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Erfindungsgebiet:
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Die
vorliegende Erfindung betrifft Verfahren zur Herstellung polarisationsempfindlicher
bzw. polarisierender Filter sowie die Anwendung auf polarisationsempfindliche
Photosensoren zur Messung der Polarisation des einfallenden Lichts,
Ausgestaltungen von polarisationsempfindlichen Sensoren zur Messung
von Drehwinkeln und starken elektrischen oder magnetischen Feldern
sowie weiterhin polarisationserzeugende Wiedergabegeräte und Ausgestaltungen
von polarisationserzeugenden Wiedergabegeräten zur Reproduktion polarisierter
Signale oder Wiedergabe unabhängiger
Signale.
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Hintergrund:
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Eine
wichtige Eigenschaft von Licht, die dem menschlichen Auge normalerweise
nicht zugänglich ist,
ist die Polarisation. Während
manche Insekten sich schon lange mit Hilfe des polarisierten Streulichts
am Himmel orientieren, nutzen Menschen erst spät die Polarisation aus. Sonnenbrillen
unterdrücken
gezielt das Streulicht des Himmels. Photographen setzen drehbare
Polfilter vor das Objektiv, um Spiegelungen an Glasscheiben oder
anderen Oberflächen
zu unterdrücken.
In der Qualitätskontrolle
ist die Schlierenphotographie ein wichtiges Instrument, sie kann
etwa Verspannungen in einer Glasflasche sichtbar machen. Weithin
bekannt ist auch, dass das durch zwei lineare Polfilter hindurchtretende
Licht vom relativen Drehwinkel der beiden Polfilter abhängt – seine
Intensität ändert sich
nach dem Malus-Gesetz mit dem cos2 des Winkels.
Dieses Gesetz kann zur Winkelmessung und in Anzeigegeräten ausgenutzt
werden.
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Das
derzeit wohl bedeutendste Einsatzgebiet von Polarisatoren ist die
Displaytechnik. Flüssigkristallanzeigen
(LCD) verwenden großflächige Polfilterfolien
mit konstanter Polarisationsrichtung, um durch optische Drehung
oder Umorientierung in einem Flüssigkristall
zwischen zwei derartigen Polfilterfolien einen Wechsel zwischen
Hell und Dunkel zu erzeugen. Die großtechnische Herstellung von
Polarisationsfolien stellt heute kein Problem mehr dar. Das Funktionsprinzip
einer solchen Polfilterfolie besteht darin, etwa langkettige Moleküle, die
als mikroskopische Antennen dienen, durch mechanische Behandlung
während
der Herstellung (Walzen, Strecken, Reiben, äußere elektrische oder magnetische Felder)
parallel auszurichten. Fällt
Licht dergestalt ein, dass die Schwingungsebene des elektrischen Feldes
parallel zu den als Mikroantenne wirkenden Molekülen verläuft, regt es einen Strom an.
Das Licht wird dadurch je nach Beschaffenheit der Mikroantennen
absorbiert oder reflektiert. In Querrichtung hingegen findet keine
nennenswerte Wechselwirkung statt, das Licht tritt hindurch. Voraussetzung
für eine
Polarisationsabhängigkeit
ist, dass die Abstände
der Mikroantennen hinreichend klein gegenüber der Lichtwellenlänge sind.
Beschreibungen für
derartige Herstellungsverfahren finden sich z. B. in
DE 696 01 621 T2 , in der
auch Güte
und Lebensdauer derartiger Folien beschrieben wird,
DE 690 29 683 T2 , sowie
DE 689 27 986 T2 ,
die auch mustermäßige Herstellung von
Polfiltern beschreibt, jedoch ohne örtlich verschiedene Orientierung.
In
DE 41 14 229 A1 wird
die großtechnische
Herstellung von polarisierenden Gießfolien mit großer Herstellungsgeschwindigkeit beschrieben.
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DE 40 26 892 A1 beschreibt
weitere Klassen von Gießfolien.
DBP 1 015 236 beschreibt
ein Herstellungsverfahren, bei dem die polarisierende Wirkung auf
Wellenlängen
im ferneren Infrarot ausdehnen lässt.
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DE 199 33 843 B4 geht
auf die Herstellung eines LCD-Displays
unter Verwendung unstrukturierter Polfilterfolien ein, zudem wird
dort die lithographische Strukturierung von Elektrodenmaterial beschrieben.
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Die
Herstellung eines Polarisators im Kleinen, besonders die Erzeugung
von polarisierten Bereichen mit gezielter unterschiedlicher Ausrichtung ist
schwierig. Eine Polfilterfolie zu zerschneiden und wie ein Puzzle
zusammenzusetzen ist nicht wirtschaftlich und hinsichtlich der Justagetoleranzen nicht
präzise
genug. Der noch junge Zweig der Nanotechnologie befasst sich u.
a. mit der Herstellung von optischen Gittern und Nanoröhrchen,
häufig
aus Kohlenstoff, jedoch ist die Beherrschung des Fertigungsprozesses
nicht einfach. Auch die gezielte Ausrichtung der so erzeugten Strukturen
verursacht Probleme. Nach derzeitigem Stand der Technik ist es nicht
wirtschaftlich möglich,
ein Mikroarray von Polarisatoren mit gezielt unterschiedlichen Orientierungen
herzustellen.
DE 100
26 080 A1 beschreibt ein Verfahren, bei dem eine zunächst großflächig homogen
polarisierte Folie durch selektive Nachbehandlung stellenweise ihre
polarisierende Wirkung verliert, sowie eine Methode, ein örtlich in
unterschiedlicher Richtung polarisierendes Filter aus mehreren derartigen
Folien zusammenzusetzen. Neben der Dämpfung nimmt auch das Gewicht
des Filters mit jeder zusätzlichen
Lage zu, zudem ist es schwierig, die so präparierten Folien exakt auf
einem Träger
zu justieren und zu fixieren. Gezielte Polymerisation einer Ausgangssubstanz
durch Bestrahlung mit polarisiertem Licht wurde ebenfalls beschrieben,
bleibt jedoch qualitativ hinter den durch mechanische Behandlung hergestellten
Folien zurück.
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Für die Messung
von Drehwinkeln gibt es eine Vielzahl von Anwendungen mit einer
ebensolchen Vielzahl von Messverfahren. Eine sehr häufige Problemstellung
ist die Winkelmessung an rotierenden Teilen, etwa zur Positionsbestimmung
eines Signalgebers (Steuerknüppel,
Pedal etc.) oder eines Servos.
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Ein
Servo 300 bekommt eine Sollgröße 304, etwa eine
Winkelvorgabe, und muss diese selbsttätig in eine mechanische Position
umsetzen (3). Dazu besitzt
es einen Sensor 303 und einen Regelkreis 302,
der den Servomotor 301 geeignet ansteuert. Klassische Servos
verwenden zur Messung ein Potentiometer. Dieses wird mechanisch
mit einer Achse des Motors oder Getriebes verbunden und erlaubt
die Messung z. B. eines Drehwinkels. Ein konventionelles Potentiometer
besteht aus einem leitfähigen
Kreisscheibensegment aus Graphit oder Leitplastik mit Anschlüssen an
beiden Enden. Ein mechanischer Schleifer hat Punktkontakt mit dem
leitenden Kreisscheibensegment und greift die Spannung von diesem
Kontaktpunkt ab. Je nach Drehwinkel entsteht so ein Spannungsteiler
mit Teilungsverhältnis
zwischen ideal 0% und 100, der eine Vergleichsgröße zur Positionierungsinformation
0%–100%
darstellt. Ein offensichtliches Problem stellt der mechanische Verschleiß dar, da
der Schleifer die Oberfläche berühren muss.
Zudem ist eine spielfreie Montage des Schleifers auf einer Welle
erforderlich. Das Servo muss eine Reibungskraft überwinden, um den Schleifer
zu bewegen, was bei Kleinstservos ebenfalls problematisch sein kann.
Für Anwendungen,
die eine freie Rotation erfordern, sind Potentiometer ebenfalls
nicht geeignet.
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Eine
ebenfalls häufig
anzutreffende Lösung zur
Winkelmessung liegt in der Verwendung einer Gabellichtschranke 400 in
Kombination mit einer Schlitzblende 404 oder Kodierscheibe
(4a). Neben dem Umstand,
dass hier normalerweise nur relative Positionsänderungen gemessen werden (absolut kodierte
Kodierscheiben sind aufwendig und erfordern auch relativ viel Aufwand
zur Erfassung der Signale), ist die Erzeugung eines digitalen Signals
für Regelungszwecke
nicht unbedingt hilfreich. Die Positionierungsgenauigkeit des Servos
wird durch die Anzahl Schlitze pro Umdrehung auf der Blende bestimmt.
Eine beliebige Erhöhung
stößt auf Grenzen, da
die Justage immer genauer werden muss und die Schmutz- und Beschädigungsempfindlichkeit
stark zunehmen. Um diese Grenzen zu überwinden, kann entweder ein
mechanisches Getriebe vorgesehen werden, oder der Umfang der Schlitzblende
muss erhöht
werden. Beides steht einer Miniaturisierung und Kostenreduktion
im Weg. Ferner gibt es auch induktive und kapazitive Positionssensoren 411,
die etwa durch Zählen
von Spannungsspitzen im Vorbeiflug eines Zahnrad-Zahnes 410 arbeiten
(4b) und somit prinzipiell
die gleichen Probleme aufweisen. Analoge Winkelmessung in begrenztem
Winkelbereich (z. T. nur einige 10°) kann auch durch Entfernungsmessung
von zwei verschiedenen Referenzpositionen 502, 503 zu
einem Signalgeber 501 geschehen. So kann das Verhältnis zweier
induktiv oder kapazitiv gewonnener Messgrößen zur Position eines Zeigers 500 ein
Signal liefern, das dem eines Potentiometers ähnelt – jedoch ohne mechanischen
Verschleiß und Reibung
(5). Die Begrenzung
auf enge Winkel sowie die räumliche
Ausdehnung der Messanordnung stehen der Miniaturisierung wieder
entgegen.
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In
allen oben beschriebenen Fällen
kommen weitere Schwierigkeiten hinzu. Die Genauigkeit der Messung
bzw. die Funktion des Sensors hängt
von mechanischen Toleranzen ab. Weiterhin ist keines der Messprinzipien
für extrem
hohe Drehgeschwindigkeiten geeignet.
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Für die Wiedergabe
stereoskopischer Bilder, einem der Anwendungsgebiete der vorliegenden
Erfindung, gibt es verschiedene konkurrierende Verfahren. In
DE 199 24 096 C2 werden
drei Grundfarblaser (R/G/B) und ein holographischer Schirm zusammen mit
orthogonalen Polarisatoren verwendet, um eine positionsunabhängige Betrachtung
eines projizierten Stereobildes zu ermöglichen. Der Wechsel zwischen verschiedenen
Polarisationsebenen erfolgt mit optischen Modulatoren und Phasenplättchen im
Lichtweg. Eine Miniaturisierung kann hier nur begrenzt erfolgen.
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In
DE 195 10 671 A1 wird
ein LCD-Bildschirm beschrieben, der mit jedem Pixel unterschiedliche
Anteile orthogonaler Polarisationsrichtungen erzeugen kann. Hierbei
wird eine Art Doppel-LCD-Struktur verwendet, wobei die erste Struktur für Intensität und Farbe,
die zweite Struktur für
die Umorientierung des polarisierten Lichts bzw. die anteilige Zerlegung
in orthogonale Komponenten zuständig ist.
Mechanische Probleme, Justageprobleme und Gewicht dürften bei
dieser Lösung
noch immer erheblich sein, wenngleich diese Erfindung eine deutliche
Verbesserung gegenüber
den dort beschriebenen Alternativen bietet und insbesondere weder
eine Auflösungsreduktion
noch eine Reduktion der Bildrate aufweist. Dieser Effekt wird jedoch nicht
durch ortsselektive Polfilter, sondern durch ortsselektive Ansteuerung
von Flüssigkristallen
erreicht. Die Ansteuerung dieses Displays erfordert einen speziellen
Berechnungsschritt, bei dem zwei Einzelbilder geeignet überlagert
werden. Vollständig
unabhängige
Bildinhalte für
das linke und rechte Auge bzw. für
verschiedene Betrachter können
vermutlich nicht ohne Artefakte dargestellt werden, da keine unabhängigen Pixel
zur Verfügung
stehen. Es ist vorstellbar, einzelne Pixel ortsfest fest anzusteuern,
so dass eine Matrix mit unterschiedlich polarisierten LCD-Pixeln
entsteht. In diesem Fall käme
der Bildschirm einer Ausgestaltung dieser Erfindung nahe. Allerdings
reduziert sich dann die effektive Auflösung des Schirmes, zudem ist
unklar, mit welcher Präzision
die zweite LCD-Schicht das Licht drehen kann, also wie vollständig die
Trennung der Teilbilder erfolgen kann.
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Offenbarung der Erfindung:
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Der
vorliegenden Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, geeignete
Verfahren zur Herstellung von eng umgrenzten und vorbestimmt ausgerichteten
Polarisationsfiltern zur Verfügung
zu stellen sowie darauf aufbauend Anwendungsbeispiele zu beschreiben,
deren Nutzung bislang eher problematisch ist.
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Die
zuvor hergeleitete und aufgezeigte Aufgabe wird gemäß einer
ersten Lehre der vorliegenden Erfindung durch ein Verfahren zur
Herstellung eines polarisationsempfindlichen Filters mit gezielter Ausdehnung
und Orientierung gelöst,
bei dem mit lithographischen Methoden Gitterstrukturen in mindestens
einer Fertigungsebene und/oder Verdrahtungsebene erzeugt werden,
deren geometrische Struktur und Orientierung zuvor durch den Entwurf von
Maskendaten festgelegt wurde, wobei vorzugsweise nur die beim Entwurf
integrierter Schaltungen üblichen
Strukturgrößen und
Fertigungsschritte zum Einsatz kommen.
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Wesentliche
Voraussetzung ist, dass die kleinsten Strukturen, die erzeugt werden
können, kleiner
als die Wellenlänge
des zu polarisierenden Lichts sind. Dies ist für infrarotes Licht beispielsweise bei
130 nm-Technologien
der Fall. Bei der lithographischen Herstellung werden per CAD gezeichnete Strukturen
auf eine Belichtungsmaske übertragen. Nach
Beschichtung eines Wafers mit einem lichtempfindlichen Lack bzw.
Photolack wird die Photomaske dazu verwendet, bestimmte Bereiche
des Lacks vor dem Licht einer nachfolgenden Belichtung zu schützen. Anschließend werden
selektiv die belichteten bzw. unbelichteten Bereiche des Lacks weggeätzt. Auf
diese Weise werden gezielte Bereiche des Wafers für andere
Herstellungsschritte zugänglich.
Soll etwa ein Polarisationsfilter in einer Metallisierungsebene
hergestellt werden, wird üblicherweise
vor dem Aufbringen des Photolacks ganzflächig Metall auf den Wafer aufgedampft.
Nach der Belackung und Freiätzung
der durch die Belichtungsmaske definierten Bereiche wird in den
nicht mehr durch Lack geschützten
Bereichen das Metall weggeätzt.
Wird anschließend
der restliche Lack entfernt, bleibt die gemäß CAD-Daten strukturierte Metallisierung übrig. Heutige
Technologien verfügen über mehrere
Verdrahtungsebenen. Mit Strukturen in der Größenordnung von 100 nm kann
jedoch in einer Ebene nur ein geringes Kontrastverhältnis hergestellt
werden.
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Die
zuvor hergeleitete und aufgezeigte Aufgabe wird gemäß einer
zweiten Lehre der vorliegenden Erfindung durch ein Verfahren zur
Herstellung eines polarisationsempfindlichen Filters mit gezielter Ausdehnung
und Orientierung gelöst,
bei dem auf einen mit Lack beschichteten Träger eine polarisierte Substanz
vorgegebener Polarisationsrichtung in einem bestimmten Winkel relativ
zu dem Träger
unter Einwirkung mindestens einer physikalischen und/oder chemischen
Einflussgröße wie Druck,
Temperatur oder dergleichen aufgebracht wird, wobei bestimmte Bereiche
des Trägers,
beispielsweise durch Belichtung und Ätzung, vom Lack befreit sind,
und wobei nach Härtung
und/oder Abkühlung
der polarisierten Substanz auf dem Träger das überschüssige polarisierte Material
und/oder Lack der noch abgedeckten Bereiche durch Ätzung und/oder
Politur entfernt wird.
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Die
polarisierte Substanz vorgegebener Polarisationsrichtung kann dabei
zuvor mit Verfahren hergestellt werden, wie sie zur Herstellung
großflächiger Polarisationsfolien,
beispielsweise für LCD-Displays, üblich sind.
Beispielsweise bildet ein Material mit langkettigen Molekülen oder
Nanoröhrchen
durch mechanische Behandlung wie Dehnen und Walzen Polarisationseigenschaften
aus, da sich die langkettigen Moleküle oder Nanoröhrchen parallel
ausrichten. Das Material zur Anwendung nach dem hier beschriebenen Verfahren
sollte vorzugsweise in eine zähflüssige Konsistenz
haben oder in diese gebracht werden können, beispielsweise durch
Zugabe von Lösungsmitteln
oder unter Einwirkung einer äußeren Kraft
wie Druck und/oder Wärme.
Vorteilhaft kann die polarisierte Substanz von einer festen Transferfolie
oder einer Walze auf den Träger übertragen
werden. Die Festlegung der zu beschichtenden Bereiche erfolgt dabei
in ähnlicher
Weise wie bei der lithographischen Erzeugung von Strukturen auf einer
monolithisch integrierten Schaltung, beispielsweise bietet die mit
vorteilhafterweise aus der Lithographie bekanntem Photolack und
einem gängigen Belichtungs-
und Ätzvorgang
präparierte
Vorlage an dedizierten Stellen Öffnungen,
in die das Filtermaterial hineingepresst wird und anhaftet. Die
Orientierung des Filtermaterials wird bei diesem Vorgang nicht verändert. Durch
spezielle Behandlung sollte das so übertragene Filtermaterial gehärtet, also
dauerhaft gemacht werden. Da das Material auch auf mit Photolack
abgedeckten Bereichen liegt, kann anschließend eine chemische oder mechanische
Reinigung erfolgen, bei der die beschichtete Oberfläche soweit
abgetragen und planarisiert wird, bis eine ebene Anordnung von mit
Photolack geschützten
und mit Filtermaterial beschichteten Bereichen entsteht. Je nach
weiterer Bearbeitung kann der verbleibende Photolack nun komplett
oder teilweise entfernt werden, um die darunter liegenden Bereiche
freizulegen.
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Die
zuvor hergeleitete und aufgezeigte Aufgabe wird gemäß einer
dritten Lehre der vorliegenden Erfindung durch eine Vorrichtung
zur Messung zur Messung der Polarisation von Licht mit den Merkmalen
von Anspruch 4 gelöst,
bei der mindestens ein sensorisches Element mit einem Polarisationsfilter zu
einem polarisationsempfindlichen Sensor als bauliche Einheit zusammenwirkend
angeordnet ist, dessen Polarisationsebene in einem vorbestimmten Winkel
relativ zu einer festgelegten Bezugsachse des sensorischen Elementes
ausgerichtet ist, wobei die Bezugsachse anhand einer Markierung
am Gehäuse
der Vorrichtung kenntlich gemacht ist. Dies kann im einfachsten
Fall durch Aufkleben einer Polarisationsfolie auf ein sensorisches
Element, beispielsweise eine Photodiode, geschehen, oder durch Anwendung
von Verfahren nach Anspruch 1 oder 2 oder weiterer Alternativen.
Die bauliche Einheit eines polarisationsempfindlichen Sensors mit
bekannter exakter Ausrichtung der Polarisationsebene bildet die
Grundlage für
die Ausnutzung der Polarisation in einer Vielzahl von Anwendungen,
wie sie teilweise in den Unteransprüchen dieser Erfindung beschrieben werden.
Die nötige
Kenntnis der Orientierungsrichtung des Filters sowie die exakte
Ausrichtung von Sensor und Filter zueinander bewirken, dass die
bauliche Einheit die Anwendbarkeit erheblich erleichtert, sie erfordert
aufgrund der Kenntlichmachung am Sensorgehäuse keine optischen Spezialwerkzeuge.
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Die
zuvor hergeleitete und aufgezeigte Aufgabe wird ferner gemäß einer
vierten Lehre der vorliegenden Erfindung durch eine Vorrichtung
zur Messung der Polarisation von Licht mit den Merkmalen von Anspruch
5 gelöst,
mit mindestens einem sensorischen Element, wobei über dem
sensorischen Element mit litographischen Methoden erzeugte Gitterstrukturen
in mindestens einer Fertigungsebene und/oder Verdrahtungsebene vorgesehen
sind, deren geometrische Struktur und Orientierung zuvor durch den
Entwurf von Maskendaten festgelegt wurde, derart, dass ein polarisationsempfindlicher
Sensor als bauliche Einheit gebildet wird, wobei vorzugsweise nur die
beim Entwurf integrierter Schaltungen üblichen Strukturgrößen verwendet
werden und die üblichen
Fertigungsschritte zur Herstellung integrierter Schaltungen zum
Einsatz gekommen sind. Die Anwendung von Herstellungsschritten,
die zur Herstellung integrierter Schaltungen üblich sind, sowie die Beschränkung auf
diese, führen
zu der Möglichkeit,
Integrierte Schaltungen mit polarisationsempfindlichen optischen
Sensoren ohne zusätzlichen Aufwand
herzustellen. Die Erzeugung und Ausrichtung der Filter gegenüber dem
Sensor erfolgt dabei mit gleich hoher Präzision wie beim Rest der Integrierten
Schaltung. Die Struktur des Polarisationsfilters wird dabei anhand
von Maskendaten beschrieben, die auch die übrige Fertigung steuern. Voraussetzung
ist im wesentlichen, dass die kleinsten Strukturen, die gefertigt
werden können,
kleiner als die zu polarisierende Wellenlänge sind. Die Gitterperiode eines
Filters mit parallelen Streifen sollte deutlich kleiner als die
Hälfte
der Wellenlänge
sein. Die Filter in Form von Gitterstrukturen mit gezielter Ausdehnung
und Orientierung können
mit litographischen Methoden in mindestens einer Fertigungsebene und/oder
Verdrahtungsebene erzeugt werden, deren geometrische Struktur und
Orientierung zuvor durch den Entwurf von Maskendaten festgelegt
wurde, wobei vorteilhaft nur die beim Entwurf integrierter Schaltungen
erlaubten Strukturgrößen verwendet
werden (sog. Design-Regeln). Bei heute gängigen Strukturgrößen von
130 nm oder weniger ist eine signifikante polarisierende Wirkung
im Bereich des infraroten Lichts erreichbar. Kann in einer 130 nm-Technologie mit einem
einlagigen Filter ein Kontrastverhältnis von etwa 1:3 erreicht
werden, etwa für
1.5 μm Wellenlänge, so
potenziert sich der Kontrast bei Hintereinanderschaltung mehrerer
Filterlagen gemäß der Verkettung
der Übertragungsfunktionen.
Bei Ausnutzung aller feinen Poly- und Metallisierungsebenen können so
in Standardtechnologien hohe Kontrastverhältnisse erzielt werden, ohne
dass ein einziger zusätzlicher Prozessschritt
erforderlich ist. Neben der Einsparung der separaten Herstellung
einer Filterfolie kann mit dieser Methode die Anzahl Sensoren pro
Fläche
erheblich gesteigert werden, so dass sich mehr Information auf gleichem
oder kleinerem Raum gewinnen lässt.
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Die
zuvor hergeleitete und aufgezeigte Aufgabe wird ferner gemäß einer
fünften
Lehre der vorliegenden Erfindung durch eine Vorrichtung mit den Merkmalen
nach Anspruch 16 gelöst,
wobei zur Erzeugung von polarisiertem Licht mindestens einem Lichtemitter
mit einem Polarisationsfilter zu einem polarisierenden Lichtemitter
als bauliche Einheit zusammenwirkend angeordnet ist, dessen Polarisationsebene
in einem vorbestimmten Winkel relativ zu einer festgelegten Bezugsachse
des Lichtemitters ausgerichtet ist, wobei die Bezugsachse anhand
einer Markierung am Gehäuse
der Vorrichtung kenntlich gemacht ist. Für eine derartige bauliche Einheit ergeben
sich ähnliche
Vorteile in der Anwendung wie bei der Vorrichtung nach Anspruch
4, etwa dass die Erzeugung von exakt ausgerichtetem polarisiertem Licht
keine speziellen optischen Instrumente erfordert.
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Die
zuvor hergeleitete und aufgezeigte Aufgabe wird ferner gemäß einer
sechsten Lehre der vorliegenden Erfindung durch eine Vorrichtung
mit den Merkmalen nach Anspruch 17 gelöst, wobei zur Erzeugung von
polarisierten Lichtsignalen, insbesondere Bildsignalen, mindestens
mehrere Lichtemitter vorgesehen sind, die periodisch mit einem polarisierenden
Filter unterschiedlicher vorherbestimmter Orientierung ausgestattet
sind, wobei die polarisierenden Filter unterschiedlicher Orientierung
vorzugsweise in einer Ebene liegen. Zur Realisierung bieten sich die
erfindungsgemäßen Herstellungsverfahren
nach einem der Ansprüche
1 bis 3 an. Vorteilhaft ist eine periodische Anordnung aus Gruppen
von polarisierenden Lichtemittern, deren Polarisationsebenen dem
eines komplementären
polarisationsempfindlichen Bildsensors entsprechen. In diesem Fall
kann ein Bild mit Polarisationsinformation wiedergegeben werden.
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Die
zuvor hergeleitete und aufgezeigte Aufgabe wird ferner gemäß einer
siebten Lehre der vorliegenden Erfindung durch eine Vorrichtung
mit den Merkmalen nach Anspruch 19 gelöst, wobei eine Projektionsvorrichtung
zur vorzugsweisen Wiedergabe von stereoskopischen Bildern, dadurch
gekennzeichnet ist, dass ein Projektor zwei Halbbilder auf eine Projektionsfläche strahlt,
die mit einem Polarisationsfilter mit räumlich unterschiedlicher Polarisationsrichtung
ausgestattet ist, wobei vorzugsweise abwechselnd zwei zueinander
orthogonale Polarisationsebenen verwendet werden.
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Vorteilhafte
Ausgestaltungen der zuvor beschriebenen erfindungsgemäßen Gegenstände werden
im Folgenden näher
erläutert.
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Gemäß einer
vorteilhaften Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens zur Herstellung eines
Polarisationsfilters nach Anspruch 2 wird das Verfahren sukzessive
mit unterschiedlicher Ausrichtung der polarisierten Substanz gegenüber dem
Träger
auf unterschiedliche Bereiche des Trägers angewendet, wobei die
zuvor hergestellten polarisierenden Bereiche vorzugsweise mit einer
dünnen
Lackschicht geschützt
werden, die am Ende der Herstellung entfernt werden kann. Hierdurch
entstehen exakt abgegrenzte Bereiche bekannter und unterschiedlicher
Orientierung, die in derselben Ebene liegen und damit die geringstmögliche Distanz
zu einem Lichtssensor oder Lichtemitter aufweisen können. Gegenüber alternativen
Verfahren, bei denen zur Erzielung desselben Effekts mehrere Filterlagen
mit deaktivierten Bereichen eingesetzt werden, ergeben sich hierdurch
Gewichts- und Kostenvorteile.
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Gemäß einer
vorteilhaften Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Messung
der Polarisation von Licht nach Anspruch 6 werden mindestens zwei
polarisationsempfindlichen Sensoren, von denen zumindest einer nach
einem der vorangehenden Ansprüche
ausgebildet ist, mit unterschiedlicher Ausrichtung der Polarisationsebenen
vorgesehen, wobei Einrichtungen vorgesehen sind, um aus den Signalen
der polarisationsempfindlichen Sensoren eine Aussage über die
Polarisation des einfallenden Lichtes zu treffen. Die Einrichtung
kann etwa durch Verhältnisbildung
von jeweils zwei Sensorsignalen die Polarisationsebene von einfallendem
polarisierten Licht unabhängig
von seiner Helligkeit bestimmen. Vorteilhaft sind Polarisationsebenen,
deren Orientierung 45° oder
geringerer abweicht, da die Verhältnisbildung
bei geringer Anforderung an die Linearität ohne Linearisierung des aufgrund
des Malus-Gesetzes nichtlinearen Sensorverhaltens erfolgen kann.
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Gemäß einer
weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Vorrichtung
zur Messung der Polarisation von Licht nach Anspruch 7 wird eine
Vielzahl polarisationsempfindlichen Sensoren so angeordnet und in
ihrer jeweiligen Polarisationsrichtung so orientiert, dass sie zur
Aufnahme eines Bildes mit Informationen über die Polarisation des einfallenden
Lichtes geeignet sind. Dazu wird zweckmäßigerweise zunächst eine
regelmäßige Struktur
von Photosensoren erzeugt, wie sie für Bildsensoren üblich ist.
In einem späteren
Fertigungsschritt werden für
alle Sensorelemente, die polarisationsempfindlich gemacht werden
sollen, Polarisationsfilter in einer festgelegten periodischen Orientierung
aufgebracht. Vorteilhaft ist etwa eine periodische Zelle mit 2·2 Sensoren
und je 45° verdrehten Filtern.
Anwendung kann ein solcher Sensor etwa in der Qualitätskontrolle
finden, wo eine mit einer derartigen Vorrichtung erweiterte Schlierenphotographie Aussagen über Stärke und
Art von Verspannungen ermöglicht.
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Gemäß noch einer
weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Vorrichtung zur
Messung der Polarisation von Licht nach Anspruch 8 wird mindestens
ein Farbfilter vorgesehen. Besonders vorteilhaft ist diese Ausgestaltung
bei einer regelmäßigen Struktur
von Photosensoren, die zur Aufnahme eines Bildes geeignet sind,
da der Informationsgehalt des Bildes weiter gesteitert wird. Neben
einer Realisierung mit separaten farb- und polarisationsempfindlichen
Photosensoren ist eine weitere Realisierung möglich, bei der beide Filterarten
je Photoelement kombiniert angewendet werden. Die geeignetste Ausgestaltung
ergibt sich, wenn eine Filteranordnung dergestalt gewählt wird,
dass sich das aufgenommene Signal bei Verwendung ausschließlich unpolarisierten
Lichts nicht von dem Signal eines herkömmlichen Farb-Bildsensors unterscheidet.
Ein gängiges
Bildsensorlayout ist das Bayer-Layout, bei dem ein Farbpixel aus
einem Array aus 2·2
Photoelementen gebildet wird und Farbfilter für z. B. rot, grün, grün und blau
aufweist. Werden je vier Farbpixel in Form eines 2·2-Arrays
zu einem Superpixel zusammengefasst, wobei vorteilhaft jedes Farbpixel
innerhalb des Superpixels eine 45° abweichende
Ausrichtung des Polarisationsfilters gegenüber dem Nachbarfarbpixel aufweist, ändert sich
für unpolarisiertes Licht
das Verhalten und die Auflösung
des Sensors im Vergleich zu einem konventionellen Farbsensor nicht,
lediglich die einfallende Lichtmenge reduziert sich auf etwa die
Hälfte.
Im Falle vollständig
polarisierten Lichts ist die effektive Auflösung auf 25% reduziert, da
jedes Farbpixel bevorzugt nur Licht der korrekten Polarisationsebene
registriert. In der anschließenden
Bildbearbeitung kann eine vollständige Summation
der Information aller Farbpixel jedes Superpixels zu einem Ersatzpixel
erfolgen, um dasselbe Bild zu erhalten, das ein nicht polarisationsempfindlicher
Bildsensor aufgenommen hätte.
Bei geeigneter Gewichtung der Summation kann jedoch für jedes Superpixel
entschieden werden, ob, wie stark und in welcher Orientierung polarisiertes
Licht dargestellt bzw. unterdrückt
werden soll. Weist eine photographierte Szene etwa mehrere unterschiedliche
Spiegelungen auf, deren Licht in unterschiedlicher Orientierung
polarisiert ist, kann ein Photograph nach dem Stand der Technik
nur eine Spiegelung mit Hilfe eines drehbar vor dem Objektiv angeordneten
Polfilters entfernen. Ein bereits aufgenommenes Bild von einer herkömmlichen
Kamera kann nicht mehr geeignet weiterverarbeitet werden, da es
keinerlei Informationen über
den Polarisationszustand enthält.
Mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung
kann der Photograph nun im Nachhinein beide Spiegelungen gezielt entfernen,
er kann jedoch auch Spiegelungen gezielt verstärken. In der beschriebenen
vorteilhaften Ausgestaltung dieser Vorrichtung ist dies zudem in
einer farbselektiven Weise möglich.
Neben künstlerischen Aspekten
ist ein solcher Sensor auch zum Einsatz in Überwachungskameras, beispielsweise
in der Verkehrsüberwachung
zur Eliminierung von Spiegelungen, geeignet. Da jeder einzelne Photosensor
individuelle ortsbezogene Information enthält, ist zur späteren Darstellung
eine geschicktere Manipulation der Sensordaten als die Summation
zu einem Ersatzpixel möglich,
so dass im Idealfall nur eine lokale und unmerkliche Reduktion der
Bildauflösung
in den Bereichen auftritt, wo starke Polarisation auftritt und/oder
gezielt manipuliert wird.
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Gemäß einer
weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Vorrichtung
zur Messung der Polarisation von Licht nach Anspruch 9 wird mit
einem polarisierten Lichtemitter sowie einem polarisationsempfindlichen
Sensor der Drehwinkel zwischen dem polarisierenden Lichtemitter
und dem polarisationsempfindlichen Sensor ermittelt. Die Verwendung
von polarisiertem Licht ermöglicht
eine berührungsfreie
und kraftfreie Messung von Winkeln ohne aufwendige Justage. Besonders
vorteilhaft ist die Verwendung von gekennzeichneten baulichen Einheiten
polarisierter Lichtemitter und polarisationsempfindlicher Empfänger nach
Anspruch 4 bzw. 16, da spezielle optische Werkzeuge zur Justage
der Filter entfallen.
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Gemäß einer
weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Vorrichtung
zur Messung der Polarisation von Licht nach Anspruch 10 wird ein
drehbares Polarisationsfilter zwischen mindestens einem polarisationsempfindlichen
Sensor und mindestens einem Lichtemitter vorgesehen. Diese Vorrichtung ähnelt im
Aufbau einer Gabellichtschranke mit Schlitzblende, wobei anstelle
der Schlitzblende das Polarisationsfilter tritt. Bei kleinen Abmessungen
ist mit Schlitzblenden nur eine geringe Auflösung zu erreichen, da die kleiner
werden Schlitze zu erhöhter
Justageanforderung führen
und die Ausfallwahrscheinlichkeit aufgrund von Schmitz oder Beschädigung steigt.
Bei Verwendung des Polarisationsfilters treten diese Probleme nicht
auf.
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Gemäß einer
weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Vorrichtung
zur Messung der Polarisation von Licht nach Anspruch 11 wird mindestens
ein polarisationsempfindlicher Sensor, ein Lichtemitter, ein drehbares
Polarisationsfilter und ein reflektierendes Medium relativ zueinander
dergestalt angeordnet, dass von dem Emitter ausgehendes Licht am
reflektierenden Medium reflektiert werden kann, durch das drehbare
Polarisationsfilter treten kann und von mindestens einem polarisationsempfindlichen
Sensor erfasst werden kann. Bei dieser Ausgestaltung können Emitter
und Sensor gemeinsam in einer Ebene angeordnet werden, auch gemeinsam
integriert werden, so dass sich eine kompaktere und leichtere Bauform
im Vergleich zu einer Gabellichtschranke ergibt. Die Anordnung von
Polarisationsfilter und reflektierendem Medium, beispielsweise Papier
oder mattes Metall, erlaubt die Messung von Drehwinkeln auch in
Situationen, wo keine Durchlichtmessung möglich ist. So kann diese Anordnung
auf einem Zahnrad oder gar einer Welle angebracht sein. Größe und Gewicht
der Vorrichtung werden dadurch sehr reduziert, die Anwendung kann aufgrund
kleinerer Fliehkräfte
auch bei sehr hohen Drehzahlen erfolgen.
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Gemäß einer
weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Vorrichtung
zur Messung der Polarisation von Licht nach Anspruch 12 wird der
polarisationsempfindliche Sensor zusammen mit einer Vorrichtung
zur Ansteuerung eines Aktuators und zum Vergleich des Messsignals
mit einer Sollgröße zusammenwirkend
angeordnet, insbesondere integriert. Insbesondere bei einer Vorrichtung nach
Anspruch 11 können
Servos mit minimalem Fertigungs- und Justageaufwand bei gleichzeitig
minimaler Größe realisiert
werden. Erfolgt die Winkelmessung direkt an der Motorwelle eines
Servomotors, reduziert sich die Größe des Servos praktisch auf
die Größe des Motors.
Für kleine
Stellwinkelschritte sind Schrittmotoren oder Ultraschallmotoren besonders
geeignet.
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Gemäß einer
weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Vorrichtung
zur Messung der Polarisation von Licht nach Anspruch 13 sind Mittel
zur elektronischen Kalibration und/oder Speicher zur Speicherung
von Kalibrationsdaten vorgesehen. Diese Daten können die Zuverlässigkeit und
Präzision
der Vorrichtung erhöhen,
insbesondere dann, wenn nichtideales Verhalten berücksichtigt werden
soll. Zu nichtidealem Verhalten gehört neben dem Malus-Gesetz auch
die unvollständige
Polarisation des Filters oder Leckströme.
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Gemäß einer
weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Vorrichtung
zur Messung der Polarisation von Licht nach Anspruch 14 sind Mittel
zur automatischen Kalibration vorgesehen. So können Kalibrationsdaten nach
erstmaliger Inbetriebnahme oder zwischenzeitlich im Betrieb ermittelt
und/oder aktualisiert werden. Ändert
sich eine Servo-Sollvorgabe etwa über einen hinreichend großen Winkel,
so ist sichergestellt, dass mindestens ein polarisationsempfindlicher
Sensor zwischenzeitlich einen minimalen Messwert liefert, der mit
verschiedenen nichtidealen Verhalten korrespondiert. Teure und aufwendige
manuelle Justagen können
so vermieden werden.
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Gemäß einer
weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Vorrichtung
zur Messung der Polarisation von Licht nach Anspruch 15, wobei mindestens
ein polarisationsempfindlicher Sensor, ein transparentes Medium
und ein polarisierter Lichtemitter vorgesehen ist und wobei das
polarisierte Licht des Emitters nach Durchtritt durch ein transparentes,
vorzugsweise zur Ausnutzung des Faradayeffekts oder Kerreffektes
geeignetes, Medium vom polarisationsempfindlichen Sensor erfasst wird.
Eine derartige Vorrichtung ist zur Messung starker statischer und
dynamischer Magnetfelder oder elektrischer Felder geeignet und erfordert
lediglich das transparente Medium in definierter Form, jedoch keine
elektrischen oder magnetischen Teile im zu messenden Feld. Es ergeben
sich daher verschiedene Vorteile gegenüber Hallsonden oder Messspulen, insbesondere
auch bei schnell veränderlichen
Feldern.
-
Gemäß einer
vorteilhaften Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Erzeugung
polarisierten Lichts nach Anspruch 18 werden zur Betrachtung eines
stereoskopischen Bildes und/oder zweier unabhängiger Bilder mit einer Vorrichtung nach
einem der Ansprüche
16 oder 17 Mittel vorgesehen, die unterschiedlichen Betrachtern
und/oder den beiden Augen desselben Betrachters durch Verwendung
von vorzugsweise drehbaren Polarisationsfiltern nur einen Teil des
dargestellten Bildes anzeigen. So kann etwa eine Brille mit zwei
drehbaren Polarisationsfiltern dazu verwendet werden, einem Auge
nur Information der korrekten Polarisationsrichtung zuzuführen. Auf
diese Weise können
die zwei Augen eines Betrachters eine Szene betrachten, die aus
unterschiedlicher Perspektive aufgenommen wurde, was zu einer räumlichen
Wahrnehmung führt. Es
können
auch verschiedene Informationen dargestellt werden, die getrennt
wahrgenommen werden. Es ist ebenso denkbar, dass verschiedene Betrachter verschiedene
Informationen wahrnehmen, wenn sie auf dieselbe Vorrichtung schauen.
-
Kurzbeschreibung der Zeichnung:
-
Die
Erfindung wird im folgenden anhand von Ausführungsbeispielen näher erläutert, wozu
auf die beigefügten
Zeichnungen Bezug genommen wird. Es zeigen:
-
1a:
Abfolge von Prozessschritten zur Strukturierung einer Metallisierungsebene
gemäß Stand
der Technik und gemäß der vorliegenden
Erfindung
-
1b:
Beispielhafte Strukturierung einer Fertigungsebene mit optisch polarisierender
Wirkung gemäß der vorliegenden
Erfindung in der Draufsicht
-
1c:
Beispielhafte Strukturierung einer Fertigungsebene mit optisch polarisierender
Wirkung gemäß der vorliegenden
Erfindung im Querschnitt
-
2a:
Beispielhafte Übertragung
einer Polfilterfolie auf einen Träger gemäß der vorliegenden
-
Erfindung
-
2b,c:
Prozessschritte zur Übertragung bzw.
Mikrostrukturierung eines Polfilters auf einem Träger gemäß der vorliegenden
Erfindung
-
3:
Servo-Vorrichtung gemäß Stand
der Technik
-
4a:
Gabellichtschranke mit Schlitzblende gemäß Stand der Technik bzw. Mit
Polfilter gemäß der vorliegenden
Erfindung
-
4b:
Winkelmessung mit Zahnrad gemäß Stand
der Technik
-
5:
Induktive oder kapazitive Relativmessung gemäß Stand der Technik
-
6:
Signalverlauf der individuellen Sensorsignale gemäß der vorliegenden
Erfindung
-
7:
Winkelmessung mit reflektivem Polfilter gemäß der vorliegenden Erfindung
-
8:
Vorrichtung zur Messung starker Felder gemäß der vorliegenden Erfindung
-
9a:
Bildsensor mit Polfiltermatrix gemäß der vorliegenden Erfindung
-
9b:
Farb-Bildsensor mit Polfiltermatrix gemäß der vorliegenden Erfindung
-
10:
Bildprojektor mit Polfiltermatrix gemäß der vorliegenden Erfindung
-
Spezielle
Beschreibung von Ausführungsbeispielen
der Erfindung:
-
Beispiel 1: Fertigung
von strukturierten Polfiltern mit den Mitteln der Photolithographie
bei Beschränkung auf
die Fertigungsschritte einer integrierten Schaltung
-
Während die
Fertigung von Nanostrukturen mit gezielter Orientierung eher problematisch
ist, ist dies in der Mikroelektronik ein lange gelöstes Problem.
Die Strukturen werden im CAD-System gezeichnet, auf einer Belichtungsmaske üblicherweise in
vergrößertem Maßstab repliziert
und und mittels photolitographischer Verfahren von der Belichtungsmaske
auf einen Träger
bzw. Wafer übertragen (1a). 1a zeigt
vier Teilschritte des Lithographischen Verfahrens, nämlich dass
ein lackbeschichteter Wafer belichtet wird (Schritt I), dass Teile
des Lackes weggeätzt
werden (Schritt II), dass freigelegte Bereiche des Wafers weiterbehandelt
werden (Schritt III) und dass schließlich die restlichen Lackreste
entfernt werden (Schritt IV).
-
Im
Folgenden sollen diese vier Schritte näher erläutert werden. Dabei wird in
der Regel zunächst der
Wafer 1 mit einem Photolack 3 überzogen, anschließend wird
er durch die Belichtungsmaske 4 hindurch belichtet (Schritt
I), so dass bestimmte Teile auf einen nachfolgenden chemischen Prozess
ansprechen, also etwa durch eine Lösung 6 freigeätzt werden
können
(Schritt II). Anschließend
kann ein weiterer Ätzvorgang
mit einer Ätzlösung 7 durchgeführt werden,
um beispielsweise eine zuvor hergestellte ganzflächige Metallisierung 2 zu
strukturieren (Schritt III), oder es werden Diffusions- oder Implantationsvorgänge durchgeführt. Die
verbliebenen Lackstrukturen 3 schützen in diesen Fällen bestimmte
Bereiche vor der Prozessierung. Nach der Prozessierung werden diese
Lackstrukturen üblicherweise
entfernt (Schritt IV).
-
Lange
Zeit waren die minimalen Strukturgrößen, die in der Mikroelektronik
wirtschaftlich erzeugt werden konnten, nicht klein genug im Verhältnis zur Lichtwellenlänge, um
optisch wirksame Filter zu erzeugen. Dies hat sich in jüngster Zeit
geändert.
Konventionelle 130 nm-Fertigungstechnologien
oder feinere Fertigungstechnologien erlauben die Herstellung von
Polarisationsfiltern ohne Änderung
des Fertigungsprozesses. Dazu werden parallele Leiterbahnen auf
Gate-Polysilizium oder den Metallebenen über dem Photosensor erzeugt.
Zur Steigerung des Kontrastes bietet es sich an, mehrere Fertigungsebenen übereinander
zu verwenden, also etwa eine Schichtfolge von Poly, Metall 1,
Metall 2, ..., bis Metall N. Da moderne Prozesse z. T. über 2 Poly-
und 8 Metallisierungsebenen aufweisen, ist eine Hintereinanderschaltung
von bis zu 10 Filtern möglich.
Selbst wenn das Kontrastverhältnis
eines einzelnen Filters bei einer bestimmten Wellenlänge nur
3 beträgt,
so beträgt
das von 4 hintereinandergeschalteten Filtern im Idealfall bereits
34 = 81. Jedoch ist eine Anwendung derzeit
vorwiegend auf Infrarotlicht mit den gängigen Wellenlängen 950
nm und 1.5 μm
wirtschaftlich sinnvoll, da jede Verkleinerung der minimalen Strukturgröße mit aufwendigeren
Masken und Belichtungstechniken einhergehen. Besonders interessant ist
dieser Ansatz also in den Fällen,
wo mit herkömmlichen
Fertigungstechnologien brauchbare optische Filter ohne jeglichen
Zusatzaufwand realisiert werden können. Speziell Anwendungen
mit einem Massenmarkt rechtfertigen die Herstellung in 0.13 μm-Technologien
oder kleineren Technologien, da die höheren Maskenkosten durch die
kleineren Stückkosten
aufgrund der kleineren Chipfläche überkompensiert
werden. Dem Nachteil der Verwendbarkeit nur mit langwelligem Licht
steht der Vorteil gegenüber,
dass ein derartig realisiertes Filter nicht die chemischen oder
thermischen Stabilitätsprobleme aufweist
wie übliche
Polfilterfolien. Daher sind erweiterte Betriebsbedingungen möglich, sowohl
zu sehr tiefen als auch zu sehr hohen Temperaturen. 1a zeigt
schematisch die Abfolge der Fertigungsschritte für ein einlagiges Filter gemäß Stand
der Technik, wie es unverändert
auch zur Strukturierung eines Polfilters verwendet werden kann.
Technische Details der Fertigung spielen in diesem Zusammenhang
keine Rolle, so können
gleichermaßen
Positiv- und Negativverfahren angewendet werden, es kann Röntgenstrahlung
statt Licht zur Belichtung verwendet werden, es kann Elektronen-
oder Ionenstrahllithographie verwendet werden, die u. U. ganz auf
eine Photomaske verzichtet und die Strukturen mit einem gerichteten
Strahl in den Lack schreibt. Die Photolithographie wird hier nur
bevorzugt behandelt, weil sie gängig
und preiswert ist.
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1b zeigt
ein beispielhaftes einlagiges Sensorlayout in der Draufsicht (vereinfacht
und nicht maßstäblich).
Der Sensor 100 ist hierbei gekennzeichnet durch vorzugsweise
metallisch abgedeckte Bereiche 101, unter denen verarbeitende
Elektronik liegen kann, und Sensorbereiche 102, die jeweils spezifische
Strukturen aufweisen, um Licht zu polarisieren. Die Schraffuren
der Bereiche 102 sind dabei sinnbildlich für die Orientierung
der hergestellten Strukturen. 1c zeigt
den dazugehörigen
vereinfachten Querschnitt, wobei als Photosensor pn-Dioden 105 skizziert
sind. Zusätzlich
zu der Abdeckung 109 sind hier lichtundurchlässige Wände 106 skizziert,
die etwa aus Vias bzw. Kontakten hergestellt werden können und
bei schrägem
Lichteinfall eine Beeinflussung benachbarter Sensoren unterbindet. Die
Verdrahtungsebenen 107 und 108 dienen hier der
Kontaktierung der pn-Dioden 105, während das Polfilter auf einer
Poly-Silizium-Schicht 102 realisiert ist, die normalerweise
das Gate von MOS-Transistoren formt. Es sei darauf hingewiesen,
dass es dielektrische und metallische optische Filter gibt, die
sich in der Funktionsweise unterscheiden. Die Behandlung des Poly-Silizium-Layers
erlaubt eine Verwendung nach beiden Methoden. Maßgeblich für das erfindungsgemäße Verfahren
ist lediglich, dass die zur Fertigung verwendeten Daten ein optisches
Filter beschreiben, etwa lange parallele Streifen mit möglichst geringer
Breite und möglichst
geringem Abstand zueinander, zur Erzielung eines linearen Polarisationsfilters
oder anderer optischer Filter.
-
Beispiel 2: Fertigung
von strukturierten Polfiltern mit den Mitteln der Photolithographie
bei Verwendung von zusätzlichen
Fertigungsschritten, die denjenigen zur Herstellung einer integrierten
Schaltung vergleichbar sind
-
Um
ein Polfilter mit kurzwelligerem Licht, also etwa im gesamten sichtbaren
Bereich verwenden zu können,
ist eine Realisierung mit anderen Mitteln als denen in Beispiel
1 wirtschaftlicher. Da die großtechnische
Herstellung von Polfilterfolien mit geeigneten Eigenschaften beherrscht
wird, kann eine Kombination von derartigen Folien mit Verfahren
der Lithographie verwendet werden, um mikrostrukturierte Polfilter
zu erzeugen. Für
die benötigten
Polfilterfolien können
die verschiedensten Herstellungsverfahren zum Einsatz kommen. Neben
den üblichen
Polymeren bieten sich auch in Harz eingebettete Nanoröhrchen an.
Die Fertigung derartiger Filter würde mit vergleichbaren Verfahren
geschehen, mit denen großfläche Filter
etwa für
LCD-Anzeigen erstellt werden. D. h. langkettige Moleküle oder
Nanoröhrchen werden
durch Einfluss einer äußeren Kraft,
beispielsweise elektrische oder magnetische Felder oder durch Reiben
oder Dehnen, parallel in Kraftrichtung orientiert, wodurch die Orientierungsrichtung
bekannt ist. Damit diese Moleküle
bzw. Röhrchen
oder Stäbchen
ihre Orientierung behalten, können
sie in eine Trägersubstanz
eingebettet werden, die ihnen mechanische Stabilität verleiht.
Wenn eine derartige aushärtbare
Substanz mit polarisierender Wirkung 206 auf eine Walze 203 oder
Trägerfolie 207 aufgebracht
wird, so kann diese Substanz zu einem späteren Zeitpunkt unter Einwirkung
einer weiteren äußeren Kraft,
etwa Druck 204 und/oder Temperatur 205, auf einen
Träger,
Wafer bzw. Sensor 200 übertragen werden
(2a). Durch photolitographische Prozesse können selektiv
einzelne Sensorfelder zur Beschichtung freigelegt werden.
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Für die Strukturierung
der Polfilter durch Lithographie gibt es zwei grundsätzliche
Alternativen: Die erste Alternative ist vergleichbar mit der Strukturierung
einer Metallisierungsebene für
eine integrierte Schaltung, die Methodik entspricht daher 1a, sofern
die Aluminium- bzw. Kupferlage 2 durch eine Polfilterlage
ersetzt wird. Nach der vorherigen ganzflächigen Beschichtung des Trägers mit
der polarisierenden Substanz wird diese anschließend selektiv weggeätzt. Um
in nachfolgenden Schritten Filter mit unterschiedlicher Polarisationsrichtung
aufzubringen, würde
man vorzugsweise die zuvor freigeätzten Bereiche mit einer nicht
polarisierenden Substanz auffüllen
und die Oberfläche
anschließend
planarisieren, um eine einwandfreie Unterlage für nachfolgende Beschichtungsprozesse
mit unterschiedlicher Orientierung der polarisierenden Substanz
zu bekommen. In diesem Fall entsteht eine Schichtfolge, deren Dicke
ein Mehrfaches der Dicke einer Einzelschicht beträgt, wobei
Filterbereiche mit unterschiedlicher Orientierung einen unterschiedlichen
Abstand zum Träger
bzw. Sensor aufweisen, was von Nachteil sein kann. Zudem wird der
maximale Lichtdurchtritt durch die Füllsubstanz reduziert.
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Es
ist auch eine umgekehrte Vorgehensweise möglich. Hierbei wird zunächst mit
dem Litographielack 201 eine Matrix mit Öffnungen
erzeugt, in die anschließend
die Filtersubstanz 206 eingepresst wird. Nach Aushärtung der
Substanz kann das überschüssige Material
durch Polierverfahren (CMP) und/oder Ätzverfahren entfernt werden
(2b). Sinnbildlich wird durch Schleifkörper 203 das
Material abgetragen. Es muss hierbei nicht zu einem direkten Kontakt
zwischen Schleifkörper 203 und abzuschleifendem
Material 202 und 201 kommen, eine kraftübertragende
und ggf. äzende
Flüssigkeit
kann ebenfalls vorteilhaft eingesetzt werden. Anschließend können die
so präparierten
Träger
bzw. Sensoren durch eine dünne
Deckschicht 208 geschützt werden
(2c). Durch mehrfaches Freiätzen der übrigen durch Lack geschützten Felder
und Wiederholung des Beschichtungsprozesses unter verschiedenen
Winkeln entsteht nach und nach eine Filteranordnung mit selektiven
Polarisationsfiltern unterschiedlicher Ausrichtung, entsprechend 1b. Nach
diesen Prozessschritten kann die Oberfläche mit einer dauerhaften Schutzschicht
versehen werden. Dieses von der IC-Herstellung leicht abweichende
Verfahren hat speziell dann Vorteile, wenn mehrere Filter mit abweichenden
Orientierungen realisiert werden sollen, da alle Filterbereiche
in derselben Ebene liegen und das Gesamtresultat nur die Dicke einer
einzelnen Filterebene aufweist. Da keine Füllmaterialien notwendig sind,
entfällt
zusätzlicher
Lichtverlust, zudem wird das Gewicht minimiert. Da bei diesem Verfahren
kein Kontakt zwischen der Lithographiemaske und dem Filtermaterial
bzw. Träger notwendig
ist, tritt kein mechanischer Verschleiß der Maske auf. Dies ist ein
Vorteil gegenüber
Mikro- oder Nanoprägetechniken,
die ansonsten ebenfalls für
die Strukturierung der Polfilter angewendet werden könnten. Zudem
entspräche
die Herstellung von Prägemasken
nicht dem von integrierten Schaltungen her bekannten Verfahren,
was sie wirtschaftlich uninteressanter macht.
-
Vor
oder nach der Herstellung der Polarisationsfilter können auch
die für
CCD- oder CMOS-Bildsensoren üblichen
Bearbeitungsschritte wie z. B. Auftragen von Farbfiltern stattfinden.
Mikrolinsen wird man vorzugsweise nach den Filtern herstellen, da
sie keine ebene Unterlage bieten würden. Diese zusätzlichen
Schichten können
gleichzeitig als Schutz der relativ empfindlichen Polfilter verwendet werden.
-
Herstellungstechnische
Details sind nicht Bestandteil dieser Erfindung. So sind die Beschichtungsprozesse
vermutlich vorzugsweise im Vakum durchzuführen, um Lufteinschlüsse zu vermeiden. Eine
Vorbehandlung der Oberfläche
von 200 kann erforderlich sein, um die Haftung der Filtersubstanz 206 auf 200 zu
verbessern. Diese Fragen hängen
von den eingesetzten Materialien und deren Beschaffenheit ab.
-
Beispiel 3: polarisationsempfindliche
Sensoren zur Winkelmessung
-
Eine
sehr häufige
Problemstellung ist die Winkelmessung an rotierenden Teilen, etwa
zur Positionsbestimmung eines Signalgebers (Steuerknüppel, Pedal
etc.) oder eines Servos. Wie eingangs geschildert, haben gängige Messverfahren
Beschränkungen
u. a. hinsichtlich, der Auflösung
bzw. Justagetoleranz bei zunehmender Miniaturisierung sowie der
Messgeschwindigkeit. Die Messung von Winkeln durch Ausnutzung der
Polarisation von Licht kann viele Probleme vermeiden.
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Mit
konventionellen Mitteln kann man etwa einen Photosensor hinter einem
drehbaren Mess-Polarisationsfilter
anordnen, mit polarisiertem Licht unbekannter Orientierung der Polarisationsrichtung
bestrahlen und für
verschiedene Drehwinkel das gemessene Signal aufnehmen, das sich
nach dem Malus-Gesetz ändert.
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Wenn
das Signal ein Maximum aufweist, ist die Orientierung des Mess-Polfilters
identisch mit der Polarisationsorientierung des einfallenden Lichts. Dies
ist eine mechanisch große
und vergleichsweise aufwendige Lösung.
Sie setzt zudem voraus, dass sich das zu messende Signal während der
Messung nicht ändert.
Die Verwendung von mehreren Photosensoren mit fest aufgesetztem
Polfilter, etwa einer aufgeklebten Polfilterfolie, stellt dazu eine
Alternative dar. Die Polfilterausrichtung jedes Sensors kann z.B. in
90°- oder
45°-Schritten
erfolgen. Noch einfacher wäre
es, identische polarisierende Sensoren bekannter Polarisationsrichtung
als bauliche Einheit zu verwenden und diese in unterschiedlicher
Orientierung anzuordnen. Durch Auswertung der Signale aller Sensoren
kann die Zusammensetzung des einfallenden Lichtes ermittelt werden.
Problematisch ist nun jedoch, dass die optisch wirksame Fläche des
Gesamtsensors, bestehend aus zwei oder mehr Einzelsensoren, größer ist
als die des einzelnen mechanisch manipulierten Sensors. Das bedeutet,
dass das Messsignal gleichmäßig auf
der gesamten Sensorfläche
zur Verfügung
gestellt werden muss.
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Durch
Integration der Einzelsensoren und der Polarisationsfilter zu einem
integrierten Sensor, in der Struktur ähnlich wie in 1b,
wird eine zeitgleiche Messung aller erfassten Polarisationsebenen auf
der Fläche
eines Einzelsensors möglich.
Dieser integrierte Sensor weist daher auch keine Beschränkung hinsichtlich
der Änderungsgeschwindigkeit
des Eingangssignals auf.
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Die
Auswertung der einzelnen Sensorsignale kann vorteilhaft mit auf
den Sensor integriert werden, so dass ein für den Anwender leicht zu verarbeitendes
Messergebnis zur Verfügung
gestellt werden kann. Dabei können
sowohl analoge als auch digitalisierte Signale bereitgestellt werden.
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Im
Folgenden wird näher
auf die Problematik der Winkelmessung eingegangen.
-
In
einer ersten Ausgestaltung (3) ähnelt die
Anordnung einer Winkelmessung mit Gabellichtschranke 400 und
Schlitzblende 404. Eine modifizierte Gabellichtschranke 400 weist
auf einer Seite eine Lichtquelle, beispielsweise eine LED, auf 402.
Auf der anderen Seite befindet sich ein polarisationsempfindlicher
Sensor 401, der vorzugsweise 4 Felder mit in 45° versetzten
Polfiltern aufweist. Anstelle der Schlitz- oder Codierblende wird
nun jedoch eine drehbar gelagerte unstrukturierte Polfilterfolie 405 zwischen
Sender 402 und Empfänger 401 gesetzt. Da
die Polarisationsrichtung der Folie ortsunabhängig ist, ist weder eine exakte
Justage erforderlich, noch führt
Schmutz unmittelbar zu Fehlfunktionen. Schmutz reduziert lediglich
die Helligkeit und den Kontrast des Signals.
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Das
bei der Rotation der Polfilterfolie um 360° an den vier Sensoren A,B,C,D
entstehende Signalprofil ist in 6 gezeigt.
Die Sensoren A,B,C,D entsprechen dabei den Feldern 102 in 1b.
Das Signal jedes Einzelsensors folgt dabei dem Malus-Gesetz. Für metallische
Filter wird bei Lichteinfall mit Polarisationsorientierung in Richtung
der Filterstreifen Licht (φ =
0°) absorbiert
oder reflektiert, das Sensorsignal I ist daher minimal Imin. Bei 90° abweichendem Winkel bekommt
der Sensor ein maximales Signal Imax. Ein
nichtideales Filter oder unpolarisiertes Streulicht verschiebt die
Kurven nach oben, erzeugt also einen Offset. Nach Abzug des Offsets
kann eine Winkelaussage durch Verhältnisbildung zwischen benachbarten
Sensoren gewonnen werden, so dass die absolute Helligkeit keine
Rolle spielt. Eine eindeutige Positionsaussage kann für einen
Bereich von 180° getroffen
werden, indem die einzelnen Signale in Relation gesetzt werden.
Durch Kombination mit mindestens einem Hell/Dunkelfeld in Verbindung
mit mindestens einer Lichtschranke kann der Messbereich problemlos
auf 360° ausgedehnt
werden. Vielfältige
andere Alternativen sind zur Ausdehnung des Messbereichs auf 360° denkbar.
Die Polfilterfolie kann zu diesem Zweck vorteilhaft weiter strukturiert werden,
etwa durch Schwärzung
bestimmter Bereiche.
-
In
einer weiteren Ausgestaltung kann die benötigte Filterfläche weiter
reduziert werden, zudem können
Lichtquelle 702 und Sensor 703 in einer Ebene,
also auf einem gemeinsamen Träger 704 montiert
werden. Dies ermöglicht
eine kleinstmögliche Anordnung
mit allen damit verbundenen Vorteilen. Wie in 7 gezeigt,
erlaubt eine hinter der Polfilterfolie 700 angeordnete
Streuscheibe 701, beispielsweise weißes Papier oder die matte Oberfläche eines Getriebezahnrades,
Licht von der Quelle 702 in verschiedene Richtungen zu
reflektieren. Dies erlaubt eine Anordnung von Sender und Empfänger dergestalt,
dass keine Spiegelungen 705 von der Polfilteroberfläche in den
Sensor 703 gelangen, sondern nur Signale, die durch das
Filter 700 hindurchgetreten sind. Spiegelungen von der
Oberfläche
des Filters 700 würden
das erzielbare Kontrastverhältnis
reduzieren. Es ist unerheblich, ob die Streuscheibe 701 zusammen
mit dem Filter 700 rotiert, unabhängig davon rotiert, oder nicht
rotiert.
-
Die
Ausgestaltung des Winkelsensors mit einem reflektierenden Polarisationsfilter
erlaubt die direkte Montage des Filters 700 auf der Motor-
oder Getriebewelle. Damit können
minimale Schwungmassen erzielt werden. Besonders vorteilhaft kann auch
die Servoelektronik zum Soll-Ist-Vergleich und zur Ansteuerung eines
Aktuators mit in den Sensorchip integriert werden. Die Montage der
Sensoreinheit über
der Messstelle, beispielsweise Motorwelle, erfolgt dabei ohne besondere
Justageanforderungen. Bei Verwendung eines Mikromotors kann der Sensor
etwa im Inneren des Getriebes untergebracht werden. Bei Schrittmotoren
oder Ultraschallmotoren kann z. T. ganz auf Getriebe verzichtet
werden, ein komplettes Servo ist in diesem Fall kaum größer als der
Motor selbst. Die extreme Miniaturisierung des Winkelsensors ggf.
zusammen mit einer Servoelektronik auf wenige Kubikmillimeter führt dabei
im Gegensatz zu digitalen Messverfahren nicht zu einer Reduktion
der Auflösung,
erlaubt aber stattdessen Anwendung auch bei extrem hohen Drehzahlen. Eine
monolithische Integration von Sender 702 und Sensor 703 ist
ebenfalls denkbar.
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Zur
Kalibration des Sensors können
einerseits die Intensitäten
aller Sensorfelder A,B,C,D summiert werden, um eine Aussage über die
gesamte einfallende Lichtmenge zu bekommen, es kann jedoch auch
ein unpolarisierter Hilfssensor verwendet werden. Zur Messung des
Streulichtes bzw. des Polarisationsfaktors ist es hilfreich, das
Mindestsignal während
der Drehung zu erfassen und zu speichern. Neben einer Kalibration
ab Werk kann dies auch bei einer Erstinbetriebnahme bzw. später in Wartungszyklen
automatisch erfolgen, wobei die Funktion des Sensors durch diese
Zyklen nicht beeinträchtigt
wird. Die ermittelten Werte werden vorteilhaft in einem nichtflüchtigen
Speicher auf dem Sensor (z. B. EEPROM oder Flash) gespeichert, so
dass sie nach dem erneuten Einschalten unmittelbar zur Verfügung stehen.
Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung ergibt sich, wenn der Referenzpunkt
des Sensors elektronisch manipuliert und abgespeichert werden kann, da
eine aufwendige mechanische Kalibration des gemessenen Winkels auf
diese Weise durch eine elektronische Kalibration ersetzt werden
kann.
-
Beispiel 4: Messung starker
Felder
-
Ein
polarisationsempfindlicher Sensor mit einer Filteranordnung beispielsweise
nach 1b kann auch zur Messung starker Magnetfelder
unter Ausnutzung des Faradayeffekts bzw. Starker elektrischer Felder
nach dem Kerreffekt verwendet werden, wie in 8 gezeigt.
Wird linear polarisiertes Licht 803 durch ein Medium 801 geleitet,
das einem starken Feld 804 ausgesetzt ist, so dreht sich
je nach Feld und Material die Polarisationsebene des Lichts. Diese
Drehung kann nun im Winkelsensor 802 erfasst werden. Als
Lichtquelle 800 kann vorzugsweise linear polarisiertes
Laserlicht verwendet werden.
-
Besonders
vorteilhaft an einer derartigen Anordnung ist, dass keinerlei elektrisch
leitende oder ferromagnetische Gegenstände dem Feld ausgesetzt sind,
also die Beeinflussung des Feldes minimal ist. Aufgrund der praktisch
trägkeitslosen
Reaktion des Systems können
auch sehr schnelle Transienten, wie sie etwa bei Stoßentladungen
auftreten, erfasst werden. Dies ist ein Vorteil gegenüber vielen anderen
Meßmethoden,
beispielsweise Induktionsspulen oder Elektrostaten mit Flügelrad.
Die Verwendung eines miniaturisierten optischen Winkelsensors 802 erleichtert
die Messung mit Laserstrahlen geringen Querschnitts, ermöglicht also
insbesondere auch die Messung räumlich
stark begrenzter Felder.
-
Beispiel 5: Aufnahme von
Bildern mit Polarisationsinformation
-
Bei
höherer
Integration können
auch spezielle Anordnungen oder regelmäßige Arrays von polarisationsabhängigen Photosensoren
erzeugt werden. So ist es denkbar, ein Pendant zu einem Farb-Bildsensor
zu erstellen, der anstelle der Farbfilter (etwa eine quadratische
GRBG-Matrix beim
sog. Bayer-Format) Polarisationsfilter in unterschiedlichen Richtungen,
vorzugsweise mindestens in zwei orthogonalen Richtungen (0° und 90°) oder besser
vier Richtungen (0°,
45°, 90°, 135°) aufweist
(9a). Der Gesamtsensor 901 enthält hierbei
Pixelgruppen 901, die aus Photodetektoren mit individuell
orientiertem Polfilter bestehen 902. Schlierenphotographie mit
einem solchen Sensor könnte
in diesem Fall nicht nur das Auftreten von Spannungen nachweisen,
sondern auch bessere Aussagen über
die Stärke
und die Art der Verspannungen treffen. Die Verwendung von zwei orthogonalen
Polfilterorientierungen erlaubt dabei die Bestimmung der Polarisationsorientierung von
polarisiertem Licht, kann aber nicht sicher zwischen einfallendem
Licht diagonaler Orientierung und unpolarisiertem Licht unterscheiden,
da in diesen Fällen
beide Filter die gleiche Lichtmenge durchlassen. Die Verwendung
von vier unterschiedlichen Polfilterorientierungen gibt zusätzlich Aufschluss über den
Grad der Polarisation des einfallenden Lichts. Dies kann beispielsweise
zur Ausblendung von Streulicht aus einem Messsignal verwendet werden.
-
Bei
Anlehnung an herkömmliche
CCD- oder CMOS-Bildsensoren ist der Aufwand zur Realisierung des
Bildsensors und zur Auswertung eines damit gewonnenen Bildes gering.
Ohne weiteres kann das Bild auf einem herkömmlichen Graustufen-Monitor
betrachtet werden, allerdings ohne erkennbare Polarisationsinformation.
Die Polarisationsinformation kann an einem herkömmlichen Farbmonitor als Falschfarbinformation
wiedergegeben werden. Vielfältige
Anwendungen sind denkbar. Ein Bild eines derartigen Sensors kann
durch Bildverarbeitung so manipuliert werden, als wäre es mit
einem konventionellen Bildsensor mit einem Polfilter in wahlfreier Orientierung
aufgenommen worden. Darüber
hinaus können
Spiegelungen ortsabhängig,
also gezielt und graduell unterdrückt oder verstärkt werden.
Automatische Aufnahmen, etwa von Verkehrsüberwachungskameras, können nachträglich, auch
automatisch, so bearbeitet werden, dass etwa eine Person trotz ungünstiger
Spiegelungen an einer Scheibe erkannt werden kann.
-
Eine
Kombination von Polarisationsfilter-Array und Farbfilterarray auf
einem Bildsensor erlaubt diese Funktionalität ebenfalls mit Farbbildern.
Die größte Flexibilität ergibt
sich, wenn die Farbmatrix gegenüber
einem herkömmlichen
Bildsensor nicht verändert
wird, die Polarisationsfilter also jeweils auf benachbarte Farbpixelzellen
aufgebracht werden. 9b zeigt dies für einen
Sensor im gängigen
Bayer-Format. Der Sensor 905 weist hierbei farbempfindliche
Photosensoren 906 auf, wobei jeweils einem kompletten Farbpixel
ein Polfilter zugeordnet ist, dessen Orientierung sich periodisch ändert. Beim Bayer-Format
ist der grünempfindliche
Sensor doppelt vorhanden, damit Helligkeitsinformation in dem Bereich,
in dem das menschliche Auge besonders empfindlich ist, besonders
gut zu messen. Es ist daher auch eine Anordnung denkbar, in der
etwa einer der beiden grünempfindlichen
Sensoren kein Polfilter aufweist und daher eine höhere allgemeine
Lichtempfindlichkeit aufweist. Vielfältige andere Varianten sind
denkbar. Die Herstellungsreihenfolge der unterschiedlichen Filter
(Polfilter bzw. Farbfilter) spielt prinzipiell keine Rolle. Im Falle
unpolarisierten Lichts unterscheidet sich das Bild eines derartigen
Sensors nicht von dem eines konventionellen Farbsensors. Insbesondere
eine Reduktion der Bildauflösung
entsteht im Falle unpolarisierten Lichts nicht. Bei voll polarisiertem
einfallendem Licht geht jedoch ein Teil der räumlichen Auflösung verloren,
da kein Licht auf den unter dem Filter liegenden Sensor fällt. Für eine Anordnung
mit zwei orthogonalen Filtern beträgt der Verlust der Auflösung folglich
schlimmstenfalls 50%, bei Verwendung von vier Filterorientierungen schlimmstenfalls
25%. Im Vergleich zu einem herkömmlichen
Bildsensor ohne Polarisationsabhängigkeit
ist eine Reduktion der Lichtempfindlichkeit aufgrund der Ausblendung
der jeweils ungeeigneten Polarisationsrichtung um ca. Faktor 2 zu
beklagen.
-
Beispiel 5: Wiedergabe
von Signalen oder Bildern mit Polarisationsinformation
-
Wie
in Beispiel 4 deutlich wurde, können
für bestimmte
Anwendungen Lichtquellen für
polarisiertes Licht von Interesse sein. Auch zur Messung von Winkeln
kann anstelle einer unpolarisierten Lichtquelle mit rotierendem
Polfilter eine direkte Winkelmessung zwischen polarisierter Lichtquelle
und Sensor verwendet werden. Auf diese Weise kann etwa ein Winkel über eine
große
Distanz hinweg ermittelt werden. Die bauliche Einheit aus Lichtquelle
und Polfilter ist für
derartige Anwendungen zweckmäßig.
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Darüber hinaus
können
Leuchtmittelarrays oder Monitore mit Polfilterarrays ausgestattet
werden, um etwa ein Bild, das mit einer polarisationsempfindlichen
Kamera aufgenommen wurde, naturgetreu wiederzugeben. Hierzu ist
es zweckmäßig, wenn
Monitor und Kamera eine ähnliche
Filterstruktur aufweisen, zumindest die gleiche Winkelauflösung. In
diesem Fall ist kein besonderer Zwischenschritt zur Signalverarbeitung
notwendig. Ein breiteres Anwendungsfeld ergibt sich für die Erzeugung von
stereoskopischen Bildern. Eine häufige
Realisierung stereoskopischer Bilder bedient sich einer Farbbrille,
beispielsweise mit einem roten Filter für das linke und einem grünen Filter
für das
rechte Auge. Der Monitor strahlt monochrome Ansichten einer Szene
aus zwei Perspektiven in den entsprechenden Farben aus. Hierbei
bekommt das linke Auge Bilder einer ersten, das rechte Auge Bilder
einer zweiten Farbe zu sehen. Im Gehirn werden diese Bilder zu einem
räumlichen
Gesamteindruck zusammengesetzt. Der Vorteil ist, dass dieses Verfahren
mit jedem Monitor funktioniert und von der Position und Blickrichtung
unabhängig
ist. Nachteilig ist jedoch, dass keine korrekte Farbwiedergabe erfolgt.
Das Problem der Farbwiedergabe kann durch Shutterbrillen gelöst werden.
Der Monitor zeigt abwechselnd zwei Farbbilder, die Shutterbrille
(LCD-Display mit einem Element pro Auge) verdunkelt synchron zum
Monitor jeweils ein Auge. Nachteilig ist hierbei der Aufwand für die Brille,
insbesondere die Notwendigkeit einer Stromversorgung und der korrekten
Synchronisation. Zudem sinkt die effektive Bildwiederholrate auf
die Hälfte
ab. Weiterhin ist diese zeitversetzte Darstellung bei bewegten Bildern
anstrengend für
den Betrachter.
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Eine
andere Realisierung verwendet speziell präparierte Monitore, bei der
Mikroprismen oder Mikrolinsen in regelmäßigen Abständen auf dem Monitor angebracht
sind. Diese bewirken, dass Licht von jeweils geradzahligen bzw.
ungeradzahligen Spalten in das linke bzw. rechte Auge gelenkt wird.
Zur Betrachtung ist nun keine Brille erforderlich, jedoch steht
dem Betrachter nur ein enges Blickfeld zur Verfügung – bei seitlicher Betrachtung
funktioniert das Verfahren nicht. Während die Bildwiederholfrequenz bei
diesem Verfahren konstant bleibt, sinkt die Bildauflösung auf
die Hälfte.
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Die
hier vorgeschlagenen Herstellungsverfahren für Polarisationsfilterarrays
ermöglichen
eine alternative Ausgestaltung von stereoskopischen Displays, bei
denen das erzeugte Licht abwechselnd mit 90° verdrehter Ausrichtung, z.
B. senkrecht und waagerecht, polarisiert wird. Dies kann zeilen-
oder spaltenweise geschehen. Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung
ergibt sich bei mosaikartiger Anordnung, da das Auge hierbei nicht
mehr so leicht die Struktur der Bilderzeugung wahrnimmt (vgl. Bildqualität von Loch-
und Streifenmaske). Zur Betrachtung ist eine Brille erforderlich,
die je Auge ein Polfilter mit korrekter Ausrichtung für das jeweilige
Halbbild aufweist. Eine Stromversorgung der Brille oder eine Synchronisation
mit dem Monitor ist nicht erforderlich. Zudem kann der Betrachter
sich frei im Raum bewegen. Lediglich starke seitliche Neigung des
Kopfes führt
zu Darstellungsfehlern. Die Bildwiederholfrequenz bleibt bei diesem
Verfahren gleich, die Auflösung
halbiert sich bei Verwendung von zwei orthogonalen Polfilterorientierungen.
Wird die Brille abgenommen, kann mit dem Monitor jedoch ein zweidimensionales
Bild mit der ursprünglichen
Auflösung
betrachtet werden – das
menschliche Auge nimmt die unterschiedliche Polarisierung nicht
wahr.
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Die
Anwendung ist dabei nicht auf Röhren- oder
LED-Monitore beschränkt, die
prinzipiell unpolarisiertes Licht erzeugen. Auch LCD-Displays, die
inhärent
bereits mit Polfiltern ausgestattet sind und folglich polarisiertes
Licht erzeugen, können
mit zusätzlichen
Polfiltern in zueinander ortogonaler Orientierung versehen werden,
wenn die einzelnen selektiven Filter gegenüber dem ganzflächigen Filter
um +45° bzw. –45° verdreht
sind.
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Da
die Trennung von linkem und rechtem Bild, ähnlich wie bei Verwendung einer
Shutterbrille, fast ideal ist, bieten sich exotische andere Anwendungen
an. Die beiden Halbbilder müssen
nicht zwangsläufig
zu einer stereoskopischen Darstellung desselben Objekts gehören -sie
können
komplett unabhängig
sein. So kann etwa ein Halbbild einen Film wiedergeben, während das
andere Halbbild einen Nachrichtentext zeigt. Der Betrachter kann
so zwei unterschiedliche Szenen gleichzeitig wahrnehmen, sich auf
eine Szene konzentrieren, aber auf plötzliche Ereignisse in der anderen
Szene unmittelbar reagieren. Dies ist gleichsam eine Bild-neben-Bild-
anstelle der bekannten Bild-im-Bild-Darstellung.
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Wird
die Polfilterbrille mit stufenweise drehbaren Filtern ausgestattet,
so ergeben sich weitere interessante Möglichkeiten. Neben der stereoskopischen
Darstellung (und einer inversen stereoskopischen Darstellung) gibt
es nun die Möglichkeit,
mit beiden Augen entweder Szene 1 oder Szene 2 zu verfolgen. So
könnte
eine Szene zeitgleich aus zwei völlig
unterschiedlichen Perspektiven dargestellt werden, und jeder Beobachter
kann sich frei entscheiden, welche Perspektive er sehen möchte. Ein
Fernseher mit mehreren Empfängern
oder ein Monitor kann, bei vorzugsweiser Verwendung von Kopfhörern, zeitgleich
zwei komplett unterschiedliche Filme wiedergeben. Im Freizeit- und
Computerbereich sowie in der Medizintechnik ergeben sich vielfältige Möglichkeiten.
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Wenn
der Monitor analog zur Kamera nach Beispiel 4 mit vier Filtern ausgestattet
ist, so ist bei Darstellung eines stereoskopischen Signals nicht
mit dem Verlust von 50% der Auflösung
bzw. Bildhelligkeit verbunden, sofern die jeweils diagonal zur Brille polarisierten
Pixel eine Mischinformation aus den korrekt orientierten Pixeln
wiedergeben. Dies erfordert jedoch eine spezielle Verarbeitung der
stereoskopischen Halbbilder vor der Darstellung.
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Beispiel 6: Projektion
von stereoskopischen Bildern
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Eine
Anwendung auf Projektoren ist ebenfalls möglich. Hierbei liegen die Polfilter
nicht zwangsläufig
zwischen Lichtquelle und Betrachter, stattdessen kann Licht durch
ein Polfilterarray mit wechselnden Orientierungen der Polarisationsebene auf
eine Leinwand projiziert werden.
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Die
bauliche Einheit von Bildgeber und Polarisationsfilter ist zur Projektion
von Bildern auf eine große
Fläche
ungeeignet, da sich das Polfilter durch die Absorption von ungeeignet
polarisiertem Licht erwärmt.
Es ist daher sinnvoll, die Polfilterfläche zu vergrößern. Die
maximale Größe kann
das Filter unmittelbar vor der Projektionsfläche oder Leinwand annehmen.
In diesem Fall ist es auch nicht relevant, ob die Projektionsfläche oder
Leinwand die Polarisationsebene des Lichtes erhält oder nicht, da das reflektierte
Licht auf dem Weg zum Betrachter erneut durch das Filter tritt.
Die Anordnung ist in 10 dargestellt. Ein Projektor 1002 projiziert
ein Bild auf die Mattscheibe 1000, wobei das Licht zuvor
durch eine Polfiltermatrix 1001 gelangt. Vorzugsweise werden
in der Polfiltermatrix abwechselnd orthogonal zueinander polarisierte
Filterbereiche verwendet, wobei jeder dieser Bereiche gewissermaßen einem
Bildpunkt entspricht. Der Projektor muss nun alle Bildinformationen,
die zu einem bestimmten stereoskopischen Halbbild gehören, durch
einen passend polarisierten Bereich des Polfilters projizieren.
Schaut der Betrachter 1003 durch eine Brille mit geeignet
polarisierten Filtern 1004 auf die Projektionsfläche 1000,
so kann er eine räumliches
Bild wahrnehmen, wobei seine Position relativ zur Projektionsfläche unerheblich ist.
Projektor und Leinwand müssen
jedoch in der Auflösung
aufeinander abgestimmt sein. Zur Erzeugung der beiden Halbbilder
kann daher vorzugsweise ein digitaler Projektor verwendet werden,
dessen Bild pixelweise definiert ist und bei dem für jedes
Pixel ein passend polarisierter Bereich auf der Projektionsfläche existiert.
Insbesondere bei Verwendung analoger Projektoren ist auch die Verwendung
zweier Lochblenden sinnvoll, die das Signal jeweils eines Projektors
nur zu den zugehörigen
Bereichen der Projektionsfläche
durchlassen und Anteile, die auf nicht zugehörige Bereiche projiziert würden, reflektieren
oder absorbieren.