DE3786576T2 - Belichtungsfühler. - Google Patents

Description

• Die vorliegende Erfindung betrifft eine Beleuchtungsstärke-Sonde, die eine elektrische Information proportional zu einer Beleuchtungsstärke liefern kann, und dies in einem großen Beleuchtungsstärke-Bereich, zum Beispiel der Größenordnung von 0 bis 200.000 Lux.
• Allgemein weiß man, daß die Vorrichtungen zur Messung der Beleuchtungsstärke üblicherweise Sonden verwenden, die aus opto-elektronische Bauteilen wie zum Beispiel Photodioden oder Phototransistoren bestehen oder sie verwenden.
• Es hat sich jedoch herausgestellt, daß gemäß der derzeit zu ihrer Herstellung verwendete Technologie diese Bauteile eine gewisse Anzahl von Nachteilen aufweisen. - Ein erster dieser Nachteile liegt in der Nichtlinearität des Signals, das von der Sonde in Abhängigkeit von der Beleuchtungsstärke geliefert wird, Nichtlinearität, die die Verwendung eines elektronischen Linearisationskreises hinter der Sonde erfordert, der ziemlich komplex und teuer ist. - Ein zweiter Nachteil kommt daher, daß bei einer Erhöhung der Beleuchtungsstärke das photoelektronische Bauteil sich sehr schnell sättigt, was den Beleuchtungsstärkebereich, in dem man die Messung durchführen kann, begrenzt. - Ein dritter Nachteil liegt darin, daß der Öffnungswinkel des photoelektronischen Bauteils sehr gering ist, was dazu führt, zur Erweiterung dieses Winkels optische Weitwinkel-Einrichtungen, sogar Kreise mit Lichtleitern zu verwenden.
• Um zu versuchen, alle oder einen Teil dieser Probleme zu lösen, wurden Lösungen vorgeschlagen, die optische Einrichtungen verwenden, welche diffundierende Elemente benutzen, wie zum Beispiel jene, die in den Patenten US-A-3 880 528, FR-A-1 355 752 oder DE-A-1 028 357 beschrieben sind. Diese Einrichtungen sind jedoch relativ komplex, teuer und nicht gut industriell herstellbar.
• Die Erfindung hat also genauer zum Ziel die Herstellung einer Sonde, die sehr einfach aufgebaut und billig ist und diese Nachteile unterdrückt.
• Um zu diesen Ergebnissen zu kommen, schlägt die Erfindung eine Beleuchtungsstärke-Sonde vor, die eine elektrische Information proportional zu einer Beleuchtungsstärke liefern kann, wobei diese Sonde eine rohrförmige Struktur, die auf einer Seite von einem lichtdurchlässigen Element verschlossen wird, das dem Licht ausgesetzt wird, dessen Beleuchtungsstärke gemessen werden soll, und ein opotoelektronisches Bauteil, das im Inneren der Struktur positioniert und dessen transparentes Fenster vor dem Element angeordnet ist, sowie Mittel zur festen Verbindung des Bauteils mit der Struktur aufweist.
• Gemäß der Erfindung ist diese Vorrichtung dadurch gekennzeichnet, daß - die rohrförmige Struktur aus einer Hülse besteht, die aus einem lichtdurchlässigen Material hergestellt ist, das diffundierende Eigenschaften aufweist, wobei diese Hülse das optoelektronische Bauteil aufnimmt und einen Boden aufweist, der das lichtdurchlässige Element bildet, und - die Mittel zur festen Verbindung aus einem transparenten Kunststoffmaterial bestehen, dessen Brechungsindex nahe dem des transparenten Fensters ist und mit dem das optoelektronische Bauteil umhüllt ist, wobei dieses Material mindestens teilweise das freie Volumen zwischen dem Bauteil und seinen Anschlußmitteln und der Hülse ausfüllt, um gleichzeitig die feste Verbindung des optoelektronischen Bauteils mit der Hülse und die optische Kontinuität zwischen dem Boden der Hülse und dem Fenster des optoelektronischen Elements zu sichern.
• Bei einer solche Sonde spielt der Boden die Rolle einer optischen Schnittstelle, die es erlaubt, aufgrund der diffundierenden Eigenschaften des transparenten Materials das einfallende Licht in eine Unendlichkeit von Lichtquellen umzuwandeln, die sich im Sichtfeld des optoelektronischen Bauteils befinden. So befreit man sich von den Problemen in Bezug auf den Öffnungswinkel des optoelektronischen Bauteils.
• So wird es im Fall eines Bodens mit ebener Außenfläche möglich, Beleuchtungsstärken zu messen, die von Lichtstrahlen erzeugt werden, welche Einfallswinkel nahe 90º aufweisen.
• Dieses Ergebnis kann beträchtlich verbessert werden, wenn man einen Boden verwendet, dessen Außenfläche eine konvexe Form aufweist, zum Beispiel eine Kegelschnittform oder eine Kugelform.
• Wenn man außerdem einen halbmondförmigen Boden mit einer konvexen Außenfläche und einer konkaven Innenfläche verwendet, erhält man vorteilhafterweise eine Konzentration des auf die empfindliche Fläche des photoelektronischen Bauteils diffundierten Lichts.
• Außerdem ist es möglich, die Leistungen der Sonde zu verbessern, indem man die vom Boden diffundierte Lichtstrahlung einfängt. Zu diesem Zweck ist es möglich, die Innenwand der Hülse zumindest in einem Bereich zwischen dem Boden und dem photoelektronischen Bauteil mit einem optisch reflektierenden Element zu verkleiden.
• Es ist anzumerken, daß die Materialdicke in Höhe des Bodens die Dämpfung der einfallenden Strahlen in Bezug auf die diffundierte Strahlung bestimmt. Daher muß diese Dämpfung so vorgesehen werden, daß die Sättigung des photoelektronischen Bauteils vermieden wird und daß dieses in einem Bereich funktioniert, wo seine Reaktion linear in Abhängigkeit von der Beleuchtungsstärke variiert.
• Daher sieht die Erfindung ebenfalls eine Hülse vor, in der der Boden ursprünglich eine ziemlich große Dicke aufweist, wobei diese Dicke anschließend vom Benutzer je nach der gesuchten Anwendungsart durch Bearbeitung angepaßt werden kann.
• Ausführungsformen der Erfindung werden nachstehend als Beispiel mit Bezug auf die beiliegenden Zeichnungen beschrieben.
• Fig. 1 zeigt schematisch einen klassischen Aufbau eines Phototransistors.
• Die Fig. 2 und 3 sind zwei graphische Darstellungen, die je die Reaktionskurve des Phototransistors in Abhängigkeit von der Beleuchtungsstärke bzw. die Variationskurve der Dämpfung in Abhängigkeit vom Einfallswinkel der Lichtstrahlen zeigen.
• Fig. 4 ist ein schematischer axialer Schnitt durch eine erfindungsgemäße Sonde.
• Die Fig. 5 und 6 sind graphische Darstellungen analog denen der Fig. 2 und 3, die die Leistungen der in Fig. 4 gezeigten Sonde darstellen; und die Fig. 7 und 8 stellen schematisch im Axialschnitt Ausführungsvarianten der erfindungsgemäßen Sonde dar.
• Wie in Fig. 1 dargestellt, besteht der Phototransistor 1 aus einem Halbleiterelement 2, das in einem Gehäuse 3 angeordnet ist, welches ein Fenster 4 besitzt, das vor der Fläche dieses für Lichtstrahlen empfindlichen Halbleiterelements angeordnet ist. Dieses Fenster 4 wird gewöhnlicherweise mittels einer Glaspastille mit konvexer Außenfläche hergestellt.
• Das Halbleiterelement weist außerdem eine Sammelelektrode 5 auf, die im gezeigten Beispiel mit einer positiven Spannungsquelle 6, z. B. mit 15 V, und mit einer Sendeelektrode 7 verbunden ist, die über einen Widerstand 8, beispielsweise von 710 Ω, mit Masse verbunden ist.
• Fig. 2 zeigt die Variationskurve 8 V des Stroms Ic, der den Phototransistor durchquert, für eine Beleuchtungsstärke, die zwischen 0 und 200.000 Lux variiert. Man stellt in dieser Figur fest, daß ausgehend von einer Beleuchtungsstärke null der Strom Ic schnell linear anwächst, bis die Beleuchtungsstärke einen Wert von etwa 25.000 Lux erreicht für eine Stromstärke von etwa 15 mA. Ausgehend von diesem Wert krümmt sich die Kurve 8' und dann stabilisiert sich die Stromstärke ausgehend von einer Beleuchtungsstärke von 210.000 Lux auf einen konstanten Wert von etwa 20 mA. Diese Stabilisierung ist auf das Phänomen der Sättigung des Phototransistors 1 zurückzuführen. Es ist klar, daß aufgrund dieser Sättigung der Phototransistor 1 direkt nur für begrenzte Beleuchtungsstärkebereiche verwendet werden kann, in diesem Fall von 0 bis 25.000 Lux.
• Die Kurve 9 der Fig. 3 zeigt weiter, daß der Öffnungswinkel δ der Sonde sehr gering ist (± 18º) in Bezug auf die Normale für eine Dämpfung δ = Ic/Imax des Stroms Ic von 50%.
• Die in Fig. 4 gezeigte Sonde erlaubt es, diese drei Nachteile auf einmal zu vermeiden.
• Sie verwendet einen Phototransistor 10 der in Fig. 1 gezeigten Art, der in einer Hülse mit zylindrischem Querschnitt angeordnet ist, deren Boden 12 einer Dicke e eine konische konvexe Oberfläche 13 und eine ebenfalls konische konkave Innenfläche 14 besitzt. Natürlich hängen die Maße dieser Hülse 11 von denen des verwendeten Phototransistors ab. Im Fall eines üblichen Phototransistors, zum Beispiel der Art BPX 31, der von der Firma RTC vertrieben wird, kann der Außendurchmesser der Hülse etwa 3,4 mm betragen, während ihre Länge L geringer als 10 mm sein kann. Wie oben erwähnt, muß diese Hülse 11 aus einem lichtdurchlässigen Material sein, das eine gute Fähigkeit zur Diffusion von Lichtstrahlen aufweist. Seine Steifheit muß ausreichend sein, um einen guten mechanischen Schutz der Sonde zu bewirken. Außerdem müssen seine Härte und seine Trägheit gegenüber der Korrosion ausreichend sein, damit es ohne Veränderung seiner optischen Eigenschaften den Mitteln widerstehen kann, die zur Reinigung der Außenseite des Bodens verwendet werden, die nämlich die Lichtempfangsfläche bildet und die perfekt sauber bleiben muß in der Art aller optischen Bauteile.
• Ausgezeichnete Ergebnisse wurden mit Hilfe eines transparenten weißen Kunststoffmaterials erzielt, das von der Firma Du Pont unter dem Namen "Delrin" in den Handel gebracht wird.
• In dieser Sonde wird die elektrische Verbindung zwischen dem Phototransistor 10 und dem elektronischen Meßkreis durch Leiterdrähte 15, 16 bewirkt, die je mit dem Sender bzw.
• dem Kollektor des Phototransistors 10 verbunden sind, wobei diese Drähte 15, 16 sich axial in der Hülse 11 erstrecken und dann durch ihre Öffnung 17 entgegengesetzt dem Boden austreten.
• Die Positionierung des Phototransistors 10, sowie der Abschnitte der Leiterdrähte 15, 16, die sich innerhalb der Hülse befinden, geschieht durch Umhüllung mittels eines transparenten Kunststoffmaterials 18, z. B. einem Elastomer, dessen Brechungsindex nahe dem der Glaspastille 20 liegt, die das Fenster des Phototransistors 10 bildet.
• Die Rolle dieser Umhüllung ist nicht auf ihre mechanische Funktion begrenzt.
• Tatsächlich erlaubt sie es ebenfalls, eine perfekte Dichtheit der Sonde zu bewirken. Außerdem dient der Teil dieser Umhüllung, der das Volumen 21 zwischen der empfindlichen Fläche des Phototransistors 10 und dem Boden 12 füllt, zur Herstellung einer optischen Kontinuität der vom Boden 12 diffundierten Lichtstrahlung. Er vermeidet insbesondere die Unterbrechung, von der diese Strahlungen in Höhe der Oberfläche der Pastille 20 des Phototransistors 10 betroffen wären, wenn das Volumen einen anderen Brechungsindex aufweisen würde (was zum Beispiel der Fall wäre, wenn dieses Volumen leer wäre).
• Im in Fig. 4 gezeigten Beispiel wurde die Kegelschnittform der Außenfläche 13 des Bodens 12 im wesentlichen gleich 240º vorgesehen, um den Öffnungswinkel der Sonde so weit wie möglich auszuweiten.
• Die Leistungen der soeben beschriebenen Sonde sind in den Fig. 5 und 6 dargestellt.
• So zeigt die Grafik der Fig. 5, daß der Strom Ic (Kurve 22) einem linearen Gesetz in Abhängigkeit von der Beleuchtungsstärke E folgt, sogar für Werte höher als 200.000 Lux.
• Wie man in Fig. 6 sehen kann, wird außerdem der Öffnungswinkel für eine Dämpfung von 50% des Stroms Ic auf ± 60º gebracht, während ein Winkel von ± 90º auswertbar bleibt, wobei die Dämpfung (Kurve 23) in diesem Fall etwa 75% beträgt. Es ist anzumerken, daß aufgrund der zylindrischen Form der Hülse 11 der Einbau der Sonde beträchtlich erleichtert wird. Sie kann zum Beispiel wie gezeigt einfach in einer Bohrung eines entsprechenden Durchmessers einer Trägerstruktur 24 eingeführt werden.
• Natürlich ist die Erfindung nicht auf die soeben beschriebene Form der Hülse beschränkt.
• So kann die Außenfläche der Hülse eben sein, wie in Fig. 7 in durchgezogenen Strichen gezeigt (Bezugszeichen 25). Es hat sich tatsächlich gezeigt, daß diese Lösung, die im Fall großer Einfallswinkel etwas weniger leistungsfähig ist, jedoch interessant bleibt, wie aus der Kurve 26 hervorgeht, die in unterbrochenen Strichen in Fig. 6 gezeigt ist.
• Außerdem kann die Hülse ursprünglich einem ziemlich dicken Boden aufweisen (etwa mehrere Male die Dicke der Hülse), den der Benutzer selber je nach Anwendungsart anpassen kann. Fig. 7 zeigt in unterbrochenen Punkten (Bezugszeichen 27) einen solchen Boden.
• Insbesondere kann der Benutzer selbst die Dicke des Bodens anpassen, um die gewünschte Dämpfung zu erhalten, zum Beispiel indem er sie auf die durch den unterbrochenen Strich 28 angezeigte Dicke zurückführt.
• Er könnte ebenfalls den Boden anpassen, um eine Kontinuität der Form mit der Vorderseite des Trägers zu erhalten und so zu vermeiden, daß die Sonde in Bezug auf diese vorsteht oder zurückliegt.
• So stellt in Fig. 7 der unterbrochene kurvenförmige Strich 29 eine Gestaltung des Bodens dar, die der Krümmung der Vorderseite 30 des Trägers angepaßt ist (ebenfalls in unterbrochenen Strichen).
• Im in Fig. 8 gezeigten Beispiel ist der Abschnitt 31 der inneren zylindrischen Oberfläche der Hülse 32, die zwischen dem Phototransistor 10 und dem Boden 12 liegt, mit einer reflektierenden Verkleidung 33 bedeckt, die dazu dient, einen Bruchteil der vom Boden 12 diffundierten Lichtstrahlung auf die empfindliche Oberfläche des Phototransistors 10 zurückzusenden.
• Es stellt sich also heraus, daß die erfindungsgemäße Sonde besonders vorteilhaft ist insbesondere aufgrund: - ihrer Verwendungsmöglichkeiten unter den strengsten Umweltbedingungen, - ihrer geringen Außenmaße und ihrer Gestaltung, - ihrer einfachen Herstellung und Anwendung, - der leichten Anpassung der Empfindlichkeit der Sonde auf die gewünschte Beleuchtungsstärkedynamik, - der Möglichkeit, die Form des Endes der Sonde zu verändern, jedoch mit einer leichten Reduzierung des Öffnungswinkels, der jedoch innerhalb der für die Anwendung akzeptablen Grenzen bleibt.
• Diese Sonde kann folglich sowohl in den Sektoren der Hochtechnologie wie auch in den Sektoren der Unterhaltungselektronik verwendet werden.

Claims (13)

1. Beleuchtungsstärke-Sonde, die eine elektrische Information proportional zu einer Beleuchtungsstärke liefern kann, wobei diese Sonde eine rohrförmige Struktur, die auf einer Seite von einem lichtdurchlässigen Element verschlossen wird, das dem Licht ausgesetzt wird, dessen Beleuchtungsstärke gemessen werden soll, und ein opotoelektronisches Bauteil (10), das im Inneren der Struktur positioniert und dessen transparentes Fenster (20) vor dem Element angeordnet ist, sowie Mittel zur festen Verbindung des Bauteils (10) mit der Struktur aufweist, dadurch gekennzeichnet, daß - die rohrförmige Struktur aus einer Hülse (11) besteht, die aus einem lichtdurchlässigen Material hergestellt ist, das diffundierende Eigenschaften aufweist, wobei diese Hülse (11) das optoelektronische Bauteil (10) aufnimmt und einen Boden (12) aufweist, der das lichtdurchlässige Element bildet, und - die Verbindungsmittel aus einem transparenten Kunststoffmaterial (17) bestehen, dessen Brechungsindex nahe dem des transparenten Fensters (20) ist und mit dem das optoelektronische Bauteil umhüllt ist, wobei dieses Material (17) mindestens teilweise das freie Volumen zwischen dem Bauteil (10) und seinen Anschlußmitteln und der Hülse ausfüllt, um gleichzeitig die feste Verbindung des optoelektronischen Bauteils mit der Hülse (11) und die optische Kontinuität zwischen dem Boden (12) der Hülse (11) und dem Fenster (20) des optoelektronischen Elements (10) zu sichern.

2. Sonde nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Boden (12) eine flache oder konvexe Außenoberfläche (13) aufweist.

3. Sonde nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Boden (12) eine konische oder kugelförmige Außenoberfläche (13) aufweist.

4. Sonde nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Boden (12) eine konkave innere Oberfläche (14) aufweist.

5. Sonde nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Boden (12) halbmondförmig ist, wobei seine Außenoberfläche konvex (13) und seine Innenoberfläche konkav ist.

6. Sonde nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Dicke (e) des Bodens (12) einstellbar ist.

7. Sonde nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Boden (12) eine große Dicke der Größenordnung von mehrfach der Dicke der Hülse (11) aufweist, um vom Benutzer durch Ausschnitt und/oder Bearbeitung angepaßt werden zu können.

8. Sonde nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß sie Mittel zum Einfangen der vom Boden (12) diffundierten Lichtstrahlung aufweist.

9. Sonde nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Einfangmittel aus mindestens einem optisch reflektierenden Element (33) bestehen, das in dem Bereich der Hülse (11) angeordnet ist, der sich zwischen dem optoelektronischen Bauteil (10) und dem Boden (12) befindet.

10. Sonde nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Kunststoffmaterial (17) ein Elastomer ist.

11. Sonde nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das die Hülse (11) bildende Material ein lichtdurchlässiges Kunststoffmaterial ist.

12. Sonde nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Kunststoffmaterial weißes "Delrin" ist.

13. Sonde nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das optoelektronische Bauteil ein Phototransistor ist.