(57)【要約】  本発明は、光学素子およびビーム放射性デバイスおよび光学素子を製造する方法に関する。基体（２）と充填体（３）とを有する光学素子（１）を開示する。基体は基本材料（１３）を含んでおり、充填体は充填材料（７）を含んでいる。充填体は基体（２）に接着されている。さらにビーム放射性デバイス（１０）および光学素子（１）を製造する方法を開示する。
2010505253.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
基体（２）と充填体（３）とを有する光学素子（１）であって、
前記基体は基本材料（１３）を含んでおり、
前記充填体は充填材料（７）を含んでおり、
前記充填体は前記基体（２）に接着されている、
ことを特徴とする光学素子。
【請求項２】
前記光学素子（１）はビーム形成のために設けられている、請求項１記載の光学素子（１）。
【請求項３】
前記基本材料（１３）は前記充填材料（７）と異なる、請求項１または２記載の光学素子（１）
【請求項４】
前記基体（２）は中空空間を有しており、当該中空空間は前記充填材料（７）によって満たされており、
前記充填体（３）の形状は前記中空空間によって定められる、請求項１から３までのいずれか１項記載の光学素子（１）。
【請求項５】
前記基体（２）は回転体の形状を有している、請求項１から４までのいずれか１項記載の光学素子（１）。
【請求項６】
前記充填体（３）は回転体の形状を有している、請求項１から５までのいずれか１項記載の光学素子（１）。
【請求項７】
前記充填体（３）と前記基体（３）は共通の対称軸を有している、請求項５および６記載の光学素子（１）
【請求項８】
前記基体（２）は前記充填材料（７）による充填のために開口領域（６）を有しており、当該開口領域は、当該開口領域（６）を取り囲んでいる基体（２）の表面とともに、前記光学素子（１）のビーム透過面（８）を構成する、請求項１から７までのいずれか１項記載の光学素子（１）。
【請求項９】
前記充填材料（７）は、形成されるべきビームに対して透過性である、請求項２から７までのいずれか１項記載の光学素子（１）。
【請求項１０】
前記充填材料（７）はシリコーン材料を含んでいる、請求項９記載の光学素子（１）。
【請求項１１】
前記基本材料（１３）は、形成されるべきビームに対して透過性である、請求項２から１０までのいずれか１項記載の光学素子（１）
【請求項１２】
前記基本材料（１３）はガラスを含んでいる、請求項１から１１までのいずれか１項記載の光学素子（１）。
【請求項１３】
前記基本材料（１３）はプラスチック材料を含んでいる、請求項１から１１までのいずれか１項記載の光学素子（１）。
【請求項１４】
前記基本材料（１３）は熱可塑性材料を含んでいる、請求項１３記載の光学素子（１）。
【請求項１５】
前記基体（２）は球形シェルセグメントの形状で構成されている、請求項１から１４までのいずれか１項記載の光学素子（１）。
【請求項１６】
前記基体（２）は環状に構成されている、請求項１から１４までのいずれか１項記載の光学素子（１）。
【請求項１７】
屈折性、回折性または拡散性の素子である、請求項１から１６までのいずれか１項記載の光学素子（１）。
【請求項１８】
２００℃〜３００℃の温度ではんだ付け可能である、請求項１から１７までのいずれか１項記載の光学素子（１）。
【請求項１９】
請求項１から１８までのいずれか１項記載の光学素子（１）と、少なくとも１つのビーム放射性半導体（４）を有している、
ことを特徴とするビーム放射性デバイス（１０）
【請求項２０】
前記ビーム放射性半導体（４）は前記充填体（３）内に埋設されている、請求項１９記載のビーム放射性デバイス（１０）。
【請求項２１】
前記充填材料（７）の屈折率は、前記基本材料（１３）の屈折率に合うように調整されている、請求項１９または２０記載のビーム放射性デバイス（１０）。
【請求項２２】
前記充填材料（７）の屈折率は、前記半導体（４）に使用されている半導体材料の屈折率に合うように調整されている、請求項１９から２１までのいずれか１項記載のビーム放射性デバイス（１０）。
【請求項２３】
前記ビーム放射性半導体（４）は担体（５）上に配置されている、請求項１９から２２までのいずれか１項記載のビーム放射性デバイス（１０）。
【請求項２４】
前記基体（２）は前記担体（５）上に被着されている、請求項２３記載のビーム放射性デバイス（１０）。
【請求項２５】
前記基体（２）は前記充填材料（７）によって、前記担体（５）と接続されている、請求項２４記載のビーム放射性デバイス（１０）。
【請求項２６】
前記基体（２）は前記充填材料（７）によって、前記担体（５）上に接着されている、２４または２５記載のビーム放射性デバイス（１０）。
【請求項２７】
前記基体（２）は、前記担体（５）の方を向いている面に、少なくとも１つの、突出している固定手段（１１）を有している、請求項１９から２３までのいずれか１項記載のビーム放射性デバイス（１０）。
【請求項２８】
前記固定手段（１１）は、前記光学素子（１）を前記担体（５）または前記担体（５）の後方に配置されている別の部材（９）と接続するために設けられている、請求項２７記載のビーム放射性デバイス（１０）。
【請求項２９】
・前記基体（２）を構成するステップと、
・前記基体（２）内に前記充填材料（７）を充填し、これによって前記充填体（３）を形成するステップを有している、
ことを特徴とする、請求項１から１８までのいずれか１項記載の光学素子（１）を製造する方法。
【請求項３０】
前記基体（２）は前記基体（１３）から、深絞り方法によって製造される、請求項２９記載の方法。
【請求項３１】
前記基体（２）は前記基体（１３）から、射出成形によって製造される、請求項２９記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、光学素子および、光学素子を有するビーム放射性デバイスに関する。さらに本発明は、光学素子を製造する方法に関する。
【０００２】
このような特許出願は、ドイツ連邦共和国特許出願第１０２００６０４６３０１．３号の優先権を主張する。この文献の開示内容は本願に参考として組み込まれている。
【０００３】
公開文献ＤＥ１９９４５６７５Ａ１号から、内部にＬＥＤチップが配置されている、表面実装可能なＬＥＤハウジングが知られている。このチップの後方にはレンズが配置されている。ここでこのレンズは熱可塑性材料を含んでいる。
【０００４】
熱可塑性材料の場合、例えばはんだ付け過程の間に生じる熱負荷時に、レンズが変形する恐れ、ひいてはレンズが混濁する恐れがある。このような作用は、レンズの光学特性に悪影響を与えるであろう。
【０００５】
本発明の課題は、熱負荷にもかかわらず、比較的安定した光学特性を有する光学素子を提供することである。この課題は、請求項１に記載されている光学素子によって解決される。
【０００６】
さらに、本発明の課題は、熱負荷にもかかわらず、比較的安定した光学特性を有するビーム放射性デバイスを提供することである。この課題は、請求項１９に記載されたビーム放射性デバイスによって解決される。
【０００７】
さらなる課題は、光学素子を容易に製造することを可能にする方法を提供することである。この課題は、請求項２９記載の方法によって解決される。
【０００８】
光学素子およびビーム放射性デバイスの有利な構成並びに方法の有利な構成は従属請求項に記載されている。
【０００９】
本発明の光学素子は基体と充填体を有している。ここでこの基体は基本材料を含んでおり、充填部は充填材料を含んでいる。ここでこの充填体は基体に接着されている。
【００１０】
有利には光学素子は、ビームを形成するために設けられている。例えば光学素子は結像光学系であってよい。
【００１１】
特に有利には、基体は光学素子の外側領域を構成し、充填体は光学素子の内側領域を構成する。
【００１２】
さらに有利には、基本材料は充填材料とは異なる。これは次のような利点を有している。すなわち、基体および充填体に課せられる種々異なる要求に依存して、適切な材料を使用することができる、という利点を有している。
【００１３】
光学素子の特に有利な形態では、基体は中空空間を有している。この中空空間は充填材料で満たされる。この場合には充填体の形状は、この中空空間によって定められる。有利には基体の充填によって、基体と充填体が不可逆に相互に接続されている光学素子を実現することが可能になる。光学素子はこの基体および充填体によって２つの領域を有しており、これらの材料はその光学特性において異なっている。
【００１４】
光学素子の有利な形態では、基体は回転体の形状を有している。殊に充填体も回転体の形状を有す。例えば、光学素子の輪郭は近似的に丸屋根状である。この場合には基体の輪郭は少なくとも部分的に球欠または楕円欠と同じである。例えば基体はほぼ、球形シェルセグメントの形状に従って成型される。殊に、基体は半球形シェルの形状を有している。これは、基体を充填材料で満たすための開口領域を有している。充填体はこの場合にはほぼ、半球形シェル内部の形状を有する。択一的に、充填体の形状が近似的に、逆にされた錐台に相応してもよい。ここでこの球残基部は基体によって環状に取り囲まれている。
【００１５】
殊に充填体および基体は共通の対称軸を有している。有利には開口領域もこの対称軸を有している。特に有利には開口領域は、開口領域を取り囲んでいる基体表面とともに、光学素子のビーム透過面を構成する。
【００１６】
さらに、ビーム透過面は凹状に湾曲した部分領域または平らな部分領域および、この凹状に湾曲した部分領域を、光軸と間隔をあけて少なくとも部分的に取り囲んでいる、凸状に湾曲している部分領域を有している。ここで光軸は、凹状に湾曲している部分領域を通って延在する。殊に、開口領域は凹状に湾曲され、取り囲んでいる表面は凸状に湾曲される。
【００１７】
有利な構成では、充填材料は、形成されるべきビームに対して透過性である。これは、ビームが充填体を通過し、充填体がビーム形成に寄与することができるという利点を有している。
【００１８】
有利には充填材は透明な成型材料または樹脂である。例えば充填材料はシリコーン材料を含む。さらにシリコーンジェルが使用可能である。これは、殊に熱負荷時または機械的な負荷時の耐周期性、はんだ付け時の加熱、劣化安定性および耐ビーム性に関して有利であることが判明している。熱の影響下では、開口領域は充填材料を伸張させることがある。基体は、光学素子の光学的にクリチカルな領域を構成するので、充填体の変形によって、光学素子の光学的特性が無視できる程度に変化する。
【００１９】
別の適切な充填材料は、例えば、エポキシ樹脂とシリコーン樹脂との混合物等であるハイブリッド材料である。なぜなら、これはシリコーン樹脂に比べて硬化時間が短く、かつ型からの取り出しが良好であるという利点を有しており、エポキシ樹脂に比べて、ＵＶ安定性が高いという利点を有しているからである。
【００２０】
別の構成では、基本材料は、形成されるべきビームに対して透過性である。従って、ビームは基体を通り、基体はビーム形成に寄与することができる。例えば、基本材料はガラスを含んでいる。有利には、３００℃を超える温度に耐えるガラス材料、すなわち、このような温度での、材料変化（例えば混濁または変色）も、変形も懸念されないガラス材料が使用される。このような温度は数時間続き得る。
【００２１】
さらに、基本材料はプラスチック材料を含む。有利には基本材料は熱可塑性樹脂である。熱可塑性樹脂としては例えば、ポリカーボネート（ＰＣ）またはポリＮメチルメタクリルイミド（ＰＭＭＩ）が適している。
【００２２】
本発明の光学素子は、屈折性、回折性または拡散性素子である。
【００２３】
有利には、例えばビーム放射性半導体デバイスの一部である光学素子は、２００℃〜３００℃の間の温度ではんだ付け可能である。この温度領域では、材料変化、例えば混濁または変色も変形も懸念されない。典型的に、この温度は数分の間続く。
【００２４】
本発明のビーム放射性デバイスは、上述のように光学素子を有しており、さらに少なくとも１つのビーム放射性半導体を有している。これは充填体内に埋設されている。
【００２５】
有利には、充填体によって光学的な作用が得られるだけでなく、さらに、半導体に対する保護作用も得られる。充填体は成形部として使用される。
【００２６】
特別な構成では、半導体は窒化物系化合物半導体ベースの半導体材料を有している。「窒化物系化合物半導体ベース」とは、このコンテキストでは、アクティブなエピタキシャル層列またはこの層列の少なくとも１つの層がＩＩＩ／Ｖ族窒化物化合物半導体材料、有利にはＡｌｎＧａｍＩｎ１−ｎ−ｍＮを含有していることを意味する。ここでは０≦ｎ≦１、０≦ｍ≦１およびｎ＋ｍ≦１である。ここでこれらの材料は、必ずしも数学的に正確な組成を、上述の式に従って有している必要はない。むしろ１つまたは複数のドーパント並びに付加的な構成部分を有し得る。これらのドーパントや構成部分はＡｌｎＧａｍＩｎ１−ｎ−ｍＮ材料の特徴的な物理特性を実質的に変えるものではない。しかし、容易にするために、上述の式は、結晶格子（Ａｌ、Ｇａ、Ｉｎ、Ｎ）の重要な構成部分しか含んでいない。これらは部分的に、少量の別の材料によって置き換え可能である。
【００２７】
有利には、充填材料の屈折率は基本材料の屈折率および、実質的に半導体材料の屈折率に整合されている。殊に、充填材料は１．３〜１．７の屈折率を有している。
【００２８】
別の有利な構成では、半導体は薄膜発光ダイオードチップである。薄膜発光ダイオードチップは、殊に、少なくとも１つの、以下の特徴を有している：
・担体部材の方に向けられている、ビーム生成エピタキシャル層の第１の主表面に反射性の層が被着されている、または構成されており、これは、エピタキシャル層列内で生成された電磁ビームの少なくとも一部分を反射して、当該エピタキシャル層列内に戻す；
・エピタキシャル層列は２０μｍ以下の領域の厚さを有しており、殊に１０μｍの領域の厚さを有している；
・エピタキシャル層列は少なくとも１つの半導体層を有しており、この半導体層は混合構造を有している面を備えており、この構造によって、理想的な場合には、近似的にエルゴード的な光分布がエピタキシャルなエピタキシャル層列内で得られる。すなわち、この分布は、可能な限りエルゴード的な確率散乱特性を有している。
【００２９】
薄膜発光ダイオードチップの原理は例えばＩ．Ｓｃｈｎｉｔｚｅｒ等著「Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．Ｌｅｔｔ．６３（１６）、１９９３年１０月１８日、２１７４〜２１７６頁」に記載されている。この文献の開示内容は、本願に参照として取り入れられている。
【００３０】
薄膜発光ダイオードチップは良好な近似において、ランベルト表面発光器であり、従って、特に良好に、ヘッドライト内での使用に適している。
【００３１】
有利には、本発明のビーム放射性デバイスでは、ビーム放射半導体は担体上に配置されている。例えば担体は、セラミック材料等を含有したプレートである。殊に担体は、半導体に給電するための電気的な接続領域を有している。
【００３２】
ビーム放射性デバイスの有利な構成では、基体は担体上に被着される。例えば、基体の輪郭は、相互に向かい合った２つの「Ｓ」に等しい。これは、輪郭線が２つの変曲点を有していることを意味する。この場合には基体の縁側終端部のみが、担体上に位置する。また、残りの基体は担体上で隆起している。択一的に、基体の輪郭が、相互に向かい合っている２つの円の弓形、殊に２つの四分円と等しくてもよい。
【００３３】
特に有利な形態では、基体は充填材料によって担体と接続されている。殊に、基体は、充填材料によって担体上に接着される。有利には、これによって、接着剤ないしは接着剤の塗布を省くことができる。
【００３４】
別の構成では、基体は、担体の方を向いている面に、少なくとも１つの突出した固定手段を有している。この固定手段は、光学素子を固定するためのものである。固定手段は例えばピン状に形成される。
【００３５】
固定手段は、担体ないし担体の後方に配置された別の部材、例えばヒートシンク内に光学素子を係留するために用いられる。殊に、担体ないし別の部材は、固定手段の機械的な系留のために適切な差し込み設備を有している。
【００３６】
さらに、光学素子と担体の間に間隔保持部を配置することができる。これは半導体を、有利には環状に取り囲む。間隔保持部は光学素子の過度な加熱を阻止する。同時に環状の間隔保持部は、充填フレームとして、充填材料内へ半導体を埋設するのに用いられる。
【００３７】
有利には、別の部材として、ヒートシンクが設けられる。これは、熱をデバイスから導出するために用いられ、例えばＡｌを含有している。これは光学素子の変形または材料変化の恐れを低減させ、ひいては、放出特性または出力結合作用等の光学特性の損傷の恐れを低減させる。
【００３８】
ビーム放射性デバイスは有利にはＳＭＴ（Ｓｕｒｆａｃｅ  Ｍｏｕｎｔｅｄ  Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｉｅ：表面実装技術）構造を有している。これによって、デバイスを比較的容易に取り付けることが可能になる。
【００３９】
デバイスが少なくとも３つの半導体を有していることが可能である。これらはそれぞれ赤、緑および青の光を放出する。生成された光は、光学素子によって混合される。
【００４０】
本発明のビーム放射性デバイスは、バックライティングの目的および照明の目的に適している。
【００４１】
本発明の光学素子は容易に製造可能である。有利には、まずは基体が成形される。これは充填可能な中空空間を有している。この中空空間内に、基体の開口領域を用いて充填材料が注入され、これによって充填体が形成される。ここでこの充填材料は例えばジェルを含んでいる。
【００４２】
例えば基体は深絞り方法によって、ガラス材料からモールディングされる。
【００４３】
有利には光学的な結晶性の基体の光学的特性は、ガラス材料の熱安定性によって、強い熱供給時にも実質的に保証され続ける。
【００４４】
さらに、基体を射出形成方法または射出押圧方法によって、プラスチック材料から製造することができる。例えば、基体は熱可塑性材料から製造され、充填体はシリコーン材料から構成される。
【００４５】
加熱時に充填材料は有利には、開口領域の方向に伸張する。
【００４６】
本発明のビーム放射性デバイス製造のための有利な形態では、既に完成された基体が担体の上に被着される。開口領域の大きさは、この開口領域を通じた半導体の取り付けが可能になるように、取り付けられるべき半導体の数に合わせられる。
【００４７】
本発明の光学素子ないしビーム放射性デバイスの別の有利な特徴、有利な構成および発展形態並びに利点を、以降で、図１および図２に関連して詳細に説明する実施例に記載する。
【図面の簡単な説明】
【００４８】
【図１】本発明のビーム放射性デバイスの第１の実施例の概略的な断面図
【図２】本発明のビーム放射性デバイスの第２の実施例の概略的な断面図
【００４９】
図１で概略的に示されたビーム放射性デバイス１０では、断面で、１つの光学素子１と、２つのビーム放射半導体４が示されている。半導体４は充填材料７を有する充填体３内に埋設されている。充填体３は部分的にのみ基体２に取り囲まれている。半導体４の領域では、基体２は開口領域６を有している。これによって、半導体４を、基体２の取り付け後に開口領域６を通じて担体５の上に配置することが可能になる。さらに、この開口領域６は、基体２に充填材料７を充填するためにも用いられる。ここでこの充填材料は、充填時には有利にはジェル状である。基体２はここで形状安定性である。基体２および担体５は中空空間を制限する。この中空空間は充填材料７によって満たされる。これによって、充填体３が形成される。充填体３は、半導体４によって形成されたビームを透過させる。
【００５０】
基体２と担体５の間に配置されている充填材料７はこの実施形態では接着作用を有しており、従って、基体２ないし光学素子１を担体５と結合させる接着剤として用いられる。
【００５１】
有利には充填材料７はシリコーンジェルを含んでいる。
【００５２】
光学素子１０のビーム透過面は、開口領域６を取り囲んでいる基体２の表面と、開口領域６内に配置されている、充填体３の表面から成る。
【００５３】
基体２はこの実施例ではガラス材料を有しており、深絞り方法によって製造される。ガラス材料は光学的にクリチカルな領域に特に適している。なぜなら、ガラス材料は３００℃を上回る温度の場合でさえも、形状安定および材料安定であるからである。このような温度は、ビーム放射性デバイス１０の製造および取り付け時に、数時間続く。
【００５４】
担体５は図示の場合にはプレートである。このプレートは有利には、デバイス１０を充分に冷却するのに有利な熱特性を備えたセラミック材料を有している。担体５上には光学素子１０が丸屋根状に隆起している。殊に、基体２の輪郭は、相互に向かい合っている２つの「Ｓ」と等しい。これは、輪郭線が２つの変曲点を有していることを意味する。基体縁側終端部のみが担体５に接触する。
【００５５】
担体５は、半導体４の電力供給のために電気的な接続領域を有している。この接続領域には、半導体４が導電性に接続されている。
【００５６】
有利には、充填体３はこの実施例では保護作用を有しており、従って、半導体４に対する成型部として用いられる。
【００５７】
図２は、担体５と光学素子１とを備えたビーム放射性デバイス１０を示している。ここでこの光学素子は、担体５の方を向いている側に、複数の固定手段１１を有している。これらの固定手段は、光学素子１を、別の部材９内に係留するために設けられている。この別の部材９は凹部を有しており、この凹部内にピン状に形成された固定手段１１がかみ合っている。有利にはこれらの固定手段は、基体２と一体成形されている。製造は、例えば射出成形によって行われ、この場合には基体２および固定手段１１は有利には、熱可塑性材料から製造されている。
【００５８】
熱可塑性材料は、基本材料と比べて、加熱時に容易に変形してしまうので、ビーム放射性デバイス１０は有利には、熱導出のためにヒートシンクを有している。殊に、上部に担体５が配置されている別の部材９は、ヒートシンクである。図示されているように、ヒートシンクは、有利には金属、例えばＡｌを含有しているプレートである。
【００５９】
光学素子１は、間隔保持部１２によって、担体５と間隔をあけて配置されている。択一的に光学素子１を担体５の上に載置してもよい。この場合には、基体２は半導体４の全周を取り囲む。基体２によって内側で制限されている中空空間と同じように、間隔保持部１２には、充填材料７が充填されている。この実施例では、充填材料７はシリコーンジェルを含有していてよい。光学的な作用の他に、内部に半導体４が配置されている充填体３によって、半導体４に対する保護作用が得られる。
【００６０】
有利には充填材料７の屈折率は、基本材料１３の屈折率および半導体４のために使用されている半導体材料の屈折率に整合されている。
【００６１】
デバイス１０の冷却にもかかわらず、図２に示された実施例では、光学素子１の変形が生じることがある。有利には充填体３は開口領域６を通じて、上方へ伸びる。
【００６２】
本発明は実施例に基づいた説明に制限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、このことはこれらの特徴また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。
【図１】
2010505253.tif 000003
【図２】
2010505253.tif 000004
【国際調査報告】
2010505253.tif 000005
2010505253.tif 000006
2010505253.tif 000007
2010505253.tif 000008
2010505253.tif 000009
2010505253.tif 000010