Title:
Beleuchtungseinrichtung, elektronisches Gerät mit einer Beleuchtungseinrichtung und Verwendung einer Beleuchtungseinrichtung
Kind Code:
A1


Abstract:

Es wird eine Beleuchtungseinrichtung (1) mit zumindest einem zur Erzeugung von Strahlung vorgesehenen Halbleiterbauelement (2), einem optischen Element (5) und einer Ansteuerschaltung (6) angegeben, wobei
- das optische Element die im Betrieb des Halbleiterbauelements abgestrahlte Strahlung in ein zu beleuchtendes Sichtfeld (10) lenkt,
- das Halbleiterbauelement eine Vielzahl von Pixeln erster Art (31) aufweist, die jeweils zur bereichsweisen Beleuchtung des Sichtfelds mit Strahlung im sichtbaren Spektralbereich vorgesehen sind;
- das Halbleiterbauelement zumindest einen Infrarotpixel (4) aufweist, der zur zumindest bereichsweisen Beleuchtung des Sichtfelds mit Strahlung im infraroten Spektralbereich vorgesehen ist; und
- die Pixel erster Art und der zumindest eine Infrarotpixel über die Ansteuerschaltung betreibbar sind. Weiterhin werden ein elektronisches Gerät (100) mit einer Beleuchtungseinrichtung und die Verwendung einer Beleuchtungseinrichtung angegeben. embedded image




Inventors:
Perälä, Mikko (93105, Tegernheim, DE)
Queren, Désirée, Dr. (93073, Neutraubling, DE)
Antretter, Marco (94365, Parkstetten, DE)
Application Number:
DE102017103884A
Publication Date:
08/30/2018
Filing Date:
02/24/2017
Assignee:
OSRAM Opto Semiconductors GmbH, 93055 (DE)
International Classes:
Domestic Patent References:
DE102014112681A1N/A2016-03-03



Foreign References:
78267282010-11-02
79788832011-07-12
200401149212004-06-17
200700983912007-05-03
200701534952007-07-05
201000268702010-02-04
201301556442013-06-20
Attorney, Agent or Firm:
Epping Hermann Fischer Patentanwaltsgesellschaft mbH, 80639, München, DE
Claims:
Beleuchtungseinrichtung (1) mit zumindest einem zur Erzeugung von Strahlung vorgesehenen Halbleiterbauelement (2), einem optischen Element (5) und einer Ansteuerschaltung (6), wobei
- das optische Element die im Betrieb des Halbleiterbauelements abgestrahlte Strahlung in ein zu beleuchtendes Sichtfeld (10) lenkt,
- das Halbleiterbauelement eine Vielzahl von Pixeln erster Art (31) aufweist, die jeweils zur bereichsweisen Beleuchtung des Sichtfelds mit Strahlung im sichtbaren Spektralbereich vorgesehen sind;
- das Halbleiterbauelement zumindest einen Infrarotpixel (4) aufweist, der zur zumindest bereichsweisen Beleuchtung des Sichtfelds mit Strahlung im infraroten Spektralbereich vorgesehen ist; und
- die Pixel erster Art und der zumindest eine Infrarotpixel über die Ansteuerschaltung betreibbar sind.

Beleuchtungseinrichtung nach Anspruch 1, wobei die Pixel erster Art in einer ersten Matrixanordnung (21) und die Infrarotpixel in einer zweiten Matrixanordnung (22) angeordnet sind, wobei die erste Matrixanordnung und die zweite Matrixanordnung lateral voneinander beabstandet sind.

Beleuchtungseinrichtung nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Pixel der ersten Matrixanordnung durch einen ersten Halbleiterchip (71) und die Pixel der zweiten Matrixanordnung durch einen zweiten Halbleiterchip (72) gebildet sind.

Beleuchtungseinrichtung nach Anspruch 1, wobei die Pixel erster Art und die Infrarotpixel in einer gemeinsamen Matrixanordnung (20) angeordnet sind.

Beleuchtungseinrichtung nach Anspruch 4, wobei ein Grad einer Flächenbelegung mit Infrarotpixeln in einem Mittenbereich der gemeinsamen Matrixanordnung höher ist als in einem Randbereich der gemeinsamen Matrixanordnung.

Beleuchtungseinrichtung nach Anspruch 4 oder 5, wobei die gemeinsame Matrixanordnung durch eine Mehrzahl von Halbleiterchips (71, 72, 73) gebildet ist.

Beleuchtungseinrichtung nach einem der Ansprüche 4 bis 6, wobei zwischen der Mehrzahl von Halbleiterchips und der Ansteuerschaltung ein Zwischenträger (65) angeordnet ist, über den die Halbleiterchips mit der Ansteuerschaltung elektrisch leitend verbunden sind.

Beleuchtungseinrichtung nach Anspruch 4 oder 5, wobei die Pixel erster Art und die Infrarotpixel der gemeinsamen Matrixanordnung in einen gemeinsamen Halbleiterchip (7) integriert sind.

Beleuchtungseinrichtung nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei das Halbleiterbauelement eine Vielzahl von Pixeln zweiter Art (32) aufweist, die Strahlung im sichtbaren Spektralbereich emittieren.

Beleuchtungseinrichtung nach Anspruch 9, wobei die Pixel erster Art warmweißes Licht und die Pixel zweiter Art kaltweißes Licht emittieren.

Beleuchtungseinrichtung nach Anspruch 9 oder 10, wobei die Pixel erster Art, die Pixel zweiter Art und die Infrarotpixel in einer gemeinsamen Matrixanordnung (20) angeordnet sind.

Beleuchtungseinrichtung nach Anspruch 9 oder 10, wobei die Pixel erster Art in einer ersten Matrixanordnung (21) und die Pixel zweiter Art in einer zweiten Matrixanordnung (22) angeordnet sind und sowohl die erste Matrixanordnung als auch die zweite Matrixanordnung einen Teil der Infrarotpixel aufweist.

Beleuchtungseinrichtung nach Anspruch 12, wobei jedem Pixel der ersten Matrixanordnung ein Pixel der zweiten Matrixanordnung zugeordnet ist, so dass die von diesen Pixeln emittierte Strahlung im Sichtfeld überlappt.

Beleuchtungseinrichtung nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei den Pixeln erster Art ein Strahlungskonversionselement (81) zugeordnet ist, das eine Primärstrahlung zumindest teilweise in eine Sekundärstrahlung umwandelt, wobei das Strahlungskonversionselement eine Dicke zwischen einschließlich 40µm und einschließlich 100µm aufweist.

Beleuchtungseinrichtung nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei eine gesamte Leuchtfläche aller Infrarotpixel höchstens 80 % einer gesamten Leuchtfläche der im sichtbaren Spektralbereich emittierenden Pixel beträgt.

Elektronisches Gerät (100) mit einer Beleuchtungseinrichtung (1) nach einem der vorherigen Ansprüche und mit zumindest einem Strahlungsempfänger (102, 103), der in das Sichtfeld abgestrahlte und aus dem Sichtfeld zurückgeworfene Strahlung detektiert.

Elektronisches Gerät nach Anspruch 16, wobei das elektronische Gerät eine Auswerteeinheit (120) aufweist, die anhand der vom Strahlungsempfänger empfangenen Strahlung im sichtbaren Spektralbereich und im infraroten Spektralbereich eine Aufnahme des Sichtfelds erzeugt.

Elektronisches Gerät nach Anspruch 16 oder 17, wobei das elektronische Gerät ein Gehäuse (150) mit einer Öffnung (101) aufweist, durch das sowohl die Strahlung der Pixel erster Art als auch die Strahlung der Infrarotpixel austritt.

Verwendung einer Beleuchtungseinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 15 als Lichtquelle für eine biometrische Authentifizierung.

Verwendung nach Anspruch 19, wobei die Authentifizierung mittels eines Iris-Scans unter Beleuchtung durch die Infrarotpixel erfolgt.

Description:

Die vorliegende Anmeldung betrifft eine Beleuchtungseinrichtung, ein elektronisches Gerät mit einer solchen Beleuchtungseinrichtung und die Verwendung einer Beleuchtungseinrichtung.

Elektronische Geräte wie beispielsweise Smartphones oder Tablets weisen oftmals ein oder mehr Kamerasysteme auf. Die Einsetzbarkeit dieser Kamerasysteme ist jedoch begrenzt, beispielsweise bei schlechten Sichtverhältnissen.

Eine Aufgabe ist es, die Einsetzbarkeit und Leistungsfähigkeit von Kamerasystemen zu verbessern.

Diese Aufgabe wird unter anderem durch eine Beleuchtungseinrichtung, ein elektronisches Gerät mit einer solchen Beleuchtungseinrichtung und die Verwendung einer Beleuchtungseinrichtung gemäß den unabhängigen Patentansprüchen gelöst. Weitere Ausgestaltungen und Zweckmäßigkeiten sind Gegenstand der abhängigen Patentansprüche.

Es wird eine Beleuchtungseinrichtung mit zumindest einem zur Erzeugung von Strahlung vorgesehenen Halbleiterbauelement angegeben. Das Halbleiterbauelement weist beispielsweise einen Halbleiterchip mit einem zur Erzeugung von Strahlung vorgesehenen aktiven Bereich auf.

Gemäß zumindest einer Ausführungsform der Beleuchtungseinrichtung weist die Beleuchtungseinrichtung ein optisches Element auf. Das optische Element ist insbesondere dafür vorgesehen, im Betrieb des Halbleiterbauelements abgestrahlte Strahlung in ein zu beleuchtendes Sichtfeld zu lenken. Mit anderen Worten dient das optische Element der Formung der räumlichen Abstrahlcharakteristik. Zum Beispiel weist die gesamte Beleuchtungseinrichtung genau ein zur Strahlformung vorgesehenes optisches Element auf. Beispielsweise ist das optische Element ein refraktives optisches Element, etwa eine Linse oder eine Fresnel-Linse.

Gemäß zumindest einer Ausführungsform des Halbleiterbauelements weist das Halbleiterbauelement eine Vielzahl von Pixeln erster Art auf, die jeweils zur bereichsweisen Beleuchtung des Sichtfelds mit Strahlung im sichtbaren Spektralbereich vorgesehen sind. Beispielsweise ist die von den Pixeln erster Art abgestrahlte Strahlung für das menschliche Auge weiß erscheinendes Licht. Die Pixel erster Art sind beispielsweise einzelne Halbleiterchips oder Teilbereiche eines oder mehrerer Halbleiterchips.

In lateraler Richtung, also parallel zu einer Haupterstreckungsebene des zumindest einen Halbleiterchips, sind die Pixel erster Art nebeneinander angeordnet, sodass im Betrieb des Halbleiterbauelements mittels eines Pixels erster Art jeweils ein Teilbereich des zu beleuchtenden Sichtfelds beleuchtet wird. Durch gleichzeitige Aktivierung aller Pixel erster Art ist das gesamte Sichtfeld beleuchtbar. Von benachbarten Pixeln erster Art beleuchtete Teilbereiche des Sichtfelds können bereichsweise überlappen.

Gemäß zumindest einer Ausführungsform der Beleuchtungseinrichtung weist das Halbleiterbauelement zumindest einen Infrarotpixel, insbesondere eine Vielzahl von Infrarotpixeln auf. Der Infrarotpixel ist beziehungsweise die Infrarotpixel sind jeweils zur bereichsweisen Beleuchtung des Sichtfelds mit Strahlung im infraroten Spektralbereich vorgesehen. Beispielsweise beträgt eine Peakwellenlänge der Strahlung im infraroten Spektralbereich zwischen einschließlich 780 nm und einschließlich 1,1 µm. Strahlung in diesem Spektralbereich ist für das menschliche Auge nicht sichtbar und mittels konventioneller Siliziumdetektoren detektierbar.

Gemäß zumindest einer Ausführungsform der Beleuchtungseinrichtung weist die Beleuchtungseinrichtung eine Ansteuerschaltung auf. Die Ansteuerschaltung ist insbesondere dafür vorgesehen, die Pixel erster Art und den zumindest einen Infrarotpixel zu betreiben. Mittels der Ansteuerschaltung können die Pixel erster Art und der zumindest eine Infrarotpixel unabhängig voneinander und insbesondere auch gleichzeitig mit unterschiedlichen Strömen und/oder unterschiedlichen Spannungen betrieben werden. Zum Beispiel ist eine gemeinsame Ansteuerschaltung vorgesehen, die sowohl die Pixel erster Art als auch den zumindest einen Infrarotpixel ansteuert. Beispielsweise weist die Ansteuerschaltung zumindest eine Aktiv-Matrix-Schaltung auf, bei der zumindest zwei Pixel, insbesondere alle Pixel, gleichzeitig ansteuerbar sind. Beispielsweise ist jedem Pixel der Beleuchtungseinrichtung ein Schalter der Ansteuerschaltung zugeordnet, etwa ein Transistor.

In mindestens einer Ausführungsform der Beleuchtungseinrichtung weist die Beleuchtungseinrichtung ein zur Erzeugung von Strahlung vorgesehenes Halbleiterbauelement, ein optisches Element und eine Ansteuerschaltung auf, wobei das optische Element die im Betrieb des Halbleiterbauelements abgestrahlte Strahlung in ein zu beleuchtendes Sichtfeld lenkt. Das Halbleiterbauelement weist eine Vielzahl von Pixeln erster Art auf, die jeweils zur bereichsweisen Beleuchtung des Sichtfelds mit Strahlung im sichtbaren Spektralbereich vorgesehen sind. Das Halbleiterbauelement weist zumindest einen Infrarotpixel auf, der zur bereichsweisen Beleuchtung des Sichtfelds mit Strahlung im infraroten Spektralbereich vorgesehen ist. Die Pixel erster Art und der zumindest eine Infrarotpixel sind über die Ansteuerschaltung betreibbar.

Die Beleuchtungseinrichtung stellt also nicht nur Strahlung im sichtbaren Spektralbereich, sondern zusätzlich auch Strahlung im infraroten Spektralbereich zur Verfügung. Diese Strahlungsanteile können im Sichtfeld zumindest stellenweise überlagert werden. Mittels der Unterteilung der Strahlungsquelle in Pixel erster Art und Infrarotpixel sind im Betrieb der Beleuchtungseinrichtung unterschiedliche Teilbereiche des zu beleuchtenden Sichtfelds unterschiedlich stark mit Strahlung im sichtbaren Spektralbereich und/oder Strahlung im infraroten Spektralbereich beleuchtbar.

Durch die Verwendung einer solchen Beleuchtungseinrichtung als Lichtquelle, insbesondere als Blitzlicht in einem elektronischen Gerät wie beispielsweise einem Smartphone oder einem Tablet kann also dem zur Bilderzeugung vorgesehenen Kamerasystem nicht nur Strahlung im sichtbaren, sondern auch im infraroten Spektralbereich zur Verfügung gestellt werden.

Beispielsweise weist das elektronische Gerät einen Strahlungsempfänger auf, der sowohl Strahlung im roten, grünen und blauen Spektralbereich als auch Strahlung im infraroten Spektralbereich detektieren kann. Alternativ kann das elektronische Gerät einen Strahlungsempfänger für Strahlung im roten, grünen und blauen Spektralbereich und einen weiteren Strahlungsempfänger zum Empfangen von Strahlung im infraroten Spektralbereich aufweisen.

Gemäß zumindest einer Ausführungsform der Beleuchtungseinrichtung sind die Pixel erster Art in einer ersten Matrixanordnung und die Infrarotpixel in einer zweiten Matrixanordnung angeordnet.

Der Begriff „Matrixanordnung“ bezeichnet insbesondere allgemein eine zweidimensionale Anordnung einer Vielzahl von Pixeln, beispielsweise in einem regelmäßigen rechteckigen oder hexagonalen Gitter. Insbesondere sind die einzelnen Elemente der Matrixanordnung unabhängig voneinander ansteuerbar.

Die erste Matrixanordnung und die zweite Matrixanordnung sind lateral voneinander beabstandet. Mit anderen Worten befinden sich die Pixel erster Art und die Infrarotpixel räumlich getrennt nebeneinander. Insbesondere befindet sich kein Pixel erster Art zwischen zwei beliebigen Infrarotpixeln und umgekehrt. Das optische Element ist beispielsweise so ausgebildet, dass jedem Infrarotpixel in der zweiten Matrixanordnung ein Pixel erster Art in der ersten Matrixanordnung zugeordnet ist, sodass die von dem Infrarotpixel und dem zugehörigen Pixel erster Art emittierte Strahlung im Sichtfeld überlappt.

Gemäß zumindest einer Ausführungsform der Beleuchtungseinrichtung sind die Pixel der ersten Matrixanordnung durch einen ersten Halbleiterchip und die Pixel der zweiten Matrixanordnung durch einen zweiten Halbleiterchip gebildet. Die Pixel der ersten Matrixanordnung und die Pixel der zweiten Matrixanordnung können also unabhängig voneinander hergestellt werden und beispielsweise auch auf unterschiedlichen Halbleitermaterialsystemen basieren.

Für die Erzeugung von Strahlung im sichtbaren Spektralbereich eignet sich beispielsweise ein Halbleiterchip auf der Basis von Nitrid-Verbindungshalbleitermaterial. Für die Erzeugung von Strahlung im infraroten Spektralbereich eignet sich beispielsweise ein Halbleitermaterial auf der Basis von Arsenid-Verbindungshalbleitermaterial.

Auf „Nitrid-Verbindungshalbleitermaterial basierend“ bedeutet im vorliegenden Zusammenhang, dass der Halbleiterchip oder zumindest ein Teil davon, besonders bevorzugt zumindest der aktive Bereich und/oder ein Aufwachssubstrat, ein Nitrid-Verbindungshalbleitermaterial, vorzugsweise AlxInyGa1-x-yN aufweist oder aus diesem besteht, wobei 0 ≤ x ≤ 1, 0 ≤ y ≤ 1 und x+y ≤ 1. Dabei muss dieses Material nicht zwingend eine mathematisch exakte Zusammensetzung nach obiger Formel aufweisen. Vielmehr kann es beispielsweise ein oder mehrere Dotierstoffe sowie zusätzliche Bestandteile aufweisen. Der Einfachheit halber beinhaltet obige Formel jedoch nur die wesentlichen Bestandteile des Kristallgitters (Al, Ga, In, N), auch wenn diese teilweise durch geringe Mengen weiterer Stoffe ersetzt und/oder ergänzt sein können.

Auf „Arsenid-Verbindungshalbleitermaterial basierend“ bedeutet im vorliegenden Zusammenhang, dass der Halbleiterchip oder zumindest ein Teil davon, besonders bevorzugt zumindest der aktive Bereich und/oder ein Aufwachssubstrat, ein Arsenid-Verbindungshalbleitermaterial, vorzugsweise AlxInyGa1-x-yAs aufweist oder aus diesem besteht, wobei 0 ≤ x ≤ 1, 0 ≤ y ≤ 1 und x+y ≤ 1. Dabei muss dieses Material nicht zwingend eine mathematisch exakte Zusammensetzung nach obiger Formel aufweisen. Vielmehr kann es beispielsweise ein oder mehrere Dotierstoffe sowie zusätzliche Bestandteile aufweisen. Der Einfachheit halber beinhaltet obige Formel jedoch nur die wesentlichen Bestandteile des Kristallgitters (Al, Ga, In, As), auch wenn diese teilweise durch geringe Mengen weiterer Stoffe ersetzt und/oder ergänzt sein können.

Durch die Verwendung unterschiedlicher Materialien für die Halbleiterchips kann insgesamt eine besonders hohe Effizienz in der Strahlungserzeugung in den jeweiligen Spektralbereichen erzielt werden.

Gemäß zumindest einer Ausführungsform der Beleuchtungseinrichtung sind die Pixel erster Art und die Infrarotpixel in einer gemeinsamen Matrixanordnung angeordnet. Beispielsweise befindet sich zumindest zwischen zwei Pixeln erster Art ein Infrarotpixel. Die Pixel erster Art und die Infrarotpixel sind beispielsweise zeilenweise oder spaltenweise alternierend oder schachbrettartig alternierend angeordnet. Die Anzahl der Pixel erster Art und der Infrarotpixel sowie das Verhältnis zwischen der Anzahl der Pixel erster Art und der Infrarotpixel kann abhängig von den Anforderungen an die Beleuchtungseinrichtung in weiten Grenzen variiert werden.

Gemäß zumindest einer Ausführungsform der Beleuchtungseinrichtung ändert sich ein Grad einer Flächenbelegung mit Infrarotpixeln innerhalb der gemeinsamen Matrixanordnung. Beispielsweise ist der Grad der Flächenbelegung mit Infrarotpixeln in einem Mittenbereich der gemeinsamen Matrixanordnung höher als in einem Randbereich der gemeinsamen Matrixanordnung. Beispielsweise umgibt der Randbereich den Mittenbereich rahmenförmig. Die Infrarotpixel sind also vermehrt oder ausschließlich im Mittenbereich der gemeinsamen Matrixanordnung angeordnet. Eine derartige Anordnung eignet sich beispielsweise, wenn die von den Infrarotpixeln zu erzeugende Strahlung überwiegend mittig im Sichtfeld benötigt wird.

Gemäß zumindest einer Ausführungsform ist die gemeinsame Matrixanordnung durch eine Mehrzahl von Halbleiterchips gebildet.

Ein Halbleiterchip kann hierbei jeweils genau einen Pixel oder eine Mehrzahl von Pixeln bilden. Insbesondere ist jeder Halbleiterchip entweder nur zur Erzeugung von Strahlung im sichtbaren Spektralbereich oder nur zur Erzeugung von Strahlung im infraroten Spektralbereich vorgesehen. Die Strahlung im jeweiligen Spektralbereich kann als Primärstrahlung direkt von dem Halbleiterchip und/oder als Sekundärstrahlung, die unter Anregung durch die Primärstrahlung von einem Strahlungskonversionselement abgestrahlt wird, abgestrahlt werden.

Mittels der Unterteilung der gemeinsamen Matrixanordnung in mehrere Halbleiterchips kann für jeden Pixel das für die jeweils zu erzeugende Strahlung geeignete Materialsystem gewählt werden. Weiterhin ist bei der Herstellung über die Platzierung der einzelnen Halbleiterchips die Flächenverteilung von Infrarotpixeln und Pixeln im sichtbaren Spektralbereich auf einfache Weise auf verschiedene Anforderungen anpassbar.

Gemäß zumindest einer Ausführungsform der Beleuchtungseinrichtung ist zwischen der Mehrzahl von Halbleiterchips und der Ansteuerschaltung ein Zwischenträger angeordnet, über den die Halbleiterchips mit der Ansteuerschaltung elektrisch leitend verbunden sind. Der Zwischenträger erstreckt sich insbesondere über eine Mehrzahl von Halbleiterchips, beispielsweise über alle Halbleiterchips der gemeinsamen Matrixanordnung. Mittels des Zwischenträgers ist eine elektrische Kontaktierung der einzelnen Kontakte der Halbleiterchips mit den zugeordneten Anschlüssen der Ansteuerschaltung vereinfacht erzielbar. In Draufsicht auf die Beleuchtungseinrichtung können die Ansteuerschaltung und der Zwischenträger bereichsweise überlappen. In lateraler Richtung ist so eine besonders kompakte Bauform erzielbar.

Gemäß zumindest einer Ausführungsform der Beleuchtungseinrichtung sind die Pixel erster Art und die Infrarotpixel der gemeinsamen Matrixanordnung in einen gemeinsamen Halbleiterchip integriert. Mittels einer integrierten Anordnung der Pixel können besonders kleine Abstände der Pixel voneinander erzielt werden. Beispielsweise gehen die Pixel erster Art und die Infrarotpixel bei der Herstellung des gemeinsamen Halbleiterchips aus einer gemeinsamen Halbleiterschichtenfolge hervor. Die zur Erzeugung von Strahlung vorgesehenen aktiven Bereiche der einzelnen Pixel unterscheiden sich also hinsichtlich der Schichtdicken und der Materialzusammensetzung nicht oder höchstens im Rahmen von Schwankungen, die bei der Herstellung von Halbleiterchips, etwa bei der epitaktischen Abscheidung einer Halbleiterschichtenfolge, in lateraler Richtung auftreten.

Beispielsweise ist den Infrarotpixeln ein Strahlungskonversionselement zugeordnet, das die im aktiven Bereich des Halbleiterchips erzeugte Strahlung in Strahlung im infraroten Spektralbereich umwandelt.

Gemäß zumindest einer Ausführungsform der Beleuchtungseinrichtung weist das Halbleiterbauelement eine Vielzahl von Pixeln zweiter Art auf, die Strahlung im sichtbaren Spektralbereich emittieren.

Insbesondere emittieren die Pixel zweiter Art Strahlung, die sich von der Strahlung der Pixel erster Art unterscheidet, beispielsweise hinsichtlich der Peakwellenlänge und/oder der Farbtemperatur. Beispielsweise emittieren die Pixel erster Art warmweißes Licht und die Pixel zweiter Art kaltweißes Licht.

Als warmweißes Licht wird Licht mit einer Farbtemperatur zwischen einschließlich 2000 K und 3500 K angesehen. Als kaltweißes Licht wird Licht mit einer Farbtemperatur von 3600 K bis 7000 K angesehen. Mittels des Verhältnisses der von den Pixeln erster Art und den Pixeln zweiter Art abgestrahlten Strahlung ist somit der Farbort der von der Beleuchtungseinrichtung abgestrahlten Strahlung im sichtbaren Spektralbereich einstellbar.

Gemäß zumindest einer Ausführungsform der Beleuchtungseinrichtung sind die Pixel erster Art, die Pixel zweiter Art und die Infrarotpixel in einer gemeinsamen Matrixanordnung angeordnet. Die gemeinsame Matrixanordnung weist beispielsweise warmweißes Licht emittierende Pixel erster Art, kaltweißes Licht emittierende Pixel zweiter Art und Infrarotpixel auf. Insbesondere kann die gemeinsame Matrixanordnung durch genau einen Halbleiterchip gebildet sein. Das heißt, die gesamte Beleuchtungseinrichtung benötigt lediglich einen zur Strahlungserzeugung vorgesehenen Halbleiterchip und stellt sowohl weißes Licht mit einstellbarer Farbtemperatur und Infrarotlicht zur Verfügung. Im Vergleich zu einer Ausgestaltung mit mehreren Halbleiterchips kann eine besonders kompakte Bauform erzielt werden.

Gemäß zumindest einer Ausführungsform der Beleuchtungseinrichtung sind die Pixel erster Art in einer ersten Matrixanordnung und die Pixel zweiter Art in einer zweiten Matrixanordnung angeordnet. Insbesondere weist sowohl die erste Matrixanordnung als auch die zweite Matrixanordnung einen Teil der Infrarotpixel auf.

Gemäß zumindest einer Ausführungsform der Beleuchtungseinrichtung ist jedem Pixel der ersten Matrixanordnung ein Pixel der zweiten Matrixanordnung zugeordnet, sodass die von diesen Pixeln emittierte Strahlung im Sichtfeld überlappt. Insbesondere überlappt jeweils ein Pixel erster Art in der ersten Matrixanordnung mit einem Pixel zweiter Art in der zweiten Matrixanordnung, so dass für jeden Teilbereich des zu beleuchtenden Sichtfelds der Farbort der insgesamt auf diesen Teilbereich auftreffenden Strahlung im sichtbaren Spektralbereich einstellbar ist.

Gemäß zumindest einer Ausführungsform der Beleuchtungseinrichtung ist den Pixeln erster Art und/oder den Pixeln zweiter Art ein Strahlungskonversionselement zugeordnet, das eine Primärstrahlung zumindest teilweise in eine Sekundärstrahlung umwandelt. Beispielsweise liegt die Primärstrahlung im blauen Spektralbereich oder im ultravioletten Spektralbereich. Die Sekundärstrahlung liegt beispielsweise im blauen, grünen, gelben, und/oder roten Spektralbereich.

Das Strahlungskonversionselement weist zum Beispiel eine Dicke zwischen einschließlich 40 µm und einschließlich 100 µm, insbesondere zwischen einschließlich 60 µm und einschließlich 80 µm, auf. Strahlungskonversionselemente in diesem Dickenbereich bewirken eine vergleichsweise starke Streuung und damit eine räumlich verbreiterte Abstrahlung. Es hat sich gezeigt, dass eine Überlappung zwischen Teilbereichen im Sichtfeld, die von benachbarten Pixeln beleuchtet werden, bei der Verwendung der Beleuchtungseinrichtung als Blitzlicht zu verbesserten Bildern führt.

Insbesondere hat sich herausgestellt, dass ein für andere Anwendungen, beispielsweise bei Projektionsanwendungen oder bei einem adaptiven Frontscheinwerfersystem, unerwünschtes optisches Übersprechen zwischen benachbarten Pixeln bei der Verwendung der beschriebenen Beleuchtungseinrichtung als Blitzlicht zu verbesserten Ergebnissen bei der Bilderzeugung führt.

Gemäß zumindest einer Ausführungsform der Beleuchtungseinrichtung beträgt eine gesamte Leuchtfläche aller Infrarotpixel der Beleuchtungseinrichtung höchstens 80 %, beispielsweise höchstens 60 % einer gesamten Leuchtfläche der im sichtbaren Spektralbereich emittierenden Pixel. Je niedriger der Anteil der Infrarotpixel im Vergleich zur Gesamtfläche der im sichtbaren Spektralbereich emittierenden Pixel ist, desto weniger Strahlungsleistung im sichtbaren Spektralbereich geht bei einer Beibehaltung der lateralen Ausdehnung durch die zusätzlich vorgesehenen Infrarotpixel verloren.

Weiterhin wird ein elektronisches Gerät angegeben. Das elektronische Gerät weist eine Beleuchtungseinrichtung mit zumindest einem der vorstehend beschriebenen Merkmale auf. Das elektronische Gerät ist beispielsweise ein handgehaltenes elektronisches Gerät, etwa ein mobiles Kommunikationsgerät wie ein Smartphone oder ein Tablet.

Gemäß zumindest einer Ausführungsform des elektronischen Geräts weist das elektronische Gerät zumindest einen Strahlungsempfänger auf, der in das Sichtfeld abgestrahlte und aus dem Sichtfeld zurückgeworfene Strahlung detektiert. Mittels des Strahlungsempfängers kann ein Bild des Sichtfelds erzeugt werden.

Gemäß zumindest einer Ausführungsform des elektronischen Geräts weist das elektronische Gerät eine Auswerteeinheit auf, die anhand der vom Strahlungsempfänger empfangenen Strahlung im sichtbaren Spektralbereich und im infraroten Spektralbereich eine Aufnahme des Sichtfelds erzeugt. Für die Aufnahme wird also nicht nur Strahlung im sichtbaren Spektralbereich, also insbesondere Strahlungsanteile im roten, grünen und blauen Spektralbereich, sondern auch Strahlung im infraroten Spektralbereich genutzt. Diese Strahlungsanteile können zusätzliche Informationen der aufzunehmenden Szene liefern, die durch Strahlung im sichtbaren Spektralbereich alleine nicht verfügbar wären.

Weiterhin kann mit Strahlung im infraroten Spektralbereich das Sichtfeld ausgeleuchtet werden, ohne dass beispielsweise eine im Sichtfeld befindliche Person geblendet wird. Die Beleuchtungseinrichtung eignet sich weiterhin insbesondere für Aufnahmen bei schwacher Beleuchtung oder im Dunkeln.

Gemäß zumindest einer Ausführungsform des elektronischen Geräts weist das elektronische Gerät ein Gehäuse mit einer Öffnung auf, durch das sowohl die Strahlung der Pixel erster Art als auch die Strahlung der Infrarotpixel austritt. Für die von den Infrarotpixeln abgestrahlte Strahlung ist also keine zusätzliche Öffnung in dem Gehäuse erforderlich.

Die vorstehend beschriebene Beleuchtungseinrichtung eignet sich insbesondere auch für die Verwendung als Lichtquelle für eine biometrische Authentifizierung.

Gemäß zumindest einer Ausführungsform der Verwendung erfolgt die Authentifizierung mittels eines Iris-Scans unter Beleuchtung durch die Infrarotpixel. Mittels der Infrarotpixel kann die Iris beleuchtet werden, ohne dass für das menschliche Auge ein unangenehmer Blendeindruck entsteht.

Ein solcher Iris-Scan kann die Eingabe von Passwörtern oder Pin-Nummern als Zugangskontrolle überflüssig machen und/oder zusätzliche Sicherheit vor unbefugter Benutzung bieten.

Weitere Ausgestaltungen und Zweckmäßigkeiten ergeben sich aus der folgenden Beschreibung der Ausführungsbeispiele in Verbindung mit den Figuren.

Es zeigen:

  • die 1A und 1B ein Ausführungsbeispiel für eine Beleuchtungseinrichtung in Draufsicht (1A) und in Schnittansicht (1B);
  • die 2, 3 und 4 jeweils ein Ausführungsbeispiel für ein Halbleiterbauelement in Draufsicht;
  • die 5, 6, 7, 8 und 9 jeweils ein Ausführungsbeispiel für ein Halbleiterbauelement mit Ansteuerschaltung in Schnittansicht;
  • 10 ein Ausführungsbeispiel für ein elektronisches Gerät; und
  • 11 ein Ausführungsbeispiel für die Verwendung einer Beleuchtungseinrichtung.

Gleich, gleichartige oder gleich wirkende Elemente sind in den Figuren mit den gleichen Bezugszeichen versehen.

Die Figuren sind jeweils schematische Darstellungen und daher nicht unbedingt maßstabsgetreu. Vielmehr können vergleichsweise kleine Elemente und insbesondere Schichtdicken zur Verdeutlichung übertrieben groß dargestellt sein.

In den 1A und 1B ist ein Ausführungsbeispiel für eine Beleuchtungseinrichtung 1 gezeigt, wobei in der Draufsicht der 1A zur vereinfachten Darstellung lediglich das Halbleiterbauelement 2 schematisch abgebildet ist.

Die im Betrieb des Halbleiterbauelements 2 abgestrahlte Strahlung wird mittels eines optischen Elements 5 in ein zu beleuchtendes Sichtfeld 10 gelenkt.

Das Halbleiterbauelement 2 weist eine Vielzahl von Pixeln erster Art 31 auf. Die Pixel erster Art 31 sind in einer ersten Matrixanordnung 21 angeordnet. Weiterhin weist das Halbleiterbauelement 2 eine Vielzahl von Pixeln zweiter Art 32 auf, wobei die Pixel zweiter Art 32 in einer zweiten Matrixanordnung 22 angeordnet sind. Die Pixel erster Art und die Pixel zweiter Art sind bezüglich ihrer Abstrahlung, insbesondere ihrer spektralen Abstrahlung, verschieden. Beispielsweise emittieren die Pixel erster Art für das menschliche Auge warmweiß erscheinendes Licht und die Pixel zweiter Art für das menschliche Auge kaltweiß erscheinendes Licht.

Das Halbleiterbauelement 2 weist weiterhin eine Vielzahl von Infrarotpixeln 4 auf. Die Infrarotpixel 4 sind sowohl in der ersten Matrixanordnung 21 als auch in der zweiten Matrixanordnung 22 vorgesehen. Die Infrarotpixel 4 und die Pixel der ersten Art 31 sowie die Infrarotpixel 4 und die Pixel der zweiten Art 32 befinden sich also jeweils in einer gemeinsamen Matrixanordnung 20.

Die erste Matrixanordnung 21 und die zweite Matrixanordnung 22 sind in lateraler Richtung nebeneinander angeordnet. In Draufsicht auf das Halbleiterbauelement sind die erste Matrixanordnung und die zweite Matrixanordnung überlappungsfrei nebeneinander angeordnet.

Das optische Element 5 weist eine Mehrzahl von Segmenten 51 auf, wobei jeder Matrixanordnung ein Segment zugeordnet ist, insbesondere eineindeutig. Die Segmente 51 des optischen Elements sind derart ausgebildet, dass jedem Pixel der ersten Matrixanordnung ein Pixel der zweiten Matrixanordnung zugeordnet ist, sodass die von diesen Pixeln emittierte Strahlung im Sichtfeld 10 in einem Teilbereich 15 überlappt, insbesondere deckungsgleich oder im Wesentlichen deckungsgleich. Dies ist in 1B anhand der gepunkteten Linien gezeigt, welche schematisch einen Strahlenverlauf von jeweils einem Pixel der ersten Matrixanordnung 21 und der zweiten Matrixanordnung 22 ausgehend durch das zugehörige Segment 51 des optischen Elements 5 verlaufen und im Sichtfeld 10 den Teilbereich 15 definieren. Diese Strahlenverläufe dienen jedoch lediglich der Erläuterung des Funktionsprinzips und stellen keine präzisen Strahlenverläufe im Sinne der geometrischen Optik dar.

In 1B weisen die Segmente 51 sowohl auf einer dem Halbleiterbauelement 2 zugewandten Seite als auch auf einer dem Halbleiterbauelement abgewandten Seite eine konvexe Form auf. Das optische Element kann jedoch auch davon abweichend ausgebildet sein, beispielsweise in Form einer Fresnel-Optik für jedes Segment.

Optische Elemente, mit denen eine Überlagerung zugeordneter Pixel in einem Teilbereich eines Sichtfelds erfolgen kann, sind in den deutschen Patentanmeldungen 10 2016 124 871.1 und 10 2016 124 866.5 beschrieben, deren gesamter Offenbarungsgehalt diesbezüglich durch Rückbezug in die vorliegende Anmeldung aufgenommen wird.

Mittels einer Variation des Stromverhältnisses zwischen dem Pixel erster Art 31 und dem zugehörigen Pixel zweiter Art 32 ist im Betrieb der Beleuchtungseinrichtung 1 der Farbort in dem von diesen Pixeln beleuchteten Teilbereich 15 des Sichtfelds 10 einstellbar.

Auch jedem Infrarotpixel 4 der ersten Matrixanordnung 21 ist ein zugehöriger Infrarotpixel 4 der zweiten Matrixanordnung 22 zugeordnet. Diese Infrarotpixel können so angesteuert werden, dass deren insgesamt in dem zugeordneten Teilbereich 15 abgestrahlte Strahlung die gewünschte Intensität aufweist.

Die Beleuchtungseinrichtung 1 weist weiterhin eine Ansteuerschaltung 6 auf, über die die Pixel erster Art 31, die Pixel zweiter Art 32 und die Infrarotpixel 4 betreibbar sind. Mögliche Ausgestaltungen zur elektrischen Anbindung zwischen den Pixeln und der Ansteuerschaltung sowie Details des Halbleiterbauelements werden nachfolgend anhand der Figuren 5 bis 9 näher beschrieben.

Die Anzahl der Pixel erster Art 31 sowie der Pixel zweiter Art 32 und der Infrarotpixel 4 ist in weiten Grenzen variierbar. Beispielsweise weist die Beleuchtungseinrichtung zwischen einschließlich 10 und einschließlich 1000 Pixel erster Art auf. Die Anzahl an Pixeln erster Art ist vorzugsweise gleich der Anzahl an Pixeln zweiter Art.

Die Beleuchtungseinrichtung 1 liefert also zusätzlich zur Strahlung im sichtbaren Spektralbereich auch Strahlung im infraroten Spektralbereich mittels der Infrarotpixel 4. Unterschiedliche Teilbereiche des Sichtfelds können durch unterschiedliche Bestromung der Infrarotpixel 4 unterschiedlich stark ausgeleuchtet werden. Eine derartige Beleuchtungseinrichtung eignet sich insbesondere als eine Lichtquelle für ein elektronisches Gerät, beispielsweise ein handgehaltenes elektronisches Gerät, wie ein Smartphone oder ein Tablet.

In 10 ist ein Ausführungsbeispiel für ein elektronisches Gerät 100 in Form eines Smartphones gezeigt. Das Gerät 100 weist ein Gehäuse 150 auf, in dem die Beleuchtungseinrichtung angeordnet ist. Beispielsweise befindet sich die Beleuchtungseinrichtung hinter einer Öffnung 101 des Gehäuses 150. Das Gerät 100 weist weiterhin einen Strahlungsempfänger 102 zur ortsaufgelösten Detektion von Strahlung im roten, grünen und blauen Spektralbereich sowie einen weiteren Strahlungsempfänger 103 zur Detektion von Strahlung im infraroten Spektralbereich auf. Zur Aufnahme eines Bildes kann eine zu beleuchtende Szene im Sichtfeld der Beleuchtungseinrichtung 1 beleuchtet werden, wobei die Beleuchtungseinrichtung 1 sowohl Strahlung im sichtbaren Spektralbereich als auch Strahlung im infraroten Spektralbereich zur Verfügung stellt. Diese beiden Strahlungsanteile können durch eine gemeinsame Öffnung des Gehäuses 150 austreten, sodass auf eine zusätzliche Öffnung im Gehäuse verzichtet werden kann.

Die Strahlung der Infrarotpixel kann von dem weiteren Strahlungsempfänger 103 detektiert werden und ortsaufgelöst zusätzlich zu Strahlungsanteilen im sichtbaren Spektralbereich Informationen liefern, anhand derer die Bildqualität erhöht werden kann, beispielsweise bei schwachen Lichtverhältnissen oder bei Nacht.

Von dem beschriebenen Ausführungsbeispiel abweichend kann der Strahlungsempfänger 102 auch so ausgebildet sein, dass er für die von den Infrarotpixeln 4 abgestrahlte Infrarotstrahlung ebenfalls empfindlich ist. In diesem Fall kann jeder Bildpunkt des Strahlungsempfängers 102 jeweils einen Teilbereich für die Detektion von Strahlung im roten, grünen, blauen und infraroten Spektralbereich aufweisen. Auf den weiteren Strahlungsempfänger 103 kann in diesem Fall verzichtet werden.

Beispielsweise weist der erste Strahlungsempfänger 102 einen Infrarotfilter auf, der Strahlung im infraroten Spektralbereich blockt und lediglich Infrarotstrahlung im Wellenlängenbereich der von den Infrarotpixeln emittierten Strahlung durchlässt.

Mittels der beschriebenen Beleuchtungseinrichtung kann die Funktionalität einer Lichtquelle im sichtbaren Spektralbereich und im infraroten Spektralbereich also besonders platzsparend und ohne eine zusätzliche Öffnung in einem elektronischen Gerät integriert werden. Dadurch werden weiterhin die Designmöglichkeiten für das elektronische Gerät im Vergleich zur Erforderlichkeit mehrerer Öffnungen erhöht.

11 zeigt ein Ausführungsbeispiel für eine Verwendung der Beleuchtungseinrichtung als Lichtquelle für eine biometrische Authentifizierung.

Hierfür ist die Beleuchtungseinrichtung 1 in ein Blitzlicht an der Frontseite des elektronischen Geräts, etwa eines Smartphones, integriert. Die von den Infrarotpixeln emittierte Strahlung wird mittels des optischen Elements 5 auf eine zu identifizierende Person 140 gerichtet. Die Infrarotstrahlung beleuchtet die Iris der Person 140, ohne dass ein Blendeffekt für die Person eintritt. Die von der Iris zurückgeworfene Strahlung kann von einem Strahlungsempfänger 130 aufgenommen und einer Auswerteeinheit 120 einer Steuerung 110 des Geräts 100 zugeführt werden. Die Beleuchtungseinrichtung bietet also die Authentifizierung mittels eines Iris-Scans unter Beleuchtung durch die Infrarotpixel, ohne die zu identifizierende Person im Dunkeln zu blenden.

Die Anordnung und die Anzahl der Infrarotpixel kann in weiten Grenzen variiert werden.

Beispielsweise sind die Infrarotpixel 4 in dem in 1A gezeigten Ausführungsbeispiel lediglich in einem Mittenbereich 29 der ersten Matrixanordnung 21 und der zweiten Matrixanordnung 22 angeordnet. Ein den Mittenbereich rahmenförmig umgebender Randbereich 28 ist frei von Infrarotpixeln oder weist zumindest weniger Infrarotpixel auf. Eine derartige Anordnung der Infrarotpixel 4 eignet sich beispielsweise für Anwendungen, bei denen überwiegend der Mittenbereich des Sichtfelds 10 mit Infrarotstrahlung zu beleuchten ist. Dies ist beispielsweise bei der Verwendung zur Authentifizierung mittels eines Iris-Scans, bei dem sich das menschliche Auge typischerweise im Mittenbereich des Sichtfelds 15 befindet, der Fall.

Beispielsweise ist die Anzahl der insgesamt im sichtbaren Spektralbereich emittierenden Pixel 31, 32 um mindestens 50 %, etwa mindestens doppelt so groß oder mindestens dreimal so groß wie die Anzahl der Infrarotpixel 4.

Selbstverständlich kann die Beleuchtungseinrichtung von dem in den 1A und 1B beschriebenen Ausführungsbeispiel abweichend auch nur genau eine Matrixanordnung 21 aufweisen.

Ein optisches Element 5 mit einer Mehrzahl von Segmenten 51 ist in diesem Fall nicht erforderlich. Das in 2 gezeigte Ausführungsbeispiel für ein Halbleiterbauelement 2 entspricht im Wesentlichen dem im Zusammenhang mit den 1A und 1B beschriebenen Ausführungsbeispiel. Im Unterschied hierzu sind die Pixel erster Art 31 und die Infrarotpixel 4 der ersten Matrixanordnung 21 spaltenweise alternierend angeordnet. Die Anzahl der Infrarotpixel 4 ist also gleich der Anzahl von Pixeln erster Art 31. Die Bezeichnungen als Spalten und Zeilen der Matrixanordnung sind in diesem Zusammenhang austauschbar.

Analog sind in der zweiten Matrixanordnung 22 die Pixel zweiter Art 32 und die Infrarotpixel 4 alternierend spaltenweise angeordnet. Durch Vorsehen einer gleichen Anzahl von Pixeln erster Art 31 und Infrarotpixeln 4 beziehungsweise Pixeln zweiter Art 32 und Infrarotpixeln 4 ist auf einfache Weise gewährleistet, dass jedem von einem im sichtbaren Spektralbereich beleuchteten Teilbereich eines Pixels erster Art beziehungsweise Pixels zweiter Art ein nahezu deckungsgleicher Bereich zugeordnet ist, der von Infrarotpixeln 4 bestrahlt wird.

Das in 3 gezeigte Ausführungsbeispiel für ein Halbleiterbauelement entspricht im Wesentlichen dem im Zusammenhang mit den 1A und 1B beschriebenen Ausführungsbeispiel.

Im Unterschied hierzu weist das Halbleiterbauelement 2 eine erste Matrixanordnung 21, eine zweite Matrixanordnung 22 und eine dritte Matrixanordnung 23 auf. Die erste Matrixanordnung 21 bildet die Pixel erster Art 31, die zweite Matrixanordnung 22 bildet die Pixel zweiter Art 32 und die dritte Matrixanordnung 23 bildet die Infrarotpixel 4. In der gezeigten Darstellung weisen die Pixel erster Art 31, die Pixel zweiter Art 32 und die Infrarotpixel 4 jeweils dieselbe laterale Ausdehnung auf. In jeden Teilbereich des Sichtfelds kann also Strahlung eines zugehörigen Pixels erster Art, eines zugehörigen Pixels zweiter Art und/oder eines zugehörigen Infrarotpixels gelenkt werden.

Davon abweichend kann die Anzahl der Infrarotpixel 4 jedoch auch größer oder kleiner als die Anzahl der Pixel erster Art 31 und Pixel zweiter Art 32 sein. Im Extremfall ist denkbar, dass nur ein Infrarotpixel 4 vorgesehen ist.

Die Matrixanordnungen des Halbleiterbauelements 2 beziehungsweise die Matrixanordnungen und der genau eine Infrarotpixel sind auch in diesem Ausführungsbeispiel vorzugsweise in ein gemeinsames Gehäuse integriert.

Dieses Ausführungsbeispiel zeichnet sich durch eine besonders einfache Herstellbarkeit aus, da die Integration des zumindest einen Infrarotpixels 4 ohne eine Änderung des strukturellen Aufbaus der ersten Matrixanordnung 21 oder der zweiten Matrixanordnung 22 erfolgen kann. Lediglich das optische Element 5 ist entsprechend anzupassen, sodass auch die Strahlung des zumindest einen Infrarotpixels beziehungsweise der Infrarotpixel in das Sichtfeld gelenkt wird.

Das in 4 dargestellte Ausführungsbeispiel für ein Halbleiterbauelement entspricht im Wesentlichen dem im Zusammenhang mit den 1A und 1B beschriebenen Ausführungsbeispiel.

Im Unterschied hierzu sind die Pixel erster Art 31, die Pixel zweiter Art 32 und die Infrarotpixel 4 in eine gemeinsame Matrixanordnung 20 integriert. Das optische Element 5 benötigt in diesem Fall also keine Segmente, die von nebeneinander angeordneten Matrixanordnungen emittierte Strahlung in zugeordneten Teilbereichen eines Sichtfelds überlagern. Die Anforderungen an das optische Element 5 sind dadurch verringert. Weiterhin ist, insbesondere im Vergleich zu nebeneinander angeordneten Matrixanordnungen, eine in lateraler Richtung besonders kompakte Bauform realisierbar.

In 5 ist ein Ausführungsbeispiel für ein Halbleiterbauelement 2 gezeigt, mit dem beispielsweise eine gemeinsame Matrixanordnung 20 realisierbar ist, wie sie in der 4 gezeigt ist. Die Pixel erster Art 31, die Pixel zweiter Art 32 und die Infrarotpixel 4 sind jeweils als separate erste Halbleiterchips 71, zweite Halbleiterchips 72 beziehungsweise dritte Halbleiterchips 73 nebeneinander angeordnet. Die Pixel erster Art 31 und die Pixel zweiter Art 32 können jeweils gleichartige Halbleiterchips aufweisen, sodass sich die Pixel erster Art 31 und die Pixel zweiter Art 32 lediglich durch das auf die Halbleiterchips 71 beziehungsweise 72 aufgebrachte erste Strahlungskonversionselement 81 beziehungsweise zweite Strahlungskonversionselement 82 voneinander unterscheiden.

Beispielsweise emittieren der erste Halbleiterchip 71 und der zweite Halbleiterchip 72 jeweils Strahlung im blauen Spektralbereich. Das erste Strahlungskonversionselement 81 wandelt diese Strahlung teilweise in Strahlung im gelben, grünen und/oder roten Spektralbereich um, sodass die Pixel erster Art 31 warmweiß erscheinendes Mischlicht abstrahlen.

Im Unterschied hierzu ist das zweite Strahlungskonversionselement 82 so ausgebildet, dass die von den Pixeln zweiter Art 32 insgesamt abgestrahlte Strahlung kaltweiß erscheint.

Eine Dicke des ersten Strahlungskonversionselements 81 und/oder des zweiten Strahlungskonversionselements 82 beträgt beispielsweise zwischen einschließlich 40 µm und einschließlich 100 µm, insbesondere zwischen einschließlich 60 µm und einschließlich 80 µm. Dadurch ergeben sich im Sichtfeld zwischen zu beleuchtenden Teilbereichen sanftere Übergänge als bei einem dünneren Strahlungskonversionselement. Die Strahlungskonversionselemente bestimmen also nicht nur den Farbort der abgestrahlten Strahlung, sondern beeinflussen auch die räumliche Abstrahlcharakteristik.

Die dritten Halbleiterchips 73 für die Infrarotpixel 4 weisen vorzugsweise ein von den ersten Halbleiterchips 71 und zweiten Halbleiterchips 72 verschiedenes Halbleitermaterial auf. Beispielsweise eignen sich Halbleiterchips auf der Basis von Arsenid-Verbindungshalbleitermaterial für die Erzeugung von Strahlung im infraroten Spektralbereich.

Durch die Ausgestaltung der hinsichtlich ihrer Strahlungsemission unterschiedlichen Pixel als separate Halbleiterchips kann für die jeweilige Strahlungserzeugung entsprechend das geeignete Halbleitermaterial gewählt werden. Eine derartige Anordnung kann sich daher durch eine besonders hohe Effizienz der Strahlungserzeugung auszeichnen.

Selbstverständlich können die einzelnen Halbleiterchips jeweils auch mehr als einen Pixel bilden. Beispielsweise bildet der erste Halbleiterchip 71 bei dem in 4 dargestellten Ausführungsbeispiel alleine eine Spalte der gemeinsamen Matrixanordnung 20. Die Anzahl der insgesamt zu platzierenden Halbleiterchips kann dadurch verringert werden.

Für eine elektrisch leitende Verbindung zwischen den ersten Halbleiterchips 71, den zweiten Halbleiterchips 72 und den dritten Halbleiterchips 73 können die Halbleiterchips auf einem Zwischenträger 65 in lateraler Richtung nebeneinander angeordnet sein. Der Zwischenträger 65 bewirkt eine vereinfachte elektrische Kontaktierung zwischen den Halbleiterchips und der Ansteuerschaltung 6. Beispielsweise sind ein Kontakt 711 des ersten Halbleiterchips 71, ein Kontakt 721 des zweiten Halbleiterchips 72 und ein Kontakt 731 des dritten Halbleiterchips 73 jeweils mit einem Anschluss 61 der Ansteuerschaltung 6 elektrisch leitend verbunden. Ein Gegenkontakt 712 des ersten Halbleiterchips, ein Gegenkontakt 722 des zweiten Halbleiterchips und ein Gegenkontakt 732 des dritten Halbleiterchips sind mit einem gemeinsamen Gegenanschluss 62 der Ansteuerschaltung 6 elektrisch leitend verbunden.

Die elektrische Kontaktierung innerhalb des Zwischenträgers 65 erfolgt beispielsweise über Zuleitungen 67 auf oder in dem Zwischenträger. Die Zuleitungen können stellenweise in unterschiedlichen Ebenen des Zwischenträgers verlaufen. In Draufsicht auf den Zwischenträger können sich verschiedene Zuleitungen kreuzen oder stellenweise überlappend verlaufen, ohne elektrisch leitend miteinander verbunden zu sein. In vertikaler Richtung erstrecken sich die Zuleitungen durch Durchkontaktierungen 66 hindurch zur Ansteuerschaltung, sodass die Ansteuerschaltung 6 direkt unterhalb der zur Strahlungserzeugung vorgesehenen Halbleiterchips 71, 72, 73 angeordnet sein kann.

Davon abweichend kann die Ansteuerschaltung 6 jedoch auch räumlich getrennt von dem Halbleiterbauelement 2 angeordnet und mit diesem über Zuleitungen 67 elektrisch leitend verbunden sein. Dies ist in 6 schematisch dargestellt. Der vertikale Platzbedarf für die Beleuchtungseinrichtung kann so verringert werden.

In 7 ist ein Ausführungsbeispiel für ein Halbleiterbauelement 2 gezeigt, bei dem mehrere Pixel in einen gemeinsamen Halbleiterchip 7 integriert sind. Beispielsweise sind mehrere Pixel eines Typs, beispielsweise mehrere Pixel erster Art oder mehrere Pixel zweiter Art oder mehrere Infrarotpixel in einen gemeinsamen Halbleiterchip integriert. Weiterhin können Pixel unterschiedlichen Typs, beispielsweise Pixel erster Art und Infrarotpixel oder Pixel zweiter Art und Infrarotpixel oder Pixel erster Art, Pixel zweiter Art und Infrarotpixel, in einen gemeinsamen Halbleiterchip integriert sein.

In 8 ist ein Ausführungsbeispiel für ein Halbleiterbauelement 2 gezeigt, bei dem, wie im Zusammenhang mit 7 beschrieben, mehrere Pixel in einen Halbleiterchip 7 integriert sind.

Der Halbleiterchip 7 weist eine insbesondere epitaktisch abgeschiedene Halbleiterschichtenfolge 9 mit einem zur Erzeugung von Strahlung vorgesehenen aktiven Bereich 90 auf, wobei der aktive Bereich 90 zwischen einer ersten Halbleiterschicht 91 eines ersten Leitungstyps, beispielsweise n-leitend, in einer zweiten Halbleiterschicht 92 eines vom ersten Leitungstyps verschiedenen zweiten Leitungstyps, beispielsweise p-leitend, angeordnet ist.

Die einzelnen Pixel, also die Pixel erster Art 31, die Pixel zweiter Art 32 und die Infrarotpixel 4, insbesondere die aktiven Bereiche dieser Pixel, gehen jeweils aus einem Teilbereich der Halbleiterschichtenfolge 9 hervor.

Insbesondere gehen diese Teilbereiche aus derselben Halbleiterschichtenfolge bei der Herstellung des Halbleiterchips hervor, sodass sich die Halbleiterschichten der einzelnen Pixel abgesehen von fertigungsbedingten lateralen Schwankungen hinsichtlich ihres Materials und der Schichtdicke nicht unterscheiden.

Die einzelnen Pixel sind durch Zwischenräume 99 voneinander getrennt. Die Zwischenräume 99 durchtrennen insbesondere die aktiven Bereiche 90 benachbarter Pixel. Beispielsweise durchtrennen die Zwischenräume die gesamte Halbleiterschichtenfolge in vertikaler Richtung, also senkrecht zu einer Haupterstreckungsebene der Halbleiterschichtenfolge.

Die Halbleiterschichtenfolge 9 ist auf einem Träger 97 angeordnet. Der Träger dient auch der mechanischen Stabilisierung der Halbleiterschichtenfolge 9, sodass ein Aufwachssubstrat für die Halbleiterschichtenfolge hierfür nicht mehr erforderlich ist und deshalb entfernt sein kann.

In dem Träger 97 ist eine Ansteuerschaltung 6 mit einer Mehrzahl von Schaltern 60 angeordnet. Jedem Pixel ist ein Schalter 60 zugeordnet, sodass die einzelnen Pixel im Betrieb der Beleuchtungseinrichtung unabhängig voneinander betreibbar sind. Zumindest ein Teil der elektrischen Ansteuerschaltung, etwa ein Schalter, ist also in den Halbleiterchip integriert.

Die auf der dem Träger 97 abgewandten Seite des aktiven Bereichs 90 angeordnete erste Halbleiterschicht 91 ist mittels Ausnehmungen 95 jeweils mit einem zugeordneten Schalter 60 elektrisch leitend verbunden. Die Ausnehmungen erstrecken sich durch die zweite Halbleiterschicht 92 und den aktiven Bereich 90 hindurch. Die zweiten Halbleiterschichten 92 der Pixel sind miteinander elektrisch leitend verbunden und können sich im Betrieb der Beleuchtungseinrichtung 1 auf demselben elektrischen Potential befinden. Beide Seiten des aktiven Bereichs 90 sind also von der dem Träger 97 zugewandten Seite her für die elektrische Kontaktierung zugänglich. Selbstverständlich kann die elektrische Kontaktierung der einzelnen Pixel in weiten Grenzen variiert werden, solange die einzelnen Pixel einzeln ansteuerbar sind und im Betrieb des Halbleiterbauelements 2 Ladungsträger von entgegengesetzten Seiten in den aktiven Bereich 90 gelangen und dort unter Emission von Strahlung rekombinieren können.

Auf der dem Träger 97 abgewandten Seite der Halbleiterschichtenfolge 9 ist den Pixeln erster Art 31, den Pixeln zweiter Art 32 und den Infrarotpixeln 4 jeweils ein erstes Strahlungskonversionselement 81, ein zweites Strahlungskonversionselement 82 beziehungsweise ein drittes Strahlungskonversionselement 83 zugeordnet. Das erste Strahlungskonversionselement 81 und das zweite Strahlungskonversionselement 82 können wie im Zusammenhang mit 5 beschrieben ausgebildet sein.

Das dritte Strahlungskonversionselement 83 ist dafür vorgesehen, im aktiven Bereich 90 erzeugte Primärstrahlung in Sekundärstrahlung im infraroten Spektralbereich umzuwandeln, insbesondere vollständig.

Für die Strahlungskonversion eignet sich beispielsweise auch ein Prozess, der unter Anregung durch kurzwellige Strahlung, beispielsweise Strahlung im blauen Spektralbereich, ein Photon im blauen Spektralbereich in zwei Photonen im infraroten Spektralbereich umwandelt. Dieser physikalische Effekt wird auch als „Photon Cutting“ bezeichnet. Alternativ eignen sich beispielsweise Quantenpunkte, die Strahlung im blauen oder ultravioletten Spektralbereich absorbieren und Strahlung im infraroten Spektralbereich emittieren.

Das in 9 beschriebene Ausführungsbeispiel für ein Halbleiterbauelement 2 entspricht im Wesentlichen dem im Zusammenhang mit 8 beschriebenen Ausführungsbeispiel. Im Unterschied hierzu erstreckt sich über dem Halbleiterchip 7 ein gemeinsames erstes Strahlungskonversionselement 81. Der Halbleiterchip 7 bildet eine Mehrzahl von gleichartigen Pixeln, beispielsweise eine Mehrzahl von Pixeln erster Art 31. Selbstverständlich kann ein derartiges gemeinsames Strahlungskonversionselement für die Bildung gleichartiger Pixel auch bei dem im Zusammenhang mit 8 beschriebenen Ausführungsbeispiel Anwendung finden.

Weiterhin ist die Halbleiterschichtenfolge 9 in dem in 9 dargestellten Ausführungsbeispiel zwischen benachbarten Pixeln erster Art 31 nicht durchtrennt. Die räumliche Trennung zwischen benachbarten Pixeln ergibt sich dadurch im Wesentlichen durch die begrenzte laterale Stromaufweitung bei der elektrischen Kontaktierung der einzelnen Pixel. In dem gezeigten Ausführungsbeispiel bestimmt die räumliche Ausdehnung des elektrischen Anschlusses zur zweiten Halbleiterschicht 92 die laterale Ausdehnung der Strahlungsemission eines Pixels erster Art 31.

Analog können die Pixel zweiter Art 32 und/oder die Infrarotpixel 4 durch einen derartigen Halbleiterchip gebildet sein.

Dadurch ergeben sich fließende Übergänge zwischen den einzelnen Pixeln erster Art 31. Bei der Verwendung einer derartigen Beleuchtungseinrichtung als segmentiertes Blitzlicht ist so die Gefahr verringert, dass zwischen unterschiedlich stark zu beleuchtenden Teilbereichen des Sichtfelds zu scharfe Übergänge zwischen solchen Teilbereichen auftreten, was unter einer derartigen Beleuchtung aufgenommene Bilder unnatürlich wirken lassen könnte.

Weitere Ausgestaltungen für Halbleiterchips mit einzeln ansteuerbaren Pixeln sind im US Patent 9,362,335 sowie im US Patent 9,192,021 im Zusammenhang mit einem adaptiven Frontscheinwerfer und einer Projektionsanzeige beschrieben. Der gesamte Offenbarungsgehalt dieser Druckschriften wird hiermit durch Rückbezug in die vorliegende Anmeldung aufgenommen. Es hat sich gezeigt, dass die grundsätzliche Art der Ausgestaltung und elektrischen Kontaktierung einzelner Pixel in einem gemeinsamen Halbleiterchip für eine Beleuchtungseinrichtung zum Einsatz in einem Blitzlicht geeignet ist.

Weitere Ausgestaltungen für Halbleiterchips mit einzeln ansteuerbaren Emissionsbereichen sind in dem Dokument US 2013/0249396 im Zusammenhang mit einer Signalleuchte, beispielsweise als Lichtquelle in einem Kfz-Scheinwerfer, beschrieben. Der gesamte Offenbarungsgehalt dieser Druckschrift wird hiermit durch Rückbezug in die vorliegende Anmeldung aufgenommen.

Die 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 den Ausführungsbeispielen angegeben ist.

Bezugszeichenliste

1
Beleuchtungseinrichtung
10
Sichtfeld
15
Teilbereich
2
Halbleiterbauelement
20
gemeinsame Matrixanordnung
21
erste Matrixanordnung
22
zweite Matrixanordnung
23
dritte Matrixanordnung
28
Randbereich
29
Mittenbereich
31
erster Pixel
32
zweiter Pixel
4
Infrarotpixel
5
optisches Element
51
Segment
6
Ansteuerschaltung
60
Schalter
61
Anschluss
62
Gegenanschluss
65
Zwischenträger
66
Durchkontaktierung
67
Zuleitung
7
Halbleiterchip
71
erster Halbleiterchip
72
zweiter Halbleiterchip
73
dritter Halbleiterchip
711
Kontakt
712
Gegenkontakt
721
Kontakt
722
Gegenkontakt
731
Kontakt
732
Gegenkontakt
81
erstes Strahlungskonversionselement
82
zweites Strahlungskonversionselement
83
drittes Strahlungskonversionselement
9
Halbleiterschichtenfolge
90
aktiver Bereich
91
erste Halbleiterschicht
92
zweite Halbleiterschicht
95
Ausnehmung
97
Träger
99
Zwischenraum
100
Gerät
101
Öffnung
102
Strahlungsempfänger
103
weiterer Strahlungsempfänger
110
Steuerung
120
Auswerteeinheit
130
Strahlungsempfänger
140
Person
150
Gehäuse

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG

Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.

Zitierte Patentliteratur

  • DE 102016124871 [0060]
  • DE 102016124866 [0060]
  • US 9362335 [0112]
  • US 9192021 [0112]
  • US 2013/0249396 [0113]