DE10147987A1

DE10147987A1 - Optoelektronisches Bauelement

Info

Publication number: DE10147987A1
Application number: DE10147987A
Authority: DE
Inventors: Ulrich Steegmueller
Original assignee: Osram Opto Semiconductors GmbH
Current assignee: Ams Osram International GmbH
Priority date: 2001-09-28
Filing date: 2001-09-28
Publication date: 2003-04-17
Anticipated expiration: 2021-09-29
Also published as: DE10147987B9; US20030067608A1; DE10147987B4; US6922248B2

Abstract

Es wird ein kompaktes, zuverlässiges und hochgenaues optoelektronisches Bauelement (10) vorgeschlagen, das insbesondere als Sensor zur berührungslosen Erfassung von ein- oder mehrdimensionalen Translationsbewegungen eines Messobjekts (12) relativ zu dem Bauelement (10) einsetzbar ist. Das optoelektronische Bauelement weist einen Trägerkörper (14) sowie einen optoelektronischen Sender (16) zum Aussenden eines kohärenten Lichtstrahls (a) und einen optoelektronischen Empfänger (20), die auf dem Trägerkörper (14) aufgebracht sind, auf. Weiter ist eine optische Vorrichtung (30) vorgesehen, mit der der von dem optoelektronischen Sender ausgesendete Lichtstrahl in einen Referenzstrahl (b) und einen Messstrahl (c) aufgeteilt, der an dem Messobjekt reflektierte Messstrahl empfangen und mit dem Referenzstrahl zu einem Interferenzstrahl (d) überlagert und der Interferenzstrahl auf den optoelektronischen Empfänger gerichtet wird. Das optoelektronische Bauelement (10) enthält ferner einen Abstandhalter (26; 28), der auf dem Trägerkörper aufgebracht ist und auf dem die optische Vorrichtung aufgebracht ist, wobei die optische Vorrichtung parallel zu dem Trägerkörper und in einem durch den Abstandhalter definierten Abstand zu dem Trägerkörper angeordnet ist.

Description

Die Erfindung betrifft ein optoelektronisches Bauelement, das zur berührungslosen Messung von ein- oder mehrdimensionalen Translationsbewegungen zwischen einem Messobjekt und dem Bauelement ausgebildet ist.
Anwendungsmöglichkeiten derartiger optoelektronischer Bauelemente sind zum Beispiel die Entfernungs- und Geschwindigkeitsbestimmung von linearen und mehrdimensionalen Vorschüben, zum Beispiel bei Werkzeugmaschinen, Robotern, Encodern und dergleichen, und Eingabegeräte für Computer, Mobilfunktelefone und mobile digitale Assistenten (PDAs).

Für die Messungen von Relativbewegungen zwischen einer Messvorrichtung und einem Objekt existieren in der Praxis verschiedene optische Messverfahren und -systeme. Diese lassen sich grob einteilen in interferometrische Messmethoden, Autokorrelationsmessungen, Laser-Doppler-Anemometrie, Laufzeitmessungen von Pulsen und Encoder.

Bei den erstgenannten interferometrischen Messungen werden mittels Strahlteilung zwei räumlich getrennte, kohärente Teilstrahlen, der Mess- und der Referenzstrahl erzeugt, die nach dem Durchlaufen eines vorbestimmten optischen Weges wieder zusammengeführt werden und sich dabei interferierend überlagern. Aus den durch die Interferenz entstehenden Intensitätsverteilungen können Rückschlüsse auf die optischen und damit auch die geometrischen Wegdifferenzen der beiden Teilstrahlen gezogen werden. Durch die Aufnahme und Auswertung des Interferenzsignals über einen bestimmten Zeitraum kann eine Weg- oder Geschwindigkeitsbestimmung erfolgen.

Ein interferometrisches System, mit dem sowohl der Betrag als auch die Richtung einer Translationsbewegung zwischen einer Messvorrichtung und einer Objektoberfläche erfasst werden kann, ist zum Beispiel in der WO-A-99/46602 sowie deren Weiterentwicklung in der WO-A-99/46603 beschrieben.

Bei dem in diesen Druckschriften offenbarten Messsystem wird die Oberfläche eines bewegten Messobjekts mit einer kohärenten Lichtquelle bestrahlt und zwischen der Lichtquelle und der Oberfläche in der Nähe der Oberfläche parallel zu dieser ein teilreflektierendes optisches Gitter positioniert, so dass ein Teil des einfallenden Lichts von dem Gitter zu einem Detektor reflektiert wird (Referenzstrahl), während der andere Teil des einfallenden Lichts durch das Gitter zur Oberfläche des bewegten Objekts läuft und an dieser reflektiert wird (Messstrahl), um sich mit dem Referenzstrahl zu überlagern. Aus der Interferenz der beiden Teilstrahlen erfasst der Detektor ein periodisches Messsignal, aus dessen Frequenz sich der Betrag der Relativbewegung zwischen Messvorrichtung und Objekt parallel zu der Objektoberfläche ermitteln lässt. Um neben dem Betrag der Relativbewegung auch die Bewegungsrichtung ermitteln zu können, wird zusätzlich zwischen den beiden Teilstrahlen eine Phasenverschiebung erzeugt, aus deren Vorzeichen man auf die Richtung der Relativbewegung schließen kann.

Bei den Autokorrelationsmessungen wird die bewegte Oberfläche eines Objekts von einer Lichtquelle beleuchtet und das reflektierte Licht mit einem flächigen, ortsauflösenden Detektor aufgenommen. Aus der Auswertung mehrerer hintereinander aufgenommener Bilder des reflektierten Lichts durch eine Autokorrelationsanalyse der Intensitätsmuster ist es möglich, auf die Bewegungsrichtung und die Geschwindigkeit rückzuschließen. Bei einer inkohärenten Lichtquelle ist im allgemeinen eine Textur der bewegten Oberfläche notwendig, um einen ausreichend hohen Kontrast im reflektierten Lichtmuster zu erzielen. Bei kohärenter Bestrahlung beispielsweise mit einer Laserdiode kann man die durch die Reflexion an Oberflächenrauhigkeiten entstehenden sogenannten Speckle-Muster zur Auswertung heranziehen.

Für die Laser-Doppler-Anemometrie wird ein Laserstrahl aufgespalten und die beiden Teilstrahlen werden an einer bestimmten Position zur Interferenz gebracht. Passiert ein streuendes Objekt, wie zum Beispiel eine rauhe Oberfläche, den Bereich der entstehenden Interferenzstreifen, so wird ein Teil des Lichts auf einen Detektor gestreut. Das am Detektor gemessene Signal variiert mit der Intensität des Interferenzmusters an der Position des streuenden Objekts. Die Frequenz der durch ein bewegtes Objekt bewirkten Signalvariation ist damit proportional zur Geschwindigkeit des streuenden Objekts und kann daher zur Wegmessung herangezogen werden.

Eine weitere Möglichkeit zur optischen Bestimmung eines Weges bzw. einer Wegänderung ist die Laufzeitmessung von Lichtpulsen, die an der Oberfläche des bewegten Objekts reflektiert werden. Wird diese Laufzeitmessung über einen bestimmten Zeitraum hinweg wiederholt durchgeführt, so kann man die relative Bewegung des Objekts zu bzw. weg von dem Detektor bestimmen.

Unter dem Begriff Encoder versteht man Winkelcodier- oder Längencodiervorrichtungen, bei denen die Abbildung eines bewegten Streifenmusters auf Detektorelemente zur Bestimmung des Winkels bzw. des Weges verwendet wird. Hierbei wird mit Hilfe einer inkohärenten Lichtquelle ein mit dem bewegten Objekt verbundener Codestreifen oder verbundenes Coderad, welcher bzw. welches schmale Lichtspalte aufweist, beleuchtet. Die Bewegung des Licht-Schatten-Musters erzeugt mit einer geeigneten, meist vielzahligen Photodiodenanordnung ein periodisches Strom-Zeit-Profil, welches durch eine Zählelektronik ausgewertet werden kann. Es existieren Encoder auf Reflexions- als auch auf Transmissionsbasis, die für niedrig- bis hochauflösende Anwendungen geeignet sind.

Herkömmliche, berührungslos arbeitende Sensoren, die auf den oben beschriebenen Messverfahren basieren, sind üblicherweise derart aufgebaut, dass separat angefertigte optische Komponenten auf Standardgehäuse für optoelektronische Komponenten aufgesetzt werden. Die optischen Komponenten müssen in Einzelmontage sehr präzise zu den optoelektronischen Bauteilen justiert werden, um die geforderten Messgenauigkeiten erzielen zu können. Die bisher bekannten Sensoren erreichen nicht die für den Einsatz in kritischer Umgebung (z. B. Automobilindustrie) notwendige Zuverlässigkeit und haben größere Formfaktoren, was insbesondere für den Einsatz als Computer/PDA- Eingabegerät ungünstig ist.

Es ist deshalb eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein optoelektronisches Bauelement vorzusehen, das als Sensor zur Erfassung von ein- und mehrdimensionalen Translationsbewegungen eingesetzt werden kann und auch in kritischen Umgebungen eine hohe Zuverlässigkeit und Messgenauigkeit besitzt.

Diese Aufgabe wird durch ein optoelektronisches Bauelement mit den Merkmalen von Patentanspruch 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche 2 bis 9. Eine bevorzugte Verwendung des Bauelements ist in den Ansprüchen 10 und 11 angegeben.

Das optoelektronische Bauelement gemäß der vorliegenden Erfindung weist einen Trägerkörper; einen optoelektronischen Sender zum Aussenden eines kohärenten Lichtstrahls und einen optoelektronischen Empfänger, die auf dem Trägerkörper aufgebracht sind; eine optische Vorrichtung zum Aufteilen des von dem optoelektronischen Sender ausgesendeten Lichtstrahls in einen Referenzstrahl und einen Messstrahl, wobei der Messstrahl in Richtung auf ein Messobjekt abgestrahlt wird, zum Empfangen des an dem Messobjekt reflektierten Messstrahls und Überlagern des reflektierten Messstrahls mit dem Referenzstrahl zu einem Interferenzstrahl, und zum Richten des Interferenzstrahls auf den optoelektronischen Empfänger; und einen Abstandhalter, der auf dem Trägerkörper aufgebracht ist und auf dem die optische Vorrichtung aufgebracht ist, wobei die optische Vorrichtung parallel zu dem Trägerkörper und in einem durch den Abstandhalter definierten Abstand zu dem Trägerkörper angeordnet ist, auf.

Die mikrooptischen und optoelektronischen Komponenten des optoelektronischen Bauelements sind in integrierter Bauweise direkt auf dem als Trägerkörper dienenden Detektorchip aufgebracht, so dass ein sehr kleiner und robuster Sensor mit hoher Messgenauigkeit bereitgestellt werden kann. Durch den Abstandhalter zwischen dem Trägerkörper mit den optoelektronischen Komponenten und der optischen Vorrichtung entfällt außerdem die gegenseitige Justierung in z-Richtung, so dass hierdurch gegenüber herkömmlichen Sensoren eine Montagetoleranz entfällt. Eine weitere Montagetoleranz entfällt dadurch, dass der Sender und der Empfänger auf dem gleichen Trägerkörper montiert sind.

Vorzugsweise kann als Abstandhalter ein Umlenkprisma verwendet werden, das den von dem optoelektronischen Sender ausgesendeten Lichtstrahl in Richtung auf die optische Vorrichtung umlenkt.

Um sowohl den Betrag als auch die Richtung einer Bewegung des Messobjekts relativ zu dem optoelektronischen Bauelement zu erfassen kann die optische Vorrichtung ein teilreflektierendes Beugungsgitter zum Erzeugen des Referenzstrahls und einen Zirkularpolarisator zum Erzeugen eines zirkular polarisierten, reflektierten Messstrahls sowie einen Strahlteiler zum Aufspalten der Interferenzstrahlen in jeweils zwei Teilstrahlen und eine Phasendifferenz-Erzeugungsvorrichtung vor dem optoelektronischen Empfänger zum Erzeugen einer Phasendifferenz zwischen den Teilstrahlen aufweisen. Mit dieser Anordnung kann aus der Frequenz der Amplitudenänderungen der Interferenzstrahlen die Bewegungsgeschwindigkeit des Messobjekts relativ zu dem Bauelement und aus dem Vorzeichen der Phasendifferenz zwischen den Teilstrahlen die Bewegungsrichtung des Messobjekts relativ zu dem Bauelement bestimmt werden.

Insbesondere lassen sich solche erfindungsgemäßen Bauelemente in Geräten zur Schrifterkennung nutzen; ein solches Bauelement läßt sich beispielsweise in die Spitze eines Lesestiftes integrieren.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand verschiedener nicht- einschränkender Ausführungsbeispiele unter Bezugnahme auf die beiliegenden Zeichnungen näher erläutert. Darin zeigen:
Fig. 1 eine schematische Darstellung eines optoelektronischen Bauelements gemäß einem ersten bevorzugten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung im Schnitt;
Fig. 2A und 2B eine vergrößerte Darstellung des Trägerkörpers mit den optoelektronischen Komponenten des optoelektronischen Bauelements von Fig. 1 in Seitenansicht bzw. in Draufsicht;
Fig. 3A und 3B eine vergrößerte Darstellung des ersten optischen Elements der optischen Vorrichtung des optoelektronischen Bauelements von Fig. 1 in Seitenansicht bzw. in Draufsicht;
Fig. 4 eine vergrößerte Darstellung des dritten optischen Elements der optischen Vorrichtung des optoelektronischen Bauelements von Fig. 1 in Seitenansicht;
Fig. 5 eine schematische Darstellung eines optoelektronischen Bauelements gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;
Fig. 6 eine schematische Darstellung eines optoelektronischen Bauelements gemäß einem dritten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;
Fig. 7 eine schematische Darstellung eines optoelektronischen Bauelements gemäß einem vierten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;
Fig. 8 eine schematische Darstellung eines optoelektronischen Bauelements gemäß einem fünften Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung; und
Fig. 9 eine schematische Darstellung eines optoelektronischen Bauelements gemäß einem sechsten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung.
Zunächst wird anhand der Fig. 1 bis 4 ein erstes Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung näher beschrieben. In den Fig. 5 bis 8 sind dann alternative Ausführungsformen des optoelektronischen Bauelements dargestellt.
Das optoelektronische Bauelement 10 gemäß der vorliegenden Erfindung kann vorteilhafterweise als Sensor zum berührungslosen Erfassen von ein- oder mehrdimensionalen Translationsbewegungen zwischen dem Bauelement 10 und einem Messobjekt 12 verwendet werden. Dabei kann nicht nur die Geschwindigkeit, sondern auch die Richtung der Relativbewegung bestimmt werden.
Das optoelektronische Bauelement 10 weist im wesentlichen einen Trägerkörper 14, wie beispielsweise einen Siliziumträger, auf dem verschiedene optoelektronische Bauelemente 16, 20 montiert sind, und eine optische Vorrichtung 30 mit mehreren optischen Komponenten auf.
Wie aus den Fig. 1 und 2 ersichtlich, ist auf dem Trägerkörper 14 direkt oder über ein Zwischenstück 18 eine kohärente Lichtquelle wie beispielsweise eine Laserdiode oder ein Single-Mode-VCSEL (Vertical Cavity Surface Emitting Laser) als optoelektronischer Sender 16 montiert. Die Laserdiode 16 kann beispielsweise mittels Kleben, eutektischem oder anodischem Bonden fest mit dem Siliziumträger verbunden werden. Außerdem sind in dem Trägerkörper 14 mehrere Photodioden als optoelektronischer Empfänger 20 integriert. Alternativ können die Photodioden als diskrete Bauelemente auf dem Trägerkörper montiert sein. Die Photodioden 20, in dem gezeigten Ausführungsbeispiel insgesamt acht Photodioden, werden entsprechend den Standardtechnologien der Halbleiterindustrie im Wafermaßstab hergestellt. Da der optoelektronische Sender 16 und der optoelektronische Empfänger 20 auf einem gemeinsamen Trägerkörper 14 montiert sind, entfällt gegenüber dem getrennten Einbau eine der Montagetoleranzen.
Wie insbesondere in Fig. 2B dargestellt, befindet sich auf den mittleren vier der insgesamt acht Photodioden 20 eine Phasendifferenz-Erzeugungsvorrichtung 22. Die Vorrichtung 22 besteht beispielsweise aus einer cholesterischen Schicht und einer Phasenverzögerungsschicht oder aus einem Linearplarisator. Ihre Wirkungsweise wird weiter unten in Zusammenhang mit der Funktionsweise des gesamten optoelektronischen Bauelements näher erläutert.
Weiter sind auf dem Trägerkörper 14 zwei Bondflächen 24 vorgesehen, auf die ein Zwischenstück 26 aus Glas bzw. ein Umlenkprisma 28 aus Glas aufgesetzt werden. Bei dem gezeigten Ausführungsbeispiel dienen sowohl das Zwischenstück 28 als auch das Umlenkprisma 26 als Abstandhalter und ihre gemeinsame Höhe definiert einen Abstand zwischen dem Trägerkörper (und damit den optoelektronischen Komponenten) und der weiter unten beschriebenen optischen Vorrichtung 30.
Das Umlenkprisma 28 ist für die verwendete Wellenlänge der Laserdiode 16 (zum Beispiel 650 nm) hochreflektierend, beispielsweise entsprechend beschichtet, so dass der von der Laserdiode 16 parallel zu der Oberfläche des Trägerkörpers 14 ausgesendete, kohärente Lichtstrahl a in Richtung auf die optische Vorrichtung, d. h. in Fig. 1 nach oben, umgelenkt wird.
Die Glasbarren 26, 28 können als lange Streifen gefertigt und ggf. beschichtet werden. Nach dem Fügen auf die Bondflächen 24 des Trägerkörpers 14 werden die Streifen vereinzelt. Diese Vorgehensweise gestattet eine hochpräzise Montage der Glasprismen 26, 28.
Auf den Abstandhaltern 26, 28 ist die optische Vorrichtung 30 aufgebracht. Die optische Vorrichtung weist im wesentlichen ein erstes optisches Element 32, das direkt auf den Abstandhaltern 26, 28 angeordnet ist, ein zweites optisches Element 40 auf dem ersten optischen Element 32 und ein drittes optisches Element 44 auf der dem Messobjekt 12 zugewandten Seite des zweiten optischen Elements 40 auf.
Wie in vergrößerter Darstellung in Fig. 3 gezeigt, enthält das erste optische Element 32 eine Kollimatorlinse 34, durch die der von der Laserdiode 16 ausgesendete und durch das Umlenkprisma 28 umgelenkte Lichtstrahl a parallel gerichtet wird. Weiter enthält das erste optische Element 32 eine Fokussierlinse 36, der ein 1 × 2-Strahlteiler 38 nachgeschaltet ist. Durch die Fokussierlinse 36 sollen die Interferenzstrahlen d auf die Photodioden 20 auf dem Siliziumträger 14 fokussiert werden, und der 1 × 2-Strahlteiler 38 teilt jeden Interferenzstrahl d in zwei Teilstrahlen e auf, wie dies weiter unten in Zusammenhang mit der Funktionsweise des optoelektronischen Bauelements näher beschrieben ist.
Das erste optische Element 32 der optischen Vorrichtung 30 ist aus üblichen optischen Materialien wie Glas oder Kunststoff gefertigt. Die Kollimatorlinse 34 und die Fokussierlinse 36 können refraktiv und/oder diffraktiv ausgeführt sein; der 1 × 2-Strahlteiler 38 ist beispielsweise ein diffraktives Element wie zum Beispiel ein binäres Strahlteilergitter. Die Herstellung der Linsen 34, 36 in dem ersten optischen Element 32 ist zum Beispiel mittels Ätzverfahren oder Kunststoffpräge- oder Kunststoffspritzguss-Technologien möglich.
Das direkt auf dem ersten optischen Element 32 vorgesehene zweite optische Element 40 der optischen Vorrichtung 30 enthält ein Umlenkelement 54 und einen Strahlteiler 42. Das Umlenkelement 54 ist durch eine hochreflektierende Beschichtung auf einer 45°-Kante des zweiten optischen Elements 40 gebildet. Der Strahlteiler 42 reflektiert etwa 50% des einfallenden Lichts und transmittiert den restlichen Anteil in beiden Richtungen. Das zweite optische Element 40 ist bezüglich des ersten optischen Elements 32 derart ausgerichtet, dass das Umlenkelement 54 über der Kollimatorlinse 34 und der Strahlteiler 42 über der Fokussierlinse 36 und dem Strahlteiler 38 angeordnet ist.
Auf der dem Messobjekt 12 zugewandten Seite des zweiten optischen Elements 40 befindet sich das dritte optische Element 44 der optischen Vorrichtung 30, wobei die optische Achse des dritten optischen Elements 44 auf der optischen Achse der Fokussieroptik 36 des ersten optischen Elements 32 liegt.
Wie in Fig. 4 dargestellt, weist das dritte optische Element 44 im wesentlichen eine Substratschicht 46, die dem optischen Element 40 zugewandt ist, ein teilreflektierendes Beugungsgitter 48 und einen Zirkularpolarisator 500 auf.
Das teilreflektierende Beugungsgitter 48 weist beispielsweise ein in x-Richtung und in y-Richtung periodisches Oberflächenprofil auf der Substratschicht 46 auf, auf dem eine teilreflektierende Schicht beispielsweise aus einer dünnen Metallschicht oder einer dielektrischen Interferenzschicht vorgesehen ist, um einen Teil des einfallenden Lichts a zu reflektieren und in mehrere Beugungsordnungen aufzuspalten. Vorzugsweise wird der einfallende Lichtstrahl a nur in vier reflektierte Referenzstrahlen b jeweils erster Beugungsordnung aufgespalten; die anderen Beugungsordnungen sollen aus energetischen Gründen und zur Unterdrückung von störendem Streulicht vermieden werden. Die erzeugten Beugungsordnungen haben zusätzlich zu ihrer Hauptausbreitungskomponente in z-Richtung jeweils auch eine Ausbreitungskomponente in ±x-Richtung und in ±y-Richtung. Da die Gitterwirkung des Beugungsgitters 48 für das transmittierte Licht c aufgehoben werden soll, wird das teilreflektierend beschichtete Oberflächenprofil zum Beispiel mit einem Material eingeebnet, dessen optischer Brechungsindex an den des Gittermaterials angepasst ist. Dieses Material dient gleichzeitig als Klebemittel zum angrenzenden Zirkularpolarisator.
Der Zirkularpolarisator weist beispielsweise eine Phasenverzögerungsplatte 50, wie zum Beispiel eine λ/4-Platte, und einen Linearpolarisator 52 auf, wobei die Vorzugsachsen beider Elemente 50, 52 um 45° zueinander verdreht sind. Als Materialien für den Zirkularpolarisator können zum Beispiel Phasenverzögerungs- und Linearpolarisatorfolien auf der Basis mechanisch gestreckter organischer Polymere oder auch cholesterische Polymerschichten oder Polarcorschichten verwendet werden. Die Wirkungsweise dieses Zirkularpolarisators wird ebenfalls bei der Beschreibung der Funktionsweise des optoelektronischen Bauelements 10 genauer erklärt.
Zum Schutz des dritten optischen Elements 44 vor mechanischen Beschädigungen kann an der dem Messobjekt 12 zugewandten Seite, d. h. auf dem Zirkularpolarisator, eine Beschichtung (nicht dargestellt) aus einem transparenten, mechanisch unempfindlichen Material vorgesehen sein.
Es wird nun die Funktionsweise des oben beschriebenen optoelektronischen Bauelements 10 und die damit mögliche Messung von Translationsbewegungen zwischen dem Bauelement 10 und dem Messobjekt 12 näher beschrieben.
Die Laserdiode 16 sendet zunächst einen kohärenten Lichtstrahl a mit einer Wellenlänge von beispielsweise 650 nm in einer Richtung parallel zur Oberfläche des Trägerkörpers 14 aus, wie dies in Fig. 1 dargestellt ist. Dieser Lichtstrahl a wird an dem auf dem Trägerkörper 14 befestigten Umlenkprisma 28 um 90° in eine Richtung senkrecht zu der Oberfläche des Trägerkörpers 14 und in Richtung auf die optische Vorrichtung 30 umgelenkt. In der optischen Vorrichtung 30 wird dieser umgelenkte Lichtstrahl a zunächst durch die Kollimatorlinse 34 des ersten optischen Elements 32 parallel gerichtet und an dem Umlenkelement 54 des zweiten optischen Elements 40 um 90° in eine Richtung parallel zu der Oberfläche des Trägerkörpers 14 umgelenkt. Der sich nun in dem zweiten optischen Element 40 ausbreitende Lichtstrahl a trifft dann auf den Strahlteiler 42 des zweiten optischen Elements 40, der etwa 50% des einfallenden Lichts um 90° in Richtung zu dem dritten optischen Element 44 und dem Messobjekt 12 (nach oben in Fig. 1) umlenkt.
Als nächstes trifft dieser Lichtstrahl a auf das dritte optische Element 44. An dem teilreflektierenden Beugungsgitter 48 des dritten optischen Elements 44 wird ein Teil des auftreffenden Lichts a reflektiert und der reflektierte Anteil aufgrund der Gitterwirkung des Beugungsgitters 48 in vier Referenzstrahlen b jeweils erster Beugungsordnung aufgespalten. Wie bereits erwähnt, haben diese vier Referenzstrahlen b zusätzlich zu ihrer Hauptausbreitungskomponente in z-Richtung jeweils auch eine Ausbreitungskomponente in ±x-Richtung und in ±y-Richtung.
Der nichtreflektierte Anteil des auf das Beugungsgitter 48 fallenden Lichts a wird ohne Aufspaltung in die verschiedenen Beugungsordnungen transmittiert und trifft nach Durchlaufen des Zirkularpolarisators 50, 52 als Messstrahl c auf die Oberfläche des Messobjekts 12. Der Messstrahl c wird an der Oberfläche des Messobjekts 12 gestreut und zurück reflektiert. Ein Teil des zurück gestreuten Messstrahls c durchläuft wieder den Zirkularpolarisator 52, 50, wodurch ein zirkularer Polarisationszustand des gestreuten Messstrahls c erzielt wird.
Der zurück gestreute und durch das dritte optische Element 44 mit Zirkularpolarisator 50, 52 und Beugungsgitter 48 transmittierte Messstrahl c wird mit den am Beugungsgitter 48 in verschiedene Beugungsordnungen reflektierten Referenzstrahlen b überlagert. Die so entstehenden vier Interferenzstrahlen d treffen anschließend auf den Strahlteiler 42 des zweiten optischen Elements 40, wo etwa 50% des auftreffenden Lichts transmittiert wird.
Als nächstes treffen die Interferenzstrahlen d auf die Fokussierlinse 36 des ersten optischen Elements 32, mit deren Hilfe die Interferenzstrahlen d auf die Photodioden 20 auf dem Siliziumträger 14 fokussiert werden. Durch den unmittelbar hinter der Fokussierlinse 36 vorgesehenen 1 × 2-Strahlteiler 38 werden die fokussierten Interferenzstrahlen d jeweils in zwei Teilstrahlen e aufgespalten. Im vorliegenden Fall wird also jeder der vier Interferenzstrahlen d in zwei Teilstrahlen aufgespalten, so dass insgesamt acht Teilstrahlen e entstehen, welche auf jeweils eine der Photodioden 20 fokussiert sind, von denen ebenfalls insgesamt acht vorgesehen sind, wie dies in Fig. 2B dargestellt ist.
Vom Meßobjekt aus gesehen vor den mittleren vier der acht Photodioden 20 ist, wie bereits erwähnt, eine Phasendifferenz-Erzeugungsvorrichtung 22 vorgesehen, um neben dem Betrag der Bewegungsgeschwindigkeit auch das Vorzeichen der Bewegungsrichtung ermitteln zu können. Der Polarisationszustand des linear polarisierten Referenzlichts b wird durch die Phasenverzögerungsschicht der Phasendifferenz-Erzeugungsvorrichtung 22 nicht beeinflusst, während das zirkular polarisierte Streulicht c in linear polarisiertes Licht umgewandelt wird, dessen Polarisationsvektor um ±45° gegenüber dem Polarisationsvektor des Referenzlichts b verdreht ist. Die cholesterische Schicht der Phasendifferenz-Erzeugungsvorrichtung 22 wirkt als Zirkularpolarisator, die aus linear polarisierten Referenzlicht b und linear polarisierten Streulicht c zirkular polarisiertes Licht macht. Durch diese Vorrichtung 22 wird somit jeweils einer der beiden Teilstrahlen e, die für jeden der vier Interferenzstrahlen existieren, eine Phasenverschiebung von +45° oder -45° erfahren. Alternativ können auch alle Photodioden 22 mit der Phasendifferenz-Erzeugungsvorrichtung 22 versehen werden, so dass Phasenverschiebungen von +90° bzw. -90° erzeugt werden, die leichter von der Auswerteschaltung 56 erfasst werden können.
Ebenso können als Phasendifferenz-Erzeugungsvorrichtung Linearpolarisatoren eingesetzt werden. Hierbei ist die Polarisationsrichtung des Linearpolarisators unter 45° zur Polarisationsrichtung des Referenzstrahls.
Somit kann die Relativbewegung des Messobjekts 12 zu dem optoelektronischen Bauelement 10 sowohl bezüglich ihrer Geschwindigkeit (aus der Frequenz der Amplitudenänderung) als auch ihrer Bewegungsrichtung (aus dem Vorzeichen der Phasendifferenz) in x- und in y-Richtung erfasst werden.
Die von den Photodioden 20 erzeugten elektrischen Messsignale werden, gegebenenfalls nach einer Verstärkung durch geeignete elektronische Verstärker, einer Auswerteschaltung 56, beispielsweise in Form eines ASIC's, zugeführt.
Das oben beschriebene optoelektronische Bauelement 10 ist somit vorteilhafterweise als Sensor zur Erfassung von ein- und mehrdimensionalen Translationsbewegungen zwischen einem Messobjekt 12 und dem Bauelement 10 einsetzbar. Dabei zeichnet sich das optoelektronische Bauelement 10 gemäß der Erfindung durch seine kompakte Bauweise aus, die aufgrund der integrierten Bauweise von optischen und optoelektronischen Komponenten zudem eine hohe Messgenauigkeit und Zuverlässigkeit gewährleistet, da bei der Herstellung einige Montagetoleranzen von herkömmlichen Sensoren vermieden werden.
Insbesondere werden durch die Verwendung eines gemeinsamen Trägerkörpers 14 für die optoelektronischen Komponenten Sender 16 und Empfänger 20 sowie die durch einen Abstandhalter 26, 28 definierte präzise Positionierung der optischen Vorrichtung 30 relativ zu dem Trägerkörper 14 und damit den optoelektronischen Komponenten 16, 20 Montagetoleranzen vermieden, die bei herkömmlichen Sensoren üblich sind.
Während die vorliegende Erfindung oben anhand eines bevorzugten Ausführungsbeispiels im Detail erläutert worden ist, sind selbstverständlich Abwandlungen oder Modifikationen des optoelektronischen Bauelements denkbar, ohne die zugrundeliegende erfindungsgemäße technische Lehre zu verlassen.
Beispielsweise kann auf das Zwischenstück 26 als Abstandhalter verzichtet werden, wie dies in dem Ausführungsbeispiel von Fig. 5 der Fall ist. In diesem Fall dient ausschließlich das Umlenkprisma 28 als Abstandhalter und definiert mit seiner Höhe den Abstand zwischen den optoelektronischen Komponenten 16, 20 auf dem gemeinsamen Trägerkörper 14 und der optischen Vorrichtung 30. Um einen stabilen Aufbau des optoelektronischen Bauelements 10 zu gewährleisten, wird das Umlenkprisma 28 dabei vorzugsweise zwischen den optoelektronischen Sender 16 und Empfänger 20 positioniert.
In einer weiteren Variante der Erfindung, die in Fig. 6 veranschaulicht ist, wird dagegen auf das Umlenkprisma 28 verzichtet. Als Abstandhalter dient in diesem Fall ausschließlich das Zwischenstück 26 aus Glas. Der optoelektronische Sender 16 ist hierbei derart auf dem Trägerkörper 14 angeordnet, dass er das kohärente Licht a direkt in Richtung auf die Kollimatorlinse 34 der optischen Vorrichtung 30 aussendet, so dass eine Strahlumlenkung wie bei den Ausführungsformen der Fig. 1 und 5 nicht erforderlich ist.
In dem in Fig. 7 dargestellten vierten Ausführungsbeispiel der Erfindung wurde wie in dem in Fig. 5 gezeigten zweiten Ausführungsbeispiel auf das Zwischenstück 28 als Abstandhalter verzichtet. Im Gegensatz zu den vorbeschriebenen Ausführungsformen ist hier jedoch das dritte optische Element 44 der optischen Vorrichtung 30 nicht auf der dem Trägerkörper 14 abgewandten Seite der optischen Vorrichtung 30 vorgesehen, sondern an der Stirnseite des zweiten optischen Elements 40angebracht. Der Messstrahl c, der das dritte optische Element 44 durchläuft, wird somit in einer Richtung parallel zu der Oberfläche des Trägerkörpers 14 abgestrahlt.
In dem in Fig. 9 dargestellten Ausführungsbeispiel der Erfindung wurde wie in dem in Fig. 5 gezeigten zweiten Ausführungsbeispiel auf das Zwischenstück 28 als Abstandhalter verzichtet. Im Gegensatz zur Ausführungsform von Fig. 7 ist hier das Beugungsgitter 48 auf der dem Trägerkörper 14 abgewandten Seite der optischen Vorrichtung 30 vorgesehen und wirkt hier das Beugungsgitter 48 nur in Reflexion. Der Polarisator 500 befindet sich an der Stirnseite des zweiten optischen Elements 40. Der Messstrahl c, der das dritte optische Element 44 durchläuft, wird in einer Richtung parallel zu der Oberfläche des Trägerkörpers 14 abgestrahlt. Das Beugungsgitter kann in diesem Fall vorteilhafterweise eine wesentlich höhrere Leistung zurückgeben und gleichzeitig die ansonsten verworfenen anderen 50% Leistung des Strahlteilers 42 mitnutzen. Der Strahl zur bewegten Fläche hin läuft in diesem Fall nur durch den Zirkularpolarisator. Dieses System ist vorteilhafterweise sehr effizient und sparsam mit der zur Verfügung stehenden Laserleistung.
Ferner ist es auch möglich, die Auswerteschaltung 56 zur Auswertung der elektrischen Messsignale der Photodioden 22 ebenfalls auf dem Trägerkörper 14 vorzusehen (vgl. Fig. 8). Eine derartige Auswerteschaltung 56 enthält verschiedene analoge und digitale Baugruppen, um aus den der Bewegung des Messobjekts 12 proportionalen elektrischen Strom-Zeit-Messsignalen digitale Ausgangssignale zu erzeugen, anhand derer die Geschwindigkeit und die Bewegungsrichtung der Translationsbewegungen des Messobjekts 12 relativ zu dem optoelektronischen Bauelement 12 bestimmt werden können.
Bei einer kostengünstigen Variante des Bauelements wird vorteilhafterweise ein Diodenlaser mit einer Wellenlänge von etwa 780 nm verwendet. Bei Verwendung eines Vertical Cavity Surface Emitting Lasers (VCSEL) wird vorzugsweise eine Wellenlänge von 850 nm verwendet.
Außerdem kann der Trägerkörper 14 kostengünstig und technisch einfach auf eine Leiterplatte (zum Beispiel ein Printed Circuit Board (PCB)) oder auf einen Leiterrahmen (Leadframe) montiert werden.
Ferner können in den Trägerkörper 14 selbst bereits Schaltkreise und die Photodioden 20 integriert sein, beispielsweise in BiCMOS-Technologie.

Claims

1. Optoelektronisches Bauelement (10), mit
einem Trägerkörper (14);
einem optoelektronischen Sender (16) zum Aussenden eines kohärenten Lichtstrahls (a) und einem optoelektronischen Empfänger (20), die auf dem Trägerkörper (14) angeordnet sind;
einer optischen Vorrichtung (30) zum Aufteilen des von dem optoelektronischen Sender ausgesendeten Lichtstrahls in einen Referenzstrahl (b) und einen Messstrahl (c), wobei der Messstrahl in Richtung auf ein Messobjekt (12) abgestrahlt wird, zum Empfangen des an dem Messobjekt reflektierten Messstrahls und Überlagern des reflektierten Messstrahls mit dem Referenzstrahl zu einem Interferenzstrahl (d), und zum Richten des Interferenzstrahls auf den optoelektronischen Empfänger; und
einem Abstandhalter (26; 28), der auf dem Trägerkörper angeordnet ist und auf dem die optische Vorrichtung angeordnet ist, wobei die optische Vorrichtung zum Trägerkörper einen durch den Abstandhalter definierten Abstand aufweist.

2. Optoelektronisches Bauelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Abstandhalter (28) ein Umlenkprisma ist, das den von dem optoelektronischen Sender (16) ausgesendeten Lichtstrahl (a) in Richtung auf die optische Vorrichtung (30) umlenkt.

3. Optoelektronisches Bauelement nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass auf dem Trägerkörper (14) ferner eine Auswerteschaltung (56) vorgesehen ist, die mit dem optoelektronischen Empfänger (20) verbunden ist.

4. Optoelektronisches Bauelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der optische Empfänger (20) mehrere Photodioden aufweist.

5. Optoelektronisches Bauelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die optische Vorrichtung (30) eine Fokussiervorrichtung (36) zum Fokussieren des Interferenzstrahls (d) auf den optoelektronischen Empfänger (20) aufweist.

6. Optoelektronisches Bauelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die optische Vorrichtung (30) ein teilreflektierendes Beugungsgitter (48) zum Erzeugen des Referenzstrahls (b) und einen Zirkularpolarisator (50, 52) zum Erzeugen eines zirkular polarisierten, reflektierten Messstrahls (c) aufweist.

7. Optoelektronisches Bauelement nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass das teilreflektierende Beugungsgitter (48) derart ausgebildet ist, dass vier reflektierte Referenzstrahlen erster Beugungsordnung entstehen.

8. Optoelektronisches Bauelement nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass die optische Vorrichtung (30) weiter einen Strahlteiler (38) zum Aufspalten der Interferenzstrahlen (c) in jeweils zwei Teilstrahlen (e) und eine Phasendifferenz-Erzeugungsvorrichtung (22) vor dem optoelektronischen Empfänger (20) zum Erzeugen einer Phasendifferenz zwischen den Teilstrahlen (e) aufweist, um aus der Frequenz der Amplitudenänderungen der Interferenzstrahlen die Bewegungsgeschwindigkeit des Messobjekts (12) relativ zu dem Bauelement (10) und aus dem Vorzeichen der Phasendifferenz zwischen den Teilstrahlen die Bewegungsrichtung des Messobjekts relativ zu dem Bauelement zu bestimmen.

9. Optoelektronisches Bauelement nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass das Beugungsgitter (48) und der Polarisator (500) an verschiedenen Stellen des Strahlteilers (24) angeordnet sind und das Beugungsgitter (48) ausschließlich in Reflexion wirkt und der Meßstrahl (c) nur durch den Polarisator (500) läuft.

10. Verwendung eines Bauelements gemäß einem der Ansprüche 1 bis 9 in einem Schrifterkennungssystem.

11. Verwendung nach Anspruch 10, bei der das Bauelement in die Spitze eines Lesestiftes eingebaut ist.