ES2203599T3 - Elemento optico. - Google Patents

Abstract

Uso de un elemento óptico (1) en un sistema de medición óptico con una cámara con la cual se percibe dicho elemento óptico a fin de determinar su posición, de manera que dicho elemento óptico contiene una fuente de luz (2) con un costado activo (4) que se ilumina cuando se aplica una tensión eléctrica a través de contactos eléctricos (9, 13) proporcionados al efecto, de modo que dicha fuente de luz va montada contra una pared translúcida (3), a fin de que la luz del antes mencionado costado activo (4) puede verse a través de dicha pared (3), caracterizado por el hecho de que dicha pared traslúcida (3) está formada por fibras transparentes (5) dispuestas paralelamente unas al lado de otras.

Description

Elemento óptico.

El invento hace referencia a un elemento óptico que contiene una fuente de luz con un costado activo que se ilumina cuando se aplica una tensión eléctrica a través de contactos eléctricos proporcionados al efecto, de manera que dicha fuente de luz va montada contra una pared translúcida, de modo que la luz del costado activa antes mencionado puede verse a través de dicha pared.

De acuerdo con el actual estado de la técnica, los elementos ópticos de este tipo contienen lo que se denomina un diodo emisor de luz, también conocido como chip LED, que va montado en una caja metálica, y está protegido por medio de una capa de epoxy transparente.

No obstante, estos elementos existentes presentan el inconveniente de que es imposible obtener una distribución uniforme de la intensidad luminosa producida. Tanto la caja metálica como la capa de epoxy produce fenómenos de interferencia. Así, especialmente en el caso de una capa epoxy esférica, dicha capa puede actuar como una lente. Además, reflejos internos en la caja del LED y en la capa de epoxy dan como resultado una difusión incontrolada de la luz procedente del LED.

Las variaciones de temperatura en el LED debidas a una temperatura ambiental cambiante, o el cambio de condiciones eléctricas, provoca una variación en el espectro de luz emitida, lo cual da como resultado una percepción inadecuada del elemento óptico.

Estas particularidades resultan especialmente inconvenientes cuando tal elemento óptico se emplea en sistema de medición óptica en que la posición del LED debe determinarse por medio de una cámara. En base de la posición del LED se calcula la posición y/u orientación de la estructura sobre la cual va fijado el LED.

En esos sistemas de medición ópticos, se determina el centro óptico del LED para permitir una exacta determinación de la posición, tal como, por ejemplo, el centro de gravedad de la distribución de la intensidad luminosa del LED. Para ser capaz de determinar exactamente una posición, es importante que el centro óptico del LED sea independiente del ángulo de detección en que se percibe, y que la intensidad luminosa sea lo más alta posible.

Usualmente, se utiliza una cámara, y preferiblemente tres cámaras, en uno de tales sistemas de medición óptica. Mediante tales cámaras se observa un simple LED o elemento óptico a diferentes ángulos. Un procesador matemático, que trabaja conjuntamente con dichas cámaras, procesa las imágenes así formadas por las citadas cámaras, y en base a ello calcula la posición del LED o del elemento óptico.

Así pues, los LEDs empleados de acuerdo con las técnicas prevalentes tiene el inconveniente de que el centro óptico del LED varía en función del ángulo de detección, con lo cual dichas reflexiones internas reducen la intensidad luminosa, a consecuencia de lo cual la distancia y precisión medidas quedan relativamente limitadas.

Las patentes US-A-4.741.595 y US-A-4.827.290 no describen el uso de un elemento óptico conjuntamente con una cámara para mediciones, como en las reivindicaciones 1 y 11. Por el contrario, dichos documentos describen el uso de elementos ópticos para el acoplamiento de luz óptica, es decir, acoplamiento luminoso con un LED de orientación de cabezal para una impresora.

El invento viene a remediar estos inconvenientes utilizando un elemento óptico en un sistema de medición óptica, en que la posición de su centro óptico, por ejemplo el centro de gravedad de distribución de intensidad, es independiente del ángulo de detección, y que, además, prácticamente no tiene reflejos internos, de modo que se obtiene una alta intensidad luminosa.

A tal objeto, la antes mencionada pared traslúcida está formada por fibras transparentes dispuestas paralelamente unas junto a otras de modo que se extienden diagonalmente con respecto a la antes mencionada pared.

Prácticamente, dichas fibras forman una placa y se extienden casi perpendiculares a la superficie de la misma.

De acuerdo con una forma de realización preferida del elemento óptico según el invento, dichas fibras transparentes son fibras de vidrio.

De acuerdo con una forma de realización específica del elemento óptico de acuerdo con el invento, se aplica un recubrimiento no transparente sobre dicha pared, en el costado de la fuente luminosa antes mencionada, de modo que existe un rebaje en este recubrimiento sobre dicho costado activo, opuesto a la fuente luminosa.

De acuerdo con una especial forma de realización del elemento óptico según el invento, la primera parte de los antes citados contactos conductores de electricidad consiste en un recubrimiento conductivo eléctrico aplicado sobre dicha pared del costado de la fuente luminosa.

De acuerdo con una forma de realización ventajosa del elemento óptico según el invento, existe una capa de material conductivo sobre el costado de dicha fuente luminosa, la cual se extienden en oposición a dicho costado activo de la misma, formando una segunda parte de los antes mencionados contactos eléctricos.

El invento también hace referencia a un grupo de medición utilizado en un sistema de medición óptico que contiene varios elementos ópticos de acuerdo con el invento.

Además, el invento también se refiere al uso del elemento óptico de acuerdo con el invento en un sistema de medición óptica.

Otras particularidades y ventajas del invento se pondrán de manifiesto en la siguiente descripción de una forma de realización específica del elemento óptico según el invento; dicha descripción se ofrece únicamente a modo de ejemplo y no limita en modo alguno el ámbito de la protección reivindicada; los números indicativos utilizados a continuación hacen referencia a los dibujos adjuntos.

La figura 1 es una sección transversal esquemática de una parte de un elemento óptico de acuerdo con el invento;

La figura 2 es una vista superior esquemática de la parte en cuestión de un elemento óptico de acuerdo con el invento; y

La figura 3 es una vista superior esquematizada de una parte de un grupo de medición de acuerdo con el invento.

En las diferentes figuras, los mismos números de referencia indican elementos idénticos o análogos.

El elemento óptico 1 de acuerdo con el invento, tal como se ha representado en la figura 1, contiene una fuente de luz 2 y una pared traslúcida de protección 3. La fuente de luz consiste en un chip LED convencional 2 con un costado activo 4. Cuando se aplica una tensión eléctrica al chip 2, el costado activo 4 emitirá luz que tiene una cierta intensidad. Además, las dimensiones de dicho chip 2 son, por ejemplo de 0,7 x 0,7 mm, y su espesor es de 0,5 mm.

El chip 2 va fijado a la pared antes citada 3 según lo que se denomina técnica "flip chip", ya conocida, de modo que su costado activo 4 está dirigido hacia dicha pared 3. Así pues, la luz producida por el chip 2 puede percibirse a través de dicha pared 3.

De acuerdo con el invento, la pared 3 consiste de fibras transparentes 5 colocadas paralelas unas al lado de otras. Estas fibras pueden ser, por ejemplo, de plástico, pero preferiblemente consisten en fibras de vidrio.

Así pues, los correspondientes extremos alejados de dichas fibras 5 están dirigidos hacia al costado activo 4 del chip 2, mientras que los otros extremos alejados de las fibras 5 forman juntos un plano 6. Dado que la luz procedente del chip 2 es guiada a través de las fibras 5, dicha luz se percibe en el mencionado plano 6, que forma una homogénea superficie emisora de luz, de manera que la fuente luminosa 2 parece estar situada en el plano 6.

Preferiblemente, las fibras transparentes 5 tienen un diámetro de 3 a 40 \mum, particularmente un diámetro comprendido entre 5 y 15 \mum, y en especial un diámetro de casi 10 \mum.

Asimismo, dichas fibras 5 tienen preferentemente una longitud comprendida entre 0,2 y 1,5 mm. Se descubrió que las fibras 5 que tienen una longitud superior a 20 mm son menos interesantes. Se obtuvieron buenos resultados con fibras 5 teniendo una longitud de casi 1 mm.

Tal como puede verse en la figura 1, dichas fibras 5 se extienden según una placa plana 7 y forman así dicha placa 7 con el citado plano 6, de modo que las fibras 5 se extienden casi perpendicularmente al plano 6. El espesor de dicha placa 7 es casi igual a la longitud de las fibras 5, y preferiblemente mide casi 1 mm. Dicha placa también se denomina una "placa frontal".

Tales fibras 5 y las que se denominan "placas frontales" ya son conocidas, siendo fabricadas por la empresa "Schott Fiber Opticas, Inc.", 122 Charlton Street, Southbridge, MA 01550. EE.UU., entre otros.

Al objeto de evitar que la intensidad luminosa percibida a través de la antes citada pared 3, en especial la placa 7, no sea homogénea, está provista con un recubrimiento no transparente 8. En dicho recubrimiento 8 existe un rebaje opuesto a dicha fuente de luz. Así se forma un diafragma que asegura, por ejemplo, que las posibles interferencias en la intensidad luminosa que se producen en el borde del costado activo antes mencionado 4 no sean percibidas a través de la pared 3.

En esta forma de realización del elemento óptico de acuerdo con el invento, tal como se ha representado en la figura 1, este recubrimiento 8 se aplica en el costado de la pared 3 en que está situado el chip 2.

Para poder aplicar una tensión eléctrica sobre el elemento óptico 1 de acuerdo con el invento, está provisto de contactos eléctricos 9 y 13.

Una primera parte de dichos contactos eléctricos está formada por un recubrimiento conductor de electricidad que, en la forma de realización del elemento óptico 1 de la figura 1, consiste del antes citado recubrimiento no transparente 8. Este recubrimiento 8 consiste preferentemente de una capa de metal.

El recubrimiento 8 va conectado a través de conductores 10 a cuatro superficies de contacto eléctrico 11 que están situadas dentro de dicho rebaje en la pared 3, y que establecen contacto a cuatro respectivas uniones 12 en la superficie superior del chip 2.

Además, se forma una segunda parte de contactos eléctricos en una capa de material conductor 13 dispuesto al costado del chip 2, que se extiende en oposición a su costado activo 4 y que es eléctricamente conductivo. Esta capa eléctricamente conductiva 13, tal como se ha representado en la figura 1, consiste en una pequeña placa metálica.

La capa 13 también tiene una buena conductividad térmica, de manera que el calor generado por el chip LED 2 es eliminado a través de dicha capa 13, a consecuencia de lo cual se refrigera el chip 2. Esta eliminación de calor garantiza una excelente estabilidad térmica del chip, de manera que la luz producida permanece constante y homogénea, y su espectro casi es invariable.

De acuerdo con una forma de realización particularmente interesante del elemento óptico según el invento, que no ha sido representada en las figuras, hay medios fijados a dicha capa 13 que permiten enfriar y/o posiblemente calentar la fuente luminosa 2. Tales medios comprenden un componente eléctrico con lo que se denomina un elemento Peltier. Dichos componentes eléctricos ya son conocidos. Este elemento Peltier va fijado a la capa 13 con su denominado "costado frío", mientras su llamado "costado caliente" está provisto de aletas refrigeradoras que permiten disipar el calor al entorno. Tales medios permiten mantener la temperatura de la fuente luminosa a un nivel casi constante enviando una corriente eléctrica adecuada a través de dicho elemento Peltier.

Así, de acuerdo con el invento, se obtiene un elemento óptico con una temperatura casi constante, y que por consiguiente emite un espectro de color constante, lo que permite mediciones ópticas muy precisas.

De acuerdo con una variante de la forma de realización, dichos medios van montados directamente sobre la fuente luminosa 2, y no existe la capa 13 antes citada.

Además, tal como se ha representado en la figura 1, el chip 2 está circunda lateralmente por un material no transparente y eléctricamente aislante 15, como por ejemplo resina epoxy. Este material aislante se extiende entre dicha placa 7 y la capa de material conductivo 13, de manera que el chip 2 queda completamente cortado del entorno.

La figura 3 representa un grupo de medición 14 para un sistema de medición óptica. Este grupo de medición 14 contiene cuatro elementos ópticos diferentes 1, de acuerdo con el invento, los cuales están montados en una simple placa 7 del modo antes descrito. Así se obtiene un grupo de medición 14 en que están fijadas las posiciones mutuas de diferentes elementos ópticos 1, y que debe montarse en una estructura a fin de determinar la posición de dicha estructura por medio de un sistema de medición óptico. Naturalmente, el grupo de medición 14 puede contener más o menos de cuatro elementos ópticos 1 de acuerdo con el invento.

El uso del elemento óptico 1 de acuerdo con el invento en un sistema de medición óptico ofrece la ventaja de que, con independencia del ángulo que la cámara observe el elemento, su centro óptico siempre está situado exactamente en la misma posición absoluta. Por tanto, es posible llevar a cabo mediciones muy precisas. En la parte superior del mismo se obtiene una gran intensidad luminosa, permitiendo mediciones a largas distancias.

Además, es posible esterilizar el elemento óptico de acuerdo con el invento, por ejemplo en un autoclave, sin peligro de dañarlo y sin que resulten afectadas sus propiedades ópticas. Así pues, el elemento óptico puede utilizarse en un entorno donde es importante que el equipo sea estéril.

Naturalmente, el invento no queda limitado a las formas de realización antes descritos del elemento óptico de acuerdo con el invento. Así, por ejemplo, las fibras transparentes que forman la placa antes citada con un determinado ángulo, diferente de un ángulo recto, pueden disponerse con relación a la superficie de la misma. Posiblemente, también pueden usarse otras fuentes luminosas, distintas a un chip semiconductor, en el elemento óptico de acuerdo con el invento.

Claims (11)

1. Uso de un elemento óptico (1) en un sistema de medición óptico con una cámara con la cual se percibe dicho elemento óptico a fin de determinar su posición, de manera que dicho elemento óptico contiene una fuente de luz (2) con un costado activo (4) que se ilumina cuando se aplica una tensión eléctrica a través de contactos eléctricos (9, 13) proporcionados al efecto, de modo que dicha fuente de luz va montada contra una pared translúcida (3), a fin de que la luz del antes mencionado costado activo (4) puede verse a través de dicha pared (3), caracterizado por el hecho de que dicha pared traslúcida (3) está formada por fibras transparentes (5) dispuestas paralelamente unas al lado de otras.

2. Uso de un elemento óptico de acuerdo con la reivindicación 1, caracterizado por el hecho de que dichas fibras forman una placa (7) y se extienden casi perpendiculares a la superficie (6) de la placa (7).

3. Uso de un elemento óptico de acuerdo con la reivindicación 1 ó 2, caracterizado por el hecho de que dichas fibras transparentes (5) son fibras de vidrio.

4. Uso de un elemento óptico de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones 1 a 3, caracterizado por el hecho de que dicha fuente de luz (2) contiene un semiconductor eléctrico, en particular un chip.

5. Uso de un elemento óptico de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones 1 a 4, caracterizado por el hecho de que se aplica un recubrimiento no transparente (8) sobre la antes mencionada pared (3), preferiblemente en el costado de la fuente luminosa (2) antes mencionada, de modo que existe un rebaje en este recubrimiento (8) sobre dicho costado activo (4), opuesto a la antes citada fuente de luz (2).

6. Uso de un elemento óptico de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones 1 a 5, caracterizado por el hecho de que la primera parte de los antes citados contactos conductores de electricidad consiste en un recubrimiento eléctricamente conductivo (9) aplicado sobre dicha pared (3) en el costado de la fuente de luz (2).

7. Uso de un elemento óptico de acuerdo con la reivindicación 6, caracterizado por el hecho de que dicho recubrimiento no transparente (8) está formado por el recubrimiento conductivo (9).

8. Uso de un elemento óptico de acuerdo con la reivindicación 6 ó 7, caracterizado por el hecho de que en el costado de dicha fuente de luz (2) que se extiende en oposición a dicho costado activo (4) de la fuente de luz (2), existe una capa de material conductivo (13) que forma una segunda parte de los antes mencionados contactos eléctricos.

9. Uso de un elemento óptico de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones 1 a 8, caracterizado por el hecho de que existen medios para mantener casi constante la temperatura de la antes mencionada fuente de luz (2).

10. Uso de un elemento óptico de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones 1 a 9, caracterizado por el hecho de que la antes mencionada fuente de luz (2) está circundada lateralmente por un material no transparente y eléctricamente aislante (15), como por ejemplo una resina epoxy.

11. Sistema óptico de medición con una cámara que trabaja conjuntamente con un elemento óptico (1), de manera que dicha cámara observa este elemento óptico a fin de determinar su posición, y en que el elemento óptico contiene una fuente de luz (2) con un costado activo (4) que se ilumina al aplicar una tensión eléctrica a través de contactos eléctricos (9, 13) dispuestos al objeto, y en que dicha fuente de luz va montada contra una pared traslúcida (3), de modo que la luz de dicho costado activo (4) pueda verse a través de esta pared (3), caracterizado por el hecho de que esta pared traslúcida (3) está formada por fibras transparentes (5) dispuestas paralelamente lado a lado.