DE102023102131A1

DE102023102131A1 - Sensorvorrichtung mit einer mehrzahl von optikkanälen

Info

Publication number: DE102023102131A1
Application number: DE102023102131.1A
Authority: DE
Inventors: Julius Komma; Holger Pless; Rohan Kundu; Peter Schreiber
Original assignee: Ams Osram AG; Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Current assignee: Ams Osram AG; Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Priority date: 2023-01-30
Filing date: 2023-01-30
Publication date: 2024-08-01
Also published as: WO2024160669A1

Abstract

Es wird eine Sensorvorrichtung (1) angegeben, umfassend eine Detektionsfläche (4) mit zumindest einem zur Absorption von Strahlung vorgesehenen Detektionsbereich (40) und eine Optik (2), die die Detektionsfläche (4) entlang einer senkrecht zur Detektionsfläche (4) verlaufenden vertikalen Richtung gesehen überdeckt, wobei- die Optik (2) eine Mehrzahl von nebeneinander angeordneten Optikkanälen (20) umfasst;- jedem Optikkanal (20) eine Eingangsoptik (21), eine Ausgangsoptik (22) und eine Blendenöffnung (30) zugeordnet sind, wobei die Ausgangsoptik (22) zwischen der Eingangsoptik (21) und der Detektionsfläche (4) angeordnet ist;- die Eingangsoptiken (21) jeweils zumindest einen Teil eines Messfelds in eine Bildebene (29) abbilden;- die Blendenöffnungen (30) in der Bildebene (29) angeordnet sind; und- die Ausgangsoptiken (22) jeweils die von der zugehörigen Blendenöffnung (30) transmittierte Strahlung auf die Detektionsfläche (4) abbilden.

Description

Die vorliegende Anmeldung betrifft eine Sensorvorrichtung mit einer Mehrzahl von Optikkanälen.
Bei mehrkanaligen Sensoren, die beispielsweise die Farbkoordinaten von Strahlung aus einem Messfeld oder einem definierten Winkelbereich bestimmen, können Messfehler auftreten, wenn Farbstrukturen oder Farbverläufe des Messfelds ortsaufgelöst in die in mehrere spektrale Detektionsbereiche unterteilte Sensorebene abgebildet werden. Bei Verwendung von Farbfiltern in Form von Interferenzfiltern wird eine exakte Messung ferner dadurch erschwert, dass deren spektrale Transmission vergleichsweise stark vom Einfallswinkel abhängt, so dass der Einfallswinkel nicht den Akzeptanzwinkel des Farbfilters überschreiten darf.
Eine Aufgabe ist es, eine Sensorvorrichtung anzugeben, die bei einer kompakten Bauform eine zuverlässige Messung mit einer hohen Genauigkeit erlaubt.
Diese Aufgabe wird unter anderem durch eine Sensorvorrichtung mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 gelöst. Weitere Ausgestaltungen und Zweckmäßigkeiten sind Gegenstand der abhängigen Patentansprüche.
Es wird eine Sensorvorrichtung angegeben.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform der Sensorvorrichtung weist die Sensorvorrichtung eine Detektionsfläche mit zumindest einem zur Absorption von Strahlung vorgesehenen Detektionsbereich auf. Die zu detektierende Strahlung kann im infraroten, sichtbaren und/oder ultravioletten Spektralbereich liegen.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform der Sensorvorrichtung weist die Sensorvorrichtung eine Optik, die die Detektionsfläche entlang einer senkrecht zur Detektionsfläche verlaufenden vertikalen Richtung gesehen überdeckt, auf. Die Optik ist dazu eingerichtet, Strahlung aus einem Messfeld auf die Detektionsfläche zu bündeln. Eine optische Achse der Optik verläuft parallel zur vertikalen Richtung durch einen Flächenschwerpunkt (nachfolgend auch als Zentrum bezeichnet) der Detektionsfläche.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform der Sensorvorrichtung umfasst die Optik eine Mehrzahl von nebeneinander angeordneten Optikkanälen. Insbesondere ist jeder Optikkanal dazu eingerichtet, Strahlung aus zumindest einem Teil des Messfelds auf die Detektionsfläche zu bündeln und hierbei insbesondere jeweils die gesamte Detektionsfläche auszuleuchten.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform der Sensorvorrichtung ist jedem Optikkanal eine Eingangsoptik, insbesondere genau eine Eingangsoptik zugeordnet. Die Eingangsoptik ist insbesondere das erste abbildende Element, auf das die zu detektierende Strahlung auftrifft. Die Eingangsoptik kann eine Strahlungseintrittsfläche der Sensorvorrichtung bilden. Beispielsweise ist die Eingangsoptik jeweils als eine Linse, insbesondere Plan-Konvex-Linse ausgebildet. Die gekrümmte Seite der Linse ist beispielsweise sphärisch, asphärisch oder torisch gekrümmt. Eine Achse der Eingangsoptiken verläuft insbesondere jeweils parallel zur optischen Achse der Optik durch einen Vertex der jeweiligen Eingangsoptik. Den Optikkanälen ist insbesondere jeweils eine Kanalachse zugeordnet, die durch eine Mitte einer Apertur der jeweiligen Eingangsoptik verläuft.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform der Sensorvorrichtung ist jedem Optikkanal eine Ausgangsoptik, insbesondere genau eine Ausgangsoptik zugeordnet. Die Ausgangsoptik ist zwischen der Eingangsoptik und der Detektionsfläche angeordnet. Die Ausgangsoptik ist insbesondere das letzte abbildende Element im Strahlengang der zur detektierenden Strahlung vor dem Auftreffen auf die Detektionsfläche. Beispielsweise ist die Ausgangsoptik jeweils als eine Linse, insbesondere Plan-Konvex-Linse ausgebildet. Die gekrümmte Seite der Linse ist beispielsweise sphärisch, asphärisch oder torisch gekrümmt. Beispielsweise ist die Ausgangsoptik dazu eingerichtet, eine Apertur der Eingangsoptik auf die Detektionsfläche abzubilden. Eine Achse der Ausgangsoptiken verläuft insbesondere jeweils parallel zur optischen Achse der Optik durch einen Vertex der jeweiligen Ausgangsoptik.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform der Sensorvorrichtung ist jedem Optikkanal eine Blendenöffnung zugeordnet, insbesondere genau eine Blendenöffnung. Beispielsweise ist die Blendenöffnung im Strahlengang zwischen der Eingangsoptik und der Ausgangsoptik angeordnet. Die Ausgangsoptik ist insbesondere dazu eingerichtet, die von der zugehörigen Blendenöffnung transmittierte Strahlung auf die Detektionsfläche zu bündeln.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform der Sensorvorrichtung bilden die Eingangsoptiken jeweils zumindest einen Teil eines Messfelds in eine Bildebene ab.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform der Sensorvorrichtung sind die Blendenöffnungen in der Bildebene angeordnet. Mittels der Blendenöffnungen können bei der Herstellung der Sensorvorrichtung Form und Größe des Messfeldes definiert werden.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform der Sensorvorrichtung bilden die Ausgangsoptiken jeweils die Aperturen der zugehörigen Eingangsoptik auf die Detektionsfläche ab. Insbesondere wird hierbei zweckmäßigerweise für jede Blendenöffnung die Strahlung auf die gesamte Detektionsfläche verteilt.
In mindestens einer Ausführungsform der Sensorvorrichtung umfasst die Sensorvorrichtung eine Detektionsfläche mit zumindest einem zur Absorption von Strahlung vorgesehenen Detektionsbereich und eine Optik, wobei die die Detektionsfläche entlang einer senkrecht zur Detektionsfläche verlaufenden vertikalen Richtung gesehen überdeckt. Die Optik umfasst eine Mehrzahl von nebeneinander angeordneten Optikkanälen. Jedem Optikkanal sind eine Eingangsoptik, eine Ausgangsoptik und eine Blendenöffnung zugeordnet, wobei die Ausgangsoptik zwischen der Eingangsoptik und der Detektionsfläche angeordnet ist. Die Eingangsoptiken bilden jeweils zumindest einen Teil eines Messfelds in eine Bildebene ab. Die Blendenöffnungen sind in der Bildebene angeordnet und die Ausgangsoptiken bündeln jeweils die von der zugehörigen Blendenöffnung transmittierte Strahlung auf die Detektionsfläche.
Auf der Detektionsfläche, insbesondere an jeder Stelle der Detektionsfläche, ergibt sich also eine Überlagerung der durch die einzelnen Optikkanäle transmittierten Strahlung. Somit erfolgt in der Detektionsfläche keine scharfe Abbildung von räumlichen Modulationen der Strahlung, etwa in Form von Farbverläufen oder Farbstrukturen innerhalb des Messfelds. Mit anderen Worten bewirkt die Optik für jeden Optikkanal eine zweistufige Strahlführung, bei der die Eingangsoptik in einer ersten Stufe in der Bildebene ein Bild des Messfelds erzeugt und bei der die Ausgangsoptik für jeden Optikkanal die durch die Blendenöffnung hindurch tretende Strahlung bündelt und je nach Position des Optikkanals relativ zur optischen Achse erforderlichenfalls in Richtung des Zentrums der Detektionsfläche umlenkt. Dadurch kann in der Detektionsfläche eine besonders hohe Homogenität der aus dem Messfeld stammenden Strahlung erzielt werden. Mit anderen Worten wird die aus dem Messfeld abgestrahlte Strahlung dem Detektionsbereich in der Detektionsfläche mit einer hohen räumlichen Homogenität zugeführt. Detektionsfehler bedingt durch solche räumlichen Modulationen im Messfeld können somit verhindert oder zumindest stark verringert werden.
Die Ausgangsoptiken stellen hierbei jeweils Feldlinsen dar, die die durch die jeweilige Blendenöffnung hindurchtretenden divergenten Strahlbündel auf der Detektionsfläche vereinigen. Die Blendenöffnung definiert für jeden Optikkanal das Gesichtsfeld (field of view, FOV).
Auf eine Anordnung eines Diffusors im Strahlengang zur Vermeidung einer scharfen Abbildung der räumlichen Modulationen kann verzichtet werden. Die Verwendung eines der Detektionsfläche in einem hinreichend großen Abstand vorgelagerten Diffusors würde eine vergleichsweise große Baulänge der Optik und somit eine vergleichsweise große Bauhöhe der Sensorvorrichtung entlang der vertikalen Richtung erfordern. Ferner verringert ein Diffusor insgesamt die Systemtransmission beispielsweise durch eine Verwaschung (englisch „blurring“) der Abbildung und Rückstreuung, wodurch sich das Signal-zu-Rauschverhältnis der Sensorvorrichtung verschlechtert. Im Unterschied hierzu kann mit der beschriebenen Anordnung eine hohe Genauigkeit des MessSignals bei einer besonders kompakten Bauform, insbesondere in vertikaler Richtung, erzielt werden.
Ferner sind viele Diffusormaterialien nicht ohne Weiteres tauglich für Lötverfahren wie beispielsweise Reflow-Löten. Durch den Verzicht auf einen Diffusor kann also eine zuverlässige Lötbarkeit der Sensorvorrichtung vereinfacht erzielt werden.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform der Sensorvorrichtung weist die Detektionsfläche eine Mehrzahl von nebeneinander angeordneten, zur Absorption von Strahlung vorgesehenen Detektionsbereichen auf. Alle zur Detektion von Strahlung vorgesehenen aktiven Bereiche der Sensorvorrichtung befinden sich insbesondere innerhalb der Detektionsfläche. Insbesondere ist die Sensorvorrichtung dazu eingerichtet, im Betrieb Signale aus mehreren Detektionskanälen zu liefern. Den Detektionskanälen kann jeweils genau ein Detektionsbereich oder eine Mehrzahl von Detektionsbereichen zugeordnet sein. Beispielsweise können sich die Detektionskanäle hinsichtlich ihrer spektralen Empfindlichkeitsverteilung voneinander unterscheiden. Mittels der Optik kann den einzelnen Detektionsbereichen in der Detektionsfläche die aus dem Messfeld abgestrahlte Strahlung mit einer hohen Homogenität zugeführt werden. Detektionsfehler aufgrund inhomogener Beleuchtung der einzelnen Detektionsbereiche können somit verhindert oder zumindest stark verringert werden.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform der Sensorvorrichtung weist eine Achse der Ausgangsoptik für zumindest einen der Optikkanäle relativ zu einer Achse der zugehörigen Eingangsoptik einen Versatz auf. Der Versatz bezieht sich hierbei auf eine senkrecht zur vertikalen Richtung verlaufende laterale Richtung. Die Achsen verlaufen beispielsweise jeweils durch die geometrischen Mitten der entsprechenden Optiken. Insbesondere können alle Optikkanäle, deren Kanalachse von der optischen Achse der Optik beabstandet ist, einen solchen Versatz aufweisen.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform der Sensorvorrichtung ist ein Versatz zwischen der Achse der Eingangsoptik und der Achse der Ausgangsoptik eines ersten Optikkanals der Optikkanäle kleiner als ein Versatz zwischen der Achse der Eingangsoptik und der Achse der Ausgangsoptik eines zweiten Optikkanals der Optikkanäle, wobei der zweite Optikkanal in einem größeren Abstand zu einer optischen Achse der Optik angeordnet ist als der erste Optikkanal. Mit anderen Worten nimmt der Versatz zwischen der Achse der Eingangsoptik und der Achse der Ausgangsoptik der Optikkanäle mit zunehmendem Abstand des betreffenden Optikkanals von der optischen Achse der Optik zu.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform der Sensorvorrichtung ist der Versatz für die Optikkanäle so eingestellt, dass sich die Bündelschwerpunkte der durch die jeweiligen Blendenöffnungen hindurchtretenden Strahlung in einem Flächenschwerpunkt der Detektionsfläche schneiden. Dieses Kriterium gilt beispielsweise mit einer Toleranz von 10% einer Diagonalen der Detektionsfläche.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform der Sensorvorrichtung die Aperturen der Eingangsoptiken jeweils dieselbe Geometrie auf wie die Detektionsfläche. Dadurch kann eine besonders effiziente Ausleuchtung der Detektionsfläche erfolgen. Beispielsweise können die Detektionsfläche und somit die Aperturen der Eingangsoptiken eine viereckige, etwa eine quadratische oder rechteckige Form oder eine hexagonale oder runde Form aufweisen.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform der Sensorvorrichtung weist die Geometrie der Detektionsfläche eine flächenfüllende Form auf, beispielsweise eine quadratische, rechteckige oder hexagonale Form auf. Somit können auch die Eingangsoptiken jeweils die entsprechende flächenfüllende Form aufweisen. „Flächenfüllende Form“ bedeutet in diesem Zusammenhang, dass sich durch eine flächige Aneinanderreihung der Form eine geschlossene Fläche ergibt. Beispielsweise sind die Aperturen der Eingangsoptiken mit hexagonaler Form in einem hexagonalen Gitter oder mit rechteckiger oder quadratischer Form dicht gepackt in einem rechteckigen oder quadratischen Gitter angeordnet. Runde Eingangsoptiken können zumindest näherungsweise flächenfüllend angeordnet werden, beispielsweise in einem hexagonalen Gitter.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform der Sensorvorrichtung bündeln die Optikkanäle jeweils Strahlung aus dem gesamten Messfeld auf die Detektionsfläche. Hierbei wird zweckmäßigerweise jeweils die gesamte Detektionsfläche ausgeleuchtet. Es erfolgt also über die Optik eine Abbildung eines gemeinsamen Gesichtsfeldes simultan durch mehrere Optikkanäle.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform der Sensorvorrichtung bündeln die einzelnen Optikkanäle jeweils nur Strahlung aus einem Teil des Messfelds auf die Detektionsfläche und erfassen hierbei in einer Überlagerung das gesamte Messfeld. Hierbei wird zweckmäßigerweise für jeden Optikkanal jeweils die gesamte Detektionsfläche ausgeleuchtet. Es erfolgt jedoch eine Aufteilung des Gesichtsfelds der Optik insgesamt auf die einzelnen Optikkanäle. Mit anderen Worten haben zumindest zwei Optikkanäle der Optik voneinander verschiedene Blickrichtungen. Hierdurch kann eine Vergrößerung des Messfelds erzielt werden. Insbesondere ist die Größe des Messfelds nicht durch Aberrationen eines Optikkanals begrenzt. Für eine Anpassung der Blickrichtung können beispielsweise für die entsprechenden Optikkanäle jeweils individuell die Blendenöffnungen relativ zu der jeweiligen Achse des Optikkanals dezentriert, also mit einem Versatz, angeordnet sein. Optional können auch die Eingangsoptiken für die entsprechenden Optikkanäle jeweils relativ zu der jeweiligen Achse des Optikkanals dezentriert angeordnet sein.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform der Sensorvorrichtung sind die Blendenöffnungen jeweils entlang einer gemeinsamen Richtung relativ zu einer Achse der zugehörigen Eingangsoptik versetzt, so dass eine Hauptdetektionsrichtung der Sensorvorrichtung schräg zur vertikalen Richtung verläuft. Es erfolgt also eine Beobachtung des Messfelds unter einem von 0° verschiedenen Winkel zur vertikalen Richtung. Dies kann beispielsweise zur Unterdrückung von störenden Beleuchtungsreflexen (auch als Glanzlichter bezeichnet) bei einer Beleuchtung des Messfelds vorteilhaft sein.
Mittels des beschriebenen Versatzes der Blendenöffnungen kann eine solche schräg verlaufende Hauptdetektionsrichtung unabhängig von der Orientierung der Optik und der Detektionsfläche erreicht werden, insbesondere unter Beibehaltung der Parallelität von Optik und Detektionsfläche und/oder senkrechter Inzidenz auf dem Sensorchip. Insbesondere ist die Hauptdetektionsrichtung auch bezüglich einer Flächennormale der Optik geneigt. Bei der Herstellung der Sensorvorrichtung kann eine Winkeländerung allein durch die Veränderung der Dezentrierung, also ohne signifikante Änderungen des grundsätzlichen Aufbaus der Sensorvorrichtung, erreicht werden.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform der Sensorvorrichtung ist die Optik ein gemeinsames zusammenhängendes Element, das die Optikkanäle mit der jeweiligen Eingangsoptik, der jeweiligen Ausgangsoptik und der jeweiligen Blendenöffnung bildet. Hierbei können für die unterschiedlichen Teile der Optik unterschiedliche Materialien Anwendung finden. Beispielsweise können die Eingangsoptiken und die Ausgangsoptiken als Linsen gebildet sein, die auf gegenüberliegende Hauptflächen eines planaren Optikträgers aufgebracht sind. Abhängig von der Wellenlänge der zu detektierenden Strahlung eignet sich beispielsweise ein Glas oder ein Kunststoff als transparentes Material. Für die Blenden kann ein strahlungsundurchlässiges Material Anwendungen finden, das die Blendenöffnungen umgibt. Beispielsweise eignet sich ein Metall, etwa Chrom. Die Form und Position der Eingangsoptiken und der Ausgangsoptiken sowie der Blendenöffnungen kann durch lithografische Verfahren definiert werden, so dass eine hochgenaue relative Positionierung der Eingangsoptiken, der Ausgangsoptiken und der Blendenöffnungen zueinander mit hoher Präzision bereits bei der Herstellung der Optik erfolgen kann.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform der Sensorvorrichtung ist zwischen der Optik und den Detektionsbereichen zumindest stellenweise eine Filterstruktur angeordnet, so dass zumindest zwei Detektionsbereiche voneinander verschiedene spektrale Empfindlichkeitsverteilungen aufweisen. Beispielsweise sind die einzelnen Filter der Filterstruktur Interferenzfilter, also Mehrschichtfilter, bei denen die Transmissionseigenschaften unter Ausnutzung von Interferenzeffekten an den Grenzflächen der einzelnen Schichten eingestellt sind. Mit der beschriebenen Anordnung kann die Optik gezielt so ausgestaltet sein, dass die zu detektierende Strahlung jeweils innerhalb eines Akzeptanzwinkels des Filters auf die Filterstruktur auftrifft. Beispielsweise für die Bestimmung der spektralen Anteile der zu detektierenden Strahlung kann so eine besonders hohe Messgenauigkeit erzielt werden.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform der Sensorvorrichtung erstreckt sich die Optik zumindest stellenweise bis zu Seitenflächen, die die Sensorvorrichtung in lateraler Richtung begrenzen. Beispielsweise weist die Optik an den Seitenflächen zumindest stellenweise Spuren eines Vereinzelungsverfahrens, etwa Sägespuren auf. Bei der Herstellung der Sensorvorrichtung werden die jeweiligen Detektionsflächen also noch auf Waferebene, also noch vor der Vereinzelung in die einzelnen Sensorvorrichtungen mit der zugehörigen Optik versehen.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform der Sensorvorrichtung ist die Sensorvorrichtung ein Bauelement, das an einer der Optik gegenüber liegenden Montageseite Kontaktflächen, vorzugsweise alle Kontaktflächen, für die externe elektrische Kontaktierung der Sensorvorrichtung aufweist. Die Sensorvorrichtung als Ganzes ist also ein oberflächenmontierbares (surface mounted device, smd) Bauelement, in das die Optik bereits integriert ist.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform der Sensorvorrichtung weist die Sensorvorrichtung in vertikaler Richtung eine Bauhöhe von höchstens 8 mm oder höchstens 5 mm oder höchstens 3 mm auf. Je geringer die Bauhöhe in vertikaler Richtung ist, desto leichter ist die Integrierbarkeit der Sensorvorrichtung in ein mobiles elektronisches Gerät wie beispielsweise ein Smartphone.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform der Sensorvorrichtung weisen die Eingangsoptiken jeweils einen Durchmesser zwischen einschließlich 50 um und einschließlich 1 mm auf. Bei den Eingangsoptiken handelt es sich also um Mikrooptiken, wobei ihr Durchmesser vorzugsweise jedoch mindestens so groß ist, dass Beugungseffekte keine oder zumindest keine signifikante Bedeutung haben.
Mit der beschriebenen Sensorvorrichtung können insbesondere die folgenden Effekte erzielt werden.
Mittels der Verwendung mikrooptischer Elemente kann für die Sensorvorrichtung vertikaler Richtung eine besonders geringe Bauhöhe erzielt werden, beispielsweise von höchstens 5 mm oder höchstens 3 mm.
Bei der Herstellung der Sensorvorrichtung ist die Optik an unterschiedliche Beobachtungsszenarien flexibel anpassbar. Dadurch ergibt sich eine hohe Flexibilität für die Realisierung verschiedener Messfelder, Gesichtsfelder oder Betrachtungswinkel durch geringe strukturelle Änderungen der Optik.
Insbesondere kann das Messfeld unabhängig von der Form der Detektionsfläche bereits allein durch das Design der Blendenöffnungen definiert werden. Auch unterschiedliche Gesichtsfelder oder Betrachtungswinkel können durch minimale Änderungen des Bauraums erzielt werden.
Die Größe und Form des transmittierten Strahlungsflecks auf der Detektionsfläche ist unabhängig von der Form des Messfelds. Vielmehr ist diese lediglich vom Abstand zwischen der Optik und der Detektionsfläche, der Blendenzahl sowie der Form der Aperturen der Eingangsoptiken abhängig.
Für die zu detektierende Strahlung kann eine hohe Systemtransmission erzielt werden, beispielsweise im Vergleich zu einem System mit einem Diffusor im Strahlengang. Insbesondere können die Eingangsoptiken mit einem hohen Flächenfüllfaktor angeordnet werden.
Die beschriebene Sensorvorrichtung eignet sich generell für Anwendungen, bei denen eine homogenisierte Abbildung eines definierten Orts- oder Winkelbereichs auf einen Sensor gewünscht ist, beispielsweise mit einem kontrollierten Einstrahlwinkel zur Messung von rückgestreutem Licht oder von Umgebungslicht für Farbsensoren, für Abstandmessungen basierend auf Laufzeitmessungen (time-of-flight (TOF)-Messungen) oder allgemein für Remissionsmessungen zur Abstands- oder Winkelmessung, insbesondere in Verbindung mit einer minimalen Bauhöhe der Sensorvorrichtung. Aufgrund der geringen erzielbaren Bauhöhe ist die Sensorvorrichtung für den Einsatz in mobilen Geräten, beispielsweise in Smartphones, Tablets oder Notebooks besonders geeignet.
In Verbindung mit zumindest einer Ausführungsform beschriebene Merkmale können auch mit anderen in Verbindung mit zumindest einer Ausführungsform beschriebenen Merkmalen kombiniert werden, solange sich diese Merkmale nicht gegenseitig ausschließen.
Weitere Ausgestaltungen und Zweckmäßigkeiten ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung der Ausführungsbeispiele in Verbindung mit den Figuren.
Es zeigen:

Die 1A und 1B ein Ausführungsbeispiel für eine Sensorvorrichtung anhand einer schematischen Darstellung eines Beleuchtungsstrahlengangs in 1A und einer schematischen Darstellung in Schnittansicht in 1B;
die 2 ein Ausführungsbeispiel für eine Sensorvorrichtung anhand einer schematischen Darstellung eines Beleuchtungsstrahlengangs mit einer Aufteilung des Gesichtsfelds (FOV) auf die Optikkanäle; und
die 3 ein Ausführungsbeispiel für eine Sensorvorrichtung anhand einer schematischen Darstellung eines Beleuchtungsstrahlengangs für ein zur optischen Achse dezentriertes Gesichtsfeld (FOV).

Die Figuren sind jeweils schematische Darstellungen und daher nicht unbedingt maßstabsgetreu. Insbesondere können vergleichsweise kleine Elemente oder Schichtdicken zur verbesserten Darstellung und/oder zum besseren Verständnis übertrieben groß dargestellt sein.
Gleiche, gleichartige oder gleichwirkende Elemente sind in den Figuren jeweils mit gleichen Bezugszeichen versehen.
Anhand der 1A und 1B wird ein Ausführungsbeispiel für eine Sensorvorrichtung 1 beschrieben, wobei die 1A insbesondere der Erläuterung des Funktionsprinzips einer Optik der Sensorvorrichtung 1 anhand eines Beleuchtungsstrahlengangs dient. Zur verbesserten Darstellbarkeit sind nicht alle strukturellen Details der Sensorvorrichtung 1 in 1A explizit gezeigt. In 1B ist schematisch eine Sensorvorrichtung dargestellt, bei der eine Ausleuchtung einer Detektionsfläche 4 wie im Zusammenhang mit 1A beschrieben erfolgt.
In den weiteren Ausführungsbeispielen der 2 und 3 ist jeweils schematisch der Beleuchtungsstrahlengang dargestellt. Die strukturellen Merkmale für diese Ausführungsbeispiele können wie im Zusammenhang mit 1B beschrieben ausgebildet sein.
Bei dem Ausführungsbeispiel gemäß den 1A und 1B umfasst die Sensorvorrichtung 1 eine Detektionsfläche 4 mit einer Mehrzahl von nebeneinander angeordneten, zur Absorption von Strahlung vorgesehenen Detektionsbereichen 40. Davon abweichend kann in der Detektionsfläche 4 auch nur ein solcher Detektionsbereich angeordnet sein.
Die Sensorvorrichtung 1 umfasst weiterhin eine Optik 2. Entlang einer senkrecht zur Detektionsfläche 4 verlaufenden vertikalen Richtung gesehen überdeckt die Optik 2 die Detektionsfläche 4. Die Optik 2 umfasst eine Mehrzahl von nebeneinander angeordneten Optikkanälen 20, wobei jedem Optikkanal eine Eingangsoptik 21 eines Felds von Eingangsoptiken, eine Ausgangsoptik 22 eines Felds von Ausgangsoptiken und eine Blendenöffnung 30 eines Blendenfelds 3 zugeordnet sind.
Die Eingangsoptiken 21 bilden jeweils ein außerhalb der Sensorvorrichtung befindliches Messfeld in eine Bildebene 29 ab. Die Blendenöffnungen 30 sind in der Bildebene 29 angeordnet. Die Ausgangsoptiken 22 bündeln jeweils die von der zugehörigen Blendenöffnung 30 transmittierte Strahlung auf die gesamte Detektionsfläche 4.
Zur vereinfachten Erläuterung wird nachfolgend angenommen, dass sich das Messfeld in einem Abstand von der Sensorvorrichtung 1 befindet, der groß ist im Vergleich zu einer Brennweite F der Eingangsoptik 21. Die Bildebene 29 befindet sich somit in der Brennebene der Eingangsoptik 21. Das Blendenfeld 3 ist in der Bildebene 29 angeordnet und definiert für jeden Optikkanal 20 ein Gesichtsfeld 7. Ein Vollwinkel des Gesichtsfelds FOV ergibt sich für einen Durchmesser d der Blendenöffnung 30 und die Brennweite F der Eingangsoptik 21 aus der Beziehung FOV = 2 · arctan (d/2F).
Die Blendenöffnungen 30 sind jedoch nicht auf eine kreisförmige Form beschränkt, sondern können beispielsweise auch rechteckig ausgebildet sein, sodass das Messfeld bei der Herstellung der Sensorvorrichtung 1 insbesondere unabhängig von der Form der Detektionsfläche 4 festgelegt werden kann.
Die der Eingangsoptik 21 nachgelagerte Ausgangsoptik 22 bildet die Apertur der zugeordneten Eingangsoptik 21 in die Detektionsfläche 4 ab. Bei einem Abstand s zwischen der Ausgangsoptik 22 und der Detektionsfläche 4 ergibt sich die Brennweite f der Ausgangsoptik 22 aus der Abbildungsgleichung 1/f = 1/F + 1/s.
Für jeden Optikkanal 20 wird die von der Blendenöffnung 30 transmittierte Strahlung in Form eines divergenten Lichtbündels durch die zugehörige Ausgangsoptik 22 auf die gesamte Detektionsfläche 4 gelenkt und verteilt.
Für Optikkanäle 20, die in lateraler Richtung versetzt zu einer optischen Achse 91 der Optik 2 angeordnet sind, besteht ein Versatz 93 zwischen einer Achse 92 der zugehörigen Eingangsoptik 21 und einer Achse 94 der Ausgangsoptik 22. Die Blendenöffnungen 30 sind jeweils bezüglich der Achse 92 der zugehörigen Eingangsoptik 21 zentriert angeordnet. Für kleinere Abstände des Messfelds, für die insbesondere die obige vereinfachende Annahme nicht mehr gilt, können jedoch auch die Blendenöffnungen 30 zur Achse der zugehörigen Eingangsoptik 21 individuell dezentriert sein.
Der Versatz 93 ist für die Optikkanäle 20 jeweils individuell so ausgebildet, dass sich die Bündelschwerpunkte der durch die jeweiligen Blendenöffnungen 30 der Optikkanäle 20 hindurchtretenden Strahlung im Zentrum der Detektionsfläche 4 schneiden. Die Ausgangsoptiken 22 bewirken hierbei eine Direktion der Schwerpunktslinien der durch die zugehörigen Blendenöffnungen transmittierten Strahlung in das Zentrum der Detektionsfläche 4. Bündelschwerpunktslinien 95 sind in den 2 und 3 für die darin gezeigten Spezialfälle veranschaulicht. Hierfür sind das Zentrum der Detektionsfläche 4 und die Vertices der Eingangsoptik 21 und der Ausgangsoptik 22 in einer Linie angeordnet.
Der Versatz 93 nimmt für die Optikkanäle 20 mit zunehmendem Abstand von der optischen Achse 91 zu. In dem gezeigten Ausführungsbeispiel verläuft ein erster Optikkanal 20A entlang der optischen Achse 91 und weist somit keinen Versatz auf. Ein zweiter Optikkanal 20B ist von der optischen Achse 91 beabstandet und weist dementsprechend einen größeren Versatz auf.
Die Form eines auf der Detektionsfläche 4 erzeugten Strahlungsflecks entspricht der Form der Apertur der Eingangsoptik 21 eines Optikkanals 20. Bei der Herstellung der Sensorvorrichtung 1 ist diese somit weitgehend frei wählbar und kann insbesondere an die Form der auszuleuchtenden Detektionsfläche 4 angepasst werden. Besitzt die Detektionsfläche vorteilhaft eine flächenfüllende Form, zum Beispiel die eines Hexagons oder Rechtecks oder Quadrats, können auch die Aperturen entsprechend ausgebildet und angeordnet werden, dass ein hoher Flächenfüllfaktor für die Eingangsoptiken 21 erzielbar ist. Je höher der Flächenfüllfaktor ist, desto höher kann die Systemtransmission insgesamt sein. Beispielsweise können Eingangsoptiken 21 in hexagonaler oder auch runder Form in einem hexagonalen Gitter angeordnet sein. Auch mit rechteckigen oder quadratischen Aperturen in einem rechteckigen oder quadratischen Gitter kann ein hoher Flächenfüllfaktor erzielt werden.
Der Durchmesser D_D eines Strahlungsflecks auf der Detektionsfläche 4 ergibt sich entsprechend dem Strahlensatz aus der Beziehung D_D= D · s / F.
Der Einfallswinkelbereich auf der Detektionsfläche 4 ergibt sich aus der Summation der Divergenz im Bildraum einer einzelnen Eingangsoptik 21, die deren numerische Apertur NA = D/2F entspricht, und der Neigung des Hauptstrahls des am weitesten von der optischen Achse 91 der Optik entfernten Optikkanals 20 durch das Feld der Ausgangsoptiken 22. Zur Vermeidung von Messfehlern ist daher die Größe des Felds von Eingangsoptiken 21 senkrecht zur optischen Achse 91 der Optik 2 nur so groß, dass der Einfallswinkelbereich auf die Detektionsfläche 4 höchstens so groß wie der Akzeptanzwinkel der Detektionsbereiche 40, insbesondere höchstens so groß wie der kleinste Akzeptanzwinkel bei verschiedenen Akzeptanzwinkeln für die einzelnen Detektionsbereiche 40.
Bei der in 1A dargestellten Optik 2 wird Strahlung aus einem gemeinsamen Gesichtsfeld 7 auf der Detektionsfläche 4 gebündelt, insbesondere simultan durch eine Mehrzahl von Optikkanälen 20. Die Ausgangsoptiken 22 bilden hierbei jeweils die Apertur der zugehörigen Eingangsoptik 21 auf die Detektionsfläche 4 ab. Es erfolgt also keine Abbildung des Messfelds 4 auf die Detektionsfläche 4, sondern eine gleichmäßige Verteilung der aus dem Messfeld stammenden Strahlung auf die Detektionsfläche 4. Dadurch kann eine homogene Ausleuchtung der Detektionsfläche 4 erreicht werden.
Wie in 1B dargestellt, können die Eingangsoptiken 21 und die Ausgangsoptiken 22 der Optikkanäle 20 sowie die jeweils zugehörigen Blendenöffnungen 30 durch ein gemeinsames zusammenhängendes optisches Element gebildet sein. Beispielsweise weist die Optik 2 einen Optikträger 25 auf, wobei die Eingangsoptiken 21 und die Ausgangsoptiken 22 auf gegenüberliegenden Hauptflächen des Optikträgers 25 angeordnet sind. Das Blendenfeld 3 mit den Blendenöffnungen 30 kann stellenweise unter den Ausgangsoptiken 22 vergraben auf dem Optikträger 25 aufgebracht sein, etwa in Form einer Metallschicht, beispielsweise aus Chrom.
Solche Optiken können mit lithografischen Verfahren mit hoher Präzision und großflächig hergestellt werden, sodass bei der Herstellung der Sensorvorrichtung 1 die Optiken 2 für mehrere Sensorvorrichtungen 1 in einem Verbund bereitgestellt und auf Waferebene mit den übrigen Teilen der Sensorvorrichtungen 1 verbunden werden können. Das Aufbringen der Optik 2 kann also noch vor der Vereinzelung in die einzelnen Sensorvorrichtungen 1 erfolgen. Die Optik 2 erstreckt sich in diesem Fall zumindest stellenweise bis zu einer Seitenfläche 15 der Sensorvorrichtung 1 und kann Vereinzelungsspuren, beispielsweise Sägespuren, an der Seitenfläche der Optik 2 aufweisen.
Die Eingangsoptiken 21 und die Ausgangsoptiken 22 können durch eine Strukturierung der Hauptflächen des Optikträgers 25 selbst oder durch Aufbringen von zusätzlichem Material, beispielsweise einem Kunststoff, auf dem Optikträger 25 ausgebildet werden. Geeignete Verfahren hierfür sind beispielsweise im Artikel „Wafer-Level Hybride Integration of Complex Micro-Optical Modules", veröffentlicht in Micromachines 2014, 5, 325-340 oder im Artikel „Erzeugung komplexer Mikrooptiken durch Lithografie und UV-Abformung“ im Jahresbericht aus dem Jahr 2005 des Fraunhofer-Instituts für Angewandte Optik und Feinmechanik IOF beschrieben, deren Offenbarungsgehalt diesbezüglich durch Rückbezug in die vorliegende Anmeldung aufgenommen wird.
Die Eingangsoptiken 21 und die Ausgangsoptiken 22 können jeweils sphärisch oder asphärisch, beispielsweise torisch, ausgebildet sein. Über torische Eingangsoptiken kann beispielsweise eine einfache Aberrationskorrektur erzielt werden, etwa hinsichtlich Astigmatismus oder Koma.
Weiterhin können die Eingangsoptiken 21 untereinander und/oder die Ausgangsoptiken 22 untereinander zumindest zum Teil voneinander verschieden sein. Das ermöglicht eine kanalweise individuelle Aberrationskorrektur.
Die Eingangsoptiken 21 und/oder die Ausgangsoptiken 22 können auch als dezentrierte Linsensegmente ausgebildet sein. Insbesondere für die Ausgangsoptiken 22 können die Achsen benachbarter Ausgangsoptiken 22 so dichter zueinander positioniert werden.
Die Eingangsoptiken 21 und/oder die Ausgangsoptiken 22 sind beispielsweise Mikrolinsen mit einem Durchmesser zwischen einschließlich 50 µm und einschließlich 1 mm. Eine Brennweite der Eingangsoptiken 21 und/oder der Ausgangsoptiken 22 beträgt beispielsweise zwischen einschließlich 0,2 mm und einschließlich 3 mm. Je geringer diese Brennweiten sind, desto geringer kann die Bauhöhe der Sensorvorrichtung sein.
Die Anzahl der Eingangsoptiken 21 beträgt beispielsweise zwischen einschließlich 2 und einschließlich 500. Diese Werte hängen jedoch stark von den Anforderungen hinsichtlich der Baugröße der herzustellenden Sensorvorrichtung 1 in lateraler Richtung und der Bauhöhe in vertikaler Richtung ab und können grundsätzlich in weiten Grenzen variiert werden.
Die Anordnung der Eingangsoptiken 21 und der Ausgangsoptiken 22 in einem gemeinsamen zusammenhängenden optischen Element ist besonders günstig, da die Eingangsoptiken 21 und die Ausgangsoptiken 22 so bereits bei der Herstellung der Optik 2 mit hoher Präzision zueinander justiert werden können. Die Eingangsoptiken 21 und die Ausgangsoptiken 22 können jedoch auch als voneinander getrennte optische Elemente ausgebildet sein.
Wie in 1B dargestellt, weist die Sensorvorrichtung 1 in der Detektionsfläche 4 eine Mehrzahl von Detektionsbereichen 40 auf. Die Detektionsbereiche 40 sind beispielsweise jeweils durch Fotodioden, etwa mit einem zur Strahlungsabsorption geeigneten aktiven Bereich basierend auf Silizium oder einem anderen Halbleitermaterial, gebildet. Die Fotodioden können voneinander getrennte Bauelemente oder einzeln ansteuerbare Segmente eines Feldes von Fotodioden sein.
Zwischen der Optik 2 und den Detektionsbereichen 40 ist eine Filterstruktur 8 angeordnet. Die Filter sind beispielsweise durch eine Interferenzfilterstruktur gebildet. Über die Filterstruktur 8 ist die spektrale Empfindlichkeitsverteilung der jeweiligen Detektionsbereiche 40 einstellbar. In dem gezeigten Ausführungsbeispiel sind die Filter der Filterstruktur 8 jeweils direkt als eine Beschichtung auf den Detektionsbereichen 40 ausgebildet.
Davon abweichend kann die Filterstruktur 8 aber auch durch ein separates Element gebildet sein, bei dem beispielsweise die Filter für die einzelnen Detektionsbereiche 40 auf einem gemeinsamen Filterträger, der sich über mehrere oder auch alle Detektionsbereiche 40 erstreckt, angeordnet sind.
Die Anzahl der Detektionsbereiche 40 beträgt beispielsweise zwischen einschließlich zwei und einschließlich 1024. Hierbei können auch zwei oder mehr Detektionsbereiche 40 einem gemeinsamen Detektionskanal zugeordnet sein. Beispielsweise liefert die Sensorvorrichtung 1 im Betrieb der Sensorvorrichtung ein Signal aus mehreren Detektionskanälen im sichtbaren Spektralbereich und alternativ oder ergänzend weiteren Detektionskanälen im infraroten und/oder ultravioletten Spektralbereich.
Die Sensorvorrichtung weist an einer der der Optik 2 gegenüber Montageseite 50 Kontakte 55 für die externe elektrische Kontaktierung der Sensorvorrichtung auf. Die Sensorvorrichtung 1 ist somit insgesamt als ein oberflächenmontierbares mehrkanaliges Bauelement mit bereits integrierter Optik 2 ausgebildet.
Die Detektionsbereiche 40 sind auf einem Montageträger 5, beispielsweise einer Leiterplatte oder einem anderen Träger mit elektrischen Leiterstrukturen, angeordnet. Die Sensorvorrichtung 1 kann auch weitere passive oder aktive elektronische Komponenten aufweisen, etwa einen Treiberschaltkreis zur Ansteuerung der Detektionsbereiche 40. Die ist zur vereinfachten Darstellung in der 1B nicht gezeigt.
Die Optik 2 ist beispielsweise über einen Rahmenkörper 6, etwa aus einem Kunststoff an dem Montageträger 5 befestigt.
In dem gezeigten Ausführungsbeispiel ist die Montageseite 50 durch den Montageträger 5 der Sensorvorrichtung 1 gebildet.
Der Montageträger 5 ist jedoch nicht zwingend erforderlich. Beispielsweise kann die Sensorvorrichtung 1 auch in Form eines auf Waferebene gehäusten Bauelements (Waferlevel Package) vorliegen. In diesem Fall können die Detektionsbereiche 4 beispielsweise Teilbereiche eines Sensorschaltkreises sein, wobei die Kontakte 55 direkt auf den Sensorschaltkreis aufgebracht und zum Beispiel über Durchkontaktierungen durch das Silizium-Substrat (through silicon via, TSV) mit den Detektionsbereichen elektrisch leitend verbunden sein. Der Rahmenkörper 6 kann in diesem Fall auf dem Sensorschaltkreis angeordnet sein.
Das in 2 dargestellte Ausführungsbeispiel entspricht im Wesentlichen dem im Zusammenhang mit den 1A und 1B beschriebenen Ausführungsbeispiel.
Im Unterschied hierzu ist das Gesichtsfeld der Optik 2 auf einzelne Optikkanäle 20 aufgeteilt. In der gezeigten Darstellung bleibt der zentrale Optikkanal 20 parallel zur optischen Achse ausgerichtet, während die Blickrichtung des darüber angeordneten Optikkanals 20 in der Zeichenebene nach oben und des darunter angeordneten Optikkanals 20 nach unten gerichtet ist. Hierfür sind die Blendenöffnungen 30 relativ zu den Vertices der zugehörigen Eingangsoptiken 21 individuell dezentriert angeordnet. Optional können auch die Eingangsoptiken 21 des jeweiligen Optikkanals 20 individuell dezentriert angeordnet sein.
In der 2 sind ferner die Bündelschwerpunktslinien 95, die sich im Bereich der Detektionsfläche 4 schneiden, für den oberen und den unteren Optikkanal exemplarisch eingetragen. In dem gezeigten Spezialfall verlaufen die Bündelschwerpunktslinien 95 geradlinig und treffen im Zentrum der Detektionsfläche 4 zusammen. Davon abweichend erfolgt jedoch typischerweise durch die Ausgangsoptiken 22 jeweils eine Direktion in das Zentrum der Detektionsfläche 4. Auch bei dieser Ausgestaltung leuchtet jeder Optikkanal 20 für sich die gesamte Detektionsfläche 4 aus.
Durch eine solche Aufteilung des Gesichtsfelds kann erreicht werden, dass die Größe des Gesichtsfelds im Unterschied zu dem in den 1A und 1B gezeigten Ausführungsbeispiel nicht mehr durch die Aberrationen eines einzelnen Optikkanals 20 begrenzt ist. Auch für größere Gesichtsfelder kann so eine hohe Zuverlässigkeit des Messsignals erzielt werden.
Eine Hauptdetektionsrichtung 9 verläuft wie in dem im Zusammenhang mit den 1A bis 1B beschriebenen Ausführungsbeispiel parallel zur optischen Achse der Optik 2 und parallel zur vertikalen Richtung.
Das in 3 dargestellte Ausführungsbeispiel entspricht im Wesentlichen dem im Zusammenhang mit den 1A und 1B beschriebenen Ausführungsbeispiel.
Im Unterschied hierzu verläuft die Hauptdetektionsrichtung 9 schräg zur vertikalen Richtung. Dies wird dadurch erreicht, dass das Blendenfeld 3 insgesamt relativ zum Feld der Eingangsoptiken 21 dezentriert angeordnet ist. Es besteht somit ein Versatz 97 zwischen der Achse 92 der Eingangsoptik 21 und der geometrischen Mitte der zugehörigen Blendenöffnung. Die Hauptdetektionsrichtung 9 kann somit schräg zur vertikalen Richtung verlaufen, wobei die Optik 2 weiterhin parallel zur Detektionsfläche 4 verläuft und die Strahlung weiterhin im Wesentlichen senkrecht auf die Detektionsfläche 4 auftrifft. Durch eine derartige Beobachtung des Messfelds unter einem Winkel können Messfehler bedingt durch Glanzlichter unterdrückt werden. Bei der Herstellung einer solchen Sensorvorrichtung 1 muss für die Erzielung einer solchen schräg verlaufenden Hauptdetektionsrichtung im Vergleich zu dem Ausführungsbeispiel der 1A und 1B lediglich das Blendenfeld 3 als Ganzes versetzt werden und die Ausgangsoptiken 22 individuell zur Kanalachse dezentriert angeordnet werden.
Insgesamt kann mit der beschriebenen Sensorvorrichtung 1 aufgrund der homogenen Ausleuchtung der Detektionsfläche 4 eine hohe Messgenauigkeit bei gleichzeitig geringer Bauhöhe erreicht werden. Beispielsweise beträgt die Bauhöhe der Sensorvorrichtung 1 in vertikaler Richtung höchstens 5 mm oder höchstens 3 mm. Bei der Herstellung ist die Sensorvorrichtung 1 durch geringfügige Modifikationen der Optik 2 an unterschiedliche Anforderungen hinsichtlich des gewünschten Messfelds und/oder unterschiedliche Anforderungen aufgrund eines geänderten Akzeptanzwinkels der Detektionsbereiche anpassbar. Auch für eine Sensorvorrichtung 1 mit nur einem Detektionsbereich 40 kann sich eine erhöhte Messgenauigkeit ergeben, beispielsweise wenn die Empfindlichkeit innerhalb des Detektionsberereichs räumlich variiert.
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.
Bezugszeichenliste

1: Sensorvorrichtung
15: Seitenfläche
2: Optik
20: Optikkanal
21: Eingangsoptik
22: Ausgangsoptik
25: Optikträger
29: Bildebene
3: Blendenfeld
30: Blendenöffnung
4: Detektionsfläche
40: Detektionsbereich
5: Montageträger
50: Montageseite
55: Kontakt
6: Rahmenkörper
7: Gesichtsfeld
8: Filterstruktur
9: Hauptdetektionsrichtung
91: optische Achse der Optik
92: Achse der Eingangsoptik
93: Versatz
94: Achse der Ausgangsoptik
95: Bündelschwerpunktslinie
97: Versatz der Blendenöffnungen

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Nicht-Patentliteratur

Wafer-Level Hybride Integration of Complex Micro-Optical Modules“, veröffentlicht in Micromachines 2014, 5, 325-340 [0066]

Claims

Sensorvorrichtung (1), umfassend eine Detektionsfläche (4) und eine Optik (2), die die Detektionsfläche (4) entlang einer senkrecht zur Detektionsfläche (4) verlaufenden vertikalen Richtung gesehen überdeckt, wobei - die Optik (2) eine Mehrzahl von nebeneinander angeordneten Optikkanälen (20) umfasst; - jedem Optikkanal (20) eine Eingangsoptik (21), eine Ausgangsoptik (22) und eine Blendenöffnung (30) zugeordnet sind, wobei die Ausgangsoptik (22) zwischen der Eingangsoptik (21) und der Detektionsfläche (4) angeordnet ist; - die Eingangsoptiken (21) jeweils zumindest einen Teil eines Messfelds in eine Bildebene (29) abbilden; - die Blendenöffnungen (30) in der Bildebene (29) angeordnet sind; und - die Ausgangsoptiken (22) jeweils die von der zugehörigen Blendenöffnung (30) transmittierte Strahlung auf die Detektionsfläche (4) bündeln.
Sensorvorrichtung nach Anspruch 1, wobei die Detektionsfläche (4) eine Mehrzahl von nebeneinander angeordneten, zur Absorption von Strahlung vorgesehenen Detektionsbereichen (40) aufweist.
Sensorvorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, wobei für zumindest einen der Optikkanäle (20) eine Achse (94) der Ausgangsoptik (22) relativ zu einer Achse (92) der zugehörigen Eingangsoptik (21) einen Versatz (93) aufweist.
Sensorvorrichtung nach Anspruch 3, wobei der Versatz (93) zwischen Eingangsoptik (21) und Ausgangsoptik (22) eines ersten Optikkanals (20A) der Optikkanäle (20) kleiner ist als ein Versatz zwischen Eingangsoptik (21) und Ausgangsoptik (22) eines zweiten Optikkanals (20B) der Optikkanäle, wobei der zweite Optikkanal (20B) in einem größeren Abstand zu einer optischen Achse der Optik angeordnet ist als der erste Optikkanal.
Sensorvorrichtung nach Anspruch 3 oder 4, wobei der Versatz (93) für die Optikkanäle so eingestellt ist, dass sich die Bündelschwerpunkte der durch die jeweiligen Blendenöffnungen hindurchtretenden Strahlung in einem Flächenschwerpunkt der Detektionsfläche schneiden.
Sensorvorrichtung nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei die Aperturen der Eingangsoptiken (21) jeweils dieselbe Geometrie aufweisen wie die Detektionsfläche (4).
Sensorvorrichtung nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei die Geometrie der Detektionsfläche (4) eine flächenfüllende Form aufweist.
Sensorvorrichtung nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei die Optikkanäle (20) jeweils Strahlung aus dem gesamten Messfeld auf die Detektionsfläche (4) bündeln.
Sensorvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, wobei die einzelnen Optikkanäle (20) jeweils nur Strahlung aus einem Teil des Messfelds auf die Detektionsfläche (4) bündeln und in einer Überlagerung das gesamte Messfeld erfassen.
Sensorvorrichtung nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei die Blendenöffnungen (30) jeweils entlang einer gemeinsamen Richtung relativ zu einer Achse der zugehörigen Eingangsoptik versetzt sind, so dass eine Hauptdetektionsrichtung (9) der Sensorvorrichtung (1) schräg zur vertikalen Richtung verläuft.
Sensorvorrichtung nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei die Optik (2) ein gemeinsames zusammenhängendes Element ist, das die Optikkanäle (20) mit der jeweiligen Eingangsoptik (21), der jeweiligen Ausgangsoptik (22) und der jeweiligen Blendenöffnung (30) bildet.
Sensorvorrichtung nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei zwischen der Optik (2) und den Detektionsbereichen (40) zumindest stellenweise eine Filterstruktur (8) angeordnet ist, so dass zumindest zwei Detektionsbereiche voneinander verschiedene spektrale Empfindlichkeitsverteilungen aufweisen.
Sensorvorrichtung nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei sich die Optik (2) zumindest stellenweise bis zu Seitenflächen (15), die die Sensorvorrichtung (1) in lateraler Richtung begrenzen, erstreckt.
Sensorvorrichtung nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei die Sensorvorrichtung (1) ein oberflächenmontierbares Bauelement ist, das an einer der Optik gegenüber liegenden Montageseite (50) Kontaktflächen (55) für die externe elektrische Kontaktierung der Sensorvorrichtung (1) aufweist.
Sensorvorrichtung nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei die Sensorvorrichtung (1) in vertikaler Richtung eine Bauhöhe von höchstens 3 mm aufweist.
Sensorvorrichtung nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei die Eingangsoptiken (21) jeweils einen Durchmesser zwischen einschließlich 50 um und einschließlich 1 mm aufweisen.