DE102013215981A1

DE102013215981A1 - Lichtmodul und Verfahren zum Erzeugen von wellenlängenkonvertiertem Licht im roten Spektralbereich sowie Verfahren zum Bereitstellen eines Wellenlängenkonversionselements

Info

Publication number: DE102013215981A1
Application number: DE201310215981
Authority: DE
Inventors: Peter Hoehmann; Oliver Mehl
Original assignee: Osram GmbH
Current assignee: Coretronic Corp
Priority date: 2013-08-13
Filing date: 2013-08-13
Publication date: 2015-02-19
Also published as: US9726346B2; US20150049456A1; CN104375351A; CN104375351B

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Lichtmodul (15) zur Erzeugung von wellenlängenkonvertiertem Licht im roten Spektralbereich mit einer vorgebbaren ersten dominanten Wellenlänge (λ_D) eines Wellenlängenspektrums (50b). Das Lichtmodul (15) weist ein Wellenlängenkonversionselement (18) und eine Anregungsstrahlungsquelle (26) auf, welche dazu ausgelegt ist, Anregungsstrahlung (24) zumindest mittelbar auf das Wellenlängenkonversionselement (18) einzustrahlen. Das Wellenlängenkonversionselement (18) weist ein Emissionsspektrum (50a) mit einem roten Spektralanteil und mit einer zweiten dominanten Wellenlänge (λ_D) auf, die mindestens um einen vorgebbaren Wert kleiner ist als die erste dominante Wellenlänge (λ_D) des Wellenlängenspektrums (50b) des zu erzeugenden Lichts. Das Lichtmodul (15) weist weiterhin einen Langpassfilter (28) auf, der dazu ausgelegt ist, das vom Wellenlängenkonversionselement (18) emittierte und auf den Langpassfilter (28) eingestrahlte Licht derart zu filtern, dass das gefilterte Licht das Wellenlängenspektrum (50b) des zu erzeugenden Lichts mit der vorgebbaren dominanten Wellenlänge (λ_D) aufweist.

Description

Technisches Gebiet
Die Erfindung geht aus von einem Lichtmodul zum Erzeugen von wellenlängenkonvertiertem Licht im roten Spektralbereich mittels eines Wellenlängenkonversionselements gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 sowie einem Verfahren zum Erzeugen von wellenlängenkonvertiertem Licht im roten Spektralbereich gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 9 und einem Verfahren zum Bereitstellen eines Wellenlängenkonversionselements.
Stand der Technik
Aus dem Stand der Technik sind Lichtmodule und Verfahren zum Erzeugen von wellenlängenkonvertiertem Licht mittels Wellenlängenkonversionselementen, wie beispielsweise Leuchtstoffen, bekannt, bei denen Anregungslicht, zum Beispiel monochromatisches Licht einer Laserdiode, auf den Leuchtstoff eingestrahlt wird und dieser Licht mit einer konvertierten, üblicherweise größeren Wellenlänge emittiert. Bei Leuchtstoffen tritt bekanntermaßen das Problem auf, dass sie eine Abnahme der Konversionseffizienz mit einer Zunahme der Pumpleistung und Pumpleistungsdichte des Anregungslichts aufweisen. Eine Erhöhung der Pumpleistung führt zu einer Erhöhung der mittleren Temperatur und über die Temperaturabhängigkeit der Konversionseffizienz zu einer Sättigung der Ausgangsleistung (thermisches Quenching). Eine weitere Ursache, die bei einer Erhöhung der Pumleistungsdichte zu einer Sättigung einer Ausgangsleistung führt, ist das Intensitätsquenching, d.h. dass es aufgrund der langen Lebensdauer der beteiligten Aktivatorzustände des Leuchtstoffs zu einer verminderten Besetzungsdichte des unteren Pumpniveaus des Leuchtstoffs kommt. Ein weiteres Problem besteht noch darin, dass diese Effekte, wie das thermische Quenching und das Intensitätsquenching, bei unterschiedlichen Leuchtstoffen unterschiedlich stark ausgeprägt sind. Besonders Rotleuchtstoffe weisen eine sehr starke Minderung der Konversionseffizienz bei Erhöhung der Pumpleistung auf.
1 zeigt in einer schematischen Darstellung eines Diagramms die Abhängigkeit der Strahlungsleistung Φ_e, also der konvertierten Ausgangsleistung, von der Pumpleistung P_P für einen Gelbleuchtstoff 10, einen Grünleuchtstoff 11 und einen Rotleuchtstoff 12 bei gleicher angeregter Leuchtstofffläche. Wie zu erkennen ist, ist hierbei die Konversionseffizienz des Rotleuchtstoffs 12 deutlich geringer als die des Gelbleuchtstoffs 10 und des Grünleuchtstoffs 11. Weiterhin ist auch zu erkennen, dass sich die Konversionseffizienz des Rotleuchtstoffs 12 mit zunehmender Pumpleistung P_P deutlich stärker verringert als die des Gelbleuchtstoffs 10 und des Grünleuchtstoffs 11.
Bei Lichtmodulen, wie beispielsweise Projektoren, bei denen unterschiedliche Leuchtstoffe zur Erzeugung von z.B. grünem, gelben und roten Licht, verwendet werden, führt die Begrenzung der Pumpleistung im Rotkanal zu einem geringeren Rotlichtstrom, der den Gesamtlichtstrom der Projektoren limitiert oder den Weißpunkt negativ beeinflusst. Aktueller Stand der Technik ist weiterhin die Verwendung von Rotleuchtstoffen mit möglichst geringem thermischen Quenching. Diese Rotleuchtstoffe weisen dann jedoch eine kurze dominante Wellenlänge im Orange-Rot-Bereich auf, die zu einer Verringerung der Größe des adressierbaren Farbraums führt. Alternativ zur Verfügung stehende LEDs für den Rotkanal mit längerer Dominanzwellenlänge begrenzen jedoch aufgrund ihrer geringe Leuchtdichte den Gesamtlichtstrom in Hybridprojektoren ebenso.
Darstellung der Erfindung
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, ein Lichtmodul und ein Verfahren zur Erzeugung von wellenlängenkonvertiertem Licht im roten Spektralbereich sowie ein Verfahren zum Bereitstellen eines Wellenlängenkonversionselements bereitzustellen, welche eine Effizienzsteigerung bei hohen Pumpleistungen und Pumpleistungsdichten ermöglichen.
Diese Aufgabe wird gelöst durch ein Lichtmodul und ein Verfahren zum Erzeugen von wellenlängenkonvertiertem Licht im roten Spektralbereich und ein Verfahren zum Bereitstellen eines Wellenlängenkonversionselements gemäß den unabhängigen Ansprüchen. Besonders vorteilhafte Ausgestaltungen finden sich in den abhängigen Ansprüchen.
Die Erfindung beruht auf der Erkenntnis, dass sich durch Filterung, insbesondere durch geeignete Langpassfilterung eines Emissionsspektrums eines gelben und/oder gelbgrünen Leuchtstoffs die dominante Wellenlänge dieses Emissionsspektrums zu größeren Wellenlängen hin verschieben lässt und zwar dergestalt, dass die Dominanzwellenlänge des Langpass-gefilterten Gelb-Leuchtstoffs und/oder Gelb-Grün-Leuchtstoffs gleich oder größer ist als die Dominanzwellenlänge eines ungefilterten Rotleuchtstoffs. Dadurch kann zur Erzeugung von Licht im roten Spektralbereich mit einer gewünschten dominanten Wellenlänge ein Leuchtstoff mit kleinerer dominanter Wellenlänge als das zu erzeugende Licht, aber mit höherer Konversionseffizienz genutzt werden, um durch Filterung das Licht mit der gewünschten dominanten Wellenlänge zu erzeugen. Weiterhin beruht die Erfindung auf der Erkenntnis, dass bei hohen Anregungsleistungsdichten die Vorteile einer höheren Konversionseffizienz die durch die Filterung bedingten Lichtverluste überwiegen und sich somit Lichtstromvorteile erzielen lassen.
Das erfindungsgemäße Lichtmodul zur Erzeugung von wellenlängenkonvertiertem Licht im roten Spektralbereich mit einer vorgebbaren ersten dominanten Wellenlänge eines Wellenlängenspektrums mittels eines Wellenlängenkonversionselements weist ein Wellenlängenkonversionselement auf, welches dazu ausgelegt ist, Anregungsstrahlung mit mindestens einer ersten Wellenlänge zu absorbieren, in Licht mit mindestens einer zweiten Wellenlänge, welche größer ist als die erste Wellenlänge, zu konvertieren und dieses zu emittieren. Weiterhin weist das Lichtmodul eine Anregungsstrahlungsquelle auf, welche dazu ausgelegt ist, Anregungsstrahlung mit zumindest der ersten Wellenlänge auszusenden. Die Anregungsstrahlungsquelle ist dabei derart angeordnet, dass von der Anregungsstrahlungsquelle ausgesendete Anregungsstrahlung zumindest mittelbar auf das Wellenlängenkonversionselement einstrahlbar ist. Erfindungsgemäß weist das Wellenlängenkonversionselement ein Emissionsspektrum mit einem roten Spektralanteil und mit einer zweiten dominanten Wellenlänge auf, die mindestens um einen vorgebbaren Wert kleiner ist als die erste dominante Wellenlänge des Wellenlängenspektrums des zu erzeugenden Lichts. Dabei umfasst das Lichtmodul weiterhin einen Langpassfilter, der derart angeordnet ist, dass vom Wellenlängenkonversionselement emittiertes Licht zumindest zum Teil und zumindest mittelbar auf den Langpassfilter einstrahlbar ist. Weiterhin ist der Langpassfilter dazu ausgelegt, das vom Wellenlängenkonversionselement emittierte und auf den Langpassfilter eingestrahlte Licht derart zu filtern, dass das gefilterte Licht das Wellenlängenspektrum des zu erzeugenden Lichts mit der vorgebbaren dominanten Wellenlänge aufweist.
Dass von der Anregungsstrahlungsquelle ausgesendete Anregungsstrahlung zumindest mittelbar auf das Wellenlängenkonversionselement einstrahlbar ist und dass vom Wellenlängenkonversionselement emittiertes Licht zumindest zum Teil und zumindest mittelbar auf den Langpassfilter einstrahlbar ist, ist hierbei so zu verstehen, dass die Anregungsstrahlungsquelle und das Wellenlängenkonversionselement bzw. das Wellenlängenkonversionselement und der Langpassfilter in Relation zueinander so angeordnet sein können, dass die Anregungsstrahlung auf das Wellenlängenkonversionselement bzw. das vom Wellenlängenkonversionselement emittierte Licht auf den Langpassfilter unmittelbar und direkt einstrahlbar ist oder auch so, dass die Anregungsstrahlung auf das Wellenlängenkonversionselement bzw. das emittierte Licht auf den Langpassfilter mittels eines oder mehrerer optischer Elemente, wie z.B. Linsen, abbildender Kollimatoren, nicht abbildende Kollimatoren, Umlenkspiegel, Strahlteiler, insbesondere dielektrische Spiegel, Diffusoren usw., einstrahlbar ist.
Durch die Verwendung eines Langpassfilters ist es möglich, zur Erzeugung von Licht im roten Spektralbereich ein Wellenlängenkonversionselement zu verwenden, dessen Emissionsspektrum eine dominante Wellenlänge aufweist, die kleiner ist als die gewünschte, d.h. die vorgebbare erste dominante Wellenlänge des Wellenlängenspektrums des zu erzeugenden Lichts. Da Wellenlängenkonversionselemente, insbesondere nitridische Rotleuchtstoffe, üblicherweise eine um so höhere Konversionseffizienz aufweisen, je kleiner ihre dominante Wellenlänge ist, stellt die Erfindung auf vorteilhafte Weise die Möglichkeit bereit, Wellenlängenkonversionselemente zu verwenden, die ein sehr geringes Quenching, insbesondere bei großen Anregungsleistungsdichten und eine hohe Konversionseffizienz aufweisen. Dies hat den großen Vorteil, dass so bei hohen Anregungsleistungsdichten eine Erhöhung des Lichtstroms bewirkt werden kann und zwar trotz der durch die Filterung bedingten Strahlungsleistungsverluste. Beispielsweise wird es so ermöglicht, als Wellenlängenkonversionselement einen Gelbleuchtstoff oder einen Gelb-Grün-Leuchtstoff zu verwenden und durch Langpassfilterung Licht im roten Spektralbereich zu erzeugen anstatt einen Rotleuchtstoff zu verwenden, der eine deutlich geringere Konversionseffizienz aufweist. Es können jedoch nicht nur Gelbleuchtstoffe oder Gelb-Grün-Leuchtstoffe verwendet werden, um eine Effizienzsteigerung bei der Erzeugung von rotem Licht zu bewirken, es können auch Rotleuchtstoffe verwendet werden, deren dominante Wellenlänge durch Langpassfilterung zu einer größeren, gewünschten, Wellenlänge hin verschoben wird. Auch hierbei lässt sich eine Effizienzsteigerung im Vergleich zur Verwendung von Rotleuchtstoffen erzielen, die ohne spektrale Filterung diese gewünschte dominante Wellenlänge aufweisen. Diese Effizienzsteigerung kommt des Weiteren um so stärker zum Tragen, je größer die Anregungsleistungsdichte ist. Insbesondere ist es eine Ausgestaltung, dass mit zunehmender Leistungsdichte des Anregungslichts auf dem Wellenlängenkonversionselement die Dominanzwellenläge des Konversionslichtes in einen kürzer welligen Bereich zu verschieben, zum Beispiel von 580 nm nach 550 nm, also vom gelben in einen gelb-grünen Bereich. Dies kann erreicht werden durch Zugabe bzw. Zumischung von Grünleuchtstoff zum Gelb-Leuchtstoff, so dass das resultierende Phosphor-Misch-Konversionselement eine Dominanzwellenlänge abgibt, die kleiner ist als die Dominanzwellenlänge des reinen Gelb-Leuchtstoffs. Da die Grünleuchtstoffe sich durch eine sehr gute Temperaturstabilität auszeichnen, kann somit das Quenching-Verhalten des Phosphor-Misch-Konversionselements gegenüber einem reinen Gelbleuchtstoff optimiert werden, was besonders bei hohen Pumpleistungsdichten zu einer erhöhten Gesamteffizienz führen kann. Ein Gelb-Grün-Leuchtstoff kann dabei beispielsweise durch eine Mischung von Ce:YAG als Gelbleuchtstoff und Ce:LuAG als Grünleuchtstoff bereitgestellt sein. Ein weiterer Vorteil eines Wellenlängenkonversionselements, das durch eine Beimischung eines Grün-Leuchtstoffs zu einem Gelbleuchtstoff bereitgestellt ist, ist das Gelbleuchtstoffe, wie Ce:YAG, und Grün-Leuchtstoffe, wie Ce:LuAG, unterschiedliche Absorptionsspektren, insbesondere unterschiedliche Absorptionsmaxima aufweisen, wodurch eine Verbreiterung des Absorptionsspektrums des Leuchtstoffgemisches resultiert. So kann auf vorteilhafte Weise eine Anregungsstrahlungsquelle verwendet werden, deren Anregungsstrahlung ein breiteres Spektrum aufweist und nicht genau auf ein Absorptionsmaximum abgestimmt sein muss.
Darüber hinaus ist es durch die Verwendung eines Langpassfilters möglich, die erste vorgebbare dominante Wellenlänge zumindest innerhalb eines vorgegebenen Bereichs beliebig zu wählen. Man ist also nicht auf die dominanten Wellenlängen festgelegt, die dem jeweiligen Emissionsspektrum eines verwendeten Wellenlängenkonversionselement zugeordnet sind. Durch die Erfindung ist es somit möglich, wellenlängenkonvertiertes Licht im roten Spektralbereich zu erzeugen, das bei hohen Anregungsleistungsdichten einen hohen Lichtstrom aufweist, ohne dabei Kompromisse in Bezug auf die dominante Wellenlänge, und somit in Bezug auf die Farbe, eingehen zu müssen.
Bei einer sehr vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist das Wellenlängenkonversionselement derart ausgebildet, dass die zweite dominante Wellenlänge des Emissionsspektrums des Wellenlängenkonversionselements in einem gelben oder gelb-grünen Spektralbereich liegt. Insbesondere liegt die dominante Wellenlänge dabei im Wellenlängenbereich von 560 nm bis 580 nm. Das Wellenlängenkonversionselement kann beispielsweise als Gelbleuchtstoff, beispielsweise als Granatleuchtstoff, wie z.B. Ce:YAG, ausgebildet sein oder als Gelb-Grün-Leuchtstoff durch Beimischung eines Grünleuchtstoffs zum Gelbleuchtstoff. Derartige Gelbleuchtstoffe bzw. Gelb-Grün-Leuchtstoffe weisen eine sehr hohe Konversionseffizienz, insbesondere im Vergleich zu Rotleuchtstoffen, wie z.B. Eu-dotierte nitridische Leuchtstoffe, auf, so dass die bewirkbare Steigerung des Lichtstroms des roten Lichts durch eine Filterung des Emissionsspektrums des Gelbleuchtstoffs bzw. Gelb-Grün-Leuchtstoffs besonders groß ist. Ein weiterer besonders großer Vorteil ist darüber hinaus, dass sich nicht nur eine Effizienzsteigerung und ein größerer Rotlichtstrom erzielen lässt, sondern dass Gelb- und Grünleuchtstoffe in der Regel deutlich kostengünstiger sind als Rotleuchtstoffe. So lässt sich durch die Verwendung eines Gelbleuchtstoffs zur Erzeugung von rotem Licht also auch noch eine Kostenersparnis erzielen.
Des Weiteren kann das Wellenlängenkonversionselement als Ce:YAG-Leuchtstoff ausgebildet sein, insbesondere mit einer Co-Dotierung, um eine vorgebbare Emissionscharakteristik des Wellenlängenkonversionselements bereitzustellen. Durch die Co-Dotierung lässt sich auf vorteilhafte Weise das Emissionsspektrum des Leuchtstoffs und dessen dominante Wellenlänge ändern. Damit einhergehend ändert sich auch das Quenching-Verhalten des Leuchtstoffs, so dass sich eine geeignete Co-Dotierung vorgeben lässt, die je nach Anwendungsfall und Erfordernissen eine optimale Lichtausbeute bereitstellen kann.
Bei einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist die Anregungsstrahlungsquelle dazu ausgelegt, Anregungsstrahlung mit einer Anregungsstrahlungsflächenleistungsdichte von mindestens 1 kW/cm² auf das Wellenlängenkonversionselement einzustrahlen. Insbesondere ist das Lichtmodul bzw. die Anregungsstrahlungsquelle derart ausgestaltet, ggf. auch in Kombination mit optischen Elementen des Lichtmoduls, dass die Anregungsstrahlungsquelle im Betrieb des Lichtmoduls Anregungsstrahlung mit einer Anregungsstrahlungsflächenleistungsdichte von mindestens 1 kW/cm² auf das Wellenlängenkonversionselement einstrahlt. Da die Vorteile des Wellenlängenkonversionselements mit der zweiten dominanten Wellenlänge gegenüber einem Wellenlängenkonversionselement, das eine dominante Wellenlänge aufweist, die in etwa der vorgebbaren ersten dominante Wellenlänge entspricht, sich erst ab einem Schwellwert der Anregungsstrahlungsflächenleistungsdichte deutlich bemerkbar machen, ist das Vorsehen einer Anregungsstrahlungsquelle, die mit einer Anregungsstrahlungsflächenleistungsdichte von mindestens 1 kW/cm² auf das Wellenlängenkonversionselement einstrahlt, besonders vorteilhaft. Bevorzugt liegt der Wert der Anregungsstrahlungsflächenleistungsdichte im Bereich zwischen 1–10 kW/cm², besonders bevorzugt im Bereich zwischen 2–10 kW/cm². Je größer die Anregungsstrahlungsflächenleistungsdichte, desto größer ist auch die Effizienzsteigerung. Da jedoch auch das Wellenlängenkonversionselement mit der kleineren zweiten dominanten Wellenlänge ab einer bestimmten Anregungsstrahlungsflächenleistungsdichte in Sättigung gerät, ist die Anregungsstrahlungsflächenleistungsdichte sinnvollerweise nicht beliebig groß wählbar. Jedoch werden Anregungsstrahlungsflächenleistungsdichten und somit auch Lichtströme des erzeugten Lichts durch die Erfindung ermöglicht, die deutlich größer sind als bisher im Stand der Technik möglich.
Bei einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist als vorgebbare erste dominante Wellenlänge eine Wellenlänge vorgegeben, die größer ist als 590 nm, insbesondere größer als 600 nm. Die vorgebbare erste dominante Wellenlänge ist weiterhin bevorzugt in einem Bereich von 590 nm–620 nm vorgegeben, besonders bevorzugt in einem Bereich von 595 nm–610 nm. In diesen bevorzugten Bereichen ist die erste dominante Wellenlänge frei wählbar. Prinzipiell können auch andere Wellenlängen außerhalb dieser Bereich vorgegeben werden. Jedoch für Anwendungen, wie beispielsweise bei Projektoren, insbesondere bei Kinofilmprojektoren oder auch Entertainment-Anwendungen, bei denen das erzeugte rote Licht mit Licht anderer Farben kombiniert werden soll, ist es vorteilhaft die erste dominante Wellenlänge nicht kleiner als 590 nm zu wählen, denn je kleiner die erste dominante Wellenlänge desto eingeschränkter ist auch der adressierbare Farbraum. Die erste dominante Wellenlänge sollte auch nicht zu groß, d.h. nicht wesentlich größer als 610–620 nm gewählt werden, da mit zunehmender dominanter Wellenlänge der maximal bereitstellbare Lichtstrom abnimmt. Dies liegt daran, dass die Helligkeitsempfindlichkeit des Auges ab Wellenlängen von 610 nm stark abnimmt. Ein besonders großer Vorteil der Erfindung ist es zudem, dass die vorgebbare Wellenlänge stufenlos vorgebbar ist, d.h. die Grenzellenlänge eines Langpassfilters kann so gewählt werden, dass Wellenlängenspektren mit beliebiger erste dominanter Wellenlänge erzeugt werden können. Es steht also ein Vielzahl an Möglichkeiten bereit je nach Erfordernis, Anwendungsfall, gewünschtem Farbgamut, maximalem Lichtstrom und dergleichen die erste dominante Wellenlänge beliebig vorzugeben.
Bei einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung weist das Lichtmodul ein Leuchtstoffrad auf, welches um eine Drehachse des Leuchstoffrads drehbar ist, wobei zumindest das Wellenlängenkonversionselement zumindest in einem Segment eines ringförmigen um die Drehachse des Leuchtstoffrads verlaufenden Bereichs des Leuchtstoffrads angeordnet ist. Dabei ist bevorzugt zumindest ein zweites Wellenlängenkonversionselement zumindest in einem zweiten Segment des ringförmig um die Drehachse des Leuchtstoffrads verlaufenden Bereichs angeordnet. Das zweite Wellenlängenkonversionselement ist dabei insbesondere derart ausgebildet, dass es ein zweites Emissionsspektrum aufweist mit einer dritten dominanten Wellenlänge, welche von der ersten dominante Wellenlänge verschieden ist. Weiterhin ist die dritte dominante Wellenlänge bevorzugt kleiner als die erste und zweite dominante Wellenlänge, beispielsweise liegt die dritte dominante Wellenlänge im grünen Spektralbereich. Durch das Leuchtstoffrad und der Verwendung zweier oder mehrerer unterschiedlicher Wellenlängenkonversionselemente lässt sich so auf einfache Weise Licht mit unterschiedlichen dominanten Wellenlängen erzeugen, was insbesondere bei einer Ausbildung des Lichtmoduls als Projektor besonders vorteilhaft ist.
Bei einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung weist das Leuchtstoffrad in zumindest einem dritten Segment des ringförmig um die Drehachse verlaufenden Bereichs eine Durchgangsöffnung auf, wobei das Lichtmodul derart ausgestaltet ist, dass von der Anregungsstrahlungsquelle abgestrahlte Anregungsstrahlung zumindest mittelbar bei einer Drehung des Leuchtstoffrads auf jedes Segment des ringförmig um die Drehachse verlaufenden Bereichs des Leuchtstoffrads sequentiell einstrahlbar ist. Insbesondere ist die Durchgangsöffnung des zumindest einen dritten Segments so ausgebildet, dass von der Anregungsstrahlungsquelle abgestrahlte Anregungsstrahlung durch die Durchgangsöffnung durchstrahlbar ist, wenn sich das zumindest eine dritte Segment bei einer Drehung des Leuchtstoffrads in einem oder mehreren vorgebbaren Drehwinkelbereichen befindet. Dadurch ist ein Teil der Anregungsstrahlung durch das Leuchtstoffrad durchstrahlbar und kann bei geeigneter Umlenkung, beispielsweise durch optische Elemente, wie Umlenkspiegel, mit dem von den Wellenlängenkonversionselementen emittieren Licht kombiniert werden. Die Anregungsstrahlungsquelle ist dabei bevorzugt dazu ausgebildet, Anregungsstrahlung in einem Wellenlängenbereich von 440–470 nm, besonders bevorzugt in einem Bereich von 445–455 nm zu emittieren bzw. auszusenden. Dies ist zum einen ein geeigneter Wellenlängenbereich um übliche Leuchtstoffe anzuregen und zum anderen ist dieses blaue Licht auch besonders gut geeignet, um mittels Kombination mit Licht anderer Wellenlängen, wie z.B. rot und grün, einen großen Farbraum von durch Kombination bereitstellbaren Farben zu ermöglichen.
Bei einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung kann das Lichtmodul ein Leuchtstoffrad aufweisen, welches um eine Drehachse des Leuchtstoffrads drehbar ist, wobei das Wellenlängenkonversionselement als einziges Wellenlängenkonversionselement auf dem Leuchtstoffrad angeordnet ist. Auch dies stell eine Vielzahl an Ausgestaltungsmöglichkeiten bereit. Beispielsweise kann ist ein Leuchtstoffrad mit nur einem Leuchtstoff besonders gut geeignet für eine Ausbildung des Lichtmoduls als Projektor mit Drei-Chip-Technik bzw. mit mehreren Imagern. Dabei können auch weitere Leuchtstoffe auf separaten Trägerelementen, wie weiteren Leuchtstoffrädern oder statischen, nicht beweglichen Trägern, vorgesehen sein. Eine geeignete Ausbildung und Anordnung von Filtern ermöglicht aber auch die Erzeugung von Licht unterschiedlicher Farbe mit nur einem Leuchtstoff. Beispielsweise kann bei der Verwendung eines Gelb-Grün-Leuchtstoffs in Kombination mit dem Langpassfilter Licht im roten Spektralbereich erzeugt werden, und durch Verwendung eines weiteren Filters, insbesondere eines Kurzpassfilters, Licht im grünen Spektralbereich. Auch kann durch geeignete Filterung des Gelb-Grün-Leuchtstoffs Licht im gelben Spektralbereich erzeugt werden. Weiterhin kann auch die Anregungsstrahlung im blauen Spektralbereich zum Teil mit dem durch den Leuchtstoff erzeugten und gefilterten Licht kombiniert werden. Des Weiteren ist die Ausbildung eines Trägerelements als Leuchtstoffrad auch bei Anordnung nur eines Leuchtstoffs auf dem Leuchtstoffrad vorteilhaft, da so durch die Drehung des Leuchstoffrads ein Leuchtstoffbereich nicht dauerhaft durch die Anregungsstrahlung bestrahlt wird. Auch dadurch kann die Erwärmung des Leuchtstoffs reduziert werden und somit die Konversionseffizienz gesteigert werden.
Alternativ zur Verwendung eines Leuchstoffrads kann eine Ausgestaltung der Erfindung auch vorsehen, dass das Wellenlängenkonversionselement an einem Träger angeordnet ist, welcher zumindest relativ zur Anregungsstrahlungsquelle nicht bewegbar, also insbesondere statisch bzw. ortsfest, angeordnet ist. Dies stellt eine besonders einfache und kostengünstige Ausgestaltung der Erfindung dar. Dennoch kann auch hier durch geeignete Filterung, wie oben beschreiben, Licht mit unterschiedlichen Farben bzw. Spektren mit unterschiedlichen dominanten Wellenlängen erzeugt werden.
Darüber hinaus kann das Lichtmodul auch einen oder mehrere Bandpassfilter aufweisen, um z.B. den DCI-Farbraum für Digital-Cinema-Anwendungen zu adressieren.
Des Weiteren kann die Anregungsstrahlungsquelle eine Mehrzahl an Laserdioden umfassen. Diese können beispielsweise als Laserdioden-Array ausgebildet sein, das gleichartige und/oder verschiedenartige Laser-Lichtquellen verwendet. Weiterhin können zusätzliche Spiegel zur Umlenkung des von den Laserdioden abgestrahlten Licht vorgesehen sein, mittels welchen das Licht über weitere optische Elemente zur Fokussierung und/oder Kollimierung des Lichts auf das Leuchtstoffrad, insbesondere bei Drehung des Leuchstoffrads, sequentiell auf jedes der Segmente des ringförmigen Bereichs, lenkbar ist.
Bei einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung weist das Lichtmodul ein Filterrad auf, das zumindest den Langpassfilter umfasst. Dabei ist der Langpassfilter bevorzugt in zumindest einem ersten Bereich des Filterrads angeordnet, wobei das Filterrad um eine Drehachse des Filterrads derart korrespondierend zu dem Leuchtstoffrad drehbar ist, dass zumindest ein Teil des vom Wellenlängenkonversionselement emittierten Lichts mit der zweiten dominante Wellenlänge zumindest mittelbar auf den zumindest einen ersten Bereich des Filterrads, in dem der Langpassfilter angeordnet ist, einstrahlbar ist. Weiterhin ist es vorteilhaft, das Filterrad so auszugestalten, dass es einen oder mehrere weitere Bereiche aufweist, in welchen der Langpassfilter nicht angeordnet ist, so dass vom mindestens einen zweiten Wellenlängenkonversionselement emittiertes Licht und/oder ein Teil der Anregungsstrahlung auf den einen oder die mehreren Bereiche des Filterrads, in welchen der Langpassfilter nicht angeordnet ist, einstrahlbar ist bei einer korrespondierenden Drehung von Leuchtstoffrad und Filterrad, z.B. mit der selben Winkelgeschwindigkeit. Der Langpassfilter kann dabei beispielsweise kreissegmentförmig ausgebildet sein und in einem Kreissegment des Filterrads angeordnet sein. Der Langpassfilter kann auch nur in einem Teilbereich eines Kreissegments des Filterrads angeordnet sein, beispielsweise in Analogie zur Ausbildung des Leuchtstoffrads in einem Segment eines ringförmig um die Drehachse des Filterrads verlaufenden Bereichs des Filterrads. Der Langpassfilter kann auch in mehreren Bereichen des Filterrads angeordnet sein bzw. es können mehrere, insbesondere gleichartig ausgebildete, Langpassfilter in unterschiedlichen Bereichen oder Segmenten des Filterrads angeordnet sein, insbesondere wenn das Wellenlängenkonversionselement mit der zweiten dominanten Wellenlänge ebenfalls in mehreren Segmenten des ringförmigen Bereichs des Leuchtstoffrads angeordnet ist. Weiterhin kann das Filterrad auch einen oder mehrere vom Langpassfilter verschiedene Filter umfassen z.B. zur Filterung von vom zweiten Wellenlängenkonversionselement, welches bevorzugt als Grünleuchtstoff ausgebildet ist, emittierten Licht. Beispielsweise kann der weitere Filter als Kurzpassfilter ausgebildet sein und gelbe Spektralanteile von Licht, welches vom auf dem Leuchtstoffrad angeordneten Grünleuchtstoff emittiert wird, herausfiltern. Bei der Filterung von grünem Leuchtstofflicht lassen sich zwar keine Vorteile in Bezug auf einen größeren Lichtstrom erzielen, jedoch kann dadurch ein besserer Grün-Farbton erzeugt werden, mittels welchem sich der bereitstellbare Farbgamut ebenfalls vergrößern lässt und sich Verbesserungen hinsichtlich des Weißpunkts erzielen lassen. Der Langpassfilter und/oder die weiteren Filter können weiterhin als Beschichtung zumindest bereichsweise auf eine Seite des Filterrads aufgebracht sein. Auf der anderen Seite des Filterrads kann darüber hinaus eine Antireflexbeschichtung aufgebracht sein, um eine maximale Transmission von gefiltertem sowie auch ungefiltertem Licht zu ermöglichen.
Bei einer weiteren besonders vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung weist das Filterrad zumindest einen zweiten Bereich auf, in dem der Langpassfilter nicht angeordnet ist, wobei das Filterrad derart korrespondierend zu dem Leuchtstoffrad drehbar ist, dass ein Teil des vom Wellenlängenkonversionselement emittierten Lichts mit der zweiten dominante Wellenlänge zumindest mittelbar auf den zumindest einen zweiten Bereich des Filterrads, in dem der Langpassfilter nicht angeordnet ist, einstrahlbar ist. Dies ist besonders dann vorteilhaft, wenn das Wellenlängenkonversionselement als Gelbleuchtstoff ausgebildet ist. So kann ein Teil des vom Gelbleuchtstoff emittierten Lichts auf den Langpassfilter eingestrahlt werden, um Licht im roten Spektralbereich zu erzeugen, und ein Teil des vom Gelbleuchtstoff emittierten Lichts kann auf den zweiten Bereich des Filterrads eingestrahlt werden, welcher keinen Filter aufweist und in welchem das gelbe Licht ohne Filterung durch das Filterrad transmittiert wird. So kann auf vorteilhafte Weise durch die Verwendung nur eines Leuchtstoffs, nämlich den Gelbleuchtstoff, Licht im gelben und Licht im roten Spektralbereich erzeugt werden.
Das erfindungsgemäße Verfahren zum Erzeugen von wellenlängenkonvertiertem Licht im roten Spektralbereich mit einer vorgebbaren ersten dominanten Wellenlänge eines Wellenlängenspektrums mittels eines Wellenlängenkonversionselements umfasst die Schritte:

a) Bereitstellen eines Wellenlängenkonversionselements, welches bei einer Absorption von Anregungsstrahlung mit zumindest einer ersten Wellenlänge dieses in Licht mit zumindest einer zweiten Wellenlänge konvertiert und emittiert, wobei die zweite Wellenlänge größer ist als die erste Wellenlänge;
b) Einstrahlen von Anregungsstrahlung, welche Strahlung mit der ersten Wellenlänge umfasst, auf das Wellenlängenkonversionselement; wobei in Schritt a) ein Wellenlängenkonversionselement bereitgestellt wird, das ein Emissionsspektrum mit einer zweiten dominanten Wellenlänge aufweist, die mindestens um einen vorgebbaren Wert kleiner ist als die erste dominante Wellenlänge des Wellenlängenspektrums des zu erzeugenden Lichts, und einen roten Spektralanteil aufweist. Dabei wird weiterhin nach Schritt b) in einem weiteren Schritt
c) das vom Wellenlängenkonversionselement emittierte Licht zumindest zum Teil durch einen Langpassfilter derart gefiltert, dass das gefilterte Licht das Wellenlängenspektrum des zu erzeugenden Lichts mit der vorgebbaren dominanten Wellenlänge aufweist.

Die für das erfindungsgemäße Lichtmodul und seine Ausgestaltungen genannten gegenständlichen Merkmale ermöglichen dabei die Weiterbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens durch weitere Verfahrensschritte. Weiterhin gelten die für das erfindungsgemäße Lichtmodul und seine Ausgestaltungen genannten Merkmale und Merkmalskombinationen und deren Vorteile in gleicher Weise für das erfindungsgemäße Verfahren.
Das erfindungsgemäße Verfahren zum Bereitstellen eines Wellenlängenkonversionselements umfasst die Schritte:

a) Vorgeben einer Anregungsstrahlungsflächenleistungsdichte zum Anregen des Wellenlängenkonversionselements;
b) Bereitstellen einer Zuordnung von Lichtströmen in Abhängigkeit von Anregungsstrahlungsflächenleistungsdichten für eine Mehrzahl von langpassgefilterten Wellenlängenspektren mit jeweils gleicher, insbesondere der ersten, dominanten Wellenlänge von einer Mehrzahl an aus einem wellenlängenkonvertierenden Grundmaterial gebildeten und mit Dotierungsatomen dotierten Leuchtstoffen mit jeweils unterschiedlichen Dotierungsanteilen;
c) Anhand der in Schritt b) bereitgestellten Zuordnung Bestimmen eines Leuchtstoffs aus der Mehrzahl an Leuchtstoffen, welcher für die in Schritt a) vorgegebene Anregungsstrahlungsflächenleistungsdichte den größten Lichtstromwert aufweist; und
d) Bereitstellen des Wellenlängenkonversionselements als den in Schritt c) bestimmten Leuchtstoff.

Dieser Aspekt der Erfindung ermöglicht es, die Effizienzsteigerung noch weiter zu optimieren. Dabei wird die Erkenntnis ausgenutzt, dass sich durch unterschiedliche Dotierungsanteile das Quenching-Verhalten beeinflussen lässt sowie auch die Größe des roten Spektralanteils. Beispielsweise wird bei Ce-dotierten YAG-Leuchtstoffen und bei Eu-dotierten nitridischen Leuchtstoffen die dominanten Wellenlänge des Emissionsspektrums mit zunehmender Ce- bzw. Eu-Dotierung zu größeren Wellenlängen hin verschoben, wodurch sich auch der rote Spektralanteil des Emissionsspektrums vergrößert. Gleichzeitig verstärkt ein höherer Dotierungsanteil auch das Quenching, d.h. die Konversionseffizienz verschlechtert sich mit zunehmender Anregungsstrahlungsflächenleistungsdichte bei Leuchtstoffen mit hohem Dotierungsanteil deutlich stärker als bei Leuchtstoffen mit geringerem Dotierungsanteil. Durch die gemäß diesem Aspekt der Erfindung bereitgestellte Zuordnung, kann für eine gewünschte zu erzeugende dominante Wellenlänge und eine gegebene Anregungsstrahlungsflächenleistungsdichte der Leuchtstoff ermittelt werden, der für diesen Anwendungsfall den größtmöglichen Lichtstrom liefert. Besonders vorteilhaft ist dieses Verfahren in Kombination mit einem erfindungsgemäßem Lichtmodul und/oder dessen Ausgestaltungsvarianten, insbesondere zur Bereitstellung eines Wellenlängenkonversionselements für ein solches Lichtmodul sowie auch in Kombination mit dem erfindungsgemäßen Verfahren zum Erzeugen von wellenlängenkonvertiertem Licht bzw. zur Bereitstellung des Wellenlängenkonversionselements für das erfindungsgemäße Verfahren zum Erzeugen von wellenlängenkonvertiertem Licht.
Die für das erfindungsgemäße Lichtmodul und seine Ausgestaltungen genannten gegenständlichen Merkmale sowie für das erfindungsgemäße Verfahren zum Erzeugen von wellenlängenkonvertiertem Licht genannte Merkmale ermöglichen dabei die Weiterbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens zum Bereitstellen eines Wellenlängenkonversionselements durch weitere Verfahrensschritte. Weiterhin gelten die für das erfindungsgemäße Lichtmodul und Verfahren zum Erzeugen von wellenlängenkonvertiertem Licht und seine Ausgestaltungen genannten Merkmale und Merkmalskombinationen und deren Vorteile in gleicher Weise, soweit anwendbar, für das erfindungsgemäße Verfahren zum Bereitstellen eines Wellenlängenkonversionselements.
Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus den Ansprüchen, der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsformen sowie anhand der Zeichnungen.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Im Folgenden soll die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen näher erläutert werden. Die Figuren zeigen:
1 eine schematische Darstellung der Strahlungsleistung eines Gelbleuchtstoffs, eines Grünleuchtstoffs und eines Rotleuchtstoffs in Abhängigkeit von der eingestrahlten Pumpleistung;
2 eine schematische Darstellung eines Leuchtstoffrads und einem korrespondierenden Filterrad gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung;
3 eine schematische Darstellung eines Lichtmoduls mit einem Leuchtstoffrad und einem Filterrad gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung;
4 eine schematische Darstellung eines Wellenlängenspektrums eines Gelbleuchtstoffs vor und nach einer Filterung durch einen Langpassfilter gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung;
5 eine schematische Darstellung des Wellenlängenspektrums eines Rotleuchtstoffs;
6 eine schematische Darstellung der Abhängigkeit des Lichtstroms von der eingestrahlten Pumpleistung für einen Rotleuchtstoff und einen gefilterten Gelbleuchtstoff;
7a eine schematische Darstellung der Wellenlängenspektren eines Gelbleuchtstoffs vor und nach der Filterung durch einen Langpassfilter zur Erzeugung von Licht im roten Spektralbereich mit einer dominanten Wellenlänge von 600nm gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung;
7b eine zu 7a korrespondierende tabellarische Darstellung von Vergleichswerten für einen Rotleuchtstoff, einen Gelbleuchtstoff und den gefilterten Gelbleuchtstoff zum Bereitstellen von Licht im roten Spektralbereich mit einer dominanten Wellenlänge von 600nm;
8a eine schematische Darstellung der Wellenlängenspektren eines Gelbleuchtstoffs vor und nach der Filterung durch einen Langpassfilter zur Erzeugung von Licht im roten Spektralbereich mit einer dominanten Wellenlänge von 603 nm gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung;
8b eine zu 8a korrespondierende tabellarische Darstellung von Vergleichswerten für einen Rotleuchtstoff, einen Gelbleuchtstoff und den gefilterten Gelbleuchtstoff zum Bereitstellen von Licht im roten Spektralbereich mit einer dominanten Wellenlänge von 603 nm;
9a eine schematische Darstellung der Wellenlängenspektren eines Gelbleuchtstoffs vor und nach der Filterung durch einen Langpassfilter zur Erzeugung von Licht im roten Spektralbereich mit einer dominanten Wellenlänge von 608 nm gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung;
9b eine zu 9a korrespondierende tabellarische Darstellung von Vergleichswerten für einen Rotleuchtstoff, einen Gelbleuchtstoff und den gefilterten Rotleuchtstoff und den gefilterten Gelbleuchtstoff zum Bereitstellen von Licht im roten Spektralbereich mit einer dominanten Wellenlänge von 608 nm;
10 eine schematische Darstellung des Lichtstroms für verschiedene ungefilterte Rotleuchtstoffe mit jeweils verschiedenen dominanten Wellenlängen im Vergleich zu mittels eines gefilterten Gelbleuchtstoffs erzeugtem Licht mit verschiedenen dominanten Wellenlängen;
11 eine schematische Darstellung von Effizienzwerten für verschiedene Rotleuchtstoffe mit jeweils verschiedenen dominanten Wellenlängen, mittels welchen durch Filterung Licht im roten Spektralbereich mit einer dominanten Wellenlänge von 605 nm erzeugt wurde, im Vergleich zur Effizienz von mittels eines ungefilterten Rotleuchtstoffs erzeugtem Licht mit einer dominanten Wellenlänge von 605 nm;
12 eine graphische Darstellung von Emissionsspektren von Ce:YAG Gelbleuchtstoffen für drei verschiedene Dotierungsanteile;
13 eine graphische Darstellung von Wellenlängenspektren, welche sich durch Langpassfilterung der in 12 dargestellten Emissionsspektren für die Gelbleuchtstoffe mit den drei verschiedenen Dotierungsanteilen ergeben;
14 eine graphische Darstellung von Strahlungsleistungen in Abhängigkeit der Anregungsstrahlungsleistung für eine gegebene Fläche für die Ce:YAG Gelbleuchtstoffe mit den drei verschiedenen Dotierungsanteilen; und
15 eine graphische Darstellung des Lichtstroms in Abhängigkeit der Anregungsstrahlungsleistung für eine gegebene Fläche für die Ce:YAG Gelbleuchtstoffe mit den drei verschiedenen Dotierungsanteilen.
Bevorzugte Ausführung der Erfindung
2 zeigt eine schematische Darstellung eines Leuchtstoffrads 13 und eines korrespondierenden Filterrads 14 für ein Lichtmodul 15 (vgl. 3) gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung. Das Leuchtstoffrad 13 ist dabei drehbar um die Drehachse A ausgebildet und weist einen ringförmig um die Drehachse A verlaufenden, segmentierten Bereich 16 auf. Dabei ist in zwei Segmenten dieses Bereichs 16 ein Gelbleuchtstoff 18 angeordnet und in zwei weiteren Segmenten dieses Bereichs 16 ist ein Grünleuchtstoff 20 angeordnet. Weitere zwei Segmente des ringförmigen Bereichs 16 weisen keinen Leuchtstoff auf sondern sind mit einer Durchgangsöffnung 22 ausgebildet. Der in der oberen Durchgangsöffnung 22 dargestellte Kreis soll hierbei schematisch die auf das Leuchtstoffrad 13 fokussierte Anregungsstrahlung 24 der Anregungsstrahlungsquelle 26 (vgl. 3) darstellen. Durch Drehung des Leuchstoffrads kann so jedes Segment des ringförmigen Bereichs mit der Anregungsstrahlung 24 sequentiell angestrahlt werden. Durch Anregung des Gelbleuchtstoffs 18 mittels der Anregungsstrahlung 24 emittiert der Gelbleuchtstoff 18 Licht mit einem Emissionsspektrum, das insbesondere eine dominante Wellenlänge λ_D im gelben Spektralbereich aufweist. Ebenso emittiert der Grünleuchtstoff 20 bei Anregung durch die Anregungsstrahlung 24 Licht mit einem Emissionsspektrum, das eine dominante Wellenlänge λ_D im grünen Spektralbereich aufweist. Das von den Leuchtstoffen 18 und 20 emittierte Licht sowie auch die durch die Durchgangsöffnung 22 des Leuchtstoffrads 13 transmittierte Anregungsstrahlung 24 kann z.B. durch geeignete optische Elemente auf das Filterrad 14 fokussiert werden. Alternativ zum Gelbleuchtstoff 18 kann hier in gleicher Weise auch ein Gelb-Grün-Leuchtstoff verwendet werden.
Das Filterrad 14 weist mehrere kreissegmentförmige Bereiche auf. Dabei ist in zweien dieser Bereiche ein Langpassfilter angeordnet, der auf diesen auftreffendes Licht gemäß der dargestellten Filterkennlinie 30 filtert. Dieser Langpassfilter 28 transmittiert Licht mit einer Wellenlänge oberhalb seiner Grenzwellenlänge TG und ist für Licht mit Wellenlängen kleiner als die Grenzwellenlänge TG im Wesentlichen nicht durchlässig. Dieser Langpassfilter 28 ist nun dazu ausgelegt, das vom Gelbleuchtstoff 18 emittierte Licht derart zu filtern, dass die dominante Wellenlänge λ_D des daraus resultierenden Wellenlängenspektrums des gefilterten Lichts größer ist, insbesondere um einen durch die Grenzwellenlänge TG des Langpassfilters 28 bestimmten vorgebbaren Wert, als die dominante Wellenlänge λ_D des Emissionsspektrums des Gelbleuchtstoffs 18. Somit lässt sich durch Filterung Licht im roten Spektralbereich erzeugen, das bei gleicher Anregungsstrahlungsflächenleistungsdichte einen deutlich höheren Lichtstrom aufweist als das von einem Rotleuchtstoff emittierte Licht mit einer vergleichbaren oder selben dominanten Wellenlänge, da die deutlich höhere Konversionseffizienz des Gelbleuchtstoffs 18 die durch die Filterung entstehenden Lichtverluste mehr als nur kompensiert. Dieser Lichtstromvorteil ist dabei umso größer, je größer die Anregungsstrahlungsflächenleistungsdichte der Anregungsstrahlung 24 ist. Daher ist es vorteilhaft, den Gelbleuchtstoff 18 zur Anregung mit einer Anregungsstrahlungsflächenleistungsdichte von ca. mindestens 1 kW/cm² zu bestrahlen. Gleiches gilt auch für einen Gelb-Grün-Leuchtstoff.
In zwei weiteren kreisförmigen Segmenten 32 des Filterrads 14 ist das Filterrad 14 lichtdurchlässig, also insbesondere ohne Wellenlängenfilter, ausgebildet. Somit kann durch korrespondierende Bewegung des Filterrads 14 und des Leuchstoffrads 13 bei weiterhin entsprechend korrespondierender Ausbildung der Segmente des Leuchtstoffrads 13 und des Filterrads 14 ein Teil des vom Gelbleuchtstoff 18 emittierten Lichts auf die Bereiche mit den Langpassfiltern 28 des Filterrads 14 und ein Teil des Emissionslichts auf die lichtdurchlässigen Bereiche 32 des Filterrads 14 eingestrahlt werden. So kann mittels nur eines Leuchtstoffs, nämlich dem Gelbleuchtstoff 18, Licht im gelben und gleichzeitig auch im roten Spektralbereich erzeugt werden. Weiterhin ist der lichtdurchlässige Bereich 32 des Filterrads 14 auch derart korrespondierend zum Leuchtstoffrad 13 ausgebildet, dass auch die Anregungsstrahlung 24, welche das Leuchtstoffrad 13 durch die Durchgangsöffnungen 22 passiert, auf die lichtdurchlässigen Bereiche 32 des Filterrads 14 eingestrahlt werden und dieses ohne Änderung der spektralen Verteilung passieren kann.
Des Weiteren ist in zwei weiteren kreissegmentförmigen Bereichen des Filterrads 14 ein weiterer Filter angeordnet, der hier als Kurzpassfilter 34 ausgebildet ist und dazu ausgelegt ist, den gelben Spektralanteil des vom Grünleuchtstoff 20 auf diesen Kurzpassfilter 34 eingestrahlten Lichts herauszufiltern, so dass sich die dominante Wellenlänge des Emissionsspektrums des Grünleuchtstoffs 20 zu kleineren Wellenlängen hin verschiebt. Dadurch kann der durch Kombination des Leuchtstofflichts und der Anregungsstrahlung 24 adressierbare Farbraum vergrößert werden. Diese hier dargestellten Kurzpassfilter 34 sind nur optional. Alternativ können diese Bereiche, in welchen die Kurzpassfilter 34 angeordnet sind, auch lichtdurchlässig, insbesondere so wie die lichtdurchlässigen Bereiche 32, ausgebildet sein.
Die Filter, d.h. die Langpassfilter 28 und die Kurzpassfilter 34, können weiterhin als Beschichtung auf einer Seite des Filterrads 14 aufgebracht sein. Darüber hinaus kann auf der anderen Seite des Filterrads 14, insbesondere über alle von Licht durchstrahlbaren Bereiche hinweg, eine Antireflexschicht aufgebracht sein um Lichtverluste durch Reflexion zu minimieren.
Weiterhin können auf dem Leuchtstoffrad 13 auch weitere andere Leuchtstoffe, z.B. Cyan- und/oder Magenta-Leuchtstoffe, angeordnet sein. Genauso können auch anstelle der beschriebenen Gelb- und Grünleuchtstoffe andere Leuchtstoffe auf dem Leuchtstoffrad 13 angeordnet sein und/oder die Leuchtstoffbereiche in ihrer Anordnung, Ausbildung und Größe andersartig ausgebildet sein. Zum Bereitstellen eines Farbraums durch Kombination von Grundfarben sind vor allem als Grundfarben rot, grün und blau vorteilhaft. Somit ist es auch möglich, das Segment des Leuchtstoffrads 13 mit dem Gelbleuchtstoff 18 in seiner Größe und Anordnung so auszubilden, dass vom Gelbleuchtstoff 18 emittiertes Licht nahezu vollständig, insbesondere bis auf unvermeidbare Lichtverluste, auf den bzw. die Langpassfilter 28 eingestrahlt wird. Jedoch hat zusätzlich zur Kombination zur Verfügung stehendes Licht im gelben Spektralbereich den Vorteil, dass auch hierdurch der adressierbare Farbraum vergrößert werden kann. Es kann auch vorgesehen sein, dass auf dem Leuchtstoffrad 13 ein Rotleuchtstoff angeordnet ist, alternativ oder zusätzlich zum Gelbleuchtstoff 18. Das vom Rotleuchtstoff emittierte Licht kann auf den Langpassfilter 28 des Filterrads 14 eingestrahlt werden, um Licht im roten Spektralbereich zu erzeugen mit einer größeren dominanten Wellenlänge als die des Emissionsspektrums des Rotleuchtstoffs selbst. So kann beispielsweise ein Rotton, der ein verbessertes subjektives Farbempfinden hervorruft, erzeugt werden und dadurch wiederum der adressierbare Farbraum vergrößert werden. Weiterhin bringt auch dies Lichtstromvorteile mit sich im Vergleich zur Verwendung von Rotleuchtstoffen deren Emissionsspektren als dominante Wellenlänge von vorne herein eine größere dominante Wellenlänge aufweisen.
Auch die Segmentgrößen des Leuchstoffrads 13 können unterschiedlich bemessen sein, und je nach gewünschtem Lichtstrom in einzelnen Farbkanälen bzw. den gewünschten Lichtstromverhältnissen der Lichtströme zueinander je nach Anwendungsfall ausgestaltet sein.
3 zeigt eine schematische Darstellung eines Lichtmoduls 15 gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung. Das Lichtmodul 15 umfasst dabei eine als Laserdioden-Array ausgebildete Anregungsstrahlungsquelle 26, welche eine Mehrzahl an Laserdioden 26a umfasst. Auch andere Strahlungsquellen wären denkbar, wie beispielsweise solche, die LASER, Superlumineszensdioden, LEDs, organische LEDs und dergleichen umfassen. Die Anregungsstrahlungsquelle 26 ist dazu ausgelegt, Anregungsstrahlung 24 im blauen oder ultravioletten Spektralbereich, bevorzugt im Bereich 440–470 nm, besonders bevorzugt bei ca. 450 nm, zu emittieren, da dies für die meisten Leuchtstoffe eine geeignete Anregungswellenlänge darstellt. Über optische Elemente 38, 40 wird das Licht dieser Laserdioden 26a auf ein Wellenlängenkonversionselement gelenkt, das beispielsweise auf einem Leuchtstoffrad 13 angeordnet sein kann. Das Leuchtstoffrad 13 kann dabei z.B. wie zu 2 beschrieben ausgebildet sein. Auf dem Leuchtstoffrad 13 ist zumindest ein erster Leuchtstoff, bevorzugt ein Gelbleuchtstoff 18 (vgl. 2) oder Gelb-Grün-Leuchtstoff, angeordnet, dessen Emissionsspektrum zumindest einen roten Spektralanteil aufweist. Dabei können noch weitere andersartige Leuchtstoffe auf dem Leuchtstoffrad 13 angeordnet sein, die insbesondere in Segmenten des Leuchtstoffrads 13 angeordnet sind und durch Drehung des Leuchtstoffrads 13 sequentiell angestrahlt und zur Emission von wellenlängenkonvertiertem Licht angeregt werden können. Weiterhin weist das Leuchtstoffrad 13 zumindest eine Durchgangsöffnung 22 auf, so dass die auf das Leuchtstoffrad 13 eingestrahlte Anregungsstrahlung 24 zum Teil durch das Leuchtstoffrad 13 transmittiert werden kann. Durch geeignete Umlenkung dieser transmittierten Anregungsstrahlung 24 kann sie mit dem vom Leuchtstoffrad 13 konvertierten und emittierten Licht kombiniert werden, wozu insbesondere noch ein Integrator (nicht dargestellt) vorgesehen sein kann, auf welchen das kombinierte Strahlenbündel gelenkt wird. Zum Umlenken der durch das Leuchtstoffrad 13 transmittierten Anregungsstrahlung 24 sind insbesondere drei Spiegel 36 vorgesehen, die im Strahlengang jeweils in einem Winkel von 45° zur einfallenden Anregungsstrahlung 24 angeordnet sind. Des Weiteren ist im Strahlengang zwischen der Anregungsstrahlungsquelle 26 und dem Leuchtstoffrad 13 ein dichroitischer Spiegel 37 angeordnet, der dazu ausgelegt ist, Licht im blauen Spektralbereich zu reflektieren und Licht im nicht blauen Spektralbereich, d.h. Licht mit größeren Wellenlängen, zu transmittieren. Darüber hinaus sind noch weitere optischen Elemente, insbesondere in Form von Linsen 38, im Strahlengang angeordnet, welche im Wesentlichen eine fokussierende und kollimierende Wirkung haben.
Weiterhin ist im Strahlengang ein Diffusor 40 vor dem dichroitischen Spiegel 37 angeordnet, um durch Streuung der Anregungsstrahlung 24 ein aufgeweitetes Intensitätsprofil auf den Leuchtstoffen zu erzeugen.
Das vom Leuchtstoffrad 13 emittierte und konvertierte Licht wird in Richtung des dichroitischen Spiegels 37 abgestrahlt und mittels optischer Elemente 37, 38 auf ein Filterrad 14 gelenkt. Das Filterrad 14 kann dabei wie zu 2 beschrieben ausgebildet sein. Dabei sind das Leuchtstoffrad 13 und das Filterrad 14 in ihrer Ausbildung, Anordnung und Bewegung derart korrespondierend, dass das vom ersten Leuchtstoff emittierte Licht zumindest zum Teil auf einen oder mehrere auf dem Filterrad 14 angeordnete Langpassfilter 28 eingestrahlt wird. Das von anderen auf dem Leuchtstoffrad 13 angeordneten Leuchtstoffen emittierte Licht sowie die umgelenkte Anregungsstrahlung 24 werden ebenfalls auf das Filterrad 14 eingestrahlt, jedoch auf Bereiche des Filterrads 14 in denen kein Langpassfilter 28 angeordnet ist, und können das Filterrad 14 ohne Filterung passieren oder ebenfalls einen Filter durchlaufen.
4 zeigt eine schematische Darstellung eines Emissionsspektrums 50a eines Gelbleuchtstoffs 18 vor einer Filterung und das Wellenlängenspektrum 50b nach der Filterung durch einen Langpassfilter 28 (vgl. 2) mit der dargestellten Filterkennlinie 52 zur Veranschaulichung des Funktionsprinzips des Lichtmoduls 15 (vgl. 3) bzw. die Vorgehensweise beim Verfahren zur Erzeugung von Licht im roten Spektralbereich gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung. Die spektrale Verteilung des Emissionslichts 50a des ungefilterten Gelbleuchtstoffs 18 weist für den hier exemplarisch verwendeten Gelbleuchtstoff 18 eine dominante Wellenlänge λ_D von ca. 571 nm auf und die Effizienz η dieses konvertierten Emissionslichts, d.h. der Lichtstrom Φ_v im Verhältnis zur Strahlungsleistung Φ_e, beträgt 473 lm/W bei einer Einstrahlung von Anregungsstrahlung 24 auf den Gelbleuchtstoff 18 mit einer vorgegebenen Anregungsleistungsdichte, d.h. Anregungsleistung pro Flächeneinheit. Das Wellenlängenspektrum 50b des Gelbleuchtstoffs 18 umfasst dabei auch einen roten Spektralanteil. Somit kann durch geeignete Filterung Licht im roten Spektralbereich erzeugt werden, d.h. insbesondere durch Filterung die dominante Wellenlänge λ_D in den roten Spektralbereich „verschoben” werden. Dazu eignet sich beispielsweise ein Langpassfilter 28, dessen Filterkennlinie 52 ebenfalls schematisch dargestellt ist. Diese Filterkennlinie 52 stellt den Transmissionsgrad T in Abhängigkeit von der Wellenlänge dar. T_max bezeichnet hierbei den maximalen Transmissionsgrad. Wird nun das vom Gelbleuchtstoff 18 emittierte Licht durch einen derartigen Langpassfilter 28 gefiltert, so ergibt sich das rechts dargestellte gefilterte Wellenlängenspektrum 50b. Dieses weist nun eine dominante Wellenlänge λ_D bei ca. 601 nm auf und eine Effizienz η von 289 lm/W. Trotz der Effizienzminderung bedingt durch die Filterung kann vorteilhafterweise dennoch eine Steigerung der Effizienz η im Vergleich zur Verwendung eines Rotleuchtstoffs erzielt werden.
Um die Vorteile dieser Filterung bei der Erzeugung von Licht im roten Spektralbereich deutlich zu machen, ist in 5 zum Vergleich ein Emissionsspektrum 54 eines Rotleuchtstoffs mit einer dominanten Wellenlänge λ_D bei ca. 599 nm dargestellt. Bei Anregung dieses Rotleuchtstoffs mit Anregungsstrahlung 24 mit derselben Anregungsleistungsdichte wie beim Gelbleuchtstoff 18 gemäß 4 ergibt sich eine Effizienz η von 224 lm/W, welche somit deutlich niedriger ist als beim gefilterten Wellenlängenspektrum 50b des Gelbleuchtstoffs 18.
Dieser Gelbleuchtstoff 18 kann nun besonders vorteilhaft dazu genutzt werden Licht im roten Spektralbereich zu erzeugen und dabei gleichzeitig die Effizienz des so erzeugten Lichts im Vergleich zu von einem Rotleuchtstoff konvertiertem Licht zu steigern.
6 zeigt eine schematische Darstellung der Abhängigkeit des Lichtstroms Φ_v von der eingestrahlten Pumpleistung P_P für einen Rotleuchtstoff, dargestellt als die mit R bezeichnete Kurve, und einen gefilterten Gelbleuchtstoff 18, dargestellt als die mit G bezeichnete Kurve. Die angeregte Leuchtstofffläche des Gelbleuchtstoffs 18 und des Rotleuchtstoffs sind dabei die selben. Dabei ist deutlich zu erkennen, dass ab einem bestimmten Schwellwert S der Pumpleistung P_P mit zunehmender Pumpleistung P_P die Lichtstromzunahme des durch den gefilterten Gelbleuchtstoff 18 erzeugten Lichts größer ist als die des durch den Rotleuchtstoff emittierten Lichts. Dieser Schwellwert S liegt in etwa bei 1 kW/cm². Dies bedeutet, dass bei Anregungsleistungsdichten ab ca. 1 kW/cm² die Verwendung eines Gelbleuchtstoffs 18 in Kombination mit einem Langpassfilter 28 zur Erzeugung von Licht im roten Spektralbereich deutlich effektiver ist als die Verwendung eines Rotleuchtstoffs. Dies ist dadurch bedingt, dass bei hohen Anregungsleistungsdichten die verminderten Quenching-Effekte eines Gelbleuchtstoffs 18 gegenüber einem Rotleuchtstoff deutlich zum Tragen kommen und sich somit trotz Filterung eine deutliche Steigerung des Lichtstroms Φ_v erzielen lässt.
In den Figuren 7a, 8a und 9a sind die gefilterten Wellenlängenspektren GGL1, GGL2, GGL3 dargestellt, die sich bei einem Verfahren und einem Lichtmodul 15 gemäß von Ausführungsbeispielen der Erfindung ergeben, bei welchen ein Gelbleuchtstoff 18 zur Erzeugung von Licht im roten Spektralbereich verwendet wird, dessen Emissionsspektrum GL ebenfalls schematisch dargestellt ist und mittels Langpassfilter 28 unterschiedlicher Grenzwellenlängen T1, T2 und T3 gefiltert wurde. Die dominanten Wellenlängen λ_D dieser Spektren, sowie die Strahlungsleistung Φ_e, und der durch das Licht mit dieser spektralen Verteilungen bewirkte Lichtstrom Φ_v sind tabellarisch in den Figuren 7b, 8b und 9b angegeben. Zusätzlich sind in den Tabellen noch die Vergleichswerte eines Rotleuchtstoffs angegeben.
7a zeigt eine schematische Darstellung des Emissionsspektrums GL eines Gelbleuchtstoffs 18 und das Wellenlängenspektrum GGL1, das sich durch eine Filterung des Emissionsspektrums GL mittels eines Langpassfilters 28 ergibt. Insbesondere soll durch diese Filterung Licht im roten Spektralbereich mit einer dominanten Wellenlänge _D von 600 nm erzeugt werden. Der Langpassfilter 28 weist dabei eine Grenzwellenlänge T1 = 585 nm auf, d.h. Licht mit dieser Wellenlänge, das auf den Langpassfilter 28 auftrifft wird zu 50% transmittiert. Die Flankensteilheit λ_10%-90% des Langpassfilters 28 beträgt in diesem Beispiel 25 nm, d.h. die Breite des Wellenlängenbereichs, in dem der Transmissionsgrad T des Langpassfilters 28 von 10% auf 90% steigt, beträgt 25 nm. Das hier dargestellte Emissionsspektrum GL des Gelbleuchtstoffs 18 hat eine dominante Wellenlänge λ_D von 568,4 nm. Das gefilterte Wellenlängenspektrum GGL1 weist eine dominante Wellenlänge λ_D von 600,2 nm auf. Weiterhin wurde in diesem Beispiel der Gelbleuchtstoff 18 mit einer Anregungsstrahlung 24 mit einer Anregungsstrahlungsflächenleistungsdichte von ca. 2 kW/cm² angeregt.
Die Vorteile die sich mit einer derartigen Filterung in Bezug auf Effizienz η und Lichtstrom Φ_v erzielen lassen sind der in 7b dargestellten Tabelle zu entnehmen. Diese zeigt die Werte der dominante Wellenlängen λ_D, der Strahlungsleistungen Φ_e, der Effizienz η und der Lichtströme Φ_v des Lichts des in 7a dargestellten Emissionsspektrums GL und des gefilterten Wellenlängenspektrums GGL des Gelbleuchtstoffs 18 im Vergleich zu den Werten eines Emissionsspektrums RL eines Rotleuchtstoffs mit einer dominanten Wellenlänge λ_D von 600,8 nm, welcher mit der selben Anregungsstrahlungsflächenleistungsdichte angeregt wurde. Wie der Tabelle zu entnehmen ist, lässt sich durch die Filterung des Lichts des Gelbleuchtstoffs 18 eine deutliche Effizienzsteigerung und eine Steigerung des Lichtstroms Φ_v um 48% erzielen.
8a zeigt eine schematische Darstellung des Emissionsspektrums GL eines Gelbleuchtstoffs 18, insbesondere dasselbe wie bereits in 7a dargestellt, und das Wellenlängenspektrum GGL2, das sich durch Filterung des Emissionsspektrums GL mittels eines Langpassfilters 28 ergibt. Dieser weist hierbei eine Grenzwellenlänge T2 = 590 nm und eine Flankensteilheit λ_10%-90% = 25 nm auf, um Licht im roten Spektralbereich mit einer dominanten Wellenlänge λ_D von 603 nm zu erzeugen. Die zu diesen Spektren GL und GGL2 korrespondierenden Werte sind wiederum tabellarisch in 8b dargestellt, insbesondere wieder im Vergleich zu den Werten des Emissionsspektrums RL des Rotleuchtstoffs mit der dominanten Wellenlänge λ_D bei 600,8 nm. Wie insbesondere den Werten für Effizienz η und Lichtstrom Φ_v zu entnehmen ist, ist durch die Filterung des Emissionsspektrums GL des Gelbleuchtstoffs 18 im Vergleich zum Rotleuchtstoff eine Steigerung in der Effizienz η und des Lichtstroms Φ_v bewirkbar und auf vorteilhafte Weise gleichzeitig auch eine um ca. 2,5 nm längere dominante Wellenlänge λ_D umsetzbar.
9a zeigt eine weitere schematische Darstellung des Emissionsspektrums GL des Gelbleuchtstoffs 18, insbesondere wieder dasselbe wie bereits in 7a und 8a dargestellt, und das Wellenlängenspektrum GGL3, das sich durch Filterung des Emissionsspektrums GL mittels eines wiederum anderen Langpassfilters 28 ergibt. Dieser weist hierbei eine Grenzwellenlänge T3 = 595 nm und eine Flankensteilheit λ_10%-90% = 20 nm auf, um Licht im roten Spektralbereich mit einer dominanten Wellenlänge λ_D von 608 nm zu erzeugen. Die zu diesen Spektren GL und GGL3 korrespondierenden Werte sind wiederum tabellarisch in 9b dargestellt, insbesondere wieder im Vergleich zu den Werten des Emissionsspektrums RL des Rotleuchtstoffs mit der dominanten Wellenlänge λ_D bei 600,8 nm und zusätzlich noch im Vergleich zu den Werten eines Wellenlängenspektrums GRL, das sich durch Filterung mittels eines Langpassfilters 28 aus dem Emissionsspektrum RL des Rotleuchtstoffs ergibt. Der Rotleuchtstoff weist hierbei wiederum ein Emissionsspektrum RL mit einer dominante Wellenlänge λ_D von 600,8 nm, das gefilterte Wellenlängenspektrum GRL des Rotleuchtstoffs eine dominante Wellenlänge λ_D von 608,0 nm. Hierbei ist den in der Tabelle dargstellten Werten zu entnehmen, dass es deutlich effizienter und auch mit einem höheren Lichtstrom Φ_v verbunden ist, Licht durch Filterung eines Gelbleuchtstoffs 18 zu erzeugen als Licht durch Filterung des Rotleuchtstoffs zu erzeugen. Die Vorteile der Filterung von Emissionsspektren GL von Gelbleuchtstoffen gegenüber der Filterung von Emissionsspektren RL von Rotleuchtstoffen soll in 10 veranschaulicht werden.
10 zeigt eine schematische Darstellung des Lichtstroms Φ_v für verschiedene ungefilterte Rotleuchtstoffe mit jeweils verschiedenen dominanten Wellenlänge λ_D im Vergleich zu mittels eines gefilterten Gelbleuchtstoffs 18 erzeugten Lichts. Im dargestellten Diagramm ist dabei auf der Abszisse die dominante Wellenlänge λ_D aufgetragen und auf der Ordinate der Lichtstrom Φ_v. Die rautenförmig dargestellten Punkte stellen die Lichtstromwerte verschiedener Rotleuchtstoffe, insbesondere von verschiedenen Herstellern und aus verschiedenen Materialien mit unterschiedlichen Dotierungen, mit den jeweiligen dominanten Wellenlängen λ_D dar. Die durchgehend gezeichnete Kurve K stellt den Verlauf des Lichtstroms Φ_v von durch Filterung eines Emissionsspektrums 50a eines Gelbleuchtstoffs 18 erzeugten Lichts in Abhängigkeit von der dominanten Wellenlänge λ_D des so erzeugten Lichts dar. Dazu wurde das Emissionsspektrum 50a eines Gelbleuchtstoffs 18 mit verschiedenen Langpassfiltern 28 gefiltert und die Werte des Lichtstroms Φ_v für die aus den jeweiligen unterschiedlichen Filterungen resultierenden verschiedenen dominanten Wellenlängen λ_D interpoliert. Wie zu sehen ist lässt sich also durch die Verwendung eines Gelbleuchtstoffs 18 in Kombination mit einer Langpassfilterung des emittierten Lichts eine deutliche Steigerung des Lichtstroms Φ_v, insbesondere um 25%–40%, im Vergleich zur Verwendung von Rotleuchtstoffen erzielen.
Es können jedoch nicht nur Gelbleuchtstoffe 18 verwendet werden, um eine Effizienzsteigerung bei der Erzeugung von rotem Licht zu bewirken, es können auch Rotleuchtstoffe verwendet werden, deren dominante Wellenlänge λ_D durch Langpassfilterung zu einer größeren, gewünschten, Wellenlänge hin verschoben wird. Dies soll durch 11 deutlich gemacht werden.
11 zeigt eine schematische Darstellung von Effizienzwerten für verschiedene Rotleuchtstoffe mit jeweils verschiedenen dominanten Wellenlänge λ_D, mittels welchen durch Filterung Licht im roten Spektralbereich mit einer dominanten Wellenlänge λ_D von 605 nm erzeugt wurde im Vergleich zu mittels eines ungefilterten Rotleuchtstoffs erzeugtem Licht mit einer dominanten Wellenlänge λ_D von 605 nm. Dabei repräsentiert der quadratische Punkt P bei ca. 605 nm den Lichtstrom Φ_v von Licht, das von einem Rotleuchtstoff mit einem Emissionsspektrum mit einer dominanten Wellenlänge λ_D von 605 nm emittiert wurde, und welcher als Referenzwert für den Lichtstrom Φ_v auf 100% gesetzt wurde. Die übrigen rautenförmigen Punkte im Diagramm repräsentieren die relative Effizienz η_rel bezogen auf diesen Referenzwert für verschiedene Rotleuchtstoffe mit jeweils verschiedenen und auf der Abszisse ablesbaren dominanten Wellenlängen λ_D, aus deren Emissionsspektren durch Filterung Licht mit einem Wellenlängenspektrum mit einer dominanten Wellenlänge λ_D von 605 nm erzeugt wurde. Wie zu sehen ist, lässt sich durch Filterung zum Erzeugen von Licht mit einer vorgegebenen dominanten Wellenlänge λ_D in den meisten Fällen eine Effizienzsteigerung im Vergleich zur Verwendung von Rotleuchtstoffen erzielen, die ohne spektrale Filterung diese gewünschte dominante Wellenlänge λ_D aufweisen. Wie aber bereits der Tabelle aus 7b zu entnehmen war, ist die Filterung von Gelbleuchtstoffspektren dennoch deutlich effektiver als die Filterung von Rotleuchtstoffspektren. Dabei lässt sich die Effizienzsteigerung noch weiter optimieren, wenn unterschiedliche Dotierungsanteile von Leuchtstoffen bezüglich einer Ausgangssituation, insbesondere für eine gegebene Anregungsstrahlungsflächenleistungsdichte, berücksichtigt werden.
Anhand der folgenden Figuren 12, 13, 14 und 15 sollen die Auswirkungen von unterschiedlichen Dotierungsanteilen eines Leuchtstoffs L1, L2, L3 auf die spektrale Verteilung des Emissionsspektrums (12), des langpassgefilterten Wellenlängenspektrums (13), das Quenching-Verhalten (14) und die daraus resultierende Abhängigkeit des Lichtstroms Φ_e von der Anregungsstrahlungsflächenleistungsdichte P_A (15) veranschaulicht werden.
12 zeigt eine graphische Darstellung von Emissionsspektren von Ce:YAG Gelbleuchtstoffen L1, L2, L3 für drei verschiedene Dotierungsanteile. Die Ordinate des dargestellten Diagramms gibt dabei die Intensität I als Leistung pro Wellenlänge in beliebigen Einheiten an und die Abszisse die Wellenlänge λ. Die dargestellten Spektren der Leuchtstoffe L1, L2, L3 sind dabei auf eine gleiche Gesamtleistung normiert. Weiterhin ergeben sich diese Spektren der Leuchtstoffe L1, L2, L3 bei einer Anregungsstrahlungsflächenleistungsdichte von ca. 2 kW/cm². Die gepunktete Kurve stellt dabei das Emissionsspektrum eines Leuchtstoffs L1 mit 2%iger Ce-Dotierung dar, die durchgezogene Kurve das eines Leuchtstoffs L2 mit 2,5%iger Ce-Dotierung und die gestrichelte Kurve das eines Leuchtstoffs L3 mit 3%iger Ce-Dotierung. Wie an den Spektren der Leuchtstoffe L1, L2, L3 zu erkennen ist, bewirkt eine Erhöhung des Dotierungsanteils eine Verschiebung des Emissionsspektrums zu größeren Wellenlängen hin. Daraus resultiert gleichzeitig auch eine Erhöhung des Rotanteils im Spektrum bei Erhöhung des Dotierungsanteils, wie in 13 dargestellt ist.
13 zeigt eine graphische Darstellung von Wellenlängenspektren welche sich durch Langpassfilterung der in 12 dargestellten Emissionsspektren für die Gelbleuchtstoffe L1, L2, L3 mit den drei verschiedenen Dotierungsanteilen ergeben. Auch hier gibt die Ordinate des dargestellten Diagramms die Intensität I als Leistung pro Wellenlänge in beliebigen Einheiten an und die Abszisse die Wellenlänge λ. Die drei Emissionsspektren gemäß 12 wurden dabei mit einem Langpassfilter mit einer Grenzwellenlänge TG von ca. 590 nm gefiltert und weisen eine dominante Wellenlänge λ_D von ca. 605 nm auf. Bedingt durch die Erhöhung des Rotanteils im Spektrum bei Erhöhung des Dotierungsanteils ergibt sich für einen Leuchtstoff mit höherem Dotierungsanteil also auch ein gefiltertes Wellenlängenspektrum mit größerer Intensität I. Ein dazu gegenläufiger Effekt ist jedoch das Quenching, dass bei Leuchtstoffen mit höherem Dotierungsanteil stärker zum Tragen kommt. Dies soll in 14 veranschaulicht werden.
14 zeigt eine graphische Darstellung von Strahlungsleistungen Φ_e in Abhängigkeit der Anregungsstrahlungsleistung P_A für eine gegebene Fläche, d.h. angeregte Fläche des Leuchtstoffs, für die Ce:YAG Gelbleuchtstoffe L1, L2, L3 mit den drei verschiedenen Dotierungsanteilen. Die Strahlungsleistungen Φ_e der jeweiligen Leuchtstoffe L1, L2, L3 nehmen dabei mit zunehmender Anregungsstrahlungsleistung P_A, und insbesondere gleichbleibender angeregter Leuchtstofffläche, zu. Dabei ist zu erkennen, dass die Zunahme der Strahlungsleistung P_A für Leuchtstoffe mit höherem Dotierungsanteil deutlich weniger stark ausgeprägt ist als die Zunahme für Leuchtstoffe mit niedrigerem Dotierungsanteil, was auf das stärkere Quenching bei höheren Anregungsstrahlungsflächenleistungsdichten von Leuchtstoffen mit höherem Dotierungsanteil zurückzuführen ist.
Die Zusammenführung dieser zu den 12–14 erläuterten Erkenntnisse lässt sich auf vorteilhafte Weise nun dazu nutzen, für einen gegebenen Anwendungsfall, d.h. bei einer bestimmten Ausbildung eines Lichtmoduls 15, bei der ein Wellenlängenkonversionselement 18 einer bestimmten Anregungsstrahlungsflächenleistungsdichte ausgesetzt werden soll, den Leuchtstoff für das Wellenlängenkonversionselement 18 optimal so zu wählen, dass der maximale Lichtstrom Φ_V bereitgestellt werden kann. Dies soll in 15 veranschaulicht werden.
15 zeigt eine graphische Darstellung des Lichtstroms Φ_V in Abhängigkeit der Anregungsstrahlungsleistung P_A für eine gegebene Fläche für die Ce:YAG Gelbleuchtstoffe L1, L2, L3 mit den drei verschiedenen Dotierungsanteilen, deren Emissionsspektren langpassgefiltert wurden und deren gefilterte Wellenlängenspektren eine dominante Wellenlänge λ_D von ca. 605 nm aufweisen. Bei kleineren Anregungsstrahlungsleistungen P_A ist zu erkennen, dass sich mit einem Leuchtstoff mit höherem Dotierungsanteil ein größerer Lichtstrom Φ_V bereitstellen lässt, wohingegen bei größeren Anregungsstrahlungsleistungen P_A sich ein größerer Lichtstrom Φ_V durch einen Leuchtstoff mit geringerem Dotierungsanteil bereitstellen lässt. Gemäß dieser Zuordnung der Anregungsstrahlungsleitungen P_A bei gegebenen Anregungsfläche zu einem Wert des Lichtstroms Φ_V des auf eine gewünschte dominante Wellenlänge λ_D langpassgefilterten Emissionsspektrums für mehrere unterschiedlich dotierte Leuchtstoffe L1, L2, L3 lässt sich somit für eine gegebene Anregungsstrahlungsleistungsdichte der Leuchtstoff wählen, mit dem sich der größtmögliche Lichtstrom Φ_V bereitstellen lässt.
Hierbei wurden exemplarisch drei Leuchtstoffen L1, L2, L3 mit unterschiedlichen Dotierungsanteilen verglichen, es ist aber auch denkbar mehr als drei Leuchtstoffe mit unterschiedlichen Dotierungsanteilen zu vergleichen und in die Zuordnung mit aufzunehmen. Weiterhin ist es auch denkbar, die Zuordnung nur für zwei Leuchtstoffe mit unterschiedlichen Dotierungsanteilen zu gestalten, beispielsweise mit einem Leuchtstoff mit möglichst hohem Dotierungsanteil und einem mit möglichst niedrigen Dotierungsanteil. Die Zuordnung kann des Weiteren auch in tabellarischer Form gegeben sein, z.B. in der Form, dass für jeweils eine gewünschte zu erzeugende dominante Zielwellenlänge für ein Anregungsstrahlungsflächenleistungsdichteintervall der Leuchtstoff aus einer Mehrzahl an Leuchtstoffen mit dem Dotierungsanteil angegeben ist, durch den sich der größtmögliche Lichtstrom ergibt. Weiterhin kann dabei die Zuordnung durch Lichtstrommessungen von mehreren unterschiedlichen Leuchtstoffen, deren Emissionsspektren auf eine gewünschte dominante Wellenlänge gefiltert werden, für gegebene Anregungsstrahlungsflächenleistungsdichten bereitgestellt werden.
Darüber hinaus gilt das gleiche Prinzip auch für andere Materialsysteme, z.B. für Eu-dotierte nitridische Leuchtstoffe, die im orange-rotem emittieren und deren Emissionsspektren ebenfalls bei geringeren Dotierungen zu kürzeren Wellenlänge hin verschoben werden und gleichzeitig geringer quenchen.

Claims

Lichtmodul (15) zur Erzeugung von wellenlängenkonvertiertem Licht im roten Spektralbereich mit einer vorgebbaren ersten dominanten Wellenlänge (λ_D) eines Wellenlängenspektrums (50b) mittels eines Wellenlängenkonversionselements (18), aufweisend – ein Wellenlängenkonversionselement (18), welches dazu ausgelegt ist, Anregungsstrahlung (24) mit mindestens einer ersten Wellenlänge zu absorbieren, in Licht mit mindestens einer zweiten Wellenlänge, welche größer ist als die erste Wellenlänge, zu konvertieren und dieses zu emittieren; – eine Anregungsstrahlungsquelle (26), welche dazu ausgelegt ist, Anregungsstrahlung (24) mit zumindest der ersten Wellenlänge auszusenden und welche derart angeordnet ist, dass von der Anregungsstrahlungsquelle (24) ausgesendete Anregungsstrahlung zumindest mittelbar auf das Wellenlängenkonversionselement (18) einstrahlbar ist; dadurch gekennzeichnet, dass das Wellenlängenkonversionselement (18) ein Emissionsspektrum (50a) mit einem roten Spektralanteil und mit einer zweiten dominanten Wellenlänge (λ_D) aufweist, die mindestens um einen vorgebbaren Wert kleiner ist als die erste dominante Wellenlänge (λ_D) des Wellenlängenspektrums (50b) des zu erzeugenden Lichts, wobei das Lichtmodul (15) weiterhin einen Langpassfilter (28) aufweist, der derart angeordnet ist, dass vom Wellenlängenkonversionselement (18) emittiertes Licht zumindest zum Teil und zumindest mittelbar auf den Langpassfilter (28) einstrahlbar ist, wobei der Langpassfilter (28) dazu ausgelegt ist, das vom Wellenlängenkonversionselement (18) emittierte und auf den Langpassfilter (28) eingestrahlte Licht derart zu filtern, dass das gefilterte Licht das Wellenlängenspektrum (50b) des zu erzeugenden Lichts mit der vorgebbaren dominanten Wellenlänge (λ_D) aufweist.
Lichtmodul (15) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Wellenlängenkonversionselement (18) derart ausgebildet ist, dass die zweite dominante Wellenlänge (λ_D) des Emissionsspektrums (50a) des Wellenlängenkonversionselements (18) in einem gelben oder gelbgrünen Spektralbereich liegt.
Lichtmodul (15) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Wellenlängenkonversionselement (18) als Ce:YAG-Leuchtstoff ausgebildet ist, insbesondere mit einer Co-Dotierung, um eine vorgebbare Emissionscharakteristik des Wellenlängenkonversionselements (18) bereitzustellen.
Lichtmodul (15) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Anregungsstrahlungsquelle (26) dazu ausgelegt ist, Anregungsstrahlung (24) mit einer Anregungsstrahlungsflächenleistungsdichte von mindestens 1 kW/cm² auf das Wellenlängenkonversionselement (18) einzustrahlen, und insbesondere derart ausgestaltet ist, dass die Anregungsstrahlungsquelle (26) im Betrieb des Lichtmoduls (15) Anregungsstrahlung (24) mit einer Anregungsstrahlungsflächenleistungsdichte von mindestens 1 kW/cm² auf das Wellenlängenkonversionselement (18) einstrahlt.
Lichtmodul (15) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass als vorgebbare erste dominante Wellenlänge (λ_D) eine Wellenlänge vorgegeben ist, die größer ist als 590 nm, insbesondere größer als 600 nm.
Lichtmodul (15) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Lichtmodul (15) ein Leuchtstoffrad (13), welches um eine Drehachse (A) des Leuchstoffrads (13) drehbar ist, aufweist, wobei zumindest das Wellenlängenkonversionselement (18) zumindest in einem Segment eines ringförmigen um die Drehachse des Leuchtstoffrads (13) verlaufenden Bereichs (16) des Leuchtstoffrads (13) angeordnet ist, wobei zumindest ein zweites Wellenlängenkonversionselement (34) zumindest in einem zweiten Segment des ringförmig um die Drehachse des Leuchtstoffrads (13) verlaufenden Bereichs (16) angeordnet ist.
Lichtmodul (15) nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Leuchtstoffrad (13) in zumindest einem dritten Segment des ringförmig um die Drehachse verlaufenden Bereichs (16) eine Durchgangsöffnung (22) aufweist, wobei das Lichtmodul (15) derart ausgestaltet ist, dass von der Anregungsstrahlungsquelle (26) abgestrahlte Anregungsstrahlung (24) zumindest mittelbar bei einer Drehung des Leuchtstoffrad (13) auf jedes Segment des ringförmig um die Drehachse (A) verlaufenden Bereichs (16) des Leuchtstoffrads (13) sequentiell einstrahlbar ist.
Lichtmodul (15) nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Lichtmodul (15) ein Leuchtstoffrad (13) aufweist, welches um eine Drehachse (A) des Leuchtstoffrads (13) drehbar ist, wobei das Wellenlängenkonversionselement (18) als einziges Wellenlängenkonversionselement auf dem Leuchtstoffrad (13) angeordnet ist.
Lichtmodul (15) nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Wellenlängenkonversionselement (18) an einem Träger angeordnet ist, welcher zumindest relativ zur Anregungsstrahlungsquelle (26) nicht bewegbar angeordnet ist.
Lichtmodul (15) nach einem der Ansprüche 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass das Lichtmodul (15) ein Filterrad (14) aufweist, das zumindest den Langpassfilter (28) umfasst, wobei der Langpassfilter (28) in zumindest einem ersten Bereich des Filterrads (14) angeordnet ist, wobei das Filterrad (14) um eine Drehachse des Filterrads (14) derart korrespondierend zu dem Leuchtstoffrad (13) drehbar ist, dass zumindest ein Teil des vom Wellenlängenkonversionselement (18) emittierten Lichts mit der zweiten dominante Wellenlänge (λ_D) zumindest mittelbar auf den zumindest einen ersten Bereich des Filterrads (14), in dem der Langpassfilter (28) angeordnet ist, einstrahlbar ist.
Lichtmodul (15) nach einem Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass das Filterrad (14) zumindest einen zweiten Bereich aufweist, in dem der Langpassfilter (28) nicht angeordnet ist, wobei das Filterrad (14) derart korrespondierend zu dem Leuchtstoffrad (13) drehbar ist, dass ein Teil des vom Wellenlängenkonversionselement (18) emittierten Lichts mit der zweiten dominante Wellenlänge (λ_D) zumindest mittelbar auf den zumindest einen zweiten Bereich des Filterrads (14), in dem der Langpassfilter (28) nicht angeordnet ist, einstrahlbar ist.
Verfahren zum Erzeugen von wellenlängenkonvertiertem Licht im roten Spektralbereich mit einer vorgebbaren ersten dominanten Wellenlänge (λ_D) eines Wellenlängenspektrums (50b) mittels eines Wellenlängenkonversionselements (18) mit den Schritten: a) Bereitstellen eines Wellenlängenkonversionselements (18), welches bei einer Absorption von Anregungsstrahlung (24) mit zumindest einer ersten Wellenlänge dieses in Licht mit zumindest einer zweiten Wellenlänge konvertiert und emittiert, wobei die zweite Wellenlänge größer ist als die erste Wellenlänge; b) Einstrahlen von Anregungsstrahlung (24), welche Strahlung mit der ersten Wellenlänge umfasst, auf das Wellenlängenkonversionselement (18); dadurch gekennzeichnet, dass in Schritt a) ein Wellenlängenkonversionselement (18) bereitgestellt wird, das ein Emissionsspektrum (50a) mit einer zweiten dominanten Wellenlänge (λ_D) aufweist, die mindestens um einen vorgebbaren Wert kleiner ist als die erste dominante Wellenlänge (λ_D) des Wellenlängenspektrums (50b) des zu erzeugenden Lichts, und einen roten Spektralanteil aufweist, wobei nach Schritt b) in einem weiteren Schritt c) das vom Wellenlängenkonversionselement (18) emittierte Licht zumindest zum Teil durch einen Langpassfilter (28) derart gefiltert wird, dass das gefilterte Licht das Wellenlängenspektrum (50b) des zu erzeugenden Lichts mit der vorgebbaren dominanten Wellenlänge (λ_D) aufweist.
Verfahren zum Bereitstellen eines Wellenlängenkonversionselements (18), gekennzeichnet durch die Schritte: a) Vorgeben einer Anregungsstrahlungsflächenleistungsdichte zum Anregen des Wellenlängenkonversionselements (18); b) Bereitstellen einer Zuordnung von Lichtströmen (Φ_V) in Abhängigkeit von Anregungsstrahlungsflächenleistungsdichten für eine Mehrzahl von langpassgefilterten Wellenlängenspektren mit jeweils gleicher dominanter Wellenlänge (λ_D) von einer Mehrzahl an aus einem wellenlängenkonvertierenden Grundmaterial gebildeten und mit Dotierungsatomen dotierten Leuchtstoffen (L1; L2; L3) mit jeweils unterschiedlichen Dotierungsanteilen; c) Anhand der in Schritt b) bereitgestellten Zuordnung Bestimmen eines Leuchtstoffs (L1; L2; L3) aus der Mehrzahl an Leuchtstoffen (L1; L2; L3), welcher für die in Schritt a) vorgegebene Anregungsstrahlungsflächenleistungsdichte den größten Lichtstromwert aufweist; und d) Bereitstellen des Wellenlängenkonversionselements (18) als den in Schritt c) bestimmten Leuchtstoff (L1; L2; L3).