KR20120119373A - 주변 광원과 색온도 판별 기능을 갖는 지능형 조도센서 - Google Patents

Abstract

본 발명은 조도센서에 관한 것으로서, 좀더 상세하게는 주변 광원을 판별하고 색온도를 인지하여 주변 조도를 산출할 수 있는 지능형 조도센서 및 조도 검출 방법에 관한 것이다.
본 발명의 조도센서는, 파장별 수광 감도가 서로 다른 복수의 수광소자를 포함하는 수광부와, 상기 복수의 수광소자에 개별적으로 연결되며, 대응하는 수광소자로부터의 출력전류를 디지털 코드로 변환하는 복수의 아날로그-디지털 변환부와, 상기 복수의 아날로그-디지털 변환부로부터의 출력되는 디지털 코드를 저장하는 기억부와, 상기 기억부에 저장된 디지털 코드를 산술 처리하여 광원의 종류와 색온도를 판별하고, 이에 기초하여 보상 연산처리를 수행함으로써 주변 조도를 산출하는 신호처리부를 포함한다.
본 발명에 따라서, 조건에 따라 색온도와 스펙트럼이 변하는 광원에 대한 조도 측정 오차를 종래의 기술에 비해 개선할 수 있다. 또한, 본 발명은 외부 기기 주변 조도를 보다 정확하게 측정할 수 있는 센서를 구현함으로써, 조도에 따라 외부 기기 밝기의 자동제어를 가능하게 한다.

Description

주변 광원과 색온도 판별 기능을 갖는 지능형 조도센서{SMART LIGHT SENSOR ABLE TO DISTINGUISH AMBIENT LIGHT SOURCE AND COLOR TEMPERATURE}

본 발명은 조도센서에 관한 것으로서, 좀더 상세하게는 광원의 종류와 색온도를 판별하여 주변 조도를 산출할 수 있는 지능형 조도센서 및 조도 검출 방법에 관한 것이다.

실리콘 재료를 사용하는, 광전효과에 기반을 둔 일반적인 수광소자는 그 감도가 사람의 시감도와 다르기 때문에 사람이 실제 느끼는 주변 밝기 즉, 조도의 검출에 그대로 사용되기에 적합하지 않다. 따라서 이를 해결하고 아울러 수광소자와 주변 회로부를 집적화(IC)하기 위한 여러 방안이 시도되어 왔다. 이러한 방안은 크게 네 가지로 검토될 수 있다.

첫 번째 방안은 수광소자 위에 가시광 투과 필터를 제공하여 사람이 시각적으로 감지할 수 있는 광만을 수광소자에 도달하게 하는 것이고, 두 번째는 입사 광원의 파장에 따라 수광소자 내부에서 흡수 거리가 다른 성질을 이용하여 포토다이오드 등에서의 PN 접합 생성 위치를 조절함으로써 적외광에 의한 영향을 억제하는 것이다. 세 번째는 수광 파장별 감도가 서로 다른 복수의 수광소자를 사용하여 수광소자별로 생성된 전류의 차를 이용하는 것이다. 그리고 네 번째는 수광 파장별 감도가 서로 다른 복수의 수광소자에서 생성된 전류의 비를 이용하는 점에서 세 번째와 유사하지만, 더 나아가 광원의 종류를 판별하고 광원의 종류에 적합한 연산처리를 수행하여 주변 조도를 산출하는 것이다.

하지만, 종래 기술 중 첫 번째 방안은 필터 증착 공정을 위한 추가 비용이 발생하고, 두 번째와 세 번째 방안은 인가 광원의 종류를 판별할 수 없어 광원에 따라 측정된 조도의 오차가 크기 때문에 단일 광원 하에서만 사용이 가능하다는 문제가 있다. 네 번째 방안은 광원의 종류를 판별하고 미리 입력된 연산처리를 통해 조도를 검출할 수 있지만, 조건에 따라 색온도와 구성 스펙트럼이 변하게 되는 광원이 조사될 경우 출력 오차가 커지게 되는 문제가 발생한다. 예를 들면, 네 번째 방안에 따라 구현된 조도센서의 경우, 흐린 날 태양광원(색온도 약 6,500K)의 조사 시의 조도 측정 결과는 실제 조도와 약 30-45% 정도의 오차가 발생하는 것으로 나타난다.

당해 기술분야에서 잘 알려진 바와 같이, 광원으로부터 방출되는 광은 조건에 따라 색온도와 스펙트럼이 다르게 된다. 예컨대, 자연 광원인 태양광의 경우 색온도가 일출 및 일몰 시 약 2,500K 내외, 아침 저녁의 야외에서 약 4,300K, 맑은 날 정오에는 약 5,500K, 흐린 날에는 약 6,700K, 안개 낀 날에는 약 8,000K 등으로 변하고, 그 외에도 일기, 계절, 고도, 위치 등에 따라 변하게 된다. 또한, 인공 광원에 소비 에너지를 줄이기 위해 조광기를 설치하여 사용하는 경우, 공급 전력이 클 때와 작을 때의 색온도와 스펙트럼의 차이가 발생하게 되고, 이는 광원을 판별하여 조도를 검출하는 조도센서 방식에서 광원에 따른 조도 연산처리 오차를 증가시켜 정확한 조도 검출을 어렵게 만드는 요인이 된다. 따라서 전술한 네 번째 방안을 이용하는 조도센서에 있어서 보다 정확한 조도 검출을 위해서는 색온도와 스펙트럼 판별이 고려되어야 할 것이다.

본 발명은 전술한 종래 기술의 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로서, 조도를 측정함에 있어 광원의 종류를 판별할 뿐만 아니라 광원 특히, 태양광의 색온도와 스펙트럼을 인지하여 보다 정확한 조도 측정이 가능한 기술을 제공하는 것을 목적으로 한다.

또한, 본 발명은 광원의 종류 및 색온도에 따른 조도 검출 오차를 최소화할 수 있는 보다 정밀한 조도센서를 제공하고, 이에 의해 외부 연결 기기의 자동제어를 가능하게 하는 것을 목적으로 한다.

또한, 본 발명은 조도센서가 장착되는 기기의 소비 에너지를 절감시킬 수 있는 조도센서를 제공하기 위한 것이다.

본 발명은 수광 파장별 감도가 서로 다른 복수의 수광소자에서 출력되는 전류의 비를 이용하여 인가 광원의 종류와 색온도와 스펙트럼을 판별한 후 보상 연산처리를 통해 주변 조도를 검출함으로써 광원의 종류와 스펙트럼 형성 조건에 따라 발생하는 오차를 최소화할 수 있는 조도센서 및 조도 검출 방법을 제공한다.

본 발명에 따른 조도센서는, 파장별 수광 감도가 서로 다른 복수의 수광소자를 포함하는 수광부; 상기 복수의 수광소자에 개별적으로 연결되며, 대응하는 수광소자로부터의 출력을 디지털 코드로 변환하는 복수의 아날로그-디지털 변환부; 상기 복수의 아날로그-디지털 변환부로부터의 출력되는 디지털 코드를 저장하는 기억부; 및 상기 기억부에 저장된 디지털 코드를 산술 처리하여 광원의 종류와 색온도를 판별하고, 이에 기초하여 보상 연산처리를 수행함으로써 주변 조도를 산출하는 신호처리부;를 포함한다.

상기 수광소자는 실리콘 재료를 사용한 것으로서, 광전효과에 기반을 둔 소자, 예컨대 포토다이오드, 포토트랜지스터 등이 사용될 수 있다. 본 발명의 조도센서는 파장별 감도가 다른 수광소자를 2개 이상 포함하며, 그 개수가 증가할수록 여러 스펙트럼을 커버할 것이므로 조도 측정 정밀도를 증가시킬 수 있다. 파장별로 수광 감도가 다른 수광소자들은 당해 기술분야에서 알려진 방법에 따라서 IC 공정에 의해 제공될 수 있다.

본 발명에 있어서, 상기 아날로그-디지털 변환부는 각각의 수광소자에 하나씩 대응하도록 제공되며, 각각의 아날로그-디지털 변환부는 각각의 수광소자의 출력전류를 디지털 코드로 변환한다. 바람직하게는, 상기 아날로그-디지털 변환부는 적분형 아날로그-디지털 변환기(ADC)이고, 이것은 상기 수광소자로부터의 출력전류를 적분하여 전압신호를 생성하고, 생성된 전압을 기준전압과 비교, 가공하여 디지털 신호를 출력한다. 바람직하게는, 전압신호를 기준전압과 비교하여 전압신호가 기준전압보다 작을 경우 0V로, 클 경우 센서에 인가되는 전압전원의 크기로 변환하고, 수광소자로부터의 출력전류를 일정 시간 동안 적분한 것에 상응하는 개수의 디지털 신호를 출력한다. 상기 아날로그-디지털 변환부는 적분 기울기와 적분 시간을 선택, 제어할 수 있도록 구성된다.

상기 아날로그-디지털 변환부로부터 출력되는 디지털 코드를 저장하는 상기 기억부는 데이터를 빠르게 쓰고 읽을 수 있도록 레지스터 형태로 제공되는 것이 바람직하다.

본 발명에 있어서, 상기 신호처리부는 조도센서 내에, 또는 조도센서가 외부 기기에 제공될 수 있다. 여기서 사용되는 용어 “외부 기기”는 본 발명에 따른 조도센서가 장착되거나 이와 연결되어 조도센서로부터의 신호를 이용하는 기기를 의미하는 것으로 의도된다. 상기 신호처리부는 아날로그-디지털 변환부의 출력들의 비율을 세분하고 그에 적합한 계수를 적용시켜 주변 조건에 상응하는 보상 처리를 수행한다.

본 발명에 따른 조도 검출하는 방법은, 광원으로부터의 복사 에너지를 파장별 수광 감도가 서로 다른 복수의 수광소자에 의해 전류로 변환하는 단계와, 상기 수광소자들의 출력 전류를 디지털 코드로 변환하는 단계와, 상기 변환된 디지털 코드를 저장하는 단계와, 상기 저장된 디지털 코드를 판독하는 단계와, 상기 판독된 디지털 코드를 산출 처리하여 광원의 종류와 색온도를 판별하고, 이에 기초하여 보상 연산처리를 수행함으로써 주변 조도를 산출하는 단계를 포함한다.

상기 연산처리는 조도센서 내부에서 또는 외부 기기에서 1회 이상 반복하여 수행될 수 있다.

상기 보상 연산처리는 복수의 디지털 코드 값에 복수의 계수를 곱한 값들 간의 차를 계산함으로써 수행된다. 각각의 계수는 광원의 종류와 색온도에 따라 2개 이상 존재할 수 있다.

본 발명에 따라서 산출되는 조도는 아날로그-디지털 변환부에서의 적분 기울기와 적분 시간에 비례 혹은 반비례하여 증감한다. 적분 기울기와 시간을 선택, 조절하고 이로 인한 출력 값을 보상함으로써, 검출 정확도를 보장하면서도 사용자의 애플리케이션 선택 폭을 넓힐 수 있다.

본 발명의 조도센서는 태양광, 필라멘트 계열 광, 형광, LED 광 등을 포함하는 광원을 판별할 수 있고, 2,000K 내지 10,000K의 색온도를 판별할 수 있도록 설계되지만, 이에 한정되지 않는다.

본 발명에 따라서, 조건에 따라 색온도와 스펙트럼이 변하는 광원에 대한 조도 측정 오차를 종래의 기술에 비해 개선할 수 있다.

또한, 본 발명은 외부 기기의 주변 조도를 보다 정확하게 측정할 수 있는 센서를 구현함으로써, 조도에 따라 외부 기기 밝기의 자동제어를 가능하게 하고, 이에 의해 휴대기기 등의 디스플레이 밝기 자동제어에 의해 소비 에너지를 줄여 배터리 사용 시간을 증가시킬 수 있다.

또한, 본 발명은 수광부와 주변 회로를 집적화할 수 있으므로, 적은 소비전류, 공간 및 비용으로 에너지를 절감하는 효과를 가져올 수 있다.

더욱이, 본 발명의 조도센서는 디지털 신호를 출력하므로 별도의 변환장치 없이 신호처리부와 간단한 방식의 통신으로 연동될 수 있고, 조도 연산 방식이 간단하여 신호처리부에 부담을 주지 않고 빠른 속도로 연산할 수 있다.

아울러, 조도센서나 외부 기기에 제공될 수 있는 마이크로프로세서 또는 MCU에 의한 센서의 조도 측정 범위와 해상도의 조절을 통해 사용 목적에 적합한 센서 및 기기 운용이 가능하다.

도 1은 파장별 수광 감도가 서로 다른 수광소자들의 감도와 사람의 시감도를 나타낸 그래프이다.
도 2는 일정 조건에 따라 변하는 태양광 복사 에너지의 스펙트럼을 나타낸 그래프이다.
도 3은 태양광의 색온도에 따라 달라지는 수광소자들의 출력전류를 나타낸 그래프이다.
도 4는 본 발명에 따른 조도센서의 구현 예 및 동작 흐름도이다.
도 5는 본 발명에 따라서 적분형 ADC에 의해 수광소자의 전류를 디지털 코드로 변환하는 블록도이다.
도 6은 본 발명에 따른 조도센서의 아날로그-디지털 변환기에서 적분 시간에 대한 적분회로, 비교기 및 출력회로의 출력과 전압 관계를 나타낸 그래프이다.
도 7은 본 발명에 따라서 조도센서와 외부 기기 간의 신호처리 관계를 나타낸 도면이다.
도 8은 본 발명과 종래 기술에 따른 조도센서의 실내의 형광등에 대한 조도 측정 결과를, 나타낸 그래프이고 도 9는 실내의 백열등에 대한 조도 측정 결과를, 도 10은 맑은 날 오전 야외의 태양광에 대한 조도 측정 결과를, 도 11은 맑은 날 정오 그늘에서의 조도 측정 결과를, 도 12는 흐린 날 정도 야외의 태양광에 대한 조도 측정 결과를 나타낸 그래프이다.

본 발명의 부가적인 양태, 특징 및 이점은 대표적인 실시예의 하기 설명을 포함하고, 그 설명은 수반하는 도면들과 함께 이해되어야 한다. 하기 실시예는 당해 기술분야의 통상을 지식을 가진 자가 본 발명을 이해하고 용이하게 실시하기 위해 본 발명의 바람직한 실시형태를 예시하기 위한 것이지, 본 발명을 제한하는 것으로서 해석되어서는 안 된다. 당업자는 본 발명의 사상과 목적 범위 내에서 다양한 변경과 수정이 가능함을 인식할 것이다.

도 1은 파장별 방사 강도가 동일한 광원에 대하여 파장별 수광 감도가 서로 다른 복수의 실리콘 재질 수광소자의 감도와 사람의 시감도를 나타낸 그래프이다. 도 1에 도시된 바와 같이, 분광 파장에 대한 수광소자들의 감도(12, 13)는 사람의 시감도(11)와 다르다. 사람의 시감도(11)는 가시광선 영역인 약 400-700nm 범위에 걸쳐 있지만, 수광소자들의 감도(12, 13)는 그것과 범위가 다르거나 넓은 범위에 걸쳐 있고, 또한 피크 값을 나타내는 파장도 다르다. 따라서 실리콘 재질의 수광소자들을 갖는 조도센서를 이용하여 광원에 대한 대상물 주변의 밝기 즉, 조도를 측정하기 위해서는 수광소자들의 감도를 사람의 시감도와 같게 하는 추가 공정이나 수광소자들의 출력에 대한 연산처리가 필요하다.

예컨대, 종래 기술에 따른 연산처리는 다음과 같다. 우선, 광원의 종류를 판별하기 위해서 수광소자들의 출력전류와 광원의 알려진 스펙트럼 형태를 이용한다. 구체적으로, “A”라는 광원이 특정 복사 에너지를 방출하면 이것을 받는 수광소자들 즉, 복사 에너지의 파장별로 수광 감도가 서로 다른 복수의 수광소자는 각각 서로 다른 양의 출력전류를 생성할 것이고, 따라서 출력전류의 비(a)를 계산할 수 있다. 한편, “A” 광원과 스펙트럼 형태가 다른 “B”라는 광원이 전술한 것과 동일한 수광소자들에 복사 에너지를 방출하면, 서로 다른 출력전류를 생성하는 수광소자들의 출력전류의 비(b)는 “A” 광원에 의한 출력전류의 비(a)와 다를 것이다. 여기서 전류의 비(a, b)의 크기는 광원의 파장별 복사 에너지의 크기에 따라 결정되는데, 광원이 보통 사용되는 것이라면 스펙트럼의 형태를 미리 알 수 있으므로, 수광소자들의 출력전류의 비인 a와 b를 또한 예상할 수 있다. 따라서 이를 통해 광원의 종류를 판별할 수 있다.

광원의 종류를 판별하게 되면, 각각의 수광소자의 출력전류에 일정 계수를 곱한 후 감산하여 주변 조도를 산출할 수 있다. 이때 수광소자들의 출력 전류에 곱해지는 계수들은 수광소자들의 수광면, 파장별 감도, 광원의 종류에 따라 각각 다르기 때문에 절대적인 수치로 정형화하는 것이 어려우며 설계 조건에 따라 변경된다.

그러나 위와 같은 방식에 따를 경우, 광원의 색온도와 스펙트럼이 달라지는 경우를 반영할 수 없으므로 조도 측정의 정확성을 보장하지 못한다. 즉, 동일한 광원이라고 하더라도 광원의 스펙트럼이 변하게 되는 조건이 발생한다면, 판별된 광원에 대하여 일정한 연산 수식을 적용시킬 경우 출력 조도의 오차가 크게는 수 십 퍼센트 이상 커지게 된다. 광원의 색온도와 스펙트럼이 달라지는 것은 조건에 따른 태양광의 색온도와 스펙트럼을 나타낸 도 2 및 3을 참조하면 명확하게 이해될 것이다.

도 2에 도시된 바와 같이, 태양광은 일출, 일몰 시의 색온도와 스펙트럼(21), 아침, 저녁의 야외에서의 색온도와 스펙트럼(22), 맑은 날 정오의 색온도와 스펙트럼(23), 흐리고 구름 낀 날의 색온도와 스펙트럼(24), 안개 낀 날의 색온도와 스펙트럼(25) 등 시각과 기후에 따라 스펙트럼과 색온도가 다르게 나타나고, 이것은 계절, 고도, 위치 등에 따라서도 다르게 나타난다. 또한, 인공 광원의 경우에도 조광기 등 전력조절장치를 사용할 때 낮은 전력을 공급받는 경우와 높은 전력을 공급받는 경우의 파장 스펙트럼과 색온도에 차이가 발생한다. 후술하는 바와 같이, 본 발명에 따를 경우 이와 같이 특정 광원의 스펙트럼과 색온도가 달라지더라도 주변 조도를 매우 정확하게 검출할 수 있다.

도 3은 파장별 수광 감도가 서로 다른 수광소자들(12, 13)에 색온도 2,500K 및 5,500K의 태양광의 조사 시 출력되는 전류를 나타낸다. 도시된 그래프로부터 알 수 있듯이, 5,500K 색온도의 태양광 조사 시 수광소자 1의 출력전류(31)와 수광소자 N의 출력전류(32)의 비는 2,500K 색온도의 태양광 조사 시 수광소자 1의 출력전류(33)와 수광소자 N의 출력전류(34)의 비는 서로 다른 값을 가질 것이다. 따라서 조건에 따라 색온도가 변하는 것을 고려하지 않고 광원의 조도를 측정한다면 실제 조도와 오차가 발생하게 된다. 예컨대, 약 6,700K의 색온도를 나타내는 흐린 날에 실제 조도 1만 lx 하에서 측정 결과를 비교할 경우, 색온도를 고려하지 않는 종래 기술에 따라 구현된 조도센서의 측정 값은 약 1.5만 lx인 것으로 나타나고, 본 발명에 따른 조도센서의 측정 값은 약 1.1만 lx로 나타난다. 따라서 본 발명에 따를 경우 조도의 측정 오차를 크게 줄일 수 있다.

본 발명의 조도 측정 기술의 구현 예는 다음과 같다. 도 3을 참조하면, 5,500K의 태양광이 조도센서의 수광소자 1 및 N에 조사될 경우 조도센서 내부의 ADC 출력들의 비율로 계산되는 출력전류의 비는 출력전류(32)/출력전류(31) = 약 0.522이고, 2,500K 태양광이 조사될 경우 수광소자들의 출력 전류의 비는 출력전류(34)/출력전류(33) = 약 0.767이다. 동일한 광원 하에서도 위와 같이 색온도에 따라 수광소자들의 출력전류의 비가 다르기 때문에, 본 발명은 이를 보상하는 연산처리 방식을 적용한다. 즉, 전류 비가 약 0.522인 경우와 약 0.767인 경우, 혹은 다른 비율일 때의 연산이 모두 보상되어 진행된다. 이것은 ADC 출력들의 비율을 세분화하고 그에 적합한 계수를 적용시켜 주변 조건에 상응하도록 연산처리 하는 것이다.

본 발명에 따른 조도 검출을 위한 보상 연산처리 수식은 복수의 ADC로부터의 복수의 디지털 코드 값에 복수의 계수를 곱한 값들 간의 차로서, 다음과 같이 표현된다. 여기서는 수식의 간단화를 위해 2개의 ADC에 의한 보상 연산처리 수식을 나타내지만, 이에 한정되지 않음을 당업자는 이해하여야 할 것이다.

상기 식에서 “계수1”(a, d, g, …, x) 및 “계수2”(b, e, h, …, y)는 광원의 종류와 스펙트럼 구성에 따라서 수광소자의 출력전류 비인 “ADC_2/ADC_1”(c, f, i, …, z)에 의해 정해진다. 이들 계수는 전술한 바와 같이 광원과 수광소자에 따라 다르게 설정되므로 설계 조건에 따라 변경된다. 상기 식에서 “ADC_1” 및 “ADC_2”는 대응하는 수광소자의 아날로그 출력전류를 디지털로 변환하고 이것을 십진수로 바꾼 것이다. 상기 식에서 마지막에 기재된 “조건”은 ADC의 적분 시간과 적분 기울기의 설정 조건에 따라 결정되는 상수이다. 이것은 회로 설계에 따라 결정되는데, 예컨대 1-496 사이의 값을 가질 수 있다.

종래 기술에 따른 조도센서의 경우 동일한 광원에서 색온도가 다른 조건 하에서 전류 비가 마찬가지로 다르게 형성되지만, 본 발명과 달리 보상 연산처리가 없으므로 동일 광원에서 색온도가 변하게 될 경우 측정 오차가 커지게 된다.

도 4는 본 발명에 따른 조도센서의 동작 흐름도를 나타낸 도면이다. 도시된 바와 같이, 조도센서의 제어부(41)는 신호처리부(45)의 신호를 받아 조도센서의 기능을 제어한다. 예컨대, 조도센서의 조도 측정 범위와 해상도에 대한 사용자의 선택을 마이크로프로세서에 입력하면, 마이크로프로세서가 이것을 제어부(41)에 전달하고, 제어부(41)는 조도센서 내부의 스위치 회로 등을 제어하여 조도 측정 범위와 해상도를 조절할 수 있다. 복수의 수광소자(42)는 수광 파장별 감도가 서로 다르므로 일정 광원으로부터 조사되는 광원에 대하여 서로 다른 크기의 전류를 생성한다. 생성된 전류는 각각의 수광소자(42)에 대응하는 각각의 ADC(43)로 입력된다. ADC(43)는 수광소자(42)에서 생성된 전류의 크기에 상응하는 디지털 코드를 생성하고, 생성된 값은 기억회로(44)에 저장된다. 그 후, 신호처리부(45)는 기억회로(44)에 저장된 디지털 코드를 산술 처리하여 광원의 종류와 색온도를 판별하고, 그에 적합한 보상된 연산처리를 전술한 보상 연산처리 수식에 따라 수행하여 주변 조도를 산출한다.

도 5는 수광소자(42)의 출력전류를 디지털 신호로 변환하는 적분형 ADC의 세부 구성과 변환 과정을 나타내는 블록도이다. 본 발명에서, 수광소자로부터의 출력전류는 ADC의 적분회로(51)로 제공되어 전압신호로 변환된다. 적분회로(51)는 출력전류를 정해진 시간 동안 적분하고, 일정 레벨에 도달 시 리셋되어 다시 출력전류를 적분하는 것을 반복하도록 동작한다. 전술한 바와 같이, 적분회로의 적분 시간과 기울기는 사용자에 의해 조정될 수 있다. 적분회로(51)는 인공 광원의 노이즈 중 교류 전원으로부터 야기되는 약 50-60Hz의 플리커(flicker) 노이즈를 또한 제거한다. 당해 기술분야에서 이해되는 바와 같이 적분형 ADC는 처리 속도가 느린 반면 적분회로에 의해 주기적으로 노이즈를 제거할 수 있다.

스위치 제어회로(52)는 적분회로(51)의 커패시터 충전, 방전 스위치와 기준전압 공급 스위치를 제어한다. 기준전압 발생회로(53)는 적분회로 커패시터의 방전 시 양단 전압을 제어하고, 비교기(54)에 인가되는 기준전압을 발생시킨다.

비교기(54)는 일반적인 OP AMP의 개방루프(open loop) 구조를 이용한 것으로서, 비교기의 반전 단자에는 기준전압 발생회로(53)로부터 기준전압이 인가되고, 비교기의 비반전 단자에는 적분회로(51)로부터의 출력이 인가된다. 따라서 비교기(54)는 수광소자의 전류신호를 적분하여 생성된 전압신호를 기준전압과 비교한다. 적분회로의 출력전압이 기준전압보다 클 경우 비교기 출력단자의 전압을 조도센서에 인가되는 전원전압에 가깝게 만들고, 출력전압이 기준전압보다 작을 경우 출력단자의 전압을 0V에 가깝게 만든다.

비교기의 출력이 전원전압에 가깝게 되면, 디지털 출력회로(55)는 비교기(54)에 의해 생성된 신호를 구형파 형태로 가공하여 디지털 신호를 출력한다. 이와 동시에 디지털 출력회로(55)는 제어회로(52)에 적분회로 리셋 신호를 피드백 한다. 적분회로 리셋 신호를 받은 제어회로(52)는 회로 내부의 스위치 전환을 통해 적분회로(51)의 출력 전압을 일정 전압으로 리셋 한다. 전술한 과정을 반복함으로써, 출력회로(55)는 수광소자의 출력전류를 일정 시간 동안 적분한 것에 상응하는 개수만큼의 디지털 신호를 발생시킨다. 적분 시간에 대한 적분회로, 비교기 및 출력회로의 출력과 전압 관계는 도 6을 참조함으로써 더욱 명확하게 이해될 것이다.

도 7은 본 발명에 따른 신호처리부가 조도센서 내에 포함되지 않고 외부 기기에 제공될 경우 조도센서와 외부 기기의 신호처리 개념을 도시한 것이다. 조도센서의 기억회로(61)는 디지털 출력회로(55)에서 생성된 디지털 신호를 전송 받아 내부 레지스터에 저장한다. 신호처리부(62)는 수광소자별 디지털 출력을 기억회로(61)로부터 수신하여 연산처리 함으로써, 인가 광원의 색온도와 종류를 판별한다. 또한, 판별 결과에 부합하는 보상 연산처리를 수행하여 외부 기기 주변의 조도를 산출하고 결과에 맞는 자동제어신호를 외부 기기 제어부(63)에 송신한다. 이에 의해 외부 기기의 자동 제어가 가능하고 따라서 외부 기기의 소비 에너지를 절감할 수 있다.

시험예

도 8 내지 도 12는 본 발명에 따른 조도센서와 종래 기술에 따른 조도센서를 사용하여 조도를 측정한 결과를 나타내는 그래프이다. 각각의 그래프에서, 청색 선은 본 발명에 따른 조도센서(“조도센서 A”)의 조도 측정 결과이고, 적색 선은 복수의 수광소자를 사용하여 광원의 종류만을 판별하는 종래 기술의 조도센서(“조도센서 B”)의 조도 측정 결과이며, 녹색 선은 하나의 수광소자에 적외광 차단 필터를 증착하여 제조된 종래기술의 조도센서(“조도센서 C”)의 조도 측정 결과이다.

시험예 1 및 2

형광등의 조도 측정에 있어서, 도 8을 참조하면, 본 발명의 조도센서 A와 종래기술의 조도센서 B는 측정 결과가 조도 범위(100-4,000 lx)에 걸쳐 실제 조도와 약 3% 이내의 오차 범위로 양호하게 나타났다. 백열등의 조도 측정에 있어서, 도 9를 참조하면, 조도센서 A와 B의 측정 결과는 형광등의 경우에 비해 오차가 다소 증가하였으나 모두 약 10% 이내로 나타났다. 조도센서 A 및 B가 인공광원의 종류에 따라 비교적 정확하게 측정 결과를 가져온 것은 조도센서 A 및 B 모두 광원의 종류를 판별하여 조도를 검출하기 때문이다. 그러나 조도센서 C는 광원의 종류를 판별하지 않으므로, 측정 결과가 형광등의 경우 실제 조도보다 낮게 나타났고 백열등의 경우 높게 나타났으며, 그 측정 오차에 있어 형광등의 경우 약 -40% 전후로 그리고 백열등의 경우 약 30-71%로 매우 크게 나타났다. 하기 표 1에 형광등과 백열등의 특정 조도에서 실제 조도와 각 조도센서별 측정 조도의 오차(%)를 수치로 나타내었다.

<표 1> 형광등과 백열등에 대한 조도센서별 측정 조도 오차

시험예 3

도 10은 맑은 날 오전에 야외에서 태양광(색온도 약 4,300K)에 의한 조도를 조도센서 A 및 B로 측정한 결과를 나타낸다. 조도센서 A 및 B 모두 실제 조도보다 측정 결과가 약간 높게 나타났지만, 조도센서 B의 측정 오차가 더 크고 측정 조도가 증가할수록 조도센서 B의 측정 오차는 점점 증가하는 경향을 나타내었다. 조도센서 C의 경우에는 태양광 조사 시 낮은 조도에서 출력이 포화상태에 도달하여 측정이 불가능하였다(하기 시험예 3 및 4에도 마찬가지임).

시험예 4

도 11은 맑은 날 정오에 그늘에서 태양광(색온도 약 5,800K)에 의한 조도를 측정한 결과이다. 조도센서 B의 경우 실제 조도와의 측정 오차가 약 10%까지 나타났지만, 조도센서 A의 경우 측정 오차가 약 ±1.5%로 매우 작음을 알 수 있다.

시험예 5

도 12는 흐린 날 정오에 야외에서 측정한 태양광(색온도 약 6,500K)의 조도를 나타낸다. 조도센서 A의 경우 실제 조도와의 측정 오차가 최대 약 -12%로 나타났지만, 조도센서 B의 경우에는 실제 조도가 증가함에 따라 최대 약 45% 이상으로 나타났다.

시험예 3 내지 5에 따른 조도센서 A 및 B의 실제 조도와의 측정 오차(%)를 특정 조도에서 수치로 나타낸 값은 표 2에서 보는 바와 같다.

<표 2> 태양광에 대한 조도센서별 측정 조도 오차

고찰

도 8 내지 도 12로부터, 조도센서 A는 광원의 종류나 색온도에 관계 없이 낮은 수준의 측정 오차를 나타냈다. 반면, 조도센서 B는 태양광의 색온도에 따라서 그 측정 오차가 조도센서 A에 비해 전반적으로 높게 나타났고, 특히 시험예 5의 경우에는 측정 오차가 약 45% 이상으로 높게 나타났다. 따라서 본 발명의 조도센서는 색온도를 판별함으로써 특히, 태양광의 경우 종래기술에 비해 매우 개선되고 신뢰성 있는 조도측정 결과를 제공함을 알 수 있다.

비록 본 발명이 대표적인 실시예에 관하여 기술하고 있지만, 본 발명은 특허청구범위에 기재된 청구항의 모든 범위에서 보호받을 권리가 있음이 이해되어야 할 것이다.

41 : 제어부 42 : 수광소자 43 : 아날로그-디지털 변환기
44 : 기억회로 45 : 신호처리부

Claims (11)

1. 파장별 수광 감도가 서로 다른 복수의 수광소자를 포함하는 수광부;
   상기 복수의 수광소자에 개별적으로 연결되며, 대응하는 수광소자로부터의 출력전류를 디지털 코드로 변환하는 복수의 아날로그-디지털 변환부;
   상기 복수의 아날로그-디지털 변환부로부터의 출력되는 디지털 코드를 저장하는 기억부; 및
   상기 기억부에 저장된 디지털 코드를 산술 처리하여 광원의 종류와 색온도를 판별하고, 이에 기초하여 보상 연산처리를 수행함으로써 주변 조도를 산출하는 신호처리부;
   를 포함하는 조도센서.
2. 제1항에 있어서, 상기 아날로그-디지털 변환부는 상기 수광소자로부터의 출력전류를 적분하여 전압신호를 생성하는 적분회로를 포함하는 것을 특징으로 하는 조도센서.
3. 제2항에 있어서, 상기 아날로그-디지털 변환부에서의 적분 기울기와 적분 시간을 선택, 제어할 수 있는 것을 특징으로 하는 조도센서.
4. 제2항에 있어서, 상기 아날로그-디지털 변환부는 상기 적분회로에 의해 생성된 전압신호를 기준전압과 비교하여 상기 전압신호를 0V 또는 전압전원의 크기로 변환하는 비교기를 포함하는 것을 특징으로 하는 조도센서.
5. 제4항에 있어서, 상기 아날로그-디지털 변환부는 상기 비교기의 출력신호를 구형파로 가공하여 디지털 신호를 출력하는 디지털 출력회로를 포함하고, 상기 디지털 출력회로는 상기 수광소자로부터의 출력전류를 일정 시간 동안 적분한 것에 상응하는 개수의 디지털 신호를 출력하는 것을 특징으로 하는 조도센서.
6. 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 신호처리부는 상기 아날로그-디지털 변환부의 출력들의 비율을 세분하고 그에 적합한 계수를 적용시켜 주변 조건에 상응하는 보상 처리를 수행하는 것을 특징으로 하는 조도센서.
7. 광원으로부터의 복사 에너지를 파장별 수광 감도가 서로 다른 복수의 수광소자에 의해 전류로 변환하는 단계;
   상기 수광소자들의 출력 전류를 디지털 코드로 변환하는 단계;
   상기 변환된 디지털 코드를 저장하는 단계;
   상기 저장된 디지털 코드를 판독하는 단계; 및
   상기 판독된 디지털 코드를 산출 처리하여 광원의 종류와 색온도를 판별하고, 이에 기초하여 보상 연산처리를 수행함으로써 주변 조도를 산출하는 단계;
   를 포함하는 조도 검출 방법.
8. 제7항에 있어서, 상기 디지털 코드로 변환하는 단계는 적분형 아날로그-디지털 변환기(ADC)에 의해 수행되는 것을 특징으로 하는 조도 검출 방법.
9. 제8항에 있어서, 산출되는 주변 조도는 상기 ADC에서의 적분 기울기와 적분 시간에 비례 또는 반비례하여 증감하는 것을 특징으로 하는 조도 검출 방법.
10. 제7항 내지 제9항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 보상 연산처리는 복수의 디지털 코드 값에 복수의 계수를 곱한 값들 간의 차이를 산출하는 것으로 포함하고, 여기서 각각의 계수는 광원의 종류와 색온도에 따라 2개 이상 존재하는 것을 특징으로 하는 조도 검출 방법.
11. 제7항 내지 제9항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 보상 연산처리는 1회 이상 반복하여 수행되는 것을 특징으로 하는 조도 검출 방법.

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