DE69121853T2

DE69121853T2 - Gerät zur Bestimmung des Azimuts und der Höhe einer Lichtquelle

Info

Publication number: DE69121853T2
Application number: DE1991621853
Authority: DE
Inventors: Michel Gschwind
Original assignee: IMRA Europe SAS
Current assignee: IMRA Europe SAS
Priority date: 1990-12-03
Filing date: 1991-12-03
Publication date: 1997-03-06
Anticipated expiration: 2011-12-04
Also published as: FR2670000A1; EP0489644B1; DE69121853D1; EP0489644A2; FR2670000B1; EP0489644A3

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Bestimmung des Azimuts und des Einfallwinkels einer Lichtquelle.
Es sind bereits Vorrichtungen bekannt, die zur Verwendung auf Satelliten bestimmt sind, um die Richtung der Sonne zu einer Bezugsebene zu messen. Diese Vorrichtungen, wie beispielsweise in der JP-A-56 64 611 beschrieben, haben in erster Linie den Nachteil, daß sie sich nicht zum Messen von zwei Richtungen, wie die Einfallrichtung und den Azimut eignen, d. h. den jeweiligen Winkel der Richtung der Lichtquelle mit der horizontalen Ebene, und den Winkel der Projektion der Richtung der Lichtquelle auf die horizontale Ebene mit Richtung Nord. Im übrigen ist deren Herstellung sehr kostspielig und aufwendig, was deren Verwendung in Bereichen wie Bauwesen oder Automobilindustrie unmöglich macht.
Jedoch ist insbesondere in diesen beiden Bereichen ein gewisser Bedarf an Vorrichtungen zur Bestimmung der Einfallrichtung der Sonne vorhanden, die kostengünstig und einfach im Gebrauch sind, um beispielsweise das Innere eines Raums oder eines Fahrzeugs vor direkter Sonneneinstrahlung zu schützen oder um dort eine angenehme Beleuchtung zu gewährleisten, oder auch um einen Sonnenkollektor zu steuern.
Die vorliegende Erfindung nach Anspruch 1 zielt darauf ab, diese Nachteile zu vermeiden durch Angabe einer Vorrichtung zur Bestimmung des Azimuts und des Einfallwinkels einer Lichtquelle, die kostengünstig, in großen Mengen herstellbar und einfach im Gebrauch ist.
Die der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe ist eine Vorrichtung zur Bestimmung des Azimuts und des Einfallwinkels einer Lichtquelle, welche einen Meßgrzößenaufnehmer mit einer ersten Oberfläche, die mit einem zweidimensionalen Rasternetz aus entsprechend einem Netz aus Polarkoordinaten angeordneten Photoelementen mit numerischen Ausgang ausgerüstet ist, und mit einer zweiten Oberfläche, die opak und der ersten Oberfläche gegenüberliegend angeordnet ist, worin eine ebenfalls zweidimensionale Öffnung zum Abbilden der Lichtquelle auf dem Rasternetz ausgespart ist, wobei die Abmessungen der Öffnung in derselben Größenordnung wie die Abmessungen der Photoelemente liegen, und mit Mitteln zum direkten Berechnen des Azimuts und der Einfallrichtung der Lichtquelle von oben auf Basis der Erkennung durch ein oder mehrere von der Quelle belichtete(s) Element(e).
Einige besondere Ausführungsformen der Erfindung werden im folgenden anhand der beigefügten, schematischen Zeichnungen beispielhaft beschrieben, welche sich nicht als Beschränkung der Erfindung verstehen. Darin zeigen:
Fig. 1 eine Schnittdarstellung eines Meßgrößenaufhehmers nach einer ersten Ausführungsform der Erfindung,
Fig. 2 eine Draufsicht des Rasternetzes aus Photoelementen bei Verwendung am Meßgrößenaufnehmer nach Fig. 1,
Fig. 3 bis 5 ähnliche Ansichten zu Fig. 2 von anderen Rasternetzen aus Photoelementen,
Fig. 6 bis 8 drei Ausführungsformen der erfindungsgemäßen Vorrichtung.
In Fig. 1 ist ein Meßgrößenaufnehmer 1 mit einer durch vier Seitenwände 3, einer Bodenwandung 4 und einer Deckwand 5 begrenzten Dunkelkammer 2 gezeigt. Der Innenraum der Dunkelkammer 2 enthält ein lichtbrechendes Medium, dessen Index n beispielsweise gleich 1,5 ist.
Die Bodenwandung 4 ist mit einem Rasternetz aus Photoelementen 6, im vorliegenden Fall ein Rasternetz von 4 x 4 ausgekleidet. Bei diesem Rasternetz kann es sich z. B. um den von der Firma Siemens unter der Nummer BPX79 vertriebenen Typ handeln.
Der Ausgang jedes Photoelements 6 ist proportional zur belichteten Oberfläche des Photoelements, wobei die Gesamtheit dieser Ausgänge durch ein Verbindungsstück 7 zugänglich ist.
Die Deckwand 5 ist opak und mit einer Öffnung 8 versehen, die im vorliegenden Fall eine kreisrunde, auf den Mittelpunkt des Rasternetzes zentrierte Öffnung ist. Die Oberfläche des lichtbrechenden Mediums bei der Öffnung 8 und der Innenraum der Seitenwände 3 wurden einer Antireflexbehandlung unterzogen.
Wenn ein von einer nicht dargestellten Lichtquelle austretendes Lichtbündel 9 auf das lichtbrechende Medium bei der Öffnung 8 trifft, so bricht es sich bei 10 und bildet auf dem Rasternetz aus Photoelementen 6 eine kreisrunde Abbildung 11, die am Funkt 12 mit den Koordinaten xM und yM, von der unteren linken Ecke des Rasternetzes aus gezählt, zentriert ist, wie in Fig. 2 dargestellt.
Wird mit α der Einfallwinkel der Lichtquelle zum Meßgrößenaufnehmer 1 bezeichnet, d.h. der Winkel, den das Bündel 9 mit der Oberfläche der (z. B. horizontalen) Wandung 5 einschließt, und mit β der Azimut der Lichtquelle zu diesem Meßgrößenaufnehmer, d. h. der Winkel, den die Projektion des Bündels 9 auf der Oberfläche der Wandung 5 mit einer Bezugsrichtung 13 einschließt, kann in einer ersten Annäherung, wie im Falle eines Rasternetzes aus quadratischen, durch das kreisrunde Bündel unterbrochenen Photoelementen gezeigt werden, daß
worin I&sub1; die Größe des Ausgangsstroms des Photoelements i ist,
n die Anzahl der Zeilen und Spalten des Rasternetzes ist, im vorliegenden Fall n=4,
und pi ein Gewichtungsfaktor ist, der von den Koordinaten jedes Photoelements abhängt, wobei für das Photoelement i
pi=l/2+(i-1)(e+l)
gilt, worin l der Seitenwert eines jeden, als quadratisch angenommenen Photoelements 6, und e die Breite des Zwischenraums zwischen zwei benachbarten Photoelementen ist.
Beispielhaft kann der Radius der Öffnung 8 den Wert
r=l/2+e
und der Abstand zwischen der Wandung 5 und dem Rasternetz aus Photoelementen 6 den Wert
haben, wenn h für die Größe i des Einfallwinkels vom Bündel 9 optimiert werden soll.
Diese Höhe ermöglicht es, einen festen Maximalwinkel zu nutzen. Die Höhe kann jedoch auch reduziert werden, um die Genauigkeit zu erhöhen.
Bezeichnet man mit x&sub0; und y&sub0; die Koordinaten des Zentrums des Rasternetzes, so kann gezeigt werden, daß dann
wenn yM-y&sub0;≤0
ist, und
sowie
Die Ausgangswerte des Meßgrößenaufnehmers der Fig. 1 und 2 ermöglichen es folglich, den Wert des Einfallwinkels und des Azimuts der Lichtquelle zu bestimmen.
Es sei jedoch angemerkt, daß die Winkelauflösung vom Wert des Einfallwinkels abhängt.
Dieser Nachteil kann durch ein Rasternetz vom Typ nach Fig. 3 vermieden werden, bei welchem die Abmessungen der Photoelemente in Richtung vom Zentrum des Rasternetzes zu seinem Umfang hin abnehmen.
Es kann in der Tat gezeigt werden, daß, wenn eine konstante Veränderbarkeit des in Abhängigkeit vom tatsächlichen Einfallwinkels gemessen Einfallwinkels gewtinscht ist, die Abmessung jedes Photoelements in Abhängigkeit seines Abstands vom Zentrum des Rasternetzes so berechnet werden muß, daß dD/di für jeden Einfallwinkel i konstant ist, wobei
worin D der Abstand eines Photoelements vom Zentrum des Rasternetzes ist.
Die geeigneten Korrekturen zum Erlangen der gewünschten konstanten Veränderung können neben der besonderen Anordnung der Photoelemente auch numerisch und/oder optisch erreicht werden, indem die Wände der Öffnung geeignet gestaltet und/oder die Eigenschaften der lichtbrechenden Schicht beeinflußt werden (Form, Dicke, Index).
Die Auflösung des Meßgrößenaufnehmers kann auch mit Hilfe eines Rasternetzes aus Photoelementen wie in Fig. 4 erhöht werden, welches eine sehr hohe Anzahl an Photoelementen mit geringen Abmessungen, verglichen mit den Abmessungen der Öffnung, aufweist.
Bei einem Analogmeßgrößenaufnehmer wie in Fig. 1 bis 3 beschrieben, wird der Wert des Einfallwinkels und des Azimuts wie oben angegeben berechnet.
Es ist auch möglich, einen numerischen Meßgrößenaufnehmer des Typs CCD oder eines Rasternetzes aus Photodioden zu verwenden, wodurch die Werte xM und yM wesentlich leichter zu erhalten sind.
Bei einem Rasternetz wie in Fig. 4 beschrieben, das einer Öffnung mit Abmessungen in derselben Größenordnung wie die Abmessungen der einzelnen Photoelemente zugeordnet ist, sind die Koordinaten der Abbildung der Lichtquelle direkt die Koordinaten des belichteten Photoelements oder der kleinen Gruppe von belichteten Photoelementen. Diese Koordinaten werden zur Berechnung der Position der Lichtquelle wie oben beschrieben verwendet.
Schließlich zeigt Fig. 5 ein Rasternetz mit einer großen Anzahl an Photoelementen, wobei dieses Rasternetz radial zu seinem Zentrum angeordnet ist.
In diesem Fall können die Werte des Azimuts und des Einfallwinkels umgehend von den radialen Koordinaten des belichteten Photoelements oder der kleinen Gruppe von belichteten Photoelementen abgezogen werden.
Bei Betrachtung von Fig. 6 stellt 20 einen Analogmeßgrößenaufnehmer dar, welcher z. B. ein Rasternetz aus Photoelementen nach Art von Fig. 2 oder Fig. 3 ist, dessen Ausgang mit einem Multiplexer 21 verbunden ist. Der analoge Ausgang des Multiplexers 21 wird in einem Analog-Digital-Wandler 22 umgewandelt, dessen Ausgang einem Prozessor 23 zugeführt wird, welcher zum Berechnen von xM und yM und dann der Winkel α und β gemäß der oben genannten Formeln programmiert ist.
Es wird festgestellt, daß eine solche Vorrichtung zwar einen einfachen Meßgrößenaufnehmer aber eine relativ aufwendige Elektronik benötigt, und folglich insbesondere in Systemen angewandt wird, die bereits einen Rechenprozessor aufweisen.
Bei Fig. 7 wird ein Meßgrößenaufnehmer 25 verwendet, welcher mit einem Rasternetz aus Photoelementen mit numerischen Ausgang vom Typ CCD arbeitet, wobei der Ausgang des Meßgrößenaufnehmers einem Multiplexer 26 zugeführt wird. Der Ausgang des Multiplexers 26 ermöglicht bei 27 die Bestimmung der Werte xM und yM durch eine einfache numerische Analyse, wobei diese Werte einem Prozessor 28 zugeführt werden, welcher zum Berechnen des Einfallwinkels und des Azimuts programmiert ist.
Schließlich zeigt Fig. 8 einen Meßgrößenaufnehmer 30 vom Typ wie in Fig. 5 dargestellt, dessen numerischer Ausgang es ermöglicht, direkt bei 31 die Werte der gesuchten Winkel zu erhalten.

Claims

1. Vorrichtung zur Bestimmung der Winkelposition einer Lichtquelle, wobei die Vorrichtung die folgenden Merkmale aufweist: einen Meßgrößenaufnehmer (7) mit einer ersten Oberfläche (4), welche mit einem zweidimensionalen Rasternetz aus Photoelementen (6) mit numerischem Ausgang und einer zweiten Oberfläche (5) ausgerüstet ist, welche opak und gegenüber der ersten Oberfläche angeordnet ist, worin eine ebenfalls zweidimensionale Öffnung (8) zum Abbilden der Lichtquelle auf dem Rasternetz ausgespart ist und Mittel zum Berechnen des Einfallwinkels der (Licht)-Quelle auf Basis von Ausgängen der Photoelemente (6) vorhanden sind, dadurch gekennzeichnet, daß die Photoelemente (6) entsprechend einem Netz aus Polarkoordinaten angeordnet sind, wobei die Abmessungen der Öffnung (8) in derselben Größenordnung wie die Abmessungen der Photoelemente (6) liegen und die Mittel zum Berechnen (31) in der Weise ausgerichtet sind, daß der Azimut und die Einfallrichtung der Lichtquelle von oben auf Basis der Erkennung durch ein oder mehrere von der Quelle belichtete(s) Element(e) ermittelt werden.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß sie zwischen der Öffnung und der ersten Oberfläche des Meßgrößenaufnehmers ein lichtbrechendes Medium aufweist.

3. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Oberfläche des hinter der Öffnung gelegenen lichtbrechenden Mediums einer Antireflexbehandlung unterzogen wurde.