EP3186675A1 - Beleuchtungsvorrichtung mit einer wellenlängenkonversionsanordnung - Google Patents

Beleuchtungsvorrichtung mit einer wellenlängenkonversionsanordnung

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EP3186675A1
EP3186675A1 EP15750007.5A EP15750007A EP3186675A1 EP 3186675 A1 EP3186675 A1 EP 3186675A1 EP 15750007 A EP15750007 A EP 15750007A EP 3186675 A1 EP3186675 A1 EP 3186675A1
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EP
European Patent Office
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light
excitation light
reflection
wavelength conversion
lighting device
Prior art date
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Withdrawn
Application number
EP15750007.5A
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English (en)
French (fr)
Inventor
Ulrich Hartwig
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Osram GmbH
Original Assignee
Osram GmbH
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Filing date
Publication date
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Withdrawn legal-status Critical Current

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    • G02B26/008—Optical devices or arrangements for the control of light using movable or deformable optical elements the movable or deformable optical element controlling the colour, i.e. a spectral characteristic, of the light in the form of devices for effecting sequential colour changes, e.g. colour wheels
    • G—PHYSICS
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    • G02B27/00—Optical systems or apparatus not provided for by any of the groups G02B1/00 - G02B26/00, G02B30/00
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    • G02B23/2407—Optical details
    • G02B23/2461—Illumination

Definitions

  • the present invention relates to a
  • Wavelength conversion arrangement for converting the excitation light into conversion light.
  • Light sources of high luminance can be used, for example, in the field of endoscopy or in projection devices, for which present
  • Excitation light source high power density for example, a laser to combine with a spaced-apart phosphor element.
  • Lighting devices are known which a
  • Lighting devices comprise a
  • Excitation light source that excites the phosphor to emit light at a wavelength different from the excitation light wavelength.
  • excitation light in the blue spectral range is used.
  • a phosphor wheel can also be provided as a wavelength conversion arrangement, which is rotated about an axis of rotation and is irradiated on a circular track with excitation light.
  • different color phosphors can also be arranged on the phosphor wheel successively in the direction of rotation, so that a temporal sequence of differently colored conversion light, for example red (R), green (G) and blue (B) light is produced. The colors of the conversion light then sequentially clamp together an RGB color space.
  • the document CN 102385233 A shows a lighting device for a projector with an excitation laser, a phosphor wheel for
  • Wavelength conversion of the excitation laser light in conversion light and a filter wheel, for the spectral filtering of the conversion light The filter wheel and the phosphor wheel are arranged on a common axis and thus rotate at the same speed.
  • the excitation laser light is reflected by a dichroic mirror on the phosphor wheel.
  • the conversion light reflected back from the phosphor wheel passes through the dichroic mirror and then strikes the filter wheel.
  • the excitation laser light can pass the phosphor wheel spectrally unchanged and is fed to the dichroic mirror via a so-called wrap-around loop and combined with the conversion light path.
  • the object of the present invention is to specify an alternative illumination device for using the excitation light and the conversion light.
  • an illumination device for generating light by means of a wavelength conversion arrangement comprising at least one excitation light source, which is designed to emit excitation light, a wavelength conversion arrangement arranged in an excitation light path having at least one wavelength conversion element, which is designed, that of the at least one excitation light source at least partially converting excitation light irradiated onto the wavelength conversion element onto a local excitation light path at least partially into conversion light and emitting the conversion light into the same half space from which the excitation light radiates onto the surface of the wavelength conversion element and at least one reflection element designed for the at least one an excitation light source on the local excitation light path at least temporarily irradiated to the reflection element Anreu reflected light at least partially unconverted as reflection light so that the reflection light is deflected by a change in direction away from the local excitation light path and on a reflection light path, an optical separation element, which is arranged and designed, the coming of the at least one wavelength conversion element conversion light to separate from the excitation light coming on the local excitation
  • blue light i.e., light in the blue spectral range
  • blue light is preferable, especially blue
  • the excitation light can be used in addition to the excitation of a phosphor in addition also as a blue color channel (blue reflection light).
  • the wavelength conversion arrangement so that the excitation light is not only wavelength-converted (also abbreviated to conversion light in the following) but additionally and specifically, at least temporarily and at least partially unconverted, ie. spectrally unchanged, is reflected (hereinafter abbreviated reflection light called).
  • the wavelength conversion arrangement has at least one reflection element in order to separate the reflection light into a space spatially separated from the excitation light path and the conversion light path
  • the spatial separation of conversion light path and reflected light path is a separate effect on the beam properties of reflected light and conversion light possible before the reflection light and the conversion light are merged again.
  • the spatial separation of conversion light and reflection light is inventively achieved in that the reflection light is deflected by a change in direction of the local excitation light path, ie the excitation light path at the location of the reflection, away and for further use on a reflection light path.
  • a measure of the change in direction is the angle of change a3 between the local optical axis LI of the excitation light path and the local optical axis L2 of the reflection light path.
  • the respective optical axis of the respective light path is at the intersection with the surface of the wavelength conversion element or the
  • Reflection element meant.
  • the change in direction is achieved, for example, in that the wavelength conversion element, for example a phosphor layer, and the reflection element, for example a mirror surface, are formed on a rotatable body such that the local optical axis LI of the excitation light path with the associated surface normal N1 of the
  • Wavelength conversion element forms an angle a, which is different from the angle a2 between the local optical axis LI of the excitation light path and the corresponding surface normal N2 of the reflection element.
  • the surface of the Wavelength conversion element and the surface of the reflection element is not arranged in a common plane but selectively tilted against each other or curved differently. In this way, the reflection light is prevented from being reflected back on the conversion light path, that is, al is equal to a2. Instead, the reflection element is formed with respect to the wavelength conversion element so that the reflection light is reflected away from the conversion light path.
  • the wavelength conversion element is designed so that the conversion light radiates into the same half-space from which the excitation light radiates onto the surface of the wavelength conversion element.
  • this enables a good spatial separation of excitation light and reflection light, but on the other hand also a sufficiently compact arrangement.
  • the change angle a3 is better greater than 40 ° and less than 140 °, even better greater than 60 ° and smaller 120 °, preferably 90 °.
  • the angle of change a3 can also be superimposed by a scattering angle smaller than 30 °.
  • the reflection element is suitably diffusely mirrored, for example, so that, for example, more than 50% of the incident radiation is reflected in a full angle of 30 °.
  • the excitation light is condensed onto the wavelength conversion device by means of collection optics, i. the at least one wavelength conversion element or the at least one reflection element, focused.
  • the collection optics is optically between the excitation light source and the
  • Wavelength conversion arrangement arranged.
  • Collecting optics also serves to collect and collimate the conversion light emitted by the wavelength conversion element .
  • the collection optics is thus designed, on the one hand, the excitation light of the excitation light source on the
  • Focusing wavelength conversion arrangement on the other hand, to collect and collimate the light emitted by the wavelength conversion element of the wavelength conversion arrangement conversion light.
  • Reflection element preferably arranged, at least temporarily, in or at least in the vicinity of the focus of the collection optics or they move in or at least in the vicinity of the focus of the collection optics through the excitation light beam.
  • the excitation light impinging on the wavelength conversion element within the laser spot is detected by the Wavelength conversion element converted into conversion light and radiated, for example, in a Lambertian distribution in the same half-space from which the excitation light irradiates the surface of the wavelength conversion element.
  • the surface of the wavelength conversion element is preferably formed at least in the region of the point of intersection with the optical axis LI of the excitation light path substantially perpendicular to the optical axis LI. Then, the collimated conversion light collected by the collection optics on the excitation light path is returned to the excitation light in the opposite direction.
  • the reflection element is preferably followed by a collimation optics to divergently reflected in focus from the reflection element
  • the spatial separation of excitation light and conversion light can also be a partial overlap of excitation light path and
  • the optical separation element provided in this case and in the other preferred case for the spatial separation of the conversion light from the counter-rotating excitation light preferably comprises a dichroic Mirror.
  • This dichroic mirror is arranged obliquely, preferably at 45 °, in the excitation light or conversion light path.
  • the dichroic mirror is reflective to the excitation light and the conversion light transmissive or vice versa. In this way, the dichroic mirror in any case separates the overlapping portion of the excitation light and the conversion light path in different directions.
  • Such a dichroic mirror optical arrangement for separating excitation and reverse conversion light is particularly compact.
  • the optical merging arrangement provided for combining the conversion light with the reflection light may also comprise a dichroic mirror.
  • the optical merging arrangement may also comprise at least one deflection mirror.
  • the at least one deflection mirror is arranged in the reflection light path and is designed to deflect the reflection light onto the dichroic mirror of the merging arrangement.
  • the dichroic mirror of the optical isolator and the dichroic mirror of the optical combiner may also be one and the same dichroic mirror.
  • the lighting device is particularly compact.
  • a second deflection mirror is advantageous for the merging device.
  • the optical integrator homogenizes the incident light beams, for example by multiple reflection on the way from the integrator input to the output.
  • the optical integrator can be designed, for example, as an elongated conical TIR (TIR) optical system.
  • TIR conical TIR
  • suitable optical elements can be arranged in the reflection light path and / or the conversion light path, for example optical scattering elements.
  • optical scattering elements in the reflection light path can reduce the coherence effects (speckle).
  • the wavelength conversion arrangement may be formed as a body rotatable about an axis, on which the wavelength conversion element and the reflection element are arranged.
  • the wavelength conversion element can be formed, for example, as at least one phosphor layer.
  • the phosphor layer may also comprise a phosphor mixture, ie a mixture of several conversion materials.
  • precisely one respective conversion material corresponding to the desired color light channel is preferably provided for a respective phosphor layer, that is, for example, a yellow phosphor such as (Yo.96 Ceo.04) 3 Al 3 . 75 Gai.25 O12 for the yellow light channel, a green phosphor such as YAG: Ce (Yo.96Ceo.04) 3 Al 3 .
  • the reflection element can be configured, for example, as a mirror coating or, in the case of a metallic body, as a polished, possibly polished section.
  • the wavelength conversion arrangement may be formed as a phosphor wheel, which is rotatable about an axis of rotation of the phosphor wheel.
  • the rotatable body is designed as a circular disk-shaped carrier of the phosphor wheel.
  • the wavelength conversion element for example a phosphor layer, is arranged in the form of a circular ring segment.
  • two or more phosphor segments may be sequentially arranged on the phosphor wheel.
  • the conversion light is emitted back from the irradiated phosphor opposite to the incident excitation light beam, ie al is equal to 0 °.
  • the reflection element can be designed, for example, as a conical circular-mirror segment on the support. Due to the conical surface of the reflection element of the reflection light beam undergoes a change in direction with respect to the excitation light beam or the conversion light beam, ie a2 is not al and thus the change angle a3 is greater than 0 °.
  • the excitation light source preferably comprises at least one laser diode.
  • Each laser diode can be equipped with at least one own and / or common optics ("multi-lens array") for beam guidance, eg at least one Fresnel lens, collimator, etc.
  • multi-lens array for beam guidance, eg at least one Fresnel lens, collimator, etc.
  • Other excitation light sources are also conceivable, such as those Superluminescent diodes, LEDs, organic LEDs and the like.
  • the lighting device as a light source, for example in a projection device or an endoscope and for room lighting purposes, industrial and medical applications is advantageous.
  • use in apparatus for light projection for entertainment purposes, as well as data, film and video projection is preferred.
  • Fig. La an embodiment of an inventive
  • FIG. 1c Position according to the reflection light phase, 1c the embodiment from FIG. 1a in a conversion light phase, FIG.
  • Fig. Ld the phosphor wheel of Fig. Lc in a
  • FIG. 2a shows an embodiment of an inventive
  • Illumination device with phosphor wheel and scattering elements in a reflection light phase
  • FIG. 3a shows a further embodiment of a lighting device according to the invention with phosphor wheel in a reflection light phase
  • Fig. La shows a schematic representation of a lighting device 1 according to an embodiment of the invention.
  • the illumination device 1 comprises an excitation light source 2 embodied as a laser device.
  • the laser device may be formed, for example, as a laser diode matrix comprising a plurality of laser diodes.
  • the excitation light 3 is also used as a blue color channel. Therefore, the excitation light source 2 is designed to excite light 3 in the blue spectral range, for example in the range 440-470 nm, particularly preferably at about 450 nm to emit. In addition, for many phosphors this is a suitable excitation wavelength.
  • the preferably at least approximately collimated blue laser light 3 of the excitation light source 2 is directed by means of a dichroic mirror 4 to a wavelength conversion arrangement which is designed as a phosphor wheel 5.
  • a dichroic mirror 4 to a wavelength conversion arrangement which is designed as a phosphor wheel 5.
  • FIG. 1b shows the phosphor wheel 5 in the orientation according to FIG. 1a in a schematic cross section (bottom) and a corresponding plan view (top).
  • Fluorescent wheel 5 comprises a circular disk-shaped carrier 6, which is rotatably mounted about the axis of rotation A.
  • the side of the carrier 6 facing the incident excitation light 3 is provided with a circular-segment-segment-shaped wavelength conversion element y, which is embodied as a yellow phosphor layer.
  • the carrier 6 has a reflection element 7 designed as a conical circular-mirror segment, which adjoins the wavelength conversion element y and reflects blue light spectrally unchanged.
  • the full opening angle ß of the cone is here about 90 °.
  • the illumination device 1 shown in FIG. 1 a is thus provided for a chronologically sequential sequence of yellow conversion light (Y) or blue reflection light (B). It is suitable, for example, as a time-averaged white-light source for the human eye.
  • more or other phosphor segments may be provided, for example additionally or alternatively
  • Phosphor segments with a green phosphor layer (for green conversion light G) and / or red phosphor layer (for red conversion light R) for an RGB or RGBY light source Likewise, more than one reflection element can be provided.
  • the reflection element 7 of the phosphor wheel 5 rotates through the excitation light path of the blue laser light 3.
  • the laser spot 9 focused by means of a first collecting optics 8 strikes the reflection element 7 and is reflected by it onto a collimating optics 10.
  • the surface normal N2 of the conical circular-mirror segment 7 forms an angle a2 of 45 ° with the local optical axis LI of the blue excitation light 3, ie the respective optical axes LI and L2 of the incident excitation light 3 or emergent reflection light 3 form a change angle a3 of 90 °.
  • the blue reflection light 3 passes through two 45 ° deflecting mirrors 11, 12 onto the rear side of the dichroic mirror 4 and is directed by the latter via a second collection optics 13 into an optical integrator 14.
  • the optical integrator 14 is, for example, a suitable glass rod containing the sequential blue and yellow Spatially homogenized and temporally integrated light on the basis of multiple internal total reflection for the human eye mixed into white mixed light.
  • the two deflecting mirrors 11, 12 and the dichroic mirror 4 are arranged in a common plane for the sake of simplicity and each tilted by 45 ° to the respective optical axis.
  • deviating angles can also be set, as long as this only affects the geometric arrangement of the individual optical elements and not the basic function of the arrangement.
  • a conversion light phase of the lighting device 1 is shown, during which the yellow phosphor segment y of the phosphor wheel 5 rotates through the light path of the blue laser light 3 therethrough.
  • FIG. 1 d shows the phosphor wheel 5 already shown in FIG. 1 b here in the orientation according to FIG. 1 c, namely rotated further by 180 °.
  • the blue laser light 3 is converted by the yellow phosphor of the wavelength conversion element y into conversion light in the yellow spectral range (hereinafter also abbreviated to "yellow conversion light” (Y)), which is deflected by the dichroic mirror 4 blue laser light 3 by means of collection optics 8 on the
  • Wavelength conversion element y focused and generated there the laser spot 9.
  • the incident within the laser spot 9 blue laser light is through the Yellow phosphor converted into yellow conversion light 15 and emitted approximately in a Lambertian distribution in the same half-space from which the excitation light 3 irradiates the surface of the wavelength conversion element y. Since the wavelength conversion element y is arranged at least locally substantially perpendicular to the local optical axis LI of the excitation light path, the
  • Conversion light 15 transmits the dichroic mirror 4, which is transparent to the yellow conversion light 15, and is then directed via the second collection optics 13 into an optical integrator 14.
  • the first dichroic mirror 4 connected between the first excitation light source 2 and the first collection optics 8 spatially separates the conversion light 15 from the counterpropagating light 3 coming from the excitation light source and continues it on the conversion light path starting on the yellow phosphor layer y End opens into the optical integrator 14.
  • the dichroic mirror 4 guides the conversion light 15 transmitted through it with that of its rear side reflected reflection light together.
  • the dichroic mirror 4 functions both as an optical separation element for the excitation light 3 and the conversion light 15, and as an optical merging device for the conversion light 15 and the reflection light 3.
  • the light emitted by the optical integrator 14 is transmitted at fast enough light sequences, e.g. during a rotation of the phosphor wheel 5 of at least 25 revolutions per second, perceived as a mixed light with yellow (conversion light 15) and blue (reflection light 3) color components.
  • the dichroic mirror 4 for the blue excitation light 3 may be designed to be transmissive and reflective to the yellow conversion light 15. Then only the two positions for the excitation light source 2 and the optical integrator 14 are to be interchanged.
  • the annular circulating phosphor layer can also comprise two or more sequentially successive phosphors, for example a red and a green phosphor for RGB mixed light.
  • the color location of the mixed light can be adjusted by the weighting of the colored light components.
  • Lighting device 1 done.
  • FIG. 2a, 2b show schematic representations of the reflection or conversion phase of a variant l 1 of In Fig. La, lc lighting device shown 1. In contrast to the latter is in the
  • Conversion light 15 and excitation light 3 provided first dichroic mirror 4 ⁇ not for the blue
  • Excitation light 3 but designed for the yellow conversion light 15 reflective. This is with this
  • the second dichroic mirror 4 ⁇ ⁇ is for the blue one
  • Conversion light 15 designed mirroring.
  • the reflection light 3 and conversion light 15 merged by means of the second dichroic mirror 4 ⁇ ⁇ are directed into the optical integrator 14 with the aid of a further collecting optics 13 optically connected downstream of the dichroic mirror 4 ⁇ ⁇ .
  • the spatial separation of the conversion light path and reflection light path achieved by the particular configuration of the wavelength conversion arrangement 5 and in particular of the reflection element 7 makes it possible to arrange therein optical elements such as, for example, a scattering element 16, 17.
  • optical elements such as, for example, a scattering element 16, 17.
  • the spatial intensity and angular distribution of conversion light 15 and reflection light 3 can be equalized before being merged with the second dichroic mirror 4 ⁇ ⁇ .
  • 3a, 3b show schematic representations of the reflection phase or conversion phase of a further variant 1 'of the illumination device according to the invention, which differs from variant 1 essentially by dispensing with the scattering elements and in that the second dichroic mirror 4 is designed to be complementary is reflective, ie transmissive to the blue reflection light 3 and transparent to the yellow conversion light 15.
  • the geometric arrangement of the optical integrator 14 is adapted accordingly.

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Abstract

Die Erfindung schlägt eine Beleuchtungsvorrichtung (1) mit einer Anregungslichtquelle (2) und einer Wellenlängenkonversionsanordnung vor, wobei die Wellenlängenkonversionsanordnung so ausgelegt ist, dass das Anregungslicht (3) nicht nur zu Konversionslicht wellenlängenkonvertiert wird sondern zusätzlich und gezielt, zumindest zeitweise und mindestens teilweise unkonvertiert, d.h. spektral unverändert, als Reflexionslicht (3) reflektiert wird. Dazu weist die Wellenlängenkonversionsanordnung zumindest ein Reflexionselement (7) auf, um das Reflexionslicht (3) auf einen vom Anregungslichtpfad und Konversionslichtpfad räumlich getrennten Reflexionslichtpfad zu lenken. Mit Hilfe eines dichroitischen Spiegels (4) wird das Konversionslicht einerseits vom Anregungslicht getrennt und andererseits mit dem umgelenkten Reflexionslicht (3) zusammengeführt.

Description

Beschreibung
Beleuchtungsvorrichtung mit einer
Wellenlängenkonversionsanordnung
Technisches Gebiet
Die vorliegende Erfindung betrifft eine
Beleuchtungsvorrichtung mit einer Anregungslichtquelle zur Emission von als Anregungslicht nutzbarer Primärstrahlung und einer
Wellenlängenkonversionsanordnung zur Konversion des Anregungslichts in Konversionslicht.
Stand der Technik
Lichtquellen hoher Leuchtdichte können beispielsweise im Bereich der Endoskopie oder bei Projektionsgeräten Anwendung finden, wobei hierfür gegenwärtig
Gasentladungslampen noch am weitesten verbreitet sind. Jüngere Entwicklungen gehen dahin, eine
Anregungslichtquelle hoher Leistungsdichte, zum Beispiel einen Laser, mit einem dazu beabstandet angeordneten Leuchtstoffelement zu kombinieren.
Aus dem Stand der Technik sind derartige
Beleuchtungsvorrichtungen bekannt, welche ein
Wellenlängenkonversionselement in Form eines Leuchtstoffelements aufweisen. Diese
Beleuchtungsvorrichtungen umfassen dabei eine
Anregungslichtquelle, die den Leuchtstoff zur Emission von Licht mit einer von der Anregungslichtwellenlänge verschiedenen Wellenlänge anregt. Insbesondere wird auch Anregungslicht im blauen Spektralbereich verwendet. Durch geeignete Umlenkung des blauen Anregungslichts und des vom Leuchtstoff emittierten Konversionslichts können diese beiden Lichtpfade zusammengeführt und einem optischen Integrator zugeführt werden.
Als Wellenlängenkonversionsanordnung kann insbesondere auch ein Leuchtstoffrad vorgesehen sein, das um eine Rotationsachse rotiert und dabei auf einer Kreisspur mit Anregungslicht bestrahlt wird. Dabei können in Umlaufrichtung aufeinanderfolgend auch verschiedene Farbleuchtstoffe auf dem Leuchtstoffrad angeordnet werden, sodass eine zeitliche Abfolge verschiedenfarbigen Konversionslichts, beispielsweise rotes (R) , grünes (G) und blaues (B) Licht erzeugt wird. Die Farben des Konversionslichts spannen dann sequentiell gemeinsam einen RGB-Farbraum auf.
Das Dokument CN 102385233 A zeigt eine Beleuchtungsvorrichtung für einen Projektor mit einem Anregungslaser, einem Leuchtstoffrad zur
Wellenlängenumwandlung des Anregungslaserlichts in Konversionslicht und einem Filterrad, zur spektralen Filterung des Konversionslichts. Das Filterrad und das Leuchtstoffrad sind auf einer gemeinsamen Achse angeordnet und drehen so mit der gleichen Geschwindigkeit. Das Anregungslaserlicht wird mit Hilfe eines dichroitischen Spiegels auf das Leuchtstoffrad reflektiert. Das vom Leuchtstoffrad zurückgestrahlte Konversionslicht hingegen passiert den dichroitischen Spiegel und trifft danach auf das Filterrad. Durch ein Transparenzsegment im Leuchtstoffrad kann das Anregungslaserlicht das Leuchtstoffrad spektral unverändert passieren und wird über eine sogenannte Wrap- Around-Schleife dem dichroitischen Spiegel zu- und mit dem Konversionslichtpfad zusammengeführt. Darstellung der Erfindung
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine alternative Beleuchtungsvorrichtung zur Nutzung des Anregungslichts und des Konversionslichts anzugeben.
Diese Aufgabe wird gelöst durch eine Beleuchtungsvorrichtung zur Erzeugung von Licht mittels einer Wellenlängenkonversionsanordnung, umfassend mindestens eine Anregungslichtquelle, die dazu ausgelegt ist, Anregungslicht auszusenden, eine in einem Anregungslichtpfad angeordnete Wellenlängenkonversionsanordnung mit mindestens einem Wellenlängenkonversionselement, das dafür ausgelegt ist, das von der mindestens einen Anregungslichtquelle auf einem lokalen Anregungslichtpfad zumindest zeitweise auf das Wellenlängenkonversionselement eingestrahlte Anregungslicht zumindest teilweise in Konversionslicht zu konvertieren und das Konversionslicht in denselben Halbraum abzustrahlen, von dem das Anregungslicht auf die Oberfläche des Wellenlängenkonversionselements einstrahlt, und mindestens einem Reflexionselement, das dafür ausgelegt ist, das von der mindestens einen Anregungslichtquelle auf dem lokalen Anregungslichtpfad zumindest zeitweise auf das Reflexionselement eingestrahlte Anregungslicht mindestens teilweise unkonvertiert als Reflexionslicht so zu reflektieren, dass das Reflexionslicht durch eine Richtungsänderung vom lokalen Anregungslichtpfad weg und auf einen Reflexionslichtpfad abgelenkt wird, ein optisches Trennungselement, das dafür angeordnet und ausgelegt ist, das von dem mindestens einen Wellenlängenkonversionselement kommende Konversionslicht von dem auf dem lokalen Anregungslichtpfad kommenden und auf das mindestens eine Wellenlängenkonversionselement einstrahlenden Anregungslicht zu trennen und auf einen Konversionslichtpfad zu führen, eine optische Zusammenführungsanordnung, die für die Zusammenführung des vom Reflexionslichtpfad kommenden Reflexionslichts und des vom Konversionslichtpfad kommenden
Konversionslichts ausgelegt ist.
Besonders vorteilhafte Ausgestaltungen finden sich in den abhängigen Ansprüchen und in der nachstehenden Beschreibung .
Als Anregungslicht ist blaues Licht (d.h. Licht im blauen Spektralbereich) bevorzugt, insbesondere blaues
Laserlicht, da sich das Anregungslicht dann außer zur Anregung eines Leuchtstoffes zusätzlich auch als blauer Farbkanal (blaues Reflexionslicht) nutzen lässt.
Der Grundgedanke der vorliegenden Erfindung besteht nun darin, die Wellenlängenkonversionsanordnung so auszulegen, dass das Anregungslicht nicht nur wellenlängenkonvertiert wird (im Folgenden auch verkürzend Konversionslicht genannt) sondern zusätzlich und gezielt, zumindest zeitweise und mindestens teilweise unkonvertiert , d.h. spektral unverändert, reflektiert wird (im Folgenden auch verkürzend Reflexionslicht genannt) . Dazu weist die Wellenlängenkonversionsanordnung zumindest ein Reflexionselement auf, um das Reflexionslicht auf einen vom Anregungslichtpfad und Konversionslichtpfad räumlich getrennten
Reflexionslichtpfad zu lenken. Durch die räumliche Trennung von Konversionslichtpfad und Reflexionslichtpfad ist eine separate Beeinflussung der Strahleigenschaften von Reflexionslicht und Konversionslicht möglich, bevor das Reflexionslicht und das Konversionslicht wieder zusammengeführt werden. Die räumliche Trennung von Konversionslicht und Reflexionslicht wird erfindungsgemäß dadurch erreicht, dass das Reflexionslicht durch eine Richtungsänderung vom lokalen Anregungslichtpfad, d.h. vom Anregungslichtpfad am Ort der Reflexion, weg und zur weiteren Nutzung auf einen Reflexionslichtpfad abgelenkt wird.
Ein Maß für die Richtungsänderung ist der Änderungswinkel a3 zwischen der lokalen optischen Achse LI des Anregungslichtpfads und der lokalen optische Achse L2 des Reflexionslichtpfads. Mit der „lokalen" optischen Achse ist die jeweilige optische Achse des betreffenden Lichtpfads am Schnittpunkt mit der Oberfläche des Wellenlängenkonversionselements bzw. des
Reflexionselements gemeint.
Die Richtungsänderung wird beispielsweise dadurch erzielt, dass das Wellenlängenkonversionselement, beispielsweise eine Leuchtstoffschicht , und das Reflexionselement, beispielsweise eine Spiegelfläche, auf einem drehbaren Körper so ausgebildet sind, dass die lokale optische Achse LI des Anregungslichtpfads mit der zugehörigen Flächennormalen Nl des
Wellenlängenkonversionselements einen Winkel al bildet, der verschieden ist vom Winkel a2 zwischen der lokalen optischen Achse LI des Anregungslichtpfads und der zugehörigen Flächennormalen N2 des Reflexionselements. Mit anderen Worten sind die Oberfläche des Wellenlängenkonversionselements und die Oberfläche des Reflexionselements nicht in einer gemeinsamen Ebene angeordnet sondern gezielt gegeneinander verkippt oder unterschiedlich gekrümmt. Auf diese Weise wird verhindert, dass das Reflexionslicht auf dem Konversionslichtpfad zurückreflektiert wird, d.h. dass al gleich a2 ist. Stattdessen ist das Reflexionselement gegenüber dem Wellenlängenkonversionselement so ausgebildet, dass das Reflexionslicht vom Konversionslichtpfad weg reflektiert wird.
Das Wellenlängenkonversionselement ist jedenfalls so ausgebildet, dass das Konversionslicht in denselben Halbraum abstrahlt, von dem das Anregungslicht auf die Oberfläche des Wellenlängenkonversionselements einstrahlt.
Vorzugsweise ist das Reflexionselement so ausgebildet, dass der Winkel a2 ungefähr 45°, der Änderungswinkel a3 zwischen Anregungslichtstrahl und Reflexionslichtstrahl also ungefähr 90° beträgt (der Änderungswinkel entspricht dem Reflexionswinkel, d.h. a3 = 2 mal a2) . Dies ermöglicht einerseits eine gute räumliche Trennung von Anregungslicht und Reflexionslicht, andererseits aber auch eine ausreichend kompakte Anordnung. Jedenfalls ist das Reflexionselement so ausgebildet, dass sich ein Änderungswinkel a3 größer als 0° ergibt (a3 = 0° entspricht einer Rückreflexion, die wie erwähnt bevorzugt ist für das Konversionslicht) und kleiner als 180° (a3 = 180° entspricht einer ungehinderten Transmission). In der Praxis wird man den Änderungswinkel a3 besser größer 40° und kleiner 140°, noch besser größer 60° und kleiner 120°, vorzugsweise 90° wählen. Dem Änderungswinkel a3 kann auch ein Streuwinkel kleiner 30° überlagert sein. Dazu ist das Reflexionselement z.B. geeignet diffus verspiegelt, so dass beispielsweise mehr als 50% der einfallenden Strahlung in einen Vollwinkel von 30° reflektiert wird.
Bevorzugt wird das Anregungslicht mit Hilfe einer Sammeloptik auf die Wellenlängenkonversionsanordnung, d.h. das mindestens eine Wellenlängenkonversionselement bzw. das mindestens eine Reflexionselement, fokussiert.
Dazu ist die Sammeloptik optisch zwischen der Anregungslichtquelle und der
Wellenlängenkonversionsanordnung angeordnet. Die
Sammeloptik dient außerdem dazu, das von dem Wellenlängenkonversionselement emittierte Konversions¬ licht zu sammeln und zu kollimieren. Die Sammeloptik ist also dazu ausgelegt, einerseits das Anregungslicht der Anregungslichtquelle auf die
Wellenlängenkonversionsanordnung zu fokussieren, andererseits das vom Wellenlängenkonversionselement der Wellenlängenkonversionsanordnung emittierte Konversionslicht zu sammeln und zu kollimieren. Zu diesem Zweck sind das Wellenlängenkonversions- und
Reflexionselement bevorzugt, zumindest zeitweise, im oder zumindest in der Nähe des Fokus der Sammeloptik angeordnet bzw. bewegen sich diese im oder zumindest in der Nähe des Fokus der Sammeloptik durch den Anregungslichtstrahl hindurch.
Das innerhalb des Laserflecks auf das Wellenlängenkonversionselement auftreffende Anregungslicht wird durch das Wellenlängenkonversionselement in Konversionslicht konvertiert und beispielsweise in einer Lambertschen Verteilung in denselben Halbraum abgestrahlt, von dem das Anregungslicht auf die Oberfläche des Wellenlängenkonversionselements einstrahlt.
Damit die Sammeloptik das Konversionslicht mit möglichst geringen Verlusten einsammelt, ist die Oberfläche des Wellenlängenkonversionselements bevorzugt zumindest im Bereich des Schnittpunkts mit der optischen Achse LI des Anregungslichtpfads im Wesentlichen senkrecht zur optischen Achse LI ausgebildet. Dann wird das von der Sammeloptik gesammelte und kollimierte Konversionslicht auf dem Anregungslichtpfad gegenläufig zum Anregungslicht zurück geführt. Außerdem ist dem Reflexionselement vorzugsweise eine Kollimationsoptik nachgeschaltet, um das im Fokus von dem Reflexionselement divergierend reflektierte
Reflexionslichtbündel zu kollimieren.
Wie bereits erwähnt kann die räumliche Trennung von Anregungslicht und Konversionslicht auch eine teilweise Überlappung von Anregungslichtpfad und
Konversionslichtpfad umfassen, nämlich dann, wenn das Wellenlängenkonversionselement zumindest lokal, d.h. am Ort des auftreffenden Anregungslichts, im wesentlichen senkrecht zum Anregungslichtpfad steht (Winkel al = 0°), also gegenläufig zum Anregungslicht zurückgestrahlt wird. Das in diesem und im übrigen bevorzugten Fall für die räumliche Trennung des Konversionslichts vom gegenläufigen Anregungslicht vorgesehene optische Trennungselement umfasst bevorzugt einen dichroitischen Spiegel. Dieser dichroitische Spiegel ist schräg, bevorzugt unter 45°, im Anregungslicht- bzw. Konversionslichtpfad angeordnet. Außerdem ist der dichroitische Spiegel für das Anregungslicht reflektierend und das Konversionslicht transmittierend ausgebildet oder umgekehrt. Auf diese Weise trennt der dichroitische Spiegel jedenfalls den überlappenden Abschnitt von Anregungslicht- bzw. Konversionslichtpfad in unterschiedliche Richtungen. Eine derartige optische Anordnung mit dichroitischem Spiegel zur Trennung von Anregungs- und gegenläufigem Konversionslicht ist besonders kompakt.
Die für die Zusammenführung des Konversionslichts mit dem Reflexionslicht vorgesehene optische Zusammenführungsanordnung kann ebenfalls einen dichroitischen Spiegel umfassen. Außerdem kann die optische Zusammenführungsanordnung noch mindestens einen Umlenkspiegel umfassen. Der mindestens eine Umlenkspiegel ist im Reflexionslichtpfad angeordnet und dazu ausgelegt ist, das Reflexionslicht auf den dichroitischen Spiegel der Zusammenführungsanordnung umzulenken.
Der dichroitische Spiegel des optischen Trennungselements und der dichroitische Spiegel der optischen Zusammenführungsanordnung kann auch ein und derselbe dichroitische Spiegel sein. In diesem Fall ist die Beleuchtungsvorrichtung besonders kompakt. Außerdem ist in diesem Fall für die Zusammenführungsvorrichtung ein zweiter Umlenkspiegel vorteilhaft.
Für eine Mischung Reflexionslichts und des Konversionslichts ist vorteilhaft, die mittels der Zusammenführungsanordnung zusammengeführten Lichtstrahlenbündel mittels einer optisch nachgeordneten zweiten Sammeloptik in einen optischen Integrator zu lenken. Der optische Integrator homogenisiert die einfallenden Lichtstrahlenbündel, beispielsweise durch Mehrfachreflexion auf dem Weg vom Integrator-Eingang zum -Ausgang. Dazu kann der optische Integrator beispielsweise als eine längliche, konische TIR-Optik (TIR = Total Internal Reflexion) ausgebildet sein. Zur Verbesserung der Mischung von Reflexions- und Konversionslicht, insbesondere zur Angleichung der Intensitäts- und Winkelverteilungen, können im Reflexionslichtpfad und/oder dem Konversionslichtpfad geeignete optische Elemente angeordnet sein, beispielsweise optische Streuelemente. Außerdem können durch optische Streuelemente im Reflexionslichtpfad Kohärenzeffekte (Speckle) verringert werden.
Die Wellenlängenkonversionsanordnung kann als um eine Achse drehbarer Körper ausgebildet sein, auf dem das Wellenlängenkonversionselement und das Reflexionselement angeordnet sind. Das Wellenlängenkonversionselement kann beispielsweise als mindestens eine LeuchtstoffSchicht ausgebildet sein. Die LeuchtstoffSchicht kann auch eine Leuchtstoffmischung umfassen, also eine Mischung mehrerer Konversionsmaterialien. Bevorzugt ist für eine jeweilige Leuchtstoffschicht jedoch genau ein jeweiliges Konversionsmaterial entsprechend dem gewünschten Farblichtkanal vorgesehen, also beispielsweise ein Gelbleuchtstoff wie z.B. ( Yo.96Ceo.04) 3 Al3.75 Gai.25 O12 für den Gelblichtkanal, ein Grünleuchtstoff wie z.B. YAG:Ce ( Yo.96Ceo.04) 3 Al3.75 Gai.25 O12 für den Grünlichtkanal etc.. Für Konversionslicht mit mehr als einem Farblichtkanal (zusätzlich zu dem Reflexionslichtkanal) sind entsprechend viele Wellenlängenkonversionselemente vorgesehen. Das Reflexionselement kann beispielsweise als Spiegelbeschichtung oder -bei einem metallischen Körper - als blanker, eventuell polierter Abschnitt ausgestaltet sein .
Beispielsweise kann die Wellenlängenkonversionsanordnung als Leuchtstoffrad ausgebildet sein, welches um eine Drehachse des Leuchtstoffrads drehbar ist. Dabei ist der drehbare Körper als kreisscheibenförmiger Träger des Leuchtstoffrads ausgebildet. Auf einer Scheibenfläche des Trägers ist das Wellenlängenkonversionselement, z.B. eine Leuchtstoffschicht , kreisringsegmentförmig angeordnet. Beispielsweise können zwei oder mehr LeuchtstoffSegmente sequentiell auf dem Leuchtstoffrad angeordnet sein. Wenn die Scheibenfläche mit dem mindestens einen LeuchtstoffSegmente senkrecht zur lokalen optischen Achse des Anregungslichtpfads und folglich senkrecht zum einstrahlenden Anregungslichtstrahl angeordnet ist, wird das Konversionslicht vom bestrahlten Leuchtstoff entgegen dem einstrahlenden Anregungslichtstrahl zurückemittiert, d.h. al ist gleich 0°. Das Reflexionselement kann beispielsweise als konisches Kreisringspiegelsegment auf dem Träger ausgebildet sein. Aufgrund der konischen Oberfläche des Reflexionselements erfährt der Reflexionslichtstrahl bei der Reflexion eine Richtungsänderung gegenüber dem Anregungslichtstrahl bzw. dem Konversionslichtstrahl, d.h. a2 ist ungleich al und folglich ist der Änderungswinkel a3 größer als 0°. Bevorzugt umfasst die Anregungslichtquelle mindestens eine Laserdiode. Um die für viele Anwendungen erforderliche hohe Anregungslichtleistung bereitstellen zu können, kann es vorteilhaft sein, mehrere Laserdioden- Chips in einem gemeinsamen Gehäuse anzubringen. Jede Laserdiode kann mit mindestens einer eigenen und/oder gemeinsamen Optik („Multi-Lens-Array" ) zur Strahlführung ausgerüstet sein, z.B. mindestens einer Fresnel-Linse , Kollimator, und so weiter. Auch andere Anregungslichtquellen sind denkbar, wie beispielsweise solche, die Superlumineszensdioden, LEDs, organische LEDs und dergleichen umfassen.
Generell ist eine Verwendung der Beleuchtungsvorrichtung als Lichtquelle beispielsweise in einem Projektionsgerät oder einem Endoskop sowie für Raumbeleuchtungszwecke, industrielle und medizinische Anwendungen vorteilhaft. Insbesondere ist die Verwendung in Geräten für die Lichtprojektion für Unterhaltungszwecke sowie Daten-, Film- und Videoprojektion bevorzugt.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen Im Folgenden soll die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen näher erläutert werden. Die Figuren zeigen :
Fig. la ein Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen
Beleuchtungsvorrichtung mit Leuchtstoffrad in einer Reflexionslichtphase,
Fig. lb das Leuchtstoffrad aus Fig. la in einer
Position entsprechend der Reflexionslichtphase, Fig. lc das Ausführungsbeispiel aus Fig. la in einer Konversionslichtphase,
Fig. ld das Leuchtstoffrad aus Fig. lc in einer
Position entsprechend der Konversionslichtphase, Fig. 2a ein Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen
Beleuchtungsvorrichtung mit Leuchtstoffrad und Streuelementen in einer Reflexionslichtphase,
Fig. 2b das Ausführungsbeispiel aus Fig. 2a in einer
Konversionslichtphase, Fig. 3a ein weiteres Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Beleuchtungsvorrichtung mit Leuchtstoffrad in einer Reflexionslichtphase,
Fig. 3b das Ausführungsbeispiel aus Fig. 3a in einer
Konversionslichtphase .
Bevorzugte Ausführung der Erfindung Gleiche oder gleichartige Merkmale können im Folgenden der Einfachheit halber auch mit gleichen Bezugszeichen bezeichnet sein.
Fig. la zeigt eine schematische Darstellung einer Beleuchtungsvorrichtung 1 gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung. Die Beleuchtungsvorrichtung 1 umfasst eine als Laservorrichtung ausgebildete Anregungslichtquelle 2. Die Laservorrichtung kann beispielsweise als eine eine Mehrzahl an Laserdioden umfassende Laserdioden-Matrix ausgebildet sein. Das Anregungslicht 3 wird auch als blauer Farbkanal mit genutzt. Deshalb ist die Anregungslichtquelle 2 dazu ausgelegt, Anregungslicht 3 im blauen Spektralbereich, beispielsweise im Bereich 440- 470 nm, besonders bevorzugt bei ca. 450 nm, zu emittieren. Außerdem ist dies für viele Leuchtstoffe eine geeignete Anregungswellenlänge. Das vorzugsweise zumindest näherungsweise kollimierte blaue Laserlicht 3 der Anregungslichtquelle 2 wird mittels einem dichroitischen Spiegel 4 auf eine Wellenlängenkonversionsanordnung gelenkt, die als Leuchtstoffrad 5 ausgebildet ist. Im Folgenden wird nun auch auf Fig. lb Bezug genommen, das das Leuchtstoffrad 5 in der Orientierung gemäß Fig. la in einem schematischen Querschnitt (unten) sowie einer entsprechenden Draufsicht (oben) zeigt. Das
Leuchtstoffrad 5 umfasst einen kreisscheibenförmigen Träger 6, der drehbar um die Drehachse A gelagert ist. Die dem einfallenden Anregungslicht 3 zugewandte Seite des Trägers 6 ist mit einem kreisringsegmentförmigen Wellenlängenkonversionselement y versehen, das als Gelbleuchtstoffschicht ausgebildet ist. Außerdem weist der Träger 6 ein als konisches Kreisringspiegelsegment ausgebildetes Reflexionselement 7 auf, das sich an dem Wellenlängenkonversionselement y anschließt und blaues Licht spektral unverändert reflektiert. Der volle Öffnungswinkel ß des Konus beträgt hier ca. 90°. Die in Fig. la dargestellte Beleuchtungsvorrichtung 1 ist also für eine zeitlich sequentielle Abfolge von gelbem Konversionslicht (Y) bzw. blauem Reflexionslicht (B) vorgesehen. Sie ist beispielsweise als für das menschliche Auge zeitlich gemittelte Weißlichtquelle geeignet. Darüber hinaus können bei Bedarf auch weitere oder andere Leuchtstoffsegmente vorgesehen sein, beispielsweise zusätzlich oder alternativ
Leuchtstoffsegmente mit einer GrünleuchtstoffSchicht (für grünes Konversionslicht G) und/oder RotleuchtstoffSchicht (für rotes Konversionslicht R) für eine RGB- oder RGBY- Lichtquelle. Ebenso kann auch mehr als ein Reflexionselement vorgesehen sein.
Während der in Fig. la gezeigten Reflexionslichtphase der Beleuchtungsvorrichtung 1 dreht das Reflexionselement 7 des Leuchtstoffrads 5 durch den Anregungslichtpfad des blauen Laserlichts 3 hindurch. Dabei trifft der mittels einer ersten Sammeloptik 8 fokussierte Laserfleck 9 auf das Reflexionselement 7 und wird von diesem auf eine Kollimationsoptik 10 reflektiert. Dabei bildet die Flächennormale N2 des konischen Kreisringspiegelsegments 7 im Laserfokus einen Winkel a2 von 45° mit der lokalen optischen Achse LI des blauen Anregungslichts 3, d.h. die jeweiligen optische Achsen LI und L2 des einfallenden Anregungslichts 3 bzw. ausfallenden Reflexionslichts 3 bilden einen Änderungswinkel a3 von 90°. Auf diese Weise ist sichergestellt, dass das Reflexionslicht nicht auf dem Konversionslichtpfad zurück sondern durch eine Richtungsänderung um den Änderungswinkel a3 auf einen davon räumlich getrennten Reflexionslichtpfad reflektiert wird. Nach der Kollimationsoptik 10 gelangt das blaue Reflexionslicht 3 über zwei 45 ° -Umlenkspiegel 11, 12 auf die Rückseite des dichroitischen Spiegels 4 und wird von diesem über eine zweite Sammeloptik 13 in einen optischen Integrator 14 gelenkt. Der optische Integrator 14 ist beispielsweise ein geeigneter Glasstab, der das sequentielle blaue und gelbe Licht auf der Basis mehrfacher innerer Totalreflexion räumlich homogenisiert und zeitlich integriert betrachtet für das menschliche Auge zu weißem Mischlicht mischt.
Die beiden Umlenkspiegel 11, 12 sowie der dichroitische Spiegel 4 sind der Einfachheit halber in einer gemeinsamen Ebene angeordnet und jeweils um 45° zur jeweiligen optischen Achse gekippt. Es können aber auch davon abweichende Winkel eingestellt werden, solange sich dies lediglich auf die geometrische Anordnung der einzelnen optischen Elemente und nicht auf die prinzipielle Funktion der Anordnung auswirkt.
In Fig. lc ist eine Konversionslichtphase der Beleuchtungsvorrichtung 1 dargestellt, während der das Gelbleuchtstoffsegment y des Leuchtstoffrads 5 durch den Lichtpfad des blauen Laserlichts 3 hindurch dreht. Im Folgenden wird auch Bezug auf Fig. ld genommen, die das bereits in Fig. lb gezeigte Leuchtstoffrad 5 hier in der Orientierung gemäß Fig. lc zeigt, nämlich um 180° weitergedreht . Während der in Fig. lc, ld dargestellten Konversionslichtphase wird das blaue Laserlicht 3 durch den Gelbleuchtstoff des Wellenlängenkonversionselements y in Konversionslicht im gelben Spektralbereich konvertiert (nachfolgend verkürzend auch als „gelbes Konversionslicht" (Y) bezeichnet) . Dazu wird das vom dichroitischen Spiegel 4 umgelenkte blaue Laserlicht 3 mittels der Sammeloptik 8 auf das
Wellenlängenkonversionselements y fokussiert und erzeugt dort den Laserfleck 9. Das innerhalb des Laserflecks 9 auftreffende blaue Laserlicht wird durch den Gelbleuchtstoff in gelbes Konversionslicht 15 konvertiert und näherungsweise in einer Lambertschen Verteilung in denselben Halbraum abgestrahlt, von dem das Anregungslicht 3 auf die Oberfläche des Wellenlängenkonversionselements y einstrahlt. Da das Wellenlängenkonversionselement y zumindest lokal im Wesentlichen senkrecht zur lokalen optischen Achse LI des Anregungslichtpfads angeordnet ist, fällt die
Hauptrichtung der Lambertschen Verteilung mit der Flächennormale Nl des Wellenlängenkonversionselements y und der lokalen optischen Achse LI des Anregungslichtpfads zusammen. Der Winkel a2 zwischen Flächennormale Nl und lokaler optischer Achse LI des Anregungslichtpfads beträgt hier also 0°. Das deshalb gegenläufig zum Anregungslicht 3 abgestrahlte Konversionslicht 15 wird von der ersten Sammeloptik 8 gesammelt und kollimiert. Das kollimierte
Konversionslicht 15 transmittiert den für das gelbe Konversionslicht 15 transparenten dichroitischen Spiegel 4 und wird danach über die zweite Sammeloptik 13 in einen optischen Integrator 14 gelenkt.
Auf diese Weise trennt der zwischen die erste Anregungslichtquelle 2 und die erste Sammeloptik 8 geschaltete erste dichroitische Spiegel 4 das Konversionslicht 15 räumlich von dem gegenläufigen, von der Anregungslichtquelle kommenden Anregungslicht 3 und führt es weiter auf dem Konversionslichtpfad, der auf der GelbleuchtstoffSchicht y beginnt und am Ende in den optischen Integrator 14 mündet. Andererseits führt der dichroitische Spiegel 4 das durch ihn transmittierte Konversionslicht 15 mit dem von ihm auf seiner Rückseite reflektierten Reflexionslicht zusammen. In der Beleuchtungsvorrichtung 1 fungiert der dichroitische Spiegel 4 also sowohl als optisches Trennungselement für das Anregungslicht 3 und das Konversionslicht 15 als auch als optische Zusammenführungsanordnung für das Konversionslicht 15 und das Reflexionslicht 3.
Das von optischen Integrator 14 abgestrahlte Licht wird bei ausreichend schnell ausgeführten Lichtfolgen, z.B. bei einer Drehung des Leuchtstoffrads 5 von mindestens 25 Umdrehungen pro Sekunde, als ein Mischlicht mit gelben (Konversionslicht 15) und blauen (Reflexionslicht 3) Farbanteilen wahrgenommen.
In einer nicht dargestellten Alternative kann der dichroitische Spiegel 4 für das blaue Anregungslicht 3 transmittierend und für das gelbe Konversionslicht 15 reflektierend ausgelegt sein. Dann sind lediglich die beiden Positionen für die Anregungslichtquelle 2 und die optischen Integrator 14 gegeneinander zu vertauschen.
Bei Bedarf kann die ringförmig umlaufende LeuchtstoffSchicht auch zwei oder mehr sequentiell aufeinander folgende Leuchtstoffe umfassen, beispielsweise einen Rot- und einem Grünleuchtstoff für RGB-Mischlicht . Der Farbort des Mischlichts kann durch die Gewichtung der Farblichtkomponenten eingestellt werden. Durch Steuerung der Leistung und/oder Taktung der Laserlichtquelle 2kann die Steuerung des Farborts auch dynamisch während des Betriebs der
Beleuchtungsvorrichtung 1 erfolgen.
Die Fig. 2a, 2b zeigen schematische Darstellungen der Reflexions- bzw. Konversionsphase einer Variante l1 der in Fig. la, lc gezeigten Beleuchtungsvorrichtung 1. Im Unterschied zur letzteren ist bei der
Beleuchtungsvorrichtung l1 der für die Trennung von
Konversionslicht 15 und Anregungslicht 3 vorgesehene erste dichroitische Spiegel 4 λ nicht für das blaue
Anregungslicht 3 sondern für das gelbe Konversionslicht 15 reflektierend ausgelegt. Dadurch ist bei dieser
Variante für die Zusammenführung des blauen
Reflexionslichts 3 und des gelben Konversionslichts 15 ein zweiter dichroitischer Spiegel 4λ λ erforderlich.
Dabei gelangt das durch die Kollimationsoptik 10
kollimierte Reflexionslicht 3 über einen Umlenkspiegel 11 auf den zweiten dichroitischen Spiegel 4 λ λ . Der zweite dichroitische Spiegel 4 λ λ ist für das blaue
Reflexionslicht 3 durchlässig und das gelbe
Konversionslicht 15 spiegelnd ausgelegt. Das mittels des zweiten dichroitischen Spiegels 4 λ λ zusammengeführte Reflexionslicht 3 und Konversionslicht 15 werden mit Hilfe einer dem dichroitischen Spiegel 4 λ λ optisch nachgeschalteten weiteren Sammeloptik 13 in den optischen Integrator 14 gelenkt.
Die durch die besondere Ausgestaltung der Wellenlängenkonversionsanordnung 5 und insbesondere des Reflexionselements 7 erzielte räumliche Auftrennung von Konversionslichtpfad und Reflexionslichtpfad ermöglicht es, darin optische Elemente wie beispielsweise je ein Streuelement 16, 17, anzuordnen. Dadurch kann die räumliche Intensitäts- sowie Winkelverteilung von Konversionslicht 15 und Reflexionslicht 3 vor der Zusammenführung mit dem zweiten dichroitischen Spiegel 4λ λ angeglichen werden. Die Fig. 3a, 3b zeigen schematische Darstellungen der Reflexions- bzw. Konversionsphase einer weiteren Variante l" der erfindungsgemäßen Beleuchtungsvorrichtung. Sie unterscheidet sich von der Variante l1 im wesentlichen durch den Verzicht der Streuelemente und dadurch, dass der zweite dichroitische Spiegel 4 komplementär ausgelegt ist, d.h. für das blaue Reflexionslicht 3 spiegelnd und das gelbe Konversionslicht 15 durchlässig. Schließlich ist die geometrische Anordnung des optischen Integrators 14 entsprechend angepasst.

Claims

Ansprüche
Beleuchtungsvorrichtung (1) zur Erzeugung von Licht mittels einer Wellenlängenkonversionsanordnung, umfassend
- mindestens eine Anregungslichtquelle (2), die dazu ausgelegt ist, Anregungslicht (3) auszusenden,
- eine in einem Anregungslichtpfad angeordnete Wellenlängenkonversionsanordnung (5) mit
- mindestens einem Wellenlängenkonversionselement (y) , das dafür ausgelegt ist, das von der mindestens einen Anregungslichtquelle (2) auf einem lokalen Anregungslichtpfad zumindest zeitweise auf das Wellenlängenkonversionselement (y) eingestrahlte Anregungslicht (3) zumindest teilweise in Konversionslicht (15) zu konvertieren und das Konversionslicht (15) in denselben Halbraum abzustrahlen, von dem das Anregungslicht (3) auf die Oberfläche des Wellenlängenkonversionselements (y) einstrahlt, und
- mindestens einem Reflexionselement (7), das dafür ausgelegt ist, das von der mindestens einen Anregungslichtquelle (2) auf dem lokalen Anregungslichtpfad zumindest zeitweise auf das Reflexionselement (7) eingestrahlte Anregungslicht (3) mindestens teilweise unkonvertiert als Reflexionslicht (3) so zu reflektieren, dass das Reflexionslicht (3) durch eine Richtungsänderung vom lokalen Anregungslichtpfad weg und auf einen Reflexionslichtpfad abgelenkt wird, ein optisches Trennungselement (4), das dafür angeordnet und ausgelegt ist, das von dem mindestens einen Wellenlängenkonversionselement (y) kommende Konversionslicht (15) von dem auf dem lokalen Anregungslichtpfad kommenden und auf das mindestens eine Wellenlängenkonversionselement (y) einstrahlenden Anregungslicht zu trennen und auf einen Konversionslichtpfad zu führen, eine optische Zusammenführungsanordnung (4), die für die Zusammenführung des vom Reflexionslichtpfad kommenden Reflexionslichts (3) und des vom Konversionslichtpfad kommenden Konversionslichts (15) ausgelegt ist.
Beleuchtungsvorrichtung (1) nach Anspruch 1, wobei durch die Richtungsänderung ein Änderungswinkel a3 zwischen der lokalen optische Achse (LI) des Anregungslichtpfads und der lokalen optische Achse (L2) des Reflexionslichtpfads gebildet ist und wobei für den Änderungswinkel a3 in der Reihenfolge zunehmend bevorzugt gilt:
0° < a3 < 180°
40° < a3 < 140°
60° < a3 < 120° .
3. Beleuchtungsvorrichtung (1) nach Anspruch 2, wobei der Änderungswinkel a3 ca. 90° beträgt. Beleuchtungsvorrichtung (1) nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei das
Wellenlängenkonversionselement (y) und das
Reflexionselement (7) so ausgebildet sind, dass die lokale optische Achse (LI) des Anregungslichtpfads mit der lokalen Flächennormalen (Nl) des Wellenlängenkonversionselements (y) einen Winkel al bildet, der verschieden ist vom Winkel a2 zwischen der lokalen optischen Achse (LI) des
Anregungslichtpfads und der lokalen Flächennormalen (N2) des Reflexionselements (7).
Beleuchtungsvorrichtung (1) nach Anspruch
der Winkel al ca. 0° beträgt.
6. Beleuchtungsvorrichtung (1) nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei die
Wellenlängenkonversionsanordnung (5) als um eine Achse (A) drehbarer Körper (6) ausgebildet ist, auf dem das Wellenlängenkonversionselement (y) und das Reflexionselement (7) angeordnet sind. 7. Beleuchtungsvorrichtung (1) nach Anspruch 6, wobei das Wellenlängenkonversionselement (y) als
LeuchtstoffSchicht und das Reflexionselement (7) als Spiegelfläche auf dem drehbaren Körper (6) ausgebildet sind. 8. Beleuchtungsvorrichtung (1) nach Anspruch 7, wobei der drehbare Körper als kreisscheibenförmiger Träger (6) eines Leuchtstoffrads (5) ausgebildet ist und wobei die LeuchtstoffSchicht (y) kreisringsegmentförmige auf einer Scheibenfläche des Trägers (6) angeordnet ist und wobei die Spiegelfläche als konisches Kreisringspiegelsegment (7) auf dem Träger (6) ausgebildet ist.
9. Beleuchtungsvorrichtung (1) nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei das optische Trennungselement (4) einen dichroitischen Spiegel umfasst .
Beleuchtungsvorrichtung (1) nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei die optische
Zusammenführungsanordnung (4) einen dichroitischen Spiegel umfasst.
Beleuchtungsvorrichtung (1) nach Anspruch 9 und 10, wobei der dichroitische Spiegel des optischen Trennungselements und der dichroitische Spiegel der optischen Zusammenführungsanordnung ein und derselbe dichroitische Spiegel (4) ist.
Beleuchtungsvorrichtung (1) nach einem der Ansprüche 10 oder 11, wobei die optische
Zusammenführungsanordnung (4) mindestens einen Umlenkspiegel (11, 12) umfasst, der im
Reflexionslichtpfad angeordnet und dazu ausgelegt ist, das Reflexionslicht (3) auf den dichroitische Spiegel (4; 4λ λ) der Zusammenführungsanordnung (4) umzulenken . Beleuchtungsvorrichtung (1) nach einem der vorstehenden Ansprüchen mit einer ersten Sammeloptik (8), die optisch zwischen der Anregungslichtquelle (2) und der Wellenlängenkonversionsanordnung (5) angeordnet ist, wobei die Sammeloptik (8) dazu ausgelegt ist, einerseits das Anregungslicht (3) der Anregungslichtquelle (2) auf die
Wellenlängenkonversionsanordnung (5) zu fokussieren, andererseits das vom Wellenlängenkonversionselement (y) der Wellenlängenkonversionsanordnung (5) emittierte Konversionslicht (15) zu sammeln und zu kollimieren .
14. Beleuchtungsvorrichtung (1) nach einem der vorstehenden Ansprüche mit einer Kollimationsoptik (10), die dem Reflexionselement (7) optisch nachgeschaltet und für die Kollimation des Reflexionslichts ausgelegt ist.
Verwendung einer Beleuchtungsvorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche für zumindest eine der folgenden Anwendungen: Projektionsgerät, Endoskop, Lichtprojektion für Unterhaltungszwecke,
Raumbeleuchtungszwecke, industrielle und medizinische Anwendungen .
EP15750007.5A 2014-08-29 2015-07-30 Beleuchtungsvorrichtung mit einer wellenlängenkonversionsanordnung Withdrawn EP3186675A1 (de)

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