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Die Erfindung betrifft einen optoelektronischen
Sensor, insbesondere einen Reflexlichttaster, zum Detektieren eines
Objekts in einem Überwachungsfeld,
mit mindestens einem Lichtsender, mit mindestens n > 2 Lichtempfängern, insbesondere
reflexlichttaster mit einer Sendeoptik, mit einer Empfangsoptik
und mit einer Auswerteeinheit, wobei die Lichtempfänger räumlich nebeneinander
angeordnet sind.
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Optoelektronische Sensoren lassen
sich nach ihrer Funktionsweise grob in drei Gruppen einteilen: Einweglichtschranken,
Reflexlichtschranken und Reflexlichttaster. Im industriellen Einsatzgebiet sind
dabei für
den Anwender Reflexlichttaster meistens am praktischsten, da sie
den geringsten Einbauraum brauchen. Insbesondere benötigen Reflexlichttaster
kein zweites aktives Element wie Einweglichtschranken und keinen
Reflektor wie Reflexlichtschranken.
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Reflexlichttaster zur berührungslosen
optoelektronischen Erfassung von Gegenständen arbeiten entweder als
energetische V-Lichttaster oder als Lichttaster nach dem Triangulationsprinzip.
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Beim energetischen V-Lichttaster
wird das ausgesendete Licht an dem zu erfassenden Objekt diffus
reflektiert. Ein Teil des reflektierten Lichtes trifft auf den Lichtempfänger und
löst den
Schaltvorgang aus. Ausgewertet werden die beiden Zustände – Reflexion
oder keine Reflexion -, die gleichbedeutend sind mit der An- bzw.
Abwesenheit eines Gegenstandes im Tastbereich. Systembedingt ist
die Tastweite des einfachen energetischen V-Lichttasters daher sehr
stark vom Reflexionsgrad des zu überwachenden
Objektes abhängig.
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Die Triangulationslichttaster arbeiten
nach dem Doppellinsenprinzip, d. h. die Sendeoptik und die Empfangsoptik
sind räumlich
getrennt und der Sendestrahl und der Empfangsstrahl bilden einen Winkel
zueinander. Der Schnittpunkt von Sendestrahl und Empfangsstrahl
bestimmt den maximalen Tastabstand dieser Systeme. Wegen des relativ geringen
technischen Aufwandes haben Triangulationslichttaster unter Verwendung
von zwei Fotodioden – eine
für den
Nahbereich und eine für
den Fernbereich – allgemeine
Verbreitung gefunden. Der Schaltabstand wir dabei von der Lateralposition
der Trennlinie zwischen den beiden Fotodioden bestimmt.
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Nun gibt es häufig Anwendungsfälle, bei
denen es wünschenswert
ist, den Schaltabstand vor Ort einstellen zu können bzw. geänderten
Anforderungen entsprechend anpassen zu können. Die Einstellung des Schaltabstandes
erfolgt im Stand der Technik durch
- a) mechanisches
Verstellen des Empfängers,
- b) mechanisches Verstellen des Senders,
- c) mechanisches Verstellen eines Umlenkspiegels,
- d) mechanisches Verstellen der Sendeoptik und/oder der Empfangsoptik
oder
- e) elektronische Auswertung der Signale einer Doppeldiode.
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Der Nachteil solcher vom Bediener
vorzunehmenden mechanischen Einstellungen besteht darin, daß einerseits
die Einstellung entweder sehr unpräzise ist oder mit hohem Aufwand
vorgenommen werden muß,
andererseits eine mikroprozessorgesteuerte Einstellung (teach in)
nicht möglich
ist. Der Nachteil der elektronischen Auswertung der Signale einer
Doppeldiode besteht darin, daß scharfe Abbildungen
nicht möglich
sind, weil der Lichtfleck ein Signal auf beiden Dioden erzeugen
muß.
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Eine elektronische Einstellung des
Schaltabstandes ist in der deutschen Offenlegungsschrift 40 40
225 vorgeschlagen, die einen Reflexlichttaster mit zwei Lichtempfängern beschreibt,
von denen der eine für
den Nahbereich und der andere für
den Fernbereich vorgesehen ist. Als Schaltpunkt des Reflexlichttasters
ist dabei der Punkt vorgesehen, bei dem die Ausgangssignale der
beiden Lichtempfänger gleich
groß sind
und somit die Subtraktion der beiden Signalamplituden den Wert Null
ergibt. Durch unterschiedliche Verstärkung der Ausgangssignale der Lichtempfänger ist
somit der Schaltpunkt des Reflexlichttasters stufenlos einstellbar.
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Bei bestimmten eingestellten Schaltabständen, bei
denen der Anteil des auf den einen Lichtempfänger auftreffenden Lichtstrahlenbündels verhältnismäßig sehr
gering ist und das den anderen Lichtempfänger treffende reflektierte
Lichtstrahlenbündel
entsprechend groß ist,
muß zum
Erreichen gleich großer
Ausgangssignale in den beiden Empfangskanälen der Verstärkungsfaktor
für das
vom kleineren Lichtfleck generierte Signal entsprechend groß gewählt werden.
Dadurch werden jedoch auch Störsignale
entsprechend stark verstärkt.
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Alternativ ist eine elektronische
Einstellung des Schaltabstandes bei Verwendung einer positionsempfindlichen
Fotodiode (PSD) möglich.
Eine solche positionsempfindliche Fotodiode besteht in der Regel
aus einem Halbleiter definierter Länge und Fläche, innerhalb welcher die
Position eines auf die Oberfläche
treffenden Lichtstrahls in einer Dimension oder in zwei Dimensionen
bestimmt werden kann. Dazu werden die Kantenströme des Elements, d. h. der
Stromfluß parallel
zur Oberfläche
ausgewertet. Fällt
kein Licht auf das Element, fließt im Idealfall trotz anliegender
Vorspannung kein Strom über
die Kanten. Im Falle eines Linienhalbleiters der Länge L hat
ein Lichteinfall am Ort 0 ≤ x ≤ L, gemessen
von einer Kante des Linienhalbleiters, einen Strom I
o zur Folge,
der über
die Materialstärke
der Länge
x und (L-x) zur einen Kante bzw. zur anderen Kante abfließt und dort
als Kantenstrom I
a bzw. I
b meßbar ist.
Das Mate-rial der Länge
x bzw. (L-x) stellt für
die durch den Lichteinfall freigesetzten Ladungs-träger zwei parallel
geschaltete Widerstände
R
a und R
b dar, wobei
R
a proportional zur Länge x und R
b proportional zur
Länge (L-x),
also jeweils zur Länge
des durch-flossenen Materials ist. Aus dem Verhältnis der Kantenströme wird
auf das Verhältnis
der Widerstände
und schließlich
auf den Ort x geschlossen, wobei gilt:
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Nachteilig an positionsempfindlichen
Fotodioden ist zum einen, daß sie
aus einem einstückigen Halbleiter
mit einer begrenzten sensiblen Fläche bestehen, wodurch großflächige ortsauflösende Reflexlichttaster
nur schwer und kostenspielig zu realisieren sind, ist zum anderen,
daß der
Innenwiderstand der positionsempfindlichen Fotodioden zu klein und ungenügend reproduzierbar
ist, was zu einer relativ flachen Sensorkennlinie führt.
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Aus der deutschen Offenlegungsschrift
197 09 311 ist ein optoelektronischer Sensor bekannt, bei dem eine
positionsempfindliche Fotodiode durch über eine Widerstandskette verkoppelte
Fotodioden nachgebildet ist. Hierdurch ist zwar die Möglichkeit geschaffen,
einen großflächigen ortsauflösenden Reflexlichttaster
zur Verfügung
zu stellen; der bekannte Reflexlichttaster weist jedoch die gleiche
flache Kennlinie wie eine positionsempfindliche Fotodiode auf.
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Ein eingangs beschriebener optoelektronischer
Sensor ist aus der
DE 197 21
105 bekannt. Dabei sind die einzelnen Sensorelemente über je einen Schalter
entweder mit einer ersten oder einer zweiten parallelen Leitung
verbunden, so daß je
nach der Stellung des Schalters unterschiedliche Sensorelemente
zusammengeschaltet werden können.
Insgesamt ist dabei sowohl eine relativ große Anzahl an Schaltern erforderlich,
nämlich
doppelt soviel Schalter wie Sensorelemente vorhanden sind, als auch das
Schalten mehrerer Schalter notwendig, um die Sensorbereiche neu
einzustellen.
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Der vorliegenden Erfindung liegt
die Aufgabe zugrunde, einen optoelektronischen Sensor zur Verfügung zu
stellen, bei dem der Schaltabstand elektronisch eingestellt werden
kann, der eine steile Kennlinie aufweist und mit einer möglichst
einfach aufgebaut ist.
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Diese Aufgabe ist nach der Lehre
der Erfindung dadurch gelöst,
daß die
Lichtempfänger
einerseits an ein gemeinsames Potential angeschlossen sind und andererseits
benachbarte Lichtempfänger jeweils über einen
einfachen elektronischen Schalter, d. h. einen Öffner oder einen Schließer miteinander verbunden
sind, daß bei
n Lichtempfängern
n-1 Schalter vorhanden sind und daß der erste Lichtempfänger mit
einem ersten Kanal der Auswerteeinheit und der n-te Lichtempfänger mit
einem zweiten Kanal der Auswerteeinheit verbunden sind.
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Ein wesentlicher Vorteil der Lehre
der Erfindung besteht darin, daß der
Schaltabstand durch das Schalten eines einzigen beliebigen Schalters
eingestellt werden kann. Dabei wird durch die Vermeidung eines niedrigen
Lateralwiderstandes, also eines niedrigen Interelektrodenwiderstandes, – wie er
bei einer positionsempfindlichen Fotodiode vorhanden ist, – anstelle
einer flachen Kennlinie für
einen großen Ortsbereich
eine Schar von steilen Kennlinien erreicht, die sich jeweils über einen
kleinen Ortsbereich erstrecken, in der Summe aber den gewünschten großen Ortsbereich
abdecken.
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Vorteilhafterweise werden als Lichtempfänger in
Sperrichtung geschaltete Si-Dioden,
insbesondere CMOS-Dioden verwendet, da diese sich kostengünstig in
ein CMOS-ASIC integrieren lassen. Sind die einzelnen Fotodioden
und/oder die einzelnen Schalter auf einem Chip integriert, so werden
außer den
drei Signalanschlüssen
für die
Fotodioden nur wenige Steuerleitungen für die Schalter bzw. Wechselschalter
benötigt.
Als Schalter werden dabei vorteilhafterweise CMOS-Schalter verwendet,
weil sie sehr hohe Schaltfrequenzen ermöglichen. Um die Zahl der benötigten Leitungen
zu verringern, werden die integrierten Schalter mittels einer ebenfalls
auf dem CMOS-ASIC befindlichen Steuerlogik über eine serielles Protokoll
angesteuert. Diese serielle Schnittstelle läßt sich einfach von einem Mikroprozessor
ansteuern, so daß der
Mikroprozessor die am besten geeignete Trennstelle auf der Fotodiodenzeile sehr
schnell auswählen
kann.
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Nach einer weiteren vorteilhaften
Ausgestaltung der Erfindung, die hier noch kurz erwähnt werden
soll, weisen die einzelnen Lichtempfänger eine unterschiedliche
Breite auf, wobei die Lichtempfänger,
welche den Nahbereich detektieren, eine größere Breite aufweisen als diejenigen
Lichtempfänger, die
den Fernbereich überwachen.
Dadurch wird der Tatsache Rechnung getragen, daß gleichlange Detektionsbereiche
auf der durch die einzelnen Lichtempfänger gebildeten Sensorzeile
unterschiedlich lang abgebildet werden (Schärfe, Abbildungsmaßstab).
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Im übrigen kann auf dem CMOS-ASIC
ein weiterer Signaleingang für
eine zusätzliche,
dem Nahbereich zugeordnete Fotodiode vorgesehen sein. Wird diese
dem Nahbereich zugeordnete zusätzliche
Fotodiode vorteilhaft positioniert, so kann die Blindzone des Sensors
nahezu vollständig
beseitigt werden.
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Für
die zuvor beschriebene bevorzugte Ausführungsform des erfindungsgemäßen Sensors
gelten insbesondere folgende Vorteile:
- a) Es
ist eine hohe Störsicherheit
gewährleistet, weil
alle empfindlichen Signalleitungen im CMOS-ASIC integriert sind.
- b) Es sind insgesamt wenige Anschlüsse, d. h. wenige Versorgungsleitungen
erforderlich, was eine kleine Bauform ermöglicht.
- c) Es ist ein kompakter Aufbau möglich, weil nur ein CMOS-ASIC
zum Einsatz kommt.
- d) Es liegt eine kostengünstige
Ausführung
vor, weil mit einem standardisierten CMOS-ASIC gearbeitet werden
kann.
- e) Durch den Mikroprozessor ist eine einfache Ansteuer- und
Auswertbarkeit gegeben.
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Im einzelnen gibt es nun eine Vielzahl
von Möglichkeiten,
den erfindungsgemäßen optoelektronischen
Sensor auszugestalten. Dazu wird verwiesen einerseits auf die dem
Patentanspruch 1 nachgeordneten Patentansprüche, andererseits auf die Beschreibung
bevorzugter Ausführungsbeispiele
in Verbindung mit der Zeichnung. In der Zeichnung zeigen
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1 eine
Prinzipskizze einer ersten Ausführungsform
eines erfindungsgemäßen Reflexlichttasters,
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2 eine
Prinzipskizze einer zweiten Ausführungsform
eines erfindungsgemäßen Reflexlichttasters
und
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3 eine
schematische Darstellung der Verschaltung von n Fotodioden gemäß der Lehre
der Erfindung.
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Ein Reflexlichttaster, dessen Funktionsweise im
folgenden anhand der 1 bis 3, insbesondere der 1 und 2,
erläutert
werden soll, besteht aus einem Lichtsender 1, einer Anzahl
von n Fotodioden 2, welche zu einer Fotodioden zeile 3 zusammengeschaltet
sind, einer Sendeoptik 4 und einer Empfangsoptik 5:
Selbstverständlich
gehören
zu einem funktionsfähigen
Reflexlichttaster noch weitere Bauteile, insbesondere eine – in der 3 schematisch dargestellte – Auswerteeinheit 6,
weitere hier nicht dargestellte elektronische Bauteile und Anschlüsse sowie
ein ebenfalls nicht dargestelltes Gehäuse.
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Das von dem Lichtsender 1,
in der Regel einer Halbleiterdiode, insbesondere einer Si-Diode,
erzeugte Sendelicht, wobei es sich zumeist um infrarotes Sendelicht
handelt, tritt durch die Sendeoptik 4 aus dem Reflexlichttaster
aus. In den 1 und 2 ist anstelle eines tatsächlich vorhandenen
Sendelichtbündels
lediglich dessen Zentralstrahl 7 dargestellt. Trifft dieser
Zentralstrahl 7 auf das zu detektierende Objekt 8,
so wird er an diesem diffus reflektiert. Ein Teil des reflektierten
Lichts trifft durch die Empfangsoptik 5 auf mindestens
eine einen Lichtempfänger darstellende
Fotodiode 2 der Fotodiodenzeile 3. Auch bei dem
reflektierten Licht ist in den 1 und 2 wiederum nur der Zentralstrahl 9 dargestellt.
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Wie anhand der 1 und 2 leicht
zu erkennen ist, trifft der reflektierte Zentralstrahl 9 in
Abhängigkeit
von der Position des den Zentralstrahl 7 reflektierenden
Objekts 8 die Fotodiodenzeile 3 an unterschiedlichen
Stellen, d. h. unterschiedliche Fotodioden 2 der Fotodiodenzeile 3.
Eine Auswertung der einzelnen Fotodioden 2 der Fotodiodenzeile 3 ermöglicht somit
eine Aussage über
den Abstand des Objekts 8 vom Reflexlichttaster bzw. bei
entsprechender Auswertung der einzelnen, von den Fotodioden 2 gelieferten
Ströme
einen Schaltimpuls des Reflexlichttasters, wenn sich das zu überwachende
Objekt 8 innerhalb eines bestimmten, vorgegebenen Abstandes
zum Reflexlichttaster befindet.
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3 zeigt
nun die erfindungsgemäße Verschaltung
der einzelnen Fotodioden 2 der Fotodiodenzeile 3.
Bei der in 3 dargestellten
Ausführung der
Erfindung sind die n Fotodioden 2 (21 .....
2n) einerseits, nämlich jeweils mit der Kathode 10,
an ein gemeinsames Potential 11 angeschlossen, andererseits
sind die Anoden 12 benachbarter Fotodioden 2 über einen Öffner 13 miteinander
verbunden. Vorteilhafterweise handelt es sich bei den Fotodioden 2 um in
Sperrichtung geschaltete, so daß das
gemeinsame Potential 11 der Kathoden 10 positiv
ist. Selbstverständlich
können
jedoch auch andere Lichtempfänger, beispielsweise
Fotowiderstände,
verwendet werden, oder die Fotodioden können umgekehrt verschaltet
sein, so daß die
Anoden der einzelnen Fotodioden auf einem gemeinsamen Potential
liegen und entsprechend zwischen den Kathoden benachbarter Fotodioden
einfache elektronische Schalter, d. h. Öffner oder Schließer, geschaltet
sind.
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Bei der Verschaltung der einzelnen
Fotodioden 2 der Fotodiodenzeile 3 gemäß der Lehre
der Erfindung, wie sie in 3 dargestellt
ist, ist die erste Fotodiode 21 fest mit einem ersten Kanal 14 der
Auswerteeinheit 6 und die nte Fotodiode 2n fest
mit einem zweiten Kanal 15 der Auswerteeinheit 6 verbunden. Wenn
man davon ausgeht, daß die
n-1 Öffner 13 normalerweise
geschlossen sind, kann durch Schalten einer der Öffner 13 eine Unterteilung
der Fotodiodenzeile 3 in eine "Nahdiode" und eine "Ferndiode"
entsprechend einer aus dem Stand der Technik bekannten Doppeldiode
erfolgen. Da einerseits die Trennlinie zwischen der "Nahdiode" und
der "Ferndiode" den Schaltabstand des Reflexlichttasters festlegt,
andererseits der zu schaltenden Öffner 13 und
damit die Trennlinie zwischen "Nahdiode" und "Ferndiode" frei bestimmbar
ist, kann auf elektronischem Wege der Schaltabstand des Reflexlichttasters
eingestellt werden.
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Wählt
man beispielsweise nicht nur eine sondern zwei Trennstellen, wobei
dann lediglich die Fotodioden 2 im mittleren Bereich der
Fotodiodenzeile 3 auf den ersten Kanal 14 und
die Fotodioden 2 der beiden Randbereiche der Fotodiodenzeile 3 auf
den zweiten Kanal 15 geschaltet werden, so ist eine gleichzeitige
Realisierung einer Vordergrundausblendung und einer Hintergrundausblendung
möglich.
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Eine gleichzeitige Realisierung von
Vorder- und Hintergrundausblendung ist dabei dadurch möglich, daß anstelle
von einem Öffner 13 zwei Öffner 13 geschaltet
werden. Dadurch wird die Fotodiodenzeile 3 in drei Bereiche
aufgeteilt, wobei die beiden äußeren Bereiche
zusammengeschaltet, d. h. auf einen gemeinsamen Kanal geschaltet
werden.
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Durch die Verwendung von schnell
schaltenden Fotodioden 2, beispielsweise Si-Dioden, und
die Integration der einzelnen Fotodioden 2 und der einzelnen
Schalter auf einen Chip werden zum einen nur wenige Anschlußleitungen
be nötigt,
zum anderen lassen sich sehr hohe Schaltfrequenzen ermöglichen,
so daß innerhalb
kürzester
Zeit der gesamte Detektionsbereich durchlaufen bzw. von einer Schaltschwelle
auf eine andere Schaltschwelle umgeschaltet werden kann. Eine sich
daraus ergebende mögliche
Anwendung besteht darin, daß zunächst detektiert
wird, ob ein sich periodisch näherndes
Objekt eine erste Schaltschwelle überschritten hat, um sodann
durch Umschalten auf einen kleineren Schaltabstand zu überprüfen, ob
das Objekt regelmäßig einen,
als "Sicher-Ein-Zustand" definierten Abstand erreicht oder beispielsweise
einen vorgegebenen minimalen Abstand zum Reflexlichttaster unterschreitet. Voraussetzung
hierfür
ist, daß die
Umschaltung von einer Schaltschwelle zu einer neuen Schaltschwelle und
die Auswertung des Meßergebnisses
schneller erfolgt als sich das zu überwachende Objekt bewegt. Bei
dem erfindungsgemäßen Reflexlichttaster
ist dies für
einen großen
Anwendungsbereich der Fall, da der gesamte Detektionsbereich schnell
durchlaufen werden kann.
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1 zeigt
insoweit eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung,
als die Breite der einzelnen Fotodioden 2 der Fotodiodenzeile 3 variiert, insbesondere
die Breite von der ersten Fotodiode 21 zur n-ten Fotodiode
2n abnimmt, wobei die erste Fotodiode 2l dem
Nahbereich und die n-te Fotodiode 2n dem
Fernbereich des Überwachungsfeldes
zugeordnet ist. Hierdurch kann die Anzahl der erforderlichen Fotodioden 2 verringert
werden, ohne daß die
noch erreichbare Genauigkeit wesentlich beeinträchtigt wird. Je nach Anwendungsfall
besteht eine Fotodiodenzeile 3 aus drei bis zweihundertsechsundfünfzig Fotodioden 2.
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Um kompakte Reflexlichttaster zu
ermöglichen,
wird vorteilhafterweise auf Umlenkspiegel oder Strahlteiler verzichtet,
so daß die
Sendeoptik 4 und die Empfangsoptik 5 lediglich
aus jeweils einer, parallel zueinander ausgerichteten Linse mit
geringem Basisabstand besteht. Gegenüber der Sensormittellinie 20,
auch Basislinie genannt, ist die Fotodiodenzeile 3 dabei,
wie in 1 angedeutet,
mit ihrer Grundlinie 21 unter einem Winkel ∝ von 20° bis 60° und mit
einem relativ geringen Abstand zu der Sensormittellinie 20 angeordnet.
Das Ausführungsbeispiel
nach 2 unterscheidet sich vom Ausführungsbeispiel
nach 1 dadurch, daß einerseits
die Fotodiodenzeile 3 mit ihrer Grundlinie 21 unter
einem rechten Winkel β angeordnet
ist, daß andererseits – zusätzlich zu
der Fotodiodenzeile 3 – eine
weitere Fotodiodenzeile 22 vorge sehen ist; statt der Fotodiodenzeile 22 kann
auch eine einzelne Fotodiode vorgesehen sein. Dabei ist der Winkel γ zwischen
der Grundlinie 23 der zweiten Fotodiodenzeile 21 und
der Sensormittellinie 20 kleiner als der Winkel ∝ beim Ausführungsbeispiel
nach 1. Mit Hilfe der
zweiten Fotodiodenzeile 22 kann eine Reflexion im Nahbereich
erfaßt
werden, die durch die Fotodiodenzeile 3 nicht erfaßt werden
kann.
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Vorzugsweise sind alle Fotodioden
und alle Schalter auf einem CMOS-ASIC realisiert sind. Auf diesem
CMOS-ASIC sind dann zusätzlich
auch Vorverstärker
realisiert; wobei jeder Diode ist ein Vorverstärker zugeordnet ist. Darüber können auf
dem CMOS-ASIC noch Signalverstärker
sowie eine Ansteuerlogik realisiert sein.
