DE19704793A1 - Optische Sende- und Empfangseinrichtung - Google Patents

Optische Sende- und Empfangseinrichtung

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Description

Die Erfindung betrifft eine optische Sende- und Empfangseinrichtung ge­ mäß dem Oberbegriff des Patentanspruches 1.
Optische Sende- und Empfangseinrichtungen dienen beispielsweise neben der Übertragung digitaler Daten auch im analogen Anwendungsbereich zur Abtastung von Räumen und Gebilden, als Lichtschranken, zur Abstandsmes­ sung oder Sitzbelegungserkennung in Kraftfahrzeugen. Dabei wird vor­ zugsweise Licht im nichtsichtbaren Wellenlängenbereich, insbesondere in­ frarotem Licht, verwandt. Üblicherweise werden die Sende- und Empfangs­ einrichtungen zum Schutz vor Umwelteinflüssen durch ein Gehäuse ge­ schützt, welches zumindest im Bereich der Sende- und Empfangseinrich­ tungen lichtdurchlässig für den entsprechenden Wellenlängenbereich ge­ staltet ist. Generell tritt dabei das Problem auf, daß die lichtdurchlässigen Abdeckungen verschmutzen und so die Lichtausbeute verschlechtern.
Einerseits sind die Pegel der Empfangssignale vom Abstand der reflektie­ renden Fläche und deren Remission abhängig. So kann ein geringes oder fehlendes Empfangssignal auf eine schlechte Reflexion an den Oberflächen außerhalb der Sende- und Empfangseinrichtung zurückzuführen sein, ande­ rerseits auf einen Defekt der Sendeeinrichtung deuten. Die Stromflußkon­ trolle zur Prüfung des Ausfalls der Sendeeinrichtung erweist sich auch nicht als absolut zuverlässig.
Besonders kritisch zu beurteilen sind jene Lösungen zur Kompensation von verschmutzungsbedingten Absinken des Empfangspegels, bei denen die Sendeleistung automatisch erhöht wird. So müssen zur Abtastung vergrößerter Entfernungen bereits im unverschmutzten Zustand erheblich mehr Sendelei­ stungen ausgestrahlt werden, bei deren nochmaliger Erhöhung langfristig eine Schädigung von Menschen im Abtastraum nicht völlig ausgeschlossen werden kann. Insbesondere für die Anwendung optischer Sende- und Emp­ fangseinrichtungen im Kopfbereich von Menschen, wie dies zur Sitzbele­ gungserkennung üblich ist, muß dies vermieden werden können.
Aufgabe der Erfindung ist es daher, eine optische Sende- und Empfangsein­ richtung vorzustellen, bei der auf einfache Weise und unabhängig von äu­ ßeren Reflexionen die Verschmutzung der Abdeckung ermittelt werden kann.
Die Aufgabe ist durch die kennzeichnenden Merkmale des Patentan­ spruchs 1, dem Grundgedanken nach, und durch vorteilhafte Weiterbil­ dungen der Erfindung in den Merkmalen der Unteransprüche 2 bis 9 gelöst.
Mittels lichtleitender Mittel können die unvermeidbar im Inneren an der lichtdurchlässigen Abdeckung auftretenden reflektierten Lichtanteile, wel­ che bei wachsender Verschmutzung stark zunehmen nun an eine Emp­ fangseinheit geleitet werden. Dadurch wird es möglich, diesen intern re­ flektierten Lichtanteil auszuwerten. Dieser Lichtanteil ist einerseits von dem Grad der Verschmutzung abhängig, andererseits frei von Wirkungen der Anordnung, Struktur und Farbverhältnisse außerhalb der Sende- und Emp­ fangseinrichtung.
Die erfindungsgemäße optische Sende- und Empfangseinrichtung ist ein­ fach zu realisieren, aber dennoch äußerst wirkungsvoll. Durch die außenwir­ kungsfehlerfreie Erkennung des Verschmutzungsgrades kann der analoge Empfangspegel einerseits mit einem Korrekturfaktor korrigiert oder bei Überschreitung eines Schwellwertes eine Reinigung der lichtdurchlässigen Abdeckung veranlaßt werden. So ist die Ansteuerung einer Reinigungsanla­ ge oder einer Anzeige denkbar, die den Benutzer auffordert, die lichtdurch­ lässige Abdeckung zu reinigen. Eine Gesundheitsgefährdung von Personen im Sendebereich ist ausgeschlossen, eine Erhöhung des Sendepegels nicht erforderlich.
Der Patentanspruch 2 lehrt die vorteilhafte Verwendung von Mitteln, wel­ che es ermöglichen, daß die Empfangseinheit entweder nur das im Inneren von der lichtdurchlässigen Abdeckung reflektierte Licht oder nur die außer­ halb der lichtdurchlässigen Abdeckung auftretenden Reflexionen empfängt. Diese sind einzusetzen, wenn eine empfangsseitige Überlagerung von inne­ ren und äußeren Reflexionen nicht ausgeschlossen werden kann. Die techni­ sche Gestaltung derartiger Mittel kann bspw. durch bewegliche lichtun­ durchlässige Blenden außerhalb der lichtdurchlässigen Abdeckung oder im lichtleitenden Mittel gemäß Patentanspruch 1 realisiert werden, wobei eine Anpassung an konstruktive Besonderheiten einzelner Sende- und Emp­ fangseinrichtungen dem ingenieurmäßigen Können zuzurechnen sind.
Die Patentansprüche 3 bis 5 beschreiben Sende- und Empfangseinrichtun­ gen, die es aufgrund ihrer räumlichen Anordnung ermöglichen zu entschei­ den, ob ein an der Empfangseinheit detektierter Lichtanteil auf inneren oder äußeren Reflexionen beruht. Grundsätzlich sendet immer nur genau eine Sendeeinheit zu einem Zeitpunkt ein Signal, so daß in der gemäß Pa­ tentanspruch 3 beschriebenen ersten Gruppe von Empfangseinheiten nur der Lichtanteil durch innere Reflexionen empfangen werden kann, während an einer zweiten Gruppe nur die äußeren Reflexionen dieser Sendeeinheit detektiert werden. Die Gruppen der Empfangseinheiten enthalten dabei mindestens eine Empfangseinheit, wobei nicht zwingend alle Empfangsein­ heiten, die nicht in der ersten Gruppe sind, in der zweiten Gruppe sein müs­ sen.
Patentanspruch 4 beschreibt eine Sende- und Empfangseinrichtung, bei der wenigstens zwei Sendeeinheiten so angeordnet sind, daß an einer Emp­ fangseinheit entweder nur der intern reflektierte Lichtanteil der einen Sen­ deeinheit und nur der außen reflektierte Lichtanteil der anderen Sendeein­ heit empfangen wird und durch getrennte Aktivierung der Sendeeinheiten eine Trennung möglich ist.
Patentanspruch 5 lehrt eine Sende- und Empfangseinheit, die die wechsel­ seitige Nutzung von Sende- und Empfangseinheiten ermöglicht.
Die im Patentanspruch 6 beschriebene vorteilhafte Weiterbildung der opti­ schen Sende- und Empfangseinheiten, in dem die lichtleitenden Mittel re­ flektierende Flächen sind, erweist sich als besonders einfache und kosten­ günstige Lösung.
Wie dem Patentanspruch 7 entnommen werden kann, kann das Verhältnis von diffus reflektiertem Licht bei totaler Verschmutzung und keiner Ver­ schmutzung und damit die Erkennung des Verschmutzungsgrades dadurch optimiert werden, daß der Abstand zwischen lichtdurchlässiger Abdeckung und den Sende- bzw. Empfangseinheiten parallel zur Senderichtung ent­ sprechend angepaßt wird an den Abstand senkrecht zur Senderichtung zwi­ schen den Sende- und Empfangseinheiten, der wiederum in Abhängigkeit von der Größe und Entfernung des Zielgebietes gewählt wird.
Anspruch 8 lehrt dazu ein numerisches Verhältnis der Abstände zwischen 4,5 und 6,0, für welches ein Optimum des Verhältnisses von reflektiertem Licht bei totaler Verschmutzung zu dem bei keiner Verschmutzung zu finden ist.
Die Erfindung läßt sich gemäß Anspruch 9 besonders vorteilhaft zur Be­ stimmung des Verschmutzungsgrades verwenden.
Patentanspruch 10 lehrt die Verwendung einer erfindungsgemäßen opti­ schen Sende- und Empfangseinrichtung, bei der die lichtleitenden Mittel zwischen Sende- und Empfangseinheiten auch zur Funktionsprobe ver­ wandt werden. Diese Verwendung ist besonders vorteilhaft, weil sie sowohl ohne zusätzliche Hilfsmittel mit der erfindungsgemäßen Sende- und Emp­ fangseinrichtung möglich ist, außerdem frei von Einflüssen außerhalb der Sende- und Empfangseinrichtung ist und daher absolut zuverlässig den Aus­ fall der Sendeeinheit erkennt.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen und Figuren näher erläutert.
Es zeigen:
Fig. 1a erfindungsgemäße Sende- und Empfangseinrichtung sowie Strahlenverlauf außerhalb dieser ins Zielgebiet;
Fig. 1b Vergrößerter Ausschnitt von Fig. 1a erfindungsgemäße Sen­ de- und Empfangseinrichtung mit lichtleitenden Mittel inner­ halb der lichtdurchlässigen Abdeckung;
Fig. 1c Zuordnungstabelle von Raumpunkten zu bestimmten Sende- und Empfangseinheiten der Sende- und Empfangseinrichtung aus Fig. 1a bzw. 1c;
Fig. 2 Empfangssignale der Empfangseinheiten mit Nutz- und Ver­ schmutzungssignalbereich;
Fig. 3 Nutzsignalpegel und Pegel der empfangenen Reflexionen in­ nerhalb der lichtdurchlässigen Abdeckung in Abhängigkeit vom Grad der Verschmutzung;
Fig. 4 das Verhältnis von diffus reflektiertem Licht bei totaler Ver­ schmutzung und keiner Verschmutzung in Abhängigkeit vom Abstand zwischen lichtdurchlässiger Abdeckung und den Sen­ de- und Empfangseinheiten.
Fig. 1a zeigt auch den Strahlenverlauf der in Fig. 1b vergrößert darge­ stellten Sende- und Empfangseinrichtung (1) mit ihrer lichtdurchlässigen Abdeckung (4) im Abstand a2 parallel zur Senderichtung. Von den Sendeein­ heiten (S1 . . . Sn) wird das Zielgebiet (Z) außerhalb der Sende- und Empfangs­ einrichtung (1) in einem Abstand a3 abgetastet. Fig. 1b zeigt vergrößert eine optische Sende- und Empfangseinrichtung (1), welche n Sende­ einheiten (S1 . . . Sn) und m Empfangseinheiten (E1 . . . Em) in einem Abstand a1 senkrecht zur Senderichtung aufweist. Vor den Sendeeinheiten (S1 . . . Sn) ist eine Sendeoptik (2) angeordnet, welche die gesendeten Lichtstrahlen auf das Zielgebiet (Z) außerhalb der Sende- und Empfangseinrichtung (1) lenkt. Entsprechend ist vor den Empfangseinheiten (E1 . . . Em) eine Empfangsoptik (3) angeordnet, welche die reflektierten Lichtstrahlen vom Zielgebiet (Z) auf bestimmte Empfangseinheiten lenkt. In einem Abstand a2 parallel zur Sen­ derichtung ist vor der Sende- und Empfangseinrichtung (1) eine Abdeckung (4) angeordnet, welche die Sende- und Empfangseinrichtung (1) vor Ver­ schmutzungen und Umwelteinflüssen schützt. Diese ist lichtdurchlässig für den Wellenlängenbereich des gesendeten Lichtes. Unvermeidbar wird ein Teil des von den Sendeeinheiten (S1 . . . Sa) gesendeten Lichtes bereits inner­ halb der lichtdurchlässigen Abdeckung (4) an den Grenzflächen diffus reflek­ tiert. Die Reflektionsflächen (7a) und (7b) sind so angeordnet, daß ein Teil des diffus reflektierten Lichtes ausgefangen und zur Empfangsseite geleitet werden kann. Dort gelangt es über die Empfangsoptik (3) zu bestimmten Empfangseinheiten. Die Reflektionsflächen (7a, 7b) können dabei beispiels­ weise als reflektierende Folien oder aufgedampfte Spiegelfläche ausgebil­ det sein.
Dabei können den einzelnen Sendeeinheiten bestimmte Raumpunkte x; des Zielgebietes (Z) zugeordnet werden, an denen das von der i-ten Sendeein­ heit (S1) gesendete Licht reflektiert wird. Die Empfangseinheit (E1 . . . Em) sind nun so angeordnet, daß diese Reflektionen der Raumpunkte xi erfassen. Damit sind einem Raumpunkt xi eine Sende- und eine Empfangseinheit zu­ ordenbar, wie dies anhand der Zuordnungstabelle in Fig. 1c visualisiert wird.
Fig. 2 zeigt nun die Empfangssignale der Empfangseinheiten nach einem Sendeimpuls der n-ten Sendeeinheit (Sn). Das außen am Zielgebiet reflektier­ te Licht führt zu einem Pegelausschlag bei der zugeordneten, gemäß Pa­ tentanspruch 2 oder 4 ersten Gruppe von Empfangseinheiten (G1). Gleichzei­ tig wird ein Teil des von der n-ten Sendeeinheit (Sn) gesendeten Lichts an den Grenzflächen der lichtdurchlässigen Abdeckung reflektiert und zu der zweiten Gruppe von Empfangseinheiten (G2) geleitet. Während nun bei zu­ nehmender Verschmutzung das Verschmutzungssignal an der zweiten Gruppe (G2) von Empfangseinheiten größer wird, verringert sich das Nutzsi­ gnal an der ersten Gruppe (G1). Wird jedoch die erste Sendeeinheit (S1) aus­ gelöst, werden im Bereich der zweiten Gruppe (G2) der Nutzsignalanteil lie­ gen, wie dies im Patentanspruch 5 beschrieben wurde. Die Empfangseinhei­ ten werden also multifunktional genutzt und eine besonders leistungsfähi­ ge und zugleich kostengünstige Abtastung eines großen Zielgebietes ge­ währleistet. Die in den Patentansprüchen 3 bzw. 4 beschriebenen Anord­ nungen sind analog diesem Ausführungsbeispiel realisierbar, indem ent­ sprechend einzelne Sende- oder Empfangseinheiten ausgewählt werden.
Fig. 3 zeigt die Veränderung des intern reflektierten Lichtanteils und des Nutzsignals, welches außerhalb reflektiert wird, in Abhängigkeit von dem Grad der Verschmutzung. Deutlich ist zu erkennen, daß das Nutzsignal mit zunehmender Verschmutzung immer schwächer wird, währenddessen der Anteil des im Inneren der lichtdurchlässigen Abdeckung reflektierten Lich­ tes wächst. Dies kann durch Veränderung der Empfangssignale erkannt und durch den Vergleich mit dem Pegel bei einer neuen oder gereinigten Ab­ deckung verglichen werden. Entsprechend können bei Überschreitung ge­ wisser Schwellwerte die empfangenen Nutzsignalwerte korrigiert oder bei­ spielsweise eine Kontrolleuchte ausgelöst werden, welche den Nutzer auf­ fordert, demnächst einmal wieder die Abdeckung der optischen Sende- und Empfangseinrichtung zu reinigen.
Fig. 4 zeigt das Verhältnis von diffus reflektiertem Licht bei totaler Ver­ schmutzung und keiner Verschmutzung in Abhängigkeit vom Abstand a2 zwischen lichtdurchlässiger Abdeckung bei einem vorgegebenen Abstand zwischen den Sende- und Empfangseinheiten. Deutlich zu erkennen ist ein optimaler Abstand a2opt (4,5 < a2opt(≈5,2) < 6,0), der damit die Erkennung des Verschmutzungsgrades am besten gewährt. Durch Messung der Signal­ pegel für zwei Abdeckungen unterschiedlichen Verschmutzungsgrades kann dieser optimale Abstand a2opt für jeden beliebigen Abstand a1 zwischen den Sende- und Empfangseinheiten dadurch gefunden werden, daß der Abstand a2 von Null aus solange erhöht wird, bis das Verhältnis wieder schlechter wird. Eine Anpassung an die Besonderheiten der einzelnen Sende- und Emp­ fangseinrichtung ist so einfach möglich. Werden die reflektierenden Flä­ chen zu nah aneinander gebracht, wird die durch die inneren lichtleitenden Mittel übertragene Lichtleistung geringer, geht der Abstand über das Opti­ mum hinaus, wird die an der lichtdurchlässigen Abdeckung auftreffende Sendeleistung zunehmend schwächer und die nicht vermeidbare Dämpfung der lichtdurchlässigen Abdeckung demgegenüber dominierend, so daß zu­ nehmend Sendeleistung von der lichtdurchlässigen Abdeckung reflektiert wird.

Claims (10)

1. Optische Sende- und Empfangseinrichtung, insbesondere im Infrarot­ wellenbereich, welche mindestens eine Sendeeinheit und mindestens eine Empfangseinheit sowie eine zumindest im Bereich der Sende- und der Emp­ fangseinheiten lichtdurchlässige Abdeckung aufweist, wobei das von den Sendeeinheiten ausgesandte Licht außerhalb der Abdeckung reflektiert und an den Empfangseinheiten empfangen wird, dadurch gekennzeichnet, daß innerhalb des Gehäuses vor den lichtdurch­ lässigen Abdeckung zwischen Sendeeinheit und Empfangseinheit licht­ leitende Mittel vorgesehen sind, so daß der an der lichtdurchlässigen Ab­ deckung der Sendeeinheit reflektierte Lichtanteil zwecks Auswertung zur Empfangseinheit geleitet werden kann.
2. Optische Sende- und Empfangseinrichtung nach Patentanspruch 1, da­ durch gekennzeichnet, daß Mittel vorgesehen sind, so daß die Empfangs­ einheit entweder nur das im Inneren von der lichtdurchlässigen Abdeckung reflektierte Licht oder nur die außerhalb der lichtdurchlässigen Abdeckung auftretenden Reflexionen empfängt.
3. Optische Sende- und Empfangseinrichtung nach Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß wenigstens eine erste und eine zweite Gruppe von Empfangseinheiten vorgesehen sind, die erste Gruppe von Empfangseinheiten so angeordnet ist, daß sie während des Sendeimpulses einer bestimmten Sendeeinheit nur das im Inneren von der lichtdurchlässi­ gen Abdeckung reflektierte Licht empfangen kann, während die zweite Gruppe von Empfangseinheiten so angeordnet sind, daß sie nur die außerhalb der lichtdurchlässigen Abdeckung auftretenden Reflexionen des Sendeimpulses der bestimmten Sendeeinheit empfängt.
4. Optische Sende- und Empfangseinrichtung nach Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß wenigstens eine erste und eine zweite Sen­ deeinheit vorgesehen sind, wobei wenigstens eine bestimmte Empfangs­ einheit so angeordnet ist, daß sie während des Sendeimpulses der ersten Sendeeinheit nur das von der lichtdurchlässigen Abdeckung reflektierte Licht empfangen kann, während die bestimmte Empfangseinheit von we­ nigstens der zweiten Sendeeinheit nur die außerhalb der lichtdurchlässigen Abdeckung auftretenden Reflexionen des Sendeimpulses empfängt.
5. Optische Sende- und Empfangseinrichtung nach Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß wenigstens zwei Empfangseinheiten und wenigstens zwei Sendeeinheiten vorgesehen sind und bezüglich einer er­ sten Gruppe von Sendeeinheiten zwei Gruppen von Empfangseinheiten vorgesehen sind derart,
daß die erste Gruppe von Empfangseinheiten so angeordnet ist, daß sie während des Sendeimpulses einer bestimmten Sendeeinheit der ersten Gruppe von Sendeeinheiten nur das von der lichtdurchlässigen Abdeckung reflektierte Licht empfangen kann,
während die zweite Gruppe von Empfangseinheiten so angeordnet ist, daß sie nur die außerhalb der lichtdurchlässigen Abdeckung auftretenden Refle­ xionen des Sendeimpulses der bestimmten Sendeeinheit der ersten Gruppe empfängt und
in die zweite Gruppe von Sendeeinheiten so angeordnet ist, daß deren Re­ flexionen außerhalb der lichtdurchlässigen Abdeckung von der ersten Grup­ pe von Empfangseinheiten empfangen werden können.
6. Optische Sende- und Empfangseinrichtung nach einem der voranstehen­ den Patentansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die lichtleitenden Mittel als reflektierende Flächen ausgeführt sind.
7. Optische Sende- und Empfangseinrichtung nach Patentanspruch 6 da­ durch gekennzeichnet, daß bezüglich eines in Abhängigkeit von der Grö­ ße und Entfernung (a3) des Zielgebietes (Z) gewählten Abstandes (a1) senk­ recht zur Senderichtung zwischen den Sende- und Empfangseinheiten der Abstand (a2) zwischen lichtdurchlässiger Abdeckung und den Sende- bzw. Empfangseinheiten parallel zur Senderichtung derart gewählt wird, daß das Verhältnis von diffus reflektiertem Licht bei totaler Verschmutzung und kei­ ner Verschmutzung am größten ist.
8. Optische Sende- und Empfangseinrichtung nach Patentanspruch 7 da­ durch gekennzeichnet, daß das numerische Verhältnis des Abstandes (a1) senkrecht zur Senderichtung zwischen den Sende- und Empfangseinheiten zu dem Abstand (a2) zwischen lichtdurchlässiger Abdeckung und den Sende- bzw. Empfangseinheiten parallel zur Senderichtung (a1/a2) zwischen 4,5 : 1 und 6,0 : 1, vorzugsweise bei ca. 5,2 liegt.
9. Verwendung der optischen Sende- und Empfangseinrichtungen gemäß einem der voranstehenden Patentansprüche zur Erkennung des Verschmut­ zungsgrades der lichtdurchlässigen Abdeckung, indem der Lichtanteil, der von der möglicherweise verschmutzten lichtdurchlässigen Abdeckung diffus reflektiert wird, an der Empfangseinrichtung empfangen und mit einem Re­ ferenzsignal verglichen wird, welches einem Empfangssignal bei einer neu­ en oder gereinigten lichtdurchlässigen Abdeckung entspricht und daraus der Verschmutzungsgrad ermittelt wird.
10. Verwendung der optischen Sende- und Empfangseinrichtung gemäß ei­ nem der Patentansprüche 1 bis 6, indem der intern diffus reflektierte Licht­ anteil auch zur Funktionsprobe der Sendeeinheiten genutzt wird.
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