DE102004004772A1 - Optical element for directing an electromagnetic beam, consists of a base material which has a primary refractive index, and an inner region with a medium with a secondary refractive index - Google Patents
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Abstract
Description
Die Erfindung betrifft ein elektromagnetische Strahlung richtendes optisches Element nach dem Oberbegriff des Patentanspruch 1. Weiterhin bezieht sich die Erfindung auf ein elektromagnetische Strahlung emittierendes Bauelement mit einer Strahlungsquelle.The The invention relates to an electromagnetic radiation directing optical Element according to the preamble of claim 1. Furthermore relates the invention on an electromagnetic radiation emitting Component with a radiation source.
Als derartige optische Elemente sind z.B. Sammel- und Streulinsen sowie auf einer Ausnutzung von Totalreflexion basierende optische Elemente wie z.B. Umlenkungsprismen bekannt. Bei derartigen optischen Elementen kann eine zusätzliche Umlenkung von elektromagnetischer Strahlung z.B. durch eine entsprechende Strukturierung einer Strahleneintrittsfläche erreicht werden.When such optical elements are e.g. Collecting and scattering lenses as well optical elements based on utilization of total reflection such as. Reversing prisms known. In such optical elements can be an extra Deflection of electromagnetic radiation e.g. through an appropriate Structuring a radiation entrance surface can be achieved.
Es gibt jedoch Anwendungen, die eine derartige Strukturierung einer Strahleneintrittsfläche nicht zulassen oder weitestgehend unwirksam werden lassen. Dies ist beispielsweise der Fall, wenn die Strahleneintrittsfläche durch ein Material mit einem geeigneten Brechungsindex optisch an eine Strahlungsquelle, wie beispielsweise eine Leuchtdiode oder ein Leuchtdioden-Bauelement angekoppelt wird.It However, there are applications that such structuring a Radiation entrance face do not allow or be largely ineffective. This is for example the case when the radiation entrance surface through a material with a suitable refractive index optically to a Radiation source, such as a light emitting diode or a light emitting diode device is coupled.
Eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist, ein optisches Element bereitzustellen, mit dem eine für viele Anwendungen verbesserte Art der Umlenkung von elektromagnetischer Strahlung möglich ist. Eine weitere Aufgabe ist die Bereitstellung eines optischen Elementes, das, verglichen mit herkömmlichen optischen Elementen, bei einer verringerten Baugröße ver gleichbare optische Eigenschaften oder bei einer vergleichbaren Baugröße verbesserte strahlenformende Eigenschaften aufweist. Weiterhin soll ein elektromagnetische Strahlung emittierendes Bauelementes mit einem derartigen optischen Element geschaffen werden.A The object of the present invention is to provide an optical element with one for many applications improved type of deflection of electromagnetic Radiation possible is. Another object is to provide an optical Element that, compared to conventional optical elements, ver comparable at a reduced size optical properties or with a comparable size improved radiating Features. Furthermore, an electromagnetic radiation emitting device with such an optical element be created.
Diese Aufgaben werden durch ein optisches Element gemäß Anspruch 1 bzw. durch ein Bauelement gemäß Anspruch 17 gelöst. Vorteilhafte Ausführungsformen und bevorzugte Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand der abhängigen Patentansprüche.These Tasks are by an optical element according to claim 1 or by a Component according to claim 17 solved. Advantageous embodiments and preferred embodiments of the invention are the subject of dependent Claims.
Erfindungsgemäß weist das optische Element der eingangs genannten Art mindestens einen Innenbereich mit einem strahlungsdurchlässigen Innenmedium auf. Zum Zwecke eines internen Umlenkens zumindest eines Teils einer in das optische Element eingekoppelten elektromagnetischen Strahlung weist das Innenmedium einen von dem ersten Brechungsindex unterschiedlichen zweiten Brechungsindex auf und ist von dem Grundmaterial eingehüllt.According to the invention the optical element of the type mentioned at least one interior area with a radiolucent Internal medium on. For the purpose of internal diversion of at least one Part of an electromagnetic coupled into the optical element Radiation, the internal medium one of the first refractive index different second refractive index and is of the base material shrouded.
Durch das Innenmedium weist das optische Element neben den äußeren Grenzflächen im Inneren zusätzliche Grenzflächen auf, an denen ein Brechungsindexsprung stattfindet, so dass elektromagnetische Strahlung durch die Form des Innenbereiches effektiv intern umgelenkt werden kann. Dadurch lassen sich z.B. gewisse richtende Eigenschaften eines optischen Elementes auf engerem Raum als bei herkömmlichen optischen Elementen realisieren.By the inner medium has the optical element adjacent to the outer interfaces in Inner additional interfaces on, where a refractive index jump takes place, so that electromagnetic Radiation effectively deflected internally by the shape of the interior can be. This allows e.g. certain judging properties an optical element in a narrower space than in conventional realize optical elements.
Das optische Element weist bevorzugt eine Außenwand auf, die sich von einer Strahleneintrittsseite zu einer Strahlenaustrittsseite erstreckt. Die Außenwand weist eine derartige Form auf, dass ein Teil einer auf der Strahleneintrittsseite in das optische Element eingekoppelten Strahlung mittels Totalreflexion an der Außenwand in Richtung Strahlenaustrittsseite gelenkt wird. Dadurch kann eine Umlenkung durch das Innenmedium vorteilhafterweise mit einer Umlenkung an der Außenwand kombiniert werden, wodurch sich verbesserte richtende Eigenschaften erzielen lassen.The optical element preferably has an outer wall extending from a Beam entrance side extends to a radiation exit side. The outer wall has such a shape that a part of a on the beam entrance side in the optical element coupled radiation by total reflection on the outside wall is directed in the direction of the radiation exit side. This can be a Deflection by the internal medium advantageously with a deflection on the outside wall combined, resulting in improved straightening properties achieve.
Zweckmäßigerweise weist das optische Element auf der Strahleneintrittsseite eine Strahleneintrittsfläche und auf der Strahlenaustrittsseite eine Strahlenaustrittsfläche auf, wobei die Strahleneintrittsfläche in einer bevorzugten Ausführungsform kleiner ist als die Strahlenaustrittsfläche.Conveniently, the optical element has on the radiation entrance side a radiation entrance surface and on the radiation exit side on a radiation exit surface, wherein the radiation entrance surface smaller in a preferred embodiment is as the radiation exit surface.
Insbesondere ein derart ausgestaltetes optisches Element weist bevorzugt die Eigenschaft auf, eine Divergenz, die einer elektromagnetischen Strahlung zugeordnet ist, zu verringern.Especially such a configured optical element preferably has the Feature on, a divergence, that of electromagnetic radiation is assigned to decrease.
Mit Vorteil sind die Strahleneintrittsfläche und die Strahlenaustrittsfläche jeweils einer Haupterstreckungsebene zugeordnet, wobei die Haupterstreckungsebenen parallel zueinander sind, oder sind die Strahleneintrittsfläche und die Strahlenaustrittsfläche zumindest teilweise parallel zueinander.With Advantage are the radiation entrance surface and the radiation exit surface respectively associated with a main extension plane, the main extension planes are parallel to each other, or are the radiation entrance surface and the radiation exit surface at least partly parallel to each other.
Die Strahlenaustrittsfläche weist bevorzugt eine Strukturierung zum Umlenken von aus dem optischen Element austretender elektromagnetischer Strahlung auf.The Beam exit surface preferably has a structuring for deflecting from the optical Element exiting electromagnetic radiation.
Die Außenwand des optischen Elementes ist besonders bevorzugt zumindest teilweise paraboloidartig gekrümmt.The outer wall the optical element is particularly preferably at least partially curved paraboloid-like.
Zur Erzielung einer besonders effektiven Umlenkung durch das Innenmedium weist der Übergang von dem Grundmaterial zu dem Innenmedium besonders bevorzugt einen Brechungsindexsprung von mindestens 0,2 auf.to Achieving a particularly effective deflection by the internal medium indicates the transition from the base material to the inner medium, more preferably one Refractive index jump of at least 0.2.
Der zweite Brechungsindex des Innenmediums ist in einer vorteilhaften Ausführungsform kleiner als der erste Brechungsindex des Grundmaterials.The second refractive index of the inner medi In an advantageous embodiment, it is smaller than the first refractive index of the base material.
Mit den vorangehend genannten vorteilhaften und bevorzugten Merkmalen für das optische Element lassen sich insbesondere geringe Bauhöhen mit einer gleichzeitig guten Kollimierung erreichen. Unter einer „guten Kollimierung" ist in diesem Zusammenhang die Eigenschaft eines optischen Elementes zu verstehen, eine Divergenz eines Strahlenbündels signifikant zu verringern.With the aforementioned advantageous and preferred features for the optical element can be particularly low building heights achieve a good collimation at the same time. Under a "good Collimation "is in this context the property of an optical element understand to significantly reduce a divergence of a beam.
In einer besonders vorteilhaften Ausführungsform weist das optische Element mindestens zwei aus dem Grundmaterial gebildete Körper auf, von denen der Innenbereich eingehüllt ist. Der Innenbereich ist insbesondere von den Körpern umschlossen. Durch die mindestens zwei Körper aus dem Grundmaterial kann das optische Element auf einfache Weise hergestellt werden, indem das Innenmedium durch Zusammenfügen der Körper von diesen umhüllt wird.In a particularly advantageous embodiment, the optical Element at least two formed from the base material body, from which encased the interior is. The interior is enclosed in particular by the bodies. By the at least two bodies From the base material, the optical element in a simple manner be prepared by the internal medium by joining the body enveloped by these becomes.
Alternativ weist das optische Element bevorzugt einen einzigen aus dem Grundmaterial gebildeten Körper auf, von dem der Innenbereich eingehüllt ist, so dass der Innenbereich sich insbesondere im Inneren des Körpers befindet und von dem Körper umschlossen ist.alternative For example, the optical element preferably has a single one of the base material formed body on which the interior is wrapped, leaving the interior area is located in particular inside the body and of the Body enclosed is.
Zweckmäßigerweise weist das Grundmaterial Polycarbonat, Polymethylmethacrylat oder Glas auf.Conveniently, has the base material polycarbonate, polymethylmethacrylate or Glass on.
Der zweite Brechungsindex sowie eine Form des Innenbereichs sind bevorzugt derart ausgebildet und aufeinander abgestimmt, dass zumindest ein Teil einer auf der Strahleneintrittsseite in das optische Element eingekoppelten Strahlung durch das Innenmedium in Richtung Außenwand gelenkt wird. Besonders bevorzugt ist diese Abstimmung und Ausbildung des zweiten Brechungsindex und der Form des Innenbereiches derart, dass zumindest ein Teil der auf der Strahleneintrittsseite in das optische Element eingekoppelten und durch das Innenmedium in Richtung Außenwand gelenkten Strahlung an der Außenwand mittels Totalreflexion in Richtung Strahlenaustrittsseite gelenkt wird.Of the second refractive index and a shape of the inner region are preferred designed and coordinated so that at least one Part of one on the beam entrance side into the optical element coupled radiation through the inner medium in the direction of the outer wall is steered. Particularly preferred is this coordination and training the second refractive index and the shape of the inner area such that at least a part of the on the radiation entrance side into the optical element coupled and through the internal medium in the direction outer wall directed radiation on the outer wall directed by total reflection in the direction of the radiation exit side becomes.
Zusätzlich oder alternativ sind der zweite Brechungsindex und eine Form des Innenbereichs mit besonderem Vorteil derart ausgebildet und aufeinander abgestimmt, dass zumindest ein Teil einer durch die Strahleneintrittsseite in das optische Element eingekoppelten Strahlung durch das Innenmedium derart in Richtung Strahlenaustrittsseite gelenkt wird, dass ihr Ausfallswinkel auf der Strahlenaustrittsseite geringer ist als ihr Einfallswinkel auf der Strahleneintrittsseite. Der Einfalls- bzw. der Ausfallswinkel werden gegen eine Hauptein- bzw. Hauptabstrahlrichtung des optischen Elementes gemessen.Additionally or Alternatively, the second refractive index and a shape of the inner area with particular advantage designed and coordinated with each other, that at least a part of a through the beam entrance side in the optical element coupled radiation through the internal medium is directed in the direction of the radiation exit side that you Failure angle on the beam exit side is less than her Angle of incidence on the beam entrance side. The incidence or the angle of reflection are against a main input or main emission direction of the optical Element measured.
Bei einem Bauelement der eingangs genannten Art ist der Strahlungsquelle erfindungsgemäß in einer Abstrahlrichtung ein optisches Element gemäß der Erfindung nachgeordnet.at a component of the type mentioned is the radiation source according to the invention in one Radiation downstream of an optical element according to the invention.
Bevorzugt ist die Strahlungsquelle des Bauelements eine elektromagnetische Strahlung emittierende Diode (Lumineszenzdiode). Durch die Verwendung eines erfindungsgemäßen optischen Elementes in einem Bauelement kann eine Verkleinerung des Bauelementes erreicht werden, was insbesondere oft bei Bauelementen mit Lumineszenzdioden angestrebt ist.Prefers is the radiation source of the device an electromagnetic Radiation emitting diode (light emitting diode). By use an optical according to the invention Element in a component can be a reduction of the component be achieved, which is often the case with components with light-emitting diodes is sought.
Das optische Element ist besonders bevorzugt einer Fläche des Bauelementes in einer Abstrahlrichtung der Strahlungsquelle nachgeordnet, wobei in einem Spalt zwischen der Fläche und dem optischen Element ein Material angeordnet ist, mittels dem ein die Fläche bildendes Material optisch an das optische Element angekoppelt ist. Dies hat den Vorteil, dass Brechungsindexsprünge und damit verbundene Reflexionsverluste in einem Strahlengang des Bauelementes vermindert werden können.The optical element is particularly preferably a surface of the Subordinate element in a radiation direction of the radiation source, wherein in a gap between the surface and the optical element, a material is arranged by means of a the area forming material is optically coupled to the optical element. This has the advantage that refractive index jumps and associated reflection losses can be reduced in a beam path of the device.
In einer vorteilhaften Ausführungsform des Bauelementes ist die Fläche eine Strahlenaustrittsfläche oder eine Strahleneintrittsfläche eines optischen Wellenleiters.In an advantageous embodiment of the component is the surface a radiation exit surface or a radiation entrance surface an optical waveguide.
Weitere
Merkmale, Vorteile und Zweckmäßigkeiten
der Erfindung ergeben sich aus den im folgenden in Verbindung mit
den
In den Ausführungsbeispielen und Figuren sind gleiche oder gleich wirkende Bestandteile jeweils mit den gleichen Bezugs zeichen versehen. Die dargestellten Elemente der Figuren sind nicht als maßstabsgerecht anzusehen. Vielmehr können sie zum besseren Verständnis teilweise übertrieben groß dargestellt sein.In the embodiments and figures are the same or equivalent components respectively provided with the same reference characters. The illustrated elements The figures are not to scale to watch. Rather, you can for a better understanding partially exaggerated shown big be.
Das
in
Derartige
Leuchtdiodenstrahlenquellen
Der
Leuchtdiodenstrahlenquelle
Das
optische Element
Das
Grundmaterial ist für
eine von der Leuchtdiodenstrahlenquelle
Das
Innenmedium kann gasförmig,
flüssig oder
fest sein und ist ebenfalls für
eine von der Leuchtdiodenstrahlenquelle
Der
Innenbereich
Das
optische Element
Das
optische Element kann beispielsweise hergestellt werden, indem ein
festes Innenmedium, wie z.B. ein Glas, in die gewünschte Form
eines Innenbereiches gebracht und nachfolgend mit einem Grundmaterial
umformt wird, um den Grundkörper
Alternativ
ist es z.B. auch möglich,
dass zunächst
der Grundkörper
Das
in
Wie
in
Welche
Art von Strahlengang ein elektromagnetischer Strahl innerhalb des
optischen Elementes
Elektromagnetische
Strahlen eines ersten Strahlenkegels
Elektromagnetische
Strahlen, die einen geringeren Einfallswinkel als die Strahlen des
ersten Strahlenbündels
Strahlen
des zweiten Strahlenbündels
Die
elektromagnetischen Strahlen eines dritten Strahlenbündels
Somit
wird durch das optische Element
Das
in
Der
erste Grundkörper
Der erste und der zweite Grundkörper sind beispielsweise mit einem geeigneten strahlungsdurchlässigen Fügemittel, wie etwa Klebstoff, zusammengefügt. Dabei ist insbesondere darauf zu achten, dass das Fügemittel im wesentlichen einen gleichen Brechungsindex aufweist wie das Grundmaterial, aus dem die Grundkörper gebildet sind, um unerwünschte Reflexionen an Grenzflächen zwischen den Grundkörpern und dem Fügemittel zu vermeiden.Of the first and the second basic body are, for example, with a suitable radiation-permeable joining agent, like glue, put together. It is particularly important to ensure that the joining agent has substantially the same refractive index as the base material, from which the main body are formed to unwanted Reflections at interfaces between the basic bodies and the joining agent to avoid.
Die
Strahlenaustrittsfläche
Der
Schutzumfang der Erfindung ist nicht durch die Beschreibung der
Erfindung anhand der Ausführungsbeispiele
beschränkt.
Beispielsweise können
die optischen Elemente
Zudem ist es möglich, dass das Innenmedium einen größeren Brechungsindex aufweist als das Grundmaterial und dass der Innenbereich z.B. die Form einer Sammellinse aufweist. In so einem Fall können das Grundmaterial und das Innenmedium z.B. je ein Glas mit unterschiedlichem Brechungsindex aufweisen oder daraus bestehen. Das Glas für das Grundmaterial weist dann z.B. einen Brechungsindex von etwa 1,5 auf und das Glas für das Innenmedium einen Brechungsindex von etwa 1,8 oder 1,9.moreover Is it possible, that the internal medium has a larger refractive index as the base material and that the interior area e.g. form a converging lens. In such a case, the base material and the internal medium e.g. one glass each with different refractive index have or consist of. The glass for the base material then points e.g. a refractive index of about 1.5 and the glass for the internal medium a refractive index of about 1.8 or 1.9.
Unter die vorliegende Erfindung fallen neben dem elektromagnetische Strahlung emittierenden Bauelement auch Bauelemente, die zusätzlich oder alternativ elektromagnetische Strahlung empfangen, etwa um sie zu detektieren. In jedem Fall ist das optische Element bevorzugt in einem Strahlengang der Strahlung im Bauelelement angeordnet.Under the present invention is in addition to electromagnetic radiation emissive component also components that additionally or alternatively receive electromagnetic radiation, such as to detect it. In any case, the optical element is preferably in a beam path arranged the radiation in the component.
Die Erfindung umfasst jedes neue Merkmal sowie jede Kombination von Merkmalen, was insbesondere jede Kombination von Merkmalen in den Patentansprüchen beinhaltet, auch wenn diese Kombination nicht explizit in den Patentansprüchen angegeben ist.The Invention includes any novel feature as well as any combination of Characteristics, in particular any combination of features in the claims includes, even if this combination is not explicitly stated in the claims is.
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