DE112012005324B4

DE112012005324B4 - Integrierte Schaltung und Verfahren zum Detektieren eines Winkels von einfallendem Licht

Info

Publication number: DE112012005324B4
Application number: DE112012005324.9T
Authority: DE
Inventors: Shrenik Deliwala
Original assignee: Analog Devices Inc
Current assignee: Analog Devices Inc
Priority date: 2011-12-19
Filing date: 2012-11-29
Publication date: 2022-09-15
Anticipated expiration: 2032-11-30
Also published as: US20130155396A1; KR20140094651A; KR101660606B1; WO2013095882A1; DE112012005324T5; US9702690B2

Abstract

Integrierte Schaltung (108) zum Detektieren eines Winkels von einfallendem Licht (171), die Folgendes aufweist:eine Oberfläche (105) mit mehreren Aperturen (102);mehrere Photodetektoren (111, 112, 121, 122, 131, 132), die in zumindest drei Paaren von Photodetektoren (111, 112; 121, 122; 131, 132) angeordnet sind und durch Gräben (103) voneinander isoliert sind, wobei jedes der Paare (111, 112; 121, 122; 131, 132) unterhalb einer entsprechenden Apertur (102) angeordnet und mit dieser Apertur (102) ausgerichtet ist;ein lichtdurchlässiges festes Medium (106), das zwischen der Oberfläche (105) und den mehreren Photodetektoren (111, 112, 121, 122, 131, 132) angeordnet ist,wobei zumindest zwei Paare der zumindest drei Paare von Photodetektoren (111, 112; 121, 122; 131, 132) in einer ersten Richtung ausgerichtet sind und wobei Ausgänge entsprechender Photodetektoren (111, 112, 121, 122, 131, 132) von jedem der zumindest zwei Paare von Photodetektoren (111, 112; 121, 122; 131, 132) elektrisch parallel miteinander verbunden sind, um aggregierte Photoströme (iL, ir) zu erzeugen, die von dem Winkel des einfallenden Lichts (171) relativ zu der ersten Richtung abhängen, wobei der Winkel des einfallenden Lichts (171) relativ zu der ersten Richtung basierend auf einem Verhältnis der aggregierten Photoströme (iL, ir) detektierbar ist, die von den entsprechenden Photodetektoren (111, 112, 121, 122, 131, 132) der zumindest zwei Paare von Photodetektoren (111, 112; 121, 122; 131, 132) erzeugt werden; undmehrere lichtundurchlässige Sperren (181), die in dem lichtdurchlässigen festen Medium angeordnet sind, wobei jedes der zumindest drei Paare von Photodetektoren (111, 112; 121, 122; 131, 132) von jedem benachbarten Paar von Photodetektoren (111, 112; 121, 122; 131, 132) durch eine der mehreren lichtundurchlässigen Sperren (181) getrennt ist und die Paare von Photodetektoren (111, 112; 121, 122; 131, 132), die benachbart sind, parallel zueinander angeordnet sind.

Description

HINTERGRUND
Optische Erfassungstechnologie wurde zur Ortung und Verfolgung von Bewegungen von Objekten in mehreren Dimensionen verwendet. Traditionelle optische positionsempfindliche Detektoren verwenden optische Linsen zur Fokussierung von einfallendem Licht auf einen bestimmten Bereich des Detektors, um eine Winkelposition eines Objekts, welches das Licht emittiert oder reflektiert, zu bestimmen. Die Linsen fokussieren und bilden Lichtstrahlen, die von dem Objekt emittiert werden, auf einer bestimmten Stelle auf der Oberfläche des Sensors ab. Die Winkelposition des Objekts, welches das Licht emittiert, kann aus der abgebildeten Position der Lichtstrahlen an dem Sensor und den Eigenschaften der Linsen berechnet werden. Während einstmals Linsen zur Fokussierung des Lichts auf einem bestimmten Bereich des Detektors, um die Eigenschaften des von einer Lichtquelle emittierten Lichts zu messen, benötigt wurden, hat die Verwendung von Linsen in diesen Detektoren verschiedene Einschränkungen.
Zuerst müssen optische Linsen auf einer Höhe, die mindestens gleich der Brennweite der Linse ist, über der lichtdetektierenden Oberfläche positioniert sein. Diese benötigte Trennung zwischen der Linse und der lichtdetektierenden Oberfläche nimmt zusätzlichen Raum in elektronischen Geräten ein, wodurch es schwierig wird, die Größe des Geräts zu reduzieren. Zweitens stellen die Linsen außerdem eine Kostenkomponente eines Detektors dar.
Demgemäß ist vorliegend ein Bedarf an einem linsenlosen Detektor vorgesehen, der Licht genau detektieren und messen kann, um die Position zu bestimmen oder die Bewegung eines Objekts, welches Licht von einer Lichtquelle emittiert oder reflektiert, zu verfolgen.
DE 102 18 160 C1 offenbart eine Vorrichtung zur Ermittlung des Einfallwinkels einer Strahlung auf eine Strahlungseinfallfläche, mit - mindestens zwei ersten Photodiodenpaaren mit ersten Photodioden, die entlang einer ersten Achse angeordnet und paarweise in Reihe geschaltet sind, - wobei jede erste Photodiode eine Raumladungszone mit einer zur Strahlungseinfallfläche hin weisenden Raumladungszonenfläche aufweist, - einer mit Abstand oberhalb der Raumladungszonenflächen der ersten Photodioden angeordneten, strahlungsdurchlässige Bereiche aufweisenden Abschattungsmaske, - wobei jeder strahlungsdurchlässige Bereich den Raumladungszonenflächen der beiden ersten Photodioden eines ersten Photodiodenpaares zugeordnet ist und - wobei - bei Betrachtung in Richtung der Normalen der Strahlungseinfallfläche - der Grad an Überdeckung zwischen einem strahlungsdurchlässigen Bereich mit den diesem zugeordneten Raumladungszonenflächen in Richtung der ersten Achse für mindestens zwei der ersten Photodiodenpaare unterschiedlich ist, und - einer Auswerteeinheit, die den Photostrom und/ oder die Photospannung jeder ersten Photodiode jedes ersten Photodiodenpaares abfragt und anhand eines Vergleichs der Photoströme und/oder der Photospannungen den Einfallwinkel ermittelt, unter dem die in der Projektion parallel zur ersten Achse gerichtete Komponente der Strahlung auf die Strahlungseinfallfläche auftrifft.
DE 100 46 785 C2 offenbart eine Anordnung zur Bestimmung des Einfallswinkels von Licht mit einem langgestreckten Sensorarray und einem Spalt zur Beleuchtung des Sensorarrays mit einem Lichtstreifen, wobei der Spalt orthogonal zu einer vorgegebenen Längsrichtung des Sensorarrays in einem definierten Abstand, der vor allem den erfassbaren maximalen Einfallswinkel des Lichts vorgibt, über den lichtempfindlichen Flächen des Sensorarrays angeordnet ist, wobei das Sensorarray eine reihenförmige Anordnung mehrerer kongruenter Photodiodenflächen mit im wesentlichen gleicher Länge und Breite ist, wobei die Photodiodenflächen jeweils eine solche Größe aufweisen, dass bei Beleuchtung mit dem Lichtstreifen in einer Photodiodenfläche ein maximaler Photostrom, der einen Mindestbetrag zur Unterteilung in digitale Auflösungsstufen gewünschter Größe und Anzahl aufweist, ausgelöst wird, und die Photodiodenflächen in ihrer Längsausdehnung an die Breite des durch den Spalt vorgegebenen Lichtstreifens so angepasst und aneinandergereiht sind, dass trotz lichtunempfindlicher Stege, die zur elektrischen Isolation benachbarter Photodiodenflächen notwendig sind, sich Anteile der lichtempfindlichen Photodiodenflächen in Längsrichtung des reihenförmigen Photodiodenarrays überlappen, wobei von dem Lichtstreifen zu jedem Zeitpunkt mindestens zwei Photodiodenflächen gleichzeitig einen signifikanten Photostrom liefert.
DE 10 2009 046 740 B3 offenbart eine Vorrichtung zum Lokalisieren modulierten, optischen von Strahlungsquellen, die eine Blendeneinrichtung und eine Detektoreinrichtung umfasst, die bezogen auf längs einer Haupteinfallsachse einfallender Strahlung hinter der Blendenöffnung liegt, wobei die Detektoreinrichtung mindestens drei Detektorelemente aufweist, die um ein Zentrum herum angeordnet sind, und die Blendenöffnung der Blendeneinrichtung aufweist, die mittig über dem Zentrum und längst der Haupteinfallsachse vom Zentrum beabstandet angeordnet ist und alle Detektorelemente in Sicht längs der Haupteinfallsachse nur teilweise überdeckt.
DE 693 23 618 T3 offenbart einen Sonnenlichtsensor mit: einer Lichtabschneideeinrichtung, welche in der Lage ist, lediglich ausgewähltes Sonnenlicht durchzulassen, und einer Lichterfassungseinrichtung, welche auf das Sonnenlicht anspricht, und eine Mehrzahl von Lichterfassungsabschnitten enthält, wobei die Lichtabschneideeinrichtung das Sonnenlicht veranlasst teilweise abgeschnitten zu werden und gleichzeitig auf die Mehrzahl von Lichterfassungsabschnitten aufzutreffen, wobei jeder Lichterfassungsabschnitt dazu geformt ist, ein Signal, welches direkt proportional zu einer Wärmebelastung einer Umgebung ist, in welcher der Sensor aufgebaut ist, dadurch bei einem Höhenwinkel des Sonnenlichts von größer 0° auszugeben, dass eine Veränderung der Gesamtfläche des Lichterfassungsabschnitts, welcher durch das durch die Lichtabschneideeinrichtung hindurchtretende Sonnenlicht beleuchtet wird, entsprechend der Einfallsrichtung des Sonnenlichts verursacht wird.
Figurenliste

1A und 1B zeigen eine Perspektive in Seitenansicht bzw. eine Perspektive in Draufsicht auf einen eindimensionalen optischen Detektor mit einer einzigen Apertur und dazugehörigen Photodetektoren.
1C und 1D zeigen eine Perspektive in Seitenansicht bzw. eine Perspektive in Draufsicht auf einen eindimensionalen optischen Detektor mit mehreren Aperturen und dazugehörigen Photodetektoren.
1E und 1G zeigen optische Detektoren, 1F eine erfindungsgemäße Ausführungsform.
2A, 2B und 2C zeigen graphische Beispiele, wie relative Photoströme mit dem Einfallslichtwinkel korrelieren.
3 zeigt eine Perspektive in Draufsicht auf einen ersten zweidimensionalen optischen Detektor.
4 zeigt eine Perspektive in Draufsicht auf einen zweiten zweidimensionalen optischen Detektor.
5 zeigt eine Perspektive in Draufsicht auf einen dritten zweidimensionalen optischen Detektor.
6 zeigt einen Prozess.
7 zeigt eine Anwendung, bei der ein linsenloser optischer Detektor dazu verwendet werden kann, eine Bewegung eines Objekts oder einer Einrichtung in mehreren Dimensionen zu verfolgen.
8 zeigt wie ein Objekt auf Basis von emittiertem Licht, welches von dem Objekt reflektiert wird, verfolgt werden kann.

AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG
Bei einer erfindungsgemäßen Ausführungsform ist der optische Detektor eine integrierte Schaltung mit einer Apertur in einer Oberfläche der integrierten Schaltung und mindestens zwei elektrisch isolierte Photodetektoren, die mit Bezug auf die Apertur derart ausgerichtet sein können, dass sich eine Quantität des einfallenden Lichts von einer Lichtquelle, das an jedem der Photodetektoren detektiert wird, ändert, wenn sich ein Winkel des einfallenden Lichts mit Bezug auf die Apertur ändert, enthalten. In einigen Fällen können die Apertur und Photodetektoren monolithisch in oder auf einem einzigen Siliziumchip oder einem anderen Halbleiter unter Ausbildung der integrierten Schaltung hergestellt werden. In einigen Fällen kann der optische Detektor außerdem eine Messanordnung zur Quantifizierung des Winkels des einfallenden Lichts von einer Lichtquelle, das an den Photodetektoren detektiert wird, nachdem es durch die Apertur tritt, enthalten.
Die Apertur ist in einer ersten Oberfläche einer integrierten Schaltung, die den optischen Detektor ausbildet, enthalten. Die Photodetektoren können in der integrierten Schaltung unter der ersten Oberfläche eingebettet sein. In einigen Fällen kann die Apertur monolithisch mit den Detektoren hergestellt sein, um präzise Ausrichtung der Apertur und der Photodetektoren zu gewährleisten. Eine Verbesserung der Präzision der Ausrichtung zwischen der Apertur und den Photodetektoren kann die Genauigkeit der gemessenen Winkelposition der Lichtquelle verbessern. Der Detektor benötigt keine externe Linse.
In einigen Fällen kann die Oberfläche der integrierten Schaltung, die die Apertur aufweist, aus einem Metall oder einem lichtundurchlässigen Dünnfilmmaterial bestehen. In einigen Fällen kann zur Schaffung der Apertur ein Schlitz, eine Öffnung, ein Loch oder eine andere Abwesenheit des Metalls bzw. Materials bereitgestellt sein. Die Apertur kann zwischen einer Lichtquelle und den Photodetektoren positioniert sein, damit Licht durch die Apertur fallen und die Photodetektoren erreichen kann.
Die Photodetektoren sind elektrisch voneinander isoliert, in einer Seite-an-Seite-Konfiguration nebeneinander positioniert sein, und dann mit der Apertur derart ausgerichtet sein, dass sich ein Anteil des an den Photodetektoren detektierten Lichts ändert, wenn sich ein Winkel von Licht, welches auf die Apertur fällt, ändert.
Die Photodetektoren können PIN-Übergangsphotodioden enthalten, die ein leicht dotiertes nah intrinsisches Halbleitergebiet zwischen dem p-Typ- und n-Typ-Halbleitergebiet aufweisen. Die PIN-Übergangsphotodioden können derart aufgebaut sein, dass ein internes elektrisches Feld aufgrund von Vorspannung sowie eingebauter potentieller Kräfte eine im Wesentlichen vertikale Bewegung der photoerzeugten Träger verursacht. Dies kann mit einem Hochwiderstandsepitaxiewachstum von Silizium unter Ausbildung des PIN-Übergangs erreicht werden.
Die Messanordnung kann Schaltkreise enthalten, die Verwendung von Photoströmen zur Quantifizierung des an den Photodetektoren detektierten Lichts ermöglichen. Alternativ dazu kann die Messanordnung Schaltungen enthalten, die vom Photodetektoren ausgelöste Veränderungen in einem Widerstands- oder einem Leitfähigkeitsparameter einer Schaltung zur Quantifizierung des an den Photodetektoren detektierten Lichts ermöglichen. Auch können andere Techniken zur Quantifizierung des an den Photodetektoren detektierten Lichts verwendet werden.
Die Oberfläche der integrierten Schaltung kann eine Apertur in Form eines Schlitzes, runden Lochs, quadratischen Lochs oder einer anderen Gestalt, wie einem Polygon, oval oder Freiformgestalt, enthalten.
Die Größe und Gestalt der Apertur und der Photodetektoren kann dazu ausgewählt sein, verschiedene Schatten auf jedem der Detektoren bereitzustellen, wenn sich ein Winkel von Licht, welches aus einer Lichtquelle stammt, das auf die Apertur fällt, verändert. Die Messanordnung kann Schaltkreise zur Berechnung dieses Winkels von Licht, das auf die Apertur fällt, aus der quantifizierten Menge von Licht, das an den Photodetektoren detektiert wird, enthalten.
In einigen Fällen, wo die Oberfläche der integrierten Schaltung, die die Apertur enthält, metallisch oder ein anderes reflektierendes Medium ist, können die Kanten der Apertur angeschrägt sein, um Reflexionen an der Aperturkante zu minimieren, die fälschlich verursachen können, dass das Licht von der Aperturkante und auf eine fälschlich Licht detektierende Oberfläche eines Photodetektors reflektiert wird. In einigen Fällen kann die angeschrägte Aperturkante von dem Photodetektor weg gerichtet sein, damit das Licht die angeschrägte Kante trifft, um von den Photodetektoren weg reflektiert zu werden, obwohl in anderen Fällen die angeschrägte Aperturkante in eine andere Richtung gerichtet werden kann.
1A zeigt eine Perspektive in Seitenansicht und 1B zeigt eine Perspektive in Draufsicht auf eine integrierte Schaltung 108 eines eindimensionalen optischen Detektors mit einer einzigen Apertur 102 und ein dazugehöriges Paar von Photodetektoren 111 und 121. 1C zeigt eine Perspektive in Seitenansicht und 1D zeigt eine Perspektive in Draufsicht auf eine integrierte Schaltung 108 eines eindimensionalen optischen Detektors mit drei der einzigen Aperturen 102 A, B und C und dazugehörige Paare von Photodetektoren 111 und 112, 121 und 122 und 131 und 132 als Teil eines einzigen optischen Detektors. Bei diesen Ausführungsformen kann Licht von einer Lichtquelle 101, die an einer Seite einer Oberfläche 105 der integrierten Schaltung positioniert ist, durch die Aperturen 102 laufen, um die verschiedenen Photodetektoren 111 und 112, 121 und 122 und/oder 131 und 132 zu erreichen. Bei verschiedenen Ausführungsformen können verschiedene Anzahlen von Aperturen und Photodetektoren verwendet werden.
Bei den Aperturen 102 kann es sich um Schlitze mit einer Breite s handeln, und die Aperturen 102 können auf einer Höhe h über den Photodetektoren 111 bis 132 positioniert sein. Bei einigen Konfigurationen kann h weniger als 30 µm sein, und bei einigen platzsparenden Konfigurationen kann h weniger als 10 µm oder sogar weniger als 1 µm sein. Ein Medium, welches Licht durchlässt, kann zwischen einer oder mehreren Aperturen 102 und den Photodetektoren 111 bis 132 angeordnet sein. In einigen Fällen kann es sich bei dem Medium um Glas handeln, darunter Formen von Glas, die während der Halbleiterbauteilherstellung verwendet werden. Die Breite s der Photodetektoren kann von einer Winkelbereichsanforderung und h abhängen.
Der Winkel der Lichtquelle kann durch Messung eines relativen Anteils von Photoströmen berechnet werden, die an jedem der Photodetektoren detektiert werden, vorausgesetzt, dass das Licht von der Lichtquelle mindestens zwei der Photodetektoren erreichen kann. Wenn das gesamte Licht von der Lichtquelle auf nur einen Detektor fällt, ist es unter Umständen nicht möglich, Veränderungen des Winkels der Lichtquelle zu messen. Der Höchstwinkel θ_max, der gemessen werden kann, kann ungefähr bei tan(θ_max) ~ ±s/h auftreten.
Falls von einer Lichtquelle emittiertes Licht winklig derart verteilt wird, dass das emittierte Licht die Photodetektoren mit mehreren Winkeln mit einer Intensität ln(θ) erreicht, kann die durchschnittliche Winkelposition des emittierten Lichts berechnet werden. Unter der Annahme, dass S_L(θ) und S_r(θ) die jeweiligen Reaktionen auf den linken und rechten Photodetektoren auf Licht im Winkel θ, das an den Photodetektoren detektiert wird, sind, können die von den linken und rechten Photodetektoren gemessenen Photoströme wie folgt berechnet werden: $i_{L} = \int_{θ} ln (θ) \cdot S_{L} (θ) d θ$
und $i_{r} i_{L} = \int_{θ} ln (θ) \cdot S_{r} (θ) d θ .$
Die von diesen beiden Integralen berechneten Photoströme können jedoch gleich Photoströmen sein, die von einer „virtuellen“ Punktlichtquelle an einem Schwerpunktwinkel der Verteilung erzeugt werden. Dieser Schwerpunktwinkel kann von den gemessenen Photoströmen an den linken und rechten Photodetektoren berechnet werden und zur Berechnung des gleichwertigen Schwerkraftwinkels der Lichtquelle verwendet werden.
Jedes Photodetektorpaar 111/112, 121/122 und 131/132 kann eine Gesamtbreite L aufweisen, deren Mitte mit einer Mitte jeder jeweiligen Apertur 102 ausgerichtet sein kann. Bei einigen Ausführungsformen können eine oder mehrere der Mitten der Photodetektorpaare von den Mitten ihrer jeweiligen Aperturen versetzt sein, und bei einigen anderen Beispielen kann der Betrag des Vorsatzes bei verschiedenen Photodetektorpaaren variieren. Die optischen Detektoren können derart konfiguriert sein, dass die Ausgaben entsprechender Photodetektoren in jedem der Photodetektorpaare zusammengekoppelt werden, um die Lichtsammlungseffizienz zu erhöhen. Zum Beispiel können die Photostromausgaben der am weitesten links liegenden Photodetektoren 111, 121 und 131 in jedem Photodetektorpaar zusammengekoppelt werden, um einen Aggregatsstrom i_L zu erzeugen, der mit einer aggregierten detektierten Menge an Licht an den am weitesten links liegenden Photodetektoren 111, 121 und 131 proportional ist. Ähnlich können die Photostromausgaben jedes der am weitesten rechts liegenden Photodetektoren 112, 122 und 132 in jedem Photodetektorpaar zusammengekoppelt werden, um einen Aggregatsstrom i_r der am weitesten rechts liegenden Photodetektoren 112, 122 und 132 zu erzeugen.
Die Oberfläche 105 der integrierten Schaltung kann metallisch sein, zum Beispiel eine Metallverbindungsschicht, die bei der Herstellung von integrierten Schaltungen aus Silizium verwendet wird. Die Kanten der Aperturen 102 können angeschrägt sein, wie in 1A gezeigt, und in einigen Fällen können die angeschrägten Kanten von den Detektoren weg gerichtet sein, wie ebenfalls in 1A gezeigt ist.
Bei diesem Beispiel kann ein Paar erster und zweiter Photodetektoren mit jeder der Aperturen assoziiert sein. Zum Beispiel sind der erste und zweite Photodetektor 111 und 112 mit einer am weitesten links liegenden Apertur A 102 assoziiert, so dass das einfallende Licht, welches durch die Apertur A 102 fällt, an einer oder beiden der zwei Aperturen 111 und 112 detektiert wird. Ähnlich kann der erste und zweite Photodetektor 121 und 122 mit der Mittenapertur B 102 assoziiert sein, so dass das einfallende Licht, welches durch die Apertur B 102 läuft, an einer oder beiden dieser zwei Photodetektoren 121 und 122 detektiert wird. Letztlich kann der erste und zweite Photodetektor 131 und 132 mit der am weitesten rechts liegenden Apertur C 102 assoziiert sein, so dass das einfallende Licht, welches durch die Apertur C 102 läuft, an einer oder beiden dieser zwei Photodetektoren 131 und 132 detektiert wird. Jeder der Photodetektoren 111 bis 132 kann von den anderen durch einen Graben 103 elektrisch isoliert und getrennt sein. Die Photodetektoren 111 bis 132 und Aperturen A, B und C 120 können auch parallel zueinander in dem optischen Detektor angeordnet sein.
Während sich der Winkel und die Richtung des einfallenden Lichts von der linken Seite der Figur über der Oberfläche 105 zur rechten Seite über der Oberfläche 105 (oder andersrum) ändert, kann sich auch die Projektion des einfallenden Lichts durch die Aperturen A, B und C 102 von anfänglich gänzlich auf die am weitesten rechts liegenden Detektoren 112, 122 und 132 in jedem Detektorpaar auf eine geringere Projektion auf die am weitesten rechts liegenden Detektoren 112, 123 und 132 und einer höheren Projektion auf die am weitesten links liegenden Detektoren 111, 121 und 131 in jedem Detektorpaar ändern, bis das einfallende Licht gänzlich auf die am weitesten links liegenden Detektoren 111, 121 und 131 projiziert wird.
Der Winkel des einfallenden Lichts kann durch Vergleich der Photoströme i_L und i_r, verglichen werden, die mit dem detektierten Licht an den linken bzw. rechten Photodioden proportional sein können, nachdem das einfallende Licht durch die Apertur tritt. Die Fähigkeit, den Winkel des einfallenden Lichts von einer Lichtquelle 101 berechnen zu können, kann von der Fähigkeit, Licht an beiden Detektoren in dem Paar detektieren zu können, abhängen, da die Winkelberechnung von dem Anteil des jeden Detektor im Paar erreichenden Lichts abhängt.
2A-2C zeigen ein graphisches Beispiel davon, wie ein Vergleich der relativen Photoströme i_L und i_r von dem detektierten Licht an den Photodetektoren mit dem Winkel des einfallenden Lichts für verschiedene Parameter korreliert. Die eingezeichneten Kurven des Verhältnisses r, welches durch Teilen der Differenz von Photoströmen i_L und i_r durch die Summe von Photoströmen i_L und i_r berechnet wird, gegenüber dem Winkel des einfallenden Lichts zeigt, wie der Winkel des einfallenden Lichts aus dem Verhältnis r bestimmt werden kann.
Wie in den eingezeichneten Kurven gezeigt ist, können die Transferfunktionen, die den Winkel des einfallenden Lichts mit dem Verhältnis r in Beziehung setzen, durch relative Werte von drei Parametern bestimmt sein: Höhe h zwischen den Photodetektoren und der Apertur, Breite L jedes Photodetektorpaars und Schlitzbreite s. In 2A ist die Schlitzbreite s ungefähr 8 µm, während in 2B und 2C die Schlitzbreiten 6 µm bzw. 4 µm sind. Die Detektorpaarbreiten L und die Aperturhöhen h sind in jeder der 2A-2C bei 18 µm bzw. 2 µm konstant.
In verschiedenen Ausführungsformen können diese Parameter in Abhängigkeit der Anwendung variiert werden. Zum Beispiel kann bei einigen Anwendungen die Höhe h so ausgewählt sein, dass sie zwischen 0 und 10 µm liegt, und die Detektorpaarbreiten L können so ausgewählt sein, dass sie größer als h und/oder weniger als 5h sind. In dem Fall, wo die Größe h = 0 ist, kann die Oberfläche der integrierten Schaltung mit der Apertur direkt auf den Photodetektoren positioniert sein. Der Anteil von an jedem der Photodetektoren detektierten Licht kann sich noch immer ändern, während sich der Winkel des einfallenden Lichts ändert, da das die Detektoren erreichende Licht über eine bestimmte Tiefe innerhalb der Photodetektoren absorbiert wird. Diese Absorptionstiefe innerhalb der Photodetektoren kann verschiedene Mikrometer tief sein. Somit kann, obwohl die Oberfläche der integrierten Schaltung mit der Apertur direkt auf den Photodetektoren angeordnet sein kann, das die Photodetektoren erreichende Licht noch immer um eine zusätzliche Tiefe innerhalb des Photodetektoren eintreten, bevor das Licht völlig detektiert wird. Der Winkel des einfallenden Lichts kann durch Vergleich der Photoströme iL und ir berechnet werden, was proportional zum detektierten Licht an den linken bzw. rechten Photodioden sein kann, nachdem das einfallende Licht durch die Apertur tritt.
Die Lichtsammlungseffizienz kann durch Gruppierung vieler Detektorpaare zur Aggregation der Photoströme, die an jedem Detektorpaar gemessen werden, erhöht werden. Während ein Anstieg der Anzahl an Detektorpaaren die gesamten gemessenen Photoströme und die Lichtsammlungseffizienz erhöhen kann, während sich die Anzahl von Detektorpaaren in einem festgelegten Raum erhöht, kann die Breite L jedes Detektorpaars reduziert werden. Eine Reduktion der Breite L kann den Bereich von Winkeln der Lichtquelle, die von jedem Detektor gemessen werden können, einengen. Eine derartige Reduktion kann verursachen, dass Licht, das mit weniger schrägen Winkeln ankommt, nicht nur einen Detektor in jedem Paar erreicht, sondern auch einen gegenüberliegenden Detektor eines nächsten benachbarten Detektorpaars, was zu fälschlichen Ergebnissen führt.
Dieser Effekt ist in 1E gezeigt, wo einfallendes Licht 171 aus einer Lichtquelle durch die Apertur 102 treten kann, wobei es den am weitesten links liegenden Photodetektor 121 trifft, der mit der Mittenapertur B assoziiert ist. Ein Bruchteil des einfallenden Lichts 171 kann jedoch an der Detektoroberfläche 121 reflektiert werden und eine Unterseite der Oberfläche 105 erreichen. Ein weiterer Bruchteil des reflektierten Lichts 172, welcher die Unterseite der Oberfläche 105 erreicht, kann an der Unterseite reflektiert 172 werden und den am weitesten rechts liegenden Photodetektor 112 erreichen, der mit der am weitesten links liegenden Apertur 102 assoziiert ist. Dieses reflektierte Licht 172, welches den gegenüberliegenden Photodetektor (wie zum Beispiel Detektor 112) in einem benachbarten Photodetektorpaar erreicht, kann den berechneten Anteil des an jedem der Photodetektoren detektierten Lichts verzerren, wobei angenommen wird, dass dies nur das einfallende Licht 171 enthält. Somit muss L in Abhängigkeit des Betriebswinkelbereichs gewählt werden.
1F zeigt eine erfindungsgemäße Ausführungsform, bei der lichtundurchlässige Sperren 181 zwischen Photodetektorpaaren positioniert sein können, um reflektiertes Licht 172 daran zu hindern, Detektoren in benachbarten Detektorpaaren zu erreichen. Wie in 1F gezeigt, kann einfallendes Licht 171, welches am Detektor 121 reflektiert 172 werden kann, die lichtundurchlässige Sperre 181 erreichen. Ein Bruchteil des die lichtundurchlässige Sperre erreichenden Lichts kann an der Sperre 181 reflektiert 172 werden und den Detektor 121 erreichen, was die Menge an am Detektor 121 gemessenen Licht erhöht. Die Sperre 181 kann somit die Gelegenheit für reflektiertes Licht 172, benachbarte Detektoren zu erreichen und damit den Anteil von an jedem der Detektoren gemessenen Licht zu verzerren, was wiederum den berechneten Winkel des einfallenden Lichts verzerrt, auf ein Minimum reduzieren.
In 1G ist die Breite s der Aperturen 102 größer als die Breite der Oberfläche 105 zwischen den Aperturen 102 ist. Während diese Anordnung einen größeren Bereich von Winkeln der Lichtquelle messen kann, da das Verhältnis s/h viel größer als im vorigen Beispiel ist, wo die Aperturbreite s wesentlich kleiner war, kann die Anordnung in 1G gegenüber inkrementalen Lichtquellenwinkeländerungen weniger empfindlich sein. Diese geringere Empfindlichkeit gegenüber kleineren Lichtquellenwinkeländerungen kann auftreten, da die größere Aperturbreite verursachen kann, dass sich ein kleinerer Prozentsatz des einfallenden Lichts zwischen den Detektoren in jedem Detektorpaar verschiebt. Zusätzlich können die größeren Aperturbreiten zu erhöhtem Rauschen, Umgebungslicht und anderen Störungsquellen, die an den Detektoren detektiert werden, führen.
3 zeigt eine Perspektive in Draufsicht auf einen ersten zweidimensionalen optischen Detektor. Dieser optische Detektor kann dazu verwendet werden, einen Winkel von einfallendem Licht in einer zweidimensionalen Ebene zu berechnen, wie zum Beispiel der x-y-Ebene, die in 3 gezeigt ist. In diesem Beispiel ist jede der vier rechteckigen Aperturen A, B, C, D 302 in der Oberfläche 305 mit einer Gruppe von vier jeweiligen rechteckigen Photodetektoren 311-314, 321-324, 331-334 und 341-344 assoziiert, die Seite an Seite angeordnet und wie gezeigt durch Gräben 303 getrennt sind. Zusätzliche Photodetektoren und Aperturen können auch in verschiedenen Ausführungsformen verwendet werden, und die Gestalt der Aperturen und/oder Photodetektoren kann auch in den verschiedenen Ausführungsformen variieren. Zum Beispiel können die Aperturen rund sein oder eine kompliziertere Gestalt aufweisen. Ähnlich können die Photodetektoren als Sektoren, Polygone oder andere Gestalten ausgebildet sein.
Eine Mitte jeder Gruppe von vier Photodetektoren, die Seite an Seite liegen, kann mit einer Mitte ihrer jeweiligen assoziierten Apertur 302 ausgerichtet sein. Zum Beispiel kann die Mitte der Photodetektoren 311-314, die Seite an Seite angeordnet sind, mit einer Mitte der Apertur A 302 ausgerichtet sein usw. Bei anderen Ausführungsformen können die Mitten der Photodetektoren, die Seite an Seite liegen, von ihren jeweiligen Aperturmitten versetzt sein.
Der Winkel des Lichts in einer ersten Richtung, wie zum Beispiel der x-Richtung, kann durch Vergleichen der Photoströme aus den am weitesten links liegenden Photodetektoren in jeder Gruppe (in diesem Fall die ersten und dritten Photodetektoren 311, 313, 321, 323, 331, 333, 341, 343) mit den am weitesten rechts liegenden Photodetektoren in jeder Gruppe (in diesem Fall die zweiten und vierten Photodetektoren 312, 314, 322, 344, 332, 334, 342, 344) bestimmt werden.
Der Winkel von Licht in einer zweiten Richtung, wie zum Beispiel der y-Richtung, kann ähnlich durch Vergleichen der Photoströme aus den am weitesten oben liegenden Photodetektoren in jeder Gruppe (in diesem Fall die ersten und zweiten Photodetektoren 311, 312, 321, 322, 331, 332, 341, 342) mit den am weitesten unten liegenden Photodetektoren in jeder Gruppe (in diesem Fall die dritten und vierten Photodetektoren 313, 314, 323, 324, 333, 334, 343, 344) bestimmt werden.
4 zeigt eine Perspektive in Draufsicht auf einen zweiten zweidimensionalen optischen Detektor. In diesem Beispiel können Arrays 430 und 440 von Photodetektoren 410 und Schlitzaperturen A-F 402 in einer Oberfläche 405 nebeneinander und Seite an Seite angeordnet sein. Bei einigen Ausführungsformen kann jedes der Arrays 430 und 440 von der Struktur her ähnlich denen in 1 und 2 gezeigten sein, obwohl in den anderen Ausführungsformen die Gestalt, Größe, der Versatz und die Position der Photodetektoren 410 und/oder Aperturen 402 von den gezeigten variieren können.
Bei dem am weitesten links liegenden Array 430 können seine Photodetektoren 410 und Aperturen A-C 402 in einer vertikalen (y-Richtung) Konfiguration 430 angeordnet sein, um einen Winkel des einfallenden Lichts in der x-Richtung, welches durch Aperturen A-C 402 tritt, zu messen. Ein aggregierter Photostrom i_L kann aus jedem der Photodetektoren 410 links der Aperturen A, B und C 402 erzeugt werden, und ein aggregierter Photostrom i_r kann aus jedem der Photodetektoren 410 rechts der Aperturen A, B und C 402 erzeugt werden, auf der Basis des einfallenden Lichts, das jeden der jeweiligen Photodetektoren 410 erreicht. Die Photoströme können dann zur Berechnung des Winkels des Lichts in der horizontalen x-Richtung verwendet werden, wie zuvor erörtert.
Bei dem am weitesten rechts liegenden Array 440 können seine Photodetektoren 410 und Aperturen A-C 402 in einer horizontalen (x-Richtung) Konfiguration 430 angeordnet sein, um einen Winkel des einfallenden Lichts in der y-Richtung, welches durch die Aperturen D-F 402 tritt, zu messen. Ein aggregierter Photostrom i_t kann aus jedem der Photodetektoren 410 über den Aperturen D, E und F 402 erzeugt werden, und ein aggregierter Photostrom i_b kann aus jedem der Photodetektoren 410 unter den Aperturen D, E und F 402 erzeugt werden, auf der Basis des einfallenden Lichts, das jeden der jeweiligen Photodetektoren 410 erreicht. Die Photoströme können daraufhin zur Berechnung des Winkels des Lichts in der vertikalen y-Richtung verwendet werden, wie zuvor erörtert. Die Photodetektoren 410 in jedem der Arrays sowie die Arrays selbst können voneinander elektrisch isoliert sein.
5 zeigt eine Perspektive in Draufsicht auf einen dritten zweidimensionalen optischen Detektor. In diesem Beispiel können die Detektorarrays 501, 502, 503 und 504 Seite an Seite in dem gezeigten alternierend vertikalen und horizontalen Arraymuster kombiniert sein (oberes vertikales Array 501 links vom oberen horizontalen Array 502, welcher über dem niedrigeren vertikalen Array 503 liegt, der rechts neben dem niedrigeren horizontalen Array 504 liegt). Die Einbeziehung von mehr Detektorarrays und/oder Photodetektoren in einem Array kann die Gesamtgenauigkeit des optischen Detektors verbessern.
In verschiedenen Ausführungsformen kann jedes der Arrays 501 bis 504 ähnliche oder unterschiedliche Photodetektoren, Aperturen oder Versätze aufweisen. Einige Arrays können Photodetektoren und/oder Aperturen mit verschiedenen Größen, Gestalten, Versätzen und/oder Positionen aufweisen. Zum Beispiel kann ein Multi-Array-Detektor einige Arrays aufweisen, die ähnlich den in 3 gezeigten sind, und andere Arrays, die ähnlich den in 4 gezeigten sind. Bei einigen Ausführungsformen können die Aperturen und ihre entsprechenden Detektoren senkrecht zueinander in dem optischen Detektor angeordnet sein (wie zum Beispiel in 4 und 5 gezeigt), obwohl sie auch in verschiedenen anderen Winkeln zueinander angeordnet sein können, wie zum Beispiel einem spitzen Winkel oder stumpfen Winkel, oder selbst auf verschiedenen Ebenen. Andere Photodetektoren können mit verschiedenen Höhen in dem Detektor oder selbst mit verschiedenen Winkeln mit Bezug auf eine Oberfläche des Detektors angeordnet sein. Zum Beispiel können Paare von Photodetektoren, wie in 1, 2, 4 und 5 gezeigt, in einer „V“-Konfiguration angeordnet sein, die mit einer Mitte der Apertur ausgerichtet, statt auf einer parallelen Ebene mit der Apertur und/oder der Oberfläche angeordnet ist.
6 zeigt einen Prozess. Im Kasten 601 kann ein Anteil von einfallendem Licht, welches an mehreren Photodetektoren nach Durchtritt durch eine Apertur detektiert wird, identifiziert werden. Im Kasten 602 können Positionsinformationen des einfallenden Lichts aus dem identifizierten Anteil an einfallendem Licht, welches an den mehreren Photodetektoren detektiert wird, berechnet werden. Die Positionsinformationen können Informationen über Winkel des Lichts in einer oder mehreren Dimensionen enthalten. Eine Änderung der Richtung des einfallenden Lichts kann auch aus den Änderungen in einem oder mehreren Winkeln von Licht bestimmt werden.
In einigen Fällen kann der Anteil von einfallendem Licht, der an den mehreren Photodetektoren detektiert wird, ohne Verwendung einer Linse identifiziert werden und/oder die Positionsinformationen des einfallenden Lichts können ohne Verwendung einer Linse berechnet werden. Das einfallenden Licht kann außerdem durch die Apertur treten und die mehreren Photodetektoren erreichen, ohne durch eine Linse zu treten, obwohl das einfallende Licht durch ein Medium zwischen der Apertur und den mehreren Photodetektoren treten kann, bevor es die mehreren Photodetektoren erreicht. Bei dem Medium handelt es sich um einen Feststoff (wie zum Beispiel ein Polymer oder Glas), der Licht durch das Medium lässt und eine direktionale Charakteristik des hindurchtretenden Lichts nicht ändern muss.
7 zeigt eine Anwendung, bei der ein linsenloser optischer Detektor verwendet werden kann, um eine Bewegung eines Objekts oder einer Einrichtung in mehreren Dimensionen zu verfolgen. In diesem Beispiel können eine oder mehrere Lichtquellen, wie LEDs 711 und/oder 712, an bekannten Positionen mit Bezug auf ein Geräteteil 710 angeordnet sein, wobei es sich um einen Computer, Tablet, Fernseher oder ein anderes Gerät handeln kann. Jede der Lichtquellen 711 und/oder 712 kann Licht emittieren, welches in Bezug auf Frequenz, Zeit oder Phase eindeutig moduliert werden kann, um eine Quelle des emittierten Lichts zu identifizieren. Ein linsenloser optischer Detektor kann in einer beweglichen Einrichtung 740 enthalten sein. Der optische Detektor kann einen Sensor 741 enthalten, der Photodetektoren und/oder Photodetektorarrays aufweist, die ähnlich den in den vorangehenden Figuren gezeigten sind. Photoströme aus den Photodetektoren in den Sensoren 741 können durch den Verstärker 742 verstärkt werden, bevor sie an einem Analog-Digital-Wandler 743 zu Digitalcodes umgewandelt werden.
Ein Prozessor 744 kann in Abhängigkeit von der Sensorkonfiguration zur Berechnung eines Winkels θ₁ und/oder θ₂ von einfallendem Licht aus jeder der Lichtquellen 711 und/oder 712 in mindestens einer Dimension verwendet werden. Falls zum Beispiel eine eindimensionale Sensorkonfiguration verwendet wird, kann der Winkel des einfallenden Lichts aus jeder Lichtquelle mit Bezug auf die eine Dimension berechnet werden. Falls eine zweidimensionale Sensorkonfiguration verwendet wird, kann ein Winkel von einfallendem Licht aus jeder Lichtquelle mit Bezug auf jede der zwei Dimensionen berechnet werden. Die berechneten Winkel des einfallenden Lichts können dann zur Bestimmung einer Position der Sensoren mit Bezug auf die Lichtquelle verwendet werden, wie zuvor erörtert.
Falls zwei Lichtquellen 711 und 712 mit einem eindimensionalen Sensor verwendet werden, oder eine Lichtquelle mit einem zweidimensionalen Sensor verwendet wird, dann können somit zweidimensionale Positionsinformationen, wie zum Beispiel eine x-y-Koordinate, des Detektors mit Bezug auf die Lichtquelle unter Verwendung von Geometrie und/oder Triangulation bestimmt werden. Falls drei Lichtquellen mit einem eindimensionalen Sensor oder zwei Lichtquellen mit einem zweidimensionalen Sensor verwendet werden, dann können dreidimensionale Positionsinformationen, wie zum Beispiel eine x-y-z-Koordinate sowie ein Drehwinkel θ_z mittels Geometrie und/oder Triangulation berechnet werden.
Das in 7 gezeigte Beispiel kann verwendet werden, bei dem die Einrichtung 740 eine Fernbedienung ist und die Lichtquellen 711 und/oder 712 an einem Fernseher, Computer, Tablet oder einem anderen Gerät 710 angebracht sind. Der Sensor 741, Verstärker 742, Analog-Digital-Wandler 743 und/oder Prozessor 744 können sich in der Fernbedienung befinden und eine Position, wie zum Beispiel eine (x,y)-Koordinate, berechnen, auf die die Einrichtung 740 gerichtet ist. Im Fall eines Fernsehers kann zum Beispiel eine (x,y)-Position auf dem Bildschirm, auf den die Fernbedienung gerichtet ist, aus dem berechneten einfallenden Winkel von Licht aus jeder Lichtquelle 711 und/oder 712, das an den Sensoren 741 in der Fernbedienung 740 detektiert wird, berechnet werden. Zusätzlich kann außerdem bei einigen Ausführungsformen eine Distanz z der Fernbedienung 740 von den Lichtquellen 711, 712 oder dem Fernsehbildschirm berechnet werden. Letztlich kann ein Drehwinkel der Sensoren 741 mit Bezug auf die Lichtquellen 711 und 712 berechnet werden.
Obwohl in 7 die Lichtquellen 711, 712 an dem Gerät 710 befestigt sind und der Sensor 741 in der Einrichtung 740 eingebettet ist, können in anderen Ausführungsformen die Lichtquellen 711, 712 als Teil der Einrichtung 740 enthalten sein, und der Sensor 741 und/oder Verstärker 742 und/oder Wandler 743 und/oder Prozessor 744 als Teil des Geräts 710 enthalten sein. In einigen Fällen können die Einrichtung 740 und das Gerät 710 kommunikativ gekoppelt sein, so dass Positionsinformationen zwischen der Einrichtung 740 und dem Gerät 710 übertragen werden können. Zusätzlich können bei einigen Ausführungsformen die Positionen des Sensors 741, des Verstärker 742, des Wandlers 743 und des Prozessors 744 zwischen dem Gerät 710 und der Einrichtung 740 verteilt sein, so dass zum Beispiel der Sensor 741 in der Einrichtung 740 enthalten ist, aber die aus dem Sensor 741 erhaltenen Informationen an das Gerät 710 übertragen werden, wo der Prozessor 744 weitere Datenanalyse und Berechnungen durchführt.
8 zeigt eine weitere Ausführungsform, bei der ein Objekt auf der Basis von emittiertem Licht, das an dem Objekt reflektiert wird, verfolgt werden kann. In diesem Beispiel eine oder mehrere Lichtquellen, wie zum Beispiel LEDs 801, 802 und 803, die eindeutig moduliert werden können, in einen Raumbereich. Wenn ein Objekt 850 den Raumbereich betritt, kann das emittierte Licht an dem Objekt reflektiert werden und auf die Photodetektoren in den Sensoren 821 und 822 treffen. Jeder Sensor 821 und 822 kann Photodetektoren und/oder Photodetektorarrays ähnlich denen, die in den vorhergehenden Figuren gezeigt sind, enthalten. Jeder Sensor 821 und 822 kann auch dazu konfiguriert sein, die eindeutig modulierten Lichtquellen aus einer oder mehreren der Lichtquellen 801 bis 803 zu identifizieren. Wie zuvor erörtert, können die Photoströme von jedem der Photodetektoren in den Sensoren 821 und 822 zur Bestimmung eines Winkels des reflektierten Lichts, das an den Sensoren 821 und 822 detektiert wird, verwendet werden. Eine Position des Objekts 850 kann daraufhin aus den Winkeln des reflektierten Lichts mittels Geometrie und/oder Triangulation berechnet werden.
Somit können Ausführungsformen der Erfindung in Autos als Parksensoren oder Fußgängerdetektionseinrichtungen zur Benachrichtigung eines Fahrers über Objekte 850, wie zum Beispiel Fußgänger, Bäume oder andere Autos, die sich in der Nähe des Fahrzeugs befinden können, verwendet werden. Ausführungsformen können auch in elektronischen Einrichtungen, wie zum Beispiel Smartphones, Computer und Tablets zur Detektion einer Anwesenheit oder Bewegung eines Objekts, wie zum Beispiel eines Fingers, verwendet werden. Außerdem können Ausführungsformen zur Bereitstellung ähnlicher Funktonalität wie die eines Trackballs, Berührungspads oder einer Maus durch Verfolgung der Bewegung eines Fingers oder eines anderen Objekts, wie zum Beispiel einer Maus, verwendet werden. Ausführungsformen können außerdem zur Detektion einer Bewegung und Bereitstellung von robotischer Steuerung über bewegliche Teile verwendet werden.
Linsenlose Sensoren können auch verbesserte Reaktionszeiten und Empfindlichkeit gegenüber Änderungen einer Intensität von detektiertem Licht im Gegensatz zu traditionellen Sensoren auf Linsenbasis bereitstellen. Linsenlose Sensoren können auch Licht auf viel größeren Detektorflächen als Sensoren auf Linsenbasis detektieren. Diese Eigenschaften versetzen linsenlose Sensoren in die Lage, Datenkommunikationen mit hohen Frequenzen mittels moduliertem Licht in den Hunderterbereichen von KHz- bis GHz, die durch Luft übertragen werden können, zu unterstützen.
Bei einigen Ausführungsformen können spektrometrische Informationen über ein Objekt zusätzlich zu den Rauminformationen, die zuvor beschrieben wurden, gemessen werden. Zum Beispiel können Blutsauerstoffspiegel mittels zwei Farben von Licht (es gibt viele Auswahlen, aber oft werden Wellenlängen nahe 660 nm und 940 nm ausgewählt) gemessen werden, um eine Spektrometrie am Blut innerhalb des Körpers durchzuführen. Eine Herzfrequenz-, Photoplesmograph- (PPG) und andere Oximetriemessungen können aus Licht erhalten werden, welches an dem linsenlosen Sensor nach Durchtritt durch oder Reflexion an einem Blutfluss in einer Person oder einem Tier detektiert wird.
PPG-Signale für Pulsoximetrie können durch Berechnung eines DC-Signalpegels und einer AC-Amplitude der Photoströme aus dem detektierten Licht bei jeder der zwei Wellenlängen λ₁ und nach Durchtritt durch oder Reflexion an einem Blutfluss in einer Person oder einem Tier gemessen werden. Das folgende Verhältnis kann zur Messung von gesättigtem Blutsauerstoff verwendet werden: $R = \frac{{(\frac{I_{A C}}{I_{D C}})}_{λ_{1}}}{{(\frac{I_{A C}}{I_{D C}})}_{λ_{2}}}$
Die Verbindung zwischen R und dem tatsächlichen Blutsauerstoff kann auf einer einfachen physikalischen Theorie oder einer empirisch gemessenen Anpassung (Fit) basieren. Diese medizinischen Informationen können bei einer Ausführungsform zusammen mit einer Objektverfolgungs- und/oder Raumpositionsbestimmungsfunktonalität eingestellt werden.

Claims

Integrierte Schaltung (108) zum Detektieren eines Winkels von einfallendem Licht (171), die Folgendes aufweist: eine Oberfläche (105) mit mehreren Aperturen (102); mehrere Photodetektoren (111, 112, 121, 122, 131, 132), die in zumindest drei Paaren von Photodetektoren (111, 112; 121, 122; 131, 132) angeordnet sind und durch Gräben (103) voneinander isoliert sind, wobei jedes der Paare (111, 112; 121, 122; 131, 132) unterhalb einer entsprechenden Apertur (102) angeordnet und mit dieser Apertur (102) ausgerichtet ist; ein lichtdurchlässiges festes Medium (106), das zwischen der Oberfläche (105) und den mehreren Photodetektoren (111, 112, 121, 122, 131, 132) angeordnet ist, wobei zumindest zwei Paare der zumindest drei Paare von Photodetektoren (111, 112; 121, 122; 131, 132) in einer ersten Richtung ausgerichtet sind und wobei Ausgänge entsprechender Photodetektoren (111, 112, 121, 122, 131, 132) von jedem der zumindest zwei Paare von Photodetektoren (111, 112; 121, 122; 131, 132) elektrisch parallel miteinander verbunden sind, um aggregierte Photoströme (i_L, i_r) zu erzeugen, die von dem Winkel des einfallenden Lichts (171) relativ zu der ersten Richtung abhängen, wobei der Winkel des einfallenden Lichts (171) relativ zu der ersten Richtung basierend auf einem Verhältnis der aggregierten Photoströme (i_L, i_r) detektierbar ist, die von den entsprechenden Photodetektoren (111, 112, 121, 122, 131, 132) der zumindest zwei Paare von Photodetektoren (111, 112; 121, 122; 131, 132) erzeugt werden; und mehrere lichtundurchlässige Sperren (181), die in dem lichtdurchlässigen festen Medium angeordnet sind, wobei jedes der zumindest drei Paare von Photodetektoren (111, 112; 121, 122; 131, 132) von jedem benachbarten Paar von Photodetektoren (111, 112; 121, 122; 131, 132) durch eine der mehreren lichtundurchlässigen Sperren (181) getrennt ist und die Paare von Photodetektoren (111, 112; 121, 122; 131, 132), die benachbart sind, parallel zueinander angeordnet sind.
Integrierte Schaltung (108) nach Anspruch 1, wobei die Gräben (103) mit entsprechenden Mitten der Aperturen (102) zentriert sind.
Integrierte Schaltung (108) nach Anspruch 1, wobei jede Apertur (102) ein Schlitz ist.
Integrierte Schaltung (108) nach Anspruch 1, wobei die Aperturen (102) Kanten haben und jede Kante der Apertur (102) angeschrägt ist.
Integrierte Schaltung (108) nach Anspruch 4, wobei die angeschrägten Kanten der Aperturen (102) von den Photodetektoren (111, 112, 121, 122, 131, 132) weg gerichtet sind.
Integrierte Schaltung (108) nach Anspruch 1, wobei die Aperturen (102) Sektionen der Oberfläche (105) sind, die lichtdurchlässig sind.
Integrierte Schaltung (108) nach Anspruch 1, wobei die Oberfläche (105) auf einer Höhe von weniger als 30 µm über den Paaren der Photodetektoren (111, 112, 121, 122, 131, 132) positioniert ist.
Integrierte Schaltung (108) nach Anspruch 1, wobei das lichtdurchlässige feste Medium (106) ein Polymer oder Glas ist.
Integrierte Schaltung (108) nach Anspruch 1, wobei jede der mehreren lichtundurchlässigen Sperren (181) dafür ausgebildet ist zu verhindern, dass von Oberflächen der Photodetektoren (111, 112, 121, 122, 131, 132) reflektiertes Licht Photodetektoren (111, 112, 121, 122, 131, 132) in einem benachbarten Paar von Photodetektoren (111, 112; 121, 122; 131, 132) erreicht, wobei Photodetektoren (111, 112, 121, 122, 131, 132) innerhalb jedes Paars von Photodetektoren (111, 112; 121, 122; 131, 132) optisch verbunden sind.
Integrierte Schaltung (108) nach Anspruch 1, ferner aufweisend zumindest zwei zusätzliche Paare von Photodetektoren (313, 314; 333, 334), die in einer zweiten Richtung im Wesentlichen senkrecht zu der ersten Richtung ausgerichtet sind.
Integrierte Schaltung (108) nach Anspruch 10, wobei Ausgänge der entsprechenden Photodetektoren (313, 314, 333, 334) von den zumindest zwei zusätzlichen Paaren von Photodetektoren (313, 314; 333, 334) elektrisch parallel miteinander verbunden sind, um aggregierte Photoströme (i_L, i_r) zu erzeugen, die von dem Winkel des einfallenden Lichts (171) relativ zu der zweiten Richtung abhängen, wobei der Winkel des einfallenden Lichts (171) relativ zu der zweiten Richtung basierend auf einem Verhältnis der aggregierten Photoströme (i_L, i_r) detektiert wird, die von entsprechenden Photodetektoren (313, 314, 333, 334) der zumindest zwei zusätzlichen Paare von Photodetektoren (313, 314; 333, 334) erzeugt werden.
Verfahren zum Detektieren eines Winkels von Licht (171), das auf eine integrierte Schaltung (108) nach einem der vorhergehenden Ansprüche einfällt, mit den Schritten: Empfangen des einfallenden Lichts (171) auf den zumindest zwei Paaren von Photodetektoren (111, 112; 121, 122; 131, 132) durch entsprechende Aperturen (102) entlang eines optischen Pfads ohne eine Linse; Aggregieren von Strömen, die von entsprechenden Photodetektoren (111, 112; 121, 122; 131, 132) von jedem der zumindest zwei Paare von Photodetektoren (111, 112; 121, 122; 131, 132) erzeugt werden, um aggregierte Photoströme (i_L, i_r) zu erzeugen, die von einem Winkel des einfallenden Lichts (171) relativ zu der ersten Richtung abhängen; und Detektieren des Winkels des einfallenden Lichts (171) relativ zu der ersten Richtung basierend auf einem Verhältnis der aggregierten Photoströme (i_L, i_r), die von den entsprechenden Photodetektoren (111, 112, 121, 122, 131, 132) der zumindest zwei Paare von Photodetektoren (111, 112; 121, 122; 131, 132) erzeugt werden.
Verfahren nach Anspruch 12, wobei die integrierte Schaltung (108) zumindest zwei zusätzliche Paare von Photodetektoren (313, 314; 333, 334) aufweist, die in einer zweiten Richtung im Wesentlichen senkrecht zu der ersten Richtung ausgerichtet sind, und wobei Ausgänge der entsprechenden Photodetektoren (313, 314, 333, 334) von den zumindest zwei zusätzlichen Paaren von Photodetektoren (313, 314; 333, 334) elektrisch parallel miteinander verbunden sind, um aggregierte Photoströme (i_L, i_r) zu erzeugen, die von dem Winkel des einfallenden Lichts (171) relativ zu der zweiten Richtung abhängen, ferner mit den Schritten: Empfangen des einfallenden Lichts (171) auf den zumindest zwei zusätzlichen Paaren von Photodetektoren (313, 314; 333, 334) durch entsprechende Aperturen (102) entlang eines optischen Pfads ohne eine Linse; Aggregieren von Strömen, die von entsprechenden Photodetektoren (313, 314, 333, 334) von jedem der zumindest zwei zusätzlichen Paare von Photodetektoren (313, 314; 333, 334) erzeugt werden, um aggregierte Photoströme (i_L, i_r) zu erzeugen, die von einem Winkel des einfallenden Lichts (171) relativ zu der zweiten Richtung abhängen; und Bestimmen des Winkels des einfallenden Lichts (171) relativ zu der zweiten Richtung basierend auf einem Verhältnis der aggregierten Photoströme (i_L, i_r), die von entsprechenden Photodetektoren (313, 314, 333, 334) der zumindest zwei zusätzlichen Paare von Photodetektoren (313, 314; 333, 334) erzeugt werden.
Verfahren nach Anspruch 12, wobei mit den mehreren lichtundurchlässigen Sperren (181), die in einem lichtdurchlässigen festen Medium (106) zwischen benachbarten Paaren von Photodetektoren (111, 112; 121, 122; 131, 132) angeordnet sind, Licht, das von einem ersten Paar von Photodetektoren (111, 112) reflektiert wird, daran gehindert wird, dass es ein benachbartes zweites Paar von Photodetektoren (121, 122) erreicht, und Licht, das von dem zweiten Paar von Photodetektoren (121, 122) reflektiert wird, daran gehindert wird, dass es das erste Paar von Photodetektoren (111, 112) erreicht.