CN110770555A - 光学检测器 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及用于光学检测的检测器(110),其包含旨在支承至少一个层的电路载体(130),其中所述电路载体(130)是或包含印刷电路板(132);反射层(138),所述反射层(138)布置在电路载体(130)的一部分上,其中所述反射层(138)旨在反射入射光束(120),由此生成至少一个反射光束(124);基底层(114),所述基底层(114)直接或间接毗邻反射层(138),其中所述基底层(114)对入射光束(120)至少部分透明;传感器层(122),所述传感器层(122)布置在基底层(114)上,其中所述传感器层(122)旨在以依赖于通过入射光束和反射光束(124)照射传感器层(122)的方式生成至少一个传感器信号;和评估装置(140),其旨在通过评估传感器信号生成至少一个信息项;和至少两个接触传感器层(122)的独立电触点(148、148’),其中所述电触点(148、148’)旨在将传感器信号经电路载体(130)传送到评估装置(150)。检测器(110)构成用于检测尤其在红外光谱范围内的光学辐射的检测器,尤其关于透射系数、吸收、发射和反射系数的至少一种,其能够避免入射光的损失。

Description

光学检测器
发明领域
本发明涉及这样的检测器,其用于光学检测特别在红外光谱范围内的辐射,具体而言关于传感对象的至少一种光学可想到的性质。更特别地,该检测器可用于测定至少一个对象的透射系数、吸收、发射、反射系数和/或位置。此外,本发明涉及人机界面、娱乐设备、扫描系统、跟踪系统、立体影像系统和摄影机。本发明还涉及制造光学检测器的方法和光学检测器的各种用途。这样的装置、方法和用途可用于例如日常生活、游戏、交通技术、空间映射、生产技术、安全技术、医疗技术或科学界中的各种领域。但是,可能有进一步的用途。
现有技术
为尤其在红外光谱范围中的传感设计的光学检测器(红外检测器)特别包含安置在透明基底上的硫化铅(PbS)或硒化铅(PbSe)光电导体的薄层。在此,为了实现高性能,光导层是较薄的层,但其仍被证实至少部分透明,特别是对入射光束的长波长而言。由于红外光谱范围包含760nm至1000μm的波长,因此在测量应用中可能损失入射光的很大一部分。因此,为了减少在红外检测器中的测量过程中的这种入射光损失,已知在玻璃基底的背面施加反射金涂层。但是,在玻璃基底的背面施加附加金层需要复杂的制造步骤。
WO 2016/120392 A1公开了旨在以依赖于传感器区的照射的方式生成至少一个传感器信号的纵向光学传感器。根据所谓的“FiP效应”,在相同的照射总功率下,传感器信号因此依赖于照射的几何学,特别是在传感器区上的照射的束横截面。此外,公开了具有至少一个旨在由传感器信号生成至少一个几何学信息项,特别是关于光照和/或对象的至少一个几何学信息项的评估装置的光学检测器。在此,纵向光学传感器的传感器区包含光电导材料,其中在相同的照射总功率下,光电导材料中的电导率依赖于传感器区中的光束的束横截面。因此,纵向传感器信号依赖于光电导材料的电导率。优选地,光电导材料选自硫化铅(PbS)、硒化铅(PbSe)、碲化铅(PbTe)、碲化镉(CdTe)、磷化铟(InP)、硫化镉(CdS)、硒化镉(CdSe)、锑化铟(InSb)、碲化镉汞(HgCdTe;MCT)、硫化铜铟(CIS)、硒化铜铟镓(CIGS)、硫化锌(ZnS)、硒化锌(ZnSe)或硫化铜锌锡(CZTS)。此外,固溶体和/或其掺杂变体也可行。此外,公开了具有传感器区的横向光学传感器,其中传感器区包含优选嵌在两个透明导电氧化物层之间的光电导材料层和至少两个电极。优选地,至少一个电极是具有至少两个部分电极(partial electrode)的拆分电极(split electrode),其中由部分电极提供的横向传感器信号指示入射光束在传感器区内的x-和/或y-位置。
US 2014/124782 A1公开了一种光学检测器,其包含配置为包括半导体材料,例如Si、Ge或Si/Ge的基底,以及读出集成电路、既能充当吸收层又能充当转换层的包含硫族化物材料的传感器层、电连接到传感器层并配置为检测可由入射红外光或由其生成的热造成的传感器层的电阻变化的检测部件、位于基底与传感器层之间的插入层(interpositionlayer),其中所述插入层包括依序堆叠在基底上的反射层以及隔离层。
US 2012/146028 A1公开了另一光学检测器,其包含基底,特别是半透明玻璃基底,如低碱玻璃基底,或石英基底,基层(base layer)作为基底层(substrate layer),具有至少n型区和p型区的半导体层作为传感器层,和金属氧化物层作为反射层,其中已穿过半导体层的一部分入射光随后穿过基层并最终到达金属氧化物层的上表面。由于在金属氧化物层的上表面上提供的随机粗糙度,入射光无法穿过金属氧化物层;相反,金属氧化物层因此漫反射入射光。
尽管上述装置暗含着优点,仍然需要关于简单、成本有效并且仍可靠的光学检测器的改进。
本发明要解决的问题
因此,本发明要解决的问题在于规定至少基本避免这种类型的已知装置和方法的缺点的装置和光学检测方法。
特别地,提供用于检测尤其在红外光谱范围内的光学辐射的改进的简单、成本有效并且仍可靠的光学检测器是理想的,尤其是就透射系数、吸收、发射和反射系数的至少一种而言。由此,该光学检测器优选以能够尽可能减少或避免入射光,特别是来自红外光谱范围的光的损失的方式布置,其中可采用容易的制造方法制造光学检测器。
发明概述
通过具有独立专利权利要求的特征的本发明解决这一问题。在从属权利要求中和/或在下列说明书和详细实施方案中给出可独立或组合实现的本发明的有利扩展。
本文所用的词语“具有”、“包含”和“含有”及其语法变型以非排他方式使用。因此,词语“A具有B”以及词语“A包含B”或“A含有B”可以是指除B外A还含有一种或多种其它组分和/或成分的事实,和除B外在A中不存在其它组分、成分或元素的情况。
在本发明的第一个方面中,公开了一种用于入射光束的光学检测的光学检测器。在本文中,根据本发明的光学检测器包含:
-旨在支承至少一个层的电路载体;
-反射层,所述反射层布置在电路载体的一部分(partition)上,其中所述反射层旨在反射入射光束,由此生成至少一个反射光束;
-基底层,所述基底层直接或间接毗邻反射层,其中所述基底层对入射光束和反射光束至少部分透明;
-传感器层,所述传感器层布置在基底层上,其中所述传感器层旨在以依赖于通过入射光束和反射光束照射传感器层的方式生成至少一个传感器信号;和
-评估装置,其旨在通过评估传感器信号生成至少一个信息项。
在本文中,所列组件可以是分开的组件。或者,两个或更多个组件可集成为一个组件。优选地,评估装置可作为独立于其它光学组件的单独评估装置形成,但可优选连接到传感器层以接收传感器信号。但是,其它类型的布置也可能是可行的。
如通常使用,术语“光学检测器”特别可被设计为检测在光谱范围的至少一个部分中的至少一个波长,其中光谱范围的预期部分可选自紫外(UV)光谱范围、可见(VIS)光谱范围和/或红外(IR)光谱范围。对于光学检测器或简单而言,根据本发明的检测器,IR范围,即760nm至1000μm的光谱范围尤其优选。
根据本发明,该检测器包含旨在支承至少一个层,特别是至少一个如下文更详细描述的反射层的电路载体。本文所用的术语“电路载体”是指为支承至少一个电子、电和/或光学元件,特别是多个这样的元件提供的载体,其中该载体旨在机械支承和电连接这些电子、电和/或光学元件。在一个优选实施方案中,电路载体可以是平面电路载体。如通常使用,术语“平面”是指在通常被称为平面体的“表面”的两个维度上的长度超过在通常被称为平面体的“厚度”的第三维度上的长度至少10,优选至少100,更优选至少1000倍的物体。在另一实施方案中,非平面电路载体也可能适用,特别是柔性印刷电路(FPC)或机电集成器件(MID)之一。
在一个特别优选的实施方案中,电路载体可以是或包含印刷电路板,通常缩写为“PCB”,其是指不导电的平面基底,也可被称为板,将至少一个导电材料片材,特别是铜层施加到,尤其是层压到该基底上。涉及另外包含一个或多个电子、电和/或光学元件的这种类型的电路载体的其它术语也可能被称为印刷电路组装件,简称“PCA”,印刷电路板组装件,简称“PCB组装件”或“PCBA”,电路卡组装件或简称“CCA”或简称“卡(card)”。在PCB中,绝缘基底可包含玻璃环氧树脂,其中也可使用被酚醛树脂浸渍的、通常褐色或棕色的棉纸作为基底材料。根据片材数,印刷电路板可以是单面PCB、双层或双面PCB、或多层PCB,其中不同片材使用所谓的“通孔(via)”互相连接。对本发明而言,使用单面PCB可能足够;但是其它种类的印刷电路板也可能适用;双面PCB可在两面上都具有金属,而多层PCB可通过将附加金属层夹在进一步的绝缘材料层之间设计。此外,通过使用两个双面PCB,可生成四层PCB,其中两个第一层可用作电源和接地平面(ground plane),而两个第二层可用作电组件之间的信号引线。在多层PCB中,层可以交替方式,如以金属、基底、金属、基底、金属等的顺序层压在一起,其中各金属层可独立地蚀刻并且其中可在将多个层层压在一起之前镀通(platedthrough)任何内部通孔。此外,通孔可以是或包含镀铜孔,其可优选被设计为穿过绝缘基底的电隧道。为此,也可使用穿孔式元件(through-hole component),其通常可通过穿过基底并焊接到另一面上的轨道或迹线上的引线安装。
可以优选通过除去片材的一部分,特别通过在片材中的所选区域的蚀刻、丝网印刷、照相雕刻、PCB milling或激光抗蚀剂烧蚀将导电图案或结构,如轨道、迹线、垫片(pad)、用于生成相邻片材之间的连接的通孔或如固体导电区之类的零件(feature)引入所述一个或多个片材,由此创建所需结构。可优选使用涂布到PCB上的光致抗蚀剂材料进行蚀刻,随后曝光,由此可生成所需图案。在此,光致抗蚀剂材料可适用于保护金属以防溶解到蚀刻溶液中。在蚀刻后,可最终清洁PCB。通过使用这种方法,可大量复制特定的PCB图案。但是,其它类型的分离方法或连接方法也可能适用。例如,引入PCB中的轨道可充当固定在所选位置的线,其中相邻轨道可一方面通过基底材料,另一方面通过在PCB使用条件下的电隔离流体,尤其通过可存在于相邻轨道之间的间隙中的空气或保护性气体彼此绝缘。此外,PCB的表面可具有也被称为阻焊剂的涂层,其可被设计为保护所述至少一个片材内的金属,尤其是铜免受有害环境效应,如腐蚀,因此降低可能由焊料或由杂散裸线生成不想要的短路的几率。在多层PCB中,可以这种方式仅涂布外金属层,因为内金属层受到相邻基底层的保护。
此外,可以例如通过钎焊、焊接或沉积将电子、电和/或光学元件或组件安置到基底上,或附加地或替代性地,嵌入电路载体中,例如通过将它们安置到基底中指定用于此用途的底座中和/或通过有意除去电路载体的一部分。优选地,表面贴装元件,尤其是晶体管、二极管、IC芯片、电阻器和电容器因此可使用导电引线安装到PCB上,所述导电引线将各自的元件连接(adjoin)到在基底的同一面上的金属轨道、迹线或区域上。作为一个替代,通孔安装特别可用于大长度(extended)或大体积(voluminous)组件,如电解电容器或连接器。作为另一替代,可将组件嵌在基底内。此外,PCB还可包含通常用术语“丝网(silkscreen)”表示的在PCB上的区域,在其上可印刷识别文本,如识别组件或试验点的图例。关于印刷电路板的进一步实施方案,可以参考https://en.wikipedia.org/wiki/Printed_circuit_board。但是,其它种类的电路载体也可能适用。
进一步根据本发明,该检测器包含反射层,其中将反射层布置在电路载体的一部分上,特别在电路载体的表面的一部分上,更特别在印刷电路板的表面的一部分上。在本文中,术语“反射层”是指旨在反射入射光束的层,优选以在入射光束先前已至少部分透过传感器层后将其反射回传感器层的方式。这一布置因此可将入射光束改向到传感器层中,由此减少在这种类型的检测器的测量过程中的入射光损失。
在一个特别优选的实施方案中,反射层,特别是至少意在被入射光束照射的反射层表面包含金属层或至少金属表面,优选金层、银层或铜层。在本文中,金层、银层和铜层特别优选,因为它们表现出在IR中的高反射系数,如在整个IR光谱范围,尤其是760nm至20μm内高于90%的反射系数。此外,金层是另外优选的,因为它们可通过在电路载体,特别是PCB的接受表面上沉积金制造。但是,在1μm至20μm表现出高于90%的反射系数的其它种类的金属层也可能合适,如铝。用于制造PCB的触点的其它常用材料是锡、钯、镍或铅,它们各自可用作反射层。此外,常用的丝网印刷、阻焊漆和在PCB制造中常见的其它有机覆盖层表现出有利的反射特征。例如,白色丝网表现出明显高的宽带漫反射,特别是由于在该层中使用白色颜料。特别地,该反射层可表现出10nm至100μm,优选20nm至10μm,更优选40nm至2μm的厚度。
在一个特定实施方案中,反射层可被设计为以由此生成漫反射的方式反射入射光束,其中术语“漫反射”是指入射光束朝各种方向散射。为此,反射层可表现出粗糙表面,其可与反射层的平面形成对照。优选地,粗糙表面可表现出至少0.01μm的粗糙度Ra值。结果,照射反射层的粗糙表面的入射光束在这一特定实施方案中通常以相对于表面更窄的角度(a narrower angle)反射,因此导致反射光束经更长距离穿过传感器层,在此其很有可能被吸收。因此,反射层的粗糙表面在这一特定实施方案中可通过以有利的角度将各光束改向到优选吸收入射光的传感器层中而减少入射光的损失。
为了获得反射层的粗糙表面,可在电路载体与反射层之间安置附加表面层。此外,为了获得粗糙表面,可通过粗糙化工艺处理电路载体,优选通过刷擦、蚀刻、喷砂(jetpumice)或激光处理,以特别提高施加在处理区上的反射层的表面粗糙度。对于大多数PCB表面精整(surface finish),已在初始清洁步骤中通过金属层,特别是铜层的预处理,优选通过施加粗糙化工艺,优选喷砂、蚀刻或刷擦实施表面粗糙化。随后沉积的层(优选包含镍、金、钯、锡、铅、铝、银或其合金的至少一种)可依循底部铜层的粗糙度。在PCB铜层上建立的粗糙度的典型Ra和Rz值大约为0.3μm至0.4μm的Ra和3μm至4μm的Rz。
进一步根据本发明,该检测器包含含有至少一种光敏材料的传感器层,其中该传感器层可充当检测器的传感器区域。如本文所用,“传感器区域”被认为是旨在接受光束对检测器的照射的检测器分区,其中以如被传感器区域接受到的方式的照射可触发所述至少一个传感器信号的发生,其中可通过传感器信号与传感器区域的照射方式之间的确定关系决定传感器信号的发生。
传感器信号通常可以是指示要测量的所需光学性质,特别是入射光束的透射系数、吸收、发射和反射系数或对象的位置的任意信号。作为一个实例,传感器信号可以是或可包含数字和/或模拟信号。作为一个实例,传感器信号可以是或可包含电压信号和/或电流信号。附加地或替代性地,传感器信号可以是或可包含数字数据。传感器信号可包含单个信号值和/或一系列信号值。传感器信号可进一步包含通过合并两个或更多个独立信号,如通过平均两个或更多个信号和/或通过形成两个或更多个信号的商衍生的任意信号。
在一个优选实施方案中,传感器层包含的所述至少一种光敏材料可选自染料太阳能电池、光电导材料(photoconductive material)和量子点(quantum dot),其中特别优选光电导材料。关于染料太阳能电池的进一步细节,可以参考WO 2012/110924 A1和WO 2014/097181 A1。
特别基于WO 2016/120392 A1,本文所用的术语“光电导材料”是指能够维持电流,因此表现出特定电导率的材料,其中具体而言,电导率取决于该材料的照度。由于电阻率被定义为电导率的倒数值,替代性地,也可使用术语“光电阻材料(photoresistivematerial)”命名相同种类的材料。因此,光电导材料可优选包含无机光电导材料,特别是薄膜半导体或纳米微粒光电导材料;有机光电导材料,特别是有机半导体;它们的组合、固溶体和/或掺杂变体。本文所用的术语“固溶体”是指光电导材料的一种状态,其中至少一种溶质可包含在溶剂中,由此形成均相并且其中溶剂的晶体结构通常不因溶质的存在改变。例如,二元CdTe可溶解在ZnTe中以产生Cd1-xZnxTe,其中x可为0至1不等。本文中进一步使用的术语“掺杂变体”可以是指光电导材料的一种状态,其中将除材料本身的成分外的单原子引入晶体内在未掺杂状态下被固有原子占据的位点上。
在这方面,无机光电导材料特别可包含硒、碲、硒-碲合金、金属氧化物、第IV族元素或化合物,即来自第IV族的元素或含至少一种第IV族元素的化学化合物,第III-V族化合物,即含至少一种第III族元素和至少一种第V族元素的化学化合物,第II-VI族化合物,即一方面含有至少一种第II族元素或至少一种第XII族元素和另一方面含有至少一种第VI族元素的化学化合物,和/或硫族化物的一种或多种。但是,其它无机光电导材料可能同样适当。
如上文提到,硫族化物可优选选自硫化物硫族化物、硒化物硫族化物、碲化物硫族化物、三元硫族化物、四元和更高级硫族化物,可优选适用于传感器层。如通常使用,术语“硫族化物”是指除氧化物外可包含周期表第16族元素的化合物,即硫化物、硒化物和碲化物。特别地,该光电导材料可以是或包含硫化物硫族化物,优选硫化铅(PbS),硒化物硫族化物,优选硒化铅(PbSe),碲化物硫族化物,优选碲化镉(CdTe),或三元硫族化物优选是碲化汞锌(HgZnTe;MZT)。由于至少所提到的优选光电导材料通常已知表现出在红外光谱范围内的独特吸收特征,包含所提到的光电导材料之一的传感器层可优选用作红外传感器。但是,其它实施方案和/或其它光电导材料,特别是如下所述的光电导材料也可能是可行的。
特别地,硫化物硫族化物可选自硫化铅(PbS)、硫化镉(CdS)、硫化锌(ZnS)、硫化汞(HgS)、硫化银(Ag2S)、硫化锰(MnS)、三硫化二铋(Bi2S3)、三硫化二锑(Sb2S3)、三硫化二砷(As2S3)、硫化锡(II)(SnS)、二硫化锡(IV)(SnS2)、硫化铟(In2S3)、硫化铜(CuS或Cu2S)、硫化钴(CoS)、硫化镍(NiS)、二硫化钼(MoS2)、二硫化铁(FeS2)和三硫化铬(CrS3)。
特别地,硒化物硫族化物可选自硒化铅(PbSe)、硒化镉(CdSe)、硒化锌(ZnSe)、三硒化二铋(Bi2Se3)、硒化汞(HgSe)、三硒化二锑(Sb2Se3)、三硒化二砷(As2Se3)、硒化镍(NiSe)、硒化铊(TlSe)、硒化铜(CuSe或Cu2Se)、二硒化钼(MoSe2)、硒化锡(SnSe)和硒化钴(CoSe)和硒化铟(In2Se3)。此外,所提到的化合物或这种类型的其它化合物的固溶体和/或掺杂变体也可能是可行的。
特别地,碲化物硫族化物可选自碲化铅(PbTe)、碲化镉(CdTe)、碲化锌(ZnTe)、碲化汞(HgTe)、三碲化二铋(Bi2Te3)、三碲化二砷(As2Te3)、三碲化二锑(Sb2Te3)、碲化镍(NiTe)、碲化铊(TlTe)、碲化铜(CuTe)、二碲化钼(MoTe2)、碲化锡(SnTe)和碲化钴(CoTe)、碲化银(Ag2Te)和碲化铟(In2Te3)。此外,所提到的化合物或这种类型的其它化合物的固溶体和/或掺杂变体也可能是可行的。
特别地,三元硫族化物可选自碲化镉汞(HgCdTe;MCT)、碲化汞锌(HgZnTe)、硫化汞镉(HgCdS)、硫化铅镉(PbCdS)、硫化铅汞(PbHgS)、二硫化铜铟(CuInS2;CIS)、硫硒化镉(CdSSe)、硫硒化锌(ZnSSe)、硫硒化亚铊(TlSSe)、硫化镉锌(CdZnS)、硫化镉铬(CdCr2S4)、硫化汞铬(HgCr2S4)、硫化铜铬(CuCr2S4)、硒化镉铅(CdPbSe)、二硒化铜铟(CuInSe2)、砷化铟镓(InGaAs)、氧硫化铅(Pb2OS)、氧硒化铅(Pb2OSe)、硫硒化铅(PbSSe)、硒化碲化砷(As2Se2Te)、亚硒酸镉(CdSeO3)、碲化镉锌(CdZnTe)和硒化镉锌(CdZnSe)、通过采用来自上列二元硫族化物的化合物和/或如下所列的二元III-V-化合物的进一步组合。此外,所提到的化合物或这种类型的其它化合物的固溶体和/或掺杂变体也可能是可行的。
关于四元和更高级硫族化物,这种类型的材料可选自已知表现出合适的光电导性质的四元和更高级硫族化物。特别地,具有Cu(In,Ga)S/Se2或Cu2ZnSn(S/Se)4的组成的化合物可能可用于这一用途。
关于III-V化合物,这种类型的半导体材料可选自锑化铟(InSb)、氮化硼(BN)、磷化硼(BP)、砷化硼(BAs)、氮化铝(AlN)、磷化铝(AlP)、砷化铝(AlAs)、锑化铝(AlSb)、氮化铟(InN)、磷化铟(InP)、砷化铟(InAs)、锑化铟(InSb)、氮化镓(GaN)、磷化镓(GaP)、砷化镓(GaAs)和锑化镓(GaSb)。此外,所提到的化合物或这种类型的其它化合物的固溶体和/或掺杂变体也可能是可行的。
关于II-VI化合物,这种类型的半导体材料可选自硫化镉(CdS)、硒化镉(CdSe)、碲化镉(CdTe)、硫化锌(ZnS)、硒化锌(ZnSe)、碲化锌(ZnTe)、硫化汞(HgS)、硒化汞(HgSe)、碲化汞(HgTe)、碲化镉锌(CdZnTe)、碲化镉汞(HgCdTe)、碲化汞锌(HgZnTe)和硒化汞锌(CdZnSe)。但是,其它II-VI化合物可能是可行的。此外,所提到的化合物或这种类型的其它化合物的固溶体也可能是可行的。
关于金属氧化物,这种类型的半导体材料可选自表现出光电导性质的已知金属氧化物,特别选自氧化铜(II)(CuO)、氧化铜(I)(CuO2)、氧化镍(NiO)、氧化锌(ZnO)、氧化银(Ag2O)、氧化锰(MnO)、二氧化钛(TiO2)、氧化钡(BaO)、氧化铅(PbO)、二氧化铈(CeO2)、氧化铋(Bi2O3)、氧化镉(CdO)、铁氧体(Fe3O4)和钙钛矿氧化物(ABO3,其中A是二价阳离子,且B是四价阳离子)。此外,三元、四元或更高级金属氧化物也可能是可行的。此外,所提到的化合物或这种类型的其它化合物(其可能是化学计量化合物或非化学计量化合物)的固溶体和/或掺杂变体也可能是可行的。如稍后更详细解释,可优选选择可能同时也表现出透明或半透明性质的金属氧化物。
关于第IV族元素或化合物,这种类型的半导体材料可选自掺杂金刚石(C)、掺杂硅(Si)、碳化硅(SiC)和硅锗(silicon germanium)(SiGe),其中半导体材料可选自结晶材料、微晶材料或优选选自非晶材料。如通常使用,术语“非晶”是指半导体材料的非晶同素异形相。特别地,光电导材料可包含至少一种氢化非晶半导体材料,其中该非晶材料已另外通过对该材料施加氢钝化,由此不希望受制于理论,该材料内的悬空键数看起来已减少几个量级。特别地,氢化非晶半导体材料可选自氢化非晶硅(a-Si:H)、氢化非晶硅碳合金(a-SiC:H)或氢化非晶锗硅合金(a-GeSi:H)。但是,其它种类的材料,如氢化微晶硅(μc-Si:H)也可能用于这些用途。
替代性地或附加地,有机光电导材料特别可以是或包含有机化合物,特别是已知包含适当的光电导性质的有机化合物,优选聚乙烯基咔唑,通常用于静电印刷术的化合物。但是,更详细描述在WO 2016/120392 A1中的大量其它有机分子也可能是可行的。
在进一步优选的实施方案中,光电导材料可以可包含量子点的胶体膜的形式提供。可能表现出相对于相同材料的均匀层轻微或显著改变的化学和/或物理性质的光电导材料的这种特定状态因此也可被称为胶体量子点(CQD)。本文所用的术语“量子点”是指光电导材料的一种状态,其中光电导材料可包含导电粒子,如电子或空穴,它们在所有三个空间维度上限定于通常被称为“点”的小体积。
在本文中,量子点可表现出可简单地被视为可能接近所提到的粒子体积的球体的直径的尺寸。在这一优选实施方案中,光电导材料的量子点特别可表现出1nm至100nm,优选2nm至100nm,更优选2nm至15nm的尺寸,只要实际包含在特定薄膜中的量子点可表现出低于特定薄膜的厚度的尺寸。在实践中,量子点可包含纳米级半导体晶体,其可能被表面活性剂分子覆盖并分散在溶液中以形成胶体膜。在此,可以选择表面活性剂分子以允许测定胶体膜内的各个量子点之间的平均距离,特别是作为所选表面活性剂分子的近似空间扩展(approximate spatial extension)的结果。此外,根据配体的合成,量子点可表现出亲水或疏水性质。CQD可通过采用气相、液相或固相法制成。由此,CQD的各种合成方式是可能的,特别是通过使用已知方法,如热喷雾、胶体合成或等离子体合成。但是,其它制造方法也可能是可行的。
进一步在这一优选实施方案中,用于量子点的光电导材料可优选选自如上文提到的光电导材料之一,更特别选自硫化铅(PbS)、硒化铅(PbSe)、碲化铅(PbTe)、碲化镉(CdTe)、磷化铟(InP)、硫化镉(CdS)、硒化镉(CdSe)、锑化铟(InSb)、碲化镉汞(HgCdTe;MCT)、硫化铜铟(CIS)、硒化铜铟镓(CIGS)、硫化锌(ZnS)、硒化锌(ZnSe)、钙钛矿结构材料ABC3,其中A是指碱金属或有机阳离子,B=Pb、Sn或Cu,且C是卤素离子,和硫化铜锌锡(CZTS)。此外,所提到的化合物或这种类型的其它化合物的固溶体和/或掺杂变体也可能是可行的。这种类型的材料的核壳结构也可能是可行的。但是,其它种类的光电导材料也可能是可行的。
在本文中,可通过采用至少一种用于在基底层表面上沉积传感器层的沉积方法制造特别包含所述至少一种光敏材料的传感器层,其中该沉积方法可优选选自:化学浴沉积、真空蒸发、溅射、原子层沉积、化学气相沉积、喷雾热解、电沉积、阳极化、电转化(electro-conversion)、无电浸渍生长(electro-less dip growth)、连续离子吸附(successiveionic adsorption)和反应、分子束外延(molecular beam epitaxy)、分子气相外延、液相外延、喷墨印刷、凹版印刷、柔性版印刷、丝网印刷、漏版印刷(stencil printing)、狭缝模头涂布、刮刀涂布和溶液-气体界面技术。因此,传感器层可表现出10nm,优选100nm,特别是300nm,至100μm,优选至10μm,特别至5μm的厚度,因此表现出仍可低于入射光束的波长或其分数的厚度,如在IR光谱范围内,即760nm至1000μm,尤其是在中IR光谱范围内,即1.5μm至15μm的波长的1/2或1/4。因此,相当可能出现入射光的损失,特别是只要入射光束只能穿过传感器层一次,这可使用如本文中其它地方描述的反射层矫正。
在一个特别优选的实施方案中,可将传感器层直接或间接施加到基底层上,尤其是以在传感器层和基底层之间没有留下也没有生成间隙的方式。因此,传感器层可优选是正好一个连续传感器层。为了实现入射光束和反射光束的高透射,基底层对入射光束和反射光束都至少部分透明。为此,基底层可包含优选选自玻璃、石英、硅(Si)、透明导电氧化物(TCO)或透明有机聚合物的基底材料。特别地,透明导电氧化物(TCO)可选自氧化铝(Al2O3)、氧化钛(TiO2)、氧化铟锡(ITO)、氟掺杂的氧化锡(SnO2:F;FTO)、铝掺杂的氧化锌(AZO)、氧化镁(MgO)或钙钛矿透明导电氧化物。但是,根据所需波长范围,也可使用其它种类的基底材料作为基底层。
在一个特定实施方案中,根据本发明的检测器可进一步包含可布置在基底层与反射层之间的胶粘剂层。如通常使用,术语“胶粘剂层”是指可布置在两个相邻层之间的附加层,其中胶粘剂层包含旨在以使它们抗分离的方式组装这两个相邻层的胶粘剂物质,例如通过与用胶粘剂粘合相邻层相比只有通过施加提高的力才能分离。在本文中,胶粘剂层尤其可以一方面在反射层和胶粘剂层之间,另一方面在胶粘剂层和基底层之间没有留下也没有生成间隙的方式施加。胶粘剂层仍可优选是可毗邻基底层和反射层布置的正好一个连续层。在本文中,胶粘剂层可对入射光束至少部分透明,或替代性地,部分反射入射光束。这两种实施方案因此都可允许入射光束按需要穿过基底层朝传感器层反射。为此,胶粘剂层可表现出为提供基底层与反射层之间的紧密和稳定连接而选择的厚度。在本文中,胶粘剂层特别可包含可优选充满漫反射或镜面反射粒子的有机胶粘剂。特别根据为胶粘剂层选择的材料,胶粘剂层的厚度因此可为100nm至10μm,更优选250nm至5μm。
在进一步实施方案中,胶粘剂层可替代性地或附加地表现出证实对光学传感器有利的一种或多种化学或物理性质。因此,在一个优选实施方案中,胶粘剂层可具有减反射光学性质,特别是通过作为或包含光学减反射层而适用于降低基底层与反射层之间的折光指数差。也可能想到进一步的性质。
进一步根据本发明,该检测器包含评估装置,其旨在通过评估传感器信号生成由入射光束提供的至少一个信息项。本文所用的术语“评估装置”通常是指旨在生成信息项的任意装置。作为一个实例,评估装置可以是或可包含一个或多个集成电路,如一个或多个专用集成电路(ASIC)和/或一个或多个数字信号处理器(DSP)和/或一个或多个现场可编程门阵列(FPGA)和/或一个或多个数据处理装置,如一个或多个计算机,优选一个或多个微型计算机和/或微控制器。可包含附加组件,如一个或多个预处理装置和/或数据采集装置,如一个或多个用于接收和/或预处理传感器信号的装置,如一个或多个AD转换器和/或一个或多个过滤器。该评估装置还可包含一个或多个数据存储装置。此外,如上文概述,该评估装置可包含一个或多个接口,如一个或多个无线接口和/或一个或多个引线接合接口。
所述至少一个评估装置可适用于执行至少一个计算机程序,如至少一个执行或支持生成信息项的步骤的计算机程序。作为一个实例,可以执行一种或多种算法,其通过使用传感器信号作为输入变量,可执行预定转换成对象的位置。
该评估装置特别可包含至少一个数据处理装置,特别是电子数据处理装置,其可被设计为通过评估传感器信号生成信息项。因此,该评估装置被设计为使用传感器信号作为输入变量并通过处理这些输入变量生成由入射光束提供的信息项。该处理可并行、随后或甚至以组合方式进行。该评估装置可使用用于生成这些信息项的任意过程,例如通过计算和/或使用至少一种存储的和/或已知的关系。除传感器信号外,一个或多个其它参数和/或信息项可影响所述关系,例如关于调制频率的至少一个信息项。可以测定或可凭经验、分析或半经验测定该关系。特别优选地,该关系包含至少一个校准曲线、至少一组校准曲线、至少一种函数或所提到的可能性的组合。一个或多个校准曲线可以例如以一组数值及其相关函数值的形式存储在例如数据存储装置和/或表格中。但是,替代性地或附加地,所述至少一个校准曲线也可例如以参数化形式和/或作为函数方程存储。可以使用用于将传感器信号处理成信息项的单独关系。或者,用于处理传感器信号的至少一种组合关系是可行的。可想到各种可能性并且也可组合。
例如,该评估装置可在编程方面为测定信息项设计。该评估装置特别可包含至少一个计算机,例如至少一个微型计算机。此外,该评估装置可包含一个或多个易失性或非易失性数据存储器。作为对数据处理装置,特别是至少一个计算机的替代或补充,该评估装置还可包含一个或多个旨在测定信息项的附加电子组件,例如电子表格,特别是至少一个查阅表格(look-up table)和/或至少一个专用集成电路(ASIC),和/或至少一个数字信号处理器(DSP),和/或至少一个现场可编程门阵列(FPGA)。
该检测器具有至少一个评估装置。特别地,所述至少一个评估装置也可被设计为完全或部分控制或驱动检测器,例如通过将评估装置设计为控制至少一个照射源和/或控制该检测器的至少一个调制器。该评估装置特别可被设计为执行至少一个测量周期,其中拾取一个或多个传感器信号,如多个传感器信号,例如相继在该照射的不同调制频率下的多个传感器信号。
该评估装置如上所述被设计为通过评估所述至少一个传感器信号生成由入射光束提供的至少一个信息项。在一个特定实施方案中,所述信息项可包含关于对象的纵向位置和/或如果适用,关于对象的横向位置的至少一个信息项。“对象”通常可以是选自有生命对象和无生命对象的任意对象。因此,作为一个实例,所述至少一个对象可包含一个或多个制品和/或制品的一个或多个部件。附加地或替代性地,该对象可以是或可包含一个或多个生物和/或其一个或多个部分,如人类,例如用户和/或动物的一个或多个身体部分。
如本文所用,“位置”通常是指关于对象在空间中的位置和/或取向的任意信息项。为此,作为一个实例,可以使用一个或多个坐标系,并可使用一个、两个、三个或更多个坐标确定对象的位置。作为一个实例,可以使用一个或多个笛卡尔坐标系和/或其它类型的坐标系。在一个实例中,该坐标系可以是检测器的坐标系,其中该检测器具有预定位置和/或取向。对象的所述位置可以是静态的,或甚至可包含对象的至少一次运动,例如在检测器或其部分与对象或其部分之间的相对运动。在这种情况下,相对运动通常可包含至少一次线性运动和/或至少一次旋转运动。也可例如通过在不同时间拾取的至少两个信息项的比较获得运动信息项,以使例如至少一个位置信息项也可包含至少一个速度信息项和/或至少一个加速信息项,例如关于在对象或其部分与检测器或其部分之间的至少一个相对速度的至少一个信息项。特别地,所述至少一个位置信息项通常可选自:关于在对象或其部分与检测器或其部分之间的距离,特别是光程长度的信息项;关于在对象或其部分与任选传输装置或其部分之间的距离或光学距离的信息项;关于对象或其部分相对于检测器或其部分的定位的信息项;关于对象和/或其部分相对于检测器或其部分的取向的信息项;关于在对象或其部分与检测器或其部分之间的相对运动的信息项;关于对象或其部分的二维或三维空间配置,特别是对象的几何学或形式的信息项。通常,所述至少一个位置信息项因此可例如选自:关于对象或其至少一个部分的至少一个位置的信息项;关于对象或其部分的至少一个取向的信息;关于对象或其部分的几何学或形式的信息项、关于对象或其部分的速度的信息项、关于对象或其部分的加速的信息项、关于对象或其部分在检测器的视程内的存在或不存在的信息项。
可以例如在至少一个坐标系,例如检测器或其部分所处的坐标系中指定所述至少一个位置信息项。替代性地或附加地,位置信息也可简单地包含例如在检测器或其部分与对象或其部分之间的距离。也可想到所提到的可能性的组合。
在本发明的一个特别优选的实施方案中,该检测器可进一步包含至少两个独立电触点,它们接触传感器层并旨在将传感器信号经电路载体传送到评估装置。本文所用的术语“接触传感器层”是指在各自的触点与传感器层之间的导电连接,其可以将各电触点置于传感器层的表面位置上的方式布置。为此,所述至少两个独立电触点可施加在光电导材料层的不同位置,尤其是以至少两个独立电触点相对于彼此电隔离的方式。在本文中,所述至少两个电触点各自优选以可实现各自的电极与传感器层之间的直接电接触,特别是损失(如归因于传感器层与评估装置之间的传输路径中的额外电阻)尽可能少地获取传感器信号的方式布置。在另一实施方案中,可在能将传感器信号无接触地传送到评估装置的设置中布置传感器层。
因此,在传感器区域被光束照射时,所述至少两个电触点可向评估装置提供依赖于照射传感器层的传感器信号。在本文中,电触点可包含容易通过已知蒸发技术提供的蒸发金属层。特别地,蒸发金属层可包含金、银、铝、铂、镁、铬或钛的一种或多种。或者,至少一个电触点可包含高导电石墨烯层。
在这种类型的材料中,可经至少一个第一电触点经过该材料向至少一个第二电触点引导电流,其中第一电触点可与第二电触点隔离,同时第一电触点和第二电触点可与该材料直接连接。为此,可通过现有技术状况中已知的任何已知措施提供直接连接,如引线接合、镀层、焊接、钎焊、热超声接合、stitch-bonding、球接合、楔形接合、compliantbonding、热压接合、阳极接合、直接接合、等离子体活化接合、共晶接合、玻璃料接合(glassfrit bonding)、胶粘剂接合(adhesive bonding)、瞬时液相扩散接合(transient liquidphase diffusion bonding)、表面活化接合、tape-automated bonding或在接触区沉积高导电物质,特别是金属,如金、铍掺杂的金、铜、铝、银、铂或钯,以及包含至少一种所述金属的合金。
在一个特别优选的实施方案中,引线接合(wire bond)可用于提供在接触传感器层的各电触点与可优选进一步布置在电路载体,特别是印刷电路板(PCB)上的相应接收触点,如接触垫片之间的直接连接。这种类型的布置容易将传感器层连向评估装置,其中电触点可设计为将传感器信号传送至电路载体和随后传送至评估装置。
在本发明的另一特别优选的实施方案中,检测器可另外包含覆盖层。在本文中,可优选以使其直接接触传感器层的方式将覆盖层沉积在传感器层上。在一个优选实施方案中,可以其完全覆盖传感器层的可及表面的方式将覆盖层沉积在该层上。优选地,覆盖层可以是包含至少一种含金属的化合物的非晶层。但是,其它种类的覆盖层也可能是可行的。
优选地,至少一种沉积方法可用于在传感器层上沉积覆盖层。为此,所述至少一种沉积方法特别可选自原子层沉积、化学气相沉积、等离子体增强的化学气相沉积、物理气相沉积、溶胶-凝胶沉积或其组合。因此,该覆盖层可以是或包含原子沉积层、化学气相沉积层或物理气相沉积层或溶胶-凝胶沉积层或等离子体增强的化学气相沉积层。用于覆盖层的另外备选方案可包含环氧树脂层或玻璃层。在本文中,术语“原子层沉积”,等同术语“原子层外延”或“分子层沉积”以及它们各自的缩写“ALD”、“ALE”或“MLD”通常用于表示可包含自限性工艺步骤和随后的自限性反应步骤的沉积方法。因此,根据本发明施加的方法也可被称为“ALD法”。关于ALD法的进一步信息,可以参考George,Chem.Rev.,110,第111-131页,2010。此外,通常缩写为“CVD”的术语“化学气相沉积”是指其中基底或位于基底上的层的表面可暴露于至少一种挥发性前体的方法,其中该前体可在表面反应和/或分解以生成所需沉积物。在常见情况下,可能通过在表面上方施加气流除去可能的副产物。或者,PECVD法可优选作为特别用于获得氮化硅(Si3N4)膜的沉积方法适用。在本文中,术语“PECVD法”是指一种特殊的CVD法,其中前体可作为等离子体提供,例如通过在反应室中施加放电。
如上文提到,覆盖层可优选包含至少一种含金属的化合物。在本文中,含金属的化合物可优选包含金属,其中该金属特别可选自Li、Be、Na、Mg、Al、K、Ca、Sc、Ti、V、Cr、Mn、Fe、Co、Ni、Cu、Zn、Ga、Rb、Sr、Y、Zr、Nb、Mo、Ru、Rh、Pd、Ag、Cd、In、Sn、Cs、Ba、La、Ce、Pr、Nd、Pm、Sm、Eu、Gd、Tb、Dy、Ho、Er、Tm、Yb、Lu、Hf、Ta、W、Re、Os Ir、Pt、Au、Hg、Tl和Bi。在一个具体实施方案中,含金属的化合物可替代性地包含半金属,其也可被称为“准金属”,其中半金属可选自B、Ge、As、Sb和Te。优选地,所述至少一种含金属的化合物可选自Al、Ti、Ta、Mn、Mo、Zr、Hf和W。
在本文中,所述至少一种含金属的化合物可优选选自氧化物、氢氧化物、硫族化物、磷族化物(pnictide)、碳化物或其组合。如上文已定义,术语“硫族化物”是指除氧化物外可包含周期表第16族元素的化合物,即硫化物、硒化物和碲化物。以类似方式,术语“磷族化物”是指可包含周期表第15族元素的化合物,优选二元化合物,即氮化物、磷化物、砷化物和锑化物。如下文更详细描述,含金属的化合物可优选包含至少一种氧化物、至少一种氢氧化物或其组合,优选Al、Ti、Zr或Hf的化合物。
在另一实施方案中,覆盖层可以是或包含可具有至少两个相邻层的层压物,其中相邻层各自的组成特别不同,以使一个、两个、一些或所有相邻层可包含含金属的化合物之一。在本文中,相邻层可包含如上所述的两种不同的含金属的化合物,以提供非晶结构。例如,覆盖层可包含含Al化合物和含Zr或Hf化合物的交替相邻层。但是,含金属的化合物的其它组合也有可能。此外,该层压物可进一步包含没有如本申请中其它地方描述的任一含金属的化合物而是可以是或包含金属化合物、聚合化合物、有机硅化合物或玻璃化合物的至少一种的附加相邻层。在此,其它种类的材料也可能是可行的。因此,该层压物可包含可能非晶但也可能是或包含结晶或纳米晶体层的附加相邻层。
在一个特别优选的实施方案中,覆盖层可完全覆盖传感器层的可及表面。因此,覆盖层在第一个方面中可适于为传感器层提供封装。本文所用的术语“封装”可以是指包装,优选气密包装,尤其为尽可能避免传感器层或其一部分的部分或完全降解,特别是由外部影响,如周围气氛中包含的湿度和/或氧气造成的。在此,该包装可优选适于覆盖传感器层的所有可及表面,其中可以考虑到,传感器层可沉积在已适于保护传感器层的表面的一部分的基底层上。换而言之,基底层和覆盖层可协作以实现传感器层的包装,优选气密包装。
此外,根据本发明的覆盖层的非晶性质不仅可改进对如上所述的光电导材料的保护性封装,还在将覆盖层沉积在光电导材料层上和随后热处理包含直接沉积在光电导材料上的覆盖层的复合结构后可显著改进光电导材料的光电导性质的意义上固有地有助于可优选与覆盖层直接接触的光电导材料的光电导性质的活化。
不受制于理论,但在光电导材料上的覆盖层沉积不仅可导致覆盖层的各自表面与光电导材料之间的直接接触。此外,该复合结构的热处理可促进覆盖层或其至少一部分中包含的材料部分渗入光电导材料,由此造成物理和/或化学效应,特别是在光电导材料的详细结构和/或组成方面。看起来这一效应可能允许覆盖层中包含的材料的一小部分渗入光电导材料的接收部分,如相边界(phase boundary)、空位(vacancy)或孔隙。这一效应因此看起来特别与覆盖层的非晶结构相关。
在一个特别优选的实施方案中,覆盖层可表现出10nm至600nm,优选20nm至200nm,更优选40nm至100nm,最优选50至75nm的厚度。这一厚度特别可反映有利于实现为传感器层提供封装和/或活化的功能的覆盖层内的含金属的化合物的量。在本文中,覆盖层可以是相对于传感器层的相邻表面的共形层(conformal layer)。如通常使用,该共形层的厚度可因此在±50nm,优选±20nm,最优选±10nm的偏差内依循传感器层的相应表面,其中该偏差可经覆盖层表面的至少90%,优选至少95%,最优选至少99%发生,由此不考虑可能存在于覆盖层表面上的任何污染或瑕疵。
此外,覆盖层可适于表现出除提供封装和/或活化的功能外的至少一种其它功能。例如,覆盖层可表现出高折光指数,如至少1.2,优选至少1.5,以适合作为合适的减反射层。因此,可以有利地选择用于覆盖层的材料为优选在预期波长范围内光学透明,特别是通过表现出合适的吸收特征。另一方面,由于基底层已至少部分透明,更大量的不同材料,包括光学不透明材料可用于覆盖层。进一步的实例可包括第二滤光片、防刮层、亲水层、疏水层、自净层、防雾层和导电层。其它功能也有可能。
特别地,覆盖层可充当旨在过滤预定波长范围的滤光片。在这方面,也有可能使用层压物形式或包含层压物的覆盖层。特别地,使用至少两种不同类型的金属氧化物的叠层可用作干涉滤光片。例如,包含彼此交替堆叠的氧化铝(Al2O3)和氧化钛(TiO2)的叠层非常适合这一用途。
在一个特定实施方案中,特别是在不能适当地为覆盖层提供所需附加功能或由所选覆盖层提供的附加功能的程度可能不足的情况下,覆盖层可另外被至少部分沉积在覆盖层上的至少一个附加层至少部分覆盖。优选地,该附加层可以是或表现出附加功能并因此可包含减反射层、第二滤光片、防刮层、亲水层、疏水层、自净层、防雾层或导电层的至少一种。在本文中,本领域技术人员能够容易地选择和提供所述至少一个附加层。但是,其它实施方案也有可能。
在一个优选实施方案中,该覆盖层可部分或完全覆盖电触点,电触点尤其可配置为可接合到例如连向外部电路的一条或多条引线。在本文中,电触点可使用线,如金或铝线接合,其中电触点优选可穿过覆盖层接合。在一个特定实施方案中,可在电触点处提供附加胶粘剂层,其中该附加胶粘剂层可尤其适于接合。为此,附加胶粘剂层可包含Ni、Cr、Ti或Pd的至少一种。
根据本发明,该检测器可优选被设计为检测在显著宽的光谱范围,如紫外(UV)、可见和红外(IR)光谱范围内的电磁辐射,其中IR光谱范围特别优选。在本文中,尤其可为检测器内的传感器层选择下列光电导材料:
-对于UV光谱范围:掺杂金刚石(C)、氧化锌(ZnO)、氧化钛(TiO2)、氮化镓(GaN)、磷化镓(GaP)或碳化硅(SiC);
-对于可见光谱范围:硅(Si)、砷化镓(GaAs)、硫化镉(CdS)、碲化镉(CdTe)、硫化铜铟(CuInS2;CIS)、硒化铜铟镓(CIGS)、硫化铜锌锡(CZTS);
-对于IR光谱范围:砷化铟镓(InGaAs)、硅(Si)、锗(Ge)、碲化镉(CdTe)、硫化铜铟(CuInS2;CIS)、硒化铜铟镓(CIGS)、对于7560nm至1.5μm的NIR光谱范围,硫化铜锌锡(CZTS),其中CdTe、CIS、CIGS和CZTS特别优选用于850nm以上的波长;对于最多2.6μm的波长,砷化铟镓(InGaAs);对于最多3.1μm的波长,砷化铟(InAs);对于最多3.5μm的波长,硫化铅(PbS);对于最多5μm的波长,硒化铅(PbSe);对于最多5.5μm的波长,锑化铟(InSb);和对于最多16μm的波长,碲化镉汞(MCT、HgCdTe)。
如上文已经提到,用于光学检测的检测器通常是适于提供关于所述至少一个对象的位置的至少一个信息项的装置。该检测器可以是固定装置或移动装置。此外,该检测器可以是独立装置或可构成另一装置,如计算机、车辆或任何其它装置的一部分。此外,该检测器可以是手持装置。该检测器的其它实施方案也可行。
本文所用的术语“位置”通常是指关于对象在空间中的位置和/或取向的任意信息项。为此,作为一个实例,可以使用一个或多个坐标系,并可使用一个、两个、三个或更多个坐标确定对象的位置。作为一个实例,可以使用一个或多个笛卡尔坐标系和/或其它类型的坐标系。在一个实例中,该坐标系可以是检测器的坐标系,其中该检测器具有预定位置和/或取向。如下文更详细概述,该检测器可具有可构成检测器的主视向的光轴。该光轴可形成坐标系的轴,如z轴。此外,可提供一个或多个附加轴,优选垂直于z轴。
因此,作为一个实例,该检测器可构成一个坐标系,其中光轴形成z轴并且其中另外可提供垂直于z轴并互相垂直的x轴和y轴。作为一个实例,该检测器和/或检测器的一个部分可落在这一坐标系中的特定点,如在这一坐标系的原点。在这一坐标系中,平行于或反向平行于z轴的方向可被视为纵向,并且沿z轴的坐标可被视为纵向坐标。垂直于纵向的任意方向可被视为横向,且x-和/或y-坐标可被视为横向坐标。
或者,可以使用其它类型的坐标系。因此,作为一个实例,可以使用极坐标系,其中光轴形成z轴并且其中可以使用距z轴的距离和极角作为附加坐标。平行于或反向平行于z轴的方向仍可被视为纵向,并且沿z轴的坐标可被视为纵向坐标。垂直于z轴的任何方向可被视为横向,且极坐标和/或极角可被视为横向坐标。
该检测器尤其可适于以任何可行的方式提供关于所述至少一个对象的位置的所述至少一个信息项。因此,可以例如电子、视觉、声学或以它们的任何任意组合提供信息。该信息可进一步存储在检测器的数据存储器或单独装置中和/或可经由至少一个接口,如无线接口和/或引线接合接口提供。
在一个特别优选的实施方案中,该检测器可以是或包含纵向光学传感器。如本文所用,“纵向光学传感器”通常是旨在以依赖于通过光束照射传感器区域的方式生成至少一个纵向传感器信号的装置,其中纵向传感器信号在相同的照射总功率下根据所谓“FiP效应”依赖于光束在传感器区域中的束横截面。纵向传感器信号通常可以是指示纵向位置(也可被称为深度)的任意信号。作为一个实例,纵向传感器信号可以是或可包含数字和/或模拟信号。作为一个实例,纵向传感器信号可以是或可包含电压信号和/或电流信号。附加地或替代性地,纵向传感器信号可以是或可包含数字数据。纵向传感器信号可包含单个信号值和/或一系列信号值。纵向传感器信号可进一步包含通过合并两个或更多个独立信号,如通过平均两个或更多个信号和/或通过形成两个或更多个信号的商衍生的任意信号。关于纵向光学传感器和纵向传感器信号的潜在实施方案,可以参考WO 2012/110924A1和WO2014/097181 A1。
此外,纵向光学传感器的传感器区域可被至少一个光束照射。在相同的照射总功率下,传感器区域的电导率因此取决于光束在传感器区域中的束横截面,被称为由入射光束在传感器区域内生成的“光斑尺寸”。因此,光电导材料的电导率取决于入射光束对包含光电导材料的传感器区域的照射程度的可观察到的性质特别实现了,包含相同总功率但在传感器区域上生成不同光斑尺寸的两个光束为传感器区域中的电导率提供不同的值,因此可彼此区分。
此外,由于纵向传感器信号可通过施加电信号,如电压信号和/或电流信号测定,因此在测定纵向传感器信号时将电信号穿过的材料的电导率计入考虑。此外,在此优选使用与纵向光学传感器串联使用的偏置电压源和负载电阻器(load resistor)。结果,纵向光学传感器因此主要能由纵向传感器信号的记录测定光束在传感器区域中的束横截面,如通过比较至少两个纵向传感器信号、关于束横截面,尤其关于束直径的至少一个信息项。此外,由于光束在传感器区域中的束横截面根据上文提到的FiP效应在相同的照射总功率下依赖于发射或反射照射的对象的纵向位置或深度,纵向光学传感器因此可用于测定各自对象的纵向位置。
如WO 2012/110924 A1中已知,纵向光学传感器旨在以依赖于传感器区域的照射的方式生成至少一个纵向传感器信号,其中传感器信号在相同的照射总功率下依赖于在传感器区域上的照射的束横截面。作为一个实例,在此提供随透镜位置的光电流I的测量,其中透镜配置为将电磁辐射聚焦到纵向光学传感器的传感器区域上。在测量过程中,透镜以垂直于传感器区域的方向相对于纵向光学传感器移动以因此使得传感器区域上的光斑直径改变。在使用光伏器件,特别是染料太阳能电池作为传感器区域中的材料的这一特定实例中,纵向光学传感器的信号,在这种情况下是光电流清楚地依赖于照射的几何学,以致在透镜焦点处的最大值外,光电流降至小于其最大值的10%。
如上文概述,所述至少一个纵向传感器信号在相同的光束照射总功率下根据FiP效应依赖于光束在所述至少一个纵向光学传感器的传感器区域中的束横截面。本文所用的术语“束横截面”通常是指光束或由光束在特定位置生成的光斑的横向延伸度(lateralextension)。在生成圆形光斑的情况下,半径、直径或高斯光束腰部(beam waist)或高斯光束腰部的两倍可充当束横截面的量度。在生成非球形光斑的情况下,可以任何其它可行的方式测定横截面,如通过测定具有与非圆形光斑相同面积的圆的横截面,其也被称为等效束横截面。在这方面,有可能使用在相应材料,如光伏材料被具有尽可能最小横截面的光束照射的条件下,如当该材料位于被光学透镜影响的焦点处或附近时纵向传感器信号的极值,即最大值或最小值,特别是全局极值的观察。在该极值是最大值的情况下,这一观察可被称为正向FiP效应,而在该极值是最小值的情况下,这一观察可被称为负向FiP效应。
因此,无论传感器区域中实际包含的光敏材料如何,但在光束对传感器区域的照射的相同总功率下,具有第一束直径或束横截面的光束可生成第一纵向传感器信号,而具有不同于第一束直径或束横截面的第二束直径或束横截面的光束生成不同于第一纵向传感器信号的第二纵向传感器信号。因此,通过比较纵向传感器信号,可以生成关于束横截面,尤其关于束直径的至少一个信息项。关于这一效应的细节,可以参考WO2012/110924A1。因此,可以比较由纵向光学传感器生成的纵向传感器信号以获得关于光束的总功率和/或强度的信息,和/或以针对光束的总功率和/或总强度将纵向传感器信号和/或关于对象的纵向位置的所述至少一个信息项标准化。因此,作为一个实例,可以检测纵向光学传感器信号的最大值并可将所有纵向传感器信号除以这一最大值,由此生成标准化的纵向光学传感器信号,其随后可使用上文提到的已知关系转化成关于对象的所述至少一个纵向信息项。其它标准化方式是可行的,如使用纵向传感器信号的平均值标准化并将所有纵向传感器信号除以平均值。其它选项是可能的。这些选项各自适合使该转化独立于光束的总功率和/或强度。此外,因此可生成关于光束的总功率和/或强度的信息。
具体在从对象传播到检测器的光束的一种或多种光束性质已知的情况下,因此可由所述至少一个纵向传感器信号与对象的纵向位置之间的已知关系推导出关于对象的纵向位置的所述至少一个信息项。可将该已知关系作为算法和/或作为一个或多个校准曲线存储在评估装置中。作为一个实例,尤其是对于高斯光束,可容易地使用光束腰部与纵向坐标之间的高斯关系推导出束直径或光束腰部与对象位置之间的关系。
评估装置特别可使用这一实施方案,以解析光束的束横截面与对象的纵向位置之间的已知关系中的模糊不清(ambiguity)。因此,即使从对象传播到检测器的光束的光束性质完全或部分已知,已知的是,在许多光束中,束横截面在到达焦点前变窄并在此后再变宽。因此,在焦点(其中光束具有最窄束横截面)之前和之后,沿光束的传播轴出现光束具有相同横截面的位置。因此,作为一个实例,在焦点之前和之后的距离z0,光束的横截面相同。因此,在使用仅一个具有特定光谱灵敏度的纵向光学传感器的情况下,如果已知光束的功率或强度,可以测定光束的特定横截面。通过使用这一信息,可以测定各自的纵向光学传感器距焦点的距离z0。但是,为了测定各自的纵向光学传感器位于焦点之前还是之后,需要附加信息,如对象和/或检测器的运动史和/或关于检测器位于焦点之前还是之后的信息。在典型情况下,可能没有提供这种附加信息。因此,可以获得附加信息以解析上文提到的模糊度。因此,如果评估装置通过评估纵向传感器信号确认光束在第一纵向光学传感器上的束横截面大于光束在第二纵向光学传感器上的束横截面(其中第二纵向光学传感器位于第一纵向光学传感器之后),该评估装置可确定光束仍在变窄并且第一纵向光学传感器的位置位于光束的焦点之前。相反,如果光束在第一纵向光学传感器上的束横截面小于光束在第二纵向光学传感器上的束横截面,该评估装置可确定光束在变宽并且第二纵向光学传感器的位置位于焦点之后。因此,通常,该评估装置适于通过比较不同纵向传感器的纵向传感器信号确认光束变宽还是变窄。
关于使用根据本发明的评估装置测定关于对象的纵向位置的所述至少一个信息项的进一步细节,可以参考WO 2014/097181 A1中的描述。因此,通常,该评估装置适于比较光束的束横截面和/或直径与光束的已知束性质以测定关于对象的纵向位置的所述至少一个信息项,优选由光束的束直径对光束传播方向上的至少一个传播坐标的已知依赖性和/或由光束的已知高斯分布。
替代性地或附加地,可以测定对象的至少一个横向坐标。因此,通常,该评估装置可进一步适于通过测定光束所述至少一个横向光学传感器(其可以是像素化、分段或大面积横向光学传感器,也进一步如WO2014/097181 A1中概述)上的位置测定对象的至少一个横向坐标。因此,根据本发明的检测器可以是或包含横向光学传感器。本文所用的术语“横向光学传感器”通常是指适于测定从对象行进到检测器的至少一个光束的横向位置的装置。关于术语“位置”,可以参考上文的定义。因此,优选地,横向位置可以是或可包含在垂直于检测器的光轴的至少一个维度中的至少一个坐标。作为一个实例,横向位置可以是由光束生成的光斑在垂直于光轴的平面中,如在横向光学传感器的光敏传感器表面上的位置。例如,该平面中的位置可在笛卡尔坐标和/或极坐标中给出。其它实施方案是可行的。在这一实施方案中,可能特别有利的是使与反射层的距离和反射层的粗糙度最小化。在如WO2014/097181 A1中公开的一个优选实施方案中,横向光学传感器的传感器层可以是光检测器。在如WO 2016/120392 A1中公开的进一步优选的实施方案中,横向光学传感器的传感器层可包含特别选自如上文更详细描述的材料的光电导材料的层。
横向光学传感器可提供至少一个横向传感器信号。在本文中,横向传感器信号通常可以是指示横向位置的任意信号。作为一个实例,横向传感器信号可以是或可包含数字和/或模拟信号。作为一个实例,横向传感器信号可以是或可包含电压信号和/或电流信号。附加地或替代性地,横向传感器信号可以是或可包含数字数据。横向传感器信号可包含单个信号值和/或一系列信号值。横向传感器信号可进一步包含通过合并两个或更多个独立信号,如通过平均两个或更多个信号和/或通过形成两个或更多个信号的商衍生的任意信号。
在本文中,可存在至少两个电极以记录横向光学信号。在一个优选实施方案中,所述至少两个电极可实际上以优选表现出T形的至少两个物理电极的形式布置,其中各物理电极可包含导电材料。在这一实施方案中,横向光学传感器的至少一个电极可优选是具有至少两个部分电极的拆分电极,其中横向光学传感器可具有传感器区,其中所述至少一个横向传感器信号可指示入射光束在传感器区内的x-和/或y-位置。传感器区可以是面向对象的光检测器的表面。传感器区优选可垂直于光轴取向。因此,横向传感器信号可指示由光束生成的光斑在横向光学传感器的传感器区的平面中的位置。通常,本文所用的术语“部分电极”是指在多个电极中的适于测量至少一个电流和/或电压信号的电极,优选独立于其它部分电极。因此,在提供多个部分电极的情况下,各自的电极适于经由所述至少两个部分电极提供多个电位和/或电流和/或电压,它们可独立地测量和/或使用。
横向光学传感器可进一步适于根据经过部分电极的电流生成横向传感器信号。因此,可形成经过两个水平部分电极的电流比,由此生成x-坐标,和/或可形成经过垂直部分电极的电流比,由此生成y-坐标。该检测器,优选横向光学传感器和/或评估装置可适于由至少一个经过部分电极的电流比推导出关于对象的横向位置的信息。其它通过比较经过部分电极的电流生成位置坐标的方式是可行的。
部分电极通常可以各种方式定义,以测定光束在传感器区中的位置。因此,可提供两个或更多个水平部分电极以测定水平坐标或x-坐标,并可提供两个或更多个垂直部分电极以测定垂直坐标或y-坐标。因此,可在传感器区的边缘提供部分电极,其中传感器区的内部空间保持空置并可被一种或多种附加电极材料覆盖。在此,附加电极材料优选可以是透明的附加电极材料,如透明金属和/或透明导电氧化物和/或最优选地,透明导电聚合物。
通过使用横向光学传感器(其中电极之一是具有三个或更多个部分电极的拆分电极),经过部分电极的电流可依赖于光束在传感器区中的位置。这通常可归因于在从电荷发生位置出发的途中可能发生欧姆损耗或电阻损耗的事实(归因于将光射到部分电极上)。因此,除部分电极外,该拆分电极还可包含连接到部分电极上的一种或多种附加电极材料,其中所述一种或多种附加电极材料提供电阻。因此,由于在从电荷发生位置经过所述一种或多种附加电极材料到部分电极的途中的欧姆损耗,经过部分电极的电流取决于电荷发生位置和因此光束在传感器区中的位置。关于测定光束在传感器区中的位置的这一原理的细节,可以参考下列优选实施方案和/或如WO 2014/097181 A1、WO 2016/120392 A1和其中引用的各自参考文献中公开的物理原理和装置选项。
本发明的进一步实施方案涉及从对象传播到检测器的光束的性质。本文所用的术语“光”通常是指在可见光谱范围、紫外光谱范围和红外光谱范围的一种或多种中的电磁辐射。在此,部分根据标准ISO-21348在本申请日期时有效的版本,术语可见光谱范围通常是指380nm至760nm的光谱范围。术语红外(IR)光谱范围通常是指在760nm至1000μm的范围内的电磁辐射,其中760nm至1.4μm的范围通常被称为近红外(NIR)光谱范围,1.5μm至15μm的范围被称为中红外(MIR),且15μm至1000μm的范围被称为远红外(FIR)光谱范围。术语紫外光谱范围通常是指在1nm至380nm的范围内,优选在100nm至380nm的范围内的电磁辐射。优选地,如本发明中所用的光是可见光,即在可见光谱范围内的光。
术语“光束”通常是指发射到特定方向的光的量。因此,光束可以是在垂直于光束传播方向的方向上具有预定延伸度的一束光线。优选地,光束可以是或可包含一个或多个高斯光束,其可以一种或多种高斯光束参数为特征,如光束腰部、瑞利长度或适于表征束直径的发展和/或在空间中的光束传播的任何其它光束参数或光束参数组合的一种或多种。
光束可能由对象本身发出(admitted),即可能源自对象。附加地或替代性地,另一光束来源是可行的。因此,如下文更详细概述,可提供一个或多个照射源,其照射对象,如通过使用一个或多个初级射线或束,如一个或多个具有预定特征的初级射线或束。在后一情况下,从对象向检测器传播的光束可能是被对象和/或连接于对象的反射装置反射的光束。
此外,检测器可具有至少一个用于调制照射,特别是用于周期性调制的调制器,特别是周期性光束中断装置。照射的调制应被理解为是指优选周期性地,特别是以一个或多个调制频率,改变照射总功率的过程。特别地,可在照射总功率的最大值与最小值之间实施周期性调制。最小值可为0,但也可>0,因此例如不是必须实施完整调制。可以例如在对象与传感器层之间的光束路径中实施调制,例如通过将所述至少一个调制器布置在所述光束路径中。但是,替代性地或附加地,也可在任选照射源(下文更详细描述,用于照射对象)与对象之间的光束路径中实施调制,例如通过将所述至少一个调制器布置在所述光束路径中。也可想到这些可能性的组合。所述至少一个调制器可包含例如beam chopper或一些其它类型的周期性光束中断装置,例如包含至少一个interrupter blade或interrupter wheel,其优选恒速旋转并因此可周期性中断照射。但是,替代性地或附加地,也有可能使用一种或多种不同类型的调制器,例如基于电光效应和/或声光效应的调制器。仍然替代性地或附加地,所述至少一个任选照射源本身也可被设计为生成调制照射,例如通过所述照射源本身具有调制强度和/或总功率,例如周期性调制的总功率,和/或通过所述照射源具体化为脉冲照射源,例如作为脉冲激光器。因此,例如,所述至少一个调制器也可完全或部分集成到照射源中。可想到各种可能性。
因此,该检测器特别可被设计为检测在不同调制的情况下的至少两个传感器信号,特别是在分别不同的调制频率下的至少两个纵向传感器信号。评估装置可被设计为由所述至少两个纵向传感器信号生成几何学信息。如WO 2012/110924 A1和WO 2014/097181A1中所述,有可能解析模糊度和/或有可能将例如照射总功率通常未知的事实考虑在内。例如,该检测器可被设计为以0.05Hz至1MHz,如0.1Hz至10kHz的频率带来对象和/或检测器的至少一个传感器区域的调制。如上文概述,为此,该检测器可包含至少一个调制器,其可集成到所述至少一个任选照射源中和/或可独立于照射源。因此,至少一个照射源可独自适于生成照射的调制,和/或可存在至少一个独立的调制器,如至少一个chopper和/或至少一个具有调制透射系数(modulated transmissibility)的装置,如至少一个电光装置和/或至少一个声光装置。
根据本发明,可能有利的是,对如上所述的检测器施加至少一个调制频率。但是,仍然有可能在没有对检测器施加调制频率的情况下直接测定纵向传感器信号。如下文更详细证实,在许多相关情况下可能不需要施加调制频率以获取关于对象的所需纵向信息。因此检测器可能不需要包含调制器,这可进一步有助于空间检测器的简单和成本有效的布置。作为进一步的结果,空间光调制器可以时分复用模式而非频分复用模式或以它们的组合使用。
在本发明的进一步方面中,提出用于在用户与机器之间交换至少一个信息项的人机界面。如提出的人机界面可利用在一个或多个上述实施方案中或如下文更详细提到的检测器可被一个或多个用户用来向机器提供信息和/或指令的事实。因此,优选地,该人机界面可用于输入控制指令。
人机界面包含至少一个根据本发明,如根据一个或多个上文公开的实施方案和/或根据一个或多个如下文更详细公开的实施方案的检测器,其中人机界面旨在借助检测器生成用户的至少一个几何学信息项,其中人机界面旨在将几何学信息分配给至少一个信息项,特别是分配给至少一个控制指令。
在本发明的进一步方面中,公开了用于执行至少一种娱乐功能的娱乐设备。如本文所用,娱乐设备是可起到供一个或多个用户,在下文也称为一个或多个玩家休闲和/或娱乐的作用的设备。作为一个实例,娱乐设备可起到游戏,优选电脑游戏的作用。附加地或替代性地,娱乐设备也可用于其它目的,如用于健身、体育、物理治疗或一般而言,运动跟踪。因此,该娱乐设备可实施到计算机、计算机网络或计算机系统中,或可包含计算机、计算机网络或计算机系统,其运行一个或多个游戏软件程序。
娱乐设备包含至少一个根据本发明,如根据一个或多个上文公开的实施方案和/或根据一个或多个下文公开的实施方案的人机界面。娱乐设备被设计为能由玩家借助人机界面输入至少一个信息项。所述至少一个信息项可传送到该娱乐设备的控制器和/或计算机和/或可被该娱乐设备的控制器和/或计算机使用。
在本发明的进一步方面中,提供用于跟踪至少一个可移动对象的位置的跟踪系统。如本文所用,跟踪系统是适于收集关于所述至少一个对象或对象的至少一个部分的一系列过往位置(past position)的信息的装置。另外,跟踪系统可适于提供关于所述至少一个对象或对象的所述至少一个部分的至少一个预测未来位置的信息。跟踪系统可具有至少一个轨迹控制器,其可完全或部分具体化为电子器件,优选作为至少一个数据处理装置,更优选作为至少一个计算机或微控制器。所述至少一个轨迹控制器仍可包含所述至少一个评估装置和/或可以是所述至少一个评估装置的一部分和/或可完全或部分与所述至少一个评估装置相同。
跟踪系统包含至少一个根据本发明的检测器,如至少一个如一个或多个上列实施方案中公开的和/或如一个或多个下列实施方案中公开的检测器。跟踪系统进一步包含至少一个轨迹控制器。跟踪系统可包含一个、两个或更多个检测器,特别是两个或更多个相同检测器,其能够在两个或更多个检测器之间的重叠体积(overlapping volume)中可靠采集关于所述至少一个对象的深度信息。轨迹控制器适于跟踪对象的一系列位置,各位置包含关于对象在特定时间点的位置的至少一个信息项。
跟踪系统可进一步包含至少一个可连接于对象的信标装置。关于信标装置的潜在定义,可以参考WO 2014/097181 A1。跟踪系统优选适于使检测器可生成关于所述至少一个信标装置的对象位置的信息,特别是生成关于包含表现出特定光谱灵敏度的特定信标装置的对象的位置的信息。因此,本发明的检测器可以跟踪表现出不同光谱灵敏度的多于一个信标,优选以同时方式。在本文中,信标装置可完全或部分具体化为有源信标装置和/或无源信标装置。作为一个实例,信标装置可包含至少一个适于生成要传送到检测器的至少一个光束的照射源。附加地或替代性地,信标装置可包含至少一个适于反射照射源生成的光的反射器,由此生成要传送到检测器的反射光束。
在本发明的进一步方面中,提供用于测定所述至少一个对象的至少一个位置的扫描系统。如本文所用,扫描系统是适于发射至少一个光束的装置,所述光束配置为照射位于所述至少一个对象的至少一个表面的至少一个点和生成关于所述至少一个点与扫描系统之间的距离的至少一个信息项。为了生成关于所述至少一个点与扫描系统之间的距离的所述至少一个信息项,扫描系统包含至少一个根据本发明的检测器,如至少一个如一个或多个上列实施方案中公开的和/或如一个或多个下列实施方案中公开的检测器。
因此,扫描系统包含至少一个照射源,其适于发射所述至少一个光束,所述光束配置为照射位于所述至少一个对象的所述至少一个表面的所述至少一个点。本文所用的术语“点”是指在可例如由扫描系统的用户选择的要被照射源照射的对象表面的一部分上的小区域。优选地,该点可表现出一方面尽可能小以允许扫描系统尽可能精确测定扫描系统所含的照射源与该点所在的对象表面的部分之间的距离值和另一方面尽可能大以允许扫描系统的用户或扫描系统本身,特别通过自动化程序检测该点在对象表面的相关部分上的存在的尺寸。
为此,照射源可包含人工照射源,特别是至少一个激光源和/或至少一个白炽灯和/或至少一个半导体光源,例如至少一个发光二极管,特别是有机和/或无机发光二极管。由于它们的大致限定的束轮廓和其它可操作的性质,特别优选使用至少一个激光源作为照射源。在本文中,使用单个激光源可能是优选的,特别是在提供用户容易储存和运输的小型扫描系统是重要的情况下。照射源因此可优选是检测器的组成部分并因此特别可集成到检测器中,如集成到检测器的外壳中。在一个优选实施方案中,特别地,扫描系统的外壳可包含至少一个配置为以易读方式向用户提供距离相关信息的显示器。在进一步优选的实施方案中,扫描系统的外壳特别还可包含至少一个按钮,其可配置为运行与扫描系统相关的至少一个功能,如设定一种或多种操作模式。在进一步优选的实施方案中,扫描系统的外壳特别还可包含至少一个紧固装置,其可配置为将扫描系统紧固到另一表面上,如橡胶脚垫、基板或墙支架,如包含磁性材料,特别是用于提高距离测量的准确度和/或扫描系统的用户可操作性。
在一个特别优选的实施方案中,扫描系统的照射源因此可发射可配置为照射位于对象表面的单点的单激光束。通过使用至少一个根据本发明的检测器,可由此生成关于所述至少一个点与扫描系统之间的距离的至少一个信息项。由此,优选地,可以例如使用如所述至少一个检测器包含的评估装置测定在如扫描系统包含的照射系统与由照射源生成的单点之间的距离。但是,该扫描系统可进一步包含特别适合这一用途的附加评估系统。替代性地或附加地,可将扫描系统,特别是扫描系统的外壳的尺寸计入考虑,并因此可替代性地测定在扫描系统的外壳上的特定点,如外壳的前沿或后沿与该单点之间的距离。
替代性地,扫描系统的照射源可发射两个独立激光束,它们可配置为在光束发射方向之间提供各自的角度,如直角,由此可分别照射位于同一对象的表面或位于两个单独对象的两个不同表面的两个点。但是,两个独立激光束之间的各自角度的其它值也可能是可行的。这一特征特别可用于间接测量功能,如用于推导可能不是直接可达(例如由于在扫描系统与该点之间存在一个或多个障碍)或可能以其它方式难以触及的间接距离。例如,因此有可能通过测量两个独立距离和使用毕达哥拉斯公式推导高度来测定对象的高度值。特别为了能够保持相对于对象的预定水平面,该扫描系统可进一步包含至少一个找平单元,特别是集成气泡瓶(bubble vial),其可用于由用户保持预定水平。
作为另一替代,扫描系统的照射源可发射多个独立激光束,如可表现出相对于彼此的各自间距,特别是规则间距并可以生成位于所述至少一个对象的所述至少一个表面上的点阵列的方式布置的激光束阵列。为此,可以提供专门适应的光学元件,如分束装置和镜子,其可生成所述激光束阵列。
因此,扫描系统可提供位于所述一个或多个对象的所述一个或多个表面上的所述一个或多个点的静态排列。或者,扫描系统的照射源,特别是所述一个或多个激光束,如上述激光束阵列可配置为提供一个或多个可表现出随时间经过改变的强度和/或可在一段时间交替改变发射方向的光束。因此,照射源可配置为使用由扫描装置的所述至少一个照射源生成的具有交替特征的一个或多个光束以图像形式扫描所述至少一个对象的所述至少一个表面的一部分。特别地,扫描系统因此可使用至少一个行扫描(row scan)和/或线扫描(line scan),例如以相继或同时扫描所述一个或多个对象的所述一个或多个表面。因此,扫描系统可适于通过测量三个或更多个点测量角度,或扫描系统可适于测量使用常规量尺难以触及的边角或窄区域,如屋顶的山墙。
作为一个非限制性实例,扫描系统可安装到三脚架上并朝向具有几个边角和表面的对象或区域。将一个或多个可灵活移动的激光源连接到扫描系统。移动所述一个或多个激光源以使它们照射相关的点。当按下扫描系统上的指定按钮时测量照射点相对于扫描系统的位置并将位置信息经无线接口发送到手机。将位置信息存储在手机应用中。移动激光源以照射进一步的相关点,测量其位置并发送到手机应用。手机应用可通过连接相邻点与平面而将一组点转化成3d模型。可以存储3d模型并进一步加工。测量点或表面之间的距离和或角度可直接显示在扫描系统所带的显示器上或位置信息发送至的手机上。
作为一个非限制性实例,扫描系统可包含两个或更多个可灵活移动的激光源以投射点,和投射线的另一一个可移动激光源。该线可用于沿线排列所述两个或更多个激光点并且该扫描装置的显示器可显示在可沿线例如等距离排列的所述两个或更多个激光点之间的距离。在两个激光点的情况下,可以使用单个激光源,而投射点的距离使用一个或多个分束器或棱镜改变,其中可以移动分束器或棱镜以使投射的激光点分开或更靠近。此外,扫描系统可适于投射进一步的图案,如直角、圆、正方形、三角形等,可沿它们通过投射激光点和测量它们的位置进行测量。
作为一个非限制性实例,扫描系统可适于支持工具,如木材或金属加工工具,如锯子、钻机等的工作。因此,扫描系统可适于测量在两个相反方向的距离并在显示器中显示两个测得的距离或距离之和。此外,扫描系统可适于测量距表面边缘的距离以在将扫描系统置于表面上时,激光点从扫描系统沿该表面自动移远,直至距离测量显示归因于边角或表面边缘的突变。这有可能在将扫描装置置于木板上但远离其末端的同时测量木板末端的距离。此外,扫描系统可在一个方向测量木板末端的距离并在相反方向以指定投射线或圆或点。扫描系统可适于以取决于在相反方向上测得的距离,如取决于预定总和距离的距离投射线或圆或点。这能在将扫描系统置于工具的安全距离内的同时在投射位置用工具如锯子或钻机加工,同时使用该工具在距木板边缘的预定距离执行工艺。此外,扫描系统可适于在两个相反方向上以预定距离投射点或线等。当距离总和改变时,只有一个投射距离改变。
作为一个非限制性实例,扫描系统可适合置于表面,如在其上执行任务,如切削、锯切、钻孔等的表面上,并以可例如用扫描装置上的按钮调节的预定距离将线投射到表面上。
在本发明的进一步方面中,提供用于生成至少一个对象的至少一个单圆形三维图像的立体影像系统。如本文所用,如上文和/或下文公开的立体影像系统可包含至少两个FiP传感器作为纵向光学传感器,其中第一FiP传感器可包含在跟踪系统,特别是根据本发明的跟踪系统中,而第二FiP传感器可包含在扫描系统,特别是根据本发明的扫描系统中。在本文中,FiP传感器可优选以准直排列布置在分开的光束路径中,如通过平行于光轴布置FiP传感器并逐一垂直于立体影像系统的光轴移位。因此,FiP传感器能够生成或提高深度信息的感知,尤其是通过由具有重叠视场并优选对单个调制频率敏感的独立FiP传感器生成的视觉信息的组合获得深度信息。为此,如在垂直于光轴的方向上测定,独立FiP传感器可优选彼此间隔1cm至100cm,优选10cm至25cm的距离。在这一优选实施方案中,跟踪系统因此可用于测定调制的有源目标(modulated active target)的位置,同时适于将一个或多个点投射到所述一个或多个对象的所述一个或多个表面上的扫描系统可用于生成关于所述至少一个点与扫描系统之间的距离的至少一个信息项。此外,立体影像系统可进一步包含单独的位置敏感装置,其适于生成关于所述至少一个对象在本申请中的其它地方描述的图像内的横向位置的信息项。
除允许立体视觉外,主要基于使用多于一个纵向光学传感器的立体影像系统的其它特定优点特别可包括总强度的提高和/或较低检测阈值。此外,在包含至少两个常规位置敏感装置的常规立体影像系统中,必须使用大量计算工作测定各自图像中的相应像素,而在包含至少两个FiP传感器的根据本发明的立体影像系统中,使用FiP传感器(其中各FiP传感器可用不同的调制频率运行)记录的各自图像中的相应像素可明显相对于彼此赋值。因此,可以强调,根据本发明的立体影像系统能以较少努力生成关于对象的纵向位置以及关于对象的横向位置的所述至少一个信息项。
关于立体影像系统的进一步细节,可以分别参考跟踪系统和扫描系统的描述。
在本发明的进一步方面中,公开了用于成像至少一个对象的摄影机。该摄影机包含至少一个根据本发明,如在上文给出或在下文更详细给出的一个或多个实施方案中公开的检测器。因此,该检测器可以是摄影装置,尤其是数码摄影机的一部分。具体而言,该检测器可用于3D摄影,尤其用于数码3D摄影。因此,该检测器可形成数码3D摄影机或可以是数码3D摄影机的一部分。本文所用的术语“摄影”通常是指采集至少一个对象的图像信息的技术。如本文中进一步使用,“摄影机”通常是适合进行摄影的装置。如本文中进一步使用,术语“数码摄影”通常是指使用适合生成指示照射强度的电信号,优选数字电信号的多个光敏元件采集至少一个对象的图像信息的技术。如本文中进一步使用,术语“3D摄影”通常是指在三个空间维度中采集至少一个对象的图像信息的技术。相应地,3D摄影机是适合进行3D摄影的装置。摄影机通常可适合采集单个图像,如单个3D图像,或可适合采集多个图像,如一系列图像。因此,摄影机也可以是适合视频用途,如适合采集数字视频序列的视频摄影机。
因此,通常,本发明进一步涉及用于成像至少一个对象的摄影机,尤其是数码摄影机,更尤其是3D摄影机或数码3D摄影机。如上文概述,本文所用的术语成像通常是指采集至少一个对象的图像信息。该摄影机包含至少一个根据本发明的检测器。如上文概述的摄影机可适于采集单个图像或采集多个图像,如图像序列,优选用于采集数字视频序列。因此,作为一个实例,摄影机可以是或可包含视频摄影机。在后一情况下,摄影机优选包含用于存储图像序列的数据存储器。
在本发明的进一步方面中,公开了一种制造用于入射光束的光学检测的光学检测器的方法。该方法优选可用于制造或生产至少一个根据本发明的检测器,如至少一个根据本文中的其它地方更详细公开的一个或多个实施方案的检测器。因此,关于该方法的任选实施方案,可参考检测器的各种实施方案的描述。
该方法包含下列步骤,它们可以给定顺序或不同顺序进行。此外,可提供没有列举的附加方法步骤。除非明确地另行指明,两个或更多个或甚至所有的方法步骤可至少部分同时进行。此外,两个或更多个或甚至所有的方法步骤可重复进行两次或甚至多于两次。
制造根据本发明的光学检测器的方法包含下列步骤:
a)在电路载体的一部分上沉积反射层,所述反射层旨在至少部分反射入射光束;
b)通过在至少部分透明的基底层上沉积光敏材料而生成传感器层,其中所述传感器层旨在以依赖于通过入射光束和反射光束照射传感器层的方式生成至少一个传感器信号;
c)将载有传感器层的基底层布置在反射层上;和
d)提供评估装置,其中所述评估装置旨在接收传感器信号并通过评估传感器信号生成至少一个信息项。
因此,根据步骤a),可以首先在电路载体的一部分上,特别在印刷电路板(PCB)上沉积反射层。独立地,根据步骤b)通过在至少部分透明的基底层上沉积光敏材料而生成传感器层。随后,可将载有传感器层的基底层根据步骤c)布置在反射层上,优选通过施加胶粘剂层,由此可将反射层布置在能够反射入射光束的所需位置,特别是反射回传感器层。因此,可通过将入射光束改向回优选用于吸收入射光的传感器层来减少入射光的损失。此后,可以提供至少两个接触传感器层的独立电触点,其中电触点旨在将传感器信号经电路载体传送到评估装置。因此,可以施加至少两个用于提供传感器层与评估装置之间的电连接的独立电触点,其中可优选通过在独立电触点与可优选进一步布置在电路载体,如PCB上的相应接收触点,如接触垫片之间施加引线接合来获得电连接。
在一个特别优选的实施方案中,可将传感器层直接或间接施加到基底层上,优选以在基底层和传感器层之间没有留下或生成间隙的方式。为此,可以使用沉积方法施加传感器层,其中沉积方法选自真空蒸发、溅射、原子层沉积、化学气相沉积、喷雾热解、电沉积、阳极化、电转化、无电浸渍生长、连续离子吸附和反应、分子束外延、分子气相外延、液相外延、喷墨印刷、凹版印刷、柔性版印刷、丝网印刷、漏版印刷、狭缝模头涂布、刮刀涂布和溶液-气体界面技术。
在一个特定实施方案中,可在基底层和反射层之间另外布置胶粘剂层。关于胶粘剂层的进一步细节,可以参考如本文中提供的胶粘剂层的描述。
如上文提到,所需检测器通常旨在以依赖于通过入射光束照射传感器层的方式生成至少一个传感器信号。为此,可进一步提供适于电接触传感器层的至少两个电触点。通常,可在方法步骤a)至c)的任一个之前或过程中提供电触点。在一个特别优选的实施方案中,可使用蒸发金属层提供电触点,如通过已知蒸发技术,其中该金属层特别可包含银、铝、铂、镁、铬、钛、金或高导电石墨烯的一种或多种。或者,可通过电流或化学沉积法提供电触点,如无电Ni、无电Au、电镀Ni或电镀Au。
此外,可以其也完全或部分覆盖电触点的方式在传感器层上沉积覆盖层。在这一特定实施方案中,电触点至少部分,优选完全被覆盖层覆盖,其因此可使用导电引线(优选为线,特别是Au、Al或Cu线的形式)接合到至少一个外部接点,其中导电引线尤其可穿过覆盖层接合到电触点。例如,被覆盖层覆盖的Au触点可随后通过引线接合连接。
如上文已描述,可在覆盖层或其一部分上进一步沉积至少一个附加层。在本文中,附加层可被选为或包含附加滤光层、减反射层、胶粘剂层、封装层、防刮层、亲水层、疏水层、自净层、防雾层或导电层的至少一种。
此外,关于光学检测器的制造方法的进一步细节可见于本文中的其它地方。
根据本发明的装置可与表面贴装技术封装,如bump chip carrier、陶瓷无引线芯片载体、无引线芯片载体、有引线芯片载体、有引线陶瓷芯片载体、双无引线芯片载体、塑料有引线芯片载体、叠层封装芯片载体(package on package chip carrier)等结合使用。此外,根据本发明的装置可与标准通孔或源安装技术半导体封装,如DO-204、DO-213、金属电极leafless face、DO-214、SMA、SMB、SMC、GF1、SOD、SOT、TSOT、TO-3、TO-5、TO-8、TO-18、TO-39、TO-46、TO-66、TO-92、TO-99、TO-100、TO-126、TO-220、TO-226、TO-247、TO252、TO-263、TO-263THIN、SIP、SIPP、DFN、DIP、DIL、扁平封装(Flat Pack)、SO、SOIC、SOP、SSOP、TSOP、TSSOP、ZIP、LCC、PLCC、QFN、QFP、QUIP、QUIL、BGA、eWLB、LGA、PGA、COB、COF、COG、CSP、FlipChip、PoP、QP、UICC、WL-CSP、WLP、MDIP、PDIP、SDIP、CCGA、CGA、CERPACK、CQGP、LLP、LGA、LTCC、MCM、MICRO SMDXT等结合使用。此外,根据本发明的装置可与针脚网格阵列(PGA),如OPGA、FCPGA、PAC、PGA、CPGA等结合使用。此外,根据本发明的装置可与扁平封装,如CFP、CQFP、BQFP、DFN、ETQFP、PQFN、PQFP、LQFP、QFN、QFP、MQFP、HVQFP、SIDEBRAZE、TQFP、TQFN、VQFP、ODFN等结合使用。此外,根据本发明的装置可与小外形封装(small outlinepackage),如SOP、CSOP MSOP、PSOP、PSON、PSON、QSOP、SOIC、SSOP、TSOP、TSSOP、TVSOP、μMAX、WSON等结合使用。此外,根据本发明的装置可与芯片级封装,如CSP、TCSP、TDSP、MICRO SMD、COB、COF、COG等结合使用。此外,根据本发明的装置可与球栅阵列,如FBGA、LBGA、TEPBGA、CBGA、OBGA、TFBGA、PBGA、MAP-BGA、UCSP、μBGA、LFBGA、TBGA、SBGA、UFBGA等结合使用。此外,根据本发明的装置可与进一步的电子装置,如chips in multi-chip packages,如SiP、PoP、3D-SiC、WSI、proximity communication等结合使用。关于集成电路包装的附加信息,可以参考下列来源:https://en.wikipedia.org/wiki/List_of_integrated_circuit_packaging_types或https://en.wikipedia.org/wiki/List_of_integrated_circuit_package_dimensions。
在本发明的进一步方面中,公开了根据本发明的检测器的用途。其中,提出该检测器用于测定对象的位置,特别是对象的横向位置的用途,特别是用于选自下列这些的用途:位置测量,特别是在交通技术中;娱乐用途;安全用途;人机界面用途;跟踪用途;扫描用途;立体视觉用途;摄影用途;成像用途或摄影机用途;用于生成至少一个空间的地图的测绘用途;用于车辆的归航或跟踪信标检测器;具有热特征(thermal signature)(比背景更热或更冷)的对象的位置测量;机器视觉用途;机器人用途。
优选地,关于光学检测器、方法、人机界面、娱乐设备、跟踪系统、摄影机和该检测器的各种用途的进一步潜在细节,特别是关于光学传感器、评估装置和如果适用,关于纵向光学传感器、调制器、照射源和成像装置,尤其是关于可能的材料、布置和进一步细节,优选可参考WO 2012/110924 A1、US 2012/206336 A1、WO 2014/097181 A1、US 2014/291480 A1和WO 2016/120392 A1的一个或多个,它们的完整内容仅此引用并入本文。
此外,根据本发明的装置可用于红外检测用途、热检测用途、温度计用途、寻热用途、火焰检测用途、火灾检测用途、烟雾检测用途、温度传感用途、光谱学用途等。此外,根据本发明的装置可用于复印或静电印刷用途。此外,根据本发明的装置可用于监测排气、监测燃烧过程、监测污染、监测工业过程、监测化学过程、监测食品加工过程、评估水质、评估空气质量等。此外,根据本发明的装置可用于质量控制、温度控制、运动控制、排气控制、气体传感、气体分析、运动传感、化学传感等。
上述光学检测器、方法、人机界面和娱乐设备(其包含至少一个检测器)以及提出的用途具有优于现有技术的显著优点。因此,通常,可以提供用于准确测定至少一个对象在空间中的位置的简单并且仍高效的检测器,尤其是关于传感所述至少一个对象的透射系数、吸收、发射和反射系数的至少一种。此外,根据本发明的检测器特别可在IR光谱范围的至少一部分中,尤其是在中IR光谱范围,即1.5μm至15μm中敏感,由此提供对红外线的高效、可靠和大面积的敏感装置。
与现有技术中已知的装置相比,如本文中提出的检测器可优选以能够有效地尽可能减少或避免入射光,特别是来自红外光谱范围的光的损失的方式布置,其中可采用简单的制造方法制造该光学检测器。在本文中,该检测器容易集成到封装中。此外,如本文所述的检测器优选作为非大体积气密封装(non-bulky hermetic package)供应,但其仍可提供对由外部影响,如湿度和/或氧气造成的可能降解的高度防护,即使在升高的温度和/或湿度下。此外,甚至穿过覆盖层和传感器层的非大体积气密封装的电触点可接合性使得容易集成在电路载体,如印刷电路板(PCB)上。在本文中,可以选择用于检测器的材料以确保传感器层在所需光谱范围内,特别是在IR光谱范围的一部分内,尤其是在中IR光谱范围内表现出合适的吸收特征。
概括而言,在本发明中,下列实施方案被认为特别优选:
实施方案1:一种用于入射光束的光学检测的检测器,其包含
-旨在支承至少一个层的电路载体;
-反射层,所述反射层布置在电路载体的一部分上,其中所述反射层旨在反射入射光束,由此生成至少一个反射光束;
-基底层,所述基底层直接或间接毗邻反射层,其中所述基底层对入射光束和反射光束至少部分透明;
-传感器层,所述传感器层布置在基底层上,其中所述传感器层旨在以依赖于通过入射光束和反射光束照射传感器层的方式生成至少一个传感器信号;和
-评估装置,其旨在通过评估传感器信号生成至少一个信息项。
实施方案2:根据前一实施方案的检测器,其中所述检测器旨在检测在选自紫外光谱范围、可见光谱范围和红外光谱范围的光谱范围的至少一个部分中的至少一个波长。
实施方案3:根据前一实施方案的检测器,其中所述检测器旨在检测在红外光谱范围的至少一个部分中的至少一个波长,所述红外光谱范围为760nm至1000μm。
实施方案4:根据前一实施方案的检测器,其中所述检测器旨在检测在中红外光谱范围的至少一个部分中的至少一个波长,所述中红外光谱范围为1.5μm至15μm。
实施方案5:根据前述实施方案任一项的检测器,其中所述电路载体旨在机械支承和电连接所述检测器。
实施方案6:根据前述实施方案任一项的检测器,其中所述电路载体是或包含印刷电路板(PCB),优选单面PCB。
实施方案7:根据前一实施方案的检测器,其中所述印刷电路板是不导电的平面基底,在其上将至少一个导电材料片材层以可将导电结构蚀刻到所述片材中的方式压到基底上。
实施方案8:根据前述实施方案任一项的检测器,其中将反射层布置在电路载体的表面的一部分上。
实施方案9:根据前一实施方案的检测器,其中将反射层布置在印刷电路板的表面的一部分上。
实施方案10:根据前述实施方案任一项的检测器,其中所述反射层旨在以在入射光束已至少部分透过传感器层后将其反射回传感器层的方式反射入射光束。
实施方案11:根据前述实施方案任一项的检测器,其中所述反射层旨在为入射光束提供漫反射。
实施方案12:根据前述实施方案任一项的检测器,其中所述反射层表现出粗糙表面,其中所述粗糙表面优选表现出至少0.01μm的Ra值。
实施方案13:根据前述实施方案任一项的检测器,其中所述反射层包含金属层或至少金属表面,其中所述反射层优选是金层、银层或铜层的至少一种。
实施方案14:根据前述实施方案任一项的检测器,其中所述反射层表现出10nm至100μm,优选20nm至10μm,更优选40nm至2μm的厚度。
实施方案15:根据前述实施方案任一项的检测器,其中基底层的材料选自玻璃、石英、硅(Si)、透明导电氧化物(TCO)或透明有机聚合物。
实施方案16:根据前一实施方案的检测器,其中所述透明导电氧化物(TCO)选自氧化铝(Al2O3)、氧化钛(TiO2)、氧化铟锡(ITO)、氟掺杂的氧化锡(SnO2:F;FTO)、铝掺杂的氧化锌(AZO)、氧化镁(MgO)或钙钛矿透明导电氧化物。
实施方案17:根据前述实施方案任一项的检测器,其中所述传感器层是正好一个连续传感器层。
实施方案18:根据前述实施方案任一项的检测器,其中将传感器层直接或间接施加到基底层上。
实施方案19:根据前一实施方案的检测器,其中在基底层和传感器层之间没有留下或生成间隙。
实施方案20:根据前两个实施方案任一项的检测器,其中使用沉积方法施加所述传感器层。
实施方案21:根据前一实施方案的检测器,其中所述沉积方法选自化学浴沉积、真空蒸发、溅射、原子层沉积、化学气相沉积、喷雾热解、阳极化、电沉积、电转化、无电浸渍生长、连续离子吸附和反应、分子束外延、分子气相外延、液相外延、喷墨印刷、凹版印刷、柔性版印刷、丝网印刷、漏版印刷、狭缝模头涂布、刮刀涂布和溶液-气体界面技术。
实施方案22:根据前述实施方案任一项的检测器,其中所述检测器进一步包含布置在基底与反射层之间的胶粘剂层。
实施方案23:根据前述实施方案任一项的检测器,其中所述胶粘剂层是或包含胶粘剂物质,其中所述胶粘剂物质旨在组装基底和反射层。
实施方案24:根据前述实施方案任一项的检测器,其中所述胶粘剂层对入射光束和反射光束至少部分透明,或其中所述胶粘剂层至少部分反射入射光束。
实施方案25:根据前述实施方案任一项的检测器,其中所述胶粘剂物质选自优选充满漫反射或镜面反射粒子的有机胶粘剂。
实施方案26:根据前述实施方案任一项的检测器,其中所述传感器层包含选自染料太阳能电池、光电导材料和量子点的光敏材料,其中特别优选光电导材料。
实施方案27:根据前述实施方案任一项的检测器,其中所述光电导材料包含无机光电导材料、有机光电导材料或其组合。
实施方案28:根据前一实施方案的检测器,其中所述无机光电导材料包含硒、碲、硒-碲合金、金属氧化物、第IV族元素或化合物、III-V化合物、II-VI化合物、硫族化物、氮族化物(pnictogenide)、卤化物及其固溶体和/或掺杂变体的一种或多种。
实施方案29:根据前一实施方案的检测器,其中所述硫族化物选自硫化物硫族化物、硒化物硫族化物、碲化物硫族化物、三元硫族化物、四元和更高级硫族化物。
实施方案30:根据前一实施方案的检测器,其中所述硫化物硫族化物选自硫化铅(PbS)、硫化镉(CdS)、硫化锌(ZnS)、硫化汞(HgS)、硫化银(Ag2S)、硫化锰(MnS)、三硫化二铋(Bi2S3)、三硫化二锑(Sb2S3)、三硫化二砷(As2S3)、硫化锡(II)(SnS)、二硫化锡(IV)(SnS2)、硫化铟(In2S3)、硫化铜(CuS)、硫化钴(CoS)、硫化镍(NiS)、二硫化钼(MoS2)、二硫化铁(FeS2)、三硫化铬(CrS3)、硫化铜铟(CIS)、硒化铜铟镓(CIGS)、硫化铜锌锡(CZTS)及其固溶体和/或掺杂变体。
实施方案31:根据前两个实施方案任一项的检测器,其中所述硒化物硫族化物选自硒化铅(PbSe)、硒化镉(CdSe)、硒化锌(ZnSe)、三硒化二铋(Bi2Se3)、硒化汞(HgSe)、三硒化二锑(Sb2Se3)、三硒化二砷(As2Se3)、硒化镍(NiSe)、硒化铊(TlSe)、硒化铜(CuSe)、二硒化钼(MoSe2)、硒化锡(SnSe)、硒化钴(CoSe)、硒化铟(In2Se3)、硒化铜锌锡(CZTSe)及其固溶体和/或掺杂变体。
实施方案32:根据前三个实施方案任一项的检测器,其中所述碲化物硫族化物选自碲化铅(PbTe)、碲化镉(CdTe)、碲化锌(ZnTe)、碲化汞(HgTe)、三碲化二铋(Bi2Te3)、三碲化二砷(As2Te3)、三碲化二锑(Sb2Te3)、碲化镍(NiTe)、碲化铊(TlTe)、碲化铜(CuTe)、二碲化钼(MoTe2)、碲化锡(SnTe)和碲化钴(CoTe)、碲化银(Ag2Te)、碲化铟(In2Te3)及其固溶体和/或掺杂变体。
实施方案33:根据前四个实施方案任一项的检测器,其中所述三元硫族化物选自碲化镉汞(HgCdTe)、碲化汞锌(HgZnTe)、硫化汞镉(HgCdS)、硫化铅镉(PbCdS)、硫化铅汞(PbHgS)、二硫化铜铟(CuInS2)、硫硒化镉(CdSSe)、硫硒化锌(ZnSSe)、硫硒化亚铊(TlSSe)、硫化镉锌(CdZnS)、硫化镉铬(CdCr2S4)、硫化汞铬(HgCr2S4)、硫化铜铬(CuCr2S4)、硒化镉铅(CdPbSe)、二硒化铜铟(CuInSe2)、砷化铟镓(InGaAs)、氧硫化铅(Pb2OS)、氧硒化铅(Pb2OSe)、硫硒化铅(PbSSe)、硒化碲化砷(As2Se2Te)、磷化铟镓(InGaP)、磷化镓砷(GaAsP)、磷化铝镓(AlGaP)、亚硒酸镉(CdSeO3)、碲化镉锌(CdZnTe)、硒化镉锌(CdZnSe)、铜-锌-锡硫-硒硫族化物(CZTSSe)及其固溶体和/或掺杂变体。
实施方案34:根据前六个实施方案任一项的检测器,其中所述II-VI化合物选自硫化镉(CdS)、硒化镉(CdSe)、碲化镉(CdTe)、硫化锌(ZnS)、硒化锌(ZnSe)、碲化锌(ZnTe)、硫化汞(HgS)、硒化汞(HgSe)、碲化汞(HgTe)、碲化镉锌(CdZnTe)、碲化镉汞(HgCdTe)、碲化汞锌(HgZnTe)和硒化汞锌(CdZnSe)及其固溶体和/或掺杂变体。
实施方案35:根据前七个实施方案任一项的检测器,其中所述III-V化合物选自锑化铟(InSb)、氮化硼(BN)、磷化硼(BP)、砷化硼(BAs)、氮化铝(AlN)、磷化铝(AlP)、砷化铝(AlAs)、锑化铝(AlSb)、氮化铟(InN)、磷化铟(InP)、砷化铟(InAs)、锑化铟(InSb)、氮化镓(GaN)、磷化镓(GaP)、砷化镓(GaAs)和锑化镓(GaSb)及其固溶体和/或掺杂变体。
实施方案36:根据前八个实施方案任一项的检测器,其中所述金属氧化物选自氧化铜(II)(CuO)、氧化铜(I)(CuO2)、氧化镍(NiO)、氧化锌(ZnO)、氧化银(Ag2O)、氧化锰(MnO)、二氧化钛(TiO2)、氧化钡(BaO)、氧化铅(PbO)、二氧化铈(CeO2)、氧化铋(Bi2O3)、氧化镉(CdO)及其固溶体和/或掺杂变体。
实施方案37:根据前九个实施方案任一项的检测器,其中所述第IV族元素或化合物选自掺杂金刚石(C)、掺杂硅(Si)、碳化硅(SiC)和硅锗(SiGe)及其固溶体和/或掺杂变体。
实施方案38:根据前十个实施方案任一项的检测器,其中所述光电导材料作为包含量子点的胶体膜提供。
实施方案39:根据前一实施方案的检测器,其中所述光电导材料选自硫化铅(PbS)、硒化铅(PbSe)、碲化铅(PbTe)、碲化镉(CdTe)、磷化铟(InP)、硫化镉(CdS)、硒化镉(CdSe)、锑化铟(InSb)、碲化镉汞(HgCdTe)、硫化铜铟(CIS)、硒化铜铟镓(CIGS)和硫化铜锌锡(CZTS)。
实施方案40:根据前一实施方案的检测器,其中所述传感器层表现出1nm至100μm,优选10nm至10μm,更优选100nm至1μm的厚度。
实施方案41:根据前述实施方案任一项的检测器,其进一步包含至少两个接触传感器层的独立电触点,其中所述电触点旨在将传感器信号经电路载体传送到评估装置。
实施方案42:根据前一实施方案的检测器,其中引线接合提供在接触传感器层的各电触点与相应接收触点之间的直接连接。
实施方案43:根据前一实施方案的检测器,其中将接收触点进一步布置在电路载体上,优选在印刷电路板(PCB)上。
实施方案44:根据前两个实施方案任一项的检测器,其中所述接收触点是接触垫片。
实施方案45:根据前述实施方案任一项的检测器,其进一步包含沉积在传感器层上的覆盖层。
实施方案46:根据前一实施方案的检测器,其中所述覆盖层是包含至少一种含金属的化合物的非晶层。
实施方案47:根据前一实施方案的检测器,其中所述至少一种含金属的化合物包含金属或半金属,其中所述金属选自Li、Be、Na、Mg、Al、K、Ca、Sc、Ti、V、Cr、Mn、Fe、Co、Ni、Cu、Zn、Ga、Rb、Sr、Y、Zr、Nb、Mo、Ru、Rh、Pd、Ag、Cd、In、Sn、Cs、Ba、La、Ce、Pr、Nd、Pm、Sm、Eu、Gd、Tb、Dy、Ho、Er、Tm、Yb、Lu、Hf、Ta、W、Re、Os、Ir、Pt、Au、Hg、Tl和Bi,且其中所述半金属选自B、Ge、As、Sb和Te。
实施方案48:根据前一实施方案的检测器,其中所述至少一种含金属的化合物包含选自Al、Ti、Ta、Mn、Mo、Zr、Hf和W的金属。
实施方案49:根据前三个实施方案任一项的检测器,其中所述至少一种含金属的化合物选自氧化物、氢氧化物、硫族化物、磷族化物、碳化物或其组合。
实施方案50:根据前一实施方案的检测器,其中所述至少一种含金属的化合物包含Al、Ti、Zr或Hf的至少一种氧化物、至少一种氢氧化物或其组合
实施方案51:根据前六个实施方案任一项的检测器,其中所述覆盖层具有10nm至600nm,优选20nm至200nm,更优选40nm至100nm,最优选50至75nm的厚度。
实施方案52:根据前七个实施方案任一项的检测器,其中所述覆盖层是或包含化学浴沉积、真空蒸发、溅射、原子层沉积、化学气相沉积、喷雾热解、阳极化、电沉积、电转化、无电浸渍生长、连续离子吸附和反应、分子束外延、分子气相外延、液相外延、喷墨印刷、凹版印刷、柔性版印刷、丝网印刷、漏版印刷、狭缝模头涂布、刮刀涂布、浸涂和溶液-气体界面技术。
实施方案53:根据前八个实施方案任一项的检测器,其中所述覆盖层另外包含滤光片、减反射层、封装层、胶粘剂层、防刮层、亲水层、疏水层、自净层、防雾层或导电层的至少一种的性质。
实施方案54:根据前九个实施方案任一项的检测器,其中所述覆盖层直接接触传感器层。
实施方案55:根据前一实施方案的检测器,其中所述覆盖层完全覆盖传感器层的可及表面。
实施方案56:根据前两个实施方案任一项的检测器,其中所述覆盖层至少部分覆盖电触点。
实施方案57:根据前一实施方案的检测器,其中所述电触点可穿过覆盖层接合。
实施方案58:根据前述实施方案任一项的检测器,其中所述电触点可优选使用引线接合,特别是Au、Al、或Cu线接合。
实施方案59:根据前述实施方案任一项的检测器,其中所述至少两个独立电触点施加在传感器层的不同位置。
实施方案60:根据前述实施方案任一项的检测器,其中所述电触点包含选自Ag、Pt、Mo、Al、Au和高导电石墨烯的至少一种电极材料。
实施方案61:根据前一实施方案的检测器,其中在电触点处提供附加胶粘剂层,其中所述附加胶粘剂层适于接合。
实施方案62:根据前一实施方案的检测器,其中所述附加胶粘剂层包含Ni、Cr、Ti或Pd的至少一种。
实施方案63:根据前述实施方案任一项的检测器,其中所述检测器适于通过测量传感器层的至少一个部分的电阻或电导率的一种或多种来生成传感器信号。
实施方案64:根据前一实施方案的检测器,其中所述检测器适于通过执行至少一个电流-电压测量和/或至少一个电压-电流测量生成传感器信号。
实施方案65:根据前述实施方案任一项的检测器,其进一步包含偏置电压源。
实施方案66:根据前一实施方案的检测器,其中偏置电压源和负载电阻器与所述传感器层串联布置。
实施方案67:根据前两个实施方案任一项的检测器,其中跨过所述传感器层的光敏材料施加偏置电压。
实施方案68:根据前述实施方案任一项的检测器,其中所述检测器进一步具有至少一个用于调制照射的调制器。
实施方案69:根据前一实施方案的检测器,其中所述光束是调制光束。
实施方案70:根据前一实施方案的检测器,其中所述检测器旨在检测在不同调制的情况下的至少两个传感器信号,特别是在分别不同的调制频率下的至少两个传感器信号,其中所述评估装置旨在通过评估在各自不同的调制频率下的所述至少两个传感器信号生成关于对象位置的所述至少一个信息项。
实施方案71:根据前两个实施方案任一项的检测器,其中所述光学传感器还以传感器信号在相同的照射总功率下依赖于照射调制的调制频率的方式设计。
实施方案72:根据前一实施方案的检测器,其中所述光束是非调制的连续波光束。
实施方案73:根据前述实施方案任一项的检测器,其中所述传感器信号是纵向传感器信号,其中所述纵向传感器信号在相同的照射总功率下依赖于光束在传感器层中的束横截面,其中所述纵向传感器信号在相同的照射总功率下依赖于光束在传感器层中的束横截面,其中所述评估装置旨在通过评估纵向传感器信号生成关于对象的纵向位置的至少一个信息项。
实施方案74:根据前一实施方案的检测器,其中所述评估装置旨在由照射几何学与对象相对于检测器的相对定位之间的至少一种预定关系生成关于对象的纵向位置的所述至少一个信息项,优选将照射的已知功率考虑在内并任选将调制所述照射的调制频率考虑在内。
实施方案75:根据前两个实施方案任一项的检测器,其中所述传感器信号是对整个传感器层而言均匀的传感器信号。
实施方案76:根据前三个实施方案任一项的检测器,其中所述评估装置适于将纵向传感器信号标准化并独立于改变的光束的强度生成关于对象的纵向位置的信息。
实施方案77:根据前一实施方案的检测器,其中所述评估装置适于通过比较不同纵向传感器的纵向传感器信号确认改变的光束变宽还是变窄。
实施方案78:根据前五个实施方案任一项的检测器,其中所述评估装置适于通过由所述至少一个纵向传感器信号测定改变的光束的直径生成关于对象的纵向位置的所述至少一个信息项。
实施方案79:根据前一实施方案的检测器,其中所述评估装置适于,优选由改变的光束的束直径对改变的光束传播方向上的至少一个传播坐标的已知依赖性和/或由改变的光束的已知高斯分布,比较改变的光束的直径与光束的已知束性质,以测定关于对象的纵向位置的所述至少一个信息项。
实施方案80:根据前述实施方案任一项的检测器,其中所述传感器信号是横向传感器信号,其中所述横向传感器信号由接触传感器层的电触点提供。
实施方案81:根据前一实施方案的检测器,其中所述电触点配置为至少一个拆分电极,其中偏置电压源可施加到所述至少一个拆分电极,其中所述评估装置进一步旨在通过施加偏置电压源和所述至少一个拆分电极和通过评估横向传感器信号生成关于对象的横向位置的至少一个信息项。
实施方案82:根据前一实施方案的检测器,其中所述拆分电极包含至少两个部分电极。
实施方案83:根据前一实施方案的检测器,其中提供至少四个部分电极,其中各部分电极优选以包含T形的形式提供。
实施方案84:根据前两个实施方案任一项的检测器,其中经过所述部分电极的电流依赖于改变的光束在传感器层中的位置。
实施方案85:根据前一实施方案的检测器,其中根据经过所述部分电极的电流生成横向传感器信号,其中所述评估装置适于由经过所述部分电极的至少一个电流比生成关于对象的横向位置的信息。
实施方案86:根据涉及检测器的前述实施方案任一项的检测器,其还包含至少一个照射源。
实施方案87:根据前一实施方案的检测器,其中所述照射源选自:至少部分连接于对象和/或至少部分与对象相同的照射源;旨在至少部分用初级辐射照射对象的照射源。
实施方案88:根据前一实施方案的检测器,其中通过初级辐射在对象上的反射和/或通过由初级辐射激发的对象本身的光发射生成光束。
实施方案89:根据前一实施方案的检测器,其中所述照射源的光谱范围覆盖传感器层的光谱灵敏度。
实施方案90:用于在用户与机器之间交换至少一个信息项,特别用于输入控制指令的人机界面,其中所述人机界面包含至少一个根据涉及检测器的前述实施方案任一项的检测器,其中所述人机界面旨在借助检测器生成用户的至少一个几何学信息项,其中所述人机界面旨在向几何学信息分配至少一个信息项,特别至少一个控制指令。
实施方案91:根据前一实施方案的人机界面,其中用户的所述至少一个几何学信息项选自:用户身体的位置;用户的至少一个身体部分的位置;用户身体的取向;用户的至少一个身体部分的取向。
实施方案92:根据前两个实施方案任一项的人机界面,其中所述人机界面进一步包含至少一个可连接于用户的信标装置,其中所述人机界面适于使检测器生成关于所述至少一个信标装置的位置的信息。
实施方案93:根据前一实施方案的人机界面,其中所述信标装置包含至少一个适于生成要传送到检测器的至少一个光束的照射源。
实施方案94:用于执行至少一种娱乐功能,特别是游戏的娱乐设备,其中所述娱乐设备包含至少一个根据涉及人机界面的前述实施方案任一项的人机界面,其中所述娱乐设备被设计为能由玩家借助人机界面输入至少一个信息项,其中所述娱乐设备旨在根据信息改变娱乐功能。
实施方案95:用于跟踪至少一个可移动对象的位置的跟踪系统,所述跟踪系统包含至少一个根据涉及检测器的前述实施方案任一项的检测器,所述跟踪系统进一步包含至少一个轨迹控制器,其中所述轨迹控制器适于跟踪对象的一系列位置,各自包含关于对象在特定时间点的位置的至少一个信息项。
实施方案96:根据前一实施方案的跟踪系统,其中所述跟踪系统进一步包含至少一个可连接于对象的信标装置,其中所述跟踪系统适于使检测器可生成关于所述至少一个信标装置的对象位置的信息。
实施方案97:用于测定至少一个对象的至少一个位置的扫描系统,所述扫描系统包含至少一个根据涉及检测器的前述实施方案任一项的检测器,所述扫描系统进一步包含至少一个适于发射配置为照射位于所述至少一个对象的至少一个表面的至少一个点的至少一个光束的照射源,其中所述扫描系统旨在使用所述至少一个检测器生成关于所述至少一个点与扫描系统之间的距离的至少一个信息项。
实施方案98:根据前一实施方案的扫描系统,其中所述照射源包含至少一个人工照射源,特别是至少一个激光源和/或至少一个白炽灯和/或至少一个半导体光源。
实施方案99:根据前两个实施方案任一项的扫描系统,其中所述照射源发射多个独立光束,特别是表现出各自间距,特别是规则间距的光束阵列。
实施方案100:根据前三个实施方案任一项的扫描系统,其中所述扫描系统包含至少一个外壳,其中在所述至少一个点和扫描系统外壳上的特定点之间,特别是外壳的前沿或后沿之间,测定关于所述至少一个点与扫描系统距离之间的距离的所述至少一个信息项。
实施方案101:根据前一实施方案的扫描系统,其中所述外壳包含显示器、按钮、紧固装置、矫平装置(leveling unit)的至少一种。
实施方案102:一种立体影像系统,其包含至少一个根据涉及跟踪系统的任一实施方案的跟踪系统和至少一个根据涉及扫描系统的任一实施方案的扫描系统,其中跟踪系统和扫描系统各自包含至少一个光学检测器,它们以准直排列布置以使它们在平行于立体影像系统的光轴的方向上对准并同时表现出相对于垂直于立体影像系统的光轴的方向的各自位移。
实施方案103:根据前一实施方案的立体影像系统,其中跟踪系统和扫描系统各自包含至少一个纵向光学传感器,其中组合所述纵向光学传感器的传感器信号以测定关于对象的纵向位置的信息项。
实施方案104:根据前一实施方案的立体影像系统,其中所述纵向光学传感器的传感器信号可通过施加不同调制频率彼此区分。
实施方案105:根据前三个实施方案任一项的立体影像系统,其中所述立体影像系统进一步包含至少一个横向光学传感器,其中所述横向光学传感器的传感器信号用于测定关于对象的横向位置的信息项。
实施方案106:根据前一实施方案的立体影像系统,其中通过组合关于对象的纵向位置的信息项和关于对象的横向位置的信息项获得对象的立体视图。
实施方案107:摄影机,其包含至少一个根据涉及检测器的前述实施方案任一项的检测器。
实施方案108:一种制造用于入射光束的光学检测的光学检测器的方法,所述方法包含下列步骤:
a)在电路载体的一部分上沉积反射层,所述反射层旨在至少部分反射入射光束;
b)通过在至少部分透明的基底层上沉积光敏材料而生成传感器层,其中所述传感器层旨在以依赖于通过入射光束和反射光束照射传感器层的方式生成至少一个传感器信号;
c)将载有传感器层的基底层布置在反射层上;和
d)提供评估装置,其中所述评估装置旨在接收传感器信号并通过评估传感器信号生成至少一个信息项。
实施方案109:根据前一实施方案的方法,其中在电路载体的一部分上,特别在印刷电路板(PCB)上沉积反射层。
实施方案110:根据涉及方法的前述实施方案任一项的方法,其中通过施加胶粘剂层将载有传感器层的基底层布置在反射层上。
实施方案111:根据涉及方法的前述实施方案任一项的方法,其中所述反射层通过沉积金属层获得,其中所述反射层通过沉积优选金层、银层或铜层的至少一种获得。
实施方案112:根据涉及方法的前述实施方案任一项的方法,其中沉积所述反射层直至其表现出10nm至100μm,优选20nm至10μm,更优选40nm至2μm的厚度。
实施方案113:根据涉及方法的前述实施方案任一项的方法,其进一步包含将传感器层直接或间接施加到基底层上
实施方案114:根据前一实施方案的方法,其中在基底层和传感器层之间没有留下或生成间隙。
实施方案115:根据前两个实施方案任一项的方法,其中使用沉积方法施加所述传感器层,其中所述沉积方法选自化学浴沉积、真空蒸发、溅射、原子层沉积、化学气相沉积、喷雾热解、电沉积、阳极化、电转化、无电浸渍生长、连续离子吸附和反应、分子束外延、分子气相外延、液相外延、喷墨印刷、凹版印刷、柔性版印刷、丝网印刷、漏版印刷、狭缝模头涂布、刮刀涂布和溶液-气体界面技术。
实施方案116:根据涉及方法的前述实施方案任一项的方法,其中用于所述传感器层的光敏材料选自染料太阳能电池、光电导材料和量子点,其中特别优选光电导材料。
实施方案117:根据涉及方法的前述实施方案任一项的方法,其中提供至少两个接触传感器层的独立电触点,所述电触点旨在将传感器信号经电路载体传送到评估装置。
实施方案118:根据前一实施方案的方法,其中使用优选为引线接合,特别是Au、Al或Cu线的形式的导电引线将所述电触点接合到至少一个外部接点。
实施方案119:根据前一实施方案的方法,其中通过在独立电触点与相应接收触点之间施加引线接合来获得电连接。
实施方案120:根据前一实施方案的方法,其中所述接收触点是优选进一步布置在电路载体上,特别在印刷电路板(PCB)上的接触垫片。
实施方案121:根据涉及方法的前述实施方案任一项的方法,其中生成覆盖层,所述覆盖层至少部分,优选完全覆盖传感器层。
实施方案122:根据前一实施方案的方法,其中导电引线尤其可穿过覆盖层接合到电触点。
实施方案123:根据涉及检测器的上述权利要求任一项的检测器的用途,所述用途选自:距离测量,特别是在交通技术中;位置测量,特别是在交通技术中;娱乐用途;安全用途;人机界面用途;跟踪用途;扫描用途;立体视觉;摄影用途;成像用途或摄影机用途;用于生成至少一个空间的地图的测绘用途;用于车辆的归航或跟踪信标检测器;具有热特征的对象的距离和/或位置测量;机器视觉用途;机器人用途;物流用途;车辆用途;飞机用途;船舶用途;航天器用途;机器人用途;医疗用途;体育用途;建筑用途;施工用途;制造用途;机器视觉用途;与选自飞行时间检测器、雷达、激光雷达、超声传感器或干涉测量的至少一种传感技术结合使用;红外检测用途;热检测用途;温度计用途;寻热用途;火焰检测用途;火灾检测用途;烟雾检测用途;温度传感用途;光谱学用途;复印用途;静电印刷用途;排气监测用途;燃烧过程监测用途;污染监测用途;工业过程监测用途;化学过程监测用途;食品加工过程监测用途;水质监测用途;空气质量监测用途;质量控制用途;温度控制用途;运动控制用途;排气控制用途;气体传感用途;气体分析用途;运动传感用途;化学传感用途。
附图简述
本发明的进一步任选细节和特征从联系从属权利要求的下列优选示例性实施方案的描述显而易见。在本文中,特定特征可独自实施或与特征结合实施。本发明不限于示例性实施方案。示例性实施方案示意性显示在附图中。各图中的相同附图标记是指相同元件或具有相同功能的元件,或在它们的功能方面彼此对应的元件。
具体而言,在附图中:
图1图解包含反射层的根据本发明的光学检测器的一个示例性实施方案;
图2图解进一步包含覆盖层的检测器的另一示例性实施方案;
图3图解在根据本发明的光学检测器和无反射层的光学检测器之间的实验测定的检测器信号的比较;且
图4显示根据本发明的检测器、检测器系统、人机界面、娱乐设备、跟踪系统和摄影机的一个示例性实施方案。
示例性实施方案
图1以高度示意性方式图解根据本发明的光学检测器110的一个示例性实施方案。在本文中,检测器110适于光学检测,特别是检测在光谱范围的至少一个部分中的至少一个波长,其中光谱范围的预期部分可选自紫外(UV)、可见(VIS)和/或红外(IR)光谱范围,其中IR范围,即760nm至1000μm的光谱范围特别优选。
具体而言,该检测器可设计为传感至少一个对象112的至少一种光学可想到的性质。特别地,可通过检测器110测定的光学可想到的性质可选自对象112的光学性质和/或几何学性质的至少一种。例如,光学性质可优选选自对象112的透射系数、吸收、发射和/或反射系数,而几何学性质特别是指对象112相对于检测器110的位置。为简单起见,对象112仅示意性描绘在图4中,但是,对象112也被认为存在于根据图1至3的实施方案中。
检测器110包含至少一个基底层114,其具有至少第一表面116和第二表面118,其中第二表面118位于第一表面116对面。在本文中,基底层114的第一表面116和/或第二表面118可如图1和2中描绘优选是平面。但是,在(未描绘在其中的)替代性实施方案中,基底层114的第一表面116或第二表面118的至少一个可表现出曲面,其中曲面是指可能偏离平面的区域。在本文中,曲面尤其可被设计为校正入射光束120在经过检测器110的路程中可能发生的偏差。特别地,曲面可选自凸面或凹面。但是,也可想到其它类型的曲面。
对本发明而言,入射光束120可照射在传感器层122上,其可间接或优选直接施加到基底层114的第二表面118,优选在基底层114和传感器层122之间没有留下间隙。在本文中,传感器层122可如此处描绘是正好单个连续传感器层。为此,传感器层122可优选使用沉积方法,有利地使用容易生成1nm至100μm,优选10nm至10μm,更优选100nm至1μm的厚度的浴沉积法沉积在基底层114上。但是,传感器层122的交替布置或其它生成传感器层122的沉积方法也可能是可行的。
在本文中,传感器层122旨在以依赖于通过入射光束120和如下文更详细描述通过反射光束124照射传感器层122的方式生成至少一个传感器信号。根据本发明,传感器层122包含至少一种光敏材料126。在一个特别优选的实施方案中,光敏材料122可包含光电导材料128,优选至少一种硫族化物材料,特别选自硫化铅(PbS)硒化铅(PbSe)、碲化铅(PbTe)、碲化镉(CdTe)或磷化铟(InP)、硫化镉(CdS)、硒化镉(CdSe)、锑化铟(InSb)、碲化镉汞(HgCdTe;MCT)、硫化铜铟(CIS)、硒化铜铟镓(CIGS)、硫化锌(ZnS)、硒化锌(ZnSe)和硫化铜锌锡(CZTS)。但是,也可使用其它硫族化物或其它种类的光电导材料128。在(未描绘在其中的)替代性实施方案中,传感器层122所含的光敏材料126可选自染料太阳能电池或选自量子点层。
此外,检测器110包含电路载体130。如通常使用,电路载体130是指旨在机械支承和电连接电子、电和/或光学元件,如检测器110或其一部分的平台。在本发明的一个特别优选的实施方案中,电路载体130可以是或包含印刷电路板(PCB)132。如图1中示意性图解,印刷电路板132包含仅单个片材并因此可被称为单面PCB 134。但是,包含多于仅单个片材的印刷电路板,如双面PCB或多层PCB也可能是可行的,其中不同片材可使用所谓的“通孔”互相连接。但是,其它类型的电路载体130也可能是可行的。一般而言,可以例如通过钎焊、焊接或沉积,或附加地或替代性地,通过嵌入电路载体130中,例如通过安置到电路载体130中指定用于此用途的底座中和/或通过除去电路载体130的一部分,将电子、电和/或光学元件安置在印刷电路板132的表面136上。
此外,检测器110包含反射层138,其因此布置在电路载体130的一部分上,特别在印刷电路板132的表面136的一部分上。在本文中,反射层138旨在反射入射光束120,特别是以在入射光束120先前已至少部分但优选完全透过传感器层114后将入射光束120作为反射光束124反射回传感器层114的方式。这种类型的布置因此可将入射光束120作为反射光束124改向到传感器层114中,由此可减少在这种类型的检测器110的测量过程中的入射光损失。
优选地,反射层138,特别是至少意在被入射光束120照射的反射层138的表面140包含优选金、银或铜的层或至少表面。在本文中,金、银和铜特别优选,因为它们表现出在IR中的高反射系数,如在整个IR光谱范围,尤其是760nm至20μm内高于90%的反射系数。此外金层142是另外优选的,因为金层142可容易地通过在电路载体130,特别是PCB 132的接受表面136上沉积金制造。但是,其它种类的金属层也可能适合作为反射层138。特别地,反射层可表现出10nm至100μm,优选20nm至10μm,更优选40nm至2μm的厚度。
在本文中,反射层138可被设计为以由此生成(在此未描绘的)漫反射的方式反射入射光束120,由此朝各种方向散射入射光束120。为此,反射层的表面140可尤其是或包含粗糙表面144,其可特别与平面相比,以相对于表面140更窄的角度反射入射光束120,因此导致反射光束124经更长距离穿过传感器层114,在此其很有可能被吸收。因此,尤其可提供反射层138的粗糙表面144以减少入射光的损失。
因此,基底层114对入射光束120和反射光束124都至少部分透明。为此,基底层可包含优选选自玻璃、石英、硅(Si)、透明有机聚合物或透明导电氧化物(TCO)的材料,其特别可选自氧化铝(Al2O3)、氧化钛(TiO2)、氧化铟锡(ITO)、氟掺杂的氧化锡(SnO2:F;FTO)、铝掺杂的氧化锌(AZO)、氧化镁(MgO)或钙钛矿透明导电氧化物。但是,根据检测器110的所需波长范围,其它种类的材料也可能是可行的。
在如图1中所示的优选示例性实施方案中,检测器110可进一步包含可布置在基底层114与反射层138之间,特别是在基底层114的第二表面118与反射层138的表面140之间的胶粘剂层146。为了组装两个相邻基底层114和反射层138以使它们抗分离,胶粘剂层146包含胶粘剂物质。如图1中示意性描绘,胶粘剂层146尤其可以一方面在反射层138和胶粘剂层146之间,另一方面在胶粘剂层146和基底层114之间没有留下也没有生成间隙的方式施加。在本文中,胶粘剂层146可优选是可毗邻基底层114和反射层138布置的正好一个连续层。图1的特别优选的实施方案因此可允许将载有传感器层122的基底层114布置在反射层138上,优选通过施加胶粘剂层146,由此可将反射层138布置在所需位置以尽可能有效地反射入射光束120,特别是作为反射光束124反射回传感器层122。
在本文中,胶粘剂层146可对入射光束120至少部分透明,或替代性地,部分反射入射光束120,因此支持反射层138的效果。无论使用哪种实施方案,入射光束120可因此按需要作为反射光束124穿过基底层114朝传感器层122反射。为此,胶粘剂层146可表现出为提供基底层114与反射层138之间的紧密和稳定连接而选择的厚度。根据为胶粘剂层146选择的材料,胶粘剂层146的厚度因此可为100nm至10μm,更优选250nm至5μm。
此外,检测器110可优选包含电触点148、148’,它们旨在将在传感器层122中生成的所述至少一个传感器信号直接或间接传送到(在此未描绘的)评估装置150。优选地,电触点148、148’可包含选自Ag、Pt、Mo、Al、Au和高导电石墨烯的至少一种电极材料。如图1中所示,电触点148、148’可进一步使用接合线152、152’接合,其中接合线152、152’特别可以是或包含Au、Al或Cu线。特别为了支持接合线152、152’与电触点148、148’的电极材料之间的接合,可另外电触点148、148’处提供(在此未描绘的)附加胶粘剂层,其中附加胶粘剂层可包含Ni、Cr、Ti或Pd的至少一种。但是,其它种类的接合线和/或附加胶粘剂层也可能是可行的。如图1中进一步描绘,携带传感器信号的接合线152、152’可导向位于电路载体130的表面136上并包含导电材料的接触垫片154、154’,从此处可将传感器信号以直接或间接方式进一步导向评估装置150。这一布置使得检测器110容易操作和接触,优选通过自动拾取载有传感器层122和电触点148、148’的基底层114并安置在电路载体130上的所选位置,随后提供接合线152、152’。
因此,电触点148、148’可旨在将传感器层122生成的传感器信号传送到评估装置150。或者,可以无线方式将传感器信号从传感器层122传送到评估装置150。因此,由传感器层122在被入射光束122和反射光束124照射时提供的所得传感器信号依赖于包含在传感器层122中的光敏材料126,特别是光电导材料128的性质。评估装置150通常旨在通过评估传感器信号生成由入射光束120和反射光束124提供的关于至少一个对象112的一种或多种光学可想到的性质的至少一个信息项。为此,评估装置150可包含一个或多个电子装置和/或一个或多个软件元件以评估传感器信号。因此,评估装置150可适于通过比较由传感器层122获取的多于一个传感器信号测定所述至少一个信息项。
优选地,评估装置150可适于通过比较传感器层122(其在这一特定实施方案中可布置为纵向光学传感器)的多于一个纵向传感器信号测定关于对象112的纵向位置的所述至少一个信息项。为此,检测器110可特别适于通过执行至少一个电流-电压测量和/或至少一个电压-电流测量生成传感器信号。如对于FiP装置已知,纵向传感器信号在相同的照射总功率下可入射光束120在传感器层122中的束横截面。为了生成关于对象112的纵向位置的所述至少一个信息项,评估装置150因此可被设计为利用照射几何学与对象112相对于检测器110的相对定位之间的至少一种预定关系,由此优选将照射的已知功率考虑在内。替代性地或附加地,评估装置150可适于测定对象112的至少一种光学性质,如选自对象112的透射系数、吸收、发射和/或反射系数。但是,使用其它种类的评估程序也可能是可行的。
通常,评估装置150可以是数据处理装置的一部分和/或可包含一个或多个数据处理装置。评估装置150可完全或部分集成到电路载体130中和/或可完全或部分具体化为可以无线或引线接合方式电连接到传感器层122的单独装置。评估装置150可进一步包含一个或多个附加组件,如一个或多个电子硬件组件和/或一个或多个软件组件,如一个或多个测量单元和/或一个或多个评估单元和/或一个或多个控制单元(在此未描绘)。
用于照射检测器110的光束120可由发光对象112生成。替代性地或附加地,光束120可由(在此未描绘的)单独照射源生成,其可包括环境光源和/或人工光源,如发光二极管,其适于照射对象112以使对象112能够反射至少一部分由照射源生成的光以使光束120可配置为照射光学检测器110。在一个具体实施方案中,照射源可以是调制光源,其中可通过至少一个任选调制器控制照射源的一种或多种调制性质。替代性地或附加地,可在照射源与对象112之间和/或在对象112与检测器110之间的光束路径中实施调制。可想到进一步的可能性。在这一具体实施方案中,可能有利的是,在评估传感器信号以测定关于对象112的所述至少一个信息项时,将一种或多种调制性质,特别是调制频率考虑在内。
根据如图2中所示的检测器110的另一示例性实施方案,检测器110可进一步包含任选覆盖层156,其可优选直接沉积在传感器层122上。在本文中,覆盖层156尤其可以是包含至少一种含金属的化合物的非晶层,其中含金属的化合物可有利地选自Al、Ti、Ta、Mn、Mo、Zr、Hf或W的氧化物、氢氧化物、硫族化物、磷族化物或碳化物或其组合。在本文中,可特别表现出10nm至600nm,优选20nm至200nm的厚度的覆盖层可以是或包含原子沉积层158。或者,覆盖层156可使用化学气相沉积(CVD)法,如等离子体增强的化学气相沉积(PECVD)法生成。此外,也可能施加其它沉积方法,如旋涂或喷墨印刷。
覆盖层156特别可用于尽可能避免由外部影响,如由周围气氛中包含的湿度和/或氧气造成的传感器层122的降解。因此,覆盖层156可提供传感器层122的封装,优选气密包装,特别是通过完全覆盖传感器层122的任何可及表面。此外,在将覆盖层156沉积在传感器层122上和随后热处理后可显著改进光电导材料156的光电导性质的意义上,覆盖层也固有地有助于可优选与覆盖层156直接接触的光电导材料128的光电导性质的活化。
如图2中示意性描绘,覆盖层156可另外覆盖旨在接触传感器层122的电触点148、148’,特别是在传感器层122的不同位置。此外,电触点148、148’可穿过覆盖层156接合,由此优选可使用接合线152、152’。
关于如图2中所示的特征的进一步细节,可以参考图1的描述。
图3图解从传感器层122接收并由评估装置150提供的传感器信号IS(任意单位)vs以nm计的入射光束120的波长λ的曲线图。由此,与对不包含布置在电路载体130上的任何反射层的对比光学检测器获得的第二曲线162相比,对于第一曲线160观察到传感器信号IS的显著提高,第一曲线160涉及在如图2中描述的实施方案中的根据本发明的检测器110,其包含金层142作为布置在电路载体130上的反射层138。在这一特定实例中,可在中IR范围,尤其是1.5μm至2.7μm中观察到传感器信号IS的显著提高。但是,其它实例也可能是可行的。
作为进一步的实例,图4显示检测器系统200的一个示例性实施方案,其包含如上所述布置在电路载体130上,特别在印刷电路板(PCB)132上,更特别在单面PCB 134上的所述至少一个检测器110。如图1或2中所示的一个或多个其它实施方案中公开的检测器110尤其可用于此用途。在此,检测器110可用作摄影机202,尤其用于3D成像,其可用于采集图像和/或图像序列,如数字视频剪辑。此外,图4显示包含所述至少一个检测器110和/或所述至少一个检测器系统200的人机界面204的一个示例性实施方案,和另外,包含人机界面204的娱乐设备206的一个示例性实施方案。图4进一步显示使用跟踪至少一个对象112的位置的跟踪系统208的一个实施方案,其包含检测器110和/或检测器系统200。关于检测器110,可参考本申请的完整公开。基本上,检测器110的所有可能的实施方案也可具体体现在图4中所示的实施方案中。在这一特定实施方案中,检测器110的设置符合如图2中提供的示例性布置。相应地,检测器110具有基底层114,其具有至少第一表面116和第二表面118,其中第二表面118位于第一表面116对面。在本文中,基底层114载有包含光敏材料126,特别是光电导材料128的传感器层122,其沉积在基底层114的第二表面118上。对本发明而言,传感器层122旨在以依赖于通过入射光束120和反射光束124照射传感器层122的方式生成至少一个传感器信号。特别地,检测器110可用于测定对象112的至少一种光学性质,如选自对象112的透射系数、吸收、发射和/或反射系数。此外,通过如上所述的覆盖层156保护传感器层122。
此外,向评估装置150提供由传感器层122生成的传感器信号以通过评估传感器信号生成由入射光束120和反射光束124提供的关于对象112的所述至少一个信息项。为此,传感器信号经由电极148、148’、接合线152、152’、位于电路载体130上的接触垫片154.154’和信号线210、210’传导到评估装置150。在本文中,信号线210、210’可以是无线接口和/或wire-bound接口。此外,信号线210、210’可包含一个或多个驱动器和/或一个或多个用于修改传感器信号的测量装置。评估装置150可完全或部分集成到检测器110的一个或多个组件中。评估装置150也可封装到包含检测器110的外壳中和/或封装到单独外壳中。评估装置150可包含一个或多个电子装置和/或一个或多个软件组件,以评估传感器信号,如通过纵向评估单元212(标为“z”)和/或横向评估单元212’(标为“xy”)。通过组合由这些评估单元212、212’推导出的结果,可生成位置信息214,优选三维位置信息(标为“x、y、z”)。但是,如上文提到,可优选使用评估装置150测定对象112的至少一种光学性质,如选自对象112的透射系数、吸收、发射和/或反射系数。
在如图4中所示的示例性实施方案中,要检测的对象112,作为一个实例,可被设计为运动设备制品和/或可形成控制元件216,其位置和/或取向可由用户218操纵。因此,通常,在如图4中所示的实施方案中或在检测器系统200、人机界面204、娱乐设备206或跟踪系统208的任何其它实施方案中,对象112本身可以是指定装置的一部分,尤其可包含所述至少一个控制元件216,其中所述至少一个控制元件216尤其具有一个或多个信标装置220,其中控制元件216的位置和/或取向优选可由用户218操纵。作为一个实例,对象112可以是或可包含球棒、球拍、球杆或任何其它运动设备制品和/或模拟运动设备(fake sportsequipment)的一种或多种。其它类型的对象112也有可能。此外,用户218可能被视为对象112,应该检测其位置。作为一个实例,用户218可携带一个或多个直接或间接附于其身体的信标装置220。
检测器110可适于测定关于一个或多个信标装置220的纵向位置的至少一个项和任选地,关于其横向位置的至少一个信息项,和/或关于对象112的纵向位置的至少一个其它信息项和任选地,关于对象112的横向位置的至少一个信息项。特别地,检测器110可适于识别颜色和/或用于成像对象112,如对象112的不同颜色,更特别地,可包含不同颜色的信标装置220的颜色。
检测器110因此可适于测定所述至少一个对象112的位置。另外,检测器110,尤其是包括摄影机202的实施方案可适于采集对象112的至少一个图像,优选3D图像。如上文概述,使用检测器110和/或检测器系统200测定对象112和/或其一部分的位置可用于提供人机界面204,以向机器222提供至少一个信息项。在图4中示意性描绘的实施方案中,机器222可以是或可包含至少一个计算机和/或计算机系统,其包含数据处理装置。其它实施方案是可行的。评估装置150可以是计算机和/或可包含计算机和/或可完全或部分具体化为单独装置和/或可完全或部分集成到机器222,特别是计算机中。这同样适用于跟踪系统208的轨迹控制器224,其可完全或部分构成评估装置150和/或机器222的一部分。
类似地,如上文概述,人机界面204可构成娱乐设备206的一部分。因此,通过用户218充当对象112和/或通过用户218操纵对象112和/或控制元件216充当对象112,用户218可将至少一个信息项,如至少一个控制指令输入机器222,特别是计算机,由此改变娱乐功能,如控制计算机游戏的进程。
如上文概述,检测器110可具有直线光束路径或倾斜光束路径、成角光束路径、分支光束路径、偏转或分割光束路径或其它类型的光束路径。此外,入射光束120可沿各光束路径或部分光束路径、一次或反复、单向或双向传播。
附图标记名单
110 检测器
112 对象
114 基底层
116 第一表面
118 第二表面
120 入射光束
122 传感器层
124 反射光束
126 光敏材料
128 光电导材料
130 电路载体
132 印刷电路板(PCB)
134 单面PCB
136 表面
138 反射层
140 表面
142 金层
144 粗糙表面
146 胶粘剂层
148、148’ 电触点
150 评估装置
152、152’ 接合线
154、154’ 接触垫片
156 覆盖层
158 原子沉积层
160 第一曲线
162 第二曲线
200 检测器系统
202 摄影机
204 人机界面
206 娱乐设备
208 跟踪系统
210、210’ 信号线
212、212’ 纵向评估单元、横向评估单元
214 位置信息
216 控制元件
218 用户
220 信标装置
222 机器
224 轨迹控制器

Claims (18)

1.一种用于入射光束(120)的光学检测的检测器(110),其包含
-旨在支承至少一个层的电路载体(130),其中所述电路载体(130)是或包含印刷电路板(132);
-反射层(138),所述反射层(138)布置在电路载体(130)的一部分上,其中所述反射层(138)旨在反射入射光束(120),由此生成至少一个反射光束(124);
-基底层(114),所述基底层(114)直接或间接毗邻反射层(138),其中所述基底层(114)对入射光束(120)和反射光束(124)至少部分透明;
-传感器层(122),所述传感器层(122)布置在基底层(114)上,其中所述传感器层(122)旨在以依赖于通过入射光束和反射光束(124)照射传感器层(122)的方式生成至少一个传感器信号;和
-评估装置(150),其旨在通过评估传感器信号生成至少一个信息项。
2.根据前一权利要求的检测器(110),其中所述检测器(110)旨在检测在红外光谱范围的至少一个部分中的至少一个波长,红外光谱范围为760nm至1000μm。
3.根据前述权利要求任一项的检测器(110),其中所述反射层(138)旨在以在入射光束(120)先前已至少部分透过传感器层(120)后将其反射回传感器层(122)的方式反射入射光束(120)。
4.根据前述权利要求任一项的检测器(110),其中所述反射层(138)旨在提供对入射光束(120)的漫反射。
5.根据前一权利要求的检测器(110),其中所述反射层(138)表现出粗糙表面,其中所述粗糙表面具有至少0.01μm的Ra值。
6.根据前述权利要求任一项的检测器(110),其中所述反射层(138)是金层(142)、银层、镍层、锡层、铅层、钯层、铂层、铝层、铜层或其合金的层的至少一种。
7.根据前述权利要求任一项的检测器(110),所述检测器(110)进一步包含布置在基底层(114)与反射层(138)之间的胶粘剂层(146),其中所述胶粘剂层(146)是或包含胶粘剂物质,其中所述胶粘剂物质旨在组装基底层(114)和反射层(138)。
8.根据前一权利要求的检测器(110),其中所述胶粘剂层(146)对入射光束(120)和反射光束(124)至少部分透明,或其中所述胶粘剂层(138)至少部分反射入射光束(120)。
9.根据前两个权利要求任一项的检测器(110),其中所述胶粘剂物质选自充满漫反射或镜面反射粒子的有机胶粘剂。
10.根据前述权利要求任一项的检测器(110),其中所述传感器层(122)包含光敏材料(126),其中所述光敏材料(126)是包含硒、碲、硒-碲合金、金属氧化物、第IV族元素或化合物、III-V化合物、II-VI化合物、硫族化物、氮族化物、卤化物及其固溶体和/或掺杂变体的一种或多种的无机光电导材料(128)。
11.根据前一权利要求的检测器(110),其中所述硫族化物选自硫化铅(PbS)、硫化铜铟(CIS)、硒化铜铟镓(CIGS)、硫化铜锌锡(CZTS)、硒化铅(PbSe)、硒化铜锌锡(CZTSe)、碲化镉(CdTe)、碲化镉汞(HgCdTe)、碲化汞锌(HgZnTe)、硫硒化铅(PbSSe)、铜-锌-锡硫-硒硫族化物(CZTSSe)及其固溶体和/或掺杂变体。
12.根据前述权利要求任一项的检测器(110),其进一步包含至少两个接触传感器层(122)的独立电触点(148、148’),其中所述电触点(148、148’)旨在将传感器信号经电路载体(130)传送到评估装置(150)。
13.根据前一权利要求的检测器(110),其中对于各电触点(148、148’),至少一条引线接合(152、152’)将电触点(148、148’)与进一步布置在电路载体(130)上的至少一个相应的接收触点连接。
14.根据前述权利要求任一项的检测器(110),其进一步包含至少布置在传感器层(122)上的覆盖层(156),所述覆盖层(156)对入射光束(120)至少部分透明。
15.根据前一权利要求的检测器(110),其中所述覆盖层(156)包含铝、钛、锆、铪的至少一种氧化物、至少一种氢氧化物或其组合、它们的混合物和/或层压物。
16.根据前述权利要求任一项的检测器(110),其中所述传感器信号是纵向传感器信号,其中所述纵向传感器信号在相同的照射总功率下依赖于入射光束(120)在传感器层中的束横截面,其中所述评估装置(150)进一步旨在通过评估纵向传感器信号生成关于对象(112)的纵向位置的至少一个信息项。
17.一种制造用于入射光束(120)的光学检测的检测器(110)的方法,所述方法包含下列步骤:
a)在电路载体(130)的一部分上沉积反射层(138),所述反射层(138)旨在至少部分反射入射光束(120),其中所述电路载体(130)是或包含印刷电路板(132);
b)通过在至少部分透明的基底层(114)上沉积光敏材料(126)而生成传感器层(122),其中所述传感器层(122)旨在以依赖于通过入射光束(120)和反射光束(124)照射传感器层(122)的方式生成至少一个传感器信号;
c)将载有传感器层(122)的基底层(114)布置在反射层(138)上;和
d)提供评估装置(150),其中所述评估装置(150)旨在接收传感器信号并通过评估传感器信号生成至少一个信息项。
18.根据涉及检测器(110)的前述权利要求任一项的光学检测器(110)的用途,所述用途选自:距离测量、位置测量、娱乐用途、安全用途、人机界面用途、跟踪用途、扫描用途、立体视觉、摄影用途、成像用途或摄影机用途、用于生成至少一个空间的地图的测绘用途、用于车辆的归航或跟踪信标检测器、具有热特征的对象的距离和/或位置测量、机器视觉用途、机器人用途、物流用途、车辆用途、飞机用途、船舶用途、航天器用途、机器人用途、医疗用途、体育用途、建筑用途、施工用途、制造用途、机器视觉用途;与选自飞行时间检测器、雷达、激光雷达、超声传感器或干涉测量的至少一种传感技术结合使用;红外检测用途、热检测用途、温度计用途、寻热用途、火焰检测用途、火灾检测用途、烟雾检测用途、温度传感用途、光谱学用途、复印用途、静电印刷用途、排气监测用途、燃烧过程监测用途、污染监测用途、工业过程监测用途、化学过程监测用途、食品加工过程监测用途、水质监测用途、空气质量监测用途、质量控制用途、温度控制用途、运动控制用途、排气控制用途、气体传感用途、气体分析用途、运动传感用途、化学传感用途。
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