DE20201132U1 - Optoelectronic device - Google Patents
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Description
SICKAG
Sebastian-Kneipp-Straße 1, 79183 WaldkirchSICKAG
Sebastian-Kneipp-Strasse 1, 79183 Waldkirch
Optoelektronische VorrichtungOptoelectronic device
Die Erfindung betrifft eine optoelektronische Vorrichtung mit einem optischen Sende- und/oder Empfangselement.The invention relates to an optoelectronic device with an optical transmitting and/or receiving element.
Derartige Vorrichtungen können beispielsweise Laserscanner sein, die nach einem Lichtlaufzeitverfahren arbeiten. Von einer Laserdiode wird ein Lichtpuls ausgesandt, der bzw. dessen Reflex nach einer gewissen Laufzeit mittels einer Photodiode gemessen wird. Aus der Laufzeit können beispielsweise Entfernungen bestimmt werden.Such devices can be, for example, laser scanners that work according to a time-of-flight method. A laser diode emits a light pulse, which or its reflection is measured after a certain time of flight using a photodiode. Distances can be determined from the time of flight, for example.
Ein allgemeines Problem bei solchen optoelektronischen Vorrichtungen besteht in der elektromagnetischen Verträglichkeit (EMV). Dies gilt insbesondere für auf Lichtlaufzeit basierende Messverfahren, wegen der direkten EMV-Beeinflussung der Photodiode. Das Problem kann noch dadurch verstärkt werden, wenn wegen besonderer Vorschriften das Gehäuse der optoelektronischen Bauteile nicht an die externe Masse angebunden werden darf.A general problem with such optoelectronic devices is electromagnetic compatibility (EMC). This is particularly true for measurement methods based on time of flight, because of the direct EMC influence of the photodiode. The problem can be exacerbated if, due to special regulations, the housing of the optoelectronic components cannot be connected to the external ground.
Die EMV-Beeinflussung ergibt sich durch die Einkopplung elektromagnetischer Wellen in die Photodiode und/oder deren Anschlussdrähten und/oder Bonddrähten. Eine Photodiode mit beispielsweise ca. 3 mm langen Bonddrähten wirktThe EMC influence results from the coupling of electromagnetic waves into the photodiode and/or its connecting wires and/or bonding wires. A photodiode with, for example, approximately 3 mm long bonding wires acts
~ '* "*"· 24.01.02~ '* "*"· 24.01.02
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insbesondere bei Verwendung eines hochohmigen Transimpedanzverstärkers wie eine aktive Empfangsantenne im Kurzwellenbereich. Dabei nimmt die „Antenne" mit sehr kleiner Länge elektromagnetische Wellen auf. Die kleine Antennenspannung wird mit einem hochohmigen Verstärker abgenommen und aktiv an einen Wellenwiderstand von 50 &OHgr; angepasst. Beispielsweise bei einer „Antennenlänge von ca. 3 mm liegen die einkoppelnden Störfrequenzen bei ca. 300 MHz.especially when using a high-impedance transimpedance amplifier such as an active receiving antenna in the shortwave range. The "antenna" with its very short length picks up electromagnetic waves. The small antenna voltage is picked up by a high-impedance amplifier and actively adjusted to a characteristic impedance of 50 Ω. For example, with an "antenna length" of approx. 3 mm, the interference frequencies that are coupled in are approx. 300 MHz.
Zur Lösung des EMV-Problems wurde gemäß der DE 195 15 365 C2 vorgeschlagen, die EMV-empfindlichen Bauteile über einen Lichtleiter mit dem optischen Messbereich zu verbinden und die EMV-empfindlichen Bauteile in einer ungestörten Umgebung unterzubringen. Dies hat den Nachteil, dass über einen Lichtleiter viel Lichtleistung verloren geht, so dass manche Anwendungen nicht mehr möglich sind und dass der Einbau von Lichtleitern sehr aufwändig ist, da Einkoppel- und Auskoppeloptiken notwendig sind.To solve the EMC problem, it was proposed in accordance with DE 195 15 365 C2 to connect the EMC-sensitive components to the optical measuring area via a light guide and to accommodate the EMC-sensitive components in an undisturbed environment. This has the disadvantage that a lot of light power is lost via a light guide, so that some applications are no longer possible and that the installation of light guides is very complex because coupling and decoupling optics are necessary.
Des weiteren ist es bekannt, auf das Glas von Photodioden eine elektrisch leitfähige, jedoch lichtdurchlässige Schicht aufzubringen. Eine sogenannte ITO-Schicht (Indium Tin Oxide) hat derartige Eigenschaften. Durch die Leitfähigkeit werden störende elektromagnetische Wellen gedämpft, aber optische Frequenzen werden kaum gedämpft. Allerdings ist eine solche Ausbildung kostenaufwändig und die Dämpfung der störenden Frequenzen nur unzureichend. Außerdem dämpft die ITO-Schicht die optischen Wellen.It is also known to apply an electrically conductive but transparent layer to the glass of photodiodes. A so-called ITO layer (indium tin oxide) has such properties. The conductivity dampens interfering electromagnetic waves, but optical frequencies are hardly dampened. However, such a design is expensive and the dampening of the interfering frequencies is inadequate. The ITO layer also dampens the optical waves.
Ausgehend von diesem Stand der Technik ist es. Aufgabe der Erfindung, eine optoelektronische Vorrichtung bereitzustellen, die einen verbesserten EMV-Schutz hat.Based on this prior art, the object of the invention is to provide an optoelectronic device which has improved EMC protection.
Diese Aufgabe wird gelöst durch eine Vorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 1.
30This object is achieved by a device having the features of claim 1.
30
Erfindungsgemäß ist das Sende- und/oder Empfangselement von einer rohrabschnittartigen Abschirmung umgeben, die zumindest eine leitende Oberfläche aufweist. Die Richtung des Lichtstrahl liegt in etwa in Richtung einerAccording to the invention, the transmitting and/or receiving element is surrounded by a tube-like shielding which has at least one conductive surface. The direction of the light beam is approximately in the direction of a
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Längsachse der Abschirmung. Damit ist eine konstruktiv sehr einfache und damit kostengünstige Lösung erhalten, wobei es sich herausgestellt hat, dass mit einer derartigen einfachen Abschirmung ein effektiver EMV-Schutz erreicht wird ohne den optischen Strahlengang zu stören. Für ein Sendeelement bedeutet dies eine Abschirmung störender Abstrahlung und für ein Empfangselement eine Abschirmung gegenüber störenden elektromagnetischen Wellen.Longitudinal axis of the shield. This provides a structurally very simple and therefore cost-effective solution, whereby it has been found that with such a simple shield, effective EMC protection is achieved without disturbing the optical beam path. For a transmitting element, this means shielding against interfering radiation and for a receiving element, shielding against interfering electromagnetic waves.
Die Länge der Abschirmung sollte mindestens größer sein als die Summe der Länge des Sende- und/oder Empfangselements plus der Länge von Anschlussdrähten des Sende- und/oder Empfangselements. Grundsätzlich gilt, dass je länger die Abschirmung ist, desto besser ist der EMV-Schutz.The length of the shield should be at least greater than the sum of the length of the transmitting and/or receiving element plus the length of the connecting wires of the transmitting and/or receiving element. In general, the longer the shield, the better the EMC protection.
Wenn die Abschirmung einen trichterförmigen Abschnitt aufweist, ist der „Sichtbereich" des optischen Sende- und/oder Empfangselements vergrößert. Das optische Element kann einen größeren Winkelbereich erfassen.If the shield has a funnel-shaped section, the "field of view" of the optical transmitting and/or receiving element is increased. The optical element can cover a larger angular range.
Bevorzugt besteht die Abschirmung aus einem Metall, da die Abschirmung dann eine optimale Leitfähigkeit besitzt. Alternativ könnte die Abschirmung aus Kunststoff mit einer elektrisch leitfähigen Oberfläche bestehen.The shield is preferably made of metal, as the shield then has optimal conductivity. Alternatively, the shield could be made of plastic with an electrically conductive surface.
Um störende Reflexe, die an der Abschirmung auftreten könnten, zu vermeiden, weist die Abschirmung innenseitig eine optische Reflexe dämpfende oder absorbierende Oberfläche auf. Zusätzlich oder alternativ kann zur weiteren Unterdrückung von störenden Reflexionen die innenseitige Oberfläche rau oder konstruktiv als Strahlfalle ausgestaltet sein.In order to avoid disturbing reflections that could occur on the shield, the shield has a surface on the inside that dampens or absorbs optical reflections. In addition or alternatively, the inside surface can be rough or designed as a beam trap to further suppress disturbing reflections.
Bevorzugt findet die Erfindung in optoelektronischen Vorrichtungen Verwendung, in denen das Empfangselement eine Photodiode ist, da die Abschirmung in einfachster Weise über die Photodiode gestülpt werden kann.The invention is preferably used in optoelectronic devices in which the receiving element is a photodiode, since the shield can be easily placed over the photodiode.
Ebenso kann die erfindungsgemäße Abschirmung auch bei CMOS- oder CCD-Sensoren eingesetzt werden.The shielding according to the invention can also be used with CMOS or CCD sensors.
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Im Folgenden wird die Erfindung anhand eines Ausführungsbeispiels unter Bezugnahme auf die Zeichnung im Einzelnen erläutert. In der einzigen Figur der Zeichnung ist ein Teil 10 einer erfindungsgemäßen optoelektronischen Vorrichtung im Querschnitt dargestellt.The invention is explained in detail below using an exemplary embodiment with reference to the drawing. The only figure in the drawing shows a part 10 of an optoelectronic device according to the invention in cross section.
Der Teil 10 zeigt lediglich den lichtempfangenden Teil der optoelektronischen Vorrichtung, wobei in Pfeilrichtung 12 einfallendes Licht auf ein Empfangselement 14 trifft. Das Empfangselement kann eine dargestellte Photodiode 16, z.B. eine PIN- oder APD-Diode sein oder auch ein CMOS- oder CCD-Sensor sein. Die Photodiode 16 sitzt auf einer Leiterplatte 24, auf der weitere elektrische Komponenten 26,28,30,32 angeordnet sein können.Part 10 only shows the light-receiving part of the optoelectronic device, with light incident in the direction of arrow 12 hitting a receiving element 14. The receiving element can be a photodiode 16 shown, e.g. a PIN or APD diode, or can also be a CMOS or CCD sensor. The photodiode 16 is located on a circuit board 24, on which further electrical components 26, 28, 30, 32 can be arranged.
Die Photodiode 16 ist umgeben von einer Abschirmung 34, die rohrabschnittartig ausgebildet ist. Die Richtung 12 des einfallenden Lichtes liegt in etwa in Rohrlängsachsrichtung 36.The photodiode 16 is surrounded by a shield 34 which is designed like a pipe section. The direction 12 of the incident light lies approximately in the longitudinal axis direction 36 of the pipe.
Damit die Abschirmung 34 elektromagnetische Wellen wirksam beeinflussen kann, muss zumindest eine Oberfläche 44 oder 46 elektrisch leitfähig sein. Dazu besteht die Abschirmung 34 bevorzugt aus Metall, insbesondere Messing. Es ist auch möglich, dass die Abschirmung 34 aus einem Kunststoff besteht und beispielsweise als Spritzgussteil kostengünstig ausgebildet ist, wobei der Kunststoff entweder leitfähig ist oder zumindest einer der Oberflächen 44 oder 46, bevorzugt 46, leitfähig ausgebildet wird, beispielsweise durch Metallisierung oder Bedampfung mit einer elektrisch leitfähigen Schicht.In order for the shield 34 to be able to effectively influence electromagnetic waves, at least one surface 44 or 46 must be electrically conductive. For this purpose, the shield 34 is preferably made of metal, in particular brass. It is also possible for the shield 34 to be made of a plastic and, for example, to be inexpensively designed as an injection-molded part, wherein the plastic is either conductive or at least one of the surfaces 44 or 46, preferably 46, is made conductive, for example by metallization or vapor deposition with an electrically conductive layer.
Die Abschirmung 34 weist einen ersten Abschnitt 38 auf, dessen Querschnitt der Kontur der Photodiode 16 entspricht, so dass die Abschirmung 16 über die Photodiode 16 gestülpt werden kann. In der Regel wird der Querschnitt rund sein. Die Abschirmung 34 kann auf der Leiterplatte 24 aufsitzen und kann gegebenenfalls mit dieser verbunden, beispielsweise mit einem leitfähigen Kleber verklebt oder verlötet, werden.The shield 34 has a first section 38, the cross section of which corresponds to the contour of the photodiode 16, so that the shield 16 can be put over the photodiode 16. The cross section will generally be round. The shield 34 can sit on the circuit board 24 and can optionally be connected to it, for example glued or soldered with a conductive adhesive.
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An den ersten Abschnitt 38, der sich bevorzugt bis an einen Rand 40 der Photodiode 16 erstreckt, schließt sich ein zweiter Abschnitt 42 an, dessen Länge so bemessen ist, dass sich einerseits eine gute EMV-Abschirmung ergibt und andererseits der zweite Abschnitt 42 sich konstruktiv nicht störend auf die Optik auswirkt. In dem dargestellten Ausführungsbeispiel vergrößert sich der zweite Abschnitt 42 im Querschnitt zu seinem freien Ende hin, damit Licht, das unter einem bestimmten Winkel zur Längsachse 36 einfällt, noch durch die Photodiode 16 nachgewiesen werden kann. Grundsätzlich gilt, dass für die EMV-Wirksamkeit der Abschirmung 34 der über die Photodiode 16 hinausstehende Abschnitt 42 von Bedeutung ist. Je länger die Abschirmung 34 und insbesondere der Abschnitt 42 ausgebildet ist und je kleiner der innere Durchmesser ist, desto besser ist die EMV-abschirmende Wirkung. Diese Forderungen müssen aber mit konstruktiven Forderungen und Forderungen der geometrischen Optik in Einklang gebracht werden. Zumindest sollte die Länge der Abschirmung 34 größer sein als die Länge der Photodiode 16.The first section 38, which preferably extends to an edge 40 of the photodiode 16, is followed by a second section 42, the length of which is such that, on the one hand, good EMC shielding is achieved and, on the other hand, the second section 42 does not have a structurally disruptive effect on the optics. In the exemplary embodiment shown, the second section 42 increases in cross-section towards its free end so that light that is incident at a certain angle to the longitudinal axis 36 can still be detected by the photodiode 16. In principle, the section 42 that extends beyond the photodiode 16 is important for the EMC effectiveness of the shield 34. The longer the shield 34 and in particular the section 42 is designed and the smaller the inner diameter, the better the EMC shielding effect. However, these requirements must be reconciled with structural requirements and requirements of geometric optics. At a minimum, the length of the shield 34 should be greater than the length of the photodiode 16.
Damit bei nicht exakt auf die Diode 16 auftreffendem Licht, das auf eine Innenseite 46 der Abschirmung 34 auftreffen kann, möglichst keine störenden Reflexionen entstehen, die dann eventuell von der Diode 16 empfangen würden und zu Signalstörungen führen, ist in Weiterbildung der Erfindung vorgesehen, dass die Innenseite 46 eine optische Reflexe dämpfende Oberfläche aufweist. Dies kann im einfachsten Fall eine geschwärzte Oberfläche sein. Auch könnte die Oberfläche 46 aufgeraut sein, wodurch nicht nur störende optische Reflexe reduziert werden, sondern auch eine zusätzliche elektrische Dämpfung erreicht werden kann.In order to avoid disturbing reflections that could possibly be received by the diode 16 and lead to signal interference when light does not strike the diode 16 exactly, but can strike an inner side 46 of the shield 34, a further development of the invention provides that the inner side 46 has a surface that dampens optical reflections. In the simplest case, this can be a blackened surface. The surface 46 could also be roughened, which not only reduces disturbing optical reflections, but also allows additional electrical damping to be achieved.
Die Erfindung wurde am Beispiel einer lichtempfangenden Photodiode beschrieben. Die Abschirmung kann aber auch an lichtsendenden Elementen mit gleicher Wirkung eingesetzt werden. Beispielsweise könnten die von einer gepulst betriebenen Lichtquelle ausgehenden Störungen unterdrückt werden.The invention has been described using the example of a light-receiving photodiode. However, the shielding can also be used on light-emitting elements with the same effect. For example, the interference emanating from a pulsed light source could be suppressed.
Die Abschirmung 34 bewirkt, dass außer dem optischen Signal, also dem Licht mit relativ hoher Frequenz, keine elektromagnetische Strahlung aus anderen Quellen in das System gelangt. Die Abschirmung wirkt wie ein Hohlleiter, der eine untereThe shield 34 ensures that no electromagnetic radiation from other sources enters the system except the optical signal, i.e. the light with a relatively high frequency. The shield acts like a waveguide that has a lower
24.01.0224.01.02
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Grenzfrequenz hat und so wie ein Hochpassfilter wirkt, dass lichtdurchlässig ist aber Hochfrequenzwellen sperrt. Die Abschirmung ist vor der Photodiode angebracht und damit vor der ersten Stufe des optisch elektrischen Systems. Durch die durch die Abmessungen der Abschirmung bedingte untere Grenzfrequenz werden Frequenzen unterhalb der Grenzfrequenz gedämpft. Da aber häufig eine bestimmte Mindestbandbreite notwendig ist, wird die Abschirmung 34 so ausgelegt, dass die EMV-Störamplituden so stark gedämpft werden, bis sie die Messungen nicht mehr beeinträchtigen.cutoff frequency and acts like a high-pass filter that is transparent to light but blocks high-frequency waves. The shield is installed in front of the photodiode and thus in front of the first stage of the optical-electrical system. Due to the lower cutoff frequency determined by the dimensions of the shield, frequencies below the cutoff frequency are attenuated. However, since a certain minimum bandwidth is often necessary, the shield 34 is designed in such a way that the EMC interference amplitudes are attenuated to such an extent that they no longer affect the measurements.
Claims (9)
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| R207 | Utility model specification |
Effective date: 20020627 |
|
| R163 | Identified publications notified |
Effective date: 20020523 |
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| R156 | Lapse of ip right after 3 years |
Effective date: 20050802 |