DE2430689A1

DE2430689A1 - Lichtsonde fuer einen lichtstaerkemesser

Info

Publication number: DE2430689A1
Application number: DE2430689A
Authority: DE
Inventors: Bruce Michael Jerrick; Lawrence Christof Petersen
Original assignee: Tektronix Inc
Current assignee: Tektronix Inc
Priority date: 1973-07-02
Filing date: 1974-06-26
Publication date: 1975-01-30
Also published as: US3880528A; JPS546385B2; JPS5039189A

Description

DiFL. ING. KLAUS NEUBECKER *>/■ O Π C Q Q

Patentanwalt /4θ U OO O

4 Düsseldorf 1 · Schadowplatz 9

.Düsseldorf, 25. Juni 1974

PF 2101
7474

Tektronix, Ine.:

Beaverton, Oregon, V. St. A.

Lichtsonde für einen Lichtstärkemesser

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Lichtsonde für einen Lichtstärkemesser, mit einer Fotozelle und einer photonenauffangenden und diese an die Fotozelle abstrahlenden Linsenanordnung.

Die Vorzüge der Silizium -Fotozelle oder Fotodiode bei der Verwendung als lichterfassendes Bauelement zum Zwecke der Lichtmessung sind allgemein bekannt. Jedoch wird durch das winkelmäßige Ansprechen eines Lichtfühlers mit einer Silizium-Fotodiode das erfaßte Hchtfeld auf einen konischen oder kegelförmigen Bereich beschränkt. Durch diese Beschränkung ergeben sich fehlerhafte Messungen, insbesondere bei der Messung von Umgebungslichtbedingungen, wo ein volles Feld mit einem öffnungswinkel von 180° gegeben ist. Wird das winkelmäßige Ansprechen für eine unkorrigierte Silizium-Fotozelle in Form eines Polardiagramms aufgetragen, so erscheint die Kosinusverteilung in Gestalt eines umgedrehten Tropfens und nicht in der gewünschten Kreisform.

Im Rahmen bisheriger Versuche, eine Kosinuskorrektur zu erzielen, ist auch mit einem ebenen Linsenkörper mit abgeschrägten Kanten ■gearbeitet worden. Dadurch erhält man eine gewisse Korrektur, jedoch weisen solche bisher bekannten Bauelemente noch immer einen

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Fehler von 30 % oder mehr auf, wenn Messungen über das gesamte Lichtfeld der Umgebung vorgenommen werden.

Aufgabe vorliegender Erfindung ist es daher, eine Lichtsonde der eingangs genannten Art so weiterzubilden, daß das Betrachtungsfeld eines eine Silizium-Fotozelle und ein Spektralfilter aufweisenden Lichtfühlers vergrößert wird. Insbesondere soll dabei der Lichtfühler genau auf eine KosinusVerteilungskurve korrigiert werden. Außerdem soll die Lichtsonde auf eine maximale Kosinusverteilung eingestellt werden können, und schließlich soll die Lichtsonde gegenüber Licht unter extremen Winkeln eine erhöhte Empfindlichkeit besitzen.

Die Lösung dieser Aufgabe erfolgt erfindungsgemäß dadurch, daß die Linsenanordnung eine gekrümmte Gestalt hat und angrenzend an die Linsenanordnung eine diese kontrolliert beschattende und dabei in Verbindung mit der Linsenanordnung die KosinusVerteilungskurve der Fotozelle korrigierende, augenbrauenartige Umrandung vorgesehen ist.

Die Anordnung nach der vorliegenden Erfindung weist einen gekrümmten Linsenbereich mit einem konstanten Krümmungsradius und eine hinter diesem Linsenbereich angeordnete Sjlizium-Fotozelle auf.-Die Linse hat eine matt geschliffene Außenfläche, um auftreffende Photonen aufzufangen. Die Photonen werden in der Linse diffus verteilt und durch ein geeignetes Spektralfilter weiter an die Fotodiode abgestrahlt. Die ringförmige, augenbrauenartige Umrandung, die die Außenseite des Linsenbereichs umgibt, bestimmt das Maß der Beschattung und die Blockierung von auf die Linse auftreffendem Licht. Die augenbrauenartige Umrandung kann im Verhältnis zur Linse verstellt werden, um den Anteil der Linsenfläche zu bestimmen, der Licht unter extremen Einfallswinkeln ausgesetzt wird. Dadurch wird eine Korrektur der Halbwinkel-Ansprechkurve der Slizium-Fotozelle bis aufveniger als 2 % der Kosinusverteilungskurve erzielt.

Insgesamt wird somit erfindungsgemäß eine Lichtsonde für den Einsatz in Verbindung mit einem Lichtstärkemesser erhalten, die eine

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hinter einer in spezieller Weise ausgestalteten Linse angeordnete Silizium-Fotozelle aufweist, wobei die Linse so ausgelegt ist, daß sie den Lichtfühler genau auf eine Kosinusverteilungskurve korrigiert. Die um die Linse herum angeordnete lichtblockierende augenbrauenartige Umrandung bestimmt das die Linsenfläche beeinflussende Licht. Die von dem Fühler erfaßte gemessene Lichtverteilung ist eine Funktion der Krümmung, des Diffusionsfaktors sowie der Oberflächenrauhigkeit der Linse sowie der Zuordnung der augenbrauenartigen Umrandung zu der Linse.

Die Erfindung wird nachstehend anhand eines Ausführungsbeispiels in Verbindung mit der zugehörigen Zeichnung weiter ins einzelne gehend erläutert. In der Zeichnung zeigen:

Fig. 1 eine perspektivische Ansicht einer Lichtsonde nach der Erfindung;

Fig. 2 in vergrößertem Maßstab einen Querschnitt durch Fig. 1 längs der Linie X-X¹;

Fig. 3 ein Diagramm mit Halbwinkel-Ansprechkurven der Punkt-für-Punkt-Abweichung für unkorrigierte und korrigierte Silizium-Fotozellen; und

Fig. 4 ein Polardiagramm mit Kosinusverteilungskurven für unkorrigierte und korrigierte Silizium-Fotozellen.

Im einzelnen läßt die Zeichnung eine Fotozelle 1 erkennen, die auf einem Stützkörper 2 aufruht und zusammen mit einem geeigneten Spektralfilter 4 in einem Fühlergehäuse 3 untergebracht ist. An der Unterseite des Fühlergehäuses 3 ist eine Bodenplatte 5 mit einem kleinen Durchgangsloch für die Durchführung elektrischer Drähte und integralen Abstandsstücken angebracht, so daß sich eine gegenüber der Umgebung abgedichtete Subeinheit mit dem Fotozellen-Fühler 1,4 ergibt.

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Das Fühlergehäuse 3 weist an seiner Oberseite eine öffnung für den Durchtritt von Licht auf, das anschließend durch das Filter auf die Fotozelle 1 fällt. Die Fotozelle 1 ist vorzugsweise als Silizium-Fotodiode ausgebildet, und Fig. 3 zeigt die Halbwinkel-Lichtansprechkurve einer solchen Fotodiode und ihres zugeordneten Filters. Wie dargestellt, fällt der Ansprechwert für einen Winkel von 80° gegenüber der optischen Achse, die normal oder senkrecht zum Fühler verläuft, auf -1OO % ab. Dieser Ansprechwert erscheint, wenn er in einem Kosinusverteilungs-Polardiagramm aufgetragen wird, als die innere Kurve der Fig. 4.

An der Innenseite des Bodens eines Topfkörpers 10 ist ein Polsterelement 6 aus elastisch-nachgiebigem Material angeordnet, auf dem die Fühlergehäuse-Subeinheit mit dem Fotozellenfühler 1,4 im Innern des Topfkörpers 10 aufruht. In einer zwischen der Außenseite des Fühlergehäuses 3 und einem mit einem Innengewinde versehenden Lippenabschnitt des Topfkörpers 10 begrenzten Nut ist ein O-Ring 11 aus elastisch-nachgiebigem Material untergebracht. Ein kuppeiförmiger Linsenkörper 12, der dabei mit dem O-Ring 11 in •Kontakt steht, ist über dem Fühlergehäuse 3 angeordnet. Ein mit einem Außengewinde versehener Haltering 14 kreisförmiger Gestalt umgibt den Umfang des Linsenkörpers 12 und ist in den mit Innengewinde versehenen Lippenabschnitt des Topfkörpers 10 eingeschraubt, so daß der Linsenkörper 12 unter Zusammenpressen des Polsterelements 6 und des O-Rings 11 mit dem Topfkörper 10 verbunden ist und dabei die zuvor erwähnten Bauteile innerhalb des Topfkörpers 10 hermetisch abdichtet. Durch einen in die Außenwand des Topfkörpers IO eingesetzten Isolierkörper 15 ist ein Draht geführt, über den eine elektrische Verbindung mit der im Inneren des Topfkörpers 10 befindlichen Fotozelle 1 hergestellt werden kann.

Der Topfkörper IO ist in ein äußeres Sondengehäuse 20 eingeschraubt, so daß er sich hängend in diesem abstützt. An die Unterseite des Sondengehäuses 12 ist eine Bodenplatte 21 angeschlossen, die den die Lichtsonde bildenden mechanischen Aufbau vervollständigt. Das äußere Sondengehäuse 20 weist längs seines oberen Randes einen

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vorspringenden, nachstehend als augenbrauenartige Umrandung 25 bezeichneten Lippenabschnitt auf, um den Anteil an den Linsenkörper 12 beaufschlagendem Licht zu bestimmen, wie das weiter unten genauer-erläutert wird.

Der Linsenkörper 12 ist aus einem diffus wirkendem Material wie Kunststoff o. dgl. aufgebaut, das eine in spektraler Hinsicht opake optische Dichte hat. Durch diesen Diffusionseffekt wird die Lichtintensität um den Faktor 2 verringert und zur Entzerrung der Kosinusverteilungskurve beigetragen. Eine matt geschliffene Außenfläche fängt auf den Linsenkörper 12 auftreffende Photonen ein, die dann diffus in dem Linsenkörper 12 verteilt und weiter über das Filter 4 zu der Fotozelle 1 abgestrahlt werden. Der Linsenkörper 12 ist als Teil einer Kugel ausgebildet und hat einen konstanten Krümmungsradius R und stellt somit eine Sammellinse mit konvex-konkaver Gestalt dar. Diese Formgebung dient dazu, den Äqüivalenteinfallswinkel bei Winkeln von mehr als 45° gegenüber . der optischen Achse zu verringern und damit die Reflexion von Photonen herabzusetzen.

Der Linsenkörper 12 und die augenbrauenartige Umrandung 25 führen gemeinsam zu einer Erhöhung des unter extremen Winkeln einfallenden Lichts und damit zu einer Änderung der Halbwinkel-Ansprechkurve nach Fig. 3, so daß die Kosinusverteilungskurve in der mit Fig. 4 dargestellten Weise korrigiert wird. Der Durchmesser A der augenbrauenartigen Umrandung 25 ist so auf den Krümmungsradius R des Linsenkörpers 12 abgestimmt, daß die augenbrauenartige Umrandung 25 den Linsenkörper 12 für Winkel zwischen etwa 60 und 85° gegenüber der Normalen in zunehmendem Maße beschattet und Licht, das den Linsenkörper 12 unter einem Winkel von etwa 90° oder etwas größeren Winkeln trifft, blockiert wird. Die Höhe des Linsenkörpers 12 im Verhältnis zu der augenbrauenartigen Umrandung 25, die in Fig. 2 mit der Strecke B angedeutet ist, wird so eingestellt, daß die auf den Punkt C im Scheitel des kuppeiförmigen Linsenkörpers 10 bezogene Kosinusverteilungskurve einen optimalen Wert annimmt. Der erzielte Gesamteffekt geht dahin,

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daß von dem Linsenkörper 12 auf die Fotozelle 1 abgestrahltes
Licht eine genaue Wiedergabe des Anteils an Licht ist, das von
allen Quellen innerhalb eines Betrachtungsfelds zu einem Punkt C abgestrahlt wird.

Es versteht sich, daß die Erfindung in mannigfacher Hinsicht abgewandelt werden kann, ohne daß dadurch der Rahmen der Erfindung verblassen würde. Beispielsweise könnte in Verbindung mit geeigneten maßlichen Änderungen oder Änderungen hinsichtlich des Linsenmaterials eine Selen-Fotozelle verwendet werden, um die zuvor
erläuterte Kosinuskorrektur herbeizuführen.

Patentansprüche;

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Claims

Pa te nt a η s ρ r ü c he:·

Lichtsonde für einen Lichtstärkemesser, mit einer Fotozelle und einer photonenauffangenden und diese an die Fotozelle abstrahlenden Linsenanordnung, dadurch.gekennzeichnet, daß die Linsenanordnurig eine gekrümmte Gestalt hat und angrenzend •an die Linsenanordnung eine diese kontrolliert beschattende und dabei in Verbindung mit der Linsenanordnung die Kosinusverteilungskurve der Fotozelle (1) korrigierende augenbrauenartige Umrandung (25) vorgesehen ist.
2. Lichtsonde nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Linsenanordnung aus eine Diffusionswirkung auf die Photonen ausübendem Material aufgebaut ist.
3. Lichtsonde nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Linsenanordnung eine Sammellinse mit konvexkonkavem Aufbau aufweist.
4. Lichtsonde nach einem der Ansprüche 1-3, dadurch gekennzeichnet, daß die Linsenanordnung eine die Reflexion von Linht verringernde matt geschliffene Außenfläche hat.
5. Lichtsonde nach einem der Ansprüche 1-4, dadurch gekennzeichnet, daß die Linsenanordnung kugelförmig ausgebildet und unter Koinzidenz ihrer optischen Achse mit der optischen Achse des Lichtfühlers neben" dem Lichtfühler angeordnet ist und daß die augenbrauenartige Umrandung eine ringförmige Abschirmung aufweist, die in einer quer zu der optischen Achse Verlaufenden Ebene um den Umfang der Linsenanordnung herum angeordnet ist.

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6. Lichtsonde nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet/ daß die augenbrauenartige Umrandung im Verhältnis zu der Linsenanordnung in Richtung der optischen Achse unter Kosinuskorrektur für den Fühler verstellbar ist.

KN/mö 3

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