DE4225512C1

DE4225512C1 - Optoelektronischer Strahlungsempfänger

Info

Publication number: DE4225512C1
Application number: DE4225512A
Authority: DE
Inventors: Christian Dipl Ing Lietar
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 1992-08-01
Filing date: 1992-08-01
Publication date: 1994-02-17
Anticipated expiration: 2012-08-02

Description

Die Erfindung geht aus von einem optoelektronischen Strahlungsempfänger nach der Gattung des Hauptanspruchs.

Es ist bereits aus der DE-PS 29 48 223 bekannt, eine plankonvexe Linse vor einem optoelektronischen Sensor zu positionieren, um die einfallende Lichtstrahlung auf den Sensor zu bündeln. Hierbei fällt bei schrägem Lichteinfall mit steigendem Einfallswinkel die Amplitude des elektrischen Signals des Sensors ab.

Aus der DE-OS 39 22 153 ist weiter ein optischer Sensor mit einem elektrooptischen Wandler und einem Linsenkörper bekannt, bei dem der Linsenkörper auf seiner der lichtempfindlichen Fläche des elektrooptischen Wandlers abgewandten Außenseite ellipsoidförmig ausgebildet ist, so daß über einen möglichst großen Winkelbereich einfallende Lichtstrahlen unter einem möglichst großen Winkel auf die lichtempfindliche Fläche des elektrooptischen Wandlers des Sensors gelenkt werden.

Weiter bekannt ist aus der DE-OS 40 41 769 ein optischer Sensor mit einem ellipsoidförmigen Linsenkörper, der einen ellipsoidförmigen Hohlraum aufweist, dessen relative Lage zur ellipsoidförmigen Außenseite des Linsenkörpers in Abhängigkeit einer Kennlinie festgelegt wird.

Die US 5103108 offenbart ein Infrarot-Kommunikationssystem, bei dem ein Infrarotempfänger mit einer Fotodiode und einer darauf aufgesetzten halbkugelförmigen Linse vorgesehen ist.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen optoelektronischen Strahlungsempfänger gemäß dem Stand der Technik so weiterzubilden, daß das Wandlerverhalten des optoelektronischen Strahlungsempfängers verbessert wird.

Gelöst wird diese Aufgabe durch einen optoelektronischen Strahlungsempfänger mit den Merkmalen des Anspruchs 1.

Der erfindungsgemäße optoelektronische Strahlungsempfänger hat den Vorteil, daß bei schrägem Lichteinfall mit steigendem Einfallswinkel die Amplitude des elektrischen Signals des Sensors annähernd konstant bleibt.

Als weiterer Vorteil ist anzusehen, daß der maximale Winkel, bei dem die Amplitude des elektrischen Signals des Sensors unter einen Schwellwert von ca. 90% der Amplitude bei einem Einfallswinkel von 0° absinkt, größer ist. Dadurch wird auch die Weiterverarbeitbarkeit des Signals verbessert und der Einsatzbereich des Strahlungsempfängers vergrößert. Dadurch steigt die Zuverlässigkeit des optoelektronischen Strahlungsempfängers. Mittels der zylinderförmigen Linse mit zur Sensoroberfläche parallelen Planflächen wird erreicht, daß sich die Fläche der halbellipsoiden Linse, welche die Brennpunkte der halbellipsoiden Linse in sich vereint, im folgenden Brennschale genannt, relativ zur Sensoroberfläche so verschiebt, daß sich die Abbildung des Lichtstrahls auf die Sensoroberfläche außerhalb der Brennschale in einem maximalen Einfallswinkelbereich auf die Oberfläche des Sensors konzentriert und so eine optimale Ausnutzung des elektrooptischen Effekts des Sensors erfolgt, was sich im Betrag der Signalamplitude ausdrückt.

Durch die in den Unteransprüchen aufgeführten Maßnahmen sind vor teilhafte Weiterbildungen und Verbesserungen des im Hauptanspruch angegebenen optoelektronischen Strahlungsempfängers möglich.

Die Ausbildung der halbellipsoiden Linse in rotationssymmetrischer Form erweist sich sowohl vorteilhaft für die Herstellung der Linse als auch für die Eigenschaft der Richtungsunabhängigkeit für ein fallende Lichtstrahlen. Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung wird die halbellipsoide Linse so über dem Sensor angeordnet, daß ihre kleinere Halbachse senkrecht zur Oberfläche des Sensors steht, wodurch sich ein Krümmungsverlauf ergibt, der bei geringem Einfallswinkel nur eine geringe Strahlungskonzentration und bei großem Einfallswinkel eine starke Strahlungskonzentration auf die Sensoroberfläche bewirkt. Eine vorteilhafte Weiterbildung der Erfindung besteht in der rotationssymmetrischen Ausführung der zylinderförmigen Linse, um wiederum eine richtungsunabhängige Amplitudencharakteristik zu gewährleisten. Wenn die Linse und die zylinderförmige Scheibe ohne Luftspalt übereinander angeordnet werden, ergibt sich der Vorteil, daß Verluste durch Reflexionen vermieden werden.

Zwecks Erweiterung des verwendbaren Winkelbereichs ist gemäß einer Weiterbildung der Erfindung vorgesehen, den Durchmesser der zylinderförmigen Linse gleich dem Durchmesser der halbellipsoiden Linse zu wählen. Sowohl die Ausgestaltung der Linse und der Scheibe als einstückige Linse als auch deren Herstellung aus Preßkunststoff führen zu einer verbesserten Herstellbarkeit, Justierbarkeit und Montierbarkeit.

Die Befestigung der Linse und der Scheibe insbesondere auf der Sen soroberfläche erfolgt in vorteilhafter Weise mittels eines trans parenten Klebers, wodurch Reflexionen an den Materialgrenzen ver hindert werden und die Montage vereinfacht wird.

Die Erfindung wird nachstehend in Verbindung mit den Zeichnungen an einem Ausführungsbeispiel näher erläutert.

Es zeigen:

Fig. 1 einen erfindungsgemäßen optoelektronischen Strahlungs empfänger mit zweiteilig ausgeführter Linse im Querschnitt,

Fig. 2 einen erfindungsgemäßen optoelektronischen Strahlungs empfänger mit einstückig ausgeführter Linse mit der Darstellung des Strahlengangs einer schräg einfallenden Lichtstrahlung im Quer schnitt,

Fig. 3 ein Diagramm, welches die Abhängigkeit der Signalamplitude des optischen Sensors vom Einfallswinkel des einfallenden Lichts darstellt.

Der in Fig. 1 dargestellte optoelektronische Strahlungsempfänger umfaßt einen optischen Sensor 1 und eine auf den Sensor 1 aufge setzte halbelliptische, rotationssymmetrische Linse 2, deren kleinere Halbachse senkrecht zur Sensoroberfläche steht, sowie eine zwischen dem Sensor 1 und der Linse 2 angeordnete zylinderförmige, rotationssymmetrische Scheibe 6, deren Planflächen parallel zur Sensoroberfläche liegen.

Die Linse 2 und die Scheibe 6 haben einen gleich großen Durchmesser und sind untereinander sowie mit dem Sensor mittels eines trans parenten Klebers befestigt. Durch die in etwa halbellipsoide Form der Linse 2 wird unter einem Winkel F einfallendes Licht 3 bei kleinem Winkel F aufgrund des großen Krümmungsradius weniger stark gebrochen als unter einem großen Winkel F einfallendes Licht 3, wo die Linse 2 einen kleineren Krümmungsradius aufweist. Der winkelab hängige Krümmungsverlauf der Linse 2 bewirkt somit eine mit wachsen dem Winkel F ansteigende Strahlungskonzentration auf den Sensor 1. Wie der Kurve 4 der Fig. 3 zu entnehmen ist, sinkt bei einer be kannten plankonvexen Linse mit konstantem Krümmungsradius die vom Sensor 1 abgegebene Signalamplitude S mit steigendem Einfallswinkel F. Dieser Amplitudenabfall wird bei dem erfindungsgemäßen Strahlungsempfänger durch die mit wachsendem Winkel F steigende Strahlungskonzentration kompensiert, so daß sich über einen großen Bereich des Einfallswinkels F eine annähernd konstante Ampli tude des vom Sensor abgegebenen Signals S ergibt, wie die Kurve 5 der Fig. 3 zeigt. Legt man als Bewertungskriterium außerdem einen Schwellwert fest, welcher bei 90% der Signalamplitude bei einem Ein fallswinkel F von 0° liegt, so sinkt die Signalamplitude des Strahlungsempfängers erst bei einem größeren Einfallswinkel F₂ unter diesen Schwellwert S₂. Durch die Dicke der Scheibe 6 wird eine relative Verschiebung zwischen der Brennschale der Linse 2 und der Oberfläche des optischen Sensors 1 bewirkt.

Diese Verschiebung dient zur Einstellung der Größe der de fokussierten Abbildung des einfallenden Lichtstrahls 3, welche die Obergrenze F₂ des technisch verwendbaren Winkelbereichs, welcher durch die Definition des Schwellwerts S₂ gegeben ist, festlegt. Fig. 2 zeigt die Ausgestaltung des erfindungsgemäßen optoelektroni schen Strahlungsempfängers mit der einstückigen Ausführung der Linse 2 und der Scheibe 6, welche mittels eines transparenten Klebers auf der Sensoroberfläche befestigt ist sowie einen beispielhaften Strahlengang des Lichtes 3 zum Sensor 1 unter dem Einfallswinkel F. Wie Fig. 2 zeigt, läßt sich somit durch die Dicke OP der Scheibe 6 die Größe der defokussierten Abbildung des einfallenden Lichtstrahls 3 so einstellen, daß die Brennschale der Linse 2 näher zur Sensor oberfläche hin verschoben wird, was zu einer schärferen Abbildung des Lichtstrahls auf die begrenzte Fläche des Sensors und somit zu einer stärkeren Konzentration der Lichtstrahlen auf die Sensorober fläche führt.

In Fig. 3 ist der Verlauf der Abhängigkeit der Signalamplitude S vom Einfallswinkel F gezeigt. Die Kurve 4 stellt hierin den Verlauf der Abhängigkeit bei einer bekannten plankonvexen Linse dar. Der Schwellwert S₁, welcher 90% der Amplitude des Signals beim Winkel F = 0° beträgt, was in der Technik als allgemein üblicher charakteristischer Schwellwert verwendet wird, wird von der Kurve 4 beim korrespondierenden Wert des Einfallswinkels F₁ unter schritten. Desweiteren stellt Kurve 5 den Verlauf der Abhängigkeit bei einer erfindungsgemäßen Linse dar. Hierin korrespondiert der Schwellwert F₂, welcher deutlich großer ist, wodurch der Vorteil der Erfindung gegenüber dem Stand der Technik erkennbar ist. Ebenso ist in Fig. 3 augenschein lich, daß der Verlauf der Signalamplitude bei Kurve 5 über einen großen Winkelbereich annähernd konstant ist, was bei Kurve 4 nicht der Fall ist.

Claims

1. Optoelektronischer Strahlungsempfänger mit einem optischen Sensor, der Licht in ein elektrisches Signal umwandelt, mit einer auf den Sensor aufgesetzten Linse, deren Krümmungsverlauf in etwa halbellipsoid ausgebildet ist, so daß die einfallende Strahlung mit steigendem Einfallswinkel stärker auf die Sensoroberfläche gebündelt wird, dadurch gekennzeichnet, daß der Linse (2) in Richtung auf den optischen Sensor (1) eine in etwa zylinderförmige Scheibe (6) folgt, deren Planflächen parallel zur Sensoroberfläche liegen.

2. Optoelektronischer Strahlungsempfänger nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die in etwa halbellipsoide Linse (2) rotationssymmetrisch bezüglich der Senkrechten der Sensoroberfläche ist.

3. Optoelektronischer Strahlungsempfänger nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die kleinere Halbachse der in etwa halbellipsoiden Linse (2) auf der Senkrechten der Sensoroberfläche liegt.

4. Optoelektronischer Strahlungsempfänger nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die in etwa zylinderförmige Scheibe (6) rotationssymmetrisch bezüglich der Senkrechten der Sensoroberfläche ist.

5. Optoelektronischer Strahlungsempfänger nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Durchmesser der in etwa zylinderförmigen Scheibe (6) gleich dem Durchmesser der in etwa halbellipsoiden Linse (2) ist.

6. Optoelektronischer Strahlungsempfänger nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß sich zwischen der Linse (2) und der Scheibe (6) kein Luftspalt befindet.

7. Optoelektronischer Strahlungsempfänger nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die in etwa halbellipsoide Linse (2) und die in etwa zylinderförmige Scheibe (6) einstückig ausgebildet sind.

8. Optoelektronischer Strahlungsempfänger nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Linse (2) und die Scheibe (6) aus gepreßtem Kunststoff bestehen.

9. Optoelektronischer Strahlungsempfänger nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Scheibe (6) mittels einem transparenten Klebers auf der Sensoroberfläche befestigt ist.

10. Optoelektronischer Strahlungsempfänger nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Linse (2) mittels eines transparenten Klebers auf der Scheibe (6) befestigt ist.