WO2016016032A2 - Beleuchtungsvorrichtung mit einer pumpstrahlungsquelle - Google Patents

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    • F21Y2115/30—Semiconductor lasers

Definitions

  • the present invention relates to a
  • Illumination device with a pump radiation source for emitting pump radiation and a phosphor element for converting the pump radiation into longer-wavelength conversion light.
  • a pump radiation source for example, a laser can be used, and the pump radiation may be about UV radiation or preferably blue light.
  • the conversion light then has at least proportions in the visible spectral range and can be used, for example, for illumination.
  • the present invention is based on the technical problem of specifying a particularly advantageous lighting device with pump radiation source and phosphor element.
  • this object solves a
  • Lighting device with a pump radiation source for emitting pump radiation as a beam, a phosphor element for converting the pump radiation in conversion light and a lens system between the pump radiation source and the phosphor element, which is penetrated by the pump beam, wherein the Lens system has a focus and the phosphor element is disposed at the focus, and further wherein at least one lens of the lens system comprises a scattering means, which passes through the pump beam and is thereby widened, so that the pump beam around a focal point spread around the phosphor element falls.
  • the conversion light is preferably longer wavelength than the pump radiation (Dora conversion).
  • an up-conversion is alternatively possible, in the example. Long-wave laser radiation in shorter wavelength
  • the inventor has observed that a point concentration of the pump radiation on the
  • Phosphor element can lead to a local overheating and consequently rapid degradation of the phosphor.
  • the approach of the invention is now to arrange the phosphor element in the context of the technically possible in the focus of the lens system, however, nevertheless to avoid the formation of a hot spot by the spread-related widening.
  • an alternative approach initially proposed by the inventor would have been to arrange the phosphor element outside the focus, ie clearly in front of or behind the focal plane.
  • the inventor has found that a small offset here, for example, even within the usual
  • Manufacturing fluctuations may ultimately result in the fact that the phosphor element but then in the focus or this is close. In a mass production, therefore, it can potentially be error prone to set a widening of a collimated pump beam by an offset of the phosphor element to the focal plane. This applies all the more, if preferably a plurality of pump radiation sources are provided, that is to say several pump beam bundles must be brought together.
  • the pump beam is therefore guided by a lens system to the phosphor element, the latter being arranged at the focus of the lens system.
  • the arrangement "at” the focus means that a pump radiation irradiation surface of the phosphor element of
  • Focus / focus point is, for example, not more than 200 ym, 150 ym, 100 ym, 50 ym and 20 ym (in the order of naming increasingly preferred) away (taken along the center axis of the pump beam). Within the framework of the technically possible, an arrangement exactly in focus is preferred.
  • Phosphor element should the pump beam, for example, a spot diameter of at least 10 ym, in this order increasingly preferably at least 50 ym, 100 ym, 150 ym, 200 ym, 250 ym and have 300 ym; Possible upper limits may be at a maximum of about 1 mm, in this order increasingly preferably not more than 0.9 mm, 0.8 mm, 0.7 mm, 0.6 mm or 0.5 mm (an upper limit may be independent of a lower limit of Be interested, and vice versa). In the case of a non-circular spot, the diameter refers to the mean of the smallest and largest spot extent.
  • the "focus point” is a point in which the rays passing through the lens system would theoretically strike if the lens had no scattering means, reducing the beam cross-section to one point (the focal point) determined on the lens system free of the scattering means according to the principles of geometric beam optics.
  • the "focus" is then located at the same location, but not all of the beams of the pump beam meet at a single point, but pass through a small area, and so should the values disclosed above for the spot diameter be revealed in focus for this area, which generally means “widening around the focal point”.
  • In the focus of the diameter of the pump beam is minimal, at least in any case compared to a region immediately upstream and immediately downstream of a region (in which the pump beam then but not further spread, but the phosphor element is arranged).
  • the "lens system” may generally also consist of a single lens, which then comprises the diffuser, but preferably it is a plurality of lenses.
  • the focus / focus point is determined for the lens system as a whole, that is, considering all the lenses between the pump radiation source.
  • the arrangement of the lens system "between" the pump radiation source and the phosphor element does not necessarily refer to the path of the pump beam, ie, in the case of a pump beam guided over the corner, not necessarily to the geometrically shortest connection.
  • the scattering means widens the opening angle of the pumping beam in a preferred embodiment at least 0.5 °, in this order increasingly preferably at least 1 °, 1.5 °, 2 °, 2.5 °, 3 °, 3.5 °, 4 ° and 4.5 °, respectively;
  • preferred upper limits may be more preferably at most 10 °, 9.5 °, 9 °, 8.5 °, 8 °, 7.5 °, 7 °, 6.5 °, 6 °, and 5.5, respectively, in this order ° (an upper limit may also be of interest independently of a lower limit, and vice versa). Should the pump beam in the axes be widened differently perpendicular to its direction of gravity, an average value is considered.
  • the expansion should be uniform, so it should deviate from each other in two mutually perpendicular axes by not more than 30%, preferably not more than 15% (based on the larger expansion), which is preferred for all mutually and the direction of gravity vertical axis pairs applies.
  • the "opening angle” is taken between the lateral surfaces of the pumping beam, in each case in a section plane containing the center axis of the pumping beam.
  • the "center axis” lies parallel to the direction of gravity of the beam in the respectively considered section and extends centrally in the pumping beam, that is to say in one Direction of gravity vertical plane of section viewed in the centroid (the cross-sectional area of the pump beam).
  • Pump beam is to be considered in terms of a distance to the center axis, ie in a sectional plane perpendicular to it, where the pump radiation power has fallen to half of the maximum (half width).
  • center of gravity refers to the average of all the directional vectors of the beam in a respective section between two optical elements, particularly lenses (which can change the direction of gravity) .
  • This averaging, each direction vector is weighted with its associated light intensity
  • the scattering agent could also be embedded in the volume of the lens material as a so-called volume diffuser, but preferably it would be provided at the light entry surface of the lens
  • the scattering could, for example, also take place by means of a holographic structure or a diffraction grating, for example applied in the form of a coating.
  • a geometrically determined surface texture so that the scattering would thus take place in accordance with the principles of the geometrical ray optics
  • it can also be applied as a coating, but is preferably achieved by roughening the surface.
  • the light entry surface of the lens is spherical, further preferred is a plano-spherical lens, more preferably a hemispherical lens.
  • a plano-spherical lens more preferably a hemispherical lens.
  • the pump beam Downstream of the lens, the pump beam is incident on the phosphor element, on the pump radiation irradiation surface.
  • the pump radiation irradiation surface may be a rectangular side surface of the cuboid; in the case of a cylindrical phosphor element, for example, the circular base surface may be the pump radiation irradiation surface.
  • the pump radiation irradiation surface has a mean extension x, which results as an average value of its smallest and largest extension, for example in the case of a rectangular surface as the mean value of surface diagonal and shorter edge.
  • the sphere underlying the spherical light entry surface has a radius R, and then preferably R> x / 2, with further advantageous lower limits for R in this order increasingly preferably at least 3 ⁇ / 4, x, 5x / 4, 3x / 2, 7x / 4 or 2x lie.
  • Advantageous upper limits can be, for example, at most 10x, 8x, 6x, 4x or 3x, in the order of their designation increasingly preferred (an upper limit can also be independent of a lower limit of interest, and vice versa).
  • the pump radiation irradiation area may have a mean extension x of at least 0.7 mm, 1 mm, 1.3 mm, 1.6 mm, 1.9 mm, and 2.2 mm, respectively; Possible upper limits are, for example, at most 8 mm, 7 mm, 6 mm, 5 mm, 4 mm or 3 mm (each in the order of naming increasingly preferred), where upper and lower limits may also be of interest independently.
  • Preferred is a rectangular shape, more preferably, the longer side edge should not be more than 50%, 30% or 10% longer than the shorter; particularly preferred is a square shape.
  • a centroid of the pump radiation incident surface has a distance d taken along a surface normal to the spherical light entrance surface, and then it is preferably d> 0.9-R, more preferably d> 0.95-R, more preferably d> R.
  • d R (in the context of technically customary deviations)
  • the phosphor element is then arranged on the plane light exit surface of a hemispherical lens.
  • the arrangement of the phosphor element "on" the light exit surface means in direct optical contact with this, so either applied directly or via a joint connecting layer, preferably one
  • Adhesive layer associated with it can cause a small offset of the phosphor element with respect to the ball center, but this is compared to the other dimensions (x, R, %) small and so far negligible.
  • the pump beam converges convergent to the sphere center on the spherical light entry surface. It is then every ray of the pump beam perpendicular to the
  • the pump beam passes through the light entrance surface accordingly refraction-free, so without changing the Schwerpunakichtung.
  • the focal point lies in the center of the sphere and would focus the pumping beam without the scattering agent according to the invention at one point.
  • a planar aplanatic lens instead of a plano-spherical lens with concentric coupling, for example, a planar aplanatic lens can also be used.
  • This has no spherical aberration, as does the plano-spherical lens, but has a refractive power which allows a refraction of the pump beam.
  • An advantage of the hemispherical lens is on the one hand in the predefined position for the phosphor element, when the ball center is equal to the focal point.
  • a preferred embodiment relates to a lighting device with several
  • Each pumping radiation source emits a respective pumping beam, which preferably each pass through a lens with a scattering agent, preferably a common lens with scattering means (s).
  • a lens with a scattering agent preferably a common lens with scattering means (s).
  • the respective pump beam bundles in the common lens are combined with scattering agent (s), so they each have their own optics; in other words, the respective lens systems share the lens with scattering agent (s), but otherwise differ.
  • each pumping beam is widened in a manner described here with a scattering means around the respective focal point.
  • the focus points of the respective lens systems preferably fall within the scope of the technically possible together.
  • a hemispherical lens is particularly preferred and the focal points are then in the center of the sphere.
  • a further preferred embodiment may be of interest for the safety of the lighting device, namely, if, for example due to mechanical stress (vibration, impact, different thermal expansion, ...) the phosphor element drops from the hemispherical lens.
  • the coupling into the spherical light entrance surface is preferably such that the pump radiation is totally reflected at the light exit surface, if there is no phosphor element is arranged (So it has fallen off).
  • the lens has a critical angle ⁇ C , which results from the refractive index n of the lens material, preferably with respect to air as ambient medium to 9 C aresin (1 / n);
  • 9 C may be around 34 °.
  • the refractive index of the adhesive can be n K i e bst. be taken into account, 9 C ⁇ arcsin (n i K e bst./n).
  • the critical angle 9 C refers to a surface normal, which in the case of the light exit surface coincides with the optical axis of the lens. Accordingly, the pump beam should pass through the light entrance surface with a direction of gravity (refraction-free), which is tilted by an angle ⁇ > 9 C to the optical axis. Further advantageous lower limits for ⁇ will be 1.05 to 9 C, 1.1 -9 C, 1.15 to 9 C, 1.2 -9 C, 1.25 -9 C, or 1.3 to 9 C ( increasingly preferred in the order of entry).
  • each pump radiation beam is preferably coupled in accordingly.
  • Particularly preferred is an arrangement such that a first and a second pump beam are rotationally symmetrical to each other with respect to the optical axis, namely exactly dressing Congressig with a rotation angle of 180 °. By a rotation about the optical axis by 180 °, the first pumping beam can thus be converted into the second, and vice versa.
  • the section within the hemispherical lens is considered, the arrangement of the pump radiation sources therefore generally does not necessarily have to be correspondingly rotationally symmetrical, although this is preferred.
  • an advantage of the rotationally symmetrically arranged pumping beam bundles is then, for example, that in the mentioned error case (phosphor element falls off) one pumping beam can leave the lens on the path of the other, and vice versa.
  • the lens as explained in more detail below, apart from openings in the region of the pumping beam, at the light entrance surface also be mirrored, which can offer advantages in terms of efficiency.
  • the rotationally symmetrical arrangement then ensures that the totally reflected in the event of a fault pump radiation can leave the lens again, and that of the phosphor element and thus the "user side" away.
  • a plurality of pumping beam bundles can also be provided and be rotationally symmetrical to one another, even with a multiple rotational symmetry (more than two-fold). If, for example, four pumping beam bundles are provided, there may be two first and two second pumping beam bundles (in the sense just described), which are exactly twice doubly rotationally symmetrical per pair; In total, the four pump beams can then be arranged in fourfold rotational symmetry.
  • the light entry surface of the lens in a preferred embodiment is at least partially provided with a reflection layer.
  • this may also be, for example, a dichroic reflection layer which is largely transmissive to the pump radiation (eg at least 80%, preferably at least 90% transmission), but at least partially reflects the conversion light, ie at least 30%, for example. 40%, 50%, 60% and 70%, respectively (increasingly preferred in order of designation) of the conversion light emitted at the pump radiation irradiation surface.
  • Phosphor element of the pump radiation irradiation surface is opposite, so the phosphor element is thus operated in transmission, namely, is also at the pump radiation irradiation surface emitted conversion light (backscatter conversion light).
  • the emission of the conversion light takes place omnidirectionally in principle.
  • the conversion light can be collected, for example, with optics, such as an imaging optics, and then used for illumination. If the light entry surface and therefore the reflection layer are spherical in a preferred embodiment and the ball center lies within technically usual deviations in the pump radiation irradiation surface, the backscatter conversion light advantageously falls largely perpendicular to the reflection layer (at least in a region around the sphere center).
  • the backscatter conversion light is also substantially reflected back to the phosphor element, so it can then be used on the conversion light emitting surface together with the originally emitted there conversion light (there arranged optics does not take into account the light passing element light, which the effort can simplify).
  • the reflection layer is also reflective of the pump radiation, so it is a Vollveraptung.
  • the reflectance for conversion light and pump radiation may, for example, be at least 80%, 85%, 90%, 95% and 97%, respectively (increasingly preferred in the order in which they are mentioned).
  • a metal film may be applied to the light entry surface, such as a silver film or an ITO coating.
  • a corresponding reflection layer is then interrupted, so for example provided with a hole or recess taking into account the diameter of the pump beam.
  • a coupling of the pumping beam bundle angle-tilted with respect to the optical axis in particular with ⁇ > 9 C , only a portion of the light-entry surface may be mirrored about the optical axis, ie a cap at angles ⁇ .
  • the invention also relates to the use of a presently disclosed lighting device as a light source for illumination.
  • a field of application are, for example, projection devices or endoscopes.
  • Particularly preferred is an application in the field of automotive exterior lighting, more preferably as a light source of a motor vehicle headlight.
  • the entire pump radiation must be converted (full conversion), but only a part of it can be converted and a mixture of pump radiation (pump light) and conversion light can be used (partial conversion).
  • the pump radiation source is preferably a laser, more preferably a laser diode.
  • a plurality of laser diodes of the same or different frequency (wavelength) and
  • FIG. 1 shows a lighting device according to the invention with four laser diodes in a schematic overview.
  • Fig. 2 is a schematic section through a
  • Phosphor element according to FIG. 2 emitted backscatter conversion light; Fig. 4, the coupling of a plurality of pump beam.
  • Fig. 1 shows an inventive
  • Lighting device 1 in a schematic overview.
  • the laser diodes emit at about 450 nm and have a radiation power of 1.5 watts to 3.0 watts.
  • Each of the laser diodes 2 is associated with a plano-convex lens 3 which focuses the pump radiation emitted by the respective laser diode 2 (blue pump light) and directs it onto a hemispherical lens 5.
  • the pump beam 4 impinge on a light entrance surface 6 of the hemispherical lens 5 made of sapphire and enforce the latter to an opposite light exit surface 21.
  • the light exit surface is based on the viewing direction of FIG. 1 facing away from the back, so reference is also made to FIG. 2 for the sake of illustration.
  • the latter is arranged on the light exit surface 21 of the hemispherical lens 5, via a thin layer of adhesive ( ⁇ 50 ⁇ m) connected to it via the light exit surface 21.
  • the pumping radiation impinges on a pump radiation irradiation surface 23 of the phosphor element 22 and is at least partly converted into longer-wavelength conversion light 24 by the latter (in the present case a yellow YAG: Ce phosphor).
  • the conversion light 24 and possibly unconverted pump light is at a
  • Phosphor element 22 which is the pump radiation Einstrahl requirements 23 is opposite, delivered.
  • the respective plano-convex lens 3 and the hemispherical lens 5 form a lens system, through which the pump radiation is guided onto the phosphor element 22.
  • Fig. 2 further illustrates that the
  • This surface roughening 26 constitutes a scattering means, the pumping beam 4 is widened as it passes through.
  • the opening angle increases by approx. 5 °.
  • Fig. 2 the ray propagation is indicated by dashed lines in the undisturbed case; the pumping beam 4 would concentrate on the phosphor element 22 at a focused point 27, which would result in a localized overheating (hot spot) of the phosphor element 22. In order to avoid this, the pumping beam 4 is widened by scattering, it therefore falls correspondingly around the focal point 27 widened onto the phosphor element 22. Although the latter is arranged at the focus, the pumping beam 4 is not concentrated in a punctiform manner there.
  • the light entrance surface 6 is further provided with a reflection layer 28, namely a silver film. Since this would also reflect the pump radiation, the reflection layer 28 is interrupted where the pump beams 4 are coupled.
  • the conversion light generated on the excitation with the pump radiation in the phosphor element 22 is also emitted at the pump radiation Einstrahlflache 23, namely as backscatter conversion light 31.
  • the center of the pump radiation Einstrahlflache 23 emitted backscatter conversion light 31 a, that is at the focal point 27 and thus is emitted at the ball center point, perpendicular to the reflection layer 28 and is accordingly reflected back to the same location of the pump radiation-Einstrahl requirements 23 back.
  • backscatter conversion light 31b emitted on the edge side of the pump radiation irradiation surface 23 does not fall exactly but at least approximately perpendicular to the reflection layer 28, it is also largely reflected back onto the pump radiation irradiation surface 23.
  • the backscatter conversion light thus guided back to the phosphor element 22 can then be used on the conversion light emission surface 25 together with the conversion light 24 originally emitted there. It is not only backscattered conversion light, but also a part of the pump radiation.
  • This backscatter is similar in terms of directions to the backscatter conversion light 31.
  • the backscatter pump radiation is also applied to the reflection layer 28 reflected and so back to the pump radiation Einstrahlflache 23 out, which further increases the efficiency.
  • FIG. 4 again shows the same structure, in which case two pump beams 4a, b are shown, that is, a schematic section through the arrangement of FIG. 1.
  • Each of the pump beams 4a, b is coupled via a respective scattering means 26 and is correspondingly widened around the focal point 27.
  • the two pump beams 4a, b are also rotationally symmetrical to the optical axis 41 of the hemispherical lens 5, namely exactly Weg Congressig. Further, the two beams 4a, b are tilted to the optical axis 41 such that the pump radiation at an incident angle ⁇ > 9 C falls on the light exit surface 21 of the hemispherical lens 5.
  • Light exit surface 21 is totally reflected and the first pumping beam 4a, the hemispherical lens 5 then leave on the path of the second pumping beam 4b (in the opposite direction), and vice versa.

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Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Beleuchtungsvorrichtung (1) mit einer Pumpstrahlungsquelle (2) zur Emission von Pumpstrahlung als Strahlenbündel (4), einem Leuchtstoffelement (22) und einem Linsensystem (3, 5) zwischen den beiden (2, 22); das Linsensystem hat einen Fokus, an welchem das Leuchtstoffelement (22) angeordnet ist, wobei eine Linse (5) des Linsensystems (3, 5) ein Streumittel (26) aufweist, welches das Pumpstrahlenbündel (4) durchsetzt und dabei aufgeweitet wird, sodass das Pumpstrahlenbündel (4) um einen Fokuspunkt (27) aufgeweitet auf das Leuchtstoffelement fällt.

Description

Beleuchtungsvorrichtung mit einer Pumpstrahlungsquelle
Technisches Gebiet
Die vorliegende Erfindung betrifft eine
Beleuchtungsvorrichtung mit einer Pumpstrahlungsquelle zur Emission von Pumpstrahlung und einem Leuchtstoffelement zur Konversion der Pumpstrahlung in längerwelliges Konversionslicht.
Stand der Technik
Als Pumpstrahlungsquelle kann beispielsweise ein Laser eingesetzt werden, und bei der Pumpstrahlung kann es sich etwa um UV-Strahlung oder vorzugsweise blaues Licht handeln. Das Konversionslicht hat dann zumindest Anteile im sichtbaren Spektralbereich und kann beispielsweise zur Beleuchtung genutzt werden.
Der vorliegenden Erfindung liegt das technische Problem zugrunde, eine besonders vorteilhafte Beleuchtungsvorrichtung mit Pumpstrahlungsquelle und Leuchtstoffelement anzugeben.
Darstellung der Erfindung
Erfindungsgemäß löst diese Aufgabe eine
Beleuchtungsvorrichtung mit einer Pumpstrahlungsquelle zur Emission von Pumpstrahlung als Strahlenbündel, einem Leuchtstoffelement zur Konversion der Pumpstrahlung in Konversionslicht und einem Linsensystem zwischen der Pumpstrahlungsquelle und dem Leuchtstoffelement , das von dem Pumpstrahlenbündel durchsetzt wird, wobei das Linsensystem einen Fokus hat und das Leuchtstoffelement an dem Fokus angeordnet ist, und wobei ferner zumindest eine Linse des Linsensystems ein Streumittel aufweist, welches das Pumpstrahlenbündel durchsetzt und dabei aufgeweitet wird, sodass das Pumpstrahlenbündel um einen Fokuspunkt herum aufgeweitet auf das Leuchtstoffelement fällt.
Bevorzugte Ausgestaltungen finden sich in der Beschreibung und den abhängigen Ansprüchen, wobei in der Darstellung nicht immer im Einzelnen zwischen Vorrichtungs- und Verwendungsaspekten unterschieden wird; jedenfalls implizit ist die Offenbarung hinsichtlich sämtlicher Anspruchskategorien zu lesen.
Das Konversionslicht ist vorzugsweise längerwellig als die Pumpstrahlung (Dora-Konversion) . Im Allgemeinen ist alternativ auch eine Up-Konversion möglich, bei der bspw. längerwellige Laserstrahlung in kürzerwelliges
Konversionslicht umgewandelt wird.
Der Erfinder hat beobachtet, dass eine punktförmige Konzentration der Pumpstrahlung auf dem
Leuchtstoffelement zu einer lokalen Überhitzung und infolgedessen schnellen Degradation des Leuchtstoffs führen kann. Der erfindungsgemäße Ansatz geht nun dahin, das Leuchtstoffelement zwar im Rahmen des technisch Möglichen im Fokus des Linsensystems anzuordnen, durch die streubedingte Aufweitung jedoch gleichwohl die Bildung eines Hot Spots zu vermeiden. Ein vom Erfinder anfänglich alternativ angedachter Ansatz hätte indes darin bestanden, das Leuchtstoffelement außerhalb des Fokus anzuordnen, also deutlich vor oder hinter der Brennebene. Allerdings hat der Erfinder festgestellt, dass ein kleiner Versatz hierbei, der beispielsweise auch noch innerhalb üblicher
Fertigungsschwankungen liegen kann, letztlich zur Folge haben kann, dass das Leuchtstoffelement dann doch im Fokus bzw. diesem nahe liegt. In einer Massenfertigung kann es deshalb potenziell fehlerträchtig sein, eine Aufweitung eines kollimierten Pumpstrahlbündels durch einen Versatz des Leuchtstoffelements zur Brennebene einzustellen. Dies gilt umso mehr, wenn bevorzugt mehrere Pumpstrahlungsquellen vorgesehen sind, also mehrere Pumpstrahlenbündel zusammengeführt werden müssen.
Erfindungsgemäß wird das Pumpstrahlenbündel deshalb durch ein Linsensystem zu dem Leuchtstoffelement geführt, wobei letzteres am Fokus des Linsensystems angeordnet ist. Die Anordnung „an" dem Fokus meint, dass eine Pumpstrahlungs- Einstrahlfläche des Leuchtstoffelements vom
Fokus/Fokuspunkt um beispielsweise nicht mehr als 200 ym, 150 ym, 100 ym, 50 ym bzw. 20 ym (in der Reihenfolge der Nennung zunehmend bevorzugt) entfernt ist (entlang der Mittenachse des Pumpstrahlenbündels genommen) . Im Rahmen des technisch Möglichen ist eine Anordnung genau im Fokus bevorzugt .
Dies kann vorteilhafterweise die Montage vereinfachen, vgl. die nachstehende Beschreibung im Detail. Um gleichwohl eine Hot Spot-Bildung zu vermeiden, weist eine Linse des Linsensystems ein Streumittel auf, sodass das Pumpstrahlenbündel im Fokus um den Fokuspunkt aufgeweitet auf das Leuchtstoffelement fällt. Da das Streumittel die Etendue vergrößert (Produkt aus Strahlbündelquerschnitt und projiziertem Raumwinkel), also vereinfacht gesprochen das vom Licht ausgefüllte Raumvolumen, kann es dann vorteilhafterweise auch im Falle eines unbeabsichtigten Versatzes zwischen Leuchtstoffelement und Linsensystem nicht zu einer Hot Spot-Bildung kommen. Ist das Strahlbündel im Fokus um den Fokuspunkt aufgeweitet, ist es entsprechend auch ein Stück weit dazu versetzt (am Fokus) aufgeweitet.
Auf einer Pumpstrahlungs-Einstrahlfläche des
Leuchtstoffelements soll das Pumpstrahlenbündel beispielsweise einen Spot-Durchmesser von mindestens 10 ym, in dieser Reihenfolge zunehmend bevorzugt mindestens 50 ym, 100 ym, 150 ym, 200 ym, 250 ym bzw. 300 ym haben; mögliche Obergrenzen können etwa bei maximal 1 mm, in dieser Reihenfolge zunehmend bevorzugt maximal 0,9 mm, 0,8 mm, 0,7 mm, 0,6 mm bzw. 0,5 mm liegen (eine Obergrenze kann unabhängig von einer Untergrenze von Interesse sein, und umgekehrt) . Im Falle eines nicht kreisförmigen Spots bezieht sich der Durchmesser auf den Mittelwert aus kleinster und größter Spot-Erstreckung . Der „Fokuspunkt" ist ein Punkt, in welchem sich die das Linsensystem durchsetzenden Strahlen theoretisch treffen würden, wenn die Linse kein Streumittel aufweisen würde. Der Strahlbündelquerschnitt wäre dort auf einen Punkt (den Fokuspunkt) reduziert. Der Fokuspunkt wird insofern an dem vom Streumittel freien Linsensystem nach den Prinzipien der geometrischen Strahlenoptik ermittelt.
Bezogen auf den Pfad der Pumpstrahlung ist der „Fokus" dann an derselben Stelle angeordnet, allerdings treffen sich nicht sämtliche Strahlen des Pumpstrahlenbündels in einem einzigen Punkt, sondern durchsetzen sie eine kleine Fläche; es sollen insoweit auch die vorstehend für den Spot-Durchmesser offenbarten Werte für diese Fläche im Fokus offenbart sein. Dies meint im Allgemeinen „Aufweitung um den Fokuspunkt". Im Fokus wird der Durchmessers des Pumpstrahlenbündels minimal, jedenfalls im Vergleich zu einem Bereich unmittelbar vorgelagert und einem Bereich unmittelbar nachgelagert (in dem sich das Pumpstrahlenbündel dann aber nicht weiter ausbreitet, sondern das Leuchtstoffelement angeordnet ist) .
Das „Linsensystem" kann im Allgemeinen auch aus einer einzigen Linse bestehen, welche dann das Streumittel aufweist; vorzugsweise handelt es sich dabei jedoch um mehrere Linsen. Der Fokus/Fokuspunkt bestimmt sich für das Linsensystem im Gesamten, also unter Berücksichtigung sämtlicher Linsen zwischen der Pumpstrahlungsquelle und dem Leuchtstoffelement . Die Anordnung des Linsensystems „zwischen" Pumpstrahlungsquelle und Leuchtstoffelement bezieht sich auf den Pfad des Pumpstrahlenbündels, also etwa im Falle eines über Eck geführten Pumpstrahlenbündels nicht zwingend auf die geometrisch kürzeste Verbindung.
Das Streumittel weitet den Öffnungswinkel des Pumpstrahlenbündels in bevorzugter Ausgestaltung um mindestens 0,5°, in dieser Reihenfolge zunehmend bevorzugt mindestens 1°, 1,5°, 2°, 2,5°, 3°, 3,5°, 4° bzw. 4,5°, auf; bevorzugte Obergrenzen können beispielsweise bei in dieser Reihenfolge zunehmend bevorzugt höchstens 10°, 9,5°, 9°, 8,5°, 8°, 7,5°, 7°, 6,5°, 6° bzw. 5,5° liegen (eine Obergrenze kann auch unabhängig von einer Untergrenze von Interesse sein, und umgekehrt) . Sollte das Pumpstrahlenbündel in den Achsen senkrecht zu seiner Schwerpunktrichtung unterschiedlich aufgeweitet werden, wird ein Mittelwert betrachtet. Vorzugsweise soll die Aufweitung jedoch gleichmäßig sein, soll sie also in zwei zueinander senkrechten Achsen um nicht mehr als 30 %, vorzugsweise nicht mehr als 15 %, voneinander abweichen (bezogen auf die größere Aufweitung) , was bevorzugt für sämtliche zueinander und zur Schwerpunktrichtung senkrechten Achsenpaare gilt.
Der „Öffnungswinkel" wird zwischen den Mantelflächen des Pumpstrahlenbündels genommen, und zwar jeweils in einer die Mittenachse des Pumpstrahlenbündels beinhaltenden Schnittebene. Die „Mittenachse" liegt parallel zur Schwerpunktrichtung des Strahlenbündels im jeweilig betrachteten Abschnitt und erstreckt sich mittig im Pumpstrahlenbündel, liegt also in einer zur Schwerpunktrichtung senkrechten Schnittebene betrachtet im Flächenschwerpunkt (der Querschnittsfläche des Pumpstrahlenbündels) . Die Mantelfläche des
Pumpstrahlenbündels soll hinsichtlich eines Abstands zur Mittenachse, also in einer dazu senkrechten Schnittebene betrachtet, dort liegen, wo die Pumpstrahlungsleistung auf die Hälfte des Maximums abgefallen ist (Halbwertsbreite) .
Im Rahmen dieser Offenbarung bezieht sich „Schwerpunktrichtung" auf den Mittelwert sämtlicher Richtungsvektoren des Strahlenbündels in einem jeweiligen Abschnitt zwischen zwei optischen Elementen, insbesondere Linsen (welche die Schwerpunktrichtung ändern können) . Bei dieser Mittelwertbildung wird jeder Richtungsvektor mit der ihm zugehörigen Lichtstärke gewichtet. Im Allgemeinen könnte das Streumittel beispielsweise auch als sogenannter Volumendiffusor in das Volumen des Linsenmaterials eingebettet sein, vorzugsweise ist es jedoch an der Lichteintrittsfläche der Linse vorgesehen. Im Allgemeinen könnte die Streuung beispielsweise auch mittels einer holografischen Struktur oder eines Beugungsgitters erfolgen, etwa in Form einer Beschichtung aufgebracht. Denkbar ist ferner auch eine geometrisch bestimmte Oberflächentextur, sodass die Streuung also nach den Prinzipien der geometrischen Strahlenoptik erfolgen würde. Bevorzugt ist eine Mattierung der Lichteintrittsfläche, die beispielsweise auch als Beschichtung aufgebracht sein kann, vorzugsweise jedoch durch eine Anrauung der Oberfläche erreicht wird.
In bevorzugter Ausgestaltung ist die Lichteintrittsfläche der Linse sphärisch, weiter bevorzugt ist eine plansphärische Linse, besonders bevorzugt eine Halbkugellinse. Wie nachstehend weiter im Detail erläutert wird, kann es bei einer Halbkugellinse, deren plane Seite sich durch den Kugelmittelpunkt erstreckt, auch mit Blick auf eine Massenfertigung gut beherrschbar sein, das Leuchtstoffelement am bzw. im Fokus anzuordnen, wenn dieser im Kugelmittelpunkt liegt (der Fokus des Linsensystems, nicht der Halbkugellinse allein) . Das Leuchtstoffelement kann nämlich gut reproduzierbar an der planen Seite angeordnet werden; durch die Aufweitung mit dem Streumittel wird gleichwohl eine Hot Spot-Bildung vermieden .
Der Linse nachgelagert fällt das Pumpstrahlenbündel auf das Leuchtstoffelement , und zwar auf dessen Pumpstrahlungs-Einstrahlfläche . Dies meint die gesamte Seitenfläche des Leuchtstoffelements , durch welche die Pumpstrahlung eintritt, also nicht nur den von der Pumpstrahlung durchstrahlten Bereich (Spot) davon. Ist das Leuchtstoffelement beispielsweise quaderförmig, kann die Pumpstrahlungs-Einstrahlfläche eine rechteckige Seitenfläche des Quaders sein; im Falle eines zylinderförmigen Leuchtstoffelements kann beispielsweise die kreisförmige Grundfläche die Pumpstrahlungs- Einstrahlfläche sein.
Die Pumpstrahlungs-Einstrahlfläche hat eine mittlere Erstreckung x, die sich als Mittelwert ihrer kleinsten und größten Erstreckung ergibt, etwa im Falle einer rechteckförmigen Fläche als Mittelwert von Flächendiagonale und kürzerer Kante. Die der sphärischen Lichteintrittsfläche zugrundeliegende Kugel hat einen Radius R, und es gilt dann vorzugsweise R > x/2, wobei weitere vorteilhafte Untergrenzen für R in dieser Reihenfolge zunehmend bevorzugt bei mindestens 3x/4, x, 5x/4, 3x/2, 7x/4 bzw. 2x liegen. Vorteilhafte Obergrenzen können beispielsweise bei höchstens lOx, 8x, 6x, 4x bzw. 3x liegen, in der Reihenfolge ihrer Nennung zunehmend bevorzugt (eine Obergrenze kann auch unabhängig von einer Untergrenze von Interesse sein, und umgekehrt) .
In absoluten Werten kann die Pumpstrahlungs- Einstrahlfläche beispielsweise eine mittlere Erstreckung x von mindestens 0,7 mm, 1 mm, 1,3 mm, 1,6 mm, 1,9 mm bzw. 2,2 mm haben; mögliche Obergrenzen liegen beispielsweis bei höchstens 8 mm, 7 mm, 6 mm, 5 mm, 4 mm bzw. 3 mm (jeweils in der Reihenfolge der Nennung zunehmend bevorzugt) , wobei Ober- und Untergrenze auch unabhängig voneinander von Interesse sein können. Bevorzugt ist eine rechteckige Form, wobei weiter bevorzugt die längere Seitenkante um nicht mehr 50 %, 30 % bzw. 10 % länger als die kürzere sein soll; besonders bevorzugt ist eine quadratische Form.
Ein Flächenschwerpunkt der Pumpstrahlungs-Einstrahlfläche hat einen entlang einer Flächennormalen genommenen Abstand d zu der kugelförmigen Lichteintrittsfläche, und es gilt dann vorzugsweise d > 0,9-R, weiter bevorzugt d > 0,95-R, besonders bevorzugt d > R. Besonders vorteilhaft ist, wie auch bereits erwähnt, d = R (im Rahmen technisch üblicher Abweichungen) , wird dann also das Leuchtstoffelement an der planen Lichtaustrittsfläche einer Halbkugellinse angeordnet.
Die Anordnung des Leuchtstoffelements „an" der Lichtaustrittsfläche meint in direktem optischen Kontakt mit dieser, also entweder direkt aufgebracht oder über eine Fügeverbindungsschicht , vorzugsweise eine
Klebstoffschicht , damit verbunden. Eine solche KlebstoffSchicht kann einen geringen Versatz des Leuchtstoffelements gegenüber dem Kugelmittelpunkt bedingen, allerdings ist dieser im Vergleich zu den übrigen Abmessungen (x, R, ...) klein und insoweit vernachlässigbar .
In bevorzugter Ausgestaltung fällt das Pumpstrahlenbündel konvergent zum Kugelmittelpunkt auf die sphärische Lichteintrittsfläche. Es steht dann also jeder Strahl des Pumpstrahlenbündels senkrecht auf die
Lichteintrittsfläche. Das Pumpstrahlenbündel durchsetzt die Lichteintrittsfläche dementsprechend brechungsfrei, also ohne Änderung der Schwerpunktrichtung. In anderen Worten liegt der Fokuspunkt im Kugelmittelpunkt und würde das Pumpstrahlenbündel ohne das erfindungsgemäße Streumittel dort in einem Punkt fokussiert.
Grundsätzlich kann anstelle einer plan-sphärischen Linse mit konzentrischer Einkopplung bspw. auch eine plan- aplanatische Linse verwendet werden. Diese weist wie auch die plan-sphärische Linse keine sphärische Aberration auf, hat aber eine Brechungskraft, welche eine Brechung des Pumpstrahlenbündels ermöglicht. Ein Vorteil der Halbkugellinse besteht einerseits in der vordefinierten Position für das Leuchtstoffelement, wenn der Kugelmittelpunkt gleich dem Fokuspunkt ist. Andererseits lassen sich dann über dieselbe sphärische Lichteintrittsfläche im Prinzip auch beliebig viele Pumpstrahlenbündel entsprechend einkoppeln und im Kugelmittelpunkt zusammenführen, um dort auf das Leuchtstoffelement zu treffen. Dabei können die Pumpstrahlenbündel in kaskadierender Weise, vergleichbar mit unterschiedlichen Breitengraden auf der
Erdoberfläche, angeordnet sein. Die Anordnung ist also beliebig kaskadierbar, vgl. Fig. 1 zur Illustration, wobei hier eine Anordnung mit 4-zähliger Drehsymmetrie auf einem gemeinsamen Breitengrad dargestellt ist. Auch insoweit betrifft eine bevorzugte Ausführungsform eine Beleuchtungsvorrichtung mit mehreren
Pumpstrahlungsquellen. Jede Pumpstrahlungsquelle emittiert ein jeweiliges Pumpstrahlenbündel, die vorzugsweise jeweils eine Linse mit einem Streumittel durchsetzen, vorzugsweise eine gemeinsame Linse mit Streumittel (n) . Besonders bevorzugt werden die jeweiligen Pumpstrahlenbündel in der gemeinsamen Linse mit Streumittel (n) zusammengeführt, haben sie dieser vorgelagert also jeweils eine eigene Optik; in anderen Worten teilen sich die jeweiligen Linsensysteme die Linse mit Streumittel (n) , unterscheiden sie sich aber im Übrigen .
Im Falle mehrerer Pumpstrahlungsquellen und entsprechend mehrerer Pumpstrahlenbündel (bevorzugt ist genau ein Pumpstrahlenbündel je Pumpstrahlungsquelle) wird vorzugsweise jedes Pumpstrahlenbündel in einer vorliegend beschriebenen Weise mit einem Streumittel um den jeweiligen Fokuspunkt aufgeweitet. Die Fokuspunkte der jeweiligen Linsensysteme fallen vorzugsweise im Rahmen des technisch Möglichen zusammen. Besonders bevorzugt ist also eine Halbkugellinse und liegen die Fokuspunkte dann im Kugelmittelpunkt.
Eine weitere bevorzugte Ausführungsform kann die Sicherheit der Beleuchtungsvorrichtung betreffend von Interesse sein, wenn nämlich beispielsweise aufgrund mechanischer Beanspruchung (Erschütterung, Schlag, unterschiedliche thermische Ausdehnung, ...) das Leuchtstoffelement von der Halbkugellinse abfällt. Um in diesem Fall zu vermeiden, dass dann die hochenergetische Pumpstrahlung dort austritt, wo eigentlich das Konversionslicht abgeführt wird (Nutzerseite) , erfolgt die Einkopplung in die sphärische Lichteintrittsfläche vorzugsweise so, dass die Pumpstrahlung an der Lichtaustrittsfläche totalreflektiert wird, wenn dort kein Leuchtstoffelement angeordnet ist (es also abgefallen ist) .
Die Linse hat einen kritischen Winkel 9C, der sich aus dem Brechungsindex n des Linsenmaterials ergibt, vorzugsweise in Bezug auf Luft als Umgebungsmedium zu 9C ~ aresin ( 1 /n) ; im Falle von Saphir mit einem Brechungsindex von ca. 1,78 (bei 400 nm) kann 9C also beispielsweise bei rund 34° liegen. Ist das Leuchtstoffelement aufgeklebt, kann der Brechungsindex des Klebstoffs nKiebst. mitberücksichtigt werden, 9C ~ aresin (nKiebst./n) .
Der kritische Winkel 9C bezieht sich auf eine Flächennormale, welche im Falle der Lichtaustrittsfläche mit der optischen Achse der Linse zusammenfällt. Entsprechend soll das Pumpstrahlenbündel die Lichteintrittsfläche mit einer Schwerpunktrichtung (brechungsfrei) durchsetzen, die um einen Winkel Θ > 9C zu der optischen Achse verkippt ist. Weitere vorteilhafte Untergrenzen für Θ liegen bei 1,05-9C, 1,1 -9C, 1,15-9C, 1,2 -9C, 1,25 -9C bzw. 1,3-9C (in der Reihenfolge der Nennung zunehmend bevorzugt) .
Sind in bevorzugter Ausgestaltung mehrere Pumpstrahlungsquellen vorgesehen, wird vorzugsweise jedes Pumpstrahlenbündel entsprechend eingekoppelt. Besonders bevorzugt ist dabei eine Anordnung derart, dass ein erstes und ein zweites Pumpstrahlenbündel zueinander drehsymmetrisch bezüglich der optischen Achse sind, und zwar genau zweizählig mit einem Drehwinkel von 180°. Durch eine Drehung um die optische Achse um 180° kann das erste Pumpstrahlenbündel also in das zweite übergeführt werden, und umgekehrt. Betrachtet wird dabei jeweils der Abschnitt innerhalb der Halbkugellinse, die Anordnung der Pumpstrahlungsquellen muss also im Allgemeinen nicht zwingend auch entsprechend drehsymmetrisch sein, wenngleich dies bevorzugt ist. Ein Vorteil der zueinander drehsymmetrisch angeordneten Pumpstrahlenbündel besteht dann etwa darin, dass in dem genannten Fehlerfall (Leuchtstoffelement fällt ab) das eine Pumpstrahlenbündel die Linse auf dem Pfad des anderen verlassen kann, und umgekehrt. Die Linse kann nämlich, wie nachstehend weiter im Detail erläutert, von Öffnungen im Bereich der Pumpstrahlenbündel abgesehen, an der Lichteintrittsfläche auch verspiegelt sein, was hinsichtlich der Effizienz Vorteile bieten kann. Insoweit stellt die drehsymmetrische Anordnung dann also sicher, dass die im Fehlerfall totalreflektierte Pumpstrahlung die Linse auch wieder verlassen kann, und zwar von dem Leuchtstoffelement und damit der „Nutzerseite" weg.
Generell können auch eine Vielzahl Pumpstrahlenbündel vorgesehen und zueinander drehsymmetrisch sein, auch mit einer mehrzähligen Drehsymmetrie (mehr als zweizählig) . Sind beispielsweise vier Pumpstrahlenbündel vorgesehen, kann es zwei erste und zwei zweite Pumpstrahlenbündel (im eben dargestellten Sinne) geben, die je Paar genau zweizählig drehsymmetrisch sind; insgesamt können die vier Pumpstrahlenbündel dann vierzählig drehsymmetrisch angeordnet sein. Generell ist eine beliebig mehrzählige Drehsymmetrie möglich, insbesondere 2n-zählig mit n = 1, 2 , 3 , 4 , ... usw ..
Generell ist die Lichteintrittsfläche der Linse in bevorzugter Ausgestaltung zumindest bereichsweise mit einer Reflexionsschicht versehen. Im Allgemeinen kann es sich dabei beispielsweise auch um eine dichroitische Reflexionsschicht handeln, welche für die Pumpstrahlung weitgehend transmissiv ist (z. B. mindestens 80 %, vorzugsweise mindestens 90 % Transmission) , das Konversionslicht jedoch zumindest teilweise reflektiert, also beispielsweise mindestens 30 %, 40 %, 50 %, 60 % bzw. 70 % (in der Reihenfolge der Nennung zunehmend bevorzugt) des an der Pumpstrahlungs-Einstrahlfläche abgegebenen Konversionslichts. Obwohl die Konversionslicht-Abstrahlfläche des
Leuchtstoffelements der Pumpstrahlungs-Einstrahlfläche entgegengesetzt liegt, das Leuchtstoffelement also in Transmission betrieben wird, wird nämlich auch an der Pumpstrahlungs-Einstrahlfläche Konversionslicht abgegeben (Rückstreu-Konversionslicht ) . In dem Leuchtstoffelement erfolgt die Emission des Konversionslichts jedenfalls im Prinzip omnidirektional .
Mit einer Reflexionsschicht an der Lichteintrittsfläche der Linse kann an der Pumpstrahlungs-Einstrahlfläche des Leuchtstoffelements abgegebenes Konversionslicht zurückreflektiert werden. Es hat dann also zumindest eine Richtungskomponente entlang einer
Schwerpunktabstrahlrichtung des Konversionslichts an der Konversionslicht-Abstrahlfläche. Im Ergebnis wird die Effizienz erhöht, ist also mehr Konversionslicht nutzbar.
An der Konversionslicht-Abstrahlfläche kann das Konversionslicht beispielsweise mit einer Optik, etwa einer abbildenden Optik, aufgesammelt und dann zur Beleuchtung genutzt werden. Ist die Lichteintrittsfläche und damit die Reflexionsschicht in bevorzugter Ausgestaltung sphärisch und liegt der Kugelmittelpunkt im Rahmen technisch üblicher Abweichungen in der Pumpstrahlungs-Einstrahlfläche, fällt das Rückstreu- Konversionslicht vorteilhafterweise weitgehend senkrecht auf die Reflexionsschicht (jedenfalls in einem Bereich um den Kugelmittelpunkt abgegebenes Rückstreu-
Konversionslicht) . Dementsprechend wird das Rückstreu-Konversionslicht auch im Wesentlichen wieder zurück auf das Leuchtstoffelement reflektiert, kann es dann also an der Konversionslicht- Abstrahlfläche gemeinsam mit dem originär dort abgegebenen Konversionslicht genutzt werden (eine dort angeordnete Optik muss nicht am Leuchtstoffelement vorbeigeführtes Licht berücksichtigen, was den Aufwand vereinfachen kann) .
In bevorzugter Ausgestaltung ist die Reflexionsschicht auch für die Pumpstrahlung reflektiv, handelt es sich also um eine Vollverspiegelung. Der Reflexionsgrad für Konversionslicht und Pumpstrahlung kann beispielsweise bei mindestens 80 %, 85 %, 90 %, 95 % bzw. 97 % liegen (in der Reihenfolge der Nennung zunehmend bevorzugt) . Es kann also beispielsweise ein Metallfilm auf die Lichteintrittsfläche aufgebracht sein, etwa ein Silberfilm oder eine ITO-Beschichtung .
Dort wo das Pumpstrahlenbündel die Lichteintrittsfläche durchsetzt, ist eine entsprechende Reflexionsschicht dann unterbrochen, also beispielsweise mit einem dem Durchmesser des Pumpstrahlenbündels berücksichtigenden Loch bzw. Aussparung versehen. Andererseits kann im Falle einer zur optischen Achse winkelverkippten Einkopplung des Pumpstrahlenbündels (insbesondere mit Θ > 9C) auch nur ein Bereich der Lichteintrittsfläche um die optische Achse verspiegelt sein, also eine Kappe bei Winkeln < Θ.
In Bezug auf den oben genannten Fehlerfall (Leuchtstoffelement fällt ab) kann eine bereichsweise verspiegelte Lichteintrittsfläche bei einer Einkopplung mit Θ > 9C Vorteile bieten, auch bei einer nicht zweizählig drehsymmetrischen Anordnung der
Pumpstrahlenbündel. Die im Fehlerfall an der Lichtaustrittsfläche totalreflektierte Pumpstrahlung fällt dann auf die Reflexionsschicht an der Lichteintrittsfläche der Linse und wird von dieser (insbesondere im Falle der bevorzugten Halbkugellinse) zurück auf die Lichtaustrittsfläche geworfen, also dorthin wo das Leuchtstoffelement war. Sie wird dort erneut totalreflektiert und kann über das Streumittel entlang des ursprünglichen Einkoppelpfads austreten. Die Sicherheit auf der Nutzerseite ist gewahrt.
Die Erfindung betrifft auch die Verwendung einer vorliegend offenbarten Beleuchtungsvorrichtung als Lichtquelle zur Beleuchtung. Ein Anwendungsgebiet sind beispielsweise Projektionsgeräte oder Endoskope. Besonders bevorzugt ist eine Anwendung im Bereich der Kraftfahrzeugaußenbeleuchtung, weiter bevorzugt als Lichtquelle eines Kfz-Frontscheinwerfers . Generell muss nicht notwendigerweise die gesamte Pumpstrahlung konvertiert werden (Vollkonversion) , sondern kann auch nur ein Teil davon konvertiert und eine Mischung aus Pumpstrahlung (Pumplicht) und Konversionslicht genutzt werden (Teilkonversion) . Bevorzugt ist eine
Vollkonversion. Bevorzugt ist blaues Pumplicht als Pumpstrahlung .
Bei der Pumpstrahlungsquelle handelt es sich vorzugsweise um einen Laser, besonders bevorzugt um eine Laserdiode. Im Falle mehrerer Pumpstrahlungsquellen sind dann also vorzugsweise mehrere Laserdioden gleicher oder unterschiedlicher Frequenz (Wellenlänge) und
Abstrahlcharakteristik sowie mit gleicher oder unterschiedlicher Betriebsweise (DC, getaktet, sequentieller Betrieb, simultaner Betrieb) in einem Array angeordnet .
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Im Folgenden wird die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen näher erläutert, wobei die einzelnen Merkmale im Rahmen der nebengeordneten Ansprüche auch in anderer Kombination erfindungswesentlich sein können und auch weiterhin nicht immer im Einzelnen zwischen den unterschiedlichen Anspruchskategorien unterschieden wird.
Im Einzelnen zeigt
Fig. 1 eine erfindungsgemäße Beleuchtungsvorrichtung mit vier Laserdioden in einer schematischen Übersicht ;
Fig. 2 einen schematischen Schnitt durch eine
Halbkugellinse mit Streumittel,
Reflexionsschicht und Leuchtstoffelement ;
Fig. 3 an der Pumpstrahlungs-Einstrahlfläche des
Leuchtstoffelements gemäß Fig. 2 abgegebenes Rückstreu-Konversionslicht ; Fig. 4 die Einkopplung mehrerer Pumpstrahlenbündel. Bevorzugte Ausführung der Erfindung
Fig. 1 zeigt eine erfindungsgemäße
Beleuchtungsvorrichtung 1 in einer schematischen Übersicht. Zu erkennen sind vier Laserdioden 2 als Pumpstrahlungsquellen. Die Laserdioden emittieren bei ca. 450 nm und haben eine Strahlungsleistung von 1.5 Watt bis 3.0 Watt. Jeder der Laserdioden 2 ist eine Plankonvexlinse 3 zugeordnet, welche die von der jeweiligen Laserdiode 2 abgegebene Pumpstrahlung (blaues Pumplicht) bündelt und auf eine Halbkugellinse 5 lenkt. Die Pumpstrahlenbündel 4 treffen auf eine Lichteintrittsfläche 6 der Halbkugellinse 5 aus Saphir und durchsetzen letztere bis zu einer entgegengesetzten Lichtaustrittsfläche 21. Die Lichtaustrittsfläche liegt bezogen auf die Betrachtungsrichtung gemäß Fig. 1 rückseitig abgewandt, weswegen zur Veranschaulichung auch auf Fig. 2 verwiesen wird. Über die Lichtaustrittsfläche 21 fällt die Pumpstrahlung auf ein Leuchtstoffelement 22. Letzteres ist an der Lichtaustrittsfläche 21 der Halbkugellinse 5 angeordnet, und zwar über eine dünne KlebstoffSchicht (< 50 ym) damit verbunden.
Die Pumpstrahlung trifft auf eine Pumpstrahlungs- Einstrahlfläche 23 des Leuchtstoffelements 22 und wird von diesem (vorliegend ein gelber YAG:Ce Leuchtstoff) zumindest anteilsweise in längerwelliges Konversionslicht 24 konvertiert. Das Konversionslicht 24 sowie evtl. nicht-konvertiertes Pumplicht wird an einer
Konversionslicht-Abstrahlfläche 25 des
Leuchtstoffelements 22, welche der Pumpstrahlungs- Einstrahlfläche 23 entgegengesetzt liegt, abgegeben. Je Laserdiode 2 bilden die jeweilige Plankonvexlinse 3 und die Halbkugellinse 5 ein Linsensystem, durch welches die Pumpstrahlung auf das Leuchtstoffelement 22 geführt wird. Fig. 2 veranschaulicht ferner, dass die
Lichteintrittsfläche 6 der Halbkugellinse 5 in dem Bereich, in welchem das Pumpstrahlenbündel 4 (der Übersichtlichkeit halber ist nur eines der vier Pumpstrahlenbündel dargestellt) darauf fällt, etwas angeraut ist. Diese Oberflächenanrauung 26 stellt ein Streumittel dar, das Pumpstrahlenbündel 4 wird beim Durchtritt aufgeweitet. Der Öffnungswinkel vergrößert sich um ca . 5° .
In Fig. 2 ist strichliert die Strahlausbreitung im ungestörten Fall angedeutet; das Pumpstrahlenbündel 4 würde in einem Fokuspunkt 27 konzentriert auf das Leuchtstoffelement 22 fallen, was eine lokale Überhitzung (Hot Spot) des Leuchtstoffelements 22 zur Folge hätte. Um dies zu vermeiden, wird das Pumpstrahlenbündel 4 durch Streuung aufgeweitet, fällt es also dementsprechend um den Fokuspunkt 27 aufgeweitet auf das Leuchtstoffelement 22. Letzteres ist zwar am Fokus angeordnet, das Pumpstrahlenbündel 4 ist dort aber nicht punktförmig konzentriert . Die Lichteintrittsfläche 6 ist ferner mit einer Reflexionsschicht 28 versehen, und zwar einem Silberfilm. Da dieser auch die Pumpstrahlung reflektieren würde, ist die Reflexionsschicht 28 dort unterbrochen, wo die Pumpstrahlenbündel 4 eingekoppelt werden. Fig. 3 veranschaulicht die Funktion der Reflexionsschicht 28, wobei in dieser Darstellung das über das Streumittel 26 einfallende Pumpstrahlenbündel 4 der Übersichtlichkeit halber nicht dargestellt ist. Das auf die Anregung mit der Pumpstrahlung hin im Leuchtstoffelement 22 erzeugte Konversionslicht wird auch an der Pumpstrahlungs- Einstrahlflache 23 abgegeben, nämlich als Rückstreu- Konversionslicht 31. Das mittig der Pumpstrahlungs- Einstrahlflache 23 abgegebene Rückstreu-Konversionslicht 31a, das also am Fokuspunkt 27 und damit am Kugelmittelpunkt abgegeben wird, fällt senkrecht auf die Reflexionsschicht 28 und wird dementsprechend wieder auf dieselbe Stelle der Pumpstrahlungs-Einstrahlfläche 23 zurückreflektiert . Randseitig der Pumpstrahlungs-Einstrahlfläche 23 abgegebenes Rückstreu-Konversionslicht 31b fällt zwar nicht exakt, jedoch zumindest näherungsweise senkrecht auf die Reflexionsschicht 28 und wird auch größtenteils auf die Pumpstrahlungs-Einstrahlfläche 23 zurückreflektiert. Das so zurück zum Leuchtstoffelement 22 geführte Rückstreu-Konversionslicht kann dann an der Konversionslicht-Abstrahlfläche 25 gemeinsam mit dem originär dort abgegebenen Konversionslicht 24 genutzt werden . Es wird nicht nur Konversionslicht zurückgestreut, sondern auch ein Teil der Pumpstrahlung. Diese Rückstreuung erfolgt hinsichtlich der Richtungen dem Rückstreu-Konversionslicht 31 vergleichbar. Auch die Rückstreu-Pumpstrahlung wird an der Reflexionsschicht 28 reflektiert und so zurück zur Pumpstrahlungs- Einstrahlflache 23 geführt, was die Effizienz weiter erhöht .
Die schematische Darstellung gemäß Fig. 4 zeigt nochmals denselben Aufbau, wobei in diesem Fall zwei Pumpstrahlenbündel 4a, b dargestellt sind, also ein schematischer Schnitt durch die Anordnung gemäß Fig. 1. Jedes der Pumpstrahlenbündel 4a, b wird über ein jeweiliges Streumittel 26 eingekoppelt und ist entsprechend aufgeweitet um den Fokuspunkt 27.
Die beiden Pumpstrahlenbündel 4a, b sind ferner drehsymmetrisch zur optischen Achse 41 der Halbkugellinse 5, und zwar genau zweizählig. Ferner sind die beiden Strahlenbündel 4a, b zur optischen Achse 41 derart verkippt, dass die Pumpstrahlung unter einem Einfallswinkel Θ > 9C auf die Lichtaustrittsfläche 21 der Halbkugellinse 5 fällt.
In einem Fehlerfall, wenn das Leuchtstoffelement 22 von der Halbkugellinse 5 abfällt, werden die beiden Pumpstrahlenbündel 4a, b deshalb an der
Lichtaustrittsfläche 21 totalreflektiert und kann das erste Pumpstrahlenbündel 4a die Halbkugellinse 5 dann auf dem Pfad des zweiten Pumpstrahlenbündels 4b (in entgegengesetzter Richtung) verlassen, und umgekehrt.

Claims

Beleuchtungsvorrichtung (1) mit
einer Pumpstrahlungsquelle (2) zur Emission von Pumpstrahlung als Strahlenbündel (4),
einem Leuchtstoffelement (22) zur Konversion der Pumpstrahlung in Konversionslicht und
einem Linsensystem (3, 5) zwischen der Pumpstrahlungsquelle
(2) und dem Leuchtstoffelement (22), das von dem Pumpstrahlenbündel (4) durchsetzt wird,
wobei das Linsensystem (3, 5) einen Fokus hat und das Leuchtstoffelement (22) an dem Fokus angeordnet ist,
und wobei ferner eine Linse (5) des Linsensystems (3, 5) ein Streumittel (26) aufweist, welches Streumittel (26) das Pumpstrahlenbündel (4) durchsetzt und dabei aufgeweitet wird, sodass das Pumpstrahlenbündel (4) um einen Fokuspunkt (27) herum aufgeweitet auf das Leuchtstoffelement (22) fällt.
Beleuchtungsvorrichtung (1) nach einem der vorstehenden Ansprüche, bei welcher das Streumittel (26) den Öffnungswinkel des Pumpstrahlenbündels (4) um mindestens 0,5° und um höchstens 10° aufweitet.
3. Beleuchtungsvorrichtung (1) nach Anspruch 1 oder 2, bei welcher das Streumittel (26) an einer Lichteintrittsfläche (6) der Linse (5) vorgesehen ist, vorzugsweise als Beschichtung oder Oberflächenanrauung .
Beieuchtungs orrichtung (1) nach einem der vorstehenden Ansprüche, bei welcher die Linse (5) mit dem Streumittel (26) eine sphärische Lichteintrittsfläche (6) hat .
Beleuchtungsvorrichtung (1) nach Anspruch 4, bei welcher das Pumpstrahlenbündel (4) auf eine Pumpstrahlungs-Einstrahlfläche (23) des
Leuchtstoffelements (22) fällt, die eine mittlere Erstreckung x hat, und eine der sphärischen Lichteintrittsfläche (6) zugrundeliegende Kugel einen Radius R hat, wobei R ^ x/2.
Beleuchtungsvorrichtung (1) nach Anspruch 4 oder 5, bei welcher das Pumpstrahlenbündel (4) auf eine Pumpstrahlungs-Einstrahlfläche (23) des
Leuchtstoffelements (22) fällt und ein
Flächenschwerpunkt der Pumpstrahlungs-
Einstrahlfläche (23) einen entlang einer
Flächennormalen genommenen Abstand d zu der sphärischen Lichteintrittsfläche (6) hat und eine der sphärischen Lichteintrittsfläche (6) zugrundeliegende Kugel einen Radius R hat, wobei d ^ 0,9-R, vorzugsweise d = R.
Beleuchtungsvorrichtung (1) nach einem der Ansprüche 4 bis 6, bei welcher die Linse (5) eine plan- sphärische Linse (5) ist, also eine der sphärischen Lichteintrittsfläche (6) entgegensetzte
Lichtaustrittsfläche (21) der Linse (5) plan ist, wobei das Leuchtstoffelement (22) an der Lichtaustrittsfläche (21) angeordnet ist.
Beleuchtungsvorrichtung (1) nach einem der Ansprüche 4 bis 7, bei welcher eine der sphärischen Lichteintrittsfläche (6) zugrundeliegende Kugel einen Mittelpunkt (27) hat und das
Pumpstrahlenbündel (4) konvergent zu dem Mittelpunkt (27) auf die sphärische Lichteintrittsfläche (6) fällt.
Beleuchtungsvorrichtung (1) nach Anspruch 7 und 8, bei welcher die Linse (5) eine optische Achse (41) hat, die senkrecht auf der Lichtaustrittsfläche (23) steht, wobei 9C der kritische Winkel für Totalreflexion an der Lichtaustrittsfläche (23) ist, und wobei das Pumpstrahlenbündel (4) die sphärische Lichteintrittsfläche (6) mit einer
Schwerpunktrichtung durchsetzt die um einen Winkel Θ ^ 9C zu der optischen Achse (41) verkippt ist.
Beleuchtungsvorrichtung (1) nach einem vorstehenden Ansprüche mit einer Mehr Pumpstrahlungsquellen (2).
Beleuchtungsvorrichtung (1) nach den Ansprüchen 9 und 10, bei welcher ein erstes Pumpstrahlenbündel (4a, c) , welches von einer ersten
Pumpstrahlungsquelle (2a, c) ausgeht, und ein zweites Pumpstrahlenbündel (4b, d) , welches von einer zweiten Pumpstrahlungsquelle (2b, d) ausgeht, in der plan-sphärischen Linse zueinander drehsymmetrisch bezüglich der optischen Achse (41) sind, und zwar genau zweizählig mit einem Drehwinkel von 180 °.
Beleuchtungsvorrichtung (1) nach einem der vorstehenden Ansprüche, bei welcher die Lichteintrittsfläche (6) der Linse (5) zumindest bereichsweise mit einer Reflexionsschicht (28) versehen ist.
Beleuchtungsvorrichtung nach (1) Anspruch 12, bei welcher die Reflexionsschicht (28) sowohl für das Konversionslicht als auch für die Pumpstrahlung reflektiv ist, wobei ein Bereich der
Lichteintrittsfläche (6), welchen das
Pumpstrahlenbündel (4) durchsetzt, frei von der Reflexionsschicht (28) ist.
Verwendung einer Beleuchtungsvorrichtung (1) nach einem der vorstehenden Ansprüche zur Beleuchtung, vorzugsweise zur Kraftfahrzeugaußenbeleuchtung, besonders bevorzugt in einem Frontscheinwerfer.
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