JP5583120B2 - オブジェクトを検出するための光電スイッチおよび方法 - Google Patents

Description

本発明はオブジェクト検出用の光電スイッチおよび方法に関し、該光電スイッチおよび方法では、支持体と、電磁放射を検出する検出用半導体チップと、該検出用半導体チップの隣または上方に配置され特別に形成および／または配置された方向選択素子とを使用する。

被検査領域または被検査エリアにおいてオブジェクトを検出するための手段が数多く公知となっている。オブジェクトを検出する１つの手段に、光電スイッチを使用する手段がある。以下では光電スイッチという用語は、近接センサおよび動きセンサも指す。光電スイッチとは、少なくとも１つの放出源と少なくとも１つの検出器とを備えた電気光学システムである。放出源としては、電磁放射を放出する半導体チップが挙げられる。放出源は送光器または放射源とも称される。それに対して検出器は、電磁放射を検出する半導体チップであり、このような半導体チップはセンサまたは受光器とも称される。

光電スイッチの動作原理を以下で簡単に説明する。放出源は、所定の波長領域の電磁放射を適切な光強度Ｉで送出する。検出器は少なくとも、この電磁放射のこの所定の波長領域に対する感度を有する。光電スイッチに存在する検出対象のオブジェクトにより、放出源と検出器との間の放射経路が変化する。検出器において、このようにして生じる電磁放射の輝度に生じた変化が検出される。このようにして検出されたものは、最終的に電気的なスイッチング信号に変換され、さらに処理される。

輝度Ｌとしては、放射される光強度Ｉと見かけの発光面の大きさＡとの比が定義される。輝度のＳＩ単位は、カンデラ毎平方メートルｃｄ／ｍ^２である。輝度は、放射測定で単位ワット×ｍ^−２×ステラジアン^−１ないしはＷ・ｍ^−２・ｓｒ^−１で得られる放射密度Ｌに対応する測光量である。

光電スイッチは基本的に、透過型光電スイッチと反射型光電スイッチとに分けられる。透過型光電スイッチでは、放出源と検出器とが相互に対向し、該放出源の主放射方向は検出器に向かう方向である。したがって、検出器は必ず、放出源から得られる輝度を検出する。オブジェクトが放出源と検出器との間の放射経路に入ると、該放射経路は遮断され、放出源から送出された放射が検出されないことが、後続の処理ユニットにおいて評価される。

このような透過型光電スイッチに対して、反射型光電スイッチでは放出源と検出器とが相互に対向せず、さらに有利には、同じケーシング内に設けられる。このことにより、構成が比較的面倒でなくなる。基本的に反射型光電スイッチでは、オブジェクトを検出するために２つの異なる手法がある。

１つの手法では、反射性のエレメントが一方の側に配置され、放出源および検出器を有するケーシングが、対向する側に配置される。前記反射性エレメントおよびケーシングは、放射経路がオブジェクトによって遮断されることにより、検出器で検出される輝度が変化するように方向づけされる。

反射器を使用しない択一的構成もある。放出源の放射経路にオブジェクトが存在する場合、該放出源の放射が該オブジェクトに当たり、該オブジェクトの表面構成に起因して該放射はオブジェクトの表面で散乱される。この放射の散乱により、送出された放射の一部が検出器に入射し、検出器における輝度の変化が検出される。

このような構成の光電スイッチで一般的な問題は、周辺パラメータの影響であり、たとえば昼光や外部光等である。

検出器と放出源とは、ケーシング内部で１つの同じ支持体に収容されることが多くなってきている。このことにより、電気的な駆動制御部を簡単に構成することができる。このことにより、光電スイッチの構成で別の問題が生じる。この別の問題とは、いわゆる送出側の半導体チップと検出側の半導体チップとの間のいわゆるクロストークに留意しなければならないことである。このようなクロストークは、たとえば、放射がケーシングから出る前に放出源から直接的な経路で検出器に入力結合した場合に生じる。また、放射がケーシング内部で反射されて検出器に入射した場合にも、このようなクロストークが発生する。クロストークによって検出器に達した放射は、検出器の特性曲線上の動作点を変化させてしまう。このような動作点の変化により、検出器の感度が顕著に悪くなってしまうことがある。光電スイッチの感度を上昇させるために、周辺の影響とクロストークとを低減する努力が常に払われている。

本発明の課題は、オブジェクトの検出感度が上昇したオブジェクト検出用の光電スイッチおよびオブジェクト検出方法を提供することである。

前記課題は、独立請求項に記載された特徴によって解決される。従属請求項に本発明の別の有利な構成が記載されている。

光電スイッチの少なくとも１つの実施形態では、該光電スイッチは半導体エレメントを有する。この半導体エレメントは、支持体上面を有する支持体を備えている。この支持体上面に、電磁放射を検出する少なくとも１つの検出用半導体チップと、電磁放射を送出する少なくとも１つの送出用半導体チップとが設けられる。これらの半導体チップはとりわけ、可視放射を検出ないしは放出するように構成されており、有利には近赤外放射を検出ないしは放出するように構成されている。

少なくとも１つの実施形態では、光電スイッチは少なくとも１つの方向選択素子を支持体の上面に有する。前記方向選択素子はとりわけ、検出側半導体チップおよび／または放射送出半導体チップのうちいずれか１つに対して設けられている。このような方向選択素子を介して、半導体チップが受け取る放射ないしは半導体チップから放出される放射の角度領域が制限される。換言するとたとえば、方向選択素子によって、放射送出半導体チップによって生成された放射が所定の空間角度領域には入らないかまたは実質的に入らないように、放射送出半導体チップの放射特性が制限されるかまたは調整される。検出側半導体チップに関しては制限されるとは、所定の角度領域から検出側半導体チップに達する放射が存在しないかまたは実質的に存在しないことを意味する。すなわち、方向選択素子を介して、検出可能すなわち受信可能な放射が半導体素子から放出される角度、ないしは、半導体素子から放出される放射が入る角度が制限される。

少なくとも１つの実施形態の光電スイッチでは、受信可能な放射の少なくとも１つの主放射軸が、放出される放射の少なくとも１つの主放射軸に対して傾斜する。この主放射軸はたとえば、半導体チップから放出される放射の対称軸または光軸であるか、または、半導体チップが受信する放射の対称軸または光軸であるか、または、放射のうち最大強度となる部分が延在する方向である。

このことは、光軸、および／または放射の最大強度の部分が放出される方向、および／または放出される放射の対称軸が、受信される放射の相応の主方向軸に対して平行にならないように、たとえば放射を送出する半導体チップに対して設けられた方向選択素子が該半導体チップの放射特性を制限または設定することを意味することができる。換言すると、放射を送出する半導体チップの光軸および／または放射を検出する半導体チップの光軸は有利には、該半導体チップに対して設けられた方向選択素子の機械的な軸および／または光軸および／または対称軸と一致しない。検出側の半導体チップに関しては主放射軸は、放射の大部分が半導体チップまたは放射を感知する該半導体チップの面に当たる方向とすることもできる。

それぞれの主放射軸を決定するためには、各送出側半導体チップまたは検出側半導体チップの放射特性ないしは受信特性と、半導体チップに方向選択素子が設けられている場合には該方向選択素子による放射特性または受信特性の変化との双方を考慮しなければならない。

少なくとも１つの実施形態の光電スイッチでは、検出側の半導体チップの主放射軸と送出側の半導体チップの主放射軸との間の角度は、半導体チップに方向選択素子が設けられている場合には該方向選択素子を考慮して、５°以上６５°以下であり、とりわけ１５°以上４５°以下であり、有利には２０°以上４０°以下である。

少なくとも１つの実施形態の光電スイッチでは、前記方向選択素子は遮蔽部および／または集光レンズおよび／または散乱レンズおよび／またはフレネルレンズおよび／またはプリズムおよび／または反射器によって形成される。

少なくとも１つの実施形態の光電スイッチでは、支持体と、該支持体の上面に設けられ電磁放射を検出する少なくとも１つの検出半導体チップと、該検出半導体チップに隣接し該支持体の上面に設けられたバリアまたは遮蔽部とを有する半導体エレメントが設けられる。この実施形態では、前記バリアまたは遮蔽部は、検出すべき電磁放射を透過しない材料から成り、前記検出半導体チップから離隔され、前記バリアおよび前記検出半導体チップが支持体の上面に垂直に平行投影される場合には、該バリアの投影面と検出半導体チップの投影面とが少なくとも部分的に重なり合うように、該バリアまたは遮蔽部は成形されている。

光電スイッチの半導体エレメントの上記の構成により、まず第一に、検出器がオブジェクトを検出できる領域が制限付きで限定される。このような限定によってさらに、たとえば昼光や外部照明等の周辺影響に起因して検出器に当たる輝度が低減される。検出される領域を制限することにより、このような周辺パラメータがオブジェクトの検出に及ぼす影響が低減され、検出器の動作点が安定化する。方向選択素子が遮蔽部、レンズまたは反射器として形成される場合にも、相応のことが当てはまる。

別の構成では、光電スイッチの半導体エレメントはさらに、電磁放射を送出する送出半導体チップを有し、前記バリアは検出器と放出源との間に配置される。このようにしてさらに、送出された放射によって検出半導体チップに発生するクロストークが低減される。投影面がこのように部分的に重なり合うことにより、たとえば半導体エレメントのノイズ特性に起因するいわゆるクロストークが検出器に入射しないことが保証される。このことにより、検出器のいわゆる固有ノイズが低減され、検出器の動作点が最適な動作点に維持され、より高い感度が実現される。

１つの構成では、方向選択素子は接着材によって支持体の上面に取り付けられ、とりわけバリアが接着材によって支持体の上面に取り付けられる。有利にはこの接着材も、検出される放射に対して吸収性であるかまたは反射性である。択一的に、方向選択素子を半導体エレメントのケーシングの一部として、射出成形またはトランスファモールド法によって形成することもできる。この構成では、半導体エレメントの製造は低コストになる。

別の構成では、放射を検出する別の検出半導体チップが支持体の上面に設けられる。各検出器と放出源との間にそれぞれバリアが、支持体の上面に設けられる。これらの検出器が検出する放射は同じである。オブジェクトに起因する輝度の変化が、両検出器に作用する。比較ユニットによって両検出器の信号を評価することができる。２つの検出器と１つの放出源とが１つの半導体エレメントに設けられている場合、送出半導体チップに対するオブジェクトの相対運動を検出することができる。このようにして、オブジェクトが送出半導体チップに対して左側にあるか、右側にあるか、または送出半導体チップの直接上方にあるかを簡単に推定することができる。半導体チップに設けられる検出器が２つより多い場合、オブジェクトを２次元で位置検出することができる。

別の構成ではさらに、半導体エレメントに放射を送出する別の送出半導体チップが配置される。この構成では、放出源は時分割多重化方式で動作し、送出半導体チップは振幅変調されるかまたは振幅変調されない。時分割多重化方式は、現時点でどの放射が検出されたかを時分割管理によって検出器に知らせるために使用される。たとえば周波数分割多重化方式、符号分割多重化方式または波長分割多重化方式等の他の方式も使用することができる。その際には、検出器は適切なデマルチプレクサユニットにより、送出半導体チップのどの放射が検出されたかを把握する。

放射のさらなる妨害影響が発生するのを回避するために有利なのは、信号を振幅変調することである。このような変調は「バーストモード」伝送とも称される。搬送波のこのような「バースト」により、周辺のさらなる妨害影響が阻止される。

多数の検出器および放出源を使用することにより、検査すべき領域の分解能は格段に上昇し、各オブジェクトの位置を、放射を送出する送出半導体チップに対する相対位置でより精確に推定することができる。

ここでは、方向選択素子の形状は制限されない。たとえば、バリアをＬ字形、アーチ形または斜行形に形成することができる。検出器の感度を改善するためには必ず、投影面が相互に部分的に重なり合うように留意しなければならない。換言すると、基本的には、検出半導体チップが送出半導体チップの放射の影にあるように留意しなければならない。

別の構成では、少なくとも１つの光学的素子が放出源ないしは検出器の放射経路に挿入される。これによってビーム導波を改善することができ、感度を上昇させることができる。

１つの構成では、検出半導体チップはフォトトランジスタないしはフォトダイオードないしはフォトレジスタである。

送出半導体チップは有利にはレーザダイオードであるかまたはＬＥＤである。本発明では、送出放射および検出放射の波長は決して、所定の領域に限定されない。送出放射は有利には近赤外線波長領域である。また、電磁スペクトルの紫外線領域や可視領域でも、オブジェクトの検出を行うことができる。

有利には複数の検出半導体チップおよび／または複数の放射送出半導体チップが設けられる少なくとも１つの実施形態の光電スイッチでは、大部分の割合の検出半導体チップの主放射軸またはすべての検出半導体チップの主放射軸および／または大部分の割合の放射送出半導体チップの主放射軸またはすべての放射送出半導体チップの主放射軸は、それぞれ相互に傾いて方向づけされる。換言すると、とりわけ支持体の上面を基準として、たとえば２つの検出半導体チップおよび／または受信半導体チップの主放射軸の方向は同じでない。また、検出半導体チップの主放射軸を、放射送出半導体チップの主放射軸と同じ方向にすることもできる。

少なくとも１つの実施形態の光電スイッチでは、放射検出半導体チップは特殊用途集積回路（英語：application specific integrated circuit、略してＡＳＩＣ）である。

少なくとも１つの実施形態の光電スイッチでは、方向選択素子は検出半導体チップおよび／または放射送出半導体チップに形状接続するように成形される。形状接続とは、半導体チップが方向選択素子に対して嵌合する形状を有することを意味することができる。たとえば、半導体チップは少なくとも２つの境界面において、少なくとも局所的に方向選択素子によって包囲される。

少なくとも１つの実施形態の光電スイッチでは、方向選択素子はレンズ体によって形成され、該レンズ体は半導体チップに一体成形され、該半導体チップを少なくとも２つの境界面で部分的に包囲するか、または有利には完全に包囲する。この構成では、方向選択素子を射出成形またはキャスト法によって、とりわけ結合剤なしで半導体チップに直接設けることができる。

ここで記載した光電スイッチはたとえば、物または肢体の動きを検出するために使用することができ、とりわけジェスチャ検出に使用することができる。たとえばここで記載した光電スイッチは、移動電話機、キーボード、ナビゲーションシステム、電子機器、コンピュータ、ポータブルコンピュータ、操作インタフェースおよび／または自動車分野において、とりわけ制御部の補助機器として、またはデータ入力に使用される。

最後に、オブジェクトを検出するための方法を提供する。この方法では、半導体チップで検出された放射の強度を、後置接続された評価ユニットにおいて評価し、該強度の大きさに基づいて、該オブジェクトと半導体エレメントとの間の間隔を推定することができる。たとえばこの方法によって、上記の実施形態のうち１つまたは複数の実施形態に関連して説明したように光電スイッチを動作させることができる。したがって、前記方法の特徴は光電スイッチに関して開示した通りであり、該光電スイッチの特徴も、前記方法に関して説明した通りである。

以下で本発明の実施例を、図面に即して詳細に説明する。同一もしくは同機能の構成要素には、それぞれ同じ参照番号を付している。また、図示されている構成要素は縮尺どおりに描かれたものではなく、理解を深める目的でむしろ個々の構成要素が過度に大きく、簡略化して描かれている場合もある。

オブジェクトを検出するための半導体エレメントを有する一実施例の光電スイッチを示す。 択一的な形状のバリアを有する別の実施例の半導体エレメントを示す。 択一的な形状のバリアを有する半導体エレメントを含む別の実施例の光電スイッチを示す。 図１に示した実施例の発展形態を示す。 図４に示した実施例の発展形態を示す。 上記構成におけるオブジェクトを検出する原理を概略的に示す。 図４に示された実施例の発展形態による原理を概略的に示す別の図である。 図６に示された２つの検出半導体チップによって検出された放射密度の信号特性を示す。 オブジェクトを検出するための半導体エレメントを有する別の実施例の光電スイッチの平面図である。 択一的な形状のバリアを有する別の実施例の半導体エレメントを示す。 図１０に示された検出半導体チップによって検出された光電流の信号特性を示す。 シミュレータによって求められた、図１０の検出半導体チップの光電流の信号特性を示す。 別の実施例の光電スイッチを示す。 別の実施例の光電スイッチを示す。 別の実施例の光電スイッチを示す。 別の実施例の光電スイッチを示す。

図１に、半導体エレメント１を有する一実施例の光電スイッチを示す。半導体エレメント１は、上面２１を有する支持体２を備えている。この上面２１に、放射を送出する半導体チップ３が設けられている。さらに、放射を検出する半導体チップ４も上面２１に設けられている。以下では、検出半導体チップ４を検出器４と称し、放射を送出する半導体チップ３を放出源３と称する。

上面２１に設けられた検出器４と放出源２１との間に方向選択素子が設けられており、該方向選択素子はバリア５として形成されている。このバリア５によって、検出器４によって検出される放射の角度領域が制限される。バリア５は、検出器４が放出源３の放射の影に入るように成形されている。このことは、バリア５の断面がＬ字形であることにより実現される。バリア５および検出器４に対して垂直方向の平行投影を使用する場合、該バリア５および該検出器４の３次元の点が投影平面に垂直に結像される。この投影平面が支持体の上面２１である場合、バリア５の投影面と検出器４の投影面とが少なくとも部分的に重なり合う。ここでは図中の領域６が、バリア５によって形成される放射の影として示されており、放射が上面に垂直に当たる場合にバリア５のこのような影６が生じ、検出器４を少なくとも部分的に覆う。

図１中、放出源３によって放出される放射の主放射軸Ｕを破線によって示している。送出される放射は、バリア５によって有意に影響されることはなく、支持体表面２１に対して垂直方向になる。それに対して、検出器４によって受信される放射の主放射軸Ｖは、放出源３の主放射軸Ｕに対して傾斜している。この受信される放射の主放射軸Ｖも破線によって示している。主放射軸Ｕを傾斜させるためには、バリア５によって遮蔽を行う。たとえば主放射軸Ｕ，Ｖは、大部分の放射が放出される方向によって定義されるか、または、検出器４の有効検出面積が最大になる方向によって定義される。

投影面が相互に少なくとも部分的に重なり合うようにこのように成形することにより、放出源３と検出器４との間のクロストークと周辺影響とが低減される。このようにして、たとえば近赤外領域で放射を検出する検出器は、半導体エレメント１上方においてオブジェクトの動きを検出することができる。

オブジェクトが放射経路に存在する場合、放出源３の放射は該オブジェクトの表面で少なくとも部分的に散乱され、多数の方向に後方に戻っていく。散乱した放射は、検出器４によって少なくとも部分的に検出される。

バリア５は接着材によって上面２１に設けられる。この接着材は有利には、バリア５と同様に、送出放射ないしは検出放射を吸収する材料から形成される。理想的には、この放射は完全に吸収される。

１つの構成では有利には、バリアの上部分の厚さＡは最大０．３ｍｍであり、該上部分の長さＢは最大０．８ｍｍであり、該バリアの下部分の長さは最大０．８ｍｍであり、該バリアが成す影６は最大０．５ｍｍであり、該バリアの下部分の厚さＤは最大０．３ｍｍであり、該バリアと送出半導体チップ３との間の間隔Ｅは最大０．６ｍｍである。放出源３と検出器４との間の間隔は、有利には最大１．２ｍｍである。放出源３は有利にはランバート放射源である。このようにバリア５を成形することにより、検出器４との放出源３のクロストークが阻止される。理想的には支持体２の材料も、送出放射ないしは検出放射に対して吸収性である。このようにして、放出源３によって生成された放射がバリア５の下方にいわば潜り込むことが阻止される。

放出源３として、たとえばレーザダイオードまたはＬＥＤを設けることができる。検出器４としてはたとえばフォトトランジスタ、フォトダイオードまたはフォトレジスタを設けることができる。

図２，３および４において、別の実施例の光電スイッチを示す。図２，３および４の各図において、第２の検出器４と別のバリア５とが上面２１に配置されている。この別のバリア５は、前記別の検出器４と放出源３との間に配置されている。図２，３および４のバリア５の形状は、図１のバリア５の形状と異なる。

前記別の検出器４および前記別のバリア５によって、検査される領域内にオブジェクトがあるか否かと、放出源３に対するオブジェクトの相対位置とを、簡単に推定できるようになる。両検出器４によって輝度信号ないしは放射密度信号が評価されるので、両信号を評価することにより、オブジェクトが放出源３の左側、中央または右側のいずれにあるかを求めることができる。輝度の値によってさらに、オブジェクトと放出源３との間の間隔Ｆの大きさを推定することができる。

図８に、半導体エレメント１とオブジェクトとの間の異なる間隔Ｆで両検出器４が受信した輝度の信号特性を示す。

図８では、単位ｍｍで表される範囲Ｘを横軸として、放射密度Ｌを単位ｍＷ／ｍｍ^２で示している。図中の範囲Ｘは放出源３を基準として表されており、０ｍｍの点Ｘは、放出源３が存在する位置である。ここではオブジェクトとして、２０ｍｍ×２０ｍｍの白色の紙を使用した。図８では、放出源３に約１００ｍＡの典型的な入力電流を使用し、１０μＡのオーダの光電流Ｉ_{Ｐｈｏｔｏ}を検出できる検出器４を使用した。

この白色紙を、半導体エレメント１の上方で左側から右側へ動かした。第１のテストでは、間隔Ｆを５ｍｍに設定した。各破線は左側の検出器４の受信信号を示し、実線は右側の検出器４の受信信号を示す。−１４ｍｍ以上−７ｍｍ以下の領域では、左側の検出器４のみが放射密度Ｌを検出するのに対し、＋７ｍｍ〜＋１４ｍｍの領域では右側の検出器４のみが放射密度Ｌを検出するのが明瞭に認識できる。

オブジェクトがこのような領域にある場合、放出源３に対するオブジェクトの相対位置を完全に明瞭に求めることができる。−７ｍｍ〜＋７ｍｍの領域では、オブジェクトと半導体エレメント１との間の間隔が約５ｍｍである場合、両検出器４が検出できる領域であって、該オブジェクトが放出源３の上方の中央にあることを推定できる領域が得られる。

間隔Ｆが５ｍｍである場合、−７ｍｍ〜＋７ｍｍの領域にわたって放射密度Ｌが一定であることが認識できる。したがって、間隔Ｆが小さい場合、ここではたとえば５ｍｍである場合、検出器４においてほぼデジタルの出力信号を期待できることを前提とすることができる。間隔Ｆが拡大すると、たとえば１０ｍｍまたは２０ｍｍになった場合、曲線は図８に示されたように変化する。検出される領域は拡大されるが、受信される輝度Ｌは低減されるのが認識できる。

半導体エレメント１に後置接続された評価ユニットにおいて、両検出器４の情報を比較する。この評価ユニットは図中に示されていない。この比較ではたとえば、左側の検出器４の放射と右側の検出器４の放射との比が形成される。たとえばこの放射比の形成によって、オブジェクトの間隔Ｆを示すアナログ情報が得られる。

バリア５は、射出成形またはトランスファモールド法によって半導体エレメント１に挿入することができる。その際に有利なのは、バリア５をケーシングの下部分の一部とすることである。

図５に、図４に示した実施例の発展形態を示す。図４との相違点として、図５では、半導体エレメントの上方にカバー７が、半導体チップ３，４の放射経路に挿入されている。このカバー７は、１つの構成ではガラスである。択一的に、カバー７は光学的素子である。放出源３から送出された電磁放射の一部は、ガラスカバー７の表面で反射される。バリア５を上記のように形成することにより、放出源３から検出器４に直接入力結合されることが無くなる。このようにして、放出源３と検出器４とのクロストークは非常に大きく低減される。このことにより、検出器４の感度が大きく上昇する。図６に、検出される領域を示している。この領域は、図４の半導体エレメント１によって監視される。オブジェクトがこの検査される領域に存在する場合、放出源３から送出された放射はこのオブジェクトの表面で反射される。図６には、検出器４が高感度である領域Ｇと、左側の検出器４および右側の検出器４がそれぞれ、検出される放射を受信する領域とが示されている。両検出器４で期待される輝度の信号特性は、図８に示した信号特性と定性的に比較することができる。

図７では、高感度領域Ｇを拡大するための別の実施例のバリア５を示している。ここでは、バリア５の上部分の側縁部が斜行することによって高感度領域Ｇ′が得られることを認識できる。この高感度領域Ｇ′の大きさは、バリア５の上部分が斜行していない場合の高感度領域Ｇより大きい。

クロストークおよび周辺の影響がさらに低減されることには変わりがなく、なおかつ、この領域の拡大が顕著になる。

また、オブジェクトが放出源３の上方に直接存在する場合、両検出器４のいずれも放射を受信しないことも可能である。この領域は死角領域と称され、両高感度領域Ｇ間にある。

図９に別の実施例を示す。同図では３つの検出器４が半導体エレメントに設けられており、これらの検出器４によって正三角形が形成されている。このように形成された正三角形内に放出源３が配置されている。放出源３と検出器４との間に環状のバリア５が挿入されており、該バリア５は、図１で説明したような特性を有するように成形されている。図９のこのような構成により、検出される領域の分解能が上昇する。

図１０に別の実施例の半導体エレメント１を示す。ここでは、バリア５の上部分は該バリア５の下部分に対して直角に配置されず、所定の角度を成すように設けられている。このような構成によっても、図７の実施例と同様に、クロストークや周辺パラメータの影響が大きくなることなく、高感度領域Ｇ′が拡大する。

図１１および図１２において、図１０に示した左側の検出器４の光電流Ｉ_{ｐｈｏｔｏ}と右側の検出器４の光電流Ｉ_{ｐｈｏｔｏ}とを示している。図１１中の光電流Ｉ_{ｐｈｏｔｏ}は実測によって得られたものであり、図１２中の光電流Ｉ_{ｐｈｏｔｏ}はシミュレーションによって得られたものである。基本的には、シミュレーション結果が実測結果と定性的に一致すると言える。ここで信号特性の解釈に関しては、とりわけ図８を参照されたい。ここでは、図１０中の角曲げされたバリア５によって放出源３の上方の領域が、たとえば図４に示されたバリア５が設けられた場合よりも監視されることに留意されたい。

図１０，１１に示されているように、オブジェクトと半導体エレメント１との間の高さないしは間隔Ｆによって、検出半導体チップ４によって受信される放射量が決まる。オブジェクトと半導体エレメント１との間の間隔が大きくなると、検出器４で検出されると期待される輝度Ｌは小さくなる。図９に示されたような第３の検出器を使用することにより、このような２次元の識別が改善される。さらに別の検出器４と放出源３とを挿入することにより、そのたびに領域の分解能は改善される。

１つの実施例では、放出源３から送出されるパルスは振幅変調されたパルスである。このことにより、周辺影響によるこの放射パルスの変化は小さくなる。基本的には、半導体エレメント１の所要エネルギーを低減するために放射をパルス波形で送出するようにすべきである。

半導体エレメント１は、光電スイッチとして使用されるように設けられる。近接センサや指紋センサとしてこの半導体エレメント１を設けることもできる。

さらに、上記の半導体エレメントを使用してオブジェクトを検出する方法も提供する。この方法では、検出器４における輝度を、後置接続された評価ユニットにおいて評価し、該輝度の大きさに基づいてオブジェクトと半導体エレメント１との間の間隔を推定する。この輝度は、検出器４で検出される放射の強度を表す尺度である。

図１３に示された光電スイッチの実施例では、レンズ体として成形された方向選択素子８が、上面２１から見て放出源３の上方に設けられる。たとえば、方向選択素子８は放出源３のキャスティングによって形成される。方向選択素子８によって、図１３中に矢印線によって示されたように、放出源３によって生成された放射はそれぞれ、検出器４から横方向に偏向される。たとえばシリコーンまたは熱可塑性プラスチック等である方向選択素子８の材料は、有利には半導体チップ３の材料と物理的に直接コンタクトする。

複数の放出源３が送出する放射の波長は相互に異なるように構成することができ、この構成を、検出器４に設けられる波長フィルタの併用で実現することもできる。択一的または付加的に、放出源３を多重化方式で動作させ、とりわけ時分割多重化方式で動作させることができる。

図１４に示された実施例では、方向選択素子８はそれぞれ、放射を透過するプリズムによって形成される。このプリズムは検出器４に後置される。プリズムの光屈折作用により、放出源３によって生成された放射はそれぞれ、所定の空間角度領域から、たとえば図中にないオブジェクトで反射することにより、検出器４に達する。これは、図１４において矢印線によって示されている。

方向選択素子８を支持体２に固定するためのホルダをそれぞれ、検出器４と放出源３との間に設けられる遮蔽部として形成することができる。このホルダは、図中には示されていない。このようなホルダにより、放射が放出源３から直接、図中にないオブジェクトで反射せずに検出器４に達するのを阻止することができる。

図１５に示された光電スイッチの実施例では、半導体モジュール１の方向選択素子８はそれぞれ、図１４のようにプリズムによって形成されるのではなく、集光レンズによって形成される。図１５の構成と異なり、方向選択素子８を集光レンズではなく、フレネルレンズとすることもできる。

図１６では、方向選択素子８はそれぞれ反射器によって形成される。この実施形態では、反射器８の一部を、検出器４と、それぞれ対応する放出源３との間に設けることができる。図１６の構成と異なって、反射器８を相互に異なるようにするのではなく、相互に同様の構成で形成することもできる。その際には、反射器８を、対応する放出源３に直接コンタクトさせるか、または放出源３から空間的に分離することもできる。対応する放出源３と反対側の反射器８の面に、該放出源３から送出された放射に対して吸収作用を有するコーティングを設けて、検出器４に達する散乱放射を低減するかまたは阻止することができる。これら２つの主放射軸Ｕ，Ｖのいずれの方向も、上面２１に対して同じでない。

上記の本発明は、実施例に基づく上記説明によって限定されることはない。むしろ本発明はあらゆる新規の特徴ならびにそれらの特徴のあらゆる組み合わせを含むものであり、これには殊に特許請求の範囲に記載した特徴のあらゆる組み合わせが含まれる。このことはこのような特徴またはこのような組み合わせ自体が特許請求の範囲あるいは実施例に明示的には記載されていない場合であっても当てはまる。

本願は、ドイツ連邦共和国特許出願第１０２００８０２９４６７．５号の優先権を主張するものであり、その開示内容は参照により本願に取り入れられる。

Claims (15)

1. 半導体エレメント（１）を有する光電スイッチにおいて、
   前記半導体エレメント（１）は、
   支持体（２）と、
   前記支持体（２）の上面（２１）に設けられ電磁放射を検出する少なくとも２つの検出半導体チップ（４）と、
   前記支持体（２）の上面（２１）に設けられ電磁放射を送出する少なくとも１つの送出半導体チップ（３）と、
   前記支持体（２）の上面（２１）に設けられ、前記検出半導体チップ（４）によって受信される電磁放射および／または前記送出半導体チップ（３）によって放出される電磁放射の角度領域を制限する、少なくとも１つの方向選択素子（５）と、
   を有し、
   前記検出半導体チップ（４）によって受信される電磁放射の主放射軸（Ｖ）は、前記送出半導体チップ（３）によって放出される電磁放射の主放射軸（Ｕ）に対して傾斜しており、
   前記方向選択素子は、前記検出半導体チップ（４）によって検出される電磁放射を透過しない材料から成る複数のバリア（５）によって形成されており、
   前記バリア（５）は、前記バリア（５）および前記検出半導体チップ（４）が前記支持体（２）の上面（２１）に垂直に平行投影された場合に、前記バリア（５）の投影面と前記検出半導体チップ（４）の投影面とが少なくとも部分的に重なり合うように成形され、電磁放射が前記上面（２１）に垂直に当たる場合に影（６）が生じ、前記影（６）が前記検出半導体チップ（４）を少なくとも部分的に覆い、
   死角領域が、前記検出半導体チップ（４）の間かつ前記送出半導体チップ（３）の真上に存在し、検出すべきオブジェクトが前記死角領域に存在する場合、前記検出半導体チップ（４）は前記死角領域から電磁放射を受信しない、
   光電スイッチ。
2. 前記主放射軸（Ｕ，Ｖ）は相互に、１５°以上４５°以下の角度で傾斜する、
   請求項１記載の光電スイッチ。
3. 前記バリア（５）は、前記検出半導体チップ（４）から離隔されている、請求項１または２記載の光電スイッチ。
4. 前記バリア（５）は、それぞれ、前記送出半導体チップ（３）と前記検出半導体チップ（４）との間に設けられており、
   前記検出半導体チップ（４）が電磁放射を受信する検出領域は重ならない、
   請求項１から３までのいずれか１項記載の光電スイッチ。
5. 前記バリア（５）は接着材によって前記支持体（２）の上面（２１）に取り付けられている、
   請求項１から４までのいずれか１項記載の光電スイッチ。
6. 前記支持体（２）の上面（２１）に配置される、電磁放射を検出する前記検出半導体チップ（４）は２つより多く、前記検出すべきオブジェクトを２次元で位置検出可能である、
   請求項１から５までのいずれか１項記載の光電スイッチ。
7. 前記検出半導体チップ（４）の主放射軸（Ｖ）の方向は相互に平行である、
   請求項６記載の光電スイッチ。
8. 前記送出半導体チップ（３）は、振幅変調された放射パルスまたは振幅変調されない放射パルスを時分割多重方式で送出する、
   請求項１から７までのいずれか１項記載の光電スイッチ。
9. 前記バリア（５）はＬ字形および／またはアーチ形および／または斜行するように成形されている、
   請求項１から８までのいずれか１項記載の光電スイッチ。
10. 前記半導体チップ（３，４）のうち少なくとも１つの上方で行われる電磁放射の導波を改善するための少なくとも１つの光学的素子（７）が、前記半導体チップ（３，４）の放射経路に配置される、
    請求項１から９までのいずれか１項記載の光電スイッチ。
11. 電磁放射を検出する前記検出半導体チップ（４）は、特殊用途集積回路であるか、またはフォトトランジスタであるか、またはフォトダイオードであるか、またはフォトレジスタである、
    請求項１から１０までのいずれか１項記載の光電スイッチ。
12. 電磁放射を送出する前記送出半導体チップ（３）はレーザダイオードまたはＬＥＤであり、
    前記バリア（５）が前記支持体（２）の前記上面（２１）に垂直に平行投影される場合には、前記検出半導体チップ（４）は前記バリア（５）によって完全に覆われている、
    請求項４記載の光電スイッチ。
13. 前記送出半導体チップ（３）は、少なくとも２つ設けられ、
    前記送出半導体チップ（３）は、相互に異なる波長を有する電磁放射を送出する、
    請求項１から１２までのいずれか１項記載の光電スイッチ。
14. 請求項１から１３までのいずれか１項記載の光電スイッチによってオブジェクトを検出する方法であって、
    前記検出半導体チップ（４）において検出された電磁放射の強度を、後置接続された評価ユニットにおいて評価し、
    前記電磁放射の強度の大きさに基づいて、前記オブジェクトと前記半導体エレメント（１）との間の間隔を推定する方法において、
    前記半導体エレメント（１）において、前記検出半導体チップ（４）を少なくとも２つ使用して電磁放射の検出を行い、
    前記評価ユニットにおいて、前記少なくとも２つの検出半導体チップ（４）の強度を評価し、
    検出された前記電磁放射の強度に基づき、電磁放射を送出する前記送出半導体チップ（３）に対する前記オブジェクトの相対位置を求める、
    ことを特徴とする方法。
15. 別の送出半導体チップ（３）および／または別の検出半導体チップ（４）を使用して、前記オブジェクトを検出する分解能を上昇させ、
    前記半導体チップ（３，４）の放射経路において光学的素子（７）を使用して、オブジェクトを検出する感度を上昇させる、
    請求項１４記載の方法。

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