WO2015140001A1 - Beleuchtungseinrichtung - Google Patents

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WO2015140001A1
WO2015140001A1 PCT/EP2015/054915 EP2015054915W WO2015140001A1 WO 2015140001 A1 WO2015140001 A1 WO 2015140001A1 EP 2015054915 W EP2015054915 W EP 2015054915W WO 2015140001 A1 WO2015140001 A1 WO 2015140001A1
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WO
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light
wavelength converter
optical element
diffractive optical
diffraction
Prior art date
Application number
PCT/EP2015/054915
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English (en)
French (fr)
Inventor
Joachim Knittel
Original Assignee
Automotive Lighting Reulingen Gmbh
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Publication date
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    • 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
    • F21S—NON-PORTABLE LIGHTING DEVICES; SYSTEMS THEREOF; VEHICLE LIGHTING DEVICES SPECIALLY ADAPTED FOR VEHICLE EXTERIORS
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    • 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
    • F21S41/176—Light sources where the light is generated by photoluminescent material spaced from a primary light generating element
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F21—LIGHTING
    • F21Y—INDEXING SCHEME ASSOCIATED WITH SUBCLASSES F21K, F21L, F21S and F21V, RELATING TO THE FORM OR THE KIND OF THE LIGHT SOURCES OR OF THE COLOUR OF THE LIGHT EMITTED
    • F21Y2115/00—Light-generating elements of semiconductor light sources
    • F21Y2115/10—Light-emitting diodes [LED]
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F21—LIGHTING
    • F21Y—INDEXING SCHEME ASSOCIATED WITH SUBCLASSES F21K, F21L, F21S and F21V, RELATING TO THE FORM OR THE KIND OF THE LIGHT SOURCES OR OF THE COLOUR OF THE LIGHT EMITTED
    • F21Y2115/00—Light-generating elements of semiconductor light sources
    • F21Y2115/30—Semiconductor lasers

Definitions

  • the present invention relates to a lighting device for motor vehicles (motor vehicle) with a laser light source, according to the preamble of claim 1.
  • Laser light sources e.g., semiconductor lasers, laser diodes
  • a small light-emitting surface high radiation intensities, and the emission of largely collimated light bundles.
  • laser light sources it is therefore possible to construct optical systems with smaller focal lengths and more focused radiation profiles than for conventional light sources such as incandescent lamps or light-emitting diodes.
  • laser light sources can provide high luminance.
  • optical systems can be realized in a comparatively small space and with small light exit surfaces, whereby the design freedom in the design of the lighting device can be increased.
  • the use of laser light in automotive lighting devices presents specific challenges that typically do not exist when using other light sources such as LEDs.
  • the light emerging from the laser light source is usually highly collimated and has high temporal and spatial coherence, i. different wave trains of a light bundle have a fixed phase relation to one another.
  • Laser light is therefore potentially dangerous at the typical high radiation intensities of laser light sources and can damage the human eye. This hazard is particularly pronounced when the light is projected into a beam light distribution by means of collimating or collimating secondary optics, e.g. in the case of motor vehicle headlamps.
  • a high spatial coherence of the light waves can lead to dangerously high intensities after bundling and / or collimation.
  • the emitted light In the field of automotive lighting equipment, the emitted light must also have a prescribed color distribution and / or color temperature.
  • a motor vehicle headlight is e.g. white mixed light desired or required by law.
  • a laser usually emits monochromatic light (e.g., UV light) or light in a very narrow wavelength range.
  • the conversion of monochromatic light into polychromatic or white light can in principle be carried out with wavelength converters.
  • the converter is arranged in the beam path of the light emitted by the light source and is designed such that it is excited by the incident light for emitting light with desired spectral properties.
  • Such wavelength converters are e.g. designed as a luminescence converter.
  • the converter itself emits light having at least one other, generally longer, wavelength (e.g., yellow), or acts as a mixed light source for light having an increased spectral range.
  • the wavelength converter therefore has a safety-related function. If the wavelength converter is damaged, removed from the beam path or impaired in its function, potentially dangerous laser radiation can escape from the illumination device without conversion into harmless light.
  • a lighting device in which the light of a laser radiation source is coupled into a light guide, on the light exit surface of a wavelength converter is arranged. By means of detectors, the light scattered by the converter is monitored.
  • the invention has for its object to provide for automotive lighting devices with laser light sources a safety precaution, which operates error-prone and with which a risk of leakage of laser radiation can be avoided as completely as possible.
  • the illumination device has at least one laser light source (for example laser light-emitting diode), by means of which a primary light bundle of laser light with a first wavelength or with light in a first wavelength range can be emitted.
  • a wavelength converter is provided, which is arranged such that the primary light beam strikes the wavelength converter during operation of the illumination device.
  • the wavelength converter is designed in such a way that a secondary light distribution with at least one further wavelength or with at least one further wavelength range, in particular utilizing photoluminescence, can be emitted by the irradiated primary light bundle.
  • a diffractive optical element is arranged such that the primary light beam is diffracted before impinging on the wavelength converter at the diffractive optical element, i. in that the primary light bundle is deformed by diffraction at the diffractive optical element before impinging on the wavelength converter.
  • the following beam path results in the illumination device:
  • the primary light beam strikes the diffractive optical element.
  • the wavelength converter then outputs the secondary light distribution which exits through a light exit section of the illumination device and forms, e.g. forms a main emission direction concentrated emission light distribution of the illumination device.
  • the illumination device can furthermore have an abstraction device which is arranged in the beam path downstream of the wavelength converter and is designed to convert the secondary light distribution into the emission light distribution, e.g. to divert and / or bundle and / or project.
  • the wavelength converter serves insofar as a secondary light source, which represents the actual light source for useful light of the illumination device and emits a radiation corresponding to the safety regulations.
  • the diffractive optical element is in particular designed in such a way that it itself does not carry out any wavelength conversion, in particular has no influence on the wavelength of the laser light. In particular, the diffractive optical element is not part of the wavelength converter or of the converter layer itself.
  • the wavelength converter If the wavelength converter is no longer in the beam path, e.g. has been destroyed or has been released from its position, it is prevented by the diffractive optical element that the laser light in a dangerous manner exits unchanged from the illumination device.
  • the diffractive optical element diffractively changes the intensity distribution of the primary light bundle in such a way that a danger from the diffracted light can be avoided even when the wavelength converter is ineffective.
  • the laser light emerging from the laser light source depending on the embodiment can be converted with a spatially highly coherent, uniform phase front over the entire radiation cross section into a light field with a lower hazard potential.
  • the wavelength converter is basically designed in the manner described above.
  • the laser light of the primary light beam which may be almost monochromatic depending on the design of the laser light source, is converted into the light of the secondary light distribution, in particular into a polychromatic or white light.
  • the wavelength converter is designed in particular as a photoluminescent element, which converts light of the primary light beam having the first wavelength into light having at least one further wavelength. Depending on the configuration, at least part of the incident light is converted into light of another wavelength range.
  • the photoluminescent element additionally scatters a portion of the primary light bundle, with another portion serving to excite photoluminescence.
  • the scattered light and the light converted by photoluminescence may then additively overlap and result in the desired (e.g., white) mixed light.
  • the converter can also be designed such that it emits a mixed light or white light with a plurality of wavelength components after being excited by the primary light beam. In principle, a complete conversion of the incident light by photoluminescence is conceivable.
  • the diffractive optical element has an optically effective diffraction surface with a diffraction structuring.
  • the diffraction structuring may e.g. be formed as a surface structure of raised and / or recessed areas. Such structures can be formed by lithographic techniques, pressing and / or etching on a suitable support, e.g. on glass slides or plastic tiles.
  • the diffraction structuring preferably has a typical structure length in the range of the wavelength of the light of the laser light source, in particular in the sub-micron range, for example between 100 nm and 800 nm.
  • the structure length can be, for example, a period length of the diffraction structuring.
  • the diffractive optical element is preferably designed as a transmission element, in particular plate-like, and has the diffraction structuring on a surface.
  • a surface structuring with raised and / or recessed areas a local variation of the refractive index of the material is also conceivable. As a result, the optical path length is locally changed for transmitted light, thus achieving a diffraction pattern.
  • the diffractive optical element can also be designed as a reflection element, wherein a reflective diffraction surface has a corresponding diffraction structuring.
  • the diffractive optical element is in particular designed such that is magnified by the diffraction of the illuminated by the primary light beam solid angle range. It is conceivable on the one hand, that the divergence of the initially highly collimated laser light beam is increased. As a result, saturation effects in the wavelength converter due to high local irradiation can be avoided. Also, the life of the wavelength converter can be increased. In addition, can be ensured by suitable expansion optimal illumination of the wavelength converter. On the other hand, it is conceivable that the primary light beam is converted by diffraction into a light distribution having defined diffraction maxima and diffraction minima, which appear at different diffraction angles with respect to the direction of irradiation of the primary light beam on the diffractive optical element.
  • the diffractive optical element may have a diffraction surface with a periodic diffraction structuring, in particular be designed as a diffraction grating.
  • the diffractive optical element has an irregular, in particular non-periodic diffraction structuring.
  • the diffraction pattern can be tailored.
  • the diffraction patterning can be adapted to the laser light source and the wavelength converter in such a way that the primary light beam impinging on the diffractive optical element is converted into a light bundle whose beam cross section is matched to the shape of the wavelength converter for optimal illumination.
  • the diffractive optical element and the wavelength converter and the laser light source are adapted to each other such that after the diffraction of the primary light beam of the wavelength converter is illuminated with a substantially homogeneous intensity distribution.
  • an intensity distribution should be generated in such a way that the primary light bundle after diffraction has a nearly constant intensity over the entire bundle cross section.
  • a typical intensity profile of a laser light source e.g., Gaussian intensity profile with elliptical cross-section
  • Such embodiments offer the advantage that there are certain tolerances with regard to the positioning of wavelength converter and diffractive optical element to each other, and slight shifts of these components to each other does not significantly affect the efficiency of the conversion. In addition, a uniform stress and heating of the wavelength converter can be achieved.
  • the collimated primary light beam is irradiated onto the diffractive optical element, in particular along an irradiation direction about which the intensity is distributed in the spatial average.
  • the diffractive optical element is designed and arranged such that the direction of incidence of the incident primary light beam with a preferred direction of the diffracted light about which a large part of the intensity of the diffracted light is concentrated in the spatial means, a non-vanishing angle. In this respect, a large part of the intensity is deflected laterally. In this way it can be prevented that dangerous laser light exits the illumination device, for example, when the converter is destroyed or has become ineffective.
  • the illumination device preferably has an abstraction device arranged in the beam path after the wavelength converter, for example a bundle optical system, such as a projection lens.
  • the Abstrahloptik healthy is particularly adapted to transform within a Er chargedsraumwinkel Schemees on the Abstrahloptik raised incident light in the Abstrahllichtver notorious the illumination device, wherein outside of the detection space angle range on the Abstrahloptik adopted incident light is not detected by this.
  • the diffractive optical element is then designed in particular in such a way that, in the case of a wavelength converter which is remote from the beam path, the light diffracted by the diffractive optical element extends outside the detection space angle range of the abstraction device.
  • the preferred direction of the diffracted light in particular runs obliquely to the direction of irradiation, that the diffracted light is not detected by the Abstrahloptik adopted the illumination device when removing the wavelength converter from the beam path.
  • an angle of greater than 70 ° is included between the preferred direction of the diffracted light and the direction of incidence.
  • the deflection of the diffracted light in a preferred direction obliquely to the direction of irradiation can be achieved, for example, in the case of a diffraction grating diffractive optical element in that the main intensity is not directed into the zeroth diffraction order but into a higher diffraction order.
  • the diffractive optical element can be designed as a plate with a particularly periodic diffraction structuring, wherein the periodically repeating regions are configured asymmetrically, for example having a sawtooth modulation.
  • Such diffractive structures which use the so-called "blaze technique", can direct a majority of the intensity irradiated to them into a higher diffraction order, e.g. in the diffraction order, in which the Nutzlicht is directed.
  • a light absorber may be provided, which is arranged such that the diffracted in the oblique to the direction of irradiation preferred direction light would then be detected by the light absorber when the wavelength converter would be removed from the beam path.
  • the light absorber thus forms a light trap for the laser light, which absorbs the dangerous laser light when the wavelength converter has been damaged, removed or rendered inoperative.
  • leakage of dangerous laser radiation can be reliably avoided.
  • the light absorber is preferably spaced from the diffractive optical element in the preferential direction of the diffracted light such that the wavelength converter is disposed between the diffractive optical element and the light absorber.
  • the wavelength converter is arranged directly on the diffractive optical element.
  • wavelength converter and diffractive optical element are fixedly connected to each other and form an integral light conversion element.
  • this light conversion element provides the function for converting the hazardous laser light into the useful light of the illumination device, and on the other hand the security effect through the diffractive optical element in the event that the wavelength converter becomes inoperative.
  • the direct arrangement of the two units together ensures that, when operated properly with a functioning wavelength converter, the diffracted light impinges on the wavelength converter, even if the diffractive optical element is designed such that the main intensity is diffracted obliquely to the direction of incidence, as explained above.
  • the diffractive optical element has a plate-like carrier, which has an optically effective diffraction surface with a diffraction structuring.
  • the carrier is preferably made of a transparent material, for example plastic or glass.
  • the preferably also plate-like designed wavelength converter is arranged adjacent to the carrier. It is conceivable, e.g. a converter layer.
  • the diffraction surface can basically be provided on the side facing the wavelength converter, or on the side of the carrier facing away from the wavelength converter.
  • the optically effective diffraction surface is provided with a cover layer, for example a transparent substrate or lacquer.
  • the diffraction surface or pattern can then be adapted to the optical properties of the cover layer, e.g. if it has a different refractive index from the basic structure of the diffraction surface.
  • the cover layer Through the cover layer, the diffraction surface can be protected from contamination.
  • the wavelength converter can be arranged, for example, adjacent to this cover layer.
  • the light of a laser light source generally has a defined polarization.
  • the operational reliability can be further increased by means of a polarization-selective sensor arrangement.
  • the risk potential described above of an illumination device with laser light source and wavelength converter can - be reduced regardless of a configuration with diffractive optical elements - that the laser light source is designed to emit a primary light distribution with linearly polarized light having a Primärpolarisationsplatz, and a polarization-selective sensor arrangement is provided which is designed such that it preferably responds exclusively to light with a polarization direction which is perpendicular to the Primärpolarisationsplatz.
  • the sensor device is preferably designed and arranged such that at least a portion of the light emitted by the wavelength converter is detected by the sensor device.
  • the sensor device is arranged such that light scattered back from the wavelength converter, in particular the light scattered back in the direction away from a light exit section of the illumination device, is detected by the sensor device.
  • the conversion of light in the wavelength converter can lead to multiple scattering and / or multiple scattering in the wavelength converter.
  • the secondary light distribution emitted by the wavelength converter due to the excitation with the primary light bundle thus contains light with a polarization direction perpendicular to the primary polarization direction.
  • a response of the sensor device in the operation of the illumination device therefore indicates that a functioning of the wavelength converter can be assumed. If, despite the laser light source being activated, the sensor no longer receives light with a polarization direction perpendicular to the primary polarization direction, this indicates that the wavelength converter has become inoperative or is removed from the beam path.
  • Measures can then be taken to exclude a risk of laser light, as explained in more detail below.
  • the polarization-sensitive monitoring rules out that a sensor signal is triggered by unconverted laser light, which is scattered back on other components of the illumination device or on external objects, and is erroneously evaluated as an indication of the functionality of the wavelength converter. This is due to the fact that a simple reflection of the laser light on reflecting surfaces is generally not accompanied by a change in the polarization direction. The functionality of the wavelength converter can therefore be reliably monitored.
  • the polarization-selective sensor device is preferably realized in that a light-sensitive sensor is arranged on the side facing away from a light exit section (eg, abstracting device) of the illumination device, and in the beam path between the wavelength converter and the sensor a polarization filter element is provided which is perpendicular to the light with polarization direction Primary polarization direction is permeable.
  • the polarizing filter element may also be nearly opaque to light having the primary polarization direction.
  • a polarizing beam splitter is arranged, which is designed such that the outgoing from the laser light source light is transmitted with the Primärpolarisationsplatz to the wavelength converter, and that of the wavelength converter backscattered light with a polarization direction is deflected perpendicular to the Primärpolarisationsplatz by the beam splitter in the direction of the sensor.
  • the light-sensitive sensor is in turn preferably arranged on the side facing away from a light exit section of the illumination device, in particular arranged laterally offset from the direction of irradiation of the primary light bundle, viewed in particular by the wavelength converter.
  • the illumination device has a control device for the laser light source. This is designed to control the laser light source as a function of measured values of the sensor device.
  • the laser light source is deactivated or at least the radiated intensity is reduced to a harmless level if the measured intensity falls below a control threshold.
  • the configuration described above with a polarization-selective sensor device can be provided independently of the embodiment with a diffractive optical element. However, it is particularly preferred if the configuration with polarization-selective sensor device is provided in addition to the diffractive optical element. As a result, the risk of danger is on the one hand reduced passively by the diffraction effect of the diffractive optical element, and on the other hand, the laser light source can be activated accordingly when the intensity detected by the polarization-selective sensor device decreases.
  • Figure 1 sketched representation of a lighting device with laser light source and wavelength converter
  • FIG. 1 sketched representation of an improved lighting device
  • FIG. 3 sketched representation of a further embodiment of an improved illumination device
  • FIG. 4 detailed representation of the light conversion element of the illumination device according to FIG. 3;
  • FIG. 5 shows a further illumination device in a sketched representation
  • Figure 6 sketched representation of a lighting device with polarization-selective sensor device
  • FIG. 7 shows a further illumination device with polarization-selective sensor device.
  • Figure 1 shows a lighting device with a laser light source 10 (e.g., semiconductor laser or laser diode) by which a primary light beam 12 can be radiated by laser light.
  • the primary light beam 12 is substantially monochromatic and, regardless of the divergence indicated in FIG. 1, can be highly collimated.
  • the primary light beam 12 preferably has light of a first wavelength or of a first wavelength range around the first wavelength.
  • a wavelength converter 14 is arranged in the further beam path of the primary light beam 12. This is designed as a photoluminescent element and arranged on a carrier 16 such that the primary light beam 12 strikes the wavelength converter 14.
  • an optional bundling optical system 18 is provided in the beam path between the laser light source 12 and the wavelength converter 14, so that the primary light beam 12 is bundled before impinging on the wavelength converter 14 into a primary light bundle 12 'corresponding to the dimensions of the wavelength converter 14.
  • the primary light beam 12 or 12 ' is concentrated when impinging on the wavelength converter 14 about an irradiation direction 20 around, i. the intensity of the primary light beam 12 or 12 'is concentrated around the direction of radiation 20 in the spatial average.
  • the wavelength converter 14 is designed to emit a secondary light distribution 22 due to the excitation by the primary light beam 12 or 12 ', which corresponds to the requirements of the useful light of the illumination device.
  • the secondary light distribution is no longer nearly monochromatic with the first wavelength of the primary light beam 12, but polychromatic with at least one other wavelength or even white.
  • the illumination device also includes an abstraction device 24, which in the example illustrated comprises a projection lens and forms a light exit section 25 of the illumination device.
  • the Abstrahloptik Hughes 24 is disposed in the beam path after the wavelength converter 14 and forms the secondary light distribution 22 in a light emitted by the illumination device 26 Abstrahllichtver notorious.
  • the emission light distribution 26 is e.g. concentrated around a main emission direction 28 of the illumination device.
  • the wavelength converter 14 acts as the actual light source of the illumination device, which feeds the emission light distribution 26.
  • the wavelength converter 14 converts at least a portion of the primary light beam 12 from potentially hazardous laser light into harmless light of a different wavelength.
  • the secondary light distribution 22 no longer has the potentially dangerous properties of the laser light, in particular is no longer so strongly collimated, no longer the high typical for laser light has spatial and temporal coherence and is no longer monochromatic.
  • the wavelength converter 14 is removed from the beam path (for example detached, broken or evaporated by the carrier 16), the primary light beam 12 is emitted to the outside without conversion into harmless light of the secondary light distribution by means of the abstraction means 24.
  • dangerously high intensities may occur in the illumination device.
  • the illumination device as a vehicle lighting device there is thus the danger that road users are dazzled or caused by the exiting laser light eye damage.
  • a diffractive optical element 30 is arranged in the illumination device according to FIG. 2 in the beam path between the laser light source 10 and the wavelength converter 14.
  • the primary light beam 12 strikes the diffractive optical element 30 in the further beam path and is deformed by this by diffraction.
  • bundling by the bundling optical system 18 takes place prior to hitting the diffractive optical element, which, however, can basically also be dispensed with.
  • the effect of the diffractive optical element 30 is based, in particular, on the fact that the laser radiation of the primary light bundle 12 or 12 'has a high temporal and spatial coherence and therefore, by appropriate design of the diffractive optical element 30, an intermediate light distribution 32 can be generated which, on the one hand, has certain hazardous properties of the primary light beam 12 no longer has, on the other hand, however, allows efficient excitation of the wavelength converter 14, as explained in more detail below.
  • the laser light bundle 12 can be deformed by the diffraction at the diffractive optical element 30 such that the wavelength converter 14 is illuminated as homogeneously as possible.
  • the primary light beam 12 has a typical intensity profile over the beam cross section. This intensity profile can be optimized by diffraction at the diffractive optical element 30 for optimal conversion and increased lifetime of the wavelength converter 14.
  • a primary light bundle 12 which is circular or elliptical in cross-section can be transformed by diffraction into a homogeneously illuminated, circular or, with a suitable design of the diffractive optical element 30, also rectangular intermediate light bundle 32. It is also conceivable that the divergence of the primary light beam 12 is increased by diffraction.
  • the diffractive optical element 30 is plate-like and made of a transparent material. It has a diffraction surface 34, which is provided with a suitable diffraction structuring, for example with raised and / or recessed regions of the diffraction surface 34 and / or local variation of the refractive index of the material of the diffractive optical element 30.
  • the light diffracted at the diffractive optical element 30 of the primary light beam 12 or 12 ' has substantially the spectral properties of the primary light beam 12 and is therefore suitable for the excitation of the wavelength converter 14.
  • the diffractive optical element 30 can also be designed such that the diffracted light distribution 32 no longer has the hazard potential of the primary light distribution 12. By diffraction effects, it is particularly possible to convert a present depending on the configuration of the laser light source 10 uniform phase front over the beam cross section of the primary light beam 12 in a corresponding diffraction pattern.
  • the wavelength converter 14 is removed from the beam path, for example because of an accident involving destruction of the wavelength converter 14 or detachment from the carrier 16, then the hazardous primary beam 12 is not emitted via the abstraction device 24, but the intermediate light distribution 32 converted by diffraction is emitted to the outside radiated.
  • the wavelength converter 14 and the diffractive optical element 30 are arranged in such a way that they form a coherent light conversion element 36.
  • the light conversion element 36 comprises a substantially plate-like carrier 38 made of a transparent material, for example PMMA plastic or glass.
  • the carrier 38 has a diffraction surface 34, which is provided with a diffraction structuring 40, so that a diffraction effect can be achieved for light of the primary light bundle 12 striking the diffraction surface 34 by the carrier 38.
  • a cover layer 42 Adjacent to the diffraction surface 34, in particular this almost completely covering, a cover layer 42 is formed of a transparent material.
  • the cover layer 42 may be formed, for example, by a transparent polymer or lacquer. By the cover layer, the fine structure of the diffraction structure 40 can be protected from contamination.
  • the wavelength converter 14 comprises the actual optically active converter material, for example a photoluminescent dye, optionally in a suitable transparent carrier matrix of e.g. Plastic. In the illustrated example, the wavelength converter 14 is also plate-like and lies flat against the cover layer 42.
  • carrier 38, diffraction pattern 40, cover layer 42 and wavelength converter 14 are fixedly connected to each other and form an integral light conversion element 36.
  • the diffraction structuring 40 is formed by raised and recessed areas in the diffraction surface 34, which is a surface of the carrier 38.
  • the diffraction structuring has a typical structure length 44 in the region of the wavelength of the irradiated laser light.
  • the diffraction pattern 40 is a periodic diffraction grating and the pattern length 44 is a period of regularly repeating, raised, and recessed areas of the diffraction surface 34.
  • the diffraction pattern 40 may also be irregular and non-periodic, the pattern length being average distances between adjacent features (Elevations, depressions) of the diffraction structuring 40 defined.
  • a diffraction pattern by suitable, in particular asymmetrical embodiments, of the structural unit 44 extending elementary cell of the diffraction pattern 40, in which the main intensity of the diffracted light is directed in a preferred direction 46, which coincides with the irradiation direction 20 of FIG Light on the diffractive optical element 30 includes a non-vanishing angle, in particular an angle greater than 45 ° and preferably less than 90 °.
  • the wavelength converter 14 If the wavelength converter 14 is intact and connected directly to the diffractive optical element 30 in the described manner, then the light diffracted at a large angle to the irradiation direction 20 also strikes the wavelength converter 14 essentially completely. This transmits in the described manner the secondary light distribution 22, which is emitted as useful light from the illumination device. If, however, the wavelength converter 14 is inoperable or removed from the beam path, in the embodiment described the substantial portion of the intensity of the laser light in the preferred direction 46 will be at a sufficiently large diffraction angle with respect to the irradiation direction 20 and / or with respect to the main radiation direction 28 deflected.
  • an illumination 24 is provided for the illumination device, which has an aperture 48 such that only such light rays are deflected into the emission light distribution 26, which impinge upon the abstraction device 24 within the aperture 48.
  • a detection space angle range for the Abstrahloptik driving 24 is defined, wherein light rays are deflected only in the Abstrahllichtver notorious 26 when they extend within the detection space angle range.
  • the diffraction pattern 40 may be formed such that the preferred direction 46 for the diffracted intensity is such that the main intensity of the diffracted light would no longer be detected by the Abstrahloptik adopted 24 when the wavelength converter 14 is not would be in the beam path.
  • a light absorber 50 acting as a light trap may be arranged such that it detects such light beams which, viewed from the diffractive optical element 30, extend along the preferred direction 46.
  • the light absorber 50 is preferably spaced so far along the preferred direction 46 of the wavelength converter 14 that it is not in the detection space angle range of the Abstrahloptik adopted 24 and no unwanted Shading is caused by the light absorber 50.
  • the wavelength converter 14 is fed with two or more laser light sources 10a, 10b.
  • the laser light sources 10a, 10b may be designed and arranged such that they emit substantially linearly polarized light with mutually perpendicular polarization directions.
  • the two laser light sources 10a, 10b can be arranged such that the light emitted by them impinges on two different irradiation sections 52a, 52b of a polarization-selective beam splitter 54.
  • the polarization-selective beam splitter 54 combines the two light beams emitted by the laser light sources 10a, 10b into a mixed primary light beam 12 ". This can be irradiated to a diffractive optical element 30 and further to a wavelength converter 14 in the manner explained above.
  • the primary light bundle 12 "emitted by the beam splitter 54 is converted into a parallel light bundle by means of a collimating lens 56 and directed to the diffractive optical element 30.
  • the diffracted by the diffractive optical element light can then, as shown by way of example in Figure 5, are directed to the wavelength converter 14 with a bundling optical system 18.
  • FIGs 6 and 7 show embodiments with which the reliability of lighting devices can be increased with such laser light sources 10, which are designed to emit a linearly polarized primary light distribution 12 of laser light with a Primärpolarisationsraum.
  • the primary light beam 12 of laser light strikes in the further course of radiation on the wavelength converter 14, which is arranged in the example shown on a plate-like, transparent support 16.
  • a bundling optics 58 may be arranged (optional).
  • the wavelength converter 14, as described above, is excited by the primary light beam 12 for emitting the secondary light distribution 22, which exits the illumination device through a light exit section 25 (for example via an abstraction device 24).
  • the light is generally scattered and / or absorbed and re-emitted as a rule.
  • the polarization of the light can be rotated.
  • a portion of the light emitted by the wavelength converter after these processes spreads as scattered light distribution 60. In the example shown, this runs back in the direction away from the light exit section 25.
  • a polarization-selective sensor device 62 is provided. This is designed to respond to light having a polarization direction perpendicular to the primary polarization direction of the laser light source 12.
  • the polarization-selective sensor device 62 is arranged such that at least a portion of the scattered light distribution 60 is detected.
  • the polarization-selective sensor device 62 comprises a polarization-selective beam splitter 64, which is arranged in the beam path between the laser light source 10 and the wavelength converter 14.
  • the beam splitter 64 is designed such that the primary light bundle 12 emanating from the laser light source 10 with the primary polarization direction passes through the beam splitter 64 substantially unhindered along a main transmission direction and strikes the wavelength converter 14.
  • the beam splitter 64 effects a deflection in a secondary beam direction.
  • that portion of the scattered light distribution 60 which has a rotated polarization direction due to the processes in the wavelength converter 14 is deflected into the secondary beam direction.
  • the sensor device 62 further comprises a photosensitive sensor 66, which is arranged with respect to the polarization-selective beam splitter 64 such that only the light with polarization direction perpendicular to the primary polarization direction strikes the sensor 66.
  • the sensor 66 is disposed in the sub-beam direction with respect to the beam splitter 64. As long as the sensor 66 detects incident light beams, this indicates the presence of a scattered light distribution 60, which is depolarized due to scattering and / or conversion processes in the wavelength converter 14. In this respect, the functionality of the wavelength converter 14 can be monitored.
  • the scattered light distribution 60 can be focused onto the polarization-selective beam splitter 64 by means of the focusing optics 58.
  • a control device 68 which controls the laser light source 10 as a function of measurement signals of the sensor 66.
  • a diffractive optical element is preferably arranged as described above, so that the primary light beam 12 is diffracted before impinging on the wavelength converter 14 (not shown in FIGS. 6 and 7).
  • the wavelength converter 14 with the diffractive optical element can form a coherent light conversion element, as described above for FIGS. 3 and 4.
  • the scattered light distribution 60 monitored by the sensor 66 does not necessarily have to be light which is scattered back by the wavelength converter 14 counter to the propagation direction of the primary light bundle 12. Also conceivable are arrangements in which laterally scattered, depolarized light is monitored.
  • FIG. 7 shows, for example, an illumination device in which the primary light bundle 12 irradiated onto the wavelength converter 14 and the scattered light distribution 60 'monitored by the sensor 66 do not take the same light path.
  • the polarization-selective sensor device 62 can be formed by arranging in the beam path between the wavelength converter 14 and the sensor 66 a polarization filter element 70 which is transparent to light having a polarization direction perpendicular to the primary polarization direction of the primary light beam 12 and to light is substantially impermeable to the primary polarization direction. Also in this embodiment, a signal is detected by the sensor 66 only when the wavelength converter 14 is effective in the beam path and thus is basically functional.

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Abstract

Die Erfindung betrifft eine Beleuchtungseinrichtung für ein Kraftfahrzeug, mit einer Laserlichtquelle zur Ausstrahlung eines Primärlichtbündels von Laserlicht mit einer ersten Wellenlänge, mit einen Wellenlängenkonverter, welcher derart angeordnet ist, dass das Primärlichtbündel auf den Wellenlängenkonverter einstrahlbar ist und welcher dazu ausgebildet ist, dass durch das eingestrahlte Primärlichtbündel eine Sekundärlichtverteilung mit wenigstens einer weiteren Wellenlänge ausstrahlbar ist. Im Strahlengang zwischen Laserlichtquelle und Wellenlängenkonverter ist ein diffraktives optisches Element derart angeordnet, dass das Primärlichtbündel vor Auftreffen auf den Wellenlängenkonverter an dem diffraktiven optischen Element gebeugt wird.

Description

Beleuchtungseinrichtung
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Beleuchtungseinrichtung für Kraftfahrzeuge (Kfz) mit einer Laserlichtquelle, gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
Laserlichtquellen (z.B. Halbleiterlaser, Laserdioden) bieten eine Reihe von vorteilhaften Eigenschaften, wie z.B. eine kleine lichtaussendende Fläche, hohe Strahlungsintensitäten, sowie die Ausstrahlung von weitgehend kollimierten Lichtbündeln. Mit Laserlichtquellen können daher optische Systeme mit kleineren Brennweiten und stärker gebündelten Strahlungsverläufen aufgebaut werden, als für konventionelle Lichtquellen wie Glühlampen oder Leuchtdioden. Ferner können Laserlichtquellen hohe Leuchtdichten bereitstellen. Dadurch lassen sich optische Systeme auf vergleichsweise geringem Bauraum und mit kleinen Lichtaustrittsflächen realisieren, wodurch die Gestaltungsfreiheit beim Design der Beleuchtungseinrichtung erhöht werden kann.
Bei der Nutzung von Laserlicht in Beleuchtungseinrichtungen für Kraftfahrzeuge stellen sich jedoch spezifische Herausforderungen, welche bei Verwendung von anderen Lichtquellen wie LEDs in der Regel nicht bestehen. Zum einen ist das aus der Laserlichtquelle austretende Licht in der Regel stark kollimiert und weist eine hohe zeitliche und räumliche Kohärenz auf, d.h. verschiedene Wellenzüge eines Lichtbündels haben eine feste Phasenbeziehung zueinander. Bei den typischen hohen Strahlungsintensitäten von Laserlichtquellen ist Laserlicht daher potenziell gefährlich, und kann das menschliche Auge schädigen. Diese Gefährdung ist besonders ausgeprägt, wenn das Licht mittels einer bündelnden oder kollimierenden Sekundäroptik in eine Abstrahllichtverteilung projiziert wird, wie es z.B. bei Kfz-Scheinwerfern der Fall ist. Dann kann eine hohe räumliche Kohärenz der Lichtwellen dazu führen, dass nach Bündelung und/oder Kollimierung gefährlich hohe Intensitäten auftreten.
Im Bereich der Kfz-Beleuchtungseinrichtung muss das abgestrahlte Licht außerdem eine vorgeschriebene Farbverteilung und/oder Farbtemperatur aufweisen. Für das ausgesandte Licht eines Kfz-Scheinwerfers ist z.B. weißes Mischlicht erwünscht bzw. gesetzlich vorgeschrieben. Ein Laser strahlt jedoch meist monochromatisches Licht (z.B. UV-Licht) oder Licht in einem sehr engen Wellenlängenbereich aus.
Die Umwandlung von monochromatischem Licht in polychromatisches oder weißes Licht kann grundsätzlich mit Wellenlängenkonvertern erfolgen. Dabei ist der Konverter im Strahlengang des von der Lichtquelle ausgestrahlten Lichtes angeordnet und derart ausgebildet, dass er durch das eingestrahlte Licht zur Abgabe von Licht mit gewünschten spektralen Eigenschaften angeregt wird. Solche Wellenlängenkonverter sind z.B. als Lumineszenzkonverter ausgebildet. Sie weisen z.B. einen Lumineszenzfarbstoff auf, wobei das auf den Lumineszenzkonverter eingestrahlte Primärlicht (z.B. einer blaues Licht ausstrahlenden LED) diesen zur Fotolumineszenz, Fluoreszenz oder Phosphoreszenz anregt. Dadurch gibt der Konverter selbst Licht mit wenigstens einer anderen, in der Regel längeren, Wellenlänge (z.B. gelb) ab, oder wirkt als Mischlichtquelle für Licht mit einem vergrößerten Spektralbereich.
Vor diesem Hintergrund ist eine Verwendung von Laserlichtquellen in Kfz-Beleuchtungseinrichtungen nur dann möglich, wenn die Einhaltung der Sicherheitsvorschriften zum Betrieb von Lasereinrichtungen sichergestellt ist und die abgestrahlte Lichtverteilung die vorgeschriebenen Charakteristika aufweist. Insbesondere darf nur Licht mit einer Intensität unterhalb von vorgeschriebenen Grenzwerten austreten. Eine Blendung oder Gefährdung von Verkehrsteilnehmern muss vermieden werden. Dem Wellenlängenkonverter kommt daher eine sicherheitsrelevante Funktion zu. Wird der Wellenlängenkonverter beschädigt, aus dem Strahlengang entfernt oder in seiner Funktion beeinträchtigt, so kann potentiell gefährliche Laserstrahlung ohne Umwandlung in ungefährliches Licht aus der Beleuchtungseinrichtung austreten.
Um dieses Gefährdungspotential zu mindern, ist z.B. aus der DE 10 2006 029 203 A1 eine Beleuchtungseinrichtung bekannt, bei der das Licht einer Laser-Strahlungsquelle in einen Lichtleiter eingekoppelt wird, an dessen Lichtaustrittsfläche ein Wellenlängenkonverter angeordnet ist. Mittels Detektoren wird die von dem Konverter gestreutes Licht überwacht.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, für KFZ-Beleuchtungseinrichtungen mit Laserlichtquellen eine Sicherheitsvorkehrung bereitzustellen, welche fehlerunanfällig arbeitet und mit welcher eine Gefährdung durch austretende Laserstrahlung möglichst vollständig vermieden werden kann.
Diese Aufgabe wird durch eine Beleuchtungseinrichtung für ein Kraftfahrzeug (Kfz) gemäß Anspruch 1 gelöst. Die Beleuchtungseinrichtung weist wenigstens eine Laserlichtquelle (z.B. Laser-Leuchtdiode) auf, mittels welcher ein Primärlichtbündel von Laserlicht mit einer ersten Wellenlänge bzw. mit Licht in einem ersten Wellenlängenbereich ausstrahlbar ist. Zur Umwandlung des Laserlichts in für die Beleuchtungseinrichtung nutzbares Licht ist ein Wellenlängenkonverter vorgesehen, welcher derart angeordnet ist, dass im Betrieb der Beleuchtungseinrichtung das Primärlichtbündel auf den Wellenlängenkonverter trifft. Der Wellenlängenkonverter ist derart ausgebildet, dass durch das eingestrahlte Primärlichtbündel eine Sekundärlichtverteilung mit wenigstens einer weiteren Wellenlänge bzw. mit wenigstens einem weiteren Wellenlängenbereich insbesondere unter Ausnutzung von Photolumineszenz ausstrahlbar ist. Im Strahlengang zwischen der wenigstens einen Laserlichtquelle und dem Wellenlängenkonverter ist ein diffraktives optisches Element derart angeordnet, dass das Primärlichtbündel vor Auftreffen auf den Wellenlängenkonverter an dem diffraktiven optischen Element gebeugt wird, d.h. dass das Primärlichtbündel vor Auftreffen auf den Wellenlängenkonverter durch Beugung an dem diffraktiven optischen Element umgeformt wird.
Im Normalbetrieb ergibt sich bei der Beleuchtungseinrichtung daher folgender Strahlengang: Ausgehend von der als Primärlichtquelle wirkenden Laserlichtquelle trifft das Primärlichtbündel auf das diffraktive optische Element. Dieses ist derart ausgebildet und angeordnet, dass das von ihm gebeugte Laserlicht, trotz Beugung und der damit ggf. verbundenen Richtungsänderungen, noch insbesondere im Wesentlichen vollständig auf den Wellenlängenkonverter trifft. Der Wellenlängenkonverter gibt dann die Sekundärlichtverteilung ab, welche durch einen Lichtaustrittsabschnitt der Beleuchtungseinrichtung austritt und eine z.B. um eine Hauptabstrahlrichtung konzentrierte Abstrahllichtverteilung der Beleuchtungseinrichtung bildet. Hierzu kann die Beleuchtungseinrichtung ferner eine Abstrahloptikeinrichtung aufweisen, die im Strahlengang nach dem Wellenlängenkonverter angeordnet ist und dazu ausgebildet ist, die Sekundärlichtverteilung in die Abstrahllichtverteilung umzuformen, z.B. umzulenken und/oder zu bündeln und/oder zu projizieren. Der Wellenlängenkonverter dient insofern als Sekundärlichtquelle, welche die eigentliche Lichtquelle für Nutzlicht der Beleuchtungseinrichtung darstellt und eine den Sicherheitsvorschriften entsprechende Strahlung abgibt. Das diffraktive optische Element ist insbesondere derart ausgebildet, dass es selbst keine Wellenlängenkonversion vornimmt, insbesondere keinen Einfluss auf die Wellenlänge des Laserlichts hat. Insbesondere ist das diffraktive optische Element kein Bestandteil des Wellenlängenkonverters bzw. der Konverterschicht selbst.
Falls sich der Wellenlängenkonverter nicht mehr im Strahlengang befindet, z.B. zerstört wurde oder sich aus seiner Position gelöst hat, so wird durch das diffraktive optische Element verhindert, dass das Laserlicht in gefährlicher Weise unverändert aus der Beleuchtungseinrichtung austritt. Das diffraktive optische Element verändert beugungsbedingt die Intensitätsverteilung des Primärlichtbündels derart, dass eine Gefährdung durch das gebeugte Licht auch bei Unwirksamkeit des Wellenlängenkonverters vermieden werden kann. Insbesondere kann das aus der Laserlichtquelle je nach Ausgestaltung austretende Laserlicht mit einer räumlich hochkohärenten, einheitlichen Phasenfront über den gesamten Strahlungsquerschnitt in ein Lichtfeld mit geringerem Gefährdungspotential umgewandelt werden.
Der Wellenlängenkonverter ist grundsätzlich in der eingangs beschriebenen Art ausgebildet. Das Laserlicht des Primärlichtbündels, welches je nach Ausgestaltung der Laserlichtquelle nahezu monochromatisch sein kann, wird in das Licht der Sekundärlichtverteilung umgewandelt, insbesondere in ein polychromatisches oder weißes Licht. Hierzu ist der Wellenlängenkonverter insbesondere als Photolumineszenzelement ausgebildet, welches Licht des Primärlichtbündels mit der ersten Wellenlänge in Licht mit wenigstens einer weiteren Wellenlänge konvertiert. Je nach Ausgestaltung wird zumindest ein Teil des eingestrahlten Lichts in Licht eines anderen Wellenlängenbereichs umgewandelt. In der Regel streut das Photolumineszenzelement zusätzlich einen Anteil des Primärlichtbündels, wobei ein weiterer Anteil zur Anregung von Photolumineszenz dient. Das gestreute Licht und das durch Photolumineszenz umgewandelte Licht können sich dann additiv überlagern und zu dem gewünschten (z.B. weißen) Mischlicht führen. Je nach Ausgestaltung kann der Konverter auch derart ausgebildet sein, dass er nach Anregung mit dem Primärlichtbündel ein Mischlicht oder Weißlicht mit einer Vielzahl von Wellenlängenkomponenten emittiert. Grundsätzlich ist auch eine vollständige Umwandlung des eingestrahlten Lichts durch Photolumineszenz denkbar.
Das diffraktive optische Element weist insbesondere eine optisch wirksame Beugungsfläche mit einer Beugungsstrukturierung auf. Die Beugungsstrukturierung kann z.B. als Oberflächenstruktur aus erhabenen und/oder vertieften Bereichen ausgebildet sein. Derartige Strukturen können mit lithografischen Techniken, Pressen und/oder Ätzen auf einem geeigneten Träger erzeugt werden, z.B. auf Glasplättchen oder Kunststoffplättchen. Die Beugungsstrukturierung weist vorzugsweise eine typische Strukturlänge im Bereich der Wellenlänge des Lichts der Laserlichtquelle auf, insbesondere im Submikrometerbereich, beispielsweise zwischen 100 nm und 800 nm. Die Strukturlänge kann beispielsweise eine Periodenlänge der Beugungsstrukturierung sein.
Das diffraktive optische Element ist vorzugsweise als Transmissionselement, insbesondere plattenartig, ausgebildet und weist an einer Oberfläche die Beugungsstrukturierung auf. Anstelle oder zusätzlich zu einer Oberflächenstrukturierung mit erhabenen und/oder vertieften Bereichen ist auch eine lokale Variation des Brechungsindex des Materials denkbar. Dadurch wird für durchgestrahltes Licht lokal die optische Weglänge verändert und so ein Beugungsbild erzielt.
Grundsätzlich kann das diffraktive optische Element auch als Reflexionselement ausgebildet sein, wobei eine reflektierende Beugungsfläche eine entsprechende Beugungsstrukturierung aufweist.
Das diffraktive optische Element ist insbesondere derart ausgestaltet, dass durch die Beugung der von dem Primärlichtbündel ausgeleuchtete Raumwinkelbereich vergrößert wird. Denkbar ist insofern einerseits, dass die Divergenz des zunächst stark kollimierten Laserlichtbündels vergrößert wird. Dadurch können Sättigungseffekte im Wellenlängenkonverter durch hohe lokale Einstrahlung vermieden werden. Auch kann die Lebensdauer des Wellenlängenkonverters erhöht werden. Außerdem kann durch geeignete Aufweitung eine optimale Ausleuchtung des Wellenlängenkonverters sichergestellt werden. Andererseits ist denkbar, dass das Primärlichtbündel durch Beugung in eine Lichtverteilung umgewandelt wird, welche definierte Beugungsmaxima und Beugungsminima aufweist, die unter verschiedenen Beugungswinkeln in Bezug auf die Einstrahlrichtung des Primärlichtbündels auf das diffraktive optische Element erscheinen.
Hierzu kann das diffraktive optische Element eine Beugungsfläche mit einer periodischen Beugungsstrukturierung aufweisen, insbesondere als Beugungsgitter ausgebildet sein.
Denkbar ist jedoch auch, dass das diffraktive optische Element eine unregelmäßige, insbesondere nicht periodische Beugungsstrukturierung aufweist. Durch eine geeignete Ausgestaltung der Beugungsstrukturierung kann das Beugungsbild maßgeschneidert werden. Beispielsweise kann die Beugungsstrukturierung derart an die Laserlichtquelle und den Wellenlängenkonverter angepasst sein, dass das auf das diffraktive optische Element auftreffende Primärlichtbündel in ein Lichtbündel umgeformt wird, dessen Bündelquerschnitt zur optimalen Ausleuchtung des Wellenlängenkonverters an dessen Form angepasst ist.
Vorzugsweise sind das diffraktive optische Element sowie der Wellenlängenkonverter und die Laserlichtquelle derart aneinander angepasst, dass nach der Beugung des Primärlichtbündels der Wellenlängenkonverter mit einer im Wesentlichen homogenen Intensitätsverteilung ausgeleuchtet wird. Insbesondere soll eine Intensitätsverteilung derart erzeugt werden, dass das Primärlichtbündel nach Beugung eine nahezu konstante Intensität über den gesamten Bündelquerschnitt aufweist. So kann beispielsweise ein typisches Intensitätsprofil einer Laserlichtquelle (z.B. Gauß'sches Intensitätsprofil mit elliptischem Querschnitt) in eine an den Wellenlängenkonverter angepasste Form, beispielsweise kreisförmig oder rechteckig mit vorzugsweise nahezu konstantem Intensitätsverlauf umgeformt werden. Derartige Ausgestaltungen bieten den Vorteil, dass gewisse Toleranzen hinsichtlich der Positionierung von Wellenlängenkonverter und diffraktiven optischen Element zueinander bestehen, und geringe Verschiebungen dieser Komponenten zueinander die Effizienz der Umwandlung nicht wesentlich beeinträchtigen. Außerdem kann eine gleichmäßige Beanspruchung und Erwärmung des Wellenlängenkonverters erzielt werden.
Das kollimierte Primärlichtbündel wird insbesondere entlang einer Einstrahlrichtung, um welche im räumlichen Mittel die Intensität verteilt ist, auf das diffraktive optische Element eingestrahlt. Vorzugsweise ist das diffraktive optische Element derart ausgebildet und angeordnet, dass die Einstrahlrichtung des auftreffenden Primärlichtbündels mit einer Vorzugsrichtung des gebeugten Lichtes, um welche im räumlichen Mittel ein Großteil der Intensität des gebeugten Lichtes konzentriert ist, einen nicht verschwindenden Winkel einschließt. Insofern wird ein Großteil der Intensität seitlich ausgelenkt. Auf diese Weise kann verhindert werden, dass gefährliches Laserlicht aus der Beleuchtungseinrichtung austritt, wenn beispielsweise der Konverter zerstört ist oder unwirksam geworden ist.
Wie bereits erläutert, weist die Beleuchtungseinrichtung vorzugsweise eine im Strahlengang nach dem Wellenlängenkonverter angeordnete Abstrahloptikeinrichtung auf, beispielsweise eine Bündeloptik, wie eine Projektionslinse. Die Abstrahloptikeinrichtung ist insbesondere dazu ausgebildet, innerhalb eines Erfassungsraumwinkelbereiches auf die Abstrahloptikeinrichtung einfallendes Licht in die Abstrahllichtverteilung der Beleuchtungseinrichtung umzuformen, wobei außerhalb des Erfassungsraumwinkelbereiches auf die Abstrahloptikeinrichtung einfallendes Licht nicht von dieser erfasst wird. Das diffraktive optische Element ist dann insbesondere derart ausgebildet, dass bei einem aus dem Strahlengang entfernten Wellenlängenkonverter das von dem diffraktiven optischen Element gebeugte Licht außerhalb des Erfassungsraumwinkelbereiches der Abstrahloptikeinrichtung verläuft. Die Vorzugsrichtung des gebeugten Lichtes verläuft insbesondere derart schräg zur Einstrahlrichtung, dass das gebeugte Licht bei Entfernung des Wellenlängenkonverters aus dem Strahlengang nicht von der Abstrahloptikeinrichtung der Beleuchtungseinrichtung erfasst wird. Vorteilhaft ist insbesondere, wenn zwischen Vorzugsrichtung des gebeugten Lichts und der Einfallsrichtung ein Winkel von größer als 70° eingeschlossen ist.
Die Auslenkung des gebeugten Lichts in eine Vorzugsrichtung schräg zur Einstrahlrichtung kann beispielsweise bei einem als Beugungsgitter ausgebildeten diffraktiven optischen Element dadurch erreicht werden, dass die Hauptintensität nicht in die nullte Beugungsordnung, sondern in eine höhere Beugungsordnung gelenkt wird. Beispielsweise kann das diffraktive optische Element als Plättchen mit einer insbesondere periodischen Beugungsstrukturierung ausgestaltet sein, wobei die sich periodisch wiederholenden Bereiche asymmetrisch ausgestaltet sind, beispielsweise eine Sägezahn-Modulation aufweisen. Derartige Beugungsstrukturen, bei welchen die sogenannte "Blaze-Technik" Verwendung findet, können einen Großteil der auf sie eingestrahlten Intensität in eine höhere Beugungsordnung lenken, z.B. in die Beugungsordnung, in die das Nutzlicht gelenkt wird.
Zur weiteren Ausgestaltung kann ein Lichtabsorber vorgesehen sein, welcher derart angeordnet ist, dass das in die schräg zur Einstrahlrichtung verlaufende Vorzugsrichtung gebeugte Licht dann von dem Lichtabsorber erfasst werden würde, wenn der Wellenlängenkonverter aus dem Strahlengang entfernt wäre. Der Lichtabsorber bildet insofern eine Lichtfalle für das Laserlicht, welche das gefährliche Laserlicht dann absorbiert, wenn der Wellenlängenkonverter beschädigt, entfernt oder funktionsunfähig geworden ist. So kann ein Austreten von gefährlicher Laserstrahlung zuverlässig vermieden werden. Der Lichtabsorber ist vorzugsweise von dem diffraktiven optischen Element aus betrachtet in der Vorzugsrichtung des gebeugten Lichts derart beabstandet angeordnet, dass der Wellenlängenkonverter zwischen dem diffraktiven optischen Element und dem Lichtabsorber angeordnet ist.
Vorzugsweise ist der Wellenlängenkonverter unmittelbar an dem diffraktiven optischen Element angeordnet. Insbesondere sind Wellenlängenkonverter und diffraktives optisches Element fest miteinander verbunden und bilden ein einstückiges Lichtumwandlungselement. Dieses Lichtumwandlungselement stellt einerseits die Funktion zur Umwandlung des gefährlichen Laserlichts in das Nutzlicht der Beleuchtungseinrichtung bereit, andererseits die Sicherheitswirkung durch das diffraktive optische Element für den Fall, dass der Wellenlängenkonverter funktionsunfähig wird. Durch die direkte Anordnung der beiden Einheiten aneinander ist sichergestellt, dass bei ordnungsgemäßem Betrieb mit funktionsfähigem Wellenlängenkonverter das gebeugte Licht auf den Wellenlängenkonverter trifft auch dann, wenn das diffraktive optische Element derart ausgebildet ist, dass die Hauptintensität schräg zur Einfallsrichtung gebeugt wird, wie oben erläutert.
Denkbar ist insbesondere ein schichtartiger Aufbau. Vorzugsweise weist das diffraktive optische Element einen plattenartigen Träger auf, welcher eine optisch wirksame Beugungsfläche mit einer Beugungsstrukturierung aufweist. Der Träger ist vorzugsweise aus einem transparenten Material, beispielsweise Kunststoff oder Glas. Vorzugsweise ist an den Träger anliegend der vorzugsweise ebenfalls plattenartig ausgestaltete Wellenlängenkonverter angeordnet. Denkbar ist z.B. eine Konverterschicht. Dabei kann die Beugungsfläche grundsätzlich an der dem Wellenlängenkonverter zugewandten Seite, oder an der dem Wellenlängenkonverter abgewandten Seite des Trägers vorgesehen sein. Denkbar ist auch, dass die optisch wirksame Beugungsfläche mit einer Deckschicht, beispielsweise einem transparenten Substrat oder Lack, versehen ist. Die Beugungsfläche bzw. die Beugungsstrukturierung können dann an die optischen Eigenschaften der Deckschicht angepasst sein, z.B. wenn diese einen abweichenden Brechungsindex von der Grundstruktur der Beugungsfläche aufweist. Durch die Deckschicht kann die Beugungsfläche vor Verschmutzung geschützt werden. In diesem Fall kann der Wellenlängenkonverter beispielsweise anliegend an diese Deckschicht angeordnet sein.
Das Licht einer Laserlichtquelle weist prinzipbedingt in der Regel eine definierte Polarisation auf. Für Laserlichtquellen, die eine linear polarisierte Primärlichtverteilung mit einer definierten Primärpolarisationsrichtung ausstrahlen, kann die Betriebssicherheit mittels einer polarisationsselektiven Sensoranordnung weiter erhöht werden.
Das eingangs beschriebene Gefährdungspotential einer Beleuchtungseinrichtung mit Laserlichtquelle und Wellenlängenkonverter kann – auch unabhängig von einer Ausgestaltung mit diffraktiven optischen Elementen – dadurch vermindert werden, dass die Laserlichtquelle zur Ausstrahlung einer Primärlichtverteilung mit linear polarisiertem Licht mit einer Primärpolarisationsrichtung ausgebildet ist, und das eine polarisationsselektive Sensoranordnung vorgesehen ist, welche derart ausgebildet ist, dass sie vorzugsweise ausschließlich auf Licht mit einer Polarisationsrichtung anspricht, welche senkrecht zu der Primärpolarisationsrichtung ist. Dabei ist die Sensoreinrichtung vorzugsweise derart ausgebildet und angeordnet, dass zumindest ein Anteil des von dem Wellenlängenkonverter ausgestrahlten Lichts von der Sensoreinrichtung erfasst wird. Insbesondere ist die Sensoreinrichtung derart angeordnet, dass von dem Wellenlängenkonverter zurückgestreutes Licht, insbesondere das in der von einem Lichtaustrittsabschnitt der Beleuchtungseinrichtung abgewandten Richtung zurückgestreute Licht, von der Sensoreinrichtung erfasst wird.
Bei der Umwandlung von Licht im Wellenlängenkonverter kann es zu Mehrfachstreuung und/oder Vielfachstreuung in dem Wellenlängenkonverter kommen. Hierdurch und/oder durch die physikalischen Vorgänge bei der Umwandlung der Wellenlänge wird die Polarisation des eingestrahlten Lichts zumindest anteilig gedreht. Die von dem Wellenlängenkonverter aufgrund der Anregung mit dem Primärlichtbündel ausgestrahlte Sekundärlichtverteilung enthält also Licht mit einer Polarisationsrichtung senkrecht zu der Primärpolarisationsrichtung. Ein Ansprechen der Sensoreinrichtung im Betrieb der Beleuchtungseinrichtung zeigt daher an, dass von einer Funktionsfähigkeit des Wellenlängenkonverters ausgegangen werden kann. Wenn der Sensor trotz aktivierter Laserlichtquelle kein Licht mit Polarisationsrichtung senkrecht zur Primärpolarisationsrichtung mehr empfängt, so weist dies darauf hin, dass der Wellenlängenkonverter funktionslos geworden ist oder aus dem Strahlengang entfernt ist. Es können dann Maßnahmen eingeleitet werden, um eine Gefährdung durch Laserlicht auszuschließen, wie unten noch näher erläutert. Durch die polarisationssensitive Überwachung wird ausgeschlossen, dass durch nicht umgewandeltes Laserlicht, welches an anderen Bauteilen der Beleuchtungseinrichtung bzw. an externen Objekten zurückgestreut wird, ein Sensorsignal ausgelöst wird und irrtümlicherweise als Hinweis auf die Funktionsfähigkeit des Wellenlängenkonverters gewertet wird. Dies ist darauf zurückzuführen, dass eine einfache Reflexion des Laserlichts an spiegelnden Flächen in der Regel nicht mit einer Änderung der Polarisationsrichtung einhergeht. Die Funktionsfähigkeit des Wellenlängenkonverters kann daher zuverlässig überwacht werden.
Die polarisationsselektive Sensoreinrichtung wird vorzugsweise dadurch realisiert, dass auf der einem Lichtaustrittsabschnitt (z.B. Abstrahloptikeinrichtung) der Beleuchtungseinrichtung abgewandten Seite eine lichtempfindlicher Sensor angeordnet ist, und dass im Strahlengang zwischen dem Wellenlängenkonverter und dem Sensor ein Polarisationsfilterelement vorgesehen ist, welches für Licht mit Polarisationsrichtung senkrecht zu der Primärpolarisationsrichtung durchlässig ist. Das Polarisationsfilterelement kann darüber hinaus für Licht mit der Primärpolarisationsrichtung nahezu undurchlässig sein.
Denkbar ist auch, dass im Strahlengang zwischen der Laserlichtquelle und dem Wellenlängenkonverter ein polarisierender Strahlteiler angeordnet ist, welcher derart ausgebildet ist, dass das von der Laserlichtquelle ausgehende Licht mit der Primärpolarisationsrichtung zu dem Wellenlängenkonverter transmittiert wird, und dass von dem Wellenlängenkonverter zurückgestreutes Licht mit einer Polarisationsrichtung senkrecht zur Primärpolarisationsrichtung durch den Strahlteiler in Richtung zum Sensor abgelenkt wird. Der lichtempfindliche Sensor ist wiederum vorzugsweise auf der einem Lichtaustrittsabschnitt der Beleuchtungseinrichtung abgewandten Seite angeordnet, insbesondere von dem Wellenlängenkonverter aus betrachtet seitlich zur Einstrahlrichtung des Primärlichtbündels versetzt angeordnet.
Zur weiteren Ausgestaltung weist die Beleuchtungseinrichtung eine Steuereinrichtung für die Laserlichtquelle auf. Diese ist dazu ausgebildet, die Laserlichtquelle in Abhängigkeit von Messwerten der Sensoreinrichtung anzusteuern. Insbesondere wird die Laserlichtquelle deaktiviert oder zumindest die abgestrahlte Intensität auf ein ungefährliches Niveau reduziert, wenn die gemessene Intensität einen Kontrollschwellwert unterschreitet.
Die vorstehend beschriebene Ausgestaltung mit einer polarisationsselektiven Sensoreinrichtung kann unabhängig von der Ausgestaltung mit einem diffraktiven optischen Element vorgesehen sein. Besonders bevorzugt ist jedoch, wenn die Ausgestaltung mit polarisationsselektiver Sensoreinrichtung zusätzlich zu dem diffraktiven optischen Element vorgesehen ist. Dadurch wird das Gefährdungsrisiko einerseits passiv durch die Beugungswirkung des diffraktiven optischen Elements reduziert, andererseits kann aktiv bei einer Abnahme der von der polarisationsselektiven Sensoreinrichtung erfassten Intensität die Laserlichtquelle entsprechend angesteuert werden.
Weitere Aspekte und Ausgestaltungen der Erfindung werden im Folgenden anhand der Figuren näher beschrieben.
Es zeigen:
Figur 1 skizzierte Darstellung einer Beleuchtungseinrichtung mit Laserlichtquelle und Wellenlängenkonverter;
Figur 2 skizzierte Darstellung einer verbesserten Beleuchtungseinrichtung;
Figur 3 skizzierte Darstellung einer weiteren Ausgestaltung einer verbesserten Beleuchtungseinrichtung;
Figur 4 Detaildarstellung des Lichtumwandlungselementes der Beleuchtungseinrichtung gemäß Figur 3;
Figur 5 eine weitere Beleuchtungseinrichtung in skizzierter Darstellung;
Figur 6 skizzierte Darstellung einer Beleuchtungseinrichtung mit polarisationsselektiver Sensoreinrichtung; und
Figur 7 eine weitere Beleuchtungseinrichtung mit polarisationsselektiver Sensoreinrichtung.
In der nachfolgenden Beschreibung sowie in den Figuren sind für identische oder einander entsprechende Merkmale jeweils dieselben Bezugszeichen verwendet.
Zur Erläuterung des technischen Hintergrundes zeigt die Figur 1 eine Beleuchtungseinrichtung mit einer Laserlichtquelle 10 (z.B. Halbleiterlaser oder Laserdiode), mittels welcher ein Primärlichtbündel 12 von Laserlicht ausgestrahlt werden kann. Das Primärlichtbündel 12 ist im Wesentlichen monochromatisch und kann, unabhängig von der in Figur 1 angedeuteten Divergenz, hochgradig kollimiert sein. Das Primärlichtbündel 12 weist vorzugsweise Licht einer ersten Wellenlänge bzw. eines ersten Wellenlängenbereichs um die erste Wellenlänge auf. Im weiteren Strahlengang des Primärlichtbündels 12 ist ein Wellenlängenkonverter 14 angeordnet. Dieser ist als Photolumineszenzelement ausgebildet und an einem Träger 16 derart angeordnet, dass das Primärlichtbündel 12 auf den Wellenlängenkonverter 14 trifft. Im dargestellten Beispiel ist eine optionale Bündelungsoptik 18 im Strahlengang zwischen Laserlichtquelle 12 und Wellenlängenkonverter 14 vorgesehen, so dass das Primärlichtbündel 12 vor Auftreffen auf den Wellenlängenkonverter 14 in ein den Abmessungen des Wellenlängenkonverters 14 entsprechendes Primärlichtbündel 12' gebündelt wird. Das Primärlichtbündel 12 bzw. 12' ist beim Auftreffen auf den Wellenlängenkonverter 14 um eine Einstrahlrichtung 20 herum konzentriert, d.h. die Intensität des Primärlichtbündels 12 bzw. 12' ist um die Einstrahlrichtung 20 herum im räumlichen Mittel konzentriert.
Der Wellenlängenkonverter 14 ist dazu ausgebildet, aufgrund der Anregung durch das Primärlichtbündel 12 bzw. 12' eine Sekundärlichtverteilung 22 auszustrahlen, welche den Anforderungen an das Nutzlicht der Beleuchtungseinrichtung entspricht. Insbesondere ist die Sekundärlichtverteilung nicht mehr nahezu monochromatisch mit der ersten Wellenlänge des Primärlichtbündels 12, sondern polychromatisch mit wenigstens einer weiteren Wellenlänge oder sogar weiß.
Die Beleuchtungseinrichtung umfasst außerdem eine Abstrahloptikeinrichtung 24, welche im dargestellten Beispiel eine Projektionslinse umfasst und einen Lichtaustrittsabschnitt 25 der Beleuchtungseinrichtung bildet. Die Abstrahloptikeinrichtung 24 ist im Strahlengang nach dem Wellenlängenkonverter 14 angeordnet und formt die Sekundärlichtverteilung 22 in eine von der Beleuchtungseinrichtung abgegebene Abstrahllichtverteilung 26 um. Die Abstrahllichtverteilung 26 ist z.B. um eine Hauptabstrahlrichtung 28 der Beleuchtungseinrichtung konzentriert. Insofern wirkt der Wellenlängenkonverter 14 als die eigentliche Lichtquelle der Beleuchtungseinrichtung, welche die Abstrahllichtverteilung 26 speist.
Der Wellenlängenkonverter 14 wandelt im Ergebnis zumindest einen Anteil des Primärlichtbündels 12 von potentiell gefährlichem Laserlicht in ungefährliches Licht einer anderen Wellenlänge um. Je nach Ausgestaltung erfolgt außerdem eine Streuung und/oder Absorption in dem Wellenlängenkonverter 14. Insgesamt führt dies dazu, dass die Sekundärlichtverteilung 22 die potentiell gefährlichen Eigenschaften des Laserlichts nicht mehr aufweist, insbesondere nicht mehr so stark kollimiert ist, nicht mehr die für Laserlicht typische hohe räumliche und zeitliche Kohärenz aufweist und nicht mehr monochromatisch ist.
Ist in einem Störfall der Wellenlängenkonverter 14 aus dem Strahlengang entfernt (z.B. von dem Träger 16 abgelöst, zerbrochen oder durch zu intensive Bestrahlung abgedampft), so wird das Primärlichtbündel 12 ohne Umwandlung in ungefährliches Licht der Sekundärlichtverteilung mittels der Abstrahloptikeinrichtung 24 nach außen abgegeben. Dadurch können bei der Beleuchtungseinrichtung gefährlich hohe Intensitäten auftreten. Bei Verwendung der Beleuchtungseinrichtung als Kfz-Beleuchtungseinrichtung besteht somit die Gefahr, dass Verkehrsteilnehmer geblendet werden oder durch das austretende Laserlicht Augenschäden hervorgerufen werden.
Um dieses Problem zu beheben, ist bei der Beleuchtungseinrichtung gemäß Figur 2 im Strahlengang zwischen der Laserlichtquelle 10 und dem Wellenlängenkonverter 14 ein diffraktives optisches Element 30 angeordnet. Das Primärlichtbündel 12 trifft im weiteren Strahlengang zunächst auf das diffraktive optische Element 30 und wird von diesem durch Beugung umgeformt. Im dargestellten Beispiel erfolgt vor Auftreffen auf das diffraktive optische Element eine Bündelung durch die Bündelungsoptik 18, die jedoch grundsätzlich auch entfallen kann. Die Wirkung des diffraktiven optischen Elements 30 beruht insbesondere darauf, dass die Laserstrahlung des Primärlichtbündels 12 bzw. 12' eine hohe zeitliche und räumliche Kohärenz aufweist und daher durch geeignete Ausgestaltung des diffraktiven optischen Elements 30 eine Zwischenlichtverteilung 32 erzeugt werden kann, welche einerseits bestimmte gefährliche Eigenschaften des Primärlichtbündels 12 nicht mehr aufweist, andererseits jedoch eine effiziente Anregung des Wellenlängenkonverters 14 ermöglicht, wie nachfolgend noch näher erläutert.
So kann beispielsweise, wie in Figur 2 angedeutet, das Laserlichtbündel 12 durch die Beugung an dem diffraktiven optischen Element 30 derart umgeformt werden, dass der Wellenlängenkonverter 14 möglichst homogen ausgeleuchtet wird. Je nach Ausgestaltung der Laserlichtquelle 10 weist das Primärlichtbündel 12 einen typischen Intensitätsverlauf über den Bündelquerschnitt auf. Dieser Intensitätsverlauf kann durch Beugung an dem diffraktiven optischen Element 30 für eine optimale Umwandlung und eine erhöhte Lebensdauer des Wellenlängenkonverters 14 optimiert werden. Beispielsweise kann ein im Querschnitt kreisförmiges oder elliptisches Primärlichtbündel 12 durch Beugung in ein homogen ausgeleuchtetes, kreisförmiges oder bei geeigneter Ausgestaltung des diffraktiven optischen Elements 30 auch rechteckiges Zwischenlichtbündel 32 umgeformt werden. Denkbar ist auch, dass durch Beugung die Divergenz des Primärlichtbündels 12 erhöht wird.
Das diffraktive optische Element 30 ist im dargestellten Beispiel plattenartig und aus einem transparenten Material ausgebildet. Es weist eine Beugungsfläche 34 auf, welche mit einer geeigneten Beugungsstrukturierung versehen ist, beispielsweise mit erhabenen und/oder vertieften Bereichen der Beugungsfläche 34 und/oder lokaler Variation des Brechungsindex des Materials des diffraktiven optischen Elements 30.
Das an dem diffraktiven optischen Element 30 gebeugte Licht des Primärlichtbündels 12 bzw. 12' hat im Wesentlichen noch die spektralen Eigenschaften des Primärlichtbündels 12 und ist daher zur Anregung des Wellenlängenkonverters 14 geeignet. Das diffraktive optische Element 30 kann auch derart ausgestaltet sein, dass die gebeugte Lichtverteilung 32 nicht mehr das Gefährdungspotential der Primärlichtverteilung 12 aufweist. Durch Beugungseffekte ist es insbesondere möglich, eine je nach Ausgestaltung der Laserlichtquelle 10 vorliegende einheitliche Phasenfront über den Strahlquerschnitt des Primärlichtbündels 12 in ein entsprechendes Beugungsmuster umzuwandeln.
Wird im Beispiel der Figur 2 der Wellenlängenkonverter 14 aus dem Strahlengang entfernt, beispielsweise aufgrund eines Störfalls mit Zerstörung des Wellenlängenkonverters 14 oder Ablösung vom Träger 16, so wird über die Abstrahloptikeinrichtung 24 nicht das gefährliche Primärlichtbündel 12, sondern die durch Beugung umgeformte Zwischenlichtverteilung 32 nach außen abgestrahlt.
Anhand von Figur 3 werden weitere Ausgestaltungsmöglichkeiten für das diffraktive optische Element 30 und den Wellenlängenkonverter 14 beschrieben.
Grundsätzlich kann es vorteilhaft sein, wenn der Wellenlängenkonverter 14 und das diffraktive optische Element 30 derart aneinander angeordnet sind, dass sie ein zusammenhängendes Lichtumwandlungselement 36 bilden. Eine mögliche Ausgestaltung ist in Figur 3 erkennbar und im Detail in Figur 4 näher gezeigt. Das Lichtumwandlungselement 36 umfasst im dargestellten Beispiel einen im Wesentlichen plattenartigen Träger 38 aus einem transparenten Material, beispielsweise PMMA-Kunststoff oder Glas. Der Träger 38 weist eine Beugungsfläche 34 auf, welche mit einer Beugungsstrukturierung 40 versehen ist, so dass für durch den Träger 38 auf die Beugungsfläche 34 treffendes Licht des Primärlichtbündels 12 eine Beugungswirkung erzielt werden kann. An die Beugungsfläche 34 anliegend, insbesondere diese nahezu vollständig überdeckend, ist eine Deckschicht 42 aus einem transparenten Material ausgebildet. Die Deckschicht 42 kann beispielsweise von einem transparenten Polymer oder Lack gebildet sein. Durch die Deckschicht kann die feine Strukturierung der Beugungsstruktur 40 vor Verschmutzung geschützt werden. Der Wellenlängenkonverter 14 umfasst das eigentliche optisch aktive Konvertermaterial, beispielsweise einen Photolumineszenzfarbstoff, ggf. in einer geeigneten transparenten Trägermatrix aus z.B. Kunststoff. Im dargestellten Beispiel ist der Wellenlängenkonverter 14 ebenfalls plattenartig ausgebildet und liegt an der Deckschicht 42 flach an. Vorzugsweise sind Träger 38, Beugungsstrukturierung 40, Deckschicht 42 und Wellenlängenkonverter 14 fest miteinander verbunden und bilden ein einstückiges Lichtumwandlungselement 36.
Wie in der Detailansicht gemäß Figur 4 erkennbar, wird im dargestellten Beispiel die Beugungsstrukturierung 40 von erhabenen und vertieften Bereichen in der Beugungsfläche 34 gebildet, welche eine Oberfläche des Trägers 38 ist. Für Licht, welches den Träger 38 durchstrahlt, ergeben sich daher positionsabhängig unterschiedliche optische Weglängen, was bei eingestrahltem kohärentem Licht zu Beugungseffekten führt. Um die Beugungseffekte zu erzielen, weist die Beugungsstrukturierung eine typische Strukturlänge 44 im Bereich der Wellenlänge des eingestrahlten Laserlichtes auf. Im dargestellten Beispiel ist die Beugungsstrukturierung 40 ein periodisches Beugungsgitter und die Strukturlänge 44 eine Periodenlänge von sich regelmäßig wiederholenden, erhabenen und vertieften Bereichen der Beugungsfläche 34. Grundsätzlich kann die Beugungsstrukturierung 40 jedoch auch unregelmäßig und nicht periodisch sein, wobei die Strukturlänge durchschnittliche Abstände zwischen benachbarten Strukturelementen (Erhebungen, Vertiefungen) der Beugungsstrukturierung 40 definiert.
Bei periodischen Beugungsstrukturierungen 40 ist es möglich, durch geeignete, insbesondere asymmetrische Ausgestaltungen der sich über die Strukturlänge 44 erstreckenden Elementarzelle der Beugungsstrukturierung 40 ein Beugungsmuster zu erzielen, bei dem die Hauptintensität des gebeugten Lichts in eine Vorzugsrichtung 46 gelenkt wird, welche mit der Einstrahlrichtung 20 des Lichtes auf das diffraktive optische Element 30 einen nicht verschwindenden Winkel, insbesondere einen Winkel größer als 45° und vorzugsweise kleiner als 90° einschließt. Insbesondere ist mit der sogenannten "Blaze-Technik" möglich, einen Großteil der gebeugten Intensität nicht in das Hauptmaximum (unter einem Beugungswinkel von 0°), sondern in eine höhere Beugungsordnung zu lenken, beispielsweise unter einem Beugungswinkel im Bereich von 70°, wie in den Figuren 3 und 4 beispielhaft angedeutet.
Ist der Wellenlängenkonverter 14 intakt und in der beschriebenen Art und Weise direkt mit dem diffraktiven optischen Element 30 verbunden, so trifft auch das unter einem großen Winkel zur Einstrahlrichtung 20 gebeugte Licht im Wesentlichen vollständig auf den Wellenlängenkonverter 14. Dieser gibt in der beschriebenen Art und Weise die Sekundärlichtverteilung 22 ab, welche als Nutzlicht von der Beleuchtungseinrichtung ausgestrahlt wird. Ist der Wellenlängenkonverter 14 jedoch funktionsunfähig oder aus dem Strahlengang entfernt, so wird bei der beschriebenen Ausgestaltung der wesentliche Anteil der Intensität des Laserlichtes in die Vorzugsrichtung 46 unter einem ausreichend großen Beugungswinkel in Bezug auf die Einstrahlrichtung 20 und/oder in Bezug auf die Hauptabstrahlrichtung 28 seitlich ausgelenkt. Insbesondere ist für die Beleuchtungseinrichtung eine Abstrahloptik 24 vorgesehen, welche eine Apertur 48 derart aufweist, dass nur solche Lichtstrahlen in die Abstrahllichtverteilung 26 umgelenkt werden, welche innerhalb der Apertur 48 auf die Abstrahloptikeinrichtung 24 treffen. Insofern ist ausgehend von dem Wellenlängenkonverter 14 ein Erfassungsraumwinkelbereich für die Abstrahloptikeinrichtung 24 definiert, wobei Lichtstrahlen nur dann in die Abstrahllichtverteilung 26 umgelenkt werden, wenn sie innerhalb des Erfassungsraumwinkelbereiches verlaufen.
Um ein ungewolltes Austreten von Laserstrahlung zuverlässig zu verhindern, kann die Beugungsstrukturierung 40 derart ausgebildet sein, dass die Vorzugsrichtung 46 für die gebeugte Intensität derart verläuft, dass die Hauptintensität des gebeugten Lichtes nicht mehr von der Abstrahloptikeinrichtung 24 erfasst werden würde, wenn der Wellenlängenkonverter 14 nicht im Strahlengang wäre.
Zusätzlich oder alternativ hierzu kann ein als Lichtfalle wirkender Lichtabsorber 50 derart angeordnet sein, dass er solche Lichtstrahlen erfasst, die von dem diffraktiven optischen Element 30 aus betrachtet entlang der Vorzugsrichtung 46 verlaufen. Um im Normalbetrieb bei intaktem Wellenlängenkonverter 14 eine Beeinträchtigung der Abstrahllichtverteilung 26 durch den Lichtabsorber 50 zu vermeiden, ist der Lichtabsorber 50 vorzugsweise so weit entlang der Vorzugsrichtung 46 von dem Wellenlängenkonverter 14 beabstandet angeordnet, dass er nicht in dem Erfassungsraumwinkelbereich der Abstrahloptikeinrichtung 24 liegt und keine ungewollte Abschattung durch den Lichtabsorber 50 hervorgerufen wird.
Mögliche weitere Ausgestaltungen für die erfindungsgemäßen Beleuchtungseinrichtungen sind in der Figur 5 gezeigt. Zum einen ist es möglich, die Strahlungsleistung der Beleuchtungseinrichtung dadurch zu erhöhen, dass der Wellenlängenkonverter 14 mit zwei oder mehreren Laserlichtquellen 10a, 10b gespeist wird. Beispielsweise können die Laserlichtquellen 10a, 10b derart ausgebildet und angeordnet sein, dass sie im Wesentlichen linear polarisiertes Licht mit zueinander senkrechten Polarisationsrichtungen ausstrahlen. Die beiden Laserlichtquellen 10a, 10b können derart angeordnet sein, dass das von ihnen abgegebene Licht auf zwei verschiedene Einstrahlabschnitte 52a, 52b eines polarisations-selektiven Strahlteilers 54 trifft. Der polarisations-selektive Strahlteiler 54 vereinigt die beiden von den Laserlichtquellen 10a, 10b abgegebenen Lichtbündel zu einem gemischten Primärlichtbündel 12''. Dieses kann in der vorstehend erläuterten Art und Weise auf ein diffraktives optisches Element 30 und weiter auf einen Wellenlängenkonverter 14 eingestrahlt werden. Im Beispiel der Figur 5 wird das von dem Strahlteiler 54 abgegebene Primärlichtbündel 12'' mittels einer Kollimierungslinse 56 in ein Parallellichtbündel umgewandelt und zu dem diffraktiven optischen Element 30 gelenkt. Das von dem diffraktiven optischen Element gebeugte Licht kann dann, wie beispielhaft in Figur 5 dargestellt, mit einer Bündelungsoptik 18 auf den Wellenlängenkonverter 14 gelenkt werden.
Die Figuren 6 und 7 zeigen Ausgestaltungen, mit welchen die Betriebssicherheit von Beleuchtungseinrichtungen mit solchen Laserlichtquellen 10 erhöht werden kann, die zur Ausstrahlung einer linear polarisierten Primärlichtverteilung 12 von Laserlicht mit einer Primärpolarisationsrichtung ausgebildet sind. Das Primärlichtbündel 12 von Laserlicht trifft im weiteren Strahlungsverlauf auf den Wellenlängenkonverter 14, welcher im dargestellten Beispiel an einem plattenartigen, transparenten Träger 16 angeordnet ist. Im Strahlengang zwischen Laserlichtquelle 10 und Wellenlängenkonverter 14 kann außerdem eine Bündelungsoptik 58 angeordnet sein (optional). Der Wellenlängenkonverter 14 wird, wie vorstehend beschrieben, durch das Primärlichtbündel 12 zur Abgabe der Sekundärlichtverteilung 22 angeregt, welche durch einen Lichtaustrittsabschnitt 25 (z.B. über eine Abstrahloptikeinrichtung 24) aus der Beleuchtungseinrichtung austritt. In dem Wellenlängenkonverter 14 wird das Licht dabei in der Regel vielfach gestreut und/oder absorbiert und re-emittiert. Bei diesen Vorgängen kann die Polarisation des Lichtes gedreht werden. Ein Anteil des nach diesen Prozessen von dem Wellenlängenkonverter abgegebenen Lichtes breitet sich als Streulichtverteilung 60 aus. Diese läuft im dargestellten Beispiel in der von dem Lichtaustrittsabschnitt 25 abgewandten Richtung zurück.
Zur Überwachung der Funktionsfähigkeit des Wellenlängenkonverters 14 ist eine polarisations-selektive Sensoreinrichtung 62 vorgesehen. Diese ist derart ausgebildet, dass sie auf Licht mit einer Polarisationsrichtung senkrecht zu der Primärpolarisationsrichtung der Laserlichtquelle 12 anspricht. Die polarisations-selektive Sensoreinrichtung 62 ist derart angeordnet, dass zumindest ein Anteil der Streulichtverteilung 60 erfasst wird.
Im dargestellten Beispiel umfasst die polarisations-selektive Sensoreinrichtung 62 einen polarisations-selektiven Strahlteiler 64, welcher im Strahlengang zwischen der Laserlichtquelle 10 und dem Wellenlängenkonverter 14 angeordnet ist. Der Strahlteiler 64 ist insbesondere derart ausgebildet, dass das von der Laserlichtquelle 10 ausgehende Primärlichtbündel 12 mit der Primärpolarisationsrichtung den Strahlteiler 64 entlang einer Haupttransmissionsrichtung im Wesentlichen ungehindert durchstrahlt und auf den Wellenlängenkonverter 14 trifft. Für Licht, welches eine zu der Primärpolarisationsrichtung senkrechte Polarisation aufweist, bewirkt der Strahlteiler 64 eine Ablenkung in eine Nebenstrahlrichtung. Dies führt dazu, dass derjenige Anteil der Streulichtverteilung 60, welcher aufgrund der Vorgänge im Wellenlängenkonverter 14 eine gedrehte Polarisationsrichtung aufweist, in die Nebenstrahlrichtung abgelenkt wird.
Die Sensoreinrichtung 62 umfasst außerdem einen lichtempfindlichen Sensor 66, welcher derart in Bezug auf den polarisations-selektiven Strahlteiler 64 angeordnet ist, dass nur das Licht mit Polarisationsrichtung senkrecht zur Primärpolarisationsrichtung auf den Sensor 66 trifft. Insbesondere ist der Sensor 66 in der Nebenstrahlrichtung in Bezug auf den Strahlteiler 64 angeordnet. Solange der Sensor 66 einfallende Lichtstrahlen detektiert, weist dies auf das Vorhandensein einer Streulichtverteilung 60 hin, welche aufgrund von Streu- und/oder Umwandlungsvorgängen im Wellenlängenkonverter 14 depolarisiert ist. Insofern kann die Funktionsfähigkeit des Wellenlängenkonverters 14 überwacht werden.
Um die Empfindlichkeit zu erhöhen, kann die Streulichtverteilung 60 mittels der Bündelungsoptik 58 auf den polarisations-selektiven Strahlteiler 64 gebündelt werden.
Zur weiteren Ausgestaltung ist eine Steuereinrichtung 68 vorgesehen, welche die Laserlichtquelle 10 in Abhängigkeit von Messsignalen des Sensors 66 ansteuert.
Im Strahlengang zwischen der Laserlichtquelle 10 und dem Wellenlängenkonverter 14 ist vorzugsweise ein diffraktives optisches Element wie vorstehend beschrieben angeordnet, so dass das Primärlichtbündel 12 vor Auftreffen auf den Wellenlängenkonverter 14 gebeugt wird (in Figur 6 und 7 nicht dargestellt). Insbesondere kann der Wellenlängenkonverter 14 mit dem diffraktiven optischen Element ein zusammenhängendes Lichtumwandlungselement bilden, wie vorstehend zu den Figuren 3 und 4 beschrieben.
Bei der von dem Sensor 66 überwachten Streulichtverteilung 60 muss es sich nicht notwendigerweise um Licht handeln, welches von dem Wellenlängenkonverter 14 entgegen der Ausbreitungsrichtung des Primärlichtbündels 12 zurückgestreut wird. Denkbar sind grundsätzlich auch Anordnungen, bei welchen seitlich gestreutes, depolarisiertes Licht überwacht wird. Die Figur 7 zeigt beispielsweise eine Beleuchtungseinrichtung, bei der das auf den Wellenlängenkonverter 14 eingestrahlte Primärlichtbündel 12 und die von dem Sensor 66 überwachte Streulichtverteilung 60' nicht denselben Lichtweg nehmen. In diesem Fall kann die polarisations-selektive Sensoreinrichtung 62 dadurch gebildet werden, dass im Strahlengang zwischen dem Wellenlängenkonverter 14 und dem Sensor 66 ein Polarisationsfilterelement 70 angeordnet ist, welches für Licht mit einer Polarisationsrichtung senkrecht zu der Primärpolarisationsrichtung des Primärlichtbündels 12 durchlässig ist, und für Licht mit der Primärpolarisationsrichtung im Wesentlichen undurchlässig ist. Auch bei dieser Ausgestaltung wird von dem Sensor 66 nur dann ein Signal erfasst, wenn der Wellenlängenkonverter 14 im Strahlengang wirksam ist und somit grundsätzlich funktionsfähig ist.

Claims (10)

  1. Beleuchtungseinrichtung für ein Kraftfahrzeug, umfassend
    - wenigstens eine Laserlichtquelle (10; 10a, 10b) zur Ausstrahlung eines Primärlichtbündels (12) von Laserlicht mit einer ersten Wellenlänge,
    - einen Wellenlängenkonverter (14), welcher derart angeordnet ist, dass das Primärlichtbündel (12) auf den Wellenlängenkonverter (14) einstrahlbar ist und welcher dazu ausgebildet ist, dass durch das eingestrahlte Primärlichtbündel (12) eine Sekundärlichtverteilung (22) mit wenigstens einer weiteren Wellenlänge ausstrahlbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass im Strahlengang zwischen Laserlichtquelle (10; 10a, 10b) und Wellenlängenkonverter (14) ein diffraktives optisches Element (30) derart angeordnet ist, dass das Primärlichtbündel (12) vor Auftreffen auf den Wellenlängenkonverter (14) an dem diffraktiven optischen Element gebeugt wird.
  2. Beleuchtungseinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das diffraktive optische Element (30) derart ausgebildet wird, dass nach der Beugung ein größerer Raumwinkelbereich ausgeleuchtet ist, als von dem Primärlichtbündel (12) vor Auftreffen auf das diffraktive optische Element (30).
  3. Beleuchtungseinrichtung nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das diffraktive optische Element (30) eine Beugungsfläche (34) mit einer periodischen Beugungsstrukturierung (40) aufweist.
  4. Beleuchtungseinrichtung nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das diffraktive optische Element (30) eine Beugungsfläche (34) mit einer unregelmäßigen, insbesondere nichtperiodischen, Beugungsstrukturierung (40) aufweist.
  5. Beleuchtungseinrichtung nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das diffraktive optische Element (30) derart ausgebildet ist, dass nach der Beugung des Primärlichtbündels (12) der Wellenlängenkonverter (14) mit einer homogenen Intensitätsverteilung ausgeleuchtet wird.
  6. Beleuchtungseinrichtung nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das diffraktive optisches Element (30) derart ausgebildet ist, dass die Einstrahlrichtung (20) des auftreffenden Primärlichtbündels (12) mit einer Vorzugsrichtung (46) des gebeugten Lichts einen nichtverschwindenden Winkel einschließt.
  7. Beleuchtungseinrichtung nach dem vorherigen Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass ein Lichtabsorber (50) zur Absorption von Laserlicht vorgesehen ist, wobei der Lichtabsorber (50) derart angeordnet ist, dass das gebeugte Primärlichtbündel (12) dann von dem Lichtabsorber erfasst wird, wenn der Wellenlängenkonverter (14) aus dem Strahlengang entfernt ist oder unwirksam ist oder nur eingeschränkt wirksam ist.
  8. Beleuchtungseinrichtung nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Wellenlängenkonverter (14) unmittelbar an dem diffraktiven optischen Element (30) angeordnet ist.
  9. Beleuchtungseinrichtung nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Laserlichtquelle (10; 10a, 10b) zur Ausstrahlung von linear polarisiertem Licht mit einer Primärpolarisationsrichtung ausgebildet ist, und dass eine polarisationselektive Sensoreinrichtung (62) vorgesehen ist, welche derart ausgebildet ist, dass sie auf Licht mit einer Polarisationsrichtung senkrecht zur Primärpolarisationsrichtung anspricht, wobei die Sensoreinrichtung (62) derart angeordnet ist, dass von dem Wellenlängenkonverter (14) ausgestrahltes Licht von der Sensoreinrichtung (62) erfasst wird.
  10. Beleuchtungseinrichtung nach dem vorherigen Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass eine Steuereinrichtung (68) für die Laserlichtquelle (10; 10a, 10b) vorgesehen ist, welche dazu ausgebildet ist, die Laserlichtquelle (10; 10a, 10b) in Abhängigkeit von Messsignalen der Sensoreinrichtung (62) anzusteuern, insbesondere derart, dass im Betrieb der Beleuchtungseinrichtung die Laserlichtquelle (10; 10a, 10b) deaktiviert wird, wenn eine von der Sensoreinrichtung (62) gemessene Intensität einen Kontrollschwellwertes unterschreitet.
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