WO2012084482A2 - Beleuchtungsanordnung - Google Patents

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    • H01S5/022—Mountings; Housings
    • H01S5/0225—Out-coupling of light

Definitions

  • Illumination arrangement The invention relates to a lighting arrangement.
  • the light generated via an incandescent filament is emitted and is used as useful light
  • the lamp may have a reflector, by means of which the emitted light can be deflected in such a way that it leaves as a directed beam and as
  • lamps based on novel light sources such as LEDs (Light Emitting Diodes) or laser diodes are increasingly gaining in popularity
  • phosphors can be used which, when irradiated with light (also referred to as pump light) of one color in turn emit light of a different color, in other words convert light. In this way, for example, by irradiation of
  • Phosphor with blue light generate white light.
  • a planar phosphor-containing layer is illuminated from below with blue light, which is usually produced by means of LEDs.
  • the incidence of light is here perpendicular to the phosphorus-containing layer, which in turn generates white light according to a Lambertian radiation characteristic.
  • the light emission of the phosphor is essentially according to a Lambertian
  • Material and / or a phosphorescent material and / or a fluorescent material coated surface element which is illuminated with a light source, light emitted predominantly perpendicular to the surface element, wherein the light emission decreases continuously towards the sides.
  • the effect just described may have the disadvantage that the converted light may not affect optics and thus be lost for further utilization.
  • a targeted change in the light emission characteristic may be desired, for example a
  • Power densities on the phosphor can affect or even damage its functioning.
  • the invention is therefore based on the object, a
  • an illumination arrangement includes a light source for providing laser light and a diffuse light source
  • reflective material and / or a phosphorescent material and / or a fluorescent material which is arranged on a surface in such a way in the illumination arrangement that laser light provided by the light source strikes the material, wherein the surface is at least one side open hollow body (it is in this
  • a groove described below is to be understood as a hollow body) forms with one or more partial surfaces which are at least partially facing each other such that light reflected or generated at least on a partial surface partly meets material that is on
  • the same or another partial surface of the surface is arranged, and both the irradiation of the laser light on the material as well as the radiation of the reflected or generated light from the material over the same surface of the one or more partial surfaces.
  • the faces do not necessarily have to be physically connected. They can also be formed by individual separate elements.
  • the elements may be carried by a common carrier or carriers. Between the partial surfaces, a gap may be provided. Furthermore, the partial surfaces do not necessarily have to be complete with a diffusely reflecting material
  • phosphorescent material and / or a fluorescent material.
  • the one is diffuse
  • the illumination arrangement has a radiation characteristic which is dependent on a
  • Lambertian radiation characteristic is different.
  • the outgoing light distribution can be adapted to the respective requirements of the environment of use. On the other hand, this can also reduce the proportion of converted radiation
  • the ratio of converted light to residual pump or laser light can be increased and thus the proportion of the converted light is improved. Due to the geometrical configuration of the illumination arrangement, an enlargement of the area illuminated by the laser light of the light source relative to the effective area radiating the converted light can result. According to the embodiments, the Pump Inc. Laser light incident on the with the material
  • This area is hereafter referred to as footprint, and it is also the effectively converted light-emitting area.
  • the footprint is a virtual light input and output
  • an illumination arrangement can advantageously be operated with high radiation densities of, for example, several watts per square millimeter, without this being diffuse Light-emitting material in its functioning
  • the surface normal vector may point to a vector component that is parallel to the light path.
  • Lighting arrangement the material arranged on the part surfaces or a mixture of different
  • Phosphor mixture produce a converted light with a different wavelength.
  • the different phosphor mixtures can be homogeneously distributed on the partial surfaces or else be spatially separated thereon.
  • one of the phosphor mixtures may be an alkali-silicate-phosphor mixture.
  • Opening angle of the light generated by the illumination arrangement on the choice of the angle of the partial surfaces are adjusted to each other.
  • Lighting arrangement provides.
  • the surface on which the reflective and / or phosphorescent and / or fluorescent material is arranged forms a cone sheath or a pyramid sheath.
  • an embodiment may be provided in which the surface on which the reflective and / or phosphorescent and / or fluorescent material
  • a groove defined.
  • the groove may also be formed straight or curved.
  • a light path of the laser light provided may be parallel to one
  • Lighting arrangement is not prone to light
  • the light source is the
  • Illumination arrangement arranged such that the
  • provided laser light has at least one laser beam, wherein the laser beams may have different wavelengths and their beam paths may be independent of each other.
  • the illumination arrangement can have at least one collimating optical system which is set up to limit an angle at which the light diffusely emitted by the material leaves the illumination arrangement. This allows the light distribution of
  • the collimating optics can be, for example, at least one lens and / or at least one TIR (total internal reflection - total reflection) element.
  • Illumination arrangement be designed such that the
  • hollow bodies formed one or more partial surfaces, which at least partially each other are arranged facing away from that on a partial surface of a hollow body arranged material reflected or generated light at least partially on material which is disposed on the same or another part of the surface area of the same hollow body, and both the irradiation of the laser light on the material as well as the radiation of the reflected or generated light from the material over the same surface of the one or more faces.
  • the illumination arrangement can furthermore have a reflector, wherein the surface on which the reflective and / or phosphorescent and / or
  • fluorescent material is arranged, at least partially in the reflector, in particular at least partially in the focal point of the reflector, is arranged.
  • Reflector can be reduced.
  • the lighting arrangement can be used, for example, as
  • Pro ektorlampe for example, Video Pro ektorlampe, an effect lighting lamp or a lamp in the range of optical fibers (for example in the field of endoscopy) to be set up, but is not in these ways
  • Lighting arrangement may comprise a light source for providing laser light; and a diffusive reflective material and / or a phosphorescent material and / or a fluorescent material disposed on one surface arranged in the illumination arrangement such that laser light provided by the light source strikes the material, wherein the surface forms a hollow body with one or more partial surfaces which are arranged at least partially facing each other, wherein the laser light incidence occurs through an area which passes through the upper Edges of the at least partially facing one another arranged one or more faces is limited.
  • FIG. 1 shows a schematic structure of a
  • Figure 3 shows an embodiment of a diffuse light
  • FIG. 4 shows the surface from FIG. 2A in greater detail
  • FIG. 7 simulation results for the degree of conversion
  • Figs. 8A and 8B show a diffused light emitting surface having a groove shape according to various Embodiments, wherein in Figure 8A a
  • FIGS. 9A and 9B show a diffused light emitting surface having a groove shape according to various
  • FIGS. 10A and 10B show exemplary embodiments of a diffusely radiating surface which is pumped at a predetermined angle according to FIGS. 8A (FIG)
  • FIG. 10A and FIG. 9A (FIG. 10B)
  • FIG. 11 shows an embodiment of a diffuse light
  • FIG. 12 shows an exemplary embodiment of the illumination arrangement which has a reflector
  • FIGS 13A and 13B embodiments of diffuse light
  • Fig.l is a schematic structure of a
  • Lighting arrangement 100 according to various aspects
  • the illumination assembly 100 may include a light source 110 and a conversion assembly 120. That of the
  • Light source 110 provided laser light 130 is the
  • Conversion device 120 is supplied and converted from this to a converted light 140.
  • the converted light 140 may pass through one or more collimating optics 150 prior to exiting the illumination assembly 100 and / or may encounter a reflector 160 that may further adjust the output of the converted light 140.
  • Reflector 160 is arbitrary.
  • the converted light 140 can but also output directly from the conversion assembly 120 from the lighting assembly 100
  • the light source 110 may be configured such that the laser light provided has at least one laser beam and / or at least one laser diode beam. Thus, the light source 110 in various
  • the laser beams 130 may have the same wavelength, whereby, for example, advantageously, the power of the laser light provided may be increased.
  • the laser beams 130 may also be two or more different ones
  • the light source 110 may be divided into a plurality of parts, for example, a light-generating part and a light-guiding or light-guiding part.
  • the light source 110 may also have only one light ⁇ leading or light-conducting member and the
  • Light generation can outside the lighting assembly 100, for example, outside a housing of the
  • Lighting arrangement 100 take place.
  • the light source 110 may be spatially concentrated or spatially distributed. It can in different embodiments
  • the laser light can be divided in any manner on the spatially distributed light source 110.
  • the laser light beams 130 of the spatially distributed light source 110 can run independently of one another and impinge on the conversion arrangement 120 at different angles.
  • provided at least one laser beam 130 may
  • At least one laser beam may be larger or smaller than the base area of the conversion device 120 Cross section of the at least one laser beam 130 may
  • the conversion assembly 120 has different
  • the surface 108 forms a hollow body with a plurality of partial surfaces, the like
  • the surface 108 may include a plurality of spaced apart surfaces formed on adjacent hollow bodies.
  • the conversion arrangement has in any case the
  • the base through which the pump or laser light 130 is supplied to the partial surfaces of a hollow body.
  • the base area is the area through which the converted light 140 leaves a hollow body, so it is analogous to the
  • Laser light 130 as well as the radiation of the reflected or generated light 140 through the material over the same surface of the partial surfaces takes place.
  • Conversion assembly 130 having a plurality of hollow bodies, the base area corresponds to a merger of
  • the partial surfaces of the surface 108 may be in direct contact with each other or else be connected to each other by a support or holding material. Further, the material disposed on the surface 108 may be a mixture of different diffusely reflective materials and / or phosphorescent materials and / or any fluorescent materials. As a result, a conversion of the pumping or laser light 130 into a desired color mixture can be provided.
  • the laser light 130 is emitted from the diffused light-emitting material on the
  • Conversion device 120 converted and leaves them as converted light 140. Conversion of the light, the conversion of the laser light 130 by, for example, fluorescence or phosphorescence or by
  • the wavelengths of the pumping light 130 and the converted light 140 may be the same or different.
  • the light conversion can
  • Embodiments of the conversion assembly 120 can be made. The production is based on the
  • the process for producing a phosphor layer or a phosphor body comprises the following steps:
  • a suspension comprising at least one solid phosphor and at least one alkali metal silicate on a substrate surface or in a mold around one
  • the suspension may be an aqueous suspension and a mixture of water and at least one liquid
  • Alkali silicate included Furthermore, the production can also a suitable suspension by suspending the solid phosphor in a liquid alkali metal silicate-containing solution.
  • a suitable suspension by suspending the solid phosphor in a liquid alkali metal silicate-containing solution.
  • Phosphor powder be mixed with liquid aqueous Alkalisilkat.
  • the ratio of the volumes of alkali water glass, water and solid powder has a direct influence on the homogeneity of the suspension
  • volume concentration ratio of liquid alkali silicate and water in such mixtures of about 1: 5 to
  • the volume concentration ⁇ ratio of liquid alkali metal silicate (s) and water therefore, 1: 3, 1: 2, 2: 3, 1: 1, 2: 1, 3: 2, or 3: 1.
  • Ratio may be selected depending on the target properties of the dye layer (eg, glass content, layer thickness, strength), as well as the phosphors themselves.
  • the liquid alkali silicate is a saturated solution of alkali silicate in water, which is then in the top
  • a saturated solution may contain, for example, 7.5-8.5% by weight of alkali metal oxide, eg Na 2 O, and 25.5-28.5% by weight of SiO 2 (determined in each case by acidimetry)
  • the Solution may have a density of about 1.266 to about 1.396 g / ml.
  • the at least one alkali silicate may be
  • Alkali metal silicates are compounds of the general formula M 2 O.nSiO 2 , where M is an alkali metal and n is in the range from 1-4.
  • the alkali metal silicates are prepared as colloidal, alkaline solutions in water, in particular sodium / potassium silicate
  • aqueous solutions can be obtained by dissolving the solid alkali metal silicates in water at elevated
  • the at least one solid phosphor may also be a mixture of two or more different ones
  • suspensions which are 2 or more, for example 2, 3 or 4 different
  • the suspension can be prepared, for example, by adding the solid phosphor to a mixture of water and alkali silicate. Suitable phosphors are in the state of
  • Typical phosphors are, for example, silicates, nitrides, oxides, phosphates, borates, oxynitrides, sulfides, selenides, and halides of aluminum, silicon,
  • an activator such as copper, silver, aluminum, manganese, zinc, tin, lead, Cerium, terbium, titanium, antimony or europium are doped.
  • the phosphor is an oxidic or (oxi-) nitridic phosphor, such as a garnet,
  • nitrido (alumo) silicate or nitrido orthosilicate or a halide or halophosphate.
  • suitable phosphors are strontium chloroapatite: Eu
  • Conversion assembly 120 is the mass ratio of phosphor to the aqueous liquid alkali silicate, i. the mixture of alkali silicate and water, therefore from about 1: 5 to about 5: 1,
  • concentration ratios are therefore 3: 1, 2: 1, 1: 1, 1: 2 or 1: 3. These concentration ratios have proven to be particularly favorable in view of the homogeneity of the suspension, sedimentation time and layer thickness
  • the suspension may also contain other ingredients, such as particles with
  • adjuvants include surfactants and organic solvents.
  • Examples of light-scattering particles are gold, silver and metal oxide particles.
  • the suspension may be applied to a surface or introduced into a mold by slurrying, printing, spraying or injecting.
  • the application may further include spinning and / or ultrasonic treatment.
  • the substrate to which the phosphor layer is applied for example, a heat sink or optical
  • the substrate may be made of various suitable materials, e.g.
  • the phosphor body may be, for example, a phosphor film.
  • Phosphor body can be made by drying.
  • Curing or drying can be carried out at room temperature or at elevated temperature, for example 80-150 ° C. It is also possible to combine different curing / drying steps at different temperatures. It may be a drying step at room temperature, a further drying step at elevated temperature,
  • the substrate or the mold and / or the phosphor layer / the phosphor body by means of
  • Microwaves or induction techniques are heated. In the production of a phosphor body, it can be released from the mold after a first drying step and then further dried, optionally at elevated temperature.
  • Curing / drying also under protective gas (for example N2 or Ar) or in vacuo.
  • protective gas for example N2 or Ar
  • This can be a
  • a phosphor layer can be through, for example
  • Another layer of phosphor can be prepared, for example, by preparing a suspension of one
  • Alkali silicates can be very hard, mechanically stable phosphor layers produce, the binder in many
  • Phosphors in the range of their working temperature does not interact with the phosphors, is optically transparent, spectrally and thermally stable. It can thus both thin phosphor layers on substrate surfaces with
  • the layers can be the same.
  • Fluorescent layers with phosphor particles in transmission with transparent substrate or in reflection with optically dense substrate can be used. Furthermore, the
  • the scattered light component of the excitation light must be minimized as far as possible. This can be done for example by light coupling to the largest possible phosphor particles. In principle, by appropriate processing processes (grinding) the
  • Particle sizes of the phosphors are set in a certain range and selected. Practically lie
  • the aqueous alkali silicate solution can be exploited, for example, to the effect that a particle size distribution is set during the application and curing by a single or repeated rotation of the substrate. Alternatively or additionally, the particle size distribution can be adjusted with a centrifuge.
  • the phosphor layer with the phosphor particles can then be detached from the carrier medium, rotated through 180 ° and coarser with the optically more favorable one
  • Grain distribution can be applied again to a substrate, e.g. by gluing with alkali metal silicate.
  • the particle distribution by a substrate e.g. by gluing with alkali metal silicate.
  • Ultrasound treatment can be influenced.
  • coarsen by means of ultrasound for example, coarsen by means of ultrasound
  • Phosphor particles are shaken to the surface of the layer.
  • the suspension may be a liquid aqueous
  • Alkali silicate and one or more solid phosphors are Alkali silicate and one or more solid phosphors.
  • Alkali silicate-water mixture and phosphor (mixture) can be as above in connection with the
  • the suspension may also contain other ingredients, such as
  • the phosphor layers described here are very stable mechanically and thermally by the use of alkali metal silicate as a thermally, chemically inert and spectrally stable binder and can the power densities of Increase excitation light. Furthermore, they are characterized by good optical properties.
  • alkali silicate as a binder also allows an improvement of the optical connection to the environment (immersion), since by the formation of the
  • Phosphor layer (e.g., in the manufacture by the manufacture by the manufacture by the manufacture by the Phosphor layer
  • Radiation characteristic (lens effect) can be influenced.
  • Phosphor layers can be used reflexively or transmissively depending on the ratio of alkali silicate to phosphor content. Furthermore, a direct optical connection to the optical elements is possible. The production is
  • Substrate material metal, glasses, ceramics, plastics.
  • the low viscosity of the suspension liquid also allows influencing the particle size distribution on the phosphor surface, for example by gravity or ultrasound-driven particle selection.
  • coating methods of optical glasses may also be used (e.g.
  • Antireflective coating dichrotic or filter layers.
  • Phosphor films allow more freedom in the design of phosphor-based products, such as higher power densities in phosphor excitation and static variations (waiving color wheel solutions), the fabrication of substrate-independent phosphor sheets or films using cantilevers or subsequently can be adhered to substrates (eg with alkali metal silicate), the production of three-dimensional structures and bodies, eg. B. optical components.
  • the described phosphor layers or phosphor bodies are mechanically nachbearbeitbar.
  • the phosphor surface can be structured, for example, provided with holes or grooves, or a targeted roughening of the surface can take place. This leads to a more effective cooling and reduction of the
  • Conversion assembly 120 may include the surface 108 one or more alkali-silicate-phosphor mixtures.
  • Phosphor such as phosphorus
  • silicone layer may be embedded in a silicone layer.
  • the phosphor can be applied to the surface (108), which in this case contains a conductive material, by means of EPD (electrophoretic
  • Deposition / deposition may be applied.
  • FIGS. 2A and 2B show various exemplary embodiments of the conversion arrangement 120.
  • Both embodiments have a hollow body 106, which has a base surface and a lateral surface, wherein the lateral surface on the base surface opposite side, for example, pointed, tapers.
  • the arrow indicates the
  • the laser light 130 strikes an envelope inner surface 108 of the hollow body 106, which acts on the diffused light radiating material is.
  • the hollow body has a pyramid shape with square
  • This embodiment thus has four triangular faces. In that shown in Fig.2A
  • Hollow body 106 has a conical shape, i. the base is circular.
  • This embodiment is a limiting case of the pyramidal hollow body in Fig.2B, which has approximately infinitely many arbitrarily small faces in the form of isosceles triangles, each with their shorter sides next to each other along a circle
  • the laser light 130 falls from above (as viewed from the perspective of FIG.
  • Embodiments of the hollow body 106 are also conceivable, to which no symmetry axis can be assigned.
  • Hollow body have a triangular or hexagonal shape.
  • FIGS. 2A and 2B of FIG. 1 The embodiments shown in FIGS. 2A and 2B of FIG.
  • the direction of incidence of the pumping light 102 may also be tilted at an angle relative to the axis of symmetry 104 of a hollow body 106 or may not be perpendicular to its base surface, as in FIG. 3 using the example of FIG illustrated hollow body illustrates.
  • the tilt angle may be, for example, in a range of about 0 ° to about 45 °, for example, in a range of about 0 ° to about 30 °, for example, in a range of
  • Embodiment simulated For this purpose, a corresponding model of the conical hollow body 106 has been used, which is shown in greater detail in FIG.
  • the hollow cone 310 has a cone height 320 and a cone diameter 330.
  • the incident pump laser light 130 which is represented in FIG. 4 by the arrow 130, has a beam diameter 340.
  • Cone diameter 330 basis These are referred to below as relative beam diameter and relative cone height.
  • a diagram 500 shown in FIG. 5 shows the
  • the opening angle is defined as the angle which an outgoing beam whose intensity drops to half of the maximum value encloses with the cone axis (in this case also the axis of symmetry).
  • Radiation profile is 60 °.
  • the opening angle of the arrangement with decreasing cone smaller see characteristic 506 in
  • FIG. 5 The diagram 500 shown in FIG. 5 makes
  • a graph 600 shown in FIG. 6 shows the result of the study of the influence of the relative
  • the relative cone height was kept constant at 1 in this case.
  • Diagram 600 shows that a small beam diameter favors a small aperture angle (see characteristic 606 in FIG. 6). It should also be mentioned that in the simulations the intensity profile over the cross section of the pump beam was constant. A higher intensity in the center of the
  • FIG. 7 shows the influence of the geometry of a selected conversion arrangement, in this case the conical hollow body, on the proportion of the converted radiation in a diagram 700.
  • the relative beam diameter was kept constant at 0.5.
  • the two characteristic curves 706, 708 shown in the diagram 700 are based on different starting reflectances of the diffuse light-emitting material.
  • a first characteristic curve 706 represents the course of the converted radiation with an output reflectance of 20%.
  • a second characteristic curve 708 shows the profile of the converted radiation with an output reflectance of 60%. Both characteristics 706, 708 show that for increasing relative cone heights the proportion of converted radiation asymptotically approaches a degree of conversion of 100%. As a result of approximately the sum of diffuse reflectance and converted radiation 1, the diffuse reflectance becomes smaller and smaller and asymptotically approaches zero for increasing relative cone heights. The cause of this situation can be seen in the fact that in "deep" cones the diffusely reflected pump light does not immediately leave the hollow cone, but again falls on the diffuse light reflecting material on the inner shell surface 108 of the cone 310 and so the conversion probability is increased.
  • FIGS. 8A and 8B show further exemplary embodiments of the conversion arrangement.
  • the base surface has a rectangular shape in Fig. 8B, the direction of incidence of the pumping light 102 along the axis of symmetry 104 with respect to the cross section of the groove 107.
  • the base has a curved, rectangular shape.
  • Conversion arrangement 120 perpendicular to the arrangement, ie along the direction of incidence of the pumping light 102 in the opposite direction, and also, for example, perpendicular to the direction of substantial expansion of the arrangement, in In this case, for example, perpendicular to the (in the bent case differential) groove profile.
  • the number of side-by-side grooves 107 controls the depth of the conversion surface 120 covering a particular area, i. As the number of individual grooves 107 arranged side by side increases, the base areas of which become smaller and smaller, the depth of the conversion arrangement 120 decreases.
  • the direction of incidence of the pumping light 102 as exemplified in FIG. 10A and FIG. 10B, can also be seen in the exemplary embodiments illustrated in FIGS. 8A, 8B and 9A, 9B represented by an angle,
  • the groove 107 according to FIG. 10A or the grooves arranged side by side can be provided
  • Conversion arrangement 109 according to Fig.lOB be tilted in itself by an angle ß, so that no symmetrical cross section perpendicular to the predetermined by the groove course Direction is given more.
  • FIGS. 8A, 8B and 9A, 9B With a phosphor wheel.
  • a further exemplary embodiment is a comprehensive one
  • Conversion device 120 shown in Figure 11 This arrangement is a 2-dimensional arrangement, since its structure is repeated along two mutually perpendicular directions. This arrangement is composed of a multiplicity of 0-dimensional hollow bodies 106 whose lateral surfaces 108 on the side facing the pumped-light incidence 102 diffused light emitting material are applied.
  • the hollow bodies 106 may be pyramid-shaped according to the one shown in Fig.2B
  • Embodiment i. a square base
  • Their base can also have a different geometric shape, such as a triangular or hexagonal. Also in this embodiment a
  • Conversion device 120 may determine the direction of incidence of pumping light 102 with respect to any (since any
  • Lighting arrangement 100 shown which a
  • Reflector 160 has.
  • the reflector 160 is connected as an optional element in the schematic structure of the illumination arrangement 100 in Fig.l the conversion assembly 120 downstream.
  • the reflector is in the one shown in Fig.12
  • the surface of the conversion assembly 130, on which the light-emitting material is arranged, is at least partially disposed in the focal point of the Haibschalenreflektors 105.
  • the angle of the direction of incidence of the pumping light 102 and ⁇ indicates the angle by which the arrangement is tilted.
  • the conversion device 130 a Any of the embodiments presented herein may be used, but it is not limited thereto. By the possibility of adjusting the opening angle can be in the illustrated embodiment according to FIG.12, the geometric losses from the
  • Fluorescent wheel (not shown) can be used.
  • FIG. 13A and FIG. 13B embodiments of collimating optics 140 are shown in combination with that shown in FIG. 2B
  • the pump light incidence 102 occurs from above (seen from the perspective of Fig. L3A and
  • FIG. 13B on the shell inner surface 108 which is acted upon by diffuse light-emitting material.
  • a TIR element 112 is used, on the walls of which the exiting converted light 140 is totally reflected and is
  • Opening angle can be changed so on.
  • a lens 114 is used for adjusting the opening angle. It should be noted that in the hollow material occupied by the diffused light material in the
  • Interior other optical elements such as lenses or collimating optics can be arranged.
  • Conversion device 120 are subject to the common
  • Conversion device 120 is not in a plane perpendicular to the pump light incidence and are therefore not limited to two dimensions to the light, but extend to the light incident, for example, in a third dimension by
  • Lighting arrangement are used, aiming at the restriction of the opening angle of the
  • Lighting arrangement exiting converted radiation.

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Abstract

In verschiedenen Ausführungsbeispielen wird eine Beleuchtungsanordnung (100) bereitgestellt, aufweisend eine Lichtquelle (110) zum Bereitstellen von Laserlicht (130) und ein diffus reflektierendes Material und/oder ein phosphoreszierendes Material und/oder ein fluoreszierendes Material, welches auf einer Fläche (108) derart in der Beleuchtungsanordnung (100) angeordnet ist, dass von der Lichtquelle (110) bereitgestelltes Licht (130) auf das Material trifft, wobei die Fläche einen Hohlkörper bildet mit einer oder mehreren Teilflächen, die derart zumindest teilweise einander zugewandt angeordnet sind, dass von auf einer Teilfläche angeordnetem Material reflektiertes oder erzeugtes Licht zumindest teilweise auf Material trifft, welches auf derselben oder einer anderen Teilfläche der Fläche angeordnet ist, und sowohl die Einstrahlung des Laserlichts wie auch die Abstrahlung des reflektierten oder erzeugten Lichts über dieselbe Oberfläche der einer oder mehreren Teilflächen erfolgt.

Description

Beschreibung
Beleuchtungsanordnung Die Erfindung betrifft eine Beleuchtungsanordnung.
Bei einer herkömmlichen Lampe wird das über eine Glühwendel erzeugte Licht abgestrahlt und steht als Nutzlicht zur
Verfügung. Die Lampe kann einen Reflektor aufweisen, mittels dessen das abgestrahlte Licht derart umgelenkt werden kann, dass es als gerichteter Strahl diesen verlässt und als
Nutzlicht zur Verfügung steht. Heutzutage gewinnen Lampen auf Basis von neuartigen Lichtquellen wie LEDs (Leuchtdioden, Light Emitting Diodes) oder Laserdioden immer mehr an
Bedeutung. Mit diesen neuartigen Lichtquellen kann jedoch nur eine begrenzte Anzahl von Lichtfarben erzeugt werden. Um diese Auswahl zu erweitern, können Leuchtstoffe eingesetzt werden, die bei Bestrahlung mit Licht (auch bezeichnet als Pumplicht) einer Farbe ihrerseits Licht einer anderen Farbe abstrahlen, mit anderen Worten Licht konvertieren. Auf diese Weise lässt sich beispielsweise durch Bestrahlung von
Phosphor mit blauem Licht weißes Licht erzeugen.
Bei heutzutage gängigen Lampen auf Lichtkonversionsbasis wird beispielsweise eine ebene phosphorhaltige Schicht von unten mit blauem Licht beleuchtet, das üblicherweise mittels LEDs erzeugt wird. Der Lichteinfall erfolgt hier senkrecht zu der phosphorhaltigen Schicht, die ihrerseits weißes Licht gemäß einer Lambertschen Abstrahlcharakteristik erzeugt.
Bei Verwendung einer solchen Anordnung, bei der mittels einer Lichtquelle ein diffus Licht abstrahlendes Material (bzw. Leuchtstoff) bestrahlt wird, erfolgt die Lichtabstrahlung des Leuchtstoffs im Wesentlichen gemäß einer Lambertschen
Verteilung. Das heißt, bei einem mit diffus reflektierendem
Material und/oder einem phosphoreszierenden Material und/oder einem fluoreszierenden Material beschichteten Flächenelement, das mit einer Lichtquelle beleuchtet wird, wird Licht überwiegend senkrecht zu dem Flächenelement abgestrahlt, wobei die Lichtabstrahlung zu den Seiten hin kontinuierlich abnimmt .
Ist eine solche Anordnung Teil eines optischen Systems, so kann dieser eben beschriebene Effekt den Nachteil haben, dass das umgewandelte Licht möglicherweise eine Optik nicht trifft und dadurch der weiteren Verwertung verloren geht. Generell kann eine gezielte Veränderung der Lichtabstrahlungs- charakteristik gewünscht sein, beispielsweise eine
Verbreiterung der Lichtverteilung bei Reflektoranwendungen, oder eine Einengung der Lichtverteilung bei Linsenoptiken.
Es können auch Probleme auf Grund der Tatsache auftreten, dass gängige Leuchtstoffe das einfallende Licht nicht
vollständig konvertieren, sondern auch stets einen Teil diffus reflektieren. Zum einen steht dieses gestreute Licht dann dem Konversionsprozess nicht mehr zur Verfügung und mindert den Konversionsgrad. Zum anderen kann sich das
Vorhandensein des Pumplichts, das eine bestimmte Farbe aufweist, nachteilig bei Anwendungen auswirken, wo eine
Vollkonversion in eine andere Farbe erwünscht ist,
beispielsweise bei Pro ektionsanwendungen, wo Farbtreue von grundlegender Bedeutung ist.
Bei der Bestrahlung von Leuchtstoffen liegt ferner die
Beschränkung vor, dass diese nicht mit beliebigen
Pumplichtleistungen bestrahlt werden können. Zu hohe
Leistungsdichten auf dem Leuchtstoff können diesen in seiner Funktionsweise beeinträchtigen oder sogar schädigen.
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine
Beleuchtungsanordnung mit einem diffus Licht abstrahlenden Material bereitzustellen, welche die genannten Probleme löst, wobei sie insbesondere eine einstellbare
Abstrahlcharakteristik und eine verbesserte Effizienz
aufweist und mit höheren Pumpleistungsdichten betrieben werden kann. In verschiedenen Ausführungsbeispielen wird eine Beleuchtungsanordnung bereitgestellt, die eine Lichtquelle zum Bereitstellen von Laserlicht und ein diffus
reflektierendes Material und/oder ein phosphoreszierendes Material und/oder ein fluoreszierendes Material aufweist, welches auf einer Fläche derart in der Beleuchtungsanordnung angeordnet ist, dass von der Lichtquelle bereitgestelltes Laserlicht auf das Material trifft, wobei die Fläche einen zumindest einseitig offenen Hohlkörper (es ist in diesem
Zusammenhang anzumerken, dass im Rahmen dieser Beschreibung beispielsweise auch eine im Folgenden beschriebene Rille als ein Hohlkörper zu verstehen ist) bildet mit einer oder mehreren Teilflächen, die derart zumindest teilweise einander zugewandt angeordnet sind, dass von auf einer Teilfläche angeordnetem Material reflektiertes oder erzeugtes Licht zumindest teilweise auf Material trifft, welches auf
derselben oder einer anderen Teilfläche der Fläche angeordnet ist, und sowohl die Einstrahlung des Laserlichts auf das Material wie auch die Abstrahlung des reflektierten oder erzeugten Lichts von dem Material über dieselbe Oberfläche der einen oder mehreren Teilflächen erfolgt. Es ist darauf hinzuweisen, dass die Teilflächen nicht notwendigerweise körperlich miteinander verbunden sein müssen. Sie können auch von einzelnen separaten Elementen gebildet werden. In
verschiedenen Ausführungsbeispielen können die Elemente von einem gemeinsamen Träger oder mehreren Trägern getragen sein. Zwischen den Teilflächen kann ein Zwischenraum vorgesehen sein. Weiterhin müssen die Teilflächen nicht notwendigerweise vollständig mit einem diffus reflektierenden Material
und/oder einem phosphoreszierenden Material und/oder einem fluoreszierenden Material bedeckt sein. Eine teilweise
Bedeckung oder Beschichtung der Teilfläche (n) mit einem diffus reflektierenden Material und/oder einen
phosphoreszierendes Material und/oder einem fluoreszierenden Material . Anders ausgedrückt sind bei einer Beleuchtungsanordnung gemäß verschiedenen Ausführungsbeispielen die ein diffus
reflektierendes Material und/oder ein phosphoreszierendes Material und/oder ein fluoreszierendes Material tragenden Teilflächen gegenüber dem Lichtpfad des von der Lichtquelle bereitgestelltem Laserlicht teilweise verkippt. Dadurch kann zum einen erreicht werden, dass die Beleuchtungsanordnung eine Abstrahlcharakteristik aufweist, die von einer
Lambertschen Abstrahlcharakteristik verschieden ist. Durch Anpassung der Geometrie der Beleuchtungsanordnung kann die ausgehende Lichtverteilung an die jeweiligen Anforderungen der Einsatzumgebung angepasst werden. Zum anderen kann dadurch auch der Anteil der konvertierten Strahlung
eingestellt werden, was nachfolgend genauer erläutert wird. Genauer gesagt kann vorteilhafterweise das Verhältnis aus konvertiertem Licht zu restlichem Pump- bzw. Laserlicht vergrößert werden und so der der Anteil des konvertierten Lichts verbessert wird. Durch die geometrische Ausgestaltung der Beleuchtungsanordnung kann sich eine Vergrößerung der mit dem Laserlicht der Lichtquelle beleuchteten Fläche gegenüber der effektiven das konvertierte Licht abstrahlenden Fläche ergeben. Gemäß den Ausführungsbeispielen erfolgt der Pumpbzw. Laserlichteinfall auf die mit dem Material
beaufschlagten Teilflächen durch einen Bereich,
beispielsweise eine Ebene, welche durch die oberen Kanten der zumindest teilweise einander zugewandt angeordneten einen oder mehreren Teilflächen begrenzt wird. Dieser Bereich wird im Folgenden Grundfläche genannt und es ist auch der effektiv konvertiertes Licht abstrahlender Bereich. Anschaulich ist die Grundfläche eine virtuelle Licht-Ein- und
Auskoppelöffnung, die selbst keine körperliche Fläche
darstellt und im Beispielsfall einer Pyramidenform mit deren Grundfläche übereinstimmt, wobei die Grundfläche auch nicht mit Leuchtstoff belegt ist.
Dadurch kann eine Beleuchtungsanordnung vorteilhafterweise mit hohen Strahlungsdichten von beispielsweise mehreren Watt pro Quadratmillimeter betrieben werden, ohne dass das diffus Licht abstrahlende Material in seiner Funktionsweise
beeinträchtigt oder sogar zerstört wird.
Je nach Aus führungs form kann der Flächennormalenvektor zu einer Vektorkomponente, die parallel ist zu dem Lichtpfad, zeigen .
Gemäß verschiedener Aus führungs formen der
Beleuchtungsanordnung kann das auf der oder den Teilflächen angeordnete Material eine Mischung aus verschiedenen
Leuchtstoffgemischen aufweisen. Eine solche Aus führungs form ist besonders bevorzugt, wenn eine Mischung des
Konversionslichts erwünscht ist. Dabei kann jedes
Leuchtstoffgemisch ein konvertiertes Licht mit einer anderen Wellenlänge erzeugen. Die verschiedenen Leuchtstoffgemische können homogen auf den Teilflächen verteilt sein oder aber auch darauf räumlich getrennt vorliegen. Beispielsweise kann dabei eines der Leuchtstoffgemische ein Alkali-Silikat- Phosphorgemisch sein.
In verschiedenen Ausführungsbeispielen kann der
Öffnungswinkel des von der Beleuchtungsanordnung erzeugten Lichts über die Wahl der Winkel der Teilflächen zueinander eingestellt werden. Dadurch wird über das Einstellen der Geometrie der Beleuchtungsanordnung eine einfache Art und Weise für das Einstellen der Abstrahlcharakteristik der
Beleuchtungsanordnung bereitstellt .
Beispielsweise bildet die Fläche, auf der das reflektierende und/oder phosphoreszierende und/oder fluoreszierende Material angeordnet ist, einen Kegelmantel oder einen Pyramidenmantel.
Alternativ kann auch eine Ausbildungsform vorgesehen sein, bei der die Fläche, auf der das reflektierende und/oder phosphoreszierende und/oder fluoreszierende Material
angeordnet ist, eine Rille definiert. Die Rille kann ferner gerade oder gebogen ausgebildet sein. Gemäß einer Aus führungs form der Erfindung kann ein Lichtpfad des bereitgestellten Laserlichts parallel zu einer
Symmetrieachse der Beleuchtungsanordnung verlaufen.
Alternativ kann aber auch der Lichtpfad gegen eine
Symmetrieachse der Beleuchtungsanordnung verkippt verlaufen. Das hat unter anderem zur Folge, dass die
Beleuchtungsanordnung nicht anfällig ist für leichte
Fehlausrichtungen zwischen geplantem Lichtpfad des
bereitgestellten Laserlichts und der das diffus Licht
abstrahlende Material tragenden Fläche, was
vorteilhafterweise die Fertigung erleichtert.
In einer Ausgestaltung ist die Lichtquelle der
Beleuchtungsanordnung derart eingerichtet, dass das
bereitgestellte Laserlicht mindestens einen Laserstrahl aufweist, wobei die Laserstrahlen verschiedene Wellenlängen aufweisen können und ihre Strahlenverläufe voneinander unabhängig sein können.
Gemäß noch einer Ausgestaltung kann die Beleuchtungsanordnung mindestens eine Kollimationsoptik aufweisen, die eingerichtet ist zur Einschränkung eines Winkels, unter dem das von dem Material diffus abgestrahlte Licht die Beleuchtungsanordnung verlässt. Dadurch kann die Lichtverteilung der
Beleuchtungsanordnung weiter angepasst werden und mögliche Verluste können reduziert werden. Bei der Kollimationsoptik kann es sich beispielsweise um mindestens eine Linse und/oder mindestens ein TIR (total internal reflection - Totalreflexion) -Element handeln.
Gemäß einer weiteren Aus führungs form kann die
Beleuchtungsanordnung derart ausgebildet sein, dass die
Fläche, auf der diffus reflektierendes Material und/oder ein phosphoreszierendes Material und/oder ein fluoreszierendes Material in der Beleuchtungsanordnung angeordnet ist, eine Mehrzahl von aneinander angeordneten, auf aneinander
angeordneten Hohlkörpern ausgebildeten einen oder mehreren Teilflächen aufweist, die derart zumindest teilweise einander zugewandt angeordnet sind, dass von auf einer Teilfläche eines Hohlkörpers angeordnetem Material reflektiertes oder erzeugtes Licht zumindest teilweise auf Material trifft, welches auf derselben oder einer anderen Teilfläche der Fläche desgleichen Hohlkörpers angeordnet ist, und sowohl di Einstrahlung des Laserlichts auf das Material wie auch die Abstrahlung des reflektierten oder erzeugten Lichts von dem Material über dieselbe Oberfläche der einen oder mehreren Teilflächen erfolgt. Das hat den Vorteil, dass eine größere das Material tragende Fläche, aufweisend die oder bestehend aus der (den) Teilfläche (n) , bereitgestellt werden kann, ohn dass dafür übermäßig viel Raum im Wesentlichen in senkrechte Richtung zu einer Ebene, in der die Hohlkörper aneinander angeordnet sind beansprucht wird.
Die Beleuchtungsanordnung kann in einer Ausgestaltung ferner einen Reflektor aufweisen, wobei die Fläche, auf der das reflektierende und/oder phosphoreszierende und/oder
fluoreszierende Material angeordnet ist, zumindest teilweise in dem Reflektor, insbesondere zumindest teilweise in dem Brennpunkt des Reflektors, angeordnet ist. Diese
Aus führungs form zeichnet sich dadurch aus, dass durch geometrische Faktoren bedingte Lichtverluste aus dem
Reflektor verringert werden können.
Die Beleuchtungsanordnung kann beispielsweise als
Pro ektorlampe, beispielsweise Video-Pro ektorlampe, eine Effektbeleuchtungs-Lampe oder eine Lampe im Bereich von Lichtleitern (beispielsweise im Bereich der Endoskopie) eingerichtet sein, ist jedoch auf diese Arten nicht
beschränkt .
In verschiedenen Ausführungsbeispielen wird eine
Beleuchtungsanordnung bereitgestellt. Die
Beleuchtungsanordnung kann aufweisen eine Lichtquelle zum Bereitstellen von Laserlicht; und ein diffus reflektierendes Material und/oder ein phosphoreszierendes Material und/oder ein fluoreszierendes Material, welches auf einer Fläche derart in der Beleuchtungsanordnung angeordnet ist, dass von der Lichtquelle bereitgestelltes Laserlicht auf das Material trifft, wobei die Fläche einen Hohlkörper bildet mit einer oder mehreren Teilflächen, die zumindest teilweise einander zugewandt angeordnet sind, wobei der Laserlichteinfall durch einen Bereich erfolgt, welcher durch die oberen Kanten der zumindest teilweise einander zugewandt angeordneten einen oder mehreren Teilflächen begrenzt wird. Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Figuren dargestellt und werden im Folgenden näher erläutert.
Es zeigen Figur 1 einen schematischen Aufbau einer
Beleuchtungsanordnung gemäß verschiedenen
Ausführungsbeispielen;
Figuren 2A und 2B Ausführungsbeispiele von verschiedenen
diffus Licht abstrahlenden Flächen, welche als
Kegelmantel (Figur 2A) bzw. Pyramidenmantel (Figur 2B) ausgebildet sind;
Figur 3 ein Ausführungsbeispiel einer diffus Licht
abstrahlenden Fläche, welches unter einem
vorgegebenen Winkel gepumpt wird;
Figur 4 die Fläche aus Figur 2A im größeren Detail;
Figuren 5 und 6 Simulationsergebnisse zur
Abstrahlungscharakteristik verschiedener
Ausführungsbeispiele ;
Figur 7 Simulationsergebnisse zum Konversionsgrad
verschiedener Ausführungsbeispiele;
Figuren 8A und 8B eine diffus Licht abstrahlende Fläche mit einer Rillenform gemäß verschiedenen Ausführungsbeispielen, wobei in Figur 8A ein
Ausführungsbeispiel mit einer geraden Rille und in Figur 8B ein Ausführungsbeispiel mit einer gebogenen Rille dargestellt ist;
Figuren 9A und 9B eine diffus Licht abstrahlende Fläche mit einer Rillenform gemäß verschiedenen
Ausführungsbeispielen, wobei in Figur 9A ein Ausführungsbeispiel mit einer geraden Rille und in Figur 9B ein Ausführungsbeispiel mit einer gebogenen
Rille dargestellt ist;
Figuren 10A und 10B Ausführungsbeispiele einer diffus Licht abstrahlenden Fläche, welche unter einem vorgegebenen Winkel gepumpt wird gemäß den in Figuren 8A (Figur
10A) und Figur 9A (Figur 10B) gezeigten
Aus führungs formen;
Figur 11 ein Ausführungsbeispiel einer diffus Licht
abstrahlenden Fläche, welche von einer Mehrzahl von
Pyramidenmänteln gebildet wird;
Figur 12 ein Ausführungsbeispiel der Beleuchtungsanordnung, welche einen Reflektor aufweist;
Figur 13A und 13B Ausführungsbeispiele von diffus Licht
abstrahlenden Flächen, welche mit Kollimationsoptiken kombiniert werden. In der folgenden ausführlichen Beschreibung wird auf die beigefügten Zeichnungen Bezug genommen, die Teil dieser bilden und in denen zur Veranschaulichung spezifische
Aus führungs formen gezeigt sind, in denen die Erfindung ausgeübt werden kann. In dieser Hinsicht wird
Richtungsterminologie wie etwa „oben", „unten", „vorne", „hinten", „vorderes", „hinteres", usw. mit Bezug auf die Orientierung der beschriebenen Figur (en) verwendet. Da
Komponenten von Aus führungs formen in einer Anzahl verschiedener Orientierungen positioniert werden können, dient die Richtungsterminologie zur Veranschaulichung und ist auf keinerlei Weise einschränkend. Es versteht sich, dass andere Aus führungs formen benutzt und strukturelle oder logische Änderungen vorgenommen werden können, ohne von dem Schutzumfang der vorliegenden Erfindung abzuweichen. Es versteht sich, dass die Merkmale der hierin beschriebenen verschiedenen beispielhaften Aus führungs formen miteinander kombiniert werden können, sofern nicht spezifisch anders angegeben. Die folgende ausführliche Beschreibung ist deshalb nicht in einschränkendem Sinne aufzufassen, und der
Schutzumfang der vorliegenden Erfindung wird durch die angefügten Ansprüche definiert.
Im Rahmen dieser Beschreibung werden die Begriffe
"verbunden", "angeschlossen" sowie "gekoppelt" verwendet zum Beschreiben sowohl einer direkten als auch einer indirekten Verbindung, eines direkten oder indirekten Anschlusses sowie einer direkten oder indirekten Kopplung. In den Figuren werden identische oder ähnliche Elemente mit identischen Bezugszeichen versehen, soweit dies zweckmäßig ist.
In Fig.l ist ein schematischer Aufbau einer
Beleuchtungsanordnung 100 gemäß verschiedenen
Ausführungsbeispielen dargestellt .
Die Beleuchtungsanordnung 100 kann eine Lichtquelle 110 und eine Konvertierungsanordnung 120 aufweisen. Das von der
Lichtquelle 110 bereitgestellte Laserlicht 130 wird der
Konvertierungsanordnung 120 zugeführt und von dieser zu einem konvertierten Licht 140 umgewandelt. Das konvertierte Licht 140 kann vor Austritt aus der Beleuchtungsanordnung 100 eine (oder mehrere) Kollimationsoptik (en) 150 durchlaufen und/oder auf einen Reflektor 160 treffen, mit deren Hilfe die Ausgabe des konvertierten Lichts 140 weiter angepasst werden kann. Die Reihenfolge der Kollimationsoptik ( en) 150 und des
Reflektors 160 ist beliebig. Das konvertierte Licht 140 kann aber auch direkt von der Konvertierungsanordnung 120 aus der Beleuchtungsanordnung 100 ausgegeben werden
Die Lichtquelle 110 kann derart eingerichtet sein, dass das bereitgestellte Laserlicht mindestens einen Laserstrahl und/oder mindestens einen Laserdiodenstrahl aufweist. Somit kann die Lichtquelle 110 in verschiedenen
Ausführungsbeispielen als Laser und/oder als Laserdiode bzw. Halbleiterlaser eingerichtet sein oder solche aufweisen. Bei Vorhandensein von mehr als einem Laserstrahl 130 können die Laserstrahlen 130 gleiche Wellenlänge haben, wodurch zum Beispiel vorteilhafterweise die Leistung des bereitgestellten Laserlichts vergrößert werden kann. Alternativ können die Laserstrahlen 130 auch zwei oder mehr unterschiedliche
Wellenlängen aufweisen. In verschiedenen
Ausführungsbeispielen kann die Lichtquelle 110 in mehrere Teile aufgeteilt sein, beispielsweise einen Licht-erzeugenden Teil und einen Licht-führenden oder Licht-leitenden Teil. So kann beispielsweise die Lichtquelle 110 auch nur einen Licht¬ führenden oder Licht-leitenden Teil aufweisen und die
Lichterzeugung kann außerhalb der Beleuchtungsanordnung 100, beispielsweise außerhalb eines Gehäuses der
Beleuchtungsanordnung 100 stattfinden. Die Lichtquelle 110 kann räumlich konzentriert oder aber auch räumlich verteilt sein. Sie kann in verschiedenen Ausführungsbeispielen
gebildet werden von einem oder mehreren Lichtleiter und/oder einem oder mehreren lichtdurchlässigen Bereichen und/oder einer oder mehreren Öffnungen in beispielsweise einem Gehäuse der Beleuchtungsanordnung 100, wobei das Laserlicht in beliebiger Art auf die räumlich verteilte Lichtquelle 110 aufgeteilt werden kann. Die Laserlichtstrahlen 130 der räumlich verteilten Lichtquelle 110 können voneinander unabhängig verlaufen und unter unterschiedlichen Winkeln auf die Konvertierungsanordnung 120 auftreffen. Der
bereitgestellte mindestens eine Laserstrahl 130 kann
fokussiert oder kollimiert sein. Ein Querschnitt des
mindestens einen Laserstrahls kann größer oder kleiner als die Grundfläche der Konvertierungsanordnung 120. Der Querschnitt des mindestens einen Laserstrahls 130 kann
2
beispielsweise m einem Bereich von ungefähr 1 mm bis
2
ungefähr 10 mm , beispielsweise m einem Bereich von ungefähr
2 2
1 mm bis ungefähr 4 mm , beispielsweise in einem Bereich von
2 2
ungefähr 1 mm bis ungefähr 2 mm liegen.
Die Konvertierungsanordnung 120 weist in verschiedenen
Ausführungsbeispielen eine Fläche 108 auf, auf der ein beliebiges diffus reflektierendes Material und/oder ein beliebiges phosphoreszierendes Material und/oder ein
beliebiges fluoreszierendes Material angeordnet ist, auf welches das Laserlicht 130 trifft. Die Fläche 108 bildet einen Hohlkörper mit mehreren Teilflächen, die derart
zumindest teilweise einander zugewandt angeordnet sind, dass von auf einer Teilfläche angeordnetem Material reflektiertes oder erzeugtes Licht zumindest teilweise auf Material trifft, welches auf einer anderen Teilfläche der Fläche 108
angeordnet ist. Alternativ kann die Fläche 108 eine Mehrzahl von aneinander angeordneten, auf aneinander angeordneten Hohlkörpern ausgebildeten Teilflächen aufweisen.
Die Konvertierungsanordnung weist in jedem Fall die
Grundfläche auf, durch die das Pump- bzw. Laserlicht 130 den Teilflächen eines Hohlkörpers zugeführt wird. Die Grundfläche ist die Fläche, durch die auch das konvertierte Licht 140 einen Hohlkörper verlässt, also ist sie sinngemäß die
effektiv das konvertierte Licht abstrahlende Fläche. Anders ausgedrückt bedeutet dies, dass die Einstrahlung des
Laserlichts 130 wie auch die Abstrahlung des reflektierten oder erzeugten Lichts 140 durch das Material über dieselbe Oberfläche der Teilflächen erfolgt. Bei einer
Konvertierungsanordnung 130, die mehrere Hohlkörper aufweist, entspricht die Grundfläche einem Zusammenschluss der
einzelnen Grundflächen. Die Teilflächen der Fläche 108 können miteinander in direktem Kontakt stehen oder aber auch durch ein Träger- bzw. Haltematerial miteinander verbunden sein. Ferner kann das auf der Fläche 108 angeordnete Material eine Mischung von verschiedenen diffus reflektierendes Materialien und/oder phosphoreszierenden Materialien und/oder beliebigen fluoreszierenden Materialien aufweisen. Dadurch kann eine Konversion des Pump- bzw. Laserlichts 130 in eine gewünschte Farbmischung bereitgestellt werden. Das Laserlicht 130 wird von dem diffus Licht abstrahlenden Material auf der
Konvertierungsanordnung 120 umgewandelt und verlässt diese als konvertiertes Licht 140. Unter Konvertierung des Lichts kann die Umwandlung des Laserlichts 130 durch beispielsweise Fluoreszenz oder Phosphoreszenz oder aber auch durch
Reflexion bzw. Streuung verstanden werden. Je nach zugrunde liegendem Konvertierungsmechanismus können die Wellenlängen des Pumplichts 130 und des konvertierten Lichts 140 gleich oder verschieden sein. Die Lichtkonversion kann
ausschließlich auf einem Mechanismus beruhen oder aber auch eine Kombination der Konversionsmechanismen aufweisen.
Nachfolgend wird erläutert, wie die verschiedenen
Ausführungsbeispiele der Konvertierungsanordnung 120 gefertigt werden können. Die Fertigung basiert auf der
Erkenntnis, dass sich Suspensionen von festen
Leuchtstoffpartikeln in flüssigen wässrigen
Alkalisilikatlösungen dazu eignen mechanisch stabile, harte Leuchtstoffschichten auszubilden, die gleichzeitig sehr gute optische Eigenschaften aufweisen.
Das Verfahren zur Herstellung einer LeuchtstoffSchicht oder eines Leuchtstoffkörpers umfasst folgende Schritte:
Aufbringen einer Suspension enthaltend mindestens einen festen Leuchtstoff und mindestens ein Alkalisilikat auf eine Substratoberfläche oder in eine Form um eine
Leuchtstoffschicht oder einen Leuchtstoffkörper zu erzeugen;
Aushärten der Leuchtstoffschicht oder des
Leuchtstoffkörpers .
Die Suspension kann eine wässrige Suspension sein und eine Mischung aus Wasser und mindestens einem flüssigen
Alkalisilikat enthalten. Ferner kann auch die Herstellung einer geeigneten Suspension durch Suspendieren des festen Leuchtstoffs in einer flüssigen Alkalisilikat-haltigen Lösung erfolgen . Für die Herstellung der Suspension können die
Leuchtstoffpulver mit flüssigem wässrigen Alkalisilkat angemischt werden. Dabei hat das Verhältnis der Volumina Alkaliwasserglasanteil, Wasser und Feststoffpulver direkten Einfluss auf die Homogenität der Suspension
(Verarbeitbarkeit ) , die Viskosität, die resultierende
Schichtdicke, die Rissneigung, das Trocknungsverhalten und die optischen Eigenschaften der resultierendnen Schicht
(späterer Glasanteil) . Es hat sich als vorteilhaft herausgestellt, wenn das
Volumenkonzentrationsverhältnis von flüssigem Alkalisilikat und Wasser in solchen Mischungen von ungefähr 1:5 bis
ungefähr 5:1, vorzugsweise von ungefähr 1:3 bis 3:1 beträgt. In bestimmten Aus führungs formen der Konvertierungsanordnung 120 beträgt bei der Fertigung das Volumenkonzentrations¬ verhältnis von flüssigem Alkalisilikat ( en) und Wasser daher 1:3, 1:2, 2:3, 1:1, 2:1, 3:2, oder 3:1. Das eingesetzte
Verhältnis kann in Abhängigkeit von den Zieleigenschaften der Farbstoffschicht ( z . B . Glasanteil , Schichtdicke, Festigkeit), sowie von den Leuchtstoffen selbst gewählt werden. Ein Anteil reinen Alkalisilikates über dem oben genannten
Konzentrationsbereich führt zum Aufschäumen der Schicht beim beim Trocknen bzw. Ausheizen. „Ungefähr" bedeutet in diesem Zusammenhang, dass der entsprechende Zahlenwert um etwa 10% nach oben oder unten abweichen kann. In einer Aus führungs form der Fertigung handelt es sich bei dem flüssigen Alkalisilikat um eine gesättigte Lösung von Alkalisilikat in Wasser, die dann in oben genanntem Verhältnis weiter mit Wasser verdünnt wird. Eine solche gesättigte Lösung kann beispielsweise 7.5- 8.5 Gew.-% Alkalioxid, z.B. Na20, und 25.5 -28.5 Gew.-% Si02 (jeweils acidimetrisch bestimmt) enthalten. Eine solche
Lösung kann eine Dichte von etwa 1,296 bis etwa 1,396 g/ml besitzen . Bei dem mindestens einen Alkalisilikat kann es sich
beispielsweise um Natriumsilikat oder Kaliumsilikat handeln. Ebenfalls erfasst sind Mischungen der vorgenannten
Alkalisilikate. Bei den Alkalisilikaten handelt es sich um Verbindungen der allgemeinen Formal M2O · n S1O2, wobei M ein Alkalimetall und n im Bereich von 1-4 ist. In verschiedenen Aus führungs formen der Konvertierungsanordnung 120 werden bei der Fertigung die Alkalisilikate als kolloide, alkalische Lösungen in Wasser, insbesondere Natrium-/Kaliumsilikat
Lösungen, eingesetzt. Solche wässrigen Lösungen können durch Lösen der festen Alkalisilikate in Wasser bei erhöhter
Temperatur und erhöhtem Druck hergestellt werden. Bei dem mindestens einen festen Leuchtstoff kann es sich auch um eine Mischung aus zwei oder mehr verschiedenen
Leuchtstoffen handeln. In diesem Zusammenhang bedeutet der Begriff „mindestens ein", 1 oder mehr, insbesondere
mindestens 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9 10 oder mehr. Die hier beschriebene Fertigung betrifft daher auch Suspensionen, die 2 oder mehr, beispielsweise 2, 3 oder 4 verschiedene
Leuchtstoffe enthalten. Üblicherweise wird der feste
Leuchtstoff als Pulver eingesetzt. Die Suspension kann beispielsweise dadurch hergestellt werden, dass der feste Leuchtstoff zu einer Mischung aus Wasser und Alkalisilikat gegeben wird. Geeignete Leuchtstoffe sind im Stand der
Technik bekannt. Übliche Leuchtstoffe sind beispielsweise Silikate, Nitride, Oxide, Phosphate, Borate, Oxynitride, Sulfide, Selenide, und Halide von Aluminium, Silizium,
Magnesium, Calcium, Barium, Strontium, Zink, Cadmium, Mangan, Indium, anderen Übergangsmetallen, oder Seltenerdmetallen wie Yttrium, Gadolinium oder Lanthan, die mit einem Aktivator, wie zum Beispiel Kupfer, Silber, Aluminium, Mangan, Zink, Zinn, Blei, Cer, Terbium, Titan, Antimon oder Europium dotiert sind. In verschiedenen Aus führungs formen der
Konvertierungsanordnung ist der Leuchtstoff ein oxidischer oder (oxi- ) nitridischer Leuchtstoff, wie ein Granat,
Orthosilikat , Nitrido ( alumo ) silikat oder Nitridoorthosilikat , oder ein Halogenid oder Halophosphat . Konkrete Beispiele für geeignete Leuchtstoffe sind Strontiumchloroapatit : Eu
( (Sr, Ca) 5 (P04) 3C1 :Eu; SCAP) , Yttrium-Aluminium-Grant : Cer
(YAG : Ce ) oder CaAlSiN3:Eu.
In verschiedenen Aus führungs formen der
Konvertierungsanordnung 120 beträgt das Massenverhältnis von Leuchtstoff bzw. Leuchtstoffmischung zu dem wässrigen, flüssigen Alkalisilikat, d.h. der Mischung aus Alkalisilikat und Wasser, daher von ungefähr 1:5 bis ungefähr 5:1,
vorzugsweise von ungefähr 1:3 bis 3:1 betragen. Beispielhafte Konzentrationsverhältnisse sind daher 3:1, 2:1, 1:1, 1:2 oder 1:3. Diese Konzentrationsverhältnisse haben sich im Hinblick auf die Homogenität der Suspension, Sedimentationszeit und Schichtdicke als besonders günstig verarbeitbar
herausgestellt
Gemäß verschiedenen Aus führungs formen der
Konvertierungsanordnung 120 kann die Suspension ferner weitere Bestandteile, beispielsweise Partikel mit
lichtstreuenden Eigenschaften und/oder Hilfsstoffe enthalten. Beispiele für Hilfsstoffe schließen Tenside und organische Lösungsmittel ein. Beispiele für lichtstreuende Partikel sind Gold-, Silber- und Metalloxidpartikel.
Bei der Fertigung kann das Aufbringen der Suspension auf eine Oberfläche oder das Einbringen in eine Form durch Schlämmen, Drucken, Sprühen oder Einspritzen erfolgen. Zum Erzeugen einer LeuchtstoffSchicht kann das Aufbringen ferner Spinning und/oder eine Ultraschallbehandlung beinhalten.
Das Substrat, auf das die LeuchtstoffSchicht aufgebracht wird, kann beispielsweise ein Kühlkörper oder optisches
Bauteil, wie zum Beispiel ein Kollimator sein. Das Substrat kann aus verschiedenen geeigneten Materialien, wie z.B.
Kunststoff, Glas, Keramik oder Metall bestehen. Zur
Ausbildung eines Leuchtstoffkörpers können Formen aus den genannten Materialien verwendet werden. Der Leuchtstoffkörper kann beispielsweise ein Leuchtstofffilm sein.
Das Aushärten der LeuchtstoffSchicht oder des
Leuchtstoffkörpers kann durch Trocknen erfolgen. Das
Aushärten oder Trocknen kann bei Raumtemperatur oder bei erhöhter Temperatur, beispielsweise 80 - 150 °C erfolgen. Es können auch verschiedene Aushärtungs-/Trocknungsschritte bei unterschiedlichen Temperaturen miteinander kombiniert werden. Es kann auf einen Trocknungsschritt bei Raumtemperatur ein weiterer Trocknungsschritt bei erhöhter Temperatur,
beispielsweise 80 bis 150 °C, folgen. Das Aushärten/Trocknen bei erhöhter Temperatur kann beispielsweise in einem Ofen erfolgen. Alternativ kann das Substrat oder die Form und/oder die Leuchtstoffschicht/der Leuchtstoffkörper mittels
Mikrowellen oder Induktionstechniken erwärmt werden. Bei der Herstellung eines Leuchtstoffkörpers kann dieser nach einem ersten Trocknungsschritt aus der Form gelöst und dann, optional bei erhöhter Temperatur, weiter getrocknet werden.
Abhängig von dem verwendeten Leuchtstoff kann die
Aushärtung/Trocknung auch unter Schutzgas (z.B. N2 oder Ar) oder im Vakuum erfolgen. Dadurch lässt sich eine
Inaktivierung des Leuchtstoffs durch die Einwirkung von
Sauerstoff bei erhöhter Temperatur vermeiden.
Eine LeuchtstoffSchicht lässt sich beispielsweise durch
Herstellen einer Suspension von YAG:Ce als Leuchtstoff in einer flüssigen Alkalisilikat-Wasser Mischung (1:1) in einem Verhältnis von Leuchtstoff zu Alkalisilikat-Wasser-Mischung von 1:3, Aufbringen auf ein Substrat, Trocknen bei
Raumtemperatur für 15-30 Minuten, und Aushärten in einem Ofen für etwa 1 h bei 80° C und danach für etwa 1 h bei 220° erhalten .
Eine andere LeuchtstoffSchicht lässt sich beispielsweise durch Herstellen einer Suspension von einem
Nitridoorthosilikat als Leuchtstoff in einer flüssigen Alkalisilikat-Wasser Mischung (1:1) in einem Verhältnis von Leuchtstoff zu Alkalisilikat-Wasser-Mischung von 2:3,
Aufbringen auf ein Substrat, Trocknen bei Raumtemperatur für 15-30 Minuten, und Aushärten in einem Ofen für etwa 1 h bei 80° C und danach für 2-3 h bei 150° C erhalten.
Durch Bindung von Leuchtstoffen unter Verwendung von
Alkalisilikaten lassen sich sehr harte, mechanisch stabile Leuchtstoffschichten erzeugen, deren Binder bei vielen
Leuchtstoffen im Bereich ihrer Arbeitstemperatur nicht mit den Leuchtstoffen wechselwirkt, optisch transparent, spektral und thermisch stabil ist. Es lassen sich damit sowohl dünne Leuchtstoffschichten auf Substratoberflächen mit
Schichtdicken zwischen 50-200μπι fertigen, als auch
ungebundene Leuchtstoffplättchen oder dreidimensionale Körper (optische Bauteile) größerer Ausdehnung (einige mm) .
Die Schichten (Schichtdicke, Glasanteil) können die
Leuchtstoffschichten mit Leuchtstoffpartikeln in Transmission mit transparentem Substrat oder in Reflexion mit optisch dichtem Substrat verwendet werden. Ferner kann die
Leuchtstoffschicht zwischen einem transparenten Bauteil, beispielsweise einem optischen Bauteil, und einem Kühlkörper direkt an die Optik angebunden sein.
Um die Konversion von Anregungslicht in emittiertes Licht möglichst effizient zu gestalten, muss der Streulichtanteil des Anregungslichtes möglichst minimiert werden. Dies kann beispielsweise durch Lichtankopplung an möglichst grosse Leuchtstoffpartikel geschehen. Prinzipiell können durch entsprechende Verarbeitungsprozesse (mahlen) die
Partikelgrößen der Leuchtstoffe in einem gewissen Bereich eingestellt und selektiert werden. Praktisch liegen
allerdings immer Korngrößenverteilungen vor. Innerhalb von Suspensionen sedimentieren die größeren und schwereren
Partikel zuerst, die kleineren und leichteren später, so dass sich nach einer gewissen Zeit (u.a. abhängig von Viskosität der Flüssigkeit und Partikelgrößen) eine Schwerkraft getriebene Partikelgrößenverteilung einstellt (kleine
Partikel an der oberen Schichtoberfläche, größere Partikel unten) . Die wässrige Alkalisilikatlösung kann beispielsweise dahingehend ausgenutzt werden, dass während des Aufbringens und Aushärtens durch einmalige oder wiederholte Drehung des Substrates eine Partikelgrößenverteilung eingestellt wird. Alternativ oder zusätzlich kann die Partikelgrößenverteilung mit einer Zentrifuge eingestellt werden. Die
Leuchtstoffschicht mit den Leuchtstoffpartikeln kann dann nach dem Trocknen und Ausheizen vom Trägermedium abgelöst, um 180° gedreht und mit der optisch günstigeren gröberen
Kornverteilung nach oben wieder auf ein Substrat aufgebracht werden, z.B. durch Verkleben mit Alkalisilkat . Alternativ kann die Partikelverteilung durch eine
Ultraschallbehandlung beeinflusst werden. Dabei können beispielsweise mittels Ultraschall gröbere
Leuchtstoffpartikel an die Schichtoberfläche gerüttelt werden .
Ferner kann die Suspension ein flüssiges wässriges
Alkalisilikat und einen oder mehrere feste Leuchtstoffe umfassen. Das Volumenkonzentrationsverhältnis von flüssigem Alkalisilikat sowie das Massenverhältnis von flüssiger
Alkalisilikat-Wasser-Mischung und Leuchtstoff (mischung) können dabei wie oben im Zusammenhang mit dem
Fertigungsverfahren angegeben sein. Alkalisilikat und
Leuchtstoff können dabei ebenfalls wie oben definiert sein. Die Suspension kann ferner weitere Bestandteile, wie
beispielsweise Partikel mit lichtstreuenden Eigenschaften oder Hilfsstoffe enthalten.
Die hier beschriebenen Leuchtstoffschichten sind durch die Verwendung von Alkalisilikat als thermisch, chemisch inertes und spektral stabiles Bindemittel, mechanisch und thermisch sehr stabil und können die Leistungsdichten des Anregungslichtes erhöhen. Ferner zeichnen sie sich durch gute optische Eigenschaften aus.
Die Verwendung von Alkalisilikat als Bindemittel ermöglicht darüber hinaus eine Verbesserung der optischen Anbindung an die Umgebung (Immersion), da durch die Formung der
LeuchtstoffSchicht (z.B. bei der Herstellung durch die
Verwendung von Formen oder nachträglich mechanische
Bearbeitung) Lichtein- oder auskopplung bzw.
Abstrahlcharakteristik (Linseneffekt) beeinflusst werden können .
Die mittels der beschriebenen Fertigung hergestellten
Leuchtstoffschichten können abhängig von dem Verhältnis von Alkalisilikat und Leuchtstoffanteil reflexiv oder transmissiv verwendet werden. Ferner ist eine direkte optische Anbindung an die optischen Elemente möglich. Die Fertigung ist
vergleichsweise einfach und ist aufgrund der niedrigen
Verarbeitungstemperaturen weitgehend unabähngig vom
Substratmaterial (Metalle, Gläser, Keramiken, Kunstoffe) .
Die geringe Viskosität der Suspensionsflüssigkeit erlaubt ferner die Beeinflussung der Korngrößenverteilung an der LeuchtstoffOberfläche, beispielsweise durch die Schwerkraft oder Ultraschall getriebene Partikelselektion.
Zur weiteren Verbesserung der optischen Eigenschaften der Leuchtstoffschichten können ferner Beschichtungsverfahren von optischen Gläsern angewandt werden (z.B.
Antireflexbeschichtung, dichrotische oder Filterschichten) .
Die hohe Härte und sehr gute mechanische Stabilität der auf beschriebene Art und Weisen hergestellten
Leuchtstoffschichten erlaubt mehr Freiheiten im Design von Leuchtstoff basierten Produkten, z.B. höhere Leistungsdichten bei der Leuchtstoffanregung und statische Varianten (Verzicht auf Farbradlösungen) , die Fertigung von substratunabhängigen Leuchtstoffplättchen oder Folien, die freitragen verwendet oder nachträglich auf Substrate aufgeklebt werden können (z.B. mit Alkalisilikat), die Fertigung von dreidimensionalen Strukturen und Körpern, z. B. optische Bauteile. Darüber hinaus sind die beschriebenen Leuchtstoffschichten oder Leuchtstoffkörper mechanisch nachbearbeitbar . So kann die LeuchtstoffOberfläche beispielsweise strukturiert werden, z.B. mit Löchern oder Rillen versehen werden, oder es kann eine gezielte Aufrauung der Oberfläche erfolgen. Das führt zu einer effektiveren Entwärmung und Reduzierung der
Leistungsdichten durch Vergrößerung der Oberfläche.
Dabei sind beispielsweise freitragende Varianten zur Kühlung der Leuchtstoffunterseite oder eine aktive Kühlung durch Rillen oder Flügelstrukturen in LeuchtstoffSchicht denkbar.
Gemäß verschiedenen Ausführungsbeispielen der
Konvertierungsanordnung 120 kann die Fläche 108 ein oder mehrere Alkali-Silikat-Phosphorgemische enthalten. Der
Leuchtstoff, wie zum Beispiel Phosphor, kann in eine Silikon- Schicht eingebettet sein. Ferner kann das Phosphor auf die Fläche (108), die in diesem Fall ein leitfähiges Material enthält, mittels EPD (elektrophoretische
Deposition/Abscheidung) aufgetragen sein.
In Fig.2A und Fig.2B sind verschiedene Ausführungsbeispiele der Konvertierungsanordnung 120 dargestellt.
Beide Ausführungsbeispiele weisen einen Hohlkörper 106 auf, der eine Grundfläche und eine Mantelfläche aufweist, wobei die Mantelfläche auf der der Grundfläche gegenüber liegenden Seite, beispielsweise spitz, zuläuft. Bei verschiedenen
Ausführungsbeispielen kennzeichnet der Pfeil die
Einfallsrichtung des Pumplichts 102, das von der Lichtquelle 110 (nicht dargestellt) der Beleuchtungsanordnung 100 entlang eines Lichtpfades bereitgestellt wird. Das Laserlicht 130 trifft auf eine Mantelinnenfläche 108 des Hohlkörpers 106, die mit dem diffus Licht abstrahlendem Material beaufschlagt ist. Bei dem in Fig.2B dargestellten Ausführungsbeispiel weist der Hohlkörper eine Pyramidenform mit quadratischer
Grundfläche auf. Dieses Ausführungsbeispiel weist somit vier dreieckige Teilflächen auf. Bei dem in Fig.2A dargestellten
Ausführungsbeispiel der Konvertierungsanordnung weist der
Hohlkörper 106 eine Kegelform auf, d.h. die Grundfläche ist kreisförmig. Dieses Ausführungsbeispiel ist ein Grenzfall des pyramidenförmigen Hohlkörpers in Fig.2B, das näherungsweise unendlich viele beliebig kleine Teilflächen in Form von gleichschenkligen Dreiecken aufweist, die jeweils mit ihren kürzeren Seiten nebeneinander entlang eines Kreises
angeordnet und zur Mitte des Kreises gekippt sind und so die
Kegelmantelfläche ausbilden. In beiden Ausführungsbeispielen fällt das Laserlicht 130 von oben (gesehen aus der Sicht von
Fig.2A und Fig.2B) ein, entlang der Symmetrieachse 104 beider
Hohlkörper 106 bzw. senkrecht zur Grundfläche der Hohlkörper
106. Es sind auch Ausführungsbeispiele der Hohlkörper 106 denkbar, welchen keine Symmetrieachse zugeordnet werden kann.
Dort ließe sich aber immer noch von einem Lichteinfall senkrecht zur Grundfläche des Hohlkörpers 106 sprechen.
Alternativ kann die Grundfläche des in Figur 2B dargestellten
Hohlkörpers eine dreieckige oder auch sechseckige Form haben.
Die in Fig.2A und Fig.2B gezeigten Ausführungsbeispiele der
Konvertierungsanordnung werden auch als „0-dimensional" bezeichnet, da sich ihre Struktur weder entlang einer Linie noch auf einer Fläche wiederholt. Die Flächen der
Grundflächen der in Fig. 2A und in Fig.2B gezeigten
Ausführungsbeispielen der Konvertierungsanordnung können
2
beispielsweise m einem Bereich von ungefähr 1 mm bis
2
ungefähr 10 mm , beispielsweise m einem Bereich von ungefähr
2 2
1 mm bis ungefähr 5 mm , beispielsweise in einem Bereich von
2 2
ungefähr 1 mm bis ungefähr 2 mm liegen.
Die Einfallsrichtung des Pumplichts 102 kann jedoch auch gegenüber der Symmetrieachse 104 eines Hohlkörpers 106 um einen Winkel verkippt sein bzw. nicht senkrecht zu dessen Grundfläche sein, wie in Fig.3 am Beispiel des in Fig.2B gezeigten Hohlkörpers verdeutlicht. Der Verkippungswinkel kann beispielsweise in einem Bereich von ungefähr 0° bis ungefähr 45°, beispielsweise in einem Bereich von ungefähr 0° bis ungefähr 30°, beispielsweise in einem Bereich von
ungefähr 0° bis ungefähr 15° liegen.
Um die Wirkungsweise der verschiedenen Ausführungsbeispiele der Konvertierungsanordnung 120 aufzuzeigen, wurde der
Lichteinfall auf das in Fig.2A dargestellte
Ausführungsbeispiel simuliert. Dazu wurde ein entsprechendes Modell des kegelförmigen Hohlkörpers 106 verwendet, das in Fig. in größerem Detail dargestellt ist. Dabei weist der Hohlkegel 310 eine Kegelhöhe 320 und einen Kegeldurchmesser 330 auf. Ferner weist das einfallende Pumplaserlicht 130, das in der Fig.4 durch den Pfeil 130 repräsentiert ist, einen Strahlendurchmesser 340 auf. In den durchgeführten
Simulationen wurden Strahldurchmesser 340 und Kegelhöhe 320 variiert. Da für die Untersuchungen die absoluten Werte des Strahldurchmessers 340 und der Kegelhöhe 320 nicht
ausschlaggebend waren, wurden für die nachfolgenden
Simulationsergebnisse deren jeweilige Verhältnisse zum
Kegeldurchmesser 330 zugrunde gelegt. Nachfolgend werden diese als relativer Strahldurchmesser und relative Kegelhöhe bezeichnet .
Ein in Fig.5 dargestelltes Diagramm 500 zeigt die
Abhängigkeit eines Öffnungswinkels eines aus dem
kegelförmigen Hohlkörper austretenden konvertierten Lichts, aufgetragen auf der y-Achse 502, von der relativen Kegelhöhe, die auf der x-Achse 504 aufgetragen ist. Der relative
Strahldurchmesser wurde hierbei konstant bei 0,5 gehalten. Der Öffnungswinkel ist als derjenige Winkel definiert, den ein austretender Strahl, dessen Intensität auf die Hälfte des Maximalwertes absinkt, mit der Kegelachse (in diesem Fall auch Symmetrieachse) einschließt. Der Öffnungswinkel eines Lambertschen Strahlers mit einem kosinusförmigen
Abstrahlungsprofil beträgt 60°. Wie man an dem Diagramm 500 ablesen kann, wird der Öffnungswinkel der Anordnung mit tiefer werdendem Kegel kleiner (siehe Kennlinie 506 in
Fig.5) . Das in Fig.5 dargestellte Diagramm 500 macht
deutlich, dass Anordnungen mit einer relativen Kegelhöhe größer als 0,5 den Öffnungswinkel im Vergleich zu einem
Lambertschen Strahler stärker einschränken.
Ein in Fig.6 dargestelltes Diagramm 600 zeigt das Ergebnis der Untersuchung des Einfluss des relativen
Strahldurchmessers, aufgetragen auf der x-Achse 604, auf den Öffnungswinkel, aufgetragen auf der y-Achse 602. Die relative Kegelhöhe wurde hierbei konstant bei 1 gehalten. Das Diagramm 600 zeigt, dass ein kleiner Strahldurchmesser einen kleinen Öffnungswinkel begünstigt (siehe Kennlinie 606 in Fig.6) . Es ist ferner zu erwähnen, dass bei den Simulationen das Intensitätsprofil über den Querschnitt des Pumpstrahls konstant war. Eine höhere Intensität im Zentrum des
Strahlquerschnitts, wie dieses etwa beim Gaußschen Strahl der Fall ist, sorgt für eine noch stärkere Einengung der
austretenden Strahlen und damit einen noch kleineren
Öffnungswinkel .
In Fig.7 wird der Einfluss der Geometrie einer gewählten Konvertierungsanordnung, in diesem Fall des kegelförmigen Hohlkörpers, auf den Anteil der konvertierten Strahlung in einem Diagramm 700 dargestellt. Als Randbedingung wurde hier der relative Strahldurchmesser konstant bei 0,5 gehalten. Die beiden in dem Diagramm 700 dargestellten Kennlinien 706, 708 gehen von jeweils verschiedenen Ausgangsreflektanzen des diffus Licht abstrahlenden Materials aus. Die
Ausgangsreflektanz gibt an, welcher Anteil des auf die
Fläche, auf der das diffus Licht abstrahlende Material angeordnet ist, auftreffenden Pumplichts von dieser diffus reflektiert wird. Eine erste Kennlinie 706 stellt den Verlauf der umgesetzten Strahlung bei einer Ausgangsreflektanz von 20% dar. Eine zweite Kennlinie 708 stellt den Verlauf der umgesetzten Strahlung bei einer Ausgangsreflektanz von 60% dar. Beiden Kennlinien 706, 708 ist zu entnehmen, dass für steigende relative Kegelhöhen der Anteil der konvertierten Strahlung sich asymptotisch einem Konversionsgrad von 100% nähert. Da näherungsweise die Summe aus diffuser Reflektanz und konvertierter Strahlung 1 ergibt, wird demzufolge für größer werdende relative Kegelhöhen die diffuse Reflektanz immer kleiner und nähert sich asymptotisch Null. Die Ursache für diesen Sachverhalt kann darin gesehen werden, dass bei „tiefen" Kegeln das diffus reflektierte Pumplicht nicht sofort den Hohlkegel verlässt, sondern erneut auf das diffus Licht reflektierende Material auf der Mantelinnenfläche 108 des Kegels 310 fällt und so die Konversionswahrscheinlichkeit erhöht wird.
In Fig.8A und Fig.8B sind weitere Ausführungsbeispiele der Konvertierungsanordnung dargestellt.
In beiden Figuren sind „1-dimensionale" Anordnungen gezeigt, da sich die Struktur der Fläche, auf der das diffus Licht abstrahlende Material angeordnet ist, entlang einer Linie, also in einer Dimension, wiederholt. Beispielhaft ist hier die 1-dimensionale Anordnung als eine Rille 107 ausgebildet, deren dem Lichteinfall zugewandte Oberfläche 108 mit dem diffus Licht abstrahlenden Material beaufschlagt ist. Die Rille 107 kann gerade oder gebogen sein. In Fig.8A liegt die Einfallsrichtung des Pumplichts 102 entlang der
Symmetrieachse 104 bezüglich des Quer- und Längsschnitts der Rille 107. Bei dieser Anordnung weist die Grundfläche eine rechteckige Form auf In Fig.8B liegt die Einfallsrichtung des Pumplichts 102 entlang der Symmetrieachse 104 bezüglich des Querschnitts der Rille 107. Bei dieser Anordnung weist die Grundfläche eine gekrümmte, rechteckige Form auf. Die
vorteilhafte Einstellung des Öffnungswinkels der austretenden Strahlung erfolgt bei diesen Ausführungsbeispielen der
Konvertierungsanordnung 120 senkrecht zu der Anordnung, also entlang der Einfallsrichtung des Pumplichts 102 in dazu entgegengesetzter Richtung, und auch beispielsweise senkrecht zur Richtung der wesentlichen Ausdehnung der Anordnung, in diesem Fall beispielsweise senkrecht zum (im gebogenen Fall differentiellen) Rillenverlauf.
Die in Fig.9A und Fig.9B dargestellten Ausführungsbeispiele der Konvertierungsanordnung 120 kommen jeweils durch
Aneinanderreihen der in Fig.8A und Fig.8B dargestellten 1- dimensionalen Anordnungen. Die Aneinanderreihung erfolgt senkrecht zur Richtung der wesentlichen Ausdehnung einer jeweiligen Anordnung. Die Rillen 107 werden also seitlich nebeneinander platziert, wobei eine Anordnung gerade Rillen, wie in Fig.9A gezeigt, oder gebogenen Rillen, wie in Fig.9B gezeigt, aufweisen kann. Diese Ausführungsbeispiele sind besonders geeignet, wenn eine größere Fläche einer
Konvertierungsanordnung 120 mit dem diffus Licht
abstrahlenden Material beaufschlagt werden soll und nur wenig Raum senkrecht zu dieser Fläche bzw. zu den Grundflächen der in Fig.9A und in Fig.9B dargestellten Anordnungen beansprucht werden soll. Über die Anzahl der nebeneinander angeordneten Rillen 107 lässt sich die Tiefe der eine bestimme Fläche abdeckenden Konvertierungsanordnung 120 steuern, d.h. mit steigender Anzahl der einzelnen nebeneinander angeordneten Rillen 107, deren Grundflächen immer kleiner werden, nimmt die Tiefe der Konvertierungsanordnung 120 ab. In Analogie zu dem in Fig.3 dargestellten Ausführungsbeispiel einer Konvertierungsanordnung kann auch bei den in Fig.8A, Fig.8B und Fig.9A, Fig.9B dargestellten Ausführungsbeispielen die Einfallsrichtung des Pumplichts 102, wie beispielhaft in Fig.lOA und Fig.lOB dargestellt, um einen Winkel ,
beispielsweise in einem Bereich von ungefähr 0° bis ungefähr 45°, beispielsweise in einem Bereich von ungefähr 0° bis ungefähr 30°, beispielsweise in einem Bereich von ungefähr 0° bis ungefähr 15° gegenüber einer Symmetrieebene der Anordnung verkippt sein. Ferner können die Rille 107 gemäß Fig.lOA bzw. die aus nebeneinander angeordneten Rillen bestehende
Konvertierungsanordnung 109 gemäß Fig.lOB in sich selbst um einen Winkel ß verkippt sein, so dass kein symmetrischer Querschnitt senkrecht zur durch den Rilleverlauf vorgegebenen Richtung mehr gegeben ist. Alternativ können die
Aus führungs formen gemäß Fig.8A, Fig.8B und Fig.9A, Fig.9B mit einem Leuchtstoffrad eingesetzt werden. Neben den in Fig.9A und Fig.9B gezeigten Aus führungs formen von flächendeckenden Konvertierungsanordnungen 130 ist ein weiteres Ausführungsbeispiel einer flächendeckenden
Konvertierungsanordnung 120 in Fig.11 dargestellt. Bei dieser Anordnung handelt es sich um eine 2-dimensionale Anordnung, da sich ihre Struktur entlang zwei zueinander senkrecht liegender Richtungen wiederholt Diese Anordnung ist aus einer Vielzahl von 0-dimensionalen Hohlkörpern 106 zusammengesetzt, deren Mantelflächen 108 auf der dem Pumplichteinfall 102 zugewandten Seite mit dem diffus Licht abstrahlenden Material beaufschlagt sind. Die Hohlkörper 106 können pyramidenförmig ausgebildet sein gemäß der in Fig.2B gezeigten
Ausführungsform, d.h. eine quadratischen Grundfläche
aufweisend. Ihre Grundfläche kann aber auch eine andere geometrische Form haben, beispielsweise eine dreieckige oder sechseckige. Auch bei diesem Ausführungsbeispiel einer
Konvertierungsanordnung 120 kann die Einfallsrichtung des Pumplichts 102 in Bezug auf eine (beliebige, da alle
parallel) Symmetrieachse 104 der Anordnung verkippt sein (nicht in der Figur dargestellt) .
In Fig.12 ist ein Ausführungsbeispiel der
Beleuchtungsanordnung 100 dargestellt, welches einen
Reflektor 160 aufweist. Der Reflektor 160 ist als optionales Element im schematischen Aufbau der Beleuchtungsanordnung 100 in Fig.l der Konvertierungsanordnung 120 nachgeschaltet. Der Reflektor ist in dem in Fig.12 dargestellten
Ausführungsbeispiel als ein Haibschalenreflektor 105
eingerichtet. Die Oberfläche der Konvertierungsanordnung 130, auf der das Licht abstrahlende Material angeordnet ist, ist zumindest teilweise im Brennpunkt des Haibschalenreflektors 105 angeordnet. Dabei gibt den Winkel der Einfallsrichtung des Pumplichts 102 und ß den Winkel an, um den die Anordnung verkippt ist. Als Konvertierungsanordnung 130 kann ein beliebiges der hier vorgestellten Ausführungsbeispiele verwendet werden, sie ist jedoch darauf nicht beschränkt. Durch die Möglichkeit der Einstellung des Öffnungswinkels lassen sich bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel gemäß Fig.12 die geometrischen Verluste aus dem
Haibschalenreflektor 105 verringern und so die Effizienz der Beleuchtungsanordnung 100 steigern. Ferner kann dieses
Ausführungsbeispiel auch in Kombination mit einem
Leuchtstoffrad (nicht gezeigt) verwendet werden.
Eine weitere Möglichkeit, den Öffnungswinkel des
abgestrahlten konvertierten Lichts 140 zu verändern, besteht in der Verwendung von Kollimationsoptiken 150. In Fig.l3A und Fig.l3B sind Ausführungsbeispiele von Kollimationsoptiken 140 in Kombination mit der in Figur 2B gezeigten
Konvertierungsanordnung 120 gezeigt. Der Pumplichteinfall 102 erfolgt von oben (gesehen aus der Sicht von Fig.l3A und
Fig.l3B) auf die mit diffus Licht abstrahlendem Material beaufschlagten Mantelinnenfläche 108. In Figur 13A wird ein TIR-Element 112 verwendet, an dessen Wänden das austretende konvertierte Licht 140 totalreflektiert wird und sein
Öffnungswinkel so weiter verändert werden kann. In Fig.l3B wird für das Einstellen des Öffnungswinkels eine Linse 114 verwendet. Es ist anzumerken, dass in dem von dem diffus Licht abstrahlenden Material belegten Hohlkörper in dessen
Innenraum weitere optische Elemente wie beispielsweise Linsen oder Kollimationsoptiken angeordnet sein können.
Alle hier vorgestellten Ausführungsbeispiele der
Konvertierungsanordnung 120 unterliegen dem gemeinsamen
Grundgedanken, die vom Pumplicht beleuchtete Oberfläche der Konvertierungsanordnung 120, die mit dem diffus Licht
abstrahlenden Material beaufschlagt ist, gegenüber der effektiv konvertiertes Licht abstrahlenden Fläche zu
vergrößern.
Dieses wird durch die Ausdehnung der ebenen, mit Leuchtstoff beaufschlagten Fläche im Stand der Technik auf Oberflächen von Konvertierungsanordnungen 120 erreicht, die beispielsweise aus Hohlkörpern 106 verschiedener Geometrien ausgebildet sein können. Anders ausgedrückt erstrecken sich die für die Lichtkonversion wesentlichen Oberflächen, auf denen das diffus Licht abstrahlende Material angeordnet ist, in den hier dargestellten Aus führungs formen der
Konvertierungsanordnung 120 nicht in einer senkrecht zum Pumplichteinfall liegenden Ebene und sind damit nicht auf zwei Dimensionen gegenüber dem Lichteinfall beschränkt, sondern erstrecken sich gegenüber dem Lichteinfall vielmehr beispielsweise in eine dritte Dimension, indem sie
beispielsweise als Mantelflächen bzw. Oberflächen von
Hohlkörpern, die naturgemäß dreidimensional sind, ausgebildet sind .
Da bei den hier beispielhaft angeführten
Konvertierungsanordnungen 120 ihre Mantelfläche bzw.
Oberfläche stets größer als ihre Grundfläche ist, werden durch diese gezielt herbeigeführte Entkopplung der durch das Pumplicht gepumpten Fläche, beispielsweise der Mantelfläche bzw. der Oberfläche, von der effektiv konvertiertes Licht abstrahlenden Fläche, beispielsweise der Grundfläche, eine vorteilhafte Reduzierung der Leistungsdichten auf dem diffus Licht erzeugendem Material erreicht sowie weitere Vorteile, die bereits im Zuge dieser Anmeldung beschrieben worden sind.
Die bisher dargestellten Ausführungsbeispiele der
Konvertierungsanordnung 120 , die in der
Beleuchtungsanordnung zum Einsatz kommen, zielen auf die Einschränkung des Öffnungswinkels der aus der
Beleuchtungsanordnung austretenden konvertierten Strahlung ab .

Claims

Patentansprüche
1. Beleuchtungsanordnung (100), aufweisend:
• eine Lichtquelle (110) zum Bereitstellen von
Laserlicht (130); und
• ein diffus reflektierendes Material und/oder ein phosphoreszierendes Material und/oder ein fluoreszierendes Material, welches auf einer Fläche (108) derart in der Beleuchtungsanordnung (100) angeordnet ist, dass von der Lichtquelle (110) bereitgestelltes Laserlicht (130) auf das Material trifft, wobei die Fläche (108) einen Hohlkörper bildet mit einer oder mehreren Teilflächen, die derart zumindest teilweise einander zugewandt angeordnet sind, dass von auf einer Teilfläche angeordnetem Material reflektiertes oder erzeugtes Licht zumindest teilweise auf Material trifft, welches auf derselben oder einer anderen Teilfläche der Fläche (108) angeordnet ist, und sowohl die Einstrahlung des Laserlichts (130) auf das Material wie auch die Abstrahlung des reflektierten oder erzeugten Lichts von dem Material über dieselbe Oberfläche der einen oder mehreren Teilflächen erfolgt .
Beleuchtungsanordnung (100) gemäß Anspruch 1,
wobei das auf der einen oder den mehreren Teilflächen angeordnete Material eine Mischung aus verschiedenen Leuchtstoffgemischen aufweist.
Beleuchtungsanordnung (100) gemäß Anspruch 2, wobei eines der Leuchtstoffgemische ein Alkali-Silikat- Phosphorgemisch ist. 4. Beleuchtungsanordnung (100) gemäß Anspruch 1 bis 3, wobei der Öffnungswinkel des von der
Beleuchtungsanordnung (100) erzeugten Lichts (130) über die Wahl der Winkel der Teilflächen zueinander
einstellbar ist.
Beleuchtungsanordnung (100) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 4,
wobei die Fläche (108), auf der das reflektierende und/oder phosphoreszierende und/oder fluoreszierende Material angeordnet ist, einen Kegelmantel oder einen Pyramidenmantel bildet.
Beleuchtungsanordnung (100) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 4,
wobei die Fläche (108), auf der das reflektierende und/oder phosphoreszierende und/oder fluoreszierende Material angeordnet ist, eine Rille definiert.
Beleuchtungsanordnung (100) gemäß Anspruch 6,
wobei die Rille als eine gerade Rille oder eine gebogene
Rille ausgebildet ist.
Beleuchtungsanordnung (100) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 7 ,
wobei der Lichtpfad parallel zu einer Symmetrieachse der Beleuchtungsanordnung (100) verläuft.
Beleuchtungsanordnung (100) gemäß einem der Ansprüche bis 7 ,
wobei der Lichtpfad gegen eine Symmetrieachse der
Beleuchtungsanordnung (100) verkippt verläuft.
Beleuchtungsanordnung (100) gemäß einem der Ansprüche bis 9,
wobei die Lichtquelle (110) derart eingerichtet ist, dass das bereitgestellte Laserlicht (130) mindestens einen Laserstrahl aufweist, wobei die Laserstrahlen verschiedene Wellenlängen aufweisen und ihre
Strahlenverläufe voneinander unabhängig sind. Beleuchtungsanordnung (100) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 10, ferner aufweisend:
mindestens eine Kollimationsoptik (150), eingerichtet zur Einschränkung eines Winkels, unter dem das von dem Material erzeugte Licht die Beleuchtungsanordnung (100) verlässt .
Beleuchtungsanordnung (100) gemäß Anspruch 11,
wobei es die Kollimationsoptik (150) mindestens
der folgenden Elemente aufweist:
mindestens eine Linse; und/oder
mindestens ein TIR-Element.
Beleuchtungsanordnung (100) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 11,
wobei die Fläche (108), auf der diffus reflektierendes Material und/oder ein phosphoreszierendes Material und/oder ein fluoreszierendes Material in der
Beleuchtungsanordnung (100) angeordnet ist, eine
Mehrzahl von aneinander angeordneten, auf aneinander angeordneten Hohlkörpern ausgebildeten einen oder mehreren Teilflächen aufweist, die derart zumindest teilweise einander zugewandt angeordnet sind, dass von auf einer Teilfläche eines Hohlkörpers angeordnetem Material reflektiertes oder erzeugtes Licht zumindest teilweise auf Material trifft, welches auf derselben oder einer anderen Teilfläche der Fläche (108)
desgleichen Hohlkörpers angeordnet ist, und sowohl die Einstrahlung des Laserlichts (130) auf das Material wie auch die Abstrahlung des reflektierten oder erzeugten Lichts von dem Material über dieselbe Oberfläche der Teilflächen erfolgt.
Beleuchtungsanordnung (100) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 13, ferner aufweisend:
• einen Reflektor (160),
• wobei die Fläche (108), auf der das reflektierende und/oder phosphoreszierende und/oder fluoreszierende Material angeordnet ist, zumindest teilweise in dem Reflektor, insbesondere zumindest teilweise in dem Brennpunkt des Reflektors (160), angeordnet ist.
Beleuchtungsanordnung (100) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 14,
wobei die Beleuchtungsanordnung (100) eingerichtet ist als eine der folgenden Beleuchtungsanordnungen (100) :
• Pro ektorlampe;
• Effektbeleuchtungs-Lampe;
• Lampe im Bereich von Lichtleitern.
Beleuchtungsanordnung (100), aufweisend:
• eine Lichtquelle (110) zum Bereitstellen von
Laserlicht (130); und
• ein diffus reflektierendes Material und/oder ein
phosphoreszierendes Material und/oder ein
fluoreszierendes Material, welches auf einer Fläche (108) derart in der Beleuchtungsanordnung (100) angeordnet ist, dass von der Lichtquelle (110) bereitgestelltes Laserlicht (130) auf das Material trifft, wobei die Fläche (108) einen Hohlkörper bildet mit einer oder mehreren Teilflächen, die zumindest teilweise einander zugewandt angeordnet sind, wobei der Laserlichteinfall durch einen
Bereich erfolgt, welcher durch die oberen Kanten der zumindest teilweise einander zugewandt angeordneten einen oder mehreren Teilflächen begrenzt wird.
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