DE102011087112A1

DE102011087112A1 - Leuchtvorrichtung mit Leuchtstoff auf einem beweglichen Träger

Info

Publication number: DE102011087112A1
Application number: DE102011087112A
Authority: DE
Inventors: Josef Kroell; Holger Laabs; Oliver Mehl
Original assignee: Osram GmbH
Current assignee: Coretronic Corp
Priority date: 2011-11-25
Filing date: 2011-11-25
Publication date: 2013-05-29
Anticipated expiration: 2031-11-26
Also published as: US9732943B2; US20140328044A1; JP2015502018A; DE102011087112B4; JP5863987B2; WO2013075859A1; CN103946629B; CN103946629A

Abstract

Die Leuchtvorrichtung (11) weist mindestens eine Lichterzeugungseinrichtung (12) zur Erzeugung eines Primärlichts (P), einen ersten Leuchtstoff (16) zur Wellenlängenumwandlung des Primärlichts (P) in ein erstes Sekundärlicht (S1), und einen zweiten Leuchtstoff (20) zur Wellenlängenumwandlung des Primärlichts (P) in ein zweites Sekundärlicht (S2) auf, wobei sich der erste Leuchtstoff (16) auf einem beweglichen Träger (15) befindet, der dazu eingerichtet ist, den ersten Leuchtstoff abwechselnd in einen Strahlengang des Primärlichts (P) einzubringen und zu entfernen und sich der zweite Leuchtstoff auf einem stationären Träger (21) befindet. Ein Verfahren dient zum Erzeugen von wellenlängenumgewandelten Sekundärlicht aus Primärlicht mit einem ein abwechselndes Bestrahlen eines auf einem beweglichen Träger befindlichen ersten Leuchtstoffs und eines auf einem stationären Träger befindlichen zweiten Leuchtstoffs durch das Primärlicht. Die Erfindung ist beispielsweise anwendbar als Projektionsvorrichtung, für die Film- und Videoprojektion, in der Endoskopie, für Lichteffekte in der Unterhaltungsindustrie, für medizinische Bestrahlungen sowie im Fahrzeugbereich, insbesondere als ein Scheinwerfer für Kraftfahrzeuge.

Description

Die Erfindung betrifft eine Leuchtvorrichtung, aufweisend eine Lichterzeugungseinrichtung zur Erzeugung eines Primärlichts, einen ersten Leuchtstoff zur Wellenlängenumwandlung des Primärlichts in ein erstes Sekundärlicht und einen zweiten Leuchtstoff zur Wellenlängenumwandlung des Primärlichts in ein zweites Sekundärlicht, wobei sich der Leuchtstoff auf einem beweglichen Träger befindet, der dazu eingerichtet ist, den Leuchtstoff abwechselnd in einen Strahlengang des Primärlichts einzubringen und zu entfernen. Die Erfindung betrifft ferner ein Verfahren zum Erzeugen von wellenlängenumgewandeltem Sekundärlicht aus mittels einer Lichterzeugungseinrichtung erzeugtem Primärlicht. Die Erfindung ist insbesondere anwendbar als eine Projektionsvorrichtung, insbesondere für die Film- und Videoprojektion, in der technischen und medizinischen Endoskopie, für Lichteffekte in der Unterhaltungsindustrie, für medizinische Bestrahlungen sowie im Fahrzeugbereich, insbesondere als ein Scheinwerfer für Kraftfahrzeuge.
Mittels bekannter Leuchtvorrichtungen, bei denen die Leuchtstoffe auf einem Leuchtstoffrad als dem beweglichen Träger aufgebracht sind, können abwechselnd unterschiedliche Leuchtstoffe von dem Primärlicht bestrahlt werden, und folglich kann abwechselnd Sekundärlicht unterschiedlicher Farbe erzeugt werden. Ein aus der Leuchtvorrichtung abgestrahltes Licht ist folglich eine sequenzielle Abfolge des unterschiedlichen Sekundärlichts und ggf. des Primärlichts, welche bei einer ausreichend schnellen Abfolge als ein Mischlicht wahrgenommen werden. Die Aufbringung auf dem Leuchtstoffrad weist den Nachteil auf, dass eine Wärmeableitung des durch die Bestrahlung mit dem Primärlicht erwärmten Leuchtstoffs nicht effektiv ist und dadurch erstens eine Lichtleistung beschränkt wird und zweitens die Gefahr einer Degradation des Leuchtstoffs besteht.
Es sind auch Leuchtvorrichtungen bekannt, bei denen Leuchtstoff auf einem nicht-beweglichen oder stationären Kühlkörper als Träger aufgebracht ist. Dies ermöglicht eine effektive Entwärmung des Leuchtstoffs, bedingt aber nachteiligerweise einen aufwändigen optischen Aufbau, falls mehr als ein Sekundärlicht erzeugt werden soll.
Es ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, die Nachteile des Standes der Technik zumindest teilweise zu überwinden und insbesondere eine Leuchtvorrichtung bereitzustellen, mittels welcher sequenziell erzeugtes Mischlicht bei einem einfachen Aufbau und einer effektiven Kühlung erzeugbar ist.
Diese Aufgabe wird gemäß den Merkmalen der unabhängigen Ansprüche gelöst. Bevorzugte Ausführungsformen sind insbesondere den abhängigen Ansprüchen entnehmbar.
Die Aufgabe wird gelöst durch eine Leuchtvorrichtung, mindestens aufweisend eine Lichterzeugungseinrichtung zur Erzeugung eines Primärlichts; einen ersten Leuchtstoff zur Wellenlängenumwandlung des Primärlichts in ein erstes Sekundärlicht; und einen zweiten Leuchtstoff zur Wellenlängenumwandlung des Primärlichts in ein zweites Sekundärlicht; wobei sich der erste Leuchtstoff auf einem beweglichen Träger befindet, der dazu eingerichtet ist, den ersten Leuchtstoff abwechselnd in einen Strahlengang des Primärlichts einzubringen und zu entfernen und sich der zweite Leuchtstoff auf einem stationären Träger befindet.
Das Primärlicht, das erste Sekundärlicht und das zweite Sekundärlicht weisen jeweils insbesondere eine zueinander unterschiedliche zugehörige spektrale Zusammensetzung auf und mögen insbesondere jeweils eine zueinander unterschiedliche zugehörige Spitzenwellenlänge aufweisen.
Die Wellenlängenumwandlung des Primärlichts in das erste Sekundärlicht und/oder in das zweite Sekundärlicht mittels des ersten Leuchtstoffs bzw. des zweiten Leuchtstoffs kann jeweils ganz oder teilweise erfolgen. Besonders bevorzugt wird eine im Wesentlichen vollständige Umwandlung.
Die Umwandlung erfolgt bevorzugt von einer kürzeren Wellenlänge zu einer längeren Wellenlänge ("Down Conversion"), da dies keine zusätzliche Energie benötigt. Die Wellenlänge des Primärlichts ist in diesem Fall also geringer als die Wellenlängen des Sekundärlichts.
Unter einem Leuchtstoff kann insbesondere jeglicher, insbesondere feste, Stoff verstanden werden, welcher die Wellenlängenumwandlung ermöglicht. Die Wellenlängenlängenumwandlung mag beispielsweise auf Fluoreszenz oder Phosphoreszenz beruhen.
Diese Leuchtvorrichtung weist den Vorteil auf, dass sie die Vorteile eines auf einem beweglichen Träger befindlichen ersten Leuchtstoffs (nämlich eine mit einem vergleichsweise einfachen Aufbau erreichbare Bereitstellung von Licht unterschiedlicher Farbe) mit dem Vorteil eines auf einem stationären Träger befindlichen zweiten Leuchtstoffs (nämlich eine einfache Kühlbarkeit) kombinieren kann. Dabei wird ausgenutzt, dass eine Erwärmung der Leuchtstoffe (hier des ersten Leuchtstoffs und des zweiten Leuchtstoffs) um so stärker ist, je größer der Stokes-Shift ist, also je stärker sich die Anregungswellenlänge des Primärlichts von der Anregungswellenlänge des Sekundärlichts unterscheiden. Hinzu kommen unterschiedliche Materialeigenschaften wie eine unterschiedliche Temperaturfestigkeit. Während also insbesondere der erste Leuchtstoff auch auf einem schlechter wärmeableitenden Leuchtstoffrad langzeitstabil eine geeignete Wellenlängenumwandlung vornehmen kann, mag insbesondere der zweite Leuchtstoff dazu durch den stationären Träger stärker gekühlt werden. Der stationäre Träger ist insbesondere ein Kühlkörper. Insbesondere falls die Leuchtvorrichtung nur genau einen stationären Träger aufweist, ist ein besonders einfacher Aufbau möglich.
Bei einer solchen Leuchtvorrichtung werden das Primärlicht, das erste Sekundärlicht und das zweite Sekundärlicht insbesondere als Mischlicht ausgegeben. Insbesondere können diese Lichtanteile sequenziell erzeugt und ihre Strahlengänge oder Lichtpfade zusammengeführt werden. Erfolgt die zeitliche Abfolge der Lichtanteile schneller als das zeitliche Auflösungsvermögen des menschlichen Auges, wird der sequenzielle Lichtstrom als ein Mischlicht mit Anteilen aus den Lichtanteilen wahrgenommen. Das Mischlicht kann sich hier insbesondere aus Anteilen des ersten Sekundärlichts und des zweiten Sekundärlichts zusammensetzen. Je nach Ausgestaltung kann das Mischlicht auch Anteile des Primärlichts aufweisen.
Zudem ist die Leuchtvorrichtung nicht auf die Verwendung von nur zwei Leuchtstoffen beschränkt. Folglich ist unter "einem ersten Leuchtstoff" insbesondere "mindestens ein erster Leuchtstoff" zu verstehen (kann also auch mehrere erste, unterschiedliche Leuchtstoffe umfassen). Auch kann unter "einem zweiten Leuchtstoff" insbesondere "mindestens ein zweiter Leuchtstoff" verstanden werden (kann also auch mehrere zweite, unterschiedliche Leuchtstoffe umfassen).
Auch mögen mehr als ein beweglicher Träger und mehr als ein stationärer Träger verwendet werden. Jedoch ist die Verwendung genau eines beweglichen Trägers und genau eines stationären Trägers bevorzugt, da so ein besonders einfacher Aufbau ermöglicht wird.
Es ist eine Ausgestaltung, dass der bewegliche Träger ein drehbares Leuchtstoffrad mit mehreren in den Strahlengang des Primärlichts durchfahrenden Segmenten ist, mindestens ein Segment („Leuchtstoffsegment“) den ersten Leuchtstoff aufweist, mindestens ein Segment („Durchlichtsegment“) ein zumindest für das Primärlicht und das zweites Sekundärlicht durchlässiges Segment ist, mindestens ein Segment („Reflektorsegment“) ein zumindest das Primärlicht reflektierendes Segment ist, von der Lichterzeugungseinheit ausgestrahltes Primärlicht durch das Durchlichtsegment auf den zweiten Leuchtstoff strahlbar ist und von dem zweiten Leuchtstoff abgestrahltes erstes Sekundärlicht durch das Durchlichtsegment zurückstrahlbar ist.
Das Leuchtstoffsegment kann insbesondere eine Leuchtstoffschicht aufweisen. Mittels einer Dicke der Leuchtstoffschicht und/oder der Konzentration des Leuchtstoffs in der Leuchtstoffschicht kann ein Umwandlungsgrad eingestellt werden, insbesondere von mehr als 98%. Zur Erreichung einer besonders hohen Lichtausbeute kann das Leuchtstoffsegment an dem Boden der Leuchtstoffschicht reflektierend ausgestaltet sein.
Das Durchlichtsegment kann beispielsweise eine einfache durchgehende Öffnung oder Loch in dem Leuchtstoffrad sein, oder mag ein lichtdurchlässiges Fensterelement aufweisen.
Mittels eines solchen Leuchtstoffrads kann also sequenziell (i) das Primärlicht in das erste Sekundärlicht umgewandelt werden und insbesondere zurückgestrahlt werden, (ii) das Primärlicht und das zweite Sekundärlicht praktisch gleichzeitig hindurchgelassen werden und (iii) das Primärlicht reflektiert werden. So wird eine sequenzielle Lichterzeugung aus dem Primärlicht und den Sekundärlichtanteilen erzeugt.
Es ist noch eine Ausgestaltung, dass die Leuchtvorrichtung ein erstes farbselektives Reflexionselement aufweist, welches zwischen der Lichterzeugungseinheit und dem Leuchtstoffrad angeordnet ist, und welches für das von der Lichterzeugungseinheit ausgestrahlte Primärlicht durchlässig ausgestaltet ist und für das von dem Leuchtstoffrad reflektierte Primärlicht, das erste Sekundärlicht und/oder das zweite Sekundärlicht reflektierend ausgestaltet ist. Diese Ausgestaltung weist den Vorteil auf, dass eine Einspeisung des Primärlichts einfach durch das farbselektive Reflexionselement erfolgen kann, und zumindest einer der das Mischlicht ergebenden Lichtanteile kann auf ebenso einfache Weise weitergeleitet werden. Dadurch wird eine besonders kompakte Leuchtvorrichtung bereitgestellt.
Es ist eine weitere Ausgestaltung, dass das erste farbselektive Reflexionselement für das von dem Leuchtstoffrad reflektierte Primärlicht, für das erste Sekundärlicht und für das zweite Sekundärlicht reflektierend ausgestaltet ist und die Leuchtvorrichtung dazu eingerichtet ist: bei einem in den Strahlengang des Primärlichts eingebrachten Leuchtstoffsegment von diesem Segment abgestrahltes Licht an dem ersten farbselektiven Reflexionselement zu reflektieren; bei einem in den Strahlengang des Primärlichts eingebrachten Reflektorsegment das auf das Reflektorsegment gestrahlte Primärlicht auf das farbselektive Reflexionselement zurückzureflektieren; und bei einem in den Strahlengang des Primärlichts eingebrachten Durchlichtsegment das von dem zweiten Leuchtstoff abgestrahlte Licht durch das Durchlichtsegment auf das farbselektive Reflexionselement zu strahlen. Diese Ausgestaltung weist den Vorteil auf, dass ein aus der Leuchtvorrichtung ausgegebener sequenzieller Mischlichtstrahl mit wenigen optischen Elementen und damit besonders preiswert und kompakt erzeugbar ist.
Bei dieser Ausgestaltung wird also dann, wenn sich ein Leuchtstoffsegment in dem Strahlengang befindet, insbesondere das durch das erste farbselektive Reflexionselement gestrahlte Primärlicht auf den ersten Leuchtstoff gerichtet und dort zumindest teilweise in das erste Sekundärlicht umgewandelt. Das von diesem Leuchtstoffsegment abgestrahlte (zumindest teilweise wellenlängenumgewandelte) Licht gelangt auf das erste farbselektive Reflexionselement und wird von dort zur Auskopplung reflektiert.
Dann, wenn sich ein Reflektorsegment in dem Strahlengang befindet, wird insbesondere das durch das erste farbselektive Reflexionselement gestrahlte Primärlicht an dem Reflektorsegment auf das erste farbselektive Reflexionselement zurückreflektiert und von dort zur Auskopplung nochmals reflektiert. Das erste farbselektive Reflexionselement ist also für Primärlicht unter bestimmten Randbedingungen durchlässig und unter anderen Randbedingungen reflektierend, z.B. abhängig von einem Polarisationszustand des Primärlichts.
Dann, wenn sich ein Durchlichtsegment in dem Strahlengang befindet, wird insbesondere das Primärlicht dadurch auf den zweiten Leuchtstoff gestrahlt und dort zumindest teilweise in das zweite Sekundärlicht umgewandelt. Das von diesem Leuchtstoffsegment abgestrahlte (zumindest teilweise wellenlängenumgewandelte) Licht wird durch das Durchlichtsegment zurück auf das erste farbselektive Reflexionselement gestrahlt und wird von dort zur Auskopplung reflektiert.
Bei einer Drehung des Leuchtstoffrads wird also sequenziell Primärlicht, erstes Sekundärlicht (ggf. mit einem Restlichtanteil an Primärlicht) und zweites Sekundärlicht (ggf. mit einem Restlichtanteil an Primärlicht) aus der Leuchtvorrichtung ausgekoppelt, insbesondere als Mischlicht.
Es ist noch eine weitere Ausgestaltung, dass das erste farbselektive Reflexionselement für das von dem Leuchtstoffrad reflektierte Primärlicht, für das erste Sekundärlicht und für das zweite Sekundärlicht reflektierend ausgestaltet ist und die Leuchtvorrichtung dazu eingerichtet ist: bei einem in den Strahlengang des Primärlichts eingebrachten Leuchtstoffsegment von diesem Segment abgestrahltes Licht an dem ersten farbselektiven Reflexionselement zu reflektieren; bei einem in den Strahlengang des Primärlichts eingebrachten Reflektorsegment das auf das Reflektorsegment gestrahlte Primärlicht auf das farbselektive Reflexionselement zurückzureflektieren; und bei einem in den Strahlengang des Primärlichts eingebrachten Durchlichtsegment das von dem zweiten Leuchtstoff abgestrahlte Licht durch das Durchlichtsegment auf das farbselektive Reflexionselement zu strahlen. Diese Ausgestaltung weist den Vorteil auf, dass ein aus der Leuchtvorrichtung ausgegebener sequenzieller Mischlichtstrahl mit wenigen optischen Elementen und damit besonders preiswert und kompakt erzeugbar ist.
Bei dieser Ausgestaltung wird also dann, wenn sich ein Leuchtstoffsegment in dem Strahlengang befindet, insbesondere das durch das erste farbselektive Reflexionselement gestrahlte Primärlicht auf den ersten Leuchtstoff gerichtet und dort zumindest teilweise in das erste Sekundärlicht umgewandelt. Das von diesem Leuchtstoffsegment abgestrahlte (zumindest teilweise wellenlängenumgewandelte) Licht gelangt auf das erste farbselektive Reflexionselement und wird von dort zur Auskopplung reflektiert.
Dann, wenn sich ein Reflektorsegment in dem Strahlengang befindet, wird insbesondere das durch das erste farbselektive Reflexionselement gestrahlte Primärlicht an dem Reflektorsegment auf das erste farbselektive Reflexionselement zurückreflektiert und von dort zur Auskopplung nochmals reflektiert. Das erste farbselektive Reflexionselement ist also für Primärlicht unter bestimmten Randbedingungen durchlässig und unter anderen Randbedingungen reflektierend, z.B. abhängig von einem Polarisationszustand des Primärlichts.
Dann, wenn sich ein Durchlichtsegment in dem Strahlengang befindet, wird insbesondere das Primärlicht dadurch auf den zweiten Leuchtstoff gestrahlt und dort zumindest teilweise in das zweite Sekundärlicht umgewandelt. Das von diesem Leuchtstoffsegment abgestrahlte (zumindest teilweise wellenlängenumgewandelte) Licht wird durch das Durchlichtsegment zurück auf das erste farbselektive Reflexionselement gestrahlt und wird von dort zur Auskopplung reflektiert.
Es ist auch eine Ausgestaltung, dass das erste farbselektive Reflexionselement zumindest für das erste Sekundärlicht reflektierend ausgestaltet ist und die Leuchtvorrichtung ein zweites farbselektives Reflexionselement aufweist, das zwischen dem Leuchtstoffrad und dem zweiten Leuchtstoff angeordnet ist und welches für das durch das Durchlichtsegment hindurchgestrahlte Primärlicht durchlässig ausgestaltet ist und für von dem zweiten Leuchtstoff abgestrahlte zweite Sekundärlicht reflektierend ausgestaltet ist und die Leuchtvorrichtung dazu eingerichtet ist: bei einem in den Strahlengang des Primärlichts eingebrachten Leuchtstoffsegment von diesem Segment abgestrahltes Licht an dem farbselektiven Reflexionselement zu reflektieren; bei einem in den Strahlengang des Primärlichts eingebrachten Reflektorsegment das auf das Reflektorsegment gestrahlte Primärlicht auf das farbselektive Reflexionselement zurückzureflektieren; und bei einem in den Strahlengang des Primärlichts eingebrachten Durchlichtsegment das von diesem Durchlichtsegment hindurchgelassene Primärlicht durch das zweite farbselektive Reflexionselement auf den zweiten Leuchtstoff zu strahlen und von dem zweiten Leuchtstoff abgestrahltes zweites Sekundärlicht mittels des zweiten farbselektiven Reflexionselement zu reflektieren. Diese Ausgestaltung ermöglicht eine separate, nicht über das erste farbselektive Reflexionselement geleitete Auskopplung des von dem zweiten Leuchtstoff abgestrahlten Lichts.
Das erste farbselektive Reflexionselement mag insbesondere nur für einen der Lichtanteile (Primärlicht, primäres und sekundäres Sekundärlicht) lichtdurchlässig sein. Das erste farbselektive Reflexionselement mag insbesondere ein dichroitischer Spiegel sein.
Es ist eine für eine kompakte Lichtführung und Bauweise besonders bevorzugte Weiterbildung, dass das erste farbselektive Reflexionselement variabel (also abhängig von mindestens einem einstellbaren Parameter) lichtdurchlässig ist. Dieser Parameter kann insbesondere eine Polarisation bzw. ein Polarisationsgrad sein. Beispielsweise mag das erste farbselektive Reflexionselement für ein von der Lichterzeugungseinheit abgestrahltes Primärlicht durchlässig sein, da dieses Primärlicht eine für eine Transmission geeignete Polarisation oder Polarisationsrichtung aufweist. Zumindest das reflektierte Primärlicht mag eine für eine Transmission ungeeignete Polarisation oder Polarisationsrichtung aufweisen und wird folglich reflektiert.
Es ist außerdem eine Ausgestaltung, dass das erste farbselektive Reflexionselement einen polarisationsabhängigen Transmissionsgrad für das Primärlicht aufweist und zwischen dem farbselektiven Reflexionselement und dem Leuchtstoffrad ein auf das Primärlicht wirkendes, eine Polarisation änderndes optisches Element angeordnet ist. Durch das polarisationsändernde optische Element kann die Polarisation des Primärlichts hinter dem ersten farbselektiven Reflexionselements gezielt so eingestellt werden, dass es bei einem erneuten Auftreffen reflektiert wird. Das polarisationsändernde optische Element kann insbesondere eine Wellenplatte, insbesondere ein Viertelwellenlängenplättchen oder Lambda/4-Plättchen, sein. Alternativ oder in Ergänzung können auch andere dem Fachmann bekannte polarisationsändernde Einrichtungen verwendet werden, beispielsweise ein Faraday-Rotator oder eine Kerr-Zelle.
Es ist darüber hinaus eine Ausgestaltung, dass das erste farbselektive Reflexionselement zumindest für das zweite Sekundärlicht reflektierend ausgestaltet ist und die Leuchtvorrichtung ein weiteres farbselektives Reflexionselement aufweist, das in einem Strahlengang des Primärlichts und des ersten Sekundärlichts hinter dem Leuchtstoffrad sowie in einem Strahlengang des zweiten Sekundärlichts hinter dem ersten farbselektiven Reflexionselement angeordnet ist und welches für das Primärlicht und das erste Sekundärlicht reflektierend ausgestaltet ist und für das zweite Sekundärlicht durchlässig ausgestaltet ist und dass das Leuchtstoffrad schräg im Strahlengang des Primärlichts angeordnet ist und die Leuchtvorrichtung dazu eingerichtet ist: bei einem in den Strahlengang des Primärlichts eingebrachten Leuchtstoffsegment von diesem Leuchtstoffsegment abgestrahltes Licht auf das weitere farbselektive Reflexionselement zu strahlen; bei einem in den Strahlengang des Primärlichts eingebrachten Reflektorsegment das von dem Reflektorsegment reflektierte Primärlicht auf das weitere farbselektive Reflexionselement zu strahlen; und bei einem in den Strahlengang des Primärlichts eingebrachten Durchlichtsegment das von dem zweiten Leuchtstoff abgestrahlte Licht durch das Durchlichtsegment auf das erste farbselektive Reflexionselement zu strahlen und dort auf das weitere farbselektive Reflexionselement zu reflektieren. Bei dieser Ausgestaltung kann durch eine einfache Schrägstellung des Leuchtstoffrads eine separate, nicht über das erste farbselektive Reflexionselement geleitete Auskopplung des von dem Leuchtstoffrad abgestrahlten Lichts (Primärlicht und erstes Sekundärlicht) erreicht werden. Auf eine Wellenplatte kann so verzichtet werden.
Die Lichterzeugungseinheit kann mindestens eine Lichtquelle aufweisen. Es wird besonders bevorzugt, dass die Lichterzeugungseinrichtung mindestens eine Laserlichtquelle aufweist. Eine Laserlichtquelle weist den Vorteil auf, dass sie ein schmalbandiges Spektrum mit hoher Intensität erzeugen kann. Jedoch sind beispielsweise auch Kombinationen aus breitstrahlenden Lichtquellen und nachgeschalteten Spektralfiltern einsetzbar.
Bevorzugterweise umfasst die mindestens eine Lichtquelle mindestens eine Halbleiterlichtquelle, da eine solche kompakt und preiswert bereitstellbar ist. Die mindestens eine Halbleiterlichtquelle kann insbesondere mindestens eine Laserdiode oder mindestens eine Leuchtdiode umfassen, ist jedoch nicht darauf beschränkt. jedoch sind die Lichtquellen nicht darauf beschränkt, sondern können insbesondere alle Arten von Laserstrahlquellen, insbesondere mit polarisierter Strahlung, umfassen.
Unter Licht kann allgemein UV-Licht, sichtbares Licht und/oder IR-Licht verstanden werden.
Es ist ferner eine Ausgestaltung, dass das Primärlicht blaues Licht ist, insbesondere mit einer Spitzenwellenlänge von ca. 445 nm, ein Sekundärlicht grünes Licht ist und ein anderes Sekundärlicht rotes Licht ist. Insbesondere kann blaues Licht ohne weiteren Energieeintrag in rotes und grünes Licht umgewandelt werden. Diese drei Lichtanteile können als Mischlicht insbesondere einen großflächigen Farbraum aufspannen und insbesondere weißes Mischlicht erzeugen.
Es ist eine Weiterbildung, dass das erste Sekundärlicht rotes Licht und das zweite Sekundärlicht grünes Licht ist. Alternativ mögen das zweite Sekundärlicht rotes Licht und das erste Sekundärlicht grünes Licht sein.
Jedoch ist die Leuchtvorrichtung nicht auf eine solche Farbwahl beschränkt. Beispielsweise mag anstelle von rotem und/oder grünem Sekundärlicht zusätzlich oder alternativ Sekundärlicht anderer Farbe verwendet werden.
Auch mag als Primärlicht ultraviolettes Licht (UV-Licht) verwendet werden. Insbesondere auch in diesem Fall mag anstelle des Reflektorsegments ein weiteres Leuchtstoffsegment auf dem Leuchtstoffrad verwendet werden. Das UV-Licht mag dann beispielsweise durch einen ersten und dritten Leuchtstoff auf dem Leuchtstoffrad und durch den zweiten Leuchtstoff auf dem stationären Träger in sichtbares Sekundärlicht umgewandelt werden. Beispielsweise mag der erste Leuchtstoff UV-Licht in grünes oder rotes Licht umwandeln, der zweite Leuchtstoff UV-Licht in rotes bzw. grünes Licht umwandeln und der dritte Leuchtstoff UV-Licht in blaues Licht umwandeln.
Jedoch mag anstelle des UV-Lichts auch kurzwelliges blaues Licht verwendet werden, z.B. mit einer Spitzenwellenlänge von ca. 445 nm, und durch den dritten Leuchtstoff in längerwelliges blaues Licht, z.B. mit einer Spitzenwellenlänge von ca. 460 nm, umgewandelt werden.
Ganz allgemein mag auch auf das Reflektorsegment verzichtet werden und nur von den Leuchtstoff(en) abgestrahltes Licht, d.h. Sekundärlicht ggf. mit einem Primärlichtanteil, verwendet werden.
Die Leuchtvorrichtung mag insbesondere zusätzlich optische Elemente zur Strahlformung aufweisen wie mindestens eine Linse, insbesondere Sammellinse, Blende.
Die Leuchtvorrichtung mag insbesondere mindestens einen Strahlkombinierer zur Vereinigung des Primärlichts und Sekundärlichts (in beliebiger Kombination) aufweisen. Als Strahlkombinierer mag insbesondere ein farbselektiver Spiegel, insbesondere dichroitischer Spiegel, eingesetzt werden.
Die Aufgabe wird auch gelöst durch ein Verfahren zum Erzeugen von wellenlängenumgewandeltem Sekundärlicht aus mittels einer Lichterzeugungseinrichtung erzeugtem Primärlicht, wobei das Verfahren ein abwechselndes Bestrahlen eines auf einem beweglichen Träger befindlichen ersten Leuchtstoffs und eines auf einem stationären Träger befindlichen zweiten Leuchtstoffs durch das Primärlicht umfasst. Das Verfahren weist die gleichen Vorteile auf wie die Leuchtvorrichtung und mag analog ausgestaltet sein.
Die oben beschriebenen Eigenschaften, Merkmale und Vorteile dieser Erfindung sowie die Art und Weise, wie diese erreicht werden, werden klarer und deutlicher verständlich im Zusammenhang mit der folgenden schematischen Beschreibung von Ausführungsbeispielen, die im Zusammenhang mit den Zeichnungen näher erläutert werden. Dabei können zur Übersichtlichkeit gleiche oder gleichwirkende Elemente mit gleichen Bezugszeichen versehen sein.
1 zeigt in Seitenansicht eine Skizze einer ersten erfindungsgemäßen Leuchtvorrichtung mit einem Leuchtstoffrad in einer ersten Drehstellung;
2 zeigt die erste erfindungsgemäße Leuchtvorrichtung mit dem Leuchtstoffrad in einer zweiten Drehstellung;
3 zeigt die erste erfindungsgemäße Leuchtvorrichtung mit dem Leuchtstoffrad in einer dritten Drehstellung;
4 zeigt in Seitenansicht eine Skizze einer zweiten erfindungsgemäßen Leuchtvorrichtung mit in einem Bild zusammengefassten Stellungen des Leuchtstoffrads; und
5 zeigt in Seitenansicht eine Skizze einer dritten erfindungsgemäßen Leuchtvorrichtung mit in einem Bild zusammengefassten Stellungen des Leuchtstoffrads.
1 zeigt eine erste erfindungsgemäße Leuchtvorrichtung 11. Die Leuchtvorrichtung 11 weist eine Lichterzeugungseinrichtung 12 mit mindestens einer Laserdiode 13 auf, welche blaues Primärlicht P einer Spitzenwellenlänge von ca. 445 nm erzeugt. Das Primärlicht P weist nach Austritt aus der Lichterzeugungseinrichtung 12 eine transversale Polarisierung T1 in senkrechter Richtung (d.h., in der Bildebene) auf.
Die Lichterzeugungseinrichtung 12 ist ein erstes farbselektives Reflexionselements in Form eines ersten dichroitischen Spiegels 14 mit einem polarisationsabhängigen Transmissionsgrad nachgeschaltet. Der dichroitische Spiegel 14 ist für das blaue Primärlicht P mit der durch die Lichterzeugungseinrichtung 12 erzeugten transversalen Polarisierung T1 durchlässig.
Ausgehend von der Lichterzeugungseinrichtung 12 optisch hinter dem dichroitischen Spiegel 14 angeordnet ist ein als beweglicher Träger verwendetes drehbares Leuchtstoffrad 15 angeordnet. Das Leuchtstoffrad 15 weist auf grundsätzlich bekannte Weise mehrere Segmente auf, welche durch Drehung des Leuchtstoffrads 15 abwechselnd den Strahlengang des Primärlichts P durchfahren können. In dieser Figur befindet sich ein mit einer Leuchtstoffschicht eines ersten Leuchtstoffs 16 beschichtetes Leuchtstoffsegment 17 in dem Strahlengang des Primärlichts P. Durch den ersten Leuchtstoff 16 wird das Primärlicht P hier im Wesentlichen vollständig in erstes (z.B. grünes oder rotes) Sekundärlicht S1 umgewandelt und auf den dichroitischen Spiegel 14 zurückgestrahlt. Dazu mag dem Leuchtstoffrad 15 eine Sammellinse (o.Abb.) vorgeschaltet sein.
Ein in dem Strahlengang zwischen dem dichroitischen Spiegel 14 und dem Leuchtstoffrad 15 angeordnetes polarisationsänderndes optisches Durchlichtelement in Form eines Viertelwellenlängenplättchens 18 hat auf die Erzeugung und Strahlformung des ersten Sekundärlichts S1 keine praktische Auswirkung.
Da der dichroitische Spiegel 14 für das erste Sekundärlicht S1 nicht durchlässig, sondern spiegelnd ausgebildet ist, wird das erste Sekundärlicht S1 daran reflektiert und zur Auskopplung aus der Leuchtvorrichtung 11 abgestrahlt.
Bei einer Weiterdrehung des Leuchtstoffrads 15 wird das Leuchtstoffsegment 17 aus dem Strahlengang herausgedreht und ein Durchlichtsegment 19 in den Strahlengang hineingedreht, welche Stellung in 2 gezeigt ist. Das Durchlichtsegment 19 mag beispielsweise als ein Loch in dem Leuchtstoffrad 15 ausgestaltet sein. Das Durchlichtsegment 19 ist also für sämtliches Licht durchlässig.
Auf das Durchlichtsegment 19 treffendes Primärlicht P läuft hindurch und trifft auf den zweiten Leuchtstoff 20. Der zweite Leuchtstoff 20 ist als Leuchtstoffschicht auf einem stationären Kühlkörper 21 aufgebracht. Durch den zweiten Leuchtstoff 20 wird das Primärlicht P hier im Wesentlichen vollständig in zweites (z.B. rotes bzw. grünes) Sekundärlicht S2 umgewandelt und durch das Durchlichtsegment 19 hindurch auf den dichroitischen Spiegel 14 zurückgestrahlt. Dazu mag dem Leuchtstoff 20 eine Sammellinse (o.Abb.) vorgeschaltet sein. Das Viertelwellenlängenplättchen 18 hat auch auf die Erzeugung und Strahlformung des zweiten Sekundärlichts S2 keine praktische Auswirkung. Da der erste dichroitische Spiegel 14 auch für das zweite Sekundärlicht S2 spiegelnd ausgebildet ist, wird auch das zweite Sekundärlicht S2 daran reflektiert und zur Auskopplung aus der Leuchtvorrichtung 11 abgestrahlt.
Bei einer Weiterdrehung des Leuchtstoffrads 15 wird das Durchlichtsegment 19 aus dem Strahlengang herausgedreht und ein Reflektorsegment 22 in den Strahlengang hineingedreht, welche Stellung in 3 gezeigt ist. Das Reflektorsegment 22 weist eine verspiegelte Oberfläche auf und ist folglich insbesondere für das Primärlicht P reflektierend.
Bei einem ersten Durchgang des Primärlichts P durch das Viertelwellenlängenplättchen 18 in Richtung des Reflektorsegments 22 wird die ursprüngliche Polarisation des Primärlichts P von der transversalen Polarisation T1 in eine zirkulare Polarisation geändert. Nach Reflexion an dem Reflektorsegment 22 ändert sich der Drehsinn des zirkular polarisierten Lichtes. Bei einem folgenden erneuten Durchgang durch das Viertelwellenlängenplättchen 18 (in umgekehrter Richtung auf den dichroitischen Spiegel 14) wird aus dem zirkular polarisierten Primärlicht wieder ein transversal polarisiertes Licht. Eine sich dadurch ergebende transversale Polarisationsrichtung T2 steht aber senkrecht zu der ursprünglichen Polarisationsrichtung T1 (senkrecht zur Bildebene). Der dichroitische Spiegel 14 weist einen polarisationsabhängigen Transmissionsgrad dergestalt auf, dass er ist für das blaue Primärlicht P mit der transversalen Polarisierung T2 reflektierend ist. Folglich wird auch das Primärlicht der Polarisationsrichtung T2 daran reflektiert und zur Auskopplung aus der Leuchtvorrichtung 11 abgestrahlt.
4 zeigt eine zweite erfindungsgemäße Leuchtvorrichtung 31 mit in einem Bild zusammengefassten Stellungen des Leuchtstoffrads 15.
Die Leuchtvorrichtung 31 unterscheidet sich von der Leuchtvorrichtung 11 dadurch, dass das von dem zweiten Leuchtstoff 20 abgestrahlte zweite Sekundärlicht S2 nicht durch das Durchlichtsegment 19 hindurchgestrahlt, sondern daran vorbeigeleitet wird. Dazu ist in dem Strahlengang des Primärlichts P zwischen dem Leuchtstoffrad 15 und dem zweiten Leuchtstoff 20 ein zweiter dichroitischer Spiegel 32 angeordnet, welcher für das Primärlicht P durchlässig ist und für das zweite Sekundärlicht S2 reflektierend ist. Dieser zweite dichroitische Spiegel 32 reflektiert das zweite Sekundärlicht S2 auf einen dritten dichroitischen Spiegel 33.
Der dritte dichroitische Spiegel 33 ist für das Primärlicht P und das erste Sekundärlicht S1 durchlässig und für das zweite Sekundärlicht S2 reflektierend ausgestaltet. Der dritte dichroitische Spiegel 33 wird mit dem von dem (ersten) dichroitischen Spiegel 14 reflektierten Primärlicht P und erstem Sekundärlicht S1 rückwärtig bestrahlt (über einen nicht farbselektiven Spiegel 34), während das zweite Primärlicht S2 vorderseitig aufgestrahlt wird. Daher werden alle Lichtanteile P, S1, S2 in die gleiche Richtung aus der Leuchtvorrichtung 31 ausgekoppelt. Der dritte dichroitische Spiegel 33 dient folglich auch als ein Strahlkombinierer.
Die Leuchtvorrichtung 31 weist unter anderem den Vorteil auf, dass eine Anforderung an den ersten dichroitischen Spiegel 14 aufgrund des dort nicht mehr zu berücksichtigenden zweiten Sekundärlichts S2 geringer ist und dieser folglich einfacher und preiswerter wählbar ist.
5 zeigt eine dritte erfindungsgemäße Leuchtvorrichtung 41 mit in einem Bild zusammengefassten Stellungen des Leuchtstoffrads 15. Das Leuchtstoffrad 15 ist nun schräggestellt, so dass das daran reflektierte Primärlicht P sowie das erste Sekundärlicht S1 nicht auf den ersten dichroitischen Spiegel 14 gestrahlt werden, sondern auf einen vierten dichroitischen Spiegel 42. Der vierte dichroitische Spiegel 42 ist für das Primärlicht P und für das erste Sekundärlicht S1 reflektierend ausgestaltet und für das zweite Sekundärlicht S2 durchlässig ausgestaltet. Der vierte dichroitische Spiegel 42 wird mit dem zweiten Primärlicht S2 rückwärtig bestrahlt, während das Primärlicht P und das erste Sekundärlicht S1 vorderseitig aufgestrahlt werden. Folgend werden alle Lichtanteile P, S1, S2 sequenziell in die gleiche Richtung aus der Leuchtvorrichtung 41 ausgekoppelt. Der vierte dichroitische Spiegel 42 dient folglich auch als ein Strahlkombinierer. Bei der Leuchtvorrichtung 41 kann insbesondere auf eine Wellenplatte für das Primärlicht P verzichtet werden.
Die Leuchtvorrichtung 41 weist unter anderem den Vorteil auf, dass eine Anforderung an den ersten dichroitischen Spiegel 14 aufgrund des dort nicht mehr zu berücksichtigenden Primärlichts P geringer ist und dieser folglich einfacher und preiswerter wählbar ist, insbesondere nicht mehr polarisationsabhängig ausgestaltet zu sein braucht. Auch kann auf das Viertelwellenlängenplättchen 18 verzichtet werden, was eine Lichtausbeute erhöht.
Obwohl die Erfindung im Detail durch die gezeigten Ausführungsbeispiele näher illustriert und beschrieben wurde, so ist die Erfindung nicht darauf eingeschränkt und andere Variationen können vom Fachmann hieraus abgeleitet werden, ohne den Schutzumfang der Erfindung zu verlassen.
So kann die Lichterzeugungsvorrichtung mehrere Lichtquellen, insbesondere Halbleiterlichtquellen, insbesondere Laserdioden, umfassen, welche gleiche und/oder unterschiedliche Emissionswellenlängen aufweisen.

Claims

Leuchtvorrichtung (11; 31; 41), mindestens aufweisend – eine Lichterzeugungseinrichtung (12) zur Erzeugung eines Primärlichts (P); – einen ersten Leuchtstoff (16) zur Wellenlängenumwandlung des Primärlichts (P) in ein erstes Sekundärlicht (S1); und – einen zweiten Leuchtstoff (20) zur Wellenlängenumwandlung des Primärlichts (P) in ein zweites Sekundärlicht (S2); wobei – sich der erste Leuchtstoff (16) auf einem beweglichen Träger (15) befindet, der dazu eingerichtet ist, den ersten Leuchtstoff (16) abwechselnd in einen Strahlengang des Primärlichts (P) einzubringen und zu entfernen und – sich der zweite Leuchtstoff (20) auf einem stationären Träger (21) befindet.
Leuchtvorrichtung (11; 31; 41) nach Anspruch 1, wobei – der bewegliche Träger ein drehbares Leuchtstoffrad (15) mit mehreren in den Strahlengang des Primärlichts (P) durchfahrenden Segmenten (17; 19; 22) ist, – mindestens ein Leuchtstoffsegment (17) den ersten Leuchtstoff (16) aufweist, – mindestens ein Durchlichtsegment (19) ein zumindest für das Primärlicht (P) und das zweites Sekundärlicht (S2) durchlässiges Segment ist, – mindestens ein Reflektorsegment (22) ein zumindest das Primärlicht (P) reflektierendes Segment ist, – von der Lichterzeugungseinheit (12) ausgestrahltes Primärlicht (P) durch das Durchlichtsegment (19) auf den zweiten Leuchtstoff (16) strahlbar ist und – von dem zweiten Leuchtstoff (20) abgestrahltes zweites Sekundärlicht (S2) durch das Durchlichtsegment (19) zurückstrahlbar ist.
Leuchtvorrichtung (11; 31; 41) nach Anspruch 2, wobei die Leuchtvorrichtung (11; 31; 41) ein erstes farbselektives Reflexionselement (14) aufweist, welches zwischen der Lichterzeugungseinheit (12) und dem Leuchtstoffrad (15) angeordnet ist, und welches für das von der Lichterzeugungseinheit (12) ausgestrahlte Primärlicht (P) durchlässig ausgestaltet ist und für das Primärlicht (P), das erste Sekundärlicht (S1) und/oder das zweite Sekundärlicht (S2) reflektierend ausgestaltet ist.
Leuchtvorrichtung (11) nach Anspruch 3, wobei – das erste farbselektive Reflexionselement (14) für das von dem Leuchtstoffrad (15) reflektierte Primärlicht (P), für das erste Sekundärlicht (S1) und für das zweite Sekundärlicht (S2) reflektierend ausgestaltet ist und die Leuchtvorrichtung (11) dazu eingerichtet ist: – bei einem in den Strahlengang des Primärlichts (P) eingebrachten Leuchtstoffsegment (17) von diesem Segment abgestrahltes Licht (S1) an dem ersten farbselektiven Reflexionselement (14) zu reflektieren; – bei einem in den Strahlengang des Primärlichts (P) eingebrachten Reflektorsegment (22) das auf das Reflektorsegment (22) gestrahlte Primärlicht (P) auf das farbselektive Reflexionselement (14) zurückzureflektieren; und – bei einem in den Strahlengang des Primärlichts (P) eingebrachten Durchlichtsegment (19) das von dem zweiten Leuchtstoff (20) abgestrahlte Licht (S2) durch das Durchlichtsegment (19) auf das farbselektive Reflexionselement (14) zu strahlen.
Leuchtvorrichtung (31) nach Anspruch 3, wobei – das erste farbselektive Reflexionselement (14) zumindest für das erste Sekundärlicht (S1) reflektierend ausgestaltet ist und – die Leuchtvorrichtung (31) ein zweites farbselektives Reflexionselement (32) aufweist, das zwischen dem Leuchtstoffrad (15) und dem zweiten Leuchtstoff (20) angeordnet ist und welches für das durch das Durchlichtsegment (19) hindurchgestrahlte Primärlicht (P) durchlässig ausgestaltet ist und für von dem zweiten Leuchtstoff (20) abgestrahlte zweite Sekundärlicht reflektierend ausgestaltet ist und die Leuchtvorrichtung (31) dazu eingerichtet ist: – bei einem in den Strahlengang des Primärlichts (P) eingebrachten Leuchtstoffsegment (17) von diesem Segment (17) abgestrahltes Licht (S1) an dem ersten farbselektiven Reflexionselement (14) zu reflektieren; – bei einem in den Strahlengang des Primärlichts (P) eingebrachten Reflektorsegment (22) das auf das Reflektorsegment (22) gestrahlte Primärlicht (P) auf das erste farbselektive Reflexionselement (14) zurückzureflektieren; und – bei einem in den Strahlengang des Primärlichts (P) eingebrachten Durchlichtsegment (19) das von diesem Segment (19) hindurchgelassene Primärlicht (P) durch das zweite farbselektive Reflexionselement (32) auf den zweiten Leuchtstoff (20) zu strahlen und von dem zweiten Leuchtstoff (20) abgestrahltes zweites Sekundärlicht (S2) mittels des zweiten farbselektiven Reflexionselement (32) zu reflektieren.
Leuchtvorrichtung (11; 31) nach einem der Ansprüche 4 oder 5, wobei – das erste farbselektive Reflexionselement (14) einen polarisationsabhängigen Transmissionsgrad für das Primärlicht (P) aufweist und – zwischen dem farbselektiven Reflexionselement (14) und dem Leuchtstoffrad (15) ein auf das Primärlicht (P) wirkendes, eine Polarisation (T1; T2) änderndes optisches Element, insbesondere Viertelwellenlängenplättchen (18), angeordnet ist.
Leuchtvorrichtung (41) nach Anspruch 3, wobei – das erste farbselektive Reflexionselement (14) zumindest für das zweite Sekundärlicht (S2) reflektierend ausgestaltet ist und – die Leuchtvorrichtung (41) ein weiteres farbselektives Reflexionselement(42) aufweist, das in einem Strahlengang des reflektierten Primärlichts (P) und des ersten Sekundärlichts (S1) hinter dem Leuchtstoffrad (15) sowie in einem Strahlengang des zweiten Sekundärlichts (S2) hinter dem ersten farbselektiven Reflexionselement (14) angeordnet ist und welches für das Primärlicht (P) und das erste Sekundärlicht (S1) reflektierend ausgestaltet ist und für das zweite Sekundärlicht (S2) durchlässig ausgestaltet ist und – das Leuchtstoffrad (15) schräg im Strahlengang des Primärlichts (P) angeordnet ist und die Leuchtvorrichtung (41) dazu eingerichtet ist: – bei einem in den Strahlengang des Primärlichts (P) eingebrachten Leuchtstoffsegment (17) von diesem Leuchtstoffsegment abgestrahltes Licht (S1) auf das weitere farbselektive Reflexionselement (42) zu strahlen – bei einem in den Strahlengang des Primärlichts (P) eingebrachten Reflektorsegment (22) das von dem Reflektorsegment (22) reflektierte Primärlicht (P) auf das weitere farbselektive Reflexionselement (42) zu strahlen; und – bei einem in den Strahlengang des Primärlichts (P) eingebrachten Durchlichtsegment (19) das von dem zweiten Leuchtstoff (20) abgestrahlte Licht (S2) durch das Durchlichtsegment (19) auf das erste farbselektive Reflexionselement (14) zu strahlen und dort auf das weitere farbselektive Reflexionselement (42) zu reflektieren.
Leuchtvorrichtung (11; 31; 41) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Lichterzeugungseinrichtung (12) mindestens eine Laserlichtquelle (13) aufweist.
Leuchtvorrichtung (11; 31; 41) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei – das Primärlicht (P) blaues Licht ist, insbesondere mit einer Spitzenwellenlänge von ca. 445 nm, – ein Sekundärlicht (S1; S2) grünes Licht ist und ein anderes Sekundärlicht (S2; S1) rotes Licht ist.
Verfahren zum Erzeugen von wellenlängenumgewandelten Sekundärlicht (S1; S2) aus von einer Lichterzeugungseinrichtung (12) erzeugtem Primärlicht (P), wobei das Verfahren ein abwechselndes Bestrahlen eines auf einem beweglichen Träger (15) befindlichen ersten Leuchtstoffs (16) und eines auf einem stationären Träger (21) befindlichen zweiten Leuchtstoffs (20) durch das Primärlicht (P) umfasst.