EP1588191A1 - Optoelektronisches sensormodul - Google Patents

Optoelektronisches sensormodul

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EP1588191A1
EP1588191A1 EP03799452A EP03799452A EP1588191A1 EP 1588191 A1 EP1588191 A1 EP 1588191A1 EP 03799452 A EP03799452 A EP 03799452A EP 03799452 A EP03799452 A EP 03799452A EP 1588191 A1 EP1588191 A1 EP 1588191A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
sensor module
radiation
moving object
emitting laser
lens
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Withdrawn
Application number
EP03799452A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Klaus Friepes
Stefan Morgott
Ulrich STEEGMÜLLER
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Ams Osram International GmbH
Original Assignee
Osram Opto Semiconductors GmbH
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Priority claimed from DE10319977A external-priority patent/DE10319977A1/de
Application filed by Osram Opto Semiconductors GmbH filed Critical Osram Opto Semiconductors GmbH
Publication of EP1588191A1 publication Critical patent/EP1588191A1/de
Withdrawn legal-status Critical Current

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    • G—PHYSICS
    • G06—COMPUTING; CALCULATING OR COUNTING
    • G06F—ELECTRIC DIGITAL DATA PROCESSING
    • G06F3/00—Input arrangements for transferring data to be processed into a form capable of being handled by the computer; Output arrangements for transferring data from processing unit to output unit, e.g. interface arrangements
    • G06F3/01—Input arrangements or combined input and output arrangements for interaction between user and computer
    • G06F3/03—Arrangements for converting the position or the displacement of a member into a coded form
    • G06F3/041—Digitisers, e.g. for touch screens or touch pads, characterised by the transducing means
    • G06F3/042—Digitisers, e.g. for touch screens or touch pads, characterised by the transducing means by opto-electronic means
    • G06F3/0421—Digitisers, e.g. for touch screens or touch pads, characterised by the transducing means by opto-electronic means by interrupting or reflecting a light beam, e.g. optical touch-screen
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01P—MEASURING LINEAR OR ANGULAR SPEED, ACCELERATION, DECELERATION, OR SHOCK; INDICATING PRESENCE, ABSENCE, OR DIRECTION, OF MOVEMENT
    • G01P13/00—Indicating or recording presence, absence, or direction, of movement
    • G01P13/02—Indicating direction only, e.g. by weather vane
    • G01P13/04—Indicating positive or negative direction of a linear movement or clockwise or anti-clockwise direction of a rotational movement
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01P—MEASURING LINEAR OR ANGULAR SPEED, ACCELERATION, DECELERATION, OR SHOCK; INDICATING PRESENCE, ABSENCE, OR DIRECTION, OF MOVEMENT
    • G01P3/00—Measuring linear or angular speed; Measuring differences of linear or angular speeds
    • G01P3/36—Devices characterised by the use of optical means, e.g. using infrared, visible, or ultraviolet light
    • G01P3/366—Devices characterised by the use of optical means, e.g. using infrared, visible, or ultraviolet light by using diffraction of light
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01S—RADIO DIRECTION-FINDING; RADIO NAVIGATION; DETERMINING DISTANCE OR VELOCITY BY USE OF RADIO WAVES; LOCATING OR PRESENCE-DETECTING BY USE OF THE REFLECTION OR RERADIATION OF RADIO WAVES; ANALOGOUS ARRANGEMENTS USING OTHER WAVES
    • G01S17/00—Systems using the reflection or reradiation of electromagnetic waves other than radio waves, e.g. lidar systems
    • G01S17/02—Systems using the reflection of electromagnetic waves other than radio waves
    • G01S17/50—Systems of measurement based on relative movement of target
    • G01S17/58—Velocity or trajectory determination systems; Sense-of-movement determination systems

Definitions

  • the surface-emitting laser is arranged outside the optical axis of the lens or the diffractive optical element.
  • the moving object moves in a plane perpendicular to the radiation direction of the surface-emitting laser, since the deflected beam path of the laser radiation in the lens or the diffractive optical element gives the moving object a velocity component in the beam direction.
  • the sensor module expediently has a beam splitter element which supplies part of the radiation reflected by the moving object to the detector element.
  • the beam splitter element can be formed, for example, by the lens mentioned above, which is arranged between the surface-emitting laser and the moving object, or by a diffractive optical element.
  • the beam splitter element can be formed by a housing component, in particular by a potting material or a housing part such as a housing cover. It is sufficient if a small part of the laser radiation is coupled out of the main beam path as a back reflection and fed to the detector element.
  • the detector element is formed by a photodiode.
  • the evaluation unit advantageously includes an integrated circuit for signal processing of the information signals supplied by the detector element about the radiation received.
  • the evaluation unit can contain electrical components that amplify and filter photocurrents supplied by the detector element.
  • the evaluation unit advantageously determines the relative movement of the object and the sensor module from the modulation of the radiation received and generates movement information from the modulations in digital form, for example in the form of quadrature signals. The The direction of movement can be determined from the form of the modulation.
  • the detector element and the evaluation unit can also be designed to be integrated, for example in an opto-IC.
  • the surface emitting laser can be mounted on the detector element or an integrated evaluation unit. Such a chip-on-chip design results in a compact structure and a small deflection angle of the back-reflected radiation.
  • the evaluation unit is designed and set up to determine both the speed and the direction of the relative movement of the object and the sensor module.
  • an optoelectronic sensor module for measuring the two-dimensional movement of an object moved relative to the sensor module contains two sensor modules of the type described above, each of which measures the movement of the object in a spatial direction.
  • the two sensor modules are advantageously arranged at an angle of 90 ° to one another, so that in the case of an object moved in the xy plane, the first module detects the movement of the object in the x direction and the second module detects the movement of the object in the y direction detected .
  • 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 perpendicular 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,
  • the radiation sources are advantageously arranged at two different angular positions outside the optical axis of the lens or the diffractive optical element, so that an object that moves in a plane perpendicular to the direction of radiation of the surface-emitting laser in the general direction by the deflection of a speed component in Beam direction of each laser. It is understood that the speed component in a beam direction can also disappear if the object moves in the plane parallel to this beam direction. Due to the arrangement of the radiation sources at different angular positions, however, it is then ensured that the movement is detected by the other radiation source.
  • the detector device can comprise two photodiodes, each associated with one of the radiation sources and receiving part of the radiation reflected by the moving object from the assigned radiation source.
  • the detector device can have a common photodiode for both radiation sources, which, preferably by means of a multiplexing method, has a part of that moved Object reflects reflected radiation from both radiation sources. This enables a particularly compact design, since in spite of the movement measurement in two dimensions, only a photodiode and a lens or a diffractive optical element are required.
  • the solution according to the invention requires only a small number of components and a small chip area, enables a very compact structure, has a simple optical system and makes only small demands on the adjustment.
  • the sensor module according to the invention is also suitable for measuring movements in the z-direction, the radiation of the surface-emitting laser occurring essentially perpendicular to the moving object.
  • a measurement is used, for example, in scanning instruments or profilometers, in presence detectors such as a baby guard or in vibration detectors such as alarm or motion detectors.
  • presence detectors such as a baby guard or with vibration detectors or presence detectors, it is sufficient if a qualitative check is carried out to determine whether the radiation absorbed is modulated; a quantitative measurement is not necessary.
  • Figure 3 is a plan view of an optoelectronic sensor module for detecting two-dimensional object movements according to an embodiment of the invention
  • FIG. 4 shows a schematic sectional view of an optoelectronic sensor module for detecting two-dimensional object movements according to a further exemplary embodiment of the invention
  • FIGS. 6 and 7 show two application examples of the optoelectronic sensor module from FIGS. 4 and 5.
  • the moving object 30 has a speed component in the beam direction.
  • the scattered radiation is then Doppler-shifted with respect to the emitted radiation, so that the superimposition 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 picked up by the monitor diode 18 and converted into an electrical photocurrent.
  • the photocurrent is amplified by the amplifier 20 and fed to the signal processing 22, which determines digital movement information, for example quadrature signals 24, from the modulations, from which the direction and speed of the movement of the object 30 are determined.
  • the modulation The 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 is steep when the object moves away from the laser, and flat when the object moves towards the laser appears.
  • FIG. 2 A schematic sectional view of an optoelectronic sensor module 40 according to another exemplary embodiment of the invention will now be described with reference to FIG. 2.
  • the functioning of the sensor module 40 largely corresponds to that of the sensor module 10, so that only differences are discussed in more detail below.
  • the sensor module 40 contains a VCSEL 42, a monitor diode 46 and an integrated circuit 48, which are mounted on a common carrier 50 and enclosed in a housing 52.
  • the housing cover has a lens 44, which focuses the laser radiation on the moving object 30.
  • the light backscattered by the object 30 is coupled into the VCSEL 42 via the lens 44, where it is 1 leads to sawtooth-shaped power modulations.
  • a scattered portion of the backscattered light passes 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.
  • FIG. 3 shows a plan view of an optoelectronic sensor module 60 for detecting two-dimensional object movements according to an exemplary embodiment of the invention.
  • the object 30 to be measured can move in any direction 32 in the x-y plane.
  • the sensor module 60 comprises two sub-modules 62x and 62y, each of which corresponds in structure to the sensor module 40 described above.
  • each sensor module contains a VCSEL 64x or 64y, a monitor diode 66x or 66y, a lens 68x or 68y in the housing cover, and an integrated circuit 70x or 70y for evaluating the movement data.
  • FIG. 4 An integrated optoelectronic sensor module 80 for detecting two-dimensional object movements is shown in FIG. 4 in a sectional view and in FIG. 5 in a top view.
  • the sensor module 80 contains two VCSELs 82 and 84, which are mounted on the carrier substrate 94 at two different angular positions (at 0 ° and at 90 ° in the quadrant end illustration of FIG. 5) outside the optical axis of the common lens 92.
  • This arrangement gives the laser beam of the VCSEL 84 a component after deflection by the lens 92.
  • the laser beam of the VCSEL 82 is a component in the y direction.
  • the radiation backscattered by the object 30 is coupled through the lens 92 into the VCSEL 82 and 84 on the one hand and, on the other hand, reaches the monitor diodes 86 and 88 as a scattering reflection, which absorb the power modulation of the radiation from the VCSEL 82 and 84.
  • a common IC 90 takes over the evaluation of the received signals and determines the movement information for the object 30 therefrom.
  • FIG. 7 Another application example is shown in FIG. 7.
  • the optoelectronic sensor module 80 of FIGS. 4 and 5 is integrated in an optical mouse 110 there.
  • the housing 112 has an opening through which the scanning laser beam falls on the base 30.
  • a movement of the mouse 110 over the base is recognized by the sensor module 80 as a relative movement of the base 30 and module 80.
  • the movement data can be used for cursor control in a known manner.

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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.

Description

Beschreibung
Optoelektronisches Sensormodul
Diese Patentanmeldung beansprucht die Priorität der deutschen Patentanmeldungen 10319977.2 und 10303938.4, deren Offenbarungsgehalt hiermit durch Rückbezug aufgenommen wird.
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 zweidi ensio- nalen Bewegung eines relativ zum Sensormodul bewegten Objekts .
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, a- ber auch Linear- oder Rotationsencoder dar.
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.
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.
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 La- serkavität 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. S. K. Özdemir et al . , Meas . Sei. 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 rauhe 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-Ef ekte. Die Autokorrelationszeit der Amplitudenfluktuationen des Speckle-Signals ist dabei umgekehrt proportional zur Geschwindigkeit der bewegten Oberfläche und ermöglicht so die Bestimmung deren Geschwindigkeit.
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.
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.
Erfindungsgemäß ist bei einem optoelektronischen Sensormodul der eingangs genannten Art vorgesehen, daß die Strahlungs- quelle 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.
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 fokus- siert. Bei Verwendung eines diffraktiv optischen Elements können gleichzeitig Strahlumlenkung und Kollimation bzw. Fo- kussierung mit geringeren Abbildungsfehlern als bei einer off-axis Linse erreicht werden. Darüber hinaus erlauben sowohl Oberflächen- als auch Volumen-DOEs planare Aufbauten.
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.
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. 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.
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.
Nach einer zweckmäßigen Ausgestaltung ist das Detektorelement durch eine Photodiode gebildet.
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.
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.
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 .
Ein optoelektronisches Sensormodul zur Messung der zweidimen- sionalen 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 .
Nach einer anderen bevorzugten Ausgestaltung enthält ein optoelektronisches Sensormodul zur Messung der zweidimensiona- len 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.
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.
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.
Alternativ kann die Detektoreinrichtung für beide Strahlungs- quellen 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.
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.
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.
Das erfindungsgemäße Sensormodul ist auch zur Messung von Bewegungen in z-Richtung geeignet, wobei die Strahlung des o- berflächenemittierenden Lasers im Wesentlichen senkrecht auf das bewegte Objekt auftritt. Anwendung findet eine derartige Messung beispielsweise bei Abtastinstrumenten oder Profilome- tern, 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.
Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen, Merkmale und Details der Erfindung ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen, der Beschreibung des Ausführungsbeispiels und der Zeichnung. 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 zeigt
Figur 1 eine schematische Blockdarstellung eines optoelektronischen Sensormoduls nach einem Ausführungsbeispiel der Erfindung;
Figur 2 eine schematische Schnittansicht eines optoelektronischen Sensormoduls nach einem anderen Ausfuhrungsbeispiel der Erfindung;
Figur 3 eine Aufsicht auf ein optoelektronisches Sensormodul zur Erfassung zweidi ensionaler Objektbewegungen nach einem Ausführungsbeispiel der Erfindung;
Figur 4 eine schematische Schnittansicht eines optoelektronischen Sensormoduls zur Erfassung zweidimensionaler Objektbewegungen nach einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung;
Figur 5 eine Aufsicht auf das optoelektronische Sensormodul von Fig . 4 ; und
Figuren 6 und 7 zwei Anwendungsbeispiele des optoelektronischen Sensormoduls von Fig. 4 und 5.
Figur 1 zeigt eine schematische Blockdarstellung eines optoelektronischen Sensormoduls 10 nach einem Ausfuhrungsbeispiel 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 a auf ein bewegtes Objekt 30 auf. Der Einfallswinkel a ist dabei durch den Winkel zwischen der Strahl- richtung des Laserstrahls und der Senkrechten auf die Bewegungsrichtung 32 des Objekts 30 in der von der Strahlrichtung und der Bewegungsrichtung aufgespannten Ebene gegeben.
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.
Ist der Einfallswinkel o; 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 Laserka- vität 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.
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 Modulati- onsfrequenz 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 werden: Das AC-Signal der Monitordiode 18 zeigt einen sägezahn- fδrmigen 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.
Eine schematische Schnittansicht eines optoelektronischen Sensormoduls 40 nach einem anderen Ausführungsbeispiel der Erfindung wird mit nunmehr mit Bezug auf Fig. 2 beschrieben. Die Funktionsweise des Sensormoduls 40 entspricht weitgehend der des Sensormoduls 10, so daß nachfolgend nur auf Unterschiede näher eingegangen wird.
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.
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 Doppier- Verschiebung des gestreuten Lichts führt.
Das vom Objekt 30 rückgestreute Licht wird über die Linse 44 in den VCSEL 42 eingekoppelt, wo es wie im Ausführungsbei- spiel der Fig. 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 Ausführungsbei- spiel fortschreitet.
Figur 3 zeigt eine Aufsicht auf ein optoelektronisches Sensormodul 60 zur Erfassung zweidimensionaler O jektbewegungen 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.
Ein integriertes optoelektronisches Sensormodul 80 zur Erfassung zweidimensionaler Objektbewegungen ist in der Fig. 4 in Schnittansicht und in der Fig. 5 in Aufsicht dargestellt. Das Sensormodul 80 enthält zwei VCSEL 82 und 84, die an zwei verschiedenen Winkelpositionen (bei 0° und bei 90° in der Quadrantendarstellung der Fig. 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 Komponen- te 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 ü- bernimmt die Auswertung der empfangenen Signale und bestimmt daraus die Bewegungsinformation für das Objekt 30.
Figur 6 zeigt als ein Anwendungsbeispiel den Einsatz eines optoelektronischen Sensormoduls 80, wie es in den Figuren 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.
Ein weiteres Anwendungsbeispiel ist in der Fig. 7 gezeigt. Dort ist das optoelektronische Sensormodul 80 der Figuren 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.
Der Schutzumfang der Erfindung ist nicht durch die Beschreibung der Erfindung anhand der Ausführungsbeispiele beschränkt. 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. Die Erfindung umfasst jedes neue Merkmal sowie jede Kombination von Merkmalen, was insbesondere jede Kombination von Merkmalen in den Patentansprüchen beinhaltet, auch wenn diese Kombination nicht explizit in den Patentansprüchen angegeben ist.

Claims

Patentansprüche
1. Optoelektronisches Sensormodul zur Messung der Bewegung eines relativ zum Sensormodul bewegten Objekts mit
- einer Strahlungsquelle (12; 42; 64x, 64y; 82,84) zum Beleuchten des bewegten Objekts (30) mit Strahlung einer Signalwellenlänge,
- einer Rückkopplungseinrichtung (16; 44; 68x, 68y; 92) zum Einkoppeln eines Teils der von dem bewegten Objekt (30) reflektierten Strahlung in die Strahlungsquelle (12; 42; 64x,64y; 82,84) ,
- einem Detektorelement (18; 46; 66x, 66y; 86,88) zum Aufnehmen eines Teils der von dem bewegten Objekt (30) reflektierten Strahlung der Strahlungsquelle (12; 42; 64x, 64y; 82,84), und
- einer Auswerteeinheit (20,22; 48; 70x,70y, 90) zur Bestimmung der relativen Bewegung von Objekt und Sensormodul auf Grundlage charakteristischer Eigenschaften der vom Detektorelement (18; 46; 66x, 66y; 86,88) aufgenommenen Strahlung, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, daß die Strahlungsquelle durch einen oberflächenemittierenden Laser mit senkrecht stehendem Resonator (12; 42; 64x,64y; 82,84) gebildet ist.
2. Sensormodul nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, daß der oberflächenemittierende Laser (12; 42; 64x, 64y; 82,84) auf eine hohe Empfindlichkeit für rückgestreute Strahlung eingerichtet und ausgelegt ist.
3. Sensormodul nach Anspruch 1 oder 2 , dadurch gekennzeichnet, daß das Sensormodul eine zwischen dem oberflächenemittierenden Laser (42; 64x, 64y; 82,84) und dem bewegten O jekt (30) angeordnete Linse (44; 68x, 68y; 92) oder ein diffraktiv optisches Element aufweist, das die Strahlung des oberflächenemittierenden Lasers (42; 64x, 64y; 82,84) auf das bewegte Objekt (30) kollimiert oder fokussiert.
. Sensormodul nach Anspruch 3 , dadurch gekennzeichnet, daß die Rückkopplungseinrichtung durch die zwischen dem oberflächenemittierenden Laser (42; 64x, 64y; 82,84) und dem bewegten Objekt (30) angeordnete Linse (44; 68x, 68y; 92) oder das diffraktiv optische Element gebildet ist.
5. Sensormodul nach Anspruch 3 oder 4 , dadurch gekennzeichnet, daß der oberflächenemittierende Laser (42; 64x, 64y; 82,84) außerhalb der optischen Achse (45) der Linse (44; 68x, 68y; 92) o- der des diffraktiv optischen Elements angeordnet ist.
6. Sensormodul nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Sensormodul ein Strahlteilerelement (16; 44; 68x, 68y; 92) aufweist, das einen Teil der von dem bewegten Objekt (30) reflektierten Strahlung dem Detektorelement (18; 46; 66x, 66y; 86,88) zuführt.
7. Sensormodul nach Anspruch 6, soweit auf einen der Ansprüche 3 bis 5 rückbezogen, dadurch gekennzeichnet, daß das Strahlteilerelement durch die zwischen dem oberflächenemittierenden Laser (42; 64x, 64y; 82,84) und dem bewegten Ob- jekt (30) angeordnete Linse (44; 68x, 68y; 92) oder das diffraktiv optische Element gebildet ist.
8. Sensormodul nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß das Strahlteilerelement durch eine Gehäusekomponente (16) , insbesondere durch ein Vergußmaterial oder einen Gehäuseteil wie einen Gehäusedeckel gebildet ist.
9. Sensormodul nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Strahlungsquelle (42; 64x, 64y; 82,84) das Detektorelement (46; 66x,66y; 86,88) und die Auswerteeinheit (48; 70x, 70y, 90) auf einem gemeinsamen Trägersubstrat (50; 94) angeordnet sind.
10. Sensormodul nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Detektorelement (18; 46; 66x,66y; 86,88) durch eine Photodiode gebildet ist.
11. Sensormodul nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Auswerteeinheit einen integrierten Schaltkreis (48; 70x,70y, 90) zur Signalverarbeitung der vom Detektorelement (46; 66x, 66y; 86,88) gelieferten Informationssignale über die aufgenommen Strahlung umfaßt.
12. Sensormodul nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Auswerteeinheit (20,22; 48; 70x,70y, 90) die relative Bewegung von Objekt und Sensormodul aus der Modulation der aufgenommenen Strahlung bestimmt.
13. Sensormodul nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Auswerteeinheit (20,22; 48; 70x, 70y, 90) zur Bestimmung von Geschwindigkeit und Richtung der relativen Bewegung von Objekt und Sensormodul ausgelegt und eingerichtet ist.
14. Optoelektronisches Sensormodul (60) zur Messung der zwei- dimensionalen Bewegung eines relativ zum Sensormodul bewegten Objekts (30) mit zwei Sensormodulen (62x,62y) nach einem der Ansprüche 1 bis 13, von denen jedes die Bewegung des Objekts
(30) in einer Raumrichtung mißt.
15. Optoelektronisches Sensormodul (80) zur Messung der zwei- di ensionalen Bewegung eines relativ zum Sensormodul bewegten Objekts mit
- zwei Strahlungsquellen (82,84) zum Beleuchten des bewegten Objekts (30) , die jeweils durch einen oberflächenemittierenden Laser mit senkrecht stehendem Resonator gebildet sind,
- einer gemeinsamen Linse (92) oder ein gemeinsames diffraktiv optisches Element zum Kollimieren oder Fokussieren der Strahlung der oberflächenemittierenden Laser (82, 84) auf das bewegte Objekt (30) ,
- einer Detektoreinrichtung (86,88) zum Aufnehmen eines Teils der von dem bewegten Objekt (30) reflektierten Strahlung der Strahlungsquellen (82, 84), und
- einer Auswerteeinheit (90) zur Bestimmung der zweidimensio- nalen relativen Bewegung von Objekt (30) und Sensormodul (80) auf Grundlage charakteristischer Eigenschaf en der von der Detektoreinrichtung (86,88) aufgenommenen Strahlung.
16. Optoelektronisches Sensormodul (80) nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, daß die Strahlungsquellen (82, 84) an zwei verschiedenen Winkel- Positionen außerhalb der optischen Achse der Linse (92) oder des diffraktiv optischen Elements angeordnet sind.
17. Optoelektronisches Sensormodul (80) nach Anspruch 15 oder 16, dadurch gekennzeichnet, daß die Detektoreinrichtung zwei Photodioden (86,88) umfaßt, die jeweils einer der Strahlungsquellen (82,84) zugeordnet sind und einen Teil der von dem bewegten Objekt (30) reflektierten Strahlung der zugeordneten Strahlungsquellen (82,84) aufnehmen.
18. Optoelektronisches Sensormodul (80) nach Anspruch 15 oder 16, dadurch gekennzeichnet, daß die Detektoreinrichtung für beide Strahlungsquellen (82,84) eine gemeinsame Photodiode aufweist, die, bevorzugt durch ein Multiplexverfahren, einen Teil der von dem bewegten Objekt
(30) reflektierten Strahlung von beiden Strahlungsquellen
(82,84) aufnimmt.
19. Optoelektronisches Sensormodul (80) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, zum Einsatz als Steuer- und Navigationsgerät (100, 110) insbesondere für Computer, Laptops, Digitale Assistenten, oder Mobilfunkgeräte .
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