CN101903819A - 光电子装置和图像记录设备 - Google Patents

Abstract

在光电子装置(10)的至少一个实施形式中，该光电子装置具有光学元件(1)和适于产生电磁辐射(R)的光电子半导体芯片(2)。该光学元件(1)单件式地构建并且包含两个彼此对置的辐射穿透面(34)。此外该光学元件(1)包括带有多个彼此邻接的透镜区域(6)的透镜装置(5)，其中透镜装置(5)成形在辐射穿透面(34)之一中，并且另外的辐射穿透面(34)平滑地实施。此外，透镜区域(6)设计并且布置为使得通过光学元件(1)的辐射以不同的圆柱形的波前和/或彼此分离的波前或者射束(S)成形。

Description

光电子装置和图像记录设备 

本发明提出了一种光电子装置和一种图像记录设备。 

一个任务是借助紧凑的装置在对象上产生规则的图案，例如条。这些图案例如对于数字摄像机中的自动聚焦传感器是必需的，以便借助对图案的记录并且与给定几何形状的比较来产生清晰的摄像机图像。 

优点和其他特征尤其是也在考虑附图和权利要求的情况下从以下的描述中得到。 

类似于在幻灯机中的情况那样，目前这种图案生成器通过图案的投影实现。 

在将LED用作光源的情况下，在LED芯片的表面上的接触结构可以作为标准图案(Ur-Muster)借助投影透镜成像到远场中。 

这意味着： 

-设置被成像的标准图案，这在幻灯机的情况下意味着在结构中的附加的元件， 

-存在与标准图案的精度的相关性，即在标准图案中的误差或者制造公差被成像并且导致与给定图案几何形状的系统性偏差。 

此外，可能借助自由形状投影透镜产生图案。然而，透镜形状的计算尤其是针对扩展的源是极其复杂的，并且由于复杂的表面形状，这种透镜的制造比较费事。 

可替选地，LED和合适成形的透镜阵列可以彼此组合。如果首先从LED芯片的中部的点出发，则从该点出发的球形波前通过透镜阵列分解成或者转换成各个圆柱形波前。在此，圆柱形波前的每个都朝着不同的方向并且具有不同的旋转角的圆柱体轴线。例如在将透镜相应布置在阵列内的情况下，LED的中部中的点源变成了完美的锯齿形中断的条形图案。 

透镜阵列的各个透镜(“Lenslets，小透镜”)合乎目的地实施为使得成像误差被校正。对于上面所说明的在LED芯片的中部的点源而言，通过透镜表面的合适成形可能实现这一点。此外，单侧的透镜阵列的前侧也可以设置有弯曲部，并且于是降低轴外的成像误差如彗差。在假设点源的 情况下，因此形成细的清晰条形图案。如果使用扩展的源，即如在LED中的情况那样，则条相应地变得更宽。 

在本发明的范围中可以实现的另外的特征和优点是： 

-无需附加的元件，如“标准图案”，图案投影直接由成像光学装置/透镜阵列实施。图案尤其是可以首先通过光学装置来产生。由此该结构更为紧凑。 

-基于幻灯机的原理的方法(即照亮标准图案并且随后将其成像)是低效的，因为在穿过标准图案时光通量的大部分丢失。而在此提出的是，根据瞳孔划分的原理来工作。引入的波前被分裂成各个部分波前。在此，未发生系统性的遮蔽。 

-与源大小以及光源的光通量不相关：如果缩小LED芯片，即缩小所发射的总光通量，则图案内的条变得更窄，然而也更亮。因此，补偿了总光通量的损耗。也就是说，可以使用小的LED芯片，即具有200μm×200μm到300μm×300μm的范围中的芯片面积。 

所产生的图案的类型通过小透镜的空间布置的方式来确定。在此，小透镜可以具有不同的表面形状以及不同的大小。通过不同的小透镜大小可以平衡图案内的不同的条的亮度。 

特别的性能在于LED和合适地实施的、即例如针对在该装置中出现的成像误差而被校正的透镜阵列组合，使得在不使用标准图案的情况下在远场中产生图案。 

根据光电子装置的至少一个实施形式，该光电子装置包括至少一个适于产生电磁辐射的光电子半导体芯片。优选地，半导体芯片构建为发光二极管或者构建为激光二极管。 

根据光电子装置的至少一个实施形式，该光电子装置具有至少一个光学元件。该光学元件至少部分对于由光电子半导体芯片产生的电磁辐射是可透射的，尤其是透明的。 

根据光电子装置的至少一个实施形式，光学元件单件式地构建。例如，光学元件可以通过注塑工艺或者浇注工艺来成形。光学元件可以通过玻璃或者环氧树脂来构建。然而，优选的是，该光学元件由塑料构成，尤其是由热塑性塑料构成，或者由硅树脂构成。 

根据光电子装置的至少一个实施形式，光学元件具有两个彼此对置的 辐射穿透面。朝向光电子半导体芯片的辐射穿透面形成辐射入射面，与半导体芯片背离的辐射穿透面形成辐射出射面。辐射穿透面尤其是光学元件的、辐射在其上经历折射的面和/或用于有针对性地射束成形的面。除了辐射穿透面之外，光学元件可以具有另外的面，其例如用于固定光学元件。 

根据光电子装置的至少一个实施形式，光学元件包含至少一个、尤其是恰好一个透镜装置。换言之，在光学元件中，透镜式的造型以确定的布置格栅组合。 

根据光电子装置的至少一个实施形式，透镜装置具有多个彼此邻接的透镜区域。每个透镜区域具有透镜面，这些透镜面形成透镜区域的表面并且以透镜式的形状尤其是类似凸透镜的形状构建。 

根据光电子装置的至少一个实施形式，在辐射穿透面之一中形成透镜装置，尤其是在恰好一个辐射穿透面中形成。换言之，透镜区域的透镜面形成辐射穿透面之一或其至少一部分。 

根据光电子装置的至少一个实施形式，其中未形成透镜装置的辐射穿透面平滑地实施。“平滑地”在此意味着：辐射穿透面是单个的关联的面。优选地，在制造公差的范围中，辐射穿透面可以描述为可连续二次微分的面。“平滑地”尤其也意味着：关于整个辐射穿透面的二阶导数未出现符号变换。换言之，该辐射穿透面具有最多一个凹形的曲率变化或者最多一个凸形的曲率变化。该辐射穿透面尤其是并非波状地成形。 

根据光电子装置的至少一个实施形式，透镜区域设计并且布置为使得穿过光学元件并且尤其是穿过不同的透镜区域的辐射成形为不同的圆柱形和/或彼此分离的波前。换言之，透镜装置包括至少两个透镜区域，其中由光电子半导体芯片发射的、穿过这两个透镜区域的辐射至少部分被偏转到不同的彼此分离的空间区域中。分离或者分开的空间区域可以表示：在辐射被偏转进的这些空间区域中存在其中辐射强度可忽略的区域，也就是说，例如小于在空间区域中的辐射的平均强度的15％，尤其是小于3％。 

在光电子装置的至少一个实施形式中，该光电子装置具有光学元件和适于产生电磁辐射的半导体芯片。光学元件单件式地构建并且包含两个彼此对置的辐射穿透面。此外，光学元件包括带有多个彼此邻接的透镜区域的透镜装置，其中透镜装置在辐射穿透面之一中成形并且另外的辐射穿透面平滑地实施。此外，透镜区域被设计并且布置为使得穿过光学元件的辐射由相应的透镜区域成形为不同的圆柱形的和/或彼此分开的波前或者射 束。 

根据光电子装置的至少一个实施形式，透镜区域设计并且布置为使得在辐射穿过光学元件之后由透镜区域将波前构建为使得这些波前相对于圆柱体轴线具有不同的传播方向和/或不同的旋转角度。圆柱体轴线尤其是通过穿过光电子半导体芯片的中轴线来形成。圆柱体轴线优选垂直于半导体芯片的发射辐射的芯片面。换言之，由半导体芯片发射的穿过透镜区域之一的辐射在离开光电子装置之后近似地以平行射束的形式并且以相对于圆柱体轴线限定的角度走向。“平行于”在此意味着：射束的发散在至少一个空间方向上、优选是在两个空间方向上并非太大。也就是说，由透镜装置的透镜区域产生大致平行的射束，这些射束在确定的彼此不同的空间方向上发射。射束的发散角小于10°，优选小于5°，尤其是小于2° 

根据光电子装置的至少一个实施形式，由各个透镜区域形成的射束关于至少一个空间方向是会聚的。也就是说，射束具有焦点或者焦线。焦点或焦线与该装置的辐射出射面的距离尤其在10cm到5m之间，优选地在50cm到2m之间。 

根据光电子装置的至少一个实施形式，在半导体芯片与光学元件的朝着半导体芯片的辐射入射面之间的距离至少为半导体芯片的平均直径的三倍。如果半导体芯片例如是方形的，则平均直径对应于半导体芯片的边长。 

根据光电子装置的至少一个实施形式，光学元件构建为在半导体芯片之前的附加元件。这意味着：光学元件可以与半导体芯片一同安装在共同的支承体上或者安装在共同的保持装置中。同样可能的是，光学元件成形为使得其可以插到半导体芯片所处的支承体上或者可以罩在半导体芯片上。在此不需要光学元件与半导体芯片直接接触。例如，半导体芯片和光学元件并不触碰。 

根据光电子装置的至少一个实施形式，光学元件集成在光电子半导体芯片中。这可以意味着：光学元件至少部分与半导体芯片直接接触。 

根据光电子装置的至少一个实施形式，透镜装置构建成透镜阵列形式、尤其是平面的透镜阵列形式。换言之，在横向方向上多个透镜区域并排地设置。 

根据光电子装置的至少一个实施形式，透镜装置平面地构建。换言之， 相应的透镜区域在一个平面中。如果透镜区域构建为凸透镜，则尤其是各个透镜区域的所有顶点处于一个平面中。 

根据光电子装置的至少一个实施形式，辐射穿透面之一平坦地实施。优选地，与半导体芯片背离的辐射出射面平坦地实施。 

根据光电子装置的至少一个实施形式，至少两个透镜区域具有不同的形状和不同的大小。也就是说，透镜区域尤其是沿着光学元件的如下辐射穿透面具有不同伸展：在该辐射穿透面侧构建透镜装置。优选地，与圆柱体轴线相距更远地形成的透镜区域比距圆柱体轴线更近的透镜区域具有更大的面积。 

根据光电子装置的至少一个实施形式，由半导体芯片发射的辐射由于通过光学元件(尤其是通过透镜装置)而成像到预先给定的图案中。要构建的图案可以是二维的、格栅状(gerastet)和/或条状的图案。 

根据光电子装置的至少一个实施形式，在辐射穿透面上的透镜区域的布置格栅对应于借助辐射要形成的或者要构建的图案的格栅。例如，如果辐射以交叉形式设置的格栅点的形式成像，则透镜区域同样以交叉形式的格栅设置。 

根据光电子装置的至少一个实施形式，透镜区域分别具有恰好一个折射面。也就是说，在两种不同的折射率之间的恰好一个过渡部或边界面上发生光的折射。于是在穿过光学元件时，发生恰好两次光折射，一次在辐射入射面上而另一次在辐射出射面上。 

根据光电子装置的至少一个实施形式，至少两个透镜区域的折射面具有不同的曲率变化和不同的大小。换言之，透镜装置不能通过重复拷贝或者复制单个的透镜区域来产生。 

根据光电子装置的至少一个实施形式，透镜装置在垂直于辐射穿透面的方向上具有至少一个、尤其是至少两个对称平面。也就是说，如果在对称平面的一侧上设置透镜装置，则在对称平面的另一侧上通过在对称平面上的镜像得到该透镜装置。圆柱体轴线在此尤其是至少一个对称平面的一部分。优选地，圆柱体轴线是对称平面的交线。 

根据光电子装置的至少一个实施形式，未与圆柱体轴线相交的透镜区域具有最多一个垂直于辐射穿透面的对称平面。优选地，所述最多一个对称平面包含圆柱体轴线。 

根据光电子装置的至少一个实施形式，半导体芯片发射可见光或者红 外辐射。优选地，该辐射在光谱上是窄带的并且具有在580nm到1200nm(包括端值)之间的范围中的波长，尤其是在620nm到850nm(包括端值)之间的范围中的波长。在光谱上的窄带在此意味着该辐射的光谱宽度FWHM小于40nm。 

根据光电子装置的至少一个实施形式，透镜区域以校正成像误差的方式实施。 

根据光电子装置的至少一个实施形式，该光电子装置包括恰好一个半导体芯片。 

根据光电子装置的至少一个实施形式，该光电子装置包括恰好一个光学元件。优选地，该装置包括恰好一个半导体芯片和恰好一个光学元件。 

根据光电子装置的至少一个实施形式，该光电子装置没有对于待成像的图案的负模型(Negativvorlage)或者正模型(Positivvorlage)。也就是说，尤其是在半导体芯片和光学元件之间没有特别是幻灯片状的模型。优选地，在半导体芯片上或者在芯片面上也未施加结构化物或者如下图案：该图案被成像并且显示出要形成的图案的标准图像。 

根据光电子装置的至少一个实施形式，该光电子装置构建用于在成像面上或者在对象上产生优选规则的图案。成像面尤其是与光出射面距离在0.1m到10m(包括端值)之间，优选在0.2m到2m(包括端值)之间。 

根据光电子装置的至少一个实施形式，待形成的图案是照明强度分布的图案。换言之，该图案通过辐射的限定的强度调制形成在成像面上。 

根据光电子装置的至少一个实施形式，光学元件构建和/或设置为使得待形成的图案具有多个分离的图案区域，尤其是多个照明岛。同样，图案区域可以包括各个彼此分离的条。各个图案区域优选具有在光学元件的制造公差范围中的有条件的相同大小。在图案区域之间的区域中，辐射的强度优选可忽略，如已描述的那样。 

根据光电子装置的至少一个实施形式，光学元件、尤其是透镜装置设计并且布置为使得辐射通过光学元件、尤其是通过透镜装置和透镜区域根据要形成的图案来成形。 

根据光电子装置的至少一个实施形式，半导体芯片在朝着光学元件的芯片面的俯视图中具有400μm×400μm或者更小的、优选300μm×300μm或者更小的面积。 

根据光电子装置的至少一个实施形式，半导体芯片在朝着光学元件的芯片面的俯视图中具有150μm×150μm或者更大的面积。 

根据光电子装置的至少一个实施形式，由每个单个的透镜区域发射的辐射功率与对所有透镜区域发射的辐射求平均的平均值偏差最多25％。透镜装置在此优选构建在辐射出射面中。换言之，每个单个的透镜区域发射相似的辐射功率。 

根据光电子装置的至少一个实施形式，透镜区域的平均直径大于半导体芯片的朝着光学元件的芯片面的平均直径的1.5倍并且小于3倍。透镜区域的大小于是与半导体芯片的发光强度和/或大小相关。 

根据光电子装置的至少一个实施形式，该光电子装置具有中央的透镜区域。该中央的透镜区域与圆柱体轴线相交。圆柱体轴线此外是中央的透镜区域的旋转对称轴线。尤其是，中央的透镜区域球形地成形。 

根据光电子装置的至少一个实施形式，至少一个透镜区域或其折射面非球形地成形。优选地，所有透镜区域非球形地成形，其中中央的透镜区域可以具有其他构型。非球形意味着：透镜区域是旋转对称的但非球状地成形。 

根据光电子装置的至少一个实施形式，至少一个透镜区域双锥形地成形或者构建为环形透镜或者自由形状透镜。优选地，所有透镜区域这样地成形，其中中央的透镜区域可以具有其他构型。 

根据光电子装置的至少一个实施形式，该光电子装置构建为用于产生用于图像记录没备的自动聚焦单元的参考图案。尤其是，光电子装置用于产生用于自动聚焦传感器的参考图案。这种自动聚焦单元例如可以使用在摄像机中、尤其是使用在数字摄像机中，或者使用在带有图像记录功能的移动电话或者便携式计算机中。 

此外，提供了一种图像记录设备。该图像记录设备包括如结合上述实施形式的至少之一说明的至少一个光学装置。 

根据图像记录设备的至少一个实施形式，该图像记录设备包括传感器，该传感器设计用于检测射束的被反射的辐射。 

以下参照附图借助实施例更为详细地阐述了在此所描述的光电子装置以及在此所描述的图像记录设备。在此在各个附图中，相同的附图标记说明了相同的元件。然而在此并未示出按比例的关系，更确切地说，各个元件为了更好的理解而可以被夸大地示出。 

其中 

图1示出了在此所描述的带有凸形的辐射入射面(A)和平坦的辐射出射面(B)的光电子装置的实施例的示意性侧视图， 

图2至图4示出了在此所描述的光电子装置的另外的实施例的示意图， 

图5和图6示出了在此所描述的透镜区域的实施例的示意图， 

图7示出了在此所描述的光电子装置的实施例的示意性三维视图(A，C，E，G)以及相关的待形成的图案(B，D，F，H)， 

图8示出了透镜区域的平均直径与半导体芯片的光通量的相关性的示意图， 

图9示出了半导体芯片的光通量与照明岛的数目的相关性的示意图， 

图10示出了待形成的图案的几何关系的示意图，以及 

图11示出了在此所描述的图像记录设备的一个实施例的示意图。 

在图1A中示出了光电子装置10的一个实施例。光电子半导体芯片2具有芯片面7，其朝着光学元件1。圆柱体轴线A垂直于芯片面7设置并且与该芯片面在中部相交。 

光学元件1具有两个辐射穿透面34。朝着半导体芯片2的辐射穿透面34是辐射入射面3，背离半导体芯片2的辐射穿透面34形成辐射出射面4。辐射入射面3具有凸形的弯曲部。辐射出射面4被分成多个彼此邻接的透镜区域6。透镜区域6共同形成透镜装置5。由此，在辐射出射面4中形成透镜装置5。各个透镜区域6分别显示出凸形的构型，类似于凸透镜。在制造公差范围中，透镜区域6的所有顶点处于一个平面P中。透镜区域6的顶点在此理解为透镜区域6的、在平行于圆柱体轴线A的方向上距半导体芯片2最远的点。 

凸形的辐射入射面3是平滑的面。这意味着：辐射入射面3是单个的连在一起的面。此外，辐射入射面3的弯曲部仅仅具有唯一的取向。辐射穿透面3可以在制造公差的范围中描述为数学上的如下的面：其仅仅具有一个弯曲方向。换言之，如果该面被两次求导，则二阶导数未显示出符号变换。 

在半导体芯片2和光学元件1之间的距离d至少为半导体芯片2的平均直径D的三倍。如果半导体芯片2例如方形地构建，则平均直径D对 应于半导体芯片2的边长。透镜区域6的平均直径L大约是半导体芯片2的平均直径D的两倍。优选地，透镜区域6的平均直径L在半导体芯片2的平均直径D的1.5倍到3倍之间。 

在图1B中同样示出了光电子装置10的一个实施例的示意性侧视图。带有透镜区域6的透镜装置5在此形成在辐射入射面3中并且由此朝着光电子半导体芯片2。辐射出射面4平坦地构建。 

为了简化视图，光学元件1在以下的实施例中类似于图1A地设置。同样分别可能的是，根据图1B构建光学元件，即带有朝着半导体芯片2的透镜装置5。 

在图2A中示出了光电子装置10的另一实施例的示意性俯视图，在图2B中示出了其示意性侧视图。半导体芯片2发射的辐射R以及由此通过光学元件1形成的射束S的走向通过箭头线表示。 

在芯片面7上由半导体芯片2发射的辐射R发散地朝着光学元件1的方向走向。通过辐射入射面3的凸形的构型，实现了辐射R的准直。换言之，辐射R的发散在光学元件1内变小。在以凸透镜的形式构建的透镜区域6上，进一步聚束成射束S。在水平方向H上，射束S仅仅具有可忽略的发散。在垂直方向V上，射束S(参见图2B)具有发散角β为大约2.5°的小的发散。通过透镜区域6关于水平方向H和垂直方向V的射束成形于是是不同的。 

在图2中仅仅绘制了辐射R，其射到单个的确定的透镜区域6上。由每个透镜区域6成形的彼此分离的射束S可以分别朝着确定的彼此不同的方向引导。这参照图3A和3B中的光电子装置10的两个实施例示意性地借助两个射束S1、S2来描述。为了简化视图，另外的透镜区域的射束未被绘制。在图3A、3B中分别示出了示意性俯视图。 

由半导体芯片2在不同的方向上发射的辐射R1、R2通过辐射入射面3到达光学元件1中并且随后至不同的透镜区域6a、6b。通过透镜区域6a、6b形成不同的射束S1、S2，它们表现出彼此分离的、近似圆柱形的波前。圆柱形在此尤其是表示：射束S1、S2投影到平面上形成条形图案，并且射束S1、S2的发散可忽略。在圆柱形波前的情况下，透镜区域6优选类似圆柱形透镜地成形并且在垂直于圆柱体轴线A的方向上延伸。 

射束S1、S2相对于圆柱体轴线A具有不同的旋转角α1、α2。根据图3A，旋转角α1为大约5°而旋转角α2为大约13°。优选地，透镜装置5 构建为使得形成的射束具有不同的旋转角，其中随着距形成射束的透镜区域的圆柱体轴线A的距离增加，优选旋转角也增大。换言之，由各个透镜区域6发射的或者成形的辐射的各个射束在该情况下不相交。 

根据图3A和3B的实施例不同在于：根据图3A，辐射入射面3平面地构建，而根据图3B具有凸形的弯曲部。通过平面地构建辐射入射面3，可以简化的是将光学元件1例如通过未绘制的共同的支承体固定在半导体芯片2上。而辐射入射面3的凸形弯曲部使各个透镜区域6的构建变得容易，因为辐射R更好地通过辐射入射面3来准直。 

不同于图2和图3所示，透镜区域6也可以构建为使得射束S1、S2会聚地走向并且例如与辐射出射面4间隔大约1m地形成焦点或者焦平面。 

在根据图4的实施例中，不同的透镜区域6a、6b、6c具有不同的平均直径La、Lb、Lc。平均直径La、Lb、Lc在离开圆柱体轴线A的方向上增大。垂直于图平面，光学元件1的对称平面Y穿过圆柱体轴线A。光学元件Y也可以具有另外的对称平面，例如平行于图平面。 

辐射R1在比用于辐射R2的区域距圆柱体轴线A更远的区域中射到光学元件1上。由此，辐射R1射到光学元件1上的入射角小于辐射R2射到光学元件1上的入射角。通过不同的平均直径La、Lb、Lc保证了尽管入射角不同但半导体芯片2为每个透镜区域6a、6b、6c提供了相似的辐射功率。由此，射束S1、S2具有类似的发光强度或者强度。 

在图5中示出了透镜区域6的辐射穿透面35或者折射面的几何参数。透镜区域6的顶点在z-r坐标系的原点。z轴形成了纵坐标并且平行于透镜区域6的光学轴线取向。与z轴正交的、表示横坐标的r轴基本上说明了点距z轴的距离。z轴于是尤其是表示旋转对称轴线，使得通过r轴限定了垂直于z轴的r平面。在顶点处，光穿透面34具有透镜曲率c，其中c对应于在顶点中的曲率半径的倒数。 

在非球形的辐射穿透面34的情况下，可以通过如下式子描述其形状 

$z\left(r\right)=\frac{c\·r^2}{1+\sqrt{1-(1+k)\·c^2\·r^2}}+{\mathrm{\α}}_1\·r^2+{\mathrm{\α}}_2\·r^4+\·\·\·+{\mathrm{\α}}_8\·r^{16}$

z(r)在此对应于在平行于z轴的方向上辐射入射面34的点距r平面的距离，其中该点在垂直于z轴的方向上具有距z轴的距离r。 

k对应于锥度，α_i是非球形系数。参数k使得透镜轮廓更类似于锥体。换言之，通过参数k，与透镜区域6的球形构建的情况相比，针对大的r值，在r平面和辐射穿透面34的点之间的距离变得更小。通过非球形的系数同样可以修改辐射穿透面34的构型，尤其是在远离z轴的区域中。 

在透镜区域6的球形造型的情况下，辐射穿透面34同样遵循上式，其中对于参数α_i以及k适用：α_i＝0，k＝0。 

z轴并不一定是透镜区域6的旋转轴线。在这种情况下，透镜区域6可以形成为环形透镜或者双锥形透镜。在此，x轴和与此正交的y轴张开有xy平面，z轴垂直于该平面，对应于r平面。xy平面与z轴在辐射穿透面34的顶点中相交。辐射穿透面34的具有坐标(x，y)的点距xy平面的距离在此情况下尤其可以借助如下式子来说明： 

$z(x,y)=\frac{c_x\·x^2+c_y\·y^2}{1+\sqrt{1-(1+k_x)\·{c_x}^2\·x^2-(1+k_y){\·{c_y}^2\·y}^2}}$

可选地，该式子可以包含校正项α_i·E_i(x，y)，类似于针对非球形的辐射穿透面34的构型的式子。在此，对Ei适用：E₁＝x，E₂＝y，E₃＝x²，E₄＝x·y，E₅＝y²，E₆＝x³，E₇＝x²·y，E₈＝x·y²，E₉＝y³等等。 

此外可能的是，辐射穿透面34的形状既不对应于球形透镜的式子，也不对应于非球形透镜的式子，还不对应于双锥形透镜或者环形透镜的式子。在此情况下，尤其是言称所谓的自由形状透镜。 

在图6中示出了透镜区域6或者透镜装置5的不同的实施形式。 

在图6A中示出了透镜装置5的示意性侧视图。透镜区域6a具有顶轴线(Scheitelachse)c2，其与装置10的圆柱体轴线A重合。具有平均直径L2的透镜区域6a关于顶轴线c2旋转对称地成形。 

具有比透镜区域6a更大的平均直径L1的透镜区域6b关于顶轴线c1不对称地以自由形状透镜的形式构建。透镜区域6a、6b的所有顶点都处于平面P中。在制造公差的范围中，透镜装置5的深度t对于所有透镜区域6a、6b是相等的。 

在图6B、6C中示出了双锥形构建的透镜区域6和构建为自由形状透镜的透镜区域6的示意性俯视图。根据图6B的双锥形的透镜区域6具有两个对称平面Y1、Y2，它们垂直于图平面取向。顶轴线c通过对称平面Y1、Y2的相交轴线形成。在构建为自由形状的根据图6c的透镜区域6 的情况下，仅仅存在唯一的对称平面Y。顶轴线c垂直于图平面取向，穿过顶点并且在对称平面Y中。例如，在图6A中的透镜区域6b如在图6C中那样地成形。在透镜区域6构建为自由形状透镜的情况下同样可能的是，透镜区域6并不具有唯一的对称平面。 

在图7中示出了光电子装置10的多个实施例。针对光学元件1、尤其是透镜装置5和透镜区域6的确定的构建形式，分别示出了所实现的要形成的图案8。要形成的图案8或者其照明强度分布分别在相对于辐射出射面4距离1m的情况下进行说明。透镜区域6例如在辐射出射面4上，即在光学元件1的背离光电子半导体芯片2的侧上。 

根据图7A，九个透镜区域6设置成方形的3×3的格栅。相关的要形成的图案8(参见图7B)具有九个照明岛9。照明岛9通过暗区彼此分离并且根据在辐射出射面4上的透镜区域6的布置格栅来设置。照明岛9近似地具有方形的外形。所有照明岛9亮度大致相同。 

根据图7C，星形地设置了五个内部的透镜区域6a。四个外部的透镜区域6b设置在正方形的角点上。要形成的图案8(参见图7D)又对应于透镜区域6的布置格栅并且具有内部照明岛9a、9c和外部照明岛9b。除了中央的照明岛9c之外，所有照明岛9a、9b具有类似的亮度。中央的照明岛9c显得更亮。 

根据图7E，将透镜区域6设置成六边形图案。分别彼此分离的相关的照明岛9同样显示出会形成的六边形的图案，参见图7F。 

根据图7G，围绕中央透镜区域6c环形地设置有八个另外的透镜区域6b。会形成的图案8(参见图7H)对应于透镜区域6b、6c的布置图案。所有照明岛9具有类似的亮度。 

在图8中说明了相对于以流明为单位的半导体芯片2的光通量Φ的、以毫米为单位的透镜区域6的平均直径L.所示曲线针对半导体芯片2的不同的尺寸。在半导体芯片2的相似工作条件的情况下，半导体芯片2所发射的光的光通量Φ简单近似地大致与半导体芯片2的面积成比例。 

如果半导体芯片2例如具有0.5×0.5mm²的面积(参见菱形曲线)，则针对带有大约30lm的低光通量的半导体芯片2，透镜区域6的平均直径L在大约1.4mm的范围中运动。如果半导体芯片2显示出大约60lm的高光通量4，则平均直径L为大约1mm。针对所有所示的曲线，平均直径L在半导体芯片2的边长的1.5倍到3倍之间。照明岛9在此分别具有 大约25lm/m²＝25lx的照明强度。 

在图9中示出了所需的半导体芯片2的光通量Φ与照明岛9的数目N的相关性。照明岛9的照明强度E由半导体芯片2的光通量Φ与光学装置的效率s的乘积除以照明岛9的数目N的平方以及除以照明岛9的面积a来得到。为了将光电子装置10使用在自动聚焦单元或者自动聚焦传感器中，需要大约25lx(等于25lm/m²)的照明强度E。照明岛9的面积a在此为大约3mm²，光电子装置10和对象之间的距离为大约1m。在这种距离的情况下，照明岛9的面积a优选在大约2mm²到大约1cm²之间。 

效率s对应于光学元件1的效率。效率s小于1，因为在光学元件1上的损耗例如通过在辐射穿透面34上的反射而产生。同样，由半导体芯片2发射的辐射R并未完全到达光学元件1。因为半导体芯片2仅仅近似地对应于点光源，所以在通过光学元件1进行光学成像时同样出现了损耗。效率s典型地在0.7到0.5之间的范围中。 

根据照明强度E的关系，在给定的所需的照明强度E和给定的照明岛9的面积a的情况下，针对要由半导体芯片2发射的光通量Φ，可以根据照明岛9的数目N和根据效率s导出如下关系： 

$\mathrm{\Φ}\left(N\right)=\frac{E\·a\·N^2}{s}$

对于0.6的平均效率，在30lm的范围中的半导体芯片2的光通量Φ对例如图7中示出的要形成的图案是足够的。 

在图10中示意性示出了在形成图案时的一些几何特征量。要形成的图案8被光电子装置10例如以大约1m的距离d投影到对象11上。对象11例如是屏幕的类型或者要由图像记录设备记录的物体。图案8的投影关于圆柱体轴线A在具有大约20°的张角γ的范围中进行。要形成的图案8在对象11上具有大约35cm的半径h。 

在图11中示意性地示出了图像记录设备100的一个实施例。光电子装置10将射束S投影到对象11上。通过装置10在对象11上形成例如根据图7的要形成的图案8或者条形图案。传感器12记录射束S的被对象11漫射回的辐射S’，并且由此确定图像记录设备100的合适的焦点调节。 

在此所描述的本发明并不受到参照实施例的描述的限制。更确切地说，本发明包括任意新特征以及这些特征的任意组合，尤其是包括权利要 求中的特征的任意组合，即使该特征或者该组合本身并未明确地在权利要求或实施例中进行说明。 

本专利申请要求德国专利申请10 2007 062 038.3的优先权，其公开内容通过引用结合于此。 

Claims (15)

1.一种光电子装置(10)，具有光学元件(1)和适于产生电磁辐射的光电子半导体芯片(2)，其中光学元件(2)

-单件式地构建，

-包含两个彼此对置的辐射穿透面(34)，

-具有透镜装置(5)，该透镜装置带有多个彼此邻接的透镜区域(6)，

其中透镜装置(5)成形在辐射穿透面(34)之一中并且另外的辐射穿透面(34)平滑地实施，以及

其中透镜区域(6)设计并且布置为使得通过光学元件(1)的辐射以不同的圆柱形的波前和/或彼此分离的波前成形。

2.根据权利要求1所述的光电子装置(10)，其中透镜区域设计并且布置为使得在辐射穿过光学元件(1)之后，波前形成为使得这些波前相对于圆柱体轴线(A)具有不同的传播方向和/或不同的旋转角(α)。

3.根据权利要求1或2所述的光电子装置(10)，其中在半导体芯片(2)和朝着半导体芯片(2)的辐射穿透面(34)之间的距离(d)至少为半导体芯片(2)的平均直径(B)的三倍。

4.根据上述权利要求之一所述的光电子装置(10)，其中光学元件(1)构建为在半导体芯片(2)之前的附加元件。

5.根据上述权利要求之一所述的光电子装置(10)，其中辐射穿透面(34)平坦地实施。

6.根据上述权利要求之一所述的光电子装置(10)，其中透镜区域(6)具有不同的形状和不同的大小。

7.根据上述权利要求之一所述的光电子装置(10)，其中透镜区域(6)的布置格栅对应于借助辐射要形成的图案的格栅。

8.根据上述权利要求之一所述的光电子装置(10)，其中透镜区域(6)分别具有恰好一个折射面，并且两个透镜区域(6)的折射面具有不同的曲率变化和不同大小。

9.根据上述权利要求之一所述的光电子装置(10)，其具有恰好一个半导体芯片(2)和恰好一个光学元件(1)。

10.根据上述权利要求之一所述的光电子装置(10)，其没有要形成的图案的负模型或正模型。

11.根据上述权利要求之一所述的光电子装置(10)，其中在朝着光学元件(1)的芯片面(7)的俯视图中，半导体芯片(2)具有大于150μm×150μm并且小于400μm×400μm的面积。

12.根据上述权利要求之一所述的光电子装置(10)，其中由每个单个透镜区域(6)发射的辐射功率与平均值偏差最多25％。

13.根据上述权利要求之一所述的光电子装置(10)，其中透镜区域(6)的平均直径(L)大于朝着光学元件(1)的芯片面(7)的平均直径(D)的1.5倍并且小于其3倍。

14.根据上述权利要求之一所述的光电子装置(10)，其构建为产生用于图像记录没备的自动聚焦单元的参考图案。

15.一种图像记录设备，其具有根据上述权利要求之一所述的光学装置(10)和传感器(11)，其设计用于自动聚焦。

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