DE1943900C3

DE1943900C3 - Wandleranordnung mit einem optoelektronischen Bauelement

Info

Publication number: DE1943900C3
Application number: DE1943900A
Authority: DE
Inventors: Jiro Kobe Hirano; Katsuhiko Tokio Nishida; Hidetoshi Itami Togo
Original assignee: Nippon Selfoc Kk Tokio
Current assignee: Nippon Selfoc Kk Tokio
Priority date: 1968-08-30
Filing date: 1969-08-29
Publication date: 1979-10-31
Also published as: GB1276746A; DE1943900A1; FR2017120A1; US3626194A; NL6913147A; DE1943900B2

Description

mit /Jo als Brechungsindex im Zentrum, n_r als Brechungsindex im Abstand r vom Zentrum und a als einer positiven Konstanten hat.

2. Wandleranordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß in dem Konvergenzbereich der >o Lumineszenzteil eines Festkörper-Lumineszenzelements aufgestellt ist und daß die Länge der säulenförmigen Linse etwa

(2/1 + I).7 >■-,

21/2«

mit /J = 0,1,2,3,4... beträgt.

Die Erfindung betrifft eine Wandleranordnung mit einem optoelektronischen Bauelement nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.

Unter einem optoelektronischen Bauelement ist sowohl ein lichtelektrischer Wandler zur Umwandlung elektromagnetischer Strahlungsenergie in elektrische Energie als auch ein Wandler zur Umwandlung elektrischer Energie in elektromagnetische Strahlungs- 4-, energie zu verstehen.

Eine Wandleranordnung der genannten Art ist aus der US-PS 33 68 078 bekanntgeworden. Diese Wandleranordnung umfaßt Linsen mit gekrümmten Eintrittsflächen und Austrittsflächen und fokussierenden Eigen- >o schäften. Im Konvergenzbereich ist der eigentliche Wandler angeordnet. Ein solcher Wandler ist z. B. ein Phototransistor oder eine Lumineszenzdiode. Die Herstellung der gekrümmten Linsenflächen ist bei der geforderten Kleinheit der Linsen außerordentlich ->-> mühsam und schwierig. Die Herstellung von Linsen mit kurzer Brennweite und gutem Konvergenzverhalten ist sehr aufwendig.

Aufgabe der Erfindung ist die Bereitstellung einer Wandleranordnung der im Oberbegriff des Anspruchs 1 «) genannten Art mit Linsen, die einfach herstellbar und befestigbar sind.

Diese Aufgabe wird durch die im kennzeichnenden Teil des Patentanspruchs 1 angegebenen Maßnahmen gelöst. b->

Eine säulenförmige Linse mit der angegebenen Querschnittsverteilung des Brechungsindex besitzt Konvergenzeigenschaften, vgl. »The Bell System Technical lournal«. Band 44, November 1965, Seiten 2017 bis 2064. Eine derartige säulenförmige Linse ist in einfacher Weise herstellbar, weil sie durch gerade Flächen senkrecht zur Linsenachse begrenzt ist. Die Herstellung einer gekrümmten Linsenfläche kann vollständig entfallen. Entsprechend einfach ist die Befestigung einer solchen säulenförmigen Linse in einer zylindrischen Fassung.

In der genannten Arbeit aus »The Bell System Technical Journal« sind bereits die Bedingungen dafür angegeben, daß ein Parallelstrahlenbündel innerhalb der Austrittsfläche der säulenförmigen Linse fokussiert wird.

Demgemäß schlägt Anspruch 2 eine solche Bemessung der Länge der säulenförmigen Linse vor, daß der Konvergenzbereich innerhalb der Lichtaustrittsfläche liegt Man kann dann ein Lumineszenzelement im Bereich der Austrittsfläche aufstellen und unmittelbar an der Linse befestigen. Hierdurch erhält man eine besonders einfache und stabile mechanische Formgebung. Die Konvergenz wird besonders gut Im Bereich der Lichtaustrittsfläche kann man unmittelbar auch eine Übergangsschicht oder einen Kontaktbereich eines Phototransistors ausbilden, so daß die säulenförmige Linse in einen Festkörperschaltkreis integriert werden kann.

Da eine säulenförmige Linse der genannten Art eine Biegsamkeit hat, kann man das Lichtbündel über eine größere Strecke auch mit gekrümmten Strahlengang führen.

Die Erfindung wird im folgenden anhand von Ausführungsbeispielen und unter Bezugnahme auf die Zeichnung näher erläutert, i'n der darstellen:

F i g. 1 ein Schaubild zur Erläuterung des Strahlengangs in einer säulenförmigen Linse,

F i g. 2 eine schematische Ansicht einer Wandleranordnung und

F i g. 3 eine schematische Ansicht einer Wandleranordnung mit Lumineszenzelement.

Ein Gas mit einer Verteilung des Brechungsindex nach der obigen Beziehung besitzt als sog. Gaslinse eine Konvergenzwirkung ähnlich wie eine Konvexlinse, vgl. »Oyo B u t s u r i (Applied Physics)«, Bd. 36, Nr. 3, S. 180 bis 187. Glas, Kunstharz und ähnliche Stoffe sind als durchsichtige Stoffe mit einer Verteilung des Brechungsindex der angegebenen Art brauchbar. Insbesondere bei Glas ist es vergleichsweise leicht, einen sich allmählich ändernden Brechungsindex vom Innern gegen die Oberfläche hin einzustellen.

Es läßt sich berechnen, daß ein Lichtfluß parallel zur optischen Achse eines durchsichtigen Körpers der genannten Art in einem Punkt konvergiert. F i g. 1 zeigt eine säulenförmige Linse 9 mit einem Radius R, einer Länge ίο und einer Verteilung des Brechungsindex

n_r = n_o(l -ar¹)

mit ar¹ < 1, n_r als Brechungsindex in einem Abstand r von der Mittelachse der säulenförmigen Linse. An die säulenförmige Linse 9 schließt ein durchsichtiger Stoff 10 mit einem gleichförmigen Brechungsindex noo unmittelbar an. Lichtstrahlen B parallel zur optischen Achse A der säulenförmigen Linse 9 treten in die Eintrittsfläche U ein und verlassen dieselbe in der Austrittsfläche 12. Wenn innerhalb der Austrittsfläche 12 der Abstand des Lichtstrahls B von der optischen Achse A den Wert ro hat und einen Neigungswinkel roo

aufweist, lassen sich die Größen r₀ und nx> aus der folgenden Matrix berechnen:

cos/2«t,„ ,- sin/2u/„
\'la

- \ 2(i sin j 2«/,.,cos | laI₀

r cos I la I₀

r\ la sin | Im₀

IO

(D

Wenn die Neigung des Lichtstrahls innerhalb des Mediums «oo den Wert oo hat gilt:

n_rsin/oo = /ibosin<xo(mit/ir ~ /Jo)
oder näherungsweise

"o

(2)

S =

r»

tun \„

S =

11.7

- ii,„ cot I 2« f„
"o 1 2«

(3)

(2h + 1)7

I 2« ^ ■" ^J 2(2«
π = 0, 1,2 ...

Da die Gleichung (3) nicht von r abhängt, konvergieren alle Strahlen parallel zur optischen Achse A in dem angegebenen Punkt Wenn der Wert ίο weiter ansteigt, tritt bereits innerhalb der Linse 9 eine Überkreuzung des Strahls B mit der optischen Achse ein. Die Bedingung n> = 0 ergibt zusammen mit der Gleichung (1) die folgende Gleichung:

IaI₀ =

(In t- 1).7

mit η = 0, 1,2, 3 ...

Λ, =

(2ιι

2 I 2«

(4)

mil Ii = 0, 1,2, 3 ...

20

Der Abstand des Kreuzungspunktes 13 des auf der optischen Achse A verlaufenden Lichtstrahls und des Lichtstrahls Sbeträgt:

Aus Gleichung (1) erhält man die folgende Gkichung:

Kaliumnitratbad hoher Temperatur getaucht, so daß man einen Glasstab mit einem Brechungsindex im Zentrum von 1,56, einem Oberflächenbrechungsindex von 1,48 und einer Verteilung des Brechungsindex nach der Gleichung

n_r = /J₀(I-ar²)

erhält mit a = 0,21 mm². Eine säulenförmige Linse 14 wird in einer Länge ta = 1 mm von dem Glasstab abgeschnitten und an beiden Stirnflächen rechtwinkelig zur optischen Achse nach F i g. 2 geschliffen. Diese säulenförmige Linse 14 wird in einem Kunststoffrahmen 15 befestigt Eine Obergangsfläche 17 eines Phototransistors 16 oder ein Kontaktbereich 17 eines Spitzentransistors wird mittels einer Stützplatte 18 ebenfalls in dem Kunststoffrahmen 15 befestigt und zwar auf der optischen Achse der säulenförmigen Linse 14 in einem Abstand S = 2,84 mm von der Uchtaustrittsfläche. Ein solcher optoelektronischer Wandler besitzt nicht nur eine kleine Abmessung, sondern auch eine sehr große optoelektronische Empfindlichkeit

Beispiel 2

Die Länge einer gleichartigen säulenförmigen Linse wie im Beispiel 1 wird auf to = 2,42 mm eingestellt; ein PN-Übergang eines Phototransistors oder ein Kontaktbereich eines Spitzen-Phototransistors wird unmittelbar im Konvergenzpunkt innerhalb der Lichtaustrittsfläche der säulenförmigen Linse ausgebildet.

Diese Parallelstrahlen werden in der Austrittsfläche fokussiert, wenn gilt:

40

43

■>o

Wenn also f₀ der Gleichung (4) genügt, konvergieren _b0 Strahlen, die parallel zur optischen Achse A in die Eintrittsfläche 11 eintreten, in der Austrittsfläche 12.

Beispiel 1

Ein Glasstab mit Kreisquerschnitt und einem _b5 Durchmesser von 1 mm sowie einer Zusammensetzung von 56 Gewichts-% SiO₂, 14 Gewichts-% Na₂O, 20 Gewichts % Tl₂O und 10 Gewichts-% PbO wird in ein I_n =

(2n + 1)7

2 I la

Ein Lumineszenzbereich eines Festkörper-Lumineszenzelements ist in einem Konvergenzbereich des durchsichtigen Körpers ausgebildet Dieses Festkörper-Lumineszenzelement luminesziert beim Anlegen einer Gleichspannung in Durchlaßrichtung, also wenn die P-Zone positiv und die N-Zone negativ ist. Das Lumineszenzlicht wird als Strahlenbündel parallel zur optischen Achse des durchsichtigen Körpers abgenommen.

Auch bei einem solchen Lumineszenzelement brauchen die Linsenflächen nicht nach einer bestimmten Krümmung geschliffen zu werden. Man verwendet vielmehr ebene Linsen mit einer guten Konvergenz und einer kleinen Größe. Ebenfalls ist die Befestigung in einem Kunststoffrahmen sehr einfach. Wenn die Länge des durchsichtigen Körpers in Lichtausbreitungsrichtung etwa

(2n +1)7

2 I la

beträgt, kann man einen Lumineszenzbereich unmittelbar auf einem Konvergenzbereich des durchsichtigen Körpers ausbilden. Damit erhält man die Linse und das Lumineszenzelement in Festkörpertechnik, womit die Herstellung außerordentlich erleichtert ist.

Ein Festkörper-Lumineszenzelement solcher kleiner Abmessungen kann innerhalb der Skalenanordnung eine; elektrischen Meßgeräts od. dgl. Anwendung finden, innerhalb der Lichtquelle eines elektrolumineszenten Anzeigefeldes und in einem Fernsehbildelement zur Darstellung von Bildelementen mit Hilfe von elektrischen Impulsen. Indem man eine langgestreckte

Linse herstellt, kann das Licht des Festkörper-Luminesy.cnzelements zu jeder gewünschten Stelle geführt werden.

Beispiel 3

F.in Glasstab mit einem Kreisquerschnilt eines Durchmessers von 1 mm und einer Zusammensetzung 56 Gewichts-% SiO₂, 14 Gewichts-% Na₂O, 20 Gewichts-% TI₂O und 10 Gewichts-% PbO wird in ein Kaliiimnitratbad hoher Temperatur getaucht, damit man einen Glasstab mit einem zentralen Brechungsindex no = 1,56, einem Oberflächenbrechungsindex von 1,48 und einer Verteilung des Brechungsindex im wesentlichen nach der Beziehung

n, = /?o(l —ar²) ''

mit a = 0,21 mm-² erhält. Dieser Glasstab wird auf eine Länge ίο = 1 mm abgeschnitten, und die Endflächen werden rechtwinkelig zur optischen Achse des Glasstabs geschliffen. Eine derartige säulenförmige Linse 19 wird nach Fig. 3 in einem Kunststoffrahmen 20 befestigt. Ein Festkörpcr-Lumineszenzelement 22 wird auf einer Trägerplatte 23 innerhalb des Kunststoffrahmens 20 in einem Abstand von S = 2,84 mm von der Stirnfläche 21 der säulenförmigen Linse 19 derart ausgerichtet, daß ein PN-Übergang 24 auf der optischen Achse liegt. Dieses Festkörpcr-Luniineszenzelcmeni mit einer säulenförmigen Linse 19 besitzt kleine Abmessungen und eine hohe Lichlflußdichtc.

Beispiel 4

Die Länge in in Richtung der optischen Achse der säulenförmigen Linse wird zu 2,42 mm festgelegt, und ein PN-Übergang eines Festkörper-Lumineszenzelements wird unmittelbar an der Stelie des Konvergenzpunktes auf einer Stirnfläche der säulenförmigen Linse ausgebildet. Ein solches Festkörper-Lumineszenzelement läßt sich leicht in einem Kunststoffrahmen befestigen und in einen Festkörperschaltkreis einfügen.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Wandleranordnung mit einem optoelektronischen Bauelement, das im Konvergenzbereich eines > durchsichtigen, fokussierenden Elements mit nicht einheitlichem Brechungsindex angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, daß als durchsichtiges Element eine säulenförmige Linse mit Kreisquerschnitt vorgesehen ist, deren Achse sich in ι ο Lichtausbreitungsrichtung erstreckt und deren Brechungsindex eine Querschnittsverteilung im wesentlichen nach der Beziehung