DE10319977A1

DE10319977A1 - Optoelectronic sensor module

Info

Publication number: DE10319977A1
Application number: DE10319977A
Authority: DE
Inventors: Ulrich Dr. Steegmüller; Stefan Dr. Morgott; Klaus Friepes
Original assignee: Osram Opto Semiconductors GmbH
Current assignee: Ams Osram International GmbH
Priority date: 2003-01-31
Filing date: 2003-05-05
Publication date: 2004-08-19

Abstract

Ein optoelektronisches Sensormodul zur Messung der Bewegung eines relativ zum Sensormodul bewegten Objekts umfaßt eine Strahlungsquelle (42) zum Beleuchten des bewegten Objekts (30) mit Strahlung einer Signalwellenlänge, eine Rückkopplungseinrichtung (44) zum Einkoppeln eines Teils der von dem bewegten Objekt (30) reflektierten Strahlung in die Strahlungsquelle (42), ein Detektorelement (46) zum Aufnehmen eines Teils der von dem bewegten Objekt (30) reflektierten Strahlung der Strahlungsquelle (42) und eine Auswerteeinheit (48) zur Bestimmung der relativen Bewegung von Objekt und Sensormodul auf Grundlage charakteristischer Eigenschaften der vom Detektorelement (46) aufgenommenen Strahlung. Erfindungsgemäß ist die Strahlungsquelle durch einen oberflächenemittierenden Laser mit senkrecht stehendem Resonator (42) gebildet.An optoelectronic sensor module for measuring the movement of an object moving relative to the sensor module comprises a radiation source (42) for illuminating the moving object (30) with radiation of a signal wavelength, a feedback device (44) for coupling in a part of those reflected by the moving object (30) Radiation into the radiation source (42), a detector element (46) for receiving a portion of the radiation from the radiation source (42) reflected by the moving object (30) and an evaluation unit (48) for determining the relative movement of the object and sensor module on the basis of characteristic Properties of the radiation picked up by the detector element (46). According to the invention, the radiation source is formed by a surface-emitting laser with a vertical resonator (42).

Description

Die Erfindung betrifft ein optoelektronisches Sensormodul zur Messung der Bewegung eines relativ zum Sensormodul bewegten Objekts mit einer Strahlungsquelle zum Beleuchten des bewegten Objekts mit Strahlung einer Signalwellenlänge, einer Rückkopplungseinrichtung zum Einkoppeln eines Teils der von dem bewegten Objekt reflektierten Strahlung in die Strahlungsquelle, einem Detektorelement zum Aufnehmen eines Teils der von dem bewegten Objekt reflektierten Strahlung der Strahlungsquelle, und einer Auswerteeinheit zur Bestimmung der relativen Bewegung von Objekt und Sensormodul auf Grundlage charakteristischer Eigenschaften der vom Detektorelement aufgenommenen Strahlung. Die Erfindung betrifft ferner ein optoelektronisches Sensormodul zur Messung der zweidimensionalen Bewegung eines relativ zum Sensormodul bewegten Objekts.The invention relates to an optoelectronic sensor module for measuring the movement of a relative to the sensor module Object with a radiation source for illuminating the moving object with radiation of a signal wavelength, a feedback device for coupling in part of the radiation reflected by the moving object into the radiation source, a detector element for receiving a Part of the radiation of the radiation source reflected by the moving object, and an evaluation unit for determining the relative movement of object and sensor module based on characteristic properties of the radiation picked up by the detector element. The invention relates also an optoelectronic sensor module for measuring the two-dimensional Movement of an object moved relative to the sensor module.

In einer Vielzahl von Anwendungsbereichen besteht ein Bedarf, die ein- oder zweidimensionale Bewegung eines Objekts mit nichtmechanischen Sensoren zu messen. Beispiele stellen insbesondere Geräte für die Cursornavigation bei Computern, Laptops, Digitalen Assistenten (PDAs) oder Mobilfunkgeräten, aber auch Linear- oder Rotationsencoder dar.There are a variety of application areas a need, the one- or two-dimensional movement of an object to measure with non-mechanical sensors. Examples include devices for cursor navigation for computers, laptops, digital assistants (PDAs) or mobile devices, but also represent linear or rotary encoders.

Die gegenwärtig bekannten Lösungen ohne mechanisch bewegliche Teile basieren entweder auf Autokorrelationsverfahren oder auf Laser-Doppler-Verfahren. Bei den Autokorrelationsverfahren wird das relativ zum Sensor bewegte Objekt mit einer LED-Lichtquelle bestrahlt und die beleuchtete Fläche mittels optischer Komponenten auf einen CCD-Chip abgebildet. Durch einen kontinuierlichen Vergleich der Muster in der Bildebene während der Bewegung kann die Ortsveränderung und damit die Bewegung des Objekts gemessen werden.The currently known solutions without mechanical moving parts are based on either autocorrelation methods or using laser Doppler methods. With the autocorrelation method the object moved relative to the sensor with an LED light source irradiated and the illuminated area by means of optical components mapped onto a CCD chip. Through a continuous comparison of the patterns in the image plane during the Movement can change location and thus the movement of the object can be measured.

Bei den Laser-Doppler-Verfahren wird das Objekt durch eine kohärente Lichtquelle beleuchtet und das Streulicht in die Sensorebene abgebildet, wo es mit internen Referenzstrahlen interferiert. Die Modulationsfrequenz des Interferenzmusters stellt dabei ein Maß für die Geschwindigkeit des Objekts dar. Durch eine räumliche Separation der Referenzstrahlen kann auch eine zweidimensionale Bewegung erfaßt werden. Die Richtungsinformation wird bei diesen Verfahren durch eine polarisationssensitive Messung ermittelt.With the laser Doppler method the object through a coherent Illuminated light source and the scattered light imaged in the sensor plane, where it interferes with internal reference beams. The modulation frequency the interference pattern is a measure of the speed of the object through a spatial Separation of the reference beams can also be a two-dimensional one Movement detected become. The directional information is used in these procedures a polarization-sensitive measurement is determined.

M. H. Koelink et al., Applied Optics Vol. 31, No. 18, 1992, pp. 3401–3408 beschreiben theoretisch einen Laser-Doppler-Geschwindigkeitsmesser aus einem Faser-gekoppelten Halbleiterlaser, der den Selbstmischungseffekt des Halbleiterlasers ausnutzt. Die Laserstrahlung wird dabei in die Faser eingekoppelt und auf das bewegte Objekt geleitet. Ein kleiner Teil des von dem bewegten Objekt gestreuten und aufgrund der Relativbewegung Doppler-veschobenen Lichts wird von der Faser gesammelt und zu dem Laser zurückgeführt. Dort interferiert das frequenzverschobene Licht mit der Laserstrahlung in der Laserkavität und erzeugt eine Intensitätsmodulation des Lasers. Die Frequenz der Intensitätsmodulation steht dabei mit der Doppler-Verschiebung in Beziehung und erlaubt so die Bestimmung der Geschwindigkeit des bewegten Objekts.M.H. Koelink et al., Applied Optics Vol. 31, No. 18, 1992, pp. 3401-3408 theoretically describe a laser Doppler speedometer from a fiber-coupled Semiconductor laser, the self-mixing effect of the semiconductor laser exploits. The laser radiation is coupled into the fiber and directed to the moving object. A small part of that moving object and Doppler-shifted due to the relative movement Light is collected from the fiber and returned to the laser. There the frequency-shifted light interferes with the laser radiation in the laser cavity and creates an intensity modulation of the laser. The frequency of the intensity modulation stands with the Doppler shift in relation and thus allows the determination of the speed of the moving object.

S. K. Özdemir et al., Meas. Sci. Technol. 11 (2000), pp 1447–1455 analysieren einen Speckle-Geschwindigkeitsmesser, bei dem eine Laserdiode sowohl als Lichtquelle als auch als Detektor benutzt wird, so daß das System nur eine einzige optische Achse hat. Wird eine bewegte raube Oberfläche mit einer rms-Rauhigkeit, die größer als die Laserwellenlänge ist, senkrecht von einer selbstmischenden Laserdiode beleuchtet, so zeigt die optische Rückkopplung in die Laserkavität sogenannte Speckle-Effekte. Die Autokorrelationszeit der Amplitudenfluktuationen des Speckle-Signals ist dabei umgekehrt proportional zur Geschwindigkeit der bewegten Oberfläche und ermöglicht so die Bestimmung deren Geschwindigkeit.S.K. Özdemir et al., Meas. Sci. Technol. 11 (2000), pp 1447-1455 analyze a speckle speedometer using a laser diode is used both as a light source and as a detector, so that the system has only one optical axis. With a rough moving surface rms roughness greater than the laser wavelength is illuminated vertically by a self-mixing laser diode, so shows the optical feedback into the laser cavity so-called speckle effects. The autocorrelation time of the amplitude fluctuations of the speckle signal is inversely proportional to the speed of the moving surface and allows so determining their speed.

Hier setzt die Erfindung an. Der Erfindung, wie sie in den Ansprüchen gekennzeichnet ist, liegt die Aufgabe zugrunde, ein gattungsgemäßes optoelektronisches Sensormodul mit einem einfachen und kompakten Aufbau anzugeben. Darüber hinaus soll das Sensormodul ein einfaches optisches System aufweisen, das nur geringe Anforderungen an die Justage stellt.This is where the invention comes in. The Invention as set out in the claims is characterized, the task is based on a generic optoelectronic Specify sensor module with a simple and compact structure. About that in addition, the sensor module should have a simple optical system, that places only minimal demands on the adjustment.

Diese Aufgabe wird durch das optoelektronische Sensormodul mit den Merkmalen des Hauptanspruchs gelöst. Die Erfindung umfaßt auch ein optoelektronisches Sensormodul zur Messung der zweidimensionalen Bewegung eines relativ zum Sensormodul bewegten Objekts nach Anspruch 14 oder Anspruch 15. Weitere Ausgestaltungen der Erfindung gehen aus den Unteransprüchen 2 bis 13 und 16 bis 19 hervor.This task is accomplished through the optoelectronic Sensor module with the features of the main claim solved. The Invention includes also an optoelectronic sensor module for measuring the two-dimensional Movement of an object moved relative to the sensor module according to claim 14 or claim 15. Further embodiments of the invention go from the subclaims 2 to 13 and 16 to 19.

Erfindungsgemäß ist bei einem optoelektronischen Sensormodul der eingangs genannten Art vorgesehen, daß die Strahlungsquelle durch einen oberflächenemittierenden Laser mit senkrecht stehendem Resonator gebildet ist. Die optische Rückkopplung führt zu einer Modulation der emittierten und damit auch der vom Detektorelement aufgenommenen Strahlung, die bei oberflächenemittierenden Lasern aufgrund der kurzen Resonatorlänge besonders ausgeprägt ist. Bevorzugt ist der oberflächenemittierende Laser dabei auf eine hohe Empfindlichkeit für rückgestreute Strahlung eingerichtet und ausgelegt.According to the invention is an optoelectronic Sensor module of the type mentioned provided that the radiation source through a surface emitting Laser is formed with a vertical resonator. The optical feedback leads to a modulation of the emitted and therefore also of the detector element absorbed radiation due to surface emitting lasers the short resonator length particularly pronounced is. The surface-emitting one is preferred Lasers set up for high sensitivity to backscattered radiation and designed.

In einer zweckmäßigen Ausführungsform weist das Sensormodul eine zwischen dem oberflächenemittierenden Laser und dem bewegten Objekt angeordnete Linse oder ein diffraktiv optisches Element (DOE)auf, die die Strahlung des oberflächenemittierenden Lasers auf das bewegte Objekt kollimiert oder fokussiert. Bei Verwendung eines diffraktiv optischen Elements können gleichzeitig Strahlumlenkung und Kollimation bzw. Fokussierung mit geringeren Abbildungsfehlern als bei einer off-axis Linse erreicht werden. Darüber hinaus erlauben sowohl Oberflächen- als auch Volumen-DOEs planare Aufbauten.In an expedient embodiment, the sensor module has a lens arranged between the surface-emitting laser and the moving object or a diffractive optical element (DOE) which collimates or focuses the radiation from the surface-emitting laser onto the moving object. When using a diffractive optical element, beam deflection and collimation or focusing can be carried out at the same time with little imaging errors can be achieved than with an off-axis lens. In addition, both surface and volume DOEs allow planar structures.

In diesem Zusammenhang ist bevorzugt vorgesehen, daß die Rückkopplungseinrichtung durch die zwischen dem oberflächenemittierenden Laser und dem bewegten Objekt angeordnete Linse oder das diffraktiv optische Element gebildet ist.In this context it is preferred provided that the Feedback means through the between the surface emitting Laser and the moving object arranged lens or the diffractive optical element is formed.

Nach einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung ist der oberflächenemittierende Laser außerhalb der optischen Achse der Linse oder des diffraktiv optischen Elements angeordnet. Dies ist besonders dann von Vorteil, wenn sich das bewegte Objekt in einer Ebene senkrecht zur Abstrahlrichtung des oberflächenemittierenden Lasers bewegt, da das bewegte Objekt durch die Umlenkung des Strahlengangs der Laserstrahlung in der Linse oder dem diffraktiv optischen Element eine Geschwindigkeitskomponente in Strahlrichtung erhält.After another advantageous one The design is the surface-emitting one Lasers outside the optical axis of the lens or the diffractive optical element arranged. This is particularly advantageous when the is moving Object in a plane perpendicular to the radiation direction of the surface emitting Lasers moves because the moving object is deflected by the beam path Laser radiation in the lens or the diffractive optical element receives a velocity component in the beam direction.

Das Sensormodul weist zweckmäßig ein Strahlteilerelement auf, das einen Teil der von dem bewegten Objekt reflektierten Strahlung dem Detektorelement zuführt. Das Strahlteilerelement kann beispielsweise durch die oben angesprochene, zwischen dem oberflächenemittierenden Laser und dem bewegten Objekt angeordnete Linse oder einem diffraktiv optischen Element gebildet sein. Alternativ kann das Strahlteilerelement durch eine Gehäusekomponente, insbesondere durch ein Vergußmaterial oder einen Gehäuseteil wie einen Gehäusedeckel gebildet sein. Es genügt dabei, wenn ein kleiner Teil der Laserstrahlung als Rückreflex aus dem Hauptstrahlengang ausgekoppelt und dem Detektorelement zugeführt wird.The sensor module expediently has a beam splitter element on that part of the radiation reflected by the moving object feeds the detector element. The beam splitter element can, for example, by the above-mentioned, between the surface emitting Laser and the moving object arranged lens or a diffractive be formed optical element. Alternatively, the beam splitter element through a housing component, in particular by a potting material or a housing part formed like a case cover his. It is sufficient when a small part of the laser radiation is reflected back is coupled out of the main beam path and fed to the detector element.

In einer bevorzugten Ausgestaltung sind die Strahlungsquelle, das Detektorelement und die Auswerteeinheit auf einem gemeinsamen Trägersubstrat angeordnet. Dadurch ist ein kompakter Aufbau mit kleiner Chipfläche und geringem Montage- und Justieraufwand möglich.In a preferred embodiment are the radiation source, the detector element and the evaluation unit arranged on a common carrier substrate. This is a compact structure with a small chip area and low assembly and adjustment effort possible.

Nach einer zweckmäßigen Ausgestaltung ist das Detektorelement durch eine Photodiode gebildet.According to an expedient embodiment, that is Detector element formed by a photodiode.

Die. Auswerteeinheit umfaßt mit Vorteil einen integrierten Schaltkreis zur Signalverarbeitung der vom Detektorelement gelieferten Informationssignale über die aufgenommen Strahlung. Insbesondere kann die Auswerteeinheit elektrische Komponenten enthalten, die von dem Detektorelement gelieferte Photoströme verstärken und filtern. Die Auswerteeinheit bestimmt die relative Bewegung von Objekt und Sensormodul vorteilhaft aus der Modulation der aufgenommenen Strahlung und erzeugt aus den Modulationen Bewegungsinformationen in digitaler Form, beispielsweise in Form von Quadratursignalen. Die Richtung der Bewegung kann aus der Form der Modulation ermittelt werden.The. Evaluation unit advantageously includes an integrated circuit for signal processing from the detector element supplied information signals about the absorbed radiation. In particular, the evaluation unit contain electrical components that amplify photocurrents provided by the detector element and filter. The evaluation unit determines the relative movement of Object and sensor module advantageous from the modulation of the recorded Radiation and generates movement information from the modulations in digital form, for example in the form of quadrature signals. The direction of movement can be determined from the shape of the modulation become.

Das Detektorelement und die Auswerteeinheit können auch integriert ausgebildet sein, etwa in einem Opto-IC. Der oberflächenemittierenden Laser kann auf dem Detektorelement oder einer integrierten Auswerteeinheit montiert sein. Durch eine solche chip-on-chip-Gestaltung ergibt sich ein kompakter Aufbau sowie ein geringer Ablenkwinkel der rückreflektierten Strahlung.The detector element and the evaluation unit can also be integrated, for example in an opto-IC. The surface emitting Laser can be on the detector element or an integrated evaluation unit be mounted. Such a chip-on-chip design results a compact structure and a small deflection angle of the reflected back Radiation.

In einer besonders bevorzugten Ausgestaltung ist die Auswerteeinheit zur Bestimmung sowohl der Geschwindigkeit als auch der Richtung der relativen Bewegung von Objekt und Sensormodul ausgelegt und eingerichtet.In a particularly preferred embodiment is the evaluation unit for determining both the speed as well as the direction of the relative movement of the object and the sensor module designed and furnished.

Ein optoelektronisches Sensormodul zur Messung der zweidimensionalen Bewegung eines relativ zum Sensormodul bewegten Objekts enthält erfindungsgemäß zwei Sensormodule der oben beschriebenen Art, von denen jedes die Bewegung des Objekts in einer Raumrichtung mißt. Insbesondere sind die beiden Sensormodule mit Vorteil unter einem Winkel von 90° zueinander angeordnet, so daß bei einem in der x-y-Ebene bewegten Objekt das erste Modul die Bewegung des Objekts in x-Richtung und das zweite Modul die Bewegung des Objekts in y-Richtung erfaßt.An optoelectronic sensor module for measuring the two-dimensional movement of one relative to the sensor module According to the invention, the moving object contains two sensor modules of the type described above, each of which is the movement of the object in one direction. In particular, the two sensor modules are advantageously at an angle of 90 ° to each other arranged so that at one in the x-y plane the first module moves the movement of the Object in the x direction and the second module the movement of the object detected in the y direction.

Nach einer anderen bevorzugten Ausgestaltung enthält ein optoelektronisches Sensormodul zur Messung der zweidimensionalen Bewegung eines relativ zum Sensormodul bewegten Objekts

– zwei Strahlungsquellen zum Beleuchten des bewegten Objekts, die jeweils durch einen oberflächenemittierenden Laser mit senkrecht stehendem Resonator gebildet sind,
– eine gemeinsame Linse oder ein gemeinsames diffraktiv optisches Element zum Kollimieren oder Fokussieren der Strahlung der oberflächenemittierenden Laser auf das bewegte Objekt,
– eine Detektoreinrichtung zum Aufnehmen eines Teils der von dem bewegten Objekt reflektierten Strahlung der Strahlungsquellen, und
– eine Auswerteeinheit zur Bestimmung der zweidimensionalen relativen Bewegung von Objekt und Sensormodul auf Grundlage charakteristischer Eigenschaften der von der Detektoreinrichtung aufgenommenen Strahlung.

According to another preferred embodiment, an optoelectronic sensor module for measuring the two-dimensional movement of an object moved relative to the sensor module contains

Two radiation sources for illuminating the moving object, each of which is formed by a surface-emitting laser with a vertical resonator,
A common lens or a common diffractive optical element for collimating or focusing the radiation of the surface-emitting lasers onto the moving object,
A detector device for receiving a part of the radiation of the radiation sources reflected by the moving object, and
- An evaluation unit for determining the two-dimensional relative movement of the object and sensor module on the basis of characteristic properties of the radiation picked up by the detector device.

Die Strahlungsquellen sind dabei mit Vorteil an zwei verschiedenen Winkelpositionen außerhalb der optischen Achse der Linse oder des diffraktiv optischen Elements angeordnet, so daß ein Objekt, das sich in einer Ebene senkrecht zur Abstrahlrichtung der oberflächenemittierenden Laser in allgemeiner Richtung bewegt, durch die Umlenkung eine Geschwindigkeitskomponente in Strahlrichtung jedes der Laser erhält. Es versteht sich, daß die Geschwindigkeitskomponente in einer Strahlrichtung auch verschwinden kann, wenn sich das Objekt parallel zu dieser Strahlrichtung in der Ebene bewegt. Aufgrund der Anordnung der Strahlungsquellen an verschiedenen Winkelpositionen ist dann jedoch sichergestellt, daß die Bewegung von der anderen Strahlungsquelle erfaßt wird.The radiation sources are there with advantage at two different angular positions outside the optical axis of the lens or the diffractive optical element arranged so that a Object that is in a plane perpendicular to the radiation direction of the surface emitting Laser moves in the general direction, by deflecting a speed component each of the lasers in the beam direction. It is understood that the speed component can also disappear in a beam direction if the object is moved parallel to this beam direction in the plane. Due to the Arrangement of the radiation sources at different angular positions However, it is then ensured that the movement of the other Radiation source detected becomes.

Die Detektoreinrichtung kann zwei Photodioden umfassen, die jeweils einer der Strahlungsquellen zugeordnet sind und einen Teil der von dem bewegten Objekt reflektierten Strahlung der zugeordneten Strahlungsquelle aufnehmen.The detector device can have two photodio include, which are each assigned to one of the radiation sources and receive a portion of the radiation reflected by the moving object of the assigned radiation source.

Alternativ kann. die Detektoreinrichtung für beide Strahlungsquellen eine gemeinsame Photodiode aufweisen, die, bevorzugt durch ein Multiplexverfahren, einen Teil der von dem bewegten Objekt reflektierten Strahlung von beiden Strahlungsquellen aufnimmt. Dies ermöglicht einen besonders kompakten Aufbau, da trotz der Bewegungsmessung in zwei Dimensionen nur eine Photodiode und eine Linse bzw. ein diffraktiv optisches Element erforderlich sind.Alternatively, you can. the detector device for both Radiation sources have a common photodiode, which, preferably through a multiplexing process, part of that of the moving object reflects reflected radiation from both radiation sources. This allows a particularly compact design because despite the movement measurement in two dimensions only one photodiode and one lens or one diffractive optical element are required.

Das optoelektronische Sensormodul der beschriebenen Art eignet sich insbesondere für den Einsatz als Steuer- und Navigationsgerät vor allem für Computer, Laptops, Digitale Assistenten oder Mobilfunkgeräte.The optoelectronic sensor module The type described is particularly suitable for use as a tax and navigation device especially for Computers, laptops, digital assistants or mobile devices.

Die erfindungsgemäße Lösung erfordert nur eine geringe Anzahl an Komponenten sowie eine kleine Chipfläche, ermöglicht einen sehr kompakten Aufbau, weist ein einfaches optisches System auf und stellt nur geringe Anforderungen an die Justage.The solution according to the invention requires only a minor one Number of components and a small chip area enables a very compact structure, has a simple optical system and has only a small number Adjustment requirements.

Das erfindungsgemäße Sensormodul ist auch zur Messung von Bewegungen in z-Richtung geeignet, wobei die Strahlung des oberflächenemittierenden Lasers im Wesentlichen senkrecht auf das bewegte Objekt auftritt. Anwendung findet eine derartige Messung beispielsweise bei Abtastinstrumenten oder Profilometern, bei Präsenzdetektoren wie etwa einen Babywächter oder bei Vibrationsdetektoren wie Alarm- oder Bewegungsmelder. Bei Präsenzdetektoren wie etwa einen Babywächter oder Bei Vibrationsdetektoren oder Präsenzdetektoren reicht es dabei aus, wenn qualitativ geprüft wird, ob die aufgenommene Strahlung moduliert ist, eine quantitative Messung ist nicht erforderlich.The sensor module according to the invention is also for Measurement of movements in the z direction is suitable, the radiation of the surface emitting Laser occurs essentially perpendicular to the moving object. Such a measurement is used, for example, with scanning instruments or profilometers, for presence detectors like a baby guard or with vibration detectors such as alarm or motion detectors. at presence detectors like a baby guard or With vibration detectors or presence detectors, it is sufficient out if checked qualitatively becomes a quantitative measurement of whether the absorbed radiation is modulated not necessary.

Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen, Merkmale und Details der Erfindung ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen, der Beschreibung des Ausführungsbeispiels und der Zeichnung.Further advantageous configurations, Features and details of the invention emerge from the dependent claims Description of the embodiment and the drawing.

Die. Erfindung soll nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen im Zusammenhang mit den Zeichnungen näher erläutert werden. Dabei sind nur die für das Verständnis der Erfindung wesentlichen Elemente dargestellt. Dabei zeigtThe. Invention is intended to be based on of embodiments are explained in more detail in connection with the drawings. Only those are for the understanding elements of the invention shown. It shows

1 eine schematische Blockdarstellung eines optoelektronischen Sensormoduls nach einem Ausführungsbeispiel der Erfindung; 1 is a schematic block diagram of an optoelectronic sensor module according to an embodiment of the invention;

2 eine schematische Schnittansicht eines optoelektronischen Sensormoduls nach einem anderen Ausführungsbeispiel der Erfindung; 2 is a schematic sectional view of an optoelectronic sensor module according to another embodiment of the invention;

3 eine Aufsicht auf ein optoelektronisches Sensormodul zur Erfassung zweidimensionaler Objektbewegungen nach einem Ausführungsbeispiel der Erfindung; 3 a plan view of an optoelectronic sensor module for detecting two-dimensional object movements according to an embodiment of the invention;

4 eine schematische Schnittansicht eines optoelektronischen Sensormoduls zur Erfassung zweidimensionaler Objektbewegungen nach einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung; 4 a schematic sectional view of an optoelectronic sensor module for detecting two-dimensional object movements according to a further embodiment of the invention;

5 eine Aufsicht auf das optoelektronische Sensormodul von 4; und 5 a top view of the optoelectronic sensor module from 4 ; and

6 und 7 zwei Anwendungsbeispiele des optoelektronischen Sensormoduls von 4 und 5. 6 and 7 two application examples of the optoelectronic sensor module from 4 and 5 ,

1 zeigt eine schematische Blockdarstellung eines optoelektronischen Sensormoduls 10 nach einem Ausführungsbeispiel der Erfindung. Das Sensormodul 10 umfaßt einen oberflächenemittierenden Laser mit senkrecht stehendem Oszillator (VCSEL) 12, eine Linse 14 und eine Monitor-Photodiode 18. Die von dem VCSEL 12 ausgesandte Strahlung tritt durch den transparenten, nur angedeutet dargestellten Gehäusedeckel 16 aus und trifft, fokussiert oder kollimiert durch die Linse 14 unter einem Winkel α auf ein bewegtes Objekt 30 auf. Der Einfallswinkel α ist dabei durch den Winkel zwischen der Strahlrichtung des Laserstrahls und der Senkrechten auf die Bewegungsrichtung 32 des Objekts 30 in der von der Strahlrichtung und der Bewegungsrichtung aufgespannten Ebene gegeben. 1 shows a schematic block diagram of an optoelectronic sensor module 10 according to an embodiment of the invention. The sensor module 10 includes a surface emitting laser with a vertical oscillator (VCSEL) 12 , a lens 14 and a monitor photodiode 18 , The VCSEL 12 emitted radiation passes through the transparent housing cover, which is only indicated 16 and hits, focuses or collimates through the lens 14 at an angle α on a moving object 30 on. The angle of incidence α is the angle between the beam direction of the laser beam and the normal to the direction of movement 32 of the object 30 given in the plane spanned by the beam direction and the direction of movement.

Ein Anteil der einfallenden Strahlung wird von der Oberfläche des Objekts 30 zurückgestreut und über den Gehäusedeckel 16 in den VCSEL 12 eingekoppelt. Der Gehäusedeckel 16 koppelt ferner einen kleinen Teil der Strahlung in Richtung zur Monitordiode 18 hin aus.A portion of the incident radiation is from the surface of the object 30 scattered back and over the housing cover 16 in the VCSEL 12 coupled. The housing cover 16 also couples a small portion of the radiation towards the monitor diode 18 out.

Ist der Einfallswinkel α ungleich 90°, so hat das bewegte Objekt 30 eine Geschwindigkeitskomponente in Strahlrichtung. Die gestreute Strahlung ist dann gegenüber der ausgesandten Strahlung Doppler-verschoben, so daß die Überlagerung der Doppler-verschobenen Strahlung mit der Strahlung der Laserkavität des VCSELs 12 zu sägezahnartigen Modulationen in der Laserleistung führt. Die modulierte Strahlung wird von der Monitordiode 18 aufgenommen und in einen elektrischen Photostrom gewandet. Der Photostrom wird von dem Verstärker 20 verstärkt und der Signalverarbeitung 22 zugeführt, die aus den Modulationen digitale Bewegungsinformationen, etwa Quadratursignale 24 ermittelt, aus denen Richtung und Geschwindigkeit der Bewegung des Objekts 30 bestimmt werden.If the angle of incidence α is not equal to 90 °, the moving object has 30 a velocity component in the beam direction. The scattered radiation is then Doppler-shifted with respect to the emitted radiation, so that the superposition of the Doppler-shifted radiation with the radiation of the laser cavity of the VCSEL 12 leads to sawtooth-like modulations in the laser power. The modulated radiation is from the monitor diode 18 recorded and walled in an electric photocurrent. The photocurrent is from the amplifier 20 amplified and signal processing 22 fed from the modulations digital movement information, such as quadrature signals 24 determined from which direction and speed of movement of the object 30 be determined.

Während die Monitordiode 18 ohne Bewegung eine unmodulierte Laserleistung aufnimmt, ergibt sich bei einer Bewegung des Objekts 30 eine modulierte Laserleistung mit charakteristischer Modulationsfrequenz und Amplitudenform. Die Modulationsfrequenz ist dabei proportional zur relativen Geschwindigkeit von Objekt und Sensormodul. Der zeitliche Abstand einer Modulationsperiode entspricht der Wellenlänge des VCSELs. Aus der Signalform kann auch die Bewegungsrichtung ermittelt wer den: Das AC-Signal der Monitordiode 18 zeigt einen sägezahnförmigen Verlauf, bei dem die ansteigende Flanke des Sägezahns bei einer Bewegung des Objekts vom Laser weg steil, und bei Bewegung des Objekts zum Laser hin flach erscheint.While the monitor diode 18 absorbs an unmodulated laser power without movement, results when the object is moved 30 a modulated laser power with a characteristic modulation frequency and amplitude shape. The modulation frequency is proportional to the relative speed of the object and the sensor module. The time interval of a modulation period corresponds to the wavelength of the VCSEL. The direction of movement can also be determined from the signal shape: the AC signal of the monitor diode 18 shows a sawtooth-shaped course, in which the rising flank of the sawtooth appears steep when the object moves away from the laser and appears flat when the object moves towards the laser.

Eine schematische Schnittansicht eines optoelektronischen Sensormoduls 40 nach einem anderen Ausführungsbeispiel der Erfindung wird mit nunmehr mit Bezug auf 2 beschrieben. Die Funktionsweise des Sensormoduls 40 entspricht weitgehend der des Sensormoduls 10, so daß nachfolgend nur auf Unterschiede näher eingegangen wird.A schematic sectional view of an optoelectronic sensor module 40 after one whose embodiment of the invention will now be described with reference to 2 described. How the sensor module works 40 largely corresponds to that of the sensor module 10 , so that only differences are discussed in more detail below.

Das Sensormodul 40 enthält einen VCSEL 42, eine Monitordiode 46 und einen integrierten Schaltkreis 48, die auf einem gemeinsamen Träger 50 angebracht und in einem Gehäuse 52 eingeschlossen sind. Der Gehäusedeckel weist eine Linse 44 auf, die die Laserstrahlung auf das bewegte Objekt 30 fokussiert.The sensor module 40 contains a VCSEL 42 , a monitor diode 46 and an integrated circuit 48 that are on a common carrier 50 attached and in a housing 52 are included. The housing cover has a lens 44 on the laser radiation on the moving object 30 focused.

Um Objektbewegungen 32 in einer Ebene senkrecht zur Abstrahlrichtung 43 des VCSELs 42 erfassen zu können, sind die Linse 44 und der VCSEL 42 sind so zueinander angeordnet, daß die Laserstrahlung außerhalb der optischen Achse 45 auf die Linse trifft. Dadurch wird die Laserstrahlung umgelenkt und das bewegte Objekt erhält eine Geschwindigkeitskomponente in Strahlrichtung, die wie oben beschrieben zu einer Doppler-Verschiebung des gestreuten Lichts führt.About object movements 32 in a plane perpendicular to the direction of radiation 43 of the VCSEL 42 To be able to capture are the lens 44 and the VCSEL 42 are arranged so that the laser radiation is outside the optical axis 45 meets the lens. As a result, the laser radiation is deflected and the moving object receives a speed component in the beam direction, which, as described above, leads to a Doppler shift of the scattered light.

Das vom Objekt 30 rückgestreute Licht wird über die Linse 44 in den VCSEL 42 einekoppelt, wo es wie im Ausführungsbeispiel der 1 zu sägezahnförmigen Leistungsmodulationen führt. Ein Streuanteil des rückgestreuten Lichts gelangt von der Linse 44 zur Monitordiode 46, von wo die Ermittlung der Bewegungsdaten wie beim oben beschriebenen Ausführungsbeispiel fortschreitet.That of the object 30 backscattered light is transmitted through the lens 44 in the VCSEL 42 where it is as in the embodiment of the 1 leads to sawtooth-shaped power modulations. A portion of the backscattered light comes from the lens 44 to the monitor diode 46 , from where the determination of the movement data proceeds as in the exemplary embodiment described above.

3 zeigt eine Aufsicht auf ein optoelektronisches Sensormodul 60 zur Erfassung zweidimensionaler Objektbewegungen nach einem Ausführungsbeispiel der Erfindung. Das zu messende Objekt 30 bewegt kann sich bei dieser Ausführungsform in einer beliebigen Richtung 32 in der x-y-Ebene bewegen. Das Sensormodul 60 umfaßt zwei Teilmodule 62x und 62y, die in ihrem Aufbau jeweils dem oben beschriebenen Sensormodul 40 entsprechen. Insbesondere enthält jedes Sensormodul einen VCSEL 64x bzw. 64y, eine Monitordiode 66x bzw. 66y eine Linse 68x bzw. 68y im Gehäusedeckel, sowie einen integrierten Schaltkreis 70x bzw. 70y zur Auswertung der Bewegungsdaten. Das Sensormodul 62x ist so angeordnet, daß der Laserstrahl durch die Strahlablenkung der Linse 68x eine Komponente in x-Richtung erhält. Der Laserstrahl des Sensormoduls 62y erhält durch die Ablenkung eine Komponente in y-Richtung. Zusammen können die beiden Module somit jede Bewegung des Objekts 30 in der x-y-Ebene erfassen. 3 shows a plan view of an optoelectronic sensor module 60 for detecting two-dimensional object movements according to an embodiment of the invention. The object to be measured 30 can move in any direction in this embodiment 32 move in the xy plane. The sensor module 60 comprises two sub-modules 62x and 62y , the structure of each of the sensor module described above 40 correspond. In particular, each sensor module contains a VCSEL 64x respectively. 64y , a monitor diode 66x respectively. 66y a lens 68x respectively. 68y in the housing cover, as well as an integrated circuit 70x respectively. 70y to evaluate the movement data. The sensor module 62x is arranged so that the laser beam is deflected by the lens 68x receives a component in the x direction. The laser beam from the sensor module 62y receives a component in the y direction due to the deflection. Together, the two modules can do any movement of the object 30 capture in the xy plane.

Ein integriertes optoelektronisches Sensormodul 80 zur Erfassung zweidimensionaler Objektbewegungen ist in der 4 in Schnittansicht und in der 5 in Aufsicht dargestellt.An integrated optoelectronic sensor module 80 for capturing two-dimensional object movements is in the 4 in sectional view and in the 5 represented in supervision.

Das Sensormodul 80 enthält zwei VCSEL 82 und 84, die an zwei verschiedenen Winkelpositionen (bei 0° und bei 90° in der Quadrantendarstellung der 5) außerhalb der optischen Achse der gemeinsamen Linse 92 auf dem Trägersubstrat 94 angebracht sind. Durch diese Anordnung erhält der Laserstrahl des VCSEL 84 nach Umlenkung durch die Linse 92 eine Komponente in x-Richtung, der Laserstrahl des VCSEL 82 eine Komponente in y-Richtung. Die vom Objekt 30 zurückgestreute Strahlung wird durch die Linse 92 zum einen in die VCSEL 82 und 84 eingekoppelt und gelangt zum anderen als Streureflex zu den Monitordioden 86 und 88, die die Leistungsmodulation der Strahlung der VCSEL 82 und 84 aufnehmen. Ein gemeinsamer IC 90 übernimmt die Auswertung der empfangenen Signale und bestimmt daraus die Bewegungsinformation für das Objekt 30.The sensor module 80 contains two VCSELs 82 and 84 , which are at two different angular positions (at 0 ° and at 90 ° in the quadrant representation of the 5 ) outside the optical axis of the common lens 92 on the carrier substrate 94 are attached. This arrangement provides the VCSEL's laser beam 84 after deflection through the lens 92 one component in the x direction, the laser beam of the VCSEL 82 a component in the y direction. The from the object 30 backscattered radiation is through the lens 92 on the one hand in the VCSEL 82 and 84 coupled in and passes to the monitor diodes as a scatter reflex 86 and 88 which the power modulation of the radiation of the VCSEL 82 and 84 take up. A common IC 90 takes over the evaluation of the received signals and determines the movement information for the object 30 ,

6 zeigt als ein Anwendungsbeispiel den Einsatz eines optoelektronischen Sensormoduls 80, wie es in den 4 und 5 beschrieben ist, in einem Trackball 100. Dabei ist das Sensormodul 80 in einem Gehäuse auf einer Leiterplatte 102 montiert. Bewegt der Nutzer einen Finger 106 über die Glasplatte 104, so bestimmt das Sensormodul in der oben beschriebenen Art Richtung und Geschwindigkeit der Fingerbewegung. Diese kann dann beispielsweise in eine Cursorbewegung am Bildschirm eines Computers umgesetzt werden. 6 shows as an application example the use of an optoelectronic sensor module 80 as it is in the 4 and 5 is described in a trackball 100 , The sensor module is there 80 in a housing on a circuit board 102 assembled. The user moves a finger 106 over the glass plate 104 , the sensor module determines the direction and speed of finger movement in the manner described above. This can then, for example, be converted into a cursor movement on the screen of a computer.

Ein weiteres Anwendungsbeispiel ist in der 7 gezeigt. Dort ist das optoelektronische Sensormodul 80 der 4 und 5 in eine optische Maus 110 integriert. Das Gehäuse 112 weist eine Öffnung auf, durch die der abtastende Laserstrahl auf die Unterlage 30 fällt. Eine Bewegung der Maus 110 über die Unterlage wird von dem Sensormodul 80 als eine relative Bewegung von Unterlage 30 und Modul 80 erkannt. Auch hier können die Bewegungsdaten in bekannter Weise zur Cursorsteuerung eingesetzt werden.Another application example is in the 7 shown. There is the optoelectronic sensor module 80 the 4 and 5 into an optical mouse 110 integrated. The housing 112 has an opening through which the scanning laser beam onto the base 30 falls. A movement of the mouse 110 over the pad is from the sensor module 80 as a relative movement of the base 30 and module 80 recognized. Here, too, the movement data can be used for cursor control in a known manner.

Es versteht sich, daß die in der Beschreibung, in den Zeichnungen sowie in den Ansprüchen offenbarten Merkmale der Erfindung sowohl einzeln als auch in jeder möglichen Kombination für die Verwirklichung der Erfindung wesentlich sein können.It is understood that the in the description, in the drawings and in the claims disclosed Features of the invention both individually and in any possible Combination for the realization of the invention can be essential.

Claims

Optoelectronic sensor module for measuring the movement of an object moving relative to the sensor module with - a radiation source ( 12 ; 42 ; 64x . 64y ; 82 . 84 ) to illuminate the moving object ( 30 ) with radiation of a signal wavelength, - a feedback device ( 16 ; 44 ; 68x . 68y ; 92 ) for coupling a part of the moving object ( 30 ) reflected radiation into the radiation source ( 12 ; 42 ; 64x . 64y ; 82 . 84 ), - a detector element ( 18 ; 46 ; 66x . 66y ; 86 . 88 ) for picking up part of the moving object ( 30 ) reflected radiation from the radiation source ( 12 ; 42 ; 64x . 64y ; 82 . 84 ), and - an evaluation unit ( 20 . 22 ; 48 ; 70x . 70y . 90 ) to determine the relative movement of object and Sensor module based on the characteristic properties of the detector element ( 18 ; 46 ; 66x . 66y ; 86 . 88 ) recorded radiation, characterized in that the radiation source by a surface-emitting laser with a vertical resonator ( 12 ; 42 ; 64x . 64y ; 82 . 84 ) is formed.

Sensor module according to Claim 1, characterized in that the surface-emitting laser ( 12 ; 42 ; 64x . 64y ; 82 . 84 ) is set up and designed for high sensitivity to backscattered radiation.

Sensor module according to claim 1 or 2, characterized in that the sensor module has a between the surface emitting laser ( 42 ; 64x . 64y ; 82 . 84 ) and the moving object ( 30 ) arranged lens ( 44 ; 68x . 68y ; 92 ) or has a diffractive optical element that emits the radiation from the surface-emitting laser ( 42 ; 64x . 64y ; 82 . 84 ) on the moving object ( 30 ) collimated or focused.

Sensor module according to claim 3, characterized in that the feedback device by the between the surface emitting laser ( 42 ; 64x . 64y ; 82 . 84 ) and the moving object ( 30 ) arranged lens ( 44 ; 68x . 68y ; 92 ) or the diffractive optical element is formed.

Sensor module according to Claim 3 or 4, characterized in that the surface-emitting laser ( 42 ; 64x . 64y ; 82 . 84 ) outside the optical axis ( 45 ) the lens ( 44 ; 68x . 68y ; 92 ) or the diffractive optical element is arranged.

Sensor module according to one of the preceding claims, characterized in that the sensor module is a beam splitter element ( 16 ; 44 ; 68x . 68y ; 92 ) which has a part of the moving object ( 30 ) reflected radiation to the detector element ( 18 ; 46 ; 66x . 66y ; 86 . 88 ) feeds.

Sensor module according to Claim 6, insofar as it relates to one of Claims 3 to 5, characterized in that the beam splitter element is replaced by the laser ( 42 ; 64x . 64y ; 82 . 84 ) and the moving object ( 30 ) arranged lens ( 44 ; 68x . 68y ; 92 ) or the diffractive optical element is formed.

Sensor module according to claim 6, characterized in that the beam splitter element by a housing component ( 16 ), in particular is formed by a potting material or a housing part such as a housing cover.

Sensor module according to one of the preceding claims, characterized in that the radiation source ( 42 ; 64x . 64y ; 82 . 84 ) the detector element ( 46 ; 66x . 66y ; 86 . 88 ) and the evaluation unit ( 48 ; 70x . 70y . 90 ) on a common carrier substrate ( 50 ; 94 ) are arranged.

Sensor module according to one of the preceding claims, characterized in that the detector element ( 18 ; 46 ; 66x . 66y ; 86 . 88 ) is formed by a photodiode.

Sensor module according to one of the preceding claims, characterized in that the evaluation unit has an integrated circuit ( 48 ; 70x . 70y . 90 ) for signal processing of the detector element ( 46 ; 66x . 66y ; 86 . 88 ) supplied information signals about the radiation included.

Sensor module according to one of the preceding claims, characterized in that the evaluation unit ( 20 . 22 ; 48 ; 70x . 70y . 90 ) determines the relative movement of the object and sensor module from the modulation of the radiation received.

Sensor module according to one of the preceding claims, characterized in that the evaluation unit ( 20 . 22 ; 48 ; 70x . 70y . 90 ) is designed and set up to determine the speed and direction of the relative movement of the object and the sensor module.

Optoelectronic sensor module ( 60 ) for measuring the two-dimensional movement of an object moving relative to the sensor module ( 30 ) with two sensor modules ( 62x . 62y ) according to one of claims 1 to 13, each of which the movement of the object ( 30 ) measures in one direction.

Optoelectronic sensor module ( 80 ) for measuring the two-dimensional movement of an object moving relative to the sensor module with - two radiation sources ( 82 . 84 ) to illuminate the moving object ( 30 ), each formed by a surface-emitting laser with a vertical resonator, - a common lens ( 92 ) or a common diffractive optical element for collimating or focusing the radiation of the surface-emitting lasers ( 82 . 84 ) on the moving object ( 30 ), - a detector device ( 86 . 88 ) for picking up part of the moving object ( 30 ) reflected radiation from the radiation sources ( 82 . 84 ), and - an evaluation unit ( 90 ) to determine the two-dimensional relative movement of the object ( 30 ) and sensor module ( 80 ) on the basis of characteristic properties of the detector device ( 86 . 88 ) recorded radiation.

Optoelectronic sensor module ( 80 ) according to claim 15, characterized in that the radiation sources ( 82 . 84 ) on two different Angular positions outside the optical axis of the lens ( 92 ) or the diffractive optical element are arranged.

Optoelectronic sensor module ( 80 ) according to Claim 15 or 16, characterized in that the detector device has two photodiodes ( 86 . 88 ), each one of the radiation sources ( 82 . 84 ) are assigned and part of the moving object ( 30 ) reflected radiation from the assigned radiation sources ( 82 . 84 ) take up.

Optoelectronic sensor module ( 80 ) according to claim 15 or 16, characterized in that the detector device for both radiation sources ( 82 . 84 ) has a common photodiode, which, preferably by means of a multiplexing method, a part of the object ( 30 ) reflected radiation from both radiation sources ( 82 . 84 ) records.

Optoelectronic sensor module ( 80 ) according to one of the preceding claims, for use as a control and navigation device ( 100 . 110 ) especially for computers, laptops, digital assistants, or mobile devices.