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Die
Erfindung betrifft ein optoelektronisches Bauelement mit modifizierter
Abstrahlcharakteristik gemäß dem Oberbegriff
des Anspruchs 1, ein Verfahren zur Herstellung des erfindungsgemäßen optoelektronischen
Bauelementes gemäß dem Oberbegriff des
Anspruchs 9, ein Modul gemäß Anspruch
15 sowie Verwendungen des erfindungsgemäßen optoelektronischen Bauelementes
gemäß dem Oberbegriff der
Ansprüche
16 und 17.
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Aus
dem Stand der Technik sind zahlreiche Einsatzbereiche von LEDs (Light-Emitting
Diodes) bekannt, wie zum Beispiel die Funktionsanzeige von elektrischen
Schaltungen in dafür
vorgesehenen Sichtfenstern oder verschiedene Anwendungen in der
Beleuchtungstechnik.
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In
verschiedenen Anwendungsfällen
soll das von der LED emittierte Licht nicht von allen Seiten wahrzunehmen
sein. Vielmehr soll es entweder eine oder mehrere Vorzugsrichtungen
der Ausstrahlung geben, oder der von der Strahlung erfasste Raumwinkelbereich
soll selektiv reduziert werden. Insbesondere für den Fall, dass die durch
die von der LED emittierte Strahlung Trägerin von Informationen wie Warnsignalen
o.ä. ist,
ist es oft wünschenswert,
nur einen Betrachter, welcher sich in einem bestimmten Raumwinkel
bezüglich
der Informationsquelle befindet, mit Informationen zu versorgen.
Als ein Beispiel sei ein Anzeigesignal auf einer Anzeigetafel eines Verkäufers genannt,
welches für
den Kunden unsichtbar bleiben soll.
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Aus
dem Stand der Technik sind Lösungen bekannt,
in denen mechanische Blendenfilter vor die optischen Bauteile positioniert
werden. Der Betrachter sieht dann die Strahlung nur noch unter einem verengten Öffnungswinkel.
Ein solcher Blendenfilter ist oft ein zusätzliches Bauteil in Form eines
kleinen Röhrchens.
In Abhängigkeit
seines Querschnittdurchmessers und seiner Länge wird der einsehbare Winkelbereich
eingeschränkt.
Bei Schrägstellung
eines solchen Blendenfilters kann ein bestimmter Winkel zwischen
Abstrahlungsrichtung und Montageebene eingestellt werden. Die Durchlassöffnung von
im Stand der Technik verwendeten Blendenfiltern entspricht in der
Größenordnung
dem Durchmesser eines optischen Bauelementes, auf welchem eine LED integriert
ist. Solche Lösungen
zeichnen sich durch ihre Einfachheit aus, haben jedoch den Nachteil, dass
sie stets mit der Anbringung zusätzlicher
Bauteile verbunden sind. Bei der Integration einer großen Anzahl
von LEDs auf einem Träger
ist bei einem solchen Vorgehen eine Kunststoffmaske mit einer Vielzahl
von Blendenfiltern vorzusehen, welche nur mit erheblichem Aufwand
herzustellen ist und/oder eine geringe Flexibilität in der
Anordnung aufweist.
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In
der
DE 203 01 627
U1 wird ein optoelektronisches SMD-Bauelement offenbart, welches für nicht
axiale Anwendungen modifiziert ist. Es besteht aus einem Trägermaterial
und einem auf diesem leitend angeordneten SMD-Bauelement, welches
eine domartig ausgebildete transparente Verkappung aufweist. Durch
eine zwischen dem SMD-Bauelement und der domartigen Verkappung bestehenden
Versetzung wird eine Ablenkung des Strahlenkegels weg von der Hauptabstrahlungsrichtung
der LED erreicht.
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1 zeigt den Querschnitt
durch ein auf einer Trägerplatte 10 angeordnetes
optoelektronisches Bauelement, bei welchem eine Halbleiterdiode 12 und
eine darüber
angebrachte domartige Verkappung 14 exzentrisch zueinander
angeordnet sind. Dies bedeutet, dass der Mittelpunkt der zumeist
als Quader ausgeformten Halbleiterdiode 12 nicht auf der
Symmetrieachse der im Wesentlichen rotationssymmetrisch ausgeformten
domartigen Verkappung 14 angeordnet ist. Wie in 1 gezeigt, ist der Vektor 16,
der senkrecht auf der Halbleiterdiodenoberfläche steht, im Wesentlichen
parallel zur Symmetrieachse 18. Der Abstand zwischen beiden
Achsen 18 und 16 sei im Folgenden als Exzentrizität der Anordnung
bezeichnet und durch den Vektor 20 dargestellt. Dieser Vektor
steht normal auf dem Vektor 16 und zeigt zur Achse 18.
Die Abstrahlung parallel zum Vektor 16 wird durch die Anordnung
unterdrückt,
da in dieser Richtung entweder Totalreflektion auftritt und das Licht
nicht aus der domartigen Verkappung austreten kann oder durch die
Neigung der Grenzfläche Luft/Verkappungsmaterial
abgelenkt wird. Die Hauptabstrahlrichtung dieser Anordnung wird
durch den Vektor 21 angegeben und kann beispielsweise messtechnisch
erfasst werden.
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Trotz
der vorteilhaften Verlagerung des Strahlkegels ist es durch die
genannte Erfindung nicht möglich,
die Abstrahlung von Licht in störende Raumwinkelbereiche
vollkommen zu un terdrücken. 2 zeigt die durch die in 1 gezeigte Exzentrizität verursachte
modifizierte Abstrahlcharakteristik in einer Ebene, welche durch
den Vektor senkrecht zur Halbleiterdiodenoberfläche 16 und die Exzentrizität 20 aufgespannt
wird. Dabei wird die Intensität über dem
Winkel θ gemessen.
Der Winkel θ entspricht
bei Einführung
von Kugelkoordinaten dem Polarwinkel. Im Folgenden sei entsprechend
der Azimutwinkel ϕ einer gegebenen Abstrahlrichtung als der
Winkel definiert, welcher zwischen der Projektion der Abstrahlrichtung
auf die Ebene des Trägermaterials 10 und
der Exzentrizität 20 besteht.
Bei verschwindender Exzentrizität,
also bei einer symmetrischen Anordnung, kann der Ursprung des Azimutwinkels
beliebig gewählt
werden.
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Wie 2 zeigt, wird der Abstrahlkegel
verglichen zu einer symmetrischen Anordnung seitlich verschoben,
so dass ein Intensitätsmaximum 22 unter
einem Polarwinkel von ungefähr
45° auftritt.
Die Abstrahlcharakteristik weist jedoch auch einen Nebenpeak 24 oder
zumindest eine Restintensität
in einer ungewünschten
Richtung auf.
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In
der
DE 102 50 877
A1 ist ein optoelektronisches Bauelement offenbart, bei
welchem die Halbleiterdiode derart auf dem Trägermaterial montiert ist, dass
die Hauptabstrahlrichtung nicht senkrecht zu der durch das Trägermaterial
definierten Ebene steht, sondern in einer gewünschten Orientierung, typischerweise
in einem Bereich von 20° bis
etwa 70° zu
der Montageebene. Außerdem
weist die Verkappung einen Emissionsflächenabschnitt auf, welcher senkrecht
zur Hauptabstrahlrichtung der Halbleiterdiode steht. Durch diese
Anordnung nimmt ein Betrachter den Großteil der abge strahlten Leistung
unter dem eingestellten Winkel wahr, während die Abstrahlung in Axialrichtung
unterdrückt
ist. Nachteil einer solchen Anordnung ist der hohe verfahrenstechnische
Aufwand bei der Herstellung der geforderten Geometrie.
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Aufgabe
der Erfindung ist es, die Abstrahlcharakteristik eines optoelektronischen
Bauelementes so zu modifizieren, dass in bestimmte Raumwinkelbereiche
kein Licht emittiert wird, und dabei eine in dem Bauelement integrierte
Lösung
zu finden, welche einfach und kostengünstig herzustellen ist. Der
Grundgedanke der Erfindung soll dabei vorzugsweise bei einer SMD-LED
anzuwenden sein, aber auch prinzipiell bei anderen Bauformen einer
LED.
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Erfindungsgemäß wird diese
Aufgabe mittels einer Vorrichtung mit den im Anspruch 1 genannten Merkmalen
oder mittels eines Verfahrens mit den im Anspruch 9 genannten Merkmalen
gelöst.
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Die
Verkappung umfasst mindestens in einem Bereich eine die von der
Halbleiterdiode erzeugte Strahlung wenigstens teilweise absorbierende Schicht
derart, dass die Abstrahlung in einer. definierten Raumwinkelbereich
unterdrückt
ist. In diesen Raumwinkelbereich entsprechenden Richtungen wird
nunmehr ein stark gedämpftes
oder kein Licht emittiert. Durch die räumliche Anordnung der absorbierenden
Schicht wird bestimmt, welche störenden Bereiche
des Raumwinkels ausgeblendet werden. So ist in einer bevorzugten
Ausführungsform
vorgesehen, dass die wenigstens teilweise absorbierende Schicht
die Halbleiterdiode in Form eines ge schlossenen, ringförmigen Bandes
umgibt derart, dass die Abstrahlung nur in einen engen Raumwinkelbereich, welcher
die Richtung senkrecht zu der Halbieiterdiodenoberfläche einschließt, erfolgt.
Die absorbierende Schicht übernimmt
hier eine Blendenfunktion, welche eine Konzentration der Strahlung
in axialer Richtung ermöglicht.
Hier entfällt
die Notwendigkeit des Aufbringens einer externen Blende, welche
als zusätzliches
Bauteil kostenintensiv wäre.
Sinnvoll ist eine solche Anordnung vor allem in Fällen, in
denen keine seitliche Ablenkung des Abstrahlkegels erreicht werden
soll.
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In
einer weiteren bevorzugten Ausführungsform
ist vorgesehen, dass die wenigstens teilweise absorbierende Schicht
derart angeordnet ist, dass die Abstrahlung in einen definierten
Azimutwinkelbereich unterdrückt
ist. Typischerweise wird eine solche Ausführungsform verwendet, wenn
die Halbleiterdiode und die Verkappung exzentrisch zueinander angeordnet
sind. Die Exzentrizität
ermöglicht
eine seitliche Ablenkung des Abstrahlkegels, so dass bei der Verwendung
der oben genannten Definition des Azimutwinkels ein Intensitätsmaximum
unter ϕ = 180° auftritt.
Störstrahlung,
welche in einem Azimutwinkelbereich um ϕ = 0° auftritt,
wird durch die teilweise absorbierende Schicht eliminiert.
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Da
beim Austritt der von der Halbleiterdiode erzeugten elektromagnetischen
Strahlung ein Übergang
von einem optisch dichteren zu einem optisch dünneren Medium erfolgt, kann
eine Verschiebung des Abstrahlkegels auch dadurch erreicht werden, dass
die Verkappung eine Form aufweist derart, dass die Abstrahlung in
einen definierten Raumwinkel bereich unterdrückt ist. Dabei wird das Phänomen der Totalreflexion
ausgenutzt, bei welchem elektromagnetische Strahlen in dem optisch
dichteren Medium vollständig
reflektiert werden, wenn der Einfallswinkel der Strahlen größer als
der so genannte Grenzwinkel der Totalreflexion ist.
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In
bevorzugter Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass wenigstens
ein Abschnitt der Querschnittsoberfläche der Verkappung die Form
einer logarithmischen Spirale aufweist. Die Form einer logarithmischen
Spirale zeichnet sich dadurch aus, dass jede Gerade durch ihren
Pol die Spirale in allen Schnittpunkten unter demselben charakteristischen Winkel
schneidet. Dieser Winkel zwischen der Tangente und dem Strahl, der
diese schneidet, wird Tangentenwinkel genannt. Wenn der Tangentenwinkel der
logarithmischen Spirale größer als
der Grenzwinkel der Totalreflexion gewählt wird, so werden alle von
der Halbleiterdiode emittierten Strahlen zunächst an der entsprechenden
Grenzfläche
reflektiert und können
aus der Verkappung nur an den Stellen austreten, an denen die Querschnittsfläche eine
mit Bezug auf die Strahlrichtung flachere Orientierung aufweist.
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Um
ein erfindungsgemäßes optoelektronisches
Bauelement herzustellen, welches eine wenigstens teilweise absorbierende
Schicht aufweist, ist es vorgesehen, dass diese auf die Verkappung
aufgebracht oder in die Verkappung eingebracht wird. Die Verkappung
selbst entsteht im Herstellungsverfahren typischerweise durch ein
Spritzgießverfahren.
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In
bevorzugter Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass die
wenigstens teilweise absorbierende Schicht durch Lasermarkierung
in die Verkappung eingebracht wird. Die Schicht kann bei diesem
Verfahren unterhalb der Verkappungsoberfläche liegen, da die Fokalebene
des Lasers variiert werden kann. Die durch Lasermarkierung entstandene Schicht
liefert oft nicht mehr als eine Lichtminderung von etwa 80%, so
dass bei dem vorgestellten Verfahren nur partiell absorbierende
Schichten hergestellt werden.
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Weiter
ist bevorzugt, die teilweise absorbierende Schicht durch ein Dispensverfahren
auf die Oberfläche
der Verkappung aufzutragen. Bei einem solchen Herstellungsverfahren
werden selektiv die erforderlichen Bereiche auf der Verkappung angesteuert
und eine Flüssigkeit
mit Hohlnadeln appliziert. Als optisch dämpfendes Material wird vorzugsweise
eine Metallpartikel enthaltende Kleberdispersion verwendet, da diese
in sehr kleinen Mengen reproduzierbar und zielsicher auf die Verkappung
aufgebracht werden kann und gute Absorptionseigenschaften aufweist.
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Der
Auftrag des optisch dämpfenden
Materials in der Baugruppenfertigung der erfindungsgemäßen optoelektronischen
Bauelemente kann zudem durch ein Druckverfahren, insbesondere ein
Siebdruckverfahren, erfolgen. Hierbei wird eine stark absorbierende
Farbe auf einer ebenen Fläche
der Verkappung, welche durch einen Schnitt durch dieselbe entsteht,
aufgetragen.
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Die
Entscheidung über
die Anwendung eines speziellen Herstellungsverfahrens hängt sowohl
von der Anzahl von Dosierpunkten pro Einheitsfläche als auch von der Geometrie
der herzustellenden Verkappung ab.
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Weitere
bevorzugte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den übrigen,
in den Unteransprüchen
genannten Merkmalen.
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Die
Erfindung wird nachfolgend in einem Ausführungsbeispiel anhand der zugehörigen Zeichnungen
näher erläutert. Es
zeigen:
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1 einen
Querschnitt durch ein optoelektronisches Bauelement gemäß Stand
der Technik;
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2 eine
modifizierte Abstrahlcharakteristik eines optoelektronischen Bauelementes
gemäß Stand
der Technik;
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3 einen
Querschnitt durch ein auf einer Trägerplatte angeordnetes optoelektronisches
Bauelement, bei welchem eine optisch dämpfende Schicht auf der Seitenfläche einer
domartigen Verkappung angebracht ist;
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4 eine
modifizierte Abstrahlcharakteristik des erfindungsgemäßen optoelektronischen
Bauelementes;
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5 einen
Querschnitt durch ein auf einer Trägerplatte angeordnetes optoelektronisches
Bauelement, bei welchem eine optisch dämpfende Schicht auf einem seitlichen
Schnitt in der domartigen Verkappung aufgedruckt ist;
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6 einen
Querschnitt durch ein auf einer Trägerplatte angeordnetes optoelektronisches
Bauelement, bei welchem eine optisch dämpfende Schicht in Form eines
geschlossenen, ringförmigen
Bandes auf der Verkappung angebracht ist und
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7 einen
Querschnitt durch ein auf einer Trägerplatte angeordnetes optoelektronisches
Bauelement, bei welchem ein Abschnitt der Querschnittsoberfläche der
Verkappung die Form einer logarithmischen Spirale aufweist.
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Wie
bereits in der Beschreibungseinleitung im Abschnitt zur Erläuterung
des Standes der Technik aufgeführt,
zeigt 1 einen Querschnitt durch ein optoelektronisches
Bauelement gemäß Stand
der Technik und 2 eine modifizierte Abstrahlcharakteristik
eines optoelektronischen Bauelementes ebenfalls gemäß Stand
der Technik.
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3 zeigt
einen Querschnitt durch ein auf einer Trägerplatte 10 angeordnetes
optoelektronisches Bauelement (Grundfläche des Bauelementes in der
Größenordnung
3,2 1,6 mm), bei welchem eine optisch dämpfende Schicht 26 auf
der Seitenfläche einer
domartigen Verkappung 14 aufgebracht ist. Eine elektromagnetische
Strahlungen emittierende Halbleiterdiode 12 mit einer Kantenlänge von
etwa 250 μm
ist leitend auf der Trägerplatte 10 angeordnet,
wobei der Mittelpunkt der Halbleiterdiode 12 versetzt von
der Symmetrieachse der Verkappung 14 positioniert ist (vergleiche 1).
Die Verkappung weist die Form einer Halbkugel mit einem Radius von 1,5
mm auf und besteht aus einem Kunststoff mit einem Brechungsindex
von etwa 1,5. Durch die exzentrische Anordnung der Halbleiterdiode
tritt der überwiegende
Teil der Strahlung in einer durch den Pfeil 28 angedeuteten
Richtung aus der Verkappung aus, während Streustrahlung in der
Richtung 30 von der optisch dämpfenden Schicht 26 absorbiert
wird.
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4 zeigt
die modifizierte Abstrahlcharakteristik des in 3 dargestellten
optoelektronischen Bauelementes. Sie weist ein Intensitätsmaximum 22 unter
einem durch die Exzentrizität
bestimmten Winkel auf. Durch die optisch dämpfende Schicht 26 wird der
in 2 auftretende Nebenpeak eliminiert.
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5 zeigt
ein weiteres Ausführungsbeispiel des
erfindungsgemäßen optoelektronischen
Bauelementes, bei welchem die optisch dämpfende Schicht 26 auf
einem seitlichen Schnitt in der domartigen Verkappung aufgedruckt
ist.
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6 zeigt
den Querschnitt durch ein auf einer Trägerplatte 10 angeordnetes
optoelektronisches Bauelement, bei welchem eine optisch dämpfende Schicht 26 in
Form eines geschlossenen, ringförmigen
Bandes auf der Verkappung angebracht ist. Die Halbleiterdiode 12 und
die Verkappung 14 weisen keine Exzentrizität auf, sondern
sind symmetrisch zueinander angeordnet, so dass ein Intensitätsmaximum
in einer Richtung 16 senkrecht zu der Halbleiterdiodenoberfläche zu beobachten
ist. Die optisch dämpfende
Schicht wirkt in diesem Ausführungsbeispiel
als Blende, welche Strahlung nur in einem engen Polarwinkelbereich Δθ passieren
lässt.
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7 zeigt
den Querschnitt durch ein auf einer Trägerplatte 10 angeordnetes
optoelektronisches Bauelement, bei welchem ein erster Abschnitt
der Querschnittsoberfläche
der Verkappung 32 die Form einer logarithmischen Spirale
aufweist, während
ein zweiter Abschnitt der Querschnittsoberfläche der Verkappung 34 die
Form eines Halbkreises aufweist, wobei der Pol der logarithmischen
Spirale, der Mittelpunkt des Halbkreises sowie ein Randpunkt auf
der Oberfläche
der Halbleiterdiode 38 im Wesentlichen räumlich zusammenfallen.
Für die
gewünschte
Unterdrückung
der Abstrahlung in einem ausgedehnten Raumwinkelbereich ist es vorteilhaft,
dass der gezeigte Querschnitt in einem Azimutwinkelbereich bis zu
180° rotationssymmetrisch
fortgesetzt ist, wobei die Rotationsachse senkrecht zur Halbleiterdiodenoberfläche angeordnet
ist und durch den Randpunkt 38 verläuft.
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Die
Form einer logarithmischen Spirale zeichnet sich dadurch aus, dass
jede Gerade durch ihren Pol 38 die Spirale in allen Schnittpunkten
unter demselben charakteristischen Winkel, dem Tangentenwinkel,
schneidet. Die in 7 dargestellte logarithmische
Spirale hat einen Tangentenwinkel von 45°, welcher somit geringfügig größer ist
als der Grenzwinkel der Totalreflexion, welcher bei einem typischen
Verkappungsmaterial wie Kunststoff etwa 42° beträgt. Die gewünschte Ablenkung des Abstrahlkegels
wird dadurch ermöglicht,
dass alle von der Halbleiterdiode ausgehenden Strahlen auf die Grenzfläche zwischen
dem Verkappungsmaterial und der angrenzenden Luft im Bereich 32 unter
einem Winkel fallen, der größer ist
als der Tangentenwinkel. Alle von der Halbleiterdiode 12 emittierten Strahlen
werden zunächst
an der entsprechenden Grenzfläche
reflektiert und können
aus der Verkappung nur an Stellen austreten, an denen die Querschnittsfläche eine
mit Bezug auf die Strahlrichtung flachere Orientierung aufweist.
Dies sei exemplarisch an den drei charakteristischen Strahlengängen 36a, b,
c verdeutlicht: Ein Strahl 36a, welcher in die gewünschte Richtung
emittiert wird, trifft senkrecht auf die Grenzfläche im Bereich 34 und
wird mit minimalem Verlust transmittiert. Ein Strahl 36b,
welcher in einer Richtung emittiert wird, welche ausgeblendet werden
soll, wird totalreflektiert und trifft nach einer Umlenkung um etwa
90° auf
die Grenzfläche
im Bereich 34, wo er zumindest teilweise transmittiert
wird. Ein Strahl 36c, welcher auch nach seiner Umlenkung um
etwa 90° wieder
auf einen Punkt im Bereich 32 trifft, wird ein zweites
Mal totalreflektiert, da sein Einfallswinkel auf der Grenzfläche größer ist
als der Tangentenwinkel. Er kann somit das optoelektronische Bauelement
nur durch die Grenzfläche
von Bereich 34 verlassen.
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- 10
- Trägermaterial
- 12
- Halbleiterdiode
- 14
- Verkappung
- 16
- Vektor
senkrecht zur Halbleiterdiodenoberfläche
- 18
- Symmetrieachse
der Verkappung
- 20
- Exzentrizität
- 21
- Hauptabstrahlrichtung
der Anordnung
- 22
- Maximum
des Abstrahlkegels
- 24
- Nebenmaximum/Restintensität
- 26
- optisch
dämpfende
Schicht
- 28
- Richtung
der maximal abgestrahlten Strahlungs
-
- intensität
- 30
- Richtung
der absorbierten Reststrahlung
- 32
- erster
Bereich der Querschnittsoberfläche/loga
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- rithmische
Spirale
- 34
- zweiter
Bereich der Querschnittsoberfläche/Halb
-
- kreis
- 36a,
b, c
- charakteristische
Strahlengänge
- 38
- Randpunkt
auf der Oberfläche
der Halbleiter
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- diode/Pol
der logarithmischen Spirale