DE102013112882A1

DE102013112882A1 - Strahlungsempfängervorrichtung

Info

Publication number: DE102013112882A1
Application number: DE102013112882.3A
Authority: DE
Inventors: Hubert Halbritter; Markus Lermer
Original assignee: Osram Opto Semiconductors GmbH
Current assignee: Ams Osram International GmbH
Priority date: 2013-11-21
Filing date: 2013-11-21
Publication date: 2015-05-21
Anticipated expiration: 2033-11-22
Also published as: CN105814814B; US20160277120A1; US9843399B2; DE102013112882B4; CN105814814A; WO2015074949A1

Abstract

Es wird eine Strahlungsempfängervorrichtung (1) mit einem Strahlungsempfänger (2) und mit einer Strahlungseintrittsfläche (10) angegeben, wobei – der Strahlungsempfänger einen aktiven Bereich zur Detektion von Strahlung mit einer Zielwellenlänge im Nahen Infrarot aufweist; – zwischen der Strahlungseintrittsfläche und dem Strahlungsempfänger ein optisches Element angeordnet ist; – eine optische Achse des optischen Elements durch den Strahlungsempfänger verläuft; – das optische Element so geformt und relativ zum Strahlungsempfänger angeordnet ist, dass in einem Winkel von größer oder gleich 40° zur optischen Achse auf die Strahlungseintrittsfläche auftreffende Strahlung zu höchstens 10 % auf den Strahlungsempfänger auftrifft; und – zwischen dem Strahlungsempfänger und der Strahlungseintrittsfläche ein Sichtbarfilter ausgebildet ist.

Description

Die vorliegende Anmeldung betrifft eine Strahlungsempfängervorrichtung, insbesondere für die IR-Kommunikation.
Für die Freistrahl-Kommunikation mittels infraroter Strahlung sind breitbandige Strahlungsempfänger mit einer elektrischen Bandbreite im Bereich von etwa 30 kHz bis etwa 500 kHz gewünscht, die optische Pulse mit einer Pulsbreite von größer oder gleich 1 µs detektieren können. Es hat sich jedoch gezeigt, dass solche Empfänger oftmals nur bei kleinen Reichweiten von weniger als einem Meter zuverlässig arbeiten. Bei größeren Entfernungen kann das Umgebungslicht zu Fehlsignalen führen. Dies betrifft insbesondere Umgebungslicht, das durch Leuchtstofflampen, die auf dem Prinzip der Gasentladung basieren, erzeugt wird. Größere Reichweiten können durch elektrisch schmalbandige Strahlungsempfänger erzielt werden. Diese Empfangskonzepte setzen jedoch explizit eine bekannte Modulationsfrequenz beziehungsweise ein bekanntes Modulationsformat voraus und sind nur für diese spezifische Anwendung geeignet.
Eine Aufgabe ist es, eine Strahlungsempfängervorrichtung anzugeben, die sich durch eine breite Einsetzbarkeit und gleichzeitig durch eine zuverlässige Signalerkennung auszeichnet.
Diese Aufgabe wird unter anderem durch eine Strahlungsempfängervorrichtung gemäß Patentanspruch 1 gelöst. Ausgestaltungen und Zweckmäßigkeiten sind Gegenstand der abhängigen Patentansprüche.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform der Strahlungsempfängervorrichtung weist die Strahlungsempfängervorrichtung einen Strahlungsempfänger auf. Der Strahlungsempfänger weist insbesondere einen aktiven Bereich zur Detektion von Strahlung mit einer Zielwellenlänge im Nahen Infrarot auf. Unter dem Nahen Infrarot wird im Zweifel ein Spektralbereich zwischen einschließlich 0,78 µm und einschließlich 3 µm verstanden. Beispielsweise liegt eine Zielwellenlänge des Strahlungsempfängers zwischen einschließlich 820 nm und einschließlich 980 nm. Zweckmäßigerweise ist die Zielwellenlänge gleich einer Peak-Wellenlänge der spektralen Empfindlichkeitsverteilung des Strahlungsempfängers oder weicht zumindest nicht wesentlich davon ab, beispielsweise um höchstens 20 nm.
Der aktive Bereich basiert beispielsweise auf einem arsenidischen Verbindungshalbleitermaterial.
„Auf arsenidischem Verbindungs-Halbleitern basierend“ bedeutet im vorliegenden Zusammenhang, dass die aktive Epitaxie-Schichtenfolge oder zumindest eine Schicht davon ein Arsen-III/V-Verbindungs-Halbleitermaterial, vorzugsweise Al_nGa_mIn_1-n-mAs umfasst, wobei 0 ≤ n ≤ 1, 0 ≤ m ≤ 1 und n + m ≤ 1. Dabei muss dieses Material nicht zwingend eine mathematisch exakte Zusammensetzung nach obiger Formel aufweisen. Vielmehr kann es einen oder mehrere Dotierstoffe sowie zusätzliche Bestandteile aufweisen, die die charakteristischen physikalischen Eigenschaften des Al_nGa_mIn_1-n-m As-Materials im Wesentlichen nicht ändern. Der Einfachheit halber beinhaltet obige Formel jedoch nur die wesentlichen Bestandteile des Kristallgitters (Al, Ga, In, As), auch wenn diese teilweise durch geringe Mengen weiterer Stoffe ersetzt sein können.
Alternativ kann auch ein Strahlungsempfänger mit einem aktiven Bereich auf der Basis eines anderen Halbleitermaterials, insbesondere auf der Basis von Silizium Anwendung finden.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform der Strahlungsempfängervorrichtung weist die Strahlungsempfängervorrichtung eine Strahlungseintrittsfläche auf. Die Strahlungseintrittsfläche ist diejenige Fläche, durch die im Betrieb des Strahlungsempfängers die zu detektierende Zielstrahlung eintritt.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform der Strahlungsempfängervorrichtung weist die Strahlungsempfängervorrichtung ein optisches Element auf. Insbesondere verläuft eine optische Achse des optischen Elements durch den Strahlungsempfänger. Das optische Element kann als ein einzelnes Element, beispielsweise als eine Linse, oder als ein mehrteiliges Element, beispielsweise als eine Kombination von Linsen oder eine Kombination einer Linse mit einer Blende, ausgebildet sein.
Das optische Element ist insbesondere zwischen der Strahlungseintrittsfläche und dem Strahlungsempfänger angeordnet. Beispielsweise bildet eine vom Strahlungsempfänger abgewandte Fläche des optischen Elements die Strahlungseintrittsfläche.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform der Strahlungsempfängervorrichtung ist das optische Element so geformt und relativ zum Strahlungsempfänger angeordnet, dass in einem Winkel von größer oder gleich 40° zur optischen Achse auf die Strahlungseintrittsfläche auftreffende Strahlung zu höchstens 10 % auf den Strahlungsempfänger auftrifft. Mit anderen Worten sinkt eine winkelabhängige Empfindlichkeitsverteilung der Strahlungsempfängervorrichtung ausgehend von einem Maximalwert bei einem Winkel von 0° zur optischen Achse bei einem Winkel von höchstens 40° auf maximal 10 % des Maximalwerts ab und bleibt bis zu einem Winkel von 90° unter 10 %. Vorzugsweise sinkt die Empfindlichkeitsverteilung ab dem Winkel von höchstens 40° auf maximal 5 % des Maximalwerts ab. Insbesondere besteht für Strahlung mit einem Auftreffwinkel oberhalb dieses Winkels kein direkter Strahlenpfad gemäß der geometrischen Optik von der Strahlungseintrittsfläche zum Strahlungsempfänger. Als ein direkter Strahlenpfad wird hierbei ein optischer Pfad verstanden, bei dem die Strahlung ohne eine Reflexion innerhalb der Strahlungsempfängervorrichtung von der Strahlungseintrittsfläche auf den aktiven Bereich des Strahlungsempfängers gelangen kann. Die Strahlungsempfängervorrichtung detektiert also überwiegend Strahlung, die in einem vergleichsweise kleinen Winkel zur optischen Achse auf die Strahlungseintrittsfläche auftrifft. Nachfolgend werden Winkel von größer oder gleich 40° auch als „große Winkel“ bezeichnet. Entsprechend sind kleine Winkel insbesondere solche Winkel, die kleiner als 40° sind.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform der Strahlungsempfängervorrichtung ist zwischen dem Strahlungsempfänger und der Strahlungseintrittsfläche ein Sichtbarfilter ausgebildet. Der Sichtbarfilter ist dafür vorgesehen, Strahlung im sichtbaren Spektralbereich zu filtern, sodass diese Strahlungsanteile keinen Beitrag oder zumindest keinen wesentlichen Beitrag zum Signal der Strahlungsempfängervorrichtung liefern. Vorzugsweise beträgt die Transmission des Sichtbarfilters für Strahlung im sichtbaren Spektralbereich höchstens 10 %, besonders bevorzugt höchstens 5 %.
In mindestens einer Ausführungsform der Strahlungsempfängervorrichtung weist diese einen Strahlungsempfänger und eine Strahlungseintrittsfläche auf, wobei der Strahlungsempfänger einen aktiven Bereich zur Detektion von Strahlung mit einer Zielwellenlänge im Nahen Infrarot aufweist. Zwischen der Strahlungseintrittsfläche und dem Strahlungsempfänger ist ein optisches Element angeordnet. Eine optische Achse des optischen Elements verläuft durch den Strahlungsempfänger. Das optische Element ist so geformt und relativ zum Strahlungsempfänger angeordnet, dass in einem Winkel von größer oder gleich 40° zur optischen Achse auf die Strahlungseintrittsfläche auftreffende Strahlung zu höchstens 10 % auf den Strahlungsempfänger auftrifft. Zwischen dem Strahlungsempfänger und der Strahlungseintrittsfläche ist ein Sichtbarfilter ausgebildet.
Mittels der Formung und Anordnung des optischen Elements relativ zum Strahlungsempfänger trifft überwiegend Strahlung auf den Strahlungsempfänger, die in einem vergleichsweise kleinen Winkel zur optischen Achse verläuft. Im Betrieb der Strahlungsempfängervorrichtung ist diese in einem Raum typischerweise so angeordnet, dass die optische Achse in horizontaler Richtung oder mit einer geringen Abweichung von höchstens 10° zur horizontalen Richtung verläuft. Störstrahlung einer Deckenbeleuchtung trifft im Unterschied hierzu in großen Winkeln zur optischen Achse auf und wird folglich mittels des optischen Elements nicht auf den Strahlungsempfänger gelenkt. Mittels des Sichtbarfilters werden weiterhin Spektralanteile im sichtbaren Spektralbereich ausgefiltert. Es hat sich gezeigt, dass durch diese winkelselektive und wellenlängenselektive Filterung der auf die Strahlungseintrittsfläche auftreffenden Strahlung eine breitbandige Strahlungsempfängervorrichtung mit einer hohen Detektionszuverlässigkeit erzielbar ist. Trotz einer an sich ungewünschten Einengung des Winkelbereichs, in dem die Strahlungsempfängervorrichtung eine hohe Empfindlichkeit aufweist, kann so die Leistungsfähigkeit der Strahlungsempfängervorrichtung insgesamt verbessert werden.
Es ist jedoch auch denkbar, auf die winkelselektive Filterung mittels des optischen Elements zu verzichten, beispielsweise falls geringere Anforderungen an die Empfindlichkeit gegenüber Störstrahlung gestellt sind oder die wellenlängenselektive Filterung Störstrahlung soweit unterdrückt, dass auf eine zusätzliche winkelselektive Filterung verzichtet werden kann.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform der Strahlungsempfängervorrichtung fällt eine winkelabhängige Empfindlichkeitsverteilung der Strahlungsempfängervorrichtung bei einem Winkel zwischen einschließlich 15° und einschließlich 25° zur optischen Achse auf die Hälfte des Werts bei einem Winkel von 0° ab. Es hat sich gezeigt, dass mittels einer derartigen winkelabhängigen Empfindlichkeitsverteilung einerseits die zu detektierende Zielstrahlung effizient detektierbar ist und gleichzeitig der durch unerwünschte Streustrahlung erzeugte Spannungsanteil verringert ist. Gemäß zumindest einer Ausführungsform der Strahlungsempfängervorrichtung ist der Strahlungsempfänger in eine Umhüllung eingebettet. Insbesondere kann die Umhüllung als Verkapselung zum Schutz vor äußeren Einflüssen, beispielsweise Feuchtigkeit oder Staub, dienen. Beispielsweise enthält die Umhüllung ein Silikon oder ein Epoxid oder ein Hybdridmaterial mit einem Silikon und einem Epoxid. Die Umhüllung verläuft insbesondere bereichsweise zwischen dem Strahlungsempfänger und der Strahlungseintrittsfläche.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform der Strahlungsempfängervorrichtung ist der Sichtbarfilter mittels eines Füllstoffs in der Umhüllung gebildet. Die Umhüllung ist also mittels des Füllstoffs so ausgebildet, dass Strahlung im sichtbaren Spektralbereich geblockt wird und weiterhin Strahlung mit der Zielwellenlänge transmittiert wird.
Als Füllstoff eignet sich beispielsweise ein organischer Farbstoff oder eine Mischung mehrerer organischer Farbstoffe.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform der Strahlungsempfängervorrichtung ist zwischen dem Strahlungsempfänger und dem optischen Element ein Störstrahlungsfilter zur Unterdrückung von Störstrahlung im Nahen Infrarot oder im sichtbaren Spektralbereich angeordnet. Die Störstrahlung ist insbesondere mit Modulationsfrequenzen im Kilohertzbereich, also mit einer Frequenz zwischen einschließlich 1 kHz und einschließlich 1000 kHz, moduliert.
Vorzugsweise unterdrückt der Störstrahlungsfilter Störstrahlung mit einer Störwellenlänge gegenüber der Zielwellenlänge des Strahlungsempfängers mit einem Kontrast von mindestens 1:50, besonders bevorzugt mit einem Kontrast von mindestens 1:100.
Beispielsweise ist der Störstrahlungsfilter als ein dielektrischer Filter, ein plasmonischer Filter oder ein Farbfilter ausgebildet.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform der Strahlungsempfängervorrichtung ist die Störwellenlänge größer als die Zielwellenlänge. Beispielsweise liegt die Störwellenlänge bei 1014 nm. Es hat sich gezeigt, dass Strahlung mit dieser Wellenlänge eine charakteristische Strahlung für Leuchtstofflampen, die Quecksilber enthalten, ist. Die Störstrahlung kann alternativ oder zusätzlich aber auch Strahlungsanteile enthalten, deren Wellenlänge kleiner als die Zielwellenlänge ist, beispielsweise bei einer Wellenlänge von etwa 820 nm. Insbesondere ist zumindest ein mittels des Störstrahlungsfilters gefilterten Strahlungsanteils schmalbandig im Vergleich zum gesamten Umgebungslicht. Beispielsweise umfasst die Störstrahlung zumindest einen Strahlungsanteil mit einer vollen Halbwertsbreite (Full Width At Half Maximum, FWHM) von höchstens 50 nm.
Mittels des optischen Elements sind bereits Strahlungsanteile, die unter einem großen Winkel zur optischen Achse auftreffen, unterdrückt, sodass sich für den Störstrahlungsfilter auch Filter eignen, die nur in einem kleinen Winkel zur optischen Achse die gewünschte Filterwirkung erzielen. Die Kombination einer winkelabhängigen Selektion mittels des optischen Elements und einer wellenlängenabhängigen Selektion mittels des Störstrahlungsfilters eignet sich daher besonders zur Unterdrückung von Störstrahlung, die beispielsweise durch Leuchtstofflampen verursacht wird.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform der Strahlungsempfängervorrichtung ist zwischen dem Strahlungsempfänger und der Strahlungseintrittsfläche ein Halbleiterfilter zur Unterdrückung von Strahlung mit einer Wellenlänge, die kleiner als eine Grenzwellenlänge ist, angeordnet, wobei die Grenzwellenlänge kleiner als die Zielwellenlänge ist.
Ein solcher Halbleiterfilter eignet sich besonders, um kurzwellige Strahlung zu absorbieren und gleichzeitig langwellige Strahlung durchzulassen, wobei sich kurzwellig und langwellig jeweils auf die Grenzwellenlänge bezieht.
Ein solcher Halbleiterfilter kann den Sichtbarfilter bilden oder zusätzlich zu dem Sichtbarfilter vorgesehen sein. Die vom Halbleiterfilter absorbierte Strahlung kann insbesondere Strahlung im sichtbaren Spektralbereich und Strahlung im Nahen Infrarot, die kleiner als die Zielwellenlänge ist, umfassen. Beispielsweise enthält der Halbleiterfilter ein arsenidisches Verbindungs-Halbleitermaterial. Beispielsweise ist der Aluminium-Gehalt des Halbleiterfilters höher als der Aluminium-Gehalt des aktiven Bereichs, so dass die Grenzwellenlänge kleiner ist als die Zielwellenlänge des aktiven Bereichs.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform der Strahlungsempfängervorrichtung weist der Strahlungsempfänger eine Mehrzahl von aktiven Bereichen auf, die entlang der optischen Achse angeordnet sind. Insbesondere sind die aktiven Bereiche entlang der optischen Achse voneinander beabstandet angeordnet. Beispielsweise sind die aktiven Bereiche jeweils durch pn-Übergänge gebildet. Mittels mehrerer aktiver Bereiche, beispielsweise zwischen einschließlich zwei aktiven Bereichen und einschließlich fünf aktiven Bereichen, kann der Kontrast zwischen der zu detektierenden Zielstrahlung und der Störstrahlung weitergehend verbessert werden, beispielsweise um einen Faktor von etwa 1:2.
Beispielsweise sind die im Betrieb der Strahlungsempfängervorrichtung in den aktiven Bereichen erzeugten Signale am Strahlungsempfänger einzeln abgreifbar. Durch eine Differenzbildung dieser Signalanteile kann auf einfache Weise ein verbesserter Kontrast zwischen der Zielwellenlänge und der Störwellenlänge erzielt werden.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform der Strahlungsempfängervorrichtung weist die Strahlungsempfängervorrichtung eine elektrische Bandbreite zwischen einschließlich 20 kHz und einschließlich 800 kHz, bevorzugt zwischen einschließlich 30 kHz und einschließlich 500 kHz auf. Die Trägerfrequenz für die Datenübertragung ist also in weiten Grenzen variierbar, so dass die Strahlungsempfängervorrichtung universell einsetzbar ist. Die Strahlungsempfängervorrichtung ist also nicht auf eine bestimmte Trägerfrequenz ausgelegt und auf diese eingeschränkt, sondern ermöglicht beliebige Trägerfrequenzen in dem genannten Frequenzbereich.
Gleichzeitig zeichnet sich die Strahlungsempfängervorrichtung durch eine hohe Unempfindlichkeit gegenüber Störstrahlung aus, sodass sich die Strahlungsempfängervorrichtung auch für Reichweiten von 1 m oder mehr, beispielsweise für Reichweiten von etwa 5 m, eignet.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform der Strahlungsempfängervorrichtung ist die Strahlungsempfängervorrichtung als ein oberflächenmontierbares Bauelement (Surface Mounted Device, SMD) ausgebildet. Ein derartiges Bauelement zeichnet sich durch eine einfache Montierbarkeit, beispielsweise auf einem Anschlussträger wie einer Leiterplatte, aus.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform der Strahlungsempfängervorrichtung verläuft eine Montagefläche des insbesondere oberflächenmontierbaren Bauelements parallel zur optischen Achse. Auf einem Anschlussträger, der in horizontaler Richtung orientiert ist, empfängt die Strahlungsempfängervorrichtung also vorwiegend in horizontaler Richtung oder in einem kleinen Winkel zur horizontalen Richtung verlaufende Strahlung, während in einem großen Winkel zur horizontalen Richtung verlaufende Strahlung, beispielsweise Strahlung einer Deckenbeleuchtung, nicht oder nur zu einem unwesentlichen Anteil auf den Strahlungsempfänger auftrifft.
Weitere Merkmale, Ausgestaltungen und Zweckmäßigkeiten ergeben sich aus der folgenden Beschreibung der Ausführungsbeispiele in Verbindung mit den Figuren.
Es zeigen:
Die 1A und 1B ein erste Ausführungsbeispiel für eine Strahlungsempfängervorrichtung in Schnittansicht (1A) und zugehöriger Seitenansicht (1B);
2 ein Ausführungsbeispiel für einen Strahlungsempfänger; und
3 ein zweites Ausführungsbeispiel für eine Strahlungsempfängervorrichtung.
Gleiche, gleichartige oder gleich wirkende Elemente sind in den Figuren mit denselben Bezugszeichen versehen.
Die Figuren und die Größenverhältnisse der in den Figuren dargestellten Elemente untereinander sind nicht als maßstäblich zu betrachten. Vielmehr können einzelne Elemente und insbesondere Schichtdicken zur besseren Darstellbarkeit und/oder zum besseren Verständnis übertrieben groß dargestellt sein.
In den 1A und 1B ist ein Ausführungsbeispiel für eine Strahlungsempfängervorrichtung schematisch dargestellt, wobei die in 1B gezeigte Seitenansicht eine Draufsicht auf eine Strahlungseintrittsfläche 10 der Strahlungsempfängervorrichtung 1 darstellt.
Die Strahlungsempfängervorrichtung 1 weist einen Strahlungsempfänger 2 mit einem zum Empfangen von Strahlung im Nahen Infrarot vorgesehenen aktiven Bereich 20 auf. Die Strahlungsempfängervorrichtung ist beispielsweise zum Empfangen von Strahlung in einem Spektralbereich zwischen einschließlich 820 nm und einschließlich 980 nm, beispielsweise 950 nm, vorgesehen. Der aktive Bereich 20 enthält beispielsweise ein arsenidisches Verbindungshalbleitermaterial. Alternativ kann der Strahlungsempfänger auch auf Silizium basieren. Beispielsweise ist der Strahlungsempfänger als eine Fotodiode, ein Fototransistor oder als ein anwendungsspezifischer integrierter Schaltkreis (ASIC) mit einem fotosensitiven Bereich ausgebildet.
Die Strahlungsempfängervorrichtung 1 umfasst weiterhin ein optisches Element 3 mit einer optischen Achse 30. Die optische Achse verläuft durch den Strahlungsempfänger 2, insbesondere durch den Flächenschwerpunkt des aktiven Bereichs 20. Das optische Element 3 bildet die Strahlungseintrittsfläche 10 der Strahlungsempfängervorrichtung 1.
Der Strahlungsempfänger 2 ist in einer Kavität 51 eines Gehäuses 5 der Strahlungsempfängervorrichtung angeordnet. Das Gehäuse 5 weist beispielsweise einen Kunststoffformkörper auf. Das optische Element 3 ist an dem Gehäuse 5 befestigt, beispielsweise mittels einer Verbindungsschicht, etwa einer Klebeschicht oder mittels einer mechanischen Verbindung, etwa einer Rastverbindung oder einer Schnappverbindung. Details der Befestigung sind in den Figuren zur vereinfachten Darstellung nicht gezeigt.
Die Strahlungsempfängervorrichtung weist weiterhin einen Sichtbarfilter 4 auf. Der Sichtbarfilter 4 ist zwischen dem Strahlungsempfänger 2 und der Strahlungseintrittsfläche 10 angeordnet. In dem gezeigten Ausführungsbeispiel ist der Sichtbarfilter 4 durch einen Füllstoff 55 in Form von Partikeln gebildet, die in einer Umhüllung 52, in die der Strahlungsempfänger 2 eingebettet ist, angeordnet sind. Als Füllstoff eignet sich beispielsweise ein organischer Farbstoff oder eine Mischung mehrerer organischer Farbstoffe.
Der Sichtbarfilter 4 kann davon abweichend aber beispielsweise auch durch ein vorgefertigtes Element gebildet sein, das in einer Seitenansicht entlang der optischen Achse 30 gesehen den Strahlungsempfänger 2 insbesondere vollständig überdeckt.
Das optische Element 3 ist so geformt und relativ zum Strahlungsempfänger angeordnet, das in einem Winkel von größer oder gleich 40 % zur optischen Achse auf die Strahlungseintrittsfläche 10 auftreffende Strahlung nicht oder zumindest nur zu einem Anteil von höchstens 10 % auf den Strahlungsempfänger 2 auftrifft. Dieser unter großen Winkeln zur optischen Achse auftreffende Strahlungsanteil, der nicht auf den Strahlungsempfänger 2 trifft, ist in 1A durch einen Pfeil 72 veranschaulicht. Für diesen Strahlungsanteil besteht kein direkter Strahlenpfad zwischen der Strahlungseintrittsfläche und dem aktiven Bereich 20 des Strahlungsempfängers.
Parallel zur optischen Achse oder in kleinen Winkeln zur optischen Achse, beispielsweise in Winkeln von höchstens 25°, auftreffende Strahlung tritt durch das optische Element 3 hindurch und wird auf den Strahlungsempfänger 2 gelenkt. Dieser Strahlungsanteil ist durch Pfeile 71 veranschaulicht.
Unter großen Winkeln auf die Strahlungseintrittsfläche 10 auftreffende Strahlung wird also am Strahlungsempfänger 2 vorbei gelenkt. Dies kann insbesondere dadurch erzielt werden, dass die laterale Ausdehnung des aktiven Bereichs des Strahlungsempfängers 2, also die Ausdehnung senkrecht zur optischen Achse 30, die Brennweite des optischen Elements 3 und der Abstand des optischen Elements 3 vom Strahlungsempfänger 2 so aufeinander abgestimmt werden, dass der unerwünschte Strahlungsanteil nicht auf den Strahlungsempfänger 2 auftrifft.
In dem gezeigten Ausführungsbeispiel ist das optische Element 3 als ein Element ausgebildet, dessen Mittenbereich, durch den die optische Achse 30 verläuft, senkrecht zur optischen Achse ausgebildet ist. Der Mittenbereich ist von einem konvex gekrümmten Bereich umgeben. Davon abweichend kann für das optische Element 3 beispielsweise aber auch ein optisches Element mit einer durchgängig konvex gekrümmten Strahlungseintrittsfläche, etwa in Form einer abgeschnittenen Kugellinse, Anwendung finden. Auch andere Ausgestaltungen des optischen Elements, beispielsweise eine Anordnung mit mehr als einer Linse und/oder einer Blende, sind denkbar.
Mittels des Sichtbarfilters 4 und der winkelselektiven Ausgestaltung des optischen Elements 3 werden zum einen unerwünschte spektrale Anteile im sichtbaren Spektralbereich und zum anderen unerwünschte Winkelanteile ausgefiltert. Bei einer Montage der Strahlungsempfängervorrichtung 1 derart, dass die optische Achse 30 in horizontaler Richtung verläuft, trifft von einer Deckenbeleuchtung emittierte Umgebungsstrahlung in einem so großen Winkel auf die Strahlungseintrittsfläche 10, dass dieser Strahlungsanteil keinen oder zumindest nur einen stark reduzierten Signalanteil liefert.
Die Strahlungsempfängervorrichtung 1 weist in dem gezeigten Ausführungsbeispiel weiterhin einen Störstrahlungsfilter 8 auf. Der Störstrahlungsfilter 8 ist zwischen dem Strahlungsempfänger 2 und der Strahlungseintrittsfläche 10 angeordnet und befindet sich somit im Strahlengang der in die Strahlungsempfängervorrichtung 1 eingekoppelten Strahlung. Der Störstrahlungsfilter 8 ist beispielsweise als ein dielektrischer Filter. Ein dielektrischer Filter ist besonders geeignet, um spektral schmalbandige Störstrahlungsanteile, etwa mit einer vollen Halbwertsbreite (Full Width At Half Maximum, FWHM) von höchstens 50 nm, sehr effizient zu blocken und gleichzeitig die Zielstrahlung durchzulassen. Alternativ zu einem dielektrischen Filter kann aber auch ein anderer Filter, beispielsweise ein Farbfilter oder ein plasmonischer Filter Anwendung finden. Der Störstrahlungsfilter ist insbesondere zur Unterdrückung von Störstrahlung im Nahen Infrarot und/oder im sichtbaren Spektralbereich vorgesehen, wobei diese Strahlungsanteile insbesondere mit einer Modulationsfrequenz im Kilohertz-Bereich moduliert sein können. Derartige Strahlungsanteile könnten beim Auftreffen auf den Strahlungsempfänger 2 als ein auftreffender Lichtpuls einer Zielstrahlung fehlinterpretiert werden.
Insbesondere kann der Störstrahlungsfilter 8 auch Störstrahlung mit einer Störwellenlänge ausfiltern, die größer als die Zielwellenlänge ist. Beispielsweise zeigen Leuchtstofflampen Störstrahlung mit einer charakteristischen Störwellenlänge bei 1014 nm. Dieser Strahlungsanteil ist durch eine charakteristische Wellenlänge von Quecksilber gegeben und im Vergleich zum gesamten Umgebungslicht schmalbandig. Die Störstrahlung kann alternativ oder ergänzend aber auch andere Strahlungsanteile aufweisen, deren Wellenlänge kleiner ist als die Zielwellenlänge. Beispielsweise kann die Störwellenlänge im Nahen Infrarot unter der Zielwellenlänge, beispielsweise bei 820 nm, oder im sichtbaren Spektralbereich liegen.
Der Störstrahlungsfilter ist vorzugsweise so ausgebildet, dass er Störstrahlung mit der Störwellenlänge gegenüber der Zielwellenlänge des Strahlungsempfängers 2 mit einem Kontrast von mindestens 1:50, besonders bevorzugt von mindestens 1:100 unterdrückt. Je größer der Kontrast ist, desto geringer ist Gefahr einer Beeinträchtigung des Strahlungsempfängers durch die Störstrahlung. Der angegebene Kontrast bezieht sich insbesondere auf eine Peak-Wellenlänge eines schmalbandigen Störstrahlungsanteils.
Mit einem solchen Störstrahlungsfilter 8 können also zu einem Fehlsignal führende modulierte Störstrahlungsanteile von Leuchtstofflampen besonders effizient ausgefiltert werden. Ein solcher Störstrahlungsfilter 8 ist jedoch nicht zwingend erforderlich und kann insbesondere bei verringerten Anforderungen an die Robustheit gegenüber Störstrahlung auch weggelassen werden.
Weiterhin ist von dem gezeigten Ausführungsbeispiel abweichend denkbar, auf ein winkelselektives optisches Element zu verzichten, beispielsweise wenn die wellenlängenselektive Filterung, etwa mittels des Störstrahlungsfilters 8, insbesondere auch für große Auftreffwinkel so effizient ist, dass eine zusätzliche winkelselektive Filterung nicht erforderlich ist.
In dem gezeigten Ausführungsbeispiel ist die Strahlungsempfängervorrichtung 1 als ein oberflächenmontierbares Bauelement ausgebildet, bei dem eine Montagefläche 15 parallel zur optischen Achse 30 verläuft. Bei einer Montage der Strahlungsempfängervorrichtung auf einem Anschlussträger, der im Raum in horizontaler Richtung verläuft, detektiert die Strahlungsempfängervorrichtung 1 also überwiegend Zielstrahlung, die in horizontaler Richtung oder in einem kleinen Winkel zur horizontalen Richtung verläuft, während in großen Winkeln zur horizontalen Richtung auftreffende Strahlung, beispielsweise einer Deckenbeleuchtung, weitgehend ausgefiltert wird. Beispielsweise eignet sich die Strahlungsempfängervorrichtung für die Detektion eines Signals einer Fernbedienung eines elektrischen Geräts.
An der Montagefläche 15 weist die Strahlungsempfängervorrichtung Kontakte 6 zur externen elektrischen Kontaktierung der Strahlungsempfängervorrichtung auf. Die Kontakte dienen beispielsweise der Spannungsversorgung des Strahlungsempfängers und der Ausgabe eines Signals der Strahlungsempfängervorrichtung. Selbstverständlich kann die Strahlungsempfängervorrichtung eine oder mehrere zusätzliche aktive oder passive elektrische Komponenten aufweisen, beispielsweise einen Widerstand, einen Kondensator, einen Transistor, einen Vorverstärker oder einen Auswerteschaltkreis (zur vereinfachten Darstellung in den Figuren nicht explizit gezeigt).
Mit der beschriebenen Unterdrückung unerwünschter Strahlungsanteile kann sich die Strahlungsempfängervorrichtung durch eine hohe elektrische Bandbreite zwischen einschließlich 20 kHz und einschließlich 800 kHz, beispielsweise zwischen einschließlich 30 kHz und einschließlich 500 kHz, auszeichnen, sodass zu detektierende Pulse mit einer Pulsdauer von größer oder gleich 1 µs unabhängig von der Trägerfrequenz zuverlässig erfassbar sind. Insbesondere ist die Gefahr eines Fehlsignals aufgrund von Umgebungslicht, das beispielsweise durch Leuchtstofflampen erzeugt wird, reduziert. Weiterhin kann sich die Strahlungsempfängervorrichtung durch eine Reichweite von mehr als 1 m, beispielsweise eine Reichweite von 5 m oder mehr, auszeichnen.
In 2 ist ein Ausführungsbeispiel für einen Strahlungsempfänger 2 gezeigt.
Der Strahlungsempfänger 2 weist einen Halbleiterkörper 21 auf, der auf einem Träger 22 angeordnet ist. Der Träger ist beispielsweise ein Aufwachssubstrat für die epitaktische Abscheidung von Halbleiterschichten für den Halbleiterkörper. Der Strahlungsempfänger, insbesondere der Halbleiterkörper, weist exemplarisch zwei übereinander angeordnete aktive Bereiche 20 auf. Weiterhin umfasst der Strahlungsempfänger 2 drei Anschlussflächen 25 zur elektrischen Kontaktierung des Strahlungsempfängers. Mittels dieser Anschlussflächen sind die beiden aktiven Bereiche 20 unabhängig voneinander kontaktierbar. Durch eine Differenzbildung der Signale der beiden aktiven Bereiche 20 kann die wellenlängenselektive Empfangscharakteristik des Strahlungsempfängers 2 weitergehend gesteigert werden. Beispielsweise kann zwischen einer Zielwellenlänge von 940 nm und einer Störwellenlänge von 1013 nm ein Kontrast von 1:2 erzielt werden.
Selbstverständlich kann der Strahlungsempfänger 2 auch mehr als zwei aktive Bereiche 20 oder auch nur einen aktiven Bereich 20 aufweisen.
Das in 3 dargestellte zweite Ausführungsbeispiel einer Strahlungsempfängervorrichtung 1 entspricht im Wesentlichen dem im Zusammenhang mit den 1A und 1B beschriebenen ersten Ausführungsbeispiel. Im Unterschied hierzu weist die Strahlungsempfängervorrichtung 1 zusätzlich einen Halbleiterfilter 9 auf. Der Halbleiterfilter ist dafür vorgesehen, Strahlung mit einer Wellenlänge, die kleiner als eine Grenzwellenlänge ist, zu unterdrücken. Die Grenzwellenlänge ist durch die Bandlücke des Halbleitermaterials des Halbleiterfilters gegeben. Zweckmäßigerweise ist die Grenzwellenlänge kleiner als die Zielwellenlänge, sodass Strahlung mit der Zielwellenlänge durch den Halbleiterfilter nicht absorbiert wird und weitgehend ungehindert durch den Halbleiterfilter hindurch treten kann. Beispielsweise enthält der Halbleiterfilter ein arsenidisches Verbindungs-Halbleitermaterial mit einem Aluminium-Gehalt, der größer ist als der Aluminium-Gehalt des aktiven Bereichs. Halbleitermaterial zeichnet sich insbesondere im Bereich der Bandlücke durch einen sehr hohen Absorptionskoeffizienten, insbesondere von mindestens 5000 / cm, beispielsweise von 10000 / cm, aus, so dass bereits vergleichsweise kleine Schichtdicken eine effiziente Strahlungsabsorption bewirken.
Die Grenzwellenlänge kann im sichtbaren Spektralbereich oder im Nahen Infrarot liegen. Der Halbleiterfilter 9 kann zusätzlich oder alternativ zu dem Sichtbarfilter 4, der in dem gezeigten Ausführungsbeispiel durch einen Füllstoff 55 gebildet ist, vorgesehen sein.
Die Erfindung ist nicht durch die Beschreibung anhand der Ausführungsbeispiele beschränkt. Vielmehr umfasst die Erfindung jedes neue Merkmal sowie jede Kombination von Merkmalen, was insbesondere jede Kombination von Merkmalen in den Patentansprüchen beinhaltet, auch wenn dieses Merkmal oder diese Kombination selbst nicht explizit in den Patentansprüchen oder den Ausführungsbeispielen angegeben ist.

Claims

Strahlungsempfängervorrichtung (1) mit einem Strahlungsempfänger (2) und mit einer Strahlungseintrittsfläche (10), wobei – der Strahlungsempfänger einen aktiven Bereich (20) zur Detektion von Strahlung mit einer Zielwellenlänge im Nahen Infrarot aufweist; – zwischen der Strahlungseintrittsfläche und dem Strahlungsempfänger ein optisches Element (3) angeordnet ist; – eine optische Achse (30) des optischen Elements durch den Strahlungsempfänger verläuft; – das optische Element so geformt und relativ zum Strahlungsempfänger angeordnet ist, dass in einem Winkel von größer oder gleich 40° zur optischen Achse auf die Strahlungseintrittsfläche auftreffende Strahlung zu höchstens 10 % auf den Strahlungsempfänger auftrifft; und – zwischen dem Strahlungsempfänger und der Strahlungseintrittsfläche ein Sichtbarfilter (4) ausgebildet ist.
Strahlungsempfängervorrichtung nach Anspruch 1, wobei eine winkelabhängige Empfindlichkeitsverteilung der Strahlungsempfängervorrichtung bei einem Winkel zwischen einschließlich 15° und einschließlich 25° zur optischen Achse auf die Hälfte des Werts bei einem Winkel von 0° abfällt.
Strahlungsempfängervorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, wobei der Strahlungsempfänger in eine Umhüllung (52) eingebettet ist und der Sichtbarfilter mittels eines Füllstoffs (55) in der Umhüllung gebildet ist.
Strahlungsempfängervorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei zwischen dem Strahlungsempfänger und dem optischen Element ein Störstrahlungsfilter (8) zur Unterdrückung von Störstrahlung im Nahen Infrarot oder im sichtbaren Spektralbereich mit Modulationsfrequenzen im kHz-Bereich angeordnet ist.
Strahlungsempfängervorrichtung nach Anspruch 4, wobei der Störstrahlungsfilter Störstrahlung mit einer Störwellenlänge gegenüber der Zielwellenlänge des Strahlungsempfängers mit einem Kontrast von mindestens 1:50 unterdrückt.
Strahlungsempfängervorrichtung nach Anspruch 5, wobei die Störwellenlänge größer als die Zielwellenlänge ist.
Strahlungsempfängervorrichtung nach Anspruch 5 oder 6, wobei die Störwellenlänge bei 1014 nm liegt und die Zielwellenlänge zwischen einschließlich 920 nm und einschließlich 960 nm liegt.
Strahlungsempfängervorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei zwischen dem Strahlungsempfänger und der Strahlungseintrittsfläche ein Halbleiterfilter (9) zur Unterdrückung von Strahlung mit einer Wellenlänge, die kleiner als eine Grenzwellenlänge ist, angeordnet ist, wobei die Grenzwellenlänge kleiner als die Zielwellenlänge ist.
Strahlungsempfängervorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Strahlungsempfänger eine Mehrzahl von aktiven Bereichen (20) aufweist, die entlang der optischen Achse angeordnet sind.
Strahlungsempfängervorrichtung nach Anspruch 9, wobei die im Betrieb der Strahlungsempfängervorrichtung in den aktiven Bereichen erzeugten Signale am Strahlungsempfänger einzeln abgreifbar sind.
Strahlungsempfängervorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Strahlungsempfängervorrichtung eine elektrische Bandbreite zwischen einschließlich 20 kHz und einschließlich 800 kHz aufweist.
Strahlungsempfängervorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Strahlungsempfängervorrichtung als ein oberflächenmontierbares Bauelement ausgebildet ist.
Strahlungsempfängervorrichtung nach Anspruch 12, wobei eine Montagefläche (15) des oberflächenmontierbaren Bauelements parallel zur optischen Achse verläuft.