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Die vorliegende Erfindung betrifft einen optischen Sensor gemäß dem Oberbegriff des Anspruches 1.
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Optische Sensoren werden in verschiedenen technischen Anwendungen zur optischen Erfassung wenigstens eines Objektes eingesetzt. Der optische Sensor weist hierzu einen Lichtsender zur punktförmigen Emittierung von elektromagnetischer Strahlung, insbesondere Licht, auf. Der Lichtsender ist in der Regel als eine Pin-Point-LED ausgeführt. Innerhalb eines Gehäuses sind dabei im Allgemeinen eine Schalteinrichtung zur Bestromung der Pin-Point-LED sowie eine Steuerungseinheit angeordnet. Das von der Pin-Point-LED emittierte Licht wird anschließend durch ein optisches System mit wenigstens einer Linse und daran anschließend zu einem zu erfassenden Objekt geleitet. Die punktförmige Emittierung von elektromagnetischer Strahlung ist für das optische System erforderlich. Beispielsweise nach einer Reflektion des Lichtes an dem zu erfassenden Objekt kann das reflektierte Licht von einem Strahlungssensor, insbesondere einem Lichtempfänger, erfasst werden. Dadurch kann eine Veränderung des Objektes, beispielsweise die Lage des Objektes oder die Farbe des Objektes, erfasst werden.
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Aus der
US 2005/0 002 317 A1 ist ein optischer Sensor bekannt, der eine Belichtungsvorrichtung mit einem Leselichtstrahl, welche eine Lochblende aufweist, umfasst. Die Lochblende dient hierbei zur Begrenzung des Lichtstrahls.
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Aus der
DE 10 2009 051 026 A1 ist eine LED Beleuchtungsvorrichtung, insbesondere für einen Scheinwerfer eines Kraftfahrzeugs, bekannt, welche eine Blende aufweist, die über wenigstens ein Antriebsmittel verstellbar ist. Die Blende ist als eine Lochblende ausgeführt, welche durch zusätzliche Führungsmittel oder Träger gehalten wird und einen definierten Abstand zur LED hat.
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Die in den optischen Sensoren eingesetzten Pin-Point-LEDs sind in der Herstellung teuer und weisen bezüglich des emittierten Lichts einen geringen Wirkungsgrad auf. Die Pin-Point-LEDs sind dabei im Allgemeinen würfel- oder kugelförmig ausgebildet. Das Licht wird im Inneren der Pin-Point-LEDs erzeugt. Aus dem Stand der Technik sind bereits LED-Chips bekannt, welche flächen- bzw. plattenförmig ausgebildet sind. Das heißt diese LED-Chips können innerhalb einer Ebene eine wesentlich größere Ausdehnung aufweisen als senkrecht zu dieser Ebene, welcher von dem LED-Chip aufgespannt ist. Derartige LED-Chips sind in der Herstellung preiswert und weisen einen großen Wirkungsgrad bezüglich des emittierten Lichts auf. Das Licht wird von dem LED-Chip großflächig an einer strahlungsemittierenden Oberfläche erzeugt, sodass derartige LED-Chips als flächenförmige Lichtquellen für den optischen Sensor bei einer herkömmlichen Bauweise oder Verwendung des LED-Chips nicht geeignet sind.
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Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht deshalb darin, einen optischen Sensor mit einer LED zur Verfügung zu stellen, welcher preiswert und einfach in der Herstellung ist.
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Diese Aufgabe wird gelöst mit einem optischen Sensor, umfassend einen Lichtsender, ein optisches System, einen Lichtempfänger, sowie vorzugsweise ein Gehäuse, vorzugsweise eine Steuerungseinheit, insbesondere einen Mikrocontroller, wobei der Lichtsender als ein LED-Chip ausgebildet ist mit einer strahlungsemittierenden Oberfläche und die strahlungsemittierende Oberfläche von einem optischen Blendenbauteil teilweise abgedeckt ist und wobei das optische Blendenbauteil als ein gesondertes Bauteil in Ergänzung zu dem LED-Chip ausgebildet ist. Das optische Blendenbauteil deckt die strahlungsemittierende Oberfläche des LED-Chips teilweise ab, sodass dadurch von dem LED-Chip mit dem optischen Blendenbauteil eine im Wesentlichen punktförmige Strahlungsquelle, insbesondere Lichtquelle, für das optische System des optischen Sensors zur Verfügung gestellt werden kann.
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Bei diesem Sensor dient das optische Blendenbauteil als Elektrode zur Bestromung des LED-Chips, sodass durch das optische Blendenbauteil Strom zu dem LED-Chip geleitet wird. Das optische Blendenbauteil kann dabei auf dem LED-Chip, insbesondere der strahlungsemittierenden Oberfläche des LED-Chips, aufliegen.
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Ergänzend hierzu bildet die strahlungsemittierende Oberfläche eine erste Elektrode des LED-Chips. Die strahlungsemittierende Oberfläche bildet somit eine erste Elektrode des LED-Chips zum Leiten von Strom durch das optische Blendenbautteil und zu dem LED-Chip. Eine zweite Elektrode ist vorzugsweise von einer Seite oder Oberfläche des LED-Chips gebildet, welches gegenüberliegend zu der strahlungsemittierenden Oberfläche ausgebildet ist.
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Zweckmäßig besteht das optische Blendenbauteil wenigstens teilweise, insbesondere vollständig, aus einem stromleitenden Material, vorzugsweise Metall, beispielsweise Kupfer, Stahl oder einer Kupferlegierung.
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In einer zusätzlichen Ausführungsform liegt das optische Blendenbauteil unter einer Druckkraft auf der strahlungsemittierenden Oberfläche des LED-Chips auf. Das optische Blendenbauteil kann zusätzlich oder alternativ kraft- und/oder stoff- und/oder formschlüssig mit dem LED-Chip verbunden sein.
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Das optische Blendenbauteil kann stoffschlüssig beispielsweise mit einer Klebeverbindung stromleitend mit der strahlungsemittierenden Oberfläche des LED-Chips verbunden sein oder auch formschlüssig aufgrund einer entsprechenden Geometrie des Blendenbauteils und des LED-Chips.
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In einer ergänzenden Ausgestaltung ist das optische Blendenbauteil als eine Feder ausgebildet, so dass aufgrund einer Vorspannung der Feder das optische Blendenbauteil unter einer Druckkraft auf der strahlungsemittierenden Oberfläche des LED-Chips aufliegt.
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In einer zusätzlichen Variante umfasst der optische Sensor eine Leiterplatte mit Leiterbahnen. Eine zweite Elektrode des LED-Chips ist elektrisch mit einer Leiterbahn verbunden, insbesondere durch eine Löt-, Press- oder Klemmverbindung.
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In einer ergänzenden Ausführungsform ist das optische Blendenbauteil an dem auf der strahlungsemittierenden Oberfläche aufliegenden Teil plattenförmig ausgebildet mit einer Aussparung zum Durchleiten der Strahlung. Die Aussparung ist im Wesentlichen kreis-, ellipsen- oder rechteckförmig ausgebildet.
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Die strahlungsemittierende Oberfläche des LED-Chips kann zu wenigstens 20% von dem optischen Blendenbauteil abgedeckt sein. Der LED-Chip kann als ein Dünnschicht-LED-Chip ausgebildet sein. Der Dünnschicht-LED-Chip weist in einer von dem Dünnschicht-LED-Chip aufgespannten Ebene eine wesentlich größere Ausdehnung auf als senkrecht zu dieser aufgespannten Ebene. Die strahlungsemittierende Oberfläche ist von einer Dünnschicht, das heißt, einer Schicht mit einer sehr kleinen Dicke gebildet. Die elektromagnetische Strahlung wird von der Dünnschicht flächenförmig erzeugt.
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In einer zusätzlichen Ausführungsform umfasst das optische System wenigstens eine Linse und/oder einen Spiegel. Die Linse ist an einem Träger, beispielsweise dem Gehäuse, befestigt. Das Blendenbauteil liegt auf dem Träger auf, so dass die Aussparung an dem optischen Blendenbauteil bezüglich der Linse und/oder dem Spiegel ausgerichtet ist.
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Zweckmäßig weist das optische Blendenbauteil als Elektrode an der Kontaktstelle zu dem LED-Chip eine Beschichtung auf. Die Beschichtung kann beispielsweise aus Gold oder Platin ausgeführt sein. Dadurch soll eine ständig elektrisch leitende Verbindung zwischen dem optischen Blendenbauteil und dem LED-Chip gewährleistet sein.
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Vorzugsweise ist die LED in einem Pulsbetrieb bestromt.
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Im Nachfolgenden wird ein Ausführungsbeispiel der Erfindung unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen näher beschrieben. Es zeigt:
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1 eine stark vereinfachten Ansicht eines erfindungsgemäßen optischen Sensors und
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2 eine vereinfachte perspektivische Ansicht eine Leiterplatte, eines LED-Chips und eines optischen Blendenbauteils des optischen Sensors gemäß 1.
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Ein in 1 vereinfacht dargestellter optischer Sensor 1 wird in verschiedenen technischen Anwendungen zur Erfassung eines Objektes 8, in dem dargestellten Beispiel zur Erfassung einer Flasche, eingesetzt. Innerhalb eines Gehäuses 3 des optischen Sensors 1 ist ein LED-Chip 2 angeordnet. Der LED-Chip 2 emittiert elektromagnetische Strahlung als Licht. Der LED-Chip 2 wird in einem Pulsbetrieb mit einem Betriebsstrom bestromt, so dass nur während des Durchleitens des Betriebsstromes durch den LED-Chip 2 Licht emittiert wird. Das von dem LED-Chip 2 emittierte Licht wird durch ein optisches System 6 geleitet. Das optische System 6 weist eine oder mehrere Linsen auf, mit denen das Licht gebündelt und zu dem Objekt 8 geleitet wird. Anschließend wird das von dem Objekt 8 veränderte Licht, beispielsweise aufgrund von Reflektion oder eines Vorhandenseins oder Nichtvorhandenseins des Objektes 8 an dem Lichtstrahl 12, von einem Lichtempfänger 11 erfasst. Dadurch kann von dem optischen Sensor 1 eine Veränderung des emittierten Lichtes durch das Objekt 8 erfasst bzw. erkannt werden. Die Bestromung des LED-Chips 2 wird von einer Steuerungseinheit 4, vorzugsweise von einem Mikrocontroller ausgeführt. Die Bestromung des LED-Chips 2 wird mit einer Schalteinrichtung 13 gesteuert. Der optische Sensor 1 ist mit einer Stromquelle außerhalb des Gehäuses 3 mit einer nicht dargestellten Stromleitung in 1 mit elektrischer Energie versorgt.
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Der LED-Chip 2 ist als ein Dünnschicht-LED-Chip 2 ausgebildet und weist an einer ersten Seite oder Oberfläche eine strahlungsemittierende Oberfläche 18 auf, welche in 2 dargestellt ist. An dieser strahlungsemittierenden Oberfläche 18 ist eine Dünnschicht ausgebildet, welche die elektromagnetische Strahlung, insbesondere das Licht, emittiert. Dabei dient die strahlungsemittierende Oberfläche 18 auch als eine erste Elektrode 16 zur Bestromung des LED-Chips 2. Eine zweite Seite des LED-Chips 2 liegt auf einer Leiterplatte 17 auf. An der Leiterplatte 17 sind nicht dargestellte Leiterbahnen aus einem elektrisch leitenden Material angeordnet. Mittels einer Lötverbindung ist eine zweite Seite des LED-Chips 2 als zweite, nicht in 2 sichtbare Elektrode mit den nicht dargestellten Leiterbahnen der Leiterplatte 17 elektrisch verbunden. Auf der strahlungsemittierenden Oberfläche 18 des LED-Chips 2 liegt ein Teil eines optischen Blendenbauteils 14 aus Federstahl unter einer Druckkraft auf. Hierzu ist das optische Blendenbauteil 14 als eine Feder ausgebildet, welche vorgespannt ist, sodass aufgrund dieser Vorspannung des optischen Blendenbauteils 14 der Teil des optischen Blendenbauteils 14, welcher auf der strahlungsemittierenden Oberfläche 18 aufliegt, auf dieser unter einer Druckkraft aufliegt. Das optische Blendenbauteil 14 besteht aus dem elektrisch leitenden Material Federstahl und dient dabei zusätzlich als Elektrode 15 zur Bestromung des LED-Chips 2. Dabei ist ein in 2 links unten dargestelltes Ende des optischen Blendenbauteils 14 durch eine Bohrung 20 der Leiterplatte 17 geführt. Dadurch kann eine elektrische Kontaktierung des optischen Blendenbauteils 14 bezüglich der Unterseite der Leiterplatte 17 ermöglich werden. Die Bohrung 20 ist bezüglich des optischen Blendenbauteils 14 mit einem nicht dargestellten Isolierelement isoliert.
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In 2 ist das optische Blendenbauteil 14 nur teilweise in einem Schnitt dargestellt. Eine Aussparung 19 an dem auf der strahlungsemittierenden Oberfläche 18 aufliegenden Teil des optischen Blendenbauteils 14 weist eine Kreisform auf. Aufgrund der Schnittbildung in 2 ist nur etwa die Hälfte dieser Kreisform der Aussparung 19 sichtbar. Auf der strahlungsemittierenden Oberfläche 18 liegt somit ein ringförmiger Teil des optischen Blendenbauteils 14 auf, sodass an der strahlungsemittierenden Oberfläche 18 nur dasjenige emittierte Licht zu dem optischen System 6 gelangen kann, welches durch die Aussparung 19 hindurchstrahlt. Das übrige von der strahlungsemittierenden Oberfläche 18 emittierte Licht wird von dem optischen Blendenbauteil 14 abgeschirmt und nicht zu dem optischen System 6 geleitet. Hierzu weist das optische Blendenbauteil 14 einen kegelförmigen Abschnitt auf, welcher sich gemäß der Darstellung in 2 nach oben an die Aussparung 19 anschließt. Die strahlungsemittierende Oberfläche 18 weist als quadratisch ausgebildete strahlungsemittierende Oberfläche 18 eine Länge des Quadrates von 500 μm auf. Die Aussparung 19 weist einen Durchmesser von 200 μm auf.
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Bei der Herstellung des optischen Sensors 1 können Fertigungsungenauigkeiten auftreten. Hierbei ist eine optische Ausrichtung der Aussparung 19 zu dem optischen System 6 mit den Linsen 7 erforderlich. Die Linsen 7 des optischen Systems 6 sind an einem nicht dargestellten Träger befestigt. Das optische Blendenbauteil 14 liegt außenseitig auf diesem Träger auf. Dadurch kann mechanisch aufgrund der Geometrie des optischen Blendenbauteils 14 und der Anordnung der Linsen 7 an dem nicht dargestellten Träger die Aussparung 19 als punktförmige Lichtquelle zu dem optischen System 6 einfach ausgerichtet werden. Bei einer nur ungenauen Befestigung des LED-Chips 2 an der Leiterplatte 7 bezüglich des optischen Systems 6 kann die genaue Ausrichtung der Aussparung 19 mechanisch mittels des Trägers des optischen Systems 6 und des optischen Blendenbauteils 14 erfolgen.
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Insgesamt betrachtet sind mit dem optischen Sensor 1 wesentliche Vorteile verbunden. An dem optischen System 1 kann ein in der Herstellung preiswerter LED-Chip 2 als Lichtquelle eingesetzt werden. Ferner kann die optische Ausrichtung des LED-Chips 2 zu dem optischen System 6 in vorteilhafter Weise mittels des optischen Blendenbauteils 14 erfolgen. Der Lichtsender des optischen Sensors 1 stellt in der Kombination von LED-Chip 2 und dem optischen Blendenbauteil 14 aufgrund der Aussparung 19 des optischen Blendenbauteils 14 mit einer nur sehr kleinen Ausdehnung eine im Wesentlichen punktförmige Lichtquelle bzw. Lichtsender zur Verfügung, da nur derjenige Teil des emittierten Lichts an der strahlungsemittierenden Oberfläche 18 zu dem optischen System 6 geleitet wird, welcher an der Aussparung 19 emittiert wird.
