ДАТЧИК ИЗЛУЧЕНИЯ ДЛЯ ОБНАРУЖЕНИЯ ПОЛОЖЕНИЯ И ИНТЕНСИВНОСТИ ИСТОЧНИКА ИЗЛУЧЕНИЯ
RADIATION SENSOR FOR DETECTING POSITION AND INTENSITY OF RADIATION SOURCE

В документе ЕР 0350886 В1 раскрыт светочувствительный датчик, в котором рассеиватель света, предназначенный для рассеянного распространения света, падающего на датчик, расположен между фотодетектором и оптическим модулятором.
Задача настоящего изобретения - обеспечить датчик излучения с особо точной настройкой выходного сигнала, зависящего от положения источника излучения.
Данная задача решается посредством датчика излучения согласно пункту 1 формулы изобретения. Зависимые пункты формулы изобретения относятся к предпочтительным конфигурациям датчика излучения.
Разработан датчик излучения для обнаружения положения и интенсивности источника излучения, содержащий, по меньшей мере, один фотодетектор, при этом чувствительная к излучению поверхность фотодетектора расположена практически перпендикулярно по отношению к горизонту датчика излучения. Однако является возможным, чтобы фотодетектор был установлен в другом положении, отличном от перпендикулярного. Фотодетектор предпочтительно расположен по отношению к горизонту датчика излучения таким образом, чтобы, по меньшей мере, часть света, испускаемого источником излучения в конкретных направлениях, достигала чувствительной поверхности фотодетектора посредством отражателя.
Положение источника излучения определяется относительно горизонта датчика излучения. Горизонт определен как главная плоскость датчика излучения, при этом заданные углы, а именно азимутальный угол и вертикальный угол, определяются в отношении горизонта датчика излучения. В случае когда источник излучения расположен перпендикулярно над горизонтом и фотодетектор расположен перпендикулярно, излучение не падает непосредственно на чувствительную к излучению поверхность фотодетектора.
Датчик излучения содержит отражатель, который при конкретных углах падения излучения отражает излучение, испускаемое источником излучения, по меньшей мере, частично, на чувствительную к излучению поверхность фотодетектора. Отражатель предпочтительно имеет форму, приближающуюся к воронке. Однако отражатель также может иметь любую желаемую форму, подходящую для отражения на фотодетектор излучения, падающего в конкретных направлениях. Стенки отражателя могут иметь криволинейную или плоскую поверхность. Отражатель может иметь любую желаемую форму, подходящую для обеспечения того, чтобы свет, испускаемый источником излучения, достигал чувствительной поверхности фотодетектора посредством отражения. Фотодетектор, по меньшей мере, частично, расположен во внутреннем пространстве, образованном отражателем.
В другом варианте осуществления, однако, фотодетектор может целиком и полностью располагаться над отражателем. Датчик излучения имеет первую сторону, через которую на него падает излучение. Отражатель предпочтительно расположен на второй стороне датчика излучения, причем упомянутая вторая сторона удалена от источника излучения, и отражатель отражает излучение, испускаемое источником излучения, по меньшей мере, частично, в направлении фотодетектора. Отражатель предпочтительно расположен на той стороне датчика излучения, которая удалена от стороны, на которую падает свет.
Источником излучения предпочтительно является солнце, положение которого задано азимутом и вертикальным углом и интенсивность которого по отношению к датчику излучения нужно определить. Датчик излучения также подходит, в частности, для отслеживания инфракрасного излучения источника. Излучение, испускаемое источником излучения, следовательно, может быть как излучением с длиной волны в инфракрасном спектре, так и светом видимого спектра.
Кроме того, по одному из предпочтительных вариантов датчик излучения снабжен крышкой. Крышка предпочтительно не пропускает излучение с конкретными длинами волн, испускаемое источником излучения.
Согласно одному из предпочтительных вариантов осуществления, крышка содержит материал, пропускающий излучение инфракрасного спектра, но не пропускающий на фотодетекторы большую часть видимого излучения.
При помощи выбора материала крышки можно, по меньшей мере, частично преломлять излучение, испускаемое источником. В результате на границе перехода из воздуха в крышку происходит преломление излучения.
Согласно одному из предпочтительных вариантов осуществления, отражатель выполнен как деталь внутренней части или как внутренняя сторона корпуса датчика излучения.
Согласно одному из предпочтительных вариантов осуществления, опора для фотодетекторов выполнена как деталь внутренней части корпуса датчика излучения. Предпочтительно, чтобы, по меньшей мере, одна внутренняя часть корпуса состояла из отражателя и опоры для фотодетекторов.
Форма, материал и/или структура поверхности отражателя предпочтительно влияют на выходной сигнал фотодетекторов, определяющих интенсивность и положение источника излучения.
Кроме того, сигнал фотодетекторов, по которому обнаруживают интенсивность и положение источника излучения, аналогичным образом подвержен влиянию расстояния между отражателем и чувствительными поверхностями фотодетекторов. В частности, вертикальное расстояние (по отношению к горизонту датчика излучения) между отражателем и чувствительной поверхностью фотодетекторов в данном случае имеет большое значение.
Согласно одному из предпочтительных вариантов осуществления, фотодетекторы содержат одно или более устройств, которые служат для воздействия на количество излучения, падающее на чувствительные поверхности фотодетекторов, с помощью затенения.
Согласно одному из предпочтительных вариантов осуществления, конструктивные или корпусные части датчика излучения служат для затенения чувствительных поверхностей фотодетекторов от падающего излучения, или, по меньшей мере, частичного затенения фотодетекторов.
Согласно еще одному варианту осуществления, на чувствительную поверхность фотодетекторов нанесен слой, который, по меньшей мере, частично, поглощает излучение, падающее на фотодетекторы, воздействуя тем самым на количество излучения, падающее на чувствительную поверхность фотодетекторов.
Согласно одному из предпочтительных вариантов осуществления, поглощающий слой нанесен не на саму чувствительную поверхность, а на корпус фотодетектора. Согласно данному варианту осуществления, поглощающий слой расположен на некотором расстоянии от чувствительной поверхности фотодетектора.
Согласно одному из предпочтительных вариантов осуществления, устройство для затенения фотодетекторов от прямого или непрямого излучения, включая излучение, испускаемое источником излучения, которое падает на чувствительную поверхность фотодетекторов посредством отражателя, расположено таким образом, что фотодетекторы защищены от падающего излучения, по меньшей мере, в каком-либо конкретном направлении, заданном азимутом и вертикальным углом.
Описанные выше объекты будут более подробно разъяснены на основе прилагаемых чертежей и иллюстративных вариантов осуществления.
Описанные ниже чертежи выполнены не в масштабе. Скорее, для более наглядной иллюстрации, отдельные размеры могут быть увеличены, уменьшены или даже искажены в пропорциях. Идентичные или выполняющие аналогичную функцию элементы обозначены одинаковыми номерами ссылочных позиций.
На Фиг.1 представлен перспективный вид первого варианта осуществления датчика излучения.
На Фиг.2 представлен перспективный вид варианта осуществления датчика излучения, представленного на Фиг.1, повернутый приблизительно на 45° против часовой стрелки.
На Фиг.3 представлен вид сверху датчика излучения.
На Фиг.4 представлен вариант осуществления датчика излучения, в котором датчик излучения снабжен крышкой.
На Фиг.5 представлен вид датчика излучения, представленного на Фиг.4, в разрезе по линии А-А.
На Фиг.6 представлен вид датчика излучения, представленного на Фиг.4, в разрезе по линии В-В.
На Фиг.7 представлен пример зависимости выходных сигналов фотодетекторов от вертикального угла излучения, падающего на два фотодетектора, при заданном азимутальном угле в -90°.
На Фиг.8 представлен пример зависимости суммарных выходных сигналов фотодетекторов от вертикального угла излучения, падающего на два фотодетектора.
На Фиг.9 представлен пример зависимости выходных сигналов фотодетекторов от вертикального угла излучения, падающего на два фотодетектора, при заданном азимутальном угле в 0°.
На Фиг.1 представлен перспективный вид первого варианта осуществления датчика излучения. Опора 5, по меньшей мере, для одного фотодетектора 2 предпочтительно находится в центре отражателя 3. На Фиг.1 на опоре 5 установлены два фотодетектора 2. На Фиг.1 показано, что отражатель 3, по меньшей мере, частично, криволинейный на участке вокруг опоры 5 для фотодетекторов, однако он может быть и совершенно прямым. Отражатель 3 служит для отражения излучения, испускаемого источником излучения, по меньшей мере, частично, на чувствительную к излучению поверхность фотодетекторов 2.
Чувствительные к излучению поверхности фотодетекторов 2 расположены перпендикулярно по отношению к горизонту, проходящему параллельно верхней кромке отражателя 3. Если угол падения составляет 90° относительно горизонта датчика 1 излучения, это означает, что излучение, испускаемое источником излучения, предпочтительно не падает непосредственно на фотодетекторы 2, а скорее направляется посредством отражения света на фотодетекторы 2 отражателем 3. Если угол падения излучения отклоняется от перпендикуляра относительно горизонта датчика 1 излучения, то излучение, по меньшей мере, частично падает непосредственно на один из двух фотодетекторов 2. В зависимости от варианта осуществления, однако, также возможно, чтобы излучение, по меньшей мере, частично, непосредственно падало на оба фотодетектора 2. Чем меньше угол падения, тем больше излучения непосредственно падает на фотодетекторы 2. Излучение, падающее на чувствительные к излучению поверхности фотодетекторов 2 через отражение от отражателя 3, таким образом, составляет большую долю при больших углах падения, чем при малых. Однако возможен и такой угол падения излучения, при котором излучение вообще не попадает на чувствительные поверхности фотодетекторов.
Чувствительные поверхности фотодетекторов 2 предпочтительно ориентированы в двух различных направлениях, перпендикулярно по отношению к горизонту датчика 1 излучения. Однако детекторы также могут быть расположены под углом друг к другу, величина которого лежит в диапазоне от 0° до 360°. Таким образом, определение положения, заданного азимутальным углом и вертикальным углом, и интенсивности источника излучения возможно посредством оценки сигналов двух фотодетекторов.
На Фиг.2 представлен перспективный вид датчика излучения 1 в соответствии с Фиг.1, повернутого приблизительно на 45° против часовой стрелки. Опора 5 для двух фотодетекторов 2 предпочтительно находится в центре отражателя 3, причем упомянутые фотодетекторы расположены перпендикулярно по отношению к горизонту датчика излучения 1. В случае, если излучение падает перпендикулярно датчику излучения 1, оно предпочтительно направляется на фотодетекторы 2 только посредством отражателя 3. В случае более малых углов падения излучения на фотодетекторы 2 оно частично улавливается непосредственно датчиками, а частично - опосредованно, через отражатель 3. Отражатель 3 предпочтительно имеет однородную кривизну на участке, лежащем напротив чувствительных поверхностей фотодетекторов 2. Следовательно, датчик излучения 1 имеет, по меньшей мере, два предпочтительных направления, для которых фотодетекторы 2 дают наиболее сильный сигнал, какой только возможен. Следовательно, датчик излучения 1 предпочтительно осесимметричен в случае представленного варианта осуществления с двумя фотодетекторами 2. В этом случае ось симметрии предпочтительно проходит через датчик излучения 1 по центру, между двумя фотодетекторами 2. Посредством данного устройства, представленного на Фиг.2, в котором чувствительные поверхности фотодетекторов 2 расположены под углом α приблизительно 45° по отношению друг к другу, является возможным, например, охлаждать сторону, где расположено сиденье водителя, системой кондиционирования воздуха, в том случае, если солнце освещает автомобиль слева. Если солнце светит зеркально-симметричным образом, то есть справа, то охлаждаться будет, например, сторона, где расположено сиденье пассажира.
На Фиг.3 показан вид в плане датчика излучения 1. В представленном варианте осуществления датчик излучения 1 имеет два фотодетектора 2, предпочтительно расположенные осесимметрично относительно линии разреза А-А'. Чувствительные поверхности фотодетекторов 2 предпочтительно расположены под углом α друг к другу. Угол α имеет величину в диапазоне от 0° до 360°. По одному из предпочтительных вариантов осуществления, проиллюстрированному на Фиг.3, угол α между двумя фотодетекторами 2 составляет 45°. На основании данного расположения двух фотодетекторов 2 друг относительно друга можно определить конкретное направление установки с учетом дальнейшей эксплуатации, например, для управления системой кондиционирования воздуха в автомашине.
На Фиг.4 проиллюстрирован вид сбоку датчика 1 излучения, на котором датчик 1 излучения снабжен крышкой 4. Крышка 4 защищает от повреждений фотодетекторы 2, расположенные внутри датчика 1 излучения и не проиллюстрированные на данном виде. Кроме того, крышка также служит для скрытия от наблюдателя внутреннего устройства датчика. Это облегчает приспособление датчика излучения к окружающей его обстановке, например, приборной панели автомобиля. Кроме того, крышка 4 служит для передачи излучения, испускаемого источником излучения, которое имеет определенную длину волны, лежащую в определенном диапазоне. Предпочтительно, чтобы крышка 4 пропускала инфракрасное излучение. Крышка 4, по меньшей мере, пропускает лишь частично, а предпочтительно - вообще не пропускает излучение с другой длиной волны.
На Фиг.5 представлен вид датчика излучения, представленного на Фиг.3, в разрезе по линии А-А'. Согласно данному варианту осуществления, датчик 1 излучения проиллюстрирован с крышкой 4, которая не была показана на Фиг.3. Датчик 1 излучения предпочтительно имеет криволинейный отражатель 3. Отражатель 3 имеет участки, обращенные к фотодетекторам 2 и отражающие излучение в направлении фотодетекторов 2. Отражатель также может иметь прямые участки и края. Возможна любая форма отражателя, обеспечивающая нужные характеристики.
На Фиг.6 представлен вид сбоку датчика 1 излучения, представленного на Фиг.3, в разрезе по линии В-В'. В данном варианте осуществления, как и на Фиг.5, датчик 1 излучения проиллюстрирован с крышкой 4, которая не была показана на Фиг.3. Датчик 1 излучения предпочтительно имеет криволинейный отражатель 3. Опора 5 расположена по центру отражателя 3, и на ней установлены, по меньшей мере, два фотодетектора 2. Участок отражателя 3, обращенный к фотодетекторам 2, имеет наклонную область, как показано на Фиг.6. Однако отражатель 3 также может быть криволинейным, или изогнутым, каким-либо другим способом, или может иметь кромки. Форма отражателя 3 оказывает влияние на определение положения, заданного азимутом, вертикальным углом и интенсивностью источника излучения. Отражатель 3 предпочтительно выполнен таким образом, чтобы излучение, испускаемое источником света в определенных направлениях, отражалось отражателем 3 и передавалось на чувствительные поверхности фотодетекторов 2. Для излучения, падающего на датчик 1 излучения под малым углом, фотодетекторы предпочтительно расположены таким образом, чтобы часть чувствительной поверхности фотодетектора 2 выступала за край отражателя. В результате излучение, испускаемое источником излучения, в случае малого угла падения может падать непосредственно на чувствительную к излучению поверхность фотодетекторов 2. В представленном варианте осуществления, по меньшей мере, часть чувствительной поверхности каждого фотодетектора 2 выступает за край отражателя 3. Однако отражатель 3 также может полностью находиться под фотодетекторами 2.
На Фиг.7 представлена зависимость измеряемого сигнала двух фотодетекторов от угла падения излучения, падающего на чувствительные поверхности фотодетекторов, по отношению к горизонту датчика излучения при заданном азимутальном угле -90°, то есть источник излучения перемещается поверх датчика с левой стороны на правую. Датчик излучения, описанный в связи с Фиг.1-6, использовался для создания кривых результатов измерения, представленных на Фиг.7, 8 и 9. Был использован вариант осуществления с двумя фотодетекторами, чувствительные поверхности которых расположены под углом 45 друг к другу. На Фиг.7 представлен пример профиля стандартного измеряемого сигнала двух фотодетекторов, нанесенного на ось у. На оси х представлен вертикальный угол излучения, падающего на два фотодетектора, по отношению к горизонту датчика излучения, представленный в градусах. В этом случае значения 0° и 180° указывают на вертикальный угол, при котором излучение падает на датчик излучения слева и справа, соответственно. При угле 90° излучение падает перпендикулярно на датчик излучения; в этом случае излучение предпочтительно попадает на фотодетекторы исключительно через отражение посредством отражателя. Азимутальный угол на данном графике составляет -90°. Профиль 7 кривой первого фотодетектора, представленный в виде кривой линии с точками, имеет максимальный уровень сигнала 100% при угле падения приблизительно 45°. При вертикальном угле величиной 0° уровень сигнала фотодетектора составляет приблизительно 30%. От 0° до 5° кривая 7 резко поднимается. От 45° до 180° кривая 7 имеет профиль, приближенный к линейному, при вертикальном угле 180° уровень сигнала составляет примерно 10%. Профиль 8 кривой второго фотодетектора зеркально симметричен относительно значения вертикального угла 90°. При угле падения 0° кривая второго фотодетектора 8 имеет абсолютный минимум уровня сигнала - приблизительно 10%. Кривая 8 почти линейно восходит до максимального уровня в 100%, соответствующего вертикальному углу в 135°. Между вертикальным углом от 135° до 180° кривая 8 резко опускается до уровня сигнала примерно в 30%.
На Фиг.8 показан пример зависимости уровня сигнала двух фотодетекторов от угла падения излучения, падающего на два фотодетектора, к горизонту датчика излучения. Азимутальный угол на данном графике составляет -90°. Ось у показывает стандартную величину уровня сигнала. На оси х представлен вертикальный угол излучения, падающего на два фотодетектора, по отношению к горизонту датчика излучения, представленный в градусах. В этом случае значения 0° и 180° указывают на вертикальный угол, при котором излучение падает на датчик излучения параллельно его горизонту. Кривая 9 показывает сумму сигналов двух фотодетекторов, показанных на Фиг.7. При вертикальном угле величиной 0° и 180° кривая 9 в каждом случае имеет абсолютный минимум уровня сигнала - приблизительно 30%. Кривая 9 имеет два локальных максимума при вертикальных углах величиной в 70° и 110°, когда уровень сигнала составляет 100%. Между этими двумя максимумами лежит локальный максимум при вертикальном угле 90°, где уровень сигнала составляет приблизительно 98%.
На Фиг.9 в качестве примера показана зависимость уровня выходного сигнала двух фотодетекторов от вертикального угла излучения, падающего на фотодетекторы, к горизонту датчика излучения. Ось у показывает стандартную величину уровня сигнала. На оси х представлен вертикальный угол излучения, падающего на два фотодетектора, по отношению к горизонту датчика излучения, представленный в градусах. В этом случае величины 0° и 180° показывают вертикальный угол, при котором излучение падает на датчик излучения параллельно его горизонту. Азимутальный угол на данном графике составляет 0°. Профиль сигнала кривых 7 и 8 почти идентичен в случае азимутального угла 0°. Кривые 7 и 8 имеют максимумы при вертикальном угле, равном приблизительно 60. Уровень сигнала составляет приблизительно 30% от максимального уровня при вертикальном угле 0°. От 60° до 110° уровень сигнала медленно падает от 10% приблизительно до 80%. При вертикальном угле от 110° до 180° уровень сигнала падает более резко, до значения приблизительно 18% при вертикальном угле 180°.
Вариант осуществления, проиллюстрированный на чертежах, дает возможность обеспечить датчик излучения с наименьшей возможной конструктивной высотой. В частности, вышеописанная конструкция дает возможность реализовать датчик излучения, в котором, в частности, крышка также имеет малую высоту.
Хотя мы смогли описать лишь ограниченное количество возможных решений в иллюстративном варианте осуществления, изобретение не ограничено ими. В принципе, является возможным использовать более одного фотодетектора, в результате чего можно более точно определить положение источника излучения.
Изобретение не ограничивается проиллюстрированным количеством элементов.
Описание объектов в данном документе не ограничивается отдельными конкретными вариантами осуществления; напротив, признаки отдельных вариантов осуществления можно сочетать друг с другом любым желаемым способом, исходя из соображений технической целесообразности.
Список ссылочных позиций
1 - Датчик излучения
2 - Фотодетектор
3 - Отражатель
4 - Крышка
5 - Опора
7 - Профиль сигнала первого фотодетектора
8 - Профиль сигнала второго фотодетектора
9 - Профиль сигнала двух фотодетекторов
х - ось х
у - ось у
α - Угол между фотодетекторами 2