EP4658991A1

EP4658991A1 - Sensorvorrichtung mit einer mehrzahl von optikkanälen

Info

Publication number: EP4658991A1
Application number: EP24702327.8A
Authority: EP
Inventors: Julius KOMMA; Holger Pless; Rohan KUNDU; Peter Schreiber
Original assignee: Ams Osram AG; Fraunhofer Gesellschaft zur Foerderung der Angewandten Forschung eV
Current assignee: Ams Osram AG; Fraunhofer Gesellschaft zur Foerderung der Angewandten Forschung eV
Priority date: 2023-01-30
Filing date: 2024-01-26
Publication date: 2025-12-10
Also published as: CN120584276A; DE102023102131A1; WO2024160669A1

Abstract

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

Description

Beschreibung

SENSORVORRICHTUNG MIT EINER MEHRZAHL VON OPTIKKANÄLEN

Die vorliegende Anmeldung betri f ft eine Sensorvorrichtung mit einer Mehrzahl von Optikkanälen .

Bei mehrkanaligen Sensoren, die beispielsweise die Farbkoordinaten von Strahlung aus einem Mess feld oder einem definierten Winkelbereich bestimmen, können Mess fehler auftreten, wenn Farbstrukturen oder Farbverläufe des Mess felds ortsaufgelöst in die in mehrere Detektionsbereiche unterteilte Sensorebene abgebildet werden . Bei Verwendung von Farbfiltern in Form von Interferenz filtern wird eine exakte Messung ferner dadurch erschwert , dass deren spektrale Transmission vergleichsweise stark vom Einfallswinkel abhängt , so dass der Einfallswinkel nicht den Akzeptanzwinkel des Farbfilters überschreiten darf .

Eine Aufgabe ist es , eine Sensorvorrichtung anzugeben, die bei einer kompakten Bauform eine zuverlässige , mehrkanalige Messung mit einer hohen Genauigkeit erlaubt .

Diese Aufgabe wird unter anderem durch eine Sensorvorrichtung mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 gelöst . Weitere Ausgestaltungen und Zweckmäßigkeiten sind Gegenstand der abhängigen Patentansprüche .

Es wird eine Sensorvorrichtung angegeben .

Gemäß zumindest einer Aus führungs form der Sensorvorrichtung weist die Sensorvorrichtung die eine Detektions fläche mit einer Mehrzahl von nebeneinander angeordneten, zur Absorption von Strahlung vorgesehenen Detektionsbereichen auf . Alle zur Detektion von Strahlung vorgesehenen aktiven Bereiche der Sensorvorrichtung befinden sich insbesondere innerhalb der Detektions fläche . Die zu detektierende Strahlung kann im infraroten, sichtbaren und/oder ultravioletten Spektralbereich liegen . Insbesondere ist die Sensorvorrichtung dazu eingerichtet , im Betrieb Signale aus mehreren Detektionskanälen zu liefern . Den Detektionskanälen kann j eweils genau ein Detektionsbereich oder eine Mehrzahl von Detektionsbereichen zugeordnet sein . Beispielsweise können sich die Detektionskanäle hinsichtlich ihrer spektralen Empfindlichkeitsverteilung voneinander unterscheiden .

Gemäß zumindest einer Aus führungs form der Sensorvorrichtung weist die Sensorvorrichtung eine Optik, die die Detektions fläche entlang einer senkrecht zur Detektions fläche verlaufenden vertikalen Richtung gesehen überdeckt , auf . Die Optik ist dazu eingerichtet , Strahlung aus einem Mess feld auf die Detektions fläche zu bündeln .

Gemäß zumindest einer Aus führungs form der Sensorvorrichtung umfasst die Optik eine Mehrzahl von nebeneinander angeordneten Optikkanälen . Insbesondere ist j eder Optikkanal dazu eingerichtet , Strahlung aus zumindest einem Teil des Mess felds auf die Detektions fläche zu bündeln und hierbei insbesondere j eweils die gesamte Detektions fläche aus zuleuchten .

Gemäß zumindest einer Aus führungs form der Sensorvorrichtung ist j edem Optikkanal eine Eingangsoptik, insbesondere genau eine Eingangsoptik zugeordnet . Die Eingangsoptik ist insbesondere das erste abbildende Element , auf das die zu detektierende Strahlung auftrifft. Die Eingangsoptik kann eine Strahlungseintrittsfläche der Sensorvorrichtung bilden. Beispielsweise ist die Eingangsoptik jeweils als eine Linse, insbesondere Plan-Konvex-Linse ausgebildet. Die gekrümmte Seite der Linse ist beispielsweise sphärisch, asphärisch oder torisch gekrümmt.

Gemäß zumindest einer Aus führungs form der Sensorvorrichtung ist jedem Optikkanal eine Ausgangsoptik, insbesondere genau eine Ausgangsoptik zugeordnet. Die Ausgangsoptik ist zwischen der Eingangsoptik und der Detektionsfläche angeordnet. Die Ausgangsoptik ist insbesondere das letzte abbildende Element im Strahlengang der zur detektierenden Strahlung vor dem Auftreffen auf die Detektionsfläche. Beispielsweise ist die Ausgangsoptik jeweils als eine Linse, insbesondere Plan- Konvex-Linse ausgebildet. Die gekrümmte Seite der Linse ist beispielsweise sphärisch, asphärisch oder torisch gekrümmt. Die Ausgangsoptik ist insbesondere dazu eingerichtet, die Strahlung auf die Detektionsfläche zu bündeln. Beispielsweise ist die Ausgangsoptik dazu eingerichtet, ein von der Eingangsoptik erzeugtes Bild auf die Detektionsfläche abzubilden .

Gemäß zumindest einer Aus führungs form der Sensorvorrichtung ist jedem Optikkanal eine Blendenöffnung zugeordnet, insbesondere genau eine Blendenöffnung. Beispielsweise ist die Blendenöffnung im Strahlengang zwischen der Eingangsoptik und der Ausgangsoptik angeordnet.

Gemäß zumindest einer Aus führungs form der Sensorvorrichtung bilden die Eingangsoptiken jeweils zumindest einen Teil eines Messfelds in eine Bildebene ab. Gemäß zumindest einer Aus führungs form der Sensorvorrichtung sind die Blendenöffnungen in der Bildebene angeordnet. Mittels der Blendenöffnungen ist die Form des Strahlungsflecks der zu detektierenden Strahlung an die Form der Detektionsfläche anpassbar.

Gemäß zumindest einer Aus führungs form der Sensorvorrichtung bilden die Ausgangsoptiken jeweils die von der zugehörigen Blendenöffnung transmittierte Strahlung auf die Detektionsfläche ab. Insbesondere wird hierbei zweckmäßigerweise für jede Blendenöffnung die Strahlung auf die gesamte Detektionsfläche abgebildet.

In mindestens einer Aus führungs form der Sensorvorrichtung umfasst die Sensorvorrichtung eine Detektionsfläche mit einer Mehrzahl von nebeneinander angeordneten, zur Absorption von Strahlung vorgesehenen Detektionsbereichen und eine Optik, wobei die die Detektionsfläche entlang einer senkrecht zur Detektionsfläche verlaufenden vertikalen Richtung gesehen überdeckt. Die Optik umfasst eine Mehrzahl von nebeneinander angeordneten Optikkanälen. Jedem Optikkanal sind eine Eingangsoptik, eine Ausgangsoptik und eine Blendenöffnung zugeordnet, wobei die Ausgangsoptik zwischen der Eingangsoptik und der Detektionsfläche angeordnet ist. Die Eingangsoptiken bilden jeweils zumindest einen Teil eines Messfelds in eine Bildebene ab. Die Blendenöffnungen sind in der Bildebene angeordnet und die Ausgangsoptiken bilden jeweils die von der zugehörigen Blendenöffnung transmittierte Strahlung auf die Detektionsfläche ab.

Auf der Detektionsfläche, insbesondere an jeder Stelle der Detektionsfläche, ergibt sich also eine Überlagerung der durch die einzelnen Optikkanäle transmittierten Strahlung. Somit erfolgt in der Detektions fläche keine scharfe Abbildung von räumlichen Modulationen der Strahlung, etwa in Form von Farbverläufen oder Farbstrukturen innerhalb des Mess felds . Dadurch kann in der Detektions fläche eine besonders hohe Homogenität der aus dem Mess feld stammenden Strahlung erzielt werden . Mit anderen Worten wird die aus dem Mess feld abgestrahlte Strahlung den einzelnen Detektionsbereichen in der Detektions fläche mit einer hohen Homogenität zugeführt . Detektions fehler bedingt durch solche räumlichen Modulationen im Mess feld können somit verhindert oder zumindest stark verringert werden .

Die Ausgangsoptiken stellt hierbei j eweils Feldlinsen dar, die die durch die j eweilige Blendenöf fnung hindurchtretenden divergenten Strahlbündel auf der Detektions fläche vereinigen . Die Blendenöf fnung definiert für j eden Optikkanal das Gesichts feld ( field of view, FOV) .

Auf eine Anordnung eines Di f fusors im Strahlengang zur Vermeidung einer scharfen Abbildung der räumlichen Modulationen kann verzichtet werden . Die Verwendung eines der Detektions fläche in einem hinreichend großen Abstand vorgelagerten Di f fusors würde eine vergleichsweise große Baulänge der Optik und somit eine vergleichsweise große Bauhöhe der Sensorvorrichtung entlang der vertikalen Richtung erfordern . Ferner verringert ein Di f fusor insgesamt die Systemtransmission, wodurch sich das Signal- zu- Rauschverhältnis der Sensorvorrichtung verschlechtert . Im Unterschied hierzu kann mit der beschriebenen Anordnung eine hohe Genauigkeit des Mess-Signals bei einer besonders kompakten Bauform, insbesondere in vertikaler Richtung, erzielt werden . Gemäß zumindest einer Aus führungs form der Sensorvorrichtung weist eine Achse der Ausgangsoptik für zumindest einen der Optikkanäle relativ zu einer Achse der zugehörigen Eingangsoptik einen Versatz auf . Der Versatz bezieht sich hierbei auf eine senkrecht zur vertikalen Richtung verlaufende laterale Richtung . Die Achsen verlaufen beispielsweise j eweils durch die geometrischen Mitten der entsprechenden Optiken . Insbesondere können alle Optikkanäle , deren Kanalachse von der optischen Achse der Optik beabstandet sind, einen solchen Versatz aufweisen .

Gemäß zumindest einer Aus führungs form der Sensorvorrichtung ist ein Versatz zwischen Eingangsoptik und Ausgangsoptik eines ersten Optikkanals der Optikkanäle kleiner als ein Versatz eines zweiten Optikkanals zwischen Eingangsoptik und Ausgangsoptik der Optikkanäle , wobei der zweite Optikkanal in einem größeren Abstand zu einer optischen Achse der Optik angeordnet ist als der erste Optikkanal . Mit anderen Worten nimmt der Versatz der Optikkanäle mit zunehmendem Abstand des betref fenden Optikkanals von der optischen Achse der Optik zu .

Gemäß zumindest einer Aus führungs form der Sensorvorrichtung ist der Versatz für die Optikkanäle so eingestellt , dass sich die Bündelschwerpunkte der durch die j eweiligen Blendenöf fnungen hindurchtretenden Strahlung in einem Flächenschwerpunkt der Detektions fläche schneiden . Dieses Kriterium gilt beispielsweise mit einer Toleranz von 10% einer Diagonalen der Detektions fläche .

Gemäß zumindest einer Aus führungs form der Sensorvorrichtung bilden die Optikkanäle j eweils das gesamte Mess feld auf die Detektions fläche ab . Hierbei wird zweckmäßigerweise j eweils die gesamte Detektionsfläche ausgeleuchtet. Es erfolgt also über die Optik eine Abbildung eines gemeinsamen Gesichtsfeldes simultan durch mehrere Optikkanäle.

Gemäß zumindest einer Aus führungs form der Sensorvorrichtung bilden die Optikkanäle jeweils nur einen Teil des Messfelds auf die Detektionsfläche ab. Hierbei wird zweckmäßigerweise für jeden Optikkanal jeweils die gesamte Detektionsfläche ausgeleuchtet. Es erfolgt jedoch eine Aufteilung des Gesichtsfelds der Optik insgesamt auf die einzelnen Optikkanäle. Mit anderen Worten haben zumindest zwei Optikkanäle der Optik voneinander verschiedene Blickrichtungen. Hierdurch kann eine Vergrößerung des Messfelds erzielt werden. Insbesondere ist die Größe des Messfelds nicht durch Aberrationen eines Optikkanals begrenzt. Für eine Anpassung der Blickrichtung können beispielsweise für die entsprechenden Optikkanäle jeweils individuell die Blendenöffnungen relativ zu der jeweiligen Achse des Optikkanals dezentriert, also mit einem Versatz, angeordnet sein. Optional können auch die Eingangsoptiken für die entsprechenden Optikkanäle jeweils relativ zu der jeweiligen Achse des Optikkanals dezentriert angeordnet sein.

Gemäß zumindest einer Aus führungs form der Sensorvorrichtung sind die Blendenöffnungen jeweils entlang einer gemeinsamen Richtung relativ zu einer Achse der zugehörigen Eingangsoptik versetzt, so dass eine Hauptdetektionsrichtung der Sensorvorrichtung schräg zur vertikalen Richtung verläuft. Es erfolgt also eine Beobachtung des Messfelds unter einem von 0° verschiedenen Winkel zur vertikalen Richtung. Dies kann beispielsweise zur Unterdrückung von störenden Beleuchtungsreflexen (auch als Glanzlichter bezeichnet) bei einer Beleuchtung des Messfelds vorteilhaft sein. Mittels des beschriebenen Versatzes der Blendenöf fnungen kann eine solche schräg verlaufende Hauptdetektionsrichtung unabhängig von der Orientierung der Optik und der Detektions fläche erreicht werden, insbesondere unter Beibehaltung der Parallelität von Optik und Detektions fläche und/oder senkrechter Inzidenz auf dem Sensorchip . Insbesondere ist die Hauptdetektionsrichtung auch bezüglich einer Flächennormale der Optik geneigt . Bei der Herstellung der Sensorvorrichtung kann eine Winkeländerung allein durch die Veränderung der Dezentrierung, also ohne signi fikante Änderungen des grundsätzlichen Aufbaus der Sensorvorrichtung, erreicht werden .

Gemäß zumindest einer Aus führungs form der Sensorvorrichtung ist die Optik ein gemeinsames zusammenhängendes Element , das die Optikkanäle mit der j eweiligen Eingangsoptik, der j eweiligen Ausgangsoptik und der j eweiligen Blendenöf fnung bildet . Hierbei können für die unterschiedlichen Teile der Optik unterschiedliche Materialien Anwendung finden . Beispielsweise können die Eingangsoptiken und die Ausgangsoptiken als Linsen gebildet sein, die auf gegenüberliegende Hauptflächen eines planaren Optikträgers aufgebracht sind . Abhängig von der Wellenlänge der zu detektierenden Strahlung eignet sich beispielsweise ein Glas oder ein Kunststof f als transparentes Material . Für die Blenden kann ein strahlungsundurchlässiges Material Anwendungen finden, das die Blendenöf fnungen umgibt . Beispielsweise eignet sich ein Metall , etwa Chrom . Die Form und Position der Eingangsoptiken und der Ausgangsoptiken sowie der Blendenöf fnungen kann durch lithografische Verfahren definiert werden, so dass eine hochgenaue relative Positionierung der Eingangsoptiken, der Ausgangsoptiken und der Blendenöf fnungen zueinander mit hoher Präzision bereits bei der Herstellung der Optik erfolgen kann .

Gemäß zumindest einer Aus führungs form der Sensorvorrichtung ist zwischen der Optik und den Detektionsbereichen zumindest stellenweise eine Filterstruktur angeordnet , so dass zumindest zwei Detektionsbereiche voneinander verschiedene spektrale Empfindlichkeitsverteilungen aufweisen . Beispielsweise sind die einzelnen Filter der Filterstruktur Interferenz filter, also Mehrschichtfilter, bei denen die Transmissionseigenschaften unter Ausnutzung von Interferenzef fekten an den Grenz flächen der einzelnen Schichten eingestellt sind . Mit der beschriebenen Anordnung kann die Optik gezielt so ausgestaltet sein, dass die zu detektierende Strahlung j eweils innerhalb eines Akzeptanzwinkels des Filters auf die Filterstruktur auftri f ft . Beispielsweise für die Bestimmung der spektralen Anteile der zu detektierenden Strahlung kann so eine besonders hohe Messgenauigkeit erzielt werden .

Gemäß zumindest einer Aus führungs form der Sensorvorrichtung erstreckt sich die Optik zumindest stellenweise bis zu Seitenflächen, die die Sensorvorrichtung in lateraler Richtung begrenzen . Beispielsweise weist die die Optik an den Seitenflächen zumindest stellenweise Spuren eines Vereinzelungsverfahrens , etwa Sägespuren auf . Bei der Herstellung der Sensorvorrichtung werden die j eweiligen Detektions flächen also noch auf Waferebene , also noch vor der Vereinzelung in die einzelnen Sensorvorrichtungen mit der zugehörigen Optik versehen .

Gemäß zumindest einer Aus führungs form der Sensorvorrichtung ist die Sensorvorrichtung ein Bauelement , das an einer der Optik gegenüber liegenden Montageseite Kontakt flächen, vorzugsweise alle Kontakt flächen, für die externe elektrische Kontaktierung der Sensorvorrichtung aufweist . Die Sensorvorrichtung als Ganzes ist also ein oberflächenmontierbares ( surface mounted device , smd) Bauelement , in das die Optik bereits integriert .

Gemäß zumindest einer Aus führungs form der Sensorvorrichtung weist die Sensorvorrichtung in vertikaler Richtung eine Bauhöhe von höchstens 8 mm oder höchstens 5 mm oder höchstens 3 mm auf . Je geringer die Bauhöhe in vertikaler Richtung ist , desto leichter ist die Integrierbarkeit der Sensorvorrichtung in ein mobiles elektronisches Gerät wie beispielsweise ein Smartphone .

Gemäß zumindest einer Aus führungs form der Sensorvorrichtung weisen die Eingangsoptiken j eweils einen Durchmesser zwischen einschließlich 50 pm und einschließlich 1 mm auf . Bei den Eingangsoptiken handelt es sich also um Mikrooptiken, wobei ihr Durchmesser vorzugsweise j edoch mindestens so groß ist , dass Beugungsef fekte keine oder zumindest keine signi fikante Bedeutung haben .

Mit der beschriebenen Sensorvorrichtung können insbesondere die folgenden Ef fekte erzielt werden .

Mittels der Verwendung mikrooptischer Elemente kann für die Sensorvorrichtung vertikaler Richtung eine besonders geringe Bauhöhe erzielt werden, beispiel sweise von höchstens 5 mm oder höchstens 3 mm .

Bei der Herstellung der Sensorvorrichtung ist die Optik an unterschiedliche Beobachtungss zenarien flexibel anpassbar . Dadurch ergibt sich eine hohe Flexibilität für die Realisierung verschiedener Mess felder, Gesichts felder oder Betrachtungswinkel durch geringe strukturelle Änderungen der Optik .

Insbesondere kann das Mess feld unabhängig von der Form der Detektions fläche bereits allein durch das Design der Blendenöf fnungen definiert werden . Auch unterschiedliche Gesichts felder oder Betrachtungswinkel können durch minimale Änderungen des Bauraums erzielt werden .

Die Größe und Form des transmittierten Strahlungs flecks auf der Detektions fläche ist unabhängig von der Form des Mess felds . Vielmehr ist diese lediglich vom Abstand zwischen der Optik und der Detektions fläche , der Blendenzahl sowie der Form der Aperturen der Eingangsoptiken abhängig .

Für die zu detektierende Strahlung kann eine hohe Systemtransmission erzielt werden, beispielsweise im Vergleich zu einem System mit einem Di f fusor im Strahlengang . Die Eingangsoptiken können mit einem hohen Flächenfüll faktor angeordnet werden, beispielsweise in Form eines hexagonalen Gitters mit runden oder hexagonalen Eingangsoptiken oder in Form eines rechteckigen oder quadratischen Gitters mit dicht gepackten rechteckigen oder quadratischen Eingangsoptiken .

Die beschriebene Sensorvorrichtung eignet sich generell für Anwendungen, bei denen eine homogenisierte Abbildung eines definierten Orts- oder Winkelbereichs auf einen Sensor gewünscht ist , beispielsweise mit einem kontrolliertem Einstrahlwinkel zur Messung von rückgestreutem Licht oder von Umgebungslicht für Farbsensoren, für Abstandmessungen basierend auf Lauf zeitmessungen ( time-of- f light ( TOF) - Messungen) oder allgemein für Remissionsmessungen zur Abstands- oder Winkelmessung, insbesondere in Verbindung mit einer minimalen Bauhöhe der Sensorvorrichtung . Aufgrund der geringen erzielbaren Bauhöhe ist die Sensorvorrichtung für den Einsatz in mobilen Geräten, beispielsweise in Smartphones , Tablets oder Notebooks besonders geeignet .

In Verbindung mit zumindest einer Aus führungs form beschriebene Merkmale können auch mit anderen in Verbindung mit zumindest einer Aus führungs form beschriebenen Merkmalen kombiniert werden, solange sich diese Merkmale nicht gegenseitig ausschließen .

Weitere Ausgestaltungen und Zweckmäßigkeiten ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung der Aus führungsbeispiele in Verbindung mit den Figuren .

Es zeigen :

Die Figuren 1A und 1B ein Aus führungsbeispiel für eine Sensorvorrichtung anhand einer schematischen Darstellung eines Beleuchtungsstrahlengangs in Figur 1A und einer schematischen Darstellung in Schnittansicht in Figur 1B ; die Figur 2 ein Aus führungsbeispiel für eine Sensorvorrichtung anhand einer schematischen Darstellung eines Beleuchtungsstrahlengangs ; und die Figur 3 ein Aus führungsbeispiel für eine

Sensorvorrichtung anhand einer schematischen Darstellung eines Beleuchtungsstrahlengangs . Die Figuren sind j eweils schematische Darstellungen und daher nicht unbedingt maßstabsgetreu . Insbesondere können vergleichsweise kleine Elemente oder Schichtdicken zur verbesserten Darstellung und/oder zum besseren Verständnis übertrieben groß dargestellt sein .

Gleiche , gleichartige oder gleichwirkende Elemente sind in den Figuren j eweils mit gleichen Bezugs zeichen versehen .

Anhand der Figuren 1A und 1B wird ein Aus führungsbeispiel für eine Sensorvorrichtung 1 beschrieben, wobei die Figur 1A insbesondere der Erläuterung des Funktionsprinzips einer Optik der Sensorvorrichtung 1 anhand eines Beleuchtungsstrahlengangs dient . Zur verbesserten Darstellbarkeit sind nicht alle strukturellen Details der Sensorvorrichtung 1 in Figur 1A expli zit gezeigt . In Figur 1B ist schematisch eine Sensorvorrichtung dargestellt , bei der eine Ausleuchtung einer Detektions fläche 4 wie im Zusammenhang mit Figur 1A beschrieben erfolgt .

In den weiteren Aus führungsbeispielen der Figuren 2 und 3 ist j eweils schematisch der Beleuchtungsstrahlengang dargestellt . Die strukturellen Merkmale für diese Aus führungsbeispiele können wie im Zusammenhang mit Figur 1B beschrieben ausgebildet sein .

Bei dem Aus führungsbeispiel gemäß den Figuren 1A und 1B umfasst die Sensorvorrichtung 1 eine Detektions fläche 4 mit einer Mehrzahl von nebeneinander angeordneten, zur Absorption von Strahlung vorgesehenen Detektionsbereichen 40 . Die Sensorvorrichtung 1 umfasst weiterhin eine Optik 2 , die die Detektions fläche entlang einer senkrecht zur Detektions fläche 4 verlaufenden vertikalen Richtung gesehen überdeckt . Die Optik 2 umfasst eine Mehrzahl von nebeneinander angeordneten Optikkanälen 20 , wobei j edem Optikkanal eine Eingangsoptik 21 eines Felds von Eingangsoptiken, eine Ausgangsoptik 22 eines Felds von Ausgangsoptiken und eine Blendenöf fnung 30 eines Blendenfelds 3 zugeordnet sind .

Die Eingangsoptiken 21 bilden j eweils ein außerhalb der Sensorvorrichtung befindliches Mess feld in eine Bildebene 29 ab . Die Blendenöf fnungen 30 sind in der Bildebene 29 angeordnet . Die Ausgangsoptiken 22 bilden j eweils die von der zugehörigen Blendenöf fnung 30 transmittierte Strahlung auf die gesamte Detektions fläche 4 ab .

Zur vereinfachten Erläuterung wird nachfolgend angenommen, dass sich das Mess feld in einem Abstand von der Sensorvorrichtung 1 befindet , der groß ist im Vergleich zu einer Brennweite F der Eingangsoptik 21 . Die Bildebene 29 befindet sich somit in der Brennebene der Eingangsoptik 21 . Das Blendenfeld 3 ist in der Bildebene 29 angeordnet und definiert für j eden Optikkanal 20 ein Gesichts feld 7 . Ein Vollwinkel des Gesichts felds FOV ergibt sich für einen Durchmesser d der Blendenöf fnung 30 und die Brennweite F der Eingangsoptik 21 aus der Beziehung FOV = 2 • arctan ( d/2 F) .

Die Blendenöf fnungen 30 sind j edoch nicht auf eine kreis förmige Form beschränkt , sondern können beispielsweise auch rechteckig ausgebildet sein, sodass das Mess feld bei der Herstellung der Sensorvorrichtung 1 insbesondere unabhängig von der Form der Detektions fläche 4 festgelegt werden kann .

Die der Eingangsoptik 21 nachgelagerte Ausgangsoptik 22 bildet die Aperturen der zugeordneten Eingangsoptik 21 in die Detektions fläche 4 ab . Bei einem Abstand s zwischen der Ausgangsoptik 22 und der Detektions fläche 4 ergibt sich die Brennweite f der Ausgangsoptik 22 aus der Abbildungsgleichung 1 / f = 1 / F + 1 / s .

Für j eden Optikkanal wird die von der Blendenöf fnung 30 transmittierte Strahlung in Form eines divergenten Lichtbündels durch die zugehörige Ausgangsoptik 22 auf die gesamte Detektions fläche 4 abgebildet . Hierfür sind Blendenöf fnungen 30 , die in lateraler Richtung versetzt zu einer optischen Achse 91 der Optik 2 angeordnet sind, individuell dezentriert angeordnet . Es besteht also ein Versatz 93 zwischen einer Achse 92 der zugehörigen Eingangsoptik 21 und einer Achse 94 der Ausgangsoptik 22 .

Der Versatz 93 ist für die Optikkanäle 20 j eweils so ausgebildet , dass sich die Bündelschwerpunkte der durch die j eweiligen Optikkanäle 20 hindurchtretenden Strahlung im Zentrum der Detektions fläche 4 schneiden . Dies wird in den Figuren 2 und 3 anhand von Bündelschwerpunktslinien 95 veranschaulicht . Hierfür sind das Zentrum der Detektions fläche 4 und die Vertices der Eingangsoptik 21 und der Ausgangsoptik 22 in einer Linie angeordnet .

Der Versatz 93 nimmt für die Optikkanäle 20 mit zunehmendem Abstand von der optischen Achse 91 zu . In dem gezeigten Aus führungsbeispiel verläuft ein erster Optikkanal entlang der optischen Achse 91 und weist somit keinen Versatz auf . Ein zweiter Optikkanal 20B ist von der optischen Achse 91 beabstandet und weist dementsprechend einen größeren Versatz auf .

Die Form eines auf der Detektions fläche 4 erzeugten

Strahlungs flecks entspricht der Form der Apertur der Eingangsoptik 21 eines Optikkanals 20 und ist bei der Herstellung der Sensorvorrichtung 1 somit weitgehend frei wählbar . Vorzugsweise sind die Aperturen j edoch so ausgebildet und angeordnet , dass ein hoher Flächenfüll faktor für die Eingangsoptiken 21 erzielbar ist . Je höher der Flächenfüll faktor ist , desto höher kann die Systemtransmission insgesamt sein . Beispielsweise können Eingangsoptiken 21 in runder oder hexagonaler Form in einem hexagonalen Gitter angeordnet sein . Alternativ eignen sich beispielsweise rechteckige oder quadratische Aperturen in einem rechteckigen oder quadratischen Gitter .

Der Durchmesser DD eines Strahlungs flecks auf der Detektions fläche 4 ergibt sich entsprechend dem Strahlensatz aus der Beziehung DD= D • S / F .

Der Einfallswinkelbereich auf der Detektions fläche 4 ergibt sich aus der Summation der Divergenz im Bildraum einer einzelnen Eingangsoptik 21 , die deren numerische Apertur NA = D/ F entspricht , und der Neigung des Hauptstrahls des am weitesten von der optischen Achse 91 der Optik entfernten Optikkanals 20 durch das Feld der Ausgangsoptiken 22 . Zur Vermeidung von Mess fehlern ist daher die Größe des Felds von Eingangsoptiken 21 senkrecht zur optischen Achse 91 der Optik 2 nur so groß , dass der Einfallswinkelbereich auf die Detektions fläche 4 höchstens so groß wie der Akzeptanzwinkel der Detektionsbereiche 40 , insbesondere höchstens so groß wie der kleinste Akzeptanzwinkel bei verschiedenen Akzeptanzwinkeln für die einzelnen Detektionsbereiche 40 .

Bei der in Figur 1A dargestellten Optik 2 wird eine Abbildung eines gemeinsamen Gesichts feldes 7 auf der Detektions fläche 4 simultan durch eine Mehrzahl von Optikkanälen 20 realisiert . Dadurch kann eine homogene Ausleuchtung der Detektions fläche 4 erreicht werden .

Wie in Figur 1B dargestellt , können die Eingangsoptiken 21 und die Ausgangsoptiken 22 der Optikkanäle 20 sowie die j eweils zugehörigen Blendenöf fnungen 30 durch ein gemeinsames zusammenhängendes optisches Element gebildet sein . Beispielsweise weist die Optik 2 einen Optikträger 25 auf , wobei die Eingangsoptiken 21 und die Ausgangsoptiken 22 auf gegenüberliegenden Hauptflächen des Optikträgers 25 angeordnet sind . Das Blendenfeld 3 mit den Blendenöf fnungen 30 kann stellenweise unter den Ausgangsoptiken 22 vergraben auf dem Optikträger 25 aufgebracht sein, etwa in Form einer Metallschicht , beispielsweise aus Chrom .

Solche Optiken können mit lithografischen Verfahren mit hoher Präzision und groß flächig hergestellt werden, sodass bei der Herstellung der Sensorvorrichtung 1 die Optiken 2 für mehrere Sensorvorrichtungen 1 in einem Verbund bereitgestellt und auf Waferebene mit den übrigen Teilen der Sensorvorrichtungen 1 verbunden werden können . Das Aufbringen der Optik 2 kann also noch vor der Vereinzelung in die einzelnen Sensorvorrichtungen 1 erfolgen . Die Optik 2 erstreckt sich in diesem Fall zumindest stellenweise bis zu einer Seitenfläche 15 der Sensorvorrichtung 1 und kann Vereinzelungsspuren, beispielsweise Sägespuren, an der Seitenfläche der Optik 2 aufweisen .

Die Eingangsoptiken 21 und die Ausgangsoptiken 22 können durch eine Strukturierung der Hauptflächen des Optikträgers 25 selbst oder durch Aufbringen von zusätzlichem Material , beispielsweise einem Kunststof f , auf dem Optikträger 25 ausgebildet werden . Geeignete Verfahren hierfür sind beispielsweise im Artikel "Wafer-Level Hybride Integration of Complex Micro-Optical Modules" , veröf fentlicht in Micromachines 2014 , 5 , 325-340 oder im Artikel "Erzeugung komplexer Mikrooptiken durch Lithografie und UV-Abformung" im Jahresbericht aus dem Jahr 2005 des Fraunhofer- Instituts für Angewandte Optik und Feinmechanik IOF beschrieben, deren Of fenbarungsgehalt diesbezüglich durch Rückbezug in die vorliegende Anmeldung auf genommen wird .

Die Eingangsoptiken 21 und die Ausgangsoptiken 22 können j eweils sphärisch oder asphärisch, beispielsweise torisch, ausgebildet sein . Über torische Eingangsoptiken kann beispielsweise eine einfache Aberrationskorrektur erzielt werden, etwa hinsichtlich Astigmatismus oder Koma .

Weiterhin können die Eingangsoptiken 21 untereinander und/oder die Ausgangsoptiken 22 untereinander zumindest zum Teil voneinander verschieden sein .

Die Eingangsoptiken 21 und/oder die Ausgangsoptiken 22 können auch als Linsensegmente ausgebildet sein . Insbesondere für die Ausgangsoptiken 22 können die Achsen benachbarter Ausgangsoptiken 22 so dichter zueinander positioniert werden .

Die Eingangsoptiken 21 und/oder die Ausgangsoptiken 22 sind beispielsweise Mikrolinsen mit einem Durchmesser zwischen einschließlich 50 pm und einschließlich 1 mm . Eine Brennweite der Eingangsoptiken 21 und/oder der Ausgangsoptiken 22 beträgt beispielsweise zwischen einschließlich 0 , 5 mm und einschließlich 3 mm . Je geringer diese Brennweiten sind, desto geringer kann die Bauhöhe der Sensorvorrichtung sein . Die Anzahl der Eingangsoptiken 21 beträgt beispielsweise zwischen einschließlich 2 und einschließlich 500 . Diese Werte hängen j edoch stark von den Anforderungen hinsichtlich der Baugröße der herzustellenden Sensorvorrichtung 1 in lateraler Richtung und der Bauhöhe in vertikaler Richtung ab und können grundsätzlich in weiten Grenzen variiert werden .

Die Anordnung der Eingangsoptiken 21 und der Ausgangsoptiken 22 in einem gemeinsamen zusammenhängenden optischen Element ist besonders günstig, da die Eingangsoptiken 21 und die Ausgangsoptiken 22 so bereits bei der Herstellung der Optik 2 mit hoher Präzision zueinander j ustiert werden können . Die Eingangsoptiken 21 und die Ausgangsoptiken 22 können j edoch auch als voneinander getrennte optische Elemente ausgebildet sein .

Wie in Figur 1B dargestellt , weist die Sensorvorrichtung 1 in der Detektions fläche 4 eine Mehrzahl von Detektionsbereichen 40 auf . Die Detektionsbereiche 40 sind beispielsweise j eweils durch Fotodioden, etwa mit einem zur Strahlungsabsorption geeigneten aktiven Bereich basierend auf Sili zium oder einem anderen Halbleitermaterial , gebildet . Die Fotodioden können voneinander getrennte Bauelemente oder einzeln ansteuerbare Segmente eines Feldes von Fotodioden sein .

Zwischen der Optik 2 und den Detektionsbereichen 40 ist eine Filterstruktur 8 angeordnet . Die Filter sind beispielsweise durch eine Interferenz filterstruktur gebildet . Über die Filterstruktur 8 ist die spektrale Empfindlichkeitsverteilung der j eweiligen Detektionsbereiche 40 einstellbar . In dem gezeigten Aus führungsbeispiel sind die Filter der Filterstruktur 8 j eweils direkt als eine Beschichtung auf den Detektionsbereichen 40 ausgebildet . Davon abweichend kann die Filterstruktur 8 aber auch durch ein separates Element gebildet sein, bei dem beispielsweise die Filter für die einzelnen Detektionsbereiche 40 auf einem gemeinsamen Filterträger, der sich über mehrere oder auch alle Detektionsbereiche 40 erstreckt , angeordnet sind .

Die Anzahl der Detektionsbereiche 40 beträgt beispielsweise zwischen einschließlich zwei und einschließlich 100 . Hierbei können auch zwei oder mehr Detektionsbereiche 40 einem gemeinsamen Detektionskanal zugeordnet sein . Beispielsweise liefert die Sensorvorrichtung 1 im Betrieb der Sensorvorrichtung ein Signal aus mehreren Detektionskanälen im sichtbaren Spektralbereich und alternativ oder ergänzend weiteren Detektionskanälen im infraroten und/oder ultravioletten Spektralbereich .

Die Detektionsbereiche 40 sind auf einem Montageträger 5 , beispielsweise einer Leiterplatte oder einem anderen Träger mit elektrischen Leiterstrukturen, angeordnet . Die Sensorvorrichtung 1 kann auch weitere passive oder aktive elektronische Komponenten aufweisen, etwa einen Treiberschaltkreis zur Ansteuerung der Detektionsbereiche 40 . Die ist zur vereinfachten Darstellung in der Figur 1B nicht gezeigt .

Die Optik 2 ist beispielsweise über einen Rahmenkörper 6 , etwa aus einem Kunststof f an dem Montageträger 5 befestigt .

An der der Optik 2 gegenüber liegenden Montageseite 50 weist der Montageträger 5 Kontakte 55 für die externe elektrische Kontaktierung der Sensorvorrichtung auf . Die Sensorvorrichtung 1 ist somit insgesamt als ein oberflächenmontierbares mehrkanaliges Bauelement mit bereits integrierter Optik 2 ausgebildet .

Das in Figur 2 dargestellte Aus führungsbeispiel entspricht im Wesentlichen dem im Zusammenhang mit den Figuren 1A und 1B beschriebenen Aus führungsbeispiel .

Im Unterschied hierzu ist das Gesichts feld der Optik 2 auf einzelne Optikkanäle 20 aufgeteilt . In der gezeigten Darstellung bleibt der zentrale Optikkanal 20 parallel zur optischen Achse ausgerichtet , während die Blickrichtung des darüber angeordneten Optikkanals 20 in der Zeichenebene nach oben und des darunter angeordneten Optikkanals 20 nach unten gerichtet ist . Hierfür sind die Blendenöf fnungen 30 relativ zu den Optikkanalachsen individuell dezentriert angeordnet . Optional können auch die Eingangsoptiken 21 des j eweiligen Optikkanals 20 individuell dezentriert angeordnet sein .

In der Figur 2 sind ferner die Bündelschwerpunktslinien 25 , die sich im Bereich der Detektions fläche 4 schneiden, für den oberen und den unteren Optikkanal exemplarisch eingetragen . Auch bei dieser Ausgestaltung leuchtet j eder Optikkanal 20 für sich die gesamte Detektions fläche 4 aus .

Durch eine solche Aufteilung des Gesichts felds kann erreicht werden, dass die Größe des Gesichts felds im Unterschied zu dem in den Figuren 1A und 1B gezeigten Aus führungsbeispiel nicht mehr durch die Aberrationen eines einzelnen Optikkanals 20 begrenzt ist . Auch für größere Gesichts felder kann so eine hohe Zuverlässigkeit des Messsignals erzielt werden .

Eine Hauptdetektionsrichtung 9 verläuft wie in dem im

Zusammenhang mit den Figuren 1A bis 1B beschriebenen Aus führungsbeispiel parallel zur optischen Achse der Optik 2 und parallel zur vertikalen Richtung .

Das in Figur 3 dargestellte Aus führungsbeispiel entspricht im Wesentlichen dem im Zusammenhang mit den Figuren 1A und 1B beschriebenen Aus führungsbeispiel .

Im Unterschied hierzu verläuft die Hauptdetektionsrichtung 9 schräg zur vertikalen Richtung . Dies wird dadurch erreicht , dass das Blendenfeld 3 insgesamt relativ zum Feld der Eingangsoptiken 21 dezentriert angeordnet ist . Es besteht somit ein Versatz 97 zwischen der Achse 92 der Eingangsoptik 21 und der geometrischen Mitte der zugehörigen Blendenöf fnung . Die Hauptdetektionsrichtung 9 kann somit schräg zur vertikalen Richtung verlaufen, wobei die Optik 2 weiterhin parallel zur Detektions fläche 4 verläuft und die Strahlung weiterhin im Wesentlichen senkrecht auf die Detektions fläche 4 auftri f ft . Durch eine derartige Beobachtung des Mess felds unter einem Winkel können Mess fehler bedingt durch Glanzlichter unterdrückt werden . Bei der Herstellung einer solchen Sensorvorrichtung 1 muss für die Erzielung einer solchen schräg verlaufenden Hauptdetektionsrichtung im Vergleich zu dem Aus führungsbeispiel der Figuren 1A und 1B lediglich das Blendenfeld 3 als Ganzes versetzt werden .

Insgesamt kann mit der beschriebenen Sensorvorrichtung 1 aufgrund der homogenen Ausleuchtung der Detektions fläche 4 eine hohe Messgenauigkeit bei gleichzeitig geringer Bauhöhe erreicht werden . Beispielsweise beträgt die Bauhöhe der Sensorvorrichtung 1 in vertikaler Richtung höchstens 5 mm oder höchstens 3 mm . Bei der Herstellung ist die Sensorvorrichtung 1 durch geringfügige Modi fikationen der Optik 2 an unterschiedliche Anforderungen hinsichtlich des gewünschten Mess felds und/oder unterschiedliche Anforderungen aufgrund eines geänderten Akzeptanzwinkels der Detektionsbereiche anpassbar .

Diese Patentanmeldung beansprucht die Priorität der deutschen Patentanmeldung 10 2023 102 131 . 1 , deren Of fenbarungsgehalt hiermit durch Rückbezug aufgenommen wird . Die Erfindung ist nicht durch die Beschreibung anhand der Aus führungsbeispiele beschränkt . Vielmehr umfasst die Erfindung j edes neue Merkmal sowie j ede Kombination von Merkmalen, was insbesondere j ede Kombination von Merkmalen in den Patentansprüchen beinhaltet , auch wenn dieses Merkmal oder diese Kombination selbst nicht expli zit in den Patentansprüchen oder den Aus führungsbeispielen angegeben ist .

Bezugs zeichenliste

1 Sensorvorrichtung

15 Seitenfläche

2 Optik

20 Optikkanal

21 Eingangsoptik

22 Ausgangsoptik

25 Optikträger

29 Bildebene

3 Blendenfeld

30 Blendenöf fnung

4 Detektions fläche

40 Detektionsbereich

5 Montageträger

50 Montageseite

55 Kontakt

6 Rahmenkörper

7 Gesichts feld

8 Filterstruktur

9 Hauptdetektionsrichtung

91 optische Achse der Optik

92 Achse der Eingangsoptik

93 Versatz

94 Achse der Ausgangsoptik

95 Bündelschwerpunktslinie

97 Versatz der Blendenöf fnungen

Claims

Patentansprüche

1. Sensorvorrichtung (1) , umfassend eine Detektionsfläche (4) mit einer Mehrzahl von nebeneinander angeordneten, zur Absorption von Strahlung vorgesehenen Detektionsbereichen

(40) und eine Optik (2) , die die Detektionsfläche (4) entlang einer senkrecht zur Detektionsfläche (4) verlaufenden vertikalen Richtung gesehen überdeckt, wobei

- die Optik (2) eine Mehrzahl von nebeneinander angeordneten Optikkanälen (20) umfasst;

- jedem Optikkanal (20) eine Eingangsoptik (21) , eine Ausgangsoptik (22) und eine Blendenöffnung (30) zugeordnet sind, wobei die Ausgangsoptik (22) zwischen der Eingangsoptik (21) und der Detektionsfläche (4) angeordnet ist;

- die Eingangsoptiken (21) jeweils zumindest einen Teil eines Messfelds in eine Bildebene (29) abbilden;

- die Blendenöffnungen (30) in der Bildebene (29) angeordnet sind; und

- die Ausgangsoptiken (22) jeweils die von der zugehörigen Blendenöffnung (30) transmittierte Strahlung auf die Detektionsfläche (4) abbilden.

2. Sensorvorrichtung nach Anspruch 1, wobei für zumindest einen der Optikkanäle (20) eine Achse

(94) der Ausgangsoptik (22) relativ zu einer Achse (92) der zugehörigen Eingangsoptik (21) einen Versatz (93) aufweist.

3. Sensorvorrichtung nach Anspruch 2, wobei der Versatz (93) zwischen Eingangsoptik (21) und Ausgangsoptik (22) eines ersten Optikkanals (20A) der Optikkanäle (20) kleiner ist als ein Versatz zwischen Eingangsoptik (21) und Ausgangsoptik (22) eines zweiten Optikkanals (20B) der Optikkanäle, wobei der zweite Optikkanal (20B) in einem größeren Abstand zu einer optischen Achse der Optik angeordnet ist als der erste Optikkanal.

4. Sensorvorrichtung nach Anspruch 2 oder 3, wobei der Versatz (93) für die Optikkanäle so eingestellt ist, dass sich die Bündelschwerpunkte der durch die jeweiligen Blendenöffnungen hindurchtretenden Strahlung in einem Flächenschwerpunkt der Detektionsfläche schneiden.

5. Sensorvorrichtung nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei die Optikkanäle (20) jeweils das gesamte Messfeld auf die Detektionsfläche (4) abbilden.

6. Sensorvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei die Optikkanäle (20) jeweils nur einen Teil des Messfelds auf die Detektionsfläche (4) abbilden.

7. Sensorvorrichtung nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei die Blendenöffnungen (30) jeweils entlang einer gemeinsamen Richtung relativ zu einer Achse der zugehörigen Eingangsoptik versetzt sind, so dass eine Hauptdetektionsrichtung (9) der Sensorvorrichtung (1) schräg zur vertikalen Richtung verläuft.

8. Sensorvorrichtung nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei die Optik (2) ein gemeinsames zusammenhängendes Element ist, das die Optikkanäle (20) mit der jeweiligen

Eingangsoptik (21) , der jeweiligen Ausgangsoptik (22) und der jeweiligen Blendenöffnung (30) bildet.

9. Sensorvorrichtung nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei zwischen der Optik (2) und den Detektionsbereichen (40) zumindest stellenweise eine Filterstruktur (8) angeordnet ist, so dass zumindest zwei Detektionsbereiche voneinander verschiedene spektrale Empfindlichkeitsverteilungen aufweisen .

10. Sensorvorrichtung nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei sich die Optik (2) zumindest stellenweise bis zu Seitenflächen (15) , die die Sensorvorrichtung (1) in lateraler Richtung begrenzen, erstreckt.

11. Sensorvorrichtung nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei die Sensorvorrichtung (1) ein oberflächenmontierbares Bauelement ist, das an einer der Optik gegenüber liegenden Montageseite (50) Kontakt flächen (55) für die externe elektrische Kontaktierung der Sensorvorrichtung (1) aufweist.

12. Sensorvorrichtung nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei die Sensorvorrichtung (1) in vertikaler Richtung eine Bauhöhe von höchstens 3 mm aufweist.

13. Sensorvorrichtung nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei die Eingangsoptiken (21) jeweils einen Durchmesser zwischen einschließlich 50 pm und einschließlich 1 mm aufweisen .