ES2947487B2 - Light sensor system for determining the angle of incidence of light radiation - Google Patents
Light sensor system for determining the angle of incidence of light radiationInfo
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Description
DESCRIPCIÓNDESCRIPTION
Sistema sensor de luz para la determinación del ángulo de incidencia de una radiación luminosaLight sensor system for determining the angle of incidence of light radiation
OBJETO DE LA INVENCIÓNOBJECT OF THE INVENTION
La presente solicitud tiene por objeto el registro de un sistema sensor de luz para la determinación del ángulo de incidencia de una radiación luminosa. The purpose of this application is the registration of a light sensor system for determining the angle of incidence of light radiation.
Más concretamente, la invención propone el desarrollo de un dispositivo sensor con doble ranura (o ventana) para la determinación del ángulo incidencia de una radiación luminosa que permite limitar el campo de visión de manera asimétrica. More specifically, the invention proposes the development of a sensor device with a double slot (or window) for determining the incidence angle of light radiation that allows the field of vision to be limited asymmetrically.
CAMPO DE APLICACIÓNSCOPE
El dispositivo es aplicable a ingeniería espacial e industrial, para el uso en sistemas de seguimiento y monitorización que miden el ángulo de incidencia de una radiación luminosa o radiación solar en satélites, drones, aplicaciones de energías renovables, automoción, domótica, etc. The device is applicable to space and industrial engineering, for use in tracking and monitoring systems that measure the angle of incidence of light radiation or solar radiation in satellites, drones, renewable energy applications, automotive, home automation, etc.
ANTECEDENTES DE LA INVENCIÓNBACKGROUND OF THE INVENTION
Los sensores de luz o solares son dispositivos capaces de detectar la posición del sol, por lo que son clave en todas aquellas aplicaciones en las cuáles es importante conocer la posición del sol o de una fuente luminosa, por ejemplo, seguimiento solar para generación de energía en plantas solares, generación de energía en paneles solares de satélites, seguimiento solar para diversas aplicaciones en vehículos, navegación y orientación de drones, determinación de actitud de satélites, asistencia a la actitud de un dron mediante fuentes luminosas, etc. Light or solar sensors are devices capable of detecting the position of the sun, which is why they are key in all those applications in which it is important to know the position of the sun or a light source, for example, solar tracking for energy generation. in solar plants, energy generation in satellite solar panels, solar tracking for various applications in vehicles, navigation and orientation of drones, determination of satellite attitude, assistance to the attitude of a drone using light sources, etc.
Los sensores solares pueden basarse en diversas técnicas de construcción, así como de funcionamiento: Solar sensors can be based on various construction and operating techniques:
- Un único fotodiodo, lo que permite detectar la posición del sol con poca precisión y solo respecto del eje perpendicular del sensor; - A single photodiode, which allows detecting the position of the sun with little precision and only with respect to the perpendicular axis of the sensor;
- Fotodiodos de varios cuadrantes, usualmente cuatro, que permiten detectar el sol con precisión en un amplio campo de visión y en dos ejes ortogonales; - Photodiodes with several quadrants, usually four, that allow the sun to be detected accurately in a wide field of view and in two orthogonal axes;
- Sensores de pixeles activos, los cuales son de construcción más compleja, si bien aportan una mayor precisión. - Active pixel sensors, which are more complex in construction, although they provide greater precision.
De una forma más concreta, los diseños basados en fotodiodos de cuatro cuadrantes, requieren de una ventana que hace sombra a la luz que llega al sensor para iluminar de forma distribuida los fotodiodos y generar fotocorrientes dependientes del ángulo de incidencia de los rayos del Sol. More specifically, designs based on four-quadrant photodiodes require a window that shades the light that reaches the sensor to illuminate the photodiodes in a distributed manner and generate photocurrents dependent on the angle of incidence of the Sun's rays.
Los diseños basados en fotodiodos de cuatro cuadrantes siempre hacen uso de una ventana situada a una cierta altura para definir un campo de visión. Dicha altura de ventana puede estar a mayor distancia del fotodiodo de cuatro cuadrantes para que el campo de visión sea más pequeño, aportando por el contrario una mayor precisión. Designs based on four-quadrant photodiodes always make use of a window located at a certain height to define a field of view. Said window height can be at a greater distance from the four-quadrant photodiode so that the field of view is smaller, providing, on the contrary, greater precision.
Sin embargo, si se desease disponer de un sensor basado en fotodiodo de cuatro cuadrantes con un campo de visión asimétrico o rectangular, es decir, una mayor anchura en uno de sus ejes de coordenadas respecto al otro eje, se ha observado que no es suficiente con rediseñar la forma de la ventana dado que eso haría perder precisión y funcionalidad. However, if it were desired to have a four-quadrant photodiode-based sensor with an asymmetric or rectangular field of view, that is, a greater width in one of its coordinate axes with respect to the other axis, it has been observed that it is not sufficient. with redesigning the shape of the window since that would lose precision and functionality.
El documento ES 2346624 que describe un dispositivo de alta precisión para la determinación del ángulo de incidencia de una radiación luminiscente. Document ES 2346624 describes a high-precision device for determining the angle of incidence of luminescent radiation.
También es conocido el documento ES 2329539 que describe un sensor solar de alta precisión y cuyas partes comunes forman parte del preámbulo de la reivindicación 1. Document ES 2329539 is also known, which describes a high-precision solar sensor and whose common parts form part of the preamble of claim 1.
Además, el solicitante no tiene conocimiento en la actualidad de una invención que disponga de todas las características que se describen en esta memoria. Furthermore, the applicant is not currently aware of an invention that has all the characteristics described herein.
DESCRIPCIÓN DE LA INVENCIÓNDESCRIPTION OF THE INVENTION
La presente invención se ha desarrollado con el fin de proporcionar un sistema que se configura como una novedad dentro del campo de aplicación y resuelve los inconvenientes anteriormente mencionados, aportando, además, otras ventajas adicionales que serán evidentes a partir de la descripción que se acompaña a continuación. The present invention has been developed in order to provide a system that is configured as a novelty within the field of application and solves the aforementioned drawbacks, also providing other additional advantages that will be evident from the description that accompanies continuation.
Es por lo tanto un objeto de la presente invención proporcionar un sistema sensor de luz para la determinación del ángulo de incidencia de una radiación luminosa, que se caracteriza por el hecho de que comprende: It is therefore an object of the present invention to provide a light sensor system for determining the angle of incidence of light radiation, which is characterized by the fact that it comprises:
- un fotodiodo previsto para detectar o recibir la luz o radicación emitida por una fuente luminosa provisto de cuatro fotocélulas de control cuadrado, formando una disposición matricial 2x2; - a photodiode intended to detect or receive the light or radiation emitted by a light source provided with four square control photocells, forming a 2x2 matrix arrangement;
- una tapadera superior y una tapa inferior hechas de un material opaco que están previstas para colocarse por delante del fotodiodo en plano paralelos, estando cada una de las tapaderas provista de una ventana de contorno rectangular para el paso de luz, definida tal ventana por dos lados mayores y dos lados menores, - an upper cover and a lower cover made of an opaque material that are intended to be placed in front of the photodiode in a parallel plane, each of the covers being provided with a rectangular contour window for the passage of light, said window defined by two major sides and two minor sides,
estando la tapadera superior e inferior dispuestas de forma solapada y separadas entre sí una distancia, de tal manera que las ventanas adoptan entre sí una disposición en forma de cruz, the upper and lower cover being arranged in an overlapping manner and separated from each other by a distance, in such a way that the windows adopt a cross-shaped arrangement between them,
en el que la distancia entre la superficie frontal del fotodiodo y la tapadera inferior es menor que la distancia existente entre la tapa inferior y la tapadera superior, wherein the distance between the front surface of the photodiode and the bottom cover is less than the distance between the bottom cover and the top cover,
tal que el campo de visión en el eje “x” viene definido por el lado corto ‘a’ de la tapadera superior, mientras que el campo de visión en el eje “y” viene definido por el lado corto ‘b’ de la tapadera inferior such that the field of view in the "x" axis is defined by the short side 'a' of the top cover, while the field of view in the "y" axis is defined by the short side 'b' of the cover lower
cabe mencionar que el campo de visión en cada eje está definido por la altura de la ventana, esto es, el máximo ángulo detectable con precisión es aquel relacionado con el rayo que cruza el borde de la ventana e impacta en el centro entre los cuadrantes, por lo que se define matemáticamente como: It is worth mentioning that the field of vision in each axis is defined by the height of the window, that is, the maximum angle detectable with precision is that related to the ray that crosses the edge of the window and hits the center between the quadrants, so it is mathematically defined as:
Campo de visión = 90 - A = 90 - arctg (altura/k) Field of view = 90 - A = 90 - arctg (height/k)
siendo: being:
altura: altura entre fotodiodo y ventana. height: height between photodiode and window.
k: distancia entre la proyección de la ventana sobre el fotodiodo y el centro de estos. k: distance between the projection of the window on the photodiode and its center.
Gracias a estas características, es posible limitar el campo de visión de manera asimétrica, esto es, un campo de visión rectangular con un campo amplio en una dirección y un campo estrecho en la dirección ortogonal (X e Y), optimizando la precisión de ambos. Esto permite operar con sistemas de seguimiento solar y monitorización energética relacionados con plantas de energía solar, sistemas de actitud de satélites y drones, búsqueda de máxima generación de paneles solares, etc. Thanks to these characteristics, it is possible to limit the field of view asymmetrically, that is, a rectangular field of view with a wide field in one direction and a narrow field in the orthogonal direction (X and Y), optimizing the precision of both. . This allows operating with solar tracking and energy monitoring systems related to solar power plants, satellite and drone attitude systems, search for maximum generation of solar panels, etc.
Según otro aspecto de la invención, las ventanas de las tapaderas superior e inferior están dimensionadas tal que su anchura es igual o inferior a la anchura de un cuadrante. According to another aspect of the invention, the windows of the upper and lower lids are sized such that their width is equal to or less than the width of a quadrant.
Específicamente, las tapaderas superior e inferior están axialmente centradas entre sí respecto a un punto central de la ventana. Specifically, the top and bottom covers are axially centered relative to each other with respect to a center point of the window.
Esta disposición constructiva permite diseñar un campo de visión rectangular y preciso, por ejemplo, para evitar reflexiones de la luz que impacten en el sensor desde ángulos inesperados o mejorar la precisión en un eje de coordenadas mientras se mantiene el otro eje con un campo de visión amplio. This construction arrangement allows a precise rectangular field of view to be designed, for example, to avoid light reflections that hit the sensor from unexpected angles or to improve precision on one coordinate axis while maintaining the other axis with a field of view. broad.
El sistema descrito representa, pues, una estructura innovadora de características estructurales y constitutivas desconocidas hasta ahora para el fin a que se destina, razones que unidas a su utilidad práctica, la dotan de fundamento suficiente para obtener el privilegio de exclusividad que se solicita. The described system represents, therefore, an innovative structure with structural and constitutive characteristics unknown until now for the purpose for which it is intended, reasons that, together with its practical usefulness, provide it with sufficient foundation to obtain the privilege of exclusivity that is requested.
Otras características y ventajas del sistema objeto de la presente invención resultarán evidentes a partir de la descripción de una realización preferida, pero no exclusiva, que se ilustra a modo de ejemplo no limitativo en los dibujos que se acompañan, en los cuales: Other characteristics and advantages of the system object of the present invention will be evident from the description of a preferred, but not exclusive, embodiment, which is illustrated by way of non-limiting example in the accompanying drawings, in which:
BREVE DESCRIPCIÓN DE LOS DIBUJOSBRIEF DESCRIPTION OF THE DRAWINGS
Figura 1.- Es una vista esquematizada explosionada en planta que muestra los distintos componentes que conforman el sistema de acuerdo con la presente invención; Figure 1.- It is a schematic exploded plan view that shows the different components that make up the system according to the present invention;
Figura 2.- Es una vista esquematizada en planta que muestra la disposición adoptada por los componentes en el sistema según la invención; Figure 2.- It is a schematic plan view that shows the arrangement adopted by the components in the system according to the invention;
Figura 3.- Es una vista esquematizada en sección transversal de la disposición representada en la figura 2a l o largo de la línea 1A-1A; y Figure 3.- It is a schematic cross-sectional view of the arrangement represented in Figure 2 along line 1A-1A; and
Figura 4.- Es una vista esquematizada en sección transversal de la disposición representada en la figura 2a l o largo de la línea 1B-1B. Figure 4.- It is a schematic cross-sectional view of the arrangement represented in Figure 2 along line 1B-1B.
DESCRIPCIÓN DE UNA REALIZACIÓN PREFERENTEDESCRIPTION OF A PREFERRED EMBODIMENT
A la vista de las mencionadas figuras y, de acuerdo con la numeración adoptada, se puede observar en ellas un ejemplo de realización preferente de la invención, la cual comprende las partes y elementos que se indican y describen en detalle a continuación. In view of the aforementioned figures and, in accordance with the numbering adopted, an example of a preferred embodiment of the invention can be observed, which includes the parts and elements indicated and described in detail below.
Además, los términos primero, segundo, tercero y similares en la descripción y en las reivindicaciones se utilizan para distinguir entre elementos similares y no necesariamente para describir un orden secuencial o cronológico. Los términos pueden intercambiarse en circunstancias apropiadas y las realizaciones de la invención pueden operar en otras secuencias que las descritas o ilustradas en la presente memoria descriptiva. Furthermore, the terms first, second, third and the like in the description and claims are used to distinguish between similar elements and not necessarily to describe a sequential or chronological order. The terms may be interchanged in appropriate circumstances and embodiments of the invention may operate in sequences other than those described or illustrated herein.
En las figuras puede verse una disposición del sistema que comprende un fotodiodo (10) con cuatro cuadrantes (11) dispuestos matricialmente en una disposición 2x2, una tapadera superior (7) y una tapa inferior (8) con ventanas o ranuras dispuestas de tal manera que adoptan una disposición en cruz sobre los fotodiodos, siendo la referencia (1) los rayos de luz que entran según la dirección del eje “x”, y por tanto dando lugar a un campo de visión amplio, siendo la referencia (2) los rayos de luz que entran según la dirección del eje Y, y por tanto dando lugar a un campo de visión estrecho. El fotodiodo puede estar integrado en un circuito electrónico (PCB) (no representado) para la adaptación de señal, procesamiento de datos y/o comunicación con un controlador electrónico. In the figures you can see an arrangement of the system that comprises a photodiode (10) with four quadrants (11) arranged matrixly in a 2x2 arrangement, an upper cover (7) and a lower cover (8) with windows or slots arranged in such a way. that adopt a cross arrangement on the photodiodes, the reference (1) being the light rays that enter according to the direction of the "x" axis, and therefore giving rise to a wide field of vision, the reference (2) being the rays of light that enter according to the direction of the Y axis, and therefore giving rise to a narrow field of vision. The photodiode may be integrated into an electronic circuit (PCB) (not shown) for signal adaptation, data processing and/or communication with an electronic controller.
En el ejemplo mostrado, cada cuadrante tiene un tamaño 1,9 mm x 1,9 mm, por lo que las dimensiones (a) y (b) definidas más adelante tienen una longitud 1,9 mm. In the example shown, each quadrant has a size of 1.9 mm x 1.9 mm, so dimensions (a) and (b) defined below have a length of 1.9 mm.
La referencia (4) corresponde a la ventana amplia de ancho ‘B’ de la tapadera superior (7) a una altura H en el eje “x” para no afectar al campo definido por la ventana estrecha de ancho ‘a’ a una altura h, indicada por la referencia (6) (véase la figura 3). Del mismo modo, y con referencia a la figura 4, la referencia (4) corresponde a la ventana estrecha de ancho ‘b’ de la tapadera superior (7) que se encuentra a una altura H en el eje “y” que define el campo de visión estrecho y que además no se ve afectado por la ventana amplia de ancho ‘A’, indicada con la referencia (6). The reference (4) corresponds to the wide window of width 'B' of the upper cover (7) at a height H on the "x" axis so as not to affect the field defined by the narrow window of width 'a' at a height h, indicated by the reference (6) (see figure 3). In the same way, and with reference to figure 4, the reference (4) corresponds to the narrow window of width 'b' of the upper cover (7) which is located at a height H on the "y" axis that defines the narrow field of vision and which is also not affected by the wide window of width 'A', indicated with the reference (6).
Así, el campo de visión para el eje “y” es más estrecho que el campo de visión para el eje “x”, porque para el del eje “y” está definido ópticamente por la tapadera superior (7) situada a la altura H mientras que el del eje “x” está definido por la tapadera inferior (8) situada a la altura h con respeto al fotodiodo, siendo h menor que H. Thus, the field of view for the “y” axis is narrower than the field of view for the “x” axis, because for the “y” axis it is optically defined by the upper cover (7) located at height H while that of the “x” axis is defined by the lower cover (8) located at height h with respect to the photodiode, h being less than H.
En el ejemplo representado, la ranura de la tapadera inferior se encuentra a una altura del fotodiodo (h) de 0,540 mm. Además, su lado (a) debe estar en la dirección del eje “x”. La ranura de la tapadera superior se encuentra a una altura del fotodiodo (H) de 2,000 mm. Además, su lado (b) debe estar en la dirección del eje 2. In the example shown, the slot in the lower cover is located at a photodiode height (h) of 0.540 mm. Furthermore, its side (a) must be in the direction of the “x” axis. The slot in the upper cover is located at a height of the photodiode (H) of 2,000 mm. Furthermore, its side (b) must be in the direction of axis 2.
Con la finalidad de evitar que los lados abiertos indicados por (A) y (B) (véase figuras 3 y 4) hagan sombra entre las tapaderas superior e inferior, son tal que el lado (A) de la tapadera inferior tiene una longitud de 4,00 mm, mientras que el lado (B) de la tapadera superior tiene una longitud de 12,00 mm. In order to prevent the open sides indicated by (A) and (B) (see figures 3 and 4) from creating a shadow between the upper and lower covers, they are such that the side (A) of the lower cover has a length of 4.00 mm, while the side (B) of the top cover has a length of 12.00 mm.
Con este diseño se consigue un sensor de fóvea asimétrica de 60/25 grados. Si hacemos los cálculos: With this design, a 60/25 degree asymmetric fovea sensor is achieved. If we do the math:
Para el Eie x: For the Eie x:
- Campo de visión = 90 - A = 90 - arctg [0.540 mm / (1.9 mm/2)] = 60 grados - Field of view = 90 - A = 90 - arctg [0.540 mm / (1.9 mm/2)] = 60 degrees
- Precisión = 60 grados / (1900/2) mieras = 0.063 grados/micra - Accuracy = 60 degrees / (1900/2) microns = 0.063 degrees/micron
Para Eie v: For Eie v:
- Campo de visión = 90 - A = 90 - arctg [2.000 mm / (1.9 mm/2)] = 25 grados - Field of view = 90 - A = 90 - arctg [2,000 mm / (1.9 mm/2)] = 25 degrees
- Precisión = 60.4 grados / (1900/2) mieras = 0.026 grados/micra - Accuracy = 60.4 degrees / (1900/2) microns = 0.026 degrees/micron
De este modo, el eje x tiene un campo de visión más amplio que el eje y y, por otro lado, el eje y tiene una precisión peor (mayor) que el eje 2. Thus, the x-axis has a wider field of view than the y-axis and, on the other hand, the y-axis has a worse (higher) precision than the 2-axis.
De esta manera queda definido un sensor de luz o solar de cuatro cuadrantes con doble ranura o ventana para conseguir un campo de visión asimétrico: estrecho y preciso en un eje o dirección, y ancho y menos preciso en el eje o dirección ortogonal. In this way, a four-quadrant light or solar sensor with a double slot or window is defined to achieve an asymmetric field of vision: narrow and precise in one axis or direction, and wide and less precise in the orthogonal axis or direction.
El fotodiodo puede estar fabricado en cualquier material que permita detectar la luz o radiación emitida por una fuente luminosa artificial (tales como por ejemplo, una bombilla incandescente, LED, láser) o natural. Ejemplos del material empleado en el fotodiodo puede ser silicio para rango visible, arseniuro de Galio para rango visible en infrarrojos, Germanio para infrarrojos o carburo de silicio para luz ultravioleta. The photodiode can be made of any material that allows it to detect the light or radiation emitted by an artificial light source (such as, for example, an incandescent bulb, LED, laser) or natural light. Examples of the material used in the photodiode can be silicon for the visible range, Gallium arsenide for the visible range in the infrared, Germanium for the infrared or silicon carbide for ultraviolet light.
Dependiendo del material empleado en la fabricación de las tapaderas, las tapaderas y el fotodiodo están unidos entre sí mediante glue-bonding, por ejemplo, mediante un adhesivo con base epoxy cuando las tapaderas están hechas en cristal, o bien cianocrilato cuando las tapaderas están hechas de material polimérico. Depending on the material used in the manufacture of the covers, the covers and the photodiode are joined together by glue-bonding, for example, using an epoxy-based adhesive when the covers are made of glass, or cyanoacrylate when the covers are made of polymeric material.
Alternativamente, en el caso de tapaderas fabricadas en metal, la unión puede llevarse a cabo mediante el uso de elementos de tornillería que fijan las dos tapaderas y el fotodiodo. Alternatively, in the case of covers made of metal, the union can be carried out through the use of screws that fix the two covers and the photodiode.
Con referencia al tamaño de los cuadrantes puede ser cualquiera dependiendo del uso y necesidades del sistema, de modo que puede ser desde mieras hasta milímetros, y siendo la fabricación del dispositivo mediante técnicas estándar de fabricación de microsistemas. With reference to the size of the quadrants, it can be any depending on the use and needs of the system, so it can be from microns to millimeters, and the device will be manufactured using standard microsystem manufacturing techniques.
En lo que se refiere al material empleado para las tapaderas, puede ser material plástico, metálico o cristal con una deposición de metal (por ejemplo, aluminio). Regarding the material used for the covers, it can be plastic, metal or glass material with a metal deposit (for example, aluminum).
Los detalles, las formas, las dimensiones y demás elementos accesorios, empleados en la fabricación del sistema de la invención podrán ser convenientemente sustituidos por otros que no se aparten del ámbito definido por las reivindicaciones que se incluyen a continuación. The details, shapes, dimensions and other accessory elements used in the manufacture of the system of the invention may be conveniently replaced by others that do not deviate from the scope defined by the claims included below.
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