DE102012211915A1

DE102012211915A1 - Beleuchtungseinrichtung

Info

Publication number: DE102012211915A1
Application number: DE102012211915.9A
Authority: DE
Inventors: Sergey Khrushchev
Original assignee: Osram GmbH
Current assignee: Osram GmbH
Priority date: 2012-07-09
Filing date: 2012-07-09
Publication date: 2014-01-09
Also published as: WO2014009289A1

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Beleuchtungseinrichtung mit mindestens einer Laserlichtquelle (3; 3') und mindestens einer TIR-Optik (1; 1'), in die Licht von der mindestens einen Laserlichtquelle (3; 3') eingekoppelt wird, sowie mindestens einem Lichtwellenlängenkonversionselement (2; 2'), das auf einer Oberfläche (120; 110') der TIR-Optik (1; 1') derart angeordnet ist, dass von der mindestens einen Laserlichtquelle (3; 3') emittiertes und in die mindestens eine TIR-Optik (1; 1') eingekoppeltes Licht an dieser Oberfläche (120; 110') in das Lichtwellenlängenkonversionselement (2; 2') übertritt, wobei die mindestens eine Laserlichtquelle (3; 3') und die mindestens eine TIR-Optik (1; 1') derart zueinander ausgerichtet sind, dass das an der vorgenannten Oberfläche (120; 110') in das mindestens eine Lichtwellenlängenkonversionselement (2; 2') übertretende Licht mit Einfallswinkeln auf diese Oberfläche (120; 110') auftrifft, die größer oder gleich einem Grenzwinkel θ sind, der wie folgt definiert ist: θ = arcsin(n1n2 )wobei n1 der Brechungsindex von Luft ist und n2 der Brechungsindex der mindestens einen TIR-Optik an der vorgenannten Oberfläche ist.

Description

Die Erfindung betrifft eine Beleuchtungseinrichtung gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
I. Stand der Technik
Eine derartige Beleuchtungseinrichtung ist beispielsweise in der US 2011/0084609 A1 offenbart. Diese Schrift beschreibt eine Beleuchtungseinrichtung mit verbesserter Sicherheit für den Anwender. Zu diesem Zweck ist in der Beleuchtungseinrichtung ein Lichtsensor vorgesehen, der am Lichtwellenlängenkonversionselement reflektiertes Licht detektiert und auf diese Weise die Präsenz oder das Fehlen des Lichtwellenlängenkonversionselement feststellt und eine Abschaltung der Laserlichtquelle im Fall des Fehlens des Lichtwellenlängenkonversionselements veranlasst.
II. Darstellung der Erfindung
Es ist Aufgabe der Erfindung, eine gattungsgemäße Beleuchtungseinrichtung mit vereinfachten Sicherheitsmaßnahmen bereitzustellen.
Diese Aufgabe wird durch eine Beleuchtungseinrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Besonders vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen beschrieben.
Die erfindungsgemäße Beleuchtungseinrichtung besitzt mindestens eine Laserlichtquelle und mindestens eine Optik, in die Licht von der mindestens einen Laserlichtquelle eingekoppelt wird, sowie mindestens ein Lichtwellenlängenkonversionselement. Erfindungsgemäß ist die mindestens eine Optik als TIR-Optik ausgebildet. In dem Begriff TIR-Optik steht die Abkürzung "TIR" für "total internal reflexion" und der Begriff "TIR-Optik" bezeichnet daher eine Optik, bei der Lichtstrahlen auf die Grenzfläche vom optisch dichteren Medium zum optisch dünneren Medium unter einem Einfallswinkel größer als der kritische Winkel der Totalreflexion auftreffen und somit an dieser Grenzfläche total reflektiert werden, so dass kein Übertritt in das optische dünnere Medium stattfindet. Bei dem optisch dichteren Medium handelt es sich beispielsweise um Saphir, Glas- oder durchsichtiges Kunststoffmaterial der Optik und bei dem optisch dünneren Material um Luft oder Vakuum.
Außerdem ist erfindungsgemäß das mindestens eine Lichtwellenlängenkonversionselement auf einer Oberfläche der TIR-Optik derart angeordnet, dass von der mindestens einen Laserlichtquelle emittiertes und in die mindestens eine TIR-Optik eingekoppeltes Licht an dieser Oberfläche in das Lichtwellenlängenkonversionselement übertritt. Ferner sind erfindungsgemäß die mindestens eine Laserlichtquelle und die mindestens eine TIR-Optik derart zueinander ausgerichtet, dass das an der vorgenannten Oberfläche in das mindestens eine Lichtwellenlängenkonversionselement übertretende Licht mit Einfallswinkeln auf diese Oberfläche auftritt, die größer oder gleich einem Grenzwinkel θ sind, der folgendermaßen definiert ist: θ = arcsin( n1 / n2) wobei n1 der Brechungsindex von Luft ist und n2 der Brechungsindex der mindestens einen TIR-Optik an der vorgenannten Oberfläche ist. Der Brechungsindex n1 für Luft besitzt einen Wert von n1 = 1,000292.
Durch diese Maßnahmen ist gewährleistet, dass das auf die vorgenannte Oberfläche, die als Grenzfläche zwischen der TIR-Optik und dem Lichtwellenlängenkonversionselement ausgebildet ist, auftreffende Licht nur dann die TIR-Optik an dieser Oberfläche verlassen kann, wenn das Lichtwellenlängenkonversionselement auf dieser Oberfläche angeordnet ist. Im Fall des Fehlens des Lichtwellenlängenkonversionselements oder des Fehlens eines Teils des Lichtwellenlängenkonversionselements oder falls sich zwischen der TIR-Optik und dem Lichtwellenlängenkonversionselement ein Spalt gebildet haben sollte, wird das Licht an der vorgenannten Oberfläche in die TIR-Optik zurück reflektiert, weil der oben genannte Grenzwinkel θ dem Grenzwinkel für Totalreflexion der TIR-Optik beim Übertritt des Lichts von dem Material der TIR-Optik in Luft entspricht. Ist hingegen auf der vorgenannten Oberfläche das Lichtwellenlängenkonversionselement angeordnet, so sind die Bedingungen für eine Totalreflexion des Lichts an dieser Oberfläche bzw. Grenzfläche nicht erfüllt und das Licht kann die TIR-Optik an dieser Oberfläche verlassen, um in das Lichtwellenlängenkonversionselement überzutreten. Dadurch kann kein Licht, ohne Übertritt in das Lichtwellenlängenkonversionselement, die TIR-Optik verlassen.
Die erfindungsgemäße Beleuchtungseinrichtung benötigt somit keine zusätzlichen Sensoren oder Kontrollmechanismen, um das Freisetzen von für das menschliche Auge schädlicher Laserstrahlung zu verhindern.
Vorteilhafterweise besteht die TIR-Optik der erfindungsgemäßen Beleuchtungseinrichtung aus Saphir, Glas oder durchsichtigem Kunststoff oder durchsichtiger Keramik oder durchsichtigem Kristall, um Verluste durch Lichtabsorption möglichst gering zu halten.
Das mindestens eine Lichtwellenlängenkonversionselement der erfindungsgemäßen Beleuchtungseinrichtung umfasst vorteilhafter Weise Leuchtstoff, der die von der mindestens einen Laserlichtquelle emittierte elektromagnetische Strahlung zumindest anteilig in elektromagnetische Strahlung mit anderer Wellenlänge konvertiert. Leuchtstoff ermöglicht auf einfache Weise eine Konversion der Lichtwellenlänge des von der mindestens einen Laserlichtquelle emittierten Lichts. Über die chemische Zusammensetzung des Leuchtstoffs und die Konzentration des Leuchtstoffs können die Wellenlänge des konvertierten Lichts und die relativen Anteile von konvertiertem und nicht konvertiertem Licht beeinflusst werden.
Vorteilhafterweise umfasst das mindestens einen Lichtwellenlängenkonversionselement der erfindungsgemäßen Beleuchtungseinrichtung zusätzlich Klebstoff zur Fixierung des Leuchtstoffs. Mittels Klebstoff kann der Leuchtstoff unmittelbar auf einer Oberfläche, beispielsweise auf einer Oberfläche der TIR-Optik, fixiert werden.
Vorzugsweise ist der Leuchtstoff des Lichtwellenlängenkonversionselements als Leuchtstoffbeschichtung auf einer Oberfläche der TIR-Optik angeordnet. Dadurch können auf einfache Weise über die Schichtdicke und die Konzentration des Leuchtstoffs in der Beschichtung die relativen Anteile von mittels des Leuchtstoff konvertiertem und nicht konvertiertem Licht beeinflusst werden. Der Leuchtstoff ist beispielsweise als Leuchtstoffgemisch oder als einzelner Leuchtstoff ausgebildet und in einer oder mehreren Schichten auf einer Oberfläche der TIR-Optik angeordnet. Durch das Aufbringen des Leuchtstoffs in Form einer Leuchtstoffbeschichtung unmittelbar auf einer Oberfläche der TIR-Optik entstehen keine Lichtverluste durch einen separaten Träger für den Leuchtstoff. Um eine gute Kühlung der Leuchtstoffbeschichtung auf der TIR-Optik zu ermöglichen, besteht die TIR-Optik vorteilhafter Weise aus einem durchsichtigen Material mit guter Wärmeleitung. Gemäß den besonders bevorzugten Ausführungsbeispielen der Erfindung besteht die TIR-Optik daher aus Saphir. Die von dem Laserlicht verursachte Erwärmung des Leuchtstoffs kann dadurch über das Saphirmaterial und die Haltevorrichtung der TIR-Optik an die Umgebung abgeführt werden.
Vorteilhafter Weise ist auf der vorgenannten Leuchtstoffbeschichtung eine verspiegelte Metallschicht angeordnet. Diese Metallschicht dient als Reflektor für das in das Lichtwellenlängenkonversionselement eingekoppelte Licht und erhöht die Weglänge des Lichts in dem Lichtwellenlängenkonversionselement bzw. in der Leuchtstoffbeschichtung. Dadurch wird der Anteil des konvertierten Lichts erhöht. Außerdem ist die verspiegelte Metallfläche als elektrischer Kontakt zum Schließen oder Unterbrechen einer Stromversorgung für die mindestens eine Laserlichtquelle nutzbar. Beispielsweise ist es möglich, die verspiegelte Metallschicht in eine Stromzuführung für die Energieversorgung der mindestens einen Laserlichtquelle zu integrieren, so dass im Fall des Fehlens des Lichtwellenlängenkonversionselements die Stromzuführung unterbrochen ist und damit keine Energieversorgung der mindestens einen Laserlichtquelle stattfindet.
Die mindestens eine Laserlichtquelle ist in vorteilhafter Weise als Faserlaser oder Laserdiode ausgebildet, um mit einfachen Mitteln zu erreichen, dass die erfindungsgemäße Beleuchtungseinrichtung dem Ideal einer Punktlichtquelle möglichst nahe kommt.
Die mindestens eine Laserlichtquelle der erfindungsgemäßen Beleuchtungseinrichtung ist vorzugsweise als Laserdiode ausgebildet, die elektromagnetische Strahlung aus dem Wellenlängenbereich von 380 nm bis 490 nm, das heißt, Licht aus dem Spektralbereich des blauen Lichts, erzeugt. Zusätzlich ist das mindestens eine Lichtwellenlängenkonversionselement der erfindungsgemäßen Beleuchtungseinrichtung derart ausgebildet, dass ein Teil der von der mindestens einen Laserdiode erzeugten elektromagnetischen Strahlung beim Passieren des mindestens einen Lichtwellenlängenkonversionselements in elektromagnetische Strahlung mit einer dominanten Wellenlänge aus dem Wellenlängenbereich von 560 nm bis 590 nm konvertiert wird. Dadurch wird ein gewisser Anteil des von der mindestens einen Laserdiode erzeugten blauen Lichts in gelbes Licht konvertiert, so dass die erfindungsgemäße Beleuchtungseinrichtung weißes Licht emittiert, das eine Mischung aus nicht konvertiertem blauem Licht und konvertiertem gelbem Licht ist. Die relativen Anteile von nicht konvertiertem blauem Licht und konvertiertem gelbem Licht und die Farbtemperatur des weißen Mischlichts können beispielsweise über die Leuchtstoffkonzentration oder die Leuchtstoffzusammensetzung im Lichtwellenlängenkonversionselement gesteuert werden. Die erfindungsgemäße Beleuchtungseinrichtung ist dadurch als Weißlichtquelle vielseitig einsetzbar.
Die TIR-Optik der erfindungsgemäßen Beleuchtungseinrichtung ist vorteilhafter Weise rotationssymmetrisch bezüglich einer Rotationsachse ausgebildet und drehbar um diese Rotationsachse gelagert. Dadurch können die Wärmeverteilung und die Lichtverteilung der mittels der Laserlichtquellen in die TIR-Optik eingekoppelten Wärme und des Lichts homogenisiert werden.
Vorzugsweise dient die erfindungsgemäße Beleuchtungseinrichtung als Weißlichtquelle in einem Fahrzeugscheinwerfer oder in anderen Projektionsanwendungen, wie beispielsweise in der Mikroskopie oder Endoskopie.
III. Beschreibung der bevorzugten Ausführungsbeispiele
Nachstehend wird die Erfindung anhand von bevorzugten Ausführungsbeispielen näher erläutert. Es zeigen:
1 Eine schematische Darstellung der Beleuchtungseinrichtung gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel der Erfindung
2 Eine schematische Darstellung der in 1 abgebildeten Beleuchtungseinrichtung ohne Lichtwellenlängenkonversionselement
3 Eine schematische Darstellung der Beleuchtungseinrichtung gemäß dem zweiten Ausführungsbeispiel der Erfindung
4 Eine schematische Darstellung der in 3 abgebildeten Beleuchtungseinrichtung ohne Lichtwellenlängenkonversionselement
In 1 ist schematisch eine Beleuchtungseinrichtung gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel der Erfindung dargestellt. Die Beleuchtungseinrichtung umfasst eine TIR-Optik 1, ein Lichtwellenlängenkonversionselement 2 und vier Laserdioden 3, von denen in 1 der Übersichtlichkeit halber nur eine abgebildet ist. Außerdem umfasst die Beleuchtungseinrichtung eine Betriebsvorrichtung (nicht abgebildet) für die Laserdioden 3 sowie Haltevorrichtungen (nicht abgebildet) für die TIR-Optik 1 und die Laserdioden 3.
Die TIR-Optik 1 besteht aus Saphir und besitzt einen Brechungsindex n2 von 1,76. Die TIR-Optik 1 ist einstückig ausgebildet und besitzt einen kreisscheibenförmigen Basisabschnitt 11 sowie einen sich nahtlos daran anschließenden kegelstumpfförmigen Abschnitt 12. Der Basisabschnitt 11 bildet, an seiner vom kegelstumpfförmigen Abschnitt 12 abgewandten Seite, eine erste Stirnfläche 110 der TIR-Optik 1 aus. Der kegelstumpfartige Abschnitt 12 der TIR-Optik 1 bildet, an seiner vom kreisscheibenförmigen Basisabschnitt 11 abgewandten Seite, eine zweite Stirnfläche 120 der TIR-Optik 1 aus. Die zweite Stirnfläche 120 ist parallel zur ersten Stirnfläche 110 angeordnet und besitzt eine kleinere Fläche als die erste Stirnfläche 110. Der Durchmesser des Basisabschnitts 11 entspricht dem größten Durchmesser des kegelstumpfartigen Abschnitts 12. Somit entspricht die zweite Stirnfläche 120 der TIR-Optik 1 der Deckfläche des kegelstumpfartigen Abschnitts 12 und an seiner Grundfläche geht der kegelstumpfartige Abschnitt 12 nahtlos in den kreisscheibenförmigen Basisabschnitt 11 der TIR-Optik 1 über. Die Mantelfläche 121 des kegelstumpfartigen Abschnitts 12 der TIR-Optik 1 bildet einen Winkel von 135° mit der zweiten Stirnfläche 120 und ist in einem Winkel von 45° zu der ersten Stirnseite 110 angeordnet. Auf der zweiten Stirnfläche 120 der TIR-Optik 1 ist das Lichtwellenlängenkonversionselement 2 angeordnet und auf der zweiten Stirnfläche 120 fixiert.
Das Lichtwellenlängenkonversionselement 2 besteht aus Leuchtstoff 21, der mittels Silikonkleber 20 auf der zweiten Stirnfläche 120 der TIR-Optik 1 fixiert ist. Der Leuchtstoff 21 bildet zusammen mit dem Silikonkleber 20 eine Leuchtstoffbeschichtung auf der TIR-Optik 1, welche die zweite Stirnseite 120 der TIR-Optik 1 vollständig abdeckt. Der Brechungsindex des Silikonklebers 20 beträgt 1,5. Die Leuchtstoffschicht 21 ist durch eine verspiegelte Metallschicht 22 abgedeckt. Das heißt, die Leuchtstoffschicht 21 ist nach Art eines Sandwich zwischen der TIR-Optik 1 und der Metallschicht 22 angeordnet. Die Leuchtstoffschicht 21 wird von mit Zer dotiertem Yttrium-Aluminium-Granat (YAG:Ce) gebildet. Dieser Leuchtstoff ist ein sogenannter Gelbleuchtstoff, der Licht aus dem violetten und blauen Spektralbereich, entsprechend dem Wellenlängenbereich von 380 nm bis 490 nm, in gelbes Licht mit einer dominanten Wellenlänge im Bereich von 560 nm bis 590 nm konvertiert.
Die vier Laserdioden 3 der Beleuchtungseinrichtung gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel der Erfindung sind jeweils derart ausgebildet, dass sie Licht mit einer Wellenlänge aus dem Spektralbereich des violetten und blauen Lichts, entsprechend dem Wellenlängenbereich von 380 nm bis 490 nm, erzeugen. Den vier Laserdioden 3 kann optional jeweils eine Kollimatorlinse (nicht abgebildet) nachgeordnet sein, die das von der jeweiligen Laserdiode 3 emittierte Licht parallelisiert. Die vier gleichartig ausgebildeten Laserdioden 3 sind an den Ecken eines fiktiven Quadrats angeordnet und derart ausgerichtet, dass das von den Laserdioden 3 emittierte Licht mit einem Einfallswinkel von Null Grad auf die Mantelfläche 121 des kegelstumpfartigen Abschnitts 12 der TIR-Optik 1 trifft.
In 1 ist der Verlauf der Lichtstrahlen anhand von zwei Lichtstrahlen L1, L2, die von einer der vier Laserdioden 3 emittiert werden, schematisch dargestellt. Die von der Laserdiode 3 emittierten Lichtstrahlen L1, L2 verlaufen parallel und treffen mit einem Einfallswinkel von Null Grad auf die Mantelfläche 121 der TIR-Optik 1 auf. An der ersten Stirnfläche 110 der TIR-Optik, die an die umgebende Luft angrenzt, werden die Lichtstrahlen L1, L2 durch Totalreflexion in die TIR-Optik zurück reflektiert, weil der Einfallswinkel der Lichtstrahlen L1, L2 an der ersten Stirnfläche 110 größer als der Grenzwinkel θ der Totalreflexion der TIR-Optik 1 für den Übertritt des Lichts in Luft ist. Die Lichtstrahlen L1, L2 treffen unter demselben Einfallswinkel auch auf die zweite Stirnfläche 120 der TIR-Optik 1 auf. Beim Auftreffen auf die zweite Stirnfläche 120 der TIR-Optik 1 treten die Lichtstrahlen L1, L2 mit einem Brechungswinkel, der größer ist als ihr Einfallswinkel auf der zweiten Stirnseite 120, in das Lichtwellenlängenkonversionselement 2 über. Aufgrund des im Vergleich zu Luft hohen Brechungsindex des Silikonklebers 20 findet an der zweiten Stirnfläche 120 keine Totalreflexion der Lichtstrahlen L1, L2 statt. Beim Eindringen in die Leuchtstoffschicht 21 werden die Lichtstrahlen L1, L2 an den Leuchtstoffpartikeln gestreut und ein Teil des Lichts wird in gelbes Licht konvertiert. Die verspiegelte Metallschicht 22 reflektiert beide Anteile des Lichts zurück in Richtung der TIR-Optik 1. Durch Streuung an den Leuchtstoffpartikeln der Leuchtstoffschicht 21 und Reflexion an der Metallschicht 22 wird das Licht in viele unterschiedliche Richtungen abgelenkt, so dass weißes Licht, sogenanntes weißes Mischlicht, das eine Mischung von nicht konvertiertem blauem Licht und konvertiertem gelbem Licht ist, die TIR-Optik 1 an der ersten Stirnfläche 110 verlassen kann. Aufgrund der Streuung an den Leuchtstoffpartikeln der Leuchtstoffschicht 21 und der Reflexion an der Metallschicht 22 trifft weißes Mischlicht unter Winkeln auf die erste Stirnfläche 110 der TIR-Optik 1, die kleiner sind als der oben genannte Grenzwinkel θ, der dem Winkel der Totalreflexion der TIR-Optik 1 für den Übertritt des Lichts von dem Material der TIR-Optik 1 in Luft entspricht. Dieses weiße Mischlicht tritt daher an der ersten Stirnfläche 110 aus der TIR-Optik 1 aus. Dieser Sachverhalt ist in 1 nicht dargestellt. Die erste Stirnfläche 110 hat eine Größe im Bereich von 0,1 mm² bis 5 mm² und dient als Lichtquelle, die beispielsweise im Fokus eines Reflektors, insbesondere eines Kraftfahrzeugscheinwerferreflektors angeordnet ist.
Bei der Beleuchtungseinrichtung gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel der Erfindung berechnet sich der Grenzwinkel θ aus dem Brechungsindex n1 für Luft und dem Brechungsindex n2 für das Saphirmaterial der TIR-Optik 1 zu θ = 34,6°. Die Lichtstrahlen L1, L2 treffen mit einem Einfallswinkel von jeweils 45° auf die erste Stirnfläche 110 und die zweite Stirnfläche 120 der TIR-Optik 1 auf. Der nach dem snelliuschen Brechungsgesetz berechnete Brechungswinkel der Lichtstrahlen L1, L2 beim Übertritt von der TIR-Optik 1 in den Silikonkleber 20 beträgt 56,1°.
In 2 ist die Beleuchtungseinrichtung gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel der Erfindung ohne Lichtwellenlängenkonversionselement 2 dargestellt. Im Fall des Fehlens des Lichtwellenlängenkonversionselements 2, das heißt im Fall einer teilweise oder vollständig abgelösten Leuchtstoffbeschichtung, werden die Lichtstrahlen L1, L2 an den Abschnitten der zweiten Stirnfläche 120 der TIR-Optik 1, die keine Leuchtstoffbeschichtung mehr aufweisen, durch Totalreflexion in die TIR-Optik 1 zurück reflektiert, weil der Einfallswinkel der Lichtstrahlen L1, L2 an der zweiten Stirnfläche 120 größer ist als der Grenzwinkel θ der Totalreflexion der TIR-Optik 1 für den Übergang des Lichts in Luft. Die Lichtstrahlen L1, L2 können daher die TIR-Optik 1 weder an der ersten Stirnfläche 110 noch an der zweiten Stirnfläche 120 verlassen. Dadurch ist gewährleistet, dass im Fall einer teilweise oder vollständig abgelösten Leuchtstoffbeschichtung kein Laserlicht austritt und menschliche Augen schädigt. Die verspiegelte Metallschicht 22 (1) ist vorzugsweise als elektrischer Kontakt in einen Stromkreis zur Energieversorgung der Laserdioden 3 geschaltet, so dass im Fall des Fehlens des Lichtwellenlängenkonversionselements 2 dieser Stromkreis unterbrochen ist und somit die Laserdioden 3 abgeschaltet sind.
In 3 ist eine Beleuchtungseinrichtung gemäß dem zweiten Ausführungsbeispiel der Erfindung schematisch dargestellt. Die Beleuchtungseinrichtung umfasst eine TIR-Optik 1', ein Lichtwellenlängenkonversionselement 2' und vier Laserdioden 3', von denen in 3 der Übersichtlichkeit halber nur eine abgebildet ist. Außerdem umfasst die Beleuchtungseinrichtung eine Betriebsvorrichtung (nicht abgebildet) für die Laserdioden 3' sowie Haltevorrichtungen (nicht abgebildet) für die TIR-Optik 1' und die Laserdioden 3'.
Die TIR-Optik 1' besteht aus Saphir und besitzt einen Brechungsindex n2 von 1,76. Die TIR-Optik 1' ist einstückig ausgebildet und besitzt einen kreisscheibenförmigen Basisabschnitt 11' sowie einen sich daran anschließenden kegelförmigen Abschnitt 12'. Der Basisabschnitt 11' bildet, an seiner vom kegelförmigen Abschnitt 12' abgewandten Seite, eine Stirnfläche 110' der TIR-Optik 1' aus. Der kreisscheibenförmige Basisabschnitt 11' und der kegelförmige Abschnitt 12' der TIR-Optik 1' gehen an der Grundfläche des kegelförmigen Abschnitts 12' nahtlos ineinander über. Die Mantelfläche 121' des kegelförmigen Abschnitts 12' der TIR-Optik 1' ist in einem Winkel von 45° zu der Stirnseite 110' angeordnet. Der Öffnungswinkel des kegelförmigen Abschnitts 12' beträgt 90°. Auf der Stirnfläche 110' der TIR-Optik 1 ist das Lichtwellenlängenkonversionselement 2' angeordnet und auf der Stirnfläche 110' fixiert.
Das Lichtwellenlängenkonversionselement 2' besteht aus Leuchtstoff 21', der mittels Silikonkleber auf der Stirnseite 110' der TIR-Optik 1' fixiert ist. Der Leuchtstoff 21' bildet zusammen mit dem Silikonkleber 20' eine Leuchtstoffbeschichtung auf der Stirnseite 110' der TIR-Optik 1'. Der Brechungsindex des Silikonklebers 20' beträgt 1,5. Die Leuchtstoffschicht 21' wird von mit Zer dotiertem Yttrium-Aluminium-Granat (YAG:Ce) gebildet. Dieser Leuchtstoff ist ein sogenannter Gelbleuchtstoff, der Licht aus dem violetten und blauen Spektralbereich, entsprechend dem Wellenlängenbereich von 380 nm bis 490 nm, in gelbes Licht mit einer dominanten Wellenlänge im Bereich von 560 nm bis 590 nm konvertiert.
Die vier Laserdioden 3' der Beleuchtungseinrichtung gemäß dem zweiten Ausführungsbeispiel der Erfindung sind jeweils derart ausgebildet, dass sie Licht mit einer Wellenlänge aus dem Spektralbereich des violetten und blauen Lichts, entsprechend dem Wellenlängenbereich von 380 nm bis 490 nm, erzeugen. Den vier Laserdioden 3' kann optional jeweils eine Kollimatorlinse (nicht abgebildet) nachgeordnet sein, die das von der jeweiligen Laserdiode 3' emittierte Licht parallelisiert. Die vier gleichartig ausgebildeten Laserdioden 3' sind an den Ecken eines fiktiven Quadrats angeordnet und derart ausgerichtet, dass das von den Laserdioden 3' emittierte Licht mit einem Einfallswinkel von Null Grad auf die Mantelfläche 121' des kegelförmigen Abschnitts 12' der TIR-Optik 1' trifft.
In 3 ist der Verlauf der Lichtstrahlen anhand von zwei Lichtstrahlen L1', L2', die von einer der vier Laserdioden 3' emittiert werden, schematisch dargestellt. Die von der Laserdiode 3' emittierten Lichtstrahlen L1', L2' verlaufen parallel und treffen mit einem Einfallswinkel von Null Grad auf die Mantelfläche 121' der TIR-Optik 1' auf. An der Stirnfläche 110' der TIR-Optik 1' treten die Lichtstrahlen L1', L2' mit einem Brechungswinkel, der größer ist als ihr Einfallswinkel auf der Stirnfläche 110', in den Silikonkleber 20' über. Der Einfallswinkel der Lichtstrahlen L1', L2' auf die Stirnfläche 110' der TIR-Optik 1' ist größer als der Grenzwinkel θ der Totalreflexion der TIR-Optik 1' für den Übertritt des Lichts in Luft. Aufgrund des vergleichsweise hohen Brechungsindex des Silikonklebers 20' findet an der Stirnfläche 110' keine Totalreflexion der Lichtstrahlen L1', L2' statt. Beim Eindringen in die Leuchtstoffschicht 21' werden die Lichtstrahlen L1', L2' an den Leuchtstoffpartikeln gestreut und ein Teil des Lichts wird in gelbes Licht konvertiert. Durch Streuung an den Leuchtstoffpartikeln der Leuchtstoffschicht 21' wird das Licht in viele unterschiedliche Richtungen abgelenkt, so dass weißes Licht, sogenanntes weißes Mischlicht, das eine Mischung von nicht konvertiertem blauem Licht und konvertiertem gelbem Licht ist, das Lichtwellenlängenkonversionselement 2' an seiner mit der Leuchtstoffschicht 21' versehenen Seite verlässt. Dieser Sachverhalt ist in 3 nicht dargestellt. Die mit dem Lichtwellenlängenkonversionselement 2' versehene Stirnfläche 110' hat eine Größe im Bereich von 1 mm² bis 5 mm² und dient als Lichtquelle, die beispielsweise im Fokus eines Reflektors, insbesondere eines Kraftfahrzeugscheinwerferreflektors angeordnet ist.
Bei der Beleuchtungseinrichtung gemäß dem zweiten Ausführungsbeispiel der Erfindung berechnet sich der Grenzwinkel θ aus dem Brechungsindex n1 für Luft und dem Brechungsindex n2 für das Saphirmaterial der TIR-Optik 1' zu θ = 34,6°. Die Lichtstrahlen L1', L2' treffen mit einem Einfallswinkel von jeweils 45° auf die Stirnfläche 110' der TIR-Optik 1' auf. Der nach dem snelliuschen Brechungsgesetz berechnete Brechungswinkel der Lichtstrahlen L1', L2' beim Übertritt von der TIR-Optik 1' in den Silikonkleber 20' beträgt 56,1°.
In 4 ist die Beleuchtungseinrichtung gemäß dem zweiten Ausführungsbeispiel der Erfindung ohne Lichtwellenlängenkonversionselement 2' dargestellt. Im Fall des Fehlens des Lichtwellenlängenkonversionselements 2', das heißt im Fall einer teilweise oder vollständig abgelösten Leuchtstoffbeschichtung, werden die Lichtstrahlen L1', L2' an den Abschnitten der Stirnfläche 110' der TIR-Optik 1', die keine Leuchtstoffbeschichtung mehr aufweisen, durch Totalreflexion in die TIR-Optik 1' zurück reflektiert, weil der Einfallswinkel der Lichtstrahlen L1', L2' an der Stirnfläche 110' größer ist als der Grenzwinkel θ der Totalreflexion der TIR-Optik 1' für den Übergang des Lichts in Luft. Die Lichtstrahlen L1', L2' können daher die TIR-Optik 1' an der Stirnfläche 110' nicht verlassen.
Die Erfindung beschränkt nicht auf die oben näher erläuterten Ausführungsbeispiele der Erfindung. Beispielsweise können statt der Laserdioden 3, 3', die blaues Licht emittieren, Laserdioden verwendet werden, die zum Beispiel ultraviolette Strahlung emittieren, die mittels mindestens eines Lichtwellenlängenkonversionselements in weißes oder farbiges Licht konvertiert wird. Alternativ können auch unterschiedliche Laserdioden verwendet werden, die verschiedenfarbiges Licht emittieren und so angeordnet sind, dass sich das farbige Licht der Laserdioden zu weißem Licht mischt. Als weitere Alternative können statt der Laserdioden 3, 3' auch Faserlichtquellen, insbesondere Faserlaser verwendet werden.
Die TIR-Optiken 1, 1' gemäß dem ersten und zweiten Ausführungsbeispiel der Erfindung können um die Kegelstumpfachse des kegelstumpfartigen bzw. die Kegelachse des kegelförmigen Abschnitts 12, 12' der TIR-Optik 1, 1' drehbar gelagert sein, um die Lichteinkopplung in die TIR-Optik und die Wärmeverteilung in der TIR-Optik zu homogenisieren.
Anstelle der TIR-Optiken 1, 1' gemäß den bevorzugten Ausführungsbeispielen können auch andere Formen von TIR-Optiken verwendet werden. Weiterhin muss die TIR-Optik nicht unbedingt aus Saphir bestehen. Glas, durchsichtiger Kunststoff und durchsichtige Keramik sind alternative Materialien für die TIR-Optik.
Der Leuchtstoff muss nicht unbedingt mittels Klebstoff auf der TIR-Optik fixiert sein. Alternativ kann der Leuchtstoff beispielsweise aufgesprengt oder aufgesintert oder mittels Wasserstoffbrückenverbindungen auf der TIR-Optik fixiert sein. Als weitere Alternativ kann die Leuchtstoffschicht auch auf einer auf der TIR-Optik angebrachten Indium-Zinnoxid-Schicht (ITO-Schicht) elektrophoretisch abgeschieden sein.
Der Einfallswinkel des Laserlichts auf die TIR-Optik muss nicht, wie bei den beiden Ausführungsbeispielen, Null Grad betragen. Es sind auch andere Einfallswinkel möglich. Außerdem darf die Laserstrahlung auch eine gewisse Divergenz aufweisen. Kollimatorlinsen sind, wie bereits oben erwähnt, optional.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

US 2011/0084609 A1 [0002]

Claims

Beleuchtungseinrichtung mit mindestens einer Laserlichtquelle (3; 3') und mindestens einer Optik (1; 1'), in die Licht von der mindestens einen Laserlichtquelle (3; 3') eingekoppelt wird, sowie mindestens einem Lichtwellenlängenkonversionselement (2; 2'), dadurch gekennzeichnet, dass die mindestens eine Optik (1; 1') als TIR-Optik ausgebildet ist und das mindestens eine Lichtwellenlängenkonversionselement (2; 2') auf einer Oberfläche (120; 110') der TIR-Optik (1; 1') derart angeordnet ist, dass von der mindestens einen Laserlichtquelle (3; 3') emittiertes und in die mindestens eine TIR-Optik (1; 1') eingekoppeltes Licht an dieser Oberfläche (120; 110') in das Lichtwellenlängenkonversionselement (2; 2') übertritt, wobei die mindestens eine Laserlichtquelle (3; 3') und die mindestens eine TIR-Optik (1; 1') derart zueinander ausgerichtet sind, dass das an der vorgenannten Oberfläche (120; 110') in das mindestens eine Lichtwellenlängenkonversionselement (2; 2') übertretende Licht mit Einfallswinkeln auf diese Oberfläche (120; 110') auftrifft, die größer oder gleich einem Grenzwinkel θ sind, der wie folgt definiert ist: θ = arcsin( n1 / n2) wobei n1 der Brechungsindex von Luft ist und n2 der Brechungsindex der mindestens einen TIR-Optik an der vorgenannten Oberfläche ist.
Beleuchtungseinrichtung nach Anspruch 1, wobei die TIR-Optik (1; 1') aus Saphir, Glas oder durchsichtigem Kunststoff oder durchsichtiger Keramik oder durchsichtigem Kristall besteht.
Beleuchtungseinrichtung nach Anspruch 1 oder 2, wobei das mindestens eine Lichtwellenlängenkonversionselement (2; 2') Leuchtstoff (21; 21') umfasst.
Beleuchtungseinrichtung nach Anspruch 3, wobei das mindestens eine Lichtwellenlängenkonversionselement (2; 2') zusätzlich Klebstoff zur Fixierung des Leuchtstoffs umfasst.
Beleuchtungseinrichtung nach Anspruch 3 oder 4, wobei der Leuchtstoff als Leuchtstoffbeschichtung auf einer Oberfläche der TIR-Optik ausgebildet ist.
Beleuchtungseinrichtung nach einem der Ansprüche 3 bis 5, wobei auf der Leuchtstoffbeschichtung (21) eine verspiegelte Metallschicht (22) angeordnet ist.
Beleuchtungseinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei die mindestens eine Laserlichtquelle als Faserlaser oder Laserdiode ausgebildet ist.
Beleuchtungseinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, wobei die mindestens eine Laserlichtquelle als Laserdiode (3; 3') ausgebildet ist, die elektromagnetische Strahlung aus dem Wellenlängenbereich von 380 nm bis 490 nm erzeugt, und wobei das mindestens eine Lichtwellenlängenkonversionselement (2; 2') derart ausgebildet ist, dass ein Teil der von der mindestens einen Laserdiode (3; 3') erzeugten elektromagnetischen Strahlung beim Passieren des mindestens einen Lichtwellenlängenkonversionselements (2; 2') in elektromagnetische Strahlung mit einer dominanten Wellenlänge aus dem Wellenlängenbereich von 560 nm bis 590 nm konvertiert wird.
Beleuchtungseinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, wobei die Beleuchtungseinrichtung als Bestandteil eines Fahrzeugscheinwerfers ausgebildet ist.
Beleuchtungseinrichtung nach einem der Anspürüche 1 bis 9, wobei die TIR-Optik rotationssymmetrisch bezüglich einer Rotationsachse ausgebildet und drehbar um ihre Rotationsachse gelagert ist.