JP2011507038A - オプトエレクトロニクス装置および画像記録装置 - Google Patents

Abstract

本発明のオプトエレクトロニクス装置の少なくとも１つの実施形態において、該オプトエレクトロニクス装置は、光学素子（１）と、電磁放射（Ｒ）を生成するために適当なオプトエレクトロニクス半導体チップ（２）とを有する。前記光学素子（１）は、ワンピースに構成されており、２つの互いに反対側にある放射貫通面（３４）を含み、互いに隔てられた複数のレンズ領域（６）を備えるレンズ装置（５）を有する。ここで前記レンズ装置（５）は、前記放射貫通面（３４）の一方の面に形成されており、前記放射貫通面（３４）の他方の面は平面状に構成されており、前記レンズ領域（６）は、前記光学素子（１）を通って入射した放射が、種々の、円筒状の、および／または互いに分離された波面に形成されるよう構成および配置されている。

Description

オプトエレクトロニクス装置および画像記録装置が提示される。

本発明の課題は、例えばストライプ模様のような規則的な模様をコンパクトな装置を用いて対象物上に生成することである。この種の模様は例えばデジタルカメラのオートフォーカスセンサのために必要とされ、この模様を記録して目標幾何学形状と比較することにより鮮明なカメラ画像を生成するために必要なものである。

本願の利点およびさらなる特徴は、とりわけ図面および特許請求の範囲に基づいて以下の詳細な説明から明らかになる。

従来この種の模様形成は、スライド投影機の場合と同じように模様の投影によって実施される。

光源としてＬＥＤを使用する場合には、ＬＥＤチップの表面上のコンタクト構造が遠視野における原模様として投影レンズによって結像される。

これは以下のことを意味する：
・結像される原模様が設けられており、このことはスライド投影機の場合には構成における付加的要素を意味する。
・原模様の精密さに依存している。すなわち、原模様における収差または製造公差が結像され、目標模様幾何学形状との体系的なずれが生じるということである。

さらに自由形状の投影レンズによる模様生成も可能ではあろう。もっとも、とりわけ拡散光源に対するレンズ形状の計算は非常に複雑であり、複雑な表面形状のせいでこの種のレンズの製造は比較的コストが高い。

択一的に、ＬＥＤと適切に成形されたレンズアレイとを相互に組み合わせることができる。まずＬＥＤチップの中央の点から出発すると、この点から発生した球面の波面はレンズアレイによって個々の円筒状の波面に分割ないし変形される。この際円筒状の各波面はそれぞれ異なる方向に進み、それぞれ異なる円筒軸の回転角を有する。したがってＬＥＤの中央の点光源は、例えばレンズをアレイ内に相応に配置した場合、完全な、鋸歯状に断続的なストライプ模様になる。

レンズアレイの個々のレンズ（"レンズレット"）は、収差が補正されるよう合目的的に構成されている。このことは、上述したＬＥＤチップの中央の点光源のためにレンズ表面を適切に成形することによって可能となる。さらには、片面のレンズアレイの前面にカーブを設けることも可能であり、該前面は、例えばコマのような軸から外れた収差を低減することができる。点光源を仮定する場合には、薄く鋭いストライプ模様が生じる。拡散光源が使用される場合には、ＬＥＤの場合がそうであるように、ストライプは相応に幅広になる。

本発明の枠内において得られるさらなる特徴および利点は以下のとおりである：
・"原模様"のような付加的要素は必要なく、模様投影は結像光学系／レンズアレイによって直接実施される。模様はとりわけ光学系によって初めて生成することができる。したがって構造はよりコンパクトになる。
・スライド投影機の原理に基づく方法、すなわち原模様を照明してこれを結像する方法は非効率である。なぜなら光束の大部分が原模様の通過時に失われてしまうからである。これに対して本発明では、瞳分割（pupil division）の原理に基づいて製作することが提案される。入射する波面は個々の部分波面に分割される。この際体系的なシャドウイングは行われない。
・光源のサイズおよび光源の光束から独立している：ＬＥＤチップ、すなわち放射される総光束を小さくする場合、模様内のストライプは幅狭になるが、明るくもなる。したがって総光束における損失は均衡される。すなわち小さいＬＥＤチップ、つまり２００×２００μｍ〜３００×３００μｍの範囲のチップ平面を有するＬＥＤチップを使用することが可能となる。

形成される模様の種類はレンズレットの空間配置の種類によって決定される。この際レンズレットは、種々異なる表面形状ならびに種々異なるサイズを有することができる。レンズレットの種々異なるサイズにより、模様内の種々異なるストライプの輝度を適合することが可能である。

特別な功績は、ＬＥＤを、適切に構成された、すなわち例えば装置に生じた収差が補正されたレンズアレイと組み合わせたことにあり、これによって遠視野において原模様を使用することなく模様が生成される。

本発明のオプトエレクトロニクス装置の少なくとも１つの実施形態によれば、該オプトエレクトロニクス装置は、電磁放射を生成するのに適当な少なくとも１つのオプトエレクトロニクス半導体チップを含む。有利には、半導体チップは発光ダイオードまたはレーザーダイオードとして構成されている。

本発明のオプトエレクトロニクス装置の少なくとも１つの実施形態によれば、該オプトエレクトロニクス装置は少なくとも１つの光学素子を有している。光学素子は、オプトエレクトロニクス半導体チップによって生成された電磁放射の少なくとも一部に対して透明、とりわけ透過性である。

本発明のオプトエレクトロニクス装置の少なくとも１つの実施形態によれば、光学素子はワンピースで構成されている。例えば光学素子は、射出成形または注入成形工程によって成形することができる。光学素子は、ガラスまたはエポキシドによって形成することができる。しかしながら有利には、光学素子はプラスチックから、とりわけ熱可塑性プラスチックから、またはシリコンからなる。

本発明のオプトエレクトロニクス装置の少なくとも１つの実施形態によれば、光学素子は、２つの互いに反対側にある放射貫通面を有する。オプトエレクトロニクス半導体チップに向いた側の放射貫通面は放射入射面であり、前記半導体チップとは反対側にある放射貫通面は放射出射面である。放射貫通面はとりわけ光学素子の以下のような面、すなわち放射が屈折される面および／または屈折が所期の放射成形に使用される面である。放射貫通面の他にも光学素子はさらに例えば光学素子を固定するために使用される別の面を有することができる。

本発明のオプトエレクトロニクス装置の少なくとも１つの実施形態によれば、光学素子は、少なくとも１つの、とりわけちょうど１つのレンズ装置を含む。換言すると、光学素子にレンズ状の複数の構成体が所定の配置パターンにて組み立てられる。

本発明のオプトエレクトロニクス装置の少なくとも１つの実施形態によれば、レンズ装置は、互いに隔てられた複数のレンズ領域を有する。各レンズ領域は、該レンズ領域の表面を形成する１つのレンズ面を有しており、レンズ状の形状、とりわけ凸レンズに類似の形状に成形されている。

本発明のオプトエレクトロニクスの少なくとも１つの実施形態によれば、レンズ装置は、放射貫通面の１つの面、とりわけちょうど１つの面に形成されている。換言すると、レンズ領域のレンズ面は、放射貫通面の１つの面または放射貫通面の少なくとも一部分を形成している。

本発明のオプトエレクトロニクス装置の少なくとも１つの実施形態によれば、レンズ装置が形成されていない放射貫通面は滑らかに構成されている。この場合の滑らかとは、この放射貫通面がただ１つの連続した面であることを意味する。有利には、放射貫通面は、製造公差の範囲内で２回連続微分可能な面として表すことができる。滑らかとは、２階導関数が放射貫通面全体に関して正負符号の反転を有さないことも意味する。換言すると、この放射貫通面は多くても１つの凹形または多くても１つの凸形のカーブ経過を有する。この放射貫通面はとりわけ波形には形成されていない。

本発明のオプトエレクトロニクス装置の少なくとも１つの実施形態によれば、レンズ領域は、光学素子を通って、とりわけ種々異なるレンズ領域を通って入射した放射が、種々の、円筒状の、および／または互いに分離された波面に形成されるよう構成および配置されている。換言すると、レンズ装置は少なくとも２つのレンズ領域を含み、この際オプトエレクトロニクス半導体チップから放射されて前記２つのレンズ領域を通って入射する放射は、少なくとも部分的に互いに隔てられた異なる空間領域に偏向されている。分離されたないし互いに隔てられた空間領域というのは、放射が向けられた空間領域と空間領域の間に、放射強度が無視できる面域、すなわち例えば空間領域における放射平均強度の１５％より小さい、とりわけ３％より小さい面域が位置していることを意味する。

本発明のオプトエレクトロニクス装置の少なくとも１つの実施形態においては、該オプトエレクトロニクス装置は、光学素子と、電磁放射を生成するために適当な半導体チップとを有する。光学素子はワンピースに構成されており、２つの互いに反対側にある放射貫通面を含んでいる。光学素子はこれに加えて、互いに隔てられた複数のレンズ領域を備えるレンズ装置を含む。該レンズ装置は放射貫通面の一方に形成されており、他方の放射貫通面は滑らかに構成されている。さらにこのレンズ領域は、光学素子を通って入射した放射が各レンズ領域によって種々の、円筒状の、および／または互いに分離された波面または放射束に形成されるように構成および配置されている。

本発明のオプトエレクトロニクス装置の少なくとも１つの実施形態によれば、レンズ領域は、放射が光学素子を貫通した後に、前記レンズ領域によって、波面が種々異なる伝播方向および／または円筒軸に関して種々異なる回転角度を有するよう形成されるように構成および配置されている。円筒軸はとりわけオプトエレクトロニクス半導体チップの中心軸によって形成されている。円筒軸は、有利には放射を放射する半導体チップのチップ平面に対して垂直に位置づけられている。換言すると、半導体チップから放射された放射はレンズ領域の１つを貫通して入射し、オプトエレクトロニクス装置を去った後は、ほぼ平行な放射束形状にて円筒軸に対して所定の角度で延びる。平行とはここでは、少なくとも１つの空間方向、有利には２つの空間方向への放射束の発散が大きすぎないことを意味する。すなわち、レンズ装置のレンズ領域によってほぼ平行な放射束が生成され、これらの放射束は互いに異なる所定の空間方向へと放射される。放射束の発散角度は１０°より小さく、有利には５°より小さく、とりわけ２°より小さい。

本発明のオプトエレクトロニクス装置の少なくとも１つの実施形態によれば、個々のレンズ領域によって形成された放射束は少なくとも１つの空間方向に関して収束性である。つまり放射束は焦点または焦線を有する。焦点ないし焦線は、とりわけオプトエレクトロニクス装置の放射出射面から１０ｃｍ〜５ｍの間隔、有利には５０ｃｍ〜２ｍの間隔にて位置している。

本発明のオプトエレクトロニクス装置の少なくとも１つの実施形態によれば、半導体チップと該半導体チップに向いた光学素子の放射入射面との間の距離は、半導体チップの平均直径の少なくとも３倍である。半導体チップが例えば正方形である場合、平均直径は半導体チップの側縁長さに相当する。

本発明のオプトエレクトロニクス装置の少なくとも１つの実施形態によれば、光学素子は半導体チップの前にあるアタッチメントエレメントとして構成されている。このことは、光学素子を半導体チップとともに共通の１つの支持体上または保持体の中に取り付けできるということを意味する。同じく光学素子を、半導体が上に設けられている支持体の上に載置されるように、または半導体チップを被覆するように、形成することも可能である。ここでは光学素子を半導体チップと直接コンタクトするように配置する必要はない。例えば半導体チップと光学素子とは互いに接触していない。

本発明のオプトエレクトロニクス装置の少なくとも１つの実施形態によれば、光学素子はオプトエレクトロニクス半導体チップに組み込まれている。このことは、光学素子が少なくとも部分的に半導体チップと直接コンタクトしていることを意味する。

本発明のオプトエレクトロニクス装置の少なくとも１つの実施形態によれば、レンズ装置はレンズアレイの形態で、とりわけ平坦なレンズアレイの形態で構成されている。換言すると、長手方向に複数のレンズ領域が隣接して配置されている。

本発明のオプトエレクトロニクス装置の少なくとも１つの実施形態によれば、レンズ装置は平坦に構成されている。換言すると、各レンズ領域は１つの平面に位置している。レンズ領域が凸レンズとして構成されている場合、とりわけ個々のレンズ領域の全ての頂点が１つの平面に位置している。

本発明のオプトエレクトロニクス装置の少なくとも１つの実施形態によれば、放射貫通面のうち１つの面は平面状に構成されている。有利には、半導体チップとは反対側にある放射出射面が平面状に構成されている。

本発明のオプトエレクトロニクス装置の少なくとも１つの実施形態によれば、少なくとも２つのレンズ領域は異なる形状および異なるサイズを有する。つまりレンズ領域は、レンズ装置が形成されている側の光学素子の放射貫通面に沿って異なる面積を有する。有利には、円筒軸から遠くに離れて形成されているレンズ領域は、円筒軸の近くに位置しているレンズ領域よりも大きな面積を有する。

本発明のオプトエレクトロニクス装置の少なくとも１つの実施形態によれば、半導体チップから放射された放射は、光学素子を通過することによって、とりわけレンズ装置を通過することによって、所定の模様に結像される。形成すべき模様は、二次元の、ラスタ化された、および／またはストライプ形状の模様とすることができる。

本発明のオプトエレクトロニクス装置の少なくとも１つの実施形態によれば、放射貫通面上のレンズ領域の配置パターンは、放射によって形成すべき模様のパターンに相応する。例えば放射が十字形に配置されたパターン点の形態で結像される場合には、レンズ領域も同様に十字形のパターンに配置されている。

本発明のオプトエレクトロニクス装置の少なくとも１つの実施形態によれば、各レンズ領域はそれぞれ単一の屈折面を有する。つまり光の屈折は、２つの異なる屈折率の間の１つの界面ないし移行部において行われる。光学素子を通過する際にちょうど２回の光の屈折が行われる。１回目は放射入射面において、２回目は放射出射面においてである。

本発明のオプトエレクトロニクス装置の少なくとも１つの実施形態によれば、少なくとも２つのレンズ領域の屈折面は、異なるカーブ経過および異なるサイズを有する。換言すると、レンズ装置をただ１つのレンズ領域を反復コピーないし複写することよって生成することはできない。

本発明のオプトエレクトロニクス装置の少なくとも１つの実施形態によれば、レンズ装置は、放射貫通面に対して垂直方向に少なくとも１つの、とりわけ少なくとも２つの対称平面を有する。すなわちレンズ装置が１つの対称平面の一方の側に与えられている場合には、該対称平面の他方の側におけるレンズ装置はこの対称平面での反映によって生成される。円筒軸はここではとりわけ少なくとも１つの対称平面の一部である。有利には、円筒軸は対称平面と対称平面の交線である。

本発明のオプトエレクトロニクス装置の少なくとも１つの実施形態によれば、円筒軸によって交差されないレンズ領域は、放射貫通面に対して垂直の多くとも１つの対称平面を有する。有利には、この多くとも１つの対称平面は円筒軸を含んでいる。

本発明のオプトエレクトロニクス装置の少なくとも１つの実施形態によれば、半導体チップは可視光または赤外線放射を放射する。有利には、放射はスペクトル的に狭帯域であり、５８０ｎｍ以上１２００ｎｍ以下の範囲、とりわけ６２０ｎｍ以上８５０ｎｍ以下の範囲にある波長を有する。スペクトル的に狭幅域というのは、ここではスペクトル幅、つまり半値全幅（ＦＷＨＭ）が４０ｎｍよりも小さい放射であることを意味する。

本発明のオプトエレクトロニクス装置の少なくとも１つの実施形態によれば、レンズ領域は収差が補正されて構成されている。

本発明のオプトエレクトロニクス装置の少なくとも１つの実施形態によれば、該オプトエレクトロニクス装置は単一の半導体チップを含む。

本発明のオプトエレクトロニクス装置の少なくとも１つの実施形態によれば、該オプトエレクトロニクス装置は単一の光学素子を有している。有利には、オプトエレクトロニクス装置は、単一の半導体チップと単一の光学素子とを含む。

本発明のオプトエレクトロニクス装置の少なくとも１つの実施形態によれば、形成すべき模様に関してポジティブ型またはネガティブ型はない。つまり、半導体チップと光学素子との間にとりわけスライドのような型は位置していない。有利には、半導体チップないしチップ平面の上にも、形成すべき模様のための原形像である結像される構造体または模様は載置されていない。

本発明のオプトエレクトロニクス装置の少なくとも１つの実施形態によれば、該オプトエレクトロニクス装置は、とりわけ規則的な模様を結像面に、とりわけ対象物に形成するよう構成されている。結像面は、とりわけ光出射面との距離が０．１ｍ以上１０ｍ以下であり、有利には０．２ｍ以上２ｍ以下である。

本発明のオプトエレクトロニクス装置の少なくとも１つの実施形態によれば、形成すべき模様は照明強度分布の模様である。換言すると、模様は、規定された放射の強度変調によって結像面上に形成される。

本発明のオプトエレクトロニクス装置の少なくとも１つの実施形態によれば、光学素子は、形成すべき模様が互いに分離された複数の模様領域、とりわけ複数の照明島を有するように構成および／または配置されている。同じく模様領域は、個々の互いに隔てられたストライプに存在することができる。個々の模様領域は、有利には、光学素子の製造公差の範囲内で制限された同じサイズを有する。模様領域と模様領域の間の面域においては、上述したように、有利には放射強度は無視できる程度である。

本発明のオプトエレクトロニクス装置の少なくとも１つの実施形態によれば、光学素子、とりわけレンズ装置は、光学素子、とりわけレンズ装置およびレンズ領域を通った放射が形成すべき模様に基づいて形成されるように構成および配置されている。

本発明のオプトエレクトロニクス装置の少なくとも１つの実施形態によれば、半導体チップは、光学素子に向いたチップ平面を上から見ると、４００μｍ×４００μｍ以下、有利には３００μｍ×３００μｍ以下の面積を有する。

本発明の少なくとも１つの実施形態によれば、半導体チップは、光学素子に向いたチップ平面を上からみると、１５０μｍ×１５０μｍ以上の面積を有する。

本発明のオプトエレクトロニクス装置の少なくとも１つの実施形態によれば、各個々のレンズ領域から放射される放射出力は、全てのレンズ領域から放射された放射にわたって平均化すると、それぞれ平均値から最大で２５％相違している。レンズ装置はこの場合有利には放射出射面に構成されている。換言すると、各個々のレンズ領域は同等の放射出力を放射する。

本発明のオプトエレクトロニクス装置の少なくとも１つの実施形態によれば、レンズ領域の平均直径は、光学素子に向いた半導体チップのチップ平面の平均直径の１．５倍よりも大きく３倍よりも小さい。すなわちレンズ領域のサイズは、半導体チップのサイズおよび／または照明強度と相関している。

本発明のオプトエレクトロニクス装置の少なくとも１つの実施形態によれば、該オプトエレクトロニクス装置は１つの中央のレンズ領域を有する。中央のレンズ領域は円筒軸によって交差される。円筒軸はさらに中央のレンズ領域の回転対称軸である。とりわけ中央のレンズ領域は球面に成形されている。

本発明のオプトエレクトロニクス装置の少なくとも１つの実施形態によれば、少なくとも１つのレンズ領域、ないし該レンズ領域の屈折面は非球面に成形されている。有利には、全てのレンズ領域が球面に成形されており、この際中央のレンズ領域は異なる形状を有することができる。球面とは、レンズ領域が回転対称であるが球状に成形されているのではないということを意味する。

本発明のオプトエレクトロニクス装置の少なくとも１つの実施形態によれば、少なくとも１つのレンズ領域は双円錐状に成形されているか、もしくはトロイドレンズまたは自由形状レンズとして構成されている。有利には、全てのレンズ領域がそのように成形されており、この際中央のレンズ領域は異なる形状を有することができる。

本発明のオプトエレクトロニクス装置の少なくとも１つの実施形態によれば、該オプトエレクトロニクス装置は、画像記録装置のオートフォーカスユニットのための基準模様を生成するように構成されている。とりわけオプトエレクトロニクス装置は、オートフォーカスセンサのための基準模様を生成するために使用される。この種のオートフォーカスユニットは、例えばカメラ、とりわけデジタルカメラ、または画像記録機能を有する移動電話またはポータブルコンピュータにおいて使用することができる。

さらに画像記録装置が提示される。画像記録装置は、上述の実施形態の少なくとも１つに関連して提示されているような少なくとも１つの光学素子を含む。

本発明の画像記録装置の少なくとも１つの実施形態によれば、該画像記録装置は、反射された放射束の放射を検出するように構成されたセンサを有する。

以下、これまで説明してきたオプトエレクトロニクス装置ならびに画像記録装置を、参照符号を用いて実施形態に基づきより詳細に説明する。この際、同一の要素には個々の図面において同一の参照符号を付している。しかしながらここでは縮尺通りの関係性が図示されているのではなく、むしろより良好に理解できるよう個々の要素が過度に拡大図示されていることもある。

本発明の凸形の放射入射面（Ａ）および平坦な放射出射面（Ｂ）を備えるオプトエレクトロニクス装置の実施形態の概略側面図である。 本発明のオプトエレクトロニクス装置の別の実施形態の概略図である。 本発明のオプトエレクトロニクス装置の別の実施形態の概略図である。 本発明のオプトエレクトロニクス装置の別の実施形態の概略図である。 本発明のレンズ領域の実施形態の概略図である。 本発明のレンズ領域の実施形態の概略図である。 本発明のオプトエレクトロニクス装置の実施形態の概略３次元図（Ａ，Ｃ，Ｅ，Ｇ）ならびに対応する形成すべき模様（Ｂ，Ｃ，Ｆ，Ｈ）を示す図である。 半導体チップの光束と平均直径との相関関係を示す概略図である。 半導体チップの光束と照明島の数との相関関係を示す概略図である。 形成すべき模様の幾何学的関係を示す概略図である。 本発明の画像記録装置の実施形態の概略図である。

図１Ａには、オプトエレクトロニクス装置１０の１つの実施形態が図示されている。オプトエレクトロニクス半導体チップ２は、光学素子１に向いたチップ平面７を有する。円筒軸Ａは、チップ平面７に対して垂直に配置されており、このチップ平面と中央で交差している。

光学素子１は、２つの放射貫通面３４を有する。半導体チップ２に向いた放射貫通面３４は放射入射面３であり、半導体チップ２とは反対側の放射貫通面３４は放射出射面４である。放射入射面３は、凸形カーブを有する。放射出射面４は、互いに区画された複数のレンズ領域６に区分けされている。これらのレンズ領域６は共に１つのレンズ装置５を形成している。このようにしてレンズ装置５は放射出射面４に形成されている。個々のレンズ領域６は、それぞれ凸レンズに似た凸形形状を呈している。レンズ領域６の全ての頂点は、製造公差の範囲内で平面Ｐに位置している。レンズ領域６の頂点は、ここでは、円筒軸Ａに平行な方向に半導体２から最も遠くにある点であると理解すべきである。

凸形の放射入射面３は滑らかな面である。これは放射入射面３が１つの連続した面であることを意味する。さらに放射入射面３は、ただ１つのカーブ方向を有する。放射貫通面３は、製造公差の範囲内でただ１つのカーブ方向を有する数学的平面として記載することができる。換言すると、この面が２回微分される場合には２階導関数は正負符号交替を呈さない。

半導体チップ２と光学素子１との間の距離ｄは、半導体チップの平均直径Ｄの少なくとも３倍である。半導体チップ２が例えば正方形に構成されている場合、平均直径Ｄは半導体チップ２の側縁長さに相当する。レンズ領域６の平均直径Ｌは、半導体チップ２の平均直径Ｄの約２倍大きい。有利には、レンズ領域６の平均直径Ｌは、半導体チップ２の平均直径Ｄの１．５倍から３倍である。

図１Ｂも同様に、オプトエレクトロニクス装置１０の実施形態の概略側面図を示す。複数のレンズ領域６を備えるレンズ装置５は、ここでは放射入射面３に形成されており、したがってオプトエレクトロニクス半導体チップ２の方を向いている。放射出射面４は平面状に構成されている。

図示の簡単化のために、光学素子１は以下の実施形態では図１Ａに相応して配置されている。光学素子を図１Ｂに基づいて構成すること、すなわち半導体チップ２に向いたレンズ装置５を備えるよう構成することもそれぞれ同様に可能である。

図２Ａにはオプトエレクトロニクス装置１０の別の実施形態の概略上面図が示されており、図２Ｂには概略側面図が示されている。半導体チップ２から放射される放射Ｒならびにここから光学素子１を通過して形成される放射束Ｓの延在具合は矢印線によって表されている。

チップ平面７において半導体チップ２から放射される放射Ｒは、光学素子１の方向に発散的に延びる。放射入射面３の凸形形状によって放射Ｒのコリメートが行われる。換言すると、光学素子１内における放射Ｒの発散が少なくなる。凸レンズの形態に構成されたレンズ領域６において、放射束Ｓへのさらなる集光が行われる。水平方向Ｈには、放射束Ｓは無視できる程度の発散しか有さない。垂直方向Ｖには、放射束Ｓは、図２Ｂを参照すると約２．５°の発散角βによる小さい発散を有する。したがって水平方向Ｈと垂直方向Ｖに関してレンズ領域６を介した放射形成は異なる。

図２にはある所定の１つのレンズ領域６に入射する放射Ｒだけが図示されている。各レンズ領域６によって形成された互いに分離された放射束Ｓを、それぞれ所定の互いに異なる方向へと導くことができる。このことは、図３Ａおよび３Ｂのオプトエレクトロニクス装置の２つの実施形態に基づいて、２つの光線Ｓ１、Ｓ２によって概略的に図示されている。図示の簡単化のために別のレンズ領域の光線は図示していない。図３Ａおよび３Ｂにはそれぞれ概略上面図が図示されている。

半導体チップ２から互いに異なる方向に放射された放射Ｒ１，Ｒ２は、放射入射面３を介して光学素子１に到達し、続いてそれぞれ異なるレンズ領域６ａ，６ｂに到達する。レンズ領域６ａ，６ｂによって異なる放射束Ｓ１，Ｓ２が形成され、これらの光束は互いに分離されたほぼ円筒状の波面を呈する。円筒状というのはここではとりわけ、放射束Ｓ１，Ｓ２が平面に投影されるとストライプ模様を形成するということ、および放射束Ｓ１，Ｓ２の発散が無視できる程度であるということを意味する。円筒状の波面の場合には、レンズ領域６は有利にはシリンドリカルレンズのように形成されており、円筒軸Ａに対して垂直方向に伸長している。

放射束Ｓ１，Ｓ２は、円筒軸Ａに関して異なる回転角度α１，α２を有する。図３Ａによれば、回転角度α１は約５°であり、回転角度α２は約１３°である。有利にはレンズ装置５は、形成される光線が種々異なる回転角度を有するように構成されており、ここでは光線を形成するレンズ領域の円筒軸Ａからの距離が増加するにつれて有利には回転角度も増大する。換言すると、個々のレンズ領域６から放射ないし形成される放射の個々の放射束はこの場合には交差しない。

図３Ａの実施形態と図３Ｂの実施形態は、図３Ａでは放射入射面３が平面に構成されており、図３Ｂでは放射入射面３が凸形カーブを有するという点で相違している。放射入射面３が平面に構成されているので、光学素子１を、例えば図示していない共通の支持体によって半導体チップ２に固定することが簡単になる。これに対して放射入射面３の凸形カーブにより、個々のレンズ領域６の構成が簡単になる。なぜなら放射Ｒは放射入射面３によってより良好にコリメートされているからである。

図２および図３の図示とは異なり、レンズ領域６を、放射束Ｓ１，Ｓ２が発散的に延びるように、および、焦点または焦点面を例えば放射出射面４に対して約１ｍの間隔で形成するように構成することもできる。

図４の実施形態の場合には、種々異なるレンズ領域６ａ，６ｂ，６ｃが種々異なる平均直径Ｌａ，Ｌｂ．Ｌｃを有している。これらの平均直径Ｌａ，Ｌｂ，Ｌｃは、放射軸Ａから離れる方向に増加する。図平面に対して垂直に、円筒軸Ａを通って光学素子１の対称平面Ｙが延在している。光学素子１は、例えば図平面に対して平行な別の対称平面を有することもできる。

放射Ｒ１は、放射Ｒ２の場合よりも円筒軸Ａから離れた領域にて光学素子１に入射する。これによって放射Ｒ１が光学素子１に入射する際の入射角は、放射Ｒ２の場合よりも小さくなる。種々異なる平均直径Ｌａ，Ｌｂ，Ｌｃにより、入射角が種々異なるにも関わらず、各レンズ６ａ，６ｂ，６ｃに半導体チップ２の同等の放射出力が供給されることが保証される。これによって放射束Ｓ１，Ｓ２は同等の照明強度ないし強度を有する。

図５には、レンズ領域６の屈折面ないし放射貫通面３４のための幾何学的パラメータが図示されている。レンズ領域６の頂点はｚ−ｒ座標系の頂点に位置している。ｚ軸は縦座標であり、レンズ領域６の光学軸に対して平行に配向されている。ｚ軸に対して直交するｒ軸は横軸として図示されており、実質的にｚ軸に対する点の距離を示している。すなわちｚ軸はとりわけ回転対称軸を呈しており、ｒ軸によってｒ平面はｚ軸に対して垂直に規定されている。頂点において光貫通面３４はレンズカーブｃを有している。なおｃは、頂点における曲率半径の逆数に相当する。

非球面の放射貫通面３４の場合には、放射貫通面の形状は以下の式によって記述可能である。

ｚ（ｒ）は、ｚ軸に対して平行な方向における放射入射面３４の一点のｒ平面からの距離に相当し、この際この点は、ｚ軸に対して平行な方向にｚ軸に対する距離ｒを有する。

ｋは円錐度に相当し、αｉは非球面係数である。パラメータｋは、レンズプロフィールが円錐に類似した形状になるようにさせるものである。換言すると、ｒの値が大きい場合には、パラメータｋによって、ｒ平面と放射貫通面３４の一点との間の距離はレンズ領域６が球面形状である場合よりも小さくなる。非球面係数によれば、とりわけｚ軸から遠く離れた領域における放射貫通面３４の構成を修正することもできる。

レンズ領域６に球面形状が与えられている場合にも放射貫通面３４は上記式に従い、この際パラメータαｉならびにｋに関して次のことが当てはまる：αｉ＝０，ｋ＝０

ｚ軸は必ずしもレンズ領域６の回転軸である必要はない。このような場合にはレンズ領域６をトロイドレンズまたは双円錐レンズとして構成することができる。この場合ｘ軸とｘ軸に対して直交するｙ軸はｘｙ平面を形成しており、ｒ平面に相応している。このｘｙ平面にはｚ軸が垂直に直立している。ｘｙ平面は、放射貫通面３４の頂点にてｚ軸と交差している。座標（ｘ、ｙ）を有する放射貫通面３４のある点のｘｙ平面からの距離は、この場合とりわけ以下の式によって示すことができる。

選択的にこの式は、非球面状の放射貫通面３４の構成に関する式と同じように補正項α_ｉ・Ｅ_ｉ（ｘ，ｙ）を含むことができる。この場合Ｅ_ｉに以下のことが当てはまる：Ｅ₁＝ｘ，Ｅ₂＝ｙ，Ｅ₃＝ｘ²，Ｅ₄＝ｘ・ｙ，Ｅ₅＝ｙ²，Ｅ₆＝ｘ³，Ｅ₇＝ｘ²・ｙ，Ｅ₈＝ｘ・ｙ²，Ｅ₉＝ｙ³・・・

さらに放射貫通面３４の形状が、球面に関する式にも、非球面に関する式にも、双円錐またはトロイドレンズに関する式にも相当しないようにすることが可能である。この場合にはとりわけいわゆる自由形状レンズと呼ばれる。

図６には、レンズ領域６ないしレンズ装置５の種々異なる実施形態が図示されている。

図６Ａには、レンズ装置５の概略側面図が示されている。レンズ領域６ａは頂点軸ｃ２を有し、該頂点軸ｃ２は装置１０の円筒軸Ａと一致している。平均直径Ｌ２を有するレンズ領域６ａは、頂点軸ｃ２に関して回転対称に形成されている。

レンズ領域６ａよりも大きい平均直径Ｌ１を有するレンズ領域６ｂは、頂点軸ｃ１に関して非対称に自由形状レンズの形態で構成されている。レンズ領域６ａ，６ｂの全ての頂点は平面Ｐに位置している。レンズ装置５の深さｔは、全てのレンズ領域６ａ，６ｂに関して製造公差の範囲内で等しい。

図６Ｂ，６Ｃには、双円錐形状のレンズ領域６および自由形状レンズとして構成されたレンズ領域６の概略上面図が示されている。図６Ｂの双円錐のレンズ領域６は、図平面に対して垂直に方向付けられた２つの対称平面Ｙ１，Ｙ２を有している。頂点軸ｃは、対称平面Ｙ１，Ｙ２の交点軸によって形成されている。自由形状として構成された図６ｃのレンズ領域の場合には、対称軸Ｙが１つだけが存在する。頂点軸ｃは図平面に対して垂直に位置づけられており、頂点を通って延在し、対称平面Ｙに位置している。例えば図６Ａにおけるレンズ領域６ｂは、図６Ｃのように成形されている。レンズ領域６が自由形状レンズとして構成されている場合、レンズ６が対称平面を１つも有さないようにすることも可能である。

図７には、オプトエレクトロニクス装置１０の複数の実施形態が図示されている。光学素子１の所定の形状、とりわけレンズ装置５およびレンズ領域６の所定の形状に対して、それぞれ達成された形成すべき模様８が図示されている。形成すべき模様８、ないし、この模様の照明強度分布は、それぞれ放射出射平面４に対して１ｍの間隔にて示されている。レンズ領域６は例えば放射出射平面４に、すなわち光学素子１のオプトエレクトロニクス半導体チップ２とは反対側に位置する。

図７Ａによれば、９個のレンズ領域６が３×３の正方形パターンに配置されている。レンズ領域に対応する形成すべき模様８は、図７Ｂを参照すると、９個の照明島を有する。照明島９は互いに暗色の面域によって分離されており、レンズ領域６の配置パターンに応じて放射出射面４に配置されている。照明島９はほぼ正方形の形状を有する。全ての照明島９はほぼ同じ明るさである。

図７Ｃによれば、５個の内側レンズ領域６ａがスター型に配置されている。４個の外側レンズ領域６ｂは、正方形の角の点に配置されている。形成すべき模様８は、図７Ｄを参照するとここでもレンズ領域６の配置パターンに相応しており、内側照明島９ａ，ｃおよび外側照明島９を有する。中央の照明島９ｃを除いて全ての照明島９ａ，９ｂは同等の輝度を有する。中央の照明島９ｃはそれよりも明るく輝く。

図７Ｅによれば、レンズ領域６は六辺形の模様に配置されている。このレンズ領域に対応する照明島９はそれぞれ互いに隔てられており、同じように六角形の模様を示す（図７Ｆを参照のこと）。

図７Ｇによれば、中央のレンズ領域６ｃの周りに８個の別のレンズ領域６ｂが環状に配置されている。形成すべき模様８は、図７Ｈを参照すると、レンズ領域６ｂ，６ｃの配置パターンに相当している。全ての照明島９は同等の輝度を有する。

図８には、レンズ領域６の平均直径Ｌがミリメートルにて示されており、これに対して半導体チップ２の光束Φがルーメンにて示されている。図示の曲線は、半導体チップ２の種々異なる寸法に関連している。半導体チップ２から放射される光の光束Φは、半導体チップ２の同等の動作条件下では、簡単な近似法において半導体チップ２の面積に対してほぼ比例している。

菱形の曲線を参照すると、半導体チップ２が例えば０．５×０．５ｍｍ^２の面積を有する場合、レンズ領域６の平均直径Ｌは、約３０ｌｍの少ない光束を有する半導体チップ２に関して約１．４ｍｍの範囲内で動く。半導体チップ２が約６０ｌｍの大きい光束Φを示す場合には、平均直径Ｌは約１ｍｍである。図示された全ての曲線に関して、平均直径Ｌは半導体チップ２の側縁長さの１．５倍から３倍である。照明島９はここではそれぞれ約２５ｌｍ／ｍ^２＝２５ｌｘの照明強度を有する。

図９には、照明島９の数Ｎに依存した、必要とされる半導体チップ２の光束Φの相関関係が図示されている。照明島９の照明強度Ｅは、半導体チップ２の光束Φと光学系の効率ｓとの積を、照明島９の数Ｎの平方ならびに照明島９の面積ａで割って得られる。オプトエレクトロニクス装置１０をオートフォーカスユニットないしオートフォーカスセンサにおいて使用するためには、約２５ｌｘ、すなわち２５ｌｍ／ｍ^２の照明強度Ｅが必要である。照明島９の面積ａはここでは約３ｍｍ^２であり、オプトエレクトロニクス装置１０と対象物との間の距離は約１ｍである。このような距離の場合、照明島９の面積ａは有利には約２ｍｍ^２から１ｍｍ^２の範囲にある。

効率ｓは、光学素子１の効率に相当する。効率ｓは１よりも小さい。なぜなら、例えば放射貫通面３４における反射によって光学素子１において損失が生じるからである。同じく半導体チップ２から放射される放射Ｒも、光学素子１に完全には到達しない。半導体チップ２は近似的にしか点光源に相当しないので、光学素子１にわたって同じく光学的結合の際の損失が生じるからである。効率ｓは典型的には０．７と０．５の間の範囲にある。

半導体チップから放射すべき光束Φについて、必要とされる照明島９の照明強度Ｅおよび面積９が所与の場合には、照明強度Ｅの関係式から照明島９の数Ｎおよび効率ｓに依存して以下の関係式を導出することができる。

０．６の平均効率ｓに対して、例えば図７に図示したような結像すべき模様のためには、半導体チップ２の光束Φは３０ｌｍの範囲で十分である。

図１０には、模様形成の際における若干の幾何学的特性量が概略的に示されている。結像すべき模様８は、オプトエレクトロニクス装置１０によって例えば約１ｍの間隔ｄを置いて対象物１１に投影される。対象物１１は、例えば一種のスクリーン、または画像記録装置によって記録すべき対象物である。模様８の投影は、円筒軸Ａに関連して約２０°の拡がり角度γの範囲にて行われる。形成すべき模様８は、対象物１１上に約３５ｃｍの半径ｈを有する。

図１１には、画像記録装置１００の実施形態が概略的に図示されている。オプトエレクトロニクス装置１０から放射束Ｓが対象物１１上に投影される。オプトエレクトロニクス装置１０によって対象物１１上に例えば図７による形成すべき模様８またはストライプ模様が形成されている。

センサ１２は、対象物１１によって拡散的に反射された放射束Ｓの放射Ｓ１を受容し、これによって画像記録装置１００のために適当なフォーカス設定を算出する。

ここで説明した本発明は実施形態に基づく説明に限定されるものではない。

むしろ本発明はあらゆる新規の特徴ならびにそれらの特徴のあらゆる組み合わせを含むものであり、これには殊に特許請求の範囲に記載した特徴のあらゆる組み合わせが含まれる。このことはこのような特徴またはこのような組み合わせ自体が特許請求の範囲あるいは実施形態に明示的には記載されていない場合であっても当てはまる。

本願は、ドイツ国特許出願第１０ ２００７ ０６２ ０３８．３号に優先権を主張するものであり、その開示内容は参照によって本願に取り込まれるものとする。

Claims (15)

1. 光学素子（１）と、電磁放射を生成するために適当なオプトエレクトロニクス半導体チップ（２）とを備えるオプトエレクトロニクス装置（１０）において、
   前記光学素子（１）は、
   ・ワンピースに構成されており、
   ・２つの互いに反対側にある放射貫通面（３４）を含み、
   ・互いに隔てられた複数のレンズ領域（６）を備えるレンズ装置（５）を有し、
   前記レンズ装置（５）は前記放射貫通面（３４）の一方の面に形成されており、前記放射貫通面（３４）の他方の面は平面状に構成されており、
   前記レンズ領域（６）は、前記光学素子（１）を通って入射した放射が、種々の、円筒状の、および／または互いに分離された波面に形成されるよう構成および配置されている、
   ことを特徴とするオプトエレクトロニクス装置。
2. 前記レンズ領域（６）は、放射が前記光学素子（１）を貫通した後、波面が種々異なる伝播方向および／または円筒軸（Ａ）に関して種々異なる回転角度（α）を有するよう形成されるように構成および配置されている、
   ことを特徴とする請求項１記載のオプトエレクトロニクス装置（１０）。
3. 前記半導体チップ（２）と該半導体チップ（２）に向いた放射貫通面（３４）との間の距離（ｄ）は、前記半導体チップ（２）の平均直径（Ｄ）の少なくとも３倍である、
   ことを特徴とする請求項１または２記載のオプトエレクトロニクス装置（１０）。
4. 前記光学素子（１）は、前記半導体チップ（２）の前のアタッチメントエレメントとして構成されている、
   ことを特徴とする請求項１から３のいずれか一項記載のオプトエレクトロニクス装置（１０）。
5. 前記放射貫通面（３４）の１つは平面状に構成されている、
   ことを特徴とする請求項１から４のいずれか一項記載のオプトエレクトロニクス装置（１０）。
6. 前記レンズ領域（６）は、種々異なる形状および種々異なるサイズを有する、
   ことを特徴とする請求項１から５のいずれか一項記載のオプトエレクトロニクス装置（１０）。
7. 前記レンズ領域（６）の配置パターンは、放射によって形成すべき模様のパターンに相応する、
   ことを特徴とする請求項１から６のいずれか一項記載のオプトエレクトロニクス装置（１０）。
8. 各前記レンズ領域（６）はそれぞれ単一の屈折面を有し、２つのレンズ領域（６）の屈折面は異なるカーブ経過および異なるサイズを有する、
   ことを特徴とする請求項１から７のいずれか一項記載のオプトエレクトロニクス装置（１０）。
9. 前記オプトエレクトロニクス装置（１０）は、単一の半導体チップ（２）および単一の光学素子（１）を有する、
   ことを特徴とする請求項１から８のいずれか一項記載のオプトエレクトロニクス装置（１０）。
10. 前記オプトエレクトロニクス装置（１０）には、形成すべき模様のネガティブ型またはポジティブ型がない、
    ことを特徴とする請求項１から８のいずれか一項記載のオプトエレクトロニクス装置（１０）。
11. 前記半導体チップ（２）は、前記光学素子（１）に向いたチップ平面（７）を上からみると、１５０μｍ×１５０μｍ以上４００μｍ×４００μｍ以下の面積を有する、
    ことを特徴とする請求項１から１０のいずれか一項記載のオプトエレクトロニクス装置（１０）。
12. 各個々のレンズ領域（６）から放射される放射出力は、それぞれ平均値から最大で２５％相違している、
    ことを特徴とする請求項１から１１のいずれか一項記載のオプトエレクトロニクス装置（１０）。
13. 前記レンズ領域（６）の平均直径（Ｌ）は、前記光学素子（１）に向いた前記チップ平面（７）の平均直径（Ｄ）の１．５倍よりも大きく３倍よりも小さい、
    ことを特徴とする請求項１から１２のいずれか一項記載のオプトエレクトロニクス装置（１０）。
14. 前記オプトエレクトロニクス装置（１０）は、画像記録装置のオートフォーカスユニットのための基準模様を生成するように構成されている、
    ことを特徴とする請求項１から１３のいずれか一項記載のオプトエレクトロニクス装置（１０）。
15. 請求項１から１４のいずれか一項記載のオプトエレクトロニクス装置（１０）と、オートフォーカス用に構成されているセンサ（１１）とを備える画像記録装置。

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