DE19714820C2 - Optischer positionsauflösender Sensor - Google Patents

Description

Stand der Technik

Die Erfindung geht aus von einem optischen positionsauflösenden Sensor nach der Gattung des unabhängigen Anspruchs. Aus der DE-OS 43 02 442 ist bereits ein Sensor zur Erfassung der Bestrahlungsstärke und des Einfallswinkels der Sonnenstrahlung bekannt. Eine Vielzahl von untereinander identisch ausgerichteten Fotoelementen sind rasterartig in einer Ebene an einer Aufnahmefläche angeordnet. Oberhalb der Aufnahmefläche ist eine die durch eine Meßöffnung einfallende Sonnenstrahlung in Abhängigkeit des Einfallswinkels auf unterschiedliche Bereiche der Aufnahmefläche richtende optische Anordnung vorgesehen. Auf engem Raum lassen sich eine Vielzahl von Fotoelementen in Form eines CCD-Bildsensors oder einer optoelektronischen Mehr-Chip-Fläche unterbringen. Der Einfallswinkel der Sonnenstrahlung und die Beleuchtungsstärke lassen sich anhand der unterschiedlichen Ansteuerung der jeweiligen Fotoelemente ermitteln. Die Vielzahl der Fotozellen bedingt eine komplexe Signalauswertung und verteuert die Herstellkosten des Sensors.

Aus der DE 36 19 679 A1 ist ein optischer Sensor zur Infor­ mationsaufnahme bekannt. Informationen werden aus verschie­ denen Raumwinkelbereichen mit einer Strahlführung über Teilprismen oder Verteilerlinsen für Sender-/oder Empfän­ gerelemente von Lenkflugkörpern durch den optischen Sensor aufgenommen. Bei passiven Sensoren erfolgt eine Abbildung der Raumwinkelinformation über von einer Elektronik gesteu­ erte Verschlüsse, wie beispielsweise einer LCD-Matrix.

Vorteile der Erfindung

Der erfindungsgemäße optische positionsauflösende Sensor zur Erfassung von Parametern optischer Strahlung weist nur einen Fotodetektor auf. Der Sensor zeichnet sich dadurch aus, daß im Strahlengang der optischen Strahlung vor dem Fotodetektor ein optisches Bauelement mit steuerbarer ortsabhängiger Transmission angeordnet ist. Das optische Bauelement beeinflußt die auf den Fotodetektor auftreffende Bestrahlungsstärke ortsabhängig, indem es den Fotodetektor gezielt von der optischen Strahlung abschattet. Anhand der jeweiligen Bestrahlungsstärke in Abhängigkeit von unterschiedlicher ortsbezogener Transmission lassen sich Rückschlüsse ziehen auf Richtungs- oder Höhenwinkel der Strahlungsquelle. Auf einen ortsauflösenden Sensor mit mehreren Fotodetektoren kann verzichtet werden, da diese Funktion das optische Bauelement zusammen mit dem beispielsweise als einfache Solarzelle ausgeführten Fotodetektor realisiert. Der Fotodetektor muß nur noch ein einziges der Bestrahlungsstärke proportionales Signal abgeben. Billige Standardbauelemente können verwendet werden. Auch die Signalauswertung des Fotodetektors vereinfacht sich.

Der Sensor erschließt sich zahlreiche Anwendungsgebiete. Der optische positionsauflösende Sensor ermöglicht eine Erfassung des Verhältnisses von direkter zu diffuser Strahlung. Diese Informationen können zur Tag-Nachterkennung herangezogen werden. In Abhängigkeit von dem ermittelten Richtungs- oder Höhenwinkel der Strahlungsquelle erfolgt eine Regelung einer Klimatisierungseinrichtung beispielsweise für Gebäude, Kraftfahrzeuge oder Schienenfahrzeuge. Der Sensor dient ferner der Ermittlung von Geometriedaten bei der Wareneingangskontrolle. Bei einem einzeilig ausgeprägten optischen Bauelement erfaßt der Sensor die Länge von Prüflingen.

In einer zweckmäßigen Weiterbildung ist die Transmission kontinuierlich oder binär steuerbar. Läßt sich die Transmission kontinuierlich verändern, ist sie gezielt so zu wählen, daß der Sensor maximale Empfindlichkeit bei der Erfassung der Bestrahlungsstärke aufweist. Bei lediglich zwei Transmissionszuständen gestaltet sich die Ansteuerung des optischen Bauelements einfach, es läßt die optische Strahlung entweder passieren oder schattet das Fotoelement ab.

In einer zweckmäßigen Weiterbildung ist das optische Bauelement in zumindest zwei Segmente unterteilt, deren Transmission unabhängig voneinander steuerbar ist. Je größer die Anzahl der genannten Segmente ausfällt, desto genauer wird die Positionsauflösung. Diese Maßnahme wirkt sich auf die Güte der Bestimmung des Richtungs- oder Höhenwinkels aus.

In einer weiteren Ausgestaltung ist ein Zwischenraum zwischen den Segmenten lichtundurchlässig ausgeführt. Solche Zwischenräume können beispielsweise aus Isolierungsgründen notwendig sein. Durch diese Zwischenräume kann nun keine unkontrollierbare optische Strahlung treten, die einen störenden Basismeßwert erzeugen würde.

Weitere zweckmäßige Weiterbildungen sehen vor, daß die Segmente des optischen Bauelements entweder matrixförmig oder um ein zentrales Segment konzentrisch angeordnet sind. Die Matrixform weist fertigungstechnische Vorzüge auf. Die konzentrische Anordnung hingegen trägt dem Halbraum über dem Sensor Rechnung.

In weiteren Ausgestaltungen sind im Strahlengang der optischen Strahlung entweder vor dem optischen Bauelement oder vor dem Fotodetektor Mittel zur Fokussierung der optischen Strahlung angeordnet. Die Fokussierung bewirkt stark unterschiedliche Bestrahlungsstärken für direkte oder diffuse Strahlung. Außerdem bilden die Mittel zur Fokussierung die optische Strahlung auf einen relativ kleinen Bereich ab, so daß als Fotodetektor ein preiswertes monolithisches Fotoelement verwendet werden kann.

Zweckmäßigerweise wird als optisches Bauelement eine Flüssigkristallanzeige verwendet. Diese bekannte und preisgünstig herzustellende Anzeige weist die erforderlichen gezielt steuerbaren Transmissionseigenschaften auf.

Weitere zweckmäßige Weiterbildungen aus weiteren abhängigen Ansprüchen ergeben sich aus der Beschreibung.

Zeichnung

Es zeigen Fig. 1, 5 und 6 jeweils einen Schnitt, die Fig. 2, 3 und 7 verschiedene Draufsichten sowie Fig. 4 ein Blockschaltbild unterschiedlicher Ausführungsbeispiele.

Beschreibung der Ausführungsbeispiele

Gemäß Fig. 1 trifft eine optische Strahlung 10 unter einem Einfallswinkel 18 auf ein optisches Bauelement 12 auf. Die optische Strahlung 10 wird einem Fotodetektor 16 zugeführt. Neun matrixförmig angeordnete Segmente 13 bilden gemäß Fig. 2 das optische Bauelement 12. Exemplarisch ist ein Segment 13 schraffiert dargestellt. Das optische Bauelement 12 gemäß Fig. 3 wird durch um ein zentrales Segment 13 konzentrisch angeordnete weitere Segmente 13 gebildet. Eine Auswerteelektronik 22 tauscht Daten über ein Auswertesignal 21 aus. Sie gibt Steuersignale 23 an das optische Bauelement 12 ab. Eine Bestrahlungsstärke 24 des Fotodetektors 16 ist der Auswerteelektronik 22 zugeführt. Bei dem Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 5 befindet sich im Strahlengang der optischen Strahlung 10 eine erste Linse 11, die die optische Strahlung 10 zum optischen Bauelement 12 hin fokussiert. Die vom optischen Bauelement 12 transmittierte optische Strahlung 10 empfängt der Fotodetektor 16. In Ergänzung zum Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 5 sieht das Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 6 eine zweite Linse 15 vor, die zwischen optischem Bauelement 12 und Fotodetektor 16 angeordnet ist. Dieses Ausführungsbeispiel ist in Fig. 7 in der Draufsicht dargestellt. Die erste Linse 11 überdeckt das optische Bauelement 12, das in einer fünf-mal-fünf-Matrix die Segmente 13 anordnet. Die zweite Linse 15 weist eine größere Oberfläche auf als der Fotodetektor 16.

Als optisches Bauelement 12 mit steuerbarer ortsabhängiger Transmission kommt beispielsweise eine Flüssigkristallanzeige, eine LCD, zum Einsatz. Je nach Art der Ansteuerung der Flüssigkristallanzeige verändert diese ihre Transmissionseigenschaften für die optische Strahlung 10. Bei schwarzer, das heißt strahlungsundurchlässiger Flüssigkristallanzeige ist der Fotodetektor 16 vor der optischen Strahlung 10 abgeschattet. Um eine ortsabhängige Transmission zu erreichen, ist die Oberfläche des optischen Bauelements 12 in mehrere Segmente 13 unterteilt. Die Segmente 13 können beispielsweise matrixförmig, wie in Fig. 2 gezeigt, angeordnet sein. Jedes dieser Segmente 13 läßt sich entweder strahlungsdurchlässig oder strahlungsundurchlässig schalten. Je mehr Segmente 13 die Oberfläche des optischen Bauelements 12 unterteilen, desto genauer kann eine Ermittlung des Einfallswinkels 18 erfolgen. Bei einer Flüssigkristallanzeige müssen zwischen den Segmenten 13 aus Gründen der Isolation Mindestabstände eingehalten werden. Jedes Segment 13 erhält über eine elektrische Verbindung von der Auswerteelektronik 22 ein entsprechendes Steuersignal 23. Die Kontaktierung wird an den Rand der Oberfläche des optischen Bauelements 12 geführt. Diese Flächen und die Zwischenräume können nicht gezielt in ihrem Transmissionsverhalten verändert werden. Um Störstrahlungseinflüsse zu reduzieren, empfiehlt sich eine Abschattung dieser Bereiche. Ein Aufdruck eines schwarzen Gitters über diese Freihaltungen erfüllt diesen Zweck.

Gemäß Fig. 3 sind die Segmente 13 des optischen Bauelements 12 konzentrisch um ein zentrales Segment 13 angeordnet. Die Raumaufteilung erfolgt symmetrisch. Dadurch läßt sich der Halbraum über dem Sensor ohne störende Justage hinreichend genau abbilden.

In den Ausführungsbeispielen nehmen die Segmente 13 lediglich zwei Zustände ein, entweder strahlungsdurchlässig oder strahlungsundurchlässig. Bei Segmenten 13 aus einzelnen Flüssigkristallen ist eine kontinuierliche Veränderung des Transmissionsverhaltens realisierbar. Dadurch läßt sich die von dem optischen Bauelement 12 an den Fotodetektor 16 weitergeleitete Strahlung 10 beeinflussen, so daß sie gezielt auf maximale Empfindlichkeit des Fotodetektors 16 abgestimmt werden kann.

Als Fotodetektor 16 kann beispielsweise ein lichtempfindlicher flächiger Sensor wie eine Silizium- oder eine Selenzelle verwendet werden. Im Falle einer Fokussierung durch die zweite Linse 15 kommen kleinflächige Fotodetektoren 16 wie Fototransistor, -diode oder -element zum Einsatz. Ortsunabhängig gibt der Fotodetektor 16 in Abhängigkeit von der vom optischen Bauelement 12 weitergeleiteten optischen Strahlung 10 ein Maß für die Bestrahlungsstärke 24 an die Auswerteelektronik 22 ab.

Die Oberflächen des optischen Bauelements 12 und Fotodetektors 16 sind im wesentlichen parallel zueinander ausgerichtet und werden in horizontaler Lage an einem festen oder beweglichen Ort montiert.

Der weiteren Beschreibung wird das Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 5 zugrundegelegt.

Die erste Linse 11 fokussiert die optische Strahlung 10 auf das optische Bauelement 12. Die Segmente 13 des optischen Bauelements 12 sind beispielsweise matrixförmig angeordnet. Die unter dem Einfallswinkel 18 auf die erste Linse 11 auftreffende optische Strahlung 10 wird zur Verdeutlichung beispielsweise so fokussiert, daß sie auf das in Fig. 2 schraffiert dargestellte Segment 13 fällt. Zu Beginn des Auswertevorgangs sind alle Segmente lichtundurchlässig angesteuert. Die Auswerteelektronik 22 empfängt ein Signal, die Messung zu starten. Nach einem fest hinterlegten Programmablauf werden die einzelnen Segmente 13 über das Steuersignal 23 nacheinander lichtdurchlässig geschaltet, beispielsweise beginnend mit dem in der Matrix gemäß Fig. 2 links oben angeordneten Segment 13. Diesem Segment 13 wird die zu diesem Zeitpunkt auftretende und vom Fotodetektor 16 erfaßte Bestrahlungsstärke 24 zugeordnet und in der Auswerteelektronik 22 hinterlegt. Da die optische Strahlung 10 in diesem Beispiel nicht auf das Segment 13 links oben fokussiert ist, weist die mit dieser Ansteuerung korrespondierende Bestrahlungsstärke 24 einen relativ niedrigen Wert auf. In einem zweiten Schritt gibt beispielsweise das Segment 13, das sich in der ersten Zeile und der zweiten Spalte befindet, die optische Strahlung 10 an den Fotodetektor 16 weiter. Mit der Ansteuerung dieses Segments 13 korrespondiert wiederum eine geringe Bestrahlungsstärke 24. Nacheinander wird nur jeweils ein Segment 13 lichtdurchlässig geschaltet und die jeweils auftretende Bestrahlungsstärke 24 gespeichert. Für alle Segmente 13 bleibt die Bestrahlungsstärke 24 relativ niedrig, mit Ausnahme für das schraffiert angedeutete Segment 13, da auf dieses die optische Strahlung 10 fokussiert ist. Dessen zugehörige Bestrahlungsstärke 24 weicht signifikant von denjenigen Werten der anderen Segmente 13 ab. Durch entsprechende Vergleichsoperationen erkennt die Auswerteelektronik 22, welches Segment 13 der fokussierten optischen Strahlung 10 ausgesetzt ist. Anhand der bekannten geometrischen Zusammenhänge zwischen erster Linse 11 und Oberfläche des optischen Bauelements 12 wird auf den Einfallswinkel 18 geschlossen. Für jedes Segment 13 ist in der Auswerteelektronik 22 der entsprechende Einfallswinkel 18 hinterlegt. Die Auswerteelektronik 22 muß erkennen, welches Segment 13 fokussiert ist. Der für das fokussierte Segment 13 hinterlegte Winkel ist der gesuchte Einfallswinkel 18. Für konzentrisch um einen fiktiven Mittelpunkt angeordnete Segmente stimmen die Winkel überein.

Über den Einfallswinkel 18 der optischen Strahlung 10 läßt sich auch eine Fahrtrichtungsänderung eines Fahrzeugs ermitteln, da sich diese im Gegensatz zum Einfallswinkel 18 rasch verändern kann. Bei Drehung des Fahrzeugs wird ein anderes Segment 13 fokussiert. Die relative Lage der vor und nach der Drehung fokussierten Segmente 13 zueinander ist ein Maß für den Drehwinkel.

Treten bei mehreren Segmenten 13 in etwa gleich hohe Bestrahlungsstärken 24 auf, die auf eine Fokussierung hinweisen, erkennt die Auswerteelektronik 22, daß sich der Einfallswinkel 18 zwischen den beiden für die jeweils einzelnen Segmente 13 hinterlegten Winkel befindet. Entsprechende Mittelungen sind durchzuführen.

Die gespeicherten Meßdaten erlauben eine Ermittlung des Verhältnisses von diffuser und direkter Strahlung. Die dem fokussierten Segment 13 zugeordnete Bestrahlungsstärke 24 ist ein Maß für die direkte Strahlung, während die Bestrahlungsstärken 24 der anderen Segmente 13 die diffuse Strahlung angeben. Direkte oder diffuse Strahlung können unter Berücksichtigung der Sensorkennlinie mit Grenzwerten für Tages- oder Nachterkennung verglichen werden.

Die erste Linse 11 ist nicht Voraussetzung für die Funktionstüchtigkeit des Sensors. Eine alternative Vorgehensweise für die Einfallswinkelbestimmung besteht in der gezielten Auswertung des Betrags der Bestrahlungsstärke. Die Änderung der Bestrahlungsstärke 24 je nach Ansteuerung der Segmente 13, bezogen auf einen Basiswert, dient als Maß für den Einfallswinkel 18.

Der beschriebene Sensor kann auch für die Geometriedatenerfassung eines Prüflings verwendet werden. Der Schattenriß des direkt auf der Oberfläche des optischen Bauelements 12 aufliegenden Prüflings läßt sich mit einer von der Anzahl der Segmente 13 beeinflußten Genauigkeit vermessen. Wiederum werden die einzelnen Segmente 13 nacheinander strahlungsdurchlässig geschaltet. Die Auswerteelektronik 22 erkennt diejenigen Segmente 13 als von dem Prüfling verdeckt, die trotz strahlungsdurchlässiger Ansteuerung keine wesentliche Erhöhung der Bestrahlungsstärke 24 hervorrufen. Geeignete Algorithmen schließen über die Geometriedaten der als belegt erkannten Segmente 13 auf die Größe des Prüflings. Der Sensor eignet sich damit beispielsweise für eine Wareneingangsprüfung.

Der ermittelte Einfallswinkel 18 wird beispielsweise für die Klimatisierung von Innenräumen verwendet. Zudem dient der Sensor auch zur Bestimmung der auf die Oberfläche des optischen Bauelements 12 auftreffenden optischen Strahlung 10 und deren zugehörige Bestrahlungsstärke 24. Hierzu können beispielsweise alle Segmente 13 strahlungsdurchlässig geschaltet werden. Die Auswirkung der optischen Strahlung 10 auf einen Innenraum mit hohem Glasanteil - beispielsweise bei einem Kraftfahrzeug - sind in Form des Einfallswinkels 18 und der Bestrahlungsstärke 24 erfaßt. Mit diesen Meßwerten wird sowohl die erforderliche Kälte- oder Wärmeleistung als auch die Luftverteilungsklappenstellung einer Klimaanlage automatisch berechnet.

Mit Hilfe gespeicherter Erfahrungswerte und unter Berücksichtigung von Datum und Uhrzeit lassen sich die geographische Lage des Meßortes oder bei Eingabe desselben die Uhrzeit ermitteln.

Die Ausführungsbeispiele bezogen sich auf ein optisches Bauelement 12, das die optische Strahlung 10 transmittiv an den Fotodetektor 16 weiterleitete. Genausogut könnte jedoch ein optisches Bauelement 12 zum Einsatz kommen, das die optische Strahlung je nach Ansteuerung der Segmente 13 unterschiedlich reflektiert.

Die Transmission des optischen Bauelements 12 läßt sich auch mechanisch ortsabhängig steuern. Auch gezielt transmissionsvariable Polymere können eingesetzt werden.

Claims (8)

1. Optischer positionsauflösender Sensor zur Erfassung von Parametern optischer Strahlung (10), mit einem Fotodetektor (16), dadurch gekennzeichnet, daß im Strahlengang der opti­ schen Strahlung (10) vor dem Fotodetektor (16) ein optisches Bauelement (12) mit kontinuierlich oder binär steuerbarer ortsabhängiger Transmission angeordnet ist, wobei das opti­ sche Bauelement (12) in zumindest zwei Segmente (13) unter­ teilt ist, deren Transmission unabhängig voneinander steuer­ bar ist.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ein Zwischenraum zwischen den Segmenten (13) strahlungsundurchlässig ausgeführt ist.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Segmente (13) des optischen Bauelements (12) matrixförmig angeordnet sind.

4. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Segmente (13) um ein zentrales Segment (13) konzentrisch angeordnet sind.

5. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß im Strahlengang der optischen Strahlung (10) vor dem optischen Bauelement (12) Mittel zur Fokussierung der optischen Strahlung (10) angeordnet sind.

6. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß im Strahlengang der optischen Strahlung (10) vor dem Fotodetektor (16) Mittel zur Fokussierung der optischen Strahlung (10) angeordnet sind.

7. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß als optisches Bauelement (12) eine Flüssigkristallanzeige oder ein transmissionsveränderliches Polymer verwendet ist.

8. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch die Verwendung zur Steuerung von Klimaanlagen oder zur Geometrieerfassung.