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WO2020234046A1 - Optoelektronische messvorrichtung zur messung einer intensität einer elektromagnetischen strahlung - Google Patents

Optoelektronische messvorrichtung zur messung einer intensität einer elektromagnetischen strahlung Download PDF

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WO2020234046A1
WO2020234046A1 PCT/EP2020/063181 EP2020063181W WO2020234046A1 WO 2020234046 A1 WO2020234046 A1 WO 2020234046A1 EP 2020063181 W EP2020063181 W EP 2020063181W WO 2020234046 A1 WO2020234046 A1 WO 2020234046A1
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WO
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detector
measuring device
electromagnetic radiation
signal
spectral
Prior art date
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Ceased
Application number
PCT/EP2020/063181
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English (en)
French (fr)
Inventor
Daniel Dietze
Wolfgang Zinkl
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Ams Osram International GmbH
Original Assignee
Osram Opto Semiconductors GmbH
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
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Publication date
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Priority to CN202080037802.3A priority patent/CN113853511B/zh
Priority to US17/612,916 priority patent/US11835384B2/en
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    • G01J3/46—Measurement of colour; Colour measuring devices, e.g. colorimeters
    • G01J3/465—Measurement of colour; Colour measuring devices, e.g. colorimeters taking into account the colour perception of the eye; using tristimulus detection

Definitions

  • Optoelectronic measuring device for measuring an intensity of electromagnetic radiation
  • the invention relates to an optoelectronic measuring device for measuring the intensity of an electromagnetic radiation striking the measuring device and to an associated method.
  • Such an optoelectronic measuring device can comprise several detectors whose detector signals are evaluated.
  • the detector signals from two detectors can be subtracted from one another in order to generate a difference signal.
  • a constant measurement error also called offset
  • the object is to provide an optoelectronic measuring device for measuring the intensity of electromagnetic radiation hitting the optoelectronic measuring device and a corresponding method for measuring an intensity of electromagnetic radiation.
  • Such a detector comprises a first detector which detects the electromagnetic radiation and provides a first detector signal dependent thereon, and a second detector which likewise detects the electromagnetic radiation and provides a second detector signal dependent thereon.
  • the measuring device furthermore comprises a signal differentiator, which subtracts the second detector signal from the first detector signal and thereby generates a difference signal.
  • a spectral filter is arranged, which filters the electromagnetic radiation before detection by the second detector.
  • a corresponding measurement method accordingly comprises the step of detecting S1 the electromagnetic radiation by means of a first detector while providing a detector that is dependent on the intensity of the electromagnetic radiation first detector signal, detecting S2 of the electromagnetic radiation by means of a second detector while providing a second detector signal dependent on the intensity of the electromagnetic radiation, the electromagnetic radiation being filtered by means of a spectral filter prior to detection by the second detector, and generating S3 a difference signal between the first detector signal and the second detector signal by subtracting the second detector signal from the first detector signal.
  • detectors e.g. comprising or consisting of a silicon photodiode
  • detector signals can output detector signals with a temperature-dependent offset, also known as dark current, which can be eliminated by the subtraction described above.
  • a spectral sensitivity of the measuring device is influenced by the spectral filter.
  • Detectors have a sensitive spectral range. This is the wavelength range in which radiation is detected.
  • a detector can have a wavelength-dependent sensitivity, also called spectral sensitivity, so that different wavelengths of the same intensity detector signals of different strengths, e.g. Generate voltages or currents.
  • the electromagnetic radiation is of high intensity in a spectral range which the spectral filter greatly reduces in intensity
  • a high first detector signal can be provided and a small second detector signal to be subtracted therefrom, resulting in a high difference signal.
  • Spectral filter is hardly reduced in its intensity, is of high intensity, a high first detector signal can be provided and an equally high second detector signal to be subtracted therefrom. This in turn results in a low differential signal.
  • the spectral sensitivity of the difference signal for the electromagnetic radiation in precisely this spectral range can be low, whereas the spectral sensitivity of the difference signal for a different spectral range due to a high absorption of the spectral filter the electromagnetic radiation is high in precisely this other spect ral range.
  • the optoelectronic measuring device preferably comprises a signal output at which the previously described difference signal is output. This can take place in method step S3.
  • the first detector preferably has, at least in part of its sensitive spectral range, a spectral sensitivity that is similar to that of the second detector.
  • the first detector can have a spectral sensitivity which is identical to the second detector, at least in part of its sensitive spectral range, apart from manufacturing tolerances.
  • the first detector is structurally identical to the second detector.
  • the two detectors can be of the same type and only differ in terms of manufacturing tolerances.
  • a spectral sensitivity of the first and second detectors that is identical except for manufacturing tolerances can, for example, also be achieved in detectors of different types in that at least one of the detectors has an electronic circuit which provides a spectral sensitivity identical to that of the other detector, for example, by increasing or decreasing the corresponding detector signal as a function of the wavelength or independently of the wavelength.
  • electromagnetic radiation from a spectral range in which the spectral filter does not filter generates first and second detector signals of the same height, so that the resulting measurement signal is zero apart from measurement errors.
  • Electromagnetic radiation of a spectral range the intensity of which is reduced by the spectral filter, however, generates a first detector signal that is greater than the second detector signal, so that a positive difference signal results. Accordingly, the spectral sensitivity of the difference signal for the input radiation can be determined by the spectral range, which the spectral filter reduces in intensity.
  • the spectral filter is preferably not arranged in the beam path in front of the first detector. Then the electromagnetic radiation is not filtered by the spectral filter before detection by the first detector.
  • the first detector or the second detector, or ideally both the first and the second detector, can comprise or consist of a silicon photodiode.
  • the spectral sensitivity of silicon photodiodes is not adapted to the spectral sensitivity of the human eye. Such an adjustment can be made by the spectral filter previously described be.
  • Spectral filters have a wavelength-dependent intensity attenuation, hereinafter referred to as spectral intensity attenuation.
  • the spectral sensitivity of the second detector in combination with the spectral filter for a certain wavelength is accordingly equal to the spectral sensitivity of the second detector without the spectral filter for this wavelength multiplied by the factor one minus the spectral intensity attenuation of the spectral filter for this wavelength.
  • the spectral filter is preferably at least 50% or at least 75% or even at least 90% intensity-weakening in a green spectral range, which means that at a wavelength in a green spectral range the spectral intensity attenuation of the spectral filter is at least 50% or at least 75% or even at least 90%.
  • the spectral filter can be at least 50% or at least 75% or even at least 90% intensity-weakening in a spectral range from 530 nm up to and including 580 nm, which means that the spectral intensity attenuation is at every wavelength of the specified spectral range Spectral filter at least 50% or at least 75% or even at least 90%.
  • the spectral filter can be at most 30% or at most 20% or at most 10% intensity attenuating in a spectral range from and including 200 nm up to and including 450 nm, which means that the spectral intensity attenuation of the spectral filter is at most 30 at each wavelength of the spectral range mentioned % or a maximum of 20% or a maximum of 10%.
  • the spectral filter can be at most 30% or at most 20% or at most 10% intensity attenuating in a spectral range from 670 nm up to and including 1200 nm, which means that the spectral intensity attenuation of the spectral filter is at most 30 for each wavelength of the spectral range mentioned % or a maximum of 20% or a maximum of 10%.
  • the spectral intensity attenuation preferably has a maximum in a wavelength range from 550 nm up to and including 560 nm.
  • the maximum can be a global maximum based on the spectral range from 530 nm to 580 nm inclusive or, preferably, from 200 nm to 1200 nm inclusive. In this way, for example, an adaptation to the spectral sensitivity of the human eye can take place.
  • the standard CIE 018.2-1983 describes the spectral sensitivity of the human eye.
  • a spectral filter is used whose spectral intensity attenuation is such that the mean square deviation between a spectral sensitivity of the difference signal normalized to one for the electromagnetic radiation and the (according to CIE 018.2 -1983 between zero and 1) spectral sensitivity of the human eye according to CIE 018.2-1983 is smaller than the mean square deviation between the normalized to one spectral sensitivity of the first detector signal for the electromagnetic radiation and the spectral sensitivity of the human eye according to CIE 018.2-1983 and / or is smaller than the mean square deviation between the normalized spectral sensitivity of the second detector signal for electromagnetic radiation and the spectral sensitivity of the human eye according to CIE 018.2- 1983.
  • the spectral filter can be a multilayer interference filter. This can comprise several dielectric and / or metallic layers. Furthermore, it can be a bulk filter, i.e. a filter in which a filter material is embedded in an injection molding material or in a potting material. Such a bulk filter advantageously shows a significantly lower angle dependency than a multilayer interference filter.
  • the spectral filter can particularly preferably comprise or consist of a centrifuged filter material.
  • a centrifuged filter material can easily be applied to a silicon substrate or a silicon umphotodiode and show a low dependence on the angle of incidence of the electromagnetic radiation.
  • a spectral sensitivity of the difference signal can be generated that would otherwise (e.g. using only one detector and attaching the spectral filter in a beam path in front of this detector) would only be possible with more complex filter systems.
  • a notch filter called notch filter in English
  • a high spectral sensitivity of the difference signal can be achieved precisely in this spectral range.
  • the spectral filter (in particular a bulk filter or a spin-on spectral filter) can comprise or consist of a filter material selected from the following group of filter materials:
  • a cyanine dye especially Cy3
  • the spectral filter has only one filter material, also called dye, for example only one Cy3 filter material or only the dye “Procion® Red MX-5B”.
  • the spectral filter can moreover comprise a fluorescence quenching means which suppresses fluorescence of a filter material.
  • both the first detector and the second detector are arranged to detect the electromagnetic radiation, although the spectral filter is arranged in the beam path in front of the second detector.
  • the first detector and the second detector can be arranged relative to one another in such a way that a distance between a detection area of the first detector and a detection area of the second detector is less than or equal to 2 cm, preferably less than or equal to 5 mm and particularly preferably less or equal to 1 mm or even less than or equal to 100 gm.
  • An area of the respective detector is referred to as a detection area, the detector being set up to detect the electromagnetic radiation impinging on the detection area and to provide a detector signal dependent thereon, for example on the radiation intensity, and set up to provide a not to detect electromagnetic radiation impinging on the detector outside the detection area.
  • the first detector and the second detector can be arranged and designed relative to one another in such a way that all points of the first and the second detection area are at a distance less than or equal to 1.5 cm or preferably less than or equal to 3 mm or particularly preferably less than or equal to 500 gm to each other.
  • the first detector and the second detector can be arranged relative to one another in such a way that a main detection direction of the first detector and a main detection direction of the second detector are at an angle of at most 45 degrees or preferably at most 30 degrees or particularly preferably not more than 15 degrees to one another.
  • the main detection direction is a direction in which the detector has a maximum detection efficiency for the electromagnetic radiation.
  • the first detector and the second detector are arranged relative to one another in such a way that a distance between a detection area of the first detector and a detection area of the second detector is less than or equal to 2 cm, preferably less than or equal to 5 mm and particularly preferred is less than or equal to 1 mm or even less than or equal to 100 gm and the main detection direction of the first detector and a main detection direction of the second detector are at an angle of at most 30 degrees to each other.
  • the first detector and the second detector are arranged and designed relative to one another in such a way that all points of the first and second detection area are at a distance less than or equal to 1.5 cm or better less than or equal to 3 mm or better less than or equal to 500 gm to one another, and arranged relative to one another in such a way that a main detection direction of the first detector and a main detection direction of the second detector are at an angle of at most 30 degrees to one another.
  • the optoelectronic measuring device can also comprise an optical radiation distribution means that is set up and arranged for the electromagnetic radiation that hits the optoelectronic measuring device To distribute radiation to the first detector and the second detector.
  • the radiation distribution means can be arranged in a beam path in front of the first and the second detector.
  • the radiation distribution means can for example comprise a light guide which directs the electromagnetic radiation to the first and second detectors.
  • the radiation distribution means can comprise a scattering element which is arranged in a beam path in front of the first and the second detector.
  • the invention also relates to a display device comprising the optoelectronic measuring device described above, wherein the optoelectronic measuring device is arranged, for example, to detect ambient brightness.
  • the display device preferably comprises a control device which is set up to control a display brightness of a display element of the display device as a function of the difference signal.
  • This can be the display device of a telephone, tablet or smartphone or a motor vehicle.
  • the control device can be set up to increase the display brightness as the difference signal increases, so that the display element becomes brighter as the ambient brightness increases.
  • the invention also relates to a motor vehicle comprising the optoelectronic measuring device described above, where in the case of the optoelectronic measuring device is arranged, for example, to detect ambient brightness.
  • Motor vehicle preferably comprises a control device which is set up to control a brightness as a function of the difference signal.
  • This can be a display brightness of a display device of the motor vehicle.
  • the control device can be set up to control a headlight or a position lamp of the motor vehicle as a function of the difference signal.
  • the control device can be set up to switch off the headlight or the position light when the difference signal is high, so that the headlight or the position light does not light up when the ambient brightness is high.
  • Figure 1 an optoelectronic measuring device according to a first embodiment
  • FIG. 2 an optoelectronic measuring device according to a second exemplary embodiment
  • FIG. 4 an optoelectronic measuring device according to a third exemplary embodiment
  • Figure 5a to 5e spectral sensitivities in connection with the optoelectronic measuring device according to the third embodiment
  • Figure 7 a display device
  • Figure 8 a motor vehicle.
  • the optoelectronic measuring device 1 according to the first exemplary embodiment illustrated in FIG. 1 comprises a first detector 10 and a second detector 20. These are both set up to detect electromagnetic radiation L and in each case to output a radiation intensity-dependent detector signal.
  • the first detector signal from the first detector 10 is transmitted via a first data line 13 to a signal differentiator 30 and a second detector signal from the second detector 20 is transmitted to the signal differentiator 30 via a second data line 23.
  • the detector signals can also be transmitted, for example, by radio or by means of light signals.
  • the signal differentiator 30 generates a difference signal by subtracting the second detector signal from the first detector signal.
  • both detectors 10, 20 detect the electromagnetic radiation L, but it is in one A spectral filter 24 is arranged in front of the second detector 20 in the beam path S, so that the electromagnetic radiation is filtered by the spectral filter 24 prior to detection by the second detector 20.
  • the spectral filter 24 is not arranged in the beam path in front of the first detector 10, so that in the present exemplary embodiment the electromagnetic radiation S is not filtered by the spectral filter 24 before detection by the first detector 10.
  • the optoelectronic measuring device 1 shown in FIG. 2 is constructed analogously to that of the first exemplary embodiment, but includes further components. It also includes a signal output 31 at which the differential signal is output and can be accessed. This can be done electrically or by radio or optically by means of light signals.
  • a control device 3, which processes the differential signal in a suitable manner and is not part of the measuring device 1, is connected to the signal output 31.
  • the control device 3 can be, for example, an interface of a personnel computer, by means of which the difference signal is evaluated.
  • a radiation distribution means 40 is arranged via this in the beam path S in front of the first detector 10 and the second detector 20.
  • This is a diffusing screen that diffuses the incident electromagnetic radiation L so that both the first detector 10 and the second detector 20 detect the electromagnetic radiation L.
  • a light guide could also be used, for example, to guide the electromagnetic radiation L to the first and second detectors 10, 20.
  • the distance and the alignment of the two detectors 10, 20 of the second embodiment are shown schematically to each other.
  • a distance d between the detection surfaces 11, 21 of the two detectors is only 1 mm and the detection surfaces 11, 21 are at the same time so small that all points of the first and second detection surfaces 11, 21 are at a distance r less than or equal to 3 mm from one another so that both the first detector 10 and the second detector 20 detect the electromagnetic radiation L.
  • first detector and the second detector are arranged relative to one another in such a way that a main detection direction 12 of the first detector 10 and a main detection direction 22 of the second detector 20 are parallel - apart from manufacturing tolerances - so that both the first detector 10 as well as the second detector 20 detect the electromagnetic radiation L.
  • the optoelectronic measuring device 1 according to a third exemplary embodiment shown in FIG. 4 is constructed analogously to the optoelectronic measuring device 1 according to the second exemplary embodiment.
  • the first detector 10 consists in the present case of a silicon photodiode 10a and the second detector 20 consists of a silicon photodiode 20a of the same construction.
  • the signal differentiator 30 comprises an operational amplifier 132 which is connected with the aid of the resistor 133 in such a way that it regulates a voltage present at the output 31 in such a way that it increases the differential voltage at its two inputs (labeled + and - in FIG. 4) zero is regulated.
  • the radiation distribution means 40 is not shown in the third exemplary embodiment of an optoelectronic measuring device 1, but it can be present.
  • the silicon photodiodes 10a, 10b can be arranged as described in connection with FIG.
  • the spectral sensitivity gi (l) of the first silicon photodiode 10a of the third embodiment is shown normalized to one.
  • the second silicon photodiode 10b which is identical to this, has basically the same spectral range Sensitivity to. However, it is preceded by the spectral filter 24, which causes a wavelength-dependent intensity weakening, also called spectral intensity weakening a (l), of the electromagnetic radiation L.
  • the spectral filter 24 which causes a wavelength-dependent intensity weakening, also called spectral intensity weakening a (l), of the electromagnetic radiation L.
  • it is a spectral filter 24 consisting of the commercially available filter material QXL® 570 C2 maleimide.
  • the aforementioned spectral sensitivity of the second silicon photodiode 20a without spectral filter is not shown directly in FIG. 5a, but due to the identical construction of the two silicon photodiodes 10a, 20a it corresponds to the shown spectral sensitivity gi (l) of the first silicon photodiode 10a.
  • FIGS. 5b, 5c, 5d and 5e corresponding spectral sensitivities gi (l), g2 (l) and g3 (l) for other filter materials are shown with reference to embodiment 3 of FIG. 4, each in combination with the silicon photodiodes 10a, 20a of embodiment 3. They relate to:
  • FIG. 5a as mentioned, a spectral filter consisting of the commercially available filter material QXL® 570
  • Figure 5b a spectral filter consisting of a dye of the crystal violet type
  • Figure 5c a spectral filter consisting of nanoparticles of gold embedded in a matrix with a typical diameter of 80 nm
  • Figure 5d a spectral filter consisting of a cyanine dye of the Cy3 type
  • FIG. 5e a spectral filter consisting of the commercially available filter material Procion® Red MX-5B.
  • the aforementioned filter materials can in particular be spun onto a filter support or onto the second silicon photodiode 20a.
  • All the spectral sensitivities g 3 (l) of the difference signals shown in FIGS. 5a to 5e normalized to one are similar to the one normalized spectral sensitivity V (l) of the human eye according to the CIE 018.2-1983 standard more than that normalized to one spectral sensitivity gi (l) of a silicon photodiode.
  • the mean square deviation between a normalized to one spectral sensitivity g 3 (l) of the difference signal and the normalized to one spectral sensitivity V (l) of the human eye according to CIE 018.2-1983 is smaller than the mean square deviation between the one normalized spectral sensitivity of the first detector signal gi (l) and the one normalized spectral sensitivity V (l) of the human eye according to CIE 018.2-1983.
  • FIG. 6 shows a method for measuring the intensity of the electromagnetic radiation (L) which is suitable for the previously described exemplary embodiments of the optoelectronic measuring device.
  • step S1 "Detecting the electromagnetic radiation L by means of the first detector 10, 10a". A first detector signal that is dependent on the intensity of the electromagnetic radiation is provided.
  • step S2 "Detecting the electromagnetic radiation L by means of the second detector 20, 20a, the electromagnetic radiation L being filtered by means of the spectral filter 24 before detection by the second detector 20" electromagnetic radiation dependent second detector signal provided.
  • step S3 "Generating the difference signal".
  • the second detector signal is subtracted from the first detector signal by means of the signal differentiator 30.
  • the resulting difference signal can be output via the signal output 31.
  • step SE "End”.
  • control device 3 can be an interface of a personal computer, by means of which, for example, the difference signal is evaluated in a measuring laboratory.
  • the measuring device 1 described above can also be used in a display device 200, for example, in accordance with the exemplary embodiments described above.
  • a display device 200 is shown by way of example in FIG. It comprises a display element 201 in the form of a display and a measuring device 1 according to one of the embodiments described above, play 1 to 3. The latter is arranged to detect ambient brightness.
  • the display device 200 also includes a control device 3, which increases the display brightness of a display element 201 as the ambient brightness increases, depending on the difference signal, so that the display element 201 is easy to read in a bright environment and does not dazzle in a dark environment.
  • this is the spectral sensitivity of the measuring device 3 adapted to the sensitivity curve of the human eye by the spectral filter 24.
  • the display device 200 can be part of a telephone, tablet, smartphone or motor vehicle 210, for example.
  • the measuring device 1 is arranged in the area of the windshield in order to detect ambient brightness here, in particular the strength of solar radiation.
  • the display 201 is arranged to be visible to the driver and the control device 3 is located in the engine compartment.
  • the control device is not only set up to control the display brightness as described above in connection with FIG. Rather, the headlights 211 and the position lights 212 of the motor vehicle 210 are also controlled as a function of the difference signal, so that the headlights 211 and the position lights 212 are switched off when the ambient brightness is high and switched on when the ambient brightness is low.

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Abstract

Zur Messung einer Intensität einer auf eine optoelektronische MessVorrichtung (1) treffenden elektromagnetischen Strahlung (L) wird die elektromagnetische Strahlung (L) mit einem ersten Detektor (10) unter Bereitstellung eines ersten Detektorsignals erfasst. Überdies wird die elektromagnetische Strahlung (L) mit einem zweiten Detektor (20) unter Bereitstellung eines zweiten Detektorsignals erfasst, wobei in einem Strahlengang (S) vor dem zweiten Detektor (20) ein Spektralfilter (24) angeordnet ist, um die elektromagnetische Strahlung (L) vor Detektion durch den zweiten Detektor (20) zu filtern. Mittels eines Signaldifferenzierers (30) wird durch Subtraktion des zweiten Detektorsignals von dem ersten Detektorsignal ein Differenzsignal erzeugt.

Description

Optoelektronische Messvorrichtung zur Messung einer Intensi tät einer elektromagnetischen Strahlung
Die Erfindung betrifft eine optoelektronische Messvorrichtung zur Messung der Intensität einer auf die Messvorrichtung treffenden elektromagnetischen Strahlung sowie ein zugehöri ges Verfahren.
Eine solche optoelektronische Messvorrichtung kann mehrere Detektoren umfassen, deren Detektorsignale ausgewertet wer den. Insbesondere können die Detektorsignale zweier Detekto ren voneinander abgezogen werden, um ein Differenzsignal zu erzeugen. Dadurch kann beispielsweise ein in beiden Detektor signalen vorhandener konstanter Messfehler (auch Offset ge nannt) eliminiert werden.
Es stellt sich die Aufgabe, eine optoelektronische Messvor richtung zur Intensitätsmessung einer auf die optoelektroni sche Messvorrichtung treffenden elektromagnetischen Strahlung sowie ein entsprechendes Verfahren zur Messung einer Intensi tät einer elektromagnetischen Strahlung bereitzustellen.
Eine solche umfasst einen ersten Detektor, der die elektro magnetische Strahlung erfasst und ein davon abhängiges erstes Detektorsignal bereitstellt, und einen zweiten Detektor, der ebenfalls die elektromagnetische Strahlung erfasst und ein davon abhängiges zweites Detektorsignal bereitstellt . Die Messvorrichtung umfasst überdies einen Signaldifferenzierer, der das zweite Detektorsignals von dem ersten Detektorsignal subtrahiert und dadurch ein Differenzsignal erzeugt. In einem Strahlengang vor dem zweiten Detektor ist ein Spektralfilter angeordnet, der die elektromagnetische Strahlung vor Detekti on durch den zweiten Detektor filtert.
Ein entsprechendes Messverfahren umfasst dementsprechend den Schritt des Erfassens S1 der elektromagnetischen Strahlung mittels eines ersten Detektors unter Bereitstellung eines von der Intensität der elektromagnetischen Strahlung abhängigen ersten Detektorsignals, des Erfassens S2 der elektromagneti schen Strahlung mittels eines zweiten Detektors unter Bereit stellung eines von der Intensität der elektromagnetischen Strahlung abhängigen zweiten Detektorsignals, wobei die elektromagnetische Strahlung vor Detektion durch den zweiten Detektor mittels eines Spektralfilters gefiltert wird, und des Erzeugens S3 eines Differenzsignals zwischen erstem De tektorsignal und zweiten Detektorsignal durch Subtraktion des zweiten Detektorsignals von dem ersten Detektorsignal.
Dadurch kann einerseits ein in beiden Detektorsignalen vor handener konstanter Messfehler (auch Offset genannt) elimi niert werden. Beispielsweise können Detektoren (z.B. umfas send oder bestehend aus einer Silizium-Photodiode) Detektor signale mir einem temperaturabhängigen Offset, auch Dun kelstrom genannt, ausgeben, der durch die zuvor beschriebene Subtraktion eliminiert werden kann.
Gleichzeitig wird durch den Spektralfilter eine spektrale Empfindlichkeit der Messvorrichtung beeinflusst. Detektoren haben einen sensitiven Spektralbereich. Dies ist der Wellen längenbereich, in dem Strahlung detektiert wird. Ein Detektor kann eine wellenlängenabhängige Empfindlichkeit, auch spekt rale Empfindlichkeit genannt, haben, so dass unterschiedliche Wellenlängen gleicher Intensität unterschiedlich starke De tektorsignale, z.B. Spannungen oder Ströme, generieren.
Wenn beispielsweise die elektromagnetische Strahlung in einem Spektralbereich, den der Spektralfilter in seiner Intensität stark reduziert, von hoher Intensität ist, kann ein hohes erstes Detektorsignal bereitgestellt werden und ein kleines davon zu subtrahierendes zweites Detektorsignal, woraus ein hohes Differenzsignal resultiert. Wenn hingegen die elektro magnetische Strahlung in einem Spektralbereich, den der
Spektralfilter in seiner Intensität kaum reduziert, von hoher Intensität ist, kann ein hohes erstes Detektorsignal bereit gestellt werden und ein ebenso hohes davon zu subtrahierendes zweites Detektorsignal. Daraus wiederum resultiert ein nied- riges Differenzsignal. Im Ergebnis kann also auf Grund einer geringen Absorption des Spektralfilters in einem bestimmten Spektralbereich die spektrale Empfindlichkeit des Differenz signals für die elektromagnetische Strahlung in genau diesem Spektralbereich gering sein, wohingegen durch eine hohe Ab sorption des Spektralfilters in einem anderen Spektralbereich die spektrale Empfindlichkeit des Differenzsignals für die elektromagnetische Strahlung in genau diesem anderen Spekt ralbereich hoch ist.
Die optoelektronische Messvorrichtung umfasst vorzugsweise einen Signalausgang, an dem das zuvor beschriebene Differenz signal ausgegeben wird. Dies kann in dem Verfahrensschritt S3 erfolgen .
Vorzugsweise hat der erste Detektor zumindest in einem Teil von dessen sensitivem Spektralbereich eine im Vergleich zu dem zweiten Detektor gleichartige spektrale Empfindlichkeit. Beispielsweise kann der erste Detektor zumindest in einem Teil von dessen sensitivem Spektralbereich bis auf Ferti gungstoleranzen eine im Vergleich zu dem zweiten Detektor identische spektrale Empfindlichkeit aufweisen.
Idealerweise ist der erste Detektor baugleich zu dem zweiten Detektor. Insbesondere können die beiden Detektoren vom sel ben Typ sein und sich nur durch Fertigungstoleranzen unter scheiden .
Eine bis auf Fertigungstoleranzen identische spektrale Emp findlichkeit des ersten und zweiten Detektors kann beispiels weise auch bei Detektoren von unterschiedlichem Typ dadurch erzielt werden, dass zumindest einer der Detektoren eine elektronische Schaltung aufweist, die eine zu der des anderen Detektors identische spektrale Empfindlichkeit bereitstellt, beispielsweise, indem sie das entsprechende Detektorsignal wellenlängenabhängig oder wellenlängenunabhängig anhebt oder reduziert . Im Falle einer identischen spektralen Empfindlichkeit beider Detektoren erzeugt eine elektromagnetische Strahlung von ei nem Spektralbereich, in dem der Spektralfilter nicht filtert, erste und zweite Detektorsignale von gleicher Höhe, so dass das resultierende Messsignal bis auf Messfehler Null ist. Elektromagnetische Strahlung eines Spektralbereichs, den der Spektralfilter in seiner Intensität reduziert, erzeugt hinge gen ein erstes Detektorsignal, dass größer ist als das zweite Detektorsignal, so dass ein positives Differenzsignal resul tiert. Dementsprechend kann durch den Spektralbereich, den der Spektralfilter in seiner Intensität reduziert, die spekt rale Empfindlichkeit des Differenzsignals für die Eingangs strahlung festgelegt werden.
Vorzugsweise ist der Spektralfilter nicht in dem Strahlengang vor dem ersten Detektor angeordnet. Dann wird die elektromag netische Strahlung vor Detektion durch den ersten Detektor nicht durch den Spektralfilter gefiltert.
Der erste Detektor oder der zweite Detektor oder idealerweise sowohl der erste als auch der zweite Detektor können eine Si liziumphotodiode umfassen oder daraus bestehen.
Die spektrale Empfindlichkeit von Siliziumphotodioden ist nicht an die spektrale Empfindlichkeit des menschlichen Auges angepasst. Eine derartige Anpassung kann durch den zuvor be schriebenen Spektralfilter erfolgen.
Spektralfilter besitzen eine wellenlängenabhängige Intensi- tätsschwächung, im Folgenden spektrale Intensitätsschwächung genannt. Die spektrale Empfindlichkeit des zweiten Detektors in Kombination mit dem Spektralfilter für eine bestimmte Wel lenlänge ist dementsprechend gleich der spektralen Empfind lichkeit des zweiten Detektors ohne den Spektralfilter für diese Wellenlänge multipliziert mit dem Faktor Eins minus der spektralen Intensitätsschwächung des Spektralfilters für die se Wellenlänge. Der Spektralfilter ist bevorzugt in einem grünen Spektralbe reich zu mindestens 50 % oder zu mindestens 75 % oder sogar zu mindestens 90 % intensitätsschwächend, das bedeutet, bei einer Wellenlänge in einem grünen Spektralbereich beträgt die spektrale Intensitätsschwächung des Spektralfilters mindes tens 50 % oder mindestens 75 % oder sogar mindestens 90 %. Beispielsweise kann der Spektralfilter in einem Spektralbe reich von einschließlich 530 nm bis einschließlich 580 nm zu mindestens 50 % oder zu mindestens 75 % oder sogar zu mindes tens 90 % intensitätsschwächend sein, das bedeutet, bei jeder Wellenlänge des genannten Spektralbereichs beträgt die spekt rale Intensitätsschwächung des Spektralfilters mindestens 50 % oder mindestens 75 % oder sogar mindestens 90 %.
Überdies kann der Spektralfilter in einem Spektralbereich von einschließlich 200 nm bis einschließlich 450 nm zu höchstens 30 % oder höchstens 20 % oder höchstens 10 % intensitäts schwächend sein, das bedeutet, bei jeder Wellenlänge des ge nannten Spektralbereichs beträgt die spektrale Intensitäts schwächung des Spektralfilters höchstens 30 % oder höchstens 20 % oder höchstens 10 %.
Überdies kann der Spektralfilter in einem Spektralbereich von einschließlich 670 nm bis einschließlich 1200 nm zu höchstens 30 % oder höchstens 20 % oder höchstens 10 % intensitäts schwächend sein, das bedeutet, bei jeder Wellenlänge des ge nannten Spektralbereichs beträgt die spektrale Intensitäts schwächung des Spektralfilters höchstens 30 % oder höchstens 20 % oder höchstens 10 %.
Bevorzugt weist die spektrale Intensitätsschwächung in einem Wellenlängenbereich von einschließlich 550 nm bis einschließ lich 560 nm ein Maximum auf. Bei dem Maximum kann es sich be zogen auf den Spektralbereich von einschließlich 530 nm bis einschließlich 580 nm oder bevorzugt einschließlich 200 nm bis einschließlich 1200 nm um ein globales Maximum handeln. Dadurch kann beispielsweise eine Anpassung an die spektrale Empfindlichkeit des menschlichen Auges erfolgen.
Die Norm CIE 018.2-1983 beschreibt die spektrale Empfindlich keit des menschlichen Auges. Vorzugsweise wird unter Beach tung der spektralen Empfindlichkeit des ersten und des zwei ten Detektors ein Spektralfilter verwendet, dessen spektrale Intensitätsschwächung so ist, dass die mittlere quadratische Abweichung zwischen einer auf eins normierten spektralen Emp findlichkeit des Differenzsignals für die elektromagnetische Strahlung und der (gemäß CIE 018.2-1983 zwischen Null und 1 variierenden) spektralen Empfindlichkeit des menschlichen Au ges gemäß CIE 018.2-1983 kleiner ist als die mittlere quadra tische Abweichung zwischen der auf eins normierten spektralen Empfindlichkeit des ersten Detektorsignals für die elektro magnetische Strahlung und der spektralen Empfindlichkeit des menschlichen Auges gemäß CIE 018.2-1983 und/oder kleiner ist als die mittlere quadratische Abweichung zwischen der auf eins normierten spektralen Empfindlichkeit des zweiten Detek torsignals für die elektromagnetische Strahlung und der spektralen Empfindlichkeit des menschlichen Auges gemäß CIE 018.2-1983.
Bei dem Spektralfilter kann es sich um einen Mehrschichten interferenzfilter handeln. Dieser kann mehreren dielektri schen und/oder metallischen Schichten umfassen. Überdies kann es sich um einen Bulk-Filter handeln, d.h. einen Filter, bei dem ein Filtermaterial in einem Spritzgussmaterial oder in einem Vergussmaterial eingebettet ist. Ein derartiger Bulk- Filter zeigt vorteilhafterweise eine wesentlich geringere Winkelabhängigkeit als ein Mehrschichten-Interferenzfilter .
Der Spektralfilter kann besonders bevorzugt ein aufgeschleu dertes Filtermaterial umfassen oder daraus bestehen. Ein sol cher Filter zeigt ebenfalls vorteilhafterweise eine wesent lich geringere Winkelabhängigkeit als ein Mehrschichten interferenzfilter. Aufgeschleuderte Filtermaterialien lassen sich einfach auf ein Siliziumsubstrat bzw. auf eine Silizi- umphotodiode aufschleudern und zeigen eine geringe Abhängig keit vom Einfallswinkel der elektromagnetischen Strahlung.
Durch die Anbringung des Spektralfilters in einem Strahlen gang vor dem zweiten Detektor kann unter Verwendung eines einfachen Spektralfilters (insbesondere eines aufgeschleuder ten Filtermaterials) eine spektrale Empfindlichkeit des Dif ferenzsignals erzeugt werden, die andernfalls (z.B. Verwen dung von nur einem Detektor und Anbringung des Spektralfil ters in einem Strahlengang vor diesem Detektor) nur mit kom plexeren Filtersystemen ermöglicht werden würde. Insbesondere kann mittels eines Kerbfilters (im Englischen Notch-Filter genannt) mit dem nur Frequenzen innerhalb eines bestimmten Spektralbereichs ausgefiltert werden, eine genau in diesem Spektralbereich hohe spektrale Empfindlichkeit des Differenz signals bewirken.
Der Spektralfilter (insbesondere ein Bulk-Filter oder ein aufgeschleuderter Spektralfilter) kann ein Filtermaterial ausgewählt aus folgender Gruppe von Filtermaterialien umfas sen oder daraus bestehen:
Farbstoff „Procion® Red MX-5B", der kommerziell von der Firma Sigma Aldrich® erhältlich ist und die chemische Formel Ci9Hi0Cl2N6Na2O7S2 besitzt;
eine chemische Verbindung vom Typ Maleimid, insbesondere der kommerziell erhältliche Farbstoff QXL ® 570 C2 Ma leimid;
Kristallviolett;
ein Cyanin-Farbstoff, insbesondere Cy3;
Gold-Nanopartikel ;
kolloidale Quantenpunkte.
Gemäß einer besonders bevorzugten Ausführungsform weist der Spektralfilter nur ein Filtermaterial, auch Farbstoff ge nannt, auf, z.B. nur ein Cy3 Filtermaterial oder nur den Farbstoff „Procion® Red MX-5B". Der Spektralfilter kann überdies ein Fluoreszenzlöschungsmit- tel umfassen, das eine Fluoreszenz eines Filtermaterials un terdrückt .
Wie zuvor beschrieben, ist sowohl der erste Detektor als auch der zweite Detektor angeordnet, die elektromagnetische Strah lung zu erfassen, wobei allerdings der Spektralfilter in dem Strahlengang vor dem zweiten Detektor angeordnet ist.
Zu diesem Zweck können beispielsweise der erste Detektor und der zweite Detektor derart relativ zueinander angeordnet sein, dass ein Abstand zwischen einer Detektionsfläche des ersten Detektors und einer Detektionsfläche des zweiten De tektors kleiner oder gleich 2 cm, bevorzugt kleiner oder gleich 5 mm und besonders bevorzugt kleiner oder gleich 1 mm oder sogar kleiner oder gleich 100 gm ist. Als Detektionsflä che wird dabei eine Fläche des jeweiligen Detektors bezeich net, wobei der Detektor eingerichtet ist, die auf die Detek tionsfläche auftreffende elektromagnetische Strahlung zu de- tektieren und ein davon abhängiges, beispielsweise von der Strahlungsintensität abhängiges, Detektorsignal bereitzustel len und eingerichtet ist, ein außerhalb der Detektionsfläche auf den Detektor auftreffende elektromagnetische Strahlung nicht zu detektieren.
Alternativ oder zusätzlich können der erste Detektor und der zweite Detektor derart relativ zueinander angeordnet und aus gestaltet sein, dass sich alle Punkte der ersten und der zweiten Detektionsfläche in einem Abstand kleiner oder gleich 1,5 cm oder vorzugsweise kleiner oder gleich 3 mm oder beson ders bevorzugt kleiner oder gleich 500 gm zueinander befin den .
Alternativ oder zusätzlich können der erste Detektor und der zweite Detektor derart relativ zueinander angeordnet sein, dass eine Hauptdetektionsrichtung des ersten Detektors und eine Hauptdetektionsrichtung des zweiten Detektors in einem Winkel von höchstens 45 Grad oder bevorzugt höchstens 30 Grad oder besonders bevorzugt höchstens 15 Grad zu einander ste hen. Als Hauptdetektionsrichtung wird dabei eine Richtung be zeichnet, in der der Detektor eine maximale Detektionseffizi enz für die elektromagnetische Strahlung hat.
Gemäß einer besonders vorteilhaften Ausführungsform sind der erste Detektor und der zweite Detektor derart relativ zuei nander angeordnet, dass ein Abstand zwischen einer Detekti onsfläche des ersten Detektors und einer Detektionsfläche des zweiten Detektors kleiner oder gleich 2 cm, bevorzugt kleiner oder gleich 5 mm und besonders bevorzugt kleiner oder gleich 1 mm oder sogar kleiner oder gleich 100 gm ist und Hauptde tektionsrichtung des ersten Detektors und eine Hauptdetekti onsrichtung des zweiten Detektors in einem Winkel von höchs tens 30 Grad zu einander stehen.
Gemäß einer ebenfalls besonders vorteilhaften Ausführungsform sind der erste Detektor und der zweite Detektor derart rela tiv zueinander angeordnet und ausgestaltet, dass sich alle Punkte der ersten und der zweiten Detektionsfläche in einem Abstand kleiner oder gleich 1,5 cm oder besser kleiner oder gleich 3 mm oder besser kleiner oder gleich 500 gm zueinander befinden, und derart relativ zueinander angeordnet, dass eine Hauptdetektionsrichtung des ersten Detektors und eine Haupt detektionsrichtung des zweiten Detektors in einem Winkel von höchstens 30 Grad zu einander stehen.
Alternativ oder zusätzlich zu einen oder mehreren der zuvor beschriebenen Möglichkeiten, die Detektoren derart anzuord nen, dass beide Detektoren die elektromagnetische Strahlung erfassen, kann die optoelektronische Messvorrichtung auch ein optisches Strahlungsverteilungsmittel umfassen, das einge richtet und angeordnet ist, die auf die optoelektronische Messvorrichtung treffende elektromagnetischen Strahlung auf den ersten Detektor und den zweiten Detektor zu verteilen. Insbesondere kann das Strahlungsverteilungsmittel in einem Strahlengang vor dem ersten und dem zweiten Detektor angeord net sein. Das Strahlungsverteilungsmittel kann beispielsweise einen Lichtleiter umfassen, der die elektromagnetische Strah lung zu dem ersten und dem zweiten Detektor leitet. Alterna tiv oder zusätzlich kann das Strahlungsverteilungsmittel ein Streuelement umfassen, das in einem Strahlengang vor dem ers ten und dem zweiten Detektor angeordnet ist.
Die Erfindung betrifft überdies eine Anzeigevorrichtung um fassend die zuvor beschriebene optoelektronische Messvorrich tung, wobei die optoelektronische Messvorrichtung beispiels weise zur Erfassung einer Umgebungshelligkeit angeordnet ist. Die Anzeigevorrichtung umfasst vorzugsweise eine Steuerein richtung, die eingerichtet ist, eine Anzeigehelligkeit eines Anzeigeelements der Anzeigevorrichtung in Abhängigkeit von dem Differenzsignal zu steuern. Dabei kann es sich um die An zeigevorrichtung eines Telefons, Tablets oder eines Smartpho- nes oder eines Kraftfahrzeuges handeln. Beispielsweise kann die Steuereinrichtung eingerichtet sein, die Anzeigehellig keit mit wachsendem Differenzsignal zu erhöhen, damit das An zeigeelement bei wachsender Umgebungshelligkeit heller wird.
Die Erfindung betrifft überdies ein Kraftfahrzeug umfassend die zuvor beschriebene optoelektronische Messvorrichtung, wo bei die optoelektronische Messvorrichtung beispielsweise zur Erfassung einer Umgebungshelligkeit angeordnet ist. Das
Kraftfahrzeug umfasst vorzugsweise eine Steuereinrichtung, die eingerichtet ist, eine Helligkeit in Abhängigkeit von dem Differenzsignal zu steuern. Dabei kann es sich um eine Anzei gehelligkeit einer Anzeigeeinrichtung des Kraftfahrzeugs han deln. Alternativ oder zusätzlich kann die Steuereinrichtung eingerichtet sein, einen Scheinwerfer oder eine Positions leuchte des Kraftfahrzeugs in Abhängigkeit von dem Differenz signal zu steuern. Beispielsweise kann die Steuereinrichtung eingerichtet sein, den Scheinwerfer oder die Positionsleuchte bei hohem Differenzsignal abzuschalten, damit der Scheinwer fer bzw. die Positionsleuchte bei hoher Umgebungshelligkeit nicht leuchtet. Verschiedene Ausführungsbeispiele der erfindungsgemäßen Lö sung werden im Folgenden anhand der Zeichnungen näher erläu tert .
Es zeigen schematisch:
Figur 1: eine optoelektronische Messvorrichtung gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel,
Figur 2: eine optoelektronische Messvorrichtung gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel,
Figur 3: Abstand und Ausrichtung der Detektoren der opto
elektronische Messvorrichtung gemäß dem zweiten Aus- führungsbeispiel ,
Figur 4: eine optoelektronische Messvorrichtung gemäß einem dritten Ausführungsbeispiel,
Figur 5a bis 5e: spektrale Empfindlichkeiten im Zusammenhang mit der optoelektronische Messvorrichtung gemäß dem dritten Ausführungsbeispiel,
Figur 6: ein Messverfahren,
Figur 7 : eine Anzeigeeinrichtung und
Figur 8: ein Kraftfahrzeug.
Die optoelektronische Messvorrichtung 1 gemäß dem in Figur 1 dargestellten ersten Ausführungsbeispiel umfasst einen ersten Detektor 10 und einen zweiten Detektor 20. Diese sind beide eingerichtet, eine elektromagnetische Strahlung L zu erfassen und dabei jeweils ein strahlungsintensitätsabhängiges Detek torsignal auszugeben. Dabei wird das erste Detektorsignal des ersten Detektors 10 via einer ersten Datenleitung 13 zu einem Signaldifferenzierer 30 übertragen und ein zweites Detektor signal des zweiten Detektors 20 wird via einer zweiten Daten leitung 23 zu dem Signaldifferenzierer 30 übertragen. Alter nativ dazu können die Detektorsignale auch beispielsweise per Funk oder mittels Lichtsignalen übertragen werden. Der Sig naldifferenzierer 30 erzeugt durch Subtraktion des zweiten Detektorsignals von dem ersten Detektorsignal ein Differenz signal. Beide Detektoren 10, 20 erfassen, wie erwähnt, die elektromagnetische Strahlung L, allerdings ist in einem Strahlengang S vor dem zweiten Detektor 20 ein Spektralfilter 24 angeordnet, so dass die elektromagnetische Strahlung vor der Detektion durch den zweiten Detektor 20 mittels des Spektralfilters 24 gefiltert wird. Im vorliegenden Ausfüh rungsbeispiel ist der Spektralfilter 24 nicht in Strahlengang vor dem ersten Detektor 10 angeordnet, so dass im vorliegen den Ausführungsbeispiel die elektromagnetische Strahlung S vor Detektion durch den ersten Detektor 10 nicht durch den Spektralfilter 24 gefiltert wird.
Die in Figur 2 dargestellte optoelektronische Messvorrichtung 1 gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel ist analog zu der des ersten Ausführungsbeispiels aufgebaut, umfasst jedoch weitere Bestandteile. Sie umfasst zusätzlich einen Signalaus gang 31, an dem das Differenzsignal ausgegeben wird und abge griffen werden kann. Dies kann elektrisch leitend oder per Funk oder optisch mittels Lichtsignalen erfolgen. An den Sig nalausgang 31 ist eine Steuereinrichtung 3 angeschlossen, die das Differenzsignal geeignet verarbeitet und nicht Bestand teil der Messvorrichtung 1 ist. Bei der Steuereinrichtung 3 kann es sich beispielsweise um eine Schnittstelle eines Per sonal Computers handeln, mittels der das Differenzsignal aus gewertet wird.
Bei der in Figur 2 dargestellten Messvorrichtung 1 ist über dies ein Strahlungsverteilungsmittel 40 im Strahlengang S vor dem ersten Detektor 10 und dem zweiten Detektor 20 angeord net. Dabei handelt es sich um eine Streuscheibe, die die ein fallende elektromagnetische Strahlung L diffus streut, so dass sowohl der erste Detektor 10 als auch der zweite Detek tor 20 die elektromagnetische Strahlung L erfassen.
An Stelle oder zusätzlich zu der Streuscheibe könnte bei spielsweise auch ein Lichtleiter verwendet werden, um die elektromagnetische Strahlung L zu dem ersten und dem zweiten Detektor 10, 20 zu leiten. In Figur 3 sind der Abstand und die Ausrichtung der beiden Detektoren 10, 20 des zweiten Ausführungsbeispiels zueinander schematisch dargestellt. Ein Abstand d der Detektionsflächen 11, 21 der beiden Detektoren beträgt lediglich 1 mm und die Detektionsflächen 11, 21 sind gleichzeitig so klein, dass al le Punkte der ersten und der zweiten Detektionsflächen 11, 21 in einem Abstand r kleiner oder gleich 3 mm zueinander befin den, so dass sowohl der erste Detektor 10 als auch der zweite Detektor 20 die elektromagnetische Strahlung L erfassen.
Überdies sind der erste Detektor und der zweite Detektor der art relativ zueinander angeordnet, dass eine Hauptdetektions richtung 12 des ersten Detektors 10 und eine Hauptdetektions richtung 22 des zweiten Detektors 20 - bis auf Fertigungsto- leranzen - parallel sind, so dass sowohl der erste Detektor 10 als auch der zweite Detektor 20 die elektromagnetische Strahlung L erfassen.
Die in Figur 4 dargestellte optoelektronische Messvorrichtung 1 gemäß einem dritten Ausführungsbeispiel ist analog zu der optoelektronischen Messvorrichtung 1 gemäß dem zweiten Aus führungsbeispiel aufgebaut. Der erste Detektor 10 besteht vorliegend aus einer Siliziumphotodiode 10a und der zweite Detektor 20 besteht aus einer dazu baugleichen Siliziumphoto diode 20a. Der Signaldifferenzierer 30 umfasst einen Operati onsverstärker 132, der mit Hilfe des Widerstandes 133 derart geschaltet ist, dass er eine am Ausgang 31 anliegende Span nung so regelt, dass dadurch die Differenzspannung an seinen beiden Eingängen (in Figur 4 mit + und - beschriftet) auf null geregelt wird. Das Strahlungsverteilungsmittel 40 ist bei dem dritten Ausführungsbeispiel einer optoelektronische Messvorrichtung 1 nicht dargestellt, es kann jedoch vorhanden sein. Überdies können die Siliziumphotodioden 10a, 10b wie im Zusammenhang mit Figur 3 beschrieben angeordnet sein.
In Figur 5a ist die spektrale Empfindlichkeit gi (l) der ers ten Siliziumphotodiode 10a des dritten Ausführungsbeispiels auf eins normiert dargestellt. Die dazu baugleiche zweite Si liziumphotodiode 10b weist grundsätzlich dieselbe spektrale Empfindlichkeit auf. Allerdings ist ihr der Spektralfilter 24 vorgeschaltet, der eine wellenlängenabhängige Intensitäts schwächung, auch spektrale Intensitätsschwächung a (l) ge nannt, der elektromagnetischen Strahlung L hervorruft. Vor liegend handelt es sich dabei um einen Spektralfilter 24 be stehend aus dem kommerziell erhältlichen Filtermaterial QXL ® 570 C2 Maleimid. Die in der Figur 5a ebenfalls auf eins nor miert dargestellte spektrale Empfindlichkeit g2 (l) der zwei ten Siliziumphotodiode 20a in Kombination mit dem Spektral filter 24 ist daher gleich einer spektralen Empfindlichkeit der zweiten Siliziumphotodiode 20a ohne Spektralfilter 24 multipliziert mit dem Faktor 1 - a (l) . Die zuvor genannte spektrale Empfindlichkeit der zweiten Siliziumphotodiode 20a ohne Spektralfilter ist in Figur 5a nicht direkt dargestellt, sie entspricht allerdings auf Grund der Baugleichheit der beiden Siliziumphotodiode 10a, 20a der dargestellten spektra len Empfindlichkeit gi (l) der ersten Siliziumphotodiode 10a. Die spektrale Empfindlichkeit g3 (l) = gi (l) - g2 (l) des durch Subtraktion des zweiten Detektorsignals von dem ersten Detek torsignal gewonnenen und am Signalausgang 31 ausgegebenen Differenzsignals ist ebenfalls in Figur 5a auf eins normiert dargestellt. Sie ist für Wellenlängen um 555 nm herum, das heißt in einem Bereich, in dem der Spektralfilter stark oder sogar zu 100 Prozent die Intensität der elektromagnetischen Strahlung L schwächt, besonders hoch.
In den Figuren 5b, 5c, 5d und 5e sind in Bezugnahme auf das Ausführungsbeispiel 3 der Figur 4 entsprechende spektrale Empfindlichkeiten gi (l) , g2 (l) und g3 (l) für andere Filterma terialien gezeigt, jeweils in Kombination mit den Siliziump hotodioden 10a, 20a von Ausführungsbeispiel 3. Es betreffen:
Figur 5a: wie erwähnt einen Spektralfilter bestehend aus dem kommerziell erhältlichen Filtermaterial QXL ® 570
C2 Maleimid;
Figur 5b: einen Spektralfilter bestehend aus einem Farbstoff vom Typ Kristallviolett, Figur 5c: einen Spektralfilter bestehend aus in einer Matrix eingebettete Nanopartikeln aus Gold mit einem ty pischen Durchmesser von 80 nm,
Figur 5d: einen Spektralfilter bestehend aus einem Cyanin farbstoff vom Typ Cy3 und
Figur 5e: einen Spektralfilter bestehend aus dem kommerziell erhältlichen Filtermaterial Procion® Red MX-5B.
Die zuvor genannten Filtermaterialien können insbesondere auf einen Filterträger oder auf die zweite Siliziumphotodiode 20a aufgeschleudert sein.
Allen in den Figuren 5a bis 5e gezeigten auf eins normierten spektralen Empfindlichkeiten g3 (l) der Differenzsignale äh neln der ebenfalls gezeigten auf eins normierten spektralen Empfindlichkeit V (l) des menschlichen Auges gemäß der Norm CIE 018.2 - 1983 stärker als die auf eins normierte spektrale Empfindlichkeit gi (l) einer Siliziumphotodiode. Insbesondere ist die mittlere quadratische Abweichung zwischen einer auf eins normierten spektralen Empfindlichkeit g3 (l) des Diffe renzsignals und der auf eins normierten spektralen Empfind lichkeit V (l) des menschlichen Auges gemäß CIE 018.2-1983 kleiner als die mittlere quadratische Abweichung zwischen der auf eins normierten spektralen Empfindlichkeit des ersten De tektorsignals gi (l) und der auf eins normierten spektralen Empfindlichkeit V (l) des menschlichen Auges gemäß CIE 018.2- 1983.
In Figur 6 ist ein für die zuvor beschriebenen Ausführungs beispiele der optoelektronischen Messvorrichtung geeignetes Verfahren zur Messung der Intensität der elektromagnetischen Strahlung (L) dargestellt.
Es umfasst den Schritt SO: „Start".
Es umfasst überdies den Schritt Sl: „Erfassen der elektromag netischen Strahlung L mittels des ersten Detektors 10, 10a". Dabei wird ein von der Intensität der elektromagnetischen Strahlung abhängiges erstes Detektorsignal bereitgestellt.
Es umfasst überdies den Schritt S2 : „Erfassen der elektromag netischen Strahlung L mittels des zweiten Detektors 20, 20a, wobei die elektromagnetische Strahlung L vor Detektion durch den zweiten Detektor 20 mittels des Spektralfilters 24 gefil tert wird". Dabei wird ein von der Intensität der elektromag netischen Strahlung abhängiges zweites Detektorsignal bereit gestellt.
Es umfasst überdies den Schritt S3: „Erzeugen des Differenz signals". Dabei wird das zweite Detektorsignal von dem ersten Detektorsignal mittels des Signaldifferenzierers 30 subtra hiert. Überdies kann dabei das resultierende Differenzsignal via des Signalausgangs 31 ausgegeben werden.
Es umfasst überdies den Schritt SE : „Ende".
Wie zuvor beschrieben, kann es sich bei der Steuereinrichtung 3 um eine Schnittstelle eines Personal Computers handeln, mittels der z.B. das Differenzsignal in einem Messlabor aus gewertet wird. Überdies kann die zuvor beschriebene Messvor richtung 1 mit gemäß den zuvor beschriebenen Ausführungsbei spielen auch beispielsweise in einer Anzeigevorrichtung 200 eingesetzt werden. Eine derartige Anzeigeeinrichtung 200 ist beispielhaft in Figur 7 dargestellt. Sie umfasst ein Anzei geelement 201 in Form eines Displays sowie eine Messvorrich tung 1 gemäß einem der zuvor beschriebenen Ausführungsbei spielen 1 bis 3. Letztere ist zur Erfassung einer Umgebungs helligkeit angeordnet. Die Anzeigevorrichtung 200 umfasst überdies eine Steuereinrichtung 3, die in Abhängigkeit von dem Differenzsignal die Anzeigehelligkeit eines Anzeigeele ments 201 mit wachsender Umgebungshelligkeit erhöht, so dass das Anzeigeelements 201 bei einer hellen Umgebung gut lesbar ist und bei einer dunklen Umgebung nicht blendet. Dabei ist vorliegend die spektrale Empfindlichkeit der Messvorrichtung 3 durch den Spektralfilter 24 an die Empfindlichkeitskurve des menschlichen Auges angepasst.
Die Anzeigevorrichtung 200 kann beispielsweise Bestandteil eines Telefons, Tablets, eines Smartphones oder eines Kraft fahrzeuges 210 sein.
Ein derartiges Kraftfahrzeug ist in Figur 8 dargestellt. Da bei ist die Messvorrichtung 1 im Bereich der Windschutzschei- be angeordnet, um hier eine Umgebungshelligkeit, insbesondere die Stärke einer Sonneneinstrahlung zu erfassen. Das Display 201 ist für den Fahrer sichtbar angeordnet und die Steuerein richtung 3 befindet sich im Motorraum. Vorliegend ist die Steuereinrichtung nicht nur eingerichtet, die Anzeigehellig- keit wie zuvor im Zusammenhang mit Figur 6 beschrieben zu steuern. Vielmehr werden überdies auch die Scheinwerfer 211 und die Positionsleuchten 212 des Kraftfahrzeugs 210 in Ab hängigkeit von dem Differenzsignal gesteuert, so dass bei ho her Umgebungshelligkeit die Scheinwerfer 211 und die Positi- onsleuchten 212 abgeschaltet werden und bei geringer Umge bungshelligkeit eingeschaltet werden.
Bezugs zeichenliste
I Optoelektronische Messvorrichtung
3 Steuereinrichtung
10 Erster Detektor
10a Siliziumphotodiode zweiter Detektor
II Detektionsfläche erster Detektor
12 Hauptdetektionsrichtung erster Detektor
13 Erste Datenleitung
20 Zweiter Detektor
20a Siliziumphotodiode zweiter Detektor
21 Detektionsfläche zweiter Detektor
22 Hauptdetektionsrichtung zweiter Detektor
23 Zweite Datenleitung
24 Spektralfilter
30 Signaldifferenzierer
31 Signalausgang
40 Strahlungsverteilungsmittel
132 Operationsverstärker
133 Widerstand
200 Anzeigevorrichtung
201 Anzeigeelement
210 Kraftfahrzeug
211 Scheinwerfer
212 Positionsleuchte
S Strahlengang
L Elektromagnetische Strahlung
gi (l) Spektrale Empfindlichkeit erstes Detektorsignal g2 (l) Spektrale Empfindlichkeit zweites Detektorsignal g3 (l) Spektrale Empfindlichkeit drittes Detektorsignal V (l) spektrale Empfindlichkeit des menschlichen Auges

Claims

Patentansprüche
1. Optoelektronische Messvorrichtung (1) zur Messung einer Intensität einer auf die optoelektronische Messvorrichtung (1) treffenden elektromagnetischen Strahlung (L) , umfassend: einen ersten Detektor (10) zum Bereitstellen eines ers ten Detektorsignals,
einen zweiten Detektor (20) zum Bereitstellen eines zweiten Detektorsignals,
einen Signaldifferenzierer (30), der eingerichtet ist, durch Subtraktion des zweiten Detektorsignals von dem ersten Detektorsignal ein Differenzsignal zu erzeugen,
dadurch gekennzeichnet, dass
der erste Detektor (10) angeordnet ist, die elektromag netische Strahlung (L) zu erfassen und der zweite Detektor (20) ebenfalls angeordnet ist, die elektromagnetische Strah lung (L) zu erfassen, wobei die optoelektronische Messvor richtung (1) weiterhin einen Spektralfilter (24) umfasst, der in einem Strahlengang (S) vor dem zweiten Detektor (20) ange ordnet ist, um die die elektromagnetische Strahlung (L) vor Detektion durch den zweiten Detektor (20) zu filtern.
2. Optoelektronische Messvorrichtung (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Detektor (10) zumin dest in einem Teil von dessen sensitivem Spektralbereich eine im Vergleich zu dem zweiten Detektor (20) gleichartige spekt rale Empfindlichkeit aufweist.
3. Optoelektronische Messvorrichtung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Spektralfilter (24) nicht in einem Strahlengang (S) vor dem ersten Detektor (10) angeordnet ist, um die elektromagneti sche Strahlung (L) vor Detektion durch den ersten Detektor (10) nicht zu filtern.
4. Optoelektronische Messvorrichtung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Detektor (10) oder der zweite Detektor (20) eine Sili ziumphotodiode (10a, 20a) umfasst.
5. Optoelektronische Messvorrichtung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Spektralfilter (24) in einem grünen Spektralbereich zu min destens 50 % intensitätsschwächend ist.
6. Optoelektronische Messvorrichtung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Spektralfilter (24) derart ausgestaltet ist, dass die mittle re quadratische Abweichung zwischen einer auf eins normierten spektralen Empfindlichkeit g3 (l) des Differenzsignals für die elektromagnetische Strahlung (S) und der auf eins normierten spektralen Empfindlichkeit V (l) des menschlichen Auges gemäß CIE 018.2-1983 kleiner ist als die mittlere quadratische Ab weichung zwischen der auf eins normierten spektralen Empfind lichkeit des ersten Detektorsignals gi (l) oder des zweiten Detektorsignals g2 (l) für die elektromagnetische Strahlung
(S) und der auf eins normierten spektralen Empfindlichkeit V (l) des menschlichen Auges gemäß CIE 018.2-1983.
7. Optoelektronische Messvorrichtung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Spektralfilter (24) ein Filtermaterial ausgewählt aus folgen der Gruppe von Filtermaterialien umfasst oder daraus besteht: Cic,HioCl2N6Na207S2, ein Maleimid, insbesondere QXL ® 570 C2 Ma- leimid, Kristallviolett, ein Cyanin-Farbstoff, insbesondere Cy3, Gold-Nanopartikel , kolloidale Quantenpunkte.
8. Optoelektronische Messvorrichtung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Spektralfilter (24) ein aufgeschleudertes Filtermaterial um fasst oder daraus besteht.
9. Optoelektronische Messvorrichtung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Detektor (10) und der zweite Detektor (20) derart rela tiv zueinander angeordnet sind, dass ein Abstand (d) zwischen einer Detektionsfläche (11) des ersten Detektors (10) und ei ner Detektionsfläche (21) des zweiten Detektors (20) kleiner oder gleich 5 mm ist.
10. Optoelektronische Messvorrichtung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Detektor (10) und der zweite Detektor (20) derart rela tiv zueinander angeordnet sind, dass eine Hauptdetektions richtung (12) des ersten Detektors (10) und eine Hauptdetek tionsrichtung (22) des zweiten Detektors (20) in einem Winkel von höchstens 30 Grad zu einander stehen.
11. Optoelektronische Messvorrichtung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch ein optisches Strahlungsverteilungsmittel (40), das eingerichtet und ange ordnet ist, die auf die optoelektronische Messvorrichtung (1) treffende elektromagnetischen Strahlung (L) auf den ersten Detektor (10) und den zweiten Detektor (20) zu verteilen.
12. Verfahren zur Messung einer Intensität einer elektromag netischen Strahlung (L) , umfassend:
Erfassen (Sl) der elektromagnetischen Strahlung (L) mit tels eines ersten Detektors (10) unter Bereitstellung eines ersten Detektorsignals,
Erfassen (S2) der elektromagnetischen Strahlung (L) mit tels eines zweiten Detektors (20) unter Bereitstellung eines zweiten Detektorsignals, wobei die elektromagnetische Strah lung (L) vor Detektion durch den zweiten Detektor (20) mit tels eines Spektralfilters (12) gefiltert wird,
Erzeugen (S3) eines Differenzsignals zwischen erstem De tektorsignal und zweiten Detektorsignal durch Subtraktion des zweiten Detektorsignals von dem ersten Detektorsignal.
13. Verfahren nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass eine optoelektronische Messvorrichtung (1) nach einem der An- Sprüche 1 bis 11 zur Messung der Intensität der elektromagne tischen Strahlung (L) verwendet wird.
14. Anzeigevorrichtung (200) umfassend eine optoelektroni- sehe Messvorrichtung (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Messvorrichtung (1) zur Er fassung einer Umgebungshelligkeit angeordnet ist und die An zeigevorrichtung (200) überdies eine Steuereinrichtung (3) umfasst, die eingerichtet ist, eine Anzeigehelligkeit eines Anzeigeelements (201) der Anzeigevorrichtung (200) in Abhän gigkeit von dem Differenzsignal zu steuern.
15. Kraftfahrzeug (210) umfassend eine optoelektronische Messvorrichtung (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 11,
dadurch gekennzeichnet, dass die optoelektronische Messvor richtung (1) zur Erfassung einer Umgebungshelligkeit angeord net ist und das Kraftfahrzeug (210) überdies eine Steuerein richtung (3) umfasst, die eingerichtet ist, eine Anzeigehel ligkeit eines Anzeigeelements (201) des Kraftfahrzeugs in Ab- hängigkeit von dem Differenzsignal zu steuern oder eingerich tet ist, einen Scheinwerfer (211) oder eine Positionsleuchte (212) des Kraftfahrzeugs in Abhängigkeit von dem Differenz signal zu steuern.
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