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Die Erfindung betrifft ein optisches
Element, das eine Lichtquelle mit einer aktiven Seite enthält, die
leuchtet, wenn über
elektrische Kontakte, die an dieser Seite vorgesehen sind, eine
elektrische Spannung angelegt wird, wobei die Lichtquelle an einer transluzenten
Wand befestigt ist, so dass das Licht von der oben genannten aktiven
Seite durch die Wand gesehen werden kann.
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Nach dem aktuellen Stand der Technik
enthalten optische Elemente dieses Typs eine sogenannte Leuchtdiode,
auch LED-Chip genannt, die an einem Metallgehäuse montiert und durch eine
transparente Epoxidschicht geschützt
ist.
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Diese existierenden Elemente sind
jedoch nachteilig insofern als es unmöglich ist, eine homogene Verteilung
der produzierten Lichtstärke
zu erreichen. Sowohl das Metallgehäuse wie die Epoxidschicht erzeugen
Interferenzphänomene.
Insbesondere im Fall einer kugelförmigen Epoxidschicht kann diese
Schicht als Linse wirksam werden. Außerdem ergeben Innenreflexionen
im Gehäuse
einer LED und in der Epoxidschicht eine unkontrollierte Streuung
des von der LED kommenden Lichts.
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Temperaturschwankungen in der LED
infolge einer variierenden Umgebungstemperatur oder wechselnden
elektrischen Bedingungen provozieren eine Variation im abgestrahlten
Lichtspektrum, woraus eine ungenaue Wahrnehmung des optischen Elements
resultiert.
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Diese Eigenschaften sind besonders
nachteilig, wenn ein solches optisches Element in optischen Messsystemen
verwendet wird, bei denen die Position der LED mittels einer Kamera
bestimmt werden muss. Auf der Grundlage der Position der LED wird
die Position und/oder Ausrichtung der Struktur berechnet, auf der
die LED fixiert ist.
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In diesen optischen Messsystemen
wird das optische Zentrum der LED festgestellt, um eine präzise Positionsbestimmung
zu ermöglichen,
beispielsweise der Schwerpunkt der Lichtstärkenverteilung der LED. Um
zur präzisen
Bestimmung einer Position in der Lage zu sein, ist es wichtig, dass
das optische Zentrum der LED unabhängig vom Erfassungswinkel ist,
mit dem sie wahrgenommen wird, und dass die Lichtstärke so hoch
wie möglich
ist.
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Für
gewöhnlich
wird in einem solchen optischen Messsystem mindestens eine Kamera
verwendet, vorzugsweise aber drei Kameras. Eine einzelne LED bzw.
ein optisches Element wird von diesen Kameras unter unterschiedlichen
Winkeln erfasst. Ein mathematischer Prozessor, der in Verbindung
mit diesen Kameras arbeitet, verarbeitet die Bilder, die von den
Kameras geschaffen werden, und berechnet auf dieser Grundlage die
Position des LEDs oder des optischen Elements.
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Folglich sind die nach dem Stand
der Technik benützten
LEDs insofern nachteilig, als das optische Zentrum der LED als Funktion
des Erfassungswinkels variiert, wobei die Innenreflexionen die Lichtstärke reduzieren,
woraus eine relativ beschränkte Messdistanz
und Genauigkeit resultieren.
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US-A-4 741 595 und US-A-4 827 290
offenbaren nicht die Verwendung eines optischen Elements in Verbindung
mit einer Kamera für
Messungen, wie in den Ansprüchen
1 und 11. In diesen Dokumenten wird vielmehr die Verwendung optischer Elemente
für optische
Lichtkopplungen, z. B. Lichtkopplungen mit einem LED-Array-Kopf
für einen
Drucker, offenbart.
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Die Erfindung zielt auf eine Behebung
dieser Nachteile durch Nutzung eines optischen Elements in einem
optischen Messsystem ab, wobei die Position seines optischen Zentrums,
beispielsweise des Schwerpunkts der Lichtstärkenverteilung, unabhängig vom
Erfassungswinkel ist, und das überdies
praktisch keine Innenreflexionen aufweist, so dass eine hohe Lichtstärke erreicht
wird.
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Dazu wird die oben erwähnte transluzente Wand
aus transparenten Fasern gebildet, die parallel nebeneinander angeordnet
sind und diagonal bezüglich
der Wand verlaufen.
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In der Praxis bilden diese Fasern
eine Platte, und sie erstrecken sich beinahe senkrecht zu deren Oberfläche.
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Gemäß einem bevorzugten Ausführungsbeispiel
des optischen Elements nach der Erfindung sind die transparenten
Fasern Glasfasern.
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Gemäß einem spezifischen Ausführungsbeispiel
des optischen Elements nach der Erfindung ist die Wand mit einer
nicht-transparenten Beschichtung auf der Seite der erwähnten Lichtquelle
versehen, wobei in dieser Beschichtung eine Aussparung auf der aktiven
Seite gegenüber
der Lichtquelle vorgesehen ist.
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Gemäß einem spezifischen Ausführungsbeispiel
des optischen Elements nach der Erfindung besteht ein erster Teil
der elektrisch leitenden Kontakte aus einer elektrisch leitenden
Beschichtung, die auf der Wand an der Seite der Lichtquelle vorgesehen
ist.
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Gemäß einem vorteilhaften Ausführungsbeispiel
des optischen Elements nach der Erfindung ist auf der Seite der
Lichtquelle eine Schicht aus leitendem Material vorgesehen, die
sich gegenüber
der aktiven Seite der Lichtquelle erstreckt und einen zweiten Teil
der erwähnten
elektrischen Kontakte bildet.
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Die Erfindung betrifft zudem eine
Messgruppe, die in einem optischen Messsystem verwendet wird, das
mehrere optische Elemente gemäß der Erfindung
enthält.
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Des weiteren betrifft die Erfindung
die Verwendung des optischen Elements gemäß der Erfindung in einem optischen
Messsystem.
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Andere Besonderheiten und Vorteile
der Erfindung gehen aus der folgenden Beschreibung eines spezifischen
Ausführungsbeispiels
des optischen Elements gemäß der Erfindung
hervor; diese Beschreibung hat nur beispielhaften Charakter und ist
nicht geeignet, den Geltungsbereich des beanspruchten Patentschutzes
in irgendeiner Weise einzuschränken.
Die im folgenden verwendeten Bezugszeichen beziehen sich auf die
begleitenden Zeichnungen.
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1 ist
eine schematische Querschnittansicht eines Teils eines optischen
Elements gemäß der Erfindung.
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2 ist
eine schematische Draufsicht des betreffenden Teils eines optischen
Elements gemäß der Erfindung.
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3 ist
eine schematische Draufsicht eines Teils einer Messgruppe gemäß der Erfindung.
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In den unterschiedlichen Figuren
beziehen sich die selben Bezugszeichen jeweils auf identische oder
analoge Elemente.
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Das optische Element 1 gemäß der Erfindung,
wie in 1 dargestellt,
umfasst eine Lichtquelle 2 und eine schützenden transluzente Wand 3. Die
Lichtquelle besteht aus einem herkömmlichen LED-Chip 2 mit
einer aktiven Seite 4. Wenn an den Chip 2 eine elektrische
Spannung angelegt wird, gibt die aktive Seite 4 Licht in einer bestimmten
Stärke
ab. Die Abmessungen eines solchen Chips 2 sind beispielsweise
0,7 × 0,7
mm, seine Dicke 0,5 mm.
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Der Chip 2 ist an der oben
erwähnten
Wand 3 mit der sogenannten Flip-Chip-Technik befestigt, wobei
seine aktive Seite 4 gegen die Wand 3 gerichtet ist. So
kann das vom Chip 2 produzierte Licht durch diese Wand 3 wahrgenommen
werden.
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Gemäß der Erfindung besteht die
Wand 3 aus transparenten Fasern 5, die parallel
nebeneinander angeordnet sind. Diese Fasern können beispielsweise aus Kunststoff
bestehen, vorzugsweise bestehen sie allerdings aus Glasfasern.
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Die entfernten Enden dieser Fasern 5 sind gegen
die aktive Seite 4 des Chips 2 gerichtet, wohingegen die
anderen Enden der Fasern 5 gemeinsam eine Oberfläche 6 bilden.
Wenn das vom Chip 2 kommende Licht durch die Fasern 5 geleitet
wird, wird das Licht auf der Oberfläche 6 empfangen, die
eine homogene, lichtabgebende Ebene bildet, so dass die Lichtquelle 2 sich
auf der Oberfläche 6 zu
befinden scheint.
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Die transparenten Fasern 5 haben
vorzugsweise einen Durchmesser von 3 bis 40 μm, insbesondere einen Durchmesser
zwischen 5 und 15 μm
und insbesondere einen Durchmesser von beinahe 10 μm.
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Des weiteren haben diese Fasern 5 vorzugsweise
eine Länge
zwischen 0,2 und 1,5 mm. Es hat sich herausgestellt, dass Fasern 5 mit
einer Länge von
mehr als 20 mm weniger interessant sind. Gute Ergebnisse wurden
mit Fasern 5 erzielt, die eine Länge von beinahe 1 mm besitzen.
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Wie in 1 dargestellt,
erstrecken sich die Fasern 5 in Entsprechung zu einer ebenen
Platte 7 und bilden so diese Platte 7 mit der
Oberfläche 6,
wobei die Fasern 5 sich beinahe senkrecht zu der Oberfläche 6 erstrecken.
Die Dicke dieser Platte 7 entspricht beinahe der Länge der
Fasern 5 und erreicht vorzugsweise fast 1 mm. Eine solche
Platte wird auch als "Schirmplatte" bezeichnet.
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Solche Fasern 5 und das
als "Schirmplatte" bezeichnete Element
sind als solche bekannt und werden hergestellt von der Firma "Schott Fiber Optics,
Inc." 122 Charlton
Street, Southbridge, MA 01550, USA.
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Um zu verhindern, dass die Lichtstärke, die durch
die erwähnte
Wand 3 und insbesondere die Platte 7 wahrgenommen
wird, inhomogen ist, wird diese mit einer nicht-transparenten Beschichtung 8 versehen.
In dieser Beschichtung ist eine Aussparung gegenüber der Lichtquelle vorgesehen.
So wird eine Membran geschaffen, mit der beispielsweise sichergestellt
wird, dass mögliche
Interferenzen in der Lichtstärke,
die sich am Rand der erwähnten
aktiven Seite 4 ereignen, durch die Wand 3 nicht wahrgenommen
werden.
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Im Ausführungsbeispiel des optischen
Elements gemäß der Erfindung,
wie in 1 dargestellt, ist
diese Beschichtung 8 auf der Seite der Wand 3 vorgesehen,
wo sich der Chip 2 befindet.
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Um die Möglichkeit zu schaffen, eine
elektrische Spannung an das optische Element 1 gemäß der Erfindung
anzulegen, ist dieses mit elektrischen Kontakten 9 und 13 versehen.
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Ein erster Teil dieser elektrischen
Kontakte ist aus einer elektrisch leitenden Beschichtung gebildet,
die im Ausführungsbeispiel
des optischen Elements 1 aus 1 aus
der erwähnten
nicht-transparenten Beschichtung 8 besteht. Diese Beschichtung 8 besteht
vorzugsweise aus einer Metallschicht.
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Die Beschichtung 8 ist über die
Leiter 10 mit vier elektrischen Kontaktoberflächen 11 verbunden, die
innerhalb der Aussparung auf der Wand 3 angeordnet sind
und die einen Kontakt zu vier entsprechenden Verbindungsstücken 12 auf
der oberen Oberfläche
des Chips 2 herstellen.
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Ein zweiter Teil der elektrischen
Kontakte ist aus einer Schicht von leitendem Material 13 gebildet, die
auf der Seite des Chips 2 vorgesehen ist, die sich gegenüber seiner
aktiven Seite 4 erstreckt und elektrisch leitend ist. Diese elektrisch
leitende Schicht 13, wie in 1 dargestellt,
besteht aus einer kleinen Metallplatte.
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Die Schicht 13 besitzt auch
eine gute Wärmeleitfähigkeit,
so dass die vom LED-Chip 2 erzeugte Wärme über diese Schicht 13 abgeführt und
der Chip 2 damit gekühlt
wird. Diese Wärmeabführung garantiert
eine ausgezeichnete thermische Stabilität des Chips, so dass das produzierte
Licht konstant und homogen bleibt und sein Spektrum beinahe invariabel
ist.
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Gemäß einem besonders interessanten
Ausführungsbeispiel
des optischen Elements nach der Erfindung, das in den Figuren nicht
dargestellt ist, sind an der Schicht 13 Mittel befestigt,
die eine Kühlung
und/oder möglicherweise
eine Erwärmung
der Lichtquelle 2 ermöglichen.
Diese Mittel umfassen eine elektrische Komponente mit einem sogenannten Peltier-Element.
Solche elektrischen Bauteile sind für sich bekannt. Dieses Peltier-Element
ist an der Schicht 13 mit seiner sogenannten "kalten Seite" befestigt, während seine
sogenannte "heiße Seite" mit Kühlrippen
versehen ist, die eine Streuung der Hitze in die Umgebung ermöglichen.
Solche Mittel ermöglichen
es, die Temperatur der Lichtquelle auf einem beinahe konstanten
Niveau zu halten, indem ein entsprechender elektrischer Strom durch
das Peltier-Element gesendet wird.
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So wird gemäß der Erfindung ein optisches Element
mit beinahe konstanter Temperatur erreicht, das folglich ein konstantes
Farbspektrum abstrahlt, welches sehr genaue optische Messungen zulässt.
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Gemäß einer Variante des Ausführungsbeispiels
werden diese Mittel direkt an der Lichtquelle 2 montiert,
und die oben erwähnte
Schicht 13 ist nicht vorgesehen.
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Des weiteren ist der Chip 2,
wie in 1 dargestellt,
seitlich von einem nicht-transparenten und elektrisch isolierenden
Material 15 umgeben, wie beispielsweise von einem Epoxidharz.
Dieses isolierende Material erstreckt sich zwischen der Platte 7 und der
Schicht von leitendem Material 13, so dass der Chip 2 von
der Umgebung völlig
abgeschnitten wird.
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In 3 ist
eine Messgruppe 14 für
ein optisches Messsystem dargestellt. Diese Messgruppe 14 enthält vier
unterschiedliche optische Elemente 1 gemäß der Erfindung,
die auf die beschriebene Art und Weise an einer einzigen Platte 7 montiert
sind. So wird eine Messgruppe 14 geschaffen, in der die gegenseitigen
Positionen der unterschiedlichen optischen Elemente 1 fixiert
sind und die auf einer Struktur montiert werden muss, um die Position
dieser Struktur mittels eines optischen Messsystems zu bestimmen.
Natürlich
kann die Messgruppe 14 mehr oder weniger als vier optische
Elemente 1 gemäß der Erfindung
enthalten.
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Die Verwendung des optischen Elements 1 gemäß der Erfindung
in einem optischen Messsystem bietet den Vorteil, dass – unabhängig von
dem Winkel, in dem eine Kamera das Element erfasst – sich ihr
optisches Zentrum immer exakt an der selben absoluten Position befindet.
Somit ist es möglich, sehr
genaue Messungen durchzuführen.
Außerdem wird
eine große
Lichtstärke
erreicht, die Messungen in großen
Distanzen ermöglicht.
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Des weiteren ist es möglich, das
optische Element gemäß der Erfindung
zu sterilisieren, beispielsweise in einem Autoklav, ohne dass die
Gefahr einer Beschädigung
oder Beeinträchtigung
seiner optischen Qualitäten
besteht. So kann das optische Element in einer Umgebung verwendet
werden, wo es besonders auf eine sterile Ausrüstung ankommt.
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Naturgemäß ist die Erfindung nicht auf
die oben beschriebenen Ausführungsbeispiele
des optischen Elements gemäß der Erfindung
beschränkt. So
können
beispielsweise die transparenten Fasern, welche die erwähnte Platte
bilden, auch in einem anderen Winkel als einem rechten Winkel zur
Oberfläche
derselben angeordnet sein. Möglicherweise
können
in dem optischen Element gemäß der Erfindung auch
andere Lichtquellen als ein Halbleiter-Chip verwendet werden.