專利名稱：光學傳感器芯片和具有這種傳感器芯片的防夾裝置的制作方法
技術領域：
本發明涉及一種光學傳感器芯片。本發明還涉及一種具有這種傳感 器芯片的、尤其是用于監控機動車中的窗玻璃、拉門或后備箱蓋的光學 防夾裝置。
背景技術：
在防夾裝置(Einklemmschutzvorrichtung )中，迄今一方面采用可 以識別在發送機和接收機之間的連接線上的障礙物的光柵 (Lichtschranke)。接收機被構造用于在正常運行下接收發送機的信號， 和在監控范圍中的障礙物的情況下根據到達接收機的信號的減弱或衰 竭來識別障礙物的存在。
為了構造平面的監控范圍，光柵的發送機和接收機可以被構成為線 狀的并且被定位在監控面的邊緣線處。因此不利地存在著用發送機接收 機系統來圍繞這樣的監控面的設計上的必要性。此外如果預先規定彎曲 的或不規則成型的面積區用于監控，則用于構造這種發送機接收機系統 的設計耗費上升，其中在所迷這種發送機接收機系統中，發送機和接收 機、或發送機接收機單元和反射器必須互相相對地位于直線上。
另一方面，將具有發送接收系統的傳感器應用于防夾裝置，所述傳 感器基于通過要探測的障礙物對信號的反射，類似于雷達或回波探測器 的原理。這種系統的接收機被構造用于通過發送機信號的由該障礙物所 散射回或反射的分量來識別障礙物。
在文件DE696 34 151 T2中，公開了 一種具有基于紅外光反射的傳 感器技術的光學防夾裝置。由障礙物輻射回的紅外線輻射的強度被測 量。借助在到達接收機的該輻射的強度的提高來識別障礙物。但是在該 系統中已證明不利的是，不能將監控范圍足夠好地與彎曲的面相匹配， 以便例如描繪車輛輪廓。所公知的系統還相對于溫度波動以及相對于隨 同進入測量中的背景輻射是易受影響的。該系統包括一個或多個傳感器 芯片，所迷傳感器芯片分別具有光電二極管和用于預處理由光電二極管 所輸出的探測信號的后置的電路。
發明內容
本發明所基于的任務在于，說明一種特別適用于光學防夾裝置的傳 感器芯片。本發明所基于的任務還在于，說明一種特別適合的光學防夾 裝置。
在傳感器芯片方面，根據本發明通過權利要求1的特征來解決該任 務。傳感器芯片因此包括光敏元件、尤其是光電二極管的一維或兩維陣 列、也就是多個以預先規定的幾何排列尤其是布置在共同襯底上的這種 元件。傳感器芯片還包括多個集成預處理電路，其中，每一個預處理電 路被設置用于獨立預處理陣列的光電二極管的探測信號。在此，由布置 在光電二極管陣列和電路之間的可編程接口靈活地、也就是通過接口的 編程可選擇或調節光電二極管和預處理電路的互相分配。
優選如此構造接口 ，使得始終恰好一個(尤其是任意的)光電二極 管可以明確地分配給預處理電路。^旦是替代于此，也可以如此構造接口， 使得可將多個光電二極管并聯地分配給共同的預處理電路。
預處理包含一個或多個處理步驟，利用這些處理步驟準備所分配的 光電二極管的輸出信號用于在控制單元中隨后分析。預處理尤其是(單 個地或以任意的組合地)包括模數轉換、測量值存儲、輸出信號的放大 或時間累積。因此將所分配光電二極管的輸出信號在預先規定數量的測 量循環上相加理解為累積。累積因此基本上對應于照明時間調節
(Belichtungszeiteinstellung)。
本發明所基于的思路在于，對于大多應用情況而言不需要陣列的所 有光電二極管。在機動車車窗玻璃升降器的防夾裝置的情況下，通常由 基本上平行于探測器單元光學軸的面給定監控范圍。這樣的監控范圍被 映射到基本上一維的圖像范圍中，即以或多或少寬的線條被映射到光電 二極管陣列上，但是該線條根據監控空間的幾何形狀大多是曲線的。另 一方面，監控范圍和因此還有圖像范圍通常針對防夾裝置的每一具體的 應用情況、例如也即針對應釆用該裝置的車輛類型是不同的。為了在避 免特定制造的情況下可以將該裝置用于盡可能多的應用情況，已認識到 在合理性制造的意義上有意義的是，用足夠大尺寸設計的光電二極管布 置來配備光電二極管陣列，該光電二極管布置覆蓋對于通常應用情況要 估計的監控范圍的圖像范圍。但是這種標準陣列對于單個應用情況而言通常是尺寸過大的，使得尤其是在陣列的邊緣處總是有可觀數量的光電 二極管是多余的，因為它們位于圖像范圍之外。如果給陣列的每一光電 二極管分配自己的預處理電路，尤其由此傳感器芯片的大小決定性地放 大，則已認識到該尺寸過大會特別不利地起作用。例如鑒于機動車中的 狹窄的位置情況，后者又會限制裝置的可用性，并使這種傳感器芯片的 制造昂貴。
在該緊張場(Spannungsfeld)下，通過上述的擴展方案實現合成方 案。由于通過編程可以靈活地互相分配光電二極管和預處理電路的可能 性，取消必須對于每一光電二極管設置分離的預處理電路的必要性。更 確切地，在傳感器芯片上集成足夠大數量的、但是通常基本未超過光電 二極管數量的預處理電路就足夠了，于是在具體的應用情況下可以有針 對性地給所述預處理電路分配用于對監控范圍的掃描重要的光電二極 管。這同時使得能夠既價格偏移地、又節省位置地實現仍然可以多方面 采用的傳感器芯片。
通過直接在傳感器芯片上預處理光電二極管的輸出信號，還達到特 別有利的信噪比。
在具有包括多個行和多個列的矩形光電二極管布置的兩維陣列中， 優選設置數量對應于行或列的數量的預處理電路。在此，可將分別由陣 列的行或列組成的光電二極管分別明確地分配給預處理電路。
在防夾裝置方面，根據本發明通過權利要求3的特征來解決該任務。 該裝置因此包括被設置用于向空間領域發射輻射的發射單元，以及被設 置用于檢測來自該空間領域的輻射場的探測器單元。該裝置還包括控制 單元，該控制單元被構造用于通過分析探測器單元的輸出信號在空間領 域中識別在預先規定的監控范圍中的障礙物。為此目的，探測器單元包 括上述類型的傳感器芯片。
尤其是由一個或多個軟件模塊來構成控制單元，所述一個或多個才莫 塊被實施到 一 個或多個硬件模塊上、尤其是微控制器或類似物上。
在此，優選在光電二極管陣列前連接映射光學裝置。將映射光學裝 置的概念理解為將從空間點出發射到光學裝置上的光束重新映射到圖 像空間的所定義的點中的光學元件(例如透鏡、鏡或類似物)或多個這 種元件的裝置。通過給光電二極管陣列前置映射光學裝置，監控范圍中的每一個點 被明確地映射到傳感器芯片周圍中的圖像點上，并且位置選擇性地由在 那里的光電二極管陣列探測。這能夠實現，與入射角有關地區分入射輻 射場的特征量(例如強度)。因此通過設計裝置實現監控范圍的空間分 段，其方式是將來自監控范圍的不同空間段中的光束映射到陣列的不同 的二極管上，并可以由這些二極管獨立地探測。在本發明的最寬廣的框 架內，陣列包括至少兩個、但是優選明顯更大數量的光電二極管。也即 空間分段的分辨率與陣列上的光電二極管的數量和密度有關。在陣列上 的光電二極管布置得越密和光電二極管的數量越大，則分段越精細，并 且按照入射角入射輻射場的特征量的分辨率越高。
與分別裝入在分離的二極管外殼中的分離的光電二極管相比較，光 電二極管陣列可以具有光電二極管的較高的數量和密度，例如以分段的 光敏層的形式。
按照該構造原理，因此可以用光電二極管的這種陣列和之前所確定 位置的映射光學裝置相應精細地識別入射光脈沖的入射角。
映射光學裝置、例如凸透鏡的采用還具有附加的優點即在兩維上 垂直于光學裝置的光軸地將由障礙物所反射的光成束，由此借助比較小 的透鏡可以集中比較大的光量。
在防夾裝置的優選實施方案中，控制單元被構造用于控制發射單元。
通過由控制單元控制發射單元，首先可能的是，只有當例如通過另 外的裝置校驗出夾住情況的提高的概率或由于系統狀態本身而該概率 提高，才激活發射單元。例如對于車窗，只有當窗正在被關閉，仍是開 著的，并且離閉合位置少于可以預先規定的最小數額，但是不處于靜止 的閉合狀態時，或當窗正在被打開時，光學防夾才必須是激活的。
優選地以脈動方式控制發射單元。通過以脈動方式控制發射單元， 可以通過由探測器單元識別的和相應分類的發射單元輻射具有特定標 志、例如具有特定強度調制的參考信號，使得可以屏蔽(ausblenden) 干擾效應(例如背景輻射)。為了識別信號，控制單元在此意義上作為 在控制單元和探測器單元之間的電子接口起作用。
在光學防夾裝置的另一優選實施方案中，發射單元包括多個發光二極管或多個激光二極管，其尤其在紅外范圍中輻射。
在光學防夾裝置的適當的改進方案中，發射單元包括用于定向輻射 的光學裝置，使得可以預先已如此程度地限制由發射場所檢測的空間領 域，以致于不僅預先規定的監控范圍完全被檢測，而且在所檢測的空間 領域和監控范圍之間的偏差盡可能小。發射場的聚焦是有意義的，以便 盡可能小地保持能量和處理耗費。
在該實施方案中優選以圓柱透鏡形式實現的該光學裝置尤其是被 構造用于生成基本上扇形的射束。
此外有利地，控制單元被構造用于，為了識別在監控范圍中的障礙 物，根據陣列的不同光電二極管的輸出信號的比較來檢測從空間領域入 射的輻射場的與預先規定的參考模式相偏離的空間上的(即與入射角有 關地變化的)強度分布或空間上不均勻的時間上的強度變化。將射到光 電二極管陣列上的光輻射的時間上的變化稱作空間上不均勻的強度變 化，所述光輻射對于光電二極管陣列的不同的空間范圍、也即尤其是對 于陣列的不同的光電二極管有不同的結果。如果對于不同光電二極管所 記錄的光強度同時以顯著不成比例的方式變化，則尤其是滿足該準則。
在此，非絕對地、而是與在其它光電二極管上入射的強度相比相對 地來分析在光電二極管處所測量的輻射強度或其數額方值與輻射強度 成比例的輻射幅度。相應的強度確定相應光電二極管的輸出信號的電流 強度，其用于分析被進一步處理。
通過相對的強度分析， 一方面防夾裝置變得與絕對的射入的光強度 無關，并因此與照明能量無關。因此有效降低裝置相對于絕對亮度波動 以及發射單元和探測器單元的與溫度有關地變化的運行性能的敏感性。
另 一方面，對空間上不均勻的強度變化的檢測能夠實現相對于干擾 效應、例如背景亮度的突然變化更好地區分局部受限制的障礙物，例如 伸到車窗玻璃的關閉路徑中的手。因此對于由環境的情況所確定的靜態 照明或對于背景輻射特征在于，輻射強度基本在空間上均勻地在時間上 變化。而通過在監控范圍中的空間上受限制的移動的障礙物決定輻射情 況的空間上不均勻的時間上的改變，該改變在陣列的不同的光電二極管 處導致所記錄的強度的不同大小的不成比例的時間上的改變。空間分段 的分辨率越高，則該效應對于分別更小的障礙對象證明更好。
8相對的強度分析在此尤其是有利地對比較小的和/或弱反射的障礙 對象的可靠識別產生作用，這些障礙對象的影響在對在探測器單元中所 探測的輻射的絕對分析時可能容易地由強的背景輻射覆蓋和由此而被 忽視。
相對的強度分析因而是一種有效的輔助，以便將背景輻射本身的時 間上的改變與輻射場的由于監控范圍中可移動的障礙物而引起的時間 上的改變區分開，并因此也在不利的照明情況下更好地識別可能的障礙 情況。
以下借助附圖詳細討論本發明的實施例。
在此分別以示意圖的方式
圖1以方框電路圖的方式展示了具有包括發射單元和探測器單元的 光電子組件以及具有控制單元的光學防夾裝置，
圖2以透視圖的方式展示了防夾裝置的第一實施形式，在該第一實 施形式中，包括控制單元的傳感器外圍印刷電路板關于光電子組件的傳 感器面平行地鄰近所述光電子組件，
圖3以根據圖2的示圖的方式展示了防夾裝置的替代實施形式，在 該替代實施形式中，傳感器外圍印刷電路板關于傳感器面正交地鄰近光 電子組件，
圖4以詳細的透視圖的方式展示了光電子組件，和
圖5以透視圖展示了具有可編程傳感器芯片的探測器單元的實施形式。
具體實施例方式
在圖中始終用相同的參考符號配備互相對應的部分和參量。
在圖1中示意性示出了光學防夾裝置1，該光學防夾裝置1被用作 機動車窗玻璃的電動車窗玻璃升降器的一部分。
裝置1包括光電子組件2以及控制單元3。控制單元3又包括發射 單元4和探測器單元6。
由發射單元4借助聚焦光學裝置8將扇形的射束10向空間領域12 輻射。在空間領域12內定義監控范圍14，其中在所迷監控范圍14內應 將侵入的對象識別為障礙物。探測器單元6包括映射光學裝置16和在光射入方向上連接在該映 射光學裝置16之后的傳感器芯片17。借助映射光學裝置16將從空間領 域12入射的(光)輻射場18映射(abbilden)到傳感器芯片17上。輻 射場18含有射束10的反射的分量以及來自空間領域12的背景輻射的 分量。
如果障礙物20位于空間領域12中，則由發射單元4所輻射的射束 10的光脈沖22射到障礙物20上，并由該障礙物20散射。在此，向探 測器單元6回射光脈沖22的分量24。
光脈沖22和因此還有回射的其分量24具有短時標定的 (kurzzeitskalig)強度調制作為標志(Signatur),使得探測器單元6可 以識別具有均勻地或最高長時標定地變化的背景輻射的入射輻射場18 中的分量24。分量24通過映射光學裝置16被導向傳感器芯片17,并 在那里被探測。
控制單元3借助調制電壓U來控制發射單元4用于發射周期性強度 調制的光脈沖，所述光脈沖的標志由調制電壓U確定。還將調制電壓U 作為參考量U，傳輸給探測器單元6。探測器單元6 (以下面詳述的方式) 與參考量U， 一起處理對應于所探測的輻射分量24的探測信號I,并將 從中所產生的探測器輸出信號U"轉發給控制單元3。該探測器輸出信號 含有關于在發射單元4和探測器單元6之間的所回射的分量24的幅度 和從而光強度的信息以及關于分量24的入射方向的信息。控制單元3 借助探測器輸出信號U"確定障礙物20的距離和位置，并校驗障礙物 20是否位于預先規定的監控范圍14中。如果情況如此，則控制單元3 向其它裝置、例如車窗玻璃升降器的控制裝置傳輸識別信號Id，所述其 它裝置隨即停止或逆反車窗玻璃的進給量。
根據圖2，光電子組件2具有基本上長方體形的外殼25。在這種情 況下，發射單元4和探測器單元6以分別所分配的光學裝置8或16在 外殼25的以下稱作傳感器面26的側面凸出。在根據圖2的實施方案中， 附加于組件2，裝置1還包括傳感器外圍印刷電路板28,該傳感器外圍 印刷電路板28至少包括控制單元的部分。在該實施方案中，傳感器外 圍印刷電路板28平行于傳感器面26定向，并且鄰近外殼25的與該傳 感器面26相對的側面30來布置。在優選的尺寸設計中，外殼25具有25 mm的高度a， 10mm的寬 度b,和約50mm的長度c。裝置1以光電子組件2的這些緊湊的尺寸 適用于作為車輛中的車窗防夾系統的所述用途。在此，防夾系統l利用 鄰近的傳感器外圍印刷電路板28被安裝在關于車窗玻璃位置固定的底 座(Untergrimd)上。
圖3中所示出的裝置1的實施形式基本上與上述實施形式結構相同 地被構造，但是與后者的差別在于，傳感器外圍印刷電路板28在這里 相對于組件2的傳感器面26正交地定向，并因此大體上垂直于外殼25 的側面30。
在圖4中以相對于圖1更詳細的示圖展示了光電子組件2。可以看 出組件2的兩個相距高度a的外殼側壁，這些外殼側壁對應于傳感器面 26和與該傳感器面26相對的側面30。在該示圖中沒有展示出外殼25 的其它側壁，使得在光電子組件2的內部空間中的元件變得可見。在該 示圖中還可以識別，發射單元4包括多個發光二極管32,所迷多個發光 二極管如此定向，使得它們借助以圓柱透鏡形式構造的聚焦光學裝置8 將從發光二極管32輸出的光散射到扇形的射束10中。
根據圖4，由凸透鏡形成探測器單元6的映射光學裝置16。傳感器 芯片17包括光電二極管36的在這里為一維的陣列34。
該示圖展示了以下的光路38和39,所述光路38和39從空間領域 12中的在這里示出為長形對象的障礙物20的相應端點經由光學裝置16 射到相應不同的光電二極管36上。
圖5展示了在探測器單元6的一種實施形式，其中設置可編程傳感 器芯片40。傳感器芯片17在這里(不同于圖4)包括以兩維矩陣的形 式以行47和列48布置的光電二極管45、 46的陣列44。在陣列44之前 連接多個預處理電路49,其中，預處理電路49的數量對應于陣列44的 行47的數量。可編程接口 50分別將來自行47的每一個的光電二極管 46恰好分配給預處理電路49之一。因此在相應分配的預處理電路49中 預處理這種光電二極管46的輸出信號，并傳輸給控制單元3。通過接口 49的配置，將陣列44的其它光電二極管45從預處理電路49脫耦，使 得不進一步處理這些光電二極管45的探測信號I。以此方式激活的光電 二極管46形成在兩維陣列44上的一維輪廓，以此由于映射光學裝置16的光路51在空間領域12中定義相對應地畫出輪廓的監控范圍14。
控制單元3將由不同光電二極管46所測量的光強度的變化互相比 較，并且如果該控制單元3確定光強度的顯著變化，則識別出障礙物20 存在，其中所迷光強度的顯著變化在空間上不均勻，也即不被所有光電 二極管46以相同的或相應的方式探測到。
權利要求
1.尤其是光學防夾裝置(1)用的光學傳感器芯片(17)，-具有光敏元件、尤其是光電二極管(45，46)的一維或兩維陣列(34)，-具有多個預處理電路(49)，用于分別對于元件(46)相應處理探測信號(I)，和-具有在陣列(44)和預處理電路(49)之間的可編程接口(50)，其中，借助所述接口(50)能夠將預處理電路(49)分配給每一個元件(45，46)。
2. 按照權利要求1的傳感器芯片(17),其中， -光敏元件(45, 46)的陣列(44)是兩維的，-預處理電路(49)的數量對應于陣列(44)的行(47)的數量或 列(48)的數量，和-能夠將分別來自陣列(44)的行(47)或列(48)中的元件(46) 分別恰好分配給一個相關電路(49)。
3. 光學防夾裝置(1),曙具有發射單元(4),其被設置用于向空間領域(12)發射輻射， -具有探測器單元(6)，其被設置用于檢測來自所述空間領域U2)的輻射場(18)，和-具有控制單元(3),其被構造用于通過分析探測器單元(6)的輸出信號(U，，)在空間領域(12)中識別在預先規定的監控范圍(14)中的障礙物(20),其中，所述探測器單元(6)包括按照權利要求l或2的傳感器芯片(17)。
4. 按照權利要求3的防夾裝置(1)，其中，所迷探測器單元(6) 包括在光入射方向上連接在傳感器芯片(17)前的映射光學裝置(16)。
5. 按照權利要求3或4的防夾裝置(1),其中，所述控制單元(3) :故構造用于以脈動方式控制發射單元(4)。
6. 按照權利要求3至5之一的防夾裝置(1)，其中，所迷發射單元 (4)包括多個發光二極管(32)和/或多個激光二極管。
7. 按照權利要求3至6之一的防夾裝置(1),其中，所述發射單元(4)包括用于形成基本上扇形的射束(10)的光學裝置(8)，尤其是 具有局部圓柱形表面形狀的透鏡。
8.按照權利要求3至7之一的防夾裝置(1 )，其中，所述控制單元(3)被構造用于，為了識別在監控范圍(14)中的障礙物(20),根 椐陣列(34)的不同光敏元件(36)的輸出信號(I)的比較來檢測輻射 場(18)的空間上不均勻的時間上的強度變化。
全文摘要
本發明涉及光學傳感器芯片(17)，尤其是用于光學防夾裝置(1)。該傳感器芯片(17)包括光敏元件的一維或兩維陣列(34)、尤其是光電二極管(45，46)；多個預處理電路(49)，用于分別為元件(46)處理探測信號(I)；和在陣列(44)和預處理電路(49)之間的可編程接口(50)，其中，借助接口(50)能夠將預處理電路(49)分配給每一個元件(45，46)。本發明還涉及光學防夾裝置(1)。該防夾裝置(1)包括發射單元(4)，其被設置用于向空間領域(12)發射輻射；探測器單元(6)，其被設置用于檢測來自空間領域(12)中的輻射場(18)；和控制單元(3)，其被構造用于通過分析探測器單元(6)的輸出信號(U”)，在空間領域(12)中識別在預先規定的監控范圍(14)中的障礙物(20)。探測器單元(6)在此包括上述的傳感器芯片(17)。
文檔編號G01D5/30GK101641573SQ200880009592
公開日2010年2月3日 申請日期2008年2月14日 優先權日2007年3月23日
發明者B·索法利 申請人:歐陸汽車有限責任公司