DE102016212086B4 - LIGHTING DEVICE WITH A LIGHT SOURCE FOR EMISSION OF ILLUMINATION LIGHT - Google Patents
LIGHTING DEVICE WITH A LIGHT SOURCE FOR EMISSION OF ILLUMINATION LIGHTInfo
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Abstract
Beleuchtungsvorrichtung mit
einer Lichtquelle (2) zur Emission eines Beleuchtungslichts (23),
einem Mikrospiegel-Array mit einer Vielzahl matrixförmig angeordneter Mikrospiegelaktoren (1) und einer Beleuchtungsoptik (6),
wobei die Lichtquelle (2) und das Mikrospiegel-Array derart zueinander angeordnet sind, dass von der Lichtquelle (2) im Betrieb ein Zuführ-Strahlenbündel (3) mit dem Beleuchtungslicht (23) auf die Mikrospiegelaktoren (1) des Mikrospiegel-Arrays geführt und an diesen reflektiert wird, wobei mit der Reflexion im zeitlichen Integral
- ein Ein-Strahlenbündel (8) von den Mikrospiegelaktoren (1) in einer jeweiligen Ein-Kippstellung über die Beleuchtungsoptik (6) zu einer Beleuchtungsanwendung hinaus reflektiert wird und
- ein Aus-Strahlenbündel (9) von den Mikrospiegelaktoren (1) in einer jeweiligen Aus-Kippstellung neben die Beleuchtungsoptik (6) reflektiert wird, ferner mit einem Recycling-Spiegel (15), auf welchen zumindest ein Teil des Aus-Strahlenbündels (9) derart fällt, dass ein in dem Aus-Strahlenbündel (9) enthaltene Teil des Beleuchtungslichts an dem Recycling-Spiegel (15) zumindest anteilig zurück zu der Lichtquelle (2) reflektiert wird,
wobei ein Reflexionsverhalten des Recycling-Spiegels (15) einstellbar ist.
Lighting device with
a light source (2) for the emission of an illumination light (23),
a micromirror array with a multitude of matrix-arranged micromirror actuators (1) and an illumination optic (6),
wherein the light source (2) and the micromirror array are arranged relative to each other such that, during operation, a supply beam (3) containing the illumination light (23) is directed from the light source (2) onto the micromirror actuators (1) of the micromirror array and reflected off them, with the reflection in the time integral
- a single beam of light (8) is reflected from the micromirror actuators (1) in a respective tilting position beyond the lighting optics (6) to a lighting application and
- an outgoing beam (9) is reflected from the micromirror actuators (1) in a respective tilted position next to the illumination optics (6), furthermore with a recycling mirror (15) onto which at least a part of the outgoing beam (9) falls in such a way that a part of the illumination light contained in the outgoing beam (9) is reflected at least partially back to the light source (2) by the recycling mirror (15),
wherein the reflection behavior of the recycling mirror (15) is adjustable.
Description
Technisches GebietTechnical field
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Beleuchtungsvorrichtung mit einer Lichtquelle zur Emission eines Beleuchtungslichts, einem Mikrospiegel-Array und einer Beleuchtungsoptik.The present invention relates to a lighting device comprising a light source for emitting illumination light, a micromirror array and illumination optics.
Stand der TechnikState of the art
Ein Mikrospiegel-Array ist aus einer Vielzahl matrixförmig angeordneter Mikrospiegel aufgebaut, die als Aktoren unabhängig voneinander schalt- und damit verkippbar sind. Bei Projektionsanwendungen werden solche Mikrospiegel-Arrays als Bildgeber genutzt. Es entspricht also jeder Mikrospiegelaktor einem Pixel, wobei je nach Kippstellung das in jeweiligen Zeitpunkten darauf fallende Licht bestimmter Farbe (z. B. Rot, Grün und Blau) zur Bildgebung weitergeleitet wird, oder eben nicht.A micromirror array consists of a large number of micromirrors arranged in a matrix, which can be independently switched and thus tilted. In projection applications, such micromirror arrays are used as image transmitters. Each micromirror actuator corresponds to a pixel, whereby, depending on its tilt position, the light of a specific color (e.g., red, green, and blue) falling on it at a given time is either transmitted for image formation or not.
Aus dem Stand der Technik sind verschiedene Ansätze bekannt, dieses nicht weitergeleitete Licht wiederzuverwenden (Lichtrecycling), um die Effizienz zu steigern.Various approaches are known from the state of the art to reuse this non-transmitted light (light recycling) in order to increase efficiency.
Die
Darstellung der ErfindungDescription of the invention
Der vorliegenden Erfindung liegt das technische Problem zugrunde, eine besonders vorteilhafte Beleuchtungsvorrichtung anzugeben.The present invention is based on the technical problem of specifying a particularly advantageous lighting device.
Erfindungsgemäß löst diese Aufgabe eine Beleuchtungsvorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 1.According to the invention, this problem is solved by a lighting device having the features of claim 1.
Es wird eine Beleuchtungsvorrichtung mit einer Lichtquelle zur Emission eines Beleuchtungslichts, einem Mikrospiegel-Array mit einer Vielzahl matrixförmig angeordneter Mikrospiegelaktoren und einer Beleuchtungsoptik vorgeschlagen, wobei die Lichtquelle und das Mikrospiegel-Array derart zueinander angeordnet sind, dass von der Lichtquelle im Betrieb ein Zuführ-Strahlenbündel mit dem Beleuchtungslicht auf die Mikrospiegelaktoren des Mikrospiegel-Arrays geführt und an diesen reflektiert wird, wobei mit der Reflexion im zeitlichen Integral
- - ein Ein-Strahlenbündel von den Mikrospiegelaktoren in einer jeweiligen Ein-Kippstellung über die Beleuchtungsoptik zu einer Beleuchtungsanwendung hinaus reflektiert wird und
- - ein Aus-Strahlenbündel von den Mikrospiegelaktoren in einer jeweiligen Aus-Kippstellung neben die Beleuchtungsoptik reflektiert wird,
ferner mit einem Recycling-Spiegel, auf welchen zumindest ein Teil des Aus-Strahlenbündels derart fällt, dass ein in dem Aus-Strahlenbündel enthaltene Teil des Beleuchtungslichts an dem Recycling-Spiegel zumindest anteilig zurück zu der Lichtquelle reflektiert wird,
wobei ein Reflexionsverhalten des Recycling-Spiegels einstellbar ist.A lighting device is proposed comprising a light source for emitting illumination light, a micromirror array with a plurality of matrix-arranged micromirror actuators, and illumination optics, wherein the light source and the micromirror array are arranged relative to each other such that, during operation, a beam of light from the light source is directed onto the micromirror actuators of the micromirror array and reflected by them, with the reflection occurring in the time integral
- - a single beam of light from the micromirror actuators in a respective tilting position is reflected beyond the lighting optics to a lighting application and
- - an out-ray beam is reflected from the micromirror actuators in a respective tilted position next to the lighting optics,
furthermore, with a recycling mirror onto which at least part of the emitted beam falls in such a way that a part of the illumination contained in the emitted beam is reflected at least partially back to the light source by the recycling mirror,
where the reflection behavior of the recycled mirror is adjustable.
Bevorzugte Ausführungsformen finden sich in den abhängigen Ansprüchen und der gesamten Offenbarung, wobei in der Darstellung nicht immer im Einzelnen zwischen Vorrichtungs- und Verfahrens- bzw. Verwendungsaspekten unterschieden wird; jedenfalls implizit ist die Offenbarung hinsichtlich sämtlicher Anspruchskategorien zu lesen.Preferred embodiments are found in the dependent claims and the entire disclosure, whereby the presentation does not always differentiate in detail between apparatus and method or use aspects; in any case, the disclosure is to be read implicitly with regard to all claim categories.
Die erfindungsgemäße Beleuchtungsvorrichtung weist also eine Lichtquelle und ein Mikrospiegel-Array (im Folgenden auch nur „Array“) auf, wobei das Zuführ-Strahlenbündel mit dem Beleuchtungslicht von der Lichtquelle auf das Array fällt. An dessen Mikrospiegelaktoren (nachfolgend auch nur „Aktoren“) wird das Beleuchtungslicht reflektiert, also je Mikrospiegelaktor ein jeweiliges Teil-Strahlenbündel. In Abhängigkeit von der Kippstellung des jeweiligen Mikrospiegelaktors wird das jeweilige Teil-Strahlenbündel über die Beleuchtungsoptik zur Beleuchtungsanwendung (Ein-Kippstellung) oder neben die Beleuchtungsoptik (Aus-Kippstellung) reflektiert, wird es also im letztgenannten Fall der Beleuchtungsanwendung nicht zugeführt. Über die Kippstellung der Aktoren lässt sich so gezielt eine Lichtverteilung im Fernfeld einstellen (eine jeweilige Kippstellung muss dabei aber nicht dauerhaft eingenommen werden, es ist auch z. B. ein oszillierendes Hin- und Herklappen möglich, z. B. um Dimmzustände zu realisieren, siehe unten im Detail). Ein mögliches Anwendungsgebiet ist eine adaptive Straßenausleuchtung mit einem Kfz-Scheinwerfer, siehe ebenfalls unten im Detail.The lighting device according to the invention thus comprises a light source and a micromirror array (hereinafter also referred to as "array"), wherein the supply beam containing the illumination light falls from the light source onto the array. The illumination light is reflected at the micromirror actuators of the array (hereinafter also referred to as "actuators"), i.e., each micromirror actuator reflects a partial beam. Depending on the tilt position of the respective micromirror actuator, the respective partial beam is reflected via the illumination optics to the illumination application (tilt position) or next to the illumination optics (tilt position). In the latter case, it is therefore not supplied to the lighting application. The tilting position of the actuators allows for targeted adjustment of the light distribution in the far field (however, a particular tilting position does not have to be held permanently; for example, oscillating back-and-forth tilting is also possible, e.g., to implement dimming states; see below for details). One possible application is adaptive road lighting with a vehicle headlight; see also below for details.
Die Gesamtheit aller Teil-Strahlenbündel, die von den Aktoren jeweils in Ein-Kippstellung reflektiert werden, bildet das „Ein-Strahlenbündel“; die Gesamtheit aller von den Aktoren in jeweiliger Aus-Kippstellung reflektierten Teil-Strahlenbündel bildet das Aus-Strahlenbündel. Das Ein- und das Aus-Strahlenbündel ergeben sich jeweils im zeitlichen Integral, weil typischerweise nicht sämtliche Aktoren gleichzeitig in derselben Kippstellung sind bzw. die Aktoren auch generell oszillierend betrieben werden. Ein zeitliches Integral kann eine Zeitdauer im Mikrosekundenbereich und/oder Millisekundenbereich und/oder Sekundenbereich und/oder Minutenbereich und/oder länger umfassen. Im Projektionsbereich (Videoprojektion etc.) werden Mikrospiegel-Arrays als Bildgeber verwendet, siehe vorne. Das Aus-Strahlenbündel wird dabei in einem Absorber (Beam Dump) „vernichtet“.The sum of all partial beams reflected by the actuators in their tilted positions constitutes the "in beam"; the sum of all partial beams reflected by the actuators in their respective tilted positions constitutes the "out beam." The in beam and the out beam are each derived from the time integral because typically not all actuators are in the same tilted position simultaneously, and the actuators are generally operated in oscillation mode. A time integral can encompass a duration in the microsecond range, millisecond range, second range, minute range, and/or longer. In projection applications (video projection, etc.), micromirror arrays are used as image sources, as described above. The out beam is then "absorbed" in a beam dump.
Bei der erfindungsgemäßen Beleuchtungsvorrichtung wird hingegen bevorzugt zumindest ein Teil des in dem Aus-Strahlenbündel enthaltenen Beleuchtungslichts (nachfolgend auch nur „Licht“) zurück zu der Lichtquelle geführt. Dies ist insoweit vorteilhaft, als es dann von dort jedenfalls anteilig erneut zu dem Array gelangen und so letztlich doch zu Beleuchtungszwecken genutzt werden kann (dieser Teil des Beleuchtungslichts wird „recycelt“, im Folgenden auch als „Recycling-Beleuchtungslicht“ bezeichnet). Bevorzugt gelangt das recycelte Beleuchtungslicht auf demselben Pfad wie das originär emittierte Beleuchtungslicht zu dem Array, also in dem Zuführ-Strahlenbündel. Wie nachstehend im Einzelnen erläutert, gelangt das zu der Lichtquelle zurückgeführte Beleuchtungslicht bevorzugt in entgegengesetzter Richtung zurück zu der Lichtquelle, erfordert also das Recycling dort eine Richtungsumkehr. Diese kann besonders gut im Falle einer nachstehend im Einzelnen erläuterten Lichtquelle mit einem mit Pumpstrahlung angeregten Leuchtstoffelement möglich sein, weil in diesem das Beleuchtungslicht gestreut bzw. absorbiert und erneut emittiert wird und mit dieser Streuung anteilig eine Richtungsumkehr erfährt (erneut hin zum Array).In the lighting device according to the invention, at least a portion of the illumination light contained in the emitted beam (hereinafter also referred to simply as "light") is preferably directed back to the light source. This is advantageous insofar as it can then, at least partially, reach the array again and thus ultimately be used for illumination purposes (this portion of the illumination light is "recycled," hereinafter also referred to as "recycled illumination light"). Preferably, the recycled illumination light reaches the array via the same path as the originally emitted illumination light, i.e., in the feed beam. As explained in detail below, the illumination light returned to the light source preferably travels back in the opposite direction, thus requiring a reversal of direction for recycling. This can be particularly well achieved in the case of a light source with a pump-excited phosphor element, as described in detail below, because in this element the illumination light is scattered or absorbed and re-emitted, and with this scattering undergoes a partial reversal of direction (back towards the array).
Im Allgemeinen kann ein solches Recycling mit Richtungsumkehr aber bspw. auch im Falle einer Halogen- oder Gasentladungslampe als Lichtquelle möglich sein; es kann nämlich das zurückgeführte Beleuchtungslicht bspw. an einem Reflektor der Lampe reflektiert und so in das Zuführ-Strahlenbündel gebracht und damit recycelt werden. Ferner ist auch hier eine Absorption möglich bzw. muss das Licht nicht zwangsläufig nur gestreut werden (z. B. bei einer Halogenlampe kann der Draht durch reflektiertes IR-Licht geheizt werden und muss diese Leistung dann bereits nicht mehr elektrisch zugeführt werden). Im Übrigen kann das Beleuchtungslicht auch so zu der Lichtquelle zurückgeführt werden, dass es dort bereits mit einer Richtungskomponente ankommt, die mit einer Haupt-Abstrahlrichtung des originär von der Lichtquelle weggeführten Beleuchtungslichts zusammenfällt.In general, such recycling with reversal of direction can also be possible, for example, in the case of a halogen or gas discharge lamp as the light source; the returned illumination light can be reflected, for instance, by a reflector of the lamp and thus brought into the incoming beam and recycled. Furthermore, absorption is also possible here, or the light does not necessarily have to be scattered only (e.g., in a halogen lamp, the filament can be heated by reflected IR light, and this power then no longer needs to be supplied electrically). Moreover, the illumination light can also be returned to the light source in such a way that it already arrives there with a directional component that coincides with a main emission direction of the illumination light originally directed away from the light source.
So kann das Beleuchtungslicht im Allgemeinen bspw. auch durch einen Lichtleiter, etwa eine Glasfaser, zu der Lichtquelle zurückgeführt werden, womit sich die Richtungskomponente des Beleuchtungslichts bei der Lichtquelle relativ frei wählen lässt (durch eine entsprechende Orientierung des Lichtleiterausgangs, oder aber auch durch zusätzliche optische Elemente, wie bspw. Spiegel und/oder dichroitische Elemente und/oder Linsen und/oder weitere Lichtleiter). Dem Lichtleiter kann bspw. auch ein wellenlängenabhängiger Spiegel zugeordnet sein, der dann bspw. im Falle einer Lichtquelle mit Leuchtstoffelement bevorzugt für die Pumpstrahlung transmissiv und für das Konversionslicht reflektiv sein kann, sodass nur die Pumpstrahlung zu dem Leuchtstoffelement zurückgeführt wird.The illumination light can generally be guided back to the light source via a light guide, such as an optical fiber. This allows for relatively free selection of the directional component of the illumination light at the light source (through appropriate orientation of the light guide exit, or through additional optical elements such as mirrors and/or dichroic elements and/or lenses and/or further light guides). The light guide can also be associated with a wavelength-dependent mirror, which, for example, in the case of a light source with a fluorescent element, can be preferably transmissive for the pump radiation and reflective for the conversion light, so that only the pump radiation is guided back to the fluorescent element.
Dem Mikrospiegel-Array ist die Beleuchtungsoptik derart zugeordnet, dass das von unterschiedlichen Mikrospiegelaktoren in Ein-Kippstellung durch die Beleuchtungsoptik geführte Beleuchtungslicht in unterschiedliche Raumrichtungen gelangt. Die Lichtverteilung im Ortsraum in der Array-Ebene wird also in eine Lichtverteilung im Winkelraum des Fernfelds übersetzt. Durch selektives Ein-/Ausschalten eines jeweiligen Aktors kann dementsprechend eine jeweilige Raumrichtung bzw. ein Raumwinkelbereich selektiv mit Beleuchtungslicht versorgt werden, oder eben nicht.The micromirror array is configured with lighting optics such that the illumination light, guided through the optics by different micromirror actuators in a tilted position, is directed in different spatial directions. The light distribution in the spatial plane of the array is thus translated into a light distribution in the angular space of the far field. By selectively switching a particular actuator on or off, a specific spatial direction or angular area can be selectively illuminated, or not illuminated.
Von einem der Beleuchtungsoptik nachgelagert maximal zugänglichen Lichtkegel lassen sich also gezielt Raumwinkelbereiche hinzu- und wegschalten, was bspw. zur adaptiven Straßenausleuchtung genutzt werden kann. Ein von bspw. einem Kamerasystem des Kraftfahrzeugs (Kfz) erfasstes, vorausfahrendes oder entgegenkommendes Fahrzeug kann so bspw. gezielt aus dem Lichtkegel ausgenommen werden, indem also die jeweilig zugeordneten Mikrospiegelaktoren ausgeschaltet (in eine entsprechende Kippstellung) gebracht werden. Dies soll ein vorteilhaftes und insoweit auch bevorzugtes Anwendungsgebiet illustrieren, den Erfindungsgedanken aber nicht in seiner Allgemeinheit beschränken.From a light cone that is maximally accessible downstream of the lighting optics, specific solid angle areas can be selectively added to and removed, which can be used, for example, for adaptive road illumination. A vehicle ahead or approaching, detected by, for example, a camera system in a motor vehicle, can thus be selectively excluded from the light cone by switching off the respective micromirror actuators (moving them into a corresponding tilting position). This is intended to illustrate an advantageous and, in this respect, also preferred field of application of the invention. but not limit it to its generality.
Die Beleuchtungsoptik kann im Allgemeinen auch einen Reflektor aufweisen; bevorzugt ist eine ausschließlich refraktive Beleuchtungsoptik. Im Allgemeinen ist auch eine nicht-abbildende Beleuchtungsoptik denkbar, vorzugsweise ist sie jedoch abbildend. Die Beleuchtungsoptik kann bspw. eine Linse aufweisen, bevorzugt eine Sammellinse, wobei die Linse auch nach Art eines Linsensystems aus mehreren Einzellinsen aufgebaut sein kann (in Bezug auf die Durchleuchtung aufeinanderfolgend angeordnet). Bevorzugt ist eine Anordnung derart, dass die Beleuchtungsoptik das Mikrospiegel-Array, also die Aktoren, ins Unendliche abbildet.The illumination optics can generally also include a reflector; a purely refractive illumination optics is preferred. A non-imaging illumination optics is also generally conceivable, but an imaging optics is preferred. The illumination optics can, for example, include a lens, preferably a converging lens, which can also be constructed as a lens system consisting of several individual lenses (arranged sequentially with respect to the transmission). An arrangement such that the illumination optics image the micromirror array, i.e., the actuators, to infinity is preferred.
Das „Mikrospiegel-Array“ (auch Digital Micromirror Device, DMD) kann bspw. mindestens 10, 100, 500, 1.000, 5.000, 10.000 bzw. 30.000 Mikrospiegelaktoren und (davon unabhängig) z. B. nicht mehr als 1×108, 1×107 bzw. 1×106 Mikrospiegelaktoren aufweisen (jeweils in der Reihenfolge der Nennung zunehmend bevorzugt). Die Mikrospiegelaktoren sind bevorzugt Teil desselben Halbleiter-Bauteils (Chips). Sie sind nicht notwendigerweise vollständig unabhängig voneinander schaltbar, sondern können bspw. auch bereits Chip-seitig in Gruppen zusammengefasst sein. Es können also bspw. auch mehrere nebeneinander angeordnete Mikrospiegelaktoren gemeinschaftlich einen Raumwinkelbereich versorgen, oder eben nicht, also dann sämtlich ein- oder ausgeschaltet sein. Auch hinsichtlich bestimmter Betriebsmodi, wie z. B. Fernlicht, Abblendlicht, Tagfahrlicht etc., ist auch ein bereits originäres gruppenweises Zusammenfassen möglich.The "micromirror array" (also known as a digital micromirror device, DMD) can, for example, comprise at least 10, 100, 500, 1,000, 5,000, 10,000, or 30,000 micromirror actuators and (independently thereof) no more than, for example, 1 × 10⁸ , 1 × 10⁷ , or 1 × 10⁶ micromirror actuators (in increasing order of preference). The micromirror actuators are preferably part of the same semiconductor component (chip). They are not necessarily completely independently switchable, but can, for example, be grouped together on the chip itself. Thus, for example, several adjacent micromirror actuators can jointly supply a solid angle range, or not, i.e., all be switched on or off. This also applies to certain operating modes, such as... For example, high beam, low beam, daytime running lights, etc., it is also possible to group them together in an original way.
Bei einer bevorzugten Ausführungsform ist ein Recycling-Spiegel vorgesehen, an dem das neben die Beleuchtungsoptik geführte Beleuchtungslicht zumindest anteilig zurück zu der Lichtquelle reflektiert wird. Der Recycling-Spiegel kann im Allgemeinen auch eine diffus bzw. spekular-diffus reflektierende Reflexionsfläche haben, bevorzugt ist er spekular reflektiv. Bevorzugt kann eine gekrümmte Reflexionsfläche sein, besonders bevorzugt eine konkav gekrümmte Reflexionsfläche; es ist bspw. auch eine sphärische Krümmung möglich, bevorzugt ist sie asphärisch, etwa ellipsoidal oder auch frei geformt, jeweils zumindest bereichsweise.In a preferred embodiment, a recycling mirror is provided, by which the illumination light directed alongside the lighting optics is at least partially reflected back to the light source. The recycling mirror can generally have a diffusely or specularly diffusely reflecting surface; preferably, it is specularly reflective. Preferably, the reflective surface can be curved, particularly preferably a concavely curved surface; for example, a spherical curvature is also possible, preferably an aspherical, ellipsoidal, or even free-form shape, in each case at least partially.
In bevorzugter Ausgestaltung wird das an dem Recycling-Spiegel reflektierte Beleuchtungslicht über das Mikrospiegel-Array zurück zu der Lichtquelle geführt. Soweit im Allgemeinen also auch ein gesonderter Pfad denkbar ist, etwa über einen zusätzlichen Spiegel neben dem Array, wird das Licht bevorzugt auf demselben Pfad hin- und zurückgeführt (von der Lichtquelle zu dem Recycling-Spiegel und zurück). Dies kann bspw. insoweit vorteilhaft sein, als dieselben optischen Komponenten genutzt werden, also z. B. kein zusätzlicher Spiegel neben dem Array notwendig ist, was in Kostenhinsicht Vorteile bieten und auch die Integrationstiefe erhöhen helfen kann bzw. ebenso hinsichtlich des Bauraums von Interesse sein kann.In a preferred embodiment, the illumination light reflected by the recycled mirror is guided back to the light source via the micromirror array. While a separate path is generally conceivable, for example via an additional mirror next to the array, the light is preferably guided back and forth along the same path (from the light source to the recycled mirror and back). This can be advantageous, for example, because the same optical components are used, meaning, for instance, that no additional mirror next to the array is necessary. This can offer cost advantages and also help increase the integration depth, as well as being of interest with regard to installation space.
Die Erfinder haben festgestellt, dass entsprechend über das Array geführtes Beleuchtungslicht zwar ggf. bei den eingangs genannten Projektionsanwendungen nachteilig sein kann, weil sich damit auch die Wahrscheinlichkeit von unerwünscht in das Ein-Strahlenbündel eingetragenen Störreflexen erhöht. Solche Reflexe können nicht nur an den Aktoren an sich, sondern insbesondere auch an Aufhängungsstegen, der Chip-Metallisierung bzw. -oberfläche generell erfolgen. Jedenfalls bei den vorliegend insbesondere relevanten Scheinwerfer-Anwendungen, insbesondere im Kfz-Bereich, überwiegt jedoch der genannte Effizienzvorteil einen ggf. etwas verringerten Kontrast.The inventors have determined that while guiding illumination light across the array may potentially be disadvantageous in the aforementioned projection applications, as it increases the likelihood of unwanted reflections being introduced into the single-beam beam, such reflections can occur not only at the actuators themselves but also, and especially, at mounting brackets, the chip metallization, or the surface in general. However, in the relevant headlight applications, particularly in the automotive sector, the aforementioned efficiency advantage outweighs any potentially slightly reduced contrast.
Bei einer bevorzugten Ausführungsform ist zwischen dem Array und dem Recycling-Spiegel eine Recycling-Optik angeordnet, die bspw. eine Reflexionsfläche des Recycling-Spiegels auf das Array abbilden bzw. das Aus-Strahlenbündel auch nur fokussieren kann, was ggf. einen kleineren Recycling-Spiegel ermöglicht. Es kann bspw. ein Recycling möglichst 1:1 bevorzugt sein, d. h. eine 1:1-Abbildung des Arrays (bzw. eines jeweiligen Mikrospiegels) über den Recyclingspiegel wieder zurück auf das Array (bzw. den jeweiligen Mikrospiegel). Es kann aber andererseits auch bevorzugt sein, einen Schwerpunkt auf (einen) bestimmte(n) Bereich(e) zu legen. So können bspw. Außenbereiche des Arrays aus Sicht der Beleuchtungsanwendung eher dunkel sein, die Aktoren also öfter ausgeschaltet sein; um dieses Licht effektiv zu recyceln, wird es idealerweise ins Zentrum der Lichtquelle zurückreflektiert (nicht zwangsläufig ins Zentrum des Arrays).In a preferred embodiment, a recycling optic is arranged between the array and the recycling mirror. This optic can, for example, map a reflective surface of the recycling mirror onto the array or simply focus the outgoing beam, potentially allowing for a smaller recycling mirror. A 1:1 recycling process may be preferred, meaning a 1:1 mapping of the array (or a specific micromirror) back onto the array (or the respective micromirror) via the recycling mirror. However, it may also be preferable to focus on a specific area(s). For example, the outer areas of the array may be darker from the perspective of the lighting application, meaning the actuators are more frequently switched off. To effectively recycle this light, it is ideally reflected back to the center of the light source (not necessarily to the center of the array).
Bevorzugt ist eine Sammellinse als Recycling-Optik, die bspw. auch als Linsensystem aus mehreren Einzellinsen aufgebaut sein kann (in Bezug auf die Durchleuchtung aufeinanderfolgend angeordnet). Bevorzugt durchsetzt das gesamte vom Array zum Recycling-Spiegel und zurück geführte Beleuchtungslicht die Recycling-Optik, durchsetzt es diese also während eines Recycling-Vorgangs zweimal. Die Recycling-Optik ist bevorzugt entspiegelt. Im Allgemeinen ist eine gesonderte Recycling-Optik aber nicht zwingend und kann eine Lichtformung bspw. auch mit einem Hohlspiegel als Recycling-Spiegel erfolgen, der also alternativ zu, aber auch in Kombination mit einer Recycling-Optik vorgesehen sein kann. Insbesondere soweit das Array als annähernd punktförmig betrachtet werden kann, genügt ein sphärischer Hohlspiegel; es kann aber auch ein Freiformspiegel vorgesehen werden.A converging lens is preferred as the recycling optic, which can, for example, also be constructed as a lens system consisting of several individual lenses (arranged sequentially with respect to the transmission). Preferably, all the illumination light directed from the array to the recycling mirror and back passes through the recycling optic, thus passing through it twice during a single recycling process. The recycling optic is preferably anti-reflective. In general, however, a separate recycling optic is not mandatory, and light shaping can also be achieved, for example, with a concave mirror as the recycling mirror, which can therefore be used as an alternative to, or in combination with, a recycling optic. In particular, if the array can be considered approximately point-like, a spherical concave mirror is sufficient; however, a freeform mirror can also be used.
Eine bevorzugte Ausführungsform betrifft einen in seinem Reflexionsverhalten einstellbaren Recycling-Spiegel. „Einstellbar“ kann insoweit bspw. meinen, dass die Ortsverteilung der Reflexion veränderbar ist und/oder die spektrale Zusammensetzung des reflektierten Beleuchtungslichts veränderbar ist, etwa über einen Wellenlängenselektiv veränderbaren Reflexionsgrad. Die Einstellbarkeit kann auch in einem insgesamt, über alle Wellenlängen, veränderlichen Reflexionsgrad bestehen. Verschiedene Möglichkeiten der Umsetzung werden nachstehend noch im Einzelnen diskutiert; generell kann ein Ansatz darin bestehen, einen Recycling-Spiegel mit über seine Gesamt-Reflexionsfläche variierenden Reflexionseigenschaften vorzusehen. Je nach Bedarf kann dann der eine oder der andere Bereich der Gesamt-Reflexionsfläche genutzt werden (bevorzugt durch Versetzen des Spiegels).A preferred embodiment relates to a recycled mirror whose reflection behavior is adjustable. "Adjustable" in this context can mean, for example, that the spatial distribution of the reflection is variable and/or the spectral composition of the reflected illumination is variable, perhaps via a wavelength-selective variable reflectance. The adjustability can also consist of an overall reflectance that varies across all wavelengths. Various implementation possibilities are discussed in detail below; generally, one approach is to provide a recycled mirror with varying reflection properties across its entire reflective surface. Depending on requirements, one or another area of the total reflective surface can then be used (preferably by repositioning the mirror).
Mit dem einstellbaren Recycling-Spiegel lassen sich auch die Eigenschaften des dann letztlich (unter Berücksichtigung des recycelten Beleuchtungslichts) durch die Beleuchtungsoptik zur Beleuchtungsanwendung geführten Beleuchtungslichts beeinflussen, nämlich entweder gezielt verändern oder konstant halten (durch Ausgleich). Dies kann insbesondere die spektralen Eigenschaften betreffen, bspw. den Farbort. Hier kann es durch das Recycling bspw. im Falle einer Lichtquelle mit Leuchtstoffelement zu einer Verschiebung kommen, weil das Recycling das Verhältnis von Pumpstrahlung zu Konversionslicht verändern kann.The adjustable recycling mirror also allows the properties of the illuminating light that is ultimately directed through the lighting optics to the lighting application (taking the recycled light into account) to be influenced, either by targeted modification or by keeping it constant (through compensation). This can particularly affect the spectral properties, such as the color coordinates. Here, recycling can lead to a shift, for example, in the case of a light source with a fluorescent element, because recycling can change the ratio of pumped light to conversion light.
So kann bspw. bei einem in Teilkonversion betriebenen Leuchtstoffelement weißes Beleuchtungslicht durch eine Mischung aus anteilig nicht konvertierter Pumpstrahlung (blauem Licht) und gelbem Konversionslicht eingestellt sein, wobei das Recycling das Verhältnis zugunsten letzterem verschieben kann (die in dem zurückgeführten Beleuchtungslicht noch enthaltene Pumpstrahlung wird bei dem Recycling jedenfalls anteilig konvertiert, was das Verhältnis ändert). Der einstellbare Recycling-Spiegel ist also insbesondere auch in einem solchen Kontext zu sehen.For example, in a fluorescent lamp operating in partial conversion mode, white illumination can be achieved by a mixture of partially unconverted pump radiation (blue light) and yellow conversion light, whereby recycling can shift the ratio in favor of the latter (the pump radiation still contained in the recycled illumination light is at least partially converted during recycling, which changes the ratio). The adjustable recycling mirror should therefore be viewed particularly in this context.
In bevorzugter Ausgestaltung wird das einstellbare Reflexionsverhalten mit einer zumindest bereichsweise klappbaren Reflexionsfläche umgesetzt. Es kann sich also bspw. auch bei dem Recycling-Spiegel um ein Mikrospiegel-Array handeln, bzgl. dessen möglicher Ausgestaltung ausdrücklich auch auf die vorstehende Offenbarung verwiesen wird. Es sind aber auch im Prinzip makroskopische Spiegelelemente denkbar (die bspw. nicht Teil eines gemeinsamen Chips sind), die jeweils einen Teil der Reflexionsfläche bilden und derart schaltbar/klappbar sind, dass jeweils in einem Schalt-/Klappzustand das Beleuchtungslicht von einem jeweiligen Spiegelelement zurück zu der Lichtquelle geführt wird und in einem anderen Schalt-/Klappzustand nicht. Es sind auch noch weitere Schalt-/Klappzustände möglich, womit bspw. auch der Ort, auf den jeweilig zurückreflektiert wird, variiert werden kann. Dieselbe Funktionalität ließe sich selbstverständlich auch mit einem Mikrospiegel-Array als Recycling-Spiegel erreichen, tendenziell mit feinerer Ortsauflösung (ein Array als Recycling-Spiegel wäre bevorzugt sehr nahe am eigentlichen Array angeordnet bzw. in Verbindung mit einer Abbildung des eigentlichen Arrays auf den Recycling-Spiegel realisiert) .In a preferred embodiment, the adjustable reflection behavior is implemented with a reflective surface that is at least partially hinged. For example, the recycled mirror could also be a micromirror array, regarding whose possible configuration reference is expressly made to the preceding disclosure. However, macroscopic mirror elements are also conceivable in principle (which, for example, are not part of a common chip), each forming a portion of the reflective surface and switchable/hingable such that in one switching/hinging state the illumination light is directed from a respective mirror element back to the light source, and in another switching/hinging state it is not. Further switching/hinging states are also possible, which would allow, for example, the location to which the light is reflected back to be varied. The same functionality could of course also be achieved with a micromirror array as a recycling mirror, tending towards a finer spatial resolution (an array as a recycling mirror would preferably be arranged very close to the actual array or realized in conjunction with an imaging of the actual array onto the recycling mirror).
Generell meint das „zumindest bereichsweise Klappbarsein“, dass ein jeweiliger Reflexionsflächenbereich um mindestens eine Drehachse schwenk- bzw. verkippbar ist. Bei einer entsprechenden Ausgestaltung des Recycling-Spiegels können dann also bedarfsweise unterschiedliche Klappmuster eingestellt werden, etwa in Abhängigkeit von jeweiligen Schaltzuständen des Mikrospiegel-Arrays.Generally, "at least partially foldable" means that a given reflective surface area can be pivoted or tilted around at least one axis of rotation. With a suitable design of the recycling mirror, different folding patterns can then be set as needed, for example, depending on the respective switching states of the micromirror array.
Bei einer bevorzugten Ausführungsform ist der Recycling-Spiegel zu dem Aus-Strahlenbündel versetzbar gelagert und lässt sich mit dem Versetzen das Reflexionsverhalten einstellen. Im Allgemeinen könnte dies auch mit einer bereichsweise klappbaren Reflexionsfläche kombiniert sein, bevorzugt ist genau eine der beiden Alternativen realisiert (auch aus Gründen der Komplexität). Bei der „versetzbaren“ Lagerung muss nicht notwendigerweise die Position des Recycling-Spiegels insgesamt verändert werden, es ist bspw. auch eine drehbare Lagerung möglich (vergleichbar einem Filterrad), wobei mit der Drehbewegung zwischen den Versetzstellungen gewechselt werden kann. Ebenso ist aber auch eine verschiebbare Lagerung möglich, bevorzugt mit einer Verschieberichtung, die schräg, besonders bevorzugt senkrecht, zu einer Hauptrichtung liegt, mit der das Beleuchtungslicht auf den Recycling-Spiegel trifft. Alternativ könnte im Allgemeinen eine Variation auch nicht (nur) durch Versetzen des Recycling-Spiegels, sondern alternativ/zusätzlich auch durch Verkippen und/oder Drehen und/oder Verschieben einer Recycling-Optik erreicht werden.In a preferred embodiment, the recycled mirror is mounted so that it can be moved relative to the emitted beam, and its reflection behavior can be adjusted by moving it. Generally, this could also be combined with a partially hinged reflective surface; preferably, exactly one of the two alternatives is implemented (also for reasons of complexity). With the "movable" mounting, it is not necessary to change the overall position of the recycled mirror; for example, a rotatable mounting is also possible (comparable to a filter wheel), whereby the rotation allows switching between the different positions. Likewise, a sliding mounting is also possible, preferably with a sliding direction that is oblique, and particularly preferably perpendicular, to a main direction in which the illumination light strikes the recycled mirror. Alternatively, in general, variation could also be achieved not (only) by moving the recycled mirror, but alternatively/additionally also by tilting and/or rotating and/or sliding a recycled optic.
Generell ergibt sich im Rahmen dieser Offenbarung eine „Hauptrichtung“ eines jeweiligen Strahlenbündels (bzw. betrachteten Teils davon) als Mittelwert sämtlicher Richtungsvektoren, entlang welcher sich in dem jeweiligen Strahlenbündel (bzw. Teil davon) die Strahlung bzw. das Licht ausbreitet, wobei bei dieser Mittelwertbildung jeder Richtungsvektor mit der ihm zugehörigen Strahlstärke gewichtet wird.In general, within the framework of this disclosure, a "principal direction" of a given beam of rays (or part thereof) is determined as the mean of all direction vectors along which the radiation or light propagates in the given beam of rays (or part thereof), whereby in this averaging process each direction vector is weighted with its corresponding radiance.
Bevorzugt ist ein geradlinig verschiebbar gelagerter Recycling-Spiegel, etwa über einen Linearmotor /-aktor getrieben. Alternativ zu der schrägen/senkrechten Versetzbarkeit wäre im Allgemeinen auch ein Versetzen entlang der Hauptrichtung denkbar; in Kombination mit konvergent/divergent auf den Recycling-Spiegel treffendem Beleuchtungslicht lässt sich so der jeweilig beleuchtete Bereich davon variieren, was kombiniert mit über die Reflexionsfläche unterschiedlichen Reflexionseigenschaften ein verändertes Reflexionsverhalten ergibt.A linearly movable recycled mirror is preferred, driven, for example, by a linear motor/actuator. As an alternative to inclined/vertical movement, a generally suitable alternative would be... I also believe that a displacement along the main direction is conceivable; in combination with convergent/divergent illumination hitting the recycling mirror, the illuminated area can be varied, which, combined with different reflection properties across the reflective surface, results in a changed reflection behavior.
Bei einer bevorzugten Ausführungsform ist ein versetzbarer Filter vorgesehen und lassen sich mit dem Versetzen des Filters die spektralen Eigenschaften des zu der Beleuchtungsanwendung hinaus reflektierten Beleuchtungslichts einstellen. Diese Einstellbarkeit muss nicht notwendigerweise eine Veränderung bedeuten, sondern kann auch in einem Konstanthalten bestehen, vgl. die vorstehenden Ausführungen dazu. Der Filter kann bspw. zwischen dem Array und dem Recycling-Spiegel bzw. bei einer Lösung, bei welcher das recycelte Licht nicht über den Array zurückgeführt wird, zwischen dem Array und der Lichtquelle angeordnet sein (letztlich richtet sich die Anordnung auch nach dem verfügbaren Bauraum, idealerweise ist die Leistungsdichte an der Position des Filters nicht zu hoch) .In a preferred embodiment, a movable filter is provided, and the spectral properties of the illumination light reflected beyond the lighting application can be adjusted by moving the filter. This adjustability does not necessarily have to mean a change, but can also consist of keeping the properties constant; see the preceding explanations. The filter can, for example, be arranged between the array and the recycling mirror, or, in a solution where the recycled light is not returned via the array, between the array and the light source (ultimately, the arrangement also depends on the available installation space; ideally, the power density at the filter position should not be too high).
Bevorzugt ist der Filter relativ zu einem Strahlenbündel mit dem zu der Lichtquelle zurückgeführten Teil des Beleuchtungslichts versetzbar, etwa dreh- und/oder verschiebbar. Es wird ausdrücklich auch auf die bzgl. der Lagerung des Recycling-Spiegels genannten Möglichkeiten verwiesen, die auch die Lagerung des Filters betreffend möglich sind (wobei die „Hauptrichtung“ des zurückgeführten, den Filter durchsetzenden Beleuchtungslichts zugrundegelegt wird). Der Filter kann im Allgemeinen ein Interferenz- oder ein Absorptionsfilter sein, bspw. ein Graufilter bzw. Neutraldichtefilter mit sich über den Filter änderndem Filtergrad sein; es ist aber auch eine wellenlängenselektive Filterung möglich, etwa mit einem dichroitischen Filter. Es könnte also bspw. selektiv der Gelbanteil verringert werden, um angesichts der vorstehend geschilderten Mischungsverhältnis-Problematik einen Ausgleich zu schaffen.Preferably, the filter is movable relative to a beam of light returning to the light source, for example, by being rotatable and/or slidable. Reference is expressly made to the options mentioned regarding the mounting of the recycled mirror, which are also possible for mounting the filter (whereby the "main direction" of the returned light passing through the filter is taken into account). The filter can generally be an interference or absorption filter, e.g., a gray filter or neutral density filter with a filter strength that changes across the filter; however, wavelength-selective filtering is also possible, for example, with a dichroic filter. Thus, for example, the yellow component could be selectively reduced to compensate for the mixing ratio problem described above.
Bei einer bevorzugten Ausführungsform weist die Lichtquelle eine Pumpstrahlungseinheit und ein Leuchtstoffelement auf, das im Betrieb mit der Pumpstrahlung bestrahlt wird und daraufhin ein Konversionslicht emittiert. Die Konversion ist bevorzugt eine Down-Konversion, das Konversionslicht ist also längerwellig als die Pumpstrahlung; das Konversionslicht hat zumindest einen überwiegenden Anteil im sichtbaren Spektralbereich, bevorzugt liegt es insgesamt im Sichtbaren. Das Konversionslicht kann bspw. auch rotes oder grünes Licht sein, bevorzugt ist Gelblicht.In a preferred embodiment, the light source comprises a pump radiation unit and a phosphor element, which is irradiated with the pump radiation during operation and subsequently emits conversion light. The conversion is preferably a down-conversion, meaning the conversion light has a longer wavelength than the pump radiation; the conversion light has at least a predominant component in the visible spectral range, preferably it lies entirely within the visible range. The conversion light can, for example, also be red or green light; yellow light is preferred.
Das Konversionslicht kann für sich allein (Vollkonversion) das Beleuchtungslicht bilden, bevorzugt ist eine Teilkonversion, bei welcher es gemeinsam mit anteilig nicht konvertierter Pumpstrahlung das Beleuchtungslicht bildet. Die Pumpstrahlung ist bevorzugt blaues Licht. Generell ist das Beleuchtungslicht bevorzugt Weißlicht, dessen Farbort also bspw. in einem CIE-Normfarbdiagramm (1931) in dem ECE-Weißfeld gemäß der UN-ECE Regelung 48 (z.B. aktuelle Revision: ECE/324/Rev.1/Add.47/Reg.No.48/Rev.12, liegen kann.The conversion light can constitute the illumination light on its own (full conversion); however, partial conversion is preferred, in which it forms the illumination light together with a portion of the unconverted pump radiation. The pump radiation is preferably blue light. Generally, the illumination light is preferably white light, the color coordinate of which can lie, for example, in the ECE white field according to UN-ECE Regulation 48 (e.g., current revision: ECE/324/Rev.1/Add.47/Reg.No.48/Rev.12) in a CIE standard colorimetric diagram (1931).
Vorliegend kann eine Lichtquelle mit Leuchtstoffelement insbesondere vorteilhaft sein, weil das zu der Lichtquelle zurückgeführte Beleuchtungslicht an bzw. in dem Leuchtstoffelement gestreut und damit jedenfalls zum Teil erneut zu dem Array geführt werden kann. Dies bietet die Effizienz betreffend Vorteile.In this case, a light source with a fluorescent element can be particularly advantageous because the illumination light returned to the light source can be scattered by or within the fluorescent element and thus at least partially redirected to the array. This offers advantages in terms of efficiency.
Wenngleich bei der bevorzugten Lichtquelle mit Leuchtstoffelement dieses im Allgemeinen auch direkt an eine Austrittsfläche der Pumpstrahlungseinheit grenzend vorgesehen sein kann (etwa im Falle einer LED mit angeformtem Leuchtstoffelement), sind die Pumpstrahlungseinheit und das Leuchtstoffelement bevorzugt zueinander beabstandet. Die Pumpstrahlung durchsetzt dann einer Einstrahlfläche des Leuchtstoffelements vorgelagert ein Fluidvolumen, bevorzugt ein Gasvolumen, besonders bevorzugt Luft; mit einer solchen Remote Phosphor-Anordnung (auch als Laser Activated Remote Phosphor LARP bezeichnet) können sich bspw. Lichtquellen hoher Leuchtdichte realisieren lassen. Laser Activated Remote Phosphor Lichtquellen können im transmissiven Modus und/oder reflektiven Modus betrieben werden. Im Allgemeinen ist ein solcher Aufbau bspw. auch mit einer LED, Halogen- oder Gasentladungslampe als Pumpstrahlungsquelle denkbar, bevorzugt ist eine Laserquelle, die aus einer oder mehreren Einzel-Laserquellen aufgebaut sein kann; als Einzel-Laserquelle ist eine Laserdiode bevorzugt, bspw. auch aufgrund der damit möglichen Schaltzeiten (siehe unten im Detail).Although in the preferred light source with a phosphor element the phosphor element can generally be positioned directly adjacent to an exit surface of the pump radiation unit (for example, in the case of an LED with an integrated phosphor element), the pump radiation unit and the phosphor element are preferably spaced apart. The pump radiation then passes through a fluid volume, preferably a gas volume, particularly preferably air, upstream of an irradiation surface of the phosphor element. With such a remote phosphor arrangement (also referred to as laser-activated remote phosphor, LARP), light sources with high luminance can be realized, for example. Laser-activated remote phosphor light sources can be operated in transmissive and/or reflective mode. In general, such a setup is also conceivable with, for example, an LED, halogen lamp, or gas discharge lamp as the pump radiation source; a laser source, which can be composed of one or more individual laser sources, is preferred. A laser diode is preferred as the individual laser source, for example, also because of the switching times it allows (see below for details).
Bei einer bevorzugten Ausführungsform ist der Abstrahlfläche des Leuchtstoffelements eine Zuführoptik zugeordnet, über welche das Zuführ-Strahlenbündel von dem Leuchtstoffelement auf das Array gelangt. Bevorzugt bildet die Zuführoptik die Abstrahlfläche des Leuchtstoffelements, an welcher das Beleuchtungslicht abgeführt wird, auf das Mikrospiegel-Array ab.In a preferred embodiment, a feed optic is associated with the emitting surface of the phosphor element, through which the feed beam of light is directed from the phosphor element to the array. Preferably, the feed optic projects the emitting surface of the phosphor element, from which the illumination light is emitted, onto the micromirror array.
Bei einer bevorzugten Ausführungsform ist an einer der Abstrahlfläche entgegengesetzten Seitenfläche, also der Rückseite, und optional auch an einer oder mehreren der benachbarten Seitenflächen des Leuchtstoffelements ein Spiegel vorgesehen. Dies kann vorliegend bspw. insoweit besondere Vorteile bieten, als das zurückgeführte Beleuchtungslicht, das dann an der Abstrahlfläche des Leuchtstoffelements in dieses eintritt, an dem Spiegel reflektiert und so zurück zu dem Array geführt werden kann. Etwa im Vergleich zu einem Beleuchtungslicht-Recycling, das allein auf Streuprozessen basiert (siehe vorne), lässt sich so idealerweise der Anteil des recycelten Beleuchtungslichts erhöhen. Bei einem in Reflexion betriebenen Leuchtstoffelement, wenn also die Einstrahl- und die Abstrahlfläche zusammenfallen, kann der Spiegel beispielsweise ein metallischer Vollspiegel sein.In a preferred embodiment, a mirror is provided on a side surface opposite the emissive surface, i.e., the rear surface, and optionally also on one or more of the adjacent side surfaces of the fluorescent element. This can, for example, be particularly advantageous in the present case. This offers advantages, as the recirculated light enters the fluorescent element at its emitting surface, is reflected by the mirror, and can thus be directed back to the array. Compared to light recycling based solely on scattering processes (see above), this ideally increases the proportion of recycled light. In a reflecting fluorescent element, where the incident and emitting surfaces coincide, the mirror can, for example, be a solid metallic mirror.
Auch unabhängig von einer Verspiegelung der der Abstrahlfläche entgegengesetzten Seitenfläche des Leuchtstoffelements kann bzw. können im Allgemeinen auch jene Seitenfläche(n) des Leuchtstoffelements verspiegelt sein, die in Bezug auf zur Be-/Durchstrahlungsrichtung senkrechte Richtungen außen liegen. Dies kann die Effizienz weiter verbessern helfen. In bevorzugter Ausgestaltung wird das Leuchtstoffelement in Transmission betrieben, liegen Einstrahl- und Abstrahlfläche also einander entgegengesetzt, wobei der Spiegel an der Einstrahlfläche angeordnet und wellenlängenabhängig auch transmissiv ausgebildet ist. Der wellenlängenabhängige Spiegel muss nicht zwingend die gesamte Seitenfläche bedecken, er könnte bspw. auch nur in einem Einstrahlbereich davon vorgesehen sein, wobei die restliche Seitenfläche auch vollverspiegelt sein könnte. Bevorzugt bedeckt er die gesamte Einstrahlfläche. Unabhängig davon im Einzelnen ist der wellenlängenabhängige Spiegel dann also für die Pumpstrahlung transmissiv und für das Konversionslicht reflektiv. Ein entsprechendes dichroitisches Schichtsystem kann bevorzugt auch direkt auf die Einstrahlfläche aufgebracht sein, etwa als Beschichtung.Even independently of mirroring the side surface of the phosphor element opposite the emitting surface, those side surfaces of the phosphor element that lie outside with respect to directions perpendicular to the direction of illumination can generally also be mirrored. This can further improve efficiency. In a preferred embodiment, the phosphor element is operated in transmission mode, meaning the incident and emitting surfaces are opposite each other, with the mirror arranged on the incident surface and also being transmissive depending on the wavelength. The wavelength-dependent mirror does not necessarily have to cover the entire side surface; for example, it could also be provided only in a portion of the incident surface, with the remaining side surface being fully mirrored. Preferably, it covers the entire incident surface. Regardless of the specifics, the wavelength-dependent mirror is then transmissive for the pump radiation and reflective for the conversion light. A corresponding dichroic layer system can preferably also be applied directly to the incident surface, for example, as a coating.
Bei einer bevorzugten Ausführungsform ist die Beleuchtungsvorrichtung dazu eingerichtet, die Ausgangsleistung der Pumpstrahlungseinheit in Abhängigkeit vom jeweilig auf das Leuchtstoffelement zurückgeführten Anteil des Beleuchtungslichts zu verändern. Je größer der zurückgeführte Anteil ist, desto mehr kann die Ausgangsleistung verringert werden, was eine energieeffiziente Beleuchtungsvorrichtung gestalten hilft. Eine solche Anpassung der Ausgangsleistung kann im einfachsten Fall mit einem Schwellenwert bzw. mehreren Schwellenwerten, also in Stufen, oder aber auch stufenlos erfolgen.In a preferred embodiment, the lighting device is configured to vary the output power of the pump radiation unit depending on the proportion of the illumination light reflected back to the phosphor element. The greater the reflected proportion, the more the output power can be reduced, thus contributing to an energy-efficient lighting device. In the simplest case, such an adjustment of the output power can be achieved using one or more threshold values, i.e., in steps, or it can be continuous.
Die bereits genannten Halbleiterquellen, also eine Laserdiode bzw. eine LED, können hierbei auch dahingehend vorteilhaft sein, dass auf der Zeitskala der Mikrospiegel-Bewegungen vergleichsweise schnelle Änderungen möglich sind, sodass also auch vergleichsweise kleinen Änderungen (Änderung der Kippstellung weniger Aktoren) gefolgt werden kann. Insbesondere bei im Verhältnis langsamen Änderungen, soweit es also beispielsweise um grundsätzlich unterschiedliche Betriebsmodi (wie z. B. Stadtfahrlicht gegenüber Fernlicht) geht, kann aber beispielsweise auch eine Halogen- oder Gasentladungslampe als Pumpstrahlungseinheit entsprechend nachgeregelt werden.The aforementioned semiconductor sources, namely a laser diode or an LED, can also be advantageous in that relatively rapid changes are possible on the timescale of the micromirror movements, allowing even comparatively small changes (changes in the tilt position of a few actuators) to be tracked. However, particularly with relatively slow changes, such as those involving fundamentally different operating modes (e.g., city driving lights versus high beams), a halogen or gas discharge lamp can also be used as a pump radiation unit for appropriate adjustment.
Soweit generell von einem „Eingerichtet-Sein“ der Beleuchtungsvorrichtung die Rede ist, meint dies bspw., dass sich im Betrieb die Pumpstrahlung/das Beleuchtungslicht entsprechend ausbreitet und/oder das Mikrospiegel-Array entsprechend beschaltet ist bzw. beleuchtet wird. Soweit es um die Strahlführung geht, sind die einzelnen Komponenten dabei derart relativ zueinander angeordnet, dass sich Pumpstrahlung und Konversions- bzw. Beleuchtungslicht entsprechend ausbreiten. Bevorzugt weist die Beleuchtungsvorrichtung eine Steuereinheit auf, welche die Beschaltung der Mikrospiegelaktoren (ein-/ausgeschaltet) entsprechend steuert / die Lichtquelle entsprechend ansteuert.When the lighting device is generally described as being "set up," this means, for example, that during operation the pump radiation/illumination light propagates accordingly and/or the micromirror array is appropriately wired or illuminated. Regarding beam guidance, the individual components are arranged relative to each other in such a way that the pump radiation and conversion/illumination light propagate accordingly. Preferably, the lighting device includes a control unit that controls the wiring of the micromirror actuators (switching them on/off) and/or controls the light source accordingly.
Generell kann für die Pumpstrahlungseinheit bzw. ihre Einzelquellen (insbesondere Laserdioden und/oder LED Leuchtdioden) ein gepulster Betrieb bevorzugt sein. Eine Anpassung der Ausgangsleistung kann dann amplituden-und/oder pulsweitenmoduliert erfolgen, bevorzugt ist letzteres.In general, pulsed operation may be preferred for the pump radiation unit or its individual sources (especially laser diodes and/or LEDs). The output power can then be adjusted by amplitude and/or pulse-width modulation; the latter is preferred.
Bezüglich des Mikrospiegel-Arrays kann ein Betrieb derart bevorzugt sein, dass die Aktoren jeweils mit einer Klappfrequenz, die um ein Vielfaches größer als die eigentliche Schaltfrequenz ist, immer mal wieder aus der einen Kippstellung (die dem eigentlichen Schaltzustand entspricht) in die andere der beiden maximal möglichen Kippstellungen geklappt werden (um dann in der Regel sofort wieder in die eigentliche Kippstellung geklappt zu werden) Ein entsprechend zwischen zwei Kippstellungen intermittierender Betrieb kann gegenüber einer statischen Beschaltung beispielsweise die Lebensdauer der Aktoren betreffend Vorteile bieten.Regarding the micromirror array, an operation such that the actuators are repeatedly flipped from one tilt position (corresponding to the actual switching state) to the other of the two maximum possible tilt positions at a flip frequency that is many times greater than the actual switching frequency (and then usually immediately flipped back to the actual tilt position) can be preferred. Such an intermittent operation between two tilt positions can offer advantages over a static circuit, for example, with regard to the service life of the actuators.
Die Aktoren des Mikrospiegelarrays können mit sehr hohen Klappfrequenzen betrieben werden. Entsprechende Klappfrequenzen können beispielsweise bei mindestens 100 Hz, bzw. auch mindestens 500 oder 1.000 Hz liegen; mögliche Obergrenzen liegen beispielsweise bei 1 MHz, 100 kHz bzw. 10 kHz. In Verbindung mit einer intelligenten Ansteuerung können so für jedes Pixel individuell beliebige Helligkeiten eingestellt werden, da der Grauwert bzw. die Dimmung durch das über eine gewisse Zeitspanne gemittelte Verhältnis von der Zeit, während der sich der Aktor im Ein-Zustand befindet, zu der Zeit, während der sich der Aktor im Aus-Zustand befindet, gegeben ist. So können auf dem Mikrosspiegelarray ortsabhängig und zeitabhängig beliebige Grauwerte eingestellt werden um die Lichtverteilung räumlich und zeitlich beliebig zu modifizieren. Eine Dimmung ermöglicht insbesondere weichere Übergänge beim Wechsel zwischen verschiedenen Lichtverteilungen, z. B. beim Übergang von Abblendlicht zu Fernlicht und umgekehrt. Weiterhin ermöglicht eine Dimmung einen weicheren Übergang zwischen Bereichen unterschiedlicher Helligkeit, z. B. an der Hell-Dunkel-Grenze der Lichtverteilung auf der Straße.The actuators of the micromirror array can be operated at very high flip frequencies. These flip frequencies can be, for example, at least 100 Hz, or even at least 500 or 1,000 Hz; possible upper limits are, for example, 1 MHz, 100 kHz, or 10 kHz. In conjunction with intelligent control, any desired brightness can be set individually for each pixel, since the gray value or dimming is determined by the ratio, averaged over a certain period, of the time the actuator is in the on state to the time it is in the off state. Thus, any desired gray value can be set on the micromirror array, depending on location and time, in order to modify the light distribution spatially and temporally as desired. Dimming This allows for smoother transitions when changing between different light distributions, e.g., when switching from low beam to high beam and vice versa. Furthermore, dimming enables a smoother transition between areas of different brightness, e.g., at the light-dark boundary of the light distribution on the road.
Bei einer bevorzugten Ausführungsform weist die Pumpstrahlungseinheit eine erste und eine zweite sowie ggf. weitere Pumpstrahlungsquellen auf (bevorzugt Laserdioden und/oder Leuchtdioden LED), die derart betrieben werden, dass ihre Ausgangsleistungen in ersten Zeitpunkten in einem anderen Relativverhältnis zueinander stehen als in zweiten Zeitpunkten (die von den ersten verschieden sind). Es kann beispielsweise die Ausgangsleistung der einen Pumpstrahlungsquelle konstant gehalten und jene der anderen verringert oder erhöht werden, oder es ist auch eine gegenläufige Veränderung beider Ausgangsleistungen möglich. Im Ergebnis ist jedenfalls eine mit den Pumpstrahlungsquellen auf der Einstrahlfläche des Leuchtstoffelements erzeugte Bestrahlungsstärkeverteilung in den ersten Zeitpunkten eine andere als in den zweiten Zeitpunkten. So kann beispielsweise auch ortsabhängig eine Anpassung in Abhängigkeit von dem in jeweiligen Zeitpunkten recycelten Beleuchtungslicht vorgenommen werden.In a preferred embodiment, the pump radiation unit comprises a first and a second, and optionally further, pump radiation sources (preferably laser diodes and/or light-emitting diodes, LEDs) that are operated such that their output powers are in a different relative ratio to each other at the first time points than at the second time points (which differ from the first). For example, the output power of one pump radiation source can be kept constant while that of the other is reduced or increased, or an opposing change in both output powers is also possible. As a result, the irradiance distribution generated by the pump radiation sources on the irradiation surface of the phosphor element is different at the first time points than at the second time points. Thus, for example, an adjustment can also be made location-dependent, depending on the recycled illumination light at the respective time points.
Im Allgemeinen kann beispielsweise in genauer Kenntnis der Konversions- und Streueigenschaften des Leuchtstoffelements für z. B. vordefinierte Schaltmuster des Arrays ein Profil zur Anpassung der Ausgangsleistung der Pumpstrahlungseinheit bzw. zur Anpassung der Bestrahlungsstärkeverteilung auf der Einstrahlfläche des Leuchtstoffelements hinterlegt sein, z.B. eine erniedrigte oder erhöhte Strahlungsleistung der verwendeten Lichtquelle. Im bevorzugten Fall des Kfz-Scheinwerfers kann es beispielsweise für bestimmte Betriebsmodi (z.B. Abblend-, Tagfahr-, Stadtfahrlicht) vordefinierte Schaltmuster geben, ist also die matrixförmige Verteilung der Ein- und Aus-Zustände der Aktoren bekannt. Insbesondere bei einem stark streuenden Leuchtstoffelement, das also eine Ortsauflösung des recycelten Beleuchtungslichts im Wesentlichen aufhebt, ist z. B. auch eine Korrelation der Dimmung nur anhand der Anzahl der ausgeschalteten Aktoren denkbar.In general, for example, with precise knowledge of the conversion and scattering properties of the phosphor element, a profile can be stored for predefined switching patterns of the array to adjust the output power of the pump radiation unit or to adjust the irradiance distribution on the phosphor element's radiating surface, e.g., a reduced or increased radiant power of the light source used. In the preferred case of a vehicle headlight, there can be predefined switching patterns for certain operating modes (e.g., low beam, daytime running lights, city driving lights), meaning the matrix-like distribution of the actuators' on and off states is known. Particularly with a highly scattering phosphor element, which essentially eliminates spatial resolution of the recycled illuminant, a correlation of the dimming based solely on the number of deactivated actuators is also conceivable.
Bei einer bevorzugten Ausführungsform ist hingegen aber eine Sensoreinheit vorgesehen, die dazu eingerichtet ist, eine Strahlungsleistung und/oder eine Wellenlängenverteilung und/oder einen Farbort eines Teils des Beleuchtungslichts zu messen. Die „Wellenlängenverteilung“ kann sich bspw. auf die Messung eines tatsächlichen Spektrums beziehen (Transmission, Absorption und/oder Reflexion), es kann aber ebenso nur die Verteilung bzw. das Verhältnis bei bestimmten Wellenlängen / „Farben“ gemessen werden (also z. B. Blau/Gelb oder RGB, etc.). Das Erfassen einer Wellenlängenverteilung oder des Farborts kann insbesondere im Falle einer Teilkonversion von Interesse sein, wenn sich also das Beleuchtungslicht als Mischung des Konversionslichts und der anteilig nicht konvertierten Pumpstrahlung ergibt. Die in dem auf das Leuchtstoffelement zurückgeführten Beleuchtungslicht noch enthaltene Pumpstrahlung wird dann nämlich zumindest teilweise konvertiert, womit sich nach dem Recycling das Verhältnis von nicht konvertierter Pumpstrahlung zu Konversionslicht zugunsten letzterem verschiebt. Wird bspw. eine Lichtquelle mit zwei Pumplichtquellen leicht unterschiedlicher Wellenlänge verwendet, deren jeweilige Pumpstrahlung das Leuchtstoffelement unterschiedlich gut konvertieren kann, kann eine Veränderung des Verhältnisses der Ausgangsleistungen der Lichtquellen einen Freiheitgrad zur Einstellung bieten.In a preferred embodiment, however, a sensor unit is provided that is configured to measure the radiant power and/or wavelength distribution and/or color coordinates of a portion of the illumination light. The "wavelength distribution" can, for example, refer to the measurement of an actual spectrum (transmission, absorption, and/or reflection), but it can also simply measure the distribution or ratio at specific wavelengths/"colors" (e.g., blue/yellow or RGB, etc.). Detecting a wavelength distribution or color coordinate can be particularly important in the case of partial conversion, i.e., when the illumination light results from a mixture of the converted light and the partially unconverted pump radiation. The pump radiation still contained in the illumination light returned to the phosphor element is then at least partially converted, which shifts the ratio of unconverted pump radiation to converted light in favor of the latter after recycling. For example, if a light source with two pump light sources of slightly different wavelengths is used, whose respective pump radiation can be converted differently well by the phosphor element, a change in the ratio of the output powers of the light sources can offer a degree of freedom for adjustment.
Etwa im Falle der Blau/Gelb-Mischung erhöht die erneute Konversion den Gelb-Anteil, was gegebenenfalls eine Nachregelung erforderlich machen kann. Die Sensoreinheit ist bevorzugt mit einer Steuereinheit gekoppelt, die beispielsweise die Pumpstrahlungseinheit ansteuert; es ist beispielsweise auch eine gesonderte Lichtquelle speziell für einen Farbortausgleich denkbar.For example, in the case of blue/yellow mixing, the reconversion increases the yellow component, which may necessitate readjustment. The sensor unit is preferably coupled to a control unit that, for example, controls the pump radiation unit; a separate light source specifically for color correction is also conceivable.
Bei einer bevorzugten Ausführungsform ist das Leuchtstoffelement relativ zur Pumpstrahlungseinheit derart versetzbar gelagert, dass sich die Konversionseigenschaften des Leuchtstoffelements in einer ersten Versetzstellung von jenen in einer zweiten Versetzstellung (die von der ersten verschieden ist) unterscheiden. Bzgl. der „versetzbaren“ Lagerung wird auf die vorstehende Offenbarung zu den Möglichkeiten der Lagerung des Recycling-Spiegels verwiesen; dieselben Möglichkeiten kommen auch für das Leuchtstoffelement infrage (als „Hauptrichtung“ wird die der auftreffenden Pumpstrahlung zugrundegelegt). Es ist beispielsweise eine drehbare Lagerung möglich, wobei mit der Drehbewegung zwischen den Versetzstellungen gewechselt werden kann. Es ist aber auch eine verschiebbare Lagerung möglich, wobei die Verschieberichtung schräg, bevorzugt senkrecht, zu einer Hauptrichtung der Pumpstrahlung auf der Einstrahlfläche liegen kann. Bevorzugt ist eine geradlinige Verschiebbarkeit, beispielsweise über einen Linearmotor/-Aktor betrieben. Im Allgemeinen wäre in Kombination mit nicht kollimierter Pumpstrahlung (die also konvergent oder divergent auftrifft) aber auch ein Versetzen entlang der eben genannten Hauptrichtung denkbar, womit sich eben der bestrahlte Bereich verändert (vergrößert/verkleinert).In a preferred embodiment, the phosphor element is mounted in a position relative to the pump radiation unit such that the conversion properties of the phosphor element differ in a first offset position from those in a second offset position (which differs from the first). Regarding the "movable" mounting, reference is made to the preceding disclosure concerning the mounting options for the recycling mirror; the same options are also suitable for the phosphor element (the "principal direction" being that of the incident pump radiation). For example, a rotatable mounting is possible, whereby the rotation allows switching between the offset positions. A sliding mounting is also possible, whereby the direction of movement can be inclined, preferably perpendicular, to a principal direction of the pump radiation on the irradiation surface. Linear sliding, for example via a linear motor/actuator, is preferred. In general, in combination with non-collimated pump radiation (which therefore strikes convergently or divergently), displacement along the aforementioned main direction would also be conceivable, thus changing (enlarging/reducing) the irradiated area.
In bevorzugter Ausgestaltung füllen das Zuführ-, das Ein- und das Aus-Strahlenbündel einen Gesamt-Winkelbereich, der mit dem Array prinzipiell zugänglich ist, gemeinsam zu mindestens 80 %, weiter bevorzugt zu mindestens 90 % bzw. 95 %, besonders bevorzugt vollständig, auf. Es wird also insbesondere auch der Transient Flat State der Aktoren genutzt. Dieser ist ein Übergangszustand zwischen den beiden Maximal-Kippstellungen eines jeweiligen Aktors, den also der nichtausgelenkte Aktor einnimmt bzw. der anliegt, wenn der Aktor nicht betrieben wird. Die Spiegelflächen der Aktoren liegen dann also zumindest näherungsweise parallel zur Chip-Ebene; der Transient Flat State wird deshalb z. B. bei den eingangs genannten Projektionsanwendungen nicht genutzt, weil es in dem zugeordneten Raumwinkelbereich ungewünschte Reflexe von der übrigen Chipoberfläche (Verbindungsstege, Metallisierung etc.) geben kann.In a preferred embodiment, the feed, inlet, and outlet beams fill a The total angular range accessible by the array is covered to at least 80%, more preferably at least 90% or 95%, and most preferably completely. This means that the transient flat state of the actuators is also utilized. This is a transition state between the two maximum tilt positions of a given actuator, which is the state the actuator assumes when not deflected or when it is not in operation. The mirror surfaces of the actuators are then at least approximately parallel to the chip plane. The transient flat state is therefore not used, for example, in the projection applications mentioned at the beginning, because unwanted reflections from the rest of the chip surface (connecting bridges, metallization, etc.) can occur in the associated solid angle range.
Vorliegend lässt sich durch die Nutzung des Übergangsbereichs der Winkelbereich je Strahlenbündel erhöhen, ggf. zum Preis eines etwas verringerten Kontrasts. Mit einem vergrößerten Winkelbereich kann bspw. mehr Licht über das Array geführt werden bzw. breiter verteiltes Licht (einer Lichtquelle geringerer Leuchtdichte) genutzt werden. Sofern generell auf einen „Winkelbereich“ je Strahlenbündel bzw. vorliegend auf einen „Gesamt-Winkelbereich“ Bezug genommen wird, bezieht sich dies auf eine Betrachtung in einer zur Spiegelfläche eines jeweiligen Aktors senkrechten Ebene, in welcher die Verkippung des Aktors und auch die Ausdehnung der Strahlenbündel maximal ist.In this case, utilizing the transition region allows the angular range per beam to be increased, possibly at the cost of slightly reduced contrast. With a larger angular range, for example, more light can be guided across the array, or a more widely distributed light (from a light source with lower luminance) can be used. Whenever reference is made to an "angular range" per beam, or in this case to a "total angular range," this refers to a view in a plane perpendicular to the mirror surface of a respective actuator, in which the tilt of the actuator and the extent of the beams are at their maximum.
Bei einer bevorzugten Ausführungsform haben die Mikrospiegelaktoren jeweils einen möglichen Auslenkwinkel von dem Betrag nach mindestens 10°, bevorzugt mindestens 12°, besonders bevorzugt mindestens 15° (mögliche Obergrenzen können z. B. bei höchstens 30°, 25° bzw. 20° liegen). Dieser Auslenkwinkel wird jeweils zwischen der 0°-Achse und einer Maximal-Kippstellung genommen, bevorzugt ist er zu beiden Seiten der 0°-Achse gleich groß, beträgt er dann also bspw. +/- 10° bzw. +/- 12° oder +/- 15°.In a preferred embodiment, the micromirror actuators each have a possible deflection angle of at least 10°, preferably at least 12°, and particularly preferably at least 15° (possible upper limits may be, for example, 30°, 25°, or 20°). This deflection angle is taken between the 0° axis and a maximum tilt position; preferably, it is the same on both sides of the 0° axis, thus being, for example, +/- 10°, +/- 12°, or +/- 15°.
Die Erfindung betrifft auch einen Kfz-Scheinwerfer und/oder eine KFZ-Signalleuchte, insbesondere einen Automobil-Scheinwerfer und/oder einen Frontscheinwerfer mit einer vorliegend offenbarten Beleuchtungsvorrichtung.The invention also relates to a motor vehicle headlight and/or a motor vehicle signal light, in particular a car headlight and/or a front headlight with a lighting device disclosed herein.
Die Erfindung betrifft auch die Verwendung einer vorliegend offenbarten Beleuchtungsvorrichtung bzw. eines Kfz-Scheinwerfers mit einer solchen zur Beleuchtung, insbesondere zur adaptiven Straßenausleuchtung und/oder zur Projektion von (zusätzlichen) Informationen auf die Straße bzw. Fahrzeug-Umgebung. Es wird ausdrücklich auch auf die vorstehenden Angaben verwiesen, die gleichermaßen eine entsprechende Verwendung bzw. den Kfz-Scheinwerfer betreffend offenbart sein sollen. Im Allgemeinen könnte die Beleuchtungsvorrichtung aber bspw. auch in einem Effektlicht-Scheinwerfer bzw. allgemein im Entertainment-Bereich bzw. auch im Bereich Architainment-Beleuchtung Verwendung finden.The invention also relates to the use of a lighting device disclosed herein, or a vehicle headlight with such a device for illumination, in particular for adaptive road illumination and/or for projecting (additional) information onto the road or the vehicle's surroundings. Reference is expressly made to the preceding information, which is also intended to disclose a corresponding use or the vehicle headlight. In general, however, the lighting device could also be used, for example, in an effect light headlight, or more generally in the entertainment sector or in the field of entertainment lighting.
In der Verwendungskategorie, die Kfz-Beleuchtung betreffend kann eine vorliegend offenbarte Beleuchtungsvorrichtung auch unabhängig davon, dass ein in dem Aus-Strahlenbündel enthaltener Teil des Beleuchtungslichts zur Lichtquelle zurückgeführt wird, von Interesse sein. Das in dem Aus-Strahlenbündel enthaltene Beleuchtungslicht kann dann zumindest anteilig anderweitig genutzt werden, also für eine andere Lichtfunktion als das in dem Ein-Strahlenbündel enthaltene Licht; letzteres kann bspw. zur Ausleuchtung der Straße (Frontscheinwerfer), ersteres dann bspw. für Signalleuchten bzw. auch im Innenraum genutzt werden. Dieses anderweitig genutzte Licht kann bspw. über einen Lichtleiter zu der jeweiligen Leuchte anderer Funktion geführt werden.In the application category relating to automotive lighting, a lighting device disclosed herein can be of interest even independently of the fact that a portion of the illumination contained in the outgoing beam is returned to the light source. The illumination contained in the outgoing beam can then be used, at least partially, for a different lighting function than the light contained in the incoming beam; the latter can, for example, be used to illuminate the road (headlights), while the former can be used, for example, for signal lights or even in the interior. This light used for other purposes can, for example, be guided to the respective light of the other function via a light guide.
Kurze Beschreibung der ZeichnungenBrief description of the drawings
Im Folgenden wird die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen näher erläutert, wobei die einzelnen Merkmale im Rahmen der nebengeordneten Ansprüche auch in anderer Kombination erfindungswesentlich sein können und auch weiterhin nicht im Einzelnen zwischen den Anspruchskategorien unterschieden wird.The invention will be explained in more detail below using exemplary embodiments, whereby the individual features within the scope of the dependent claims may also be essential to the invention in other combinations and no distinction will be made in detail between the claim categories.
Im Einzelnen zeigt
-
1 am Beispiel einer Projektionsanwendung ein nicht erfindungsgemäß genutztes Mikrospiegel-Array, bei dem zeitweilig nicht benötigtes Licht in einem Absorber vernichtet wird; -
2 eine erfindungsgemäße Beleuchtungsvorrichtung, bei der zeitweilig nicht genutztes Beleuchtungslicht recycelt wird.
-
1 Using the example of a projection application, a micromirror array not used according to the invention, in which temporarily unneeded light is destroyed in an absorber; -
2 a lighting device according to the invention in which temporarily unused lighting light is recycled.
Bevorzugte Ausführung der ErfindungPreferred embodiment of the invention
Vorliegend ist aus Darstellungsgründen nur der eine Mikrospiegelaktor 1 des Arrays gezeigt (auf den insoweit eigentlich nur ein Teil-Strahlenbündel fällt), dennoch ist das zugeführte/reflektierte Licht anhand der „Strahlenbündel“ veranschaulicht, also bezogen auf das Array im Gesamten.For illustrative purposes, only the one micromirror actuator 1 of the array is shown (onto which only a partial beam actually falls), but the supplied/reflected light is illustrated by the “beams”, i.e., in relation to the array as a whole.
Der Mikrospiegelaktor 1 ist im nicht ausgelenkten Zustand dargestellt. Er ist zwischen zwei Maximal-Kippstellungen, die strichliert angedeutet sind, hin- und her verkippbar. Der nicht ausgelenkte Zustand wird als Transient Flat State bezeichnet, und vorliegend entspricht die eine Maximal-Kippstellung der Ein- und die andere der Aus-Kippstellung. In der Aus-Kippstellung reflektiert der Mikrospiegelaktor 1 das auf seine Spiegelfläche 4 fallende Beleuchtungslicht auf einen Absorber 5, das Beleuchtungslicht wird also nicht weiter genutzt. In der Ein-Kippstellung wird das Beleuchtungslicht hingegen durch eine Beleuchtungsoptik 6 (ein Linsensystem) geführt, also im Falle der Projektionsanwendung zur Bildgebung genutzt.The micromirror actuator 1 is shown in its neutral state. It can be tilted back and forth between two maximum tilt positions, indicated by dashed lines. The neutral state is called the transient flat state, and in this case, one maximum tilt position corresponds to the tilt-in position and the other to the tilt-out position. In the tilt-out position, the micromirror actuator 1 reflects the illumination light incident on its mirror surface 4 onto an absorber 5; the illumination light is therefore not used further. In the tilt-in position, however, the illumination light is guided through an illumination optic 6 (a lens system) and thus used for imaging in the case of projection applications.
Der Recycling-Spiegel 15 kann bei Verwendung einer Recycling-Optik planar sein, ebenso aber in Abhängigkeit vom optischen Design auch eine sphärische oder Freiform-Reflexionsfläche 16 aufweisen. Ein über jeweilig im „Ein-Zustand“ befindliche Aktoren zurückgeführter Teil des Lichts könnte auch außerhalb des Zuführ-Strahlenbündels 3 und damit neben der Lichtquelle 2 auftreffen, was die Qualität der Abbildung beeinträchtigen könnte; dem ließe sich dann durch einen optionalen Absorber (z. B. Riffle-Blech) an dieser Stelle vorbeugen.The recycled mirror 15 can be planar when using recycled optics, but depending on the optical design, it can also have a spherical or freeform reflection surface 16. A portion of the light returned via actuators that are in the "on" state could also strike outside the supply beam 3 and thus next to the light source 2, which could impair the image quality; this could then be prevented by an optional absorber (e.g., a riffle plate) at this point.
Anstatt das jeweilig nicht benötigte Beleuchtungslicht in einem Absorber zu vernichten, wird es bei der erfindungsgemäßen Beleuchtungsvorrichtung zumindest teilweise zurück zu der Lichtquelle 2 geführt. Wie nachstehend anhand der Schilderung der Lichtquelle 2 im Einzelnen deutlich wird, kann es dann von dort zumindest anteilig erneut in Richtung des Mikrospiegel-Arrays geführt und somit im Ergebnis doch zu Beleuchtungszwecken genutzt werden. Es wird also die Effizienz erhöht, was im Kfz-Bereich von besonderem Interesse sein kann. Es wird nun zunächst die Lichtquelle 2 näher im Detail erläutert und anschließend die Funktionsweise des Arrays beim Anwendungsgebiet „Kfz-Scheinwerfer“.Instead of dissipating the unused illumination light in an absorber, the lighting device according to the invention directs at least some of it back to the light source 2. As will become clear from the detailed description of the light source 2 below, it can then be directed, at least partially, back towards the micromirror array and thus ultimately used for illumination purposes. This increases efficiency, which can be of particular interest in the automotive sector. The light source 2 will now be explained in more detail, followed by a description of the array's functionality in the application area of "vehicle headlights".
Die Lichtquelle 2 der erfindungsgemäßen Beleuchtungsvorrichtung weist eine Pumpstrahlungseinheit 20 auf, vorliegend ein Array aus mehreren Laserdioden (nicht im Einzelnen gezeigt). Die davon emittierte Pumpstrahlung 21, vorliegend blaues Laserlicht, trifft auf ein Leuchtstoffelement 22, welches vorliegend Yttrium-Aluminium-Granat (YAG: Ce) als Leuchtstoff aufweist. Dieser emittiert auf die Anregung mit der Pumpstrahlung 21 hin ein Konversionslicht, welches gemeinsam mit anteilig nicht konvertierter Pumpstrahlung 21 ein Beleuchtungslicht 23 bildet. The light source 2 of the lighting device according to the invention comprises a pump radiation unit 20, in this case an array of several laser diodes (not shown in detail). The pump radiation 21 emitted by it, in this case blue laser light, strikes a phosphor element 22, which in this case comprises yttrium aluminum garnet (YAG:Ce) as the phosphor. Upon excitation with the pump radiation 21, this emits a conversion light, which together with the partially unconverted pump radiation 21 forms an illumination light 23.
Das Beleuchtungslicht 23 wird an einer der Einstrahlfläche 24 des Leuchtstoffelements 22 entgegengesetzten Abstrahlfläche 25 abgeführt und gelangt über eine Zuführoptik 26 auf das Mikrospiegel-Array. Wird in jeweiligen Zeitpunkten von dem Recycling-Spiegel 15 Beleuchtungslicht über das Array zurück zu der Lichtquelle 2 reflektiert, trifft es durch die Zuführoptik 26 auf das Leuchtstoffelement 22. Von dort wird es dann anteilig bereits aufgrund von Streuprozessen und Absorption-Emissionsprozessen erneut in Richtung des Mikrospiegel-Arrays geführt (recycelt). Ferner ist an der Einstrahlfläche 24 des Leuchtstoffelements 22 ein Spiegel 27, nämlich eine dichroitische Beschichtung, angeordnet, welche für die Pumpstrahlung 21 transmissiv ist, das Konversionslicht jedoch reflektiert. So lässt sich der Anteil des insgesamt recycelten Lichts weiter erhöhen.The illumination light 23 is directed at an emission surface 25 opposite the emission surface 24 of the phosphor element 22 and reaches the micromirror array via a feed optic 26. At specific times, illumination light is reflected from the recycling mirror 15 back across the array to the light source 2, striking the phosphor element 22 through the feed optic 26. From there, it is partially redirected (recycled) towards the micromirror array due to scattering and absorption-emission processes. Furthermore, a mirror 27, namely a dichroic coating, is arranged on the emission surface 24 of the phosphor element 22. This coating is transmissive to the pump radiation 21 but reflects the conversion light. This further increases the proportion of the total recycled light.
Die Beleuchtungsoptik 6 bildet das Mikrospiegel-Array ins Unendliche ab, von jedem Aktor 1 wird also der Beleuchtungsoptik 6 nachgelagert ein jeweiliges Teil-Strahlenbündel für sich kollimiert in eine jeweilige Raumrichtung geführt. Die Beleuchtungsoptik 6 setzt die matrixförmige Anordnung der Aktoren 1 (Ortsverteilung) in eine Raumwinkelverteilung um, es kann also jeweiligen Raumrichtungen gezielt Beleuchtungslicht zugeführt werden (Ein-Kippstellung des jeweiligen Aktors 1) oder eben nicht (Aus-Kippstellung des jeweiligen Aktors 1). Ein bevorzugtes Anwendungsgebiet ist die adaptive Straßenausleuchtung mit einem Kfz-Scheinwerfer, vgl. auch die Beschreibungseinleitung im Einzelnen.The illumination optics 6 project the micromirror array to infinity; thus, from each actuator 1, a respective partial beam of light is collimated and directed downstream of the illumination optics 6 in a specific spatial direction. The illumination optics 6 translates the matrix-like arrangement of the actuators 1 (spatial distribution) into a solid angular distribution, allowing illumination to be directed precisely to specific spatial directions (incoming-outgoing). Tilt position of the respective actuator 1) or not (off tilt position of the respective actuator 1). A preferred application is adaptive road lighting with a vehicle headlight; see also the detailed introductory description.
In dem Aus-Strahlenbündel 9 kann zwischen der Recycling-Optik 17 und dem Recycling-Spiegel 15 optional ein Filter 28 angeordnet sein, mit dem sich die spektralen Eigenschaften des zu der Lichtquelle 2 zurückgeführten und damit letztlich auch des der Beleuchtungsanwendung zugeführten Teil des Beleuchtungslichts einstellen lassen. Dazu kann der Filter 28 bspw. auch einen wellenlängenabhängig unterschiedlichen Filtergrad haben und/oder versetzbar sein, vgl. die Beschreibungseinleitung.In the beam 9, a filter 28 can optionally be arranged between the recycling optics 17 and the recycling mirror 15. This filter allows the spectral properties of the portion of the illumination light returned to the light source 2, and thus ultimately also of the portion supplied to the lighting application, to be adjusted. For this purpose, the filter 28 can, for example, have a wavelength-dependent filter grade and/or be relocatable; see the introductory description.
Bei der in
BEZUGSZEICHENLISTEREFERENCE MARK LIST
- 11
- MikrospiegelaktorMicromirror actuator
- 22
- Lichtquellelight source
- 33
- Zuführ-StrahlenbündelFeed beam
- 44
- SpiegelflächeMirror surface
- 55
- Absorberabsorber
- 66
- BeleuchtungsoptikLighting optics
- 88
- StrahlenbündelBeams of rays
- 99
- Aus-StrahlenbündelOutward beams
- 1010
- Transient-StrahlenbündelTransient beam
- 1515
- Recycling-SpiegelRecycling mirror
- 1616
- ReflexionsflächeReflective surface
- 1717
- Recycling-OptikRecycled look
- 2020
- PumpstrahlungseinheitPump radiation unit
- 2121
- PumpstrahlungPump radiation
- 2222
- LeuchtstoffelementFluorescent element
- 2323
- BeleuchtungslichtLighting light
- 2424
- EinstrahlflächeRadiation surface
- 2525
- AbstrahlflächeRadiating surface
- 2626
- ZuführoptikFeed optics
- 2727
- Spiegel (dichroitisch)Mirror (ichroitic)
- 2828
- Filterfilter
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