-
Die
Erfindung betrifft ein optoelektronisches Bauelement, das zur berührungslosen
Messung von ein- oder mehrdimensionalen Translationsbewegungen zwischen
einem Messobjekt und dem Bauelement ausgebildet ist.
-
Anwendungsmöglichkeiten
derartiger optoelektronischer Bauelemente sind zum Beispiel die
Entfernungs- und Geschwindigkeitsbestimmung von linearen und mehrdimensionalen
Vorschüben,
zum Beispiel bei Werkzeugmaschinen, Robotern, Encodern und dergleichen,
und Eingabegeräte
für Computer,
Mobilfunktelefone und mobile digitale Assistenten (PDAs).
-
Für die Messungen
von Relativbewegungen zwischen einer Messvorrichtung und einem Objekt existieren
in der Praxis verschiedene optische Messverfahren und -systeme.
Diese lassen sich grob einteilen in interferometrische Messmethoden,
Autokorrelationsmessungen, Laser-Doppler-Anemometrie, Laufzeitmessungen
von Pulsen und Encoder.
-
Bei
den erstgenannten interferometrischen Messungen werden mittels Strahlteilung
zwei räumlich
getrennte, kohärente
Teilstrahlen, der Mess- und der Referenzstrahl erzeugt, die nach
dem Durchlaufen eines vorbestimmten optischen Weges wieder zusammengeführt werden
und sich dabei interferierend überlagern.
Aus den durch die Interferenz entstehenden Intensitätsverteilungen
können
Rückschlüsse auf
die optischen und damit auch die geometrischen Wegdifferenzen der
beiden Teilstrahlen gezogen werden. Durch die Aufnahme und Auswertung
des Interferenzsignals über
einen bestimmten Zeitraum kann eine Weg- oder Geschwindigkeitsbestimmung
erfolgen. Dertige Meßvorrichtungen
sind beispielsweise aus der
DE 196 17 880 A1 oder der WO 99/46603 bekannt.
-
Ein
interferometrisches System, mit dem sowohl der Betrag als auch die
Richtung einer Translationsbewegung zwischen einer Messvorrichtung
und einer Objektoberfläche
erfasst werden kann, ist zum Beispiel in der WO-99/46602 A1 sowie
deren Weiterentwicklung in der WO-99/46603 A1 beschrieben.
-
Bei
dem in diesen Druckschriften offenbarten Messsystem wird die Oberfläche eines
bewegten Messobjekts mit einer kohärenten Lichtquelle bestrahlt
und zwischen der Lichtquelle und der Oberfläche in der Nähe der Oberfläche parallel
zu dieser ein teilreflektierendes optisches Gitter positioniert,
so dass ein Teil des einfallenden Lichts von dem Gitter zu einem
Detektor reflektiert wird (Referenzstrahl), während der andere Teil des einfallenden
Lichts durch das Gitter zur Oberfläche des bewegten Objekts läuft und
an dieser reflektiert wird (Messstrahl), um sich mit dem Referenzstrahl
zu überlagern.
Aus der Interferenz der beiden Teilstrahlen erfasst der Detektor
ein periodisches Messsignal, aus dessen Frequenz sich der Betrag
der Relativbewegung zwischen Messvorrichtung und Objekt parallel
zu der Objektoberfläche
ermitteln lässt.
Um neben dem Betrag der Relativbewegung auch die Bewegungsrichtung
ermitteln zu können,
wird zusätzlich
zwischen den beiden Teilstrahlen eine Phasenverschiebung erzeugt,
aus deren Vorzeichen man auf die Richtung der Relativbewegung schließen kann.
-
Bei
den Autokorrelationsmessungen wird die bewegte Oberfläche eines
Objekts von einer Lichtquelle beleuchtet und das reflektierte Licht
mit einem flächigen,
ortsauflösenden
Detektor aufgenommen. Aus der Auswertung mehrerer hintereinander
aufgenommener Bilder des reflektierten Lichts durch eine Autokorrelationsanalyse
der Intensitätsmuster
ist es möglich,
auf die Bewegungsrichtung und die Geschwindigkeit rückzuschließen. Bei
einer inkohärenten
Lichtquelle ist im allgemeinen eine Textur der bewegten Oberfläche notwendig,
um ei nen ausreichend hohen Kontrast im reflektierten Lichtmuster
zu erzielen. Bei kohärenter
Bestrahlung beispielsweise mit einer Laserdiode kann man die durch
die Reflexion an Oberflächenrauhigkeiten
entstehenden sogenannten Speckle-Muster zur Auswertung heranziehen.
-
Für die Laser-Doppler-Anemometrie
wird ein Laserstrahl aufgespalten und die beiden Teilstrahlen werden
an einer bestimmten Position zur Interferenz gebracht. Passiert
ein streuendes Objekt, wie zum Beispiel eine rauhe Oberfläche, den
Bereich der entstehenden Interferenzstreifen, so wird ein Teil des Lichts
auf einen Detektor gestreut. Das am Detektor gemessene Signal variiert
mit der Intensität
des Interferenzmusters an der Position des streuenden Objekts. Die
Frequenz der durch ein bewegtes Objekt bewirkten Signalvariation
ist damit proportional zur Geschwindigkeit des streuenden Objekts
und kann daher zur Wegmessung herangezogen werden.
-
Eine
weitere Möglichkeit
zur optischen Bestimmung eines Weges bzw. einer Wegänderung
ist die Laufzeitmessung von Lichtpulsen, die an der Oberfläche des
bewegten Objekts reflektiert werden. Wird diese Laufzeitmessung über einen
bestimmten Zeitraum hinweg wiederholt durchgeführt, so kann man die relative
Bewegung des Objekts zu bzw. weg von dem Detektor bestimmen.
-
Unter
dem Begriff Encoder versteht man Winkelcodier- oder Längencodiervorrichtungen,
bei denen die Abbildung eines bewegten Streifenmusters auf Detektorelemente
zur Bestimmung des Winkels bzw. des Weges verwendet wird. Hierbei
wird mit Hilfe einer inkohärenten
Lichtquelle ein mit dem bewegten Objekt verbundener Codestreifen
oder verbundenes Coderad, welcher bzw. welches schmale Lichtspalte
aufweist, beleuchtet. Die Bewegung des Licht-Schatten-Musters erzeugt
mit einer geeigneten, meist vielzahligen Photodiodenanordnung ein
peri odisches Strom-Zeit-Profil, welches durch eine Zählelektronik
ausgewertet werden kann. Es existieren Encoder auf Reflexions- als
auch auf Transmissionsbasis, die für niedrig- bis hochauflösende Anwendungen
geeignet sind.
-
Herkömmliche,
berührungslos
arbeitende Sensoren, die auf den oben beschriebenen Messverfahren
basieren, sind üblicherweise
derart aufgebaut, dass separat angefertigte optische Komponenten
auf Standardgehäuse
für optoelektronische
Komponenten aufgesetzt werden. Die optischen Komponenten müssen in
Einzelmontage sehr präzise
zu den optoelektronischen Bauteilen justiert werden, um die geforderten
Messgenauigkeiten erzielen zu können. Die
bisher bekannten Sensoren erreichen nicht die für den Einsatz in kritischer
Umgebung (z.B. Automobilindustrie) notwendige Zuverlässigkeit
und haben größere Formfaktoren,
was insbesondere für
den Einsatz als Computer/PDA-Eingabegerät ungünstig ist.
-
Es
ist deshalb eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein optoelektronisches
Bauelement vorzusehen, das als Sensor zur Erfassung von ein- und
mehrdimensionalen Translationsbewegungen eingesetzt werden kann
und auch in kritischen Umgebungen eine hohe Zuverlässigkeit
und Messgenauigkeit besitzt.
-
Diese
Aufgabe wird durch ein optoelektronisches Bauelement mit den Merkmalen
von Patentanspruch 1 gelöst.
Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung sind
Gegenstand der Unteransprüche
2 bis 9. Eine bevorzugte Verwendung des Bauelements ist in den Ansprüchen 10
und 11 angegeben.
-
Das
optoelektronische Bauelement gemäß der vorliegenden
Erfindung weist einen Trägerkörper; einen
optoelektronischen Sender zum Aussenden eines kohärenten Lichtstrahls
und einen optoelektronischen Empfänger, die auf dem Trägerkörper aufgebracht
sind; eine optische Vorrichtung zum Aufteilen des von dem optoelektronischen
Sender ausgesendeten Lichtstrahls in einen Referenzstrahl und einen Messstrahl,
wobei der Messstrahl in Richtung auf ein Messobjekt abgestrahlt
wird, zum Empfangen des an dem Messobjekt reflektierten Messstrahls
und Überlagern
des reflektierten Messstrahls mit dem Referenzstrahl zu einem Interferenzstrahl,
und zum Richten des Interferenzstrahls auf den optoelektronischen Empfänger; und
einen Abstandhalter, der auf dem Trägerkörper aufgebracht ist und auf
dem die optische Vorrichtung aufgebracht ist, wobei die optische Vorrichtung
parallel zu dem Trägerkörper und
in einem durch den Abstandhalter definierten Abstand zu dem Trägerkörper angeordnet
ist, auf.
-
Die
mikrooptischen und optoelektronischen Komponenten des optoelektronischen
Bauelements sind in integrierter Bauweise direkt auf dem als Trägerkörper dienenden
Detektorchip aufgebracht, so dass ein sehr kleiner und robuster
Sensor mit hoher Messgenauigkeit bereitgestellt werden kann. Durch den
Abstandhalter zwischen dem Trägerkörper mit den
optoelektronischen Komponenten und der optischen Vorrichtung entfällt außerdem die
gegenseitige Justierung in z-Richtung, so dass hierdurch gegenüber herkömmlichen
Sensoren eine Montagetoleranz entfällt. Eine weitere Montagetoleranz
entfällt dadurch,
dass der Sender und der Empfänger
auf dem gleichen Trägerkörper montiert
sind.
-
Vorzugsweise
kann als Abstandhalter ein Umlenkprisma verwendet werden, das den
von dem optoelektronischen Sender ausgesendeten Lichtstrahl in Richtung
auf die optische Vorrichtung umlenkt.
-
Um
sowohl den Betrag als auch die Richtung einer Bewegung des Messobjekts
relativ zu dem optoelektronischen Bauelement zu erfassen kann die optische
Vorrichtung ein teilreflektierendes Beugungsgitter zum Erzeugen
des Referenzstrahls und einen Zirkularpolarisator zum Erzeugen eines
zirkular polarisierten, reflektierten Messstrahls sowie einen Strahlteiler
zum Aufspalten der Interferenzstrahlen in jeweils zwei Teilstrahlen
und eine Phasendifferenz-Erzeugungsvorrichtung vor dem optoelektronischen
Empfänger
zum Erzeugen einer Phasendifferenz zwischen den Teilstrahlen aufweisen.
Mit dieser Anordnung kann aus der Frequenz der Amplitudenänderungen
der Interferenzstrahlen die Bewegungsgeschwindigkeit des Messobjekts
relativ zu dem Bauelement und aus dem Vorzeichen der Phasendifferenz
zwischen den Teilstrahlen die Bewegungsrichtung des Messobjekts
relativ zu dem Bauelement bestimmt werden.
-
Insbesondere
lassen sich solche erfindungsgemäßen Bauelemente
in Geräten
zur Schrifterkennung nutzen; ein solches Bauelement läßt sich
beispielsweise in die Spitze eines Lesestiftes integrieren.
-
Die
Erfindung wird nachfolgend anhand verschiedener nichteinschränkender
Ausführungsbeispiele
unter Bezugnahme auf die beiliegenden Zeichnungen näher erläutert. Darin
zeigen:
-
1 eine
schematische Darstellung eines optoelektronischen Bauelements gemäß einem
ersten bevorzugten Ausführungsbeispiel
der vorliegenden Erfindung im Schnitt;
-
2A und 2B eine
vergrößerte Darstellung
des Trägerkörpers mit
den optoelektronischen Komponenten des optoelektronischen Bauelements
von 1 in Seitenansicht bzw. in Draufsicht;
-
3A und 3B eine
vergrößerte Darstellung
des ersten optischen Elements der optischen Vorrichtung des opto elektronischen
Bauelements von 1 in Seitenansicht bzw. in Draufsicht;
-
4 eine
vergrößerte Darstellung
des dritten optischen Elements der optischen Vorrichtung des optoelektronischen
Bauelements von 1 in Seitenansicht;
-
5 eine
schematische Darstellung eines optoelektronischen Bauelements gemäß einem
zweiten Ausführungsbeispiel
der vorliegenden Erfindung;
-
6 eine
schematische Darstellung eines optoelektronischen Bauelements gemäß einem
dritten Ausführungsbeispiel
der vorliegenden Erfindung;
-
7 eine
schematische Darstellung eines optoelektronischen Bauelements gemäß einem
vierten Ausführungsbeispiel
der vorliegenden Erfindung;
-
8 eine
schematische Darstellung eines optoelektronischen Bauelements gemäß einem
fünften
Ausführungsbeispiel
der vorliegenden Erfindung; und
-
9 eine
schematische Darstellung eines optoelektronischen Bauelements gemäß einem sechsten
Ausführungsbeispiel
der vorliegenden Erfindung.
-
Zunächst wird
anhand der 1 bis 4 ein erstes
Ausführungsbeispiel
der vorliegenden Erfindung näher
beschrieben. In den 5 bis 9 sind dann
alternative Ausführungsformen
des optoelektronischen Bauelements dargestellt.
-
Das
optoelektronische Bauelement 10 gemäß der vorliegenden Erfindung
kann vorteilhafterweise als Sensor zum berührungslosen Erfassen von ein-
oder mehrdimensionalen Translations bewegungen zwischen dem Bauelement 10 und
einem Messobjekt 12 verwendet werden. Dabei kann nicht
nur die Geschwindigkeit, sondern auch die Richtung der Relativbewegung
bestimmt werden.
-
Das
optoelektronische Bauelement 10 weist im wesentlichen einen
Trägerkörper 14,
wie beispielsweise einen Siliziumträger, auf dem verschiedene optoelektronische
Bauelemente 16, 20 montiert sind, und eine optische
Vorrichtung 30 mit mehreren optischen Komponenten auf.
-
Wie
aus den 1 und 2 ersichtlich,
ist auf dem Trägerkörper 14 direkt
oder über
ein Zwischenstück 18 eine
kohärente
Lichtquelle wie beispielsweise eine Laserdiode oder ein Single-Mode-VCSEL (Vertical
Cavity Surface Emitting Laser) als optoelektronischer Sender 16 montiert.
Die Laserdiode 16 kann beispielsweise mittels Kleben, eutektischem oder
anodischem Bonden fest mit dem Siliziumträger verbunden werden. Außerdem sind
in dem Trägerkörper 14 mehrere
Photodioden als optoelektronischer Empfänger 20 integriert.
Alternativ können
die Photodioden als diskrete Bauelemente auf dem Trägerkörper montiert
sein. Die Photodioden 20, in dem gezeigten Ausführungsbeispiel
insgesamt acht Photodioden, werden entsprechend den Standardtechnologien
der Halbleiterindustrie im Wafermaßstab hergestellt. Da der optoelektronische
Sender 16 und der optoelektronische Empfänger 20 auf
einem gemeinsamen Trägerkörper 14 montiert
sind, entfällt gegenüber dem
getrennten Einbau eine der Montagetoleranzen.
-
Wie
insbesondere in 2B dargestellt, befindet sich
auf den mittleren vier der insgesamt acht Photodioden 20 eine
Phasendifferenz-Erzeugungsvorrichtung 22. Die Vorrichtung 22 besteht
beispielsweise aus einer cholesterischen Schicht und einer Phasenverzögerungsschicht
oder aus einem Linearplarisator. Ihre Wirkungsweise wird weiter
unten in Zusammenhang mit der Funktionsweise des gesamten optoelektronischen
Bauelements näher
erläutert.
-
Weiter
sind auf dem Trägerkörper 14 zwei Bondflächen 24 vorgesehen,
auf die ein Zwischenstück 26 aus
Glas bzw. ein Umlenkprisma 28 aus Glas aufgesetzt werden.
Bei dem gezeigten Ausführungsbeispiel
dienen sowohl das Zwischenstück 28 als
auch das Umlenkprisma 26 als Abstandhalter und ihre gemeinsame
Höhe definiert
einen Abstand zwischen dem Trägerkörper (und
damit den optoelektronischen Komponenten) und der weiter unten beschriebenen
optischen Vorrichtung 30.
-
Das
Umlenkprisma 28 ist für
die verwendete Wellenlänge
der Laserdiode 16 (zum Beispiel 650 nm) hochreflektierend,
beispielsweise entsprechend beschichtet, so dass der von der Laserdiode 16 parallel
zu der Oberfläche
des Trägerkörpers 14 ausgesendete,
kohärente
Lichtstrahl a in Richtung auf die optische Vorrichtung, d.h. in 1 nach
oben, umgelenkt wird.
-
Die
Glasbarren 26, 28 können als lange Streifen gefertigt
und ggf. beschichtet werden. Nach dem Fügen auf die Bondflächen 24 des
Trägerkörpers 14 werden
die Streifen vereinzelt. Diese Vorgehensweise gestattet eine hochpräzise Montage
der Glasprismen 26, 28.
-
Auf
den Abstandhaltern 26, 28 ist die optische Vorrichtung 30 aufgebracht.
Die optische Vorrichtung weist im wesentlichen ein erstes optisches Element 32,
das direkt auf den Abstandhaltern 26, 28 angeordnet
ist, ein zweites optisches Element 40 auf dem ersten optischen
Element 32 und ein drittes optisches Element 44 auf
der dem Messobjekt 12 zugewandten Seite des zweiten optischen
Elements 40 auf.
-
Wie
in vergrößerter Darstellung
in 3 gezeigt, enthält das erste optische Element 32 eine
Kollimatorlinse 34, durch die der von der Laserdiode 16 ausgesendete
und durch das Umlenkprisma 28 umgelenkte Lichtstrahl a
parallel gerichtet wird. Weiter enthält das erste optische Element 32 eine
Fokussierlinse 36, der ein 1×2-Strahlteiler 38 nachgeschaltet
ist. Durch die Fokussierlinse 36 sollen die Interferenzstrahlen
d auf die Photodioden 20 auf dem Siliziumträger 14 fokussiert
werden, und der 1×2-Strahlteiler 38 teilt
jeden Interferenzstrahl d in zwei Teilstrahlen e auf, wie dies weiter
unten in Zusammenhang mit der Funktionsweise des optoelektronischen
Bauelements näher
beschrieben ist.
-
Das
erste optische Element 32 der optischen Vorrichtung 30 ist
aus üblichen
optischen Materialien wie Glas oder Kunststoff gefertigt. Die Kollimatorlinse 34 und
die Fokussierlinse 36 können
refraktiv und/oder diffraktiv ausgeführt sein; der 1×2-Strahlteiler 38 ist
beispielsweise ein diffraktives Element wie zum Beispiel ein binäres Strahlteilergitter.
Die Herstellung der Linsen 34, 36 in dem ersten
optischen Element 32 ist zum Beispiel mittels Ätzverfahren
oder Kunststoffpräge-
oder Kunststoffspritzguss-Technologien möglich.
-
Das
direkt auf dem ersten optischen Element 32 vorgesehene
zweite optische Element 40 der optischen Vorrichtung 30 enthält ein Umlenkelement 54 und
einen Strahlteiler 42. Das Umlenkelement 54 ist durch
eine hochreflektierende Beschichtung auf einer 45°-Kante des
zweiten optischen Elements 40 gebildet. Der Strahlteiler 42 reflektiert
etwa 50% des einfallenden Lichts und transmittiert den restlichen Anteil
in beiden Richtungen. Das zweite optische Element 40 ist
bezüglich
des ersten optischen Elements 32 derart ausgerichtet, dass
das Umlenkelement 54 über
der Kollimatorlinse 34 und der Strahlteiler 42 über der
Fokussierlinse 36 und dem Strahlteiler 38 angeordnet
ist.
-
Auf
der dem Messobjekt 12 zugewandten Seite des zweiten optischen
Elements 40 befindet sich das dritte optische Element 44 der
optischen Vorrichtung 30, wobei die optische Achse des
dritten optischen Elements 44 auf der optischen Achse der Fokussieroptik 36 des
ersten optischen Elements 32 liegt.
-
Wie
in 4 dargestellt, weist das dritte optische Element 44 im
wesentlichen eine Substratschicht 46, die dem optischen
Element 40 zugewandt ist, ein teilreflektierendes Beugungsgitter 48 und
einen Zirkularpolarisator 500 auf.
-
Das
teilreflektierende Beugungsgitter 48 weist beispielsweise
ein in x-Richtung und in y-Richtung periodisches Oberflächenprofil
auf der Substratschicht 46 auf, auf dem eine teilreflektierende
Schicht beispielsweise aus einer dünnen Metallschicht oder einer
dielektrischen Interferenzschicht vorgesehen ist, um einen Teil
des einfallenden Lichts a zu reflektieren und in mehrere Beugungsordnungen
aufzuspalten. Vorzugsweise wird der einfallende Lichtstrahl a nur
in vier reflektierte Referenzstrahlen b jeweils erster Beugungsordnung
aufgespalten; die anderen Beugungsordnungen sollen aus energetischen Gründen und
zur Unterdrückung
von störendem Streulicht
vermieden werden. Die erzeugten Beugungsordnungen haben zusätzlich zu
ihrer Hauptausbreitungskomponente in z-Richtung jeweils auch eine
Ausbreitungskomponente in ±x-Richtung und
in ±y-Richtung.
Da die Gitterwirkung des Beugungsgitters 48 für das transmittierte
Licht c aufgehoben werden soll, wird das teilreflektierend beschichtete
Oberflächenprofil
zum Beispiel mit einem Material eingeebnet, dessen optischer Brechungsindex
an den des Gittermaterials angepasst ist. Dieses Material dient
gleichzeitig als Klebemittel zum angrenzenden Zirkularpolarisator.
-
Der
Zirkularpolarisator weist beispielsweise eine Phasenverzögerungsplatte 50,
wie zum Beispiel eine λ/4-Platte,
und ei nen Linearpolarisator 52 auf, wobei die Vorzugsachsen
beider Elemente 50, 52 um 45° zueinander verdreht sind. Als
Materialien für
den Zirkularpolarisator können
zum Beispiel Phasenverzögerungs-
und Linearpolarisatorfolien auf der Basis mechanisch gestreckter
organischer Polymere oder auch cholesterische Polymerschichten oder
Polarcorschichten verwendet werden. Die Wirkungsweise dieses Zirkularpolarisators
wird ebenfalls bei der Beschreibung der Funktionsweise des optoelektronischen
Bauelements 10 genauer erklärt.
-
Zum
Schutz des dritten optischen Elements 44 vor mechanischen
Beschädigungen
kann an der dem Messobjekt 12 zugewandten Seite, d.h. auf
dem Zirkularpolarisator, eine Beschichtung (nicht dargestellt) aus
einem transparenten, mechanisch unempfindlichen Material vorgesehen
sein.
-
Es
wird nun die Funktionsweise des oben beschriebenen optoelektronischen
Bauelements 10 und die damit mögliche Messung von Translationsbewegungen
zwischen dem Bauelement 10 und dem Messobjekt 12 näher beschrieben.
-
Die
Laserdiode 16 sendet zunächst einen kohärenten Lichtstrahl
a mit einer Wellenlänge
von beispielsweise 650 nm in einer Richtung parallel zur Oberfläche des
Trägerkörpers 14 aus,
wie dies in 1 dargestellt ist. Dieser Lichtstrahl
a wird an dem auf dem Trägerkörper 14 befestigten
Umlenkprisma 28 um 90° in
eine Richtung senkrecht zu der Oberfläche des Trägerkörpers 14 und in Richtung
auf die optische Vorrichtung 30 umgelenkt. In der optischen Vorrichtung 30 wird
dieser umgelenkte Lichtstrahl a zunächst durch die Kollimatorlinse 34 des
ersten optischen Elements 32 parallel gerichtet und an
dem Umlenkelement 54 des zweiten optischen Elements 40 um
90° in eine
Richtung parallel zu der Oberfläche des
Trägerkörpers 14 umgelenkt.
Der sich nun in dem zweiten optischen Element 40 ausbreitende Lichtstrahl
a trifft dann auf den Strahltei ler 42 des zweiten optischen
Elements 40, der etwa 50% des einfallenden Lichts um 90° in Richtung
zu dem dritten optischen Element 44 und dem Messobjekt 12 (nach oben
in 1) umlenkt.
-
Als
nächstes
trifft dieser Lichtstrahl a auf das dritte optische Element 44.
An dem teilreflektierenden Beugungsgitter 48 des dritten
optischen Elements 44 wird ein Teil des auftreffenden Lichts
a reflektiert und der reflektierte Anteil aufgrund der Gitterwirkung
des Beugungsgitters 48 in vier Referenzstrahlen b jeweils
erster Beugungsordnung aufgespalten. Wie bereits erwähnt, haben
diese vier Referenzstrahlen b zusätzlich zu ihrer Hauptausbreitungskomponente
in z-Richtung jeweils auch eine Ausbreitungskomponente in ±x-Richtung
und in ±y-Richtung.
-
Der
nichtreflektierte Anteil des auf das Beugungsgitter 48 fallenden
Lichts a wird ohne Aufspaltung in die verschiedenen Beugungsordnungen transmittiert
und trifft nach Durchlaufen des Zirkularpolarisators 50, 52 als
Messstrahl c auf die Oberfläche
des Messobjekts 12. Der Messstrahl c wird an der Oberfläche des
Messobjekts 12 gestreut und zurück reflektiert. Ein Teil des
zurück
gestreuten Messstrahls c durchläuft
wieder den Zirkularpolarisator 52, 50, wodurch
ein zirkularer Polarisationszustand des gestreuten Messstrahls c
erzielt wird.
-
Der
zurück
gestreute und durch das dritte optische Element 44 mit
Zirkularpolarisator 50, 52 und Beugungsgitter 48 transmittierte
Messstrahl c wird mit den am Beugungsgitter 48 in verschiedene
Beugungsordnungen reflektierten Referenzstrahlen b überlagert.
Die so entstehenden vier Interferenzstrahlen d treffen anschließend auf
den Strahlteiler 42 des zweiten optischen Elements 40,
wo etwa 50% des auftreffenden Lichts transmittiert wird.
-
Als
nächstes
treffen die Interferenzstrahlen d auf die Fokussierlinse 36 des
ersten optischen Elements 32, mit deren Hilfe die Interferenzstrahlen
d auf die Photodioden 20 auf dem Siliziumträger 14 fokussiert
werden. Durch den unmittelbar hinter der Fokussierlinse 36 vorgesehenen
1×2-Strahlteiler 38 werden
die fokussierten Interferenzstrahlen d jeweils in zwei Teilstrahlen
e aufgespalten. Im vorliegenden Fall wird also jeder der vier Interferenzstrahlen
d in zwei Teilstrahlen aufgespalten, so dass insgesamt acht Teilstrahlen
e entstehen, welche auf jeweils eine der Photodioden 20 fokussiert
sind, von denen ebenfalls insgesamt acht vorgesehen sind, wie dies
in 2B dargestellt ist.
-
Vom
Meßobjekt
aus gesehen vor den mittleren vier der acht Photodioden 20 ist,
wie bereits erwähnt,
eine Phasendifferenz-Erzeugungsvorrichtung 22 vorgesehen,
um neben dem Betrag der Bewegungsgeschwindigkeit auch das Vorzeichen
der Bewegungsrichtung ermitteln zu können. Der Polarisationszustand
des linear polarisierten Referenzlichts b wird durch die Phasenverzögerungsschicht
der Phasendifferenz-Erzeugungsvorrichtung 22 nicht beeinflusst,
während
das zirkular polarisierte Streulicht c in linear polarisiertes Licht
umgewandelt wird, dessen Polarisationsvektor um ±45° gegenüber dem Polarisationsvektor
des Referenzlichts b verdreht ist. Die cholesterische Schicht der
Phasendifferenz-Erzeugungsvorrichtung 22 wirkt als Zirkularpolarisator,
die aus linear polarisierten Referenzlicht b und linear polarisierten
Streulicht c zirkular polarisiertes Licht macht. Durch diese Vorrichtung 22 wird
somit jeweils einer der beiden Teilstrahlen e, die für jeden
der vier Interferenzstrahlen existieren, eine Phasenverschiebung
von +45° oder –45° erfahren.
Alternativ können auch
alle Photodioden 22 mit der Phasendifferenz-Erzeugungsvorrichtung 22 versehen
werden, so dass Phasenverschiebungen von +90° bzw. –90° erzeugt werden, die leichter
von der Auswerteschaltung 56 erfasst werden können.
-
Ebenso
können
als Phasendifferenz-Erzeugungsvorrichtung Linearpolarisatoren eingesetzt werden.
Hierbei ist die Polarisationsrichtung des Linearpolarisators unter
45° zur
Polarisationsrichtung des Referenzstrahls.
-
Somit
kann die Relativbewegung des Messobjekts 12 zu dem optoelektronischen
Bauelement 10 sowohl bezüglich ihrer Geschwindigkeit
(aus der Frequenz der Amplitudenänderung)
als auch ihrer Bewegungsrichtung (aus dem Vorzeichen der Phasendifferenz)
in x- und in y-Richtung erfasst werden.
-
Die
von den Photodioden 20 erzeugten elektrischen Messsignale
werden, gegebenenfalls nach einer Verstärkung durch geeignete elektronische
Verstärker,
einer Auswerteschaltung 56, beispielsweise in Form eines
ASIC's, zugeführt.
-
Das
oben beschriebene optoelektronische Bauelement 10 ist somit
vorteilhafterweise als Sensor zur Erfassung von ein- und mehrdimensionalen Translationsbewegungen
zwischen einem Messobjekt 12 und dem Bauelement 10 einsetzbar.
Dabei zeichnet sich das optoelektronische Bauelement 10 gemäß der Erfindung
durch seine kompakte Bauweise aus, die aufgrund der integrierten
Bauweise von optischen und optoelektronischen Komponenten zudem
eine hohe Messgenauigkeit und Zuverlässigkeit gewährleistet,
da bei der Herstellung einige Montagetoleranzen von herkömmlichen
Sensoren vermieden werden.
-
Insbesondere
werden durch die Verwendung eines gemeinsamen Trägerkörpers 14 für die optoelektronischen
Komponenten Sender 16 und Empfänger 20 sowie die
durch einen Abstandhalter 26, 28 definierte präzise Positionierung
der optischen Vorrichtung 30 relativ zu dem Trägerkörper 14 und
damit den optoelektronischen Komponenten 16, 20 Montagetoleranzen
vermieden, die bei herkömmlichen Sensoren üblich sind.
-
Während die
vorliegende Erfindung oben anhand eines bevorzugten Ausführungsbeispiels
im Detail erläutert
worden ist, sind selbstverständlich Abwandlungen
oder Modifikationen des optoelektronischen Bauelements denkbar,
ohne die zugrundeliegende erfindungsgemäße technische Lehre zu verlassen.
-
Beispielsweise
kann auf das Zwischenstück 26 als
Abstandhalter verzichtet werden, wie dies in dem Ausführungsbeispiel
von 5 der Fall ist. In diesem Fall dient ausschließlich das
Umlenkprisma 28 als Abstandhalter und definiert mit seiner
Höhe den
Abstand zwischen den optoelektronischen Komponenten 16, 20 auf
dem gemeinsamen Trägerkörper 14 und
der optischen Vorrichtung 30. Um einen stabilen Aufbau
des optoelektronischen Bauelements 10 zu gewährleisten,
wird das Umlenkprisma 28 dabei vorzugsweise zwischen den
optoelektronischen Sender 16 und Empfänger 20 positioniert.
-
In
einer weiteren Variante der Erfindung, die in 6 veranschaulicht
ist, wird dagegen auf das Umlenkprisma 28 verzichtet. Als
Abstandhalter dient in diesem Fall ausschließlich das Zwischenstück 26 aus
Glas. Der optoelektronische Sender 16 ist hierbei derart
auf dem Trägerkörper 14 angeordnet,
dass er das kohärente
Licht a direkt in Richtung auf die Kollimatorlinse 34 der
optischen Vorrichtung 30 aussendet, so dass eine Strahlumlenkung
wie bei den Ausführungsformen
der 1 und 5 nicht erforderlich ist.
-
In
dem in 7 dargestellten vierten Ausführungsbeispiel der Erfindung
wurde wie in dem in 5 gezeigten zweiten Ausführungsbeispiel
auf das Zwischenstück 28 als
Abstandhalter verzichtet. Im Gegensatz zu den vorbeschriebenen Ausführungsformen
ist hier jedoch das dritte optische Element 44 der optischen
Vorrichtung 30 nicht auf der dem Trägerkörper 14 abgewandten
Seite der optischen Vorrichtung 30 vorgesehen, sondern
an der Stirnseite des zweiten optischen Elements 40 angebracht.
Der Messstrahl c, der das dritte optische Element 44 durchläuft, wird
somit in einer Richtung parallel zu der Oberfläche des Trägerkörpers 14 abgestrahlt.
-
In
dem in 9 dargestellten Ausführungsbeispiel der Erfindung
wurde wie in dem in 5 gezeigten zweiten Ausführungsbeispiel
auf das Zwischenstück 28 als
Abstandhalter verzichtet. Im Gegensatz zur Ausführungsform von 7 ist
hier das Beugungsgitter 48 auf der dem Trägerkörper 14 abgewandten
Seite der optischen Vorrichtung 30 vorgesehen und wirkt
hier das Beugungsgitter 48 nur in Reflexion. Der Polarisator 500 befindet
sich an der Stirnseite des zweiten optischen Elements 40.
Der Messstrahl c, der das dritte optische Element 44 durchläuft, wird
in einer Richtung parallel zu der Oberfläche des Trägerkörpers 14 abgestrahlt.
Das Beugungsgitter kann in diesem Fall vorteilhafterweise eine wesentlich
höhere
Leistung zurückgeben
und gleichzeitig die ansonsten verworfenen anderen 50% Leistung
des Strahlteilers 42 mitnutzen. Der Strahl zur bewegten
Fläche
hin läuft
in diesem Fall nur durch den Zirkularpolarisator. Dieses System
ist vorteilhafterweise sehr effizient und sparsam mit der zur Verfügung stehenden
Laserleistung.
-
Ferner
ist es auch möglich,
die Auswerteschaltung 56 zur Auswertung der elektrischen
Messsignale der Photodioden 22 ebenfalls auf dem Trägerkörper 14 vorzusehen
(vgl. 8). Eine derartige Auswerteschaltung 56 enthält verschiedene
analoge und digitale Baugruppen, um aus den der Bewegung des Messobjekts 12 proportionalen
elektrischen Strom-Zeit-Messsignalen digitale Ausgangssignale zu
erzeugen, anhand derer die Geschwindigkeit und die Bewegungsrichtung
der Translationsbewegungen des Messobjekts 12 relativ zu
dem optoelektronischen Bauelement 12 bestimmt werden können.
-
Bei
einer kostengünstigen
Variante des Bauelements wird vorteilhafterweise ein Diodenlaser
mit einer Wellenlänge
von etwa 780 nm verwendet. Bei Verwendung eines Vertical Cavity
Surface Emitting Lasers (VCSEL) wird vorzugsweise eine Wellenlänge von
850 nm verwendet.
-
Außerdem kann
der Trägerkörper 14 kostengünstig und
technisch einfach auf eine Leiterplatte (zum Beispiel ein Printed
Circuit Board (PCB)) oder auf einen Leiterrahmen (Leadframe) montiert
werden.
-
Ferner
können
in den Trägerkörper 14 selbst bereits
Schaltkreise und die Photodioden 20 integriert sein, beispielsweise
in BiCMOS-Technologie.