Brevet FR2762090A1 — publié le 19981016

Etat de la technique La présente invention concerne un capteur optique à résolution de position pour détecter les paramètres d'un rayonnement optique, comprenant un photodétecteur. Selon le document DE-OS 43 02 442, on connaît dé- jà un capteur pour détecter l'intensité du rayonnement et l'angle d'incidence du rayonnement solaire. Un grand nombre d'éléments photoélectriques alignés de manière identique en- tre eux sont disposés suivant une trame dans un plan d'une surface de réception. Au-dessus de la surface de réception, il y a un dispositif optique dirigeant le rayonnement solaire incident à travers une ouverture de mesure en fonction de l'angle d'incidence, sur des zones différentes de la surface de réception. Dans un espace étroit on peut loger un grand nom- bre d'éléments photoélectriques sous la forme de capteurs d'image de type CCD ou encore une surface à puces multiples optoélectronique. L'angle d'incidence du rayonnement solaire et l'intensité de l'éclairage se déterminent par une commande différente des éléments photoélectriques respectifs. Le grand nombre de cellules photoélectriques nécessite une exploita- tion complète du signal et renchérit les coûts de fabrication des capteurs. Avantages de l'invention La présente invention a pour but de remédier à ces inconvénients et concerne un capteur optique à résolution de position du type défini ci-dessus ne comportant qu'un pho- todétecteur et caractérisé en ce que dans le chemin du rayon- nement optique, en amont du photodétecteur, il comporte un composant optique à transmission commandée en fonction de son emplacement. Le composant optique influence l'intensité du rayonnement tombant sur le photodétecteur en fonction du lieu en coupant intentionnellement le photodétecteur par rapport au rayonnement optique. En fonction de l'intensité de rayon- nement respective selon la transmission différente rapportée localement, on peut tirer des conclusions concernant la di- rection ou angle d'azimut de la source de rayonnement. On peut ainsi supprimer tout capteur à résolution de lieu équipé de plusieurs photodétecteurs car cette fonction du composant optique est réalisée par un photodétecteur constitué par exemple par une simple cellule solaire. Le photodétecteur ne doit alors fournir qu'un seul signal proportionnel à l'intensité du rayonnement. Cela permet d'utiliser des compo- sants usuels peu coûteux. L'exploitation du signal du photo- détecteur est également simplifiée. Le capteur offre de nombreux domaines d'applica- tion. Le capteur optique à résolution de position permet de détecter le rapport entre le rayonnement direct et le rayon- nement diffus. De telles informations servent à distinguer la nuit et le jour. En fonction de l'angle d'azimut et de l'angle de direction, obtenu pour la source de rayonnement, on régule une installation de climatisation par exemple celle d'immeubles, de véhicules automobiles ou de véhicules ferro- viaires. Le capteur sert en outre à déterminer les données géométriques pour un contrôle de réception de marchandises. Dans le cas d'un composant optique développé suivant une li- gne, le capteur permet de détecter la longueur de l'échantillon. Selon un développement avantageux, la transmis- sion se commande de manière continue ou binaire. Lorsque la transmission varie de manière continue, il faut la choisir intentionnellement pour que le capteur présente au maximum la sensibilité de l'intensité de rayonnement à recevoir. Dans le cas uniquement de deux états de transmission, la commande du composant optique est simple; soit il laisse passer le rayonnement optique, soit il coupe le rayonnement vers le composant photoélectrique. Selon un développement avantageux, le composant optique est subdivisé en au moins deux segments dont la transmission se commande indépendamment pour chaque segment. Plus le nombre de segments ci-dessus est grand et plus pré- cise sera la résolution de position. Ce moyen se répercute sur la qualité de la détermination de l'angle d'azimut ou de l'angle de direction. Selon un autre développement, on a un espace in- termédiaire non transparent entre les segments. De tels espa- ces intermédiaires peuvent par exemple être nécessaires pour des raisons d'isolation. De tels espaces intermédiaires ne peuvent être traversés par aucun rayonnement optique incon- trôlable qui générerait une valeur de base de mesure gênante. D'autres développements avantageux prévoient que les segments du composant optique soient disposés suivant une forme de matrice ou concentriques à un segment central. La forme de matrice présente des avantages de fabrication. La disposition concentrique par contre tient compte du demi- espace au-dessus du capteur. Selon d'autres développements, dans le chemin du rayonnement optique, soit avant le composant optique, soit avant le photodétecteur, il y a des moyens pour focaliser le rayonnement optique. La focalisation crée des intensités de rayonnement très différentes pour le rayonnement direct ou le rayonnement diffus. En outre, les moyens de focalisation don- nent une image du rayonnement optique sur une zone relative- ment petite ce qui permet d'utiliser comme photodétecteur un composant photoélectrique monolithique peu coûteux. De façon avantageuse, le composant optique est un cristal liquide d'affichage. De tels moyens d'affichage con- nus et peu coûteux à fabriquer offrent les caractéristiques de transmission nécessaires et qui se commandent de manière intentionnelle. Suivant d'autres caractéristiques avantageuses de l'invention: - la transmission se commande en continu ou de façon binaire, - le composant optique est subdivisé en au moins deux seg- ments dont la transmission se commande indépendamment pour chacun des deux segments, - un espace intermédiaire est rendu opaque entre les seg- ments, - les segments du composant optique sont disposés suivant une matrice, - les segments sont disposés de manière concentrique autour d'un segment central, - dans le chemin du rayonnement optique, en amont du compo- sant optique, il comporte des moyens pour focaliser le rayonnement optique, - dans le chemin du rayonnement optique en amont du photodé- tecteur, il comporte des moyens pour focaliser le rayonne- ment optique, - le composant optique est un dispositif d'affichage à cris- taux liquide ou à polymères à transmission variable, - son application à la commande d'installation de climatisa- tion ou à la détermination de caractéristiques géométri- ques. Dessins La présente invention sera décrite ci-après de manière plus détaillée à l'aide des dessins annexés dans les- quels: - les figures 1, 5 et 6 montrent chaque fois une vue en coupe, les figures 2, 3, 7 montrent différentes vues de dessus, - la figure 4 montre un schéma par blocs de différents exem- ples de réalisation. Description des exemples de réalisation Selon la figure 1, un rayonnement optique 10 ar- rive sur un composant optique 12 suivant un angle d'incidence 18. Le rayonnement optique 10 est appliqué à un photodétec- teur 16. Neuf segments 13 disposés suivant une matrice cons- tituent le composant optique 12 selon la figure 2. A titre d'exemple, un segment 13 est représenté hachuré. Le composant optique 12 selon la figure 3 est formé par des segments 13 disposés autour d'un segment central 13. Un circuit d'exploitation électronique 22 échange les données par un si- gnal d'exploitation 21. Ce circuit fournit les signaux de commande 23 aux composants optiques 12. L'intensité de rayon- nement 24 du photodétecteur 16 est fournie au circuit d'exploitation 22. Dans l'exemple de réalisation selon la figure 5, dans le chemin du rayonnement optique 10, on a une première lentille 11 qui focalise le rayonnement optique 10 vers le composant optique 12. Le rayonnement optique 10 transmis par le composant optique 12 est reçu par le photodétecteur 16. En complément de l'exemple de réalisation de la figure 5, celui de la figure 6 prévoit une seconde lentille 15 placée entre le composant optique 12 et le photodétecteur 16. Cet exemple de réalisation est représenté en vue de dessus à la figure 7. La première lentille 11 recouvre le composant optique 12 dans lequel les segments 13 sont disposés suivant une matrice 5x5. La seconde lentille 15 présente une surface plus grande que le photodétecteur 16. Comme composant optique 12 à transmission comman- dée en fonction de l'emplacement, on peut envisager par exem- ple un dispositif d'affichage à cristaux liquide (ACL). Suivant le type de commande du dispositif d'affichage à cris- taux liquides, celui-ci modifie ses propriétés de transmis- sion pour le rayonnement optique 10. Lorsque le dispositif d'affichage à cristaux liquide est noir, c'est-à-dire opaque, le photodétecteur 16 est coupé du rayonnement optique 10. Pour arriver à une transmission dépendant de l'emplacement, la surface du composant optique 12 est subdivisée en plu- sieurs segments 13. Les segments 13 peuvent par exemple être répartis suivant une forme de matrice comme l'indique la fi- gure 2. Chacun des segments 13 peut être commuté pour être soit transparent soit opaque. Plus la surface du composant optique est subdivisée en segments 13 et plus précise sera la détermination de l'angle d'incidence 18. Dans le cas d'un dispositif d'affichage à cristaux liquide, il faut respecter des intervalles minimums entre les segments 13 pour des rai- sons d'isolation. Chaque segment 13 reçoit un signal de com- mande 24 approprié par une liaison électrique en provenance du circuit d'exploitation 22. La mise en contact se fait au bord de la surface du composant optique 12. Cette surface et les intervalles ne peuvent pas être modifiés dans leur carac- téristique de transmission, de manière dirigée. Pour réduire les influences des rayonnements parasites, il est recommandé de couper le rayonnement vers ses surfaces. Ce résultat s'obtient par une impression d'une grille noire par-dessus les zones dégagées. Selon la figure 3, les segments 13 du composant optique 12 sont disposés de manière concentrique autour d'un segment central 13. La subdivision de l'espace est faite de manière symétrique. Cela permet de donner une image suffisam- ment précise du demi-espace au-dessus du capteur sans néces- siter d'ajustage gênant. Dans les exemples de réalisation, les segments 13 prennent uniquement deux états soit l'état transparent, soit l'état opaque. Dans le cas des segments 13 formés d'un seul cristal liquide, on peut réaliser une modification continue du comportement en transmission. Cela permet d'influencer le rayonnement 10 transmis par le composant optique 12 au photo- détecteur 16 pour être accordé de manière dirigée sur la sen- sibilité maximale du photodétecteur 16. Comme photodétecteur 16, on peut utiliser par exemple un capteur en surface, photosensible par exemple une cellule de silicium ou de sélénium. Dans le cas d'une focali- sation à l'aide d'une seconde lentille 15, on utilise des photodétecteurs 16 de petites surfaces comme des phototran- sistors, des photodiodes ou des composants photoélectriques. En fonction de l'emplacement, le photodétecteur 16 fournit selon le rayonnement optique 10 transmis par le composant op- tique 12, une mesure de l'intensité de rayonnement 24 vers le circuit électronique d'exploitation 22. Les surfaces du composant optique 12 et du photo- détecteur 16 sont essentiellement parallèles et sont montées en position horizontale à un emplacement fixe ou mobile. La suite de la description concerne l'exemple de réalisation de la figure 5. La première lentille 11 focalise le rayonnement optique 10 sur le composant optique 12. Les segments 13 du composant optique 12 sont disposés par exemple suivant une matrice. Le rayonnement optique 10 tombant sur la première lentille 11 avec l'angle d'incidence 18, est par exemple fo- calisé pour être plus explicite de façon à arriver sur le segment 13 représenté de façon hachurée à la figure 2. Au dé- but de l'opération d'exploitation, on commande tous les seg- ments pour qu'ils soient opaques. Le circuit électronique d'exploitation 22 reçoit un signal qui démarre la mesure. Se- lon un déroulement de programme enregistré de manière fixe, les différents segments 13 sont commandés de façon à devenir transparents, successivement, par le signal de commande 23; on commence par exemple avec le segment.13 situé en haut et à gauche dans la matrice de la figure 2. Ce segment 13 reçoit la première intensité de rayonnement 24 produite à cet instant et détectée par le pho- todétecteur 16 pour être transmise au circuit électronique d'exploitation 22. Comme le rayonnement optique 10 de cet exemple n'est pas focalisé sur le segment 13 en haut et à gauche, l'intensité de rayonnement 24 qui correspond à cette commande présente une valeur relativement faible. Dans une seconde étape, par exemple le segment 13 de la première ligne et de la seconde colonne transmet le rayonnement optique 10 vers le photodétecteur 16. La commande de ce segment 13 correspond de nouveau à une faible intensité de rayonnement 24. Successivement, on commande ainsi un seg- ment 13 pour être transparent et on met en mémoire les diffé- rentes intensités de rayonnement 24 produites. Pour tous les segments 13, l'intensité de rayonnement 24 reste relativement faible à l'exception du segment 13 hachuré car le rayonnement optique 10 est focalisé sur ce segment. L'intensité lumineuse 24 associée à ce segment diffère de manière significative des valeurs produites par les autres segments 13. Par des opéra- tions de comparaison appropriées, le circuit électronique d'exploitation 22 reconnaît le segment 13 qui est exposé au rayonnement optique focalisé 10. A l'aide de relations géomé- triques connues entre la première lentille 11 et la surface du composant optique 12, on déduit l'angle d'incidence 18. L'angle d'incidence 18 correspondant à chaque segment 13 est enregistré dans le circuit électronique d'exploitation 22. Le circuit électronique d'exploitation 22 doit reconnaître le segment 13 à focaliser. L'angle enregistré pour le segment 13 focalisé est l'angle d'incidence 18 recherché. Pour des seg- ments disposés concentriquement autour d'un centre fictif, ces angles se correspondent. L'angle d'incidence 18 du rayonnement optique 10 permet également de déterminer une variation de direction de déplacement d'un véhicule car cette variation peut être ra- pide contrairement à celle de l'angle d'incidence 18. Lorsque le véhicule tourne, la focalisation porte sur un autre seg- ment 13. La position relative des segments 13 focalisée avant et après la rotation, est une mesure de l'angle de rotation du véhicule. Lorsque plusieurs segments 13 donnent une inten- lO sité de rayonnement 24 sensiblement de même niveau qui cor- respondent à une focalisation, le circuit électronique d'exploitation 22 reconnaît que l'angle d'incidence 18 se trouve entre les deux angles enregistrés pour chacun des dif- férents segments 13. Il faut faire des moyennes correspondan- tes. Les données de mesure mises en mémoire permettent de déterminer le rapport entre le rayonnement diffus et le rayonnement direct. L'intensité de rayonnement 24 associée au segment focalisé 13 est une mesure du rayonnement direct alors que l'intensité de rayonnement 24 des autres segments 13 correspond au rayonnement diffus. Le rayonnement direct ou le rayonnement diffus peuvent être comparés aux valeurs limi- tes de détection du jour et de la nuit en tenant compte de la courbe caractéristique du capteur. La première lentille 11 n'est pas une condition pour le fonctionnement correct du capteur. Une variante pour déterminer l'angle d'incidence consiste à exploiter de ma- nière dirigée l'amplitude de l'intensité de rayonnement. La variation de l'intensité de rayonnement 24 suivant la com- mande des segments 13 rapportée à une valeur de base sert de mesure à l'angle d'incidence 18. Le capteur décrit peut également s'utiliser pour la saisie des données géométriques d'un échantillon. Le con- tour d'ombre de l'échantillon placé directement sur la sur- face du composant optique 12 peut se mesurer avec une précision qui dépend du nombre de segments 13. Les différents segments 13 peuvent être là encore commutés de façon à deve- nir transparents successivement. Le circuit électronique d'exploitation 22 reconnaît les segments 13 qui sont recou- verts par l'échantillon et qui malgré qu'ils soient commandés pour être transparents, ne produisent pas une augmentation importante de l'intensité de rayonnement 24. Les algorithmes appropriés permettent de déterminer les données géométriques des dimensions de l'échantillon à partir des segments 13 re- connus comme occupés. Le capteur convient ainsi par exemple pour un contrôle de réception de marchandises. L'angle d'incidence 18 obtenu est utilisé par exemple pour climatiser des locaux. En outre, le capteur per- met également de déterminer le rayonnement optique 10 arri- vant à la surface du composant optique 12 ainsi que l'intensité de rayonnement 24 correspondante. Pour cela, on peut par exemple rendre tous les segments 13 transparents. L'effet du rayonnement optique 10 sur un local avec une par- tie vitrée importante (comme par exemple un véhicule) se dé- tecte sous la forme de l'angle d'incidence 18 et de l'intensité de rayonnement 24. Avec ces valeurs de mesure, on calcule à la fois la puissance frigorifique ou calorifique nécessaire ainsi que la position du volet de distribution d'air d'une installation de climatisation, de manière automa- tique. A l'aide des valeurs recueillies par expérience et mises en mémoire et en tenant compte de la date et de l'heure, on peut déterminer la position géographique de l'emplacement de la mesure ou encore en introduisant cet em- placement on obtient l'heure. Les exemples de réalisation concernent un compo- sant optique 12 qui conduit le rayonnement optique 10 par transmission sur un photodétecteur 16. De la même manière, on pourrait également utiliser un composant optique 12 qui ré- fléchit différemment le rayonnement optique suivant la com- mande des segments 13. La transmission du composant optique 12 peut être commandée mécaniquement en fonction du lieu. On peut égale- ment utiliser des polymères à transmission variable, comman- dée. R E V E N D I C A T IONS 1 ) Capteur optique à résolution de position pour détecter les paramètres d'un rayonnement optique (10), comprenant un photodétecteur (16), caractérisé en ce que dans le chemin du rayonnement optique (10), en amont du pho- todétecteur (16), il comporte un composant optique (12) à transmission commandée en fonction de son emplacement. 2 ) Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que la transmission se commande en continu ou de façon binaire. ) Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 et 2, caractérisé en ce que le composant optique (12) est subdivisé en au moins deux seg- ments (13) dont la transmission se commande indépendamment pour chacun des deux segments. 4 ) Dispositif selon la revendication 3, caractérisé par un espace intermédiaire rendu opaque entre les segments (13). 5 ) Dispositif selon l'une quelconque des revendications 3 ou 4, caractérisé en ce que les segments (13) du composant optique (12) sont disposés suivant une matrice. 6 ) Dispositif selon l'une quelconque des revendications 3 ou 4, caractérisé en ce que les segments (13) sont disposés de manière concentrique au- tour d'un segment central (13). 7 ) Dispositif selon l'une quelconque des revendications pré- cédentes, Il caractérisé en ce que dans le chemin du rayonnement optique (10), en amont du com- posant optique (12), il comporte des moyens pour focaliser le rayonnement optique (10). 8 ) Dispositif selon l'une quelconque des revendications pré- cédentes, caractérisé en ce que dans le chemin du rayonnement optique (10) en amont du photo- détecteur (16), il comporte des moyens pour focaliser le rayonnement optique (10). 9 ) Dispositif selon l'une quelconque des revendications pré- cédentes, caractérisé en ce que le composant optique (12) est un dispositif d'affichage à cristaux liquide ou à polymères à transmission variable. ) Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé par son application à la commande d'installation de climatisation ou à la détermination de caractéristiques géométriques.