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Die
vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Aufbau
eines durch ein Strahlungsfeld definierten Überwachungsbereichs,
in welchen das Eindringen eines Objektes erkannt werden soll, wobei
als Basis für das Erkennen des Objektes dessen Reflexion
des Strahlungsfeldes und anschließende Detektion zumindest
eines Teils des reflektierten Strahlungsfeldes mittels eines ein
Empfangsfeld aufweisenden Strahlungsempfängers, dient.
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Die
vorliegende Erfindung bezieht sich außerdem auf eine Anordnung
zum Erkennen eines Objektes innerhalb eines Überwachungsbereichs
mit mindestens einer Strahlungsquelle sowie mindestens einem Strahlungsempfänger
sowie einer übergeordneten Steuer- und Kontrollvorrichtung,
wobei ein von der Strahlungsquelle abgestrahltes Strahlungsfeld
aufgrund des Objektes verändert wird und diese Veränderung
vom ein Empfangsfeld aufweisenden Strahlungsempfänger detektiert
wird und vorzugsweise die Steuer- und Kontrollvorrichtung diese
Detektion als Basis für weitere Steuer- und Kontrollvorgänge
nutzt.
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Die
vorliegende Erfindung bezieht sich weiters auf ein Kraftfahrzeug
mit Fenster- und Türöffnungen.
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Grundsätzlich
sind Anordnungen zum Erkennen eines Objektes innerhalb eines Überwachungsbereichs,
die mit einer Strahlungsquelle arbeiten, die das zu erkennende Objekt
bestrahlen, wobei die Veränderung des Strahlungsfeldes,
insbesondere dessen Reflexion am zu erkennenden Objekt detektiert
wird, bereits bekannt.
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Solche
Anordnungen können vielseitig eingesetzt werden, beispielsweise
um Gegenstände vor unautorisiertem Zugriff zu schützen.
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Solche
Anordnungen werden aber unter anderem auch in Kraftfahrzeugen eingesetzt,
wo sie bei Öffnungen verschließenden Bauteilen
wie Türen, Fenster oder Schiebedächer als Einklemmschutz
zum Einsatz kommen.
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Prinzipiell
wird beim Einklemmschutz bei Kraftfahrzeugen zwischen auf Berührung
reagierenden Systemen und berührungslos arbeitenden Systemen
unterschieden. Auf Berührung reagierende Systeme arbeiten beispielsweise
auf Basis der Detektion eines unerwarteten Kraftanstiegs eines Elektromotors,
beispielsweise des Schließmotors eines Fensters, der aufgrund
eines zwischen Fensterscheibe und Rahmen eingeklemmten Objektes
auftritt. Alternativ dazu sind Systeme bekannt, die mit drucksensitiven
Dichtungen arbeiten, die auf eingeklemmte Objekte reagieren. In
beiden Fällen besteht jedoch das Problem, dass ein Einklemmen
erst dann erkannt werden kann, wenn ein Objekt berührt
wird. Ab diesem Zeitpunkt ist jedoch kaum mehr Zeit, den bewegten
Teil zu bremsen bzw. dessen Bewegungsrichtung umzukehren. Ein zu
spätes Bremsen führt zu unzulässig hohen
Einklemmkräften, was zu erheblichen Verletzungen, in besonders
unglücklichen Fällen sogar zum Verlust von Gliedmaßen
oder zum Tod, insbesondere bei Kleinkindern, führen kann.
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Für
den Fall, dass es sich bei den eingeklemmten Objekten nicht um Körperteile
handelt, kann es unter Umständen zur Beschädigung
der beweglichen Teile oder der als Führung der beweglichen
Teile dienenden Rahmenteile kommen.
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Auf
Berührung reagierende Systeme überwachen somit
in Wahrheit gar nicht das Eindringen von Objekten in einen Überwachungsbereich,
sondern genau genommen den Kontakt eines Objektes mit einem eine Öffnung
verschließenden Teil.
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Aufgrund
der genannten Nachteile wurden berührungslos arbeitende
Anordnungen als Einklemmschutz entwickelt, die mit einer Strahlungsquelle,
welche ein Strahlungsfeld beispielsweise aus Laserstrahlen oder
Infrarotstrahlen emittiert, arbeiten und aufgrund der Reflexionen
des Strahlungsfelds an einem Objekt oder aber aufgrund der Unterbrechung
des Strahlungsfeldes durch ein Objekt dessen Existenz in einem Überwachungsbereich
erkennen sollen. Zur Detektion der am Objekt reflektierten Strahlen
bzw. zur Detektion der Unterbrechung des emittierten Strahlungsfeldes
durch ein Objekt ist dabei stets ein Strahlungsempfänger
vorgesehen.
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Bei
Anordnungen, welche die Unterbrechung des emittierten Strahlungsfeldes
detektieren, wird das emittierte Strahlungsfeld entweder direkt,
durch Ausrichtung der Strahlungsquelle, oder mittels Spiegel in
einen Strahlungsempfänger gelenkt, der das Auftreffen z.
B. des Laserstrahls detektiert. Bewegt sich nun ein Objekt in den Überwachungsbereich
und unterbricht das emittierte Strahlungsfeld, so kann dieses vom
Strahlungsempfänger nicht mehr detektiert werden, woraus
auf das Vorhandensein eines Objektes im Überwachungsbereich
geschlossen wird und in weiterer Folge entsprechende Maßnahmen
einer übergeordneten Steuer- und Kontrollvorrichtung gesetzt
werden, wobei beispielsweise das Stoppen der Schließbewegung
der Fensterscheibe oder des Schiebedachs veranlasst wird, gegebenenfalls
auch das Bewegen der Fensterscheibe oder des Schiebedachs in eine Öffnungsrichtung.
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Solche
Anordnungen sind beispielsweise aus der
US 5,955,854 bekannt. Sie sind sehr
unflexibel und erfordern zum Teil aufwändige Spiegelanordnungen.
Des Weiteren kann mit solchen Anordnungen lediglich ein kleiner Überwachungsbereich
aufgebaut werden, da sich der Überwachungsbereich nur auf
den direkten Strahlungsweg zwischen Sender und Empfänger
beschränkt. Während eine völlige Unterbrechung
des emittierten Strahlungsfeldes leicht zu detektieren ist, erfordert
eine Teilunterbrechung des emittierten Strahlungsfeldes bereits
erhöhten Aufwand.
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Die
US 5,955,854 zeigt aber
auch Anordnungen, bei welchen das emittierte Strahlungsfeld an einem Objekt
reflektiert wird und die reflektierten Strahlen mittels eines Strahlungsempfängers
detektiert werden. Strahlungsempfänger und Strahlungsquelle sind
dabei nebeneinander angeordnet, so dass das von der Strahlungsquelle
emittierte Strahlungsfeld auf das Objekt auftrifft und direkt, überwiegend
gerichtet in den Strahlungsempfänger reflektiert wird.
Als nachteilig bei dieser Art von Anordnungen erweist sich jedoch
der Umstand, dass Hintergrundreflexionen, welche beispielsweise
am Dachhimmel eines Kraftfahrzeugs aufgrund der direkten Anstrahlung
durch die Strahlungsquelle entstehen, den unmittelbar neben der
Strahlungsquelle angeordneten Strahlungsempfänger stark
blenden, so dass, um das einwandfreie Detektieren eines Objektes
zu ermöglichen, spezielle Innenraumdesigns erforderlich
sind, welche die Hintergrundreflexionen gering halten. Weiters ist
eine exakte Kalibrierung der Anordnung auf den Hintergrund erforderlich,
um dessen Beeinflussung des Strahlungsempfängers bestmöglich
kompensieren zu können, was aber wiederum voraussetzt,
dass der von der Strahlungsquelle angestrahlte Hintergrund stets
derselbe ist und somit Überwachungen von Türunterkanten,
welche zu Reflexionen am durch die geöffnete Fahrzeugtüre
sichtbaren Boden führen, nicht möglich sind, da
eine Kalibrierung auf den stets unterschiedlich aufgebauten Boden
nicht möglich ist.
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Hinzukommt,
dass der Überwachungsbereich bekannter Anordnungen nur
durch Vorsehen von mehreren Strahlungsquellen und/oder Strahlungsempfängern
an die spezielle Geometrie der zu überwachenden Öffnungen
angepasst werden kann, was die bekannten Systeme unflexibel und
ungenau erscheinen lässt.
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Es
ist daher die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren
zum Aufbau eines durch ein Strahlungsfeld definierten Überwachungsbereiches
zu schaffen, welches die negative Beeinflussung des Detektionsergebnisses
aufgrund von Hintergrundreflexionen weitgehend ausschließt.
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Es
ist eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren
zum Aufbau eines durch ein Strahlungsfeld definierten Überwachungsbereiches
zu schaffen, das es ermöglicht, den Überwachungsbereich sehr
gut an zu überwachende Öffnungen anzupassen.
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Es
ist ein weiteres Ziel der vorliegenden Erfindung, eine Anordnung
zum Erkennen eines Objektes innerhalb eines Überwachungsbereichs
zu schaffen, welche an dem Objekt auftretende Reflexionen eines Strahlungsfeldes
detektiert, unempfindlich ist gegen starke Hintergrundreflexionen
und aufgrund der Anordnung von Strahlungsquelle und Strahlungsempfänger
den Überwachungsbereich optimal an das jeweilige Einsatzgebiet,
insbesondere an zu überwachende Öffnungen anpassen
lässt.
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Es
ist eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung ein Verfahren
und eine Anordnung zum Erkennen eines Objektes innerhalb eines Überwachungsbereichs
zu schaffen, welches bzw. welche prinzipiell unempfindlich sind
gegenüber wechselnden Hintergrundarten.
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Erfindungsgemäß wird
dies durch die kennzeichnenden Merkmale des Anspruchs 1 ermöglicht.
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Demgemäß ist
bei einem Verfahren zum Aufbau eines durch ein Strahlungsfeld definierten Überwachungsbereiches,
in welchen das Eindringen eines Objektes erkannt werden soll, wobei
als Basis für das Erkennen des Objektes dessen Reflexion
eines Strahlungsfeldes und anschließende Detektion zumindest
eines Teils des reflektierten Strahlungsfeldes mittels eines ein
Empfangsfeld aufweisenden Strahlungsempfängers dient, vorgesehen,
dass die Abstrahlung des Strahlungsfeldes und die Ausrichtung des
Empfangsfeldes so erfolgt, dass ein allseitig abgegrenztes, den Überwachungsbereich
bildendes Überlappungsvolumen entsteht.
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Auf
diese Art und Weise entsteht ein Überwachungsbereich, der
lateral komplett abgegrenzt ist, d. h. dass Objekte, die sich nicht
im Überwachungsbereich befinden, die Detektion auch nicht
beeinflussen bzw. stören. Objekte, die detektiert werden
sollen, müssen sich innerhalb des Überwachungsbereichs
befin den, um einerseits von der Strahlungsquelle angestrahlt zu
werden und andererseits müssen die Strahlen des am Objekt
reflektierten Strahlungsfelds ihren Ursprung im Empfangsfeld haben,
um detektiert zu werden. Die eingangs beschriebene störende
Reflexion des Hintergrundes kann auf diese Art und Weise als Störquelle
ausgeschaltet werden.
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Die
erforderliche Abstrahlung des Strahlungsfeldes sowie Ausrichtung
des Empfangsfeldes kann auf optischem Wege erzielt werden, wobei
auch die Positionierung von Strahlungsempfänger und Strahlungsquelle
zueinander wesentlich zur Gestaltung des Überlappungsvolumens
und damit zur Anpassung an den jeweiligen Verwendungszweck, insbesondere
zur Anpassung an zu überwachende Öffnungen beitragen.
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In
einer besonders bevorzugten Variante der Erfindung ist es vorgesehen,
dass das Strahlungsfeld in seiner Form, Größe
und Richtung so abgestrahlt wird, dass der Strahlungsempfänger
außerhalb des Strahlungsfeldes angeordnet ist. Dadurch
ist eine Blendung des Strahlungsempfängers aufgrund der
direkten Bestrahlung durch das Strahlungsfeld ausgeschlossen.
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Gemäß einer
weiteren bevorzugten Variante der Erfindung ist es vorgesehen, dass
das Strahlungsfeld direkt auf das Objekt bzw. genauer auf das zu
erwartende Objekt gerichtet ist. Eine Umlenkung durch Spiegel, um
einen möglichst großen Überwachungsbereich
zu schaffen, ist bei dieser Ausführungsvariante der Erfindung
nicht erforderlich.
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Um
eine optimale Anpassung des Überwachungsbereichs an die
zu überwachende Öffnung zu ermöglichen,
werden gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsvariante
der Erfindung zumindest einige der das Strahlungsfeld begrenzenden
Strahlen parallel zu einer Kante einer zu überwachenden Öffnung
abgestrahlt.
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Gleichzeitig
oder alternativ dazu kann aus den gleichen Gründen vorgesehen
sein, dass die Ausrichtung einer gedachten äu ßeren
Begrenzungsfläche des Empfangsfeldes parallel zu einer
Kante einer zu überwachenden Öffnung verläuft.
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Gemäß einer
weiteren bevorzugten Ausführungsvariante der Erfindung
handelt es sich bei dem Strahlungsfeld um ein aus elektromagnetischen
Strahlen aufgebautes Strahlungsfeld, wie beispielsweise Licht im Infrarot-
oder UV-Bereich.
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Die
der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe wird außerdem durch
eine Anordnung zum Erkennen eines Objektes innerhalb eines Überwachungsbereichs
gelöst, wobei mindestens eine Strahlungsquelle sowie mindestens
ein Strahlungsempfänger sowie eine übergeordnete
Steuer- und Kontrollvorrichtung vorgesehen ist, wobei ein von der
Strahlungsquelle abgestrahltes Strahlungsfeld aufgrund des Objektes
verändert wird und diese Veränderung vom ein Empfangsfeld
aufweisenden Strahlungsempfänger detektiert wird und vorzugsweise
die Steuer- und Kontrollvorrichtung diese Detektion als Basis für
weitere Steuer- und Kontrollvorgänge nutzt, vorgesehen,
dass das Strahlungsfeld und das Empfangsfeld ein allseitig abgegrenztes,
den Überwachungsbereich bildendes Überlappungsvolumen
bilden, wodurch eine Störung der Detektion von in den Überwachungsbereich
eindringenden Objekten aufgrund von sich außerhalb des Überwachungsbereichs,
im Hintergrund befindlichen Objekten weitgehend vermieden werden
kann.
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In
einer bevorzugten Ausführungsvariante der Erfindung ist
vorgesehen, dass das Empfangsfeld so ausgerichtet ist, dass es einen
vom Strahlungsfeld angestrahlten Hintergrund nicht erfasst. Unerwünschte
Hintergrundreflexionen können dadurch nicht vom Strahlungsempfänger
detektiert werden und beeinflussen nicht das Erkennen von in den Überwachungsbereich
eindringenden Objekten.
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Wiederum
ist der Strahlungsempfänger vorzugsweise außerhalb
des Strahlungsfeldes angeordnet. Dadurch ist eine Blendung des Strahlungsempfängers
durch das Strahlungsfeld der Strahlungs quelle aufgrund direkter
Einstrahlung des Strahlungsfeldes in den Strahlungsempfänger
ausgeschlossen.
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Gemäß einem
weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung weist das Überlappungsvolumen
Begrenzungsflächen oder -kanten auf, welche mit Begrenzungskanten
oder -flächen einer zu überwachenden Öffnung
im Wesentlichen übereinstimmen und/oder parallel dazu verlaufen
bzw. in ihrem Verlauf an diese angepasst sind. Der an die Öffnung
anschließende Hintergrund kann auf diese Art und Weise
sehr exakt ausgeblendet werden und verfälscht dadurch das
Detektionsergebnis nicht.
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In
einer bevorzugten Ausführungsvariante der Erfindung handelt
es sich bei der zu überwachenden Öffnung um eine
Fensteröffnung oder eine Türöffnung,
vorzugsweise eines Kraftfahrzeuges. Selbstverständlich
kann durch geeignete Anordnung von Strahlungsquelle und Strahlungsempfänger
bzw. durch geeignete Abstrahlung des Strahlungsfeldes und Ausrichtung
des Empfangsfeldes prinzipiell jeder Bereich, nicht nur Öffnungen,
durch entsprechende Positionierung des Überlappungsvolumens
gesichert werden.
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Die
Strahlungs- und Empfangsfelder können beispielsweise fächerförmig
ausgebildet und in einer Ebene angeordnet sein. Alternativ dazu
ist auch der Einsatz einer linienförmigen Strahlungsquelle
möglich, wobei diese im Wesentlichen entlang zumindest
eines Abschnittes einer die zu überwachende Öffnung
umgebende Kante angeordnet ist. In diesem Fall kann ein ebenes,
im Wesentlichen rechteckiges Strahlungsfeld aufgebaut werden, ähnlich
einem Vorhang.
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Die
linienförmige Strahlungsquelle ist hierbei in kostengünstiger
Weise vorzugsweise als Lichtleiter ausgebildet, also als schlauchförmiges
Bauteil, welches partiell transparent ausgestaltet bzw. mit einer
Vielzahl an Lichtaustrittsöffnungen versehen ist.
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In
einer bevorzugten Ausführungsvariante bildet die linienförmige
Strahlungsquelle bzw. der Lichtleiter eine Kante des Überlappungsvolumens.
Auf diese Weise kann der Überwachungsbereich exakt definiert
und die Unfallgefahr an einklemmgefährdeten Bereichen minimiert
werden.
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Gemäß einer
weiteren besonders bevorzugten Ausführungsvariante der
Erfindung ist vorgesehen, dass die Strahlungsquelle bzw. der Strahlungsempfänger
im Bereich der B-Säule oder C-Säule eines Kraftfahrzeugs
angeordnet ist und das jeweilige Gegenstück im Bereich
der A-Säule, wobei Strahlungsfeld bzw. Empfangsfeld jeweils
in Richtung zwischen A- und B-Säule oder C-Säule
liegenden Fenster- oder Türöffnung gerichtet sind.
Dadurch und gemeinsam mit der bereits erwähnten Möglichkeit
der Abstrahlung bzw. Ausrichtung und Ausbildung des Strahlungs-
und Empfangsfeldes ist insbesondere bei der Überwachung
von Fenster- und Türöffnungen eines Kraftfahrzeuges
ein besonders effektiver Einklemmschutz gegeben.
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Ebenso
wie die Strahlungsquelle kann auch der Strahlungsempfänger
linienförmig ausgeführt sein. So ist es in einer
weiteren Ausführungsvariante der Erfindung möglich,
mittels eines linienförmig ausgebildeten Strahlungsempfängers
wiederum ein im Wesentlichen rechteckiges, vorhangähnliches
Empfangsfeld aufzubauen. In solchem Falle ist der Strahlungsempfänger
vorzugsweise mit einer Vielzahl an geneigten Umlenkflächen
versehen, welche von einem im Überlappungsvolumen befindlichen
Objekt reflektierte Strahlen des Strahlungsfeldes auf eine sämtlichen
Umlenkflächen zugeordnete Empfängereinheit umlenken.
Auf diese Weise kann die zum Empfang des Strahlungsfeldes erforderliche
Sensorfläche der Empfängereinheit gering gehalten
werden. Analog zur Anordnung der linienförmigen Strahlungsquelle
wird auch der linienförmige Strahlungsempfänger
zweckmäßigerweise im wesentlichen entlang zumindest
eines Abschnitts einer die Fensteröffnung bzw. Türöffnung
umgebenden Kante oder entlang einer Kante des Überlappungsvolumens
angeordnet sein.
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Die
Strahlungsquelle ist vorzugsweise als kostengünstige und
zuverlässige Infrarot Strahlungsquelle ausgestaltet.
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Beim
Strahlungsempfänger handelt es sich in einer bevorzugten
Bauart um einen mit einem phasen-sensitiven Detektor (PSD) ausgestatteten
Infrarot lock-in-Detektor. Dieser ist mit der Strahlungsquelle synchronisiert,
um lediglich ausgewählte Teile des Strahlungsfeldes zur
Detektion des Objektes zu verwerten, wobei das Strahlungsfeld mit
einer Frequenz von > 1
kHz gepulst ist. Indem der Strahlungsempfänger zufolge seiner
Synchronisierung mit dem Emissionsverhalten der Strahlungsquelle „weiß",
wann die Strahlungsquelle sendet und wann nicht, können
Umgebungslicht und in der Atmosphäre stattfindende, unkalkulierbare
optische Effekte, welche die Detektionssicherheit des Systems möglicherweise
beeinträchtigen, zuverlässig herausgefiltert und
daher unschädlich gemacht werden.
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In
einer bevorzugten Ausführungsvariante handelt es sich beim
Strahlungsempfänger um einen Silziumdetektor mit einer
tiefpassfilternden Optik mit einer Grenzfrequenz von 950 bis 1100
nm, wobei die Strahlungsquelle Infrarotlicht mit einer Wellenlänge
von 950 nm bis 1100 Nm emittiert. Auf diese Weise kann eine vorteilhafte
Filterung des Sonnenlichts als auch eine weitgehende Unempfindlichkeit
des Systems gegenüber Verschmutzung erzielt werden.
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Der
Strahlungsempfänger ist vorteilhafterweise so eingerichtet,
um die diffus am Objekt reflektierte Strahlung zu detektieren. Dadurch
können auch Objekte erkannt werden, die in einer ungünstigen
Lage zum Strahlungsempfänger in den Überwachungsbereich
eindringen, wo eine gerichtete Reflexion des von der Strahlungsquelle
emittierten Strahlungsfeldes in den Strahlungsempfänger
nicht erfolgen kann.
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Die
vorliegende Erfindung kann insbesondere im Bereich von Kraftfahrzeugen
nutzbar gemacht werden, da an solchen eine Vielzahl einklemmgefährdeter
Bereiche gegeben ist. Die Fenster- und Türöffnungen von
Kraftfahrzeugen können daher mit ei ner Anordnung zum Erkennen
eines Objektes innerhalb eines beschriebenen Überwachungsbereichs
gemäß einem der vorangehenden Ansprüche
versehen sein.
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Im
Anschluss erfolgt nun eine detaillierte Beschreibung der Erfindung
anhand eines Ausführungsbeispiels. Dabei zeigt:
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1 eine
schematische Ansicht einer erfindungsgemäßen Anordnung
mit einem zu erkennenden Objekt ohne Bezug auf das Einsatzgebiet
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2 eine
schematische Ansicht betreffend die Anordnung von Strahlungsquelle
und Strahlungsempfänger zueinander
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3 eine
schematische Darstellung einer bevorzugten Ausführungsvariante
der erfindungsgemäßen Anordnung
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4 eine
schematische Darstellung einer bevorzugten Ausführungsvariante
der erfindungsgemäßen Anordnung mit einer linienförmigen
Strahlungsquelle
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5 eine
schematische Darstellung einer bevorzugten Ausführungsvariante
der erfindungsgemäßen Anordnung
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6 eine
schematische Darstellung eines erfindungsgemäßen
linienförmigen Strahlungsempfängers
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1 zeigt
eine schematische Ansicht einer erfindungsgemäßen
Anordnung ohne Bezug auf das Einsatzgebiet, wie sie beispielsweise
zur Überwachung von Gegenständen gegen unautorisierten
Zugriff oder zur Überwachung von Öffnungen gegen
unautorisierten oder unerwünschten Eingriff zum Einsatz
kommen kann. Sie besteht aus einer Strahlungsquelle 1,
beispielsweise einer als Infrarotstrahlungsquelle dienenden Diode, sowie
einem Strahlungsempfänger 2, beispielsweise einem
Infrarotempfänger. Die Strahlungsquelle 1 emittiert Strahlen
innerhalb eines Strahlungsfelds 3. Der Strahlungsempfänger 2 ist
erfindungsgemäß außerhalb des Strahlungsfeldes 3 angeordnet,
um eine direkte Einstrahlung des Strahlungsfeldes 3 in
den Strahlungsempfänger und somit dessen Blendung zu verhindern
und weist ein Empfangsfeld 4 auf, innerhalb welchem er
entstehende Strahlung detektieren kann.
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Sowohl
Strahlungsfeld 3 als auch Empfangsfeld 4 weisen
aufgrund einer einen Bestandteil der Strahlungsquelle 1 bzw.
des Strahlungsempfängers 2 bildenden Optik (nicht
extra gezeichnet) eine definierte, an den jeweiligen Anwendungsfall
angepasste Volumensform auf, im vorliegenden Ausführungsbeispiel
ein fächerförmiges Volumen, das in der Bildebene
die ersichtliche Fächerform aufweist und in einer Richtung
senkrecht zur Bildebene einen im wesentlichen rechteckigen Querschnitt
aufgrund paralleler Strahlenbündelung aufweist.
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Für
den Fachmann ist jedoch klar, dass sich die Erfindung prinzipiell
auch auf Anordnungen mit Strahlungsquellen bzw. Strahlungsempfänger
mit Strahlungsfeldern bzw. Empfangsfeldern unterschiedlicher Form bezieht,
da die Form lediglich von der eingesetzten Anzahl an beispielsweise
Dioden sowie der eingesetzten Optik abhängt und entsprechend
dem Verwendungszweck, im vorliegenden Fall als Einklemmschutz, auszubilden
ist.
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Strahlungsfeld 3 und
Empfangsfeld 4 bilden aufgrund deren Überschneidung
ein gemeinsames erfindungsgemäßes Überlappungsvolumen 6,
welches einen Überwachungsbereich definiert. Strahlungsquelle 1 sowie
Strahlungsempfänger 2 sind dabei getrennt voneinander
angeordnet, d. h. in unterschiedlichen Positionen und Gehäusen.
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Ein
im wesentlichen stabförmiges Objekt 5, das sich
innerhalb dieses gemeinsamen Überlappungsvolumens 6 befindet
bzw. in dieses eindringt, wird einerseits von der Strahlungsquelle 1 beleuchtet
und liegt andererseits innerhalb des Empfangsfeldes 4 des
Strahlungsempfängers 2. Fällt nun ein
Lichtstrahl der Strahlungsquelle 1 auf das Objekt 5 so
wird dieses vom Objekt 5 reflektiert, wobei diese Reflexion
am Objekt 5 zumindest teilweise vom Strahlungsempfänger 2 detektiert
wird.
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Überraschenderweise
hat sich dabei herausgestellt, dass trotz der Tatsache, dass aufgrund
der lagemäßig weiten Trennung von Strahlungsquelle
und Strahlungsempfänger eine Verschlechterung der Signalqualität
(reflektierte Strahlung) verglichen mit der unmittelbaren Nebeneinanderanordnung
von Strahlungsquelle und Strahlungsempfänger eintritt,
sich das Detektionsverhalten jedoch verbessert hat, aufgrund der
Tatsache, dass Hintergrundreflexionen die Detektion der Objekte
nicht mehr beeinflussen können.
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Erfindungsgemäß ist
der Strahlungsempfänger 2 auch außerhalb
des Strahlungsfeldes 3 angeordnet, so dass eine direkte
Blendung des Strahlungsempfängers 2 ausgeschlossen
werden kann.
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Der
Strahlungsempfänger ist eingerichtet, um auch die diffus
am Objekt 5 reflektierte Strahlung zu detektieren. Dadurch
können überraschenderweise auch Objekte 5 erkannt
werden, die in einer ungünstigen Lage zum Strahlungsempfänger 2 in
den Überwachungsbereich eindringen, wo eine gerichtete
Reflexion des von der Strahlungsquelle 1 emittierten Strahlungsfeldes 3 in
den Strahlungsempfänger 2 nicht bzw. nur in sehr geringem
Ausmaß erfolgen kann.
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2 zeigt
beispielhaft eine Anordnung von Strahlungsquelle 1 und
Strahlungsempfänger 2 im Verhältnis zu
einem zu erkennenden Objekt 5, wobei sowohl Strahlungsquelle 1 als
auch Strahlungsempfänger 2 wie auch Objekt 5 punktförmig
eingezeichnet sind. Es wird weiters angenommen, dass sich das Objekt 5 innerhalb
des in dieser Figur nicht eingezeichneten Überlappungsvolumens 6 befindet.
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Messungen
haben nun ergeben, dass an einem Stab mit annähernd ideal
diffus reflektierender Oberfläche (gleichmäßige
Verteilung der von jedem Flächenstück reflektierten
Lichtmenge in den gesamten auf das Flächenstück
normalen Halbraum) selbst bei einem Winkel γ = 165°,
in diesem Fall befindet sich der Strahlungsempfänger
2 bereits
fast komplett hinter dem Objekt
5, bezogen auf die in Richtung
des Senders reflektierte Strahlungsdichte, noch 2% in Richtung des
Strahlungsempfängers
2 reflektiert werden und
von diesem erkannt werden. Für andere Winkel wurden folgende
Ergebnisse gemessen:
| γ | Diffus
reflektierte Strahlungsdichte in Richtung zum Strahlungsempfänger |
| 0 | 1 |
| 15 | 0,98 |
| 30 | 0,93 |
| 45 | 0,85 |
| 60 | 0,75 |
| 75 | 0,63 |
| 90 | 0,5 |
| 105 | 0,37 |
| 120 | 0,25 |
| 135 | 0,15 |
| 150 | 0,07 |
| 165 | 0,02 |
| 180 | 0,00 |
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Ein
noch günstigeres Verhalten ergibt sich bei einem Stab mit
ideal spiegelnder Oberfläche, hier beträgt die
in einem Winkel von 165° gestreute Lichtdichte sogar 13%
bezogen auf die in Richtung des Senders zurück gespiegelte
Lichtdichte. In der Realität trifft man meist auf Mischformen
aus ideal diffus reflektierenden und spiegelnden Oberflächen.
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Geht
man davon aus, dass es sich bei den Objekten
5 um annähernd
zylinderförmige und diffus reflektierende Objekte handelt,
so ist damit nachgewiesen, dass bei Reflexionen messenden Anordnungen
die Tatsache, dass sich Strahlungsquelle und Strahlungsempfänger
nicht am selben Ort befinden, die Empfindlichkeit des Systems zwar
verringert, die Fähigkeit der Anordnung zum Erkennen der
Objekte jedoch immer noch gewährleistet ist. Neben der
relativ geringen Verringerung der Empfindlichkeit bei angemessenen
Versatz Winkeln γ erwirkt die verteilte Anordnung eine
wesentliche Verringerung bzw. Elimination der Hintergrundreflexionen
und somit eine Verbesserung des Signal- zu Hintergrundreflexionsabstandes.
Hierbei errechnet sich eine am Strahlungsempfänger
2 erhaltene
Lichtdichte p
E anhand folgender Formel:
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Wobei
das Modell voraussetzt, dass der Stab eine ideal diffus reflektierende
Oberfläche aufweist, die über die komplette Breite
homogen aus einer Richtung (0°) bestrahlt wird und der
Stab das Strahlungs- bzw. Empfangsfeld mit seiner Rotationsachse
voll durchdringt, d. h. die Stirnseiten des Stabes nicht im Strahlungs- bzw.
Empfangsfeld liegen,
Da die Lichtdichte beim Empfänger
von den Entfernungen zwischen Sender und Objekt und Objekt und Empfänger
abhängt kann man durch günstige Anordnung von
Sender und Empfänger eine weit homogenere Verteilung der
Empfindlichkeit über den Überwachungsbereich als
bei Anordnung von Sender und Empfänger am selben Ort erreichen.
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Ein
beschriebenes Strahlungsfeld 3 kann zum Beispiel mit Hilfe
von Leucht- oder Laserdioden mit passender Optik aufgebaut werden,
wobei es anstelle einer direkten Ausrichtung des Strahlungsfeldes 3 auf
das Objekt 5 bzw. auf das zu erwartende Objekt 5 selbstverständlich
auch möglich ist, eine Umlenkung des Strahlungsfeldes 3 durch
Spiegel vorzunehmen.
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Die
beschriebene Anordnung von Objekten 5 wird von einer übergeordneten
Steuer- und Kontrollvorrichtung als Basis für weitere Steuer-
und Kontrollvorgänge genutzt, z. B. um ein Abbremsen oder
Reversieren eines im Überwachungsbereich angeordneten Verschiebelementes
wie etwa einer Fensterscheibe zu veranlassen.
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Um
eine exakte Anpassung des Überwachungsbereichs an die jeweils
zu überwachende Öffnung zu ermöglichen,
kann es vorgesehen sein, zumindest einige der das Strahlungsfeld 3 begrenzen den
Strahlen parallel zu einer ausgewählten Kante der zu überwachenden Öffnung
abzustrahlen. Ebenso kann es sich als vorteilhaft erweisen, die
Ausrichtung einer gedachten äußeren Begrenzungsfläche
des Empfangsfeldes 4 so vorzunehmen, dass jene parallel
oder tangential zu einer Kante der zu überwachenden Öffnung
verläuft (so in 3 dargestellt).
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Die
Darstellungen gemäß 3 und 4 zeigen
jeweils eine Seitentür 8 eines Kraftfahrzeugs 7,
betrachtet aus der Perspektive des Fahrzeuginnenraums, wobei die
Seitentür 8 eine von einem elektrischen Fensterheber
angetriebene, in einem nicht näher detaillierten Rahmen
geführte Fensterscheibe 9 aufweist und ein besonders
einklemmgefährdeter Bereich der durch die Fensterscheibe 9 gebildeten
Fensteröffnung in der Seitentür 8 mittels
einer erfindungsgemäßen Anordnung überwacht
wird. Hierbei sind in einem geeigneten, der Fensterscheibe 9 benachbarten
Bereich der Seitentür 8 bzw. des Fahrzeuginnenraums
eine Strahlungsquelle 1 und ein Strahlungsempfänger 2 angeordnet,
deren Strahlungs- und Empfangsfelder 3, 4 ein Überlappungsvolumen 6 bilden,
mittels welchem insbesondere eine obere Schließkante 9a der
Fensterscheibe 9 überwacht wird, um in diesen
Bereich eindringende Objekte 5 zu erkennen und ein Quetschen
der Objekte 5 zwischen der schließenden Fensterscheibe 9 und
der dem Rahmen entsprechenden oberen Schließkante 9a zu
verhindern.
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Aus 3 ist
ebenfalls ersichtlich, dass das Empfangsfeld 4 so ausgerichtet
ist, dass es einen vom Strahlungsfeld 3 angestrahlten Hintergrundbereich
nicht erfasst, wobei es sich bei diesem Hintergrundbereich um einen
im vorliegenden Ausführungsbeispiel nicht näher
dargestellten Deckenbereich des Fahrzeuginnenraums bzw. einer nicht
determinierbaren veränderlichen Szene in der Fahrzeugumgebung
handelt, welcher bzw. welche aufgrund komplexer Hintergrundreflexionen
Probleme bei der Auswertung des am Strahlungsempfänger 2 erhaltenen
Strahlungsfeldes bereiten könnte.
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Anstelle
der oberen Schließkante 9a können selbstverständlich
auch beliebige andere Begrenzungskanten bzw. -flächen der
durch die Fensterscheibe 9 gebildeten Öffnung überwacht
werden, wobei jene Begrenzungskanten bzw. -flächen jeweils
mit dem Überlappungsvolumen 6 entsprechenden Begrenzungskanten bzw.
-flächen korrespondieren und/oder parallel dazu verlaufen
können, um einen jeweils an den Überwachungsbereich
anschließenden Hintergrund gezielt auszublenden.
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Anstelle
eines fächerförmig ausgebildeten Strahlungsfeldes 3,
so wie in 1 oder 3 dargestellt, ist
es auch möglich, jenes rechtwinkelig bzw. vorhangförmig
auszubilden, um etwa die gesamte zu überwachende Öffnung
entlang ihrer Begrenzungskanten- bzw. flächen exakt zu überwachen.
Zu diesem Zweck kann die Strahlungsquelle 1 gemäß 4 linienförmig
ausgestaltet sein, z. B. in Form eines Lichtleiters, worunter ein
schlauchförmiges Element verstanden wird, welches partiell
transparent ausgestaltet ist bzw. mit einer Vielzahl an Lichtaustrittsöffnungen
versehen ist, an welchen Licht austritt, welches vorzugsweise von
einem einzigen, an einem Endbereich des schlauchförmigen
Lichtleiters angeordneten Emitter ausgesendet wird und solcherart
die gesamte Länge des Lichtleiters mit Licht zum Aufbau
des definierten Strahlungsfeldes 3 „speist".
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Gemäß 4 ergibt
sich durch die linienförmige Ausgestaltung der Strahlungsquelle 1 ein
trapezförmiges Überlappungsvolumen 6,
mittels welchem auch noch ein relevanter Teilbereich einer Seitenschließkante 9b überwacht
werden kann, ohne dass der Strahlungsempfänger 2 in
seiner ein zur oberen Schließkante 9a tangential
verlaufendes Empfangsfeld 4 ermöglichenden Position
vom Strahlungsfeld 3 geblendet wird.
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Die
linienförmige Strahlungsquelle 1 kann hierbei
auch unmittelbar eine Kante des Überlappungsvolumens 6 ausbilden
und dieses somit exakt definieren.
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Ebenso
ist es auch denkbar, den Strahlungsempfänger 2 linienförmig
auszuführen, um ein im Wesentlichen rechteckiges, vorhangähnliches
Empfangsfeld 4 zu definieren (siehe schematische Darstellung
gemäß 6). Hierbei ist der Strahlungsempfänger 2 mit
einer Vielzahl an geneigten Umlenkflächen 10 versehen, welche
von einem im Überlappungsvolumen 6 befindlichen
Objekt 5 reflektierte Strahlen 13 des Strahlungsfeldes 3 auf
eine sämtlichen Umlenkflächen 10 zugeordnete
Empfängereinheit 2a umlenken. Auf diese Weise kann
die zum Empfang des Strahlungsfeldes 3 erforderliche Sensorfläche
der Empfängereinheit 2a sehr klein gehalten werden.
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Sowohl
die linienförmige Strahlungsquelle 1 als auch
der linienförmige Strahlungsempfänger 2 können zweckmäßigerweise
im wesentlichen entlang zumindest eines Abschnitts einer die jeweils überwachte Öffnung
umgebenden Kante oder entlang einer Kante des Überlappungsvolumens 6 angeordnet
sein.
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Abgesehen
von den beschriebenen Ausführungsvarianten sind noch unzählige
andere Anordnungsvarianten von Strahlungsquellen 1 und
Strahlungsempfängern 2 denkbar. Beispielsweise
kann es vorteilhaft sein, mehrere Strahlungsquellen 1 und/oder
Strahlungsempfänger 2 vorzusehen und solcherart
mehrere Überwachungsbereiche bzw. Überlappungsvolumina 6 auszubilden.
In 5 ist rein beispielhaft ein Kraftfahrzeug 7 mit
einer horizontal verschiebbaren Seitentür 8 dargestellt,
welches einen im Bereich seiner C-Säule angeordneten Strahlungsempfänger 2 sowie
eine im Bereich seiner A-Säule und eine zusätzlich
dazu im Bereich seiner B-Säule angeordnete Strahlungsquelle 1 aufweist.
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Durch
die dargestellte Anordnung von Strahlungsempfänger 2 und
Strahlungsquellen 1 ist es möglich, die einklemmgefährdeten
Seitenschließkanten 8a und 8b gezielt
mittels zweier Überlappungsvolumina 6 zu überwachen.
Wie anhand der Eingrenzung der Überlappungsvolumina 6 erkennbar
ist, werden von einem den Hintergrundbereich ausbildenden Boden 12 resultierende
Hintergrundreflexionen nicht erfasst und können insofern
das Detek tionsergebnis der erfindungsgemäßen Anordnung
nicht verfälschen.
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Es
versteht sich, dass bei geeigneter Anordnung von Strahlungsempfängern 2 und
Strahlungsquellen 1, so wie z. B. bereits anhand anderer
Figuren beschrieben, nicht nur die Seitenschließkante 8a sondern
auch die gemäß 5 lediglich
partiell überwachte Seitenschließkante 8b entlang
ihrer gesamten Länge überwacht werden kann.
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Analog
dazu können beliebige Fensteröffnungen oder Türöffnungen
eines Kraftfahrzeuges überwacht werden.
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Um
möglichst unverfälschte Detektionsergebnisse zu
erhalten und optische Schwankungen zufolge von irritierendem Umgebungslicht
zuverlässig auszufiltern, ist als Strahlungsempfänger 2 ein
so genannter „lock-in-Detektor", in Fachkreisen auch als „obstacle
detection sensor using synchronous detection" bekannt, eingesetzt.
Ein solcher „lock-in-Detektor" ist in an sich bekannter
Weise mit einem phasen-sensitiven Detektor (PSD) ausgestattet und
mit der Strahlungsquelle 1 synchronisiert, um lediglich
ausgewählte Teile des Strahlungsfeldes 3 zur Detektion
eines Objektes 5 zu verwerten. Indem das Strahlungsfeld 3 z.
B. über LEDs oder Laserdioden mit einer Frequenz von > 1 kHz gepulst ist
und empfängerseitig bzw. an einer koordinierenden Recheneinheit
bekannt ist, wann die Strahlungsquelle 1 sendet und wann
nicht, können optische Interferenzen beseitigt bzw. rechnerisch
eliminiert werden. Zu diesem Zweck ist die Empfangsoptik des Strahlungsempfängers
mit einem geeigneten Sonnenlichtfilter ausgestattet. In Hinblick
auf eine geeignete Filterung des Sonnenlichts erweist es sich als
vorteilhaft, Infrarotlicht mit einer Wellenlänge von größer
850 nm, idealerweise mit einer Wellenlänge von 950 nm bis
1100 nm einzusetzen.
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Eine
möglichst große Wellenlänge im Nahen
Infrarot (NIR) Bereich hat sich als günstig erwiesen. Sowohl
das Sonnenlichtspektrum nimmt mit steigender Wellenlänge
ab, als auch die Verschmutzungsempfindlichkeit sinkt mit zunehmender
Wellenlänge. Um aber dennoch einen auf Silizium basierenden
Empfänger einsetzen zu können, darf die bandabstandbedingte
Empfindlichkeitsgrenze von ca. 1100 nm nicht überschritten werden.
Aus Kombination eines optischen Filters mit Tiefpasscharakter und
der Empfindlichkeitsgrenze von Silizium kann so auf günstige
Weise ein optischer Bandpassfilter aufgebaut werden.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- - US 5955854 [0012, 0013]
