Beleuchtungsvorrichtung mit Pumpstrahlungsquelle

Technisches Gebiet

Die vorliegende Erfindung betrifft eine BeleuchtungsVorrichtung mit einer Pumpstrahlungsquelle zur Emission von Pumpstrahlung und einem Leuchtstoffelement zur Konversion der Pumpstrahlung in Konversionslicht .

Stand der Technik

Mit der Kombination aus einer Pumpstrahlungsquelle hoher Leistungsdichte, etwa einem Laser, und einem beabstandet dazu angeordneten Leuchtstoffelement , das auf eine Anregung mit der Pumpstrahlung hin Konversionslicht emittiert, lassen sich Lichtquellen hoher Leuchtdichte realisieren. Bei einem Betrieb in Transmission fällt die Pumpstrahlung dabei auf eine Pumpstrahlungs- Einstrahlfläche und wird das Konversionslicht an einer dazu entgegengesetzten Konversionslicht-Abstrahlfläche des Leuchtstoffelements abgeführt und zu

Beleuchtungszwecken genutzt. Dabei muss nicht notwendigerweise die gesamte Pumpstrahlung konvertiert werden (Vollkonversion) , sondern kann auch ein nicht konvertierter Teil davon dem Leuchtstoffelement nachgelagert gemeinsam mit dem Konversionslicht in Mischung genutzt werden (Teilkonversion) . Das Konversionslicht wird an der Konversionslicht- Abstrahlflache typischerweise Lambertsch abgegeben. Auch wenn die Pumpstrahlung dem Leuchtstoffelement vorgelagert in der Regel gebündelt ist, also ein entsprechendes Strahlenbündel einen Öffnungswinkel von nur wenigen Grad hat, ist im Falle der Teilkonversion der nicht konvertierte Teil der Pumpstrahlung dann bspw. aufgrund von Streuprozessen im Leuchtstoffelement diesem nachgelagert dem Konversionslicht vergleichbar aufgefächert .

Darstellung der Erfindung

Der vorliegenden Erfindung liegt das technische Problem zugrunde, eine besonders vorteilhafte

Beleuchtungsvorrichtung anzugeben .

Erfindungsgemäß löst diese Aufgabe eine Beleuchtungsvorrichtung mit einer Pumpstrahlungsquelle zur Emission von Pumpstrahlung, einem Leuchtstoffelement zur Konversion der Pumpstrahlung in Konversionslicht und einem Träger, an dem das Leuchtstoffelement montiert ist, welcher Träger aus einem zumindest für die Pumpstrahlung transparenten Trägermaterial mit einem Brechungsindex nTräger vorgesehen ist, wobei die Pumpstrahlung den Träger durchsetzt, an einer Austrittsfläche des Trägers ausritt und dann auf eine Pumpstrahlungs-Einstrahlfläche des an der Austrittsfläche angeordneten Leuchtstoffelements fällt, wobei die Pumpstrahlung in dem Träger mit einer Schwerpunktrichtung auf die Austrittsfläche des Trägers trifft, welche Schwerpunktrichtung zu einer Flächennormalen auf der Austrittsfläche um einen Austrittswinkel 9 _Aus + 0° verkippt ist, und wobei 9 _Aus < 9 _C mit 9 _C = aresin ( 1 /n _Träg er) ist.

Bevorzugte Ausgestaltungen finden sich in den abhängigen Ansprüchen und der gesamten Offenbarung, wobei in der Darstellung nicht immer im Einzelnen zwischen Vorrichtungs- und Verfahrens- bzw. Verwendungsaspekten unterschieden wird; jedenfalls implizit ist die Offenbarung hinsichtlich sämtlicher Anspruchskategorien zu lesen.

Zusammengefasst ist das in Transmission betriebene Leuchtstoffelement mit seiner Pumpstrahlungs-

Einstrahlfläche dem Träger zugewandt auf diesem montiert, durchsetzt also die Pumpstrahlung den Träger zum Leuchtstoffelement hin. Das Konversionslicht und gegebenenfalls ein nicht konvertierter Teil der Pumpstrahlung werden an der dem Träger abgewandten Konversionslicht-Abstrahlfläche abgeführt .

Erfindungsgemäß sind Pumpstrahlungsquelle und Träger nun derart relativ zueinander angeordnet, dass die Pumpstrahlung in dem Träger verkippt auf dessen Austrittsfläche trifft, es ist nämlich der Austrittswinkel 6 _Au s + 0°, bspw. 6 _Au s - 5°, 10°, 15° bzw. 20° (in der Reihenfolge der Nennung zunehmend bevorzugt); andererseits ist diese Verkippung aber auch nach oben begrenzt (9 _Aus < 6 _C ) , wobei 6 _C der kritische Winkel für Totalreflexion ist.

Ein Vorteil dieser verkippten Einstrahlung ergibt sich in einem Fehlerfall, wenn bspw. das Leuchtstoffelement aufgrund einer defekten mechanischen Verbindung von dem Träger abfällt. Würde in diesem Fehlerfall die Pumpstrahlung nicht verkippt, sondern senkrecht auf die Austrittsfläche treffen, würde sie sich exakt in einer eigentlich zum Abführen des Konversionslichts (mit gegebenenfalls nicht konvertierter, aber gleichwohl aufgefächerter Pumpstrahlung) vorgesehenen

Beleuchtungsoptik und damit zu der Beleuchtungsanwendung hin ausbreiten. Dies kann eine erhebliche Gefahrenquelle darstellen und für einen Betrachter schlimmstenfalls einen Totalverlust der Sehkraft zur Folge haben. Durch die Verkippung wird die Pumsptrahlung im Fehlerfall zumindest nicht voll in die Beleuchtungsoptik gekoppelt, vorzugsweise wird sie größtenteils daran vorbei geführt, besonders bevorzugt im Gesamten (vgl. die nachstehend für eine Mindestverkippung konkretisierten Winkel) .

Das Leuchtstoffelement kann bspw. direkt auf den Träger aufgebracht oder über eine Fügeverbindungsschicht , etwa eine KlebstoffSchicht , damit verbunden sein. Jedenfalls grenzt im Normalbetrieb ein Material an die Austrittsfläche des Trägers, dessen Brechungsindex in etwa jenem n _Träg er des Trägermaterials vergleichbar ist. Im Fehlerfall (abgefallenes Leuchtstoffelement ) grenzt hingegen Luft an die Austrittsfläche. Durch die Begrenzung des Verkippungswinkels (9 _ÄU s _< © _c ) wird dann eine Totalreflexion der Pumpstrahlung an der Austrittsfläche vermieden, jedenfalls größtenteils. Dies kann bspw. insoweit vorteilhaft sein, als zur Effizienzsteigerung im Normalbetrieb bevorzugt eine Reflexionsfläche zum Recyceln von Rückstreu- Konversionslicht und typischerweise auch nicht konvertierter, zurückgestreuter Pumpstrahlung vorgesehen ist (siehe unten im Detail) , über welche im Fehlerfall dann aber an der Austrittsfläche des Trägers totalreflektierte Pumstrahlung in Richtung der Beleuchtungsanwendung gelangen könnte.

Für die der Quantifizierung der Verkippung zugrunde liegende Schwerpunktrichtung wird die Pumpstrahlung innerhalb des Trägers betrachtet, wie sie auf dessen Austrittsfläche trifft, bleibt also die Brechung beim Austritt außer Betracht. Die „Schwerpunktrichtung" ergibt sich dabei als Mittelwert sämtlicher Richtungsvektoren, entlang welchen sich Pumpstrahlung ausbreitet (bei der Mittelwertsbildung wird jeder Richtungsvektor mit der zugehörigen Strahlstärke gewichtet) . Betrachtet wird hierbei allein die Pumpstrahlung in dem sich direkt von der Pumpstrahlungsquelle zu dem Leuchtstoffelement ausbreitenden Strahlenbündel, es bleibt also bspw. zurückgestreute und dann doch wieder zu dem Leuchtstoffelement geführte Pumpstrahlung außer Betracht. Die für die Schwerpunktrichtung zugrunde gelegte Pumpstrahlung gelangt reflexionsfrei zum

Leuchtstoffelement , jedenfalls ab dem erstmaligen Passieren einer Eintrittsfläche des Trägers, bevorzugt generell.

Die Flächennormale auf der (bevorzugt planen) Austrittsfläche weist nach außen, von dem Träger weg (durchsetzt diesen nicht) , also in Richtung des Leuchtstoffselements. Die Flächennormale wird in den Flächenschwerpunkt der Austrittsfläche gelegt, allerdings ist die Austrittsfläche bevorzugt plan und hat die Positionierung der Flächennormale insoweit keinen Einfluss auf 6 _Au s · Zur weiteren bzw. vollständigen Vermeidung von Totalreflexionen (siehe vorne) ist der Austrittswinkel bevorzugt 6 _Au s < 0, 95-6 _c , besonders bevorzugt 6 _Au s <

0.9-6 _c . Der kritische Winkel 6 _C hängt von dem Brechungsindex n _Träg er des Trägermaterials ab (6 _C = aresin ( 1 /n _Träg er) ) · Für den Brechungsindex n _Träg er des Trägermaterials können Untergrenzen bspw. bei mindestens

1, 35, 1, 4, 1, 45 bzw. 1,5 und (davon unabhängig) Obergrenzen von bspw. höchstens 2,2, 2, 1, 2, 0, 1, 9 bzw. 1, 8 liegen (jeweils in der Reihenfolge der Nennung zunehmend bevorzugt) . Generell werden im Rahmen dieser Offenbarung Brechungsindizes bei einer Wellenlänge von 450 nm betrachtet. Ein bevorzugtes Trägermaterial ist Saphir, sodass der kritische Winkel 6 _C dann in etwa bei 34° liegt. Bei dem Leuchtstoffelement kann es sich bspw. um einen in Partikelform aufgebrachten Leuchtstoff handeln; „Leuchtstoff" kann auch auf eine Mischung mehrer Einzelleuchtstoffe zu lesen sein. Das Leuchtstoffelement kann bspw. auch eine Leuchtstoffkeramik sein. Die Montage „an" dem Träger kann sich sowohl auf ein direkt auf den Träger aufgebrachtes Leuchtstoffelement beziehen, das also unmittelbar an dessen Austrittsfläche grenzt, als auch auf ein bspw. über eine Fügeverbindungsschicht montiertes Leuchtstoffelement . bevorzugter Ausgestaltung wird dem Austrittswinkel eine Untergrenze vorgegeben, gilt nämlich

©Aus > aresin ( (l/n _Träge r) ^• sin(60°)) vorzugsweise

©Aus > aresin ( (l/n _Träge r) ^• sin ( 65 ° ) ) , weiter bevorzugt

©Aus > aresin ( (l/n _Träge r) ^• sin (70°) ) bzw .

©Aus > aresin ( (l/n _Träge r) ^• sin(75°)), besonders bevorzugt

©Aus > aresin ( (l/n _Träge r) ^• sin(77°)). Im Fehlerfall wird die

Pumpstrahlung so aus einem entsprechenden Nutzlichtkegel mit einem halben Öffnungswinkel von 60°, 65°, 70°, 75° bzw. 77° herausgebrochen. Generell hat eine der Konversions1icht-Abstrahlfläche zugeordnete Beleuchtungsoptik mit Blick auf eine gute Effizienz (in der Regel Lambertsche Konversionslicht-Emission) einen Aperturwinkel von mindestens 110°, 120°, 130°, 140° bzw. 150°; mögliche Obergrenzen können (davon unabhängig) bspw. bei höchstens 160°, 155° bzw. 150° liegen (jeweils in der Reihenfolge der Nennung zunehmend bevorzugt) .

Der Aperturwinkel der Beleuchtungsoptik gibt den Nutzlichtkegel vor, also den Winkelbereich, aus dem Konversionslicht „aufgesammelt" wird. Dementsprechend wird dann im Fehlerfall aus diesem Winkelbereich herausgebrochene Pumpstrahlung nicht in die

Beleuchtungsoptik gekoppelt. Die Pumpstrahlung hat beim Auftreffen auf die Austrittsfläche zumindest entlang einer langsamen Achse (schmalen Achse, siehe unten) einen Öffnungswinkel von bevorzugt nicht mehr als 5°, 4°, 3° bzw. 2°; mögliche Untergrenzen können bspw. 0,5° bzw. 1° liegen. Entlang einer schnellen Achse (breiten Achse, siehe unten) kann der Öffnungswinkel bspw. um das 3- fache, 4-fache oder 5-fache größer sein, und es sollen die eben genannten Ober- und Untergrenzen auch mit einem entsprechenden Faktor multipliziert für die schnelle Achse offenbart sein.

Zur Ermittlung des Öffnungswinkels (dies bezieht sich auf den ganzen Öffnungswinkel) wird die Halbwertsbreite zugrunde gelegt (eine Alternative wäre ein

Leistungsabfall auf das 1/e-fache) . Soweit im Rahmen dieser Offenbarung auf den Öffnungswinkel eines Strahlenbündels oder den Aperturwinkel einer Optik ohne eine Konkretisierung Bezug genommen wird, entlang welcher Achse der Öffnungswinkel betrachtet wird, ist der jeweilige Winkel im Allgemeinen ein um einen Umlauf um die Mittenachse des Strahlenbündels bzw. die optische Achse der Optik gebildeter Mittelwert. Der Aperturwinkel ist bevorzugt über den Umlauf konstant.

Generell kann die Beleuchtungsoptik abbildend oder nicht abbildend sein, wobei im letztgenannten Fall auch für sich abbildende Optikkomponenten (Linsen, Spiegel) integriert sein können. In einem einfachen Fall kann die Beleuchtungsoptik eine Sammellinse sein, die bspw. als asphärische Linse optimiert oder aus mehreren Einzellinsen aufgebaut sein kann.

Bevorzugt ist jedenfalls dort, wo die Pumpstrahlung im Fehlerfall hingebrochen wird, ein Strahlungsabsorber angeordnet, etwa ein mit einem absorbierenden bzw. dichroitischen Filter beschichtetes Kunststoffteil ; als Strahlungsabsorber kann bspw. auch eine Kühlzelle mit einem für die Pumpstrahlung transmissiven

Eintrittsfenster vorgesehen sein, die etwa mit einer Strahlungsabsorbierenden Flüssigkeit gefüllt sein kann, bzw. kann auch eine optische (gekühlte) Strahlfalle vorgesehen sein. Auch mit Blick auf mögliche Fresnel- Reflexe kann bevorzugt sein, dass sich der Strahlungsabsorber um das Leuchtstoffelement umlaufend erstreckt, dieses also zur Seite hin einfasst (die Seitenrichtungen liegen senkrecht zur Dickenrichtung des Leuchtstoffelements ) . Der Strahlungsabsorber kann einen Zwischenraum zwischen Leuchtstoffelement und Beleuchtungsoptik zur Seite hin einfassen, bevorzugt über die gesamte Höhe dieses Zwischenraums.

Eine bevorzugte Ausführungsform betrifft die bereits eingangs erwähnte Reflexionsfläche zum Recyceln eines an der Pumpstrahlungs-Einstrahlfläche abgegebenen Rückstreu- Konversionslichts. Das Konversionslicht wird in dem Leuchtstoffelement im Prinzip omnidirektional und damit nicht nur an der Konversionslicht-Abstrahlfläche, sondern auch an der entgegengesetzten Pumpstrahlungs- Einstrahlfläche abgegeben; mit der letzterer zugewandten Reflexionsfläche lässt sich die Konversionslichtausbeute und dementsprechend die Effizienz erhöhen.

Originär hat das Rückstreu-Konversionslicht eine Richtungskomponente parallel zu einer Flächennormalen auf der Pumpstrahlungs-Einstrahlfläche (vielfach in Kombination mit einer seitlichen Richtungskomponente) ; nach der Reflexion hat es eine Richtungskomponente dieser Flächennormalen entgegengesetzt. Im Allgemeinen kann die Reflexionsfläche auch von einer dichroitischen Beschichtung gebildet und so für die Pumpstrahlung transmissiv sein. Vorzugsweise ist die Reflexionsfläche jedoch auch für die Pumpstrahlung reflektiv, ist also bspw. eine metallische Reflexionsfläche (Vollverspiegelung) vorgesehen. Bei einer bevorzugten Ausführungsform, die insbesondere eine metallische Reflexionsfläche betrifft, ist die Reflexionsfläche lochförmig unterbrochen und wird die Pumpstrahlung von der Pumpstrahlungsquelle zu der Pumpstrahlungs-Einstrahlfläche durch dieses Loch geführt. Im Allgemeinen wäre es aber auch möglich die Pumpstrahlung an der Reflexionsfläche vorbeizuführen. Bevorzugt füllt ein Strahlenbündel mit der Pumpstrahlung ein solches Loch weitgehend aus, bspw. zu mindestens 75 ~6, 80 ~6, 85 ~6 bzw. 90 % (in der Reihenfolge der Nennung zunehmend bevorzugt) ; mögliche Obergrenzen können technisch bedingt bspw. bei höchstens 98 % bzw. 95 % liegen (betrachtet wird der Flächenanteil der Querschnittfläche des Strahlenbündels, siehe unten, im Verhältnis zu der Lochfläche) . Der Abstand zwischen Strahlenbündel und Lochrand ist umlaufend bevorzugt konstant .

In bevorzugter Ausgestaltung ist eine gekrümmte Reflexionsfläche vorgesehen, die von der Pumpstrahlungs- Einstrahlfläche aus gesehen eine Hohlspiegelform bildet. Im Allgemeinen kann die Reflexionsfläche auch asphärisch sein, etwa ellipsoidal oder parabolid, bevorzugt ist sie sphärisch .

In bevorzugter Ausgestaltung sind die sphärische Reflexionsfläche und die Pumpstrahlungs-Einstrahlfläche derart relativ zueinander angeordnet, dass letztere in etwa am Mittelpunkt einer der sphärischen Reflexionsfläche zugrunde liegenden Kugel mit Radius R angeordnet ist. Betrachtet man einen entlang einer Flächennormalen auf der Pumpstrahlungs-Einstrahlfläche genommenen Abstand d zwischen Flächenschwerpunkt der Pumpstrahlungs-Einstrahlfläche und Reflexionsfläche, gilt in Verbindung mit dem Radius R bevorzugt 0,8-R -S d -S 1,2-R, weiter bevorzugt 0,9-R d ^ 1,1-R. Idealerweise wird vom Flächenschwerpunkt der Pumpstrahlungs- Einstrahlfläche ausgehendes Konversionslicht in diesen Flächenschwerpunkt zurückgeführt. Etwa aufgrund des optischen Versatzes in einem als planparallele Platte vorgesehenen Träger kann es eine gewisse Abweichung von dem idealen Radius R geben, was die vorgenannten Intervalle widerspiegeln.

Die Pumpstrahlungs-Einstrahlfläche hat eine mittlere Erstreckung x, die sich als Mittelwert ihrer kleinsten und größten Erstreckung ergibt. Die der sphärischen Reflexionsfläche zugrundeliegende Kugel hat einen Radius R, und es gilt dann vorzugsweise R > x/2, wobei weitere vorteilhafte Untergrenzen für R in dieser Reihenfolge zunehmend bevorzugt bei mindestens 3x/4, x, 5x/4, 3x/2, 7x/4 bzw. 2x liegen. Vorteilhafte Obergrenzen können bspw. bei höchstens lOx, 8x, 6x, 4x bzw. 3x liegen, in der Reihenfolge ihrer Nennung zunehmend bevorzugt (eine Obergrenze kann auch unabhängig von einer Untergrenze von Interesse sein, und umgekehrt) . Bislang wurde vorrangig die Form der Reflexionsfläche diskutiert. Es gibt nun zwei unterschiedliche Möglichkeiten zur Strahlführung zwischen Pumpstrahlungs- Einstrahlfläche und Reflexionsfläche und damit letztlich auch für die Montage letzterer. Einerseits kann die Reflexionsfläche über ein Gasvolumen, etwa ein Inertgas oder vorzugsweise Luft, zu dem Träger beabstandet sein (vgl. Fig. la zur Illustration); andererseits kann die Reflexionsfläche aber auch direkt am Träger selbst ausgebildet sein, was nachstehend zunächst diskutiert wird ( s . Fig . 3 ) .

So ist bei einer bevorzugten Ausführungsform der Träger als plan-konvexe Linse ausgebildet, deren konvexe Seitenfläche einerseits die Eintrittsfläche beinhaltet und anderseits teilweise von einer Reflexionsschicht bedeckt wird, welche die Reflexionsfläche bildet. Die konvexe Seitenfläche ist bevorzugt metallisch beschichtet, wobei die Beschichtung weiter bevorzugt lochförmig (siehe vorne) für die Eintrittsfläche unterbrochen ist.

Bevorzugt ist die plan-konvexe Linse plan-sphärisch, besonders bevorzugt kann ein halbkugelförmiger Träger sein. In diesem Fall wird die Pumpstrahlung bevorzugt derart eingekoppelt, dass das Pumpstrahlungs- Strahlenbündel senkrecht auf der Eintrittsfläche steht. Das Leuchtstoffelement ist an der planen, der konvexen Seitenfläche entgegengesetzten Seitenfläche angeordnet.

Soweit generell im Rahmen dieser Offenbarung auf Eintritts- oder Austrittsfläche Bezug genommen wird, betrifft dies den gesamten von der jeweiligen Strahlung durchstrahlten Bereich einer möglicherweise insgesamt größeren Seitenfläche des Trägers; es werden also nur die optisch wirksamen Teilflächen betrachtet. Bei einer bevorzugten Ausführungsform, welche die Variante „Gasvolumen zwischen Träger und

Reflexionsfläche" betrifft, durchsetzt das recycelte Rückstreu-Konversionslicht zwischen Reflexionsfläche und Träger dieses Gasvolumen. Diese Variante kann gegenüber der Halbkugellinse bspw. insoweit vorteilhaft sein, als dann weniger Trägermaterial erforderlich ist, was etwa im Falle eines aus Saphir gefassten Trägers Kosten- und im Allgemeinen auch Gewichtsvorteile bieten kann.

In bevorzugter Ausgestaltung ist der Träger dann in Form einer planparallelen Platte vorgesehen. Diese kann in jeder ihrer Fächenrichtungen bspw. eine um mindestens das 5-, 10-, 15- bzw. 20-fache größere Erstreckung als in der dazu senkrechten Dickenrichtung haben; mögliche Obergrenzen können bspw. bei dem 200- bzw. 100-fachen liegen. An einer der in Bezug auf die Dickenrichtung einander entgegengesetzten, planen Seitenflächen ist dann das Leuchtstoffelement angeordnet und gegenüber der anderen Seitenfläche erhebt sich die Reflexionsfläche kuppeiförmig . In bevorzugter Ausgestaltung ist die planparallele Platte mit einem die Reflexionsfläche bildenden Reflektor zusammengesetzt, vorzugsweise formschlüssig. Die planparallele Platte kann bspw. in den Reflektor eingeschoben und etwa in einem Rastsitz gehalten sein. Der Reflektor kann im Allgemeinen bspw. auch ein monolithisches Metallteil sein, von dem dann eine Seitenfläche die Reflexionsfläche bildet; „monolithisch" meint frei von Materialgrenzen zwischen unterschiedlichen Materialen bzw. Materialen unterschiedlicher

Herstellungsgeschichte. Bevorzugt ist der Reflektor ein Kunststoff-Formteil , besonders bevorzugt ein

Spritzgussteil, das mit einer die Reflexionsfläche bildenden Reflexionsschicht beschichtet ist. Bei einer bevorzugten Ausführungsform fällt die Pumpstrahlung linear polarisiert unter einem Eintrittswinkel θ _Ε ± _η 0 auf die Eintrittsfläche des Trägers und ist hierbei die von den Vektoren des elektrischen Feldes gebildete Polarisationsebene gegenüber der Einfallsebene um höchstens 20°, in dieser Reihenfolge zunehmend bevorzugt höchstens 15°, 10°, 5° bzw. 2° verkippt. Besonders bevorzugt ist ein Winkel von 0°, fallen die beiden Ebenen also zusammen; in anderen Worten ist die Pumpstrahlung p-polarisiert . Die Einfallsebene wird von der Eintritts-Schwerpunktrichtung, welche die Pumpstrahlung der Eintrittsfläche unmittelbar vorgelagert hat (und die als Mittelwert der nach der Leistung gewichteten Richtungsvektoren gebildet, siehe vorne) , und der Flächennormalen im Flächenschwerpunkt der Eintrittsfläche gebildet.

Mit der jedenfalls weitgehenden p-Polarisation lässt sich in Verbindung mit einer schrägen Kopplung durch die Eintrittsfläche die Effizienz optimieren, lassen sich nämlich bspw. Fresnel-Verluste verringern. Aufgrund der p-Polarisation nimmt der Reflexionskoeffizient (an einer Grenzfläche optisch dünn / optisch dicht) mit zunehmender Verkippung zum sogenannten Brewster-Winkel Θ _Β ab, bspw. von rund 8 % bei 0° auf idealerweise 0 % bei Θ _Β · Bei senkrecht zur Einfallsebene polarisierter Strahlung nehmen die Reflexionsverluste hingegen mit zunehmender Verkippung zu (ebenfalls von rund 8 % bei 0° ausgehend) .

In bevorzugter Ausgestaltung gilt für den Eintrittswinkel θ _Ε ± _η : 0 , 5 · Θ _Β ^ θ _Ε ±η - 1,3·Θ _Β , wobei sich der Brewster-Winkel Θ _Β ergibt als Θ _Β = arctan (n _Träger /l) . Weiter bevorzugte Untergrenzen sind 0,6·Θ _Β , 0,7·Θ _Β bzw. 0,8·Θ _Β (in der Reihenfolge der Nennung zunehmend bevorzugt) . Der Eintrittswinkel ergibt sich von 180° abzüglich eines Winkels, den eine Flächennormale im Flächenschwerpunkt der Eintrittsfläche mit der Eintritts-Schwerpunktrichtung einschließt. Insbesondere die planparallele Platte als Träger erlaubt eine flache und dementsprechend dem Brewster-Winkel Θ _Β nahe Einkopplung. Die Eintrittsfläche des Trägers kann dann gegebenenfalls auch gänzlich ohne Antireflex-Beschichtung vorgesehen oder es kann eine solche zumindest vereinfacht sein.

Bei einer bevorzugten Ausführungsform hat die Pumpstrahlung der Austrittsfläche des Trägers unmittelbar vorgelagert ein senkrecht zur Schwerpunktrichtung genommenes Querschnittprofil (unter Zugrundelegung eines Abfalls der Leistung bis auf die Hälfte, vgl. Halbwertsbreite) , das in zwei zueinander senkrechten Achsen eine unterschiedliche Ausdehnung hat. Die Ausdehnung entlang einer breiten Achse soll mindestens dem 1,2-fachen, vorzugsweise mindestens dem 1,4-fachen, besonders bevorzugt mindestens dem 1,6-fachen, einer entlang der dazu senkrechten, schmalen Achse genommenen Ausdehnung entsprechen (mögliche Obergrenzen liegen bspw. bei höchstens dem 5-, 4- bzw. 3-fachen) . Dabei ist nun die schmale Achse gegenüber der Einfallsebene (siehe vorne) um höchstens 20° verkippt, in dieser Reihenfolge zunehmend bevorzugt um höchstens 15°, 10°, 5° bzw. 2°; besonders bevorzugt liegt die schmale Achse in der Einfallsebene.

Mit einer entsprechenden Orientierung der schmalen Achse kann in Verbindung mit der schrägen Kopplung die Pumpstrahlung entlang der schmalen Achse aufgespreizt werden; auf der Pumpstrahlungs-Einstrahlfläche kann dann also trotz eines originär bspw. elliptischen Querschnitts jedenfalls näherungsweise kreisförmig angeregt werden. Bevorzugt wird die Pumpstrahlung bereits von der Pumpstrahlungsquelle mit einem entsprechenden

Querschnittprofil (mit schmale Achse = langsame Achse und breite Achse = schnelle Achse) emittiert und schafft die schräge Einkopplung einen Ausgleich.

Die Erfindung betrifft auch eine Beleuchtungsvorrichtung, bei welcher die Pumpstrahlung eine dem Träger vorgelagerte Sammellinse zu der optischen Achse dieser Sammellinse versetzt durchsetzt. Ein Strahlenbündel mit der Pumpstrahlung fällt auf die Sammellinse, durchsetzt diese und wird so bevorzugt konvergent zu dem Träger/Leuchtstoffelement geführt. Eine Mittenachse des Strahlenbündels liegt in einem jeweiligen Abschnitt (vorliegend ist die Mittenachse der Sammellinse vorgelagert von Interesse) parallel zur

Schwerpunktrichtung der Pumpstrahlung im betrachteten Abschnitt mittig im Strahlenbündel (im Flächenschwerpunkt des Querschnittprofils, siehe vorne) .

Der Sammellinse unmittelbar vorgelagert ist diese Mittenachse des Pumpstrahlungs-Strahlenbündels nun zu der optischen Achse der Sammellinse versetzt, bspw. um in der Reihenfolge der Nennung zunehmend bevorzugt mindestens 0,01 mm, 0,1 mm, 0,5 mm bzw. 1 mm (mögliche Obergrenzen können bspw. bei 20 mm bzw. 10 mm liegen) . Im Allgemeinen können Mittenachse und optische Achse auch zusätzlich zueinander verkippt sein, bevorzugt sind sie parallel zueinander . Das zur optischen Achse versetzte Führen der Pumpstrahlung kann in einem bislang nicht diskutierten Fehlerfall von Interesse sein, wenn nämlich bspw. die Sammellinse im Betrieb der Beleuchtungsvorrichtung dejustiert wird oder etwa aufgrund einer mechanischen Beschädigung einer Halterung ganz abfällt. Würde die Pumpstrahlung nicht versetzt zu, sondern entlang der optischen Achse der Sammellinse geführt, würde sie sich in einem solchen Fehlerfall weiterhin auf im Prinzip demselben Pfad zu dem Leuchtstoffelement hin ausbreiten; das Strahlenbündel hätte dabei jedoch eine Undefinierte Form, wäre nämlich typischerweise deutlich aufgeweitet, weswegen Pumpstrahlung das Leuchtstoffelement seitlich passieren und so in die Beleuchtungsoptik gelangen könnte (dies wäre bspw. in Fig. la der Fall, wenn die Sammellinse nicht vorhanden wäre) .

Durch die zur optischen Achse versetzte Führung nimmt die Pumpstrahlung hingegen bei vorhandener Sammellinse einen anderen Pfad als bei bspw. abgefallener Sammellinse. Die Pumpstrahlung kann dann in diesem Fehlerfall bspw. so geführt werden, dass sie nicht oder nur zu einem geringen Teil in den Träger koppelt. Diese in den vorstehenden Absätzen beschriebene Ausführungsform „zur optischen Achse der Sammellinse versetzte Führung der Pumpstrahlung" wird auch unabhängig von den Merkmalen des Hauptanspruchs, konkret unabhängig vom dem

Austrittswinkel 9 _Au s _/ als Erfindung betrachtet und soll auch in dieser Form offenbart sein; dabei ist gleichwohl eine Kombination mit den übrigen als bevorzugt offenbarten Ausgestaltungen möglich.

Generell ist als Pumpstrahlungsquelle ein Laser bevorzugt, besonders bevorzugt ist eine Laserdiode. Die Pumpstrahlungsquelle kann auch aus mehreren Laserdioden aufgebaut sein, deren jeweilige Strahlenbündel bspw. deckungsgleich überlagert werden können. Sind eine Mehrzahl Laserdioden vorgesehen, können sich diese in ihrer jeweiligen Dominantwellenlänge unterscheiden, bevorzugt ist diese jedoch von Laserdiode zu Laserdiode gleich, besonders bevorzugt sind die Laserdioden baugleich .

Bei einer bevorzugten Ausführungsform sind eine Mehrzahl Pumpstrahlungsquellen vorgesehen, wovon jede zur Emission von Pumpstrahlung in Form eines Strahlenbündels ausgelegt ist. Dabei soll, sofern zwei der Strahlenbündel in Bezug auf eine senkrecht auf der Pumpstrahlungs-Einstrahlflache stehende Drehachse drehsymmetrisch zu einander sind, ein dieser Drehsymmetrie zugrunde liegender Drehwinkel von 180° verschieden sein. Die Strahlenbündel können aber auch überhaupt nicht drehsymmetrisch zueinander angeordnet sein. Sind sie es jedoch, wird durch die Vorgabe des Drehwinkels (¥= 180°) vermieden, dass bspw. Rückreflexionen von der einen zur anderen Pumpstrahlungsquelle gelangen, was Beschädigungen vorbeugen helfen kann.

Die Erfindung betrifft auch die Verwendung einer vorliegend offenbarten Beleuchtungsvorrichtung zur Beleuchtung, vorzugsweise zur Kraftfahrzeugbeleuchtung, weiter bevorzugt zur Kraftfahrzeugaußenbeleuchtung, besonders bevorzugt in einem Frontscheinwerfer, etwa eines Automobils. Von Interesse kann aber bspw. auch eine Anwendung bei den Rückleuchten/Signalleuchten sein, insbesondere den Bremsleuchten; auch eine Anwendung im Fahrzeuginnenraum ist denkbar.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen

Im Folgenden wird die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen näher erläutert, wobei die einzelnen Merkmale im Rahmen der nebengeordneten Ansprüche auch in anderer Kombination erfindungswesentlich sein können und auch weiterhin nicht immer im Einzelnen zwischen den unterschiedlichen Anspruchskategorien unterschieden wird.

Im Einzelnen zeigt Figur la eine erste erfindungsgemäße

Beleuchtungsvorrichtung mit Pumpstrahlungsquelle und Leuchtstoffelement in einer teilweise geschnittenen Seitenansicht im Normalbetrieb; Figur lb eine schematische Darstellung ergänzend zu Figur la zur Illustration der Winkel bei der Pumpstrahlungs-Einkopplung;

Figur 2 die Beleuchtungsvorrichtung gemäß Figur la in einem Fehlerfall, nämlich bei nicht vorhandenem Leuchtstoffelement ;

Figur 3 eine zweite erfindungsgemäße

Beleuchtungsvorrichtung in einer teilweise geschnittenen Seitenansicht, und zwar ebenfalls in einem Fehlerfall analog Figur 2.

Bevorzugte Ausführung der Erfindung Figur 1 zeigt eine erfindungsgemäße

Beleuchtungsvorrichtung 1 mit einer Pumpstrahlungsquelle 2, nämlich einer Laserdiode, zur Emission von Pumpstrahlung 3. Der Pumpstrahlungsquelle 2 unmittelbar nachgelagert durchsetzt die Pumpstrahlung 3 eine Sammellinse 4, welche das Strahlenbündel mit der Pumpstrahlung 3 bündelt. Der Sammellinse 4 nachgeordnet wird die Pumpstrahlung 3 auf ein Leuchtstoffelement 5 geführt, das direkt auf einen Träger 6 aufgebracht ist.

Der Träger 6 ist eine aus Saphir gefasste planparallele Platte, die in einen Reflektor eingeschoben ist, der die Form einer halben Hohlkugel hat. Den Reflektor bildet ein entsprechend geformtes Spritzgussteil 7 aus Polycarbonat , das innenseitig mit einer Silberschicht 8 beschichtet ist. Die Silberschicht 8 bildet eine dem Träger 6 und dem Leuchtstoffelement 5 zugewandte Reflexionsfläche 9, deren Funktion sich im Kontext des nachstehend beschriebenen Betriebs der Beleuchtungsvorrichtung 1 erschließt.

Um die Pumpstrahlung 3 in die eben beschriebene Anordnung koppeln zu können, ist das Spritzgussteil 7 mit einer Unterbrechung 10 gefasst, durch welche die Pumpstrahlung 3 von außerhalb der Hohlkugel nach innerhalb gelangen kann. Die Pumpstrahlung 3 tritt dann an einer Eintrittsfläche 11 in den Träger 6 ein, an einer entgegengesetzten Austrittsfläche 12 aus und trifft auf eine Pumpstrahlungs-Einstrahlfläche 13 des

Leuchtstoffelements 5. Das Leuchtstoffelement 5 ist aus mit Cer dotiertem Yttrium-Aluminium-Granat (YAG:Ce) aufgebaut und wird mit der Pumpstrahlung (vorliegend blauem Pumplicht mit einer Dominantwellenlänge von 450 nm) angeregt.

Auf diese Anregung hin emittiert das Leuchtstoffelement 5 ein Konversionslicht 14 an einer der Pumpstrahlungs- Einstrahlfläche 13 entgegengesetzten Konversionslicht- Abstrahlfläche 15. Auf die Anregung mit der Pumpstrahlung 3 hin wird jedoch im Prinzip omnidirektional Konversionslicht abgegeben, also auch an der Pumpstrahlungs-Einstrahlfläche 13 ein Rückstreu- Konversionslicht 16. Um dieses gleichwohl für die Beleuchtung nutzbar zu machen, ist die Reflexionsfläche 9 vorgesehen, an welcher das Rückstreu-Konversionslicht 16 reflektiert und so zurück in Richtung des Leuchtstoffelements 5 geführt wird. Das originär an der Konversionslicht-Abstrahlfläche 15 abgegebene Konversionslicht 14 wird dann gemeinsam mit dem so recycelten Rückstreu-Konversionslicht 16 mit einer Beleuchtungsoptik 17 (vorliegend nur schematisch gezeigt) gebündelt und zur Beleuchtungsanwendung geführt. In einem einfachen Fall kann es sich bei der Beleuchtungsoptik auch nur um eine planparallele Platte handeln bzw. kann eine solche das erste optische Element der Optik bilden, bevorzugt ist dann eine Kombination mit mehreren Linsen.

Figur lb zeigt eine schematische Detailansicht zu Figur la, und zwar zur Illustration der Winkel bei der Pumpstrahlungsführung. Die Pumpstrahlung 3 wird derart schräg auf die Eintrittsfläche 11 (Figur la) des Trägers 6 in diesen gekoppelt, dass sie unter einem Austrittswinkel 20 (9 _ÄU s) auf die Austrittsfläche 12 (vgl. Figur la) des Trägers 6 trifft. Der Austrittswinkel 20 wird zwischen einer Flächennormalen 21 auf der Austrittsfläche des Trägers 6 und einer

Schwerpunktrichtung 22 genommen, welche die Pumpstrahlung 3 innerhalb des Trägers 6 hat. Der Austrittswinkel 20 ist dabei einerseits kleiner als der kritische Winkel 6 _C für Totalreflexion (34° bei Saphir); andererseits ist er jedoch > 33°, wobei sich der letztgenannte Winkel aus aresin ( (l/n _Saphir ) -sin (77°) ) ergibt.

Die Beleuchtungsoptik 17 hat einen Aperturwinkel von 150°, dementsprechend hat ein Nutzlichtkegel, also das über die Beleuchtungsoptik 17 geführte Konversionslicht (mit anteilig nicht konvertierter Pumpstrahlung) , einen halben Öffnungswinkel von 75°. Mit der eben genannten Untergrenze für den Austrittswinkel 20 kann so sichergestellt werden, dass in einem Fehlerfall, wenn das Leuchtstoffelement 5 von dem Träger 6 abfällt, die Pumpstrahlung nicht bzw. zumindest nicht zum größten Teil in die Beleuchtungsoptik 17 gekoppelt wird. Wie in Figur lb schematisch durch die gestrichelte Linie angedeutet, wird die Pumpstrahlung in diesem Fall nämlich an der Beleuchtungsoptik 17 vorbei gebrochen und kann eine gefährliche Ausbreitung von gebündelter Pumpstrahlung über die Beleuchtungsoptik 17 vermieden werden. Es wird auch auf die detaillierte Darstellung in der Beschreibungseinleitung verwiesen.

Figur 2 illustriert für die Beleuchtungsvorrichtung gemäß Figur la den Fehlerfall weiter im Detail, wobei die Darstellung auf einer Raytracing-Simulation des Erfinders beruht. Das Leuchtstoffelement ist abgefallen, weswegen die Pumpstrahlung, wie anhand von Figur lb erläutert, an der Austrittsfläche 12 des Trägers 6 seitlich weggebrochen wird. In der zugrunde liegenden Simulation sind dabei zusätzlich auch Verluste an den Grenzflächen berücksichtigt, es treten nämlich sowohl an der Eintrittsfläche 11 als auch an der Austrittsfläche 12 Reflexionen auf (Fresnel-Verluste) . Die

Reflexionskoeffizienten liegen dabei zwar unter 20 %, dennoch könnte auch dieser Teil der Pumpstrahlung bei einer Ausbreitung über die Beleuchtungsoptik 17 problematisch sein. Auch bei Anbringung einer Antireflex- Beschichtung an den Grenzflächen des Trägers 6 lassen sich die Reflexionen nicht vollständig vermeiden.

In Figur 2 ist ein entsprechender, an der Austrittsfläche 12 des Trägers 6 reflektierter Teil der Pumpstrahlung, der anteilig rund 10 % der auf die Austrittsfläche 12 treffenden Pumpstrahlung ausmacht (bezogen auf die Strahlungsleistung) , mit dem Bezugszeichen 25 gekennzeichnet. Diese an der Austrittsfläche 12 reflektierte Pumpstrahlung fällt auf die Reflexionsfläche 9, wird daran zurück in Richtung des Trägers 6 reflektiert, durchsetzt diesen und wird aufgrund des symmetrischen Aufbaus wie die originär an der Austrittsfläche 12 ausgetretene Pumpstrahlung aus dem Nutzlichtkegel gebrochen, nur zur anderen Seite hin (in der Figur nach links oben) . Zusammengefasst kann auch unter Berücksichtigung von in realiter auftretenden Reflexionsverlusten im Fehlerfall eine Ausbreitung der Pumpstrahlung über die Beleuchtungsoptik 7 vermieden werden . Im Normalbetrieb, also bei vorhandenem Leuchtstoffelement 5, wird nicht die gesamte Pumpstrahlung 3 in dem Leuchtstoffelement 5 konvertiert, sondern bildet ein nicht konvertierter Teil der Pumpstrahlung 3 gemeinsam mit dem Konversionslicht 14 (und auch dem recycelten Rückstreu-Konversionslicht 16) das Beleuchtungslicht. Die nicht konvertierte Pumpstrahlung wird hierbei jedoch in dem Leuchtstoffelement 5 gestreut, also aufgefächert, breitet sich also nicht in gebündelter Form in der Beleuchtungsoptik 17 aus. Die schräge Kopplung der Pumpstrahlung 9 auf die Eintrittsfläche 11 des Trägers 6 ist ferner auch insoweit vorteilhaft, als die Pumpstrahlung 3 linear polarisiert ist, und zwar p-polarisiert . Eine die Vektoren des elektrischen Feldes der Pumpstrahlung beinhaltende Polarisationsebene fällt also mit der Einfallsebene (vorliegend der Zeichenebene) zusammen. Dies ist insoweit vorteilhaft, als dann mit zunehmend verkippter Einkopplung der für die Fresnel-Verluste maßgebliche Reflexionskoeffizient (beim Übergang Luft/Saphir) von rund 10 % bis zu dem sogenannten Brewster-Winkel Θ _Β hin abnimmt, vgl. auch die Ausführungen in der Beschreibungsanleitung .

Figur 3 zeigt eine weitere erfindungsgemäße Beleuchtungsvorrichtung 1, welche jener gemäß Figur la hinsichtlich Pumpstrahlungsquelle 2, Sammellinse 4 und auch Relativanordnung von Leuchtstoffelement 5 und Beleuchtungsoptik 17 entspricht. Die Pumpstrahlung 3 wird analog der Beschreibung zu Figur lb zu dem Leuchtstoffelement 5 geführt. In einem etwaigen Fehlerfall, wenn letzteres also nicht vorhanden ist, wird die Pumpstrahlung dann also wie im Falle der vorstehend beschriebenen Ausführungsform aus dem Nutzlichtkegel gebrochen. Generell bezeichnen im Rahmen dieser Offenbarung dieselben Bezugszeichen Teile mit derselben Funktion und wird insofern immer auch auf die Beschreibung zu den anderen Figuren verwiesen.

Bei der Beleuchtungsvorrichtung gemäß Figur 3 ist als Träger 30 keine planparallele Platte, sondern eine Halbkugel aus Saphir vorgesehen. Auf deren plane Seite ist das Leuchtstoffelement 5 aufgebracht, die konvexe Seite ist mit einer eine Reflexionsfläche 31 bildenden Reflexionsschicht 32 aus Silber beschichtet. Die resultierende Reflexionsfläche 31 ist wie die vorstehende Reflexionsfläche 9 sphärisch und dient einem Recycling der Rückstreu-Konversionsstrahlung 16 sowie eines an der Pumpstrahlungs-Einstrahlfläche 13 zurückgestreuten Teils der Pumpstrahlung. Die Pumpstrahlung 3 wird vorliegend senkrecht auf der sphärisch-konvexen Seitenfläche der Halbkugel stehend eingekoppelt.