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Die
Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Ablenkung des Strahlenverlaufs
in einem optischen System sowie die Verwendung einer derartigen
Vorrichtung.
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Bei
optischen Systemen, wie z. B. Entfernungsmesssystemen in der Fahrzeugtechnik
oder Kassensystemen an Supermarktkassen, bei denen eine Auswertung
eines an einem Objekt reflektierten Lichtstrahls erfolgt, werden
oftmals rotierende Polygonspiegel mit einer Mehrzahl von mit einem
bestimmten Winkel geneigten Spiegelflächen zur Anwendung gebracht.
Durch den rotierenden Polygonspiegel wird eine flächenhafte
Bereichsabtastung erzielt.
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Nachteilig
an Systemen mit rotierenden Polygonspiegeln ist zum einen, dass
für die
Lagerung des Polygonspiegels eine teure, nahezu spielfreie und robuste
Präzisionsmechanik
benötigt
wird, und zum anderen, dass infolge des rauen Einsatzgebietes in
der Fahrzeugtechnik bedingt durch Vibration, Motorgeräusche, Karosserieresonanzen,
Fahrbahnunebenheiten, Schlaglöcher
erhebliche mechanische Kräfte
auf die relativ schwere Konstruktion einwirken, die sich negativ
auf Messgenauigkeit und Lebensdauer des Systems auswirken.
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Aus
dem Stand der Technik ist eine Vielzahl derartiger Systeme bekannt,
bei denen ein Lichtstrahl durch einen rotierenden Polygonspiegel
abgelenkt wird.
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Beispielsweise
wird in der
DE 101
39 237 A1 eine Vorrichtung mit einem Detektorelement zum Empfang
eines an einem Objekt reflektierten Lichtstrahls mit Mitteln zur
Umlenkung des reflektierten Lichtstrahls auf das Detektorelement
beschrieben, bei der als Mittel zur Ablenkung des reflektierten Licht strahls
ein sich drehender Polygonspiegel mit einer Mehrzahl von mit einem
bestimmten Winkel geneigten Spiegelflächen vorgesehen ist, wobei
das Detektorelement in Richtung der Drehachse des Polygonspiegels
angeordnet ist und zur Fokussierung des reflektierten Lichtstrahls
auf das Detektorelement jeder Spiegelfläche des Polygonspiegels eine Optik
zugeordnet ist, die synchron mit dem Polygonspiegel rotiert. Die
mitrotierenden Optiken verstärken die
ohnehin auf den rotierenden Polygonspiegel wirkenden Trägheitskräfte, so
dass die Anforderungen an die Präzision
und Robustheit der Lagerung noch gesteigert werden.
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Aus
DE 197 49 926 A1 und
DE 197 49 923 A1 sind
Aufzeichnungsvorrichtungen mit Laserabtastung bekannt, bei denen
das von einer Laserlichtquelle abgegebene Laserlicht an einem Polygonspiegel
zum Abtasten eines lichtempfindlichen Aufzeichnungsträgers reflektiert
wird. Die beschriebenen Aufzeichnungsvorrichtungen kommen in Laserdruckern zum
Einsatz und sollen Änderungen
des Reflexionsgrades der Reflexionsflächen des Polygonspiegels durch
Leistungssteuerung der Laserdiode ausgleichen.
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Weiterhin
sind aus dem Anwendungsgebiet des Laserfernsehens zur Laserstrahlablenkung
Silizium-Mikrospiegel (so genannte Torsionsaktoren) bekannt. Einen Überblick über solche
Silizium-Mikrospiegel bieten die Website http://www.infotech.tuchemnitz.de/~zfm/forschung/mikrospiegel.html
sowie die Dissertation "Ein
neuartiger Mikroaktor zur ein- und zweidimensionalen Ablenkung von
Licht", vorgelegt
am Fachbereich Elektrotechnik der Gerhard-Mercator-Universität Gesamthochschule
Duisburg von Dipl.-Phys. Harald Schenk. Derartige Mikrospiegel weisen
bei ebener Spiegelfläche
maximale Auslenkwinkel von 2° bis
5° statisch
bzw. 10° bis
40° in Resonanz
auf. Die Ansteuerung zur Aullenkung des Strahlenverlaufes erfolgt
durch elektro-statische Anregung.
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Ausgehend
von diesem Stand der Technik stellt sich die vorliegende Erfindung
die Aufgabe, eine Vorrichtung zur Ablenkung des Strahlenverlaufs in
einem optischen System, insbesondere in einem System zur Abstandsmessung
oder zur Detektion von Gegenständen
in einem wählbaren
Bereich um ein bewegtes Fahrzeug, anzugeben, die kostengünstig herzustellen
ist, keine Präzisionslagerung
benötigt,
eine hohe Verschleißfestigkeit,
hohe Zuverlässigkeit
und lange Lebensdauer aufweist sowie unempfindlich gegenüber mechanischen
Störgrößen ist und
mit geringem Energieaufwand regelbar ist.
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Erfindungsgemäß wird die
Aufgabe gelöst durch
eine Vorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 1 sowie Verwendungen
der erfindungsgemäßen Vorrichtung
nach Anspruch 8; vorteilhafte Weiterbildungen sind Gegenstand von
Unteransprüchen.
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Die
erfindungsgemäße Vorrichtung
zur Ablenkung des Strahlenverlaufs in einem optischen System, insbesondere
in einem System zur Abstandsmessung oder zur Detektion von Gegenständen in
einem wählbaren
Bereich um ein bewegtes Fahrzeug umfasst mindestens eine Lichtquelle,
mindestens ein Detektorelement sowie mindestens ein Umlenkelement
zur Umlenkung des Lichtstrahls, wobei als Umlenkelement ein Silizium-Mikrospiegel
vorgesehen ist.
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Zur
Abstandsmessung bzw. zur Detektion von Objekten in der Umgebung
der Vorrichtung sendet die Lichtquelle in bekannter Weise einen
Lichtstrahl aus. Die Lichtquelle kann beispielsweise eine Laserdiode
oder eine Gasentladungslampe mit einem vorgeschalteten Polarisationsfilter
sein. Die Verwendung monochromatischen oder polarisierten Lichts
steigert die Zuverlässigkeit
der Objekterkennung.
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Der
Lichtstrahl wird von in der Umgebung befindlichen Objekten reflektiert
und anschließend
von dem Detektorelement erfasst. Als Detektorelement kann beispielsweise
ein so genannter CCD-Sensor verwendet werden. Im Strahlengang des
Licht strahls angeordnet umfasst die Vorrichtung außerdem mindestens
ein Umlenkelement zur Umlenkung des Lichtstrahls.
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Prinzipiell
kann das Umlenkelement zu zwei verschiedenen Zwecken alternativ
oder kumulativ eingesetzt werden.
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Zum
einen ist es möglich,
mit dem Umlenkelement oder einer Anordnung mehrerer Umlenkelement
den Lichtstrahl vor dem Aussenden so zu beeinflussen, dass ein möglichst
großer
Bereich der Umgebung beleuchtet wird.
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Hierzu
wird mittels eines oder mehrerer Umlenkelement mit dem Lichtstrahl
die Umgebung ein- oder zweidimensional abgetastet oder der Lichtstrahl gestreut.
Hierzu wird das Umlenkelement oder die Anordnung von Umlenkelementen
an einer vor dem Austritt des Lichtstrahls aus der Vorrichtung liegenden
Position im Strahlengang angeordnet. Das von einem im Ausleuchtungsbereich
befindlichen Objekt reflektierte Licht wird von dem Detektorelement
erfasst und anschließend
in bekannter Weise, etwa nach dem Laufzeitverfahren, der Abstand
des reflektierenden Objekts ermittelt und/oder die Existenz eines
Objekts festgestellt.
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Zum
anderen kann zur Verbesserung der Empfindlichkeit und Messgenauigkeit
der Vorrichtung das einfallende reflektierte Licht mittels eines
Umlenkelements oder einer Anordnung von Umlenkelementen so gebündelt werden,
dass es dem Detektorelement zugeführt wird. Hierzu wird das Umlenkelement
oder die Anordnung von Umlenkelementen an einer vor dem Detektorelement
liegenden Position im Strahlengang angeordnet. Das reflektierte
Licht wird von dem Detektorelement erfasst und anschließend wie
oben beschrieben weiterverarbeitet.
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Beide
Möglichkeiten
der Anordnung des oder der Umlenkelement sind auch kumulativ in
einer Vorrichtung einsetzbar, so dass der Lichtstrahl vor dem Austreten
aus der Vorrichtung durch ein erstes Umlenkelement oder eine erste
Anordnung von Umlen kelementen gestreut wird oder einen wählbaren Bereich
der Umgebung abtastet und das reflektierte Licht nach dem Wiedereintreten
in die Vorrichtung durch ein zweites Umlenkelement oder eine zweite Anordnung
von Umlenkelementen auf das Detektorelement geleitet wird.
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Die
Ablenkung des Lichtstrahls erfolgt vorzugsweise anstelle einer mechanisch
aufwendigen Polygonspiegel-Konstruktion mittels eines Silizium-Mikrospiegels
(eines so genannten Torsionsaktors) oder einer Anordnung solcher
Silizium-Mikrospiegel. Diese stellen in der Vorrichtung das Umlenkelement
dar. Alternativ kann der Silizium-Mikrospiegel auf einem als ASIC
oder Halbleiterelement ausgebildeten Umlenkelement angeordnet sein.
Durch Ansteuerung des oder der Silizium-Mikrospiegel mittels elektro-statischer
Anregung zur Aullenkung des Strahlenverlaufes kann auf einfache
Art und Weise eine Regelstrecke realisiert werden, damit der vorgegebene
Soll-Auslenkungsbereich kontrolliert und gesteuert werden kann.
Hierzu wird der abgelenkte Strahl z. B. an mindestens zwei Referenzpunkten kontrolliert
und je nach dem aktuellen Ergebnis stärker oder schwächer abgelenkt.
Dabei wird mittels Anlegen einer vorgegebenen Ablenkspannung in
einer Prüf-
oder Initialisierungsphase ermittelt, bei welchem Wert der Ablenkspannung
die den Soll-Auslenkungsbereich begrenzenden oder einen Referenz-Ablenkwinkel
bildenden Referenzpunkte erreicht sind. Anschließend kann kontinuierlich mittels eines
Spannungshubes zwischen den ermittelten Werten für die Ablenkspannung ein beliebiger
Auslenkungsbereich oder Ablenkwinkel eingestellt werden.
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Die
mit der Erfindung erzielten Vorteile bestehen insbesondere darin,
dass bedingt durch den einfachen Aufbau der Vorrichtung unter Verwendung eines
Silizium-Mikrospiegels als Umlenkelement ein besonders kostengünstiges
System zur Abstandsmessung oder zur Detektion von Gegenständen in
einem wählbaren
Bereich um ein bewegtes Kraftfahrzeug ermöglicht ist, da keine Präzisionsmechanik
in Form von Lagern etc. er forderlich ist. Weiterhin weist die Vorrichtung
eine höhere
Verschleißfestigkeit
auf, da die beweglichen Teile ein deutlich geringeres Eigengewicht
gegenüber
einem Polygonspiegelsystem aufweisen, wodurch der Einfluss der Trägheitskräfte auf
ein vernachlässigbar
kleines Maß schrumpft.
Das System ist weniger störanfällig und
weist eine höhere Zuverlässigkeit
und längere
Lebensdauer als herkömmliche
Systeme auf, da es unempfindlicher gegenüber mechanischen Störgrößen ist.
Die Vorrichtung ist einfach und mit geringem Energieaufwand regelbar
und realisiert eine kontinuierliche Umlenkung des Lichtstrahls.
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Die
Vorrichtung kann für
alle Arten optischer Erkennungsgeräte, wie Scannerkassen, Warenwirtschaftssysteme,
Akten- oder Bibliothekenverwaltungssysteme, Pre-Crash-Systeme oder
elektronische Deichseln zur Verwendung an Kraftfahrzeugen usw. eingesetzt
werden.
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Ausführungsbeispiele
der Erfindung werden nachfolgend anhand einer Zeichnung näher erläutert. Darin
zeigen:
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1 eine Vorrichtung zur Ablenkung
eines Strahlungsverlaufs, bei der mehrere einzeln steuerbare Silizium-Mikrospiegel an einer
vor dem Austritt des Lichtstrahls aus der Vorrichtung liegenden
Position im Strahlengang angeordnet sind,
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2 eine alternative Ausführungsform
für eine
Vorrichtung zur Ablenkung eines Strahlungsverlaufs, bei der mehrere
einzeln steuerbare Silizium-Mikrospiegel an einer vor dem Detektorelement
liegenden Position im Strahlengang angeordnet sind, und
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3 ein Diagramm zur Einstellung
eines Referenz-Ablenkwinkels mittels einer einstellbaren Ablenkspannung
am Silizium-Mikrospiegel.
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Einander
entsprechende Teile sind in allen Figuren mit den gleichen Bezugszeichen
versehen.
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In 1 ist eine Vorrichtung 1 zur
Ablenkung eines Strahlungsverlaufs (im Weiteren kurz Ablenkvorrichtung 1 genannt)
dargestellt, bei der ein Umlenkelement 2 vorgesehen ist,
das mindestens einen in seiner Position einstellbaren Silizium-Mikrospiegel 3 umfasst
und an einer vor dem Austritt des Lichtstrahls aus der Ablenkvorrichtung 1 liegenden
Position im Strahlengang angeordnet ist.
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Die
Ablenkvorrichtung 1 umfasst eine Lichtquelle 4,
deren erzeugtes Licht L fällt
zunächst
innerhalb der Ablenkvorrichtung 1 auf den Silizium-Mikrospiegel 3 des
Umlenkelements 2. Je nach Art und Ausbildung des Umlenkelements 2,
insbesondere in Abhängigkeit
vom Auflösungsgrad
oder der Größe des zu
erfassenden Raumes umfasst das Umlenkelement 2 wie dargestellt
mehrere Silizium-Mikrospiegel 3, welche zeilen- und/oder
spaltenförmig
in Art einer Matrix angeordnet sein können.
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Die
einzelnen Silizium-Mikrospiegel 3 werden über Steuerleitungen 6 statisch
so ausgerichtet, dass das von der Lichtquelle 4 ausgesandte
Licht L von jedem Silizium-Mikrospiegel 3 in eine andere Richtung
abgelenkt wird. Hierdurch wird erreicht, dass ein größerer Bereich
des die Ablenkvorrichtung 1 umgebenden Raums ausgeleuchtet
wird. Die Auslenkung der einzelnen Silizium-Mikrospiegel 3 kann vorteilhaft
an die aktuelle Situation, beispielsweise eine geänderte Fahrtrichtung
eines Fahrzeugs, angepasst werden.
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Alternativ
können
die Silizium-Mikrospiegel 3 auch dynamisch angesteuert
werden, so dass mit dem ausgesendeten Licht L der zu überwachende Raum
beispielsweise zeilenförmig
abgetastet wird. In dieser Ausgestaltung der Ablenkvorrichtung 1 werden
weniger Silizium-Mikrospiegel 3 benötigt, jedoch wird der zu überwachende
Raum dann nicht permanent vollständig,
sondern immer nur teilweise ausgeleuchtet.
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Nach
dem Ablenken durch die Silizium-Mikrospiegel 3 sendet die
Ablenkvorrichtung 1 das Licht L aus.
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Trifft
das von der Ablenkvorrichtung 1 auf diese Weise ausgesendete
Licht L auf ein Objekt O, das sich innerhalb des ausgeleuchteten
Raums befindet, so wird das Licht L von diesem Objekt O teilweise
reflektiert. Das reflektierte Licht LR kehrt zur Ablenkvorrichtung 1 zurück und trifft
dort auf ein zugehöriges
Detektorelement 8. Das Detektorelement 8 verfügt über eine
Datenschnittstelle 10, über
die ein das reflektierte Licht LR repräsentierendes Messsignal ausgelesen
und in nicht näher
dargestellter Art und Weise einer Datenerfassungs- und Verarbeitungseinheit
zur weiteren Verarbeitung zugeführt werden
kann. Auf diese Weise kann mit Hilfe einer nicht dargestellten Datenerfassungs-
und Verarbeitungseinrichtung, beispielsweise eines Bordcomputers
eines Fahrzeuges, anhand der von dem Detektorelement 8 ermittelten
Helligkeitswerte das Vorhandensein eines Objekts O im ausgeleuchteten
Raum erkannt werden.
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In
einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung sendet die Lichtquelle 4 Lichtimpulse
aus, so dass anhand der Laufzeit des Lichts L und/oder des reflektierten
Lichts LR auch der Abstand des Objekts O ermittelt werden kann.
Ebenfalls vorteilhaft ist es, das Auslesen des Detektorelements 8 mit
dem Aussenden von Licht L durch die Lichtquelle 4 zu synchronisieren,
so dass Störeinflüsse durch
Fremdlicht verhindert werden.
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Die
beschriebene Ablenkvorrichtung 1 kann vorteilhaft in Kraftfahrzeugen
mit so genannten Pre-Crash-Systemen oder so genannten elektronischen
Deichseln, d. h. Systemen zur Einhaltung eines konstanten Abstandes
zu einem vorausfahrenden Fahrzeug, verwendet werden. Auch ein Einsatz in
Scannerkassen, Warenwirtschaftssystemen, Akten- oder Bibliothekenverwaltungssystemen
beispielsweise zur Identifikation von Strichcodes ist möglich. Hierzu
werden die Silizium-Mikrospiegel 3 des Umlenkelements 2 vorteilhaft
dynamisch gesteuert, so dass der interessierende Raum kontinuierlich abgetastet
wird.
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In 2 ist eine Ablenkvorrichtung 1 dargestellt,
bei der ein aus einer Anordnung mehrerer einzeln steuerbarer Silizium-Mikrospiegel 3 bestehendes
Umlenkelement 2 an einer vor dem Detektorelement 4 liegenden
Position im Strahlengang angeordnet ist.
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Das
von der Lichtquelle 4 erzeugte Licht 11 tritt
ohne Ablenkung direkt aus der Ablenkvorrichtung 1 aus.
Gegebenenfalls kann der Lichtstrahl durch eine nicht dargestellte,
zur Lichtquelle 4 gehörende Linsenanordnung
gestreut werden, so dass durch das ausgesendete Licht L eine möglichst
gute Ausleuchtung des zu überwachenden
Raumes erzielt wird.
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Trifft
das von der Ablenkvorrichtung 1 auf diese Weise ausgesendete
Licht L auf ein Objekt O, das sich innerhalb des ausgeleuchteten
Raums befindet, so wird das Licht L von diesem Objekt O teilweise
reflektiert. Das reflektierte Licht LR kehrt zur Ablenkvorrichtung 1 zurück und trifft
dort innerhalb der Ablenkvorrichtung 1 auf die Silizium-Mikrospiegel 3 des
Umlenkelements 2. Bei dem Umlenkelement 2 kann
es sich beispielsweise um ein ASIC- oder um ein Halbleiterelement
handeln, auf welchem ein Silizium-Mikrospiegel 3 angeordnet
ist.
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Die
einzelnen Silizium-Mikrospiegel 3 werden über Steuerleitungen 6 statisch
so ausgerichtet, dass das aus unterschiedlichen Raumrichtungen einfallende,
reflektierte Licht LR von jedem Silizium-Mikrospiegel 3 auf
das Detektorelement 8 gelenkt wird. Hierdurch wird erreicht,
dass reflektiertes Licht LR aus dem gesamten zu überwachenden Raum erfasst wird.
Die Auslenkung der einzelnen Silizium-Mikrospiegel 3 kann
vorteilhaft an die aktuelle Situation, beispielsweise eine geän derte Fahrtrichtung
eines Fahrzeugs, angepasst werden. 3 zeigt
beispielhaft ein Diagramm zur Einstellung eines mittels Referenzpunkten
RP1, RP2 gebildeten Referenz-Ablenkwinkels α anhand einer am Silizium-Mikrospiegel 3 angelegten
Ablenkspannung U an der Steuerleitung 6. Dabei wird mittels
Anlegen der Ablenkspannung U in einer Prüfphase ermittelt, bei welchem
Wert der Ablenkspannung U die Referenzpunkte RP1, RP2 des Referenz-Ablenkwinkels α erreicht
sind. Im Betrieb der Ablenkvorrichtung 1 kann dann durch Änderung
der Ablenkspannung U kontinuierlich oder schrittweise mittels eines
Spannungshubes zwischen den ermittelten Werten der Ablenkspannung
U für die Referenzpunkte
RP ein beliebiger Referenz-Ablenkwinkel α eingestellt werden.
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Alternativ
oder zusätzlich
können
die Silizium-Mikrospiegel 3 auch dynamisch angesteuert
werden, so dass aus verschiedenen Richtungen des zu überwachenden
Raums einfallendes reflektiertes Licht LR beispielsweise zeilenförmig abgetastet
wird. In dieser Ausgestaltung der Ablenkvorrichtung 1 werden
weniger Silizium-Mikrospiegel 3 benötigt, jedoch wird aus verschiedenen
Richtungen des zu überwachenden
Raums einfallendes reflektiertes Licht LR dann nicht permanent vollständig, sondern
immer nur teilweise erfasst.
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Nach
dem Ablenken durch die Silizium-Mikrospiegel 3 trifft das
reflektierte Licht LR auf das Detektorelement 8. Das Detektorelement 8 verfügt über eine
Datenschnittstelle 10, über
die ein aus dem reflektierten Licht LR erfasstes Messsignal ausgelesen und
zur weiteren Verarbeitung einer Datenerfassungs- und Verarbeitungseinheit
zugeführt
werden kann. Auf diese Weise kann mit Hilfe einer nicht dargestellten
Datenerfassungs- und Verarbeitungseinrichtung, beispielsweise eines
Bordcomputers eines Kraftfahrzeuges, anhand der von dem Detektorelement 8 ermittelten
Helligkeitswerte das Vorhandensein eines Objekts O im ausgeleuchteten
Raum erkannt werden.
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Die
Ablenkvorrichtung 1 kann auch zwei Umlenkelemente 2 umfassen,
von denen eines vor dem Austritt des Lichtstrahls aus der Ablenkvorrichtung 1 liegenden
Position im Strahlengang angeordnet ist und das andere an einer
vor dem Detektorelement 8 liegenden Position im Strahlengang
angeordnet ist.
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Die
beschriebene Ablenkvorrichtung 1 kann vorteilhaft in Kraftfahrzeugen
mit Pre-Crash-Systemen oder so genannten elektronischen Deichseln,
d. h. Systemen zur Einhaltung eines konstanten Abstandes zu einem
vorausfahrenden Fahrzeug, verwendet werden. Auch ein Einsatz in
Scannerkassen, Warenwirtschaftssystemen, Akten- oder Bibliothekenverwaltungssystemen
beispielsweise zur Identifikation von Strichcodes ist möglich. Hierzu
werden die Silizium-Mikrospiegel 3 des Umlenkelements 2 vorteilhaft
dynamisch gesteuert, so dass der interessierende Raum kontinuierlich
abgetastet wird.
-
Die
Ablenkvorrichtung 1 ist kostengünstig herzustellen, benötigt keine
Präzisionslagerung, weist
eine hohe Verschleißfestigkeit,
eine hohe Zuverlässigkeit
und lange Lebensdauer auf und ist unempfindlich gegenüber mechanischen
Störgrößen und
mit geringem Energieaufwand regelbar.
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- 1
- Ablenkvorrichtung
- 2
- Umlenkelement
- 3
- Silizium-Mikrospiegel
- 4
- Lichtquelle
- 6
- Steuerleitungen
- 8
- Detektorelement
- 10
- Datenschnittstelle
- L
- ausgesendetes
Licht
- LR
- reflektiertes
Licht
- O
- Objekt
- RP1,
RP2
- Referenzpunkte
- U
- Ablenkspannung
- α
- Referenz-Ablenkwinkel