DE102009002196A1 - Optoelektrische Vorrichtung mit einer Leiterplatte - Google Patents

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Abstract

Es wird eine optoelektronische Vorrichtung (1) mit einer optischen Leiterplatte (2), welche Lichtleiter (3, 4, 5) sowie Elektronikmittel (6, 10) umfasst. Erfindungsgemäß sind Freiraumemissionsmittel (6) mit einer Ablenkeinrichtung zur Emission von Lichtstrahlen in veränderbar unterschiedliche Raumwinkeleinrichtungen auf der Leiterplatte (2) angeordnet.

Description

  • Stand der Technik
  • Die Erfindung betrifft eine optoelektronische Vorrichtung mit einer Leiterplatte nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
  • Optoelektronische Module wurden für viele Applikationen immer weiter miniaturisiert.
  • Für den Bereich der optischen Datenübertragung wurden bereits erste Systeme unter Verwendung sogenannter ”optischer Leiterplatten” realisiert. Statt des Begriffes ”optische Leiterplatte” wird auch teilweise der Begriff ”optoelektronische Leiterplatte” oder ”elektrooptische Leiterplatte” verwendet. Eine solche Leiterplatte ist beispielsweise aus der E 13 59 441 A1 bekannt. Regelmäßig wird in derartigen Systemen ein Lichtleiter, z. B. eine Lichtleitfaser oder ein Lichtwellenleiter verwendet, die einen Teil der aus normalerweise Kupfer hergestellten elektrischen Verdrahtung auf der Leiterplatte ersetzt, um statt des elektrischen Signals ein optisches Signal zu nutzen. Zum Beispiel sind in der optischen Leiterplatte Lichtleiter integriert, die einen Kern aus Polymer oder Glas besitzen, und ummantelt sind mit einem Material, das einen kleineren Brechungsindex besitzt. Es ist weiterhin bekannt, optische Leiterplatten in SMD-Technik mit optoelektronischen Bauteilen, wie z. B. optischen Receivern zu bestücken, um aus den Lichtsignalen elektrische Signale erzeugen zu können.
  • Offenbarung der Erfindung
  • Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, den Einsatzbereich von optoelektronischen Vorrichtungen mit einer optischen Leiterplatte zu erweitern.
  • Diese Aufgabe wird durch die Merkmale des Anspruchs 1 gelöst.
  • In den abhängigen Ansprüchen sind vorteilhafte und zweckmäßige Weiterbildungen der Erfindung angegeben.
  • Die Erfindung geht von einer optoelektronischen Vorrichtung mit einer optischen Leiterplatte aus, welche integrierte Lichtleiter sowie Elektronikmittel umfasst. Der Kern der Erfindung liegt darin, dass Freiraumemissionsmittel mit einer Ablenkeinrichtung zur Emission von Lichtstrahlen in ansteuerbar, veränderbar unterschiedliche Raumwinkelrichtungen auf der Lichtleiterplatte angeordnet sind und dass die Freiraumemissionsmittel mit einem Lichtleiter der Leiterplatte optisch gekoppelt sind.
  • Durch diese Vorgehensweise lässt sich eine enorme Miniaturisierung von optoelektronischen Modulen erreichen, die Licht in den freien Raum emittieren. Beispielsweise werden miniaturisierte Beamer, z. B. in Handys oder spezialisierte Endoskope erst durch eine solche Miniaturisierung möglich.
  • Miniaturisierte Beamer, Endoskope oder ähnliche elektronische Systeme zur Freiraumemission bestehen heutzutage aus Einzelkomponenten, die Justage der optischen und optoelektronischen Komponenten ist typischerweise schwierig und limitiert die Performance der Systeme.
  • Durch eine Anbringung von Freiraumemissionsmitteln unmittelbar auf der optischen Leiterplatte lässt sich eine große Genauigkeit der Positionierung anderer auf der Leiterplatte montierter optischer Module zu den Freiraumemissionsmitteln und insbesondere zu Lichtleitersystemen und Koppelstellen erreichen. Durch diese Vorgehensweise lassen sich darüber hinaus die Kosten bei der Herstellung reduzieren, insbesondere durch eine Verringerung der Fertigungskomplexität der elektrischen Module. Überdies wird aufgrund der verbesserten Justage und kompakten Anbringung eine Reduktion von Streulicht erreicht.
  • Als Freiraumemissionsmittel können verschiedene optische Einheiten zur Anwendung kommen. Beispielsweise lässt sich ein miniaturisierter Scanner (Mikroscanner) einsetzen. Es können jedoch auch flächige Lichtablenkeinheiten zur Anwendung kommen, wie z. B. ein LCD (Liquid Crystal Display), ein LCoS (Liquid Crystal an Silicon) und/oder ein DMD-Chip (Digital Mirror Devise-Chip).
  • Im Weiteren ist es bevorzugt, wenn eine Lichtquelle ebenfalls auf der optischen Leiterplatte montiert ist. Zum Beispiel kann ein Laser oder eine LED (Light Emitting Diode) verwendet werden.
  • Eine Reduktion der Fertigungskomplexität lässt sich auch dadurch erreichen, dass Bauelemente in die optische Leiterplatte durch ”Ein-Snappen” montiert werden.
  • Zum Beispiel können auch Freiraumemissionsmittel, wie Mikroscanner oder Linsen sowie Blenden senkrecht zur optischen Leiterplatte montiert werden. Durch diese Maßnahme kann gegebenenfalls eine Vereinfachung bei der Lichtführung erreicht werden. Findet eine Flip-Chip-Montage statt, können mit unterschiedlichen ”Bump-Höhen”, Lichtquellen, Freiraumemissionsmittel und andere Einheiten auch geneigt montiert werden.
  • Optische und elektrische Ebenen in der optischen Leiterplatte werden vorzugsweise derart gezielt strukturiert, dass ohne zusätzliche Elemente oder Prozessschritte Blenden oder Linsenmittel realisiert werden. Solche Elemente müssen dann nachträglich nicht durch eine aufwändige Justage und Montage an der Leiterplatte angeordnet werden.
  • Lichtleiter können auch in hochintegrierter Form, z. B. als photonische Kristallstruktur realisiert auf der Leiterplatte aufgebaut werden.
  • Für eine gute optische Performance der Freiraumemissionsmittel wird im Weiteren vorgeschlagen, dass die Freiraumemissionsmittel über mehrere Lichtleiter mit mehreren Lichtquellen optisch gekoppelt sind. Damit lassen sich z. B. Bilder in natürlichen Farben projizieren. Denkbar sind z. B. Anwendungen in Handys, die dadurch in der Lage sind, eine Projektion von farbigen Bildern auf Oberflächen auszuführen.
  • Die Kopplung der Freiraumemissionsmittel an mehrere Lichtquellen kann über mehrere Lichtleiter erfolgen, die unmittelbar an die Freiraumemissionsmittel angeschlossen sind oder sich, bevor sie die Freiraumemissionsmittel erreichen, zu einem Lichtleiter vereinigen, der dann in die Freiraumemissionsmittel eingeleitet wird. Das hat den Vorteil, dass Licht verschiedener Lichtquellen nicht mit unterschiedlichen Winkeln auf die Freiraumemissionsmittel trifft, sondern nur eine Richtung besitzt.
  • Zur Einspeisung von Licht verschiedener Lichtquellen ist es darüber hinaus bevorzugt, wenn mehrere Lichtquellen sequentiell an einem Lichtleiter angeordnet sind. Durch diese Maßnahme wird automatisch nur ein Lichtleiter zu den Freiraumemissionsmitteln geführt.
  • In einer überdies bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung ist auf der Leiterplatte ein Detektor zur Abstandsbestimmung von Objekten angeordnet. Der Detektor kann z. B. im Infrarotbereich arbeiten. Für die Anwendung in einem Beamer kann neben den sichtbaren Farben rot, grün und blau zusätzlich ein Infrarotsignal verwendet werden. Dieses Infrarotsignal ist für den menschlichen Betrachter unsichtbar, so dass es den Bildeindruck nicht stört. Das Infrarotsignal kann zur Bestimmung des Abstandes von Gegenständen im Lichtkegel des Beamers genutzt werden. Damit lässt sich die Sicherheit für Anwender verbessern, deren Augen gegebenenfalls durch das Beamerlicht in Mitleidenschaft gezogen werden kann. Befindet sich ein Nutzer z. B. näher am Beamer als ein definierter minimaler Grenzwert, was sich über die Abstandsmessung feststellen Misst, so kann die Strahlungsleistung so weit reduziert werden, dass eine Augensicherheit für den Anwender gewährleistet ist. Die Abstandsbestimmung erfolgt beispielsweise durch Detektion des rückreflektierten Infrarotlichts. Der Infrarotdetektor kann an verschiedenen Stellen der optischen Leiterplatte realisiert werden. Die Einkopplung des Infrarotsignals kann auf die gleiche Weise erfolgen, wie das z. B. Drei-Farben-Licht des Beamers eingespeist wird, und lässt sich zu einem Scannerelement über das für die drei Farben genutzte Lichtleitersystem führen.
  • Um insbesondere den ”Speckle-Effekt” zu reduzieren, der eine Art ”Wabern” eines projizierten Bildes auf der Grundlage von Laserlichtquellen verursacht, ist es im Weiteren bevorzugt, wenn in einem Lichtleiter, der zu den Freiraumemissionsmitteln geführt ist, ein optischer Modulator angeordnet ist. Als optische Modulatoren können z. B. Kerr- oder Pockels-Zellen oder zeitlich variierende DOE (Diffraktive optische Elemente) sowie zeitlich variierende photonische Kristalle zur Anwendung kommen. Mit diesen Elementen kann insbesondere die Amplitude, Phase oder Polarisation moduliert werden. Durch eine Amplitudenmodulation ist es denkbar, für z. B. Beameranwendungen Continous Wave-Laserquellen anstatt modulierter Laserquellen zu verwenden. Dies kann insbesondere dann von Vorteil sein, wenn grünes Licht projiziert werden soll, da schnell modulierende grüne Laserquellen derzeit noch nicht serienreif verfügbar sind und zudem einen großen Kostenanteil bei einem Laserprojektionsbeamer ausmachen. Eine Modulation durch einen Modulator sollte vorzugsweise schnell, d. h. im Bereich von mehreren zehn MHz erfolgen. Ist die Modulationsfrequenz höher als die Integrationszeit des Detektors, beispielsweise des menschlichen Auges, lässt sich im Falle einer Laserprojektion durch die Modulation der ”Speckle-Effekt” reduzieren.
  • Ein Modulator kann in einer Vertiefung der optischen Leiterplatte sozusagen als Bindeglied zwischen zwei Lichtleitern in deren Ebene liegen. Es kann z. B. über SMD-Technik montiert werden oder durch Flip-Chip-Montage. Alternativ ist es jedoch auch denkbar, den Modulator auf der Oberfläche der Leiterplatte anzuordnen. In diesem Fall muss allerdings das Licht zu dem oberflächenmontierten Bauteil geführt werden.
  • Ausführungsbeispiele der Erfindung
  • Mehrere Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und werden nachstehend unter Angabe weiterer Vorteile und Einzelheiten näher erläutert.
  • Es zeigen
  • 1a und 1b: in einem stark schematisierten Schnittbild jeweils optische Leiterplatten mit elektrooptischen Modulen,
  • 2 bis 5: in jeweils einer stark schematisierten Draufsicht den prinzipiellen Aufbau einer optischen Leiterplatte mit Lichtleitern und elektrooptischen Modulen von vier verschiedenen Ausführungsformen,
  • 6: in einem schematisierten Schnittbild eine weitere Ausführungsform einer optischen Leiterplatte mit integrierten optoelektronischen Modulen und
  • 7a bis 8b: den prinzipiellen Aufbau von zwei weiteren Ausführungsbeispielen einer optischen Leiterplatte in einer schematisierten Draufsicht (7a und 8a) sowie in einer schematisierten Seitenansicht (7b und 8b).
  • 1a zeigt den schematischen Aufbau einer optoelektronischen Vorrichtung 1 mit einer optischen Leiterplatte 2, die integrierte Lichtleiter 3, 4, 5 sowie eine Ablenkeinrichtung in Form eines Mikroscanners 6 und eine Lichtquelle, z. B. in Form eines VCSEL-Lasers 7. Die Lichtleiter 3, 4, 5 umfassen einen Lichtleiterkern 8 und einen Lichtleitermantel 9. Der Lichtleiter 3 besitzt zur Ein- und Auskopplung eines Lichtstrahls 10 geneigte Spiegelflächen, z. B. um 45° geneigte Spiegelflächen 11, 12 am jeweiligen Ende des Lichtleiters 3.
  • Eine elektrische Lage 13 kann in der optischen Leiterplatte unterhalb einer Ebene der Lichtleiter 3, 4, 5 angeordnet sein. Die Lichtquelle 7 und der Mikroscanner 6 sind vorzugsweise über Flip-Chip-Technik montiert. Der Mikroscanner 6 weist z. B. ein Spiegelelement 14 auf, das durch geeignete Ansteuerung den Lichtstrahl 10 in verschiedene Raumwinkelrichtungen reflektieren kann, um bei entsprechender Modulation des Lichtstrahls, z. B. auf einer Projektionsebene, ein Bild entstehen zu lassen.
  • Ein möglicher Raumwinkel ist durch ein schraffiertes Dreieck 15 symbolisiert.
  • Da die Ablenkeinheit 6 nicht in Abstrahlrichtung der Lichtquelle 7 liegt, wird Streulicht reduziert. Eine Lötverbindung von Lichtquelle 7 und Mikroscanner 6 mit der Leiterplatte 2 ermöglicht eine einfache Justage mit Selbstjustageeffekt über die entsprechenden Lötpads. Dieser Vorteil kann insbesondere bei Flip-Chip-Montage genutzt werden.
  • 1b zeigt abschnittsweise die gleiche optische Leiterplatte, wie in 1a, jedoch nicht mit einer Lichtquelle 7 in Form eines Flächenemitters, sondern in Form eines Kantenemitters 16, der in der Achse des Lichtleiters 17 einen Lichtstrahl 18 einstrahlt.
  • Um das emittierte Licht mehrerer Lichtquellen in ein und derselben Ablenkeinrichtung verarbeiten zu können, sind Anordnungen gemäß der 2 bis 5 realisierbar.
  • In 2 wird von drei Lichtquellen 19a, 19b, 19c für z. B. die Farben rot, grün, blau, über drei separate Lichtleiter 20a, 20b, 20c Licht zu einer Ablenkeinrichtung, z. B. zu einem Mikroscanner 21 geführt. Damit nimmt man allerdings in Kauf, dass Teilstrahlen 22a, 22b, 22c in unterschiedlichen Winkeln auf die Ablenkeinrichtung 21 treffen und hierdurch die jeweiligen Teilbilder auf einer Projektionsfläche gegeneinander versetzt sein können.
  • Um dies zu vermeiden, können die Lichtquellen 19a, 19b in einen Lichtleiter eingekoppelt werden.
  • In 3 wird dies dadurch realisiert, dass Lichtleiterkerne von Lichtleitern 23a und 23b abschnittsweise in einem vergleichsweise geringen Abstand zu einem Lichtleiter 23c geführt werden, so dass das Licht in dem Lichtleiter 23a und 23b in den Lichtleiter 23c als gemeinsamer Lichtleiter überkoppelt. Dies kann durch konventionelle Glasfaser-Wellenleiter prinzipiell realisiert werden, ist jedoch bei der Herstellung im Rahmen einer optischen Leiterplatte sehr viel einfacher realisierbar.
  • Gemäß 4 werden die Lichtleiterkerne 24a, 24b, 24c von Lichtleitern 25a, 25b und 25c, die von drei Lichtquellen 19a, 19b und 19c gespeist werden, zu einem einzigen Lichtleiterkern 24d zusammengeführt, der in die Ablenkeinrichtung 21 einkoppelt. Mit den Ausführungsformen gemäß der 3 und 4 lassen sich die Nachteile von unterschiedlichen Einkoppelrichtungen somit vermeiden.
  • Im Rahmen einer optischen Leiterplatte können die Lichtleiter auch übereinander angeordnet werden, da in optischen Leiterplatten die Lichtleiter in verschiedenen Ebenen des Substrats verlaufen können.
  • Die Form der Lichtleiter lässt sich auch nutzen, um Kopplungseigenschaften im Hinblick auf das Ein- und Auskoppeln von Licht, z. B. durch geeignete Randstrukturierung der Lichtleiter vorzugeben.
  • In 5 ist eine Variante dargestellt, bei welcher drei Lichtquellen 19a, 19b, 19c in einen Lichtleiter 26 einkoppeln. Dadurch ergeben sich die gleichen Vorteile, wie für die Ausführungsformen gemäß der 3 und 4.
  • Die Ausführungsform gemäß 6 entspricht der Ausführungsform gemäß der 1a mit dem Unterschied, dass an der optischen Leiterplatte 2 ein Infrarotdetektor 27 vorgesehen ist. Damit kann neben dem sichtbaren Licht, das von der Lichtquelle 7 in die Anordnung eingestrahlt wird, z. B. infrarotes Licht mit eingekoppelt werden, mit dessen Hilfe eine Abstandsbestimmung zu einem Objekt 28 durchführbar ist. Dies ist für den Fall von Vorteil, wenn ein Objekt dem sichtbaren Lichtstrahl des Mikroscanners 6 zu nahe kommt. Dann kann eine Regelung die Intensität des Lichtstrahls reduzieren, um z. B. die Augensicherheit von Benutzern zu gewährleisten. Der dem sichtbaren Licht überlagerte Infrarotstrahl ist dabei für den Benutzer unsichtbar und stört ein eigentliches Projektionsbild nicht.
  • In den 7a und 7b ist eine Variante der Anordnung gemäß 1a dargestellt, bei welcher im Lichtleiter 3 ein Modulator 29 eingebaut ist. Der Modulator 29 kann z. B. in SMD- bzw. Flip-Chip-Technologie an der Leiterplatte angebracht werden. Mit Hilfe des Modulators kann Einfluss auf das von der Lichtquelle 10 abgestrahlte Licht 8 genommen werden. Zum Beispiel lässt sich durch geeignete Modulation der ”Speckle-Effekt” reduzieren bzw. vermeiden, wenn die Lichtquelle ein Laser ist. Außerdem können aus nicht modulierbaren Lichtquellen modulierte Lichtquellen erzeugt werden.
  • Bei konventionellen Glasfasertechnologien ist der Querschnitt des Lichtleiters üblicherweise über die gesamte Länge konstant. Insbesondere kann die Stirnfläche zum Ein- und Auskoppeln des Lichts nur regelmäßig eben gestaltet werden, z. B. durch Brechen bzw. Schleifen oder Polieren.
  • Bei optischen Leiterplatten hingegen kann die Querschnittsfläche des Lichtleiters bei der Herstellung ohne zusätzliche Prozessschritte entsprechend angepasst werden. Beispielsweise kann durch Photolithographie ein örtlich variierender Querschnitt definiert werden.
  • Dies ermöglicht insbesondere:
    • a) die Variation der Lichtleiterbreite entlang der Ausbreitung des Lichts. Dies kann genutzt werden, um die Anzahl und Art der Moden im Lichtleiter zu beeinflussen und auf diese Weise z. B. den ”Speckle-Effekt” zu verbessern;
    • b) die Reduktion von Kopplungsverlusten an Y-Splittern, da die Geometrie der Kopplungsstelle zwischen den Lichtleitern optimiert werden kann;
    • c) große Freiheiten zur Gestaltung der Ein- und Auskoppelstelle zur Lichtquelle, zum Modulator oder zum Mikroscanner. Insbesondere können konvexe und konkave Linsen realisiert werden zur Sammlung des einfallenden Lichtes sowie zur Formung des austretenden Lichtes. Hierdurch kann insbesondere der austretende Lichtstrahl auf die Ablenkeinheit fokussiert werden. Auf diese Weise ist es möglich, kleinere Ablenkeinheiten zu verwenden, beispielsweise durch Verringerung des Durchmessers der Spiegelfläche in einem Mikroscanner;
    • d) die Verwendung von Lichtleitern zur Strahlformung, beispielsweise zum Design des Lichtpunktes für Beleuchtungszwecke und für LIDAR. Damit wird es möglich, Laserlichtquellen durch konventionelle LED-Lichtquellen zu ersetzen.
  • Die Ausführungsform gemäß 8a und 8b entspricht der Ausführungsform gemäß 1a bis auf zwei Punkte:
    • 1. Zunächst ist der Mikroscanner transparent.
    • 2. Des Weiteren ist das Ende des Lichtleiters 3 vor der Auskopplung in Richtung Mikroscanner linsenförmig gestaltet, so dass eine Fokussierung des darin geführten Lichtes stattfindet. Der Lichtstrahl 10 wird dann auf einen Umlenkspiegel 30 geführt, der das Licht zum Spiegelelement 14 des Mikroscanners 6 führt. Wie bereits oben beschrieben ist insbesondere im Rahmen der Technologie der optischen Leiterplatte eine solche Ausgestaltung leicht und kostengünstig möglich.

Claims (12)

  1. Optoelektronische Vorrichtung (1) mit einer optischen Leiterplatte (2), welche Lichtleiter (3, 4, 5, 17, 20a, 20b, 20c, 23a, 23b, 23c, 25a, 25b, 25c, 26) sowie Elektronikmittel (6, 7, 16, 21, 27, 29) umfasst, dadurch gekennzeichnet, dass Freiraumemissionsmittel (6, 21) mit einer Ablenkeinrichtung (14) zur Emission von Lichtstrahlen (10, 18) in veränderbar unterschiedliche Raumrichtungen auf der optischen Leiterplatte angeordnet sind, und dass die Freiraumemissionsmittel (6, 21) mit einem Lichtleiter (3, 17, 20a, 20b, 20c, 23a, 23b, 23c, 25a, 25b, 25c, 26) der Leiterplatte (2) optisch gekoppelt sind.
  2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Freiraumemissionsmittel (6, 21) einen miniaturisierten Scanner und/oder ein LCD und/oder ein LCoS und/oder ein DMD-Chip umfassen.
  3. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Lichtquelle (7, 19a, 19b, 19c) in Form eines auf der Leiterplatte (2) montierten Laserelements vorgesehen ist.
  4. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Freiraumemissionsmittel (6, 21) für eine Flip-Chip-Montage ausgebildet sind.
  5. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Freiraumemissionsmittel (6, 21) über mehrere Lichtleiter (20a, 20b, 20c, 23a, 23b, 23c, 25a, 25b, 25c) mit mehreren Lichtquellen (19a, 19b, 19c) optisch gekoppelt sind.
  6. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in die Freiraumemissionsmittel (21) mehrere Lichtleiter (20a, 20b, 20c) einkoppeln.
  7. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass an einem Lichtleiter (26) mehrere Lichtquellen (19a, 19b, 19c) angeordnet sind.
  8. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass auf der Leiterplatte (2) ein Detektor (27) zur Abstandsmessung von Objekten angeordnet ist.
  9. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Detektor ein Infrarotempfänger (27) umfasst.
  10. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in einem Lichtleiter (3), der zu den Freiraumemissionsmitteln führt, ein optischer Modulator (29) angeordnet ist.
  11. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Freiraumemissionsmittel senkrecht zur Leiterplatte montiert sind.
  12. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass Bauteile auf der Leiterplatte in Flip-Chip-Montage insbesondere mit unterschiedlichen Bauhöhen montiert sind, um deren Position geeignet festzulegen.
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