DE102019210255A1

DE102019210255A1 - Beleuchtungseinrichtung zum Abstrahlen von Licht mehrerer Wellenlängen, optische Analyseeinrichtung zum Beleuchten und Analysieren einer Probe und Verfahren zum Herstellen einer Beleuchtungseinrichtung

Info

Publication number: DE102019210255A1
Application number: DE102019210255.7A
Authority: DE
Inventors: Marc Schmid; Christoph Schelling
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2019-07-11
Filing date: 2019-07-11
Publication date: 2021-01-14
Also published as: WO2021004916A1

Abstract

Die vorliegende Erfindung schafft eine Beleuchtungseinrichtung (1) zum Abstrahlen von Licht mehrerer Wellenlängen umfassend eine Lichtquelle (10); eine wellenlängenkonvertierende Einrichtung (2), welche in einem Abstrahlbereich der Lichtquelle (10) angeordnet ist, welche zumindest einen ersten Konverterbereich (KB3a, KB3b, ..., KB3n) mit einem ersten wellenlängenkonvertierenden Material (3a) und einen zweiten Konverterbereich (KB3a', KB3b', ..., KB3n') mit einem zweiten wellenlängenkonvertierenden Material (3b) umfasst, wobei der erste Konverterbereich (KB3a, KB3b, ..., KB3n) dazu eingerichtet ist, Licht von der Lichtquelle (10) in eine erste Wellenlänge zu konvertieren und der zweite Konverterbereich (KB3a', KB3b', ..., KB3n') dazu eingerichtet ist, Licht von der Lichtquelle (10) in eine zweite Wellenlänge zu konvertieren, wobei die erste und die zweite Wellenlänge verschieden sind, und wobei die Konverterbereiche (KB3a, KB3b', ..., KB3n) lateral nebeneinander angeordnet sind.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Beleuchtungseinrichtung zum Abstrahlen von Licht mehrerer Wellenlängen, eine optische Analyseeinrichtung zum Beleuchten und Analysieren einer Probe und ein Verfahren zum Herstellen einer Beleuchtu ngsein richtung.
Stand der Technik
Lichtkonvertierende Leuchtstoffe sind etwa aus Leuchtstoffröhren bekannt. Meist hat der Leuchtstoff aufgrund der Augenempfindlichkeit für die Abstrahlung im Sichtbaren nur eine vergleichsweise geringe Bandbreite von 400 nm bis etwa 700 nm. Für eine Anwendung in der Sensorik sind unter Umständen wesentlich größere Bandbreiten notwendig oder wünschenswert, etwa außerhalb des sichtbaren Wellenlängenbereichs, beispielsweise im Infrarot. Die Leuchtstoffentwicklung bezieht sich meist auf den sichtbaren Wellenlängenbereich und daher sind für das Infrarot wesentlich weniger geeignete Materialien für Infrarotleuchtstoffe bekannt.
Für die Spektrometrie wird derzeit in dem Produkt SCiO von ConsumerPhysics eine PC-LED („Phosphor Converted Light Emitting Diode“) verwendet, die abseits des sichtbaren Wellenlängenbereiches von 700 nm bis 1000 nm Leuchtstoff-konvertiertes Infrarot-Licht emittiert. Das Anregungslicht der LED besitzt eine Wellenlänge von etwa 450 nm und wird vom Leuchtstoff mit weit geringeren Effizienzen umgesetzt als das für entsprechende Produkte aus der Beleuchtungsanwendung der Fall ist.
Breitbandigere Lösungen und/oder entsprechende Produkte im längerwelligen Infrarotbereich wären wünschenswert. Insbesondere für die Spektrometrie sollte die Lichtquelle über einen breiten emittierten Wellenlängenbereich möglichst mit konstanter Intensität verfügen. Die Eigenschaften der verfügbaren Leuchtstoffe der PC-LED (phosphor converted) beeinflussen den Funktionsumfang und die Leistungsfähigkeit eines optischen Systems (z.B. eines Spektrometers oder einer Hyperspektralkamera) erheblich. Meist werden zwei verschiedene PC-LEDs mit unterschiedlichen Wellenlängenbereichen für die Beleuchtung verwendet. Um einen breiteren Wellenlängenbereich (> 300 nm) mit einer einzigen LED abzudecken, sind meist mehrere Leuchtstoffe erforderlich.
In der CN 105 895783 A wird vorgeschlagen mehrere Leuchtstoffe übereinander zu stapeln und durch alle Schichten hindurch anzuregen.
Offenbarung der Erfindung
Die vorliegende Erfindung schafft eine Beleuchtungseinrichtung zum Abstrahlen von Licht mehrerer Wellenlängen nach Anspruch 1, eine optische Analyseeinrichtung zum Beleuchten und Analysieren einer Probe nach Anspruch 13 und ein Verfahren zum Herstellen einer Beleuchtungseinrichtung nach Anspruch 15.
Bevorzugte Weiterbildungen sind Gegenstand der Unteransprüche.
Vorteile der Erfindung
Die der vorliegenden Erfindung zugrundeliegende Idee besteht darin, eine Beleuchtungseinrichtung zum Abstrahlen von Licht mehrerer Wellenlängen, eine optische Analyseeinrichtung zum Beleuchten und Analysieren einer Probe und ein Verfahren zum Herstellen einer optischen Beleuchtungseinrichtung anzugeben, wobei eine kompakte und breitbandige Lichtquelle für eine Analysevorrichtung, etwa ein Spektrometer oder ein bildgebender Hyperspektralsensor, für das Bestrahlen einer Probe realisierbar ist. Die Beleuchtungseinrichtung kann im sichtbaren Wellenlängenbereich und auch im UV- oder infraroten Wellenlängenbereich, zur Anwendung in der Spektroskopie, abstrahlen. Durch die Beleuchtungseinrichtung können die Emissionseigenschaften mehrerer einzelner wellenlängenkonvertierender Materialien unabhängig voneinander an Bedarfszwecke angepasst werden und deren Beeinflussung untereinander verringert werden. So können etwa die Intensität die Emission, die Bandbreite der Beleuchtungseinrichtung, oder Anstiegs- und Abklingzeiten angepasst werden und dabei Emissionseffizienzeinbrüche im Vergleich zu einem Gemisch von wellenlängenkonvertierenden Materialein verringert oder vermieden werden.
Erfindungsgemäß umfasst die Beleuchtungseinrichtung zum Abstrahlen von Licht mehrerer Wellenlängen eine Lichtquelle; eine wellenlängenkonvertierende Einrichtung, welche in einem Abstrahlbereich der Lichtquelle angeordnet ist, welche zumindest einen ersten Konverterbereich mit einem ersten wellenlängenkonvertierenden Material und einen zweiten Konverterbereich mit einem zweiten wellenlängenkonvertierenden Material umfasst, wobei der erste Konverterbereich dazu eingerichtet ist, Licht von der Lichtquelle in eine erste Wellenlänge zu konvertieren und der zweite Konverterbereich dazu eingerichtet ist, Licht von der Lichtquelle in eine zweite Wellenlänge zu konvertieren, wobei die erste und die zweite Wellenlänge verschieden sind, und wobei die Konverterbereiche lateral nebeneinander angeordnet sind.
Durch eine Trennung der Leuchtstoffe kann eine höhere Abstrahlintensität erzielt werden als bei einem Gemisch von Leuchtstoffen. Auf diese Weise kann eine Beleuchtungseinrichtung bereitgestellt werden, welche über einen breiten Wellenlängenbereich möglichst mit konstanter Intensität emittiert.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Beleuchtungseinrichtung ist das Licht von der Lichtquelle durch den ersten Konverterbereich in einen ersten Wellenlängenbereich konvertierbar und durch den zweiten Konverterbereich in einen zweiten Wellenlängenbereich konvertierbar, wobei der erste Wellenlängenbereich und der zweite Wellenlängenbereich sich teilweise überlappen.
Durch die Anwendung von mehreren wellenlängenkonvertierenden Materialien kann ein Intensitätsverlauf der abgestrahlten Wellenlängen im Emissionsspektrum erhöht oder verbreitert werden, insbesondere kann der spektrale Intensitätsverlauf, also über die Wellenlängen, einen glatteren Verlauf aufweisen als ein einzelner Leuchtstoff.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Beleuchtungseinrichtung umfasst die Lichtquelle einen Laser oder eine LED.
Ein Laser oder eine LED kann Licht mit einer genau definierten Abstrahlintensität bereitstellen und einfach in einer Beleuchtungseinrichtung verbaut werden.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Beleuchtungseinrichtung ist die wellenlängenkonvertierende Einrichtung mit den Konverterbereichen jeweils direkt auf der Lichtquelle angeordnet.
Durch eine direkte Anordnung kann vorteilhaft eine in Baugröße kompakte Beleuchtungseinrichtung bereitgestellt werden. Bei den Konverterbereichen kann es sich um erste und/oder zweite Konverterbereiche handeln.
Anstatt direkt auf der Lichtquelle kann die wellenlängenkonvertierende Einrichtung mit den Konverterbereichen um einen bestimmten Abstand benachbart oder angrenzend zur Lichtquelle sein.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Beleuchtungseinrichtung umfasst diese eine Kavität in welcher die Lichtquelle angeordnet ist und die Konverterbereiche die Kavität zumindest teilweise füllen.
Durch die Kavität kann an deren Seitenwänden ein reflektierender Effekt erzeugt werden und aus den Konverterbereichen austretende Strahlung an den Seitenbereichen wieder in die Konverterbereiche zurückreflektiert werden, was zu einer Steigerung der Effizienz der Konverterbereiche führen kann. Bei den Konverterbereichen kann es sich um erste und/oder zweite Konverterbereiche handeln.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Beleuchtungseinrichtung umfasst die wellenlängenkonvertierende Einrichtung einen Träger, auf welchem die Konverterbereiche angeordnet sind und der Träger beabstandet zur Lichtquelle in einer Abstrahlrichtung des Lichts von der Lichtquelle angeordnet ist.
Durch eine Anordnung auf einem Träger kann eine größere Freiheit zur Platzierung oder Orientierung der Leuchtstoffe erzielt werden. Durch eine Beabstandung können die Konverterbereiche von einer thermischen Wirkung der Lichtquelle entkoppelt sein. Bei den Konverterbereichen kann es sich um erste und/oder zweite Konverterbereiche handeln.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Beleuchtungseinrichtung umfasst diese eine Kavität in welcher die Lichtquelle angeordnet ist und der Träger die Kavität zumindest teilweise überdeckt.
Die Anordnung auf einem Träger erlaubt eine einfache Platzierung der Leuchtstoffe über der Kavität, welche eine reflektierende Wirkung in einer Abstrahlrichtung aufweisen kann. Durch ein Überdecken der Kavität kann eine Kombination von Leuchtstoffen vorteilhaft einfach über dieser Kavität, diese zumindest teilweise überspannend, angeordnet werden.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Beleuchtungseinrichtung sind die Konverterbereiche im Träger integriert oder auf dem Träger an einer der Lichtquelle abgewandten oder zugewandten Seite angeordnet und weisen eine optisch wirksame Form auf.
Mit einer optisch wirksamen Form können beispielsweise Linsenwirkungen erzielt werden um die Abstrahlung der konvertierten Strahlung besser beeinflussen zu können, beispielsweise auf einen Bereich in Abstrahlrichtung zu fokussieren. Bei den Konverterbereichen kann es sich um erste und/oder zweite Konverterbereiche handeln.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Beleuchtungseinrichtung ist durch zumindest eines der ersten und/oder zweiten und/oder durch mehrere wellenlängenkonvertierenden Materialien das Licht von der Lichtquelle in einen Infrarot oder Nah-Infrarotbereich konvertierbar.
Für eine Anwendung in der Sensorik können verhältnismäßig große Bandbreiten notwendig oder wünschenswert sein, etwa außerhalb des sichtbaren Wellenlängenbereichs, beispielsweise im Infrarot.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Beleuchtungseinrichtung umfasst diese eine Vielzahl von zumindest ersten und zweiten Konverterbereichen, und wobei mit einem Verhältnis von ersten Konverterbereichen zu zweiten Konverterbereichen das Verhältnis der Intensität von Licht zumindest der ersten Wellenlänge zur Intensität von Licht der zweiten Wellenlängen einstellbar ist.
Durch ein Beeinflussen des Verhältnisses der Konverterbereiche kann eine bestimmte Bandbreite der Abstrahlung mit einem Schwerpunkt der Intensität in der gewünschten Wellenlänge erzielt werden.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Beleuchtungseinrichtung ist eine Intensität eines vom jeweiligen Konverterbereich abgestrahlten Lichts durch eine Dicke dieses Konverterbereichs einstellbar und die Konverterbereiche weisen gleiche oder unterschiedliche Dicken auf.
Bei den Konverterbereichen kann es sich um erste und/oder zweite Konverterbereiche handeln.
Durch eine bei der Herstellung wählbaren Dicke kann vorteilhaft einfach auf die Abstrahlcharakteristik Einfluss genommen werden, vorteilhaft auf die abgestrahlte konvertierte Intensität.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Beleuchtungseinrichtung umfasst der Träger einen Diffusor.
Durch einen Diffusor kann eine räumliche Homogenisierung der Abstrahlung realisiert werden und es kann eine höhere Durchmischung der unterschiedlichen spektralen Anteile des emittierten Lichts von der Beleuchtungseinrichtung erzielt werden.
Erfindungsgemäß umfasst die optische Analyseeinrichtung zum Beleuchten und Analysieren einer Probe eine erfindungsgemäße Beleuchtungseinrichtung mit welcher die Probe mit einem Licht mehrerer Wellenlängen bestrahlbar ist; und eine spektrale Sensoreinrichtung, mit welcher ein von der Probe reflektiertes Licht empfangbar und spektral analysierbar ist.
Die Probe kann vorteilhaft mit bestimmten Wellenlängen zielgerichtet bestrahlt werden und das Reflexionsspektrum der Probe dann von der spektralen Sensoreinrichtung analysiert werden.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der optischen Analyseeinrichtung kann die spektrale Sensoreinrichtung ein Spektrometer oder einen bildgebenden Hyperspektralsensor umfassen.
Durch das Spektrometer kann vorteilhaft ein Absorptionsspektrum von an der Probe reflektiertem Licht erzeugt werden.
Erfindungsgemäß erfolgt bei dem Verfahren zum Herstellen einer Beleuchtungseinrichtung ein Bereitstellen einer Lichtquelle; ein Anordnen einer wellenlängenkonvertierenden Einrichtung in einem Abstrahlbereich der Lichtquelle, wobei zumindest ein erster Konverterbereich mit einem ersten wellenlängenkonvertierenden Material und ein zweiter Konverterbereich mit einem zweiten wellenlängenkonvertierenden Material erzeugt wird, wobei der erste Konverterbereich dazu eingerichtet ist, Licht von der Lichtquelle in eine erste Wellenlänge zu konvertieren und der zweite Konverterbereich dazu eingerichtet ist, Licht von der Lichtquelle in eine zweite Wellenlänge zu konvertieren, wobei die erste und die zweite Wellenlänge verschieden sind, und wobei die Konverterbereiche lateral nebeneinander angeordnet werden.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform des Verfahrens wird das Licht von der Lichtquelle durch den ersten Konverterbereich in einen ersten Wellenlängenbereich konvertiert und durch den zweiten Konverterbereich in einen zweiten Wellenlängenbereich konvertiert, wobei der erste Wellenlängenbereich und der zweite Wellenlängenbereich sich teilweise überlappen.
Das Verfahren kann sich auch durch die bereits in Verbindung mit der Beleuchtungseinrichtung genannten Merkmale und deren Vorteile auszeichnen und umgekehrt.
Weitere Merkmale und Vorteile von Ausführungsformen der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung mit Bezug auf die beigefügten Zeichnungen.
Figurenliste
Die vorliegende Erfindung wird nachfolgend anhand des in den schematischen Figuren der Zeichnung angegebenen Ausführungsbeispiels näher erläutert.
Es zeigen:

1 eine schematische Abhängigkeit einer Abstrahlungsintensität des transmittierten Anregungslichtes und des konvertierten Lichtes eines wellenlängenkonvertierenden Materials von der Wellenlänge bei Mischung der Materialien;
2 eine schematische Seitenansicht einer Beleuchtungseinrichtung gemäß eines Ausführungsbeispiels der vorliegenden Erfindung;
3 eine schematische Seitenansicht einer Beleuchtungseinrichtung gemäß eines weiteren Ausführungsbeispiels der vorliegenden Erfindung;
4 eine Draufsicht auf eine Anordnung von wellenlängenkonvertierenden Materialien gemäß eines Ausführungsbeispiels der vorliegenden Erfindung;
5 eine schematische Abhängigkeit einer Abstrahlungsintensität des transmittierten Anregungslichtes und des konvertierten Lichtes eines wellenlängenkonvertierenden Materials von der Wellenlänge bei getrennt angeordneten Materialien mit unterschiedlichen Flächenverhältn issen;
6 eine schematische Seitenansicht einer Beleuchtungseinrichtung gemäß eines weiteren Ausführungsbeispiels der vorliegenden Erfindung;
7 eine schematische Seitenansicht einer Beleuchtungseinrichtung gemäß eines weiteren Ausführungsbeispiels der vorliegenden Erfindung;
8 eine schematische Seitenansicht einer Beleuchtungseinrichtung gemäß eines weiteren Ausführungsbeispiels der vorliegenden Erfindung;
9 eine schematische Seitenansicht einer optischen Analyseeinrichtung gemäß eines Ausführungsbeispiels der vorliegenden Erfindung; und
10 eine Blockdarstellung von Verfahrensschritten eines Verfahrens zum Herstellen einer Beleuchtungseinrichtung gemäß eines Ausführungsbeispiels der vorliegenden Erfindung.

In den Figuren bezeichnen gleiche Bezugszeichen gleiche bzw. funktionsgleiche Elemente.
1 zeigt eine schematische Abhängigkeit einer Abstrahlungsintensität des transmittierten Anregungslichtes und des konvertierten Lichtes eines wellenlängenkonvertierenden Materials von der Wellenlänge bei Mischung der Materialien;
Wellenlängenkonvertierende Materialien können einen Leuchtstoff, umfassen. Um nach dem Anregen des Leuchtstoffs mehr als nur eine Wellenlänge anstrahlen zu können, können mehrere Leuchtstoffe genutzt werden, üblicherweise gemischt werden.
Die 1a zeigt das transmittierende Anregungslicht A1 und eine resultierende Emission B1 für einen ersten Leuchtstoff als Intensität I in Abhängigkeit von der Wellenlänge. Die 1b zeigt das transmittierte Anregungslicht A2 und ein resultierendes Emissionsspektrum B2 für einen zweiten Leuchtstoff als Intensität I in Abhängigkeit von der Wellenlänge. In der 1c ist das transmittierte Anregungslicht A3 dargestellt wobei die Anregung eines Leuchtstoffgemisches bei der gleichen Wellenlänge erfolgen kann,, und die jeweiligen Abstrahlungsspektren B1 und B2, wobei im Vergleich zu den Abstrahlungsspektren B1 und B2 der einzelnen Leuchtstoffe aus den 1a und 1b für das Leuchtstoffgemisch in der 1c eine deutlich geringere Intensität des konvertierten Lichts abgestrahlt wird.
Werden zwei oder mehrere Leuchtstoffe gemischt, so kann sich ein Einbruch der abgestrahlten Intensitäten I ergeben, mit anderen Worten können die Intensitäten B1 und B2 in den abgestrahlten (konvertierten) Wellenlängen durch die Aufteilung der Anregungsintensität auf zwei Leuchtstoffe im besten Fall halbiert werden (1c). Beim Mischen von Leuchtstoffen können weitere Effizienzverluste zwischen Anregung A1 oder A2 (jeweils für die beiden Leuchtstoffe) und Abstrahlungsspektren B1 und B2 auftreten, etwa durch einen Überlapp von Wellenlängen von Emission und Anregung der beiden Leuchtstoffe. Auftretende Effizienzverluste können derart hoch sein, dass die Emission eines Leuchtstoffes vollständig ausgelöscht werden kann.
Folglich kann ein Mischen von unterschiedlichen Leuchtstoffen, um deren Leuchteigenschaften kombinieren zu können, zu einer negativen gegenseitigen Beeinflussung deren Abstrahlung führen.
So kann eine Intensität der abgestrahlten Wellenlängen bei einem Gemisch wesentlich geringer sein als die Summen der halben Intensitäten bei einer nicht gemischten Anordnung.
Die Effizienz von gemischten Leuchtstoffen kann von der verwendeten Leuchtstoffgittermatrix, dem Aktivator (emittierendes Element), den Emissionsspektren und den Anregungs- und Absorptionsspektren abhängen.
Das Bereitstellen von effizienteren Gemischen kann derzeit aufwändig mittels eines trial-and-error-Verfahrens erfolgen.
2 zeigt eine schematische Seitenansicht einer Beleuchtungseinrichtung gemäß eines Ausführungsbeispiels der vorliegenden Erfindung.
Die Beleuchtungseinrichtung 1 zum Abstrahlen von Licht mehrerer Wellenlängen umfasst eine Lichtquelle 10; eine wellenlängenkonvertierende Einrichtung 2, welche in einem Abstrahlbereich der Lichtquelle 10 angeordnet ist, welche zumindest einen ersten Konverterbereich KB3a mit einem ersten wellenlängenkonvertierenden Material 3a und einen zweiten Konverterbereich KB3b' mit einem zweiten wellenlängenkonvertierenden Material 3b umfasst, wobei der erste Konverterbereich KB3a dazu eingerichtet ist, Licht von der Lichtquelle 10 in einen ersten Wellenlängenbereich zu konvertieren und der zweite Konverterbereich KB3b' dazu eingerichtet ist, Licht von der Lichtquelle 10 in einen zweiten Wellenlängenbereich zu konvertieren, wobei der erste und der zweite Wellenlängenbereich verschieden sind, aber sich überlappen können, und wobei die Konverterbereiche KB3a und KB3b' lateral nebeneinander angeordnet sind. Die beiden oder auch mehrere vorhandenen wellenlängenkonvertierenden Materialien können in deren lichtkonvertierenden Wirkung unterschiedlich sein und Licht unterschiedlicher Wellenlängenbereiche abstrahlen. Anstatt von Wellenlängenbereichen können auch einzelne Wellenlängen abgestrahlt werden.
Die Lichtquelle 10 kann beispielsweise einen Laser oder eine LED umfassen.
Ferner kann die wellenlängenkonvertierende Einrichtung 2 mit den Konverterbereichen KB3a und KB3b' jeweils direkt auf der Lichtquelle 10 angeordnet sein und in direktem Kontakt mit dieser stehen. Die beiden Konverterbereiche oder alternativ dazu auch mehrere Konverterbereiche (nicht gezeigt), können die Lichtquelle 10 bedecken, beispielsweise zu gleichen Teilen der Oberfläche oder jeweils unterschiedlich große Bereiche der Oberfläche der Lichtquelle 10 bedecken.
In der Ausführung der 2 kann die Beleuchtungseinrichtung 1 eine Kavität K umfassen, beispielsweise in einem Substrat, vorteilhaft mit schrägen Seitenwänden hin zur Öffnung der Kavität. Das Substrat 1a kann dabei für die von der Lichtquelle 10 abgestrahlte Strahlung reflektiv sein. In der Kavität K kann die Lichtquelle 10 angeordnet sein und die Konverterbereiche (KB3a, KB3b', ...) können die Kavität zumindest teilweise füllen.
Durch zumindest eines der ersten und/oder zweiten wellenlängenkonvertierenden Materialien 3a oder 3b kann das Licht von der Lichtquelle 10 in einen Infrarot oder Nah-Infrarotbereich konvertierbar sein. Die beiden wellenlängenkonvertierenden Materialien 3a und 3b können vorteilhaft gleichzeitig (in einem Schritt, beispielsweise dispensiert) in der Kavität angeordnet werden.
Durch die Anordnung aus der 2 kann eine besonders kompakte Form der Beleuchtungseinrichtung erzielt werden.
3 zeigt eine schematische Seitenansicht einer Beleuchtungseinrichtung gemäß eines weiteren Ausführungsbeispiels der vorliegenden Erfindung.
Die Beleuchtungseinrichtung 1 der 3 unterscheidet sich dahingehend von jener aus der 2, dass die Kavität K nicht von wellenlängenkonvertierenden Materialien aufgefüllt ist, sondern die wellenlängenkonvertierende Einrichtung 2 einen Träger 2a umfasst, auf welchem die Konverterbereiche KB3a, KB3b', ..., KB3n, also mehrere dieser, angeordnet sein können, und der Träger 2a beabstandet zur Lichtquelle 10 in einer Abstrahlrichtung des Lichts von der Lichtquelle 10 angeordnet sein kann. Hierbei kann der Träger 2a die wellenlängenkonvertierenden Materialien 3a, 3b, ..., 3n an einer Unterseite umfassen (3a), welche der Kavität K zugewandt sein kann. Der Träger 2a kann eine transparente Platte, etwa eine Glasplatte umfassen, welche für die konvertierte Strahlung transparent sein kann. Gemäß einer anderen Ausführung, etwa in der 3b, können die wellenlängenkonvertierenden Materialien 3a, 3b, ..., 3n an einer Oberseite des Trägers 2a angeordnet sein und der Kavität K abgewandt sein. Der Träger 2a kann die Kavität K vorteilhaft vollständig, oder zumindest teilweise (nicht gezeigt) überdecken. Durch eine Anordnung auf einem Träger kann eine größere Freiheit zur Platzierung oder Orientierung der Leuchtstoffe erzielt werden.
4 zeigt eine Draufsicht auf eine Anordnung von wellenlängenkonvertierenden Materialien gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung.
Die Anordnung der wellenlängenkonvertierenden Materialien 3a und 3b, wie in den 4a, 4b oder 4c gezeigt, kann auf deren Anordnung in der Kavität oder auf dem Träger zutreffen. In der 4a kann das zweite wellenlängenkonvertierende Material 3b einen Kreis um den Mittelpunkt des betrachteten Bereichs, also der wellenlängenkonvertierende Einrichtung 2 in deren optischer Achse, beschreiben. Das erste wellenlängenkonvertierende Material 3a kann lateral außerhalb, beispielsweise direkt daran anschließend, und den zweiten Bereich 3b umgebend, angeordnet sein. Nach der 4b können beide Bereiche 3a und 3b symmetrisch um eine Trennachse herum angeordnet sein, vorteilhaft parallel nebeneinander und mit gleichen Dimensionen. In der 4c können beide Bereiche 3a und 3b ähnlich wie in einem Schachbrettmuster angeordnet sein, also die wellenlängenkonvertierende Einrichtung 2 eine Vielzahl von Bereichen KB3a und KB3b' mit ersten und zweiten wellenlängenkonvertierenden Material umfassen. Die Anordnungen der 4a - 4c können auch anders ausfallen, etwa mit ungleichen Bereichen in der 4b, oder jeweils mit mehreren unterschiedlichen Materialien oder anderen Formen oder anderen Größenverhältnissen.
Die 5a und 5b zeigen eine schematische Abhängigkeit einer Abstrahlungsintensität des transmittierten Anregungslichtes und des konvertierten Abstrahlungsspektrums eines wellenlängenkonvertierenden Materials von der Wellenlänge bei getrennt angeordneten Materialien mit unterschiedlichen Flächenverhältnissen. Die gestrichelten Linien zu B1 und B2 zeigen Abstrahlungsspektren, welche nur bei Anregung des jeweiligen Leuchtstoffs allein entstehen würden. Das transmittierte Anregungslicht ist mit A3 gekennzeichnet. Der Leuchtstoff B1 ist beispielsweise nach der rechts oben in der 5a gezeigten Anordnung entsprechend dem Bereich KB3a verteilt, was einen geringeren Anteil an der Gesamtfläche (Abstrahlfläche) aufweisen kann, als der zweite Bereich KB3b'. Der abgestrahlte Anteil zu B2 weist somit auch eine höhere Emissionsintensität auf. So kann das Verteilungsverhältnis der konvertierenden Materialien über die Fläche die Abstrahlintensitäten der Bereiche B1 und B2 beeinflussen.
Die 5b zeigt eine entsprechende Abstrahlcharakteristik für beide Leuchtstoffe, wie die 5a, jedoch mit umgekehrter Verteilung der Flächenbereiche der Abstrahlfläche. Somit kann eine vergrößerte Abstrahlintensität für den ersten Bereich B1 erzielbar sein. Generell kann durch die Trennung der Leuchtstoffe eine höhere Abstrahlintensität erzielt werden als bei einem Gemisch von Leuchtstoffen.
Durch die Anwendung von mehreren wellenlängenkonvertierenden Materialien kann ein Intensitätsverlauf der abgestrahlten Wellenlängen im Emissionsspektrum verbessert werden, insbesondere kann der spektrale Intensitätsverlauf, also über die Wellenlängen, einen glatteren Verlauf aufweisen als ein einzelner Leuchtstoff. So kann auch die Bandbreite der Emission durch eine Kombination von Leuchtstoffen prinzipiell beliebig erweitert werden. Auch können Intensitätseinbrüche durch gegenseitige Absorptionen, etwa wie bei einer Mischung von Leuchtstoffen, besser vermieden oder verringert werden. Des Weiteren ist anzumerken, dass für Nutzungsszenarien, bei der die PC-LED mit höheren Frequenzen betrieben wird, die Anstiegs- und Abklingzeiten der Intensitäten der verschiedenen Leuchtstoffe unabhängig voneinander optimiert werden können.
6 zeigt eine schematische Seitenansicht einer Beleuchtungseinrichtung gemäß eines weiteren Ausführungsbeispiels der vorliegenden Erfindung.
Nach der 6 kann auch eine Kombination einer mit dem wellenlängenkonvertierenden Material, etwa dem ersten Material 3a, gefüllten Kavität K und einem Träger 2a mit darauf angeordneten wellenlängenkonvertierenden Materialien 3a, 3b, ..., 3n, etwa an einer Oberseite oder Unterseite (nicht gezeigt) des Trägers 2a, bereitgestellt werden. Der Träger 2a kann dabei von dem ersten wellenlängenkonvertierenden Material 3a, welches in der Kavität angeordnet ist, beabstandet sein. Durch die Beabstandung kann das auf dem Träger angeordnete wellenlängenkonvertierende Material (3b oder weitere) thermisch von der Lichtquelle 10 entkoppelt sein, beispielsweise kann so ein Abstand zwischen der warmen Lichtquelle 10 und dem wellenlängenkonvertierenden Material groß genug gewählt werden um ein thermisches Quenching (Intensitätsabnahme der Abstrahlung des wellenlängenkonvertierenden Materials durch Wärmeeinwirkung) zu minimieren. Ein Abstand zwischen den wellenlängenkonvertierenden Material und der zu bestrahlenden Probe kann dabei sehr gering sein.
Der Träger 2a kann getrennte Bereiche KB3b' mit dem zweiten wellenlängenkonvertierenden Material 3b umfassen, oder (nicht gezeigt) mehrere unterschiedliche oder gleiche wellenlängenkonvertierende Materialien separiert oder aneinander anliegend umfassen. Es kann des Weiteren auch eines der wellenlängenkonvertierenden Materialien flächig, etwa über den gesamten Träger 2a, ausgeformt sein und ein zweites oder mehrere wellenlängenkonvertierende Materialien bereichsweise (strukturiert) auf diesem flächig ausgeführten, angeordnet sein (nicht gezeigt). Der Träger 2a kann, etwa als ein Substrat, dabei die Kavität oder die gesamte Beleuchtungseinrichtung 1, etwa eine LED, verkapseln.
Der abgestrahlte Anteil und die Stärke der abgestrahlten Intensität der jeweiligen Leuchtstoffe (wellenlängenkonvertierenden Materialien) lässt sich auch durch die Dicke der jeweiligen wellenlängenkonvertierenden Materialien unabhängig von den anderen Materialien beeinflussen, da etwa in dickeren (geometrisch) Leuchtstoffschichten mehr Licht konvertierbar ist als in dünneren Leuchtstoffschichten. Eine Vielzahl von ersten und zweiten Konverterbereichen (KB3a, KB3b', ..., KB3n) kann auf dem Träger oder der Kavität oder weiteren Trägern angeordnet sein, wobei mit einem Verhältnis von ersten Konverterbereichen (KB3a, KB3b, ..., KB3n) zu zweiten Konverterbereichen (KB3a', KB3b', ..., KB3n') das Verhältnis der Intensität von Licht des ersten Wellenlängenbereiches zur Intensität von Licht des zweiten Wellenlängenbereiches einstellbar sein kann.
7 zeigt eine schematische Seitenansicht einer Beleuchtungseinrichtung gemäß eines weiteren Ausführungsbeispiels der vorliegenden Erfindung.
In den 7a und 7b werden unterschiedliche Formen der wellenlängenkonvertierenden Bereiche KB3a und KB3b' mit den jeweils zugehörigen Materialien 3a und 3b auf dem Träger 2a (7a) oder in dem Träger 2a (7b) gezeigt, welche sich in beiden Fällen an der Oberseite des Trägers befinden können. Es können in dieser Weise auch mehrere konvertierende Materialien an einer ober und/oder an einer Unterseite des Trägers vorhanden sein (nicht gezeigt). In der 7a ist eine runde Oberflächenform der wellenlängenkonvertierenden Materialien 3a und 3b gezeigt. Solche äußeren Formen der wellenlängenkonvertierenden Bereiche können eine optische Wirkung für das konvertierte Licht und/oder für das transmittierte Licht durch den wellenlängenkonvertierenden Bereich aufweisen, beispielsweise eine Linsenwirkung oder eine Variation des Spektrums über verschiedene Emissionswinkel.
Nach der 7b kann der Träger 2a vor dem Aufbringen der wellenlängenkonvertierenden Materialien 3a und 3b bereits Ausnehmungen umfassen, in welche dann die wellenlängenkonvertierenden Materialien 3a und 3b dann eingebracht (etwa appliziert oder dispensiert) werden können, wobei etwa ein Fließen der wellenlängenkonvertierenden Materialien eingedämmt werden kann und eine in den Bereichen KB3a und KB3b' der Ausnehmungen im Träger 2a definierte Flächenbedeckungen erzeugbar sein können.
8 zeigt eine schematische Seitenansicht einer Beleuchtungseinrichtung gemäß eines weiteren Ausführungsbeispiels der vorliegenden Erfindung.
Die 8a sowie die 8b zeigen ähnlich der 7a und 7b eine Anordnung von wellenlängenkonvertierenden Materialien 3a und 3b in Bereichen mit dem Unterschied, dass der Träger 2a als ein Diffusor ausgeformt sein kann, also etwa nach der 8a auf einer Seite mehrere Mikrolinsen umfassen kann und auf einer anderen Seite, den Mikrolinsen gegenüberliegend, die wellenlängenkonvertierenden Bereiche mit den wellenlängenkonvertierenden Materialien 3a und 3b aufweisen kann, welche den Träger 2a flächendeckend abdecken können und direkt nebeneinander und alternierend angeordnet sein können. Gemäß der 8b kann der Diffusor auch die wellenlängenkonvertierenden Materialien als Mikrolinsen umfassen. Die Mikrolinsen können dicht aneinander angeordnet sein und alternierend abwechselnd das erste und zweite wellenlängenkonvertierenden Material 3a und 3b oder auch weitere (nicht gezeigt) umfassen. Ein derartiger Diffusor kann sich durch eine räumliche Homogenisierung der Abstrahlung auszeichnen und es kann eine höhere Durchmischung der unterschiedlichen spektralen Anteile des emittierten Lichts von der Beleuchtungseinrichtung erzielt werden und gleichzeitig ein hoher Grad an Kompaktheit der Beleuchtungseinrichtung erzielt werden,
9 zeigt eine schematische Seitenansicht einer optischen Analyseeinrichtung gemäß eines Ausführungsbeispiels der vorliegenden Erfindung.
Die Optische Analyseeinrichtung 30 zum Beleuchten und Analysieren einer Probe 4 umfasst eine erfindungsgemäße Beleuchtungseinrichtung 1 mit welcher die Probe 4 mit einem Licht L mehrerer Wellenlängen bestrahlbar ist; und eine spektrale Sensoreinrichtung 20, beispielsweise ein Spektrometer oder einen bildgebenden Hyperspektralsensor, mit welcher ein von der Probe 4 reflektiertes Licht LR empfangbar und spektral analysierbar ist. Beleuchtungseinrichtung 1 kann parallel neben der spektralen Sensoreinrichtung 20, vorzugsweise in einem gleichen Gehäuse angeordnet sein. Die Beleuchtungseinrichtung 1 kann nach der 9 einen Träger mit konvertierenden Bereichen 3a, 3b und 3c umfassen, es ist jedoch jede andere erfindungsgemäße Ausführungsform denkbar. An Seiten der spektralen Sensoreinrichtung 20 kann eine transparente Platte OPT, oder ein Objektiv oder ein anderes optisches Element am Gehäuse angeordnet sein. Das Gehäuse kann einen Trennbereich, etwa eine Wand, zwischen der spektralen Sensoreinrichtung 20 und der Beleuchtungseinrichtung 1 umfassen. Das optische Element OPT kann beispielsweise mindestens ein diffraktives Element, ein statischer Filter oder ein in Wellenlängen veränderlicher, also durchstimmbarer Filter sein. Die wellenlängenkonvertierenden Materialien 3a und 3b, oder auch weitere, können auf dem Träger 2a beispielsweise als Deckglas oder Platte ausgelegt oder aufgebracht sein. Die spektrale Sensoreinrichtung 20 kann einen Detektor umfassen, der etwa einem Fabry-Perot-Interferometer nachgeordnet sein kann. Dieser Detektor kann ein Einkanal- oder Mehrkanal Detektor sein.
10 zeigt eine Blockdarstellung von Verfahrensschritten eines Verfahrens zum Herstellen einer Beleuchtungseinrichtung gemäß eines Ausführungsbeispiels der vorliegenden Erfindung.
Bei dem Verfahren zum Herstellen einer Beleuchtungseinrichtung erfolgt ein Bereitstellen S1 einer Lichtquelle; ein Anordnen S2 einer wellenlängenkonvertierenden Einrichtung in einem Abstrahlbereich der Lichtquelle, wobei zumindest ein erster Konverterbereich mit einem ersten wellenlängenkonvertierenden Material und ein zweiter Konverterbereich mit einem zweiten wellenlängenkonvertierenden Material erzeugt wird, wobei der erste Konverterbereich dazu eingerichtet ist, Licht von der Lichtquelle in eine erste Wellenlänge zu konvertieren und der zweite Konverterbereich dazu eingerichtet ist, Licht von der Lichtquelle in eine zweite Wellenlänge zu konvertieren, wobei die erste und die zweite Wellenlänge verschieden sind, aber sich überlappen können, und wobei die Konverterbereiche lateral nebeneinander angeordnet werden.
Obwohl die vorliegende Erfindung anhand des bevorzugten Ausführungsbeispiels vorstehend vollständig beschrieben wurde, ist sie darauf nicht beschränkt, sondern auf vielfältige Art und Weise modifizierbar.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

CN 105895783 A [0005]

Claims

Beleuchtungseinrichtung (1) zum Abstrahlen von Licht mehrerer Wellenlängen umfassend - eine Lichtquelle (10); - eine wellenlängenkonvertierende Einrichtung (2), welche in einem Abstrahlbereich der Lichtquelle (10) angeordnet ist, welche zumindest einen ersten Konverterbereich (KB3a, KB3b, ..., KB3n) mit einem ersten wellenlängenkonvertierenden Material (3a) und einen zweiten Konverterbereich (KB3a', KB3b', ..., KB3n') mit einem zweiten wellenlängenkonvertierenden Material (3b) umfasst, wobei der erste Konverterbereich (KB3a, KB3b, ..., KB3n) dazu eingerichtet ist, Licht von der Lichtquelle (10) in eine erste Wellenlänge zu konvertieren und der zweite Konverterbereich (KB3a', KB3b', ..., KB3n') dazu eingerichtet ist, Licht von der Lichtquelle (10) in eine zweite Wellenlänge zu konvertieren, wobei die erste und die zweite Wellenlänge verschieden sind, und wobei die Konverterbereiche (KB3a, KB3b', ..., KB3n) lateral nebeneinander angeordnet sind.
Beleuchtungseinrichtung (1) nach Anspruch 1, bei welcher das Licht von der Lichtquelle (10) durch den ersten Konverterbereich (KB3a, KB3b, ..., KB3n) in einen ersten Wellenlängenbereich konvertierbar ist und durch den zweiten Konverterbereich (KB3a', KB3b', ..., KB3n') in einen zweiten Wellenlängenbereich konvertierbar ist, wobei der erste Wellenlängenbereich und der zweite Wellenlängenbereich sich teilweise überlappen.
Beleuchtungseinrichtung (1) nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Lichtquelle (10) einen Laser oder eine LED umfasst.
Beleuchtungseinrichtung (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei die wellenlängenkonvertierende Einrichtung (2) mit den Konverterbereichen (KB3a, KB3b', ..., KB3n) jeweils direkt auf der Lichtquelle (10) angeordnet ist.
Beleuchtungseinrichtung (1) nach Anspruch 4, welche eine Kavität (K) umfasst in welcher die Lichtquelle (10) angeordnet ist und die Konverterbereiche (KB3a, KB3b', ..., KB3n) die Kavität zumindest teilweise füllen.
Beleuchtungseinrichtung (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei die wellenlängenkonvertierende Einrichtung (2) einen Träger (2a) umfasst, auf welchem die Konverterbereiche (KB3a, KB3b', ..., KB3n) angeordnet sind und der Träger (2a) beabstandet zur Lichtquelle (10) in einer Abstrahlrichtung des Lichts von der Lichtquelle (10) angeordnet ist.
Beleuchtungseinrichtung (1) nach Anspruch 6, welche eine Kavität (K) umfasst in welcher die Lichtquelle (10) angeordnet ist und der Träger (2a) die Kavität (K) zumindest teilweise überdeckt.
Beleuchtungseinrichtung (1) nach Anspruch 6 oder 7, bei welcher die Konverterbereiche (KB3a, KB3b', ..., KB3n) im Träger (2a) integriert sind oder auf dem Träger (2a) an einer der Lichtquelle (10) abgewandten oder zugewandten Seite angeordnet sind und eine optisch wirksame Form aufweisen.
Beleuchtungseinrichtung (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 8, bei welcher durch zumindest eines der ersten und/oder zweiten und/oder durch mehrere wellenlängenkonvertierenden Materialien (3a, 3b, ..., 3n) das Licht von der Lichtquelle (10) in einen Infrarot oder Nah-Infrarotbereich konvertierbar ist.
Beleuchtungseinrichtung (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 9, welche eine Vielzahl von zumindest ersten und zweiten Konverterbereichen (KB3a, KB3b', ..., KB3n) umfasst, und wobei mit einem Verhältnis von ersten Konverterbereichen (KB3a, KB3b, ..., KB3n) zu zweiten Konverterbereichen (KB3a', KB3b', ..., KB3n') das Verhältnis der Intensität von Licht zumindest der ersten Wellenlänge zur Intensität von Licht der zweiten Wellenlängen einstellbar ist.
Beleuchtungseinrichtung (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 10, bei welcher eine Intensität eines vom jeweiligen Konverterbereich (KB3a, KB3b', ..., KB3n) abgestrahlten Lichts durch eine Dicke dieses Konverterbereichs (KB3a, KB3b', ..., KB3n) einstellbar ist und die Konverterbereiche (KB3a, KB3b', ..., KB3n) gleiche oder unterschiedliche Dicken aufweisen.
Beleuchtungseinrichtung (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 11, bei welcher der Träger (2a) einen Diffusor umfasst.
Optische Analyseeinrichtung (30) zum Beleuchten und Analysieren einer Probe (4) umfassend eine Beleuchtungseinrichtung (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 12 mit welcher die Probe (4) mit einem Licht mehrerer Wellenlängen bestrahlbar ist; und eine spektrale Sensoreinrichtung (20), mit welcher ein von der Probe (4) reflektiertes Licht (LR) empfangbar und spektral analysierbar ist.
Optische Analyseeinrichtung (30) nach Anspruch 13, bei welcher die spektrale Sensoreinrichtung (20) ein Spektrometer oder einen bildgebenden Hyperspektralsensor umfasst.
Verfahren zum Herstellen einer Beleuchtungseinrichtung (1) umfassen die Schritte: - Bereitstellen (S1) einer Lichtquelle (10); - Anordnen (S2) einer wellenlängenkonvertierenden Einrichtung (2) in einem Abstrahlbereich der Lichtquelle (10), wobei zumindest ein erster Konverterbereich (KB3a, KB3b, ..., KB3n) mit einem ersten wellenlängenkonvertierenden Material (3a) und ein zweiter Konverterbereich (KB3a', KB3b', ..., KB3n') mit einem zweiten wellenlängenkonvertierenden Material (3b) erzeugt wird, wobei der erste Konverterbereich (KB3a, KB3b, ..., KB3n) dazu eingerichtet ist, Licht von der Lichtquelle (10) in eine erste Wellenlänge zu konvertieren und der zweite Konverterbereich (KB3a', KB3b', ..., KB3n') dazu eingerichtet ist, Licht von der Lichtquelle (10) in eine zweite Wellenlänge zu konvertieren, wobei die erste und die zweite Wellenlänge verschieden sind, und wobei die Konverterbereiche (KB3a, KB3b', ..., KB3n) lateral nebeneinander angeordnet werden.
Verfahren nach Anspruch 15, bei welchem das Licht von der Lichtquelle (10) durch den ersten Konverterbereich (KB3a, KB3b, ..., KB3n) in einen ersten Wellenlängenbereich konvertiert wird und durch den zweiten Konverterbereich (KB3a', KB3b', ..., KB3n') in einen zweiten Wellenlängenbereich konvertiert wird, wobei der erste Wellenlängenbereich und der zweite Wellenlängenbereich sich teilweise überlappen.