JP2005265849A - 光センサ及び入射光を検知する方法 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】光センサ回路は、マイクロコントローラのI/OピンへLEDを直接に接続することに基づく。LEDは逆バイアスされ、寄生接合キャパシタンスが、出力モードで充電される。その後、I/Oピンはハイインピーダンス入力モードに置かれる。キャパシタンスが、LED上に入射する光によって生ずる光電導によって放電させられる時間は、入射光の強度に逆比例し、I/Oピンが、完全に充電されたレベル(5ボルト)から論理しきい値レベル(1.7ボルト)まで移行するのに必要な時間として直接に測定されることができる。放出モードと検知モードの間をマルチプレクスされた複数のLEDを使用することによって、特に、LEDが異なる波長の光を放出する時に、いろいろな種類のセンサを構築することができる。
【選択図】図1
Description
図1は、本発明によるLEDベースの光センサ100を示す。センサは、LED110、キャパシタ120、およびマイクロコントローラ130を含む。LED110のアノード111は、マイクロコントローラの双方向デジタルI/Oピン101に接続される。カソード112は別のピン102に接続される。I/Oピン101、102上の電流の状態が、LED110が光を放出するか、検知するかを決める。放出器とセンサの両方として動作する発光ダイオードの詳細な説明については、参照により本明細書にその全体が援用される、2002年4月19日にDietz他によって出願された、米国特許出願第10/126,761号「双方向LEDを用いた通信(Communication Using Bi-Directional LEDs)」を参照されたい。
図2は、本発明による、LEDベースの反射率計200を示す。この構成では、マイクロコントローラ130は、複数のピン対101〜102を介してLED110のセットに接続されて、試験下の表面220の光反射率が測定される。それぞれのLEDは、光を放出する、光を検知する、または、非作動状態にされる、のいずれかになるように個別に制御可能である。こうして、LEDの第1サブセット、すなわち、1つまたは複数のLEDは、光を放出することができ、一方、第2サブセット、すなわち、1つまたは複数のLEDは、第1サブセットによって放出された光を検知する。この実施の形態において、LEDは、波長の全てが同じでないように、異なる波長に対して調整されることができ、検知を、順次か、並列に行うことができる。
図3に示すように、LEDは、放出された光ビーム201が、試験される表面220の同じエリア301上にほぼ整列するように位置決めされることができる。この構成では、LEDは、垂直の角度を有することによって、1つのLEDから他のLEDへの、光の鏡面反射、すなわち、鏡のような反射を可能にするように設置されるか、または、鏡のような反射が起こらないように斜めの角度で設置されることができる。
差分動作モードでは、LED、または表面220に照明を供給する何らかの他の光源を用いてと、表面に照明を供給するLED無しでの両方で、光レベルの測定が行われる。後者の照明は、環境からの周辺自然光のみに頼る。2つの測定、すなわち、照明されたものと、周辺光のみのものとの差は、このシーケンスが所定期間にわたって各測定について繰り返される時に、変化する周辺照明の影響を相殺する方法を提供する。
図4Aは、2つのLEDの間の半透明、透明、または不透明な材料に適用した、本発明の実施の形態の略側面図を示す。この実施の形態では、マイクロコントローラ130は、LED410および411に接続される。本発明のこの配置では、光ビーム420が試験下の材料430を通過する。試験下の材料430は、固体、液体、または気体であってよい。
図5Aは、反射と透過の両方を用いる実施の形態を示す。ここで、LED501〜503は、先に述べたように接続される。しかし、この実施の形態では、試験材料430は、入射光が試験材料に垂直であるように、LED501〜503と反射器510の間に設置される。LEDは、反射面510で反射した時の、他のLEDのいずれかの鏡面反射によって照明されるように位置決めされる。こうして、光は材料を2回通過する。
所望の測定が、試験下の材料内の濁り度、または、「後方散乱」を測定することである場合、図5Bに示すように、斜めの配置が好ましい。この実施の形態では、裏張り面(backing surface)520は、試験下の材料430を通過する光のほぼ全てを吸収する光吸収材料でできている。さらに、図5Bに示す斜め配置によって、任意の光沢のある表面または材料430を収容するコンテナから反射する任意の光は、LEDへ戻るように反射しないことに留意されたい。
Claims (39)
- それぞれの発光ダイオードが、1つの発光ダイオードの少なくとも1つの波長が別の発光ダイオードの1つの他の波長と異なるような、対応する波長を放出するように構成される、発光ダイオードのセットと、
マイクロコントローラと
を備え、
該マイクロコントローラは、
I/Oピンの1つの対が1つの対応する発光ダイオードに接続される、複数のI/Oピンの対と、
前記発光ダイオードの第1サブセットのキャパシタンスを充電するために、該発光ダイオードの第1サブセットを逆バイアスで選択的に駆動する手段と、
前記発光ダイオードの第1サブセットのそれぞれのキャパシタンスが、該発光ダイオードの第1サブセット上への入射光によって誘導される光電流によって放電する、前記入射光の強度に逆比例する、時間を測定する手段と
を備える光センサ。 - 前記入射光は周囲自然光である請求項1に記載の光センサ。
- 前記入射光は外部光源によって放出される請求項1に記載の光センサ。
- 前記入射光が前記発光ダイオードのセットのうちの第2サブセットによって放出されるように、前記発光ダイオードの第1サブセットを前記逆バイアスで駆動しながら、対応する波長で光を放出するための順バイアスで、前記発光ダイオードの第2サブセットを選択的に駆動する手段をさらに備える請求項1に記載の光センサ。
- それぞれの発光ダイオードと並列に接続されたキャパシタンスをさらに備える請求項1に記載の光センサ。
- 前記測定する手段は前記マイクロコントローラの論理レベルしきい値を使用する請求項1に記載の光センサ。
- 前記測定する手段は割り込みサービスプロシジャを含む請求項1に記載の光センサ。
- 前記測定する手段はポーリングプロシジャを含む請求項1に記載の光センサ。
- 前記測定する手段は前記マイクロコントローラのクロックを含む請求項1に記載の光センサ。
- 前記キャパシタンスは、前記発光ダイオード、前記マイクロコントローラI/Oピン、および接続ワイヤに固有の寄生キャパシタンスである請求項1に記載の光センサ。
- 前記寄生キャパシタンスは約20ピコファラドである請求項10に記載の光センサ。
- 前記キャパシタンスは、前記対応するI/Oピンを出力モードに構成することによって充電される請求項1に記載の光センサ。
- 前記キャパシタンスは、前記対応するI/Oピンを入力モードに構成することによって放電される請求項1に記載の光センサ。
- 前記入力モードに構成された前記対応するピンのインピーダンスは100万オームより大きい請求項13に記載の光センサ。
- 前記測定する手段はパルス幅変調された論理レベル信号を直接に生成し、前記パルスの幅は前記入射光の強度に逆比例する請求項1に記載の光センサ。
- 前記入射光を反射するための試験材料をさらに備える請求項1に記載の光センサ。
- 前記入射光を透過するための試験材料をさらに備える請求項4に記載の光センサ。
- 前記試験材料の表面は、鏡面反射率を測定するために、前記入射光に対して垂直な角度で設置される請求項16に記載の光センサ。
- 前記試験材料の表面は、拡散反射率を測定するために、前記入射光に対して斜めの角度で設置される請求項16に記載の光センサ。
- 前記発光ダイオードの第1サブセットおよび前記発光ダイオードの第2サブセットを、前記逆および順バイアスで駆動することを交互に行う手段をさらに備える請求項4に記載の光センサ。
- 前記入射光は、周辺光および光源からの光を含んでおり、
前記入射光の強度の差分測定を可能にするための、前記周辺光の強度と前記光源からの光の強度の差を測定する手段をさらに備える請求項1に記載の光センサ。 - 前記第1サブセットおよび前記第2サブセットを、それぞれ、前記順および逆バイアスで連続して駆動する手段をさらに備える請求項4に記載の光センサ。
- 擬似ランダムシーケンスによって前記第1および前記第2サブセット内の発光ダイオードを選択する手段と、
前記擬似ランダムシーケンスに従って選択しながら、前記測定した時間を平均する手段とをさらに備える請求項1に記載の光センサ。 - 前記発光ダイオードの第1サブセットの波長は、前記発光ダイオードの第2サブセットの波長以下である請求項4に記載の光センサ。
- 前記入射光と前記発光ダイオードの第1サブセットの間に設置される試験材料をさらに備え、該試験材料を透過した前記入射光の強度を測定するために、該入射光が前記試験材料を通過するようにする請求項1に記載の光センサ。
- 前記試験材料は、前記入射光に対して垂直な角度で設置される請求項24に記載の光センサ。
- 前記試験材料は、前記入射光に対して斜めの角度で設置される請求項24に記載の光センサ。
- 前記試験材料は半透明である請求項24に記載の光センサ。
- 前記試験材料は不透明である請求項24に記載の光センサ。
- 試験材料が、反射体と、前記発光ダイオードの第1および第2サブセットとの間に設置される請求項4に記載の光センサ。
- 前記試験材料は、前記入射光に対して垂直な角度にある請求項28に記載の光センサ。
- 前記試験材料は、該試験材料内の濁り度を測定するために、前記入射光に対して斜めの角度にある請求項28に記載の光センサ。
- 前記発光ダイオードの第2サブセットは、前記入射光として紫外光を放出する請求項4に記載の光センサ。
- 前記入射光は、蛍光試験材料から反射されて前記発光ダイオードの第1サブセットに達する請求項31に記載の光センサ。
- 入射光を検知する方法であって、
1つの発光ダイオードの少なくとも1つの波長が別の発光ダイオードの1つの他の波長と異なるような、対応する波長を有する発光ダイオードのセットを選択するステップと、
前記発光ダイオードの第1サブセットのキャパシタンスを充電するために、該発光ダイオードの第1サブセットを逆バイアスで選択的に駆動するステップと、
前記発光ダイオードの第1サブセットのそれぞれのキャパシタンスが、該発光ダイオードの第1サブセット上への入射光によって誘導される光電流によって放電する時間を測定するステップであって、該時間は前記入射光の強度に逆比例する、放電する時間を測定するステップとを含む、入射光を検知する方法。 - 前記入射光が前記発光ダイオードのセットのうちの第2サブセットによって放出されるように、前記発光ダイオードの第1サブセットを前記逆バイアスで駆動しながら、対応する波長で光を放出するための順バイアスで、前記発光ダイオードの第2サブセットを選択的に駆動することをさらに含む請求項35に記載の入射光を検知する方法。
- 試験材料が前記入射光を反射する請求項35に記載の入射光を検知する方法。
- 試験材料が前記入射光を透過する請求項35に記載の入射光を検知する方法。
- 前記発光ダイオードの第1サブセットおよび第2サブセットの間に試験材料を設置することをさらに含む請求項36に記載の入射光を検知する方法。
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Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
US10/802,501 US7170606B2 (en) | 2002-09-20 | 2004-03-17 | Multi-way LED-based surface reflectance sensor and spectrophotometer |
Publications (1)
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JP2005077309A Pending JP2005265849A (ja) | 2004-03-17 | 2005-03-17 | 光センサ及び入射光を検知する方法 |
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- 2005-03-17 JP JP2005077309A patent/JP2005265849A/ja active Pending
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