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Die
vorliegende Erfindung betrifft einen mehrkanaligen optoelektronischen
Lichtempfänger mit
einem dazu ausgerichteten Mikrolinsenarray nach dem Oberbegriff
des Anspruchs 1.
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Derartige
mehrkanalige optoelektronische Lichtempfänger, die auch als Pixelarray,
Pinhole-Array, CCD-Empfänger,
CMOS-Empfänger
oder Anordnung von PIN-Dioden
bekannt sind, bestehen aus einer Vielzahl von lichtempfindlichen
Elementen. Diese einzelnen lichtempfindlichen Elemente werden im Allgemeinen
als Pixel bezeichnet. Diese Bezeichnung wurde aus den englischen
Worten „picture
elements" abgeleitet.
Diese Pixel sind im Lichtempfänger
meist in einer Zeile oder in einer Matrix angeordnet. Typische Einsatzfälle für diese
mehrkanaligen optoelektronischen Lichtempfänger liegen im Bereich von
Videokameras, Digitalkameras, Spektrometern, Scannern oder Barcodelesern.
Bei einer Vielzahl der Anwendungen werden die Lichtempfänger in
Kombination mit einem Mikrolinsenarray eingesetzt. Abhängig von
der Technologie der Lichtempfänger
sind zwischen den lichtempfindlichen Flächen der einzelnen Pixel konstruktionsbedingt
lichtunempfindliche Zonen vorhanden. Ein Grund für den Einsatz eines Mikrolinsenarray
liegt nun beispielsweise darin, dass mit dem Mikrolinsenarray diese
konstruktionsbedingten lichtunempfindlichen Zonen zwischen den einzelnen
Pixel im Lichtempfänger überbrückt werden
sollen. Dies erfolgt dadurch, dass vor dem mehrkanaligen optoelektronischen
Lichtempfänger
mehrere, unmittelbar aneinander angrenzende Mikrolinsen angeordnet
sind. Diese Mikrolinsen vergrößern optisch
die lichtempfindliche Fläche
jedes dahinter liegenden Pixel derart, dass zwischen den einzelnen
Pixel keine Totzone mehr wirksam wird. Auf diese Weise hat sich der
Füllfaktor,
d. h. das Verhältnis
von lichtempfindlicher Fläche
an der Gesamtfläche
des mehrkanaligen optoelektronischen Lichtempfängers deutlich verbessert.
An dieser Stelle soll natürlich
nicht unerwähnt bleiben,
dass dabei durch den Einsatz des Mikrolinsenarrays der Raumwinkel
unter dem ein Pixel, beziehungsweise der gesamte Lichtempfänger Licht aufnehmen
kann, entsprechend eingeengt wird. In den meisten Anwendungsfällen ist
diese Einschränkung
gegenüber
dem damit erzielten Vorteil jedoch zu vernachlässigen. Darüber hinaus ist der Begriff "Licht" auch nicht auf das
sichtbare Licht beschränkt. Unter "Licht" sind hier alle elektromagnetischen Strahlen,
also UV-Strahlung, sichtbares Licht sowie IR-Strahlung zu verstehen,
welche üblicherweise beim
Betrieb optoelektronischer Empfänger
verwendet werden können.
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Ein
weiteres, in den letzten Jahren stark zunehmendes Einsatzgebiet
für die
Kombination von einem Mikrolinsenarray mit einem mehrkanaligen optoelektronischen
Lichtempfänger
liegt im Bereich der Bilderfassungssysteme. Das Funktionsprinzip
dieser Bilderfassungssysteme beruht darauf, dass mittels der im
Mikrolinsenarray enthaltenen Mikrolinsen getrennte Abbildungen von
einem Objektraum auf den einzelnen Pixel entstehen. Bei den klassischen
optischen Abbildungsystemen wird im Gegensatz dazu, der gesamte
Objektraum mit nur einem Abbildungsobjektiv auf alle Pixel des mehrkanaligen
Lichtempfängers
abgebildet. Der wesentliche Vorteil, den die mit Mikrolinsenarrays
ausgerüsteten
Bilderfassungssystemen gegenüber
den klassischen optischen Abbildungssystemen aufweisen, ist die
sehr geringe Bautiefe. Diese geringe Bautiefe hat es möglich gemacht,
dass sich die Anwendungsbereiche für diese Systeme in den letzten
Jahren deutlich erhöht
haben.
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Dem
Vorteil der geringeren Bautiefe durch den Einsatz eines mehrkanaligen
optoelektronischen Lichtempfängers
mit einem dazu ausgerichteten Mikrolinsenarray steht bei den aus
dem Stand der Technik bekannten Ausführungen nachteilig entgegen, dass
in dem Mikrolinsenarray ein optisches Übersprechen zwischen den Abbildungspfaden
der einzelnen Pixel entsteht. D. h. Anteile von dem Licht, das mittels
einer Mikrolinse nur einem bestimmten Pixel zugeführt werden
soll, gelangen ungewollt auch auf ein oder mehrere daneben angeordnete
Pixel. Das Übersprechen
hat seine Ursache hauptsächlich darin,
dass Grenzflächenreflexionen
beim Übergang des
Lichts von einem optischen Medium in ein optisches Medium mit einer
anderen optischen Dichte auftreten. Durch diese Grenzflächenreflexion,
die insbesondere beim Übergang
des Lichts vom Mikrolinsenarray zum Lichtempfänger, als auch an der Grenzfläche vom
Mikrolinsenarray und der Umgebungsluft meist mehrfach hintereinander
stattfindet, gelangen die störenden
Lichtanteile auf die einzelnen Pixel. Dies führt sehr oft zu einer erheblichen
Verfälschung
des Bildes oder der entsprechenden Bildinformation. Um dieses Übersprechen
zwischen den einzelnen Mikrolinsen und damit die Verfälschung des
Bildes zu vermeiden, ist es bekannt, die einzelnen Mikrolinsen innerhalb
des Mikrolinsenarrays mit lichtundurchlässigen Begrenzungen voneinander
zu trennen. Ein derartiges Mikrolinsenarray erfordert jedoch einen
hohen fertigungstechnischen Aufwand. Insbesondere dann, wenn die
lichtempfindlichen Flächen
der einzelnen Pixel und damit die entsprechenden Mikrolinsen nur
eine geringe geometrische Abmessung aufweisen, ist es nicht oder
nur unzulänglich
möglich,
derartige lichtundurchlässige
Begrenzungen zwischen den einzelnen Mikrolinsen anzubringen.
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Der
Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Mikrolinsenarray zum Einsatz
an einem mehrkanaligen optoelektronischen Lichtempfänger zu
schaffen, mit welchem auf einfache Art und Weise das optische Übersprechen
zwischen den einzelnen pixelspezifischen Abbildungspfaden reduziert
wird, so dass eine Verfälschung
der entsprechenden Bildinformation vermieden oder zumindest deutlich
reduziert wird.
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Zur
Lösung
dieser Aufgabe sind die Merkmale des kennzeichnenden Teils des Anspruchs
1 vorgesehen. Vorteilhafte Weiterbildungen sind in den Unteransprüchen beschrieben.
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Durch
die Verwendung eines Mikrolinsenarrays aus einem teiltransparenten
optischen Material wird das zum Lichtempfänger gelangende Licht abhängig von
der Länge
seiner Laufbahn innerhalb des Mikrolinsenarray gedämpft. Erfindungsgemäß werden
somit alle Lichtanteile, die zur fehlerfreien Abbildung des Objektraums
durch das Mikrolinsenarray direkt zum Lichtempfänger gelangen, d. h. die nur eine
kurze Laufbahn im Mikrolinsenarray aufweisen, eine geringe Dämpfung durch
den teiltransparenten Werkstoff des Mikrolinsenarrays erfahren.
In Gegensatz dazu werden die von den Grenzflächenreflexionen hervorgerufenen,
störenden
Lichtanteile, die eine deutlich längere Laufbahn im Mikrolinsenarray zurücklegen
müssen
bevor diese auf den Lichtempfänger
auftreffen, wesentlich stärker
gedämpft.
Durch diese erfindungsgemäße Ausführungsform
des Mikrolinsenarrays wird das Verhältnis von Nutzsignal zum Störsignal
deutlich verbessert.
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In
einer bevorzugten Ausführungsform
der Erfindung ist es vorgesehen, dass die laufbahnabhängige Dämpfung des
Lichtes im Mikrolinsenarray zwischen 20 % pro Millimeter und 40
% pro Millimeter, insbesondere 30 % pro Millimeter beträgt. Eine Mikrolinse,
die das Licht pro Millimeter Laufbahn um 30 % dämpft, hat bei einem beispielsweise
0,5 mm dicken Mikrolinsenarray demnach zur Folge, dass ein Lichtstrahl
entlang seiner Laufbahn auf ca. 84 % der ursprünglichen Stärke reduziert wird. Die Laufbahn eines
durch zwei Grenzflächenreflexionen
entstehenden störenden
Lichtstrahls im Mikrolinsenarray ist dagegen typischerweise 1,5
mm lang und wird somit auf einen Wert von kleiner 60 % gedämpft. Analog dazu
werden die störenden
Lichtanteile, die aufgrund von weiteren Mehrfachreflexionen das
Mikrolinsenarray fünfmal
durchlaufen, sogar auf ca. 40 % ihrer ursprünglichen Größe reduziert. Es ist somit
leicht erkennbar, dass sich das Verhältnis von Nutzsignal zum Störsignal
deutlich verbessert.
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In
einer vorteilhaften Ausführungsform
ist das Mikrolinsenarray durch Spritzgießen aus einem teiltransparenten
optischen Kunststoffmaterial hergestellt. Dadurch ist es möglich, nicht
nur komplexe geometrische Mikrolinsenstrukturen herzustellen, sondern
dabei auch das für
die Herstellung verwendete teiltransparente Granulat durch geeignete
Mischungsverhältnisse
für die
jeweilige Aufgabenstellung zu optimieren.
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Ein
weiterer Vorteil der Erfindung ist darin zu sehen, dass das Mikrolinsenarray
insbesondere auch durch Formpressen aus einem optischen Neutralfilterglas herstellbar
ist. Dadurch ist es möglich, Mikrolinsenarrays
mit hoher Reinheit und Homogenität
aus einem resistenten armorphen optischen Werkstoff herzustellen.
Ein derartiges Mikrolinsenarray kann somit auch bei aggressiven
Umweltbedingungen eingesetzt werden.
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Anhand
der beiden nachfolgenden Zeichnungen soll der erfindungsgemäße Gegenstand
näher erläutert werden.
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In
den Zeichnungen zeigt:
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1 eine
perspektivische Darstellung eines Mikrolinsenarrays mit einem mehrkanaligen
optoelektronischen Lichtempfänger.
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2 eine
Schnittzeichnung durch einen Teilbereich eines Mikrolinsenarrays
mit einem mehrkanaligen optoelektronischen Lichtempfänger, bei dem
mit schematischer Darstellung die Laufwege des Nutzlichts und des
Störlichts
innerhalb des Mikrolinsenarrays eingezeichnet sind.
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1 zeigt
einen mehrkanaligen optoelektronischen Lichtempfänger 1, in dem mehrere
lichtempflindliche Pixel 21 bis 2n matrixförmig angeordnet sind. Über diesem
Lichtempfänger 1 ist
ein Mikrolinsenarray 3 dargestellt. Zur besseren Übersichtlichkeit
sind in 1 der Lichtempfänger 1 und
das Mikrolinsenarray 3 mit einem großen Abstand S dargestellt.
Im typischen Anwendungsfall liegt das Mikrolinsenarray 3 direkt
vor dem Lichtempfänger 1 oder
ist nur durch einen geringen Luftspalt, d. h. durch einen geringen
Abstand S von diesem entfernt. Es ist jedoch auch möglich, dass
das Mikrolinsenarray 3 und der Lichtempfänger 1 direkt,
d. h. ohne einen Luftspalt miteinander verbunden sind. Im Mikrolinsenarray 3 sind
analog zu den Pixel 21 bis 2n mehrere Mikrolinsen 41 bis 4n matrixförmig angeordnet. Wenn der mehrkanalige
optoelektronische Lichtempfänger 1 zusammen
mit dem Mikrolinsenarray 3 direkt zum Zwecke einer Bilderfassung
eingesetzt wird, so erzeugt jede Mikrolinse 41 bis 4n von einem Objektraum 5 ein
Abbild, das mit einem unterschiedlichen Bildwinkel auf den einzelnen
Pixel 21 bis 2n erzeugt
wird. Mit Hilfe einer in 1 nicht dargestellten Bildverarbeitungseinheit
wird aus diesen unterschiedlichen Abbildungen die gesamte Bildinformation
ermittelt.
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In 2 ist
ein Mikrolinsenarray 3 gezeigt, das ohne Luftspalt direkt
vor dem Lichtempfänger 1 angebracht
ist. In dieser Schnittzeichnung sind vom Mikrolinsenarray 3 die
Mikrolinsen 44 bis 48 zu sehen. Auf der dem Lichtempfänger 1 gegenüberliegenden Seite
des Mikrolinsenarray 3 schließt sich der Objektraum 5 an.
Trifft ein aus diesem Objektraum 5 kommender Lichtstrahl 10 beispielsweise
in die Mikrolinse 45 ein, so findet
an einer ersten Grenzfläche 11, mit
der die Mikrolinse 45 gegen den
Objektraum 5 abgeschlossen ist, eine Lichtbrechung statt.
Abhängig von
dem Einfallswinkel des Lichtstrahles 10 auf die Grenzfläche 11 sowie
von den beiden optischen Eigenschaften in der Mikrolinse 45 beziehungsweise im Objektraum 5,
wird ein überwiegender
Anteil des Lichtstrahls 10 als ein Hauptstrahl 12 die
Mikrolinse 45 durchlaufen und zu
einer weiteren Grenzfläche 13, die
sich zwischen der Mikrolinse 45 und
dem Pixel 25 befindet, gelangen.
Beim Durchgang des Hauptstrahles 12 durch die Grenzfläche 13 wird,
ebenfalls wieder abhängig
vom Einfallswinkel und den optischen Eigenschaften der jeweiligen
Materialien, ein Nutzstrahlanteil 14 zum zugehörigen Pixel 25 gelangen. Gleichzeitig wird durch
eine an der Grenzfläche 13 stattfindende
Oberflächenreflexion
ein Störstrahl 15 in
die Mikrolinse 45 zurückgeworfen.
Da zwischen den einzelnen Mikrolinsen keine Trennwände oder dergleichen
vorhanden sind, kann der Störstrahl 15, wie
in 2 beispielhaft gezeigt, in den Bereich der Mikrolinse 46 eindringen. Nach einer erneuten Oberflächenreflexion,
die nun an einer Grenzfläche 16 stattfindet,
gelangen Anteile vom Störstrahl 15 als Störstrahl 17 zum
Pixel 26 . In gleicher Weise ist
es auch möglich,
dass durch weitere Oberflächenreflexionen
Anteile vom ursprünglichen
Hauptstrahl 12 auch als Störstrahl 19 zum Pixel 27 beziehungsweise zu anderen Pixel gelangen
können.
Diese Störstrahlen
sind dafür
verantwortlich, dass es bei der Bildverarbeitung zu einer Verfälschung
des Bildes oder der entsprechenden Bildinformation kommt. Durch
die erfindungsgemäße Ausführung des
Mikrolinsenarrays 3 mit einem teiltransparenten optischen
Material werden jedoch die Störstrahlen 15, 17, 19 usw.
aufgrund ihrer längeren
Laufbahn innerhalb des Mikrolinsenarrays 3 wesentlich stärker gedämpft, als
der Nutzstrahlanteil 14, der die Mikrolinse nur einmal durchlaufen
hat. Diese starke Dämpfung
der Störstrahlung
bei gleichzeitig geringer Dämpfung
der Nutzstrahlung verbessert das Verhältnis von Nutzsignal zum Störsignal
deutlich. Dadurch wird eine Verfälschung der
vom Lichtempfänger 1 aufgenommenen Bildinformation
mit einem einfachen, kostengünstigen
Mikrolinsenarray 3 erreicht.