DE102007014034B3

DE102007014034B3 - Optischer Sensorchip und Einklemmschutzvorrichtung mit einem solchen

Info

Publication number: DE102007014034B3
Application number: DE102007014034A
Authority: DE
Inventors: Bernhard Sofaly
Original assignee: Continental Automotive GmbH
Current assignee: Continental Automotive GmbH
Priority date: 2007-03-23
Filing date: 2007-03-23
Publication date: 2008-09-25
Anticipated expiration: 2027-03-24
Also published as: WO2008116699A2; CN101641573B; CN101641573A; WO2008116699A3; US20100108919A1

Abstract

Es wird ein optischer Sensorchip (17), insbesondere für eine optische Einklemmschutzvorrichtung (1) angegeben. Der Sensorchip (17) umfasst ein ein- oder zweidimensionales Array (34) von photosensitiven Elementen, insbesondere Photodioden (45, 46), eine Anzahl von Vorverarbeitungsschaltkreisen (49) zur jeweiligen Verarbeitung eines Detektionssignals (I) jeweils einem Element (46), und eine programmierbare Schnittstelle (50) zwischen dem Array (44) und den Vorverarbeitungsschaltkreisen (49), wobei mittels der Schnittstelle (50) jedem Element (45, 46) ein Vorverarbeitungsschaltkreis (49) zuordenbar ist. Es wird weiterhin eine optische Einklemmschutzvorrichtung (1) angegeben. Die Einklemmschutzvorrichtung umfasst eine Emittereinheit (4), die zur Strahlungsemission in einem Raumgebiet (12) eingerichtet ist, eine Detektoreinheit (6), welche zur Erfassung eines Strahlungsfeldes (18) aus dem Raumgebiet (12) eingerichtet ist, und eine Steuereinheit (3), welche dazu ausgebildet ist, durch Auswertung von Ausgangssignalen (U'') der Detektoreinheit (6) ein Hindernis (20) in einem vorgegebenen Überwachungsbereich (14) in dem Raumgebiet (12) zu erkennen. Die Detektoreinheit (6) umfasst hierbei den oben beschriebenen Sensorchip (17).

Description

Die Erfindung betrifft einen optischen Sensorchip. Die Erfindung bezieht sich weiterhin auf eine optische Einklemmschutzvorrichtung, insbesondere für die Überwachung einer Fensterscheibe, Schiebetür oder Heckklappe in einem Kraftfahrzeug, mit einem solchen Sensorchip.
Bei Einklemmschutzvorrichtungen kommen bisher einerseits Lichtschranken zur Anwendung, die ein Hindernis auf der Verbindungslinie zwischen einem Sender und einem Empfänger erkennen können. Der Empfänger ist dazu ausgebildet, im Normalbetrieb ein Signal des Senders zu empfangen, und im Falle eines Hindernisses im Überwachungsbereich anhand einer Minderung oder eines Zusammenbruchs des beim Empfänger ankommenden Signals die Anwesenheit des Hindernisses zu erkennen.
Zur Ausbildung eines flächigen Überwachungsbereiches können Sender und Empfänger einer Lichtschranke linienförmig ausgebildet und an den Randlinien der Überwachungsfläche positioniert werden. Nachteiligerweise besteht damit die konstruktive Notwendigkeit, eine derartige Überwachungsfläche mit Sender-Empfängersystemen einzurahmen. Ist zudem eine gekrümmtes oder unregelmäßig geformtes Flächengebiet zur Überwachung vorgegeben, so steigt auch der konstruktive Aufwand für die Ausbildung solcher Sender-Empfängersysteme, bei denen sich jeweils ein Sender und ein Empfänger oder eine Sender-Empfängereinheit und ein Reflektor auf einer geraden Linie zueinander gegenüber liegen müssen.
Andererseits werden für Einklemmschutzvorrichtungen Sensoren mit Sende-Empfangssystemen angewendet, die auf einer Reflektion eines Signals durch das zu detektierende Hindernis basieren, ähnlich zum Prinzip eines Radars oder eines Echolots. Der Empfänger eines solchen Systems ist dazu ausgebildet, ein Hindernis durch die von diesem zurückgestreuten oder reflektierten Anteile eines Signals des Senders zu identifizieren.
In dem Dokument DE 696 34 151 T2 ist ein optisches Einklemmschutzsystem mit einer Sensortechnik offenbart, welche auf der Reflektion von Infrarotlicht basiert. Die Intensität der von einem Hindernis zurückgestrahlten Infrarotstrahlung wird gemessen. Anhand einer Erhöhung der Intensität dieser am Empfänger eingehenden Strahlung wird ein Hindernis erkannt. Bei diesem System hat es sich jedoch als nachteilhaft erwiesen, dass der Überwachungsbereich nicht hinreichend gut an gekrümmte Flächen angepasst werden kann, um beispielsweise eine Fahrzeugkontur abzubilden. Zudem ist das bekannte System anfällig gegenüber Temperaturschwankungen sowie gegenüber einer Hintergrundeinstrahlung, die in die Messung mit eingeht. Das System umfasst einen oder mehrere Sensorchips mit jeweils einer Photodiode und einem nachgeschalteten Schaltkreis zu Vorverarbeitung des von der Photodiode ausgegebenen Detektionssignals.
Aus DE 197 42 093 A1 ist ein photoelektrisches Sensorarray mit einer Vielzahl von Wandlerelementen bzw. Pixeln, die einzelne Bildpunkte bilden, bekannt. Dabei sind einzelne Pixel zum Auswerten bestimmter optischer Informationen zu Pixelblöcken zusammengefasst.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen für eine optische Einklemmschutzvorrichtung besonders geeigneten Sensorchip anzugeben. Der Erfindung liegt weiterhin die Aufgabe zugrunde, eine besonders geeignete optische Einklemmschutzvorrichtung anzugeben.
Die Aufgabe wird bezüglich des Sensorchips erfindungsgemäß gelöst durch die Merkmale des Anspruchs 1. Danach umfasst der Sensorchip ein ein- oder zweidimensionales Array von photosensitiven Elementen, insbesondere Photodioden, also mehreren solchen Elementen, die in einer vorgegebenen geometrischen Anordnung insbesondere auf einem gemeinsamen Substrat an geordnet sind. Der Sensorchip umfasst weiterhin eine Anzahl von integrierten Vorverarbeitungsschaltkreisen, wobei jeder Vorverarbeitungsschaltkreis für eine unabhängige Vorverarbeitung eines Detektionssignals einer Photodiode des Arrays eingerichtet ist. Eine gegenseitige Zuordnung von Photodioden und Vorverarbeitungsschaltkreisen ist dabei durch eine dem Photo diodenarray und den Schaltkreisen zwischengeordnete programmierbare Schnittstelle flexibel, nämlich durch Programmierung der Schnittstelle wählbar bzw. einstellbar.
Die Schnittstelle ist bevorzugt derart ausgebildet, dass stets genau eine (insbesondere beliebige) Photodiode eindeutig einem Vorverarbeitungsschaltkreis zuordenbar ist. Alternativ hierzu kann die Schnittstelle aber auch derart ausgebildet sein, dass mehrere Photodioden parallelgeschaltet einem gemeinsamen Vorverarbeitungsschaltkreis zugeordnet werden können.
Die Vorverarbeitung enthält einen oder mehrere Bearbeitungsschritte, mit denen das Ausgangssignal der zugeordneten Photodiode für die anschließende Auswertung in der Steuereinheit vorbereitet wird. Die Vorverarbeitung umfasst insbesondere – einzeln oder in beliebiger Kombination – eine Analog-Digitalwandlung, eine Messwertspeicherung, eine Verstärkung oder eine zeitliche Kumulation des Ausgangssignals. Als Kumulation wird daher eine Summierung des Ausgangssignals der zugeordneten Photodiode über eine vorgegebene Anzahl von Messzyklen verstanden. Die Kumulation entspricht somit im Wesentlichen einer Belichtungszeiteinstellung.
Der Erfindung liegt die Überlegung zugrunde, dass für die meisten Anwendungsfälle nicht alle Photodioden eines Arrays benötigt werden. Im Falle einer Einklemmschutzvorrichtung für einen Kraftfahrzeug-Fensterheber ist der Überwachungsbereich in der Regel durch eine im Wesentlichen zu der optischen Achse der Detektoreinheit parallele Fläche gegeben. Ein solcher Überwachungsbereich wird in einen im Wesentlichen eindimensionalen Bildbereich, d. h. in einen mehr oder weniger breiten Strich auf das Photodiodenarray abgebildet, der aber entsprechend der Geometrie des Überwachungsraums meist krummlinig ist. Andererseits sind der Überwachungsbereich, und damit auch der Bildbereich in der Regel für jeden konkreten Anwendungsfall der Einklemmschutzvorrichtung, beispielsweise also für den Fahrzeugtyp, bei dem die Vorrichtung eingesetzt wer den soll, verschieden. Um die Vorrichtung unter Vermeidung von Spezialanfertigungen für möglichst viele Anwendungsfälle einsetzen zu können, ist es erkanntermaßen im Sinne einer rationellen Fertigung sinnvoll, das Photodiodenarray mit einer hinreichend groß dimensionierten Photodiodenanordnung zu versehen, die die Bildbereiche der für übliche Anwendungsfälle zu veranschlagenden Überwachungsbereiche abdeckt. Für den einzelnen Anwendungsfall ist ein solches Standard-Array aber in der Regel überdimensioniert, so dass stets eine beträchtliche Anzahl von Photodioden, insbesondere an den Rändern des Arrays, überflüssig sind, da sie außerhalb des Bildbereichs liegen. Diese Überdimensionierung würde sich erkanntermaßen dann besonders nachteilig auswirken, wenn jeder Photodiode des Arrays ein eigener Vorverarbeitungsschaltkreis zugeordnet würde, zumal sich hierdurch die Größe des Sensorchips entscheidend vergrößern würde. Letzteres würde die Einsatzfähigkeit der Vorrichtung, z. B. in Hinblick auf die beengten Platzverhältnisse im Kraftfahrzeugen, wieder einschränken, und die Herstellung eines solchen Sensorschips verteuern.
In diesem Spannungsfeld wird durch die vorstehend beschriebene Ausgestaltung eine Synthese erzielt. Durch die Möglichkeit, Photodioden und Vorverarbeitungsschaltkreise einander durch Programmierung flexibel zuordnen zu können, entfällt die Notwendigkeit, für jede Photodiode einen separaten Vorverarbeitungsschaltkreis vorsehen zu müssen. Vielmehr genügt es, eine hinreichend große, aber die Anzahl der Photodioden in der Regel wesentlich unterschreitende Anzahl von Vorverarbeitungsschaltkreisen auf dem Sensorchip zu integrieren, denen dann im konkreten Anwendungsfall gezielt die zur Abtastung des Überwachungsbereichs relevanten Photodioden zugeordnet werden können. Dies ermöglicht gleichzeitig eine sowohl preisgünstige als auch platzsparende Realisierung eines dennoch vielseitig einsetzbaren Sensorchips.
Indem die Ausgangssignale der Photodioden direkt auf dem Sensorchip vorverarbeitet werden, wird zudem ein besonders günstiges Signal-Rausch-Verhältnis erzielt.
Bei einem zweidimensionalen Array mit einer rechteckigen Photodiodenanordnung, die eine Anzahl von Zeilen und eine Anzahl von Spalten umfasst, ist bevorzugt eine der Anzahl der Zeilen oder Spalten entsprechende Anzahl von Vorverarbeitungsschaltkreisen vorgesehen. Dabei ist jeweils eine Photodiode aus jeder Zeile bzw. Spalte des Arrays einem Vorverarbeitungsschaltkreis eineindeutig zuordenbar.
Bezüglich der Einklemmschutzvorrichtung wird die Aufgabe erfindungsgemäß gelöst durch die Merkmale des Anspruchs 3. Die Vorrichtung umfasst danach eine Emittereinheit, die zur Strahlungsemission in ein Raumgebiet eingerichtet ist sowie eine Detektoreinheit, die zur Erfassung eines Strahlungsfeldes aus dem Raumgebiet eingerichtet ist. Die Vorrichtung umfasst weiterhin eine Steuereinheit, die dazu ausgebildet ist, durch Auswertung von Ausgangssignalen der Detektoreinheit ein Hindernis in einem vorgegebenen Überwachungsbereich in dem Raumgebiet zu erkennen. Zu diesem Zweck umfasst die Detektoreinheit einen Sensorchip der vorstehend beschriebenen Art.
Die Steuereinheit ist insbesondere durch ein oder mehrere Softwaremodule gebildet, die auf ein oder mehreren Hardwaremodulen, insbesondere Microcontrollern oder dergleichen, implementiert sind.
Dem Photodiodenarray ist hierbei bevorzugt eine abbildende Optik vorgeschaltet. Unter dem Begriff abbildende Optik eine optische Komponente, z. B. eine Linse, ein Spiegel oder dergleichen, oder eine Anordnung mehrerer solcher Komponenten verstanden, die die von einem Raumpunkt aus auf die Optik fallenden Lichtstrahlen wiederum in einen definierten Punkt eines Bildraumes abbildet.
Indem eine abbildende Optik einem Photodiodenarray vorgeschaltet ist, wird jeder Punkt im Überwachungsbereich wird eindeutig auf einen Bildpunkt in der Umgebung des Sensorchips abgebildet, und von dem dortigen Photodiodenarray ortsselek tiv detektiert. Dies ermöglicht es, charakteristische Größen eines einfallenden Strahlungsfeldes – beispielsweise die Intensität – in Abhängigkeit von dem Einfallswinkel zu unterscheiden. Durch die Ausgestaltung der Vorrichtung wird also eine räumliche Segmentierung des Überwachungsbereichs ermöglicht, indem Lichtstrahlen aus unterschiedlichen räumlichen Segmenten des Überwachungsbereichs auf unterschiedliche Dioden des Arrays abgebildet werden und von diesen Dioden unabhängig detektierbar sind. Im weitesten Rahmen der Erfindung umfasst das Array mindestens zwei, bevorzugt aber eine deutlich größere Anzahl von Photodioden. Die Auflösung der räumlichen Segmentierung hängt nämlich von der Anzahl und der Dichte der Photodioden auf dem Array ab. Je dichter die Photodioden auf dem Array angeordnet sind und je größer die Anzahl der Photodioden ist, desto feiner ist die Segmentierung und desto höher ist die Auflösung der charakteristischen Größen eines einfallenden Strahlungsfeldes nach dem Einfallswinkel.
Im Vergleich zu separaten Photodioden, die jeweils in einem separatem Diodengehäuse eingebaut sind, kann ein Photodiodenarray eine relativ hohe Anzahl und Dichte von Photodioden aufweisen, beispielsweise in Form einer segmentierten photosensitiven Schicht.
Nach diesem Konstruktionsprinzip ist es daher möglich, mit einem derartigen Array von Photodioden und einer davor positionierten abbildenden Optik entsprechend präzise den Einfallswinkel eines eintreffenden Lichtpulses zu identifizieren.
Die Verwendung einer abbildenden Optik, beispielsweise einer konvexen Linse, hat den zusätzlichen Vorteil, dass das von einem Hindernis reflektierte Licht in beiden Dimensionen normal zu der optischen Achse der Optik gebündelt wird, wodurch sich mittels einer vergleichbar kleinen Linse eine vergleichsweise große Lichtmenge konzentrieren lässt.
In einer bevorzugten Ausführungsvariante der Einklemmschutzvorrichtung ist die Steuereinheit dazu ausgebildet, die Emittereinheit anzusteuern.
Durch die Ansteuerung der Emittereinheit durch die Steuereinheit ist es zunächst möglich, die Emittereinheit erst dann zu aktivieren, wenn beispielsweise durch andere Mittel eine erhöhte Wahrscheinlichkeit für einen Einklemmfall verifiziert ist oder diese durch Systemzustände an sich erhöht ist. Beispielsweise muss für ein Fahrzeugfenster ein optischer Einklemmschutz nur dann aktiv sein, wenn das Fenster gerade geschlossen wird, noch offen ist und um weniger als einen vorgebbaren Mindestbetrag von der Schließposition entfernt ist, nicht jedoch im stationären geschlossenen Zustand, oder wenn das Fenster gerade geöffnet wird.
Die Emittereinheit wird bevorzugt gepulst angesteuert. Durch eine gepulste Ansteuerung der Emittereinheit ist es möglich, Referenzsignale mit spezieller Signatur, beispielsweise mit einer speziellen Intensitätsmodulation, über die Emittereinheit abzustrahlen, die von der Detektoreinheit identifiziert und entsprechend klassifiziert werden, so dass Störeffekte – wie eine Hintergrundeinstrahlung – ausgeblendet werden können. Zur Signalidentifikation fungiert die Steuereinheit in diesem Sinne als elektronische Schnittstelle zwischen der Steuereinheit und der Detektoreinheit.
In einer weiteren bevorzugten Ausgestaltungsvariante der optischen Einklemmschutzvorrichtung umfasst die Emittereinheit eine Anzahl von Leuchtdioden oder eine Anzahl von Laserdioden, die vorzugsweise im Infrarotbereich strahlen.
In einer geeigneten Weiterbildung der optischen Einklemmschutzvorrichtung umfasst die Emittereinheit eine Optik zur gerichteten Abstrahlung, so dass das durch das Emissionsfeld erfasste Raumgebiet schon vorab so weit eingeschränkt werden kann, dass sowohl der vorgegebene Überwachungsbereich vollständig erfasst wird als auch die Abweichung zwischen dem er fassten Raumgebiet und dem Überwachungsbereich möglichst klein ist. Die Fokussierung des Emissionsfeldes ist sinnvoll, um den Energie- und den Verarbeitungsaufwand so gering wie möglich zu halten.
Insbesondere ist diese Optik, die in dieser Ausführung bevorzugt in Form einer Zylinderlinse realisiert ist, dazu ausgebildet, ein im wesentlichen fächerförmiges Strahlenbündel zu erzeugen.
Weiterhin ist vorteilhafterweise die Steuereinheit dazu ausgebildet, zum Erkennen eines Hindernisses in einem Überwachungsbereich eine von einem vorgegebenen Referenzmuster abweichende räumliche – d. h. in Abhängigkeit von dem Einfallwinkel variierende – Intensitätsverteilung des aus dem Raumgebiet einfallenden Strahlungsfeldes oder eine räumlich inhomogene zeitliche Intensitätsänderung anhand eines Vergleichs der Ausgangssignale verschiedener Photodioden des Arrays zu erfassen. Als räumlich inhomogene Intensitätsänderung wird eine zeitliche Änderung der auf dem Photodiodenarray auftreffenden Lichtstrahlung bezeichnet, die für verschiedene räumliche Bereich des Photodiodenarrays, also insbesondere für verschiedene Photodioden des Arrays, unterschiedlich ausfällt. Dieses Kriterium ist insbesondere dann erfüllt, wenn sich die für verschiedene Photodioden registrierten Lichtintensitäten gleichzeitig in signifikant nicht-proportionaler Weise ändern.
Die an einer Photodiode gemessene Strahlungsintensität – oder die Strahlungsamplitude, deren Betragsquadrat proportional zur Strahlungsintensität ist – wird dabei nicht absolut, sondern vergleichend im Verhältnis zu den an weiteren Photodioden einfallenden Intensitäten ausgewertet. Die jeweiligen Intensitäten bestimmen die Stromstärken der Ausgangssignale der jeweiligen Photodioden, die zur Auswertung weiterverarbeitet werden.
Durch die vergleichende Intensitätsauswertung wird einerseits die Einklemmschutzvorrichtung unabhängig von der absoluten eingestrahlten Lichtintensität und damit unabhängig von der Beleuchtungsenergie. Die Empfindlichkeit der Vorrichtung gegenüber absoluten Helligkeitsschwankungen und temperaturabhängig variierenden Betriebsverhalten der Emittereinheit und der Detektoreinheit wird somit effektiv reduziert.
Andererseits ermöglicht die Erfassung räumlich inhomogener Intensitätsänderungen eine bessere Unterscheidung von lokal begrenzte Hindernissen, beispielsweise einer in den Schließweg einer Fahrzeugscheibe gehaltene Hand, gegenüber Störeffekten, beispielsweise einer plötzlichen Änderung der Hintergrundhelligkeit. So ist es für eine durch die Verhältnisse der Umgebung bestimmte stationäre Beleuchtung bzw. für die Hintergrundeinstrahlung charakteristisch, dass die Strahlungsintensität im wesentlichen räumlich homogen zeitlich variiert. Durch ein räumlich begrenztes, sich bewegendes Hindernis im Überwachungsbereich wird dagegen eine räumlich inhomogene zeitliche Veränderung der Strahlungsverhältnisse bedingt, die an verschiedenen Photodioden des Arrays zu einer unterschiedlich großen, nichtproportionalen zeitlichen Veränderung der registrierten Intensität führt. Je höher die Auflösung der räumlichen Segmentierung ist, desto besser wird dieser Effekt für jeweils kleinere Hindernisobjekte nachweisbar.
Die vergleichende Intensitätsauswertung wirkt sich dabei insbesondere vorteilhaft auf eine sichere Erkennung von vergleichsweise kleinen und/oder schwach reflektierenden Hindernisobjekten aus, deren Einfluss bei einer absoluten Auswertung der in der Detektoreinheit detektierten Strahlung leicht durch eine starke Hintergrundeinstrahlung überdeckt, und hierdurch übersehen werden kann.
Die vergleichende Intensitätsauswertung ist folglich ein effektives Hilfsmittel, um zeitliche Veränderungen der Hintergrundeinstrahlung an sich von zeitlichen Veränderungen des Strahlungsfeldes durch ein bewegliches Hindernis im Überwachungsbereich zu unterscheiden und somit einen möglichen Hindernisfall auch bei ungünstigen Beleuchtungsverhältnissen besser zu erkennen.
Im folgenden werden Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand einer Zeichnung näher diskutiert.
Dabei zeigen jeweils in schematischer Darstellung
1 in einem Blockschaltbild eine optische Einklemmschutzvorrichtung mit einer optoelektronischen Baugruppe, umfassend eine Emittereinheit und eine Detektoreinheit, sowie mit einer Steuereinheit,
2 in perspektivischer Ansicht eine erste Ausführungsform der Einklemmschutzvorrichtung, bei der eine die Steuereinheit umfassende Sensorperipherieplatine parallel bezüglich einer Sensorfläche der optoelektronischen Baugruppe an Letzter anliegt,
3 in Darstellung gemäß 2 eine alternative Ausführungsform der Einklemmschutzvorrichtung, bei der die Sensorperipherieplatine orthogonal bezüglich der Sensorfläche an der optoelektronischen Baugruppe anliegt,
4 in detaillierter perspektivischer Darstellung die optoelektronische Baugruppe, und
5 in perspektivischer Darstellung eine Ausführung der Detektoreinheit mit einem programmierbaren Sensorchip.
Einander entsprechende Teile und Größen sind in den Figuren stets mit gleichen Bezugszeichen versehen.
In 1 ist eine optische Einklemmschutzvorrichtung 1 schematisch dargestellt, die als Teil eines motorischen Fensterhebers für eine Kraftfahrzeugscheibe eingesetzt ist.
Die Vorrichtung 1 umfasst eine optoelektronische Baugruppe 2 sowie eine Steuereinheit 3. Die Steuereinheit 3 umfasst wiederum eine Emittereinheit 4 und eine Detektoreinheit 6.
Von der Emittereinheit 4 wird mit Hilfe einer Fokussierungsoptik 8 ein fächerförmiges Strahlenbündel 10 in ein Raumgebiet 12 abgestrahlt. Innerhalb des Raumgebietes 12 ist ein Überwachungsbereich 14 definiert, innerhalb von welchem eindringende Objekte als Hindernis erkannt werden sollen.
Die Detektoreinheit 6 umfasst eine abbildende Optik 16 und einen dieser in Lichteinfallsrichtung nachgeschalteten Sensorchip 17. Mittels der abbildenden Optik 16 wird ein aus dem Raumgebiet 12 einfallendes (Licht-)Strahlungsfeld 18 auf den Sensorchip 17 abgebildet. Das Strahlungsfeld 18 enthält reflektierte Anteile des Strahlenbündels 10 sowie Anteile einer aus dem Raumgebiet 12 kommenden Hintergrundeinstrahlung.
Befindet sich ein Hindernis 20 in dem Raumgebiet 12, so trifft ein von der Emittereinheit 4 abgestrahlter Lichtpuls 22 des Strahlenbündels 10 auf das Hindernis 20 und wird von diesem gestreut. Ein Anteil 24 des Lichtpulses 22 wird dabei zur Detektoreinheit 6 zurückgestrahlt.
Der Lichtpuls 22 und somit auch dessen zurückgestrahlter Anteil 24 weisen als Signatur eine kurzzeitskalige Intensitätsmodulation auf, so dass die Detektoreinheit 6 den Anteil 24 in dem einfallenden Strahlungsfeld 18 mit einer gleichmäßigen oder höchstens langzeitskalig variierenden Hintergrundeinstrahlung identifizieren kann. Der Anteil 24 wird durch die abbildende Optik 16 auf den Sensorchip 17 gelenkt und dort detektiert.
Die Steuereinheit 3 steuert die Emittereinheit 4 mittels einer Modulationsspannung U zur Emission periodisch intensitätsmodulierter Lichtpulse an, deren Signatur durch die Modulationsspannung U bestimmt ist. Weiterhin wird die Modulationsspannung U als Referenzgröße U' an die Detektoreinheit 6 übermittelt. Die Detektoreinheit 6 verarbeitet (auf nachfolgend näher beschriebene Weise) ein dem detektierten Strahlungsanteil 24 entsprechendes Detektionssignal I mit der Referenzgröße U' und leitet ein daraus resultierendes Detektor-Ausgangssignal U'' an die Steuereinheit 3 weiter. Es enthält eine Information über die Amplitude und damit die Lichtintensität des zurückgestrahlten Anteils 24 zwischen der Emittereinheit 4 und der Detektoreinheit 6, sowie eine Information über die Einfallsrichtung des Anteils 24. Anhand des Detektor-Ausgangssignals U'' ermittelt die Steuereinheit 3 die Entfernung und Lage des Hindernisses 20 und verifiziert, ob sich das Hindernis 20 in dem vorgegebenen Überwachungsbereich 14 befindet. Ist dies der Fall, so übermittelt die Steuereinheit 3 ein Identifikationssignal Id an weitere Mittel, z. B. eine Steuerung des Fensterhebers, die daraufhin den Vorschub der Fahrzeugscheibe stoppen oder invertieren.
Gemäß 2 hat die optoelektronische Baugruppe 2 ein im Wesentlichen quaderförmiges Gehäuse 25. Die Emittereinheit 4 und die Detektoreinheit 6 treten hierbei mit der jeweils zugeordneten Optik 8 bzw. 16 an einer Seitenfläche des Gehäuses 25 hervor, die nachfolgend als Sensorfläche 26 bezeichnet ist. In der Ausführung gemäß 2 umfasst die Vorrichtung 1 zusätzlich zu der Baugruppe 2 eine Sensorperipherieplatine 28, welche zumindest Teile der Steuereinheit umfasst. Die Sensorperipherieplatine 28 ist in dieser Ausführung parallel zu der Sensorfläche 26 ausgerichtet und anliegend an einer dieser gegenüberliegenden Seitenfläche 30 des Gehäuses 25 angeordnet.
In bevorzugter Dimensionierung weist das Gehäuse 25 eine Höhe a von 25 mm, eine Breite b von 10 mm, und eine Länge c von etwa 50 mm auf. Mit diesen kompakten Abmessungen der optoelektronischen Baugruppe 2 eignet sich die Vorrichtung 1 für die genannte Verwendung als Fenster-Einklemmschutzsystem in einem Fahrzeug. Das Einklemmschutzsystem 1 wird hierbei mit der anliegenden Sensorperipherieplatine 28 auf einem bezüglich der Fahrzeugscheibe ortsfesten Untergrund montiert.
Die in 3 dargestellte Ausführungsform der Vorrichtung 1 ist im Wesentlichen baugleich mit der vorstehend beschriebenen Ausführungsform ausgebildet, unterscheidet sich von letzterer aber dadurch, dass hier die Sensorperipherieplatine 28 orthogonal bezüglich der Sensorfläche 26 der Baugruppe 2 ausgerichtet ist, und somit etwa senkrecht von der Seitenfläche 30 des Gehäuses 25 absteht.
In 4 ist die optoelektronische Baugruppe 2 in gegenüber 1 detaillierterer Darstellung gezeigt. Sichtbar sind die beiden um die Höhe a beabstandeten Gehäuseseitenwände der Baugruppe 2, die der Sensorfläche 26 und der dieser gegenüberliegenden Seitenfläche 30 entsprechen. Die weiteren Seitenwände des Gehäuses 25 sind in dieser Darstellung nicht gezeigt, so dass Komponenten im Innenraum der optoelektronische Baugruppe 2 sichtbar werden. In dieser Darstellung ist zu erkennen, dass die Emittereinheit 4 eine Anzahl von Leuchtdioden 32 umfasst, die so ausgerichtet sind, dass sie mit Hilfe der in Form einer Zylinderlinse ausgebildeten Fokussierungsoptik 8 das von den Leuchtdioden 32 ausgehende Licht in das fächerförmige Strahlenbündel 10 streuen.
Die abbildende Optik 16 der Detektoreinheit 6 ist gemäß 4 durch eine konvexe Linse gebildet. Der Sensorchip 17 umfasst ein hier eindimensionales Array 34 von Photodioden 36.
Die Darstellung zeigt die Strahlengänge 38 und 39, die von jeweils einem Endpunkt des hier als längliches Objekt dargestellten Hindernisses 20 in dem Raumgebiet 12 über die Optik 16 auf jeweils unterschiedliche Photodioden 36 treffen.
5 zeigt eine Ausführungsform der Detektoreinheit 6, bei der ein programmierbarer Sensorchip 40 vorgesehen ist. Der Sensorchip 17 umfasst hier – abweichend von 4 – ein Array 44 von Photodioden 45, 46, die in Zeilen 47 und Spalten 48 in Form einer zweidimensionalen Matrix angeordnet sind. Dem Array 44 ist eine Anzahl von Vorverarbeitungsschaltkreisen 49 vorgeschaltet, wobei die Anzahl der Vorverarbeitungsschaltkreise 49 der Anzahl der Zeilen 47 des Arrays 44 entspricht. Eine programmierbare Schnittstelle 50 ordnet jeweils eine Photodiode 46 aus jeder der Zeilen 47 genau einem der Vorverarbeitungsschaltkreise 49 zu. Damit wird ein Ausgangssignal einer solchen Photodiode 46 in dem entsprechend zugeordneten Vorverarbeitungsschaltkreis 49 vorverarbeitet und der Steuereinheit 3 übermittelt. Die weiteren Photodioden 45 des Arrays 44 sind durch die Konfigurierung der Schnittstelle 49 von den Vorverarbeitungsschaltkreisen 49 entkoppelt, so dass die Detektionssignale I dieser Photodioden 45 nicht weiterverarbeitet werden. Die auf diese Weise aktivierten Photodioden 46 bilden eine eindimensionale Kontur auf dem zweidimensionalen Array 44, womit vermöge des Strahlengangs 51 der abbildenden Optik 16 der korrespondierend konturierte Überwachungsbereich 14 in dem Raumgebiet 12 definiert ist.
Die Steuereinheit 3 vergleicht Änderungen der von verschiedenen Photodioden 46 gemessenen Lichtintensitäten miteinander, und erkennt auf die Anwesenheit eines Hindernisses 20, wenn sie eine signifikante Änderung der Lichtintensität feststellt, die räumlich inhomogen ist, also nicht von allen Photodioden 46 in gleicher oder entsprechender Weise detektiert wurde.

Claims

Optischer Sensorchip (17), insbesondere für eine optische Einklemmschutzvorrichtung (1), – mit einem ein- oder zweidimensionalen Array (34) von photosensitiven Elementen, insbesondere Photodioden (45, 46), – mit einer Anzahl von Vorverarbeitungsschaltkreisen (49) zur jeweiligen Verarbeitung eines Detektionssignals (I) jeweils eines Elements (46), und – mit einer programmierbaren Schnittstelle (50) zwischen dem Array (44) und den Vorverarbeitungsschaltkreisen (49), wobei mittels der Schnittstelle (50) jedem Element (45, 46) ein Vorverarbeitungsschaltkreis (49) zuordenbar ist.
Sensorchip (17) nach Anspruch 1, wobei – das Array (44) von photosensitiven Elementen (45, 46) zweidimensional ist, – die Anzahl der Vorverarbeitungsschaltkreise (49) der Anzahl der Zeilen (47) oder der Anzahl der Spalten (48) des Arrays (44) entspricht, und – jeweils ein Element (46) aus jeweils einer Zeile (47) bzw. Spalte (48) des Arrays (44) jeweils genau einer Korrelationsschaltung (49) zuordenbar ist.
Optische Einklemmschutzvorrichtung (1), – mit einer Emittereinheit (4), die zur Strahlungsemission in ein Raumgebiet (12) eingerichtet ist, – mit einer Detektoreinheit (6), welche zur Erfassung eines Strahlungsfeldes (18) aus dem Raumgebiet (12) eingerichtet ist, und – mit einer Steuereinheit (3), welche dazu ausgebildet ist, durch Auswertung von Ausgangssignalen (U'') der Detektoreinheit (6) ein Hindernis (20) in einem vorgegebenen Überwachungsbereich (14) in dem Raumgebiet (12) zu erkennen, wobei die Detektoreinheit (6) einen Sensorchip (17) nach Anspruch 1 oder 2 umfasst.
Einklemmschutzvorrichtung (1) nach Anspruch 3, wobei die Detektoreinheit (6) eine dem Sensorchip (17) in Lichteinfallrichtung vorgeschaltete abbildende Optik (16) umfasst.
Einklemmschutzvorrichtung (1) nach Anspruch 3 oder 4, wobei die Steuereinheit (3) zur gepulsten Ansteuerung der Emittereinheit (4) ausgebildet ist.
Einklemmschutzvorrichtung (1) nach einem der Ansprüche 3 bis 5, wobei die Emittereinheit (4) eine Anzahl von Leuchtdioden (32) und/oder eine Anzahl von Laserdioden umfasst.
Einklemmschutzvorrichtung (1) nach einem der Ansprüche 3 bis 6, wobei die Emittereinheit (4) eine Optik (8) zur Ausbildung eines im wesentlichen fächerförmigen Strahlenbündels (10) umfasst, insbesondere eine Linse mit lokal zylindrischer Oberflächenform.
Einklemmschutzvorrichtung (1) nach einem der Ansprüche 3 bis 7, wobei die Steuereinheit (3) dazu ausgebildet ist, zur Erkennung eines Hindernisses (20) im Überwachungsbereich (14) eine räumlich inhomogene zeitliche Intensitätsänderung des Strahlungsfeldes (18) anhand eines Vergleichs der Ausgangssignale (I) verschiedener photosensitiver Elemente (36) des Arrays (34) zu erfassen.