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Die Erfindung betrifft eine Anordnung gemäß Patentanspruch 1.
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Im Stand der Technik ist es aus
DE 101 25 374 C1 bekannt, einen eine elektromagnetische Strahlung emittierenden Halbleiterchip in einem Gehäuse anzuordnen. Dabei weist das Gehäuse ein Fenster auf, über das die elektromagnetische Strahlung aus dem Gehäuse abgestrahlt wird.
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Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, eine verbesserte Anordnung mit einem Gehäuse und einem strahlungsemittierenden optoelektronischen Bauelement bereitzustellen.
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Die Aufgabe der Erfindung wird durch Patentanspruch 1 gelöst.
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Ein Vorteil der beschriebenen Anordnung besteht darin, dass eine gewünschte Strahlformung der Strahlung des Bauelementes mithilfe der transparenten Wand erreicht wird. Dazu weist die transparente Wand diffraktive optische Elemente auf, die in die Wand integriert sind. Die Elemente sind stoffeinheitlich und einteilig mit der Wand ausgebildet. Auf diese Weise ist es nicht erforderlich, die optischen Elemente separat auszubilden und mit der Wand zu verbinden.
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In einer Ausführungsform werden die optischen Elemente in die Wand geätzt. Dieses Verfahren kann insbesondere bei Ausbildung der Wand aus Glas oder aus Keramik verwendet werden.
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In einer weiteren Ausführungsform werden die optischen Elemente in die Wand geformt. Dieses Verfahren kann insbesondere bei Ausbildung der Wand aus Polycarbonat, Silikon oder Epoxy angewandt werden.
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In einer Ausführungsform ist das Bauelement ausgebildet, um blaues Licht oder Licht mit einer kürzeren Wellenlänge zu emittieren. Bei dieser Ausführungsform kann es vorteilhaft sein, die transparente Wand aus Glas oder Keramik herzustellen, um eine große Langzeitstabilität der Wand für die energiereiche Strahlung zu erreichen.
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In einer weiteren Ausführungsform ist das Bauelement ausgebildet, um grünes Licht oder Licht mit einer längeren Wellenlänge, insbesondere rotes Licht zu emittieren. Bei dieser Ausführungsform kann es ausreichend sein, die transparente Wand aus Polycarbonat, Silikon oder Epoxy herzustellen. Für das energieschwächere grüne, rote oder infrarote Licht reichen diese Materialien für die Ausbildung der transparenten Wand auch für eine gewünschte Langzeitstabilität aus.
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Abhängig von der gewählten Ausführungsform ist das Bauelement als Leuchtdiode oder als Laserdiode ausgebildet. Zudem können abhängig von der gewählten Ausführungsform mehrere Bauelemente in dem Gehäuse angeordnet sein, wobei die Bauelemente die elektromagnetische Strahlung über die transparente Wand nach außen abgeben. Abhängig von der gewählten Ausführungsform können die Bauelemente in einem Bauteil integriert sein. Somit können beispielsweise mehrere Leuchtdioden oder mehrere Laserdioden in einem Halbleiterbauteil integriert sein. Durch die Integration in ein Halbleiterbauteil wird eine kompakte Bauform erreicht. In einer weiteren Ausführungsform ist das Gehäuse abgedichtet. Dabei übernimmt auch die transparente Wand eine Abdichtfunktion des Gehäuses.
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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. Dabei zeigen in jeweils schematisierter Darstellung
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1 einen schematischen Querschnitt durch ein Gehäuse mit einem lichtemittierenden optoelektronischen Bauelement,
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2 einen zweiten Querschnitt durch das Gehäuse der 1,
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3 eine vergrößerte Darstellung eines Teilausschnittes der transparenten Wand,
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4 eine weitere Ausführungsform eines Gehäuses mit mehreren lichtemittierenden optoelektronischen Bauelementen,
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5 eine weitere Ausführungsform eines Gehäuses mit mehreren lichtemittierenden optoelektronischen Bauelementen, die in einem Halbleiterbauteil integriert sind,
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6 bis 9 Verfahrensschritte zum Ätzen von diffraktiven optischen Elementen in eine transparente Wand, und
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10 einen Querschnitt durch eine Ausführungsform einer transparenten Wand.
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1 zeigt in einem schematischen Querschnitt ein Gehäuse 1 mit einem Boden 2, einer Rückwand 3, einer Deckenwand 4 und einer Frontwand 5. Die Deckenwand 4 ist gegenüber liegend zum Boden 2 angeordnet. Die Frontwand 5 ist gegenüber liegend zur Rückwand 3 angeordnet. Im Gehäuse 1 ist auf dem Boden 2 ein strahlungsemittierendes optoelektronisches Bauelement 6 angeordnet. Das Bauelement 6 gibt über einen Abstrahlbereich 7 elektromagnetische Strahlung 8 durch die Frontwand 5 des Gehäuses 1 ab. Die Frontwand 5 ist als transparente Wand ausgebildet. Die Frontwand 5 weist diffraktive optische Elemente auf, die in die Frontwand 5 integriert sind. Die Elemente sind stoffeinheitlich und einteilig mit der Frontwand 5 ausgebildet.
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2 zeigt einen schematischen Querschnitt durch das Gehäuse der 1, wobei bei dieser Darstellung auch eine erste und eine zweite Seitenwand 9, 10 des Gehäuses sichtbar sind. Abhängig von der gewählten Ausführungsform könnte auch eine andere Wand des Gehäuses zusätzlich oder alleine als transparente Wand wie die Frontwand 5 ausgebildet sein. Das Bauelement 6 könnte die Strahlung auch über eine der anderen Wände des Gehäuses 1 und auch über den Boden 2 abgeben. Die Abgabe der Strahlung über die Frontwand 5 wird im Folgenden exemplarisch für die anderen Wände beschrieben.
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3 zeigt in einer vergrößerten schematischen Darstellung einen Teilquerschnitt durch die transparente Frontwand 5. Die transparente Frontwand 5 weist auf einer Außenseite 11 diffraktive optische Elemente 12 auf. Die diffraktiven optischen Elemente 12 weisen beispielsweise eine Höhe 22, eine Breite 14 und einen Abstand zu einem benachbarten diffraktiven optischen Element auf, die lateral im Bereich der Wellenlänge, in der Höhe 22 kleiner als die Wellenlänge der zu beugenden elektromagnetischen Strahlung 8 ist. Die diffraktiven optischen Elemente 12 bilden ein Beugungsgitter für die elektromagnetische Strahlung 8 des Bauelementes 6. Mithilfe der diffraktiven optischen Elemente 12 kann eine gewünschte Streuung, Aufweitung, Teilung und/oder eine Bündelung der elektromagnetischen Strahlung analog zu Linsenfunktionen erreicht werden.
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Die Außenseite 11 ist gegenüberliegend zu einer Innenseite 13 der transparenten Wand angeordnet. Die Innenseite 13 ist dem Bauelement 6 zugewandt. Abhängig von der gewählten Ausführung können die diffraktiven optischen Elemente 12 auch auf der Innenseite 13 oder nur auf der Innenseite 13 ausgebildet sein.
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In der schematischen Darstellung sind die optischen Elemente 12 gleich ausgebildet. Abhängig von der gewünschten Funktionsweise der optischen Elemente 12, können sowohl die Höhen 22 als auch die lateralen Erstreckungen 14 und die Formen der optischen Elemente 12 unterschiedlich sein.
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Abhängig von der gewählten Ausführungsform können die optischen Elemente 12 in die Frontwand 5 mithilfe eines Ätzverfahrens eingebracht werden. Zudem können die optischen Elemente 12 in die Frontwand 5 mithilfe eines Abformverfahrens eingebracht sein. Das Abformverfahren eignet sich insbesondere zum Einbringen der diffraktiven optischen Elemente 12 bei einer Frontwand 5 aus Polycarbonat, Silikon oder Epoxy. Das Ätzverfahren eignet sich insbesondere bei einer Frontwand 5 aus einem härteren Material wie beispielsweise Glas oder Keramik.
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Das oder die optoelektronischen Bauelemente 6 sind beispielsweise ausgebildet, um elektromagnetische Strahlung verschiedener Wellenlängen oder Wellenlängenbereiche zu erzeugen. Beispielsweise sind die optoelektronischen Bauelemente 6 ausgebildet, um blaues Licht oder Licht mit einer kürzeren Wellenlänge zu emittieren. Zudem können das beziehungsweise die optoelektronischen Bauelemente 6 ausgebildet sein, um als Strahlung grünes oder rotes Licht oder Licht mit einer längeren Wellenlänge als grünes Licht bzw. rotes Licht zu emittieren. Die optischen Bauelemente können beispielsweise in Form einer Leuchtdiode oder einer Laserdiode ausgebildet sein.
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4 zeigt einen schematischen Querschnitt durch eine weitere Ausführungsform des Gehäuses 1, wobei in der dargestellten Ausführungsform drei strahlungsemittierende optoelektronische Bauelemente 6 im Gehäuse 1 angeordnet sind. Die Bauelemente 6 geben über Abstrahlbereiche 7 die elektromagnetische Strahlung 8 durch die transparente Frontwand 5 ab.
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Die Frontwand 5 weist auf der Außenseite 11 diffraktive optische Elemente 12 auf. Die diffraktiven optischen Elemente sind in die transparente Frontwand 5 integriert, stoffeinheitlich und einteilig mit der Frontwand 5 ausgebildet.
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5 zeigt einen schematischen Querschnitt durch eine weitere Ausführungsform einer Anordnung, die im Wesentlichen gemäß 4 ausgebildet ist, wobei jedoch drei optoelektronische Bauelemente 6 in einem Bauteil 15 integriert sind. Beispielsweise ist das Bauteil 15 als Laserbarren mit mehreren nebeneinander angeordneten Laserdioden 16 ausgebildet. Die Laserdioden 16 geben elektromagnetische Strahlung in Abstrahlbereichen 7 über die transparente Frontwand 5 ab.
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6 zeigt einen ersten Verfahrensschritt zum Ätzen von diffraktiven Elementen 12 in eine Glasplatte 17. Die Glasplatte 17 ist mit einer Fotolackschicht 18 beschichtet. Über der Fotolackschicht 18 ist eine Belichtungsmaske 19 mit Abdeckstrukturen 20 vorgesehen. Die Fotolackschicht 18 wird durch die Belichtungsmaske 19 belichtet. Anschließend werden die nicht belichteten Teile der Fotolackschicht 18 entfernt und es verbleibt eine Ätzmaske 21 mit einzelnen Strukturen der Fotolackschicht 18 auf der Glasplatte 17 wie in 7 dargestellt.
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Anschließend werden mithilfe eines Trockenätzprozesses die diffraktiven optischen Elemente 12 in die Glasplatte 17 eingeätzt, wie in 8 dargestellt.
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Dann wird die Ätzmaske 21 entfernt, wie in 9 dargestellt, und es wird eine Glasplatte 17 mit diffraktiven optischen Elementen 12 erhalten, die ein gewünschtes Beugungsgitter für die elektromagnetische Strahlung des wenigstens einen optoelektronischen Bauelementes 6 darstellen. Mithilfe des beschriebenen Verfahrens können verschiedenste Strukturen in Glas geätzt werden. Wie oben ausgeführt, können die diffraktiven optischen Elemente 12 auch mithilfe von Abformverfahren in eine transparente Wand eingebracht werden.
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10 zeigt als Beispiel in einer schematischen Darstellung einen Querschnitt durch eine weitere Ausführungsform einer transparenten Frontwand 5 mit diffraktiven optischen Elementen 12, die eine gewünschte Beugung der elektromagnetischen Strahlung 8 bewirken.
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Anstelle der Frontwand 5 kann bei den vorab beschriebenen Beispielen jede Wand des Gehäuses 1 transparent für die elektromagnetische Strahlung des Bauelementes 6 oder des Bauteils 15 ausgebildet sein und diffraktive optische Elemente 12 aufweisen.
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Die transparente Wand mit den diffraktiven optischen Elementen 12 gemäß den beschriebenen Beispielen stellt eine Mikrostruktur dar, mit der diffraktive Effekte erzeugt werden können. Abhängig von der Form der Mikrostruktur können verschiedenste Beugungseffekte realisiert werden. Beispielsweise kann eine elektromagnetische Strahlung, insbesondere ein Laserstrahl, mithilfe einer eindimensionalen diffraktiven Strahlteilungsstruktur in mehrere Strahlen, die auf einer Linie angeordnet sind, aufgeteilt werden. Zudem können auch zweidimensionale diffraktive optische Elemente verwendet werden, um eine Strahlaufteilung zu erreichen.
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Die transparente Wand kann beispielsweise aus Zinkselenit, Quarzglas oder ähnlichem Material bestehen. Zudem kann abhängig von der gewählten Ausführungsform die transparente Wand zusätzlich eine Antireflexbeschichtung aufweisen.
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Die diffraktiven optischen Elemente der transparenten Wand bewirken eine Lichtablenkung durch Beugung an der mikrostrukturierten Oberfläche der Wand. Die mikrostrukturierte Oberfläche, das heißt die diffraktiven optischen Elemente wirken wie ein komplexes optisches Gitter, das das einfallende Licht winkelabhängig in verschiedene Beugungsordnungen aufspaltet. Für den einfachen Fall eines optischen Liniengitters mit der Gitterkonstante g (= räumliche Periode) folgt für achsparallel einfallendes Licht die Ablenkung der Gittergleichung:
g·sin(αm) = m·λ, wobei αm hierbei der Ablenkwinkel des Lichts senkrecht zur optischen Achse, λ die Lichtwellenlänge und m die jeweilige Beugungsordnung angibt. Typische Werte für g liegen zwischen 1 mm und 1 µm bei optischen Anwendungen im sichtbaren Bereich. Anders als bei der brechenden Fläche hängt also bei der Gitterbeugung die Lichtablenkung primär nicht von der Brechzahl des Mediums ab, sondern von den Mikrostrukturparametern, das heißt von der Gitterkonstante g und direkt von der Wellenlänge λ des einfallenden Lichtes. Einfluss auf die Beugungseffizienz der diffraktiven optischen Elemente hat primär nicht die Gitterkonstante, die den Ablenkwinkel bestimmt, sondern im Werkstoff das gewählte Höhenprofil und insbesondere eine Gesamthöhe der Struktur der optischen Elemente.
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Das Grundprinzip der diffraktiven optischen Elemente besteht in der Beugung des Lichtes an Strukturen, deren Größe nahe der optischen Wellenlänge der elektromagnetischen Strahlung liegt. Entscheidend aber ist die lokale Veränderung entweder der Phase oder der Amplitude der auftreffenden Wellenfront. Dies geschieht bei Amplituden-diffraktiven optischen Elementen über eine gezielte örtliche Abschwächung des Feldes durch absorbierende Bereiche. Die Überlagerung aller bei der Transmission entstehenden Elementarwellen ergibt die neuen Wellenfront. Realisieren lassen sich Amplituden-diffraktive optische Elemente einfach durch eine lichtundurchlässige Beschichtung zum Beispiel einer Metallschicht auf einem Glassubstrat, in das Mikroöffnungen eingebracht wurden. Phasendiffraktive optische Elemente hingegen basieren auf der mikrostrukturierten Oberfläche eines transparenten Substrates wie z. B. Glas oder Kunststoff. Hier sorgt die lokal unterschiedliche optische Weglänge beim Lichtdurchgang durch die diffraktiven optischen Elemente für einen Phasenversatz und bewirkt die gewünschte Deformation der Wellenfront.
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Die Erfindung wurde anhand der bevorzugten Ausführungsbeispiele näher illustriert und beschrieben. Dennoch ist die Erfindung nicht auf die offenbarten Beispiele eingeschränkt. Vielmehr können hieraus andere Variationen vom Fachmann abgeleitet werden, ohne den Schutzumfang der Erfindung zu verlassen.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Gehäuse
- 2
- Boden
- 3
- Rückwand
- 4
- Deckenwand
- 5
- Frontwand
- 6
- Bauelement
- 7
- Abstrahlbereich
- 8
- Strahlung
- 9
- erste Seitenwand
- 10
- zweite Seitenwand
- 11
- Außenseite
- 12
- optisches Element
- 13
- Innenseite
- 14
- laterale Erstreckung
- 15
- Bauteil
- 16
- Laserdiode
- 17
- Glasplatte
- 18
- Fotolackschicht
- 19
- Belichtungsmaske
- 20
- Abdeckstruktur
- 21
- Ätzmaske
- 22
- Höhe
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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