KR20140112093A - 인쇄 회로 기판을 통한 광학 센서의 보상 - Google Patents

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Abstract

광을 시간-순차적으로 그리고 단계적 방식으로 방출하는 방출 광원 (2, 102) 및 보상 광원 (3, 103) 을 포함하고, 상기 방출된 광은 각각 180°로 위상-시프트된 이질적인 광과는 크게 독립적인 광전자 측정 어레인지먼트. 수신기 다이오드 (5, 104) 를 구비한 광학 수신기 (4) 는 방출 광원 (2, 102) 에 의해 방출되고 측정 물체에 의해 반사된 (13) 광을 수신하며, 상기 광은 보상 광원 (3, 103) 으로부터의 광과 함께 측정 신호를 포함한다. 제어 유닛에서, 방출 광원 (2, 102) 및 보상 광원 (3, 103) 에 대한 액츄에이션 신호들은 상이한 위상들 사이에서 수신기 (4) 에서 생성하는 동기적 신호 차이가 제로로 감소되는 방식으로 제어된다. 보상 광원 (3, 103) 과 수신기 다이오드 (5, 104) 사이의 광학 커플링은 보상 광원 (3, 103) 및 수신기 (4, 104) 가 배열된 측정 어레인지먼트 (1) 의 인쇄 회로 기판 (101) 의 광학 시스템을 통해 주로 생성한다. 가장 간단하고 가장 중요한 실현예에서, 인쇄 회로 기판 자체, 즉 그의 FR4 구성요소는 보상 광원 (3, 103) 과 수신기 다이오드 (5, 104) 사이의 광학 도체를 구성한다.

Description

인쇄 회로 기판을 통한 광학 센서의 보상{COMPENSATION OF AN OPTICAL SENSOR VIA PRINTED CIRCUIT BOARD}
본 발명은 제 1 항에 대한 전제부의 특징들을 가진 광전자 측정 어레인지먼트 (arrangement) 에 관한 것이다.
이 종류의 광전자 측정 어레인지먼트는 ELMOS AG 에 의해 개발된 HALIOS 원리에 따라 작동한다. 이 측정 원리는 종래 기술에서 알려져 있으며 그 중에서도 특히 다음 문서들에서 설명된다: US 5,666,037; EP 0 706 648 B1; EP 1 671 160 B1; DE 100 01 955 A1; EP 2 418 512 A1.
이후 "센서" 로 또한 지칭되는 측정 어레인지먼트는, 이후 "송신기, 에미터" 로 또한 지칭되는 방출 광원, 이후 "보상기" 로 또한 지칭되는 보상 광원을 포함하며, 여기서, 각각의 광원은 바람직하게는 그 자신의 전류 드라이버에 의해 교번 방식으로 에너자이징되며, 방출 또는 보상 단계에서 광을 (일반적으로 IR 스펙트럼으로) 방출한다. 이 목적을 위해서, 클록 생성기는 바람직하게는 서로 180°로 위상-시프트된 클록 신호들로 전류 드라이버를 작동시킨다. 주파수는 수 kHz 에서 수십의 MHz 까지의 범위 내에 있을 수도 있다.
광학 수신기는 2 개의 광원들에 의해 방출된 광의 일부를 이후 "PD" 로 또한 지칭되는 포토다이오드로 수신하고, 교류 (AC) 신호들로 변환하며, 그 수신된 광의 일부는 - DC 및 (일반적으로 주변 광으로부터 유래되는) 낮은-주파수 신호 성분들의 분리 후에 - 고역 통과 기능부 (예컨대, 커패시터) 를 통해 트랜스임피던스 증폭기 (TIA) 로 패스된다. 트랜스임피던스 증폭기는 상기 전류 신호들을 전압으로 변환한다. 이들 전압들은, 동기 복조기에서 방출 및 보상 단계들로, 다시 교번 방식으로 할당되고, 2 개의 시간적으로 연속되는 신호 성분들에 대하여 동일한 진폭들을 생성하는 것을 담당하는 제어기로 포워딩된다. 이를 위해서, 제어기는 보상기 및 송신기를 통해 상응하여 전류들의 진폭들을 제어한다. 애플리케이션에 따라서, 보상기 전류의 진폭만이 일정한 송신기 전류 진폭으로 제어될 수 있거나, 또는 역으로 송신기 전류의 진폭만이 일정한 보상기 전류 진폭으로 제어될 수 있다. 보상기 전류의 진폭들은 보통 매우 적은 mA 의 범위 내에 있다. 그러나, 애플리케이션에 따라서, 에미터 전류 진폭들은 수 mA 에서 수백 mA 의 범위 내에 있을 수 있다.
송신기에 의해 센서의 주위 영역으로 방사된 광은 센서의 외부에서 측정되는 (검출되는) 물체 (object) 에 도달한다. 물체는 그 물체에 도달하는 광의 일부를 센서의 포토다이오드로 다시 반사한다. 포토다이오드에서의 수신된 전류와 그 사용된 송신기 (에미터) 전류로부터 유도되는 비율 (ratio) 은 송신기로부터 그 측정된 물체 (measured object) 를 경유하여 포토다이오드까지의 경로 (에미터-측정된 물체-포토다이오드 경로) 의 광학 커플링 인자이다. 센서는 광학 커플링 인자를 결정하고 센서의 제어기 조정 신호에서 그 인자를 재현한다.
보상기 (보상 광원) 은 그것에 의해 방출된 광이 측정된 물체에 도달할 수 없지만 그 대신에 센서 내부의 포토다이오드로 향하는 방식으로 구성된다. 이 목적을 위해서, 도파관 또는 다른 광학 가이드는 보통 센서 내부에 설치되고 광을 보상기로부터 (직접) 수신기, 보통 포토다이오드로 가이드한다. 실제 애플리케이션에서, 보상기에 의해 방출된 광 성분은 보상 단계 동안 방출된 광의 단지 소정 (보통 더 작은) 부분만이 센서의 포토다이오드에 도달하도록 미리 정의된 치수 (dimension) 로 설정된다. 포토다이오드에서 이 광 부분으로부터 생성된 전류와 그에 사용된 보상 전류 사이의 비율은 보상기-포토다이오드 경로의 광학 커플링 인자이다. 이것은, 보상기에 의해 방출된 광이 측정된 물체에 본질적으로 도달하지 않기 때문에 일정하다. 따라서, 보상 신호는 측정치에 대한 참고 (reference) 또는 불변의 파라미터를 나타낸다.
물론, 여기서 설명된 시간적으로 순차적인 신호들 외에 다른 신호들이, 수신기 출력 신호에 대한 피드백 제어된 보상을 생성할 수 있다면 사용될 수도 있다.
종래 기술의 맥락에서, 해결해야 할 목표는 보상 원리, 특히 HALIOS 보상 원리에 따라 기능하는 최적화되었지만 여전히 저렴한 측정 어레인지먼트를 제안하는 것이다. 측정 어레인지먼트의 설계는 가능한 한 간단하고 컴팩트해야 한다.
이 목표는 제 1 항의 특징들을 가진 광전자 측정 어레인지먼트로 해결된다. 이질적인 광과는 대체로 독립적으로 기능하는 이 센서 시스템은 송신기 (에미터), 보상 송신기 (에미터) 및 수신기를 포함한다. 수신기는 광원에 의해 방출된 신호, 및 보상기에 의해 방출되어 그 신호상에 선형적으로 오버레이된 보상 신호를 수신할 수 있고, 수신기 출력 신호를 생성할 수 있다. 광원은 방출된 광 신호를 그 송신 특성들이 결정되는 제 1 송신 경로를 통해 수신기로 전송한다. 보상 신호는 제 2 송신 경로를 횡단한 후에 수신기에 도달한다. 수신기는, 바람직하게 적어도 하나의 수신기 다이오드 또는 포토다이오드를 포함한다. 수신기 유닛은 또한, 예를 들어, 커패시터 및/또는 증폭기를 구비할 수도 있다. 수신기에 대한 다른 설계들이 또한 가능하다.
하나의 기술적인 구성에서, 이 종류의 센서 시스템은 바람직하게는 광을 시간-순차적으로 그리고 단계적 방식으로 방출하는 하나의 방출 광원 및 하나의 보상 광원을 포함한다. 2 개의 소스들로부터 방출된 광은 바람직하게는 180°로 위상-시프트된다. 광원들에 의해 방출된 동기적 측정 신호를 포함하는 광을 수신하는 포토다이오드를 가진 광학 수신기는, 클록 신호를 생성하는 클록 생성기이며 수신된 측정 신호에 기초하여 측정 신호 전류를 증폭하는 증폭기이므로, 센서 시스템의 일부이다. 측정 신호 전류는 복조기에 의해 동기적으로 평가된다. 제어가능한 전류 소스는 방출 광원에 대한 클록된 방출 제어 전류를 생성한다. 제어가능한 보상 전류 소스는 보상 광원에 대한 클록된 보상 제어 전류를 생성한다.
수신기 출력 신호로부터, 본 발명에 따른 광전자 측정 디바이스의 제어 유닛은 보상 광원을 작동시키는 보상 제어 신호 및/또는 수신기 출력 신호의 피드백-관련 제어를 위한 에미터를 작동시키는 방출 제어 신호를 생성한다. 제어는, 제 1 송신 경로의 송신 특성들의 변화가 있으면 수신기 출력 신호가 본질적으로 변경되지 않고 유지되는, 즉, 짧은 시간 후에 (보통 수 마이크로초 또는 밀리초 후에, 예를 들어, 많아야 100 μsec, 바람직하게는 많아야 10 μsec), 수신기 출력 신호가 송신 특성들이 변화되기 전에 설정된 값으로 회복되는 방식으로 보장된다. 송신 특성들의 변화는, 예를 들어 송신 경로에서의 물체의 이동에 의해서 야기될 수도 있다.
제어 유닛은 일반적으로 제어가능한 방출 광원 및/또는 보상 광원에 대한 적어도 하나의 액츄에이션 신호를 생성할 수 있다. 제어유닛은, 바람직하게는 방출 제어 전류를 제어하기 위한 방출 광원의 광 세기 및/또는 보상 제어 전류를 제어하기 위한 보상 광원의 광 세기가 조정가능한 방식으로 설계된다. 광 세기와 관련하여, 진폭은 바람직하게는 그들 사이에 더 이상 차이가 없는 방식으로 제어된다. 조정은 또한 상이한 위상들 사이의 클록-동기 신호 차이가 제로가 되는 방식으로 이루어질 수 있다.
본 발명의 맥락에서, 저렴하고 컴팩트한 센서 구성, 특히, 가능한 한 작은 하드웨어 및 어셈블리 노력과 관련된 보상기 구성에 관한 일반적인 문제가 또한 생성되었다. 본 발명의 시점까지는, 많은 애플리케이션의 경우들, 특히 컴팩트한 회로 어레인지먼트들에서 사용되는 보상기 커플링을 위한 전용 섬유 광학이 여기서 설명되는 바와 같이 불필요하거나 대체가능하다는 것이 실현되었다. 알려진 별개의 섬유 광학은, 그들이 적절한 광학 커플링이 요구되고 기계적 부하들에 민감하며 따라서 추가적인 비용들이 수반되기 때문에, 설치하기가 어렵다. 물론, 특수 애플리케이션들의 경우 전용 도파관이 제공될 수 있다.
HALIOS 방법과 같은 보상 방법들은, 바람직하게는 송신기에 의해 방출되고 그후 측정된 물체로부터 수신기 (예컨대, 포토다이오드 또는 수신기 다이오드) 로 송신되는 (반사되는) 광 신호와 정확히 동일한 사이즈가 되도록 하는 방식으로, 보상 LED 에서 생성되어 제어되는 보상 신호를 요구한다. 실제 애플리케이션에서, 수신기, 보상 광원 및 방출 광원 구성요소들은 종종 인쇄 회로 기판 (PCB ) 상에 또는 내에 배열된다.
본 발명에 따르면, 보상 광원 (보상 송신기) 와 수신기 사이의 커플링은 인쇄 회로 기판에서 광학 시스템에 의해 적어도 부분적으로 보장되는 그런 것이다. 보상 광원 및 수신기는 인쇄 회로 기판 상에 각각 배열된다. 보상 광원은 인쇄 회로 기판 상에 또는 그의 측면들 중 하나 상에 배열될 수 있다. 본 발명의 목적들을 위해, 인쇄 회로 기판에서의 광학 시스템은 인쇄 회로 기판에서 광학적 방출들, 예컨대, (가시 또는 비가시) 광을 포워드하고 따라서 전송하는 인쇄 회로 기판에서의 배열이다. 그것은, 예를 들어, 인쇄 회로 기판에서의 유리 섬유, 인쇄 회로 기판에서의 채널, 또는 유사한 구조일 수도 있다.
수신기는, 바람직하게는 인쇄 회로 기판의 외부 측면 상에 또한 배열된다. 그것은 또한 인쇄 회로 기판 내의 홀에 위치하거나, 또는 홀, 특히 스루홀 방향으로 부분적으로 돌출될 수도 있다. 수신기는, 예를 들어, 수신기 다이오드 또는 포토다이오드일 수도 있다.
그 결과, 본 발명은 보상기로부터 수신기까지 광을 송신하기 위한 별개의 (외부) 광섬유 없이 처리한다. 대신, (필요한) 보상 광은 보상 LED 로부터 인쇄 회로 기판 내부의 광학 시스템을 통해 포토다이오드까지 가이드된다. 광학 시스템은, 바람직하게는 보상하는 광섬유 시스템이다. 예를 들어, 그것은 인쇄 회로 기판 내의 채널들 또는 홀들, 또는 통합된 도파관을 포함할 수도 있다. 옵션적으로, 인쇄 회로 기판은 리세스된 (recessed), 바람직하게는 금속성의 메시들 또는 금속화들, 보통 금속 코팅을 가진 스루홀들의 형태인 층간 접속들, 금속 코팅을 가지거나 갖지 않는 슬롯들 또는 채널들, 또는 다른 광학적으로 불투명한 또는 부분적으로 불투명한 코팅들과 같은, 그 내부에 광학적 또는 기계적 구조들 가질 수도 있으며, 여기서 광학적 불투명도는 가시 및 비가시 (예컨대, 적외선) 범위 내의 광에 관련된다.
바람직한 실시형태에서, 광학 시스템은 인쇄 회로 기판 (PCB) 자체이다. PCB 는 이를 위해 수정되거나 준비될 필요가 없다. 따라서, 보상기로부터 수신기로 광을 송신하기 위해 인쇄 회로 기판이 사용되기 때문에, 별개의 섬유 광학 시스템이 필요하지 않다. 광 신호는 포토다이오드로 적어도 부분적으로, 바람직하게는 대부분, 특히 바람직하게는 배타적으로, 즉 단지 인쇄 회로 기판만을 통해 포워드된다. "대부분" 은 보상기에 의해 방출된 광 (보상기 방출) 의 적어도 70% 가 광학 시스템을 통해 수신기로 가이드된다는 것을 의미한다. 바람직하게는, 보상기에 의해 방출된 광의 적어도 80%, 가장 바람직하게는 적어도 90% 가 광학 시스템을 통해 수신기로 가이드된다. 일부 실시형태들에서 그리고 어떤 인쇄 회로 기판들 또는 광학 채널들에서, 수신기에서 수신되는 보상기 방출 (예컨대, 광 또는 IR 방사) 의 적어도 95%, 바람직하게는 적어도 98%, 특히 바람직하게는 적어도 99% 가 광학 시스템을 통해 또는 인쇄 회로 기판 내부로 가이드된다. 그러나, 광학 시스템은 또한 인쇄 회로 기판의 미리 정의된 (제한된) 영역 또는 부분, 또는 예를 들어, 인쇄 회로 기판의 층일 수도 있다.
인쇄 회로 기판은 유리 섬유들 및 본딩제들 (bonding agents) 로 구성되므로, 그것은 광학 시스템으로서의 용도에, 그리고 가시 및 비-가시 범위 내의 광의 광학적 가이던스에, 아주 적합하다. 그것은 바람직하게는 유리 섬유로 강화된 폴리머, 매우 바람직하게는 유리 섬유로 강화된 에폭시 수지로부터 제작된다. FR4 재료가 특히 바람직하다. 상기에 더해서 그리고/또는 그에 대안적으로, 인쇄 회로 기판에서의 기계적 구조들이 광학 시스템 (인쇄 회로 기판) 를 지원할 수도 있다.
도체 보드 또는 인쇄 회로 기판은 유리 섬유 엘리먼트들의 혼합물을 함유하며, 그 결과로 인쇄 회로 기판에 전송되는 광이 댐핑되고 (damped) 산란된다. 따라서, 인쇄 회로 기판은, 이 경우에 신호의 댐핑을 원하기 때문에, 보상 광 신호를 위한 광 도체로서의 용도로 매우 적합하다. 측정된 물체로부터 수신기로 반사되는 에미터 신호는 동일한 제어 또는 공급 신호들과 함께 보상기로부터 수신기로 직접 전송되는 신호보다 더 작다. 따라서, 인쇄 회로 기판에 의해 댐핑되는 것은, 제어 회로 (보상) 가 더욱 빨리, 더욱 확실하게, 그리고 더욱 정확하게 제어될 수 있도록, 보상기 신호의 신호 레벨을 낮춘다.
시스템은 보상기와 수신기 (PD) 사이의 커플링에서의 편차들에 대해 매우 내성이 있으므로, 많은 애플리케이션의 경우 이에 관해 50% 이상의 허용오차들이 용인될 수 있다. 주어진 배치 또는 제조업자와 관련된 인쇄 회로 기판 재료, 예컨대, FR4 재료에서의 임의의 더 큰 편차들은, IC 에 통합되거나 분리되어 배열된 여분의 전자 기능부들 (예컨대, 전류 거울, 저항기들) 에 의해, 용이하게, 따라서 저렴하게 조정될 수도 있다. 더욱이, 실제 광학 보상기 커플링은 이 목적에 적합한 임의의 테스트 모드로 오실로스코프 측정을 수행함으로써 부하 회로 (loaded circuit) 에서 직접적으로 언제든지 용이하게 결정될 수 있다.
바람직한 실시형태에서, 보상 광원은 인쇄 회로 기판에 적어도 부분적으로 통합된다. 또 다른 바람직한 실시형태에서, 보상 광원은 인쇄 회로 기판에 완전히 통합된다. 예를 들어, 보상 광원은 블라인드 홀에 배열될 수 있다. 다층 인쇄 회로 기판에서, 보상 광원은 바람직하게는 내측 층들 중 하나에 위치된다. 이 어레인지먼트에 의해, 내측 층들 중 적어도 하나가 광-불투과성 층, 예를 들어 금속화로 코팅될 수 있다. 광-불투과성 층은 측정된 물체에 방출된 방사가 도달하는 것을 방지한다. 보상 광원에 의해 방출된 방사는 그후 수신기에 도달하며, 바람직하게는 적어도, 측정된 물체에 의해 반사되고 단지 그후에 수신기로 되송신되지 않을 정도로, 인쇄 회로 기판로부터 벗어나지 않는다.
내측 층들 중 하나에 내장된 보상 광원을 가진 다층 인쇄 회로 기판에서, 보상 광원과 수신기 (예컨대, 수신기 다이오드 또는 포토다이오드) 사이의 인쇄 회로 기판의 내측 층들은 바람직하게는 다른 광-불투과성 층들로 금속화 또는 코팅된다. 따라서 예를 들어, 보상 광원과 수신기 사이의 광학 커플링이 보장된다.
이의 대안으로, 보상 광원은 또한 인쇄 회로 기판상에서 "역방향 어셈블리 (reverse assembly)" 어레인지먼트로 조립될 수도 있다. 따라서, 인쇄 회로 기판의 외부에 적용된 코팅, 일반적으로, 구리 층은 보상 광원이 통과해서 회로 보드 재료 안으로 방사할 수 있는 슬롯을 가진다. 이의 대안으로, 블라인드 홀, 스루홀 또는 유사한 것들이 보상 광 신호의 인쇄 회로 기판 재료와의 더 나은 커플링을 가능하게 하기 위해 제공될 수도 있다. 이 블라인드 홀이, 보상 광원에 의해 방사된 광이 그에 따라서 가이드될 수도 있도록, 적어도 부분적으로 코팅될 수도 있다는 것이 가능하다. 보상 광원은 이 홀 안으로 돌출될 수도 있다.
추가적인 바람직한 실시형태에서, 에미터 (예컨대, LED) 및/또는 수신기 (예컨대, 수신기 다이오드) 는 인쇄 회로 기판상에 역방향 어셈블리로 장착된다. 그후, 에미터는 인쇄 회로 기판을 통해 광이 방출될 수 있도록, 그의 방출된 광을 인쇄 회로 기판의 에미터 스루홀을 통해 전송한다.
또한, 에미터 스루홀은 바람직하게는 수신기의 스루홀의 개구 각도 (opening angle) 와 동일한 범위들 내에 있을 수도 있는 개구 각도를 가진다. 그러나, 에미터 스루홀의 개구 각도는 또한 120 도 보다 더 큰 각도, 예를 들어, 약 150 도 또는 160 도까지를 가질 수도 있다. 80 도와 150 도 사이의 각도들이 바람직하며, 90 도 내지 120 도가 특히 바람직하다. 에미터 스루홀은 바람직하게는 적어도 방출된 방사에 대하여 불투명하도록 내부에 코팅되며, 특히 금속화된다. 예를 들어, 금속 또는 구리의 층이 홀의 내부에 제공될 수 있다.
전자공학 엔지니어링에서 인쇄 회로 기판들을 구성할 때, 미코팅된 및 코팅된 스루홀들의 빈번한 사용이 이루어진다. 그들은 선행 기술에 알려져 있으며 용이하고 저렴하게 제작된다. 이 스루홀들은 또한 비아들로서 알려져 있으며, 광전자 측정 어레인지먼트가 저렴하게 제작되는 것을 가능하게 하도록 에미터들 및 수신기들 양자 모두에 사용될 수 있다.
본 발명은 도면들에 도시된 특정의 실시형태들을 참조하여 이후 더욱 더 자세하게 설명될 것이다. 도면에 도시된 특별한 특징들은, 바람직한 본 발명의 실시형태들을 생성하기 위해, 개별적으로 또는 임의의 조합으로 사용될 수도 있다. 설명된 실시형태들은, 일반적으로, 청구항들에 의해 정의된 바와 같은 본 발명의 제한을 나타내지 않는다.
도면들에서:
도 1 은 선행 기술로부터 알려진 바와 같은, 전기-광학 기초 커플링을 가진 Halios 센서의 개략도이다.
도 2 는 송신기, 수신기 및 보상 광원이 역방향 어셈블리로 배열된 본 발명에 따른 광전자 측정 어레인지먼트의 제 1 실시형태를 도시한다.
도 3 은 보상 광원이 인쇄 회로 기판 안으로 부분적으로 돌출된 인쇄 회로 기판을 가진 광전자 측정 어레인지먼트의 추가적인 바람직한 실시형태를 도시한다.
도 4 는 보상 광원이 완전히 통합된 다층 인쇄 회로 기판을 가진 측정 어레인지먼트를 도시한다.
도 5 는 송신기, 수신기 및 보상 광원을 가진 인쇄 회로 기판의 평면도이다.
도 1 은 외부 광 보상을 가진, 선행 기술에 따른 광전자 측정 어레인지먼트 (1) 의 원리를 도시한다. 측정 어레인지먼트 (1) 는 방출 광원 (2; 에미터), 보상 광원 (3; 보상기), 및 포토다이오드 (5), (포토다이오드에서 낮은-주파수 전류 성분들을 드레인하기 위한) 자이레이터 (30), 트랜스임피던스 증폭기 (6) 및 커패시터 (7) 를 포함하는 광학 수신기 유닛 (4) 을 포함한다. 클록 생성기 (8) 는 방출 광원 (2) 을 공급하는 제어가능한 전류 소스 (9) 에 클록 신호를 제공한다. 동시에, 클록 생성기 (8) 는 보상 광원 (3) 을 공급하는 제어가능한 보상 전류 소스 (10) 에 반전 클록 신호를 전달한다. 클록 신호 및 반전 클록 신호는 수신된 광 신호에 기초하여 광학 수신기 유닛 (4) 에 의해 생성된 유용한 신호 전류의 동기적 평가를 가능하게 하기 위해 복조기 (11) 에 공급된다.
제어기 유닛 (12) 는, 바람직하게는 수신기 유닛 (4) 에서 상이한 위상들 사이에 생성하는 동기적 유용한 신호 전류가 제로가 되는 방식으로 보상 광원 (3) 이 제어될 수도 있도록, 제어가능한 보상 전류 소스 (10) 에 대한 액츄에이션 신호를 생성한다. 이 상황에서, 유용한 신호 전류는 방출 광원 (2) 및 보상 광원 (3) 에 의해 방사된 광 성분들에 기초한다.
방출 광원 (2) 은 송신된 신호를 가시 또는 비가시 광 (방사) 의 형태로 제 1 송신 경로 (220) 로 전송하고, 이 광은 송신 경로 (220) 를 통과한 후 수신기 유닛 (4) 에 의해 수신된다. 측정된 물체 (13) 가 측정 어레인지먼트 (1) 에 인접하여 ((광-) 투과성 센서 커버 (14) 앞에) 위치되면, 방출 광원 (2) 에 의해 방사된 광은 측정된 물체 (13) 에서 반사되어 포토다이오드 (5) 로 되전송된다. 기능적 커플링 (221) 은 측정된 물체 (13) 에 의해 확립된다.
실드 (40) 가 없으면, 신호 성분은 방출 광원 (2) 로부터 포토다이오드 (5) 로 직접 패스될 것이다. 신호 성분은 송신기 (2) 의 광학 기초 커플링 (222) (파선으로 도시됨) 를 나타낸다. 실드 (40) 는 광학 기초 커플링 (222) 을 방지한다. 도 1 에 따라 도시된 실시형태에서, 그것은 제어가능한 기초 커플링 전류 소스 (15) 에 의해 생성되며 따라서 전기-광학 기초 커플링 (EOBC) (231) 으로 지칭된다. 기초 커플링 전류 소스 (15) 는 클록 생성기 (8) 의 클록 신호로 클록되고, 신호 생성기 (16), 즉, "기초 커플링 신호 생성기" 에 의해 공급된다. 생성된 기초 커플링 제어 전류는 기초 커플링 광원 (17) 로 공급되며, 그 광원은 제 2 송신 경로 (230) 을 통해 광을 포토다이오드 (5) 로 송신한다. 여기에 나타낸 실시형태에서, 기초 커플링 광원 (17) 은 보상 광원 (3) 자체이다. 그것은 그것이 보상 단계 및 전기-광학 기초 커플링 양자 모두의 동기적 광 신호 성분들을 교번적으로 방출하는 방식으로 연결된다. 기초 커플링 광원 (17) 의 위상은, 보상 전류 소스 (10) 에 의해 공급되는 보상 광원 (3) 의 위상에 대해, 바람직하게는 180 도로 오프셋된다. 그것은 방출 광원 (2) 의 위상에 대응한다.
기초 커플링 광원 (17) 및 보상 광원 (3) 은 동일한 구성요소이므로, 보상 광원 (3) 은 양자 모두의 기능들을 수행한다. 보상 광원은 보상 신호를 광학 커플링 (231) 을 가진 제 2 송신 경로 (230) 로 (가시 또는 비가시) 광의 형태로 방출한다. 광은 송신 경로 (230) 을 횡단한 후에 수신기에 의해 수신된다. 보상 광원 (3) 은 따라서 제어가능한 보상 전류 소스 (10) 에 의해 그리고 기초 커플링 전류 소스 (15) 에 의해 공급된다. 기초 커플링 전류 소스 (15) 에 대한 제어 전류들은 가산기 (18) 에서 함께 가산되며, 보상 광원 (3) 으로 함께 포워드된다. 2 개의 전류들이 위상-오프셋되므로, 중첩된 제어 전류가 생성된다.
측정 어레인지먼트 (1) 앞에 측정된 물체가 존재하지 않으면 작업 지점 (working point) 을 조정하기 위해 보상 제어 전류가 사용된다. 그것은 단지 전기-광학 기초 커플링에만 의존되며, 따라서 기초 커플링 제어 전류에 의해서 단지 조정될 뿐이다. 이 시스템은 방출 광원 (2) 과, 수신기 다이오드 (4) 또는 포토다이오드 (5) 사이에 순수 광학 기초 커플링 대신에 사전정의가능한, 제어가능한 전기-광학 기초 커플링 (231) 이 사용되므로 많은 이점들을 갖는다.
위에서 나타낸 측정 어레인지먼트는, 보상 제어 전류 IC 와 방출 제어 전류 IS 사이의 비율을 반영하는 다음의 기본 수식을, 순수 광학 기초 커플링 DSG (222) 이 전기-광학적으로 생성된 기초 커플링 DEOGK (231) 보다 더 작다는 조건으로 산출한다.
Figure pct00001
이 상황에서,
Figure pct00002
또는
Figure pct00003
는 방출 광원 (2) 및 보상 광원 (3) 각각의 효율들이다. DSF 는 측정된 물체 (13) 에 의해 송신 경로 (220) 에서 결정되는 기능적 광학 커플링이다. 그것은 측정되는 송신 경로 (220) 의 송신 특성에 대응한다. DC 는 제 2 송신 경로 (230) 에서의 (일정한) 광학 보상기 커플링이다. DEOGK 는 전기-광학적으로 생성되는 기초 커플링이다.
Figure pct00004
는
Figure pct00005
와 동일하거나 또는 거의 동일하다는 추가 가정에 기초하여, 수식은 다음과 같이 단순화된다:
Figure pct00006
DEOGK 는 따라서, 제어기의 정지 작업 지점을 정의하며, 따라서 센서의 감도를 실질적 정도로 정의한다.
도 2 는 본 발명에 따른 광전자 측정 어레인지먼트의 기술적인 구현예를 도시한다. 이것은 위에서 설명한 바와 같이 전기-광학 기초 커플링을 가진 센서 시스템의 예를 이용하여 설명된다. 명료성을 위해서, 필요한 제어 유닛 및 다른 액츄에이션 및 전력 구성요소들은 도시되지 않는다. 물론, 클록된 방출 신호 또는 보상 신호의 방출은 옵션적이며, 필수적이지는 않다.
나타낸 구성은 인쇄 회로 기판 (101), 방출 광원 (2) 인 방출 LED (102), 보상 광원 (3) 인 보상 LED (103), 및 수신기 유닛 (4) 또는 포토다이오드 (5) 를 나타내는 수신기 다이오드 (104) 를 가진 측정 어레인지먼트이다. 광원들로서 LED들의 사용은 선행 기술로부터 알려져 있으며 다수의 이점들을 가진다. 예를 들어, 그들은 IR 방사를 방출할 수 있다. 물론, 다른 광원들도 또한 구성될 수도 있다. 따라서, 가장 간단한 경우에 수신기 다이오드 (104) 는 수신기 (수신기 유닛) (4) 자체이다.
도 2 에 따르면, 방출 LED (102), 보상 LED (103) 및 수신기 다이오드 (104) 구성요소들이 인쇄 회로 기판 (101) 상에 "역방향 어셈블리" 로 장착된다. 구성요소들은 바람직하게는 모두 인쇄 회로 기판 (101) 의 동일한 측면에, 바람직하게는 인쇄 회로 기판 (101) 의 밑면 (105) 에 배열된다. 인쇄 회로 기판 (101) 의 밑면 (105) 및 상부면 (106) 양자 모두는 구리의 층으로 코팅된다. 상부면 (106) 은 바람직하게는 보상 LED (103) 의 영역에서, 그리고 바람직하게는 또한 수신기 다이오드 (104) 의 영역에서 구리 층 (107) 으로 가능한 한 광범위하게 코팅된다. 또한, 대응하는 도체 경로들 및 신호 경로들이 바람직하게는 인쇄 회로 기판의 밑면 (105) 에 배열된다. 구리 층은 곳곳에서 (in places) 불연속적이다. 이하, 구리 코팅 또는 또 다른 금속성의 전도성 코팅이 구리 층 (107) 의 예를 이용하여 설명될 것이다. 물론, 사용되는 광학적 방사에 대하여 투명하지 않은 다른 (금속성의) 층들 또는 코팅들이 또한 구현될 수도 있다. 이 설명에서, 도체 경로들 또는 신호 경로들은 또한 단순성을 위해 구리 층 (107) 으로 지칭된다.
인쇄 회로 기판 (101) 은 유리 섬유 강화 폴리머, 바람직하게는 에폭시 수지, 특히 바람직하게는 FR4 재료로 구성되고, 모든 경우들에서 유리 섬유 엘리먼트들을 포함한다. 그것은 보상 LED (103) 에 의해 수신기 다이오드 (104) 로 방출되는 방사를 수행하는 광학 시스템으로서 사용된다. 이에 의해, 보상 LED (103) 과 수신기 다이오드 (104) 사이의 전기-광학 기초 커플링이 보장된다. 방출된 광 방사는 인쇄 회로 기판 재료 내부로 전송되고, 외부 측면들 (밑면 (105) 및 상부면 (106)) 상의 구리 층 (107) 을 가진 코팅들에 의해 외부로 벗어나는 것이 방지된다. 이 방식으로, 방사는 측정된 물체 (13) 에 도달하는 것이 방지되고 반사 후에 측정된 물체로부터 수신기 다이오드 (104) 로 향하는 것이 방지된다. 이 방식으로, 보상 LED (103) 과 측정된 물체 (13) 사이의 커플링이 (거의 완전히) 방지된다.
바람직한 실시형태에서, 수신기 (104) 는 인쇄 회로 기판 (101) 의 밑면에 배열된다. 이 상황에서, 수신기 (104) 는 전체 인쇄 회로 기판 (101), 특히 그의 두께를 관통하는 스루홀 (108) 아래에 위치된다. 수신기 다이오드 (104) 의 영역에서, 인쇄 회로 기판 (101) 은 광 방사, 예를 들어, 상부면 (106) 위에 배열된 측정된 물체 (13) 로부터 귀환되는 적외선 방사 (IR 방사) 를 수신하기 위해, 바람직하게는 원통형 홀 또는 카운터싱크된 (countersunk) 지점으로서 구성될 수도 있는 스루홀 (108) 을 가진다. 스루홀 (108) 은 바람직하게는 120°보다 크지 않은, 바람직하게는 90°보다 크지 않은, 특히 바람직하게는 60°보다 크지 않은, 그리고 가장 바람직하게는 45°보다 크지 않은 개구 각도를 가진 원뿔형 홀이다. 특히 바람직한 것은 90°의 개구 각도이다. 개구 각도는 바람직하게는 수신기 (4, 104) 로부터 대향하며; 이 방식으로, 홀은 수신기로부터 대향하는 측면을 향하여 더 넓어진다. 수신기 다이오드 (104) 의 실시형태에 따라, 그것은 홀 (108) 과 같은 높이에 놓여질 수도 있거나 홀 (108) 안으로 돌출될 수도 있다.
방출 스루홀 (109) 는 방출 LED (102) 위에 배열되고, 바람직하게는 원통형이다. 그러나, 이 홀은 또한 카운터싱킹 (countersinking) 에 의해 생성될 수도 있고, 바람직하게는, 제로와 150 도 사이의, 특히 바람직하게는 약 90 도의 개구 각도를 가질 수도 있다. 방출 스루홀 (109) 의 내부는, 바람직하게는, 방출 LED (102) 에 의해 방출된 광이 인쇄 회로 기판 (101) 을 통해 방사되지만 인쇄 회로 기판 내부로 들어가지는 않도록 코팅 (114) 으로 커버된다. 이 방식으로, 인쇄 회로 기판 (101) 을 통한 방출 LED (102) 와 수신기 다이오드 (104) 사이의 직접 커플링이 방지된다. 송신기 (에미터) 와 수신기 사이의 순수 광학 기초 커플링은, 보상 LED (103) 에 의해 수행되는 전기-광학 기초 커플링에 의해 대체되기 때문에 생성하지 않는다.
인쇄 회로 기판 (101) 의 밑면 (105) 의 구리 층 (107) 은 상응하여 보상 LED (103) 의 영역에서 노출된다. 이 방식으로, 보상 LED (103) 에 의한 광 방사가 인쇄 회로 기판 (101) 을 가장 효과적으로 관통할 수 있다. 광은 상부면 (106) 및 밑면 (105) 의 구리의 외부 층들에 의해 내부 인쇄 회로 기판 (101) 내부로 가이드되고, 그후 인쇄 회로 기판 재료에 의한 대응하는 댐핑 및 산란 후에 수신기 다이오드 (104) 에 도달한다. 따라서, 방출 보상 LED (103) 과 수신기 다이오드 (104) 사이의 원하는 전기-광학 기초 커플링이 적합한 조정에 의해 생성될 수도 있다.
그 결과, 보상 LED (103) 로부터의 보상 방사 및 인쇄 회로 기판 (101) 의 외부에서 측정된 물체 (13) 에 의해 반사되는 반사된 방사는, 측정된 물체 (13) 이 적외선 방사 또는 방출 LED (102) 로부터의 광으로 조사된 후 수신기 다이오드 (104; 수신기) 에서 서로 중첩된다.
보상 LED 가 인쇄 회로 기판 (101) 안으로 적어도 부분적으로 돌출하면, 보상 LED (103) 와 수신기 다이오드 (104) 사이의 커플링이 향상될 수도 있다. 도 3 에 나타낸 바와 같이, 이 목적을 위해 블라인드 보어홀 또는 블라인드 홀 (110) 이 인쇄 회로 기판 (101) 에서 제공되며, 그 홀 안으로 보상 LED (103) 로부터의 방사가 방출된다.
블라인드 홀 (110) 맞은편 인쇄 회로 기판 (101) (PCB) 의 상부면 (106) 의 구리 층 (Cu) 은, 어떤 보상 LED (103) 로부터의 (광학적) 방사도 측정된 물체 (13) 에 도달하지 않고 따라서 또한 그에 의해 영향 받지 않을 수 있도록 이 지점에서 연속적으로 폐쇄된다.
단지 2 개의 구리 층들을 가진 간단한 인쇄 회로 기판들 (이중-층 인쇄 회로 기판) 에서도, 층들 중 하나는 보통 그라운드 층 (ground layer) 으로 설계된다. 다층 인쇄 회로 기판의 경우, 인쇄 회로 기판 (101) 의 적어도 하나의 측면은, 가능한 한 큰 영역에 걸쳐서 폐쇄되고, 임의의 경우 그라운드 층으로서의 역할을 하며, 예를 들어 회로 또는 인쇄 회로 기판 (101) 의 간섭에 대한 저항을 증가시키려는 목적을 위한, 그리고 EMC 고려사항들을 위한 전기적 실드로서 사용되는 구리 층 (107) 으로 설계된다. 그 결과, 그것 때문에 비용이 증가되지는 않으며, 임의의 경우에 존재하는 구리 층은 광학적 실딩 (shielding) 을 위해 사용된다. 구리 표면 (107) 은, 이것이 또한 보상기 (103) 과 포토다이오드 (수신기 다이오드 (104)) 사이의 영역에서 IR 방사를 위한 "거울" 로서의 기능을 하도록, 또한 인쇄 회로 기판의 밑면 (105) 의 매우 큰 영역에 걸쳐서 역시 폐쇄된다. 그 결과, 일종의 광 도파관이 인쇄 회로 기판 (101) 내부에 생성되며, 다시 말해서 인쇄 회로 기판 (101) 자체가 광 도파관을 형성한다.
여기에 나타낸 구성에서, 보상 LED (103) 는 인쇄 회로 기판 (101) 안으로 돌출되지 않지만, PCB 밑면 (105) 와 같은 높이에 놓여지고 (예를 들어, 테스트들에 사용된, Osram 에 의한 SFH4257R 유형 다이오드의 경우), 하부 구리 코팅 (107) 에서 상응하여 노출된 영역을 통해 인쇄 회로 기판 (101) 의 FR4 재료 안으로 방사한다.
따라서, 보상은 인쇄 회로 기판 (101) 위에 임의의 추가적인 설치 공간을 요구하지 않으며, 결국 다른 이점들 중에서 매우 얇은 커버링들 (작은 광학 에미터 기초 커플링 ~ 높은 감도/범위) 을 가능하게 한다. 더욱이, 포토다이오드/수신기 LED (104) 는 또한 EMC 이유들로 인해 종종 그래도 존재하는 실드 플레이트에 의해 필요시 (산란되는) 광에 의한 기생 침투로부터 최적으로 실드될 수도 있으며, PCB의 후면 (105) 에 의해 에미터 LED (102) 및 보상 LED (103) 로부터 매우 효과적으로 광학적으로 실드될 수도 있다.
모든 역방향 유형 포토다이오드들 (PD) 이 수신기로서의 사용에 적합하다. 애플리케이션에 따라, PD 는 간단한 (원통형) 보어홀을 통해, 또는 또한 납작한 지점을 통해, 측정될 물체로부터의 IR 방사 및 보상 방사 양자 모두를 수신할 수도 있다. 간단한 보어홀 이외에, 적어도 5°, 바람직하게는 적어도 20°, 30°, 45°, 60°, 90°또는 120°의 개구 각도를 가지는 원뿔형 홀이 바람직하다. 적어도 10°의 개구 각도가 특히 바람직하다. 원뿔형 보어홀은, 바람직하게는, 보상 광 (보상기로부터의 광), 이질적인 광 (미광) 및 유용한 신호 광 (에미터 (102) 에서 방출되어 물체 (13) 로부터 반사되는 광) 이 수신기 (104) 에 사실상 동일한 지점에, 특히 포토다이오드의 감광성 칩 표면에 도달하는 방식으로 배열된다.
거리와 다수의 다른 경계 조건들 (그 중에서도 비아들, 납작한 지점의 유무, 인쇄 회로 기판상의 주변 영역) 의 함수로서의 광학 보상기 커플링의 주어진 IR 구성요소들과의 의존성이 2-층 테스트 회로 보드에 대하여 조사되었다. 2 개의 중요한 의존성들은 주어진 FR4 인쇄 회로 기판 재료, 즉, 회로 보드의 두께 및 보상 광원과 수신기 사이에서 바람직하게 유지되는 거리를 이용하여 밝혀졌다. 인쇄 회로 기판이 더 두꺼워져 광학적 도전 특성이 향상되고 따라서 더 많은 보상 신호가 수신기에 도달하며 보상기와 수신기 사이의 거리가 또한 상응하여 더 커질 수도 있거나 또는 더 커져야 한다는 것이 발견되었다. 비교적 얇은 보드들에서, 특히 보상기가 보어 홀 안으로 돌출되지 않고 PCB 상에 평평하게 배열되면, 보상기와 수신기 사이의 거리는 비교적 작아야 (예를 들어, 위에서 서술된 거리의 20% 보다 작아야) 한다.
본 발명은 알려진 HALIOS 센서들, 다시 말하면, 전용 (독립형) 광 도체를 갖지 않고 관련된 기술적 요건들 및/또는 조건들을 센서 커버의 광기계 (optomechanics) 에 부과하지 않은 센서들에 보상이 제공될 수 있도록 한다. 궁극적으로, 이것은 지금까지 가능했던 설계보다 더욱 컴팩트하고, 특히 더욱 평평하고 간단한 (따라서, 덜 비싼) HALIOS 센서들의 설계를 가능하게 한다.
바람직한 실시형태에서, 보상 LED (103) 는 포켓 보어홀 (110) (예를 들어, Harvatek 에 의해 제조된 HT-260IRPJ 유형 다이오드의 경우) 에 적어도 부분적으로 통합된다. 보상 LED (103) 는, 바람직하게는, 포켓 보어홀 (110) 에 전체적으로 또는 거의 전체적으로 포함된다.
도 3 을 참조하면, 보상 LED (103) 에 의해 방출된 광 방사가 상부면 (106) 및 밑면 (105) 의 구리 층들 (107) 에서 어떻게 반사되는 지가 명확해진다. 방사된 광은, 인쇄 회로 기판 (101) 의 FR4 재료를 떠나서 수신기 스루홀 (108) 안으로 패스될 때, 빔들이 충분한 강도로 수신기 다이오드 (104) 에 도달하고 신뢰성있게 재생될 수 있는 방식으로 산란된다. 보상 LED (103) 로부터 개구 (108) 을 통해 인쇄 회로 기판 (101) 의 상부면 (106) 위에 배열된 측정된 물체 (13) 로 향하는 빔의 방출은 무시해도 될 정도로 작으며, 그것은 개구 (108) 로부터 몇 센티미터들 이내에서 모든 실제 목적들에 대해 미미하다.
수신기 다이오드 (104) 가 보상 LED (103) 로부터 단지 방출 이상의 것을 수신한다는 것은 명백하다. 에미터 LED (102) 에 의해 방출되어 측정될 물체 (13) 에 의해 반사된 방사는 수신기 다이오드 (104) 의 동일한 감지 영역에서 중첩된다.
도 4 는 4-층 인쇄 회로 기판 (110) 을 가진 본 발명에 따른 광전자 측정 어레인지먼트의 일 실시형태를 도시한다. 캐비티 (113) 은 2 개의 내측 층들 (111, 112) 사이에 제공되며, 이 캐비티 내에 보상 LED (103) 또는 보상기가 수용된다. 내측 층들 (111 및 112) 는 보상에 의해 광이 방출되도록 설계된다. LED (103) 는 수신기 다이오드 (104) 로 가이드될 수 있다. 나타낸 실시형태에서, 내측 층 (내측 층 (111)) 은 보상 광원 또는 보상 LED (103) 과 수신기 또는 수신기 다이오드 (104) 사이의 영역 (121) 에서 구리 층 (107) 을 갖지 않는다. 또한, 다른 금속화 또는 광-불투과층이 이 영역 (121) 에 제공되지 않는다. 이 방식으로, 보상 LED (103) 에 의해 방사된 방출된 광이 수신기 다이오드 (104) 에 도달하는 것이 보장된다. 인쇄 회로 기판 재료, 예컨대, FR4 재료의 유리 섬유 엘리먼트들은 충분히 우수한 광학적 가이던스를 보장하므로, 그 방출된 방사가 광학 시스템 인쇄 회로 기판에서 가이드된다. 재료에서 생성하는 산란은 시스템에 부정적인 영향을 미치지 않으며, 그와 반대로, 확산은 수신기 다이오드 (예컨대, 포토다이오드) 의 감지 영역의 원하는 균질한 (균등한) 조명을 보장하여, 센서 재현성 (sensor reproducibility) 을 향상시킨다.
다수의 구리 층들 (내측 층들) 을 가진 인쇄 회로 기판에서, 내측 층들 (111, 112) 의 구리 코팅이, 최상의 가능한 송신을 보장하기 위해, 보상 LED (103) 과 수신기 LED (104) 사이의 영역에서 가능한 한 멀리 리세스되어 (recessed) 있다는 것이 중요하다. 모든 다른 광-차단 엘리먼트들 (비아들, 보어홀들 등) 은 바람직하게는 이 영역에 존재하지 않아야 한다.
도 4 에 따른 실시형태에서, 방출 스루홀 (109) 은 또한 인쇄 회로 기판 (101) 의 상부면 (106) 을 향하여 나팔 모양으로 벌어진 개구 각도를 가지는 것으로 도시된다. 이것은 에미터가 인쇄 회로 기판 (101) 의 앞에서 더 큰 영역을 직접 조사하는 것을 가능하게 한다. 그 결과, 제스쳐들이 여전히 센서에 가까이에서, 정확하게 인식될 수 있다.
도 5 는 본 발명에 따른 측정 어레인지먼트의 인쇄 회로 기판 (101) 의 평면도를 나타낸다. 복수의 에미터 LED들 (102) 이 인쇄 회로 기판 (101) 의 3 개의 모서리들에 배열된다. 공간적으로 별개의 에미터들로부터의 신호들의 평가는, 인쇄 회로 기판 (101) 의 앞에서 또는 위에서 물체들의 존재가 검출되는 것을 가능하게 할 뿐만 아니라, 이동들, 이 이동들의 방향, 거리의 간단한 변화들, 접근들, 제스쳐들이 일반적으로 또는 유사하게 이루어질 수 있게 한다.
수신기 다이오드 (104) 는 인쇄 회로 기판 (101) 의 중간의 영역에, 바람직하게는, 3 개의 에미터 LED들로부터 수신기 다이오드 (104) 까지의 거리가 유사하게, 그리고 가능하다면, 바람직하게는 동일하게 배열된다. 물론, 수신기 다이오드 (104) 는 또한 다른 곳에 위치될 수도 있다. 이 비대칭 배열들에서, 수신기 다이오드와 개개의 에미터 LED들 사이의 상이한 거리들에 대한 조정은 바람직하게는 제어기에서 이루어진다.
보상 LED (103) 는 바람직하게는 에미터 LED들 (102) 보다 수신기 다이오드 (104) 에 더 인접하게 배열된다.
본 발명의 맥락에서, 특히 1 mm 와 2 mm 사이의 (예컨대, 1.55 mm) 인쇄 회로 기판 두께에 있어, 보상 다이오드 또는 보상 LED (103) 이 바람직하게는 수신기 또는 수신기 다이오드 (104) 로부터 적어도 5 mm, 특히 바람직하게는 적어도 7 mm 의 거리에 위치된다는 것이 발견되었다. 또한, 2 개의 엘리먼트들 사이의 거리는, 바람직하게는 많아야 15 mm, 특히 바람직하게는 많아야 10 mm, 매우 바람직하게는 많아야 9 mm 라는 것이 발견되었다. 그러나, 전술한 바와 같이, 이 거리 정보는 인쇄 회로 기판 (101) 의 다이오드 유형, 재료 및 두께에 따라 변한다.

Claims (13)

  1. 광학 송신기 (2), 광학 보상 송신기 (3), 및 상기 송신기 (2) 와 광학 수신기 (4) 사이의 제 1 송신 경로 (220) 의 송신 특성들을 측정하는 상기 광학 수신기 (4) 를 포함하는 광전자 측정 어레인지먼트로서,
    - 상기 송신기 (2) 는 상기 송신 경로 (220) 을 따라서 방출 신호를 방출하며, 상기 신호는 상기 제 1 송신 경로 (220) 의 적어도 일부를 횡단한 후 상기 수신기 (104) 에 의해 검출되며,
    - 상기 보상 송신기 (3) 는 제 2 송신 경로 (230) 을 따라서 보상 신호를 방출하며, 상기 신호는 상기 제 2 송신 경로 (230) 을 완료한 후 상기 수신기에 의해 검출되며,
    - 상기 수신기 (104) 는 송신기 신호 및 상기 보상 신호를 선형 방식으로 중첩하고 그로부터 수신기 출력 신호를 형성하도록 설계 및 구성되며,
    - 상기 광전자 측정 어레인지먼트는, 상기 제 1 송신 경로 (220) 의 송신 특성들이 변화되면 상기 수신기 출력 신호가 실질적으로 변화되지 않고 유지되는 방식으로, 상기 보상 송신기 (3) 를 작동시키기 위한 상기 수신기 출력 신호로부터의 보상 제어 신호, 및/또는 상기 수신기 출력 신호의 피드백-제어된 조정을 위해 상기 송신기 (2) 를 작동시키기 위한 송신기 제어 신호를 생성하는 제어 유닛 (12) 를 포함하며,
    상기 보상 송신기 (3) 와 상기 수신기 (104) 사이의 커플링은, 상기 보상 송신기 (3) 및 상기 수신기 (104) 양자 모두가 배열되는 인쇄 회로 기판 (101) 에서 광학 시스템을 통해 적어도 부분적으로 수행되는 것을 특징으로 하는 광전자 측정 어레인지먼트.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 제 2 송신 경로 (230) 는, 상기 인쇄 회로 기판 (101) 의 상기 광학 시스템을 포함하는 것을 특징으로 하는 광전자 측정 어레인지먼트.
  3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 보상 송신기 (3, 103) 와 상기 수신기 (4, 104) 사이의 광학 커플링은 상기 인쇄 회로 기판 (101) 의 광학 시스템을 통해, 대부분 또는 전체적으로 일어나는 것을 특징으로 하는 광전자 측정 어레인지먼트.
  4. 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 광학 시스템은, 바람직하게는 상기 인쇄 회로 기판 (101) 자체인 보상하는 광학 광 도체 시스템인 것을 특징으로 하는 광전자 측정 어레인지먼트.
  5. 제 1 항 내지 제 4 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 보상 송신기 (3, 103) 는, 상기 인쇄 회로 기판 (101) 에 적어도 부분적으로 통합되는 것을 특징으로 하는 광전자 측정 어레인지먼트.
  6. 제 1 항 내지 제 5 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 인쇄 회로 기판 (101) 은 다층 인쇄 회로 기판이며,
    상기 보상 송신기 (3, 103) 는 내측 층들 (111, 112) 중 하나에 통합되며,
    상기 인쇄 회로 기판 (101) 의 상기 내측 층들 (111, 112) 은 바람직하게는 상기 보상 송신기 (3, 103) 와 상기 수신기 (4, 104) 사이에 금속화를 갖지 않으며, 특히 구리 층들 (107) 을 갖지 않는 것을 특징으로 하는 광전자 측정 어레인지먼트.
  7. 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 보상 송신기 (3, 103) 는 상기 인쇄 회로 기판 (101) 상에 역방향 어셈블리로 장착되고, 외측 구리 층 (107) 의 컷어웨이 (cutaway) 를 통해 상기 인쇄 회로 기판 (101) 안으로 광을 방출하는 것을 특징으로 하는 광전자 측정 어레인지먼트.
  8. 제 1 항 내지 제 7 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 수신기 (4, 104) 는 상기 인쇄 회로 기판 (101) 의 밑면 (105) 의 스루홀 (108) 아래에 배열되며,
    상기 스루홀은 바람직하게는 원통형 또는 원뿔형이고, 또한 바람직하게는 120°보다 크지 않은, 바람직하게는 90°보다 크지 않은, 특히 바람직하게는 90°와 동일한, 매우 바람직하게는 45°보다 크지 않은, 상기 수신기 (4, 104) 로부터 대향하는 개구 각도 (opening angle) 를 가지는 것을 특징으로 하는 광전자 측정 어레인지먼트.
  9. 제 1 항 내지 제 8 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 인쇄 회로 기판 (101) 은, 유리 섬유 강화 폴리머, 바람직하게는 유리 섬유 강화 에폭시 수지, 특히 바람직하게는 FR-4 재료로 구성되며,
    바람직하게는 상기 인쇄 회로 기판 (101) 의 상부면 (106) 및/또는 상기 밑면 (105) 은 금속성 층, 바람직하게는 구리 층 (107) 으로 적어도 부분적으로 커버되는 것을 특징으로 하는 광전자 측정 어레인지먼트.
  10. 제 1 항 내지 제 9 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 보상 송신기 (3, 103) 는, 상기 수신기 (4, 104) 로부터 적어도 5 mm, 바람직하게는 적어도 7 mm, 및/또는 바람직하게는 15 mm 이하의 거리에 있는 것을 특징으로 하는 광전자 측정 어레인지먼트.
  11. 제 1 항 내지 제 10 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 송신기 (2, 102) 에 대한 상기 스루홀 (109) 의 내부는 금속화되고, 바람직하게는 금속 층으로, 특히 바람직하게는 보어홀의 내부에서 구리 층으로 커버되는 것을 특징으로 하는 광전자 측정 어레인지먼트.
  12. 제 1 항 내지 제 11 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 송신기 (2, 102) 와 상기 수신기 (4, 104) 사이의 거리는 보상 에미터 (3, 103) 와 상기 수신기 (4, 104) 사이의 거리보다 더 큰 것을 특징으로 하는 광전자 측정 어레인지먼트.
  13. 제 1 항 내지 제 12 항 중 어느 한 항에 있어서,
    - 상기 송신기 (2, 102) 및 상기 보상 송신기 (3, 103) 는 광을 시간-순차적으로 그리고 단계적 방식으로 방출하며, 방출되는 광은 각각 - 바람직하게는 180°도 만큼 위상-시프트되며,
    - 상기 측정 어레인지먼트는 클록 신호를 생성하기 위한 클록 생성기 (8), 상기 수신기 출력 신호의 동기적 평가를 위한 복조기 (11), 상기 송신기 (2, 102) 에 대한 클록 송신기 제어 전류를 생성하기 위한 제어가능한 전류 소스 (9) 및 상기 보상 송신기 (3, 103) 에 대한 클록 보상 제어 전류를 생성하기 위한 제어가능한 보상 전류 소스 (10) 를 포함하며,
    - 상기 제어가능한 전류 소스 (9) 및/또는 상기 보상 전류 소스 (10) 에 대한 적어도 하나의 액츄에이션 신호를 생성하는 제어기 유닛 (12) 은, 상이한 위상들 사이에 생성하는 동기적 신호 차이가 제로가 되는 방식으로 상기 보상 제어 전류 및/또는 송신기 제어 전류를 조정함으로써, 상기 보상 송신기 (3, 103) 및/또는 상기 송신기 (2, 102) 의 광 세기가 그 진폭에서 제어가능한 방식으로 구성되는 것을 특징으로 하는 광전자 측정 어레인지먼트.
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