WO2010081652A1 - Vorrichtung zur optischen navigation - Google Patents

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WO2010081652A1
WO2010081652A1 PCT/EP2010/000045 EP2010000045W WO2010081652A1 WO 2010081652 A1 WO2010081652 A1 WO 2010081652A1 EP 2010000045 W EP2010000045 W EP 2010000045W WO 2010081652 A1 WO2010081652 A1 WO 2010081652A1
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WO
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image sensor
array
optical
microlens
optics
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PCT/EP2010/000045
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English (en)
French (fr)
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Jacques DUPARRÉ
Andreas Brückner
Frank Wippermann
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Fraunhofer Gesellschaft zur Foerderung der Angewandten Forschung eV
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    • G06F3/042—Digitisers, e.g. for touch screens or touch pads, characterised by the transducing means by opto-electronic means
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    • G06F3/01—Input arrangements or combined input and output arrangements for interaction between user and computer
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    • G06F2203/00—Indexing scheme relating to G06F3/00 - G06F3/048
    • G06F2203/041—Indexing scheme relating to G06F3/041 - G06F3/045
    • G06F2203/04109—FTIR in optical digitiser, i.e. touch detection by frustrating the total internal reflection within an optical waveguide due to changes of optical properties or deformation at the touch location

Definitions

  • the invention relates to a device for optical navigation on the basis of a production in the wafer scale, in which both the illumination path and the imaging optics are integrated on a common support structure.
  • the devices according to the invention for optical navigation are used for controlling a cursor on an image output device or in the field of finger navigation.
  • a surface area of the so-called tracking surface is illuminated as homogeneously as possible by a source of electromagnetic radiation, for example an LED or a laser diode, and corresponding beam shaping optics. Subsequently, either the illuminated tracking surface is directly (in the case of the LED) or the result of the reflection on the tracking surface by means of an objective lens. The resulting speckle pattern (in the case of the laser diode) is mapped to a digital image sensor. The image acquisition takes place in a very fast sequence (1500-6000 images per second) in a row.
  • Successively recorded images are correlated with one another and the displacement of the images among each other is based on representative structures of radiation scattered or diffracted at the tracking surface as a measure of the size and speed of the displacement of the input device relative to the tracking surface or a reference object used relative to the input device. This in turn translates into the movement of the mouse pointer on a display.
  • Miniaturization of such an optical navigation sensor can be gradually divided into miniaturization of the imaging optics and miniaturization of the illumination optics. Consequently, both optics must be miniaturized together in order to achieve the greatest possible total reduction.
  • the shortening of the existing structure poses a challenge for the illumination path, since a shortening of the overall structure not only means a shortening of the optics imaged on the tracking surface, but also of the object distance.
  • the current configuration would illuminate the illumination surface at a very shallow angle on the tracking surface, resulting in inhomogeneous illumination and reduced efficiency (usable radiation / emitted radiation).
  • a large number of reflections of the illumination radiation is necessary, which leads to increased scattering and stray light and thus reduces the image contrast.
  • the separation of the imaging and illumination optics limits further miniaturization.
  • a device for optical navigation which is manufactured using wafer technology and has the following components:
  • an image sensor array having a multiplicity of image-sensor units arranged in the form of an array, each having at least one light-sensitive area,
  • each image sensor unit is assigned at least one microlens and
  • An essential feature of this device is that the image sensor array and the at least one radiation source are arranged together on the same carrier structure as well as at least one microlens array and at least one beam shaping optical system on the same optically transparent substrate.
  • microoptical illumination and imaging optics are arranged on a common support structure, a single-channel or multi-channel optical arrangement for the illumination strand is integrated into the device; is
  • the result of this measure is maximum miniaturization of the optical navigation sensor.
  • Miniaturization here means the reduction of the total volume but above all the realization of a very thin structure (construction height less than 2 mm). Furthermore, through the use of wafer-scale microoptical manufacturing techniques, i.a. the parallel generation of imaging microlens arrays and beam-forming optics on the same substrate carrier, with a corresponding number of a reduction in production costs can be achieved. A shorter illumination distance achieved by the miniaturization and the u.U. in addition, larger angles of incidence provide for higher illumination efficiency, which thus leads to a greater signal-to-noise ratio or, in the case of a dimmed light source, to lower power consumption. The latter is particularly relevant with regard to the use in portable terminals.
  • the arrangement of the radiation source (s) and detectors on a common support structure achieves a small footprint of the optical navigation sensor from the outset and paves the way for completely new substrate-based assembly methods, among other things by significantly increasing the precision of the relative positions of the illumination source and the bi-sensor array as well as their arrangement more or less in one plane.
  • a micro-optical module, ie micro- Lens array (s) with one or more additional components that differ in at least one property, such as radius of curvature, lateral diameter, arrow height, focal length, surface profile of the microlenses is placed on this common support structure, on the one hand, the illumination of the tracking Surface and on the other hand to ensure the image of this diffused or diffracted illumination light.
  • the object parts corresponding to the image sensor coordinate are not transmitted obliquely or diagonally through the optics, as is the case with conventional optical navigation sensors, but perpendicularly.
  • Image parts are directly opposite, so that no reverse, but an upright image is generated.
  • each object part is transmitted essentially "on-axis", that is to say with a small angle of incidence to the respective optical axis
  • an array-like image is necessary in which each at least one image pixel is assigned its at least one own microlens.
  • the illumination strand is located with the imaging optics on the same optically transparent support structure, e.g. a section of
  • the lighting strand has a refractive and / or reflective and / or diffractive effect in order to reduce the electromag- distribute the radiation of the radiation source (s) as homogeneously as possible to the areas of the tracking surface observed by the imaging optics.
  • a single radiation source can be assigned a multi-channel illumination optics, ie the illumination optics can also be embodied as an array of uniform or different optical components. • In the case of multiple radiation sources, one of the sources or even a number of radiation sources may be assigned a multi-channel illumination optics.
  • the areas of the tracking surface illuminated by the individual channels of the illumination optics may be disjoint or at least partially overlap each other.
  • an aperture stop or an aperture stop arrangement can be located at a small axial distance from the illumination optics. This is the same layer which may also contain an aperture stop arrangement for the imaging optics.
  • the aperture stop assembly is made of an absorbent material, e.g. Black matrix polymer, and / or an at least one-side reflective material, e.g. a metal such as titanium, chromium or black chrome or nanostructured silicon (black silicon).
  • At least one diaphragm or diaphragm arrangement can be located between the illumination optics with assigned aperture diaphragm arrangement on the optically transparent carrier structure and the semiconductor substrate cutout. It is the same layer, in which also in the picture ne aperture arrangement can be pronounced.
  • the diaphragm or diaphragm arrangement serves for limiting the angular spectrum of the electromagnetic radiation of the radiation source and, in particular, prevents the latter from reaching illumination radiation directly onto the image sensor array.
  • the diaphragm assembly is made of an absorbent material, e.g. a black matrix polymer, and / or an at least one-side reflective material, e.g. a metal, like titanium, chrome or
  • Black chrome or nanostructured silicon Black Silicon
  • This second beam-shaping optical system can have a refractive and / or reflective and / or diffractive effect in order to collimate and / or deflect the electromagnetic radiation of the radiation source (s), so that it distributes as homogeneously as possible on the tracking surface in cooperation with the illumination optics becomes.
  • a single radiation source may be associated with a multichannel second beamforming optics, i. the second beamforming optics may also be implemented as an array or array of uniform or different optical components, e.g. as a microlens array, be pronounced.
  • an illumination optical system formed as an array with a second beam shaping optical system designed as an array with adapted axial spacing and possibly lateral offset of the centers of the illumination optical system and the second beam shaping optics a structure for homogenizing the illumination radiation similar to the principle of the honeycomb condenser can be realized.
  • Radiation sources to be assigned a multi-channel, second beam shaping optics.
  • this spacer layer is laterally separated from the spacer layer of the imaging strand, but is in the same axial position. If electrical backside contacting (eg, through-silicon VIAs) of the image sensor and / or the source (s) is present, this may be the same, laterally connected spacer layer or a lateral structuring of the spacer layer may be dispensed with ,
  • the second beam shaping optics or spacer layer there may be a diaphragm or diaphragm arrangement assigned to the respective radiation source. This serves to further restrict the angular spectrum of the electromagnetic radiation of the radiation source and especially for
  • This diaphragm consists of an absorbent material, for example a black-matrix polymer, and / or a material which reflects at least on one side, for example a metal, such as titanium, chromium or black chrome or nanostructured silicon (Black Silicon).
  • the spacer layer of the imaging optics may differ in their lateral extent and shape of the boundary and of the surface profile from the assigned layer of the illumination optics, by e.g. is pronounced as another beam-shaping optics.
  • the electromagnetic radiation emitted by the radiation source may be influenced by the illumination optics in conjunction with the second
  • the illumination scheme is preferably designed so that the areas of the tracking surface are illuminated as homogeneously as possible, i.
  • the radiation intensity of the illumination should vary as little as possible over the surface of the tracking surface.
  • illumination optics diaphragm layers and carrier or spacer layers have the property that they are laterally aligned with the respective optics, diaphragm arrangements, carrier layers of the multi-channel imaging optics
  • Layer lie or pronounced as a common layer in the imaging and lighting optics. This means that the aperture arrangements of the imaging optics are made of the same material, but have in their lateral structure or properties, such as. Center distance, opening diameter, shape of the boundary, can distinguish.
  • the imaging optics are preferably characterized by the following features: • Each microlens of the microlens array is assigned at least one detector (pixel).
  • Each microlens images an area of the tracking surface onto this at least one image sensor unit, which is at least as large as the lateral distance of the microlenses. This ensures seamless tracking of the tracking surface, resulting in a 1: 1 image, while within a channel the object area is reduced in size to one pixel.
  • the multi-channel imaging optics may have inclined (edge-to-edge) optical axes. Globally there is then no 1: 1 image more, since the imaged object field is larger than the image sensor. In this case, it must be ensured that, at the desired working distance, the object areas associated with the individual optical channels are just connected to one another, i. the edge length of the object area assigned to each optical channel is then greater than the distance of the microlenses.
  • the object distance is for the application as optical mouse from 0.1 to 1 mm and generally as optical navigation sensor from 0, 1 mm to several meters.
  • the imaging optics consists of at least one microlens array with associated aperture diaphragm arrangement at a small axial distance from the optical lens surface.
  • the aperture stop arrangement has analogous properties as the aperture stop arrangement of the illumination line, since it is the same layer, but generally at least one of the lateral properties, such as opening diameter, shape of the boundary, between the aperture stops, the illumination optics and JE NEN, which are assigned to the imaging optics, different.
  • At least one microlens array with its associated aperture stop arrangement and the image sensor array on a semiconductor substrate cutout is at least one optically transparent support structure, e.g. a section of glass substrate or plastic spacer layer.
  • At least one aperture arrangement for suppressing stray light and optical crosstalk, i. radiation scattered by the object and detected in an optical channel which is undesirably imaged on a detector of another imaging channel.
  • the image-side spacer layer may be, e.g. in the case of electrical contacting of the image sensor and / or the radiation source (s), be laterally structured.
  • the diaphragm assembly is made of an absorbent material, e.g. a black matrix polymer, and / or an at least one-side reflective material, e.g. a metal such as titanium, chromium, black chrome or nanostructured silicon (black silicon).
  • the imaging optics are directly on the image side for image acquisition with a detector array (image sensor
  • Radiation source and image sensor are located at least on the same printed circuit board (PCB) or even on the same semiconductor cutout.
  • the aperture and other aperture arrangements of the illumination or imaging optics are in the same layer, they may be formed in both, or only in one or the other strand or in neither.
  • the single microlens images an inverted image from the object area opposite it.
  • each object subarea assigned to one lens corresponds exactly to one
  • the recorded pixel values provide the image of the tracking surface that has been resolved according to the number of lenses in the lens array.
  • the detector pixels should be significantly smaller than the channel spacing in order to achieve a meaningful resolution, which leads to a reduced filling factor of the detector pixels in the image sensor matrix and a comparatively reduced light intensity. It makes sense to cover large photodiodes that are not tightly packed with small apertures, but the photodiodes should be correspondingly small from the outset, which is also advantageous for the signal-to-noise ratio, and the space between the photodiodes should be sufficient for electronic circuits for image reading, Sig - na ⁇ ve amplification, increasing the sensitivity, improving the signal-to-noise ratio ("correlated double sampling") or in particular image preprocessing (contrast calculation, measurement of the contrast direction, determination of the image shift (correlation), detection of optical flow, etc.).
  • the device according to the invention can be produced using wafer technology. This includes the connection with image sensor (bonding), UV replication of polymer on glass, hot embossing, layered lithographic structure on image sensor, separation by means of a saw saw, advantageously only after completion of the complete layer structure. After separation of the modules (optics only or together with image sensor), the sides (with absorbent polymer) must be blackened to allow the lateral coupling of To avoid false light through the substrate end faces.
  • rear-side contacting eg, through silicon vias
  • Fig. 1 shows the optics of a device according to the invention with laterally remote light source on a common circuit board.
  • FIG. 2 shows the optics of a device according to the invention for optical finger navigation with a laterally offset light source on a common printed circuit board.
  • Fig. 3 shows the optics of a device according to the invention with multiple lateral remote light sources on a common circuit board.
  • FIG. 4 shows the optics of a device according to the invention for optical finger navigation with a laterally offset light source on a common printed circuit board and with an additional cover glass used for the lighting strand.
  • FIG. 5 shows a combined lighting and attenuation Educational optics of the device according to the invention with laterally remote light source on a common circuit board.
  • FIG. 6 shows the optics of a device according to the invention with a light source integrated on the semiconductor substrate of the image sensor.
  • FIG. 7 shows the optics of a device according to the invention with a surface-shaped light source integrated on the semiconductor substrate of the image sensor.
  • FIG. 8a shows a schematic plan view of an areal characteristic of the illumination sources and illumination optics
  • FIG. 8b shows the same schematic structure with microstructured, i. pixellated, electrically individually controllable illumination source.
  • FIG. 9 shows the optics of a device according to the invention with multiple, microstructured light sources integrated on the semiconductor substrate of the image sensor in intermediate positions between the imaging channels.
  • FIG. 10 shows the optics of a device according to the invention with mutually inclined optical axes and multiple, microstructured light sources integrated on the semiconductor substrate of the image sensor in intermediate positions between the imaging channels.
  • FIG. 11 shows the optics of a device according to the invention using an array-like arrangement of microtelescopes, ie three successive microlenses in a channel with two-stage Image including intermediate image, for the imaging strand and a single beam-shaping optics in the lighting strand.
  • Fig. 12 shows the optics of a device according to the invention using an array-like arrangement of microtelescopes, i. three successive microlenses in a channel with two-stage imaging including intermediate image, for the imaging strands and a multi-channel beam-shaping optics with up to three successive micro-lens arrays in the illumination train.
  • FIG. 13 shows a top view of the device according to the invention according to FIGS. 7 to 9 on the basis of height profiles of the individual microlenses.
  • the semiconductor image sensor 2 with detector pixels 20 and light source 4 (possibly including a reflector) is located on a common electronic carrier (PCB) 5, via which the power supply and the data transfer take place.
  • the optics consisting of the microlens array 3 and the peripheral beam-shaping optical system 26, are positioned on the common transparent carrier 21.
  • the surface of the image sensor 2 serves as a mechanical reference (optics is in direct contact with this).
  • the light of the radiation source 4 is distributed on a defined area of the tracking surface 6 by the illumination optics 26 (optionally in interaction with the beam shaping optics 24 ⁇ and / or possibly the reflector of the light source housed).
  • the light (edge rays 40 are shown) is distributed as homogeneously as possible on the area of the tracking surface. Due to the offset of the illumination optics 26, 24 x to the center of the source 4, a beam deflection in the direction of the observed area of the tracking surface 6 can be achieved. The resulting flat angle of incidence produces sufficient contrast in the case of incoherent illumination, eg LED
  • each pixel of the detector array 20 of the image sensor 2 is assigned its own microlens from the microlens array 3, which images an object area 60 on it, the edge length of which is the same as the distance of the microlenses (important for object field connection and thus for one) complete scan of the tracking surface).
  • the observed area of the tracking surface 6 thus has at least the same extent as the detector arrangement 250.
  • the respective marginal rays 33, the area 60 (or 60 ') associated with the edge of the microlens 30 (or 30 ⁇ for the neighboring lens) Tracking surface are reflected on the edge of the associated pixel.
  • the optically transparent support 21 serves as a mechanical support for the microoptical components 3, 26 and on the other hand ensures that the detectors 20 are located at a corresponding axial distance from the microlens array 3 so that they have a sharply focused image of the respective object region Achieve 60 and 60 v on the respective associated detector.
  • the aperture stop arrangement 22 prevents imaging on the side the penetration of light in the areas between the individual lenses (30, 30 v , etc.) of the micro lens array 3. To a similar extent prevents the A-perturblende in the lighting string that light from the source 4 in an unwanted direction (eg directly on the detectors of the image sensor or from behind on the microlens array) is radiated (limitation of the radiation angle).
  • the at least one further diaphragm arrangement 23 serves on the image side for the suppression of false and interference light, as is described, for example, in US Pat. caused by optical crosstalk. On the illumination side, this serves to prevent light from reaching the detectors of the image sensor directly from the source 4.
  • the bezel assembly 23 may be followed by a spacer layer 24, which is important to the packaging and assembly technique in wafer scale assembly. They create cavities between sensor wafer and optical wafer, under which the electrical contact pads of the sensor (and possibly also of the illumination sources) are located. The optical wafer can then first be sawn in order to make the cavities and the underlying pads accessible from the front, without damaging the sensor wafer. But there is one
  • an aperture arrangement 25 can be used on the image side, the photoactive surface of the individual Further limit detectors 20, thereby increasing the resolution.
  • the diaphragm assembly 25 is not necessary when the detector pixels are small.
  • the diaphragm or diaphragm assembly 25 may also be necessary to restrict the angular spectrum of the electromagnetic radiation of the source 4, in particular specifically to prevent light from the source from directly reaching the detectors of the image sensor.
  • the human finger can serve as a tracking surface 6, so that the movement of the pinger is converted into a movement of the cursor by the optical navigation sensor.
  • a thin, optically transparent protective glass 600 as a support for the finger and to protect the optical navigation sensor from contamination necessary. This is positioned between microlens array 3 and its focal plane on the tracking surface 6.
  • Fig. 3 In order to increase illuminance and illumination homogeneity, multiple source embodiments are also useful, such as e.g. are shown in Fig. 3. These can also be distributed in a two-dimensional arrangement on the carrier PCB 5.
  • the optically transparent protective glass 600 simultaneously serves as a light guide.
  • the illumination light from the source (s) 4 is directed by the beam shaping optics 26, possibly in conjunction with the second beam shaping optics 24 ', to the ground and mirrored front side of the protective glass 600 ⁇ .
  • the light beams 40 are directed in a direction perpendicular to the optical axes of the imaging channels on the tracer. cking-Surface 6 (here the human finger) deflected out.
  • the light is guided inside the protective glass 600 by total reflection at the top and bottom thereof until it is disturbed by the contact of the human finger or the tracking object with the protective glass at the point 400.
  • a difference in brightness occurs in the object field, in contrast to the illuminated, lateral environment, which is detected in the image by the multi-channel imaging path.
  • the lateral shift of this difference in brightness between successively recorded images provides the displacement of the finger or the tracking object and can be converted into the movement of a cursor (ua).
  • FIG. 5 uses the same microlens array 3 as illumination and imaging optics, i. element 3 and element 26 coincide).
  • the aperture diaphragm arrangement 22 and the diaphragm arrangement 23 are designed to be reflective, at least on one side, for the illumination light 40, i. they are preferably made of metal, in particular chromium or titanium.
  • the light from the light source 4 is ⁇ via the spacer or a beam shaping optics 24 located there, such as refractive or diffractive Lin- se (n) is coupled into the optically transparent carrier 21st
  • the metallized layer 22 y extending at an oblique angle to the normal on the carrier 5 deflects the illumination light so that it is reflected back and forth between the reflective layers 22 and 23 and the metallized boundary of the optically transparent carrier 21.
  • the reflection of the Illumination light 40 may be achieved by direct reflection on the metallized diaphragm side of the reflective layers 22, 23 and / or by total reflection at least on the reflective layer 22 (or 22 'if this layer is not metallized).
  • the diaphragm layers 22, 23 have, in spite of their locally reflecting properties, transparent openings within the diaphragm edge, eg under a microlens 30, 30 ⁇ .
  • the layer of the aperature aperture arrangement 22 can also be absorbent on the object side (top), for example of a black matrix polymer, and reflective on the image side (bottom), for example of a metal.
  • the aperture arrangement 23 may be reflective on the object side (top), for example of a metal, and absorbent on the image side (bottom), for example of a black matrix polymer. Both serve the purpose of absorbing stray light on the one hand before it reaches the detectors, but on the other hand reflecting usable illumination light so that it reaches the tracking surface 6.
  • the angle of 22 ⁇ , the optional beam shaping optics 24 ', the thickness of the optically transparent support 21 and the size of the openings of the Aperturchblendena- arrangement 22 and the diaphragm assembly 23 are such that on the one hand as much illumination light 40 object side by the microlens array 3 on the Tracking surface 6 is mapped and on the other hand, the least possible illumination light 40 falls directly on the detectors 20.
  • the spacer layer 24 may be formed as an array of multiple spacers having a respective footprint that is between the size of the lens aperture and the size of the photoactive detector pixel area. The spaces between adjacent spacers can then additionally be filled with an absorbent polymer, such as a black-matrix polymer (vertical optical isolation).
  • this arrangement results in multi-channel illumination with large angles of incidence to the tracking surface, so that the arrangement is preferred (but not necessarily) in conjunction with a coherent light source, e.g. a laser diode is used.
  • a coherent light source e.g. a laser diode
  • the light source 4 and its electrical power supply and associated control circuits are integrated directly on the semiconductor material of the image sensor 2.
  • corresponding electrical contacts and conductor tracks can already be planned in the image sensor design and integrated in the CMOS process of the image sensor production (corresponds to an application-specific integrated circuit, or ASIC for short).
  • pits are then formed in the semiconductor substrate, e.g. by isotropic or anisotropic etching or micromachining, in which the source is then positioned. This results in a laterally very compact construction of the entire optical navigation sensor.
  • the depression introduced into the semiconductor material can optionally assume the function of reflector optics, for example by smoothing or subsequent metallization.
  • a suitable machining process meaning the formation of the recess by anisotropic and / or isotropic etching
  • a special profile of the reflector surface can be set which, in cooperation with the illumination optics 26 and possibly 24 ⁇ , improves the illumination of the tracking surface 6.
  • the optical arrangement can then be e.g. by bonding or UV bonding directly to the semiconductor substrate cutout.
  • the function of the optical structure is analogous to the description of FIG. 1.
  • FIG. 7 uses light sources structured directly on the semiconductor material, e.g. inorganic LEDs or organic LEDs (OLEDs for short).
  • This embodiment demonstrates the use of an OLED-based patterned light source with integrated photodetectors on a CMOS carrier substrate (also known as “OLED-on-CMOS” or “bidirectional microdisplays”).
  • CMOS carrier substrate also known as "OLED-on-CMOS” or “bidirectional microdisplays”
  • organic LEDs are used as a layered light source (s), e.g. by vapor deposition, integrated directly on the semiconductor material and operated by electrical contacts from the CMOS circuits.
  • This solution represents a monolithic connection of the detector units with the light sources on a semiconductor substrate.
  • top metal which serves as the lower electrode for the following - Separated OLED materials and thus specifies the size of a bright source surface, which are covered by another transparent electrode layer and finally encapsulated.
  • Corresponding compensation layers on the image sensor ensure that no chemical or mechanical See micro-machining of the semiconductor material, as in Fig. 6, is necessary.
  • FIG. 8 Another advantage of the technical realization in connection with organic LEDs is the possibility to ensure the lighting over an extensive area.
  • a corresponding arrangement is shown in oblique view in Fig. 8 (left).
  • the OLED source in Fig. 8 may also be patterned, e.g. It would be advantageous to be able to individually control each side of the lighting frame or individual parts thereof. So the object u.U. sequentially only one at a time
  • FIG. 9 The embodiment shown in FIG. 9 is different from the others in that multiple, surface-area light sources (OLEDs) are structured in intermediate positions within the detector array (convolution of detector array of the image sensor and light source arrangement). In each intermediate position, individual sources and / or arrays of
  • Sources 4 are located. By an offset of the centers 4 ⁇ the individual light sources to the center (or centers) of the beam-shaping optics 26, an oblique angle of illumination is realized in the observed from the microlenses 3, 30, 30 ⁇ portions of the tracking Surface 6 S.
  • a suitable illumination optical unit 26 for example, the light of the respectively right-hand source 40 for illuminating the respective left-hand source 40 and the light of the respective left-hand source 40 'can be used to illuminate the respectively right-hand area of the tracking surface 6'.
  • a small sub-image is nevertheless generated by a small number of channels per scanning region 6 ⁇ , so that the movement relative to the tracking surface is determined by the temporal correlation of the sub-images or other evaluation methods. such as the extraction of optical flow, can be done.
  • a corresponding illumination with an oblique is to aim at the tracking surface in order to obtain the greatest possible contrast of the illumination light scattered on the microstructure.
  • Fig. 10 is intended to illustrate the use of mutually inclined optical axes 31 v of the adjacent imaging channels.
  • the pitch of the individual elements (microlens, aperture stop, aperture, etc.) in the array increases steadily from the image plane. That is, the center distance of adjacent elements (microlens, aperture stop, aperture, etc.) in the array increases steadily from the image plane. That is, the center distance of adjacent elements (microlens, aperture stop, aperture, etc.) in the array increases steadily from the image plane. That is, the center distance of adjacent
  • Detector elements 20 is smaller than the center distance of the aperture of the imaging strand of the diaphragm assembly 23. This is again smaller than the center distance of the aperture 22 and this is finally borrowed smaller than the pitch of the microlenses 30 and 30 *.
  • the axial variation of the center distances is designed such that the portions of the tracking surface 6 X observed by each array of contiguous imaging channels adjoin one another, thus producing a gapless scan of the last.
  • the use of mutually inclined optical axes of the imaging channels can also be used in FIGS. 1 to 6 in order to image a region of the tracking surface 6 that is laterally larger than the image sensor or detector array 20.
  • multiple, areally-shaped light sources are structured in intermediate positions within the detector array (folding of the detector array of the image sensor and light source arrangement). In each intermediate position, individual sources and / or arrays of sources 4 may again be located.
  • the illumination optics 26 are such that the radiation emitted by the light sources 4 with a given angular spectrum is divided by 26 into an area that is the same size as that of a segment. raent the microlens array observed area of the tracking surface 6 ', as homogeneously distributed.
  • the area of the tracking surface illuminated by a source arrangement 4 can be laterally displaced by half the diameter against the area of the tracking surface 6 "observed by a segment of the microlens array adjacent source arrangements 4 ensured.
  • FIG. 11 A further embodiment is shown in FIG. 11.
  • the use of several (densely packed) detector pixels within the footprint of the microlenses should also be allowed in particular. This requires groups of pixels with a small center distance in the footprint of the individual microlenses, the group centers having a significantly greater center distance (comparable to those of the microlenses).
  • each sub-image in each individual channel, not just one pixel, but one of a few pixels existing, low-resolution, upside-down and upside down image is read.
  • each sub-image In order to make an overall picture of the many sub-images obtained per channel, each sub-image must be mirrored on its main axes (x, y). This can be done close to the hardware in the same logic circuit or a signal processor (e.g., ASIC, FPGA) where the relative displacement calculation also takes place based on the correlation of the sequentially acquired overall images of the sensor.
  • ASIC application-resolution
  • FPGA field-programmable gate array
  • Axially (at least partially) vertically extending partitions are achieved by replacing the optically transparent support by a significantly thinner optically transparent support on its rear side axially thick / deep spacer pedestals or columns of polymer, e.g. SU8, or plastic are molded.
  • the trenches located between the spacer pedestals are coated with an absorbent material, e.g. a black matrix polymer, filled.
  • the lateral part of the support on which the illumination optics are located can in this case also be designed, in which case only an outer vertical partition wall is necessary, which serves to shield the imaging part from the direct incident light of the source.
  • the pedestal is thus generated at this point with a lateral extent that corresponds to the maximum extent of the illumination beam path.
  • this layer structure can (to increase the resolution in the case of relatively large detector pixels) are again the aperture arrangement with the aforementioned properties.
  • Further embodiments result from the use of a second arrangement for the multi-channel imaging optics, in which at least two, advantageously three microlens arrays are set axially one behind the other.
  • the advantage of this arrangement is the increased photosensitivity of the imaging line, which is achieved by the targeted, image-side superposition of individual light bundles from the object space 110, 120, 130) (superposition). This increases the overall length of the optical navigation sensor, so that the system no longer has the axial length less than 2 mm, but an axial length ⁇ 3 mm, from the top edge of the image sensor 2 to the tracking surface 6.
  • FIG. 11 the already known from Fig. 6 arrangement of the imaging strand is replaced by a multi-channel micro-objective with three successive microlens arrays.
  • a single single-channel or multi-channel illumination optic 26 is used to distribute the light 40 of the light source 4 integrated on the semiconductor substrate 2 on the observed area of the tracking surface 6.
  • the illumination optics 26 can here again be refractive and / or diffractive and / or reflective.
  • the recess in the semiconductor material 2, in which the light source 4 is mounted additionally be pronounced as a reflector.
  • the recess in the semiconductor material 2, in which the light source 4 is mounted additionally be pronounced as a reflector.
  • the latter is especially useful when using LEDs as light sources.
  • the aperture diaphragm arrangement 22 is unique on the illumination side in order to prevent in that direct illumination light obliquely enters the imaging optics and then in the direction of the image sensor array 20.
  • a further embodiment according to Fig. 12 also uses the illumination side at least two (or three) consecutive einzelkanalige or Mokana- celled beam shaping optics 26, 26 v 26 ".
  • the individual assemblies 26, 26 x or 26 offset with increasing distance from the light source 4 with respect to this in the direction of the center of the tracking surface 6 to be illuminated. This offset is necessary in order to ensure a corresponding deflection of the illumination beams 40, 40 v toward the tracking surface 6.
  • a homogenization of the illumination radiation is achieved at the same time as compact as possible.
  • the divergent bundles emanating from each microlens of the object-side array 26 are superimposed on the tracking surface 6, so that the large number of overlapping light fields produces a homogeneous light distribution.
  • microlens arrays 26, 26 v and 26 can differ from each other and also in comparison to the imaging microlens arrays 3, 3 ⁇ and 3" in at least one property.
  • the opaque spacer layer 34 serves in the imaging strand to prevent optical crosstalk and is not necessary in the illumination beam path, so that in the illumination strand only at the lateral edge of the carrier 21 v and 21 an opaque spacer column (340) as mechani- shear support frame for the optically transparent support 21 ⁇ and the front and back located on the microlenses 26, 26 x is necessary.
  • the aperture diaphragm arrangement 22 is only pronounced on the illumination side in order to prevent direct illumination light from reaching the imaging optics obliquely and then in the direction of the image sensor array 20.
  • the plan view shown in FIG. 13 relates to the embodiments according to FIGS. 7 to 9.
  • the height profiles of the microlenses 1 shown here are each represented by concentric circles.
  • the microlenses for imaging on the respective sensor pixels are the same size as those of the beam shaping optics.
  • the device according to the invention has detector pixels 2 and independently controllable radiation sources 3, e.g. OLED pixels on. The latter are also arranged at the detector level below the microlens level.
  • the offset of the centers of the microlenses of the beam shaping optics achieves an oblique angle of incidence of the light of the sources through them onto the tracking surface.

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Abstract

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur optischen Navigation auf Basis einer Herstellung im Wafermaßstab, bei der sowohl der Beleuchtungspfad als auch die Abbildungsoptik auf einer gemeinsamen Trägerstruktur integriert sind. Verwendung finden die erfindungsgemäßen Vorrichtungen zur optischen Navigation zur Steuerung eines Cursors auf einem Bildausgabegerät oder im Bereich der Fingernavigation.

Description

VORRICHTUNG ZUR OPTISCHEN NAVIGATION
Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur optischen Navigation auf Basis einer Herstellung im Wafermaß- stab, bei der sowohl der Beleuchtungspfad als auch die Abbildungsoptik auf einer gemeinsamen Trägerstruktur integriert sind. Verwendung finden die erfindungsgemäßen Vorrichtungen zur optischen Navigati- on zur Steuerung eines Cursors auf einem Bildausgabe- gerät oder im Bereich der Fingernavigation.
Bei optischen Navigationssensoren wird ein Flächenbereich der sog. Tracking-Surface durch eine Quelle für elektromagnetische Strahlung, z.B. eine LED oder eine Laserdiode, und entsprechender Strahlformungsoptik möglichst homogen beleuchtet. Anschließend wird mittels einer Objektivlinse entweder die beleuchtete Tracking-Surface direkt (im Falle der LED) oder das durch die Reflexion an der Tracking-Surface entste- hende Specklemuster (im Falle der Laserdiode) auf einen digitalen Bildsensor abgebildet. Die Bildaufnahme geschieht in sehr schneller Abfolge (1500-6000 Bilder pro Sekunde) hintereinander. Nacheinander aufgenomme- ne Bilder werden miteinander korreliert und die Verschiebung der Bilder untereinander wird anhand repräsentativer Strukturen von an der Tracking-Surface gestreuter oder gebeugter Strahlung als Maß für die Größe und Geschwindigkeit der Verschiebung des Einga- begerätes gegenüber der Tracking-Surface bzw. eines Referenzobjektes gegenüber dem Eingabegerät herangezogen. Dies wird wiederum in die Bewegung des Mauszeigers auf einem Display umgesetzt.
Eine Miniaturisierung eines solchen optischen Navigationssensors kann schrittweise in eine Miniaturisierung der Abbildungsoptik und eine Miniaturisierung der Beleuchtungsoptik unterteilt werden. Konsequenterweise müssen beide Optiken gemeinsam miniaturi- siert werden, um eine größtmögliche Gesamtverkleinerung zu erreichen.
Für die alleinige Miniaturisierung der Abbildungsoptik sei die in der DE 10 2007 042 984 beschriebene mehrkanalige Anordnung angeführt.
Weiterhin sind einkanalige optische Anordnungen zur Beleuchtung wie auch zur Abbildung der Tracking- Surface bekannt. Diese erleiden jedoch durch die fortschreitende Miniaturisierung und die daraus resultierenden kurzen Schnittweiten entsprechende prinzipielle Nachteile.
Probleme entstehen nun bei gegebener Diagonale des Bildsensors bei der Miniaturisierung des optischen Aufbaus , da eine Verkürzung der Baulänge für die äußeren Bildbereiche sehr große Winkel relativ zur optischen Achse der Optik nach sich zieht (umgekehrte Abbildung) und dadurch die Auflösung der Abbildung aufgrund von off-axis Aberrationen und die Helligkeit aufgrund der natürlichen Vignettierung am Bildrand stark verringert wird.
Im gleichen Maße stellt die Verkürzung des bestehenden Aufbaus eine Herausforderung für den Beleuch- tungspfad dar, da eine Verkürzung des Gesamtaufbaus nicht nur eine Verkürzung der die Tracking-Surface abbildenden Optik bedeutet, sondern auch des Objektabstandes. Durch einen geringeren Objektabstand würde bei momentaner Konfiguration die Beleuchtungsstrah- lung in einem sehr flachen Winkel auf die Tracking- Surface einstrahlen, was zu einer inhomogenen Ausleuchtung und verringerter Effizienz (nutzbare Strahlung/emittierte Strahlung) führt. Des Weiteren ist eine große Anzahl von Reflexionen der Beleuchtungs- Strahlung nötig, was zu erhöhter Streuung und Falschlicht führt und somit den Bildkontrast verringert. Ferner begrenzt die Trennung der Abbildungs- und Beleuchtungsoptik eine weitere Miniaturisierung.
Ausgehend hiervon war es Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Vorrichtung zur optischen Navigation bereitzustellen, die die aus dem Stand der Technik bekannten Nachteile beseitigt und eine miniaturisierte Vorrichtung darstellt, die zum einen eine homogene Beleuchtung des abzubildenden Objekts und eine effiziente Abbildung auf den Bildsensor ermöglicht.
Diese Aufgabe wird durch die Vorrichtung zur optischen Navigation mit den Merkmalen des Anspruchs 1 und das Eingabegerät mit den Merkmalen des Anspruchs 23 gelöst. In Anspruch 25 werden erfindungsgemäße Verwendungen angegeben. Die weiteren abhängigen Ansprüche zeigen vorteilhafte Weiterbildungen auf.
Erfindungsgemäß wird eine Vorrichtung zur optischen Navigation bereitgestellt, die in Wafer-Technologie hergestellt ist und folgende Komponenten aufweist:
a) ein Bildsensorarray mit einer Vielzahl von ar- rayartig angeordneten Bildsensoreinheiten mit jeweils mindestens einer lichtempfindlichen Fläche,
b) mindestens ein dem Bildsensorarray zugeordnetes und zwischen einem abzubildenden Objekt und dem Bildsensorarray angeordnetes Mikrolinsenarray, wobei jeder Bildsensoreinheit mindestens eine Mikrolinse zugeordnet ist sowie
c) mindestens eine Strahlungsquelle mit mindestens einer zugehörigen Strahlformungsoptik.
Wesentliches Merkmal dieser Vorrichtung ist es, dass das Bildsensorarray und die mindestens eine Strahlungsquelle gemeinsam auf derselben Trägerstruktur sowie mindestens ein Mikrolinsenarray und mindestens eine Strahlformungsoptik gemeinsam auf demselben optisch transparenten Substrat angeordnet sind.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung zeichnet sich im We- sentlichen dadurch aus, dass
• die mikrooptische Beleuchtungs- und Abbildungsoptik auf einer gemeinsamen Trägerstruktur angeordnet sind, • eine ein- oder mehrkanalige Optik-Anordnung für den Beleuchtungsstrang in die Vorrichtung integ- riert ist,
• eine mehrkanalige Optik-Anordnung im Abbildungs- strang vorliegt und
• eine Integration der mindestens einen Strahlungs- quelle auf derselben elektronischen Leiterplatte oder sogar auf demselben Halbleitersubstratausschnitt wie das Bildsensorarray .
Das Ergebnis dieser Maßnahme ist eine größtmögliche Miniaturisierung des optischen Navigationssensors.
Miniaturisierung bedeutet hier die Verkleinerung des Gesamtvolumens aber vor allem die Realisierung eines sehr dünnen Aufbaus (Aufbauhöhe kleiner 2 mm) . Des Weiteren kann durch die Verwendung von mikrooptischen Herstellungsmethoden im Wafermaßstab, u.a. die parallele Erzeugung von abbildenden Mikrolinsenarrays und strahlformender Optik auf demselben Substratträger, bei entsprechender Stückzahl eine Reduktion der Herstellungskosten erreicht werden. Ein durch die Minia- turisierung erreichter kürzerer Beleuchtungsabstand und der u.U. zusätzlich größere Einfallswinkel sorgen für eine höhere Beleuchtungseffizienz, was somit zu einem größeren Signal-Rausch-Verhältnis oder, bei ge- dimmter Lichtquelle, zu geringerem Stromverbrauch führt. Letzteres ist vor allem in Bezug auf den Einsatz in tragbaren Endgeräten relevant.
Durch die Anordnung von Strahlungsquelle (n) und Detektoren auf einer gemeinsamen Trägerstruktur wird von vornherein eine kleine Grundfläche des optischen Navigationssensors erreicht und es wird völlig neuen substratbasierten Assembliermethoden der Weg bereitet, u.a. durch eine deutlich erhöhte Präzision der relativen Positionen von Beleuchtungsquelle und BiId- sensorarray sowie deren Anordnung mehr oder weniger in einer Ebene. Ein mikrooptisches Modul, d.h. Mikro- linsenarray (s) mit einer oder mehreren zusätzlichen Komponenten, die sich in mindestens einer Eigenschaft, wie z.B. Krümmungsradius, lateralem Durchmesser, Pfeilhöhe, Brennweite, Oberflächenprofil, von den Mikrolinsen unterscheiden, wird auf diese gemeinsame Trägerstruktur aufgesetzt, um einerseits die Beleuchtung der Tracking-Surface und andererseits die Abbildung des an dieser gestreuten oder gebeugten Beleuchtungslichtes zu gewährleisten.
Abbildungsseitig werden die zur Bildsensorkoordinate korrespondierenden Objektteile nicht schief bzw. diagonal durch die Optik übertragen, wie es bei herkömmlichen optischen Navigationssensoren der Fall ist, sondern senkrecht. Korrespondierende Objekt- und
Bildteile liegen sich direkt gegenüber, so dass keine umgekehrte, sondern eine aufrechte Abbildung erzeugt wird. Hier wird jeder Objektteil im Wesentlichen „on- axis", also mit kleinem Einfallswinkel zur jeweiligen optischen Achse, übertragen. Dazu ist eine arrayhafte Abbildung notwendig, bei der jedem mindestens einen Bildpixel seine mindestens eine eigene Mikrolinse zugeordnet wird.
Der Beleuchtungsstrang zeichnet sich vorzugsweise durch folgende Merkmale aus :
• Der Beleuchtungsstrang befindet sich mit der abbildenden Optik auf derselben optisch transparen- ten Trägerstruktur, z.B. einem Ausschnitt aus
Glassubstrat oder Kunststoffabstandsschicht, und besteht aus dem gleichen Material, insbesondere Kunststoff, ORMOCER = anorganisch-organisches Co- polymer, Glas oder deren Verbünde. • Der Beleuchtungsstrang wirkt refraktiv und/oder reflektiv und/oder diffraktiv, um die elektromag- netische Strahlung der Strahlungsquelle (n) möglichst homogen auf die von der abbildenden Optik beobachteten Bereiche der Tracking-Surface zu verteilen. • Einer einzelnen Strahlungsquelle kann eine mehrka- nalige Beleuchtungsoptik zugeordnet sein, d.h. die Beleuchtungsoptik kann auch als Array bzw. Anordnung von gleichförmigen oder unterschiedlichen optischen Bauelementen ausgeprägt sein. • Im Falle mehrerer Strahlungsquellen kann einer der Quellen oder auch einer Anzahl von Strahlungsquellen eine mehrkanalige Beleuchtungsoptik zugeordnet sein.
• Im Falle mehrerer Strahlungsquellen können die von den einzelnen Kanälen der Beleuchtungsoptik beleuchteten Bereiche der Tracking-Surface disjunkt sein oder einander zumindest teilweise überlappen.
• Zwischen der Beleuchtungsoptik und der optisch transparenten Trägerstruktur kann sich eine Aper- turblende bzw. eine Aperturblendenanordnung in geringem axialem Abstand zur Beleuchtungsoptik befinden. Es handelt sich dabei um dieselbe Schicht, die auch für die abbildende Optik eine Aperturblendenanordnung enthalten kann. • Die Aperturblendenanordnung besteht aus einem absorbierenden Material, z.B. Black-Matrix-Polymer, und/oder einem zumindest einseitig reflektierenden Material, z.B. einem Metall, wie Titan, Chrom oder Schwarzchrom oder nanostrukturiertes Silizium (Black Silicon) .
• Zwischen der Beleuchtungsoptik mit zugeordneter Aperturblendenanordnung auf der optisch transparenten Trägerstruktur und dem Halbleitersubstrat - ausschnitt kann sich mindestens eine Blende bzw. Blendenanordnung befinden. Es handelt sich um dieselbe Schicht, in der auch im Abbildungsstrang ei- ne Blendenanordnung ausgeprägt sein kann. Hier dient die Blende bzw. Blendenanordnung zur Einschränkung des Winkelspektrums der elektromagnetischen Strahlung der Strahlungsquelle und insbe- sondere verhindert diese, dass Beleuchtungsstrahlung direkt auf das Bildsensorarray gelangt.
• Die Blendenanordnung besteht aus einem absorbierenden Material, z.B. einem Black-Matrix-Polymer, und/oder einem zumindest einseitig reflektierenden Material, z.B. einem Metall, wie Titan, Chrom oder
Schwarzchrom oder nanostrukturiertes Silizium (Black Silicon) .
• Zwischen dem optisch transparenten Träger mit mindestens einer Blendenanordnung kann sich eine zweite Strahlformungsoptik, z.B. eine Mikrolinse, aus einem optisch transparenten Material, insbesondere Kunststoff, ORMOCER = anorganisch-organisches Co-Polymer und/oder Glas, befinden.
• Diese zweite Strahlformungsoptik kann refraktiv und/oder reflektiv und/oder diffraktiv wirken, um die elektromagnetische Strahlung der Strahlungs- quelle (n) zu kollimieren und/oder abzulenken, so dass sie im Zusammenwirken mit der Beleuchtungsoptik möglichst homogen auf der Tracking-Surface verteilt wird.
• Einer einzelnen Strahlungsquelle kann eine mehrka- nalige, zweite Strahlformungsoptik zugeordnet sein, d.h. die zweite Strahlformungsoptik kann auch als Array oder Anordnung von gleichförmigen oder unterschiedlichen optischen Bauelementen, z.B. als Mikrolinsenarray, ausgeprägt sein.
• Speziell kann aus dem Zusammenwirken einer als Array ausgebildeten Beleuchtungsoptik mit einer als Array ausgebildeten zweiten Strahlformungsoptik mit angepasstem axialem Abstand und evtl. lateralem Versatz der Zentren von der Beleuchtungsoptik und der zweiten Strahlformungsoptik ein Aufbau zur Homogenisierung der Beleuchtungsstrahlung ähnlich dem Prinzip des Wabenkondensors realisiert werden.
• Im Falle mehrerer Strahlungsquellen kann einer der Strahlungsquellen oder auch einer Anzahl von
Strahlungsquellen eine mehrkanalige, zweite Strahlformungsoptik zugeordnet sein.
• Die zweite Strahlformungsoptik kann auch durch eine Abstandshalterschicht aus optisch transparen- tem Material, insbesondere Kunststoff, ORMOCER = anorganisch-organischem Co-Polymer oder Glas, ersetzt sein. Im Falle einer elektrischen Kontaktie- rung des Bildsensors und/oder der Strahlungsquelle (n) durch Bonddrähte ist diese Abstandshalter- schicht von der Abstandshalterschicht des Abbildungsstranges lateral getrennt, befindet sich aber in derselben axialen Lage. Falls eine elektrische Rückseitenkontaktierung (z.B. „ through-Silicon VIAs") des Bildsensors und/oder der Quelle (n) vor- handen ist, kann es sich um dieselbe, lateral verbundene Abstandshalterschicht handeln bzw. es kann auf eine laterale Strukturierung der Abstandshalterschicht verzichtet werden.
• Auf der Rückseite (bild- oder quellenseitig) der zweiten Strahlformungsoptik bzw. Abstandshalterschicht kann sich eine der jeweiligen Strahlungs- quelle zugeordnete Blende bzw. Blendenanordnung befinden. Diese dient der weiteren Einschränkung des Winkelspektrums der elektromagnetischen Strahlung der Strahlungsquelle und speziell zur
Verhinderung, dass Strahlung direkt von den Strahlungsquellen auf den Bildsensor fällt. Diese Blende besteht aus einem absorbierenden Material, z.B. einem Black-Matrix- Polymer , und/oder einem zumin- dest einseitig reflektierenden Material, z.B. einem Metall, wie Titan, Chrom oder Schwarzchrom oder nanostrukturiertes Silizium (Black Silicon) .
• Die Abstandshalterschicht der abbildenden Optik kann sich in ihrer lateralen Ausdehnung und Form der Berandung und des Oberflächenprofils von der zugeordneten Schicht der Beleuchtungsoptik unterscheiden, indem diese z.B. als eine weitere Strahlformungsoptik ausgeprägt ist.
• Die von der Strahlungsquelle emittierte elektromagnetische Strahlung wird durch die Beleuchtungs- optik evtl. im Zusammenspiel mit der zweiten
Strahlformungsoptik auf die von der Abbildungsoptik beobachteten Bereiche der Tracking-Surface verteilt .
• Das BeleuchtungsSchema wird bevorzugt so gestal- tet, dass die Bereiche der Tracking-Surface möglichst homogen beleuchtet werden, d.h. die Strahlungsintensität der Beleuchtung sollte über die Fläche der Tracking-Surface möglichst wenig variieren.
Alle erwähnten Beleuchtungsoptiken, Blendenlagen und Träger- bzw. Abstandshalterschichten haben die Eigenschaft, dass sie mit den jeweiligen Optiken, Blendenanordnungen, Träger- bzw. Abstandshalterschichten der mehrkanaligen Abbildungsoptik lateral in einer
Schicht liegen bzw. als gemeinsame Schicht in der abbildenden und beleuchtenden Optik ausgeprägt sind. Das bedeutet, dass die Blendenanordnungen der abbildenden Optik aus demselben Material beschaffen sind, sich aber in ihrer lateralen Struktur bzw. Eigenschaften, wie z.B. Mittenabstand, Öffnungsdurchmesser, Form der Berandung, unterscheiden können.
Die Abbildungsoptik zeichnet sich vorzugsweise durch die folgenden Merkmale aus: • Jeder Mikrolinse des Mikrolinsenarrays ist mindestens ein Detektor (Pixel) zugeordnet.
• Jede Mikrolinse bildet einen Bereich der Tracking- Surface auf diese mindestens eine Bildsensorein- heit ab, die mindestens so groß ist wie der laterale Abstand der Mikrolinsen. Dies sorgt für eine lückenlose Abtastung der Tracking-Surface, woraus eine 1 : 1 -Abbildung resultiert, während innerhalb eines Kanals der Objektbereich verkleinert auf ei- nen Pixel abgebildet wird.
• Die mehrkanalige Abbildungsoptik kann geneigte (zum Rande hin wachsende) optische Achsen besitzen. Global liegt dann keine 1 : 1-Abbildung mehr vor, da das abgebildete Objektfeld größer als der Bildsensor ist. In diesem Fall muss sichergestellt werden, dass in gewünschtem Arbeitsabstand die den einzelnen optischen Kanäle zugeordneten Objektbereiche gerade aneinander anschließen, d.h. die Kantenlänge des jedem optischen Kanal zugeordneten Objektbereiches ist dann größer als der Abstand der Mikrolinsen.
• Der Objektabstand beträgt für die Anwendung als optische Maus von 0,1 bis 1 mm und allgemein als optischer Navigationssensor von 0 , 1 mm bis einige Meter.
• Die Abbildungsoptik besteht aus mindestens einem Mikrolinsenarray mit zugeordneter Aperturblendenanordnung in geringem axialen Abstand zur optischen Linsenfläche. • Die Aperturblendenanordnung besitzt analoge Eigenschaften wie die Aperturblendenanordnung des Beleuchtungsstranges, da es sich um dieselbe Schicht handelt, jedoch ist im Allgemeinen mindestens eine der lateralen Eigenschaften, wie z.B. Öffnungs- durchmesser, Form der Berandung, zwischen den A- perturblenden, die der Beleuchtungsoptik und je- nen, die der abbildenden Optik zugeordnet sind, verschieden.
• Zwischen dem mindestens einen Mikrolinsenarray mit dessen zugeordneter Aperturblendenanordnung und dem Bildsensorarray auf einem Halbleitersubstratausschnitt befindet sich mindestens eine optisch transparente Trägerstruktur, z.B. ein Ausschnitt aus Glas-Substrat oder Kunststoff-Abstandsschicht .
• Zwischen Trägerstruktur und Detektorenarray kann sich mindestens eine Blendenanordnung zur Unterdrückung von Störlicht sowie optischem Übersprechen, d.h. vom Objekt gestreute und in einem optischen Kanal erfasste Strahlung, die unerwünscht auf einen Detektor eines anderen Abbildungskanals abgebildet wird, befinden. Optional befindet sich auf dieser Blendenanordnung bildseitig eine Ab- standshalterschicht aus einem optisch transparenten Material, z.B. Kunststoff, ORMOCER= anorganisch-organischem Co-Polymer oder Glas. Die bild- seitige Abstandshalterschicht kann, z.B. im Falle von elektrischer Kontaktierung des Bildsensors und/oder der Strahlungsquelle (n) , lateral strukturiert ausgeprägt sein.
• Auf der Rückseite der Abstandshalterschicht kann sich eine Blendenanordnung direkt vor den Detektoren befinden, die zur Einschränkung der photoaktiven Fläche der Detektorelemente und somit ^er Erhöhung der Auflösung dient. Die Blendenanordnung besteht aus einem absorbierenden Material, z.B. einem Black-Matrix-Polymer, und/oder einem zumindest einseitig reflektierenden Material, z.B. einem Metall, wie Titan, Chrom, Schwarzchrom oder nanostrukturiertes Silizium (Black Silicon) .
• Die Abbildungsoptik ist bildseitig zur Bildaufnah- me direkt mit einem Detektorenarray (Bildsensor
Halbleiterausschnitt) verbunden. • Strahlungsquelle und Bildsensor befinden sich mindestens auf derselben Leiterplatte (PCB) bzw. sogar auf demselben Halbleiterausschnitt.
Obwohl die Aperturblenden- und andere Blendenanordnungen der Beleuchtungs- bzw. Abbildungsoptik in derselben Schicht liegen, können sie in beiden oder auch nur in dem einen oder dem anderen Strang bzw. in keinem von beiden ausgebildet sein.
Bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung bildet die einzelne Mikrolinse ein umgekehrtes Bild vom ihr gegenüberliegenden Objektbereich ab. Da die Mikrolinse aber nur auf einen Pixel abbildet, entspricht jeder einer Linse zugeordneter Objektteilbereich genau einem
Bildpunkt. Die aufgenommenen Pixelwerte liefern durch einfaches Aneinanderreihen das entsprechend der Zahl der Linsen im Linsenarray aufgelöste Bild der Tra- cking-Surface .
Am Objektrand übertragen nun jeweils andere Kanäle den Objektpunkt, als in der Objektmitte, es findet sich durch die arrayhafte Fortsetzung aber stets ein Kanal, der den Objektpunkt unter nahezu senkrechtem Einfall überträgt.
Durch eine entsprechend gewählte Zahl und axiale Anordnung von Blendenarrays und entsprechend gewählte Schichtdicken transparenter Zwischenschichten wird ein Übersprechen benachbarter Kanäle, was ansonsten zu Falschlicht und damit zur Reduktion des Signal- Rausch-Verhältnisses führte, weitestgehend unterdrückt. Gleichzeitig soll die Größe und Position der Öffnung allerdings so sein, dass die Vignettierung des gewünschten Nutzlichtes des einzelnen Kanals minimal ist. Bei dem Einsatz von Blendenarrays ist eine genaue laterale Justierung des optischen Kanals (der Mikrolin- se) relativ zu dem oder den korrespondierenden Detek- torpixeln notwendig. Das bedeutet auch, dass die Anordnung der Linsen quadratisch bzw. rechteckig sein muss, wenn die Anordnung der Detektorpixel dementsprechend ist. In dieser Variante sollten die Detektorpixel deutlich kleiner sein, als der Kanalabstand, um eine sinnvolle Auflösung zu erzielen, was zu einem reduzierten Füllfaktor der Detektorpixel in der Bildsensormatrix und einer vergleichsweise reduzierten Lichtstärke führt. Sinnvollerweise sollten dafür nicht dicht gepackte große Photodioden mit kleinen Blenden abgedeckt werden, sondern die Photodioden sollten von vornherein entsprechend klein sein, was auch für das Signal -Rausch-Verhältnis vorteilhaft ist, und der Platz zwischen den Photodioden sollte für elektronische Schaltkreise zur Bildauslese, Sig- naiverStärkung, Erhöhung der Empfindlichkeit, Verbesserung des Signal -Rausch-Verhältnis („correlated double sampling") oder insbesondere Bildvorverarbeitung (Kontrastberechnung, Messung der Kontrastrichtung, Bestimmung der Bildverschiebung (Korrelation) , Detektion von optischem Fluss etc.) genutzt werden.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung lässt sich in Wafer- Technologie herstellen. Dies umfasst die Verbindung mit Bildsensor (Verkleben) , UV-Replikation von PoIy- mer auf Glas, Heißprägen, schichtweiser lithographischer Aufbau auf Bildsensor, Vereinzelung mittels Wa- fersäge, vorteilhafterweise erst nach Fertigstellung des kompletten Schichtaufbaus . Nach Vereinzelung der Module (nur Optik oder gemeinsam mit Bildsensor) müs- sen die Seiten (mit absorbierendem Polymer) geschwärzt werden, um die seitliche Einkopplung von Falschlicht durch die Substratstirnflächen zu vermeiden. Bei Waferscaleverbindung mit dem Bildsensor ist Rückseitenkontaktierung (z.B. through Silicon — Vias) vorteilhaft, da man ansonsten die Optikbereiche klei- ner aussägen muss, als die Bereiche des Bildsensors, um die Bondingpads noch zur Kontaktierung frei zu . halten. Durch podestartige Strukturierung der Spacer- schicht auf den aktiven Bereich des Bildsensors kann man dann aber verhindern, dass beim Sägen der Optik der Bildsensorwafer vorderseitig verletzt wird.
Anhand der nachfolgenden Figuren soll der erfindungs- gemäße Gegenstand näher erläutert werden, ohne diesen auf die hier gezeigten speziellen Ausführungsformen einschränken zu wollen.
Fig. 1 zeigt die Optik einer erfindungsgemäßen Vorrichtung mit lateral abgesetzter Lichtquelle auf einer gemeinsamen Leiterplatte.
Fig. 2 zeigt die Optik einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zur optischen Fingernavigation mit lateral abgesetzter Lichtquelle auf einer gemeinsamen Leiterplatte.
Fig. 3 zeigt die Optik einer erfindungsgemäßen Vorrichtung mit multiplen lateral abgesetzten Lichtquellen auf einer gemeinsamen Leiterplatte.
Fig. 4 zeigt die Optik einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zur optischen Fingernavigation mit lateral abgesetzter Lichtquelle auf einer gemeinsamen Leiterplatte und mit einem zusätzlich für den Beleuchtungsstrang genutzten Deckglas.
Fig. 5 zeigt eine kombinierte Beleuchtungs- und Ab- bildungsoptik der erfindungsgemäßen Vorrichtung mit lateral abgesetzter Lichtquelle auf einer gemeinsamen Leiterplatte .
Fig. 6 zeigt die Optik einer erfindungsgemäßen Vorrichtung mit auf dem Halbleitersubstrat des Bildsensors integrierter Lichtquelle.
Fig. 7 zeigt die Optik einer erfindungsgemäßen Vor- richtung mit auf dem Halbleitersubstrat des Bildsensors integrierter, flächig-ausgeprägter Lichtquelle.
Fig. 8a zeigt eine schematische Aufsicht auf eine flächige Ausprägung der Beleuchtungsquellen und Be- leuchtungsoptik und Fig. 8b zeigt den gleichen schematischen Aufbau mit mikro-strukturierter , d.h. pixe- lierter, elektrisch einzeln ansteuerbarer Beleuchtungsquelle.
Fig. 9 zeigt die Optik einer erfindungsgemäßen Vorrichtung mit auf dem Halbleitersubstrat des Bildsensors in Zwischenpositionen zwischen den Abbildungskanälen integrierten multiplen, mikro-strukturierten Lichtquellen.
Fig. 10 zeigt die Optik einer erfindungsgemäßen Vorrichtung mit zueinander geneigten optischen Achsen und auf dem Halbleitersubstrat des Bildsensors in Zwischenpositionen zwischen den Abbildungskanälen in- tegrierten multiplen, mikro- strukturierten Lichtquellen.
Fig. 11 zeigt die Optik einer erfindungsgemäßen Vorrichtung unter Verwendung einer arrayartigen Anord- nung von Mikroteleskopen, d.h. drei hintereinander liegenden Mikrolinsen in einem Kanal mit zweistufiger Abbildung inkl. Zwischenbild, für den Abbildungs- strang und einer einzelnen Strahlformungsoptik im Beleuchtungsstrang .
Fig. 12 zeigt die Optik einer erfindungsgemäßen Vorrichtung unter Verwendung einer arrayartigen Anordnung von Mikroteleskopen, d.h. drei hintereinander liegende Mikrolinsen in einem Kanal mit zweistufiger Abbildung inkl. Zwischenbild, für den Abbildungs- sträng und einer mehrkanaligen Strahlformungsoptik mit bis zu drei hintereinander liegenden Mikrolinsen- arrays im Beleuchtungsstrang.
Fig. 13 zeigt eine Aufsicht der erfindungsgemäßen Vorrichtung gemäß den Figuren 7 bis 9 anhand von Höhenprofilen der einzelnen Mikrolinsen.
Fig. 1 zeigt eine erfindungsgemäße Variante, bei der sich der Halbleiter Bildsensor 2 mit Detektorpixeln 20 und Lichtquelle 4 (evtl. inklusive Reflektor) auf einem gemeinsamen elektronischen Träger (PCB) 5 befindet, über den die Stromversorgung und der Datentransfer abläuft. Darauf wird die Optik, bestehend aus dem Mikrolinsenarray 3 und der peripher befindli- chen Strahlformungsoptik 26 auf dem gemeinsamen transparenten Träger 21 positioniert. Die Oberfläche des Bildsensors 2 dient dabei als mechanische Referenz (Optik befindet sich in direktem Kontakt mit diesem) . Das Licht der Strahlungsquelle 4 wird durch die Beleuchtungsoptik 26 (optional im Zusammenspiel mit der Strahlformungsoptik 24 λ und/oder evtl . dem Reflektor der gehäusten Lichtquelle) auf einem definierten Bereich der Tracking-Surface 6 verteilt . Das Licht (gezeigt sind Randstrahlen 40) wird dabei mög- liehst homogen auf dem Bereich der Tracking-Surface verteilt. Durch den Versatz der Beleuchtungsoptik 26, 24 x zur Mitte der Quelle 4 kann eine Strahlablenkung in Richtung des beobachteten Bereiches der Tracking- Surface 6 erreicht werden. Der dadurch entstehende flache Einstrahlwinkel erzeugt auch bei inkohärenter Beleuchtung, z.B. LED, ausreichend Kontrast bei der
Streuung des Lichts an der Mikrostruktur der Oberfläche.
Abbildungsseitig ist jedem Pixel der Detektorenanord- nung 20 des Bildsensors 2 eine eigene Mikrolinse aus dem Mikrolinsenarray 3 zugeordnet, die einen Objekt- bereich 60 auf ihn abbildet, dessen Kantenlänge genauso groß ist, wie der Abstand der Mikrolinsen (wichtig für Objektfeldanschluss und somit für eine vollständige Abtastung der Tracking-Surface) . Daraus resultiert global eine 1 : 1-Abbildung, während innerhalb eines Kanals der Objektbereich verkleinert auf einen Pixel abgebildet wird. Der beobachtete Bereich der Tracking-Surface 6 besitzt also mindestens die gleiche Ausdehnung wie die Detektorenanordnung 250. Die jeweiligen Randstrahlen 33, die vom Rand des einer Mikrolinse 30 (bzw. 30 λ für die Nachbarlinse) zugeordneten Bereiches 60 (bzw. 60') der Tracking- Surface reflektiert werden, werden auf den Rand des zugeordneten Pixels abgebildet. Während die Mitte des Bereiches (ersichtlich in Rot 31) auf die Mitte des Pixels abgebildet wird. Der optisch transparente Träger 21 dient einerseits als mechanischer Träger für die mikrooptischen Bauelemente 3, 26 und stellt an- derseits sicher, dass sich die Detektoren 20 in einem entsprechenden axialen Abstand zu dem Mikrolinsenarray 3 befinden, so dass diese eine scharf fokussierte Abbildung des jeweiligen Objektbereiches 60 bzw. 60 v auf den jeweils zugeordneten Detektor erzielen.
Die Aperturblendenanordnung 22 verhindert abbildungs - seitig das Eindringen von Licht in den Bereichen zwischen den einzelnen Linsen (30, 30 v usw.) des Mikro- linsenarrays 3. In ähnlichem Maße verhindert die A- perturblende im Beleuchtungsstrang, dass Licht von der Quelle 4 in eine ungewollte Richtung (z.B. direkt auf die Detektoren des Bildsensors oder von hinten auf das Mikrolinsenarray) abgestrahlt wird (Einschränkung des Abstrahlwinkels) .
Die mindestens eine weitere Blendenanordnung 23 dient abbildungsseitig zur Unterdrückung von Falsch- und Störlicht, wie es z.B. durch optisches Übersprechen verursacht wird. Beleuchtungsseitig dient diese zur Verhinderung, dass Licht direkt von der Quelle 4 auf die Detektoren des Bildsensors gelangt . Optional kann der Blendenanordnung 23 eine Abstandshalterschicht 24 folgen, welche für die Aufbau- und Verbindungstechnik bei der Waferscale-Montage bedeutend ist. Durch sie werden Hohlräume zwischen Sensorwafer und Optikwafer erzeugt, unter denen sich die elektrischen Kontakt- pads des Sensors (und evtl. auch der Beleuchtungsquellen) befinden. Es kann dann zunächst der Optikwafer gesägt werden, um die Hohlräume und die darunter liegenden Pads von vorne zugänglich zu machen, ohne den Sensorwafer zu beschädigen. Liegt jedoch eine
Rückseitenkontaktierung (z.B. „through-Silicon VIAs") des Bildsensors und/oder der Lichtquelle (n) vor, werden diese Kavitäten nicht benötigt, und die Abstands- halterschichten 24 und 24' können dieselbe, lateral verbundene Abstandshalterschicht darstellen bzw. eine laterale Strukturierung der Abstandshalterschicht ist nicht notwendig.
Auf der Rückseite der Abstandshalterschicht 24 kann abbildungsseitig eine Blendenanordnung 25 dazu verwendet werden, die photoaktive Fläche der einzelnen Detektoren 20 weiter einzuschränken, um damit das Auflösungsvermögen zu erhöhen. Die Blendenanordnung 25 ist nicht nötig, wenn die Detektorpixel klein sind. Beleuchtungsseitig kann die Blende bzw. Blen- denanordnung 25 evtl. ebenfalls notwendig sein, um das Winkelspektrum der elektromagnetischen Strahlung der Quelle 4 einzuschränken, insbesondere speziell um zu verhindern, dass Licht von der Quelle direkt auf die Detektoren des Bildsensors gelangt.
Alternativ (s. Fig. 2) kann der menschliche Finger als Tracking-Surface 6 dienen, so dass durch den optischen Navigationssensor die Bewegung des Pingers in eine Bewegung des Cursors umgewandelt wird. Hier ist ein dünnes, optisch transparentes Schutzglas 600 als Auflage für den Finger und zum Schutz des optischen Navigationssensors vor Verunreinigungen notwendig. Dieses wird zwischen Mikrolinsenarray 3 und deren Fokusebene auf der Tracking-Surface 6 positioniert.
Zur Erhöhung der Beleuchtungsstärke und der Ausleuch- tungshomogenität sind auch Ausführungsformen mit multiplen Quellen verwendbar, wie sie z.B. in Fig. 3 dargestellt sind. Diese können auch in einer zweidi- mensionalen Anordnung auf dem Träger PCB 5 verteilt sein.
In der Ausführungsform nach Fig. 4 dient das optisch, transparente Schutzglas 600 gleichzeitig als Licht- leiter. Dabei wird das Beleuchtungslicht aus der (den) Quelle (n) 4 durch die Strahlformungsoptik 26, evtl. im Zusammenspiel mit der zweiten Strahlformungsoptik 24 ' , auf die angeschliffene und verspiegelte Frontseite des Schutzglases 600 λ gelenkt. Dort werden die Lichtstrahlen 40 in eine Richtung senkrecht zu den optischen Achsen der Abbildungskanäle auf die Tra- cking-Surface 6 (hier der menschliche Finger) hin umgelenkt. Das Licht wird innerhalb des Schutzglases 600 durch Totalreflexion an der Ober- und Unterseite desselben geführt, bis diese durch den Kontakt des menschlichen Fingers oder des Trackingobjekts mit dem Schutzglas am Punkt 400 gestört wird. An der Stelle der gestörten Totalreflexion 400 tritt im Objektfeld ein Helligkeitsunterschied im Gegensatz zum beleuchteten, lateralen Umfeld ein, der im Bild durch den mehrkanaligen Abbildungsstrang erfasst wird. Die laterale Verschiebung dieses Helligkeitsunterschiedes zwischen den nacheinander aufgenommenen Bildern liefert die Verschiebung des Fingers bzw. des Trackingobjekts und kann in die Bewegung eines Cursors (u.a.) umgewandelt werden.
Die Ausführungsform nach Fig. 5 benutzt dasselbe Mik- rolinsenarray 3 als Beleuchtungs- und Abbildungsop- tik, d.h. das Element 3 und das Element 26 fallen zusammen) . Hierfür sind die Aperturblendenanordnung 22 sowie die Blendenanordnung 23 zumindest einseitig für das Beleuchtungslicht 40 reflektierend ausgebildet, d.h. sie bestehen bevorzugt aus Metall, insbesondere Chrom oder Titan.
Das Licht der Beleuchtungsquelle 4 wird über den Abstandshalter oder eine dort befindliche Strahlformungsoptik 24 ι , z.B. refraktive oder diffraktive Lin- se (n) in den optisch transparenten Träger 21 eingekoppelt. Die im schrägen Winkel zur Normalen auf dem Träger 5 verlaufende, metallisierte Schicht 22 y lenkt das Beleuchtungslicht um, so dass es zwischen den reflektierenden Schichten 22 und 23 sowie der metalli- sierten Berandung des optisch transparenten Trägers 21 hin und her reflektiert wird. Die Reflexion des Beleuchtungslichtes 40 kann durch direkte Spiegelung an der metallisierten Blendenseite der reflektierenden Schichten 22, 23 und/oder durch Totalreflexion zumindest an der reflektierenden Schicht 22 (oder 22' wenn diese Schicht nicht metallisiert ist) geschehen. Die Blendenschichten 22, 23 besitzen trotz ihrer lokal reflektierenden Eigenschaften transparente Öffnungen innerhalb des Blendenrandes, z.B. unter einer Mikrolinse 30, 30 x. Ferner kann die Schicht der Aper- turblendenanordnung 22 auch objektseitig (oben) absorbierend, z.B. aus einem Black-Matrix- Polymer , und bildseitig (unten) reflektierend, z.B. aus einem Metall, ausgeprägt sein. Umgekehrt kann die Blendenanordnung 23 objektseitig (oben) reflektierend, z.B. aus einem Metall, und bildseitig (unten) absorbierend, z.B. aus einem Black-Matrix-Polymer, ausgeprägt sein. Beides dient dem Zweck einerseits Störlicht zu absorbieren, bevor es die Detektoren erreicht, aber andererseits nutzbares Beleuchtungslicht zu reflek- tieren, damit es auf die Tracking-Surface 6 gelangt.
Der Winkel von 22 λ , die optionale Strahlformungsoptik 24 ' , die Dicke des optisch transparenten Trägers 21 sowie die Größe der Öffnungen der Aperturblendena- nordnung 22 und der Blendenanordnung 23 sind so beschaffen, dass einerseits möglichst viel Beleuchtungslicht 40 objektseitig durch das Mikrolinsenarray 3 auf die Tracking-Surface 6 abgebildet wird und andererseits möglichst wenig Beleuchtungslicht 40 di- rekt auf die Detektoren 20 fällt. Um Letzteres zu unterstützen, kann die Abstandshalterschicht 24 als eine Anordnung von multiplen Abstandshaltern, mit einer jeweiligen Grundfläche die zwischen der Größe der Linsenapertur und der Größe der photoaktiven Detek- torpixelflache liegt, ausgeprägt sein. Die Zwischenräume zwischen benachbarten Abstandshaltern können dann zusätzlich mit einem absorbierenden Polymer, z.B. einem Black-Matrix-Polymer, aufgefüllt sein (senkrechte optische Isolation) .
Charakteristisch kommt es bei dieser Anordnung zu einer mehrkanaligen Beleuchtung mit großen Einfallswinkeln zur Tracking-Surface, so dass die Anordnung bevorzugt (aber nicht notwendigerweise) in Verbindung mit einer kohärenten Lichtquelle, z.B. einer Laserdi- ode, verwendet wird.
In der Ausführungsform nach Fig. 6 sind die Lichtquelle 4 sowie deren elektrische Stromversorgung und zugehörige Regelschaltkreise direkt auf dem Halblei- termaterial des Bildsensors 2 integriert. Dafür können schon im Bildsensordesign entsprechende elektrische Kontakte und Leiterbahnen eingeplant und im CMOS-Prozess der Bildsensorherstellung integriert werden (entspricht einem anwendungsspezifischen in- tegrierten Schaltkreis, kurz ASIC) . Nach der Herstellung des Bildsensors werden dann Vertiefungen in das Halbleitersubstrat, z.B. durch isotropes oder anisotropes Ätzen oder Mikrozerspanung, eingebracht, in denen dann die Quelle positioniert wird. Dadurch ent- steht ein auch lateral sehr kompakter Aufbau des gesamten optischen Navigationssensors.
Die in das Halbleitermaterial eingebrachte Vertiefung kann optional, z.B. durch Glättung oder nachträgli- eher Metallisierung, die Funktion einer Reflektoroptik übernehmen. Durch die Wahl eines geeigneten Bearbeitungsprozesses (gemeint ist die Erzeugung der Vertiefung durch anisotropes und/oder isotropes Ätzen) kann ein spezielles Profil der Reflektorfläche einge- stellt werden, welches im Zusammenwirken mit der Beleuchtungsoptik 26 und evtl. 24 λ eine verbesserte Be- leuchtung der Tracking-Surface 6 gestattet.
Die optische Anordnung kann dann z.B. durch Bonden oder UV-Kleben direkt auf dem Halbleitersubstrataus- schnitt angebracht werden. Die Funktion des optischen Aufbaus ist analog zu der Beschreibung von Fig. 1.
Eine weitere Ausführungsform nach Fig. 7 benutzt direkt auf dem Halbleitermaterial strukturierte Licht- quellen, z.B. anorganische LEDs oder organische LEDs (kurz OLEDs) . Diese Ausführungsform zeigt die Verwendung einer OLED-basierten strukturierten Lichtquelle mit integrierten Photodetektoren auf einem CMOS- Trägersubstrat (auch bekannt als: „ OLED-on- CMOS" oder „bidirektionale Mikrodisplays") . Dabei werden Organische LED(s) als schichtartige Lichtquelle (n) , z.B. durch Aufdampfen, direkt auf dem Halbleitermaterial integriert und durch elektrische Kontakte aus den CMOS-Schaltkreisen betrieben. Diese Lösung stellt eine monolithische Verbindung der Detektoreneinheiten mit den Lichtquellen auf einem Halbleitersubstrat dar.
Vereinfacht beschrieben werden hierfür spezielle elektrische Kontakte mit innerhalb der CMOS- Prozesskette (Design und Herstellung) integriert, auf die dann eine spezielle Metallschicht als oberste Lage („top metal") aufgebracht wird. Diese Schicht dient als untere Elektrode für die im Folgenden darauf ab- geschiedenen OLED-Materialien und gibt somit die Größe einer leuchtenden Quellfläche vor. Diese werden durch eine weitere transparente Elektrodenschicht bedeckt und schließlich verkapselt.
Entsprechende Kompensationsschichten auf dem Bildsensor sorgen dafür, dass keine chemische oder mechani- sehe Mikrobearbeitung des Halbleitermaterials, wie in Fig. 6, notwendig ist.
Ein weiterer Vorteil der technischen Realisierung in Verbindung mit organischen LEDs ist die Möglichkeit, die Beleuchtung über eine ausgedehnte Fläche zu gewährleisten. Eine entsprechende Anordnung ist in schräger Aufsicht in Fig. 8 (links) gezeigt. Um möglichst allseitig einen schrägen Einfallswinkel des Beleuchtungslichtes 40 zu gewährleisten (verstärkt Kontrast der Streuung an der Mikrostruktur der Tra- cking-Surface bei inkohärenter Quelle, ähnlich Dunkelfeldbeleuchtung im Mikroskop) , kann die Quelle und somit auch die Strahlformungsoptik 26, wie in Fig. 8 gezeigt, rahmen- oder ringförmig ausgebildet sein.
Andererseits kann die OLED-Quelle in Fig. 8 (rechts) auch strukturiert sein, z.B. wäre es von Vorteil jede Seite des Beleuchtungsrahmens bzw. einzelne Teile davon einzeln ansteuern zu können. So kann das Objekt u.U. sequentiell nacheinander immer nur von einer
Seite beleuchtet werden. Die vier entstehenden Bilder mit Beleuchtung aus vier verschiedenen Richtungen können bezüglich Bildkontrast verglichen bzw. gewich- tet werden, um die Genauigkeit der Messung der ReIa- tivbewegung zu verbessern.
Da ein Beleuchtungsschema mit von allen Seiten gleichzeitig in flachem Winkel einfallendem Licht bei einer inkohärenten Lichtquelle, z.B. Ringbeleuchtung im Dunkelfeldmodus eines Mikroskops, einer lichtempfindlichen Abbildungsoptik mit langer Belichtungszeit und somit geringer Bildwiederholungsrate bedarf, ist dieses Schema für einen sehr schnellen optischen Navigationssensor (z.B. Maussensor) ungeeignet. Aus diesem Grund können die Quellen seitenweise verzögert die Tracking-Surface 6 beleuchten, so dass in zwei aufeinander folgenden Bildern jeweils nur einseitig beleuchtet wird. Dafür bedarf es einer entsprechend schnellen (elektrischen) Modulation der Lichtquellen. Die mehrfache Erfassung der Relativbewegung mit ver- schiedenen Beleuchtungsrichtungen erhöht die Detekti- onssicherheit vor allem im Falle einer richtungsabhängigen Mikrostruktur der Tracking-Surface 6.
Die in Fig. 9 gezeigte Ausführungsform grenzt sich von den übrigen dadurch ab, dass multiple, flächig- ausgeprägte Lichtquellen (OLEDs) in Zwischenpositionen innerhalb des Detektorenarrays strukturiert sind (Faltung von Detektorenarray des Bildsensors und Lichtquellenanordnung) . In jeder Zwischenposition können sich einzelne Quellen und/oder Arrays von
Quellen 4 befinden. Durch einen Versatz der Zentren ι der einzelnen Lichtquellen 4 zum Zentrum (bzw. den Zentren) der strahlformenden Optik 26 wird ein schräger Beleuchtungswinkel auf die von den Mikrolinsen 3 , 30, 30 λ beobachteten Bereiche der Tracking-Surface 6S realisiert. Durch eine geeignete Beleuchtungsoptik 26 kann z.B. das Licht der jeweils rechten Quelle 40 zur Beleuchtung des jeweils linken und das Licht der jeweils linken Quelle 40' zur Beleuchtung des jeweils rechten Bereiches der Tracking-Surface 6' verwendet werden. Zwar wird die Tracking-Surface in der gezeigten Anordnung nicht lückenlos abgetastet, dennoch wird durch eine geringe Anzahl von Kanälen pro Abtastbereich 6λ ein kleines Teilbild erzeugt, so dass die Bewegung relativ zur Tracking-Surface durch die zeitliche Korrelation der Teilbilder oder andere Auswertverfahren, wie z.B. der Extraktion von optischem Fluss, geschehen kann.
Bei der Verwendung der inkohärenten OLED-Lichtquellen ist eine entsprechende Beleuchtung mit schrägem Ein- fallswinkel zur Tracking-Surface anzustreben, um einen möglichst großen Kontrast des an der Mikrostruktur gestreuten Beleuchtungslichts zu erhalten.
Fig. 10 soll die Verwendung von zueinander geneigten optischen Achsen 31 v der benachbarten abbildenden Kanäle verdeutlichen. Um dies zu erreichen, nimmt der Mittenabstand der Einzelelemente (Mikrolinse, Aperturblende, Blende usw.) im Array von der Bildebene aus stetig zu. D.h. der Mittenabstand benachbarter
Detektorelemente 20 ist kleiner als der Mittenabstand der Blenden des AbbildungsStranges der Blendenanordnung 23. Dieser ist wiederum kleiner als der Mittenabstand der Aperturblenden 22 und dieser ist schließ- lieh kleiner als der Mittenabstand der Mikrolinsen 30 und 30*. Die axiale Variation der Mittenabstände ist so ausgeführt, dass die von jedem Array von zusammenhängenden Abbildungskanälen beobachteten Teilstücke der Tracking-Surface 6X aneinander anschließen und somit eine lückenlose Abtastung der Letzten entsteht. Die Verwendung von zueinander geneigten optischen Achsen der Abbildungskanäle kann auch in den Figuren 1 bis 6 Verwendung finden, um einen Bereich der Tracking-Surface 6 abzubilden, der lateral größer ist als der Bildsensor bzw. die Detektorenanordnung 20.
In der Anordnung werden multiple, flächig-ausgeprägte Lichtquellen (OLEDs) in Zwischenpositionen innerhalb des Detektorenarrays strukturiert (Faltung von Detek- torenarray des Bildsensors und Lichtquellenanordnung) . In jeder Zwischenposition können sich wieder einzelne Quellen und/oder Arrays von Quellen 4 befinden. Die Beleuchtungsoptik 26 ist so beschaffen, dass die von den Lichtquellen 4 mit einem gegebenem Win- kelspektrum emittierte Strahlung durch 26 auf einen Bereich, der genauso groß ist wie der von einem Seg- raent des Mikrolinsenarrays beobachtete Bereich der Tracking-Surface 6', möglichst homogen verteilt wird. Der durch eine Quellenanordnung 4 beleuchtete Bereich der Tracking-Surface kann dabei gegen den von einem Segment des Mikrolinsenarrays beobachteten Bereich der TrackingSurface 6" um den halben Durchmesser lateral verschoben sein. Eine lückenlose Beleuchtung der ausgedehnten Tracking-Surface 6 ist durch das Anknüpfen der Beleuchtungsfelder der benachbarten Quel- lenanordnungen 4 gewährleistet.
Eine weitere Ausführungsform zeigt Fig. 11. Zur Erhöhung der Lichtempfindlichkeit soll speziell auch die Verwendung mehrerer (dicht gepackter) Detektorpixel innerhalb des Fußabdrucks der Mikrolinsen erlaubt sein. Dafür sind Gruppen von Pixeln mit kleinem Mittenabstand im Fußabdruck der einzelnen Mikrolinsen nötig, wobei die Gruppenzentren einen deutlich größeren Mittenabstand (vergleichbar mit denen der Mikro- linsen) aufweisen.
In dieser Ausführung wird in jedem Einzelkanal nicht nur ein Pixel, sondern ein aus wenigen Pixeln bestehendes, gering-aufgelöstes, seitenverkehrtes und auf dem Kopf stehendes Bild ausgelesen. Um aus den vielen pro Kanal erhaltenen Teilbildern ein Gesamtbild zu machen, muss jedes Teilbild an seinen Hauptachsen (x, y) gespiegelt werden. Dies kann hardwarenah in derselben logischen Schaltung oder einem Signalprozessor (z.B. ASIC, FPGA) geschehen, in dem auch die Berechnung der Relativverschiebung anhand der Korrelation der nacheinander aufgenommenen Gesamtbilder des Sensors stattfindet.
In dieser Ausführungsform ist es vorteilhaft, die Unterdrückung von optischem Übersprechen durch senk- rechte Trennwände, die zumindest teilweise durch den axialen Zwischenraum zwischen den einzelnen Kanälen verlaufen, zu gewährleisten. Der Grund dafür: Die zuvor beschriebenen horizontalen Blendenlagen müssten bei der Aufnahme eines kleinen Bildes pro Kanal einen größeren Durchmesser für die einzelnen Öffnungen aufweisen, was einer Blockung der Bündel des optischen Übersprechens, die in schrägem Winkel durch das System laufen, entgegen wirkt.
Axial (zumindest teilweise) senkrecht verlaufende Trennwände werden dadurch erreicht, dass der optisch transparente Träger durch einen deutlich dünneren optisch transparenten Träger ersetzt wird auf dessen Rückseite axial dicke/tiefe Abstandshalterpodeste bzw. —säulen aus Polymer, z.B. SU8 , oder Kunststoff abgeformt sind. Die zwischen den Abstandshalterpodeste bzw. —säulen befindlichen Gräben sind mit einem absorbierenden Material, z.B. einem Black-Matrix- Polymer, verfüllt.
Der laterale Teil des Trägers, auf dem sich die Beleuchtungsoptik befindet, kann in diesem Fall ebenso beschaffen sein, wobei hier nur eine äußere senkrech- te Trennwand nötig ist, die zur Abschirmung des Abbildungsteils vom direkten eingestrahlten Licht der Quelle dient. Das Podest wird also an dieser Stelle mit einer lateralen Ausdehnung erzeugt, die der maximalen Ausdehnung des Beleuchtungsstrahlengangs ent- spricht.
Auf der Rückseite dieses Schichtaufbaus kann sich (zur Erhöhung der Auflösung im Falle relativ großer Detektorpixel) wieder die Blendenanordnung mit den schon genannten Eigenschaften befinden. Weitere Ausführungsformen ergeben sich durch die Verwendung einer zweiten Anordnung für die mehrkanalige Abbildungsoptik, in welcher mindestens zwei, vorteil- hafterweise drei Mikrolinsenarrays, axial hinterein- ander gestellt sind. Vorteil dieser Anordnung ist die erhöhte Lichtempfindlichkeit des AbbildungsStranges, welche durch die gezielte, bildseitige Überlagerung einzelner Lichtbündel aus dem Objektraum 110, 120, 130) (Superposition) erreicht wird. Dadurch erhöht sich die Baulänge des optischen Navigationssensors, so dass das System nicht mehr die axiale Länge kleiner 2 mm, sondern eine axiale Länge < 3 mm, von der Oberkante des Bildsensors 2 bis zur Tracking-Surface 6 aufweist.
In Fig. 11 ist die bereits von Fig. 6 bekannte Anordnung des Abbildungsstranges durch ein mehrkanaliges Mikroobjektiv mit drei hintereinander liegenden Mikrolinsenarrays ersetzt. Eine einzelne einkanalige oder mehrkanalige Beleuchtungsoptik 26 wird verwendet, um das Licht 40 der auf dem Halbleitersubstrat 2 integrierten Lichtquelle 4 auf dem beobachteten Bereich der Tracking-Surface 6 zu verteilen. Die Beleuchtungsoptik 26 kann hier wieder refraktiv und/oder diffraktiv und/oder reflektiv wirken. Optional kann dafür zusätzlich die Vertiefung im Halbleitermaterial 2, in der die Lichtquelle 4 montiert ist, als Reflektor ausgeprägt sein. Somit wird auch in großem Winkel zur Seite abgestrahltes Licht der Quel- Ie 4 für die Beleuchtung der Tracking-Surface 6 nutzbar (siehe Strahlengang von 40 λ) . Letzteres ist vor allem bei der Verwendung von LEDs als Lichtquellen sinnvoll .
Die Aperturblendenanordnung 22 ist in diesem Fall einzig beleuchtungsseitig ausgeprägt, um zu verhin- dem, dass direktes Beleuchtungslicht schräg in die Abbildungsoptik und dann in Richtung des Bildsensor- arrays 20 gelangt.
Eine weitere Ausführungsform nach Fig. 12 benutzt auch beleuchtungsseitig mindestens zwei (bzw. drei) hintereinander liegende einzelkanalige bzw. mehrkana- lige Strahlformungsoptiken 26, 26 v 26". Im Falle von axial gestapelten mehrkanaligen Strahlformungsopti- ken, z.B. Mikrolinsenarrays, sind die einzelnen Anordnungen 26, 26 x oder 26" mit zunehmendem Abstand von der Lichtquelle 4 gegenüber dieser in Richtung der Mitte der zu beleuchtenden Tracking-Surface 6 versetzt. Dieser Versatz ist notwendig, um eine ent- sprechende Ablenkung der Beleuchtungsstrahlen 40, 40 v zur Tracking-Surface 6 hin zu gewährleisten. Durch die Verwendung einer Mehrzahl von Kanälen wird gleichzeitig eine Homogenisierung der Beleuchtungs- strahlung bei möglichst kompakter Bauform erzielt. Die von jeder Mikrolinse des objektseitigen Arrays 26 ausgehenden, divergenten Bündel überlagern sich auf der Tracking-Surface 6, so dass die Vielzahl der ü- berlappenden Lichtfeider eine homogene Lichtverteilung erzeugt .
Die Mikrolinsenarrays 26, 26 v und 26" können sich untereinander und auch im Vergleich zu den abbildenden Mikrolinsenarrays 3, 3λ und 3" in mindestens einer Eigenschaft unterscheiden.
Die lichtundurchlässige Abstandshalterschicht 34 dient im Abbildungsstrang zur Verhinderung von optischem Übersprechen und ist im Beleuchtungsstrahlengang nicht nötig, so dass im Beleuchtungsstrang nur am lateralen Rand der Träger 21 v und 21 eine lichtundurchlässige Abstandshaltersäule (340) als mechani- scher Auflagerahmen für den optisch transparenten Träger 21 λ und die darauf auf Front- und Rückseite befindlichen Mikrolinsen 26, 26 x notwendig ist.
Die Aperturblendenanordnung 22 ist hier wieder nur beleuchtungsseitig ausgeprägt, um zu verhindern, dass direktes Beleuchtungslicht schräg in die Abbildungsoptik und dann in Richtung des Bildsensorarrays 20 gelangt .
Die in Fig. 13 dargestellte Aufsicht betrifft die Ausführungsformen gemäß den Figuren 7 bis 9. Die hier dargestellten Höhenprofile der Mikrolinsen 1 sind jeweils durch konzentrische Kreise dargestellt . Im vor- liegenden Fall sind die Mikrolinsen für die Abbildung auf dem jeweiligen Sensorpixel gleich groß wie jene der Strahlformungsoptik. Weiterhin weist die erfindungsgemäße Vorrichtung Detektorpixel 2 und unabhängig voneinander ansteuerbare Strahlungsquellen 3, z.B. OLED-Pixel auf. Letztere sind ebenfalls auf der Detektorebene unterhalb der Mikrolinsenebene angeordnet. Der Versatz der Zentren der Mikrolinsen der Strahlformungsoptik erzielt einen schrägen Einfallswinkel des Lichts der Quellen durch diese auf die Tracking- Fläche .

Claims

Patentansprüche
1. Vorrichtung zur optischen Navigation, hergestellt in Wafer-Technologie, mit
a) einem Bildsensorarray (2) mit einer Vielzahl von arrayartig angeordneten Bildsensoreinheiten (20, 20') mit jeweils mindestens einer lichtempfindlichen Fläche, b) mindestens einem dem Bildsensorarray (2) zugeordneten und zwischen einem abzubildenden Objekt (6) und dem Bildsensorarray (2) angeordneten Mikrolinsenarray (3, 3', 3"), wobei jeder Bildsensoreinheit (20) mindestens eine Mikrolinse (30) zugeordnet ist sowie c) mindestens eine Strahlungsquelle (4) mit mindestens einer zugehörigen Strahlformungsoptik (26),
d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t ,
dass das Bildsensorarray (2) und die mindestens eine Strahlungsquelle (4) gemeinsam auf dersel- ben Trägerstruktur (5) sowie mindestens ein Mikrolinsenarray (3, 3', 3") und mindestens eine Strahlformungsoptik (26) gemeinsam auf demselben optisch transparenten Substrat (21) angeordnet sind.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Trägerstruktur (5) eine Leiterplatte und/oder ein Halbleiter- Substrat ist .
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Strahlungsquelle (4) ausgewählt ist aus der Gruppe bestehend aus Leuchtdioden, organische Leuchtdioden, Laserdioden oder Kombinationen hiervon.
4. Vorrichtung nach dem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass die Strahlungsquellen unabhängig voneinander elektrisch ansteuerbar sind.
5. Vorrichtung nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass anorganische oder organische Leuchtdioden als schichtartige Strahlungsquelle (n) auf dem Halbleitersubstrat des Bildsensors integriert ist (sind) und ihre elektrischen Ansteuerungsschaltkreise durch die
CMOS -Technologie des Bildsensors bereitgestellt werden .
6. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden An- Sprüche, dadurch gekennzeichnet, dass durch die Strahl- formungsoptik (26) eine homogene Verteilung der Strahlung der Strahlungsquelle (4) auf das abzubildende Objekt durch Refraktion, Diffraktion, Reflexion und/oder frustrierte Totalreflexion erfolgt .
7. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Strahlformungs- optik (26) mehrere optische Kanäle aufweist, die insbesondere arrayartig aufgebaut sind.
8. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen dem op- tisch transparenten Substrat (21) und Mikrolin- senarray (3, 3', 3") bzw. Strahlformungsoptik (26) mindestens eine Aperturblendenlage (22) angeordnet ist, die im Bereich des Mikrolinsenar- rays (3, 3', 3") das Eindringen von Strahlung zwischen den Mikrolinsen (30, 30') des Mikrolin- senarrays (3, 3', 3") verhindert und im Bereich der Strahlformungsoptik (26) eine Einschränkung des Abstrahlwinkels der aus der Strahlungsquelle (4) austretenden Strahlung ermöglicht.
9. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass auf der dem Mikro- linsenarray (3, 3', 3") abgewandten Seite des optisch transparenten Substrats (21) mindestens eine Blendelage (23) angeordnet ist, die im Bereich des Mikrolinsenarrays (3, 3', 3'') ein optisches Übersprechen zwischen den einzelnen optischen Kanälen des Bildsensorarrays (2) unter- drückt und im Bereich der Strahlformungsoptik
(26) verhindert, dass Strahlung der Strahlungsquelle (4) unmittelbar auf die lichtempfindlichen Flächen der Bildsensoreinheiten (20, 20') gelangt.
10. Vorrichtung nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Aperturblendenlage (22) und/oder die Blendenlage (23) aus einem absorbierenden oder einem zumindest ein- seitig reflektierenden Material besteht.
11. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche , dadurch gekennzeichnet, dass die Mikrolinsen (30, 30') derart zur jeweilig zugehörigen Bildsensoreinheit ausgerichtet sind, dass die Verbindungslinien zwischen Linsenscheitelpunkt und der Mitte der jeweilig zugehörigen Bildsensoreinheit zwischen benachbarten optischen Kanälen parallel verlaufen.
12. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche , dadurch gekennzeichnet, dass die Mikrolinsen (30, 30') derart zur jeweilig zugehörigen Bildsensoreinheit ausgerichtet sind, dass die Verbindungslinien zwischen Linsenscheitelpunkt und der Mitte der jeweilig zugehörigen Bildsensoreinheit im Zentrum des Bildsensorarrays (2) senkrecht auf der mindestens einen zugeordneten lichtempfindlichen Fläche stehen und vom Zentrum zu einem Rand hin die optischen Achsen der Mikrolinsen zunehmend schräg auf der zugeordneten lichtempfindlichen Fläche stehen.
13. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens eine Mikrolinse (30, 30') mindestens einen Teil der Strahlformungsoptik (26) darstellt, wobei auch die abbildende Funktion der Mikrolinse erhalten bleibt.
14. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden An- sprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Mikro- linsen (30) derart ausgebildet sind, dass ein auf einer ersten Bildsensoreinheit abgebildeter Objektausschnitt (60) von einem auf einer zweiten Bildsensoreinheit abgebildeten Objektaus- schnitt (60') disjunkt ist.
15. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche , dadurch gekennzeichnet, dass eine Bildsensorein- heit (20) genau eine lichtempfindliche Fläche aufweist und genau einer Mikrolinse (30) zugeordnet ist, wobei die optische Achse im Wesentlichen senkrecht auf der lichtempfindlichen Fläche steht.
16. Vorrichtung zur optischen Navigation nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die einzelnen optischen Kanäle zwischen Bildsensoreinheit und Mikrolinse op- tisch isoliert sind.
17. Vorrichtung zur optischen Navigation nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das mindestens eine Mikrolinsen- array (3, 3 ' , 3 ' ' ) bzw. die Strahlformungsoptik
(26) zumindest bereichsweise über Abstandshalter mit dem Bildsensorarray (2) verbunden sind.
18. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass auf der vom Bildsensorarray (2) abgewandten Seite des Mikrolinsenarrays (3, 3', 3") mindestens eine optisch transparente Schutzscheibe angeordnet ist.
19. Vorrichtung nach dem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass die Schutzscheibe aus Glas oder einem optisch transparenten Polymer besteht.
20. Vorrichtung nach Anspruch 16 oder 17, dadurch gekennzeichnet, dass die Schutzscheibe durch interne Totalreflexion als Lichtleiter fungiert .
21. Vorrichtung zur optischen Navigation nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekenn- zeichnet, dass das Bildsensorarray (2) eine Flächenausdehnung von 0,25 μm2 bis 10 mm2 besitzt.
22. Vorrichtung zur optischen Navigation nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekenn- zeichnet, dass das Bildsensorarray (2) von 100 bis 10.000, insbesondere von 100 bis 1.000 Bildsensoreinheiten aufweist.
23. Eingabegerät für eine Datenverarbeitungsanlage, insbesondere portable Systeme wie Mobiltelefone,
PDA' s, Laptop oder Handheld, dadurch gekennzeichnet, dass eine Vorrichtung zur optischen Navigation nach einem der vorher- gehenden Ansprüche vorhanden ist.
24. Eingabegerät nach dem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass das Eingabegerät eine Computermaus , eine Fernbedienung oder eine Konsolensteuerungsvorrichtung ist .
25. Verwendung einer Vorrichtung zur optischen Navigation nach einem der Ansprüche 1 bis 17 zur Steuerung eines Cursors auf einem Bildausgabegerät mittels einer relativen Bewegung zwischen Bildsensor und abzubildendem Objekt oder im Bereich der Fingernavigation.
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Cited By (13)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
GB2485994A (en) * 2010-11-30 2012-06-06 St Microelectronics Res & Dev Navigation device using a Single Photon Avalanche Diode (SPAD) detector
US20120199728A1 (en) * 2011-02-03 2012-08-09 Avago Technologies Ecbu Ip (Singapore) Pte. Ltd. Compact optical finger navigation system with illumination via redirection surface holes
WO2012173640A1 (en) * 2011-06-16 2012-12-20 Cypress Semiconductor Corporaton An optical navigation module with capacitive sensor
US8400409B1 (en) 2007-07-10 2013-03-19 Cypress Semiconductor Corporation User interface devices, methods, and computer readable media for sensing movement of an actuator across a surface of a window
WO2013010284A3 (en) * 2011-07-19 2013-07-18 Heptagon Micro Optics Pte. Ltd. Opto -electronic modules and methods of manufacturing the same
US8669940B1 (en) 2008-01-22 2014-03-11 Cypress Semiconductor Corporation Optical navigation system using a single-package motion sensor
US8749765B2 (en) 2010-11-30 2014-06-10 Stmicroelectronics (Research & Development) Limited Application using a single photon avalanche diode (SPAD)
US8922866B2 (en) 2012-01-23 2014-12-30 Fraunhofer-Gesellschaft Zur Foerderung Der Angewandten Forschung E.V. Optics arrangement and method for optical sampling of an object plane comprising a multi-channel imaging system
US9238393B2 (en) 2011-09-14 2016-01-19 Stmicroelectronics (Research & Development) Limited System and method for monitoring vibration isolators
US9619047B2 (en) 2010-10-26 2017-04-11 Pixart Imaging Inc. Optical finger navigation device
US10085310B2 (en) 2010-11-30 2018-09-25 Stmicroelectronics (Research & Development) Limited Application using a single photon avalanche diode (SPAD)
JP2019519922A (ja) * 2016-05-25 2019-07-11 ヴイカンシー （ベイジン） テクノロジー カンパニー リミテッド 撮像素子、画像取得装置、指紋取得装置および表示装置
CN110472618A (zh) * 2018-08-31 2019-11-19 苏州麦美特科技有限公司 屏下指纹认证用的传感器模块及屏下指纹认证装置

Families Citing this family (27)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR101632311B1 (ko) * 2010-12-30 2016-06-22 삼성전자주식회사 패널 형태의 면 카메라, 이를 적용한 광 터치스크린 및 디스플레이 장치
US20130135188A1 (en) * 2011-11-30 2013-05-30 Qualcomm Mems Technologies, Inc. Gesture-responsive user interface for an electronic device
DE102012013685A1 (de) * 2012-07-11 2014-01-16 Oerlikon Trading Ag, Trübbach Beschichtete Komponente
DE102013106105A1 (de) * 2013-06-12 2014-12-31 Dan Hossu Verfahren zur optischen Erfassung eines Fingerabdrucks oder eines Gegenstandes und Vorrichtung mit mindestens einem Bildschirm
DE102014212104A1 (de) 2014-06-24 2015-12-24 Fraunhofer-Gesellschaft zur Förderung der angewandten Forschung e.V. Vorrichtung und verfahren zur relativen positionierung einer multiaperturoptik mit mehreren optischen kanälen relativ zu einem bildsensor
JP6320870B2 (ja) * 2014-07-31 2018-05-09 株式会社東芝 顕微撮影装置を用いた観察方法
US9774770B2 (en) * 2014-10-31 2017-09-26 Everready Precision Ind. Corp. Optical apparatus
DE102015104208A1 (de) * 2015-03-20 2016-09-22 Osram Opto Semiconductors Gmbh Sensorvorrichtung
US10169630B2 (en) 2015-12-03 2019-01-01 Synaptics Incorporated Optical sensor for integration over a display backplane
US10176355B2 (en) 2015-12-03 2019-01-08 Synaptics Incorporated Optical sensor for integration in a display
US9934418B2 (en) * 2015-12-03 2018-04-03 Synaptics Incorporated Display integrated optical fingerprint sensor with angle limiting reflector
US10115000B2 (en) 2015-12-11 2018-10-30 Synaptics Incorporated Method and system for optical imaging using patterned illumination
US10074005B2 (en) * 2016-06-10 2018-09-11 Hewlett Packard Enterprise Development Lp Vascular pattern detection systems
US9911890B2 (en) * 2016-06-30 2018-03-06 Stmicroelectronics Pte Ltd Optical sensor package including a cavity formed in an image sensor die
CN106356395B (zh) * 2016-11-23 2019-01-18 信利（惠州）智能显示有限公司 一种oled成像装置及制备方法
CN106648264B (zh) * 2017-01-05 2020-06-16 京东方科技集团股份有限公司 一种光学压力触控器件及制备方法、触控显示装置
US10918322B2 (en) 2017-02-13 2021-02-16 Apple Inc. Light restriction designs in optical sensing applications having shared windows
KR102057568B1 (ko) * 2017-08-17 2019-12-19 주식회사 하이딥 지문인식센서가 결합된 디스플레이 장치
JP7000829B2 (ja) * 2017-12-11 2022-02-04 セイコーエプソン株式会社 光射出装置および画像表示システム
KR102491855B1 (ko) * 2017-12-11 2023-01-26 삼성전자주식회사 3d 지문센서 소자 및 이를 포함하는 전자 장치
FR3077647B1 (fr) * 2018-02-07 2020-01-17 Idemia Identity And Security Element optique monobloc a diaphragme
US10756228B2 (en) * 2018-04-30 2020-08-25 Stmicroelectronics (Research & Development) Limited Optical sensor and method of manufacture
US20190355110A1 (en) * 2018-05-15 2019-11-21 Camtek Ltd. Cross talk reduction
US11432410B2 (en) * 2019-12-05 2022-08-30 Samsung Electronics Co., Ltd. Portable communication device including display
WO2021205248A1 (en) * 2020-04-08 2021-10-14 3M Innovative Properties Company Optical systems including collimating films
CN113743152B (zh) * 2020-05-27 2024-04-16 京东方科技集团股份有限公司 纹路识别装置
DE102020207302A1 (de) 2020-06-10 2021-12-16 Fraunhofer-Gesellschaft zur Förderung der angewandten Forschung eingetragener Verein Vorrichtung und Verfahren zur Aufnahme eines projizierten Punktmusters in einer Anzeigevorrichtung

Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2003283932A (ja) * 2002-03-25 2003-10-03 Japan Science & Technology Corp 複眼画像入力装置
US20040084610A1 (en) * 2002-11-01 2004-05-06 Leong Ak Wing Optical navigation sensor with integrated lens
GB2400714A (en) * 2003-04-18 2004-10-20 Agilent Technologies Inc Combined optical fingerprint recogniser and navigation control
US20060033114A1 (en) * 2004-08-13 2006-02-16 Schranz Paul S Light emitting and imaging sensing device and apparatus
DE102007042984A1 (de) 2007-09-10 2009-03-12 Fraunhofer-Gesellschaft zur Förderung der angewandten Forschung e.V. Vorrichtung zur optischen Navigation

Family Cites Families (17)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US5942761A (en) * 1995-06-07 1999-08-24 Tuli; Raja Singh Enhancement methods and devices for reading a fingerprint image
KR100472866B1 (ko) * 1996-02-23 2005-10-06 에이에스엠엘 네델란즈 비.브이. 광학적장치용조명유닛
US6043481A (en) * 1997-04-30 2000-03-28 Hewlett-Packard Company Optoelectronic array device having a light transmissive spacer layer with a ridged pattern and method of making same
US6643390B1 (en) * 2000-04-19 2003-11-04 Polaroid Corporation Compact fingerprint identification device
US7158659B2 (en) * 2003-04-18 2007-01-02 Avago Technologies Ecbu Ip (Singapore) Pte. Ltd. System and method for multiplexing illumination in combined finger recognition and finger navigation module
US7274808B2 (en) * 2003-04-18 2007-09-25 Avago Technologies Ecbu Ip (Singapore)Pte Ltd Imaging system and apparatus for combining finger recognition and finger navigation
US7521719B2 (en) 2004-08-13 2009-04-21 Paul Steven Schranz Light emitting and image sensing device and apparatus
US7244925B2 (en) * 2005-03-21 2007-07-17 Avago Technologies Ecbu Ip (Singapore) Pte. Ltd Compact and low profile optical navigation device
US7187502B2 (en) * 2005-06-09 2007-03-06 Microalign Techologies, Inc. Compact optical assembly for imaging a remote object
US20070057929A1 (en) * 2005-09-13 2007-03-15 Tong Xie Navigation device with a contoured region that provides tactile feedback
US7654459B2 (en) * 2005-11-14 2010-02-02 Avago Technologies Ecbu Ip (Singapore) Pte. Ltd. Method of capturing user control inputs
US8917235B2 (en) * 2005-11-14 2014-12-23 Avago Technologies General Ip (Singapore) Pte. Ltd. User control input device
US7715016B2 (en) * 2005-12-15 2010-05-11 Chung Shan Institute Of Science And Technology Image invariant optical speckle capturing device and method
DE102006004802B4 (de) * 2006-01-23 2008-09-25 Fraunhofer-Gesellschaft zur Förderung der angewandten Forschung e.V. Bilderfassungssystem und Verfahren zur Herstellung mindestens eines Bilderfassungssystems
US7557338B2 (en) * 2006-03-14 2009-07-07 Avago Technologies General Ip (Singapore) Pte. Ltd. Electronic device with integrated optical navigation module and microlens array therefore
US7839388B2 (en) * 2006-05-09 2010-11-23 Avago Technologies Ecbu Ip (Singapore) Pte. Ltd. Optical navigation system and method for reducing the power consumption of the system
US8180119B2 (en) * 2006-12-04 2012-05-15 Sony Corporation Imaging apparatus and imaging method

Patent Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2003283932A (ja) * 2002-03-25 2003-10-03 Japan Science & Technology Corp 複眼画像入力装置
US20040084610A1 (en) * 2002-11-01 2004-05-06 Leong Ak Wing Optical navigation sensor with integrated lens
GB2400714A (en) * 2003-04-18 2004-10-20 Agilent Technologies Inc Combined optical fingerprint recogniser and navigation control
US20060033114A1 (en) * 2004-08-13 2006-02-16 Schranz Paul S Light emitting and imaging sensing device and apparatus
DE102007042984A1 (de) 2007-09-10 2009-03-12 Fraunhofer-Gesellschaft zur Förderung der angewandten Forschung e.V. Vorrichtung zur optischen Navigation

Cited By (28)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US8400409B1 (en) 2007-07-10 2013-03-19 Cypress Semiconductor Corporation User interface devices, methods, and computer readable media for sensing movement of an actuator across a surface of a window
US8669940B1 (en) 2008-01-22 2014-03-11 Cypress Semiconductor Corporation Optical navigation system using a single-package motion sensor
US9619047B2 (en) 2010-10-26 2017-04-11 Pixart Imaging Inc. Optical finger navigation device
US8749765B2 (en) 2010-11-30 2014-06-10 Stmicroelectronics (Research & Development) Limited Application using a single photon avalanche diode (SPAD)
US10085310B2 (en) 2010-11-30 2018-09-25 Stmicroelectronics (Research & Development) Limited Application using a single photon avalanche diode (SPAD)
GB2485994A (en) * 2010-11-30 2012-06-06 St Microelectronics Res & Dev Navigation device using a Single Photon Avalanche Diode (SPAD) detector
US9058081B2 (en) 2010-11-30 2015-06-16 Stmicroelectronics (Research & Development) Limited Application using a single photon avalanche diode (SPAD)
US20120199728A1 (en) * 2011-02-03 2012-08-09 Avago Technologies Ecbu Ip (Singapore) Pte. Ltd. Compact optical finger navigation system with illumination via redirection surface holes
US9104268B2 (en) * 2011-02-03 2015-08-11 Avago Technologies General Ip (Singapore) Pte. Ltd. Compact optical finger navigation system with illumination via redirection surface holes
CN102959494B (zh) * 2011-06-16 2017-05-17 赛普拉斯半导体公司 具有电容式传感器的光学导航模块
CN102959494A (zh) * 2011-06-16 2013-03-06 赛普拉斯半导体公司 具有电容式传感器的光学导航模块
WO2012173640A1 (en) * 2011-06-16 2012-12-20 Cypress Semiconductor Corporaton An optical navigation module with capacitive sensor
CN103620779B (zh) * 2011-07-19 2016-12-28 赫普塔冈微光有限公司 光电模块及其制造方法
US9966493B2 (en) 2011-07-19 2018-05-08 Heptagon Micro Optics Pte. Ltd. Opto-electronic modules and methods of manufacturing the same and appliances and devices comprising the same
CN103512595A (zh) * 2011-07-19 2014-01-15 赫普塔冈微光有限公司 光电模块及其制造方法与包含光电模块的电器及装置
US11005001B2 (en) 2011-07-19 2021-05-11 Ams Sensors Singapore Pte. Ltd. Opto-electronic modules and methods of manufacturing the same and appliances and devices comprising the same
CN103512595B (zh) * 2011-07-19 2016-08-10 赫普塔冈微光有限公司 光电模块及其制造方法与包含光电模块的电器及装置
TWI557885B (zh) * 2011-07-19 2016-11-11 新加坡恒立私人有限公司 光電模組及其製造方法以及包含其的設備與裝置
KR20140070532A (ko) * 2011-07-19 2014-06-10 헵타곤 마이크로 옵틱스 피티이. 리미티드 광전 모듈들 및 그 제조 방법들
KR102123128B1 (ko) * 2011-07-19 2020-06-16 헵타곤 마이크로 옵틱스 피티이. 리미티드 광전 모듈들 및 그 제조 방법들
WO2013010284A3 (en) * 2011-07-19 2013-07-18 Heptagon Micro Optics Pte. Ltd. Opto -electronic modules and methods of manufacturing the same
JP2014521226A (ja) * 2011-07-19 2014-08-25 ヘプタゴン・マイクロ・オプティクス・プライベート・リミテッド 光電子モジュール、光電子モジュールの製造方法、ならびに光電子モジュールを備える機器およびデバイス
CN103620779A (zh) * 2011-07-19 2014-03-05 赫普塔冈微光有限公司 光电模块及其制造方法
US9562807B2 (en) 2011-09-14 2017-02-07 Stmicroelectronics (Research & Development) Limited System and method for monitoring vibration isolators
US9238393B2 (en) 2011-09-14 2016-01-19 Stmicroelectronics (Research & Development) Limited System and method for monitoring vibration isolators
US8922866B2 (en) 2012-01-23 2014-12-30 Fraunhofer-Gesellschaft Zur Foerderung Der Angewandten Forschung E.V. Optics arrangement and method for optical sampling of an object plane comprising a multi-channel imaging system
JP2019519922A (ja) * 2016-05-25 2019-07-11 ヴイカンシー （ベイジン） テクノロジー カンパニー リミテッド 撮像素子、画像取得装置、指紋取得装置および表示装置
CN110472618A (zh) * 2018-08-31 2019-11-19 苏州麦美特科技有限公司 屏下指纹认证用的传感器模块及屏下指纹认证装置

Also Published As

Publication number Publication date
EP2387744B1 (de) 2018-10-24
DE102009005092A1 (de) 2010-09-02
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ES2705676T3 (es) 2019-03-26
EP2387744A1 (de) 2011-11-23

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