DE3029130A1 - Lens structure over photodiode detector - uses dome and cone lens with interference suppression ring - Google Patents
Lens structure over photodiode detector - uses dome and cone lens with interference suppression ringInfo
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Abstract
Description
LinseneinrichtungLens device
Die Erfindung betrifft eine integrierte optische Linseneinrichtung für den Empfang von Licht- oder Infrarotstrahlung, insbesondere für einen Empfänger für ein impulsdauermodulirtes Mehrkanalsystem mit Zeitmultiplex-Signalübertragung, mit als Lichtblitze zu empfangenden Nadelimpulsen aus einem, aus einer Impulsfolge abgeleiteten, Nadelimpulsraster und mit einer Hochfrequenzsperre und einem Halbleiter-Signalwandler-Ausgang.The invention relates to an integrated optical lens device for receiving light or infrared radiation, especially for a receiver for a pulse duration modulated multi-channel system with time-division multiplex signal transmission, with needle pulses to be received as flashes of light from one pulse train derived, needle pulse raster and with a high frequency barrier and a semiconductor signal converter output.
Für den Empfang von durch Infrarotstrahlung übermittelten Signalen sind Halbleiter-Signalwandler zur nachrichtentechnischen Weiterverarbeitung erforderlich. Diese Signalwandler sind ebene Elemente, deren bestrahlungsempfindliche aktive Fläche nicht beliebig groß ist.For receiving signals transmitted by infrared radiation Semiconductor signal converters are required for further communications processing. These signal converters are flat elements, their radiation-sensitive active surface is not arbitrarily large.
Zur Erhöhung der Einstrahlung sind Linsensysteme erforderlich.Lens systems are required to increase the irradiation.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine optische Linseneinrichtung zu erstellen, die insbesondere zur Verwendung in tragbaren Empfängern vorgesehen ist, wobei die Hauptachse der Linseneinrichtung in Richtung der Haupteinstrahlung vorgesehen ist, die Linseneinrichtung Jedoch zudem eine besondere Empfindlichkeit für die Absorption von Streulicht auf der bestrahlungsempfindlichen aktiven Fläche aufweist, und wobei die Linseneinrichtung mit einer Hochfrequenzsperre versehen ist, die die Einstrahlung von Hochfrequenzstrahlung auf die bestrahlungsempfindliche aktive Fläche des Halbleiter-Signalwandlers verhindert, zudem Jedoch optisch gesehen möglichst wenig Schatten verursacht und wobei schließlich am Halbleiter-Signalwandlerausgang auch bei nur vorhandenem Streulichteinfall ein hoher elektrischer Nutzsignalpegel vorhanden ist.The invention is based on the object of an optical lens device to create, especially intended for use in portable receivers is, wherein the main axis of the lens device in the direction of the main radiation is provided, however, the lens device also has a special sensitivity for the absorption of scattered light on the radiation-sensitive active surface and wherein the lens device is provided with a high frequency barrier is that the irradiation of high frequency radiation on the radiation-sensitive active surface of the semiconductor signal converter is prevented, but also from a visual point of view caused as little shadow as possible and ultimately at the semiconductor signal converter output even if there is only incidence of scattered light, a high electrical level Useful signal level is present.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß der Linsenkörper zentrisch aufgebaut geometrisch aus einer Kugelkalotte, einem anschließenden Kegelstumpf und einem an den Kegelstumpf fußseitig anschließenden Zylinder besteht, daß an die Grundfläche des zylindrischen Linsenteils der Halbleiter-Signalwandler mit seiner bestrahlungsempfindlichen aktiven Fläche angesetzt ist, und daß zur Hochfrequenzschirmung in der Grenzzone zwischen Kugelkalotte und Kegelstumpf ein Schirmring im Linsenkörper in Oberflächennähe vorgesehen ist. Vorteilhaft ist hier, daß durch die optischen Eigenschaften der Linse der gesamte vor der bestrahlungsempfindlichen, aktiven Fläche liegende Halbraum auf diese Fläche abgebildet wird, wobei zudem keine ausgeprägte Richtungsempfindlichkeit besteht. Aus Fertigungsgründen ist die Zusammensetzung des Linsenkörpers aus einfachen geometrischen Körpern vorteilhaft. Weiterhin ist die Kombination von Linse, Signalwandler und Hochfrequenzsperre an sich ein großer Vorteil.This object is achieved according to the invention in that the lens body centrically constructed geometrically from a spherical cap, an adjoining truncated cone and a cylinder adjoining the truncated cone on the foot side that the Base area of the cylindrical lens part of the semiconductor signal converter with its radiation-sensitive active surface is set, and that for high-frequency shielding In the boundary zone between the spherical cap and the truncated cone, an umbrella ring in the lens body is provided near the surface. The advantage here is that through the optical Properties of the lens of the entire in front of the radiation-sensitive, active surface lying half-space is mapped onto this surface, with no pronounced Directional sensitivity exists. For manufacturing reasons, the composition is of the lens body from simple geometric bodies advantageous. Furthermore is the combination of lens, signal converter and high frequency barrier is a big one in itself Advantage.
Nach einem zusätzlichen Merkmal der Erfindung sind der Kegelstumpf aus einem Kegel mit einem Öffnungswinkel von 800 und die Kugelkalotte aus einem Kugelausschnitt mit einem Öffnungswinkel von 1200 gebildet, wobei die Kegelstumpffußfläche und die Halbkugelebene der Halbkugel, aus der die Kugelkalotte gebildet ist, in einer Ebene liegen. Vorteilhaft ist hier, wie die Erfahrung zeigt und wie in konstuktiver Annäherung ermittelt, die vorgesehene Ausführungsform.According to an additional feature of the invention, the truncated cones from a cone with an opening angle of 800 and the spherical cap from one Spherical section formed with an opening angle of 1200, with the truncated cone root surface and the hemisphere plane of the hemisphere from which the spherical cap is formed in lie on one level. It is advantageous here, as experience shows, and as in constructive Approximation determined, the proposed embodiment.
Nach einem weiteren Merkmal der Erfindung ist vorgesehen, daß die bestrahlungsempfindliche aktive Fläche parallel zur Kegelstumpffußfläche liegt und ein Drittel des Kreisdurchmessers bei kreisförmiger bzw. ein Drittel der längeren Rechteckseite bei rechteckiger bestrahlungsempfindlicher aktiver Fläche des Halbleiter-Signalwandlers von der Kegelstumpffußfläche entfernt ist, und daß der Durchmesser der Kegelstumpffußfläche das Dreifache des Durchmessers bzw. der längeren Rechteckseite der bestrahlungsempfindlichen aktiven Fläche beträgt. Vorteilhaft ist hier, wie die Erfahrung zeigt, die vorgesehene Proportion, die im interessierenden Bereich eine hinreichende erste Annäherung ergibt, wobei Abweichungen in der Auswirkung eher vernachlässigbar sind.According to a further feature of the invention it is provided that the radiation-sensitive active surface is parallel to the surface of the truncated cone and one third of the circle diameter for circular or a third the longer side of the rectangle with a rectangular radiation-sensitive active area of the solid state transducer is removed from the frustoconical surface, and that the diameter of the truncated cone root surface three times the diameter or the longer rectangular side of the radiation-sensitive active area. Advantageous Here, as experience shows, is the intended proportion that im interested Area gives a sufficient first approximation, with deviations in the effect are rather negligible.
Ein zusätzliches Merkmal der Erfindung sieht vor, daß der Zylinder an der dem Kegelstumpf abgewandten Seite mit einem zentrischliegenden zylindrischen bzw. quaderförmigen Loch ausgenommen ist, das zur Aufnahme von Halbleiter-Signalwandlern dient. Vorteilhaft sind hier Montage- und Justiervereinfachungen. Zudem bietet das so gebildete Gehäuse einen guten Schutz.An additional feature of the invention provides that the cylinder on the side facing away from the truncated cone with a centrally located cylindrical one or cuboid hole is excluded, which is used to accommodate semiconductor signal converters serves. Assembly and adjustment simplifications are advantageous here. It also offers Housing formed in this way provide good protection.
Als weitere Merkmale der Erfindung sind vorgesehen: daß der Brechungsindex des Material des Linsenkörpers etwa 1,5 beträgt, daß das Material des Linsenkörpers aus Plexiglas besteht und daß Linsenkörper und bestrahlungsempfindliche aktive Fläche mittels eines Klebers mit gleichem Brechungsindex wie der Linsenkörper verbunden sind.As further features of the invention are provided: that the refractive index of the material of the lens body is about 1.5 that the material of the lens body consists of plexiglass and that lens body and radiation-sensitive active surface connected by means of an adhesive with the same refractive index as the lens body are.
Vorteilhaft sind hier die gute Materialverarbeitbarkeit, die günstigere Signalausbeute sowie geringere Streuverluste durch den Kleber. Vorteilhaft ist auch noch, daß die Materialeigenschaften siM bei Abweichungen davon nur wenig auf die empfangene Lichtstärke auswirken.The good processability of the material, the cheaper one, are advantageous here Signal yield and lower scatter losses through the adhesive. Is also beneficial nor that the material properties are only in the event of deviations have little effect on the received light intensity.
Als zusätzliche Merkmale der Erfindung sind vorgesehen: daß als Halbleiter-Signalwandler eine Infrarot-Fotodiode dient, und daß zwei Halbleiter-Signalwandler mit quadratischer bestrahlungsempfindlicher aktiver Fläche nebeneinanderliegend vorgesehen sind, wobei durch die Halterung ein inaktiver Zwischensteg vorhanden ist.As additional features of the invention are provided: that as a semiconductor signal converter an infrared photodiode is used, and that two semiconductor signal converters with square radiation-sensitive active surfaces are provided adjacent to one another, wherein the bracket has an inactive intermediate web.
Als weitere Merkmale der Erfindung sind noch vorgesehen: daß der Schirmring außerhalb des Linsenkörpers angebracht ist, und daß der Schirmring mit mindestens einem Masseableiter versehen ist, wobei dieser Masseableiter in der hinsichtlich der Schattenwirkung günstigsten Konfiguration angeordnet ist.As further features of the invention are also provided: that the screen ring is attached outside of the lens body, and that the screen ring with at least a ground drain is provided, this ground drain in terms of the most favorable configuration for the shadow effect.
Vorteilhaft ist hier, daß zur Abschirmung störender Hochfrequenzfelder ein mit der Empfängermasse verbundener Metallring in den Linsenkörper so eingegossen ist, daß dieser Schirmring im Bereich des Uberganges von Kugelform und Kegelform liegt, wodurch zudem die Schattenwirkung des Ringes auf den Halbleiter-Signalwandler klein zu halten ist.The advantage here is that to shield interfering high-frequency fields a metal ring connected to the receiver mass is cast into the lens body in this way is that this screen ring is in the area of the transition from spherical shape and conical shape which also causes the shadow effect of the ring on the semiconductor signal converter is to be kept small.
Ein Ausführungsbeispie3. der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt und wird im folgenden näher beschrieben.An exemplary embodiment 3. the invention is shown in the drawing and is described in more detail below.
Es zeigt Fig. 1 ein Beispiel einer erfindungsgemäßen Linseneinrichtung im Längsschnitt.1 shows an example of a lens device according to the invention in longitudinal section.
In Fig. 1 ist ausgehend von einer quadratischen, bestrahlungsempfinglichen, aktiven Fläche F von zwei nebeneinanderliegenden Halbleiter-Signalwandlern S die Linseneinrichtung konstruiert, wobei unter Außerachtlassen von einem durch das Gehäuse der Halbleiter-Signalwandler S bedingten inaktiven Steg, eine aktive Rechteckfläche entsteht. Die Länge L der längeren Rechteckseite L ist als Maßeinheit 1 vorgesehen. In einem Zylinder Z mit einem Durchmesser 3 1 ist zur Fixierung der Lage der Halbleiter-Signalwandler S symmetrisch zur Zylinderachse A, die zugleich die Linsenachse bildet, eine Ausnehmung G vorgesehen, die als Gehäuse für die Halbleiter-Signalwandler S dient. Die optisch relevante Höhe des Zylinders Z bis zur bestrahlungsempfindlichen Fläche F beträgt 1/3 1. An diesen Zylinder Z ist geometrisch gesehen, zentrisch ein Kegelstumpf KE mit einem Kegelöffnungswinkel von 800 angesetzt. Auf diesen Kegelstumpf KE ist eine Kugelkalotte KU aufgesetzt, die aus einem Kugelausschnitt mit einem Öffnungswinkel von 0 120 gebildet ist, wobei die fiktive Halbkugelgrundfläche und die Kegelstumpffußfläche in einer Ebene liegen. Die beschriebene geometrische Linsenform besteht aus durchsichtigem klarem Plexiglas mit einem Brechungsindex von 1,5, wobei zudem die bestrahlungsempfindliche, aktive Fläche F der Halbleiter-Signalwandler S in der Ausnehmung G des Zylinders Z an diesen mit einem Kleber mit gleichem Brechungsindex angeklebt sind. In der Kugel-Kegel-Ubergangszone ist ein aus dünnem Blech gestanzter Schirmring R mit einer Breite von etwa 1 mm in Oberflächennähe eingegossen; zur Halterung des Schirmringes R in der Gußform sind zwei Abstandsstifte vorgesehen, wobei die Ableiter so liegen, daß sie in der Symmetrieebene der beiden bestrahlungsempfindlichen aktiven Flächen und möglichst nahe der Oberfläche des Linsenkörpers liegen,die mit dem Schirmring R elektrisch gut leitend verbunden als Masseableiter E dienen. Die Befestigung swe Linseneinrichtung am tragbaren Empfänger erfolgt durch Einlöten der Masseableiter E und der Halbleiteranschlüsse HA in eine Schaltungsplatine. Sowohl Masseableiter E als auch der Schirmring R sind zur Abschirmung von Hochfrequenzeinstrahlung auf die bestrahlungsempfindliche, aktive Fläche F vorgesehen; die Schattenwirkung auf diese Fläche ist geringfügig. Die als Halbleiter-Signalwandler S verwendeten Fotodioden haben ein planes Kunststoffgehäuse mit einer als bestrahlungsempfindliche aktive Fläche ausgebildeten Stirnfläche.In Fig. 1, starting from a square, radiation-sensitive, active area F of two adjacent semiconductor signal converters S the Lens device constructed, disregarding one by the housing the semiconductor signal converter S conditioned inactive web, an active rectangular area arises. The length L of the longer side of the rectangle L is provided as unit of measurement 1. In a cylinder Z with a diameter 3 1 is to fix the position of the semiconductor signal converter S symmetrically to the cylinder axis A, which at the same time forms the lens axis, a recess G provided, which serves as a housing for the semiconductor signal converter S. The optically relevant height of the cylinder Z to the radiation-sensitive surface F is 1/3 1. From a geometrical point of view, this cylinder Z has a truncated cone KE in the center assumed with a cone opening angle of 800. On this truncated cone KE is a Spherical cap KU attached, which consists of a spherical section with an opening angle is formed by 0 120, where the fictitious hemispherical base area and the truncated cone base area lie in one plane. The geometrical lens shape described consists of transparent clear Plexiglas with a refractive index of 1.5, whereby the radiation-sensitive, Active area F of the semiconductor signal converter S in the recess G of the cylinder Z are glued to these with an adhesive with the same refractive index. In the Ball-cone transition zone is a shield ring R stamped from thin sheet metal with a Width of about 1 mm cast near the surface; for holding the shield ring R in the mold there are two spacer pins, with the arresters positioned so that that they are in the plane of symmetry of the two radiation-sensitive active surfaces and as close as possible to the surface of the lens body with the umbrella ring R serve as a ground conductor E with good electrical conductivity. The attachment swe Lens setup on the portable receiver is done through Soldering in the ground conductor E and the semiconductor connections HA in a circuit board. As well as Ground conductor E and shield ring R are used to shield against high-frequency radiation provided on the radiation-sensitive, active surface F; the shadow effect on this area is negligible. The S used as semiconductor signal converter Photodiodes have a flat plastic housing with a radiation-sensitive active surface formed end face.
Die erfindungsgemäße Linsenrinrichtung ist zur Verwendung, speziell bei der Ubertragung von Tonsignalen in Dolmetschanlagen, vorgesehen. Charakteristisch für diesen Anwendungsfall ist, daß der Einfall des Infrarotlichtes aus beliebiger Richtung auf den Empfänger erfolgen kann, wobei die Strahlungsintensität im Raum durch in Deckennähe angebrachte, als Sender dienende Strahler verteilt ist. Die Linseneinrichtung selbst ist am Empfänger so angebracht, daß die beiden Halbleiter-Signalwandler S bei Benützung des Empfängers in der wahrscheinlichsten Lage (Gerät um den Hals gehängt oder angesteckt) horizontal im Raum liegen, wobei die Mittellinie der Linseneinrichtung unter einem Winkel von etwa 450 nach oben weist, da der Infrarotlichteinfall im allgemeinen von höher gelegenen Strahlern erfolgt.The lens ring assembly of the present invention is specific to use for the transmission of audio signals in interpreting systems. Characteristic for this application is that the incidence of infrared light from any Direction towards the receiver can take place, with the radiation intensity in the room is distributed by emitters installed near the ceiling and serving as transmitters. the The lens device itself is attached to the receiver in such a way that the two semiconductor signal converters S when using the receiver in the most likely position (device around the neck hung or pinned) lie horizontally in the room, with the center line of the lens device points upwards at an angle of about 450, since the incidence of infrared light in the generally from higher located radiators.
Vorteilhaft ist, daß durch die Kombination von Kugel-Kegel die Lichtausbeute für streifenden Einfall stark erhöht wird, daß durch die Kombination von Kugel und Kegel und der Verwendung von zwei Halbleiter-Signalwandlern S die Richtungsempfindlichkeit in der Ebene der bestrahlungsempfindlichen, aktiven Fläche F gering ist, daß durch einen in den Linsenkörper eingegossenen Schirmring R im Bereich des Uberganges Kugel-Kegel die hochfrequenten Störungen stark reduziert werden ohne wesentliche Beeinträchtigung des Infrarotlichteinfalls auf die Halbleiter-Signalwandler S. Wesentlich ist noch, daß durch den auf die bestrahlungsempfindliche aktive Fläche F abgebildeten Halbraum und die geringe Richtungsabhängigkeit der Linseneinrichtung auch bei Bewegen des Empfängers im Raum praktisch keine Fading-Erscheinungen auftreten, wobei hier die Senderverteilung und die Reflexionen eine günstige Auswirkung haben.It is advantageous that the light output is achieved through the combination of ball and cone for grazing incidence that is greatly increased by the combination of sphere and Cone and the use of two semiconductor signal converters S the directional sensitivity in the plane of the radiation-sensitive, active surface F is small that by a screen ring R cast into the lens body in the area of the transition from the sphere to the cone the high-frequency interference is greatly reduced without significant impairment the incidence of infrared light on the semiconductor signal converter S. Essential is nor that through the imaged on the radiation-sensitive active surface F. Half space and the low directional dependence of the lens device even when moving of the receiver practically no fading phenomena occur in the room, although here the transmitter distribution and the reflections have a beneficial effect.
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