WO2017068148A1

WO2017068148A1 - Optischer sensor

Info

Publication number: WO2017068148A1
Application number: PCT/EP2016/075429
Authority: WO
Inventors: David O'brien; Tim Boescke; Sebastian PIELNHOFER
Original assignee: Osram Opto Semiconductors Gmbh
Priority date: 2015-10-21
Filing date: 2016-10-21
Publication date: 2017-04-27
Also published as: US20180303359A1; DE112016004840A5; US10256220B2; DE102015117940A1

Abstract

Optischer Sensor, insbesondere zur Erfassung einer Herzfrequenz und/oder eines Blutsauerstoffgehalts, mit einer Licht- quelle, die mindestens einen lichtemittierenden Halbleiterchip aufweist und eine elektromagnetische Strahlung mit drei verschiedenen Wellenlängenbereichen emittiert. Ein erster Wellenlängenbereich umfasst dabei grünes Licht, ein zweiter Wellenlängenbereich umfasst dabei rotes Licht und ein dritter Wellenlängenbereich umfasst dabei Infrarotstrahlung. Der Sensorweist drei Lichtdetektoren auf, wobei die drei Lichtdetektoren jeweils einen Filter für elektromagnetische Strahlung aufweisen und wobei ein erster Filter durchlässig für Licht des ersten Wellenlängenbereichs und undurchlässig für Licht des zweiten und Infrarotstrahlung des dritten Wellenlängenbereichs ist, ein zweiter Filter durchlässig für Licht des zweiten Wellenlängenbereichs und undurchlässig für Licht des ersten und Infrarotstrahlung des dritten Wellenlängenbereichs ist und ein dritter Filter durchlässig für Infrarotstrahlung des dritten Wellenlängenbereichs und undurchlässig für Licht des ersten und zweiten Wellenlängenbereichs ist.

Description

OPTISCHER SENSOR

BESCHREIBUNG Die Erfindung betrifft einen optischen Sensor zur Erfassung einer Herzfrequenz und/oder eines Blutsauerstoffgehaltes .

Die Patentanmeldung beansprucht die Priorität der deutschen Patentanmeldung 10 2015 117 940.7, deren Offenbarungsgehalt hiermit durch Rückbezug aufgenommen wird.

Optische Sensoren zur Erfassung einer Herzfrequenz und/oder eines Blutsauerstoffgehaltes können realisiert werden, indem das Licht einer Leuchtdiode auf die Haut eingestrahlt wird. Dabei wird das Licht vom Gewebe unterhalb der Haut gestreut, die Intensität des gestreuten Lichtes kann mit einem Fotode^¬ tektor gemessen werden. Ein Teil des eingestrahlten Lichts wird durch Hämoglobinmoleküle im Blut absorbiert. Angetrieben durch das Herz wird das Blut durch die Adern gepumpt, wobei die Menge des Blutes in einer Ader nicht konstant ist, son^¬ dern mit derselben Frequenz wie die Herzfrequenz pulsiert. Dadurch schwankt die Menge des Blutes in der Ader mit der Herzfrequenz, ebenso schwankt die Menge des zur Verfügung stehenden Hämoglobins. Je nachdem, ob viel oder wenig Hämo- globin in der Ader ist, wird mehr oder weniger des Lichts der Leuchtdiode vom Hämoglobin absorbiert. Die Intensität des ge^¬ streuten Lichts ändert sich dadurch ebenfalls mit der Herzfrequenz. Diese sich ändernde Intensität kann mit dem Fotode^¬ tektor detektiert werden. Aus der Änderung des Fotostroms des Fotodetektors kann dadurch auf die Herzfrequenz zurückge^¬ schlossen werden. Ein solcher optischer Herzfrequenzsensor ist aus der DE 10 2008 022 920 B4 bekannt.

Eine Aufgabe der Erfindung besteht darin, einen verbesserten optischen Sensor zur Bestimmung der Herzfrequenz bereitzustellen, der darüber hinaus auch geeignet ist, optional einen Blutsauerstoffgehalt zu bestimmen. Diese Aufgabe wird mit dem optischen Sensor des Anspruchs 1 gelöst . Ein optischer Sensor zur Erfassung einer Herzfrequenz und/oder eines Blutsauerstoffgehaltes weist eine Lichtquelle auf, die mindestens einen lichtemittierenden Halbleiterchip enthält. Die Lichtquelle emittiert eine elektromagnetische Strahlung mit drei verschiedenen Wellenlängenbereichen, wobei ein erster Wellenlängenbereich grünes Licht, ein zweiter Wellenlängenbereich rotes Licht und ein dritter Wellenlängenbe^¬ reich Infrarotstrahlung umfasst. Darüber hinaus weist der Sensor drei Lichtdetektoren auf, die jeweils einen Filter für elektromagnetische Strahlung aufweisen. Ein erster Filter auf einem ersten Lichtdetektor ist durchlässig für Licht des ers^¬ ten Wellenlängenbereichs und undurchlässig für Licht des zweiten und Infrarotstrahlung des dritten Wellenlängenbereichs. Ein zweiter Filter des zweiten Lichtdetektors ist durchlässig für Licht des zweiten Wellenlängenbereichs und undurchlässig für Licht des ersten und Infrarotstrahlung des dritten Wellenlängenbereichs. Ein dritter Filter eines drit^¬ ten Lichtdetektors ist durchlässig für Infrarotstrahlung des dritten Wellenlängenbereichs und undurchlässig für Licht des ersten und zweiten Wellenlängenbereichs. Der lichtemittieren- de Halbleiterchip weist eine Emissionswellenlänge kleiner

570 Nanometer auf. Die Lichtquelle weist einen Konversions^¬ leuchtstoff auf, wobei der Konversionsleuchtstoff das Licht des Halbleiterchips in elektromagnetische Strahlung mit dem ersten Wellenlängenbereich, dem zweiten Wellenlängenbereich und dem dritten Wellenlängenbereich umwandelt. Dabei weist der Konversionsleuchtstoff ein Matrixmaterial mit drei ver^¬ schiedenen schmalbandigen Leuchtstoffen auf, wobei die Emissionswellenlängen der Leuchtstoffe innerhalb der drei Wellenlängenbereiche liegen. Schmalbandig bedeutet, dass eine Halb- wertsbreite eines Emmissionspeaks des Leuchtstoffs unter 40

Nanometer beträgt. Mit dem grünen Licht des ersten Wellenlängenbereichs ist es möglich, eine Herzfrequenz mittels des op- tischen Sensors zu messen. Das rote Licht des zweiten Wellenlängenbereichs und die Infrarotstrahlung des dritten Wellenlängenbereichs sind geeignet, um mit dem optischen Sensor den Blutsauerstoffgehalt zu messen. Durch die Verwendung von drei Lichtdetektoren mit drei Filtern, die jeweils einen der drei Wellenlängenbereiche durchlassen und für die anderen beiden Wellenlängenbereiche undurchlässig sind, können drei Messun^¬ gen in den drei Wellenlängenbereichen parallel ausgeführt werden. Dabei ist es vorteilhaft, die Lichtquelle gepulst zu betreiben, sodass weniger Energie als im Dauerbetrieb benö^¬ tigt wird. Durch die Verwendung der drei Lichtdetektoren mit den drei Filtern ist es möglich, mittels eines Pulses der Lichtquelle eine Messung sowohl der Herzfrequenz als auch des Blutsauerstoffgehaltes gleichzeitig durchzuführen.

Der Konversionsleuchtstoff, der drei schmalbandige Leucht^¬ stoffe in einem Matrixmaterial aufweist, ist einfach herzu^¬ stellen und ermöglicht einen einfachen Aufbau des optischen Sensors. Durch die Verwendung von schmalbandigen Leuchtstof- fen werden die zur Messung der Herzfrequenz und des Blutsauerstoffgehalts geeigneten Wellenlängen genutzt. Dabei ent^¬ steht innerhalb des Leuchtstoffs möglichst wenig Licht, dass außerhalb der gewünschten Wellenlängenbereiche liegt, so dass die benötigte Lichtleistung des lichtemittierenden Halb- leiterchips reduziert werden kann. Dies führt zu einer

Stromeinsparung. Darüber hinaus wird nur ein geringer Anteil nicht für die Messung der Herzfrequenz beziehungsweise des Blutsauerstoffgehalts geeignetes Licht erzeugt, und so der Anteil an Streulicht reduziert. Ferner wird weniger Licht auf die Haut eingestrahlt, wodurch weniger nicht nutzbare Energie vom optischen Sensor auf die Haut übertragen wird, wodurch der optische Sensor Hautverträglicher wird.

In einer Ausführungsform weist der Konversionsleuchtstoff Quantenpunkte auf. Quantenpunkte sind als Konversionsleucht^¬ stoff gut geeignet, da sie einerseits einfach eingerichtet werden können, das Licht des Halbleiterchips zu absorbieren. Darüber hinaus können sie eingerichtet werden, Licht in einem schmalen Wellenlängenbereich zu emittieren. Insbesondere ist es möglich, durch die Wahl von Quantenpunkten als Konversionsleuchtstoff eine Lichtquelle zu erzeugen, die eine schmal- bandige Emission des Lichts des ersten und zweiten Wellenlängenbereichs und der Infrarotstrahlung des dritten Wellenlängenbereichs aufweist. Insbesondere ist es möglich, die Licht^¬ quelle so einzurichten, dass sich die drei Wellenlängenberei^¬ che nicht überlappen.

Zur Erzeugung des Lichts des ersten Wellenlängenbereichs kön^¬ nen dabei Cadmiumselenid- oder Indiumphosphid-Quantenpunkte mit einer ersten Größe der Quantenpunkte verwendet werden. Das Licht des zweiten Wellenlängenbereichs kann ebenfalls mit Cadmiumselenid- oder Indiumphosphid-Quantenpunkten mit einer zweiten Größe der Quantenpunkte erzeugt werden, wobei die zweite Größe größer als die erste Größe ist. Die Infrarot^¬ strahlung des dritten Wellenlängenbereichs kann mittels Indi- umarsenid-, Bleiselenid- oder Kupferindiumphosphid- Quantenpunkten erzeugt werden.

In einer Ausführungsform ist mindestens ein Filter ein Interferenzfilter. Interferenzfilter sind Filter, die aus Schichten mit unterschiedlichen Brechungsindizes bestehen. Durch eine geeignete Wahl der Brechungsindizes und der Schichtdi^¬ cken kann dabei ein Filter erzeugt werden, der eine sehr schmalbandige Transmissionskurve aufweist. Mit Interferenz^¬ filtern können insbesondere Filter für die Lichtdetektoren bereitgestellt werden, die die elektromagnetische Strahlung in einem Wellenlängenbereich nahezu vollständig durchlassen und die elektromagnetische Strahlung der beiden anderen Wel^¬ lenlängenbereiche nahezu vollständig unterdrücken.

In einer Ausführungsform weist das grüne Licht eine Wellen- länge zwischen 530 und 610 Nanometer, das rote Licht eine

Wellenlänge zwischen 620 und 700 Nanometer und die Infrarot^¬ strahlung eine Wellenlänge größer als 800 Nanometer auf. Die- se drei Wellenlängenbereiche eignen sich besonders gut für die Verwendung in einem optischen Sensor, insbesondere zur Bestimmung einer Herzfrequenz und/oder eines Blutsauerstoff- gehaltes .

Bei einer Erzeugung von konvertiertem Licht mit den genannten Wellenlängen mittels Quantenpunkten sind z. B. die im Folgenden erläuterten Materialien denkbar. Für das grüne Licht des ersten Wellenlängenbereichs mit einer Wellenlänge um 570 Na- nometer können dabei Cadmiumselenid-Quantenpunkte mit einem Durchmesser zwischen 3,0 und 3,5 Nanometer verwendet werden. Alternativ ist die Verwendung von Indiumphosphid- Quantenpunkte mit einem Durchmesser zwischen 1,8 und 2,2 Nanometer für das grüne Licht möglich.

Für das rote Licht des zweiten Wellenlängenbereichs mit einer Wellenlänge um 660 Nanometer können dabei Cadmiumselenid- Quantenpunkte mit einem Durchmesser zwischen 7,5 und 8,5 Na^¬ nometer verwendet werden. Alternativ ist die Verwendung von Indiumphosphid-Quantenpunkte mit einem Durchmesser zwischen 2,8 und 3,2 Nanometer für das grüne Licht möglich.

Für die Infrarotstrahlung des dritten Wellenlängenbereichs mit einer Wellenlänge größer 800 Nanometer sind Indiumar- senid-Quantenpunkte mit einem Durchmesser zwischen 3,0 und 6,0 Nanometer möglich. Alternativ können für die Infrarotstrahlung des dritten Wellenlängenbereichs mit einer Wellenlänge größer 800 Nanometer Bleiselenid-Quantenpunkte mit ei^¬ nem Durchmesser größer als 5,0 Nanometer verwendet werden. Eine weitere Alternative für die Infrarotstrahlung des drit^¬ ten Wellenlängenbereichs mit einer Wellenlänge größer 800 Na^¬ nometer ist die Verwendung von Kupferindiumphosphid- Quantenpunkten mit einem Durchmesser zwischen 2,5 und 5,8 Nanometer .

In einer Ausführungsform weist der optische Sensor eine elektronische Schaltung auf, die zur Auswertung von Signalen der Lichtdetektoren und zur Spannungsversorgung der Lichtquelle eingerichtet ist. Dadurch kann ein integriertes Bau^¬ teil mit kleinen Abmessungen erzeugt werden, das nur Anschlüsse für eine Versorgungsspannung und eine Datenschnitt- stelle benötigt.

In einer Ausführungsform kann die Spannungsversorgung der Lichtquelle gepulst betrieben werden. Dabei ist die Schaltung zur Auswertung der Signale der Lichtdetektoren eingerichtet, die Pulse zu berücksichtigen. Durch den gepulsten Betrieb der Lichtquelle kann ein optischer Sensor erzeugt werden, der einen geringeren Energieverbrauch hat als ein optischer Sensor, bei dem die Lichtquelle kontinuierlich betrieben wird. Die Berücksichtigung der Pulse kann beispielsweise dadurch erfol- gen, dass mit der Pulsfrequenz gefiltert wird. Dadurch wird die Signalauswertung verbessert.

Die oben beschriebenen Eigenschaften, Merkmale und Vorteile dieser Erfindung sowie die Art und Weise, wie diese erreicht werden, werden klarer und deutlicher verständlich im Zusammenhang mit der folgenden Beschreibung der Ausführungsbeispiele, die im Zusammenhang mit den Zeichnungen näher erläutert werden. Dabei zeigen in jeweils schematisierter Darstellung

Fig. 1 einen optischen Sensor mit Lichtquelle und drei Licht^¬ detektoren;

Fig. 2 einen optischen Sensor mit drei Halbleiterchips, einen Konversionsleuchtstoff, und drei Lichtdetektoren;

Fig. 3 einen optischen Sensor mit einem Halbleiterchip, einen Konversionsleuchtstoff, und drei Lichtdetektoren; Fig. 4 bis 6 verschiedene Anordnungsmöglichkeiten der drei Lichtdetektoren; Fig. 7 bis 9 verschiedene Ausführungsbeispiele der Lichtquel^¬ le mit Konversionsleuchtstoff; und

Fig. 10 einen optischen Sensor mit einer elektronischen

Schaltung.

Fig. 1 zeigt einen Querschnitt durch einen optischen Sensor 100. Der optische Sensor 100 weist ein Gehäuse 101 auf. Das Gehäuse 101 kann dabei beispielsweise ein Spritzgussteil aus Kunststoff sein. Ebenso ist es möglich, dass das Gehäuse 101 aus einem anderen Material besteht. Das Gehäuse 101 weist ei^¬ ne erste Ausnehmung 102 und eine zweite Ausnehmung 103 auf. Zwischen den beiden Ausnehmungen 102, 103 befindet sich ein Steg 104 aus dem Material des Gehäuses 101. Durch den Steg 104 sind die beiden Ausnehmungen 102, 103 also voneinander getrennt. In der ersten Ausnehmung 102 ist ein Halbleiterchip 110 angebracht. Der Halbleiterchip 110 in der ersten Ausnehmung 102 und die angrenzenden Teile des Gehäuses 101 bilden eine Lichtquelle 105. Die Lichtquelle 105 ist eingerichtet, elektromagnetische Strahlung mit drei verschiedenen Wellenlängenbereichen zu emittieren. Insbesondere ist der Halbleiterchip 110 eingerichtet, die elektromagnetische Strahlung mit den drei verschiedenen Wellenlängenbereichen zu emittieren. Ein erster Wellenlängenbereich umfasst grünes Licht, ein zweiter Wellenlängenbereich umfasst rotes Licht und ein dritter Wellenlängenbereich umfasst Infrarotstrahlung. In der zweiten Ausnehmung 103 sind drei Lichtdetektoren 131, 132, 133 angebracht, wobei jeder Lichtdetektor einen Filter 141, 142, 143 aufweist. Der erste Filter 141 ist dabei auf dem ersten Lichtdetektor 131 angebracht und eingerichtet, Licht des ersten Wellenlängenbereichs durchzulassen und Licht des zweiten und dritten Wellenlängenbereichs nicht durchzulassen. Der zweite Filter 142 ist auf dem zweiten Lichtdetektor 132 angebracht und eingerichtet, elektromagnetische Strahlung des zweiten Wellenlängenbereiches durchzulassen, und elektromag^¬ netische Strahlung des ersten und dritten Wellenlängenbe^¬ reichs nicht durchzulassen. Der dritte Filter 143 ist auf dem dritten Lichtdetektor 133 angebracht und eingerichtet, elekt^¬ romagnetische Strahlung des dritten Wellenlängenbereiches durchzulassen und elektromagnetische Strahlung des ersten und zweiten Wellenlängenbereichs nicht durchzulassen.

Durchlassen bedeutet, dass mindestens 85 %, bevorzugt mindes^¬ tens 90 %, besonders bevorzugt mindestens 95 % und insbeson^¬ dere bevorzugt mindestens 98 % des Lichts des betrachteten Wellenlängenbereichs durch den entsprechenden Filter hin- durchgeht. Nicht durchlassen bedeutet, dass maximal 10 %, be^¬ vorzugt maximal 5 %, besonders bevorzugt maximal 2 % und ins^¬ besondere bevorzugt maximal 1 % des Lichts der betrachteten Wellenlängenbereiche durch den entsprechenden Filter hindurchgehen .

Der optische Sensor 100 ist eingerichtet, auf ein Körperteil bzw. auf eine Oberfläche eines menschlichen Körperteils auf^¬ gesetzt zu werden. Die elektromagnetische Strahlung der

Lichtquelle 105 wird dabei innerhalb eines Gewebes des Kör- perteils reflektiert bzw. gestreut. Das gestreute Licht kann von den drei Lichtdetektoren 131, 132, 133 detektiert werden. Dabei ändert sich das Signal in den drei Lichtdetektoren 131, 132, 133 durch eine Herzfrequenz, und/oder einen Blutsauerstoffgehalt innerhalb des Körperteils.

Fig. 2 zeigt einen Querschnitt durch einen weiteren optischen Sensor 100. Der optische Sensor 100 weist ein Gehäuse 101, eine erste Ausnehmung 102, eine zweite Ausnehmung 103 und ei^¬ nen Steg 104 zwischen den beiden Ausnehmungen 102, 103 auf. In der zweiten Ausnehmung 103 sind wiederum drei Lichtdetektoren 131, 132, 133 mit zugehörigen Filtern 141, 142, 143 angeordnet, ähnlich wie in Fig. 1. In der ersten Ausnehmung 102 sind drei Halbleiterchips 111, 112, 113 angeordnet. Der erste Halbleiterchip 111 emittiert dabei Licht mit einer Wellenlän- ge kleiner als 570 Nanometer. Ein zweiter Halbleiterchip 112 emittiert rotes Licht, ein dritter Halbleiterchip 113 emit^¬ tiert Infrarotstrahlung. Die erste Ausnehmung 102 ist mit ei- nem Konversionsleuchtstoff 120 aufgefüllt. Dieser Konversi^¬ onsleuchtstoff wandelt das Licht des ersten Halbleiterchips in grünes Licht des ersten Wellenlängenbereichs um und ist transparent für das Licht des zweiten Halbleiterchips 112 und die Infrarotstrahlung des dritten Halbleiterchips 113. Der Konversionsleuchtstoff 120 kann dabei aus LeuchtstoffParti^¬ keln in einem Matrixmaterial bestehen. Es sind aber auch andere Konversionsleuchtstoffe denkbar. Die drei Halbleiter^¬ chips 111, 112, 113, der Konversionsleuchtstoff 120 und die angrenzenden Teile des Gehäuses 101 bilden die Lichtquelle 105.

Fig. 3 zeigt einen weiteren Querschnitt durch einen optischen Sensor 100, der im Wesentlichen dem optischen Sensor der Fig. 1 entspricht. Die erste Ausnehmung 102 des Gehäuses 101 ist in diesem Fall mit einem Konversionsleuchtstoff 120 gefüllt. Dieser Konversionsleuchtstoff 120 wandelt das Licht des Halb^¬ leiterchips 110, der eine Emissionswellenlänge kleiner 570 Nanometer aufweist, in grünes Licht des ersten Wellenlängen- bereichs, rotes Licht des zweiten Wellenlängenbereichs und Infrarotstrahlung des dritten Wellenlängenbereichs um. Der Konversionsleuchtstoff 120 ist also eingerichtet, das Licht des Halbleiterchips 110 zu absorbieren, und elektromagneti^¬ sche Strahlung in drei Wellenlängenbereiche zu emittieren. Der Konversionsleuchtstoff 120 weist ein Matrixmaterial mit drei verschiedenen, schmalbandigen Leuchtstoffen auf, wobei die Emissionswellenlängen der Leuchtstoffe innerhalb der drei Wellenlängenbereiche liegen. Die Leuchtstoffe können dabei beispielsweise jeweils einen Phosphor aufweisen, dessen konvertiertes Licht schmalbandig ist.

Die optischen Sensoren 100 der Figuren 1 bis 3 unterscheiden sich also jeweils im Bereich der Lichtquelle 105. Die zweite Ausnehmung 103 und die darin befindlichen Lichtdetektoren und Filter sind für alle drei optischen Sensoren der Figuren 1 bis 3 identisch. Fig. 4 zeigt einen optischen Sensor 100 in der Draufsicht. Ein Gehäuse 101 weist eine erste Ausnehmung 102 und eine zweite Ausnehmung 103 auf. Die beiden Ausnehmungen 102, 103 sind durch einen Steg 104 voneinander getrennt. In der ersten Ausnehmung 102 ist ein Halbleiterchip 110 angeordnet. Die erste Ausnehmung 102 mit dem Halbleiterchip 110 und den angrenzenden Teilen des Gehäuses 101 bildet wiederum die Licht^¬ quelle 105. Die Lichtquelle 105 kann dabei analog zu einer der Lichtquellen 105 der Figuren 1 bis 3 ausgestaltet sein. In der zweiten Ausnehmung 103 befinden sich drei Lichtdetektoren, wobei ein erster Lichtdetektor 131 den geringsten Abstand zur Lichtquelle 105 aufweist, ein zweiter Lichtdetektor 132 einen größeren Abstand zur Lichtquelle 105 aufweist als der erste Lichtdetektor 131 und ein dritter Lichtdetektor 133 den größten Abstand zur Lichtquelle 105 aufweist. Auf dem ersten Lichtdetektor 131 ist ein erster Filter 141 angeordnet. Auf dem zweiten Lichtdetektor 132 ist ein zweiter Filter 142 angeordnet. Auf dem dritten Lichtdetektor 133 ist ein dritter Filter 143 angeordnet. Der erste Filter 141 ist durchlässig für grünes Licht eines ersten Wellenlängenbe^¬ reichs. Der zweite Filter 142 ist durchlässig für rotes Licht eines zweiten Wellenlängenbereichs und der dritte Filter 143 ist durchlässig für Infrarotstrahlung eines dritten Wellenlängenbereichs. Die Filter 141, 142, 143 sind für die jeweils anderen Wellenlängenbereiche undurchlässig. Die Detektion der Infrarotstrahlung erfolgt also am weitesten von der Lichtquelle entfernt, die Detektion des grünen Lichts erfolgt am nächsten an der Lichtquelle. Fig. 5 zeigt eine Draufsicht auf ein weiteres Ausführungsbei^¬ spiel eines optischen Sensors 100. Ein Gehäuse 101 weist ebenfalls eine erste Ausnehmung 102 und eine zweite Ausneh^¬ mung 103 auf. Innerhalb der ersten Ausnehmung 102 kann wiederum eine der Lichtquellen 105 der Figuren 1 bis 3 angeordnet sein. In der zweiten Ausnehmung 103 sind wiederum drei Lichtdetektoren 131, 132, 133 mit drei zugehörigen Filtern 141, 142, 143 angeordnet, wobei Lichtdetektoren 131, 132, 133 und Filter 141, 142, 143 dieselben Eigenschaften aufweisen wie in Fig. 4. Die Lichtdetektoren 131, 132, 133 und Filter 141, 142, 143 haben eine längliche Form und sind so in der zweiten Ausnehmung 103 angeordnet, dass sie von der Lichtquelle 105 jeweils gleich weit entfernt sind. Im Vergleich zur Fig. 4 sind die Lichtdetektoren 131, 132, 133 und Filter 141, 142, 143 um 90 Grad gedreht angeordnet.

Fig. 6 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel eines optischen Sensors 100 in der Draufsicht. Ein Gehäuse 101 weist wiederum eine erste Ausnehmung 102 und eine zweite Ausnehmung 103 auf. Innerhalb der ersten Ausnehmung 102 ist eine Lichtquelle 105, analog zu einer der Lichtquellen 105 der Figuren 1 bis 3, angeordnet. In der zweiten Ausnehmung 103 sind wiederum drei Lichtdetektoren 131, 132, 133 mit zugehörigem Filter 141, 142, 143 angeordnet. Der erste Lichtdetektor 131 mit dem ers^¬ ten Filter 141 ist dabei auf der der Lichtquelle 105 zuge^¬ wandten Seite der zweiten Ausnehmung 103 angeordnet. Der zweite Lichtdetektor 132 und der dritte Lichtdetektor 133 mit den zugehörigen Filtern 142, 143 ist gegenüber dem ersten Lichtdetektor 131 um 90 Grad gedreht angeordnet, sodass der Abstand des zweiten Lichtdetektors 132 und des dritten Licht^¬ detektors 133 von der Lichtquelle gleich groß ist, aber grö^¬ ßer als der Abstand des ersten Lichtdetektors 131 von der Lichtquelle 105. Die Lichtdetektoren 131, 132, 133 und die Filter 141, 142, 143 entsprechen dabei den Lichtdetektoren und Filtern der Figuren 1 bis 5.

Fig. 7 zeigt einen Querschnitt durch eine weitere Lichtquelle 105, die geeignet ist, Teil des optischen Sensors 100 zu sein. Die Lichtquelle der Fig. 7 entspricht dabei im Wesent^¬ lichen der Lichtquelle der Fig. 3. Ein Gehäuse 101 weist eine erste Ausnehmung 102 auf, in der ein Halbleiterchip 110 mit einer Emissionswellenlänge kleiner 570 Nanometer angeordnet ist. Die erste Ausnehmung 102 ist mit einem Konversions^¬ leuchtstoff 120 gefüllt, wobei der Konversionsleuchtstoff 120 dem Konversionsleuchtstoff der Fig. 3 entspricht. Oberhalb des Konversionsleuchtstoffs 120 ist eine Schutzschicht 121 angeordnet, die die erste Ausnehmung 102 und den Konversions^¬ leuchtstoff 120 versiegelt, sodass Umwelteinflüsse nicht auf den Konversionsleuchtstoff 120 wirken können.

Fig. 8 zeigt ein weiteres Beispiel einer Lichtquelle 105 für einen optischen Sensor. In einer ersten Ausnehmung 102 eines Gehäuses 101 ist ein Halbleiterchip 110 angeordnet, der eine Emissionswellenlänge kleiner 570 Nanometer aufweist. Ein Kon- versionsleuchtstoff 120 ist in Form eines Plättchens direkt auf dem Halbleiterchip 110 angeordnet. Halbleiterchip 110 und Konversionsleuchtstoff 120 sind mit einer Schutzschicht 121 verkapselt. Der Konversionsleuchtstoff 120 entspricht wiede^¬ rum dem Konversionsleuchtstoff der Fig. 7.

Fig. 9 zeigt ein weiteres Beispiel einer Lichtquelle 105. In einer ersten Ausnehmung 102 eines Gehäuses 101 ist ein Halbleiterchip 110 angeordnet, wobei der Halbleiterchip 110 eine Emissionswellenlänge kleiner 570 Nanometer aufweist. Die ers- te Ausnehmung 102 ist mit einem Glasplättchen 122 abgedeckt. Oberhalb des Glasplättchens 122 befindet sich ein Abstands^¬ halter 123, der auf das Glasplättchen 122 aufgesetzt ist. Oberhalb des Abstandshalters 123 befindet sich ein weiteres Glasplättchen 122. Der Abstandshalter 123 und die beiden Glasplättchen 122 bilden dabei eine Kavität, in die der Konversionsleuchtstoff 120 eingebracht ist. Der Konversions^¬ leuchtstoff 120 wird dabei durch die beiden Glasplättchen 122 und den Abstandshalter 123 von der Umwelt abgeschlossen, ist also innerhalb des durch die beiden Glasplättchen 122 und den Abstandshalter 123 definierten Raums angeordnet.

Die drei Lichtquellen 105 der Figuren 7 bis 9 können jeweils mit den drei Anordnungen der Filter 131, 132, 133 der Figuren 4 bis 6 kombiniert werden.

In einem Ausführungsbeispiel weist der Konversionsleuchtstoff 120 Quantenpunkte auf. Quantenpunkte als Konversionsleucht- stoff sind insbesondere geeignet, da sie eine schmalbandige Emissionscharakteristik aufweisen. Schmalbandig bedeutet in diesem Fall, dass die Halbwertsbreite des Emissionspeaks 30 bis 40 Nanometer beträgt. Das grüne Licht des ersten Wellen- längenbereichs hat dabei die maximale Intensität bei einer Wellenlänge von 570 Nanometer. Das rote Licht des zweiten Wellenlängenbereichs hat eine maximale Intensität bei 660 Na^¬ nometer und die Infrarotstrahlung eine maximale Wellenlänge größer als 800 Nanometer. Durch die Quantenpunkte und den dadurch entstehenden Konversionsleuchtstoff mit einer geringen Halbwertsbreite ist es möglich, dass das grüne Licht, das rote Licht und die Infrarotstrahlung drei separate Peaks auf^¬ weisen und sich nicht überlappen. In einem Ausführungsbeispiel ist ein Filter 141, 142, 143 In^¬ terferenzfilter. Interferenzfilter bestehen aus verschiedenen Schichten mit unterschiedlichem Brechungsindex. Durch geeignete Wahl der Schichtdicken und Brechungsindizes der Schichten kann ein Filter erzeugt werden, der eine steile Flanke bei einer bestimmten Wellenlänge aufweist. Das bedeutet, dass ein Filter, der bei einer ersten Wellenlänge zu mehr als 90% durchlässig ist, bei einer zweiten Wellenlänge, die sich nur um wenige, insbesondere weniger als 10, Nanometer von der ersten Wellenlänge unterscheidet, für das Licht der zweiten Wellenlänge undurchlässig ist.

Die Kombination aus einem Konversionsleuchtstoff 120, beste^¬ hend aus Quantenpunkten, und Filtern 141, 142, 143, die als Interferenzfilter ausgestaltet sind, ergibt sich eine beson- ders vorteilhafte Ausführung des optischen Sensors 100.

In einem Ausführungsbeispiel weist das grüne Licht eine Wel^¬ lenlänge zwischen 530 und 610 Nanometer auf, wobei die maxi^¬ male Intensität bei 670 Nanometer liegen kann. Das rote Licht weist eine Wellenlänge zwischen 620 und 700 Nanometer auf, wobei die maximale Intensität bei 660 Nanometer liegen kann. Die Infrarotstrahlung weist eine Wellenlänge größer als 800 Nanometer auf. Ein optischer Sensor mit den genannten Wellenlängenbereichen für das grüne, das rote Licht, und die Infra^¬ rotstrahlung ist mit Quantenpunkten als Konversionsleucht^¬ stoff 120 und mit Interferenzfiltern als Filter 141, 142, 143 möglich.

Figuren 1 bis 9 zeigen keine Anschlüsse der Halbleiterchips 110, 111, 112, 113 oder der Lichtdetektoren 131, 132, 133. Diese können vom Fachmann gemäß dem Stand der Technik inner- halb des Gehäuses 101 vorgesehen werden.

Fig. 10 zeigt einen Querschnitt durch ein weiteres Ausfüh^¬ rungsbeispiel eines optischen Sensors 100, wobei der optische Sensor 100 im Wesentlichen dem optischen Sensor 100 der Fig. 3 entspricht. Unterhalb des Gehäuses 101 ist eine elektroni^¬ sche Schaltung 150 angeordnet. Die elektronische Schaltung 150 ist eingerichtet, den Halbleiterchip 110 mit Spannung zu versorgen und die Auswertung der Signale der drei Lichtdetektoren 131, 132, 133 zu übernehmen. Dazu weist die elektroni- sehe Schaltung 150 eine Steuerung für einen Halbleiterchip

154 auf, die mittels elektrischen Leitungen 151 mit dem Halbleiterchip 110 verbunden ist. Die elektronische Schaltung 150 weist außerdem einen Anschluss für eine Spannungsversorgung

153 auf, die mit einer elektrischen Leitung 152 mit der Steu- erung für den Halbleiterchip 154 verbunden ist. Darüber hinaus weist die elektronische Schaltung 150 eine Auswerteelekt^¬ ronik 156 auf, die mittels elektrischen Leitungen 155 mit den drei Lichtdetektoren 131, 132, 133 verbunden ist. Die Auswerteelektronik 156 ist mit einer Datenleitung 157 mit einer Da- tenschnittstelle 158 verbunden. Ebenfalls in Fig. 10 gezeigt, aber optional, ist eine Datenleitung zwischen der Steuerung

154 für den Halbleiterchip und der Auswerteelektronik 156. Der optische Sensor 100 weist also als Anschlüsse nach drau^¬ ßen eine Spannungsversorgung 153 und eine Datenschnittstelle 158 auf, und ist ansonsten von der elektronischen Schaltung 150 gesteuert. In einem Ausführungsbeispiel ist die Steuerung 154 eingerichtet, den Halbleiterchip 110 gepulst zu betreiben. Die Auswerteelektronik 156 ist eingerichtet, über die Datenleitung 159 Informationen über die Pulse zu empfangen und bei der Auswer- tung der Signale der Lichtdetektoren 131, 132, 133 zu berücksichtigen .

Obwohl die Erfindung im Detail durch das bevorzugte Ausführungsbeispiel näher illustriert und beschrieben wurde, ist die Erfindung nicht durch die offenbarten Beispiele einge^¬ schränkt und andere Variationen können vom Fachmann hieraus abgeleitet werden, ohne den Schutzumfang der Erfindung zu verlassen .

BEZUGSZEICHENLISTE

100 Optischer Sensor

101 Gehäuse

102 Erste Ausnehmung

103 Zweite Ausnehmung

104 Steg

105 Lichtquelle

110 Halbleiterchip

111 Erster Halbleiterchip

112 Zweiter Halbleiterchip

113 Dritter Halbleiterchip

120 Konversionsleuchtstoff

121 Schutzschicht

122 Glasplättchen

123 Abstandshalter

131 Erster Lichtdetektor

132 Zweiter Lichtdetektor

133 Dritter Lichtdetektor

141 Erster Filter

142 Zweiter Filter

143 Dritter Filter

150 Elektrische Schaltung

151 Elektrische Leitung

152 Elektrische Leitung

153 Anschluss für eine Spannungsversorgung

154 Steuerung für einen Halbleiterchip

155 Elektrische Leitung

156 Auswerteelektronik

157 Datenleitung

158 Datenschnittstelle

159 Datenleitung

Claims

PATENTA S PRÜCHE

Optischer Sensor (100) zur Erfassung einer Herzfrequenz und/oder eines Blutsauerstoffgehalts , mit einer Licht^¬ quelle (105), die mindestens einen lichtemittierenden Halbleiterchip (110) aufweist und eine elektromagneti^¬ sche Strahlung mit drei verschiedenen Wellenlängenberei^¬ chen emittiert, wobei ein erster Wellenlängenbereich grünes Licht, ein zweiter Wellenlängenbereich rotes Licht und ein dritter Wellenlängenbereich Infrarotstrahlung umfasst, wobei der Sensor (100) drei Lichtdetekto^¬ ren (131, 132, 133) aufweist, wobei die drei Lichtdetek^¬ toren (131, 132, 133) jeweils einen Filter (141, 142, 143) für elektromagnetische Strahlung aufweisen, wobei ein erster Filter (141) durchlässig für Licht des ersten Wellenlängenbereichs und undurchlässig für Licht des zweiten Wellenlängenbereichs und die Infrarotstrahlung des dritten Wellenlängenbereichs ist, ein zweiter Filter

(142) durchlässig für Licht des zweiten Wellenlängenbe^¬ reichs und undurchlässig für Licht des ersten Wellenlän^¬ genbereichs und die Infrarotstrahlung des dritten Wel^¬ lenlängenbereichs ist und ein dritter Filter (143) durchlässig für die Infrarotstrahlung des dritten Wellenlängenbereichs und undurchlässig für Licht des ersten und des zweiten Wellenlängenbereichs ist, wobei der lichtemittierende Halbleiterchip (110) eine Emissions^¬ wellenlänge kleiner 570 Nanometer aufweist und die

Lichtquelle (105) einen Konversionsleuchtstoff (120) aufweist, wobei der Konversionsleuchtstoff (120) das Licht des Halbleiterchips (110) in elektromagnetische Strahlung mit dem ersten Wellenlängenbereich, dem zweiten Wellenlängenbereich und dem dritten Wellenlängenbereich umwandelt, und wobei der Konversionsleuchtstoff

(120) ein Matrixmaterial mit drei verschiedenen schmal- bandigen Leuchtstoffen aufweist, wobei die Emissionswel^¬ lenlängen der Leuchtstoffe innerhalb der drei Wellenlän^¬ genbereiche liegen. Optischer Sensor (100) nach Anspruch 1, wobei der Konversionsleuchtstoff (120) Quantenpunkte aufweist.

Optischer Sensor nach Anspruch 2, wobei der Konversionsleuchtstoff (120) Cadmiumselenid-Quantenpunkte mit einem Durchmesser zwischen 3,0 und 3,5 Nanometer oder Indiump- hosphid-Quantenpunkte mit einem Durchmesser zwischen 1,8 und 2,2 Nanometer aufweist, wobei der Konversionsleucht^¬ stoff zusätzlich Cadmiumselenid-Quantenpunkte mit einem Durchmesser zwischen 7,5 und 8,5 Nanometer oder Indiump- hosphid-Quantenpunkte mit einem Durchmesser zwischen 2,8 und 3,2 Nanometer aufweist, wobei der Konversionsleucht^¬ stoff (120) Indiumarsenid-Quantenpunkte mit einem Durch^¬ messer zwischen 3,0 und 6,0 Nanometer oder Bleiselenid- Quantenpunkte mit einem Durchmesser größer als 5,0 Nano^¬ meter oder Kupferindiumphosphid-Quantenpunkte mit einem Durchmesser zwischen 2,5 und 5,8 Nanometer aufweist.

Optischer Sensor nach Anspruch 2, wobei der Konversionsleuchtstoff (120) zur Erzeugung des grünen Lichts des ersten Wellenlängenbereichs Cadmiumselenid-Quantenpunkte mit einem Durchmesser zwischen 3,0 und 3,5 Nanometer aufweist .

Optischer Sensor nach Anspruch 2, wobei der Konversionsleuchtstoff (120) zur Erzeugung des grünen Lichts des ersten Wellenlängenbereichs Indiumphosphid-Quantenpunkte mit einem Durchmesser zwischen 1,8 und 2,2 Nanometer aufweist .

Optischer Sensor nach Anspruch 2, wobei der Konversionsleuchtstoff (120) zur Erzeugung des roten Lichts des zweiten Wellenlängenbereichs Cadmiumselenid- Quantenpunkte mit einem Durchmesser zwischen 7,5 und 8,5 Nanometer aufweist.

7. Optischer Sensor nach Anspruch 2, wobei der Konversionsleuchtstoff (120) zur Erzeugung des grünen Lichts des ersten Wellenlängenbereichs Indiumphosphid-Quantenpunkte mit einem Durchmesser zwischen 2,8 und 3,2 Nanometer aufweist .

8. Optischer Sensor nach Anspruch 2, wobei der Konversionsleuchtstoff (120) zur Erzeugung der Infrarotstrahlung des dritten Wellenlängenbereichs Indiumarsenid- Quantenpunkte mit einem Durchmesser zwischen 3,0 und 6,0 Nanometer aufweist.

9. Optischer Sensor nach Anspruch 2, wobei der Konversionsleuchtstoff (120) zur Erzeugung der Infrarotstrahlung des dritten Wellenlängenbereichs Bleiselenid- Quantenpunkte mit einem Durchmesser größer als 5,0 Nano^¬ meter aufweist.

10. Optischer Sensor nach Anspruch 2, wobei der Konversionsleuchtstoff (120) zur Erzeugung der Infrarotstrahlung des dritten Wellenlängenbereichs Kupferindiumphosphid- Quantenpunkte mit einem Durchmesser zwischen 2,5 und 5,8 Nanometer aufweist.

11. Optischer Sensor (100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei mindestens ein Filter (141, 142, 143) ein Interferenzfilter ist.

12. Optischer Sensor (100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das grüne Licht eine Wellenlänge zwischen 530 und 610 Nanometer, das rote Licht eine Wellenlänge zwischen 620 und 700 Nanometer und die Infrarotstrahlung eine Wellenlänge größer als 800 Nanometer aufweist.

13. Optischer Sensor (100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche mit einer elektronischen Schaltung (150), die zur Auswertung von Signalen der Lichtdetektoren (131, 132, 133) und zur Spannungsversorgung der Lichtquelle (105) eingerichtet ist.

Optischer Sensor (100) nach Anspruch 13, wobei die Spannungsversorgung der Lichtquelle (105) gepulst betrieben werden kann und die Schaltung (150) zur Auswertung der Signale der Lichtdetektoren (131, 132, 133) eingerichtet ist, die Pulse zu berücksichtigen.