DE102007049189B4 - Verfahren zur Messung von Streulicht mit einer kompakten mikrooptoelektronischen Emitter-Empfänger-Baugruppe und Streulichtsensor - Google Patents

Verfahren zur Messung von Streulicht mit einer kompakten mikrooptoelektronischen Emitter-Empfänger-Baugruppe und Streulichtsensor Download PDF

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Abstract

Verfahren zur Messung von Streulicht mit einer kompakten mikrooptoelektronischen Emitter-Empfänger-Baugruppe, welche ein Substrat (10) mit lichtsensitiven Detektoren (7) enthält, einen oder mehrere auf dem Substrat (10) verankerte optische Emitter (1), einen sich über dem Substrat (10) befindenden strukturierten Abstandhalter (6), der ein Luftvolumen um den Emitter (1) erzeugt und ein strahlformendes mikrooptisches Element, welches sich in dem Luftvolumen befindet und an einer Abdeckung (3) fixiert ist, wobei die die Baugruppe verlassende Strahlung einen Hohlzylinder oder einen divergierenden Hohlkegel bildet, der nach Durchstrahlung eines streuenden Mediums auf eine Fläche eines Absorbers (9) trifft, die einer Querschnittsfläche des Hohlzylinders oder des divergierenden Hohlkegels entspricht, wobei Restreflexionen, die den Absorber (9) verlassen, die Detektoren (7) nicht erreichen können, und wobei die am streuenden Medium gestreute Strahlung auf zentral an den Absorber angrenzende reflektierende Bereiche trifft und von dort die Detektoren (7) erreicht.

Description

  • Die Erfindung betrifft einen reflektiven Streulichtsensor, der auf einer mikrooptoelektronischen Baugruppe basiert.
  • Strahler-Empfänger-Baugruppen, die als Empfänger Silizium-pin-Fotodioden einsetzten, sind u. a. aus DE 103 09 747 A1 bzw. DE 102 47 482 A1 bekannt. Es ist ebenfalls bekannt, diese Strahler-Empfänger-Baugruppen mit LEDs bzw. Lasern als Emitter zu versehen. So können beispielsweise auch so genannte Vertical Cavity Surface Emitting Laser (VCSEL) als Emitter eingesetzt werden. Bei Strahler-Empfänger-Baugruppen, welche auf einem Siliziumsubstrat basieren, sind die genannten Emitter im Allgemeinen in einer Kavität, welche in das Silizium geätzt wird, eingebracht.
  • VCSEL-Elemente besitzen auf der Seite der Laseraustrittsöffnung den Anschluss für Anode und Kathode oder nur den Anschluss für die Anode. Im letztgenannten Fall ist die elektrische Zuführung zur Kathode als Rückseitenkontakt ausgeführt. Das bedeutet, bei Montage einer VCSEL in der oben genannten Kavität aus Silizium steht die optische Achse senkrecht auf der Fläche, die den Boden der Kavität darstellt.
  • Besonders Strahler-Empfänger-Baugruppen, die mit VCSEL als Emitter versehen sind, können vorteilhaft für die reflektive Streulichtmessung eingesetzt werden. Dies folgt aus der Tatsache, dass in der Nähe der Detektoren in einem relativ kleinen Volumen (relativ beispielsweise bezogen auf LEDs) eine relativ hohe Strahlungsleistung eingebracht werden kann. Erfolgt die Strahlung einer VCSEL in Z-Richtung (optische Achse), dann ist die Intensität in X- und in Y-Richtung gaußförmig verteilt. Die maximale Intensität Imax ist bei ca. ±9° auf einen Wert von Imax·1/e2 abgefallen.
  • Für einen Streulichtsensor besteht die allgemeine Aufgabe den Empfang von Streulicht zu maximieren und den Empfang von Licht, welches das Streulicht generiert, das so genannte Primärlicht, zu minimieren.
  • Für eine Anordnung nach ISO 13320-1 (Partikelgrößenanalyse mit Methoden der Laserbeugung), der eine Durchlichtanordnung zugrunde liegt, wird die Primärstrahlung auf einen Teil des Detektors fokussiert. Der Detektor, welcher segmentiert ist, wird an dieser Stelle nicht für die Streulichtmessung verwendet.
  • Bei reflektiven optischen Streulichtsensoren wird im Allgemeinen in einer gewissen Entfernung zum Sensor in Richtung der optischen Achse ein Absorber angebracht. Dieser hat die Aufgabe als Lichtfalle zu fungieren, das Primärlicht von den Detektoren fern zu halten bzw. vagabundierende Primärlichtanteile zu unterdrücken. Es kann sich auch um eine strukturierte Einheit aus Absorber und Reflektor handeln. In diesem Fall ist es möglich, auch vorwärts gestreute Strahlung den Detektoren zuzuführen. Dabei ist zu beachten, dass jede Art von optischem Absorber eine gewisse Restreflexion aufweisen wird.
  • In der US 5 130 531 A ist ein reflektierender Fotosensor beschrieben, der eine kompakte mikrooptoelektronische Emitter-Empfänger-Baugruppe enthält, wobei auf einem Substart lichtsensitive Elemente angeordnet sind. Nachteilig ist bei dieser Anordnung, dass keine Vorkehrungen getroffen sind, die ein Überkoppeln von Streulicht, welches innerhalb der Strahler-Empfänger-Baugruppe generiert wird, verhindern oder minimieren
  • Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen reflektiven Streulichtsensor anzugeben, der eine Verbesserung der Messgenauigkeit gegenüber bekannten Anordnungen ermöglicht.
  • Erfindungsgemäß wird die Aufgabe mit einem Verfahren, welches die in Anspruch 1 angegebenen Merkmale und mit einer Vorrichtung, welche die in Anspruch 3 angegebenen Merkmale enthält, gelöst.
  • Vorteilhafte Ausgestaltungen sind in den Unteransprüchen angegeben.
  • Der erfindungsgemäße reflektive optische Streulichtsensor basiert auf einer Strahler-Empfänger-Baugruppe, bei dem ein Anteil der Primärstrahlung bei Reflexion die Detektoren nicht erreichen kann. Dabei ist die Restreflexion an einem Absorber eingeschlossen. Primärstrahlung trifft auf Absorberflächen. Gestreute Strahlung trifft auf reflektierende Flächen. Die Absorber/Reflektor-Anordnung liegt in Richtung der optischen Achse der Strahler-Empfänger-Baugruppe gegenüber.
  • Dabei ist an einer Glasabdeckung ein optisch reflektiv, diffraktiv oder refraktiv wirkendes Element angebracht, welches von einem Gas oder Vakuum umgeben ist. Vorzugsweise ist dieses Element rotationssymmetrisch ausgeführt, so dass das Zentrum von der optischen Achse durchdrungen wird.
  • Ein reflektiv wirkendes optisches Element kann ein mit Ultrahochpräzision hergestellter spiegelnder Kegel sein, dessen Spitze in Richtung der optischen Achse des Emitters zeigt.
  • Ein refraktiv wirkendes optisches Element kann weiterhin ein prismatischer Ring sein, der auch als Ringlinse bezeichnet wird. Die lichtbrechenden Oberflächen des Rings können ein sphärisches oder asphärisches Profil haben. Im Extremfall kann die Linse zum Axicon entarten und keine Krümmung der Oberfläche mehr aufweisen.
  • Das refraktiv wirkende optische Element besteht vorteilhaft aus einem für die Primärstrahlung transparenten Material mit der Brechzahl nahe der der Glasabdeckung. Eine Entspiegelung der brechenden Oberflächen kann von Vorteil sein. Die Ringlinse kann aus einem lichthärtendem Polymer bestehen und durch ein Replikationsverfahren hergestellt werden. Der Master entstünde dann aus einem Reflow, der aus einem zuvor auf Si oder Glas lithographisch strukturierten Photolack basiert. Um ein monolithisches Element mit der Glasabdeckung zu erhalten, kann diese abgeformte Polymerringlinse noch durch ein Proportionalätzverfahren ins Glas übertragen werden. Die Abformung der Ringlinse kann auf einer Schicht eines lithographisch strukturierbaren und für die Emissionswellenlänge der Primärquelle stark absorbierendem Polymer erfolgen.
  • Die Erfindung wird im Folgenden anhand von Ausführungsbeispielen näher erläutert.
  • In den zugehörigen Zeichnungen zeigen:
  • 1 eine schematische Darstellung für eine Ausführungsform mit einem refraktiv wirkendem optischen Element im Schnitt,
  • 2 eine Modelldarstellung für eine Ausführung mit Strahler-Empfänger-Baugruppe und Absorber/Reflektor-Einheit,
    und
  • 3 eine schematische Darstellung der Sensorkonfiguration.
  • 1 zeigt eine Ausführung mit einem refraktiv wirkenden optischen Element mit einem sphärischen Profil (Ringlinse). Das Element befindet sich an der Grenzfläche zwischen Luftzylinder 5 und Glasabdeckung 3. Der Luftzylinder 5 schließt sich an die Glasabdeckung 3 an. Auf der Grenzfläche zwischen der Ringlinse 2 und der Glasabdeckung 3 befinden sich Blenden 4, die aus einem hoch absorbierenden Material bestehen. Die Strahlen sind im dargestellten Fall mit einem halben Öffnungswinkel von 9° divergent, bevor sie die Ringlinse 2 erreichen. Die Strahlungsverteilung nach der Ringlinse 2 kann als Hohlkegel aufgefasst werden. Die Strahlungsverteilung nach der Ringlinse 2 trifft auf den absorbierenden Bereich 9. Streustrahlung trifft auch auf den Reflektor 8.
  • Die Geometrie der Blenden 4 bestimmt die Kontur des Hohlkegels und die Ausleuchtung der Ringlinse 2, sie verhindert Streulicht innerhalb der Baugruppe und isoliert so die Primärquelle von den Detektoren 7.
  • Der Luftzylinder 5 wird mittels eines so genannten Abstandshalters 6 erzeugt. Dieser ist mit einer Bohrung ausgeführt, besteht aus einem für die Primärstrahlung stark absorbierendem Material und hält die Ringlinse 2 auf dem richtigen Abstand zum Emitter 1. An den Stellen, an denen sich Detektoren 7 befinden, ist dieser Abstandhalter transparent oder ganz entfernt.
  • Auch die reflektiv bzw. diffraktiv wirkenden optischen Elemente erzeugen hohlkegelartige Strahlungsverteilungen.
  • In 2 ist eine Kombination von Strahler-Empfänger-Baugruppe mit integriertem optischen erfindungsgemäßen Funktionselement und einer Absorber/Reflektor-Struktur dargestellt. Die optische Funktion entspricht der in 1 dargestellten Ringlinse 2 mit sphärischem Profil. Bei dieser Darstellung handelt es sich um ein zeichnerisches Modell für einen Raytracing-Versuch. Das Modell wird begrenzt von einer Zylinderstirnfläche, einer Zylindermantelfläche, einem Absorber und einem Reflektor. Innerhalb eines Luftzylinders befindet sich das Modell des Emitters, welcher die zugehörigen Strahlen aussendet. Hier sind ausschließlich Strahlen in der Z-X-Ebene dargestellt. Die Divergenz der Strahlen variiert zwischen einem und neun Grad. Das Modell ist rotationssymmetrisch, daher ist dieser Strahlenverlauf repräsentativ für alle Ebenen, die senkrecht auf der Y-X-Ebene stehen. An der Grenzfläche zwischen Luft und der Glasabdeckung befindet sich die Ringlinse.
  • 2 zeigt, dass Primärstrahlung, die als Restreflexion den als Ring angeordneten Absorber verlässt, den Detektor nicht erreicht. Diese Strahlung trifft vielmehr gänzlich auf die Zylindermantelfläche. Diese Zylindermantelfläche stellt nur eine virtuelle Begrenzung dar. Daher ist es zulässig, diese als 100%igen Absorber im Modell zu definieren.
  • In 3 ist eine Ausführungsform für die erfindungsgemäße Strahler-Empfänger-Baugruppe dargestellt. Infolge Symmetrie der Schnittdarstellung ist nur eine Seite dargestellt. Infolge der Symmetrie der Schnittdarstellung ist nur eine Seite dargestellt. In ein Substrat 10, welches aus Silizium besteht, werden rotationssymmetrisch Fotodioden 11 eingebracht. Diese umgeben eine zentrale Grube, in der ein vertikal emittierender Laser 12 aufgeklebt und kontaktiert ist. Seine Divergenz beträgt etwa 20° Vollwinkel und seine Wellenlänge liegt bei 850 nm. Auf dem planaren Siliziumsubstrat 10 wird der Abstandshalter 6 aufgebracht. Dieser besteht aus strukturiertem und damit für die Wellenlänge des vertikal emittierenden Lasers 12 undurchlässigem Foturan®. Foturan® ist eine Produktbezeichung der Firma Schott. Über der Grube ist der Abstandshalter 6 mit einem Loch versehen. Die Flächen über den Fotodioden 11 sind unstrukturiert und damit transparent. Stege zwischen den einzelnen Fotodioden können ebenfalls strukturiert werden um eine bessere Trennschärfe zwischen den einzelnen Dioden zu erreichen. Das Sensorelement wird durch eine Kombination aus Abdeckung 3 und Ringlinse 2 komplettiert. Die Abdeckung besteht aus einem chemisch beständigen Material, wie Borofloatglas. Auf seine Unterseite werden mit einem lichtundurchlässigen und strukturierbaren Polymer Blenden 13 aufgebracht. Sie begrenzen den primären Strahlkegel des vertikal emittierenden Lasers 12 und verhindern die Lichtleitung innerhalb der Abdeckung 3. Durch das Aufbringen der Polymer Blenden 13 wird auch das Licht in senkrechter Richtung abgeblendet. Auf diese Blendenstruktur wird die Ringlinse 2 abgeformt. Sie hat hier die Form eines Rings mit radialsymmetrischem, asphärischem Querschnitt. Ihre optisch wirksame Fläche wird durch die darunter liegende Blendenstruktur bestimmt. Durch den mit Luft gefüllten Raum über dem vertikal emittierenden Laser 12 erfolgt eine stärkere refraktive Wirkung als bei Immersionsfüllung mit Öl. Die Ringlinse 2 ragt immer in das Loch des Abstandshalters 6. So entsteht durch die prismatische Wirkung der symmetrisch dezentrierten Ringlinse 2 ein Hohlkegel mit veränderter Divergenz. Seine Form ist über die Dezentrierung und freie optische Fläche einstellbar. Durch die Hohlform entsteht bei der parasitären, aber gerichteten Rückreflexion eine Art Schattenbereich, der das ungewollte Beleuchten der Fotodiodensegmente verhindert.
  • Die vorteilhafte Wirkung der Erfindung besteht zum einen darin, dass Primärstrahlung, die an einer dem Sensor in Richtung der optischen Achse gegenüberliegenden ebenen Absorber/Reflektor-Anordung, deren Flächennormale in die gleiche Richtung zeigt wie die optische Achse, die Detektoren nicht erreichen kann. Dies führt dazu, dass das Verhältnis zwischen empfangenem Streulicht und empfangenem Primärlicht sich zugunsten des eigentlich signalgenerierendem Streulichts verschiebt.
  • Weiterhin besteht die vorteilhafte Wirkung der Erfindung darin, dass durch die mikrooptische Ausführung des optischen Elementes die Abschattung der emittierten Strahlung im Zentralbereich des optischen Elements sehr klein gehalten werden kann. Das System bekommt dadurch trotz der Strahlformung eine hohe und damit vorteilhafte Transmission. Das bedeutet, die optische Leistung, die zur Streulichterzeugung beiträgt, ist nur geringfügig kleiner als die Leistung, die die Emitteraustrittsfläche verlässt.
  • Zum Dritten besteht die vorteilhafte Wirkung der Erfindung darin, dass sich einerseits das optische Element an einer Stelle des Systems befindet, an der definierte und günstige Umweltbedingungen herrschen. Andererseits behält der Sensor trotz Strahlformung eine glatte und chemisch beständige Oberfläche. Dies kann z. B. durch die Verwendung von optischem Glas, Borofloatglas, Quarz oder Saphir erreicht werden.
  • Zudem besteht letztlich die vorteilhafte Wirkung der Erfindung darin, dass abgesehen von der zentralen toten Fläche im Zentrum des optischen Elements, die energiereichen Anteile der Strahlung stark nach außen weg gebrochen werden. Dies gilt unter der Maßgabe, dass eine gaußförmige Leistungsverteilung auf das optische Element trifft. Energieärmere Anteile mit größeren Öffnungswinkeln werden nicht so stark nach außen weg gebrochen. Das bedeutet, bezogen auf 2, dass die Energie, die auf den Absorberring nahe des zentralen Reflektors fällt, kleiner ist als in äußeren Bereichen des Absorberrings. Damit wird gewährleistet, dass es am Rand des zentralen Reflektors keinen Intensitätssprung gibt. Hinzu kommt, dass Variationen in der Abstrahlcharakteristik der Emitter durch die Kombination aus Ringlinse und Blenden einfach ausgeglichen werden können.
  • Bezugszeichenliste
    • 1
    Lichtquelle (Emitter)
    2
    Ringlinse
    3
    Abdeckung
    4
    Blenden
    5
    Luftzylinder
    6
    Abstandshalter
    7
    Detektor
    8
    Reflektor
    9
    Absorbierender Bereich
    10
    Substrat
    11
    Fotodiode
    12
    vertikal emittierender Laser
    13
    Polymer Blenden

Claims (10)

  1. Verfahren zur Messung von Streulicht mit einer kompakten mikrooptoelektronischen Emitter-Empfänger-Baugruppe, welche ein Substrat (10) mit lichtsensitiven Detektoren (7) enthält, einen oder mehrere auf dem Substrat (10) verankerte optische Emitter (1), einen sich über dem Substrat (10) befindenden strukturierten Abstandhalter (6), der ein Luftvolumen um den Emitter (1) erzeugt und ein strahlformendes mikrooptisches Element, welches sich in dem Luftvolumen befindet und an einer Abdeckung (3) fixiert ist, wobei die die Baugruppe verlassende Strahlung einen Hohlzylinder oder einen divergierenden Hohlkegel bildet, der nach Durchstrahlung eines streuenden Mediums auf eine Fläche eines Absorbers (9) trifft, die einer Querschnittsfläche des Hohlzylinders oder des divergierenden Hohlkegels entspricht, wobei Restreflexionen, die den Absorber (9) verlassen, die Detektoren (7) nicht erreichen können, und wobei die am streuenden Medium gestreute Strahlung auf zentral an den Absorber angrenzende reflektierende Bereiche trifft und von dort die Detektoren (7) erreicht.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Querschnitts Fläche des Hohlzylinders oder des Hohlkegels kreisförmig ist.
  3. Streulichtsensor, mit einer kompakten mikrooptoelektronischen Emitter-Empfänger-Baugruppe, bei der auf einem Substrat (10) lichtsensitive Detektoren (7) angeordnet sind, und ein oder mehrere optische Emitter (1) angeordnet sind, und sich über dem Substrat (10) ein strukturierter Abstandshalter (6) befindet, der ein Luftvolumen über dem Emitter (1) erzeugt, wobei sich in dem Luftvolumen ein strahlformendes, mikrooptisches Element befindet, welches an einer dem Emitter zugewandten Fläche einer für die Wellenlänge des Emitters (1) transparenten Abdeckung (3) fixiert ist, wobei auf die dem Emitter zugewandte Fläche Blenden (4) aufgebracht sind, wobei die Abdeckung (3) auf dem Abstandshalter (6) aufliegt, und wobei der Abstandshalter (6) aus strukturiertem und für die Wellenlänge des Emitters (1) absorbierendem Material besteht, und wobei Flächen des Abstandshalters über den Detektoren (7) unstrukturiert und damit transparent sind, und wobei der Abstandshalter (6) über dem Emitter (1) mit einem Loch versehen ist.
  4. Streulichtsensor nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass das mikrooptische Element eine refraktiv wirkende Ringlinse (2) mit einem sphärischen oder asphärischen Profil darstellt und dass der Emitter (1) eine vertikal emittierende Laserdiode (12) ist.
  5. Streulichtsensor nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Ringlinse (2) radialsymmetrisch ausgebildet ist.
  6. Streulichtsensor nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass das mikrooptische Element einen reflektierenden Kegel darstellt, dessen Spitze in Richtung der optischen Achse des Emitters (1) und zu diesem hin zeigt.
  7. Streulichtsensor nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass das mikrooptische Element aus einer diffraktiv wirkenden Struktur besteht.
  8. Streulichtsensor nach einem der Ansprüche 3 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass das Substrat (10) aus Silizium besteht und die Detektoren (7) als Fotodioden (11) in das Substrat (10) eingebracht sind.
  9. Streulichtsensor nach einem der Ansprüche 3 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Blenden (4) als Polymerblenden (13) ausgebildet sind sind.
  10. Streulichtsensor nach einem der Ansprüche 3 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass das strahlformende mikrooptische Element und die Abdeckung (3) monolithisch ausgeführt sind.
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