WO2014095306A1 - Fresnel-linse und optoelektronisches halbleiterbauteil - Google Patents

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WO2014095306A1
WO2014095306A1 PCT/EP2013/075112 EP2013075112W WO2014095306A1 WO 2014095306 A1 WO2014095306 A1 WO 2014095306A1 EP 2013075112 W EP2013075112 W EP 2013075112W WO 2014095306 A1 WO2014095306 A1 WO 2014095306A1
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tooth
semiconductor chip
lens
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Ulrich Streppel
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Osram Opto Semiconductors GmbH
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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F21—LIGHTING
    • F21V—FUNCTIONAL FEATURES OR DETAILS OF LIGHTING DEVICES OR SYSTEMS THEREOF; STRUCTURAL COMBINATIONS OF LIGHTING DEVICES WITH OTHER ARTICLES, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • F21V5/00—Refractors for light sources
    • F21V5/04—Refractors for light sources of lens shape
    • F21V5/045—Refractors for light sources of lens shape the lens having discontinuous faces, e.g. Fresnel lenses
    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B19/00—Condensers, e.g. light collectors or similar non-imaging optics
    • G02B19/0004—Condensers, e.g. light collectors or similar non-imaging optics characterised by the optical means employed
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    • G—PHYSICS
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    • H—ELECTRICITY
    • H10—SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10H—INORGANIC LIGHT-EMITTING SEMICONDUCTOR DEVICES HAVING POTENTIAL BARRIERS
    • H10H20/00—Individual inorganic light-emitting semiconductor devices having potential barriers, e.g. light-emitting diodes [LED]
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    • H10H20/855—Optical field-shaping means, e.g. lenses
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F21—LIGHTING
    • F21V—FUNCTIONAL FEATURES OR DETAILS OF LIGHTING DEVICES OR SYSTEMS THEREOF; STRUCTURAL COMBINATIONS OF LIGHTING DEVICES WITH OTHER ARTICLES, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • F21V7/00—Reflectors for light sources
    • F21V7/0091—Reflectors for light sources using total internal reflection

Definitions

  • Fresnel lens and optoelectronic semiconductor device A Fresnel lens is specified.
  • This object is achieved, inter alia, by a Fresnel lens and by an optoelectronic semiconductor device with the
  • the Fresnel lens is configured to be arranged downstream of an optoelectronic semiconductor chip. Lateral dimensions of the Fresnel lens, hereinafter also referred to as lens for short, are then for example at least 1 mm or at least 2 mm and / or at most 12 mm or at most 7 mm.
  • the lens is molded from a material resistant to ultraviolet radiation and / or blue light, such as a silicone or a silicone-epoxy hybrid material.
  • the lens has one or more Fresnel teeth, hereinafter also referred to as tooth or teeth for short.
  • the teeth are to one
  • the lens has an optical axis.
  • the optical axis may be a central axis and / or an axis of symmetry of the lens.
  • the at least one tooth has a front side, which faces the optical axis. It is possible that the front is a single, contiguous surface or that the
  • Front is composed of several faces. Furthermore, the at least one tooth has at least one
  • Rear side which faces away from the optical axis and which is located farther away from the optical axis than the front side.
  • a tooth-shaped geometry of the Fresnel teeth is in particular in a cross section parallel to the optical axis
  • the cross section preferably passes through the optical axis.
  • Light exit side of the lens preferably monotonically or strictly monotonically decreases.
  • the rear side of the at least one tooth or the rear sides of all the teeth are set up for a total reflection of radiation. That is, in the intended use of the lens is at the
  • At least one backside of the tooth is preferably totally, partially, completely or predominantly reflected by a radiation to be formed by the lens. This is especially true for
  • Beam forming by refraction on the teeth preferably does not take place or is
  • the backs of the teeth are free of a reflective coating such as a metallic mirror layer or a Bragg mirror.
  • the rear side has two or more than two reflection regions.
  • the reflection areas can directly adjoin one another and / or merge into one another.
  • the reflection regions preferably have mutually different average slopes.
  • the reflection areas are set up to illuminate different areas in the far-field optical field.
  • the Fresnel lens is configured for an optoelectronic semiconductor chip. As seen in a cross-section parallel to an optical axis of the lens, it has at least one Fresnel tooth.
  • the at least one tooth has a front side facing the optical axis and a rear side facing away from the optical axis.
  • the back, which is farther from the optical axis than the front, is one Total reflection of radiation set up in the
  • the lens has the rear side at least two reflection regions, which follow one another in the direction along the optical axis.
  • LED chips formable, so that in an optical
  • a failure of one of the teeth leads to a major change in illumination and the corresponding component is not or only partially usable.
  • Such a failure of a Fresnel tooth results, for example, by a wrong angle or by a defect in an injection molding. Due to the fact that the teeth have at least two reflection areas on the rear side, a central area and also an edge area of a tooth become simultaneously a tooth
  • the lens is a lens
  • each of the teeth has two or more than two of the reflection areas on the back side.
  • the teeth are preferably symmetrical on both sides of the arranged optical axis, wherein, seen in cross-section, the optical axis then represents a line of symmetry.
  • Intensity emitted for example, with a maximum tolerance of 25% or 15%.
  • At least one of the reflection regions has a height of at least 10% or
  • the reflection area preceding along the optical axis, towards the light exit side of the lens has a smaller height and the other vice versa.
  • Reflection areas seen in cross-section, a curvature.
  • the curvature can be designed as part of a circular arc.
  • the areas of reflection of a tooth may have the same or different average radii of curvature.
  • Curvature centers of the reflection regions, as seen in cross section, preferably deviate from one another, but may also be the same.
  • kink Reflection areas by a kink in the back separated from each other, seen in cross-section.
  • the term kink can mean that there is a sharp edge.
  • Kink can also mean a transitional area
  • the teeth or at least one of the teeth, seen in plan view, orbits the optical axis completely around it.
  • the optical axis preferably forms an axis of rotation, so that the teeth are designed to be rotationally symmetrical about the optical axis. It is possible that production-related errors or misalignments in the teeth remain unconsidered.
  • the lens has a central region.
  • the central region is preferably pierced by the optical axis. It is the central region in particular arranged around a geometric center of the lens, seen in plan view.
  • Light entrance side is preferably a refractive
  • Beamforming It is the light entrance side in places or completely concave or convex curved. It is possible that a convex curved portion annularly surrounds a concavely curved portion of the light entrance side, whereby the optical axis can pierce the concavely curved portion.
  • the light entry side is not set up to reflect radiation. According to at least one embodiment, the
  • Light entrance side of the central area can be directly adjacent to the front of this tooth and go smoothly into this. It is the central area and this tooth, and thus the light entrance side and the front, in particular by a local minimum in the thickness of the lens delimited from each other.
  • the front of the nearest optical axis to the tooth represents a boundary surface of the lens
  • Front is oriented approximately perpendicular to a portion of the light entrance side, which is located near this front and in particular may be curved convex. Approximately vertical can mean a maximum tolerance of 20 ° or 10 ° or 5 °. It is possible that this front side is planar or substantially planar shaped, seen in cross-section.
  • the radiation passing through the front side of the first tooth closest to the optical axis passes directly to the rear side thereof
  • Tooth This radiation is partially or completely guided to the reflection areas of this first tooth, through this tooth. Subsequently, this radiation is totally or partially completely reflected at the reflection regions, directed towards the light exit side, and then coupled out through the light exit side out of the lens.
  • the back of the first, the optical axis nearest tooth is the
  • the back of the first tooth may transition to the front of the second tooth. It is this back side and this front side preferred by a local minimum of the thickness of the lens from each other
  • it passes to the second, farther from the optical axis
  • Radiation passing second tooth does not reach the first tooth. This radiation component thus passes directly from the semiconductor chip to the front side of the second tooth. This is especially true for such radiation, which from a piercing point of the optical axis by a
  • Tooth for example, with a maximum tolerance of 20 ° or 10 ° or 5 °. The same applies preferably also to the radiation which reaches the front side of the second tooth. If more than two teeth are present, this also applies in particular with regard to the front sides of all other teeth. According to at least one embodiment, seen in cross-section, mean slopes of the differ
  • a mean angle to the optical axis of at least one of the back sides of the teeth or of all back sides is at least 5 ° or 10 ° or 15 ° or 20 °. Alternatively or additionally, this average angle is at most 45 ° or 40 ° or 35 °.
  • the corresponding information applies in particular in cross section. A distance of the corresponding back to
  • optical axis is so towards the
  • the middle one is
  • Angle between the front of at least the tooth that is closest to the optical axis at least - 35 ° or -30 °. Alternatively or additionally, this mean angle is at most -10 ° or -15 °.
  • a negative angle here means that a distance of the front side to the optical axis decreases in the direction towards the light exit side of the lens, preferably decreases strictly monotonically.
  • the lens is a lens
  • an optoelectronic semiconductor device is specified.
  • the semiconductor device comprises a Fresnel lens as described in connection with one or more of the above embodiments. Features of the lens are therefore also disclosed for the optoelectronic semiconductor device and vice versa.
  • this includes
  • the at least one semiconductor chip is preferably a light-emitting diode chip.
  • the semiconductor chip is intended for emission of ultraviolet radiation, blue light, green light, red light and / or near-infrared radiation. It is possible for the semiconductor chip to emit white light and to do so
  • Wavelength conversion materials or phosphors comprises. According to at least one embodiment, the
  • the mean edge length L is the sum of the edge lengths divided by the number of edges. Instead of the average edge length, alternatively, a mean diameter of the
  • the lens is the
  • Semiconductor chip or the plurality of semiconductor chips optically downstream That is, at least 50% or 70% or 90% or 95% of that of the semiconductor chip in operation
  • the generated radiation to the lens and preferably be influenced and shaped by the lens in the radiation pattern. It is the lens of the semiconductor chip spaced so that there is a gap between the lens and the semiconductor chip.
  • the optical axis of the lens pierces the semiconductor chip.
  • the optical axis of the lens may pass through a center of the main radiation side of the semiconductor chip.
  • the semiconductor chip it is also possible for the semiconductor chip to be mounted under the lens, for example by a length of at most 15% of a mean edge length of the semiconductor chip.
  • the semiconductor component has a plurality of semiconductor chips, these are preferably arranged close to the optical axis and symmetrically with respect to the optical axis and can be covered by the same lens. For example, then covers the
  • each of the semiconductor chips is assigned its own lens, in particular one-to-one.
  • Optoelectronic semiconductor device at least one
  • the Fresnel lens is optically downstream of the semiconductor chip and the semiconductor chip, seen in plan view, is located in a center of the lens. According to at least one embodiment applies to the
  • Curvature radii K of the reflection regions of the tooth located closer or closest to the optical axis 10 L ⁇ K and / or K ⁇ 16 L. According to at least one embodiment, the radii of curvature K of the reflection regions of the farthest or furthest away from the optical axis are valid
  • a height Hl of the closer to the semiconductor chip applies
  • Reflection region of the tooth located closer to or closest to the semiconductor chip, in the direction parallel to the optical axis and with respect to a total height H of the
  • Reflection areas of the corresponding tooth 0.1 H ⁇ Hl and / or Hl ⁇ 0.5 H.
  • the total height H is therefore equal to a sum of the heights of the two reflection areas in the direction parallel to the optical axis.
  • the total height H of the reflection regions of the tooth located closer to or closest to the semiconductor chip, in the direction parallel to the optical axis is 1.2 L ⁇ H and / or H ⁇ 2.0 L.
  • a height Hl of the remainder of the semiconductor chip is present
  • the total height H of the tooth located farthest or furthest away from the semiconductor chip in the direction parallel to the optical axis: 0.6 L ⁇ H and / or H ⁇ 1.2 L.
  • a distance Dl of the tooth located closer to or closest to the semiconductor chip parallel to the optical axis and relative to a plane defined by the main radiation side of the semiconductor chip, 0.1 L ⁇ Dl and / or Dl ⁇ 0, 4 L.
  • a distance D2 of the tooth located farthest or furthest away from the semiconductor chip in the direction parallel to the optical axis and with respect to the plane 0.4 L ⁇ D2 and / or D2 ⁇ 1.2 L.
  • 0.8 L ⁇ Bl and / or Bl ⁇ 6 L applies.
  • At least one tooth of the lens at least in places in the direction parallel to the optical axis, has a reduced height.
  • the height is in particular reduced compared to remaining parts of this tooth and / or compared to another tooth.
  • Such a reduced height may result from inaccuracies or defects in the manufacture of the lens.
  • manufacturing inaccuracies are tolerable and the lens is still usable.
  • FIGS 1 to 4 are schematic representations of
  • Figure 5 is a schematic sectional view of a
  • Figure 1A is a schematic sectional view and in Figure 1B is a schematic plan view of a
  • the semiconductor component 10 comprises an optoelectronic semiconductor chip 5, for example a light-emitting diode chip.
  • the semiconductor chip 5 has a main radiation side 50, which faces a Fresnel lens 1.
  • An optical axis A of the lens 1 passes through the semiconductor chip 5.
  • the semiconductor chip 5 has a mean edge length L.
  • the lens 1 is spaced from the semiconductor chip 5 by a gap. The gap is filled with gas, for example, with about Air, or evacuated. It is the semiconductor chip 5 on a non-illustrated carrier, for example, a printed circuit board attached.
  • the lens 1 In a central region 20 which is pierced by the optical axis A, the lens 1 has a light entrance side 23. In a center around the optical axis A around the light exit side 23 is concavely curved and in one
  • a thickness of the lens 1 decreases.
  • the central region 20 is followed by a first Fresnel tooth 21 directly after.
  • the light entrance side 23 and the tooth 21 are separated from each other by a local minimum of the thickness of the lens 1.
  • the tooth 21 has a front side 25 and one of these
  • the front side 25 faces the optical axis A.
  • the backs 28 of the teeth 21, 22 each have two
  • Reflection areas 31, 32 which are provided for a total reflection of the semiconductor chip 5 emitted radiation.
  • the backs 28 are free from one
  • the teeth 21, 22 revolve, seen in plan view, the
  • optical axis A completely round and are
  • Top view seen a square or rectangular
  • Basic shape and not a circle as a basic shape are not a circle as a basic shape.
  • the first tooth 21 has a first distance Bl from the semiconductor chip 5, which is for example approximately one simple of the mean edge length L.
  • a distance B2 of the second tooth 22 to the semiconductor chip 5 is for example about twice the mean edge length L.
  • the distances Bl, B2 refer here to a local maximum of the thickness of the respective tooth 21, 22, wherein in the maximum, the front sides 25th each pass into the backs 28.
  • a start of the teeth 21, 22 is in each case a local minimum of the thickness of the lens, which separates the teeth 21, 22 from each other and the central region 20 from the first tooth 21.
  • a distance B3 in the direction perpendicular to the optical axis A from the semiconductor chip 5 to an outer edge of the second tooth 22 is, for example, at least four times or twelve times or fifteen times the mean edge length L and / or at most 25 times or
  • the areas of minimum thickness of the teeth 21, 22 are each preferably above the light entrance side 23, in the direction parallel to the optical axis and towards a light exit side 24 of the lens 1. In the direction away from the optical axis A increases an amplitude of the teeth 21, 22, ie a difference between a maximum and a minimum lens thickness within a tooth 21, 22.
  • 0.1 L ⁇ Dl and / or Dl ⁇ 0.4 L applies to a distance D2 with respect to the front side 25 of the second tooth 22 this level P, this value is approximately 0.8 times the mean edge length L.
  • the distance D2 is smaller than the distance Dl, for example by at least a factor of 1.2 or 1.5 or 2 or 4.
  • a minimum thickness in the central region 20, wherein this minimum thickness is present in particular on the optical axis A, is preferably greater than the distance Dl.
  • An upper side of the lens 1 facing away from the semiconductor chip 5, which forms the light exit side 24, is preferably designed as a smooth, continuous and differentiable surface without sharp edges and kinks. This preferably also applies to an underside of the lens 1 facing the semiconductor chip 5, which is formed by the light entry side 23 and the front sides 25 and the rear sides 28.
  • the light exit side 24 may be planar shaped as shown in FIG. 1A. Alternatively, the
  • Light exit side 24 also have a curvature, for example, a convex shape similar to a converging lens or a concave shape similar to a Zerstullulinse.
  • the reflection regions 31, 32 within one of the rear sides 28 are separated from one another by a crease-like region 6.
  • the crease-like region 6 is preferably not a sharp edge, but one
  • FIGS. 2 and 3 illustrate the optical properties on the basis of beam R of radiation generated by the semiconductor chip 5 during operation.
  • the semiconductor chip 5 is hereby considered simplified as a point light source.
  • Point light source means that the ray bundles R from a puncture point of
  • optical axis A through the main radiation side 50 go out.
  • the light exit side 24 is not drawn.
  • the reflection areas 31, 32 within a tooth 21, 22 have mutually different main emission directions 41, 42.
  • the main emission directions 41 which are closer to the semiconductor chip 5 not shown in FIGS. 2 and 3, are aligned approximately parallel to one another, as are the main emission directions 42 of the reflection regions 32 of the teeth 21, 22 which are further away from the semiconductor chip 5
  • the reflection areas 31 will each be a central area of one
  • the radiation R passes from the semiconductor chip 5, starting directly to the front side 25 of the first tooth 21 and through the first
  • Tooth 21 passes to the back 28 of the first tooth 21.
  • the reaching to the second tooth 22 radiation R passes the first tooth 21 over, passes directly from the semiconductor chip 5 to the front side 25 of the second tooth 22 and through the second tooth 22 to the rear side 28th
  • An angle between these gradients M1, M2 is, for example, between 10 ° and 20 ° inclusive.
  • the rear side 28 in the reflection regions 31, 32 is preferably curved, see FIG. 4. Deviating from this, it is also possible for the reflection regions 31, 32 to be formed by a flat surface, seen in cross-section.
  • Figure 4 relates to the first tooth 21, which is closer to the optical axis. The same can also apply to the second tooth 22 and for any additional additional teeth.
  • the radii of curvature K1, K2 of the reflection areas 31, 32 can differ from one another. The wise
  • Reflection areas 31, 32 preferably do not have a common one
  • Front 25 may be flat or substantially planar, seen in cross-section. Due to the reflection regions 31, 32, a divergence of the radiation generated by the semiconductor chip 5 can be reduced. For example, parallel beams of rays are produced by the reflection regions 31, 32, for example with a tolerance of at most 15 ° or 10 ° or 5 °, at least with respect to a radiation propagating from the puncture point.
  • the radii of curvature in the thickness maxima of the teeth 21, 22 are preferably comparatively small and are for example at most 5% or at most 10% of the smallest
  • the radius of curvature of the reflection regions 31, 32 can apply to curvatures in the thickness minima between the teeth 21, 22 and the central region 20.
  • Reflection areas 31, 32 taken together have an overall height H, in the direction parallel to the optical axis A shown only schematically in Figure 4.
  • the height Hl which is closer to that in FIG 4, not smaller than a difference between the total height H and the height HI. Contrary to what is shown, the height Hl can be greater than the difference H minus Hl. The same can also be said for the second tooth 22 and for any further teeth , not shown, apply.
  • FIG. 5 shows a modification of a lens 1 '.
  • the teeth 21, 22 have a continuous rear side with only exactly one reflection region.
  • Each of the teeth 21, 22 has only one main emission direction 41, 42. If one of the teeth 21, 22 is damaged during production of the lens 1 ', a radiation characteristic of the lens 1' is severely impaired as a result. This can be avoided by the teeth 21, 22 of the lens 1 according to FIGS. 1 to 4 and with the at least two reflection regions 31, 32.

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Abstract

In mindestens einer Ausführungsform ist die Fresnel-Linse (1) für einen optoelektronischen Halbleiterchip (5) eingerichtet. In einem Querschnitt parallel zu einer optischen Achse (A) der Linse (1) gesehen, weist diese mindestens einen Fresnel- Zahn (21, 22) auf. Der zumindest eine Zahn (21, 22) weist eine der optischen Achse (A) zugewandte Vorderseite (25) und eine der optischen Achse (A) abgewandte Rückseite (28) auf. Die Rückseite (28) ist zu einer Totalreflexion von Strahlung (R) eingerichtet, im bestimmungsgemäßen Einsatz der Linse (1). Es weist die Rückseite (28) zumindest zwei Reflexionsbereiche (31, 32) auf, die in Richtung längs der optischen Achse (A) aufeinander folgen. Die Reflexionsbereiche (31, 32) weisen voneinander verschiedene Hauptabstrahlrichtungen (41, 42) auf.

Description

Beschreibung
Fresnel-Linse und optoelektronisches Halbleiterbauteil Es wird eine Fresnel-Linse angegeben. Darüber hinaus wird ein optoelektronisches Halbleiterbauteil mit einer solchen
Fresnel-Linse angegeben.
Eine zu lösende Aufgabe besteht darin, eine effizient herstellbare Fresnel-Linse anzugeben.
Diese Aufgabe wird unter anderem durch eine Fresnel-Linse und durch ein optoelektronisches Halbleiterbauteil mit den
Merkmalen der unabhängigen Patentansprüche gelöst. Bevorzugte Weiterbildungen sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform ist die Fresnel-Linse dazu eingerichtet, einem optoelektronischen Halbleiterchip nachgeordnet zu werden. Laterale Abmessungen der Fresnel- Linse, im Folgenden auch kurz als Linse bezeichnet, liegen dann beispielsweise bei mindestens 1 mm oder mindestens 2 mm und/oder bei höchstens 12 mm oder höchstens 7 mm. Bevorzugt ist die Linse aus einem gegenüber ultravioletter Strahlung und/oder gegenüber blauem Licht widerstandsfähigen Material geformt, etwa aus einem Silikon oder einem Silikon-Epoxid- Hybrid-Material .
Gemäß zumindest einer Ausführungsform weist die Linse einen oder mehrere Fresnel-Zähne auf, im Folgenden auch kurz als Zahn oder Zähne bezeichnet. Die Zähne sind zu einer
Strahlformung und zu einer Einstellung der
Abstrahlcharakteristik der Linse eingerichtet. Gemäß zumindest einer Ausführungsform weist die Linse eine optische Achse auf. Bei der optischen Achse kann es sich um eine Mittelachse und/oder um eine Symmetrieachse der Linse handeln .
Gemäß zumindest einer Ausführungsform weist der zumindest eine Zahn eine Vorderseite auf, die der optischen Achse zugewandt ist. Es ist möglich, dass die Vorderseite eine einzige, zusammenhängende Fläche ist oder dass die
Vorderseite aus mehreren Teilflächen zusammengesetzt ist. Ferner weist der mindestens eine Zahn wenigstens eine
Rückseite auf, die der optischen Achse abgewandt ist und die sich weiter von der optischen Achse entfernt befindet als die Vorderseite .
Eine zahnförmige Geometrie der Fresnel-Zähne ist insbesondere in einem Querschnitt parallel zu der optischen Achse
erkennbar. Der Querschnitt verläuft bevorzugt durch die optische Achse hindurch. Eine Breite der Zähne, im
Querschnitt gesehen und in Richtung weg von einer
Lichtaustrittsseite der Linse, nimmt bevorzugt monoton oder streng monoton ab.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform ist die Rückseite des zumindest einen Zahns oder sind die Rückseiten aller Zähne zu einer Totalreflexion von Strahlung eingerichtet. Das heißt, im bestimmungsgemäßen Gebrauch der Linse wird an der
mindestens einen Rückseite des Zahns eine von der Linse zu formende Strahlung bevorzugt total reflektiert, teilweise, vollständig oder überwiegend. Dies gilt insbesondere für
Strahlung aus einem Durchstoßpunkt einer optischen Achse mit einer Strahlungshauptseite eines der Linse zugeordneten
Halbleiterchips, nicht aus dem Durchstoßpunkt emittierte Strahlung kann wenigstens zum Teil an der Rückseite
transmittiert werden. Eine Strahlformung durch Refraktion an den Zähnen findet bevorzugt nicht statt oder ist
vernachlässigbar. Ferner bevorzugt sind die Rückseiten der Zähne frei von einer reflektierenden Beschichtung wie einer metallischen Spiegelschicht oder einem Bragg-Spiegel .
Gemäß zumindest einer Ausführungsform weist die Rückseite zwei oder mehr als zwei Reflexionsbereiche auf. Die
Reflexionsbereiche folgen in Richtung längs der optischen
Achse mittelbar oder unmittelbar aufeinander. Das heißt, die Reflexionsbereiche können direkt aneinander grenzen und/oder ineinander übergehen. Bevorzugt weisen die Reflexionsbereiche voneinander verschiedene mittlere Steigungen auf.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform weisen die
Reflexionsbereiche im bestimmungsgemäßen Gebrauch der Linse voneinander verschiedene Hauptabstrahlrichtungen auf. Mit anderen Worten wird von einem der Reflexionsbereiche
Strahlung in eine Hauptabstrahlrichtung gelenkt und von einem weiteren Reflexionsbereich Strahlung in eine hiervon
verschiedene Hauptabstrahlrichtung. Insbesondere sind die Reflexionsbereiche dazu eingerichtet, im optischen Fernfeld verschiedene Bereiche auszuleuchten.
In mindestens einer Ausführungsform ist die Fresnel-Linse für einen optoelektronischen Halbleiterchip eingerichtet. In einem Querschnitt parallel zu einer optischen Achse der Linse gesehen weist diese mindestens einen Fresnel-Zahn auf. Der zumindest eine Zahn weist eine der optischen Achse zugewandte Vorderseite und eine der optischen Achse abgewandte Rückseite auf. Die Rückseite, die sich weiter von der optischen Achse entfernt befindet als die Vorderseite, ist zu einer Totalreflexion von Strahlung eingerichtet, im
bestimmungsgemäßen Einsatz der Linse. Es weist die Rückseite zumindest zwei Reflexionsbereiche auf, die in Richtung längs der optischen Achse aufeinander folgen. Die
Reflexionsbereiche weisen voneinander verschiedene
Hauptabstrahlrichtungen auf.
Durch eine solche Linse ist eine Strahlung eines
optoelektronischen Halbleiterchips wie eines
Leuchtdiodenchips umformbar, sodass in einem optischen
Fernfeld eine plane Fläche mit einer bestimmten Ausleuchtung versehbar ist. Weisen die Zähne nur einen einzigen
Reflexionsbereich auf, so führt ein Ausfall von einem der Zähne zu einer gravierenden Änderung der Ausleuchtung und das entsprechende Bauteil ist nicht oder nur eingeschränkt verwendbar. Ein solcher Ausfall eines Fresnel-Zahns ergibt sich beispielsweise durch einen falschen Winkel oder durch eine Fehlstelle bei einem Spritzgießen. Dadurch, dass die Zähne zumindest zwei Reflexionsbereiche an der Rückseite aufweisen, wird von einem Zahn gleichzeitig ein zentraler Bereich und auch ein Randbereich der zu
beleuchtenden Fläche ausgeleuchtet. Bei einem Ausfall eines Zahns oder Zahnteils bleibt so ein relatives Verhältnis einer Beleuchtungsstärke in der Mitte und in Randbereichen der auszuleuchtenden Fläche im Wesentlichen erhalten.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform weist die Linse
mindestens zwei oder genau zwei Zähne auf, im Querschnitt gesehen und in einer Halbebene auf einer Seite der optischen Achse. Es weist bevorzugt jeder der Zähne zwei oder mehr als zwei der Reflexionsbereiche an der Rückseite auf. Weiterhin sind die Zähne bevorzugt symmetrisch beiderseits der optischen Achse angeordnet, wobei, im Querschnitt gesehen, die optische Achse dann eine Symmetrielinie darstellt.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform weisen die
Reflexionsbereiche der Zähne voneinander verschiedene Größen auf. Hierdurch ist eine insbesondere von Leuchtdiodenchips in der Regel mit einem Abstrahlwinkel variierende Intensität und auch eine zunehmende Entfernung eines Zahns von dem
Leuchtdiodenchip kompensierbar. Es ist möglich, dass von jedem Reflexionsbereich näherungsweise eine gleiche
Intensität abgestrahlt wird, zum Beispiel mit einer Toleranz von höchstens 25 % oder 15 %.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform weist zumindest einer der Reflexionsbereiche eine Höhe von mindestens 10 % oder
30 % und/oder von höchstens 50 % oder 70 % einer Gesamthöhe des entsprechenden Zahns auf. Es ist möglich, dass für einen Teil der Zähne der entlang der optischen Achse vorangehende Reflexionsbereich, in Richtung hin zu der Lichtaustrittsseite der Linse, eine geringere Höhe aufweist und für andere Zähne entsprechend Umgekehrtes gilt.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform weisen die
Reflexionsbereiche, im Querschnitt gesehen, eine Krümmung auf. Die Krümmung kann als Teil eines Kreisbogens ausgeführt sein. Die Reflexionsbereiche eines Zahns können gleiche oder voneinander verschiedene mittlere Krümmungsradien aufweisen. Krümmungsmittelpunkte der Reflexionsbereiche weichen, im Querschnitt gesehen, bevorzugt voneinander ab, können aber auch gleich sein.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform sind die
Reflexionsbereiche durch einen Knick in der Rückseite voneinander abgegrenzt, im Querschnitt gesehen. Der Begriff Knick kann bedeuten, dass eine scharfe Kante vorhanden ist. Knick kann ebenso bedeuten, dass ein Übergangsbereich
zwischen den Reflexionsbereichen kantenähnlich geformt ist und einen Krümmungsradius aufweist, der mindestens um einen Faktor 5 oder Faktor 10 oder Faktor 20 unterhalb des
kleinsten Krümmungsradius der Reflexionsbereiche dieses Zahns liegt . Gemäß zumindest einer Ausführungsform umlaufen die Zähne oder umläuft zumindest einer der Zähne, in Draufsicht gesehen, die optische Achse vollständig ringsum. Es bildet die optische Achse bevorzugt eine Rotationsachse aus, sodass die Zähne rotationssymmetrisch um die optische Achse herum gestaltet sind. Es ist möglich, dass herstellungsbedingte Fehler oder Fehlstellungen in den Zähnen dabei unberücksichtigt bleiben.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform weist die Linse einen Zentralbereich auf. Der Zentralbereich wird bevorzugt von der optischen Achse durchstoßen. Es ist der Zentralbereich insbesondere um eine geometrische Mitte der Linse herum angeordnet, in Draufsicht gesehen.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform weist der
Zentralbereich eine Lichteintrittsseite auf. An der
Lichteintrittsseite erfolgt bevorzugt eine refraktive
Strahlformung. Es ist die Lichteintrittsseite stellenweise oder vollständig konkav oder konvex gekrümmt. Es ist möglich, dass ein konvex gekrümmter Bereich einen konkav gekrümmten Bereich der Lichteintrittsseite ringförmig umgibt, wobei die optische Achse den konkav gekrümmten Teilbereich durchstoßen kann. Bevorzugt ist die Lichteintrittsseite nicht zu einer Reflexion von Strahlung eingerichtet. Gemäß zumindest einer Ausführungsform ist die
Lichteintrittsseite des Zentralbereichs ringsum von dem der optischen Achse nächstgelegenen Zahn umgeben. Die
Lichteintrittsseite des Zentralbereichs kann direkt an die Vorderseite dieses Zahns angrenzen und in diese stetig und glatt übergehen. Es sind der Zentralbereich und dieser Zahn, und somit die Lichteintrittsseite und die Vorderseite, insbesondere durch ein lokales Minimum in der Dicke der Linse voneinander abgegrenzt.
Die Vorderseite des der optischen Achse nächstgelegenen Zahns stellt eine Begrenzungsfläche der Linse dar, die dazu
eingerichtet ist, im bestimmungsgemäßen Gebrauch von der Strahlung durchlaufen zu werden. Es ist möglich, dass diese
Vorderseite näherungsweise senkrecht zu einem Teilbereich der Lichteintrittsseite orientiert ist, der sich nahe dieser Vorderseite befindet und der insbesondere konvex gekrümmt sein kann. Näherungsweise senkrecht kann eine Toleranz von höchstens 20° oder 10° oder 5° bedeuten. Es ist möglich, dass diese Vorderseite planar oder im Wesentlichen planar geformt ist, im Querschnitt gesehen.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform gelangt die durch die Vorderseite des der optischen Achse nächstgelegenen, ersten Zahns tretende Strahlung direkt zu der Rückseite dieses
Zahns. Es wird diese Strahlung teilweise oder vollständig zu den Reflexionsbereichen dieses ersten Zahns geführt, durch diesen Zahn hindurch. Nachfolgend wird diese Strahlung teilweise oder vollständig an den Reflexionsbereichen total reflektiert, in Richtung hin zu der Lichtaustrittsseite gelenkt und anschließend durch die Lichtaustrittsseite hindurch aus der Linse ausgekoppelt. Gemäß zumindest einer Ausführungsform ist die Rückseite des ersten, der optischen Achse nächstgelegenen Zahns der
Vorderseite des benachbarten, weiter von der optischen Achse entfernten, zweiten Zahns zugewandt. Die Rückseite des ersten Zahns kann in die Vorderseite des zweiten Zahns übergehen. Es sind diese Rückseite und diese Vorderseite bevorzugt durch ein lokales Minimum der Dicke der Linse voneinander
abgegrenzt .
Gemäß zumindest einer Ausführungsform durchläuft die zu dem zweiten, sich weiter von der optischen Achse entfernt
befindlichen zweiten Zahn gelangende Strahlung den ersten Zahn nicht. Dieser Strahlungsanteil gelangt also unmittelbar von dem Halbleiterchip zu der Vorderseite des zweiten Zahns. Dies gilt insbesondere für solche Strahlung, die von einem Durchstoßpunkt der optischen Achse durch eine
Strahlungshauptseite des Halbleiterchips ausgehend zu der Linse gelangt.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform trifft ein
Strahlungsanteil, der von dem Durchstoßpunkt ausgeht, näherungsweise senkrecht auf die Vorderseite des ersten
Zahns, beispielsweise mit einer Toleranz von höchstens 20° oder 10° oder 5°. Entsprechendes gilt bevorzugt auch für die Strahlung, die zu der Vorderseite des zweiten Zahns gelangt. Sind mehr als zwei Zähne vorhanden, so gilt dies insbesondere auch hinsichtlich der Vorderseiten aller weiteren Zähne. Gemäß zumindest einer Ausführungsform unterscheiden sich, im Querschnitt gesehen, mittlere Steigungen der
Reflexionsbereiche um einen Winkel von mindestens 7,5° oder 10° oder 12,5°. Alternativ oder zusätzlich liegt dieser
Unterschied bei höchstens 25° oder 22,5° oder 20° oder 17,5°.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform liegt ein mittlerer Winkel zur optischen Achse von zumindest einer der Rückseiten der Zähne oder von allen Rückseiten bei mindestens 5° oder 10° oder 15° oder 20°. Alternativ oder zusätzlich liegt dieser mittlere Winkel bei höchstens 45° oder 40° oder 35°. Die entsprechenden Angaben gelten insbesondere im Querschnitt gesehen. Ein Abstand der entsprechenden Rückseite zur
optischen Achse wird also in Richtung hin zur
Lichtaustrittsseite der Linse größer, insbesondere streng monoton größer. Gemäß zumindest einer Ausführungsform liegt der mittlere
Winkel zwischen der Vorderseite von zumindest dem Zahn, der der optischen Achse am nächstgelegenen ist, bei mindestens - 35° oder -30°. Alternativ oder zusätzlich liegt dieser mittlere Winkel bei höchstens -10° oder -15°. Ein negativer Winkel bedeutet hierbei, dass ein Abstand der Vorderseite zur optischen Achse in Richtung hin zu der Lichtaustrittsseite der Linse abnimmt, bevorzugt streng monoton abnimmt.
Anstelle des mittleren Winkels der Rückseite können auch die mittleren Steigungen der Reflexionsbereiche der Rückseite herangezogen werden, für die bevorzugt jeweils Entsprechendes gilt .
Gemäß zumindest einer Ausführungsform ist die Linse
hinterschneidungsfrei gestaltet, im Querschnitt gesehen und bezogen auf eine Richtung hin zur Lichtaustrittsseite der Linse. Hierdurch ist es möglich, dass die Linse über ein Spritzgießen oder ein Spritzpressen erzeugbar ist. Darüber hinaus wird ein optoelektronisches Halbleiterbauteil angegeben. Das Halbleiterbauteil umfasst eine Fresnel-Linse, wie in Verbindung mit einer oder mehrerer der oben genannten Ausführungsformen beschrieben. Merkmale der Linse sind daher auch für das optoelektronische Halbleiterbauteil offenbart und umgekehrt.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform umfasst das
Halbleiterbauteil einen oder mehrere optoelektronische
Halbleiterchips. Bei dem zumindest einen Halbleiterchip handelt es sich bevorzugt um einen Leuchtdiodenchip. Der Halbleiterchip ist zur Emission von ultravioletter Strahlung, von blauem Licht, von grünem Licht, von rotem Licht und/oder von nahinfraroter Strahlung vorgesehen. Es ist möglich, dass der Halbleiterchip weißes Licht emittiert und hierzu
beispielsweise eines oder mehrere
Wellenlängenkonversionsstoffe oder Leuchtstoffe umfasst. Gemäß zumindest einer Ausführungsform weist der
Halbleiterchip eine mittlere Kantenlänge L auf. Die mittlere Kantenlänge L ist die Summe der Kantenlängen geteilt durch die Anzahl der Kanten. Anstelle der mittleren Kantenlänge kann alternativ auch ein mittlerer Durchmesser des
Halbleiterchips treten.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform ist die Linse dem
Halbleiterchip oder den mehreren Halbleiterchips optisch nachgeordnet. Das heißt, dass mindestens 50 % oder 70 % oder 90 % oder 95 % der von dem Halbleiterchip im Betrieb
erzeugten Strahlung zu der Linse gelangen und bevorzugt von der Linse in der Abstrahlcharakteristik beeinflusst und geformt werden. Es ist die Linse von dem Halbleiterchip beabstandet angeordnet, sodass sich ein Spalt zwischen der Linse und dem Halbleiterchip befindet.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform befindet sich der
Halbleiterchip in einem Zentrum der Linse, in Draufsicht gesehen. Insbesondere durchstößt die optische Achse der Linse den Halbleiterchip. Die optische Achse der Linse kann einen Mittelpunkt der Strahlungshauptseite des Halbleiterchips durchlaufen. Alternativ hierzu ist es auch möglich, dass der Halbleiterchip ausmittig unter der Linse angebracht ist, zum Beispiel um eine Länge von höchstens 15 % einer mittleren Kantenlänge des Halbleiterchips.
Weist das Halbleiterbauteil mehrere Halbleiterchips auf, so sind diese bevorzugt nahe der optischen Achse und symmetrisch zur optischen Achse angeordnet und können von derselben Linse überdeckt sein. Beispielsweise überdeckt dann der
Zentralbereich den Halbleiterchip oder alle Halbleiterchips vollständig. Bevorzugt jedoch ist jedem der Halbleiterchips eine eigene Linse insbesondere eineindeutig zugeordnet.
In mindestens einer Ausführungsform weist das
optoelektronische Halbleiterbauteil wenigstens einen
optoelektronischen Halbleiterchip mit einer mittleren
Kantenlänge L zur Erzeugung einer Strahlung auf. Die Fresnel- Linse ist dem Halbleiterchip optisch nachgeordnet und es befindet sich der Halbleiterchip, in Draufsicht gesehen, in einem Zentrum der Linse. Gemäß zumindest einer Ausführungsform gilt für die
Krümmungsradien K der Reflexionsbereiche des sich näher oder am nächsten an der optischen Achse befindlichen Zahns: 10 L < K und/oder K < 16 L. Gemäß zumindest einer Ausführungsform gilt für die Krümmungsradien K der Reflexionsbereiche des sich entfernter oder am weitesten entfernt von der optischen Achse
befindlichen Zahns: 6 L < K und/oder K < 10 L.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform gilt für eine Höhe Hl des sich näher an dem Halbleiterchip befindlichen
Reflexionsbereichs des sich näher oder am nächsten an dem Halbleiterchip befindlichen Zahns, in Richtung parallel zur optischen Achse und bezogen auf eine Gesamthöhe H der
Reflexionsbereiche des entsprechenden Zahns: 0,1 H < Hl und/oder Hl < 0,5 H. Die Gesamthöhe H ist also gleich einer Summe der Höhen der beiden Reflexionsbereiche in Richtung parallel zur optischen Achse.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform gilt für die Gesamthöhe H der Reflexionsbereiche des sich näher oder am nächsten an dem Halbleiterchip befindlichen Zahns, in Richtung parallel zur optischen Achse: 1,2 L < H und/oder H < 2,0 L.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform gilt für eine Höhe Hl des sich entfernter von dem Halbleiterchip befindlichen
Reflexionsbereichs des sich näher oder am nächsten an dem Halbleiterchip befindlichen Zahns, in Richtung parallel zur optischen Achse: 0,3 H < Hl und/oder Hl < 0,7 H.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform gilt für die Gesamthöhe H des sich entfernter oder am weitesten entfernt von dem Halbleiterchip befindlichen Zahns, in Richtung parallel zur optischen Achse: 0,6 L < H und/oder H < 1,2 L. Gemäß zumindest einer Ausführungsform gilt für einen Abstand Dl des sich näher oder am nächsten an dem Halbleiterchip befindlichen Zahns, parallel zur optischen Achse und bezogen auf eine durch die Strahlungshauptseite des Halbleiterchips definierte Ebene: 0,1 L < Dl und/oder Dl < 0,4 L.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform gilt für einen Abstand D2 des sich entfernter oder am weitesten entfernt von dem Halbleiterchip befindlichen Zahns in Richtung parallel zur optischen Achse und bezogen auf die Ebene: 0,4 L < D2 und/oder D2 < 1,2 L.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform gilt für einen Abstand Bl des sich näher oder am nächsten an dem Halbleiterchip befindlichen Zahns, senkrecht zur optischen Achse und bezogen auf den Halbleiterchip: 0,8 L < Bl und/oder Bl < 6 L.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform gilt für einen Abstand B2 des sich entfernter oder am entferntesten von dem
Halbleiterchip befindlichen Zahns, senkrecht zur optischen Achse und bezogen auf den Halbleiterchip: 2 L < B2 und/oder B2 < 21 L.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform weist zumindest ein Zahn der Linse, in Richtung parallel zur optischen Achse wenigstens stellenweise eine reduzierte Höhe auf. Die Höhe ist insbesondere reduziert im Vergleich zu verbleibenden Teilen dieses Zahns und/oder im Vergleich zu einem weiteren Zahn. Eine solche reduzierte Höhe kann durch Ungenauigkeiten oder Mängel bei der Herstellung der Linse entstehen. Durch die Verwendung der mehreren Reflexionsbereiche pro Zahn sind solche Ungenauigkeiten durch die Herstellung tolerierbar und die Linse ist dennoch verwendbar. Nachfolgend werden eine hier beschriebene Fresnel-Linse und ein hier beschriebenes optoelektronisches Halbleiterbauteil unter Bezugnahme auf die Zeichnung anhand von
Ausführungsbeispielen näher erläutert. Gleiche Bezugszeichen geben dabei gleiche Elemente in den einzelnen Figuren an. Es sind dabei jedoch keine maßstäblichen Bezüge dargestellt, vielmehr können einzelne Elemente zum besseren Verständnis übertrieben groß dargestellt sein.
Es zeigen:
Figuren 1 bis 4 schematische Darstellungen von
Ausführungsbeispielen von hier beschriebenen
Fresnel-Linsen und von hier beschriebenen optoelektronischen Halbleiterbauteilen, und
Figur 5 eine schematische Schnittdarstellung einer
Abwandlung einer Fresnel-Linse.
In Figur 1A ist eine schematische Schnittdarstellung und in Figur 1B eine schematische Draufsicht auf ein
Ausführungsbeispiel eines optoelektronischen
Halbleiterbauteils 10 gezeigt.
Das Halbleiterbauteil 10 umfasst einen optoelektronischen Halbleiterchip 5, beispielsweise einen Leuchtdiodenchip. Der Halbleiterchip 5 weist eine Strahlungshauptseite 50 auf, die einer Fresnel-Linse 1 zugewandt ist. Eine optische Achse A der Linse 1 läuft durch den Halbleiterchip 5 hindurch. Der Halbleiterchip 5 weist eine mittlere Kantenlänge L auf. Die Linse 1 ist durch einen Spalt von dem Halbleiterchip 5 beabstandet. Der Spalt ist zum Beispiel gasgefüllt, etwa mit Luft, oder evakuiert. Es ist der Halbleiterchip 5 auf einem nicht gezeichneten Träger, zum Beispiel einer Leiterplatte, angebracht . In einem Zentralbereich 20, der von der optischen Achse A durchstoßen ist, weist die Linse 1 eine Lichteintrittsseite 23 auf. In einem Zentrum um die optische Achse A herum ist die Lichtaustrittsseite 23 konkav gekrümmt und in einem
Randbereich, weiter von der optischen Achse A entfernt, konvex gekrümmt. Abweichend hiervon ist es auch möglich, dass die Lichteintrittsseite 23 insgesamt nur konvex gekrümmt ist. Der Halbleiterchip 5 befindet sich vollständig, in Draufsicht gesehen, in dem Zentralbereich 20 und unterhalb der
Lichteintrittsseite 23.
An einem Rand des Zentralbereichs 20 nimmt eine Dicke der Linse 1 ab . In Richtung weg von der optischen Achse A folgt dem Zentralbereich 20 ein erster Fresnel-Zahn 21 direkt nach. Die Lichteintrittsseite 23 sowie der Zahn 21 sind durch ein lokales Minimum der Dicke der Linse 1 voneinander separiert. Der Zahn 21 weist eine Vorderseite 25 und eine dieser
gegenüberliegenden Rückseite 28 auf. Die Vorderseite 25 ist der optischen Achse A zugewandt. Entsprechendes gilt für einen zweiten Zahn 22, der dem ersten Zahn 21 in Richtung weg von der optischen Achse A benachbart nachfolgt.
Die Rückseiten 28 der Zähne 21, 22 weisen je zwei
Reflexionsbereiche 31, 32 auf, die zu einer Totalreflexion von vom Halbleiterchip 5 emittierter Strahlung vorgesehen sind. Die Rückseiten 28 sind hierbei frei von einer
reflektierenden Beschichtung . Die Zähne 21, 22 umlaufen, in Draufsicht gesehen, die
optische Achse A vollständig ringsum und sind
rotationssymmetrisch geformt, siehe Figur IB. Abweichend hiervon ist es auch möglich, dass die Zähne 21, 22 in
Draufsicht gesehen eine quadratische oder rechteckige
Grundform und nicht einen Kreis als Grundform aufweisen.
Der erste Zahn 21 weist zu dem Halbleiterchip 5 einen ersten Abstand Bl auf, der beispielsweise ungefähr ein Einfaches der mittleren Kantenlänge L beträgt. Ein Abstand B2 des zweiten Zahns 22 zu dem Halbleiterchip 5 liegt beispielsweise bei ungefähr dem Zweifachen der mittleren Kantenlänge L. Die Abstände Bl, B2 beziehen sich hierbei auf ein lokales Maximum der Dicke des jeweiligen Zahns 21, 22, wobei in dem Maximum die Vorderseiten 25 jeweils in die Rückseiten 28 übergehen. Ein Beginn der Zähne 21, 22 ist jeweils ein lokales Minimum der Dicke der Linse, das die Zähne 21, 22 voneinander sowie den Zentralbereich 20 von dem ersten Zahn 21 trennt. Ein Abstand B3 in Richtung senkrecht zur optischen Achse A von dem Halbleiterchip 5 zu einem äußeren Rand des zweiten Zahns 22 liegt zum Beispiel bei mindestens dem Vierfachen oder dem Zwölffachen oder dem Fünfzehnfachen der mittleren Kantenlänge L und/oder bei höchstens dem 25-Fachen oder dem 20-Fachen der mittleren Kantenlänge L. Die Bereiche minimaler Dicke der Zähne 21, 22 liegen jeweils bevorzugt oberhalb der Lichteintrittsseite 23, in Richtung parallel zur optischen Achse und in Richtung hin zu einer Lichtaustrittsseite 24 der Linse 1. In Richtung weg von der optischen Achse A nimmt eine Amplitude der Zähne 21, 22, also eine Differenz aus einer maximalen und einer minimalen Linsendicke innerhalb eines Zahns 21, 22, zu. Ein Abstand Dl des ersten Zahns 21 zu einer durch die
Strahlungshauptseite 50 des Halbleiterchips 5 definierten Ebene P liegt beispielsweise bei ungefähr 20 % der mittleren Kantenlänge L, insbesondere gilt 0,1 L < Dl und/oder Dl < 0,4 L. Für einen Abstand D2 hinsichtlich der Vorderseite 25 des zweiten Zahns 22 zu dieser Ebene P liegt dieser Wert bei ungefähr dem 0,8-Fachen der mittleren Kantenlänge L. Der Abstand D2 ist kleiner als der Abstand Dl, beispielsweise um mindestens einen Faktor 1,2 oder 1,5 oder 2 oder 4. Eine minimale Dicke in dem Zentralbereich 20, wobei diese minimale Dicke insbesondere an der optischen Achse A vorliegt, ist bevorzugt größer als der Abstand Dl.
Eine dem Halbleiterchip 5 abgewandte Oberseite der Linse 1, die die Lichtaustrittsseite 24 bildet, ist bevorzugt als glatte, stetige und differenzierbare Fläche ohne scharfe Kanten und Knicke gestaltet. Dies gilt bevorzugt auch für eine dem Halbleiterchip 5 zugewandte Unterseite der Linse 1, die durch die Lichteintrittsseite 23 sowie die Vorderseiten 25 und die Rückseiten 28 gebildet ist.
Die Lichtaustrittsseite 24 kann, wie in Figur 1A gezeigt, planar geformt sein. Alternativ hierzu kann die
Lichtaustrittsseite 24 auch eine Krümmung aufweisen, zum Beispiel eine konvexe Formgebung ähnlich einer Sammellinse oder eine konkave Formgebung ähnlich einer Zerstreulinse .
Die Reflexionsbereiche 31, 32 innerhalb einer der Rückseiten 28 sind durch einen knickähnlichen Bereich 6 voneinander separiert. Bei dem knickähnlichen Bereich 6 handelt es sich bevorzugt nicht um eine scharfe Kante, sondern um eine
Rundung mit einem vergleichsweise kleinen Krümmungsradius. In den schematischen Schnittdarstellungen der Figuren 2 und 3 sind die optischen Eigenschaften anhand von Strahlbündeln R einer von dem Halbleiterchip 5 im Betrieb erzeugten Strahlung illustriert. Der Halbleiterchip 5 wird hierbei vereinfacht als Punktlichtquelle betrachtet. Punktlichtquelle bedeutet, dass die Strahlbündel R von einem Durchstoßpunkt der
optischen Achse A durch die Strahlungshauptseite 50 ausgehen. Zur Vereinfachung der Darstellung ist die Lichtaustrittsseite 24 nicht gezeichnet.
Die Reflexionsbereiche 31, 32 innerhalb eines Zahns 21, 22 weisen voneinander verschiedene Hauptemissionsrichtungen 41, 42 auf. Die Hauptemissionsrichtungen 41, die sich näher an dem in den Figuren 2 und 3 nicht gezeichneten Halbleiterchip 5 befinden, sind ungefähr parallel zueinander ausgerichtet, ebenso wie die Hauptabstrahlrichtungen 42 der sich weiter von dem Halbleiterchip 5 entfernt befindlichen Reflexionsbereiche 32 der Zähne 21, 22. Durch die Reflexionsbereiche 31 wird beispielsweise jeweils ein Zentralbereich einer zu
beleuchtenden Fläche ausgeleuchtet. Über die sich weiter von dem Halbleiterchip 5 entfernt befindlichen Reflexionsbereiche 32 erfolgt beispielsweise eine Ausleuchtung eines
Randbereichs oder eines Eckbereichs. Die Vorderseiten 25 der Zähne 21, 22 sind jeweils
näherungsweise senkrecht zu der Strahlung R orientiert, bezogen auf die Strahlbündel R aus dem Durchstoßpunkt, und dienen im Wesentlichen nicht zu einer Strahlformung. Die Strahlung R gelangt vom Halbleiterchip 5 ausgehend direkt zu der Vorderseite 25 des ersten Zahns 21 und durch den ersten
Zahn 21 hindurch an die Rückseite 28 des ersten Zahns 21. Die zu dem zweiten Zahn 22 gelangende Strahlung R verläuft an dem ersten Zahn 21 vorbei, gelangt direkt von dem Halbleiterchip 5 zu der Vorderseite 25 des zweiten Zahns 22 und durch den zweiten Zahn 22 hindurch zu dessen Rückseite 28.
In Figur 3 sind mittlere Steigungen Ml, M2 der
Reflexionsbereiche 31, 32 gezeigt. Ein Winkel zwischen diesen Steigungen Ml, M2 liegt beispielsweise zwischen einschließlich 10° und 20°.
Die Rückseite 28 in den Reflexionsbereichen 31, 32 ist bevorzugt gekrümmt, siehe Figur 4. Abweichend hiervon ist es auch möglich, dass die Reflexionsbereiche 31, 32 durch eine ebene Fläche, im Querschnitt gesehen, gebildet sind. Figur 4 bezieht sich auf den ersten Zahn 21, der sich näher an der optischen Achse befindet. Entsprechendes kann aber auch für den zweiten Zahn 22 und für eventuelle weitere, zusätzliche Zähne gelten.
Die Krümmungsradien Kl, K2 der Reflexionsbereiche 31, 32 können sich voneinander unterscheiden. Es weisen die
Reflexionsbereiche 31, 32 bevorzugt keinen gemeinsamen
Krümmungsmittelpunkt auf, im Querschnitt gesehen. Die
Vorderseite 25 kann eben oder im Wesentlichen eben geformt sein, im Querschnitt gesehen. Durch die Reflexionsbereiche 31, 32 kann eine Divergenz der von dem Halbleiterchip 5 erzeugten Strahlung reduziert werden. Zum Beispiel werden durch die Reflexionsbereiche 31, 32 jeweils parallele Strahlbündel erzeugt, etwa mit einer Toleranz von höchstens 15° oder 10° oder 5°, zumindest hinsichtlich einer von dem Durchstoßpunkt aus propagierenden Strahlung . Die Krümmungsradien in den Dickenmaxima der Zähne 21, 22 sind bevorzugt vergleichsweise klein und betragen beispielsweise höchstens 5 % oder höchstens 10 % des kleinsten
Krümmungsradius der Reflexionsbereiche 31, 32. Entsprechendes kann für Krümmungen in den Dickenminima zwischen den Zähnen 21, 22 und dem Zentralbereich 20 gelten.
Wie ebenfalls in Figur 4 zu sehen, weist der erste
Reflexionsbereich 31 eine Höhe Hl auf und die beiden
Reflexionsbereiche 31, 32 zusammengenommen eine Gesamthöhe H, in Richtung parallel zu der in Figur 4 nur schematisch dargestellten optischen Achse A. Für den ersten Zahn 21, der der optischen Achse A näher liegt, ist die Höhe Hl, die sich näher an der in Figur 4 nicht gezeichneten Ebene P befindet, kleiner als eine Differenz aus der Gesamthöhe H und der Höhe Hl. Anders als dargestellt, kann die Höhe Hl größer sein als die Differenz H minus Hl. Entsprechendes kann auch für den zweiten Zahn 22 sowie für eventuelle weitere Zähne, nicht dargestellt, gelten.
In Figur 5 ist eine Abwandlung einer Linse 1' dargestellt. Die Zähne 21, 22 weisen eine durchgehende Rückseite mit nur genau einem Reflexionsbereich auf. Jeder der Zähne 21, 22 weist nur genau eine Hauptabstrahlrichtung 41, 42 auf. Wird einer der Zähne 21, 22 bei einem Herstellen der Linse 1' beschädigt, ist eine Abstrahlcharakteristik der Linse 1' hierdurch stark beeinträchtigt. Dies lässt sich durch die Zähne 21, 22 der Linse 1 gemäß den Figuren 1 bis 4 und mit den zumindest zwei Reflexionsbereichen 31, 32 vermeiden.
Die hier beschriebene 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 Ausführungsbeispielen angegeben ist .
Diese Patentanmeldung beansprucht die Priorität der deutschen Patentanmeldung 10 2012 112 511.2, deren Offenbarungsgehalt hiermit durch Rückbezug aufgenommen wird.

Claims

Fresnel-Linse (1) für einen optoelektronischen
Halbleiterchip (5) ,
die, in einem Querschnitt parallel zu einer optischen Achse (A) gesehen, mindestens einen Fresnel-Zahn (21, 22) mit einer der optischen Achse (A) zugewandten Vorderseite (25) und einer der optischen Achse (A) abgewandten Rückseite (28) aufweist,
wobei
- die Rückseite (28) zu einer Totalreflexion von
Strahlung (R) eingerichtet ist,
- die Rückseite (28) zumindest zwei Reflexionsbereiche (31, 32) aufweist, die in Richtung längs der optischen Achse (A) aufeinander folgen, und
- die Reflexionsbereiche (31, 32) voneinander
verschiedene Hauptabstrahlrichtungen (41, 42)
aufweisen .
Fresnel-Linse (1) nach dem vorhergehenden Anspruch, bei der die Reflexionsbereiche (31, 32) voneinander verschiedene mittlere Krümmungsradien (Kl, K2) aufweisen und durch einen Knick (6) in der Rückseite (28) voneinander abgegrenzt sind.
Fresnel-Linse (1) nach einem der vorhergehenden
Ansprüche,
bei der die zumindest zwei Fresnel-Zähne (21, 22), in Draufsicht gesehen, die optische Achse (A) vollständig ringsum und rotationssymmetrisch umlaufen.
4. Fresnel-Linse (1) nach einem der vorhergehenden
Ansprüche,
die zumindest zwei der Fresnel-Zähne (21, 22) sowie einen Zentralbereich (20) aufweist, der von der
optischen Achse (A) durchstoßen ist,
wobei
- der Zentralbereich (20) eine wenigstens stellenweise konvex gekrümmte Lichteintrittsseite (23) aufweist,
- die Vorderseite (25) des der optischen Achse (A) nächstgelegenen ersten Fresnel-Zahns (21) die
Lichteintrittsseite (23) ringsum umläuft und stetig und Knickfrei in einem lokalen Minimum einer Dicke der Linse (1) in die Lichteintrittsseite (25) übergeht,
- die durch die Lichteintrittsseite (23) tretende
Strahlung (R) nicht zu den Fresnel-Zähnen (21, 22) gelangt,
- durch die Vorderseite (25) des ersten Fresnel-Zahns (21) tretende erste Strahlung (R) teilweise oder vollständig zu den beiden Reflexionsbereichen (31, 32) an der Rückseite (28) dieses ersten Fresnel-Zahns (21) gelangt .
Fresnel-Linse (1) nach dem vorhergehenden Anspruch, bei der die Rückseite (28) des ersten Fresnel-Zahns
(21) der Vorderseite (25) des zweiten Fresnel-Zahns
(22) zugewandt ist,
wobei
- zu dem zweiten, weiter von der optischen Achse (A) entfernt liegenden Fresnel-Zahns (22) gelangende zweite Strahlung (R) beabstandet von dem ersten Fresnel-Zahn (21) verläuft, und
- die zweite Strahlung (R) senkrecht auf die
Vorderseite (25) des zweiten Fresnel-Zahns (22) sowie die erste Strahlung (R) senkrecht auf die Vorderseite (25) des ersten Fresnel-Zahns (21) trifft, je mit einer Toleranz von höchstens 20° und bezogen auf eine
Strahlung aus einem Punkt auf der optischen Achse (A) .
Fresnel-Linse (1) nach einem der vorhergehenden
Ansprüche,
bei der sich, im Querschnitt gesehen und bezogen auf die optische Achse (A) , mittlere Steigungen (Ml, M2) der Reflexionsbereiche (31, 32) um einen Winkel ( a ) von mindestens 10° und von höchstens 20° voneinander unterscheiden .
Fresnel-Linse (1) nach einem der vorhergehenden
Ansprüche,
bei der ein mittlerer Winkel zur optischen Achse (A) der Rückseiten (28) zwischen einschließlich 15° und 45° und zumindest der Vorderseite (25) des der optischen Achse (A) nächstgelegenen Fresnel-Zahns (21) zwischen einschließlich -10° und -35° liegt,
wobei die Fresnel-Linse (1) hinterschneidungsfrei ist.
Optoelektronisches Halbleiterbauteil (10) mit
- mindestens einem optoelektronischen Halbleiterchip (5) mit einer mittleren Kantenlänge L zur Erzeugung der Strahlung (R) , und
- einer Fresnel-Linse (1) nach einem der vorherigen Patentansprüche,
wobei die Fresnel-Linse (1) dem Halbleiterchip (5) optisch nachgeordnet ist und sich der Halbleitechip (5) , in Draufsicht gesehen, in einem Zentrum der
Fresnel-Linse (1) befindet,
wobei die Fresnel-Linse (1) von dem Halbleiterchip (5) beabstandet angeordnet ist. Optoelektronisches Halbleiterbauteil (10) nach dem vorhergehenden Anspruch, wobei
- für die Krümmungsradien K2 der Reflexionsbereiche (31, 32) des sich näher an der optischen Achse (A) befindlichen Fresnel-Zahns (21) gilt:
10 L < K2i ^ 16 L, und
- für die Krümmungsradien K22 der Reflexionsbereiche (31, 32) des mindestens einen sich entfernter von der optischen Achse (A) befindlichen Fresnel-Zahns (22) gilt: 6 L < K22 ^ 10 L.
Optoelektronisches Halbleiterbauteil (10) nach einem der Ansprüche 8 oder 9, wobei
- für eine Höhe HI21 des sich näher an dem
Halbleiterchip (5) befindlichen Reflexionsbereichs (31) des sich näher an dem Halbleiterchip (5) befindlichen Fresnel-Zahns (21) längs der optischen Achse (A) bezüglich einer Gesamthöhe .21 aller Reflexionsbereiche (31, 32) dieses Fresnel-Zahns (21) gilt:
0,1 H2i < Hl2i ^ 0,5 H2i,
- für die Gesamthöhe H des sich näher an dem
Halbleiterchip (5) befindlichen Fresnel-Zahns (21) längs der optischen Achse (A) gilt:
1,2 L < H2i ^ 2,0 L,
- für eine Höhe HI22 des sich näher an dem
Halbleiterchip (5) befindlichen Reflexionsbereichs (31) des sich entfernter von dem Halbleiterchip (5)
befindlichen Fresnel-Zahns (22) längs der optischen Achse (A) bezogen auf eine Gesamthöhe H22 aller
Reflexionsbereiche (31, 32) dieses Fresnel-Zahns (22) gilt: 0,3 H22 ^ Hl22 ^ 0,7 H22, und
- für die Gesamthöhe H22 des sich entfernter von dem Halbleiterchip (5) befindlichen Fresnel-Zahns (22) längs der optischen Achse (A) gilt:
0, 6 L < H22 ^ 1.2 L.
Optoelektronisches Halbleiterbauteil (10) nach einem der Ansprüche 8 bis 10, wobei
- für einen Abstand Dl des sich näher an dem
Halbleiterchip (5) befindlichen Fresnel-Zahns (21) längs der optischen Achse (A) zu einer durch eine
Strahlungshauptseite (50) des Halbleiterchips (5) definierten Ebene (P) gilt: 0 , 1 L < Dl < 0 , 4 L, und
- für einen Abstand D2 des sich entfernter von dem Halbleiterchip (5) befindlichen Fresnel-Zahns (22) längs der optischen Achse (A) zu dieser Ebene (P) gilt: 0,4 L < D2 < 1,2 L.
Optoelektronisches Halbleiterbauteil (10) nach einem der Ansprüche 8 bis 10, wobei
- für einen Abstand Bl des sich näher an dem
Halbleiterchip (5) befindlichen Fresnel-Zahns (21) senkrecht zur optischen Achse (A) zum Halbleiterchip (5) gilt: 0,8 L < Bl < 6 L, und
- für einen Abstand B2 des sich entfernter von dem Halbleiterchip (5) befindlichen Fresnel-Zahns (22) senkrecht zur optischen Achse (A) zum Halbleiterchip (5) gilt: 2 L < B2 < 21 L.
Optoelektronisches Halbleiterbauteil (10) nach einem der Ansprüche 8 bis 12,
bei dem die Fresnel-Linse (1) durch einen Luftspalt von dem Halbleiterchip (5) getrennt ist.
Optoelektronisches Halbleiterbauteil (10) nach einem der Ansprüche 8 bis 13,
bei dem der Fresnel-Zahn (21, 22) oder zumindest einer der Fresnel-Zähne (21, 22) stellenweise längs der optischen Achse (A) und in Richtung weg von dem
Halbleiterchip (5) eine reduzierte Höhe aufweist, im Vergleich zu verbleibenden Teilen dieses Fresnel-Zahns (21, 22) .
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