CN101641573B - 光学传感器芯片和具有这种传感器芯片的防夹装置 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及光学传感器芯片(17)，尤其是用于光学防夹装置(1)。该传感器芯片(17)包括光敏元件的一维或两维阵列(34)、尤其是光电二极管(45，46)；多个预处理电路(49)，用于分别为元件(46)处理探测信号(I)；和在阵列(44)和预处理电路(49)之间的可编程接口(50)，其中，借助接口(50)能够将预处理电路(49)分配给每一个元件(45，46)。本发明还涉及光学防夹装置(1)。该防夹装置(1)包括发射单元(4)，其被设置用于向空间领域(12)发射辐射；探测器单元(6)，其被设置用于检测来自空间领域(12)中的辐射场(18)；和控制单元(3)，其被构造用于通过分析探测器单元(6)的输出信号(U”)，在空间领域(12)中识别在预先规定的监控范围(14)中的障碍物(20)。探测器单元(6)在此包括上述的传感器芯片(17)。
Description
技术领域
本发明涉及一种光学传感器芯片。本发明还涉及一种具有这种传感器芯片的、尤其是用于监控机动车中的窗玻璃、拉门或后备箱盖的光学防夹装置。
背景技术
在防夹装置(Einklemmschutzvorrichtung)中，迄今一方面采用可以识别在发送机和接收机之间的连接线上的障碍物的光栅(Lichtschranke)。接收机被构造用于在正常运行下接收发送机的信号，和在监控范围中的障碍物的情况下根据到达接收机的信号的减弱或衰竭来识别障碍物的存在。
为了构造平面的监控范围，光栅的发送机和接收机可以被构成为线状的并且被定位在监控面的边缘线处。因此不利地存在着用发送机接收机系统来围绕这样的监控面的设计上的必要性。此外如果预先规定弯曲的或不规则成型的面积区用于监控，则用于构造这种发送机接收机系统的设计耗费上升，其中在所述这种发送机接收机系统中，发送机和接收机、或发送机接收机单元和反射器必须互相相对地位于直线上。
另一方面，将具有发送接收系统的传感器应用于防夹装置，所述传感器基于通过要探测的障碍物对信号的反射，类似于雷达或回波探测器的原理。这种系统的接收机被构造用于通过发送机信号的由该障碍物所散射回或反射的分量来识别障碍物。
在文件DE 696 34 151 T2中，公开了一种具有基于红外光反射的传感器技术的光学防夹装置。由障碍物辐射回的红外线辐射的强度被测量。借助在到达接收机的该辐射的强度的提高来识别障碍物。但是在该系统中已证明不利的是，不能将监控范围足够好地与弯曲的面相匹配，以便例如描绘车辆轮廓。所公知的系统还相对于温度波动以及相对于随同进入测量中的背景辐射是易受影响的。该系统包括一个或多个传感器芯片，所述传感器芯片分别具有光电二极管和用于预处理由光电二极管所输出的探测信号的后置的电路。
发明内容
本发明所基于的任务在于，说明一种特别适用于光学防夹装置的传感器芯片。本发明所基于的任务还在于，说明一种特别适合的光学防夹装置。
在传感器芯片方面，根据本发明通过下述的特征来解决该任务。传感器芯片因此包括光敏元件、尤其是光电二极管的一维或两维阵列、也就是多个以预先规定的几何排列尤其是布置在共同衬底上的这种元件。传感器芯片还包括多个集成预处理电路，其中，每一个预处理电路被设置用于独立预处理阵列的光电二极管的探测信号。在此，由布置在光电二极管阵列和电路之间的可编程接口灵活地、也就是通过接口的编程可选择或调节光电二极管和预处理电路的互相分配。预处理电路的数量对应于阵列的行的数量或列的数量，来自阵列的行或列中的光敏元件分别恰好被分配给一个预处理电路。
优选如此构造接口，使得始终恰好一个(尤其是任意的)光电二极管可以明确地分配给预处理电路。但是替代于此，也可以如此构造接口，使得可将多个光电二极管并联地分配给共同的预处理电路。
预处理包含一个或多个处理步骤，利用这些处理步骤准备所分配的光电二极管的输出信号用于在控制单元中随后分析。预处理尤其是(单个地或以任意的组合地)包括模数转换、测量值存储、输出信号的放大或时间累积。因此将所分配光电二极管的输出信号在预先规定数量的测量循环上相加理解为累积。累积因此基本上对应于照明时间调节(Belichtungszeiteinstellung)。
本发明所基于的思路在于，对于大多应用情况而言不需要阵列的所有光电二极管。在机动车车窗玻璃升降器的防夹装置的情况下，通常由基本上平行于探测器单元光学轴的面给定监控范围。这样的监控范围被映射到基本上一维的图像范围中，即以或多或少宽的线条被映射到光电二极管阵列上，但是该线条根据监控空间的几何形状大多是曲线的。另一方面，监控范围和因此还有图像范围通常针对防夹装置的每一具体的应用情况、例如也即针对应采用该装置的车辆类型是不同的。为了在避免特定制造的情况下可以将该装置用于尽可能多的应用情况，已认识到在合理性制造的意义上有意义的是，用足够大尺寸设计的光电二极管布置来配备光电二极管阵列，该光电二极管布置覆盖对于通常应用情况要估计的监控范围的图像范围。但是这种标准阵列对于单个应用情况而言通常是尺寸过大的，使得尤其是在阵列的边缘处总是有可观数量的光电二极管是多余的，因为它们位于图像范围之外。如果给阵列的每一光电二极管分配自己的预处理电路，尤其由此传感器芯片的大小决定性地放大，则已认识到该尺寸过大会特别不利地起作用。例如鉴于机动车中的狭窄的位置情况，后者又会限制装置的可用性，并使这种传感器芯片的制造昂贵。
在该紧张场(Spannungsfeld)下，通过上述的扩展方案实现合成方案。由于通过编程可以灵活地互相分配光电二极管和预处理电路的可能性，取消必须对于每一光电二极管设置分离的预处理电路的必要性。更确切地，在传感器芯片上集成足够大数量的、但是通常基本未超过光电二极管数量的预处理电路就足够了，于是在具体的应用情况下可以有针对性地给所述预处理电路分配用于对监控范围的扫描重要的光电二极管。这同时使得能够既价格偏移地、又节省位置地实现仍然可以多方面采用的传感器芯片。
通过直接在传感器芯片上预处理光电二极管的输出信号，还达到特别有利的信噪比。
在具有包括多个行和多个列的矩形光电二极管布置的两维阵列中，优选设置数量对应于行或列的数量的预处理电路。在此，可将分别由阵列的行或列组成的光电二极管分别明确地分配给预处理电路。
在防夹装置方面，根据本发明通过下述的特征来解决该任务。该装置因此包括被设置用于向空间领域发射辐射的发射单元，以及被设置用于检测来自该空间领域的辐射场的探测器单元。该装置还包括控制单元，该控制单元被构造用于通过分析探测器单元的输出信号在空间领域中识别在预先规定的监控范围中的障碍物。为此目的，探测器单元包括上述类型的传感器芯片。
尤其是由一个或多个软件模块来构成控制单元，所述一个或多个模块被实施到一个或多个硬件模块上、尤其是微控制器或类似物上。
在此，优选在光电二极管阵列前连接映射光学装置。将映射光学装置的概念理解为将从空间点出发射到光学装置上的光束重新映射到图像空间的所定义的点中的光学元件(例如透镜、镜或类似物)或多个这种元件的装置。
通过给光电二极管阵列前置映射光学装置，监控范围中的每一个点被明确地映射到传感器芯片周围中的图像点上，并且位置选择性地由在那里的光电二极管阵列探测。这能够实现，与入射角有关地区分入射辐射场的特征量(例如强度)。因此通过设计装置实现监控范围的空间分段，其方式是将来自监控范围的不同空间段中的光束映射到阵列的不同的二极管上，并可以由这些二极管独立地探测。在本发明的最宽广的框架内，阵列包括至少两个、但是优选明显更大数量的光电二极管。也即空间分段的分辨率与阵列上的光电二极管的数量和密度有关。在阵列上的光电二极管布置得越密和光电二极管的数量越大，则分段越精细，并且按照入射角入射辐射场的特征量的分辨率越高。
与分别装入在分离的二极管外壳中的分离的光电二极管相比较，光电二极管阵列可以具有光电二极管的较高的数量和密度，例如以分段的光敏层的形式。
按照该构造原理，因此可以用光电二极管的这种阵列和之前所确定位置的映射光学装置相应精细地识别入射光脉冲的入射角。
映射光学装置、例如凸透镜的采用还具有附加的优点：即在两维上垂直于光学装置的光轴地将由障碍物所反射的光成束，由此借助比较小的透镜可以集中比较大的光量。
在防夹装置的优选实施方案中，控制单元被构造用于控制发射单元。
通过由控制单元控制发射单元，首先可能的是，只有当例如通过另外的装置校验出夹住情况的提高的概率或由于系统状态本身而该概率提高，才激活发射单元。例如对于车窗，只有当窗正在被关闭，仍是开着的，并且离闭合位置少于可以预先规定的最小数额，但是不处于静止的闭合状态时，或当窗正在被打开时，光学防夹才必须是激活的。
优选地以脉冲方式控制发射单元。通过以脉冲方式控制发射单元，可以通过由探测器单元识别的和相应分类的发射单元辐射具有特定标志、例如具有特定强度调制的参考信号，使得可以屏蔽(ausblenden)干扰效应(例如背景辐射)。为了识别信号，控制单元在此意义上作为在控制单元和探测器单元之间的电子接口起作用。
在光学防夹装置的另一优选实施方案中，发射单元包括多个发光二极管或多个激光二极管，其尤其在红外范围中辐射。
在光学防夹装置的适当的改进方案中，发射单元包括用于定向辐射的光学装置，使得可以预先已如此程度地限制由发射场所检测的空间领域，以致于不仅预先规定的监控范围完全被检测，而且在所检测的空间领域和监控范围之间的偏差尽可能小。发射场的聚焦是有意义的，以便尽可能小地保持能量和处理耗费。
在该实施方案中优选以圆柱透镜形式实现的该光学装置尤其是被构造用于生成基本上扇形的射束。
此外有利地，控制单元被构造用于，为了识别在监控范围中的障碍物，根据阵列的不同光电二极管的输出信号的比较来检测从空间领域入射的辐射场的与预先规定的参考模式相偏离的空间上的(即与入射角有关地变化的)强度分布或空间上不均匀的时间上的强度变化。将射到光电二极管阵列上的光辐射的时间上的变化称作空间上不均匀的强度变化，所述光辐射对于光电二极管阵列的不同的空间范围、也即尤其是对于阵列的不同的光电二极管有不同的结果。如果对于不同光电二极管所记录的光强度同时以显著不成比例的方式变化，则尤其是满足该准则。
在此，非绝对地、而是与在其它光电二极管上入射的强度相比相对地来分析在光电二极管处所测量的辐射强度或其数额方值与辐射强度成比例的辐射幅度。相应的强度确定相应光电二极管的输出信号的电流强度，其用于分析被进一步处理。
通过相对的强度分析，一方面防夹装置变得与绝对的射入的光强度无关，并因此与照明能量无关。因此有效降低装置相对于绝对亮度波动以及发射单元和探测器单元的与温度有关地变化的运行性能的敏感性。
另一方面，对空间上不均匀的强度变化的检测能够实现相对于干扰效应、例如背景亮度的突然变化更好地区分局部受限制的障碍物，例如伸到车窗玻璃的关闭路径中的手。因此对于由环境的情况所确定的静态照明或对于背景辐射特征在于，辐射强度基本在空间上均匀地在时间上变化。而通过在监控范围中的空间上受限制的移动的障碍物决定辐射情况的空间上不均匀的时间上的改变，该改变在阵列的不同的光电二极管处导致所记录的强度的不同大小的不成比例的时间上的改变。空间分段的分辨率越高，则该效应对于分别更小的障碍对象证明更好。
相对的强度分析在此尤其是有利地对比较小的和/或弱反射的障碍对象的可靠识别产生作用，这些障碍对象的影响在对在探测器单元中所探测的辐射的绝对分析时可能容易地由强的背景辐射覆盖和由此而被忽视。
相对的强度分析因而是一种有效的辅助，以便将背景辐射本身的时间上的改变与辐射场的由于监控范围中可移动的障碍物而引起的时间上的改变区分开，并因此也在不利的照明情况下更好地识别可能的障碍情况。
附图说明
以下借助附图详细讨论本发明的实施例。
在此分别以示意图的方式：
图1以方框电路图的方式展示了具有包括发射单元和探测器单元的光电子组件以及具有控制单元的光学防夹装置，
图2以透视图的方式展示了防夹装置的第一实施形式，在该第一实施形式中，包括控制单元的传感器外围印刷电路板关于光电子组件的传感器面平行地邻近所述光电子组件，
图3以根据图2的示图的方式展示了防夹装置的替代实施形式，在该替代实施形式中，传感器外围印刷电路板关于传感器面正交地邻近光电子组件，
图4以详细的透视图的方式展示了光电子组件，和
图5以透视图展示了具有可编程传感器芯片的探测器单元的实施形式。
具体实施方式
在图中始终用相同的参考符号配备互相对应的部分和参量。
在图1中示意性示出了光学防夹装置1，该光学防夹装置1被用作机动车窗玻璃的电动车窗玻璃升降器的一部分。
装置1包括光电子组件2以及控制单元3。控制单元3又包括发射单元4和探测器单元6。
由发射单元4借助聚焦光学装置8将扇形的射束10向空间领域12辐射。在空间领域12内定义监控范围14，其中在所述监控范围14内应将侵入的对象识别为障碍物。
探测器单元6包括映射光学装置16和在光射入方向上连接在该映射光学装置16之后的传感器芯片17。借助映射光学装置16将从空间领域12入射的(光)辐射场18映射(abbilden)到传感器芯片17上。辐射场18含有射束10的反射的分量以及来自空间领域12的背景辐射的分量。
如果障碍物20位于空间领域12中，则由发射单元4所辐射的射束10的光脉冲22射到障碍物20上，并由该障碍物20散射。在此，向探测器单元6回射光脉冲22的分量24。
光脉冲22和因此还有回射的其分量24具有短时标定的(kurzzeitskalig)强度调制作为标志(Signatur)，使得探测器单元6可以识别具有均匀地或最高长时标定地变化的背景辐射的入射辐射场18中的分量24。分量24通过映射光学装置16被导向传感器芯片17，并在那里被探测。
控制单元3借助调制电压U来控制发射单元4用于发射周期性强度调制的光脉冲，所述光脉冲的标志由调制电压U确定。还将调制电压U作为参考量U’传输给探测器单元6。探测器单元6(以下面详述的方式)与参考量U’一起处理对应于所探测的辐射分量24的探测信号I，并将从中所产生的探测器输出信号U”转发给控制单元3。该探测器输出信号含有关于在发射单元4和探测器单元6之间的所回射的分量24的幅度和从而光强度的信息以及关于分量24的入射方向的信息。控制单元3借助探测器输出信号U”确定障碍物20的距离和位置，并校验障碍物20是否位于预先规定的监控范围14中。如果情况如此，则控制单元3向其它装置、例如车窗玻璃升降器的控制装置传输识别信号Id，所述其它装置随即停止或逆反车窗玻璃的进给量。
根据图2，光电子组件2具有基本上长方体形的外壳25。在这种情况下，发射单元4和探测器单元6以分别所分配的光学装置8或16在外壳25的以下称作传感器面26的侧面凸出。在根据图2的实施方案中，附加于组件2，装置1还包括传感器外围印刷电路板28，该传感器外围印刷电路板28至少包括控制单元的部分。在该实施方案中，传感器外围印刷电路板28平行于传感器面26定向，并且邻近外壳25的与该传感器面26相对的侧面30来布置。
在优选的尺寸设计中，外壳25具有25mm的高度a，10mm的宽度b，和约50mm的长度c。装置1以光电子组件2的这些紧凑的尺寸适用于作为车辆中的车窗防夹系统的所述用途。在此，防夹系统1利用邻近的传感器外围印刷电路板28被安装在关于车窗玻璃位置固定的底座(Untergrund)上。
图3中所示出的装置1的实施形式基本上与上述实施形式结构相同地被构造，但是与后者的差别在于，传感器外围印刷电路板28在这里相对于组件2的传感器面26正交地定向，并因此大体上垂直于外壳25的侧面30。
在图4中以相对于图1更详细的示图展示了光电子组件2。可以看出组件2的两个相距高度a的外壳侧壁，这些外壳侧壁对应于传感器面26和与该传感器面26相对的侧面30。在该示图中没有展示出外壳25的其它侧壁，使得在光电子组件2的内部空间中的元件变得可见。在该示图中还可以识别，发射单元4包括多个发光二极管32，所述多个发光二极管如此定向，使得它们借助以圆柱透镜形式构造的聚焦光学装置8将从发光二极管32输出的光散射到扇形的射束10中。
根据图4，由凸透镜形成探测器单元6的映射光学装置16。传感器芯片17包括光电二极管36的在这里为一维的阵列34。
该示图展示了以下的光路38和39，所述光路38和39从空间领域12中的在这里示出为长形对象的障碍物20的相应端点经由光学装置16射到相应不同的光电二极管36上。
图5展示了在探测器单元6的一种实施形式，其中设置可编程传感器芯片40。传感器芯片17在这里(不同于图4)包括以两维矩阵的形式以行47和列48布置的光电二极管45、46的阵列44。在阵列44之前连接多个预处理电路49，其中，预处理电路49的数量对应于阵列44的行47的数量。可编程接口50分别将来自行47的每一个的光电二极管46恰好分配给预处理电路49之一。因此在相应分配的预处理电路49中预处理这种光电二极管46的输出信号，并传输给控制单元3。通过接口49的配置，将阵列44的其它光电二极管45从预处理电路49脱耦，使得不进一步处理这些光电二极管45的探测信号I。以此方式激活的光电二极管46形成在两维阵列44上的一维轮廓，以此由于映射光学装置16的光路51在空间领域12中定义相对应地画出轮廓的监控范围14。
控制单元3将由不同光电二极管46所测量的光强度的变化互相比较，并且如果该控制单元3确定光强度的显著变化，则识别出障碍物20存在，其中所述光强度的显著变化在空间上不均匀，也即不被所有光电二极管46以相同的或相应的方式探测到。
Claims (10)
1.一种光学传感器芯片(17)，
-具有光敏元件(45，46)的两维阵列(34)，
-具有多个预处理电路(49)，用于分别对于光敏元件(45，46)相应处理探测信号(I)，
-具有在阵列(44)和预处理电路(49)之间的可编程接口(50)，其中，借助所述接口(50)能够将预处理电路(49)分配给每一个光敏元件(45，46)，
-预处理电路(49)的数量对应于阵列(44)的行(47)的数量或列(48)的数量，和
-来自阵列(44)的行(47)或列(48)中的光敏元件(45，46)分别恰好被分配给一个预处理电路(49)。
2.按照权利要求1的传感器芯片(17)，其中，所述光学传感器芯片(17)被用于光学防夹装置(1)。
3.按照权利要求1或2的传感器芯片(17)，其中，所述光敏元件是光电二极管。
4.光学防夹装置(1)，
-具有发射单元(4)，其被设置用于向空间领域(12)发射辐射，
-具有探测器单元(6)，其被设置用于检测来自所述空间领域(12)的辐射场(18)，和
-具有控制单元(3)，其被构造用于通过分析探测器单元(6)的输出信号(U”)在空间领域(12)中识别在预先规定的监控范围(14)中的障碍物(20)，其中，所述探测器单元(6)包括按照权利要求1或2的传感器芯片(17)。
5.按照权利要求4的防夹装置(1)，其中，所述探测器单元(6)包括在光入射方向上连接在传感器芯片(17)前的映射光学装置(16)。
6.按照权利要求4的防夹装置(1)，其中，所述控制单元(3)被构造用于以脉冲方式控制发射单元(4)。
7.按照权利要求4至6之一的防夹装置(1)，其中，所述发射单元(4)包括多个发光二极管(32)和/或多个激光二极管。
8.按照权利要求4至6之一的防夹装置(1)，其中，所述发射单元(4)包括用于形成扇形的射束(10)的光学装置(8)。
9.按照权利要求8的防夹装置(1)，其中，所述光学装置(8)是具有局部圆柱形表面形状的透镜。
10.按照权利要求4至6之一的防夹装置(1)，其中，所述控制单元(3)被构造用于，为了识别在监控范围(14)中的障碍物(20)，根据阵列(34)的不同光敏元件(36)的输出信号(I)的比较来检测辐射场(18)的空间上不均匀的、随时间的强度变化。
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