WO2020058346A1 - Kompakte mehrbandige optische messeinheit - Google Patents

Kompakte mehrbandige optische messeinheit Download PDF

Info

Publication number
WO2020058346A1
WO2020058346A1 PCT/EP2019/075040 EP2019075040W WO2020058346A1 WO 2020058346 A1 WO2020058346 A1 WO 2020058346A1 EP 2019075040 W EP2019075040 W EP 2019075040W WO 2020058346 A1 WO2020058346 A1 WO 2020058346A1
Authority
WO
WIPO (PCT)
Prior art keywords
photodetector
light
measuring unit
integrated circuit
led component
Prior art date
Application number
PCT/EP2019/075040
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Christian LEIRER
Christian Mueller
Ulrich STEEGMÜLLER
Original Assignee
Osram Oled Gmbh
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Osram Oled Gmbh filed Critical Osram Oled Gmbh
Priority to US17/277,993 priority Critical patent/US11598667B2/en
Publication of WO2020058346A1 publication Critical patent/WO2020058346A1/de

Links

Classifications

    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01J—MEASUREMENT OF INTENSITY, VELOCITY, SPECTRAL CONTENT, POLARISATION, PHASE OR PULSE CHARACTERISTICS OF INFRARED, VISIBLE OR ULTRAVIOLET LIGHT; COLORIMETRY; RADIATION PYROMETRY
    • G01J3/00—Spectrometry; Spectrophotometry; Monochromators; Measuring colours
    • G01J3/02—Details
    • G01J3/0256—Compact construction
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N21/00—Investigating or analysing materials by the use of optical means, i.e. using sub-millimetre waves, infrared, visible or ultraviolet light
    • G01N21/17—Systems in which incident light is modified in accordance with the properties of the material investigated
    • G01N21/25—Colour; Spectral properties, i.e. comparison of effect of material on the light at two or more different wavelengths or wavelength bands
    • G01N21/31—Investigating relative effect of material at wavelengths characteristic of specific elements or molecules, e.g. atomic absorption spectrometry
    • G01N21/35—Investigating relative effect of material at wavelengths characteristic of specific elements or molecules, e.g. atomic absorption spectrometry using infrared light
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01J—MEASUREMENT OF INTENSITY, VELOCITY, SPECTRAL CONTENT, POLARISATION, PHASE OR PULSE CHARACTERISTICS OF INFRARED, VISIBLE OR ULTRAVIOLET LIGHT; COLORIMETRY; RADIATION PYROMETRY
    • G01J3/00—Spectrometry; Spectrophotometry; Monochromators; Measuring colours
    • G01J3/02—Details
    • G01J3/0205—Optical elements not provided otherwise, e.g. optical manifolds, diffusers, windows
    • G01J3/0213—Optical elements not provided otherwise, e.g. optical manifolds, diffusers, windows using attenuators
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01J—MEASUREMENT OF INTENSITY, VELOCITY, SPECTRAL CONTENT, POLARISATION, PHASE OR PULSE CHARACTERISTICS OF INFRARED, VISIBLE OR ULTRAVIOLET LIGHT; COLORIMETRY; RADIATION PYROMETRY
    • G01J3/00—Spectrometry; Spectrophotometry; Monochromators; Measuring colours
    • G01J3/02—Details
    • G01J3/0272—Handheld
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01J—MEASUREMENT OF INTENSITY, VELOCITY, SPECTRAL CONTENT, POLARISATION, PHASE OR PULSE CHARACTERISTICS OF INFRARED, VISIBLE OR ULTRAVIOLET LIGHT; COLORIMETRY; RADIATION PYROMETRY
    • G01J3/00—Spectrometry; Spectrophotometry; Monochromators; Measuring colours
    • G01J3/02—Details
    • G01J3/10—Arrangements of light sources specially adapted for spectrometry or colorimetry
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01J—MEASUREMENT OF INTENSITY, VELOCITY, SPECTRAL CONTENT, POLARISATION, PHASE OR PULSE CHARACTERISTICS OF INFRARED, VISIBLE OR ULTRAVIOLET LIGHT; COLORIMETRY; RADIATION PYROMETRY
    • G01J3/00—Spectrometry; Spectrophotometry; Monochromators; Measuring colours
    • G01J3/28—Investigating the spectrum
    • G01J3/2803—Investigating the spectrum using photoelectric array detector
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01J—MEASUREMENT OF INTENSITY, VELOCITY, SPECTRAL CONTENT, POLARISATION, PHASE OR PULSE CHARACTERISTICS OF INFRARED, VISIBLE OR ULTRAVIOLET LIGHT; COLORIMETRY; RADIATION PYROMETRY
    • G01J3/00—Spectrometry; Spectrophotometry; Monochromators; Measuring colours
    • G01J3/28—Investigating the spectrum
    • G01J3/42—Absorption spectrometry; Double beam spectrometry; Flicker spectrometry; Reflection spectrometry
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N21/00—Investigating or analysing materials by the use of optical means, i.e. using sub-millimetre waves, infrared, visible or ultraviolet light
    • G01N21/17—Systems in which incident light is modified in accordance with the properties of the material investigated
    • G01N21/25—Colour; Spectral properties, i.e. comparison of effect of material on the light at two or more different wavelengths or wavelength bands
    • G01N21/31—Investigating relative effect of material at wavelengths characteristic of specific elements or molecules, e.g. atomic absorption spectrometry
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01J—MEASUREMENT OF INTENSITY, VELOCITY, SPECTRAL CONTENT, POLARISATION, PHASE OR PULSE CHARACTERISTICS OF INFRARED, VISIBLE OR ULTRAVIOLET LIGHT; COLORIMETRY; RADIATION PYROMETRY
    • G01J3/00—Spectrometry; Spectrophotometry; Monochromators; Measuring colours
    • G01J3/28—Investigating the spectrum
    • G01J3/2803—Investigating the spectrum using photoelectric array detector
    • G01J2003/2806—Array and filter array
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01J—MEASUREMENT OF INTENSITY, VELOCITY, SPECTRAL CONTENT, POLARISATION, PHASE OR PULSE CHARACTERISTICS OF INFRARED, VISIBLE OR ULTRAVIOLET LIGHT; COLORIMETRY; RADIATION PYROMETRY
    • G01J3/00—Spectrometry; Spectrophotometry; Monochromators; Measuring colours
    • G01J3/28—Investigating the spectrum
    • G01J3/42—Absorption spectrometry; Double beam spectrometry; Flicker spectrometry; Reflection spectrometry
    • G01J2003/425—Reflectance
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N2201/00—Features of devices classified in G01N21/00
    • G01N2201/02—Mechanical
    • G01N2201/022—Casings
    • G01N2201/0221—Portable; cableless; compact; hand-held
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N2201/00—Features of devices classified in G01N21/00
    • G01N2201/06—Illumination; Optics
    • G01N2201/062—LED's

Definitions

  • the present invention relates to a measuring unit for optically measuring at least one property of a measurement object, the measuring unit comprising the following:
  • a light-emitting LED component comprising:
  • an LED chip located in the housing, the LED chip comprising a light-emitting light surface; b) a photodetector for the detection of light reflected from the measurement object, which comes from the LED component, and for the output of a measurement signal dependent on the detection; and
  • Such a measuring unit is known from document WO 2017/060746 A1. It is used to measure a patient's blood sugar level. For this purpose, it includes a blue LED, an infrared or IR LED, a photodiode and a processor.
  • this measuring unit is that the installation space that is required to place it in a watch, a cell phone, in clothing or To integrate in a so-called “wearable” is still relatively large.
  • this measuring unit is only for measuring the
  • this object is achieved by a conversion layer 5 arranged in the housing and located above the LED chip, which converts the light emitted by the LED chip into multi-band light, and in that the ratio L / G of the light area L to the housing area G is greater is equal to 0.8.
  • the LED component Due to the multi-band conversion layer, the LED component emits multi-band light.
  • this multi-volume light is reflected on the measurement object, a whole reflection spectrum results, which can be detected by the photodetector and evaluated by the integrated circuit.
  • the measuring unit according to the invention is therefore suitable for spectroscopy. With this5 spectral analysis, much more information about the measurement object can be obtained than is possible with a monochromatic LED.
  • the housing is hardly larger than 0 the LED chip
  • the LED component is very compact, so that the measuring unit can be miniaturized accordingly.
  • the LED chip can preferably be set up to emit blue light. Blue light is more energetic than other light colors and therefore best suited for conversion into multi-volume light.
  • the LED component and the photo detector can be arranged on the integrated circuit.
  • the measuring unit is particularly compact and space-saving. The distance between the transmitter (LED component) and the photo detector is then minimized.
  • the LED component and the photodetector are preferably arranged side by side on the integrated circuit.
  • the measuring unit can further comprise a substrate, and the LED component, the photodetector and the integrated circuit are combined to form an integrated unit via the substrate.
  • This also gives a compact structure, which is also very stable due to the substrate.
  • the LED component, the photodetector and the integrated circuit are then preferably arranged next to one another, the photodetector preferably being arranged between the LED component and the integrated circuit.
  • the photodetector is located near both the LED component and the integrated circuit, which makes it easier to connect the photodetector to the other two components.
  • the LED component, the photodetector and the integrated circuit can be embedded in the substrate. This increases the stability of the measuring unit and saves space.
  • the arrangement is particularly space-saving if the LED component, the photodetector and / or the integrated circuit are flush with the substrate.
  • the substrate preferably consists of a composition based on epoxy resin. Such a composition is inexpensive, with good stability and simple manufacture of the substrate made from it.
  • the conversion layer covers the entire light area L. This ensures complete conversion of the light emitted by the LED chip. In particular then no unconverted light emitted by the LED chip can exit the LED component in an undesirable manner.
  • the measuring unit according to the invention can serve as a spectrometer
  • the LED component as the light source of the spectrometer
  • the photodetector as the radiation detector of the spectrometer, which outputs a reflection spectrum of the measurement object as the measurement signal
  • the result is a spectrometer that is extremely compact and yet enables a complex analysis of a measurement object.
  • the spectrometer manages with a single light source, 5 which nevertheless covers a wide light spectrum.
  • Multi-volume light is light that has a spectrum that has several separate spectral lines. In contrast, monochromatic light has a spectrum with only a single spectral line. Multi-band light differs from broadband light in that broadband light has a continuous spectrum, similar to a black light. Multi-volume light has at least two separate spectral lines. Multi-volume light can also have three or more separate spectral lines.
  • Chip scale package Chip Scale Package is a housing of an integrated electronic component, the size of which is comparable to the size of the chip accommodated in the housing.
  • CSP Chip scale package Chip Scale Package
  • the chip is an LED chip, the light-emitting light area L of the LED chip instead of the chip area C can also be used as a comparison variable. Then it applies to an LED component that it is a CSP component if L / G> 0.8.
  • FIG. 1 shows a first variant of a measuring unit according to the invention.
  • Figure 2 shows a second variant of a measuring unit according to the invention.
  • the measuring units 100, 200 shown in the two figures are used for the optical measurement of at least one property of a measurement object M.
  • the measurement object M can be different objects.
  • the measurement object M can be, for example, a food or also the human skin or a metal or another substance.
  • a user can obtain information about the properties of the measurement object M. If, for example, the object is a food, the user can get information about its ingredients by means of the measuring unit. If the object is a substance, information about its composition can be obtained using the measuring unit 100, 200.
  • the measuring unit 100, 200 obtains information about the measurement object M by throwing light E onto the measurement object M, detecting the light Q reflected by the measurement object and drawing conclusions on the properties of the measurement object M based on its nature.
  • the measuring unit 100, 200 is a microelectronic assembly. It is intended to be installed as part of an electronic device.
  • the measuring unit 100, 200 is usually no larger than a fingernail.
  • a first variant 100 of a measuring unit according to the invention will now be described with reference to FIG. 1.
  • the measuring unit 100 comprises a light-emitting LED component 102, a photodetector 104, and an integrated circuit 106.
  • the LED component 102 and the photodetector 104 are arranged next to one another on the integrated circuit. Both the LED component 102 and the photodetector 104 thus sit with their underside on the integrated circuit 106. More precisely, the LED component 102 and the photodetector 104 on the integrated circuit 106 be fastened. For example, they can be glued there. 1 can also be referred to as a "chip on IC". Accordingly, the LED component 102, the photodetector 104 and
  • the integrated circuit 106 is combined to form an integrated unit.
  • the light-emitting LED component 102 comprises a housing 108 and an LED chip 110 located in the housing.
  • the housing 108 takes up a base area G.
  • the LED chip 110 comprises a light-emitting light area L.
  • the ratio L / G of the light area L to the housing area G is greater than or equal to 0.8.
  • the LED component 102 is therefore a so-called chip scale package or CSP component. 5 This means that the housing 108 of the LED component 102 is only insignificantly larger than the LED chip 110.
  • the LED chip 110 preferably comprises a blue LED. That is, the LED chip 110 is configured to emit blue light.
  • the LED component 102 also has a light conversion layer 112 arranged in the housing and located above the LED chip 110.
  • the conversion layer 112 here covers the entire light area L of the LED chip 110. As a result, all of the blue light emitted by the LED chip 110 is converted.
  • the conversion layer 112 is selected such that it converts the blue light emitted by the LED chip 110 into multi-volume light.
  • the conversion layer 112 converts the blue light into multi-band infrared light.
  • the infrared light obtained can have, for example, three spectral lines.
  • the infrared light then preferably consists of three infrared components: a first component in the near infrared range, a second component in the middle infrared range and a third component in the far infrared range.
  • the photodetector 104 serves to detect light Q reflected by the measurement object M. This light Q originally comes from the LED component 102.
  • the photodetector 104 can output to the integrated circuit 106 a measurement signal which depends on the characteristics of the reflected light Q.
  • the photodetector 104 is set up to perform a spectral decomposition of the reflected light Q.
  • the photodetector 104 can be implemented as a set of photodiodes, photomultipliers or phototransistors.
  • the integrated circuit 106 is used to evaluate the measurement signal supplied by the photodetector.
  • the integrated circuit 106 can work analog or digital.
  • the measuring unit 200 also has an LED component 202, a photodetector 204 and an integrated circuit 206. It differs from the first variant 100 according to FIG. 1 only in the way the three components 202, 204 and 206 are arranged with respect to one another.
  • the other arrangement in the second variant 200 results from a substrate S provided.
  • the LED component 202, the photodetector 204 and the integrated circuit 206 are combined to form an integrated unit via the substrate S.
  • the LED component 202, the photodetector 204 and the integrated circuit 206 are arranged side by side.
  • the photodetector 204 is located between the LED component 202 and the integrated circuit 206.
  • the three components 202, 204 and 206 are embedded in the substrate S. In the example shown, the LED component 202, the photodetector 204 and the integrated circuit 206 are flush with the substrate S.
  • the substrate S preferably consists of a composition based on epoxy resin.
  • the measuring units 100, 200 according to the invention can in particular be used as spectrometers in a mobile phone, in a wristwatch or in another portable terminal. The way it works is as follows:
  • the measuring unit 100, 200 is integrated in a mobile phone. A user of the mobile telephone can then activate the measuring unit 100, 200 and align it with an object M to be measured.
  • the LED chip 110 then emits blue light, which is converted into multi-volume light E by the conversion layer 112. This multi-band light E then leaves the LED component 102, 202 in the direction of the measurement object M. From there it is reflected back in the direction of the photodetector 104, 204. The photodetector 104, 204 detects the reflection spectrum Q. This is then evaluated by the integrated circuit 106, 206. Depending on the type of
  • Such a reflection spectrum distributed over an entire wavelength range contains significantly more information about the measurement object M than a reflection signal which is obtained via a monochromatic light source.

Landscapes

  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Spectroscopy & Molecular Physics (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Biochemistry (AREA)
  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Analytical Chemistry (AREA)
  • Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
  • General Health & Medical Sciences (AREA)
  • Health & Medical Sciences (AREA)
  • Immunology (AREA)
  • Pathology (AREA)
  • Investigating Or Analysing Materials By Optical Means (AREA)
  • Measuring Pulse, Heart Rate, Blood Pressure Or Blood Flow (AREA)

Abstract

Messeinheit (100) zur optischen Messung mindestens einer Eigenschaft eines Messobjekts (M), wobei die Messeinheit folgendes umfasst: a) ein lichtemittierendes LED-Bauelernent (102) umfassend: i) ein Gehäuse (108), wobei das Gehäuse eine Gehäusefläche G einnimmt; und ii) einen im Gehäuse befindlichen LED-Chip (110), wobei der LED-Chip eine Licht emittierende Lichtfläche L umfasst; b) einen Fotodetektor (104) zur Detektion von von dem Messobjekt (M) zurückgeworfenem Licht, welches von dem LED-Bauelement stammt, und zur Ausgabe eines von der Detektion abhängigen Messsignals; und c) einen integrierten Schaltkreis (106) zur Auswertung des vom Fotodetektor (104) gelieferten Messsignals, wobei das LED-Bauelement (102), der Fotodetektor (104) und der integrierte Schaltkreis (106) zu einer integrierten Einheit zusammengefasst sind, gekennzeichnet: - durch eine im Gehäuse (108) angeordnete und über dem LED-Chip (110) befindliche Konversionsschicht (112), welche das vom LED-Chip (110) ausgesandte Licht in mehrbändiges Licht (E) umwandelt; und - dadurch, dass das Verhältnis L/G der Lichtfläche L zur Gehäusefläche G größer gleich 0,8 ist.

Description

KOMPAKTE MEHRBÄNDIGE OPTISCHE MESSEINHEIT
Verwandte Anmeldungen Die vorliegende Anmeldung beansprucht die Priorität der deut schen Erstanmeldung DE 10 2018 123 037.0, die am 19.09.2018 beim DPMA hinterlegt wurde. Der Inhalt dieser Erstanmeldung wird hiermit vollumfänglich durch Verweis in die vorliegende Anmel dung aufgenommen.
Gebiet der Erfindung
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Messeinheit zur opti schen Messung mindestens einer Eigenschaft eines Messobjekts, wobei die Messeinheit folgendes umfasst:
a) ein lichtemittierendes LED-Bauelement umfassend:
i) ein Gehäuse, wobei das Gehäuse eine Gehäusefläche einnimmt; und
ii) einen im Gehäuse befindlichen LED-Chip, wobei der LED-Chip eine Licht emittierende Lichtfläche umfasst; b) einen Fotodetektor zur Detektion von von dem Messobjekt zu rückgeworfenem Licht, welches von dem LED-Bauelement stammt, und zur Ausgabe eines von der Detektion abhängigen Messsignals; und
c) einen integrierten Schaltkreis zur Auswertung des vom Fo todetektor gelieferten Messsignals,
wobei das LED-Bauelement, der Fotodetektor und der integrierte Schaltkreis zu einer integrierten Einheit zusammengefasst sind. Hintergrund der Erfindung
Eine solche Messeinheit ist aus dem Dokument WO 2017/060746 Al bekannt. Sie dient zur Messung des Blutzuckerspiegels eines Patienten. Hierzu umfasst sie eine blaue LED, eine Infrarot- oder auch IR-LED, eine Fotodiode und einen Prozessor.
Von Nachteil bei dieser Messeinheit ist, dass der Bauraum, der benötigt wird, um diese in eine Uhr, ein Handy, in Kleidung oder in einem sogenannten „wearable" zu integrieren, immer noch ver hältnismäßig groß ist.
Zudem ist diese Messeinheit ausschließlich für die Messung des
5 Blutzuckerspiegels geeignet.
Zusammenfassung der Erfindung
Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, die oben defi0 nierte Messeinheit derart fortzubilden, dass diese eine mög lichst geringe Größe hat und vielseitig einsetzbar ist.
Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch eine im Gehäuse ange ordnete und über dem LED-Chip befindliche Konversionsschicht5 gelöst, welche das vom LED-Chip ausgesandte Licht in mehrbän diges Licht umwandelt, und dadurch, dass das Verhältnis L/G der Lichtfläche L zur Gehäusefläche G größer gleich 0,8 ist.
Durch die Mehrband-Konversionsschicht emittiert das LED-Bauele-0 ment mehrbändiges Licht. Bei der Reflexion dieses mehrbändigen Lichts am Messobjekt ergibt sich ein ganzes Reflexionsspektrum, welches vom Fotodetektor erfasst und von dem integrierten Schaltkreis ausgewertet werden kann. Die erfindungsgemäße Mes seinheit ist also für die Spektroskopie geeignet. Über diese5 Spektralanalyse lassen sich viel mehr Informationen über das Messobjekt gewinnen, als dies mit einer monochromatischen LED möglich ist.
Dank der geringen Gehäusegröße (das Gehäuse ist kaum größer als0 der LED-Chip) ist das LED-Bauelement sehr kompakt, sodass die Messeinheit entsprechend miniaturisiert werden kann.
Durch den Einsatz einer Konversionsschicht zur Erzeugung des mehrbändigen Lichts genügt als Lichtquelle eine einzige LED.5 Der platzraubende Einbau mehrerer separater LEDs entfällt also. Bevorzugt kann der LED-Chip dazu eingerichtet sein, blaues Licht zu emittieren. Blaues Licht ist energetischer als andere Licht farben und deshalb am besten für die Konversion in mehrbändiges Licht geeignet.
In einer Ausführungsform können das LED-Bauelement und der Fo todetektor auf dem integrierten Schaltkreis angeordnet sein. So ist die Messeinheit ganz besonders kompakt und platzsparend. Der Abstand zwischen dem Sender (LED-Bauelement) und dem Fo todetektor ist dann minimiert. In diesem Fall sind das LED- Bauelement und der Fotodetektor vorzugsweise nebeneinander auf dem integrierten Schaltkreis angeordnet.
Alternativ kann die Messeinheit ferner ein Substrat umfassen, und das LED-Bauelement, der Fotodetektor und der integrierte Schaltkreis sind über das Substrat zu einer integrierten Einheit zusammengefasst. Auch so erhält man einen kompakten Aufbau, der zudem durch das Substrat sehr stabil ist. Bevorzugt sind dann das LED-Bauelement, der Fotodetektor und der integrierte Schalt kreis nebeneinander angeordnet, wobei vorzugsweise der Fotode tektor zwischen dem LED-Bauelement und dem integrierten Schalt kreis angeordnet ist. So befindet sich der Fotodetektor sowohl in der Nähe des LED-Bauelements als auch in der Nähe des inte grierten Schaltkreises, was die Anbindung des Fotodetektors an die beiden anderen Bauteile erleichtert. Das LED-Bauelement, der Fotodetektor und der integrierte Schaltkreis können in das Substrat eingebettet sein. Dies erhöht die Stabilität der Mes seinheit und spart Platz. Die Anordnung ist ganz besonders platzsparend, wenn das LED-Bauelement, der Fotodetektor und/o der der integrierte Schaltkreis bündig mit dem Substrat ab schließen. Bevorzugt besteht das Substrat aus einer Zusammen setzung auf Epoxidharz-Basis. Eine solche Zusammensetzung ist preiswert, bei guter Stabilität und einfacher Herstellbarkeit des daraus bestehenden Substrats.
Es ist von Vorteil, wenn die Konversionsschicht die gesamte Lichtfläche L abdeckt. So ist eine vollständige Konversion des vom LED-Chip emittierten Lichts sichergestellt. Insbesondere kann dann kein von dem LED-Chip ausgesandtes nicht konvertiertes Licht in unerwünschter Weise aus dem LED-Bauelement austreten.
Die erfindungsgemäße Messeinheit kann als Spektrometer dienen,
5 mit :
dem LED-Bauelement als Lichtquelle des Spektrometers, dem Fotodetektor als Strahlungsdetektor des Spektro meters, der als Messsignal ein Reflektionsspektrum des Messob jekts ausgibt, und
0 der integrierten Schaltung als Auswertungseinheit für das vom Fotodetektor ausgegebene Reflektionsspektrum.
Man erhält so ein Spektrometer, das extrem kompakt ist, und dennoch eine komplexe Analyse eine Messobjekts ermöglicht. Zu dem kommt das Spektrometer mit einer einzigen Lichtquelle aus,5 welche trotzdem ein breites Lichtspektrum abdeckt.
Dies ermöglicht die Integration der Messeinheit in ein Mobil telefon, eine Armbanduhr, ein sonstiges tragbares Endgerät oder ein Kleidungsstück bzw. in ein sogenanntes „wearable" .
0
Definitionen
In der vorliegenden Anmeldung werden mehrere Fachbegriffe ver wendet, die im Folgenden genauer definiert werden:
5
A) Mehrbändiges Licht
Unter mehrbändigem Licht versteht man Licht, welches ein Spekt rum aufweist, dass mehrere getrennte Spektrallinien hat. Im0 Gegensatz dazu hat monochromatisches Licht ein Spektrum mit nur einer einzigen Spektrallinie. Mehrbändiges Licht unterscheidet sich von breitbandigem Licht dadurch, dass breitbandiges Licht ein kontinuierliches Spektrum hat, ähnlich einem schwarzen Strahler. Mehrbändiges Licht hat zumindest zwei getrennte Spekt5 rallinien. Mehrbändiges Licht kann auch drei oder mehr getrennte Spektrallinien haben.
B) Chip scale package Unter Chip Scale Package (CSP) versteht man ein Gehäuse eines integrierten elektronischen Bauelements, dessen Größe mit der Größe des im Gehäuse beherbergten Chip vergleichbar ist. In der vorliegenden Anmeldung spricht man von einem CSP-Gehäuse, wenn das Verhältnis C/G der Chipfläche C zur Gehäusefläche G größer gleich 0,8 ist: C/G > 0,8. Wenn der Chip ein LED-Chip ist, kann man als Vergleichsgröße auch die Licht emittierende Lichtfläche L des LED-Chips anstatt der Chipfläche C verwenden. Dann gilt für ein LED-Bauelement , dass es ein CSP-Bauelement ist, wenn L/G > 0,8 ist.
Kurze Figurenbeschreibung
Es werden nun bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung mit Bezug auf die Zeichnungen beschrieben. Dabei zeigen:
Figur 1 eine erste Variante einer erfindungsgemäßen Messeinheit; und
Figur 2 eine zweite Variante einer erfindungsgemäßen Messein heit .
Detaillierte Beschreibung bevorzugter Ausführungsformen
In der folgenden Beschreibung werden unter Bezugnahme auf die Zeichnungen beispielhafte Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung beschrieben. Die Zeichnungen sind dabei nicht notwen digerweise maßstabsgetreu, sondern sollen die jeweiligen Merk male lediglich schematisch illustrieren.
Dabei ist zu beachten, dass die nachstehend beschriebenen Merk male und Komponenten jeweils miteinander kombiniert werden kön nen, unabhängig davon, ob sie in Zusammenhang mit einer einzigen Ausführungsform beschrieben worden sind. Die Kombination von Merkmalen in den jeweiligen Ausführungsformen dient lediglich der Veranschaulichung des grundsätzlichen Aufbaus und der Funk tionsweise der beanspruchten Vorrichtung. Die in den beiden Figuren gezeigten Messeinheiten 100, 200 die nen zur optischen Messung mindestens einer Eigenschaft eines Messobjekts M. Bei dem Messobjekt M kann es sich um unterschied liche Gegenstände handeln. Das Messobjekt M kann zum Beispiel ein Lebensmittel sein oder auch die menschliche Haut oder ein Metall oder eine sonstige Substanz. Durch den Einsatz der Mes seinheit 100, 200 kann ein Nutzer Informationen über die Eigen schaften des Messobjekts M gewinnen. Wenn es sich zum Beispiel bei dem Objekt um ein Lebensmittel handelt, kann der Nutzer mittels der Messeinheit Informationen über dessen Inhaltsstoffe bekommen. Wenn es sich bei dem Objekt um eine Substanz handelt, kann man mittels der Messeinheit 100, 200 Informationen über dessen Zusammensetzung gewinnen.
Die Messeinheit 100, 200 gewinnt Informationen über das Mess objekt M, indem sie Licht E auf das Messobjekt M wirft, das vom Messobjekt zurückgeworfene Licht Q erfasst und anhand dessen Beschaffenheit Rückschlüsse auf die Eigenschaften des Messob jekts M zieht.
Die Messeinheit 100, 200 ist eine mikroelektronische Baugruppe. Sie ist dazu bestimmt, als Teil eines elektronischen Geräts verbaut zu werden. Die Messeinheit 100, 200 ist üblicherweise nicht größer als ein Fingernagel.
Es wird nun mit Bezug auf die Figur 1 eine erste Variante 100 einer erfindungsgemäßen Messeinheit beschrieben.
Die Messeinheit 100 umfasst ein Licht emittierendes LED-Bauele- ment 102, einen Fotodetektor 104, sowie einen integrierten Schaltkreis 106.
Im vorliegenden Beispiel sind das LED-Bauelement 102 und der Fotodetektor 104 auf dem integrierten Schaltkreis nebeneinander angeordnet. Sowohl das LED-Bauelement 102 als auch der Fotode tektor 104 sitzen also mit ihrer Unterseite auf der integrierten Schaltung 106. Genauer gesagt sind das LED-Bauelement 102 und der Fotodetektor 104 auf dem integrierten Schaltkreis 106 be festigt. Sie können dort zum Beispiel aufgeklebt sein. Der Auf bau gemäß Figur 1 kann auch als „Chip on IC" bezeichnet werden. Demnach sind das LED-Bauelement 102, der Fotodetektor 104 und
5 der integrierte Schaltkreis 106 zu einer integrierten Einheit zusammengefasst .
Das Licht emittierende LED-Bauelement 102 umfasst ein Gehäuse 108 sowie einen im Gehäuse befindlichen LED-Chip 110. Das Ge0 häuse 108 nimmt eine Grundfläche G ein. Der LED-Chip 110 umfasst eine Licht emittierende Lichtfläche L. Erfindungsgemäß ist das Verhältnis L/G der Lichtfläche L zur Gehäusefläche G größer gleich 0,8. Somit handelt es sich bei dem LED-Bauelement 102 um ein sogenanntes Chip-Scale-Package- oder auch CSP-Bauelement .5 Dies bedeutet, dass das Gehäuse 108 des LED-Bauelements 102 nur unwesentlich größer als der LED-Chip 110 ist.
Bevorzugt umfasst der LED-Chip 110 eine blaue LED. D. h., dass der LED-Chip 110 dazu eingerichtet ist, blaues Licht zu emit0 tieren .
Das LED-Bauelement 102 besitzt außerdem eine im Gehäuse ange ordnete und über dem LED-Chip 110 befindliche Licht-Konversi onsschicht 112. Die Konversionsschicht 112 deckt hier die ge5 samte Lichtfläche L des LED-Chips 110 ab. Dadurch wird das gesamte vom LED-Chip 110 ausgesandte blaue Licht konvertiert. Die Konversionsschicht 112 ist derart ausgewählt, dass sie das vom LED-Chip 110 ausgesandte blaue Licht in mehrbändiges Licht umwandelt. Vorzugsweise wandelt die Konversionsschicht 112 das0 blaue Licht in mehrbändiges Infrarotlicht um. Das erhaltene Infrarotlicht kann z.B. drei Spektrallinien aufweisen. Das Inf rarotlicht besteht dann vorzugsweise aus drei Infrarot-Kompo nenten: eine erste Komponente im nahen Infrarotbereich, eine zweite Komponente im mittleren Infrarotbereich und eine dritte5 Komponente im fernen Infrarotbereich. Der Fotodetektor 104 dient zur Detektion von von dem Messobjekt M zurückgeworfenem Licht Q. Dieses Licht Q stammt ursprünglich von dem LED-Bauelement 102.
Der Fotodetektor 104 kann an den integrierten Schaltkreis 106 ein Messsignal ausgeben, welches von den Charakteristika des reflektierten Lichts Q abhängt. Der Fotodetektor 104 ist dazu eingerichtet, eine Spektralzerlegung des zurückgeworfenen Lichts Q vorzunehmen. Der Fotodetektor 104 kann als Satz von Fotodioden, Photomultipliern oder Fototransistoren verwirklicht sein .
Der integrierte Schaltkreis 106 dient zur Auswertung des vom Fotodetektors gelieferten Messsignals. Der integrierte Schalt kreis 106 kann analog oder digital arbeiten.
Mit Bezug auf die Figur 2 wird nun eine zweite Variante 200 einer erfindungsgemäßen Messeinheit beschrieben. Die Messein heit 200 weist ebenfalls ein LED-Bauelement 202, einen Fotode tektor 204 und einen integrierten Schaltkreis 206 auf. Sie un terscheidet sich von der ersten Variante 100 gemäß Figur 1 lediglich dadurch, wie die drei Bauteile 202, 204 und 206 zu einander angeordnet sind. Die andere Anordnung ergibt sich bei der zweiten Variante 200 durch ein vorgesehenes Substrat S. Das LED-Bauelement 202, der Fotodetektor 204 und der integrierte Schaltkreis 206 sind über das Substrat S zu einer integrierten Einheit zusammengefasst. Dabei sind das LED-Bauelement 202, der Fotodetektor 204 und der integrierte Schaltkreis 206 nebenei nander angeordnet. Der Fotodetektor 204 sitzt zwischen dem LED- Bauelement 202 und dem integrierten Schaltkreis 206. Die drei Bauelemente 202, 204 und 206 sind in das Substrat S eingebettet. Im gezeigten Beispiel schließen das LED-Bauelement 202, der Fotodetektor 204 und der integrierte Schaltkreis 206 bündig mit dem Substrat S ab.
Bevorzugt besteht das Substrat S aus einer Zusammensetzung auf Epoxidharz-Basis . Die erfindungsgemäßen Messeinheiten 100, 200 können insbeson dere als Spektrometer in einem Mobiltelefon, in einer Armbanduhr oder in einem sonstigen tragbaren Endgerät eingesetzt werden. Die Funktionsweise ist dann wie folgt:
Wir nehmen an, dass die Messeinheit 100, 200 in ein Mobiltelefon integriert ist. Ein Nutzer des Mobiltelefons kann dann die Mes seinheit 100, 200 aktivieren und auf ein zu vermessendes Objekt M ausrichten.
Der LED-Chip 110 emittiert dann blaues Licht, welches durch die Konversionsschicht 112 in mehrbändiges Licht E umgewandelt wird. Dieses mehrbändige Licht E verlässt dann das LED-Bauelement 102, 202 in Richtung des Messobjekts M. Von dort wird es in Richtung des Fotodetektors 104, 204 zurückgeworfen. Der Fotodetektor 104, 204 erfasst das Reflexionsspektrum Q. Dieses wird dann vom in tegrierten Schaltkreis 106, 206 ausgewertet. Je nach Art des
Spektrums lassen sich Rückschlüsse über Eigenschaften des Mess objekts M ziehen.
Da das LED-Bauelement 102 mehrbändiges Licht emittiert, erhält man auch ein informativeres Reflexionsspektrum vom Messobjekt M. Ein solches über einen ganzen Wellenlängenbereich verteiltes Reflexionsspektrum birgt deutlich mehr Informationen über das Messobjekt M als ein Reflexionssignal, welches man über eine monochromatische Lichtquelle erhält.
BEZUGSZEICHENLISTE
100, 200 MESSEINHEIT
102, 202 LED-BAUELEMENT
104, 204 FOTODETEKTOR
106 206 INTEGRIERTE SCHALTKREIS
108 GEHÄUSE
110 LED-CHIP
112 LICHTKONVERSIONSSCHICHT
M MESSOBJEKT
EMITTIERTES MEHRBÄNDIGES LICHT
Q REFLEKTIERTES LICHT/REFLEXIONSSPEKTRUM
LICHTFLACHE DES LED-CHIPS
G GRUNDFLÄCHE DES GEHÄUSES
SUBSTRAT

Claims

ANSPRÜCHE
1. Messeinheit (100, 200) zur optischen Messung mindestens einer Eigenschaft eines Messobjekts (M) , wobei die Mess einheit folgendes umfasst:
a) ein lichtemittierendes LED-Bauelement (102, 202) um fassend:
i) ein Gehäuse (108), wobei das Gehäuse eine Gehäuse fläche G einnimmt; und
ii) einen im Gehäuse befindlichen LED-Chip (110), wo bei der LED-Chip eine Licht emittierende Lichtfläche L umfasst;
b) einen Fotodetektor (104, 204) zur Detektion von von dem Messobjekt (M) zurückgeworfenem Licht, welches von dem LED-Bauelement stammt, und zur Ausgabe eines von der Detektion abhängigen Messsignals; und
c) einen integrierten Schaltkreis (106, 206) zur Auswer tung des vom Fotodetektor (104, 204) gelieferten Mess signals,
wobei das LED-Bauelement (102, 202), der Fotodetektor
(104, 204) und der integrierte Schaltkreis (106, 206) zu einer integrierten Einheit zusammengefasst sind, gekennzeichnet :
durch eine im Gehäuse (108) angeordnete und über dem LED- Chip (110) befindliche Konversionsschicht (112), welche das vom LED-Chip (110) ausgesandte Licht in mehrbändiges Licht (E) umwandelt; und
dadurch, dass das Verhältnis L/G der Lichtfläche L zur Gehäusefläche G größer gleich 0,8 ist.
2. Messeinheit (100, 200) nach Anspruch 1,
wobei der LED-Chip (110) dazu eingerichtet ist, blaues Licht zu emittieren.
3. Messeinheit (100) nach Anspruch 1 oder 2,
wobei das LED-Bauelement (102) und der Fotodetektor (104) auf dem integrierten Schaltkreis (106) angeordnet sind.
4. Messeinheit (100) nach Anspruch 3,
wobei das LED-Bauelement (102) und der Fotodetektor (104) nebeneinander auf dem integrierten Schaltkreis (106) an geordnet sind.
5
5. Messeinheit (200) nach Anspruch 1 oder 2,
wobei die Messeinheit ferner ein Substrat (S) umfasst und das LED-Bauelement (202), der Fotodetektor (204) und der integrierte Schaltkreis (206) über das Substrat zu einer0 integrierten Einheit zusammengefasst sind.
6. Messeinheit (200) nach Anspruch 5,
wobei das LED-Bauelement (202), der Fotodetektor (204) und der integrierte Schaltkreis (206) nebeneinander an-5 geordnet sind, wobei vorzugsweise der Fotodetektor zwi schen dem LED-Bauelement und dem integrierten Schaltkreis angeordnet ist.
7. Messeinheit (200) nach Anspruch 5 oder 6,
0 wobei das LED-Bauelement, der Fotodetektor und der inte grierte Schaltkreis in das Substrat (S) eingebettet sind.
8. Messeinheit (200) nach Anspruch 7,
wobei das LED-Bauelement, der Fotodetektor und/oder der5 integrierte Schaltkreis bündig mit dem Substrat (S) ab schließen .
9. Messeinheit (200) nach einem der Ansprüche 5 bis 8,
wobei das Substrat (S) aus einer Zusammensetzung auf Epo0 xidharz-Basis besteht.
10. Messeinheit (100, 200) nach einem der vorherigen Ansprü che ,
wobei die Konversionsschicht (112) die gesamte Lichtflä-5 che L abdeckt.
11. Messeinheit (100, 200) nach einem der vorherigen Ansprü che , wobei die Messeinheit ein Spektrometer ist, mit:
dem LED-Bauelement (102, 202) als Lichtquelle des
Spektrometers ,
dem Fotodetektor (104, 204) als Strahlungsdetektor des Spektrometers, der als Messsignal ein Reflektions- spektrum des Messobjekts ausgibt, und
der integrierten Schaltung (106, 206) als Auswertungs einheit für das vom Fotodetektor ausgegebene Reflek- tionsSpektrum.
12. Tragbares Endgerät, wie z.B. ein Mobiltelefon oder eine Armbanduhr, mit einer Messeinheit (100, 200) nach einem der vorherigen Ansprüche.
PCT/EP2019/075040 2018-09-19 2019-09-18 Kompakte mehrbandige optische messeinheit WO2020058346A1 (de)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
US17/277,993 US11598667B2 (en) 2018-09-19 2019-09-18 Compact multi-band optical measuring unit

Applications Claiming Priority (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
DE102018123037.0A DE102018123037A1 (de) 2018-09-19 2018-09-19 Kompakte mehrbandige optische messeinheit
DE102018123037.0 2018-09-19

Publications (1)

Publication Number Publication Date
WO2020058346A1 true WO2020058346A1 (de) 2020-03-26

Family

ID=67997634

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
PCT/EP2019/075040 WO2020058346A1 (de) 2018-09-19 2019-09-18 Kompakte mehrbandige optische messeinheit

Country Status (3)

Country Link
US (1) US11598667B2 (de)
DE (1) DE102018123037A1 (de)
WO (1) WO2020058346A1 (de)

Families Citing this family (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20230326726A1 (en) * 2022-04-07 2023-10-12 Applied Materials, Inc. Optical spectrum sensor wafer or robot for chamber condition monitoring

Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2017060746A1 (en) 2015-10-05 2017-04-13 Dia-Vit Ltd. Device for non-invasive measurement of blood sugar level
WO2017217801A1 (ko) * 2016-06-17 2017-12-21 삼성전자 주식회사 휴대 장치 및 이를 이용한 피부 수화도 측정 방법
US20180145205A1 (en) * 2016-11-18 2018-05-24 Lite-On Opto Technology (Changzhou) Co., Ltd. Optical biosensor module and method for making the same

Family Cites Families (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE102008021662A1 (de) * 2008-04-30 2009-11-05 Ledon Lighting Jennersdorf Gmbh LED mit Mehrband-Leuchtstoffsystem
KR101565988B1 (ko) * 2009-10-23 2015-11-05 삼성전자주식회사 적색형광체, 그 제조방법, 이를 이용한 발광소자 패키지, 조명장치
US9322756B2 (en) * 2014-02-21 2016-04-26 Maxim Integrated Products, Inc. Nondispersive infrared micro-optics sensor for blood alcohol concentration measurements
US20170261425A1 (en) * 2016-03-14 2017-09-14 Analog Devices, Inc. Optical evaluation of skin type and condition
JP2019039738A (ja) * 2017-08-24 2019-03-14 セイコーエプソン株式会社 光学モジュール及び電子機器
EP3546902B1 (de) * 2018-03-29 2021-01-27 ams Sensors Germany GmbH Multispektraler sensor und verfahren zur multispektralen lichterfassung

Patent Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2017060746A1 (en) 2015-10-05 2017-04-13 Dia-Vit Ltd. Device for non-invasive measurement of blood sugar level
WO2017217801A1 (ko) * 2016-06-17 2017-12-21 삼성전자 주식회사 휴대 장치 및 이를 이용한 피부 수화도 측정 방법
US20180145205A1 (en) * 2016-11-18 2018-05-24 Lite-On Opto Technology (Changzhou) Co., Ltd. Optical biosensor module and method for making the same

Also Published As

Publication number Publication date
US11598667B2 (en) 2023-03-07
US20210348967A1 (en) 2021-11-11
DE102018123037A1 (de) 2020-03-19

Similar Documents

Publication Publication Date Title
EP2270451B1 (de) Farbmessgerät
DE4434168B4 (de) Vorrichtung und Verfahren zur Messung und Auswertung von spektralen Strahlungen und insbesondere zur Messung und Auswertung von Farbeigenschaften
DE2739585C2 (de) Spektrophotometer
EP2011092B1 (de) Vorrichtung und verfahren zur optischen untersuchung von wertdokumenten
EP3321649A1 (de) Beleuchtungseinheit für ein mikrospektrometer, mikrospektrometer und mobiles endgerät
EP2505973A2 (de) Handfarbmessgerät
WO2011072863A1 (de) Spektralsensor zur prüfung von wertdokumenten
DE3706252A1 (de) Halbleiterfotosensor
WO2020058346A1 (de) Kompakte mehrbandige optische messeinheit
EP3084397B1 (de) Atr-infrarotspektrometer
DE4009509A1 (de) Spektrometer mit photodetektoranordnung zur detektion gleichfoermiger bandbreitenintervalle
EP3404380B1 (de) Verfahren und vorrichtung zum kalibrieren eines mikrospektrometermoduls
EP1650589B1 (de) Mikroskop mit einer Vorrichtung zur Erkennung optischer Bauteile
DE102009046740B3 (de) Vorrichtung und Verfahren zum Lokalisieren von modulierten, optischen Strahlungsquellen
DE102019205512B4 (de) Vorrichtung und verfahren zur auswertung von spektralen eigenschaften eines messobjekts
DE102005025848B3 (de) Optische Messvorrichtung und Verwendung der Messvorrichtung zur Messung von Beschichtungen auf organischer- und/oder Polymer-Basis
DE202006014856U1 (de) Elektrogerät, insbesondere Haushaltgerät mit optisch arbeitendem Eingabeelement
DE112019005521T5 (de) Fotosensoren für die farbmessung
EP1887332A1 (de) Farbmesskopf
DE102016108040B4 (de) Beleuchtungseinrichtung für Gestenerkennungsvorrichtung
DE102023000154B3 (de) Vorrichtung für das Recycling diffuser elektromagnetischer Strahlung
DE112022001930T5 (de) Optisches modul
DE112004001453T5 (de) Photometer
DE102017200356A1 (de) Verfahren zur Analyse eines Messbereichs und Miniaturspektrometer
DE19835094A1 (de) Vorrichtung zur Spektralmessung von Objekten

Legal Events

Date Code Title Description
121 Ep: the epo has been informed by wipo that ep was designated in this application

Ref document number: 19770074

Country of ref document: EP

Kind code of ref document: A1

NENP Non-entry into the national phase

Ref country code: DE

122 Ep: pct application non-entry in european phase

Ref document number: 19770074

Country of ref document: EP

Kind code of ref document: A1