DE-102024132548-A1 - Dämpfung eines optischen Pfads zu einem optischen Empfänger mittels eines optischen Elements mit Leiterplatte

Abstract

Ein optisches Element (10) zum Dämpfen von optischer Strahlung in einem optischen Pfad zu einem optischen Empfänger (50) hat eine Leiterplatte (20). Die Leiterplatte (20) umfasst eine Oberseite (22), eine Unterseite (24), ein Leiterplattenmaterial (28) aus Kunststoff und ein optisches Funktionselement (40). Die Leiterplatte (20) weist eine wenigstens teilweise Beschichtung (26) einer Oberfläche der Unterseite (24) und/oder der Oberseite (22) mit einem optisch undurchlässigen Material auf. Die Leiterplatte (20) hat einen optischen Dämpfungsabschnitt (30) zur optischen Durchleitung und Dämpfung der Strahlung von der Oberseite (22) zur Unterseite (24), der Teil des optischen Pfads ist. In dem Dämpfungsabschnitt (30) ist die Oberfläche der Oberseite (22) frei von der Beschichtung (26). In dem Dämpfungsabschnitt (30) ist an der Unterseite (24) ein Aufnahmebereich (34) für einen optischen Empfänger (50) ausgebildet und an der Oberseite (22) ist ein Eintrittsbereich (32) der Strahlung ausgebildet. In dem Dämpfungsabschnitt (30) ist das optische Funktionselement (40) zwischen dem Eintrittsbereich (32) und dem Aufnahmebereich (34) der Leiterplatte (20) eingebracht. Das optische Funktionselement (40) ist näher an dem Aufnahmebereich (34) als an dem Eintrittsbereich (32) angeordnet.

Inventors

• Erhard Schweninger
• Michael Hase

Assignees

• ELMOS SEMICONDUCTOR SE

Dates

Publication Date

20260507

Application Date

20241107

Claims (20)

1. Optisches Element zum Dämpfen von optischer Strahlung in einem optischen Pfad zu einem optischen Empfänger (50), mit einer Leiterplatte (20) umfassend eine Oberseite (22), eine Unterseite (24), ein Leiterplattenmaterial (28) aus Kunststoff und ein optisches Funktionselement (40); wobei die Leiterplatte (20) eine wenigstens teilweise Beschichtung (26) einer Oberfläche der Unterseite (24) und/oder der Oberseite (22) mit einem optisch undurchlässigen Material aufweist; die Leiterplatte (20) einen optischen Dämpfungsabschnitt (30) zur optischen Durchleitung und Dämpfung der Strahlung von der Oberseite (22) zur Unterseite (24) hat, der Teil des optischen Pfads ist; in dem Dämpfungsabschnitt (30) die Oberfläche der Oberseite (22) frei von der Beschichtung (26) ist; in dem Dämpfungsabschnitt (30) an der Unterseite (24) ein Aufnahmebereich (34) für einen optischen Empfänger (50) ausgebildet ist und an der Oberseite (22) ein Eintrittsbereich (32) der Strahlung ausgebildet ist; in dem Dämpfungsabschnitt (30) das optische Funktionselement (40) zwischen dem Eintrittsbereich (32) und dem Aufnahmebereich (34) der Leiterplatte (20) eingebracht ist; und das optische Funktionselement (40) näher an dem Aufnahmebereich (34) als an dem Eintrittsbereich (32) angeordnet ist.
2. Optisches Element nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet , dass das Leiterplattenmaterial (28) einen Kunststoff, einen faserverstärkten Kunststoff, ein glasfaserverstärktes Polymer, ein glasfaserverstärktes Epoxidharz oder ein FR-4-Material umfasst.
3. Optisches Element nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet , dass die Beschichtung (26) der Oberfläche ein elektrisch leitfähiges Material, bevorzugt Kupfer ist.
4. Optisches Element nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet , dass das optische Funktionselement (40) eine oder mehrere eindimensionale Strukturen umfasst, eine zweidimensionale Struktur oder eine dreidimensionale Struktur ist, die bevorzugt eine oder mehrere Materialbahnen umfasst, die bevorzugt mäanderförmig oder wenigstens abschnittsweise parallel sind, oder die bevorzugt eine Gitterstruktur (42) mit Öffnungen (44) ist, wobei das optische Funktionselement (40) bevorzugt elektrisch leitend ist und sehr bevorzugt mit einer Masseleitung der Leiterplatte (20) verbindbar ist.
5. Optisches Element nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet , dass das optische Funktionselement (40) eine dreidimensionale Struktur aus wenigstens zwei übereinander angeordneten Gitterstrukturen (42) ist, die bevorzugt parallel zueinander ausgerichtet sind und besonders bevorzugt gegeneinander verschoben oder um eine, bevorzugt parallel zur Gitterstruktur-Normalen ausgerichteten, Rotationsachse verdreht sind, bevorzugt in einem Winkel, der ungleich einem Vielfachen von 90° ist.
6. Optisches Element nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet , dass bei einem eine Gitterstruktur (42) umfassenden optischen Funktionselement (40) das Verhältnis der Gesamtgitterstrukturöffnungsfläche zu der Gesamtfläche der Gitterstruktur (42) vorbestimmbar ist, um eine gewünschte oder vordefinierte Dämpfung des optischen Elements (10) zu erhalten, wobei die Gesamtgitteröffnungsfläche bevorzugt höchstens 50 %, weiter bevorzugt höchstens 30 %, weiter bevorzugt höchstens 25 %, weiter bevorzugt höchstens 20 %, besonders bevorzugt höchstens 10 % beträgt.
7. Optisches Element nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet , dass das optische Funktionselement (40) wenigstens ein Element aus der Gruppe von folgenden Elementen umfasst: Hologramm, Polarisationsfilter, Streuscheibe, stochastisch gleich verteilte Metallflächen, Spektralfilter, Metallflächen mit runden Öffnungen mit einem Durchmesser in der Größenordnung der zu transmittierenden Strahlung, Spiegelflächen, photonischer Kristall, Gitterstruktur aus transparentem Material, Gitterstruktur aus fluoreszierendem Material.
8. Optisches Element nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet , dass das optische Element (10) einen Kopplungsbereich zur Einkopplung weiterer Strahlung in die Leiterplatte (20) umfasst, bevorzugt zur Einkopplung in Leiterplattenmaterial (28), das Glasfasern umfasst.
9. Verwendung des optischen Elements (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche in einer Messanordnung (14), einem Sensor, einem Detektor, einem Regensensor (70), einem optischen Fahrzeugsensor, in einem HALIOS-Messsystem oder in einem Messsensor.
10. Optischer Sensor zum Empfangen optischer Strahlung, die nach Durchgang durch einen optischen Pfad mit einem Messobjekt von einem Sender (52) zu einem Empfänger (50) geleitet wird, umfassend den optischen Empfänger (50) zum Empfangen der optischen Strahlung des Senders (52); und ein optisches Element (10), bevorzugt nach einem der vorhergehenden Ansprüche, mit einer Leiterplatte (20), wobei die Leiterplatte (20) des optischen Elements (10) Kunststoffmaterial und eine Oberseite (22) und eine Unterseite (24) umfasst, deren Oberflächen wenigstens teilweise mit einer intransparenten Beschichtung (26) versehen sind; die Leiterplatte (20) in dem optischen Pfad angeordnet ist; der optische Empfänger (50) an der Leiterplatte (20) derart angeordnet ist, dass optische Strahlung von dem Sender (52) nach Durchlaufen des optischen Pfads von dem Empfänger (50) empfangbar ist; die Leiterplatte (20) einen optischen Dämpfungsabschnitt (30) zur optischen Durchleitung und Dämpfung der Strahlung von der Oberseite (22) zur Unterseite (24) hat, in dem an der Oberseite (22) ein Eintrittsbereich (32) der Strahlung ausgebildet ist, der frei von der Beschichtung (26) ist; in dem Dämpfungsabschnitt (30) an der Unterseite (24) ein Aufnahmebereich (34) ausgebildet ist, in dem der optische Empfänger (50) angeordnet ist; in dem Dämpfungsabschnitt (30) das optische Funktionselement (40) zwischen dem Eintrittsbereich (32) der Oberseite (22) und dem Aufnahmebereich (34) der Unterseite (24) der Leiterplatte (20) eingebracht ist; und das optische Funktionselement (40) näher an dem Aufnahmebereich (34) als an dem Eintrittsbereich (32) angeordnet ist.
11. Optischer Sensor nach Anspruch 10 , dadurch gekennzeichnet , dass der Sensor (12) einen optischen Sender (52) zum Aussenden optischer Strahlung umfasst und der Sender (52) an der Unterseite (24) der Leiterplatte (20) angeordnet ist, bevorzugt in einem Senderabschnitt (36), in dem die Oberseite (22) und bevorzugt die Unterseite (24) der Leiterplatte (20) frei von Beschichtungen (26) sind und in dem besonders bevorzugt eine Durchgangsbohrung (38) durch die Leiterplatte (20) angeordnet ist.
12. Optischer Sensor nach Anspruch 11 , dadurch gekennzeichnet , dass der Sender (52) eine Diode oder LED ist und/oder dass der Empfänger (50) eine Diode oder Fotodiode ist.
13. Optischer Sensor nach einem der Ansprüche 10 bis 12 , dadurch gekennzeichnet , dass die Beschichtung (26) der Oberseite (22) und/oder der Unterseite (24) elektrisch leitfähig ist.
14. Optischer Sensor nach einem der Ansprüche 10 bis 13 , dadurch gekennzeichnet , dass ein Kompensationssender (56), bevorzugt in Form einer Kompensationsdiode, vorgesehen ist, die optische Strahlung durch einen zweiten optischen Pfad zu dem Empfänger (50) aussendet, wobei der zweite optische Pfad wenigstens teilweise, bevorzugt komplett durch die Leiterplatte (20) verläuft.
15. Optischer Sensor nach Anspruch 14 , dadurch gekennzeichnet , dass der Kompensationssender (56) in einem Kompensationsabschnitt (39) an der Unterseite (24) der Leiterplatte (20), der wenigstens teilweise frei von der Beschichtung (26) ist, oder innerhalb der Leiterplatte (20) derart angeordnet ist, dass die ausgesandte Kompensationsstrahlung durch die Leiterplatte (20) zu dem Empfänger (50) geleitet wird.
16. Regensensor zum Detektieren von Regentropfen auf einer in einem optischen Pfad angeordneten Scheibe (78), mit einem optischen Sensor (12) nach einem der Ansprüche 10 bis 15 und einem optischen Sender (12), der Strahlung in den optischen Pfad abstrahlt.
17. Messanordnung mit einem optischen Sender (52) zum Abstrahlen einer optischen Strahlung und einem optischen Empfänger (50) zur Vermessung der Übertragungseigenschaften einer ersten Übertragungsstrecke (60) zwischen dem Sender (52) und dem Empfänger (50), wobei die Messanordnung (14) eine Reglereinheit (54) umfasst, die aus einem Empfängerausgangssignal des Empfängers (50) ein Sendersteuersignal zur Ansteuerung des Senders (52) zur rückkoppelnden Regelung des Senders (52) derart erzeugt, dass bei einer Änderung der Übertragungseigenschaften der ersten Übertragungsstrecke (60) das Empfängerausgangssignal im Wesentlichen unverändert bleibt; die Messanordnung (14) ein optisches Element (10) mit einer Leiterplatte (20) umfasst, bevorzugt ein optisches Element (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 8 , das optische Element (10) in der ersten Übertragungsstrecke (60) zwischen Sender (52) und Empfänger (50) angeordnet und dazu eingerichtet und ausgebildet ist, um die Strahlung zwischen dem Sender (52) und Empfänger (50) zu dämpfen; die Leiterplatte (20) - eine Oberseite (22) und eine Unterseite (24) und ein Leiterplattenmaterial (28) aus Kunststoff umfasst und eine wenigstens teilweise Beschichtung (26) der Unterseite (24) und/oder der Oberseite (22) mit einem optisch undurchlässigen Material aufweist und einen optischen Dämpfungsabschnitt (30) zur optischen Durchleitung und Dämpfung der Strahlung von der Oberseite (22) zur Unterseite (24) hat; - in dem Dämpfungsabschnitt (30) die Oberseite (22) frei von Beschichtung (26) ist; - in dem Dämpfungsabschnitt (30) an der Oberseite (22) ein Eintrittsbereich (32) der Strahlung ausgebildet ist und an der Unterseite (24) ein Aufnahmebereich (34) für den optischen Empfänger (50) ausgebildet ist, in dem der optische Empfänger (50) an der Leiterplatte (20) angeordnet ist.
18. Messanordnung nach dem vorhergehenden Anspruch, wobei - in dem optischen Dämpfungsabschnitt (30) ein optisches Funktionselement (40) zwischen dem Eintrittsbereich (32) der Oberseite (22) und dem Aufnahmebereich (34) der Unterseite (24) der Leiterplatte (20) eingebracht ist; - das optische Funktionselement (40) eingerichtet und ausgebildet ist, um die Dämpfung des optischen Elements (10) zu erhöhen, und einen Dämpfungsfaktor aufweist, der größer ist als der Dämpfungsfaktor der Leiterplatte (20); - wobei bevorzugt das optische Funktionselement (40) näher an dem Aufnahmebereich (34) als an dem Eintrittsbereich (32) angeordnet ist.
19. Messanordnung nach Anspruch 17 oder 18 , wobei der Sender (52) an der Leiterplatte (20) in einem Senderabschnitt (36) angeordnet ist und Strahlung in die erste Übertragungsstrecke (60) abstrahlt, wobei bevorzugt die Leiterplatte (20) eine Durchgangsbohrung (38) in dem Senderabschnitt (36) aufweist und der Sender (52) an der Unterseite (24) der Leiterplatte (20) in dem Senderabschnitt (36) angeordnet ist und durch die Durchgangsbohrung (38) hindurch strahlt.
20. Opto-elektronische Messanordnung, mit einem optischen Sender (52), einem optischen Kompensationssender (56) und einem optischen Empfänger (50) zur Vermessung der Übertragungseigenschaften einer ersten Übertragungsstrecke (60) zwischen dem Sender (52) und dem Empfänger (50), wobei - der Sender (52) ein Sendesignal in die erste Übertragungsstrecke (60) sendet, das nach Durchgang durch mindestens einen Teil der ersten Übertragungsstrecke (60) von dem Empfänger (50) detektiert wird, - der Kompensationssender (56) ein Kompensationssignal in eine zweite Übertragungsstrecke (64) sendet, das von dem Empfänger nach Durchgang durch die zweite Übertragungsstrecke (64) detektiert wird, - der Empfänger (50) ausgebildet und eingerichtet ist, um das Sendesignal und das Kompensationssignal linear zu überlagern und daraus ein Empfängerausgangssignal zu bilden, - eine Reglereinheit (54), die aus dem Empfängerausgangssignal ein Kompensationssteuersignal zur Ansteuerung des Kompensationssenders (56) und/oder ein Sendersteuersignal zur Ansteuerung des Senders (52) zur rückkoppelnden Regelung des Empfängerausgangssignals derart erzeugt, dass bei einer Änderung der Übertragungseigenschaften der ersten Übertragungsstrecke (60) das Empfängerausgangssignal im Wesentlichen unverändert bleibt; dadurch gekennzeichnet , dass ein optisches Element (10) in der ersten Übertragungsstrecke (60) zwischen dem Sender (52) und dem Empfänger (50) angeordnet ist, das eine Leiterplatte (20) mit einer Oberseite (22) und einer Unterseite (24) und Leiterplattenmaterial (28) zwischen der Oberseite (22) und der Unterseite (24) umfasst; die Leiterplatte (20) eine wenigstens teilweise Beschichtung (26) der Unterseite (24) und/oder der Oberseite (22) mit einem optisch intransparenten Material aufweist; die Leiterplatte (20) einen optischen Dämpfungsabschnitt (30) zur optischen Durchleitung und Dämpfung der Strahlung von der Oberseite (22) zur Unterseite (24) hat, in dem die Oberseite (22) frei von der Beschichtung (26) ist; in dem Dämpfungsabschnitt (30) an der Oberseite (22) ein Eintrittsbereich (32) der Strahlung ausgebildet ist und an der Unterseite (24) ein Aufnahmebereich (34) ausgebildet ist, in dem der optische Empfänger (50) angeordnet ist; der Kompensationssender (56) an der Leiterplatte (20) des optischen Elements (10) angeordnet ist, die in der ersten Übertragungsstrecke (60) angeordnet ist; die Kopplung zwischen dem Kompensationssender (56) und dem Empfänger (50) wenigstens teilweise über die Leiterplatte (20) des optischen Elements (10) erfolgt.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein optisches Element zum Dämpfen von optischer Strahlung in einem optischen Pfad zu einem optischen Empfänger, einen optischen Sensor zum Empfangen optischer Strahlung, die nach Durchgang durch einen optischen Pfad mit einem Messobjekt von einem Sender zu einem Empfänger geleitet wird, eine entsprechende Messanordnung und einen Regensensor. Optische Messsysteme verwenden Licht im sichtbaren oder nicht sichtbaren Bereich. In einem optischen Pfad oder einer optischen Übertragungsstrecke zwischen einem optischen Sender und einem optischen Empfänger wird ein Objekt oder ein Gegenstand erkannt oder eine Änderung der Transmission in dem Pfad ermittelt. Beispielsweise werden solche Systeme als Regensensoren eingesetzt. Die Messsysteme beruhen oftmals auf Rückkopplungsregelungen und setzen Kompensationssignale ein, um Einflüsse von Fremdlicht auszuregeln. So lassen sich DC-Anteile von Sonnenlicht und AC-Anteile von technischen Störquellen wie PWM-Störern (pulsweitenmodulierte Störer) oder Lidar-Systemen größtenteils kompensieren. In modernen optischen Messsystemen stellt sich durch die Weiterentwicklung der Empfänger und die Erhöhung deren Sensitivität häufig das Problem einer zu hohen Empfindlichkeit auch gegenüber Fremdlicht, die nicht mehr durch die Regelung der verwendeten Verstärker kompensiert werden kann. Insbesondere bei Messanordnungen oder Messsystemen im Automobilbereich ist der zur Verfügung stehende Raum gering, um Maßnahmen zu treffen, die der zu hohen Empfindlichkeit entgegenwirken. Häufig ist es weder gewünscht, auf moderne Sensoren oder Empfänger zu verzichten, die in der Regel einen relativ großen Überwachungsbereich bieten, noch sollen zusätzliche Bauteile zur optischen (Teil-) Schirmung zum Einsatz kommen, weil der benötigte Bauraum fehlt, zusätzliche Montageschritte erforderlich sind und zusätzliche Kosten entstehen. Es stellt sich also die Aufgabe, eine Lösung für das auftretende Problem der zu hohen Empfindlichkeit derartiger Messanordnungen oder Messsysteme zu schaffen. Gelöst wird die vorliegende Aufgabe durch ein optisches Element zum Dämpfen von optischer Strahlung in einem optischen Pfad zu einem optischen Empfänger mit den Merkmalen des Anspruchs 1. Ebenfalls gelöst wird die Aufgabe mit einem optischen Sensor zum Empfangen optischer Strahlung mit den Merkmalen des Anspruchs 10, mit einem Regensensor mit den Merkmalen des Anspruchs 16, mit einer Messanordnung mit den Merkmalen des Anspruchs 17, mit einer opto-elektronischen Messanordnung mit den Merkmalen des Anspruchs 20 und mit einem Regensensor mit den Merkmalen des Anspruchs 22. In einem ersten Aspekt betrifft die vorliegende Erfindung ein optisches Element zum Dämpfen von optischer Strahlung in einem optischen Pfad zu einem optischen Empfänger. Das optische Element hat eine Leiterplatte umfassend eine Oberseite, eine Unterseite, ein Leiterplattenmaterial aus Kunststoff und ein optisches Funktionselement. Die Leiterplatte weist eine wenigstens teilweise Beschichtung einer Oberfläche der Unterseite und/oder der Oberseite mit einem optisch undurchlässigen Material auf. Die Leiterplatte hat einen optischen Dämpfungsabschnitt zur optischen Durchleitung und Dämpfung der Strahlung von der Oberseite zur Unterseite, der Teil des optischen Pfads ist. In dem optischen Dämpfungsabschnitt ist die Oberfläche an der Oberseite frei von der Beschichtung. In dem Dämpfungsabschnitt ist an der Unterseite ein Aufnahmebereich für einen optischen Empfänger ausgebildet und an der Oberseite ein Eintrittsbereich der Strahlung. In dem Dämpfungsabschnitt ist weiter das optische Funktionselement zwischen dem Eintrittsbereich und dem Aufnahmebereich der Leiterplatte eingebracht. Das optische Funktionselement ist näher an dem Aufnahmebereich als an dem Eintrittsbereich angeordnet. Mit anderen Worten, das optische Funktionselement ist näher an der Unterseite und dem Bereich angeordnet, der für die Aufnahme des optischen Empfängers vorgesehen ist. Das optische Funktionselement ist dazu ausgebildet, um die Dämpfung des optischen Elements zu erhöhen. Die Dämpfung des optischen Funktionselements ist dabei größer als die Dämpfung des Leiterplattenmaterials bzw. der Leiterplatte. Der optische Dämpfungsabschnitt der Leiterplatte zur optischen Durchleitung und Dämpfung der Strahlung ist wenigstens teilweise mit Leiterplattenmaterial gefüllt, also mit dem Kunststoffmaterial. In einem weiteren Aspekt betrifft die Erfindung einen optischen Sensor zum Empfangen optischer Strahlung, die nach Durchgang durch einen optischen Pfad mit einem Messobjekt von einem Sender zu einem Empfänger geleitet wird. Der optische Sensor umfasst den optischen Empfänger zum Empfangen der optischen Strahlung des Senders und ein optisches Element mit einer Leiterplatte. Die Leiterplatte des optischen Elements weist ein Kunststoffmaterial auf. Sie umfasst eine Oberseite und eine Unterseite, deren Oberflächen wenigstens teilweise mit einer intransparenten Beschichtu