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Technisches Gebiet
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Die Erfindung betrifft eine Strahlungsquelleneinheit nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 und ein Verfahren zur Strahlkombination nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 9.
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Stand der Technik
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Aus dem Stand der Technik sind Systeme bekannt, in denen Licht unterschiedlicher Wellenlängen mehrerer Lichtquellen kombiniert wird. Häufig werden lumineszente Materialien eingesetzt um Spektralbereiche zu erschließen, die durch andere Lichtquellen entweder nicht oder nur mit geringer Effizienz zugänglich sind. Dabei wird ein Leuchtstoff, der wellenlängenkonvertierende Eigenschaften besitzt, mit Licht einer Anregungsfrequenz, üblicherweise im blauen oder ultraviolette Spektralbereich, bestrahlt. Das vom Leuchtstoff konvertierte und emittierte Licht einer geringeren Frequenz, beispielsweise im grünen Spektralbereich, wird dann anschließend mit dem Licht anderer Strahlungsquellen kombiniert, beispielsweise mit Rot und Blau. Diese Kombination erfolgt üblicherweise durch den Einsatz von optischen Elementen, wie beispielsweise mit dichroitischen Spiegeln. Weitere bekannte Verfahren basieren auf Polarisationsstrahlteilern für polarisierte Lichtquellen sowie geometrische Verfahren für Lichtquellen mit stark unterschiedlicher Entendue.
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Nachteilig dabei ist, dass aufgrund der benötigten Optiken zur Strahlkombination solche Systeme relativ groß und teuer sind.
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Darstellung der Erfindung
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Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine Strahlungsquelleneinheit und ein Verfahren bereitzustellen, die eine Strahlkombination in einer kompakteren und kostengünstigeren Weise ermöglichen.
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Diese Aufgabe wird durch eine Strahlungsquelleneinheit mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 und durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Patentanspruchs 9 gelöst.
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Besonders vorteilhafte Ausgestaltungen finden sich in den abhängigen Ansprüchen.
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Die erfindungsgemäße Strahlungsquelleneinheit umfasst mindestens zwei Strahlungsquellen, wobei mittels einer ersten der mindestens zwei Strahlungsquellen eine Strahlung mindestens einer ersten Wellenlänge emittierbar ist und wobei mittels einer zweiten der mindestens zwei Strahlungsquellen eine Strahlung mindestens einer von der ersten Wellenlänge verschiedenen zweiten Wellenlänge emittierbar ist. Weiterhin weist die Strahlungsquelleneinheit eine Strahlkombinationsvorrichtung auf, die mindestens ein Wellenlängenkonversionselement umfasst, das dazu ausgebildet ist, die auf das Wellenlängenkonversionselement eingestrahlte Strahlung der mindestens einen zweiten Wellenlänge in eine Strahlung mindestens einer von der mindestens einen ersten und zweiten Wellenlänge verschiedenen dritten Wellenlänge zu konvertieren und zu emittieren. Dabei sind die mindestens zwei Strahlungsquellen derart angeordnet, dass die Strahlung der mindestens einen ersten Wellenlänge und die Strahlung der mindestens einen zweiten Wellenlänge auf das Wellenlängenkonversionselement einstrahlbar sind und dass eine vom Wellenlängenkonversionselement abgestrahlte Strahlung eine Kombination der Strahlungen der mindestens einen ersten Wellenlänge und der mindestens einen dritten Wellenlänge ist.
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So kann insbesondere Licht im roten und blauen und/oder ultravioletten Spektralbereich auf das Wellenlängenkonversionselement eingestrahlt werden, wobei das Licht im blauen und/oder ultravioletten Spektralbereich zumindest teilweise in Licht im gründen Spektralbereich konvertiert und abgestrahlt wird, wohingegen das Licht im roten Spektralbereich nicht konvertiert wird und wieder als Licht im roten Spektralbereich abgestrahlt wird. Das zu grün konvertierte Licht besitzt dabei in der Regel ein sehr breites Spektrum an Wellenlängen, die vom blauen bis in den roten Spektralbereich reichen, jedoch mit einer Dominantwellenlänge im grünen Bereich. Das Wellenlängenkonversionselement kann dabei einen wellenlängenkonvertierenden Leuchtstoff umfassen. Dieser kann in einer geeigneten Matrix eingebettet sein, wie z.B. Leuchtstoffpulver in Silikon, oder er kann auch gleichzeitig die Funktion einer Matrix übernehmen, wie z.B. in keramischen Leuchtstoffen. So kann eine Lichtmischung bzw. Strahlkombination von roter und zu grün konvertierter Strahlung bereits auf dem Wellenlängenkonversionselement erfolgen und es sind dazu keine zusätzlichen dichroitischen Spiegel zur Strahlkombination erforderlich. So kann insgesamt die Systemgröße der Lichtquelleneinheit reduziert werden und durch die vereinfachte Herstellung einer solchen Lichtquelleneinheit mit weniger Justageschritten und durch die Verwendung weniger optischer Elemente ist ein derartiges System auch wesentlich kostengünstiger.
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In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung weist die Strahlungsquelleneinheit ein Kollimationselement auf, mittels welchem die vom Wellenlängenkonversionselement abgestrahlte Strahlung bündelbar ist. Insbesondere ist die abgestrahlte Strahlung mittels des Kollimationselements kollimierbar. Das Kollimationselement kann dabei als Linse ausgestaltet sein, die in einem gewissen Abstand zum Wellenlängenkonversionselement angeordnet ist, oder als nicht abbildender optischer Kollimator, der kontaktierend am Wellenlängenkonversionselement angeordnet ist.
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In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung umfasst das Wellenlängenkonversionselement einen Leuchtstoff und eine Matrix, in der der Leuchtstoff eingebettet ist, wobei die Matrix an den Leuchtstoff brechungsindexangepasst ist. Besonders bevorzugt entspricht der Brechungsindex des Leuchtstoffs in etwa dem Brechungsindex der Matrix. In etwa bedeutet, dass der Brechungsindex des Leuchtstoffs maximal um puls/minus 25 Prozent vom Brechungsindex der Matrix abweicht. Bevorzugt weicht der Brechungsindex des Leuchtstoffs maximal um plus/minus 20 Prozent vom Brechungsindex der Matrix ab.
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Dadurch ist eine Stärke der durch das Wellenlängenkonversionselement bewirkten Streuung der auf das Wellenlängenkonversionselement eingestrahlten Strahlung einstellbar. Denn üblicherweise tritt in solchen Systemen mit Leuchtstoffen eine starke Streuung des eingestrahlten Lichts auf, wodurch beispielsweise eine effiziente Transmission verhindert wird. Ursachen für die Streuung sind dabei z.B. Brechungsindexunterschiede zwischen dem Leuchtstoff und der Matrix oder Einschlüsse in einer Keramik mit geringerer Dichte, wie Lufteinschlüsse. Für eine effiziente Strahlkombination ist es somit vorteilhaft ein Wellenlängenkonversionselement mit geringer oder definierter Streuung zu verwenden. Dies kann beispielsweise dadurch bewerkstelligt werden, indem ein Matrixmaterial gewählt wird, das in etwa den gleichen Brechungsindex wie der Leuchtstoff hat oder bei der Verwendung von keramischen Leuchtstoffen, beispielsweise eines Keramikplättchens, indem Einschlüsse vermieden werden oder die gewünschte Konzentration von Poren im keramischen Leuchtstoff einstellbar ist.
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Bei einer bevorzugten Variante der Erfindung umfasst die Strahlungsquelleneinheit eine dritte Strahlungsquelle, mittels welcher Strahlung mindestens einer vierten Wellenlänge emittierbar ist, die zumindest von der mindestens einen ersten und dritten Wellenlänge verschieden ist. Insbesondere kann so die Strahlung im roten und im grünen Spektralbereich mit Strahlung im blauen Spektralbereich kombiniert werden. Die Farbanteile sind dabei getrennt voneinander regelbar. So lässt sich die gewünschte spektrale Intensitätsverteilung generieren.
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In einer vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung ist die dritte Strahlungsquelle derart angeordnet, dass die von ihr emittierte Strahlung auf das Wellenlängenkonversionselement einstrahlbar ist und die mindestens eine vierte Wellenlänge der Strahlung von der mindestens einen zweiten Wellenlänge verschieden ist, wobei die vom Wellenlängenkonversionselement abgestrahlte Strahlung eine Kombination der Strahlungen der mindestens einen ersten Wellenlänge, der mindestens einen dritten Wellenlänge und der mindestens einen vierten Wellenlänge ist. So lässt sich Strahlung im roten, blauen und zu grün konvertierten Spektralbereich äußerst kompakt und kosteneffizient mit nur einem Element, dem Wellenlängenkonversionselement, kombinieren. Der Leuchtstoff des Wellenlängenkonversionselement kann dabei beispielsweise so gewählt werden, dass er eine hohe Absorption im kurzwelligen blauen und/oder ultravioletten Spektralbereich, insbesondere bei ca. 410 nm, aufweist und für blaues Licht, insbesondere bei ca. 470 nm, weitgehend transparent ist. Dies ist beispielsweise erreichbar mit einem stark kurzwellig verschobenen LuAGaG:Ce-Leuchtstoff mit einem hohen Ga-Anteil von 40% bis 60%. So kann auf das Wellenlängenkonversionselement gleichzeitig Strahlung im roten, blauen und kurzwellig blauen bis ultravioletten Spektralbereich eingestrahlt werden, wobei nur das kurzwellig blaue bis ultraviolette Licht absorbiert und in Licht im grünen Spektralbereich konvertiert wird. Somit ist eine Strahlkombination von rotem, blauem und zu grün konvertierten Licht möglich.
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Optional kann die Strahlkombinationsvorrichtung einen Strahlvereiniger umfassen, insbesondere einen dichroitischen Spiegel, mittels welchem die vom Wellenlängenkonversionselement abgestrahlte Strahlung, die eine Kombination der Strahlung der mindestens einen ersten und dritten Wellenlänge ist, mit der Strahlung der mindestens einen vierten Wellenlänge, kombinierbar ist.
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Da sich das Wellenlängenkonversionselement, insbesondere der Leuchtstoff, nicht beliebig einstellen lässt, da Absorptionsverlauf und Emissionswellenlänge nicht beliebig unabhängig voneinander einstellbar sind, ist durch das gleichzeitige Einstrahlen von kurzwellig blauem Licht zur Konversion und blauem Licht zur Kombination mit dem zu grün konvertierten Licht der erreichbare Farbgamut eingeschränkt. Um mehr Variationsfreiheiten bei der Wahl des Leuchtstoffs und dessen Absorptions- und Emissionsspektrum zu haben, kann das blaue Licht zur Kombination mit dem roten und zu grün konvertierten Licht separat über einen Strahlvereiniger, insbesondere einen dichroitischen Spiegel, erfolgen.
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Bei einer weiteren Variante der Erfindung können die mindestens zwei Strahlungsquellen und das Kollimationselement auf verschiedenen Seiten des Wellenlängenkonversionselements angeordnet sein.
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Alternativ können die mindestens zwei Strahlungsquellen und das Kollimationselement auf der selben Seite des Wellenlängenkonversionselements angeordnet sein, wobei die Strahlungskombinationsvorrichtung ein Reflektorelement umfasst, das am Kollimationselement angeordnet ist und das dazu ausgebildet ist, Strahlung zu reflektieren. Durch die Anordnung der Lichtquellen auf der selben Seite des Wellenlängenkonversionselements wie das Kollimationselement kann am Wellenlängenkonversionselement ein Reflektor angeordnet sein oder das Wellenlängenkonversionselement kann mit einer einseitig aufgebrachten hoch reflektiven Schicht ausgebildet sein, wodurch die Strahlungseffizienz erhöht werden kann.
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Das erfindungsgemäße Verfahren zur Strahlkombination in einer Strahlungsquelleneinheit mit einer ersten Strahlungsquelle, die eine Strahlung mindestens einer ersten Wellenlänge emittiert, einer zweiten Strahlungsquelle, die eine Strahlung mindestens einer von der mindestens einen ersten Wellenlänge verschiedenen zweiten Wellenlänge emittiert und einem Wellenlängenkonversionselement, das die Strahlung der mindestens einen zweiten Wellenlänge in Strahlung mindestens einer dritten Wellenlänge konvertiert, die von der mindestens einen ersten und zweiten Wellenlänge verschieden ist, und die Strahlung der mindestens einen ersten Wellenlänge transmittiert, umfasst die Schritte: Einstrahlen der Strahlung der mindestens einen zweiten Wellenlänge auf das Wellenlängenkonversionselement; und Einstrahlen der Strahlung der mindestens einen ersten Wellenlänge auf das Wellenlängenkonversionselement, so dass das Wellenlängenkonversionselement eine kombinierte Strahlung der mindestens einen dritten und der mindestens einen ersten Wellenlänge abstrahlt.
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Die für die erfindungsgemäße Strahlungsquelleneinheit beschriebenen Ausgestaltungsmöglichkeiten, Merkmale und deren Vorteile gelten in analoger Weise, soweit anwendbar, für das erfindungsgemäße Verfahren.
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Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus den Ansprüchen, der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsformen sowie anhand der Zeichnung.
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Kurze Beschreibung der Zeichnungen
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Im Folgenden soll die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen näher erläutert werden. Die Figuren zeigen:
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1 eine schematische Darstellung einer Strahlungsquelleneinheit mit einem Wellenlängenkonversionselement zur Strahlkombination gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung;
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2 eine schematische Darstellung einer Strahlungsquelleneinheit mit einem Strahlvereiniger zur separaten Beimischung von blauem Licht gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung; und
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3 eine schematische Darstellung einer Strahlungsquelleneinheit mit einem am Wellenlängenkonversionselement angeordneten Reflektorelement gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung;
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4 eine schematische Darstellung einer Strahlungsquellenanordnung mit einem Wellenlängenkonversionselement und einem daran angeordneten Reflektorelement mit wellenlängenselektiven Reflexionseigenschaften gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung;
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5 eine schematische Darstellung einer Strahlungsquelleneinheit mit einem am Wellenlängenkonversionselement angeordneten transparenten optischen Element zur seitlichen Lichteinkopplung gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung;
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6a eine schematische Querschnittsdarstellung einer Anordnungsmöglichkeit von Wellenlängenkonversionselement und Reflektorelement;
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6b eine schematische Darstellung einer Draufsicht auf die Anordnung aus 6a;
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7a eine schematische Querschnittsdarstellung einer weiteren Anordnungsmöglichkeit von Wellenlängenkonversionselement und Reflektorelement;
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7b eine schematische Darstellung einer Draufsicht auf die Anordnung aus 7a;
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8a eine schematische Querschnittsdarstellung einer Anordnungsmöglichkeit von Wellenlängenkonversionselement und Reflektorelement mit einem Einkopplungsbereich;
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8b eine schematische Darstellung einer Draufsicht auf die Anordnung aus 7a;
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9 eine schematische Querschnittsdarstellung einer Anordnungsmöglichkeit von Reflektorelement und konkavem Wellenlängenkonversionselement;
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10 eine schematische Querschnittsdarstellung einer Anordnungsmöglichkeit von Reflektorelement und konvexem Wellenlängenkonversionselement;
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11 eine schematische Querschnittsdarstellung einer Anordnungsmöglichkeit von Wellenlängenkonversionselement und Reflektorelement mit einem Taper-förmigen Einkopplungsbereich;
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12 eine schematische Querschnittsdarstellung einer Anordnungsmöglichkeit von Wellenlängenkonversionselement und Reflektorelement mit einem planaren Einkopplungsbereich; und
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13 eine schematische Querschnittsdarstellung einer Anordnungsmöglichkeit von Reflektorelement und einem konvexen Wellenlängenkonversionselement mit einem Einkopplungsbereich.
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Bevorzugte Ausführung der Erfindung
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1 zeigt eine schematische Darstellung einer Strahlungsquelleneinheit 10 mit einem Wellenlängenkonversionselement 15 gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung. Die Strahlungsquelleneinheit 10 umfasst dabei drei Lichtquellen, die als Laser, Laserdiode, Leuchtdiode (LED) oder als Superlumineszensdiode ausgebildet sein können. Die Lichtquellen sind dabei in 1, 2 und 3 nicht dargestellt, sonder nur das von ihnen emittierte Licht. Die Lichtquellen sind dazu ausgelegt, Licht im roten 11, kurzwellig blauen 12 bis ultravioletten und blauen 13 Spektralbereich zu emittieren. Das Licht der drei Lichtquellen wird auf ein Wellenlängenkonversionselement 15 eingestrahlt, das insbesondere einen wellenlängenkonvertierenden Leuchtstoff umfasst und das die kurzwellige blaue 12 bis ultraviolette Strahlung in Licht im grünen 14 Spektralbereich konvertiert. Das rote 11 und blaue 13 Licht wird dabei nur leicht gestreut, so dass sich der Leuchtfleck 16 nur unwesentlich vergrößert und nur ein geringer Anteil an Rückstreuung auftritt. Damit kann hinter dem Wellenlängenkonversionselement 15 rotes 11, blaues 13 und zu grün 14 konvertiertes Licht mit nur einem einzigen Kollimationselement 17 eingesammelt werden, wobei die Farbanteile getrennt voneinander regelbar sind. Das Wellenlängenkonversionselement 15 übernimmt dabei gleichzeitig die Konversion von kurzwelligem Blau 12 zu Grün 14 sowie die Aufgabe der Mischung der drei Farbanteile, wodurch ein sehr kompaktes und kostengünstiges System ermöglicht wird. Hierzu ist ein Wellenlängenkonversionselement 15 erforderlich, das eine sehr kurzwellige Absorption aufweist, so dass es für blaues 13 Licht weitgehend transparent ist, kurzwellig blaues 12 bzw. ultraviolettes Licht dagegen absorbiert und in grünes 14 Licht konvertiert. Insbesondere kann dafür ein LuAGaG:Ce-Leuchtstoff mit einem hohen Ga-Anteil von 40% bis 60% verwendet werden. Beleuchtet man einen solchen Leuchtstoff mit einem Laserstrahl mit 410 nm Peakwellenlänge, so wird der größte Teil der eingestrahlten Leistung in grünes 14 Licht konvertiert. Die Anregung mit nahezu ultraviolettem Licht hat des Weiteren den Vorteil, dass keine Vollkonversion erforderlich ist, da ein transmittierter Anteil von UV-Licht keinen Einfluss auf den Farbort hat. Falls dieser Anteil stört kann an beliebiger Stelle im Strahlengang ein UV-Filter platziert werden. Beleuchtet man den gleichen Leuchtstoff dagegen mit Licht einer blauen LED mit 470 nm Dominantwellenlänge, so wird nur ein sehr geringer Teil des blauen 13 Lichts konvertiert. Da die Absorption von Granatleuchtstoffen im roten Spektralbereich praktisch Null ist, wird eingestrahltes rotes 11 Licht überhaupt nicht konvertiert, sondern lediglich gestreut.
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2 zeigt eine schematische Darstellung einer Strahlungsquelleneinheit 10 mit einem Strahlvereiniger 18 zur separaten Beimischung von blauem 13 Licht gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung. Der Strahlvereiniger 18 kann dabei einem Kollimationselement 17 zur Strahlungsbündelung nachgeschaltet sein. Im vorhergehenden Ausführungsbeispiel ist der erreichbare Farbgamut im Bereich Blau-Grün eingeschränkt, da sich der Leuchtstoff nicht beliebig einstellen lässt. Ideal wäre eine perfekte Transmission im blauen 13 Spektralbereich bei gleichzeitig ideal eingestellter Emissionswellenlänge im grünen 14 Spektralbereich. Bei einem LuAGaG:Ce-Leuchtstoff verschiebt eine Erhöhung des Ga-Anteils sowohl das Absorptionsmaximum als auch die Emissionswellenlänge des Leuchtstoffs zu kürzeren Wellenlängen, daher sind Absorptionsverlauf und Emissionswellenlänge nicht beliebig unabhängig voneinander einstellbar, was meist zu einer Reduzierung des erreichbaren Farbgamuts gegenüber völlig unabhängigen blauen 13 und grünen 14 Lichtquellen führt. Um dieses Problem zu umgehen, kann die Verwendung des Wellenlängenkonversionselements 15 zur gleichzeitigen Lichtmischung auf die Mischung von Rot 11 und konvertiertem Grün 14 reduziert werden, während blaues Licht 13 auf konventionelle Art und Weise, beispielsweise durch einen Strahlvereiniger 18, insbesondere einen dichroitischen Spiegel, im weiteren Strahlverlauf beigemischt wird. So ist man wesentlich freier bei der Auswahl des Leuchtstoffs und bei der Auswahl der Laserwellenlänge, die zum Anregen des Leuchtstoffs verwendet wird, da der Leuchtstoff von Dicke und Konzentration zur Vollkonversion ausgelegt werden kann oder ein Blaufilter zwischen dem Wellenlängenkonversionselement 15 und dem dichroitischen Spiegel platziert werden kann.
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Die 3 zeigt eine schematische Darstellung einer Strahlungsquelleneinheit 10 mit einem am Wellenlängenkonversionselement 15 angeordneten Reflektorelement 19 gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung. Die Anordnung umfasst weiterhin ein Kollimationselement 17 zur Strahlungsbündelung. Um das Wellenlängenkonversionselement 15 mit einem Reflektorelement 19 ausbilden zu können, sind das Kollimationselement 17 und die Lichtquellen auf der selben Seite des Wellenlängenkonversionselements 15 angeordnet. Um zu verhindern, dass konvertiertes oder auch rückgestreutes Licht verloren geht, kann die Effizienz der Anordnung dadurch gesteigert werden, indem das Wellenlängenkonversionselement 15 ein Reflektorelement 19 umfasst, insbesondere kann das Wellenlängenkonversionselement 15 auf einer Seite flächig verspiegelt sein, vorzugsweise mit einer hoch reflektiven Schicht. Diese Schicht kann beispielsweise ein Metallspiegel oder ein weißes, streuendes Keramikplättchen sein, die gleichzeitig als Träger des Wellenlängenkonversionselements 15 und damit zur Wärmeabfuhr genutzt werden können. Alternativ oder zusätzlich kann das Wellenlängenkonversionselements 15 mit einer dichroitisch reflektiven Beschichtung versehen sein. Die Lichtmischung erfolgt in diesem Fall durch Rückstreuung, entweder im Wellenlängenkonversionselement 15 selbst oder im streuenden Reflektor. Für die Anregung bzw. Beleuchtung des Wellenlängenkonversionselements 15 kommen dabei verschiedene Möglichkeiten in Frage. Beispielsweise kann dies durch einen schrägen Lichteinfall am Kollimationselement 17 vorbei erfolgen, oder durch eine Strahlführung durch ein Loch im Kollimationselement 17 (nicht dargestellt). Darüber hinaus kann auch hier die Strahlkombinationsvorrichtung einen Strahlvereininger 18, insbesondere einen dichroitischen Spiegel, umfassen, um blaues 13 Licht separat beizumischen.
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4 zeigt eine Strahlungsquellenanordnung 10 mit einem Wellenlängenkonversionselement 15 und einem daran angeordneten Reflektorelement 19 gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung. Das Reflektorelement 19 befindet sich hier zwischen einer roten Strahlungsquelle 20 und dem Wellenlängenkonversionselement 15, insbesondere einem Leuchtstoffplättchen, und ist als dielektrisches Schichtsystem mit hoher Reflektivität für Blau 12 und Grün 14 sowie hoher Transmission für Rot 11 ausgebildet. Die Pumpstrahlung wird hier in geeigneter Weise durch ein Kollimationselement 17, beispielsweise eine TIR-Optik, eingekoppelt und zum Großteil durch das Wellenlängenkonversionselement 15 in Licht im grünen 14 Spektralbereich konvertiert. So kann rotes 11 Licht einer rückseitig am Konversionselement angeordneten Strahlungsquelle 20 mit zu grün 14 konvertiertem Licht, das durch vorderseitige Anregung des Konversionselements 15 entsteht, kombiniert werden. Weiterhin befindet sich ein transparentes Medium 21 mit hoher Wärmeleitfähigkeit zwischen der Strahlungsquelle 20 und dem Wellenlängenkonversionselement 15, wobei das Reflektorelement 19 und das transparentes Medium 21 in ihrer dargestellten Reihenfolge auch vertauscht angeordnet sein können. Das transparente Medium 21 kann zur Wärmeabfuhr an eine externe Wärmesenke 24 angekoppelt werden. So kann die Lichtausbeute des Systems zusätzlich erhöht werden.
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5 zeigt eine Strahlungsquellenanordnung 10 wie in 4, jedoch mit seitlich eingekoppelter Pumpstrahlung. Dazu ist vorderseitig am Wellenlängenkonversionselement ein transparentes optisches Element 22 angeordnet. Dieses optische Element 22 steht in Kontakt mit dem Leuchtstoff und führt die nicht sofort absorbierte Strahlung durch entweder Totalreflexion oder durch ein geeignetes Schichtsystem an der dem Kollimationselement 17 zugewandten Seite.
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Alternativ kann auch rotes 11 Licht, vorzugsweise einer roten Laserdiode, seitlich eingekoppelt werden. Dazu kann das optische Element 22 als streuendes Element ausgebildet sein. Dieses optische Element 22 steht in Kontakt mit dem Leuchtstoff und ermöglicht die Homogenisierung der roten 11 Strahlung. Weiterhin ist das optische Element 22 derart ausgestaltet, dass der gestreute rote 11 Strahlungsanteil das System in Richtung des Kollimationselements 17 verlassen kann, während der nicht gestreute Strahlungsanteil in einer dazu senkrechten Ebene innerhalb des optischen Elementes 22 geführt wird.
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Die 6a bis 8b zeigen schematische Darstellungen von möglichen Anordnungen von Wellenlängenkonversionselementen 15 und Reflektorelementen 19. Die 6a, 7a und 8a zeigen dabei jeweils einen Querschnitt durch diese Anordnungen und die 6b, 7b und 8b die zugehörige Draufsicht auf diese Anordnungen.
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In 6a und 6b ist das Wellenlängenkonversionselement 15 einfach planar auf einem Reflektorelement 19, beispielsweise einer stark streuenden Al2O3-Keramik, aufgebracht.
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In 7a und 7b ist das Wellenlängenkonversionselement 15 auch seitlich vom Reflektorelement 19 umschlossen.
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In 8a und 8b weist das Reflektorelement 19 eine oder mehrere Einkopplungsbereiche 23, insbesondere Aussparungen auf, die entweder leer sind oder mit transparentem Material, z.B. Saphir oder schwach streuender Al2O3-Keramik, gefüllt sind. Durch diese Aussparungen kann Laserstrahlung, sowohl als Anregungslicht als auch als beizumischendes, z.B. rotes 11, Licht eingekoppelt werden.
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Die 9 bis 13 zeigen schematische Darstellungen weiterer Anordnungsmöglichkeiten von Wellenlängenkonversionselement 15 und Reflektorelement 19.
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In 9 ist dabei eine konkave Leuchtstoffgeometrie dargestellt. Sowohl durch eine planare als auch durch eine konkave Leuchtstoffgeometrie wird ein näherungsweise Lambertsches Abstrahlverhalten des Wellenlängenkonversionselements 15 erzeugt. Dies ist das am stärksten nach vorne gerichtete Abstrahlverhalten, das ohne zusätzliche nicht streuende optische Elemente erreichbar ist. Daher eignen sich diese Geometrien vor allem für eine Linsenoptik als Kollimationselement 17. Ein möglicher Vorteil der konkaven Geometrie ist eine Verbesserung der Leuchtstoffkühlung sowie eine Verbesserung der Lichtmischung, wenn z.B. Anregungslicht und beizumischendes Licht nicht perfekt homogen eingestrahlt werden können.
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In 10 ist eine konvexe Leuchtstoffgeometrie dargestellt. Ein derartig ausgebildetes konvexes Wellenlängenkonversionselement 15 erzeugt eine stärkere Seitenstrahlung als ein planares oder konkaves Wellenlängenkonversionselement 15. Damit eignet sich diese Geometrie besonders für eine Reflektoroptik als Kollimationselement 17, da das nach vorne abgestrahlte Licht nicht von einem Reflektor kollimiert werden kann. In diesem Beispiel eignet sich besonders eine Anregung von vorne, entweder durch Löcher im Reflektor oder über kleine schräge Spiegel vor dem Reflektor.
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In den 11 bis 13 sind weitere Möglichkeiten zur seitlichen Lichteinkopplung in die Reflektor-Konversionselement-Anordnung dargestellt. Dabei kann der Einkopplungsbereich 23 Taper-förmig, wie in 11, ausgebildet sein, um das eingestrahlte Licht homogen über die Leuchtstofffläche zu verteilen. Der Einkopplungsbereich 23 kann dabei ein transparentes oder schwach streuendes Material, z.B. Saphir oder Al2O3-Keramik, umfassen. Der Einkopplungsbereich 23 kann auch, wie in 12 planar ausgebildet sein. Optional kann Licht auch von mehreren Seiten über Einkopplungsbereiche 23 eingekoppelt werden. Bei einem konvexen Wellenlängenkonversionselement 15, wie in 13 dargestellt, ist es schwierig, von vorne homogen zu beleuchten. Die Einkopplung über eine leicht streuende und gut wärmeleitfähige Zwischenschicht zwischen Leuchtstoff und Reflektor/Heatsink kann eine homogene Anregung ermöglichen, indem das eingestrahlte Licht durch Streuung in dem schwach streuenden Material und im Reflektor von hinten homogen auf den Leuchtstoff verteilt wird. In allen Fällen sind die gezeigten Einkopplungen kombinierbar mit einer Einkopplung von vorne. Beispielweise kann das UV-Laserlicht 12 zur Leuchtstoffanregung wie hier gezeigt eingekoppelt werden und das nicht zu konvertierende blaue 13 und rote 11 Licht durch die Optik von vorne.
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Insgesamt werden so eine Strahlungsquelleneinheit und ein Verfahren bereitgestellt, die durch die Verwendung eines Wellenlängenkonversionselements zur Strahlungskonversion und zur gleichzeitigen Strahlkombination eine sehr kompakte und kostengünstige Anordnung ermöglichen.
