DE102012201790A1

DE102012201790A1 - Beleuchtungsvorrichtung mit einer pumplasermatrix und verfahren zum betreiben dieser beleuchtungsvorrichtung

Info

Publication number: DE102012201790A1
Application number: DE102012201790A
Authority: DE
Inventors: Klaus Finsterbusch; Kai Franz; Ulrich Hartwig; Josef Kroell
Original assignee: Osram GmbH
Current assignee: Coretronic Corp
Priority date: 2012-02-07
Filing date: 2012-02-07
Publication date: 2013-08-08
Also published as: CN104094044B; WO2013117390A1; US20160010812A1; US9702513B2; CN104094044A

Abstract

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

Description

Technisches Gebiet
Die Erfindung betrifft eine Beleuchtungsvorrichtung mit einer Pumplasermatrix und einer Leuchtstoffanordnung, die von der Pumplasermatrix bestrahlt wird. Ferner betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Betreiben dieser Beleuchtungsvorrichtung.
Die Erfindung ist insbesondere anwendbar für Projektionsvorrichtungen, 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.
Stand der Technik
Lichtquellen hoher Leuchtdichte finden in den verschiedensten Bereichen Anwendung, etwa in der Endoskopie ebenso wie bei Projektionsgeräten, wobei Gasentladungslampen gegenwärtig am weitesten verbreitet sind. Bei Beleuchtungsanwendungen, beispielsweise Projektion oder Endoskopie, auf Basis der grundsätzlich bekannten LARP ("Laser Activated Remote Phosphor")-Technik wird ein Leuchtstoff von einem Laser angestrahlt. Die auf den Leuchtstoff treffende Laserstrahlung, im folgenden auch als Pumpstrahlung bezeichnet, wird von dem Leuchtstoff mittels Wellenlängenkonversion teilweise in ein wellenlängenumgewandeltes Nutzlicht umgewandelt und teilweise ohne eine Wellenlängenumwandlung zurückgestreut.
Zwar wird bei der LARP-Technik derzeit üblicherweise Laserstrahlung verwendet. Im Rahmen der vorliegenden Erfindung soll der Begriff LARP aber dahingehend verallgemeinert sein, dass auch andere für die Leuchtstoffanregung geeignete Pumpstrahlungsquellen mit vergleichbaren Strahlungseigenschaften wie ein Laser, insbesondere dessen geringe Strahldivergenz, umfasst sind, beispielsweise Superlumineszenzdioden, gegebenenfalls mit oder ohne nachgeschalteter Optik.
Darstellung der Erfindung
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine Beleuchtungsvorrichtung auf der Basis der LARP-Technik mit Farbsteuerung bereitzustellen.
Diese Aufgabe wird gelöst durch eine Beleuchtungsvorrichtung mit einer Pumplasermatrix und einer Leuchtstoffanordnung, wobei die Pumplasermatrix dazu ausgelegt ist, Pumpstrahlung mit einer steuerbaren Pumpstrahlungsleistungsverteilung für die Bestrahlung der Leuchtstoffanordnung abzustrahlen, die Leuchtstoffanordnung mindesten zwei unterschiedliche Leuchtstoffe aufweist, die mit der Pumpstrahlung bestrahlbar sind und diese Pumpstrahlung zumindest teilweise und jeweils unterschiedlich wellenlängenumgewandelt wieder abstrahlen, und die Beleuchtungsvorrichtung dazu ausgelegt ist, mit Hilfe der Pumplasermatrix, eine steuerbare Verteilung der Flächenleistungsdichte der Pumpstrahlung auf den Leuchtstoffen der Leuchtstoffanordnung zu erzeugen.
Außerdem wird die Aufgabe gelöst durch ein Verfahren mit den Merkmalen von Patentanspruch 10.
Besonders vorteilhafte Ausgestaltungen finden sich in den jeweiligen abhängigen Ansprüchen.
Im folgenden werden Merkmale, die mehr die gegenständlichen Aspekte der Erfindung betreffen, auch zusammen mit Merkmalen, die eher die verfahrenstechnischen Aspekte charakterisieren gemeinsam erläutert, um das Verständnis der technischen Zusammenhänge der Erfindung zu erleichtern.
Die Grundgedanke der Erfindung besteht darin, durch das Steuern der Pumpstrahlungsleistung einzelner Pumplaser einer Pumplasermatrix, die Verteilung der Flächenleistungsdichte der Pumpstrahlung auf den in der Bestrahlungsfläche getrennt angeordneten Leuchtstoffen einer Leuchtstoffanordnung zu steuern und damit schließlich den Farbort des Mischlichts, das durch Mischen der von den Leuchtstoffen jeweils unterschiedlich wellenlängenumgewandelten Pumpstrahlung (= Farblichtanteile des Mischlichts) entsteht, zu steuern. Vereinfacht gesagt erfolgt die Farbsteuerung der erfindungsgemäßen Beleuchtungsvorrichtung also dadurch, dass ein Leuchtstoffmuster aus unterschiedlichen Leuchtstoffen mit einem hinsichtlich seiner Form und Flächenleistungsdichteverteilung steuerbaren Pumpstrahlungsmuster bestrahlt wird. Ein Pumpstrahlungsmuster wird durch die gezielte Ansteuerung der einzelnen Laser der Lasermatrix, mit anderen Worten durch ein entsprechendes Ansteuermuster der Lasermatrix, erzeugt. Durch das steuerbare Pumpstrahlungsmuster werden die von den verschiedenen Leuchtstoffen zum additiven Mischlicht beitragenden Farblichtanteile gesteuert und damit schließlich der Farbort des Mischlichts. Die Spektralverteilungen der einzelnen Pumplaser können im übrigen gleich oder unterschiedlich sein.
Erfindungsgemäß kann es vorgesehen sein, dass die jeweilige Pumpstrahlungsleistung von Pumplaser der Pumplasermatrix von 0 bis 100% steuerbar ist, wobei der Wert 0% dem Ausschalten der Pumpstrahlungsquelle entspricht und der Wert 100% der jeweiligen vollen Nominalleistung. Je nach Anwendung können auch geringere Steuerbereiche ausreichend sein oder auch nur das Ein- bzw. Ausschalten von Pumplaser. Insbesondere bei einer Pumplasermatrix mit relativ vielen Pumplaser können die zwei Zustände Ein/Aus einzelner Pumplaser unter Umständen eine ausreichend feine Steuerung des Pumpstrahlungsmuster auf den verschiedenen Leuchtstoffen ermöglichen. Dabei kann bei Bedarf vorgesehen sein, dass einzelne Pumplaser separat angesteuert werden oder zu Pumplasergruppen zusammengefasst sind, die gemeinsam angesteuert werden. Die Pumplaser können im Dauerstrich-Betrieb (cw-Betrieb), im Pulsbetrieb oder in einer Kombination dieser beiden Betriebsmodi betrieben werden. Dabei können unterschiedliche Laser der Pumplasermatrix mit unterschiedlichen Betriebverfahren betrieben werden. Die jeweilige Pumpstrahlungsleistung kann moduliert sein, beispielsweise durch ein Pulsweitenmodulationsverfahren.
Entscheidend ist nur, dass durch geeignetes Steuern einer Pumplasermatrix die Verteilung der Pumpstrahlungsleistungsdichte auf den Leuchtstoffen und damit der Beitrag der einzelnen Leuchtstoffe zum Mischlicht und folglich letztlich auch der Farbort des Mischlichts gesteuert werden kann. Die Steuerung des Farborts kann dabei sowohl in einer gezielten Änderung des Farborts während des Betriebs als auch in einer Konstantregelung bestehen oder auch in einer Kombination aus beiden. Bei einigen Anwendungen mag es auch ausreichend sein, den jeweils gewünschten Farbort vor der Inbetriebnahme der Beleuchtungsvorrichtung einzustellen.
Um eine selektive Bestrahlung der verschiedenen Leuchtstoffe zu ermöglichen, sind die Leuchtstoffe der Leuchtstoffanordnung voneinander getrennt angeordnet, beispielsweise in der Bestrahlungsebene segmentartig nebeneinander in einer Leuchtstoffschicht. Die Leuchtstoffe bilden also eine Art Leuchtstoffmuster, dessen Leuchtstoffbestandteile mit einem steuerbaren Pumpstrahlungsmuster bestrahlt werden.
Die einzelnen Pumplaser sind vorzugsweise als Laserdioden ausgebildet. Laserdioden lassen sich, wie bei optischen Halbleitern üblich, besonders einfach und schnell schalten bzw. Ansteuern. Die Laserstrahlung der einzelnen Laserdioden bilden zusammen ein Laserstrahlungsmuster auf den Leuchtstoffen. Durch einfaches Schalten – d.h. Laser an/aus – oder sonstiges Steuern der Ausgangsleistung einzelner Laserdioden kann das Laserstrahlungsmuster auf den Leuchtstoffen verändert werden.
Die Pumplasermatrix muss aber nicht notwendigerweise aus realen einzelnen Pumplasern bestehen. Vielmehr kann die Pumplasermatrix alternativ auch mit Hilfe eines Spatial Light Modulators (SLM), beispielsweise eines steuerbaren Vielfachspiegelsystems wie ein Digital Micro Mirror Device (DMD), realisiert sein, das mit mindestens einem Laser bestrahlt wird. Das aus der Videoprojektion bekannte Digital Micro Mirror Device (Hersteller Texas Instruments) moduliert die auf die Mikrospiegel auftreffende Pumplaserstrahlung durch schnelles Verkippen der Spiegel. Somit lässt sich die Pumpstrahlung eines mit Konstantleistung betriebenen Pumplasers räumlich und zeitlich modulieren, ohne dass die Betriebsleistung des Pumplasers angepasst oder moduliert werden müsste. Das hat den Vorteil, dass der Pumplaser im thermischen Gleichgewicht bleibt und somit in einer stabilen Betriebsweise gehalten werden kann.
Vorzugsweise ist zur Mischung der von den Leuchtstoffen jeweils unterschiedlich wellenlängenumgewandelten Pumpstrahlung, d.h. der durch Leuchtstoffkonversion erzeugten Farblichtanteile, ein optischer Lichtmischer, beispielsweise eine auf totaler innerer Reflexion (TIR) basierende Optik vorgesehen. Dabei ist der optische Lichtmischer zwischen der Pumplasermatrix und dem Leuchtstoffmuster angeordnet, vorzugsweise sehr nahe über dem Leuchtstoffmuster, wenn das Leuchtstoffmuster für die Nutzung in Reflexion ausgelegt ist. Dabei wird der von dem Leuchtstoffmuster zurück gestreute bzw. diffus reflektierte und wellenlängenumgewandelte Anteil der Pumpstrahlung für die Erzeugung des additiven Mischlichts genutzt. Das Einstrahlen der Pumpstrahlung und das Einsammeln der durch Wellenlängenumwandlung erzeugten Farblichtanteile erfolgt also auf der selben Seite des Leuchtstoffmusters. Durch die räumliche Nähe des optischen Lichtmischers ist gewährleistet, dass die typischerweise in einer Lambertverteilung gestreuten und wellenlängenumgewandelten Farblichtanteile effizient von diesem Lichtmischer eingesammelt und auf ihrem Weg durch den Lichtmischer durchmischt werden. Die in Gegenrichtung durch den optischen Lichtmischer propagierende Pumplaserstrahlung ist hingegen im Vergleich zu der vom Leuchtstoffmuster kommenden Streustrahlung gerichtet und kollimiert und erzeugen so auch nach Passieren des optischen Lichtmischers noch ein ausreichend differenziertes Laserstrahlungsmuster auf dem Leuchtstoffmuster. Die eingangs erläuterte Steuerung der Anregung des Leuchtstoffmusters über die Laserstrahlenmatrix ist also gewährleistet. Außerdem kann die Rückseite des Leuchtstoffmusters in diesem sogenannten Reflexionsmodus problemlos gekühlt werden, beispielsweise indem das Leuchtstoffmuster auf einem Kühlkörper angeordnet ist. Alternativ kann das Leuchtstoffmuster für die Nutzung in Transmission ausgelegt sein. Dann ist der optische Lichtmischer auf dessen Rückseite angeordnet, d.h. auf der zur einfallenden Pumpstrahlung entgegengesetzten Seite des Leuchtstoffmusters. Dabei werden also die durch die Leuchtstoffe hindurchtretenden und durch diese zumindest teilweise wellenlängenumgewandelten Strahlungsanteile von dem optischen Lichtmischer gesammelt und gemischt. In diesem Fall kann das Leuchtstoffmuster – abgesehen von der Konvektion und Wärmeabstrahlung – nur über eine umlaufende Einfassung oder beispielsweise einen Luftstrom gekühlt werden. Eine Kühlanordnung wie im Reflexionsmodus ist hingegen nicht möglich.
Die Pumpstrahlung liegt vorzugsweise im ultravioletten (UV) oder blauen (B) Spektralbereich. Über geeignete und an sich bekannte Leuchtstoffe lässt sich damit konvertiertes Licht mit typischerweise längeren Wellenlängen herstellen (down conversion), insbesondere bei Bedarf auch grünes (G) und rotes (R) Licht, beispielsweise um zusammen mit blauen Licht weißes Mischlicht zu erzeugen.
Das erfindungsgemäße Verfahren zum Betreiben der erfindungsgemäßen Beleuchtungsvorrichtung mit einer Pumplasermatrix und einer Leuchtstoffanordnung mit mindesten zwei unterschiedlichen Leuchtstoffen, wobei die Leuchtstoffe geeignet sind, die Pumpstrahlung der Pumplasermatrix zumindest teilweise und jeweils unterschiedlich wellenlängenumgewandelt wieder abzustrahlen, umfasst mindestens folgende Verfahrensschritte:

– Steuern der Strahlungsleistung der einzelnen Pumplaser oder Pumplasergruppen der Pumplasermatrix zum Steuern der Verteilung der Flächenleistungsdichte der Pumpstrahlung auf den Leuchtstoffen,
– Bestrahlen der mindesten zwei unterschiedlichen Leuchtstoffe der Leuchtstoffanordnung mit der gesteuerten Pumpstrahlung von der Pumplasermatrix.

Für das erfindungsgemäße Betriebsverfahren ist die Beleuchtungsvorrichtung also so auszulegen, dass die Laserstrahlung der Lasermatrix auf den getrennt angeordneten Leuchtstoffen der Leuchtstoffanordnung ein Laserstrahlungsmuster erzeugt. Die äußere Form und die Flächenleistungsverteilung des Laserstrahlungsmusters wird durch Steuern der einzelnen Laser der Lasermatrix gesteuert. Dadurch wird der Anteil der durch die verschiedenen Leuchtstoffe in entsprechende Farblichtkomponenten wellenlängenumgewandelten Laserstrahlung am Nutzlicht und letztlich der Farbort des von der Wellenlängenumwandlung resultierenden Mischlichts gesteuert.
Für die weitere Nutzung ist es in der Regel vorteilhaft, die von den Leuchtstoffen jeweils unterschiedlich wellenlängenumgewandelte Strahlung in einem ergänzenden Verfahrensschritt mit einem geeigneten optischen Lichtmischer, beispielsweise einer auf totaler innerer Reflexion (TIR) basierenden Optik, zu Sammeln und zu Mischen.
Wenn eine Änderung des Farborts des Mischlichts gewünscht wird, wird das Ansteuermuster der Lasermatrix geändert, um dadurch eine Änderung des Laserstrahlungsmusters auf den Leuchtstoffen und letztlich eine Änderung der Farblichtanteile am Mischlicht zu erzielen.
Laserdioden werden in der Regel selbst bei nur kurzzeitiger Überschreitung ihrer spezifizierten Maximalleistung beschädigt. Um Leuchtstoffdegradation und ähnliche Lebensdauereffekte kompensieren zu können, kann es deshalb vorteilhaft sein, die einzelnen Laser zunächst unterhalb der zulässigen Maximalleistung zu betreiben. Dadurch können die Laserleistungen der einzelnen Laserdioden zur Kompensation von Degradationseffekten bis maximal 100% erhöht werden.
Zum anderen kann eine bestimmte Anzahl von Laserdioden auf 100% ihrer Nominalleistung hochgefahren werden, beispielsweise kurzzeitig, um eine bestimmte Änderung des Laserstrahlungsmusters und folglich Farbortänderung des Mischlichts zu bewirken.
Darüber hinaus kann es vorteilhaft sein, zusätzlich zumindest einen Teil der übrigen Laserdioden in der Strahlungsleistung soweit abzusenken, dass der gesamte V(λ)-bewertete Lichtstrom der wellenlängenumgewandelten Strahlung, d.h. des resultierenden Mischlichts, gleich bleibt.
Für einige Anwendungen kann es vorteilhaft sein, das mittels der Leuchtstoffe wellenlängenumgewandelte Mischlicht mit einem oder mehreren weiteren Farblichtanteile zu Mischen. Beispielsweise kann es zur Erzeugung von weißem Mischlicht vorteilhaft sein, die durch Leuchtstoffkonversion erzeugten roten und grünen Farblichtanteile mit einem blauen Farblichtanteil, beispielsweise von einer blaues Licht emittierenden Diode (LED), zu Mischen.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Im Folgenden soll die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen näher erläutert werden. Die Figuren zeigen:
1 eine erfindungsgemäße Beleuchtungsvorrichtung mit Lasermatrix, Lichtmischer und Leuchtstoffanordnung,
2 die Lasermatrix aus 1,
3a die Leuchtstoffschicht aus 1,
3b die Leuchtstoffschicht aus 1 mit geändertem Laserstrahlungsmuster,
3c die Leuchtstoffschicht aus 1 mit geändertem Laserstrahlungsmuster,
4 verschiedene Leuchtstoffmuster,
5 eine erfindungsgemäße Beleuchtungsvorrichtung auf der Basis von 1 mit beigemischtem blauen LED-Licht,
6 in schematischer Darstellung einen Ablaufplan eines Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Verfahrens.
Bevorzugte Ausführung der Erfindung
In 1 ist ein vereinfachtes Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Beleuchtungsvorrichtung 1 schematisch dargestellt. Die Beleuchtungsvorrichtung 1 weist eine Lasermatrix 2, einen länglichen optischen Lichtmischer 3 und eine Leuchtstoffanordnung 4 auf. Die Lasermatrix 2 besteht aus einem Träger 5, auf dem neun über eine Steuerung 20 einzeln ansteuerbare blaue Laserdioden 6 (Emissionswellenlänge ca. 445 nm) in einer 3 mal 3 Matrix angeordnet sind. 2 zeigt die Lasermatrix 2 in einer Draufsicht, so dass alle neun Laserdioden 6 erkennbar sind. Die Laserstrahlen 7 (in 1 nur symbolisch dargestellt) treten an einem ersten Ende 8 in den länglichen Lichtmischer 3 ein und an dessen anderen Ende 9 wieder aus. Nach dem anderen Ende 9 des Lichtmischers 3 folgt eine ca. 40 µm dicke Leuchtstoffschicht 10, die auf einem Kühlelement 11 angeordnet ist und so zusammen die Leuchtstoffanordnung 4 bilden. Das Kühlelement 11 besteht beispielsweise aus Aluminium, Kupfer, Silber, Graphit, Saphir (Al₂O₃), Diamant, Siliziumcarbid, Magnesium und/oder Eisen. Ferner kann der Kühlkörper auch Keramiken wie etwa AlN und/oder Legierungen, beispielsweise Aluminiumlegierungen oder Messing aufweisen. Die Laserstrahlen 7 treffen nach dem Passieren des Lichtmischers 3 auf die Leuchtstoffschicht 10 und bilden dort ein Laserstrahlungsmuster (in 1 nicht erkennbar). 3a zeigt in einer Draufsicht schematisch die Leuchtstoffschicht 10 mit dem Laserstrahlungsmuster 12, das im wesentlichen aus neun Laserstrahlflecken in 3 mal 3 Matrixanordnung besteht. Der Einfachheit wegen sind die neun ein Laserstrahlungsmuster 12 bildenden Laserstrahlflecken deutlich voneinander getrennt dargestellt. Die Leuchtstoffschicht 10 besteht aus drei streifenförmigen Leuchtstoffen R, Y, G, die parallel nebeneinander angeordnet sind. Dabei handelt es sich um einen Rotleuchtstoff (R), beispielsweise
Calsin:
CaAlSiN₃:Eu,
einen Gelbleuchtstoff (Y), beispielsweise:
(Y_0.96Ce_0.04)₃ Al_3.75 Ga_1.25 O₁₂,
bzw. einen Grünleuchtstoff (G), beispielsweise:
YAG:Ce (Y_0.96Ce_0.04)₃ Al_3.75 Ga_1.25 O₁₂.
Die Laserstrahlung wird von den drei streifenförmigen Leuchtstoffen R, Y, G wellenlängenumgewandelt und die resultierenden Farblichtanteile durch das zweite Ende 9 in den Lichtmischer 3 hineingestreut.
Die 3b zeigt ein alternatives Laserstrahlungsmuster 12' auf dem R-Y-G-Leuchtstoffmuster. Im Unterschied zur 3a sind hier nicht alle neun Laser angesteuert, sondern in der ersten und dritten Zeile nur jeweils die mittlere Laserdiode. Der Rotleuchtstoff R und der Grünleuchtstoff G werden also gegenüber der 3a deutlich geringer gepumpt. Folglich ist ihr Beitrag zum Mischlicht entsprechend geringer, was in einer entsprechenden Farbortverschiebung resultiert. Die 3c zeigt eine weitere Variante eines Laserstrahlungsmusters 12'' auf dem R-Y-G-Leuchtstoffmuster. Hier sind über die Steuerung 20 alle außer der mittleren Laserdiode angesteuert. Dadurch wird der Gelbleuchtstoff G geringer gepumpt. Selbstverständlich sind viele weitere Laserstrahlungsmuster realisierbar, je nach gewünschter Farbortverschiebung. Beispielsweise können einzelne Laserdioden auch nur bei reduzierter Leistung betrieben werden, um nur eine geringe Farbortverschiebung zu realisieren.
Je nach optischer Auslegung des Lichtmischers 3 und der Lasermatrix 2 können die Laserstrahlflecken auch teilweise überlagern oder ein abweichendes, beispielsweise verzerrtes Laserstrahlungsmuster bilden. Ausschlaggebend ist nur, dass sich durch Steuern der Laserdioden 6 die Form und/oder Intensitätsverteilung des Laserstrahlungsmusters 12 und damit der jeweilige Beitrag der einzelnen Leuchtstoffe R, Y, G steuern, d.h. gezielt beeinflussen lässt.
Der optische Lichtmischer 3 ist als TIR-Optik ausgebildet und besteht im wesentlichen aus einem konischen Glasstab mit achteckigem Querschnitt. Die von den Leuchtstoffen R, Y, G zurück gestreuten Farblichtanteile werden innerhalb des Lichtmischers 3 an der Grenzfläche zur Umgebung mehrfach total reflektiert und damit räumlich durchmischt. Das in diesem Ausführungsbeispiel aus den Farblichtanteilen R, Y, G bestehende Mischlicht verlässt den Lichtmischer 3 durch das erste Ende 8 zur weiteren Nutzung (in 1 nicht dargestellt). Die Farbsteuerung erfolgt durch die Steuerung der Strahlungsleistung (einschließlich Laserdiode(n) ein/aus) der einzelnen Laserdioden 9. Dadurch wird die Form und/oder die Flächenleistungsverteilung des Laserstrahlungsmusters 12 gesteuert und folglich der Konversionsanteil jedes Leuchtstoffes R, Y, G zum Mischlicht. Das Mischlicht kann mittels eines dichroitschen Spiegels (nicht dargestellt), der gekippt zwischen Lasermatrix 2 und Lichtmischer 3 angeordnet ist, zur Seite ausgekoppelt werden. Dazu ist die dem Lichtmischer zugewandte Seite mit einer Interferenzschicht beschichtet, die das Mischlicht reflektiert und die blaue Laserstrahlung transmittiert.
In den 4a bis 4j ist eine Auswahl alternativer Leuchtstoffmuster für die segmentierte Leuchtstoffschicht 10 der Leuchtstoffanordnung 4 in 1 dargestellt. Neben Leuchtstoffmustern mit drei verschiedenen Leuchtstoffen (4a, 4f, 4h und 4j) sind je nach Anwendung auch Leuchtstoffmuster mit nur zwei verschiedenen Leuchtstoffen geeignet (4b–4e, 4g und 4i). Außerdem können die einzelnen Leuchtstoffe statt streifenförmig (4d, 4e, 4i und 4j) auch kreisförmig ausgebildet und ineinander angeordnet sein (4f) oder innerhalb rechteckiger bzw. streifenförmiger Leuchtstoffe (4a–4c, 4g und 4h). Darüber hinaus sind weitere geeignete Leuchtstoffmuster aus zwei, drei oder auch mehr Leuchtstoffen denkbar.
5 zeigt eine schematische Darstellung eines weiteren Ausführungsbeispiels. Es basiert auf der in der 1 gezeigten Anordnung, ist aber für die Erzeugung von weißem Mischlicht mit Farbsteuerung um einen optischen Zweig zur Beimischung eines blauen Farblichtanteils (B) ergänzt. Die dargestellte Beleuchtungsvorrichtung 101 ist beispielsweise als Ersatz für eine Xenon Entladungslampe in Beleuchtungsanordnungen wie der Endoskopie, Mikroskopie oder Medizinstirnlampen geeignet, wobei zusätzlich die Möglichkeit der Farbsteuerung hinzukommt. Eine Laserdiodenmatrix 102, die aus sechs mal sieben blauen Laserdioden 106 besteht, liefert eine gesamte Laserstrahlleistung von ca. 42 W. Über eine Steuerung 200 sind die 42 blauen Laserdioden 106 individuell ansteuerbar. Der aus 42 einzelnen Laserstrahlen (nicht dargestellt) bestehende Gesamtlaserstrahl 103, wird von der Rückseite 104 eines dichroitischen Spiegels 105 reflektiert. Dazu ist die Rückseite 104 des dichroitischen Spiegels 105 mit einer blaues Licht reflektierenden und andere Farblichtanteile transmittierenden Interferenzbeschichtung versehen. Der dichroitische Spiegel 105 ist so verkippt, dass der Gesamtlaserstrahl 103 unter einem Winkel von 45° zur Lotrechten einfällt. Der Winkel zwischen dem einfallenden Gesamtlaserstrahl 103 und dem reflektierten Gesamtlaserstrahl 103' beträgt also ca. 90°. Der reflektierte Gesamtlaserstrahl 103' tritt durch eine Linse 107 hindurch, die die 42 einzelnen Laserstrahlen auf die 4 mm² große Eintrittsfläche einer ersten TIR-Optik 3 fokussiert. Die erste TIR-Optik 3 führt die einzelnen Laserstrahlen durch totale innere Reflexion auf die Leuchtstoffschicht 10, wo sie ein Laserstrahlungsmuster erzeugen (in 5 nicht erkennbar; siehe 2). Wie bereits im Zusammenhang mit der 1 beschrieben, ist die längliche TIR-Optik 3 konisch geformt, wobei ihr schmaleres Ende der Leuchtstoffschicht 10 zugewandt ist. Die segmentierte Leuchtstoffschicht 10, die aus den drei ein Streifenmuster bildenden Leuchtstoffkomponenten R, Y, G besteht (in 5 nicht erkennbar; siehe 3), wandelt das einfallende blaue Laserlicht nahezu vollständig (mehr als 95%) in die den bestrahlten Leuchtstoffkomponenten R, Y, G entsprechenden Farblichtanteile rot, gelb bzw. grün um. Für weitere Details der Leuchtstoffanordnung 4 wird auf die Beschreibung der 1 verwiesen. Die von der segmentierten Leuchtstoffschicht 10 kommenden Farblichtanteile werden von der TIR-Optik 3 gesammelt und gemischt. Nach der TIR-Optik 3 wird das farbige Mischlicht 112 durch die Linse 107 parallelisiert. Dadurch werden inakzeptable Abweichungen der einfallenden Mischlichtstrahlen vom vorgesehenen Einfallswinkel des dichroitischen Spiegels 105 vermieden und folglich eine maximale Transmission des farbigen Mischlichts 112 durch die Interferenzbeschichtung sichergestellt. Der geringe ohne Wellenlängenumwandlung zurück gestreute Rest der blauen Laserstrahlung 103' wird von der Rückseite 104 des dichroitischen Spiegels 105 gesperrt, wodurch lasertypische Risiken für das menschliche Auge bei Weiterverwendung des Nutzlichts vermieden werden. Außerdem wird dem R-Y-G-farbigen Mischlicht 112 blaues Licht 113 von einer oder mehreren blauen LED 114 (z.B. LE B Q6WP von der Firma OSRAM Opto Semiconductor), die auf einem Kühlkörper 116 montiert ist, zugemischt. Dazu wird das blaue LED-Licht 113 über eine zweite TIR-Optik 115, die im übrigen gleich ist wie die erste TIR-Optik 3, und über eine Parallelisierungslinse 117 kolinear zum blauen Gesamtlaserstrahl 103 auf die Vorderseite 118 des dichroitischen Spiegels 105 gelenkt. Die Vorderseite 118 ist mit einer Interferenzbeschichtung versehen, die das blaue LED-Licht 113 reflektiert und das R-Y-G-farbige Mischlicht 112 transmittiert. Bei geeigneter Justierung aller optischer Komponenten resultiert ein R-Y-G-B-Mischlicht 119. Bei geeigneter Steuerung der einzelnen Laserdioden 106 lässt sich insbesondere weißes R-Y-G-B-Mischlicht erzeugen. Der Farbort des Mischlichts lässt sich über die bereits erwähnte Farbsteuerung beispielsweise entlang der Planckschen Linie des CIE-Farbdreiecks verschieben oder auch nahezu beliebige Farbkoordinaten des sRGB-Farbraums realisieren. Für die Fokussierung des Mischlichts auf die Eingangsapertur eines Lichtleiters (nicht dargestellt) ist eine dritte Linse 120 vorgesehen. Mit der Beleuchtungsvorrichtung 101 wird für weißes Nutzlicht ein Lichtstrom von ca. 2600 lm erzielt, dessen Farbort über einen weiten Bereich steuerbar ist.
Darüber hinaus können Sensoren vorgesehen sein (nicht dargestellt), die an den TIR-Optiken gestreute Farblichtanteile messen. Die Sensorsignale können für eine Steuerung oder Regelung der Leistung der einzelnen Laserdioden 106 und der LED 114 verwendet werden, beispielsweise um einen vorgewählten Farbort des Nutzlichts konstant zu halten.
Alternativ können die durch Trennrillen thermisch gegeneinander isolierte Leuchtstoffsegmente mit auf ihrer jeweiligen Rückseite zugeordneten Thermosensoren für die Farbsteuerung versehen sein.
6 zeigt in schematischer Darstellung ein Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Verfahrens zum Betreiben der in 1 gezeigten Beleuchtungsvorrichtung 1. Das Verfahren beginnt im Schritt 210 damit, dass die Laserdioden 6 der Lasermatrix 2 angesteuert werden. Die von den 3 mal 3 Laserdioden 6 emittierten einzelnen Laserstrahlen werden auf die segmentierte Leuchtstoffschicht 10 der Leuchtstoffanordnung 4 gestrahlt (Schritt 220), wo sie ein Laserstrahlungsmuster erzeugen. Die ein streifenförmiges Leuchtstoffmuster bildenden Leuchtstoffe R, Y, G der Leuchtstoffschicht 10 wandeln die Laserstrahlung in entsprechende Farblichtanteile um, gewichtet nach dem auf den jeweiligen Leuchtstoff fallenden Laserstrahlungsmusteranteil. Im Schritt 230 werden die Farblichtanteile mit dem TIR-Lichtmischer 3 gesammelt und durchmischt. Im Schritt 240 folgt eine JA/NEIN-Verzweigung. Falls keine Farbortänderung des R-Y-G-Mischlichts erforderlich ist, wird an den Anfang (Schritt 210) zurück verzweigt, d.h. es erfolgt keine Änderung der Ansteuerung der Laserdioden 6 der Lasermatrix 2. Wird aber eine Farbortänderung gewünscht, wird im Schritt 250 eine entsprechende Änderung der Ansteuerung zumindest einer Laserdiode der Lasermatrix 2 vorgenommen. Mit anderen Worten wird auf eine Farbortänderungsanforderung mit einer Änderung des Ansteuermusters der Laserdiodenmatrix reagiert. Mit diesem geänderten Ansteuermuster wird an den Anfang (Schritt 210) zurück verzweigt. Das geänderte Ansteuermuster bewirkt im Schritt 220 die Bestrahlung des Leuchtstoffmusters mit einem geänderten Laserstrahlungsmuster. Dadurch ändert sich im Schritt 230 die Gewichtung der Farblichtanteile am R-Y-G-Mischlicht und folglich dessen Farbort.
Eine Weiterentwicklung des vorstehenden Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Verfahrens (nicht dargestellt) eignet sich zum Betreiben der in 5 gezeigten Beleuchtungsvorrichtung 101. Hier wird in einem weiteren Verfahrensschritt das von der LED 114 emittierte blaue Licht (B) mit dem R-Y-G-Mischlicht zu R-Y-G-B-Mischlicht gemischt. Die Steuerung des Farborts des R-Y-G-B-Mischlichts erfolgt wie zuvor erläutert über die gezielte Steuerung der Lasermatrix 2. Bei Bedarf kann sie mit der Steuerung der LED 114 ergänzt werden.
Es wird eine Beleuchtungsvorrichtung mit einer Pumplasermatrix und einer Leuchtstoffanordnung für die Erzeugung von Mischlicht mit Farbsteuerung vorgeschlagen. Dazu wird durch die gezielte Ansteuerung der einzelnen Laser der Lasermatrix, mit anderen Worten durch ein entsprechendes Ansteuermuster der Lasermatrix, ein Pumpstrahlungsmuster auf der Leuchtstoffanordnung erzeugt. Die Leuchtstoffanordnung umfasst mindestens zwei verschiedene Leuchtstoffe, die ein Leuchtstoffmuster bilden. Die Farbsteuerung erfolgt durch die gezielte Steuerung des Pumpstrahlungsmusters auf dem Leuchtstoffmuster. Dadurch wird der anteilige Beitrag der von den einzelnen Leuchtstoffen durch Wellenlängenumwandlung der Pumpstrahlung erzeugten Farblichtkomponenten zum Mischlicht und folglich auch der Farbort des Mischlichts gesteuert.

Claims

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