補償線路板上的光學傳感器的制造方法
【專利摘要】盡可能與外來光無關的光電測量裝置包括發送光源(2，102)和補償光源(3，103)，該光源時間連續地定時地多相位地發出光，其中發出的光分別相對彼此相移180°。配備有接收二極管(5，104)的光學接收器(4)與來自補償光源(3，103)的光一起接收從發送光源(2，102)發出的并且從測量對象反射(13)的光，該光包含測量信號。在調節單元中用于發送光源(2，102)和補償光源(3，103)的操控信號如此調節，使得在接收器(4)中不同相位之間出現的時鐘同步信號差調節為零。補償光源(3，103)和接收二極管(5，104)之間的光學耦合主要通過測量裝置(1)的線路板(101)中的光學系統實現，在該線路板上布置補償光源(3，103)和接收器(4，104)。在最簡單和最重要的實現中線路板自身（即其FR4-組件）是補償光源(3，103)和接收二極管(5，104)之間的光學導體。
【專利說明】補償線路板上的光學傳感器
[0001]本發明涉及具有權利要求1的上位概念的特征的光電測量裝置。
[0002]這種光電測量裝置根據所謂ELM0SAG的HAL1S原理工作。這個在現有技術中已知的測量原理此外在下列文獻中描述:US 5，666，037;EP 0706648B1;EP 1671160B1;DE10001955A1;EP 2418512A1。
[0003]測量裝置(下面也稱為“傳感器”)除發送光源(下面也稱為“發送器”)以外還包括補償光源(下面也稱為“補償器”)，其中優選輪流由每個電流驅動器供電的兩個光源以發送相位或者補償相位(通常以IR-頻譜)發出光。對此時鐘發生器用優選地相對彼此180°相移的時鐘信號操控電流驅動器。頻率可以位于幾個kHz到數十MHz的范圍內。
[0004]光學接收器用光電二極管(下面也稱為“ro”)接收從兩個光源發出的光的部分并且將其轉換為電流變換信號，其在分開直流電和低頻信號部分(通常源于環境光)之后通過高通功能(例如電容器)導入到互阻抗放大器(TIA)，互阻抗放大器這個電流信號轉換成電壓。另一方面這個電壓又在同步解調器中輪流對發送和補償相位分配并且導入到調節器，該調節器具有該任務，對于兩個時間上連續的信號部分產生相同幅度。對此調節器相應調節通過補償器和發送器的電流的幅度。按照應用，可以在恒定發送器電流幅度的情況下僅調節補償器電流的幅度，或相反，在恒定補償器電流幅度的情況下僅調節發送器電流的幅度。補償器電流的幅度通常位于幾個，較少mA的范圍中。按照應用，發送器電流幅度可以位于幾個mA到幾百mA的范圍中。
[0005]從發送器輻射到傳感器的環境中的光在傳感器之外擊中要測量(要檢測)的對象上，對象將擊中的光的部分反射回到傳感器的光電二極管。由光電二極管中的接收電流和為此使用的發送器電流形成的比例發送器-測量對象-光電二極管-路段的光學耦合因數，傳感器確定該耦合因數并且在其調節器調整信號中描繪。
[0006]補償器(補償光源)如此實現，從其輻射的光不能達到測量對象，而是在傳感器內部導入到光電二極管。對此通常在傳感器內部安裝光波導或其他光學導體，其將光從補償器(直接)傳導到接收器(通常光電二極管)。在實際轉變中將從補償器輻射的光部分調整到預定義的大小，使得僅僅輻射的光的某個(通常較小)部分在補償階段期間撞到傳感器的光電二極管上。在光電二極管中從這個光部分生成的電流對為其使用的補償電流的比率是補償器-光電二極管-路段的光學耦合因數。該耦合因數是恒定的，因為從補償器輻射的光基本上不抵達測量對象。因此補償信號指用于測量的不變的大小或參考。
[0007]除了這里描述的時間連續地定時的信號自然還可以使用其他信號，只要它們適合于實現接收器輸出信號的回饋的補償。
[0008]根據現有技術任務在于，提出優化的并同時廉價的測量裝置，其根據補償原理工作，尤其根據HAL1S補償原理工作。測量裝置應盡可能簡單以及緊湊地安置。
[0009]用具有權利要求1的特征的光電測量裝置解決這個任務。這個傳感器系統(其盡可能與外來光無關地工作)包括發送器、補償發送器和接收器，其可以線性疊加地接收發送器的發送信號和補償器的補償信號并且產生接收器輸出信號。發送器通過應確定其傳輸特性的第一傳輸路段發送發送信號到接收器。補償信號在穿過第二傳輸路段之后抵達接收器。接收器包括優選至少一個接收二極管或光電二極管。它還可以是接收單元，該接收單元包括例如附加地電容器和/或放大器。接收器的其他實施也是可能的。
[0010]在技術變換中這種傳感器系統優選包括發送光源和補償光源，其時間連續地定時地多相位地發出光。發出的光分別相對彼此相移，優選180度。用于接收光(其包括從光源發出的時鐘同步測量信號)的具有光電二極管的光學接收器同樣是傳感器系統的部分如時鐘發生器，所述時鐘發生器產生時鐘信號，和用于放大基于接收測量信號的測量信號電流的放大器單元。測量信號電流的時鐘同步評估借助于解調器實現。可調節電源產生用于發送光源的定時發送控制電流。可調節補償電源產生用于補償光源的定時補償控制電流。
[0011]根據本發明的光電測量設備的調節單元根據接收器輸出信號產生用于操控補償發送器的補償控制信號和/或用于操控發送器的發送器控制信號以回饋接收器輸出信號的調節。如此實現調節，在第一傳輸路段的傳輸特性改變的情況下接收器輸出信號基本上保持不變，因此在較短時間之后(通常在若干微秒或毫秒之后，例如在最高100 μ sec之后，優選在最高10 μ sec之后)又調整到在傳輸特性改變之前調整到的值。傳輸特性的變化例如由對象在傳輸路段中的運動帶來。
[0012]調節單元可以典型地產生用于可調節發送光源和/或補償光源的至少一個操控信號。調節單元優選如此構造，使得用于控制發送控制電流的發送光源和/或用于控制補償控制電流的補償光源在其光強度上可調節。優選地在光強度的情況下如此調節幅度，使得其差異消失。調節還可以如此實現，使得不同相位之間出現的時鐘同步信號差變為零。
[0013]在本發明的范圍中一般地還提出了對廉價且緊湊的傳感器實現，尤其具有盡可能少的硬件和裝配花費的補償器實現的要求。會認識到，用于補償器接合的直至本發明的時間點專用于尤其在緊湊電路布置的情況下使用的光導體在多個應用情況中非必須的或者如在此描述的可替換的。已知的單獨的光導體可成本高地安裝，這是因為有效的光學接合是必需的，相對機械需要易壞并且產生額外成本。當然可以在特定應用中附加地設置專用的光波導。
[0014]補償方法(如HAL1S方法)要求補償信號，補償信號優選在補償LED中產生并且如此調節，使得其大小正好和發送器發出的并且然后從測量對象到接收器(例如光電二極管或接收二極管)傳輸(反射)的光信號一樣。在現實實現中部件接收器，補償光源和發送光源經常布置在線路板或者印刷電路板(Printed Circuit Board, PCB)上或邊上。
[0015]根據本發明在補償光源(補償發送器)和接收器之間存在如此耦合，使得它們至少部分地借助于線路板中的光學系統實現。補償光源和接收器分別布置在線路板上。補償光源可以布置在線路板或在其側面上。在本發明的意義上線路板中的光學系統是線路板中的布置，其在線路板中傳遞比因此傳送光學輻射，例如光(可見或不可見)。它可以是例如線路板中的玻璃纖維，線路板中的通道或類似的結構。
[0016]優選地接收器同樣布置在線路板的外側上。接收器還可以定位在線路板的孔徑中或部分地伸入到孔徑，尤其穿過孔徑中。接收器可以例如是接收二極管或者光電二極管。
[0017]因此在本發明的情況下放棄用于從補償器到接收器傳輸光的分離(外部)的光導體。取而代之(必需的)補償光通過線路板內的光學系統從補償LED傳導到光電二極管。優選光學系統是補償性的，光學光導體系統。它可以包括例如線路板內的通道或孔徑或集成的光波導。線路板可選地可以在其內部具有光學或機械結構，例如裝入優選地金屬柵欄或金屬化，通孔鍍敷(通常實施為具有金屬鍍層的穿過孔徑)，狹孔或通道(具有或沒有金屬鍍層)或其他光學不透光或部分透光的涂層，其中光學透光性與可見以及不可見(例如紅外線)范圍中的光有關。
[0018]在優選實施方式中光學系統是線路板自身。該線路板必須為此不變或固定。因此不需要分離的光導體系統，因為使用了用于從補償器到接收器傳輸光的線路板。光學信號至少部分地，優選絕大多數，尤其優選僅僅，因此僅通過線路板傳導到光電二極管。
[0019]“絕大多數”意味者，至少70%的補償器的發出的光(補償器輻射)通過光學系統傳導到接收器。優選至少80% (非常優選至少90%)的補償器的發出的輻射通過光學系統傳導到接收器。在一些實施方式中并且在確定的線路板或者光學通道中至少95%的在接收器中接收的補償器輻射(例如光或者IR輻射)通過光學系統或者在線路板內傳導，優選地至少98%，尤其地優選至少99%。但是光學系統還可以是線路板或例如線路板的層中的預定(有限)區域或部分。
[0020]因為線路板由玻璃纖維和粘合劑組成，線路板適合作為光學系統并且用于可見和不可見范圍中的光的光學傳導。優選地線路板由玻璃纖維加強的聚合體，非常優選由玻璃纖維加強的環氧樹脂組成。尤其優選的是FR4材料。附加地和/或備選地可以在線路板中的機械結構可以支持光學系統(線路板)。
[0021]線路板或印刷電路板包含由玻璃纖維塊制成的摻和物，以便減弱和控制在線路板中傳送的光。因此線路板非常適合作為光導體用于補償光信號，因為這里希望減弱信號。在相同的控制或供給信號的情況下從測量對象到接收器反射的發送信號比直接從補償器到接收器傳送的信號更少。因此減弱通過線路板降低補償器信號的信號水平，使得能夠實現調整電路(補償)的快速，魯棒并且準確的調節。
[0022]因為系統在補償器和接收器(PD)之間的耦合的偏差方面非常寬容，在許多應用情況中可以在這個位置處可接受50%和更多的容差。可能線路板材料(如例如FR4材料)的較大充電或制造商無關的偏差可以非常好并且因此成本低地與在IC中集成或分離構造的少花費的電子附加功能(例如電流鏡，電阻)均衡。此外實際光學補償器耦合隨時可以簡單地在裝配的電路中直接在適合于此的測試模式中借助于示波器測量直接確定。
[0023]在優選實施方式中補償光源至少部分地集成在線路板中。在同樣優選的實施方式中補償光源完全集成在線路板中。例如補償光源可以在底孔中布置。在多層線路板的情況下其優選定位在內層之一中。在這樣的布置的情況下內層的至少一個可以涂覆有不透光層，例如有金屬化。不透光層防止，發出的輻射抵達到測量對象。從補償光源發出的輻射則抵達接收器并且優選不從線路板出發，無論如何不使輻射由測量對象反射并且然后首先回送到接收器。
[0024]在具有在內層之一中嵌入的補償光源的多層線路板的情況下補償光源和接收器(例如接收二極管或光電二極管)之間的線路板的內層優選不金屬化或用其他不透光層涂覆。如此確保補償光源和接收器之間的光學耦合。
[0025]備選地補償光源還可以在所謂反向裝配中在線路板上構造。在線路板的外側上適合所謂涂層(典型地銅層)然后具有凹槽，通過該凹槽補償光源可以照射到印刷電路板材料。備選地還可以設置底孔，穿過孔徑或類似物，使得實現線路板材料中補償光信號的更好接合。可能的是，這樣的底孔至少部分地涂覆，以便補償光源的光輻射可以對應地操縱。補償光源可以伸入在這樣的孔徑中。
[0026]在其他優選實施方式中發送器(例如LED)和/或接收器(例如接收二極管)以反向裝配構造在印刷電路板上。然后發送器通過線路板中的發送器穿過孔徑發送其光輻射出來，使得光可以穿過線路板輻射。
[0027]優選發送器穿過孔徑同樣具有開放角度，該開放角度可以位于與接收器的穿過孔徑的開放角度相同的范圍中。然而發送器穿過孔徑的開放角度還可以具有超過120度的角度，例如直到大約150度或160度。優選地角度在80度和150度之間，尤其優選90到120度。發送器穿過孔徑優選內部涂覆，尤其金屬化，使得其無論如何對于發出的輻射不透明。例如可以在孔徑內側上設置金屬層或銅層。
[0028]不涂覆和涂覆的穿過孔徑在電子技術中在構造印刷電路板時經常使用。該穿過孔徑在現有技術中是已知的并且可簡單并廉價地制造。這些稱為途徑(Vias)的穿過孔徑然后可以不但用于發送器而且用于接收器，以便實現光電測量裝置的廉價制造。
[0029]本發明在下面根據在附圖中描述的特別實施方式更詳細地解釋。在此處描述的特點可以單獨或結合地使用，以便創造本發明的優選擴展方案。所述實施不表示通過權利要求在其一般性上定義的發明的限制。其示出:
圖1不出具有電場光學基礎稱合的從現有技術已知的Hal1s傳感器的原理電路圖；圖2示出根據本發明的光電測量裝置的第一實施方式，其中發送器，接收器和補償光源以反向裝配布置；
圖3示出具有線路板的光電測量裝置的另一優選實施方式，其中補償光源部分伸入線路板中；
圖4示出具有多層線路板和完整集成的補償光源的測量裝置；
圖5示出具有發送器，接收器和補償光源的線路板的頂視圖。
[0030]圖1示出根據現有技術的具有外來光補償的光電測量裝置I的原理。測量裝置I包括發送光源2 (發送器)，補償光源3 (補償器)和光學接收單元4，其包含光電二極管5，回轉器30 (用于在光電二極管中引出低頻電流部分)，互阻抗放大器6和電容器7。時鐘發生器8對供給發送光源2的可控電源9提供時鐘信號。時鐘發生器8同時提供反轉時鐘信號給供給補償光源3的可控補償電源10。時鐘信號和反轉時鐘信號引導到解調器11用于由光學接收單元4基于接收光信號產生有用信號電流的時鐘同步評估。
[0031]調節單元12產生用于可調節補償電源10的操控信號，以便優選地可以如此調節補償光源3，使得在不同相位之間在接收單元4中出現時鐘同步有用信號電流變為零。有用信號電流從而基于從發送光源2和補償光源3發出的光部分。
[0032]發送光源2在第一傳輸路段220上發送可見或不可見光(輻射)形式的發送信號，其中光由接收單元4在穿過傳輸路段220后接收。如果測量對象13存在于測量裝置I的附近(在(透光)透明傳感器屏蔽14前)，則從發送光源2發出的光反射到測量對象13上并且回送到光電二極管5。這產生了通過測量對象13的功能耦合221。
[0033]沒有屏蔽40信號部分從發送光源2直接抵達光電二極管5。信號部分表示發送器2的光學基礎耦合222 (虛線示出)。屏蔽40阻礙光學基礎耦合222。該基礎耦合在根據圖1的示出的實施方式中電通過可調節基礎耦合電源15產生并且因此稱為電場光學基礎耦合(EOGK) 231。基礎耦合電源15用時鐘發生器8的時鐘信號提供時鐘信號并且由信號給予器16 (所謂基礎耦合信號給予器)供給。產生的基礎耦合控制電流引導到基礎耦合光源17，基礎耦合光源17將光直接通過第二傳輸路段230傳輸到光電二極管5。在此示出的實施方式中基礎耦合光源17是補償光源3自身。如此切換補償光源，使得其將補償相位的交替的時鐘同步的光信號部分也在電場光學基礎耦合中發出。基礎耦合光源17的相位相對由補償電源10供給的補償光源3的相位相移，優選180度。這對應于發送光源2的相位。
[0034]因為基礎耦合光源17和補償光源3是相同部件，補償光源3因此承擔兩個功能。補償光源在基于光學稱合231的第二傳輸路段230中發射(可見或不可見)光的形式的補償信號。光由接收器在穿過傳輸路段230之后接收。因此補償光源3由可調節補償電源10并由基礎耦合電源15供給。用于基礎耦合電源15的控制電流在加法圖18中彼此相加并且一起引導到補償光源3。因為兩個電流相移，得出疊加的控制電流。
[0035]在測量對象在測量裝置I前不存在測量對象時，補償控制電流用于工作點的調整。工作點僅與電場光學基礎耦合有關并且因此僅通過基礎耦合控制電流調整。這個系統有很多優點，因為在發送光源2和接收二極管4或者光電二極管5之間的純光學基礎耦合的位置上使用預定并可調節電場光學基礎耦合231。
[0036]用上面示出的測量裝置在純光學基礎耦合Dse 222比電場光學產生的基礎耦合Deogk 231小很多的前提下得出，下列基本方程，該基本方程重新給出補償控制電流I。與發送控制電流Is的比率:......—., ■ P，/ + H
n—15-
在此tls或者》〗c是發送光源2或者補償光源3的相應的效率。Dsf通過測量對象13的傳輸路段220中的要確定的功能光學稱合。該功能光學稱合對應于傳輸路段220的要測量的傳輸特性。D。是第二傳輸路段230中的(固定)光學補償器稱合。Demk是電場光學產生的基礎耦合。
[0037]在HS等于或接近等于IlC的另一假設下,等式簡化為:
- At + ^Γ,Η；κ
K
Demk因此確定調節器的休止工作點并因此決定性地確定傳感器的靈敏度。
[0038]圖2示出根據本發明的光電測量裝置的技術變換。它在具有電場光學基礎耦合的上述傳感器系統的示例中解釋。必需調節單元和其他操控或功率組件由于視野原因而未示出。顯然地定時發送或補償信號的發出不是強制要求而是可選擇的。
[0039]測量裝置的實現表示為具有線路板101，作為發送光源2的發送LED102，作為補償光源3的補償LED103以及代表接收單元4或者光電二極管5的接收二極管104。LED作為光源的使用在現有技術中已知并且具有若干優點。光源可以例如發出IR輻射。顯然地還可以實現其他光源。因此在最簡單情況中接收二極管104是接收器(接收單元)4自身。
[0040]根據圖2部件發送LED102，補償LED103和接收二極管104以所謂反向裝配安裝在線路板101上。部件優選地全部布置在線路板101的相同側上，優選在線路板101的下側105上。不但線路板101的下側105而且線路板101的上側106涂覆有銅層。優選地上側106在補償LED103的區域和優選地附加地在接收二極管104的區域盡可能大面積地涂覆有銅層107。在線路板的下側105上還優選地布置相應導體路徑和信號路徑。部分地中斷銅層。銅層或其他金屬化，傳導涂層在下面在銅層107的示例中解釋。顯然地還可以使用其他(金屬)層或對使用的光學輻射不透明的層。在描述中為簡單起見導體路徑或信號路徑還稱為銅層107。
[0041]線路板101由玻璃纖維加強的聚合體，優選環氧樹脂，尤其優選由FR4-材料組成并且包括至少玻璃纖維塊。它作為光學系統使用，以便將由補償LED 103發出的輻射傳導到接收二極管104。借此確保補償LED 103和接收二極管104之間的電場光學基礎耦合。發出的光輻射在線路板材料內部移動并且通過涂層借助于銅層107抵達不向外的外側(下側105和上側106)。如此阻礙了，輻射抵達測量對象13并且在那在反射后傳導到接收二極管104。因此(差不多僅僅)阻礙補償LED 103和測量對象13之間的耦合。
[0042]在優選實施方式中接收器104布置在線路板101的下側上。因此接收器104位于穿過孔徑108的下面，穿過孔徑108伸展通過總體線路板101，尤其其厚度。在接收二極管104的區域中線路板101具有穿過孔徑108，穿過孔徑108優選可以實施作為圓柱形孔徑或作為圓錐沉降，以便接收從上側106上面布置的測量對象13回射的光輻射，例如紅外線輻射(IR輻射)。優選穿過孔徑108具有圓錐形孔徑，圓錐形孔徑具有最高120°，優選最高90°，尤其優選最高60°并且非常優選最高45°的開放角度。尤其優選地開放角度是90°。開放角度優選地背向接收器(4，104);因此孔徑對著從接收器離開指向的側展開。根據接收二極管104的實施方式其可以平坦地接觸在孔徑108上或伸入到孔徑108中。
[0043]在發送LED 102上面布置發送穿過孔徑109，發送穿過孔徑109優選地構造成圓柱形。發送穿過孔徑還可以通過圓錐沉降產生并且具有開放角度，開放角度優選位于在零與150度之間，尤其優選在大約90度。發送穿過孔徑109優選地在其內側涂覆有涂層114，使得從發送LED102發出的光輻射穿過線路板102，而不侵入線路板。同樣阻礙發送LED102和接收二極管104穿過線路板101的直接耦合。發送器和接收器之間的純光學基礎耦合未發生，因為其通過由補償LED 103承擔的電場光學基礎耦合替換。
[0044]在補償LED 103的區域中線路板101的下側105上的銅層107相應地解除。同樣可以補償LED 103的發出的光輻射最優地侵入線路板101。通過上側106和下側105上的外銅層光在線路板101內部引導并且在通過線路板材料相應減弱和控制之后抵達接收二極管104。通過合適調節可以制造補償LED103和接收二極管104之間的希望電場光學基礎耦合。
[0045]因此在接收二極管104 (接收器)上疊加來自補償LED 103的補償輻射和反射的輻射，反射的輻射在測量對象13由發送LED 102用紅外線輻射或光照射之后由測量對象13反射到線路板101的外面。
[0046]如果補償LED至少部分地伸入到線路板101中，可改善補償LED 103和接收二極管104之間的耦合。對此例如，如圖3中所示，盲孔孔徑或者盲孔110設置在線路板101中，補償LED 103照射在線路板101中。
[0047]線路板101 (PCB)的上側106上的銅層(Cu)相對盲孔110在這個位置上是一般封閉的，使得沒有(光)輻射可以從補償LED 103抵達到測量對象13并且也不能被測量對象影響。
[0048]甚至在具有僅兩個銅層的簡單線路板(雙層線路板)的情況下通常層之一實施為主體層。在多層線路板的情況下線路板101的至少一個側實施成具有盡可能大面積的封閉的銅層107，其總歸作為主體層使用并且在電路或者印刷電路板101的干擾耐受性的角度下并且在EMV角度下例如作為電屏蔽使用。因此由此未提高花費并且無論如何存在的銅層也用于光學屏蔽。還在印刷電路板下側105上盡可能封閉銅面107，使得其同時作為補償器103和光電二極管(接收二極管104)之間的區域中的IR輻射的“鏡”起作用。因此這產生了線路板101內部的一種光學波導，換句話說，線路板101自身形成光學波導。
[0049]在這里表示的實現中補償LED103不伸入印刷電路板101中而是平坦緊貼(如例如在實驗中使用的型號為SFH4257R，Osram的二極管的情況下)在印刷電路板下側105上并且通過下銅涂層107中的相應釋放照射在線路板101的FR4-材料中。
[0050]因此補償不要求印刷電路板101上附加的結構空間，這此外實現非常薄屏蔽(少光學發送器基礎耦合?高靈敏度/有效距離)。此外光電二極管/接收LED104可以在需要時最優通過簡單的出于EMV原因經常總歸存在的屏蔽板相對(散射)光的寄生照射，還與發送LED102并且與補償LED103，通過PCB后側105非常好光學隔離。
[0051]討論的所有反向類型的光電二極管(PD)適合作為接收器。根據應用ro可以通過簡單(圓柱形)孔徑或還通過圓錐沉降不但接收來自要測量的對象的IR-輻射而且接收補償輻射。優選地除了簡單孔徑之外還有具有開放角度的圓錐形孔徑，該開放角度為至少5°，優選至少20°，30°，45° ,60° ,90°或120°。尤其優選開放角度至少10°。圓錐形孔徑優選如此布置和構造，使得補償光(來自補償器的光)，外來光(干擾光)和有用信號光(從發送器102福射的從對象13反射的光)在接收器104上,尤其在光電二極管的光敏性的芯片面上在接近相同的位置出現。
[0052]根據兩層測試印刷電路板在給出的IR-組件的情況下實驗距離和若干邊緣條件(途徑，具有/沒有圓錐沉降，線路板上的邊緣層，等等)的函數中光學補償器耦合的依賴性。在給出FR4-線路板材料的情況下示出兩個決定性的依賴性:印刷電路板的厚度和優選地補償光源和接收器之間要保留的距離。印刷電路板越厚，光學傳導特性越好并且越多補償信號到達接收器并且補償器和接收器之間的距離可以或者必須越大。在相對較薄的印刷電路板的情況下，尤其當補償器未伸入盲孔孔徑而是平坦布置在印刷電路板上的情況下，補償器和接收器之間的距離必須相對來說比較小(例如小上述距離的大約20%)。
[0053]本發明實現，提供已知HAL1S傳感器(因此沒有專用(獨立)光導體并且沒有相關技術要求和/或條件)中的補償到傳感器屏蔽的光機械裝置。這最終導致實現比以前緊湊，尤其平面，以及簡單(并因此廉價)的HAL1S傳感器。
[0054]在優選實施方式中補償LED 103至少部分地集成在底孔110中(如例如在制造商Harvatek的型號HT-260IRPJ的二極管的情況下)。優選補償LED 103完全或接近完全由底孔110容納。
[0055]參考圖3顯然的是，從補償LED 103發出的光輻射如何在上側106和下側105的銅層107上反射。在從線路板101的FR4材料在接收器穿過孔徑108中射出的情況下如此控制光輻射，使得輻射以足夠強度并且可靠可復制地抵達接收二極管104。來自補償LED 103的從開口 108在測量對象13 (其布置在線路板101的上側106的上面)的方向上的輻射的射出可忽略地小，使得其在離開口 108幾厘米距離而沒有用于實際應用的意義。
[0056]顯然可認識到，接收二極管104不僅接收來自補償LED 103的輻射。此外輻射還在接收二極管104的相同敏感區域中疊加，該輻射由發送LED 102發出并且由測量對象13反射。
[0057]圖4示出具有四層線路板110的根據本發明的光電測量裝置的實施方式。在兩個內層111，112之間設置空腔113，其中容納補償LED 103或者補償器。內層111和112如此構造，從補償LED 103發出的輻射可以傳導到接收二極管104。在示出的實施方式中內部層(內層111)在補償光源或者補償LED 103和接收器或者接收二極管104之間的區域121中沒有銅層107。在這個區域121中也沒有其他金屬化或不透光層存在。由此確保，從補償LED 103發出的光輻射到達接收二極管104。發出的輻射在光學系統線路板中傳導，因為線路板材料(例如FR4材料)的玻璃纖維塊確保足夠良好的光學傳導。在材料中出現的散射對系統沒有負面影響，相反，擴散性確保了接收二極管(例如光電二極管)的敏感區域的期望的均質(均勻)照明并且因此有利于傳感器的良好可再生產性。
[0058]在具有多個銅層(內層)的線路板的情況下重要的是，在補償LED 103和接收LED104之間的區域121中內層111，112上的銅層在盡可能良好的透視的意義上盡可能省去。所有其他阻光元件(途徑，孔徑，等等)也優選地從這個區域脫離。
[0059]在根據圖4的實施方式中可認識到，發送穿過孔徑109同樣具有對線路板的上側106展開的開放角度。借此可以從發送器照亮貼近線路板101前面的更大區域。因此仍然可以正確識別在傳感器附近的姿勢。
[0060]圖5示出根據本發明的測量裝置的線路板101上的頂視圖。在線路板101的三個角中布置多個發送LED。空間不同布置的發送器的信號的評估不僅實現了線路板101的前面或者上面的對象的存在的檢測，而且實現了運動，其方向，簡單距離變化，接近性，整體姿態或類似的。
[0061]接收二極管104優選地在線路板101的中間的區域中布置，使得其到三個發送LED的距離類似并且優選盡可能相同。顯然地還可能的是，定位其他地點上的接收二極管104。在這樣的不對稱布置的情況下優選地接收二極管到單獨發送LED的不同距離的均衡在調節器中進行。
[0062]補償LED 103優選比發送LED 102更接近接收二極管104布置。
[0063]在本發明的范圍中示出，補償二極管或者補償LED 103尤其在從Imm到2mm(例如
1.55mm)的線路板厚度的情況下優選地距離接收器或者接收二極管104至少5mm，尤其優選至少7mm。還已經示出，兩個元件之間的距離優選地最高15mm,優選優選最高1mm,非常優選最高9mm。然而這個距離指示取決于二極管類型，材料和線路板101的厚度，如上面解釋的一樣。
【權利要求】
1.光電測量裝置，其具有光學發送器(2)、光學補償發送器(3)和光學接收器(4)用于測量發送器(2)和接收器(4)之間的第一傳輸路段(220)的傳輸特性，其中 -發送器(2)在傳輸路段(220)上發送發送信號，所述發送信號在穿過第一傳輸路段(220)的至少一部分之后由接收器(104)檢測到， -補償發送器(3)在第二傳輸路段(230)上發送補償信號，所述補償信號由接收器在穿過第二傳輸路段(230)之后檢測到， -構造并且布置接收器(104)，以便線性疊加發送信號和補償信號并且從中形成接收器輸出信號， -調節單元(12)，其從接收器輸出信號如此產生用于操控補償發送器(3)的補償控制信號和/或用于操控發送器(2)的發送器控制信號用于回饋調節接收器輸出信號，使得在第一傳輸路段(220)的傳輸特性的變化的情況下接收器輸出信號基本上保持不變； 其特征在于，補償發送器(3)和接收器(104)的耦合至少部分地通過線路板(101)中的光學系統實現，在所述線路板上布置補償發送器(3)和接收器(104)。
2.如權利要求1所述的光電測量裝置，其特征在于，第二傳輸路段(230)包括線路板(101)中的光學系統。
3.如上述權利要求中任一項所述的光電測量裝置，其特征在于，補償發送器(3，103)和接收器(4，104)之間的光學耦合絕大多數或僅僅通過線路板(101)中的光學系統實現。
4.如上述權利要求中任一項所述的光電測量裝置，其特征在于，光學系統是補償性的光學光導體系統，所述光導體系統優選自身為線路板(101)。
5.如上述權利要求中任一項所述的光電測量裝置，其特征在于，補償發送器(3，103)至少部分地集成在線路板(101)中。
6.如上述權利要求中任一項所述的光電測量裝置，其特征在于，線路板(101)是多層線路板并且補償發送器(3，103)集成在內層(111，112)之一中，其中補償發送器(3，103)和接收器(4，104)之間的線路板(101)的所述內層(111，112)優選沒有包括金屬化，尤其沒有包括銅層(107)。
7.如權利要求1-3中任一項所述的光電測量裝置，其特征在于，補償發送器(3，103)以反向裝配安裝在線路板(101)上并且通過外銅層(107)中的凹槽射入到線路板(101)。
8.如上述權利要求中任一項所述的光電測量裝置，其特征在于，接收器(4，104)布置在線路板(101)的下側(105)上在穿過孔徑(108)下面，所述穿過孔徑優選是圓柱形或圓維形并且進一步優選地具有最聞120°，優選最聞90°，尤其優選90°并且非常優選最聞45°的從接收器(4，104)背離的開放角度。
9.如上述權利要求中任一項所述的光電測量裝置，其特征在于，線路板(101)由玻璃纖維加強的聚合體組成，優選由玻璃纖維加強的環氧樹脂組成，尤其優選由FR-4材料組成并且優選在上側(106)和/或下側(105)上至少部分地用金屬層，優選用銅層(107)覆蓋。
10.如上述權利要求中任一項所述的光電測量裝置，其特征在于，補償發送器(3，103)遠離接收器(4,104)至少5mm,優選至少7mm和/或遠離優選最高15mm。
11.如上述權利要求中任一項所述的光電測量裝置，其特征在于，用于發送器(2，102)的穿過孔徑(109)內部金屬化，優選用金屬層，尤其優選用銅層覆蓋在孔徑內側上。
12.如上述權利要求中任一項所述的光電測量裝置，其特征在于，發送器(2，102)和接收器(4，104)之間的距離比補償發送器(3，103)和接收器(4，104)之間的距離更大。
13.如上述權利要求中任一項所述的光電測量裝置，其特征在于， -發送器(2，102)和補償發送器(3，103)時間連續地定時地，多相位地發出光，其中發出的光分別相對彼此相移優選180° , -測量裝置具有用于產生時鐘信號的時鐘發生器(8)、用于時鐘同步地評估接收器輸出信號的解調器(11)、用于產生用于發送器(2，102)的定時發送器控制電流的可調節電源(9)和用于產生用于補償發送器(3，103)的定時補償控制電流的可調節補償電源(10)以及-用于產生用于可調節電源(9)和/或補償電源(10)的至少一個操控信號的調節單元(12)如此構造，使得補償發送器(3，103)和/或發送器(2，102)通過補償控制電流和/或發送控制電流的控制對其光強度在幅度上可如此調節，使得不同相位之間出現的時鐘同步信號差變為零。
【文檔編號】G01S17/02GK104185799SQ201280068964
【公開日】2014年12月3日 申請日期:2012年12月21日 優先權日:2012年2月3日
【發明者】E.施維寧格 申請人:梅卡雷斯系統有限責任公司
專業數控銑床產品供應商
20年生產經驗，實力工廠，精工品質，質量有保障
