Abstandssensor mit elektro-optischen Mischer und verbessertem Diplexer

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung gemäß dem Oberbegriff des Hauptanspruchs und Verwendungen gemäß den Nebenansprüchen sowie einen entsprechenden Diplexer.

Eine punktuelle Abstandsmessung im Bereich von 0 bis 10 m, mit einer Genauigkeit, im Bereich von einigen Zentimetern, ist in vielen technischen Aufgabenstellungen, beispielsweise in der Automatisierungstechnik von großer Bedeutung. Bevorzugt werden derartige Systeme optisch aufgebaut, da nur mit Licht die entsprechend richtscharfe punktuelle Messung möglich ist. Es gibt eine große Auswahl von optischen Lösungen als Stand der Technik, die jedoch alle spezifischen Nachteile aufweisen .

Im Wesentlichen sind herkömmliche Lösungen entsprechend folgender vier Gruppen einteilbar:

1) Triangulationssysteme: Diese weisen einen geringen Eindeutigkeitsbereich auf. Für einen Messbereich über meh- rere Meter benötigt man mehrere verschiedene Gerätevarianten. Es ist ein Mindestabstand gegeben, ab dem gemessen werden kann. Derartige Systeme sind zudem empfindlich gegenüber Reflektionen außerhalb deren Messbereichs .

2) Sensoren, die die Entfernung über eine Abschwächung der Intensität bestimmen. Derartige Sensoren müssen kalibriert werden. Diese können dies nur für ein vorher eingelerntes Material und sind dementsprechend ungenau und fremdlichtempfindlich.

3) Sensoren, die auf dem Laufzeitprinzip beruhen und die Lichtlaufzeit direkt messen, lösen die vorstehend ge-

nannte Problematik. Diese bieten einen großen Eindeutigkeitsbereich bei gleichzeitig geringerer Störempfindlichkeit. Allerdings weisen bestehende optische Laufzeitsensoren eine hohe technische Komplexität, auf- grund der Messung extrem kurzer Zeiten bei einer sehr großen Auflösung, auf und zeigen dementsprechend Schwankungen, beispielsweise über der Temperatur und der Zeit.

4) Sensoren, die auf dem Laufzeitprinzip beruhen und die Lichtlaufzeit mittels Korrelationsverfahren messen. Hierbei wird die Phasenverschiebung zwischen einem ausgesendeten und reflektierten modulierten Lichtsignal gemessen. Das Problem der technischen Komplexität ge- genüber der Lösung gemäß 3) wird durch die Verwendung von sogenannten integrierten elektro-optischen Mischern, beispielsweise PMD (Photo-Misch-Detektor) , MSM (Metal-Semiconductor-Metal) oder ähnlichen Bausteinen auf Silizium-Basis (DAP oder Doppelanoden-Photodioden) [1] reduziert. Derartige Mischer fassen den optischen Detektor und elektrischen Mischer in einem elektronischen Bauelement zusammen. Auf diese Weise ist das elektrische Analogsignal, welches die Abstandsinformationen enthält, deutlich niederfrequenter und damit einfacher und genauer verstärkbar und digitalisierbar. Herkömmliche Umsetzungen sind beispielsweise in [2] S.3-11 beschrieben.

Sensoren der Gruppe 4) zeigen funktionell die geringsten Nachteile.

Die Grundelemente eines elektro-optischen Systems gemäß Gruppe 4) werden in Fig. 1 dargestellt. Das System besteht dabei aus einer Modulationsquelle, die ein frequenz- oder phasenmo- duliertes Signal bereitstellt, einer in der Intensität veränderbaren Lichtquelle, dem elektro-optischen Mischer (MSM/DAP- Element) und der meistens digitalen Auswerteeinheit. Das gesendete, in der Intensität modulierte Licht fällt dabei auf

das zu messende Objekt, wird auf dem elektro-optischen Mischer zurückgestreut, dort umgewandelt und heruntergemischt und anschließend in der Auswerteeinheit ausgewertet. Die Bestimmung der Entfernung beispielsweise mit Frequenz- oder Phasenmodulation erfolgt dabei nach dem Stand der Technik, beispielsweise gemäß [3].

Besonders vorteilhaft sind dabei MSM (Fig.2) und DAP (Fig.3) verwendbar. Diese verfügen über eine große Bandbreite, gute Ladungsträgertrenneffizienz und sind technisch einfach herstellbar. Das technische Hauptproblem bei diesen Elementen ist dabei die Trennung von Modulationsspannung und Auslesestrom.

Modulation und Photostrom müssen mittels eines Diplexers getrennt werden. Stand der Technik ist dabei die Trennung beispielsweise über eine Filteranordnung gemäß Fig. 4. Dabei wird das Modulationssignal durch einen Kondensator (Hochpassverhalten) eingekoppelt und das niederfrequente Mischprodukt über eine Spule (Tiefpassverhalten) ausgekoppelt. Dabei wird das Filter so optimiert, dass im Frequenzbereich des Auslesestromes der Filterteil zur Ausleseelektronik möglichst geringe Impedanz aufweist. Im Frequenzbereich des Modulationssignals ist dagegen die Impedanz dieses Filterteils möglichst groß, die des Teils zur Modulationselektronik möglichst klein. Hinsichtlich dieses Verhaltens wird auf Fig. 5 verwiesen, die diesen herkömmlichen Stand der Technik beschreibt. Dieser Stand der Technik berücksichtigt dabei nicht die Besonderheit der Anordnung gemäß Fig. 4. Das technische Problem liegt dabei in den unterschiedlichen Größenordnungen der Signale. Das Modulationssignal weist einige Volt auf, der aus dem empfangenen Licht erzeugte Photostrom dagegen liegt im nA Bereich. Damit reicht bereits ein kleines überkoppeln der Modulation beziehungsweise mit der Modulation assoziierter Rauschanteile. Ebenfalls problematisch ist dabei, dass über eine größere Bandbreite Rauschen einkoppelt. Besonders nachteilig ist daher beim Stand der Technik, dass nur eine geringe Unterdrückung von weiteren Rauschanteilen erfolgt.

Es ist damit Aufgabe der vorliegenden Erfindung eine kostengünstige und genaue Vorrichtung und entsprechende Verwendungen zur Abstandsmessung derart bereitzustellen, dass die vor- stehend genannten Nachteile herkömmlicher Vorrichtungen und Verfahren beseitigt sind. Es soll insbesondere bei einem elektro-optischen Entfernungssensor, insbesondere auf MSM (Metal-Semiconductor-Metal) - oder DAP (Doppelanoden-Photodioden) -Basis, eine verbesserte Trennung eines Photosignals von einem Modulationssignal, und damit ein verbessertes Ausgeben beziehungsweise Auslesen der Abstandsinformation geschaffen werden. Des Weiteren sollen insbesondere auf einfache Weise eine Rauscheinkopplung wirksam verringert und die Messgenauigkeit wirksam erhöht werden. Es sollen insbesondere Alternativen zu herkömmlichen Reflextastern und Laufzeitgeräten nach dem Pulsprinzip geschaffen werden.

Die Aufgabe wird durch eine Vorrichtung gemäß dem Hauptanspruch und Verwendungen gemäß den Nebenansprüchen sowie durch einen entsprechenden Diplexer gelöst.

Mit dem hier beschriebenen Ansatz lassen sich Abstandssensoren realisieren, die gegenüber den herkömmlichen verfügbaren Geräten funktionell und kostenmäßig verbessert sind.

Das mittels der Modulationseinrichtung erzeugte Modulationssignal kann beispielsweise eine Modulationsspannung oder ein Modulationsstrom mit einer Modulationsfrequenz sein. Das die Abstandsinformation aufweisende Photosignal kann beispiels- weise ein Photostrom oder eine Photospannung sein. Die Abstandsinformation kann beispielsweise in Form von einer Pseu- do-Noise-Codierung, einer Frequenzverschiebungsinformation oder einer Phasenverschiebungsinformation erzeugt sein.

Eine Vorrichtung zur Abstandsmessung mittels Lichtlaufzeitmessung unter Verwendung eines Korrelationsverfahrens wird erfindungsgemäß schrittweise folgendermaßen optimiert und/oder angepasst:

Gemäß einer ersten Anpassung und/oder Optimierung der Vorrichtung wird der Diplexer derart bereitgestellt, dass im Betrieb der Anschluss des elektro-optischen Mischers für alle, insbesondere niederen, Frequenzen hochohmig geschaffen ist.

Gemäß einer weiteren vorteilhaften Anpassung ist der Diplexer derart bereitgestellt, dass im Betrieb das Modulationssignal mit der Modulationsfrequenz und mit Frequenzen in jeweils ei- nem schmalen Frequenzband unterhalb und oberhalb der Modulationsfrequenz möglichst wenig an der Einrichtung zur Ermittlung oder an einer Einrichtung zur Auslesung anliegt.

Gemäß einer weiteren vorteilhaften Anpassung wird der Diple- xer derart bereitgestellt, dass im Betrieb möglichst nur das Modulationssignal mit der Modulationsfrequenz und mit Frequenzen in jeweils einem schmalen Frequenzband unterhalb und oberhalb der Modulationsfrequenz am elektro-optischen Mischer anliegt. Diese Ausgestaltung bewirkt insbesondere die Unter- drückung weiterer Rauschanteile der Modulationseinrichtung.

Gemäß einer weiteren vorteilhaften Anpassung ist der Diplexer derart bereitgestellt, dass im Betrieb das Modulationssignal mit der Modulationsfrequenz niederohmig am elektro-optischen Mischer anliegt.

Gemäß einer weiteren vorteilhaften Anpassung ist der Diplexer derart bereitgestellt, dass das Verhältnis des am elektro- optischen Mischer direkt anliegenden Modulationsssignals und des am Diplexer eingespeisten und von der Modulationseinrichtung erzeugten Modulationssignals größer oder gleich eins ist .

Gemäß einer weiteren vorteilhaften Anpassung der erfindungs- gemäßen Vorrichtung ist der Diplexer derart bereit gestellt, dass im Betrieb das Photosignal mit der Photosignalfrequenz der Einrichtung zur Ermittlung oder einer Einrichtung zur Auslesung mit möglichst wenigen Verlusten zugeführt ist.

Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung weist der Diplexer eine möglichst kleine elektrische Kapazität zur Ein- kopplung der Modulationsspannung und eine möglichst große, technisch noch realisierbare Induktivität zur Schaffung des geforderten technischen Verhaltens auf.

Eine Vorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung kann insbesondere hinsichtlich des Diplexers besonders vorteilhaft mit den Merkmalen des Hauptanspruchs, des dritten Anspruchs, des vierten Anspruchs und des sechsten Anspruches angepasst beziehungsweise optimiert sein.

Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen finden sich in den wei- teren Unteransprüchen.

Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung weist der Diplexer eine möglichst kleine elektrische Kapazität zur Ein- kopplung des Modulationssignals und eine möglichst große, technisch noch realisierbare Induktivität zur Schaffung des geforderten technischen Verhaltens auf.

Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung ist der elektro-optische Mischer ein Photo-Misch-Detektor (PMD), ein Metal-Semiconductor-Metal (MSM) oder eine Doppelanoden-Photodiode (DAP) . Gemäß der vorliegenden Anmeldung sind sogenannte integrierte elektro-optische Mischer, wie beispielsweise PMD oder MSM, und ähnliche Bausteine auf Silizium-Basis (DAP) mit dem Begriff elektro-optischen Mischer zusammengefasst . Derar- tige elektro-optische Mischer fassen den optischen Detektor und den elektrischen Mischer in einem Bauelement zusammen. Dadurch ist das elektrische Analogsignal, welches die Abstandsinformation enthält, deutlich niederfrequenter und damit einfacher und genauer verstärkbar und digitalisierbar.

Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung weist die Vorrichtung zur Abstandsmessung eine Einrichtung zur Auslesung des abgetrennten Photosignals aus dem Diplexer und zur

Weitergabe der Abstandsinformation an die Einrichtung zur Ermittlung. Mit der Einrichtung zur Auslesung kann die Auslesung des die Abstandsinformation aufweisenden Signals optimiert und eine Anpassung dieses Signals an die Einrichtung zur Ermittlung ausgeführt werden.

Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung wird bei einer Phasenmodulation die Phase des Modulationssignals am elektro- optischen Mischer in diskreten Schritten verschoben. Die Ein- richtung zur Auslesung weist ein Tiefpassverhalten derart auf, dass dieses der Frequenz des Schaltens der diskreten Schritte, das heißt des Phasenwerttaktes, angepasst ist. Gemäß dieser Ausführungsart wird von einer Phasenmodulation des Systems ausgegangen. Die verwendete Modulationsfrequenz liegt dabei im MHz-Bereich beispielsweise 20 MHz. Um die Korrelationsfunktion und damit die Phasenverschiebung zwischen gesendetem und empfangenem Signal zu ermitteln, wird die Phase des Modulationssignals am Detektor in diskreten Schritten verschoben. Dabei ergeben sich für einen festen Phasenwert bei- spielsweise ein konstanter (DC-) Photostrom und ein Anteil mit doppelter Modulationsfrequenz, der aber durch die Diplexer- schaltung unterdrückt wird. Wird auf den nächsten Phasenwert weitergeschaltet, springt der Gleichstrom- (DC-) Wert auf einen anderen Wert, das heißt, über eine längere Zeit betrachtet, muss die Ausleseschaltung ein Tiefpassverhalten aufweisen, welches der Schaltfrequenz, die typischerweise niedrig ist und beispielsweise 1 KHz ist, angepasst ist.

Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung entspricht die Cut-off Frequenz der ein Tiefpassverhalten aufweisenden Einrichtung zur Auslesung, ungefähr dem dreifachen des Phasenwerttaktes .

Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung weist die Einrichtung zur Auslesung einen Integrator auf. Das heißt vorteilhaft wird hinter dem Diplexer als nachfolgende Ausleseelektronik ein Integrator verwendet. Wie bereits vorstehend beschrieben ist es besonders vorteilhaft zur weiteren Rausch-

Unterdrückung, wenn die Anpassung des Tiefpassverhaltens des Integrators an den erwarteten Schalttakt zwischen den Phasenwerten geschaffen wird.

Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung ist nach der Einrichtung zur Auslesung ein Tiefpassfilter bereit gestellt. Das heißt hinter der Einrichtung zur Auslesung beziehungsweise hinter dem Integrator kann das Signal noch einmal tief- passgefiltert werden, um eine wirksamere Reduzierung etwaiger überkoppelnder hochfrequenter Rausch- und Störanteile zu erzeugen .

Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung ist das Modulationssignal eine Modulationsspannung mit einer Modulati- onsfrequenz und das Photosignal ein Photostrom mit einer Frequenz. Derartige Signale sind einfach zu erzeugen und zu bearbeiten .

Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung ist die Ab- Standsinformation eine Pseudo-Noise-Codierung, eine Frequenzverschiebungsinformation oder einer Phasenverschiebungsinformation .

Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung ist eine Optik derart geschaffen, dass das gesendete Lichtsignal mit dem elektro- optischen Mischer auf einer Achse liegend gesendet wird. Auf diese Weise ergibt sich eine weitere Verbesserung der Genauigkeit durch diese Kombination der erfindungsgemäßen Vorrichtung mit einer optischen Anordnung. Dabei kann die Optik ins- besondere derart aufgebaut sein, dass das Sendesignal mittels Spiegel oder mittiger Montage möglichst mit dem Empfänger beziehungsweise dem elektro-optischen Mischer auf einer Achse liegend gesendet wird. In diesem Zusammenhang wird auf das Dokument [4] Bezug genommen.

Es ergeben sich zahlreiche Verwendungsmöglichkeiten der erfindungsgemäßen Vorrichtung beispielsweise innerhalb der Au-

tomatisierungstechnik mit lediglich einer einzigen derartigen Vorrichtung .

Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung wird die er- findungsgemäße Vorrichtung zum Abstandsmessen als optischer Näherungsschalter mit beliebig definierbaren auszublendenden Hintergrundlichtbereichen verwendet. Optische Näherungsschalter erfordern häufig eine sogenannte Hintergrundausblendung, das heißt Objekte außerhalb des Erfassungsbereiches sollen nicht störend wirken. Da bei der beschrieben Vorrichtung Abstände gemessen werden, lassen sich auszublendende Bereiche nach Belieben definieren.

Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung wird die er- findungsgemäße Vorrichtung zum Abstandsmessen als Abstandsmesser ab einem Abstand von 0 m verwendet. Das heißt mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung kann ab Abstand 0 m gemessen werden. Eine derartige Distanzmessung ist besonders kostengünstig und einfach.

Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung wird die Vorrichtung zum Abstandsmessen als einzige Abstandsmesssensor zur hochgenauen Messung eines Füllstandes, eines Stauraums oder eines zurückgelegten Weges verwendet. Herkömmlicherweise werden derartige Abstände mit mehreren optischen Näherungsschaltern erfasst. Je nach Anwendung lässt sich ein derartiges Abstandsmessen durch eine einzige kostengünstige erfindungsgemäße Vorrichtung zur Abstandsmessung wirksamer und kostengünstiger erzielen.

Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung wird die erfindungsgemäße Vorrichtung zum Abstandsmessen als Abstandsmesser in, von einer konstanten Modulationsfrequenz abhängigen, sich wiederholenden konstanten Abstandsbereichen verwen- den, wobei die Abstandsmessung lediglich in einem ausgewählten Abstandsbereich ausgeführt wird. Die erfindungsgemäße Vorrichtung misst Entfernungen nur in einem von der Modulationsfrequenz abhängigen Bereich, beispielsweise bei konstan-

ten 22 MHz circa 10 m, eindeutig. Darüber hinaus wiederholt sich das Signal. Diese Eigenschaft lässt sich nutzen. Zum einen kann dieselbe Vorrichtung für unterschiedliche Abstandsbereiche verwendet werden, beispielsweise 0...10 m oder 10...20 m, sofern sicher ist, dass die Messung immer lediglich in genau ein und demselben Bereich stattfindet.

Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung wird die erfindungsgemäße Vorrichtung zum Abstandsmessen als Abstands- messer mit einer variablen Modulationsfrequenz derart verwendet, dass mit abnehmender Modulationsfrequenz, eine abnehmende Auflösung und vergrößerte sich wiederholende konstante Abstandsbereiche erzeugt sind. Das heißt die Modulationsfrequenz kann ebenso variabel gestaltet werden. Mit einer nied- rigeren Modulationsfrequenz erreicht man zwar eine reduzierte Auflösung, aber es wird vorteilhaft ein sehr großer Wertebereich, beispielsweise 100 m, als Abstandsbereich bereit gestellt.

Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung wird die erfindungsgemäße Vorrichtung zum Abstandsmessen als Abstandsmesser zur Erfassung größerer Abstände verwendet, zuerst mit verringerter Modulationsfrequenz und verringerter Auflösung und großem Abstandsbereich und danach mit erhöhter Modula- tionsfrequenz und erhöhter Auflösung und kleinerem Abstandsbereich gemessen wird. Das heißt es kann bei einer zweiten Messung mit gegenüber einer ersten Messung erhöhter Modulationsfrequenz und damit erhöhter Auflösung gemessen werden. Auf diese Weise lassen sich größere Distanzen genau erfassen.

Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung wird eine erfindungsgemäße Vorrichtung zum Abstandsmessen als Abstandsmesser bei Kränen oder Hochregallagern verwendet.

Die vorliegende Erfindung wird anhand von Ausführungsbeispielen in Verbindung mit den Figuren näher beschrieben. Es zeigen :

Fig. 1 ein Ausführungsbeispiel einer herkömmlichen Vorrichtung zur Abstandsmessung mittels Lichtlaufzeitmessung unter Verwendung eines Korrelationsverfahrens;

Fig. 2 ein erstes Ausführungsbeispiel eines herkömmlichen integrierten elektro-optischen Mischers;

Fig. 3 ein zweites Ausführungsbeispiel eines herkömmlichen integrierten elektro-optischen Mischers;

Fig. 4 ein Ausführungsbeispiel eines herkömmlichen Diplexers;

Fig. 5 eine Darstellung der Anpassung eines herkömmlichen Diplexers ;

Fig. 6 eine Darstellung der Anpassung eines erfindungsgemäßen Diplexers;

Fig. 7 ein Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Diplexers .

Fig. 1 zeigt ein Ausführungsbeispiel einer herkömmlichen Vor- richtung zur Abstandsmessung 1 mittels Lichtlaufzeitmessung unter Verwendung eines Korrelationsverfahrens ([1] S.56-58) . Es werden die Grundelemente eines elektro-optischen Systems gemäß dem Stand der Technik dargestellt ([1] S.55). Das System weist eine Modulationseinrichtung 4 auf, die eine Pseudo- Noise-Kodierung oder ein frequenz- oder phasenmoduliertes Modulationssignal bereitstellt. Eine mittels des Modulationssignals in der Intensität veränderbare Lichtquelle LD ist als Sender 3 ausbildet. Des Weiteren umfasst das System einen elektro-optischen Mischer 5 und eine meistens digitale Ein- richtung 11 zur Ermittlung der Lichtsignallaufzeit und des Abstands. Das gesendete in der Intensität modulierte Licht fällt auf das zu vermessende Objekt, wird auf den elekro- optischen Mischer 5 zurückgestreut, dort umgewandelt und her-

untergemischt und anschließend in der Einrichtung 11 zur Ermittlung der Signallaufzeit beziehungsweise des Abstands ausgewertet. Die Einrichtung 11 zur Ermittlung der Lichtsignallaufzeit beziehungsweise des Abstands kann ebenso als Auswer- teeinheit bezeichnet werden. Die Bestimmung des Abstands entweder mit einer Pseudo-Noise-Kodierung oder mittels Frequenzoder Phasenmodulation, erfolgt auf herkömmliche Weise ([1] S.56-58). Zusätzlich weist die Vorrichtung 1 zur Abstandsmessung einen Diplexer 7 zur Trennung des Modulations- Signals, beispielsweise einer Modulationsspannung, von einem im elektro-optischen Mischer erzeugten Photosignal, beispielsweise einem Photostrom. Der Photostrom weist beispielsweise eine Pseudo-Noise-Kodierung oder Frequenz- oder Phasenverschiebungsinformationen auf. Zusätzlich ist optional eine Einrichtung zur Auslesung 9 der Abstandsinformation, beispielsweise in Form einer Pseudo-Noise-Kodierung, einer Frequenz- oder Phasenverschiebungsinformation im Photostrom, aus dem Diplexer 7 ausgebildet ([1] S.60). Eine derartige Einrichtung zur Auslesung 9 des Photosignals gibt dann die Ab- Standsinformation an die Einrichtung zur Ermittlung 11 weiter. Die Photosignalinformation kann ebenso direkt an die Einrichtung 11 zur Ermittlung der Lichtsignallaufzeit beziehungsweise des Abstands ausgegeben werden. Ebenso kann die Lichtquelle LD von einem Treiber angesteuert werden, wobei dann Lichtquelle LD und Treiber den Sender 3 ausbilden.

Lichtquelle LD kann eine Leucht- oder Laserdiode sein. Der Treiber wird von der Modulationseinrichtung angesteuert. Das Lichtsignal wird zum Objekt ausgesendet, wobei das Lichtsignal an dem Objekt, dessen Abstand erfasst werden soll, re- flektiert wird. Gemäß der vorliegenden Erfindung ist der

Diplexer 7 gemäß jeweiliger Kriterien angepasst und entsprechend optimiert worden. Eine derartige Anpassung oder Optimierung wird in Verbindung mit Figur 6 näher beschrieben. Die Einrichtung 11 zur Ermittlung der Lichtsignallaufzeit bezie- hungsweise des Abstands kann ein Mikrocomputer sein. Die Einrichtung 11 zur Ermittlung der Lichtsignallaufzeit beziehungsweise des Abstands wertet das empfangene Lichtsignal aus und berechnet den Abstand zum Objekt.

Fig. 2 zeigt ein erstes Ausführungsbeispiel eines herkömmlichen integrierten elektro-optischen Mischers 5. Gemäß der vorliegenden Erfindung und gemäß der erfindungsgemäßen Vor- richtung zur Abstandsmessung 1 werden als elektro-optische Mischer 5 beispielsweise ein Metal-Semiconductor-Metal (MSM) verwendet ([2] S.29-38). Das MSM-Element stellt ein 2-Tor dar. Zwischen den beiden Fingerelektroden 13 wird eine Spannung U _bias angelegt, welche moduliert ist. Auf diese Weise wird die Empfindlichkeit des Detektors variiert und damit ein Mischeffekt bewirkt. Figur 2 zeigt einen derartigen Detektor. Der heruntergemischte Photostrom fließt dabei aus dem Element heraus. Figur 2 zeigt das Halbleitermaterial 15 auf dem die Fingerelektroden 13 angeordnet sind. Bezugszeichen 17 zeigt die Weite der Raumladungszonen in Abhängigkeit von der angelegten Spannung U _bias •

Fig. 3 zeigt ein zweites Ausführungsbeispiel eines herkömmlichen integrierten elektro-optischen Mischers 5. Fig. 3 zeigt einen integrierten elektro-optischen Mischer auf Silizium- Basis, und zwar eine Doppelanoden-Photodiode (DAP) ([1] S.58-59). Das DAP-Element ist zu dem mit Fig. 2 beschriebenen MSM-Element ähnlich aufgebaut, allerdings 3-polig. Es wird zwischen zwei Anoden 19 die Spannung diffe- rentiell moduliert. Auf diese Weise wird ein Modulationseffekt zwischen den Elektroden erzeugt. Der modulierte Photostrom fließt dabei aus den Elektroden. Anoden werden mit der Bezugszahl 19 bezeichnet. Die Kathode mit dem Bezugszeichen 21. Das DAP-Element ist auf einem Halbleitersubstrat 23 ange- ordnet.

Fig. 4 zeigt ein Ausführungsbeispiel eines herkömmlichen Diplexers 7. Insbesondere bei der Verwendung von MSM und DAP als elektro-optische Mischer 5 ergibt sich das Problem bei diesen Elementen, die Modulationsspannung und den Auslesestrom zu trennen. Modulation und Photostrom müssen mittels des Diplexers 7 getrennt werden. Der Stand der Technik gemäß Figur 4 zeigt beispielsweise eine derartige Trennung über ei-

ne entsprechende Filteranordnung. Dabei wird das Modulationssignal durch Kondensatoren C (Hochpassverhalten) eingekoppelt und das niederfrequente Mischprodukt über Spulen L (Tiefpassverhalten) ausgekoppelt.

Figur 5 zeigt eine Darstellung der Anpassung eines herkömmlichen Diplexers 7. Gemäß dem Stand der Technik ist ein Diple- xer 7 als Filteranordnung derart angepasst und/oder optimiert, dass im Frequenzbereich des Photostroms oder Auslese- Stroms, der Filterteil zur Ausleseelektronik 9 oder Auswerteelektronik oder Einrichtung zur Ermittlung 11 der Signallaufzeit und des Abstands eine möglichst geringe Impedanz aufweist. Im Frequenzbereich des Modulationssignals ist dagegen die Impedanz dieses Filterteils möglichst groß, die des Teils zur Modulationselektronik möglichst klein. Ein Diplexer 7 gemäß dem Stand der Technik ist derart angepasst, dass der Diplexer 7 im Betrieb die Modulationsspannung mit der Modulationsfrequenz niederohmig dem elektro-optischen Mischer 5 zuführt. Des Weiteren ist der herkömmliche Diplexer 7 derart bereit gestellt, dass im Betrieb der Photostrom mit einer

Photostromfrequenz der Einrichtung zur Auslesung niederohmig zugeführt ist.

Figur 6 zeigt eine Darstellung der Anpassung eines erfin- dungsgemäßen Diplexers 7. Beispielhaft ist hier das Modulationssignal, eine Modulationsspannung mit einer Modulationsfrequenz und ein Photosignal, ein Photostrom mit einer Photostromfrequenz. Dabei ist der Diplexer 7 zunächst entsprechend der Ausführungsform gemäß Figur 5 derart bereitgestellt, dass im Betrieb die Modulationsspannung mit der Modulationsfrequenz niederohmig am elektro-optischen Mischer 5 anlegt, und dass der Diplexer 7 derart bereit gestellt ist, dass im Betrieb der Photostrom mit der Photostromfrequenz der Einrichtung zur Auslesung 9 oder der Einrichtung zur Ermittlung 11 niederohmig zugeführt ist. Ein vorteilhafter Diplexer 7 gemäß der vorliegenden Erfindung ist darüber hinaus zusätzlich angepasst beziehungsweise optimiert. Der Diplexer 7 ist dabei derart bereit gestellt, dass im Betrieb der elektro-optische

Mischer 5 für alle, insbesondere niedrigen, Frequenzen hoch- ohmig geschaffen ist. Gemäß der vorliegenden Erfindung kann eine weitere Anpassung derart erfolgen, dass der Diplexer derart bereitgestellt ist, das im Betrieb die übertragung der Modulationsspannung mit der Modulationsfrequenz schmalbandig an der Einrichtung zur Ermittlung 11 oder an der Einrichtung zur Auslesung 9 gesperrt wird. Das heißt, im Betrieb liegt das Modulationssignal mit der Modulationsfrequenz und mit Frequenzen in jeweils einem schmalen Frequenzband unterhalb und oberhalb der Modulationsfrequenz möglichst wenig an der Einrichtung zur Ermittlung 11 oder an der Einrichtung zur Auslesung 9 an. Weitere Anpassungsmöglichkeiten sind, dass der Diplexer 7 derart bereit gestellt ist, das im Betrieb die Modulationsspannung mit der Modulationsfrequenz nur schmal- bandig am elektro-optischen Mischer 5 anlegt. Das heißt, im Betrieb liegt das Modulationssignal nur mit der Modulationsfrequenz und mit Frequenzen in jeweils einem schmalen Frequenzband unterhalb und oberhalb der Modulationsfrequenz am elektro-optischen Mischer 5 an. Ebenso ist der Diplexer 7 derart vorteilhaft angepasst, dass das Verhältnis der am , elektro-optischen Mischer 5 direkt anliegenden Modulationsspannung zu der am Diplexer 7 eingespeisten und von der Modulationseinrichtung 4 erzeugten Modulationsspannung größer oder gleich eins ist. Fig. 6 zeigt die vorstehend genannten Beziehungen zwischen der Modulationseinrichtung 4 dem MSM als Beispiel für einen elektro-optischen Mischer 5 und der Einrichtung 9 zur Auslesung der Photostrominformation oder der Einrichtung zur Ermittlung 11 der Signallaufzeit und des Abstands. Auf diese Weise berücksichtigt der erfindungsgemäße Diplexer 7 die unterschiedlichen Größenordnungen der anliegenden Signale. Das Modulationssignal liegt im Bereich einiger Volt, der aus dem empfangenen Licht erzeugte Photostrom dagegen liegt im nA-Bereich. Damit ist der erfindungsgemäße Diplexer 7 robust gegen unerwünschtes überkoppeln der Modula- tion beziehungsweise mit der Modulation assoziierter Rauschanteile auf die Einrichtung zur Ermittlung 11 oder auf die Einrichtung zur Auslesung 9. Es wird zudem vermieden, dass über eine größere Bandbreite Rauschen eingekoppelt wird. Es

kann eine wirksame Unterdrückung von weiteren Rauschanteilen geschaffen werden.

Figur 7 zeigt ein Ausführungsbeispiel eines Diplexers 7, der entsprechend den gemäß der Erfindung vorgeschlagenen Anpassungen ausgebildet wurde. Der hier vorgeschlagene Diplexer 7 ist anhand der in Verbindung mit Fig. 6 beschriebenen Möglichkeiten angepasst beziehungsweise optimiert worden. Die erfindungsgemäße Anpassung eines Diplexers 7 führt zu einer vorteilhaften Anordnung des Diplexers 7, in der die Modulation über eine möglichst kleine Kapazität eingekoppelt wird und das geforderte Verhalten danach über eine möglichst große, technisch noch realisierbare Spule bewirkt wird. Figur 7 zeigt eine besonders vorteilhafte Parametrisierung des Diple- xers 7 bezüglich Ordnung der Filter und gewählten Induktivi- täts- und Kapazitätswerten. Der beispielhafte Diplexer 7 weist folgenden Aufbau auf:

An einem Eingangsanschluss MOD_P ist die von der Modulations- einrichtung 4 erzeugte Modulationsspannung angelegt, wobei der Eingangsanschluss MOD_P über einen ersten Kondensator C401 und eine elektrisch dazu in Serie geschaltete erste Spule L401 an einen ersten Knoten Kl elektrisch angeschlossen ist, wobei an den ersten Knoten Kl zusätzlich eine an Masse angeschlossene zweite Spule L402 und ein an Masse angeschlossener zweiter Kondensator C402 elektrisch angeschlossen sind, wobei der erste Knoten Kl mittels einer elektrischen Serienschaltung einer dritten Spule L403 und eines dritten Kondensators C403 an einen zweiten Knoten K2 elektrisch angeschlos- sen ist, wobei an den zweiten Knoten K2 zusätzlich ein an Masse angeschlossener vierter Kondensator C404 und ein an Masse angeschlossener erster elektrischer Widerstand R401 elektrisch angeschlossen sind, und wobei der zweite Knoten K2 mittels eines zweiten elektrischen Widerstandes R402 und ei- nes fünften Kondensators C405 an einen dritten Knoten K3 elektrisch angeschlossen ist, an dem der elektro-optische Mischer MSM 5 derart elektrisch angeschlossen ist, dass die Modulationsspannung niederohmig und schmalbandig gesperrt am

elektro-optischen Mischer MSM 5 angelegt ist. An den dritten Knoten K3 ist zusätzlich ein an Masse angeschlossener dritter elektrischer Widerstand R403 angeschlossen. Der dritte Knoten K3 ist zudem mittels einer elektrischen Reihenschaltung eines vierten elektrischen Widerstandes R404, eines sechsten Kondensators C406 und einer vierten Spule L404 an Masse elektrisch angeschlossen. Der elektro-optische Mischer MSM 5 ist an dem dritten Knoten K3 ebenso elektrisch angeschlossen. Der elektro-optische Mischer MSM 5 ist ebenso an Masse elekt- risch angeschlossen. Zwischen viertem elektrischen Widerstand R404 und sechstem Kondensator C406 ist ein Ausgangsanschluss MSM P zur Einrichtung 9 zur Auslesung und/oder zur Einrichtung 11 zur Ermittlung geschaffen. Der Diplexer 7 gemäß Figur 7 ist lediglich ein Ausführungsbeispiel gemäß der vorliegen- den Erfindung. Der erfindungsgemäße Diplexer 7 ist anhand verschiedener Kriterien anpassbar und optimierbar. Auf diese Weise ergeben sich vielfach verschiedene Ausführungsformen eines erfindungsgemäßen Diplexers 7.

Die elektronischen Bauelemente gemäß Fig. 7 weisen bevorzugt folgende Werte auf:

Erste Kapazität C401: 2,2 pF Zweite Kapazität C402: 22 pF Dritte Kapazität C403: 2,2 pF Vierte Kapazität C404: 2,2 pF Fünfte Kapazität C405: 1,0 pF Sechste Kapazität C406: 1,2 pF

Erste Induktivität L401: 27 μH

Zweite Induktivität L402: 2,7 μH Dritte Induktivität L403: 47 μH Vierte Induktivität L404: 47 μH

Erster Widerstand R401: 15 kω Zweiter Widerstand R402: 33 kω Dritter Widerstand R403: 10 Mω Vierter Widerstand R404: 1,0 Mω

Wird ein Diplexer 7 gemäß der vorliegenden Erfindung ange- passt oder optimiert, können sich unterschiedliche Anordnungen von elektronischen Bauelementen mit unterschiedlichen Werten ergeben. Figur 7 zeigt ein Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Diplexers 7 ohne den Schutzbereich einzuschränken. Alternative Ausführungsformen sind ebenso möglich,

Literaturverzeichnis

[1] Oberhauser, K., Nemeck, A., Zimmermann, H.: Integrierte Korrelationsempfänger für laufzeitbasierte optische Abstands- messung, XVIII. Messtechnisches Symposium des AHMT e. V. Freiburg (2004), Seite 54 ff.

[2] Gulden, P.: System concepts for novel optical distance sensors based on inherently-mixing detectors, Doktorarbeit, VDI Verlag, 2003, Kapitel 1.1, Seite 3 ff.

[3] Zimmermann, T..: Elektrooptische Entfernungsmessung mit Bandspreizverfahren. Doktorarbeit, Universität Kaiserslautern, 1991, Kapitel 5, Seite 130 ff.

[4] Gulden, P.; Vossiek, M.: DE 102 10 038 B4