本发明涉及一种辐射接收器设备，其尤其是用于IR通信(红外通信)。
背景技术：
对于借助于红外辐射进行的自由射束通信期望具有在大约30kHz至大约500kHz范围中的电带宽的宽带的辐射接收器，所述辐射接收器能够检测具有大于或等于1μs的脉冲宽度的光学脉冲。然而已经表明：这种接收器通常仅在小于一米的小的作用范围中可靠地运行。在距离更大的情况下，环境光能够引起错误信号。这尤其涉及通过基于气体放电原理的荧光灯产生的环境光。更大的作用范围能够通过电窄带的辐射接收器来实现。然而，该接收设计方案明确地以已知的调制频率或已知的调制格式为前提并且仅适合于该特定的应用。
技术实现要素：
一个目的是：提出一种辐射接收器设备，其特征在于广泛的可使用性以及同时可靠的信号识别。
所述目的还通过一种辐射接收器设备来实现。设计方案和有利方案是实施例的主题。一种具有辐射接收器和具有辐射入射面的辐射接收器设备，其中
-所述辐射接收器具有用于检测具有目标波长在近红外范围中的辐射的有源区域；
-在所述辐射入射面和所述辐射接收器之间设置有光学元件；
-所述光学元件的光学轴线伸展穿过所述辐射接收器；
-所述光学元件成形为并且相对于所述辐射接收器设置为，使得以相对于所述光学轴线大于或等于40°的角度射到所述辐射入射面上的辐射的最高10％射到所述辐射接收器上；
-在所述辐射接收器和所述辐射入射面之间构成有可见光滤波器；和
-在所述辐射接收器和所述辐射入射面之间，除了所述可见光滤波器之外设置有用于抑制具有波长小于极限波长的辐射的半导体滤波器，其中所述极限波长小于所述目标波长。
根据辐射接收器设备的至少一个实施方式，辐射接收器设备具有辐射接收器。辐射接收器尤其具有用于检测具有目标波长在近红外中的辐射的有源区域。在有疑问的情况下，将近红外理解为位于0.78μm和3μm之间的光谱范围，其中包括边界值。例如，辐射接收器的目标波长位于820nm和980nm之间，其中包括边界值。适当地，目标波长等于辐射接收器的光谱的灵敏度分布的峰值波长并且至少不显著地与其具有偏差，例如偏差最高20nm。
有源区域例如基于砷化物的化合物半导体材料。
“基于砷化物的化合物半导体”在本文中表示：有源的外延层序列或者其至少一个层包括砷-III/V族化合物半导体材料，优选包括AlnGamIn1-n-mAs，其中0≤n≤1，0≤m≤1并且n+m≤1。在此，所述材料不必强制性地具有根据上式的数学上精确的组成。更确切地说，所述材料能够具有一种或多种掺杂材料以及附加的组成成分，所述掺杂材料以及附加的组成成分基本上不改变AlnGamIn1-n-mAs材料的表征的物理特性。然而为了简单性，上式仅包含晶格的主要组成成分(Al，Ga，In，As)，即使其能够部分地通过少量其他材料取代时也如此。
替选地，也能够应用具有基于其他半导体材料、尤其基于硅的有源区域的辐射接收器。
根据辐射接收器设备的至少一个实施方式，辐射接收器设备具有辐射入射面。辐射入射面是如下面，在辐射接收器运行时待检测的目标辐射穿过所述面射入。
根据辐射接收器设备的至少一个实施方式，辐射接收器设备具有光学元件。特别地，光学元件的光学轴线伸展穿过辐射接收器。光学元件能够构成为单独的元件、例如构成为透镜，或者构成为多件式的元件、例如构成为透镜的组合或透镜与遮光板的组合。
光学元件尤其能够设置在辐射入射面和辐射接收器之间。例如，光学元件的背离辐射接收器的面形成辐射入射面。
根据辐射接收器设备的至少一个实施方式，光学元件成形为并且相对于辐射接收器设置为，使得以相对于光学轴线大于或等于40°的角度射到辐射入射面上的辐射的最高10％射到辐射接收器上。换言之，辐射接收器设备的角度相关的灵敏度分布自相对于光学轴线为0°角度时的最大值起在角度最高为40°的情况下下降到最大值的最大10％并且直至90°的角度保持低于10％。优选地，灵敏度分布自最高40°的角度起下降到最大值的最大5％。特别地，对于具有高于该角度的入射角的辐射而言不存在根据从辐射入射面到辐射接收器设备的几何光学的直接的射束路径。在此，将如下光学路径理解为直接的射束路径，其中辐射能够在辐射接收器设备之内没有反射的情况下从辐射入射面到达辐射接收器的有源区域上。因此，辐射接收器设备主要检测相对于光学轴线以相对小的角度射到辐射入射面上的辐射。下面，大于或等于40°的角度也称作为“大的角度”。相应地，小的角度尤其是小于40°的这样的角度。
根据辐射接收器设备的至少一个实施方式，在辐射接收器和辐射入射面之间构成有可见光滤波器。可见光滤波器设置用于：对在可见光谱范围中的辐射进行滤波，使得所述辐射份额不对辐射接收器设备的信号起作用或至少不显著地对辐射接收器设备的信号起作用。优选地，可见光滤波器对于在可见光谱范围中的辐射的透射度为最高10％、尤其优选最高5％。
在辐射接收器设备的至少一个实施方式中，所述辐射接收器设备具有辐射接收器和辐射入射面，其中辐射接收器具有用于检测具有目标波长在近红外中的辐射的有源区域。在辐射入射面和辐射接收器之间设置有光学元件。光学元件的光学轴线伸展穿过辐射接收器。光学元件成形为并且相对于辐射接收器设置为，使得以相对于光学轴线大于或等于40°的角度射到辐射入射面上的辐射的最高10％射到辐射接收器上。在辐射接收器和辐射入射面之间构成有可见光滤波器。
借助于光学元件相对于辐射接收器的设置和成形，辐射主要射到辐射接收器上，所述辐射以相对于光学轴线相对小的角度伸展。在辐射接收器设备运行中，所述辐射接收器设备典型地在空间中设置成，使得光学轴线在水平方向上或以相对于水平方向最高10°的小的偏差伸展。与此不同，天花板照明的干扰辐射以相对于光学轴线大的角度入射进而借助于光学元件不偏转到辐射接收器上。此外，借助于可见光滤波器滤除在可见光谱范围中的光谱份额。已表明：通过射到辐射入射面上的辐射的这种角度选择性和波长选择性的滤波能够实现具有高的检测可靠性的宽带的辐射接收器设备。尽管存在辐射接收器设备具有高的灵敏度的角度范围的本身不期望的缩窄，仍能够整体上改进辐射接收器设备的性能。
然而也能够设想：例如如果对相对于干扰辐射的灵敏度提出低的要求，那么弃用借助于光学元件进行的角度选择性的滤波，或者抑制波长选择性的滤波，使得能够弃用附加的角度选择性的滤波。
根据辐射接收器设备的至少一个实施方式，辐射接收器设备的角度相关的灵敏度在相对于光学轴线成15°和25°之间(包括边界值)的角度的情况下下降到在角度为0°的情况下的数值的一半。已表明：借助于这种角度相关的灵敏度分布一方面能够有效地检测待检测的目标辐射并且同时降低通过不期望的散射辐射产生的电压份额。
根据辐射接收器设备的至少一个实施方式，辐射接收器嵌入到包封部中。特别地，包封部能够用作为用于保护防止外部影响、例如湿气或灰尘的封装件。例如，包封部包含硅酮或环氧树脂或者具有硅酮和环氧树脂的杂化材料。包封部尤其局部地在辐射接收器和辐射入射面之间伸展。
根据辐射接收器设备的至少一个实施方式，可见光滤波器借助于填充材料在包封部中形成。包封部因此借助于填充材料构成为，使得阻挡在可见光谱范围中的辐射并且继续透射具有目标波长的辐射。
例如有机颜料或多种有机颜料的混合物适合作为填充材料。
根据辐射接收器设备的至少一个实施方式，在辐射接收器和光学元件之间设置有干扰辐射滤波器以用于抑制在可见光谱范围中或近红外中的干扰辐射。干扰辐射尤其借助在千赫兹范围中的调制频率、即具有位于1kHz和1000kHz之间的频率来调制，其中包括边界值。
优选地，干扰辐射滤波器以至少1：50的对比度、尤其优选以至少1：100的对比度相对于辐射接收器的目标波长抑制具有干扰波长的干扰辐射。
例如，干扰辐射滤波器构成为介电滤波器、电浆子滤波器或滤色器。
根据辐射接收器设备的至少一个实施方式，干扰波长大于目标波长。例如，干扰波长为1014nm。已表明：具有该波长的辐射是用于包含水银的荧光灯的表征的辐射。但是，干扰辐射替选地或附加地也能够包含如下辐射份额，所述辐射份额的波长小于目标波长，例如为大约820nm的波长。特别地，至少一个借助于干扰辐射滤波器滤波的辐射份额相对于整个环境光是窄带的。例如，干扰辐射包括具有最高50nm的半高宽(Full Width At Half Maximum，FWHM)的至少一个辐射份额。
借助于光学元件已经抑制相对于光学轴线以大的角度入射的辐射份额，使得如下滤波器也适合于干扰辐射滤波器，所述滤波器仅以相对于光学轴线小的角度实现期望的滤波作用。借助于光学元件进行的角度相关的选择和借助于干扰辐射滤波器进行波长相关的选择的组合因此尤其适合于抑制例如通过发光材料等引起的干扰辐射。
根据辐射接收器设备的至少一个实施方式，在辐射接收器和辐射入射面之间设置有用于抑制具有波长小于极限波长的辐射的半导体滤波器，其中极限波长小于目标波长。
这种半导体滤波器尤其适合用于吸收短波辐射并且同时透射长波辐射，其中短波和长波分别涉及极限波长。
这种半导体滤波器能够形成可见光滤波器或除了可见光滤波器之外设有这种半导体滤波器。由半导体滤波器吸收的辐射尤其能够包括可见光谱范围中的辐射和近红外中的辐射，所述近红外中的辐射小于目标波长。例如，半导体滤波器包含砷化物的化合物半导体材料。例如，半导体滤波器的铝含量高于有源区域的铝含量，使得极限波长小于有源区域的目标波长。
根据辐射接收器设备的至少一个实施方式，辐射接收器具有多个有源区域，所述有源区域沿着光学轴线设置。特别地，有源区域沿着光学轴线彼此间隔开地设置。例如，有源区域分布通过pn结形成。借助于多个有源区域、例如两个到五个有源区域，能够尽可能地改进要检测的目标辐射和干扰辐射之间的对比度，例如大约1:2的系数。
例如，在辐射接收器设备运行中，在有源区域中产生的信号能够单独地在辐射接收器处截取。通过该信号份额的差分形成能够以简单的方式实现目标波长和干扰波长之间的改进的对比度。
根据辐射接收器设备的至少一个实施方式，辐射接收器设备具有在20kHz和800kHz之间的、优选在30kHz和500kHz之间的电带宽，其中包括边界值。数据传递的载波频率因此能够在宽的界限中变化，使得能够通用地使用辐射接收器设备。因此，辐射接收器设备不针对特定的载波频率设计并且不限制于此，而是实现在所提出的频率范围中的任意的载波频率。
同时，辐射接收器设备的特征在于相对于干扰辐射的高的非灵敏度，使得辐射接收器设备也适合于1m或更大、例如大约5m的作用范围。
根据辐射接收器设备的至少一个实施方式，辐射接收器设备构成为可表面安装的器件(surface Mounted Device,SMD)。这种器件的特征在于：简单的可安装性，例如在如电路板的连接载体上的简单的可安装性。
根据辐射接收器设备的至少一个实施方式，尤其可表面安装的器件的安装面平行于光学轴线伸展。在沿水平方向定向的连接载体上，因此，辐射接收器设备主要接收沿水平方向或以相对于水平方向成小的角度伸展的辐射，而相对于水平方向成大的角度伸展的辐射、例如天花板照明的辐射不射到辐射接收器上或仅以不显著的份额射到辐射接收器上。
附图说明
从实施例接合附图的下面的描述中得出另外的特征、设计方案和有利方案。
其示出：
图1A和1B示出辐射接收器设备的第一实施例的剖面图(图1A)和所属的侧视图(图1B)；
图2示出辐射接收器的一个实施例；和
图3示出辐射接收器设备的第二实施例。
相同的、同类的或起相同作用的元件在附图中设有相同的附图标记。
附图中示出的元件彼此间的大小比例和附图不能够视为是合乎比例的。更确切地说，为了更好的示出和/或为了更好的理解能够夸大地示出各个元件和尤其层厚度。
具体实施方式
在图1A和1B中示意地示出辐射接收器设备的一个实施例，其中在图1B中示出的侧视图示出辐射接收器设备1的辐射入射面10的俯视图。
辐射接收器设备1具有带有设置用于接收在近红外中的辐射的有源区域20的辐射接收器2。辐射接收器设备例如设置用于接收位于820nm和980nm之间的、例如950nm的光谱范围中的辐射，其中包括边界值。有源区域20例如包含砷化物的化合物半导体材料。替选地，辐射接收器也能够基于硅。例如，辐射接收器构成为光电二极管、光电晶体管或构成为具有光敏区域的专用集成电路(ASIC)。
辐射接收器设备1还包括具有光学轴线30的光学元件3。光学轴线伸展穿过辐射接收器2，尤其穿过有源区域20的面重心。光学元件3形成辐射接收器设备1的辐射入射面10。
辐射接收器2设置在辐射接收器设备的壳体5的腔室51中。壳体5例如具有塑料成形体。光学元件3固定在壳体5上，例如借助于如粘结层的连接层或借助于如锁定连接或卡接连接的机械连接来固定。固定的细节在附图中为了简化视图而未被示出。
辐射接收器设备还具有可见光滤波器4。可见光滤波器4设置在辐射接收器2和辐射入射面10之间。在所示出的实施例中，可见光滤波器4通过颗粒形式的填充材料55形成，所述颗粒设置在包封部52中，辐射接收器2嵌入到所述包封部中。例如有机颜料或多种有机颜料的混合物适合作为填充材料。
但是与此不同，可见光滤波器4例如也能够通过预制元件形成，所述预制元件在侧视图中沿着光学轴线30观察尤其完整地遮盖辐射接收器2。
光学元件3成形为并且相对于辐射接收器设置为：使得以相对于光学轴线成大于或等于40％的角度射到辐射入射面10上的辐射不射到辐射接收器2上或至少仅以最高10％的份额射到辐射接收器2上。以相对于光学轴线成大的角度入射的、未射到辐射接收器2上的辐射份额在图1A中通过箭头72表明。对于该辐射份额不存在位于辐射入射面和辐射接收器的有源区域20之间的直接的射束路径。
平行于光学轴线或以相对于光学轴线成小的角度、例如最高25°的角度入射的辐射穿过光学元件3并且偏转到辐射接收器2上。该辐射份额通过该箭头71表明。
以大的角度射到辐射入射面10上的辐射因此偏转经过辐射接收器2。这尤其能够通过如下方式实现：辐射接收器2的有源区域的横向延展，即垂直于光学轴线30的延展、光学元件3的焦距和光学元件3距辐射接收器2的间距彼此协调成，使得不期望的辐射份额不射到辐射接收器2上。
在所示出的实施例中，光学元件3构成为如下元件，所述元件的被光学轴线30伸展穿过的中央区域垂直于光学轴线构成。中央区域由凸形弯曲的区域包围。但是与此不同的是，对于光学元件3例如也能够使用具有连续的凸形弯曲的辐射入射面的光学元件，例如呈截球形透镜的形式。也能够设想光学元件的其他的设计方案，例如具有多于一个透镜和/或遮光板的布置。
借助于光学元件3的角度选择性的设计方案和可见光滤波器4一方面滤除在可见光谱范围中的不期望的光谱份额并且另一方面滤除不期望的角度份额。在安装辐射接收器设备1使得光学轴线30沿水平方向伸展时，由天花板照明发射的环境辐射以大的角度射到辐射入射面10上，使得该辐射份额不提供或至少仅提供大大降低的信号份额。
辐射接收器设备1在所示出的实施例中还具有干扰辐射滤波器8。干扰辐射滤波器8设置在辐射接收器2和辐射入射面10之间进而位于耦合输入到辐射接收器设备1中的辐射的光路中。
干扰辐射滤波器8例如构成为介电滤波器。介电滤波器尤其适合于极其有效地阻挡光谱窄带的干扰辐射份额、例如具有最高50nm半高全宽(Full Width At Half Maximum，FWHM)的干扰辐射份额并且同时透过目标辐射。但是替选于介电滤波器，也能够使用其他的滤波器，例如滤色器或电浆子滤波器。干扰辐射滤波器尤其设置用于抑制在近红外和/或可见光谱范围中的干扰辐射，其中该辐射份额尤其能够借助千赫兹范围中的调制频率来调制。这种辐射份额在射到辐射接收器2上时能够被错误解释为目标辐射的入射的光脉冲。
特别地，干扰辐射滤波器8也能够滤除具有干扰波长的干扰辐射，所述干扰波长大于目标波长。例如，荧光灯显示出具有为1014nm的表征的干扰波长的干扰辐射。该辐射份额通过水银的表征的波长提供并且相对于总的环境光是窄带的。但是干扰辐射替选地或补充地也能够具有其他的辐射份额，其波长小于目标波长。例如，在近红外中的干扰波长低于目标波长，例如为820nm，或者位于可见光谱范围中。
干扰辐射滤波器优选构成为，使得其以至少1:50的对比度、尤其优选至少1:100的对比度相对于辐射接收器2的目标波长抑制具有干扰波长的干扰辐射。对比度越大，通过干扰辐射损坏辐射接收器的危险就越小。所给定的对比度尤其涉及窄带的干扰辐射份额的峰值波长。
借助这种干扰辐射滤波器8因此能够尤其有效地滤除荧光灯的引起错误信号的调制的干扰辐射份额。然而，这种干扰辐射滤波器8不是强制需要的并且尤其能够在相对于干扰辐射的鲁棒性的要求降低的情况下也能够被省去。
此外，与所示出的实施例不同能够设想的是：例如当尤其也对于大的入射角度如借助于干扰辐射滤波器8进行波长选择性的滤波有效而使得不需要附加的角度选择性的滤波时，弃用角度选择性的光学元件。
在所示出的实施例中，辐射接收器设备1构成为可表面安装的器件，其中安装面15平行于光学轴线30伸展。在将辐射接收器设备安装在于空间中在水平方向上伸展的连接载体上时，辐射接收器设备1因此主要检测在水平方向上或以相对于水平方向成小的角度伸展的目标辐射，而尽可能滤除相对于水平方向成大的角度入射的辐射。例如，辐射接收器设备例如适合于检测电气设备的遥控装置的信号。
辐射接收器设备在安装面15上具有用于外部电接触辐射接收器设备的接触部6。接触部例如用于辐射接收器的供电和输出辐射接收器设备的信号。显然，辐射接收器设备能够具有一个或多个附加的有源的或无源的电部件，例如电阻、电容、晶体管、前置放大器或评估电路(为了简化视图在附图中没有明确示出)。
借助所描述的抑制不期望的辐射份额，辐射接收器设备的特征能够在于位于20kHz和800kHz之间的、例如30kHz和500kHz之间的高的电带宽，其中包括边界值，使得能够与载波频率无关地、可靠地检测具有大于或等于1μs脉冲持续时间的待检测的脉冲。
特别地，降低由于例如通过荧光灯产生的环境光引起错误信号的危险。此外，辐射接收器设备的特征能够在于大于1m的作用范围、例如5m或更大的作用范围。
在图2中示出辐射接收器2的实施例。
辐射接收器2具有半导体本体21，所述半导体本体设置在载体22上。载体例如是用于外延沉积半导体本体的半导体层的生长衬底。辐射接收器、尤其半导体本体示例地具有两个彼此相叠设置的有源区域20。此外，辐射接收器2包括三个用于电接触辐射接收器的连接面25。借助于该连接面能够彼此独立地接触这两个有源区域20。通过这两个有源区域20的信号的差分形成能够尽可能地提高辐射接收器2的波长选择性的接收特性。例如，在940nm目标波长和1013nm干扰波长之间能够实现1:2的对比度。显然，辐射接收器2也能够具有多于两个有源区域20或仅具有一个有源区域20。
图3中示出的辐射接收器设备1的第二实施例基本上对应于结合图1A和1B描述的第一实施例。与其不同的是，辐射接收器设备1附加地具有半导体滤波器9。半导体滤波器设置用于抑制具有波长小于极限波长的辐射。极限波长通过半导体滤波器的半导体材料的带隙给定。适当地，极限波长小于目标波长，使得具有目标波长的辐射不通过半导体滤波器吸收并且能够尽可能不受阻碍地穿过半导体滤波器。例如，半导体滤波器包含具有如下铝含量的砷化物的化合物半导体材料，所述铝含量大于有源区域的铝含量。半导体材料尤其在带隙的范围中的特征在于极其高的吸收系数、尤其至少5000/cm、例如10000/cm，使得相对小的层厚度就已经引起有效的辐射吸收。
极限波长位于可见光谱范围中或近红外中。除了或替选于可见光滤波器4之外能够设有半导体滤波器9，所述可见光滤波器在所示出的实施例中通过填充材料55形成。
本申请要求德国专利申请10 2013 112 882.3的优先权，其公开内容通过参考并入本文。
本发明不局限于根据所述实施例进行的描述。相反，本发明包括各个新的特征以及特征的各个组合，这尤其包含本文中的特征的各个组合，即使所述特征或所述组合本身没有在实施例中明确地说明时也是如此。