CN111766595A - 光学传感器装置和用于操作光学传感器装置的方法 - Google Patents

Abstract

描述了一种光学传感器装置(10)，其具有：用于发出光的发射单元(24)、用于由所述发射单元(24)发出的光的接收单元(26)以及用于评估基于所述接收到的光的接收信号(50a–50c)的评估单元(30)，其中所述发出的光被设计为基于发射信号(44)的光脉冲，所述发射信号(44)具有带有上升和/或下降沿的信号形状，其中所述接收信号(50a–50c)具有与所述发射信号(44)基本上相同的所述信号形状，其中所述评估单元(30)适用于在其上升和/或下降沿中的至少一个扫描点(52a–52n)处扫描所述接收信号(50a–50c)。

Description

光学传感器装置和用于操作光学传感器装置的方法

技术领域

本发明涉及光学传感器装置、用于操作光学传感器装置的方法、计算机程序以及机器可读存储介质。

背景技术

从所述领域已知，鉴于检测范围不断增加，对光学传感器装置的需求也在增加。由于此，必须不断增加此类传感器装置的动态范围，以便确保在整个工作范围内传感器装置的可调整性。在此，动态范围可限定为最大可检测接收信号与最小可检测接收信号的比。进一步已知，在简单的前置放大器在传感器装置的接收路径中的情况下，动态范围可由所使用的模数转换器(ADC)的分辨率限制，用于当今典型的低成本微控制器的模数转换器(ADC)的分辨率为12位。这已不足以满足当今对对象范围的需求。

此外，对于光学传感器装置的需求也相对于更大灵活性的增加而增加，即，传感器装置将例如利用硬件结构实现诸如光传感器、反射光屏障和直通光束屏障的不同传感器原理。这些不同的传感器原理也需要不同的动态范围。

从本领域还已知，为了增加光学传感器装置的动态范围，可使用若干个发射脉冲包，所述发射脉冲包的信号形状是具有可变高度的矩形脉冲。可在传感器装置的接收路径中使用具有不同放大率的若干个前置放大器，以便适当地放大接收到的光。还可在接收路径中使用具有可调整放大率的前置放大器，以便适当地使接收到的光成形。通常，然后可评估矩形脉冲的振幅或脉冲高度。

例如，从EP 2 302 415 A1中已知一种光学传感器装置和一种用于操作所述传感器装置的方法。所述传感器装置被实现为光电传感器装置，例如被实现为光传感器、反射光屏障或直通光束屏障。在所述传感器装置的发射路径中，产生一系列矩形脉冲，使得传感器装置的发射单元的平均光输出功率被设定为恒定值，独立于在使用适当的控件时的切换距离和/或灵敏度的设定。

发明内容

本发明的目标是实现一种传感器装置，所述传感器装置具有高动态，同时具有低构造成本、低空间需求以及低能量和热量消耗。

此目标通过根据从属权利要求的光学传感器装置、用于操作传感器装置的方法、计算机程序以及机器可读存储介质来解决。在从属权利要求中提供了有利的实施方案。

根据第一方面，提供了一种光学传感器装置，其具有：用于发出光的发射单元、用于由所述发射单元(或其部分)发出的光的接收单元以及用于评估基于所述接收到的光的接收信号的评估单元，其中所述发出的光被制成基于发射信号的光脉冲，所述发射信号具有上升和/或下降沿的信号形状，其中所述接收信号具有与所述发射信号基本上相同的所述信号形状，其中所述评估单元适用于在其上升和/或下降沿中的至少一个扫描点处(例如，在一个扫描点处或在时间上不同的若干个扫描点处)扫描所述接收信号。

因此，传感器装置可基于这样的原理：即它可提供发射信号的信号形状，所述发射信号的信号形状在被接收时可基本上与接收信号的信号形状相同。以此方式，信号形状的类型可相同，而发射信号的振幅和/或斜率和接收信号的振幅和/或斜率可彼此不同。以此方式，在反射光屏障或反射光传感器的情况下，所发出的光脉冲在被对象反射之后可再次被接收。在直通光束屏障的情况下，所发出的光脉冲在被传感器装置再次接收之前可被对象干扰并且任选地(尤其是部分地)被吸收。

在扫描接收信号时，例如逐点测定接收信号处于其(尤其是单调的)上升和/或(尤其是单调的)下降沿，可确定不同的信号强度，所述信号强度能够以良好的分辨率测定不同的对象距离和/或不同的对象亮度。以此方式，扫描点可指代在时间上看到的可传递分配的扫描(测量)值的测量时间点。以此方式，信号形状中的沿可以是信号的上升或下降分支，其中斜率不同于无穷大(即不是理想的矩形光脉冲)。在反射光屏障或扫描仪的情况下，对象距离可指代传感器装置与在所发出的光被接收单元接收之前可在其上反射的对象之间的距离。在直通光束屏障的情况下，对象距离可对应于传感器装置的发射单元与在所发出的光被接收之前中断所发出的光的对象之间的距离。对象亮度可指代对象的反射能力和/或对象的辐射能力(任选地在发生吸收之后)。

总体上，由于测量原理，可容易地提高传感器装置的(尤其是是模拟信号处理的)动态范围，而无需尤其是在接收路径中提供昂贵的传感器装置的硬件实现。以此方式，用于接收信号的评估所需的硬件实现以低成本部件可用，诸如在没有昂贵的开关的微控制器或处理器的数模转换器(DAC)或比较器级中，运算放大器或前置放大器必须整合进传感器装置的发射路径中。在比较器级的情况下，可将其设计有仅1至n级，使得利用这样的部件，在沿的开始与达到比较器阈值之间的时间可以是对于“对象亮度”或对于对象距离的测量。以此方式，传感器装置总体上可成本效益高地且以低空间需求地实现，并且所述传感器装置可整合进小型装置(诸如例如，Balluff公司的BOS 5K或BOS 21M)中。

由于传感器装置的测量原理，可不需要产生若干个光脉冲作为用于单独测量的脉冲包，使得可特别降低发射路径中的能量消耗和热量消耗，并且若干个光脉冲的开关频率的不降低必须在发射路径中可用。与此相比，当使用若干个光脉冲用于重复的单独测量时，由于每个单独测量的能量和热量使用可能较低，因此可增加脉冲的开关频率。此外，与使用(理想或实际)矩形脉冲时相比，接收路径可能需要具有较低带宽的放大，这增加传感器装置的抗干扰性。以此方式，必要的降低的带宽可以是与接收到的矩形脉冲相反的接收信号的一系列降低的沿陡度，因为放大级所需的带宽可主要取决于接收信号的上升或下降沿的持续时间。除此之外，因为放大级的带宽低，所以传感器装置可能对电磁兼容性(EMC)扰动不敏感。

由于发射信号的信号形状和接收信号的信号形状，仅单一光脉冲可被照射，而不是单独测量的若干个光脉冲，因此使得在发射路径中的电流消耗或热量生成可以是低的。

在一个实施方案中，一个或若干个扫描点在接收信号的扫描过程中关于时间是固定的。以此方式，可执行在时间上限定的扫描过程，所述扫描过程可在相同的测量条件下利用每个新测量传递可再现的扫描值，或者可在不同的测量条件下生成限定的扫描值的序列。总体上，可通过在时间上固定的扫描点的序列来增加传感器装置的动态范围。

在一个实施方案中，扫描点(即一个扫描点或若干个扫描点中的一个扫描点)相对于时间被分配给发射路径中的低发射电流。由于光的速度、所发射的光脉冲和所接收到的光以及因此的发射信号和接收信号可在时间上相关，并且可依据在相同的时间点处的它们的振幅增加，可达到它们的最大值或下降至零。以此方式，可将发射路径中限定的发射电流分配给每个扫描点，发射单元可利用每个扫描点施加并且可被激发发出光脉冲。如果可确定具有低发射电流的扫描点的扫描值，则此扫描点可用于评估亮对象和/或具有低对象距离的对象，因为分配给所述扫描点的扫描值可对应地高。

在一个实施方案中，扫描点(即一个扫描点或若干个扫描点中的一个扫描点)可相对于时间被分配给发射路径中的高发射电流。当评估具有高发射电流的这样的扫描点的扫描值时，可检测到暗对象和/或具有高对象距离的对象，因为所述扫描值可对应地小，但仍然可容易测量，并且对于太大的接收信号值，评估单元的饱和性能无法生效。

在一个实施方案中，发射信号和接收信号的信号形状被设计为三角形、梯形、抛物线或正弦曲线。发射信号或接收信号的所有这些实施方案可具有在评估接收信号时可对其进行扫描的上升和/或下降沿。这些信号形状都可特别容易地生成。

在一个实施方案中，评估单元可适用于在其上升沿中的(尤其是在时间上偏移的)至少两个扫描点处和/或在其下降沿中的(尤其是在时间上偏移的)至少两个扫描点处扫描接收信号。这种扫描可能需要可将接收信号的信号形状设计为与实际矩形脉冲不同。以此方式，如以上所描述，可在接收路径中提供具有低带宽的放大。

特别地，发射信号可相对于时间表示短的光脉冲，使得在光脉冲的持续时间期间对象亮度或对象距离可近似恒定，并且对于不同扫描点的扫描值可得出对于亮度或对象距离的近似相等的评估结果，前提条件是它们是可评估的。

在一个实施方案中，用于在分配有低发射电流的扫描点处进行扫描的接收信号是可放大的，和/或用于在分配有高发射电流的扫描点处进行扫描的接收信号是可减小的。以此方式用于所述评估，可在评估之前适当地改变太小的信号或由于传感器装置的饱和性能而可能太大的信号。同样以此方式，传感器装置的动态范围可以简单且成本效益高的方式调整。所述评估可考虑由于传感器装置的接收路径中的放大而引起的信号设定。

在一个实施方案中，接收信号的放大和/或接收信号的减小就时间而言是恒定的。换句话说，接收路径中的放大器级或前置放大器级的放大或减小因子可对应于一个或若干个接收脉冲的恒定因子，使得一个接收脉冲的所有扫描值或若干个接收脉冲的所有扫描值可均匀地改变。换句话说，由于在接收路径中的放大，扫描信号的设定可以是恒定的，即以恒定的放大或减小因子来执行，使得评估可在整个过程中特别容易地考虑信号变化。

在一个实施方案中，传感器装置适用于在评估单元已经扫描了可评估的扫描点时终止发射信号。以此方式，可在发射路径中节省电力，并且可减少热量输入。

特别地，评估单元可适用于将分配给若干个扫描点处的扫描值进行比较，并且适用于在这样的一个或多个扫描值与对应的阈值相比彼此偏离较多或较少时，放弃这样的一个或多个扫描值。为此，可计算每两个扫描值之间的差值，并且可将此差值与阈值进行比较。如果一个、若干个或所有差值大于和/或小于对应的阈值，则可放弃整个测量。替代地，可放弃仅显著偏离的对应的扫描值。并且以此方式，彼此比较的每两个扫描测量值可各自分配给分配的扫描点之间的相同的、尤其是固定的预定时间间隔。以此方式，传感器装置对外来光的抗干扰性可表现自身为扫描离群值，并且以此方式，可提高其准确度。扫描值也可放弃此类，这回溯到可在接收路径中找到的模数转换器和/或前置放大器中的饱和性能。

在一个实施方案中，评估单元适用于在扫描上升沿中的至少两个扫描点时和/或在扫描下降沿中的至少两个扫描点时确定所述沿的斜率。在此，斜率可用于验证测量的扫描值的有效性。替代地或除此之外，所述斜率可用作传感器测量信号，以便利用对应的突出的特性曲线来确定对象亮度和/或对象距离。总体上，可增加传感器装置的抗干扰性。

在一个实施方案中，评估装置适用于在测定所述沿的斜率时放弃两个扫描值中的一个或两个扫描值，为其测定的斜率或为它们测定的斜率与对应的阈值相比偏离所述沿的剩余斜率较多和/或较少。如果例如确定四个扫描值，则可确定所述沿的六个斜率值。如果一个或多个沿值显著偏离剩余斜率值或偏离基于所有斜率值可计算的所述沿的平均斜率，则可放弃已经导致偏离一个或多个斜率值的仅一个相关的扫描值。替代地，也可放弃所有偏离其斜率的扫描值。与在后面的选项中相比，在先前选项中保留用于评估的更多的扫描值。也可放弃整个接收脉冲。如以上已经解释的，借助于此测量，可移除测量离群值和/或扫描值，因为接收路径中的饱和。

在一个实施方案中，评估单元适用于确定扫描的至少一个扫描点是否足以确定传感器装置的有效传感器信号。为此，例如在由于接收路径中的饱和而放弃测量离群值和/或扫描值之后，可评估剩余扫描值，以便确定是否可从所述值中测定有效传感器信号。例如条件可以是，必须保持最小数量的扫描值来产生有效传感器信号。

在一个实施方案中，评估单元适用于扫描至少一个另外的扫描点，所述另外的扫描点在时间上偏移要扫描的接收信号，并且适用于在确定传感器信号时考虑分配给扫描值的另外的描点。以此方式，可执行暗测量，以便识别外来光并在此比例附近数学上校正接收信号的扫描值(例如，通过计算接收信号的每个扫描值与暗测量的扫描值之间的差值)。因此，可提高传感器装置的准确度。

传感器装置在传感器装置的接收路径中可具有至少一个前置放大。这可在模数转换器之前的接收路径中提供。

除此之外或替代地，传感器装置可在发射路径中具有单个前置放大级，所述前置放大级例如可借助于可在数模转换器之后设置的恒定电流源中的晶体管来实现。电流的进一步放大可不提供在发射路径中。特别地，可不必要在发射路径中提供技术上复杂且昂贵的前置放大器、运算放大器或开关等，这将不必要地增加发射路径的空间需求。

传感器装置可被设计为光电传感器装置，尤其是被设计为反射光屏障或者被设计为仅可评估对象强度的直通光束屏障，或者被设计为可评估对象强度以及对象距离的光传感器。对于光传感器，可将其设计为反射光传感器。

传感器装置还可在接收路径中具有多通道的接收放大级(例如可在具有背景抑制的传感器装置(2通道放大级)或彩色和对比度扫描仪(3通道放大级))中实现。在这样的实现方式中，可在每个通道上不同地放大接收到的光脉冲(每个任选地在以大于或小于1的恒定因子接收到的脉冲的时间内)，使得独立的接收信号从每个通道中可用。

根据第二方面，提供了用于操作传感器装置的方法，其涉及以下步骤：发出光；接收所述发出的光；以及评估基于所述接收到的光的接收信号；其中所述发出的光被设计为基于发射信号的光脉冲，所述发射信号的信号形状带有上升和/或下降沿，其中所述接收信号具有与所述发射信号基本上相同的所述信号形状，其中接收信号的所述评估涉及：在其上升和/或下降沿中的至少一个扫描点处扫描所述接收信号。

所述方法可具有与根据所述第一方面的所述传感器装置相同的实施方案和/或优点。光的发出可由发射单元执行，光的接收可由接收单元执行，并且接收信号的评估可由传感器装置的评估单元执行。

在一个实施方案中，在扫描过程中，所述至少一个扫描点在时间上是固定的。

在一个实施方案中，扫描点相对于时间被分配给发射路径中的低发射电流。

在一个实施方案中，扫描点相对于时间被分配给发射路径中的高发射电流。

在一个实施方案中，所述发射信号和所述接收信号的信号形状为三角形、梯形、抛物线或正弦曲线。

在一个实施方案中，所述接收信号的评估具有在其上升沿的至少两个扫描点处和/或在其下降沿的至少两个扫描点处的所述接收信号的扫描。

在一个实施方案中，用于在分配有低发射信号的扫描点处进行扫描的接收信号被放大，和/或用于在分配有高发射电流的扫描点处进行所述扫描的接收信号被减小。

在一个实施方案中，所述接收信号的放大和/或所述接收信号的减小在时间上恒定执行。

在一个实施方案中，所述发射信号在扫描可评估的扫描点时被终止。

所述方法可进一步涉及以下步骤：将分配给所述扫描点的所述扫描值彼此比较，以及当所述扫描值与对应的阈值相比彼此偏离较多或较少时，放弃所述扫描值。

在一个实施方案中，所述接收信号的所述评估进一步涉及：在扫描所述上升沿中的至少两个扫描点时和/或在扫描所述下降沿中的至少两个扫描点时测定所述沿的斜率。

在一个实施方案中，所述接收信号的所述评估进一步涉及：在测定所述沿的所述斜率时，放弃所述两个扫描值中的至少一个，为其测定的斜率与对应的阈值相比偏离所述沿的剩余斜率较多或较少。

在一个实施方案中，对所述接收信号的所述评估进一步涉及：测定所述扫描的至少一个扫描点是否足以确定有效的传感器信号。

在一个实施方案中，所述接收到的传感器的所述评估进一步涉及：扫描至少一个另外的扫描点，所述另外的扫描点在时间上偏移要扫描的所述接收信号，以及在测定传感器信号时考虑分配给另外的扫描点的扫描值。

根据第三方面，提供了一种计算机程序，其被设计来在由根据所述第一方面的所述传感器装置执行时，执行根据所述第二方面的方法的步骤。所述计算机程序可具有指令并形成控制代码，所述控制代码包括用于执行根据所述第二方面的所述方法的算法。

根据第四方面，提供了一种机器可读存储介质，在其上存储了根据所述第三方面的计算机程序。所述机器可读存储介质可例如被设计为外部存储器，设计为内部存储器，设计为硬盘驱动器或设计为USB存储装置。

附图说明

在图示中描绘了本发明的示例性实施方案，并且在以下描述中对其进行了更详细的描述。以下示出：

图1是根据示例性实施方案的光学传感器装置的示意图；

图2示出根据利用图1中的传感器装置执行的示例性实施方案的方法的流程图；

图3是图1中传感器装置的发射信号的时变过程的示意图；

图4是具有不同信号强度的图1中传感器装置的接收信号的时变过程的示意图；

图5是针对扫描值的特性曲线的示意图，所述扫描值取决于用于图4中各个扫描点的从对象到图1中的光学传感器装置的距离；以及

图6是根据距离的图5中的特性曲线的分辨率的示意图。

具体实施方式

相同或类似的部件具有相同的附图标号。

在图1中提供有附图标号10的光学传感器装置具有发射路径12和接收路径14。在传感器路径12中，提供在其中发射信号的数字化电压值被存档在所保存的查找表中的存储单元16。存储单元16的输出信号提供用于将信号传递到数模转换器(DAC)20的传递单元18。传递单元18被设计来一个接一个地传递查找表的数字化电压值，并以固定的时间间隔将它们转换成用于DAC 20的数字电压值，并且被设计来将所述数字电压值输出到DAC 20。DAC20的输出信号可以模拟电压的形式被供应给发射级22，所述发射级22被设计来将DAC 20的模拟电压变换成与所述模拟电压成比例的电流，并且被设计来将其作为发射单元24的对应输出信号(例如以LED或激光器形式)供应。所述发射单元24被设计来以用于单独测量的光脉冲的形式或者在重复的单个测量的情况下以若干个光脉冲的形式发出光。光脉冲的光特性以此方式基于发射级22的输出信号。

以此方式，发射级22可被设计为恒定电流源，借助于所述恒定电流源可执行发射信号的放大。通常，对于设计为LED的发射单元24，恒定电流源的输入电压至多为3.3V，并且脉冲恒定输出电压通常位于100毫安至135毫安的范围内。

在接收路径14中，例如以光电二极管(PD)或光敏检测器(PSD)形式提供接收单元26，所述接收单元26被设计来在借助于传感器装置10在待检查的对象上反射之后，或者在通过所述对象并将其转换成光电流之后接收从发射单元24发出的光。接收单元26的输出信号(即光电流)可被供应给前置放大器28，所述前置放大器28被设计来将接收到的光电流变换成对应于模拟电压的接收信号，并且任选地随着时间不断地对其进行放大用于一个脉冲或用于若干个脉冲，或者不断对其进行降低。前置放大器28的输出信号可以模拟电压的形式被供应给模数转换器(ADC)30，所述ADC 30被设计来在时间上固定的若干个扫描点处扫描接收信号的上升沿和/或下降沿，并且被设计来确定对应的扫描(测量)值。ADC30的输出信号S对应于前置放大器28的数字化电压值，即对应于数字电压。此输出信号包括关于对象亮度和/或对象距离的一条信息。

代替ADC 30，可提供将前置放大器28的模拟电压转换为数字电压的比较器。

如果存在有效的扫描值，则ADC 30还任选地被设计来将反馈信号输出到发射级22和/或发射单元22，以便立即终止光脉冲的发射。ADC 30还任选地被设计来如果扫描值彼此显著不同，即例如任何两个随机扫描值的差值大于和/或小于对应的预定阈值，则将信号沿中若干个扫描点的扫描值彼此比较并且被设计来放弃测量。

ADC 30进一步任选地被设计来从模拟电压的沿中的两个扫描值中分别确定沿的斜率。ADC 30可进一步任选地被设计来放弃两个扫描值中的至少一个或两个扫描值，为其测定的斜率与对应的阈值相比偏离所述沿的剩余斜率较多和/或较少。当存在偏差时，也可放弃整个接收脉冲。

ADC 30还可任选地被设计来确定扫描的一个或多个扫描点是否足以确定有效的传感器信号S。在扫描值被ADC 30放弃的情况下，ACD 30可被设计来针对信号S的有效性评估剩余的扫描值。

ADC 30可任选地被设计来限定和扫描一个或多个另外的扫描点，所述一个或多个另外的扫描点在时间上偏移要扫描的接收信号，并且在确定传感器信号S为暗测量时在数学上考虑分配的扫描值。

单元16、18、20和30是例如被设计为处理器或微控制器的控制单元和评估单元32的一部分。

当装置10根据示例性实施方案在操作时，如图2中的流程图所示出，在第一方法步骤S2中，借助于存储单元16从查找表中以离散值的形式提供发射脉冲的信号形状。在下一个方法步骤S4中，信号形状的数字电压值借助于传递单元18一个接一个地并且以固定的时间帧被供应给DAC 20。在另外的方法步骤S6中，借助于DAC 20，信号被输出为模拟电压值。在下一个方法步骤S8中，借助于发射级22，将此模拟电压变换为与电压成比例的电流(任选地被放大)，并被供应给发射单元24。在方法步骤S10中，借助于发射单元24，根据所供应的电流来发出光脉冲。步骤S2–S10可重复执行，使得可一个接一个地执行若干个单独的测量。

在另外的方法步骤S12中，借助于接收单元26，所发出的光或其一部分被再次接收，并且将其作为光电流输出到前置放大器28。在方法步骤S14中，借助于前置放大器28(任选地，以对于一个或多个光脉冲时间上是恒定的因子)输出作为模拟电压的电流。在方法步骤S16中，借助于ADC 30，根据以上描述的针对ADC 30的功能，扫描接收信号并对其进一步处理，并且传感器信号S以数字电压形式输出，并且任选地还输出反馈信号。

在步骤16的可能的实现方式中，首先在子步骤S16a中，ADC 30中的接收信号可在限定的扫描点处被扫描，并且对应的扫描值可被测定。在另外的子步骤S16b中，对于时间上偏移接收信号(即在接收信号的时间间隔之外)的至少一个扫描点，可由能够被测定的并且将其从子步骤S16a中测定的所有扫描值中移除的扫描值执行对所有测定的外部光扫描值的校正。在任选的子步骤S16c中，与对应阈值相比偏离另外的扫描值的程度较大和/或较小的此类扫描值可被单独放弃。如果提供扫描值的显著偏差，则也可放弃整个接收到的脉冲。在另外的子步骤S16d中，可考虑传感器信号S的适当的特性曲线来测定(在放弃之后剩余的)扫描值，所述传感器特性曲线具有关于对象亮度和/或对象距离的信息。在任选的子步骤S16e中，扫描点的斜率值和接收信号的扫描值可在ADC 30中确定。可(使用对应的阈值)将这些确定的斜率值彼此比较，以便从另外的评估中放弃各个扫描值或整个接收信号。然后，从放弃后的剩余扫描值和/或考虑适当的特性曲线的斜率中，可测定传感器信号S，所述传感器信号S具有关于对象亮度和/或对象距离的一条信息。替代地，有可能直接从斜率中确定传感器信号S，即不放弃另外的扫描点。如果执行子步骤S16e，则可省略子步骤S16d。在子步骤S16d、S16e中放弃各个扫描值之后，在扫描值的进一步处理之前，作为子步骤S16d、S16e的一部分，有可能评估剩余的扫描值来确定是否可从它们中测定有效的传感器信号S。当剩余足够多数量的扫描值用于评估时，此评估可以是肯定的。

图3示出在方法步骤S8中以模拟电压形式产生的DAC 20的输出信号，所述模拟信号由于发射电流和DAC 20的电压的比例而对应于发射级22的发射电流的时间进程。在此，纵坐标40以任意单位指代发射信号的振幅，而横坐标42以任意单位指代时间。发射信号44的信号形状是三角形形状的脉冲。

图4示出在方法步骤S14中产生的前置放大器28的输出信号，即被设计为电压的接收信号。在此，纵坐标48以任意单位指代接收信号的振幅，而横坐标48以任意单位指代时间(与图3的单位不同)。曲线50a指代用于暗对象或用于高对象距离的接收信号的信号形状，附图标号50b指代用于中亮对象或用于平均对象距离的信号形状，并且附图标号50c指代用于亮对象或低对象距离的信号形状。看到接收信号50a–50c的信号形状也是三角形的，并且在相同的测量时间下，接收信号50a–50c的振幅随对象亮度的增加或对象距离的减小而增加。也看到接收信号50a–50c的上升和/或下降沿的斜率取决于接收信号50a–50c的信号强度。在高信号强度(亮对象和/或低对象距离)下，接收信号(50a–50c)的绝对斜率比暗对象大。

附图标号52a、52b、……52n指代接收信号50a–50c的上升沿中的时间固定、时间变化的扫描点。在此，S1、S2、……Sn指代用于对应的扫描点52a、52b、……52n的接收信号50a–50c的相关联的扫描值。为方便起见，在图4中仅描绘扫描点52a、52b、52n或扫描值S1、S2、Sn。接收信号50c运行到由前置放大器28和/或ADC 30调节的饱和极限SL，使得在第一扫描时间点52a之后并且直到第n扫描时间点52n为止的接收信号50c的曲线是恒定的。如以上已经涉及ADC 30的功能所描述的，对应于测量离群值和/或饱和值(用于扫描点52b、52用于曲线50c的扫描值)的扫描点可被忽略并且因此在测定传感器信号S之前不被考虑。

具有相关联的扫描值的另外的扫描点53限定为在时间上偏移接收信号50a-50c。相关联的扫描值用D标记。此对扫描点53和扫描值D对应于传感器装置10的暗测量，以便相对于扰动的外来光执行传感器装置10的校准。在此，每个扫描值(S1–Sn)可减少振幅D(S1-D、S2-D、Sn-D)以便确定传感器信号S。注意，可限定此类扫描点的若干个，以便提高暗测量的准确度。

由于发射信号44和接收信号50a–50c具有相同的信号形状，并且在时间上相关(通过延伸跨过图3和图4的竖直虚线示出)，即在同一时间点处，相应信号44、50a–50c的振幅增加或达到其最大值，或下降至零，从在每个扫描时间点52a–52n处的发射信号的高度的信息中到在其上反射光脉冲的对象的对象距离到传感器装置10，可推断出对象的已知亮度或对象在已知对象距离处的亮度。扫描点52a被分配给具有低发射电流的发射信号，并且由于相关联的扫描值S1大，因此适合于亮对象或具有低对象距离的这种对象的评估。扫描点52n被分配给具有高发射电流的发射信号，并且由于分配的扫描值Sn小，因此适合于暗对象或具有高对象距离的这种对象的评估。换句话说，通过使用不同的扫描点52a–52n，可识别非常亮和非常暗的对象，从而增加了传感器装置10的动态范围。

在对象的已知亮度下，有可能对于不同的对象距离从对应的扫描值S1–Sn中获得每个扫描点52a–52n的距离特性曲线。在图5中，借助于ADC 30测量的扫描测量以任意单位被施加到纵坐标54，并且横坐标56测量以毫米为单位的对象距离。附图标号58a–58n指代用于不同扫描点52a–52n的特性曲线。在图6中，根据横坐标62上以毫米为单位的距离，在纵坐标60上以毫米/LSB(最低有效位)为单位描绘相关联分辨率。附图标号66a、66b或66n指代测量的分辨率，并且附图标号86a、86b或66n指代特性曲线58a、58b或58n的线性插值分辨率。在此，图5中的箭头70a–70n的长度分别示出在从110毫米到260毫米作为LSB的对象距离的恒定距离范围上的特性曲线58a–58n的ADC测量范围。从两个图表中可看到，远范围内的最高分辨率由特性曲线58n或分辨率66n至68n示出，其中在三角形形状发射脉冲44上具有最高的相关联发射电流。这由箭头70n的长度表示。相比之下，在三角形形状发射脉冲44上具有最低的相关联发射电流的特性曲线58a或分辨率66a或68a在远范围内示出最低的分辨率。近范围内的分辨率类似于图6中的分辨率表现。应当注意，由于接收到的特性曲线50a–50c达到了前置放大器28和/或ADC 30的物理饱和水平，因此低于特定对象距离的分辨率变为零。

还可对于已知的对象距离处的对象亮度测定对应的特性曲线。

因此，当存储了针对对象距离或对象亮度的特性曲线时，还可在于方法步骤S16中处理接收信号50a-50c时，从扫描值中确定实际的对象距离或对象亮度。一个或多个特性曲线可被存储在接收路径14中的独立的存储单元中，在步骤S16中的信号处理期间，ADC 30可访问所述独立的存储单元。

如已经在图2中解释，替代地或除此之外，在方法步骤S16中，在任选地通过暗测量执行扫描值S1–Sn的校正之后和/或在放弃了表示测量离群值或饱和值的各个扫描值之后，对于剩余扫描点52a–52n的斜率值及其扫描值S1–Sn可被测定。这些斜率值反过来可彼此比较，以便放弃此类扫描值S1–Sn，为其测定的扫描值显著向上或向下偏离剩余斜率值(例如，在使用对应的斜率阈值时)。然后使用剩余的扫描值S1–Sn，以便借助于存储的特性曲线测定对象距离和/或对象亮度，如以上所描述。替代地或除此之外，例如在使用对应的存储特性曲线时，可从剩余的扫描值中确定斜率值，以便确定对象亮度和/或对象距离。

为了依据其振幅适当地适应扫描值，使得它们在方法步骤S16中是可评估的，借助于前置放大器28，有可能使接收信号在所有扫描点52a–52n上以恒定因子不断增加或减少。即使曲线50c的扫描值S1–Sn表示异常测量，也可针对其以小于1的恒定因子执行增大。因此，所测量的光电流的分辨率得到了适应并且传感器装置10的动态范围得到了增加。

代替三角形形状，发射信号44或接收信号50a–50c的信号形状还可以是梯形、抛物线或正弦曲线。扫描点52a–52n也可设置在相应信号50a–50c的下降沿中或上升和下降信号沿中。如果测定了斜率，则仅考虑针对此在信号50a–50c的同一沿中找到的扫描点52a–52n或扫描值S1–Sn。

方法步骤S2–S4和S14是任选的。

Claims (28)

1.一种光学传感器装置(10)，其具有：用于发出光的发射单元(24)、用于由所述发射单元(24)发出的光的接收单元(26)以及用于评估基于所述接收到的光的接收信号(50a-50c)的评估单元(30)，其中所述发出的光被设计为基于发射信号(44)的光脉冲，所述发射信号(44)具有带有上升和/或下降沿的信号形状，其中所述接收信号(50a–50c)具有与所述发射信号(44)基本上相同的所述信号形状，其中所述评估单元(30)适用于在其上升和/或下降沿中的至少一个扫描点(52a–52n)处扫描所述接收信号(50a–50c)。

2.如前述权利要求所述的光学传感器装置(10)，其中在扫描操作中，所述至少一个扫描点(52a–52n)在时间上是固定的。

3.如前述权利要求中的一项所述的光学传感器装置(10)，其中扫描点(52a–52n)相对于时间被分配给发射路径(12)中的低发射电流。

4.如前述权利要求中的一项所述的光学传感器装置(10)，其中扫描点(52a–52n)相对于时间被分配给发射路径(12)中的高发射电流。

5.如前述权利要求中的一项所述的光学传感器装置(10)，其中所述发射信号(44)的信号形状和所述接收信号(50a–50c)的信号形状是三角形、梯形、抛物线或正弦曲线。

6.如前述权利要求中的一项所述的光学传感器装置(10)，其中所述评估单元(30)适用于在其上升沿中的至少两个扫描点(52a–52n)处和/或在其下降沿中的至少两个扫描点(52a–52n)处扫描所述接收信号(50a–50c)。

7.如前述权利要求中的一项所述的光学传感器装置(10)，其中所述接收信号(50a–50c)被放大以用于在扫描点(52a–52n)处以分配的低发射电流进行的所述扫描，和/或所述接收信号(50a–50c)可被减小以用于在扫描点(52a–52n)处以分配的高电流进行的所述扫描。

8.如权利要求7所述的光学传感器装置(10)，其中所述接收信号(50a–50c)的放大和/或所述接收信号(50a–50c)的缩减在时间上是恒定的。

9.如前述权利要求中的一项所述的光学传感器装置(10)，其中所述传感器装置(10)在所述评估单元(30)已经扫描了可评估的扫描点(52a–52n)时，适用于终止所述发射信号(44)。

10.如前述权利要求中的一项所述的光学传感器装置(10)，其中所述评估单元(30)适用于在扫描所述上升沿中的至少两个扫描点(52a–52n)处时和/或在扫描所述下降沿中的至少两个扫描点(52a–52n)处时测定所述沿的斜率。

11.如权利要求10所述的光学传感器装置(10)，其中所述评估单元(30)适用于在测定所述沿的所述斜率时，放弃所述两个扫描值(S1–Sn)中的至少一个，为其测定的斜率与对应的阈值相比偏离所述沿的剩余斜率较多或较少。

12.如前述权利要求中的一项所述的光学传感器装置(10)，其中所述评估单元(30)适用于测定所述至少一个扫描的扫描点(52a–52n)是否足以测定有效的传感器信号(S)。

13.如前述权利要求中的一项所述的光学传感器装置(10)，其中所述评估单元(30)适用于扫描至少一个另外的扫描点(53)，所述另外的扫描点(53)在时间上偏移要扫描的所述接收信号(50a–50c)并且适用于在测定传感器信号(S)时考虑分配给另外的扫描点(53)的扫描值(D)。

14.一种用于操作传感器装置的方法，其具有以下步骤：

-发出(S10)光

-接收(S12)所述发出的光

-评估(S16)基于所述接收到的光的接收信号(44)，

其中所述发出的光被设计为基于发射信号(44)的光脉冲，所述发射信号的信号形状带有上升和/或下降沿，其中所述接收信号(50a–50c)具有与所述发射信号(44)基本上相同的所述信号形状，

其中对所述接收信号(50a–50c)的所述评估(S16)涉及：在其上升和/或下降沿中的至少一个扫描点(52a–52n)处扫描(S16a)所述接收信号(50a–50c)。

15.如权利要求14所述的方法，其中在扫描过程中，所述至少一个扫描点(52a–52n)在时间上是固定的。

16.如权利要求14或15中的一项所述的方法，其中扫描点(52a–52n)相对于时间被分配给发射路径(12)中的低发射电流。

17.如权利要求14至16中的一项所述的方法，其中扫描点(52a–52n)相对于时间被分配给发射路径(12)中的高发射电流。

18.如权利要求14至17中的一项所述的方法，其中所述发射信号(44)的信号形状或所述接收信号(50a-50c)的信号形状是三角形、梯形、抛物线或正弦曲线。

19.如权利要求14至18中的一项所述的方法，其中接收信号(50a–50c)的所述评估(S16)涉及：在其上升沿中的至少两个扫描点(52a–52n)处和/或在其下降沿中的至少两个扫描点(52a–52n)处扫描(S16a)所述接收信号(50a–50c)。

20.如权利要求14至19中的一项所述的方法，其中所述接收信号(50a–50c)被放大以用于在扫描点(52a–52n)处以分配的低发射电流进行的所述扫描，和/或所述接收信号(50a–50c)被减小以用于在扫描点(52a–52n)处以分配的高电流进行的所述扫描。

21.如权利要求20所述的方法，其中所述接收信号(50a–50c)的放大和/或所述接收信号(50a–50c)的缩减在时间上恒定地执行。

22.如权利要求14至21中的一项所述的方法，其中所述发射信号(44)在已经扫描了可评估的扫描点(52a–52n)时被终止。

23.如权利要求14至22中的一项所述的方法，其中所述接收信号(50a–50c)的所述评估(S16)进一步涉及：在扫描所述上升沿中的至少两个扫描点(52a–52n)处时和/或在扫描所述下降沿中的至少两个扫描点(52a–52n)处时测定(S16c)所述沿的斜率。

24.如权利要求23所述的方法，其中所述接收信号(50a–50c)的所述评估(S16)进一步涉及：在测定(S16e)所述沿的所述斜率时，放弃(S16e)所述两个扫描值(S1–Sn)中的至少一个，为其测定的斜率与对应的阈值相比偏离所述沿的剩余斜率较多或较少。

25.如权利要求14至24中的一项所述的方法，其中所述接收信号(50a-50c)的评估(S16)进一步涉及：测定所述至少一个扫描的扫描点(52a–52n)是否足以测定有效的传感器信号(S)。

26.如权利要求14至25中的一项所述的方法，其中所述接收信号(50a–50c)的所述评估(S16)进一步涉及：扫描(S16b)至少一个另外的扫描点(52)，所述另外的扫描点(52)在时间上偏移要扫描的所述接收信号(50a–50c)，并且涉及在测定传感器信号(S)时考虑(S16b)分配给所述至少一个另外的扫描点(52)的扫描值(D)。

27.一种计算机程序，其被设计来在由光学传感器装置(10)执行时，执行根据权利要求14至26中的一项所述的方法的步骤。

28.一种机器可读存储介质，其上存储根据权利要求27所述的计算机程序。

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