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光电二极管光传感器

光电二极管光传感器

具有宽动态范围的光传感器被用在各种应用中。宽动态范围光传感器(48,52)包括暴露光电二极管光转换器(106),其按照入射在积分期间(158)内的光(104)的比例积累电荷。传感器逻辑(306)在积分开始之前确定光积分期间(158)并且复位电荷。测量由暴露光转换器(106)在光积分期间(158)内积累的电荷并在积累电荷的基础上确定具有一定宽度(170)的脉冲(122)。

平行电阻器R15和二极管D5被连接在VDD和节点208之间。电容器C12被连接在节点208和地之间。电阻器R6连接共同节点208到微控制器U1的输入/MCLR。元件D5,R15,R6和C12形成通电复位电路,总体以210示出。通过点火线212电源施加到变暗逻辑56。二极管D1保护点火线212上的反极性并且二极管D2固定来自点火线212的电压近似为5伏特。电容器C2,C7和C11,电阻器R3以及铁氧体元件E1形成电源调节电路,通常以214示出。当车辆20反向放置时,反向线216被赋值。电容器C10和电阻器R8,R9以及R27形成反向信号调节电路,总体以218示出。反向信号调节电路218低通滤过反向线216并对微控制器U1上的数字输入引脚RB6提供静电释放保护。只要车辆20反向放置微控制器U1使用反向线216上的信号以清除可变透射率元件42。微控制器U1由连接在OSC1引脚和VDD之间的电阻器R2形成的RC振荡器和连接在OSC1引脚和地之间的电容器C1计时。串联连接在VDD和微控制器U1的漏极开路输出RA4的电阻器R30和LED D3形成指示灯,其可被安装在内后视镜24上以警告变暗逻辑56的操作状态的驾驶人员22。开关S1和S2分别连接到微控制器U1的数字输入RB1和RB3以允许选择控制选择项。

光传感器的一种应用是用于自动变暗车辆后视镜。车辆驾驶人员利用车内和车外的后视镜观察车辆后的情景,不需要面向后方,并且观察另外被车辆结构阻挡住的车辆周围的区域。如上述,对车辆驾驶人员来说后视镜是一种重要的信息源。在车辆后面的情景中出现的明亮光线,例如来自后面接近的另一车辆,可在后视镜中产生闪光,能在视觉上暂时损害驾驶人员或使其目眩。当车辆驾驶人员的眼睛已适应黑暗时,在诸如发生在晚上的弱周围光线的情况中这个问题通常变得严重。

光电二极管光传感器

根据本发明的上述光传感器,还包括屏蔽于光的光转换器,屏蔽的光转换器用于在光积分期间中与噪声成正比例地积累电荷,其中光-脉冲电路进一步用于:在光积分期间开始时复位积累在屏蔽的光转换器中的电荷;测量由屏蔽的光转换器在光积分期间内积累的电荷;以及确定输出脉冲,其宽度基于测量到的积累的、暴露的光转换器的电荷与测量到的积累的、屏蔽的光转换器的电荷之差。

现在参考图7,示出了变暗逻辑的实施方案的示意图。该电路描述了一种对自动变暗内后视镜24有效而便宜的执行。变暗逻辑56利用以U1示出的小的低成本微控制器,诸如Microchip Technology,Inc.of Chandler,Arizona的PICI6C620。周围光线传感器48通过连接到微控制器输入RB0的相互连接信号114和微控制器U1联络。相似地,眩光传感器52通过连接到微控制器输入RB2的单独相互连接信号114a和微控制器U1联络。如根据上述图4和5所描述的,每个相互连接信号114传输从光传感器48,52到微控制器U1的积分期间158以及传输从微控制器U1到光传感器48,52的光强度期间170。连接在VDD和地之间的电阻器R29和电容器C4对光传感器48,52提供过滤过的电源。

在块272中比较周围光线程度的对数的平均与阈值。如果周围光线32足够明亮,车辆驾驶人员22将不会被允许镜子24,26设置为最大反射的任何适当量的眩光34所眩目。因此,如果周围光线信号50的对数的平均不小于阈值,在块266中清除变暗元件40并且执行块268的等待。如果周围光线信号50的对数的平均小于该阈值,眩光处理在块274开始发生。典型地,用于在块272中比较的阈值小于在块264的比较中使用的日检测程度。

可通过在输入节点220施加控制电压的电色可变透射率元件42的反馈,提高变暗逻辑56的性能。微控制器U1包括比较逻辑,如果施加控制电压比所需控制程度高,以引起脉冲输出224,释放低电压否则释放高电压。典型地,高电压接近VDD,低电压接近地。通过比较代表所需控制程度的数位和使用数模转换器得到的数字化施加控制电压,可作出该比较。另一方面,使用数模转换器(DAC)228和比较器230。响应微控制器U1上运行的软件提供的DAC控制232上的所需控制程度的要求,DAC228产生模拟输出AN2上的所需电压电平。电阻器R31连接到模拟输出AN2和节点234之间,电阻器R26连接到节点234和地之间。在模拟输入AN3的比较器230的输入连接到输入节点234。在模拟输入AN0的比较器230的其他输入连接到输入节点220。比较器230的输出指示所需电压电平是否大于施加的控制电压。选择电阻器R31和R26的值,使得节点234的电压在输入节点220的期望的施加控制电压的范围内,遍及所需的DAC228的控制电压输出的范围。R31和R26的典型值分别为390KΩ和200KΩ。

根据本发明的上述光传感器,还包括至少一个附加的暴露的光转换器,该至少一个附加的暴露的光转换器用于在积分期间内以不同与其它暴露的光转换器的速率与入射光成正比例地积累电荷,传感器逻辑还用于:在光积分期间开始时复位积累在该至少一个附加的暴露的光转换器中的电荷,所述光-电压电路用于测量由该至少一个附加的暴露的光转换器在光积分期间内积累的电荷,所述电压-脉冲电路用于输出附加脉冲,每一个附加脉冲其宽度基于对每一个附加的暴露的光转换器各个测量得到的积累电荷。

现在参考图15,示出了根据本发明实施方案的具有噪声补偿的光传感器操作的示意图。总体以380示出的光脉冲电路通过结合屏蔽光转换器144和相关的电子装置,改进光脉冲电路300。屏蔽光转换器144优选具有和暴露光转换器106相同的结构。然而,屏蔽光转换器144不接收光104。因此,由屏蔽光转换器144产生的电荷只是噪声的函数。在自然界中噪声主要是热量的。如果屏蔽光转换器144具有暴露光转换器106相同的结构,由屏蔽光转换器144产生的噪声信号将非常接近由暴露光转换器106产生的信号中的相同噪声。通过从暴露光转换器106产生的信号中减去屏蔽光转换器144产生的信号,可大大减小光转换器106中的噪声影响。

硅基传感器的一种难点是硅和人眼之间的光谱灵敏度的差异。周围光线过滤器58可放置在周围光线传感器48之前或结合在其中。相似地,眩光过滤器60可放置在眩光传感器52之前或结合在其中。过滤器58,60衰减包括可见光,红外和紫外射线在内的光谱的特定部分,使得冲击传感器48,52的光线结合传感器48,52中的光转换器的频率响应,以更加接近人眼的响应并补偿诸如挡风玻璃30的车辆视窗的着色。根据下面的图31-33描述过滤器58,60的使用以补偿传感器48,52中的光转换器的光谱灵敏度。

在块276中设置眩光计数。该眩光计数指示周围光线读数间读取的眩光读数的数目。眩光计数和眩光循环延迟的乘积应该等于读取周围光线读数间的时间。例如,眩光计数可为3并且读取眩光读数之间的时间可为133ms。

总体以578示出的透镜优选用于聚光至暴露光转换器106上。透镜578可放置在光传感器48,52的前面或,优选结合到如在图28中示出的窗口102中。透镜578限定光传感器48,52的视场并且通过光学增益提供提高的灵敏度。

控制信号70包括一序列具有不同长度的积分期间。在图3示出的实施例中,产生具有短积分期间76的短积分脉冲74。由于噪声半导体光传感器可在完全黑暗的环境中输出短脉冲。因此,忽略持续时间小于阈值的传感器输出72中的任何脉冲,诸如短脉冲78。接下来,产生具有中等积分期间82的中等积分脉冲80。引起的中等信号脉冲84具有指示中等积分期间82中入射到传感器48,52上的光的数量的持续时间。产生具有长积分期间88的长积分脉冲86。如果光传感器48,52足够明亮,将导致饱和。因此,也忽略持续时间比阈值大的长信号脉冲90。

现在参考图13,示出了根据本发明实施方案的具有脉冲输出的光传感器的操作示意图。光脉冲电路300包括用于把入射到暴露光转换器106上的光104转换为积累在以CSL示出的光存储电容器304中的电荷的光转换器106。暴露光转换器106可为能够把光104转换为电荷的任何装置,例如在E.Fossum等人的名称为“具有内象素电荷迁移的有源象素传感器”的U.S.专利No.5,471,515中描述光门(photogate)传感器,该专利在此作为参考。光转换器106优选为根据下面的图25和26描述的光电二极管。除了所指出的,下面的讨论不依赖暴露光转换器106的特殊类型或结构。

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