DE69617482T2

DE69617482T2 - Photosensor zur Erkennung der Einfallsrichtung und Intensität von optischer Strahlung

Info

Publication number: DE69617482T2
Application number: DE69617482T
Authority: DE
Inventors: Jonathan W. Hill
Original assignee: Control Devices LLC
Current assignee: Control Devices LLC
Priority date: 1995-01-25
Filing date: 1996-01-24
Publication date: 2002-06-13
Anticipated expiration: 2016-01-25
Also published as: US5670774A; EP0724165B1; EP0724165A1; DE69617482D1

Description

TECHNISCHES GEBIET DER ERFINDUNG

Die vorliegende Erfindung betrifft allgemein Photosensoren und insbesondere Photosensoren zum Erfassen der Einfallsrichtung und Intensität optischer Strahlung.

HINTERGRUND DER ERFINDUNG

Von den zahlreichen bekannten Systemen zum Erzeugen elektrischer Signale mit einem Informationsgehalt, der von der relativen Ausrichtung einer Lichtquelle abhängt, sind die meisten komplex und teuer, und ihnen zugeordnet sind elektronische Analysesysteme, die sperrig sind, wodurch ihre Anwendbarkeit in Umgebungen mit begrenztem Platz wie etwa im Inneren von Motorfahrzeugen eingeschränkt sind.
Eine bekannte Anordnung zum Bestimmen der Position einer Quelle einfallender Strahlung verwendet ein Paar Solarzellen, die senkrecht zueinander angeordnet sind. Dieses System kann daher nicht bei Anwendungen verwendet werden, welche eine Flachheit oder Kompaktheit der Sensoranordnung erfordern. Die einfallende elektromagnetische Strahlung bzw. das Sonnenlicht bewirkt, dass die rechtwinklig zueinander angeordneten Strahlungsdetektoren entsprechende elektrische Ausgangssignale mit Amplituden erzeugen, die für den Einfallswinkel des Lichts kennzeichnend sind. Strahlung erfassende Schaltkreise werden zum Bestimmen des Einfallswinkels bezogen auf die Ausrichtung der Solardetektoren verwendet, in dem die Ausgangssignale der entsprechenden Solardetektoren überwacht und verglichen werden.
Ein weiteres bekanntes System zum Bestimmen der Richtung einfallender Strahlung verwendet einen Sensorkopf mit einem halbkugelförmigen konvexen Oberflächenbereich, an welchem eine Mehrzahl optischer Fasern endet. Die optischen Fasern sind gebündelt und an ihren distalen Enden mit Detektoren versehen, welche illustrativ in der Form einer Matrix angeordnet sind. Dieses bekannte System erfordert jedoch zusätzlich zum Erfordernis einer Mehrzahl von in einer Matrix angeordneten Detektoren komplexe mathematische und auswertende Schaltkreise, welches dieses bekannte System bei Anwendungen ungeeignet macht, in denen eine Einfachheit und Wirtschaftlichkeit erforderlich sind.
Bei Fahrzeugen, die ihre Ausrichtung bezogen auf die Sonne ständig ändern, ist es wünschenswert, das Ausgangssignal der zugehörigen Aufwärm- und Abkühlsysteme zu ändern, um so den Einfluss des Sonnenlichts zu berücksichtigen. In derartigen Systemen gibt es jedoch nicht häufig ausreichend Raum für einen komplexen, vielkomponentigen Sensor und die zugehörige Rechnerverschaltung.
Um dieses Problem zu lösen, offenbart das für Hegyi erteilte U.S. Patent Nr. 5,264,691 eine Mehrzahl von Photosensoren mit im Wesentlichen ebenen lichtempfindlichen Oberflächen, die Eingangslicht aus einer Lichtquelle empfangen. Jeder der Sensoren hat einen entsprechenden Ausgangsanschluss zum Bereitstellen eines elektrischen Ausgangssignals, welches auf das Eingangslicht aus der Lichtquelle anspricht. Eine Lichtmaske ist derart angeordnet, dass sie über den im Wesentlichen ebenen lichtempfindlichen Oberflächen liegt derart, dass die Maske einen Schatten immer dann auf die Sensoren wirft, wenn die Lichtquelle nicht direkt darüber liegt. Durch Untersuchung der Ausgänge des Sensors kann die Stellung des Schattens (und daher die Stellung der Lichtquelle) bestimmt werden. Diese bekannte Quelle hat den Nachteil, dass sie eine Drehausrichtung der Maske bezogen auf die Photosensoren erfordert. Ferner ist diese bekannte Vorrichtung nur bis auf Einfallswinkel von bis zu 75% von oben genau, und die Höhe der Maske muss präzise eingestellt werden, um genaue Lichtquellenstellungen bei niedrigen Einfallswinkeln zu erhalten.
Die WO 94/23277 offenbart einen kombinierten Sensor für die Stärke des Umgebungslichts und die Richtung der Lichtquelle, welcher die Oberlampen und das Fahrzeugkabinenklima steuert. Der Sensor verwendet einen Lichtmodulator, der dazu dient, eine Winkelempfindlichkeit für das einfallende Licht zu erzielen. Der Lichtmodulator kann eine undurchlässige Barriere (eine Maske) sein, die einen Schatten auf eine Lichtsensoreinrichtung wirft. Ein Diffusor dient dazu, das Winkelsichtfeld der Photosensoranordnung zu erhöhen. Der Diffusor kann kuppelförmig sein.
Es besteht daher im Stande der Technik das Bedürfnis nach einem Photosensor, der die Einfallsrichtung und Intensität der optischen Strahlung für Lichtquelleneinfallswinkel von bis zu 90º von oben erfassen kann. Es besteht ein weiteres Bedürfnis für eine Photosensorvorrichtung, die während der Herstellung ihrer Teile keine Axial- und Drehausrichtung erfordert. Die vorliegende Erfindung ist darauf gerichtet, diese Erfordernisse zu erfüllen.

ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG

Die vorliegende Erfindung betrifft einen Photosensor, der sowohl die Einfallsrichtung als auch die Intensität optischer Strahlung erfassen kann. Der Detektor umfasst eine Anordnung von unter einer Diffusorkuppel angeordneten Photodetektorzellen. Die Einfallsrichtung der optischen Strahlung kann durch einen Vergleich der Spannungsausgänge jedes der Photodetektoren in der Anordnung bestimmt werden, wobei diese Ausgänge direkt proportional zur Menge der optischen Strahlung ist, die auf jeden Photodetektor in der Anordnung auftreffen. Die Intensität der optischen Strahlung kann durch eine Analyse des Mittelwertes der Ausgangssignale der Photodetektoranordnung bestimmt werden.
Bei einer Form der Erfindung wird ein Photosensor zum Erfassen der Einfallsrichtung und Intensität der optischen Strahlung offenbart, welche eine Mehrzahl von Photodetektoren wie in Anspruch 1 definiert umfasst.
Bei einer anderen Form der Erfindung wird ein Photodetektor zum Erfassen der Einfallsrichtung und Intensität der optischen Strahlung offenbart, welche ein Substrat und eine Mehrzahl von an dem Substrat befestigten Photodetektoren, wie es in Anspruch 8 definiert ist, umfasst.
Bei einer weiteren Form der Erfindung wird ein Verfahren zum Erfassen der Einfallsrichtung der optischen Strahlung in Anspruch 14 offenbart.

KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN

Fig. 1 ist eine Querschnittsansicht einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
Fig. 2 ist eine perspektivische Ansicht der Photodetektoranordnung der vorliegenden Erfindung.

BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORM

Für die Zwecke des Förderns des Verständnisses der Prinzipien der Erfindung wird nun Bezug auf die in den Zeichnungen dargestellte Ausführungsform genommen, und es wird eine besondere Ausdrucksweise zum Beschreiben derselben verwendet. Nun zu Fig. 1: Dort ist ein Photosensor gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung in einer Querschnittsansicht gezeigt, welcher im Ganzen mit 10 bezeichnet ist. Der Photosensor besteht aus einer Anordnung von Photodetektoren, von welchen in dieser Querschnittsansicht die Photodetektoren 1 und 2 sichtbar sind. Bei einer bevorzugten Ausführungsform sind vier derartige Photodetektoren 1 bis 4 in einem quadratischen Gitter angeordnet (siehe Fig. 2). Die Photodetektoren 1 bis 4 sind auf einem Substrat 12 mittels geeigneter Einrichtungen befestigt. Jeder der Photodetektoren 1 bis 4 umfasst eine Leitung 14, die den Boden des Substrats 12 durchdringt. Die Photodetektoren 1 bis 4 erzeugen an ihren entsprechenden Leitungen eine Spannung, welche direkt proportional zur Menge der vom Photodetektor empfangenen optischen Strahlung ist. Die gesamte Anordnung wird von einer Diffusorkuppel 16 bedeckt, die ebenfalls an dem Substrat 12 befestigt ist. Der Diffusor 16 ist vorzugsweise aus Delrin-Kunststoff hergestellt. Eine Lichtquelle 18 wie etwa die Sonne bestrahlt den Photosensor 10 mit optischer Strahlung. Der hellste auf den Diffusor 16 fallende Lichtbereich ist mit 20 bezeichnet. Die Photodetektoren 1 bis 4, die dem hellen Punkt 20 am nächsten sind, empfangen die größte Menge an auftreffender optischer Strahlung. Umgekehrt empfangen die von dem hellen Punkt 20 am weitesten entfernten Photodetektoren 1 bis 4 die kleinste Menge an auftreffender Strahlung. Die Bewegung der Sonne 18 relativ zum Photosensor 10, die aus der Bewegung der Sonne im Himmel oder aus der Bewegung der Vorrichtung selbst resultiert, und zwar in Situationen, in denen der an einem (nicht gezeigten) Fahrzeug befestigt ist, bewirkt, dass sich der helle Punkt 20 über die Oberfläche des Diffusors 16 bewegt, wodurch die relativen Anteile der auffallenden optischen Strahlung, die von jedem der Photodetektoren 1 bis 4 aufgenommen werden, geändert werden. Entsprechend kann die relative Menge von eintreffender optischer Strahlung, die auf jeden Photodetektor 1 bis 4 fällt, eine Funktion der Stellung der Sonne relativ zum Photosensor 10 sein, und entsprechend kann die von jedem Photodetektor 1 bis 4 erzeugte Spannung eine Funktion der Stellung der Sonne 18 sein. Daher kann die Stellung der Sonne 18 durch das Erfassen von Verhältnissen der Spannungen zwischen unterschiedlichen Photodetektorelementen genau bestimmt werden, während die Gesamtintensität des Sonnenflusses durch die tatsächlichen Spannungen selbst, die Sonnenstellungen und die Licht-Spannungs-Umwandlungs-Effizienz des Photodetektors bestimmt werden kann.
Nun zu Fig. 2: Die Photodetektoranordnung ist in perspektivischer Ansicht gezeigt und umfasst die Photodetektoren 1 bis 4, die in einem im Wesentlichen quadratischen Gitter angeordnet sind. Die Fachleute werden erkennen, dass die vorliegende Erfindung in jeglicher Anordnung für das Photodetektorgitter verwirklicht werden kann. Zu den Zwecken des Berechnens der Stellung der Sonne 18 sind die Bezugsachsen X und Y derart angeordnet, dass die X- Achse direkt zwischen die Photodetektoren 1 und 3 und zwischen die Photodetektoren 2 und 4 fällt, während die Y-Achse direkt zwischen die Photodetektoren 1 und 2 und zwischen die Photodetektoren 3 und 4 fällt. Die Pfeile an den X- und Y- Achsen kennzeichnen die Richtung des positiven Wertes. Die Stellung der Sonne 18 kann unter Bezug auf den Photosensor 10 durch einen Höhenwinkel θ und einen Azimutalwinkel φ beschrieben werden. Der Höhenwinkel θ ist als der Winkel zwischen dem einfallenden Strahl 22 und einer senkrechten Linie 24 zwischen dem einfallenden Strahl 22 und der Oberfläche der Photodetektoranordnung definiert. Der azimutale Winkel φ wird ausgehend von der Y-Achse zur X-Achse gemessen, auf einer Projektion des Strahls 22 in der X-Y-Ebene.
Die Verhältnisse der Spannungen der Photodetektorelemente 1 bis 4 sind direkt mit der Menge des auf die Photodetektorelemente 1 bis 4 auftreffenden Sonnenflusses verbunden. Daher kann die Stellung der Sonne 18 wie auch die Gesamtintensität des Sonnenflusses anhand einer Analyse der von den Photodetektoren 1 bis 4 erzeugten Spannungen bestimmt werden. Beim Betrieb wird zunächst die Spannung auf jedem Photodetektorelement 1 bis 4 gemessen. Zunächst wird die Stellung des Zentroids der auftreffenden Energie berechnet. Die X- und Y-Koordinaten des Zentroids werden wie folgt gegeben:
X = ((V2 + V4) - (V1 + V3))/(V1 + V2 + V3 + V4)
Y = ((V1 + V2) - (V3 + V4))/(V1 + V2 + V3 + V4)
Die Koordinaten des Zentroids bestimmen die Projektion des hellen Punkts 20 auf die Oberfläche der Photodetektoranordnung. Sind die Koordinaten des Zentroids einmal bestimmt, kann der Höhenwinkel A wie folgt bestimmt werden:
θ = K x R
wobei
K = eine Konstante
R =
Die Konstante K wird experimentell für jegliches gegebene Photosensor 10-Design bestimmt. Der Azimutalwinkel φ wird wie folgt bestimmt:
φ = tan&supmin;¹ (X/Y)
φ hat immer einen Wert von zwischen -90º und 90º. Um herauszufinden, welcher Quadrant der Photodetektoranordnung φ einen Test auf die Vorzeichen von X und Y erfordert.
Beispielsweise stehen ein positives X und ein positives Y dafür, dass der Wert von φ im Quadranten des Photodetektors 2 liegt, während ein Wert mit positiven X und negativen Y dafür steht, dass der Winkel φ in den Quadranten des Photodetektors 4 liegt. Falls bestimmt wird, dass der Winkel φ im Quadranten des Photodetektors 4 liegt, ist es anschließend notwendig, auf den berechneten Wert φ 90% zuzuschlagen. Es erfolgt eine ähnliche Verbesserung, falls der Winkel φ so bestimmt wird, dass er im Quadranten des Photodetektors 3 liegt. Eine Bestimmung des Höhenwinkels θ und des azimutalen Winkels φ ergibt eine vollständige Definition der Einfallsrichtung der optischen Strahlung, welcher aus der Sonne 18 kommt.
Um ein illustratives Beispiel zu geben: Man nehme an, dass die Stellung der Sonne bezogen auf die Photodetektoranordnung allgemein sowie in Fig. 2 gezeigt ist. Ist die Sonne 18 in einer derartigen Stellung, sind die von jedem der Photodetektoren erzeugten Spannungen gleich wie folgt genannt:
V1 = 9
V2 = 10
V3 = 7
V4 = 8
Es ist den Fachleuten klar, dass die von den Photodetektorelementen erzeugten Spannungen, die der Sonne 18 am nächsten sind, höher als die von den weiter entfernten Photodetektorelementen erzeugten Spannungen sind. Das Zentroid der einfallenden Strahlung wird dann wie folgt berechnet:
X = ((10 + 8) - (9 + 7))/(9 + 10 + 7 + 8) = 0,0588
Y = ((9 + 10) - (7 + 8))/(9 + 10 + 7 + 8) = 0,1176
Kennt man die Zentroidwerte, kann der Höhenwinkel θ wie folgt berechnet werden:
R = = 0,1315
θ = 0,1315 K
Der Endwert des Höhenwinkels θ wird dadurch bestimmt, dass die geeignete Konstante K, die für jedes beliebige Photosensor 10- Design experimentell bestimmt wird. Schließlich wird der Azimutalwinkel φ wie folgt bestimmt:
φ = tan&supmin;¹ (0,0558/0,1176) = 26,6º
Da die Vorzeichen von sowohl X und Y positiv sind, liegt der Azimutalwinkel φ im Quadranten des Photodetektors 2, und es wird keine weitere Korrektur benötigt (d. h. der tatsächliche Wert von φ = 26,6º).
Der zusätzliche Parameter, der für eine vollständige Beschreibung der Sonnenstrahlung wichtig ist, ist der Sonnenfluss. Es ist klar, dass bei gegebener Umwandlungseffizienz zwischen der Photodetektorspannung und dem auf den Photodetektor senkrecht zur Detektorebene auftreffenden Fluss eine gemessene Photodetektorspannung dazu verwendet werden kann, den Sonnenfluss unter senkrechtem Einfall zu erhalten. Bei Winkeln, die auf den Detektor jedoch anders als senkrecht auffallen, ist die Bestimmung des Sonnenflusses 18 komplizierter. Bei solchen nicht-senkrechten Anordnungen muss der Winkel, in welchem der Sonnenfluss auf den Photodetektor auftrifft, berücksichtigt werden. Der Winkel zwischen der senkrecht zum Photodetektor verlaufenden Oberfläche und der Richtung der Sonnenstrahlung ist derselbe Winkel θ, der oben besprochen wurde. Man könnte eingangs erwarten, dass der gemessene Sonnenfluss durch den Projektionsfaktor des Bereichs des Photodetektors erzeugt wird, wie er aus der Stellung der Sonne 18 zu sehen ist. Dies würde dazu führen, dass der Photodetektorstrom um einen Faktor des Cosinus θ bezüglich der Sonnenstrahlung in einem Einfallswinkel θ verringert wird, der nicht gleich 0 ist. Die Reflektivität der Photodetektoroberfläche ist auch eine Funktion von θ und muss insbesondere bei Siliziumdetektoren berücksichtigt werden, weil die Reflektivität nicht klein und eine Funktion von θ ist. Eine Alternative zum Berechnen der Reflektivität in Abhängigkeit von θ besteht darin, eine einfache Kalibrierung vorzunehmen. Durch Kippen des Photodetektors bezüglich der Richtung des einfallenden Sonnenlichts zum Abdecken des interessierenden Bereichs der Einfallswinkel und zum Messen der Photodetektorspannung kann eine Kalibrierung, welche sämtliche geeignete Faktoren berücksichtigt, leicht empirisch berücksichtigt werden.
Wie zuvor festgestellt, wird die Diffusorkuppel 16 über der Photodetektoranordnung angeordnet, um Licht über die Oberfläche der Photodetektoren hinweg zu diffundieren. Die Form des Diffusors 16 ist für die Genauigkeit des Photosensors 10 ein bestimmender Faktor. Es ist erwünscht, dass die Form des Diffusors 16 eine lineare Beziehung zwischen dem Höhenwinkel θ und dem Wert von R ermöglicht, wie sie durch die Gleichung θ = K · R gegeben ist. Es wurde experimentell festgestellt, dass eine Kuppel 16 mit konstantem Radius diese Beziehung am ehesten erfüllt. Es wird angenommen, dass die optimale Form für den Diffusor 16 eine vollständige Halbkugel (d. h. die Hälfte einer Kugel) ist, aus Platzgründen kann der Diffusor 16 jedoch häufig nur ein geringeres Volumen einnehmen. Experimentelle Ergebnisse weisen darauf hin, dass ein kleinerer Abschnitt einer Kugel mit konstantem Radius gute Ergebnisse erzeugt, wenn er als Diffusor 16 verwendet wird. Der Oberflächenbereich des Diffusors 16 sollte allgemein größer als der Oberflächenbereich der Photodetektorquadrate sein.
Die zum Umsetzen der Photodetektorspannungen und der Werte von θ, φ in den Gesamtsonnenfluss benötigter Prozessorschaltung kann auf vielfältige Weise umgesetzt werden, wie es den Fachleuten leicht ersichtlich ist. Es kann beispielsweise zweckdienlich sein, die Sonnenflussverbesserungsfaktoren als Funktion des Einfallswinkels in einer Nachschlagtabelle abzulegen, wobei Daten verwendet werden, die wie oben beschrieben experimentell bestimmt wurden.

Claims

1. Photosensor zum Erfassen der Einfallsrichtung und der Intensität optischer Strahlung, mit:

- einer Mehrzahl von Photodetektoren, wobei die Photodetektoren in einer im wesentlichen flachen Ebene liegen; und

- einem Diffusor, der im wesentlichen über der Mehrzahl von Photodetektoren liegt;

wobei der Diffusor im wesentlichen kuppelförmig ist und dazu dient, optische Strahlung zu streuen; und

wobei kein Teil des Photosensors bewirkt, dass ein Schatten auf die Mehrzahl von Photodetektoren fällt, wenn die Einfallsrichtung innerhalb eines Messbereichs des Photosensors liegt.

2. Photosensor nach Anspruch 1, bei dem der Diffusor eine hohle Halbkugel ist.

3. Photosensor nach Anspruch 1, bei dem der Diffusor ein hohler Kugelabschnitt ist.

4. Photosensor nach Anspruch 1, bei dem ein äußerer Oberflächenbereich des Diffusors größer als ein Gesamtoberflächenbereich der Mehrzahl von Photodetektoren ist.

5. Photosensor nach Anspruch 1, bei dem der Diffusor einen im wesentlichen konstanten Radius aufweist.

6. Photosensor nach Anspruch 1, der ferner ein Substrat zum Befestigen der Mehrzahl von Photodetektoren und des Diffusors aufweist.

7. Photosensor nach Anspruch 1, bei dem die Mehrzahl von Photodetektoren in einem Gittermuster angeordnet sind.

8. Photosensor zum Erfassen der Einfallsrichtung und der Intensität optischer Strahlung, mit:

- einem Substrat;

- einer Mehrzahl von auf dem Substrat angebrachten Photodetektoren, wobei die Photodetektoren in einer im wesentlichen flachen Ebene liegen;

- einer Mehrzahl von Ausgangsanschlüssen; wobei jeder der Ausgangsanschlüsse einem bestimmten Photodetektor aus der Mehrzahl von Photodetektoren entspricht und sich durch das Substrat hindurch erstreckt; und

- einem mit dem Substrat verbundenen Diffusor, wobei der Diffusor im wesentlichen kuppelförmig ist und dazu dient, optische Strahlung zu streuen;

9. Photosensor nach Anspruch 8, bei dem der Diffusor eine hohle Halbkugel ist.

10. Photosensor nach Anspruch 8, bei dem der Diffusor ein hohler Kugelabschnitt ist.

11. Photosensor nach Anspruch 8, bei dem ein äußerer Oberflächenbereich des Diffusors größer als ein Gesamtoberflächenbereich der Mehrzahl von Photodetektoren ist.

12. Photosensor nach Anspruch 8, bei dem der Diffusor einen im wesentlichen konstanten Radius aufweist.

13. Photosensor nach Anspruch 8, bei dem die Mehrzahl von Photodetektoren in einem Gittermuster angeordnet sind.

14. Verfahren zum Erfassen der Einfallsrichtung optischer Strahlung unter Verwendung eines Photosensors gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, mit den Schritten:

(a) Bewirken, dass die optische Strahlung über die Mehrzahl von Photodetektoren gestreut wird;

(b) Auslesen eines Ausgangssignals von jedem der Mehrzahl von Photodetektoren, wobei jedes Ausgangssignal proportional zur Größe des optischen Flusses ist, der auf den entsprechenden Photodetektor auftrifft;

(c) Bestimmen der X- und Y-Koordinaten eines Schwerpunkts der gestreuten optischen Strahlung aus den Photodetektorausgangssignalen;

(d) Bestimmen eines Höhenwinkels auf der Grundlage der X- oder Y-Koordinaten des Schwerpunkts; und

(e) Bestimmen eines Azimutwinkels auf der Grundlage der X- und Y-Koordinaten des Schwerpunkts.

15. Verfahren nach Anspruch 14, bei dem der Höhenwinkel dadurch bestimmt wird, dass eine vorbestimmte Konstante mit der Quadratwurzel von (X² + Y²) multipliziert wird.

16. Verfahren nach Ansprüch 14, bei dem der Azimutwinkel dadurch bestimmt wird, dass man den Arcustangens von (X/Y) verwendet.