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DE8500013U1 - Optisches Sender- oder Detektorbauelement mit variabler Abstrahl- bzw. Empfangscharakteristik - Google Patents

Optisches Sender- oder Detektorbauelement mit variabler Abstrahl- bzw. Empfangscharakteristik

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DE8500013U1
DE8500013U1 DE8500013U DE8500013U DE8500013U1 DE 8500013 U1 DE8500013 U1 DE 8500013U1 DE 8500013 U DE8500013 U DE 8500013U DE 8500013 U DE8500013 U DE 8500013U DE 8500013 U1 DE8500013 U1 DE 8500013U1
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Germany
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light
optical transmitter
detector component
curves
chip
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Siemens AG
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Description

Siemens Aktiengesellschaft Unser Zeichen Berlin und München VPA 35 G 1 O O2 OE
Optisches Sender- oder Detektorbau-ilement mit variabler Abstrahl- bzw. Empfangscharakteristik
Die Neuerung betrifft ein optisches Sender- oder Detektorbauelement mit einer Umhüllung, deren Lichteintritts- und/oder Lichtaustrittsflächen einer angestrebten Abstrahl- oder Empfangscharakteristik angepaßt sind.
Bei Videorekordern wird, sobald das Videobandende erreicht ist, zur Abschaltung des Wickelmotors eine Licht- schranke eingesetzt. Am Ende des Videobandes ist zu diesem Zweck ein Stück des Videoband6a transparent. Aufgrund dieser Konstruktion wird über die Lichtschranke der Wikkelmotor auch dann abgeschaltet, wenn das Videoband reißen sollte.
Lichtschranken werden auch in Verbindung mit Codierungsscheiben verwendet. Auf diese Weise können beispielsweise Ortsangaben mit hoher Genauigkeit gemacht werden,
Eine Abstrahlung von Licht in mehrere Raumrichtungen oder einem Empfang von Licht aus mehreren Raumrichtungen ist beispielsweise auch bei einer Anordnung von zwei oder mehr kontaktlosen Schaltern erforderlich.
Bisher wurde für jede Abstrahlrichtung bzw. für jede Empfangsrichtung ein eigens ausgerichteter optischer Sender bzw. ein eigens ausgerichteter optischer Empfänger verwendet, so daß der Gesamtaufbau für eine Anordnung mit mehr als einer Abstrahlrichtung bzw. für mehr als eine Empfangsrichtung elektrisch aufwendig und montagetech-
My 1 Dx / 04.01.1985
85 G 1 O O 2 OE
- 2 - VPA
nisch kostenintensiv ist. Hierbei beträgt auch der Raumbedarf immer ein Vielfaches desjenigen Raumes, dessen ein optischer Einzelsender bzw. ein optischer Einzelempfänger bedarf.
i Aus der DE-OS 27 33 937 ist ein optisches Senderbauele- ί ment mit einer Umhüllung bekannt, deren Lichteintritts- und/oder Lichtaustrittsflächen einer angestrebten Abstrahlcharakteristik angepaßt sind. Bei festinstallierten '£ Übertragungsstrecken, wie sie z. B. bei der Fernsehüber- I tragung von der Antennendose zum Fernsehschirm oder bei | Stereoanlagen vom Steuergerät zu den Lautsprecherboxen | vorliegen, ist dadurch eine stärkere Strahlbündelung zwi- t sehen einem einzigen optischen Sender und einem einzigen ■:'< optischen Empfänger möglich. Dadurch müssen von der Signalquelle nicht mehr so hohe Leistungen aufgebracht werden, um Lichtsignale sicher übertragen zu können. Dadurch wird bei gleicher Leistung der Signalquelle ein größerer Rauschabstand am Empfangsort erzielt. Auch für den Signalempfänger kann auf diese Weise die Empfangscharakteristik angepaßt werden, da hierdurch gegebenenfalls Stör- ,,: licht besser ausgeblendet werden kann. Mit einem solchen v] bekannten optischen Bauelement kann jedoch Licht immer £ nur zwischen einem einzigen optischen Sender und einem $
einzigen optischen Empfänger gebündelt werden. si
Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, 1
ein optisches Sender- oder Detektorbauelement der ein- | gangs genannten Art anzugeben, mit dem ein gerichtetes ^ Abstrahlen in oder ein gerichteter Empfang aus zwei oder mehreren Raumrichtungen je nach Wahl und je nach den jeweils erforderlichen Richtcharakteristiken mit nur einem einzigen optischen Sender bzw. nur einem einzigen optischen Empfänger möglich ist.
j _ 3 - VPA 85 G 1 O O 2 OE
! Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß
die Lichteintritts- und/oder Lichtaustrittsflächen linsenförmige Kurven zur Abstrahlung von Licht in oder zum Empfang von Licht aus zwei oder mehr Raumrichtungen aufweisen. Eine stärkere Strahlbündelung kann dadurch erzielt werden, daß die Lichteintritts- und/oder Lichtaustrittsflächen reflektierende Kurven aufweisen.
Ein Bauelement nach der Erfindung ist für alle diejenigen
f 10 Zwecke anwendbar, bei denen Strahlung in mehrere Raum-,; richtungen abgestrahlt oder aus mehreren Raumrichtungen
empfangen werden soll.
'. Bei einem Bauelement nach der Erfindung sind Einrichtun-
gen für definierte, voneinander getrennte Abstrahlung in mehr als eine Raumrichtung bzw. für den Empfang aus zwei oder mehr definierten, voneinander getrennten Raumrichtungen in einem einzigen Bauelement integriert. Die definierten, voneinander getrennten Raumrichtungen können dabei beispielsweise in einer Ebene senkrecht zu den Anschlußpins des optischen Senders bzw. des optischen Empfängers angeordnet sein. Die definierten, voneinander ge-
; trennten aaumrichtungen können jedoch auch in nahezu be-
$ liebiger Weise im dreidimensionalen Raum angeordnet sein.
25 Diese Raumrichtungen sind dabei nicht einmal auf den obe-
ren Halbraum beschränkt.
Wichtig für die Erfindung ist eine optisch geeignete Form der Bauteileumhüllung. Das Bauelement kann besonders einfach dadurch hergestellt werden, daß die Umhüllung aus einer Vergußmasse besteht. In diesem Fall ist die optische Form derjenigen Fläche, über die das Licht aus der Umhüllung austritt, von besonderer Bedeutung.
Die Herstellung eines in mehrere Richtungen abstrahlenden optischen Senderbauelementes bzw. eines aus mehreren Richtungen empfangenden Detektorbauelementes (Multi-
- H - VPA 85 G 1 O O 2 OE
Viewing-Diode) ist hierbei in herkömmlicher LED-Mont· igetechnologie möglich. Dies ermöglicht Herstellungskosten für ein erfindungsgemäßes Bauelement wie für eine Einzelleuchtdiode.
5
In einer Normalausführung kann für ein optisches Senderbauelement ein Lambert-Strahler-Chip verwendet werden. In einer Hochleistungsausführung kann ein zweiseitig gerichtet abstrahlender Chip, z. B. eine Laserdiode oder eine Kantenemitter-Leuchtdiode (LED) usw., für ein optisches Senderbauelement verwendet werden.
Für ein optisches Detektorbauelement kann ein geeigneter Fotodiodenchip wie z. B. eine Differentialfotodiode usw.
verwendet werden. Damit wird das Bauelement zum Detektor, der aus definierten Raumrichtungen, z. B. aus zwei entgegengesetzten, miteinander einen Winkel von 180° aufweisenden Raumrichtungen, genau definierte hohe Fotoempfindlichkeit besitzt.
Bei einem Bauelement nach der Erfindung kann der Verguß der Umhüllung so geformt sein, daß bei Verwendung einer Kantenemitter-Leuchtdiode praktisch die gesamte Strahlungsleistung, d. h. sowohl die Grundflächenemission alj
auch die Kantenemission, in zwei unter 180° zueinander ausgerichteten schmalen Lichtbündeln abgestrahlt wird.
Wenn die Umhüllung nicht vergossen ist, sondern wenn zwischen dem Senderchip bzw. dem Empfängerchip und der Umhüllung ein Hohlraum oder ein sonstiges Material mit einem andersartigen Brechungsindex vorhanden is-t, so ist nicht nur die Lichtaustrittsfläche der Umhüllung, sondern auch zumindest die Lichteintrittsfläche der Umhüllung von Bedeutung. Eine entsprechend andere Formgebung der Oberflächen der Umhüllung ist für den Fachmann nach Kenntnis der Lehre dieser Erfindung ohne weiteres möglich.
- 5 - VPA 65 G 1 O O 2 D€
Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt und wird im folgenden näher beschrieben:
Fig. 1 zeigt verschiedene Schnitte durch ein zweiseitig strahlendes optisches Senderbauelement.
Fig. 2 erläutert die Ausgestaltung der R .flektorkurven der Umhüllung.
Fig. 3 erläutert die linsenförmigen Kurven der Umhüllung. Fig. 4 zeigt die erreichbare Abstrahlcharakteristik eines zweiseitig strahlenden optischen Senderbauelementes.
Fig. 1 zeigt ein zweiseitig strahlendes optisches Bauelement bzw. ein zweiseitig empfangendes optisches Detektorbauelement. Ein optischer Senderchip SE bzw. ein optischer Empfängerchip SE besitzt die beiden Halterungselemente 1, 2 mit den elektrischen Zuführungen. Die Umhüllung U des Bauelementes besitzt reflektierende Kurven R 1, R 2 der Lichtaustrittsfläche, die entweder das von außen aaf das Bauelement einfallende Licht auf den Detektorchip SE hin reflektieren oder die das vom Senderchip SE emittierte Licht in Richtungen senkrecht zur Achse OA hin reflektieren. Der Senderchip SE bzw. der Detektorchip SE ist möglichst zentral auf der Achse OA angeordnet.
Die Ebene senkrecht zur Achse OA, in der sich der Chip SE befindet, ist durch die beiden Halbachsen A, B aufgespannt. In Ebenen, die parallel zu der durch die Halbachsen A, B aufgespannten Ebene sind, besitzt die Umhüllung U des Bauelementes linsenförmige Kurven L 1, L 2. Diese linsenförmigen Kurven L 1, L 2 tragen in Verbindung mit den reflektierenden Kurven R 1, R 2 dazu bei, entweder das von außen auf das Bauelement einfallende Licht auf den Detektorchip SE hin zu bündeln oder das vom Senderchip SE emittierte Licht und das von den reflektierenden
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Kurven R 1, R 2 reflektierte Licht auf zwei Raumrichtungen hin zu bündeln. Eine dieser beiden Raumrichtungen zeigt in Richtung der Halbachse A, die andere dieser beiden Raumrichtungen weist einen Winkel von l80° zur HaIbachse A auf.
Fig. 2 erläutert die refIe!.tierenden Kurven R 1, R 2 der Umhüllung U. Die reflektierenden Kurven R 1, R 2 erhält man dann, wenn man das Bauelement mit derjenigen Ebene schneidet, die von der Achse OA und von der Halbachse A aufgespannt wird. Die beiden reflektierenden Kurven R 1, R 2 weisen an der Achse OA miteinander einen Winkel von 90° auf. Die reflektierenden Kurven R 1, R 2 sind so konstruiert, daß dasjenige Licht, das vom Senderchip SE auf eine der beiden reflektierenden Kurven R 1, R 2 trifft, parallel bzw. antiparallel zur Halbachse A das Bauelement verläßt. Entsprechend gilt, daß die reflektierenden Kurven R 1, R 2 so konstruiert sind» daß parallel bzw. antiparallel zur Halbachse A auf das Bauelement einfallendes Licht, das von den reflektierenden Kurven R 1, R 2 reflektiert und gegebenenfalls an den linsenförmigen Kurven gebrochen wird, auf den Empfängerchip SE auftrifft. Dabei wird davon ausgegangen, daß die Vergußmasse der Umhüllung U einen Brechungsindex η von 1.51 aufweist. Die Kurven R 1, R 2 können mit diesen Angaben und mit den jedem Fachmann bekannten Gesetzen der Optik sofort angegeben werden.
Fig. 3 zeigt die Form der linsenförmigen Kurven L 1, L 2 für eine Abbildung ohne Ö'ffnungsfehler. Wenn das Bauelement mit Ebenen geschnitten wird, die entweder durch die Halbachsen A, B aufgespannt sind oder die parallel zu der durch die Halbachsen A, B aufgespannten Ebene sind, weist die Umhüllung U linsenförmige Kurven L 1, L 2 auf. Befindet sich ein Punktstrahler innerhalb eines Mediums mit einer Brechzahl n> 1, und grenzt dieses Medium an Luft an, so werden alle innerhalb eines begrenzten Raumwinkels
- 7 - VPA 85 G 1 O O 2 DE
von dem Punktstrahler ausgehenden Strahlen in ein Parallelstrahlbündel in Luft umgewandelt, wenn die Grenzfläche
"i ein Rotationsellipsoid darstellt und wenn der Punktstrah-
fj ler sich im abgewandten Brennpunkt dieses Rotationsellip-
ψ 5 soids befindet. Wenn die Umhüllung U keine reflektierenden Kurven, sondern nur linsenförmige Kurven aufweist,
S stellt die Umhüllung U praktisch zwei Rotationsellipsoide
;| dar, die entlang derjenigen Ebene, die von der Achse OA
und von der Halbachse B aufgespannt wird, aneinander an-
§ 10 gefügt worden sind. Der Punktstrahler SE bzw. der Punktempfänger SE befindet sich dabei jeweils im abgewandten Brennpunkt der beiden Rotationsellipsoide. Die Lagetoleranz für den Mittelpunkt des Chips SE liegt bei Infrarotstrahlung innerhalb eines Kreises von 0,20 mm Radius um die Achse OA herum. Die azimutale Verdrehung des Chips SE sollte 10° nicht übersteigen. Die für einen zentralen Punktstrahler berechnete Vergußform sollte in der Länge positiv toleriert werden.
Fig. 4 zeigt die Ab3trahlcharakteristik eines zweiseitig strahlenden Senderbauelementes nach Fig. 1. Für die Berechnung des Strahlungsdiagramms des realen Chips SE mit einer endlichen Kantenlänge wird der Punktstrahler durch eine lineare Anordnung mehrerer Punktstrahler entlang der Kanten des Chips SE ersetzt. Für jeden Punkt werden die einzelnen, in den Halbraum (Halbebene) ausgesandten Strahlen unter Berücksichtigung ihrer Richtung (Lambert'sches Kosinus-Gesetz) und ihrer Brechung an der Oberfläche des Vergußkörpers verfolgt.
30
Als Brechzahl η des Vergußkörpers wurde 1,51 angenommen. Die Vergußlänge in Richtung der Hauptstrahlrichtungen betrage fünf Einheiten, die Seitenlänge des Strahlers betrage 0,34 Einheiten. Die große Halbachse a der Ellipse in der A-B-Ebene betrage 1.504 Einheiten, die kleine
85 G 1 O O 2 DE
Halbachse b in der A-B-Ebene betrage 1.1269. Der Abstand des Brennpunktes zum Mittelpunkt der Ellipsen in der A-B-Ebene betrage 0.996 Einheiten.
Der Ausschnitt C in Fig. 4 gibt die Lage des Chips SE wieder. Die angegebenen Hauptstrahlungswinkel S 1, S 2 entsprechen dem über den jeweiligen zugehörigen Halbraum gemittelten Strahlungsschwerpunkt. Der Maximalstrahlungswinkel ist derjenige Winkel,, unter dem die höchste Intensität innerhalb eines Winkels von 1° abgestrahlt wird. Diese Intensität, bezogen auf die Summe der in di'? gleiche Richtung weisenden Strahlerkanten wird als relative Maximalstrahlstärke bezeichnet und entspricht dem Radius des äußeren Kreises des Strahlungsdiagramms (Normierung 100 %). Der innere Kreis entspricht einer Normierung von 50 Jt. Die gemittelte relative Strahlstärke in Achsrichtung stellt den Mittelwert der bezogenen Strahlstärken in einem Winkelbereich von ^5° um die mit S 1, S 2 gekennzeichnete Soll-Strahlungsrichtung dar. Dieser Wert dürfte hauptsächlich für die Beurteilung der zu erwartenden Empfängerleistung von Bedeutung sein.
Die relative Maximalstrahlstärke beträgt beim Diagramm nach Fig. 4 0.0235. Die gemittelte relative Strahlstärke in Achsrichtung beträgt beim Diagramm nach Fig. 4 0.0208.
Bei einem optischen Bauelement nach Fig. 1 treten zwei stark gebündelte Lichtstrahlen parallel bzw. antiparallel zur Halbachse A aus dem optischen Bauelement aus.
Soll das Bauelement in mehr als zwei Raumrichtungen abstrahlen bzw. aus mehr als zwei Raumrichtungen empfangen, ist die Umhüllung U so zu gestalten, iaß sie für jede dieser Raumrichtung wirksame linsenförmige Kurven und gegebenenfalls zusätzlich reflektierende Kurven aufweist. Beispielsweise können mehrere Rotationsellipsoidteile
- 9 - VPA 85 G 1 O O 2 DE
entsprechend Fig. 1 so zusammengefügt wurden, daß der Chip SE für jedes Rotationsellipsoid im hinteren Brennpunkt angeoordnet ist.
4 Figuren
7 "frAnspruche

Claims (7)

  1. fc-
    - io - VPA 85 G 1 O O 2 OE
    Φ Schutzansprüche
    |ί 1. Optisches Sender- oder Detektorbauelement mit einer
    Umhüllung (U), deren Lichteintritts- und/oder Lichtaus-5 trittsflächen einer angestrebten Abstrahl- oder Empfangs-
    ίζ charakteristik angepaßt sind, dadurch g e -
    ΐ kennzeichnet, daß die Lichteintritts-
    |i und/oder Lichtaustrittsflächen linsenförmige Kurven (L 1,
    >, L 2) zur Abstrahlung von Licht in oder zum Empfang von
    % 10 Licht aus zwei oder mehr Raumrichtungen aufweisen.
  2. 2. Optisches Sender- oder Detektorbauelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Lichteintritts- und/oder Lichtaustrittskurven reflektierende Kurven (R 1, R 2) zur stärkeren Strahlbündelung aufweisen.
  3. 3. Optisches Sender- oder Detektorbauelement nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch einen Lambert-Strahler-Chip zur Abstrahlung von Licht.
  4. 4. Optisches Sender- oder Detektorbauelement nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch einen zweiseitig gerichtet abstrahlenden Chip zur Abstrahlung von Licht.
  5. 5. Optisches Sender- oder Detektorbauelement nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch einen Fotodiodenchip zum Empfang von Licht.
    30
  6. 6. Optisches Sender- oder Detektorbauelement nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet , daß die Umhüllung (U) vergossen ist.
    _ ii - VPA 85 G 1 O O 2 OE
  7. 7. Optisches Sender- oder Detektorbauelement nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet , daß die Umhüllung (U) einen Hohlraum einschließt.
DE8500013U 1985-01-04 1985-01-04 Optisches Sender- oder Detektorbauelement mit variabler Abstrahl- bzw. Empfangscharakteristik Expired DE8500013U1 (de)

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DE8500013U DE8500013U1 (de) 1985-01-04 1985-01-04 Optisches Sender- oder Detektorbauelement mit variabler Abstrahl- bzw. Empfangscharakteristik
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