WO2013117390A1 - Beleuchtungsvorrichtung mit einer pumplasermatrix und verfahren zum betreiben dieser beleuchtungsvorrichtung - Google Patents

Beleuchtungsvorrichtung mit einer pumplasermatrix und verfahren zum betreiben dieser beleuchtungsvorrichtung Download PDF

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WO2013117390A1
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laser
radiation
phosphors
light
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Josef Kroell
Ulrich Hartwig
Kai Franz
Klaus Finsterbusch
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Osram Gmbh
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    • F21K9/60—Optical arrangements integrated in the light source, e.g. for improving the colour rendering index or the light extraction
    • F21K9/64—Optical arrangements integrated in the light source, e.g. for improving the colour rendering index or the light extraction using wavelength conversion means distinct or spaced from the light-generating element, e.g. a remote phosphor layer
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    • G—PHYSICS
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    • Y02B—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES RELATED TO BUILDINGS, e.g. HOUSING, HOUSE APPLIANCES OR RELATED END-USER APPLICATIONS
    • Y02B20/00—Energy efficient lighting technologies, e.g. halogen lamps or gas discharge lamps
    • Y02B20/30—Semiconductor lamps, e.g. solid state lamps [SSL] light emitting diodes [LED] or organic LED [OLED]

Definitions

  • the invention relates to a lighting device with a pump laser matrix and a phosphor arrangement which is irradiated by the pump laser matrix. Furthermore, the invention relates to a method for operating this lighting device.
  • the invention is particularly applicable to projection ⁇ devices, especially for film and video projection, in technical and medical endoscopy, for lighting effects in the entertainment industry, for medi ⁇ zinische irradiations and in the vehicle sector, in particular as a headlight for motor vehicles.
  • High luminance light sources are used in a wide variety of fields, such as endoscopy as well as projection devices, with gas discharge lamps currently the most widely used.
  • lighting ⁇ tion applications such as projection or endoscopy
  • LARP Laser Activated Remote Phosphor
  • a phosphor is illuminated by a laser.
  • the laser radiation incident on the phosphor hereinafter also referred to as pump radiation, is partially converted by the phosphor by means of wavelength conversion into a wavelength-converted useful light and partially scattered back without wavelength conversion.
  • LARP technology currently usually La ⁇ serstrahlung used.
  • the term LRP should however be to the effect generalizations ⁇ nert that other for the fluorescent excitation suitable pump radiation sources are encompassed with comparable radiation properties, such as a laser, in particular its low beam divergence, such as Su ⁇ perlumineszenzdioden, optionally with or without downstream optics ,
  • the object of the present invention is to provide a loading ⁇ leuchtungsvortechnische based on the LRP technology with color controls.
  • This object is achieved by aadossvorrich ⁇ tung with a pumping laser array and a Leuchtstoffan- order, wherein the pump laser array is adapted to radiate pump radiation having a controllable pumping radiation power distribution for the irradiation of the phosphor arrangement having the phosphor arrangement at least two different phosphors with the Pump radiation can be irradiated and re-radiate this pump radiation at least partially and in each case different wavelength ⁇ converted, and the lighting device is designed to generate a controllable distribution of the power density of the pump radiation on the phosphors of the phosphor arrangement using the pump ⁇ laser matrix.
  • the color control of the illumination device according to the invention thus takes place in that a phosphor pattern of different phosphors is irradiated with a pump radiation pattern controllable with respect to its shape and area power density distribution.
  • a pumping radiation ⁇ pattern is generated by the selective activation of the individual lasers of the laser array, in other words, by an appropriate control pattern of the laser array.
  • the controllable pump radiation pattern controls the color light components contributing to the additive mixed light and thus finally the color locus of the mixed light.
  • the spectral divisions of the individual pump lasers can otherwise be the same or different.
  • the jewei ⁇ celled pump radiation output of pump laser of the pump laser array of 0 to 100% is controllable, wherein the value of 0% corresponds to the turning off of the pump radiation source and the value 100% of the respective full rated power.
  • even smaller control ranges can be sufficient or even only the switching on and off of pump lasers.
  • the two states on / off of individual pump lasers may allow a sufficiently fine control of the pump radiation pattern on the different phosphors. If required, provision may be made for individual pump lasers to be controlled separately or grouped together to form pump laser groups which are controlled jointly.
  • the pump lasers can be operated in continuous wave mode (cw mode), in pulsed mode or in a combination of these two operating modes.
  • Different laser Pumpla ⁇ sermatrix can be operated with different operating procedures.
  • the respective pumping radiation power may be modulated, for example by a Pulsweitenmodula ⁇ tion process. All that is decisive is that the distribution of the pump radiation power density on the phosphors and thus the contribution of the individual phosphors to the mixed light and consequently ultimately also the color location of the mixed light can be controlled by suitably controlling a pump laser matrix.
  • the control of the color locus can be done both in a targeted change of the color locus during the operation as well as in a constant regulation or in a combination of both. In some applications it may be sufficient to set the respective ge ⁇ desired color point before starting the lighting device.
  • the various phosphors to enable the phosphors of the light emitting ⁇ panel assembly are arranged separated from each other, for example in the irradiation plane in segments next to each other in a phosphor layer. So the phosphors form a kind of fluorescent pattern, the fluorescent components are irradiated with a controllable pumping radiation ⁇ pattern.
  • the individual pump lasers are preferably designed as laser diodes.
  • Laser diodes can be, as with optical semiconductors common, especially simple and fast switching ⁇ th and driving.
  • the laser radiation of the individual laser diodes together form a laser radiation pattern on the phosphors. By simply switching - ie laser on / off - or otherwise controlling the output power of individual laser diodes, the laser radiation pattern on the phosphors can be changed.
  • the pump laser matrix does not necessarily have to consist of real individual pump lasers. Rather, the pump laser matrix can alternatively also be realized with the aid of a spatial light modulator (SLM), for example a controllable multiple mirror system such as a digital micro mirror device (DMD), which is irradiated with at least one laser.
  • SLM spatial light modulator
  • DMD digital micro mirror device
  • the Digital Micro Mirror Device known from video projection (manufacturer Texas Instruments) modulates the light incident on the micro mirror Pumpla ⁇ serstrahlung by rapid tilting of the mirror.
  • the pump radiation of a pump power operated with constant power spatially and temporally modulate without the operating power of the pump laser would have to be adjusted or modulated. This has the advantage that the pump laser is in thermal equilibrium and thus can be ⁇ held in a stable mode of operation.
  • an optical light mixer for example a optic based on total internal reflection (TIR)
  • TIR total internal reflection
  • the optical light mixer between the pump laser matrix and the phosphor pattern is arranged, preferably very close to the phosphor ⁇ pattern, when the phosphor pattern is designed for use in reflection.
  • the back-scattered by the luminous ⁇ swatch or diffusely reflected, and wavelength-converted fraction of the pumping radiation for the generation of the mixed light additive is used.
  • the A ⁇ radiation of the pump radiation and the collection of color light components generated by wavelength conversion is done so on the same side of the phosphor pattern.
  • the close proximity of the optical mixer is ge ⁇ ensures that typically scattered in a Lambertver ⁇ division and wavelength-converted color light components are efficiently collected from this light mixer and mixed on their way through the light mixer.
  • the pump laser radiation propagating in the opposite direction through the optical light mixer is in the Compared to the scattered radiation coming from the phosphor pattern and collimated and thus produce even after passing the optical light mixer nor a sufficiently differentiated laser radiation pattern on the phosphor pattern.
  • the initially explained control of the excitation of the phosphor pattern over the laser beam matrix is thus ensured.
  • the remindsei ⁇ te the phosphor pattern can be easily cooled in this so-called reflection ⁇ onsmodus, for example by the phosphor pattern is disposed on a heat sink.
  • the phosphor pattern may be designed for transmission use.
  • the optical light mixer is arranged on the back side, ie on the side opposite to the incident pump radiation of the phosphor pattern. So doing so, the light passing through the phosphors, and collected by this at least partially wavelength-converted Strahlungsantei ⁇ le from the optical light mixer and mixed.
  • the phosphor pattern can only be cooled by means of a circumferential enclosure or, for example, an air flow. A cooling arrangement as in the reflection mode, however, is not possible.
  • the pump radiation is preferably in the ultraviolet (UV) or blue (B) spectral range.
  • Suitable and per se known phosphors can be so Conver ⁇ pending light typically having a longer wavelength to produce (down conversion), in particular, if necessary, green (G) and red (R) light, for example, white with blue light mixing of light to produce.
  • the inventive method of operation of the loading ⁇ leuchtungsvoriques is thus to be interpreted so that the laser radiation of the laser array formed on the separately arranged phosphors of the phosphor arrangement, a laser radiation pattern.
  • the outer shape and the area Leis ⁇ tung distribution of the laser radiation pattern is controlled by controlling the individual lasers of the laser array.
  • the proportion of the laser radiation which is wavelength-converted by the various phosphors into corresponding color light components is controlled on the useful light and ultimately the color locus of the mixed light resulting from the wavelength conversion.
  • the wavelengths converted by the phosphors at different wavelengths in a supplementary process.
  • a suitable optical light mixer such as total internal reflection (TIR) based optics, for collection and mixing.
  • TIR total internal reflection
  • the drive pattern of the laser array is changed to thereby achieve a change in the laser radiation pattern on the phosphors and, ultimately, a change in color light levels in the blend light.
  • Laser diodes are usually damaged even if their specified maximum power is exceeded only for a short time. To Leuchtstoffdegradation and similar Le ⁇ bensdauer bine to compensate, it may therefore be advantageous to operate the individual laser initially below the permitted maximum power. As a result, the laser powers of the individual laser diodes can be increased to a maximum of 100% to compensate for degradation effects.
  • a certain number of laser diodes can be raised to 100% of their nominal power, for example, for a short time, in order to bring about a specific change in the laser radiation pattern and consequently color location change of the mixed light.
  • the wavelength-converted with ⁇ means of the phosphors mixed light may be advantageous to mix with one or more other color light components.
  • ⁇ means of the phosphors mixed light may be advantageous to mix the red and green colored light components produced by phosphor conversion with a blue colored light component, for example from a blue light emitting diode (LED).
  • LED blue light emitting diode
  • Fig. 1 a lighting device according to the invention with
  • FIG. 2 shows the laser matrix from FIG. 1, FIG.
  • FIG. 3a shows the phosphor layer from FIG. 1, FIG.
  • Fig. 3b shows the phosphor layer of Fig. 1 with changed
  • Fig. 5 shows a lighting device according to the invention on the basis of Fig. 1 with admixed blue
  • FIG. 6 shows a schematic representation of a flow chart of an exemplary embodiment of a method according to the invention. Preferred embodiment of the invention
  • FIG. 1 a simplified embodiment of a lighting device 1 according to the invention is shown schematically.
  • the lighting device 1 has a La ⁇ sermatrix 2, an elongated optical light mixer 3, and a phosphor arrangement.
  • the laser array 2 consists of a carrier 5 on which nine individually via a Steue ⁇ tion 20 controllable blue laser diodes 6 (TERMS ⁇ onswellendorf about 445 nm) in a 3 by 3 matrix is ⁇ are arranged.
  • FIG. 2 shows the laser matrix 2 in a plan view, so that all nine laser diodes 6 can be seen.
  • the laser beams 7 (shown only symbolically in FIG. 1) enter the elongate light mixer 3 at a first end 8 and exit again at the other end 9 thereof.
  • the cooling element 11 consists in ⁇ example of aluminum, copper, silver, graphite, Sa ⁇ phir (AI2O3), diamond, silicon carbide, magnesium and / or iron.
  • the heat sink can also ceramics such as A1N and / or alloys, for example brass or Aluminiumlegie ⁇ stanchions have.
  • 3a shows in a plan view schematically the phosphor layer 10 with the laser radiation pattern 12, which consists essentially of nine laser beam spots in a 3 by 3 matrix arrangement.
  • the nine laser beam spots forming a laser radiation pattern 12 are clear shown separated from each other.
  • the phosphor layer 10 consists of three strip-shaped phosphors R, Y, G, which are arranged parallel to each other.
  • han ⁇ delt it is a red phosphor (R), for example calsin:
  • CaAlSiN 3 Eu
  • a yellow phosphor (Y) for example:
  • G green phosphor
  • YAG Ce (Yo.9eCeo.04) 3 Al3.75 Gai.25 0 12 .
  • FIG. 3b shows an alternative laser radiation pattern 12 'on the RYG phosphor pattern.
  • FIG. 3a shows an alternative laser radiation pattern 12 'on the RYG phosphor pattern.
  • FIG. 3a shows an alternative laser radiation pattern 12 'on the RYG phosphor pattern.
  • FIG. 3a shows an alternative laser radiation pattern 12 'on the RYG phosphor pattern.
  • FIG. 3a shows an alternative laser radiation pattern 12 'on the RYG phosphor pattern.
  • not all nine lasers are activated here, but only the middle laser diode in the first and third rows.
  • the red phosphor R and the green phosphor G are therefore pumped much lower than in FIG. 3 a. Consequently, their contribution to the mixed light is correspondingly lower, which results in a corresponding color locus shift.
  • Figure 3c shows a variant of a white ⁇ direct laser radiation pattern 12 '' on the RYG phosphor pattern.
  • the controller 20 all except the middle laser diode.
  • the yellow phosphor G is pumped lower.
  • Diver ⁇ understandable many other laser radiation pattern can be realized, depending on the desired color locus. For example, individual laser diodes can only be used reduced power to realize only a small color locus shift.
  • the laser beam spots can also teilwei- overlap se or a different form, for example ver ⁇ distorted laser radiation pattern.
  • the only decisive factor is that by controlling the laser diodes 6, the shape and / or intensity distribution of the laser radiation pattern 12 and thus the respective contribution of the individual luminous substances R, Y, G can be controlled, ie selectively influenced.
  • the optical light mixer 3 is formed as a TIR optic and consists essentially of a conical glass rod with octagonal cross-section.
  • the back-scattered by the phosphors R, Y, G color light components are totally reflected within the light mixer 3 at the interface to the environment more ⁇ times and thus spatially mixed.
  • the existing in this embodiment from the Farblichtantei ⁇ len R, Y, G mixed light leaves the Lichtmi ⁇ shear 3 through the first end 8 for further use (in FIG. 1 not shown).
  • the color control is effected by the control of the radiation power (including laser diode (s) on / off) of the individual laser diodes 9.
  • the mixed light (not shown) by means of a dense roitschen mirror, the tilted Zvi ⁇ rule laser array 2 and the light mixer 3 is arranged to be coupled to the side.
  • the side facing the light mixer is provided with an interference layer. which reflects the mixed light and transmits the blue laser radiation.
  • FIGS. 4a to 4j show a selection of alternative phosphor patterns for the segmented phosphor layer 10 of the phosphor arrangement 4 in FIG.
  • fluorescent patterns with only two different phosphors are also suitable depending on the application (FIGS. 4b-4e, 4g and 4i).
  • the individual phosphors instead of strip-shaped (Fig. 4d, 4e,
  • Fig. 5 shows a schematic representation of another embodiment. It is based on the arrangement shown in FIG. 1, but is supplemented by the generation of white blended light with color control by an optical branch for admixing a blue colored light component (B).
  • the lighting device 101 shown is suitable, for example, as a replacement for a xenon discharge lamp in lighting arrangements such as endoscopy, microscopy or medicine forehead lamps, in addition to the possibility of color control added.
  • a laser diode matrix ⁇ 102 consisting of six times seven blue laser diodes 106, provides an entire laser beam Leis ⁇ processing of about 42 W.
  • Using a controller 200 are the 42 blue laser diodes 106 can be controlled individually. The out
  • Total laser beam 103 is reflected by the backside 104 of a dichroic mirror 105.
  • the rear side 104 of the dichroic mirror 105 is provided with an interference coating which transmits blue light and transmits other colored light portions.
  • the dichroic mirror 105 is tilted so that the Ge ⁇ fellaserstrahl 103 incident at an angle of 45 ° to the vertical. The angle between the incident total laser beam 103 and the reflected total laser beam 103 'is therefore approximately 90 °.
  • the first TIR optic 3 guides the individual laser beams to the phosphor layer 10 by total internal reflection, where they produce a laser radiation pattern (not visible in Fig. 5, see Fig. 2).
  • the elongated TIR optic 3 is conically shaped, its narrower end facing the phosphor layer 10.
  • the segmented fluorescent ⁇ layer 10, the forming of the three a stripe pattern phosphor components R, Y, G is (in Figure 5 is not visible;. See Fig. 3), the incident blue laser light converts almost completely (more than 95%) in the the irradiated phosphor components R, Y, G corresponding color light components red, yellow or green to.
  • the color light components coming from the segmented phosphor layer 10 are collected and mixed by the TIR optics 3.
  • the colored mixed light 112 is parallelized by the lens 107. This will result in unacceptable cations of the incident mixed light beam from the intended angle of incidence of the dichroic mirror 105 ver ⁇ avoided and consequently a maximum transmittance of the color mixed light 112 by the interference coating cherstal Si.
  • the low without wavelength conversion to ⁇ backscattered rest of the blue laser radiation 103 ' is ge blocks from the rear side 104 of the dichroic mirror 105 ⁇ , advertising thereby avoiding laser typical risks to the human eye in case of reuse of the useful light to.
  • blue light 113 from one or more blue LEDs 114 (eg, LE B Q6WP from OSRAM Opto Semiconductor) mounted on a heat sink 116 is mixed into the RYG mixed light 112.
  • the blue LED light 113 is directed via a second TIR optics 115, which is otherwise the same as the first TIR optics 3, and via a parallelization lens 117 colinearly to the blue total laser beam 103 on the front side 118 of the dichroic mirror 105 .
  • the front ⁇ page 118 is provided with an interference coating which reflects the blue LED light 113 and transmits the mixed light colored RYG- 112th With a suitable orientation of all optical components Jus ⁇ a RYG- B mixed light results 119.
  • the color locus of the mixed light can be on the aforementioned color control example ⁇ wise move along the Planck curve of the CIE color triangle or realize almost any color coordinates of the sRGB color space.
  • a third lens 120 is provided for focusing the mixed light on the input aperture of a light guide (not shown).
  • the illumination device 101 is used for white user light achieves a luminous flux of approx. 2600 lm, whose color location can be controlled over a wide range.
  • sensors may be provided which measure the color light components scattered on the TIR optics.
  • the sensor signals may be used for a Steue ⁇ tion or regulation of the power of individual laser diodes 106 and LED 114, to keep constant for example, a pre-selected color point of the useful light.
  • the thermally insulated from one another by separating grooves fluorescent segments can be provided with associated on its back side depending ⁇ ips thermal sensors for color control.
  • step 210 shows a schematic representation of an exemplary embodiment of a method according to the invention for operating the illumination device 1 shown in FIG. 1.
  • the method begins in step 210 with the laser diodes 6 of the laser matrix 2 being driven. Serstrahlen be emitted from the laser diode 3 by 3 6 individual laser on the segmented fluorescent ⁇ layer 10, the phosphor arrangement 4 irradiated (step 220), where they produce a laser radiation pattern.
  • the phosphors R, Y, G of the phosphor layer 10 forming a strip-like phosphor pattern convert the laser radiation into corresponding color light components, weighted according to the laser radiation pattern component falling on the respective phosphor.
  • the Farblichtan ⁇ parts are collected with the TIR light mixer 3 and mixed.
  • step 240 a YES / NO branch follows. If no color change of the RYG mixed light is required is that is, there is no change in the control of the laser diodes 6 of the laser matrix 2. However, if a color change is desired, in step 250, a corresponding change in the control of at least one laser diode of the laser matrix 2 made. In other words, a color change request is reacted with a change in the drive pattern of the laser diode matrix. With this changed control pattern is branched back to the beginning (step 210). The modified driving ⁇ pattern effected in the step 220, the irradiation of the luminescent material ⁇ pattern with a modified laser radiation pattern. As a result, in step 230, the weighting of the colored light portions on the RYG mixed light and consequently its color location changes.
  • a further development of the above embodiment of an inventive process (not Darge ⁇ represents) is suitable for operating the lighting device 101 shown in Fig. 5
  • the light emitted from the LED 114 and blue light (B) with the RYG-mixed light to Mixed RYGB mixed light.
  • the control of the color locus of the RYGB mixed light as explained above on the targeted control of the laser matrix 2. If necessary, it can be supplemented with the control of the LED 114.
  • a lighting device with a pump laser matrix and a phosphor arrangement for producing mixed light with color control is proposed.
  • a pump radiation pattern generated on the phosphor arrangement by the targeted control of the individual lasers of the laser matrix, in other words by a corresponding drive pattern of the laser matrix, a pump radiation pattern generated on the phosphor arrangement.
  • the phosphor arrangement comprises at least two different Leuchtstof ⁇ fe, which form a phosphor pattern.
  • the color control takes place by the targeted control of the pump radiation pattern on the phosphor pattern.
  • the proportionate contribution of the color light components produced by the individual phosphors by wavelength conversion of the pump radiation to the mixed light and consequently also the color location of the mixed light is controlled.

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Abstract

Es wird eine Beleuchtungsvorrichtung (1) mit einer Pumplasermatrix (2) und einer Leuchtstoffanordnung (4) für die Erzeugung von Mischlicht mit Farbsteuerung vorgeschlagen. Dazu wird durch die gezielte Ansteuerung der einzelnen Laser (6) der Lasermatrix (2), mit anderen Worten durch ein entsprechendes Ansteuermuster der Lasermatrix (2), ein Pumpstrahlungsmuster auf der Leuchtstoffanordnung (4) erzeugt. Die Leuchtstoffanordnung umfasst mindestens zwei verschiedene Leuchtstoffe, die ein Leuchtstoffmuster bilden. Die Farbsteuerung erfolgt durch die gezielte Steuerung (20) des Pumpstrahlungsmusters auf dem Leuchtstoffmuster. Dadurch wird der anteilige Beitrag der von den einzelnen Leuchtstoffen durch Wellenlängenumwandlung der Pumpstrahlung erzeugten Farblichtkomponenten zum Mischlicht und folglich auch der Farbort des Mischlichts gesteuert.

Description

Beschreibung
Beleuchtungsvorrichtung mit einer Pumplasermatrix und Verfahren zum Betreiben dieser Beleuchtungsvorrichtung
Technisches Gebiet
Die Erfindung betrifft eine Beleuchtungsvorrichtung mit einer Pumplasermatrix und einer Leuchtstoffanordnung, die von der Pumplasermatrix bestrahlt wird. Ferner betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Betreiben dieser Beleuchtungsvorrichtung .
Die Erfindung ist insbesondere anwendbar für Projektions¬ vorrichtungen, insbesondere für die Film- und Videopro- jektion, in der technischen und medizinischen Endoskopie, für Lichteffekte in der Unterhaltungsindustrie, für medi¬ zinische Bestrahlungen sowie im Fahrzeugbereich, insbesondere als ein Scheinwerfer für Kraftfahrzeuge.
Stand der Technik
Lichtquellen hoher Leuchtdichte finden in den verschie- densten Bereichen Anwendung, etwa in der Endoskopie ebenso wie bei Projektionsgeräten, wobei Gasentladungslampen gegenwärtig am weitesten verbreitet sind. Bei Beleuch¬ tungsanwendungen, beispielsweise Projektion oder Endoskopie, auf Basis der grundsätzlich bekannten LARP ("Laser Activated Remote Phosphor") -Technik wird ein Leuchtstoff von einem Laser angestrahlt. Die auf den Leuchtstoff treffende Laserstrahlung, im folgenden auch als Pumpstrahlung bezeichnet, wird von dem Leuchtstoff mittels Wellenlängenkonversion teilweise in ein wellenlängenumge- wandeltes Nutzlicht umgewandelt und teilweise ohne eine Wellenlängenumwandlung zurückgestreut . Zwar wird bei der LARP-Technik derzeit üblicherweise La¬ serstrahlung verwendet. Im Rahmen der vorliegenden Erfindung soll der Begriff LARP aber dahingehend verallgemei¬ nert sein, dass auch andere für die Leuchtstoffanregung geeignete Pumpstrahlungsquellen mit vergleichbaren Strahlungseigenschaften wie ein Laser, insbesondere dessen geringe Strahldivergenz, umfasst sind, beispielsweise Su¬ perlumineszenzdioden, gegebenenfalls mit oder ohne nachgeschalteter Optik.
Darstellung der Erfindung Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine Be¬ leuchtungsvorrichtung auf der Basis der LARP-Technik mit Farbsteuerung bereitzustellen.
Diese Aufgabe wird gelöst durch eine Beleuchtungsvorrich¬ tung mit einer Pumplasermatrix und einer Leuchtstoffan- Ordnung, wobei die Pumplasermatrix dazu ausgelegt ist, Pumpstrahlung mit einer steuerbaren Pumpstrahlungsleistungsverteilung für die Bestrahlung der Leuchtstoffanord- nung abzustrahlen, die Leuchtstoffanordnung mindesten zwei unterschiedliche Leuchtstoffe aufweist, die mit der Pumpstrahlung bestrahlbar sind und diese Pumpstrahlung zumindest teilweise und jeweils unterschiedlich wellen¬ längenumgewandelt wieder abstrahlen, und die Beleuchtungsvorrichtung dazu ausgelegt ist, mit Hilfe der Pump¬ lasermatrix, eine steuerbare Verteilung der Flächenleis- tungsdichte der Pumpstrahlung auf den Leuchtstoffen der Leuchtstoffanordnung zu erzeugen.
Außerdem wird die Aufgabe gelöst durch ein Verfahren mit den Merkmalen von Patentanspruch 10. Besonders vorteilhafte Ausgestaltungen finden sich in den jeweiligen abhängigen Ansprüchen.
Im folgenden werden Merkmale, die mehr die gegenständli¬ chen Aspekte der Erfindung betreffen, auch zusammen mit Merkmalen, die eher die verfahrenstechnischen Aspekte charakterisieren gemeinsam erläutert, um das Verständnis der technischen Zusammenhänge der Erfindung zu erleichtern .
Die Grundgedanke der Erfindung besteht darin, durch das Steuern der Pumpstrahlungsleistung einzelner Pumplaser einer Pumplasermatrix, die Verteilung der Flächenleistungsdichte der Pumpstrahlung auf den in der Bestrahlungsfläche getrennt angeordneten Leuchtstoffen einer Leuchtstoffanordnung zu steuern und damit schließlich den Farbort des Mischlichts, das durch Mischen der von den Leuchtstoffen jeweils unterschiedlich wellenlängenumgewandelten Pumpstrahlung (= Farblichtanteile des Mischlichts) entsteht, zu steuern. Vereinfacht gesagt erfolgt die Farbsteuerung der erfindungsgemäßen Beleuchtungsvor- richtung also dadurch, dass ein Leuchtstoffmuster aus unterschiedlichen Leuchtstoffen mit einem hinsichtlich seiner Form und Flächenleistungsdichteverteilung steuerbaren Pumpstrahlungsmuster bestrahlt wird. Ein Pumpstrahlungs¬ muster wird durch die gezielte Ansteuerung der einzelnen Laser der Lasermatrix, mit anderen Worten durch ein entsprechendes Ansteuermuster der Lasermatrix, erzeugt. Durch das steuerbare Pumpstrahlungsmuster werden die von den verschiedenen Leuchtstoffen zum additiven Mischlicht beitragenden Farblichtanteile gesteuert und damit schließlich der Farbort des Mischlichts. Die Spektralver- teilungen der einzelnen Pumplaser können im übrigen gleich oder unterschiedlich sein.
Erfindungsgemäß kann es vorgesehen sein, dass die jewei¬ lige Pumpstrahlungsleistung von Pumplaser der Pumplaser- matrix von 0 bis 100% steuerbar ist, wobei der Wert 0% dem Ausschalten der Pumpstrahlungsquelle entspricht und der Wert 100% der jeweiligen vollen Nominalleistung. Je nach Anwendung können auch geringere Steuerbereiche aus¬ reichend sein oder auch nur das Ein- bzw. Ausschalten von Pumplaser. Insbesondere bei einer Pumplasermatrix mit relativ vielen Pumplaser können die zwei Zustände Ein/Aus einzelner Pumplaser unter Umständen eine ausreichend feine Steuerung des Pumpstrahlungsmuster auf den verschiedenen Leuchtstoffen ermöglichen. Dabei kann bei Bedarf vor- gesehen sein, dass einzelne Pumplaser separat angesteuert werden oder zu Pumplasergruppen zusammengefasst sind, die gemeinsam angesteuert werden. Die Pumplaser können im Dauerstrich-Betrieb (cw-Betrieb) , im Pulsbetrieb oder in einer Kombination dieser beiden Betriebsmodi betrieben werden. Dabei können unterschiedliche Laser der Pumpla¬ sermatrix mit unterschiedlichen Betriebverfahren betrieben werden. Die jeweilige Pumpstrahlungsleistung kann moduliert sein, beispielsweise durch ein Pulsweitenmodula¬ tionsverfahren . Entscheidend ist nur, dass durch geeignetes Steuern einer Pumplasermatrix die Verteilung der Pumpstrahlungsleistungsdichte auf den Leuchtstoffen und damit der Beitrag der einzelnen Leuchtstoffe zum Mischlicht und folglich letztlich auch der Farbort des Mischlichts gesteuert wer- den kann. Die Steuerung des Farborts kann dabei sowohl in einer gezielten Änderung des Farborts während des Be- triebs als auch in einer Konstantregelung bestehen oder auch in einer Kombination aus beiden. Bei einigen Anwendungen mag es auch ausreichend sein, den jeweils ge¬ wünschten Farbort vor der Inbetriebnahme der Beleuch- tungsvorrichtung einzustellen.
Um eine selektive Bestrahlung der verschiedenen Leuchtstoffe zu ermöglichen, sind die Leuchtstoffe der Leucht¬ stoffanordnung voneinander getrennt angeordnet, beispielsweise in der Bestrahlungsebene segmentartig neben- einander in einer LeuchtstoffSchicht . Die Leuchtstoffe bilden also eine Art Leuchtstoffmuster, dessen Leuchtstoffbestandteile mit einem steuerbaren Pumpstrahlungs¬ muster bestrahlt werden.
Die einzelnen Pumplaser sind vorzugsweise als Laserdioden ausgebildet. Laserdioden lassen sich, wie bei optischen Halbleitern üblich, besonders einfach und schnell schal¬ ten bzw. Ansteuern. Die Laserstrahlung der einzelnen Laserdioden bilden zusammen ein Laserstrahlungsmuster auf den Leuchtstoffen. Durch einfaches Schalten - d.h. Laser an/aus - oder sonstiges Steuern der Ausgangsleistung einzelner Laserdioden kann das Laserstrahlungsmuster auf den Leuchtstoffen verändert werden.
Die Pumplasermatrix muss aber nicht notwendigerweise aus realen einzelnen Pumplasern bestehen. Vielmehr kann die Pumplasermatrix alternativ auch mit Hilfe eines Spatial Light Modulators (SLM) , beispielsweise eines steuerbaren Vielfachspiegelsystems wie ein Digital Micro Mirror Devi¬ ce (DMD) , realisiert sein, das mit mindestens einem Laser bestrahlt wird. Das aus der Videoprojektion bekannte Di- gital Micro Mirror Device (Hersteller Texas Instruments) moduliert die auf die Mikrospiegel auftreffende Pumpla¬ serstrahlung durch schnelles Verkippen der Spiegel. Somit lässt sich die Pumpstrahlung eines mit Konstantleistung betriebenen Pumplasers räumlich und zeitlich modulieren, ohne dass die Betriebsleistung des Pumplasers angepasst oder moduliert werden müsste. Das hat den Vorteil, dass der Pumplaser im thermischen Gleichgewicht bleibt und so¬ mit in einer stabilen Betriebsweise gehalten werden kann.
Vorzugsweise ist zur Mischung der von den Leuchtstoffen jeweils unterschiedlich wellenlängenumgewandelten Pumpstrahlung, d.h. der durch Leuchtstoffkonversion erzeugten Farblichtanteile, ein optischer Lichtmischer, beispiels¬ weise eine auf totaler innerer Reflexion (TIR) basierende Optik vorgesehen. Dabei ist der optische Lichtmischer zwischen der Pumplasermatrix und dem Leuchtstoffmuster angeordnet, vorzugsweise sehr nahe über dem Leuchtstoff¬ muster, wenn das Leuchtstoffmuster für die Nutzung in Reflexion ausgelegt ist. Dabei wird der von dem Leucht¬ stoffmuster zurück gestreute bzw. diffus reflektierte und wellenlängenumgewandelte Anteil der Pumpstrahlung für die Erzeugung des additiven Mischlichts genutzt. Das Ein¬ strahlen der Pumpstrahlung und das Einsammeln der durch Wellenlängenumwandlung erzeugten Farblichtanteile erfolgt also auf der selben Seite des Leuchtstoffmusters. Durch die räumliche Nähe des optischen Lichtmischers ist ge¬ währleistet, dass die typischerweise in einer Lambertver¬ teilung gestreuten und wellenlängenumgewandelten Farblichtanteile effizient von diesem Lichtmischer eingesammelt und auf ihrem Weg durch den Lichtmischer durchmischt werden. Die in Gegenrichtung durch den optischen Lichtmischer propagierende Pumplaserstrahlung ist hingegen im Vergleich zu der vom Leuchtstoffmuster kommenden Streustrahlung gerichtet und kollimiert und erzeugen so auch nach Passieren des optischen Lichtmischers noch ein ausreichend differenziertes Laserstrahlungsmuster auf dem Leuchtstoffmuster. Die eingangs erläuterte Steuerung der Anregung des Leuchtstoffmusters über die Laserstrahlenmatrix ist also gewährleistet. Außerdem kann die Rücksei¬ te des Leuchtstoffmusters in diesem sogenannten Reflexi¬ onsmodus problemlos gekühlt werden, beispielsweise indem das Leuchtstoffmuster auf einem Kühlkörper angeordnet ist. Alternativ kann das Leuchtstoffmuster für die Nutzung in Transmission ausgelegt sein. Dann ist der optische Lichtmischer auf dessen Rückseite angeordnet, d.h. auf der zur einfallenden Pumpstrahlung entgegengesetzten Seite des Leuchtstoffmusters. Dabei werden also die durch die Leuchtstoffe hindurchtretenden und durch diese zumindest teilweise wellenlängenumgewandelten Strahlungsantei¬ le von dem optischen Lichtmischer gesammelt und gemischt. In diesem Fall kann das Leuchtstoffmuster - abgesehen von der Konvektion und Wärmeabstrahlung - nur über eine umlaufende Einfassung oder beispielsweise einen Luftstrom gekühlt werden. Eine Kühlanordnung wie im Reflexionsmodus ist hingegen nicht möglich.
Die Pumpstrahlung liegt vorzugsweise im ultravioletten (UV) oder blauen (B) Spektralbereich. Über geeignete und an sich bekannte Leuchtstoffe lässt sich damit konver¬ tiertes Licht mit typischerweise längeren Wellenlängen herstellen (down conversion) , insbesondere bei Bedarf auch grünes (G) und rotes (R) Licht, beispielsweise um zusammen mit blauen Licht weißes Mischlicht zu erzeugen. Das erfindungsgemäße Verfahren zum Betreiben der erfindungsgemäßen Beleuchtungsvorrichtung mit einer Pumplasermatrix und einer Leuchtstoffanordnung mit mindesten zwei unterschiedlichen Leuchtstoffen, wobei die Leuchtstoffe geeignet sind, die Pumpstrahlung der Pumplasermatrix zumindest teilweise und jeweils unterschiedlich wellenlän¬ genumgewandelt wieder abzustrahlen, umfasst mindestens folgende Verfahrensschritte:
- Steuern der Strahlungsleistung der einzelnen Pumplaser oder Pumplasergruppen der Pumplasermatrix zum Steuern der Verteilung der Flächenleistungsdichte der Pumpstrahlung auf den Leuchtstoffen,
- Bestrahlen der mindesten zwei unterschiedlichen Leuchtstoffe der Leuchtstoffanordnung mit der gesteuerten Pumpstrahlung von der Pumplasermatrix.
Für das erfindungsgemäße Betriebsverfahren ist die Be¬ leuchtungsvorrichtung also so auszulegen, dass die Laserstrahlung der Lasermatrix auf den getrennt angeordneten Leuchtstoffen der Leuchtstoffanordnung ein Laserstrah- lungsmuster erzeugt. Die äußere Form und die Flächenleis¬ tungsverteilung des Laserstrahlungsmusters wird durch Steuern der einzelnen Laser der Lasermatrix gesteuert. Dadurch wird der Anteil der durch die verschiedenen Leuchtstoffe in entsprechende Farblichtkomponenten wel- lenlängenumgewandelten Laserstrahlung am Nutzlicht und letztlich der Farbort des von der Wellenlängenumwandlung resultierenden Mischlichts gesteuert.
Für die weitere Nutzung ist es in der Regel vorteilhaft, die von den Leuchtstoffen jeweils unterschiedlich wellen- längenumgewandelte Strahlung in einem ergänzenden Verfah- rensschritt mit einem geeigneten optischen Lichtmischer, beispielsweise einer auf totaler innerer Reflexion (TIR) basierenden Optik, zu Sammeln und zu Mischen.
Wenn eine Änderung des Farborts des Mischlichts gewünscht wird, wird das Ansteuermuster der Lasermatrix geändert, um dadurch eine Änderung des Laserstrahlungsmusters auf den Leuchtstoffen und letztlich eine Änderung der Farblichtanteile am Mischlicht zu erzielen.
Laserdioden werden in der Regel selbst bei nur kurzzeiti- ger Überschreitung ihrer spezifizierten Maximalleistung beschädigt. Um Leuchtstoffdegradation und ähnliche Le¬ bensdauereffekte kompensieren zu können, kann es deshalb vorteilhaft sein, die einzelnen Laser zunächst unterhalb der zulässigen Maximalleistung zu betreiben. Dadurch kön- nen die Laserleistungen der einzelnen Laserdioden zur Kompensation von Degradationseffekten bis maximal 100% erhöht werden.
Zum anderen kann eine bestimmte Anzahl von Laserdioden auf 100% ihrer Nominalleistung hochgefahren werden, bei- spielsweise kurzzeitig, um eine bestimmte Änderung des Laserstrahlungsmusters und folglich Farbortänderung des Mischlichts zu bewirken.
Darüber hinaus kann es vorteilhaft sein, zusätzlich zumindest einen Teil der übrigen Laserdioden in der Strah- lungsleistung soweit abzusenken, dass der gesamte ν(λ)- bewertete Lichtstrom der wellenlängenumgewandelten Strahlung, d.h. des resultierenden Mischlichts, gleich bleibt.
Für einige Anwendungen kann es vorteilhaft sein, das mit¬ tels der Leuchtstoffe wellenlängenumgewandelte Mischlicht mit einem oder mehreren weiteren Farblichtanteile zu Mischen. Beispielsweise kann es zur Erzeugung von weißem Mischlicht vorteilhaft sein, die durch Leuchtstoffkonver- sion erzeugten roten und grünen Farblichtanteile mit ei- nem blauen Farblichtanteil, beispielsweise von einer blaues Licht emittierenden Diode (LED), zu Mischen.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Im Folgenden soll die Erfindung anhand von Ausführungs¬ beispielen näher erläutert werden. Die Figuren zeigen:
Fig. 1 eine erfindungsgemäße Beleuchtungsvorrichtung mit
Lasermatrix, Lichtmischer und Leuchtstoffanord- nung,
Fig. 2 die Lasermatrix aus Fig. 1,
Fig. 3a die LeuchtstoffSchicht aus Fig. 1,
Fig. 3b die LeuchtstoffSchicht aus Fig. 1 mit geändertem
Laserstrahlungsmuster,
Fig. 3c die LeuchtstoffSchicht aus Fig. 1 mit geändertem
Laserstrahlungsmuster,
Fig. 4 verschiedene Leuchtstoffmuster,
Fig. 5 eine erfindungsgemäße Beleuchtungsvorrichtung auf der Basis von Fig. 1 mit beigemischtem blauen
LED-Licht,
Fig. 6 in schematischer Darstellung einen Ablaufplan eines Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Verfahrens . Bevorzugte Ausführung der Erfindung
In Fig. 1 ist ein vereinfachtes Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Beleuchtungsvorrichtung 1 schematisch dargestellt. Die Beleuchtungsvorrichtung 1 weist eine La¬ sermatrix 2, einen länglichen optischen Lichtmischer 3 und eine Leuchtstoffanordnung 4 auf. Die Lasermatrix 2 besteht aus einem Träger 5, auf dem neun über eine Steue¬ rung 20 einzeln ansteuerbare blaue Laserdioden 6 (Emissi¬ onswellenlänge ca. 445 nm) in einer 3 mal 3 Matrix ange¬ ordnet sind. Fig. 2 zeigt die Lasermatrix 2 in einer Draufsicht, so dass alle neun Laserdioden 6 erkennbar sind. Die Laserstrahlen 7 (in Fig. 1 nur symbolisch dargestellt) treten an einem ersten Ende 8 in den länglichen Lichtmischer 3 ein und an dessen anderen Ende 9 wieder aus. Nach dem anderen Ende 9 des Lichtmischers 3 folgt eine ca. 40 ym dicke LeuchtstoffSchicht 10, die auf einem Kühlelement 11 angeordnet ist und so zusammen die Leucht¬ stoffanordnung 4 bilden. Das Kühlelement 11 besteht bei¬ spielsweise aus Aluminium, Kupfer, Silber, Graphit, Sa¬ phir (AI2O3) , Diamant, Siliziumcarbid, Magnesium und/oder Eisen. Ferner kann der Kühlkörper auch Keramiken wie etwa A1N und/oder Legierungen, beispielsweise Aluminiumlegie¬ rungen oder Messing aufweisen. Die Laserstrahlen 7 treffen nach dem Passieren des Lichtmischers 3 auf die LeuchtstoffSchicht 10 und bilden dort ein Laserstrah- lungsmuster (in Fig. 1 nicht erkennbar) . Fig. 3a zeigt in einer Draufsicht schematisch die LeuchtstoffSchicht 10 mit dem Laserstrahlungsmuster 12, das im wesentlichen aus neun Laserstrahlflecken in 3 mal 3 Matrixanordnung besteht. Der Einfachheit wegen sind die neun ein Laser- strahlungsmuster 12 bildenden Laserstrahlflecken deutlich voneinander getrennt dargestellt. Die LeuchtstoffSchicht 10 besteht aus drei streifenförmigen Leuchtstoffen R, Y, G, die parallel nebeneinander angeordnet sind. Dabei han¬ delt es sich um einen Rotleuchtstoff (R) , beispielsweise Calsin:
CaAlSiN3 :Eu, einen Gelbleuchtstoff (Y) , beispielsweise:
(Y[) .96Ceo .04 ) 3 AI3.75 Gai.25 O12,
bzw. einen Grünleuchtstoff (G) , beispielsweise: YAG : Ce (Yo.9eCeo.04) 3 AI3.75 Gai.25 012.
Die Laserstrahlung wird von den drei streifenförmigen Leuchtstoffen R, Y, G wellenlängenumgewandelt und die re¬ sultierenden Farblichtanteile durch das zweite Ende 9 in den Lichtmischer 3 hineingestreut. Die Figur 3b zeigt ein alternatives Laserstrahlungsmuster 12' auf dem R-Y-G-Leuchtstoffmuster . Im Unterschied zur Fig. 3a sind hier nicht alle neun Laser angesteuert, son¬ dern in der ersten und dritten Zeile nur jeweils die mittlere Laserdiode. Der Rotleuchtstoff R und der Grün- leuchtstoff G werden also gegenüber der Fig. 3a deutlich geringer gepumpt. Folglich ist ihr Beitrag zum Mischlicht entsprechend geringer, was in einer entsprechenden Farbortverschiebung resultiert. Die Figur 3c zeigt eine wei¬ tere Variante eines Laserstrahlungsmusters 12 ' ' auf dem R-Y-G-Leuchtstoffmuster . Hier sind über die Steuerung 20 alle außer der mittleren Laserdiode angesteuert. Dadurch wird der Gelbleuchtstoff G geringer gepumpt. Selbstver¬ ständlich sind viele weitere Laserstrahlungsmuster realisierbar, je nach gewünschter Farbortverschiebung. Bei- spielsweise können einzelne Laserdioden auch nur bei re- duzierter Leistung betrieben werden, um nur eine geringe Farbortverschiebung zu realisieren.
Je nach optischer Auslegung des Lichtmischers 3 und der Lasermatrix 2 können die Laserstrahlflecken auch teilwei- se überlagern oder ein abweichendes, beispielsweise ver¬ zerrtes Laserstrahlungsmuster bilden. Ausschlaggebend ist nur, dass sich durch Steuern der Laserdioden 6 die Form und/oder Intensitätsverteilung des Laserstrahlungsmusters 12 und damit der jeweilige Beitrag der einzelnen Leucht- Stoffe R, Y, G steuern, d.h. gezielt beeinflussen lässt.
Der optische Lichtmischer 3 ist als TIR-Optik ausgebildet und besteht im wesentlichen aus einem konischen Glasstab mit achteckigem Querschnitt. Die von den Leuchtstoffen R, Y, G zurück gestreuten Farblichtanteile werden innerhalb des Lichtmischers 3 an der Grenzfläche zur Umgebung mehr¬ fach total reflektiert und damit räumlich durchmischt. Das in diesem Ausführungsbeispiel aus den Farblichtantei¬ len R, Y, G bestehende Mischlicht verlässt den Lichtmi¬ scher 3 durch das erste Ende 8 zur weiteren Nutzung (in Fig. 1 nicht dargestellt) . Die Farbsteuerung erfolgt durch die Steuerung der Strahlungsleistung (einschließlich Laserdiode (n) ein/aus) der einzelnen Laserdioden 9. Dadurch wird die Form und/oder die Flächenleistungsverteilung des Laserstrahlungsmusters 12 gesteuert und folg- lieh der Konversionsanteil jedes Leuchtstoffes R, Y, G zum Mischlicht. Das Mischlicht kann mittels eines dich- roitschen Spiegels (nicht dargestellt) , der gekippt zwi¬ schen Lasermatrix 2 und Lichtmischer 3 angeordnet ist, zur Seite ausgekoppelt werden. Dazu ist die dem Lichtmi- scher zugewandte Seite mit einer Interferenzschicht be- schichtet, die das Mischlicht reflektiert und die blaue Laserstrahlung transmittiert .
In den Figuren 4a bis 4j ist eine Auswahl alternativer Leuchtstoffmuster für die segmentierte LeuchtstoffSchicht 10 der Leuchtstoffanordnung 4 in Fig.l dargestellt. Neben Leuchtstoffmustern mit drei verschiedenen Leuchtstoffen (Fig. 4a, 4f, 4h und 4j) sind je nach Anwendung auch Leuchtstoffmuster mit nur zwei verschiedenen Leuchtstoffen geeignet (Fig. 4b-4e, 4g und 4i) . Außerdem können die einzelnen Leuchtstoffe statt streifenförmig (Fig. 4d, 4e,
41 und 4j) auch kreisförmig ausgebildet und ineinander angeordnet sein (Fig. 4f) oder innerhalb rechteckiger bzw. streifenförmiger Leuchtstoffe (Fig. 4a-4c, 4g und 4h) . Darüber hinaus sind weitere geeignete Leuchtstoff- muster aus zwei, drei oder auch mehr Leuchtstoffen denkbar .
Fig. 5 zeigt eine schematische Darstellung eines weiteren Ausführungsbeispiels. Es basiert auf der in der Fig. 1 gezeigten Anordnung, ist aber für die Erzeugung von wei- ßem Mischlicht mit Farbsteuerung um einen optischen Zweig zur Beimischung eines blauen Farblichtanteils (B) ergänzt. Die dargestellte Beleuchtungsvorrichtung 101 ist beispielsweise als Ersatz für eine Xenon Entladungslampe in Beleuchtungsanordnungen wie der Endoskopie, Mikrosko- pie oder Medizinstirnlampen geeignet, wobei zusätzlich die Möglichkeit der Farbsteuerung hinzukommt. Eine Laser¬ diodenmatrix 102, die aus sechs mal sieben blauen Laserdioden 106 besteht, liefert eine gesamte Laserstrahlleis¬ tung von ca. 42 W. Über eine Steuerung 200 sind die 42 blauen Laserdioden 106 individuell ansteuerbar. Der aus
42 einzelnen Laserstrahlen (nicht dargestellt) bestehende Gesamtlaserstrahl 103, wird von der Rückseite 104 eines dichroitischen Spiegels 105 reflektiert. Dazu ist die Rückseite 104 des dichroitischen Spiegels 105 mit einer blaues Licht reflektierenden und andere Farblichtanteile transmittierenden Interferenzbeschichtung versehen. Der dichroitische Spiegel 105 ist so verkippt, dass der Ge¬ samtlaserstrahl 103 unter einem Winkel von 45° zur Lotrechten einfällt. Der Winkel zwischen dem einfallenden Gesamtlaserstrahl 103 und dem reflektierten Gesamtlaser- strahl 103' beträgt also ca. 90°. Der reflektierte Ge¬ samtlaserstrahl 103' tritt durch eine Linse 107 hindurch, die die 42 einzelnen Laserstrahlen auf die 4 mm2 große Eintrittsfläche einer ersten TIR-Optik 3 fokussiert. Die erste TIR-Optik 3 führt die einzelnen Laserstrahlen durch totale innere Reflexion auf die LeuchtstoffSchicht 10, wo sie ein Laserstrahlungsmuster erzeugen (in Fig. 5 nicht erkennbar; siehe Fig. 2) . Wie bereits im Zusammenhang mit der Fig. 1 beschrieben, ist die längliche TIR-Optik 3 konisch geformt, wobei ihr schmaleres Ende der Leuchtstoff- schicht 10 zugewandt ist. Die segmentierte Leuchtstoff¬ schicht 10, die aus den drei ein Streifenmuster bildenden Leuchtstoffkomponenten R, Y, G besteht (in Fig. 5 nicht erkennbar; siehe Fig. 3), wandelt das einfallende blaue Laserlicht nahezu vollständig (mehr als 95%) in die den bestrahlten Leuchtstoffkomponenten R, Y, G entsprechenden Farblichtanteile rot, gelb bzw. grün um. Für weitere De¬ tails der Leuchtstoffanordnung 4 wird auf die Beschrei¬ bung der Fig. 1 verwiesen. Die von der segmentierten Leuchtstoffschicht 10 kommenden Farblichtanteile werden von der TIR-Optik 3 gesammelt und gemischt. Nach der TIR- Optik 3 wird das farbige Mischlicht 112 durch die Linse 107 parallelisiert . Dadurch werden inakzeptable Abwei- chungen der einfallenden Mischlichtstrahlen vom vorgesehenen Einfallswinkel des dichroitischen Spiegels 105 ver¬ mieden und folglich eine maximale Transmission des farbigen Mischlichts 112 durch die Interferenzbeschichtung si- chergestellt . Der geringe ohne Wellenlängenumwandlung zu¬ rück gestreute Rest der blauen Laserstrahlung 103' wird von der Rückseite 104 des dichroitischen Spiegels 105 ge¬ sperrt, wodurch lasertypische Risiken für das menschliche Auge bei Weiterverwendung des Nutzlichts vermieden wer- den. Außerdem wird dem R-Y-G-farbigen Mischlicht 112 blaues Licht 113 von einer oder mehreren blauen LED 114 (z.B. LE B Q6WP von der Firma OSRAM Opto Semiconductor) , die auf einem Kühlkörper 116 montiert ist, zugemischt. Dazu wird das blaue LED-Licht 113 über eine zweite TIR- Optik 115, die im übrigen gleich ist wie die erste TIR- Optik 3, und über eine Parallelisierungslinse 117 koli- near zum blauen Gesamtlaserstrahl 103 auf die Vorderseite 118 des dichroitischen Spiegels 105 gelenkt. Die Vorder¬ seite 118 ist mit einer Interferenzbeschichtung versehen, die das blaue LED-Licht 113 reflektiert und das R-Y-G- farbige Mischlicht 112 transmittiert . Bei geeigneter Jus¬ tierung aller optischer Komponenten resultiert ein R-Y-G- B-Mischlicht 119. Bei geeigneter Steuerung der einzelnen Laserdioden 106 lässt sich insbesondere weißes R-Y-G-B- Mischlicht erzeugen. Der Farbort des Mischlichts lässt sich über die bereits erwähnte Farbsteuerung beispiels¬ weise entlang der Planckschen Linie des CIE-Farbdreiecks verschieben oder auch nahezu beliebige Farbkoordinaten des sRGB-Farbraums realisieren. Für die Fokussierung des Mischlichts auf die Eingangsapertur eines Lichtleiters (nicht dargestellt) ist eine dritte Linse 120 vorgesehen. Mit der Beleuchtungsvorrichtung 101 wird für weißes Nutz- licht ein Lichtstrom von ca. 2600 Im erzielt, dessen Farbort über einen weiten Bereich steuerbar ist.
Darüber hinaus können Sensoren vorgesehen sein (nicht dargestellt) , die an den TIR-Optiken gestreute Farblicht- anteile messen. Die Sensorsignale können für eine Steue¬ rung oder Regelung der Leistung der einzelnen Laserdioden 106 und der LED 114 verwendet werden, beispielsweise um einen vorgewählten Farbort des Nutzlichts konstant zu halten . Alternativ können die durch Trennrillen thermisch gegeneinander isolierte Leuchtstoffsegmente mit auf ihrer je¬ weiligen Rückseite zugeordneten Thermosensoren für die Farbsteuerung versehen sein.
Fig. 6 zeigt in schematischer Darstellung ein Ausfüh- rungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Verfahrens zum Betreiben der in Fig. 1 gezeigten Beleuchtungsvorrichtung 1. Das Verfahren beginnt im Schritt 210 damit, dass die Laserdioden 6 der Lasermatrix 2 angesteuert werden. Die von den 3 mal 3 Laserdioden 6 emittierten einzelnen La- serstrahlen werden auf die segmentierte Leuchtstoff¬ schicht 10 der Leuchtstoffanordnung 4 gestrahlt (Schritt 220), wo sie ein Laserstrahlungsmuster erzeugen. Die ein streifenförmiges Leuchtstoffmuster bildenden Leuchtstoffe R, Y, G der LeuchtstoffSchicht 10 wandeln die Laserstrah- lung in entsprechende Farblichtanteile um, gewichtet nach dem auf den jeweiligen Leuchtstoff fallenden Laserstrah- lungsmusteranteil . Im Schritt 230 werden die Farblichtan¬ teile mit dem TIR-Lichtmischer 3 gesammelt und durchmischt. Im Schritt 240 folgt eine JA/NEIN-Verzweigung . Falls keine Farbortänderung des R-Y-G-Mischlichts erfor- derlich ist, wird an den Anfang (Schritt 210) zurück verzweigt, d.h. es erfolgt keine Änderung der Ansteuerung der Laserdioden 6 der Lasermatrix 2. Wird aber eine Farbortänderung gewünscht, wird im Schritt 250 eine entspre- chende Änderung der Ansteuerung zumindest einer Laserdiode der Lasermatrix 2 vorgenommen. Mit anderen Worten wird auf eine Farbortänderungsanforderung mit einer Änderung des Ansteuermusters der Laserdiodenmatrix reagiert. Mit diesem geänderten Ansteuermuster wird an den Anfang (Schritt 210) zurück verzweigt. Das geänderte Ansteuer¬ muster bewirkt im Schritt 220 die Bestrahlung des Leucht¬ stoffmusters mit einem geänderten Laserstrahlungsmuster. Dadurch ändert sich im Schritt 230 die Gewichtung der Farblichtanteile am R-Y-G-Mischlicht und folglich dessen Farbort.
Eine Weiterentwicklung des vorstehenden Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Verfahrens (nicht darge¬ stellt) eignet sich zum Betreiben der in Fig. 5 gezeigten Beleuchtungsvorrichtung 101. Hier wird in einem weiteren Verfahrensschritt das von der LED 114 emittierte blaue Licht (B) mit dem R-Y-G-Mischlicht zu R-Y-G-B-Mischlicht gemischt. Die Steuerung des Farborts des R-Y-G-B- Mischlichts erfolgt wie zuvor erläutert über die gezielte Steuerung der Lasermatrix 2. Bei Bedarf kann sie mit der Steuerung der LED 114 ergänzt werden.
Es wird eine Beleuchtungsvorrichtung mit einer Pumplasermatrix und einer Leuchtstoffanordnung für die Erzeugung von Mischlicht mit Farbsteuerung vorgeschlagen. Dazu wird durch die gezielte Ansteuerung der einzelnen Laser der Lasermatrix, mit anderen Worten durch ein entsprechendes Ansteuermuster der Lasermatrix, ein Pumpstrahlungsmuster auf der Leuchtstoffanordnung erzeugt. Die Leuchtstoffanordnung umfasst mindestens zwei verschiedene Leuchtstof¬ fe, die ein Leuchtstoffmuster bilden. Die Farbsteuerung erfolgt durch die gezielte Steuerung des Pumpstrahlungs- musters auf dem Leuchtstoffmuster. Dadurch wird der anteilige Beitrag der von den einzelnen Leuchtstoffen durch Wellenlängenumwandlung der Pumpstrahlung erzeugten Farblichtkomponenten zum Mischlicht und folglich auch der Farbort des Mischlichts gesteuert.

Claims

Ansprüche
Beleuchtungsvorrichtung (1) mit einer Pumplasermatrix (2) und einer Leuchtstoffanordnung (4), wobei
- die Pumplasermatrix (2) dazu ausgelegt ist, Pumpstrahlung (7) mit einer steuerbaren Pumpstrahlungsleistungsverteilung für die Bestrahlung der Leuchtstoffanordnung (4) abzustrahlen,
- die Leuchtstoffanordnung (4) mindesten zwei unterschiedliche Leuchtstoffe (R, Y, G) aufweist, die mit der Pumpstrahlung (7) bestrahlbar sind und diese Pumpstrahlung zumindest teilweise und jeweils unterschiedlich wellenlängenumgewandelt wieder ab¬ strahlen, und
- die Beleuchtungsvorrichtung (1) dazu ausgelegt ist, mit Hilfe der Pumplasermatrix
(2), eine steuerbare Verteilung der Flächenleistungsdichte der Pump¬ strahlung auf den Leuchtstoffen (R, Y, G) der Leuchtstoffanordnung (4) zu erzeugen.
Beleuchtungsvorrichtung nach Anspruch 1 mit einem optischen Lichtmischer
(3) zum Mischen der von den Leuchtstoffen (R, Y, G) jeweils unterschiedlich wellenlängenumgewandelten Strahlung .
Beleuchtungsvorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Leuchtstoffe (R, Y, G) der Leuchtstoffanordnung
(4) segmentartig voneinander getrennt sind.
Beleuchtungsvorrichtung nach einem der Ansprüche bis 3, wobei die Strahlungsleistung einzelner Pumpl ser (6) oder Pumplasergruppen der Pumplasermatrix steuerbar ist.
5. Beleuchtungsvorrichtung nach Anspruch 4, wobei die einzelnen Pumplaser als Laserdioden (6) ausgebildet sind.
6. Beleuchtungsvorrichtung nach Anspruch 4, wobei die Pumplasermatrix mindestens einen Laser und einen damit bestrahlbaren Spatial Light Modulator (SLM) , vorzugsweise Digital Micro Mirror Device (DMD) umfasst.
Beleuchtungsvorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüchen mit mindestens einer Lichtquelle (114) und einer optischen Anordnung zum Mischen des Lichts von der mindestens einen Lichtquelle mit der wellenlän¬ genumgewandelten Strahlung. 8. Beleuchtungsvorrichtung nach Anspruch 7, wobei die mindestens eine Lichtquelle blaues Licht (113) emit¬ tiert .
Beleuchtungsvorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüchen, wobei zumindest ein Teil der Laser (6) der Lasermatrix (2) blaues Laserlicht (B) oder ultraviolette (UV) Laserstrahlung emittiert.
Beleuchtungsvorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüchen mit einer Steuervorrichtung (20), die für die Lasermatrix (2) ein Ansteuermuster bereitstellt für die Ansteuerung der einzelnen Laser (6) der Lasermatrix (2 ) .
Verfahren zum Betreiben einer Beleuchtungsvorrichtung (1, 101) mit einer steuerbaren Pumplasermatrix (2, 102) und einer Leuchtstoffanordnung (4) mit mindesten zwei unterschiedlichen Leuchtstoffen (R, Y, G) , wobei die Leuchtstoffe geeignet sind, die Pumpstrahlung der Pumplasermatrix zumindest teilweise und jeweils un¬ terschiedlich wellenlängenumgewandelt wieder abzu¬ strahlen, umfassend folgende Verfahrensschritte:
- Steuern (210) der Strahlungsleistung der einzelnen Pumplaser (6, 106) oder Pumplasergruppen der Pumplasermatrix (2, 102) zum Steuern der Verteilung der Flächenleistungsdichte der Pumpstrahlung auf den Leuchtstoffen (R, Y, G) ,
- Bestrahlen (220) der mindesten zwei unterschiedli¬ chen Leuchtstoffe (R, Y, G) der Leuchtstoffanord¬ nung (4) mit Pumpstrahlung von der Pumplasermatrix (2, 102) .
Verfahren nach Anspruch 11, mit den zusätzlichen Verfahrensschritten Sammeln und Mischen (230) der von den Leuchtstoffen jeweils unterschiedlich wellenlängenumgewandelten Strahlung.
Verfahren nach einem der Ansprüche 11 oder 12, mit dem zusätzlichen Verfahrensschritt Ändern (250) des Steuern (210) der Strahlungsleistung der einzelnen Pumplaser (6, 106) oder Pumplasergruppen der Pumplasermatrix (2, 102) zum Ändern der Verteilung der Flä- chenleistungsdichte der Pumpstrahlung auf den Leucht¬ stoffen (R, Y, G) .
Verfahren nach einem der Ansprüche 11 bis 13, wobei die Pumplasermatrix als Laserdiodenmatrix (2, 102) ausgebildet ist.
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