DE102009029397B4

DE102009029397B4 - Device for measuring the angle of incidence of a radiation

Info

Publication number: DE102009029397B4
Application number: DE200910029397
Authority: DE
Inventors: Jürgen Oehm
Original assignee: Ruhr Universitaet Bochum
Current assignee: Ruhr Universitaet Bochum
Priority date: 2009-09-11
Filing date: 2009-09-11
Publication date: 2014-09-25
Anticipated expiration: 2029-09-12
Also published as: DE102009029397A1

Abstract

Vorrichtung zur Messung des Einfallswinkels einer Strahlung relativ zu einer Messebene, aufweisend mindestens – eine Sensoreinheit (50, 50', 50'') mit – einer Messdiode (2, 2a, 2b, 2c) mit einer ersten Photofläche (8, 8a), – einer Referenzdiode (3, 3a, 3b, 3c) mit einer zweiten Photofläche (9, 9a), wobei – die erste (8, 8a) und zweite Photofläche (9, 9a) sich jeweils parallel zu der Messebene erstrecken, – der Messdiode (2, 2a, 2b, 2c) eine erste Kapazität (12) und der Referenzdiode (3, 3a, 3b, 3c) eine zweite Kapazität (13) zugeordnet ist und – die erste (12) und zweite Kapazität (13) über durch die Dioden (2, 2a, 2b, 2C, 3, 3a, 3b, 3c) fließende Photoströme entladbar sind, sowie – wenigstens einem Abschattungselement (20, 20a, 21, 21a, 23), welches sich parallel zu der Messebene erstreckt und entlang einer zur Messebene senkrechten Lotachse von den Dioden (2, 2a, 2b, 2C, 3, 3a, 3b, 3c) beabstandet ist und dazu ausgebildet ist, dass eine mindestens teilweise Abschattung wenigstens einer der Photoflächen (8, 8a, 9, 9a) gegeben ist, wobei das Verhältnis eines bestrahlten Anteils (16) der ersten Photofläche (8, 8a) zu einem bestrahlten Anteil (17) der zweiten Photofläche (9, 9a) vom Einfallswinkel abhängig ist und – eine Auswertungseinheit (60, 60') zum Ermitteln von Entladezeiten der ersten (12) und der zweiten Kapazität (13), um eine Bestimmung mindestens einer Winkelkomponente des Einfallswinkels zu ermöglichen, wobei die Auswertungseinheit (60, 60') mindestens eine Zähleinheit (43, 44) aufweist, um die Entladezeit der ersten (12) und der zweiten Kapazität (13) zu bestimmen, und wobei die Auswertungseinheit (60, 60') ausgebildet ist, um die mindestens eine Winkelkomponente aus dem Quotienten der Entladezeiten zu ermitteln.Device for measuring the angle of incidence of radiation relative to a measuring plane, comprising at least one sensor unit (50, 50 ', 50' ') with - a measuring diode (2, 2a, 2b, 2c) with a first photo surface (8, 8a), - A reference diode (3, 3a, 3b, 3c) with a second photo surface (9, 9a), where - the first (8, 8a) and second photo surface (9, 9a) each extend parallel to the measuring plane, - the measuring diode (2, 2a, 2b, 2c) a first capacitance (12) and the reference diode (3, 3a, 3b, 3c) is assigned a second capacitance (13) and - the first (12) and second capacitance (13) through the diodes (2, 2a, 2b, 2C, 3, 3a, 3b, 3c) flowing photocurrents can be discharged, as well as - at least one shading element (20, 20a, 21, 21a, 23) which extends parallel to and along the measuring plane a perpendicular to the measurement plane perpendicular axis is spaced from the diodes (2, 2a, 2b, 2C, 3, 3a, 3b, 3c) and is designed so that an at least partial shadowing of at least one he of the photo surfaces (8, 8a, 9, 9a) is given, the ratio of an irradiated portion (16) of the first photo surface (8, 8a) to an irradiated portion (17) of the second photo surface (9, 9a) depending on the angle of incidence and - an evaluation unit (60, 60 ') for determining discharge times of the first (12) and the second capacitance (13) in order to enable at least one angular component of the angle of incidence to be determined, the evaluation unit (60, 60') at least one Counting unit (43, 44) to determine the discharge time of the first (12) and the second capacity (13), and wherein the evaluation unit (60, 60 ') is designed to add the at least one angle component from the quotient of the discharge times determine.

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Messung eines Einfallswinkels einer Strahlung.The invention relates to a device for measuring an angle of incidence of radiation.

Für verschiedene technische Anwendungen ist es von Bedeutung, die Richtung zu ermitteln, aus der Licht oder andere Strahlung auf ein Objekt trifft. Einfache Beispiele sind z. B. die Unterscheidung, ob der Innenraum eines Kraftfahrzeugs von links oder rechts von Sonnenlicht bestrahlt wird. Hierfür sind im Stand der Technik einfache Systeme auf Basis zweier Photodioden mit einer dazwischen liegenden Trennwand bekannt. Durch den Vergleich der Photoströme ist es hierbei möglich, eine Unterscheidung zwischen „links” und „rechts” zu treffen und somit die Klimaanlage entsprechend anzusteuern.For various technical applications it is important to determine the direction from which light or other radiation hits an object. Simple examples are z. B. the distinction whether the interior of a motor vehicle is irradiated from the left or right of sunlight. For this purpose, in the prior art simple systems based on two photodiodes with an intermediate partition wall are known. By comparing the photocurrents, it is possible to make a distinction between "left" and "right" and thus to control the air conditioning accordingly.

Für präzisere Bestimmungen der Einfallsrichtung des Lichts sind solche Systeme unzureichend. So ist es z. B. für die Ausrichtung eines Satelliten relativ zur Sonne notwendig, eine Raumwinkelmessung mit einer Genauigkeit von einigen Grad oder darunter durchzuführen. Für solche Anwendungen sind im Stand der Technik Messanordnungen bekannt, bei denen eine Abschattungsmaske über einer Anordnung von Photodioden oder einem CCD-Photosensor angeordnet ist. Da je nach Einfallswinkel unterschiedliche Photodioden bzw. Zellen des CCD bestrahlt werden, erlaubt dies einen Rückschluss auf die Einfallsrichtung. Diese Systeme erreichen aber zumeist nur Genauigkeiten in der Größenordnung eines Grades und können nur einen begrenzten Winkelbereich erfassen. Dennoch benötigen Sie eine Vielzahl von Photodioden mit einer hieran angepassten Abschattungsmaske. Sie sind daher in der Herstellung relativ aufwändig und teuer.For more precise determinations of the direction of incidence of the light, such systems are inadequate. So it is z. As for the orientation of a satellite relative to the sun necessary to perform a solid angle measurement with an accuracy of a few degrees or less. For such applications, measurement arrangements are known in the prior art in which a shading mask is disposed over an array of photodiodes or a CCD photosensor. Since different photodiodes or cells of the CCD are irradiated depending on the angle of incidence, this allows a conclusion on the direction of incidence. However, these systems usually only achieve accuracies of the order of one degree and can only detect a limited angular range. However, you will need a variety of photodiodes with a matching shading mask. They are therefore relatively expensive and expensive to manufacture.

Die US 5 483 060 A offenbart einen optischen Sensor zur Ermittlung der Richtung von einfallendem Licht. Ein Detektionselement umfasst zwei einander kreuzende Schlitze auf der Oberfläche eines Glassubstrats und darunter zwei lineare Fotodiodenzeilen mit je 100 Fotodioden. Bei Bestrahlung mit Sonnenlicht bilden sich die Schlitze in der Ebene der Dioden ab und beleuchten jeweils einen Teil der Diodenzeilen, abhängig vom Einfallswinkel. Bei der angegebenen Schlitzbreite von 0,6 mm und der Größe der einzelnen Fotodioden von 0,04·0,04 mm werden jeweils etwa 15 Pixel beleuchtet, von denen der jeweils mittlere Pixel ermittelt und hieraus der Einfallswinkel erkannt werden kann. Die einzelnen Fotodioden sind dabei jeweils parallel zu Kapazitäten geschaltet. Eine Signalverarbeitungsschaltung lädt sequentiell jede der Kapazitäten auf eine Referenzspannung auf und ermittelt dann eine von jeder Fotodiode entladene Ladungsmenge nach einer vorgegebenen Zeit. Die verbleibende Ladungsmenge wird als Ausgangssignal repräsentativ für die Menge an eingefallenem Licht jeder Fotodiode ausgegeben. Das Ausgabesignal wird gesampelt und unter den Pixeln mit dem niedrigsten Pegel wird der mittlere Pixel ermittelt.The US 5 483 060 A discloses an optical sensor for detecting the direction of incident light. A detection element comprises two intersecting slots on the surface of a glass substrate and below two linear rows of photodiodes with 100 photodiodes each. When irradiated with sunlight, the slits in the plane of the diodes form and each illuminate a portion of the diode array, depending on the angle of incidence. With the specified slot width of 0.6 mm and the size of the individual photodiodes of 0.04 × 0.04 mm, about 15 pixels each are illuminated, from which the respective average pixel is determined and from this the angle of incidence can be recognized. The individual photodiodes are in each case connected in parallel to the capacitors. A signal processing circuit sequentially charges each of the capacitances to a reference voltage, and then detects an amount of charge discharged from each photodiode after a predetermined time. The remaining amount of charge is output as an output representative of the quantity of incident light of each photodiode. The output signal is sampled, and among the pixels having the lowest level, the middle pixel is detected.

Die der Erfindung zu Grunde liegende Aufgabe besteht somit darin, eine Vorrichtung bereitzustellen, die eine hochpräzise Messung eines Einfallswinkels einer Strahlung erlaubt und die einfach herzustellen ist.The object underlying the invention is therefore to provide a device which allows a high-precision measurement of an angle of incidence of a radiation and which is easy to manufacture.

Die Aufgabe wird gelöst durch eine Vorrichtung nach Anspruch 1 sowie durch ein Messsystem nach Anspruch 15.The object is achieved by a device according to claim 1 and by a measuring system according to claim 15.

Die erfindungsgemäße Vorrichtung eignet sich zur Messung des Einfallswinkels einer Strahlung relativ zu einer Messebene. Der Begriff Strahlung bezeichnet hierbei im engeren Sinne elektromagnetische Strahlung. Hierunter fallen in diesem Zusammenhang insbesondere sichtbares, ultraviolettes und infrarotes Licht. Daneben ist aber auch eine Anwendung z. B. für Röntgenstrahlen denkbar.The device according to the invention is suitable for measuring the angle of incidence of a radiation relative to a measuring plane. The term radiation in this case refers to electromagnetic radiation in the narrower sense. These include, in particular, visible, ultraviolet and infrared light. In addition, but also an application z. B. conceivable for X-rays.

Die Vorrichtung umfasst wenigstens eine Sensoreinheit und eine Auswertungseinheit, wobei diese integriert ausgebildet sein können, wie nachfolgend noch detailliert erläutert wird. Diese Begriffe sind daher im Rahmen der Erfindung lediglich funktional zu verstehen. Auch kann jede der genannten Einheiten u. U. in sich mehrteilig ausgebildet sein.The device comprises at least one sensor unit and an evaluation unit, which may be integrated, as will be explained in detail below. These terms are therefore to be understood purely functional in the context of the invention. Also, each of the mentioned units u. U. be formed in several parts.

Die Sensoreinheit umfasst wenigstens zwei Photodioden, die im Folgenden als Messdiode und Referenzdiode bezeichnet sind. Hierbei umfasst der Begriff der Diode bzw. Photodiode im Rahmen dieser Erfindung sämtliche photoempfindlichen Anordnungen mit mindestens einem pn-Übergang. Es ist hierbei nicht ausgeschlossen, dass der pn-Übergang zusätzliche Bereiche aufweist, wie bspw. im Rahmen einer pin-Anordnung.The sensor unit comprises at least two photodiodes, which are referred to below as measuring diode and reference diode. In this case, the term of the diode or photodiode in the context of this invention comprises all photosensitive arrangements with at least one pn junction. In this case, it is not excluded that the pn junction has additional regions, such as, for example, in the context of a pin arrangement.

Die Messdiode weist eine erste Photofläche auf und die Referenzdiode weist eine zweite Photofläche auf. Trifft Strahlung auf die genannten Flächen, so fließt in der zugehörigen Diode ein Photostrom. Hierbei sind im Stand der Technik unterschiedliche Diodentypen bekannt, die eine Sensitivität für unterschiedliche Wellenlängenbereiche aufweisen. Die Dioden sollten naturgemäß auf die bei der Messung zu erwartenden Wellenlängen angepasst sein.The measuring diode has a first photo surface and the reference diode has a second photo surface. If radiation hits the surfaces mentioned, then a photocurrent flows in the associated diode. Here, different diode types are known in the prior art, which have a sensitivity for different wavelength ranges. The diodes should naturally be adapted to the wavelengths to be expected during the measurement.

Die erste und zweite Photofläche erstrecken sich jeweils parallel zu der Messebene, wobei im Rahmen der Erfindung der Begriff der parallelen Anordnung auch solche Geometrien umfasst, bei welchen die Photoflächen nicht eben und parallel zu der genannten Messebene sind, ihre senkrechte Projektion auf die Messebene jedoch eine Ausdehnung hat. Die Flächen können sich z. B. auch parallel zu der Messebene erstrecken, wenn sie gegenüber dieser gekippt sind. Bevorzugt sind die Photoflächen jedoch zur Ebene planparallel angeordnet. Hinsichtlich der Geometrie der Photoflächen bestehen grundsätzlich keinerlei Einschränkungen, allerdings sind rechteckige Flächen bevorzugt. Die Photoflächen können im Verhältnis zueinander unterschiedlich groß sein, jedoch ist es bevorzugt, Flächen gleicher Größe zu verwenden. Bevorzugt sind die Photoflächen in einer Ebene, insbesondere bevorzugt in der Messebene angeordnet.The first and second photo surface each extend parallel to the measurement plane, wherein in the context of the invention, the term parallel arrangement also includes those geometries in which the photo surfaces are not flat and parallel to said measurement plane, their perpendicular projection on the measurement plane, however Expansion has. The areas can z. B. extend parallel to the measuring plane when they are tilted relative to this. However, the photo surfaces are preferred arranged plane parallel to the plane. With regard to the geometry of the photographic surfaces, there are basically no restrictions, but rectangular areas are preferred. The photo-areas may vary in size relative to each other, but it is preferable to use areas of the same size. Preferably, the photo-surfaces are arranged in one plane, particularly preferably in the measurement plane.

Gemäß der Erfindung ist der Messdiode eine erste Kapazität und der Referenzdiode eine zweite Kapazität zugeordnet. Die Kapazitäten können als separate Bauelemente, z. B. als Kondensatoren, realisiert sein, bevorzugt dienen hierzu jedoch die Sperrschichtkapazitäten der Dioden selbst, ggf. zusammen mit den Kapazitäten weiterer Bauteile. Es werden weiter bevorzugt gleichartige Kapazitäten verwendet, was sich bspw. durch den Einsatz baugleicher Dioden erreichen lässt. Die Kapazitäten sollten naturgemäß an die Ausbildung der jeweiligen Vorrichtung angepasst sein, bevorzugt sollten diese im Bereich von 0,1 bis 10 pF liegen.According to the invention, the measuring diode is assigned a first capacitance and the reference diode has a second capacitance. The capacitances can be used as separate components, eg. As capacitors, be realized, but preferably serve the junction capacitances of the diodes themselves, possibly together with the capacity of other components. It is also preferred to use similar capacities, which can be achieved, for example, by the use of identical diodes. The capacities should of course be adapted to the formation of the respective device, preferably these should be in the range of 0.1 to 10 pF.

Weiterhin umfasst die Sensoreinheit erfindungsgemäß wenigstens ein Abschattungselement, das sich parallel zur Messebene erstreckt. Das Abschattungselement schirmt die Strahlung ab, wobei die Abschirmung durch Reflexion oder Absorption erreicht werden kann. Es ist im Rahmen der Erfindung möglich, dass das Abschattungselement für die Strahlung teildurchlässig oder aber völlig undurchlässig ist. Das Abschattungselement ist typischerweise dünn und flächig ausgebildet. Die minimale Dicke bestimmt sich durch die Anforderung, die Strahlung hinreichend abzuschirmen. Hierzu genügen allerdings im Falle von sichtbarem Licht und einem metallischen Abschattungselement einige Mikrometer, bevorzugt weist das Abschattungselement eine Dicke von 100 nm–1,5 μm, insbesondere von 400–700 nm auf, bspw. entsprechend dem jeweiligen Integrationsprozess. Auch das Abschattungselement kann gegenüber der Messebene geneigt sein, jedoch ist eine parallele Ausrichtung bevorzugt. Die Geometrie kann je nach Anwendung unterschiedlich sein, allerdings lässt sich die Erfindung einfach und effektiv mit einer rechteckigen Form realisieren. Bevorzugt ist das Abschattungselement als Metallschicht ausgebildet, die für die Strahlung undurchlässig ist.Furthermore, the sensor unit according to the invention comprises at least one shading element which extends parallel to the measuring plane. The shading element shields the radiation, wherein the shielding can be achieved by reflection or absorption. It is possible within the scope of the invention that the shading element for the radiation is partially permeable or completely impermeable. The shading element is typically thin and flat. The minimum thickness is determined by the requirement to adequately shield the radiation. However, in the case of visible light and a metallic shading element, a few micrometers are sufficient for this purpose; the shading element preferably has a thickness of 100 nm-1.5 μm, in particular from 400 to 700 nm, for example in accordance with the respective integration process. Also, the shading element may be inclined with respect to the measuring plane, but a parallel orientation is preferred. The geometry may vary depending on the application, but the invention can be implemented easily and effectively with a rectangular shape. Preferably, the shading element is formed as a metal layer which is impermeable to the radiation.

Das Abschattungselement ist entlang einer zu der Messebene senkrechten Lotachse von den Dioden beabstandet, d. h. es liegt nicht unmittelbar auf den Dioden auf. Es ist dazu ausgebildet, dass eine mindestens teilweise Abschattung wenigstens einer der Photoflächen gegeben ist, wobei das Verhältnis eines bestrahlten Anteils der ersten Photofläche zu einem bestrahlten Anteils der ersten Photofläche zu einem bestrahlten Anteil der zweiten Photofläche vom Einfallswinkel abhängig ist. Da die Photoströme mit dem bestrahlten Anteil zunehmen, und zwar üblicherweise linear, ergibt sich aus dem winkelabhängigen Verhältnis der bestrahlten Anteile ein Verhältnis der Photoströme. Die Winkelabhängigkeit kann unterschiedlich realisiert sein. Beispiele hierfür werden nachfolgend dargestellt. Es liegt auf der Hand, dass naturgemäß eine Vielzahl von Realisierungsmöglichkeiten bestehen.The shading element is spaced from the diodes along a perpendicular to the measurement plane Lotachse, d. H. it is not directly on the diodes. It is designed such that at least partial shading of at least one of the photo surfaces is provided, wherein the ratio of an irradiated portion of the first photo surface to an irradiated portion of the first photo surface to an irradiated portion of the second photo surface is dependent on the angle of incidence. Since the photocurrents increase with the irradiated portion, usually linearly, a ratio of the photocurrents results from the angle-dependent ratio of the irradiated portions. The angle dependence can be realized differently. Examples of this are shown below. It is obvious that, of course, a variety of implementation options exist.

Es ist hierbei möglich, dass die Winkelabhängigkeit nicht für den Einfallswinkel im Sinne eines Raumwinkels, sondern nur für eine Komponente des Einfallswinkels gegeben ist. Als Komponente des Einfallswinkels bzw. als Winkelkomponente wird im Rahmen der vorliegenden Erfindung ein Winkel bezeichnet, der sich zwischen der Lotachse und der Projektion des einfallenden Strahls auf eine durch die Lotachse gelegte Ebene ergibt. Wählt man zwei Winkelkomponenten, die sich bezüglich zweier zueinander senkrechter Ebenen ergeben, so lässt sich durch diese der Einfallswinkel der Strahlung zur Messebene vollständig charakterisieren.It is possible here that the angle dependence is not given for the angle of incidence in the sense of a solid angle, but only for a component of the angle of incidence. As a component of the angle of incidence or as an angle component, in the context of the present invention, an angle is designated which results between the perpendicular axis and the projection of the incident beam onto a plane which is laid through the perpendicular axis. If one chooses two angular components, which result with respect to two mutually perpendicular planes, then it can be fully characterized by this the angle of incidence of the radiation to the measurement plane.

Die Winkelabhängigkeit muss auch nicht zwangsläufig für den gesamten denkbaren Einfallswinkelbereich von 180° gegeben sein. Im Rahmen der Erfindung soll jedenfalls für wenigstens einen Teilbereich die Winkelabhängigkeit gegeben sein. Je nach technischer Anwendung kann evtl. ein kleiner Bereich von z. B. 5° ausreichend sein. Versuche haben allerdings gezeigt, dass sich je nach Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung Winkelbereiche von 170° und mehr sicher detektieren lassen.The angular dependence does not necessarily have to be given for the entire conceivable incident angle range of 180 °. In the context of the invention, the angular dependence is to be given in any case for at least one subarea. Depending on the technical application may possibly a small range of z. B. 5 ° be sufficient. However, tests have shown that, depending on the embodiment of the device according to the invention, angular ranges of 170 ° and more can be reliably detected.

Die Auswertungseinheit ist erfindungsgemäß mit einer Zähleinheit zum Ermitteln der Entladezeiten der ersten Kapazität und der zweiten Kapazität ausgebildet, um die Bestimmung mindestens einer Winkelkomponente des Einfallswinkels zu ermöglichen. Die Auswertungseinheit kann bspw. durch eine entsprechende Schaltung, einen Mikroprozessor und/oder Software realisiert sein.According to the invention, the evaluation unit is designed with a counting unit for determining the discharge times of the first capacitance and the second capacitance in order to enable the determination of at least one angle component of the angle of incidence. The evaluation unit can be realized, for example, by a corresponding circuit, a microprocessor and / or software.

Unter dem Begriff der Entladezeit wird vorliegend allgemein ein Zeitintervall zwischen dem Zeitpunkt, an dem eine obere Referenzspannung an der Kapazität anliegt, und dem Zeitpunkt, an dem eine untere Referenzspannung anliegt, gefasst. Die beiden Referenzspannungen können entsprechend der Anwendung gewählt werden; die obere Referenzspannung muss hierbei nicht zwangsläufig mit der Spannung direkt nach dem Laden der Kapazitäten identisch sein. Die Referenzspannungen sollen allerdings vor Beginn der Messung einer Entladezeit bevorzugt festgelegt sein, wobei es insbesondere hinsichtlich der oberen Referenzspannung ausreichend ist, wenn bspw. über dem Ladezustand der Kapazitäten, auf eine Referenzspannung geschlossen werden kann. Es ist hierbei möglich, dass für die Messung der Entladezeit der ersten Kapazität und der zweiten Kapazität unterschiedliche Referenzspannungen festgelegt sind. Bevorzugt sind die Referenzspannungen jedoch im Wesentlichen identisch, was die Auswertung der Entladezeiten vereinfacht.In the present case, the term discharge time is generally taken to mean a time interval between the time at which an upper reference voltage is applied to the capacitor and the time at which a lower reference voltage is applied. The two reference voltages can be selected according to the application; the upper reference voltage does not necessarily have to be identical to the voltage directly after the charging of the capacitances. However, the reference voltages should preferably be determined before starting the measurement of a discharge time, wherein it is sufficient in particular with regard to the upper reference voltage, if, for example, over the state of charge of the capacitances, can be closed to a reference voltage. It is possible that for the measurement of Discharge time of the first capacitor and the second capacitor different reference voltages are set. However, the reference voltages are preferably substantially identical, which simplifies the evaluation of the discharge times.

Die Bestimmung der Entladezeiten ermöglicht das Ermitteln der mindestens einen Winkelkomponente. So kann bspw. aus den Entladezeiten in Kenntnis der Kapazitäten und der beiden Referenzspannungen auf die die Kapazitäten entladenden Photoströme und somit auf die bestrahlten Anteile der Fotoflächen geschlossen werden. Dies erlaubt wiederum aufgrund der erfindungsgemäßen Winkelabhängigkeit einen Rückschluss auf den Einfallswinkel. Bei identischen Kapazitäten und für beide Kapazitäten identischen Referenzspannungen sind die Entladezeiten nur von den die Kapazitäten entladenen Photoströmen und somit vom Einfallswinkel der Strahlung abhängig, was eine nochmals vereinfachte Winkelmessung erlaubt.The determination of the discharge times makes it possible to determine the at least one angle component. For example, from the discharge times in knowledge of the capacitances and the two reference voltages, it is possible to deduce the photocurrents discharging the capacitances and thus the irradiated portions of the photofaces. This in turn allows due to the angular dependence of the invention a conclusion on the angle of incidence. With identical capacitances and identical reference voltages for both capacitances, the discharge times depend only on the photocurrents discharged from the capacitances and thus on the angle of incidence of the radiation, which allows a further simplified angle measurement.

Die Bestimmung des Einfallswinkels aus den Entladezeiten kann innerhalb der Auswertungseinheit direkt erfolgen, bspw. mittels eines Mikroprozessors. Es ist jedoch ebenfalls möglich, dass die Auswertungseinheit die Entladezeiten ermittelt und zur Bestimmung des Einfallswinkels mit einer externen Vorrichtung, bspw. einem Computer, verbindbar ist.The determination of the angle of incidence from the discharge times can be carried out directly within the evaluation unit, for example by means of a microprocessor. However, it is also possible for the evaluation unit to determine the discharge times and to determine the angle of incidence with an external device, eg. A computer, connectable.

Es hat sich hierbei gezeigt, dass sich mit der Messung der Entladezeit eine bisher nicht gekannte Präzision in der Winkelbestimmung erreichen lässt. So ließ sich in Versuchen ein Winkelbereich von 170° mit einer Genauigkeit von 1/20 Grad detektieren. Dennoch kann die Vorrichtung vergleichsweise einfach und kostengünstig realisiert werden, wie anhand von Ausführungsbeispielen noch erläutert wird. Zu beachten ist insbesondere, dass die Vorrichtung mit nur zwei Dioden realisierbar ist, während vergleichbare Genauigkeiten im Stand der Technik nur mittels einer Vielzahl von Dioden und komplizierten Abschattungsmasken realisiert werden.It has been found here that with the measurement of the discharge time, a hitherto unknown precision in the determination of the angle can be achieved. In experiments, an angular range of 170 ° could be detected with an accuracy of 1/20 degrees. Nevertheless, the device can be realized comparatively simple and inexpensive, as will be explained with reference to embodiments. It should be noted in particular that the device can be realized with only two diodes, while comparable accuracies in the prior art are realized only by means of a multiplicity of diodes and complicated shading masks.

Die Kapazitäten sind über durch die Dioden fließende Photoströme entladbar und entsprechend mit den zugeordneten Dioden, bspw. parallel, verbunden. Hierzu können bspw. die beiden Anschlüsse der Kapazität mit denen der jeweiligen Diode verbunden sein. Falls die Sperrschichtkapazitäten der Dioden als Kapazitäten dienen, ist die Entladbarkeit über die Photoströme immer gegeben, da das Ersatzschaltbild einer realen Diode bekanntermaßen einer idealen Diode mit hierzu parallel geschalteter Sperrschichtkapazität entspricht.The capacitances can be discharged via photocurrents flowing through the diodes and correspondingly connected to the associated diodes, for example, in parallel. For this purpose, for example, the two terminals of the capacitance can be connected to those of the respective diode. If the junction capacitances of the diodes serve as capacitances, the dischargeability via the photocurrents is always given, since the equivalent circuit of a real diode is known to correspond to an ideal diode with a junction capacitance connected in parallel therewith.

Die Kapazitäten können vor dem Entladen bevorzugt mittels einer Ladeschaltung geladen werden. Eine solche Ladeschaltung umfasst mindestens einen Eingang für eine Spannungsquelle sowie wenigstens einen Ausgang zum Anschluss an wenigstens eine Kapazität. Des Weiteren ist zwischen Eingang und Ausgang wenigstens eine Schalteinheit vorgesehen, mittels deren die Verbindung zwischen Ein- und Ausgang geschaltet werden kann. Hierbei sind als Schalteinheiten Transistoren, insbesondere Feldeffekttransistoren (FET) bevorzugt. Besondere Ausgestaltungen für die Ladeschaltung werden weiter unten noch vorgestellt.The capacitances can preferably be charged by means of a charging circuit before discharging. Such a charging circuit comprises at least one input for a voltage source and at least one output for connection to at least one capacitor. Furthermore, at least one switching unit is provided between input and output, by means of which the connection between input and output can be switched. In this case, transistors, in particular field effect transistors (FET), are preferred as switching units. Special designs for the charging circuit will be presented below.

Für viele Anwendungen ist zu berücksichtigen, dass der Einfallswinkel der Strahlung ein Raumwinkel ist und sich, wie oben dargelegt, in zwei Komponenten zerlegen lässt. Um zu verhindern, dass Veränderungen einer Komponente als Änderungen der anderen Komponente fehlinterpretiert werden, ist in einer Weiterentwicklung der Erfindung das mindestens eine Abschattungselement derart angeordnet, dass das Verhältnis der bestrahlten Anteile der Photoflächen vom Einfallswinkel entlang einer ersten Achse der Messebene abhängig und vom Einfallswinkel entlang einer zweiten Achse der Messebene, die zur ersten Achse senkrecht ist, unabhängig ist. Hierbei bezeichnet „Einfallswinkel entlang einer Achse” den Winkel zwischen der Lotachse und der Projektion des einfallenden Strahls auf diejenige Ebene, die von der Lotachse und der jeweiligen Achse aufgespannt wird.For many applications, it should be noted that the angle of incidence of the radiation is a solid angle and, as stated above, can be decomposed into two components. In order to prevent changes in one component from being misinterpreted as changes in the other component, in a further development of the invention the at least one shading element is arranged such that the ratio of the irradiated portions of the photofaces depends on the angle of incidence along a first axis of the measurement plane and along the angle of incidence a second axis of the measuring plane, which is perpendicular to the first axis, is independent. Here, "angle of incidence along an axis" denotes the angle between the perpendicular axis and the projection of the incident beam onto the plane which is spanned by the perpendicular axis and the respective axis.

Die entsprechende Abhängigkeit bzw. Unabhängigkeit vom Einfallswinkel lässt sich auf verschiedene Art realisieren. Eine einfache Möglichkeit besteht z. B. darin, mindestens ein Abschattungselement zu verwenden, das in Richtung der ersten Achse durch gerade, parallel zur zweiten Achse verlaufende Kanten begrenzt wird. Wenn, entsprechend einer bevorzugten Ausgestaltung, dass Abschattungselement in Richtung der zweiten Achse mindestens derart erstreckt, dass die Projektion des Abschattungselements entlang der Lotachse auf die Messebene sich in Richtung der zweiten Achse mindestens über die Länge der wenigstens einen Photofläche erstreckt, ruft eine Änderung der Komponente entlang der zweiten Achse hier – unabhängig von der Geometrie der Dioden – keine Änderung der Abschattung hervor. Somit bleibt auch das Verhältnis der bestrahlten Anteile unverändert. Insbesondere bevorzugt erstreckt sich das Abschatungselement entlang der zweiten Achse derart über die Photofläche hinaus, dass auch bei großen Einfallswinkeln, d. h. bei einem zur Messebene flachen Einfall, eine entsprechende Winkelunabhängigkeit entlang der zweiten Achse gegeben ist. Die Erstreckung des Abschattungselements entlang der zweiten Achse sollte daher deutlich größer (z. B. wenigstens um 10%) als die der Photofläche sein.The corresponding dependence or independence from the angle of incidence can be realized in various ways. A simple way is z. B. is to use at least one shading element which is bounded in the direction of the first axis by straight, parallel to the second axis extending edges. If, according to a preferred embodiment, the shading element extends at least in the direction of the second axis so that the projection of the shading element along the perpendicular axis extends to the measurement plane in the direction of the second axis over at least the length of the at least one photo surface, a change in the component is called along the second axis - regardless of the geometry of the diodes - no change in shading. Thus, the ratio of the irradiated portions remains unchanged. Particularly preferably, the Abschatungselement along the second axis extends beyond the photo surface in such a way that even at high angles of incidence, d. H. given a flat plane to the measurement plane, a corresponding angle independence along the second axis is given. The extension of the shading element along the second axis should therefore be significantly larger (eg at least 10%) than that of the photo surface.

Insbesondere bevorzugt sind rechteckige Abschattungselemente sowie rechteckige Photoflächen, die parallel zueinander ausgerichtet sind. Vorteilhaft sind die Photoflächen an der ersten Achse ausgerichtet und entlang dieser angeordnet. Hierbei erstreckt sich in einer besonders vorteilhaften Variante die Projektion des wenigstens einen Abschattungselements entlang der Lotachse auf die Messebene in Richtung der ersten Achse über die Hälfte der Photofläche, d. h. das Abschattungselement „überlappt” mit derselben bis zur Hälfte.Particularly preferred are rectangular shading elements and rectangular photo surfaces, which are aligned parallel to each other. Advantageously, the photo-surfaces are aligned with the first axis and arranged along this. In this case, in a particularly advantageous variant, the projection of the at least one shading element along the perpendicular axis to the measuring plane in the direction of the first axis extends over half of the photographic surface, ie the shading element "overlaps" with the same half.

Bezüglich der Abschattung sind verschiedene Varianten denkbar, solange das Verhältnis der bestrahlten Flächen winkelabhängig ist. In einer ersten Variante ist die zweite Photofläche ständig voll bestrahlt und es ist lediglich eine winkelabhängige Abschattung der ersten Photofläche gegeben. In einer vorteilhaften zweiten Variante ist allerdings das wenigstens eine Abschattungselement zur winkelabhängigen Abschattung beider Photoflächen ausgebildet. Hierbei kann jeder der Photoflächen ein separates Abschattungselement zugeordnet sein, es ist aber auch möglich, dass die Abschattung beider Photoflächen durch ein einziges Abschattungselement gegeben ist. Eine bevorzugte Ausgestaltung der letztgenannten Variante ist eine Anordnung, in der zwei gleichgroßen, rechteckigen Photoflächen, die an der ersten Achse ausgerichtet und in Richtung derselben beabstandet sind, ein einzelnes rechteckiges Abschattungselement zugeordnet ist. Hierbei ist letzteres, bezogen auf die erste Achse, mittig zwischen den Photoflächen angeordnet und überlappt mit beiden bis zu deren Hälfte, d. h. es ist mit den Kanten zu den „Schwerpunkten” der Photoflächen ausgerichtet.With regard to shadowing, different variants are conceivable, as long as the ratio of the irradiated areas is angle-dependent. In a first variant, the second photo surface is constantly fully irradiated and there is only an angle-dependent shadowing of the first photo surface. In an advantageous second variant, however, the at least one shading element is designed for the angle-dependent shadowing of both photo-surfaces. In this case, each of the photo surfaces may be assigned a separate shading element, but it is also possible that the shadowing of both photo surfaces is provided by a single shading element. A preferred embodiment of the last-mentioned variant is an arrangement in which two equal-sized, rectangular photo surfaces which are aligned on the first axis and spaced in the same direction, a single rectangular shading element is associated. Here, the latter, with respect to the first axis, is arranged centrally between the photographic surfaces and overlaps with both up to the half thereof, d. H. it is aligned with the edges to the "focal points" of the photofaces.

Erfindungsgemäß ist die Auswertungseinheit ausgebildet, um die mindestens eine Winkelkomponente aus dem Quotienten der Entladezeiten zu ermitteln. In einer besonderen Ausgestaltung der Vorrichtung, die mit Bezug auf die Ausführungsbeispiele noch erläutert wird, ist der Quotient der Entladezeiten der Kehrwert des Quotienten, also des Verhältnisses, der bestrahlten Anteile. Es sind aber auch andere Ausgestaltungen denkbar, bei denen sich ein anderer Zusammenhang zwischen den beiden Quotienten ergibt. Jedenfalls ist durch die Geometrie der Sensoreinheit wiederum ein eindeutiger Zusammenhang zwischen Einfallswinkel und Verhältnis der bestrahlten Anteile gegeben. Dieser Zusammenhang kann berechnet oder durch Messung ermittelt werden.According to the invention, the evaluation unit is designed to determine the at least one angle component from the quotient of the discharge times. In a particular embodiment of the device, which will be explained with reference to the embodiments, the quotient of the discharge times of the reciprocal of the quotient, ie the ratio of the irradiated portions. However, other embodiments are conceivable in which a different relationship between the two quotients results. In any case, given by the geometry of the sensor unit in turn a clear relationship between the angle of incidence and the ratio of the irradiated portions. This relationship can be calculated or determined by measurement.

Die Auswertungseinheit kann bspw. entsprechend den Einfallswinkel aus dem Quotienten der Entladezeiten berechnen oder aber aus einer Menge von durch Messung ermittelten, gespeicherten Wertepaaren bestimmen. Im ersten Fall kann eine Recheneinheit, z. B. ein Mikroprozessor, im letzteren Fall ein „Tabellenmodul” vorgesehen sein. Letzteres kann unterschiedlich, z. B. mittels einer in einem ROM oder RAM abgelegten Tabelle, ausgebildet sein. Die Variante unter Benutzung eines Tabellenmoduls hat den Vorteil, dass sie zuverlässig auch bei Strukturen funktioniert, bei denen die Berechnung des Zusammenhangs zwischen Entladezeiten und Einfallswinkel aufgrund der Geometrie kompliziert ist oder bei denen bspw. aufgrund von Materialfehlern oder Fertigungstoleranzen die theoretisch ermittelten Werte nicht mit den tatsächlichen übereinstimmen. Die Variante kann auch mit einer Berechnung kombiniert werden, bei der zwischen abgespeicherten Werten interpoliert wird.The evaluation unit can, for example, calculate according to the angle of incidence from the quotient of the discharge times or else determine it from a set of stored value pairs determined by measurement. In the first case, a computing unit, for. As a microprocessor, in the latter case a "table module" may be provided. The latter can be different, z. B. by means of a stored in a ROM or RAM table, be formed. The variant using a table module has the advantage that it works reliably even in structures in which the calculation of the relationship between discharge times and angles due to the geometry is complicated or where, for example, due to material defects or manufacturing tolerances, the theoretically determined values not with the actual match. The variant can also be combined with a calculation that interpolates between stored values.

Nach einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist die Auswertungseinheit ausgebildet, um wenigstens eine Kapazität während eines Ladevorgangs aufzuladen und während eines folgenden Messvorgangs wenigstens eine Entladezeit zu bestimmen.According to a preferred embodiment of the invention, the evaluation unit is designed to charge at least one capacity during a charging process and to determine at least one discharge time during a subsequent measuring operation.

Hierbei sind mehrere Varianten denkbar. So können während des Ladevorgangs die Kapazitäten zeitgleich (parallel) aufgeladen werden und während des folgenden Messvorgangs die Entladezeiten bestimmt werden. Es ist auch denkbar, dass sich an einen einzigen Ladevorgang zwei nacheinander (sequenziell) ablaufende Messvorgänge anschließen. In einerweiteren Variante kann während des Ladevorgangs genau eine Kapazität geladen und während des folgenden Messvorgangs genau eine Entladezeit bestimmt werden, wonach in einem weiteren Ladevorgang eine andere Kapazität geladen und anschließend deren Entladezeit bestimmt wird. Es sind selbstverständlich noch weitere Varianten denkbar.Here are several variants conceivable. Thus, during the charging process, the capacities can be charged at the same time (in parallel) and the discharge times can be determined during the following measuring process. It is also conceivable that two consecutive (sequential) measuring processes follow a single charging process. In a further variant, exactly one capacity can be charged during the charging process and exactly one discharge time can be determined during the following measuring process, after which another capacity is charged in a further charging process and then its discharge time is determined. Of course, other variants are conceivable.

Zum Aufladen der wenigstens einen Kapazität kann die Auswertungseinheit insbesondere bevorzugt mit der eingangs erwähnten Ladeschaltung derart zusammenwirken, dass die Kapazitäten während des Ladevorgangs mit der Spannungsquelle verbunden sind und während des Messvorgangs im Wesentlichen von dieser getrennt sind. Naturgemäß lässt sich ein gewisser Leckstrom, je nach Ladeschaltung, nicht immer vollständig vermeiden, dieser sollte jedoch während des Messvorgangs gegenüber den Entladeströmen klein sein, um Messfehler zu vermeiden.For charging the at least one capacitance, the evaluation unit can cooperate particularly preferably with the charging circuit mentioned in the introduction in such a way that the capacitances are connected to the voltage source during the charging process and are substantially separated therefrom during the measuring process. Of course, a certain leakage current, depending on the charging circuit, can not always be completely avoided, but this should be small during the measurement process compared to the discharge currents in order to avoid measurement errors.

Bevorzugt weist die Auswertungseinheit mindestens einen Komparator zum Vergleichen einer Spannung der ersten und/oder zweiten Kapazität mit einer Referenzspannung auf. Die erfindungsgemäße Zähleinheit dient dazu, die Entladezeit der ersten und/oder zweiten Kapazität zu bestimmen. In dieser Ausgestaltung ist durch den Komparator wenigstens die Referenzspannung vorgegeben, die dem Ende der Entladezeit entspricht. Die Zähleinheit wird zu einem Zeitpunkt, der dem Beginn der Entladezeit entspricht, gestartet und durch den Komparator angehalten, wenn dieser feststellt, dass die Spannung der ersten bzw. zweiten Kapazität die Referenzspannung unterschreitet. Somit lässt sich die Entladezeit ermitteln.The evaluation unit preferably has at least one comparator for comparing a voltage of the first and / or second capacitance with a reference voltage. The counting unit according to the invention serves to determine the discharge time of the first and / or second capacity. In this embodiment, at least the reference voltage is predetermined by the comparator, which corresponds to the end of the discharge time. The counter is started at a time corresponding to the beginning of the discharge time and stopped by the comparator when it detects that the voltage of the first and second capacitance is lower than the reference voltage. Thus, the discharge time can be determined.

Hierbei ist zunächst zwischen einer gleichzeitigen Erfassung beider Entladevorgänge einerseits und einer sequenziellen Erfassung andererseits zu unterscheiden. Im Rahmen der Erfindung können beide Varianten zum Einsatz kommen. Hierbei bietet die sequenzielle Erfassung den Vorteil, dass der Zählvorgang und der Vergleich mit der Referenzspannung für beide Erfassungsvorgänge mit denselben Bauteilen realisiert werden können und somit unter apparativ gleichen Bedingungen ablaufen. Fertigungstoleranzen nominell gleichartiger Bauteile können das Messergebnis nicht verfälschen. Demgegenüber hat eine gleichzeitige Erfassung den Vorteil, dass eine mögliche zeitliche Veränderung der Strahlungsintensität weniger Einfluss hat. Bei typischen Ausführungsformen erfolgt die Erfassung schnell genug, dass sich normalerweise die Eigenschaften der einfallenden Strahlung in dieser Zeit nicht ändern. Des Weiteren wird bei einer gleichzeitigen Erfassung naturgemäß der Messzyklus verkürzt. Im letzteren Falle ist bevorzugt, dass die Auswertungseinheit je Diode einen zugeordneten Komparator sowie eine entsprechende Zählvorrichtung aufweist. In this case, a distinction must first be made between simultaneous detection of both unloading operations on the one hand and sequential recording on the other hand. In the context of the invention, both variants can be used. Here, the sequential detection has the advantage that the counting process and the comparison with the reference voltage for both detection processes can be realized with the same components and thus run under the same apparatus conditions. Manufacturing tolerances of nominally similar components can not falsify the measurement result. In contrast, a simultaneous detection has the advantage that a possible temporal change of the radiation intensity has less influence. In typical embodiments, the detection is fast enough that normally the characteristics of the incident radiation do not change during that time. Furthermore, the measurement cycle is naturally shortened during a simultaneous acquisition. In the latter case, it is preferred that the evaluation unit has an associated comparator per diode and a corresponding counting device.

Der Start des Zählvorgangs kann z. B. dadurch ausgelöst werden, dass an der betreffenden Kapazität eine obere Referenzspannung registriert wird, die dem Start des Zählvorgangs entspricht. Dies kann z. B. diejenige Spannung sein, die dem vollständig geladenen Zustand entspricht. Alternativ kann vorgesehen sein, dass der Beginn des Entladevorgangs und der Start des Zählvorgangs zentral (z. B. durch einen Mikrocontroller) gesteuert und simultan ausgelöst werden.The start of counting can z. B. be triggered by the fact that an upper reference voltage is registered at the capacity in question, which corresponds to the start of the counting process. This can be z. B. be that voltage that corresponds to the fully charged state. Alternatively it can be provided that the start of the discharging process and the start of the counting process are controlled centrally (eg by a microcontroller) and triggered simultaneously.

Es ist bevorzugt, dass der Komparator und die Zähleinheit nicht als separate Bauteile, sondern in integrierter Form, z. B. als Teilschaltungen auf einem Mikrochip, ausgebildet sind. Es ist auch denkbar, dass wenigstens eine der genannten Einheiten durch eine Software auf einem Computer realisiert ist. Bevorzugt ist der Komparator ein Schmitt-Trigger, der über ein äußerst schnelles Schaltverhalten verfügt. Geeignete Schmitt-Trigger sind im Stand der Technik bekannt.It is preferred that the comparator and the counting unit not as separate components, but in an integrated form, for. B. as subcircuits on a microchip are formed. It is also conceivable that at least one of said units is realized by software on a computer. Preferably, the comparator is a Schmitt trigger, which has an extremely fast switching behavior. Suitable Schmitt triggers are known in the art.

Die Effektivität der Vorrichtung lässt sich weiter verbessern durch ein refraktives Medium, welches bevorzugt zwischen den Photoflächen und dem mindestens einen Abschattungselement angeordnet ist. Die Ausdehnung des refraktiven Mediums in Richtung der Lotachse beträgt vorzugsweise wenigstens 20%, weiter bevorzugt wenigstens 50%, besonders bevorzugt wenigstens 70% des Abstandes des Abschattungselements von den Photoflächen in Richtung der Lotachse. Hierbei bezeichnet refraktives Medium ein Medium, dessen Brechungsindex für die einfallende Strahlung größer ist als der des Mediums, in dem die Vorrichtung eingesetzt wird (äußeres Medium), so dass Strahlen beim Eintritt in das refraktive Medium zum Lot hin gebrochen werden. Typischerweise wird das äußere Medium Luft oder Vakuum sein, so dass der Brechungsindex des refraktiven Mediums größer als 1 sein sollte. Materialien wie Siliziumdioxid SiO₂ (Glas), deren Brechungsindex deutlich größer als 1 ist, sind hierbei bevorzugt. Vorteilhaft sind selbstverständlich Materialien, die die Strahlung nur wenig absorbieren, allerdings kann das refraktive Medium bei typischen Ausführungsformen, die nachfolgend noch dargestellt werden, so dünnschichtig ausgebildet sein, dass Absorptionsverluste vernachlässigbar sind.The effectiveness of the device can be further improved by a refractive medium, which is preferably arranged between the photo surfaces and the at least one shading element. The extent of the refractive medium in the direction of the solder axis is preferably at least 20%, more preferably at least 50%, particularly preferably at least 70% of the distance of the shading element from the photo surfaces in the direction of the solder axis. In this case, refractive medium refers to a medium whose refractive index for the incident radiation is greater than that of the medium in which the device is used (outer medium), so that rays are refracted towards the solder on entry into the refractive medium. Typically, the external medium will be air or vacuum such that the refractive index of the refractive medium should be greater than one. Materials such as silicon dioxide SiO ₂ (glass), whose refractive index is significantly greater than 1, are preferred here. Of course, materials that absorb the radiation only slightly are of course advantageous, but in typical embodiments, which will be described below, the refractive medium can be made so thin that absorption losses are negligible.

Das refraktive Medium ist bevorzugt als Schicht auf den Dioden ausgebildet und weist eine möglichst glatte, zur Messebene parallele Oberfläche auf. Hierdurch wird der Einfallswinkelbereich im äußeren Medium, der 180° umfasst, auf einen kleineren Winkelbereich innerhalb des refraktiven Mediums abgebildet. Dies hat den großen Vorteil, dass im Bereich der Photoflächen keine Strahlen mit Einfallswinkeln nahe 90° (bezogen auf die Lotachse) auftreten. So ist der Maximalwinkel für sichtbares Licht im Falle eines Übergangs von Luft zu Glas nur 43,6° statt 90°. Somit bleibt die Ausbreitung der Strahlen innerhalb des refraktiven Mediums – bezogen auf die Messebene – lokal begrenzt.The refractive medium is preferably formed as a layer on the diodes and has a surface as smooth as possible, parallel to the measurement plane. As a result, the angle of incidence range in the outer medium, which comprises 180 °, is mapped to a smaller angular range within the refractive medium. This has the great advantage that in the area of the photo surfaces no rays occur with angles of incidence near 90 ° (relative to the solder axis). Thus, the maximum angle of visible light in the case of a transition from air to glass is only 43.6 ° instead of 90 °. Thus, the propagation of the rays within the refractive medium - with respect to the measurement plane - remains locally limited.

Daher kann auch die Abschattung einer Photofläche durch ein Abschattungselement erfolgen, welches sich (bezogen auf die Messebene) relativ nah an der Diode befindet, wodurch eine sehr kompakte Bauform möglich ist. Des Weiteren wird dieses Abschattungselement keine Dioden abschatten, die sich außerhalb eines gewissen, für die jeweilige Vorrichtung bestimmbaren Abstandes befinden. Auch der Effekt von internen Reflexionen, die z. B. zwischen refraktivem Medium und Photofläche einerseits und zwischen refraktivem Medium und äußerem Medium andererseits auftreten, bleibt hiermit überschaubar. Wird z. B. als refraktives Medium eine ebene Schicht konstanter Dicke d verwendet, so beträgt die Maximale Entfernung D, die ein Strahl in der Messebene durch zweimalige Reflexion zurücklegen kann D = 2d·tanß wobei β der Einfallswinkel im Medium ist. Werden zwei Dioden in wenigstens diesem Abstand, bspw. entlang der ersten Achse, zueinander angeordnet, so wird weitgehend vermieden, dass Strahlen, die von der Oberfläche der einen Diode reflektiert werden, die Photofläche der anderen Diode zu treffen. Der geschilderte Effekt, der als „optisches Übersprechen” bezeichnet wird, könnte andernfalls die Messergebnisse verfälschen. Bei der geschilderten Beabstandung wären für ein Übersprechen wenigstens vier Einzelreflexionen nötig, wobei der Strahl bei jeder Reflexion an Intensität verliert.Therefore, the shading of a photographic surface can be done by a shading element, which (relative to the measurement plane) is relatively close to the diode, whereby a very compact design is possible. Furthermore, this shading element will not shade any diodes that are outside of a certain, determinable for each device distance. Also, the effect of internal reflections z. B. between refractive medium and photo surface on the one hand and between refractive medium and external medium on the other hand, remains manageable. If z. B. used as a refractive medium, a flat layer of constant thickness d, the maximum distance D, which can cover a beam in the measurement plane by two times reflection D = 2d · tan where β is the angle of incidence in the medium. If two diodes in at least this distance, for example. Along the first axis, arranged to each other, it is largely avoided that rays that are reflected from the surface of a diode to hit the photofructure of the other diode. The described effect, which is called "optical crosstalk", could otherwise falsify the measurement results. In the case of the described spacing, at least four individual reflections would be necessary for crosstalk, with the beam losing intensity with each reflection.

Die vorstehend dargelegten positiven Effekte werden in einer bevorzugten Ausgestaltung dadurch optimal ausgenutzt, dass das refraktive Medium mindestens beide Photoflächen bedeckt und sich entlang der Lotachse wenigstens bis zu dem Abschattungselement erstreckt. In diesem Fall bewegen sich die Strahlen vom Abschattungselement bis zu den Photoflächen ausschließlich im refraktiven Medium, d. h. wie oben erläutert in einem kleineren Winkelbereich, durch den die Ausbreitung der Strahlen begrenzt wird. Des Weiteren bildet hierbei das refraktive Medium eine Auflage für das Abschattungselement, welches im Fertigungsprozess direkt aufgebracht werden kann. So kann das Abschattungselement z. B. als Metallschicht auf eine aus Glas bestehende, refraktive Schicht aufgedampft oder aufgesputtert werden. The positive effects set out above are optimally utilized in a preferred embodiment in that the refractive medium covers at least both photo-surfaces and extends along the solder axis at least as far as the shading element. In this case, the rays from the shading element to the photo-surfaces move exclusively in the refractive medium, ie, as explained above, in a smaller angular range, by which the propagation of the rays is limited. Furthermore, in this case, the refractive medium forms a support for the shading element, which can be applied directly in the production process. Thus, the shading element z. B. vapor-deposited or sputtered as a metal layer on a refractive layer made of glass.

Diese Ausgestaltung kann noch dahingehend erweitert werden, dass das wenigstens eine Abschattungselement in das refraktive Medium eingebettet ist. In diesem Fall erstreckt sich das refraktive Medium also entlang der Lotachse über das Abschattungselement hinaus und bildet somit eine Deckschicht, die es vor Beschädigungen schützt und für gleichmäßige optische Verhältnisse sorgt. In dem oben erläuterten Beispiel kann also das aufgedampfte Metallelement wiederum mit einer Schicht Glas überzogen sein. Bevorzugt weist das refraktive Medium eine planarisierte Oberfläche auf.This embodiment can also be extended to the effect that the at least one shading element is embedded in the refractive medium. In this case, the refractive medium thus extends along the solder axis beyond the shading element and thus forms a cover layer, which protects it from damage and ensures uniform optical conditions. In the example explained above, therefore, the vapor-deposited metal element can in turn be coated with a layer of glass. The refractive medium preferably has a planarized surface.

Besonders vorteilhaft ist bei Einsatz eines refraktiven Mediums, wenn ein Abschattungselement (z. B. aus Metall), welches in das refraktive Medium eingebettet ist, bezogen auf die Messebene zwischen Mess- und Referenzdiode angeordnet ist. Hierdurch müssen Strahlen um nach Reflexion an der einen Photofläche auf die andere Photofläche zu gelangen, am Abschattungselement statt an der Grenzfläche zum äußeren Medium reflektiert werden. Aufgrund des kürzeren Weges, den die Strahlen hierbei zwischen zwei Reflexionen in Richtung der Lotachse zurücklegen, ist auch der zurückgelegte Weg parallel zur Ebene kürzer. Somit sind mehr Reflexionen notwendig, um zur anderen Photofläche zu gelangen. Da jeder Reflexionsvorgang zwangsläufig mit Intensitätsverlusten verbunden ist, wird ein optisches Übersprechen weitgehend unterbunden.When using a refractive medium, it is particularly advantageous if a shading element (eg made of metal), which is embedded in the refractive medium, is arranged between the measuring and reference diode with respect to the measuring plane. As a result, rays must be reflected to the other photo surface after reflection on the one photo surface to be reflected on Abschattungselement instead of at the interface to the outer medium. Due to the shorter path that the rays cover in this case between two reflections in the direction of the vertical axis, the distance traveled parallel to the plane is also shorter. Thus, more reflections are needed to get to the other photo surface. Since each reflection process is inevitably associated with intensity losses, optical crosstalk is largely prevented.

Wie eingangs erwähnt, können die Dioden entsprechend der Anwendung angepasst ausgebildet sein. Bevorzugt sind die Dioden Halbleiterdioden. Insbesondere vorteilhaft sind bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung mindestens die Messdiode und die Referenzdiode auf einem gemeinsamen Substrat ausgebildet. Das Substrat umfasst hierbei vorteilhaft ein Halbleitermaterial, so dass die Dioden in einem standardisierten Verfahren z. B. auf einem Wafer hergestellt werden können. Dies erleichtert auch die Herstellung und trägt zur präziseren Ausrichtung der Dioden (bzw. der Photoflächen) bei. Die Ausbildung auf dem gemeinsamen Substrat trägt auch zur Robustheit der Sensoreinheit bei. Vorteilhaft sind auf dem gemeinsamen Substrat auch Leiterelemente wenigstens zur Beschaltung der Dioden aufgebracht. Dies kann in einem standardisierten Verfahren z. B. durch Aufdampfen einer Metallschicht bzw. durch stark dotierte Halbleiterbereiche geschehen. Das Substrat kann z. B. ein p-Substrat sein, auf dem die Dioden als n⁺/p-Strukturen ausgebildet sind, ähnlich der Anschlussgebiete eines MOS-Transistors. Das Substrat kann bspw. einfach und kostengünstig in MOS- bzw. CMOS-Technik gefertigt sein, weil die einzelnen Dioden bei der vorliegenden Vorrichtung so weit voneinander beabstandet sein können, dass keine Isolierung notwendig ist. Bevorzugt bildet das Substrat mindestens einen Bereich des pn-Übergangs beider Dioden, d. h. die beiden pn-Übergänge weisen mindestens einen gemeinsamen Bereich auf.As mentioned above, the diodes can be adapted according to the application. Preferably, the diodes are semiconductor diodes. In the device according to the invention, it is particularly advantageous for at least the measuring diode and the reference diode to be formed on a common substrate. The substrate in this case advantageously comprises a semiconductor material, so that the diodes in a standardized method z. B. can be made on a wafer. This also facilitates the production and contributes to the more precise alignment of the diodes (or the photo surfaces). The formation on the common substrate also contributes to the robustness of the sensor unit. Advantageously, conductor elements are also applied at least to the wiring of the diodes on the common substrate. This can be done in a standardized method z. B. by vapor deposition of a metal layer or by heavily doped semiconductor regions happen. The substrate may, for. B. be a p-substrate on which the diodes are formed as n ⁺ / p-structures, similar to the terminal regions of a MOS transistor. The substrate may, for example, be manufactured simply and cost-effectively in MOS or CMOS technology, because the individual diodes in the present device can be so far apart that no insulation is necessary. The substrate preferably forms at least one region of the pn junction of both diodes, ie the two pn junctions have at least one common region.

In einer bevorzugten Ausgestaltung der Vorrichtung sind die Dioden derart angeordnet, dass sich ihr pn-Übergang im Wesentlichen parallel zur Messebene erstreckt. Die Dioden können auch hierbei als Implantationsgebiete auf einem gemeinsamen Substrat ausgebildet sein, wobei insbesondere bei einer derartigen Ausbildung Teile des pn-Übergangs aufgrund des Herstellungsprozesses üblicherweise senkrecht zur Messebene ausgerichtet sind. Daher ist es ausreichend, wenn ein wesentlicher und wirksamer Teil des pn-Übergangs auch hier parallel zur Messebene ausgerichtet ist.In a preferred embodiment of the device, the diodes are arranged such that their pn junction extends substantially parallel to the measurement plane. The diodes may also be formed here as implantation regions on a common substrate, wherein, in particular in such a configuration, parts of the pn junction are usually oriented perpendicular to the measurement plane due to the manufacturing process. Therefore, it is sufficient if an essential and effective part of the pn junction is also aligned here parallel to the measuring plane.

Besonders vorteilhaft ist es, wenn die Sensoreinheit und die Auswertungseinheit integriert ausgebildet sind. Hierdurch lässt sich eine besonders einfache Herstellung und hohe Robustheit erreichen. So können die Dioden der Sensoreinheit und die Bestandteile der Auswertungseinheit bspw. monolithisch auf einem Halbleitersubstrat ausgebildet sein. Hierauf kann z. B. die bereits diskutierte Passivierung in Form einer Glasschicht aufgebracht sein, die als refraktives Medium dient. Auf diese Glasschicht können wiederum die Abschattungselemente als Metallschicht aufgedampft werden. Vorteilhaft sind, wie erwähnt, die Abschattungselemente mit einer weiteren Glasschicht überzogen, wodurch sie vor Beschädigung geschützt sind.It is particularly advantageous if the sensor unit and the evaluation unit are integrated. As a result, a particularly simple production and high robustness can be achieved. Thus, the diodes of the sensor unit and the components of the evaluation unit, for example, be formed monolithically on a semiconductor substrate. This can be z. B. the already discussed passivation be applied in the form of a glass layer, which serves as a refractive medium. In turn, the shading elements can be vapor-deposited as a metal layer on this glass layer. As mentioned, the shading elements are advantageously covered with a further layer of glass, whereby they are protected against damage.

In einer Weiterbildung der Erfindung sind mehrere Sensoreinheiten jeweils parallel zu der Messebene angeordnet. Hierbei sind verschiedene Varianten denkbar, die auch miteinander kombiniert werden können. Eine Variante dient zur Erhöhung der Meßgenauigkeit der Vorrichtung.In a development of the invention, a plurality of sensor units are arranged in each case parallel to the measurement plane. Here, different variants are conceivable that can also be combined with each other. A variant serves to increase the measuring accuracy of the device.

Grundsätzlich ermöglicht die erfindungsgemäße Vorrichtung mit jeweils einer Mess- und einer Referenzdiode eine genaue Bestimmung wenigstens einer Komponente des Einfallswinkels. Allerdings wird die Genauigkeit u. a. dann nachteilig beeinflusst, wenn sich die Intensität der einfallenden Strahlung zwischen der Mess- und der Referenzelektrode ändert. Bei Auftreten eines räumlichen Intensitätsgradienten besteht die Gefahr, dass Photostromdifferenzen, die auf dem Gradienten beruhen, fälschlich als Ergebnis unterschiedlicher Abschattung interpretiert werden.In principle, the device according to the invention, with one measuring and one reference diode in each case, enables an exact determination of at least one component of the angle of incidence. However, the accuracy is adversely affected, inter alia, when the intensity of the incident radiation between the measuring and the reference electrode changes. When a spatial intensity gradient occurs, there is a risk that photocurrent differences based on the gradient will be misinterpreted as a result of different shadowing.

Dies kann vermieden werden, wenn mehrere Sensoreinheiten verwendet werden. Durch die Auswertung mehrerer Sensoreineiten, die im Feld des Intensitätsgradienten verteilt sind, können die Auswirkungen desselben kompensiert werden. Hierbei kann je Sensoreinheit eine Auswertungseinheit vorgesehen sein und der Winkelmesswert anschließend, bspw. über einen Mikroprozessor oder Computer, rechnerisch gemittelt werden. Bevorzugt werden die Messdioden und Referenzdioden jeweils untereinander parallel geschaltet. Bei der Entladung entlädt also die Summe der Fotoströme der einzelnen Mess- bzw. Referenzdioden die Summe der jeweils zugehörigen Kapazitäten.This can be avoided if multiple sensor units are used. By evaluating several sensor lines that are distributed in the field of the intensity gradient, the effects of the same can be compensated. In this case, an evaluation unit can be provided per sensor unit and the angle measurement value can subsequently be averaged, for example, by means of a microprocessor or computer. Preferably, the measuring diodes and reference diodes are each connected in parallel with each other. During the discharge, therefore, the sum of the photocurrents of the individual measuring or reference diodes discharges the sum of the respectively associated capacitances.

Die Kompensation gelingt besonders effektiv, wenn die mehreren Sensoreineiten in einer Common-Centroid-Struktur angeordnet sind. Die Anordnung ist hierbei derart, dass der gedachte Flächen-„Schwerpunkt” der Photoflächen der Messdioden in der Messebene – wenigstens näherungsweise – mit demjenigen der Referenzdioden übereinstimmt. Diese in der Schaltungstechnik bekannte Anordnung, mittels derer z. B. Temperaturgradienten oder dergleichen ausgeglichen werden können, ermöglicht auch einen vorteilhaften Ausgleich von Intensitätsgradienten der einfallenden Strahlung bei der Vorrichtung gemäß der vorliegenden Weiterbildung.The compensation is particularly effective when the multiple sensor lines are arranged in a common centroid structure. The arrangement here is such that the imaginary surface "center of gravity" of the photofaces of the measuring diodes in the measuring plane coincides - at least approximately - with that of the reference diodes. This known in the circuit arrangement, by means of which z. As temperature gradients or the like can be compensated, also allows an advantageous compensation of intensity gradients of the incident radiation in the apparatus according to the present invention.

Die Anordnung der Dioden ist hierbei durch eine Wiederholung gleichartiger Strukturen gekennzeichnet, d. h. es wird z. B. ein einziger Diodentyp und zwei Anordnungen von Abschattungselementen verwendet. Die Mess- und Referenzdioden können hierbei nach Art eines Schachbrettmusters angeordnet sein, so dass gleichartige Dioden immer diagonal untereinander stehen. Die einfachste Form ist hierbei die sogenannte „Quad”-Struktur, bei der zwei Mess- und zwei Referenzdioden in der Messebene über Kreuz angeordnet sind. Es sind auch andere Anordnungen denkbar, von denen einige noch mit Bezug auf die Ausführungsbeispiele erläutert werden. Auch hierbei ist es naturgemäß möglich, dass, wie vorstehend diskutiert, eine Abschattung lediglich der Referenz- oder Messdioden oder aber beider Dioden durch das Abschattungselement gegeben ist.The arrangement of the diodes is characterized by a repetition of similar structures, d. H. it is z. As a single diode type and two arrangements of shading elements used. The measuring and reference diodes can in this case be arranged in the manner of a checkerboard pattern, so that similar diodes are always diagonal to each other. The simplest form here is the so-called "quad" structure, in which two measuring diodes and two reference diodes are arranged crosswise in the measuring plane. There are also other arrangements conceivable, some of which will be explained with reference to the embodiments. Again, it is naturally possible that, as discussed above, a shadowing of the reference or measuring diodes or both diodes is given by the shading element.

Es ist zu beachten, dass Vorrichtungen nach dem Stand der Technik, die eine Vielzahl von Dioden mit stets unterschiedlichen Abschattungselementen benötigen, um überhaupt eine vergleichbar genaue Detektion über einen entsprechenden Winkelbereich zu ermöglichen, keine derartige Anordnung erlauben. Die Widerholung gleichartiger Strukturen, die für die Common-Centroid-Struktur charakteristisch ist, steht im Widerspruch zu der Anforderung einer sich für jede Diode unterscheidenden Abschattung. Demgegenüber steht die einfache Grundstruktur der erfindungsgemäßen Vorrichtung, die vorteilhaft eine Anwendung des Common-Centroid-Konzepts zulässt.It should be noted that prior art devices which require a plurality of diodes with different shading elements each to allow comparably accurate detection over a corresponding angular range do not allow such an arrangement. The repetition of similar structures, which is characteristic of the common centroid structure, is in contradiction to the requirement of a different shading for each diode. In contrast, stands the simple basic structure of the device according to the invention, which advantageously allows application of the common centroid concept.

In einer vorteilhaften Ausgestaltung ist die Vorrichtung daran angepasst, zwei Komponenten des Einfallswinkels zu bestimmen. In diesem Fall umfasst die Vorrichtung wenigstens eine zweite Messdiode mit einer dritten Photofläche und wenigstens eine zweite Referenzdiode mit einer vierten Photofläche. Hierbei erstrecken sich die dritte und vierte Photofläche jeweils parallel zu der Messebene. Der zweiten Messdiode ist eine dritte Kapazität und der zweiten Referenzdiode eine vierte Kapazität zugeordnet und die dritte und vierte Kapazität sind über durch die Dioden fließende Photoströme entladbar. Weiterhin umfasst die Vorrichtung wenigstens ein sich parallel zur Messebene erstreckendes Abschattungselement, welches entlang einer zur Messebene senkrechten Lotachse von den Dioden beabstandet ist, wobei das Verhältnis eines bestrahlten Anteils der dritten Photofläche zu einem bestrahlten Anteil der vierten Photofläche vom Einfallswinkel entlang der zweiten Achse abhängig und vom Einfallswinkel entlang der ersten Achse unabhängig ist.In an advantageous embodiment, the device is adapted to determine two components of the angle of incidence. In this case, the device comprises at least one second measuring diode with a third photo surface and at least one second reference diode with a fourth photo surface. In this case, the third and fourth photo surface each extend parallel to the measurement plane. The second measuring diode is associated with a third capacitance and the second reference diode with a fourth capacitance, and the third and fourth capacitances are dischargeable via photocurrents flowing through the diodes. Furthermore, the device comprises at least one shading element extending parallel to the measurement plane, which is spaced from the diodes along a perpendicular to the measurement plane Lotachse, wherein the ratio of an irradiated portion of the third photo surface to an irradiated portion of the fourth Photofläche of the angle of incidence along the second axis depending independent of the angle of incidence along the first axis.

Der Aufbau entspricht somit im Wesentlichen der Sensoreinheit für die Ermittlung der Komponente entlang der ersten Achse, mit dem Unterschied, dass die Komponenten hier gewissermaßen in der Messebene „um 90° gedreht” sind. Dies ist jedoch nicht dahingehend zu verstehen, dass für die Ermittlung der beiden Komponenten zwingend gleichartige Strukturen von Dioden und Abschattungselement eingesetzt werden müssen. Allerdings ist dies aufgrund eines einfacheren Designs und einfacherer Fertigung bevorzugt.The structure thus essentially corresponds to the sensor unit for determining the component along the first axis, with the difference that the components are in a sense "rotated 90 ° in the measurement plane" here. However, this is not to be understood that necessarily identical structures of diodes and shading element must be used for the determination of the two components. However, this is preferred because of a simpler design and easier fabrication.

Es ist auch möglich, dass wenigstens ein Abschattungselement sowohl zur Abschattung der ersten Mess- und/oder Referenzdiode als auch der zweiten Mess- und/oder Referenzdiode dient. Im Allgemeinen werden aber separate Abschattungselemente verwendet.It is also possible that at least one shading element serves both for shading the first measuring and / or reference diode and the second measuring and / or reference diode. In general, however, separate shading elements are used.

Bei der dargestellten Ausgestaltung ist die Auswertungseinheit zum Ermitteln von Entladezeiten der Kapazitäten ausgebildet, um eine Bestimmung beider Winkelkomponenten des Einfallswinkels zu ermöglichen. Die Bestimmung der zweiten Winkelkomponente verläuft analog zur Bestimmung der ersten. Wie bereits oben erläutert, muss die Auswertungseinheit nicht einteilig ausgebildet sein. Werden die Entladezeiten der ersten und zweiten Kapazität in einem anderen Bauteil ausgewertet als die der dritten und vierten Kapazität, werden diese Bauteile in diesem Zusammenhang als Teile einer mehrteiligen Auswertungseinheit aufgefasst.In the illustrated embodiment, the evaluation unit is designed to determine discharge times of the capacitances in order to enable a determination of the two angle components of the angle of incidence. The determination of the second angle component is analogous to the determination of the first. As already explained above, the evaluation unit does not have to be designed in one piece. Are the discharge times of the first and second capacity in one evaluated other component than the third and fourth capacity, these components are considered in this context as part of a multi-part evaluation unit.

Wie bereits eingangs erläutert, können die Kapazitäten mittels einer Ladeschaltung aufgeladen werden, die bevorzugt als Schalteinheit einen Transistor umfasst. Da allerdings derartige Bauelemente bekanntermaßen auch im Sperrzustand einen gewissen Leckstrom führen können, ist die Gefahr gegeben, dass die Kapazitäten nicht nur über die Photoströme der Dioden entladen, sondern auch über Leckströme aufgeladen bzw. entladen werden. Da dies zu einer veränderten Entladezeit führt, wird das Messergebnis durch die Leckströme verfälscht, insbesondere wenn die Photoströme (z. B. aufgrund geringer Intensität der Strahlung oder aufgrund eines kleinen bestrahlten Anteils der Photofläche) klein sind und in die Größenordnung der Leckströme kommen.As already explained at the beginning, the capacitances can be charged by means of a charging circuit, which preferably comprises a transistor as a switching unit. However, since such devices can also lead to a certain leakage current in the off state, there is a risk that the capacitors will not only discharge via the photocurrents of the diodes, but will also be charged or discharged via leakage currents. Since this leads to a changed discharge time, the measurement result is falsified by the leakage currents, in particular if the photocurrents (for example due to low intensity of the radiation or due to a small irradiated portion of the photo surface) are small and come in the order of the leakage currents.

Die Ladeschaltung umfasst mindestens einen Eingang für eine Spannungsquelle, einen Ausgang zum Anschluss eines Energiespeicher sowie eine eingangsseitige und eine ausgangsseitige Schalteinheit, die in Reihe zwischen dem Eingang und dem Ausgang angeordnet sind und über einen Mittelanschluss miteinander verbunden sind. Als Spannungsquelle kann insbesondere eine Gleichspannungsquelle eingesetzt werden, dies ist aber nicht zwingend. Die beiden Schalteinheiten können grundsätzlich unterschiedlich ausgebildet sein, z. B. als mechanische Schalter, Reed-Schalter oder als Halbleiterschalter. Die besonderen Vorteile der Ladeschaltung zeigen sich allerdings bei Schalteinheiten, durch die auch im „offenen” bzw. ausgeschaltetem Zustand ein nicht vernachlässigbarer Leckstrom fließt, wenn an ihnen eine Spannung anliegt. Bevorzugt sind beide Schalteinheiten Feldeffekttransistoren. Die beiden Schalteinheiten können gleichartig oder unterschiedlich sein. Sie können gemeinsam oder unabhängig voneinander schaltbar sein.The charging circuit comprises at least one input for a voltage source, an output for connecting an energy store and an input-side and an output-side switching unit, which are arranged in series between the input and the output and connected to each other via a center terminal. As a voltage source, in particular a DC voltage source can be used, but this is not mandatory. The two switching units can basically be designed differently, for. As a mechanical switch, reed switch or as a semiconductor switch. However, the special advantages of the charging circuit are shown in switching units, through which a non-negligible leakage current flows even in the "open" or switched off state when a voltage is applied to them. Both switching units are preferably field-effect transistors. The two switching units can be the same or different. They can be switchable together or independently of each other.

Da die einfache Reihenschaltung zweier leckstrombehafteter Bauteile grundsätzlich den Leckstrom nicht unterdrücken kann, umfasst die Ladeschaltung zusätzlich eine mit dem Mittelanschluss verbundene Steuereinheit, die derart ausgebildet ist, um den Mittelanschluss mindestens im ausgeschalteten Zustand der ausgangsseitigen Schalteinheit auf ein vorgegebenes Referenzpotential einzustellen. Hierdurch wird vorteilhaft erreicht, dass der Leckstrom durch die ausgangsseitige Schalteinheit reduziert wird. Hierzu sind verschiedene Varianten denkbar.Since the simple series connection of two leakage-current-carrying components basically can not suppress the leakage current, the charging circuit additionally comprises a control unit connected to the center connection, which is designed to set the center connection at least in the switched-off state of the output-side switching unit to a predetermined reference potential. This advantageously ensures that the leakage current is reduced by the output-side switching unit. For this purpose, different variants are conceivable.

In einer ersten bevorzugten Ausgestaltung der Ladeschaltung ist das vorgegebene Referenzpotential ein Massepotential. Somit liegt an der eingangsseitigen Schalteinheit eine Spannung, die dem Potential der Spannungsquelle gegenüber Masse entspricht, während diejenige an der ausgangsseitigen Schalteinheit dem Potential des Ausgangs gegenüber Masse entspricht. Es treten somit noch Leckströme auf, die allerdings vorteilhaft über den Mittelanschluss abfließen. Nähert sich nun, z. B. durch die Entladung des Energiespeichers, das Potential am Ausgang dem Massepotential an, so wird die Spannung an der ausgangsseitigen Schalteinheit kleiner und somit auch der durch sie fließende Leckstrom. Hierdurch nimmt also mit zunehmender Entladung des Energiespeichers (z. B. einer Kapazität) der Leckstrom ab.In a first preferred embodiment of the charging circuit, the predetermined reference potential is a ground potential. Thus, at the input side switching unit is a voltage corresponding to the potential of the voltage source to ground, while that at the output side switching unit corresponds to the potential of the output to ground. There are thus still leakage currents, which, however, drain advantageous over the central port. Approaches now, z. As by the discharge of the energy storage, the potential at the output to the ground potential, the voltage at the output side switching unit is smaller and thus also the current flowing through them leakage. As a result, the leakage current decreases as the energy store (eg a capacitor) discharges.

In einer alternativen, weiter verbesserten Ausgestaltung wird das Referenzpotential derart eingestellt, dass über die ausgangsseitige Schalteinheit im Wesentlichen keine Spannung abfallt. Es ist offenkundig, dass der Leckstrom durch die ausgangsseitige Schalteinheit in diesem Fall wenigstens näherungsweise Null ist. Hierbei sollte selbstverständlich nicht der Ausgang einfach mit dem Mittelanschluss kurzgeschlossen werden, da hierdurch die ausgangsseitige Schalteinheit überbrückt würde.In an alternative, further improved refinement, the reference potential is adjusted in such a way that substantially no voltage drops across the output-side switching unit. It is obvious that the leakage current through the output side switching unit is at least approximately zero in this case. Of course, the output should not be short-circuited to the center terminal, as this would bypass the output-side switching unit.

Eine bevorzugte Möglichkeit, einen Spannungsabfall an der ausgangsseitigen Schalteinheit zu verhindern, besteht darin, dass die Steuereinheit eine Verstärkereinrichtung aufweist, um den Mittelanschluss auf das Potential am Ausgang einzustellen. Die Verstärkereinrichtung ist hierbei so ausgebildet, dass im Wesentlichen kein Strom zwischen der Verstärkereinrichtung und dem Ausgang fließt, d. h. die Eingangsstufe der Verstärkereinrichtung stromlos ist. Ein Stromfluss zwischen der Verstärkereinheit und dem Mittelanschluss sollte jedoch möglich sein, um den etwaigen Leckstrom durch die eingangsseitige Schalteinheit von der Verstärkereinrichtung zu speisen. Der Verstärker kann daher bevorzugt eine Eingangstufe mit Feldeffekttransistoren, bspw. MOSFETs und/oder JFETs aufweisen, die eine stromlose Verstärkung ermöglichen. Die Verstärkereinrichtung kann insbesondere als Operationsverstärker mit Spannungsverstärkung „eins” ausgebildet sein, der als Spannungsfolger betrieben wird. Dieser wird zwischen Ausgang und Mittelanschluss geschaltet. Besonders bevorzugt ist hierbei ein sogenannter Buffer- bzw. Rail-to-Rail-Verstärker, bei dem praktisch über den gesamten Bereich seiner Versorgungsspannung die am Mittelanschluss eingestellte Spannung näherungsweise gleich der Spannung am Ausgang ist.A preferred possibility of preventing a voltage drop at the output-side switching unit is that the control unit has an amplifier device in order to set the center connection to the potential at the output. The amplifier device is in this case designed so that substantially no current flows between the amplifier device and the output, d. H. the input stage of the amplifier device is de-energized. However, current flow between the amplifier unit and the center terminal should be possible in order to feed the possible leakage current through the input-side switching unit from the amplifier device. The amplifier can therefore preferably have an input stage with field-effect transistors, for example MOSFETs and / or JFETs, which enable an electroless amplification. The amplifier device can in particular be designed as an operational amplifier with voltage amplification "one", which is operated as a voltage follower. This is switched between output and middle connection. Particularly preferred in this case is a so-called buffer or rail-to-rail amplifier, in which practically over the entire range of its supply voltage, the voltage set at the middle connection is approximately equal to the voltage at the output.

Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist weiterhin ein Messsystem unter Verwendung der eingangs dargestellten Komponenten. Das Messsystem umfasst hierbei eine Vorrichtung zur Messung eines Einfallswinkels und mindestens eine Ladeschaltung zum Aufladen der den Dioden zugeordneten Kapazitäten. Hierbei kann bevorzugt jeder Kapazität eine eigene Ladeschaltung zugeordnet sein. Die Ladeschaltungen können hierbei an eine einzige oder an separate Spannungsquellen angeschlossen werden. Das Messsystem ist bevorzugt integriert ausgebildet, so dass z. B. die Ladeschaltung ebenso wie die Sensoreinheit und ggf. die Auswertungseinheit Teile eines integrierten Schaltkreises bilden, bspw. in MOS-Technik.The present invention furthermore relates to a measuring system using the components shown at the beginning. The measuring system here comprises a device for measuring an angle of incidence and at least one charging circuit for charging the capacitors assigned to the diodes. In this case, each capacitor can preferably be assigned its own charging circuit. The Charging circuits can be connected to a single or separate power sources. The measuring system is preferably integrated, so that z. B. the charging circuit as well as the sensor unit and possibly the evaluation unit form parts of an integrated circuit, for example. In MOS technology.

Details der Erfindung werden im Folgenden anhand von Ausführungsbeispielen mit Bezug auf die Figuren erläutert. Hierbei zeigt:Details of the invention are explained below with reference to embodiments with reference to the figures. Hereby shows:

1 eine schematische Darstellung einer ersten Ausführungsform einer Sensoreinheit in Seitenansicht, 1 a schematic representation of a first embodiment of a sensor unit in side view,

2 eine schematische Darstellung einer zweiten Ausführungsform einer Sensoreinheit in Seitenansicht, 2 a schematic representation of a second embodiment of a sensor unit in side view,

3 eine schematische Darstellung einer dritten Ausführungsform einer Sensoreinheit in Seitenansicht, three a schematic representation of a third embodiment of a sensor unit in side view,

4 eine schematische Darstellung einer Ausführungsform zweier Sensoreinheiten in einer ersten Common-Centroid-Anordnung in der Draufsicht, 4 1 is a schematic representation of an embodiment of two sensor units in a first common centroid arrangement in plan view;

5 eine schematische Darstellung einerweiteren Ausführungsform von Sensoreinheiten in einer zweiten Common-Centroid-Anordnung in der Draufsicht, 5 a schematic representation of another embodiment of sensor units in a second common centroid arrangement in plan view,

6 eine schematische Darstellung einer Ausführungsform von Sensoreinheiten zur Messung von zwei Komponenten eines Einfallswinkels, in der Draufsicht, 6 1 is a schematic illustration of an embodiment of sensor units for measuring two components of an angle of incidence, in plan view,

7 ein Schaltbild einer ersten Ausführungsform eines Messsystems zur parallelen Messung von Entladezeiten, 7 a circuit diagram of a first embodiment of a measuring system for the parallel measurement of discharge times,

8 ein Schaltbild einer zweiten Ausführungsform eines Messsystems zur sequenziellen Messung von Entladezeiten, 8th a circuit diagram of a second embodiment of a measuring system for the sequential measurement of discharge times,

9 ein Schaltbild einer ersten Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Ladeschaltung sowie 9 a circuit diagram of a first embodiment of a charging circuit according to the invention and

10 ein Schaltbild einer zweiten Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Ladeschaltung. 10 a circuit diagram of a second embodiment of a charging circuit according to the invention.

1 zeigt eine erste Ausführungsform einer Sensoreinheit 50 gemäß der vorliegenden Erfindung, wobei die Sensoreinheit 50 zur Messung einer Komponente eines Einfallswinkels von Licht relativ zu einer Messebene ausgebildet ist, wobei die Messebene senkrecht zur Zeichenebene verläuft. Die Struktur der Sensoreinheit 50 ist hierbei voll integriert auf einem Mikrochip ausgebildet, der in MOS-Technik gefertigt ist. Hierbei ist eine Messdiode 2 durch ein erstes n⁺-Implantationsgebiet 4 auf einem p-Substrat 6 und eine Referenzdiode 3 durch ein zweites n⁺-Implantationsgebiet 5 auf demselben p-Substrat 6 gebildet. Das p-Substrat 6 ist über p⁺-dotierte Substratanschlüsse 10 mit einer Masse (nicht gezeigt) verbunden. Beide Dioden 2, 3 sind identisch ausgebildet. Naturgemäß weist jede Diode 2, 3 eine elektrische Kontaktierung der n⁺-Implantationsgebiete 4, 5 auf, die jedoch nicht gezeigt ist. Die Messdiode 2 umfasst eine (senkrecht zur Zeichenebene liegende) erste Photofläche 8 und die Referenzdiode 3 umfasst eine (ebenfalls senkrecht zur Zeichenebene liegende) zweite Photofläche 9. Die Photoflächen 8, 9 liegen in der Messebene und sind entlang einer in der Zeichenebene liegenden x-Achse voneinander beabstandet. Ihre Ausdehnung W_d entlang der x-Achse beträgt 10 μm sowie senkrecht hierzu (d. h. senkrecht zur Zeichenebene) 100 μm. 1 shows a first embodiment of a sensor unit 50 according to the present invention, wherein the sensor unit 50 is designed for measuring a component of an angle of incidence of light relative to a measuring plane, wherein the measuring plane is perpendicular to the plane of the drawing. The structure of the sensor unit 50 is fully integrated on a microchip made of MOS technology. Here is a measuring diode 2 by a first n ⁺ -Implantationsgebiet 4 on a p-substrate 6 and a reference diode three through a second n ⁺ implantation area 5 on the same p-substrate 6 educated. The p-substrate 6 is via p ⁺ -doped substrate connections 10 connected to a mass (not shown). Both diodes 2 . three are identical. By nature, every diode has 2 . three an electrical contacting of the n ⁺ implantation areas 4 . 5 but not shown. The measuring diode 2 includes a (perpendicular to the plane of the drawing) first photo surface 8th and the reference diode three comprises a (also perpendicular to the plane lying) second photo surface 9 , The photofaces 8th . 9 lie in the measurement plane and are spaced apart along an x-axis lying in the plane of the drawing. Their extent W _d along the x-axis is 10 μm and perpendicular thereto (ie perpendicular to the plane of the drawing) 100 μm.

Oberhalb der Messebene erstreckt sich eine refraktive Schicht 11 aus Siliziumdioxid SiO₂ (Glas), die sich entlang einer zur Messebene senkrechten Lotachse (z-Achse) erstreckt und eine konstante Dicke von 7 μm mit einer ebenen Oberfläche 12 aufweist. Sie fungiert auch als Schutzschicht (Passivierung) für die tiefer liegenden integrierten Strukturen. In die refraktive Schicht 11 sind ein erstes Abschattungselement 20 und ein zweites Abschattungselement 21 eingebettet, die als aufgedampfte Metallschichten ausgebildet sind. Die Abschattungselemente 20, 21 sind entlang der z-Achse um einen Abstand T_OX von 4,4 μm von den Photoflächen 8, 9 beabstandet und haben eine Dicke T_M von 0,7 μm entlang der z-Achse. Sie sind ebenso wie die Photoflächen 8, 9 rechteckig ausgebildet. Die Ausdehnung der Abschattungselemente 20, 21 senkrecht zur x-Achse (d. h. senkrecht zur Zeichenebene) beträgt ca. 120 μm, so dass Sie die Photoflächen 8, 9 in dieser Richtung überragen (siehe auch 4). Hierdurch ist gewährleistet, dass nur eine Änderung der Komponente des Einfallswinkel entlang der x-Achse einen Einfluss auf die Abschattung der Photoflächen 8, 9 hat.Above the measurement level extends a refractive layer 11 of silicon dioxide SiO ₂ (glass), which extends along a perpendicular to the measurement plane Lotachse (z-axis) and a constant thickness of 7 microns with a flat surface 12 having. It also acts as a protective layer (passivation) for the underlying integrated structures. Into the refractive layer 11 are a first shading element 20 and a second shading element 21 embedded, which are formed as vapor-deposited metal layers. The shading elements 20 . 21 are along the z-axis by a distance T _OX of 4.4 microns from the photo-surfaces 8th . 9 spaced and have a thickness T _M of 0.7 microns along the z-axis. They are as much as the photofaces 8th . 9 rectangular. The extent of the shading elements 20 . 21 perpendicular to the x-axis (ie perpendicular to the plane of the drawing) is about 120 microns, so you have the photofaces 8th . 9 tower over in this direction (see also 4 ). This ensures that only a change in the component of the angle of incidence along the x-axis has an influence on the shading of the photofaces 8th . 9 Has.

Das erste Abschattungselement 20 ist derart angeordnet, dass es die erste Photofläche 8 der Messdiode 2 zur Hälfte überlappt, d. h. die Kante des ersten Abschattungselement 20 liegt über der Mitte bzw. dem „Schwerpunkt” der ersten Photofläche 8. Das zweite Abschattungselement 21 überlappt ebenfalls zur Hälfte die zweite Photofläche 9 der Referenzdiode 3, ist dieser gegenüber aber bezüglich der x-Achse in die entgegengesetzte Richtung versetzt, so dass die Anordnung aus Dioden 2, 3 und Abschattungselementen 20, 21 eine Spiegelsymmetrie aufweist.The first shading element 20 is arranged such that it is the first photo surface 8th the measuring diode 2 overlaps half, ie the edge of the first shading element 20 lies above the middle or the "center of gravity" of the first photo surface 8th , The second shading element 21 also half overlaps the second photo surface 9 the reference diode three however, it is offset in the opposite direction with respect to the x-axis so that the array of diodes 2 . three and shading elements 20 . 21 has a mirror symmetry.

Oberhalb der Oberfläche 12 der refraktiven Schicht 11 befindet sich eine Luftschicht, aus der Licht auf die Sensoreinheit 50 trifft. In 1 sind parallele Lichtstrahlen 100 eingezeichnet, die unter dem Lichteinfallswinkel α relativ zur Lotachse auf die Messebene einfallen. Aus dem Lichteinfallswinkel α, den Brechungsindizes von Luft (n_o = 1) und SiO₂ (n₁ ≈ 1,45) bestimmt sich der Lichtanteil des einfallenden Lichtstrahls 100, der als ein primärer Reflexionsstrahl 101 mit –α reflektiert wird, sowie auch der Lichtanteil, der als primärer Brechungsstrahl 102 mit dem Brechungswinkel β in die refraktive Schicht 11 d. h. in die Sensoreinheit 50 transmittiert. Nach dem Gesetz von Snellius berechnet sich der Winkel β zu:

Above the surface 12 the refractive layer 11 there is an air layer out of the light on the sensor unit 50 meets. In 1 are parallel rays of light 100 drawn in, which incident on the measuring plane at the angle of incidence α relative to the vertical axis. From the light incidence angle α, the refractive indices of air (n _o = 1) and SiO ₂ (n ₁ ≈ 1.45), the proportion of light of the incident light beam is determined 100 acting as a primary reflection beam 101 is reflected with -α, as well as the proportion of light, as the primary refraction beam 102 with the refraction angle β in the refractive layer 11 ie in the sensor unit 50 transmitted. According to the law of Snellius, the angle β is calculated as:

Der Betrag von β nimmt für α = ±90° maximale Werte an.;

The amount of β assumes maximum values for α = ± 90 ° .;

Aus obigen Gleichungen folgt also, dass der maximal mögliche α-Winkelbereich von [–90°, +90°] beim Übergang der Lichtstrahlen von Luft in die refraktive Schicht 11 auf einen Winkelbereich von ca. [–43,6°, +43,6°] abgebildet wird. Mittels dieser Grenzbetrachtung lassen sich notwendige Minimalabstände zwischen den optischen und den elektrischen Strukturen zwecks hinreichender Entkopplung der optischen Signalstrecken bestimmen. Man muss insbesondere bedenken, dass die Lichtstrahlen innerhalb der integrierten Strukturen zum Teil mehrere Ausbreitungspfade besitzen. So wird der primäre Brechungsstrahl 102 an der Grenzfläche zwischen refraktiver Schicht 11 und erstem n+-Implantationsgebiet 4 teilweise als sekundärer Reflexionsstrahl 103 reflektiert, teilweise als sekundärer Brechungsstrahl 104 unter einem Winkel γ gebrochen. Die gepunktete Linie in 1 deutet eine mögliche Lichtwegstrecke mit |β_max| an, die einem Winkel α von ungefähr 90°, also streifendem Einfall entspricht.It follows from the above equations that the maximum possible α-angle range of [-90 °, + 90 °] occurs when the light rays of air pass into the refractive layer 11 to an angle range of approx. [-43.6 °, + 43.6 °]. By means of this boundary analysis, necessary minimum distances between the optical and the electrical structures can be determined for the purpose of adequate decoupling of the optical signal paths. One must bear in mind in particular that the light beams within the integrated structures partly have several propagation paths. This becomes the primary refraction ray 102 at the interface between refractive layer 11 and first n + implantation area 4 partly as a secondary reflection beam 103 reflected, partly as a secondary refraction beam 104 Broken at an angle γ. The dotted line in 1 indicates a possible light path with | β _max | which corresponds to an angle α of approximately 90 °, ie grazing incidence.

Die Photoflächen 8, 9 weisen in Richtung der x-Achse Weiten W_d auf, die, wie bereits erwähnt, identisch sind. Die Fotoflächen sind entlang der x-Achse um einen Abstand D_sep getrennt. Dieser Abstand ist hierbei so gewählt, dass optisches Übersprechen weitgehend vermieden wird. Aufgrund der Anordnung der Abschattungselemente 20, 21 werden bei einem Lichteinfallswinkel von α = 0 jeweils genau 50% der Photoflächen 8, 9 durch das einfallende Licht (mit parallelen Lichtstrahlen) beleuchtet und 50% der Photoflächen 8, 9 beschattet. Hierbei sind also ein bestrahlter Anteil 16 der ersten Photofläche 8 und ein bestrahlter Anteil 17 der zweiten Photofläche 9 gleich groß. Dementsprechend nimmt mit der Veränderung von α die Beschattung der ersten Photofläche 8 zu und die der zweiten Photofläche 9 ab bzw. umgekehrt.The photofaces 8th . 9 have widths W _d in the direction of the x-axis which, as already mentioned, are identical. The photo-surfaces are separated along the x-axis by a distance D _sep . This distance is chosen so that optical crosstalk is largely avoided. Due to the arrangement of the shading elements 20 . 21 at a light incidence angle of α = 0, exactly 50% of the photofaces will be 8th . 9 illuminated by the incident light (with parallel rays of light) and 50% of the photofricks 8th . 9 shaded. So here are an irradiated portion 16 the first photo surface 8th and an irradiated portion 17 the second photo surface 9 same size. Accordingly, with the change of α, the shading of the first photo surface decreases 8th to and the second photo surface 9 off or vice versa.

Für α ≥ 0 gilt für die zusätzliche Beschattungsweite x₁ der ersten Photofläche 8:

wobei T_OX den Abstand der Abschattungselemente von den Photoflächen in Richtung der z-Achse bezeichnet, T_M die Dicke der Abschattungselemente 20, 21 und n₀ sowie n₁ die Brechungsindizes von Luft bzw. refraktiver Schicht sind.For α ≥ 0, the additional shading width x _{1 of} the first photoface is valid 8th :

where T _OX denotes the distance of the shading elements from the photosurfaces in the z-axis direction, T _M denotes the thickness of the shading elements 20 . 21 and n ₀ and n _{1 are} the refractive indices of air or refractive layer.

Für α ≥ 0 gilt für die zusätzliche Beleuchtungsweite x₂ der zweiten Photofläche 9:

For α ≥ 0, the additional illumination width x _{2 of} the second photofrage applies 9 :

Für α < 0 gilt für die zusätzliche Beleuchtungsweite x₁ der ersten Photofläche 8:

For α <0, the additional illumination width x _{1 of} the first photofrage applies 8th :

Für α < 0 gilt für die zusätzliche Beschaffungsweite x₂ der zweiten Photofläche 9:

For α <0, the additional acquisition width x _{2 of} the second photofrage applies 9 :

Für die Fläche A_FL des bestrahlten Anteils 16 der ersten Photofläche 8 gilt:

wobei L_d die Ausdehnung der Photoflächen 8, 9 senkrecht zur Zeichenebene bezeichnet.For the area A _{FL of} the irradiated portion 16 the first photo surface 8th applies:

where L _{d is} the extent of the photofaces 8th . 9 denoted perpendicular to the plane of the drawing.

Für die Fläche A_FR des bestrahlten Anteils 17 der zweiten Photofläche 9 gilt:

For the area A _{FR of} the irradiated portion 17 the second photo surface 9 applies:

An der Grenzschicht SiO₂/n+ der bestrahlten Anteile 16, 17 wird, wie bereits erwähnt, gemäß dem Lichteinfallswinkel β und den Brechungsindizes n₁ und n₂ ein kleiner Anteil des Lichts als sekundärer Reflexionsstrahl 103 mit –β reflektiert. Der wesentliche Hauptanteil des Lichts wird jedoch als sekundärer Brechungsstrahl 104 mit dem Winkel γ in die n+-Gebiete 4, 5 transmittiert. Die n+-Gebiete 4, 5 sind vergleichsweise sehr dünn, so dass dieser sekundäre Brechungsstrahl 104 den Bereich des pn-Übergangs, d. h. der Raumladungszone (nicht dargestellt) der n+/p-Substrat Dioden 2, 3, unter dem Winkel γ ohne nennenswerte weitere Dämpfung erreicht. Die Lichtphotonen erzeugen dort einen zur Lichtstromstärke proportionalen Fotostrom I_F. Für hinreichend großes W_d relativ zu |x₁| bzw. |x₂| sind die Änderungen in den Fotoströmen I_FL und I_FR proportional zu den Änderungen der Flächen A_FL und A_FR der bestrahlten Anteile 16, 17. Es gilt dann insbesondere:

At the boundary layer SiO ₂ / n + of the irradiated portions 16 . 17 is, as already mentioned, according to the light incident angle β and the refractive indices n ₁ and n _2, a small portion of the light as a secondary reflection beam 103 reflected with -β. However, the main part of the light becomes a secondary refraction ray 104 with the angle γ in the n + regions 4 . 5 transmitted. The n + areas 4 . 5 are comparatively very thin, so this secondary refractive beam 104 the area of the pn junction, ie the space charge zone (not shown) of the n + / p substrate diodes 2 . three , achieved at the angle γ without appreciable further attenuation. The light photons generate there a photocurrent I _F proportional to the luminous intensity. For sufficiently large W _d relative to | x ₁ | or | x ₂ | For example, the changes in the photocurrents I _FL and I _{FR are} proportional to the changes in the areas A _FL and A _{FR of} the irradiated portions 16 . 17 , In particular:

Gemäß den obigen Gleichungen kann somit aus dem Verhältnis der Fotoströme I_FL und I_FR eindeutig auf den ursächlichen Lichteinfallswinkel α geschlossen werden, wie im Nachfolgenden mit Bezug auf die 7 und 8 noch erläutert wird.Thus, according to the above equations, the ratio of the photocurrents I _FL and I _FR can be unambiguously deduced to the causative light incident angle α, as described below with reference to FIGS 7 and 8th will be explained.

Da der Zusammenhang zwischen dem Fotostromverhältnis I_FR/I_FL und dem ursächlichen Lichteinfallswinkel α gemäß obiger Gleichungen recht komplex ist, wird die Auswertung des festgestellten Fotostromverhältnisses vorteilhaft durch einen Mikrocontroller mittels eines Tabellenmodells zwecks (interpolativer) Zuordnung des ursächlichen Lichteinfallswinkels α durchgeführt.Since the relationship between the photocurrent ratio I _FR / I _FL and the causal light incidence angle α according to the above equations is quite complex, the evaluation of the detected photocurrent ratio is advantageously carried out by a microcontroller using a table model for the purpose of (interpolative) assignment of the causal light incidence angle α.

2 zeigt eine zweite Ausführungsform einer Sensoreinheit 50'. Die Sensoreinheit 50' entspricht einer topologischen Anordnungsvariante von 1. Die Strukturen werden nur insoweit beschrieben, wie Unterschiede zu 1 bestehen. Ein einzelnes Abschattungselement 23 ist, bezogen auf die x-Achse, mittig zwischen den Dioden 2, 3 angeordnet. Es überlappt jede der Photoflächen 8, 9 jeweils bis zur Hälfte. Mittels genau eines Abschattungselements 23 werden somit beide Photoflächen 8, 9 gleichzeitig beschattet. Mit der Veränderung von α nimmt die Beschattung der ersten Photofläche 8 zu und die der zweiten Photofläche 9 ab bzw. umgekehrt. Der Vorteil dieser Struktur gegenüber der Anordnung in 1 ist der, dass bei gleichem Abstand D_sep der Photoflächen 8, 9 das optische Übersprechen zwischen den Strukturen prinzipbedingt geringer sein wird, da die Zahl an Reflexionen zwischen Abschattungselement 23 und Substrat, über die ein Lichtstrahl von der ersten Photofläche 8 zur zweiten Photofläche 9 gelangt, höher ist. Da jede zusätzliche Reflexion verlustbehaftet ist, wird das optische Übersprechen hierdurch weiter unterdrückt. 2 shows a second embodiment of a sensor unit 50 ' , The sensor unit 50 ' corresponds to a topological arrangement variant of 1 , The structures are described only insofar as differences to 1 consist. A single shading element 23 is centered between the diodes, relative to the x-axis 2 . three arranged. It overlaps each of the photo surfaces 8th . 9 each half. By means of exactly one shading element 23 Thus, both photofaces become 8th . 9 shadowed at the same time. With the change of α, the shading of the first photofrage decreases 8th to and the second photo surface 9 off or vice versa. The advantage of this structure over the arrangement in 1 is that at the same distance D _{sep of} the photo surfaces 8th . 9 the optical crosstalk between the structures will inherently be lower because of the number of reflections between shading element 23 and substrate, via which a light beam from the first photo surface 8th to the second photo surface 9 gets higher. Since any additional reflection is lossy, the optical crosstalk is thereby further suppressed.

In 3 ist eine weitere Ausführungsform einer Sensoreinheit 50'' in einer weiteren topologischen Variante der Sensoreinheit 50 aus 1 gezeigt. Hierbei entfällt gegenüber 1 das zweite Abschattungselement 21, womit die zweite Photofläche 9 ständig voll bestrahlt ist. Auch mit dieser Anordnung ist eine Lichtwinkelmessung möglich. Für das Verhältnis der Fotoströme gilt hier:

In three is another embodiment of a sensor unit 50 '' in another topological variant of the sensor unit 50 out 1 shown. This is not necessary 1 the second shading element 21 , bringing the second photo surface 9 is constantly fully irradiated. With this arrangement, a light angle measurement is possible. For the ratio of photocurrents applies here:

Im Gegensatz zu dem Wertebereich das Fotostromverhältnis I_FR/I_FL für zweifach metallbeschattete Lichtwinkel-Sensor-Dioden gemäß 1 ist zum einen das Fotostromverhältnis I_FR/I_FL für α = 0° nicht 1 sondern 2. Zum anderen ist der Dynamikbereich, der für den α-Bereich [–90°, +90°] durchlaufen wird, hier vergleichsweise kleiner.In contrast to the value range, the photocurrent ratio I _FR / I _FL for two-metal-shaded light angle sensor diodes according to 1 on the one hand, the photocurrent ratio I _FR / I _FL for α = 0 ° not 1 but 2. On the other hand, the dynamic range, which is traversed for the α-range [-90 °, + 90 °], here comparatively smaller.

4 zeigt in der Draufsicht auf die Messebene eine Anordnung von zwei Sensoreinheiten 50, wobei ein Paar aus einer ersten und zweiten Messdiode 2, 2a sowie und ein Paar aus einer ersten und zweiten Referenzdiode 3, 3a über Kreuz angeordnet sind. Hierbei sind die Messdioden 2, 2a ebenso wie die Referenzdioden 3, 3a jeweils parallel geschaltet, so dass die Summe der Sperrschichtkapazitäten jeweils durch die Summe der Photoströme entladen wird. Hierbei ist das gemeinsame p–Substrat 6 wiederum über p+Substratanschlüsse 10 an Massepotential angeschlossen, während die ersten n+-Implantationsgebiete 8, 8a, an einen Messkontakt 22 und die zweiten n+-Implantationsgebiete 9, 9a an einen Referenzkontakt 23 angeschlossen sind. 4 shows in the plan view of the measuring plane an arrangement of two sensor units 50 wherein a pair of first and second measuring diodes 2 . 2a and a pair of first and second reference diodes three . 3a are arranged crosswise. Here are the measuring diodes 2 . 2a as well as the reference diodes three . 3a each connected in parallel, so that the sum of the junction capacitances is discharged in each case by the sum of the photocurrents. Here, the common p-substrate 6 again via p + substrate connections 10 connected to ground potential, while the first n + implantation areas 8th . 8a , to a measuring contact 22 and the second n + implantation areas 9 . 9a to a reference contact 23 are connected.

Den Messdioden 2, 2a sind identisch ausgebildete und relativ zur jeweiligen Messdiode 2, 2a identisch angeordnete Abschattungselemente 20, 20a zugeordnet. Ebenso sind Ausbildung und Anordnung bei beiden Referenzdioden 3, 3a mit den zugeordneten Abschattungselementen 21, 21a identisch. Da somit die gedachten Schwerpunkte der Messdioden 2, 2a einerseits und der Referenzdioden 3, 3a andererseits in etwa zusammenfallen, spricht man in diesem Zusammenhang von einer Common-Centroid-Anordnung. Durch diese Anordnung wird eine wirksame Kompensation der Auswirkungen von Gradienten innerhalb eines Beleuchtungskegel auf das Ergebnis der Messung des Lichteinfallswinkels ermöglicht.The measuring diodes 2 . 2a are identically formed and relative to the respective measuring diode 2 . 2a identically arranged shading elements 20 . 20a assigned. Likewise, training and arrangement are at both reference diodes three . 3a with the associated shading elements 21 . 21a identical. Since thus the imaginary emphases of the measuring diodes 2 . 2a on the one hand and the reference diodes three . 3a On the other hand, they coincide roughly in this context with a common centroid arrangement. By this arrangement, an effective compensation of the effects of gradients within an illumination cone on the result of the measurement of the angle of incidence of light is made possible.

Besteht innerhalb eines beleuchtenden Lichtkegels mit dem Einfallswinkel α ein linearer Helligkeitsgradient in beliebiger Richtung, so macht sich die lokale Wirkung des Gradienten bezüglich der Fotostromsummen der Messdioden 2, 2a im Verhältnis zu den Fotostromsummen der Referenzdioden 3, 3a nicht bemerkbar. Das genannte Verhältnis ist nur eine Funktion der Komponente des Einfallswinkels in Richtung der x-Achse.If there is a linear gradient of brightness in any direction within an illuminating light cone with the angle of incidence α, then the local effect of the gradient with respect to the photocurrent sums of the measuring diodes makes itself 2 . 2a in relation to the photocurrent sums of the reference diodes three . 3a not noticeable. The said ratio is only a function of the component of the angle of incidence in the direction of the x-axis.

5 zeigt eine Erweiterung des Common-Centroid-Konzepts aus 4 gemäß einer weiteren Ausführungsform. Hierbei wird die in 4 gezeigte Anordnung spalten- und zeilenweise schachbrettartig wiederholt, wobei sämtliche Messdioden 2, 2a und sämtliche Referenzdioden 3, 3a untereinander jeweils parallel geschaltet sind. Die dargestellte Anordnung ermöglicht eine Kompensation auch nichtlinearer Anteile eines Helligkeitsgradienten mit niedriger Ortsfrequenz. 5 shows an extension of the common centroid concept 4 according to another Embodiment. Here, the in 4 array shown repeated in rows and rows of checkerboard, with all measuring diodes 2 . 2a and all reference diodes three . 3a each are connected in parallel with each other. The illustrated arrangement allows compensation of non-linear components of a brightness gradient with low spatial frequency.

Eine hier nicht dargestellte Variante der in 4 und 5 gezeigten Anordnungen besteht darin, ähnlich der Anordnung in 3 die den ersten Referenzdioden 3 und den zweiten Referenzdioden 3a zugeordneten Abschattungselemente 21, 21a fortzulassen. Auch hierdurch wird eine Kompensation eines Helligkeitsgradienten erreicht.A not shown here variant of in 4 and 5 shown arrangements is similar to the arrangement in three the first reference diodes three and the second reference diodes 3a associated shading elements 21 . 21a omit. This also achieves a compensation of a brightness gradient.

Da es sich hier bei der Messung eines Lichteinfallswinkels um eine Präzisionsanwendung handelt und Lichtquellen bezüglich ihrer Leuchtdichte typisch eher nicht homogen sind, kommt der dargestellten Layout-Technik zur Kompensation von Helligkeitsgradienten eine zentrale Bedeutung zu. Ein nicht kompensierter Gradient führt zu einem Messfehler bei Winkelmessung, da ein veränderter Photostrom konzeptionell als eine veränderte Beschattungssituation gedeutet wird, die einem anderen Einfallswinkel entspricht. Die gezeigten Anordnungen der 4 und 5 sind daher sehr vorteilhaft.Since the measurement of a light incidence angle is a precision application and light sources are typically rather not homogeneous with respect to their luminance, the illustrated layout technique for compensating brightness gradients is of central importance. An uncompensated gradient leads to a measurement error in angle measurement, since a modified photocurrent is conceptually interpreted as an altered shading situation that corresponds to a different angle of incidence. The arrangements shown the 4 and 5 are therefore very beneficial.

6 zeigt eine Ausführungsform einer Anordnung von Sensoreinheiten 50, mittels derer zwei Komponenten eines Einfallswinkels bestimmt werden können. Hierbei sind eine erste und zweite Messdiode 2, 2a sowie eine erste und zweite Referenzdiode 3, 3a mit den zugehörigen Abschattungselementen entsprechend 4 angeordnet, um die Komponente des Einfallswinkels entlang der x-Achse zu bestimmen. In der gleichen Ebene sind zusätzlich eine dritte und vierte Messdiode 2b, 2c sowie eine dritte und vierte Referenzdiode 3b, 3c mit den zugehörigen Abschattungselementen gegenüber den ersten und zweiten Dioden um 90° gedreht angeordnet, um die Komponente des Einfallswinkels entlang der y-Achse zu bestimmen. Bei der dargestellten Ausführungsform werden also für die Bestimmung der beiden Komponenten des Einfallswinkels gleiche Komponenten eingesetzt, die sich in der Anordnung nur um eine Drehung um 90° unterscheiden. Diese Ausführungsform eignet sich zur genauen Bestimmung zweier Komponenten, wenn das einfallende Licht einen linearen Intensitätsgradienten aufweist. 6 shows an embodiment of an arrangement of sensor units 50 , by means of which two components of an angle of incidence can be determined. Here are a first and second measuring diode 2 . 2a and a first and second reference diode three . 3a with the associated shading elements accordingly 4 arranged to determine the component of the angle of incidence along the x-axis. In the same plane are also a third and fourth measuring diode 2 B . 2c and a third and fourth reference diode 3b . 3c with the associated Abschattungselementen against the first and second diodes rotated by 90 ° to determine the component of the angle of incidence along the y-axis. In the illustrated embodiment, therefore, the same components are used for the determination of the two components of the angle of incidence, which differ in the arrangement only by a rotation of 90 °. This embodiment is suitable for accurately determining two components when the incident light has a linear intensity gradient.

Selbstverständlich kann das dargestellte Konzept auch z. B. unter Verwendung der in 5 gezeigten Anordnung umgesetzt werden, wodurch sich eine Messung zweier Komponenten auch bei nichtlinearen Intensitätsgradienten hochgenau durchführen lässt.Of course, the concept shown also z. Using the in 5 be implemented arrangement, whereby a measurement of two components can perform highly accurate even with non-linear intensity gradients.

7 zeigt ein Schaltbild eines ersten Ausführungsbeispiels eines Messsystems 80 zur Messung eines Lichteinfallswinkels, welches bspw. zusammen mit den Sensoreinheiten 50, 50' oder 50'' gemäß der 1–6 eingesetzt werden kann. Im Folgenden wird auf die Sensoreinheit 50 gemäß 1 Bezug genommen. Das vorliegende Messsystem ist zur parallelen Bestimmung von Entladezeiten ausgelegt. Hierbei sind auf einem IC 70, also auf einem gemeinsamen Substrat, sowohl eine Ladeschaltung 30 als auch die Sensoreinheit 50 und die Auswerteeinheit 6o integriert angeordnet. Die Sensoreinheit 50 umfasst eine Messdiode 2, zu der eine erste Kapazität 12 parallel geschaltet ist, sowie eine Referenzdiode 3, zu der eine zweite Kapazität 13 parallel geschaltet ist. Die Kapazitäten 12, 13 sind vorliegend durch die Sperrschichtkapazitäten der Dioden 2, 3 zusammen mit parasitären Eingangskapazitäten zweier Komparatoren 41, 42, auf die im Nachfolgenden noch detailliert eingegangen wird, gebildet. 7 shows a circuit diagram of a first embodiment of a measuring system 80 for measuring a light incidence angle, which, for example, together with the sensor units 50 . 50 ' or 50 '' according to the 1 - 6 can be used. The following is on the sensor unit 50 according to 1 Referenced. The present measuring system is designed for the parallel determination of discharge times. Here are on an IC 70 , So on a common substrate, both a charging circuit 30 as well as the sensor unit 50 and the evaluation unit 6o integrated arranged. The sensor unit 50 includes a measuring diode 2 to which a first capacity 12 is connected in parallel, as well as a reference diode three to which a second capacity 13 is connected in parallel. The capacities 12 . 13 are present through the junction capacitances of the diodes 2 . three together with parasitic input capacitances of two comparators 41 . 42 , which will be discussed in detail below, formed.

Die Ladeschaltung 30 ist in diesem Fall durch zwei strukturgleich aufgebaute Zweige gebildet, die jeweils einen Feldeffekttransistor 31, 32 umfassen, der zum Aufladen der Kapazitäten 12, 13 eine Ladespannung V_dd schaltet. Hierzu sind die Transistoren 31, 32 über eine Startsignalleitung 46 mit der Auswerteeinheit 60 verbunden, welche die Schaltzustände der Transistoren 31, 32 steuert.The charging circuit 30 is formed in this case by two structurally structured branches, each having a field effect transistor 31 . 32 include, to charge the capacity 12 . 13 a charging voltage V _dd switches. These are the transistors 31 . 32 via a start signal line 46 with the evaluation unit 60 connected, which the switching states of the transistors 31 . 32 controls.

Die Auswerteeinheit 60 umfasst vorliegend die zwei Komparatoren 41, 42, welche als Schmitt-Trigger ausgebildet sind. Hierbei ist ein erster Komparator 41 an die erste Kapazität 12 und ein zweiter Komparator 42 an die zweite Kapazität 13 angeschlossen. Die Komparatoren 41, 42 sind hierbei mit zwei Zählern 43, 44 verbunden. Die Zähler 43, 44 sind zusätzlich über eine Startsignalleitung 46 mit einem Mikrocontroller 45 verbunden. Auch die Ladeschaltung 30 ist an die Startsignalleitung 46 angeschlossen.The evaluation unit 60 in the present case comprises the two comparators 41 . 42 , which are designed as a Schmitt trigger. Here is a first comparator 41 to the first capacity 12 and a second comparator 42 to the second capacity 13 connected. The comparators 41 . 42 are here with two counters 43 . 44 connected. The counters 43 . 44 are additionally via a start signal line 46 with a microcontroller 45 connected. Also the charging circuit 30 is to the start signal line 46 connected.

Ein Messzyklus zur Bestimmung des Einfallswinkels läuft wie folgt ab. Über die vom Mikrocontroller 45 gesteuerte Startsignalleitung 46 werden die Transistoren 31, 32 der Ladeschaltung 30 zunächst leitend geschaltet, um in einem Ladevorgang die Kapazitäten 12, 13 auf das Potential der Lade- bzw. Versorgungsspannung +V_dd aufzuladen. Wenn die Aufladung auf die Ladespannung sicher erreicht ist, werden die Transistoren 31, 32 vom Mikrocontroller 45 wieder in den Sperrzustand versetzt, so dass ein Messvorgang beginnen kann. Damit werden gleichzeitig auch die Zählstande der beiden Zähler 43, 44 auf Null gesetzt und die Zähler 43, 44 zum Zählen (der Flanken) des Systemtaktes frei gegeben. Die Fotoströme in den Fotodioden 2 und 3 entladen die Kapazitäten 12 und 13 gemäß dem jeweiligen Lichteinfall. Die Entladungen enden jeweils mit dem Erreichen eines Potentials von ca. –0,6 Volt. Während der Entladungen unterschreiten die an den Kapazitäten 12, 13 anliegenden Potentiale jeweils eine Referenzspannung, d. h. vorgegebene Komparatorschwellen, der Komparatoren 41, 42. Die Komparatorschwellen der Komparatoren 41, 42 sind – im Rahmen der Fertigungstoleranz – exakt identisch. Sind die Fotoströme in den Fotodioden 2, 3 verschieden, sind dementsprechend auch die Zeitpunkte des Überschreiten der Komparatorschwellen verschieden.A measurement cycle for determining the angle of incidence proceeds as follows. About the microcontroller 45 controlled start signal line 46 become the transistors 31 . 32 the charging circuit 30 initially turned on, in order to charge in a capacity 12 . 13 to charge to the potential of the charging or supply voltage + V _dd . When charging to the charging voltage is safely achieved, the transistors become 31 . 32 from the microcontroller 45 put back in the lock state so that a measurement can begin. This will also be the count of the two counters 43 . 44 set to zero and the counters 43 . 44 for counting (the flanks) of the system clock released. The photocurrents in the photodiodes 2 and three unload the capacity 12 and 13 according to the respective incidence of light. The discharges end each with the reaching of a potential of about -0.6 volts. During the Discharges are below those at the capacities 12 . 13 applied potentials each have a reference voltage, ie predetermined comparator thresholds, the comparators 41 . 42 , The comparator thresholds of the comparators 41 . 42 are exactly identical within the scope of the manufacturing tolerance. Are the photocurrents in the photodiodes 2 . three Accordingly, the times of crossing the comparator thresholds are also different.

Mit Überschreitung der Komparatorschwelle ändern die Komparatorausgänge jeweils ihre logischen Pegel und halten damit jeweils den ersten Zähler 43 bzw. den zweiten Zähler 44 an. Die Zählerstände werden dann umgehend vom Mikrocontroller 45 in einen Zwischenspeicher geladen. Der Mikrocontroller 45 berechnet danach das Verhältnis der Zählerstände, das dem Verhältnis der Fotoströme in den Photodioden 2, 3 entspricht, und stellt das Ergebnis z. B. einem Computer (nicht dargestellt) zur Verfügung, der hieraus, wie vorstehend in Bezug auf 1 diskutiert, den Einfallswinkel berechnet. Ein neuer Messzyklus kann beginnen.When the comparator threshold is exceeded, the comparator outputs each change their logic levels and thus each hold the first counter 43 or the second counter 44 at. The meter readings are then immediately from the microcontroller 45 loaded into a cache. The microcontroller 45 then calculates the ratio of the counts, which is the ratio of the photocurrents in the photodiodes 2 . three corresponds, and provides the result z. A computer (not shown) available therefrom, as described above with respect to 1 discussed, calculates the angle of incidence. A new measuring cycle can begin.

8 zeigt gegenüber dem in 7 dargestellten Blockschaltbild eine zweite Ausführungsform eines Messsystems 80', mit einer weiteren Ausführungsform einer Auswertungseinheit 60', bei der nur noch genau ein Komparator 41 benötigt wird. Dies ist vorteilhaft, da die Komparatorschwellen verschiedener baugleicher Komparatoren 41, 42 zwar theoretisch exakt identisch sind, dies in der Praxis jedoch immer nur mit endlicher Genauigkeit gegeben ist. Um dieses Genauigkeitsproblem zu umgehen, besteht der Ablauf des zu 8 zugehörigen Messvorgangs aus genau zwei Messzyklen, innerhalb derer immer nur der gleiche Komparator 41 zum Einsatz kommt. Hierbei ist der Komparator 41 mit einem elektronischen Schalter 51 verbunden, der ihn wahlweise mit einer der beiden Kapazitäten 12, 13 verbindet. Der Schalter 51 wird über eine Umschaltleitung 47 vom Mikrocontroller 45 gesteuert. 8th shows opposite to in 7 illustrated block diagram of a second embodiment of a measuring system 80 ' , with a further embodiment of an evaluation unit 60 ' with only one comparator left 41 is needed. This is advantageous because the comparator thresholds of different identical comparators 41 . 42 Although they are theoretically exactly identical, in practice this is always given with finite precision. To circumvent this problem of accuracy, the process of is over 8th associated measuring process from exactly two measuring cycles, within which always only the same comparator 41 is used. Here is the comparator 41 with an electronic switch 51 connected to him either with one of the two capacities 12 . 13 combines. The desk 51 is via a switching line 47 from the microcontroller 45 controlled.

Die dargestellte Ausgestaltung ist insbesondere dann vorteilhaft, wenn im Zeitbereich dieser zwei Messzyklen die Intensität der Beleuchtungssituation der Fotodioden 2, 3 konstant bleibt.The illustrated embodiment is particularly advantageous if, in the time domain of these two measurement cycles, the intensity of the illumination situation of the photodiodes 2 . three remains constant.

Im ersten Zyklus steht der elektronische Schalter 51 in der in 8 eingezeichneten Schalterstellung. Die erste Kapazität 12 ist mit dem Komparatoreingang verbunden. Über die ebenfalls vom Mikrocontroller 45 gesteuerte Startsignalleitung 46 werden die Transistoren 31, 32 der Ladeschaltung 30 zunächst leitend geschaltet, um die Kapazitäten 12, 13 auf das Potential der Lade- bzw. Versorgungsspannung +V_dd aufzuladen. Wenn die Aufladung auf +V_dd sicher erreicht ist, werden die Transistoren 12, 13 vom Mikrocontroller 45 wieder in den Sperrzustand versetzt. Damit wird gleichzeitig auch der Zählstand des Zählers 43 auf Null gesetzt und der Zähler 43 zum Zählen (der Flanken) des Systemtaktes frei gegeben. Die Fotoströme in den Fotodioden 2, 3 entladen- bei Lichteinfall – die Kapazitäten 12, 13. Die Entladungen enden jeweils mit dem Erreichen eines Potentials von ca. –0,6 Volt.The first cycle contains the electronic switch 51 in the in 8th marked switch position. The first capacity 12 is connected to the comparator input. About the same from the microcontroller 45 controlled start signal line 46 become the transistors 31 . 32 the charging circuit 30 initially switched to the capacitive power 12 . 13 to charge to the potential of the charging or supply voltage + V _dd . When the charge on + _{Vdd is} safely reached, the transistors become 12 . 13 from the microcontroller 45 put back in the locked state. This will also be the count of the counter 43 set to zero and the counter 43 for counting (the flanks) of the system clock released. The photocurrents in the photodiodes 2 . three unloaded - in case of light - the capacity 12 . 13 , The discharges end each with the reaching of a potential of about -0.6 volts.

Während der Entladungen unterschreitet u. a. das Potential an der ersten Kapazität 12 die Referenzspannung des Komparators 41. Der Komparator 41 hält hierauf den Zähler 43 an. Der Mikrocontroller 45 lädt jetzt den Zählstand des Zählers 43 in einen Zwischenspeicher und leitet den zweiten Messzyklus ein.During discharges, among other things, the potential drops below the first capacity 12 the reference voltage of the comparator 41 , The comparator 41 keep the counter on it 43 at. The microcontroller 45 now loads the count of the counter 43 in a buffer and initiates the second measurement cycle.

Im zweiten Zyklus ist jetzt über den elektronischen Schalter 51 die zweite Kapazität 13 mit dem Komparatoreingang verbunden. Die Kapazitäten 12 und 13 werden über die Transistoren 31, 32 zunächst wieder auf das Potential der Lade- bzw. Versorgungsspannung +V_dd aufgeladen. Der weitere Ablauf ist analog dem ersten Messzyklus, wobei diesmal an den Mikrocontroller 45 die Entladezeit der zweiten Kapazität 13 übermittelt wird. Der Mikrocontroller 45 lädt jetzt den Zählstand des Zählers 43 in einen weiteren Zwischenspeicher und führt anschließend die Division der Zählerstände aus. Das Verhältnis der in den Zwischenspeichern gespeicherten Zählerstände entspricht dem Verhältnis der Fotoströme. Der Mikrocontroller 45 stellt das Ergebnis einem Computer zur Verfügung, der den Einfallswinkel berechnet. Ein neuer Durchlauf der beiden oben beschriebenen Zyklen kann beginnen.The second cycle is now over the electronic switch 51 the second capacity 13 connected to the comparator input. The capacities 12 and 13 be through the transistors 31 . 32 initially charged again to the potential of the charging or supply voltage + V _dd . The further procedure is analogous to the first measuring cycle, this time to the microcontroller 45 the discharge time of the second capacity 13 is transmitted. The microcontroller 45 now loads the count of the counter 43 in another buffer and then performs the division of the meter readings. The ratio of the counts stored in the latches corresponds to the ratio of the photocurrents. The microcontroller 45 provides the result to a computer that calculates the angle of incidence. A new run of the two cycles described above can begin.

Die in 7 bzw. 8 dargestellte Ladeschaltung 30 ist relativ einfach aufgebaut und grundsätzlich funktionsfähig, kann jedoch zu verfälschten Ergebnissen führen, da die einzelnen Transistoren 31, 32 nicht ideal abschalten, sondern immer leckstrombehaftet sind. Eine Verbesserung gelingt durch eine Ladeschaltung 30' gemäß der in 9 gezeigten Ausführungsform, wobei zur Vereinfachung nur einer der Zweige dargestellt ist. Statt eines einzelnen Schalttransistors werden hier zwei in Reihe geschaltete Transistoren, nämlich ein eingangsseitiger Transistor 33 und ein ausgangsseitiger Transistor 34, eingesetzt, die über die Startsignalleitung 46 immer gleichzeitig ein- und ausgeschaltet werden. Am Eingang 39 des Transistors 33 liegt eine Versorgungsspannung V_dd an; der Ausgang 38 ist mit einer der Kapazitäten 12, 13 zum Laden dieser verbunden; im Rahmen der vorliegenden Ausführungsbeispiele ist diesbezüglich in den 9 und 10 beispielhaft eine Kapazität 37 gezeigt, die bspw. durch einen Kondensator oder aber auch eine der zuvor erwähnten Sperrschichtkapazitäten 12, 13 gebildet sein kann.In the 7 respectively. 8th illustrated charging circuit 30 is relatively simple and basically functional, but can lead to falsified results, since the individual transistors 31 . 32 not ideal switch off, but always leak current are. An improvement is achieved by a charging circuit 30 ' according to the in 9 shown embodiment, wherein for simplicity only one of the branches is shown. Instead of a single switching transistor here two series-connected transistors, namely an input-side transistor 33 and an output side transistor 34 , inserted via the start signal line 46 always be switched on and off at the same time. At the entrance 39 of the transistor 33 is connected to a supply voltage V _dd; the exit 38 is with one of the capacities 12 . 13 to load this connected; in the context of the present embodiments is in this regard in the 9 and 10 an example of a capacity 37 shown, for example, by a capacitor or even one of the aforementioned junction capacitances 12 . 13 can be formed.

Ein Mittelanschluss 35 zwischen den in Reihe geschalteten Schalttransistoren 33, 34 wird im 'aus'-Fall der Ladeschaltung 30' jeweils durch einen Pull-down-Transistor 36 auf Massepotential gezogen. Im 'ein'-Fall ist der Pull-Down-Transistor 36 gesperrt und das Potential des Ausgangs 38 der Ladeschaltung wird durch die leitenden Schalttransistoren 33, 34 auf V_dd-Potential gezogen, wodurch die Kapazität 37 aufgeladen werden kann.A middle connection 35 between the serially connected switching transistors 33 . 34 is in the 'off' case of the charging circuit 30 ' each by a pull-down transistor 36 pulled to ground potential. In the 'one' case is the pull-down transistor 36 locked and the potential of the output 38 the charging circuit is through the conductive switching transistors 33 . 34 pulled to V _dd potential, reducing the capacity 37 can be charged.

Der Vorteil dieser Anordnung liegt darin, dass der Leckstrom über den Schalttransistor 34 mit fortschreitender Entladung der Kapazität 37 – im Gegensatz zu der Anordnung mit einem einzelnen Transistor 31 – ab- und nicht zunimmt. Dadurch wird die integrale Fehlerwirkung des Leckstroms im Schalttransistor 34 während der Messzeit insgesamt minimiert, was die Messgenauigkeit verbessert.The advantage of this arrangement is that the leakage current through the switching transistor 34 with progressive discharge of the capacity 37 In contrast to the arrangement with a single transistor 31 - decreases and does not increase. As a result, the integral fault effect of the leakage current in the switching transistor 34 minimized throughout the measurement time, which improves measurement accuracy.

Eine zweite Ausführungsform einer Ladeschaltung 30'' zeigt die Anordnung in 10, wobei wiederum nur ein Zweig dargestellt ist. Wie schon in 9 gezeigt, werden hier ein eingangsseitiger Schalttransistor 33 sowie ein ausgangsseitiger Schalttransistor 34 verwendet, die in Reihe geschaltet sind und die über die Startsignalleitung 46 immer gleichzeitig ein- und ausgeschaltet werden. Im Unterschied zu 8 wird hier ein Buffer-Verstärker 36' mit Spannungsverstärkung eins (Vu = 1), verwendet, der sowohl an dem Ausgang 38 der Ladeschaltung 30'' als auch an dem Mittelanschluss 35 angeschlossen ist. Er überträgt (wenn er über die Startsignalleitung 46 aktiv geschaltet ist) das am Ausgang 38 liegende Potential auf den Mittelanschluss 35, wodurch am ausgangsseitigen Schalttransistor 34 keine Spannung abfällt.A second embodiment of a charging circuit 30 '' shows the arrangement in 10 , again showing only one branch. Like in 9 Shown here are an input side switching transistor 33 and an output side switching transistor 34 used in series and those via the start signal line 46 always be switched on and off at the same time. In contrast to 8th here becomes a buffer amplifier 36 ' with voltage gain one (Vu = 1), used at both the output 38 the charging circuit 30 '' as well as at the middle port 35 connected. He transmits (if he over the start signal line 46 is active) that at the output 38 lying potential on the middle connection 35 , whereby at the output side switching transistor 34 no voltage drops.

Ohne jeglichen Spannungsabfall fließt kein Drain-Source-Strom über den ausgangsseitigen Schalttransistor 34. Das heißt gleichzeitig auch, dass damit in Netto kein Strom über den Ausgang 38 aus der Ladeschaltung 30'' fließen kann, der die Kapazität 37 parasitär auf- oder entlädt. Somit kann die Genauigkeit der Messung weiter erhöht werden.Without any voltage drop, no drain-source current flows through the output side switching transistor 34 , That means at the same time that in net there is no power over the output 38 from the charging circuit 30 '' can flow, the capacity 37 parasitically charged or discharged. Thus, the accuracy of the measurement can be further increased.

Im 'aus'-Fall der Ladeschaltung 30'', der mit Bezug auf die 7 und 8 dem Entladevorgang der Kapazitäten 12, 13 entspricht, wird der jeweilige Spannungsabfall über die Ladeschaltung 30'' von dem eingangsseitigen ersten Schalttransistor 33 aufgenommen, da am ausgangsseitigen Schalttransistor 34 keine Spannung abfällt. Da der eingangsseitige Schalttransistor 33 nur endlich gut abschalten kann, fließt über ihn ein kleiner 'Off-Strom. Dieser Strom wird jeweils von dem Buffer-Verstärker 36' mit Spannungsverstärkung eins (Vu = 1) gespeist. Da dieser Strom i. d. R. eher klein ist, sind die Anforderungen an den Buffer-Verstärker 36' diesbezüglich nicht sehr hoch. Der Buffer-Verstärker 36' ist jedoch als Rail-to-Rail-Verstärker ausgebildet, was bedeutet, dass er bezüglich seines Gleichtaktbereichs vorteilhaft über den gesamten Versorgungsspannungsbereich funktioniert.In the 'off' case of the charging circuit 30 '' who is referring to the 7 and 8th the unloading process of the capacities 12 . 13 corresponds, the respective voltage drop across the charging circuit 30 '' from the input side first switching transistor 33 received because on the output side switching transistor 34 no voltage drops. Since the input side switching transistor 33 only finally able to switch off well, flows over him a small 'off-stream. This stream is each from the buffer amplifier 36 ' fed with voltage gain one (Vu = 1). Since this current is usually rather small, the requirements for the buffer amplifier 36 ' not very high in this regard. The buffer amplifier 36 ' However, it is designed as a rail-to-rail amplifier, which means that it works with respect to its common mode region advantageously over the entire supply voltage range.

Im 'ein'-Fall der Ladeschaltung 30'', der dem Ladevorgang der Kapazitäten 12, 13 entspricht, sind die Schalttransistoren 33, 34 voll durchgeschaltet. Der Buffer-Verstärker wird gleichzeitig wirkungslos d. h. stromlos geschaltet. Die Ladeschaltung 30'' verhält sich in diesem Fall wie eine einfache Reihenschaltung der Schalttransistoren 33, 34.In the 'one' case of the charging circuit 30 '' , the charging process of the capacity 12 . 13 corresponds, are the switching transistors 33 . 34 fully switched through. The buffer amplifier is simultaneously ineffective, ie de-energized. The charging circuit 30 '' behaves in this case like a simple series connection of the switching transistors 33 . 34 ,

Claims

Device for measuring the angle of incidence of a radiation relative to a measuring plane, comprising at least - a sensor unit ( 50 . 50 ' . 50 '' ) with - a measuring diode ( 2 . 2a . 2 B . 2c ) with a first photo surface ( 8th . 8a ), - a reference diode ( three . 3a . 3b . 3c ) with a second photo surface ( 9 . 9a ), where - the first ( 8th . 8a ) and second photo surface ( 9 . 9a ) each extend parallel to the measuring plane, - the measuring diode ( 2 . 2a . 2 B . 2c ) a first capacity ( 12 ) and the reference diode ( three . 3a . 3b . 3c ) a second capacity ( 13 ) and - the first ( 12 ) and second capacity ( 13 ) via the diodes ( 2 . 2a . 2 B . 2C . three . 3a . 3b . 3c ) flowing photocurrents are dischargeable, and - at least one shading element ( 20 . 20a . 21 . 21a . 23 ), which extends parallel to the measuring plane and along a perpendicular to the measuring plane Lotachse of the diodes ( 2 . 2a . 2 B . 2C . three . 3a . 3b . 3c ) and is configured so that at least partial shading of at least one of the photographic surfaces ( 8th . 8a . 9 . 9a ), the ratio of an irradiated portion ( 16 ) of the first photographic surface ( 8th . 8a ) to an irradiated portion ( 17 ) of the second photo surface ( 9 . 9a ) is dependent on the angle of incidence and - an evaluation unit ( 60 . 60 ' ) for determining discharge times of the first ( 12 ) and the second capacity ( 13 ) in order to enable a determination of at least one angle component of the angle of incidence, wherein the evaluation unit ( 60 . 60 ' ) at least one counting unit ( 43 . 44 ) to reduce the discharge time of the first ( 12 ) and the second capacity ( 13 ), and wherein the evaluation unit ( 60 . 60 ' ) is designed to determine the at least one angle component from the quotient of the discharge times.

The device of claim 1, wherein the at least one Shading element ( 20 . 20a . 21 . 21a . 23 ) is arranged such that the ratio of the irradiated portions ( 16 . 17 ) of the photographic surfaces ( 8th . 8a . 9 . 9a ) is dependent on the angle of incidence along a first axis of the measurement plane and is independent of the angle of incidence along a second axis of the measurement plane which is perpendicular to the first axis.

Device according to one of the preceding claims, wherein the at least one shading element ( 20 . 20a . 21 . 21a . 23 ) for the angle-dependent shadowing of both photofaces ( 8th . 8a . 9 . 9a ) is trained.

Device according to one of the preceding claims, wherein two measuring diodes ( 2 B . 2c ) and two reference diodes ( 3b . 3c ) with the same arrangement relative to shading elements ( 20 . 20a . 21 . 21a ) are arranged in a measuring plane over the cross so that similar diodes are diagonally to each other.

Device according to one of the preceding claims, wherein the evaluation unit ( 60 . 60 ' ) is designed to provide at least one capacity ( 12 . 13 ) during a charging process and to determine at least one discharge time during a subsequent measurement process.

Device according to one of the preceding claims, wherein the evaluation unit ( 60 . 60 ' ) at least one comparator ( 41 . 42 ) for comparing a voltage of the first ( 12 ) and / or second capacity ( 13 ) with a reference voltage.

Device according to one of the preceding claims with a refractive medium ( 11 ), which between the photographic surfaces ( 8th . 8a . 9 . 9a ) and the at least one shading element ( 20 . 20a . 21 . 21a . 23 ) is arranged.

Apparatus according to claim 7, wherein the refractive medium ( 11 ) at least both photofaces ( 8th . 8a . 9 . 9a ) and along the Lotachse at least up to the Abschattungselement ( 20 . 20a . 21 . 21 . 23 ).

Device according to one of the preceding claims, wherein at least the measuring diode ( 2 . 2a . 2 B . 2c ) and the reference diode ( three . 3a . 3b . 3c ) on a common substrate ( 6 . 70 ) are formed.

Device according to one of the preceding claims, wherein the diodes ( 2 . 2a . 2 B . 2c . three . 3a . 3b . 3c ) are arranged such that the respective pn junction of the diodes ( 2 . 2a . 2 B . 2c . three . 3a . 3b . 3c ) extends substantially parallel to the measuring plane.

Device according to one of the preceding claims, wherein the sensor unit ( 50 . 50 ' . 50 '' ) and the evaluation unit ( 60 . 60 ' ) is integrated.

Device according to one of the preceding claims, wherein a plurality of sensor units ( 50 . 50 ' . 50 '' ) are each arranged parallel to the measuring plane.

Apparatus according to claim 12, wherein the plurality of sensor units ( 50 . 50 ' . 50 '' ) are arranged in a common centroid structure.

Device according to one of the preceding claims, comprising - at least one second measuring diode ( 2 B . 2c ) with a third photo surface and a second reference diode ( 3b . 3c ) with a fourth photo surface, wherein - the third and fourth photo surface each extend parallel to the measurement plane; The second measuring diode ( 2 B . 2c ) a third capacitance and the second reference diode ( 3b . 3c ) a fourth capacitance is assigned and - the third and fourth capacitance across through the diodes ( 2 B . 2C . 3b . 3c ) flowing photocurrents are dischargeable, and - at least one parallel to the measurement plane extending shading element, which along a perpendicular to the measurement plane Lotachse of the diodes ( 2 B . 2C . 3b . 3c ), wherein the ratio of an irradiated portion of the third photo surface to an irradiated portion of the fourth photo surface depends on the incident angle along the second axis and is independent of the angle of incidence along the first axis, wherein - the evaluation unit is designed to determine discharge times of the capacitors, to allow determination of both angular components of the angle of incidence.

Measuring system ( 80 . 80 ' ) with a device according to one of claims 1-14 and at least one charging circuit ( 30 ' . 30 '' ) for charging the diodes ( 2 . 2a . 2 B . 2C . three . 3a . 3b . 3c ) allocated capacities ( 12 . 13 ), wherein the charging circuit ( 30 ' . 30 '' ) at least - an entrance ( 39 ) for a voltage source, - an output ( 38 ) for connecting an energy store ( 12 . 13 . 37 ) as well as - an input-side ( 33 ) and an output-side switching unit ( 34 ) arranged in series between the entrance ( 39 ) and the output ( 38 ) and via a central connection ( 35 ) and - one with the middle connection ( 35 ) connected control unit ( 36 . 36 ' ) designed to connect the center port ( 35 ) at least in the switched-off state of the output-side switching unit ( 34 ) to a predetermined reference potential.