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Technisches Gebiet
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Die Erfindung betrifft eine Leuchtstoffvorrichtung für die Konvertierung von Anregungslaserstrahlung in konvertiertes Licht. Außerdem betrifft die Erfindung eine Reflektorleuchtenanordnung mit dieser Leuchtstoffvorrichtung.
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Aufgrund der hohen Flächenleistungsdichte des Anregungslaserstrahlflecks auf dem für die Konvertierung vorgesehenen Leuchtstoff bzw. des bei der Wellenlängenkonversion auftretenden Stokes-Shift-Effektes sind diese Leuchtstoffvorrichtungen üblicherweise in der Form eines frei rotierenden ”Leuchtstoffrads” ausgebildet. Dabei ist der Leuchtstoff auf einer Seite einer rotierenden Scheibe aufgetragen. Dadurch dreht sich der momentan bestrahlte Leuchtstoffteilbereich unter dem Anregungslaserstrahlfleck weg, bevor eine dauerhafte lokale Schädigung oder gar Zerstörung des Leuchtstoffes auftritt. Wegen der Rotation des Leuchtstoffrades beschreibt der bestrahlte Bereich nach jeder ganzen Drehung eine ringförmige Bahn. Deshalb wird der Leuchtstoff üblicherweise in Form einer ringförmigen Bahn auf einer Seite des Leuchtstoffrades aufgebracht. Die im Laufe der Betriebszeit durch die Anregungslaserstrahlung verursachte Erwärmung des Leuchtstoffes wird unter anderem über die Rückseite des Leuchtstoffrads an die Umgebung abgegeben (Strahlungs- und Konvektionskühlung).
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Derartige Leuchtstoffvorrichtungen und damit ausgestattete Reflektorleuchtenanordnungen sind für viele Anwendungen geeignet, die Lichtquellen mit einer hohen Beleuchtungsstärke erfordern, wie Videoprojektion, medizinische und industrielle Endoskopie mittels Lichtleitern, Effektbeleuchtung, Automobilscheinwerfer etc., und die bisher die Domäne von Reflektorlampen auf der Basis von Halogenglühlampen oder Entladungslampen waren.
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Stand der Technik
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Die Schrift
WO 2009/112961 A1 beschreibt eine Laserlichtquelle, welche mindestens ein Laserlicht emittierendes Element, mindestens ein Lichtquellenausgabeelement (welches dazu eingerichtet ist, das Laserlicht auf einen vorbestimmten Ort zu richten), mindestens ein Konversionselement und eine Reflektoranordnung aufweist. Das mindestens eine Konversionselement umfasst einen Leuchtstoff, der das Laserlicht zumindest teilweise in wellenlängenumgewandeltes bzw. konvertiertes Licht umwandelt. Die Reflektoranordnung kombiniert das konvertierte Licht und das Laserlicht zu einem Ausgangsmischlicht.
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Die Schrift
US 2009284148 A1 offenbart eine Lichtquellenvorrichtung für einen Projektor mit einer Anregungslichtquelle und einem rotierenden Leuchtstoffrad. Das Leuchtstoffrad weist eine transparente kreisförmige Scheibe auf. Auf einer Seite der Scheibe ist eine segmentierte ringförmige Bahn angeordnet. Die Bahn ist in drei gleichgroße Segmente eingeteilt und zwar in einen im roten Wellenlängenbereich emittierenden Leuchtstoff (R), einen im grünen Wellenlängenbereich emittierenden Leuchtstoff (G) und einen diffus transparenten Bereich (135). Das Anregungslicht trifft auf die Rückseite des rotierenden Leuchtstoffrads, passiert die transparente Scheibe und regt auf deren anderen Seite den Leuchtstoff der ringförmigen Bahn an. Das Leuchtstoffrad wird also im so genannten transmissiven Modus verwendet. In der Achse des einfallenden Anregungslichts ist gegenüber der ringförmigen Bahn ein Lichtleiter angeordnet, der das konvertierte Licht weiterleitet.
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Nachteilig bei bisherigen Leuchtstoffrädern ist, insbesondere bei zunehmenden Anregungslaserleistungen, eine unzureichende Kühlung, um eine Degradation des mittels der Anregungslaserstrahlung angeregten Leuchtstoffes zu verhindern oder zumindest ausreichend lang zu verzögern. Dieses Problem verstärkt sich bei beidseitig beschichteten Leuchtstoffrädern und zwar nicht nur, weil dann die Wärmeabfuhr über die Rückseite des Leuchtstoffrads deutlich verringert ist, sondern weil vielmehr auch noch auf die mit Leuchtstoff beschichtete Rückseite Anregungslaserstrahlung auftrifft einschließlich der damit verbundenen zusätzlichen Erwärmung.
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Darstellung der Erfindung
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Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine verbesserte Leuchtstoffvorrichtung für Anregungslaserstrahlung anzugeben.
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Ein weiterer Aspekt dieser Aufgabe besteht darin, eine verbesserte Reflektorleuchtenanordnung mit dieser Leuchtstoffvorrichtung anzugeben.
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Die Aufgabe wird gelöst durch die Merkmale der unabhängigen Ansprüche. Bevorzugte Ausführungsformen sind insbesondere den abhängigen Ansprüchen zu entnehmen.
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Die Aufgabe wird gelöst durch eine Leuchtstoffvorrichtung mit Innenkühlung, umfassend zwei scheibenartige Trägerelemente mit je zwei Seiten, die so in einem gegenseitigen Abstand angeordnet sind, dass eine Seite des einen Trägerelements einer Seite des anderen Trägerelements zugewandt ist und dadurch zwei einander zugewandte Innenflächen der Leuchtstoffvorrichtung definieren, wobei die jeweiligen beiden anderen Seiten der beiden Trägerelemente nach Außen weisen und so zwei Außenflächen der Leuchtstoffvorrichtung definieren, mindestens einen Konversionsbereich, der Leuchtstoff enthält und auf mindestens einer der beiden Außenflächen angeordnet ist, mindestens eine Öffnung, die in mindestens einer der beiden Trägerelemente angeordnet ist.
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Der Grundgedanke besteht darin, ein Leuchtstoffrad mit einer Innenbelüftung als Zwangskühlung anzugeben und dieses mit einer Leuchtstoffvorrichtung in der Form eines „Doppel-Leuchtstoffrads” zu erreichen. Die erfindungsgemäße Leuchtstoffvorrichtung wird deshalb im Folgenden auch als „Doppel-Leuchtstoffrad” bezeichnet. Dazu sind zwei scheibenartige Trägerelemente vorgesehen, die in einem Abstand zueinander parallel angeordnet sind und so im wesentlichen das Grundgerüst des Doppel-Leuchtstoffrads bilden. Der Leuchtstoff ist in vorzugsweise ringförmigen Konversionsbereichen, d. h. kreisförmigen Leuchtstoffbahnen, auf einer der beiden oder beiden scheibenförmigen Außenflächen des Doppel-Leuchtstoffrads angeordnet. Um bei der Rotation des Doppel-Leuchtstoffrades eine ausreichende Kühlluftströmung zu gewährleisten, ist in mindestens einer der beiden scheibenartigen Trägerelemente mindestens eine Öffnung, vorzugweise achsnah oder konzentrisch zur Achse, angeordnet. Die Umgebungsluft oder gegebenenfalls ein anderes Kühlmedium strömt bei der Rotation des Doppel-Leuchtstoffrades durch die mindestens eine Öffnung in den Zwischenraum zwischen den beiden scheibenartigen Trägerelementen ein und im wesentlichen radial nach Außen, wodurch die Innenflächen aktiv durch die vorbeiströmende Kühlluft gekühlt werden. Für diese erzwungene Strömung wird die Sogwirkung in der Öffnung ausgenutzt, die aufgrund des Druckunterschiedes entsteht, weil die Luft im Randgebiet des Zwischenraums schneller als in dessen Zentrum rotiert. Die scheibenartigen Trägerelemente bestehen vorzugsweise aus einem Material mit guter Wärmeleitfähigkeit, beispielsweise Kupfer, so dass mit dieser „Innenkühlung” letztlich eine gute Abfuhr der durch die Anregungslaserstrahlung in den Leuchtstoff eingebrachten Wärme erzielt wird.
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Im Zwischenraum zwischen den Innenflächen des Doppel-Leuchtstoffrads können Kühlrippen vorgesehen sein, um die Wärmeabfuhr zu verbessern. Vorzugsweise sind die Kühlrippen flügelartig und sich von Innenfläche zu Innenfläche im wesentlichen radial in Richtung zum Rand der scheibenartigen Trägerelemente erstreckend ausgebildet, um die radiale Luftströmung von der Öffnung zum Rand des Zwischenraums zu unterstützen. Bei einem Doppelrad, bei der die beiden scheibenartigen Trägerelemente getrennt von einander drehbar sind kann jeder der beiden Trägerelemente einen zugehörigen Satz an Kühlrippen aufweisen. Außerdem sind die Kühlrippen bevorzugt strömungsgünstig gegen die Rotationsrichtung gebogen, um die radiale Luftströmung in dem rotierenden Zwischenraum und damit auch die Kühlwirkung weiter zu verbessern. Insofern kommt den Kühlrippen auch die Funktion von flügelartigen Strömungselementen zu.
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Als Kühlmedium kommen neben der Umgebungsluft auch andere, vorzugsweise gasförmige, Medien in Betracht. Dazu kann es vorteilhaft sein, wenn der Kühlkreislauf geschlossen ist, beispielsweise in dem die gesamte Leuchtstoffvorrichtung in einem geeigneten Behälter gekapselt ist. Außerdem kann das Kühlmedium auch vorgekühlt sein, beispielsweise über einen Wärmetauscher.
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Für die Rotation ist das Doppel-Leuchtstoffrad, wie bei Leuchtstoffrädern allgemein üblich, mit einem geeigneten Rotationsmittel versehen, beispielsweise einem geeigneten Drehlager oder einer Drehachse. Das Mittel für die Rotation ist mit zumindest einem der beiden scheibenartigen Trägerelemente verbunden, bevorzugt axial zu der Öffnung, die in einer der beiden Trägerelementen angeordnet ist. Die beiden scheibenartigen Trägerelemente können miteinander fest verbunden sein, oder voreinander losgelöst und dadurch unabhängig voneinander drehbar sein. Im letzteren Fall kann vorgesehen sein, dass im Betrieb nur eine der beiden scheibenartigen Trägerelemente rotiert oder die beiden scheibenartigen Trägerelemente mit unterschiedlichen Drehzahlen rotieren (zwei Antriebsachsen). Wie bereits erwähnt können dabei auch beide Trägerelemente jeweils einen zugehörigen Satz an Kühlrippen aufweisen.
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Der in den Konversionsbereichen der scheibenartigen Trägerelemente befindliche Leuchtstoff dient der Wellenlängenumwandlung der typischerweise ultravioletten oder blauen Anregungslaserstrahlung (z. B. 400–450 nm) in breitbandigeres Licht mit üblicherweise längeren Wellenlängen (down conversion). Je nach Bedarf können damit unterschiedliche Lichtfarben erzeugt werden, beispielsweise rot (R), grün (G) und blau (B), aber auch andere Lichtfarben, wie z. B. gelb. Geeignete Leuchtstofftypen sind beispielsweise Cer dotierter YAG für grünes Licht (G) und mit Europium dotierter YAG für rotes Licht (R). Der bei additiver Farbmischung für weißes Licht üblicherweise verwendete blaue Lichtanteil (B) kann gegebenenfalls aus der blauen Anregungslaserstrahlung selbst extrahiert werden, indem neben dem mindestens einen Konversionsbereich auch mindestens ein Streubereich vorgesehen ist, der ebenfalls auf mindestens einer der beiden Außenflächen des Doppel-Leuchtstoffrades angeordnet ist. Der Streubereich weist keinen Leuchtstoff auf sondern eine reflexiv streuende Oberfläche, womit sich die blaue Anregungslaserstrahlung direkt nutzen lässt, d. h. ohne Konversion durch einen Leuchtstoff. Durch die reflexiv streuende Oberfläche wird der für eine direkte Verwendung, insbesondere für Projektionszwecke, störende Speckle-Effekt (verursacht durch die räumlichen Kohärenzeigenschaften der Anregungslaserstrahlung) vorteilhafter Weise zerstört oder zumindest vermindert.
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Die Konversions- und Streubereiche bzw. gegebenenfalls die verschiedenen Leuchtstofftypen können sequentiell innerhalb eines gemeinsamen ringförmigen Bereichs oder auch als mehrere konzentrisch angeordnete ringförmige Bereiche angeordnet sein. Die verschieden Leuchtstofftypen müssen aber nicht notwendigerweise segmentweise angeordnet sein, sondern können vielmehr auch als Leuchtstoffmischung innerhalb eines ringförmigen Konversionsbereiches vorliegen. Dieser kann bei Bedarf auch mit reflexiv streuenden Oberflächen durchsetzt sein. Weitere Details hierzu finden sich in der Beschreibung der Ausführungsbeispiele.
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Für die Erzeugung von konvertiertem Licht wird die erfindungsgemäße Leuchtstoffvorrichtung, d. h. das Doppel-Leuchtstoffrad mit Innenkühlung, mit mindestens einem Anregungslaser, der für die Emission einer Anregungslaserstrahlung ausgelegt ist, und mindestens einem Reflektor zu einer erfindungsgemäßen Reflektorleuchtenanordnung ergänzt. Die erfindungsgemäße Reflektorleuchtenanordnung ist dazu ausgelegt, dass die Anregungslaserstrahlung auf den mindestens einen rotierenden Konversionsbereich der Leuchtstoffvorrichtung fällt, vom Leuchtstoff des mindestens einen Konversionsbereichs wellenlängenumgewandelt wird und zumindest ein Teil des wellenlängenumgewandelten Lichts, auf den mindestens einen Reflektor fällt.
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Dazu ist der mindestens eine Reflektor mit mindestens einer Öffnung versehen durch die der mindestens eine Anregungslaserstrahl hindurch auf einen Konversionsbereich und gegebenenfalls, zumindest zeitweise, auch auf einen Streubereich des rotierenden Doppel-Leuchtstoffrads fällt. Der mindestens eine Anregungslaserstrahl wird bevorzugt mit einer oder mehreren Laserdioden gleicher oder unterschiedlicher Wellenlänge erzeugt. Die mehreren Laserdioden werden so angeordnet, dass sie durch mindestens eine Reflektoröffnung auf das Doppel-Leuchtstoffrad einstrahlen. Vorzugsweise treffen die Laserstrahlen auf die gleiche Stelle der Konversionsfläche. Das vom Reflektor kommende Nutzlicht (konvertiertes Licht und gegebenenfalls reflexiv gestreutes Anregungslicht) kann dann je nach Anwendungsgebiet weiteren optischen und/oder optoelektronischen Komponenten, insbesondere zur Mischung der farbigen Lichtanteile in einem optischen Integrator, zugeführt werden.
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Insbesondere für Projektionszwecke kann es für eine Erweiterung des Farbgammuts vorteilhaft sein, zwei oder mehrere Anregungslaser mit verschiedenen Laserlinien zu verwenden. Ebenso kann es vorteilhaft sein, den Reflektor mit einer dichroitischen Filterschicht zu versehen, um definiertere Reflexionen zu erreichen, das Emissionsspektrum des Doppel-Leuchtstoffrades zu verfeinern oder die optische Systemeffizienz zu erhöhen.
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Vorzugsweise ist der mindestens eine Reflektor so ausgebildet, dass er mindestens einen Brennpunkt aufweist. Dazu kann der Reflektor beispielsweise eine parabelförmige oder elliptische Form oder auch eine geeignete Freiform haben. Außerdem sind Reflektor und Doppel-Leuchtstoffrad so zueinander angeordnet, dass zumindest ein Teil des mindestens einen Konversionsbereichs durch den mindestens einen Brennpunkt hindurch rotiert. Das hat den Vorteil, dass die vom Konversions- oder Streubereich in der Nähe des Brennpunkts emittierten Lichtstrahlen zumindest großenteils in gleicher Weise von dem Reflektor abgebildet werden, beispielsweise in den sekundären Brennpunkt eines elliptischen Reflektors. Zu diesem Zweck ist die Reflektorleuchtenanordnung so ausgelegt, dass das der Anregungslaserstrahl idealer Weise im (primären) Brennpunkt des Reflektors auf den Konversions- bzw. Streubereich fällt.
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In einer besonders bevorzugten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Reflektorleuchtenanordnung sind beide Außenflächen der beiden Trägerelemente des Doppel-Leuchtstoffrads mit mindestens einem Konversionsbereich versehen. Der Reflektor besteht aus zwei Halbschalenreflektoren mit je mindestens einem Brennpunkt, wobei die Reflektorleuchtenanordnung so ausgelegt ist, dass jeder der beiden Konversionsbereiche durch einen Brennpunkt eines Halbschalenreflektors rotiert. Mit dieser Ausführungsform wird das erfindungsgemäße Doppel-Leuchtstoffrad besonders vorteilhaft eingesetzt, da die beidseitigen Konversionsbereiche für die Lichtkonversion genutzt werden.
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In einer vorteilhaften Weiterbildung weisen beide Halbschalenreflektoren jeweils einen primären und einen sekundären Brennpunkt auf, wobei die Konversionsbereiche auf den beiden Außenflächen der Trägerelemente durch die jeweiligen primären Brennpunkte rotieren und die beiden sekundären Brennpunkte zu einem gemeinsamen Brennpunkt zusammenfallen. Hierzu sind die beiden Halbschalenreflektoren geeignet gegeneinander zu verkippen. Diese Weiterbildung ist besonders gut für die Einkopplung des erzeugten Lichts in einen optischer Integrator, beispielsweise Lichtleiter geeignet. Weitere Details hierzu finden sich in der Beschreibung des Ausführungsbeispiels.
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Außerdem kann es vorteilhaft sein, das Doppel-Leuchtstoffrad gegenüber der Reflektoranordnung zu verschieben, um beispielsweise für die Anregungslaserstrahlung verschiedene Leuchtstoffbahnen ansteuern zu können. Die Reflektorhalbschalen können unterschiedlich ausgeformt sein – beispielsweise bei der Verwendung unterschiedlich breiter Leuchtstoffbahnen. Dies ist beispielsweise bei Autoscheinwerfern vorteilhaft, um verschiedene Beleuchtungsfunktionen wie Fernlicht und Abblendlicht realisieren zu können. Die ringförmigen Leuchtstoffbahnen können unterschiedliche Radien besitzen und müssen demzufolge auch nicht auf den beiden Außenflächen einander gegenüber liegend angeordnet sein.
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Kurze Beschreibung der Zeichnungen
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Im Folgenden soll die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen näher erläutert werden. Die Figuren zeigen:
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1a ein Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Leuchtstoffvorrichtung mit Innenkühlung (Doppel-Leuchtstoffrad) in einer Seitenansicht,
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1b die Leuchtstoffvorrichtung aus 1a in einer Vorderansicht in Richtung A,
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1c die Leuchtstoffvorrichtung aus 1a in einer Schnittansicht entlang der Schnittlinie BB,
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2 ein Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Reflektorleuchtenanordnung,
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3 eine Draufsicht entsprechend 1b eines weiteren Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäßen Leuchtstoffvorrichtung mit mehreren ringförmigen Bahnen,
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4 eine Draufsicht entsprechend 1b eines weiteren Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäßen Leuchtstoffvorrichtung mit einer segmentierten ringförmigen Bahn.
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Bevorzugte Ausführung der Erfindung
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Die 1a–1c zeigen schematisch eine Seitenansicht, eine dazu um 90° gedrehte Vorderansicht in Richtung A und eine Schnittansicht entlang der Linie B-B eines Ausführungsbeispiels einer Leuchtstoffvorrichtung mit Innenkühlung (Doppel-Leuchtstoffrad). Die Leuchtstoffvorrichtung 1 umfasst zwei scheibenartige Trägerelemente 2, 3 mit je zwei Seiten 2a, 2b bzw. 3a, 3b. Die beiden Trägerelemente 2, 3 bestehen aus einem Material mit guter Wärmeleitfähigkeit wie beispielsweise Kupfer oder Aluminium und sind so in einem gegenseitigen Abstand angeordnet, dass eine Seite 2b des einen Trägerelements 2 einer Seite 3b des anderen Trägerelements 3 zugewandt ist, d. h. zwei einander zugewandte Innenflächen 2b, 3b der Leuchtstoffvorrichtung 1 definieren. Die jeweiligen beiden anderen Seiten 2a, 3a der beiden Trägerelemente 2, 3 weisen nach Außen, sind also von dem durch die beiden Innenflächen 2b, 3b eingegrenzten Zwischenraum abgewandt, d. h. definieren zwei Außenflächen 2a, 3a der Leuchtstoffvorrichtung. Auf den beiden Außenflächen 2a, 3a ist jeweils ein ringförmiger Konversionsbereiche 4, 5 aus Leuchtstoff angeordnet. Bei dem Leuchtstoff handelt es sich hier auf der einen Seite um eine bei Anregung grünes Licht (G) emittierende Schicht aus mit Ce dotiertem YAG, auf der anderen Seite um eine bei Anregung rotes Licht (R) emittierende Schicht aus mit Eu dotiertem YAG. Auf diese Weise kann durch Konversion der Anregungslaserstrahlung mit Hilfe der Leuchtstoffvorrichtung 1 Licht mit zwei verschiedenen Farben erzeugt werden. Je nach Bedarf kann der für die beidseitig angeordnete Konversionsbereiche verwendete Leuchtstoff aber auch gleich sein. Beispielsweise ist es denkbar, verschiedene Lichtfarben auch durch separate Leuchtvorrichtungen zu erzeugen und die jeweiligen Lichtfarbanteile geeignet zusammenzuführen. Das in 1a rechte Trägerelement 2 weist in seinem Zentrum eine kreisförmige Öffnung 6 auf. Axial zu diesem Loch erstreckt sich von der Außenfläche 3a des in der 1a linken Trägerelements 3 wegzeigend eine Drehachse 7, die im Betrieb der Leuchtstoffvorrichtung 1 eine Rotation der beiden Trägerelemente 2, 3 ermöglicht. Die beiden Trägerelemente 2, 3 sind mittels acht flügelartiger Kühlrippen 8, die im Zwischenraum zwischen den beiden Innenflächen 2b, 3b der beiden Trägerelemente 2, 3 angeordnet sind, miteinander verbunden. Die flügelartigen Kühlrippen 8 sind senkrecht zu den beiden Innenflächen 2b, 3b orientiert und erstrecken sich zunächst radial von der Öffnung 6 ausgehend und dann weiter gegen die mit einem Pfeil angedeutete Rotationsrichtung strömungsgünstig gebogen bis zum äußeren Rand. Im Betrieb strömt die Umgebungsluft durch die Rotation in die Öffnung 6 axial ein, im Zwischenraum zwischen den Innenflächen 2b, 3b und den einander benachbarten flügelartigen Kühlrippen 8 im wesentlichen radial entlang und im Randbereich des Doppel-Leuchtstoffrads wieder nach Außen aus. Auf diese Weise wird mit Hilfe einer aktiven Luftströmung eine verbesserte Abfuhr der durch die Anregungslaserstrahlung in den Leuchtstoff der beidseitigen ringförmigen Konversionsbereiche 4, 5 eingebrachten Wärme erzielt. Bei Bedarf kann die Wärmeabfuhr noch durch strömungsoptimierte Formgebung der Kühlrippen 8 weiter verbessert werden.
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2 zeigt schematisch einen Längsschnitt eines Ausführungsbeispiels der erfindungsgemäßen Reflektorleuchtenanordnung 20 mit der in 1a–1c dargestellten Leuchtstoffvorrichtung 1 (Doppel-Leuchtstoffrad). Die Schnittebene geht hier durch die Drehachse der Leuchtstoffvorrichtung 1. Neben der Leuchtstoffvorrichtung 1 weist die Reflektorleuchtenanordnung 20 noch zwei elliptische Halbschalenreflektoren 21, 22 und zwei Anregungslaser 23, 24 auf. Die beiden Anregungslaser 23, 24 sind zwei verschiedene Laserdioden, die Anregungslaserstrahlen mit einer Wellenlänge von ca. 450 nm bzw. 405 nm emittieren. Die beiden elliptischen Halbschalenreflektoren 21, 22 sind in Bezug zur Leuchtstoffvorrichtung 1 so angeordnet, dass die beidseitig angeordneten ringförmigen Konversionsbereiche 4, 5 durch die jeweiligen primären Brennpunkte FA, FC der zugewandten Halbschalenreflektoren 21, 22 rotieren (die für die Rotation des Doppel-Leuchtstoffrads 1 üblichen Mittel wie Drehachse, Elektromotor etc. sind der besseren Übersicht wegen nicht dargestellt). Außerdem sind die beiden Halbschalenreflektoren 21, 22 so gegeneinander verkippt, dass deren sekundäre Brennpunkte FB, FD auf der optischen Achse L der Reflektorleuchtenanordnung 20 zu dem gemeinsamen Brennpunkt FB,D zusammenfallen. Jeder der beiden Halbschalenreflektoren 21, 22 weist jeweils eine kreisförmige Öffnung 25, 26 auf, durch die hindurch die Anregungslaserstrahlen 27, 28 der Anregungslaser 23, 24 die ringförmigen Konversionsbereiche 4, 5 im Bereich der jeweiligen primären Brennpunkte FA, FC bestrahlen. Aufgrund der Rotation der Trägerelemente 2, 3 überstreichen die Anregungslaserstrahlen 27, 28 die ringförmigen Konversionsbereiche 4, 5 sequentiell. Dadurch wird jeweils immer nur kurzzeitig ein Teilbereich des Leuchtstoffes in jedem der beiden ringförmigen Konversionsbereiche 4, 5 durch den jeweiligen Anregungslaserstrahl 27, 28 erwärmt. Außerdem wird die von den Anregungslaserstrahlen 27, 28 eingebrachte Wärme über die Trägerelemente 2, 3 und insbesondere den erzwungenen Kühlluftstrom, der durch die axiale Öffnung 6 in das Doppel-Leuchtstoffrad 1 einströmt und an dessen Rand im wesentlichen radial ausströmt, effizient abgeführt. Dadurch können hohe Anregungslaserleistungsdichten auf den Konversionsbereichen 4, 5 realisiert werden, ohne dass der Leuchtstoff zu rasch degradiert oder gar zerstört wird. Die durch den jeweiligen Leuchtstoff wellenlängenumgewandelten Lichtstrahlen werden, gegebenenfalls zusammen mit einem Anteil der nicht wellenlängenumgewandelten sondern nur reflexiv gestreuten blauen (B) Anregungslaserstrahlen, über den jeweiligen Halbschalenreflektor 21, 22 zu dem gemeinsamen dritten Brennpunkt FB,D reflektiert. Dort ist die Eintrittsfläche eines Lichtleiters 29 positioniert. Der Lichtleiter 29 dient als optischer Integrator für die Mischung und Weiterleitung der von den beiden Halbschalenreflektoren 21, 22 kommenden Lichtstrahlen mit den Lichtfarbanteilen R, G, B. Das RGB-Mischlicht kann beispielsweise einem Bildgeber für die Videoprojektion (LCD, DLP oder LCoS usw.) zugeführt werden (nicht dargestellt).
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In einer nicht dargestellten Variante ist die Reflektorleuchtenanordnung so ausgelegt, dass die primären Brennpunkte der beiden Halbschalenreflektoren nicht an der selben Stelle bezüglich der optischen Achse sind, sondern vielmehr gezielt um einen Anstand längs der optischen Achse versetzt. Dies ermöglicht es, auf den beiden Seiten ringförmige Leuchtstoff- und/oder reflexive Streubereiche mit unterschiedlichen Radien und damit unterschiedlicher Länge bezogen auf einen bestimmten Drehwinkel des Doppel-Leuchtstoffrades zu bestrahlen. Auf diese Weise lässt sich der Farbort des konvertierten Mischlichtes gezielt einstellen. Wenn ein gemeinsamer sekundärer Brennpunkt gewünscht wird, sind die beiden Halbschalenreflektoren geeignet zu kippen und verschieben.
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3 zeigt die Vorderansicht eines weiteren Ausführungsbeispiels einer Leuchtstoffvorrichtung mit Innenkühlung, entsprechend der Darstellung in 1b. Hier weist die Leuchtstoffvorrichtung 30 allerdings zwei ringförmige Konversionsbereiche 31, 32 auf, die konzentrisch auf der Außenfläche 33a des scheibenartigen Trägerelements 33 angeordnet sind. Der äußere ringförmige Konversionsbereich 31 besteht aus Ce dotiertem YAG (G), der innere 32 aus Eu dotiertem YAG (R). Außerdem ist zwischen den beiden ringförmigen Konversionsbereichen 31, 32 ein ringförmiger Streubereich 34 angeordnet. Dieser dient der direkten Nutzung der Anregungslaserstrahlung, die in diesem Fall insbesondere im blauen Wellenlängenbereich (z. B. 450 nm) liegt (B). Der ringförmige Streubereich 34 ist als eine reflexiv streuende Oberfläche ausgebildet, wodurch die für Projektionszwecke störenden Speckle-Eigenschaften der direkt genutzten Anregungslaserstrahlung vorteilhafter Weise zerstört oder zumindest vermindert werden. Der Anregungslaserstrahl bestrahlt ungefähr den in 3 mit einem Rechteck 35 umgrenzten Bereich, der Teile aller drei genannten ringförmigen Bereiche 31, 32, 34 umfasst. Dazu ist der Anregungslaserstrahl mittels Optiken geeignet geformt. Außerdem sind die drei ringförmigen Bahnen eng beieinander liegend ausgeführt. Auf diese Weise sind bereits mit einer Außenfläche 33a die drei Lichtfarbkomponenten rot (R), grün (G) und blau (B) realisierbar. Die andere Außenfläche auf der Gegenseite (in 3 nicht sichtbar) ist deshalb hier identisch wie die gezeigte Außenfläche 33a ausgebildet. In einer nicht dargestellten Variante sind mehrere ringförmige Konversionsbereiche mit unterschiedlichen Leuchtstofftypen konzentrisch so ausgebildet und angeordnet, dass durch eine Verschiebung des Leuchtstoff-Doppelrades im Reflektor der Anregungslaserstrahlfleck vorzugsweise jeweils nur auf eine Leuchtstoffbahn auftrifft. Dadurch lässt sich durch das Verschieben selektiv eine gewünschte Lichtfarbe für die Konversion auswählen.
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4 zeigt die Vorderansicht eines weiteren Ausführungsbeispiels einer Leuchtstoffvorrichtung 40 mit Innenkühlung, entsprechend der Darstellung in 1b. Um einerseits die beidseitige Bestrahlungsfläche für die Anregungslaserstrahlung näher beim jeweiligen Brennpunkt der beiden Halbschalenreflektoren halten zu können und andererseits die drei Grundlichtfarben rot, grün, blau zur Verfügung zu haben, sind auf der jeweiligen Außenfläche 41a jeder der beiden scheibenartigen Trägerelemente 41 (die andere Außenfläche ist in 4 verdeckt) rot emittierende 42 bzw. grün emittierende 43 Leuchtstoffsegmente sowie reflexive Streusegmente 44 sequentiell abwechselnd innerhalb einer einzigen ringförmigen Bahn 45 angeordnet. Der Übersicht wegen sind in 4 in jedem Quadranten nur jeweils ein rot emittierendes Leuchtstoffsegment 42, ein grün emittierendes Leuchtstoffsegment 43 und ein reflexives Streusegment 44 dargestellt. In der Praxis, insbesondere für Projektionszwecke, können aber auch mehr Segmente pro Quadranten vorgesehen sein. Die additive Lichtfarbmischung resultiert jedenfalls durch die visuelle Mittelung der Lichtfarbanteile, die bei der Rotation der entsprechenden Segmente 42–44 durch den Anregungslaserstrahlfleck (in 4 nicht dargestellt) hindurch erzeugt werden. Schließlich können die Leuchtstoffe auch innerhalb des ringförmigen Konversionsbereichs gemischt sein (nicht dargestellt), so dass eine Lichtfarbmischung bereits im statischen Fall vorliegt, bei Bedarf auch in Kombination mit einer anteilig reflexiven Streuung des Anregungslaserlichts.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- WO 2009/112961 A1 [0004]
- US 2009284148 A1 [0005]