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.