WO2013160456A1 - Optische vorrichtung und beleuchtungseinrichtung - Google Patents

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WO2013160456A1
WO2013160456A1 PCT/EP2013/058761 EP2013058761W WO2013160456A1 WO 2013160456 A1 WO2013160456 A1 WO 2013160456A1 EP 2013058761 W EP2013058761 W EP 2013058761W WO 2013160456 A1 WO2013160456 A1 WO 2013160456A1
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WO
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light
optical device
conversion element
phosphor
light guide
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Application number
PCT/EP2013/058761
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English (en)
French (fr)
Inventor
Stephan Schwaiger
Oliver Hering
Jürgen HAGER
Jasmin Muster
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Osram Gmbh
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    • G02—OPTICS
    • G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B6/00—Light guides; Structural details of arrangements comprising light guides and other optical elements, e.g. couplings
    • G02B6/0001—Light guides; Structural details of arrangements comprising light guides and other optical elements, e.g. couplings specially adapted for lighting devices or systems
    • G02B6/0005—Light guides; Structural details of arrangements comprising light guides and other optical elements, e.g. couplings specially adapted for lighting devices or systems the light guides being of the fibre type
    • G02B6/0008—Light guides; Structural details of arrangements comprising light guides and other optical elements, e.g. couplings specially adapted for lighting devices or systems the light guides being of the fibre type the light being emitted at the end of the fibre
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F21—LIGHTING
    • F21S—NON-PORTABLE LIGHTING DEVICES; SYSTEMS THEREOF; VEHICLE LIGHTING DEVICES SPECIALLY ADAPTED FOR VEHICLE EXTERIORS
    • F21S41/00—Illuminating devices specially adapted for vehicle exteriors, e.g. headlamps
    • F21S41/10—Illuminating devices specially adapted for vehicle exteriors, e.g. headlamps characterised by the light source
    • F21S41/14—Illuminating devices specially adapted for vehicle exteriors, e.g. headlamps characterised by the light source characterised by the type of light source
    • F21S41/16—Laser light sources
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F21—LIGHTING
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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
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    • F21S41/00—Illuminating devices specially adapted for vehicle exteriors, e.g. headlamps
    • F21S41/20—Illuminating devices specially adapted for vehicle exteriors, e.g. headlamps characterised by refractors, transparent cover plates, light guides or filters
    • F21S41/24—Light guides
    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B6/00—Light guides; Structural details of arrangements comprising light guides and other optical elements, e.g. couplings
    • G02B6/24—Coupling light guides
    • G02B6/26—Optical coupling means
    • G02B6/262—Optical details of coupling light into, or out of, or between fibre ends, e.g. special fibre end shapes or associated optical elements

Definitions

  • the invention relates to an optical device according to the preamble of claim 1 and a lighting device with such an optical device.
  • Such an optical device is disclosed, for example, in document WO 2012/025141 Al.
  • This document describes a lighting device with an optical device, wherein the optical device has a light guide and a light conversion element, which is arranged on a light exit surface of the light guide.
  • the optical device has Minim ⁇ least one optical fiber and at least one Lichtkonversi- onselement, which is arranged downstream of a light exit surface of the at least one light guide and is adapted to at least partially convert light emerging from the at least one light guide into light of other wavelengths.
  • the at least one light guide and the at least one Lichtkonversi ⁇ onselement are arranged in a common holder. Since ⁇ by the at least one light conversion element and the at least one light guide are fixed in a well defined spatial position and orientation to each other reliably.
  • this ensures that the spatial position and orientation of the light exit surface of the at least one light guide with respect to the min ⁇ least one light conversion element during assembly of the optical device is maintained in a luminaire.
  • the inventive optical Before ⁇ direction a very compact and space-saving, since the holder also be at least supports a light guide and arranged, the light source owing to the use of Lichtlei ⁇ tern far away from the optical device, both the at least one light conversion ⁇ element as the can. It is thus possible to use the erfindungsge ⁇ Permitted optical device in a motor vehicle headlight and the light source for Lichteinkopp- ment in the optical device far away from the motor vehicle headlight to order.
  • the holder of the optical device according to the invention is advantageously designed as a plastic holder.
  • it can be produced by means of plastic injection molding technology, so that the at least one light cone Version element and the at least one light guide with ⁇ means plastic injection molding in the Kunststoffmateri- al of the plastic holder in well-defined spatial position and orientation are fixed to each other.
  • This well-defined spatial position and orientation of the at least one light conversion element with respect to the at least one light guide remains permanently due to the plastic injection molding technique.
  • the holder of the optical device according to the invention is designed like a frame and has at least one opening in which the at least one light guide and the at least one Lichtkonversi ⁇ onselement are supported.
  • This enables a good cooling of the at least one light conversion element and the at least one light guide, because the Minim ⁇ least a light conversion element via the aperture to a heat sink can be brought in contact or can be cooled via the aperture filled with air or other gaseous coolant ,
  • the holder is replaced by the frame-like structure a particularly space and material-saving construction.
  • the optical device according to the invention has before ⁇ geous way a heat sink on which the holder is fixed. Thereby an efficient cooling of the at least one light conversion element and the at least one light guide is ensured, as the two pre ⁇ named components may be brought by the fixing of the holder to the heat sink directly to the heat sink in contact. In addition, the relative position and direction of light guide and light conversion element da ⁇ obtained.
  • the at least one Lichtkonversionsele ⁇ ment of the optical device according to the invention is thermally coupled to the heat sink to overheat the at least one light conversion element by emerging from the at least one light guide Anre ⁇ supply light or by emerging from the at least one light ⁇ conductor to avoid electromagnetic radiation.
  • a surface of the at least one light conversion element is preferably in contact with the heat sink.
  • the at least one light conversion element OF INVENTION ⁇ to the invention is adapted to convert from the at least one light guide light emerging partially or fully in light of other waves ⁇ length.
  • the term light here includes electromagnetic radiation from the wavelength range of 380 nm to 780 nm, which can be perceived by the human eye, ultraviolet radiation from the wavelength range of 180 nm to 380 nm and infrared radiation having wavelengths greater than 780 nm.
  • the at least one light conversion element formed such that it partly converted from the at least one optical fiber emerging blue light from the wavelength range of 380 nm to 490 nm to yellow light from the Wel ⁇ wavelength region of 560 nm to 590 nm, so that the mixture of unconverted blue light and converted yellow light produces white light, which is used, for example, in lighting applications in is suitable.
  • at least one light conversion element of the invention shown SEN optical device can be designed such that it emerges ULT raviolette radiation from the frequency range of 180 nm to 380 nm completely converted from the at least one optical fiber in white light.
  • a light source for illuminating the optical device according to the invention is preferably at least a semi-conductor laser ⁇ , in particular using one or more laser diodes which couple either blue light or ultraviolet radiation in the at least one optical fiber of the optical device according to the invention.
  • the at least one Lichtkonver ⁇ sion element of the optical device according to the invention on phosphor in order to convert easily from the at least one light guide emerging light, which serves to excite the phosphor, partially or completely in light of different wavelengths.
  • It is preferably a phosphor which converts light from the blue spectral range from 380 nm to 490 nm into light from the yellow spectral range from 560 nm to 590 nm, or to phosphor containing ultraviolet radiation from the wavelength range from 180 nm to 380 nm converted to white light.
  • Such phosphors or phosphor mixtures are known per se.
  • the concentration of the phosphor or phosphor particles in the at least one light conversion element or the thickness of luminescent ⁇ material layers on the light conversion element can be controlled in an advantageous manner, the proportion of the at least one light conversion element converted light become.
  • the phosphor is therefore surface as a phosphor layer on a top of the placed at least one light conversion element on ⁇ .
  • the phosphor layer is arranged on a metallic surface of the at least one light conversion element.
  • the surface has a high degree of light reflection and a good cooling effect.
  • the at least one light conversion element comprises scattering before ⁇ preferably light means to allow thorough mixing of converted ⁇ means of fluorescent light and non-converted light.
  • the light-scattering means are preferably arranged in the form of light-scattering particles together with the phosphor as a coating on a surface of the at least one light conversion element or the light-scattering particles and the phosphor are preferably in the manner of a sandwich in different layers on a surface the at least one Lichtkonversions ⁇ elements arranged.
  • phosphor or light scattering particles as addition or doping in transparent material of the at least one light conversion element be homogeneously distributed.
  • the at least one light conversion element is preferential ⁇ designed as a heat sink for the phosphor.
  • the at least one Lichtkon ⁇ version element comprises an optical total reflection to be able to direct the excitation light ⁇ without any loss in the desired direction.
  • this optics allows a homogenization of light that comes from different light guides.
  • the optics is therefore designed as a mirrored cavity or as a so-called TIR optics.
  • TIR total internal reflection
  • TIR optics therefore refers to optics in which light rays impinge on the boundary surface from the optically denser medium to the optically thinner medium at an angle of incidence greater than the critical angle of total reflection and are thus totally reflected at this interface, so that no over ⁇ occurs in the optically thinner medium takes place.
  • the optically denser medium is, for example, glass or plastic material of the optics and the optically thinner material is air or vacuum.
  • the phosphor layer of the at least one light conversion element described above is arranged on a surface of the TIR optics or the mirrored cavity according to a preferred embodiment of the optical device according to the invention.
  • the at least one optical waveguide of the optical device according to the invention is a glass fiber educated.
  • a flexible connection and light conduction between spatially separated light source and light exit opening of a lighting device with the inventive optical device is made possible.
  • the lighting device has at least one light guide, at least one light source for coupling light into the at least one optical fiber and at least one light conversion element which is arranged downstream of a light exit surface of the at least one optical waveguide and is adapted from the min ⁇ least one optical fiber exiting light into light with the other Wavelength to convert, wherein the at least one light guide and the at least one Lichtkonversi- onselement are arranged in a common holder.
  • the light source of the illumination device is preferential ⁇ , at least one semiconductor laser is used.
  • one or more laser diodes are used which, during operation, emit light from the wavelength range of blue light from 380 nm to 490 nm, which is partially converted into light from the wavelength range of yellow light from 560 nm to 590 nm by means of the at least one light conversion element so that the mixture from converted and unconverted light produces white light which is available at a light exit surface of the illumination device ⁇ for the desired illumination function.
  • light sources and laser diodes can be used which emit ultraviolet radiation during operation, by means of the at least one light conversion element in white light is converted.
  • Semiconductor lasers laser diodes insbeson ⁇ particular, enable in comparison with other light sources such as light emitting diodes, a very high luminance, the applications of light sources in Proj edictionsan- is advantageous.
  • the lighting device according to the invention is preferably ⁇ formed as part of a motor vehicle headlight.
  • Figure 1 is a perspective view of an optical system
  • Figure 2 shows a cross section through the optical device shown in Figure 1
  • Figure 3 is a perspective view of an optical element
  • Figure 4 is a plan view of the optical device shown in Figure 3
  • Figure 5 is a perspective view of an optical element
  • Figure 6 shows a cross section through the m Figure 5 dete optical device
  • Figure 7 is a perspective view of an optical device according to the fourth embodiment of the invention
  • Figure 9 is a perspective view of an optical element
  • FIG. 10 A perspective view of the light conversion element of the optical device depicted in FIG. 9
  • an optical device is schematically Darge ⁇ represents.
  • the optical device 10 has a light ⁇ conductor 11 in the form of three mutually parallel glass fibers, a light conversion element 12 and a plastic holder 13 and a heat sink 14.
  • the plastic holder 13 is formed as plastic injection zgussteil and rah ⁇ menartig.
  • the light guide 11 and the light conversion element 12 are fixed by means of plastic injection molding technology.
  • the plastic holder 13 has an opening 130, in which the light conversion element 12 and one end of the light guide 11 are arranged.
  • the end of the light conductor 11 forms a light exit surface 110 of the light guide 11 exits from the light 11, a ⁇ is coupled to another end (not shown) of the light guide.
  • the light source (not shown) is preferably at least one laser diode that emits light the spectral range of the blue light generated.
  • the light ⁇ exit surface 110 of the light guide 11 is disposed in the through ⁇ break 130 of the plastic holder 13 at a distance from the light conversion element 12 so that light emanating from the light exit surface 110 light is incident on a light entrance surface 121 of the light conversion element 12th
  • the light conversion element 12 is formed by a Umlenkprisma 120 consisting of trans ⁇ parentem plastic or glass, the light entrance surface 121 of the light ⁇ exit surface 110 of the light guide 11 is opposite, and having a phosphor coated 122 Lichtaus ⁇ exit surface 123.
  • the light entry surface 121 of the deflection prism 120 is 11 out ⁇ oriented at an angle of 45 degrees to the light exit surface 110 of the light guide and the light exit surface 123 of the Umlenkpris ⁇ mas 120 is perpendicular to the light exit surface 110 of the light guide 11 is arranged.
  • the deflecting prism 120 has a rear side 124 extending parallel to its light entry surface 121, which is formed in a mirrored manner.
  • the heat sink 14 is made of material with high heat ⁇ conductivity, preferably made of metal, such as aluminum or copper, or of good heat conductive ceramic, for example, aluminum oxide or aluminum nitride ceramic.
  • the plastic holder 13 is fixed by means of adhesive, screws or rivets on a Oberflä ⁇ surface 140 of the heat sink 14.
  • the heat sink 14 has one in the opening 130 of the plastic holder
  • an optical forward direction according to the second embodiment is schematically Darge ⁇ represents.
  • This optical device 20 has a light guide 21 in the form of three mutually parallel glass fibers, a light conversion element 22 and a plastic holder 23 and a heat sink 24.
  • the plastic holder 23 is zgussteil as Kunststoffsprit and formed like a frame.
  • the light guide 21 and the light conversion element 22 are fixed by means of plastic injection molding technology.
  • the plastic holder 23 has a breakthrough 230, in which the light conversion element 22 and one end of the light guide 21 are arranged.
  • the end of the light guide 21 forms a light exit surface 210 of the light guide 21, emerges from the light, which is at a different end (not shown) of the light guide 21 is coupled.
  • a light source (not shown) is used preferably at least one laser diode that generates light from the spectral range of the blue light.
  • the light ⁇ exit surface 210 of the light guide 21 is disposed in the through ⁇ break 230 of the plastic holder 23 at a distance from the light conversion element 22 so that meets 210 outgoing light on a light reflection surface 223 of the light conversion element 22 from the light exit surface.
  • the light conversion element 22 is formed from a metal bodies per 220, which is fixed in the material of the Kunststoffhal ⁇ ters 23 by means of plastic injection molding technology and the coated with a phosphor 222, verspie ⁇ applies light reflection surface 223 has.
  • This Lichtre ⁇ flexions salt 223 is disposed in the opening 230 of the plastic holder 23 at a distance from the light exit surface 210 of the light guide 21 and forms the light exit surface 210 of the light guide 21 at an angle of 45 degrees.
  • the phosphor 222 is applied as a layer on the mirrored reflection surface 223 of the metal body 220.
  • the blue light emerging from the light guide 21 strikes the reflective surface 223 of the metal body 220 coated with phosphor 222 and, after passing through the phosphor layer, is deflected by reflection at the reflection surface 223 by an angle of 90 degrees.
  • the phosphor 222 By means of the phosphor 222, a certain proportion of the blue light is converted into yellow light, so that white light is produced at the light conversion element 22, which is a mixture of light converted into yellow light and unconverted blue light.
  • the heat sink 24 is made of material with high heat ⁇ conductivity, preferably made of metal, such as aluminum or copper, or of good heat conductive ceramic, for example, aluminum oxide or aluminum nitride ceramic.
  • the plastic holder 23 is fixed by means of adhesive, screws or rivets on a Oberflä ⁇ che 240 of the heat sink 24.
  • the metal body 220 abuts the surface 240 of the heat sink 24 in order to ensure a good thermal coupling between the light conversion element 22 and the heat sink 24 and to allow sufficient cooling of the phosphor 222.
  • an optical device is schematically Darge ⁇ represents.
  • the optical device 30 has a light guide 31 in the form of three mutually parallel glass fibers, a light conversion element 32 and a plastic holder 33 and a heat sink 34.
  • the plastic holder 33 is zgussteil as Kunststoffsprit and rah ⁇ menartig formed.
  • the light guide 31 and the light conversion element 32 are fixed by means of plastic injection molding technology.
  • the plastic holder 33 has an opening 330 in which the light conversion element 32 and one end of the light guide 31 are arranged.
  • the end of the light guide 31 forms a light exit surface 310 of the light guide 31, emerges from the light, which at one other end (not shown) of the light guide 31 is coupled ⁇ .
  • the light source (not shown) is preferably at least one laser diode which generates light from the spectral range of the blue light.
  • the light- Exit surface 310 of the light guide 31 is disposed in the through ⁇ break 330 of the plastic holder 33.
  • the light conversion element 32 is formed by a coated phosphor ⁇ material 322, transparent sapphire wafer 320, which is arranged directly on the light exit surface 310 of the light guide 31st
  • the front side of the sapphire wafer 320 is in contact with the light exit surface 310 of the light guide 31.
  • the rear side 323 of the sapphire wafer 320 facing away from the front side is coated with phosphor 322.
  • the coated with luminescent material 322 ⁇ back 323 has an area in the range of 2 mm 2 to 5 mm 2.
  • the light conversion element 32 is followed by a mirrored oblique surface 350 of the plastic holder 33, which deflects the light emerging from the light exit surface 310 of the light guide 31 and through the sapphire plate 320 by an angle of 90 degrees.
  • the verspie ⁇ applies surface 350 is te in an angle of 45 degrees to the sapphire wafer 320 and to the surfaces of Vordersei- and back 323 of the sapphire wafer 320 and the light exit surface 310 of the light guide 31 is arranged.
  • the relative proportion of converted and unconverted light depends on the thickness of the phosphor coating on the backside 323 of the sapphire plate 320.
  • the white light emerging at the backside 323 of the sapphire wafer 320 strikes the mirrored oblique surface 350 where it is deflected by an angle of 90 degrees.
  • the heat sink 34 is made of material with high heat ⁇ conductivity, preferably made of metal, such as aluminum or copper, or of good heat conductive ceramic, such as aluminum oxide or aluminum nitride ceramic.
  • the plastic holder 33 is fixed by means of adhesive, screws or rivets on a Oberflä ⁇ surface 340 of the heat sink 34.
  • the heat sink 34 is located with its surface 340 in contact with the sapphire wafer 320 in order to ensure a good thermal coupling between light conversion element 32 and heat sink 34 and to allow sufficient cooling of the luminescent ⁇ material 322.
  • an optical device according to the fourth embodiment is schematically Darge ⁇ represents.
  • the optical device 40 has a light ⁇ conductor 41 in the form of three mutually parallel glass fibers, a light conversion element 42 and a plastic holder 43 and a heat sink 44.
  • the plastic holder 43 is zgussteil as Kunststoffsprit and rah ⁇ menartig formed.
  • the light guide 41 and the light conversion element 42 are fixed by means of plastic injection molding technology.
  • the plastic holder 43 has a Breakthrough 430, in which the light conversion element 42 and one end of the light guide 41 are arranged.
  • the end of the light guide 41 forms a light exit surface 410 of the light guide 41, emerges from the light, which at one other end (not shown) of the light guide 41 is ⁇ coupled.
  • the light source (not shown) is preferably at least one laser diode which generates light from the spectral range of the blue light.
  • the light exit surface 410 of the light guide 41 is arranged in the opening 430 of the plastic holder 43 at a distance from the light conversion element 42, so that light emanating from the light exit surface 410 strikes a light entry surface 421 of the light conversion element 42.
  • the light conversion element 42 is formed from a group consisting of trans ⁇ parentem plastic or glass TIR optics 420, the light entrance surface 421 of the light from ⁇ exit surface 410 of the light guide 41 is located opposite, and a phosphor-coated 422 light exit surface 423 has.
  • TIR optics refers ei ⁇ ne optics, which is designed such that occurs at their interfaces, with the exception of their light exit surface 423, the transition of the light from the optically denser medium to the optically thinner medium total reflection.
  • the light entry surface 421 of the TIR optic 420 is aligned paral ⁇ lel to the light exit surface 410 of the light guide 41 and the light exit surface 423 of the TIR optics 420 is perpendicular to the light exit surface 410 of the light guide 41.
  • the TIR optic 420 has one at an angle of 45 degrees to its light entry surface 421 extending, mirrored slope 424.
  • light exit surface 423 is from the light guide 41 from ⁇ entering blue light deflected by an angle of 90 degrees and a certain proportion of blue light in the passage kon ⁇ vertiert by the phosphor 422 into yellow light, so that exits 42 wei ⁇ SLI light from the light conversion member that is a mixture of light-emitting means ⁇ material 422 into yellow light-converted light and unconverted blue light.
  • the perpendicular to the light ⁇ exit surface 423 extending boundary surfaces of the TIR optics 420 are formed totally reflective.
  • the heat sink 44 is made of material with high heat ⁇ conductivity, preferably made of metal, such as aluminum or copper, or of good heat conductive ceramic, for example, alumina ceramic or aluminum nitride.
  • the plastic holder 43 is fastened on a surface 440 of the heat sink 44 by means of adhesive, screws or rivets.
  • the heat sink 44 is in contact with the TIR optic 420 by means of a wedge-like web 441 projecting into the opening 430 of the plastic holder 43.
  • the wedge-like web 441 adjoins the bevel 424 of the TIR optic 420 in order to ensure a good thermal coupling between Lichtkonversionsele ⁇ ment 42 and heat sink 44 and to allow sufficient cooling of the phosphor 422.
  • the web 441 is either integrally formed with the heat sink 44 or as a separate, fixed in the KunststoffStoffhalter 43 by means of plastic injection molding component renewedbil ⁇ det.
  • FIGS. 9 and 10 schematically show an optical device according to the fifth exemplary embodiment.
  • the optical device 50 has a light ⁇ conductor 51 in the form of three mutually parallel glass fibers, a light conversion element 52 and a plastic holder 53 and a heat sink 54.
  • the plastic holder 53 is zgussteil as Kunststoffsprit and formed like a frame.
  • the light guide 51 and the light conversion element 52 are fixed by means of plastic injection molding ⁇ technology.
  • the plastic holder 53 has an opening 530 in which the light conversion element 52 and one end of the light guide 51 are arranged.
  • the end of the light guide 51 forms a light exit surface of the light guide 51, emerges from the light, which is at a ⁇ at its end (not shown) of the light guide 41 is ⁇ coupled.
  • the light source (not shown) is preferably at least one laser diode which generates light from the spectral range of the blue light.
  • the light ⁇ exit surface of the light guide 51 is disposed in the opening 530 of the plastic holder 53, so that outgoing light from the light exit surface incident on a light inlet opening 521 of the light conversion element 52.
  • the end of the light guide 51 which is formed by the ends of the three, arranged in the opening 530 glass fibers and also defines the light exit surface of the light guide 51 is preferably arranged directly on the light inlet opening 521 of the light conversion element 52 ⁇ or extends into the Light entrance opening 521 of the light conversion element 52 in order to minimize the light ⁇ losses in the transition of the light from the light guide 51 to the light conversion element 52.
  • the light conversion element 52 has a hollow body 520, which is parallelepiped apart from an obliquely extending end face 524. The walls of the hollow body 520 are mirrored on their inner sides and thus form a mirrored cavity.
  • the hollow body 520 has a light inlet opening 521 into which the end of the light ⁇ conductor 51 formed as a light exit surface protrudes.
  • the hollow body 520 has a light exit opening 523, which is covered by a sapphire plate 525 coated with phosphor 522.
  • the blue light coupled into the hollow body 520 via the light inlet opening 521 is repeatedly reflected on the mirrored inner walls of the hollow body 520 before it strikes the phosphor 522 coated sapphire plate 525 at the light exit opening 523 of the hollow body 520.
  • the heat sink 54 is made of material with high heat ⁇ conductivity, preferably made of metal, such as aluminum or copper, or of good heat conductive ceramic, for example, aluminum oxide ceramic or aluminum nitride.
  • the plastic holder 53 is fastened on a surface 540 of the heat sink 54 by means of adhesive, screws or rivets.
  • the sapphire chip 525 has a high thermal conductivity and thus also contributes to the cooling of the phosphor 522. The invention is not limited to the above-described embodiments of the invention.
  • the light conversion elements each having a light-scattering layer according to the embodiments described above, in addition to the phosphor layer which is attached ⁇ arranged for example between the phosphor layer and the light exit surface or light incident surface of the light conversion element to a more homogeneous mixture of converted by means of fluorescent yellow and unconverted to reach blue light.
  • the light guide can only consist of a single glass fiber or of more than three glass fibers or also have any other shape.
  • the light guide may comprise glass fibers, whose light passing ⁇ is guided to the light conversion element in order to perform for example, either its non kon ⁇ vertATORs light with Converted light from the light ⁇ conversion element together and mix or NEN the unconverted light for other communication applications to use.
  • the phosphor may be a single phosphor or a mixture of multiple phosphors.
  • the phosphor can be provided in the form of a coating consisting of one or more phosphor layers.
  • the phosphor need not necessarily be designed to convert blue light to yellow light, as described in the embodiments described in more detail above.
  • the light conversion layer can also be provided in the form of a phosphor embedding matrix in which the phosphor particles are ideally distributed finely dissolved; it may be, for example, a ceramic body, such as doped yttrium-aluminum garnet (YAG).
  • YAG doped yttrium-aluminum garnet
  • Eu doped YAG gives a red and Ce doped YAG a green phosphor
  • Eu-doped barium magnesium aluminate (BAM) can be provided as the blue phosphor.
  • the phosphor used in the embodiments described above is preferably yellow-conversion phosphor, in particular with cerium-doped yttrium-aluminum garnet (YAG: Ce).
  • optical device according to the invention and the OF INVENTION ⁇ dung proper illumination device with an optical device can also be used in other applications, for example in lamps, follow-spots, light fingers (Sky tracker), search and signal lamps, effect lamps in the entertainment industry and for medical and industrial lighting or be ⁇ radiation, for example for skin therapy.

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Abstract

Die Erfindung betrifft eine optische Vorrichtung mit mindestens einem Lichtleiter (11), der eine Lichtaustrittsfläche (110) oder Lichtaustrittsöffnung besitzt, und mindestens einem Lichtkonversionselement (12), das der Lichtaustrittsfläche (110) bzw. Lichtaustrittsöffnung des mindestens einen Lichtleiters (11) nachgeordnet ist und dazu ausgebildet ist, aus dem mindestens einen Lichtleiter (11) austretendes Licht in Licht mit anderer Wellenlänge zu konvertieren, dadurch gekennzeichnet, dass der mindestens eine Lichtleiter (11) und das mindestens eine Lichtkonversionselement (12) mittels Kunststoffspritzgusstechnik in einem gemeinsamen Kunststoffhalter (13) angeordnet sind.

Description

Optische Vorrichtung und Beleuchtungseinrichtung
Die Erfindung betrifft eine optische Vorrichtung gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 und eine Beleuchtungseinrichtung mit einer derartigen optischen Vorrichtung.
I . Stand der Technik
Eine derartige optische Vorrichtung ist beispielsweise in der Schrift WO 2012/025141 AI offenbart. Diese Schrift beschreibt eine Beleuchtungseinrichtung mit einer optischen Vorrichtung, wobei die optische Vorrichtung einen Lichtleiter und ein Lichtkonversionselement besitzt, das an einer Lichtaustrittsfläche des Lichtleiters angeordnet ist.
I I . Darstellung der Erfindung
Es ist Aufgabe der Erfindung, eine optische Vorrichtung bereitzustellen, die eine hohe Genauigkeit bei der räum¬ lichen Ausrichtung des Lichtkonversionselements in Bezug auf die Lichtaustrittsfläche des mindestens einen Licht- leiters aufweist und die einen kompakten Aufbau besitzt, so dass die optische Vorrichtung in einem Kraftfahrzeug¬ scheinwerfer einsetzbar ist.
Diese Aufgabe wird durch eine optische Vorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Besonders vorteil- hafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen beschrieben.
Die erfindungsgemäße optische Vorrichtung besitzt mindes¬ tens einen Lichtleiter und mindestens ein Lichtkonversi- onselement, das einer Lichtaustrittsfläche des mindestens einen Lichtleiters nachgeordnet ist und dazu ausgebildet ist, aus dem mindestens einen Lichtleiter austretendes Licht zumindest teilweise in Licht mit anderer Wellenlän- ge zu konvertieren. Erfindungsgemäß sind der mindestens eine Lichtleiter und das mindestens eine Lichtkonversi¬ onselement in einem gemeinsamen Halter angeordnet. Da¬ durch werden das mindestens eine Lichtkonversionselement und der mindestens eine Lichtleiter in wohl definierter räumlicher Lage und Orientierung zueinander zuverlässig fixiert. Insbesondere ist dadurch gewährleistet, dass die räumliche Lage und Ausrichtung der Lichtaustrittsfläche des mindestens einen Lichtleiters in Bezug auf das min¬ destens eine Lichtkonversionselement während der Montage der optischen Vorrichtung in einer Leuchte erhalten bleibt. Außerdem ist die erfindungsgemäße optische Vor¬ richtung sehr kompakt bzw. platzsparend ausgebildet, da der Halter sowohl das mindestens eine Lichtkonversions¬ element als auch den mindestens einen Lichtleiter haltert und die Lichtquelle aufgrund der Verwendung von Lichtlei¬ tern weit entfernt von der optischen Vorrichtung angeordnet sein kann. Es ist dadurch möglich, die erfindungsge¬ mäße optische Vorrichtung in einen Kraftfahrzeugscheinwerfer einzusetzen und die Lichtquelle zur Lichteinkopp- lung in die optische Vorrichtung weit entfernt von dem Kraftfahrzeugscheinwerfer anzuordnen .
Der Halter der erfindungsgemäßen optischen Vorrichtung ist in vorteilhafter Weise als Kunststoffhalter ausgebildet. Dadurch kann er mittels Kunststoffspritzgusstechnik gefertigt werden, so dass das mindestens eine Lichtkon- versionselement und der mindestens eine Lichtleiter mit¬ tels Kunststoffspritzgusstechnik in dem Kunststoffmateri- al des Kunststoffhalters in wohl definierter räumlicher Lage und Orientierung zueinander fixiert sind. Diese wohl definierte räumliche Lage und Orientierung des mindestens einen Lichtkonversionselement bezüglich des mindestens einen Lichtleiters bleibt aufgrund der Kunststoffspritz- gusstechnik dauerhaft erhalten.
Vorteilhafterweise ist der Halter der erfindungsgemäßen optischen Vorrichtung rahmenartig ausgebildet und weist mindestens einen Durchbruch auf, in dem der mindestens eine Lichtleiter und das mindestens eine Lichtkonversi¬ onselement gehaltert sind. Dadurch wird eine gute Kühlung des mindestens einen Lichtkonversionselement und des min- destens einen Lichtleiters ermöglicht, weil das mindes¬ tens eine Lichtkonversionselement über den Durchbruch mit einem Kühlkörper in Kontakt gebracht werden kann oder über den Durchbruch mit Luft oder einem anderen gasförmigen Kühlmittel gekühlt werden kann. Außerdem erhält der Halter durch die rahmenartige Struktur einen besonders Platz und Material sparenden Aufbau.
Die erfindungsgemäße optische Vorrichtung besitzt vor¬ teilhafter Weise einen Kühlkörper, auf dem der Halter fixiert ist. Dadurch wird eine effiziente Kühlung des min- destens einen Lichtkonversionselements und des mindestens einen Lichtleiters gewährleistet, da die beiden vorge¬ nannten Komponenten durch die Fixierung des Halters am Kühlkörper direkt mit dem Kühlkörper in Kontakt gebracht werden können. Außerdem bleibt die relative Lage und Aus- richtung von Lichtleiter und Lichtkonversionselement da¬ durch erhalten.
Vorzugsweise ist das mindestens eine Lichtkonversionsele¬ ment der erfindungsgemäßen optischen Vorrichtung ther- misch an den Kühlkörper gekoppelt, um eine Überhitzung des mindestens einen Lichtkonversionselements durch das aus dem mindestens einen Lichtleiter austretende Anre¬ gungslicht bzw. durch die aus dem mindestens einen Licht¬ leiter austretende elektromagnetische Strahlung zu ver- meiden. Zu diesem Zweck ist vorzugsweise eine Oberfläche des mindestens einen Lichtkonversionselements im Kontakt mit dem Kühlkörper.
Das mindestens eine Lichtkonversionselement der erfin¬ dungsgemäßen optischen Vorrichtung ist dazu vorgesehen, aus dem mindestens einen Lichtleiter austretendes Licht teilweise oder vollständig in Licht mit anderer Wellen¬ länge zu konvertieren. Der Begriff Licht umfasst hier elektromagnetische Strahlung aus dem Wellenlängenbereich von 380 nm bis 780 nm, die mit dem menschlichen Auge wahrgenommen werden kann, ultraviolette Strahlung aus dem Wellenlängenbereich von 180 nm bis 380 nm sowie Infrarot- Strahlung mit Wellenlängen größer als 780 nm. Vorzugsweise ist das mindestens eine Lichtkonversionselement derart ausgebildet, dass es aus dem mindestens einen Lichtleiter austretendes blaues Licht aus dem Wellenlängenbereich von 380 nm bis 490 nm teilweise in gelbes Licht aus dem Wel¬ lenlängenbereich von 560 nm bis 590 nm konvertiert, so dass die Mischung aus nicht konvertiertem blauem Licht und konvertiertem gelbem Licht weißes Licht ergibt, das beispielsweise für Beleuchtungsanwendungen in einem Fahr- zeugscheinwerfer tauglich ist. Alternativ kann das mindestens eine Lichtkonversionselement der erfindungsgemä¬ ßen optischen Vorrichtung derart ausgebildet sein, dass es aus dem mindestens einen Lichtleiter austretende ult- raviolette Strahlung aus dem Frequenzbereich von 180 nm bis 380 nm vollständig in weißes Licht konvertiert. Als Lichtquelle zur Beleuchtung der erfindungsgemäßen optischen Vorrichtung wird vorzugsweise mindestens ein Halb¬ leiterlaser, insbesondere eine oder mehrere Laserdioden verwendet, die entweder blaues Licht oder ultraviolette Strahlung in den mindestens einen Lichtleiter der erfindungsgemäßen optischen Vorrichtung einkoppeln.
Vorteilhafterweise weist das mindestens eine Lichtkonver¬ sionselement der erfindungsgemäßen optischen Vorrichtung Leuchtstoff auf, um auf einfache Weise aus dem mindestens einen Lichtleiter austretendes Licht, das zur Anregung des Leuchtstoffs dient, teilweise oder vollständig in Licht anderer Wellenlänge zu konvertieren. Vorzugsweise handelt es sich um Leuchtstoff, der Licht aus dem blauen Spektralbereich von 380 nm bis 490 nm in Licht aus dem gelben Spektralbereich von 560 nm bis 590 nm konvertiert, oder um Leuchtstoff, der ultraviolette Strahlung aus dem Wellenlängenbereich von 180 nm bis 380 nm in weißes Licht konvertiert. Solche Leuchtstoffe bzw. Leuchtstoffmischun- gen sind an sich bekannt. Über die Konzentration des Leuchtstoffs bzw. von LeuchtstoffPartikeln im mindestens einen Lichtkonversionselement oder die Dicke von Leucht¬ stoffschichten am Lichtkonversionselement kann in vorteilhafter Weise der Anteil des vom mindestens einen Lichtkonversionselement konvertierten Lichts gesteuert werden. Mit zunehmender Konzentration des Leuchtstoffs oder zunehmender Dicke der LeuchtstoffSchicht steigt der Anteil des konvertierten Lichts. Vorzugsweise ist der Leuchtstoff daher als LeuchtstoffSchicht auf einer Ober- fläche des mindestens einen Lichtkonversionselements an¬ gebracht .
Gemäß einem bevorzugten Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen optischen Vorrichtung ist die Leuchtstoffschicht auf einer metallischen Oberfläche des mindestens einen Lichtkonversionselements angeordnet. Dadurch weist die Oberfläche einen hohen Lichtreflexionsgrad und eine gute Kühlwirkung auf. Außerdem muss das aus dem mindes¬ tens einen Lichtleiter austretende Licht die Leuchtstoff¬ schicht nach Reflexion an der metallischen Oberfläche nochmals durchlaufen, so dass der Anteil des konvertierten Lichts erhöht wird.
Das mindestens eine Lichtkonversionselement weist vor¬ zugsweise Licht streuende Mittel auf, um eine gute Durch¬ mischung von mittels Leuchtstoff konvertiertem Licht und nicht konvertiertem Licht zu ermöglichen. Die Licht streuenden Mittel sind vorzugsweise in Form von Licht streuenden Partikeln zusammen mit dem Leuchtstoff als Be- schichtung auf einer Oberfläche des mindestens einen Lichtkonversionselements angeordnet oder die Licht streu- enden Partikel und der Leuchtstoff sind vorzugsweise nach Art eines Sandwichs in unterschiedlichen Schichten auf einer Oberfläche des mindestens einen Lichtkonversions¬ elements angeordnet. Alternativ können Leuchtstoff oder Licht streuende Partikel als Zusatz bzw. Dotierung im transparenten Material des mindestens einen Lichtkonversionselements homogen verteilt sein.
Das mindestens eine Lichtkonversionselement ist vorzugs¬ weise als Wärmesenke für den Leuchtstoff ausgebildet. Vorteilhafterweise umfasst das mindestens eine Lichtkon¬ versionselement eine Optik mit Totalreflexion, um das An¬ regungslicht ohne Verluste in die gewünschte Richtung lenken zu können. Außerdem ermöglicht diese Optik eine Homogenisierung von Licht, das von unterschiedlichen Lichtleitern stammt. Vorzugsweise ist die Optik daher als verspiegelter Hohlraum oder als sogenannte TIR-Optik ausgebildet. Die Abkürzung "TIR" in TIR-Optik steht für "total internal reflexion". Der Begriff TIR-Optik bezeichnet daher eine Optik, bei der Lichtstrahlen auf die Grenzflä- che vom optisch dichteren Medium zum optisch dünneren Medium unter einem Einfallswinkel größer als der kritische Winkel der Totalreflexion auftreffen und somit an dieser Grenzfläche total reflektiert werden, so dass kein Über¬ tritt in das optisch dünnere Medium stattfindet. Bei dem optisch dichteren Medium handelt es sich beispielsweise um Glas- oder Kunststoffmaterial der Optik und bei dem optisch dünneren Material um Luft oder Vakuum.
Die oben beschriebene LeuchtstoffSchicht des mindestens einen Lichtkonversionselements ist gemäß einem bevorzug- ten Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen optischen Vorrichtung auf einer Oberfläche der TIR-Optik oder des verspiegelten Hohlraums angeordnet.
Vorteilhafterweise ist der mindestens eine Lichtleiter der erfindungsgemäßen optischen Vorrichtung als Glasfaser ausgebildet. Dadurch wird eine flexible Verbindung und Lichtleitung zwischen räumlich getrennt angeordneter Lichtquelle und Lichtaustrittsöffnung einer Beleuchtungs¬ einrichtung mit erfindungsgemäßer optischer Vorrichtung ermöglicht.
Die erfindungsgemäße Beleuchtungseinrichtung besitzt mindestens einen Lichtleiter, mindestens eine Lichtquelle zur Lichteinkopplung in den mindestens einen Lichtleiter und mindestens ein Lichtkonversionselement, das einer Lichtaustrittsfläche des mindestens einen Lichtleiters nachgeordnet ist und dazu ausgebildet ist, aus dem min¬ destens einen Lichtleiter austretendes Licht in Licht mit anderer Wellenlänge zu konvertieren, wobei der mindestens eine Lichtleiter und das mindestens eine Lichtkonversi- onselement in einem gemeinsamen Halter angeordnet sind. Als Lichtquelle der Beleuchtungseinrichtung wird vorzugs¬ weise mindestens ein Halbleiterlaser verwendet. Insbesondere werden eine oder mehrere Laserdioden verwendet, die während des Betriebs Licht aus dem Wellenlängenbereich des blauen Lichts von 380 nm bis 490 nm emittieren, das mittels des mindestens einen Lichtkonversionselements teilweise in Licht aus dem Wellenlängenbereich des gelben Lichts von 560 nm bis 590 nm konvertiert wird, so dass die Mischung aus konvertiertem und nicht konvertiertem Licht weißes Licht ergibt, das an einer Lichtaustritts¬ fläche der Beleuchtungseinrichtung für die gewünschte Beleuchtungsfunktion verfügbar ist. Alternativ können als Lichtquellen auch Laserdioden verwendet werden, die während des Betriebs ultraviolette Strahlung emittieren, die mittels des mindestens einen Lichtkonversionselements in weißes Licht konvertiert wird. Halbleiterlaser, insbeson¬ dere Laserdioden, ermöglichen im Vergleich zu anderen Lichtquellen, wie beispielsweise Leuchtdioden, eine sehr hohe Leuchtdichte, die für Lichtquellen in Proj ektionsan- wendungen vorteilhaft ist.
Die erfindungsgemäße Beleuchtungseinrichtung ist vorzugs¬ weise als Bestandteil eines Kraftfahrzeugscheinwerfers ausgebildet .
III. Beschreibung der bevorzugten Ausführungsbeispiele
Nachstehend wird die Erfindung anhand von bevorzugten Ausführungsbeispielen näher erläutert. Es zeigen:
Figur 1 Eine perspektivische Ansicht einer optischen
Vorrichtung gemäß dem ersten Ausführungsbei¬ spiel der Erfindung
Figur 2 Einen Querschnitt durch die in Figur 1 abgebildete optische Vorrichtung
Figur 3 Eine perspektivische Ansicht einer optischen
Vorrichtung gemäß dem zweiten Ausführungsbeispiel der Erfindung
Figur 4 Eine Draufsicht auf die in Figur 3 abgebildete optische Vorrichtung
Figur 5 Eine perspektivische Ansicht einer optischen
Vorrichtung gemäß dem dritten Ausführungsbeispiel der Erfindung Figur 6 Einen Querschnitt durch die m Figur 5 abgeb dete optische Vorrichtung Figur 7 Eine perspektivische Ansicht einer optischen Vorrichtung gemäß dem vierten Ausführungsbeispiel der Erfindung
Figur 8 Einen Querschnitt durch die in Figur 7 abgebil¬ dete optische Vorrichtung
Figur 9 Eine perspektivische Ansicht einer optischen
Vorrichtung gemäß dem fünften Ausführungsbeispiel der Erfindung
Figur 10 Eine perspektivische Darstellung des Lichtkonversionselements der in Figur 9 abgebildeten optischen Vorrichtung
In den Figuren 1 und 2 ist schematisch eine optische Vorrichtung gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel darge¬ stellt. Die optische Vorrichtung 10 besitzt einen Licht¬ leiter 11 in Form von drei parallel zueinander verlaufenden Glasfasern, ein Lichtkonversionselement 12 und einen Kunststoffhalter 13 sowie einen Kühlkörper 14. Der Kunststoffhalter 13 ist als Kunststoffsprit zgussteil und rah¬ menartig ausgebildet. In dem Kunststoffmaterial des Kunststoffhalters 13 sind der Lichtleiter 11 und das Lichtkonversionselement 12 mittels Kunststoffspritzguss- technik fixiert. Der Kunststoffhalter 13 besitzt einen Durchbruch 130, in dem das Lichtkonversionselement 12 und ein Ende des Lichtleiters 11 angeordnet sind. Das Ende des Lichtleiters 11 bildet eine Lichtaustrittsfläche 110 des Lichtleiters 11, aus der Licht austritt, das an einem anderen Ende (nicht abgebildet) des Lichtleiters 11 ein¬ gekoppelt wird. Als Lichtquelle (nicht abgebildet) dient vorzugsweise mindestens eine Laserdiode, die Licht aus dem Spektralbereich des blauen Lichts erzeugt. Die Licht¬ austrittsfläche 110 des Lichtleiters 11 ist in dem Durch¬ bruch 130 des Kunststoffhalters 13 mit Abstand zu dem Lichtkonversionselement 12 angeordnet, so dass von der Lichtaustrittsfläche 110 ausgehendes Licht auf eine Lichteintrittsfläche 121 des Lichtkonversionselements 12 trifft.
Das Lichtkonversionselement 12 wird von einem aus trans¬ parentem Kunststoff oder Glas bestehenden Umlenkprisma 120 gebildet, dessen Lichteintrittsfläche 121 der Licht¬ austrittsfläche 110 des Lichtleiters 11 gegenüber liegt, und das eine mit Leuchtstoff 122 beschichtete Lichtaus¬ trittsfläche 123 aufweist. Die Lichteintrittsfläche 121 des Umlenkprismas 120 ist in einem Winkel von 45 Grad zu der Lichtaustrittsfläche 110 des Lichtleiters 11 ausge¬ richtet und die Lichtaustrittsfläche 123 des Umlenkpris¬ mas 120 ist senkrecht zur Lichtaustrittsfläche 110 des Lichtleiters 11 angeordnet. Das Umlenkprisma 120 besitzt eine parallel zu seiner Lichteintrittsfläche 121 verlau- fende Rückseite 124, die verspiegelt ausgebildet ist. Mit Hilfe des Umlenkprismas 120 und seiner mit Leuchtstoff 122 beschichteten Lichtaustrittsfläche 123 wird aus dem Lichtleiter 11 austretendes blaues Licht um einen Winkel von 90 Grad umgelenkt und ein gewisser Anteil des blauen Lichts beim Durchtritt durch den Leuchtstoff 122 in gel¬ bes Licht konvertiert, so dass aus dem Lichtkonversions¬ element 12 weißes Licht austritt, das eine Mischung von mittels Leuchtstoff 122 in gelbes Licht konvertiertem Licht und nicht konvertiertem blauem Licht ist. Der Kühlkörper 14 besteht aus Material mit hoher Wärme¬ leitfähigkeit, vorzugsweise aus Metall, beispielsweise aus Aluminium oder Kupfer, oder aus gut Wärme leitender Keramik, beispielsweise aus Aluminiumoxidkeramik oder Aluminiumnitridkeramik. Der Kunststoffhalter 13 ist mittels Klebstoff, Schrauben oder Nieten auf einer Oberflä¬ che 140 des Kühlkörpers 14 befestigt. Der Kühlkörper 14 besitzt einen in dem Durchbruch 130 des Kunststoffhalters
13 hineinragenden Steg 141, der an der Rückseite 124 des Umlenkprismas 120 anliegt, um eine gute thermische Kopp¬ lung zwischen Lichtkonversionselement 12 und Kühlkörper
14 zu gewährleisten und eine ausreichende Kühlung des Leuchtstoffs 122 zu ermöglichen.
In den Figuren 3 und 4 ist schematisch eine optische Vor- richtung gemäß dem zweiten Ausführungsbeispiel darge¬ stellt. Diese optische Vorrichtung 20 besitzt einen Lichtleiter 21 in Form von drei parallel zueinander verlaufenden Glasfasern, ein Lichtkonversionselement 22 und einen Kunststoffhalter 23 sowie einen Kühlkörper 24. Der Kunststoffhalter 23 ist als Kunststoffsprit zgussteil und rahmenartig ausgebildet. In dem Kunststoffmaterial des Kunststoffhalters 23 sind der Lichtleiter 21 und das Lichtkonversionselement 22 mittels Kunststoffspritzguss- technik fixiert. Der Kunststoffhalter 23 besitzt einen- Durchbruch 230, in dem das Lichtkonversionselement 22 und ein Ende des Lichtleiters 21 angeordnet sind. Das Ende des Lichtleiters 21 bildet eine Lichtaustrittsfläche 210 des Lichtleiters 21, aus der Licht austritt, das an einem anderen Ende (nicht abgebildet) des Lichtleiters 21 ein- gekoppelt wird. Als Lichtquelle (nicht abgebildet) dient vorzugsweise mindestens eine Laserdiode, die Licht aus dem Spektralbereich des blauen Lichts erzeugt. Die Licht¬ austrittsfläche 210 des Lichtleiters 21 ist in dem Durch¬ bruch 230 des Kunststoffhalters 23 mit Abstand zu dem Lichtkonversionselement 22 angeordnet, so dass von der Lichtaustrittsfläche 210 ausgehendes Licht auf eine Lichtreflexionsfläche 223 des Lichtkonversionselements 22 trifft.
Das Lichtkonversionselement 22 wird von einem Metallkör- per 220 gebildet, der in dem Material des Kunststoffhal¬ ters 23 mittels Kunststoffspritzgusstechnik fixiert ist und der eine mit Leuchtstoff 222 beschichtete, verspie¬ gelte Lichtreflexionsfläche 223 besitzt. Diese Lichtre¬ flexionsfläche 223 ist in dem Durchbruch 230 des Kunst- stoffhalters 23 mit Abstand zu der Lichtaustrittsfläche 210 des Lichtleiters 21 angeordnet und bildet mit der Lichtaustrittsfläche 210 des Lichtleiters 21 einen Winkel von 45 Grad. Der Leuchtstoff 222 ist als Schicht auf der verspiegelten Reflexionsfläche 223 des Metallkörpers 220 aufgebracht. Das aus dem Lichtleiter 21 austretende blaue Licht trifft auf die mit Leuchtstoff 222 beschichtete Re¬ flexionsfläche 223 des Metallkörpers 220 und wird nach dem Passieren der LeuchtstoffSchicht durch Reflexion an der Reflexionsfläche 223 um einen Winkel von 90 Grad um- gelenkt. Mittels des Leuchtstoffs 222 wird ein gewisser Anteil des blauen Lichts in gelbes Licht konvertiert, so dass am Lichtkonversionselement 22 weißes Licht erzeugt wird, das eine Mischung aus in gelbes Licht konvertiertem Licht und nicht konvertiertem blauem Licht ist. Der Kühlkörper 24 besteht aus Material mit hoher Wärme¬ leitfähigkeit, vorzugsweise aus Metall, beispielsweise aus Aluminium oder Kupfer, oder aus gut Wärme leitender Keramik, beispielsweise aus Aluminiumoxidkeramik oder Aluminiumnitridkeramik. Der Kunststoffhalter 23 ist mittels Klebstoff, Schrauben oder Nieten auf einer Oberflä¬ che 240 des Kühlkörpers 24 befestigt. Der Metallkörper 220 liegt an der Oberfläche 240 des Kühlkörpers 24 an, um eine gute thermische Kopplung zwischen Lichtkonversions- element 22 und Kühlkörper 24 zu gewährleisten und eine ausreichende Kühlung des Leuchtstoffs 222 zu ermöglichen.
In den Figuren 5 und 6 ist schematisch eine optische Vorrichtung gemäß dem dritten Ausführungsbeispiel darge¬ stellt. Die optische Vorrichtung 30 besitzt einen Licht- leiter 31 in Form von drei parallel zueinander verlaufenden Glasfasern, ein Lichtkonversionselement 32 und einen Kunststoffhalter 33 sowie einen Kühlkörper 34. Der Kunststoffhalter 33 ist als Kunststoffsprit zgussteil und rah¬ menartig ausgebildet. In dem Kunststoffmaterial des Kunststoffhalters 33 sind der Lichtleiter 31 und das Lichtkonversionselement 32 mittels Kunststoffspritzguss- technik fixiert. Der Kunststoffhalter 33 besitzt einen Durchbruch 330, in dem das Lichtkonversionselement 32 und ein Ende des Lichtleiters 31 angeordnet sind. Das Ende des Lichtleiters 31 bildet eine Lichtaustrittsfläche 310 des Lichtleiters 31, aus der Licht austritt, das an einem anderen Ende (nicht abgebildet) des Lichtleiters 31 ein¬ gekoppelt wird. Als Lichtquelle (nicht abgebildet) dient vorzugsweise mindestens eine Laserdiode, die Licht aus dem Spektralbereich des blauen Lichts erzeugt. Die Licht- austrittsflache 310 des Lichtleiters 31 ist in dem Durch¬ bruch 330 des Kunststoffhalters 33 angeordnet.
Das Lichtkonversionselement 32 wird von einem mit Leucht¬ stoff 322 beschichteten, transparenten Saphirplättchen 320 gebildet, das unmittelbar an der Lichtaustrittsfläche 310 des Lichtleiters 31 angeordnet ist. Die Vorderseite des Saphirplättchens 320 befindet sich in Kontakt mit der Lichtaustrittsfläche 310 des Lichtleiters 31. Die von der Vorderseite abgewandte Rückseite 323 des Saphirplättchens 320 ist mit Leuchtstoff 322 beschichtet. Die mit Leucht¬ stoff 322 beschichtete Rückseite 323 hat eine Fläche im Bereich von 2 mm2 bis 5 mm2.
Dem Lichtkonversionselement 32 ist eine verspiegelte schräge Fläche 350 des Kunststoffhalters 33 nachgeordnet, die das aus der Lichtaustrittsfläche 310 des Lichtleiters 31 und durch das Saphirplättchen 320 hindurch tretende Licht um einen Winkel von 90 Grad umlenkt. Die verspie¬ gelte Fläche 350 ist in einem Winkel von 45 Grad zu dem Saphirplättchen 320 bzw. zu den Oberflächen an Vordersei- te und Rückseite 323 des Saphirplättchens 320 sowie der Lichtaustrittsfläche 310 des Lichtleiters 31 angeordnet.
Mit Hilfe des von dem Saphirplättchens 320 und seiner mit Leuchtstoff 322 beschichteten Rückseite 323 gebildeten Lichtkonversionselements 32 wird aus dem Lichtleiter 31 austretendes blaues Licht beim Durchtritt durch den Leuchtstoff 322 teilweise in gelbes Licht konvertiert, so dass aus dem Lichtkonversionselement 32 weißes Licht aus¬ tritt, das eine Mischung von mittels Leuchtstoff 322 in gelbes Licht konvertiertem Licht und nicht konvertiertem blauem Licht ist. Der relative Anteil von konvertiertem und nicht konvertiertem Licht hängt von der Dicke der Leuchtstoffbeschichtung an der Rückseite 323 des Saphir- plättchens 320 ab. Das an der Rückseite 323 des Saphir- plättchens 320 austretende weiße Licht trifft auf die verspiegelte schräge Fläche 350 und wird dort um einen Winkel von 90 Grad umgelenkt.
Der Kühlkörper 34 besteht aus Material mit hoher Wärme¬ leitfähigkeit, vorzugsweise aus Metall, beispielsweise aus Aluminium oder Kupfer, oder aus gut Wärme leitender Keramik, beispielsweise aus Aluminiumoxidkeramik oder Aluminiumnitridkeramik. Der Kunststoffhalter 33 ist mittels Klebstoff, Schrauben oder Nieten auf einer Oberflä¬ che 340 des Kühlkörpers 34 befestigt. Der Kühlkörper 34 befindet sich mit seiner Oberfläche 340 im Kontakt mit dem Saphirplättchen 320, um eine gute thermische Kopplung zwischen Lichtkonversionselement 32 und Kühlkörper 34 zu gewährleisten und eine ausreichende Kühlung des Leucht¬ stoffs 322 zu ermöglichen. In den Figuren 7 und 8 ist schematisch eine optische Vorrichtung gemäß dem vierten Ausführungsbeispiel darge¬ stellt. Die optische Vorrichtung 40 besitzt einen Licht¬ leiter 41 in Form von drei parallel zueinander verlaufenden Glasfasern, ein Lichtkonversionselement 42 und einen Kunststoffhalter 43 sowie einen Kühlkörper 44. Der Kunststoffhalter 43 ist als Kunststoffsprit zgussteil und rah¬ menartig ausgebildet. In dem Kunststoffmaterial des Kunststoffhalters 43 sind der Lichtleiter 41 und das Lichtkonversionselement 42 mittels Kunststoffspritzguss- technik fixiert. Der Kunststoffhalter 43 besitzt einen Durchbruch 430, in dem das Lichtkonversionselement 42 und ein Ende des Lichtleiters 41 angeordnet sind. Das Ende des Lichtleiters 41 bildet eine Lichtaustrittsfläche 410 des Lichtleiters 41, aus der Licht austritt, das an einem anderen Ende (nicht abgebildet) des Lichtleiters 41 ein¬ gekoppelt wird. Als Lichtquelle (nicht abgebildet) dient vorzugsweise mindestens eine Laserdiode, die Licht aus dem Spektralbereich des blauen Lichts erzeugt. Die Licht¬ austrittsfläche 410 des Lichtleiters 41 ist in dem Durch- bruch 430 des Kunststoffhalters 43 mit Abstand zu dem Lichtkonversionselement 42 angeordnet, so dass von der Lichtaustrittsfläche 410 ausgehendes Licht auf eine Lichteintrittsfläche 421 des Lichtkonversionselements 42 trifft. Das Lichtkonversionselement 42 wird von einer aus trans¬ parentem Kunststoff oder Glas bestehenden TIR-Optik 420 gebildet, deren Lichteintrittsfläche 421 der Lichtaus¬ trittsfläche 410 des Lichtleiters 41 gegenüber liegt, und die eine mit Leuchtstoff 422 beschichtete Lichtaustritts- fläche 423 aufweist. Der Begriff TIR-Optik bezeichnet ei¬ ne Optik, die derart ausgebildet ist, dass an ihren Grenzflächen, mit Ausnahme ihrer Lichtaustrittsfläche 423, beim Übergang des Lichts vom optisch dichteren Medium zum optisch dünneren Medium Totalreflexion auftritt. Die Lichteintrittsfläche 421 der TIR-Optik 420 ist paral¬ lel zu der Lichtaustrittsfläche 410 des Lichtleiters 41 ausgerichtet und die Lichtaustrittsfläche 423 der TIR- Optik 420 ist senkrecht zur Lichtaustrittsfläche 410 des Lichtleiters 41 angeordnet. Die TIR-Optik 420 besitzt ei- ne im Winkel von 45 Grad zu ihrer Lichteintrittsfläche 421 verlaufende, verspiegelte Schräge 424. Mit Hilfe der TIR-Optik 420 und ihrer mit Leuchtstoff 422 beschichteten Lichtaustrittsfläche 423 wird aus dem Lichtleiter 41 aus¬ tretendes blaues Licht um einen Winkel von 90 Grad umge- lenkt und ein gewisser Anteil des blauen Lichts beim Durchtritt durch den Leuchtstoff 422 in gelbes Licht kon¬ vertiert, so dass aus dem Lichtkonversionselement 42 wei¬ ßes Licht austritt, das eine Mischung von mittels Leucht¬ stoff 422 in gelbes Licht konvertiertem Licht und nicht konvertiertem blauem Licht ist. Die senkrecht zur Licht¬ austrittsfläche 423 verlaufenden Grenzflächen der TIR- Optik 420 sind total reflektierend ausgebildet. Dadurch trifft blaues Licht aus unterschiedlichen Winkeln auf die mit Leuchtstoff 422 beschichtete Lichtaustrittsfläche 423 und es wird somit eine gute Mischung von konvertiertem und nicht konvertiertem Licht gewährleistet, so dass die Lichtaustrittsfläche 423 des Lichtkonversionselements 42 homogenes weißes Licht mit lambertscher Verteilung emit¬ tiert . Der Kühlkörper 44 besteht aus Material mit hoher Wärme¬ leitfähigkeit, vorzugsweise aus Metall, beispielsweise aus Aluminium oder Kupfer, oder aus gut Wärme leitender Keramik, beispielsweise aus Aluminiumoxidkeramik oder Aluminiumnitridkeramik. Der Kunststoffhalter 43 ist mit- tels Klebstoff, Schrauben oder Nieten auf einer Oberfläche 440 des Kühlkörpers 44 befestigt. Der Kühlkörper 44 befindet sich mittels eines in den Durchbruch 430 des Kunststoffhalters 43 hineinragenden, keilartigen Stegs 441 in Kontakt mit der TIR-Optik 420. Der keilartige Steg 441 liegt an der Schräge 424 der TIR-Optik 420 an, um ei- ne gute thermische Kopplung zwischen Lichtkonversionsele¬ ment 42 und Kühlkörper 44 zu gewährleisten und eine ausreichende Kühlung des Leuchtstoffs 422 zu ermöglichen. Der Steg 441 ist entweder einstückig mit dem Kühlkörper 44 oder als separates, in dem KunstStoffhalter 43 mittels Kunststoffspritzgusstechnik fixiertes Bauteil ausgebil¬ det .
In den Figuren 9 und 10 ist schematisch eine optische Vorrichtung gemäß dem fünften Ausführungsbeispiel darge- stellt. Die optische Vorrichtung 50 besitzt einen Licht¬ leiter 51 in Form von drei parallel zueinander verlaufenden Glasfasern, ein Lichtkonversionselement 52 und einen Kunststoffhalter 53 sowie einen Kühlkörper 54. Der Kunststoffhalter 53 ist als Kunststoffsprit zgussteil und rah- menartig ausgebildet. In dem Kunststoffmaterial des Kunststoffhalters 53 sind der Lichtleiter 51 und das Lichtkonversionselement 52 mittels Kunststoffspritzguss¬ technik fixiert. Der Kunststoffhalter 53 besitzt einen Durchbruch 530, in dem das Lichtkonversionselement 52 und ein Ende des Lichtleiters 51 angeordnet sind. Das Ende des Lichtleiters 51 bildet eine Lichtaustrittsfläche des Lichtleiters 51, aus der Licht austritt, das an einem an¬ deren Ende (nicht abgebildet) des Lichtleiters 41 einge¬ koppelt wird. Als Lichtquelle (nicht abgebildet) dient vorzugsweise mindestens eine Laserdiode, die Licht aus dem Spektralbereich des blauen Lichts erzeugt. Die Licht¬ austrittsfläche des Lichtleiters 51 ist in dem Durchbruch 530 des Kunststoffhalters 53 angeordnet, so dass von der Lichtaustrittsfläche ausgehendes Licht auf eine Lichtein- trittsöffnung 521 des Lichtkonversionselements 52 trifft. Das Ende des Lichtleiters 51, das von den Enden der drei, in dem Durchbruch 530 angeordneten Glasfasern gebildet wird und auch die Lichtaustrittsfläche des Lichtleiters 51 definiert, ist vorzugsweise unmittelbar an der Licht- eintrittsöffnung 521 des Lichtkonversionselements 52 an¬ geordnet oder erstreckt sich in die Lichteintrittsöffnung 521 des Lichtkonversionselements 52 hinein, um die Licht¬ verluste beim Übergang des Lichts vom Lichtleiter 51 zum Lichtkonversionselement 52 zu minimieren. Das Lichtkonversionselement 52 besitzt einen Hohlkörper 520, der abgesehen von einer schräg verlaufenden Stirnseite 524 quaderförmig ausgebildet ist. Die Wände des Hohlkörpers 520 sind an ihren Innenseiten verspiegelt und bilden somit einen verspiegelten Hohlraum. Der Hohlkörper 520 weist eine Lichteintrittsöffnung 521 auf, in welche das als Lichtaustrittsfläche ausgebildete Ende des Licht¬ leiters 51 hineinragt. Außerdem besitzt der Hohlkörper 520 eine Lichtaustrittsöffnung 523, die von einem mit Leuchtstoff 522 beschichteten Saphirplättchen 525 abge- deckt ist. Das über die Lichteintrittsöffnung 521 in den Hohlkörper 520 eingekoppelte blaue Licht wird mehrfach an den verspiegelten Innenwänden des Hohlkörpers 520 reflektiert, bevor es auf das mit Leuchtstoff 522 beschichtete Saphirplättchen 525 an der Lichtaustrittsöffnung 523 des Hohlkörpers 520 trifft. Mit Hilfe des Hohlkörpers 520 und des an seiner Lichtaustrittsöffnung 523 angeordneten, mit Leuchtstoff 522 beschichteten Saphirplättchens 525 wird aus dem Lichtleiter 51 austretendes blaues Licht um einen Winkel von 90 Grad umgelenkt und ein gewisser Anteil des blauen Lichts beim Durchtritt durch den Leuchtstoff 522 in gelbes Licht konvertiert, so dass aus dem Lichtkonver¬ sionselement 52 weißes Licht austritt, das eine Mischung von mittels Leuchtstoff 522 in gelbes Licht konvertiertem Licht und nicht konvertiertem blauem Licht ist. Durch die geringfügig vorhandene Auffächerung des Lichts beim Ver¬ lassen des Lichtleiters 51 und die Mehrfachreflexion an der verspiegelten Innenseite der Wände des quaderförmigen Hohlkörpers 520 trifft blaues Licht aus unterschiedlichen Winkeln auf das mit Leuchtstoff 522 beschichtete Saphir- plättchen 522 an der Lichtaustrittsöffnung 523 und es wird somit eine gute Mischung von konvertiertem und nicht konvertiertem Licht gewährleistet, so dass das Lichtkon¬ versionselement 52 weißes Licht mit lambertscher Vertei¬ lung emittiert. Der Kühlkörper 54 besteht aus Material mit hoher Wärme¬ leitfähigkeit, vorzugsweise aus Metall, beispielsweise aus Aluminium oder Kupfer, oder aus gut Wärme leitender Keramik, beispielsweise aus Aluminiumoxidkeramik oder Aluminiumnitridkeramik. Der Kunststoffhalter 53 ist mit- tels Klebstoff, Schrauben oder Nieten auf einer Oberfläche 540 des Kühlkörpers 54 befestigt. Ein von der Ober¬ fläche 540 des Kühlkörpers 54 abstehender, keilartiger Steg, der in den Durchbruch 530 hineinragt, liegt an der Außenseite einer schräg verlaufenden Stirnseite 524 des Hohlkörpers 520 an, um eine gute thermische Kopplung zwi¬ schen Lichtkonversionselement 52 und Kühlkörper 54 zu ge¬ währleisten und eine ausreichende Kühlung des Leucht¬ stoffs 522 zu ermöglichen. Das Saphirplättchen 525 besitzt eine hohe Wärmeleitfähigkeit und trägt somit eben- falls zur Kühlung des Leuchtstoffs 522 bei. Die Erfindung beschränkt sich nicht auf die oben näher erläuterten Ausführungsbeispiele der Erfindung. Bei¬ spielsweise können die Lichtkonversionselemente gemäß den oben beschriebenen Ausführungsbeispielen zusätzlich zu der LeuchtstoffSchicht jeweils eine Lichtstreuende Schicht aufweisen, die beispielsweise zwischen der LeuchtstoffSchicht und der Lichtaustrittsfläche oder Lichteintrittsfläche des Lichtkonversionselements ange¬ ordnet ist, um eine homogenere Mischung von mittels Leuchtstoff konvertiertem gelbem und nicht konvertiertem blauem Licht zu erreichen. Außerdem kann der Lichtleiter nur aus einer einzigen Glasfaser oder aus mehr als drei Glasfasern bestehen oder auch eine beliebig andere Form aufweisen. Insbesondere kann der Lichtleiter Glasfasern umfassen, deren Licht am Lichtkonversionselement vorbei¬ geführt wird, um beispielsweise entweder deren nicht kon¬ vertiertes Licht mit konvertiertem Licht aus dem Licht¬ konversionselement zusammen zuführen und zu mischen oder aber das nicht konvertierte Licht für andere Applikatio- nen zu nutzen. Ferner kann der Leuchtstoff ein einzelner Leuchtstoff oder eine Mischung von mehreren Leuchtstoffen sein. Weiterhin kann der Leuchtstoff in Form einer aus einer oder mehreren Leuchtstoffschichten bestehenden Be- schichtung vorgesehen sein. Außerdem muss der Leuchtstoff nicht unbedingt derart ausgebildet sein, dass er blaues Licht in gelbes Licht konvertiert, wie bei den oben näher beschriebenen Ausführungsbeispielen beschrieben wurde. Alternativ können beispielsweise Leuchtstoffe verwendet werden, die ultraviolette Strahlung in weißes Licht kon- vertieren, wobei als Lichtquelle für die Lichteinkopplung in den Lichtleiter ein Laser genutzt wird, der statt blauem Licht ultraviolette Strahlung erzeugt und in den Lichtleiter einkoppelt.
Die Lichtkonversionsschicht kann auch in Form einer Leuchtstoffeinbettungsmatrix vorgesehen sein, in welcher die Leuchtstoffpartikel idealerweise fein gelöst verteilt sind; es kann sich beispielsweise um einen Keramikkörper handeln, etwa dotiertes Yttrium-Aluminium-Granat (YAG) . So ergibt beispielsweise mit Eu dotiertes YAG einen roten und mit Ce dotiertes YAG einen grünen Leuchtstoff; als blauer Leuchtstoff kann beispielsweise Eu dotiertes Bari- um-Magnesium-Aluminat (BAM) vorgesehen sein.
Als Leuchtstoff wird bei den oben beschriebenen Ausführungsbeispielen vorzugsweise Gelbkonversions-Leuchtstoff, insbesondere mit Zer dotierter Yttrium-Aluminium-Granat (YAG : Ce) verwendet.
Die erfindungsgemäße optische Vorrichtung und die erfin¬ dungsgemäße Beleuchtungseinrichtung mit einer optischen Vorrichtung lassen sich auch in anderen Applikationen einsetzen, zum Beispiel in Scheinwerfern, Follow-Spots , Lichtfingern ( Sky-Tracker) , Such- und Signalscheinwerfern, Effektleuchten in der Unterhaltungsindustrie sowie für medizinische und industrielle Beleuchtung oder Be¬ strahlung, beispielweise für Hauttherapie.

Claims

Ansprüche
Optische Vorrichtung mit mindestens einem Lichtlei¬ ter (11), der eine Lichtaustrittsfläche (110) oder Lichtaustrittsöffnung besitzt, und mindestens einem Lichtkonversionselement (12), das der Lichtaus¬ trittsfläche (110) bzw. Lichtaustrittsöffnung des mindestens einen Lichtleiters (11) nachgeordnet ist und dazu ausgebildet ist, aus dem mindestens einen Lichtleiter (11) austretendes Licht zumindest teil¬ weise in Licht mit anderer Wellenlänge zu konver¬ tieren, dadurch gekennzeichnet, dass der mindestens eine Lichtleiter (11) und das mindestens eine Lichtkonversionselement (12) in einem gemeinsamen Halter (13) angeordnet sind.
Optische Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei der Halter (13) als Kunststoffhalter ausgebildet.
Optische Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, wobei der Halter (13) rahmenartig ausgebildet ist und mindestens einen Durchbruch (130) aufweist, in dem der mindestens eine Lichtleiter (11) und das min¬ destens eine Lichtkonversionselement (12) gehaltert sind .
Optische Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei die optische Vorrichtung einen Kühlkörper (14) aufweist, auf dem der Halter (13) fixiert ist. Optische Vorrichtung nach Anspruch 4, wobei das mindestens eine Lichtkonversionselement (12) ther¬ misch an den Kühlkörper (14) gekoppelt ist.
Optische Vorrichtung nach Anspruch 5, wobei das mindestens eine Lichtkonversionselement (12) mit einer Oberfläche des Kühlkörpers (14) im Kontakt ist .
Optische Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei das mindestens eine Lichtkonversionsele¬ ment (12) Leuchtstoff (122) aufweist.
Optische Vorrichtung nach Anspruch 7, wobei der Leuchtstoff (122) auf einer Oberfläche (123) des mindestens einen Lichtkonversionselements (12) an¬ geordnet ist.
Optische Vorrichtung nach Anspruch 8, wobei die Oberfläche (223) metallisch ist.
Optische Vorrichtung nach einem der Ansprüche 7 bis
9, wobei das mindestens eine Lichtkonversionsele¬ ment (12) als Wärmesenke für den Leuchtstoff (122) ausgebildet ist.
Optische Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis
10, wobei das mindestens eine Lichtkonversionsele¬ ment (42) eine Optik (420) mit Totalreflexion um- fasst . Optische Vorrichtung nach Anspruch 11, wobei die Optik (420, 520) als verspiegelter Hohlraum oder als TIR-Optik ausgebildet ist.
Optische Vorrichtung nach Anspruch 11 oder 12, wobei die Optik (120) mindestens eine mit Leuchtstoff (122) beschichtete Oberfläche (123) aufweist.
Optische Vorrichtung nach einem der Ansprüche 7 bis 13, wobei das mindestens eine Lichtkonversionsele¬ ment Licht streuende Mittel aufweist.
Beleuchtungseinrichtung mit einer optischen Vorrichtung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 14 und mindestens einer Lichtquelle zur Lichteinkopplung in den mindestens einen Lichtleiter der optischen Vorrichtung .
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