JP5813015B2 - オプトエレクトロニクス半導体デバイス、照明装置およびレンズ - Google Patents

Description

本発明はレンズに関する。さらに本発明は、この種のレンズを備えたオプトエレクトロニクス半導体デバイスならびにこの種のオプトエレクトロニクス半導体デバイスを備えた照明装置に関する。

DE 10 2006 050 880 A1には、オプトエレクトロニクスデバイスと照明装置が開示されている。

本発明が解決しようとする課題は、距離を隔てた面を均質に照射するレンズを提供することにある。さらに本発明の解決しようとする課題は、この種のレンズを備えた半導体デバイスならびにこの種の半導体デバイスを備えた照明装置を提供することにある。

オプトエレクトロニクス半導体デバイスの少なくとも１つの実施形態によればこのデバイスは、支持体表面を備えた支持体を有している。有利にはこの支持体は、セラミック、ガラス、金属薄片または配線板を含み、あるいはこれらから成る。その際、電気的なコンタクトのための機構を支持体に設けることができ、たとえばスルーホールおよび導電層を、支持体上面および／または支持体上面とは反対側の支持体下面の部分領域に設けることができる。

半導体デバイスの少なくとも１つの実施形態によればこのデバイスは、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有しており、これは支持体上面に配置されている。有利には半導体チップは発光ダイオードである。たとえばこの半導体チップは、少なくとも１つの無機半導体材料をベースとしている。オプションとしてこの半導体チップは変換素子を有しており、この変換素子は、半導体チップの活性層において発せられた電磁放射の少なくとも一部分を他の波長の放射に変換するように構成されている。

半導体デバイスの少なくとも１つの実施形態によればこの半導体チップは、たとえば支持体上面とは反対側に放射貫通面を有している。放射貫通面は半導体チップの主面であり、たとえば支持体上面と平行に配向されている。さらにこの放射貫通面によって１つの平面が規定される。たとえばこの放射貫通面は、その主延在方向が位置するような平面の一部分である。たとえばこの平面は、半導体チップの半導体積層の成長方向に対し垂直に配向されている。その際、この面は、たとえば放射貫通面の粗面構造について平均するなどしてならしたときに得られる均一な面となるよう、放射貫通面とできるかぎり交わっている。

半導体デバイスの少なくとも１つの実施形態によれば、この半導体デバイスは少なくとも１つのレンズを有している。このレンズは放射出射面を有しており、これは支持体とは反対側に位置するレンズ境界面である。有利には放射出射面は、１つにつながっている滑らかな面であり、半導体チップから発せられた放射がこの面を介して完全にまたは大部分、半導体デバイスから送出される。有利であるのは、レンズがただ１つの放射出射面を有することである。ここで「滑らか」とは、放射出射面にコーナーやエッジがないことを表し、および／または放射出射面が微分可能であることを表す。レンズは、半導体チップにおいて発せられる放射の少なくとも一部分に対して透過性であり、有利には透明である。放射出射面のあらゆる点について、高さを記述することができる。ここで「高さ」とは、半導体チップの放射貫通面により規定される平面に対し垂直方向で測定した場合の、放射出射面の対応する点からその平面までの間隔である。

半導体デバイスの少なくとも１つの実施形態によれば、レンズは極小点を有している。この極小点は、たとえばレンズの中央領域に存在している。その際、中央領域は有利には凹状に湾曲しており、有利には凸状に湾曲した周縁領域により取り囲まれている。ここで「極小点」とは、極小点の少なくとも局所的な周囲において、放射出射面の高さが平面を基準として最小である点を意味する。

半導体デバイスの少なくとも１つの実施形態によれば、レンズは光軸を有している。たとえば光軸は、半導体チップの放射貫通面により規定される平面に対し垂直に配向されていて、対称軸を成しており、あるいはレンズの少なくとも１つの対称面に配置された直線を成している。有利には光軸は、レンズの放射出射面と中央領域で交差しており、たとえば極小点において交差している。

半導体デバイスの少なくとも１つの実施形態によれば、レンズは少なくとも２つの局所的な極大点を有しており、これらの極大点は有利には凸状に湾曲された周縁領域に位置している。換言すればこれらの極大点は光軸に対し、極小点よりも広い間隔を有している。極大点は、放射出射面により規定される平面を基準として、放射出射面におけるその周囲よりも高い放射出射面領域である。有利には極大点は、平面図で見たときに、それぞれレンズのコーナー領域に位置する。

半導体デバイスの少なくとも１つの実施形態によればレンズは、少なくとも１つの結合壁を有しており、殊に有利には少なくとも２つの結合壁を有している。これらの結合壁は、隆起した尾根状のレンズ構造であり、これは放射出射面における極大点の１つから別の極大点まで続いている。結合壁の稜線は、放射貫通面により規定される平面を基準として、放射出射面の極小点よりも高く、かつ結合壁に接する極大点よりも低い。稜線または結合壁の最高点の領域において、結合壁はたとえば断面図で見て、放物線の形状を有する。結合壁および／または極大点によって、極小点が完全に囲まれるようにすることができる。さらにたとえば平面図で見て、稜線を直線にすることもできる。

半導体デバイスの少なくとも１つの実施形態によれば、各結合壁は鞍点を有している。鞍点は極小点よりも高く、かつ結合壁に接する極大点よりも低い。鞍点を、結合壁稜線の最も低い点とすることができ、これと同時に、光軸から離れて半径方向に沿って見た場合には、放射出射面の最も高い点とすることができる。

半導体デバイスの少なくとも１つの実施形態によれば、レンズの放射出射面は２次元の微分可能な関数によって記述可能および／または近似可能である。ここで「２次元」とは殊に、たとえば半導体チップの放射貫通面またはこの面と平行な平面を規定可能な２つの変数に関数が依存していること、放射貫通面またはこの面と平行な面に対し垂直方向で、座標の関数値がこの関数によって与えられること、を表す。つまりたとえば、レンズの放射出射面の平均的な経過を、この関数によって表すことができる。たとえばこの関数はガウス状の形状設定に対応するものであり、これによってレンズが製造される。換言すれば、微分可能な関数を放射出射面の目標形状とすることができる。この目標形状からは、たとえば製造やレンズ材料の不均一性に起因して、若干の偏差が生じる可能性がある。

放射出射面をこのような微分可能な関数によって表現できるならば、放射出射面を表すこの関数に関連する概念である「極小点」、「極大点」、「鞍点」には、有利には数学的な意味が内在している。したがって殊に、極小点と極大点において関数の１次導関数はゼロに等しく、極小点ならびに極大点のところで２次導関数の極性符号が変化する。

オプトエレクトロニクス半導体デバイスの少なくとも１つの実施形態によれば、この半導体デバイスは照明装置のために構成されており、支持体と少なくとも１つのオプトエレクトロニクス半導体チップを有する。半導体チップは支持体に取り付けられており、支持体とは反対側に放射貫通面を有しており、この放射貫通面によって１つの平面が規定されている。さらにこの半導体デバイスには、放射出射面を備えたレンズが含まれている。放射貫通面を規定する平面から上の高さに関して、レンズはそれぞれ極小点と少なくとも２つの局所的な極大点と少なくとも２つの結合壁を有しており、たとえば極小点は放射出射面の中央領域に位置している。結合壁はそれぞれ、極大点の１つから別の極大点に至るまで延在し、さらに結合壁はそれぞれ１つの鞍点を含み、この鞍点は極小点よりも高く、結合壁に接する極大点よりも低い。有利にはレンズは、たとえば射出成形または射出圧縮成形などによって、半導体チップおよび支持体に一体成形されている。

換言すれば半導体デバイスは有利には、中央領域を取り巻く周縁部の高さが一定ではないレンズを有している。これによれば、光軸と極大点の１つにより規定される横方向で光軸から離れる方向において、周縁部の高さが一定であるレンズの場合よりも大きい放射成分が送出される。半導体デバイスを、たとえば正方形のパターンで照明装置の接続プレート上に配置することで、隣り合う半導体デバイスの間隔が対角線方向において最大となるようにすれば、この種のレンズによって対角線方向に沿っていっそう多くの放射を送出することができ、これにより被照射面の均質な照射を達成することができる。

半導体デバイスの少なくとも１つの実施形態によれば、レンズの横方向の寸法は、放射貫通面により規定される平面で測定した場合、同じ方向に沿って見た半導体チップの横方向の大きさの最大で１０倍となる。たとえばレンズの横方向の寸法は、半導体チップの横方向の大きさの最大で５倍あるいは最大で３倍である。換言すればレンズの横方向の寸法は、半導体チップの横方向の大きさと対比させることができる程度の寸法である。つまりレンズは比較的小さく構成されている。

半導体デバイスの少なくとも１つの実施形態によれば、放射貫通面によって規定された平面で測定した場合、レンズの横方向の寸法は、同じ方向で測定した場合の半導体チップの横方向の大きさの少なくとも１．５倍または少なくとも２倍である。有利にはレンズの横方向の寸法は、半導体チップの横方向の大きさの２．５倍以上３．５倍以下である。

半導体チップの少なくとも１つの実施形態によれば、隣り合う極大点の間隔は、レンズの横方向最大寸法の０．４倍以上０．９倍以下である。この場合、レンズの寸法は、放射貫通面により規定される平面において２つの極大点の間隔と同じ方向に沿って決定される。換言すれば、レンズの横方向寸法と同様、半導体デバイスを上から見て２つの極大点の間隔が決定される。極大点の間隔はたとえば、レンズの横方向寸法の０．５倍以上０．８５倍以下である。

半導体デバイスの少なくとも１つの実施形態によれば鞍点の高さＨ_Sは、極小点の高さＨ_minの少なくとも１．０５倍であり、有利には少なくとも１．２倍である。これに対する代案として、あるいはこれに加えて、鞍点の高さＨ_Sは、極小点の高さＨ_minの最大で２．０倍または最大で１．５倍である。

半導体デバイスの少なくとも１つの実施形態によれば、極大点の高さＨ_maxは、放射貫通面によって規定される平面を基準として、極小点の高さＨ_minのそれぞれ少なくとも１．０５倍または少なくとも１．２５倍である。これに対する代案として、あるいはこれに加えて、極大点の高さＨ_maxは極小点の高さＨ_minのそれぞれ最大で２．２５倍または１．７５倍である。

さらに半導体デバイスの少なくとも１つの実施形態によれば、極小点の高さＨ_minは、放射貫通面によって規定される平面を基準として、半導体チップの側縁長の最大で４．０倍または最大で１．０倍である。これに対する代案として、あるいはこれに加えて、極小点の高さＨ_minは、半導体チップの側縁長の少なくとも０．６倍または少なくとも０．８倍である。半導体チップがたとえば正方形の形状に構成されているならば、それを上から見た場合には、側縁長は半導体チップの一辺の長さであり、あるいは半導体チップの平均の辺の長さである。

半導体チップの少なくとも１つの実施形態によれば、中央領域におけるレンズの放射出射面の平均湾曲率の値は、極大点および鞍点における湾曲率の値よりも小さい。換言すれば、放射出射面は極大点および鞍点の領域において、中央領域よりも強く湾曲している。

半導体デバイスの少なくとも１つの実施形態によれば、放射出射面の湾曲率の値は、レンズの放射出射面において鞍点または極大点よりも光軸からいっそう離れた個所で、最大値を有している。ここではレンズを、光軸と平行であり光軸ならびに対応する鞍点または対応する極大点を通って延在する断面として考える。換言すれば、最大の湾曲は極大点または鞍点にあるのではなく、放射出射面において光軸からさらに隔たった個所にある。有利には横方向における湾曲の値は、放射出射面のうち極大点と結合壁の稜線によって取り囲まれた領域外に位置する領域で最大である。

半導体デバイスの少なくとも１つの実施形態によれば、半導体チップの放射貫通面と光軸との交点を基準として、光軸と鞍点との間の角度θ２は３０°以上５０°以下であり、殊に３５°以上４５°以下である。これに対する代案として、あるいはこれに加えて、放射貫通面と光軸との交点を基準として、光軸と極大点との間の角度θ１は、３５°以上６０°以下であり、殊に４０°以上５５°以下である。この場合、角度θ２は角度θ１よりも小さい、とするのが有利である。

さらに本発明によれば、照明装置とレンズについて述べられている。有利には照明装置には、既述の実施形態のうち１つまたは複数の実施形態に関して説明してきたようなオプトエレクトロニクス半導体デバイスが複数、含まれている。その際、たとえば半導体デバイスの１つの実施形態によれば、レンズは既述のようにして組み込まれている。したがってオプトエレクトロニクス半導体デバイスに関して述べた特徴は、照明装置ならびにレンズについても開示されたものとし、その逆もあてはまる。

照明装置の少なくとも１つの実施形態によれば、この照明装置は複数のオプトエレクトロニクス半導体デバイスと１つの接続プレートを有している。この場合、接続プレートをボードおよび／または回路基板ないしはプリント配線板とすることができる。複数の半導体デバイスのうち少なくとも一部が、接続プレート上の規則的な格子の格子点に配置されている。

レンズの少なくとも１つの実施形態によれば、このレンズは照明装置のためのオプトエレクトロニクス半導体デバイスに用いるために考えられており、放射出射面と光軸を有している。放射出射面はたとえば光軸と交差する極小点を有しており、殊にこの極小点は放射出射面の中央領域に位置している。さらに放射出射面は、少なくとも２つの極大点ならびに少なくとも１つの結合壁殊に有利には少なくとも２つの結合壁を有している。結合壁を介して、極大点のうちそれぞれ１つが別の極大点と壁状に結合されている。これらの結合壁は極大点とともに、極小値を横方向で完全に取り囲んでいる。各結合壁はそれぞれ１つの鞍点を有しており、この鞍点は極小点よりも高く、かつ各結合壁に接する極大点よりも低い。

次に、本発明によるオプトエレクトロニクス半導体デバイスならび照明装置を、図面を参照しながら実施形態に基づき詳しく説明する。個々の図面において、同じ要素には同じ参照記号が付されている。ただし、個々の要素間の関係は寸法通りではなく、理解し易いように誇張して拡大表示されていることもある。

本発明によるオプトエレクトロニクス半導体デバイスの実施例を示す図 本発明によるオプトエレクトロニクス半導体デバイスの実施例を示す図 本発明によるオプトエレクトロニクス半導体デバイスの実施例を示す図 本発明によるレンズの実施例を示す図 本発明によるレンズの実施例を示す図 本発明によるレンズの実施例を示す図 レンズの変形実施例を示す図 本発明によるオプトエレクトロニクス半導体デバイスの実施例を示す図 本発明によるレンズの実施例を示す図 本発明による照明装置の実施例を示す図 本発明による照明装置の実施例を示す図 本発明によるオプトエレクトロニクス半導体デバイスの実施例を示す図 本発明による半導体デバイスの遠視野における放射特性を示す図

図１Ａには半導体デバイス１０の斜視図が示されており、図１Ｂには半導体デバイス１０を上から見えた平面図が示されている。さらに図２Ａには、図１ＢのラインＡＡに沿って見た断面図が示されており、図２Ｂには、図１ＢのラインＢＢに沿って見た断面図が示されている。図２Ｃ、図２Ｄおよび図２Ｅには、図１による半導体デバイス１０の高さｈならびに曲率半径|Κ|が示されている。

半導体デバイス１０は、支持体上面１１を備えたたとえばセラミックの支持体２１を有している。支持体上面１１の上に、放射貫通面１４を備えたオプトエレクトロニクス半導体チップ１３が取り付けられている。半導体チップ１３は有利には、動作中に紫外光放射および／または可視光放射を放出する発光ダイオードである。さらに支持体１２は電気端子１８を有しており、これは支持体上面１１ならびに支持体上面１１とは反対側の支持体下面に取り付けられていて、半導体チップ１３の電気的な接触接続のために設けられている。半導体チップ１３の、支持体１２とは反対側の放射貫通面１４によって平面Ｐが規定されており、これは支持体上面１１に対し平行に配向されている。この場合、放射貫通面１４は平面Ｐの一部分を成している。

レンズ１は、たとえば射出成形または射出圧縮成形などによって、支持体１２上に形成され、その形状によって嵌合するように支持体１２および半導体チップ１３に合わせて一体成形されている。換言すれば、半導体チップ１３とレンズ１との間に空隙が作られてはいない。レンズ１は支持体１２に合わせて一体成形されているので、レンズ１に保持機構は設けられていない。つまりレンズ１は、その材料と殊に支持体上面１１および電気端子１８との粘着力によって、支持体１２に機械的に固定されている。

支持体上面１１におけるレンズ１の固着を向上させるために、オプションとしてレンズ１にソケット９０が付加されており、これは支持体上面１１全体にわたって延在している。ソケット９０の、支持体１２とは反対側の上面は、有利には支持体上面１１と平行に延在している。レンズ１とソケット９０との間の移行領域に周縁丸み付け部９が形成されており、この部分によって、レンズ１とソケット９０との間で緩やかな移行が実現されている。周縁丸み付け部９によって、レンズ１内またはレンズ１におけるたとえば材料の張りならびに亀裂発生のリスクを低減することができる。周縁丸み付け部９の高さは、ソケット９０の上面または平面Ｐを基準として、高さの極大点７の最大でたとえば２５％または１５％である。

レンズ１は放射出射面２を有しており、半導体チップ１３において動作中に生成される半導体デバイス１０の放射が、この放射出射面２を通って送出される。レンズ１の光軸Ｏは平面Ｐに対し垂直に延びており、有利には中央で半導体チップ１３を通って延びている。レンズ１の中央領域３に極小点５が存在する。極小点５の領域において、光軸Ｏが放射出射面２を貫通している。さらにレンズ１は４つの極大点７ならびに４つの結合壁８を有しており、これらは極小点５を中央領域３においてフレーム状に完全に取り囲んでいる（図１Ｂ参照）。極大点７は、平面Ｐを基準としてそれぞれ等しい高さＨ_maxのところに位置している。それぞれ２つの極大点７の間に延在する結合壁８は、極小点５よりも高く極大点７よりも低い鞍点６をそれぞれ含んでいる。

図１Ｂに示されているようにｘ軸とｙ軸とによって、レンズ１が平面図で見て４つの象限に分割されている。レンズ１の４つの象限は均等に成形されている。平面図で見てレンズ１は、角に丸みの付けられた方形の基本形状を有している。

図２Ａを参照すると、半導体チップ１はたとえば約７５０μｍの側縁長Ｅを有している。平面Ｐにおいて測定したレンズの横方向の寸法Ｌは、図２Ａによれば約２１００μｍ付近にある。各極大点７間の間隔Ｔは約１５００μｍ付近にあり、互いに向かい合って位置している各鞍点６間の間隔は約１６００μｍ付近にある。レンズ１は正方形の底面輪郭を有しているので、図２Ｂの断面図による間隔Ｔ′、横方向寸法Ｌ′、半導体チップ１３の横方向の大きさＤ′は、図２Ａによるものよりも係数√２だけそれぞれ大きい。極小点５の高さＨ_minは約７３０μｍであり、鞍点６の高さＨ_Sは約９９０μｍであり、極大点７の高さＨ_maxは約１０８０μｍである。支持体１２の横方向の大きさ全体は、約３．０ｍｍである（図２Ａ参照）。

図２Ｃには、ｘ軸に沿って見た場合のレンズ１の放射出射面２の経過特性が、平面Ｐよりも上の高さｈに対してｍｍの単位で描かれている。図２Ｄには、図１ＢのラインＢＢに沿って見た相応の図が示されている。さらに図２Ｅには、図１ＢのラインＡＡおよびラインＢＢに沿って見た場合の放射出射面２の湾曲率の絶対値|Κ|が描かれている。

平面Ｐを基準としてレンズ１における放射出射面２の高さｈは、８次多項式として表すことができる。たとえばこの多項式は２次関数であり、次式で表される。
h(x, y) = a₀ + a₁x + a₂y+a₃ (x² + y²) + a₄ (x⁴ + y⁴) + a₅ (x²y²) + a₆ (x⁶ + y⁶) +a₇ (x⁴y² + x²y⁴) + a₈ (x⁸ + y⁸)

高さの個々の値ｈ（ｘ，ｙ）は、たとえば最大で０．１倍有利には最大で０．０５倍あるいは最大で０．０２倍の許容範囲を伴って、上述の式によって得られる値となる。択一的にまたは付加的に、高さｈ（ｘ，ｙ）に対する許容範囲は、最大で０．３ｍｍあるいは最大で０．１ｍｍである。

少なくとも係数ａ₀，ａ₃，ａ₅，a₇ ≠０である。図１による実施例によれば、係数ａ₁およびａ₂以外、すべての係数は０ではない。有利には、係数ａ₀，ａ₃，ａ₆ ＞０および／または係数ａ₄，ａ₅，ａ₇，ａ₈ ＜０である。さらに有利には、係数ａ₅の値は係数ａ₄の値よりも大きく、他方、係数ａ₄の値は係数ａ₇の値よりも小さい。さらに値の大きさに関して、係数ａ₆およびａ₈を残りの係数よりも大きくすることができ、この場合、たとえば係数ａ₈の値が最大である。特に高さｈ（ｘ，ｙ）に対する上述の許容範囲を伴って、図１によるレンズについて次式が成り立つ：
h(x, y) = 0.73 + 0.44 (x² + y²) - 0.22 (x⁴ + y⁴) - 0.31 (x²y²) + 1.64 (x⁶ + y⁶) - 0.18 (x⁴y² + x²y⁴) - 2.12 (x⁸ + y⁸)

レンズ１の放射出射面２は、中央領域３では凹状に湾曲しており、周縁領域４では凸状に湾曲している。したがって中央領域３と周縁領域４との境界はたとえば、放射出射面２の湾曲率の極性符号が変化するラインに沿って延在している。鞍点６および極大点７は、それぞれ周縁領域４に位置している。放射出射面２の湾曲率の最大値を有する個所は、極大点７および鞍点６よりも光軸Ｏからさらに離れて位置している（図２Ｅ参照）。オプションとして設けられる周縁丸み付け部９ならびにソケット９０は、図２Ｃ、図２Ｄ、図２Ｅならびに既述の式においては考慮されていない。

図３Ａには、図１ＢのラインＡＡに沿って見たレンズ１の放射特性が描かれており、図３Ｂには、図１ＢのラインＢＢに沿って見たレンズ１の放射特性が描かれている。以下に挙げる角度および角度範囲は、光軸Ｏと、半導体チップ１３の放射貫通面１４に光軸Ｏが交差する点に基づいている（図２Ｃおよび図２Ｄ参照）。

約０°〜約２５°である第１の角度範囲Ｉにおいて、放射貫通面１４の交点から送出された放射が、レンズ１の放射出射面２を通過するとき、光軸Ｏから離れるようにそれぞれ屈折する（図３のビームＲ１およびＲ３参照）。オプションとして設けられている約２６°〜約４０°の角度範囲ＩＩにおいて、放射出射面２で内部全反射が生じ、したがって放射は光軸Ｏから離れて逸れる（ビームＲ２およびＲ４参照）。比較的狭い第３の範囲ＩＩＩにおいて、放射は光軸Ｏから離れるように屈折する。さらに第４の範囲ＩＶにおいて、約４５°〜約８４°の角度範囲で光軸Ｏに向かうように屈折が行われる。おおよそ８４°と９０°の間の第５の範囲Ｖにおいて、新たに光軸Ｏへの屈折が行われる。

図３Ａによれば、放射出射面２において光軸Ｏから離れるように屈折が生じるのは、約４１．２°にある境界角度θ２までであり、図３Ｂによれば約４７．５°である。さらに鞍点６の角度ポジションは約３８．５°付近にあり（図３Ａ参照）、極大点７の角度ポジションは、約４３．６°付近にある（図３Ｂ参照）。

図２および図３の場合、放射経過特性はそれぞれ、約１．４というレンズ１の材料の屈折率に基づいている。これとは異なる屈折率の材料であれば、相応の放射経過特性を得るために、放射出射面２の形状を整合させることができる。

図４〜図６にはレンズ１のさらに別の実施例が示されている。その際、図４Ａ、図５Ａ、図５Ｂにはレンズの平面図が、図４Ｂ、図６Ａ、図６Ｂにはレンズの断面図がそれぞれ描かれている。図４によればレンズ１は、２つの極大点７と２つの結合壁８と２つの鞍点６を有している。結合壁８は曲線状に形成されており（図４Ａ参照）、極大点７とともに極小点５の周囲を完全に取り囲んでいる。図中、結合壁８の稜線は破線で表されている。平面図で見ると、レンズ１の基本形状は角に丸みの付けられた矩形であり、極大点７はコーナーに位置している。

図５Ａによるレンズ１は、平面図で見ると三角形の基本形状を有しており、３つの極大点と３つの鞍点６を有している。図５Ｂによるレンズ１は、平面図で見ると六角形に形成されており、図５Ａによるレンズと同様、角に丸みが付けられている。結合壁８はそれぞれ対応する極大点をつないでおり、平面図で見ると直線状である。したがってレンズ１は、同数の極大点と鞍点と結合壁を有している。

図４および図５によるレンズ１の実施例は、それぞれが４個の部分から成るジオメトリではないことから、図１および図２の実施例に付随して記載した式には従わない。ただし、図１による実施例に関連して詳述した特徴は、レンズ１の他の実施例についても同様に援用することができる。

図６には、図１によるレンズの変形実施形態が描かれている。図６Ａによれば、係数ａ₁≠０、ａ₂＝０である。したがって極大点７ａ，７ｂは、それぞれ異なる高さＨ_max,1とＨ_max,2を有する。図６Ｂによれば、両方の係数ａ₁およびａ₂は同じ大きさであり、かつ０とは異なる。これにより極大点７ａ，７ｂ，７ｃはそれぞれ異なる高さになっている。さらにこの場合、鞍点６ａが極大点７ｃよりも高くなるようにすることも可能である。図６Ａおよび図６Ｂに示されているようにレンズ１を構成することにより、非対称の放射特性を実現することができる。このようなレンズ１を、たとえば照明装置における接続プレートのコーナー領域に組み込むことができる。

図７には、レンズ１の変形実施形態が示されている。このレンズは、平面図で見ると矩形の基本形状を有している（図７Ａ参照）。２つの極大点７は１つの結合壁８のみを介してつながっており、このことから極小点５と鞍点６とが一致している（図７Ｂの断面図も参照）。

断面図として示された図８Ａによる半導体デバイス１０の実施例によれば、半導体チップ１３の放射貫通面１４に、たとえば貼り付けられたまたは印刷された薄片として変換素子２０が設けられている。変換素子２０によって、半導体チップ１３の半導体活性層において発せられる放射の少なくとも一部分が、異なる波長の放射に変換される。レンズ１は、変換素子２０を備えた半導体チップ１３のところに、形状による嵌合により一体成形されている。図８Ｂによれば、変換素子２０は半導体チップ１３の半導体ボディを、支持体１２に向いた面を除き全面的に取り囲んでいる。このケースの場合も、レンズ１が半導体チップおよび支持体１２と形状を利用して嵌合するように形成されている。

つまり図８に示されているレンズ１のこの実施形態の場合、レンズ１は放射入射面を有していない。すなわちレンズ１の材料と半導体チップ１３との間に中間層は設けられていない。図９の断面図には、これとは異なるレンズ１の形状に関する可能性が示されている。

図９Ａによれば、レンズ１の放射入射面２１が平坦に成形されている。図９Ｂの場合、レンズ１には凹部２２が設けられており、この凹部は矩形に成形されていて、そこに放射入射面２１が存在している。オプションとしてレンズ１が係止部材２４を有しており、この係止部材２４を介してレンズ１をたとえば差し込みなどによって、図９Ｂには描かれていない支持体に固定することができる。放射入射面２１と凹部２２内に取り付けられた（図９には示されていない）半導体チップ１３との間の中間スペースを、結合部材あるいは屈折率を整合させるための材料によって充填することができる。図９ｃによれば、レンズ１の側方領域に粗面化部２３が設けられている。図９Ｄによればレンズ１は凹部２２を有しており、光入射面２１はドーム状に成形されている。

図１０には、照明装置１００の実施例が示されている。接続プレート１５の上面１６において、間隔Ｇの規則的な格子を成す格子プレートに複数の半導体デバイス１０が取り付けられている。隣り合う半導体デバイス１０の各光軸Ｏ間で計られた間隔Ｇは、有利には２０ｍｍ以上２００ｍｍ以下であり、これは格子の格子定数Ｇにも対応する。上面１６を、拡散性を伴って反射するように、あるいは鏡面的に反射するように構成することができる。上面１６の反射率は、有利には少なくとも９０％または少なくとも９２．５％である。ここで「鏡面的に反射する」とは、上面１６が滑らかなミラー表面のような状態であることを意味する。さらに照明装置１００は拡散プレート１７を有する。拡散プレート１７はたとえば、接続プレート１５の上面１６に対し１０ｍｍと１００ｍｍの間の距離Ｗに取り付けられる。この場合、１０ｍｍと１００ｍｍを含む。

拡散プレート１７を、それぞれ約５０％の反射率および透過率を有するプレートとすることができる。さらに拡散プレート１７を、約７５％の反射率と約１８％の透過率を有するプレートとすることができる。距離Ｗが３７ｍｍであり図１によるレンズ１の場合、拡散プレート１７の、接続プレート１５とは反対側の面における局所最小エネルギー密度と局所最大エネルギー密度の商は、約９４％よりも大きく、拡散プレート１７がなければこの商は、同じ平面で求めたときに約８９％よりも大きい。色の不均一性は、ＣＩＥ標準テーブルにおけるｃ_x座標に関して、０．２７付近のｃ_x値のときにそれぞれ最大で０．０１である。距離Ｗをわずか３０ｍｍとし、このわずかな距離Ｗに合わせて図１のレンズ１とは異なるように変形されたレンズの場合（図示せず）、この商は、拡散プレート１７がなければ約７０％よりも大きい値となり、拡散プレート１７があれば約８４％よりも大きい値となる。この場合、色の不均一性は、ＣＩＥ標準テーブルにおけるｃ_x座標に関して、拡散プレート１７がなければ最大０．０２であり、拡散プレート１７があれば最大０．０１である。

換言すれば、図示されている照明装置１０によって、１つの平面における著しく均一な照射は、照明装置１００の厚さがごく僅かである場合には、たとえば拡散プレート１７の近くで達成可能である。このことは殊に複数のレンズ１によって実現されている。

図１１には、照明装置１００の別の実施例による接続プレート１５の平面図が描かれている。図１１Ａによれば、半導体デバイス１０が配置されている格子が矩形であり、図１１Ｂによれば六角形である。半導体デバイス１０におけるレンズ１のコーナー領域は、隣り合う格子点間の角の二等分線と一致する方向を有している。これにより、これらの方向に沿って、図１１Ａによればほぼ対角線に沿って、比較的高い光強度を達成することができる。接続プレート１５のコーナーおよび／またはエッジのところで、半導体デバイス１０を回転させて配置することができ、あるいはたとえば図６に示されているように成形することができる。

図１１による半導体デバイス１０はたとえば、白色光を送出する半導体デバイスたとえば図８による半導体デバイス１０である。同様に、半導体デバイス１０が、赤色と緑色と青色を送出する半導体チップ１３ａ，１３ｂ，１３ｃを有するように構成することもできる。半導体チップ１３ａ，１３ｂ，１３ｃにはそれぞれ１つの固有のレンズ１ａ，１ｂ，１ｃが設けられており、共通の支持体１２上に配置されている。さらに有利にはレンズ１ａ，１ｂ，１ｃは、図１による実施例と比べると寸法が小さい（図１２Ａ参照）。図１２Ｂによれば、共通の支持体１２上においてレンズ１ａの下に、白色を送出する半導体チップ１３ａが取り付けられている。これに加えて、比較的小さいレンズ１ｂを備えた半導体チップ１３ｂが取り付けられており、これは赤色スペクトル領域の光を送出する。この種の半導体デバイス１０によれば、殊に一般照明を目的とする照明装置１００を用いるときに、送出される放射の高い色再現指標を保証することができる。図１２Ａおよび図１２Ｂによる実施例に対する代案として、それぞれレンズおよび対応する半導体チップが固有の別個の支持体上に取り付けられるように構成することもできる。

図１３Ａおよび図１３Ｂによれば、光学的遠視野における強度Ｉが、光軸Ｏに対する放射角度θ（単位°）の関数として任意の単位で示されている。図１３Ａによれば、図１および図２による半導体デバイス１０が用いられている。図１３Ｂには、半導体デバイスの別の実施例に関して、光学的遠視野における強度Ｉが示されている。

これまで説明してきた本発明は、実施例に基づく上述の説明によって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組み合わせ各々が含まれ、このことはそ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例に明示的には記載されていないにしてもあてはまる。

本願は、ドイツ連邦共和国特許出願第10 2010 007 751.8号の優先権を主張するものであり、その開示内容は参照により本願に取り入れられる。

Claims (16)

1. 放射出射面（２）と光軸（Ｏ）を備えた照明装置（１００）のためのオプトエレクトロニクス半導体デバイス（１０）のレンズ（１）であって、
   放射出射面（２）が、４つの結合壁（８）と、該４つの結合壁（８）に囲まれた中央領域（３）とから成り、
   前記放射出射面（２）は、前記中央領域（３）に設けられたただ１つの極小点（５）と、前記４つの結合壁（８）が接する位置に設けられた４つの局所的な極大点（７）とを有しており、
   前記４つの極大点（７）は上から見て、角に丸みの付けられた矩形の基本形状を有する前記レンズ（１）のコーナーに位置しており、
   前記極小点（５）とは、前記結合壁（８）及び前記中央領域（３）において、前記光軸（Ｏ）の放射方向で前記レンズ（１）の高さが最も低い点であり、
   前記極大点（７）とは、前記結合壁（８）及び前記中央領域（３）において、前記光軸（Ｏ）の放射方向で前記レンズ（１）の高さが最も高い点であり、
   前記４つの結合壁（８）は、前記極大点のうち１つの極大点（７）から別の極大点（７）まで続いており、該極大点（７）とともに前記極小点（５）を横方向で完全に取り囲んでおり、
   前記各結合壁（８）はそれぞれ鞍点（６）を有しており、該鞍点（６）は前記光軸（Ｏ）の放射方向で、前記極小点（５）よりも高く、前記結合壁（８）と接する極大点（７）よりも低く、
   前記レンズはただ１つの放射出射面（２）を有しており、該放射出射面（２）は滑らかであって、前記レンズ（１）の放射出射面（２）はコーナーおよびエッジがなく２次元の微分可能な関数によって記述可能であり、
   前記中央領域（３）における前記レンズ（１）の放射出射面（２）の平均湾曲率（Ｋ）の絶対値は、前記極大点（７）および前記鞍点（６）における平均湾曲率（Ｋ）の絶対値よりも小さく、
   前記放射出射面（２）は、前記中央領域（３）においてもっぱら凹状に湾曲しており、該中央領域（３）を完全に取り囲む周縁領域（４）において、オプションとして設けられる周縁丸み付け部（９）以外、もっぱら凸状に湾曲しており、
   前記中央領域（３）と前記周縁領域（４）との境界は、前記放射出射面（２）の湾曲率の極性が変化するラインに沿って延在しており、
   前記鞍点（６）および前記極大点（７）は、それぞれ前記周縁領域（４）に位置しており、
   前記湾曲率（Ｋ）の絶対値は、前記極大点（７）と前記結合壁（８）の稜線とにより取り囲まれた前記放射出射面（２）の領域外に位置する領域で最大であり、
   前記極大点（７）における湾曲率（Ｋ）の絶対値は、前記鞍点（６）における湾曲率（Ｋ）の絶対値よりも小さい
   ことを特徴とする、
   オプトエレクトロニクス半導体デバイス（１０）のレンズ（１）。
2. 前記極大点はそれぞれ異なる高さを有する、請求項１記載のレンズ。
3. 照明装置（１００）のためのオプトエレクトロニクス半導体デバイス（１０）において、
   支持体（１２）と、該支持体（１２）に取り付けられた少なくとも１つのオプトエレクトロニクス半導体チップ（１３）と、請求項１または２記載のレンズ（１）とが設けられており、前記レンズ（１）は、該レンズの形状によって嵌合するように前記オプトエレクトロニクス半導体チップ（１３）に直接取り付けられており、
   前記オプトエレクトロニクス半導体チップ（１３）は、前記支持体（１２）とは反対側に放射貫通面（１４）を有しており、該放射貫通面（１４）により１つの平面（Ｐ）が規定されていることを特徴とする、
   照明装置（１００）のためのオプトエレクトロニクス半導体デバイス（１０）。
4. 前記平面（Ｐ）における前記レンズ（１）の横方向の寸法（Ｌ）は、同じ方向に沿って見た前記半導体チップ（１３）の横方向の大きさ（Ｄ）の最大で１０倍であり、
   前記放射出射面（２）は、１つにつながった滑らかな単一の面である、
   請求項３記載のオプトエレクトロニクス半導体デバイス（１０）。
5. ２つの極大点（７）の間隔（Ｔ）は、前記平面（Ｐ）において同じ方向に沿って見たレンズの横方向の寸法（Ｌ）の０．４倍以上０．９倍以下である、請求項３または４記載のオプトエレクトロニクス半導体デバイス（１０）。
6. 前記平面（Ｐ）を基準として、前記光軸（Ｏ）に平行な方向で前記鞍点（６）の高さＨ_Sは、それぞれ前記極小点（５）の高さＨ_minの１．０５倍以上２．０倍以下である、請求項３から５のいずれか１項記載のオプトエレクトロニクス半導体デバイス（１０）。
7. 前記平面（Ｐ）を基準として、前記光軸（Ｏ）に平行な方向で前記極大点の高さＨ_maxは、それぞれ前記極小点（５）の高さＨ_minの１．０５倍以上２．２５倍以下である、請求項３から６のいずれか１項記載のオプトエレクトロニクス半導体デバイス（１０）。
8. 前記平面（Ｐ）を基準として、前記光軸（Ｏ）に平行な方向で前記極小点（５）の高さＨ_minは、前記半導体チップ（１３）の側縁長（Ｅ）の０．６倍以上４．０倍以下である、請求項３から７のいずれか１項記載のオプトエレクトロニクス半導体デバイス（１０）。
9. 前記光軸（Ｏ）が前記半導体チップ（１３）の放射貫通面（１４）と交差する点を基準として、前記光軸（Ｏ）と前記鞍点（６）との間の角度θ２は、３０°以上５０°以下であり、
   前記光軸（Ｏ）と前記極大点（７）との間の角度θ１は、３５°以上６０°以下であり、
   ここでθ２＜θ１である、
   請求項３から８のいずれか１項記載のオプトエレクトロニクス半導体デバイス（１０）。
10. 前記レンズ（１）は注型部材であり、該注型部材は前記支持体（１２）と前記半導体チップ（１３）に一体成形されている、請求項３から９のいずれか１項記載のオプトエレクトロニクス半導体デバイス（１０）。
11. 前記レンズ（１）の放射出射面（２）の高さｈは平面（Ｐ）を基準として多項式
    h(x, y) = a₀ + a₁x + a₂y+a₃ (x² + y²) + a₄ (x⁴ + y⁴) + a₅x²y² + a₆ (x⁶ + y⁶) +a₇ (x⁴y² + x²y⁴) + a₈ (x⁸ + y⁸)
    によって近似され、ただし放射出射面（２）の個々の局所的な実際の高さｈ（ｘ，ｙ）の最大で０．０２倍の許容範囲を伴い、
    ここで少なくともａ₀，ａ₃，ａ₅，ａ₇はゼロではない、
    請求項３から１０のいずれか１項記載のオプトエレクトロニクス半導体デバイス（１０）。
12. 前記レンズ（１）の高さｈ（ｘ，ｙ）について式
    h(x, y) = 0.73 + 0.44 (x ² + y ² ) - 0.22 (x ⁴ + y ⁴ ) - 0.31 (x ² y ² ) + 1.64 (x ⁶ + y ⁶ ) - 0.18 (x ⁴ y ² + x ² y ⁴ ) - 2.12 (x ⁸ + y ⁸ )
    が成り立つ、ただし、前記高さｈ（ｘ，ｙ）に対する許容範囲は最大で０．１ｍｍである、
    請求項１１記載のオプトエレクトロニクス半導体デバイス（１０）。
13. 係数について
    a₁ ≠ 0 かつa₂ ＝ 0
    が成り立ち、一対の極大点（７ａ，７ｂ）はそれぞれ異なる高さを有しており、前記半導体デバイス（１０）は、照明装置のコーナー領域に設けられている、
    請求項１１記載のオプトエレクトロニクス半導体デバイス（１０）。
14. 係数について
    a ₁ ＝ a ₂ ≠ 0
    が成り立ち、前記４つの極大点のうち２つの極大点は等しい高さを有し、前記４つの極大点のうちの１つは、等しい高さを有する前記２つの極大点よりも高く、前記４つの極大点のうちの１つは、等しい高さを有する前記２つの極大点よりも低く、前記半導体デバイス（１０）は、照明装置のコーナー領域に設けられている、
    請求項１１記載のオプトエレクトロニクス半導体デバイス（１０）。
15. 接続プレート（１５）と、請求項３から１４のいずれか１項記載の複数のオプトエレクトロニクス半導体デバイス（１０）を備えた照明装置（１００）において、
    前記複数の半導体デバイス（１０）のうち少なくとも一部が、接続プレート（１５）上の規則的な格子の格子点に配置されていることを特徴とする照明装置（１００）。
16. 拡散プレート（１７）が設けられており、該拡散プレート（１７）は前記接続プレート（１５）に対し、１０ｍｍ以上１００ｍｍ以下の間の距離（Ｗ）をおいて取り付けられており、
    前記接続プレート（１５）の、前記半導体デバイス（１０）に向いた側の上面（１６）は、鏡面的にまたは拡散性を伴って反射するように構成されており、
    前記規則的な格子の格子定数（Ｇ）は、２０ｍｍ以上２００ｍｍ以下にある、
    請求項１５記載の照明装置（１００）。

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