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WO2012103919A1 - Beleuchtungsvorrichtung mit leuchtstoffelement und optischem system - Google Patents

Beleuchtungsvorrichtung mit leuchtstoffelement und optischem system Download PDF

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Publication number
WO2012103919A1
WO2012103919A1 PCT/EP2011/051294 EP2011051294W WO2012103919A1 WO 2012103919 A1 WO2012103919 A1 WO 2012103919A1 EP 2011051294 W EP2011051294 W EP 2011051294W WO 2012103919 A1 WO2012103919 A1 WO 2012103919A1
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WO
WIPO (PCT)
Prior art keywords
light
lighting device
propagation direction
phosphor
main propagation
Prior art date
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Ceased
Application number
PCT/EP2011/051294
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Ulrich Hartwig
Julius Muschaweck
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Osram GmbH
Original Assignee
Osram GmbH
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Osram GmbH filed Critical Osram GmbH
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Priority to CN201180065672.5A priority patent/CN103329292B/zh
Priority to DE112011104802T priority patent/DE112011104802A5/de
Priority to US13/981,618 priority patent/US8912717B2/en
Publication of WO2012103919A1 publication Critical patent/WO2012103919A1/de
Anticipated expiration legal-status Critical
Ceased legal-status Critical Current

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    • H—ELECTRICITY
    • H05—ELECTRIC TECHNIQUES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H05B—ELECTRIC HEATING; ELECTRIC LIGHT SOURCES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR; CIRCUIT ARRANGEMENTS FOR ELECTRIC LIGHT SOURCES, IN GENERAL
    • H05B33/00—Electroluminescent light sources
    • H05B33/12—Light sources with substantially two-dimensional radiating surfaces
    • H05B33/22—Light sources with substantially two-dimensional radiating surfaces characterised by the chemical or physical composition or the arrangement of auxiliary dielectric or reflective layers
    • H—ELECTRICITY
    • H10—SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10H—INORGANIC LIGHT-EMITTING SEMICONDUCTOR DEVICES HAVING POTENTIAL BARRIERS
    • H10H20/00—Individual inorganic light-emitting semiconductor devices having potential barriers, e.g. light-emitting diodes [LED]
    • H10H20/80—Constructional details
    • H10H20/85—Packages
    • H10H20/851—Wavelength conversion means
    • H10H20/8514—Wavelength conversion means characterised by their shape, e.g. plate or foil
    • H—ELECTRICITY
    • H10—SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10H—INORGANIC LIGHT-EMITTING SEMICONDUCTOR DEVICES HAVING POTENTIAL BARRIERS
    • H10H20/00—Individual inorganic light-emitting semiconductor devices having potential barriers, e.g. light-emitting diodes [LED]
    • H10H20/80—Constructional details
    • H10H20/85—Packages
    • H10H20/855—Optical field-shaping means, e.g. lenses

Definitions

  • the present invention relates to aumpssvor ⁇ direction with a phosphor element for converting pumped light into converted light and with an optical system for guiding the pumping light.
  • LED light-emitting diode
  • a phosphor is usually applied directly to the LED chip to change the spectral properties of the light (chip level conversion ) or the LED chip is covered by a phosphor-containing epoxy resin (Volume Conversion).
  • the phosphor is excited with compared to the emission light everywherewel ⁇ ligeren light (pumping light) and emits longer ⁇ wavelength light (converted light), with the then not by the phosphor into ⁇ total emitted light as a superposition of the converted light with a absorbed portion of the pump light can result.
  • a LED emitting in the blue wavelength range can thus be used For example, combined with a yellow phosphor resulted in a white light source.
  • the invention is based on the problem of specifying a particularly advantageous embodiment of a lighting device with a phosphor element.
  • this object is achieved with a BL LEVEL ⁇ processing device, which in addition to the phosphor element, and a pumping light source having an exit surface for pumping light, which to this exit surface has moved a main propagation direction is formed as a center of gravity of the power weighted propagation directions, an optical system having a reflection surface, which is designed to redirect at least a portion of the pumping light propagating in the main propagation direction such that it strikes the phosphor element with a directional component opposite, ie with an angle of 180 °, to the phosphor element, which then converts converted light with a parallel to the Main propagation direction oriented direction component outputs, that is operated in Reflexi ⁇ on.
  • the phosphor element of for example a Ce or Eu-doped phosphor is thus not as initially be ⁇ enrolled in transmission, but operated ben in reflection.
  • An advantage of this may be, for example, that the mixture of pump light and converted light can be decoupled from the thickness of the phosphor element.
  • the phosphor can be, for example, a pump light-reflecting material, such as titanium oxide, are added with a certain concentration, so that the pump light is then completely reflected in a concentration-dependent penetration depth (decreasing with increasing concentration).
  • a path is specified for the Wech ⁇ selrial of pumping light, and phosphor such that the ratio of converted light is independent of the layer thickness to be reflected pump light for layers with at least the depth of penetration.
  • the color mix is no longer dependent on the light ⁇ material element thick, but can be defined by its material properties. Because the phosphor element thickness production-related variations can be subjected, can be for example, a dispersion of the white point within a component series ⁇ re note.
  • Another advantage of operating in reflection fluorescent element can also consist in that the back print ⁇ te does not need to be kept free for the light guide and therefore can be used for mounting or for example for a kuh ⁇ lung of the phosphor member such as a heat sink made of metal.
  • a trans- parent heat sink for example of sapphire, would have to be provided, which is considerably more costly, also in terms of cost.
  • the pumping light emitted, for example, by a laser (Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation) or an LED after the deflection has a directional component which is opposite to the main propagation direction, thus encloses an angle greater than 90 ° with the main propagation direction (for the reflected pump light is in this perspective that is, a pa rallel ⁇ oriented to the main propagation direction, of these, however, the opposite portion of a vertically oriented to share distinguished); the larger the angle, the greater the proportion of the directional component opposite the main propagation direction.
  • the pump light is thus to the phosphor element allegedlysconce ⁇ SSIG "back" reflected by the reflection surface at least in part, why a pumping light source need not be necessarily disposed in the optical path of the converted light.
  • An "exit surface for pump light” may be, for example, the surface area of an LED provided for emitting light, an image of it, or also the outlet opening of a light conductor coupled thereto. Outside the pump light itself may already be wavelength converted ⁇ , for example, using an ultraviolet radiation source in blue light means ei ⁇ nes suitable phosphor.
  • propagation of the pumped light or converted light this means a device designed for such propagation and not necessarily a device in which a corresponding propagation actually takes place. Unless without further restriction of reflection or trans- mission mentioned, this includes each other,ROCendes to a lesser proportion behavior, ie in particular ⁇ sondere a principle not completely avoidable or not quantitatively significant behavior, not out.
  • the pumping light impinges on a surface of the phosphor element, with which the exit surface is arranged in a plane.
  • a recess for the exit surface is provided in the phosphor element surface, which serves to receive the pumping light source.
  • the lighting device can be made compact with respect to directions transverse to the main propagation device.
  • a region of the reflection surface extends transversely to the main propagation direction and is designed to at least partially transmit the converted light.
  • “Lateral” means here an angle (respectively smaller) of at least 45 °, before ⁇ preferably at least 55 °, 65 °, 75 °, to Hauptausbrei ⁇ power direction.
  • a dichroic mirror shear be provided as a reflection surface, so that the light ⁇ a function of the wavelength, as with an interference filter constructed as a multilayer system, is transmitted or reflected.
  • a dichroic mirror shear be provided as a reflection surface, so that the light ⁇ a function of the wavelength, as with an interference filter constructed as a multilayer system, is transmitted or reflected.
  • the use of a dichroic mirror into ⁇ particular is also advantageous, if to be provided for a further use is available solely or primarily converted light.
  • a full conversion may be of interest for a pump light source emitting in the UV region or for applications which do not require white light but require light of a specific color (corresponding to the phosphor), such as signal lights such as blinkers, brake lights or blue lights.
  • curved Grenzflä ⁇ surface of a transparent body having a first refractive index and is adjacent to a medium with a smaller second refractive index, preferably in air with a Refractive index of about 1 in the visible range, so that the interface is formed as a reflection surface and the deflection is done by total reflection.
  • the refractive index n of the transparent body tk is because ⁇ at the visible region is preferably at least (1.2), more preferably at least (1.4) and not more than (2.0), more preferably at most (1.56).
  • the pumping light preferably at least a 70% portion thereof, is thus deflected along the curved surface to the phosphor element.
  • This center of gravity direction of the converted light will differ, at least in some respects, from the direction of the incident pump light in such a way that the angle of incidence (to the normal) of the converted light is lower and no total reflection takes place.
  • the pump light deflected by total reflection can be compared to the previously described embodiment with a dichroic mirror, for example, also be particularly advantageous in addition to or independent of the way of the light mixing, such as when a Mas ⁇ sen apparatus an economical alternative to the for Aimed at interference multi-layer system is sought.
  • a corresponding transparent body may for example be ground or cast, for example from a plastic material, and may not require further surface treatment, at least not a large area.
  • the design condition is satisfied, the light emanating from the exit surface pumping light is totalreflek ⁇ advantage, and then impinge on the phosphor element ge ⁇ optionally even after repeated total reflection along the interface.
  • the proportion of the region of the interface which fulfills the construction condition at the entire interface can also be used for this purpose Ratio of converted light to be adjusted light transmitted pump light, so the properties for a Lichtmi ⁇ research available light.
  • the design condition is then fulfilled for at least an angle range of 30 °, in this order increasingly preferably of at least 40 °, 50 °, 60 °, 70 °, sweeping connecting lines, these connecting lines in a further embodiment with the exit surface for the pumping light an angle of at least 80 °, in this order with increasing preference min ⁇ least 82 °, 84 °, 86 °, 88 °, 90 °, and at most 185 °, preferably not more than 182.5 ° and particularly preferably not more than 180 ° , lock in.
  • the design condition is therefore not necessarily fulfilled for a region lying in the main propagation direction over the exit surface, because this would require a tapered interface and thus could be problematic in terms of manufacturing technology.
  • the design condition necessarily fulfilled in an edge region perpendicular to the main propagation direction, because otherwise a boundary surface extending far in this direction would be necessary.
  • the curved line is bent at a plurality of points, and preferably the remainder in each case straight, the interface is thus formed from faceted ⁇ .
  • the design condition can nevertheless be fulfilled in each case over an entire subarea, even if this is linear and not curved.
  • correspondingly curved lines exist in a plurality of cutting planes of the design condition, wherein the curved lines of the respective cutting planes can be converted into each other either by rotation about an axis parallel to the main propagation direction or by a parallel translation along an axis perpendicular to the main propagation direction.
  • the interface of the transpa ⁇ pensions body and preferably also these themselves are therefore at least partially rotationally or translati ⁇ onssymmetrisch constructed.
  • the rotationally symmetrical arrangement insbeson ⁇ particular can also be combined with the above-mentioned measures provided in a recess of the fluorescent element exit surface thereby, so that the recess then centrally, optionally apart in one of the recess is also provided to the main propagation direction rotationally symmetrical phosphor element.
  • the transparent body fulfilling the design condition has, in a preferred embodiment, a surface extent which is at least 110 times, more preferably at least 200 times, but at most one, perpendicular to the main propagation direction 1700 times, more preferably at most 1000 times, the exit area corresponds.
  • the areal extent of the transparent body and therefore an areal extent of the phosphor element which is substantially matched thereto are therefore at least two orders of magnitude greater than the exit area, so that only a small proportion of the light emitted by the phosphor element is reflected back into the exit area.
  • Unless pumping light source and phosphor element may be approximated as about Lambertian emitter, that is in an equal solid angle range radiate, his etendue is namely much greater because of the larger surface of the phosphor ⁇ elements.
  • the ettened, the product of area and projected spatial angle Field Guide to Illumination, Angelo V.
  • the surface area of the transparent body is bounded upward for practical reasons, because otherwise the transparent body would become arbitrarily thin in the edge areas and thus would be at risk of damage, for example, or difficult to produce. Furthermore, a phosphor element corresponding to the transparent body would then also result in increased material costs.
  • the exit surface is rectangular and has the transparent Kör ⁇ per a thickness in the Hauptausbreitungsraum, which is at least a 0.8 times, preferably a 1-fold, a shorter edge of the rectangular outlet opening, but at most a 5- times, preferably at most 3.4 times, a longer edge of the rectangular outlet opening.
  • the result is a transparent body with a thickness of between 0.4 mm and 25 mm, which is thus easy to handle and approximately can be mass produced.
  • a passage area of the initial starting in the main propagation direction is arranged ⁇ area of the boundary surface facing away from the fluorescent element is additionally surface-treated.
  • the area can thus for example for reflecting propagierendem in Hauptaus ⁇ propagation direction pumping light mirror or be diffusely reflective, because a totalreflektie ⁇ Rende interface would otherwise converge towards the exit surface in a funnel-shaped with an acute angle, which may have production engineering difficulties.
  • the surface treatment can diffuse the pump light diffusely and provide it for mixing with the converted light.
  • a layer of immersion material is provided for a refractive index matching over which both the phosphor element and Also, the exit surface are optically connected to the light ⁇ material element facing outer surface of the transparent body.
  • the exit surface is preferably arranged in a plane with the phosphor element surface, so that the immersion layer has a substantially constant thickness, provided that the outer surface of the transparent body facing the phosphor is parallel to this plane.
  • a transparent body made of plastic material, preferably of silicon, formed on the exit surface and the fluorescent element, et ⁇ wa by the plastic material is poured into a limited phosphor ⁇ element and the exit surface form. It is then ideally before no gap between phosphor element / exit surface and transparent pERSonal via so that the light efficiency can be improved even without a zusappelli ⁇ ches immersion material; let gleichzei ⁇ tig be reduced due to the reduced number of materials advantageously also the production costs.
  • the transparent body has a along the main propagation direction, not necessarily parallel to the latter, oriented sites ⁇ outer surface, which is additionally surface-coated for the purpose of pumping light reflection and so defines a since ⁇ union light output from the optical system.
  • a silver-plating or even a diffusely reflecting layer can be provided.
  • a circumferential, oriented along the main propagation direction side outer surface can also improve the Manageable ⁇ ness of the transparent body, because a is not necessary, better suited for transmission of light intended region to set a tool.
  • a pumping light source preferably an LED
  • see ⁇ a heat sink provided, wherein the pump light source and the Leuchtscherle- ment on the same heat sink are arranged.
  • thermal paths between the pumping light source and the phosphor elements are at least partially blocked in a further embodiment, for example by slotting or by the use of materials with increased thermal Leitfä ⁇ ability, pump light source and phosphor element may be at least partially thermally decoupled yet what a reduced mutual heating.
  • the phosphor element is divided into areas and has a plurality for the delivery of each different light designed phosphors, wherein such a phosphor then is arranged in each case in a variety of areas ⁇ .
  • each GE ⁇ exactly located in front of a of a plurality of different phosphors selected phosphor in an area.
  • Fluorescent means here at ⁇ , as well as in the entire disclosure, both a certain type of phosphor, such as Ce-doped YAG, as well as mixtures of phosphor types.
  • the plurality of phosphors each designed to emit different light may, for example, also be realized by a type of luminescent substance once in pure form and a luminescent substance mixture comprising this type of luminescent substance.
  • the said type of phosphor is then in all areas of the phosphor member before, however, the pure type of phosphor and the phosphor blend are each designed for delivering under ⁇ stantullichem light and therefore represent two un ⁇ terisserliche phosphors.
  • a phosphor element comprising several phosphors according to the invention into regions in which only one phosphor (in the area distribution) is exclusively present has the advantage that, in contrast to a mixing of the phosphors required for the light conversion, an interaction between the absorption and emission spectra can be reduced. Otherwise, for example, a for Emission of red light provided phosphor which is to be excited with a blue pump light source, also absorb a part of emit ⁇ emitted spectrum of a green phosphor spectrum, which would result in an unintentional increase in the red and a reduction of the green spectral range result. By having at least certain types of phosphor separate from each other in areas, such interaction can be reduced.
  • the phosphor element regions are in the far field but not necessarily as a separate legislativege ⁇ taken, such as when carried out with a non-imaging optics, a mixing of the converted light.
  • Fig. 1 shows a lighting device with an LED, a
  • FIG. 2 shows a transparent body with an interface for the total reflection of pump light and additionally mirrored areas
  • Fig. 3 is a graphic illustration of a design condition for the curvature of the interface of a transparent body according to Figs. 1 and 2; 4 shows a phosphor element with a plurality of phosphors, which is subdivided into a plurality of regions;
  • Figure 5 is a ring-shaped phosphor element with a term with ⁇ recess.
  • Fig. 6 is a radial distribution of a transparent
  • FIG. 7 shows a distribution of the converted light of a phosphor element which is annularly illuminated according to FIG. 6 in the far field.
  • the 1 shows a lighting device 1 with an outlet surface 2 for propagating in a main propagation direction of 3 and pumping light with a luminous Stoffele ⁇ element 4 for the conversion of the pump light.
  • the exit surface 2 is the light-emitting surface of a pumping light in the main propagation direction 3 in a hemisphere emitting LED 5.
  • the phosphor element 4 is arranged with the LED 5 in a plane, that is not directly illuminated by the pump light emitted by the LED 5.
  • a transparent body 6 is provided with an outer surface 7 facing away from the phosphor element 4 and the LED, with which the transparent body of silicone (refractive index n s a 1,2) in air and thus to a medium with a lower refractive index borders (n air a 1).
  • n air a 1 refractive index borders
  • the phosphor 4 of Ce-doped YAG and / or Eu doped strontium orthosilicate absorbs totalre ⁇ inflected pump light and emits converted light; the emission of the converted light also takes place in a hemisphere whose center of gravity direction in this case corresponds to the main propagation direction 3.
  • the phosphor element 4 and the LED 5 are provided on a common heat sink 8.
  • a layer 9 from an Immersionsma- provided material whose refractive index between those of the Leuchtsoffelements 4 and the transparent body 6 is located.
  • LED 5 In the case of an approximately as Lambertian emitter light emitting in a hemisphere LED 5 is a To ⁇ talreflexion both in an area around the axis of symmetry of the hemisphere and in a close to the (the ball dividing into two halves) "cutting plane" difficult to reali ⁇ Sieren because in the former case, a tapered funnel structure and in the latter case, any arbitrarily large diameter would be necessary; Both can create manufacturing problems among other things.
  • a region 21 lying above the exit surface 2 in the main propagation direction 3 is additionally mirrored, so that pumping light beams propagating in the main propagation direction 3 are reflected back to the phosphor element 4, although the angle to the interface 7 for one Total reflection is not sufficiently small. Since the surface portion of the mirror-coated portion 21 is small at the interface 7, yet there is no wesentli ⁇ che shadowing of the light emitted from the light Leuchscherlement 4.
  • a diffusely reflecting layer 22 is provided.
  • Figure 3 illustrates a design condition for optimizing interface curvature.
  • the angle should be greater than / equal to ⁇ ARC cos (1 / n S iiikon) 34, preferably greater than / equal ⁇ arc - cos (1 / k on risiü), more preferably greater than / equal ⁇ , ARC cos (1 / n S iii kon).
  • Figure 4 shows a into a plurality of portions 41 sub affiliated phosphor member 4 with three different? ⁇ chen phosphor types 42 a, b, c, wherein a type of phosphor 42 a, b, c is seen in each case in a plurality of regions 41 before ⁇ .
  • the types of phosphors 42 a, b, c are therefore not mixed and are then applied as a homogeneous layer, but instead lie in the partial regions 41 in each case. in front of you. In this way, an interaction between the emission / absorption spectra of the phosphor types 42 a, b, c can be avoided.
  • FIG. 5 shows a ring-shaped phosphor element 4 which also in different types of phosphors 42 a, b, c having areas is divided 41 (the lower Glienicke ⁇ alteration is illustrated only for a partial area). A further subdivision can be carried out, for example, by concentric circles, so that a screening analogous to FIG. 4 results.
  • annular phosphor element 4 according to FIG. 5 can also be provided without a subdivision having only one type of phosphor or a homogeneous phosphor mixture and is particularly advantageous in connection with the rotationally symmetric reflection surface illustrated in FIG. 3 because it totally reflects the pump light into an annular region ,
  • FIG. 6 shows, as a simulation result, a corresponding distribution of the pumping light intensity on the phosphor 4 in the radial direction; the pumping light is totally reflected at an interface 33 constructed according to the explanations of FIG.
  • the horizontal axis 61 indicates the distance to the axis of symmetry in mm, and the vertical axis 62 plots the power density in watts / mm 2 .
  • the vertical axis 62 coincides with the axis of symmetry of Figure 3, the pumping light is annularly distributed in consideration of the rotational symmetry.
  • FIG. 7 illustrates the radiation intensity of the light which is illuminated in a ring-like manner with pump light Phosphor element 4 emitted converted light in the far field.
  • the curves 71a, b then indicate the radiation intensity in two mutually perpendicular sectional planes. Since the simulation was carried out with a finite number of statistically distributed discrete beams, despite the rotational symmetry of the phosphor element 4 and the optical system 6, a deviation of the two curves 71a, b can be seen from each other.
  • the by the phosphor member 4 in Lambertian manner in the main propagation direction 3 (the geometry of Figure 1 is rotated by 180 °) partially bundled emitted in a semi-sphere light and directed He ⁇ result dispensed.

Landscapes

  • Optical Elements Other Than Lenses (AREA)
  • Non-Portable Lighting Devices Or Systems Thereof (AREA)

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Beleuchtungsvorrichtung (1) mit einer Austrittsfläche (2) für mit einer Hauptausbreitungsrichtung (3) propagierendes Pumplicht und mit einem Leuchtstoffelement (4) zur Umwandlung des Pumplichts in konvertiertes Licht. Zur Umlenkung des Pumplichts ist dabei ein optisches System (6) mit einer Reflexionsfläche (7) vorgesehen, die das Pumplicht mit einer der Hauptausbreitungsrichtung (3) entgegengesetzten Richtungskomponente auf das in Reflexion betriebene Leuchtstoffelement (4) reflektiert.

Description

Beschreibung
Beleuchtungsvorrichtung mit Leuchtstoffelement und opti¬ schem System
Technisches Gebiet
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Beleuchtungsvor¬ richtung mit einem Leuchtstoffelement zur Umwandlung von Pumplicht in konvertiertes Licht und mit einem optischen System zur Führung des Pumplichts.
Stand der Technik
Gegenwärtig entwickelte Lichtquellen zeichnen sich gegenüber konventionellen Glühlampen zwar durch eine erhöhte Energieeffizienz aus, jedoch ist das emittierte Licht ge- genüber den als thermische Strahler breitbandig emittie¬ renden Glühlampen oftmals auf einen relativ engen Spektralbereich begrenzt. Ist etwa eine Leuchtdiode (light emitting diode, LED) als Lichtquelle vorgesehen, was die vorliegende Erfindung illustriert, jedoch nicht beschrän- ken soll, wird zur Veränderung der spektralen Eigenschaften des Lichts üblicherweise ein Leuchtstoff direkt auf den LED-Chip aufgetragen (Chip Level Conversion) oder der LED-Chip wird von einem Leuchtstoff enthaltenden Epoxid- Harz bedeckt (Volume Conversion) . Im Betrieb wird der Leuchtstoff mit im Vergleich zum Emissionslicht kurzwel¬ ligeren Licht (Pumplicht) angeregt und emittiert länger¬ welliges Licht (konvertiertes Licht) , wobei sich das ins¬ gesamt abgegebene Licht dann als eine Überlagerung des konvertierten Lichts mit einem von dem Leuchtstoff nicht absorbierten Anteil des Pumplichts ergeben kann. Eine im blauen Längenwellenbereich emittierende LED kann so bei- spielsweise mit einem gelben Leuchtstoff kombiniert eine Weißlichtquelle ergeben.
Darstellung der Erfindung
Der Erfindung liegt das Problem zugrunde, eine besonders vorteilhafte Ausgestaltung einer Beleuchtungsvorrichtung mit einem Leuchtstoffelement anzugeben.
Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe mit einer Beleuch¬ tungsvorrichtung gelöst, die neben dem Leuchtstoffelement und einer Pumplichtquelle mit einer Austrittsfläche für Pumplicht, welches bezogen auf diese Austrittsfläche eine als Schwerpunkt nach der Leistung gewichteter Ausbreitungsrichtungen gebildete Hauptausbreitungsrichtung hat, ein optisches System mit einer Reflexionsfläche aufweist, die dazu ausgelegt ist, zumindest einen Teil des in der Hauptausbreitungsrichtung propagierenden Pumplichts sol- chermaßen umzulenken, dass es mit einer der Hauptausbreitungsrichtung entgegengesetzten, also mit dieser einen Winkel von 180° einschließenden, Richtungskomponente auf das Leuchtstoffelement trifft, welches dann konvertiertes Licht mit einer parallel zur Hauptausbreitungsrichtung orientierten Richtungskomponente abgibt, also in Reflexi¬ on betrieben wird.
Das Leuchtstoffelement aus beispielsweise einem Ce- oder Eu-dotiertem Leuchtstoff wird also nicht wie eingangs be¬ schrieben in Transmission, sondern in Reflexion betrie- ben. Ein Vorteil hiervon kann etwa darin bestehen, dass sich die Mischung von Pumplicht und konvertiertem Licht von der Dicke des Leuchtstoffelements entkoppeln lässt. Dazu kann dem Leuchtstoff beispielsweise ein das Pump- licht reflektierendes Material, etwa Titanoxid, mit einer bestimmten Konzentration beigemengt werden, sodass das Pumplicht dann in einer von der Konzentration abhängigen Eindringtiefe (abnehmend mit zunehmender Konzentration) vollständig reflektiert ist. Damit ist auch für die Wech¬ selwirkung von Pumplicht und Leuchtstoff eine Wegstrecke vorgegeben, sodass das Verhältnis von konvertiertem Licht zu reflektiertem Pumplicht für Schichten mit mindestens der Eindringtiefe unabhängig von der Schichtdicke ist. Die Lichtmischung ist somit nicht mehr von der Leucht¬ stoffelementdicke abhängig, sondern kann über dessen Materialeigenschaften eingestellt werden. Da die Leuchtstoffelementdicke fertigungsbedingten Schwankungen unterworfen sein kann, lässt sich so beispielsweise eine Streuung des Weißpunkts innerhalb einer Bauteilserie re¬ duzieren .
Ein weiterer Vorteil des in Reflexion betriebenen Leuchtstoffelements kann auch darin bestehen, dass die Rücksei¬ te nicht für die Lichtführung freigehalten werden muss und deshalb zur Montage oder beispielsweise für eine Küh¬ lung des Leuchtstoffelements genutzt werden kann, etwa mit einem Kühlkörper aus Metall. Für ein in Transmission betriebenes Leuchtstoffelement müsste hingegen ein trans¬ parenter Kühlkörper, beispielsweise aus Saphir, vorgese- hen werden, was erheblich aufwändiger ist, auch in Kostenhinsicht .
Ein Nachteil des in Reflexion betriebenen Leuchtstoffele¬ ments kann sich allerdings daraus ergeben, dass der opti¬ sche Weg von Pumplicht und konvertiertem Licht zumindest bereichsweise zusammenfällt, wodurch es etwa im Falle ei¬ ner als "Auflichtquelle" dem Leuchtstoffelement gegenü- berliegend vorgesehenen Pumplichtquelle zu einer Abschat¬ tung des Leuchtstoffelements und damit einer verringerten Lichtausbeute kommen kann. Indem nun erfindungsgemäß ein optisches System mit einer Reflexionsfläche zur Umlenkung des Pumplichts vorgesehen wird, kann die Pumplichtquelle idealerweise aus dem optischen Weg des konvertierten Lichts genommen und eine Abschattung zumindest verringert werden. Die Abschattung durch beispielsweise einen Spiegel kann nämlich im Wesentlichen auf dessen Reflexions- fläche eingeschränkt werden, wohingegen eine Pumplicht¬ quelle üblicherweise einen im Verhältnis zu der effektiv Pumplicht abgebenden Fläche erheblich größeren Bereich abschattet .
Erfindungsgemäß hat das beispielsweise von einem Laser (Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation) oder einer LED emittierte Pumplicht nach der Umlenkung eine der Hauptausbreitungsrichtung entgegengesetzte Richtungskomponente, schließt also mit der Hauptausbreitungs¬ richtung einen Winkel größer 90° ein (für das reflek- tierte Pumplicht wird in dieser Betrachtung also ein pa¬ rallel zur Hauptausbreitungsrichtung orientierter, dieser allerdings entgegengesetzter Anteil von einem senkrecht dazu orientierten Anteil unterschieden); je größer der Winkel wird, desto größer wird der Anteil der der Haupt- ausbreitungsrichtung entgegengesetzten Richtungskomponente. Das Pumplicht wird durch die Reflexionsfläche also zumindest anteilig zu dem Leuchtstoffelement richtungsmä¬ ßig "zurück" reflektiert, weswegen eine Pumplichtquelle nicht notwendigerweise im optischen Weg des konvertierten Lichts angeordnet werden muss. Eine "Austrittsfläche für Pumplicht" kann beispielsweise der zur Lichtabgabe vorgesehene Oberflächenbereich einer LED, eine Abbildung davon oder etwa auch die Austrittsöffnung eines daran gekoppelten Lichtleiters sein. Außer- dem kann das Pumplicht selbst auch bereits wellenlängen¬ konvertiert sein, beispielsweise bei Verwendung einer Ultraviolett-Strahlungsquelle in blaues Licht mittels ei¬ nes geeigneten Leuchtstoffs. Sofern im Kontext der vorliegenden Offenbarung von einer Ausbreitung des Pump- lichts bzw. konvertierten Lichts die Rede ist, meint dies eine für eine solche Ausbreitung ausgelegte Vorrichtung und nicht notwendigerweise eine Vorrichtung, in der eine entsprechende Ausbreitung auch tatsächlich erfolgt. Sofern ohne weitere Einschränkung von Reflexion oder Trans- mission die Rede ist, schließt dies ein jeweils anderes, zu geringerem Anteil vorliegendes Verhalten, also insbe¬ sondere ein prinzipiell nicht vollständig vermeidbares oder quantitativ nicht erhebliches Verhalten, nicht aus.
Bevorzugte Ausgestaltungen sind in den abhängigen Ansprü- chen angegeben und werden im Folgenden näher erläutert, wobei die einzelnen Merkmale in unterschiedlichen Kombinationen erfindungswesentlich sein können.
Gemäß einer ersten Ausführungsform trifft das Pumplicht auf eine Oberfläche des Leuchtstoffelements , mit welcher die Austrittsfläche in einer Ebene angeordnet ist. Vor¬ zugsweise ist in der Leuchtstoffelementoberfläche eine Ausnehmung für die Austrittsfläche vorgesehen, die der Aufnahme der Pumplichtquelle dient. Durch diese Anordnung kann die Beleuchtungsvorrichtung in Bezug auf Richtungen quer zur Hauptausbreitungsvorrichtung kompakt gebaut werden . In weiterer Ausgestaltung erstreckt sich ein Bereich der Reflexionsfläche quer zur Hauptausbreitungsrichtung und ist dazu ausgelegt, das konvertierte Licht zumindest teilweise zu transmittieren . "Quer" meint hierbei einen Winkel (jeweils den kleineren) von mindestens 45°, vor¬ zugsweise mindestens 55°, 65°, 75°, zur Hauptausbrei¬ tungsrichtung. Es kann dann beispielsweise ein dichroiti- scher Spiegel als Reflexionsfläche vorgesehen sein, so¬ dass das Licht in Abhängigkeit von der Wellenlänge, etwa mit einem als Interferenzfilter aufgebauten Mehrschichtsystem, transmittiert oder reflektiert wird. Werden die Reflexions- und Transmissionseigenschaften so gewählt, dass das Pumplicht reflektiert, das konvertierte Licht jedoch transmittiert wird (jedenfalls zu einem jeweils größeren Anteil) , kann vorteilhafterweise eine großflä¬ chige Reflexionsfläche realisiert werden, die das Leucht¬ stoffelement in Bezug auf das konvertierte Licht dennoch nicht abschattet.
Da in diesem Fall zumindest der Großteil des vom Leucht- Stoffelement reemittierten Pumplichts nicht transmittiert wird, ist der Einsatz eines dichroitischen Spiegels ins¬ besondere auch dann vorteilhaft, wenn allein bzw. vorrangig konvertiertes Licht für eine weitere Verwendung zur Verfügung gestellt werden soll. Eine solche Vollkonversi- on kann beispielsweise aus Sicherheitsgründen bei einer im UV-Bereich emittierenden Pumplichtquelle von Interesse sein oder bei Anwendungen, die kein Weißlicht, sondern Licht einer bestimmten (dann dem Leuchtstoff entsprechenden) Farbe erfordern, also etwa Signalleuchten wie Blin- ker, Bremsleuchten oder Blaulichter. In weiterer Ausgestaltung ist die das konvertierte Licht zumindest teilweise transmittierende Reflexionsfläche ei¬ ne dem Leuchtstoffelement abgewandte, gekrümmte Grenzflä¬ che eines transparenten Körpers, der einen ersten Bre- chungsindex hat und an ein Medium mit einem kleineren zweiten Brechungsindex grenzt, vorzugsweise an Luft mit einem Brechungsindex von etwa 1 im sichtbaren Bereich, sodass die Grenzfläche als Reflexionsfläche ausgebildet ist und die Umlenkung durch Totalreflexion erfolgt. Der Brechungsindex ntk des transparenten Körpers beträgt da¬ bei im sichtbaren Bereich vorzugsweise mindestens (1,2), besonders bevorzugt mindestens (1,4), und höchstens (2,0), besonders bevorzugt höchstens (1,56).
Das Pumplicht, vorzugsweise ein mindestens 70%-iger An- teil davon, wird somit entlang der gekrümmten Oberfläche zu dem Leuchtstoffelement umgelenkt. Dieses emittiert dann konvertiertes Licht, etwa näherungsweise als Lam¬ bertscher Strahler in eine Halbkugel, also mit einer lo¬ kal jeweils normal auf die Leuchtstoffelementoberfläche orientierten Schwerpunktsrichtung. Diese Schwerpunktsrichtung des konvertierten Lichts wird zumindest be¬ reichsweise von der Richtung des einfallenden Pumplichts solchermaßen abweichen, dass der Einfallswinkel (zur Normalen) des konvertierten Lichts geringer ist und keine Totalreflexion erfolgt.
Die Pumplichtumlenkung durch Totalreflexion kann gegenüber der zuvor beschriebenen Ausgestaltung mit einem dichroitischen Spiegel zusätzlich zu oder unabhängig von der Möglichkeit der Lichtmischung beispielsweise auch dann besonders vorteilhaft sein, wenn etwa für ein Mas¬ senprodukt eine kostengünstige Alternative zu dem für die Interferenz vorgesehenen Mehrschichtsystem angestrebt wird. Ein entsprechender transparenter Körper kann beispielsweise geschliffen oder gegossen werden, etwa aus einem Kunststoffmaterial , und erfordert gegebenenfalls keine weitere Oberflächenbehandlung, zumindest keine großflächige .
In weiterer Ausgestaltung ist die Grenzfläche des trans¬ parenten Körpers mit einem Brechungsindex ntk so ge¬ krümmt, dass in einer zur Hauptausbreitungsrichtung pa- rallelen, durch die Austrittsfläche verlaufenden Schnitt¬ ebene eine der Grenzfläche entsprechende, gekrümmte Linie in Bezug auf einen in der Austrittsfläche für das Pump¬ licht liegenden Punkt so ausgebildet ist, dass eine Ver¬ bindungslinie von diesem Punkt zu der gekrümmten Linie mit der gekrümmten Linie einen Winkel -S arccos ( 1 /ntk ) einschließt; als in der Austrittsfläche liegender Punkt wird dabei vorzugsweise ein Randpunkt daran gewählt. Die zur Hauptausbreitungsrichtung parallele Schnittebene wird vorzugsweise in einen Schwerpunkt der Austrittsfläche ge- legt, also durch den geometrischen Flächenschwerpunkt im mathematischen Sinn.
An einer entsprechend gekrümmten Grenzfläche, die in ei¬ ner Vielzahl durch die Austrittsfläche gehender parallel zur Hauptausbreitungsrichtung liegender Schnittebenen je- weils die Konstruktionsbedingung erfüllt, wird das von der Austrittsfläche ausgehende Pumplicht totalreflek¬ tiert, um dann auf das Leuchtstoffelement zu treffen, ge¬ gebenenfalls auch nach wiederholter Totalreflexion entlang der Grenzfläche. Über den Anteil des die Konstrukti- onsbedingung erfüllenden Bereichs der Grenzfläche an der gesamten Grenzfläche kann dann beispielsweise auch das Verhältnis von konvertiertem Licht zu transmittiertem Pumplicht eingestellt werden, also das für eine Lichtmi¬ schung zur Verfügung stehende Licht.
Die Konstruktionsbedingung ist dann für zusammen mindes- tens einen Winkelbereich von 30°, in dieser Reihenfolge zunehmend bevorzugt von mindestens 40°, 50°, 60°, 70°, überstreichende Verbindungslinien erfüllt, wobei diese Verbindungslinien in weiterer Ausgestaltung mit der Austrittsfläche für das Pumplicht einen Winkel von mindes- tens 80°, in dieser Reihenfolge zunehmend bevorzugt min¬ destens 82°, 84°, 86°, 88°, 90°, und von höchstens 185°, vorzugsweise höchstens 182,5° und besonders bevorzugt höchstens 180°, einschließen.
Die Konstruktionsbedingung ist also nicht notwendigerwei- se für einen in der Hauptausbreitungsrichtung über der Austrittsfläche liegenden Bereich erfüllt, weil dies eine spitz zulaufende Grenzfläche erfordern würde und somit herstellungstechnisch problematisch sein könnte. Ebenso wenig ist die Konstruktionsbedingung zwingend in einem senkrecht zur Hauptausbreitungsrichtung randseitigen Bereich erfüllt, weil ansonsten eine sich in dieser Richtung weit erstreckende Grenzfläche notwendig wäre.
In weiterer Ausgestaltung ist die gekrümmte Linie an einer Mehrzahl Punkte geknickt und vorzugsweise im Übrigen jeweils gerade, ist die Grenzfläche also facettiert aus¬ gebildet. Etwa im Falle entsprechend eng beieinanderlie¬ gender Knickpunkte bzw. auch entsprechend verkippter Teilbereiche kann die Konstruktionsbedingung dabei dennoch jeweils über einen gesamten Teilbereich erfüllt sein, auch wenn dieser linear und nicht gekrümmt ist. Durch die Facettierung der Grenzfläche kann beispielswei¬ se eine Abbildung des Leuchtstoffelements vermieden wer¬ den, sodass etwa im Falle eines inhomogen ausgeleuchteten Leuchtstoffs dennoch eine gewisse Durchmischung des Lichts erzielt wird.
Bei einer weiteren Ausführungsform liegen in einer Vielzahl Schnittebenen der Konstruktionsbedingung entsprechend gekrümmte Linien vor, wobei die gekrümmten Linien der jeweiligen Schnittebenen entweder durch eine Rotation um eine zur Hauptausbreitungsrichtung parallele Achse oder durch eine Parallelverschiebung entlang einer zur Hauptausbreitungsrichtung senkrechten Achse ineinander übergeführt werden können. Die Grenzfläche des transpa¬ renten Körpers und vorzugsweise auch dieser selbst sind also zumindest bereichsweise rotations- oder translati¬ onssymmetrisch aufgebaut.
Die rotationssymmetrische Anordnung kann dabei insbeson¬ dere auch mit der zuvor genannten in einer Ausnehmung des Leuchtstoffelements vorgesehenen Austrittsfläche kombi- niert werden, sodass die Ausnehmung dann mittig in einem, gegebenenfalls von der Ausnehmung abgesehen, ebenfalls zur Hauptausbreitungsrichtung rotationssymmetrischen Leuchtstoffelement vorgesehen ist.
Auch unabhängig von dieser symmetrischen Ausgestaltung hat im Dreidimensionalen ein in einer Vielzahl Schnittebenen die Konstruktionsbedingung erfüllender transparenter Körper gemäß einer bevorzugten Ausführungsform senkrecht zur Hauptausbreitungsrichtung eine Flächenausdehnung, die mindestens einem 110-fachen, besonders bevor- zugt mindestens einem 200-fachen, höchstens jedoch einem 1700-fachen, besonders bevorzugt höchstens einem 1000- fachen, der Austrittsfläche entspricht.
Die Flächenausdehnung des transparenten Körpers und damit eine darauf im Wesentlichen abgestimmte Flächenausdehnung des Leuchtstoffelements ist hierbei also mindestens zwei Größenordnungen größer als die Austrittsfläche, weswegen nur ein geringer Anteil des von dem Leuchtstoffelement emittierten Lichts in die Austrittsfläche zurückreflektiert wird. Sofern Pumplichtquelle und Leuchtstoffelement etwa als Lambertsche Strahler angenähert werden können, also in einem gleichgroßen Raumwinkelbereich abstrahlen, ist nämlich aufgrund der größeren Fläche des Leuchtstoff¬ elements auch dessen Etendue erheblich größer. Das Eten- due, also das Produkt aus Fläche und projiziertem Raum- winkel (Field Guide to Illumination, Angelo V. Arecchi et al, SPIE Press 2007), charakterisiert eine Flächen- und Raumwinkel bezogene Ausdehnung von Licht; es "passt" also nur ein geringer Teil des Leuchtstoffelement-Etendues in das Etendue der Austrittsfläche, kann also nur ein ent- sprechend kleiner Teil des konvertierten Lichts in die Austrittsfläche rückreflektiert werden.
Die Flächenausdehnung des transparenten Körpers wird andererseits aus praktischen Gründen nach oben begrenzt, weil andernfalls der transparente Körper in den Randbe- reichen beliebig dünn würde und damit beispielsweise be- schädigungsgefährdet bzw. schwer herstellbar wäre. Ferner hätte ein dem transparenten Körper entsprechend großes Leuchtstoffelement dann auch erhöhte Materialkosten zur Folge . Bei einer weiteren Ausführungsform ist die Austrittsfläche rechteckig ausgebildet und hat der transparente Kör¬ per eine Dicke in der Hauptausbreitungsrichtung, die mindestens ein 0,8-faches, vorzugsweise ein 1-faches, einer kürzeren Kante der rechteckigen Austrittsöffnung beträgt, höchstens jedoch ein 5-faches, vorzugsweise höchstens ein 3,4-faches, einer längeren Kante der rechteckigen Austrittsöffnung. Wird beispielsweise im Falle einer LED von einer Licht emittierenden Fläche mit Kantenlängen zwi- sehen 0,5 mm und 5 mm ausgegangen, resultiert ein trans¬ parenter Körper mit einer Dicke zwischen 0,4 mm und 25 mm, der somit gut handhabbar und etwa auch in Massenfertigung herstellbar ist.
Bei einer weiteren Ausführungsform ist ein von der Aus- trittsfläche ausgehend in Hauptausbreitungsrichtung ange¬ ordneter Bereich der dem Leuchtstoffelement abgewandten Grenzfläche zusätzlich oberflächenbehandelt. Der Bereich kann also beispielsweise zur Reflexion von in Hauptaus¬ breitungsrichtung propagierendem Pumplicht verspiegelt bzw. diffus reflektierend sein, weil eine totalreflektie¬ rende Grenzfläche andernfalls zur Austrittsfläche hin trichterförmig mit spitzem Winkel zulaufen müsste, was fertigungstechnische Schwierigkeiten zur Folge haben kann . Die Oberflächenbehandlung kann das Pumplicht jedoch andererseits auch diffus streuen und so für eine Mischung mit dem konvertierten Licht zur Verfügung stellen.
Bei einer weiteren Ausführungsform ist für eine Brechungsindexanpassung eine Schicht aus Immersionsmaterial vorgesehen, über die sowohl das Leuchtstoffelement als auch die Austrittsfläche optisch mit einer dem Leucht¬ stoffelement zugewandten Außenfläche des transparenten Körpers verbunden sind. Durch das Immersionsmaterial kön¬ nen einerseits Fresnelverluste, die an Grenzflächen zwi- sehen Materialien mit einem unterschiedlichen Brechungsindex auftreten, reduziert werden und lassen sich andererseits auch Brechungsverluste verringern, die bei¬ spielsweise bei dem Übergang von Leuchtstoff zu Luft auf¬ treten. Das Immersionsmaterial ist von dem transparenten Körper verschieden, also nicht einstückig mit diesem ausgebildet, und besteht vorzugsweise auch aus einem anderen Material .
Die Austrittsfläche ist vorzugsweise in einer Ebene mit der Leuchtstoffelementoberfläche angeordnet, sodass die Immersionsschicht eine im Wesentlichen konstante Dicke hat, sofern die dem Leuchtstoff zugewandte Außenfläche des transparenten Körpers parallel zu dieser Ebene ist.
In anderer Ausgestaltung wird ein transparenter Körper aus Kunststoffmaterial , vorzugsweise aus Silikon, an die Austrittsfläche und das Leuchtstoffelement angeformt, et¬ wa indem das Kunststoffmaterial in einer von Leuchtstoff¬ element und Austrittsfläche begrenzten Form gegossen wird. Es liegt dann idealerweise kein Spalt zwischen Leuchtstoffelement/Austrittsfläche und transparentem Kör- per vor, sodass die Lichtausbeute auch ohne ein zusätzli¬ ches Immersionmaterial verbessert werden kann; gleichzei¬ tig lassen sich aufgrund der verringerten Anzahl an Materialien vorteilhafterweise auch die Herstellungskosten senken . Bei einer weiteren Ausführungsform weist der transparente Körper eine entlang der Hauptausbreitungsrichtung, nicht notwendigerweise parallel zu dieser, orientierte Seiten¬ außenfläche auf, die zum Zwecke einer Pumplichtreflexion zusätzlich oberflächenbeschichtet ist und so einen seit¬ lichen Lichtaustritt aus dem optischen System begrenzt. Hierzu kann beispielsweise eine Verspiegelung oder auch eine diffus reflektierende Schicht vorgesehen werden.
Eine umlaufende, entlang der Hauptausbreitungsrichtung orientierte Seitenaußenfläche kann auch die Handhabbar¬ keit des transparenten Körpers verbessern, weil ein nicht zur Transmission von Licht vorgesehener Bereich ggf. besser geeignet ist, ein Werkzeug anzusetzen.
Bei einer weiteren Ausführungsform sind eine Pumplicht- quelle, vorzugsweise eine LED, und ein Kühlkörper vorge¬ sehen, wobei die Pumplichtquelle und das Leuchtstoffele- ment auf demselben Kühlkörper angeordnet sind. Durch die¬ se Anordnung, die durch die erfindungsgemäße Rückreflexi- on des Pumplichts möglich wird, können vorteilhafterweise Materialkosten reduziert und der Logistikaufwand in der Fertigung gesenkt werden, weil weniger Einzelteile vorgehalten werden müssen.
Indem in weiterer Ausgestaltung in dem ansonsten einstückig ausgebildeten Kühlkörper thermische Pfade zwischen der Pumplichtquelle und dem Leuchtstoffelement zumindest teilweise blockiert sind, etwa durch eine Schlitzung oder durch Materialeinsätze mit erhöhter thermischer Leitfä¬ higkeit, können Pumplichtquelle und Leuchtstoffelement dennoch zumindest teilweise thermisch entkoppelt werden, was ein gegenseitiges Aufheizen reduziert. Bei einer weiteren Ausführungsform, die auch unabhängig von den Merkmalen des Hauptanspruchs als Erfindung betrachtet wird und in dieser Form offenbart sein soll, ist das Leuchtstoffelement in Bereiche unterteilt und weist eine Mehrzahl zur Abgabe von jeweils unterschiedlichem Licht ausgelegte Leuchtstoffe auf, wobei ein solcher Leuchtstoff dann jeweils in einer Vielzahl Bereiche ange¬ ordnet ist. In einem Bereich liegt dann also jeweils ge¬ nau ein aus einer Mehrzahl unterschiedlicher Leuchtstoffe ausgewählter Leuchtstoff vor. "Leuchtstoff" meint hier¬ bei, wie auch in der gesamten Offenbarung, sowohl einen bestimmten Leuchtstofftyp, beispielsweise Ce-dotiertes YAG, als auch Mischungen von Leuchtstofftypen .
Die Mehrzahl jeweils zur Abgabe unterschiedlichen Lichts ausgelegter Leuchtstoffe kann beispielsweise auch durch einen einmal in Reinform vorliegenden Leuchtstofftyp und eine diesen Leuchtstofftyp umfassenden Leuchtstoffmi- schung realisiert sein. In diesem Fall liegt dann zwar in allen Bereichen des Leuchtstoffelements der besagte Leuchtstofftyp vor, jedoch sind der reine Leuchtstofftyp und die Leuchtstoffmischung jeweils zur Abgabe von unter¬ schiedlichem Licht ausgelegt und stellen deshalb zwei un¬ terschiedliche Leuchtstoffe dar.
Die erfindungsgemäße Untergliederung eines mehrere Leuchtstoffe umfassenden Leuchtstoffelements in Bereiche, in denen dann jeweils immer ein Leuchtstoff (in der Flächenverteilung) ausschließlich vorliegt, hat den Vorteil, dass im Gegensatz zu einer Vermischung der für die Lichtkonversion benötigten Leuchtstoffe eine Wechselwirkung zwischen den Absorbtions- und Emissionsspektren reduziert werden kann. Andernfalls könnte beispielsweise ein zur Emission von rotem Licht vorgesehener Leuchtstoff, der mit einer blauen Pumplichtquelle angeregt werden soll, auch einen Teil des von einem grünen Leuchtstoff emit¬ tierten Spektrums absorbieren, was im Ergebnis eine unbe- absichtigte Überhöhung des roten und eine Reduktion des grünen Spektralbereichs zur Folge hätte. Indem zumindest bestimmte Leuchtstofftypen voneinander getrennt in Bereichen vorliegen, kann eine solche Wechselwirkung reduziert werden . Die Leuchtstoffelementbereiche werden im Fernfeld dennoch nicht notwendigerweise als voneinander getrennt wahrge¬ nommen, etwa wenn mit einer nichtabbildenden Optik eine Durchmischung des konvertierten Lichts erfolgt.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Im Folgenden soll die Erfindung anhand von Ausführungs¬ beispielen näher erläutert werden. Die Figuren zeigen:
Fig. 1 eine Beleuchtungsvorrichtung mit einer LED, einem
Leuchtstoffelement und einem transparenten Körper mit einer zur Totalreflexion von Pumplicht gekrümmten Grenzfläche;
Fig. 2 einen transparenten Körper mit einer Grenzfläche zur Totalreflexion von Pumplicht und zusätzlich verspiegelten Bereichen;
Fig. 3 eine grafische Veranschaulichung einer Konstruktionsbedingung für die Krümmung der Grenzfläche eines transparenten Körpers gemäß den Figuren 1 und 2; Fig. 4 ein Leuchtstoffelement mit mehreren Leuchtstoffen, das in eine Vielzahl Bereiche untergliedert ist;
Fig. 5 ein ringförmiges Leuchtstoffelement mit einer mit¬ tigen Ausnehmung; Fig. 6 eine radiale Verteilung von an einem transparenten
Körper gemäß den Figuren 1 bis 3 totalreflektiertem Pumplicht;
Fig. 7 eine Verteilung des konvertierten Lichts eines gemäß Figur 6 ringförmig ausgeleuchteten Leuchtstoffelements im Fernfeld.
Bevorzugte Ausführung der Erfindung
Figur 1 zeigt eine Beleuchtungsvorrichtung 1 mit einer Austrittsfläche 2 für in einer Hauptausbreitungsrichtung 3 propagierendes Pumplicht und mit einem Leuchtstoffele¬ ment 4 zur Konversion des Pumplichts. Die Austrittsfläche 2 ist die lichtemittierende Oberfläche einer Pumplicht in der Hauptausbreitungsrichtung 3 in eine Halbkugel emittierenden LED 5. Das Leuchtstoffelement 4 ist mit der LED 5 in einer Ebene angeordnet, wird also nicht unmittelbar von dem von der LED 5 emittierten Pumplicht ausgeleuch- tet.
Zur Umlenkung des Pumplichts ist deshalb ein transparenter Körper 6 mit einer dem Leuchtstoffelement 4 und der LED abgewandten Außenfläche 7 vorgesehen, mit welcher der transparente Körper aus Silikon (Brechungsindex ns a 1,2) an Luft und somit an ein Medium mit einem geringeren Brechungsindex grenzt (nLuft a 1) . Aus diesem Grund werden von der LED 2 ausgehende Pumplichtstrahlen, deren Winkel zur Grenzfläche 7 einen bestimmten Wert nicht überschrei¬ tet, an der Grenzfläche 7 total reflektiert und so, gege¬ benenfalls auch nach mehrfacher Totalreflexion, zurück zu dem Leuchtstoffelement 4 umgelenkt. Der Leuchtstoff 4 aus Ce-dotiertem YAG und/oder Eu- dotiertem Strontium Orthosilikat absorbiert das totalre¬ flektierte Pumplicht und emittiert konvertiertes Licht; die Emission des konvertierten Lichts erfolgt ebenfalls in eine Halbkugel, deren Schwerpunktsrichtung in diesem Fall der Hauptausbreitungsrichtung 3 entspricht. Da die Krümmung der Grenzfläche 7 jedoch einerseits in Bezug auf die Austrittsfläche 2 optimiert ist (vergleiche Erläute¬ rungen zu Figur 3) und andererseits die Leuchtstoffele- mentoberfläche und damit dessen Etendue erheblich größer als die Austrittsfläche 2 und deren Etendue ist, das vom Leuchtstoff 4 emittierte Licht also nicht in die Aus¬ trittsfläche 2 "passt", wird nur ein geringer Teil des vom Leuchtstoffelement emittierten Lichts zur LED zurückreflektiert; der größere Teil wird durch die Grenzfläche 7 transmittiert und steht für eine Anwendung zur Verfü¬ gung .
Da sowohl durch den Betrieb der LED 5 als auch bei der Pumplichtkonversion in dem Leuchtstoffelement , etwa durch den Stokes-Shift , thermische Verluste entstehen, sind das Leuchtstoffelement 4 und die LED 5 auf einem gemeinsamen Kühlkörper 8 vorgesehen.
Zwischen einer dem Leuchtstoffelement 4 zugewandten Außenfläche des transparenten Körpers 6 und Leuchtstoffele¬ ment 4 bzw. LED 5 ist zur Verringerung von Fresnel- und Brechungsverlusten eine Schicht 9 aus einem Immersionsma- terial vorgesehen, dessen Brechungsindex zwischen jenen des Leuchtsoffelements 4 und des transparenten Körpers 6 liegt .
Im Falle einer näherungsweise als Lambertscher Strahler Licht in eine Halbkugel emittierenden LED 5 ist eine To¬ talreflexion sowohl in einem Bereich um die Symmetrieachse der Halbkugel als auch in einem nahe der (die Kugel in zwei Hälften teilenden) "Schnittebene" schwer zu reali¬ sieren, weil im erstgenannten Fall eine spitz zulaufende Trichterstruktur und im letztgenannten Fall beliebig groß werdende Durchmesser notwendig wären; beides kann unter anderem fertigungstechnische Probleme aufwerfen.
Aus diesem Grund ist bei der Ausführungsform gemäß Figur 2 ein in der Hauptausbreitungsrichtung 3 über der Aus- trittsfläche 2 liegender Bereich 21 zusätzlich verspiegelt, sodass in der Hauptausbreitungsrichtung 3 propagierende Pumplichtstrahlen zurück zu dem Leuchtstoffelement 4 reflektiert werden, obwohl der Winkel zur Grenzfläche 7 für eine Totalreflexion nicht hinreichend klein ist. Da der Flächenanteil des verspiegelten Bereichs 21 an der Grenzfläche 7 klein ist, erfolgt dennoch keine wesentli¬ che Abschattung des vom Leuchstoffelement 4 emittierten Lichts .
Um auch die nahe der "Schnittebene" liegenden Pumplicht- strahlen zu dem Leuchstoffelement 4 zu reflektieren bzw. für eine Lichtmischung mit konvertiertem Licht zur Verfügung zu stellen, ist ferner auch ein bezogen auf eine Richtung senkrecht zur Hauptausbreitungsrichtung 3 rand- seitiger, umlaufender Bereich des transparenten Körpers 6 oberflächenbehandelt; hier ist eine diffus reflektierende Schicht 22 vorgesehen.
Figur 3 illustriert eine Konstruktionsbedingung zur Optimierung der Grenzflächenkrümmung. Betrachtet wird eine zur Hauptausbreitungsrichtung 3 parallele, durch den Mittelpunkt der rechteckigen Austrittsfläche 2 verlaufende Schnittebene, also die Zeichenebene. In dieser ist von einem Randpunkt 31 der Austrittsfläche 2 eine Verbin¬ dungslinie 32 zur gekrümmten Linie 33 (diese entspricht der Grenzfläche 7) zu ziehen, wobei im Schnittpunkt 35 von Verbindungslinie 32 und gekrümmter Linie 33 eine To¬ talreflexion des Strahls erfolgt, wenn der Winkel 34 zwischen Verbindungslinie 32 und gekrümmter Linie 33 kleiner oder gleich arccos ( 1 /nSiiikon) ist (der besagte Winkel ent- spricht dem Winkel zwischen der Verbindungslinie 32 und einer Tangente an dem Schnittpunkt 35) .
Indem die Konstruktionsbedingung für eine von dem Randpunkt 31 ausgehende Verbindungslinie 32 beachtet wird, treffen auch von innerhalb der Austrittsfläche 2 ausge- hende Strahlen, also in Figur 3 links von dem Randpunkt 31 ausgehende Strahlen, mit einem zur Totalreflexion führenden Winkel auf den Schnittpunkt 35. Die Betrachtung des Randpunkts 31 gibt also hinsichtlich der für die To¬ talreflexion einzuhaltenden Winkel die anspruchsvollste Konstellation vor.
Um einen in Hauptausbreitungsrichtung 3 zu dick werdenden bzw. einen sich senkrecht zur Hauptausbreitungsrichtung 3 zu großflächig erstreckenden transparenten Körper zu vermeiden, sollte der Winkel 34 größer/gleich ^ arc- cos ( 1 /nSiiikon) sein, vorzugsweise größer/gleich Ή arc- cos ( 1 / risiükon ) , weiter bevorzugt größer/gleich Ή, arc- cos ( 1 /nSiiikon ) . Damit ein hinreichender Anteil des Pumplichts totalreflektiert wird, ist die Konstruktionsbedin¬ gung dann nicht nur für eine einzige Verbindungslinie 32 zu dem Schnittpunkt 35, sondern für eine Vielzahl Verbindungslinien 32 zu erfüllen, die zusammen mindestens einen Winkelbereich von 30° überstreichen.
Da die eine Totalreflexion des Pumplichts gewährleistende Konstruktionsbedingung für "mittige" und "randseitige " Strahlen, wie im Zusammenhang mit Figur 2 erläutert, aus fertigungstechnischen Gründen schwer zu realisieren sein kann, haben die die Konstruktionsbedingung erfüllenden Verbindungslinien 32 zu der Austrittsfläche 2 einen Winkel 36 zwischen 90° und 150°. Die lichtemittierende Oberfläche der LED 5, also die Aus¬ trittsfläche 2, steht senkrecht auf die Zeichenebene und ist quadratisch mit einer Kantenlänge von 2 mm ausgebil¬ det. Die in Hauptausbreitungsrichtung 3 gemessene maximale Dicke des hier schematisch gezeigten transparenten Körpers 6 beträgt 4 mm, seine Fläche senkrecht zur Haupt¬ ausbreitungsrichtung 3, also die plane dem Leuchtstoff¬ element 4 zugewandte Außenfläche, bemisst sich auf 2400 mm2.
Figur 4 zeigt ein in eine Vielzahl Teilbereiche 41 unter- gliedertes Leuchtstoffelement 4 mit drei unterschiedli¬ chen Leuchtstofftypen 42 a, b, c, wobei ein Leuchtstofftyp 42 a, b, c jeweils in einer Vielzahl Bereiche 41 vor¬ gesehen ist. Die Leuchtstofftypen 42 a, b, c sind also nicht vermischt und dann als homogene Schicht aufgetra- gen, sondern liegen in den Teilbereichen 41 jeweils ein- zeln vor. Auf diese Weise kann eine Wechselwirkung zwischen den Emissions-/Absorptionsspektren der Leuchtstofftypen 42 a, b, c vermieden werden.
Figur 5 zeigt ein ringförmiges Leuchtstoffelement 4, das in ebenfalls unterschiedliche Leuchtstofftypen 42 a, b, c aufweisende Bereiche 41 untergliedert ist (die Unterglie¬ derung ist nur für einen Teilbereich illustriert) . Eine weitere Untergliederung kann beispielsweise durch konzentrische Kreise erfolgen, sodass eine zu Figur 4 analoge Rasterung resultiert.
Ein ringförmiges Leuchtstoffelement 4 gemäß Figur 5 kann jedoch auch ohne eine Untergliederung mit nur einem Leuchtstofftyp oder eine homogenem Leuchtstoffmischung vorgesehen werden und ist in Verbindung mit der in Fi- gur 3 illustrierten, rotationssymmetrischen Reflexionsfläche besonders vorteilhaft, weil diese das Pumplicht in einen ringförmigen Bereich totalreflektiert.
Figur 6 zeigt als Simulationsergebnis eine entsprechende Verteilung der Pumplichtintensität auf dem Leuchtstoff 4 in radialer Richtung; das Pumplicht ist dabei an einer gemäß den Erläuterungen zu Figur 3 konstruierten Grenzfläche 33 totalreflektiert. Auf der horizontalen Achse 61 ist der Abstand zur Symmetrieachse in mm angegeben, und auf der vertikalen Achse 62 ist die Leistungsdichte in Watt/mm2 aufgetragen. Die vertikale Achse 62 fällt mit der Symmetrieachse aus Figur 3 zusammen, das Pumplicht ist unter Beachtung der Rotationssymmetrie ringförmig verteilt .
Figur 7 illustriert die Strahlungsstärke des von einem entsprechend ringförmig mit Pumplicht ausgeleuchteten Leuchtstoffelement 4 emittierten konvertierten Lichts im Fernfeld. Die Strahlungsstärke ist von einer Gesamtlicht¬ leistung von 1 W ausgehend in W/sr (sr = Steradian) aufgetragen. Die Kurven 71a, b geben dann die Strahlungsstärke in zwei zueinander senkrechten Schnittebenen an. Da die Simulation mit einer endlichen Zahl statistisch verteilter diskreter Strahlen durchgeführt wurde, ist trotz der Rotationssymmetrie von Leuchtstoffelement 4 und optischem System 6 eine Abweichung der beiden Kurven 71a, b voneinander zu erkennen. Aufgrund einer Linsenwirkung des optischen Systems 6 wird das vom Leuchtstoffelement 4 in lambertscher Weise in der Hauptausbreitungsrichtung 3 (die Geometrie aus Figur 1 ist um 180° gedreht) in eine Halbkugel emittierte Licht teilweise gebündelt und im Er¬ gebnis gerichtet abgegeben.

Claims

Ansprüche
Beleuchtungsvorrichtung (1) mit
einem Leuchtstoffelement (4) für eine Umwandlung von Pumplicht zu konvertiertem Licht,
einer Pumplichtquelle (5) mit einer Austrittsfläche (2) für Pumplicht, das bezogen auf die Austrittsflä¬ che (2) eine als Schwerpunkt nach der Leistung ge¬ wichteter Ausbreitungsrichtungen gebildete Hauptausbreitungsrichtung (3) hat, und
einem optischen System (6) mit einer Reflexionsfläche (7), die dazu ausgelegt ist, zumindest einen Teil des in der Hauptausbreitungsrichtung (3) propagierenden Pumplichts solchermaßen umzulenken, dass es mit einer der Hauptausbreitungsrichtung (3) entgegengesetzten Richtungskomponente auf das Leuchtstoffelement (4) trifft,
welches dann konvertiertes Licht mit einer parallel zur Hauptausbreitungsrichtung (3) orientierten Richtungskomponente abgibt und so in Reflexion betrieben wird . 2. Beleuchtungsvorrichtung (1) nach Anspruch 1, bei welcher das Pumplicht auf eine Oberfläche des Leucht¬ stoffelements trifft, mit der die Austrittsfläche (2) in einer Ebene angeordnet ist.
3. Beleuchtungsvorrichtung (1) nach Anspruch 1 oder 2, bei welcher sich zumindest ein Bereich der Reflexionsfläche (7) quer zur Hauptausbreitungsrichtung (3) erstreckt und dazu ausgelegt ist, das konvertierte Licht zumindest teilweise zu transmittieren . Beleuchtungsvorrichtung (1) nach Anspruch 3, bei der das optische System (6) einen transparenten Körper (6) mit einer dem Leuchtstoffelement (4) abgewandten gekrümmten Grenzfläche (7) aufweist, wobei der trans¬ parente Körper (6) einen ersten Brechungsindex hat und mit besagter Grenzfläche (7) an ein Medium mit einem kleineren zweiten Brechungsindex grenzt, sodass die Grenzfläche (7) zumindest teilweise als Reflexi¬ onsfläche (7) ausgebildet ist und die Umlenkung durch Totalreflexion erfolgt.
Beleuchtungsvorrichtung (1) nach Anspruch 4, bei welcher der transparente Körper (6) einen Brechungsindex ntk hat und die Grenzfläche (7) so gekrümmt ist, dass in einer zur Hauptausbreitungsrichtung (3) parallelen, durch die Austrittsfläche (2) verlaufenden Schnittebene eine der Grenzfläche (7) entsprechende, gekrümmte Linie (33) in Bezug auf einen in der Aus¬ trittsfläche (2) liegenden Punkt (31), vorzugsweise in Bezug auf einen Randpunkt (31) davon, so aus ge¬ bildet ist, dass eine Verbindungslinie (32) von dem Punkt (31) zu der gekrümmten Linie (33) mit dieser einen Winkel ^ arccos (1/ηα) einschließt, wobei diese Bedingung für zusammen mindestens einen Winkelbereich von 30° überstreichende Verbindungslinien (32) erfüllt ist.
Beleuchtungsvorrichtung (1) nach Anspruch 5, bei welcher die zusammen einen Winkelbereich von mindestens 30° überstreichenden Verbindungslinien (32) mit der Austrittsfläche (2) einen Winkel von mindestens 80° und von höchstens 185° einschließen.
7. Beleuchtungsvorrichtung (1) nach Anspruch 5 oder 6, bei der die gekrümmte Linie (33) an einer Mehrzahl Punkte geknickt ist, sodass die Grenzfläche facet¬ tiert ausgebildet ist. 8. Beleuchtungsvorrichtung (1) nach einem der Ansprüche 5 bis 7 mit einer Vielzahl gekrümmter Linien (33) , die durch eines von einer Rotation um eine zur Hauptausbreitungsrichtung (3) parallele Achse und eine Pa¬ rallelverschiebung entlang einer zur Hauptausbrei- tungsrichtung senkrechten Achse ineinander überführt werden können.
Beleuchtungsvorrichtung (1) nach einem der Ansprüche 4 bis 8, bei der eine Ausdehnung des transparenten Körpers (6) senkrecht zur Hauptausbreitungsrichtung (3) mindestens einem 110-fachen, höchstens jedoch ei¬ nem 1700-fachen der Austrittsfläche (2) entspricht.
Beleuchtungsvorrichtung (1) nach einem der Ansprüche 4 bis 9, bei der die Austrittsfläche (2) rechteckig ausgebildet ist und der transparente Körper (6) eine Dicke in der Hauptausbreitungsrichtung (3) hat, die mindestens ein 0,8-faches einer kürzeren Kante der rechteckigen Austrittsfläche (2) beträgt, höchstens jedoch ein 5-faches einer längeren Kante der rechteckigen Austrittsfläche. 11. Beleuchtungsvorrichtung (1) nach einem der Ansprüche 4 bis 10, bei welcher ein Bereich (21) der dem Leuchtstoffelement abgewandten Grenzfläche (7) zu- sätzlich oberflächenbehandelt ist, wobei dieser Be¬ reich (21) von der Austrittsfläche (2) ausgehend in Hauptausbreitungsrichtung (3) angeordnet ist.
Beleuchtungsvorrichtung (1) nach einem der Ansprüche 4 bis 11 mit einer Immersionsschicht (9), über die sowohl das Leuchtstoffelement (4) als auch die Aus¬ trittsfläche (2) optisch mit einer dem Leuchtstoff¬ element (4) zugewandten Außenfläche des transparenten Körpers (6) verbunden ist.
Beleuchtungsvorrichtung (1) nach einem der Ansprüche 4 bis 11, bei welcher der transparente Körper (6) aus Kunststoffmaterial , vorzugsweise aus Silikon, besteht und an die Austrittsfläche (2) und das Leuchtstoff¬ element (4) angeformt ist. 14. Beleuchtungsvorrichtung (1) nach einem der Ansprüche 4 bis 13, bei welcher der transparente Körper (6) ei¬ ne entlang der Hauptausbreitungsrichtung (3) orientierte Seitenaußenfläche (22) aufweist, die zum Zwe¬ cke einer Pumplichtreflexion zusätzlich oberflächen- beschichtet ist und so einen seitlichen Lichtaustritt aus dem optischen System (6) begrenzt.
Beleuchtungsvorrichtung (1) nach einem der vorstehenden Ansprüche mit einer Pumplichtquelle (5), vorzugs¬ weise einer LED (5), und einem Kühlkörper (8), wobei die Pumplichtquelle (5) und das Leuchtstoffelement (4) auf demselben Kühlkörper (8) angeordnet sind.
16. Beleuchtungsvorrichtung (1) nach einem der vorstehenden Ansprüche, bei der das Leuchtstoffelement (4) in Bereiche (41) unterteilt ist und eine Mehrzahl zur Abgabe von jeweils unterschiedlichem Licht ausgelegte Leuchtstoffe (42 a, b, c) aufweist, wobei ein Leucht¬ stoff (42 a, b, c) jeweils in einer Vielzahl Bereiche (41) und dort jeweils ausschließlich angeordnet ist.
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