DE4041769A1

DE4041769A1 - Optischer sensor

Info

Publication number: DE4041769A1
Application number: DE19904041769
Authority: DE
Inventors: Juergen Struck; Peter Leinwand
Original assignee: Hella KGaA Huek and Co
Current assignee: Hella GmbH and Co KGaA
Priority date: 1989-07-06
Filing date: 1990-12-24
Publication date: 1992-07-02

Description

Die Erfindung betrifft einen optischen Sensor, mit einem elektro-optischen Wandler und mit einem Linsenkörper, der auf seiner der lichtempfindlichen Fläche des elektro-optischen Wandlers abgewandten Außenseite ellipsoidförmig ausgebildet ist und der auf seiner der lichtempfindlichen Fläche des elektro-optischen Wandlers zugewandten Seite einen ellipsoidförmigen Hohlraum aufweist (nach Patent (P 39 22 153).

Aus der deutschen Patentschrift DE-PS 37 36 616 ist ein optischer Weitwinkel-Sensorkopf bekannt, der zur Erfassung von optischen Strahlungen aus einer Vielzahl von Einzeloptiken, mit sich teilweise überlappenden Gesichtsfeldern besteht. Jede dieser Einzeloptiken ist dabei über einen Lichtleiter mit einem elektro-optischen Wandler verbunden. Die Einzeloptiken sind derart in einer Halterung ausgerichtet, daß die optischen Achsen einen gemeinsamen Schnittpunkt aufweisen. Bei einem besonderen Ausführungsbeispiel des Sensorkopfes ist den Einzeloptiken ein gemeinsamer Linsenkörper als Voroptik zugeordnet, der als eine Sammellinse ausgebildet ist.

Als nachteilig erweist sich hierbei, daß durch die Verwendung einer Vielzahl von Einzeloptiken eine einfache und kostengünstige Herstellbarkeit und Ausführung eines optischen Sensors nicht möglich ist, da jede Einzeloptik in einer definierten Lage angeordnet werden muß und jede Einzeloptik über einen Lichtleiter mit dem elektro-optischen Wandler verbunden werden muß. In diesem Zusammenhang erweist sich als besonders nachteilig, daß jede Einzeloptik zur Weiterleitung der einfallenden Lichtstrahlen aufwendig ausgestaltet sein muß, das heißt, z. B. eine Kugellinse enthalten muß oder aber als ein kegelförmiger Trichter-Wellenleiter ausgebildet sein muß, wodurch sich bei der Herstellung des Sensorkopfes erhebliche Kosten ergeben. Zudem erweist sich als nachteilig, daß durch die Anordnung der Einzeloptiken das einfallende Licht in Abhängigkeit von dem Lichteinfallswinkel nur schwer zu bewerten ist, da eine Veränderung der Anordnung der Einzeloptiken mit einem hohen Aufwand verbunden ist.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen optischen Sensor zu schaffen, bei dem das einfallende Licht einfach und kostengünstig durch Veränderung der Linsengeometrien bewertbar ist.

Die Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die Lage und die Form des ellipsoidförmigen Hohlraums zu der ellipsoidförmigen Außenseite des Linsenkörpers in Abhängigkeit von einer Kennlinie festgelegt werden, die die Abhängigkeit des elektrischen Ausgangssignals des elektro-optischen Wandlers von dem Lichteinfallswinkel angibt.

Es ist von Vorteil, daß die Lage und die Form des ellipsoidförmigen Hohlraums zu der ellipsoidförmigen Außenseite des Linsenkörpers in Abhängigkeit von einer Kennlinie festgelegt werden, die die Abhängigkeit des elektrischen Ausgangssignals des elektro-optischen Wandlers von dem Lichteinfallswinkel angibt, weil somit je nach vorgegebener Kennlinie und gewünschter Richtcharakteristik des Sonnensensors einfach, kostengünstig und ohne großen Aufwand durch Veränderung der Linsengeometrien eine Bewertung des einfallenden Lichts vorgenommen werden kann. So ist es z. B. möglich, durch Veränderung der Lage und der Form des ellipsoidförmigen Hohlraums zu der ellipsoidförmigen Außenseite bei der Detektion von Sonnenstrahlen, z. B. für die Ansteuerung einer Heizungsregelung in Kraftfahrzeugen, Licht, das in bestimmten Winkelbereichen auf die Linse des Sonnensensors fällt, von einer Regelung auszuschließen, wenn z. B. ein Schwellwert für ein von dem optischen Sensor gebildetes elektrisches Ausgangssignal vorgegeben wird oder anders zu bewerten.

In diesem Zusammenhang ist es besonders vorteilhaft, daß die Kennlinie über einen großen Bereich des Lichteinfallswinkels plateauförmig verläuft, weil somit für diesen Winkelbereich von dem optischen Sensor ein elektrisches Ausgangssignal gebildet wird, das einen weitgehend konstanten Wert annimmt, wodurch Licht, das in diesen Winkelbereich einfällt, über diesen Winkelbereich gleich bewertet werden kann. Licht, das nicht in diesen Winkelbereich einfällt, kann z. B. bei der Regelung der Innenraumtemperatur von Kraftfahrzeugen keine Berücksichtigung finden oder aber anders bewertet werden als Licht, das in dem vorgesehenen Winkelbereich eintritt.

Ein Ausführungsbeispiel des Erfindungsgegenstands ist in den Zeichnungen dargestellt und wird im folgenden anhand der Zeichnungen näher erläutert.

Es zeigen

Fig. 1 einen Schnitt durch einen erfindungsgemäßen optischen Sensor,

Fig. 2 ein Diagramm, in dem beispielhaft eine Abhängigkeit des elektrischen Ausgangssignals (V) von dem Lichteinfallswinkel (α) gezeigt ist.

Fig. 1 zeigt ein Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen optischen Sensors als Schnittdarstellung. Der optische Sensor besteht hier aus einem Linsenkörper (L) und einem elektro-optischen Wandler (W). Der elektro-optische Wandler (W) weist eine lichtempfindliche Fläche (I) auf und Anschlußelektroden, die in dieser Darstellung nicht gezeigt sind. Der Linsenkörper (L) ist auf seiner der lichtempfindlichen Fläche (I) des elektro-optischen Wandlers (W) abgewandten Außenseite (A) ellipsoidförmig ausgebildet. Bei dem hier beispielhaft gezeigten Ausführungsbeispiel steht die kürzeste Halbachse (C1) des Ellipsoids, das die Außenseite (A) bildet, senkrecht auf der lichtempfindlichen Fläche (I) auf und fällt mit der Symmetrieachse (S) des Linsenkörpers (L) zusammen. Zudem weist der Linsenkörper (L) auf seiner der lichtempfindlichen Fläche (I) des elektro-optischen Wandlers (W) zugewandten Seite einen ellipsoidförmigen Hohlraum (H) auf, wobei die längste Halbachse (C2) des Ellipsoids, das den Hohlraum (H) bildet, hier beispielhaft senkrecht auf der lichtempfindlichen Fläche (I) aufsteht und beispielhaft mit der Symmetrieachse (S) des Linsenkörpers (L) zusammenfällt. Bei dem hier beispielhaft gezeigten Ausführungsbeispiel ist das Ellipsoid, das die Außenseite (A) bildet, und das Ellipsoid, das den Hohlraum (H) bildet, jeweils als ein Rotationsellipsoid ausgebildet. Der Linsenkörper (L) weist hier beispielhaft einen hohlzylinderförmigen Fortsatz (F) auf, der für eine kostengünstige und einfache Herstellbarkeit einstückig mit dem Linsenkörper (L) ausgeführt ist. Der Innendurchmesser des hohlzylinderförmigen Fortsatzes (F) ist hier beispielhaft derart ausgebildet, daß er zur Aufnahme des elektro-optischen Wandlers (W) geeignet ist.

Der Linsenkörper (L) kann, um eine einfache und kostengünstige Herstellbarkeit zu gewährleisten, aus Kunststoff gefertigt sein. Er kann aber auch aus Glas gefertigt sein.

Die hier gezeigte Ausgestaltung des elektro-optischen Wandlers (W) ist nur beispielhaft gewählt, wobei sowohl die äußeren Abmessungen des elektro-optischen Wandlers (W) sich von den hier gezeigten Abmessungen unterscheiden können, als auch die Abmessungen und die Lage, insbesondere der Abstand der lichtempfindlichen Fläche (I) zu dem Hohlraum (H) je nach dem verwendeten elektro-optischen Wandler (W) sich von dem hier gezeigten Beispiel unterscheiden können.

In jedem Fall ist es vorteilhaft, daß die Grundfläche des Hohlraums (H) an die Größe der lichtempfindlichen Fläche (I) des elektro-optischen Wandlers (W) angepaßt ist.

Für eine einfache und kostengünstige Ausgestaltung des Erfindungsgegenstands kann der elektro-optische Wandler (W) z. B. als eine Fotodiode ausgebildet sein, die bei dem Auftreffen von Licht auf die lichtempfindliche Fläche (I) ein elektrisches Ausgangssignal (V) bildet, das ein Strom ist.

Durch Veränderung von Lage und Form des ellipsoidförmigen Hohlraums (H) zu der ellipsoidförmigen Außenseite (A) des Linsenkörpers (L) kann erreicht werden, daß der optische Sensor unterschiedliche Richtcharakteristiken aufzeigt und für unterschiedliche Lichteinfallswinkel (α) unterschiedliche Ausgangssignale (V) bildet. Die Detektionsfähigkeit und Richtcharakteristik des optischen Sensors kann einfach und kostengünstig verändert werden und es kann somit einfach und kostengünstig eine unterschiedliche Bewertung von einfallendem Licht vorgenommen werden, wenn die Lage und die Form des ellipsoidförmigen Hohlraums (H) zu der ellipsoidförmigen Außenseite (A) des Linsenkörpers (L) in Abhängigkeit von einer Kennlinie festgelegt werden, die die Abhängigkeit des elektrischen Ausgangssignals (V) des elektro-optischen Wandlers (W) von dem Lichteinfallswinkel (α) angibt.

Fig. 2 zeigt ein Beispiel für eine solche Kennlinie. Das elektrische Ausgangssignal (V), das hier eine Spannung oder ein Strom sein kann, ist beispielhaft in Abhängigkeit von dem Lichteinfallswinkel (α) aufgezeigt. Bei der hier beispielhaft gezeigten Kennlinie war vorgegeben, daß in einen bestimmten Winkelbereich einfallendes Licht ein elektrisches Ausgangssignal (V) erzeugt, das einen nahezu konstanten Wert annimmt. Bei dem hier gezeigten Ausführungsbeispiel wird dies für einen Winkelbereich von etwa 75 Grad um die Symmetrieachse (S), das heißt, die 90 Grad-Position erreicht. Bei anderen Ausführungsformen kann dieser Bereich größer oder kleiner gewählt werden, es können auch je nach Anwendung bestimmte Bereiche abgesenkt oder hervorgehoben werden. Dabei sind auch asymmetrische Winkelbereiche möglich.

Wird der optische Sensor z. B. verwendet, um einer Kraftfahrzeugheizungsregeleinrichtung ein Signal zur Verfügung zu stellen, das möglichst gut der Sonneneinstrahlung auf das Kraftfahrzeug entspricht, so kann es gewünscht sein, daß die plateauförmige Ausbildung der in Fig. 2 beispielhaft gezeigten Kennlinie besonders ausgeprägt ist, da sowohl senkrecht als auch flach einfallende Sonnenstrahlen den Fahrzeuginnenraum stark aufheizen können. Durch die entsprechende Vorgabe einer Kennlinie, wie z. B. in Fig. 2 gezeigt, kann somit der optische Sensor einfach und kostengünstig durch Veränderungen der Linsengeometrien die einfallenden Sonnenstrahlen bewerten, so daß das elektrische Ausgangssignal (V) des optischen Sensors ein bewertetes Ausgangssignal darstellt, das sich besonders gut für eine Weiterverarbeitung, z. B. bei der Regelung der Innenraumtemperatur von Kraftfahrzeugen, eignet.
Bezugszeichenliste

A Außenseite
C1 kürzeste Halbachse
C2 längste Halbachse
F Fortsatz
H Hohlraum
I lichtempfindliche Fläche
L Linsenkörper
S Symmetrieachse
W elektro-optischer Wandler
V elektrisches Ausgangssignal
α Lichteinfallswinkel

Claims

1. Optischer Sensor, mit einem elektro-optischen Wandler (W) und mit einem Linsenkörper (L), der auf seiner der lichtempfindlichen Fläche (I) des elektro-optischen Wandlers (W) abgewandten Außenseite (A) ellipsoidförmig ausgebildet ist und der auf seiner der lichtempfindlichen Fläche (I) des elektro-optischen Wandlers (W) zugewandten Seite einen ellipsoidförmigen Hohlraum (H) aufweist (nach Patent P 39 22 153), dadurch gekennzeichnet, daß die Lage und die Form des ellipsoidförmigen Hohlraums (H) zu der ellipsoidförmigen Außenseite (A) des Linsenkörpers (L) in Abhängigkeit von einer Kennlinie festgelegt werden, die die Abhängigkeit des elektrischen Ausgangssignals (V) des elektro-optischen Wandlers (W) von dem Lichteinfallswinkel (α) angibt.

2. Optischer Sensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Kennlinie über einen großen Bereich des Lichteinfallswinkels (α) plateauförmig verläuft.