optical elements such as lenses, collimators or the like can be used.
  • the present invention further relates to a method for producing mixed light, preferably white light, comprising the steps of: generating excitation light of a certain wavelength, converting the wavelength of a part of the excitation light by a first conversion element, and converting the wavelength of a part of the not converted by the first conversion element excitation light through a second conversion element, wherein the conversion elements are arranged one behind the other in the propagation direction of the excitation light and separated by a first distance, wherein both conversion elements designed as a disc with two opposite flat sides and a lateral surface and such and that unconverted excitation light successively passes through the flat sides through all the conversion elements, and further wherein each of the conversion elements is configured such that An converted therefrom almost completely exits over the lateral surfaces.
  • Fig. 1 shows a lighting device 1 of the present invention according to a first embodiment.
  • the lighting device 1 is designed to generate mixed light such as white light.
  • the lighting device 1 has a light source 2 for generating and emitting excitation light of a specific wavelength ⁇ 2 .
  • the light source 2 used in the lighting device 1 may be, for example, an LED, an organic LED (OLED), a laser, an LED track, or the like.
  • the light source 2 in a lighting device for generating white light is capable of emitting light from the blue or ultraviolet spectral range.
  • the excitation light from the light source 2 is generally converted into secondarily generated light of different wavelengths, preferably different colors.
  • the excitation light is then combined with the secondarily generated light such that the lighting device 1 emits a mixed light, preferably a white light, a desired color or color temperature.
  • the lighting device 1 For generating the secondary light, the lighting device 1 at least two conversion elements 3, 4, which are arranged one behind the other in the propagation direction 6 of the excitation light.
  • the excitation light from the light source 2 can be aligned, for example by suitable optical elements, with the conversion elements 3, 4, 5 such that it impinges on light entry surfaces of the conversion elements 3, 4, 5 only at a predetermined angle.
  • Each of the conversion elements 3, 4, 5 is suitable for converting the wavelength ⁇ 2 of the light from the light source 2 into light, preferably of a different wavelength ⁇ 3 , ⁇ 4 , ⁇ 5 .
  • the wavelengths are from the yellow, green and red spectral range.
  • conversion means in the conversion elements 3, 4, 5 are excited by a part of the excitation light and then emit secondary light themselves.
  • a first conversion element 3 converts a part of the excitation light from the light source 2 in light of a wavelength ⁇ 3 micrometers. An unconverted part of the excitation light from the light source 2 for the most part leaves the first conversion element 3 without changing direction and enters the subsequent second conversion element 4.
  • the second conversion element 4 then converts part of the incoming light of the wavelength ⁇ 2 into light of a wavelength ⁇ 4 . Again, an unconverted part of the light is largely supplied to a third conversion element 5 without changing direction. This supplied light of wavelength ⁇ 2 is partially converted into light of a wavelength ⁇ 5 in the third conversion element 5 . From the third color conversion element 5, finally, a part of the excitation light emerges, which was not influenced in any of the three conversion elements 3, 4, 5 and therefore has the wavelength ⁇ 2 of the excitation light emitted by the light source 2.
  • the described concept is also possible with more than three conversion elements. It can also be arranged on each side of the arrangement of the conversion elements 3, 4, 5, a light source 2, as in Fig. 1 indicated, so that excitation light in opposite directions through the conversion elements 3, 4, 5 is irradiated. Thereby, the brightness of the lighting device 1 can be increased.
  • the in Fig. 1 is shown, therefore, a total of light of different wavelengths ⁇ 2 , ⁇ 3 , ⁇ 4 and ⁇ 5 is generated.
  • These different wavelengths ⁇ 2 , ⁇ 3 , ⁇ 4 and ⁇ 5 are combined by suitable means to emerge as a mixed light, preferably white light, from the lighting device 1.
  • Said means may be optical elements such as apertures, lenses, scattering agents or the like. It can also be just a luminous element of the lighting device 1 in Fig. 1 Surround the arrangement shown, and scatter the various light components so that from the outside a homogeneous mixed light can be seen.
  • the individual conversion elements 3, 4, 5 are anyway made so thin and arranged so close to one another that the viewer is given a homogeneous color impression of the mixed light produced overall.
  • the first conversion element 3 and the second conversion element 4 by a first distance 7 are separated from each other.
  • the second conversion element 4 and the third conversion element 5 are separated from one another by a second distance 8.
  • the distances 7 and 8 can be the same size or could be different.
  • the first distance 7 and the second distance 8 can correspond approximately to the wavelength ⁇ 3 of the light generated in the first conversion element 3 or the wavelength ⁇ 4 of the light generated in the second conversion element 4 in order to build the most compact possible arrangement.
  • the distances 7, 8 are preferably both in a size range of 0.5 to 20 mm, more preferably 0.5 to 10 mm, even more preferably 1 to 5 mm. Between two adjacent of the individual conversion elements 3, 4, 5, only air can be located.
  • the conversion elements 3 and 4 and the conversion elements 4 and 5 are separated from each other by an air gap.
  • a material to be arranged between the aforementioned adjacent conversion elements 3, 4, 5, which has a smaller refractive index than the material of the conversion elements 3, 4, 5.
  • the refractive indices are preferably chosen so that converted light generated within a conversion means 3, 4, 5 experiences a total reflection at the interface of conversion element 3, 4, 5 to air gap or material with a smaller refractive index between the conversion elements.
  • the conversion elements 3, 4, 5 may, for example, be glued together by a layer with a lower refractive index.
  • two conversion elements 3, 4, 5 may also be a film, a plate, a disc or the like made of a material having a lower refractive index than the material of the conversion elements 3, 4, 5 are arranged. As a result, the entire arrangement of the conversion element 3, 4, 5 can also be given additional stability or the conversion elements can be protected.
  • the conversion elements 3, 4, 5 can, for example, as in Fig. 1 be shown discs or plates and each two flat sides 3b, 4b, 5b and a lateral surface 3a, 4a, 5a include.
  • the cross section of the conversion elements 3, 4, 5 may be circular or oval, as in Fig. 1 shown.
  • Excitation light from the light source 2 strikes light device 1 initially on the light source 2 facing flat side 3b of the first conversion element 3 and enters this.
  • the light converted in the conversion element 3, in addition to the wavelength conversion by the conversion means, for the most part also experiences a scattering or a change of direction. Therefore, this converted light then undergoes a total reflection at the two flat sides 3b and is therefore largely discharged in the radial direction over the lateral surface 3a.
  • the unconverted light but is emitted through the side facing away from the light source 2 flat side 3b, since it does not interact with the conversion means and therefore largely no change in direction undergoes, and then enters through the light source 2 facing flat side 4b of the second conversion element 4 in this.
  • the light converted in the second conversion element 4 experiences exactly as described above a total reflection on the flat sides 4b of the second conversion element 4 and therefore occurs predominantly in the radial direction of the conversion element 4 over the lateral surface 4a.
  • the unconverted light emerges from the flat side 4b facing away from the light source 2, and enters the flat side 5b of the third conversion element 5 facing the light source 2. Also in the third conversion element 5, the light converted therein is totally reflected on the flat sides 5b and largely released radially over the lateral surface 5a.
  • the respective conversion elements 3, 4, 5 at least a small distance 7, 8 to each other, so there is a decoupling of the corresponding conversion elements 3, 4, 5 instead. Since, due to this decoupling, the light of the wavelengths ⁇ 3 , ⁇ 4 and ⁇ 5 is emitted predominantly via the lateral surfaces 3a, 4a, 5a, there is hardly any interaction between the different conversion means 3, 4, 5. In addition, the mixture of light is extremely homogeneous, since the conversion elements 3, 4, 5 can be arranged close to each other. In particular, if the conversion elements 3, 4, 5 are designed as thin slices, platelets or films, for example with a thickness which is about 1 to 10 mm, preferably 3 to 5 mm, the viewer is given a very homogeneous color impression.
  • each conversion element 3, 4, 5 is provided with at least one conversion means.
  • at least one conversion agent in each conversion element 3, 4, 5 is present, which is not included in the other conversion means.
  • the conversion means of the various conversion elements 3, 4, 5 light of different wavelength ⁇ 3 , ⁇ 4 and ⁇ 5 generate. This light is preferably made of different colored spectral regions of the spectrum.
  • Each conversion means 3, 4, 5 thus preferably produces light of a different color.
  • the Wavelengths ⁇ 3 , ⁇ 4 ⁇ 5 from the yellow, green and red spectral range.
  • two or more of the wavelengths ⁇ 3 , ⁇ 4 ⁇ 5 can be from the same spectral range.
  • the conversion agents may be one or more phosphors, such as a phosphor or fluorescent dyes, or may be formed as quantum dots.
  • a phosphor can be organic or inorganic.
  • the phosphor is preferably distributed, for example, in powder form, particle form or cluster form in a conversion element 3, 4, 5.
  • the at least one phosphor is embedded in the material of the conversion element 3, 4, 5.
  • the material of the conversion elements 3, 4, 5 may be a transparent thermoplastic material, such.
  • Quantum dots are preferably embedded as at least one layer in the conversion elements 3, 4, 5. Several layers of identical and / or different quantum dots can be stacked on top of each other. The quantum dots can be arranged regularly or randomly.
  • quantum dots can be associated with an advantage, since quantum dots can have a larger absorption range compared to phosphors which absorb only in a relatively limited wavelength range.
  • the converted light from the conversion elements 3, 4, 5 is preferably and largely discharged via the lateral surfaces 3a, 4a, 5a.
  • the quantum dots can now be designed such that a subsequent conversion element 4, 5 can also convert this light, which has already been influenced by a conversion element 3, 4 previously lying in the propagation direction of the excitation light. As a result, the efficiency of the lighting device 1 could be increased.
  • FIG.2 Figure 2 shows a lighting device 1 of the present invention according to a second embodiment.
  • the second embodiment is the same in most features of the first embodiment.
  • a light source 2 and at least two, preferably three conversion elements 3, 4, 5 are provided, which are arranged one behind the other with the corresponding intermediate distances 7, 8 in the propagation direction 6 of the light from the light source 2.
  • the difference from the lighting device 1 of the first embodiment is that the conversion elements 3, 4, 5 are not formed as full, ie round or oval discs, but are semi-circular discs or plates.
  • Such semicircular conversion elements 3, 4, 5 have shown an end face 3c, 4c, 5c, ie a sectional area in comparison with a circular conversion element.
  • each of the conversion elements 3, 4, 5 may be provided with a reflection element, for example a mirror layer or a light-reflecting film.
  • a reflection element for example a mirror layer or a light-reflecting film.
  • the emission angle is thus only about 180 ° compared to 360 ° for the lighting device 1 of the first embodiment.
  • the lighting device 1 of the second embodiment is advantageously usable as a replacement for neon lights.
  • other cross-sections of the conversion elements 3, 4, 5 conceivable, such as. Square, rectangular, triangular, oval, or the like.
  • the present invention also includes a corresponding method for producing mixed light or white light.
  • a specific wavelength ⁇ 2 is generated, for example by a light source 2 such as an LED, OLED, a laser or the like.
  • This excitation light is then partially converted into light of at least two different wavelengths ⁇ 3 and ⁇ 4 by at least a first and a second conversion element 3, 4.
  • light of wavelength ⁇ 3 from a first conversion element 3 does not largely enter a second conversion element 4.
  • This is achieved by the conversion elements 3, 4 are arranged at a distance to each other, so that secondarily generated light is directed by total reflection at the exit accordingly.
  • the apparatus and method of the present invention enable homogeneous generation of mixed light, preferably white light, without having to use the conversion agents, such as phosphors or quantum dots, in a greater amount than is actually required for the desired light generation. This is particularly possible because an interaction of various conversion elements 3, 4, 5 or the conversion means contained therein is minimized in the present invention by the conversion elements 3, 4, 5 separated by a distance, in particular a thin air gap, from each other.
  • the present invention therefore improves upon the known prior art.

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Description

  • Die vorliegende Erfindung betrifft eine Leuchtvorrichtung und ein Verfahren zur Erzeugung von Mischlicht, vorzugsweise zur Erzeugung von Weißlicht. Insbesondere schlägt die vorliegende Erfindung zur Erzeugung des Mischlichts vor, das Licht einer Anregungs-Lichtquelle in wenigstens zwei Konversionselementen zu konvertieren, die hintereinander in Strahlrichtung der Anregungs-Lichtquelle angeordnet und voneinander beabstandet sind, und das Anregungs-Licht mit dem konvertierten Licht zu kombinieren.
  • Aus dem Stand der Technik ist eine Leuchtvorrichtung mit einer blauleuchtenden Leuchtdiode (LED) als Lichtquelle bekannt, in der durch teilweise Farbkonversion des blauen Lichts ein weißes Licht erzeugt wird. Ein Teil des blauen Lichts der LED wird insbesondere durch eine Farbkonversionsschicht konvertiert, die entweder unmittelbar auf der LED aufgetragen ist oder als sogenannte "remote phosphor" Schicht in einem Abstand zu der LED angeordnet ist. Die Mischung des blauen Lichts der LED und des in der Farbkonversionsschicht erzeugten Lichts erscheint einem Betrachter der Leuchtvorrichtung insgesamt als Weißlicht.
  • Für die Farbkonversionsschicht werden üblicherweise verschiedene Fluoreszenzfarbstoffe als Konversionsmittel verwendet, die durch das blaue Licht der LED angeregt werden und daraufhin jeweils Licht einer anderen Wellenlänge abstrahlen. Nachteilig ist dabei, dass diese Konversionsmittel untereinander zum Teil Überlagerungen ihrer Absorptions- und Emissionsspektra aufweisen. Dies hat zur Folge, dass neben dem blauen Licht aus der LED auch Licht, das von einem Fluoreszenzfarbstoff emittiert wird, von einem anderen Fluoreszenzfarbstoff, der im längeren Wellenlängenbereich emittiert, absorbiert wird. Dieser Umstand hat zur Folge, dass größere Mengen der Fluoreszenzfarbstoffe, als eigentlich für die erwünschte Weißlichterzeugung erforderlich wären, eingesetzt werden müssen. Außerdem wird dadurch auch ein Modellieren der Farbkonversionsschicht erschwert.
  • Aus der US 2010/0328926 A1 ist bekannt, verschiedene Fluoreszenzfarbstoffe in separate Konversionselemente einzubetten, wobei die hierdurch erhaltenen unterschiedlichen Konversionselemente dann in Ausbreitungsrichtung des Anregungs-Lichts hintereinander positioniert sind. Hierdurch wird zumindest teilweise eine Entkopplung bei der Farbkonversion erzielt und damit die Effizienz der Anordnung verbessert. Vergleichbare Lösungen sind auch aus der US 2012/0098410 A1 sowie der WO 2012/135744 A2 bekannt.
  • Die vorliegende Erfindung hat zur Aufgabe, den oben genannten Stand der Technik weiter zu verbessern. Insbesondere ist es eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Wechselwirkung zwischen verschiedenen Konversionsmitteln in einer Leuchtvorrichtung zu minimieren. Eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, die Menge der verwendeten Konversionsmittel zu reduzieren und möglichst nur die zur gewünschten Lichterzeugung notwendigen Mengen zu verbrauchen. Eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Leuchtmittel bereitzustellen, dessen Lichtabgabe, insbesondere dessen Farbeindruck, homogener ist. Schließlich ist es eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine effizientere Leuchtvorrichtung zu entwickeln.
  • Die oben genannten Aufgaben werden durch die unabhängigen Ansprüche der vorliegenden Erfindung gelöst. Die abhängigen Ansprüche bilden den Kerngedanken der vorliegenden Erfindung vorteilhaft weiter.
  • Die vorliegende Erfindung betrifft eine Leuchtvorrichtung zur Erzeugung von Mischlicht, vorzugsweise Weißlicht, die aufweist: eine Lichtquelle zur Abgabe von Anregungs-Licht einer bestimmten Wellenlänge, wenigstens zwei Konversionselemente, die hintereinander in Ausbreitungsrichtung des Anregungs-Lichts angeordnet sind, wobei ein erstes Konversionselement dazu ausgelegt ist, die Wellenlänge eines Teils des Anregungs-Lichts zu konvertieren, ein zweites Konversionselement dazu ausgelegt ist, die Wellenlänge eines Teils des nicht von dem ersten Konversionselement konvertierten Anregungs-Lichts zu konvertieren, und das erste Konversionselement und das zweite Konversionselement durch einen ersten Abstand voneinander getrennt sind. Beide Konversionselemente sind hierbei als Scheibe mit zwei gegenüberliegende Flachseiten und einer Mantelfläche gestaltet, wobei die Konversionselemente derart ausgelegt und angeordnet sind, dass nicht konvertiertes Anregungs-Licht nacheinander über die Flachseiten durch alle Konversionselemente hindurch tritt, und ferner jedes der Konversionselemente derart ausgelegt ist, dass davon konvertiertes Anregungs-Licht nahezu vollständig über die Mantelflächen austritt.
  • Die Leuchtvorrichtung gibt insgesamt ein Licht ab, das zumindest aus der Wellenlänge des Anregungs-Licht, der Wellenlänge des ersten konvertierten Lichts und der Wellenlänge des zweiten konvertierten Lichts zusammengesetzt ist. Beispielweise kann das Anregungs-Licht aus dem ultravioletten oder blauen Spektralbereich sein und mit in den Konversionselementen konvertiertem Licht aus dem gelben und/oder grünen Spektralbereich gemischt sein, um das weißes Licht der Leuchtvorrichtung zu erzeugen. Die Lichtquelle und/oder die Konversionselemente können aber auch je nach gewünschtem Mischlicht der Leuchtvorrichtung, Licht aus anderen Spektralbereichen erzeugen.
  • Der Abstand zwischen den Konversionselementen hat zur Folge, dass ein Großteil des in einem Konversionselement wellenlängenkonvertierten Lichts an der Lichtaustrittsfläche bzw. der Lichteintrittsfläche des nicht konvertierten Anregungs-Lichts totalreflektiert wird. Grund dafür ist, dass das in eine andere Wellenlänge konvertierte Licht gegenüber dem verbleibendem Rest das Anregungs-Lichts größtenteils eine geänderte Abstrahlrichtung aufweist und deshalb größtenteils unter anderen Winkeln als das Anregungs-Licht auf bspw. die Lichtaustrittsfläche fällt, wobei diese Winkel der Totalreflexion unterliegen. Der Abstand zwischen den Konversionselementen ist dafür vorzugsweise mit einem Material oder einem Medium gefüllt, das einen niedrigeren Brechungsindex hat als das Material der Konversionselemente, also ein optisch weniger dichtes Medium als die Konversionselemente ist. Aufgrund der Änderung der Ausbreitungsrichtung des konvertierten Lichts wird dieses an anderer Stelle aus dem Konversionselement ausgegeben und zwar so, dass es nicht in das nachfolgende Konversionselement eintritt. Das nicht konvertierte Licht behält seine Ausbreitungsrichtung größtenteils bei und wird daher an der Lichtaustrittsfläche eines Konversionselements zumindest größtenteils nicht totalreflektier und kann in das nachfolgende Konversionselement eintreten. Durch die Anordnung der vorliegenden Erfindung kann also eine Wechselwirkung zwischen den verschiedenen Konversionselementen minimiert werden, da hauptsächlich nicht konvertiertes Licht von einem Konversionselement zum nächsten übermittelt wird. Folglich müssen die Konversionsmittel, die für die Wellenlängenkonversion in den Konversionselementen verantwortlich sind, nur in für das gewünschte Mischlicht erforderlichen Mengen eingesetzt werden. Der Materialverbrauch wird also reduziert. Außerdem wird durch die das Modellieren der einzelnen Konversionselemente vereinfacht. Das resultierende Mischlicht der Leuchtvorrichtung kann daher präziser vorhergesagt werden.
  • Der Abstand und die Dicke der Konversionselemente in Ausbreitungsrichtung sind vorzugsweise so gewählt, dass für den Betrachter ein möglichst homogener Eindruck der Lichtfarbe bzw. der Lichtfarbtemperatur des Mischlichts entsteht. Es reicht bereits ein geringer Abstand zwischen den Konversionselementen aus, um die Totalreflexion des wellenlängenkonvertierten Lichts zu erreichen. Vorzugsweise weisen die Konversionselemente vordefinierte und ebene Lichteintritts- und Lichtaustrittsflächen für das Anregungs-Licht auf, so dass die Totalreflexion des in den Konversionselementen erzeugten wellenlängenkonvertierten Lichts besser vorhersagbar ist.
  • Vorzugsweise ist ein drittes Konversionselement dazu ausgelegt ist, die Wellenlänge eines Teils des nicht von dem zweiten Konversionselement konvertierten Anregungs-Lichts zu konvertieren, und sind das zweite Konversionselement und das dritte Konversionselement durch einen zweiten Abstand voneinander getrennt.
  • Durch eine Mischung aus wenigstens vier verschiedenen Wellenlängen kann besonders natürlich wirkendes Weißlicht erzeugt werden. Insbesondere ist eine bessere Einstellung der Lichtfarbtemperatur möglich. Die drei Konversionselemente können beispielweise Licht aus dem gelben, grünen und roten Spektralbereich abgeben. Zusammen mit beispielweise blauem Licht aus der LED kann das natürlich wirkende Weißlicht gemischt werden.
  • Vorzugsweise sind zwei benachbarte Konversionselemente durch einen Luftspalt voneinander getrennt.
  • Vorzugsweise wird als Material der Konversionselemente ein Material mit einem höheren Brechungsindex als Luft in den Luftspalten gewählt. Die Luft zwischen den Konversionselementen ist ein optisch weniger dichtes Medium als die Konversionselemente selbst. Der Luftspalt ermöglicht es, die oben beschriebene Totalreflexion des erzeugten Lichts hervorzurufen. Der Materialverbrauch für eine Anordnung mit Luftspalten ist minimal. Alternativ kann aber auch ein Füllmaterial zwischen zwei benachbarte Konversionselemente mit einem niedrigeren Brechungsindex als der Brechungsindex der beiden Konversionselemente vorgesehen sein, um die Stabilität der Anordnung zu erhöhen. Das Füllmaterial kann beispielweise als ein optisches Plättchen, eine Scheibe, eine Schicht, eine Folie oder dergleichen gebildet sein.
  • Vorzugsweise ist jedes der Konversionselemente dazu ausgelegt ist, die Wellenlänge des Anregungs-Lichts in eine andere Wellenlänge, vorzugsweise einer unterschiedlichen Farbe, als die anderen Konversionselemente zu konvertieren.
  • Durch mehr verschiedene Wellenlängen, aus vorzugsweise verschiedenfarbigen Bereichen des Lichtspektrums, kann beispielweise ein natürlicher wirkendes Weißlicht erzeugt werden.
  • Erfindungsgemäß ist jedes der Konversionselemente als Scheibe mit zwei gegenüberliegenden Flachseiten und einer Mantelfläche gestaltet, und sind die Konversionselemente derart ausgelegt und angeordnet, dass nicht konvertiertes Anregungs-Licht nacheinander über die Flachseiten durch alle Konversionselemente hindurch tritt.
  • Die Flachseiten dienen als die Lichteintritts- und Lichtaustrittsfläche für das Anregungs-Licht. In den Konversionselementen erzeugtes Licht wird aufgrund der Richtungsänderung größtenteils an den Flachseiten totalreflektiert, da es bei der Umwandlung eine Richtungsänderung erfährt.
  • Vorzugsweise sind die Flachseiten der Konversionselemente zumindest annähernd parallel zueinander ausgerichtet sind.
  • Dadurch kann das Anregungs-Licht bzw. das nicht in den Konversionselementen konvertierte Licht zumindest größtenteils ohne Totalreflexion durch die aufeinanderfolgenden Konversionselemente gelangen.
  • Erfindungsgemäß ist jedes der Konversionselemente derart ausgelegt, dass davon konvertiertes Anregungs-Licht nahezu vollständig über die Mantelflächen austritt.
  • Das konvertierte Licht kann in radialer Richtung größtenteils über die Mantelfläche austreten. Dadurch wird dieses konvertierte Licht derart umgelenkt dass es nicht in das nachfolgende Konversionselement eintritt. Somit wird eine Wechselwirkung zwischen den Konversionselementen minimiert.
  • Vorzugsweise ist jedes der Konversionselemente als halbkreisförmige Scheibe mit einer Stirnseite gestaltet, die mit einer Spiegelschicht versehen ist.
  • An der Spiegelschicht wird Licht gespiegelt, so dass das Licht gerichtet wird und nur auf einer Seite der Konversionselemente über die halbkreisförmige Mantelflächen austritt. Ein solches Leuchtmittel kann beispielweise gut als Neonröhrenersatz dienen.
  • Vorzugsweise weist jedes der Konversionselemente wenigstens ein anderes Konversionsmittel als die anderen Konversionselemente auf.
  • Dadurch wird in jedem Konversionsmittel unterschiedlich konvertiertes Licht, d.h. eine unterschiedliche Lichtwellenlänge erzeugt. Vorzugsweise wird von jedem Konversionselement Licht einer anderen Farbe oder Farbtemperatur erzeugt.
  • Vorzugsweise ist jedes der Konversionselemente aus einem transparenten thermoplastischen Material, vorzugsweise PMMA gebildet, und ist das Konversionsmittel in das transparente thermoplastische Material eingebettet.
  • Vorzugsweise sind die Konversionsmittel jeweils Leuchtstoff und/oder Quantendots.
  • Leuchtstoff, wie bspw. Fluoreszenzfarbstoffe oder Phosphor können besonders einfach in dem Material der Konversionselemente eingebettet werden. Der Leuchtstoff kann verstreut, bspw. als Pulver, Partikel oder Cluster in dem Material der Konversionselemente vorliegen. Jedes Konversionselement kann aber auch mit einer inneren oder äußeren Schicht versehen sein. Es kann auch jedes Konversionselement beidseitig mit einer Folie behaftet sein, die vorzugsweise auf ihrer innenliegenden Seite mit einer Konversionsschicht beschichtet ist, die wenigstens einen verteilten Leuchtstoff enthält. Anregungs-Licht, das auf Leuchtstoffpartikel trifft wird wellenlängenkonvertiert und gestreut, so dass es größtenteils unter Winkeln auf die Flachseiten der Konversionselement trifft, die Totalreflexion bevorzugen.
  • Vorzugsweise sind der erste Abstand und der ggf. zweite Abstand gleich groß. Die Abstände können aber auch auf die Wellenlängen des Anregungs-Lichts und/oder des konvertierten Lichts angepasst sein.
  • Vorzugsweise liegen der erste Abstand und der ggf. zweite Abstand in einem Bereich von 1 bis 10 mm.
  • Als kleinster Abstand kann ein Abstand gewählt werden, der gleich groß oder gerade größer als die Wellenlänge des im Konversionselement erzeugten Lichts ist. Da vorzugsweise in den Konversionselementen Licht mit unterschiedlichen Wellenlängen erzeugt wird, können der erste Abstand und der zweite Abstand wie oben beschrieben unterschiedlich sein, bspw. so groß wie die jeweilig erzeugten Wellenlängen oder etwas größer.
  • Vorzugsweise weist die Leuchtvorrichtung ferner Mittel zum Kombinieren des nicht konvertierten Anregungs-Lichts und des durch die Konversionselemente konvertierten Lichts auf, um das Mischlicht, vorzugsweise Weißlicht, zu erzeugen.
  • Beispielweise können Streumittel, wie eine Zerstreuungsschicht verwendet werden um einen homogenen Eindruck des Mischlichts zu erzielen, das von der Leuchtvorrichtung abgegeben wird. Es können auch optische Elemente wie Linsen, Kollimatoren oder dergleichen verwendet werden.
  • Die vorliegende Erfindung betrifft ferner ein Verfahren zur Erzeugung von Mischlicht, vorzugsweise Weißlicht, das die Schritte aufweist: Erzeugen von Anregungs-Licht einer bestimmten Wellenlänge, Konvertieren der Wellenlänge eines Teils des Anregungs-Lichts durch ein erstes Konversionselement, und Konvertieren der Wellenlänge eines Teils des nicht von dem ersten Konversionselement konvertierten Anregungs-Lichts durch ein zweites Konversionselement, wobei die Konversionselemente hintereinander in Ausbreitungsrichtung des Anregungs-Lichts angeordnet sind und durch einen ersten Abstand voneinander getrennt sind, wobei beide Konversionselemente als Scheibe mit zwei gegenüberliegende Flachseiten und einer Mantelfläche gestaltet und derart ausgelegt und angeordnet sind, dass nicht konvertiertes Anregungs-Licht nacheinander über die Flachseiten durch alle Konversionselemente hindurch tritt, und wobei ferner jedes der Konversionselemente derart ausgelegt ist, dass davon konvertiertes Anregungs-Licht nahezu vollständig über die Mantelflächen austritt.
  • Die vorliegende Erfindung wird nun mit Bezug auf die angefügten Figuren im Detail beschrieben.
    • Figur 1 zeigt eine erste Ausführungsform einer Leuchtvorrichtung der vorliegenden Erfindung.
    • Figur 2 zeigt eine zweite Ausführungsform einer Leuchtvorrichtung der vorliegenden Erfindung.
  • In Fig. 1 ist eine Leuchtvorrichtung 1 der vorliegenden Erfindung gemäß einer ersten Ausführungsform dargestellt. Die Leuchtvorrichtung 1 ist dazu ausgelegt, Mischlicht wie beispielsweise weißes Licht zu erzeugen. Dazu weist die Leuchtvorrichtung 1 eine Lichtquelle 2 zur Erzeugung und Abgabe von Anregungs-Licht einer bestimmten Wellenlänge λ2 auf. Die in der Leuchtvorrichtung 1 verwendete Lichtquelle 2 kann beispielsweise eine LED, eine organische LED (OLED) ein Laser, eine LED-Strecke oder dergleichen sein. Vorzugsweise ist die Lichtquelle 2 in einer Leuchtvorrichtung zur Erzeugung von Weißlicht zur Abgabe von Licht aus dem blauen oder ultravioletten Spektralbereich fähig.
  • In der Leuchtvorrichtung 1 wird im Allgemeinen das Anregungs-Licht aus der Lichtquelle 2 in sekundär erzeugtes Licht unterschiedlicher Wellenlängen, vorzugsweise unterschiedlicher Farben, umgewandelt. Das Anregungs-Licht wird dann derart mit dem sekundär erzeugten Licht kombiniert, dass die Leuchtvorrichtung 1 ein Mischlicht, vorzugsweise ein Weißlicht, einer gewünschten Farbe bzw. Farbtemperatur ausstrahlt.
  • Zur Erzeugung des sekundären Lichts weist die Leuchtvorrichtung 1 wenigstens zwei Konversionselemente 3, 4 auf, die hintereinander in Ausbreitungsrichtung 6 des Anregungs-Lichts angeordnet sind. Insbesondere ist es vorteilhaft, wie in Figur 1 gezeigt, drei Konversionselemente 3, 4, 5 hintereinander in der Ausbreitungsrichtung 6 des Anregungs-Lichts anzuordnen. Das Anregungs-Licht von der Lichtquelle 2 kann dabei so, beispielweise durch geeignete optische Elemente, auf die Konversionselemente 3, 4, 5 ausgerichtet sein, dass es nur unter einem vorbestimmten Winkel auf Lichteintrittsflächen der Konversionselemente 3, 4, 5 trifft.
  • Jedes der Konversionselemente 3, 4, 5 ist dazu geeignet, die Wellenlänge λ2 des Lichts aus der Lichtquelle 2 in Licht vorzugsweise einer anderen Wellenlänge λ3, λ4, λ5 zu konvertieren. Vorzugsweise sind die Wellenlängen aus dem gelben, grünen bzw. roten Spektralbereich. Dazu werden Konversionsmittel in den Konversionselementen 3, 4, 5 von einem Teil des Anregungs-Lichts angeregt und strahlen daraufhin selbst sekundäres Licht ab. Innerhalb der Leuchtvorrichtung 1 der vorliegenden Erfindung wandelt zunächst ein erstes Konversionselement 3 einen Teil des Anregungs-Lichts aus der Lichtquelle 2 in Licht einer Wellenlänge λ3 um. Ein nicht umgewandelter Teil des Anregungs-Lichts aus der Lichtquelle 2 tritt größtenteils ohne Richtungsänderung aus dem ersten Konversionselement 3 aus und in das nachfolgende zweite Konversionselement 4 ein. Das zweite Konversionselement 4 wandelt dann einen Teil des eintretenden Lichts der Wellenlänge λ2 in Licht einer Wellenlänge λ4 um. Wieder wird ein nicht umgewandelter Teil des Lichts größtenteils ohne Richtungsänderung einem dritten Konversionselement 5 zugeführt. Dieses zugeführte Licht der Wellenlänge λ2 wird im dritten Konversionselement 5 zum Teil in Licht einer Wellenlänge λ5 umgewandelt. Aus dem dritten Farbkonversionselement 5 tritt schließlich ein Teil des Anregungs-Lichts aus, der in keinem der drei Konversionselemente 3, 4, 5 beeinflusst wurde und deshalb die Wellenlänge λ2 des von der Lichtquelle 2 abgegebenen Anregungs-Lichts aufweist. Das beschriebene Konzept ist auch mit mehr als drei Konversionselementen möglich. Es kann auch auf jeder Seite der Anordnung der Konversionselemente 3, 4, 5 eine Lichtquelle 2 angeordnet sein, wie in Fig. 1 angedeutet, so dass Anregungs-Licht in entgegengesetzten Richtungen durch die Konversionselemente 3, 4, 5 gestrahlt wird. Dadurch kann die Helligkeit der Leuchtvorrichtung 1 erhöht werden.
  • In der Leuchtvorrichtung 1, die in Fig. 1 gezeigt ist, wird also insgesamt Licht verschiedener Wellenlängen λ2, λ3, λ4 und λ5 erzeugt. Diese verschiedenen Wellenlängen λ2, λ3, λ4 und λ5 werden durch geeignete Mittel kombiniert, um als Mischlicht, vorzugsweise Weißlicht, aus der Leuchtvorrichtung 1 auszutreten. Die genannten Mittel können optische Elemente wie Blenden, Linsen, Streumittel oder dergleichen sein. Es kann auch nur ein Leuchtkörper der Leuchtvorrichtung 1 die in Fig. 1 gezeigte Anordnung umschließen, und die verschiedenen Lichtkomponenten so streuen, dass von außen ein homogenes Mischlicht zu sehen ist. Vorzugsweise sind die einzelnen Konversionselemente 3, 4, 5 aber sowieso derart dünn ausgeführt und derart nahe aneinander angeordnet, dass für den Betrachter ein homogener Farbeindruck des insgesamt erzeugten Mischlichts entsteht.
  • Wie in Fig. 1 zu sehen ist, sind das erste Konversionselement 3 und das zweite Konversionselement 4 durch einen ersten Abstand 7 voneinander getrennt. Das zweite Konversionselement 4 und das dritte Konversionselement 5 sind durch einen zweiten Abstand 8 voneinander getrennt. Die Abstände 7 und 8 können gleich groß sein oder könne unterschiedlich sein. Der erste Abstand 7 und der zweite Abstand 8 können in etwa der Wellenlänge λ3 des im ersten Konversionselement 3 erzeugten Lichts bzw. der Wellenlänge λ4 des im zweiten Konversionselement 4 erzeugten Lichts entsprechen, um eine möglichst kompakte Anordnung zu bauen. Die Abstände 7, 8 liegen aber vorzugsweise beide in einem Größenbereich von 0,5 bis 20 mm, mehr bevorzugt 0,5 bis 10 mm, noch mehr bevorzugt 1 bis 5 mm. Zwischen zwei benachbarten der einzelnen Konversionselemente 3, 4, 5 kann sich nur Luft befinden. Das bedeutet, die Konversionselemente 3 und 4 bzw. die Konversionselemente 4 und 5 sind jeweils durch einen Luftspalt voneinander getrennt. Es kann allerdings auch ein Material zwischen den genannten benachbarten Konversionselemente 3, 4, 5 angeordnet sein, was einen kleineren Brechungsindex als das Material der Konversionselemente 3, 4, 5 aufweist. Die Brechungsindizes sind dabei vorzugsweise so gewählt, dass konvertiertes Licht, das innerhalb eines Konversionsmittels 3, 4, 5 erzeugt wird, eine Totalreflexion an der Grenzfläche von Konversionselement 3, 4, 5 zu Luftspalt bzw. Material mit kleinerem Brechungsindex zwischen den Konversionselementen erfährt. Die Konversionselemente 3, 4, 5 können beispielweise durch eine Schicht mit niedrigerem Brechungsindex aneinandergeklebt sein. Zwischen zwei Konversionselementen 3, 4, 5 kann auch eine Folie, ein Plättchen, eine Scheibe oder dergleichen aus einem Material mit niedrigerem Brechungsindex als das Material der Konversionselemente 3, 4, 5 angeordnet sein. dadurch kann der gesamten Anordnung der Konversionselement 3, 4, 5 auch zusätzliche Stabilität verliehen werden bzw. die Konversionselemente können geschützt werden.
  • Die Konversionselemente 3, 4, 5 können beispielsweise wie in Fig. 1 gezeigt Scheiben oder Plättchen sein und jeweils zwei Flachseiten 3b, 4b, 5b und eine Mantelfläche 3a, 4a, 5a umfassen. Der Querschnitt der Konversionselemente 3, 4, 5 kann kreisförmig oder oval sein, wie in Fig. 1 gezeigt. Anregungs-Licht aus der Lichtquelle 2 trifft bei Betrieb Leuchtvorrichtung 1 zunächst auf die der Lichtquelle 2 zugewandte Flachseite 3b des ersten Konversionselements 3 und tritt in dieses ein. Das in dem Konversionselement 3 konvertierte Licht erfährt zusätzlich zu der Wellenlängenumwandlung durch die Konversionsmittel größtenteils auch eine Streuung bzw. eine Richtungsänderung. Deshalb erfährt dieses konvertierte Licht dann eine Totalreflexion an den beiden Flachseiten 3b und wird deshalb größtenteils in radialer Richtung über die Mantelfläche 3a abgegeben. Das nicht konvertierte Licht wird aber durch die von der Lichtquelle 2 abgewandte Flachseite 3b ausgegeben, da es nicht mit den Konversionsmitteln wechselwirkt und deshalb größtenteils auch keine entscheidende Richtungsänderung erfährt, und tritt anschließend durch die der Lichtquelle 2 zugewandte Flachseite 4b des zweiten Konversionselements 4 in diese ein. Das in dem zweiten Konversionselement 4 umgewandelte Licht erfährt genau wie zuvor beschrieben eine Totalreflexion an den Flachseiten 4b des zweiten Konversionselements 4 und tritt deshalb vorwiegend in radialer Richtung des Konversionselements 4 über der Mantelfläche 4a aus. Das nicht konvertierte Licht tritt aus der Flachseite 4b aus, die der Lichtquelle 2 abgewandt ist, und tritt in die Flachseite 5b des dritten Konversionselements 5 ein, die der Lichtquelle 2 zugewandt ist. Auch im dritten Konversionselement 5 wird das darin konvertierte Licht an den Flachseiten 5b totalreflektiert und größtenteils radial über die Mantelfläche 5a abgegeben.
  • Dadurch, dass die jeweiligen Konversionselemente 3, 4, 5 wenigstens einen geringen Abstand 7, 8 zueinander aufweisen, findet also eine Entkopplung der entsprechenden Konversionselemente 3, 4, 5 statt. Da aufgrund dieser Entkopplung das Licht der Wellenlängen λ3, λ4 und λ5 vorwiegend über die Mantelflächen 3a, 4a, 5a abgegeben wird, findet kaum Wechselwirkung zwischen den verschiedenen Konversionsmitteln 3, 4, 5 statt. Außerdem wirkt die Mischung des Lichts äußert homogen, da die Konversionselemente 3, 4, 5 nahe aneinander angeordnet werden können. Insbesondere wenn die Konversionselemente 3, 4, 5 als dünne Scheiben, Plättchen oder Folien gestaltet sind, beispielsweise mit einer Dicke, die etwa 1 bis 10 mm, vorzugsweise 3 bis 5 mm beträgt, entsteht für den Betrachter ein sehr homogener Farbeindruck.
  • Zur Konvertierung des Anregungs-Lichts ist jedes Konversionselemente 3, 4, 5 mit wenigstens einem Konversionsmittel versehen. Dabei ist vorzugsweise wenigstens ein Konversionsmittel in jedem Konversionselement 3, 4, 5 vorhanden, das in den andern Konversionsmitteln nicht enthalten ist. Insbesondere sollen die Konversionsmittel der verschiedenen Konversionselemente 3, 4, 5 Licht unterschiedlicher Wellenlänge λ3, λ4 und λ5 erzeugen. Dieses Licht ist dabei vorzugsweise aus verschiedenfarbigen Spektralbereichen des Spektrums. Jedes Konversionsmittel 3, 4, 5 erzeugt also vorzugsweise Licht einer unterschiedlichen Farbe. Vorzugsweise sind die Wellenlängen λ3, λ4 λ5 aus dem gelben, grünen bzw. roten Spektralbereich. Es können aber auch zwei oder mehrere der Wellenlängen λ3, λ4 λ5 aus demselben Spektralbereich sein. Die Konversionsmittel können ein oder mehrere Leuchtstoffe wie ein Phosphor oder Fluoreszenzfarbstoffe sein, oder können als Quantendots ausgebildet sein. Ein Leuchtstoff kann organisch oder anorganisch sein. Der Leuchtstoff ist vorzugsweise verteilt bspw. in Pulverform, Partikelform oder Clusterform in einem Konversionselement 3, 4, 5 enthalten. Vorzugsweise ist der wenigstens eine Leuchtstoff in das Material des Konversionselements 3, 4, 5 eingebettet. Das Material der Konversionselemente 3, 4, 5 kann ein transparentes thermoplastisches Material, wie z. B. PMMA, d.h. Plexiglas sein. Quantendots sind vorzugsweise als wenigstens eine Schicht in den Konversionselementen 3, 4, 5 eingebettet. Mehrere Schichten von gleich- und/oder verschiedenartigen Quantendots können dabei übereinander gestapelt werden. Die Quantendots können regelmäßig oder zufällig angeordnet sein. Der Einsatz von Quantendots kann mit einem Vorteil verbunden sein, da Quantendots im Vergleich zu Leuchtstoffen, welche nur in einem relativ begrenzten Wellenlängenbereich absorbieren, einen größeren Absorptionsbereich aufweisen können. Wie oben beschrieben wird das konvertierte Licht aus den Konversionselementen 3, 4, 5 vorzugsweise und größtenteils über die Mantelflächen 3a, 4a, 5a abgegeben. Allerdings kann auch ein Fall vorliegen, in dem trotzdem auch ein geringer Anteil des konvertierten Lichts über die Flachseiten austritt. Die Quantendots können nun so ausgelegt sein, dass ein nachfolgendes Konversionselement 4, 5 auch dieses Licht umwandeln kann, das bereits von einem zuvor in der Ausbreitungsrichtung des Anregungs-Lichts liegenden Konversionselements 3, 4 beeinflusst wurde. Dadurch könnte die Effizienz der Leuchtvorrichtung 1 erhöht werden.
  • In Fig.2 ist eine Leuchtvorrichtung 1 der vorliegenden Erfindung gemäß einer zweiten Ausführungsform dargestellt Die zweite Ausführungsform stimmt in den meisten Merkmalen der ersten Ausführungsform überein. Insbesondere sind wieder eine Lichtquelle 2 und wenigstens zwei, vorzugsweise drei Konversionselemente 3, 4, 5 vorgesehen, die hintereinander mit den entsprechenden zwischenliegenden Abständen 7, 8 in der Ausbreitungsrichtung 6 des Lichts aus der Lichtquelle 2 angeordnet sind. Der Unterschied zur Leuchtvorrichtung 1 der ersten Ausführungsform ist, dass die Konversionselemente 3, 4, 5 nicht als volle, d.h. runde oder ovale Scheiben ausgebildet sind, sondern halbkreisförmige Scheiben oder Plättchen sind. Wie in Fig. 2 gezeigt haben solche halbkreisförmigen Konversionselemente 3, 4, 5 eine Stirnseite 3c, 4c, 5c, d.h. eine Schnittfläche im Vergleich mit einem kreisförmigen Konversionselement. Die Stirnseite 3c, 4c, 5c jedes der Konversionselemente 3, 4, 5 kann mit einem Spiegelungselement, bspw. einer Spiegelschicht oder einer lichtspiegelnden Folie versehen sein. Dadurch wird das aus den Konversionselementen 3, 4, 5 austretende Licht über die Mantelfläche 3a, 4a, 5a gerichtet. Der Abstrahlwinkel ist also nur etwa 180° im Vergleich zu 360° für die Leuchtvorrichtung 1 der ersten Ausführungsform. Die Leuchtvorrichtung 1 der zweiten Ausführungsform ist vorteilhaft einsetzbar als ein Ersatz für Neonröhren. Selbstverständlich sind anstatt der scheibenförmigen, kreisförmigen oder halbkreisförmigen Strukturen der Konversionselement 3, 4, 5, die in den beiden Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung beschrieben sind, auch andere Querschnitte der Konversionselemente 3, 4, 5 denkbar, wie bspw. quadratische, rechteckige, dreieckige, ovale, oder dergleichen.
  • Die vorliegende Erfindung umfasst auch ein entsprechendes Verfahren zur Erzeugung von Mischlicht bzw. Weißlicht. Dazu wird zunächst Licht einer bestimmten Wellenlänge λ2 erzeugt, bspw. durch eine Lichtquelle 2 wie eine LED, OLED, einen Laser oder dergleichen. Dieses Anregungs-Licht wird dann teilweise in Licht wenigstens zwei verschiedener Wellenlängen λ3 bzw. λ4 durch wenigstens ein erstes und ein zweites Konversionselement 3, 4 umgewandelt. Dabei wird wie oben beschrieben beachtet, dass Licht der Wellenlänge λ3 aus einem ersten Konversionselement 3 größtenteils nicht in ein zweites Konversionselement 4 tritt. Dies wird erreicht, indem die Konversionselemente 3, 4 mit einem Abstand zueinander angeordnet sind, so dass sekundär erzeugtes Licht durch Totalreflexion beim Austreten entsprechend gerichtet wird.
  • Die Vorrichtung und das Verfahren der vorliegenden Erfindung ermöglichen eine homogene Erzeugung von Mischlicht, vorzugsweise Weißlicht, ohne dass die Konversionsmittel, beispielsweise Leuchtstoffe oder Quantendots, in einer größeren Menge verwendet werden müssen, als eigentlich für die erwünschte Lichterzeugung erforderlich ist. Dies ist insbesondere dadurch möglich, dass eine Wechselwirkung der verschiedenen Konversionselemente 3, 4, 5 bzw. der darin enthaltenen Konversionsmittel in der vorliegenden Erfindung minimiert ist, indem die Konversionselemente 3, 4, 5 durch einen Abstand, insbesondere einen dünnen Luftspalt, voneinander getrennt sind. Die vorliegende Erfindung verbessert deshalb den bekannten Stand der Technik.

Claims (12)

  1. Leuchtvorrichtung (1) zur Erzeugung von Mischlicht, vorzugsweise Weißlicht, die aufweist
    eine Lichtquelle (2) zur Abgabe von Anregungs-Licht einer bestimmten Wellenlänge (λ2),
    wenigstens zwei Konversionselemente (3, 4, 5), die hintereinander in Ausbreitungsrichtung (6) des Anregungs-Lichts angeordnet sind, wobei
    ein erstes Konversionselement (3) dazu ausgelegt ist, die Wellenlänge (λ2) eines Teils des Anregungs-Lichts zu konvertieren,
    ein zweites Konversionselement (4) dazu ausgelegt ist, die Wellenlänge (λ2) eines Teils des nicht von dem ersten Konversionselement (3) konvertierten Anregungs-Lichts zu konvertieren, und
    das erste Konversionselement (3) und das zweite Konversionselement (4) durch einen ersten Abstand (7) voneinander getrennt sind,
    wobei jedes der Konversionselemente (3, 4, 5) als Scheibe mit zwei gegenüberliegende Flachseiten (3b, 4b, 5b) und einer Mantelfläche (3a, 4a, 5a) gestaltet ist, und
    die Konversionselemente (3, 4, 5) derart ausgelegt und angeordnet sind, dass nicht konvertiertes Anregungs-Licht nacheinander über die Flachseiten (3b, 4b, 5b) durch alle Konversionselemente (3, 4, 5) hindurch tritt,
    dadurch gekennzeichnet,
    dass jedes der Konversionselemente (3, 4, 5) ferner derart ausgelegt ist, dass davon konvertiertes Anregungs-Licht nahezu vollständig über die Mantelflächen (3a, 4a, 5a) austritt.
  2. Leuchtvorrichtung (1) gemäß Anspruch 1, wobei
    ein drittes Konversionselement (5) dazu ausgelegt ist, die Wellenlänge (λ2) eines Teils des nicht von dem zweiten Konversionselement (3) konvertierten Anregungs-Lichts zu konvertieren, und
    das zweite Konversionselement (4) und das dritte Konversionselement (5) durch einen zweiten Abstand (8) voneinander getrennt sind,
    wobei vorzugsweise der erste Abstand (7) und der zweite Abstand (8) gleich groß sind.
  3. Leuchtvorrichtung (1) gemäß Anspruch 1 oder 2, wobei
    zwei benachbarte Konversionselemente (3, 4, 5) durch einen Luftspalt voneinander getrennt sind.
  4. Leuchtvorrichtung (1) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei
    jedes der Konversionselemente (3, 4, 5) dazu ausgelegt ist, die Wellenlänge (λ2) des Anregungs-Lichts in eine andere Wellenlänge (λ3, λ4, λ5), vorzugsweise einer unterschiedlichen Farbe, als die anderen Konversionselemente (3, 4, 5) zu konvertieren.
  5. Leuchtvorrichtung (1) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei
    die Flachseiten (3b, 4b, 5b) der Konversionselemente (3, 4, 5) zumindest annähernd parallel zueinander ausgerichtet sind.
  6. Leuchtvorrichtung (1) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei
    jedes der Konversionselemente (3, 4, 5) als halbkreisförmige Scheibe mit einer Stirnseite (3c, 4c, 5c) gestaltet ist, die mit einer Spiegelschicht (9) versehen ist.
  7. Leuchtvorrichtung (1) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei
    jedes der Konversionselemente (3, 4, 5) wenigstens ein anderes Konversionsmittel als die anderen Konversionselemente (3, 4, 5) aufweist.
  8. Leuchtvorrichtung (1) gemäß Anspruch 7, wobei
    jedes der Konversionselemente (3, 4, 5) aus einem transparenten thermoplastischen Material, vorzugsweise PMMA gebildet ist, und
    das Konversionsmittel in das transparente thermoplastische Material eingebettet ist.
  9. Leuchtvorrichtung (1) gemäß Anspruch 7 oder 8, wobei
    die Konversionsmittel jeweils Leuchtstoff und/oder Quantendots sind.
  10. Leuchtvorrichtung (1) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 9, wobei
    der erste Abstand (7) und der ggf. zweite Abstand (8) in einem Bereich von 1 bis 10 mm liegen.
  11. Leuchtvorrichtung (1) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 10, die ferner aufweist,
    Mittel zum Kombinieren des nicht konvertierten Anregungs-Lichts und des durch die Konversionselemente (3, 4, 5) konvertierten Lichts, um das Mischlicht, vorzugsweise Weißlicht, zu erzeugen.
  12. Verfahren zur Erzeugung von Mischlicht, vorzugsweise Weißlicht, das die Schritte aufweist
    Erzeugen von Anregungs-Licht einer bestimmten Wellenlänge (λ2),
    Konvertieren der Wellenlänge (λ2) eines Teils des Anregungs-Lichts durch ein erstes Konversionselement (3), und
    Konvertieren der Wellenlänge (λ2) eines Teils des nicht von dem ersten Konversionselement (3) konvertierten Anregungs-Lichts durch ein zweites Konversionselement (4), wobei die Konversionselemente (3, 4, 5) hintereinander in Ausbreitungsrichtung (6) des Anregungs-Lichts angeordnet sind und durch einen ersten Abstand (7) voneinander getrennt sind,
    wobei jedes der Konversionselemente (3, 4, 5) als Scheibe mit zwei gegenüberliegende Flachseiten (3b, 4b, 5b) und einer Mantelfläche (3a, 4a, 5a) gestaltet ist, und
    die Konversionselemente (3, 4, 5) derart ausgelegt und angeordnet sind, dass nicht konvertiertes Anregungs-Licht nacheinander über die Flachseiten (3b, 4b, 5b) durch alle Konversionselemente (3, 4, 5) hindurch tritt,
    dadurch gekennzeichnet,
    dass jedes der Konversionselemente (3, 4, 5) ferner derart ausgelegt ist, dass davon konvertiertes Anregungs-Licht nahezu vollständig über die Mantelflächen (3a, 4a, 5a) austritt.
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