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Die vorliegende Erfindung betrifft eine optische Sensorvorrichtung zum Sensieren von Objekten und ein Verfahren zum Sensieren von Objekten. Insbesondere betrifft die Erfindung eine mikrooptomechanische Sensorvorrichtung, welche in ein tragbares Gerät integriert ist, beispielsweise in ein Smartphone, ein Tablet oder einen Laptop. Die Erfindung betrifft weiter ein Verfahren zum Sensieren von Objekten mittels einer derartigen mikrooptomechanischen Sensorvorrichtung.
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Stand der Technik
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Optische Messverfahren basieren auf der Aussendung von elektromagnetischen Wellen im typischerweise sichtbaren oder infraroten Bereich, welche an Objekten reflektiert bzw. gestreut werden. Die reflektierte Streuung wird detektiert und ausgewertet, um bestimmte Eigenschaften der Objekte zu bestimmen. So kann anhand einer Dopplerverschiebung die Geschwindigkeit eines Objekts bestimmt werden oder anhand der Intensität der Rückstreuung auf die Anzahl oder Dichte von Partikeln rückgeschlossen werden. Weiter können optische Verfahren zur Abstandsmessung eingesetzt werden, etwa bei Lidarsystemen, welche in Fahrzeugen verbaut sind und Sensordaten für Fahrerassistenzsysteme bereitstellen.
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Bei vielen Anwendungen wird Weißlicht eingesetzt, d.h. polychromatisches bzw. spektralbreitbandiges Licht. Eine Möglichkeit, derartiges Licht zu erzeugen, besteht in der Verwendung thermischer Lichtquellen, welche jedoch einen signifikanten Anteil der abgegebenen Energie als Wärmestrahlung emittieren. Derartige Lampen sind darüber hinaus teuer und platzintensiv und daher für Anwendungen in tragbaren Geräten weniger geeignet. Alternativ können Laserquellen, beispielweise LEDs, verwendet werden, um Laserlicht zu erzeugen, welches mittels eines Konversionsmediums in breitbandiges Licht gewandelt wird. Eine beispielhafte Einrichtung zur Weißlichterzeugung mit einer Lichtquelle und einem Konversionsmedium ist aus der
DE 10 2010 034054 A1 bekannt.
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Weiter ist aus der
DE 10 2008 033 767 A1 ein Multifunktion-Glas bekannt, wobei ein Bild innerhalb des Glases optisch übertragbar ist. Schließlich offenbart die
WO 03/048748 A1 einen Regensensor für ein Kraftfahrzeug.
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Offenbarung der Erfindung
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Die Erfindung stellt eine optische Sensorvorrichtung zum Sensieren von Objekten mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 und ein Verfahren zum Sensieren von Objekten mit den Merkmalen des Patentanspruchs 10 bereit.
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Bevorzugte Ausführungsformen sind Gegenstand der jeweiligen Unteransprüche.
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Gemäß einem ersten Aspekt betrifft die Erfindung demnach ein optische Sensorvorrichtung zum Sensieren von Objekten mit einer Lichtaussendeeinrichtung, einer Konversionseinrichtung, einer Lichtablenkeinrichtung und einer Detektoreinrichtung. Die Lichtaussendeeinrichtung sendet Anregungslicht aus, welches von der Lichtablenkeinrichtung auf die Konversionseinrichtung abgelenkt wird. Die Lichtablenkeinrichtung umfasst mindestens ein holographisch optisches Element. Die Konversionseinrichtung konvertiert das Anregungslicht in einen zumindest teilweise verschiedenen Spektralbereich und strahlt Aussendelicht aus. Die Detektoreinrichtung detektiert das an einem Objekt reflektierte Aussendelicht.
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Gemäß einem zweiten Aspekt betrifft die Erfindung demnach ein Verfahren zum Sensieren von Objekten, wobei Anregungslicht ausgesendet wird und das ausgesendete Anregungslicht auf eine Konversionseinrichtung unter Verwendung mindestens eines holographisch optischen Elements abgelenkt wird. Das Anregungslicht wird mittels der Konversionseinrichtung in Aussendelichts mit einem zumindest teilweise verschiedenen Spektralbereich konvertiert. Das an einem Objekt reflektierte Aussendelicht wird detektiert.
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Vorteile der Erfindung
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Die Verwendung von holographisch optischen Elementen ermöglicht die vorteilhafte Lichtlenkung des von der Lichtaussendeeinrichtung ausgesendeten Anregungslichts zur Konversionseinrichtung. Unter Anregungslicht ist Licht zu verstehen, welches als Primärlicht die Konversionseinrichtung zum Aussenden von Sekundärlicht - dem Aussendelicht - anregt. Durch die vorteilhafte Lichtlenkung kann eine freiere räumliche Anordnung der Lichtaussendeeinrichtung relativ zur Konversionseinrichtung der Sensorvorrichtung erzielt werden, indem die Lichtaussendeeinrichtung und die Konversionseinrichtung in einer Ebene angeordnet werden. Gegenüber einem gestackten Aufbau reduziert sich dadurch die Bauhöhe, was besonders für tragbare Geräte besonders nutzbringend ist. Weiter kann die Detektoreinrichtung in unmittelbarer Nähe der Konversionseinrichtung angeordnet werden, was dazu führt, dass der Lichtkegel des Aussendelichts eine möglichst große Überlappung mit dem Erfassungsbereich (englisch: field of view, FOV) der Detektoreinrichtung aufweist. Dadurch wird derjenige Bereich, welcher nicht überwacht werden kann, da sich der Lichtkegel mit dem Erfassungsbereich für einen zu kleinen Abstand nicht überlappt, möglichst reduziert. Weiter wird der relative Winkel des Lichtkegels und des Erfassungsbereichs gegenüber einem Aufbau mit einem größeren Abstand zwischen Konversionseinrichtung und Detektoreinrichtung reduziert, sodass unerwünschte Parallaxeneffekte vermindert werden.
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Durch die Strahlformung ist es weiter möglich, die Lichtaussendeeinrichtung von der Detektoreinrichtung räumlich zu trennen, sodass thermische Einflüsse auf die Detektion aufgrund der sich erwärmenden Lichtaussendeeinrichtung reduziert werden.
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Schließlich ermöglichen die holographisch optischen Elemente in gezielter Weise lediglich Konversionseinrichtung bzw. die Konversionselemente der Konversionseinrichtung mit dem Anregungslicht zu bestrahlen, sodass die Lichtausbeute maximiert wird.
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Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung der optischen Sensorvorrichtung weist die Konversionseinrichtung eine Trägereinrichtung sowie eine Vielzahl von Konversionselementen auf, wobei die Konversionselemente an der Trägereinrichtung angeordnet sind und dazu ausgebildet sind, das Anregungslicht in den zumindest teilweise verschiedenen Spektralbereich zu konvertieren und jeweils einen Einzellichtstrahl auszugeben. Die Einzellichtstrahlen bilden das Aussendelicht. Bei den Konversionselemente kann es sich um punktförmige Elemente eines fluoreszierenden oder phosphoreszierenden Materials handeln.
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Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung der optischen Sensorvorrichtung weist die Trägereinrichtung mindestens eine Öffnung auf, wobei die Konversionselemente um die mindestens eine Öffnung herum angeordnet sind. Die Detektoreinrichtung ist dazu ausgebildet, das durch die mindestens eine Öffnung eingestrahlte reflektierte Aussendelicht zu detektieren. Besonders bevorzugt sind die Konversionselemente symmetrisch um die Öffnung herum angeordnet. Die Lichtkegel der von den Konversionselementen ausgesendeten Einzellichtstrahlen bilden somit einen Gesamtlichtkegel, welcher symmetrisch zum Erfassungsbereich der Detektoreinrichtung angeordnet ist.
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Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung der optischen Sensorvorrichtung ist die Lichtablenkeinrichtung dazu ausgebildet, das Anregungslicht auf die Konversionselemente zu fokussieren. Dadurch kann die Lichtausbeute erhöht werden.
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Gemäß einer Weiterbildung der optischen Sensorvorrichtung besteht die Trägereinrichtung zumindest teilweise aus einem optisch transparenten Material. Die Lichtablenkeinrichtung ist dazu ausgebildet, das Anregungslicht in die Trägereinrichtung einzukoppeln. Bei dem optisch transparenten Material kann es sich um ein Polymer handeln, wobei die Trägereinrichtung kostengünstig in großen Stückzahlen im Spritzgussverfahren hergestellt werden kann. Polymere besitzen typischerweise signifikante Absorptionsbanden im Wellenlängenbereich oberhalb von 1200 nm. Da jedoch nicht das konvertierte Licht sondern bereits der Laserstrahl mit kleineren Wellenlängen in die Trägereinrichtung eingekoppelt wird, spielen Absorptionsverluste kaum eine Rolle.
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Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung der optischen Sensorvorrichtung ist die Trägereinrichtung als Hohlraum ausgestaltet. Der Hohlraum weist zumindest abschnittsweise eine Metallbeschichtung auf. Beispielweise können die Konversionselemente an einer inneren Fläche des Hohlraums punktuell aufgebracht sein. Die Metallbeschichtung weist gute Wärmeleiteigenschaften auf, was dem spektralen Drift durch Erwärmung der Konversionselemente, d.h. der thermischen Verschiebung der ausgesendeten Wellenlängen, entgegenwirkt.
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Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung der optischen Sensorvorrichtung sind die Lichtaussendeeinrichtung und die Konversionseinrichtung derart angeordnet, dass eine erste Aussenderichtung des ausgesendeten Anregungslichts sich von einer zweiten Aussenderichtung des Aussendelichts unterscheidet. Vorzugsweise kann die erste Aussenderichtung senkrecht zur zweiten Aussenderichtung stehen. Dies ermöglicht gegenüber einer linearen Anordnung einen kompakteren Aufbau.
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Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung der optischen Sensorvorrichtung weist diese Reflektorelemente auf, welche an der Trägereinrichtung angeordnet sind und die Konversionselemente zumindest teilweise umgeben. Die Reflektorelemente sind dazu ausgebildet, die Einzellichtstrahlen durch Reflexion zu formen. Die Reflektorelemente ermöglichen eine bessere Strahlformung, d.h. einen schmaleren Lichtkegel des Aussendelichts.
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Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung der optischen Sensorvorrichtung weist diese eine Abdeckung auf, welche das Aussendelicht im Spektralbereich des Anregungslichts zumindest teilweise filtert. Die Abdeckung erfüllt somit die Funktion eines Langpassfilters. Durch zumindest teilweises Filtern des Spektralbereichs des Anregungslichts, insbesondere bei Verwendung von Laserlicht, können Gefahren für die Augensicherheit verringert werden.
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Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung der optischen Sensorvorrichtung umfasst die Konversionseinrichtung mindestens einen Leuchtstoff, welcher das Anregungslicht mittels Fluoreszenz oder Phosphoreszenz konvertiert. Die Konversionseinrichtung kann somit beispielsweise phosphoreszierende Materialien aufweisen, und insbesondere Kristalle mit einer Beimischung eines Fremdstoffs, welche die Gitterstruktur des Kristalls stört. Insbesondere können hierunter Sulfide von Materialien der zweiten Gruppe sowie Zink verstanden werden, wobei Schwermetallsalze beigemischt werden. Weiter kann vorgesehen sein, verschiedene Leuchtstoffe miteinander zu kombinieren.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der optischen Sensorvorrichtung umfasst die Lichtaussendeeinrichtung mindestens einen Halbleiterlaser und/oder mindestens eine Laserdiode, wodurch hohe Leistungsdichten erzielt werden.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der optischen Sensorvorrichtung handelt es sich bei dem Anregungslicht um Laserlicht. Allgemeiner kann es sich jedoch um beliebiges Licht mit einer geringen Etendue handeln.
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Figurenliste
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Es zeigen:
- 1 eine schematische Draufsicht auf eine optische Sensorvorrichtung gemäß einer ersten Ausführungsform der Erfindung;
- 2 eine schematische Querschnittsansicht der in 1 illustrierten optischen Sensorvorrichtung;
- 3 eine wellenlängenabhängige Transmission eines optischen Polymers;
- 4 eine beispielhaftes Polardiagramm für ein Oberflächenhologramm;
- 5 eine schematische Draufsicht auf eine optische Sensorvorrichtung gemäß einer zweiten Ausführungsform der Erfindung;
- 6 eine schematische Querschnittsansicht der in 5 gezeigten optischen Sensorvorrichtung;
- 7 eine schematische Querschnittsansicht einer optischen Sensorvorrichtung gemäß einer dritten Ausführungsform der Erfindung;
- 8 eine schematische Querschnittsansicht einer optischen Sensorvorrichtung gemäß einer vierten Ausführungsform der Erfindung; und
- 9 ein Flussdiagramm eines Verfahrens zum Sensieren von Objekten gemäß einer Ausführungsform der Erfindung.
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In allen Figuren sind gleiche bzw. funktionsgleiche Elemente und Vorrichtungen mit denselben Bezugszeichen versehen.
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Beschreibung der Ausführungsbeispiele
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1 zeigt eine schematische Draufsicht und 2 eine schematische Querschnittsansicht einer optischen Sensorvorrichtung 1, welche eine Lichtaussendeeinrichtung 101 mit einer geringen Etendue aufweist. Bei der Lichtaussendeeinrichtung 101 kann es sich um einen Laser-Chip handeln, welcher Anregungslicht bzw. Laserlicht L mit einer Wellenlänge, die üblicherweise zwischen 400 nm und 700 nm liegt, emittiert. Das Laserlicht L wird durch eine Linse 111 kollimiert und trifft auf ein erstes Lichtablenkelement 103a, welches Teil einer Lichtablenkeinrichtung 103 ist. Bei dem ersten Lichtablenkelement 103a handelt es sich um ein holographisch optisches Element, welches als Strahlteiler fungiert. Ein holographisch optisches Element kann allgemein zur Teilung und/oder zur Ausrichtung des eingefallenen Lichts dienen. Holographisch optische Elemente können in Transmission oder in Reflexion realisiert werden. Bei dem holographisch optischen Element kann es sich um ein Volumenhologramm oder ein Oberflächenhologramm oder eine Kombination daraus handeln. Ein Volumenhologramm kann in ein optisches Photopolymer mit einer Dicke von vorzugsweise weniger als 100 µm geschrieben werden. Volumenhologramme erreichen Beugungseffizienzen von bis zu 100 %, können sehr spezifisch für einzelne Wellenlängen ausgelegt sein und erlauben Multiplexing, d.h. die Vereinigung mehrerer optischer Funktionen, etwa die Strahlaufteilung in N Strahlen, wobei N eine natürliche Zahl größer als eins ist. Die Reflexion erfolgt bei holographisch optischen Elementen nicht zwingend dem klassischen Reflexionsgesetz, sodass Einfall- und Ausfallswinkel im Allgemeinen voneinander unabhängig wählbar sind. Oberflächenhologramme können beispielweise mit lithografischen Verfahren in Glas bzw. mittels Prägeverfahren in Glas oder Kunststoff oder als Spritzgussteile in Kunststoff hergestellt werden. Beispielhafte Oberflächenhologramme sind Blazegitter, Dreiecksgitter oder Sinusgitter. Oberflächenhologramm können mittels Lithographie-, Präge- oder Spritzgussverfahren kostengünstig, hochpräzise und in großen Stückzahlen hergestellt werden. Zudem werden vorzugsweise nur die Nutzordnungen verwendet, wobei Streulicht in anderen als den Nutzordnungen gemäß einigen Ausführungsformen durch zusätzliche Blenden, etwa durch eine absorbierende Beschichtung unterdrückt werden kann.
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Das erste Lichtablenkelement 103a ist an einer Stirnseite einer Trägereinrichtung 105 angebracht, welche zylinderförmig ausgestaltet ist und eine zentrale kreisförmige Öffnung 107 aufweist. Um die Öffnung 107 herum sind an einer Oberseite der Trägereinrichtung 105 zwölf Konversionselemente 106 rautenförmig und symmetrisch angeordnet, welche eine Konversionseinrichtung 102 bilden. Bei den Konversionselementen 106 handelt es sich um phosphoreszierende Leuchtzentren. An einer Unterseite der Trägereinrichtung 105 ist ein zweites Lichtablenkelement 103b ausgebildet, welches wiederum als holographisch optisches Element ausgestaltet ist. Das erste Lichtablenkelement 103a und das zweite Lichtablenkelement 103b bilden die Lichtablenkeinrichtung 103, welche dazu ausgebildet ist, das Laserlicht L auf die Konversionselemente 106 abzulenken. Das erste Lichtablenkelement 103a teilt das ausgesendete Laserlicht L in einen in 2 gezeigten ersten Einzellaserstrahl 112, welcher auf das zweite Lichtablenkelement 103b abgelenkt wird, einen (nicht gezeigten) zweiten Einzellaserstrahl, welcher auf einer relativ zur Öffnung 107 gegenüberliegenden Seite auf das zweite Lichtablenkelement 103b abgelenkt wird, sowie in ein erstes Laserstrahlbündel 107 und ein zweites Laserstrahlbündel 108, welche jeweils drei Einzellaserstrahlen umfassen, die auf jeweilige linear angeordnete Konversionselemente 106 fokussiert sind. Der erste Einzellaserstrahl 112 wird von dem zweiten Lichtablenkelement 103b in ein drittes Laserstrahlbündel 110 geteilt, welches drei Einzellaserstrahlen umfasst, welche auf drei weitere Konversionselemente 106 fokussiert sind. Analog wird der zweite Einzellaserstrahl von dem zweiten Lichtablenkelement 103b in ein viertes Laserstrahlbündel 109 geteilt und auf die verbleibenden drei Konversionselemente 106 fokussiert. Durch Verwendung von holographisch optischen Elementen kann auf zusätzliche Lichtleiter verzichtet werden.
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Die Konversionselemente 106 umfassen zumindest teilweise fluoreszierende oder phosphoreszierende Materialien, welche angeregt werden und das Laserlicht L konvertieren und jeweilige Einzellichtstrahlen E aussenden, wobei die Gesamtheit der Einzellichtstrahlen E ein Aussendelicht A bilden. Das Aussendelicht A weist einen Spektralbereich auf, welcher sich zumindest teilweise von dem Spektralbereich des Laserlichts L unterscheidet. Insbesondere kann schmalbandiges Laserlicht L in breitbandiges, vorzugsweise weißes Aussendelicht A konvertiert werden. Die Wellenlänge des Aussendelichts A kann zum Beispiel zwischen 700 nm und 2400 nm liegen und kann somit neben sichtbaren Wellenlängenbereichen auch Wellenlängen im Nahinfraroten beinhalten. Die Aussenderichtung des Aussendelichts A entspricht einer z-Achse, welche im Wesentlichen senkrecht zur in der x-y-Ebene liegenden Oberseite der Trägereinrichtung 105 steht und senkrecht zur Aussenderichtung des Laserlichts L verläuft, welches entlang der x-Achse ausgesendet wird.
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Die optische Sensorvorrichtung 1 umfasst weiter eine Detektoreinrichtung 104, welche unterhalb der Öffnung 107 der Trägereinrichtung 105 angeordnet ist. Die Detektoreinrichtung 104 detektiert das Aussendelicht A, welches an Objekten im Umfeld der optischen Sensorvorrichtung 1 reflektiert bzw. gestreut wird, und anschließend durch die Öffnung 107 der Trägereinrichtung 105 einfällt. Bei den Objekten kann es sich beispielsweise um Partikel, Staubteilchen oder eine zu untersuchende Probe handeln.
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Die Detektoreinrichtung 104 ist in unmittelbarer Nähe zur Konversionseinrichtung 102 angeordnet. Beispielweise kann die Detektoreinrichtung 104 an der Trägereinrichtung 105 angebracht oder zumindest teilweise in diese integriert sein. Die Konversionseinrichtung 102 ist vorzugsweise konzentrisch um die Detektoreinrichtung 104 angeordnet. Dadurch kann eine Beleuchtung einer Probe realisiert werden, die unabhängig vom Probenabstand symmetrisch zum Erfassungsbereich der Detektoreinrichtung 104 ist.
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Im Folgenden werden beispielhafte Abmessungen der optischen Sensorvorrichtung 1 angegeben. Ein erster Abstand d1 zwischen der Lichtaussendeeinrichtung 101 und der Linse 111 kann kleiner oder gleich 0,2 mm sein, ein zweiter Abstand d2, welcher der Dicke der Linse 111 entspricht, kann kleiner oder gleich 1 mm sein, ein dritter Abstand d3 zwischen der Linse 111 und dem ersten Lichtablenkelement 103a kann zwischen 0 und 1 mm liegen, ein vierter Abstand d4, welcher dem Durchmesser der Trägereinrichtung 105 entspricht, kann kleiner oder gleich 6 mm sein und ein vierter Abstand d5, welcher einer Höhe der Trägereinrichtung 105 entspricht, kann kleiner oder gleich 1,5 mm sein. Ein sechster Abstand d6, welcher dem Durchmesser der Öffnung 107 entspricht, kann kleiner oder gleich 3 mm sein. Diese Abmessungen sind jedoch nur beispielhaft zu verstehen.
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In 3 ist das Transmissionsspektrum T eines beispielhaften optischen Polymers illustriert, welches als Material der Trägereinrichtung 105 verwendet werden kann. Wie der Abbildung zu entnehmen ist, weist das optische Polymer Absorptionsbanden im Wellenlängenbereich oberhalb von 1200 nm auf. Das in die Trägereinrichtung 105 eingekoppelte Laserlicht L weist jedoch Wellenlängen zwischen 400 und 700 nm auf und wird im Wesentlichen vollständig transmittiert. Das Material der Trägereinrichtung 105 kann insbesondere PMMA oder Polycarbonat umfassen.
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Gemäß weiteren Ausführungsformen kann die Trägereinrichtung 105 jedoch auch als Hohlraum ausgestaltet sein. In diesem Fall können die Konversionselemente 106 vorzugsweise auf einer unteren Fläche des Hohlraums punktuell aufgebracht sein, wobei die Fläche aus einem Material mit guten Wärmeleiteigenschaften besteht, etwa einem Metall oder einem metallisch beschichteten Kunststoff. Neben einer Reduktion des spektralen Drifts wird zusätzlich nach unten abgestrahltes Emissionslicht wieder nach oben reflektiert.
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Gemäß weiteren Ausführungsformen kann vorgesehen sein, das von der Lichtaussendeeinrichtung 101 ausgesendete Laserlicht L durch zusätzliche holographisch optische Elemente aufzuspalten, wodurch mehrere räumlich getrennte, breitbandige Konversionseinrichtungen 102 gleichzeitig angeregt werden können. Dadurch ist es möglich, die anregende Lichtaussendeeinrichtung 101 mitsamt der zum Betrieb nötigen Elektronik räumlich getrennt von der Konversionseinrichtung 102 zu platzieren, etwa auf einer PCB-Platine, was vorteilhaft im Sinne der Aufbau- und Verbindungstechnik ist.
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Gemäß weiteren Ausführungsformen kann das fluoreszierende oder phosphoreszierende Material der Konversionseinrichtung 102 flächig auf der Oberseite der Trägereinrichtung 105 angeordnet sein, was die erforderliche Genauigkeit der Strahlführung reduziert.
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Die Erfindung ist nicht auf die gezeigte Ausgestaltung der Trägereinrichtung 105 und die illustrierte Anzahl der Konversionselemente 106 beschränkt. Insbesondere kann eine beliebige Vielzahl von Konversionselementen 106 vorgesehen sein, welche vorzugsweise symmetrisch um die Öffnung 107 herum angeordnet sind.
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In 4 ist ein beispielhaftes Polardiagramm illustriert, welches die transmittierten Ordnungen für ein Sinusgitter als Oberflächenhologramm zeigt.
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In 5 ist eine schematische Draufsicht und in 6 eine schematische Querschnittsansicht einer weiteren optischen Sensorvorrichtung 2 illustriert. In diesem Fall sind vier Konversionselemente 201 an einer Oberseite einer quadratischen oder rechteckigen Trägereinrichtung 205 symmetrisch um eine Öffnung 107 herum angeordnet, wobei wie bei der in 1 und 2 gezeigten optischen Sensorvorrichtung 2 eine Detektoreinrichtung 104 reflektiertes Aussendelicht A detektiert, welches durch die Öffnung 107 fällt. Ein siebter Abstand d7, welcher einer Höhe der Trägereinrichtung 205 entspricht, kann beispielsweise kleiner oder gleich 1,5 mm sein.
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Die optische Sensorvorrichtung 2 umfasst eine Lichtablenkeinrichtung 203, welche ein an einer Stirnseite der Trägereinrichtung 205 angeordnetes erstes Lichtablenkelement 203a umfasst, sowie ein zweites und ein drittes Lichtablenkelement 203b, 203c, welche an zur Stirnseite orthogonalen Seiten der Trägereinrichtung 205 ausgebildet sind. Das erste Lichtablenkelement 203a umfasst holographisch optische Elemente, welche das senkrecht auftreffende Laserlicht L in erster bis vierte Einzellichtstrahlen 207, 208, 209, 210 teilen. Der erste Einzellichtstrahl 207 ist auf ein erstes der Konversionselemente 201 fokussiert und der zweite Einzellichtstrahl 208 ist auf ein zweites der Konversionselemente 201 fokussiert. Der dritte Einzellichtstrahl 209 und der vierte Einzellichtstrahl 210 sind auf das zweite bzw. dritte Lichtablenkelement 203b, 203c fokussiert und werden von diesen auf die verbleibenden Konversionselemente 201 abgelenkt. Vorteilhafterweise werden diese verbleibenden Konversionselemente derart platziert, dass spekulare Reflexion ausreicht, d.h. die zweiten und dritten Lichtablenkelemente 203b, 203c als verspiegelte Außenwände ausgestaltet sind. Dadurch kann auf zusätzliche holographische optische Elemente verzichtet werden. Die Konversionselemente 201 sind in Mulden angeordnet, sodass die Einzellichtstrahlen 207, 208, 209, 210 die Konversionselemente 201 seitlich treffen.
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In 7 ist eine schematische Querschnittsansicht einer weiteren optischen Sensorvorrichtung 3 illustriert. Diese entspricht bis auf einige Modifikationen der in den 1 und 2 illustrierten optischen Sensorvorrichtung 1. Die Lichtaussendeeinrichtung 101 und die Linse 111 sind in einem gemeinsamen Gehäuse 301 angeordnet, welches auf einem Spacer 316 angeordnet ist, wobei der Spacer 316 auf einer Platine 315 positioniert ist. Die Trägervorrichtung 105 ist auf der Detektoreinrichtung 104 angeordnet, welche wiederum auf der Platine 315 positioniert ist. Die Konversionselemente 106 sind von Reflektorelementen 313 umgeben bzw. in diese eingebettet, wobei die Reflektorelemente 313 konzentrisch gestaltet sind, und durch Reflexion die Lichtkegel der Einzellichtstrahlen E, welche das Aussendelicht A bilden, vorgeben. Die Reflektorelemente 313 sind mit reflektierenden bzw. spiegelnden Materialien beschichtet oder aus solchen Materialien ausgebildet. Die durch die Reflektorelemente 313 vorgegebenen Öffnungen können beliebig ausgestaltet sein, insbesondere konisch oder parabolisch sein. Die Öffnungen können auch in Richtung der Detektionsachse geneigt sein. Die Reflektorelemente 313 können in einer Platte 302 ausgeformt sein, welche als separates Spritzgusselement bereitgestellt werden kann. Zusätzlich können Mikrolinsen oder Diffusoren oberhalb der Konversionselemente 106 zur zusätzlichen Lichtformung vorgesehen sein. Schließlich ist ein Deckglas bzw. eine Abdeckung 314 vorgesehen, welche die Konversionselemente 106 vor äußeren Einflüssen schützt und weiter die Funktion eines Langpassfilters aufweisen kann.
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Ein achter Abstand d8, welcher der Dicke von Platine 315 und Detektoreinrichtung 104 bzw. Spacer 316 entspricht, kann beispielsweise kleiner oder gleich 2 mm sein. Ein neunter Abstand d9, welcher der Dicke der Reflektorelemente 313 und der Abdeckung 314 entspricht, kann kleiner oder gleich 1 mm sein.
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In 8 ist eine weitere optische Sensorvorrichtung 4 illustriert. Im Unterschied zur in 7 gezeigten optischen Sensorvorrichtung 3 wird auf den Spacer 316 verzichtet, d.h. das Gehäuse 301 ist direkt auf der Platine 315 angeordnet. Das Laserlicht L wird mittels eines Periskops 401 auf das erste Lichtablenkelement 103a abgelenkt.
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9 zeigt ein Flussdiagramm zur Erläuterung eines Verfahrens zum Sensieren von Objekten. Das Verfahren kann mithilfe einer der oben beschriebenen optischen Sensorvorrichtungen durchgeführt werden. In einem ersten Verfahrensschritt S1 wird Laserlicht L ausgesendet, etwa mittels eines Laser-Chips oder einer LED.
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In einem Verfahrensschritt S2 wird das ausgesendete Laserlicht L auf eine Konversionseinrichtung 102 abgelenkt. Unter einem Ablenken kann eine Strahlteilung und eine Ausrichtung der Einzelstrahlen verstanden werden, d.h. das ausgesendete Laserlicht wird in mehrere Strahlen geteilt, welche auf Konversionselemente der Konversionseinrichtung 102 fokussiert werden. Das Laserlicht L kann direkt auf die Konversionselemente abgelenkt werden, kann jedoch auch mittels mehrfacher Ablenkung auf die Konversionselemente fokussiert werden.
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Das Laserlicht wird in einem Verfahrensschritt S3 durch die Konversionseinrichtung in Aussendelicht A mit einem zumindest teilweise verschiedenen Spektralbereich konvertiert. Das Aussendelicht A wird vorzugsweise in einer Richtung im Wesentlichen senkrecht zur Aussenderichtung des Laserlichts L ausgesendet.
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In einem Verfahrensschritt S4 wird das an einem Objekt, etwa an Staubpartikeln oder an einer präparierten Probe, reflektierte Aussendelicht A detektiert. Die hierzu verwendete Detektoreinrichtung 104 ist vorzugsweise benachbart zur Konversionseinrichtung 102 angeordnet. Insbesondere können die Detektoreinrichtung 104 und die Konversionseinrichtung 102 auf einem gemeinsamen Substrat angeordnet sein. Vorzugsweise ist die Konversionseinrichtung 102 symmetrisch um die Detektoreinrichtung 104 herum angeordnet.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102010034054 A1 [0003]
- DE 102008033767 A1 [0004]
- WO 03/048748 A1 [0004]
