DE102011083137A1

DE102011083137A1 - Optischer Detektor

Info

Publication number: DE102011083137A1
Application number: DE102011083137A
Authority: DE
Inventors: Dr. Eckardt Andreas
Original assignee: Deutsches Zentrum fuer Luft und Raumfahrt eV
Current assignee: Deutsches Zentrum fuer Luft und Raumfahrt eV
Priority date: 2011-09-21
Filing date: 2011-09-21
Publication date: 2013-03-21

Abstract

Die Erfindung betrifft einen optischen Detektor, umfassend eine Photodiode (1) und eine Blende, wobei die Blende aus aktiv ansteuerbaren Elementen besteht, mittels derer die Apertur der Photodiode (1) einstellbar ist.

Description

Die Erfindung betrifft einen optischen Detektor, umfassend mindestens eine Photodiode und eine Blende.
Aus der DE 694 10 155 T2 ist ein Bildsensor mit einer Vielzahl von Photodioden und einer Linsenanordnung mit individuellen Linsen bekannt, wobei jede der Linsen über einer bestimmten Photodiode angeordnet ist, wobei der Sensor eine Lichtblende aufweist, die für jede Photodiode vorgesehen ist und eine langgestreckte Apertur besitzt, wobei jede Linse über einem Linsenbereich der Öffnung vorgesehen ist, um Licht von einer Szene auf einen ersten Teil der Photodiode zu fokussieren, wobei zusätzlich Licht von der Szene auch einen zweiten Teil der Photodiode durch einen Nicht-Linsen-Bereich der Öffnung direkt beleuchtet. Allerdings ist die Apertur der Photodiode nicht veränderbar. Insbesondere bei stark wechselnden Umgebungsbedingungen führt dies zu Problemen. Beispielsweise werden deshalb die Detektoren mit relativ hohen Frequenzen ausgelesen, um eine Sättigung zuverlässig zu vermeiden.
Aus der US 6,381,059 B1 sowie der US 2011/0074659 A1 sind Mikro-Shutter bekannt. Des Weiteren sind aus dem Fachartikel "Magnetically actuated microshutter arrays; D. B. Mott et al.; MOEMS and Miniaturized Systems II, M. Edward Motamedi, Rolf Göring, Editors, Proceedings of SPIE Vol. 4561 (2001)" sowie "Electrostatically Addressable Gatefold Micro-Shutter Arrays For Astronomical Infrared Spectrograph; Takuya et al.; Asia-Pacific Conference of Transducers and Micro-Nano Technology – APCOT 2006" technologisch verschiedenartig aufgebaute Mikro-Shutter bekannt.
Der Erfindung liegt das technische Problem zugrunde, einen optischen Detektor zu schaffen, der flexibler an seine Einsatzbedingungen angepasst werden kann.
Die Lösung des technischen Problems ergibt sich durch den Gegenstand mit den Merkmalen des Anspruchs 1. Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.
Hierzu umfasst der optische Detektor mindestens eine Photodiode und eine Blende, wobei die Blende aus aktiv ansteuerbaren Elementen besteht, mittels derer die Apertur der Photodiode einstellbar ist. Dies erlaubt eine flexible Anpassung des optischen Detektors. Durch eine Verringerung der aktiven Pixelfläche der Photodiode kann beispielsweise die Modulations-Transfer-Funktion (MTF) der Photodiode erhöht werden. Andererseits kann durch ein Vergrößern der aktiven Fläche die Integrationszeit verringert werden. Die Einstellung der Blende kann dabei adaptiv während des Betriebes erfolgen oder aber der optische Detektor wird vorab mit einer gewünschten Apertur eingestellt.
In einer Ausführungsform ist die Blende als LCD-Folie ausgebildet. Der Vorteil der LCD-Folien ist, dass diese relativ preiswert in der Herstellung sind. Allerdings lassen sich LCD-Folien nicht unmittelbar in den Herstellungsprozess der Photodiode integrieren, so dass die Photodiode zu der LCD-Folie justiert werden muss. Vorzugsweise wird daher in einem Kalibrationsschritt ermittelt, wie die Pixel der LCD-Folie zu der oder den Photodioden liegen. Durch pixelweises Ansteuern der LCD-Folie kann dann an den gewünschten Stellen die LCD-Folie intransparent geschaltet werden, so dass die Blendenfunktion erreicht wird.
In einer alternativen Ausführungsform, die auch mit der LCD-Folie kombiniert werden kann, ist die Blende aus Mikro-Shutter-Elementen bzw. als Mikro-Shutter-Array ausgebildet, die vorzugsweise unmittelbar auf der Photodiode angeordnet sind. Der Vorteil der Mikro-Shutter ist, dass diese in den Herstellungsprozess der Photodiode integriert werden können, so dass die Justierung zu der Photodiode weitgehend im hochintegrierten Herstellungsprozess erfolgt.
In einer Ausführungsform sind die Mikro-Shutter als Stäbe oder Klappen ausgebildet, die je nach Ansteuerung vertikal nach oben ausgerichtet sind oder aber horizontal die Photodiode bedecken.
In einer weiteren Ausführungsform weist der optische Detektor eine Vielzahl von Photodioden auf, die als 1- oder 2-D-Array ausgebildet sind. Ein 1-D-Array wird dabei auch als Zeilensensor oder lineares Array bezeichnet.
In einer weiteren Ausführungsform weist der optische Detektor Mikro-Shutter auf, deren Schichtdicke und/oder Material derart gewählt sind, dass diese für bestimmte Wellenlängen transparent sind. Damit kann ein Mikrofilter erzeugt werden, mittels dessen die spektrale Empfindlichkeit der Photodiode eingestellt werden kann. Dabei wird ausgenutzt, dass die Eindringtiefe der Photonen ausschließlich wellenlängenabhängig ist. Durch die Shutter wird daher die optische Weglänge verändert, so dass verstärkt Photonen mit großer Eindringtiefe erfasst werden. Durch Abstimmung der Dicke der Photodiode kann somit ein Filterverhalten der Photodiode eingestellt werden. Dies stellt unabhängig von der Blendenfunktion eine eigenständige Erfindung dar.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand eines bevorzugten Ausführungsbeispiels näher erläutert. Die Fig. zeigen:
1 eine schematische Darstellung einer Photodiode mit Mikro-Shuttern in einer Grundstellung und
2 eine schematische Darstellung einer Photodiode mit Mikro-Shuttern in einer Blendenstellung.
In der 1 ist schematisch eine Photodiode 1 dargestellt, die eine quadratische Grundfläche aufweist. Die Photodiode 1 ist beispielsweise ein Pixel bzw. Bestandteil eines Pixels eines optischen Bildsensors. Auf der Photodiode 1 sind Mikro-Shutter-Elemente 2 in Form von Stäben angeordnet. Die Stäbe sind in der Grundstellung vertikal nach oben gerichtet. In der 1 ist die vertikale Ausrichtung durch eine Schraffur von links nach rechts gekennzeichnet. Die Mikro-Shutter-Elemente 2 weisen dabei sowohl vertikal als auch horizontal eine Dicke auf, dass sämtliche oder nahezu sämtliche Photonen absorbiert bzw. reflektiert werden. Die Mikro-Shutter-Elemente 2 sind in zwei konzentrischen Umrandungen auf der Photodiode 1 angeordnet. Dabei sei angemerkt, dass auch eine oder mehr als zwei konzentrische Umrandungen verwendet werden können. Weiter sei angemerkt, dass die freien Bereiche in den Eckbereichen auch gefüllt sein können durch einen Absorber 3, wobei dann die Mikro-Shutter-Elemente 2 in der Ecke entfallen können. Dies ist exemplarisch für rechts oben in der äußeren Umrandung dargestellt. Weiter sei angemerkt, dass die Mikro-Shutter 2 individuell oder gruppenweise ansteuerbar ausgebildet sein können. Die weiße Fläche stellt nun die Apertur der Photodiode 1 dar. Soll nun die Apertur verringert werden, so werden die Mikro-Shutter-Elemente 2 der äußeren Umrandung zum Umklappen in die horizontale Richtung angesteuert. Dabei sind die Mikro-Shutter-Elemente 2 derart ausgebildet, dass diese jeweils in Richtung Zentrum der Photodiode 1 klappen. Das Ergebnis ist in 2 dargestellt, wobei die horizontal umgeklappten Mikro-Shutter 2 durch eine Schraffur von rechts nach links gekennzeichnet sind. Durch Umklappen der Mikro-Shutter 2 der inneren Umrandung kann dabei die Apertur der Photodiode 1 weiter reduziert werden. Mittels der aktiv ansteuerbaren Mikro-Shutter 2 kann somit eine Apertur der Photodiode 1 eingestellt werden und auch verändert werden.
Die Mikro-Shutter können aber auch alternativ oder zusätzlich zur Verringerung der spektralen Empfindlichkeit der Photodiode verwendet werden. Vereinfacht dargestellt nimmt zwischen 400–800 nm die Eindringtiefe des Lichts um den Faktor 100 zu. Weist nun der horizontal ausgerichtete Shutter 2 eine Dicke auf, die blaues Licht verstärkt absorbiert, jedoch grünes Licht noch transmittiert, so wirkt der Mikro-Shutter wie ein Filterelement. In einer Ausführungsform kann dabei vorgesehen sein, dass die Mikro-Shutter-Elemente 2 der äußeren Umrandung eine Blendenfunktion erfüllen, wobei die Mikro-Shutter-Elemente 2 der inneren Umrandung die Filterfunktion erfüllen. In diesem Fall würden die Mikro-Shutter-Elemente 2 derart ausgebildet sein, dass diese die Apertur der Photodiode 1 vollständig abdecken würden.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 69410155 T2 [0002]
US 6381059 B1 [0003]
US 2011/0074659 A1 [0003]

Zitierte Nicht-Patentliteratur

"Magnetically actuated microshutter arrays; D. B. Mott et al.; MOEMS and Miniaturized Systems II, M. Edward Motamedi, Rolf Göring, Editors, Proceedings of SPIE Vol. 4561 (2001)" [0003]
"Electrostatically Addressable Gatefold Micro-Shutter Arrays For Astronomical Infrared Spectrograph; Takuya et al.; Asia-Pacific Conference of Transducers and Micro-Nano Technology – APCOT 2006" [0003]

Claims

Optischer Detektor, umfassend eine Photodiode (1) und eine Blende, dadurch gekennzeichnet, dass die Blende aus aktiv ansteuerbaren Elementen besteht, mittels derer die Apertur der Photodiode (1) einstellbar ist.
Optischer Detektor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Blende als LCD-Folie ausgebildet ist.
Optischer Detektor nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Blende aus Mikro-Shutter-Elementen (2) ausgebildet ist.
Optischer Detektor nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Mikro-Shutter (2) auf der Photodiode (1) angeordnet sind.
Optischer Detektor nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Mikro-Shutter (2) als Stäbe oder Klappen ausgebildet sind.
Optischer Detektor nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der optische Detektor eine Vielzahl von Photodioden (1) aufweist, die als 1- oder 2-D-Array ausgebildet sind.
Optischer Detektor nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der optische Detektor Mikro-Shutter (2) aufweist, deren Schichtdicke und/oder Material derart gewählt sind, dass diese für bestimmte Wellenlängen transparent sind.