DE10120937C2 - Optosensor - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen Optosensor umfassend eine Lichtquelle, die einen Halbleiterchip mit einer auf einer Frontseite angeordneten Elektrode als Leuchtdiode und eine dem Halbleiterchip zugeordnete Abbildungsoptik zur Er­ zeugung eines detektierenden Lichtstrahls aufweist, ein Detektor zum Erfassen der Intensität des detektierenden Lichtstrahls und eine mit dem Detektor ver­ bundene Auswerteschaltung zum Erzeugen eines elektrischen Sensorsignals.

Optosensoren im Sinne dieser Anmeldung sind Lichtschranken und Lichttaster sowie Sonderbauformen derselben, wie beispielsweise Reflexionstaster in allen Geometrien.

Unter Leuchtdiode im Sinne dieser Anmeldung sind lichtemittierende Halb­ leiterdioden (LED) zu verstehen, die nichtkohärente Strahlung emittieren, das heißt keine Halbleiterlaser sind, jedoch Superstrahler und Hyperstrahler sein können.

Derartige Optosensoren sind aus dem Stand der Technik wie beispielsweise der EP 0 827 214 A1 bekannt. Bei diesen Optosensoren ist die auf der Front­ seite angeordnete Elektrode mittig auf der Frontseite angeordnet und das von der Leuchtdiode erzeugte Licht tritt aus einem um die Elektrode herum verlaufenden Bereich der Frontseite aus dem Halbleiterchip aus.

Eine derartige Anordnung der Elektrode auf der Frontseite des Halbleiterchips hat jedoch den Nachteil, daß auch bei einer Abbildungsoptik mit einem großen Durchmesser die Detektionsempfindlichkeit und/oder Auflösung des Opto­ sensors für viele Anwendungen nicht ausreichend ist.

Aus der US 5,945,041 bzw. der EP 0 827 214 A1 ist ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Herstellen von Linsen mikrooptischer Systeme bekannt. Fer­ ner ist aus diesen Druckschriften ein Lichtsender-/Lichtempfängersystem mit einem Lichtsenderelement und/oder einem Lichtempfängerelement bekannt, wobei das Lichtsenderelement und/oder das Lichtempfängerelement eine un­ geschliffene Linsenfläche aufweist, die von einem Linsengußmaterial gebildet ist und auf deren Randlinie zwei beliebig gewählte Randlinienpunkte einen Ab­ stand von höchstens 5 mm aufweisen; ferner ist eine Fassung vorgesehen, die das Linsengußmaterial trägt und an der eine umlaufende Kante gebildet ist, entlang der die Randlinie der Linsenfläche verläuft. Weiterhin ist ein Opto­ element vorgesehen, das bei dem Lichtsenderelement ein Lichtemitter ist und bei dem Lichtempfängerelement ein Lichtsensor ist.

Aus der US 5,105,239 ist ein optischer Sensor vom reflektierenden Typ be­ kannt, welcher ein Gehäuse mit einem ersten und zweiten Aufnahmebereich aufweist. Ein Lichtemitter ist dabei in dem ersten Aufnahmebereich aufge­ nommen und ein Lichtempfänger in dem zweiten Aufnahmebereich. Ein erstes Fenster ist in dem Gehäuse gebildet, um Licht von dem Lichtemitter durchzu­ lassen. Ein zweites Fenster, welches eine kleinere Fläche aufweist als das erste Fenster, ist in dem Gehäuse gebildet, um Licht von dem Lichtemitter zu dem Lichtempfänger durchzulassen.

Aus der EP 0 108 484 B1 ist eine Linsenkappe zur Verwendung in Verbindung mit einer Strahlungsemitter oder -detektorvorrichtung bekannt, welche eine eine Emitter- oder Detektorvorrichtung aufnehmende Zone definierende Ein­ fassung aufweist sowie eine mit dieser eine Einheit bildende Linse aufweist. Die Einfassung hat dabei zumindest zwei federnde Finger, die sich von der Linse fort erstrecken und zur Aufnahme und zum Halten der Vorrichtung zwischen ihnen am Brennpunkt der Linse relativ abspreizbar sind. Die federnden Finger weisen beidseitig divergierende Nockenflächen für ein Auseinanderspeizen in Folge des Einsetzens der Vorrichtung in die Zone quer zu den Fingern auf.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, einen möglichst empfindlichen Optosensor zu schaffen.

Diese Aufgabe wird bei einem Optosensor der eingangs beschriebenen Art er­ findungsgemäß dadurch gelöst, daß die Elektrode auf der Frontseite des Halb­ leiterchips radial außerhalb eines zusammenhängenden Lichtaustrittsflecks der Frontseite des Halbleiterchips angeordnet ist und daß die Abbildungsoptik so auf den Lichtaustrittsfleck abgestimmt ist, daß aus dem aus diesem austreten­ den Licht ein kollimierter Lichtstrahl mit einem Öffnungswinkel von weniger als 3° entsteht.

Der Vorteil der erfindungsgemäßen Lösung ist darin zu sehen, daß durch die Anordnung der Elektrode auf der Frontseite des Halbleiterchips radial außer­ halb des Lichtaustrittsflecks die Möglichkeit eröffnet wurde, einen Licht­ austrittsfleck zu erhalten, welcher möglichst nahe der optischen Achse liegt und somit günstig kollimierbar ist. Damit läßt sich mit der Abbildungsoptik in einfacher Weise ein kollimierter Licht­ strahl mit einem Öffnungswinkel von weniger als 3° erzeugen, selbst wenn die Abbildungsoptik einen geringen Durchmesser aufweist.

Besonders geeignet ist die erfindungsgemäße Lösung dabei für Optosensoren mit sogenannten Miniaturoptiken, welche vorzugs­ weise einen Durchmesser von weniger als 5 mm aufweisen und somit sich selbst in begrenzten räumlichen Verhältnissen optimal anordnen lassen.

Darüber hinaus schafft der sehr kleine erreichbare Öffnungs­ winkel des detektierenden Lichtstrahls die Möglichkeit, mit dem Optosensor trotz geringer optischer Leistung über relativ große Distanzen zu detektieren, wobei einerseits die räum­ liche Detektionsempfindlichkeit hoch bleibt und andererseits auch ausreichend Licht für den Detektor zur Verfügung steht, damit der erfindungsgemäße Optosensor optimal arbeitet.

Eine besonders günstige Lösung sieht vor, daß der Öffnungs­ winkel des Lichtstrahls kleiner als 2° ist. Noch besser ist es, wenn der Öffnungswinkel des Lichtstrahls kleiner als 1,5° ist.

Hinsichtlich der Anordnung und Form der Elektroden auf der Frontseite wurden im Zusammenhang mit der bisherigen Erläute­ rung der einzelnen Ausführungsbeispiele keine näheren Angaben gemacht. So ist es beispielsweise denkbar, die Elektroden als punktförmige Elektroden außerhalb des Lichtaustrittsflecks anzuordnen.

Eine besonders günstige Lösung sieht jedoch vor, daß die Elektrode auf der Frontseite des Halbleiterchips den Licht­ austrittsfleck umschließt und somit als flächige, den Licht­ austrittsfleck umgebende Elektrode ausgebildet ist.

Hinsichtlich der Form des Lichtaustrittsflecks selbst wurden im Zusammenhang mit der bisherigen Erläuterung der einzelnen Ausführungsbeispiele ebenfalls keine näheren Angaben gemacht. So ist es zur möglichst günstigen Abbildung des aus dem Lichtaustrittsfleck austretenden Lichts von Vorteil, wenn der Lichtaustrittsfleck einen zu der optischen Achse des Licht­ strahls symmetrische Form aufweist.

Noch besser ist es, wenn der Lichtaustrittsfleck eine zu der optischen Achse rotationssymmetrische Form aufweist.

Eine besonders günstige Lösung sieht vor, daß der Licht­ austrittsfleck ein im wesentlichen kreisrunder Fleck ist.

Hinsichtlich der Ausbildung der Abbildungsoptik wurden im Zusammenhang mit der bisherigen Erläuterung der einzelnen Ausführungsbeispiele keine näheren Angaben gemacht. So wäre es beispielsweise denkbar, die Abbildungsoptik aus einem vor­ gefertigten Linsensystem herzustellen, das in geeignetem Abstand vom Halbleiterchip angeordnet ist.

Eine besonders günstige Lösung sieht vor, daß die Abbildungs­ optik aus einer formbaren Masse gebildet ist und somit sich in einfacher Weise eine Abstimmung der Abbildungsoptik auf die Verhältnisse des Halbleiterchips erreichen läßt.

Eine mechanisch besonders stabile Lösung sieht dabei vor, daß die Abbildungsoptik den Halbleiterchip zumindest teilweise einbettet.

Besonders günstige optische Verhältnisse lassen sich dann erreichen, wenn die die Abbildungsoptik bildende Masse sich unmittelbar an den Lichtaustrittsfleck anschließt.

Ferner läßt sich eine mechanisch besonders robuste Konstruk­ tion erreichen, wenn die die Abbildungsoptik bildende Masse die Elektrode auf der Frontseite des Halbleiterblocks ein­ bettet.

Im einfachsten Fall ist dabei die Abbildungsoptik aus einer Epoxydharzmasse gebildet, so daß sich die Abbildungsoptik den Halbleiterchip unmittelbar einbettend gießen und formen läßt.

Hinsichtlich der optischen Eigenschaften der Abbildungsoptik, insbesondere wenn diese aus einer formbaren Masse ist, sieht eine vorteilhafte Lösung vor, daß die Abbildungsoptik eine koaxial zur optischen Achse angeordnete Linsenoberfläche auf­ weist.

Zu der Ausbildung der Abbildungsoptik selbst wurden im Zusammenhang mit den bisherigen Ausführungsbeispielen keine näheren Angaben gemacht. So sieht eine besonders günstige Lösung vor, daß die Abbildungsoptik einen Durchmesser von kleiner als 5 mm aufweist, so daß sogenannte Miniaturoptiken verwendet werden können.

Besonders günstig ist es dabei, wenn der von dem detektieren­ den Lichtstrahl durchsetzte Bereich der Abbildungsoptik einen Durchmesser von weniger als 3 mm aufweist.

Noch besser ist es, wenn der von dem detektierenden Licht­ strahl durchsetzte Bereich der Abbildungsoptik einen Durch­ messer von weniger als 2 mm aufweist, da damit in vorteil­ hafter Weise Optosensoren in Miniaturbauweise herstellbar sind.

Auch hinsichtlich des Lichtaustrittsflecks hat es sich als vorteilhaft erwiesen, wenn dieser nicht all zu groß ausge­ bildet ist. So hat es sich als besonders günstig erwiesen, wenn der Lichtaustrittsfleck eine Ausdehnung in alle Rich­ tungen von weniger als 200 µm aufweist. Noch besser ist es, wenn der Lichtaustrittsfleck eine Ausdehnung in alle Rich­ tungen von weniger als 100 µm aufweist.

In allen vorstehend genannten Fällen lassen sich mit Minia­ turoptiken hervorragend gering divergente detektierende Lichtstrahlen bilden.

Vorteilhaft ist eine Lösung, bei welcher der detektierende Lichtstrahl im Querschnitt keine Intensitätseinbrüche auf­ weist, wobei es besonders zweckmäßig ist, wenn die Inten­ sitätsverteilung näherungsweise homogen ist.

Hinsichtlich des Verhältnisses des Durchmessers der Ab­ bildungsoptik zu der Ausdehnung des Lichtaustrittsflecks in alle Richtungen wurden bislang keine näheren Angaben gemacht.

So ist es für die erfindungsgemäßen Verhältnisse besonders günstig, wenn der Durchmesser der Abbildungsoptik kleiner als das 30-fache der Ausdehnung des Lichtaustrittsflecks in alle Richtungen ist.

Hinsichtlich der Arbeitsweise der erfindungsgemäßen Opto­ sensoren wurden im Zusammenhang mit der bisherigen Beschrei­ bung der einzelnen Ausführungsbeispiele keine näheren Angaben gemacht.

So sieht ein vorteilhaftes Ausführungsbeispiel des erfin­ dungsgemäßen Optosensors vor, daß der detektierende Licht­ strahl eine Lichtschranke bildet. Diese Lösung ist im Rahmen mit der erfindungsgemäßen Lösung besonders vorteilhaft, da der gering divergente oder nahezu nicht divergente kolli­ mierte detektierende Lichtstrahl die Möglichkeit eröffnet, eine sich über große Strecken erstreckende Lichtschranke zu bilden, wobei die Unterbrechung der Lichtschranke durch das Objekt im wesentlichen unabhängig von der Position des Objekts in Längsrichtung der Lichtschranke ist.

Eine derartige Lichtschranke kann in Durchstrahlrichtung arbeiten oder als Reflexionslichtschranke mit einem einen Teil des Optosensors bildenden Reflektor.

Eine andere Arbeitsweise eines erfindungsgemäßen Optosensors sieht vor, daß der detektierende Lichtstrahl zwei in einem Winkel zueinander verlaufende Äste aufweist, nämlich einen ersten, auf das Objekt auftreffenden Ast und einen zweiten Ast, welcher durch Reflexion des ersten Astes am Objekt gebildet wird.

Ein derartiger Optosensor arbeitet vorzugsweise so, daß die beiden Äste in einem Winkel zueinander verlaufen und sich in einem Detektionsbereich schneiden, das heißt, daß dann, wenn das Objekt in den Detektionsbereich eindringt, der zweite Ast durch Reflexion des ersten Astes am Objekt entsteht und somit das reflektierte Licht durch den Detektor nachgewiesen werden kann.

Besonders vorteilhaft ist diese Lösung eines erfindungs­ gemäßen Optosensors, wenn dieser dabei außerhalb des Detek­ tionsbereichs liegende Bereiche ausblendet, wobei eine der­ artige Ausblendung, beispielsweise eine Vordergrunds- und/oder Hintergrundsausblendung einfach durch geeignete Justierung der Abbildungsoptik und des Halbleiterchips zuein­ ander sowie der Abbildungsoptik und des Detektors zueinander realisierbar ist.

Ein anderes vorteilhaftes Ausführungsbeispiel eines Opto­ sensors mit zwei in einem Winkel zueinander verlaufenden Ästen des detektierenden Lichtstrahls sieht vor, daß der Detektor als ein die Position des reflektierten Astes erfassender Detektor ausgebildet ist und somit der reflek­ tierte Ast nicht ein exakt, beispielsweise durch die Geometrie festgelegter Ast ist, sondern unterschiedliche reflektierte Äste auf den Detektor auftreffen und von diesem detektiert werden können, wobei der Detektor nicht nur die Intensität detektiert, sondern auch die Lage des Intensitäts­ schwerpunktes detektieren und somit die reflektierten Äste je nach ihrer Lage unterscheiden kann.

Ein derartiger Detektor ist entweder als positionsempfind­ liche Fotodiode ausgebildet oder als Mehrfachdiode, bei­ spielsweise Doppeldiode.

Mit einem derartigen Detektor läßt sich entweder eine aktive Ausblendung des außerhalb eines erwünschten Detektions­ bereichs liegenden Bereichs durch geeignete elektronische Signalverarbeitung erreichen oder es ist möglich, mit einem derartigen Detektor den Optosensor als Näherungsschalter zu betreiben und die unterschiedliche Lage der Intensitäts­ schwerpunkte auf dem Detektor in ein Signal umzuwandeln, welches ein Maß für den Abstand des Objekts von dem Halb­ leiterchip oder dem Detektor darstellt.

Vorzugsweise emittiert der Halbleiterchip im sichtbaren Spek­ tralbereich, beispielsweise im roten Spektralbereich.

Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung sind Gegenstand der nachfolgenden Beschreibung sowie der zeichnerischen Dar­ stellung eines Ausführungsbeispiels.

In der Zeichnung zeigen:

Fig. 1 eine schematische Darstellung eines ersten Aus­ führungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Opto­ sensors;

Fig. 2 eine vergrößerte Darstellung eines Halbleiter­ chips des erfindungsgemäßen Optosensors durch vergrößerte Darstellung des Ausschnitts A in Fig. 3;

Fig. 3 einen Längsschnitt durch eine Einheit aus Abbil­ dungsoptik und Halbleiterchip des erfindungs­ gemäßen Optosensors;

Fig. 4 eine schematische Ansicht eines zweiten Ausfüh­ rungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Opto­ sensors und

Fig. 5 eine schematische Darstellung eines dritten Aus­ führungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Opto­ sensors.

Ein erstes Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Opto­ sensors, dargestellt in Fig. 1, umfaßt eine Lichtquelle 10, welche durch eine Ansteuerelektronik 12 betreibbar ist und divergente Strahlung 14 emittiert, aus welcher durch eine Abbildungsoptik 16 ein detektierender Lichtstrahl 18 formbar ist.

Der detektierende Lichtstrahl 18 wird entweder unmittelbar von einem Detektor 20 detektiert oder, wie in Fig. 1 darge­ stellt, durch eine Abbildungsoptik 22 auf den Detektor 20 fokussiert.

Der Detektor 20 ist vorzugsweise ebenfalls ein Halbleiter­ detektor und mit einer Auswerteschaltung 24 verbunden, welche an einem Ausgang 26 ein Ausgangssignal liefert, das anzeigt, ob, und in welchem Umfang der detektierende Lichtstrahl 18 durch ein zu detektierendes Objekt 28 unterbrochen ist.

Die bei dem erfindungsgemäßen Optosensor eingesetzte Licht­ quelle 10 umfaßt, wie in Fig. 2 dargestellt, einen Halb­ leiterchip 30, welcher üblicherweise in Leuchtdioden, das heißt LEDs verwendet wird und eine Kantenlänge von weniger als 500 µm, vorzugsweise in der Größenordnung von ungefähr 200 bis ungefähr 400 µm aufweist.

Ein derartiger Halbleiterchip 30 ist auf einer Rückseite 32 mit einer Kontaktschicht 34 versehen, mit welcher er auf einem Träger 36 fixiert und durch diesen Träger 36 einerseits elektrisch kontaktiert ist.

Nahe einer der Rückseite 32 gegenüberliegenden Frontseite 42 ist der Halbleiterchip 30 mit einer dotierten Schicht 40 ver­ sehen, welche durch eine auf der Frontseite 42 angeordnete Elektrode 44 kontaktiert ist.

Die Elektrode 44 erstreckt sich dabei von einem Außenrand 46 der Frontseite 42 über die Frontseite 42 bis zu einem Rand 48 eines Lichtaustrittsflecks 50, der vorzugsweise in einem mittigen Bereich auf der Frontseite 42 angeordnet ist und insbesondere die Form eines kreisrunden Flecks aufweist, so daß der Rand 48 näherungsweise eine Kreislinie um einen Mittelpunkt 52 des Lichtaustrittsflecks 50 darstellt.

Vorzugsweise ist dabei der Lichtaustrittsfleck 50 als zusammenhängende, das heißt sich ohne Unterbrechung vom Mittelpunkt 52 bis zum Rand 48 erstreckende Fläche ausge­ bildet, wobei der Rand 48 bei bevorzugten Ausführungsformen rotationssymmetrisch zum Mittelpunkt 52, im dargestellten Ausführungsbeispiel als Kreislinie zum Mittelpunkt 52, ver­ läuft.

Aus diesem Lichtaustrittsfleck 50 tritt dann symmetrisch zu einer optischen Achse 54, welche durch den Mittelpunkt 52 verläuft und senkrecht auf der Frontseite 42 steht, die divergente Strahlung 14 aus.

Um aus der divergenten Strahlung 14 den detektierenden Licht­ strahl 18 zu formen, welcher vorzugsweise als kollimierter, das heißt näherungsweise parallel zur optischen Achse 54 ver­ laufender Lichtstrahl ausgebildet ist, ist die Abbildungs­ optik 16 als Linse aus einem gehärtetem flüssigen Medium, beispielsweise Epoxydharz ausgebildet, welches eine harte Masse 58 bildet, die sich ausgehend vom Träger 36 bis zu einer Linsenoberfläche 56 erstreckt und dabei den Halbleiter­ chip 30 im Bereich seiner Seitenflächen 60 und der gesamten Frontseite 42 einschließlich der Elektrode 44 und einer zur Elektrode 44 geführten Anschlußleitung 62 einbettet, so daß sich die Masse 58 auch unmittelbar an den Lichtaustrittsfleck 50 anschließt und sich die divergente Strahlung 14 in der Masse 58 bis zur Linsenoberfläche 56 ausbreitet.

Eine derartige Abbildungsoptik 16 ist dabei vorzugsweise so hergestellt wie in der europäischen Patentanmeldung 0 827 214 beschrieben, auf welche vollinhaltlich Bezug genommen wird.

Der Lichtaustrittsfleck 50 weist vorzugsweise einen Durch­ messer D auf, welcher kleiner als 200 µm, beispielsweise 150 µm, oder noch besser kleiner als 100 µm, beispielsweise 50 µm, ist. Mit einem derart kleinen begrenzten, und homogen ausgeleuchteten Lichtaustrittsfleck 50 läßt sich mittels der Abbildungsoptik 16 ein detektierender Lichtstrahl 18 mit einem Divergenzwinkel W, bezüglich der optischen Achse 54 erreichen, welcher kleiner als 3°, noch besser kleiner als 1,5° bei einem Lichtaustrittsfleck von 150 µm und kleiner als 1° bei einem Lichtaustrittsfleck von 50 µm ist.

Dabei hat der detektierende Lichtstrahl 18 und somit der ent­ sprechende Teil der von diesem durchsetzten Abbildungsoptik 16 einen Durchmesser DL von beispielsweise ungefähr 2 mm oder weniger.

Der erfindungsgemäße Optosensor erlaubt somit eine sehr empfindliche Detektion der Position des zu detektierenden Objekts 28 dadurch, daß der detektierende Lichtstrahl 18 einen geringen Durchmesser aufweist und außerdem eine geringe Divergenz, so daß eine Meßstrecke MS, über welche die posi­ tionsgenaue Erfassung des Objekts 28 erfolgen kann, sehr groß gewählt werden kann, da aufgrund der geringen Divergenz des detektierenden Lichtstrahls 18 die positionsgenaue Erfassung des Objekts 28 über eine große Meßstrecke MS möglich ist und andererseits noch ausreichend Licht am Detektor 20 für eine zuverlässige Messung und somit eine zuverlässige Funktion des Optosensors zur Verfügung steht.

Bei einem zweiten Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Optosensors, dargestellt in Fig. 4, sind diejenigen Teile, die mit denen des ersten Ausführungsbeispiels identisch sind, mit denselben Bezugszeichen versehen, so daß hinsichtlich deren Beschreibung auf die Ausführungen zum ersten Ausfüh­ rungsbeispiel verwiesen werden kann.

Auch beim zweiten Ausführungsbeispiel ist eine Lichtquelle 10 vorgesehen, deren divergente Strahlung 14 von der Abbildungs­ optik 16 zu einem detektierenden Lichtstrahl 18 kollimiert wird, welcher sich in Richtung der optischen Achse 54 aus­ breitet.

Im Gegensatz zum ersten Ausführungsbeispiel arbeitet der Optosensor gemäß Fig. 4 in einer sogenannten V-Anordnung, bei welcher der detektierende Lichtstrahl 18 einen ersten Ast 18a aufweist, der sich längs eines ersten Astes 54a der optischen Achse 54 von der Abbildungsoptik 16 bis zu einem Detektions­ bereich 70 erstreckt, in welchem das sich in den Detektions­ bereich 70 bewegende Objekt 28 erkennbar ist.

Von dem Detektionsbereich 70 erstreckt sich ein zweiter Ast 18b des detektierenden Lichtstrahls 18 längs eines zweiten Astes 54b der optischen Achse 54 in Richtung des Detektors 20 und wird auf diesen durch die Abbildungsoptik 22 fokussiert.

Die beiden Äste 18a und 18b des detektierenden Lichtstrahls 18 verlaufen dabei in einem V-Winkel VW relativ zueinander, der größer als 0° und kleiner als 180° ist, vorzugsweise im Bereich von ungefähr 10° bis ungefähr 50° liegt.

Der Detektionsbereich 70 ist dabei definiert durch den Bereich, in welchem sich die Äste 18a und 18b des detek­ tierenden Lichtstrahls 18 überlappen, wobei in dem Ast 18b des detektierenden Lichtstrahls so lange keine Intensität vorhanden ist, so lange nicht das Objekt 28 den Detektions­ bereich 70 erreicht und somit Licht aus dem ersten Ast 18a des detektierenden Lichtstrahls 18 in den zweiten Ast 18b reflektiert wird.

Der Vorteil des Optosensors gemäß dem zweiten Ausführungs­ beispiel ist darin zu sehen, daß dieser nur in einem sehr kleinen räumlichen Bereich, nämlich dem Detektionsbereich 70 empfindlich ist und somit nicht auf Objekte reagiert, die sich außerhalb des Detektionsbereichs 70 bewegen. Damit erfolgt eine sehr effektive Vordergrund- und Hintergrundaus­ blendung.

Die Empfindlichkeit einer derartigen V-Anordnung ist jedoch wesentlich bestimmt durch eine möglichst geringe Divergenz des Astes 18a des detektierenden Lichtstrahls 18, die dazu führt, daß einerseits der Detektionsbereich 70 möglichst kleine Abmessungen aufweist, andererseits aber auch ein aus­ reichend großer Teil der Intensität des Astes 18a des Licht­ strahls 18 in den Ast 18b dann reflektiert wird, wenn das zu detektierende Objekt 28 den Detektionsbereich 70 erreicht hat und in diesen eingedrungen ist.

Damit eignet sich die erfindungsgemäße Lösung, welche einen kollimierten detektierenden Strahl mit einer sehr geringen Divergenz erzeugt, in besonderer Weise für den Aufbau des Optosensors mit Lichtquelle 10 und Detektor 20 sowie detek­ tierendem Lichtstrahl 18 in der sogenannten V-Anordnung, wobei die Lichtquelle 10 und der Detektor 20 entweder in dem­ selben Gehäuse oder in getrennten Gehäuse angeordnet sein können.

Bei einem dritten Ausführungsbeispiel, dargestellt in Fig. 5, sind diejenigen Teile, die mit denen der voranstehenden Aus­ führungsbeispiele identisch sind, mit denselben Bezugszeichen versehen, so daß auf die Ausführungen und Erläuterungen im Zusammenhang mit den voranstehenden Ausführungsbeispielen vollinhaltlich Bezug genommen werden.

Im Gegensatz zum zweiten Ausführungsbeispiel ist bei dem dritten Ausführungsbeispiel der Detektor 20' als sogenannter positionsempfindlicher Detektor ausgebildet, welcher in der Lage ist, nicht nur den zweiten Ast 18b zu detektieren, der durch das Objekt 28 in einer vorgesehenen, zu erfassenden Position erzeugt wird, sondern der Detektor 20' ist auch in der Lage, den zweiten Ast 18b' des Lichtstrahls 18 zu detek­ tieren, welcher durch ein Objekt 28' erzeugt wird, das näher bei der Lichtquelle 10 liegt.

Andererseits ist der Detektor 20' auch in der Lage, den zweiten Ast 18b" zu detektieren, welcher von einem Objekt 28" erzeugt wird, das noch weiter entfernt ist von der Licht­ quelle 10 als das Objekt 28.

Diese Möglichkeit, unterschiedliche Äste 18b, 18b' und 18b" des detektierenden Lichtstrahls 18 zu erfassen und aufgrund der unterschiedlichen Lage als verschiedene reflektierte Äste 18b, 18b', 18b" getrennt zu erkennen, läßt sich in unter­ schiedlichster Weise ausnutzen. Beispielsweise kann die Auswerteschaltung 24' so ausgebildet sein, daß sie als sogenannte elektronische Hintergrundausblendung arbeitet, das heißt all diejenigen Signale nicht berücksichtigt, die von zweiten reflektierten Ästen 18b', 18b" stammen, die nicht mit dem zweiten Ast 18b identisch sind, der von dem Objekt 28' in der als für eine Detektion gewünscht definierten Position reflektiert wird.

Beispielsweise läßt sich durch Differenzbildung, beispiels­ weise durch Subtraktion der Signale der zweiten Äste 18b' und 18b" von dem Signal 18b, noch zusätzlich ein farb- und objektunabhängiges Signal erzeugen, das sehr spezifisch nur auf das Objekt 28 in der gewünschten Position reagiert.

Hierzu wird vorzugsweise eine positionsempfindliche Fotodiode oder eine Mehrfachdiode, beispielsweise eine Doppeldiode, als Detektor 20' verwendet.

Eine andere Möglichkeit sieht vor, diesen Optosensor als Abstandssensor zu betreiben, welcher in der Lage ist, die unterschiedliche Lage der Intensitätsschwerpunkte durch die Auswerteschaltung 24' zu erfassen und auszuwerten und somit zu erkennen, ob das Objekt als Objekt in der Position des Objekts 28 oder der Position des Objekts 28' oder der Position des Objekts 28" oder dazwischenliegenden Positionen steht, so daß innerhalb eines Meßbereichs eine sehr genaue Auflösung der Position möglich ist, in welcher sich das Objekt 28 beispielsweise relativ zur Lichtquelle 10 oder relativ zum Detektor 20' befindet.

Claims (23)

1. Optosensor umfassend eine Lichtquelle (40), die einen Halbleiterchip (30) mit einer auf einer Frontseite (42) angeordneten Elektrode (44) als Leuchtdiode und eine dem Halbleiterchip (30) zugeordnete Abbildungsoptik (16) zur Erzeugung eines detektierenden Lichtstrahls (18) auf­ weist, einen Detektor (20) zum Erfassen der Intensität des detektierenden Lichtstrahls (18) und eine mit dem Detektor (20) verbundene Auswerteschaltung (24) zum Erzeugen eines elektrischen Sensorsignals, dadurch gekennzeichnet, daß die Elektrode (44) auf der Frontseite (42) des Halbleiter­ chips (30) radial außerhalb eines zusammenhängenden Lichtaustrittsflecks (50) der Frontseite (42) des Halb­ leiterchips (30) angeordnet ist und daß die Abbildungs­ optik (16) so auf den Lichtaustrittsfleck (50) abge­ stimmt ist, daß aus dem aus diesem austretenden Licht (14) ein kollimierter Lichtstrahl (18) mit einem Öffnungswinkel (W) von weniger als 3° entsteht.

2. Optosensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Divergenz des Lichtstrahls (18) kleiner 2° ist.

3. Optosensor nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Divergenz des Licht­ strahls (18) kleiner 1,5° ist.

4. Optosensor nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Elektrode (44) auf der Frontseite (42) des Halbleiterchips (30) den Licht­ austrittsfleck (50) umschließt.

5. Optosensor nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Lichtaustrittsfleck (50) eine zu der optischen Achse (54) des Lichtstrahls (18) symmetrische Form aufweist.

6. Optosensor nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Lichtaustrittsfleck (50) eine zu der optischen Achse (54) rotationssymmetrische Form aufweist.

7. Optosensor nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Lichtaustrittsfleck (50) ein im wesentlichen kreisrunder Fleck ist.

8. Optosensor nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Abbildungsoptik (16) aus einer formbaren Masse (58) gebildet ist.

9. Optosensor nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Abbildungsoptik (16) den Halbleiterchip (30) zumindest teilweise einbettet.

10. Optosensor nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die die Abbildungsoptik (16) bildende Masse (58) sich unmittelbar an den Lichtaustrittsfleck (50) anschließt.

11. Optosensor nach Anspruch 9 oder 10, dadurch gekennzeich­ net, daß die die Abbildungsoptik (16) bildende Masse (58) die Elektrode (44) auf der Frontseite (42) des Halbleiterchips (30) einbettet.

12. Optosensor nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Abbildungsoptik (16) aus einer Epoxydharzmasse gebildet ist.

13. Optosensor nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Abbildungsoptik (16) eine koaxial zur optischen Achse (54) angeordnete Linsenoberfläche (56) aufweist.

14. Optosensor nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Abbildungsoptik (16) einen Durchmesser von kleiner 5 mm aufweist.

15. Optosensor nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der von dem detektierenden Lichtstrahl (18) durchsetzten Bereich der Abbildungs­ optik (16) einen Durchmesser (DL) von weniger als 3 mm aufweist.

16. Optosensor nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, daß der von dem detektierenden Lichtstrahl (18) durchsetzten Bereich der Abbildungsoptik (16) einen Durchmesser (DL) von weniger als 2 mm aufweist.

17. Optosensor nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Lichtaustrittsfleck (50) eine Ausdehnung (D) in alle Richtungen von weniger als 200 µm aufweist.

18. Optosensor nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Lichtaustrittsfleck (50) eine Ausdehnung (D) in alle Richtungen von weniger als 100 µm aufweist.

19. Optosensor nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Durchmesser der Ab­ bildungsoptik (16) kleiner als das 30-fache der Aus­ dehnung (D) des Lichtaustrittsflecks (50) in alle Rich­ tungen ist.

20. Optosensor nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der detektierende Licht­ strahl (18) eine Lichtschranke bildet.

21. Optosensor nach einem der Ansprüche 1 bis 19, dadurch gekennzeichnet, daß der detektierende Lichtstrahl (18) zwei in einem Winkel (VW) zueinander verlaufende Äste (18a, 18b) aufweist, welche sich in einem Detektions­ bereich (70) schneiden.

22. Optosensor nach Anspruch 21, dadurch gekennzeichnet, daß der Optosensor außerhalb des Detektionsbereichs (70) liegende räumliche Bereiche ausblendet.

23. Optosensor nach Anspruch 21 oder 22, dadurch gekenn­ zeichnet, daß der Detektor ein die Position des reflek­ tierten Astes (18b, 18b', 18b") erfassender Detektor (20') ist.