WO2020160973A1 - Optoelektronische sensoranordnung und optisches messverfahren - Google Patents

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sensor arrangement
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Definitions

  • the present invention relates to an optoelectronic sensor arrangement, an optical measuring method and an optical measuring device with an expandable fiber-optic element.
  • Optoelectronic sensor arrangements that group a light source, in particular an optoelectronic component such as a photodiode or a laser diode, with a photodetector on a carrier substrate in a cluster, are known.
  • a light source in particular an optoelectronic component such as a photodiode or a laser diode
  • a photodetector on a carrier substrate in a cluster
  • US 9836165 B2 writes the side-by-side arrangement of RGB lamps, IR emitters and optical detectors for the acquisition of a fingerprint on a display.
  • US 6745061 B1 and US 20050107024 A1 disclose sensor arrangements which detect the electromagnetic radiation reflected back from a measurement object with a photodetector which is positioned adjacent to a radiation-emitting unit that illuminates the measurement object.
  • stacked optoelectronic Leuchtmit tel are known.
  • US 5189500 A describes a multilayer semiconductor component with a sensor arrangement on a first substrate side and one assigned display unit on the opposite substrate side.
  • the abovementioned semiconductor stack arrangements are not suitable for forming a compact optoelectronic sensor arrangement which illuminates an object and detects backscattered, frequency-shifted radiation.
  • the invention is based on the object of specifying an optoelectronic cal sensor arrangement of small size, comprising a luminous means and a photodetector, the photodetector being designed for measuring frequency-shifted scattered light. Furthermore, an optical measuring device with an expandable fiber-optic element and a coupled compact opto-electronic sensor arrangement is to be specified. An optical measurement method that detects the radiation that is backscattered in a fiber optic element should also be mentioned.
  • Claim 17 relates to an optical measuring device according to the invention with the optoelectronic sensor arrangement and a stretchable fiber-optic element, and the optical measuring method according to the invention has the features of claim 18.
  • the dependent claims relate to advantageous embodiments of the invention.
  • the invention is based on an optoelectronic sensor arrangement on a carrier substrate with a light source and a photo detector.
  • the illuminant and the photodetector form a stacked arrangement on or with the carrier substrate, a frequency-sensitive optical element being arranged between the illuminant and the photodetector.
  • the photodetector is advantageously located on the back of the lamp in such a way that the electromagnetic radiation received by the photodetector passes through the lamp passes through before it reaches the photodetector. It is also preferred that the frequency-selective optical element is designed to shield the photodetector from the electromagnetic radiation emitted by the lighting means.
  • the lighting means of the optoelectronic sensor arrangement can be an optoelectronic surface emitter or an optoelectronic edge emitter, which forms a light emitting diode or a laser diode.
  • a stack arrangement of several optoelectronic components for forming the Leuchtmit means is also conceivable.
  • the lighting means is advantageously adapted for coupling into a fiber-optic element.
  • Embedding the illuminant in a reflective material is preferred, in particular in such a way that the reflective material surrounds the illuminant on its side walls and / or has a concave mirror shape in order to enhance the radiation characteristic in the direction of the surface normal of the carrier substrate and to couple the light Improve fiber optics.
  • the upper side of the illuminant pointing towards the fiber optics preferably remains free of the reflecting material coating provided for the lateral casing.
  • micro-optics can be used to couple the light source and the fiber-optic element.
  • the electromagnetic radiation generated by a lighting means arranged on a carrier substrate is coupled into a fiber-optic element and at least part of the radiation backscattered in the fiber-optic element is returned to a photodetector.
  • the wavelength of the backscattered radiation depends in particular on the state of elongation of the fiber-optic element.
  • the frequency-selective optical element of the stack arrangement of the optoelectronic sensor arrangement according to the invention preferably transmits exclusively electromagnetic radiation which is frequency-shifted with respect to the electromagnetic radiation emitted by the lighting means.
  • the frequency-selective optical element for an advantageous embodiment comprises a splitter mirror and / or an optical filter.
  • a Bragg mirror can be used as the splitter mirror, the maximum reflectivity of which is present for a wavelength which corresponds to the wavelength X e of the maximum of the spectral distribution of the electromagnetic radiation emitted by the illuminant.
  • this is preferably a long-pass filter whose cut-on wavelength X c is greater than the wavelength X e of the maximum of the spectral distribution of the electromagnetic radiation emitted by the illuminant.
  • the lighting means is arranged in the direction of its main emission direction above the photodetector. Since the overlap direction of the stack arrangement is oriented in the direction of the surface normal of the carrier substrate. In addition, the stack arrangement is surrounded by the carrier substrate and / or an electromagnetic radiation absorbing material in such a way that the radiation picked up by the photodetector ultimately passes through the frequency-selective optical element.
  • the light source and the photodetector are on the same side of the carrier substrate and form a stack arrangement on this in combination with an intermediate frequency-selective optical element.
  • the photodetector is arranged in a cavity of the carrier substrate for shielding provided, which is covered by the lighting means and / or the frequenzselek tive optical element.
  • the illuminant and photodetector are positioned on different sides of the carrier substrate, an optical window being arranged in the carrier substrate between the illuminant and the photodetector through which the scattered light to be detected reaches the photodetector.
  • the selected arrangement of illuminant and photodetector simplifies assembly, in particular the contacting of the illuminant and the photodetector when designed as flip-chip assembly elements.
  • An optical measuring device which comprises a fiber-optic element, in particular a stretchable fiber-optic element, and a compact optoelectronic sensor arrangement according to the invention coupled to it, can be worn by a user on the body or incorporated into an item of clothing, in particular to measure movements.
  • a fiber-optic element in particular a stretchable fiber-optic element
  • a compact optoelectronic sensor arrangement according to the invention coupled to it, can be worn by a user on the body or incorporated into an item of clothing, in particular to measure movements.
  • an improvement in the signal-to-noise ratio of the optoelectronic sensor arrangement brought about by the optical encapsulation of the photodetector in the stacking arrangement is advantageous.
  • FIG. 1 shows a cross-sectional view of an optoelectronic sensor arrangement according to the invention.
  • Fig. 2 illustrates the optical measuring method according to the invention Ren.
  • Fig. 3 shows an optical measuring device according to the invention.
  • Fig. 4 shows a cross-sectional view of a second embodiment of the optoelectronic sensor arrangement according to the invention.
  • FIG. 5 shows a cross-sectional view of a third embodiment of the optoelectronic sensor arrangement according to the invention.
  • FIG. 1 shows a first embodiment of the opto-electronic sensor arrangement 1 according to the invention in a schematically simplified cross-sectional view.
  • a stack arrangement 5 comprising a lighting means 3 in the form of a light-emitting diode, a frequency-selective optical element 6 and a photodiode 4 on a carrier substrate 2.
  • the overlap direction 10 the stack arrangement 5 corresponds to the direction of the surface normal of the carrier substrate 2.
  • the illuminant 3 lies above the frequency-selective optical element 6, which in turn is arranged above the photodiode 4, as seen in the main emission direction 9.
  • the stack arrangement 5 is laterally framed by a reflective material 11 in the form of a concave mirror and an optical barrier 19 in such a way that electromagnetic radiation can take place in the main radiation direction 10 from the top 13 of the illuminant 3.
  • the frequency-selective optical element 6 arranged on the back of the illuminant 3 comprises a splitter mirror 7 in the form of a Bragg mirror, the ma ximal reflectivity of which is present for a wavelength that corresponds to the wavelength X e of the maximum of the spectral distribution of the electromagnetic radiation emitted by the illuminant 3 speaks.
  • the other part of the frequency-selective optical Ele element 6 is formed by an optical filter 8 arranged below the splitter mirror 7, which is configured as a long-pass filter whose cut-on wavelength X c is greater than the wavelength X e of the maximum of the spectral distribution of the illuminant 3 emitted electromagnetic radiation.
  • the photodetector 4 is framed by a layer of electromagnetic radiation absorbing material 11 and the opaque carrier substrate 2 so that the radiation to be detected reaches the photodetector 4 exclusively through the frequency-selective optical element 6 of the stacked arrangement 5.
  • the illustration shows the illumination of a measurement object 20 by the lighting means 3 with a spectral distribution, the maximum of which is at a wavelength of X e .
  • At least part of the light backscattered by the measuring object 20 has a wavelength of X f , which is shifted in frequency with respect to the wavelength X e , where X f > X s is assumed.
  • X c of the optical filter 8 By choosing the cut-on wavelength X c of the optical filter 8 with X f > X c > X e , only the light backscattered by the measurement object 20 reaches the photodetector 4.
  • the frequency shift of the backscattered radiation with the wavelength X f depends on the elongation state of the fiber-optic element 16, which is determined by the signal on the photodetector 4 can be.
  • FIG. 4 shows the schematically simplified cross-sectional view of a second embodiment variant of the opto-electronic sensor arrangement 1 according to the invention.
  • the same reference symbols are used for the components that correspond to the first variant.
  • the arrangement of the photodetector 4 is shown in a cavity of the carrier substrate 2, which is covered by the splitter mirror 7 of the frequency-selective element 6 and the illuminant 3 so that all of the radiation hitting the photodetector 4 reaches the illuminant 3 and the frequency-selective optical element 6 must go through.
  • the contact 17.2 of the lighting means 3 is made from the rear side, so that a flip-chip mounting element can be used.
  • the photodetector 4 can be formed by a flip-chip mounting element if, as shown in FIG. 4, the contact 17.3 from the back of the carrier substrate is realized by a via connection in the bottom of the cavity.
  • FIG. 5 shows the schematically simplified cross-sectional view of a third embodiment variant of the optoelectronic sensor arrangement 1 according to the invention.
  • This has an arrangement of the luminous means 3 on a first side of the carrier substrate 2, while the photodetector 4 is placed on the opposite side of the substrate.
  • the Trä gersubstrat 2 is also part of the stack arrangement 5, which comprises the lighting means 3, the frequency-selective optical element 6 and the photodetector 4.
  • the photodetector 4 is surrounded by an opaque component made of an electromagnetic radiation absorbing material 14 and radiation can only enter the measurement area through an optical window 15 in the carrier substrate 2, which is covered by the illuminant 3 and the frequency-selective optical element 6.
  • the lighting means 3 and the photodetector 4 can advantageously be implemented by flip-chip mounting elements whose contacts 17.4 and 17.5 emanate from the respectively assigned side of the carrier substrate 2.

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Abstract

Die Erfindung betrifft eine optoelektronische Sensoranordnung, umfassend ein Trägersubstrat,ein Leuchtmittel und einen Fotodetektor. Das Leuchtmittel und der Fotodetektor bilden auf oder mit dem Trägersubstrat eine Stapelanordnung, wobei zwischen dem Leuchtmittel und dem Fotodetektor ein frequenzselektives optisches Element angeordnet ist. Der Fotodetektor ist in einer Kavität des Trägersubstrats angeordnet, die vom Leuchtmittel und/oder dem frequenzselektiven optischen Element abgedeckt ist.

Description

OPTOELEKTRONISCHE SENSORANORDNUNG UND OPTISCHES MESSVERFAHREN
Diese Patentanmeldung beansprucht die Priorität der deutschen Anmeldung DE 10 2019 103 155.9, deren Offenbarungsgehalt hiermit durch Rückbezug aufgenommen wird.
Die vorliegende Erfindung betrifft eine optoelektronische Sen soranordnung, ein optisches Messverfahren und ein optisches Messgerät mit einem dehnbaren faseroptischen Element.
Optoelektronische Sensoranordnungen, die ein Leuchtmittel, ins besondere eine optoelektronische Komponente, wie eine Fotodiode oder eine Laserdiode, mit einem Fotodetektor auf einem Trä gersubstrat in einem Cluster gruppieren, sind bekannt. So be schreibt US 9836165 B2 die Nebeneinanderanordnung von RGB- Leuchtmitteln, IR-Emittern und optischen Detektoren zur Erfas sung eines Fingerabdrucks auf einem Display. Ferner offenbaren US 6745061 Bl und US 20050107024 Al Sensoranordnungen, die die von einem Messobjekt rückreflektierte elektromagnetische Strah lung mit einem Fotodetektor erfassen, der benachbart zu einer strahlungsaussendenden Einheit, die das Messobjekt ausleuchtet, positioniert ist. Die Anordnungen der einander zugeordneten Leuchtmittel und Fotodioden in räumlich getrennten Substratein tiefungen oder die Verwendung von Filterkomponenten zur Verhin derung einer direkten Einstrahlung vom Leuchtmittel auf den Fotodetektor führen zu Querabmessungen der optoelektronischen Sensoranordnungen, die eine Kopplung mit einem faseroptischen Element erschweren.
Ferner sind gestapelt angeordnete optoelektronische Leuchtmit tel bekannt. Beispielhaft wird auf die eine Stapelanordnung mit OLEDs offenbarende US 6232714 Bl verwiesen. Des Weiteren be schreibt US 5189500 A ein mehrlagiges Halbleiterbauteil mit einer Sensoranordnung auf einer ersten Substratseite und einer zugeordneten Displayeinheit auf der gegenüberliegenden Sub stratseite. Die voranstehend genannten Halbleiterstapelanord nungen sind nicht dazu geeignet, eine kleinbauende optoelekt ronische Sensoranordnung zu bilden, die ein Objekt ausleuchtet und von diesem rückgestreute, frequenzverschobene Strahlung de- tektiert .
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine optoelektroni sche Sensoranordnung kleiner Baugröße anzugeben, die ein Leucht mittel und einen Fotodetektor umfasst, wobei der Fotodetektor für die Messung frequenzverschobenen Streulichts ausgebildet ist. Ferner ist ein optisches Messgerät mit einem dehnbaren faseroptischen Element und einer angekoppelten kompakten opto elektronischen Sensoranordnung anzugeben. Des Weiteren ist ein optisches Messverfahren zu nennen, das die in einem faseropti schen Element rückgestreute Strahlung detektiert.
Die Aufgabe wird durch die Merkmale der optoelektronischen Sen soranordnung gemäß Anspruch 1 gelöst. Anspruch 17 betrifft ein erfindungsgemäßes optisches Messgerät mit der optoelektroni schen Sensoranordnung und einem dehnbaren faseroptischen Ele ment und das erfindungsgemäße optische Messverfahren weist die Merkmale von Anspruch 18 auf. Die abhängigen Ansprüche betreffen vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung.
Die Erfindung geht von einer optoelektronischen Sensoranordnung auf einem Trägersubstrat mit einem Leuchtmittel und einem Fo todetektor aus . Zur Erzielung einer Clusteranordnung auf einem besonders kleinen Bauraum, insbesondere im Hinblick auf die Querausdehnung, bilden das Leuchtmittel und der Fotodetektor auf oder mit dem Trägersubstrat eine Stapelanordnung, wobei zwischen dem Leuchtmittel und dem Fotodetektor ein frequenzse lektives optisches Element angeordnet ist. Vorteilhafterweise liegt der Fotodetektor so rückseitig zum Leuchtmittel, dass die vom Fotodetektor empfangene elektromagnetische Strahlung durch das Leuchtmittel hindurchtritt, bevor sie den Fotodetektor er reicht. Ferner ist bevorzugt, dass das frequenzselektive opti sche Element zur Abschirmung des Fotodetektors gegen die vom Leuchtmittel ausgesandte elektromagnetische Strahlung ausgebil det ist.
Das Leuchtmittel der optoelektronischen Sensoranordnung kann ein optoelektronischer Oberflächenemitter oder ein optoelekt ronischer Kantenemitter sein, der eine Leuchtdiode oder eine Laserdiode bildet. Denkbar ist auch eine Stapelanordnung meh rerer optoelektronischer Bauteile zur Ausbildung des Leuchtmit tels .
Vorteilhafterweise ist das Leuchtmittel für die Einkopplung in ein faseroptisches Element angepasst. Bevorzugt ist eine Ein bettung des Leuchtmittels in ein reflektierendes Material, ins besondere derart, dass das reflektierende Material das Leucht mittel an seinen Seitenwänden umgibt und/oder eine Hohlspiegel form aufweist, um die Abstrahlungscharakteristik in Richtung der Flächennormale des Trägersubstrats zu verstärken und die Lichteinkopplung zur Faseroptik zu verbessern. Bevorzugt bleibt die zur Faseroptik weisende Oberseite des Leuchtmittels frei von der für die seitliche Umkleidung vorgesehenen reflektieren den Materialbeschichtung. Zusätzlich kann für die Kopplung von Leuchtmittel und faseroptischem Element eine Mikrooptik verwen det werden.
Für das erfindungsgemäße optische Messverfahren erfolgt eine Einkopplung der vom einem auf einem Trägersubstrat angeordneten Leuchtmittel erzeugten elektromagnetischen Strahlung in ein fa seroptisches Element und die Rückführung zumindest eines Teils der im faseroptischen Element rückgestreuten Strahlung zu einem Fotodetektor. Dabei hängt die Wellenlänge der rückgestreuten Strahlung insbesondere vom Dehnungszustand des faseroptischen Elements ab. Bevorzugt transmittiert das frequenzselektive optische Element der Stapelanordnung der erfindungsgemäßen optoelektronischen Sensoranordnung ausschließlich elektromagnetische Strahlung, die gegenüber der vom Leuchtmittel abgegebenen elektromagneti schen Strahlung frequenzverschoben ist. Dabei umfasst das fre quenzselektive optische Element für eine vorteilhafte Ausfüh rung einen Teilerspiegel und/oder einen optischen Filter. Als Teilerspiegel kann ein Bragg-Spiegel verwendet werden, dessen maximale Reflektivität für eine Wellenlänge vorliegt, die der Wellenlänge Xe des Maximums der Spektralverteilung der vom Leuchtmittel abgegebenen elektromagnetischen Strahlung ent spricht. Für eine Ausführung des frequenzselektiven optischen Elements mit einem optischen Filter ist dieser bevorzugt ein Langpassfilter, dessen Cut-on-Wellenlänge Xc größer als die Wel lenlänge Xe des Maximums der Spektralverteilung der vom Leucht mittel abgegebenen elektromagnetischen Strahlung ist.
Für eine bevorzugte Ausführung der erfindungsgemäßen optoelekt ronischen Sensoranordnung ist das Leuchtmittel in Richtung sei ner Hauptabstrahlrichtung über dem Fotodetektor angeordnet. Da bei ist die Überlappungsrichtung der Stapelanordnung in Rich tung der Flächennormale des Trägersubstrats orientiert. Zusätz lich ist die Stapelanordnung so vom Trägersubstrat und/oder einem elektromagnetische Strahlung absorbierenden Material um geben, dass die vom Fotodetektor aufgenommene Strahlung aus schließlich durch das frequenzselektive optische Element hin durchtritt .
Für eine vorteilhafte Ausgestaltung der optoelektronischen Sen soranordnung liegen das Leuchtmittel und der Fotodetektor auf der gleichen Seite des Trägersubstrats und bilden auf diesem in Kombination mit einem zwischenliegenden frequenzselektiven op tischen Element eine Stapelanordnung. Zur Abschirmung ist eine Anordnung des Fotodetektors in einer Kavität des Trägersubstrats vorgesehen, die vom Leuchtmittel und/oder dem frequenzselek tiven optischen Element abgedeckt ist.
Für eine weitere bevorzugte Ausgestaltung sind Leuchtmittel und Fotodetektor auf unterschiedlichen Seiten des Trägersubstrats positioniert, wobei ein optisches Fenster im Trägersubstrat zwischen dem Leuchtmittel und dem Fotodetektor angeordnet ist, durch das das zu detektierende Streulicht zum Fotodetektor ge langt. Die gewählte Anordnung von Leuchtmittel und Fotodetektor vereinfacht die Montage, insbesondere die Kontaktierung des Leuchtmittels und des Fotodetektors bei einer Ausbildung als Flip-Chip-Montageelemente .
Ein optisches Messgerät, das ein faseroptisches Element, ins besondere ein dehnbares faseroptisches Element, und eine daran angekoppelte, kompakt bauende erfindungsgemäße optoelektroni sche Sensoranordnung umfasst, kann von einem Benutzer am Körper getragen oder in ein Kleidungsstück aufgenommen werden, insbe sondere um Bewegungen zu messen. Vorteilhaft ist neben der klei nen Baugröße und der damit verbundenen Materialersparnis eine durch die optische Kapselung des Fotodetektors in der Stapela nordnung bewirkte Verbesserung des Signal-Rauschverhältnisses der optoelektronischen Sensoranordnung.
Nachfolgend sind beispielhafte Ausgestaltungsvarianten der Er findung im Zusammenhang mit Figurendarstellungen erläutert. Diese zeigen, jeweils schematisch, Folgendes:
Fig. 1 zeigt eine Querschnittsansicht einer erfindungsgemäßen optoelektronische Sensoranordnung .
Fig. 2 illustriert das erfindungsgemäße optische Messverfah ren .
Fig . 3 zeigt ein erfindungsgemäßes optisches Messgerät. Fig . 4 eine Querschnittsansicht einer zweiten Ausführung der erfindungsgemäßen optoelektronischen Sensoranordnung.
Fig. 5 eine Querschnittsansicht einer dritten Ausführung der erfindungsgemäßen optoelektronischen Sensoranordnung.
Figur 1 stellt eine erste Ausführung der erfindungsgemäßen opto elektronischen Sensoranordnung 1 in schematisch vereinfachter Querschnittansicht dar. Gezeigt ist eine Stapelanordnung 5 aus einem Leuchtmittel 3 in Form einer Leuchtdiode, einem frequenz selektiven optischen Element 6 und einer Fotodiode 4 auf einem Trägersubstrat 2. Die Überlappungsrichtung 10 der Stapelanord nung 5 entspricht der Richtung der Flächennormale des Trägersub strats 2. Dabei liegt, in Hauptabstrahlrichtung 9 gesehen, das Leuchtmittel 3 über dem frequenzselektiven optischen Element 6, das wiederum über der Fotodiode 4 angeordnet ist.
Die Stapelanordnung 5 ist seitlich von einem reflektierenden Material 11 in Hohlspiegelform und einer optischen Barriere 19 derart eingefasst, dass von der Oberseite 13 des Leuchtmittels 3 eine elektromagnetische Abstrahlung in die Hauptabstrahlungs- richtung 10 erfolgen kann. Das auf der Rückseite des Leuchtmit tels 3 angeordnete frequenzselektive optische Element 6 umfasst einen Teilerspiegel 7 in Form eines Bragg-Spiegels , dessen ma ximale Reflektivität für eine Wellenlänge vorliegt, die der Wellenlänge Xe des Maximums der Spektralverteilung der vom Leuchtmittel 3 abgegebenen elektromagnetischen Strahlung ent spricht. Der weitere Teil des frequenzselektiven optischen Ele ments 6 wird durch einen unter dem Teilerspiegel 7 angeordneten optischen Filter 8 gebildet, der als Langpassfilter ausgestal tet ist, dessen Cut-on-Wellenlänge Xc größer als die Wellenlänge Xe des Maximums der Spektralverteilung der vom Leuchtmittel 3 abgegebenen elektromagnetischen Strahlung ist. Der Fotodetektor 4 wird so von einer Schicht aus elektromagne tische Strahlung absorbierendem Material 11 und dem opaken Trä gersubstrat 2 eingefasst, dass die zu detektierende Strahlung ausschließlich durch das frequenzselektive optische Element 6 der Stapelanordnung 5 zum Fotodetektor 4 gelangt. Dadurch kann das in Figur 2 illustrierte erfindungsgemäße Messverfahren re alisiert werden.
Dargestellt ist die Ausleuchtung eines Messobjekts 20 durch das Leuchtmittel 3 mit einer Spektralverteilung, deren Maximum bei einer Wellenlänge von Xe liegt. Zumindest ein Teil des vom Mess objekt 20 rückgestreuten Lichts weist eine Wellenlänge von Xf auf, die gegenüber der Wellenlänge Xe frequenzverschoben ist, wobei Xf > Xs angenommen wird. Indem die Cut-on-Wellenlänge Xc des optischen Filters 8 mit Xf > Xc > Xe gewählt wird, gelangt nur das vom Messobjekt 20 rückgestreute Licht zum Fotodetektor 4. Wird für die Messung das in Figur 3 schematisch vereinfacht dargestellte optische Messgerät mit einem faseroptischen Ele ment 16, an das eine erfindungsgemäße optoelektronische Senso ranordnung 1 optisch gekoppelt ist, verwendet, hängt die Fre quenzverschiebung der rückgestreuten Strahlung mit der Wellen länge Xf vom Dehnungszustand des faseroptischen Elements 16 ab, der durch das Signal am Fotodetektor 4 bestimmt werden kann.
Figur 4 zeigt die schematisch vereinfachte Querschnittsansicht einer zweiten Ausführungsvariante der erfindungsgemäßen opto elektronischen Sensoranordnung 1. Für die mit der ersten Vari ante übereinstimmenden Komponenten werden die gleichen Bezugs zeichen verwendet. Dargestellt ist die Anordnung des Fotodetek tors 4 in einer Kavität des Trägersubstrats 2, die vom Teiler spiegel 7 des frequenzselektiven Elements 6 und dem Leuchtmittel 3 so abgedeckt wird, dass die gesamte auf den Fotodetektor 4 treffende Strahlung das Leuchtmittel 3 und das frequenzselek tive optische Element 6 durchlaufen muss. Die Kontaktierung 17.2 des Leuchtmittels 3 erfolgt von der Rück seite aus, sodass ein Flip-Chip-Montageelement verwendet werden kann. Entsprechend kann der Fotodetektor 4 durch ein Flip-Chip- Montageelement gebildet werden, wenn, wie in Figur 4 darge stellt, die Kontaktierung 17.3 von der Trägersubstratrückseite durch eine Via-Verbindung im Boden der Kavität realisiert wird.
Figur 5 zeigt die schematisch vereinfachte Querschnittsansicht einer dritten Ausführungsvariante der erfindungsgemäßen opto elektronischen Sensoranordnung 1. Diese weist eine Anordnung des Leuchtmittels 3 auf einer ersten Seite des Trägersubstrats 2 auf, während der Fotodetektor 4 auf der gegenüberliegenden Substratseite platziert ist. Demnach ist zusätzlich das Trä gersubstrat 2 Teil der Stapelanordnung 5, das das Leuchtmittel 3, das frequenzselektive optische Element 6 und den Fotodetek tor 4 umfasst. Dabei wird der Fotodetektor 4 von einer opaken Komponente aus einem elektromagnetische Strahlung absorbieren dem Material 14 umgeben und Strahlung kann nur durch ein opti sches Fenster 15 im Trägersubstrat 2, das vom Leuchtmittel 3 und dem frequenzselektiven optischen Element 6 abgedeckt wird, in den Messbereich gelangen. Für die gezeigte Ausführung kann vorteilhafterweise das Leuchtmittel 3 und der Fotodetektor 4 durch Flip-Chip-Montageelemente realisiert werden, deren Kon taktierungen 17.4 und 17.5 von der jeweils zugeordneten Seite des Trägersubstrats 2 ausgehen.
Weitere Ausführungen der Erfindung ergeben sich aus den nach folgenden Ansprüchen. BEZUGSZEICHENLISTE
1 optoelektronische Sensoranordnung
2 Trägersubstrat
3 Leuchtmittel
4 Fotodetektor
5 Stapelanordnung
6 frequenzselektives optisches Element
7 Teilerspiegel
8 optischer Filter
9 Hauptabstrahlrichtung
10 Überlappungsrichtung
11 reflektierendes Material
11.2 reflektierendes Material
12 Seitenwand
13 Oberseite
14 elektromagnetische Strahlung absorbierendes Material
15 optisches Fenster
16 faseroptisches Element
17.1 -17.5 Kontaktierung
18 Spiegel
19 optische Barriere
20 Messobjekt Xc Cut-on-Wellenlänge
Xe Wellenlänge des Maximums der Spektralverteilung der vom Leuchtmittel abgegebenen elektromagnetischen Strahlung Xf Wellenlänge der rückgestreuten elektromagnetischen Strah lung

Claims

PATENTANSPRÜCHE
1 Optoelektronische Sensoranordnung, umfassend
ein Trägersubstrat (2);
ein Leuchtmittel (3); und
einen Fotodetektor (4);
dadurch gekennzeichnet, dass
das Leuchtmittel (3) und der Fotodetektor (4) auf oder mit dem Trägersubstrat (2) eine Stapelanordnung (5) bilden, wobei zwischen dem Leuchtmittel (3) und dem Fotodetektor (4) ein frequenzselektives optisches Element (6) angeord net ist, und
wobei der Fotodetektor (4) in einer Kavität des Trägersub strats (2) angeordnet ist, die vom Leuchtmittel (3) und/o der dem frequenzselektiven optischen Element (6) abgedeckt ist .
2 Optoelektronische Sensoranordnung nach Anspruch 1, wobei der Fotodetektor (4) so rückseitig zum Leuchtmittel (3) liegt, dass die vom Fotodetektor (4) empfangene elektro magnetische Strahlung durch das Leuchtmittel (3) hindurch tritt, bevor sie den Fotodetektor (4) erreicht.
3 Optoelektronische Sensoranordnung nach Anspruch 1 oder 2, wobei das frequenzselektive optische Element (6) zur Ab schirmung des Fotodetektors (4) gegen die vom Leuchtmittel (3) ausgesandte elektromagnetische Strahlung ausgebildet ist .
4 Optoelektronische Sensoranordnung nach einem der voraus gehenden Ansprüche, wobei das frequenzselektive optische Element (6) einen Teilerspiegel (7) und/oder einen opti schen Filter (8) umfasst.
5. Optoelektronische Sensoranordnung nach Anspruch 4, wobei der Teilerspiegel (7) ein Bragg-Spiegel ist, dessen maxi male Reflektivität für eine Wellenlänge vorliegt, die der Wellenlänge Xe des Maximums der Spektralverteilung der vom Leuchtmittel (3) abgegebenen elektromagnetischen Strah lung entspricht.
6. Optoelektronische Sensoranordnung nach einem der Ansprüche 4 oder 5, wobei der optische Filter (8) ein Langpassfilter ist, dessen Cut-on-Wellenlänge Xc größer als die Wellen länge Xe des Maximums der Spektralverteilung der vom Leuchtmittel (3) abgegebenen elektromagnetischen Strah lung ist.
7. Optoelektronische Sensoranordnung nach einem der voraus gehenden Ansprüche, wobei das Leuchtmittel (3) in Richtung seiner Hauptabstrahlrichtung (9) über dem Fotodetektor (4) angeordnet ist.
8. Optoelektronische Sensoranordnung nach einem der voraus gehenden Ansprüche, wobei die Überlappungsrichtung (10) der Stapelanordnung (5) in Richtung der Flächennormale des Trägersubstrats ( 2 ) orientiert ist.
9. Optoelektronische Sensoranordnung nach einem der voraus gehenden Ansprüche, wobei der Fotodetektor (4) so vom Trä gersubstrat (2) und/oder einem elektromagnetische Strah lung absorbierenden Material (14) umgeben ist, dass die vom Fotodetektor (4) aufgenommene Strahlung ausschließlich durch das frequenzselektive optische Element (6) hindurch tritt .
10 Optoelektronische Sensoranordnung nach einem der voraus gehenden Ansprüche, wobei das Leuchtmittel (3) in ein re flektierendes Material (11) eingebettet ist, insbesondere derart, dass das reflektierende Material das Leuchtmittel (3) an seinen Seitenwänden (12) umgibt und/oder eine Hohl spiegelform aufweist.
11. Optoelektronische Sensoranordnung nach einem der voraus- gehenden Ansprüche, wobei das Leuchtmittel (3) ein opto elektronischer Oberflächenemitter oder ein optoelektroni scher Kantenemitter ist.
12. Optoelektronische Sensoranordnung nach Anspruch 11, wobei das Leuchtmittel (3) eine Leuchtdiode oder eine Laserdiode ist .
13. Optoelektronische Sensoranordnung nach einem der voraus gehenden Ansprüche, wobei das Leuchtmittel (3) und der Fotodetektor (4) auf der gleichen Seite des Trägersub strats (2) angeordnet sind.
14. Optoelektronische Sensoranordnung nach einem der Ansprüche 1 - 12, wobei das Leuchtmittel (3) und der Fotodetektor (4) auf unterschiedlichen Seiten des Trägersubstrats (2) liegen und ein optisches Fenster (15) im Trägersubstrat (2) zwischen dem Leuchtmittel (3) und dem Fotodetektor (4) angeordnet ist.
15. Optoelektronische Sensoranordnung nach einem der voraus gehenden Ansprüche, wobei das Leuchtmittel (3) und/oder der Fotodetektor (4) ein Flip-Chip-Montageelement ist.
16. Optisches Messgerät mit einem faseroptischen Element (16), das mit einer optoelektronischer Sensoranordnung nach ei nem der Ansprüche 1 - 15 optisch gekoppelt ist.
17. Optisches Messverfahren, umfassend die Verfahrens schritte :
Einkopplung der vom einem auf einem Trägersubstrat (2) angeordneten Leuchtmittel (3) erzeugten elektromagneti schen Strahlung in ein faseroptisches Element (16); und Rückführung zumindest eines Teils der im faseroptischen Element rückgestreuten Strahlung zu einem Fotodetek- tor (4), der mit dem Leuchtmittel (3) auf oder mit dem
Trägersubstrat (2) eine Stapelanordnung (5) bildet, wobei der Fotodetektor (4) so rückseitig zum Leuchtmittel (3) liegt, dass die vom Fotodetektor (4) empfangene elektro magnetische Strahlung durch das Leuchtmittel (3) und durch ein zwischen dem Leuchtmittel (3) und dem Fotodetektor (4) angeordnetes frequenzselektives optisches Element (6) hin durchtritt, bevor sie zum Fotodetektor (4) gelangt.
18. Optisches Messverfahren nach Anspruch 17, wobei das fre- quenzselektive optische Element (6) ausschließlich elekt romagnetische Strahlung transmittiert, die gegenüber der vom Leuchtmittel (3) abgegebenen elektromagnetischen Strahlung frequenzverschoben ist.
19. Optisches Messverfahren nach einem der Ansprüche 17 oder
18, wobei die Wellenlänge der rückgestreuten Strahlung vom Dehnungszustand des faseroptischen Elements abhängt.
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