CN103154769B - 具有光电基础耦合的光电子测量装置 - Google Patents

具有光电基础耦合的光电子测量装置 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种具有高的外来光无关性的光电子测量装置，具有发送光源（2）和补偿光源（3），它们按时间顺序以时钟控制方式按相位地发出光，其中所发出的光分别被移相。调节器单元（12）被构造为，使得补偿光源（3）和/或发送光源（2）能通过控制补偿控制电流和/或发送控制电流而在其光强方面在幅度上被调节为，使得在不同相位之间出现的时钟同步的信号差变为零。基础耦合光源（17）利用基础耦合电流源（15）的基础耦合控制电流被馈送。该基础耦合光源在不受到测量对象（13）影响的情况下将光直接发送给光学接收器（4）。基础耦合控制电流被调整为，使得实现测量装置（1）的期望的敏感性和/或调节器单元的期望的工作点、优选静止值是能调整的，其中在不存在要检测的对象（13）的情况下调节器单元（12）将发送光源（2）和/或补偿光源（3）调节为，使得从基础耦合光源（15）接收的测量信号被调节。对用于产生时钟控制式发送控制电流的可调节的电流源（9）和用于产生时钟控制式基础耦合控制电流的可调节的基础耦合电流源（15）用时钟发生器（8）的时钟信号相位同步地进行时钟控制。对用于产生时钟控制式补偿控制电流的可调节的补偿电流源（10）用时钟发生器（8）的反时钟信号进行时钟控制。

Description

具有光电基础耦合的光电子测量装置
技术领域
本发明涉及一种具有权利要求的前序部分的特征的光电子测量装置。
背景技术
这种光电子测量装置按照ELMOS股份公司的利用（纯）光学发送器基础耦合的HALIOS ® 原理来工作。该在现有技术中已知的测量原理尤其是在下面的文件中描述：US 5,666,037; EP 0 706 648 B1; EP 1 671 160 B1; DE 100 01 955 A1。
在下文中称为“传感器”的测量装置除了在下文中称为“发送器”的发送光源以外还包括在下文称为“补偿器”的补偿光源，其中两个光源交替地由各一个电流驱动器通电地在发送阶段或补偿阶段中发出光（一般在IR光谱中）。对此，时钟发生器以相对于彼此移相180°的时钟信号操控电流驱动器。频率可以位于几kHz直至几百kHz的范围中。
光学接收器用光电二极管接收由两个光源发出的光的一部分并且将该部分光转换成电流交变信号，所述电流交变信号在与直流电流分量和低频信号分量（一般由环境光造成）分离以后通过高通功能（例如电容器）引导到跨阻抗放大器（TIA），该跨阻抗放大器将这些电流信号转换成电压。这些电压又在同步的解调器中再次交替地被分配给发送阶段和补偿阶段并且被引导到调节器，该调节器所具有的任务是使这两个信号分量的幅度相同。为此，调节器通过补偿器和发送器相应地调节电流的幅度。可以根据应用在恒定的发送器电流幅度的情况下仅仅调节补偿器电流的幅度，或者相反地在恒定的补偿器电流幅度的情况下仅仅调节发送器电流的幅度。补偿器电流的幅度一般处于少数几个mA的范围中。发送器电流幅度可以根据应用处于几个mA直至几百mA的范围中。
由发送器辐射到传感器环境中的光在传感器以外射到要测量的（要探测的）对象上，该对象将射上的光的一部分反射回到传感器的光电二极管。由在光电二极管中的接收的电流和为此使用的发送器电流构成的比例是发送器-测量对象-光电二极管路段的光学耦合因数，传感器确定该光学耦合因数并且映射在其调节器调整信号中。
发送器光的另一（一般较小的）光分量在传感器内并且因此与测量对象无关地同样到达光电二极管。这是对应于发送器-光电二极管路段的（内部）光学耦合因数（在下文中“光学基础耦合”，“OGK”）的分量。在此涉及（纯）光学耦合因数，因为其仅仅取决于传感器内部中的光学路径的材料特性（反射或者衰减）和几何参数（间距、角度）。从数学上来看，光学基础耦合是由由发送器光在没有测量对象的情况下在光电二极管中生成的电流和为此使用的发送器电流构成的比例。也就是仅仅考察发送器光的经由位于传感器中的光路径传输至光电二极管的分量。
光学基础耦合是恒定的并且在大多数情况下决定性地由传感器覆盖物来一起确定。如果例如在LED作为发送器的情况下50mA的LED发送器电流产生50nA的光电二极管电流，则光学基础耦合OGK在该情况下为1：1000000或者另行表达为1×10-6。
补偿器这样实现，即由其辐射的光（实际上）不能到达测量对象，而是在传感器的内部被引导到光电二极管。在实际实施中，由补偿器辐射的光分量被调整到预定义的度量，从而在补偿阶段期间所辐射的光的仅仅一定的（一般为小的）部分射到传感器的光电二极管上。由该光分量在光电二极管中生成的电流与为此使用的补偿电流的比例是补偿器-光电二极管路段的光学耦合因数。该光学耦合因数是恒定的。因为由补偿器所辐射的光基本上不到达测量对象，因此它是对于测量的不可变的参量或参考。如果例如在LED作为补偿器的情况下1mA的LED补偿器电流产生50nA的光电二极管电流，则补偿器耦合在该情况下为1：20000或者另行表达为50×10-6。
因为源自发送器以及源自补偿器的光通过包括光电二极管在内的整个接收器路径，所以两个信号分量以相同的度量被整个接收器路径的传递特性影响。该接收器路径除了光电二极管以外还包括高通滤波器和跨阻抗放大器。在数学上观察，整个接收器的传递函数甚至脱出系统方程并且随之还有所有有关的干扰性的相关性，例如光电二极管的光敏感性或者温度相关性。特此尤其是阐述HALIOS ® 测量方法的高外来光无关性。即使在全太阳光（100klx）下传感器也保持能工作的。所述传感器还在这些激化的环境光条件下适合可靠地识别其所定义的测量范围内的对象。该对象的运动同样可以被识别。因此例如有可能区分手的靠近或者其在不同方向上的擦拭运动。手指触碰（轻击）传感器也可以被解释为切换功能。但是在装备有工作能力的光学系统的情况下，按照HALIOS ® 原理工作的传感器也可以在较大距离、例如在5m或10m的距离中识别出对象、例如传送带上的行李件。
光学发送器基础耦合（OGK）确定整个测量装置的所谓的调节器静止值。如果在传感器附近不存在测量对象，则也没有光在发送阶段期间从传感器外部被反射到光电二极管。传感器系统仅仅被调节到光学基础耦合（OGK）。该光学基础耦合决定性地影响传感器一整系列的特性：因此例如光学基础耦合确定传感器的敏感性。如果传感器的光学基础耦合是高的，则仅仅由发送器辐射的光的相对小的部分被测量对象改变。传感器敏感性因此相应地小。这与传感器的小测量范围意义相同。相反地，小的光学基础耦合表示大的传感器敏感性，这又增大了传感器的测量范围。但是，小的光学基础耦合同时也表示：所述静止值较强烈地有噪声的（verrauscht），因为传感器系统必须利用少量的或者更少的能量就足够，因为(缺少的)测量对象的高能的信号分量在该工作点中完全缺少。有噪声的信号减缓了调节过程，这又在远距离的测量对象的情况下引起传感器的降低的反应速度。
光学基础耦合因此是在每个按照HALIOS ® 原理工作的传感器中的重要参量并且因此必须被精确地协调。在现有技术中的已知测量装置的情况下，仅仅通过传感器的结构上的措施和改变来调整光学基础耦合。传感器的调整因此是非常耗费的并且仅能对于固定的值来进行。尤其是在具有多个发送器的测量装置（传感器）的情况下——所述发送器与光电二极管不同远距离地布置，对于每个发送器来说需要到光电二极管的所定义的、自己的光学基础耦合。为此要解决的光机械任务一般是非常耗费的并且使得制造以及尤其是传感器设计昂贵。
发明内容
因此从当前的现有技术得出的任务是提供一种改善的光电子测量装置。该光电子测量装置应该尤其是提供简化地和最优化地调整光学基础耦合的可能性。
当前的任务通过具有权利要求1的特征的光电子测量装置来解决。
本发明的光电子测量装置尤其是用于检测对象的位置和/或运动。测量装置包括发送光源和补偿光源，它们每个都按时间顺序以时钟控制的方式按相位地发出光。光源的分别发出的光彼此是移相的。测量装置包括具有用于接收光的光电二极管的光学接收器，所述光包括由光源发出的时钟同步的测量信号。光学接收器还具有用于对基于所接收的测量信号并且在光电二极管中生成的电流进行放大的放大单元。时钟发生器产生时钟信号，用该时钟信号来馈送用于产生发送光源的时钟控制式发送控制电流的可控制的电流源并且用该时钟信号来馈送用于产生补偿光源的时钟控制式补偿控制电流的可控制的补偿电流源，其中向补偿电流源输送反时钟信号。测量装置的解调器被用于时钟同步地分析测量信号电流，该测量信号电流利用光电二极管接收并且利用跨阻抗放大器转换或放大成相应的电压信号。
调节器单元为可控制的电流源和/或补偿电流源产生至少一个操控信号。该调节器单元被设立和构造为，使得补偿光源和/或发送光源通过控制相应的控制电流（补偿控制电流或发送控制电流）在其光强方面在幅度上可被调节为，使得在不同相位之间出现的时钟同步的信号差被调节为零。
根据本发明，光电子测量装置附加地包括另一电流源（一般地甚至用于传感器中的每个单个的发送器），下文中称为“基础耦合电流源”，其与发送器电流驱动器时钟同步和相位同步地工作，也就是说恰好在发送器电流驱动器产生其脉冲时，该基础耦合电流源也产生其电流脉冲。可控制的基础耦合电流源因此产生时钟控制式（getaktet）基础耦合控制电流。对基础耦合电流源同样利用时钟发生器的时钟信号进行时钟控制，而且利用与发送光源相同的时钟。
基础耦合控制电流优选在第一实现变型中通过特意为此设置的光源（基础耦合光源）被引导，该光源仅仅在传感器的内部辐射到光电二极管的合适的光量。基础耦合光源不具有光分量，该光分量离开测量装置并且到达外部空间（在测量装置以外）。测量对象因此不被基础耦合光源照射。
因此，基础耦合光源完全地或者也仅仅部分地承担在现有技术中已知的测量装置的所需的光学基础耦合OGK的产生。在此大的优点是，所述光源在很大程度上可以自由地（也就是与发送器无关地）被定位，使得其提供与光电二极管的自己的、可单独地调整的光学耦合的可能性并且可以在电流强度方面被单独地（轻微地和快速地）调整以及尤其是在优选的IC实现中在需要时甚至可以被任意地重配置。后者因此仅仅利用电子装置实现。因此提供了可以电子方式调整的光学基础耦合（在下文中简称“EOGK”）的可能性。
基础耦合控制电流被调整为，使得获得测量装置的期望的敏感性，这通过调整静止值决定性地被一起确定。此外可以可选地或者附加地有针对性地影响调节的稳定性和调节器单元的动态性（调制范围和动态特性）。为此在不存在要检测的对象的情况下，发送光源和/或补偿光源借助于调节单元被调节为，使得所接收的、由基础耦合光源发出的测量信号通过补偿器信号被调节。该调节如下进行，即在光学接收器处在两个测量阶段中被交替地测量的移相的信号在每个调节的工作点是相同的。优选地，基础耦合光源因此被调节为，使得可以对对于测量装置的所设置的应用期望的或者需要的静止值进行调整。基础耦合控制电流因此用于确定该重要的工作点。
基础耦合被定义为由发送器光源所辐射的光的在待检测对象处没有反射的情况下由（测量信号）光源所反射的分量。基础耦合是光源的、仅仅在测量装置内传送或传导或辐射到光电二极管（在测量装置内有或没有反射的情况下）的光分量。
所期望的或所需的光学基础耦合在现有技术中一般通过光机械的结构上的措施来调整。这尤其是在多个发送光源的情况下在传感器（测量装置）中常常是非常耗费的。传感器表面处的污染、湿气或者划痕此外可以敏感地改变光学基础耦合。
在本发明的情况下使用如下认识，即发送光源与光电二极管之间存在由两个分量组成的光学耦合。光学耦合的第一分量是要由测量装置确定的功能对象耦合分量。该分量因此表示在测量装置以外通过测量对象反射的光分量。如果在测量装置附近不存在对象，则该由光电二极管接收的光分量等于零。光学耦合的第二分量是发送器的所谓的光学基础耦合。该分量基于经由发送器和光电二极管之间的仅仅在传感器内的光学路径对光电二极管的照明。基础耦合必须被精确地定义，因为其对于光学测量装置具有多重作用。一方面，发送器光源的基础耦合恰好是在不存在测量对象时调节器单元利用其来工作的测量参量。基础耦合因此尤其是确定测量装置的静止值。
此外通过调整基础耦合来影响测量装置的敏感性以及从而传感器的作用范围。通过调整敏感性或通过改变基础耦合可以确定在距测量装置什么距离仍可以识别对象。
基础耦合对测量装置的另一影响是测量装置中的通过基础耦合一起确定的噪声功率以及传感器信号的与此相关联的起振时间。由此，基础耦合也就是对可以识别测量对象所利用的速度具有影响。
在本发明范围内认识到，根据以下事实：测量装置的光学基础耦合在许多应用情况下是小的或者太小或者也可以有针对性地强烈地被降低使得该光学基础耦合优选地几乎是可忽略的，展示出以光电方式生成所需的或缺少的耦合值的可能性。优选地，基础耦合光源通过机械光学措施被粗略地屏蔽，使得所发出的光可以以合适的强度到达光电二极管。调整在没有由测量对象反射的光分量的情况下进行。通过适当地（以电子方式）操控基础耦合光源，光电基础耦合于是可在足够宽的极限中被简单地精细地调整。测量装置的所期望的静止值（工作点）由此可以被非常简单地调整。
因此可以有利地改善现有技术的迄今为止的测量装置。尤其是对于发送光源中的至少一个距离发光二极管远的测量装置，可以通过这种方式产生所需的基础耦合。光学基础耦合的以电的方式的产生可以对于每个发送光源单独地匹配。具有其相应的发送光源的各个调节回路中的每一个因此可以单独地装备有基础耦合的所需的值。
通过使用借助于基础耦合光源以电的方式产生的光学基础耦合（EOGK），因此取消了用来必须仅用机械光学装置精确地调整发送光源的光学基础耦合的高的结构上的耗费。因此，这种测量装置的开发和制造变得明显更简单和更价格低廉。所述开发可以更快速地进行。通过该方案完全首先可以恰好使用多个发送光源，这些发送光源部分地距离光学接收器远。由此也提高了根据该测量方法的测量装置的应用者的可接受性。本发明测量装置由此克服了现有技术中的主要缺点。
在本发明范围中认识到，基础耦合光源可以是补偿光源。因此在优选的第二实施方式中，补偿器（即补偿光源）既用于补偿也用于产生对应于EOGK的光分量。为此必须将补偿电流驱动器的电流和基础耦合电流源的电流汇合在一起（相加），这可以用电子装置简单地实现。现在在补偿阶段期间补偿电流流经补偿器，并且附加地根据本发明在发送阶段期间基础耦合电流源的电流流经补偿器。由此，补偿光源被双重地使用；用于产生EOGK的附加光源在该第二实现变型中不再需要。
拥有EOGK的传感器优选被设计具有尽可能小的（纯）光学基础耦合（理想地为零），以便由应用要求的基础耦合的尽可能大的数值可以通过光电方式产生。在该情况下，最佳的灵活性（可配置性）在最高稳定性的情况下得出，因为（纯）光学基础耦合分量遭受不同的、一般地不要忽略的干扰影响。相对于许多干扰影响的稳健性在第二实现变型中特别高。在最不利的工作点、即静止状态，也就是当不存在测量对象并且没有光学反射到达光电二极管时，整个测量装置必须用最低的信号功率就足够了。调节器仅仅仍调节EOGK的相对低的光电二极管电流与由补偿器生成的光电二极管电流，以便产生静止输出信号。两个光学分信号根据本发明在同一光电组件、即补偿光源中产生，并且因此以相同的程度遭受与该部分相关联的干扰影响。这里主要涉及IR-LED的光收益的约-0.5％/K的不利温度系数。
令人惊讶地还确定了，迄今为止根据现有技术实现的测量装置可以在没有大的耗费的情况下、仅仅通过装备附加的电流源就被显著地改善。
在光电子测量装置的优选实施方式中，通过补偿光源引导的基础耦合控制电流被调整到最多50％、20％或者10％，或者在具有较大作用范围的传感器的情况下也被调整到发送器控制电流的明显较低的百分比值。在此优选地，（纯）光学基础耦合与功能对象耦合相比尽可能小（该值的最多5％或者2％或者1％），特别优选地几乎为零。通过调节基础耦合电流源的基础耦合控制电流产生的光电基础耦合（EOGK）因此补充或代替发送光源的小的或者不存在的光学基础耦合。
在优选的实施方式中，测量装置包括多个发送光源，这些发送光源顺序地一个接一个地在调节回路中通过补偿光源被补偿。为此借助用于发送光源中的每一个的调节器来进行利用补偿光源的补偿。对于这些调节回路中的每一个，分别产生最优化的和匹配的基础耦合控制电流，利用该基础耦合控制电流来操控可调节的补偿控制源。通过这种方式可以为每个单个的发送光源产生单独的光电基础耦合。
一般在光电子测量装置的情况下在实际中将调节单元、解调器、时钟发生器和放大器集成在芯片中。在该集成的电或电子组件中还优选包括用于可调节的电流源的信号发生器（Signalgeber）。电流源、尤其是可控制的发送光电流源和基础耦合电流源被一个或多个信号发生器控制。在集成了信号发生器、尤其是用于控制基础耦合电流源的信号发生器的情况下，在光电子测量装置的实现中不产生值得注意的（硬件）额外成本。仅在芯片开发时必须一次性地追索较高的耗费。就此而言，光电子测量装置根据本发明扩展光电基础耦合的特征是非常成本低的。
本发明测量装置具有许多优点。通过以电的方式实现光学基础耦合得出在测量装置的光学设计（光学系统设计）方面的明显降低的耗费。光学系统须在迄今为止的三个技术重点中仅仍同时满足这三个最初要求中的两个，所述三个技术重点即：尽可能最优的发送、尽可能最优的接收以及产生相应的光学基础耦合。由此得出对测量装置的光机械设计、尤其是对结构上的设计方案的明显较小的要求。因为不再要求发送光源到光学接收器的光学基础耦合，所以实际上可以避开迄今为止的传感器的常常关键的基础耦合路径。
这些光学基础耦合路径常常遭受巨大的干扰影响。例如，组件和安装公差、材料影响、表面性质在许多情况下明显地影响根据现有技术的基础耦合。如潮气、污染或者面板上的划痕的其它影响更为关键。这些影响在使用光电基础耦合的情况下在最大程度上取消。除此以外，为了实现而需要关于基础耦合和传感器中的光学光路的高度专业特定的知识。通过本发明的测量装置，现在一般也可用少量的特定专业知识明显更好地掌控困难的应用。因此，本发明具有大的商业利润。
已经表明，利用具有光电基础耦合的本发明测量装置也得出了更简单的电路板布局。电路的布局在很大程度上通过光学和机械要求来确定。但是，所述要求现在明显减少。本发明测量装置同样使得能够精确地以电子方式实现最优的基础耦合。这对于每个发送光源和对于与其建立的调节回路来说简单地是可能的。由此还得出在预先给定的辐射功率情况下的最优的噪声值和起振时间。测量装置因此更快地和更精确地工作。
此外，测量装置具有有利的热特性，因为实际上仅将一个光源或LED、即优选补偿光源包括到基础耦合中来并且参与作为基础工作点的静止值的确定。
发送光源到光电二极管的（纯）光学基础耦合的减少或省去允许更简单的结构上的设计。具有光电基础耦合的更快和更有效的调整可能性的简化设计的组合导致缩短的开发时间。在迄今为止例如必须耗费地模拟光导并且生产该光导以用于检验的地方，可以借助于光电耦合的方法例如通过更换电阻来改变基础耦合光源的电流并且非常短期地找到传感器的新的协调。
所述装置的另一优点通过同一（物理的）调节回路的自由可配置性而得出，以便相继地、也就是例如以时间复用的方式利用所述测量装置解决原则上不同的任务。因此例如可以在经历一个调节回路时以较大的间距（诸如20和70cm之间）进行近似测量，而在下一调节回路中执行对传感器表面的触碰识别（触摸识别）。因此系统是非常灵活的，因为基础耦合可以在连续的运行中针对每个调节循环在光电途径上被匹配（重参数化）。本发明的测量装置由此可非常灵活地和多方面地使用。所述测量装置具有高的稳定性，其中可有针对性地调整工作点。例如可以通过有针对性地协调工作点来提高传感器的敏感性，另一方面也可以最优化调节的稳健性。
附图说明
本发明在下面根据在图中所示的特殊的实施方式来更详细阐述。在那里示出的特殊性可以单独地或者组合地使用，以便提供本发明的优选的设计方案。所述实施不是对通过权利要求在其一般性方面定义的本发明的限制。其中：
图1示出现有技术的测量装置的原理图（按照HALIOS ® 测量方法）；
图2以具有用于EOGK的附加LED的实现方式示出本发明测量装置的原理电路；
图3以具有用于EOGK的补偿LED的使用的实现方式示出本发明测量装置的原理电路；
图4示出根据图2中的测量装置的EOGK的实施方式的原理电路；
图5示出根据图3中的测量装置的EOGK的实施方式的原理电路；
图6a、b、c、d示出IC中EOGK的其它实现可能性。
具体实施方式
图1示出根据现有技术的测量装置100。该测量装置100包括发送光源2、补偿光源3和光学接收器4，该光学接收器4包括光电二极管5和放大单元6。该放大单元6被构造为跨阻抗放大器，其中在跨阻抗放大器6与光电二极管5之间接入至少一个电容器7。在符合EMV规则的对光电二极管5的耦合的差动实施中，在此处设置两个电容器7。
时钟发生器8对为发送光源进行馈送的可控制的电流源9进行时钟控制（takten）。时钟发生器8也向为补偿光源3进行馈送的可控制的补偿电流源10提供反时钟信号。时钟发生器8的时钟信号以及反时钟信号都被输送给解调器11以用于时钟同步地分析由光学接收器4基于所接收的光信号产生的电流或电压。
测量装置100的调节器单元12产生用于可调节的补偿电流源10的操控信号，使得补偿光源3可以被调解为，使得在两个阶段中所接收的信号之间从发送光源2和补偿光源3所接收的光分量在幅度上变得相等。在调节过程中也可以将发送器电流源一起包括进来，其中该发送器电流源与补偿电流源互相相反地被调节。
如果在测量装置100附近存在测量对象13，则由发送光源2辐射的光被测量对象13反射到光电二极管。与该信号分量同时地，光电二极管5也接收光学基础耦合（OGK）的由发送光源2所发送的光。作为其它成分，光电二极管5接收由补偿光源3所发出的光分量。
因此为了调节测量装置100得出以下的调节条件：
（方程1）
Ic和Is是用于发送光源2的可调节的电流源9或用于补偿光源3的可调节的补偿电流源10的操控信号或操控电流。ηs或ηc是发送光源2或补偿光源3的相应的效率。DSG是发送光源2与光电二极管5之间的光学基础耦合。DSF是发送光源2和光电二极管5之间经由测量对象13的功能上的、可改变的光学耦合，而Dc表示补偿光源3到光电二极管5的恒定的光学耦合。
光学基础耦合（DSG）在现有技术中通过测量装置100的相应构造或光学功能造型被调整到期望的值。分量DSF是包含关于测量对象13的信息的所寻找的分量。
发送光源2和补偿光源3的效率数的比例一般被足够良好地确定并且在第一近似中是恒定的。因此该比例可以根据方程1被确定。用于发送光源2的可控制的电流源9的操控信号Is是已知的，在个别情况下甚至是恒定的。由调节器单元确定的用于补偿电流源10的操控电流Ic在经调节的状态下直接与所寻找的（功能的）光学测量对象耦合DSF成比例。
如果不存在测量对象13，则（功能的）光学测量对象耦合DSF等于零。由调节器所确定的工作点因此恰好是对应于光学发送器基础耦合的静止值。
现有技术中的缺点是，光学基础耦合必须通过测量装置1的（纯）结构上的措施来实现。可以是部分透明的存在的传感器覆盖物14例如可以在几个区域中被涂层为使得实现期望的基础耦合。但是尤其是在发送光源2距离光电二极管5比较远的情况下，基础耦合分量通常小，使得有时不能根据现有技术来调整期望的静止值。这首先通过由于部分耗费的结构上的措施来使基础耦合得到改善或提高来达到。
与此相比，图2示出根据本发明的测量装置1，其中发送光源2的基础耦合如此小，使得其为最多7%或5%或者可以被忽略。（这里所述的百分比值描述了相对于功能对象耦合的值的光学基础耦合）。如果这在构造中不从本身得出，则例如可以通过简单的结构上的措施来实现光学基础耦合的降低。例如可以通过在图4中表明的简单的光机械屏蔽40，或者通过发送光源在（狭窄的）发送室中被安置得足够深，达到发送光源2与光电二极管5的光学隔离。
除了可调节的电流源9和可调节的补偿电流源10以外，本发明的测量装置1包括另一可调节的电流源、即基础耦合电流源15。对该基础耦合电流源一方面利用时钟发生器8的时钟信号进行时钟控制。同时，该基础耦合电流源被信号发生器16、即所谓的基础耦合信号发生器调整或者甚至与发送器控制电流源一起被调节。在基础耦合电流源15中产生的时钟控制式基础耦合控制电流被输送给基础耦合光源17，该基础耦合光源17将光发送到光电二极管5。
发送光源2的（纯）光学基础耦合因此通过以电的方式产生的光学基础耦合（EOGK）被代替或者相应地被补充，所述EOGK用基础耦合光源17建立。基础耦合光源17的该光电基础耦合所具有的优点是，其不再取决于发送光源及其例如光学的或者空间的情况。基础耦合光源17因此可以在最大程度上独立地、一般最优地被调整。因此，本发明的测量装置1优于已知的测量装置100。
为了进一步改善尤其是光电二极管5的接收部分的外来光不敏感性，在光电二极管5的供电引线中装入电流低通滤波器，所述电流低通滤波器将光电二极管电流的直流分量和低频信号分量（主要由外来光引起）导出到供电装置，以便其最优地与高频测量信号分开。由此，高频测量信号可以优选以差动方式通过两个高通滤波器（实现为耦合电容器）最优地（符合EMV规则地）耦合输入到优选差动的跨阻抗放大器6中。电流低通滤波器可以优选实现为（有源）回转器电路，也就是利用晶体管或MOSFET，或者利用无源组件，也就是利用电感实现。
从图2中可以得知，对基础耦合光源17以与发送光源2相同的相位进行时钟控制，也就是相对于补偿电流源10移相180度。
在一个优选的实施方式中，发送光源2、补偿光源3和/或基础耦合光源17被实施为发光二极管（LED）。
图3示出本发明测量装置1的替换的、一般优选的第二实施方式，其中基础耦合光源17是补偿光源3本身。补偿光源3因此也承担基础耦合光源17的功能。可调节的基础耦合电流源15因此对补偿光源3进行馈送，正如可调节的补偿电流源10这已经在现有技术中进行的那样。优选地，补偿电流源10的补偿控制电流和基础耦合电流源15的基础耦合控制电流在加法环节18中彼此相加并且共同输送给补偿光源3。因为基础电流源15和补偿电流源10的控制电流被移相，所以实际上得出时间上相组合的控制电流。测量装置的所期望的光电基础耦合与补偿器耦合相联系，这意味着静止值的大的稳定性获取，并且该光电基础耦合拥有大的优点：经由IEOGK的自由可用的电流幅度对所需的值进行调整。
光电基础耦合因此通过用于操控基础耦合电流源15的操控信号（IEOGK）被最终确定。因为这通过电信号发生器16进行，因此基础耦合也可以稍后通过简单的方式被改变。仅须为基础耦合电流源15产生不同的（快速地和简单地改变的）操控信号。本发明的测量装置1总体上非常灵活并且也可以事后针对其它任务被适配。在测量装置1内不需要结构上的措施，尤其是不需要传感器覆盖物14或者测量装置1的覆盖物的附加的屏蔽或者涂层。因此测量装置1的静止工作点也可以在稍后还被改变并且由此使敏感性或者动态性或者精度与新的或者改变的要求相匹配。
一般可以以如下为出发点：发送光源2与光学接收器4的（纯）光学基础耦合（按照现有技术）明显处于10％以下。在实际中，光学基础耦合最大为6％，5％或者以下。尤其是在距离更远的发送光源2的情况下，如例如在空间上相对伸展的构造和测量装置1时是这种情况，光学基础耦合处于3％，2％或者最大1％。可以容易地在距离较远的发送光源2的情况下将光学基础耦合借助于小的耗费和通过简单的措施降低到（功能信号的）最大0.5％或者优选地0.1％。发送光源2的光学基础耦合DSG因此可以被忽略。该光学基础耦合完全由基础耦合电流源15的以光电方式产生的基础耦合DEOGK代替。（这里所述的百分比值描述了相对于功能对象耦合的值的光学基础耦合）。
因此，对于本发明测量装置1在条件下从上述方程1得出方程2：
用于在没有测量对象的情况下调整工作点、也就是静止值的补偿控制电流Ic因此仅仅取决于光电基础耦合DEOGK，并且因此仅仅通过基础耦合控制电流（IEOGK）来调整。从数学上来看，在静止状态下（工作点＝静止值）补偿光源的（总的）传递函数脱出系统方程（与这已经在现有技术中在接收器侧情况类似）。
在优选的、未集成在IC中的实施方式中，基础耦合电流源15不实现为自己的电流源。更确切地说，用于为发送光源2产生时钟控制式发送控制电流的可调节的电流源9为此相同地一起被使用，其方式是由补偿光源17引导一般小的电流分量。
图4示出分流器19，该分流器在使用自己的（单独的）基础耦合光源17的情况下实现分流。在图4中施加在电流驱动器输出端22（IS4）处的发送控制电流通过由电阻20和21组成的欧姆分压器19形成。对应于可调节的电流源9的电流驱动器22处的电流以与电阻20和21成反比的形式在发送光源2和基础耦合光源17之间分配。在此情况下，基础耦合光源17负责以光电方式产生的基础耦合。这因此可以与补偿光源3的补偿器耦合Dc无关地被选择和调整。
如果应当通过将电流分支用以产生EOGK而在发送光源2中产生太少的光学功率，则可以与发送光源2并行地接入另一发送光源23，该另一发送光源23与发送光源2同步地被通电。
但是根据图4的装置所具有的缺点是，需要附加的光源17。如果放弃该光源17并且将分流器电阻引到补偿器光源3上，则形成根据图3中的原理电路图的成本较低的实现。
根据分流器电阻的尺寸确定，可以在补偿阶段期间产生发送光源2的少量的寄生耦合（Mitkopplung）。也就是说，来自补偿器电流源的补偿电流的小部分也或者非常小的部分流经发送光源2。在几个应用中，这种寄生耦合甚至可以是期望的，例如用于输出特征曲线形成。但是，如果发送光源2的这种寄生耦合应被完全防止，则根据图5的电路装置适用。二极管24防止了在补偿阶段期间电流流经发送光源进入到补偿器电流源中。优选地，二极管24是肖特基二极管，以便分流比例由于肖特基二极管的小的导通电压而尽可能少地受到干扰。但是在此情况下应注意通过肖特基二极管可能出现的温度影响，尤其是当对于分流来说仅由小的电压可用时。但是对该实施有利的是，原则上不需要附加的基础耦合光源。
只要特征EOGK还没有集成在芯片中，根据图4和5的装置可以看作在实现具有分立组件的基础耦合电流源15时的技术中间步骤。EOGK到芯片（例如IC或者ASIC）中的集成当然是该任务的最简单的、最灵活的、最稳健的、最节省位置的以及同时最成本低的解决方案。
通过将光电基础耦合功能集成到调节芯片中，在实现该功能时不产生额外成本。仅须在芯片开发时一次性地集成该功能。在纯硬件耗费——例如位置需求或者温度稳定性或者类似的值或特性——方面，IC解决方案是最优的。光电基础耦合功能到调节芯片中的集成使得能够将与发送控制电流相同步的基础耦合控制电流馈入到补偿光源3或补偿驱动器电路中。
这些电流可以自由地参数化到任意的值或者参数化到与发送控制电流的可调整的比例关系。由此总体上得出该功能的非常灵活的使用。
图6a至d针对存在多个发送光源2的情况示出测量装置1的调节芯片的原理图。被表示为LEDS1和LEDS2的发光光源2分别连接在发送器电流驱动器输出端28上并且由可控制的电流源9（I1，I2）来馈送。同样适用于其它（未示出的）发送光源2，这些发送光源2于是被表示为LEDS3，LEDS4，…。
对于本发明测量装置1所需的补偿光源3同样实施为LED并且表示为LEDK。该补偿光源3连接到电路的补偿电流驱动器输出端27上。除此以外，在图6a至d中还示出可控制的补偿电流源10，用于操控补偿光源3。
用于补偿温度影响的另一电流源与补偿电流源10并联。该电流源表示为温度补偿电流源25。其优选仅在调节循环期间将附加的直流电流（一般为少数几个mA）提供到补偿光源中，其目的是使补偿光源3、尤其是LED或者IR-LED的光电工作点与（一个或多个）发送光源3的光电工作点可比，所述发送光源用显著更高的电流和损耗功率（自发热）工作。该附加的直流电流对于测量信号来说没有意义，因为该直流电流被接收器中的电容性耦合7再次滤除。该测量装置的温度稳定性通过该措施明显得到改善。
根据图6a的实施方式示出与图4和5中的电路类似的电路的原理图。替代于欧姆分压器19（图4，5）使用各个基础耦合电流源15，这些基础耦合电流源代替相应的电阻。这所具有的优点是，对于每个应用可以仅通过可控制的基础耦合电流源15中的电流值的改变来产生测量电路的简单匹配。各个LEDS1，LEDS2，…的每个发送电流源9具有相对应的基础耦合电流源15。在此，在用于各个LEDS1，LEDS2，…的相应发送电流源15的发送电流和相应的发送光源（LEDS1，LEDS2，…）的基础耦合电流源15的基础耦合电流之间存在固定的线性关联。使用基础耦合电流源15所具有的优点是，作为相应的发送光源2的基础耦合因数的因数k1，k2，…在宽的极限中可以被几乎任意地参数化。因数k1，k2，…一般分别被选择小于1。当然也可以选择大于1或者等于1的基础耦合因数ki。各个基础耦合因数ki（i＝1，2，…）优选是不同的，因为它们取决于相应的发送光源2及其在装置中的定位。
图6b示出替换的实施方式，其中取消了用于各个发送光源2的各个基础耦合电流源15，除了唯一的基础耦合电流源15之外。该基础耦合电流源15以时间复用方法被运行并且因此为每个发送光源2产生相应的基础耦合电流，其方式是，相应的控制信号被相继地接通到唯一的基础耦合电流源上。在此在补偿电流驱动器输出端27处为发送光源相继地产生相应的基础耦合电流。因此在基础耦合电流源15和各个发送电流源9（用于LEDS1，LEDS2，…）之间形成自己的基础耦合因数ki（i＝1，2，…）。
图6c示出一个实施方式，其中发送电流源2和基础耦合电流源15之间的线性关联被消除。替代于迄今为止的基础耦合电流源15，仅仍存在在电流幅度方面可固定调整的基础耦合电流源15a。（经调节的）发送电流和基础耦合电流之间的直接比例关系这里被抛弃。该简化根据如下事实得出其合理性，即光电基础耦合的主要功能是在缺少测量对象时对静止值的所定义的调节。在EOGK的该实施中，根据应用针对相应的发送光源2（LEDS1，LEDS2，…）单独地调整基础耦合电流源15的固定的电流值，以便实现分别期望的光电基础耦合。
在根据图6a至c的实施方式中分别将补偿光源3规定为IC的基础耦合光源17，因为只存在一个相应的电流驱动器输出端27。在最一般的IC实施中，如在图6d中所示，又可以与补偿光源3无关地以及附加于该补偿光源3地使用单独的基础耦合光源17。基础耦合光源17由基础耦合电流源15a通过单独的驱动器输出端31来控制。基础耦合电流源15，15a和发送器电流源9之间的所有三种相关性与图6a至c中的实现相对应，这里也是可能的。通过将驱动器输出端27和31短路（相加）恰好形成图6c中的情况。因此也可以在需要时在该IC变型中放弃单独的基础耦合光源LEDEOGK。
如图6d中所示，应当也与基础耦合电流源15a并联温度补偿电流源25，以便补偿温度影响或将温度影响最小化。这是必要的，因为由基础耦合电流源15a生成的测量电流有时可能非常小。

Claims (19)

1.光电子测量装置，该测量装置包括
－按时间顺序以时钟控制方式相位调节地发出光的发送光源（2）和补偿光源（3），其中所发出的光分别是移相的，
－光学接收器（4），具有用于接收包括由光源（2，3）发出的时钟同步的测量信号的光的光电二极管（5），并且具有用于放大基于所接收的测量信号的测量信号电流的放大单元（6），
－用于产生时钟信号的时钟发生器（8），
－用于时钟同步地分析测量信号电流的解调器（11），
－用于为发送光源（2）产生时钟控制式发送控制电流的可调节的电流源（9），
－用于为补偿光源（3）产生时钟控制式补偿控制电流的可调节的补偿电流源（10），和
－用于为可调节的电流源（9）和/或补偿电流源（10）产生至少一个操控信号的调节器单元（12），其中该调节器单元（12）构造为，使得补偿光源（3）和/或发送光源（2）能通过控制补偿控制电流和/或发送控制电流而在其光强方面在幅度上被调节为，使得在不同相位之间出现的时钟同步的信号差变为零，
其特征在于
－用于产生时钟控制式基础耦合控制电流的可调节的基础耦合电流源（15），
－基础耦合光源（17），其与发送光源（2）不同并且用基础耦合控制电流被馈送以及将光直接发送给光学接收器（4）；
－基础耦合控制电流被调整为，使得实现测量装置（1）的期望的敏感性和/或调节器单元（12）的期望的静止值是能调整的，
－其中在不存在要检测的对象（13）的情况下调节器单元（12）将发送光源（2）和/或补偿光源（3）调节为，使得从基础耦合电流源（15）接收的测量信号被调节，
其中
－对用于产生时钟控制式发送控制电流的可调节的电流源（9）和用于产生时钟控制式基础耦合控制电流的可调节的基础耦合电流源（15）用时钟发生器（8）的时钟信号进行时钟控制，
－对用于产生时钟控制式补偿控制电流的可调节的补偿电流源（10）用时钟发生器（8）的反时钟信号进行时钟控制。
2.根据权利要求1的测量装置，其特征在于，用基础耦合控制电流馈送的基础耦合电流源（15）是补偿光源（3），并且测量装置（1）包括加法环节（18），其中基础耦合控制电流和补偿控制电流在它们被输送给补偿光源（3）之前在所述加法环节中被相加。
3.根据权利要求1或2的测量装置，其特征在于，发送光源（2）被布置为，使得发送光源（2）和光电二极管（5）之间的基础耦合是由发送光源（2）产生的功能光学对象耦合的最大50％。
4.根据权利要求1或2的测量装置，其特征在于，发送光源（2）被布置为，使得发送光源（2）和光电二极管（5）之间的基础耦合是由发送光源（2）产生的功能光学对象耦合的最大20％。
5.根据权利要求1或2的测量装置，其特征在于，发送光源（2）被布置为，使得发送光源（2）和光电二极管（5）之间的基础耦合是由发送光源（2）产生的功能光学对象耦合的最大5％。
6.根据权利要求1或2的测量装置，其特征在于，发送光源（2）被布置为，使得发送光源（2）和光电二极管（5）之间不存在直接的基础耦合。
7.根据权利要求1的测量装置，其特征在于，基础耦合控制电流被调整为，使得生成和/或改变补偿光源（3）的光电基础耦合。
8.根据权利要求1的测量装置，其特征在于，发送光源（2）、基础耦合光源（17）和/或补偿光源（3）分别用LED实现。
9.根据权利要求1的测量装置，其特征在于，基础耦合电流源（15）通过用于为发送光源（2）产生时钟控制式发送控制电流的电流源来实现。
10.根据权利要求1的测量装置，其特征在于，基础耦合电流源（15）通过用于为发送光源（2）产生时钟控制式发送控制电流的电流源和由欧姆电阻（20、21）提供的分流器（19）来实现。
11.根据权利要求9的测量装置，其特征在于，基础耦合电流源（15）通过用于发送光源（2）的电流源（9）和具有二极管（24）的由欧姆电阻（20、21）提供的分流器（19）来实现。
12.根据权利要求9的测量装置，其特征在于，基础耦合电流源（15）通过用于发送光源（2）的电流源（9）和具有肖特基二极管的由欧姆电阻（20、21）提供的分流器（19）来实现。
13.根据权利要求9的测量装置，其特征在于，基础耦合电流源（15）通过用于发送光源（2）的电流源（9）和具有至少两个晶体管的由欧姆电阻（20、21）提供的分流器（19）来实现。
14.根据权利要求9的测量装置，其特征在于，基础耦合电流源（15）通过用于发送光源（2）的电流源（9）和具有至少两个MOSFET晶体管的由欧姆电阻（20、21）提供的分流器（19）来实现。
15.根据权利要求1的测量装置，其特征在于，基础耦合电流源（15）由用于发送光源（2）的电流源（9）构成并且基础耦合控制电流由参数化的发送控制电流构成，其中参数化的基础耦合控制电流的生成在芯片中进行。
16.根据权利要求15的测量装置，其特征在于，基础耦合电流源（15）与电流源（9）成比例地被调节器单元（12）一起调节。
17.根据权利要求15的测量装置，其特征在于，对于每个电流源（9），基础耦合电流源（15）的电流幅度能够被固定地调节。
18.根据权利要求1的测量装置，其特征在于，测量装置（1）包括多个发送光源（2），这些发送光源在每个调节回路中顺序地相继地通过补偿光源（3）被补偿并且为这些发送光源分别产生基础耦合控制电流。
19.根据权利要求1的测量装置，其特征在于，电流源（9，10，15）、即用于发送光源（2）的可控制的电流源（9）和可控制的基础耦合电流源（15）被一个或多个信号发生器（16）馈送，其中信号发生器（16）集成在芯片中。
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