WO2019016290A1 - Optoelektronischer sensor - Google Patents

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WO2019016290A1
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receiver
sensor
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Mathieu RAYER
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Osram Opto Semiconductors GmbH
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    • G02B6/005—Means for improving the coupling-out of light from the light guide provided by one optical element, or plurality thereof, placed on the light output side of the light guide
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    • G02B6/00—Light guides; Structural details of arrangements comprising light guides and other optical elements, e.g. couplings
    • G02B6/24—Coupling light guides
    • G02B6/42—Coupling light guides with opto-electronic elements
    • G02B6/4298—Coupling light guides with opto-electronic elements coupling with non-coherent light sources and/or radiation detectors, e.g. lamps, incandescent bulbs, scintillation chambers

Definitions

  • optoelectronic sensor specified, in particular an optoelectronic sensor for detecting a
  • Radiation source is designed to emit electromagnetic radiation.
  • the electromagnetic radiation For example, the
  • near-infrared spectral range about 940 nm.
  • the radiation source is set up to emit a wavelength in the red spectral range
  • the radiation source is formed, for example,
  • the radiation source is
  • a semiconductor radiation source for example, a semiconductor radiation source.
  • the senor has a receiver.
  • the receiver is designed to be a To receive reflection of the radiation.
  • exactly one receiver is provided.
  • the recipient is to
  • the receiver may have a plurality of pixels, or may be single-channel, for example, a time-division multiplexing technique is used to enable the use of a single-channel receiver.
  • the receiver is, for example, a semiconductor receiver.
  • the sensor has an optical waveguide.
  • the optical waveguide is optically coupled to the radiation source according to one embodiment.
  • the optical waveguide is optically coupled to the receiver according to at least one embodiment.
  • the optical waveguide is thus optically coupled either only to the radiation source, only to the receiver or both to the radiation source and to the receiver.
  • the optical waveguide has, for example
  • Optical fibers on or is a flat extended body The light conduction takes place by reflection at the interface due to the different refractive indices of the
  • Fiber optic cable and the surrounding medium Fiber optic cable and the surrounding medium.
  • Light which is coupled into the optical waveguide, propagates in the optical waveguide, in particular along the
  • radiation can decouple from the sensor.
  • the radiation can decouple from the optical waveguide in the optical coupling region.
  • the reflection can be in the
  • Optical waveguide and / or the coupling of the reflection is transverse to the direction in which light in
  • Fiber optic cable is passed.
  • the sensor is particularly adapted to the
  • Optical waveguide and / or the radiation source and / or the receiver and the sample to be examined is only small. It is possible that a signal transmission from the
  • Radiation source to the receiver is carried out only on the sample to be examined. For example, there is no one on the optical path provided as intended and extending from the radiation source to the receiver
  • Free beam for the radiation runs completely or largely predominantly, for example to a path component of at least 90% or
  • the sample to be examined is in particular a body part of a living being.
  • the body part is a wrist or a wrist
  • the sample to be examined comprises human skin on which the sensor preferably directly
  • Optoelectronic sensor to a radiation source, which is adapted to emit electromagnetic radiation.
  • a receiver is provided which is adapted to receive a reflection of the radiation.
  • the sensor has an optical waveguide, which is optically coupled to the radiation source and / or the receiver, so that an optical coupling region is formed in order to remove the radiation from the
  • the sensor is adapted to abut with the coupling region on the sample to be examined.
  • Such a sensor is a miniaturized module for the determination of, for example pulse rate and / or
  • Oxygen saturation in the blood can be achieved.
  • a sensor is also called a monitor for biological functions or
  • the use of the optical waveguide allows a more flexible arrangement of the individual elements in the sensor. This leads in particular to smaller sizes of the sensor.
  • the accuracy and reliability of measurement can be increased because crosstalk between the radiation source and the receiver can be reduced and so
  • the sensor described here is based inter alia on the following considerations. Sensors to detect vital signs use the fact that radiation from
  • Tissue is scattered differently, depending on how high the oxygen content in the blood is.
  • the reflection of scattered radiation is measured. If this is done over a period of time, the heart rate can be measured.
  • Such sensors are used for example in watches or bracelets. Therefore they should have the smallest possible space requirement.
  • the sensor described here now makes use, inter alia, of the idea that an optical waveguide with the
  • Radiation source and / or the receiver is optically coupled. For example, radiation is not radiated directly from the radiation source into the sample to be examined, but first into the optical waveguide. The radiation is then decoupled from the optical waveguide and irradiated into the sample to be examined. The reflection of
  • radiation is received directly from the receiver.
  • miniaturized module in particular for the determination of pulse rate and / or oxygen saturation in the blood
  • the optical waveguide can also the Radiation source, cover the receiver and / or other components of the sensor to the outside. Thus, the aesthetic becomes
  • the senor has a further optical waveguide.
  • the optical waveguide is corresponding to the further optical waveguide
  • the ⁇ formed or has different properties. According to at least one embodiment, the ⁇
  • Radiation source and the receiver are each optically coupled to one of the optical waveguides.
  • the radiation source is optically coupled to the optical waveguide and the receiver is not optically coupled to the optical waveguide.
  • the receiver is with the other one
  • Optically coupled optical waveguide and the radiation source is not optical with the other optical fiber
  • the optical waveguide can be used to transmit radiation from the radiation source to the optical waveguide
  • the further optical fiber can be used to remove the reflected radiation from the
  • Radiation source provided which is optically coupled to the optical waveguide.
  • the further radiation source is arranged, for example, to emit radiation with a different wavelength than the radiation source.
  • the further radiation source is set up, a wavelength in the red
  • the further radiation source is designed to emit radiation of green light, for example with a wavelength around 535 nm.
  • Optical fiber structuring on to scatter radiation is formed in particular in the optical coupling region, so that radiation emitted by the
  • Optical waveguide is passed along the main propagation direction of the optical waveguide is scattered at the structuring and thus decoupled from the optical waveguide.
  • the structuring is, for example, at least one of printing, laser structuring, embossing and mechanical structuring.
  • the senor alternatively or additionally has a scattering element that is in contact with the optical waveguide in order to remove radiation from the
  • the scattering element has, for example, a refractive index which corresponds to the refractive index of the optical waveguide.
  • a refractive index which corresponds to the refractive index of the optical waveguide.
  • the scattering element is partially in contact with the optical waveguide and partially from
  • Optical fiber is in contact.
  • optical waveguide the radiation source and the receiver arranged in a plane.
  • the optical fiber is
  • the senor designed to guide radiation along the plane.
  • a flat sensor can be realized. According to at least one embodiment, the
  • Optical waveguide designed so that radiation transmitted through the waveguide, which is transverse to the plane
  • Radiation source first passed along the plane and then decoupled transversely to the plane.
  • the reflection is also aligned transversely to the plane and penetrates the
  • Optical fiber at least for the most part. The reflection thus passes through the optical waveguide through
  • Radiation source along a plane along which the coupling region extends.
  • the radiation during operation is not directly in the direction of
  • the radiation is deflected and passes in the direction of the sample to be examined. According to at least one embodiment, the
  • both the radiation source and the receiver are arranged outside the optical coupling region of the sensor.
  • the radiation source is arranged outside the optical coupling region and the receiver is within the optical coupling region.
  • the receiver is disposed outside the optical coupling region and the radiation source within the optical coupling region. At least the component which is arranged outside the optical coupling region of the sensor is in particular coupled to the optical waveguide or the further optical waveguide. In accordance with at least one embodiment, the optical waveguide extends over the radiation source and
  • the radiation source is preferably one LED or several LEDs.
  • Radiation source may also comprise a semiconductor laser.
  • the radiation source can also have a superluminescent diode (SLED).
  • the receiver has a photodetector.
  • the photodetector is for example a photodiode or a CCD sensor (English: Charge coupled device; charge-coupled component).
  • the receiver has in particular at least one semiconductor chip.
  • FIGS. 1 to 5 each show a schematic representation of a sensor according to a respective exemplary embodiment
  • Figures 6 to 10 are each a schematic representation of a sensor with a drawn radiation curve according to a respective embodiment.
  • FIG. 1 shows a schematic representation of a sensor 100 according to one exemplary embodiment.
  • the sensor 100 is
  • the senor is designed to detect a heart rate.
  • the sensor 100 is designed to detect a blood oxygen content.
  • the sensor 100 is designed alternatively or additionally to determining other properties of a sample 107 to be examined.
  • the sensor 100 has a radiation source 101.
  • Radiation source 101 is configured to generate radiation 102 (FIGS. 6 to 10), in particular electromagnetic radiation in the infrared range to the green area.
  • the radiation source 101 has in particular an LED, a SLED and / or a semiconductor laser.
  • the radiation source has a
  • Semiconductor layer sequence 113 with at least one active layer for generating the radiation 102.
  • the sensor 100 has a receiver 103.
  • the receiver 103 is designed to detect a reflection 104
  • the receiver has, for example, a photodetector.
  • the radiation source 101 and the receiver 103 are each mechanically coupled to a carrier 116. In addition, an electrical coupling is possible.
  • the carrier 116 is
  • a printed circuit board for example, a printed circuit board.
  • the sensor 100 has an optical waveguide 105.
  • the optical waveguide is for example made of a plastic or a glass.
  • the optical waveguide 105 is designed to guide light, that is to say electromagnetic radiation, along its main propagation direction 117. Radiation is totally reflected in the interior of the optical waveguide at the contact surfaces to the environment.
  • the optical waveguide 105 is optically coupled on one side with the radiation source 107. Starting from this side, the optical fiber 105 extends along its
  • Main propagation direction 117 lateral The radiation source 101 is formed, radiation also lateral
  • a structuring 110 or a scattering element 111 is arranged in the vertical direction 119 between the optical waveguide 105 and the sample 107. This serves to decouple the radiation guided laterally in the optical waveguide 105 in the direction 119 to the specimen 107.
  • an optic 118 is arranged between the receiver 103 and the sample 107. This serves, for example, for deflecting the beam path in the direction of the receiver 103.
  • the radiation source 101, the optical waveguide 105 and the receiver 103 are arranged along a common plane 112.
  • the radiation source 101 therefore emits during operation
  • the radiation 102 is also forwarded along the plane 112 transverse to the direction 119.
  • the structuring 110 and / or the scattering element 111 at least part of the radiation 102 is deflected in the direction 119, so that the radiation 102 at least partially passes from the optical waveguide 105 to the sample 107.
  • Reflection 104 then passes from the sample 107 via the optics 118 to the receiver 103.
  • the receiver 103 is coupled, for example, to an evaluation circuit, not shown, which determines properties of the sample 107 from the signals of the receiver 103.
  • the sensor 100 is in particular with the structuring 110 and / or the control element 111 and the optics 118 in contact with the sample 107.
  • the sensor 100 rests on the sample 107.
  • the areas from which radiation can decouple or can couple form an optical
  • Coupling region 106 off.
  • the coupling region extends along a plane 115 which, in operation, is oriented substantially parallel to the surface 120.
  • the optical coupling region 106 is thus defined by the structuring 110 and / or the scattering element 111 and the optics 118. Since the radiation 102 does not couple directly into the sample 107 from the radiation source 101, it is possible to arrange the radiation source 101 outside the optical coupling region 106.
  • the sensor 100 has an optical barrier 121 which, in particular, transmits as few radiation as possible of the wavelength emitted by the radiation source 101. Thus, crosstalk between the radiation source 101 and the receiver 103 can be further reduced.
  • the radiation source 101 is laterally laterally from
  • FIG. 2 shows the sensor 100 according to another
  • the sensor 100 of FIG. 2 substantially corresponds to the sensor 100 according to FIG. 1.
  • a further optical waveguide 108 is provided.
  • the optical waveguide 105 is optically coupled to the radiation source 101.
  • the further optical waveguide 108 is optically coupled to the receiver 103.
  • the radiation 102 emitted laterally by the radiation source 101 is first of all laterally separated from the radiation source 102
  • Fiber optic 105 continued.
  • the radiation is coupled at least partially vertically and is at least partially reflected by the sample 107, which is not explicitly shown in FIG.
  • the reflection 104 initially couples into the further optical waveguide 108.
  • the further optical waveguide 108 initially couples into the further optical waveguide 108.
  • Optical fiber 108 then directs the reflection 104 to
  • Receiver 103 is therefore also sensitive in a direction that is oriented transversely to surface 120 of sample 107.
  • FIG. 3 shows the sensor 100 according to another
  • the receiver 103 is not disposed in the same plane 112 as the optical waveguide 105 and the
  • the receiver 103 is arranged in a further plane 123.
  • the plane 123 is spaced along the direction 119 from the plane 112.
  • the optical waveguide extends along the plane 112 from the radiation source 101 along the
  • a holding element 122 or a plurality of holding elements 122 are
  • Radiation source 101 to the carrier 116 to attach.
  • FIG. 4 shows a further exemplary embodiment of the sensor 100.
  • the sensor 100 is substantially constructed like the one
  • sensor 100 according to FIG. 3 In contrast to the sensor of FIG. 3, sensor 100 according to FIG. 4 has a radiation source which extends along direction 119 transversely to plane 112 radiates. In the plane 112, the radiation source 101 and the receiver 103 are arranged. The optical fiber 105 is arranged along the plane 123, which is in the direction 119 spaced from the plane 112.
  • the radiation 102 is emitted in the direction of the sample 107. However, it does not reach the sample 107 directly, but is first coupled into the optical waveguide 105.
  • optical waveguide has a coupling-in structure 124.
  • This may be a structuring of the optical waveguide 105 or an extra component, which is the coupling of the radiation 102 from the radiation source 101 in the
  • Optical fiber 105 improved.
  • the radiation is then along the plane 123 transversely to the emission direction in the direction of
  • Coupling area 106 forwarded.
  • the structuring 110 and / or the scattering element 111 are included in the coupling region 106.
  • the radiation can leave the optical fiber 105.
  • the coupling region 106 and the receiver 103 is arranged so that the reflection 104, starting from the sample 107 through the optical waveguide 105 to the
  • Receiver 103 can get.
  • the optical waveguide 105 extends in particular over the radiation source 101 and the receiver 103.
  • a uniform appearance is realized, in particular on the side of the sensor 101 facing the sample during operation.
  • FIG. 5 shows the sensor 100 according to another
  • the sensor 100 according to FIG. 5 has, in addition to the radiation source 101, a further one
  • Radiation source 109 on.
  • Radiation source 101 and the further radiation source 109th configured to emit radiation having mutually different wavelengths.
  • the radiation source 101 and the further radiation source 109 are each optically coupled to the same optical waveguide 105. Radiation of
  • Radiation source 101 is coupled into the optical waveguide 105. Radiation of the further radiation source 109 likewise becomes in the same optical waveguide 105
  • two separate optical fibers 105 and 108 are provided which are each coupled to only a single radiation source.
  • the optical waveguide 105 extends along the entire optical coupling region 106 and also covers the receiver 103.
  • the receiver is between the
  • Radiation sources 101 and 109 arranged.
  • Radiation sources 101 and 109 emit the radiation 102 mainly along the direction 119. Therefore, the barrier 121 can be dispensed with. Both the radiation of the radiation source 101 and the radiation of the other
  • Radiation source 109 is first laterally redirected by the optical waveguide 105 before it reaches the sample 107.
  • FIG. 6 shows the sensor 100 with the radiation profile of the radiation 102 and the reflection 104 in accordance with FIG.
  • the radiation 102 is first emitted laterally by the radiation source 101 into the optical waveguide 105. There, the radiation 102 is guided in particular parallel to the surface 120. For decoupling the radiation from the
  • Optical fiber 105 in the direction of the sample 107 is the
  • the scattering element 111 has in particular contact areas in which it is in contact with the optical waveguide 105. In between, this points
  • the scattering element 111 has optics 125 according to embodiments.
  • the optics 125 are realized for example by means of materials with different refractive indices.
  • Scattering element 111 and are continued by the scattering element 111 and / or the optics 125 in the direction of the receiver 103.
  • FIG. 7 shows the sensor 100 according to another
  • the separate scattering element 111 is omitted according to FIG. Instead, the optical waveguide 105 itself structuring 110.
  • the structurings 110 are introduced completely or in regions, in particular on the surface of the optical waveguide 105 facing the sample 107 during operation.
  • the structurings 110 serve to scatter the radiation 102 transversely to the
  • the structuring 110 is, for example, a roughening of the surface of the optical waveguide 105.
  • the reflection 104, the optical waveguide 105 transversely to its
  • Main propagation direction 117 penetrate to reach the receiver 103.
  • Figure 8 shows another embodiment of the sensor 100.
  • the radiation source 101 is formed, the radiation 102 along the direction 119 emit.
  • the radiation 102 initially couples into the optical waveguide 105 and is guided by it along its main propagation direction 117. With the aid of the scattering element 111, the radiation 102 is subsequently directed again in the direction of the sample 107.
  • the reflection 104 is conducted to the receiver 103 by means of the further scattering element 111.
  • the two scattering elements 111 are arranged next to each other in particular along the main propagation direction 117.
  • the optical waveguide 105 and the receiver 103 are arranged in a common plane 112.
  • the radiation source 101 is arranged in the spaced further plane 123.
  • FIG. 9 shows the sensor 100 according to another
  • the radiation source 101 is arranged outside the coupling region 106.
  • the radiation source 106 is arranged in a region of the sensor 100 which, for example, is not in contact with the sample 107.
  • the radiation 102 is conducted to the coupling region 106.
  • FIG. 10 shows the sensor 100 according to another
  • Optical waveguide 105, the further optical waveguide 108 and the receiver 103 are in a common plane 112
  • the optical waveguide 105 serves to guide the radiation 102 along the plane 112.
  • Optical fiber 108 serves to guide the reflection 104 along the plane 112 to the receiver 103. Both at
  • Optical waveguide 105 and the further optical waveguide 108, a respective scattering element 111 is arranged with optics 125.
  • the sensor 100 with the optical waveguide 105 allows a compact construction with a good signal-to-noise ratio and an improved aesthetics.
  • the radiation source 101 is optically coupled to the optical waveguide 105 according to the exemplary embodiment.
  • the optical fiber 105 is according to
  • the radiation 102 is according to
  • Embodiments by means of structuring 110 in
  • the structuring 110 has in particular a microstructured profile.
  • the radiation 102 is scattered and reflected in the sample 107 and subsequently collected and guided to the receiver 103.
  • Either the optical waveguide 105 is used according to embodiments, ie the same optical system. According to others
  • the further optical waveguide 108 and / or other optics such as the scattering element 111 and the optics 125 is used.
  • the radiation source 101 can be arranged above the optical waveguide 105 (FIGS. 4, 5, 8, 9).
  • the radiation source 101 is arranged next to the optical waveguide 105 (FIGS. 1, 2, 3, 6, 7, 10).
  • the launching structure 124 is used when the radiation source 101 is above the optical waveguide 105
  • Optical waveguide 105 is arranged to the radiation 102 from the light source 101 in the optical waveguide 105th
  • the coupling structure 125 can either
  • Embodiments coupled to the same optical fiber 105 are coupled to the same optical fiber 105.
  • the radiation sources 101, 109 mutually different wavelengths of the emitted radiation 102. This is particularly advantageous when measuring the oxygen content of the blood. In addition, a signal improvement can be achieved.
  • the structuring 110 is integrated according to embodiments directly on the optical waveguide 105 ( Figure 7). According to further embodiments, the separate scattering element 111 is alternatively or additionally provided. According to
  • a plurality of optical surfaces are provided on the sample-facing side to the
  • Collection of the reflection 104 This is achieved, for example, by a targeted arrangement of the areas in which the scattering element 111 in direct contact with the
  • the scattering element 111 and / or the coupling-in structure 124 may be refractive and / or light-diffractive.
  • Optical fiber 105 an antireflection coating on or a correspondingly treated surface. This reduces the fact that radiation 102 instead of into the waveguide 105 passes directly to the receiver 103, for example by Fresnel reflection.
  • the contact area of the sensor 100 is formed as flat as possible, without the structuring 110 directly in the optical waveguide 105.
  • the functionality of the structuring 110 could be impaired by dust and / or grease. The use of the separate scattering element 111 may therefore be advantageous.
  • the size of the sensor 101 can be reduced.
  • the optical waveguide 105, the scattering element 111 and / or the further optical elements serve as protection for the radiation source 101 and / or the
  • Receiver 103 Conventionally additionally provided
  • the receiver 103 and / or the radiation source 101 and optionally further components of the sensor 100 are covered from one direction by the optical waveguide 105 or the scattering element 111. These are therefore no longer or less visible. Thus, the aesthetic becomes
  • Predefined coupling region 106 to distribute.
  • a detection of the reflections 104 at a fixed angle is possible. This will improve the
  • Radiation source 109 and the remaining elements can each be isolated combined with the embodiments of other figures.
  • the various configurations of the elements of the sensor 100 of the various embodiments can be interconnected in a wide variety of combinations.

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Abstract

Ein optoelektronischer Sensor weist auf: - eine Strahlungsquelle (101), die dazu ausgebildet ist, elektromagnetische Strahlung (102) zu emittieren, - einen Empfänger (103), der dazu ausgebildet ist, eine Reflektion (104) der Strahlung (102) zu empfangen, - einen Lichtwellenleiter (105), der mit der Strahlungsquelle (102) und/oder dem Empfänger (103) optisch gekoppelt ist, sodass ein optischer Koppelbereich (106) ausgebildet ist, um die Strahlung (102) aus dem Sensor (100) auszukoppeln und die Reflektion (104) in den Sensor (100) einzukoppeln, um Eigenschaften einer zu untersuchende Probe (107) zu ermitteln, wobei der Sensor (100) dazu eingerichtet ist, mit dem Koppelbereich (106) an der zu untersuchenden Probe (107) anzuliegen.

Description

Beschreibung
OPTOELEKTRONISCHER SENSOR Diese Patentanmeldung beansprucht die Priorität der deutschen Patentanmeldung 10 2017 116 308.5, deren Offenbarungsgehalt hiermit durch Rückbezug aufgenommen wird.
Es wird ein optoelektronischer Sensor angegeben, insbesondere ein optoelektronischer Sensor zur Erfassung einer
Vitalfunktion .
Es ist wünschenswert, einen optoelektronischen Sensor anzugeben, der wenig Platz benötigt und ein verlässliches Messen ermöglicht.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform umfasst der
optoelektronische Sensor eine Strahlungsquelle. Die
Strahlungsquelle ist dazu ausgebildet, elektromagnetische Strahlung zu emittieren. Beispielsweise ist die
Strahlungsquelle dazu ausgebildet im Betrieb
elektromagnetische Strahlung zu emittieren, die im
nahinfraroten Spektralbereich liegt, etwa um 940 nm.
Beispielsweise ist die Strahlungsquelle eingerichtet, eine Wellenlänge im roten Spektralbereich auszusenden,
beispielsweise um 660 nm. Gemäß weiteren Ausführungsformen ist die Strahlungsquelle beispielsweise ausgebildet,
Strahlung von grünem Licht zu emittieren, etwa mit einer Wellenlänge um 535 nm. Die Strahlungsquelle ist
beispielsweise eine Halbleiterstrahlungsquelle.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform weist der Sensor einen Empfänger auf. Der Empfänger ist dazu ausgebildet, eine Reflektion der Strahlung zu empfangen. Beispielsweise ist genau ein Empfänger vorgesehen. Der Empfänger ist zur
Detektion der Strahlung der Wellenlänge eingerichtet, die von der Strahlungsquelle emittiert wird. Der Empfänger kann mehrere Bildpunkte oder Pixel aufweisen oder einkanalig sein, beispielsweise wird ein Zeitmultiplexverfahren verwendet, um die Verwendung eines einkanaligen Empfängers zu ermöglichen. Der Empfänger ist beispielsweise ein Halbleiterempfänger. Gemäß zumindest einer Ausführungsform weist der Sensor einen Lichtwellenleiter auf. Der Lichtwellenleiter ist gemäß einer Ausführungsform mit der Strahlungsquelle optisch gekoppelt. Alternativ oder zusätzlich ist der Lichtwellenleiter gemäß zumindest einer Ausführungsform mit dem Empfänger optisch gekoppelt. Der Lichtwellenleiter ist somit entweder nur mit der Strahlungsquelle, nur mit dem Empfänger oder sowohl mit der Strahlungsquelle als auch mit dem Empfänger optisch gekoppelt. Der Lichtwellenleiter weist beispielsweise
Lichtleitfasern auf oder ist ein flächig ausgedehnter Körper. Die Lichtleitung erfolgt durch Reflektion an der Grenzfläche aufgrund der unterschiedlichen Brechungsindizes des
Lichtwellenleiters und des umgebenden Mediums. Licht, das in den Lichtwellenleiter eingekoppelt wird, breitet sich im Lichtwellenleiter insbesondere entlang der
Hauptausstreckungsrichtung des Lichtwellenleiters aus.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform ist ein optischer
Koppelbereich ausgebildet. In dem optischen Koppelbereich kann Strahlung aus dem Sensor auskoppeln. Beispielsweise kann die Strahlung aus dem Lichtwellenleiter in dem optischen Koppelbereich auskoppeln. Die Reflektion kann in dem
optischen Koppelbereich in den Sensor einkoppeln,
beispielsweise direkt in den Empfänger oder zunächst in den Lichtwellenleiter, der die Reflektion dann zu dem Empfänger leitet. Die Ausstrahlung der Strahlung aus dem
Lichtwellenleiter und/oder die Einkopplung der Reflektion erfolgt quer zu der Richtung, in die Licht im
Lichtwellenleiter geleitet wird.
Mittels der ausgekoppelten Strahlung und der eingekoppelten Reflektion ist es gemäß zumindest einer Ausführungsform möglich, Eigenschaften einer zu untersuchenden Probe zu ermitteln.
Der Sensor ist insbesondere dazu eingerichtet, mit dem
Koppelbereich an der zu untersuchenden Probe anzuliegen. Dies bedeutet insbesondere, dass ein Abstand zwischen dem
Lichtwellenleiter und/oder der Strahlungsquelle und/oder dem Empfänger und der zu untersuchenden Probe nur gering ist. Es ist möglich, dass eine Signalübertragung von der
Strahlungsquelle zu dem Empfänger lediglich über die zu untersuchende Probe erfolgt. Auf dem optischen Pfad, der bestimmungsgemäß vorgesehen ist, und von der Strahlungsquelle zu dem Empfänger reicht, liegt beispielsweise keine
Freistrahlstecke für die Strahlung. Die Strahlung verläuft dann vollständig oder weit überwiegend, beispielsweise zu einem Weganteil von mindestens 90 % oder
95 %, in kondensierter Materie und nicht in Gasen oder in einem evakuierten Bereich.
Bei der zu untersuchenden Probe handelt es sich insbesondere um einen Körperteil eines Lebewesens. Beispielsweise handelt es sich bei dem Körperteil um ein Handgelenk oder einen
Finger. Insbesondere umfasst die zu untersuchende Probe menschliche Haut, auf der der Sensor bevorzugt direkt
aufliegt . Gemäß zumindest einer Ausführungsform weist ein
optoelektronischer Sensor eine Strahlungsquelle auf, die dazu ausgebildet ist, elektromagnetische Strahlung zu emittieren. Ein Empfänger ist vorgesehen, der dazu ausgebildet ist, eine Reflektion der Strahlung zu empfangen. Der Sensor weist einen Lichtwellenleiter auf, der mit der Strahlungsquelle und/oder dem Empfänger optisch gekoppelt ist, sodass ein optischer Koppelbereich ausgebildet ist, um die Strahlung aus dem
Sensor auszukoppeln und die Reflektion in dem Sensor
einzukoppeln . Somit ist es möglich, Eigenschaften einer zu untersuchenden Probe zu ermitteln. Der Sensor ist dazu eingerichtet, mit dem Koppelbereich an der zu untersuchenden Probe anzuliegen.
Durch einen solchen Sensor ist ein miniaturisiertes Modul für die Bestimmung von beispielsweise Pulsfrequenz und/oder
SauerstoffSättigung im Blut realisierbar. Ein solcher Sensor wird auch als Monitor für biologische Funktionen oder
Vitalfunktionen gezeichnet. Insbesondere durch die Verwendung des Lichtwellenleiters wird eine flexiblere Anordnung der einzelnen Elemente in dem Sensor ermöglicht. Dies führt insbesondere zu kleineren Größen des Sensors. Zudem kann die Genauigkeit und die Verlässlichkeit beim Messen erhöht werden, da ein Übersprechen zwischen der Strahlungsquelle und dem Empfänger verringert werden kann und so das
Signalrauschverhältnis verbessert werden kann.
Dem hier beschriebenen Sensor liegen dabei unter anderem die folgenden Überlegungen zugrunde. Sensoren zu Ermittlung von Vitalfunktionen nutzen die Tatsache, dass Strahlung von
Gewebe unterschiedlich gestreut wird, je nachdem, wie hoch der Sauerstoffgehalt im Blut ist. Die Reflektion der gestreuten Strahlung wird gemessen. Wird dies über einen gewissen Zeitraum durchgeführt, kann die Herzfrequenz gemessen werden. Solche Sensoren werden beispielsweise in Uhren oder Armbändern verwendet. Daher sollen sie einen möglichst geringen Bauraumbedarf haben. In herkömmlichen
Sensoren müssen die Strahlungsquelle und der Empfänger jedoch einen Mindestabstand zueinander aufweisen, um ein
Übersprechen zu minimieren und das Signalrauschverhältnis zu verbessern .
Der hier beschriebene Sensor macht nun unter anderem von der Idee Gebrauch, dass ein Lichtwellenleiter mit der
Strahlungsquelle und/oder dem Empfänger optisch gekoppelt ist. Strahlung wird beispielsweise nicht direkt aus der Strahlungsquelle in die zu untersuchende Probe eingestrahlt, sondern zunächst in den Lichtwellenleiter. Die Strahlung wird dann aus dem Lichtwellenleiter ausgekoppelt und in die zu untersuchende Probe eingestrahlt. Die Reflektion der
Strahlung wird beispielsweise direkt von dem Empfänger empfangen. Alternativ ist es auch möglich, die Reflektion zunächst in den Lichtwellenleiter einzukoppeln und dann mittels des Lichtwellenleiters zu dem Empfänger zu leiten.
Durch einen solchen optoelektronischen Sensor ist ein
miniaturisiertes Modul insbesondere für die Bestimmung von Pulsfrequenz und/oder SauerstoffSättigung im Blut
realisierbar. Strahlung, die im Lichtwellenleiter geleitet wird, kann nicht direkt zum Empfänger gelangen. Somit kann der Abstand zwischen der Strahlungsquelle und dem Empfänger reduziert werden. Dabei wird ein geringeres optisches
Übersprechen realisiert. Somit benötigt der Sensor bei einem ausreichend guten Signalrauschverhältnis nur einen geringen Bauraum. Der Lichtwellenleiter kann zudem die Strahlungsquelle, den Empfänger und/oder weitere Bauteile des Sensors nach außen abdecken. Somit wird die ästhetische
Erscheinung des Sensors erhöht. Gemäß zumindest einer Ausführungsform weist der Sensor einen weiteren Lichtwellenleiter auf. Der Lichtwellenleiter ist korrespondierend zu dem weiteren Lichtwellenleiter
ausgebildet oder weist unterschiedliche Eigenschaften auf. Gemäß zumindest einer Ausführungsform sind die
Strahlungsquelle und der Empfänger jeweils mit einem der Lichtwellenleiter optisch gekoppelt. Beispielsweise ist die Strahlungsquelle mit dem Lichtwellenleiter optisch gekoppelt und der Empfänger ist nicht mit dem Lichtwellenleiter optisch gekoppelt. Der Empfänger ist mit dem weiteren
Lichtwellenleiter optisch gekoppelt und die Strahlungsquelle ist nicht mit dem weiteren Lichtwellenleiter optisch
gekoppelt. Somit ist es möglich, die Strahlungsquelle und den Empfänger unabhängig von dem optischen Koppelbereich im
Sensor anzuordnen. Der Lichtwellenleiter kann genutzt werden, um Strahlung der Strahlungsquelle zu dem optischen
Koppelbereich zu leiten. Der weitere Lichtwellenleiter kann genutzt werden, um die reflektierte Strahlung aus dem
optischen Koppelbereich zu dem Empfänger zu leiten.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform ist eine weitere
Strahlungsquelle vorgesehen, die mit dem Lichtwellenleiter optisch gekoppelt ist. Die weitere Strahlungsquelle ist beispielsweise eingerichtet, Strahlung mit einer anderen Wellenlänger zu emittieren als die Strahlungsquelle. Somit ist es insbesondere möglich, Strahlung mit unterschiedlichen Wellenlängen zu verwenden. Beispielsweise ist die weitere Strahlungsquelle eingerichtet, eine Wellenlänge im roten Spektralbereich auszusenden, beispielsweise um 660 nm. Gemäß weiteren Ausführungsformen ist die weitere Strahlungsquelle beispielsweise ausgebildet, Strahlung von grünem Licht zu emittieren, etwa mit einer Wellenlänge um 535 nm.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform weist der
Lichtwellenleiter eine Strukturierung auf, um Strahlung zu streuen. Die Strukturierung ist insbesondere im optischen Koppelbereich ausgebildet, sodass Strahlung, die vom
Lichtwellenleiter entlang der Hauptausbreitungsrichtung des Lichtwellenleiters geleitet wird, an der Strukturierung gestreut wird und somit aus dem Lichtwellenleiter auskoppelt. Die Strukturierung ist beispielsweise mindestens eines aus einer Bedruckung, einer Laserstrukturierung, einer Prägung und einer mechanischen Strukturierung.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform weist der Sensor alternativ oder zusätzlich ein Streuelement auf, das mit dem Lichtwellenleiter in Kontakt ist, um Strahlung aus dem
Lichtwellenleiter zu streuen. Insbesondere kann dann auf eine Strukturierung des Lichtwellenleiters verzichtet werden. Das Streuelement weist beispielsweise einen Brechungsindex auf, der dem Brechungsindex des Lichtwellenleiters entspricht. Somit tritt in dem Bereich, in dem der Lichtwellenleiter und das Streuelement in Kontakt sind, keine Totalreflektion auf. Strahlung kann an diesen Stellen den Lichtwellenleiter verlassen .
Insbesondere ist das Streuelement bereichsweise in Kontakt mit dem Lichtwellenleiter und bereichsweise vom
Lichtwellenleiter beabstandet angeordnet. Somit tritt
Strahlung nur an definierten Stellen aus dem Lichtwellenleiter aus, in dem das Streuelement mit dem
Lichtwellenleiter in Kontakt ist.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform sind der
Lichtwellenleiter, die Strahlungsquelle und der Empfänger in einer Ebene angeordnet. Der Lichtwellenleiter ist
ausgebildet, um Strahlung entlang der Ebene zu leiten. Somit ist ein flacher Sensor realisierbar. Gemäß zumindest einer Ausführungsform ist der
Lichtwellenleiter so ausgebildet, dass Strahlung durch den Wellenleiter transmittiert , die quer zur der Ebene
ausgerichtet ist. Beispielsweise wird Strahlung von der
Strahlungsquelle zunächst entlang der Ebene geleitet und dann quer zur Ebene ausgekoppelt. Die Reflektion ist ebenfalls quer zur Ebene ausgerichtet und durchdringt den
Lichtwellenleiter zumindest zum größten Teil. Die Reflektion gelangt somit durch den Lichtwellenleiter hindurch zum
Empfänger, ohne von dem Lichtwellenleiter wesentlich entlang der Ebene geleitet zu werden.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform strahlt die
Strahlungsquelle entlang einer Ebene ab, entlang derer sich der Koppelbereich erstreckt. Somit wird die Strahlung im Betrieb insbesondere nicht direkt in Richtung der zu
untersuchenden Probe ausgestrahlt, sondern entlang der Probe. Erst im Kopplungsbereich wird die Strahlung umgelenkt und gelangt in Richtung der zu untersuchenden Probe. Gemäß zumindest einer Ausführungsform sind die
Strahlungsquelle und/oder der Empfänger außerhalb des
optischen Koppelbereichs des Sensors angeordnet. Mit Hilfe des Lichtwellenleiters ist es möglich, den Koppelbereich und die Lage der Strahlungsquelle und/oder des Empfängers unabhängig voneinander festzulegen. Beispielsweise sind sowohl die Strahlungsquelle als auch der Empfänger außerhalb des optischen Koppelbereichs des Sensors angeordnet. Gemäß weiteren Ausführungsformen ist die Strahlungsquelle außerhalb des optischen Koppelbereichs angeordnet und der Empfänger innerhalb des optischen Koppelbereichs. Gemäß weiteren
Ausführungsformen ist der Empfänger außerhalb des optischen Koppelbereichs angeordnet und die Strahlungsquelle innerhalb des optischen Koppelbereichs. Zumindest die Komponente, die außerhalb des optischen Koppelbereichs des Sensors angeordnet ist, ist insbesondere mit dem Lichtwellenleiter oder dem weiteren Lichtwellenleiter gekoppelt. Gemäß zumindest einer Ausführungsform erstreckt sich der Lichtwellenleiter über die Strahlungsquelle und den
Empfänger. Somit ist es möglich, ein einheitliches
Erscheinungsbild an der Seite des Kopplungsbereichs zu realisieren. Somit wird die ästhetische Erscheinung des Sensors verbessert.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform weist die
Strahlungsquelle eine Halbleiterschichtenfolge zur
Strahlungserzeugung auf. Bei der Strahlungsquelle handelt es sich bevorzugt um eine LED oder mehrere LEDs. Die
Strahlungsquelle kann auch einen Halbleiterlaser aufweisen. Die Strahlungsquelle kann auch eine Superlumineszenzdiode (SLED) aufweisen. Gemäß zumindest einer Ausführungsform weist der Empfänger einen Fotodetektor auf. Der Fotodetektor ist beispielsweise eine Fotodiode oder ein CCD-Sensor (englisch: Charge coupled device; ladungsgekoppeltes Bauteil) . Der Empfänger weist insbesondere mindestens einen Halbleiterchip auf.
Weitere Vorteile, Merkmale und Weiterbildungen ergeben sich aus den nachfolgenden in Verbindung mit den Figuren
erläuterten Beispielen. Gleiche, gleichartige oder gleich wirkende Elemente können figurenübergreifend mit den gleichen Bezugszeichen versehen sein. Die Figuren und die
Größenverhältnisse der in den Figuren dargestellten Elemente untereinander sind nicht als maßstäblich zu betrachten.
Es zeigen:
Figuren 1 bis 5 jeweils eine schematische Darstellung eines Sensors gemäß einem jeweiligen Ausführungsbeispiel,
Figuren 6 bis 10 jeweils eine schematische Darstellung eines Sensors mit eingezeichnetem Strahlungsverlauf gemäß einem jeweiligen Ausführungsbeispiel.
Figur 1 zeigt eine schematische Darstellung eines Sensors 100 gemäß einem Ausführungsbeispiel. Der Sensor 100 ist
insbesondere ausgebildet zur Erfassung einer Vitalfunktion. Beispielsweise ist der Sensor ausgebildet zur Erfassung einer Herzfrequenz. Alternativ oder zusätzlich ist der Sensor 100 ausgebildet zur Erfassung eines Blutsauerstoffgehalts . Der Sensor 100 ist gemäß weiteren Ausführungsformen alternativ oder zusätzlich zur Ermittlung anderer Eigenschaften einer zu untersuchenden Probe 107 ausgebildet.
Der Sensor 100 weist eine Strahlungsquelle 101 auf. Die
Strahlungsquelle 101 ist zur Erzeugung einer Strahlung 102 (Figuren 6 bis 10) eingerichtet, insbesondere elektromagnetischer Strahlung im Infrarotbereich bis zum grünen Bereich. Die Strahlungsquelle 101 weist insbesondere eine LED, eine SLED und/oder einen Halbleiterlaser auf.
Insbesondere weist die Strahlungsquelle eine
Halbleiterschichtenfolge 113 auf mit mindestens einer aktiven Schicht zur Erzeugung der Strahlung 102.
Der Sensor 100 weist einen Empfänger 103 auf. Der Empfänger 103 ist ausgebildet zur Detektion einer Reflektion 104
(Figuren 6 bis 10) der Strahlung 102, nachdem die Strahlung
102 an oder in der Probe 107 reflektiert wurde. Der Empfänger weist beispielsweise einen Fotodetektor auf.
Die Strahlungsquelle 101 und der Empfänger 103 sind jeweils mit einem Träger 116 mechanisch gekoppelt. Zudem ist eine elektrische Kopplung möglich. Der Träger 116 ist
beispielsweise eine Leiterplatte.
Der Sensor 100 weist einen Lichtwellenleiter 105 auf. Der Lichtwellenleiter ist beispielsweise aus einem Kunststoff oder einem Glas. Der Lichtwellenleiter 105 ist ausgebildet, Licht, also elektromagnetische Strahlung, entlang seiner Hauptausbreitungsrichtung 117 zu leiten. Strahlung wird im Inneren des Lichtwellenleiters an den Kontaktflächen zur Umgebung total reflektiert.
Im gezeigten Ausführungsbeispiel ist der Lichtwellenleiter 105 an einer Seite mit der Strahlungsquelle 107 optisch gekoppelt. Ausgehend von dieser Seite erstreckt sich der Lichtwellenleiter 105 entlang seiner
Hauptausbreitungsrichtung 117 lateral. Die Strahlungsquelle 101 ist ausgebildet, Strahlung ebenfalls lateral
abzustrahlen, sodass die Strahlung 102 aus der Strahlungsquelle 101 in den Lichtwellenleiter 105 einkoppelt. In vertikaler Richtung 119 zwischen dem Lichtwellenleiter 105 und der Probe 107 ist eine Strukturierung 110 beziehungsweise ein Streuelement 111 angeordnet. Dies dient zur Auskopplung der lateral in dem Lichtwellenleiter 105 geführten Strahlung in die Richtung 119 zur Probe 107.
Zwischen dem Empfänger 103 und der Probe 107 ist eine Optik 118 angeordnet. Diese dient beispielsweise zur Umlenkung des Strahlengangs in Richtung des Empfängers 103.
Im gezeigten Ausführungsbeispiel sind die Strahlungsquelle 101, der Lichtwellenleiter 105 und der Empfänger 103 entlang einer gemeinsamen Ebene 112 angeordnet. Die Ebene 112
entspricht der Horizontalen in der Figur 1 und ist quer zur Richtung 119 und entlang der Richtung 117 ausgerichtet. Die Strahlungsquelle 101 strahlt im Betrieb folglich die
Strahlung nicht in Richtung der Probe 107 aus, sondern entlang einer Oberfläche 120 der Probe 107. Im
Lichtwellenleiter 105 wird die Strahlung 102 ebenfalls entlang der Ebene 112 quer zur Richtung 119 weitergeleitet. Mittels der Strukturierung 110 und/oder des Streuelements 111 wird zumindest ein Teil der Strahlung 102 in die Richtung 119 abgelenkt, sodass die Strahlung 102 zumindest teilweise aus dem Lichtwellenleiter 105 zur Probe 107 gelangt. Die
Reflektion 104 gelangt dann aus der Probe 107 über die Optik 118 zum Empfänger 103. Der Empfänger 103 ist beispielsweise mit einer nicht dargestellten Auswerteschaltung gekoppelt, die aus den Signalen des Empfängers 103 Eigenschaften der Probe 107 ermittelt.
Der Sensor 100 ist insbesondere mit der Strukturierung 110 und/oder dem Steuerelement 111 sowie der Optik 118 in Kontakt mit der Probe 107. Der Sensor 100 liegt auf der Probe 107 auf. Die Bereiche, aus denen Strahlung auskoppeln kann beziehungsweise einkoppeln kann, bilden einen optischen
Koppelbereich 106 aus. Der Koppelbereich erstreckt sich entlang einer Ebene 115, die im Betrieb im Wesentlichen parallel zur Oberfläche 120 ausgerichtet ist.
Insbesondere ist der optische Koppelbereich 106 also durch die Strukturierung 110 und/oder das Streuelement 111 sowie die Optik 118 definiert. Da die Strahlung 102 nicht direkt aus der Strahlungsquelle 101 in die Probe 107 einkoppelt, ist es möglich, die Strahlungsquelle 101 außerhalb des optischen Koppelbereichs 106 anzuordnen. Der Sensor 100 weist eine optische Barriere 121 auf, die insbesondere möglichst wenig Strahlung der Wellenlänge durchlässt, die von der Strahlungsquelle 101 emittiert wird. Somit kann ein Übersprechen zwischen der Strahlungsquelle 101 und dem Empfänger 103 weiter reduziert werden.
Die Strahlungsquelle 101 ist lateral seitlich vom
Lichtwellenleiter 105 angeordnet. Der Empfänger 103 ist nicht optisch mit dem Lichtwellenleiter 105 gekoppelt. Figur 2 zeigt den Sensor 100 gemäß einem weiteren
Ausführungsbeispiel. Der Sensor 100 der Figur 2 entspricht im Wesentlichen dem Sensor 100 gemäß Figur 1. Im Unterschied zur Figur 1 ist gemäß Figur 2 ein weiterer Lichtwellenleiter 108 vorgesehen. Der Lichtwellenleiter 105 ist optisch mit der Strahlungsquelle 101 gekoppelt. Der weitere Lichtwellenleiter 108 ist optisch mit dem Empfänger 103 gekoppelt. Im Betrieb wird die lateral von der Strahlungsquelle 101 ausgestrahlte Strahlung 102 zunächst lateral von dem
Lichtwellenleiter 105 weiter geführt. Die Strahlung koppelt zumindest teilweise vertikal aus und wird von der in Figur 2 nicht explizit dargestellten Probe 107 zumindest teilweise reflektiert. Die Reflexion 104 koppelt zunächst in den weiteren Lichtwellenleiter 108 ein. Der weitere
Lichtwellenleiter 108 leitet dann die Reflexion 104 zum
Empfänger 103. Der Empfänger 103 ist folglich auch in einer Richtung sensitiv, die quer zur Oberfläche 120 der Probe 107 ausgerichtet ist.
Figur 3 zeigt den Sensor 100 gemäß einem weiteren
Ausführungsbeispiel. Im Unterschied zum Ausführungsbeispiel der Figur 1 ist der Empfänger 103 nicht in derselben Ebene 112 angeordnet wie der Lichtwellenleiter 105 und die
Strahlungsquelle 101. Gemäß Figur 3 ist der Empfänger 103 in einer weiteren Ebene 123 angeordnet. Die Ebene 123 ist entlang der Richtung 119 von der Ebene 112 beabstandet.
Der Lichtwellenleiter erstreckt sich entlang der Ebene 112 ausgehend von der Strahlungsquelle 101 entlang des
Kopplungsbereichs 106 über den Empfänger 103. Somit ist ein verhältnismäßig großer Koppelbereich 106 realisierbar. Ein Halteelement 122 oder mehrere Halteelemente 122 sind
vorgesehen, um den Lichtwellenleiter 105 und die
Strahlungsquelle 101 am Träger 116 zu befestigen.
Figur 4 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel des Sensors 100. Der Sensor 100 ist im Wesentlichen aufgebaut wie der
Sensor 100 gemäß Figur 3. Im Unterschied zum Sensor der Figur 3 weist der Sensor 100 gemäß Figur 4 eine Strahlungsquelle auf, die entlang der Richtung 119 quer zur Ebene 112 ausstrahlt. In der Ebene 112 sind die Strahlungsquelle 101 und der Empfänger 103 angeordnet. Der Lichtwellenleiter 105 ist entlang der Ebene 123 angeordnet, die in Richtung 119 beabstandet von der Ebene 112 ist.
Die Strahlung 102 wird in Richtung der Probe 107 abgestrahlt. Sie gelangt jedoch nicht direkt zur Probe 107, sondern wird zunächst in den Lichtwellenleiter 105 eingekoppelt. Der
Lichtwellenleiter weist hierzu eine Einkoppelstruktur 124 auf. Diese kann eine Strukturierung des Lichtwellenleiters 105 oder ein extra Bauteil sein, das die Einkopplung der Strahlung 102 von der Strahlungsquelle 101 in den
Lichtwellenleiter 105 verbessert. Im Lichtwellenleiter wird die Strahlung dann entlang der Ebene 123 quer zur Ausstrahlrichtung in Richtung des
Koppelbereichs 106 weitergeleitet. Im Koppelbereich 106 sind die Strukturierung 110 und/oder das Streuelement 111
angeordnet, sodass die Strahlung den Lichtwellenleiter 105 verlassen kann. Im Koppelbereich 106 ist auch der Empfänger 103 angeordnet, sodass die Reflexion 104 ausgehend von der Probe 107 durch den Lichtwellenleiter 105 hindurch zum
Empfänger 103 gelangen kann. Der Lichtwellenleiter 105 erstreckt sich insbesondere über die Strahlungsquelle 101 und den Empfänger 103. Somit wird insbesondere auf der im Betrieb der Probe zugewandten Seite des Sensors 101 ein einheitliches Erscheinungsbild realisiert.
Figur 5 zeigt den Sensor 100 gemäß einem weiteren
Ausführungsbeispiel. Der Sensor 100 gemäß Figur 5 weist zusätzlich zur Strahlungsquelle 101 eine weitere
Strahlungsquelle 109 auf. Insbesondere sind die
Strahlungsquelle 101 und die weitere Strahlungsquelle 109 dazu ausgebildet, Strahlung mit zueinander unterschiedlichen Wellenlängen zu emittieren. Die Strahlungsquelle 101 und die weitere Strahlungsquelle 109 sind jeweils mit dem gleichen Lichtwellenleiter 105 optisch gekoppelt. Strahlung der
Strahlungsquelle 101 wird in den Lichtwellenleiter 105 eingekoppelt. Strahlung der weiteren Strahlungsquelle 109 wird ebenfalls in den gleichen Lichtwellenleiter 105
eingekoppelt. Gemäß weiteren Ausführungsbeispielen sind zwei getrennte Lichtwellenleiter 105 und 108 vorgesehen, die jeweils mit nur einer einzigen Strahlungsquelle gekoppelt sind .
Der Lichtwellenleiter 105 erstreckt sich entlang des gesamten optischen Koppelbereichs 106 und deckt auch den Empfänger 103 ab. Der Empfänger ist beispielsweise zwischen den
Strahlungsquellen 101 und 109 angeordnet. Die
Strahlungsquellen 101 und 109 emittieren die Strahlung 102 hauptsächlich entlang der Richtung 119. Daher kann auf die Barriere 121 verzichtet werden. Sowohl die Strahlung der Strahlungsquelle 101 als auch die Strahlung der weiteren
Strahlungsquelle 109 wird vom Lichtwellenleiter 105 zunächst lateral umgeleitet, bevor sie zur Probe 107 gelangt.
Figur 6 zeigt den Sensor 100 mit dem Strahlungsverlauf der Strahlung 102 und der Reflexion 104 gemäß einem
Ausführungsbeispiel .
Die Strahlung 102 wird zunächst von der Strahlungsquelle 101 lateral in den Lichtwellenleiter 105 ausgestrahlt. Dort wird die Strahlung 102 insbesondere parallel zur Oberfläche 120 geführt. Zum Auskoppeln der Strahlung aus dem
Lichtwellenleiter 105 in Richtung der Probe 107 ist das
Streuelement 111 vorgesehen. Das Streuelement 111 weist insbesondere Kontaktbereiche auf, in denen es in Kontakt mit dem Lichtwellenleiter 105 ist. Dazwischen weist das
Streuelement 111 Bereiche auf, in denen es beabstandet zum Lichtwellenleiter 105 angeordnet ist. In den Kontaktbereichen ist kein ausreichend großer Brechungsindexsprung vorhanden, sodass die Strahlung 102 aus dem Lichtwellenleiter 105 in das Streuelement 111 gelangt und von dort in Richtung der Probe 107. Zum weiteren Beeinflussen des Strahlengangs weist das Streuelement 111 gemäß Ausführungsformen Optiken 125 auf. Die Optiken 125 sind beispielsweise mit Hilfe Materialien mit unterschiedlichen Brechungsindizes realisiert. Die
Reflexionen 104 gelangen ebenfalls zunächst wieder zum
Streuelement 111 und werden vom Streuelement 111 und/oder den Optiken 125 in Richtung des Empfängers 103 weitergeführt.
Figur 7 zeigt den Sensor 100 gemäß einem weiteren
Ausführungsbeispiel. Im Unterschied zum Sensor 100 gemäß Figur 6 ist gemäß Figur 7 auf das separate Streuelement 111 verzichtet. Stattdessen weist der Lichtwellenleiter 105 selbst Strukturierungen 110 auf. Die Strukturierungen 110 sind insbesondere an der im Betrieb der Probe 107 zugewandten Oberfläche des Lichtwellenleiters 105 vollständig oder bereichsweise eingebracht. Die Strukturierungen 110 dienen zur Streuung der Strahlung 102 quer zur
Hauptausbreitungsrichtung 117 des Lichtwellenleiters 105. Die Strukturierung 110 ist beispielsweise eine Aufrauhung der Oberfläche des Lichtwellenleiters 105. Die Reflexion 104 kann den Lichtwellenleiter 105 quer zu seiner
Hauptausbreitungsrichtung 117 durchdringen, um zum Empfänger 103 zu gelangen.
Figur 8 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel des Sensors 100. Die Strahlungsquelle 101 ist ausgebildet, die Strahlung 102 entlang der Richtung 119 auszustrahlen. Die Strahlung 102 koppelt zunächst in den Lichtwellenleiter 105 ein und wird von diesem entlang seiner Hauptausbreitungsrichtung 117 geführt. Mit Hilfe des Streuelements 111 wird die Strahlung 102 nachfolgend wieder in Richtung der Probe 107 gerichtet. Die Reflexion 104 wird mittels des weiteren Streuelements 111 zum Empfänger 103 geleitet. Die beiden Streuelemente 111 sind insbesondere entlang der Hauptausbreitungsrichtung 117 nebeneinander angeordnet. Der Lichtwellenleiter 105 und der Empfänger 103 sind in einer gemeinsamen Ebene 112 angeordnet. Die Strahlungsquelle 101 ist in der beabstandeten weiteren Ebene 123 angeordnet.
Figur 9 zeigt den Sensor 100 gemäß einem weiteren
Ausführungsbeispiel. Die Strahlungsquelle 101 ist außerhalb des Kopplungsbereichs 106 angeordnet. Die Strahlungsquelle 106 ist in einem Bereich des Sensors 100 angeordnet, der beispielsweise nicht in Kontakt mit der Probe 107 ist.
Mittels des Lichtwellenleiters 105 wird die Strahlung 102 zum Koppelbereich 106 geleitet.
Figur 10 zeigt den Sensor 100 gemäß einem weiteren
Ausführungsbeispiel. Die Strahlungsquelle 101, der
Lichtwellenleiter 105, der weitere Lichtwellenleiter 108 und der Empfänger 103 sind in einer gemeinsamen Ebene 112
angeordnet. Der Lichtwellenleiter 105 dient zum Leiten der Strahlung 102 entlang der Ebene 112. Der weitere
Lichtwellenleiter 108 dient zum Leiten der Reflexion 104 entlang der Ebene 112 zum Empfänger 103. Sowohl am
Lichtwellenleiter 105 als auch am weiteren Lichtwellenleiter 108 ist ein jeweiliges Streuelement 111 mit Optiken 125 angeordnet . Der Sensor 100 mit dem Lichtwellenleiter 105 ermöglicht einen kompakten Aufbau mit einem guten Signalrauschverhältnis und einer verbesserten Ästhetik. Die Strahlungsquelle 101 ist gemäß Ausführungsbeispiel mit dem Lichtwellenleiter 105 optisch gekoppelt. Der Lichtwellenleiter 105 ist gemäß
Ausführungsbeispiel auf dem Empfänger 103 oder neben dem Empfänger 103 angeordnet. Die Strahlung 102 wird gemäß
Ausführungsbeispielen mittels der Strukturierung 110 in
Richtung der Probe 107 aus dem Lichtwellenleiter 105
ausgekoppelt. Die Strukturierung 110 weist insbesondere ein mikrostrukturiertes Profil auf. Die Strahlung 102 wird in der Probe 107 gestreut und reflektiert und nachfolgend gesammelt und zum Empfänger 103 geführt. Entweder wird dafür gemäß Ausführungsbeispielen der Lichtwellenleiter 105 verwendet, also dasselbe optische System. Gemäß weiteren
Ausführungsbeispielen wird der weitere Lichtwellenleiter 108 und/oder weitere Optiken wie das Streuelement 111 und die Optiken 125 verwendet. Die Strahlungsquelle 101 kann oberhalb des Lichtwellenleiters 105 angeordnet sein (Figuren 4, 5, 8, 9) . Gemäß weiteren Ausführungsbeispielen ist die Strahlungsquelle 101 neben dem Lichtwellenleiter 105 angeordnet (Figuren 1, 2, 3, 6, 7, 10) . Gemäß Ausführungsbeispielen wird die Einkoppelstruktur 124 verwendet, wenn die Strahlungsquelle 101 oberhalb des
Lichtwellenleiters 105 angeordnet ist, um die Strahlung 102 von der Lichtquelle 101 in den Lichtwellenleiter 105
einzukoppeln . Die Einkoppelstruktur 125 kann entweder
lichtbrechend oder lichtbeugend ausgebildet sein.
Mehrere Strahlungsquellen 101, 109 sind gemäß
Ausführungsbeispielen mit demselben Lichtwellenleiter 105 gekoppelt. Insbesondere weisen die Strahlungsquellen 101, 109 zueinander unterschiedliche Wellenlängen der emittierten Strahlung 102 auf. Dies ist insbesondere bei der Messung des Sauerstoffgehalts des Bluts von Vorteil. Zudem kann eine Signalverbesserung erreicht werden.
Die Strukturierung 110 ist gemäß Ausführungsbeispielen direkt am Lichtwellenleiter 105 integriert (Figur 7). Gemäß weiteren Ausführungsbeispielen ist alternativ oder zusätzlich das separate Streuelement 111 vorgesehen. Gemäß
Ausführungsbeispielen sind mehrere optische Oberflächen an der der Probe zugewandten Seite vorgesehen, um das
Signalrauschverhältnis weiter zu verbessern durch eine vorgegebene Verteilung der Strahlungsintensität und der
Einsammlung der Reflexion 104. Dies wird beispielsweise erreicht durch ein gezieltes Anordnen der Bereiche, in denen das Streuelement 111 in direktem Kontakt mit dem
Lichtwellenleiter 105 ist, und den Bereichen, in denen das Streuelement 111 beabstandet zum Lichtwellenleiter 105 ist. Das Streuelement 111 und/oder die Einkoppelstruktur 124 können lichtbrechend und/oder lichtbeugend sein.
Gemäß zumindest einem Ausführungsbeispiel weist der
Lichtwellenleiter 105 eine Antireflexionsbeschichtung auf oder eine entsprechend behandelte Oberfläche. Dadurch wird verringert, dass Strahlung 102 anstatt in den Wellenleiter 105 direkt zum Empfänger 103 gelangt, beispielsweise durch Fresnelreflexion . Insbesondere bei der Verwendung des Sensors 100 als Sensor zur Ermittlung einer Vitalfunktion, wenn der Sensor 100 im Betrieb in Kontakt mit der Haut eines Menschen ist, ist der Kontaktbereich des Sensors 100 möglichst flach ausgebildet, ohne die Strukturierung 110 direkt im Lichtwellenleiter 105. Die Funktionalität der Strukturierung 110 könnte durch Staub und/oder Fett beeinträchtigt werden. Die Verwendung des separaten Streuelements 111 kann daher vorteilhaft sein.
Die Strahlung 102, die in den Lichtwellenleiter 105
eingekoppelt wurde, kann nicht mehr direkt zum Empfänger 103 gelangen. Somit ist auch bei einem geringen Abstand zwischen dem Empfänger 103 und der Strahlungsquelle 101 ein
Übersprechen der Strahlung 102 direkt zum Empfänger 103 ausreichend gering. Somit kann die Größe des Sensors 101 verringert werden. Zudem dienen der Lichtwellenleiter 105, das Streuelement 111 und/oder die weiteren optischen Elemente als Schutz für die Strahlungsquelle 101 und/oder den
Empfänger 103. Herkömmlich zusätzlich vorgesehene
Schutzschichten können daher entfallen.
Der Empfänger 103 und/oder die Strahlungsquelle 101 und gegebenenfalls weitere Bauteile des Sensors 100 werden aus einer Richtung von dem Lichtwellenleiter 105 beziehungsweise dem Streuelement 111 abgedeckt. Diese sind somit nicht mehr oder weniger gut sichtbar. Somit wird die ästhetische
Erscheinung des Sensors 100 erhöht. Mittels der
Lichtleitstruktur mit dem Lichtwellenleiter 105 und/oder dem Lichtwellenleiter 108 und/oder dem Streuelement 111 und gegebenenfalls weiteren optischen Schichten ist es möglich, die Verteilung der Strahlung 102 entlang dem optischen
Koppelbereich 106 vorgegeben zu verteilen. Zudem ist eine Erfassung der Reflexionen 104 unter einem festen Winkel möglich. Dadurch wird eine Verbesserung des
Signalrauschverhältnisses ermöglicht und somit
Ungenauigkeiten beim Messen verringert. Die Erfindung ist nicht auf die Beschreibung anhand der Ausführungsbeispiele auf diese beschränkt. Vielmehr umfasst die Erfindung jedes neue Merkmal sowie jede Kombination von Merkmalen, was insbesondere jede Kombination von Merkmalen in den Patentansprüchen beinhaltet, auch wenn dieses Merkmal oder diese Kombination selbst nicht explizit in den
Patentansprüchen oder Ausführungsbeispielen angegeben ist. Insbesondere ist jegliche Kombination einzelner Merkmale der unterschiedlichen Ausgestaltungen des Sensors 100 der Figuren 1 bis 10 möglich. Die unterschiedliche Anordnung und
Ausgestaltung der Strahlungsquelle 101, des Empfängers 103, der Lichtwellenleiter 105 und 108 sowie der weiteren
Strahlungsquelle 109 und der übrigen Elemente kann jeweils isoliert mit den Ausgestaltungen anderer Figuren kombiniert werden. Die verschiedenen Ausgestaltungen der Elemente des Sensors 100 der verschiedenen Ausführungsbeispiele können in unterschiedlichsten Kombinationen miteinander verbunden werden .
Bezugszeichen
100 Sensor
101 Strahlungsquelle
102 elektromagnetische Strahlung
103 Empfänger
104 Reflektion
105 Lichtwellenleiter
106 optischer Koppelbereich 107 Probe
108 weiterer Lichtwellenleiter
109 weitere Strahlungsquelle
110 Strukturierung
111 Streuelement
112 Ebene
113 Halbleiterschichtenfolge
114 Fotodetektor
115 Ebene des Kopplungsbereichs
116 Träger
117 Hauptausbreitungsrichtung
118 Optik
119 Richtung
120 Oberfläche
121 Barriere
122 Halteelement
123 Ebene
124 Einkoppelstruktur
125 Optiken

Claims

2016PF02938 18. Juli 2018 WO 2019/016290 FPCT/EP2018/069560 N - 24 - Patentansprüche
1. Optoelektronischer Sensor, aufweisend
- eine Strahlungsquelle (101), die dazu ausgebildet ist, elektromagnetische Strahlung (102) zu emittieren,
- einen Empfänger (103), der dazu ausgebildet ist, eine
Reflektion (104) der Strahlung (102) zu empfangen,
- einen Lichtwellenleiter (105), der mit der Strahlungsquelle (102) und/oder dem Empfänger (103) optisch gekoppelt ist, sodass ein optischer Koppelbereich (106) ausgebildet ist, um die Strahlung (102) aus dem Sensor (100) auszukoppeln und die Reflektion (104) in den Sensor (100) einzukoppeln, um
Eigenschaften einer zu untersuchende Probe (107) zu
ermitteln, wobei der Sensor (100) dazu eingerichtet ist, mit dem Koppelbereich (106) an der zu untersuchenden Probe (107) anzuliegen .
2. Sensor nach Anspruch 1, aufweisend einen weiteren
Lichtwellenleiter (108), so dass die Strahlungsquelle (101) und der Empfänger (103) jeweils mit einem der
Lichtwellenleiter (105, 108) optisch gekoppelt sind.
3. Sensor nach Anspruch 1 oder 2, aufweisend eine weitere Strahlungsquelle (109), die mit dem Lichtwellenleiter (105) optisch gekoppelt ist.
4. Sensor nach einem der Ansprüche 1 bis 3, bei dem der
Lichtwellenleiter (105) eine Strukturierung (110) aufweist, um die Strahlung (102) aus dem Lichtwellenleiter (105) zu streuen.
5. Sensor nach einem der Ansprüche 1 bis 4, aufweisend ein Streuelement (111), dass mit dem Lichtwellenleiter (105) 2016PF02938 18. Juli 2018 WO 2019/016290 FPCT/EP2018/069560 N
- 25 - zumindest bereichsweise in Kontakt ist, um die Strahlung (102) aus dem Lichtwellenleiter (105) zu streuen.
6. Sensor nach einem der Ansprüche 1 bis 5, bei dem der
Lichtwellenleiter (105), die Strahlungsquelle (101) und der Empfänger (103) entlang einer Ebene (112) angeordnet sind und der Lichtwellenleiter (105) ausgebildet ist, um die Strahlung (102) entlang der Ebene (112) zu leiten.
7. Sensor nach Anspruch 6, bei dem der Lichtwellenleiter (105) so ausgebildet ist, dass Strahlung durch den
Lichtwellenleiter (105) transmittiert , die quer zur der Ebene (112) ausgerichtet ist.
8. Sensor nach einem der Ansprüche 1 bis 7, bei dem die
Strahlungsquelle (101) entlang einer Ebene (115) ausstrahlt, entlang der sich der optische Koppelbereich (106) erstreckt.
9. Sensor nach einem der Ansprüche 1 bis 8, bei dem die
Strahlungsquelle (101) und/oder der Empfänger (103) außerhalb des optischen Koppelbereichs (106) des Sensors angeordnet sind .
10. Sensor nach einem der Ansprüche 1 bis 9, bei dem sich der Lichtwellenleiter (105) über die Strahlungsquelle (101) und den Empfänger (103) erstreckt.
11. Sensor nach einem der Ansprüche 1 bis 10, bei dem die Strahlungsquelle (101) eine Halbleiterschichtenfolge (113) zur Strahlungserzeugung aufweist.
12. Sensor nach einem der Ansprüche 1 bis 11, bei dem der Empfänger (103) einen Fotodetektor (114) aufweist. 2016PF02938 18. Juli 2018 WO 2019/016290 FPCT/EP2018/069560 N
- 26 -
13. Sensor nach einem der Ansprüche 1 bis 12, der ausgebildet ist zur Erfassung einer Vitalfunktion.
14. Sensor nach einem der Ansprüche 1 bis 13, der ausgebildet ist zur Erfassung einer Herzfrequenz und/oder einen
Blutsauerstoffgehalt .
PCT/EP2018/069560 2017-07-19 2018-07-18 Optoelektronischer sensor Ceased WO2019016290A1 (de)

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