Die Ideen für Opto-ASICs kommen aus industriellen Anwendungsbereichen, die Laser sowie andere Lichtquellen zur Erzeugung photonischer Energie in bestimmten Spektralbändern einsetzen und die dabei reflektierte Strahlung mit optischen Sensoren auswerten. Dabei wird die photonische Energie bei einer spezifizierten ausgesendeten Wellenlänge gemessen, etwa die eines Laserstrahls im Bereich 800 bis 900 nm. Dieses Prinzip lässt sich auf viele unterschiedliche monolithisch integrierte Sensorelemente anwenden.

Bild 1: Schema eines Lasersystems als Computermaus oder Trackpad in mobilen Geräten. Der Laserstrahl trifft auf eine Oberfläche und wird dabei irregulär auf ein patentiertes Objektivsystem reflektiert sowie danach auf ein Diodenarray geleitet.

Bild 1: Schema eines Lasersystems als Computermaus oder Trackpad in mobilen Geräten. Der Laserstrahl trifft auf eine Oberfläche und wird dabei irregulär auf ein patentiertes Objektivsystem reflektiert sowie danach auf ein Diodenarray geleitet.Delta Microelectronics

Bild 1 zeigt eine Lichtquelle, die in Ebene der Sensoren positioniert ist. Über die Reflexion des Lichts und mit Hilfe einer patentierten Optik, die in Zusammenarbeit mit Risø und dem Systemhaus OPDI Technologies entstand, ist es möglich, nicht nur Entfernungen zu messen, sondern auch Bewegungen und Positionen im dreidimensionalen Raum zu bestimmen.

Dies geschieht über die Auswertung eines kleinen Bildausschnitts des Sensors, der aus vier bis neun Dioden besteht. Dabei misst der Chip die photonische Energie jeder einzelnen Diode als Funktion der Zeit. Die photonische Energie setzt das ASIC in eine Spannung um und wertet diese in einem eigenen Diodenarray aus. Die Spannung jeder einzelnen Diode ist ein Ausdruck der im reflektierten Laserstrahl enthaltenen Energie. Bei einer bewegten Oberfläche bewegt sich die reflektierte Lichtenergie über die einzelnen Dioden hinweg. Mit Hilfe einer speziell entwickelten Software berechnet der Chip aus den Signalen der Dioden ein 3D-Bewegungsmuster.

Wegen dieser Fähigkeit zur Detektion dreidimensionaler Bewegungen lässt sich das System beispielsweise als Laser-Computermaus oder als einfaches Trackpad-System für Mobiltelefone einsetzen. Ganz ähnlich kann es auf der Basis dieser dreidimensionalen Funktionalität auch als Entfernungsmesser dienen.

Bild 2: Der erste optische Chip zur Bewegungserkennung. Er umfasst digitale Funktionen zur Übertragung von Steuersignalen in das Anwendersystem. Daneben sind analoge Funktionen verfügbar, welche die Lichtenergie in Spannungspegel umsetzen.

Bild 2: Der erste optische Chip zur Bewegungserkennung. Er umfasst digitale Funktionen zur Übertragung von Steuersignalen in das Anwendersystem. Daneben sind analoge Funktionen verfügbar, welche die Lichtenergie in Spannungspegel umsetzen.Delta Microelectronics

Für viele Produkte auf Basis dieses Opto-ASICs gibt es bereits eine Zertifizierung des Bausteins; bald sollen diverse Produkte auf den Markt kommen (Bild 2). OPDI Technologies, Risø und Delta setzen große Erwartungen in diese Methode der 3D-Bewegungsdetektion – vor allem in der portablen Elektronik.

Filter vor dem ASIC

An hellen sonnigen Tagen weiß jeder eine Sonnenbrille zu schätzen. Damit lässt sich die in die Augen einfallende optische Energie (Luminanz) bequem herabsetzen. Entsprechend kann das Opto-ASIC die Luminanz in Bezug auf die vom menschlichen Auge empfundene Helligkeit bestimmen, so dass es zur Regelung der optischen Durchlässigkeit von Fenstern, Brillen, Bildschirmen oder Instrumentenfeldern im Auto einsetzbar ist.

Zur Bestimmung der Lichtenergie (Luminanz), wie sie das menschliche Auge registriert, enthält der Baustein diverse Filter über dem Chip – und zwar in dem Bereich, in dem sich die Dioden befinden (Bild 3). Hierbei kommen zwei Filter zum Einsatz, um die photonische Energie in den Wellenlängenbereichen zu messen, die das menschliche Auge wahrnehmen kann. So kann Delta beispielsweise ein rotes Filter vor einer Diode anordnen, die dann sowohl die einfallende Energie im Sehbereich eines normalen menschlichen Auges als auch deren Anteil im infraroten Bereich misst. Die infrarote Strahlung der Sonne liefert einen großen Energieanteil, der als Wärmestrahlung empfunden wird und schädliche Auswirkungen auf das Auge haben kann.

Bild 3: Der im Text beschriebene Prototyp mit großen und kleinen Dioden, die in verschiedenen Positionen auf dem Chip verteilt sind. Damit können die Anwender eine große Zahl von Tests durchführen, um das für sie optimale optische Design zu bestimmen.

Bild 3: Der im Text beschriebene Prototyp mit großen und kleinen Dioden, die in verschiedenen Positionen auf dem Chip verteilt sind. Damit können die Anwender eine große Zahl von Tests durchführen, um das für sie optimale optische Design zu bestimmen. Delta Microelectronics

Für eine genauere Messung des Energiegehalts müssen die infraroten Wellenlängebereiche daher ausgefiltert werden. Dies geschieht über die Messung des Energiegehalts durch ein Grünfilter. Die photonische Energie hinter dem Grünfilter enthält keine infraroten Anteile. Deshalb kann man mit großer Annäherung die Energieanteile beider Filter mathematisch aufaddieren, um eine valide Information über den Typ der Luminanz zu erhalten, die im Sichtfeld der beiden Dioden vorhanden ist.

Damit ist im Prinzip ein Luminanz-Sensor implementiert, der die Energie misst, wie sie das menschliche Auge empfindet. Dieser Sensor kann als Input dafür dienen, den Helligkeitspegel von Bildschirmen dem menschlichen Sehvermögen entsprechend herauf oder herab zu setzen, etwa um Energie zu sparen oder die Batterielaufzeit zu verlängern. Auch lassen sich damit Systeme für den Schutz der Augen bauen – von aktiven Sonnenbrillen, Skibrillen und Motorradbrillen über Schweißhelme bis zu vielen anderen Anwendungen.

Prototypen als Anwenderhilfe

Als Anwenderhilfen für das Opto-ASIC hat Delta verschiedene Prototypen mit Dioden, Filtern etc. geschaffen. Im Rahmen seines neuen Design-Konzepts stellt Delta Prototypen des im eigenen Hause entwickelten Sensors zur Verfügung: Das Konzept ermuntert zu Experimenten bei der Lösungsfindung für vorliegende Aufgaben, und es entspricht der gängigen Praxis bei Delta mit FPGA-Lösungen und komplexen SoC-Designs – ein Gebiet, in dem das Unternehmen seit über 20 Jahren aktiv ist. Die Arbeiten zur Kombination von Optik und ASIC laufen bei Delta seit mehr als vier Jahren.