ITMI980685A1 - Sensore ottico a risoluzione di posizioni - Google Patents

Description

Stato della tecnica

L'invenzione parte da un sensore ottico a risoluzione di posizioni del genere della rivendicazioni indipendente. Dal DE-OS 4302 442 è già noto un sensore per rilevare l'intensità di irradiazione e l'angolo di incidenza della radiazione solare. Una pluralità di foto elementi, di identico orientamento reciproco, sono disposti a reticolo in un piano su una superficie di ricevimento. Al di sopra della superficie di ricevimento è prevista una disposizione ottica, che orienta una variazione solare, incidente attraverso un'apertura di misurazione, in dipendenza dell'angolo di incidenza, su differenti zone della superficie di ricezione. Su uno spazio stretto è possibile sistemare una pluralità di fotoelementi nella forma di un sensore di immagini CCD o di una superficie optoelettronica a più chip. L'angolo di incidenza della radiazione solare e l'intensità di illuminazione sono determinabili in base al differente comando dei rispettivi fotoelementi. La pluralità delle fotocellule comporta una valutazione complessa dei segnali e rende costosa la fabbricazione del sensore .

Vantaggi dell'invenzione

Il sensore ottico a risoluzione di posizioni secondo l'invenzione per rilevare parametri di radiazione ottica presenta soltanto un fotorivelatore. Il sensore è caratterizzato dal fatto che nel percorso della radiazione ottica a monte del fotorivelatore è disposto un componente ottico con trasmissione controllabile e dipendente dall'ubicazione. Il componente ottico influenza in dipendenza della ubicazione l'intensità di irradiazione che arriva sul fotorivelatore, in quanto esso oscura il fotorivelatore selettivamente dalla radiazione ottica. In base alla rispettiva intensità di radiazione in dipendenza di differente trasmissione differita all'ubicazione è possibile risalire ad angolo direzionale o angolo di elevazione della sorgente di irradiazione. E' possibile fare a meno di un sensore a risoluzione locale con più fotorivelatori, in quanto il componente ottico insieme al fotorivelatore realizzato ad esempio come semplice cella solare realizza questa funzione. Il fotorivelatore dovrà fornire soltanto ancora un unico segnale proporzionale all'intensità di radiazione. E' possibile utilizzare componenti standard economici. Si semplifica che la valutazione del segnale del fotorivelatore.

Il sensore è adatto a numerosi settori applicativi. Il sensore ottico a risoluzione di posizione consente un rilevamento del rapporto fra radiazione diretta e radiazione diffusa. Queste informazioni possono essere utilizzate per il riconoscimento giorno-notte. In dipendenza dell'angolo di direzione o di elevazione determinato della sorgente di radiazione ha luogo una regolazione di un dispositivo climatizzatore, ad esempio per edifici, autoveicoli o veicoli su rotaie. Il sensore inoltre serve a determinare dati geometrici nel controllo dell'entrata merci. Nel caso di un componente ottico stampato su una riga il sensore rileva la lunghezza dei provini.

In un opportuno ulteriore sviluppo la trasmissione può essere controllata in maniera continua o binaria. Se la trasmissione può essere variata in maniera continua allora la scelta selettivamente in modo che il sensore presenta massima sensibilità per il rilevamento dell'intensità di irradiazione. Nel caso di unicamente due stati di trasmissione risulta semplice il comando del componente ottico, che o lascia passare la radiazione ottica oppure oscura il fotoelemento.

In un opportuno ulteriore sviluppo il componente ottico è suddiviso in almeno due segmenti, la cui trasmissione è comandabile in modo reciprocamente e indipendente. Quanto maggiore è il numero dei segmenti menzionati, tanto più precisa risulta la risoluzione di posizione. Questo accorgimento influenza la qualità della determinazione dell'angolo di direzione o di elevazioni.

In un’ulteriore esecuzione una intercapedine fra i segmenti è realizzata non trasparente. Tali intercapedini possono rendersi necessari ad esempio per motivi di isolamento. Attraverso queste intercapedini non può ora passare alcuna radiazione ottica incontrollabile che produrrebbe un valore misurato di base di disturbo.

Ulteriori sviluppi prevedono che i segmenti del componente ottico o sono disposti a matrice oppure concentricamente attorno un segmenti centrale. La forma a matrice presenta vantaggi tecnologici. La disposizione concentrica invece tiene conto del semispazio sul sensore. In ulteriori esecuzioni nel percorso della radiazione ottica o a monte del componente ottico oppure a monte del fotorivelatore sono disposti mezzi per focalizzare la radiazione ottica. La focalizzazione provoca intensità di radiazione fortemente differenti per radiazioni diretta o diffusa. Inoltre i mezzi di focalizzazione riproducono la radiazione ottica su una zona relativamente piccola, cosicché come fotorivelatore è possibile utilizzare un economico fotoelemento monolitico.

Opportunamente come componente ottico si impiega un indicatore a cristalli liquidi. Questo indicatore noto è di fabbricazione economica presenta le proprietà di trasmissione necessarie controllabili selettivamente.

Ulteriori opportuni sviluppi da ulteriori rivendicazioni · dipendenti risultano dalla descrizione .

Disegni

Le figure 1, 5 e 6 mostrano rispettivamente una sezione, le figure 2, 3, 7 mostrano diverse viste dall'alto nonché la figura 4 mostra uno schema a blocchi di differenti esempi di realizzazione .

Descrizione degli esempi di realizzazione Conformemente alla figura 1 una radiazione ottica 10 sotto un angolo di incidenza 18 incontra un componente ottico 12. La radiazione ottica 10 viene addotta ad un fotorivelatore 16. Nove segmenti 13 disposti a matrice, conformemente alla figura 2 formano il componente ottico 12. Esemplificativamente un segmento 13 è rappresentato tratteggiato. Il componente ottico 12 secondo la figura 3 viene formato da ulteriore segmenti 13 disposti concentricamente attorno un segmenti centrale 13. Un elettronica di valutazione 22 scambia dati tramite un segnale di valutazione 21. Essa fornisce segnali di comando 23 al componente ottico 12. Un intensità di irradiazione 24 del fotorivelatore 16 è addotta all'elettronica di valutazione 22. Nell'esempio di realizzazione secondo la figura 5 nel percorso della radiazione ottica 10 si trova una prima lente 11 focalizzante la radiazione ottica 10 verso il componente ottico 12. La radiazione ottica 10 trasmessa dal componente ottico 12 è ricevuta dal fotorivelatore 16. Ad integrazione dell'esempio di realizzazione secondo la figura 5 quello secondo la figura 6 prevede una seconda lente 15 disposta fra componente ottico 12 e fotorivelatore 16. Questo esempio di realizzazione rappresentato in figura 7 in vista dall'alto. La prima lente 11 copre il componente ottico 12 che dispone i segmenti 13 in una matrice 5 x 5. La seconda lente 15 presenta una superficie maggiore di quella del fotorivelatore 16.

Come componente ottico 12 con trasmissione controllabile e dipendente dall'ubicazione si impiega ad esempio un indicatore a cristalli liquidi, un LCD. A seconda del tipo di comando dell'indicatore a cristalli liquidi questo modifica le proprie proprietà di trasmissione per la radiazione ottica 10. In caso di indicatore a cristalli liquidi nero, ossia impermeabile alla radiazione, il fotorivelatore 16 è oscurato dalla radiazione ottica 10. Per ottenere una trasmissione dipendente dall'ubicazione la superficie del componente ottico 12 è suddivisa in più segmenti 13. I segmenti 13 possono essere disposti ad esempio a matrice, come indicato in figura 2. Ognuno di questi segmenti 13 può essere commutato o in modo da risultare permeabile alla radiazione oppure impermeabile alla radiazione. Quando maggiore è il numero di segmenti 13 che suddividono la superficie del componente ottico 12, tanto più precisa può risultare una determinazione dell'angolo di incidenza 18. In un indicatore a cristalli liquidi fra i segmenti 13 per motivi di isolamento si possono mantenere distanze minime. Ogni segmento 13 tramite un collegamento elettrico riceve dall'elettronica di valutazione 22 un corrispondente segnale di comando 23. La presa di contatto viene portata sul bordo della superficie e del componente ottico 12. Queste superfici e le intercapedini non possono essere modificate selettivamente nel loro comportamento di trasmissione. Per ridurre influenze di radiazione parassita è consigliabile uno oscuramento di queste zone. Una stampigliatura di un reticolo nero su queste parti scoperte soddisfa questo scopo.

Secondo la figura 3 i segmenti 13 del componente ottico 12 sono disposti concentricamente attorno ad un segmento centrale 13. La suddivisione spaziale avviene simmetricamente. Conseguentemente i semispazio al di sopra del sensore può essere riprodotto con sufficiente precisione senza fastidiosa aggiustaggio.

Negli esempi di realizzazione i segmenti 13 assumono unicamente due stati, o permeabile alla radiazione oppure impermeabile alla radiazione. Per segmenti 13 formati da singoli cristalli liquidi è possibile realizzare una variazione continua del comportamento di trasmissione. In tal modo è possibile influenzare la radiazione 10 trasmessa dal componente ottico 12 al fotorivelatore 16, cosicché essa può essere adattata selettivamente sulla sensibilità massima del fotorivelatore 16.

Come fotorivelatore 16 è possibile impiegare ad esempio un sensore superficiale fotosensibile come una cella al silicio o una cella al selenio, nel caso di una focalizzazione mediante la seconda lente 15 si impiegano fotorivelatori 16 di piccola superficie, come fototransitori, fotodiodo oppure fotoelemento. Indipendentemente dall'ubicazione il fotorivelatore 16 in dipendenza della radiazione ottica 10, trasmessa dal componente ottico 12, fornisce una misura per l'intensità di irradiazione 24 all'elettronica di valutazione 22. Le superfici del componente ottico 12 e del fotorivelatore 16 sono orientate in sostanza parallelamente fra di loro e vengono montati in posizione orizzontale su un luogo fisso o mobile.

Alla base dell'ulteriore descrizione sta' l'esempio di realizzazione secondo la figura 5.

La prima lente 11 focalizza la radiazione ottica 10 sul componente ottico 12. I segmenti 13 del componente ottico 12 sono disposti ad esempio a forma di matrice. La radiazione ottica 10, che sotto l'angolo di incidenza 18 incontra la prima lente 11, per chiarire ad esempio viene focalizzata in modo da arrivare sul segmento 13 rappresentato tratteggiato in figura 2. All'inizio dell'operazione di valutazione tutti i segmenti sono comandati non trasparenti. L'elettronica di valutazione 22 riceve un segnale di avviare la misurazione. In base ad uno svolgimento di programma memorizzato i singoli segmenti 13 tramite i segnali di comando 23 vengono commutati consecutivamente trasparenti, ad esempio iniziando con il segmento 13 disposto in alto a sinistra nella matrice secondo la figura 2. A questo segmento 13 viene associata l'intensità di radiazione 24, che compare in questo istante ed è rilevata dal fotorivelatore 16 e viene memorizzata nell'elettronica di valutazione 22. Poiché la radiazione ottica 10 in questo esempio non è focalizzata in alto a sinistra sul segmento 13, l'intensità di radiazione 24, che si corrisponde a questo comando presenta un valore relativamente basso. In una seconda fase ad esempio il segmento 13, si trova nella prima riga e nella seconda colonna, trasmette la radiazione ottica 10 al fotorivelatore 16. Con il comando di questo segmento 13 corrisponde di nuovo a modesta intensità di radiazione 24. consecutivamente viene solo di volta in volta commutato trasparente un segmento 13 e viene memorizzata l'intensità di radiazione 24 che di volta in volta compare. Per tutti i segmenti 13 l'intensità di radiazione 24 rimane relativamente bassa ad eccezione del segmento 13 indicato tratteggiato, poiché su questo è focalizzata la radiazione ottica 10. La relativa intensità di radiazione 24 si scosta significativamente da quei valori di altri segmenti 13. Mediante corrispondenti operazioni di confronto l'elettronica di valutazione 22 riconosce quale segmento 13 è esposto alla radiazione ottica focalizzata 10. In base alle note relazioni geometriche fra prima lente 11 e superficie del componente ottico 12 si risale all'angolo di incidenza 18. Per ogni segmento 13 nell'elettronica di valutazione 22 è memorizzato il corrispondente angolo di incidenza 18. L'elettronica di valutazione 22 dovrà riconoscere quale segmento 13 è focalizzato. L'angolo memorizzato per il segmento focalizzato 13 è l'angolo di incidenza cercato 18. Per segmenti disposti concentricamente attorno ad un centro fittizio gli angoli coincidono.

Tramite l'angolo di incidenza 18 della radiazione ottica 10 è possibile determinare anche una variazione della direzione di marcia di un veicolo, poiché questa a differenza dell'angolo di incidenza 18 può variare rapidamente. Con la rotazione del veicolo viene focalizzato un altro segmento 13. La posizione relativa fra i segmenti 13, focalizzati prima e dopo la rotazione, è una misura per l'angolo di rotazione.

Se nel caso di più segmenti 13 compaiono intensità di irradiazione 24 circa uguali, che indicano una focalizzazione, allora l'elettronica di valutazione 22 riconosce che l'angolo di incidenza 18 si trova fra i due angoli memorizzati per i rispettivi singoli segmenti 13. Vanno effettuate medie corrispondenti. Tra i dati misurati memorizzati consentono una determinazione del rapporto fra radiazione diffusa e radiazione diretta. L'intensità di radiazione 24, associata al segmento focalizzato 13, costituisce una misura per la radiazione diretta, mentre l'intensità di radiazione 24 di altri segmenti 13 indicano la radiazione diffusa. Radiazione diretta o radiazione diffusa possono essere confrontate, tenendo conto della caratteristica del sensore, con valori limite per il riconoscimento diurno oppure notturno.

La prima lente 11 non costituisce presupposto per la funzionalità del sensore. Un procedimento alternativo per la determinazione dell'angolo di incidenza consiste nella valutazione mirata dell'importo dell'intensità di radiazione. la variazione dell'intensità di variazione 24 a seconda del comando dei segmenti 13, con riferimento ad un valore di base, serve da misura per l'angolo di incidenza 18.

Il sensore descritto può essere impiegato anche per il rilevamento dei dati geometrici di un provino. L'ecografia del provino, poggiante direttamente sulla superficie del componente ottico 12, può essere misurata con una precisione influenzata dal numero dei segmenti 13. Di nuovo i singoli segmenti 13 consecutivamente vengono commutati permeabili alla radiazione. L'elettronica di valutazione 22 riconosce quei segmenti 13 come coperchi da provino che nonostante il comando permeabile alla radiazione non provocano sostanziale aumento dell'intensità di radiazione 24. Algoritmi adatti tramite i dati geometrici dei segmenti 13, riconosciuti come impegnati, consentono di risalire alla grandezza del provino. Pertanto il sensore è adatto ad esempio per un controllo dell'entrata merci.

L'angolo di incidenza determinato 18 viene impiegato ad esempio per la climatizzazione di interni. Inoltre il sensore serve anche a determinare la radiazione ottica 10, che in contro alla superficie del componente ottico 12, e la relativa intensità di radiazione 24. A tale scopo ad esempio tutti i segmenti 13 possono essere commutati permeabili alla radiazione. L'effetto della radiazione ottica 10 su un interno con elevata percentuale di presenza di vetro - ad esempio in un autoveicolo - è rilevato in una forma dell'angolo di incidenza 18 e dell'intensità di variazione 24 . Con questi valori misurati vengono calcolati automaticamente sia la necessaria potenza frigorifera o calorifera sia anche la posizione delle bocchette di distribuzione dell'aria di un impianto climatizzazione.

Con l'ausilio di valori memorizzati e tendo conto di data ed ora è possibile determinare la posizione geometrica del luogo di misurazione oppure inserendo questo, è possibile determinare l'ora.

Gli esempi di realizzazione si riferiscono ad un componente ottico 12 che ha trasmesso la radiazione ottica 10 al fotorivelatore 16. Tuttavia si potrebbe altrettanto ben impiegare un componente ottico 12 che riflette differentemente la radiazione ottica a seconda del comando dei segmenti 13.

La trasmissione dei componenti ottici 12 può essere anche controllata meccanicamente in dipendenza dell'ubicazione. E' possibile impiegare anche polimeri selettivamente a trasmissione variabile.

Claims (10)

1. RIVENDICAZIONI 1. Sensore ottico a risoluzione di posizioni per rilevare parametri di radiazione ottica (10) con un fotorivelatore (16), caratterizzato dal fatto che nel percorso della radiazione ottica (10) a monte del fotorivelatore (16) è disposto un componente ottico (12) con trasmissione comandabile e dipendente dall'ubicazione.
2. 2. Dispositivo secondo la rivendicazione 1, caratterizzato dal fatto che la trasmissione può essere comandata continuamente oppure in maniera binaria.
3. 3 . Dispositivo secondo una delle rivendicazioni precedenti, caratterizzato dal fatto che il componente ottico (12) è suddiviso in almeno due segmenti (13), la cui trasmissione è comandabile in modo reciprocamente indipendente.
4. 4. Dispositivo secondo la rivendicazione 3, caratterizzato dal fatto che un intercapedine fra i segmenti (13) è realizzata impermeabile alla radiazione .
5. 5. Dispositivo secondo una delle rivendicazioni 3 oppure 4, caratterizzato dal fatto che i segmenti (13) del componente ottico (12) sono disposti a matrice.
6. 6. Dispositivo secondo una delle rivendicazioni 3 oppure 4 caratterizzato dal fatto che i segmenti 13 sono disposti concentricamente attorno ad un segmenti centrale {13).
7. 7. Dispositivo secondo una delle rivendicazioni precedenti, caratterizzato dal fatto che nel corso della radiazione ottica (10) a monte del componente ottico (12) sono disposti mezzi per focalizzare la radiazione ottica (10).
8. 8. Dispositivo secondo una delle rivendicazioni precedenti, caratterizzato dal fatto che nel percorso della radiazione ottica (10) a monte del fotorivelatore (16) sono disposti mezzi per focalizzare la radiazione ottica (10).
9. 9. Dispositivo secondo una delle rivendicazioni precedenti, caratterizzato dal fatto che come componente ottico (12) si utilizza mi indicatore a cristalli liquidi oppure un polimero a trasmissione variabile.
10. 10. Dispositivo secondo una delle rivendicazioni precedenti, caratterizzato dall'impiego per il comando di impianti climatizzatori oppure per il rilevamento geometrico.