DE102012106290B4

DE102012106290B4 - Beleuchtungs- oder Lichtempfangseinrichtung sowie Verfahren zu ihrer Herstellung

Info

Publication number: DE102012106290B4
Application number: DE102012106290.0A
Authority: DE
Inventors: Robert Hettler; Frank Gindele; Edgar Pawlowski
Original assignee: Schott AG
Current assignee: Schott AG
Priority date: 2012-07-12
Filing date: 2012-07-12
Publication date: 2017-11-09
Anticipated expiration: 2032-07-13
Also published as: DE102012106290A1; WO2014009062A1

Abstract

Verfahren zur Herstellung einer Beleuchtungs- oder Lichtempfangseinrichtung, die aus ein oder mehreren Stablinsen und ein oder mehreren optischen Elementen aufgebaut ist, mit folgenden Schritten: a) Bereitstellen eines Einschmelzglaskörpers (1) mit relativ niedriger Schmelztemperatur (Tg1) und vorgegebenem Wärmeausdehnungskoeffizienten (CTE1); b) Bereitstellen eines Halters, der entweder aus einem Halterglaskörper (2) mit gegenüber Einschmelzglas höherer Schmelztemperatur (Tg2) und mit einem Wärmeausdehnungskoeffizienten (CTE2) nahe dem Wärmeausdehnungskoeffizienten (CTE1) des Einschmelzglases, oder aus einem Haltermetallkörper (3) mit gegenüber Einschmelzglas höherer Schmelztemperatur und mit einem Wärmeausdehnungskoeffizienten auch abweichend von dem des Glases besteht; c) Bereitstellen und Einfügen wenigstens eines aktiven optischen Elements (6) in einen Raum zwischen einem zweiteiligen Einschmelzglaskörper (1) oder zwischen einem Einschmelzglaskörper (1) und einem Halterglaskörper (2), oder in einen Raum innerhalb oder am Rande des Halterglaskörpers (2), d) Zusammenbringen des Einschmelzglaskörpers (1) mit dem Halter, um eine gewisse mechanische Halterung des Einschmelzglaskörpers (1) am Halter zu gewährleisten, wobei wenigstens ein Abschnitt (11) des Einschmelzglaskörpers (1) den Halter überragt; e) Aufschmelzen des Einschmelzglaskörpers (1) bei solcher Temperatur, dass der den Halter überragende Abschnitt (11) des Einschmelzglaskörpers (1) sich zu einer Kalotte mit teilweise sphärischer, oder angenähert sphärischer Oberfläche verformt und ein Linsenelement (10) bildet, während der Halter formstabil bleibt; f) hermetisches Verschließen des Raumes, in dem das wenigstens eine aktive optische Element enthalten ist, und g) Erkalten lassen der so hergestellten Beleuchtungs- oder Lichtempfangseinrichtung.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Beleuchtungs- oder Lichtempfangseinrichtung mit wenigstens einem aktiven optischen Element in Verbindung mit einer Optik, sowie auf das Verfahren zur Herstellung der Beleuchtungs- oder Lichtempfangseinrichtung. Unter einem aktiven optischen Element werden in dieser Anmeldung LEDs, OLEDs und Laser, aber auch Photodetektoren und photovoltaische Wandler sowie Konverter und Filter verstanden.
Aus der US 2006/0226336 A1 ist eine Vorrichtung zur Sammlung von Licht und dessen Nachweis bekannt, bei denen als Cluster bezeichnete kegelstumpfförmige optische Elemente aus einem opaken Material und einer transparenten Linse vorgesehen sind, die ein Licht emittierendes Element an der kleinen Basis des Kegelstumpfes umgeben. Die transparente Linse ist auf der Oberseite des jeweiligen Clusters positioniert, um an den Kanten der Linse austretendes Licht einem optischen Sensor zuzuführen. Das Licht emittierende Element jeden Clusters sitzt in einem unten offenen Hohlraum des jeweiligen Clusters.
Die US 5 963 349 A zeigt ein bidirektionales Data-Link mit zwei optischen Kopplern und einer dazwischen angeordneten optischen Faser. Jeder optische Koppler besteht aus einem Glaskeil und einer sich daran anschließenden Glasstange mit halbkreisförmigem Querschnitt und mit Linsenausbildung an der Stirnseite. An der Schrägseite des Glaskeils befindet sich eine ebene Fläch, hinter der eine LED und ein optischer Detektor angeordnet sind.
Aus US 2002/0079506 A1 ist eine Licht emittierende Vorrichtung mit einem Halbleiter und fluoreszierenden Material bekannt, bei dem der Halbleiter um seine Stromzuführungen durch Umgießen mit Kunstharz geschützt sind. Der Kunstharzkörper kann die Form einer Stablinse annehmen.
Die US 2005/0161771 A1 zeigt eine Licht emittierende Vorrichtung mit einer LED, die auf einer Unterlage sitzt und an Leitungen angeschlossen ist, wobei der Leitungsanschluss und die Unterlage von einer Glaslinse umschlossen und abgedichtet werden, die aus zwei Glaskörpern durch Pressformen hergestellt worden ist.
Aus US 2008/0068845 A1 ist eine Licht emittierende Vorrichtung mit einer LED bekannt geworden, die auf einer Unterlage an Leitungen angeschlossen und von einem ersten Glaskörper einer Schmelztemperatur T_g = 485°C abgedichtet wird, auf dem ein zweiter Glaskörper einer Schmelztemperatur T_g = 560°C angebracht ist, der die Form einer Linse aufweist.
Bei Beleuchtungs- oder Lichtempfangseinrichtungen besteht das Problem, Licht, wozu auch Infrarotstrahlung gehört, bei Abbildungsvorgängen zu kollimieren, oder bei anderen Anwendungen möglichst verlustfrei zu konvertieren. Eine weitere Problematik besteht in dem hermetisch dichten Einschluss der optisch aktiven Elemente in dem jeweiligen Gerät.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Beleuchtungs- oder Lichtempfangseinrichtung mit wenigstens einem aktiven optischen Element in Verbindung mit einer Optik zu schaffen, bei der das wenigstens eine aktive optische Element hermetisch eingeschlossen ist und die Lichtführung hinsichtlich Fokussierung, Kollimierung oder Abbildung sowie eine Lichtkonversion verlustarm durchgeführt werden kann.
Die gestellte Aufgabe wird aufgrund der unabhängigen Ansprüche gelöst.
Um einen hermetischen Einschluß von Filtern, Konvertern, Photodetektoren, photovoltaische Wandler, LEDs, OLEDs oder Lasern in einer Optik zu erzielen, wird ein solches aktives optisches Element weitgehend in Glas eingeschlossen, und zwar während eine Stablinse als Teil der Optik hergestellt wird. Das aktive optische Element wird bei der Herstellung der Stablinse in diese integriert und dadurch hermetisch eingeschlossen.
Im Einzelnen benutzt man einen Halter aus einem Halterglas oder einem Haltermetall, um durch Aufschmelzen von Einschmelzglas ein Linsenelement der Stablinse zu erzeugen. Einschmelzglas hat gegenüber Halterglas oder Haltermetall eine niedrigere Schmelztemperatur, jedoch ungefähr den gleichen Wärmeausdehnungskoeffizienten. Indem ein Abschnitt des Einschmelzglases den Halter aus Halterglas oder Haltermetall überragt, bildet sich an der freien Oberfläche beim Aufschmelzen infolge der Oberflächenspannung eine sphärische Kalotte, die nach Abkühlung das Linsenelement der Stablinse ergibt. Das Lichtleitelement der Stablinse wird durch Einschmelzglas oder Halterglas gebildet. Die durch Oberflächenspannungseffekte gebildete sphärische Oberfläche ist feuerpoliert und damit von hoher Güte. Die Oberflächenspannungseffekte und Grenzflächenspannungen sind abhängig von den Glasmaterialeigenschaften, der verwendeten Atmosphäre und/oder der Metalloberfläche im Falle eines metallischen Halters. So kann während der Herstellung einer Stablinse die Grenzflächenspannung von flüssigem Einschmelzglas zur Formgebung der Stablinse beeinflusst werden, indem das flüssige Einschmelzglas einer Atmosphäre mit einer Gaszusammensetzung zur Beeinflussung der Oberflächenspannung des flüssigen Einschmelzglases ausgesetzt wird. Die Oberflächenspannung hängt auch von der Temperatur der Atmosphäre ab. Somit kann die Oberflächenspannung erhöht oder erniedrigt werden. Je höher die Oberflächenspannung dabei ist, desto kugelähnlicher wird die erzeugte Kalotte. Im Allgemeinen wird der Atmosphäre, die zum Beispiel durch Herstellungsbedingungen, insbesondere in einem Ofen, vorgegeben ist, das Gas zur Beeinflussung der Oberflächenspannung zugesetzt.
Im Falle von Einschmelzglas ist das aktive optische Element zwischen ursprünglich zwei aufeinander sitzenden Teilen des Einschmelzglases gelegen, die durch den Aufschmelzvorgang miteinander verschmelzen, während bei Halterglas als Lichtleitelement das aktive optische Element zwischen Einschmelzglas und dem Halterglas eingefangen ist. Es ist jedoch auch möglich, das aktive optische Element in einer Randzone des Halterglases unterzubringen und dort hermetisch einzuschließen. Diese Art der „Verpackung” hat vor allem den Vorteil, dass in Anschluß an das aktive optische Element ein Kühlkörper angebracht werden kann, über den im aktiven optischen Element erzeugte Wärme abgeführt wird.
Weitere Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der Beschreibung nachfolgender Ausführungsbeispiele und aus den angefügten Ansprüchen.
Es zeigen:
1: den Einschluß eines aktiven optischen Elements in eine aus zwei Gläsern unterschiedlichen Typs aufgebaute Stablinse,
2: eine weitere Möglichkeit des Einschlusses des aktiven optischen Elements in eine Stablinse,
3: die Herstellung einer Stablinse aus Glas und einem metallischen Halter mit Einschluß eines aktiven optischen Elements,
4: ein Einschlußverfahren des aktiven optischen Elements ähnlich zu 1, jedoch mit einer Gehäusekappe,
5: eine Abwandlung der hergestellten Stablinse zu 4,
6: die Herstellung einer Stablinse mit Gehäuse und an der Unterseite angebrachtem aktivem optischem Element,
7: eine Variante zu 6,
8: eine Leuchteinheit mit LED, OLED oder Laser,
9: eine abgewandelte Leuchteinheit,
10: eine Leuchteinheit mit LED, OLED oder Laser und Konverter,
11: eine abgewandelte Leuchteinheit zu 10,
12: eine weitere Leuchteinheit mit LED, OLED oder Laser und Konverter sowie mit Kantenfilter,
13: eine Variante zu 12,
14: eine weitere Variante zu 12,
15: eine weitere Variante zu 12,
16: eine weitere Variante mit Lichtleitfaser,
17: eine weitere Variante zu 16 und
18: eine Matrixanordnung mit Stablinsen und Konvertern mit metallischen Haltern und Leuchteinheit.
1 zeigt den Einschluß eines Konverters 6 (oder ganz allgemein eines aktiven optischen Elementes) in Glas während der Herstellung einer Stablinse. Ein Einschmelzglas 1 mit relativ niedriger Schmelztemperatur T_g1 und einem vorgegebenen Wärmeausdehnungskoeffizienten C_TE1 deckt den Konverter 6 über einem massiven Glaskörper aus Halterglas 2 ab, das gegenüber Einschmelzglas eine höhere Schmelztemperatur T_g2, jedoch einen Wärmeausdehnungskoeffizienten C_TE2 nahe dem Wärmeausdehnungskoeffizienten des Einschmelzglases besitzt. Der massive Glaskörper des Halterglases 2 bildet einen Halter für den Glaskörper des Einschmelzglases. Wenn die übereinander geschichteten Glaskörper über die Schmelztemperatur des Einschmelzglases erhitzt werden, ohne dass die Schmelztemperatur des Halterglases 2 erreicht wird, schmilzt das Einschmelzglas und bildet eine sphärische Kalotte, wobei gleichzeitig der Konverter 6 zwischen den beiden Glastypen hermetisch eingeschlossen wird. Die sphärische Glaskalotte stellt ein Linsenelement 10 und das Halterglas 2 ein Lichtleitelement 20 einer Stablinse dar.
Die Ausdrücke „nahe” oder „ähnlich” im Zusammenhang mit dem Wärmeausdehnungskoeffizienten C_TE1 zu C_TE2 oder zu C_TE3 bedeuten, dass die Wärmeausdehnung in den Körpern des Einschmelzglases 1 und des Halterglases 2 beziehungsweise des Haltermetalls 3 bei den praktischen Durchmesserabmessungen von 1 bis 10 mm der Zwischenprodukt-Stablinsen nicht zu Verzerrungen im Glas der hergestellten Beleuchtungs- oder Lichtempfangseinrichtung führen, die als nicht tolerierbar anzusehen sind.
2 stellt eine weitere Möglichkeit des Einschlusses des Konverters 6 (oder ganz allgemein eines aktiven optischen Elementes) im Glas dar. Das Einschmelzglas 1 ist zweigeteilt mit dem Konverter 6 zwischen beiden Glasteilen. Das Halterglas 2 bildet einen Ring, der das Einschmelzglas 1 und den Konverter 6 haltert. Bei ausreichender Temperaturerhöhung schmilzt das Einschmelzglas 1 und hüllt den Konverter 6 ein. Gleichzeitig bildet sich an der freien Oberfläche eine sphärische Kalotte aus. Das Produkt stellt eine Stablinse mit einem Linsenelement 10 und einem Lichtleitelement 20 dar, zwischen denen der Konverter 6 hermetisch eingeschlossen ist.
3 zeigt den Einschluß eines Konverters 6 (oder ganz allgemein eines aktiven optischen Elementes) in eine mit Gehäuse 30 versehene Stablinse während deren Herstellung. Es wird Einschmelzglas 1 in zwei Teilen und ein Halter 3 aus Metall verwendet. Das Metall hat eine höhere Schmelztemperatur T_g3 gegenüber der Schmelztemperatur T_g1 des Einschmelzglases 1, jedoch einen ähnlichen Wärmeausdehnungskoeffizienten C_TE3 zu dem des Einschmelzglases. Das Einschmelzglas 1 ragt mit einem Abschnitt 11 über den rohrförmigen Halter 3 hinaus, wenn beide auf dem Boden eines Tiegels 5 aufsitzen. Durch Temperaturerhöhung wird das Einschmelzglas aufgeschmolzen und an der Luft oder in Gas entsteht an der freien Oberfläche in Folge der Oberflächenspannung eine sphärische Kalotte, die nach Erkalten ein Linsenelement 10 ausmacht. Innerhalb des rohrförmigen Gehäuses 30 bildet sich das Lichtleitelement 20, welches den Konverter 6 einschließt.
Das Verfahren nach 4 ist ähnlich zu dem nach 1, es wird jedoch eine Kappe 4 als Gehäuse oder Gehäuseteil der Stablinse angebracht. Zu diesem Zweck klemmen im Ausgangszustand das Einschmelzglas 1 und das Halterglas 2 radiale Fortsätze 41 der Kappe 4 ein und werden mit Aufschmelzen des Einschmelzglases in der Grenzschicht zwischen Einschmelzglas und Halterglas eingeschmolzen und damit fest verankert.
5 zeigt eine Abwandlung des Verfahrens nach 4. Das Halterglas 2 hat die Form eines Kegelstumpfs oder eines Pyramidenstumpfes mit der kleineren Basisfläche unten. Dadurch wird dem Lichtleitelement 20 eine fokussierende Wirkung erteilt. Die Kappe 4 bildet wiederum das Gehäuse der Stablinse mit dem hermetisch eingeschlossenen Konverter 6.
6 zeigt eine Abwandlung zu 4. Der Konverter 6 befindet sich jedoch an der Unterseite des Halterglases 2, an der auch ein Glasplättchen 12 von Einschmelzglas sitzt. Bei entsprechender Temperaturerhöhung schmelzen das Einschmelzglas 1 und das Glasplättchen 12, wobei Letzteres gegen die Unterseite des Halterglases 2 gedrückt wird, um dort anzuhaften. Es entsteht eine Stablinse mit versiegeltem Konverter 6 und einem Gehäuse 4.
7 zeigt eine Abwandlung zu 6 dahingehend, dass der Glaskörper des Halterglases 2 kegelförmig oder pyramidenförmig, mit der Basisseite unten, ausgebildet ist.
8 zeigt eine Leuchteinheit aus einer Stablinse gemäß 6 und einer LED 7 oder einem Laser an der dem Linsenelement 10 entgegen gesetzten Seite der Stablinse. Die LED 7 oder der Laser stellen das zweite aktive optische Element der Beleuchtungseinrichtung dar, welches nicht unbedingt hermetisch verschlossen angebracht werden braucht.
9 zeigt eine der 8 entsprechenden Ausbildung der Beleuchtungseinrichtung, jedoch mit einem konischen oder pyramidenförmigen Lichtleitelement 20.
Bei der Ausführungsform nach 10 weist das Lichtleitelement 20 eine zwischen Unterseite und Seitenfläche angeordnete Schrägfläche 26 auf, an der der Konverter 6 angebracht ist. Ein Kühlkörper 16 deckt den Konverter 6 ab und führt Wärme während dessen Betrieb ab. Die LED 7 oder der Laser ist auf der Seite des Lichtleitelements 20 gegenüber der Schrägfläche 26 im Schutze des Kappengehäuses 4 angeordnet, um den Konverter 6 anzuregen, wie dargestellt. Konvertiertes Licht wird mit dem Linsenelement 10 abgegeben.
11 entspricht der Ausführungsform nach 10, jedoch mit einem Lichtleitelement 20 in einer Art Kegelstumpfform oder Pyramidenstumpfform mit Lichtsammelansatz 27.
12 stellt eine Leuchteinheit mit einer LED 7 oder einem Laser, einem Konverter 6 und einem Kantenfilter 8 dar. Der Kantenfilter 8 ist im Sinne des aktiven optischen Elements in das Lichtleitelement 20 integriert. Der Konverter 6 kann ebenfalls integriert werden, falls erwünscht. Teile der inneren oder äußeren Oberflächen können durch Sputtern, PVD, PICVD, CVD, SolGel und andere Verfahren beschichtet werden um, je nach Bedarf, Spiegeleffekte zu erhöhen oder zu erniedrigen.
Die Ausführungsform nach 13 zeigt die gleichen Merkmale wie 12, jedoch ist das Lichtleitelement 20 kegelförmig oder pyramidenförmig ausgebildet.
14 zeigt eine Kombination der Ausführungsformen nach 10 und 12. Die LED 7 oder der Laser ist an dem Kappengehäuse 4 befestigt und erregt den Konverter 6, der wiederum den Kantenfilter 8 beaufschlagt. Statt der gezeigten Anordnung des Konverters 6 am Eintritt des Lichtleitelementes 20 kann der Konverter 6 auch nach dem Muster der 10 oder 11 direkt auf der Innenseite des Kühlkörpers 16 angebracht werden. Die Anordnung so oder so eignet sich besonders gut dazu, weißes Licht zu erzeugen.
15 schließlich zeigt eine Abwandlung zu der Ausführungsform nach 14, wobei das Lichtleitelement 20 konisch oder pyramidenförmig mit Lichtsammelansatz 27 ausgebildet ist. Hier wie dort können innere und äußere Oberflächen zur Erhöhung oder Erniedrigung der Reflektivität beschichtet werden.
16 zeigt eine Abwandlung der Ausführungsform nach 12. Eine Lichtleitfaser 31 führt durch das Gehäuse 30 zu dem Konverter 6 und führt das Licht der LED 7 oder des Lasers zu. Die Anordnung eignet sich besonders gut dazu, die Wärme der Lichtquelle von dem Konverter zu entkoppeln.
17 zeigt eine Abwandlung zu der Ausführungsform nach 14 oder 15, wobei das Lichtleitelement 20 konisch oder pyramidenförmig mit Lichtsammelansatz 27 ausgebildet sein kann. Hier wie dort können innere und äußere Oberflächen zur Erhöhung oder Erniedrigung der Reflektivität beschichtet werden. Eine Lichtleitfaser 31 ist an dem Gehäuse 30 befestigt und das zugeführte Licht der LED 7 oder des Lasers erregt den Konverter 6. Auch diese Anordnung eignet sich besonders gut dazu, die Wärme der Lichtquelle von dem Konverter zu entkoppeln. Zusätzlich kann der Konverter in beiden alternativen Anordnungen gekühlt werden. Das transmittierte Licht vom Konverter 6 oder vom Filter 8 kann über eine Spiegelschicht 33 zurückreflektiert werden. Eine Schicht 34, die ein Bandpassfilter oder eine Entspiegelungsschicht sein kann, kann die Transmission weiter verbessern.
18 schließlich zeigt eine Matrixanordnung von Stablinsen mit metallischem Haltergehäuse 30 und jeweils zwei konkav-konvexen Glaskörpern sowie mit einem konvexen Konverter 6 oder einem Filter 8 dazwischen. Die Matrixanordnung ist auf einem Wafer 23 gebondet, der optisch aktive Elemente enthält, die Solarzellen, Phototektoren, CCD- oder CMOS Sensoren, LEDs 7 oder Laser darstellen können. Der Zwischenraum 40 zwischen Optik und aktiven Element ist mit einem Polymer, einem Glas, einer Flüssigkeit und/oder einem Komposit gefüllt.
Die gezeigten Anordnungen können auch als Lichtempfangseinrichtung ausgebildet werden, wenn die Konverter oder die LED/Laser durch einen Photoempfänger beziehungsweise einem photovoltaischen Wandler ersetzt werden.
Der Konverter kann mit Leuchtstoffen aufgebaut sein, die herkömmlich auch als „Phosphore” bezeichnet werden. Die Leuchtstoffe können unterschiedliche spektrale Emissionsspektren zeigen und bestehen bevorzugt aus anorganischen Lumineszenzmaterialien (z. B. Mikrokristalle, Nanokristalle und/oder Quantumdots), die bei bestimmten Wellenlängen fluoreszieren und/oder phosphoreszieren. Üblicherweise liegen diese in Form einer Keramik, eines Kristalls, einer Glaskeramik oder als eingebettete Kristallpulver in Glas vor. Die verschiedenen Arten der Lumineszenz werden nach der Dauer des Leuchtens nach Ende der Erregung eingeteilt in Fluoreszenz (< 1 msec) und Phosphoreszenz (≥ 1 msec). Die Emissionswellenlängen können eine geringe spektrale Breite aufweisen (z. B. InBO₃:Eu oder Tb) und/oder aber auch breit emittieren (Ce:YAG). Die spektrale Lage hängt von der Zusammensetzung und/oder auch der Konzentration der Leuchtstoffe ab. Die Herstellung erfolgt durch Mischung der Leuchtstoffe mit Glaspulver, durch Sintern von Nanokristallpulver, durch kristallines Wachstum oder durch einen Schmelz- und Keramisierungsprozess. Man ist also in der Lage verschiedene anorganische Leuchstoffe herzustellen, die charakteristische Emissionsspektren aufweisen, deren Emissionslinien von der eingesetzten Konzentration und der Kombination von Fluoreszenzmaterialien (z. B. Oxyde, Oxynitride, Nitride, Sulfide, Fluoide, ...) sich in der Wellenlänge und den Intensitätsverhältnissen unterscheiden. Die Lumineszenzmaterialien können z. B. zusammengesetzt sein aus unterschiedlichen Eu dotierten Materialien wie CaS:Eu, Sr₂Si₅N₈:Eu, SrS:Eu, Ba₂Si₅N₈:Eu, Sr₂SiO₄:Eu, SrSi₂N₂O₂:Eu, SrGa₂S₄:Eu, SrAl₂O₄:Eu, Ba₂SiO₄:Eu, Sr₄Al1₄O₂₅:Eu, SrSiAl₂O₃N:Eu, BaMgAl₁₀O₁₇:Eu, Sr₂P₂O₇:Eu, SrB₄O₇:Eu, Y₂O₃:Eu, YAG:Eu, Ce:YAG:Eu, (Y, Gd)BO₃:Eu, (Y, Gd)₂O₃:Eu. Lumineszenzmaterialien können co-dotiert oder auch mit anderen Seltenen Erden (Scandium, Yttrium, Lanthan, Cer, Praseodym, Neodym, Promethium, Samarium, Gadolinium, Terbium, Dysprosium, Holmium, Erbium, Thulium, Ytterbium und Lutetium) dotiert werden (z. B. LaPO₄:Ce, Tb, LaMgAl₁₁O₁₈:Ce, Tb, (Y, Gd, Tb, Lu)AG:Ce, Lu_3-x-zA_xAl_5-y-zSc_yO₁₂:Mn_zCa_z, Lu₂SiO₅:Ce, Gd₂SiO₅:Ce, Lu_1-x-y-a-bY_xGd_y)₃ (Al_1-zGa)₅O₁₂:Ce_aPr_b). Günstige Lumineszenzmaterialien für VUV Anregung sind LaPO₄:Pr, YPO₄:Pr, (Ca, Mg)SO₄:Pb, LuBO₃:Pr, YBO₃:Pr, Y₂SiO₅:Pr, SrSiO₃:Pb, LaPO₄:Ce, YPO₄:Ce, LaMgAl₁₁O₁₉:Ce. Bei Anregung mit Röntgenstrahlen können beispielhaft die folgenden Lumineszenzmaterialien verwendet werden: InBO₃:Tb + InBO₃:Eu, ZnS:Ag, Y₂O₂S:Tb, Y₂SiO₅:Tb, Y₃(Al, Ga)₅O₁₂:Ce, (Zn, Cd)S:Cu, Cl + (Zn, Cd)S:Ag, Cl, Y₃(Al, Ga)₅O₁₂:Tb, Zn₂SiO₄:Mn, Zn₈BeSi₅O₁₉:Mn, CaWO₄:W, Y₂O₂S:Eu + Fe₂O₃, (Zn, Mg)F₂:Mn, Y₃Al₅O₁₂:Tb. Die Anregung der Leuchstoffe erfolgt beispielsweise im Röntgenspektrum (10 pm–1 nm), extremen UV (1 nm–100 nm), VUV (100 nm–200 nm), UVC (200 nm–280 nm), UVB (280 nm–320 nm), UVA (320 nm–400 nm), im blauen Spektralgebiet (400 nm–480 nm), im sichtbaren Spektralgebiet (480 nm–700 nm) und/oder im IR-Spektralgebiet (700 nm–3000 nm). Die Anregung kann mittels verschiedener Lichtquellen, wie beispielsweise Röntgenröhren, Laser, LEDs, Halogenlampe und/oder Kaltkathodenlampen (cold cathode lamps) kontinuierlich oder gepulst und/oder kombiniert realisiert werden. Die Emissionsspektren der Fluoreszenzmarkierungen können im UV, sichtbaren Spektralgebiet (VIS) und/oder im infraroten Spektralgebiet (NIR und/oder MIR) liegen.
Bei dem vorzugsweise optischen Glas kann es sich beispielsweise um wenigstens ein Glas handeln, das ausgewählt ist aus einer Gruppe bestehend aus Fluor-Phosphat-Gläser, Fluor-Kron-Gläser, Phosphor-Kron-Gläser, Phosphor-Schwer-Kron-Gläser, Bor-Kron-Gläser, Barium-Leicht-Kron-Gläser, Kron-Gläser, Zink-Kron-Gläser, Barium-Kron-Gläser, Schwer-Kron-Gläser, Kron-Flint-Gläser, Barium-Leicht-Flint-Gläser, Doppel-Schwer-Kron-Gläser, Lanthan-Kron-Gläser, Doppel-Leicht-Flint-Gläser, Barium-Flint-Gläser, Leicht-Flint-Gläser, Flint-Gläser, Barium-Schwer-Flint-Gläser, Lanthan-Flint-Gläser, Lanthan-Schwer-Flint-Gläser, Schwer-Flint-Gläser, Tief-Kron-Gläser, Tief-Flint-Gläser, Lang-Kron-Sondergläser, Tief-Schwer-Flint-Gläser, Kurz-Flint-Gläser, Kurz-Flint-Sondergläser. Die vorstehend genannten Gläser sind beispielhaft zu verstehen und beschränken sich keinesfalls auf die genannte Auswahl.
Beispiel 1
Mögliche Zusammensetzung der Materialien für eine Stablinse nach Fig. 2 oder Fig. 3:
Einschmelzglas 8250 der Firma Schott AG in Gewichtprozent

SiO₂ 69.2

B₂O₃ 18.5

Al₂O₃ 2.6

Li₂O 0.6

K₂O 7.7

ZnO 0.6

As₂O₃ 0.05

Optokeramikkonverter YAG:Ce 0.1% der Firma SCHOTT AG

Y₃Al₅O₁₂ 99.9

Ce 0.1
Beispiel 2
Mögliche Zusammensetzung der Materialien für eine Stablinse nach Fig. 2 oder Fig. 3:
Einschmelzglas 8250 der Firma Schott AG in Gewichtprozent

SiO₂ 69.2

B₂O₃ 18.5

Al₂O₃ 2.6

Li₂O 0.6

K₂O 7.7

ZnO 0.6

As₂O₃ 0.05

Optokeramikkonverter LuAG:Ce der Firma SCHOTT AG in Gewichtprozent

Lu₃Al₅O₁₂ 99.9

Ce 0.1

Claims

Verfahren zur Herstellung einer Beleuchtungs- oder Lichtempfangseinrichtung, die aus ein oder mehreren Stablinsen und ein oder mehreren optischen Elementen aufgebaut ist, mit folgenden Schritten: a) Bereitstellen eines Einschmelzglaskörpers (1) mit relativ niedriger Schmelztemperatur (T_g1) und vorgegebenem Wärmeausdehnungskoeffizienten (C_TE1); b) Bereitstellen eines Halters, der entweder aus einem Halterglaskörper (2) mit gegenüber Einschmelzglas höherer Schmelztemperatur (T_g2) und mit einem Wärmeausdehnungskoeffizienten (C_TE2) nahe dem Wärmeausdehnungskoeffizienten (C_TE1) des Einschmelzglases, oder aus einem Haltermetallkörper (3) mit gegenüber Einschmelzglas höherer Schmelztemperatur und mit einem Wärmeausdehnungskoeffizienten auch abweichend von dem des Glases besteht; c) Bereitstellen und Einfügen wenigstens eines aktiven optischen Elements (6) in einen Raum zwischen einem zweiteiligen Einschmelzglaskörper (1) oder zwischen einem Einschmelzglaskörper (1) und einem Halterglaskörper (2), oder in einen Raum innerhalb oder am Rande des Halterglaskörpers (2), d) Zusammenbringen des Einschmelzglaskörpers (1) mit dem Halter, um eine gewisse mechanische Halterung des Einschmelzglaskörpers (1) am Halter zu gewährleisten, wobei wenigstens ein Abschnitt (11) des Einschmelzglaskörpers (1) den Halter überragt; e) Aufschmelzen des Einschmelzglaskörpers (1) bei solcher Temperatur, dass der den Halter überragende Abschnitt (11) des Einschmelzglaskörpers (1) sich zu einer Kalotte mit teilweise sphärischer, oder angenähert sphärischer Oberfläche verformt und ein Linsenelement (10) bildet, während der Halter formstabil bleibt; f) hermetisches Verschließen des Raumes, in dem das wenigstens eine aktive optische Element enthalten ist, und g) Erkalten lassen der so hergestellten Beleuchtungs- oder Lichtempfangseinrichtung.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei ein massiver Halterglaskörper (2) als Unterlage auf dem Einschmelzglaskörper (1) benutzt wird, wenn der Einschmelzglaskörper zur Bildung des Linsenelementes (10) aufgeschmolzen wird, wonach der Halterglaskörper (2) als Lichtleiterelement (20) dient.
Verfahren nach Anspruch 2, wobei eine metallische Gehäusekappe (4) zwischen Einschmelzglaskörper (1) und Halterglaskörper (2) verankert wird und nach Herstellung der Beleuchtungs- oder Lichtempfangseinrichtung als Gehäuse dient.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei ein ringförmiger Halterglaskörper (2) benutzt wird, einen wenigstens zweigeteilten Einschmelzglaskörper (1) so zu umschließen, dass der Einschmelzglaskörper (1) über den Ringrand hervorsteht und in seiner Trennungslücke das wenigstens eine optisch aktive Element (6) aufnimmt, um nach Aufschmelzen des wenigstens zweigeteilten Einschmelzglaskörpers (1) das Linsenelement (10) zu ergeben und das wenigstens eine optisch aktive Element (6) innerhalb des auch als Lichtleitelement (20) dienenden Einschmelzglaskörpers (1) hermetisch verschlossen aufzunehmen.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei ein ringförmiger Haltermetallkörper (3) einen wenigstens zweiteiligen Einschmelzglaskörper (1) und das wenigstens eine optische aktive Element (6) in einem Zwischenraum des zweiteiligen Einschmelzglaskörpers (1) aufnimmt, um nach Aufschmelzen des wenigstens zweiteiligen Einschmelzglaskörpers (1) das Linsenelement (10) zu ergeben und das wenigstens eine optisch aktive Element (6) innerhalb des als Lichtleitelement (20) dienenden Einschmelzglaskörpers (1) hermetisch verschlossen aufzunehmen.
Beleuchtungs- oder Lichtempfangseinrichtung erhältlich nach dem Verfahren eines der Ansprüche 1 bis 5, enthaltend – eine Stablinse aus einem Linsenelement (10) und aus einem Lichtleitelement (20) mit einem Zwischenraum zwischen Linsenelement (10) und Lichtleitelement (20), und – wenigstens ein aktives optisches Element, das ein Mitglied aus der Gruppe umfassend: eine LED, einen Laser, einen Konverter, einen Filter, einen Photodetektor oder einen photovoltaischen Wandler aufweist, – wobei die freie Oberfläche des Linsenelements (10) durch Aufschmelzen eines Einschmelzglaskörpers auf dem Lichtleitelement (20) sich zu einer Kalotte mit teilweise sphärischer, oder angenähert sphärischer Oberfläche geformt hat und dabei das wenigstens eine aktive optische Element sich in dem Zwischenraum zwischen Linsenelement (10) und Lichtleitelement (20) befindet, der durch den Schmelzvorgang verschlossen ist.
Beleuchtungs- oder Lichtempfangseinrichtung erhältlich nach dem Verfahren eines der Ansprüche 1 bis 5, enthaltend – eine Stablinse aus einem Linsenelement (10) und aus einem zweiteiligen Lichtleitelement (20) mit Zwischenraum zwischen den Lichtelementteilen, – wenigstens ein aktives optisches Element, das ein Mitglied aus der Gruppe umfassend: eine LED, einen Laser, einen Konverter, einen Filter, einen Photodetektor oder einen photovoltaischen Wandler aufweist und in dem Zwischenraum gelegen ist, – wobei durch Aufschmelzen eines Einschmelzglaskörpers (1) sich die freie Oberfläche des Linsenelements (10) als Kalotte mit teilweise sphärischer oder angenähert sphärischer Oberfläche geformt hat und der Aufschmelzvorgang den Zwischenraum mit dem wenigstens einen aktiven optischen Element verschlossen hat.
Beleuchtungs- oder Lichtempfangselement erhältlich nach dem Verfahren eines der Ansprüche 1 bis 5, enthaltend: – eine Stablinse aus einem Linsenelement (10) und aus einem Lichtleitelement (20), das einen Randraum aufweist, – wenigstens ein aktives optisches Element, das ein Mitglied aus der Gruppe umfassend: eine LED, einen Laser, einen Konverter, einen Filter, einen Photodetektor oder einen photovoltaischen Wandler aufweist und sich in dem Randraum befindet, – wobei das Lichtleitelement (20) aus einem Halterglaskörper (2) besteht oder gewonnen wird, der gegenüber Einschmelzglas eine höhere Schmelztemperatur aufweist, und – wobei die freie Oberfläche des Linsenelements (10) durch Aufschmelzen eines Einschmelzglaskörpers auf dem Halterglaskörper (2) sich zu einer Kalotte mit teilweise sphärischer, oder angenähert sphärischer Oberfläche geformt hat.
Beleuchtungs- oder Lichtempfangseinrichtung nach einem der Ansprüche 6 bis 8, wobei ein rohrförmiges, metallisches Gehäuseteil (3) vorgesehen ist, das wenigstens den Einschmelzglaskörper (1) unter Freilassen des Linsenelements (10) umschließt, dessen freie Oberfläche sich oberhalb des Gehäuseteils (3) durch Aufschmelzen des Einschmelzglaskörpers (1) zu einer Kalotte mit teilweise sphärischer, oder angenähert sphärischer Oberfläche geformt hat.
Beleuchtungs- oder Lichtempfangseinrichtung nach einem der Ansprüche 6 bis 8, wobei eine metallische Gehäusekappe (4) in einer Zwischenfläche zwischen Linsenelement (10) und Lichtleitelement (20) verankert ist.
Beleuchtungs- oder Lichtempfangseinrichtung nach Anspruch 10, wobei die Gehäusekappe (4) ein weiteres optisch aktives Element (6) haltert und schützt, das ein Mitglied der Gruppe einschließt, die eine LED (7), eine OLED oder einen Laser beziehungsweise eine Solarzelle, einen CCD-Sensor, einen CMOS-Sensor oder einen Photoempfänger umfasst.
Beleuchtungs- oder Lichtempfangseinrichtung nach einem der Ansprüche 6 bis 11, wobei der Stablinse eine Lichtleitfaser (31) zugeordnet ist, die zu einem weiteren optisch aktivem Element führt, das ein Mitglied der Gruppe einschließt, die eine LED (7), eine OLED oder einen Laser beziehungsweise eine Solarzelle, einen CCD-Sensor, einen CMOS-Sensor oder einen Photoempfänger umfasst.
Beleuchtungs- oder Lichtempfangseinrichtung nach einem der Ansprüche 6 bis 12, wobei das wenigstens eine aktive optische Element (6) an einer Schrägfläche (26) des Lichtleitelementes (20) angebracht ist und eine als Kühlfläche (16) ausgebildete Rückseite aufweist.
Beleuchtungs- oder Lichtempfangseinrichtung nach Anspruch 13, wobei die Rückseite der Schrägfläche (26) eine Verspiegelungsschicht (33) trägt.
Beleuchtungs- oder Lichtempfangseinrichtung nach einem der Ansprüche 6 bis 14, wobei mindestens ein Teilbereich der Stablinse entspiegelt oder mit einem Kantenfilter beschichtet ist.
Beleuchtungs- oder Lichtempfangseinrichtung nach einem der Ansprüche 6 bis 15, umfassend eine Matrixanordnung von Stablinsen und Konvertern als optisch aktive Elemente (6), wobei die Matrixanordnung ein gemeinsames Gehäuse (30) aufweist, das mit einem Wafer (23) eine hermetisch dichte Verbindung ergibt.
Beleuchtungs- oder Lichtempfangseinrichtung nach Anspruch 16, wobei die hermetisch dichte Verbindung Zwischenräume mit Solarzellen, Photodetektoren, CCD- oder CMOS-Sensoren, LEDs, OLEDs oder Laser (7) einschließt und die Zwischenräume mit einem Polymer, einem Glas, einer Flüssigkeit und/oder einem Komposit gefüllt sind.