EP2494384A2 - Lichtsignalgeber und lichtempfänger für einen optischen sensor - Google Patents

Lichtsignalgeber und lichtempfänger für einen optischen sensor

Info

Publication number
EP2494384A2
EP2494384A2 EP10775774A EP10775774A EP2494384A2 EP 2494384 A2 EP2494384 A2 EP 2494384A2 EP 10775774 A EP10775774 A EP 10775774A EP 10775774 A EP10775774 A EP 10775774A EP 2494384 A2 EP2494384 A2 EP 2494384A2
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
light
circuit board
semiconductor
signal transmitter
printed circuit
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Withdrawn
Application number
EP10775774A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Frank Lahner
Thomas Völkel
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Siemens Healthcare GmbH
Original Assignee
Siemens AG
Siemens Corp
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Siemens AG, Siemens Corp filed Critical Siemens AG
Publication of EP2494384A2 publication Critical patent/EP2494384A2/de
Withdrawn legal-status Critical Current

Links

Classifications

    • GPHYSICS
    • G01MEASURING; TESTING
    • G01VGEOPHYSICS; GRAVITATIONAL MEASUREMENTS; DETECTING MASSES OR OBJECTS; TAGS
    • G01V8/00Prospecting or detecting by optical means
    • G01V8/10Detecting, e.g. by using light barriers
    • GPHYSICS
    • G01MEASURING; TESTING
    • G01VGEOPHYSICS; GRAVITATIONAL MEASUREMENTS; DETECTING MASSES OR OBJECTS; TAGS
    • G01V8/00Prospecting or detecting by optical means
    • G01V8/02Prospecting
    • GPHYSICS
    • G01MEASURING; TESTING
    • G01VGEOPHYSICS; GRAVITATIONAL MEASUREMENTS; DETECTING MASSES OR OBJECTS; TAGS
    • G01V8/00Prospecting or detecting by optical means
    • G01V8/10Detecting, e.g. by using light barriers
    • G01V8/12Detecting, e.g. by using light barriers using one transmitter and one receiver
    • HELECTRICITY
    • H05ELECTRIC TECHNIQUES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H05KPRINTED CIRCUITS; CASINGS OR CONSTRUCTIONAL DETAILS OF ELECTRIC APPARATUS; MANUFACTURE OF ASSEMBLAGES OF ELECTRICAL COMPONENTS
    • H05K3/00Apparatus or processes for manufacturing printed circuits
    • H05K3/46Manufacturing multilayer circuits
    • H05K3/4697Manufacturing multilayer circuits having cavities, e.g. for mounting components
    • HELECTRICITY
    • H05ELECTRIC TECHNIQUES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H05KPRINTED CIRCUITS; CASINGS OR CONSTRUCTIONAL DETAILS OF ELECTRIC APPARATUS; MANUFACTURE OF ASSEMBLAGES OF ELECTRICAL COMPONENTS
    • H05K1/00Printed circuits
    • H05K1/02Details
    • H05K1/0274Optical details, e.g. printed circuits comprising integral optical means
    • HELECTRICITY
    • H05ELECTRIC TECHNIQUES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H05KPRINTED CIRCUITS; CASINGS OR CONSTRUCTIONAL DETAILS OF ELECTRIC APPARATUS; MANUFACTURE OF ASSEMBLAGES OF ELECTRICAL COMPONENTS
    • H05K1/00Printed circuits
    • H05K1/02Details
    • H05K1/14Structural association of two or more printed circuits
    • H05K1/144Stacked arrangements of planar printed circuit boards
    • HELECTRICITY
    • H05ELECTRIC TECHNIQUES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H05KPRINTED CIRCUITS; CASINGS OR CONSTRUCTIONAL DETAILS OF ELECTRIC APPARATUS; MANUFACTURE OF ASSEMBLAGES OF ELECTRICAL COMPONENTS
    • H05K2201/00Indexing scheme relating to printed circuits covered by H05K1/00
    • H05K2201/04Assemblies of printed circuits
    • H05K2201/042Stacked spaced PCBs; Planar parts of folded flexible circuits having mounted components in between or spaced from each other
    • HELECTRICITY
    • H05ELECTRIC TECHNIQUES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H05KPRINTED CIRCUITS; CASINGS OR CONSTRUCTIONAL DETAILS OF ELECTRIC APPARATUS; MANUFACTURE OF ASSEMBLAGES OF ELECTRICAL COMPONENTS
    • H05K2201/00Indexing scheme relating to printed circuits covered by H05K1/00
    • H05K2201/10Details of components or other objects attached to or integrated in a printed circuit board
    • H05K2201/10007Types of components
    • H05K2201/10106Light emitting diode [LED]
    • HELECTRICITY
    • H05ELECTRIC TECHNIQUES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H05KPRINTED CIRCUITS; CASINGS OR CONSTRUCTIONAL DETAILS OF ELECTRIC APPARATUS; MANUFACTURE OF ASSEMBLAGES OF ELECTRICAL COMPONENTS
    • H05K2201/00Indexing scheme relating to printed circuits covered by H05K1/00
    • H05K2201/20Details of printed circuits not provided for in H05K2201/01 - H05K2201/10
    • H05K2201/2054Light-reflecting surface, e.g. conductors, substrates, coatings, dielectrics

Definitions

  • the invention relates to a light signal transmitter for an optical sensor, in particular for a light barrier or a light sensor for an industrial automation system, according to the preamble of patent claim 1, and a light receiver ⁇ according to the preamble of patent claim 10.
  • Optical sensors are used in many non-industrial and above all industrial applications, in particular in industrial automation arrangements, in many forms for detecting the presence or absence of Ge ⁇ objects or persons.
  • Knownstrasbei ⁇ games are light barriers or light sensors in which from a light signal transmitter, that is, a light source, a light beam is emitted and is received by a photocell, a lichtemp ⁇ sensitive semiconductor device or a similar sensor ⁇ element; as light sensors are called "Refle ⁇ xionslicht Heen", one in which light source and receiver (sensor) are inte- grated with each other in a single device.
  • a beam shaping of the light at the light signal transmitter must be (transmitter).
  • LED semiconductor laser diode
  • an optical system for example with egg ⁇ ner lens or a lens system ( "objective").
  • object the actual light source
  • a relatively small spot of light is generated, which ensures high switching and repeatability for the entry of OBJEK ⁇ th in the light beam and a mutual interference of similar adjacent systems installed reduced (ie, the signal to noise ratio improved), and the possible The acquisition distance is increased.
  • the object is achieved by a light signal transmitter for an optical sensor according to claim 1 and by a
  • a semiconductor-based light source preferably a semiconducting ⁇ ter-laser diode
  • a printed circuit board wherein the light from the light source parallel to a plane of
  • Circuit board is radiated and wherein in the or next to the circuit board, an element for beam deflection is provided.
  • a similar construction is proposed for the light receiver (light detector).
  • the solution of the problem provides in particular a light signal ⁇ encoder for an optical sensor, in particular for a light barrier or a light sensor for an industrial automation system, wherein a semiconductor-based light source is used to generate the light.
  • the semiconductor-based light source is arranged in a space between outer layers of a multilayer printed circuit board, wherein the light exit direction of the semiconductor-based Light source is aligned substantially parallel to the layers of the circuit board, and wherein a deflection unit for deflecting the light emitted from the semiconductor-based light source light is provided in a direction substantially perpendicular to the layers of the circuit board.
  • an equally flat-building light receiver can be produced as a receiver for an optical sensor arrangement, wherein instead of the semiconductor-based light source, a semi ⁇ based light sensor (CCD chip, CMOS chip) is used, the photosensitive surface substantially senk ⁇ is aligned right to the layers of the circuit board. Since ⁇ is in the deflection unit which to erfas- send by the sensor light from an incident direction which is perpendicular to the circuit board, vice ⁇ deflected in the plane of the circuit board so that the light can strike the light-sensitive sensor.
  • Advantageous embodiments of the light signal transmitter according to the invention are specified in the dependent claims. The features and advantages described therein apply mutatis ⁇ Telss for corresponding embodiments of a light receiver according to the invention.
  • the deflection element is arranged together with the semiconducting ⁇ terbas striving light source in the (a) space advantageous.
  • the entire light signal transmitter can be manufactured as a single component or as a single portion of a circuit board also anderwei- tig used and mounted oh ⁇ ne that aligned the printed circuit board with the light source to the deflection element at an installation of the optical sensor or the light signal transmitter would have to be, or vice versa.
  • This procedure is also advantageous for the production, because, first a lower layer (lower layer, carrier ⁇ layer) with the middle layers (layers), the semiconductor-based light source and the deflection element provided who the can ⁇ before (last the topmost layer of upper äuße- layer) is laminated.
  • the deflecting element is arranged outside the construction space and thus also outside the printed circuit board.
  • the circuit board on the front side an outlet opening for the light, which may also be provided with a transparent closure element.
  • the transparent closure element can also be used as an optical lens or the like. be designed to form the steel or unfold the effect of an optical aperture, or be designed as an optical filter.
  • the substantially transparent sealing element color filter
  • a polarizing filter linear polarizing filter or circular polarizing filter
  • the corresponding light receiver can be provided with just such a filtering, whereby better disturbance intervals can be achieved.
  • Common deflecting elements are prisms or mirrors.
  • the "mirror” may, in particular in the embodiment may be formed the reflection surface convex or concave for focusing or on ⁇ widening of the light beam
  • the curvature need not necessarily be rotationally symmetrical;. Rather, they are also more complex geometries can be used advantageously, for example, ellipsoids, or a so-called saddle shape.
  • conventional semiconductor laser diodes radiate the light asymmetrically, such geometries can also be selected for the reflection layer of prisms, results in advantages in the production (assembly) if the deflection element and at least one optical lens are too summarizes an op ⁇ tikmodul.
  • such optical module may even before its installation in the space with the semi- conductor-based light source are connected (for example by gluing), so that in the assembly (assembly) of the components in the space, the optically active elements no longer need to be re-aligned.
  • the semiconductor-based light source is for heat dissipation before ⁇ geous with at least one contact surface of the circuit board in contact. It can be provided between the contact surface of the circuit board and a surface of the semiconductor-based light source, an element for heat transfer and to compensate for distances, for example, a thermal pad or a thermal paste.
  • the semiconductor-based light source is advantageously electrically connected to printed circuit boards, contact surfaces or solder pads of the printed circuit board by means of bonding ("chip bonding") or through plated-through holes, thus eliminating the need for expensive soldering or the provision of spring contacts or the like in the cases in which the semiconductor-based light source ⁇ ( "die”) is used as a housing-less chip.
  • Such "non-precision" elements have particularly small outer Ab ⁇ measurements and are therefore particularly well suited for mounting in the flat space between the outer layers of a circuit board.
  • FIG. 1 shows a light signal transmitter with a semiconductor-based light source and a deflecting element in a construction space between the outer layers of a multilayer printed circuit board
  • 2 shows a corresponding to the figure 1 arrangement in which an optical module is provided with a deflecting element and a plurality of lenses in the space
  • Figure 3 shows a light signal with a semiconductor-based light source in a space between the outer layers of a multilayer printed circuit board, wherein the deflection outside the Porterplat ⁇ tenan angel is arranged.
  • a light signal transmitter is shown in a sectional view.
  • a five-layer printed circuit board LP LAY is shown, wherein an installation space for the operative elements of the light signal transmitter is seen in a ⁇ Be ⁇ rich, in which only outer layers LAY are present.
  • a semiconductor-based light source is provided, here: a laser diode LD.
  • the laser diode LD ⁇ is electrically connected to a solder pad LPD of the lower outer layer LAY the circuit board and lies with its housing surfaces on cooling surfaces of the circuit board LP KF on.
  • the upper region of the laser diode LD has a heat conducting pad WLP between the laser diode LD and the cooling surface KF, which in addition to the heat transfer also fills a gap between the laser diode LD and the upper layer LAY of the printed circuit board LP serves.
  • FIG 1 are further electronic components EBT to se ⁇ hen, which are not inevitably with the function of Lichtsig ⁇ nalgebers related.
  • the emitter EM of Laserdi- ode LD is aligned with its surface perpendicular to a base ⁇ surface of the printed circuit board LP, which means that he ⁇ witnessed light is parallel to the layers of the circuit board emit ⁇ out (in Figure 1: to the left) ,
  • a beam SG is shown schematically in Figure 1 - lenses L are provided; are here to a schematic representation, instead of be ⁇ recorded two lenses L more complex lens systems can be ⁇ sets.
  • Steering element UE provided in inclined position a mirror, which makes the emitted light in a direction perpendicular to the planes of the circuit board LP (here: upward).
  • the light passes through an opening in the upper layer (upper layer) of the printed circuit board LP, in which exporting ⁇ approximately for this opening as a transparent closure element FS ( "Fil ⁇ terusion"), a further used for steel molding having lens L.
  • the surface of the deflection element UE here: Spie ⁇ gel
  • Characterized a ⁇ For mung (focusing) is achieved in addition the emitted light beam.
  • the laser diode LD is a "non-gehaustes" semiconductor device, that is, that the frameless “The” directly to the printed circuit board LP and a solder pad used as a contact ⁇ surface LPD is wired.
  • the technique of Used "chip bonding"; Other contacting techniques are also usable.
  • the arrangement according to the invention can also be constructed from individual stacked or stacked printed circuit boards ("printed circuit board stacking") shown in which the optical elements are combined into one optical module OM the remaining components substantially correspond to the arrangement of Figure 1, so that the components and their be ⁇ reference numbers will be explained at this point again in the -.., based on the In this case, however, no lens is used as the element for beam shaping (focusing), but only an opening ASP ("recess"), which means that the optical module OM does not have to fit exactly onto the opening ASP or in an alternative embodiment, the transparent Cover B ⁇ submerged (closure element FS) of the top n layer LAY the Lei ⁇ terplatte LP are aligned.
  • printed circuit board stacking printed circuit board stacking
  • FIG. 3 shows an embodiment of the light signal transmitter in which only the semiconductor-based light source and optionally a lens L or a lens system (lens) is integrated in the printed circuit board LP, but not the deflection element UE and optionally further optical elements.
  • the optical elements in particular the deflecting element UE, can be dimensioned larger. This solution is particularly before ⁇ part way in the cases where the printed circuit board LP see again in a separate housing G with receptacles AOE for the optical elements is installed.
  • Spacers AH between the housing G and the upper layer OL and the lower layer UL of the printed circuit board LP serve on the one hand, the fixation of the printed circuit board LP, and on the other the exact alignment of the printed circuit board LP and thus of the light emitter EM on the deflection element UE and other external optical elements.
  • a light receiver (light detector) for an optical sensor can also be constructed.
  • a semiconductor-based light detector for example a CCD sensor or a CMOS sensor, is used.
  • the beam path SG of the light is the same, wherein of course the beam direction is reversed.

Landscapes

  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Geophysics (AREA)
  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
  • General Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Microelectronics & Electronic Packaging (AREA)
  • Manufacturing & Machinery (AREA)
  • Optical Couplings Of Light Guides (AREA)
  • Photo Coupler, Interrupter, Optical-To-Optical Conversion Devices (AREA)
  • Semiconductor Lasers (AREA)
  • Structure Of Printed Boards (AREA)
  • Structures For Mounting Electric Components On Printed Circuit Boards (AREA)
  • Photometry And Measurement Of Optical Pulse Characteristics (AREA)

Abstract

Die Erfindung betrifft einen Lichtsignalgeber und einen Lichtempfänger für einen optischen Sensor, insbesondere für ein industrielles Automatisierungssystem, im Falle des Lichtsignalgebers mit einer halbleiterbasierten Lichtquelle (LD) zur Erzeugung des Lichtes, wobei die halbleiterbasierte Lichtquelle (LD) in einem Bauraum zwischen äußeren Schichten (OL, UL) einer mehrschichtigen Leiterplatte (LP) angeordnet ist, wobei die Lichtaustrittsrichtung der halbleiterbasierten Lichtquelle (LD) im Wesentlichen parallel zu den Schichten (LAY) der Leiterplatte (LP) ausgerichtet ist, und wobei eine Umlenkeinheit (UE) zur Umlenkung des von der halbleiterbasierten Lichtquelle (LD) emittierten Lichtes in eine im Wesentlichen senkrechte Richtung zu den Schichten (LAY) der Leiterplatte (LP) vorgesehen ist. Im Falle des Lichtempfängers ist anstelle der Lichtquelle ein Lichtsensor vorgesehen. Solche optischen Sensoren lassen sich besonders flach und montagefreundlich gestalten.

Description

Beschreibung
Lichtsignalgeber und Lichtempfänger für einen optischen Sensor
Die Erfindung betrifft einen Lichtsignalgeber für einen optischen Sensor, insbesondere für eine Lichtschranke oder einen Lichttaster für ein industrielles Automatisierungssystem, ge- mäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1, und einen Licht¬ empfänger gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 10.
Optische Sensoren werden in vielen nicht-industriellen und vor allem auch industriellen Anwendungen, insbesondere bei industriellen Automatisierungsanordnungen, in vielfacher Gestalt zur Erfassung der Anwesenheit bzw. Abwesenheit von Ge¬ genständen oder Personen verwendet. Bekannte Ausführungsbei¬ spiele sind Lichtschranken oder Lichttaster, bei denen von einem Lichtsignalgeber, also einer Lichtquelle, ein Licht- strahl emittiert wird und durch eine Fotozelle, ein lichtemp¬ findliches Halbleiter-Bauelement oder ein ähnliches Sensor¬ element empfangen wird; als Lichttaster werden dabei „Refle¬ xionslichtschranken" bezeichnet, bei denen Lichtquelle und Empfänger (Sensor) in einem einzigen Gerät miteinander integ- riert sind.
Zum Aufbau eines möglichst robusten und fremdlicht- unabhängigen Systems, welches auch größere Abstände (Erfas¬ sungsbereiche) überwachen kann, muss eine Strahlformung des Lichtes am Lichtsignalgeber (Sender) erfolgen. Dazu wird regelmäßig die eigentliche Lichtquelle (LED; Halbleiter- Laserdiode) mit einer Optik versehen, beispielsweise mit ei¬ ner Linse oder einem Linsensystem ("Objektiv") . Damit wird ein vergleichsweise kleiner Lichtfleck erzeugt, der hohe Schalt- und Wiederholgenauigkeit bei dem Eintritt von Objek¬ ten in den Lichtstrahl gewährleistet und eine gegenseitige Beeinflussung gleichartiger nebeneinander installierte Systeme verringert (also der Störabstand verbessert) , und die mög- liehe Erfassungsdistanz (Entfernung) wird vergrößert. Durch eine derartige konstruktive Ausführung des Lichtsignalgebers entstehen durch die vorgelagerte Optik Anordnungen mit vergleichsweise groß dimensionierten Abmaßen oder aber Anordnun- gen mit Gehäusen, aus denen die Optiken hervorstehen. Bei beengten Platzverhältnissen sind jedoch flache Gehäuseabmessungen gefordert, die durch die bekannten Anordnungen nicht realisierbar sind. Ebenso nachteilig sind die Abmessungen be¬ kannter Lichtempfänger (Lichtdetektoren, "optische Empfän- ger"), die das von den Lichtsignalgebern der optischen Sensoren emittierte Licht empfangen, da auch diese durch vorgela¬ gerte Optiken nicht beliebig flach gebaut werden können.
Es ist daher eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen möglichst flach bauenden Lichtsignalgeber und einen ebensolchen Lichtempfänger für optische Sensoren vorzuschlagen.
Die Aufgabe wird durch einen Lichtsignalgeber für einen optischen Sensor gemäß dem Patentanspruch 1 und durch einen
Lichtempfänger gemäß dem Patentanspruch 10 gelöst.
Es ist dabei eine Idee der erfindungsgemäßen Lösung, dass eine halbleiterbasierte Lichtquelle, vorzugsweise eine Halblei¬ ter-Laserdiode, in eine Leiterplatte integriert wird, wobei das Licht von der Lichtquelle parallel zu einer Ebene der
Leiterplatte abgestrahlt wird und wobei in der oder neben der Leiterplatte ein Element zur Strahlumlenkung vorgesehen wird. Eine gleichartige Konstruktion wird für den Lichtempfänger (Lichtdetektor) vorgeschlagen.
Die Lösung der Aufgabe sieht insbesondere einen Lichtsignal¬ geber für einen optischen Sensor vor, insbesondere für eine Lichtschranke oder einen Lichttaster für ein industrielles Automatisierungssystem, wobei eine halbleiterbasierte Licht- quelle zur Erzeugung des Lichtes verwendet wird. Dabei ist die halbleiterbasierte Lichtquelle in einem Bauraum zwischen äußeren Schichten einer mehrschichtigen Leiterplatte angeordnet, wobei die Lichtaustrittsrichtung der halbleiterbasierten Lichtquelle im Wesentlichen parallel zu den Schichten der Leiterplatte ausgerichtet ist, und wobei eine Umlenkeinheit zur Umlenkung des von der halbleiterbasierten Lichtquelle emittierten Lichtes in eine im Wesentlichen senkrechte Rich- tung zu den Schichten der Leiterplatte vorgesehen ist. Durch eine solche Anordnung ist es möglich, einen sehr flach bauenden Lichtsignalgeber herzustellen. Nach demselben Bauprinzip kann auch ein ebenso flach bauender Lichtempfänger als Empfänger für eine optische Sensor-Anordnung hergestellt werden, wobei anstelle der halbleiterbasierten Lichtquelle ein halb¬ leiterbasierter Lichtsensor (CCD-Chip, CMOS-Chip) verwendet wird, dessen lichtempfindliche Fläche im Wesentlichen senk¬ recht zu den Schichten der Leiterplatte ausgerichtet ist. Da¬ bei wird von der Umlenkeinheit das durch den Sensor zu erfas- sende Licht aus einer Einfallsrichtung, die senkrecht zu der Leiterplatte verläuft, in die Ebene der Leiterplatte umge¬ lenkt, so dass das Licht auf den lichtempfindlichen Sensor treffen kann. Vorteilhafte Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Lichtsignalgebers sind in den abhängigen Patentansprüchen angegeben. Die dabei beschriebenen Merkmale und Vorteile gelten sinnge¬ mäß auch für korrespondierende Ausgestaltungen eines erfindungsgemäßen Lichtempfängers.
Vorteilhaft ist das Umlenkelement zusammen mit der halblei¬ terbasierten Lichtquelle in dem (einen) Bauraum angeordnet. Dadurch kann der komplette Lichtsignalgeber als ein einziges Bauteil bzw. als ein einziger Abschnitt einer auch anderwei- tig benutzten Leiterplatte gefertigt und montiert werden, oh¬ ne dass bei einer Montage des optischen Sensors bzw. des Lichtsignalgebers die Leiterplatte mit der Lichtquelle auf das Umlenkelement ausgerichtet werden müsste, oder umgekehrt. Dieses Vorgehen ist auch für die Herstellung vorteilhaft, weil zunächst eine untere Schicht (unterer Layer, Träger¬ schicht) mit den mittleren Schichten (Layern) , der halbleiterbasierten Lichtquelle und dem Umlenkelement versehen wer¬ den kann, bevor als letztes die oberste Schicht (oberer äuße- rer Layer) auflaminiert wird. Zum Durchlass emittierten Lichtes weist die lichtaustrittsseitige äußere Schicht der Lei¬ terplatte im Bereich des Umlenkelementes eine Öffnung auf, die zum Schutz vor Verschmutzung o.a. mit einem transparenten Segment, beispielsweise einer Filterscheibe, verschlossen sein kann. In einer alternativen Ausführungsform ist das Umlenkelement außerhalb des Bauraums und somit auch außerhalb der Leiterplatte angeordnet. Dazu weist dann die Leiterplatte stirnseitig eine Austrittsöffnung für das Licht auf, wobei auch diese mit einem transparenten Verschlusselement versehen sein kann. In beiden Fällen kann das transparente Verschlusselement auch als optische Linse o.ä. ausgestaltet sein, um den Stahl zu formen oder die Wirkung einer optischen Blende entfalten, oder aber auch als optischer Filter ausgestaltet sein. So ist es beispielsweise im letzteren Fall denkbar, das im Wesentlichen transparente Verschlusselement einzufärben (Farbfilter) oder als Polfilter (linearer Polfilter oder zirkularer Polfilter) auszuführen. In diesen Fällen kann der korrespondierende Lichtempfänger (Lichtdetektor) mit einer ebensolchen Filterung versehen werden, wodurch bessere Störabstände erreicht werden können.
Gebräuchliche Umlenkelemente sind Prismen oder Spiegel. Dabei kann insbesondere beim Ausführungsbeispiel der „Spiegel" die Reflexionsfläche konvex oder konkav zur Bündelung oder Auf¬ weitung des Lichtstrahls ausgebildet sein. Dabei muss die Wölbung nicht zwangsläufig rotationssymmetrisch sein; es sind vielmehr auch komplexere Geometrien vorteilhaft einsetzbar, beispielsweise Ellipsoide oder eine sog. Sattelform. Dabei kann dem Umstand Rechnung getragen werden, dass gebräuchliche Halbleiter-Laserdioden das Licht unsymmetrisch abstrahlen. Solche Geometrien können auch für die Reflexionsschicht von Prismen gewählt werden. Vorteile bei der Herstellung (Montage) ergeben sich, wenn das Umlenkelement und zumindest eine optische Linse zu einem Op¬ tikmodul zusammengefasst sind. Ein solches Optikmodul kann auch bereits vor dessen Montage in den Bauraum mit der halb- leiterbasierten Lichtquelle verbunden werden (beispielweise durch Verklebung) , so dass bei der Anordnung (Montage) der Komponenten in dem Bauraum die optisch wirksamen Elemente nicht mehr neu aufeinander ausgerichtet werden müssen.
Die halbleiterbasierte Lichtquelle ist zur Wärmeabfuhr vor¬ teilhaft mit zumindest einer Kontaktfläche der Leiterplatte in Kontakt. Dabei kann zwischen der Kontaktfläche der Leiterplatte und einer Oberfläche der halbleiterbasierten Lichtquelle ein Element zur Wärmeübertragung und zum Ausgleich von Abständen vorgesehen sein, beispielsweise ein Wärmeleitpad oder eine Wärmeleitpaste.
Die halbleiterbasierte Lichtquelle ist vorteilhaft mittels Bonding („Chip-Bonding") oder mittels einer Durchkontaktie- rung mit Leiterbahnen, Kontaktflächen oder Lötpads der Leiterplatte elektrisch verbunden. Damit entfällt das aufwendige Löten oder das Vorsehen von Federkontakten o.a.. Die vorgeschlagenen Kontaktierungsmethoden eignen sich insbesondere auch in den Fällen, in denen die halbleiterbasierte Licht¬ quelle als gehäuseloser Chip („Die") eingesetzt wird. Solche „nicht-genausten" Elemente weisen besonders kleine äußere Ab¬ messungen auf und sind daher besonders gut für die Montage im flachen Bauraum zwischen den äußeren Schichten einer Leiterplatte geeignet.
Ausführungsbeispiele erfindungsgemäßer Lichtsignalgeber werden nachfolgend anhand der Zeichnung erläutert. Sie dienen gleichzeitig der Erläuterung erfindungsgemäßer Lichtempfänger .
Dabei zeigen:
Figur 1 einen Lichtsignalgeber mit einer halbleiterbasierten Lichtquelle und einem Umlenkelement in einem Bauraum zwischen den äußeren Schichten einer mehrschichtigen Leiterplatte, Figur 2 eine zu der Figur 1 korrespondierende Anordnung, bei der ein Optikmodul mit einem Umlenkelement und mehreren Linsen in dem Bauraum vorgesehen ist, und Figur 3 einen Lichtsignalgeber mit einer halbleiterbasierten Lichtquelle in einem Bauraum zwischen den äußeren Schichten einer mehrschichtigen Leiterplatte, wobei das Umlenkelement außerhalb der Leiterplat¬ tenanordnung angeordnet ist.
In der Figur 1 ist ein Lichtsignalgeber in einer Schnittdarstellung dargestellt. Dabei ist eine aus fünf Schichten LAY bestehende Leiterplatte LP dargestellt, wobei in einem Be¬ reich, in dem nur äußere Schichten LAY vorhanden sind, ein Bauraum für die wirksamen Elemente des Lichtsignalgebers vor¬ gesehen ist. Als aktives Element ist eine halbleiterbasierte Lichtquelle vorgesehen, hier: eine Laserdiode LD. Die Laser¬ diode LD ist mit einem Lötpad LPD des unteren, äußeren Layers LAY der Leiterplatte elektrisch verbunden und liegt mit ihren Gehäuseflächen an Kühlflächen KF der Leiterplatte LP an. Im - bezogen auf die Figur 1 - oberen Bereich der Laserdiode LD ist zwischen der Laserdiode LD und der Kühlfläche KF ein Wär- meleitpad WLP angeordnet, welches neben der Wärmeübertragung auch zum Ausfüllen eines Spaltes zwischen der Laserdiode LD und dem oberen Layer LAY der Leiterplatte LP dient.
In der Figur 1 sind weitere elektronische Bauteile EBT zu se¬ hen, welche nicht zwangläufig mit der Funktion des Lichtsig¬ nalgebers in Zusammenhang stehen. Der Emitter EM der Laserdi- ode LD ist mit seiner Oberfläche orthogonal zu einer Grund¬ fläche der Leiterplatte LP ausgerichtet, d.h., dass das er¬ zeugte Licht parallel zu den Schichten der Leiterplatte emit¬ tiert wird (in der Figur 1: nach links) . Zur Fokussierung des Lichtes - ein Strahlengang SG ist in der Figur 1 schematisch eingezeichnet - sind Linsen L vorgesehen; es handelt sich hier um eine schematische Darstellung, wobei statt der einge¬ zeichneten zwei Linsen L auch komplexere Linsensysteme einge¬ setzt werden können. In dem Bauraum ist schließlich als Um- lenkelement UE in Schräglage ein Spiegel vorgesehen, der das emittierte Licht in eine Richtung senkrecht zu den Ebenen der Leiterplatte LP (hier: nach oben) vornimmt. Das Licht tritt durch eine Öffnung in der oberen Schicht (oberer Layer) der Leiterplatte LP aus, wobei diese Öffnung in diesem Ausfüh¬ rungsbeispiel als transparentes Verschlusselement FS ("Fil¬ terscheibe") eine weitere zur Stahlformung benutzte Linse L aufweist. Die Oberfläche des Umlenkelementes UE (hier: Spie¬ gel) ist im vorliegenden Ausführungsbeispiel nicht planar, sondern gewölbt ausgeführt. Dadurch wird zusätzlich eine For¬ mung (Fokussierung) des emittierten Lichtstrahls erreicht.
Bei der Laserdiode LD handelt es sich um ein "nicht- gehaustes" Halbleiter-Bauelement, d.h., dass das gehäuselose „Die" direkt mit der Leiterplatte LP bzw. einem als Kontakt¬ fläche verwendeten Lötpad LPD verdrahtet wird. Dazu wird hier die Technik des „Chip-Bondings" verwendet; andere Kontaktie- rungstechniken sind ebenfalls verwendbar. Anstelle einer mehrschichtigen Leiterplatte LP, bei der die einzelnen Layer LAY miteinander unter Druck verklebt sind (Laminierung) kann die erfindungsgemäße Anordnung auch aus einzelnen gestapelten oder aufgeschichteten Leiterplatten aufgebaut werden („Lei- terplatten-Stacking" ) . In der Figur 2 ist ein Lichtsignalgeber gezeigt, bei dem die optischen Elemente in einem Optikmodul OM zusammengefasst sind. Die übrigen Bauteile entsprechen im Wesentlichen der Anordnung aus der Figur 1, so dass die Bauteile und deren Be¬ zugszeichen an dieser Stelle nicht nochmals erläutert werden. In dem - bezogen auf die Figur 2 - oberen Layer LAY der Leiterplatte LP ist hierbei jedoch keine Linse als Element zur Strahlformung (Fokussierung) eingesetzt, sondern lediglich eine Öffnung ASP ("Aussparung") . Dadurch muss das Optikmodul OM bei der Montage nicht genau auf die Öffnung ASP bzw. in einem alternativen Ausführungsbeispiel die transparente Abde¬ ckung (Verschlusselement FS) des obersten Layers LAY der Lei¬ terplatte LP ausgerichtet werden. In der Figur 3 ist eine Ausführungsform des Lichtsignalgebers dargestellt, bei der nur die halbleiterbasierte Lichtquelle und ggf. eine Linse L oder eine Linsensystem (Objektiv) in der Leiterplatte LP integriert ist, nicht jedoch das Umlenk- element UE und ggf. weitere optische Elemente. Dadurch können die optischen Elemente, insbesondere das Umlenkelement UE, größer dimensioniert werden. Diese Lösung ist besonders vor¬ teilhaft in den Fällen, in denen die Leiterplatte LP nochmals in einem separaten Gehäuse G mit Aufnahmen AOE für die opti- sehen Elemente verbaut ist. Abstandshalter AH zwischen dem Gehäuse G und dem oberen Layer OL bzw. dem unteren Layer UL der Leiterplatte LP dienen zum Einen der Fixierung der Leiterplatte LP, und zum anderen der genauen Ausrichtung der Leiterplatte LP und damit des Lichtemitters EM auf das Um- lenkelement UE und andere externe optische Elemente.
Analog zu dem anhand der Figuren 1 bis 3 dargestellten Lichtsignalgeber kann auch ein Lichtempfänger (Lichtdetektor) für einen optischen Sensor aufgebaut sein. Dabei wird anstelle der halbleiterbasierte Lichtquelle ein halbleiterbasierter Lichtdetektor, beispielsweise ein CCD-Sensor oder ein CMOS- Sensor, eingesetzt. Der Strahlengang SG des Lichtes ist dabei derselbe, wobei selbstverständlich die Strahlrichtung umgekehrt ist.

Claims

Lichtsignalgeber für einen optischen Sensor, insbesondere für eine Lichtschranke oder einen Lichttaster für ein industrielles AutomatisierungsSystem,
mit einer halbleiterbasierten Lichtquelle (LD) zur Erzeugung des Lichtes,
dadurch gekennzeichnet, dass
die halbleiterbasierte Lichtquelle (LD) in einem Bauraum zwischen äußeren Schichten (OL, UL) einer mehrschichtigen Leiterplatte (LP) angeordnet ist,
wobei die Lichtaustrittsrichtung der halbleiterbasierten Lichtquelle (LD) im Wesentlichen parallel zu den Schichten (LAY) der Leiterplatte (LP) ausgerichtet ist, und wobei eine Umlenkeinheit (UE) zur Umlenkung des von der halbleiterbasierten Lichtquelle (LD) emittierten Lichtes in eine im Wesentlichen senkrechte Richtung zu den
Schichten (LAY) der Leiterplatte (LP) vorgesehen ist.
Lichtsignalgeber nach Patentanspruch 1,
dadurch gekennzeichnet,
dass das Umlenkelement (UE) in dem Bauraum angeordnet ist .
Lichtsignalgeber nach Patentanspruch 2,
dadurch gekennzeichnet,
dass eine der äußeren Schichten (OL, UL) der Leiterplatte (LP) eine Öffnung (ASP) oder ein transparentes Ver¬ schlusselement (FS) im Bereich des Umlenkelementes (UE) für den Austritt des umgelenkten Lichtes aufweist. Lichtsignalgeber nach Patentanspruch 1,
dadurch gekennzeichnet,
dass das Umlenkelement (UE) in Richtung des Lichtaus¬ trittes der halbleiterbasierten Lichtquelle (LD) stirnseitig neben der Leiterplatte (LP) angeordnet ist, wobei der Bauraum eine stirnseitige Austrittsöffnung oder ein stirnseitiges transparentes Verschlusselement (FS) für das Licht aufweist.
Lichtsignalgeber nach einem der vorhergehenden Patentansprüche,
dadurch gekennzeichnet,
dass das Umlenkelement (UE) ein Prisma oder ein Spiegel ist .
Lichtsignalgeber nach einem der vorhergehenden Patentansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass
eine Reflexionsfläche des Umlenkelementes (UE) konvex oder konkav zur Bündelung oder zur Aufweitung des Lichtstrahles ausgebildet ist.
7. Lichtsignalgeber nach einem der vorhergehenden Patentansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass
das Umlenkelement (UE) und zumindest eine optische Linse (L) zu einem Optikmodul (OM) zusammengefasst sind.
Lichtsignalgeber nach einem der vorhergehenden Patentansprüche,
dadurch gekennzeichnet,
dass die halbleiterbasierte Lichtquelle (LD) zur Wärme¬ abfuhr mit einer Kontaktfläche (KF) der Leiterplatte (LP) in Kontakt ist. Lichtsignalgeber nach einem der vorhergehenden Patentansprüche,
dadurch gekennzeichnet,
dass die halbleiterbasierte Lichtquelle (LD) mittels Bonding oder mittels einer Durchkontaktierung mit Leiterbahnen oder Kontaktflächen (LPD) der Leiterplatte (LP) elektrisch verbunden ist.
Lichtempfänger für einen optischen Sensor, insbesondere für eine Lichtschranke oder einen Lichttaster für ein industrielles AutomatisierungsSystem,
mit einem halbleiterbasierten Lichtdetektor zur Erfassung des Lichtes,
dadurch gekennzeichnet, dass
der halbleiterbasierte Lichtdetektor in einem Bauraum zwischen äußeren Schichten (OL, UL) einer mehrschichtigen Leiterplatte (LP) angeordnet ist,
wobei die lichtempfindliche Detektorfläche des halblei¬ terbasierten Lichtdetektors im Wesentlichen senkrecht zu den Schichten (LAY) der Leiterplatte (LP) ausgerichtet ist, und
wobei eine Umlenkeinheit (UE) zur Umlenkung des von dem halbleiterbasierten Lichtdetektor zu erfassenden Lichtes aus einer im Wesentlichen senkrechten Richtung zu den Schichten (LAY) der Leiterplatte (LP) vorgesehen ist.
Lichtempfänger nach Patentanspruch 10,
dadurch gekennzeichnet,
dass der halbleiterbasierte Lichtdetektor ein CCD-Sensor oder ein CMOS-Sensor ist.
EP10775774A 2009-10-29 2010-10-28 Lichtsignalgeber und lichtempfänger für einen optischen sensor Withdrawn EP2494384A2 (de)

Applications Claiming Priority (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
DE200910051188 DE102009051188A1 (de) 2009-10-29 2009-10-29 Lichtsignalgeber und Lichtempfänger für einen optischen Sensor
PCT/EP2010/066318 WO2011051370A2 (de) 2009-10-29 2010-10-28 Lichtsignalgeber und lichtempfänger für einen optischen sensor

Publications (1)

Publication Number Publication Date
EP2494384A2 true EP2494384A2 (de) 2012-09-05

Family

ID=43797830

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
EP10775774A Withdrawn EP2494384A2 (de) 2009-10-29 2010-10-28 Lichtsignalgeber und lichtempfänger für einen optischen sensor

Country Status (6)

Country Link
US (1) US8851733B2 (de)
EP (1) EP2494384A2 (de)
JP (1) JP2013509699A (de)
KR (1) KR20120101357A (de)
DE (1) DE102009051188A1 (de)
WO (1) WO2011051370A2 (de)

Families Citing this family (8)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE102009051188A1 (de) 2009-10-29 2011-05-19 Siemens Aktiengesellschaft Lichtsignalgeber und Lichtempfänger für einen optischen Sensor
TWI511005B (zh) * 2013-12-20 2015-12-01 Qisda Corp 顯示裝置及其紅外線觸控模組
DE102016107153B4 (de) * 2016-04-18 2018-10-18 Sick Ag Optoelektronischer Sensor
CN106547033B (zh) * 2016-09-28 2018-08-07 西北工业大学 一种可移动的微纳偏振光栅阵列装置及其使用方法
DE102016121913A1 (de) 2016-11-15 2018-05-17 Sick Ag Mehrstrahllichtschranke
DE202016106394U1 (de) 2016-11-15 2018-02-16 Sick Ag Mehrstrahllichtschranke
DE102019118978B4 (de) * 2019-07-12 2025-09-18 OSRAM CONTINENTAL GmbH Optische Anordnung und Fahrzeug
CN112216656B (zh) * 2020-09-02 2021-07-06 珠海越亚半导体股份有限公司 一种具有定向光电传输通道的空腔基板及其制造方法

Family Cites Families (24)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE4407967C2 (de) 1994-03-10 1997-11-20 Leuze Electronic Gmbh & Co Elektronische Vorrichtung
ATE223120T1 (de) * 1994-12-22 2002-09-15 Optosys Ag Näherungsschalter
JPH09318853A (ja) * 1996-03-29 1997-12-12 Sony Corp 光送受信装置および光通信ネットワーク
JPH10256648A (ja) * 1997-03-13 1998-09-25 Hitachi Ltd レーザダイオード・モジュール
DE19858247C1 (de) * 1998-12-17 2000-01-27 Leuze Electronic Gmbh & Co Optoelektronische Vorrichtung zum Erfassen von Gegenständen in einem Überwachungsbereich
DE19947889C2 (de) * 1999-10-05 2003-03-06 Infineon Technologies Ag Optoelektronisches, bidirektionales Sende- und Empfangsmodul in Leadframe-Technik
AT5153U1 (de) * 2001-03-22 2002-03-25 Avl List Gmbh Optischer sensor zur erfassung von verbrennungsvorgängen
DE10308085B4 (de) * 2002-03-08 2006-09-07 Leuze Electronic Gmbh & Co Kg Optoelektronische Vorrichtung
JP2004061799A (ja) * 2002-07-29 2004-02-26 Canon Inc 二次元光導波装置、およびそれを用いた光電融合配線基板
KR100449876B1 (ko) * 2002-12-05 2004-09-22 삼성전기주식회사 블록형 다채널 광신호를 연결할 수 있는 다층인쇄회로기판 및 그 방법
KR100451635B1 (ko) * 2002-12-10 2004-10-08 삼성전기주식회사 섬유 블록과 파이프 블록, 및 이를 이용하여 다층인쇄회로기판의 층간 광신호를 연결하는 방법
KR100499005B1 (ko) * 2002-12-27 2005-07-01 삼성전기주식회사 다채널 블록형 광원소자가 패키징된 인쇄회로기판
KR100528972B1 (ko) * 2003-10-27 2005-11-16 한국전자통신연구원 테이퍼진 광도파로가 내장된 광 인쇄회로기판 시스템
DE102004028814A1 (de) * 2004-06-15 2006-01-05 Siemens Ag Leiterplatte und Verfahren zum Herstellen einer Leiterplatte
US7228020B2 (en) * 2004-08-31 2007-06-05 Finisar Corporation Optoelectronic arrangement having a surface-mountable semiconductor module and a cooling element
US7350934B2 (en) * 2005-05-03 2008-04-01 Delphi Technologies, Inc. Illuminated display system
AT503027B1 (de) * 2006-05-08 2007-07-15 Austria Tech & System Tech Leiterplattenelement mit optoelektronischem bauelement und licht-wellenleiter
AT503585B1 (de) * 2006-05-08 2007-11-15 Austria Tech & System Tech Leiterplattenelement sowie verfahren zu dessen herstellung
JP2008084396A (ja) * 2006-09-27 2008-04-10 Matsushita Electric Ind Co Ltd 半導体装置および半導体装置の製造方法、光ピックアップ装置および光ディスクドライブ装置
PL2082167T3 (pl) * 2006-10-16 2017-08-31 Philips Lighting Holding B.V. Urządzenie oświetlające diodą emitującą światło
CN101529156B (zh) * 2006-10-16 2012-03-21 皇家飞利浦电子股份有限公司 照明设备
AT505834B1 (de) * 2007-09-21 2009-09-15 Austria Tech & System Tech Leiterplattenelement
US7541058B2 (en) * 2007-10-09 2009-06-02 Endicott Interconnect Technologies, Inc. Method of making circuitized substrate with internal optical pathway
DE102009051188A1 (de) 2009-10-29 2011-05-19 Siemens Aktiengesellschaft Lichtsignalgeber und Lichtempfänger für einen optischen Sensor

Non-Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
See references of WO2011051370A2 *

Also Published As

Publication number Publication date
JP2013509699A (ja) 2013-03-14
WO2011051370A3 (de) 2012-04-19
WO2011051370A2 (de) 2011-05-05
KR20120101357A (ko) 2012-09-13
US8851733B2 (en) 2014-10-07
US20120218766A1 (en) 2012-08-30
DE102009051188A1 (de) 2011-05-19

Similar Documents

Publication Publication Date Title
EP2494384A2 (de) Lichtsignalgeber und lichtempfänger für einen optischen sensor
DE19727633C2 (de) Bauteil zur gerichteten, bidirektionalen, optischen Datenübertragung
DE69715554T2 (de) Optische Einrichtung für Verschiebungsdetektion
DE112011105262B4 (de) Optoelektronische Vorrichtung und Verfahren zur Herstellung von optoelektronischen Vorrichtungen
DE102009021440B4 (de) Spektroskopiemodul und Verfahren zum Herstellen desselben
DE19621124A1 (de) Optoelektronischer Wandler und dessen Herstellungsverfahren
DE19640423C1 (de) Optoelektronisches Modul zur bidirektionalen optischen Datenübertragung
DE19912720A1 (de) Optoelektronische Baugruppe
EP2649647B1 (de) Optoelektronisches halbleiterbauelement, verfahren zu dessen herstellung und verwendung eines derartigen bauelements
DE102009021437A1 (de) Spektroskopiemodul
DE102010012604A1 (de) Halbleiterlaserlichtquelle
DE102009021438A1 (de) Spektroskopiemodul
EP1792164A1 (de) Reflektormodul für einen photometrischen gassensor
WO2013037556A1 (de) Verfahren zum herstellen einer mehrzahl von optoelektronischen bauelementen und optoelektronisches bauelement
DE19616969A1 (de) Optische Baugruppe zur Ankopplung eines Lichtwellenleiters und Verfahren zur Herstellung derselben
DE112019002260T5 (de) Optisches Modul
DE10344767B4 (de) Optisches Modul und optisches System
WO2018206391A1 (de) Optoelektronisches sensormodul und verfahren zur herstellung eines optoelektronischen sensormoduls
DE112022001093T5 (de) Optische Sensorvorrichtung
EP0184628B1 (de) Abtastkopf für Schrittgeber, insbesondere Winkelschrittgeber
DE19834090A1 (de) Optoelektronische Sende- und Empfangseinheit
DE102017207224A1 (de) Beleuchtungsmodul mit einem Oberflächenemitter und einem Monitorempfänger
DE102015207788A1 (de) Mikromechanische Sensorvorrichtung
DE19640421A1 (de) Optoelektronisches Modul zur bidirektionalen optischen Datenübertragung
DE10227544B4 (de) Vorrichtung zur optischen Datenübertragung

Legal Events

Date Code Title Description
PUAI Public reference made under article 153(3) epc to a published international application that has entered the european phase

Free format text: ORIGINAL CODE: 0009012

17P Request for examination filed

Effective date: 20120410

AK Designated contracting states

Kind code of ref document: A2

Designated state(s): AL AT BE BG CH CY CZ DE DK EE ES FI FR GB GR HR HU IE IS IT LI LT LU LV MC MK MT NL NO PL PT RO RS SE SI SK SM TR

RAP1 Party data changed (applicant data changed or rights of an application transferred)

Owner name: SIEMENS AKTIENGESELLSCHAFT

DAX Request for extension of the european patent (deleted)
17Q First examination report despatched

Effective date: 20130405

RAP1 Party data changed (applicant data changed or rights of an application transferred)

Owner name: SIEMENS HEALTHCARE GMBH

STAA Information on the status of an ep patent application or granted ep patent

Free format text: STATUS: THE APPLICATION IS DEEMED TO BE WITHDRAWN

18D Application deemed to be withdrawn

Effective date: 20180501