DE68910025T2

DE68910025T2 - Photodetektorsystem mit beeinflussbarer positionsabhängiger Empfindlichkeit.

Info

Publication number: DE68910025T2
Application number: DE89112665T
Authority: DE
Inventors: Dennis J Hegyi
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1988-07-15
Filing date: 1989-07-11
Publication date: 1994-03-03
Anticipated expiration: 2009-07-12
Also published as: EP0350866A1; DE68910025D1; JPH02216402A; KR0152962B1; KR900002477A; US4933550A; EP0350866B1

Description

Die Erfindung betrifft eine Fotodetektoranordnung gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.
Im Stand der Technik gibt es eine Vielzahl von Systemen zur Erzeugung von elektrischen Signalen mit Informationsgehalt entsprechend der Orientierung einer Lichtquelle wie etwa der Sonne relativ zu einem Fotodetektor. Die meisten bekannten Anordnungen zur Durchführung dieser Funktion sind komplex und teuer und außerdem in Verbindung mit ihren elektronischen Signalanalysesystemen recht sperrig. Eine bekannte Anordnung verwendet ein Paar von Solarzellen, die orthogonal zueinander angeordnet sind. Die einfallende elektromagnetische Strahlung bzw. das Sonnenlicht bewirkt, daß die Solardetektoren entsprechende elektrische Ausgangssignale erzeugen, deren Amplituden dem Einfallswinkel des Lichts entsprechen. Verhältnisdetektierschaltungen werden verwendet, um den Einfallswinkel in bezug auf die Orientierung der Solardetektoren zu bestimmen, indem die Ausgangssignale der jeweiligen Solardetektoren überwacht und miteinander verglichen werden.
Ein weiteres bekanntes System zur Bestimmung der Richtung von einfallender Strahlung verwendet einen Sensorkopf mit einer halbkugelförmigen konvexen Oberfläche, an der eine Vielzahl von Lichtwellenleitern ankommt. Die Lichtwellenleiter sind an ihren distalen Enden zu Bündeln zusammengefaßt und an Detektoren angeschlossen, die beispielsweise in Form einer Matrix angeordnet sind. Dieses bekannte System benötigt jedoch nicht nur eine Vielzahl von als Matrix angeordneten Detektoren, sondern verlangt außerdem komplexe Rechen- und Auswertungsschaltungen, die das bekannte System für Anwendungen, bei denen Einfachheit und wirtschaftlichkeit verlangt werden, ungeeignet machen.
Ein Fotodetektorsystem gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 ist in GB-A-2 192 709 beschrieben. Mindestens zwei Fotodetektorelemente sind in einem Gehäuseteil untergebracht, und die Fotodetektorelemente sind in einen lichtdurchlässigen Harzkörper eingekapselt, während das Gehäuse eine Frontlinse aufweist, um verschiedene optische Charakteristiken wie etwa Betrachtungswinkel für jedes Fotodetektorelement vorzusehen. Dieses System wird dazu verwendet, verschiedene Beleuchtungskriterien zu messen, beispielsweise Außen- und Vorwärtsbeleuchtung bei einem System zum automatischen Aktivieren der Scheinwerfer eines Kraftfahrzeugs.
Andere Fotodetektorsysteme, die in DE-B2-2 327 837 und DE-A-2 440 168 beschrieben sind, verwenden umlaufende Teile, um auftreffendes Licht von der Sonne zu messen. In diesem Zusammenhang ist es bereits bekannt, das System mit einer lichtdurchlässigen Abschirmung beispielsweise aus Glas abzudecken.
Die Erfindung ist in Patentanspruch 1 gekennzeichnet. Bevorzugte Ausführungsformen sind in den Patentansprüchen 2-11 angegeben
Die Erfindung wird bevorzugt verwendet, um ein Steuersignal zum Steuern eines Kühl-(oder Heiz-)systems zu erzeugen. Das ist bei mobilen Systemen besonders wichtig.
Speziell bei mobilen Systemen, die ihre Orientierung in bezug auf die Sonne ständig ändern, ist es erwünscht, die Ausgangsleistung von zugehörigen Heiz- und Kühlsystemen so zu modifizieren, daß die Auswirkungen des Sonnenlichts berücksichtigt werden.
Die Erfindung benötigt nicht viel Platz für einen komplexen, aus einer Vielzahl von Komponenten bestehenden Sensor mit zugehörigen Rechenschaltkreisen. Das System gemäß der Erfindung ist kompakt, zuverlässig, einfach und kostengünstig.
Außerdem genügt es, gerade nur einen Fotodetektor zu verwenden, um die Position einer Lichtquelle wie beispielsweise der Sonne zu überwachen. Die Erfindung gibt ein System an zum Überwachen der Position einer Lichtquelle, wobei ein elektrisches Ausgangssignal in Abhängigkeit von einem Höhenwinkel der Lichtquelle in bezug auf einen vorbestimmten Horizont und vom Azimut erzeugt wird.
Die Erfindung eignet sich speziell für mobile Anwendungen.
Ausführungsformen der Erfindung können das Kühl/Heizsystem oder die Klimaanlage eines Fahrzeugs steuern. Die interessierende Lichtquelle ist die Sonne. Im Hinblick auf die vom Sonnenlicht erzeugte Wärme wird die Kühlleistung der Klimaanlage nach Maßgabe des Einfallswinkels des Sonnenlichts gesteuert.
Gemäß der Erfindung weist der Fotodetektor einen Eingang zum Empfang des Eingangslichts auf. Der Lichtmodulator ist bevorzugt im Bereich des Eingangs angeordnet und bestimmt eine positionsabhängige Empfindlichkeits-Charakteristik des Fotodetektorsystems. Der Diffusor ist vorteilhaft optisch zwischen dem Fotodetektor und dem Lichtmodulator angebracht. Der Diffusor dient dem Zweck, das auf den Fotodetektor treffende Licht zu streuen und dadurch die Auswirkung von positionsabhängigen Charakteristiken des lichtempfindlichen Bereichs des Fotodetektors zu verringern. Insbesondere haben die meisten Fotodetektoren lichtempfindliche Bereiche, die als Fotokathoden bezeichnet werden und im Idealfall für Licht gleichmäßig empfindlich sein sollten. Fotokathoden haben jedoch eine Lichtempfindlichkeit, die eine Funktion der Lage an der zu beleuchtenden Fotokathode ist. Wenn also ein Lichtstrahl sich über eine typische Fotokathode bewegt, ist das elektrische Ausgangssignal des Fotodetektors veränderlich, und zwar nicht, weil sich die Intensität des einfallenden Lichtstrahls ändert, sondern eher, weil sich der Lichtstrahl über Bereiche der Fotokathode mit verschiedenen Lichtempfindlichkeiten bewegt. Da der Diffusor angeordnet ist, um den Fotodetektor zu uberdecken, verringert er die positionsabhängige Charakteristik der Fotokathode des Fotodetektors, indem er das Licht streut und den Fehler im wesentlichen über die Gesamtfläche ausmittelt.
Gemäß einer speziellen beispielsweisen Ausführungsform der Erfindung ist der Lichtmodulator in Form einer Abdeckung ausgebildet, die über dem Diffusor angebracht ist, um bis auf einen vorbestimmten Bereich den gesamten Eingang des Fotodetektors abzudecken. Auf diese Weise kann nur Licht, das sich über einen vorbestimmten Bereich von Einfallswinkeln ausbreitet, auf den Diffusor treffen, und daher entspricht das elektrische Ausgangssignal des Fotodetektors dem Licht, das unter einem Einfallswinkel empfangen wird, der innerhalb dieses vorbestimmten Bereichs liegt.
Bei anderen Ausführungsformen der Erfindung ist der Lichtmodulator aus ein oder mehr Markierungen gebildet, die direkt auf den Diffusor beispielsweise durch Aufdrucken aufgebracht sind. Zusätzlich zu einem Muster von Markierungen, das alles Licht absorbiert, das auf die Vorrichtung auftrifft, kann ein Muster von Markierungen wie etwa ein sehr feines Punktmuster verwendet werden, um den Teildurchtritt des einfallenden Lichts auf eine Weise zu steuern, die der Rasterbildung bei gedruckten Medien entspricht.
Gemäß einer weiteren speziellen beispielhaften Ausführungsform der Erfindung ist ein Kühlsystem-Steuerelement, das zum Steuern der Ausgangsleistung der Klimaanlage eines Fahrzeugs verwendet werden kann, an einer Stelle am Fahrzeug, die dem Sonnenlicht ausgesetzt ist, und mit einer vorbestimmten Orientierung in bezug auf das Fahrzeug angebracht. Einem Fotodetektor der oben beschriebenen Art ist ein Lichtmodulator zugeordnet, der den Betrag des Sonnenlichts, das auf den Eingang des Fotodetektors fällt, steuert.
Bei bestimmten Ausführungsformen dieses Aspekts des Kühlsystem-Steuerelements nach der Erfindung hindert der Lichtmodulator das Sonnenlicht am Erreichen des Eingangs des Fotodetektors mit Ausnahme über einen vorbestimmten Bereich von Einfallswinkeln. Der vorbestimmte Bereich von Einfallswinkeln kann vorbestimmte Höhenwinkel und Azimutwinkel umfassen. Außerdem braucht der Lichtmodulator das Sonnenlicht nicht total auszuschließen, sondern kann es nur hemmen, so daß ein Teildurchgang des Sonnenlichts zugelassen wird. Daher ist die vorliegende Erfindung nicht auf Durchgangs- und Nichtdurchgangsbereiche von Einfallswinkeln beschränkt, sondern kann auch einen Teildurchgang umfassen.
Es gibt eine Reihe von Punkten, die bei der Auslegung eines Solarsensors für ein Kraftfahrzeug berücksichtigt werden sollten, damit er die gewünschte Ansprechfunktion in bezug auf das Sonnenlicht als eine Funktion von Höhe und Azimut der Sonne haben kann. Die zentrale Idee bei der Auslegung ist es, den Wirkungsgrad zu bestimmen, mit dem die Sonne den Fahrgastraum eines Kraftfahrzeugs als Funktion ihrer Position am Himmel relativ zu dem Fahrzeug aufheizt. Der Solarsensor sollte für diejenigen Sonnenwinkel, unter denen irgendein Teil des Fahrzeugs den Eintritt von Sonnenlicht in das Fahrzeug stört, weniger empfindlich sein. Insbesondere sollte der Solarsensor weniger stark ansprechen, wenn die Sonne direkt darübersteht, weil das Dach des Kraftfahrzeugs den Fahrgastraum abschirmt. Wenn dagegen die Sonne direkt auf die Windschutzscheibe fällt, sollte der Solarsensor stärker ansprechen.
Eine beispielhafte Ausführungsform des Solarsensors nach der Erfindung hat drei Grundelemente: einen Absorber bzw. Lichtmodulator, der in Form einer Abdeckung bzw. Haube sein könnte, einen Diffusor und einen Fotodetektor. Eine Möglichkeit der Konstruktion eines solchen Solarsensors verwendet einen halbkugelförmigen Diffusor. Diese Gestalt wird in der folgenden Analyse der Einfachheit halber angegeben, es versteht sich jedoch, daß zahlreiche andere Gestalten verwendet werden können, ohne vom Umfang der beanspruchten Erfindung abzuweichen. Wenn der Diffusor am Armaturenbrett eines Fahrzeugs installiert ist, erscheint der Diffusor von oben betrachtet als ein Kreis, d. h. die Projektion des Diffusors ist ein Kreis. Wenn er jedoch von der Seite (vom Horizont) betrachtet wird, erscheint er als Halbkreis.
Das Ausgangssignal des Fotodetektors ist durch die Gesamtlichtmenge bestimmt, die auf einen Diffusor trifft. Da also mit anderen Worten die Projektion des Diffusors entlang der Richtung des Sonnenlichts wichtig ist, trifft die direkt darüberstehende Sonne die doppelte Fläche des Diffusors und erzeugt die doppelte Ausgangsgröße wie in dem Fall, in dem die Sonne am Horizont steht.
Wenn es um die Gestalt des Absorbers, der Haube oder des Lichtmodulators geht, der über dem Diffusor zu installieren ist, ist es wichtig, seine Entfernung vom Diffusor für jede Position der Sonne zu überlegen und festzulegen. Dann wird der Schnittpunkt jedes Sonnenstrahls, der auf den Diffusor trifft, berücksichtigt. Es liegt im Rahmen der Möglichkeiten des Fachmanns, unter Berücksichtigung der vorliegenden Lehren die Abdeckung oder den Absorber oder Lichtmodulator so auszubilden, daß die gewünschte winkelmäßige Ausgangsfunktion erhalten wird, indem man entweder einen Teil der Strahlen auf eine Abdeckung auftreffen läßt oder auf äquivalente Weise einen Bruchteil der Strahlen von einem Absorber absorbieren läßt. Die endgültige Konstruktion muß iterativ gefunden werden, weil das Vorhandensein einer Abdeckung oder eines Absorbers die Anzahl von Strahlen beeinflußt, die unter mehr als einem Sonnenwinkel absorbiert werden.
Die vorstehend beschriebene Methode zur Auslegung eines Solardetektors führt zu einer überraschend hohen Flexibilität. Im Fall eines Diffusors, der im Vergleich mit der Größe des Absorbers oder Lichtmodulators oder einer Abdeckung klein ist, trifft bei einer einzelnen Position der Sonne die Bahn, die das auf den Diffusor auftreffende Sonnenlicht durch den Absorber nimmt, oder das auf die Abdekkung fallende Sonnenlicht nur ein kleines Element des Absorbers oder der Abdeckung. In dieser Situation ist somit jedes Element der Abdeckung oder des Absorbers von allen übrigen Elementen unabhängig, und die Konstruktion ist besonders einfach, weil sie keine Iteration benötigt. Jedes Element des Lichtmodulators oder Absorbers oder der Abdeckung entspricht einer einzigen Position der Sonne.
Das Verständnis der Erfindung wird durch das Studium der folgenden genauen Beschreibung in Verbindung mit der beigefügten Zeichnung erleichtert; die Zeichnungen zeigen in:
Fig. 1 eine isometrische Darstellung einer speziellen Ausführungsform der Erfindung, die eine Abdeckung verwendet, um einen Bereich von Einfallswinkeln für Licht zu definieren, das auf den Fotodetektor auftreffen kann;
Fig. 2 eine isometrische Darstellung einer speziellen Ausführungsform der Erfindung, die ein Druckmuster auf dem Diffusorelement verwendet, um einen Bereich von Einfallswinkeln für Licht, das auf den Fotodetektor auftreffen kann, und außerdem einen Bereich für einen Teildurchgang des Lichts zu definieren; und
Fig. 3 einen Querschnitt einer Ausführungsform der Erfindung, wobei die Modulation des auftreffenden Lichts als Funktion der Dicke des Lichtmodulators erreicht wird.
Fig. 1 ist eine isometrische Darstellung einer Ausführungsform der Erfindung, wobei ein Fotodetektorsystern 10 ein Diffusorelement 11 hat, das in einer Lichtmodulator-Abdeckung 12 installiert ist. Bei dieser Ausführungsform ist die Abdeckung integral mit einem im wesentlichen zylindrischen Körper 13 geformt, der davon ausgehende Griffe 15 hat, die das Anbringen und Installieren des Fotodetektorsystems 10 an einem Fahrzeug (nicht gezeigt) erleichtern. Bei dieser speziellen Ausführungsform ist der Körper 13 auf einer Basis 17 befestigt, die ebenfalls das Anbringen und Installieren erleichtert.
Wie die Figur zeigt, ist die Abdeckung 12 so ausgebildet, daß sie einen oberen Bereich 20 hat, der so geformt ist, daß er über dem Diffusorelement 11 liegt. Bei dieser speziellen Ausführungsform hat der obere Bereich 20 einen Ansatz 21, der verhindert, daß Licht von der direkt über dem Fotodetektorsystem 10 befindlichen Lichtquelle (nicht gezeigt) auf das Diffusorelement 11 trifft. Auf diese Weise definiert die Abdeckung 12 mit ihren jeweiligen Seitenbereichen und dem oberen Bereich und ihrem Ansatz einen Bereich, durch den das Diffusorelement 11 dem Licht ausgesetzt werden kann. Der Bereich der Belichtung kann als Bereich von Höhenwinkeln und als Bereich von Azimutwinkeln ausgedrückt werden.
Fig. 2 ist eine isometrische Darstellung einer speziellen Ausführungsform der Erfindung, wobei Konstruktionselemente, die denen von Fig. 1 analog sind, gleich bezeichnet sind. In Fig. 2 ist das Diffusorelement 11 nicht von einer Abdeckung überdeckt, wie das in bezug auf Fig. 1 erläutert wurde; stattdessen sind Markierungen darauf gedruckt, die Bereiche der gewünschten Belichtung definieren. Insbesondere sind auf den Diffusor 11 dieser speziellen Ausführungsform lichtundurchlässige Markierungen 30 über einen vorbestimmten Bereich des Diffusors gedruckt, die den Diffusor 11 gegenüber jedem auftreffendem Licht abdecken. Die spezielle Konfiguration von lichtundurchlässigen Markierungen 30 auf dem Diffusorelement 11 kann vom Fachmann auf diesem Gebiet zur Erfüllung der jeweiligen Kriterien bestimmt werden.
Das Diffusorelement 11 hat gemäß Fig. 2 einen weiteren Bereich von Markierungen 32, die einen teilweise lichtundurchlässigen Bereich bilden. Ein teilweise lichtundurchlässiger Bereich kann gebildet werden, indem auf den Diffusor 11 eine Vielzahl von sehr kleinen Punkten in einem Muster analog dem herkömmlichen Rasterdruck aufgedruckt wird. Der Fachmann kann die Punktdichte bestimmen, um einen gewünschten Wert der Lichttransmission zu erzielen.
Fig. 3 ist ein schematischer Querschnitt eines Lichtmodulators als Absorberkappe 40, die so angeordnet ist, daß sie über einem Fotodetektor 41 liegt. Wie diese Figur zeigt, empfängt der Fotodetektor 41 Licht, das allgemein durch einen Pfeil 42 angedeutet ist, von einer Lichtquelle 43. Die Absorberkappe 40 kann aus einem durchscheinenden und bevorzugt transparenten Material gebildet sein, dem eine Kolorierung wie etwa ein Farbstoff zugefügt ist, so daß die Lichtmenge, die durchgelassen wird, eine Funktion der Dicke der Kappe 40 ist. Für die Zwecke der vorliegenden Erläuterung wird angenommen, daß die Lichtquelle 43 kollimiert ist und die Sonne sein kann.
Die Bahn, auf der die auf den Fotodetektor 41 treffende Lichtstrahlung durch die Wände der Absorberkappe 40 verläuft, ist durch den schraffierten Bereich 45 bezeichnet. Wenn man von einer halbkugelförmigen Absorberkappe ausgeht, kann die Lichtmenge, die den Fotodetektor 41 erreicht, mit dem Winkel Φ korreliert werden. Somit ist das elektrische Signal, das an Ausgangsleitungen 47 des Fotodetektors 41 erzeugt wird, die Antwort auf diesen Winkel.
Es versteht sich, daß die Außen- und/oder Innenflächen der Absorberkappe 40 mit aufgedruckten Markierungen oder einem aufgesprühten Überzug versehen sein können, der ein gewünschtes Durchtrittsmuster durch die Kappe ergibt. Der Fachmann kann ferner die Absorberkappe 40 und die entsprechenden Dickenänderungen zur Erzielung einer gewünschten Funktion auslegen und kann außerdem in der Konstruktion eine Kompensation anderer Effekte wie beispielsweise der Brechung vorsehen.

Claims

1. Fotodetektorsystem zum Erzeugen eines elektrischen Ausgangssignals in Abhängigkeit von der Position einer Lichtquelle (43) in Bezug auf das System, das einen Fotodetektor (41) für die Ausgabe des elektrischen Signals in Abhängigkeit vom Betrag der auf den Fotodetektor (41) einfallenden Lichtmenge und ein Lichtmoduliersystem (Lichtmodulator) (12; 30, 32) zum Modulieren der auf den Fotodetektor (41) einfallenden Lichtmenge in Abhängigkeit von der Position der Lichtquelle (43) in Bezug auf den Fotodetektor (41) aufweist, dadurch gekennzeichnet, daß ein Lichtdiffusor (11; 40) zwischen dem Fotodetektor (41) und dem Lichtmodulator (12; 30, 32) zum diffusen Ausbreiten bzw. Zerstreuen des dort einfallenden Lichts angeordnet ist.

2. System nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Diffusor (11, 40) optisch zwischen dem Fotodetektor (41) und dem Lichtmodulator (12; 30, 32) installiert ist.

3. System nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Menge der Lichtübertragung des Diffusors (40) eine Funktion der Dicke desselben bildet.

4. System nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Diffusor (40) eine im wesentlichen transparente Kappe aufweist, welche den Fotodetektor (41) überdeckt, und daß die Kappe eine lichtabsorbierende Kolorierung und eine Dicke aufweist, welche in vorbestimmten Teilen derselben variiert, um eine positionsabhängige Charakteristik der Fotodetektoreinrichtung zu erzeugen.

5. System nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Lichtmodulator Überzüge (30, 32) aufweist, welche am Diffusor (11) angebracht sind, um beinahe alle außer den vorbestimmten Teilen des Eingangs des Fotodetektors (41) zu okkludieren.

6. System nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Überzug (30) einen ersten Teil aufweist, der die Lichtübertragung von der Lichtquelle (43) zum Eingang des Fotodetektors (41) verhindert.

7. System nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Lichtmodulator eine Abdeckung (12) aufweist, die derart installiert ist, daß mit Ausnahme des vorbestimmten Teils des Eingangs des Fotodetektors (41) beinahe alle Teile okkludiert werden.

8. System nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Diffusor (11; 40) halbkugelartig ausgebildet ist.

9. System nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Lichtmodulator eine Sonnenlichtsperreinrichtung zum Verhindern des Einfalls von Sonnenlicht auf den Eingang des Fotodetektors (11) mit Ausnahme eines vorbestimmten Bereichs des Einfallwinkels (φ) aufweist.

10. System nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß der vorbestimmte Bereich des Einfallwinkels (φ) des Sonnenlichts einen vorbestimmten Bereich des Höhenwinkels einschließt.

11. System nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß der vorbestimmte Bereich des Einfallwinkels (φ) des Sonnenlichts einen vorbestimmten Bereich von Azimuthwinkeln aufweist.

12. Verwendung des Systems nach einem der vorhergehenden Ansprüche zur Erzeugung eines Steuersignals, das ein Kühlsystem steuert.