光学元件以及包括光学元件的光电组件 |
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申请号 | CN201480015021.9 | 申请日 | 2014-02-26 | 公开(公告)号 | CN105074532B | 公开(公告)日 | 2017-11-17 |
申请人 | 奥斯兰姆奥普托半导体有限责任公司; | 发明人 | U.施特雷佩尔; | ||||
摘要 | 一种光学元件具有第一表面和第二表面。具有在第二方向上定向的多个齿的齿结构被布置在所述第一表面上。具有在第一方向上定向的多个阶梯的阶梯化透镜被布置在所述第二表面上。 | ||||||
权利要求 | 1.一种光学元件(100), |
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说明书全文 | 光学元件以及包括光学元件的光电组件技术领域[0002] 本专利申请要求德国专利申请10 2013 204 476.3的优先权,其公开内容被通过引用合并到此。 背景技术[0003] 已知提供具有用于束塑形的光学元件的光电组件(例如发光二级管组件)。在此情况下,想要以如下这样的方式来配置光学元件:除了光电组件的光学有源区域之外,光电组件的其它部分从光电组件的外部是不可见的。在现有技术中,这是通过由漫射透镜材料构成的光学元件或通过提供不同的漫射元件(诸如散射板)来实现的。然而,这牵涉大的效率损失。还已知提供带有具有小的结构大小的旋转对称或椭圆阶梯结构的光学元件。然而,在这样的布置中,在中心区域中要求不可实现地精细的结构大小,从而该区域中的成像质量被减小。 发明内容[0004] 本发明的目的是提供一种光学元件。通过具有权利要求1的特征的光学元件来实现该目的。本发明的另一目的是提供一种具有光学元件的光电组件。通过具有权利要求17的特征的光电组件来实现该目的。在从属权利要求中指定了可能的改良。 [0005] 所述光学元件具有第一表面和第二表面。具有在第二方向上定向的多个齿的齿结构被布置在所述第一表面上。具有在第一方向上定向的多个阶梯的阶梯化透镜被布置在所述第二表面上。有利地,该光学元件的所述第一表面上的所述齿结构导致在与所述第二方向垂直的平面中的束塑形。该光学元件的所述第二表面上的所述阶梯化透镜结构可以导致在与所述第一方向垂直的平面中的束塑形。因为所述齿结构的齿和所述阶梯化透镜结构的阶梯的本质上线形的配置,所以与椭圆的或旋转对称的结构相比,可以有利地更容易地产生这些结构。一个特定的优点是,第一表面上的齿结构在第一表面的中心区域中具有本质上与第一表面的其它区域中的齿结构的结构大小对应的结构大小。所述第一表面因此在其中心区域中还具有显著的构造,从而通过光学元件的中心区域的射线也经受束塑形。以此方式,光学元件在其中心区域中显现为不透明。有利地通过纯折射手段和纯反射手段来实现该效果,并且因此并不引起任何大的效率损失。 [0006] 在光学元件的一个实施例中,所述第一方向和所述第二方向在它们之间成在85°和95°之间的角度。优选地,所述第一方向和所述第二方向被布置成彼此垂直。有利地,所述光学元件的所述齿结构和所述阶梯化透镜结构可以于是导致在被近似地彼此垂直地定向的两个平面中的光折射,从而使得可能进行完全的束塑形。 [0007] 所述齿结构形成全内反射透镜。有利地,所述齿结构因此允许通过大角度的无损射线偏离。 [0008] 在所述光学元件的一个实施例中,所述齿结构覆盖所述第一表面的中点。有利地,光射线然后也经受所述光学元件的中心区域中的射线偏离。 [0009] 在所述光学元件的一个实施例中,其包括光学透明塑料。有利地,所述光学元件因此对于生产是简单并且经济的。例如,可以借助注入模制方法来以大的生产数量生产所述光学元件。 [0010] 在所述光学元件的一个实施例中,所述第一表面和所述第二表面本质上被矩形地配置。有利地,所述光学元件于是特别适合用于矩形表面的照射,如在很多技术领域中所要求的那样。 [0011] 在所述光学元件的一个实施例中,其包括框,所述框包围所述第一表面和所述第二表面。有利地,所述框允许所述光学元件连接到光电组件的载体,从而可以简单地并且由很少的单独部分来生产所述光电组件。 [0013] 在所述光学元件的一个实施例中,所述齿结构的齿具有在所述边沿长度的5%和20%之间的平均齿高度。有利地,所述齿结构的所述齿的齿高度因此适配于所述辐射表面的边沿长度。 [0014] 在所述光学元件的一个实施例中,所述齿结构的两个齿具有不同的齿高度。有利地,可以因此在所述光学元件的第一表面的整个大小上确保高成像质量。 [0015] 在所述光学元件的一个实施例中,所述齿结构的两个相邻齿具有在所述边沿长度的5%和20%之间的齿间距。有利地,所述齿结构的所述齿的间距因此适配于所述辐射表面的边沿长度。 [0016] 在所述光学元件的一个实施例中,所述齿结构的齿在与所述第一方向垂直的平面中弯曲。在此情况下,弯曲具有所述边沿长度的至少两倍的曲率半径。有利地,所述齿结构因此已经导致所述电磁辐射在与所述第一方向垂直的平面中的特定准直。 [0017] 在所述光学元件的一个实施例中,所述阶梯化透镜结构的阶梯具有在所述边沿长度的5%和20%之间的最大阶梯高度。有利地,所述阶梯化透镜结构的阶梯高度因此适配于所述辐射表面的边沿长度。 [0018] 在所述光学元件的一个实施例中,所述阶梯化透镜结构的两个阶梯具有不同的阶梯高度。有利地,可以因此在所述阶梯化透镜结构的整个大小上实现所述阶梯化透镜结构的高成像质量。在所述光学元件的一个实施例中,所述阶梯化透镜结构的两个相邻阶梯具有在所述边沿长度的5%和30%之间的阶梯间距。有利地,所述阶梯化透镜结构的所述阶梯的阶梯间距因此适配于所述辐射表面的边沿长度。 [0019] 在所述光学元件的一个实施例中,所述齿结构和所述阶梯化透镜结构在它们之间具有在所述边沿长度的30%和120%之间的距离。有利地,所述齿结构与所述阶梯化透镜结构之间的距离因此适配于所述辐射表面的边沿长度。 [0020] 在所述光学元件的一个实施例中,所述齿结构的中心截面与所述齿结构的侧向截面相比更远离开所述阶梯化透镜结构一长度。在此情况下,所述长度在所述边沿长度的20%和50%之间。有利地,这支持所述光学元件在所述齿结构的整个表面上的高图像质量。 [0021] 一种光电组件具有光电半导体芯片和前面提到的类型的光学元件。有利地,该光电组件的光学元件可以导致由所述光电半导体芯片发射的电磁辐射的束塑形,从而由所述光电半导体芯片发射的辐射可以被有效率地偏离到想要的方向上。同时,所述光学元件防止所述光电组件的进一步的部分的从外部的可见性。 [0022] 在所述光电组件的一个实施例中,所述光学元件的第一表面面向所述光电半导体芯片。有利地,由所述光电半导体芯片发射的电磁辐射可以因此首先由所述光学元件的被布置在所述第一表面上的所述齿结构在与所述第二方向垂直的平面中进行偏离,并且随后由被布置在所述第二表面上的所述阶梯化透镜结构在与所述第一方向垂直的平面中进行偏离。 [0023] 在所述光电组件的一个实施例中,所述光电半导体芯片的面向所述光学元件的上侧具有在所述光电半导体芯片的辐射发射表面的边沿长度的20%和70%之间的距所述光学元件的所述第一表面的距离。有利地,所述光电半导体芯片与所述光学元件之间的距离于是适配于所述辐射发射表面的大小。附图说明 [0024] 结合以下的示例性实施例的描述,如上面描述的本发明的性质、特征和优点以及实现它们的方式将变得更清楚并且容易理解的,将与附图有关地更详细地解释示例性实施例。在示意性的表示中: [0025] 图1示出光学元件的第一表面的透视图; [0026] 图2示出光学元件的第二表面的透视图; [0027] 图3示出通过光学元件与第二方向垂直的截面; [0028] 图4示出通过光学元件与第一方向垂直的截面;以及 [0029] 图5示出光电组件的截面图。 具体实施方式[0030] 图1示出光学元件100的透视表示。图2从不同的查看方向示出光学元件100的透视表示。 [0031] 光学元件100可以被用于覆盖光电组件(例如发光二级管组件)并且用于光电组件的束塑形。光学元件100优选地被形成在一个工件中,并且可以例如通过注入模制方法而被生产。光学元件100由光学透明材料构成。特别是,可以由光学透明塑料来制成光学元件100。 [0032] 光学元件100包括实质上矩形的框130。框130具有被布置为与x方向10平行的两个框部分,以及被布置为与y方向20平行的两个框部分。框130因此被定向为与被布置为垂直于x方向10和y方向20的z方向30垂直。 [0033] 光学元件100的框130包围光学元件100的实质上矩形的中心区域,光学元件100的中心区域具有指向与z方向30相反的空间方向的第一表面110。在其与第一表面110的相对的侧上,光学元件100的中心区域具有在z方向30上定向的第二表面120。第一表面110被相对于光学元件100的框130向后设置,从而由框130所包围的腔体131被形成在第一表面110之上。图1示出光学元件100的第一表面110。图2示出第二表面120。 [0034] 光学元件100的第一表面110具有带有在y方向20上定向的多个齿210的齿结构200。齿210可以被配置为笔直的并且与y方向20平行。然而,齿结构200的齿210也可以在关于在x方向10上定向的轴的纵向方向上具有微小的弯曲。在此情况下,仅齿结构200的齿210的主延伸方向被定向在y方向上。 [0035] 具有在x方向10上定向的多个阶梯310的阶梯化透镜结构300被形成在光学元件100的第二表面120上。阶梯化透镜结构300的阶梯310可以被配置为笔直的并且与x方向10平行。然而,阶梯化透镜结构300的阶梯310也可以在它们的关于在y方向20上定向的轴的纵向方向上是稍微弯曲的。在此情况下,仅阶梯化透镜结构300的阶梯310的主延伸方向被定向在x方向10上。 [0036] 在齿结构200的齿210的纵向延伸方向与阶梯化透镜结构300的阶梯310的纵向延伸方向之间,存在角度40。角度40优选地是90°。然而,角度40也可以具有除了90°之外的值。角度40在此情况下优选地处于85°和95°之间。 [0037] 图3示出光电元件100的截面表示。该截面垂直于y方向20而延伸。可以看见光学元件100的框130、具有齿结构200的第一表面110、具有阶梯化透镜结构300的第二表面120以及被布置在第一表面110之上的腔体131。 [0038] 意图以如下这样的方式将光学元件100布置在光电组件上:光电组件的光电半导体芯片的辐射发射表面被布置在光学元件100的腔体131中,并且在z方向30上面向光学元件100的第一表面110。于是意图光学元件100通过光折射来对从光电组件的光电半导体芯片的辐射发射表面出现的电磁辐射(例如可见光)进行塑形,即影响从辐射发射表面出现的辐射的射线轮廓。在图3的示意性表示中,标记示例性的辐射出射点150。如果光学元件100被连接到光电组件,则那么光电组件的光电半导体芯片的辐射发射表面可以包含辐射出射点150。 [0039] 光学元件100的第一表面110上的齿结构200充当全内反射透镜,并且被意图用来在与y方向20垂直的平面中使从辐射出射点150出现的辐射偏离。在z方向30上从辐射出射点150出现的辐射在正负x方向10上具有宽的角度分布。与y方向20垂直的平面中的辐射偏离被用于减小这种角度分布,即在z方向30上更强地准直辐射。 [0040] 图3通过示例的方式指示从辐射出射点150出现的射线轮廓160和从辐射出射点150出现的第二射线轮廓207。第一射线轮廓160包括第一发射射线261,其在部分地指向z方向30并且部分地指向正x方向10的空间方向上离开辐射出射点150。第二射线轮廓270同样地包括第二发射射线271,其从辐射出射点150部分地指向z方向30并且部分地指向负x方向 10。 [0041] 射线偏离发生在光学元件100的第一表面110上的齿结构200的齿210处。第一发射射线261射至齿结构200的第一齿211的表面,并且在那里进入光学元件100的材料。由于与被布置在腔体131中的材料(其可以例如是空气)相比光学元件100的材料具有不同的折射率,因此第一射线轮廓260的折射和偏离发生在第一齿211的表面处。第一射线轮廓260在此情况下在x方向10上偏离,从而第一发射射线261继续作为更强地指向x方向10的第一折射射线262。 [0042] 第一折射射线262通过齿结构200的第一齿211,直到第一折射射线262射至第一齿211的第二表面。以如下这样的方式来标定光学元件100的材料的折射率和第二齿211的第二表面的角度:射至第一齿211的第二表面的第一折射射线262在第一齿211的第二表面处经受全内反射,并且继续作为第一全反射射线263。与第一发射射线261和第一折射射线262相比第一全反射射线263更不强地指向x方向10,并且可以例如被定向为与z方向30平行。第一全反射射线263可以在光学元件100的第二表面120处从光学元件100出现。 [0043] 第二发射射线271射至齿结构200的第二齿212的第一表面,第二发射射线271在那里被折射,并且然后作为第二折射射线272行进通过第二齿212。与第二发射射线271相比第二折射射线272被在负x方向10上更强地定向。第二折射射线272通过第二齿212,直到第二折射射线272射至第二齿212的第二表面。在那里,第二折射射线272被全反射,并且继续作为第二全反射射线273。与第二发射射线271和第二折射射线272相比第二全反射射线273更不强地指向负x方向10。第二全反射射线273可以例如被定向为与z方向30平行。第二全反射射线273可以在第二表面120处从光学元件100出现。 [0044] 在除了针对第一射线轮廓260和针对第二射线轮廓270通过示例的方式所表示的空间方向之外的空间方向上离开辐射出射点150的射线也在与y方向20垂直的平面中通过折射和全内反射而在齿结构200的齿210处被偏离。这也应用于在x方向10上从处于辐射出射点150旁边的点出现的射线。 [0045] 为此,合适地对齿结构200的齿210设定尺寸。在z方向30上,齿结构200的齿210具有平均齿高度220。在此情况下,齿结构200的单独的齿210的高度可以与平均齿高度220不同。例如,第一齿211具有小于第二齿212的第二齿高度222的第一齿高度221。 [0046] 在x方向10上,齿结构200的相邻齿210具有平均齿间距230。 [0047] 在x方向10上,齿结构200具有曲线。与被布置为更接近光学元件100的框130的齿结构200的齿210相比,被布置为接近第一表面110的中点111的齿结构200的齿210在z方向30上与光学元件100的第二表面120分离开更远。该曲线具有曲线深度250。处于最接近光学元件100的第二表面120的齿结构200的齿210因此与最远离第二表面120的齿结构200的齿 210相比,处于与光学元件100的第二表面120更接近曲线深度250的值。 [0048] 处于最接近光学元件100的第二表面120的齿结构200的齿210具有距光学元件100的第二表面120上的阶梯化透镜结构300的表面距离140。表面距离140是从在z方向30上处于最接近第一表面110的阶梯化透镜结构300的点到处于最接近第二表面120的齿结构200的齿210的最远离第二表面120的点测量的。 [0049] 齿结构200在光学元件100的整个第一表面110之上延伸。特别是,齿结构200还在第一表面110的中点111的区域中具有齿210。这具有如下优点:不能从外部看见光学元件100所连接到的光电组件100的被布置在光学元件100的腔体131的区域中的部分。配备有光学元件100的光电组件可以因此配备有在美学上令人愉悦的外观。 [0050] 图4示出光学元件100的进一步的表示。在图4的表示中,截面与x方向10垂直地延伸,并且因此还与光学元件100的第二表面120上的阶梯化透镜结构300的阶梯310的纵向延伸方向垂直地延伸。 [0051] 阶梯化透镜结构300形成一维菲涅耳透镜,并且被用于在与x方向10垂直的平面中使从辐射出射点150出现的辐射偏离,并且在z方向30上对其进行准直。 [0052] 通过示例的方式,图4表示第三射线轮廓360和第四射线轮廓370。第三射线轮廓360开始于在部分地指向z方向30并且部分地指向正y方向20的方向上从辐射出射点150发射的第三发射射线361。在光学元件100的第一表面110处,第三发射射线361进入光学元件 100的材料,并且由此在与x方向10垂直的平面中被折射。射线继续作为第三折射射线362。 与第三发射射线361相比第三折射射线362被更少地定向在正y方向20上而被更强地定向在z方向30上。第三折射射线362沿直线行进通过光学元件100,直到其在第二表面120上的阶梯化透镜结构300的第一阶梯311处从光学元件100出现。在第一阶梯311的倾斜表面处,第三折射射线362再次折射,并且随后继续作为第三再折射射线363。第三再折射射线363被在z方向30上在与x方向10垂直的平面中相对于第三折射射线362旋转,并且可以例如平行于z方向30行进。 [0053] 第四射线轮廓370开始于在具有z方向30和负y方向20上的分量的方向上从辐射出射点150发射的第四发射射线371。在光学元件100的第一表面110处,第四发射射线371进入光学元件100的材料,并且由此被折射。在光学元件100内部,第四发射射线继续作为第四折射射线372。第四折射射线372被在z方向30上在与x方向10垂直的平面中相对于第四发射射线371旋转。在光学元件100的第二表面120处,第四折射射线372通过阶梯化透镜结构310的第二阶梯312的倾斜表面出现,并且由此再次被折射。随后的第四再折射射线373被再次在z方向30上在与x方向10垂直的平面中相对于第四发射射线372旋转。第四再折射射线373因此在与第四发射射线371的方向和第四折射射线372的方向相比被更强地定向在z方向30上的方向上延伸。第四再折射射线373可以例如被定向为与z方向30平行。 [0054] 阶梯化透镜结构300的阶梯310分别具有倾斜表面,其被意图用来在与x方向10垂直的平面中反射从辐射出射点150出现的辐射,并且因此在z方向30上对其进行准直。阶梯化透镜结构300的阶梯310的倾斜从阶梯化透镜结构300的边沿到阶梯化透镜结构300的中间降低。被布置为更接近光学元件100的框130的阶梯化透镜结构300的阶梯310与更远离光学元件100的框130的阶梯化透镜结构300的阶梯310相比被相对于z方向30更强地倾斜。同时,在阶梯化透镜结构300的阶梯310的z方向30上的阶梯高度从阶梯化透镜结构300的边沿到阶梯化透镜结构300的中间降低。因此,第一阶梯311具有第一阶梯高度321,而第二阶梯312作为第二阶梯高度322。在框130旁边的阶梯化透镜结构300的阶梯310具有最大阶梯高度320。被布置在中间的阶梯化透镜结构300的阶梯310具有最小阶梯高度。 [0055] 在y方向20上,阶梯化透镜结构300的相邻阶梯310具有平均阶梯高度330。 [0056] 因为光学元件100的材料和布置在腔体131中的材料的不同的折射率,所以从辐射出射点150出现的射线已经在与x方向10垂直的平面中在光学元件100的第一表面110处被折射并且被偏离。如果光学元件100的第一表面110上的齿结构200的齿210被配置有在与x方向10垂直的平面中的弯曲,则可以放大这种射线偏离。在图4中示意性地指示具有曲率半径241的齿结构200的齿210的可能的弯曲240。 [0057] 图5示出光电组件400的示意性截面表示。光电组件400装配有图1至图4的光学元件100。在图5的表示中,与图3的表示相似,截面在与y方向20垂直的平面中延伸。 [0058] 光电组件400包括载体420。载体420被用于收纳光电组件400的其它部分并且用于光电组件400的电接触。 [0059] 光电半导体芯片410被布置在载体420的一个表面上。光电半导体芯片410可以特别是LED芯片。特别是,光电半导体芯片410可以是在蓝色谱范围中发射的LED芯片。光电组件400可以于是具有转换层,转换层用于将蓝色辐射转换为白色辐射。光电半导体芯片410借助于键合引线421电连接到光电组件400的载体420。 [0060] 光电半导体芯片410包括辐射发射表面411。在光电组件400的操作期间,电磁辐射通过光电半导体芯片410的辐射发射表面411出现。辐射发射表面410可以例如被矩形地配置,并且具有边沿长度412。辐射发射表面411面朝z方向30。 [0061] 光学元件100在z方向30上被布置在光电组件400的载体420和光电半导体芯片410之上。光电半导体芯片410的辐射发射表面411在此情况下被布置在光学元件100的腔体131中,并且面向光学元件100的第一表面110。 [0062] 由光学元件100在z方向30上对从光电半导体芯片410的辐射发射表面411出现的电磁辐射进行准直。在此情况下,与y方向20垂直的平面中的准直以及部分地在与x方向10垂直的平面中的准直发生在第一表面110处。在与x方向10垂直的平面中的进一步的准直发生在光学元件100的第二表面120处。 [0063] 辐射发射表面411与处于最接近辐射发射表面411的光学元件100的第一表面110的点分离开芯片距离430。优选地,芯片距离430在辐射发射表面411的边沿长度420的20%和70%之间。 [0064] 光学元件100的第一表面110上的齿结构200的齿210的平均齿高度220优选地在辐射发射表面411的边沿长度412的5%和20%之间。齿结构200的齿210的平均齿间距230也优选地在辐射发射表面411的边沿长度412的5%和20%之间。齿结构200的弯曲240的曲率半径241优选地是光电半导体芯片410的辐射发射表面411的边沿长度412至少两倍那么大。齿结构200的弯曲深度250优选地在辐射发射表面411的边沿长度412的20%和50%之间。 [0065] 光学元件100的第二表面120的阶梯化透镜结构300的阶梯310的最大阶梯高度320优选地在光电半导体芯片410的辐射发射表面411的边沿长度412的5%和20%之间。阶梯化透镜结构300的阶梯310的平均阶梯间距330优选地在辐射发射表面411的边沿长度412的5%和30%之间。 [0066] 优选地,平均齿高度220、平均齿间距230、曲率半径241、曲线深度250、最大阶梯高度320、平均阶梯间距330和芯片距离430全都在所提到的值范围中。然而还可能的是,这些值中的一个或多个处于所提到的值范围之外。 [0067] 已经借助优选的示例性实施例详细图解和描述了本发明。然而,本发明不局限于所公开的示例。相反,在不脱离本发明的保护范围的情况下,本领域技术人员可以从中推导其它变形。 [0068] 标号列表 [0069] 10 x方向 [0070] 20 y方向 [0071] 30 z方向 [0072] 40 角度 [0073] 100 光学元件 [0074] 110 第一表面 [0075] 111 中点 [0076] 120 第二表面 [0077] 130 框 [0078] 131 腔体 [0079] 140 表面距离 [0080] 150 辐射出射点 [0081] 200 齿结构 [0082] 210 齿 [0083] 211 第一齿 [0084] 212 第二齿 [0085] 220 平均齿高度 [0086] 221 第一齿高度 [0087] 222 第二齿高度 [0088] 230 平均齿间距 [0089] 240 弯曲 [0090] 241 曲率半径 [0091] 250 曲线深度 [0092] 260 第一射线轮廓 [0093] 261 第一发射射线 [0094] 262 第一折射射线 [0095] 263 第一全反射射线 [0096] 270 第二射线轮廓 [0097] 271 第二发射射线 [0098] 272 第二折射射线 [0099] 273 第二全反射射线 [0100] 300 阶梯化透镜结构 [0101] 310 阶梯 [0102] 311 第一阶梯 [0103] 312 第二阶梯 [0104] 320 最大阶梯高度 [0105] 321 第一阶梯高度 [0106] 322 第二阶梯高度 [0107] 330 平均阶梯间距 [0108] 360 第三射线轮廓 [0109] 361 第三发射射线 [0110] 362 第三折射射线 [0111] 363 第三再折射射线 [0112] 370 第四射线轮廓 [0113] 371 第四发射射线 [0114] 372 第四折射射线 [0115] 373 第四再折射射线 [0116] 400 光电组件 [0117] 410 光电半导体芯片 [0118] 411 辐射发射表面 [0119] 412 边沿长度 [0120] 420 载体 [0121] 421 键合引线 [0122] 430 芯片距离。 |