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Die Erfindung betrifft ein lichtemittierendes Bauteil gemäß Patentanspruch 1.
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Im Stand der Technik ist beispielsweise aus
WO 0133607 A2 eine Laserdiode mit mindestens zwei übereinander angeordneten aktiven Schichten beschrieben, die in einem LED-Gehäuse mit einem strahlungsdurchlässigen Verguss angeordnet ist.
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Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, ein verbessertes lichtemittierendes Bauteil insbesondere für eine Laufzeitmessung bereitzustellen.
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Die Aufgabe der Erfindung wird durch das Bauteil gemäß Patentanspruch 1 gelöst. Weitere Ausbildungsformen des Bauteils sind den abhängigen Ansprüchen angegeben.
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Ein Vorteil des beschriebenen Bauteils besteht darin, dass das Bauteil einfach aufgebaut ist, und dass sich das Bauteil eignet, um kurze Lichtpulse für eine Laufzeitmessung bereitzustellen. Dieser Vorteil wird dadurch erreicht, dass ein kantenemittierender Halbleiterlaser bereitgestellt wird, wobei der Halbleiterlaser in einer ersten lichtdurchlässigen Schicht angeordnet ist. Auf der ersten Schicht ist eine zweite lichtdurchlässige Schicht aufgebracht. Der Halbleiterlaser ist in einem Gehäuse angeordnet, wobei eine Austrittsöffnung zum Aussenden von Licht aus dem Gehäuse vorgesehen ist. Mithilfe der beschriebenen Anordnung wird eine Umlenkung des Lichtes in Richtung auf die Austrittsöffnung mit einfachen Mitteln erreicht. Das Bauteil ist einfach herzustellen und eignet sich für die Abgabe von kurzen Lichtpulsen, insbesondere für eine Laufzeitmessung.
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In einer Ausführung ist die Austrittsöffnung wenigstens teilweise außerhalb eines Abstrahlwinkelbereiches des Halbleiterlasers angeordnet. Beispielsweise können 50% oder 80% und mehr der Austrittsöffnung außerhalb des Abstrahlwinkelbereiches sein. Dadurch ist eine direkte Ausstrahlung des Lichtes ausgehend vom Halbleiterlaser über die Austrittsöffnung nicht möglich. Somit sind eine Umlenkung des Lichtes im Gehäuse und damit ein längerer Weg des Lichtes in der ersten und der zweiten Schicht erforderlich.
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In einer Ausführungsform ist wenigstens ein Teil der vom Halbleiterlaser emittierten Lichtes direkt auf eine Grenzfläche zwischen der ersten und der zweiten Schicht gerichtet. Auf diese Weise wird eine verbesserte und schnellere Auskopplung, das heißt Umlenkung des Lichtes in Richtung auf die Austrittsöffnung erreicht. Die Austrittsöffnung ist insbesondere parallel zur Grenzfläche angeordnet.
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In einer Ausführungsform wird eine verbesserte Umlenkung vom Abstrahlwinkelbereich in Richtung auf die Austrittsöffnung erreicht. Dazu sind in der zweiten Schicht wenigstens um 5 % mehr Streupartikel als in der ersten Schicht angeordnet. Insbesondere kann die erste Schicht frei von Streupartikeln sein.
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Eine weitere Verbesserung der Umlenkung bei kurzen Lichtpulsen wird dadurch erreicht, dass wenigstens ein Teil der Innenwand des Gehäuses und/oder ein Teil des Bodens des Gehäuses reflektierend ausgebildet sind. Somit ist es nicht erforderlich, eine separate Umlenkfläche oder ein separates Umlenkelement vorzusehen. Die Gehäusewand und/oder der Boden des Gehäuses kann dazu verwendet werden.
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In einer Ausführungsform ist wenigstens ein Teil des Bodens des Gehäuses durch einen Leiterrahmenabschnitt oder durch eine Keramikplatte gebildet.
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Versuche haben gezeigt, dass sich als Streupartikel insbesondere CaF2-Partikel eignen. Dabei wurden mit Streupartikeln, die wenigstens zu 90% eine Größe von kleiner als 15 µm aufweisen, gute Ergebnisse erzielt.
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Die erste und/oder die zweite Schicht können als lichtdurchlässiges Material Silikon, Epoxymaterial und/oder Harz aufweisen.
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Eine weitere Verbesserung der Umlenkung in Richtung auf die Austrittsöffnung kann dadurch erreicht werden, dass die erste Schicht einen geringeren Brechungsindex für das Licht des Halbleiterlasers als die zweite Schicht aufweist. Beispielsweise kann der Unterschied der Brechungsindizes im Bereich von wenigstens 0,1 %, insbesondere von wenigstens 1 % liegen.
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In einer Ausführungsform ist im Abstrahlwinkelbereich eine Reflexionsfläche geneigt zur Abstrahlrichtung des Halbleiterlasers angeordnet, wobei die Reflexionsfläche das Licht des Halbleiterlasers in Richtung auf die Austrittsöffnung umlenkt. Dadurch können zeitlich kürzere Lichtpulse emittiert werden.
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Die oben beschriebenen Eigenschaften, Merkmale und Vorteile dieser Erfindung sowie die Art und Weise, wie diese erreicht werden, werden klarer und deutlicher verständlich im Zusammenhang mit der folgenden Beschreibung der Ausführungsbeispiele, die im Zusammenhang mit den Zeichnungen näher erläutert werden. Es zeigen
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1 eine schematische Darstellung eines Querschnittes durch ein lichtemittierendes Bauteil,
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2 einen schematischen Querschnitt durch eine weitere Ausführungsform eines lichtemittierenden Bauteils, und
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3 eine schematische Draufsicht von oben auf das Bauteil der 2.
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1 zeigt einen schematischen Querschnitt durch eine Ausführungsform eines lichtemittierenden Bauteils 1, das einen kantenemittierenden Halbleiterlaser 2 aufweist. Der Halbleiterlaser 2 ist auf einem Träger 3 angeordnet. Der Träger 3 kann zum Beispiel in Form eines Substrates, eines Leiterrahmens oder einer Keramikplatte ausgebildet sein. Der Träger 3 ist auf einem Boden 4 eines Gehäuses 5 befestigt. Das Gehäuse 5 weist neben dem Boden 4 abhängig von der gewählten Ausführungsform vier Seitenwände 6, 7 auf. Zudem weist das Gehäuse 5 eine Austrittsöffnung 8 zum Aussenden von Licht des Halbleiterlasers auf. Die Austrittsöffnung 8 ist in dem dargestellten Beispiel gegenüber liegend zum Boden 4 angeordnet. Die Austrittsöffnung 8 kann die gleiche Fläche wie der Boden 4 oder einen kleinere Fläche aufweisen. Dies ist beispielsweise der Fall, wenn das Gehäuse 5 von einer Deckplatte mit einer Öffnung bedeckt ist, wobei die Öffnung die Austrittsöffnung darstellt. Der Halbleiterlaser 2 strahlt an einer Seitenfläche 10 Licht 9 aus. Der Halbleiterlaser 2 kann beispielsweise ausgebildet sein, um Infrarotlicht oder blaues Licht auszusenden. Unter der Bezeichnung Licht wird jede elektromagnetische Strahlung verstanden, die sowohl im sichtbaren als auch im nicht-sichtbaren Bereich liegen kann.
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In dem dargestellten Beispiel ist die Seitenfläche 10 senkrecht zu einer Ebene der Austrittsöffnung 8 angeordnet. Das Licht 9 wird in einem vorgegebenen Abstrahlwinkelbereich 11 vom Halbleiterlaser 2 abgestrahlt. Der Abstrahlwinkelbereich 11 ist in Richtung auf eine zweite Seitenwand 7 des Gehäuses 5 gerichtet. Abhängig von der gewählten Ausführung kann die Seitenfläche 10 auch in einem anderen Winkel zur Ebene der Austrittsöffnung 8 angeordnet sein. Beispielsweise könnte die Seitenfläche 10 in einer Ausführung parallel zur Ebene der Austrittsöffnung 8 angeordnet sein.
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Ein Innenraum des Gehäuses 5 ist mit einer ersten Schicht 12 bis auf eine Höhe über den Halbleiterlaser 2 ausgehend vom Boden 4 aufgefüllt. Auf der ersten Schicht 12 ist eine zweite Schicht 13 angeordnet. Die zweite Schicht 13 reicht in dem dargestellten Ausführungsbeispiel bis zur Austrittsöffnung 8. Abhängig von der gewählten Ausführung können noch weitere Schichten zwischen dem Boden 4 und der Austrittsöffnung 8 vorgesehen sein. Die erste und die zweite Schicht 12, 13 grenzen über eine Grenzfläche 14 aneinander an. Die Grenzfläche 14 ist in dem dargestellten Ausführungsbeispiel senkrecht zur Seitenfläche 10 des Halbleiterlasers 2 angeordnet. Zudem ist die Grenzfläche 14 in dem dargestellten Beispiel parallel zum Boden 4 angeordnet. Abhängig von der gewählten Ausführung kann die Grenzfläche 14 auch in einem anderen Winkel, insbesondere in einem Winkelbereich zwischen 70° und 110° zur Seitenfläche 10 angeordnet sein. Zudem kann abhängig von der gewählten Ausführung die Grenzfläche 14 eine raue, unebene Struktur aufweisen, so dass eine Einkopplung von Licht 9 von der ersten Schicht 12 in die zweite Schicht 13 verbessert ist.
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Der Abstrahlwinkelbereich 11, in dem Licht 9 vom Halbleiterlaser 2 abgestrahlt wird, ist abhängig von der gewählten Ausführung wenigstens teilweise auf die Grenzfläche 14 gerichtet. Dies bedeutet, dass wenigstens ein Teil des vom Halbleiterlaser 2 ausgesendeten Lichtes 9 direkt auf die Grenzfläche 14 trifft. Der Teilbereich kann zwischen 10 % und 50 % oder auch über 50 % des vom Halbleiterlaser 2 abgestrahlten Lichtes 9 liegen.
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Die erste Schicht 12 weist ein erstes Material auf. Die zweite Schicht 13 weist ein zweites Material auf. Das erste und das zweite Material sind für das Licht 9 des Halbleiterlasers durchlässig. Unter durchlässig wird ein Material verstanden, das wenigstens 50%, insbesondere 90% des Lichtes 9 durchlässt. Das erste und das zweite Material können identisch oder unterschiedlich sein. Das lichtdurchlässige Material kann beispielsweise Silikon, Epoxymaterial oder Harz sein. Abhängig von der gewählten Ausführungsform können die erste und/oder die zweite Schicht 12, 13 Streupartikel 19 aufweisen. Beispielsweise kann die zweite Schicht wenigstens um 5 Volumenprozent mehr Streupartikel 19 als die erste Schicht 12 aufweisen. Zudem können die Streupartikel 19 sowohl in der ersten als auch in der zweiten Schicht 12, 13 aus dem gleichen Material oder aus unterschiedlichen Materialien gebildet sein. Abhängig von der gewählten Ausführungsform kann die erste Schicht 12 und die zweite Schicht 13 ohne Streupartikel 19 ausgebildet sein. Als Streupartikel 19 können beispielsweise CaF2-Partikel verwendet werden. Die Streupartikel 19 können jedoch auch aus anderen Materialien bestehen. Die Größe der Partikel kann kleiner als 15 µm sein. Abhängig von der gewählten Ausführungsform können die Streupartikel 19 im Mittel eine Größe zwischen 0,5 µm und 3 µm aufweisen. Im Mittel bedeutet, dass wenigstens 80 %, insbesondere 90 % der Partikel in diesem Größenbereich zwischen 0,5 µm und 3 µm liegen.
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Weiterhin kann der Brechungsindex der zweiten Schicht 13 größer sein als der Brechungsindex der ersten Schicht 12. Der Unterschied des Brechungsindex kann größer als 0,1 %, insbesondere größer als 1% sein. Der Brechungsindex bezieht sich dabei auf die Wellenlänge des Lichtes 9, das vom Halbleiterlaser 2 ausgestrahlt wird.
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Abhängig von der gewählten Ausführungsform kann wenigstens eine Innenwand des Gehäuses 5 und/oder der Boden 4 des Gehäuses 5 eine reflektierende Oberfläche 20 aufweisen. Mithilfe der reflektierenden Oberflächen 20 wird eine verbesserte Umlenkung des Lichtes 9 in Richtung auf die Austrittsöffnung 8 erreicht. Die reflektierende Oberfläche 20 kann als Spiegelschicht, als reflektierende Schicht oder als metallische Schicht ausgebildet sein. Beispielsweise kann der Boden 4 wenigstens teilweise durch einen Leiterrahmenabschnitt gebildet sein, auf dem der Halbleiterlaser 2 bzw. der Träger 3 montiert ist. Zudem kann der Boden 4 wenigstens teilweise als Keramikplatte ausgebildet sein, auf der der Halbleiterlaser 2 montiert ist. Die Keramikplatte kann z.B. aus einer Aluminium-Nitrid-Keramik gebildet sein.
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2 zeigt eine weitere Ausführungsform des Bauteils 1, das im Wesentlichen gemäß den beschriebenen Ausführungsformen der 1 ausgebildet sein kann, wobei jedoch zusätzlich ein Umlenkelement 15 mit einer Reflexionsfläche 16 im Gehäuse 5 angeordnet ist. Das Umlenkelement 15 ist in dem Beispiel gegenüber liegend zur Seitenfläche 10 des Halbleiterlasers 2 angrenzend an die zweite Seitenwand 7 auf dem Boden 4 angeordnet. Das Umlenkelement 15 kann sich quer über eine gesamte Breite des Gehäuses, d.h. in einer X-Richtung erstrecken. Das Umlenkelement 15 kann selbst aus einem reflektierenden Material oder aus reflektierenden Schichten gebildet sein. Zudem kann das Umlenkelement 15 aus einem nicht reflektierenden Material, z.B. aus Kunststoff oder Silikon gebildet sein. Beispielsweise kann das Umlenkelement 15 mithilfe einer Vergussmasse, die in das Gehäuse 5 gefüllt wird, hergestellt werden. Anschließend wird die Reflexionsfläche 16 auf dem Umlenkelement 15 abgeschieden, beispielsweise als Spiegelschicht aus dielektrischen Schichten und/oder aus wenigstens einer metallischen Schicht. Dann wird die erste Schicht 12 in das Gehäuse eingefüllt, wobei die erste Schicht 12 die Reflexionsfläche 16 bedeckt. Die Reflexionsfläche 16 und das Umlenkelement 15 können, wie dargestellt, in die zweite Schicht 13 ragen. Beispielsweise können das Umlenkelement 15 und die Reflexionsfläche 16 sich bis zur Austrittsöffnung 8 erstrecken. Das Umlenkelement 15 kann beispielsweise aus dem gleichen Material wie die erste und/oder die zweite Schicht bestehen.
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Die Reflexionsfläche 16 ist als plane oder als unebene Fläche ausgebildet. Die Reflexionsfläche 16 ist in einem vorgegebenen Winkel 17, insbesondere in einem Winkelbereich geneigt zu einer mittleren Abstrahlrichtung 18 des Halbleiterlasers 2 angeordnet. Die mittlere Abstrahlrichtung 18 wird durch eine Mitte des Abstrahlwinkelbereiches 11 in einer Y-Richtung festgelegt. Die Y-Richtung ist parallel zur Seitenfläche 10 angeordnet. Der Winkel 17 relativ zur mittleren Abstrahlrichtung 18 ist in der Weise gewählt, dass Licht 9, das auf die Reflexionsfläche 16 auftrifft, stärker in Richtung auf die Grenzfläche 14 und in Richtung auf die Austrittsöffnung 8 umgelenkt wird. Damit wird eine Ausstrahlung des Lichtes 9 aus der Austrittsöffnung 8 mit im Mittel kürzerer Weglänge im Bauteil 1 erreicht. Dadurch können kürzere Lichtpulse mit höherer Energie ausgesendet werden. Das Umlenkelement 15 und/oder die Reflexionsfläche 16 können beispielsweise aus Metall oder dielektrischen Materialien gebildet sein. Zudem kann das Umlenkelement z.B. aus einem Kunststoff oder aus Silikon gebildet sein. Insbesondere kann die Reflexionsfläche 16 auf dem Umlenkelement 15 z.B. als Spiegelfläche ausgebildet sein. Abhängig von der gewählten Ausführung können die erste und/oder die zweite Schicht Leuchtstoff zum Verschieben der Wellenlänge des Lichtes 9 aufweisen.
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3 zeigt eine schematische Ansicht mit Blick von oben auf das Bauteil der 2.
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Das beschriebene Bauteil 1 eignet sich insbesondere für Laufzeitmessungen (Time of Flight-Anwendungen), da das Bauteil eine geringe Bauhöhe aufweist. Der Halbleiterlaser 2 ist ausgebildet, um kurze Lichtpulse beispielsweise kürzer als 10 Nanosekunden, insbesondere kürzer als 5 Nanosekunden (FWHM) zu erzeugen. Zudem kann der Halbleiterlaser ausgebildet sein, um Lichtpulse mit einer Anstiegszeit der Leistung bis zum Maximum und die Abfallzeit vom Maximum bis auf im Wesentlichen keine Leistung erzeugen zu können, die im Bereich von kleiner 5 Nanosekunden liegen. Zudem kann die Leistung des Halbleiterlasers im Bereich von 10 Watt und mehr liegen. Der Halbleiterlaser ist ausgebildet, um in der Weise angesteuert zu werden, dass mehrere Lichtpulse hintereinander mit einer Frequenz von einigen Kilohertz ausgesandt werden. Beispielsweise kann das Bauteil 1 zur Abstandsmessung in einem Fahrzeug eingesetzt werden. Der Halbleiterlaser 2 kann einen Abstrahlwinkelbereich 11 aufweisen, der z.B. einen Öffnungswinkel von 25° in vertikaler Richtung (Y-Richtung) und einen Öffnungswinkel von 11° in horizontaler Richtung (X-Richtung) bezogen auf die halbe Abstrahlleistung (FWHM) aufweist. Zudem können abhängig von der gewählten Ausführungsform zusätzlich zum Bauteil 1 optische Elemente insbesondere außerhalb des Gehäuses 5, z.B. über der Austrittsöffnung 8 vorgesehen sein, um das vom Bauteil 1 ausgestrahlte Licht 9 in eine gewünschte Richtung zu lenken.
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Beispielsweise kann das Bauteil 1 für eine Entfernungsmessung, für eine Abtastung von Werkstücken, für eine Geschwindigkeitsmessung und für eine Abstandsmessung insbesondere in einem Fahrzeug eingesetzt werden. Dabei können Abstände im Bereich von bis zu einigen 100 m erfasst werden. Insbesondere kann das Bauteil 1 für eine automatische Geschwindigkeitsregelung eines Fahrzeuges eingesetzt werden. Eine für die gepulste Ansteuerung des Halbleiterlasers 2 notwendige elektronische Schaltung ist nicht dargestellt und nicht näher erläutert.
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Obwohl die Erfindung im Detail durch das bevorzugte Ausführungsbeispiel näher illustriert und beschrieben wurde, so ist die Erfindung nicht durch die offenbarten Beispiele eingeschränkt und andere Variationen können vom Fachmann hieraus abgeleitet werden, ohne den Schutzumfang der Erfindung zu verlassen.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Bauteil
- 2
- Halbleiterlaser
- 3
- Träger
- 4
- Boden
- 5
- Gehäuse
- 6
- erste Seitenwand
- 7
- zweite Seitenwand
- 8
- Austrittsöffnung
- 9
- Licht
- 10
- Seitenfläche
- 11
- Winkelbereich
- 12
- erste Schicht
- 13
- zweite Schicht
- 14
- Grenzfläche
- 15
- Umlenkelement
- 16
- Reflexionsfläche
- 17
- Winkel
- 18
- mittlere Abstrahlrichtung
- 19
- Streupartikel
- 20
- reflektierende Oberfläche
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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