EP3268660A1 - Apparatus, system and method for converting monochromatic light into polychromatic light - Google Patents

Apparatus, system and method for converting monochromatic light into polychromatic light

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EP3268660A1
EP3268660A1 EP16711541.9A EP16711541A EP3268660A1 EP 3268660 A1 EP3268660 A1 EP 3268660A1 EP 16711541 A EP16711541 A EP 16711541A EP 3268660 A1 EP3268660 A1 EP 3268660A1
Authority
EP
European Patent Office
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light
conversion element
plane
polychromatic
monochromatic light
Prior art date
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Withdrawn
Application number
EP16711541.9A
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German (de)
French (fr)
Inventor
Gabriele Eberhardt
Susanne SPIRA
Isabel Kinski
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Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Original Assignee
Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
LDT Laser Display Technology GmbH
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Publication date
Application filed by Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV, LDT Laser Display Technology GmbH filed Critical Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
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    • F21V9/30—Elements containing photoluminescent material distinct from or spaced from the light source
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F21—LIGHTING
    • F21K—NON-ELECTRIC LIGHT SOURCES USING LUMINESCENCE; LIGHT SOURCES USING ELECTROCHEMILUMINESCENCE; LIGHT SOURCES USING CHARGES OF COMBUSTIBLE MATERIAL; LIGHT SOURCES USING SEMICONDUCTOR DEVICES AS LIGHT-GENERATING ELEMENTS; LIGHT SOURCES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
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    • H01S5/00—Semiconductor lasers
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    • H01S5/0087—Optical components external to the laser cavity, specially adapted therefor, e.g. for homogenisation or merging of the beams or for manipulating laser pulses, e.g. pulse shaping for illuminating phosphorescent or fluorescent materials, e.g. using optical arrangements specifically adapted for guiding or shaping laser beams illuminating these materials

Definitions

  • the present invention relates to an apparatus and a method for converting monochromatic light into polychromatic light.
  • This type of device is needed for lighting purposes of any kind where the light source has a more limited waveband than the desired light to be delivered. This is especially the case with automotive headlamps.
  • a light source which emits monochromatic light, that is to say light with a very limited wavelength range
  • the conversion element includes a chemical element or compound that converts the irradiated monochromatic light into polychromatic light having a wider wavelength range.
  • phosphorus is known as a chemical element. Since the light source is thus located away from the conversion element, this type of conversion is known as a "remote phosphor" method, as shown, inter alia, in DE 10 2012 223 854 A1 and DE 10 2012 223 857 A1.
  • monochromatic light is irradiated onto the conversion element, which changes the wavelength range of the monochromatic light so as to produce polychromatic light, for example white light.
  • conversion elements act as Lambertian radiators and emit the converted light uniformly in all spatial directions after diffuse reflection or transmission.
  • a radiation characteristic as is the case with the Lambertian radiator and in which the light is distributed in a flat representation over 180 ° in the shape of a circle, is disadvantageous, since only a limited angular range is captured by a following optical system can be harnessed thereby.
  • a different radiation characteristic than the Lambertian is desirable.
  • the device for converting monochromatic light into polychromatic light uses at least one conversion element which can convert the monochromatic light into polychromatic light.
  • conversion elements which have chemical constituents by which the wavelength range of the light can be changed such that the irradiated light has a different wavelength range or a different resulting dominant wavelength than the emitted light.
  • the wavelength range is widened. That is, the converted and radiated light has a larger wavelength range than the irradiated light.
  • monochromatic light can be converted into white light, for example.
  • the conversion element is flat and usually disc-shaped.
  • the conversion element can, however, in addition to a disc-shaped, that is circular, shape also occur in other Gestaitungsformen and be, for example, angular. Due to the planar design, the conversion element has two sides, or two surfaces, which act as Einstrahlebene and as Abstrahlebene.
  • the monochromatic light first comes into contact with the irradiation plane, that is to say with the first surface in the direction of the light. If the monochromatic light is radiated again from the last surface of the conversion element in the light direction and converted as it passes through the conversion element, there is a transmissive conversion element.
  • the irradiation plane and the abstraction plane represent the same plane and thus the same side of the planar conversion element.
  • the side from which the monochromatic light is irradiated and the side from which the converted polychromatic light leaves the conversion element are the same.
  • the conversion element is preferably mounted on a holder which reflects the light as best as possible.
  • the chemical constituents to which the light in the conversion element converts may, for example, consist of phosphorus, since this is known to be suitable for converting the wavelength of the incident light.
  • chemical elements and compounds from the field of rare earths are conceivable, in particular cerium.
  • the conversion element is provided with at least one structure on the Einstrahlebene and / or the Abstrahlebene, which, according to the object of the present invention, the radiation characteristic of the emitted polychromatic light over the Abstrahi futurizing a flat surface changes.
  • This change in the emission characteristic achieves a narrowing of the emission angle range and / or an increase in the radiation intensity or radiance of the emitted light in a preferred light direction.
  • the limitation of the Abstrahlwinkel Schemes causes no longer, as in a Lambert'schen Strahier in the planar representation, the light is emitted over 180 °, but the Abstrahlwinkel Scheme is limited, for example, to 120 ° +/- 40 °.
  • the above-mentioned structure may be spherical-concave or spherical-convex. This means that the surface of the Abstrahlebene and / or Einstrahlebene a spherical-concave or spherical-convex designed professional! having. Likewise, it is possible to provide not only spherical, but also aspherical, pyramidal and / or lattice-shaped profiles as structures. Another method to change the surface of the Abstrahlebene targeted, it is to provide a micro-roughness.
  • the Abstrahicharaktenstik the radiated polychromatic light is changed, so that either the Abstrahlwinkel Scheme of the emitted light in comparison to Lamber rule emitters is limited and / or the radiant intensity or the radiance of the emitted light is increased in a preferred light direction.
  • a targeted beam shaping of the emitted light can be achieved. This targeted beam shaping can be achieved by the structures applied to the conversion element due to the physical laws of optics in conjunction with the effects of radiation conversion.
  • the directional reflection of the incident laser beam can be reduced.
  • the surface of the Einstrahl- and / or Abstrahlebene is roughened in the micrometer range. This results in a complete conversion of the incident monochromatic light in emitted polychromatic light.
  • the abovementioned structures are introduced into the conversion element by a short-pulse laser.
  • the conversion element it is therefore necessary for the conversion element to comprise a thermally loadable material that can be processed by the short-pulse laser.
  • ceramic conversion elements have proven to be particularly advantageous, preferably a ceramic single crystal (for example, an yttrium-aluminum garnet).
  • the chemical materials used to convert the light may then be embedded in this material or applied to the surface. Of course, if they are applied to the surface, this must be done after processing with the short pulse laser.
  • the surface structure a combination of the above-mentioned spherical, aspherical, pyramidal and rough structures may also be used.
  • the grid has a grid line spacing of 20 ⁇ to 100 ⁇ .
  • the irradiation monochromatic light with the wavelength 420 nm to 480 nm is used, which is converted by the conversion element in polychromatic light, preferably with a color temperature of 3500 K to 6500 K.
  • the coloring, or color temperature, as well as the wavelength range of the light emitted by the conversion element results from the thickness of the conversion element, that is, the optical path that the irradiated monochromatic light has to take through the material of the conversion element. Since material is partially removed from the conversion element as a result of the processing for introducing the structure into the conversion element, it should be ensured that the conversion element has the desired thickness for the desired color temperature at its thinnest point. Preferably, these are 0.2 mm to 1 mm.
  • a light source that emits monochromatic light.
  • These may be semiconductor light sources, such as LED or laser diodes, or commercially available lasers.
  • monochromatic light is now irradiated to the Einstrhiebene a device according to the invention.
  • the irradiated monochromatic light is, as described above, converted by the conversion element, or by the chemical elements and / or chemical compounds to polychromatic light. This has a larger wavelength range than the incident light.
  • the converted polychromatic light is emitted at the radiation level, wherein the emission characteristic with respect to a plane surface changes due to the structure on the single-beam plane and / or the emission plane in such a way that the emission characteristic is no longer to be assigned to a Lambertian emitter, but the emission angle range is limited and / or the radiance or radiant intensity of the radiated light increases in a preferred light direction.
  • the emission characteristic of the emitted light is optimized in accordance with a subsequent optical system, thereby achieving a higher efficiency in the further processing, as is the case with a Lambertian radiation characteristic.
  • FIG. 1 shows a reflective conversion element with a concave, aspherical structure
  • Figure 2 shows a transmissive conversion element with convex, spherical structure
  • FIG. 1 shows a reflective conversion element 2 with a concave aspherical structure.
  • the irradiated monochromatic light 1 is hereby irradiated on the same side of the conversion element 2 as the emitted polychromatic light 5 is emitted.
  • the Einstrahlebene 3 is equal to the Abstrahlebene 4.
  • As a structure in the Abstrahlebene 4 and the Einstrahlebene 3 of the conversion element 2 is a concave, aspherical area introduced.
  • the conversion element 2, since it is configured as a reflective conversion element 2, should be applied to an opaque holder 5.
  • the application is made by the Einstrahlebene 3 opposite side. As a result, the incident light 1 is reflected as best as possible.
  • the radiated light 5 has a limited range of radiation radiation. If there were no structure, ie the conversion element flat, the emitted light 5 would have a radiation characteristic of a Lambertian radiator.
  • FIG. 2 shows a transmissive conversion element 2, that is to say a conversion element 2, in which the irradiation plane 3 to which the irradiated monochromatic light 1 strikes is a different plane than the emission plane 4 at which the emitted light 5 is emitted.
  • the irradiation plane 4 in the light direction is the first surface onto which the irradiated monochromatic light strikes, and the abstraction plane 3 the last surface from which the emitted poiychromatic light emerges.
  • a convex-spherical structure is applied to also change the radiation characteristic of the emitted polychromatic light 5. Again, it can be clearly seen that the polychromatic light has a limited radiation angle range 6.
  • the monochromatic light 1 has its origin each in a light source, not shown, which may be a Halbleiterüchtán, such as an LED or laser diode or a commercially available laser.
  • a light source not shown, which may be a Halbleiterüchtán, such as an LED or laser diode or a commercially available laser.
  • a plurality of such conversion elements 2 can be combined, through which the irradiated monochromatic light 1 is then passed through the combination of the conversion elements 2. This allows more accurate modified radiation characteristics are possible.
  • FIG. 3 shows possible emission characteristics by the emitted polychromatic light 5.
  • the respective emission plane 4 is shown, which has a limited emission angle range compared to a Lambertian emitter and increases the beam density 10 or the beam intensity 11.
  • the increase in the beam density 10 is shown, which is associated with the limitation of the Abstrahlwinkel Schemes.
  • the distribution of the beam intensity 1 1 is shown, which is also increased by the change in the radiation characteristic.
  • the polychromatic, radiated light is designed as a diffuse radiator with a preferred direction.
  • the present invention is not limited to the above-mentioned features. Rather, further embodiments are conceivable.
  • the short-pulse laser can be designed as a femtosecond laser or the wavelength of the irradiated monochromatic light have a different wavelength.
  • non-visible wavelengths of electromagnetic radiation are conceivable as monochromatic light.
  • the invention is applicable as a light source, inter alia, for video projection systems, for headlights and in particular in vehicle lighting and lighting devices. LIST OF REFERENCE NUMBERS

Abstract

Disclosed are an apparatus and a method for converting monochromatic light (1) into polychromatic light (5) using a conversion element (2) that can convert monochromatic light into polychromatic light, said conversion element having a structure on the incident plane (3) and/or on the radiating plane (4). Said structure modifies the radiation characteristics of the radiated polychromatic light relative to a flat plane in such a way that the range of the radiation angle narrows, the radiance increases and/or the radiant intensity increases.

Description

B E S C H R E I B U N G  DESCRIPTION
Vorrichtung und System sowie Verfahren zur Umwandlung von monochromatischem Licht in polychromatisches Licht Apparatus and system and method for converting monochromatic light into polychromatic light
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung sowie ein Verfahren zur Umwandlung von monochromatischem Licht in polychromatisches Licht. Diese Art der Vorrichtung wird für Beleuchtungszwecke jeglicher Art benötigt, bei der die Lichtquelle einen eingeschränkteren Wellenbereich aufweist als das gewünschte abzugebende Licht. Dies ist insbesondere bei Automobilscheinwerfern der Fall. The present invention relates to an apparatus and a method for converting monochromatic light into polychromatic light. This type of device is needed for lighting purposes of any kind where the light source has a more limited waveband than the desired light to be delivered. This is especially the case with automotive headlamps.
Hierzu ist es bekannt, eine Lichtquelle, welche monochromatisches Licht abgibt, also Licht mit einem stark begrenzten Wellenlängenbereich, auf ein Konversionselement strahlen zu lassen. Das Konversionselement beinhaltet ein chemisches Element oder eine chemische Verbindung, welche das eingestrahlte, monochromatische Licht in polychromatisches Licht mit einem größeren Welienlängenbereich umwandelt. Nach dem Stand der Technik ist Phosphor als chemisches Element bekannt. Da sich die Lichtquelle somit entfernt von dem Konversionselement befindet, ist diese Art von Konvertierung als„Remote Phosphor" Methode bekannt. Dies ist unter anderem in der DE 10 2012 223 854 A1 und DE 10 2012 223 857 A1 gezeigt. For this purpose, it is known to radiate a light source which emits monochromatic light, that is to say light with a very limited wavelength range, onto a conversion element. The conversion element includes a chemical element or compound that converts the irradiated monochromatic light into polychromatic light having a wider wavelength range. According to the state of the art, phosphorus is known as a chemical element. Since the light source is thus located away from the conversion element, this type of conversion is known as a "remote phosphor" method, as shown, inter alia, in DE 10 2012 223 854 A1 and DE 10 2012 223 857 A1.
Bei diesen Methoden wird also monochromatisches Licht auf das Konversionselement gestrahlt, welches den Welienlängenbereich des monochromatischen Lichtes so verändert, dass poiychromatisches Licht entsteht, beispielsweise weißes Licht. Übiicherweise wirken solche Konversionselemente als Lambert'sche Strahler und senden das konvertierte Licht nach diffuser Reflexion bzw. Transmission gleichmäßig in alle Raumrichtungen aus. Wie bereits in DE 10 2012 223 857 A1 beschrieben, ist eine Abstrahlcharakteristik, wie sie beim Lambert'schen Strahler vorliegt und bei der das Licht in ebener Darstellung über 180° haibkreisförmig verteilt ist, nachteilig, da nur ein begrenzter Winkelbereich durch eine Nachfolgeoptik eingefangen und dadurch nutzbar gemacht werden kann. Um das abgestrahlte Licht wirkungsvoller und weniger verlustbehaftet weiter verarbeiten zu können, ist somit eine andere Abstrahlcharakteristik als die Lambert'sche erstrebenswert. In these methods, therefore, monochromatic light is irradiated onto the conversion element, which changes the wavelength range of the monochromatic light so as to produce polychromatic light, for example white light. Usually, such conversion elements act as Lambertian radiators and emit the converted light uniformly in all spatial directions after diffuse reflection or transmission. As already described in DE 10 2012 223 857 A1, a radiation characteristic, as is the case with the Lambertian radiator and in which the light is distributed in a flat representation over 180 ° in the shape of a circle, is disadvantageous, since only a limited angular range is captured by a following optical system can be harnessed thereby. In order to be able to process the emitted light more effectively and less lossy further, a different radiation characteristic than the Lambertian is desirable.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es somit, eine Vorrichtung zur Umwandlung von monochromatischem Licht in polychromatisches Licht bereitzustellen, bei der das abgestrahlten Licht, verglichen mit einem Lambert'schen Strahler, nicht mehr vollkommen diffus ist, sondern eine Vorzugsrichtung erhält. Diese Aufgabe wird mit der Vorrichtung aus Anspruch 1 , dem System nach Anspruch 15 sowie dem Verfahren aus Anspruch 13 gelöst. It is therefore an object of the present invention to provide a device for converting monochromatic light into polychromatic light, in which the emitted light is no longer completely diffuse compared to a Lambertian radiator, but receives a preferential direction. This object is achieved with the device of claim 1, the system of claim 15 and the method of claim 13.
Die Vorrichtung zur Umwandlung von monochromatischem Licht in polychromatisches Licht benutzt dabei mindestens ein Konversionselement, welches das monochromatische Licht in polychromatisches Licht konvertieren kann. Hierzu sind nach dem Stand der Technik Konversionselemente bekannt, die chemische Bestandteile aufweisen, durch die der Wellenlängenbereich des Lichts so verändert werden kann, dass das eingestrahlte Licht einen anderen Welienlängenbereich beziehungsweise eine andere resultierende dominante Wellenlänge besitzt als das abgestrahlte Licht. Bevorzugterweise wird dabei der Wellenlängenbereich erweitert. Das heißt, dass das konvertierte und abgestrahlte Licht eine größeren Wellenlängenbereich aufweist als das eingestrahlte Licht. Dadurch kann einfarbiges Licht beispielsweise in weißes Licht umgewandelt werden. The device for converting monochromatic light into polychromatic light uses at least one conversion element which can convert the monochromatic light into polychromatic light. For this purpose, according to the prior art, conversion elements are known which have chemical constituents by which the wavelength range of the light can be changed such that the irradiated light has a different wavelength range or a different resulting dominant wavelength than the emitted light. Preferably, the wavelength range is widened. That is, the converted and radiated light has a larger wavelength range than the irradiated light. As a result, monochromatic light can be converted into white light, for example.
Das Konversionselement ist dabei flächig ausgeführt und meist scheibenförmig. Das Konversionselement kann jedoch neben einer scheibenförmigen, das heißt kreisrunden, Gestalt auch in weiteren Gestaitungsformen auftreten und beispielsweise eckig sein. Durch die flächige Ausführung besitzt das Konversionselement zwei Seiten, beziehungsweise zwei Oberflächen, die als Einstrahlebene und als Abstrahlebene wirken. Das monochromatische Licht kommt zuerst mit der Einstrahlebene, also mit der in Lichtrichiung ersten Oberfläche in Kontakt. Wird das monochromatische Licht von der in Lichtrichtung letzten Oberfläche des Konversionselementes wieder abgestrahlt und beim Durchtritt durch das Konversionseiement konvertiert, liegt ein transmittives Konversionselement vor. Es ist aber auch möglich, dass Einstrahlebene und Abstrahlebene die gleiche Ebene und somit die gleiche Seite des flächigen Konversionselements darstellen. In diesem Falle ist die Seite, von der das monochromatische Licht eingestrahlt wird und die Seite, von der aus das konvertierte polychromatische Licht das Konversionselement verlässt, dieselbe. Hierbei spricht man von einem reflexiven Konversionselement. Hier ist das Konversionselement vorzugsweise auf einer Halterung angebracht, die das Licht bestmöglich reflektiert. The conversion element is flat and usually disc-shaped. The conversion element can, however, in addition to a disc-shaped, that is circular, shape also occur in other Gestaitungsformen and be, for example, angular. Due to the planar design, the conversion element has two sides, or two surfaces, which act as Einstrahlebene and as Abstrahlebene. The monochromatic light first comes into contact with the irradiation plane, that is to say with the first surface in the direction of the light. If the monochromatic light is radiated again from the last surface of the conversion element in the light direction and converted as it passes through the conversion element, there is a transmissive conversion element. However, it is also possible that the irradiation plane and the abstraction plane represent the same plane and thus the same side of the planar conversion element. In this case, the side from which the monochromatic light is irradiated and the side from which the converted polychromatic light leaves the conversion element are the same. This is called a reflexive conversion element. Here, the conversion element is preferably mounted on a holder which reflects the light as best as possible.
Die chemischen Bestandteile, in die das Licht in dem Konversionselement konvertieren, können beispielsweise aus Phosphor bestehen, da dies bekanntermaßen dazu geeignet ist, die Wellenlänge des eingestrahlten Lichtes zu konvertieren. Ebenso sind aber auch chemische Elemente und Verbindungen aus dem Bereich der seltenen Erden denkbar, insbesondere Cer. The chemical constituents to which the light in the conversion element converts may, for example, consist of phosphorus, since this is known to be suitable for converting the wavelength of the incident light. Likewise, however, chemical elements and compounds from the field of rare earths are conceivable, in particular cerium.
Erfindungsgemäß wird das Konversionselement mit mindestens einer Struktur auf der Einstrahlebene und / oder der Abstrahlebene versehen, welche, gemäß der Aufgabe der vorliegenden Erfindung, die Abstrahlcharakteristik des abgestrahlten polychromatischen Lichts gegenüber der Abstrahicharakteristik einer planen Fläche verändert. Diese Veränderung der Abstrahlcharakteristik erzielt eine Eingrenzung des Abstrahlwinkelbereichs und / oder eine Erhöhung der Strahlstärke beziehungsweise Strahldichte des abgestrahlten Lichts in einer bevorzugten Lichtrichtung. Die Eingrenzung des Abstrahlwinkelbereichs bewirkt, dass nicht mehr, wie bei einem Lambert'schen Strahier in der ebenen Darstellung das Licht über 180° abgegeben wird, sondern der Abstrahlwinkelbereich beispielsweise auf 120° +/-40° eingegrenzt wird. Dadurch ergibt sich ein größerer Wirkungsgrad bei der Weiterverarbeitung des abgegebenen Lichtes im Vergleich zu Lambert'schen Abstra h I cha rakteristiken . Die oben genannte Struktur kann sphärisch-konkav oder sphärisch-konvex ausgestaltet sein. Das bedeutet, dass die Oberfläche der Abstrahlebene und / oder der Einstrahlebene ein sphärisch-konkav oder sphärisch- konvex ausgestaltetes Profi! aufweist. Ebenso ist es möglich, neben sphärischen, auch asphärische, pyramidale und/oder gitterförmige Profile als Strukturen bereitzustellen. Eine weitere Methode die Oberfläche der Abstrahlebene gezielt zu verändern, ist sie mit einer Mikrorauigkeit zu versehen. Durch diese Struktur wird die Abstrahicharaktenstik des abgestrahlten polychromatischen Lichtes verändert, sodass entweder der Abstrahlwinkelbereich des abgestrahlten Lichtes im Vergleich zu Lamber schen Strahlern eingegrenzt wird und / oder die Strahlstärke beziehungsweise die Strahldichte des abgestrahlten Lichts in einer bevorzugten Lichtrichtung erhöht wird. Durch die Veränderung der Abstrahlcharakteristik kann eine gezielte Strahlformung des abgestrahlten Lichts erzielt werden. Diese gezielte Strahlformung lässt sich durch die auf dem Konversionselement aufgebrachten Strukturen aufgrund der physikalischen Gesetze der Optik in Verbindung mit den Effekten der Strahlungskonversion erreichen. According to the invention the conversion element is provided with at least one structure on the Einstrahlebene and / or the Abstrahlebene, which, according to the object of the present invention, the radiation characteristic of the emitted polychromatic light over the Abstrahicharakteristik a flat surface changes. This change in the emission characteristic achieves a narrowing of the emission angle range and / or an increase in the radiation intensity or radiance of the emitted light in a preferred light direction. The limitation of the Abstrahlwinkelbereichs causes no longer, as in a Lambert'schen Strahier in the planar representation, the light is emitted over 180 °, but the Abstrahlwinkelbereich is limited, for example, to 120 ° +/- 40 °. This results in greater efficiency in the further processing of the emitted light in comparison to Lambert's characteristic features. The above-mentioned structure may be spherical-concave or spherical-convex. This means that the surface of the Abstrahlebene and / or Einstrahlebene a spherical-concave or spherical-convex designed professional! having. Likewise, it is possible to provide not only spherical, but also aspherical, pyramidal and / or lattice-shaped profiles as structures. Another method to change the surface of the Abstrahlebene targeted, it is to provide a micro-roughness. By this structure, the Abstrahicharaktenstik the radiated polychromatic light is changed, so that either the Abstrahlwinkelbereich of the emitted light in comparison to Lamber rule emitters is limited and / or the radiant intensity or the radiance of the emitted light is increased in a preferred light direction. By changing the emission characteristics, a targeted beam shaping of the emitted light can be achieved. This targeted beam shaping can be achieved by the structures applied to the conversion element due to the physical laws of optics in conjunction with the effects of radiation conversion.
Außerdem kann durch eine Mikrorauigkeit auf der Einstrahl- und/oder Abstrahlebene die gerichtete Reflexion des einfallenden Laserstrahls vermindert werden. Hierbei wird die Oberfläche der Einstrahl- und/oder Abstrahlebene im Mikrometerbereich aufgeraut. Dadurch erfolgt eine komplette Konversion des einfallenden monochromatischen Lichtes in abgestrahltes polychromatisches Licht. In addition, by a micro-roughness on the Einstrahl- and / or Abstrahlebene the directional reflection of the incident laser beam can be reduced. Here, the surface of the Einstrahl- and / or Abstrahlebene is roughened in the micrometer range. This results in a complete conversion of the incident monochromatic light in emitted polychromatic light.
Bevorzugterweise werden die oben genannten Strukturen durch einen Kurzpulslaser in das Konversionselement eingebracht Dadurch ist es jedoch notwendig, dass das Konversionselement ein thermisch belastbares Material aufweist, welches durch den Kurzpulsiaser bearbeitet werden kann. Hierbei haben sich keramische Konversionselemente als besonders vorteilhaft erwiesen, bevorzugterweise ein keramischer Einkristall (zum Beispiel ein Yttrium-Aluminium-Granat). Die verwendeten chemischen Materialien zur Konvertierung des Lichtes können dann in dieses Material eingebettet sein oder auf der Oberfläche aufgetragen sein. Sollten sie auf der Oberfläche aufgetragen werden, muss dies natürlich nach der Bearbeitung mit dem Kurzpulslaser geschehen. Preferably, the abovementioned structures are introduced into the conversion element by a short-pulse laser. However, it is therefore necessary for the conversion element to comprise a thermally loadable material that can be processed by the short-pulse laser. Here, ceramic conversion elements have proven to be particularly advantageous, preferably a ceramic single crystal (for example, an yttrium-aluminum garnet). The chemical materials used to convert the light may then be embedded in this material or applied to the surface. Of course, if they are applied to the surface, this must be done after processing with the short pulse laser.
Zur weiteren Optimierung der Abstrahlcharakteristik des polychromatischen Lichts können auch mehrere Konversionselemente verwendet werden, mit denen, nach Reflexion oder Transmission, das eingestrahlte Licht in das abgestrahlten Licht konvertiert wird. Als Oberflächenstruktur kann auch eine Kombination aus den voran erwähnten sphärischen, asphärischen, pyramidalen und rauen Strukturen benutzt werden. Je nach Anwendungsfall bei der Verwendung eines Gitters hat es sich als besonders vorteilhaft erwiesen, wenn das Gitter einen Gitterlinienabstand von 20 μηι bis 100 μιη aufweist. Bevorzugterweise wird für die Einstrahlung monochromatisches Licht mit der Wellenlänge 420 nm bis 480 nm verwendet, welches durch das Konversionselement in polychromatisches Licht umgewandelt wird, bevorzugterweise mit einer Farbtemperatur von 3500 K bis 6500 K. In order to further optimize the emission characteristic of the polychromatic light, it is also possible to use a plurality of conversion elements with which, after reflection or transmission, the irradiated light is converted into the emitted light. As the surface structure, a combination of the above-mentioned spherical, aspherical, pyramidal and rough structures may also be used. Depending on the application in the use of a grid, it has proved to be particularly advantageous if the grid has a grid line spacing of 20 μηι to 100 μιη. Preferably, for the irradiation monochromatic light with the wavelength 420 nm to 480 nm is used, which is converted by the conversion element in polychromatic light, preferably with a color temperature of 3500 K to 6500 K.
Die Farbgebung, beziehungsweise Farbtemperatur sowie der Wellenlängenbereich des vom Konversionselement abgestrahlten Lichts, ergibt sich aus der Dicke des Konversionselementes, also durch den optischen Weg, den das eingestrahlte monochromatische Licht durch das Material des Konversionselementes nehmen muss. Da durch die Bearbeitung zur Einbringung der Struktur in das Konversionselement teilweise Material vom Konversionselement entfernt wird, ist darauf zu achten, dass das Konversionselement an seiner dünnsten Stelle die gewünschte Dicke für die gewünschte Farbtemperatur aufweist. Bevorzugterweise sind dies 0,2 mm bis 1 mm. The coloring, or color temperature, as well as the wavelength range of the light emitted by the conversion element, results from the thickness of the conversion element, that is, the optical path that the irradiated monochromatic light has to take through the material of the conversion element. Since material is partially removed from the conversion element as a result of the processing for introducing the structure into the conversion element, it should be ensured that the conversion element has the desired thickness for the desired color temperature at its thinnest point. Preferably, these are 0.2 mm to 1 mm.
Zur Umwandlung des monochromatischen Lichts in polychromatisches Licht wird also eine Lichtquelle benötigt, die monochromatisches Licht aussendet. Dies können Haibleiterlichtquellen, wie LED oder Laserdioden, oder handelsübliche Laser sein. To convert the monochromatic light into polychromatic light, therefore, a light source is needed that emits monochromatic light. These may be semiconductor light sources, such as LED or laser diodes, or commercially available lasers.
Von dieser Lichtquelle wird nun monochromatisches Licht auf die Einstrahiebene einer erfindungsgemäßen Vorrichtung eingestrahlt. Das eingestrahlte monochromatische Licht wird, wie oben beschrieben, durch das Konversionselement, beziehungsweise durch die chemischen Elemente und / oder chemischen Verbindungen, zu polychromatischem Licht konvertiert. Dieses hat einen größeren Wellenlängenbereich als das eingestrahlte Licht. From this light source monochromatic light is now irradiated to the Einstrhiebene a device according to the invention. The irradiated monochromatic light is, as described above, converted by the conversion element, or by the chemical elements and / or chemical compounds to polychromatic light. This has a larger wavelength range than the incident light.
Das umgewandelte polychromatische Licht wird an der Abstrahlebene abgestrahlt, wobei sich durch die Struktur auf der Einstrahiebene und / oder der Abstrahlebene die Abstrahlcharakteristik gegenüber einer planen Oberfläche dahingehend verändert, dass die Abstrahlcharakteristik nicht mehr einem Lambert'schen Strahler zuzuordnen ist, sondern der Abstrahlwinkelbereich eingegrenzt wird und / oder sich die Strahldichte beziehungsweise Strahlstärke des abgestrahlten Lichts in einer bevorzugten Lichtrichtung erhöht. Dadurch wird die Abstrahlcharakteristik des abgestrahlten Lichts gemäß einer Nachfolgeoptik optimiert und dadurch ein höherer Wirkungsgrad bei der weiteren Verarbeitung erzielt, als dies mit einer Lambert'schen Abstrahlcharakteristik der Fall ist. Weitere Merkmale ergeben sich aus den nachfolgenden Zeichnungen. Es zeigen: The converted polychromatic light is emitted at the radiation level, wherein the emission characteristic with respect to a plane surface changes due to the structure on the single-beam plane and / or the emission plane in such a way that the emission characteristic is no longer to be assigned to a Lambertian emitter, but the emission angle range is limited and / or the radiance or radiant intensity of the radiated light increases in a preferred light direction. As a result, the emission characteristic of the emitted light is optimized in accordance with a subsequent optical system, thereby achieving a higher efficiency in the further processing, as is the case with a Lambertian radiation characteristic. Further features will become apparent from the following drawings. Show it:
Figur 1 ein reflexives Konversionselement mit konkaver, asphärischer Struktur, FIG. 1 shows a reflective conversion element with a concave, aspherical structure,
Figur 2 ein transmittives Konversionselement mit konvexer, sphärischer Struktur und Figure 2 shows a transmissive conversion element with convex, spherical structure and
Figur 3 durch die Struktur veränderte Abstrahlcharakteristik des abgestrahlten Lichts. Figure 3 by the structure changed radiation characteristic of the emitted light.
In Figur 1 ist ein reflexives Konversionselement 2 mit konkaver asphärischer Struktur zu erkennen. Das eingestrahlte monochromatische Licht 1 wird hierbei auf der gleichen Seite des Konversionselements 2 eingestrahlt, wie das abgestrahlte polychromatische Licht 5 abgegeben wird. Die Einstrahlebene 3 ist hierbei gleich der Abstrahlebene 4. Als Struktur in der Abstrahlebene 4 beziehungsweise der Einstrahlebene 3 des Konversionselements 2 ist ein konkaver, asphärischer Bereich eingebracht. Das Konversionselement 2 sollte, da es als reflexives Konversionselement 2 ausgestaltet ist, auf einer lichtundurchlässigen Halterung 5 aufgebracht sein. Die Aufbringung erfolgt durch die der Einstrahlebene 3 gegenüberliegenden Seite. Dadurch wird das eingestrahlte Licht 1 bestmöglich reflektiert. FIG. 1 shows a reflective conversion element 2 with a concave aspherical structure. The irradiated monochromatic light 1 is hereby irradiated on the same side of the conversion element 2 as the emitted polychromatic light 5 is emitted. The Einstrahlebene 3 is equal to the Abstrahlebene 4. As a structure in the Abstrahlebene 4 and the Einstrahlebene 3 of the conversion element 2 is a concave, aspherical area introduced. The conversion element 2, since it is configured as a reflective conversion element 2, should be applied to an opaque holder 5. The application is made by the Einstrahlebene 3 opposite side. As a result, the incident light 1 is reflected as best as possible.
Durch die Struktur ist deutlich zu erkennen, dass das abgestrahlte Licht 5 einen eingegrenzten Abstrahlwänkelbereich aufweist. Wäre keine Struktur vorhanden, also das Konversionselement plan, würde das abgestrahlte Licht 5 über eine Abstrahlcharakteristik eines Lambert'schen Strahlers verfügen. The structure clearly shows that the radiated light 5 has a limited range of radiation radiation. If there were no structure, ie the conversion element flat, the emitted light 5 would have a radiation characteristic of a Lambertian radiator.
In Figur 2 ist dagegen ein transmittives Konversionselement 2 gezeigt, also ein Konversionselement 2, bei dem die Einstrahlebene 3, auf die das eingestrahlte monochromatische Licht 1 trifft, eine andere Ebene ist, als die Abstrahlebene 4, an der das abgestrahlte Licht 5 abgegeben wird. Bei einem transmittiven Konversionselement 2 ist die Einstrahlebene 4 in Lichtrichtung die erste Oberfläche auf die das eingestrahlte monochromatische Licht trifft und die Abstrahlebene 3 die letzte Oberfläche aus die das abgestrahlte poiychromatische Licht austritt. Auf dieses Konversionselement 2 ist eine konvex-sphärische Struktur aufgebracht, um ebenfalls die Abstrahlcharakteristik des abgestrahlten polychromatischen Lichts 5 zu verändern. Auch hier ist deutlich zu erkennen, dass das poiychromatische Licht einen eingegrenzten Abstrahlwinkelbereich 6 aufweist. In contrast, FIG. 2 shows a transmissive conversion element 2, that is to say a conversion element 2, in which the irradiation plane 3 to which the irradiated monochromatic light 1 strikes is a different plane than the emission plane 4 at which the emitted light 5 is emitted. In the case of a transmissive conversion element 2, the irradiation plane 4 in the light direction is the first surface onto which the irradiated monochromatic light strikes, and the abstraction plane 3 the last surface from which the emitted poiychromatic light emerges. On this conversion element 2, a convex-spherical structure is applied to also change the radiation characteristic of the emitted polychromatic light 5. Again, it can be clearly seen that the polychromatic light has a limited radiation angle range 6.
Das monochromatische Licht 1 hat seinen Ursprung jeweils in einer nicht gezeigten Lichtquelle, die eine Halbleiterüchtquelle, wie eine LED oder Laserdiode oder ein handelsüblicher Laser sein kann. The monochromatic light 1 has its origin each in a light source, not shown, which may be a Halbleiterüchtquelle, such as an LED or laser diode or a commercially available laser.
In einer erfindungsgemäßen Vorrichtung können mehrere solcher Konversionselemente 2 kombiniert werden, durch die dann das eingestrahlte monochromatische Licht 1 durch die Kombination der Konversionselemente 2 geleitet wird. Dadurch können genauere veränderte Abstrahlcharakteristiken ermöglicht werden. In a device according to the invention a plurality of such conversion elements 2 can be combined, through which the irradiated monochromatic light 1 is then passed through the combination of the conversion elements 2. This allows more accurate modified radiation characteristics are possible.
Figur 3 zeigt mögliche Abstrahlcharakteristika durch das abgestrahlte polychromatische Licht 5. Zu sehen ist jeweils die Abstrahlebene 4, welche gegenüber einem Lambert'schen Strahler einen eingegrenzten Abstrahlwinkelbereich aufweist und die Strahldichte 10 beziehungsweise die Strahlstärke 1 1 erhöht. FIG. 3 shows possible emission characteristics by the emitted polychromatic light 5. The respective emission plane 4 is shown, which has a limited emission angle range compared to a Lambertian emitter and increases the beam density 10 or the beam intensity 11.
Auf der linken Seite der Figur 3 ist die Erhöhung der Strahldichte 10 gezeigt, die einhergeht mit der Eingrenzung des Abstrahlwinkelbereichs. Auf der rechten Seite ist die Verteilung der Strahlstärke 1 1 gezeigt, die ebenfalls durch die Veränderung der Abstrahlcharakteristik erhöht ist. Im Gegensatz zu einem Lambert'schen Strahler ist hierbei das polychromatische, abgestrahlte Licht als diffuser Strahler mit einer Vorzugsrichtung ausgeführt. On the left side of Figure 3, the increase in the beam density 10 is shown, which is associated with the limitation of the Abstrahlwinkelbereichs. On the right side of the distribution of the beam intensity 1 1 is shown, which is also increased by the change in the radiation characteristic. In contrast to a Lambertian radiator, the polychromatic, radiated light is designed as a diffuse radiator with a preferred direction.
Die vorliegende Erfindung ist nicht auf die oben genannten Merkmale beschränkt. Vielmehr sind weitere Ausführungen denkbar. So kann der Kurzpulslaser als Femtosekundenlaser ausgeführt sein oder die Wellenlänge des eingestrahlten monochromatischen Lichts eine andere Wellenlänge aufweisen. Ebenso sind nicht sichtbare Wellenlängen elektromagnetischer Strahlung als monochromatisches Licht denkbar. Zudem ist die Erfindung als Lichtquelle unter anderem für Video-Projektionssysteme, für Scheinwerfer und insbesondere in Fahrzeuglicht- und beleuchtungsvorrichtungen anwendbar. Bezugszeichenliste The present invention is not limited to the above-mentioned features. Rather, further embodiments are conceivable. Thus, the short-pulse laser can be designed as a femtosecond laser or the wavelength of the irradiated monochromatic light have a different wavelength. Likewise, non-visible wavelengths of electromagnetic radiation are conceivable as monochromatic light. In addition, the invention is applicable as a light source, inter alia, for video projection systems, for headlights and in particular in vehicle lighting and lighting devices. LIST OF REFERENCE NUMBERS
monochromatisches Licht monochromatic light
Konversionselement  conversion element
Einstrahlebene  irradiation plane
Abstrahlebene  radiation plane
polychromatisches Licht polychromatic light
Abstrahlwinkelbereich  beam angle
Strahldichte in Abhängigkeit vom Betrachtungswinkel Strahlstärke in Abhängigkeit vom Betrachtungswinkel Radiance as a function of the viewing angle radiant intensity as a function of the viewing angle

Claims

P AT E N T A N S P R Ü C H E P AT TESTS
1. Vorrichtung zur Umwandlung von monochromatischem Licht (1 ) in polychromatisches Licht (5), 1. Device for converting monochromatic light (1) into polychromatic light (5),
mit mindestens einem Konversionselement (2), welches das monochromatische Licht (1 ) in polychromatisches Licht (5) konvertieren kann,  with at least one conversion element (2) which can convert the monochromatic light (1) into polychromatic light (5),
mit einer Einstrahlebene (3) zur Einstrahlung des monochromatischen Lichts (1) und einer Abstrahlebene (4) zur Abstrahlung des polychromatischen Lichts (5),  with a radiation plane (3) for irradiating the monochromatic light (1) and an emission plane (4) for emitting the polychromatic light (5),
dadurch gekennzeichnet  characterized
und dass das Konversionselement (2) mindestens eine Struktur auf der Einstrahlebene (3) und/oder der Abstrahlebene (4) aufweist, welche die Abstrahlcharakteristik des abgestrahlten polychromatischen Lichts (5) gegenüber einer planen Ebene verändert.  and that the conversion element (2) has at least one structure on the irradiation plane (3) and / or the radiation plane (4) which alters the emission characteristic of the emitted polychromatic light (5) with respect to a plane plane.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass das2. Device according to claim 1, characterized in that the
Konversionselement (2) als keramisches Konversionselement ausgeführt ist. Conversion element (2) is designed as a ceramic conversion element.
3. Vorrichtung nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass das3. Device according to claim 1, characterized in that the
Konversionselement (2) als keramischer Einkristall mit eingebetteten Cer-Partikeln ausgeführt ist. Conversion element (2) is designed as a ceramic single crystal with embedded cerium particles.
4. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Struktur mit einem Kurzpulslaser eingebracht ist. 4. Device according to one of claims 1 to 2, characterized in that the structure is introduced with a short pulse laser.
5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Struktur sphärisch, pyramidal, asphärisch und/oder als Gitter ausgeführt und/oder die Oberfläche der Struktur eine Mikrorauigkeit aufweist. 5. Device according to one of claims 1 to 4, characterized in that the structure is executed spherical, pyramidal, aspherical and / or as a grid and / or the surface of the structure has a micro-roughness.
6. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Struktur als Kombination aus sphärisch, pyramidal, asphärisch, aus einem Gitter und/oder aus einer Oberfläche mit Mikrorauigkeit ausgeführt ist. 6. The device according to claim 5, characterized in that the structure is designed as a combination of spherical, pyramidal, aspherical, from a grid and / or from a surface with micro-roughness.
7. Vorrichtung nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Gitter einen Gitterlinienabstand von 20pm bis 100pm aufweist. 7. Apparatus according to claim 5 or 6, characterized in that the grid has a grid line spacing of 20pm to 100pm.
8. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass das8. Device according to one of claims 1 to 7, characterized in that the
Konversionselement (2) monochromatisches Licht (1) der Wellenlänge 420nm bis 480nm in polychromatisches Licht (5) mit einer Farbtemperatur von 350ΌΚ bis 6500K konvertiert. Conversion element (2) monochromatic light (1) of wavelength 420nm to 480nm in polychromatic light (5) with a color temperature of 350ΌΚ to 6500K converted.
9. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass das Konversionselement (2) das abgestrahlte, polychromatische Licht (5) auf einen Abstrahlwinkelbereich (6) von 120° +/-400 Grad eingrenzt. 9. Device according to one of claims 1 to 8, characterized in that the conversion element (2) limits the emitted polychromatic light (5) to a radiation angle range (6) of 120 ° +/- 40 0 degrees.
10. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass das10. Device according to one of claims 1 to 9, characterized in that the
Konversionselement (2) an seiner dünnsten Stelle eine Dicke von 0,2mm bis 1 mm aufweist. Conversion element (2) has a thickness of 0.2mm to 1 mm at its thinnest point.
1 1. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Einstrahlebene (3) und die Abstrahlebene (4) als gemeinsame Ebene ausgeführt sind. 1 1. A device according to one of claims 1 to 10, characterized in that the Einstrahlebene (3) and the Abstrahlebene (4) are designed as a common plane.
12. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 1 1 , dadurch gekennzeichnet, dass das12. Device according to one of claims 1 to 1 1, characterized in that the
Konversionselement (2) als reflexives und/oder transmittives Konversionselement ausgeführt ist. Conversion element (2) is designed as a reflective and / or transmissive conversion element.
13. Verfahren zur Umwandlung von monochromatischem Licht (1) in polychromatisches Licht (5), 13. Method for converting monochromatic light (1) into polychromatic light (5),
wobei eine Lichtquelle monochromatisches Licht (1 ) auf die Einstrahlebene (3) einer Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 12 einstrahlt,  wherein a light source irradiates monochromatic light (1) onto the irradiation plane (3) of a device according to one of claims 1 to 12,
dadurch gekennzeichnet,  characterized,
dass das Konversionselement (2) das eingestrahlte, monochromatische Licht {1) der Lichtquelle in polychromatisches Licht (5) umwandelt  in that the conversion element (2) converts the irradiated, monochromatic light {1) of the light source into polychromatic light (5)
und dass das polychromatische Licht (5) an der Abstrahiebene (4) abgestrahlt wird, wobei durch die Struktur auf der Einstrahlebene (3) und/oder der Abstrahlebene (4) die Abstrahlcharakteristik gegenüber einer planen Ebene verändert wird. and that the polychromatic light (5) is emitted at the abstraction level (4), wherein the emission characteristic with respect to a plane is changed by the structure on the irradiation plane (3) and / or the radiation plane (4).
14. Verfahren nach Anspruch 14, wobei die Veränderung der Abstrahlcharakteristik durch Eingrenzung des Abstrahlwinkelbereichs (6), durch Erhöhung der Strahldichte (10) und/oder Erhöhung der Strahistärke (1 1 ) erreicht wird. 14. The method according to claim 14, wherein the change in the emission characteristic by limiting the Abstrahlwinkelbereichs (6), by increasing the beam density (10) and / or increasing the beam thickness (1 1) is achieved.
15. System zur Umwandlung von monochromatischem Licht ( ) in polychromatisches Licht15. System for converting monochromatic light (12) into polychromatic light
(5), (5)
dadurch gekennzeichnet,  characterized,
dass das System mindestens eine Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1-12 beinhaltet,  the system includes at least one device according to any one of claims 1-12,
dass das System eine Lichtquelle beinhaltet, welche monochromatisches Licht (1) erzeugt und auf die Vorrichtung einstrahlt  in that the system includes a light source which generates monochromatic light (1) and irradiates it onto the device
und dass das System mindestens ein optisches Mittel beinhaltet, welches im Lichtstrahl des abgestrahlten polychromatischen Lichts (5) angeordnet ist.  and that the system includes at least one optical means disposed in the light beam of the emitted polychromatic light (5).
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