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SACHGEBIET DER ERFINDUNG
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Die vorliegende Erfindung betrifft Umgebungslicht- und robuste Bewegungsdetektionssensoren und insbesondere integrierte robuste Anwesenheitssensoren, bei denen ein Array von Leuchtdioden verwendet wird, die auch als Fotoempfänger mit einer verbesserten Umgebungslichterfassungs- und Anwesenheitserfassungsfähigkeit dienen.
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HINTERGRUND DER ERFINDUNG
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Anwesenheitssensoren sind unter Verwendung von entweder Ultraschallvorrichtungen oder passiven Infrarotempfängern hergestellt worden. Diese Sensoren sind nicht sehr robust und müssen optimiert werden. Ultraschallsensoren verbrauchen Energie, und passive Infrarotsensoren können durch verschiedene externe Mittel in Verwirrung gebracht werden.
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Kameras können ebenfalls verwendet werden, um das Vorhandensein eines Anwesenden/Fahrzeugs zu detektieren, bei ihnen stellen sich jedoch die folgenden Probleme.
- a) Geringere Lichtdetektionsfähigkeiten, somit wird eine externe Beleuchtung benötigt, wodurch Strom verbraucht wird. IR-Kameras, die keine externe Beleuchtung benötigen, sind sehr teuer.
- b) Kleines Sichtfeld
- c) Keine Flexibilität beim Formfaktor.
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Architektonische Beleuchtungssysteme können von elektronischen Systemen, die die Beleuchtungskörper in Abhängigkeit vom Vorhandensein von Anwesenden im Raum in einen Ein- oder Aus-Zustand aktivieren, und von Systemen, die die Lichtpegel der Beleuchtungskörper in Abhängigkeit von der Menge an vorhandenem Umgebungslicht, das sowohl natürliches als auch künstliches Licht umfassen kann, anpassen, gesteuert werden.
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Systeme, die die Beleuchtungskörper in Abhängigkeit vom Vorhandensein von Anwesenden im Raum in den Ein- oder Aus-Zustand aktivieren, benötigen typischerweise einen Anwesenheitssensor zum Detektieren des Vorhandenseins einer Person oder von Personen im Raum. Die zwei am häufigsten verwendeten Typen von Anwesenheitssensoren sind passive Infrarotdetektoren und Ultraschall-Sendeempfänger.
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Passive Infrarotdetektoren sind gegenüber warmen Objekten, wie z. B. menschlichen Körpern, die den Großteil ihrer thermischen Energie in der Fernregion des Infrarotspektrums zwischen 6 bis 10 Mikrometern abstrahlen, empfindlich. Der Sensor ist gegenüber plötzlichen Veränderungen der Menge an fernem Infrarotlicht, das er empfängt, empfindlich und erzeugt eine kleine elektrische Spannung, wenn sich seine Temperatur um einige wenige Tausendstel Grad verändert. Sobald ein thermisches Gleichgewicht erreicht ist, erzeugt der Detektor kein elektrisches Signal mehr. Durch Verwenden eines Arrays von Linsen wird die Empfindlichkeit des Detektors in mehrere Zonen unterteilt. Eine Person, die sich durch das Sichtfeld des Detektors bewegt, durchquert eine oder mehrere dieser Zonen, so dass die Veränderung der Menge an empfangener thermischer Energie bei Bewegung der Person von Zone zu Zone eine Veränderung der elektrischen Spannung bewirkt, die detektiert werden kann.
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Ein Nachteil dieses Typs von Sensor besteht darin, dass sich eine Person bewegen muss, um zuverlässig detektiert zu werden. wenn ein Anwesender einige Minuten lang relativ bewegungslos sitzt oder steht, ist ein passiver Infrarot-Anwesenheitssensor nicht in der Lage, das Vorhandensein des Anwesenden zu detektieren und kann die Beleuchtungskörper ausschalten, wenn niemand sonst im Raum ist. Ein weiterer Nachteil dieses Typs von Sensor besteht darin, dass die Kunststoff-Fresnel-Linsenarrays, die typischerweise verwendet werden, relativ groß sind, typischerweise mindestens 15 mm im Durchmesser. Dies ist so, weil das einzige gängige Kunststoffmaterial, das in der fernen Infrarotregion durchsichtig ist, Polyethylen ist. Polyethylen ist ein relativ weicher Kunststoff, bei dem es schwierig ist, kleine Strukturen auf seiner Oberfläche zu formen. Noch ein weiterer Nachteil dieses Typs von Sensor besteht darin, dass von dem Array von Linsen gebildete Bilder einander überlappen und dadurch der Kontrast der einzelnen Bilder verringert wird. Folglich ist die Trennung des Sensor-Sichtfelds in Zonen nicht vollständig.
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Weitere Nachteile eines solchen Sensors umfassen die Tatsache, dass er gegenüber thermischen Luftzügen und anderen plötzlichen Veränderungen der Umgebungslufttemperatur, akustischen Störungen und Funkfrequenzinterferenz sehr empfindlich ist. Somit kann ein falsches Auslösen der Beleuchtungskörper durch Platzieren des Sensors zu nahe an einer Entlüftungseinrichtung in einem Raum, durch mechanische Vibrationen und lauten Schall oder durch kurzzeitige FFI-Signale, die von einer Leistungselektronik erzeugt werden, welche in Steuerungen für architektonische Beleuchtungssysteme verwendet wird, erfolgen. Ferner weisen passive Infrarotdetektoren einen Wirkbereich von ungefähr zwanzig Fuß (sechs Metern) auf, wenn sie in architektonischen Anwesenheitssensoren verwendet werden. Dies ist so, weil bei Abständen von mehr als zwanzig Fuß die Menge an thermischer Energie, die von einem menschlichen Körper abgestrahlt wird, nicht ausreicht, um gegen den Hintergrund einer thermischen Strahlung von anderen Flächen im Raum zuverlässig detektiert zu werden.
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Der andere gängigste Typ von Anwesenheitssensor ist ein Ultraschall-Sendeempfänger. Ultraschall-Sendeempfänger bestehen aus einem Ultraschallsensor, der Stöße von Hochfrequenzschall emittiert, und einem Ultraschallempfänger, der die Echos von in der Nähe befindlichen Flächen aufnimmt. Wenn sich eine Person oder ein anderes Objekt zwischen diesen Stößen bewegt, verändern sich die Stärke und die Dauer der Echos.
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Ein Nachteil von Ultraschall-Sendeempfängern besteht darin, dass sich mehrere Ultraschall-Sendeempfänger in einem Raum in ihrem Betrieb gegenseitig stören. Dies ist so, weil es kein einfaches Mittel zum Unterscheiden der Echos von einem gesendeten Ultraschallstoß von denjenigen Stößen gibt, die von anderen Einheiten emittiert werden. Ultraschalldetektoren können ferner wegen der Ultraschallechos von mehreren Reflexionen in einem Raum und benachbarten Orten, wie z. B. Korridoren, unbeabsichtigt eine Bewegung außerhalb ihres vorgesehenen Sichtfelds in einem Raum detektieren. Ein weiteres Problem mit Ultraschalldetektoren besteht darin, dass große und sperrige Empfangstrichter erforderlich sind, um das Sichtfeld auf spezifische Winkel zu begrenzen.
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Angesichts dieser Einschränkungen sind einige Hersteller von Anwesenheitssensoren in letzter Zeit dazu übergegangen, komplexe und relativ teure Digitalsignalprozessoren zu verwenden, die dazu programmiert sind, den empfangenen Strom von Ultraschallechos zu analysieren und Hintergrundgeräusche auszufiltern. Diese und weitere Hersteller bieten ferner Kombinations-Anwesenheitssensoren an, die sowohl passive Infrarotdetektoren als auch Ultraschall-Sendeempfänger aufweisen. Diese Vorrichtungen erzeugen nur dann einen Ausgang, typischerweise ein Niederspannungssignal oder ein Schließen eines elektromechanischen Relais, wenn beide Sensoren eine Bewegung innerhalb ihrer jeweiligen Sichtfelder detektieren.
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Systeme, die die Lichtpegel der Beleuchtungskörper in Abhängigkeit von der Menge an vorhandenem Umgebungslicht anpassen, benötigen einen Lichtsensor zum Überwachen des Umgebungslichts, das im Raum vorhanden ist. Es gibt zwei Typen von normalerweise verwendeten Umgebungslichtsensoren.
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Ein Typ von Umgebungslichtsensor ist ein lichtabhängiger Widerstand. Dieser Typ von Sensor ist aus einem dünnen Film aus Cadmiumsulfid oder einem ähnlichen Material aufgebaut, dessen elektrischer Widerstand in Bezug auf die Menge an Licht, die auf diesen einfällt, variiert. Die Spektralempfindlichkeit eines lichtabhängigen Widerstands kommt nahe an das menschliche visuelle System heran. Lichtabhängige Widerstände werden am häufigsten als Tageslichtsensoren in im Freien befindlichen Bewegungsdetektoren verwendet, um sicherzustellen, dass Sicherheits-Beleuchtungskörper nicht bei Tageslicht aktiviert werden.
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Ein weiterer Typ von Umgebungslichtsensor ist eine Silizium-Fotodiode. Silizium-Fotodioden sind siliziumbasierte Halbleiter, die einen kleinen elektrischen Strom erzeugen, wenn sie Licht ausgesetzt sind. Silizium-Fotodioden selbst sind empfindlicher gegenüber nahem Infrarotlicht (0,9 Mikrometer) als gegenüber sichtbarem Licht (0,4 bis 0,7 Mikrometer). Geeignete Glas- oder Kunststoffilter können jedoch verwendet werden, um das einfallende Licht zu filtern und Sensoren zu produzieren, deren Spektralempfindlichkeit näher an die des menschlichen visuellen Systems herankommt. Diese Filter werden typischerweise vom Sensorhersteller direkt am Sensorgehäuse montiert.
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Ein Nachteil sowohl der lichtabhängigen Widerstände als auch der Silizium-Fotodioden-Sensoren besteht darin, dass sie analoge Ausgangssignale erzeugen, wohingegen höher entwickelte Überwachungs- und Steuersysteme für die architektonische Beleuchtung auf einer digitalen Computersteuerung basieren. In diesen Fällen ist ein Analog-Digital-Wandler erforderlich, um die analogen Ausgangssignale aus den Umgebungslichtsensoren in äquivalente digitale Signale umzuwandeln.
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Videoüberwachungskameras können ebenfalls für hoch entwickelte Anwesenheitsdetektions-Anwendungen verwendet werden. Einzelne Videoframes können von einem Computer erfasst werden und schnell auf Veränderungen gegenüber zuvor erfassten Bildern analysiert werden. Diese Kameras benötigen jedoch eine beträchtliche Menge an Elektronik-Hardware zum Erzeugen von digitalen Bildern aus dem analogen Videosignal. Eine beträchtliche Menge an Computer-Rechenleistung und Speicher ist erforderlich, um die erfassten Videoframes zu analysieren.
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Während die meisten Videosensoren als rechteckige Arrays von Fotodioden-Lichtsensoren ausgeführt sind, benötigen einige Anwendungen lineare Arrays. Beispiele umfassen industrielle Bildverarbeitungssysteme, Strichcodescanner, Dokumentenscanner und Systeme zur optischen Zeichenerkennung. Der hauptsächliche Nachteil von linearen Fotodioden-Arrays besteht darin, dass sie ein Bild liefern, das aus einer einzelnen Linie besteht, wenn sie mit einer oder mehreren sphärischen Linsen verwendet werden. Dies ist geeignet für ihre vorgesehenen Anwendungen, bei denen Objekte an dem Sichtfeld des Sensors vorbei mechanisch gescannt werden. Dies ist jedoch nicht geeignet für Anwesenheitssensoren, bei denen typischerweise ein Weitwinkel-Sichtfeld in zwei Dimensionen erforderlich ist.
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Verschiedene Systeme, die einen oder mehrere Infrarot- und/oder akustische Messsensoren enthalten, sind für diesen Zweck vorgeschlagen worden; siehe zum Beispiel die
US-Patente 5,330,226 und
5,785,347 . Generell emittieren solche Systeme einen oder mehrere Strahlen mit Infrarotenergie, um eine entsprechende Anzahl von Sichtfeldern zu definieren, und empfangen die reflektierte Energie zum Detektieren des Vorhandenseins eines Anwesenden innerhalb der Sichtfelder. Die mittels solcher Techniken erhaltenen Informationen werden jedoch manchmal von anderen Lichtquellen (wie z. B. reflektiertem Sonnenlicht oder gepulstem Glühlicht) gestört und sind selbst unter besten Bedingungen typischerweise nicht ausreichend, um den Typ und die Position des Anwesenden akkurat zu klassifizieren.
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Bei einem weiteren Stand der Technik legt eine Europäische Patentschrift
EP1033290 von DELPHI TECHNOLOGIES ein verbessertes IR-System zur Detektion der Position eines Fahrgasts offen, das akkurate und zuverlässige Klassifizierungs- und Positionsinformationen mit einer Geschwindigkeit liefert, die ausreicht, um rechtzeitig das Anwenden von Fahrgastrückhaltesystemen zu verhindern oder anderweitig zu steuern. Ein zweidimensionales Array von IR-Emittern wird selektiv aktiviert, um zwei oder mehr vorbestimmte Sichtebenen in der Nähe eines Fahrgastsitzbereichs periodisch zu beleuchten, und die reflektierte IR-Energie wird von einem fotoempfindlichen Empfänger detektiert und analysiert, um die Anwesenheit eines Fahrgasts zu detektieren, um den Fahrgast zu klassifizieren und um die Position des Kopfs/Rumpfs des Fahrgasts relativ zu vorgegebenen Zonen des Fahrgastraums zu identifizieren und dynamisch zu verfolgen. Modulieren der Stärke der emittierten IR-Strahlen mit einer bekannten Trägerfrequenz, Unterziehen des empfangenen Signals einer Bandpassfilterung und synchrones Detektieren des gefilterten Signals unterscheidet die reflektierte IR-Energie von anderen Signalen, die von dem IR-Empfänger aufgenommen werden.
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AUFGABEN DER ERFINDUNG
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Es ist eine Aufgabe dieser Erfindung, einen integrierten Umgebungslicht- und Anwesenheitssensor zur Verfügung zu stellen, der auf einer modifizierten LED basiert, und zwar durch Einbringen eines fotoempfindlichen Materials am Umfang, und der zu einer gleichzeitigen Umgebungslicht- und Objektbewegungsdetektion in der Lage ist.
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Es ist eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine modifizierte LED zur Verfügung zu stellen, wobei das fotoempfindliche Material in dem Spektrum außerhalb des Emissionsspektrums der LED aktiv ist.
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Es ist noch eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen solchen Sensor zur Verfügung zu stellen, der kostengünstiger und wegen einer größeren Blendengröße energiesparender ist als auf einer normalen Kamera basierende Systeme.
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Es ist noch eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen Sensor zur Verfügung zu stellen, der in der Lage ist, ein weites Sichtfeld aufzuweisen und ferner eine größer Robustheit aufzuweisen als bestehende Anwesenheitssensoren.
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Es ist eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Filterblende zur Verfügung zu stellen, die in dem Emissionsspektrum der LED durchsichtig ist, jedoch mehrere Bereiche aufweist, die im Spektrum des Fotoempfängers undurchsichtig sind.
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ÜBERBLICK ÜBER DIE ERFINDUNG
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Gemäß einer beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung weist der hier offenbarte Anwesenheitssensor eine flexible Konstruktion auf, d. h. die modifizierten LEDs brauchen nicht einphasig zu sein.
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Eine weitere Ausführungsform der vorliegenden Erfindung stellt einen Sensor zur Verfügung, der gegenüber elektrischer und akustischer Interferenz von architektonischen Beleuchtungssystemen unempfindlich ist.
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Nach noch einem weiteren Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung ist der Sensor in der Lage, die Tiefenermittlung (3D-Kamera) zu erfassen, Anwendungen für Beobachtung und Verkehrsüberwachung.
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Die vorliegende Erfindung ist ein Sensor, der mit einer einzelnen Lichterfassungsvorrichtung zum Detektieren von Umgebungslichtpegeln und Objektbewegung implementiert ist. Der Sensor umfasst ein Array von modifizierten LEDs, das einer segmentierten Schlitzblendenvorrichtung nachgeschaltet positioniert ist, die eine einzelne segmentierte Filterblende umfasst, deren Schlitzlänge rechtwinklig zur Länge des linearen Arrays ausgerichtet ist. Die einzelnen LEDs des Arrays bieten eine Bewegungsdetektionsfähigkeit in einer zur Schlitzlänge rechtwinkligen Richtung. Die Schlitzblende ist entlang der Schlitzlänge segmentiert, um mehrere Zonen des Lichtansprechvermögens des Sensors zu bilden, die eine Bewegungsdetektionsfähigkeit in einer zur Schlitzlänge parallel verlaufenden Richtung bieten.
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Ferner wird als eine Ausführungsform ein programmierter Prozessor für die Rekonstruktion eines höher aufgelösten Bilds der Szene unterhalb der Anzahl von Fotoempfängern in dem LED-Array zur Verfügung gestellt.
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Ein optionales Filter für sichtbares Licht, das der Mehrfachschlitzblende nachgeschaltet positioniert ist, passt die Spektralempfindlichkeit des linearen Arrays von Fotodioden ungefähr an diejenige des menschlichen visuellen Systems an.
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Entsprechend wird eine integrierte Licht- und Anwesenheitssensorvorrichtung mit einem Gesamt-Winkel-Sichtfeld zur Verfügung gestellt, die ein Array von modifizierten LED-Elementen; eine segmentierte Filterblendeneinrichtung mit einer Schlitzblende, die von einer Schlitzlänge und einer Schlitzbreite definiert ist, welche beträchtlich kleiner ist als die Arraylänge, wobei die Schlitzblendeneinrichtung in einem Abstand zu dem linearen Array positioniert und so ausgerichtet ist, dass die Schlitzlänge das Array in einer Querrichtung kreuzt; und einen Prozessor umfasst, der mit dem Array in Wirkverbindung steht, um Lichtdatenwerte zu verarbeiten, die den Lichtsignalen entsprechen, wobei der Prozessor in ersten und zweiten Modi betreibbar ist, wobei der Prozessor im ersten Modus anhand der Lichtdatenwerte eine Menge bestimmt, die ein mittleres Maß des Lichts repräsentiert, das auf das lineare Array einfällt, und der Prozessor im zweiten Modus anhand von Lichtdatenwerten, die zu unterschiedlichen Zeitpunkten für entsprechende lichtempfindliche Elemente erfasst werden, bestimmt, um das Vorhandensein einer Objektbewegung innerhalb des Gesamt-Winkel-Sichtfelds des Sensors zu detektieren.
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Weitere Aufgaben und Vorteile dieser Erfindung werden anhand der folgenden detaillierten Beschreibung von bevorzugten Ausführungsformen derselben mit Bezug auf die beiliegenden Zeichnungen offensichtlich.
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KURZBESCHREIBUNG DER BEILIEGENDEN ZEICHNUNGEN
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1 zeigt eine typische LED, die als ein Array zum Beleuchten großer Bereiche verwendet werden kann, nach der vorliegenden Erfindung;
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2 zeigt eine modifizierte LED mit einem fotoempfindlichen Material am Umfang, nach der vorliegenden Erfindung;
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3 zeigt ein LED-Array, das an einer Platte montiert und über einer Filterblende platziert ist, nach der vorliegenden Erfindung;
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4 zeigt das LED-Array, das als eine Glühbirne ausgestaltet sein kann und als eine Kamera fungierten kann, als eine beispielhafte Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
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DETAILLIERTE BESCHREIBUNG VON BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORMEN
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Die Erfindung betrifft die Ausführung eines robusten Anwesenheitssensors, bei dem ein Array von LEDs verwendet wird, die auch als Fotoempfänger dienen.
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Nach der Erfindung sind dem Stand der Technik entsprechende LEDs (die als ein Array zum Beleuchten großer Bereiche verwendet werden können) durch Einbringen eines fotoempfindlichen Materials am Umfang modifiziert, wobei das fotoempfindliche Material am Umfang in dem Spektrum außerhalb des Emissionsspektrums der LED aktiv ist. Da der Fotoempfänger außerhalb des Emissionsspektrums der LED empfindlich ist, spricht er nicht auf das von der LED emittierte Licht an, sondern spricht auf das von außen kommende Licht an. Bei einer weiteren Ausführungsform kann der Fotoempfänger benachbart zu der LED platziert sein.
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Wie in 3 gezeigt ist, ist ein Array solcher LEDs in einer gewünschten Form an einer Platte montiert. Die Platte ist über einer Filterblende platziert. Die Filterblende ist in dem Emissionsspektrum der LED durchsichtig, weist jedoch mehrere Bereiche auf, die im Spektrum des Fotoempfängers undurchsichtig sind. Der Fotoempfänger in jeder LED empfängt einen gemultiplexten Wert des Lichts, das von der Szene emittiert wird, und die gesamte Szene kann unter Verwendung der Fotoempfängerwerte von mehreren LEDs rekonstruiert werden. Es gibt Algorithmen, die das Rekonstruieren eines höher aufgelösten Bilds der Szene unterhalb der Anzahl von Fotoempfängern in dem LED-Array ermöglichen. Ferner braucht das LED-Array nicht auf regelmäßige Weise ausgestaltet zu sein. Die Platte braucht nicht eben zu sein.
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4 zeigt eine weitere Ausführungsform einer solchen Vorrichtung.
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Vorteile der Erfindung
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- – Kostengünstiger und energiesparender aufgrund einer größeren Blendengröße als bei auf einer normalen Kamera basierenden Systemen
- – Höhere Robustheit als bei bestehenden Anwesenheitssensoren
- – Weites Sichtfeld
- – Flexible Konstruktion, die LEDs brauchen sich nicht in einer einzigen Ebene zu befinden!
- – Möglichkeit einer Tiefenermittlung (3D-Kamera), Anwendungen zur Beobachtung und Verkehrsüberwachung.
