BRPI0803028B1 - Dispositivo sensor óptico, e, método de produção de um dispositivo sensor óptico - Google Patents

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Abstract

dispositivo sensor óptico, e, método de produção de um dispositivo sensor óptico. um dispositivo sensor óptico (10) pode ser acoplado com uma janela (14), em particular com uma pára-brisas de um veículo automotor. o dispositivo sensor óptico (10) compreende uma unidade sensora (12) que inclui um emissor (26), um receptor (28) e uma unidade condutora de luz (30). por meio da unidade condutora de luz (30), um feixe de luz (34) emitido pelo emissor (26) é acoplado dentro da janela (14), acoplado fora da janela (14) e dirigido para sobre o receptor (28). a unidade condutora de luz (30) inclui regiões de lente de fresnel e regiões refletoras associadas com as mesmas.

Description

(54) Título: DISPOSITIVO SENSOR ÓPTICO, E, MÉTODO DE PRODUÇÃO DE UM DISPOSITIVO
SENSOR ÓPTICO (51) lnt.CI.: G01W1/14; B60S 1/08 (30) Prioridade Unionista: 04/06/2007 DE 10 2007 025 987.7 (73) Titular(es): TRW AUTOMOTIVE ELECTRONICS & COMPONENTS GMBH (72) Inventor(es): ULRICH BACKES (85) Data do Início da Fase Nacional: 04/06/2008 “DISPOSITIVO SENSOR ÓPTICO, E, MÉTODO DE PRODUÇÃO DE UM DISPOSITIVO SENSOR ÓPTICO”
Figure BRPI0803028B1_D0001
A invenção refere-se a um dispositivo sensor óptico que pode ser acoplado com uma janela, em particular com um pára-brisas de um veículo automotor, compreendendo uma unidade sensora um emissor, que inclui um receptor e uma unidade condutora de luz, pela qual um feixe de luz emitido pelo emissor é acoplado dentro da janela, acoplado fora da janela e dirigido para sobre o receptor.
Tais dispositivos sensores são especialmente usados como sensores de chuva em veículos automotores para atuarem automaticamente os limpadores de pára-brisas. O uso de lentes clássicas para influenciar o percurso óptico, tal como as lentes do sensor de chuva exposto na EP 1 068 112 Bl, as quais são inclinadas contra o pára-brisas, requer um espaço de empacotamento relativamente grande.
Como conhecido, por exemplo, do WO 03/026937 Al, menores construções são possíveis por meio do uso de sensores holográficos. Estes sensores são baseados no princípio de difração de luz por meio de elementos difrativos e, por conseguinte, têm a desvantagem principal de uma produção substancialmente menor de luz que pode ser usada e uma maior susceptibilidade à luz estranha.
Para reduzir a distância entre emissor e/ou receptor e a unidade condutora de luz em um dispositivo sensor óptico, a DE 196 08 648 Cl propõe formar as superfícies de entrada e saída de luz da unidade condutora de luz como lentes de Fresnel. Não obstante, o espaço de empacotamento requerido para este dispositivo é muito grande devido à complexa unidade condutora de luz, que necessita de um arranjo da placa de circuitos portando o emissor e receptor verticalmente ao pára-brisas.
A invenção provê um dispositivo sensor óptico que é capaz de explorar uma área sensora muito grande e ainda requer somente um espaço de
A
-......í empacotamento muito pequeno.
Para esta finalidade, de acordo com a invenção, em um dispositivo sensor óptico como inicialmente mencionado, a unidade condutora de luz inclui regiões de lente de Fresnel e regiões refletoras associadas com as 5 mesmas. Quando comparada com as lentes clássicas, a unidade condutora de luz com as regiões de lente de Fresnel de acordo com a invenção pode ser configurada com uma menor espessura. Em adição, a unidade condutora de luz pode ser arranjada em paralelo à janela de modo a poupar espaço, porque ela permite acoplar o feixe de luz dentro e fora da janela em um ângulo. A 110 invenção é baseada no achado que, quando um feixe de luz alinhado em paralelo é apropriadamente acoplado dentro da janela em um ângulo, uma área sensora relativamente grande da janela pode ser explorada. Em adição, as regiões de lente de Fresnel com as regiões refletoras associadas de acordo com a invenção provêm uma configuração até mesmo mais compacta da 15 unidade condutora de luz.
Particularmente favorável para a produção e montagem do dispositivo sensor óptico da invenção é uma forma de concretização em que a unidade condutora de luz é formada em uma peça. Em particular, a unidade ( condutora de luz pode ser feita como uma placa, cujo lado frontal tem uma 20 estrutura escalonada (estrutura de Fresnel). A placa é arranjada de modo que o lado frontal da placa está voltado para o emissor e/ou receptor. À parte da produção simplificada da unidade condutora de luz, em que é somente necessário incorporar (por exemplo, por meio de gravação em relevo) os degraus requeridos da estrutura de Fresnel em uma placa retangular de um 25 material óptico apropriado, o arranjo da região de entrada da unidade condutora de luz em relação à região de saída é firmemente especificada e não pode se alterar como um resultado de influências mecânicas quer durante a montagem quer na condição montada.
Outros aspectos vantajosos e expedientes do dispositivo sensor
Figure BRPI0803028B1_D0002
óptico da invenção podem ser obtidos a partir das reivindicações
A invenção será subseqüentemente explicada em detalhe com referência aos desenhos anexos, em que:
- a figura 1 mostra esquematicamente uma vista superior de um dispositivo sensor óptico de acordo com a invenção;
- a figura 2 mostra esquematicamente uma vista seccional ao longo da linha A-A da figura 1; e
- a figura 3 mostra esquematicamente uma vista superior de um outro desenvolvimento do dispositivo sensor óptico de acordo com a invenção.
A figura 1 mostra um dispositivo sensor óptico 10 de acordo com a invenção, com duas unidades sensoras idênticas 12 para detectar a umidade de uma janela. A seguir, o dispositivo sensor óptico 10 será descrito para uso como um sensor de chuva que é montado sobre o pára-brisas 14 (ver a figura 2) de um veículo automotor. Na ilustração da figura 1, alguns poucos componentes do dispositivo sensor 10 são omitidos a fim de enfatizar as superfícies de incidência de luz 16, 18, 20, descritas em detalhe abaixo.
A configuração básica das unidades sensoras 12 é ilustrada na ilustração seccional da figura 2. Em uma caixa 22, a qual é aberta em um lado, uma placa de circuitos impressos 24 com um emissor 26 e um receptor 28 para cada unidade sensora 12 é acomodada. Na condição montada do dispositivo sensor 10, isto é, quando o dispositivo sensor 10 é montado sobre um pára-brisas 14, o pára-brisas Mea placa de circuitos impressos 24 são alinhados substancialmente em paralelo um com relação ao outro. Entre a placa de circuitos impressos 24 e o pára-brisas 14 é arranjada uma unidade condutora de luz 30, cujo componente essencial é uma placa de lente. A caixa 22 é a placa de circuitos impressos 24 são fixadas no pára-brisas 14 através de um acoplador 32.
- O emissor 26 emite em uma faixa de freqüência específica, em / s\ que o termo “luz” não é restrito à luz visível, mas, em particular, compreende V radiação na faixa infravermelha. A luz é emitida pelo emissor 26 como um
5 feixe de luz divergente 34 dirigido sobre uma porção de entrada 42 da unidade condutora de luz 30. O receptor 28 é ajustado com o emissor 26 e provê sinais para uma unidade de avaliação (não mostrada) correspondente à incidência detectada de luz.
• 10 A placa de lente da unidade condutora de luz 30 na condição montada é alinhada em paralelo com o pára-brisas 14. A unidade condutora de luz 30 geralmente tem uma configuração em simetria de espelho, em que o plano de espelho imaginário se estende entre o emissor 26 e o receptor 28 verticalmente ao pára-brisas 14 e separa a porção de entrada 42 a partir da porção de saída com simetria de espelho 44. O lado frontal 38 da placa de lente, voltado para o emissor 26 e o receptor 28, tem uma estrutura escalonada
15 • (subseqüentemente referida como estrutura de Fresnel), que será explicada em detalhe abaixo. Os degraus 54 da porção de entrada 42, cada, têm uma superfície de entrada 56, através da qual parte do feixe de luz diferente 34 emitido pelo emissor 26 entra na unidade condutora de luz 30. As superfícies de entrada 56 são configuradas na maneira de lentes de Fresnel asféricas. Em
20 adição, os degraus externos 54 da porção de entrada 42 (os dois degraus à direita, como vistos na figura 2) têm superfícies refletoras 58, as quais são alinhadas substancialmente verticalmente com relação ao pára-brisas 14. Cada superfície refletora 58 é associada com a superfície de entrada 56 do degrau associado 54, como se tomará aparente da descrição funcional do dispositivo
25 sensor. Como já mencionado, a porção de saída 44 é formada simetricamente à porção de entrada 42, em que as superfícies 56 da porção de saída 44, que correspondem às superfícies de entrada 56 da porção de entrada 42, são referidas como superfícies de saída 50, quando o feixe de luz 34b
acoplado fora do pára-brisas 14 deixa a unidade condutora de luz 30 através destas superfícies. Em geral, a estrutura de Fresnel da unidade condutora de luz 30 inclui assim regiões de lente de Fresnel às quais regiões refletoras são associadas, e as regiões de lente de Fresnel às quais regiões refletoras não são 5 associadas.
Na forma de concretização ilustrada, o acoplador 32 é formado por meio de um meio transparente, elástico e substancialmente planar, o qual, na faixa de freqüência da luz emitida pelo emissor 26, não tem propriedades refletoras pronunciadas.
Na operação, o feixe de luz divergente 34 emitido pelo emissor na direção da placa de lente incide sobre a porção de entrada 42 da unidade condutora de luz 30 (para melhor clareza, a figura 2 somente mostra aquelas partes do feixe de luz 34 que são atualmente usadas para explorar a superfície sensora). As regiões de lente de Fresnel provêm um alinhamento paralelo dos raios das partes de feixe de luz, as superfícies de entrada 56 dos degraus externos 54 senso configurados de tal maneira que aqui os raios das partes de feixe de luz alinhadas em paralelo são dirigidas sobre superfícies refletoras associadas 58 dos respectivos degraus 54. As superfícies de entrada 56 e as superfícies refletoras 58 são ajustadas umas às outras de modo que, quando da reflexão sobre as superfícies refletoras 58, todas partes de feixe de luz geralmente formam um feixe de luz uniforme 34a com raios alinhados em paralelo, os quais são dirigidos para sobre o pára-brisas 14 em um ângulo de cerca de 45°.
O feixe de luz 34a alinhado em paralelo é acoplado no pára25 brisas 14 por meio do acoplador 32, sem uma alteração substancialmente em direção, isto é, o ângulo de incidência a é cerca de 45°. No pára-brisas 14, o feixe de luz 34a sofre reflexão total, os raios de luz ainda permanecendo orientados em paralelo. A superfície de incidência do feixe de luz 34a acoplada com o pára-brisas 14 em paralelo (superfície de incidência de luz 18
Figure BRPI0803028B1_D0003
na figura 1) define a superfície sensora 46, isto é, aquela da superfície do pára-brisas 14 que é examinada com respeito a umidade por meio da respectiva unidade sensora 12. Devido à construção simétrica do acoplador 32 e à unidade condutora de luz 30, o percurso óptico do feixe de luz quando da 5 reflexão total no pára-brisas 14 é simétrico ao percurso óptico descrito acima. Isto significa que o feixe de luz paralelo refletido 34b é acoplado fora do párabrisas 14 por meio do acoplador 32 sob um ângulo de emergência β de cerca de 45° e é acoplado dentro da porção de saída 44 da unidade condutora de luz 30 (superfície de incidência de luz 20 na figura 1). Na reflexão parcial sobre 10 as superfícies refletoras 58, partes de feixe de luz emergem da unidade condutora de luz 30 através das superfícies de saída 56. As superfícies de saída 56 são configuradas de modo que elas focam as partes de feixe de luz sobre o receptor 28.
Para uma melhora avaliação de sinal, os sinais providos pelos 15 receptores 28 do par de unidades sensoras são sujeitos a uma subtração na unidade de avaliação. O mesmo é verdadeiro para possíveis outros pares de unidades sensoras 12, que pertencem ao dispositivo sensor dispositivo sensor
10.
Para evitar um mal funcionamento de uma unidade sensora de 20 umidade 12 devido a uma indesejada entrada e/ou saída de luz, cujas possíveis causas são explicadas em detalhe abaixo, pelo menos parte das regiões da unidade condutora de luz 30 que permanecem entre as regiões de lente de Fresnel individuais ou as regiões de reflexão associadas é provida com estruturas refrativas ou reflexivas. Luz que de outra maneira poderia ser 25 acoplada dentro e fora da unidade condutora 30 através destas regiões intermediárias e poderíam perturbar a operação da “unidade sensora 12, é assim desviada em direções “inofensivas”. Por conseguinte, as regiões intermediárias podem também ser referidas como regiões de desvio.
Em princípio, é possível na forma de concretização descrita <4 acima que, além do feixe de luz paralelo desejado 34a, usado para iluminar o pára-brisas 14 sob um ângulo de 45°, ainda raios de luz indesejados sejam gerados nas regiões da unidade condutora de luz 30 não provida com estruturas de Fresnel devido à refração ou reflexão. Estes outros raios de luz 5 podem iluminar objetos, tais como grãos de areia, os quais são localizados à frente da superfície do pára-brisas 14 e, assim, não representam umidade. Parte dos raios de luz pode, por vez, ser refletida por estes objetivos e, assim, possivelmente podem passar através de outras regiões não estruturadas da unidade condutora de luz 30 e finalmente entrar no receptor 28. Além disto, 10 luz estranha (por exemplo, luz do sol) que provêm do exterior pode igualmente passar através das regiões não estruturadas e entrar na unidade condutora de luz 30 e finalmente incidir sobre o receptor 28. Luz provindo do emissor 26 possivelmente pode igualmente passar para o receptor 28 diretamente como um resultado de múltipla reflexão na região central da 15 unidade condutora de luz 30 (isto é, sem “desvio” através do pára-brisas 14). Todos estes efeitos podem conduzir a uma detecção errônea de umidade.
A finalidade de estruturar as regiões intermediárias como regiões de desvio, assim, é para defletir luz indesejada por meio de refração ou reflexão, de modo que a função da unidade sensora 12 não seja 20 prejudicada. Uma possibilidade de estruturação das regiões de desvio conhecidas de outro campo técnico é a assim chamada “estrutura de olho de gato”.
A figura 3 mostra um outro desenvolvimento de um dispositivo sensor óptico dispositivo sensor 10’. Em adição às unidades 25 sensoras 12 para detectar a umidade do pára-brisas 14, adicionais unidades sensoras de luz do dia 48 são providas aqui. As unidades sensoras de luz do dia 48, cada, compreendem um receptor de luz 50 e uma unidade condutora de luz (não visível na figura 3).
Como em uma unidade condutora de luz 12, a unidade
Figure BRPI0803028B1_D0004
condutora de luz de uma unidade sensora de luz do dia 48 basicamente é retangular com um lado traseiro substancialmente planar voltado para o párabrisas 14 e arranjado em paralelo ao mesmo. O lado frontal da unidade condutora de luz voltado para o receptor de luz 50 tem degraus de Fresnel 5 (sem regiões refletoras), os quais formam uma lente de Fresnel asférica. O eixo geométrico óptico da lente de Fresnel é inclinado por cerca de 45° com respeito ao pára-brisas 14.
Alternativamente, a unidade condutora de luz de uma unidade sensora de luz do dia 48 pode ser projetada com regiões de lente de Fresnel e 10 regiões refletoras, que são formadas e arranjadas em correspondência à acima descrita estrutura de Fresnel de uma unidade sensora de umidade 12 (isto é, a porção de entrada 42 ou a porção de saída 44 da unidade condutora de luz 30).
Cada lente de Fresnel ou estrutura de Fresnel mapeia luz a partir de uma definida região 52 da circunvizinhança sobre o associado 15 receptor de luz 50. A funcionalidade é assim expandida para o efeito que, além de uma atuação automática de braços limpadores, o dispositivo sensor compacto dispositivo sensor 10’ também provê um controle automático do sistema de iluminação de um veículo.
Em princípio, é possível formar várias ou até mesmo todas 20 estruturas de Fresnel (e possivelmente lentes de Fresnel) de um dispositivo sensor da invenção em uma única placa de lentes.
Para produzir uma unidade condutora de luz 30 prosseguindo a partir de uma placa de lente retangular de um material óptico apropriado, apenas menores modificações são necessárias no lado frontal 38, a fim de 25 formar a requerida estrutura de Fresnel 40 (possivelmente com regiões de desvio). A unidade condutora de luz 30 pode ser formada na placa de lente em particular por meio de uma operação de gravação em relevo. Na operação de gravação em relevo, outras unidades condutoras de luz (para unidades sensora de umidade ou de luz do dia) podem ser formadas ao mesmo tempo.

Claims (3)

  1. REIVINDICAÇÕES
    1. Dispositivo sensor óptico (10, 10’), que pode ser acoplado com uma janela (14), em particular com uma pára-brisas de um veículo automotor, compreendendo uma unidade sensora (12) que inclui um emissor 5 (26), um receptor (28) e uma unidade condutora de luz (30), pela qual um feixe de luz (34) emitido pelo emissor (26) é acoplado dentro da janela (14), acoplado fora da janela (14) e dirigido para sobre o receptor (28), caracterizado pelo fato de que a unidade condutora de luz (30) inclui regiões de lente de Fresnel e regiões refletoras associadas com as mesmas.
    10 2. Dispositivo sensor óptico de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que a unidade condutora de luz (30) também inclui regiões de lente de Fresnel, às quais regiões refletoras não são associadas.
    3. Dispositivo sensor óptico de acordo com a reivindicação 1 ou 2, caracterizado pelo fato de que as regiões de lente de Fresnel e regiões
    15 refletoras são formadas em uma estrutura escalonada (40) da unidade condutora de luz (30).
    4. Dispositivo sensor óptico de acordo com a reivindicação 3, caracterizado pelo fato de que a unidade condutora de luz (30) é formada por uma placa cujo lado frontal (38) inclui a estrutura escalonada (40), a placa
    20 sendo arranjada de modo que o lado frontal (38) da placa está voltado para o emissor (26) e/ou receptor (28).
    5. Dispositivo sensor óptico de acordo com a reivindicação 4, caracterizado pelo fato de que pelo menos alguns dos degraus (54) da estrutura escalonada (40) têm, cada, uma superfície de entrada ou saída (56)
    25 configurada na maneira de uma lente de Fresnel asférica e uma superfície refletora (58) associada com a superfície de entrada ou saída.
    6. Dispositivo sensor óptico de acordo com a reivindicação 5, caracterizado pelo fato de que as superfícies refletoras (58) são alinhadas substancialmente verticalmente com respeito à janela (14).
    Ί. Dispositivo sensor óptico de acordo com qualquer uma das reivindicações precedentes, caracterizado pelo fato de que entre as regiões de lente de Fresnel individuais e as regiões de reflexão associadas são providas regiões de desvio que têm uma estrutura refrativa ou reflexiva de modo que luz incidindo sobre as regiões de desvio é desviada em uma direção que não prejudica a função do dispositivo sensor óptico (12).
    8. Dispositivo sensor óptico de acordo com qualquer uma das reivindicações precedentes, caracterizado pelo fato de que a unidade condutora de luz (30) inclui uma porção de entrada (42), através da qual o feixe de luz (34) emitido pelo emissor (26) é acoplado dentro da janela, e uma porção de saída (44), através da qual o feixe de luz é acoplado fora da janela (14) e é dirigido para sobre o receptor (28).
    9. Dispositivo sensor óptico de acordo com a reivindicação 8, caracterizado pelo fato de que a unidade condutora de luz (30) tem um desenho com simetria em espelho.
    10. Dispositivo sensor óptico de acordo com a reivindicação 8 ou 9, caracterizado pelo fato de que a unidade condutora de luz (30) é formada em uma peça.
    11. Dispositivo sensor óptico de acordo com qualquer uma das reivindicações 8 a 10, caracterizado pelo fato de que na porção de entrada (42) da unidade condutora de luz (30) as regiões de lente de Fresnel e as regiões refletoras associadas são, cada, arranjadas de modo que parte do feixe de luz (34) emitido pelo emissor (26) é, cada, acoplado dentro da unidade condutora de luz (30) através de uma região de lente de Fresnel e subseqüentemente refletida sobre a região refletora associada.
    12. Dispositivo sensor óptico de acordo com qualquer uma das reivindicações 8 a 11, caracterizado pelo fato de que a porção de entrada (42) da unidade condutora de luz (30) as regiões refletoras são arranjadas de tal maneira que as partes refletidas do feixe de luz (34) emitido pelo emissor (26) são conjuntamente acopladas dentro da janela (14) como um feixe de luz paralelo (34a).
    13. Dispositivo sensor óptico de acordo com a reivindicação 1-2, caracterizado pelo fato de que o ângulo (a), sob o qual o feixe de luz (34a) é acoplado dentro da janela (14), é aproximadamente 45°.
    14. Dispositivo sensor óptico de acordo com a reivindicação 13, caracterizado pelo fato de que o ângulo (β), sob o qual o feixe de luz (34b) é acoplado fora da janela (14), é aproximadamente 45°.
    15. Dispositivo sensor óptico de acordo com qualquer uma das reivindicações 8 a 14, caracterizado pelo fato de que na porção de saída (44) da unidade condutora de luz (30) as regiões de lente de Fresnel e as regiões refletoras associadas são, cada, arranjadas de tal modo que parte do feixe de luz (34b) acoplada fora da janela (14) é refletida sobre uma região refletora e subseqüentemente acoplada fora da unidade condutora de luz (30) através da região de lente de Fresnel associada.
    16. Dispositivo sensor óptico de acordo com qualquer uma das reivindicações 8 a 15, caracterizado pelo fato de que na porção de saída (44) da unidade condutora de luz (30) as regiões de lente de Fresnel e as regiões refletoras associadas são, cada, arranjadas de tal modo que partes do feixe de luz (34b) acopladas fora da janela (14) são refletidas pelas regiões refletoras sobre as regiões de lente de Fresnel associadas e são assim dirigidas sobre o receptor (28) como partes de feixe de luz convergentes.
    17. Dispositivo sensor óptico de acordo com qualquer uma das reivindicações precedentes, caracterizado pelo fato de que em uma caixa (22) do dispositivo sensor (10’) pelo menos uma adicional unidade sensora de luz do dia (48) é acomodada, a unidade sensora de luz do dia (48) incluindo um receptor de luz (50) e uma unidade condutora de luz que mapeia luz a partir de uma região definida (52) das circunvizinhanças sobre o receptor de luz (50).
    18. Dispositivo sensor óptico de acordo com a reivindicação 17, caracterizado pelo fato de que a unidade condutora de luz da unidade sensora de luz do dia (48) inclui uma lente de Fresnel asférica.
    19. Dispositivo sensor óptico de acordo com a reivindicação
    5 17, caracterizado pelo fato de que a unidade condutora de luz da unidade sensora de luz do dia (48) inclui regiões de lente de Fresnel e regiões refletoras associadas.
    20. Método de produção de um dispositivo sensor óptico como definido em qualquer uma das reivindicações precedentes, caracterizado pelo
    10 fato de que a unidade condutora de luz (30) é formada por gravação em relevo de uma placa.
    21. Método de acordo com a reivindicação 20, caracterizado pelo fato de que, na mesma etapa de gravação em relevo em que a unidade condutora de luz (30) é formada, pelo menos uma outra unidade condutora de
    15 luz para uma unidade sensora de luz do dia (48) é adicionalmente formada na mesma placa.
  2. 2/3
  3. 3/3
    FIG-5
    FIG-6
BRPI0803028-6A 2007-06-04 2008-06-04 Dispositivo sensor óptico, e, método de produção de um dispositivo sensor óptico BRPI0803028B1 (pt)

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DE102007025987.7 2007-06-04

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