DE102004004772B4 - Electromagnetic radiation directing optical element and electromagnetic radiation emitting device - Google Patents

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Abstract

Elektromagnetische Strahlung richtendes optisches Element, das teilweise aus einem strahlungsdurchlässigen Grundmaterial gebildet ist, wobei das Grundmaterial einen ersten Brechungsindex aufweist, das optische Element mindestens einen Innenbereich mit einem strahlungsdurchlässigen Innenmedium aufweist, wobei das Innenmedium einen von dem ersten Brechungsindex unterschiedlichen zweiten Brechungsindex aufweist und der Innenbereich von mindestens einem Grundkörper aus dem Grundmaterial vollständig eingehüllt ist, zum internen Umlenken zumindest eines Teils einer in das optische Element eingekoppelten elektromagnetischen Strahlung, wobei das optische Element eine Außenwand aufweist, die sich von einer Strahleneintrittsseite zu einer Strahlenaustrittsseite erstreckt, wobei der zweite Brechungsindex sowie eine Form des Innenbereichs derart ausgebildet und aufeinander abgestimmt sind, dass zumindest ein Teil einer auf der Strahleneintrittsseite in das optische Element eingekoppelten Strahlung durch das Innenmedium in Richtung der Außenwand gelenkt wird.electromagnetic Radiation directing optical element partially made of a radiolucent Base material is formed, wherein the base material is a first Refractive index, the optical element at least one inner region with a radiolucent Internal medium, wherein the internal medium one of the first Refractive index has different second refractive index and the interior of at least one body of the base material Completely shrouded is, for the internal deflection of at least a part of a in the optical element coupled electromagnetic radiation, wherein the optical Element an outer wall which extends from a radiation entrance side to a radiation exit side extends, wherein the second refractive index and a shape of the inner region are designed and matched to one another such that at least a part of one on the beam entrance side into the optical element coupled radiation through the internal medium in the direction of the outer wall is steered.

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Figure 00000001

Description

Die Erfindung betrifft ein elektromagnetische Strahlung richtendes optisches Element. Weiterhin bezieht sich die Erfindung auf ein elektromagnetische Strahlung emittierendes Bauelement mit einer Strahlungsquelle.The The invention relates to an electromagnetic radiation directing optical Element. Furthermore, the invention relates to an electromagnetic Radiation emitting device with a radiation source.

Als derartige optische Elemente sind z. B. Sammel- und Streulinsen sowie auf einer Ausnutzung von Totalreflexion basierende optische Elemente wie z. B. Umlenkungsprismen bekannt. Bei derartigen optischen Elementen kann eine zusätzliche Umlenkung von elektromagnetischer Strahlung z. B. durch eine entsprechende Strukturierung einer Strahleneintrittsfläche erreicht werden.When Such optical elements are z. B. collecting and scattering lenses and optical elements based on utilization of total reflection such as B. deflection prisms known. In such optical elements can be an additional redirection of electromagnetic radiation z. B. by an appropriate Structuring a radiation entrance surface can be achieved.

Beispielsweise ist in der Druckschrift US 2002/0080615 A1 ein LED Modul mit einer rotationssymmetrischen Linse beschrieben, die eine Ausnehmung aufweist, in welcher eine LED angeordnet ist. Zwischen der LED und der Linse ist ein Hohlraum ausgebildet.For example, in the document US 2002/0080615 A1 describes an LED module with a rotationally symmetrical lens having a recess in which an LED is arranged. Between the LED and the lens, a cavity is formed.

Es gibt Anwendungen, die eine Strukturierung einer Strahleneintrittsfläche nicht zulassen oder weitestgehend unwirksam werden lassen. Dies ist beispielsweise der Fall, wenn die Strahleneintrittsfläche durch ein Material mit einem geeigneten Brechungsindex optisch an eine Strahlungsquelle, wie beispielsweise eine Leuchtdiode oder ein Leuchtdioden-Bauelement angekoppelt wird.It There are applications that do not structuring a radiation entrance surface allow or be largely ineffective. This is for example the case when the radiation entrance surface through a material with a suitable refractive index optically to a radiation source, such as a light emitting diode or a light emitting diode device is coupled.

Eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist, ein optisches Element bereitzustellen, mit dem eine für viele Anwendungen verbesserte Art der Umlenkung von elektromagnetischer Strahlung möglich ist. Eine weitere Aufgabe ist die Bereitstellung eines optischen Elementes, das, verglichen mit herkömmlichen optischen Elementen, bei einer verringerten Baugröße vergleichbare optische Eigenschaften oder bei einer vergleichbaren Baugröße verbesserte strahlenformende Eigenschaften aufweist. Weiterhin soll ein elektromagnetische Strahlung emittierendes Bauelement mit einem derartigen optischen Element geschaffen werden.A The object of the present invention is to provide an optical element with one for many applications improved type of deflection of electromagnetic Radiation possible is. Another object is to provide an optical Element that, compared to conventional optical elements, comparable at a reduced size optical properties or with a comparable size improved radiating Features. Furthermore, an electromagnetic radiation emitting device provided with such an optical element become.

Diese Aufgaben werden durch ein optisches Element gemäß Anspruch 1 bzw. durch ein Bauelement gemäß Anspruch 16 gelöst. Vorteilhafte Ausführungsformen und bevorzugte Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand der abhängigen Patentansprüche.These Tasks are by an optical element according to claim 1 or by a Component according to claim 16 solved. Advantageous embodiments and preferred embodiments of the invention are the subject of dependent Claims.

Erfindungsgemäß ist das optische Element der eingangs genannten Art teilweise aus einem strahlungsdurchlässigen Grundmaterial gebildet, wobei das Grundmaterial einen ersten Brechungsindex aufweist. Das optische Element weist mindestens einen Innenbereich mit einem strahlungsdurchlässigen Innenmedium auf, wobei das Innenmedium einen von dem ersten Brechungsindex unterschiedlichen zweiten Brechungsindex aufweist und der Innenbereich von mindestens einem Grundkörper aus dem Grundmaterial vollständig eingehüllt ist, zum internen Umlenken zumindest eines Teils einer in das optische Element eingekoppelten elektromagnetischen Strahlung, wobei das optische Element eine Außenwand aufweist, die sich von einer Strahleneintrittsseite zu einer Strahlenaustrittsseite erstreckt, wobei der zweite Brechungsindex sowie eine Form des Innenbereichs derart ausgebildet und aufeinander abgestimmt sind, dass zumindest ein Teil einer auf der Strahleneintrittsseite in das optische Element eingekoppelten Strahlung durch das Innenmedium in Richtung der Außenwand gelenkt wird.This is according to the invention optical element of the type mentioned in part from a radiation-transparent base material formed, wherein the base material has a first refractive index. The optical element has at least one interior region with a radiation-permeable internal medium wherein the inner medium has a second one different from the first refractive index Refractive index and the interior of at least one body from the base material completely shrouded is, for the internal deflection of at least a part of a in the optical element coupled electromagnetic radiation, wherein the optical Element has an outer wall, extending from a beam entrance side to a beam exit side extends, wherein the second refractive index and a shape of the inner region are designed and matched to one another such that at least a part of one on the beam entrance side into the optical element coupled radiation through the internal medium in the direction of the outer wall is steered.

Durch das Innenmedium weist das optische Element neben den äußeren Grenzflächen im Inneren zusätzliche Grenzflächen auf, an denen ein Brechungsindexsprung stattfindet, so dass elektromagnetische Strahlung durch die Form des Innenbereiches effektiv intern umgelenkt werden kann. Dadurch lassen sich z. B. gewisse richtende Eigenschaften eines optischen Elementes auf engerem Raum als bei herkömmlichen optischen Elementen realisieren.By the inner medium has the optical element adjacent to the outer interfaces in Inner additional interfaces on, where a refractive index jump takes place, so that electromagnetic Radiation effectively deflected internally by the shape of the interior can be. This can be z. B. certain judging properties an optical element in a narrower space than in conventional realize optical elements.

Die Außenwand des optischen Elements weist insbesondere eine derartige Form auf, dass ein Teil einer auf der Strahleneintrittsseite in das optische Element eingekoppelten Strahlung mittels Totalreflexion an der Außenwand in Richtung Strahlenaustrittsseite gelenkt wird. Dadurch kann eine Umlenkung durch das Innenmedium vorteilhafterweise mit einer Umlenkung an der Außenwand kombiniert werden, wodurch sich verbesserte richtende Eigenschaften erzielen lassen.The outer wall of the optical element has in particular such a shape, that part of one on the beam entrance side into the optical element coupled radiation by total reflection on the outer wall is directed in the direction of the radiation exit side. This can be a Deflection by the internal medium advantageously with a deflection on the outside wall combined, resulting in improved straightening properties achieve.

Zweckmäßigerweise weist das optische Element auf der Strahleneintrittsseite eine Strahleneintrittsfläche und auf der Strahlenaustrittsseite eine Strahlenaustrittsfläche auf, wobei die Strahleneintrittsfläche in einer bevorzugten Ausführungsform kleiner ist als die Strahlenaustrittsfläche.Conveniently, the optical element has on the radiation entrance side a radiation entrance surface and on the radiation exit side on a radiation exit surface, wherein the radiation entrance surface smaller in a preferred embodiment is as the radiation exit surface.

Insbesondere ein derart ausgestaltetes optisches Element weist bevorzugt die Eigenschaft auf, eine Divergenz, die einer elektromagnetischen Strahlung zugeordnet ist, zu verringern.Especially such a configured optical element preferably has the Feature on, a divergence, that of electromagnetic radiation is assigned to decrease.

Mit Vorteil sind die Strahleneintrittsfläche und die Strahlenaustrittsfläche jeweils einer Haupterstreckungsebene zugeordnet, wobei die Haupterstreckungsebenen parallel zueinander sind, oder sind die Strahleneintrittsfläche und die Strahlenaustrittsfläche zumindest teilweise parallel zueinander.With Advantage are the radiation entrance surface and the radiation exit surface respectively associated with a main extension plane, the main extension planes are parallel to each other, or are the radiation entrance surface and the radiation exit surface at least partly parallel to each other.

Die Strahlenaustrittsfläche weist bevorzugt eine Strukturierung zum Umlenken von aus dem optischen Element austretender elektromagnetischer Strahlung auf.The beam exit surface preferably has a structuring for deflecting electromagnetic radiation emerging from the optical element Radiation on.

Die Außenwand des optischen Elementes ist besonders bevorzugt zumindest teilweise paraboloidartig gekrümmt.The outer wall the optical element is particularly preferably at least partially curved paraboloid-like.

Zur Erzielung einer besonders effektiven Umlenkung durch das Innenmedium weist der Übergang von dem Grundmaterial zu dem Innenmedium besonders bevorzugt einen Brechungsindexsprung von mindestens 0,2 auf.to Achieving a particularly effective deflection by the internal medium indicates the transition from the base material to the inner medium, more preferably one Refractive index jump of at least 0.2.

Der zweite Brechungsindex des Innenmediums ist in einer vorteilhaften Ausführungsform kleiner als der erste Brechungsindex des Grundmaterials.Of the second refractive index of the inner medium is in an advantageous embodiment smaller than the first refractive index of the base material.

Mit den vorangehend genannten vorteilhaften und bevorzugten Merkmalen für das optische Element lassen sich insbesondere geringe Bauhöhen mit einer gleichzeitig guten Kollimierung erreichen. Unter einer „guten Kollimierung" ist in diesem Zusammenhang die Eigenschaft eines optischen Elementes zu verstehen, eine Divergenz eines Strahlenbündels signifikant zu verringern.With the aforementioned advantageous and preferred features for the optical element can be particularly low building heights achieve a good collimation at the same time. Under a "good Collimation "is in this context the property of an optical element understand to significantly reduce a divergence of a beam.

In einer besonders vorteilhaften Ausführungsform weist das optische Element mindestens zwei aus dem Grundmaterial gebildete Körper auf, von denen der Innenbereich eingehüllt ist. Der Innenbereich ist insbesondere von den Körpern umschlossen. Durch die mindestens zwei Körper aus dem Grundmaterial kann das optische Element auf einfache Weise hergestellt werden, indem das Innenmedium durch Zusammenfügen der Körper von diesen umhüllt wird.In a particularly advantageous embodiment, the optical Element at least two formed from the base material body, from which encased the interior is. The interior is enclosed in particular by the bodies. By the at least two bodies From the base material, the optical element in a simple manner be prepared by the internal medium by joining the body enveloped by these becomes.

Alternativ weist das optische Element bevorzugt einen einzigen aus dem Grundmaterial gebildeten Körper auf, von dem der Innenbereich eingehüllt ist, so dass der Innenbereich sich insbesondere im Inneren des Körpers befindet und von dem Körper umschlossen ist.alternative For example, the optical element preferably has a single one of the base material formed body on which the interior is wrapped, leaving the interior area is located in particular inside the body and of the Body enclosed is.

Zweckmäßigerweise weist das Grundmaterial Polycarbonat, Polymethylmethacrylat oder Glas auf.Conveniently, has the base material polycarbonate, polymethylmethacrylate or Glass on.

Wie bereits erwähnt wurde, sind der zweite Brechungsindex sowie eine Form des Innenbereichs bevorzugt derart ausgebildet und aufeinander abgestimmt, dass zumindest ein Teil einer auf der Strahleneintrittsseite in das optische Element eingekoppelten Strahlung durch das Innenmedium in Richtung Außenwand gelenkt wird. Besonders bevorzugt ist diese Abstimmung und Ausbildung des zweiten Brechungsindex und der Form des Innenbereiches derart, dass zumindest ein Teil der auf der Strahleneintrittsseite in das optische Element eingekoppelten und durch das Innenmedium in Richtung Außenwand gelenkten Strahlung an der Außenwand mittels Totalreflexion in Richtung Strahlenaustrittsseite gelenkt wird.As already mentioned was the second refractive index and a shape of the inner region are preferred designed and coordinated so that at least one Part of one on the beam entrance side into the optical element coupled radiation through the inner medium in the direction of the outer wall is steered. Particularly preferred is this coordination and training the second refractive index and the shape of the inner area such that at least a part of the on the radiation entrance side into the optical element coupled and through the internal medium in the direction Exterior wall steered Radiation on the outside wall is directed by total reflection in the direction of the beam exit side.

Zusätzlich oder alternativ sind der zweite Brechungsindex und eine Form des Innenbereichs mit besonderem Vorteil derart ausgebildet und aufeinander abgestimmt, dass zumindest ein Teil einer durch die Strahleneintrittsseite in das optische Element eingekoppelten Strahlung durch das Innenmedium derart in Richtung Strahlenaustrittsseite gelenkt wird, dass ihr Ausfallswinkel auf der Strahlenaustrittsseite geringer ist als ihr Einfallswinkel auf der Strahleneintrittsseite. Der Einfalls- bzw. der Ausfallswinkel werden gegen eine Hauptein- bzw. Hauptabstrahlrichtung des optischen Elementes gemessen.Additionally or Alternatively, the second refractive index and a shape of the inner area with particular advantage designed and coordinated with each other, that at least a part of a through the beam entrance side in the optical element coupled radiation through the internal medium is directed in the direction of the radiation exit side that you Failure angle on the beam exit side is less than her Angle of incidence on the beam entrance side. The incidence or the angle of reflection are against a main input or main emission direction of the optical Element measured.

Bei einem Bauelement der eingangs genannten Art ist der Strahlungsquelle erfindungsgemäß in einer Abstrahlrichtung ein optisches Element gemäß der Erfindung nachgeordnet.at a component of the type mentioned is the radiation source according to the invention in one Radiation downstream of an optical element according to the invention.

Bevorzugt ist die Strahlungsquelle des Bauelements eine elektromagnetische Strahlung emittierende Diode (Lumineszenzdiode). Durch die Verwendung eines erfindungsgemäßen optischen Elementes in einem Bauelement kann eine Verkleinerung des Bauelementes erreicht werden, was insbesondere oft bei Bauelementen mit Lumineszenzdioden angestrebt ist.Prefers is the radiation source of the device an electromagnetic Radiation emitting diode (light emitting diode). By use an optical according to the invention Element in a component can be a reduction of the component be achieved, which is often the case with components with light-emitting diodes is sought.

Das optische Element ist besonders bevorzugt einer Fläche des Bauelementes in einer Abstrahlrichtung der Strahlungsquelle nachgeordnet, wobei in einem Spalt zwischen der Fläche und dem optischen Element ein Material angeordnet ist, mittels dem ein die Fläche bildendes Material optisch an das optische Element angekoppelt ist. Dies hat den Vorteil, dass Brechungsindexsprünge und damit verbundene Reflexionsverluste in einem Strahlengang des Bauelementes vermindert werden können.The optical element is particularly preferably a surface of the Subordinate element in a radiation direction of the radiation source, wherein in a gap between the surface and the optical element, a material is arranged by means of a the area forming material is optically coupled to the optical element. This has the advantage that refractive index jumps and associated reflection losses can be reduced in a beam path of the device.

In einer vorteilhaften Ausführungsform des Bauelementes ist die Fläche eine Strahlenaustrittsfläche oder eine Strahleneintrittsfläche eines optischen Wellenleiters.In an advantageous embodiment of the component is the surface a radiation exit surface or a radiation entrance surface an optical waveguide.

Weitere Merkmale, Vorteile und Zweckmäßigkeiten der Erfindung ergeben sich aus den im folgenden in Verbindung mit den 1 bis 3 beschriebenen Ausführungsbeispielen. Es zeigen:Other features, advantages and advantages of the invention will become apparent from the following in connection with the 1 to 3 described embodiments. Show it:

1 eine schematische Schnittansicht eines ersten Ausführungsbeispiels des Bauelementes, 1 a schematic sectional view of a first embodiment of the device,

2 eine schematische Schnittansicht eines zweiten Ausführungsbeispiels des Bauelementes und 2 a schematic sectional view of a second embodiment of the device and

3 einen schematischen Strahlengang von elektromagnetischer Strahlung durch ein optisches Element der in 1 und 2 dargestellten Bauelemente in einer Schnittansicht. 3 a schematic beam path of electromagnetic radiation through an opti nice element of in 1 and 2 shown components in a sectional view.

In den Ausführungsbeispielen und Figuren sind gleiche oder gleich wirkende Bestandteile jeweils mit den gleichen Bezugszeichen versehen. Die dargestellten Elemente der Figuren sind nicht als maßstabsgerecht anzusehen. Vielmehr können sie zum besseren Verständnis teilweise übertrieben groß dargestellt sein.In the embodiments and figures are the same or equivalent components respectively provided with the same reference numerals. The illustrated elements The figures are not to scale to watch. Rather, you can for a better understanding partially exaggerated shown big be.

Das in 1 dargestellte Bauelement weist eine Strahlungsquelle in Form eines Leuchtdiodenchips 12 auf. Der Leuchtdiodenchip 12 ist derart in ein Gehäuse 11 montiert, dass elektrische Anschlussseiten von ihm elektrisch leitend mit Gehäuseanschlussleitungen 13, 14 des Gehäuses 11 verbunden sind. Zudem ist der Leuchtdiodenchip 12 mit einer Vergussmasse 15 vergossen, deren von dem Gehäuse abgewandte Außenfläche eine Strahlenaustrittsfläche 16 des Gehäuses 11 bildet, über die bei Betrieb des Leuchtdiodenchips 12 erzeugte elektromagnetische Strahlung aus dem Gehäuse 11 ausgekoppelt wird.This in 1 The component shown has a radiation source in the form of a light-emitting diode chip 12 on. The LED chip 12 is so in a housing 11 mounted that electrical connection sides of it electrically conductive with housing connection cables 13 . 14 of the housing 11 are connected. In addition, the LED chip is 12 with a potting compound 15 potted, facing away from the housing outer surface a radiation exit surface 16 of the housing 11 forms, over during operation of the LED chip 12 generated electromagnetic radiation from the housing 11 is decoupled.

Derartige Leuchtdiodenstrahlenquellen 10 sind dem Fachmann bekannt und werden von daher an dieser Stelle nicht weitergehend beschrieben.Such light emitting diode sources 10 are known to the person skilled in the art and are therefore not described further here.

Der Leuchtdiodenstrahlenquelle 10 ist auf Seite der Strahlenaustrittsfläche 16 ein optisches Element 1 nachgeordnet. Zwischen einer Strahleneintrittsfläche 2 des optischen Elementes 1 und der Strahlenaustrittsfläche 16 der Leuchtdiodenstrahlenquelle 10 ist eine Materialschicht 20 angeordnet, mittels der das optische Element 1 optisch an die Leuchtdiodenstrahlenquelle 10 angekoppelt ist. Die Materialschicht 20 besteht dazu aus einem strahlungsdurchlässigen Material mit einem Brechungsindex, der an den Brechungsindex der Vergussmasse 15 und eines angrenzenden Grundmaterials des optischen Elementes 1 angepasst ist. Mit anderen Worten liegt der Brechungsindex der Materialschicht zwischen dem des Grundmaterials und dem der Vergussmasse 15, im Grenzfall ist er ungefähr gleich einem dieser Brechungsindizes.The light emitting diode source 10 is on the side of the radiation exit surface 16 an optical element 1 downstream. Between a radiation entrance surface 2 of the optical element 1 and the radiation exit surface 16 the LED radiation source 10 is a layer of material 20 arranged, by means of which the optical element 1 optically to the light emitting diode source 10 is coupled. The material layer 20 consists of a radiation-transmissive material with a refractive index that matches the refractive index of the potting compound 15 and an adjacent base material of the optical element 1 is adjusted. In other words, the refractive index of the material layer is between that of the base material and that of the potting compound 15 In the limit, it is approximately equal to one of these refractive indices.

Das optische Element 1 weist einen einzigen Körper 6 aus dem Grundmaterial auf, das einen ersten Brechungsindex aufweist. Von diesem Grundkörper 6 ist ein Innenbereich 5 umschlossen, der die Form einer Streulinse aufweist und mit einem Innenmedium gefüllt ist. Das Innenmedium weist einen zweiten Brechungsindex auf, der von dem ersten Brechungsindex des Grundmaterials verschieden und beispielsweise kleiner ist als der erste Brechungsindex.The optical element 1 has a single body 6 from the base material having a first refractive index. From this basic body 6 is an interior area 5 enclosed, which has the shape of a scattering lens and is filled with an internal medium. The inner medium has a second refractive index, which is different from the first refractive index of the base material and, for example, smaller than the first refractive index.

Das Grundmaterial ist für eine von der Leuchtdiodenstrahlenquelle 10 emittierte Strahlung durchlässig und enthält beispielsweise Polycarbonat, Polymethylmethacrylat oder Glas oder besteht aus einem dieser Materialien. Es besteht z. B. aus einem Polycarbonat, das einen Brechungsindex von ca. 1,5 aufweist und somit ungefähr gleich dem Brechungsindex der Vergussmasse 15 ist.The base material is for one of the light emitting diode source 10 emitted radiation permeable and contains, for example, polycarbonate, polymethylmethacrylate or glass or consists of one of these materials. There is z. Example of a polycarbonate having a refractive index of about 1.5 and thus approximately equal to the refractive index of the potting compound 15 is.

Das Innenmedium kann gasförmig, flüssig oder fest sein und ist ebenfalls für eine von der Leuchtdiodenstrahlenquelle 10 ausgesandte elektromagnetische Strahlung durchlässig. Es besteht z. B. aus Luft, das einen Brechungsindex von etwa 1 aufweist und somit signifikant kleiner ist als der Brechugsindex des Grundmaterials. Alternativ ist z. B. auch die Verwendung von Wasser als Innenmedium mit einem Brechungsindex von etwa 1,3 möglich. In beiden Fällen beträgt der Brechungsindexsprung im Inneren des optischen Elementes mindestens etwa 0,2.The internal medium may be gaseous, liquid or solid and is also for one of the light emitting diode source 10 transmitted electromagnetic radiation permeable. There is z. B. from air, which has a refractive index of about 1 and thus significantly smaller than the refractive index of the base material. Alternatively, z. As well as the use of water as an internal medium with a refractive index of about 1.3 possible. In both cases, the refractive index jump in the interior of the optical element is at least about 0.2.

Der Innenbereich 5 kann von dem Grundkörper 6 luftdicht umschlossen sein. Alternativ kann der Grundkörper jedoch auch z. B. eine Öffnung zu dem Innenbereich 5 aufweisen, die von außen verschließbar ist. Für den Fall eines gasförmigen oder flüssigen Innenmediums könnte dieses mittels der Öffnung ausgetauscht werden, etwa um den Brechungsindex des Innenmediums zu ändern und somit die richtenden Eigenschaften des optischen Elementes 1 wunschgemäß für eine vorgesehene Anwendung anzupassen.The interior 5 can from the main body 6 be enclosed airtight. Alternatively, however, the main body z. B. an opening to the interior 5 have, which is closable from the outside. In the case of a gaseous or liquid inner medium, this could be exchanged by means of the opening, for example to change the refractive index of the inner medium and thus the directing properties of the optical element 1 to adapt as desired for a given application.

Das optische Element 1 weist auf der der Strahleneintrittsfläche 2 gegenüberliegenden Seite eine Strahlenaustrittsflä che 3 auf. Von der Strahleneintrittsfläche 2 zu der Strahlenaustrittsfläche 3 erstreckt sich eine Außenwand 4, die bei dem in 1 dargestellten Ausführungsbeispiel die Strahleneintritts- und die Strahlenaustrittsfläche 2, 3 miteinander verbindet.The optical element 1 points to the radiation entrance surface 2 opposite side of a Strahlenaustrittsflä surface 3 on. From the radiation entrance surface 2 to the radiation exit surface 3 extends an outer wall 4 which at the in 1 illustrated embodiment, the Strahleneintritts- and the radiation exit surface 2 . 3 connects with each other.

Das optische Element kann beispielsweise hergestellt werden, indem ein festes Innenmedium, wie z. B. ein Glas, in die gewünschte Form eines Innenbereiches gebracht und nachfolgend mit einem Grundmaterial umformt wird, um den Grundkörper 6 zu bilden. Das Umformen erfolgt z. B. mittels einem Spritzprozess wie etwa Spritzgießen, Spritzpressgießen oder Spritzpressen, wobei ein solches Herstellungsverfahren mehrere Spritzschritte umfassen kann.The optical element can be prepared, for example, by a solid internal medium, such as. As a glass, brought into the desired shape of an inner region and subsequently formed with a base material to the main body 6 to build. The forming takes place z. Example by means of an injection process such as injection molding, transfer molding or transfer molding, wherein such a manufacturing process may include several injection steps.

Alternativ ist es z. B. auch möglich, dass zunächst der Grundkörper 6 mit dem Innenbereich 5 ausgebildet wird, wobei der Grundkörper 6 eine Öffnung aufweist, die den Innenbereich 5 mit einem Bereich außerhalb des optischen Elementes verbindet. Nachfolgend wird durch die Öffnung ein Innenmedium in den Innenbereich 5 gefüllt, das gasförmig, flüssig oder fest sein kann. Für den Fall, dass ein flüssiges Innenmedium eingefüllt wird, ist z. B. auch möglich, dass dieses nach dem Einfüllen in den Innenbereich 5 aushärtet. Nachfolgend kann die Öffnung von außen, beispielsweise luftdicht, verschlossen werden.Alternatively, it is z. B. also possible that initially the body 6 with the interior 5 is formed, wherein the main body 6 has an opening that covers the interior 5 connects with an area outside the optical element. Subsequently, through the opening an internal medium in the interior 5 filled, which may be gaseous, liquid or solid. In the event that a liquid ges internal medium is filled, z. B. also possible that this after filling in the interior 5 cures. Subsequently, the opening from the outside, for example, airtight, be closed.

Das in 1 dargestellte optische Element ist geeignet, eine Divergenz einer elektromagnetischen Strahlung effektiv zu verringern. Dies wird zum einen durch die paraboloidartig gekrümmte Außenwand 4 erreicht, wobei die Außenwand zwei Bereiche mit unterschiedlich starker Krümmung aufweist. D. h. ein unterer Teil der Außenwand 4, der an die Strahleneintrittsfläche 2 angrenzt, weist eine stärkere Krümmung auf, als ein oberer Teil der Außenwand 4, der an die Strahlenaustrittsfläche 3 angrenzt. Zum anderen wird die Verringerung der Divergenz durch die Form des Innenbereiches und den Brechungsindes des Innenmediums erreicht.This in 1 The illustrated optical element is capable of effectively reducing a divergence of electromagnetic radiation. This is on the one hand by the paraboloidal curved outer wall 4 achieved, wherein the outer wall has two areas with different curvature. Ie. a lower part of the outer wall 4 , to the radiation entrance surface 2 adjacent, has a greater curvature than an upper part of the outer wall 4 which is at the beam exit surface 3 borders. On the other hand, the reduction of the divergence is achieved by the shape of the inner region and the refractive index of the inner medium.

Wie in 3 dargestellt, gibt es im wesentlichen drei prinzipielle Arten für einen Strahlengang von elektromagnetischer Strahlung innerhalb des optischen Elementes 1. Die elektromagnetischen Strahlen sind durch vereinzelte Linien symbolisiert und elektromagnetische Strahlen, die einen gleichartigen Strahlengang aufweisen, sind als mit den Bezugszeichen 41, 42 und 43 versehene Strahlenbündel jeweils zusammengefasst.As in 3 As shown, there are essentially three principal types for a beam path of electromagnetic radiation within the optical element 1 , The electromagnetic beams are symbolized by scattered lines and electromagnetic beams having a similar beam path are denoted by the reference numerals 41 . 42 and 43 provided bundles of rays in each case.

Welche Art von Strahlengang ein elektromagnetischer Strahl innerhalb des optischen Elementes 1 durchläuft, hängt im wesentlichen von dessen Einfallswinkel in das optische Element 1 hinein ab. Wie im allgemeinen Teil der beschreibung bereits erläutert, werden der Einfalls- bzw. der Ausfallswinkel gegen eine Hauptein- bzw. Hauptabstrahlrichtung des optischen Elementes gemessen. Im Falle des Ausführungsbeispieles ist sowohl die Hauptein- als auch die Hauptabstrahlrichtung senkrecht zu der haupterstreckungsebene der Strahlenein- und der Strahlenaustrittsfläche.Which type of beam path is an electromagnetic beam within the optical element 1 passes substantially depends on its angle of incidence in the optical element 1 into it. As already explained in the general part of the description, the angle of incidence or the angle of reflection are measured against a main input or main emission direction of the optical element. In the case of the exemplary embodiment, both the main input direction and the main emission direction are perpendicular to the main extension plane of the radiation inlet and the radiation exit surface.

Elektromagnetische Strahlen eines ersten Strahlenkegels 41, d. h. elektromagnetische Strahlen mit großem Einfallswinkel, treffen direkt auf die Außenwand 4, vor allem auf den unteren Teil der Außenwand 4. An der Außenwand 4 werden diese Strahlen mittels Totalreflexion in Richtung der Strahlenaustritts fläche 3 umgelenkt. Durch die paraboloidartige Krümmung der Außenwand 4 weisen diese Strahlen im wesentlichen einen geringeren Ausfallswinkel als Einfallswinkel auf.Electromagnetic rays of a first cone of rays 41 , ie electromagnetic beams with a large angle of incidence, hit directly on the outer wall 4 , especially on the lower part of the outer wall 4 , On the outside wall 4 These rays are surface by total reflection in the direction of the beam exit 3 diverted. Due to the paraboloidal curvature of the outer wall 4 These rays essentially have a smaller angle of incidence than the angle of incidence.

Elektromagnetische Strahlen, die einen geringeren Einfallswinkel als die Strahlen des ersten Strahlenbündels 41 aufweisen, treffen im Inneren des optischen Elementes auf den Innenbereich 5. Durch den Brechungsindexsprung beim Übergang von dem Grundmaterial in das Innenmedium, der beispielsweise 0,4 betragen kann, und die Form des Innenbereiches, werden Strahlen mit mittlerem Einfallswinkel durch das Innenmedium seitlich in Richtung der Außenwand 4 gelenkt. Diese Strahlen gehören zu einem zweiten Strahlenbündel 42.Electromagnetic rays that have a lower angle of incidence than the rays of the first beam 41 have, meet in the interior of the optical element on the interior 5 , By the refractive index jump in the transition from the base material into the inner medium, which may be, for example, 0.4, and the shape of the inner region, rays with an average angle of incidence through the inner medium laterally toward the outer wall 4 directed. These rays belong to a second ray bundle 42 ,

Strahlen des zweiten Strahlenbündels 42 treffen im wesentlichen auf den oberen Teil der Außenwand 4 auf und werden dort mittels Totalreflexion in Richtung der Strahlenaustrittsfläche 3 gelenkt. Auch diese Strahlen weisen im wesentlichen einen geringeren Austrittswinkel als Eintrittswinkel auf, was durch die Kombination der Art der Umlenkung in dem Innenbereich 5 und die paraboloidartige Krümmung des oberen Teils der Außenwand erwirkt ist.Rays of the second beam 42 essentially meet the upper part of the outer wall 4 on and are there by total reflection in the direction of the beam exit surface 3 directed. These rays also have a substantially lower exit angle than entry angle, which is due to the combination of the type of deflection in the inner region 5 and the paraboloidal curvature of the upper part of the outer wall is obtained.

Die elektromagnetischen Strahlen eines dritten Strahlenbündels 43 mit einem kleinen Einfallswinkel werden durch den Brechungsindexsprung und die Form des Innenbereiches derart durch das Innenmedium in Richtung der Strahlenaustrittsfläche 3 umgelenkt, dass ihr Ausfallswinkel im wesentlichen ebenfalls geringer ist als ihr Einfallswinkel.The electromagnetic rays of a third beam 43 with a small angle of incidence are by the refractive index jump and the shape of the inner region so through the inner medium in the direction of the beam exit surface 3 deflected that their angle of reflection is also substantially less than their angle of incidence.

Somit wird durch das optische Element 1 eine Divergenz zumindest eines Teils der von der Leuchtdiodenstrahlenquelle 10 emittierten Strahlung effektiv verringert. Um eine vergleichbare Verringerung der Divergenz mit einem herkömmlichen optischen Element zu erreichen, das zwar paraboloidartig gekrümmte Außenflächen, aber keinen mit einem Innenmedium gefüllten Innenbereich 5 aufweist, müsste das herkömmliche optische Element eine deutlich größere Ausdehnung, insbesondere eine deutlich größere Höhe (Abstand zwischen Strahleneintritts- und Strahlenaustrittsfläche) aufweisen. Somit ist mittels der Erfindung eine für viele Anwendungen erstrebenswerte Miniaturisierung von optischen Elementen und Bauelementen möglich.Thus, by the optical element 1 a divergence of at least a portion of the of the light emitting diode source 10 effectively reduces emitted radiation. In order to achieve a comparable reduction in divergence with a conventional optical element, the paraboloidally curved outer surfaces, but not filled with an inner medium interior 5 has, would have the conventional optical element has a significantly greater extent, in particular a significantly greater height (distance between the radiation entrance and exit surface). Thus, by means of the invention, a miniaturization of optical elements and components desirable for many applications is possible.

Das in 2 dargestellte Bauelement weist als einzigen wesentlichen Unterschied zu dem in 1 dargestellten Bauelement ein optisches Element 1 auf, das anstatt einem einzigen Grundkörper 6 einen ersten Grundkörper 61 und einen zweiten Grundkörper 62 aus einem Grundmaterial aufweist.This in 2 shown component has as the only essential difference from the in 1 shown component an optical element 1 instead of a single body 6 a first basic body 61 and a second main body 62 from a base material.

Der erste Grundkörper 61 ist in eine Ausnehmung des zweiten Grundkörpers 62 gesteckt, wobei die zwei Grundkörper 61, 62 derart ausgebildet sind, dass sie im zusammengesteckten Zustand einen Innenbereich 5 einhüllen. Der Innenbereich 5 kann beispielsweise mit Luft als Innenmedium gefüllt sein.The first basic body 61 is in a recess of the second body 62 stuck, the two main body 61 . 62 are formed such that they in the assembled state an interior area 5 wrap. The interior 5 For example, it can be filled with air as the internal medium.

Der erste und der zweite Grundkörper sind beispielsweise mit einem geeigneten strahlungsdurchlässigen Fügemittel, wie etwa Klebstoff, zusammengefügt. Dabei ist insbesondere darauf zu achten, dass das Fügemittel im wesentlichen einen gleichen Brechungsindex aufweist wie das Grundmaterial, aus dem die Grundkörper gebildet sind, um unerwünschte Reflexionen an Grenzflächen zwischen den Grundkörpern und dem Fügemittel zu vermeiden.The first and the second basic body are joined together, for example, with a suitable radiation-permeable joining agent, such as adhesive. It is particularly important to ensure that the joining agent has substantially the same refractive index as the base material, from the basic body are formed in order to avoid unwanted reflections at interfaces between the basic bodies and the joining agent.

Die Strahlenaustrittsfläche 3 des optischen Elementes 1 kann entweder eben ausgebildet sein oder eine Strukturierung zum Umlenken von aus dem optischen Element 1 austretender elektromagnetischer Strahlung aufweisen. Beispielsweise kann eine derartige Strukturierung so geschaffen sein, dass eine Veränderung einer Hauptabstrahlrichtung des optischen Elements 1 verglichen mit einer ebenen Strahlenaustrittsfläche 3 bewirkt wird.The radiation exit surface 3 of the optical element 1 may be either flat or structuring to deflect from the optical element 1 having exiting electromagnetic radiation. For example, such a structuring can be created such that a change in a main emission direction of the optical element 1 compared to a plane radiation exit surface 3 is effected.

Der Schutzumfang der Erfindung ist nicht durch die Beschreibung der Erfindung anhand der Ausführungsbeispiele beschränkt. Beispielsweise können die optischen Elemente 1 auch für einen umgekehrten Strahlengang als Kondensoren verwendet werden, wobei die Strahleneintrittsfläche 2 als Strahlenaustrittsfläche und die Strahlenaustrittsfläche 3 als Strahleneintrittsfläche fungiert.The scope of the invention is not limited by the description of the invention with reference to the embodiments. For example, the optical elements 1 be used for a reverse beam path as condensers, wherein the radiation entrance surface 2 as a radiation exit surface and the radiation exit surface 3 acts as a radiation entrance surface.

Zudem ist es möglich, dass das Innenmedium einen größeren Brechungsindex aufweist als das Grundmaterial und dass der Innenbereich z. B. die Form einer Sammellinse aufweist. In so einem Fall können das Grundmaterial und das Innenmedium z. B. je ein Glas mit unterschiedlichem Brechungsindex aufweisen oder daraus bestehen. Das Glas für das Grundmaterial weist dann z. B. einen Brechungsindex von etwa 1,5 auf und das Glas für das Innenmedium einen Brechungsindex von etwa 1,8 oder 1,9.moreover Is it possible, that the internal medium has a larger refractive index has as the base material and that the interior z. B. the shape a converging lens. In such a case, the base material and the internal medium z. B. each have a glass with different refractive index or consist of. The glass for the base material then has z. B. a refractive index of about 1.5 on and the glass for the internal medium has a refractive index of about 1.8 or 1.9.

Unter die vorliegende Efindung fallen neben dem elektromagnetische Strahlung emittierenden Bauelement auch Bauelemente, die zusätzlich oder alternativ elektromagnetische Strahlung empfangen, etwa um sie zu detektieren. In jedem Fall ist das optische Element bevorzugt in einem Strahlengang der Strahlung im Bauelelement angeordnet.Under the present invention is in addition to electromagnetic radiation emissive component also components that additionally or alternatively receive electromagnetic radiation, such as to detect it. In any case, the optical element is preferably in a beam path arranged the radiation in the component.

Die Erfindung umfasst jedes neue Merkmal sowie jede Kombination von Merkmalen, was insbesondere jede Kombination von Merkmalen in den Patentansprüchen beinhaltet, auch wenn diese Kombination nicht explizit in den Patentansprüchen angegeben ist.The Invention includes any novel feature as well as any combination of Characteristics, in particular any combination of features in the claims includes, even if this combination is not explicitly stated in the claims is.

Claims (19)

Elektromagnetische Strahlung richtendes optisches Element, das teilweise aus einem strahlungsdurchlässigen Grundmaterial gebildet ist, wobei das Grundmaterial einen ersten Brechungsindex aufweist, das optische Element mindestens einen Innenbereich mit einem strahlungsdurchlässigen Innenmedium aufweist, wobei das Innenmedium einen von dem ersten Brechungsindex unterschiedlichen zweiten Brechungsindex aufweist und der Innenbereich von mindestens einem Grundkörper aus dem Grundmaterial vollständig eingehüllt ist, zum internen Umlenken zumindest eines Teils einer in das optische Element eingekoppelten elektromagnetischen Strahlung, wobei das optische Element eine Außenwand aufweist, die sich von einer Strahleneintrittsseite zu einer Strahlenaustrittsseite erstreckt, wobei der zweite Brechungsindex sowie eine Form des Innenbereichs derart ausgebildet und aufeinander abgestimmt sind, dass zumindest ein Teil einer auf der Strahleneintrittsseite in das optische Element eingekoppelten Strahlung durch das Innenmedium in Richtung der Außenwand gelenkt wird.Electromagnetic radiation directing optical Element partially made of a radiolucent base material is formed, wherein the base material has a first refractive index has, the optical element with at least one interior area with a radiation-transmissive Internal medium, wherein the internal medium one of the first Refractive index has different second refractive index and the interior of at least one body of the base material Completely shrouded is, for the internal deflection of at least a part of a in the optical element coupled electromagnetic radiation, wherein the optical Element has an outer wall, extending from a beam entrance side to a beam exit side extends, wherein the second refractive index and a shape of the inner region are designed and matched to one another such that at least a part of one on the beam entrance side into the optical element coupled radiation through the internal medium in the direction of the outer wall is steered. Optisches Element gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Außenwand eine derartige Form aufweist, dass ein Teil einer auf der Strahleneintrittsseite in das optische Element eingekoppelten Strahlung mittels Totalreflexion an der Außenwand in Richtung Strahlenaustrittsseite gelenkt wird.Optical element according to claim 1, characterized that the outer wall has a shape such that a part of one on the radiation entrance side Radiation injected into the optical element by total reflection on the outside wall is directed in the direction of the radiation exit side. Optisches Element gemäß Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass das optische Element auf der Strahleneintrittsseite eine Strahleneintrittsfläche und auf der Strahlenaustrittsseite eine Strahlenaustrittsfläche aufweist.Optical element according to claim 2, characterized the optical element has a beam entrance surface on the beam entry side and has a radiation exit surface on the radiation exit side. Optisches Element gemäß Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Strahleneintrittsfläche kleiner ist als die Strahlenaustrittsfläche.Optical element according to claim 3, characterized that the radiation entrance surface smaller than the beam exit surface. Optisches Element gemäß einem der Ansprüche 3 und 4, dadurch gekennzeichnet, dass eine Haupterstreckungsebene der Strahleneintrittsfläche und eine Haupterstreckungsebene der Strahlenaustrittsfläche parallel zueinander sind oder dass die Strahleneintrittsfläche und die Strahlenaustrittsfläche zumindest teilweise parallel zueinander sind.Optical element according to one of claims 3 and 4, characterized in that a main extension plane of the Radiation entrance surface and a main extension plane of the radiation exit surface in parallel to each other or that the radiation entrance surface and the radiation exit surface at least are partially parallel to each other. Optisches Element gemäß einem der Ansprüche 3 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Strahlenaustrittsfläche eine Strukturierung zum Umlenken von aus dem optischen Element austretender elektromagnetischer Strahlung aufweist.Optical element according to one of claims 3 to 5, characterized in that the radiation exit surface a Structuring for deflecting emerging from the optical element having electromagnetic radiation. Optisches Element gemäß einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Außenwand zumindest teilweise paraboloidartig gekrümmt ist.Optical element according to one of claims 1 to 6, characterized in that the outer wall at least partially curved paraboloid-like is. Optisches Element gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das optische Element ein eine Divergenz einer elektromagnetischen Strahlung verringerndes optisches Element ist.Optical element according to one of the preceding Claims, characterized in that the optical element is a divergence an electromagnetic radiation reducing optical element is. Optisches Element gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Übergang von dem Grundmaterial zu dem Innenmedium einen Brechungsindexsprung von mindestens 0,2 aufweist.Optical element according to one of the preceding claims, characterized in that the transition from the base material to the Internal medium has a refractive index jump of at least 0.2. Optisches Element gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der zweite Brechungsindex kleiner ist als der erste Brechungsindex.Optical element according to one of the preceding Claims, characterized in that the second refractive index is smaller as the first refractive index. Optisches Element gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das optische Element mindestens zwei aus dem Grundmaterial gebildete Körper aufweist, von denen der Innenbereich eingehüllt ist.Optical element according to one of the preceding Claims, characterized in that the optical element at least two comprising body formed from the base material, of which the Wrapped inside is. Optisches Element gemäß einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass das optische Element einen einzigen aus dem Grundmaterial gebildeten Körper aufweist, von dem der Innenbereich eingehüllt ist.Optical element according to one of claims 1 to 10, characterized in that the optical element is a single comprising body formed from the base material, of which the Wrapped inside is. Optisches Element gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Grundmaterial Polycarbonat, Polymethylmethacrylat oder Glas aufweist.Optical element according to one of the preceding Claims, characterized in that the base material polycarbonate, polymethylmethacrylate or glass. Optisches Element gemäß einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass der zweite Brechungsindex sowie eine Form des Innenbereichs derart ausgebildet und aufeinander abgestimmt sind, dass zumindest ein Teil einer auf der Strahleneintrittsseite in das optische Element eingekoppelten und durch das Innenmedium in Richtung Außenwand gelenkten Strahlung an der Außenwand mittels interner Totalreflexion in Richtung Strahlenaustrittsseite gelenkt wird.Optical element according to one of claims 1 to 13, characterized in that the second refractive index as well a shape of the inner region formed and matched to one another are that at least part of one on the beam entrance side coupled into the optical element and through the internal medium towards the outer wall directed radiation on the outer wall by means of Internal total reflection directed towards the radiation exit side becomes. Optisches Element gemäß einem der Ansprüche 1 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass der zweite Brechungsindex sowie eine Form des Innenbereichs derart ausgebildet und aufeinander abgestimmt sind, dass zumindest ein Teil einer durch die Strahleneintrittsseite in das optische Element eingekoppelten Strahlung durch das Innenmedium derart in Richtung Strahlenaustrittsseite gelenkt wird, dass ihr Ausfallswinkel auf der Strahlenaustrittsseite geringer ist als ihr Einfallswinkel auf der Strahleneintrittsseite.Optical element according to one of claims 1 to 14, characterized in that the second refractive index as well a shape of the inner region formed and matched to one another are that at least part of a through the beam entrance side radiation coupled into the optical element through the internal medium is directed in the direction of the radiation exit side that you Failure angle on the beam exit side is less than her Angle of incidence on the beam entrance side. Elektromagnetische Strahlung emittierendes Bauelement mit einer Strahlungsquelle, dadurch gekennzeichnet, dass der Strahlungsquelle in einer Abstrahlrichtung ein optisches Element gemäß einem der Ansprüche 1 bis 15 nachgeordnet ist.Electromagnetic radiation emitting device with a radiation source, characterized in that the radiation source in an emission direction, an optical element according to one of claims 1 to 15 is downstream. Bauelement gemäß Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, dass die Strahlungsquelle eine elektromagnetische Strahlung emittierende Diode ist.Component according to claim 16, characterized in that the radiation source is an electromagnetic Is radiation emitting diode. Bauelement gemäß Anspruch 16 oder 17, dadurch gekennzeichnet, dass das optische Element einer Fläche des Bauelementes in einer Abstrahlrichtung der Strahlungsquelle nachgeordnet ist und dass in einem Spalt zwischen der Fläche und dem optischen Element ein Material angeordnet ist, mittels dem ein die Fläche bildendes Material optisch an das optische Element angekoppelt ist.Component according to claim 16 or 17, characterized in that the optical element of a area of the component in a radiation direction of the radiation source is subordinate and that in a gap between the area and the optical element, a material is arranged by means of a the area forming material is optically coupled to the optical element. Bauelement gemäß einem der Ansprüche 16 bis 18, dadurch gekennzeichnet, dass die Fläche eine Strahlenaustrittsfläche oder Strahleneintrittsfläche eines optischen Wellenleiters ist.Component according to a the claims 16 to 18, characterized in that the surface is a radiation exit surface or Radiation entrance face an optical waveguide.
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