Es wird ein Sensor angegeben. Darüber hinaus wird eine Verwendung eines solchen Sensors angegeben.

Eine zu lösende Aufgabe liegt darin, einen Sensor anzugeben, mit dem ein 3D-Positionserfassungssystem präzise betreibbar ist . Diese Aufgabe wird unter anderem durch einen Sensor und durch eine Verwendung mit den Merkmalen der unabhängigen Patentansprüche gelöst. Bevorzugte Weiterbildungen sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche. Gemäß zumindest einer Ausführungsform ist der Sensor für ein 3D-Positionserfassungssystem eingerichtet. Das heißt, der Sensor ist bestimmungsgemäß ein Teil eines solchen Positionser ^¬ fassungssystems. Ein solches 3D-Positionserfassungssystem dient insbesondere dazu, Lage und/oder Position im Raum einer sich bewegenden Komponente wie ein Display, das insbesondere von einem Benutzer getragen wird, und/oder von Kontrolleinheiten, etwa für Computerspiele, zu erkennen und entsprechend bevorzugt eine Spielumgebung aus dem Bereich der virtuellen Realität zur Verfügung zu stellen. 3D steht für dreidimensio- nal .

Insbesondere ist das 3D-Positionserfassungssystem aufgebaut, wie in der Druckschrift US 2016/0131761 AI beschrieben, deren Offenbarungsgehalt durch Rückbezug aufgenommen wird, insbeson- dere die Figuren 8, 28a und 28b sowie die Absätze 81 bis 89 und 122 und außerdem Anspruch 1. Gemäß zumindest einer Ausführungsform umfasst der Sensor einen oder mehrere Sensorchips. Der mindestens eine Sensorchip ist zur Detektion einer Strahlung eingerichtet. Bei dem Sensorchip kann es sich um einen mehrkanaligen Sensorchip oder um einen einkanaligen Sensorchip, auch als Fotodiode bezeichnet, handeln. Bevorzugt ist der Sensorchip eine einkanalige Fotodiode, insbesondere eine PIN-Fotodiode . Der Sensorchip kann auf Si ^¬ lizium basieren, alternativ aber auch auf anderen Materialsystemen wie Ge, InGaAs oder InGaP. Ebenso kann der Sensorchip ein Sensor-IC sein, bei dem bevorzugt eine lichtempfindliche Schicht mit integrierten Schaltkreisen monolithisch integriert vorliegen .

Gemäß zumindest einer Ausführungsform umfasst der Sensor min- destens einen Träger, insbesondere genau einen Träger. Der Sensorchip ist auf dem Träger angebracht. Bei dem Träger kann es sich um eine bedruckte Leiterplatte, kurz PCB, handeln. Insbesondere ist der Sensorchip über den Träger elektrisch kontaktiert. Beispielsweise ist der Träger die den Sensor me- chanisch tragende und stabilisierende Komponente.

Gemäß zumindest einer Ausführungsform umfasst der Sensor einen oder mehrere Vergusskörper, insbesondere genau einen Verguss ^¬ körper. Der Vergusskörper ist für die zu detektierende Strah- lung durchlässig, insbesondere klarsichtig und nicht streuend. Bevorzugt ist der Sensorchip vollständig von dem Vergusskörper bedeckt .

Gemäß zumindest einer Ausführungsform beträgt eine Centroid- Verschiebung des Sensorchips bei Einfallswinkeln bis mindes ^¬ tens 60° höchstens 0,04 mrad oder 0,03 mrad oder 0,02 mrad. In diesem Zusammenhang bezeichnet Centroid dabei insbesondere die Lage eines Schwerpunkts der detektierten Strahlung auf einer Detektionsflache des Sensorchips. Bei senkrechtem Strahlungs ^¬ einfall, also bei einem Einfallswinkel von 0°, fällt das Centroid hinsichtlich der Strahlung bevorzugt mit dem geomet ^¬ rischen Zentrum der Detektionsfläche des Sensorchips zusammen.

Beispielsweise aufgrund von Parallaxeneffekten oder Lichtbre ^¬ chung verschiebt sich der Strahlungsschwerpunkt bei Einfalls ^¬ winkeln ungleich 0° weg von dem Strahlungscentroid bei einem Einfallswinkel gleich 0°. Diese Verschiebung des Centroids, abhängig vom Einfallswinkel und bevorzugt bezogen auf das Centroid der Strahlung bei einem Einfallswinkel von 0°, wird hier und im Folgenden als Centroid-Verschiebung bezeichnet.

In mindestens einer Ausführungsform ist der Sensor für ein SD- Positionserfassungssystem eingerichtet und umfasst mindestens einen Sensorchip zur Detektion einer Strahlung sowie mindestens einen Träger, auf dem der Sensorchip angebracht ist. Ein für die zu detektierende Strahlung durchlässiger Vergusskörper bedeckt den Sensorchip vollständig. Eine Centroid-Verschiebung des Sensorchips bei Einfallswinkeln bis mindestens 60° beträgt höchstens 0,04 mrad.

Darüber hinaus wird eine Verwendung eines solchen Sensors angegeben. Insbesondere wird einer oder werden mehrere Sensoren verwendet, wie in Verbindung mit einer oder mehrerer der oben genannten Ausführungsformen beschrieben. Merkmale der Verwendung sind daher auch für den Sensor offenbart und umgekehrt.

Gemäß zumindest einer Ausführungsform werden mehrere der Sen- soren in dem 3D-Positionserfassungssystem verwendet. Beispielsweise liegt die Anzahl der Sensoren bei mindestens fünf oder zehn oder 20 oder 30. Alternativ oder zusätzlich liegt die Anzahl der Sensoren bei höchstens 200 oder 100. Gemäß zumindest einer Ausführungsform umfasst das SD-Positi ^¬ onserfassungssystem eine oder mehrere Strahlungsquellen. Bevorzugt sind mehrere Strahlungsquellen vorhanden. Die mindes ^¬ tens eine Strahlungsquelle ist zur Erzeugung der von den Sen- soren zu detektierenden Strahlung eingerichtet.

Gemäß zumindest einer Ausführungsform umfasst das SD-Positi ^¬ onserfassungssystem mindestens ein Benutzergerät. Bei dem Be ^¬ nutzergerät handelt es sich bevorzugt um ein am Kopf des Be- nutzers getragenes Anzeigegerät, auch als Head Mounted Display oder kurz HMD bezeichnet. Insbesondere ist das Benutzergerät zur Darstellung dreidimensionaler Bilder für Anwendungen im Bereich der virtuellen Realität gestaltet. Pro Benutzer ist bevorzugt genau ein solches Benutzergerät vorgesehen, wobei zusätzliche Benutzergeräte etwa in Form von sogenannten Con ^¬ trollern vorhanden sein können. Im Falle mehrerer Benutzer sind die Benutzergeräte bevorzugt eindeutig dem jeweiligen Be ^¬ nutzer zugeordnet. Jedoch ist zeitgleich bevorzugt nur genau ein Benutzer oder genau zwei Benutzer vorhanden.

Gemäß zumindest einer Ausführungsform sind die Sensoren in dem Benutzergerät oder in den Benutzergeräten verbaut. Die vorge ^¬ nannten Anzahlen an Sensorchips gelten bevorzugt pro Benutzergerät. Die Sensoren sind bevorzugt irreversibel verbaut.

Gemäß zumindest einer Ausführungsform sind die Sensoren dazu eingerichtet, Winkel zwischen dem Benutzergerät und der Strah ^¬ lungsquelle zu bestimmen. Über die Bestimmung der Winkel sind eine räumliche Position und eine Ausrichtung des Benutzerge- räts ermittelbar. Das heißt, durch das Zusammenspiel der Sen ^¬ soren mit der mindestens einen Strahlungsquelle ist eine prä ^¬ zise Lokalisierung des Benutzergeräts bevorzugt in Echtzeit möglich . In mindestens einer Ausführungsform werden mehrere der Sensoren in einem 3D-Positionserfassungssystem verwendet. Das SD- Positionserfassungssystem umfasst mindestens eine Strahlungs ^¬ quelle zur Erzeugung der von den Sensoren zu detektierenden Strahlung sowie mindestens ein Benutzergerät. Die Sensoren sind in dem Benutzergerät verbaut. Ferner sind die Sensoren dazu eingerichtet, Winkel zwischen dem Benutzergerät und der Strahlungsquelle zu bestimmen, sodass über die Winkel eine räumliche Position und eine Ausrichtung des Benutzergeräts er- mittelbar sind.

Moderne Systeme für Anwendungen im Bereich der virtuellen Realität, auch als Virtual Reality oder kurz VR bezeichnet, be ^¬ nötigen in der Regel eine optische Erkennung einer Position und einer Lage eines VR-Headsets und von Controllern, um dem Anwender eine natürliche und verzögerungsfreie Interaktion mit der virtuellen Umgebung zu ermöglichen. Neben einer vollständigen Immersion in den virtuellen Raum ermöglicht eine optische Verfolgung die Vorbeugung vor Bewegungsübelkeit, auch als Motion Sickness bezeichnet. Durch das optische Verfolgen lässt sich eine Aktualisierung von Positionsdaten mit hoher Genauigkeit und hoher Frequenz, beispielsweise von 1 kHz, ermögli ^¬ chen . Zum Beispiel handelt es sich bei dem VR-System um SteamVR- Tracking von Valve, etwa verwendet von HTC Vive . Dabei werden optische Sensoren am Objekt, insbesondere am Benutzergerät, durch flächige Laserstrahlen abgetastet und die relativen Winkel zu einer Basisstation werden aus einer Zeitinformation abgeleitet.

Bisher verwendete optische Sensoren sind nicht auf diese An ^¬ wendung optimiert und zeigen eine systematische Abweichung der gemessenen Position von der wirklichen Position in Abhängigkeit vom Einfallswinkel eines Laserstrahls. Diese Abweichung führt zu einer scheinbaren Verzerrung des Objekts und muss durch aufwändige Algorithmen herausgerechnet werden, um die erforderliche Präzision von weniger als 1 mm zu erreichen. Somit limitiert die Verwendung herkömmlicher Sensoren eine Positionsgenauigkeit und erfordert zusätzlichen Rechenaufwand und erhöht zudem den Strombedarf insbesondere des Benutzerge ^¬ räts, das bevorzugt kabellos mit Akkus betrieben wird. Mit den hier beschriebenen Sensoren ist eine erhöhte Positionsgenau ^¬ igkeit bei reduziertem Rechenaufwand möglich.

Dadurch ist es möglich, einen größeren Winkelbereich mit den hier beschriebenen Sensoren zu detektieren, was die Anzahl der benötigten Sensoren reduziert und/oder die Positionsgenauig ^¬ keit weiter erhöht.

Bei dem hier beschriebenen Sensor sind dessen geometrische Eigenschaften optimiert, sowohl hinsichtlich des Sensorchips als auch hinsichtlich des Vergusskörpers. Hierdurch ist die Centroid-Verschiebung stark verringerbar oder kann beseitigt werden. Dabei bewirken verschiedene Aspekte des Sensors einen konstanten, positiven oder negativen Versatz des Centroids als Funktion des Einfallswinkels. Diese Versätze können entweder für sich genommen jeweils optimiert werden, abhängig von der jeweiligen Ursache, oder zusammengenommen optimiert werden. Durch gezieltes Ausgleichen von positiven und negativen Beiträgen ist eine fast vollständige Unterdrückung der Centroid- Verschiebung möglich.

Alternativ oder zusätzlich zu einer Geometrieoptimierung kann eine diffus transmittierende Oberfläche, etwa wie Milchglas, verwendet werden, wobei durch eine solche Oberfläche eine Win ^¬ kelinformation der einfallenden Strahlung unterdrückt wird, insbesondere vollständig unterdrückt wird. Dadurch ist eine vollständige oder nahezu vollständige Unterdrückung des Win- kelversatzes und damit der Centroid-Verschiebung möglich.

Durch die Unterdrückung des Winkelversatzes, also der Centroid-Verschiebung, stimmt die gemessene Position des Sensors mit der tatsächlichen Position unter allen Einfallswin- kein des abtastenden Laserstrahls besser überein. Damit ist keine aufwändige algorithmische Korrektur der auftretenden Verzerrung notwendig, was zu einer starken Reduktion der erforderlichen Rechenzeit führt. Hierdurch steigt eine Batterie ^¬ lebensdauer an und die mögliche Aktualisierungsrate der Posi- tionsdaten erhöht sich.

Gemäß zumindest einer Ausführungsform handelt es sich bei der zu detektierenden Strahlung um nahinfrarote Strahlung. Eine Wellenlänge maximaler Intensität der Strahlung liegt bevorzugt bei mindestens 780 nm oder 810 nm und/oder bei höchstens 1050 nm oder 940 nm oder 860 nm.

Gemäß zumindest einer Ausführungsform handelt es sich bei der zu detektierenden Strahlung wenigstens zum Teil um eine Laser- Strahlung. Die Laserstrahlung ist bevorzugt flächenförmig gestaltet. Das heißt, an einer ebenen Projektionsfläche er ^¬ scheint die Laserstrahlung als eine durchgehende, bevorzugt gerade Linie. Insbesondere wird gescannt, wie in der Druck ^¬ schrift US 2016/0131761 AI beschrieben, siehe etwa Absatz 73, dessen Offenbarungsgehalt durch Rückbezug aufgenommen wird. Gemäß zumindest einer Ausführungsform handelt es sich bei der Laserstrahlung um eine gepulste Laserstrahlung. Eine Wiederholungsrate liegt dabei bevorzugt bei mindestens 1 MHz, siehe die Druckschrift US 2016/0131761 AI, etwa Absatz 83. Impuls- dauern können vergleichsweise groß sein und beispielsweise mindestens 50 ns oder 100 ns und/oder höchstens 0,5 ys betra ^¬ gen .

Gemäß zumindest einer Ausführungsform wird die Strahlung im Betrieb über einen Raumbereich, in dem sich das Benutzergerät bestimmungsgemäß befindet, hinweggefahren. Dabei werden bevor ^¬ zugt mehrere aufeinanderfolgende Impulse der Laserstrahlung erzeugt. Beispielsweise erfolgt ein solches Durchfahren des Raumbereichs, auch als Sweep bezeichnet, in vertikaler Rich- tung und in horizontaler Richtung, insbesondere jeweils li- nienförmig, sodass sich eine Scan-Linie der Strahlungsquelle horizontal und/oder vertikal über den gewünschten Raumbereich hinweg bewegt, siehe auch die Druckschrift US 2016/0131761 AI, Absätze 71 und 110, deren Offenbarungsgehalt durch Rückbezug aufgenommen wird.

Gemäß zumindest einer Ausführungsform ist das Abrastern des Raumbereichs derart gestaltet, sodass mehrere aufeinanderfol ^¬ gende Impulse der Laserstrahlung auf den betreffenden Sen- sorchip treffen. Das heißt, zur Bestimmung des Winkels gelangen mehrere Laserimpulse auf den betreffenden Sensorchip, siehe auch die Druckschrift US 2016/0131761 AI, etwa Absätze 84 und 119, deren Offenbarungsgehalt durch Rückbezug aufgenom ^¬ men wird.

Gemäß zumindest einer Ausführungsform wird von dem betreffenden Sensorchip ein zeitlicher Verlauf der Intensität der auftreffenden Strahlung, insbesondere Impulse, detektiert, siehe auch die Druckschrift US 2016/0131761 AI, etwa die Absätze 84 und 119, deren Offenbarungsgehalt durch Rückbezug aufgenommen wird. Eine Auswertung des zeitlichen Verlaufs der Strahlung kann innerhalb des Sensors erfolgen, beispielsweise in einer Elektronik des Trägers. Alternativ erfolgt diese Auswertung außerhalb des Sensors, etwa in dem Benutzergerät oder in einem Computer, der mit dem Benutzergerät bevorzugt über eine draht ^¬ lose Datenverbindung verbunden ist. Aus dem zeitlichen Verlauf der Intensität wird der Winkel relativ zur zugehörigen Strah- lungsquelle ermittelt.

Gemäß zumindest einer Ausführungsform überragt der Vergusskörper den zugehörigen Sensorchip in Draufsicht gesehen ringsum, bevorzugt mit einer gleichmäßigen Breite. Das heißt, in Drauf- sieht gesehen bildet der Vergusskörper einen umlaufenden, bevorzugt quadratischen oder rechteckigen Rahmen um den Sensorchip herum.

Gemäß zumindest einer Ausführungsform beträgt ein Verhältnis aus einer Diagonalenlänge des Vergusskörpers und einer zuge ^¬ hörigen Diagonalenlänge des Sensorchips mindestens 1,0 oder 1,1 oder 1,2. Alternativ oder zusätzlich liegt dieses Verhältnis bei höchstens 2 oder 1,6 oder 1,4. Das heißt, in Draufsicht gesehen unterscheiden sich die Größen des Vergusskörpers und des zugehörigen Sensorchips nur vergleichsweise wenig vonei ^¬ nander .

Gemäß zumindest einer Ausführungsform weist der Vergusskörper eine dem zugehörigen Sensorchip abgewandte Lichteintrittsseite auf. Die Lichteintrittsseite ist bevorzugt parallel zur Detek- tionsfläche des Sensorchips und/oder zu einer Chipoberseite des Sensorchips orientiert. Die Lichteintrittsfläche wird ringsum durch Seitenwände des Vergusskörpers begrenzt. Gemäß zumindest einer Ausführungsform sind die Lichteintrittsseite und/oder die Seitenwände glatt und eben. Das heißt, die Lichteintrittsseite und/oder die Seitenwände können frei von einer optisch aktiven Aufrauung sein.

Gemäß zumindest einer Ausführungsform beträgt ein Winkel zwi ^¬ schen den Seitenflächen und der Lichteintrittsseite im Querschnitt gesehen mindestens 94° oder 97°. Alternativ oder zusätzlich liegt dieser Winkel bei höchstens 110° oder 106° oder 102°. Das heißt, die Seitenwände können schräg zur Lichtein ^¬ trittsseite orientiert sein. Alternativ ist es möglich, dass dieser Winkel bei 90° liegt, beispielsweise mit einer Toleranz von höchstens 1° oder 2°, sodass die Seitenwände dann nicht schräg, sondern senkrecht zur Lichteintrittsseite orientiert sind.

Gemäß zumindest einer Ausführungsform sind die Lichteintrittsseite und/oder die Seitenwände eben gestaltet. Das heißt, es liegt dann an diesen Flächen keine oder keine sig- nifikante, insbesondere keine optisch wirksame Krümmung vor.

Gemäß zumindest einer Ausführungsform sind die Lichteintrittsseite und/oder die Seitenwände durchlässig für die zu detektierende Strahlung. Alternativ ist es möglich, dass ins- besondere an den Seitenwänden teilweise oder vollständig eine für die Strahlung undurchlässige Beschichtung aufgebracht ist.

Gemäß zumindest einer Ausführungsform zeigt ein freies Sicht ^¬ feld an der Lichteintrittsseite einen Öffnungswinkel von min- destens 120° oder 140° oder 160° auf. Das heißt, bezogen auf ein Lot zur Lichteintrittsseite und für einen Winkelbereich relativ zur Lichteintrittsseite von mindestens 60° oder 70° oder 80° liegt kein optisches Hindernis in dem Sensor, bevor ^¬ zugt in dem Benutzergerät, vor. Die zu detektierende Strahlung kann damit unter vergleichsweise großen Winkeln zu einer optischen Achse des Sensors auf diesen auftreffen. Damit kann die Strahlung noch bei großen Einfallswinkeln detektiert werden .

Gemäß zumindest einer Ausführungsform sind die Sensorchips o- der ist zumindest einer der Sensorchips an einer dem Träger abgewandten Chipoberseite mit einem oder mit mehreren Bonddrähten elektrisch Kontaktiert. Dabei befinden sich die Bonddrähte bevorzugt vollständig in dem Vergusskörper.

Gemäß zumindest einer Ausführungsform überragen die Verguss- körper die Bonddrähte in Richtung weg von dem zugehörigen Sensorchip um höchstens 150 ym oder 120 ym oder 100 ym. Das heißt, durch den Vergusskörper ist nur eine vergleichsweise dünne Schutzschicht oberhalb der Bonddrähte gebildet. Gemäß zumindest einer Ausführungsform liegt eine Dicke der Vergusskörper an der dem zugehörigen Sensorchip abgewandten Seite je bei höchstens 0,3 mm oder 0,2 mm oder 0,15 mm. Ins ^¬ besondere ist die Dicke des Vergusskörpers oberhalb des Sen ^¬ sorchips kleiner als eine Dicke des Sensorchips selbst.

Gemäß zumindest einer Ausführungsform weisen die Sensorchips an einer dem jeweiligen Träger abgewandten Seite eine oder mehrere elektrische Kontaktstellen auf. Die elektrischen Kontaktstellen sind beispielsweise zur Kontaktierung mit den Bonddrähten vorgesehen. Insbesondere handelt es sich bei den elektrischen Kontaktstellen um für die zu detektierende Strahlung undurchlässige Metallisierungen. Gemäß zumindest einer Ausführungsform ist ein Teil der Kontaktstellen oder sind alle Kontaktstellen symmetrisch um die zugehörige Seite herum angeordnet. Das heißt, zumindest eini ^¬ gen oder allen Kontaktstellen liegt über Punktspiegelung eine andere Kontaktstelle gegenüber, wobei ein Spiegelzentrum be ^¬ vorzugt die Position des Centroids bei Strahlungseinfall unter einem Einfallswinkel von 0° ist. Die Anzahl der Kontaktstellen liegt bevorzugt bei mindestens zwei oder vier oder sechs und/o ^¬ der bei höchstens 16 oder 12 oder neun. Dass Kontaktstellen punktsymmetrisch zueinander angeordnet sind, gilt bevorzugt für mindestens 70 % oder 80 % oder 90 % der Kontaktstellen. Liegen beispielsweise fünf Kontaktstellen vor, so gilt bei einem Anteil von 80 % symmetrisch angeordneter Kontaktstellen, dass vier der Kontaktstellen punktsymmetrisch zueinander an- gebracht sind.

Gemäß zumindest einer Ausführungsform schließen die Träger und die jeweils zugehörigen Vergusskörper bündig miteinander ab. Das heißt, insbesondere in Richtung parallel zur Lichtein- trittsseite steht dann der Vergusskörper nicht über den Träger über und umgekehrt.

Gemäß zumindest einer Ausführungsform sind Chipseitenwände der Sensorchips für die zu detektierende Strahlung undurchlässig und/oder liefern keinen Beitrag zu einem Detektorsignal. Das heißt, die Chipseitenwände tragen zur Detektion der Strahlung nicht bei.

Gemäß zumindest einer Ausführungsform beträgt die Centroid- Verschiebung des Sensorchips bei Einfallswinkeln bis mindes ^¬ tens 40° höchstens 0,015 mrad oder höchstens 0,01 mrad. Das heißt, bei vergleichsweise kleinen Einfallswinkeln liegt keine signifikante Centroid-Verschiebung vor. Erst bei vergleichs ^¬ weise großen Einfallswinkeln kommt es in diesem Fall zu einer Centroid-Verschiebung . Gemäß zumindest einer Ausführungsform lässt sich die Centroid- Verschiebung abhängig vom Einfallswinkel und bis hin zu Einfallswinkeln von mindestens 60° oder 70° durch eine quadrati ^¬ sche Funktion approximieren, wobei eine Abweichung zwischen der Approximation und der realen Centroid-Verschiebung höchs- tens 0,003 mrad oder höchstens 0,002 mrad beträgt. Damit ist es möglich, die Centroid-Verschiebung einfach rechnerisch mit geringem zusätzlichem Rechenaufwand zu korrigieren.

Gemäß zumindest einer Ausführungsform weist die Centroid-Ver- Schiebung bei kleinen Einfallswinkeln ein anderes Vorzeichen auf als bei großen Einfallswinkeln. Dabei liegt eine Grenze zwischen kleinen und großen Einfallswinkeln bevorzugt bei mindestens 7° oder 10° und/oder bei höchstens 25° oder 20° oder 15°. Das heißt, etwa im Bereich um 10° ändert sich die Centroid-Verschiebung hinsichtlich ihres Vorzeichens. Dadurch ist erreichbar, dass bei vergleichsweise kleinen Einfallswinkeln keine oder keine signifikante Centroid-Verschiebung auftritt . Die voranstehend genannten Merkmale hinsichtlich der Centroid- Verschiebung können als Designkriterien für die Geometrie des Sensors verstanden werden.

Gemäß zumindest einer Ausführungsform sind die den Sensorchips abgewandten Seiten der Vergusskörper teilweise oder vollständig mit einer Aufrauung versehen. Durch die Aufrauung erfolgt bevorzugt eine Lambert 'sehe oder näherungsweise Lambert ' sehe Streuung und Abstrahlung der zu detektierenden Strahlung hin zu dem zugehörigen Sensorchip. Lambert 'sehe Abstrahlung bedeutet, dass eine Cosinus-Charakteristik vorliegt, insbesondere mit einer Toleranz von höchstens 10 % oder 5 % einer maximalen Intensität .

Gemäß zumindest einer Ausführungsform sind die Träger in Bereichen neben den Sensorchips zu einem Flächenanteil von mindestens 80 % oder 90 % oder 95 % oder vollständig diffus reflektierend gestaltet. Dabei können diese Flächen einem Be- trachter weiß erscheinen oder auch einen vergleichsweise geringen diffusen Reflexionsgrad aufweisen, sodass diese Flächen einem Betrachter im letztgenannten Fall dunkelgrau oder schwarz erscheinen können. Gemäß zumindest einer Ausführungsform handelt es sich bei dem Benutzergerät um eine Brille für den Bereich der virtuellen Realität mit einem oder mit mehreren Displays zur Darstellung dreidimensionaler Bilder. Damit kann es sich bei dem Benutzergerät um ein HMD handeln.

Nachfolgend werden ein hier beschriebener Sensor und eine hier beschriebene Verwendung unter Bezugnahme auf die Zeichnung an ^¬ hand von Ausführungsbeispielen näher erläutert. Gleiche Bezugszeichen geben dabei gleiche Elemente in den einzelnen Fi- guren an. Es sind dabei jedoch keine maßstäblichen Bezüge dargestellt, vielmehr können einzelne Elemente zum besseren Verständnis übertrieben groß dargestellt sein.

Es zeigen:

Figuren 1, 2 und 15 schematische Darstellungen von Ausführungsbeispielen von hier beschriebenen Sensoren, Figuren 3 und 4 schematische Darstellungen von SD-Positions ^¬ erfassungssystemen mit hier beschriebenen Sensoren,

Figur 5 eine schematische Darstellung einer Abrasterung ei- nes hier beschriebenen Sensors,

Figuren 6 bis 9 schematische Darstellungen zu den optischen

Eigenschaften von herkömmlichen Sensoren, Figuren 10 bis 12 schematische Illustrationen zur Optimierung von hier beschriebenen Sensoren, und

Figuren 13 und 14 schematische Darstellungen von optischen

Eigenschaften von hier beschriebenen Sensoren.

In Figur 1 ist eine Schnittdarstellung eines Ausführungsbei ^¬ spiels eines Sensors 1 gezeigt. Der Sensor 1 umfasst einen Träger 3 wie eine bedruckte Leiterplatte. Auf dem Träger 3 befindet sich ein Sensorchip 2 mit einer dem Träger 3 abge- wandten Chipoberseite 21, bei der es sich auch um eine Detek- tionsseite handelt. Über Chipseitenwände 22 wird bevorzugt kein Signal detektiert. Bei dem Sensorchip 2 handelt es sich bevorzugt um eine PIN-Silizium-Fotodiode . Ferner weist der Sensor 1 einen Vergusskörper 4 auf. Gemäß Figur 1 ist eine dem Träger 3 abgewandte Lichteintrittsseite 41 glatt, eben und planar. Ein Winkel φ zwischen der Lichteintrittsseite und dem ebenfalls glatt, eben und strahlungsdurch ^¬ lässig gestalteten Seitenwänden 42 des Vergusskörpers 4 liegt beispielsweise bei 100°.

Der Sensor 1 kann zusätzliche nicht gezeichnete Komponenten wie Spektralfilter aufweisen, sodass nur die zu detektierende Strahlung zu dem Sensorchip 2 gelangt und andere Wellenlängen absorbiert oder reflektiert werden. Beispielsweise ist der Vergusskörper 4 absorbierend für sichtbares Licht. In Figur 2A ist eine Draufsicht, in Figur 2B eine Seitenansicht und in Figur 2C eine Unteransicht eines weiteren Ausführungs ^¬ beispiels des Sensors 1 illustriert. Die in Figur 2 angegebenen Maße gelten bevorzugt einzeln oder gemeinsam je mit einer Toleranz von höchstens 50 % oder 25 % oder 5 %.

Der Träger 3 weist an einer dem Sensorchip 2 abgewandten Unterseite und auch an der dem Sensorchip 2 zugewandten Oberseite mehrere elektrische Trägerkontaktflächen 31 auf, über die der Träger 3 elektrisch und mechanisch anbringbar ist. Die elektri- sehen Kontaktstellen 45 an der Chipoberseite 21 sind durch Metallsierungen gebildet und jeweils über Bonddrähte 5 mit zugehörigen Trägerkontaktflächen 31 verbunden. Von den insgesamt fünf elektrischen Kontaktstellen 45 sind vier davon punktsymmetrisch zueinander angeordnet, bezogen auf einen geomet- rischen Mittelpunkt der Chipoberseite 21.

Abweichend von Figur 1 sind die Seitenwände 42 des Vergusskör ^¬ pers 4 senkrecht zur Lichteintrittsseite 41 gestaltet. Im Üb ^¬ rigen gelten die Ausführungen zur Figur 1 bevorzugt auch zur Figur 2 und umgekehrt.

In Figur 3A ist perspektivisch ein SD-Positionserfassungssys ^¬ tem 10 illustriert, siehe auch die Druckschrift US 2016/0131761 AI. Das System 10 umfasst mehrere Strahlungsquellen 11, die horizontal und vertikal eine flächenförmige Laserstrahlung R im nahinfraroten Spektralbereich emittieren und vertikal und horizontal linienförmig scannen, auch als SWEEP bezeichnet. Ein Benutzer 14 trägt ein Benutzergerät 12, das mehrere der Sensoren umfasst. Dieses System 10 ermöglicht eine hohe zeit ^¬ liche Auflösung, sodass ein Zeitunterschied zwischen einer Be ^¬ wegung des Benutzers 14 und einer Neuerfassung der Position des Benutzers 14 relativ klein ist, um das Auftreten von Be- wegungsübelkeit zu minimieren oder zu unterbinden.

Dabei emittiert jede Strahlungsquelle 11, als auch Lighthouse bezeichnet, einen Infrarot-Blitz mit einer Dauer T, um einen StartZeitpunkt tO festzulegen. Dem Infrarot-Blitz folgt die vertikale und horizontale Laserabrasterung. Der Infrarot-Blitz wird auch als SYNC bezeichnet. Ein Zeitunterschied zwischen diesem SYNC und einer Detektionszeit des SWEEPs erlaubt die Berechnung des Winkels des betreffenden Sensors relativ zur Strahlungsquelle 11, siehe Figur 3B.

Beim Ausführungsbeispiel des Systems 10, wie in Figur 4A ge ^¬ zeigt, emittiert jede Strahlungsquelle 11 einen Laser-Sweep bei einer Repititionsrate von 50 Hz oder 60 Hz. Insbesondere ergibt sich die Winkelposition aus einer Lage eines Centroids C einer Signalintensität I, siehe Figur 4B

Die Entstehung des Signals ist in Verbindung mit Figur 5 illustriert. Während der Laser-Sweeps ist die Laserintensität, die Modulierung außen vorlassend, konstant, und die Strahlung R wird über die sensitive Fläche des Sensorchips 2 gefahren. Ein Detektorsignal ist dabei eine Konvolution aus der Sensor ^¬ geometrie und des Strahlprofils der Laserstrahlung. Das Centroid C des detektierten Signals korrespondiert im Ideal- fall mit einem Zentrum des Detektors. Eine falsche Bestimmung der Lage des Centroids C gibt damit eine falsche Zeitinforma ^¬ tion und eine falsche Winkellage relativ zur Strahlungsquelle 11. Da eine Positionsgenauigkeit im Submillimeterbereich er ^¬ forderlich ist, können bereits kleine Centroid-Verschiebungen zu einer Beeinträchtigung Der 3D-Positionsgenauigkeit führen. In Figur 6 ist ein herkömmlicher Sensor 1 ' in einer perspektivischen Darstellung illustriert. Beispielsweise handelt es sich bei dem Sensor 1' um den Sensor BPW34S des Herstellers Osram. In Figur 7 sind verschiedene Mittellinien H relativ zu dem Sensor 1' der Figur 6 gezeigt. Während der Laserstrahl R über die Detektorfläche gescannt wird, müssen idealerweise linke und rechte Hälften der Detektorfläche, getrennt durch die Li ^¬ nie H, die gleiche optische Leistung empfangen. Die Linie H kann in beliebiger Orientierung zum Sensor 1' stehen, veranschaulicht in den Figuren 7A, 7B und 7C.

In Figur 8 sind verschiedene Fälle illustriert, durch die es zu einer Verschiebung zwischen dem Centroid C als geometri- sehen Mittelpunkt und dem detektierten Centroid C* bei größe ^¬ ren Einfallswinkeln kommen kann.

Gemäß Figur 8A ist eine asymmetrisch angelegte elektrische Kontaktstelle 45 vorhanden. Dadurch ist an einer Seite die strahlungssensitive Fläche verkleinert und das Centroid C* verschiebt sich in Richtung weg von dieser Kontaktstelle 45, sodass eine Centroid-Verschiebung Δ resultiert.

In Figur 8B ist gezeigt, dass ein reflektives Element, insbe- sondere eine Trägerkontaktfläche 31, vorhanden ist. An diesem reflektiven Element wird die Laserstrahlung R reflektiert und dieser Bereich erscheint heller, etwa über Mehrfachreflexio ^¬ nen. Damit verschiebt sich das Centroid C* hin zu dieser Trä ^¬ gerkontaktfläche 31. Gemäß Figur 8C erfolgt teilweise eine Abschattung durch Sei ^¬ tenwände 42. Damit erfolgt die Centroid-Verschiebung Δ des detektierten Centroids C* gegenüber dem idealen Centroid C in Richtung weg von dieser Seitenwand 42. In Figur 8D ist illustriert, dass ein Teil der Strahlung R durch die Seitenwand 42 eintritt, an dem Träger 3 reflektiert wird und über Mehrfachreflexion oder diffuse Streuung zu dem Signal beiträgt. Damit verschiebt sich das Centroid C* in Richtung hin zur betreffenden Seitenwand 42.

In Figur 8E ist der Fall gezeigt, dass eine schräge Einstrah ^¬ lung der Strahlung R erfolgt. Damit ist der Träger 3 teilweise abgeschattet und es erfolgt eine unterschiedlich starke Refle ^¬ xion an unterschiedlichen Stellen des Trägers 3. Damit rückt das Centroid C* in Richtung hin zu dem nicht abgeschatteten Bereich .

Schließlich ist in Figur 8F veranschaulicht, dass aufgrund von Brechung der Strahlung R an der Lichteintrittsseite 41 eine Centroid-Verschiebung Δ erfolgt. Das Centroid C* rückt dabei in Strahlrichtung weg von dem geometrischen Centroid C.

Die Centroid-Verschiebung Δ ist dabei je abhängig von dem Einfallswinkel . Dies ist in Verbindung mit Figur 9 illustriert. Dabei bezieht sich Figur 9A auf den in den Figuren 6 und 7 illustrierten Sensor 1 ' . Die Figur 9B bezieht sich auf den Sensor SFH 2200 des Herstellers Osram. Den Figuren 9A und 9B ist zu entnehmen, dass insbesondere hin zu größeren Einfallswinkeln eine signifikante Zunahme der Centroid-Verschiebung Δ erfolgt, die im Bereich deutlich oberhalb von 0,05 mrad liegt. Dabei bezeichnet δ einen Scanwinkel um den jeweiligen Einfallswinkel herum.

Beispielsweise entspricht eine Centroid-Verschiebung Δ von 0,1 mrad einer Verschiebung der scheinbaren Position des Sensors 1 um 0,5 mm, bezogen auf eine Distanz von 5 m zur jeweiligen Strahlungsquelle 11.

Die in Figur 8 illustrierten Effekte können durch verschiedene Designmaßnahmen teilweise oder vollständig ausgeglichen werden. Beispielsweise die in den Figuren 8A und 8B gezeigten Effekte sind rein durch die Geometrie bedingt und weisen keine signifikante Winkelabhängigkeit und eine näherungsweise kon ^¬ stante Amplitude auf.

Bei den Effekten der Figuren 8C und 8F sind die Richtung der Centroid-Verschiebung Δ und deren Ausmaß abhängig von Einfallswinkel α und verlaufen in die entgegengesetzte Richtung wie der Einfallswinkel a, das heißt, kommt die Strahlung R zum Beispiel von links, verschiebt sich das Centroid C* nach rechts .

Dagegen verlaufen die Verschiebungen Δ der Figuren 8D und 8E in die gleiche Richtung wie der Einfallswinkel α , also bei Strahlung R etwa von links kommend erfolgt auch eine Centroid- Verschiebung Δ nach links, und sind auch hinsichtlich des Aus- maßes der Centroid-Verschiebung Δ vom Einfallswinkel α abhängig. Damit können die Effekte der Figuren 8C und 8F die Effekte der Figuren 8D und 8E teilweise oder vollständig kompensieren. Die Überlegungen hierzu sind insbesondere im Zusammenhang mit den nachfolgenden Figuren 10 bis 12 näher erläutert.

Dazu ist in Figur 10 eine Schnittdarstellung gezeigt, in der mehrere Parameter veranschaulicht sind. Bei n handelt es sich um den Brechungsindex des Vergusskörpers 4 bei der Wellenlänge der zu detektierenden Strahlung R. h bezieht sich auf die Dicke des Vergusskörpers 4 zwischen der Lichteintrittsseite 41 und der Chipoberseite 21. Die Größe w gibt die Dicke des Sen ^¬ sorchips 2 an, det bezeichnet die Kantenlänge des Sensorchips 2 und pck bezieht sich auf die Kantenlänge der Lichtein ^¬ trittsseite 41. γ gibt einen Winkel der Seitenwände 42 zu einer Senkrechten zur Lichteintrittsseite 41 an. Die Größe ist ein empirischer Faktor und bezieht sich auf den Einfluss der Reflektivität des Trägers 3. Entsprechend ist η '-' _sw ein empi ^¬ rischer Parameter für den Einfluss der Reflektivität der Seitenwände 42.

In Figur 11 sind, basierend auf der Schnittdarstellung der Figur 10, die geometrischen Aspekte näher illustriert. Die Größe steht für den Einfallswinkel, also den Winkel zur Lichtquelle 11. Der Winkel δ ist der Scanwinkel um den Winkel herum. Der Winkel ß resultiert aus einer Lichtbrechung an der Lichteintrittsseite 41. Hinsichtlich insbesondere dieses Effekts ergibt sich die Centroid-Verschiebung Δ zwischen der idealen Centroid-Postion C und der scheinbaren Centroid-Posi- tion C*.

Weiterhin sind verschiedene Abstände d, L eingezeichnet. Der Abstand L zwischen dem Sensor 1 und der Strahlungsquelle 11 beträgt beispielsweise 1 m. Sich entsprechend hieraus erge ^¬ bende Zusammenhänge sind in den Formeln der Figur 12A darge ^¬ stellt und in Verbindung mit Figur 12B nochmals näher illus ^¬ triert. Das sich hieraus ergebende Signal S am Detektor abhän- gig vom Scanwinkel δ ist für verschiedene Fälle der Figur 12C zu entnehmen. Ein Beitrag von Fresnel-Transmissionen ergibt sich aus der Figur 12D, Beiträge der Seitenwände sind der Figur 12E zu entnehmen. Abhängig vom gewünschten Anwendungsfall wird die Geometrie entsprechend anhand der Darstellungen der Figuren 10 bis 12 variiert, um zum gewünschten Ergebnis zu gelangen. In den Figuren 13 und 14 sind beispielhaft Resultate hieraus gezeigt. Aus den Daten ergibt sich insbesondere, dass der Vergusskörper 4 besonders bevorzugt klarsichtig und transparent für die zu detektierende Strahlung ist und eine glatte, durchlässige Lichteintrittsseite 41 sowie glatte, für die Strahlung durch ^¬ lässige Seitenwände 42 aufweist. Dabei können wie auch in allen anderen Ausführungsbeispielen zusätzliche Komponenten vorhanden sein, die die zu detektierende Strahlung R nicht oder nicht signifikant beeinträchtigen, beispielsweise Tageslichtfilter, die im Wesentlichen nur die zu detektierende Strahlung R passieren lassen.

Ferner sind der Sensorchip 2, die elektrischen Kontaktstellen 45 sowie die Trägerkontaktflächen 31 an der dem Sensorchip 2 zugewandten Seite des Trägers 3 möglichst punktsymmetrisch anzuordnen. Dies eliminiert oder reduziert insbesondere die Ef- fekte, wie in den Figuren 8A und 8B illustriert. Beispielsweise sind mindestens 80 % oder 90 % oder 95 % der relevanten Flächen des Sensorchips 2, des Trägers 3, der Lichteintrittsseite 41, der Trägerkontaktflächen 31 und/oder der elektrischen Kontaktstellen 45 punktsymmetrisch gestaltet.

Die Höhe des Vergusskörpers 4 und die Breite des Vergusskörpers 4 werden so eingestellt, dass die sensitive Fläche des Sen ^¬ sorchips 2 einen Blickwinkel von mindestens 60°, bevorzugt von mindestens 70° oder 80°, bezogen auf eine optische Achse des Sensorchips 2, aufweisen. Hierdurch werden Abschattungseffekte reduziert. Außerdem ist eine optische Dicke des Vergusskörpers 4 insbesondere oberhalb der Chipoberseite 21 zu minimieren und die Lichteintrittsseite 41 ist so flach wie möglich zu gestal ^¬ ten. Dies reduziert oder beseitigt die Effekte der Figuren 8C und 8F. Dabei steuern die Effekte der Figuren 8C und 8F im Regelfall die größten Beiträge bei.

Die Beiträge, die durch die Effekte der Figuren 8C und 8F verursacht sind und die nicht ausschaltbar sind, können durch die gegenläufige Effekte der Figuren 8D und 8E teilweise oder vollständig kompensiert werden, insbesondere durch eine Ein- Stellung der diffusen oder spekularen Reflektivität der Seitenwände 42 sowie der dem Sensorchip 2 zugewandten Oberseite des Trägers 31, beispielsweise durch eine gezielte Vergröße ^¬ rung einer Fläche der Trägerkontaktflächen 31 oder durch den Winkel γ der Seitenwände 42.

Dazu ist in Figur 13 ein Quotient aus der Kantenlänge pck des Vergusskörpers 4 und der Kantenlänge det des Sensorchips 2 gegenüber der Centroid-Verschiebung Δ aufgezeigt für verschiedene Dicken h des Vergusskörpers 4 über der Chipoberseite 21. In Figur 13A beträgt det dabei 1 mm, in Figur 13B 2 mm und in Figur 13C 3 mm. Zu erkennen ist, dass die Centroid-Verschiebung Δ für einen Quotienten pck/det um 1,3 einen minimalen Wert aufweist. Ent ^¬ sprechend ist der Quotient pck/det auf ungefähr 1,3 einzustel ^¬ len .

In Figur 14A sind für ein weiteres Ausführungsbeispiel des Sensors 1 die geometrischen Parameter dargestellt. Gegenüber dem Sensor BPW34S des Herstellers Osram aus Figur 6 ergibt sich beim hier beschriebenen Sensor 1 eine signifikante Redu- zierung der Centroid-Verschiebung Δ, siehe Figur 14B, linke Seite. Die entsprechenden Signalintensitäten I in Abhängigkeit vom jeweiligen Scanwinkel δ sind für verschiedene Einfallswinkel in Figur 14B, rechte Seite, dargestellt. Die durchgezo ^¬ gene Linie bezieht sich auf den Sensor BPW34S und die Punkt- Linie auf den hier beschriebenen Sensor 1. Durch die Geometrieoptimierung ergibt sich keine signifikante Auswirkung auf die Signalintensität I.

In analoger Weise zu Figur 14B ist in Figur 14C der Einfluss einer diffusen Reflektivität des Trägers 3 an der dem Sen ^¬ sorchip 2 zugewandten Seite aufgeführt. Dabei weist der empirische Parameter einen Wert von 1,0 auf, entsprechend einer diffus reflektierenden Fläche. Durch die diffuse Reflektivität lässt sich die Centroid-Verschiebung Δ reduzieren.

In Figur 14D ist der Fall von diffus reflektierenden Seitenwänden 42 dargestellt, für ein η '-' _sw von 10,0 und für eine absorbierende Oberseite des Trägers 3, also ΐ]ρ _] ^ = 0. Durch solche Seitenwände 42 lässt sich eine negative Centroid-Ver- Schiebung Δ erreichen, mit der andere Effekte kompensierbar sind . In Figur 14E ist der Einfluss des Kippwinkels γ der Seitenwände 42 gezeigt. Dabei ist ein Einfallswinkel von 60° angenommen und ein Parameter η^ _{3 ί} von 0,5 und ein Beitrag des Trägers von npcb von 0,1. Der Quotient pck/det liegt vorliegend bei 2,8. Durch den Winkel γ lässt sich die Centroid-Verschiebung Δ weiter einstellen.

In Figur 15A ist ein weiteres Ausführungsbeispiel des Sensors 1 in einer Schnittdarstellung gezeigt. Dabei ist die Lichtein- trittsseite 41 ganzflächig mit einer Aufrauung 44 versehen. Im Übrigen gelten die Ausführungen zu den anderen Ausführungsbeispielen entsprechend. Die zugehörigen Geometrieparameter sind der Figur 15C zu entnehmen. Durch die Aufrauung 44 ist eine Lambert 'sehe Streuung der Strahlung R an einer Innenseite der Lichteintrittsseite 41 hin zum Sensorchip 2 erreicht, siehe Figur 15B.

In Figur 15D ist gezeigt, dass sich durch die Aufrauung 44 die Centroid-Verschiebung Δ praktisch eliminieren lässt. Gegenüber dem Vergleichsbeispiel des Detektors BPW34S ist jedoch die Signalstärke I vergleichsweise stark reduziert, siehe Figur 15D, rechte Seite. Die in den Figuren gezeigten Komponenten folgen, sofern nicht anders kenntlich gemacht, bevorzugt in der angegebenen Reihenfolge jeweils unmittelbar aufeinander. Sich in den Figuren nicht berührende Schichten sind bevorzugt voneinander beab ^¬ standet. Soweit Linien parallel zueinander gezeichnet sind, sind die entsprechenden Flächen bevorzugt ebenso parallel zu ^¬ einander ausgerichtet. Ebenfalls, soweit nicht anders kennt ^¬ lich gemacht, sind die relativen Positionen der gezeichneten Komponenten zueinander in den Figuren korrekt wiedergegeben. Die hier beschriebene Erfindung ist nicht durch die Beschrei ^¬ bung anhand der Ausführungsbeispiele beschränkt. Vielmehr um- fasst die Erfindung jedes neue Merkmal sowie jede Kombination von Merkmalen, was insbesondere jede Kombination von Merkmalen in den Patentansprüchen beinhaltet, auch wenn dieses Merkmal oder diese Kombination selbst nicht explizit in den Patentansprüchen oder Ausführungsbeispielen angegeben ist.

Bezugs zeichenliste

1 Sensor

1 ' herkömmlicher Sensor

2 Sensorchip

21 Chipoberseite

22 Chipseitenwand

3 Träger

31 Trägerkontaktfläche

4 Vergusskörper

41 Lichteintrittsseite

42 Seitenwand

44 Aufrauung

45 elektrische Kontaktstelle

5 Bonddraht

10 3D-Positionserfassungssystem

11 Strahlungsquelle

12 Benutzergerät

14 Benutzer

C Centroid

C* verschobenes Centroid

I Signalintensität

R Strahlung

t Zeit

T Impulsdauer

Δ Centroid-VerSchiebung φ Winkel Lichteintrittsseite -