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Die vorliegende Anmeldung betrifft eine Montagestruktur für einen Lichtleiter, ein Gehäuse mit einer Montagestruktur, eine optoelektronische Vorrichtung und ein Verfahren zur Herstellung einer optoelektronischen Vorrichtung.
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Bei einer optoelektronischen Vorrichtung mit mehreren Emittern sind oftmals zur Regelung eines optischen Parameters wie zum Beispiel der Helligkeit eine Messung des von den einzelnen Emittern emittierten Lichts und eine Rückkopplung anhand des Messergebnisses erforderlich. Bei Verwendung mehrerer Detektoren können Variationen unterhalb der Detektoren zu einer Verfälschung des Messergebnisses führen. Andererseits ist die Einkopplung des Lichts mehrerer Emitter in nur einen Detektor derart, dass jeder Emitter ein gleichwertiges Signal liefert, technisch aufwändig oder nur für eine kleine Anzahl von Emittern verwendbar, beispielsweise über speziell angepasste optische Elemente wie Blenden oder Reflektoren.
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Eine Aufgabe ist es, die Zufuhr des emittierten Lichts zu einem Detektor zu vereinfachen.
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Diese Aufgabe wird unter anderem durch eine Montagestruktur für einen Lichtleiter und ein Verfahren zur Herstellung einer optoelektronischen Vorrichtung gemäß den unabhängigen Patentansprüchen gelöst. Weitere Ausgestaltungen und Zweckmäßigkeiten sind Gegenstand der abhängigen Patentansprüche.
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Es wird eine Montagestruktur für einen Lichtleiter angegeben. Der Lichtleiter weist einen Kern auf, in dem das in den Lichtleiter eingekoppelte Licht geführt wird. Die Lichtleitung im Lichtleiter erfolgt entlang einer Längsachse des Lichtleiters. Weiterhin kann der Kern von einer Ummantelung umgeben sein, die einen kleineren Brechungsindex aufweist als der Kern, so dass eine Wellenführung aufgrund von Totalreflexion an der Grenzfläche zwischen Kern und Ummantelung erfolgt. Eine solche Ummantelung ist jedoch nicht zwingend erforderlich. Auch an einer Grenzfläche zu Luft kann Totalreflexion zur Lichtleitung führen. Der Lichtleiter kann auch eine innere Struktur und insbesondere ein optisches Metamaterial aufweisen. Weiterhin kann der Kern von einer insbesondere lichtundurchlässigen Isolierung umgeben sein. Beispielsweise weist die Isolierung einen lichtundurchlässigen Kunststoff auf oder besteht aus einem solchen Material. Ein Querschnitt des Lichtleiters ist beispielsweise rund, oval, hexagonal, rechteckig oder quadratisch.
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Der Lichtleiter ist beispielsweise ein flexibler Lichtleiter. Derartige Lichtleiter sind vorkonfektioniert kostengünstig verfügbar und hinsichtlich der räumlichen Anordnung von lichtemittierenden Bauelementen in einer Vorrichtung variabel einsetzbar. Alternativ ist der Lichtleiter beispielsweise ein starrer Lichtleiter. Derartige Lichtleiter können in ihrer geometrischen Ausgestaltung an die herzustellende optoelektronische Vorrichtung angepasst hergestellt werden, beispielsweise aus einem Kunststoff oder einem Glas.
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Der Begriff „Licht“ umfasst im Rahmen der Anmeldung neben elektromagnetischer Strahlung im sichtbaren Spektralbereich auch elektromagnetische Strahlung im infraroten oder im ultravioletten Spektralbereich.
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Gemäß zumindest einer Ausführungsform der Montagestruktur weist die Montagestruktur eine Halterung, in die der Lichtleiter einführbar ist, auf, insbesondere schräg oder senkrecht zur Längsachse des Lichtleiters. Die Halterung dient insbesondere der mechanisch stabilen Befestigung des Lichtleiters, insbesondere ortsstabil relativ zu einem lichtemittierenden Bauelement, das in den Lichtleiter einzukoppelndes Licht emittiert. Beispielsweise ist die Halterung für eine formschlüssige oder kraftschlüssige Verbindung des Lichtleiters in der Halterung vorgesehen, etwa für eine Klemmverbindung oder eine Schnappverbindung. Zum Beispiel wird ein Teil der Halterung beim Einführen des Lichtleiters temporär ausgelenkt.
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Alternativ oder ergänzend ist auch eine stoffschlüssige Verbindung denkbar. Bei einer stoffschlüssigen Verbindung werden die, bevorzugt vorgefertigten, Verbindungspartner mittels atomarer und/oder molekularer Kräfte zusammengehalten. Eine stoffschlüssige Verbindung kann beispielsweise mittels eines Verbindungsmittels, etwa eines Klebemittels oder eines Lots, erzielt werden. In der Regel geht eine Trennung der Verbindung mit einer Zerstörung des Verbindungsmittels und/oder zumindest eines der Verbindungspartner einher.
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Zum Beispiel ist die Halterung so ausgeformt, dass der Lichtleiter mit einer definierten Einsetzkraft, etwa zwischen einschließlich 0,05 N und einschließlich 1 N, einsetzbar ist.
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Insbesondere ist der eingesetzte Lichtleiter erst ab einer Mindestkraft, etwa einschließlich 0,1 N bis einschließlich 10 N, wieder entfernbar.
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Zum Beispiel ist die Mindestkraft größer als die Einsetzkraft. Alternativ oder ergänzend können die Kraftrichtungen für das Einsetzen und Entfernen schräg, also nicht parallel, zueinander verlaufen und/oder das Einsetzen und das Entfernen erfolgen an unterschiedlichen Angreifpunkten an der Halterung.
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Eine räumliche Ausdehnung der Halterung ist insbesondere an einen Querschnitt des einzuführenden Lichtleiters angepasst. Zum Beispiel ist die Halterung entlang der Längsachse des Lichtleiters mindestens so lang wie der Querschnitt des Lichtleiters. Beispielsweise ist die Halterung mindestens so lang wie ein Gehäuse eines zugeordneten lichtemittierenden Bauelements. Beispielsweise ist die Halterung höchstens 10 Mal so lang wie das Gehäuse des zugeordneten lichtemittierenden Bauelements.
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Die Halterung kann auch eine Unterstruktur mit zwei oder mehr Halteelementen, beispielsweise Klammern, aufweisen. Vorzugsweise ist die Halterung mit der Unterstruktur einstückig und/oder aus demselben Grundmaterial gebildet.
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Gemäß zumindest einer Ausführungsform der Montagestruktur ist die Montagestruktur dazu eingerichtet, eine optische Kopplung zum Kern des Lichtleiters herzustellen. Insbesondere erfolgt die optische Kopplung an einer Seitenfläche des Lichtleiters. Mit anderen Worten ist die Montagestruktur so ausgebildet, dass sie beim Einführen oder nach dem Einführen des Lichtleiters einen Einkoppelbereich an den Kern des Lichtleiters ausbildet. Mit anderen Worten ist der Einkoppelbereich ein Bereich des Lichtleiters, in dem die Wellenleitung des Kerns gestört ist. In diesem Einkoppelbereich kann im Vergleich zu einem angrenzenden Bereich des Lichtleiters eine verstärkte Einkopplung in den Kern des Lichtleiters erfolgen.
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In mindestens einer Ausführungsform der Montagestruktur für einen Lichtleiter mit einem Kern und einer Längsachse weist die Montagestruktur eine Halterung, in die der Lichtleiter schräg oder senkrecht zur Längsachse einführbar ist, auf. Die Montagestruktur ist dazu eingerichtet, eine optische Kopplung zum Kern des Lichtleiters herzustellen.
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Mittels der Halterung sind ein sicherer Halt des Lichtleiters und eine deterministische Positionierung des Lichtleiters in Relation zu einem zugeordneten lichtemittierenden Bauelement einfach und zuverlässig realisierbar.
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Gemäß zumindest einer Ausführungsform der Montagestruktur weist die Montagestruktur eine Bearbeitungsstruktur auf, wobei die Bearbeitungsstruktur dazu eingerichtet ist, den Lichtleiter beim Einführen in die Halterung hinsichtlich seiner Lichteinkopplung in den Kern lokal zu modifizieren. Mit anderen Worten entsteht ein Einkoppelbereich, über den Licht seitlich, also nicht über die Enden, des Lichtleiters in den Lichtleiter einkoppelbar ist.
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Insbesondere ist die Bearbeitungsstruktur für eine irreversible mechanische Bearbeitung des Lichtleiters ausgebildet, etwa mittels Schneidens, Ritzens oder Schabens. Mit anderen Worten bildet die Bearbeitungsstruktur durch mechanische Beanspruchung des Lichtleiters am Lichtleiter den Einkoppelbereich aus. Beispielsweise wirkt die Bearbeitungsstruktur in Verbindung mit der Halterung beim Einführen und der Positionierung des Lichtleiters in der Montagestruktur eine Kraft auf den Lichtleiter aus. Die Bearbeitungsstruktur ist beispielsweise einstückig mit der Halterung ausgebildet.
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Alternativ oder ergänzend ist die Bearbeitungsstruktur dazu ausgebildet die Lichteinkopplung lokal mittels eines Materialauftrags zu verändern, etwa durch Aufbringen eines Mediums, etwa eines lichtdurchlässigen Mediums oder einer Farbe.
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Gemäß zumindest einer Ausführungsform der Montagestruktur ist die Bearbeitungsstruktur dazu eingerichtet, eine lichtundurchlässige Isolierung des Lichtleiters beim Einführen des Lichtleiters in die Halterung stellenweise zu entfernen und einen abisolierten Bereich des Lichtleiters zu bilden. Beispielsweise wird der Lichtleiter beim Einführen in die Montagestruktur temporär gegen die Bearbeitungsstruktur gedrückt.
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Gemäß zumindest einer Ausführungsform der Montagestruktur ist die Bearbeitungsstruktur so ausgebildet, dass sie nach dem vollständigen Einführen des Lichtleiters in die Montagestruktur von dem abisolierten Bereich beabstandet ist. Eine Lichteinkopplung über den abisolierten Bereich in den Lichtleiter wird so vereinfacht.
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Gemäß zumindest einer Ausführungsform der Montagestruktur weist die Halterung eine Einführöffnung auf, in die der Lichtleiter einführbar ist, wobei die Einführöffnung vor der Montage des Lichtleiters an zumindest einer Stelle kleiner ist als ein Durchmesser des einzuführenden Lichtleiters. Insbesondere ist die Einführöffnung verglichen zum Durchmesser des einzuführenden Lichtleiters so klein, dass der Lichtleiter beim Einführen bearbeitet wird. Zum Beispiel wird Material des Lichtleiters stellenweise entfernt. Beispielsweise bildet die Bearbeitungsstruktur einen Teil der Einführöffnung. Beispielsweise wird ein Teil der Halterung beim Einführen des Lichtleiters temporär ausgelenkt und die Bearbeitungsstruktur befindet sich auf einer diesem Teil gegenüberliegenden Seite der Einführöffnung.
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Alternativ oder ergänzend ist die Bearbeitungsstruktur beweglich gelagert. Beispielsweise ist die Bearbeitungsstruktur an einem federnd ausgebildeten Bügel angeordnet und der Bügel wird beim Einführen des Lichtleiters zusammengedrückt.
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Gemäß zumindest einer Ausführungsform der Montagestruktur weist die Montagestruktur eine Lichteinkopplungsstruktur auf, über die Licht in den eingeführten Lichtleiter einkoppelbar ist. Beispielsweise grenzt die Lichteinkoppelstruktur unmittelbar an den Kern des eingeführten Lichtleiters an.
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Die Lichteinkopplungsstruktur ist beispielsweise reflektierend ausgebildet. Beispielsweise ist die Lichteinkopplungsstruktur als eine Fläche ausgebildet, die das auftreffende Licht gerichtet reflektiert. Alternativ ist die Lichteinkopplungsstruktur zum Beispiel diffus reflektierend.
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Weiterhin kann die Lichteinkopplungsstruktur beispielsweise lichtdurchlässig ausgebildet sein.
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Gemäß zumindest einer Ausführungsform der Montagestruktur ist die Lichteinkopplungsstruktur beispielsweise spektral und/oder räumlich selektiv bezogen auf das auftreffende Licht ausgebildet. Bestimmte Anteile des auftreffenden Lichts werden also gezielt zu einem größeren Prozentsatz in den Lichtleiter eingekoppelt als andere Anteile. Beispielsweise weist die Lichteinkopplungsstruktur für einen Anteil des auftreffenden Lichts eine höhere Reflektivität auf als für einen anderen Anteil.
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Gemäß zumindest einer Ausführungsform der Montagestruktur ist die Montagestruktur einstückig ausgebildet. Insbesondere kann die Montagestruktur aus einem Metallblech geformt sein. Beispielsweise ist die Montagestruktur so ausgebildet, dass sie aus einem ebenen Metallblech herstellbar ist, insbesondere nur durch Umformungs- und Schneidprozesse.
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Alternativ kann die Montagestruktur jedoch auch einen Kunststoffkörper oder Glaskörper aufweisen oder einstückig aus einem Kunststoffkörper oder einem Glaskörper gebildet sein.
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Gemäß zumindest einer Ausführungsform der Montagestruktur ist die Montagestruktur dazu eingerichtet, an einem Gehäuse eines lichtemittierenden Bauelements angeordnet zu werden. Die Montagestruktur ist also ein separates Element zur ortsfesten Befestigung des Lichtleiters relativ zu dem lichtemittierenden Bauelement. Die Montagestruktur kann von dem Gehäuse beabstandet sein oder an das Gehäuse angrenzen.
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Die Montagestruktur kann insbesondere für eine Vielzahl von verschiedenen Gehäusetypen geeignet ausgebildet sein.
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Weiterhin wird ein Gehäuse eines lichtemittierenden Bauelements angegeben, wobei das Gehäuse eine Montagestruktur aufweist. Die Montagestruktur weist insbesondere eines oder mehrere der vorstehend angeführten Merkmale auf.
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Die Montagestruktur ist also in das Gehäuse des Bauelements integriert. Das Gehäuse weist beispielsweise einen Gehäusekörper auf, etwa einen Kunststoff-Formkörper. Weiterhin kann das Gehäuse einen Leiterrahmen aufweisen, der für die externe elektrische Kontaktierung des lichtemittierenden Bauelements eingerichtet ist.
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Gemäß zumindest einer Ausführungsform des Gehäuses ist die Montagestruktur als ein Teil des Leiterrahmens ausgebildet. Die Montagestruktur kann auch ein Teilbereich des Leiterrahmens sein, der von den stromtragenden Teilen des Leiterrahmens elektrisch isoliert ist.
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Alternativ kann zumindest ein Teil der Montagestruktur einstückig mit einem Gehäusekörper des Bauelements gebildet oder am Gehäusekörper befestigt sein.
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Weiterhin wird eine optoelektronische Vorrichtung mit zumindest zwei zur Lichterzeugung vorgesehenen lichtemittierenden Bauelementen und einem Lichtleiter angegeben. Beispielsweise ist den lichtemittierenden Bauelementen jeweils eine Montagestruktur zugeordnet, etwa als Teil des lichtemittierenden Bauelements oder separat zum lichtemittierenden Bauelement. Diese Montagestruktur kann wie vorstehend beschrieben ausgebildet sein. Der Lichtleiter ist in die Montagestrukturen eingeführt, so dass im Betrieb der optoelektronischen Vorrichtung ein Teil des von den lichtemittierenden Bauelementen erzeugten Lichts in den Lichtleiter einkoppelt. Insbesondere erfolgt die Lichteinkopplung über einen seitlichen Einkoppelbereich in den Lichtleiter.
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Zweckmäßigerweise wird jeweils nur ein kleiner Anteil des von den Bauelementen emittierten Lichts in den zugeordneten Einkoppelbereich eingekoppelt, etwa höchstens 10%, insbesondere zwischen einschließlich 0,001% und einschließlich 1%, beispielsweise zwischen einschließlich 0,01% und einschließlich 0,1%.
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Gemäß zumindest einer Ausführungsform der optoelektronischen Vorrichtung weist die optoelektronische Vorrichtung einen Detektor auf, wobei aus dem Lichtleiter austretendes Licht zumindest teilweise auf den Detektor trifft. Insbesondere tritt das auf den Detektor auftreffende Licht aus einem Ende des Lichtleiters aus.
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Der Detektor ist beispielsweise dazu eingerichtet, dass ein Signal des Detektors einer Regelungseinrichtung zugeführt wird. Mittels der Regelungseinrichtung sind die lichtemittierenden Bauelemente ansteuerbar, insbesondere in Abhängigkeit vom Signal des Detektors. Beispielsweise steuert die Regelungseinrichtung zumindest eine Betriebsgröße der lichtemittierenden Bauelemente, beispielsweise eine Stärke oder eine Tastrate eines Betriebsstroms.
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Gemäß zumindest einer Ausführungsform der optoelektronischen Vorrichtung weist die optoelektronische Vorrichtung im Bereich der Montagestrukturen jeweils ein Medium auf, das eine Lichteinkopplung in den Lichtleiter modifiziert.
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Beispielsweise ist das Medium ein lichtdurchlässiges Medium, das unmittelbar an den Kern des Lichtleiters angrenzt und eine Lichteinkopplung in den Lichtleiter bewirkt. Beispielsweise ist das lichtdurchlässige Medium ein Gel, das lokal an einer Grenzfläche zum Kern des Lichtleiters den Brechungsindexunterschied verringert und so einen Einkoppelbereich des Lichtleiters bildet.
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Gemäß zumindest einer Ausführungsform der optoelektronischen Vorrichtung weisen die Montagestrukturen jeweils eine Umlenkeinrichtung auf, die das zugehörige lichtemittierende Bauelement in Draufsicht auf die optoelektronische Vorrichtung stellenweise überdeckt. Über die Umlenkeinrichtung ist derjenige Anteil des Lichts steigerbar, der von dem zugehörigen lichtemittierenden Bauelement abgestrahlt und in den Lichtleiter eingekoppelt wird. Die Effizienz der Einkopplung kann also gesteigert werden. Alternativ oder zusätzlich kann mittels der Umlenkeinrichtung die räumliche und/oder spektrale Verteilung des einzukoppelnden Lichts eingestellt werden. Die Umlenkeinrichtung kann weiterhin so ausgebildet sein, dass sie den Einkoppelbereich von dem Licht der übrigen lichtemittierenden Bauelemente abschirmt. Eine maximale laterale Ausdehnung der Umlenkeinrichtung ist beispielsweise höchstens zehnmal oder höchstens fünfmal so groß wie ein Durchmesser des Lichtleiters.
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Weiterhin wird ein Verfahren zum Herstellen einer optoelektronischen Vorrichtung angegeben.
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Gemäß zumindest einer Ausführungsform des Verfahrens werden zumindest zwei lichtemittierende Bauelemente bereitgestellt, wobei den lichtemittierenden Bauelementen jeweils eine Montagestruktur für einen Lichtleiter mit einem Kern zugeordnet ist, wobei die Montagestruktur eine Halterung aufweist. Der Lichtleiter wird in die Halterungen der Montagestrukturen eingeführt und eine optische Kopplung zum Kern des Lichtleiters wird im Bereich der Montagestrukturen hergestellt.
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Beispielsweise ist jedem lichtemittierenden Bauelement oder jeder Gruppe von lichtemittierenden Bauelementen der optoelektronischen Vorrichtung genau eine Montagestruktur zugeordnet.
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Gemäß zumindest einer Ausführungsform des Verfahrens erfolgt die optische Kopplung beim Einführen des insbesondere flexiblen Lichtleiters in die Halterungen. Die Stellen, an denen eine Lichteinkopplung in den Lichtleiter erfolgt, werden also beim Einführen in die Montagestruktur gebildet. Bei einer Änderung des Aufbaus der optoelektronischen Vorrichtung, beispielsweise einer Änderung der Anzahl oder der Position der lichtemittierenden Bauelemente, muss der Lichtleiter selbst nicht notwendigerweise modifiziert werden. Eine Anpassung des Lichtleiters, wie es beispielsweise bei einem starren, auf die optoelektronische Vorrichtung spezifisch abgestimmten Lichtleiter erforderlich wäre, ist nicht erforderlich.
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Gemäß zumindest einer Ausführungsform des Verfahrens erfolgt das Herstellen der optischen Kopplung erst nach dem Einführen des Lichtleiters in die Halterungen. Dies kann beispielsweise mittels eines insbesondere lichtdurchlässigen Mediums erfolgen, das im Bereich der Montagestruktur aufgebracht wird.
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Gemäß zumindest einer Ausführungsform des Verfahrens werden die lichtemittierenden Bauelemente und die zugeordneten Montagestrukturen in einem gemeinsamen Herstellungsschritt auf einem Anschlussträger befestigt. Die Montagestrukturen können separat von den lichtemittierenden Bauelementen gefertigt oder in die lichtemittierenden Bauelemente integriert sein.
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Gemäß zumindest einer Ausführungsform des Verfahrens werden die Montagestrukturen und die zugeordneten lichtemittierenden Bauelemente mittels eines Lötverfahrens, etwa durch Reflow-Löten an dem Anschlussträger befestigt, insbesondere an voneinander beabstandeten Anschlussflächen des Anschlussträgers. Zum Beispiel weist der Anschlussträger für jede Montagestruktur eine gesonderte, von der oder den Anschlussflächen des lichtemittierenden Bauelements beabstandete, Anschlussfläche auf. Während des Lötens können sich die lichtemittierenden Bauelemente und die zugehörigen Montagestrukturen auf dem flüssigen Lot schwimmend zueinander justieren. Dadurch stellt sich auf einfache Weise eine gut reproduzierbare relative Anordnung zwischen Bauelement und zugeordneter Montagestruktur ein. Alternativ ist beispielsweise denkbar, dass die Montagestruktur einen Anschlag aufweist, der bei der Montage an das lichtemittierende Bauelement angrenzt.
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Das beschriebene Verfahren ist zur Herstellung einer vorstehend beschriebenen optoelektronischen Vorrichtung besonders geeignet. Insbesondere eignet sich für das Verfahren eine vorstehend beschriebene Montagestruktur. Im Zusammenhang mit der optoelektronischen Vorrichtung und insbesondere auch mit der Montagestruktur beschriebene Merkmale können daher auch für das Verfahren herangezogen werden und umgekehrt.
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Mit den beschriebenen Merkmalen können insbesondere die folgenden Effekte erzielt werden.
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Mittels der Montagestruktur kann auf einfache und reproduzierbare Weise eine optische Ankopplung eines Lichtleiters erzielt werden. Insbesondere kann der Lichtleiter zuverlässig in genau definierten geometrischen Verhältnissen zu den lichtemittierenden Bauelementen befestigt werden. Der Lichtleiter wird mechanisch gehaltert und gleichzeitig kann eine definierte Einkopplung in den Lichtleiter erfolgen. So ist auch bei einer Vorrichtung mit einer Vielzahl von lichtemittierenden Bauelementen vereinfacht erzielbar, dass alle lichtemittierenden Bauelemente oder gegebenenfalls hieraus gebildete Gruppen einen vergleichbar hohen Lichteintrag auf den Detektor bewirken. Insbesondere ist auch bei einer Vielzahl lichtemittierender Bauelemente ein einziger Detektor ausreichend. Die Verwendung mehrerer Detektoren und dadurch die Gefahr einer verfälschten Regelung aufgrund leicht unterschiedlicher Detektoreigenschaften kann vermieden werden.
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Weiterhin erfordern bauliche Veränderungen der herzustellenden Vorrichtung, etwa eine Änderung der Anzahl oder der relativen Position der lichtemittierenden Bauelemente keine aufwändige Modifikation der Lichtzufuhr zum Detektor.
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Die Montagestruktur kann separat und insbesondere unabhängig von den verwendeten lichtemittierenden Bauelementen gebildet werden, so dass diese auch für verschiedene Bauelementtypen oder Gehäuseformen verwendbar ist.
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Alternativ kann die Montagestruktur in die lichtemittierenden Bauelemente integriert werden. Dadurch entfällt bei der Herstellung einer optoelektronischen Vorrichtung eine Positionierung der Montagestrukturen relativ zu den zugeordneten lichtemittierenden Bauelementen.
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Weiterhin kann die Montagestruktur so ausgebildet sein, dass sie den Lichtleiter bei der Montage für die Lichteinkopplung bearbeitet oder zumindest vorbereitet.
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Weitere Ausgestaltungen und Zweckmäßigkeiten ergeben sich aus der folgenden Beschreibung der Ausführungsbeispiele in Verbindung mit den Figuren.
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Es zeigen:
- die 1A bis 1G ein Ausführungsbeispiel für eine Montagestruktur in perspektivischer Darstellung ( 1A), in Seitenansicht (1B), in perspektivischer Darstellung mit einem zugeordneten lichtemittierenden Bauelement (1C) in perspektivischer Darstellung mit einem Lichtleiter (1D) und in schematischen Seitenansichten in den 1E, 1F und 1G, wobei die Figuren unterschiedliche Stadien des Einführens eines Lichtleiters in die Montagestruktur veranschaulichen;
- die 2A bis 2F ein Ausführungsbeispiel für ein Gehäuse mit einer Montagestruktur, wobei 2A eine perspektivische Darstellung der Montagestruktur, 2B eine perspektivische Darstellung eines lichtemittierenden Bauelements mit einer solchen Montagestruktur und 2C eine Darstellung mit eingeführtem Lichtleiter in das Bauelement der 2B zeigen und die 2D bis 2F jeweils in Seitenansichten des Gehäuses in unterschiedlichen Stadien des Einführens eines Lichtleiters in die Montagestruktur veranschaulichen;
- die 3A bis 3F ein Ausführungsbeispiel für eine Montagestruktur in perspektivischer Darstellung ( 3A) in perspektivischer Darstellung mit einem zugeordneten lichtemittierenden Bauelement (3B), in perspektivischer Darstellung mit einem eingeführten Lichtleiter (3C) und anhand von Simulationen des Strahlenverlaufs, wobei die 3D der 3B, die 3E der 3C und die 3F einer gedrehten Darstellung der 3C entsprechen;
- die 4A und 4B einen Ausführungsbeispiel einer optoelektronischen Vorrichtung in Draufsicht, wobei 4B eine vergrößerte Darstellung eines in 4A gezeigten Ausschnitts 99 darstellt;
- 4C ein Ausführungsbeispiel einer optoelektronischen Vorrichtung in schematischer Draufsicht; und
- Die 5A und 5B ein Ausführungsbeispiel für ein Verfahren zur Herstellung einer optoelektronischen Vorrichtung anhand von jeweils in schematischer Draufsicht gezeigten Zwischenschritten.
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Gleiche, gleichartige oder gleich wirkende Elemente sind in den Figuren mit den gleichen Bezugszeichen versehen.
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Die Figuren sind jeweils schematische Darstellungen und daher nicht unbedingt maßstabsgetreu. Vielmehr können vergleichsweise kleine Elemente und insbesondere Schichtdicken zur Verdeutlichung übertrieben groß dargestellt sein.
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Ein Ausführungsbeispiel für einen Montagestruktur 1 ist in 1 in perspektivischer Darstellung gezeigt, wobei die Anordnung relativ zu einem zugehörigen lichtemittierenden Bauelement 7 in 1C beziehungsweise zu einem Lichtleiter 2 in 1D zur Veranschaulichung dargestellt sind.
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Die Montagestruktur 1 ist hierbei exemplarisch für einen Fall gezeigt, bei dem der Lichtleiter 2 einen Kern 20, eine Längsachse 25 und eine lichtundurchlässige Isolierung 29 aufweist, welche den Kern umgibt.
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Die Montagestruktur 1 weist eine Halterung 3 auf, in die der Lichtleiter senkrecht zur Längsachse einführbar ist. Die Halterung ist exemplarisch mittels zweier Klammern 35 gebildet, die parallel zueinander verlaufen. Zwischen der Halterung 3 und einer Bearbeitungsstruktur 4 ist eine Einführöffnung 30 ausgebildet. Ein minimaler Querschnitt der Einführöffnung 30 ist kleiner als der Durchmesser des in die Montagestruktur einzuführenden Lichtleiters, so dass dieser beim Einführen in die Montagestruktur 1 mittels der Bearbeitungsstruktur 4 mechanisch bearbeitet wird. Dies wird anhand der 1E bis 1G näher erläutert.
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Beim Ausüben einer Kraft auf den Lichtleiter 2 senkrecht oder im Wesentlichen senkrecht zu einer Montagefläche 10 der Montagestruktur werden die Klammern 35 der Halterung 3 temporär ausgelenkt und die Bearbeitungsstruktur 4 tritt in mechanischen Kontakt zur Isolierung 29 des Lichtleiters 2.
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Die Bearbeitungsstruktur 4 wirkt als eine Schneidkante und entfernt, wie in 1F gezeigt, einen Teil der Isolierung 29, während der Lichtleiter 2 die Einführöffnung 30 passiert. Wie in 1G gezeigt, bildet sich so ein abisolierter Bereich 290 des Lichtleiters 2. Dieser bildet einen Einkoppelbereich 22 in den Lichtleiter 2. Der Lichtleiter weist also einen seitlichen Einkoppelbereich auf.
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Wenn der Lichtleiter 2 vollständig in die Halterung 3 eingeführt ist, ist die Bearbeitungsstruktur 4 von dem Einkoppelbereich 22 beabstandet, so dass Licht eines der Montagestruktur zugeordneten lichtemittierenden Bauelements 7 (vergleiche 1C) über den Einkoppelbereich 22 in den Lichtleiter 2 eingekoppelt und entlang der Längsachse 25 des Lichtleiters geführt werden kann. Der Einkoppelbereich 22 ist in einem kleineren Abstand zur Montagefläche 10 angeordnet als die Bearbeitungsstruktur 4.
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Die Montagestruktur 1 weist weiterhin eine Umlenkeinrichtung 5 auf. Die Umlenkeinrichtung 5 ist dafür vorgesehen, die Einkopplung der vom lichtemittierenden Bauelement 7 erzeugten Strahlung in den Einkoppelbereich 22 zu erhöhen. Die Umlenkeinrichtung 5 überdeckt das lichtemittierende Bauelement 7 in einer Draufsicht auf das lichtemittierende Bauelement stellenweise, insbesondere nur stellenweise. Dadurch wird ein Teil des abgestrahlten Lichts in Richtung des Einkoppelbereichs 22 umgelenkt. Das Licht wird an der Umlenkeinrichtung reflektiert und verläuft innerhalb eines abschirmenden Bereichs 55 der Montagestruktur 1 in einem Lichtausbreitungsbereich 550 in Richtung des Einkoppelbereichs. Der Lichtausbreitungsbereich 550 ist zweckmäßigerweise angepasst an die laterale Ausdehnung des Einkoppelbereichs 22 im Lichtleiter 2, so dass das Licht in passender räumlicher Verteilung am Lichtleiter ankommt und eine maximale Einkopplungseffizienz zum Lichtleiter erzielt werden kann. Beispielsweise beträgt eine Ausdehnung des Lichtausbreitungsbereichs entlang der Längsachse des Lichtleiters zwischen einschließlich 1 mm und einschließlich 5 mm.
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Mittels des abschirmenden Bereichs 55 kann weiterhin derjenige Lichtanteil verringert werden, der von einem anderen als dem zugeordneten lichtemittierenden Bauelement oder von der Umgebung stammt und in den Einkoppelbereich 22 des Lichtleiters eintritt.
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Die Montagestruktur 1 bewirkt also eine gut reproduzierbare ortsfeste und genau definierte Anordnung des Lichtleiters und insbesondere des Einkoppelbereichs 22 des Lichtleiters in Relation zu dem zugehörigen lichtemittierenden Bauelement 7. Der Einkoppelbereich des Lichtleiters 2 entsteht beim Einführen des Lichtleiters in die Halterung 3, so dass ein vorkonfektionierter, kommerziell kostengünstig verfügbarer, Lichtleiter Anwendung finden kann.
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Die Montagestruktur 1 kann abgesehen von möglicherweise vorhandenen lokalen Beschichtungen einstückig ausgebildet sein. Insbesondere kann die Montagestruktur 1 so geformt sein, dass sie bei ihrer Herstellung aus einem ebenen Blech gebildet werden kann, beispielsweise durch Stanzverfahren und durch Umformungsverfahren, etwa Biegen, Prägen oder Tiefziehen. Eine kostengünstige Herstellung ist so vereinfacht.
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Für das Einsetzen des Lichtleiters in die Montagestruktur 1 ist beispielsweise eine Kraft zwischen einschließlich 0,05 N und einschließlich 1 N erforderlich. Für das Entfernen des Lichtleiters sind vorzugsweise höhere Kräfte erforderlich, beispielsweise zwischen einschließlich 0,1 N und einschließlich 10 N.
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Die Montagestruktur 1 ist beispielsweise so ausgebildet, dass höchstens 10%, insbesondere typischerweise zwischen einschließlich 0,01% und einschließlich 0,1% der vom lichtemittierenden Bauteil emittierten Strahlung in den Lichtleiter 2 eingekoppelt wird. Eine laterale Ausdehnung der Montagestruktur beträgt beispielsweise zwischen dem einschließlich 0,5-Fachen und dem einschließlich Zehnfachen der maximalen lateralen Ausdehnung des zugehörigen lichtemittierenden Bauelements 7.
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In dem gezeigten Ausführungsbeispiel bewirkt die Bearbeitungsstruktur 4 eine mechanische Bearbeitung des Lichtleiters, etwa durch Schneiden, Ritzen oder Schaben. Alternativ oder ergänzend kann die Bearbeitungsstruktur so ausgebildet sein, dass sie ein Medium, etwa ein lichtdurchlässiges Medium oder eine Farbe lokal auf den Lichtleiter aufbringt und damit die Lichteinkopplung in den Lichtleiter modifiziert (vgl. 4C).
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Die Montagestruktur 1 mit der Halterung 3 und der Bearbeitungsstruktur 4 und insbesondere gegebenenfalls mit der Umlenkeinrichtung 5 kann einstückig ausgebildet sein und beispielsweise aus einem Metall gebildet sein. Davon abweichend kann für eines der genannten Elemente oder die gesamte Montagestruktur jedoch auch ein anderes Material, beispielsweise ein Kunststoff oder ein Glas Anwendung finden.
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Die Bearbeitungsstruktur wird insbesondere beim Einsetzen des Lichtleiters in die Montagestruktur 1 aktiv, so dass zusätzlich zum Einführen des Lichtleiters 2 in die Montagestruktur kein weiterer Herstellungsschritt erforderlich ist. Insbesondere muss der Lichtleiter nicht vor dem Einsetzen an die Geometrie der herzustellenden optoelektronischen Vorrichtung angepasst werden.
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Der durch die Bearbeitungsstruktur 4 gebildete Einkoppelbereich 22 des Lichtleiters 2 ist so platziert, dass der Einkoppelbereich 22 dem Lichtausbreitungsbereich 55 der Montagestruktur zugewandt ist.
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Anhand der 2A bis 2F ist ein Ausführungsbeispiel einer Montagestruktur gezeigt, die Teil eines Gehäuses 70 eines lichtemittierenden Bauelements 7 ist.
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Das Gehäuse 70 weist einen Gehäusekörper 71 und einen Leiterrahmen 72 auf, wobei der Gehäusekörper 71 den Leiterrahmen 72 umformt und der Gehäusekörper an den Leiterrahmen angeformt ist. An den Stellen, an dem der Gehäusekörper an den Leiterrahmen angeformt ist, grenzt dieser unmittelbar an den Leiterrahmen an. Der Leiterrahmen 72 ist zur externen elektrischen Kontaktierung eines im Gehäuse 70 angeordneten Halbleiterchips eines lichtemittierenden Bauelements 7 vorgesehen. In der in 2B gezeigten Darstellung ist der Halbleiterchip von einer Umhüllung 73 überdeckt und deshalb in der Darstellung nicht zu sehen.
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Die in 2A einzeln dargestellte Montagestruktur 1 ist Teil des Gehäuses 70, insbesondere Teil des Leiterrahmens 72. Die Montagestruktur ist also in das Gehäuse des lichtemittierenden Bauelements 7 integriert. Die Montagestruktur kann von den Teilen des Leiterrahmens 72, die der externen elektrischen Kontaktierung des Gehäuses dienen, beabstandet sein oder einstückig mit einem Teil gebildet sein, das der elektrischen Kontaktierung dient.
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Die Montagestruktur 1 weist wiederum eine Halterung 3 und eine Bearbeitungsstruktur 4 auf. In diesem Ausführungsbeispiel ist die Bearbeitungsstruktur 4 durch das Ende eines Bügels 41 gebildet. Dieser Bügel wird bei der Einführung des Lichtleiters 2, wie in den 2D bis 2F dargestellt, in Richtung der Montagefläche 10 zusammengedrückt. Hierbei entfernt die Bearbeitungsstruktur 4 einen Teil einer Isolierung 29 des Lichtleiters 2, so dass wie in Zusammenhang mit den 1E bis 1G beschrieben ein abisolierter Bereich 290 einen Einkoppelbereich 22 des Lichtleiters bildet. Bei eingeführtem Lichtleiter befindet sich der Einkoppelbereich in einem größeren Abstand von der Montagefläche 10 als die Bearbeitungsstruktur 4.
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Bei der Herstellung des Gehäuses 70 kann die Montagestruktur 1 mit denselben Prozessen hergestellt werden, die für die Formung des Leiterrahmens aus einem ebenen Blech Anwendung finden. Insbesondere kann die gesamte Montagestruktur aus einem einzigen zusammenhängenden Teil des Leiterrahmens gebildet sein. Die Montagestruktur kann so besonders kostengünstig in das Gehäuse integriert werden. Davon abweichend kann die Montagestruktur auch als Teil des Gehäusekörpers 71 ausgebildet werden.
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In den 3A bis 3F ist ein weiteres Ausführungsbeispiel für eine Montagestruktur gezeigt. Dieses Ausführungsbeispiel entspricht im Wesentlichen dem im Zusammenhang mit den 1A bis 1G beschriebenen Ausführungsbeispiel.
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Im Unterschied hierzu ist die Montagestruktur 1 für das Einführen eines Lichtleiters 2 vorgesehen, der keine Isolierung aufweist. Beispielsweise ist der Lichtleiter 2 ein flexibler oder starrer Kunststoffkörper 3 mit einem rechteckigen oder quadratischen Querschnitt.
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Die Montagestruktur 1 kann separat zu einem Gehäuse eines lichtemittierenden Bauelements ausgebildet oder Teil eines solchen Gehäuses sein.
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Die Montagestruktur 1 weist eine Halterung 3 auf, wobei die Halterung 3 mittels eines Vorsprungs 31 gebildet ist, in den der Lichtleiter 2 beim Einführen in die Montagestruktur einrasten kann. Weiterhin weist die Montagestruktur 1 eine Lichteinkopplungsstruktur 45 auf.
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Für die Montagestruktur 1 eignet sich beispielsweise ein Grundkörper aus einem Kunststoff, etwa einem Silikon, einem Glas oder einem Metall, wobei Teilbereiche des Grundkörpers unterschiedliche reflexionssteigernde oder reflexionshemmende Beschichtungen aufweisen können.
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Die Lichteinkopplungsstruktur 45 ist exemplarisch durch drei planare Bereiche gebildet, zwischen denen jeweils ein zurückgesetzter Bereich 46 ausgebildet ist. Beim Einführen eines Lichtleiters 2 grenzt der Lichtleiter 2 unmittelbar an die Lichteinkopplungsstruktur 45 an und bleibt von den zurückgesetzten Bereichen 46 beabstandet. Die zurückgesetzten Bereiche sind exemplarisch mit einer gekrümmten Oberfläche ausgebildet.
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Die Lichteinkopplungsstruktur 45 kann beispielsweise durch gerichtet oder diffus reflektierende Flächen, beispielsweise mittels einer reflektierenden metallischen oder einer diffus reflektierenden Beschichtung, gebildet sein. Eine räumliche Selektivität der Einkopplung ist beispielsweise durch unterschiedliche Oberflächeneigenschaften, etwa unterschiedliche Rauigkeiten oder unterschiedlich stark diffuse Eigenschaften erzielbar.
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Selbstverständlich ist die geometrische Ausgestaltung der Lichteinkopplungsstruktur 45 mit drei senkrecht zur Montagefläche 10 verlaufenden Streifen lediglich exemplarisch und kann in weiteren Grenzen variiert werden, solange die Lichteinkopplungsstruktur eine Einkopplung des Lichts des zugehörigen lichtemittierenden Bauelements in den Lichtleiter und damit eine Lichtleitung entlang der Längsachse des Lichtleiters bewirkt.
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Die Lichteinkopplungsstruktur 45 kann alternativ oder ergänzend auch spektral selektiv sein, beispielsweise, wenn die Lichteinkopplungsstruktur spektral Anteile in einem Farbbereich, beispielsweise im blauen Spektralbereich stärker reflektiert als in einem anderen Spektralbereich, beispielsweise im roten, gelben und/oder grünen Spektralbereich.
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In diesem Ausführungsbeispiel tritt das von dem zugehörigen lichtemittierenden Bauelement 7 erzeugte Licht zunächst senkrecht oder im Wesentlichen senkrecht zur Längsachse des Lichtleiters durch den Lichtleiter 2 hindurch und wird an der Lichteinkopplungsstruktur 45 in den Lichtleiter eingekoppelt.
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Die 3D bis 3F zeigen Simulationsergebnisse, welche den Strahlenverlauf eines einzukoppelnden Lichts und einer Einkopplung in den Lichtleiter 2 simulieren. In 3F ist an einer Stirnfläche des Lichtleiters 2 ein Bild 28 der Lichteinkopplungsstruktur 45 zu erkennen. Diese Simulationen belegen, dass Strahlung des lichtemittierenden Bauelements räumlich selektiv und gegebenenfalls auch spektral selektiv über die Lichteinkopplungsstruktur 45 eingekoppelt werden kann.
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Ein Ausführungsbeispiel für eine optoelektronische Vorrichtung ist in den 4A und 4B schematisch in Draufsicht gezeigt. Die optoelektronische Vorrichtung 8 weist eine Mehrzahl von lichtemittierenden Bauelementen 7 auf. Diese sind exemplarisch matrixförmig in drei Reihen und acht Spalten angeordnet. Den lichtemittierenden Bauelementen 7 ist jeweils eine Montagestruktur 1 zugeordnet, wie sie in Zusammenhang mit den 1A bis 1G beschrieben ausgebildet ist. Die lichtemittierenden Bauelemente 7 und die zugehörigen Montagestrukturen 1 sind jeweils lateral voneinander beabstandet auf einem Anschlussträger 81, etwa einer gedruckten Leiterplatte angeordnet.
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Wie in 4B dargestellt, kann die Montagestruktur 1 auf einer eigenen Anschlussfläche 810 befestigt werden, wobei diese Anschlussfläche von den Anschlussflächen 810 für das lichtemittierende Bauelement 7 beabstandet ist. Bei einer Befestigung der Montagestrukturen 1 und den lichtemittierenden Bauelementen 7 an dem Anschlussträger 81 mittels eines Lötverfahrens, etwa mittels eines Reflow-Lötverfahrens in einem Ofen, können die lichtemittierenden Bauelemente 7 und die Montagestrukturen 1 jeweils auf dem zugehörigen Lot schwimmen und sich so selbstjustiert zueinander ausrichten. Mit der beschriebenen Montagestruktur 1 kann so für alle lichtemittierenden Bauelemente 7 ein im Wesentlichen gleichgroßer Lichteintrag in einen gemeinsamen Lichtleiter 2 der optoelektronischen Vorrichtung erzielt werden. Somit können alle lichtemittierenden Bauelemente 7, insbesondere unabhängig von deren relativen Position zu einem Detektor 85 zu einem gleichgroßen Anteil zum Signal des Detektors 85 beitragen.
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Die Anzahl der Einkoppelbereiche und damit der lichtemittierenden Bauelemente 7, die in einen gemeinsamen Lichtleiter einkoppeln, ist in weiten Grenzen variierbar. Auf komplizierte optische Anordnungen mit beispielsweise Reflektoren und Blenden zur Erzeugung eines gleichwertigen Signals am Detektor für alle Lichtemittierenden Bauelemente und einem damit einhergehenden Justageaufwand kann verzichtet werden.
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Insbesondere können alle lichtemittierenden Bauelemente 7 in einen gemeinsamen Lichtleiter 2 Licht einkoppeln. Davon abweichend ist selbstverständlich auch denkbar, dass mehr als ein Lichtleiter, beispielsweise je ein Lichtleiter pro Zeile oder pro Spalte Anwendung finden.
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Das in 4C gezeigte Ausführungsbeispiel entspricht im Wesentlichen dem im Zusammenhang mit den 4A und 4B beschriebenen Ausführungsbeispiel. Im Unterschied hierzu weist die Vorrichtung ein Medium 450 auf. Beispielsweise ist das Medium ein lichtdurchlässiges Medium, das unmittelbar an den Kern des Lichtleiters angrenzt und durch eine lokale Verringerung des Brechungsindexunterschieds an einer Grenzfläche zum Kern des Lichtleiters eine Lichteinkopplung in den Lichtleiter bewirkt. Zum Beispiel eignet sich als lichtdurchlässiges Medium 450 ein Gel. Alternativ kann auch ein anderes Medium Anwendung finden, beispielsweise ein reflektierendes Material oder eine Farbe, die spektral selektiv reflektiert oder transmittiert.
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Ein Verfahren zum Herstellen einer optoelektronischen Vorrichtung ist in den 5A und 5B schematisch dargestellt. Eine Mehrzahl von lichtemittierenden Bauelementen 7, denen jeweils eine Montagestruktur 1 für einen Lichtleiter zugeordnet ist, wird bereitgestellt, beispielsweise auf einem Anschlussträger 81.
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Die Montagestrukturen können wie in Zusammenhang mit den 1A bis 1G beschrieben separat von den lichtemittierenden Bauelementen ausgebildet sein oder in Gehäuse der lichtemittierenden Bauelemente integriert sein (vergleiche 2A bis 2F). Ein Lichtleiter 2 wird in die Halterungen der Montagestrukturen 1 eingeführt und eine optische Kopplung zum Kern des Lichtleiters im Bereich der Montagestrukturen wird hergestellt (5B).
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Die optische Kopplung kann insbesondere beim Einführen des Lichtleiters in die Halterungen erfolgen. Dies wurde bereits im Zusammenhang mit den 1E bis 1G und 2D bis 2F erläutert. Davon abweichend kann die optische Kopplung auch erst nach dem Einführen des Lichtleiters 2 in die Halterungen erfolgen, beispielsweise mittels eines Mediums, das stellenweise unmittelbar an den Kern des Lichtleiters angrenzt (4C).
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Die Erfindung ist nicht durch die Beschreibung anhand der Ausführungsbeispiele beschränkt. Vielmehr umfasst die Erfindung jedes neue Merkmal sowie jede Kombination von Merkmalen, was insbesondere jede Kombination von Merkmalen in den Patentansprüchen beinhaltet, auch wenn dieses Merkmal oder diese Kombination selbst nicht explizit in den Patentansprüchen oder den Ausführungsbeispielen angegeben ist.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Montagestruktur
- 2
- Lichtleiter
- 3
- Halterung
- 4
- Bearbeitungsstruktur
- 5
- Umlenkeinrichtung
- 7
- lichtemittierendes Bauelement
- 8
- optoelektronische Vorrichtung
- 10
- Montagefläche
- 20
- Kern des Lichtleiters
- 22
- Einkoppelbereich
- 25
- Längsachse
- 28
- Bild der Lichteinkopplungsstruktur
- 29
- Isolierung
- 30
- Einführöffnung
- 31
- Vorsprung
- 35
- Klammer
- 41
- Bügel
- 45
- Lichteinkopplungsstruktur
- 46
- zurückgesetzter Bereich
- 55
- abschirmender Bereich
- 70
- Gehäuse
- 71
- Gehäusekörper
- 72
- Leiterrahmen
- 73
- Umhüllung
- 81
- Anschlussträger
- 85
- Detektor
- 99
- Ausschnitt
- 290
- abisolierter Bereich
- 450
- Medium
- 550
- Lichtausbreitungsbereich
- 810
- Anschlussfläche