BRPI0901468A2 - dispositivo sensor óptico para detectar luz ambiente, e, sensor de chuva/luz - Google Patents
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Abstract
DISPOSITIVO SENSOR óPTICO PARA DETECTAR LUZ AMBIENTE, E, SENSOR DE CHUVA/LUZ. Um dispositivo sensor óptico para detectar luz ambiente é adaptado para ser acoplado a uma vidraça (10), em particular, a um pára-brisa de um veículo a motor. O dispositivo sensor óptico tem uma unidade de sensor que inclui pelo menos um receptor de luz (26) e uma placa de lente (12). Por meio da unidade de sensor, um feixe de luz ambiente tendo entrado pela vidraça (10) é acoplado aa vidraça (10) e direcionado por cima do receptor de luz (26). Sobre uma superficie (1 2b) que se volta para a vidraça (10), a placa de lente (12) inclui uma primeira estrutura de prisma de Fresnel (22) tendo uma pluralidade de estruturas individuais (24). As estruturas individuais (24) da primeira estrutura de prisma de Fresnel (22) sendo projetadas de modo a defletir o feixe de luz em diferentes ângulos.
Description
"DISPOSITIVO SENSOR ÓPTICO PARA DETECTAR LUZ AMBIENTE,E, SENSOR DE CHUVA/LUZ"
A invenção refere-se a um dispositivo sensor óptico paradetectar luz ambiente, que é adaptado para ser acoplado a uma vidraça, emparticular, a um pára-brisa de um veículo a motor.
Dispositivos sensores desse tipo são usados, principalmente,como sensores de luz para controlar a iluminação de veículo. O uso de lentestradicionais para influenciar o trajeto de feixe, como, por exemplo, as lentes,inclinadas em direção ao pára-brisa, do sensor de chuva mostrado na EP 1 068112 BI, exige uma quantidade comparativamente grande de espaço.
O uso de estruturas holográficas permite realizar projetospequenos, como conhecido, por exemplo, a partir de WO 03/026937 Al.Esses sensores são baseados no princípio da difração de luz com a ajuda deelementos difrativos e, portanto, têm a desvantagem, induzida por princípio,de uma eficiência luminosa útil substancialmente baixa e uma sensibilidademais alta à luz dispersa.
Em conexão com um dispositivo sensor óptico, a DE 196 08648 Cl propõe configurar a entrada de luz e as superfícies de saída da unidadede guia de onda óptico na forma de lentes de Fresnel. Porém, visto que assuperfícies do guia de onda óptico nas quais as lentes são configuradas sãoperpendiculares à superfície da vidraça, esse dispositivo exige umaquantidade muito grande de espaço.
Desvantagens básicas adicionais dos dispositivos de sensor deluz ambiente conhecidos são encontradas no alto custo de produção e em umafaixa de recepção que é muito pequena. A tentativa, em conexão comdispositivos de sensor tendo lentes de Fresnel, de expandir a faixa de recepçãona qual o receptor de luz é colocado afastando-se adicionalmente, ou, maispróximo do ponto focai da lente de Fresnel não foi bem-sucedida porque estaé acompanhada por uma divisão da característica de recebimento em um oudiversos feixes de raio muito fora da faixa de recepção provida. Isso tambémse aplica à tentativa de aumentar a área de receptor.
É um objetivo da invenção aumentar a faixa de recepção daunidade de sensor enquanto evitando as desvantagens mencionadas acima.
Para alcançar esse objetivo, é proposto um dispositivo sensoróptico para detectar luz ambiente que é adaptado para ser acoplado a umavidraça, em particular, a um pára-brisa de veículo a motor. De acordo com ainvenção, o dispositivo sensor óptico inclui uma unidade de sensor que tempelo menos um receptor de luz e uma placa de lente. Por meio da unidade desensor, um feixe de luz ambiente tendo entrado pela vidraça é acoplado aavidraça e direcionado por cima do receptor de luz. Sobre uma superfícievoltando-se para a vidraça, a placa de lente inclui uma primeira estrutura deprisma de Fresnel tendo uma pluralidade de estruturas individuais. Asestruturas individuais da primeira estrutura de prisma de Fresnel sãoprojetadas de modo a defletir os raios do feixe de luz em diferentes ângulos.A solução de acordo com a invenção permite ampliar a faixa de recepção daunidade de sensor de uma maneira definida por meio de meramente umaestrutura de prisma de Fresnel sem uma divisão em diversos feixes de luzsendo produzida. A fim de obter uma característica de recepção desejada, épossível, por exemplo, ajustar o ângulo de deflexão das estruturas individuaisde reflexão em torno de um ângulo médio de deflexão em pequenas distânciasangulares.
De acordo com um modo de realização particularmentevantajoso da invenção, a primeira estrutura de prisma de Fresnel inclui umaestrutura linear tendo uma primeira orientação, e sobre a mesma superfície aplaca de lente inclui uma segunda estrutura de prisma de Fresnel tendo umapluralidade de estruturas individuais, a segunda estrutura de prisma de Fresneltendo uma segunda orientação que difere da primeira orientação. Desse modo,a faixa de recepção ampliada quando usando a solução de acordo com ainvenção pode ser completada com uma faixa de recepção adicional,independente da mesma, em uma direção diferente no espaço.
A orientação da segunda estrutura de prisma de Fresnel, depreferência, é perpendicular à orientação da primeira estrutura de prisma deFresnel. É possível, desse modo, levar a incidência de luz a partir de duasdireções diferindo ao máximo em conta, o que é importante para aconfiabilidade da detecção de luz. Entretanto, orientações adicionais tambémsão basicamente possíveis.
Como na primeira estrutura de prisma de Fresnel, as estruturasindividuais da segunda estrutura de prisma de Fresnel são projetadas, depreferência, de modo a defletir os raios do feixe de luz em diferentes ângulospara, desse modo, aumentar a faixa de recepção.
Uma unidade de sensor particularmente compacta com custode produção mínimo é obtida pelo fato de que a segunda estrutura de prismade Fresnel é, pelo menos parcialmente, integrada à estrutura de prisma deFresnel. Nesse caso, as estruturas individuais têm uma dupla função, pelo fatode que conduzem a deflexão necessária da luz simultaneamente para ambas asestruturas de prisma de Fresnel.
Em um modo de realização vantajoso de um sensor dechuva/luz, é provido, em adição ao dispositivo sensor óptico para luzambiente de acordo com a invenção, um dispositivo sensor de chuva paradetectar eventos de umedecimento sobre a vidraça, os dispositivos de sensorcompartilhando uma placa de lente comum na qual todas as estruturas deFresnel (estruturas de prisma e, possivelmente, estruturas de lente) sãoformadas.
Características e vantagens adicionais da invenção ficarãovisíveis a partir da descrição abaixo e a partir dos desenhos anexos, aos quaisé feita referência. Nos desenhos:
- a fig. 1 mostra uma vista em seção transversal de umaunidade de sensor de um dispositivo sensor óptico de acordo com a invenção;
- a fig. 2 mostra uma vista seccional de uma unidade de sensorde um dispositivo sensor óptico não de acordo com a invenção;
- a fig. 3 a mostra uma vista em seção transversal alargada deuma estrutura de prisma de Fresnel na qual a deflexão ocorre, principalmente,por reflexão;
- a fig. 3b mostra uma vista em seção transversal alargada deuma estrutura de prisma de Fresnel na qual a deflexão ocorre, principalmente,por retração;
- as figs. 4a a 4d mostram vistas em seção transversalcorrespondentes das diferentes estruturas individuais; e
- as figs. 5a e 5b mostram vistas em perspectiva da estrutura deprisma de Fresnel de um modo de realização particular.
Uma unidade de sensor para um sensor de luz ambiente paraum veículo é mostrada esquematicamente na fig. 1. A unidade de sensor émontada ao pára-brisa 10 do veículo. O elemento opticamente ativo daunidade de sensor é uma placa de lente 12. A placa de lente 12 émecanicamente e oticamente acoplada ao pára-brisa 10 por meio de umacoplador 14.
Sobre uma primeira superfície 12a que se volta afastando-sedo pára-brisa 10, a placa de lente 12 é provida com uma estrutura de lente deFresnel 16. Um receptor de luz 26 fica localizado no ponto focai da estruturade lente de Fresnel.
Sobre uma segunda superfície 12b que se volta para o pára-brisa 10, a placa de lente 12 é provida com uma estrutura de prisma de Fresnel22 arranjada oposta à estrutura de lente de Fresnel 16. A estrutura de prismade Fresnel 22 da segunda superfície 12b é composta de uma pluralidade deestruturas individuais em forma de prisma 24 que são explicadas em detalhemais adiante.Um feixe de luz chocando-se substancialmentehorizontalmente sobre o pára-brisa inclinado 10 é refratado descendentementeem um ângulo quando entrando pela vidraça 10. O feixe de luz é acoplado àvidraça 10 pelo acoplador 14 sem refração significativa e choca-se sobre aestrutura de prisma de Fresnel 22 obliquamente ao plano da placa de lente 12.A estrutura de prisma de Fresnel 22 deflete o feixe de luz de modo que elepasse perpendicularmente através da placa de lente 12 na forma de um feixede luz paralelo. A estrutura de lente de Fresnel 16 focaliza o feixe de luz sobreo receptor de luz 26 quando ele sai da placa de lente 12.
Uma característica especial da estrutura de prisma de Fresnel22 é que, em comparação com um modo de realização da estrutura de prismade Fresnel não de acordo com a invenção e mostrada na fig. 2, a faixa derecepção da unidade de sensor é ampliada. Embora na unidade de sensormostrada na fig. 2 as estruturas individuais 24' da estrutura de prisma deFresnel 22 tenham todas o mesmo projeto, meramente um feixe de luzparalelo estreitamente limitado chocando-se horizontalmente sobre o pára-brisa 10 é, consequentemente, focalizado sobre o receptor de luz 26. Emcontraste com isso, as estruturas individuais 24 no modo de realização daestrutura de prisma de Fresnel 22 de acordo com a invenção são projetadas demodo a defletir o feixe de luz em diferentes ângulos, como explicado abaixocom referência às figs. 3a e 3b e 4a a 4c. Como resultado, como visível apartir da fig. 1, a faixa de recepção não está limitada a um feixe de luzparalelo, mas ampliada a um feixe de luz ligeiramente convergente comrelação à direção de incidência.
É visível a partir da fig. 3a que as estruturas individuais emforma de prisma 24 da estrutura de prisma de Fresnel 22 têm, em seçãotransversal, um primeiro flanco 24, que se estende continuamente direto dabase ao ápice; um segundo flanco consiste de duas seções 242 e 243. A seção242 do segundo flanco (à direita na fig. 3 a) é menos pronunciada que a seção243 que também é mais pronunciada que o flanco 241. Os índices refrativos nle n2 dos materiais a partir dos quais a placa de lente 12 e o acoplador 14 sãofeitos são cuidadosamente ajustados um ao outro (eles diferem um do outrosomente ligeiramente).
Em nome da simplicidade, um raio de luz individual de umfeixe de luz ambiente orientado substancialmente horizontalmente é,respectivamente, considerado abaixo, esse raio de luz tendo entrado pelo pára-brisa 10 e chocando-se sobre a placa de lente 12 depois de ter passado atravésdo acoplador 14.
O raio de luz chocando-se sobre a seção 242 a um ângulo deentrada de a = 90°, de acordo com a metade à esquerda da fig. 3 a, entra naestrutura individual 24 sem refração e é totalmente refletido pelo flanco 241,dentro da estrutura individual 24. A condição para a reflexão total do raio deluz no flanco 24] é que o ângulo de incidência (3i seja maior que o seno dearco da razão dos índices refrativos. Visto que a razão dos índices refrativosdifere somente ligeiramente de 1, o ângulo de incidência Pi tem de serrelativamente grande (incidência plana da luz). Os ângulos nos flancos dasestruturas individuais 24 são adaptados um ao outro de modo que o ângulo dereflexão Pi (que, de acordo com as leis da reflexão total, é igual ao ângulo deincidência p^ seja exatamente tão grande que o raio passeperpendicularmente através da placa de lente 12 (conforme a fig. 1).
O raio de luz incidente sobre a seção 242 da estruturaindividual adjacente 24 também a um ângulo de a = 90° de acordo com ametade direita da fig. 3a tem, substancialmente, o mesmo curso que o raio deluz descrito acima. Esse raio também é defletido de modo a passarperpendicularmente através da placa de lente 12. Entretanto, o projeto dessaestrutura individual 24 e, em particular, de seu flanco 241 e de seu flanco 242,é escolhido de modo que as condições descritas acima para essa deflexão seapliquem a um raio de luz que não se estenda completamente paralelo ao raiode luz mostrado na metade esquerda da fig. 3a antes de chocar-se sobre opára-brisa 10. As estruturas individuais 24, então, diferem uma da outra comrelação ao ângulo entre a seção de raio saindo do acoplador 14 e a seção deraio passando perpendicularmente através da placa de lente 12, que, noprojeto das estruturas individuais 24 de acordo com a fig. 3a, é igual à somado ângulo de incidência do ângulo de reflexão Pi + p2 e yi + Yi,respectivamente. Entretanto, isso não significa que os ângulos de deflexão detodas as estruturas individuais 24 têm de ser diferentes.
A fig. 3b mostra uma configuração tendo uma estrutura deprisma de Fresnel puramente de retração. As estruturas individuais em formade prisma 24 da estrutura de prisma de Fresnel 22 têm, em seção transversal,um primeiro flanco 241? sobre o qual um raio de luz incidente é defletidomeramente por retração (sem reflexão adicional). Conectando o segundoflanco, a seção intermediária 242 é omitida, o que é vantajoso, em particular,no caso de grandes diferenças nos índices refrativos. O ângulo de deflexãodefinido acima atinge aqui (de acordo com a ilustração da fig. 3b) 180° + P2 -Pi e 180° + Y2 - Yi, respectivamente, Pi e Yi sendo os ângulos de incidência e p2e Y2 sendo os ângulos de retração.
Configurações adicionais das estruturas individuais 24 tambémsão basicamente possíveis, como mostrado nas figs. 4a a 4d a título deexemplo. Nos modos de realização de acordo com as figs. 4b e 4c, ocorre umarefração da luz, em contraste com o modo de realização da fig. 4a, quando daentrada nas estruturas individuais 24 (na seção de flanco 242), o que pode,possivelmente, ser vantajoso. No modo de realização de acordo com as figs.4c e 4d, a seção 242 do segundo flanco não está presente. De acordo com afig. 4c, o raio de luz é retratado no segundo flanco e refletido sobre o primeiroflanco 24l5 enquanto na fig. 4d o raio de luz é meramente retratado noprimeiro flanco 241. Uma configuração substancialmente simétrica dosflancos retos também é possível (tendo a mesma inclinação com relação aoplano do pára-brisa 10 ou da placa de lente 12 dentro de uma faixa usual detolerância e levando as diferenças nos índices refrativos da placa de lente 12 eno acoplador 14 em consideração), bem como uma combinação das diferentesestruturas individuais 24 dentro da estrutura de prisma de Fresnel 22. Emqualquer caso, é importante que o feixe de luz anteriormente ligeiramenteconvergente seja convertido geralmente em um feixe de luz paralelo pelaestrutura de prisma de Fresnel 22.
Foi mostrado que, com uma variação ao redor do ângulo dedeflexão médio fazendo um raio de luz chocar-se horizontalmente sobre opára-brisa 10 para passar perpendicularmente através da placa de lente 12,uma característica de recebimento vantajosa é obtida. A fig. 1 mostra o feixede luz ambiente que é detectado desse modo pelo receptor de luz 24 e não écompletamente paralelo antes da deflexão pela estrutura de prisma de Fresnel22. Dependendo do projeto da estrutura de prisma de Fresnel 16, também épossível ajustar um curso não-perpendicular do feixe de luz paralelo atravésda placa de lente 12.
De acordo com a ilustração da fig. 1, a estrutura de prisma deFresnel 22 é uma estrutura linear tendo uma orientação específicadeterminada pela direção básica do feixe de luz reproduzido sobre o receptorde luz 26. É visível, entretanto, a partir da ilustração das figs. 5a e 5b, que aestrutura de prisma de Fresnel 22 inclui não somente uma primeira estruturalinear tendo uma primeira orientação, mas, adicionalmente, uma segundaestrutura linear tendo uma segunda orientação diferindo da primeiraorientação. No modo de realização ilustrado, a segunda estrutura de prisma deFresnel é integrada à primeira estrutura de prisma de Fresnel, ou seja, asestruturas individuais 24 são configuradas de um modo tridimensional, demodo a defletir também um feixe de luz incidente sobre o pára-brisa 10 apartir de uma direção diferente no espaço, de modo que ele passeperpendicularmente através da placa de lente 12 e seja focalizado sobre oreceptor de luz 26 pela estrutura de prisma de Fresnel 16 quando sair da placade lente 12. A orientação da segunda estrutura de prisma de Fresnel éperpendicular à orientação da primeira estrutura de prisma de Fresnel, masorientações adicionais também são basicamente possíveis. No que diz respeitoa estruturas individuais 24, a segunda estrutura de prisma de Fresnel tambémé projetada, de preferência, de modo que as estruturas individuais deflitam osraios do feixe de luz a ângulos ligeiramente diferentes.
Para um perfeito funcionamento da unidade de sensor, énecessário para o material do acoplador 14 ficar em contato com a superfícieda estrutura de prisma 22 de um modo de ajuste de forma e sem a inclusão debolhas de ar ou o equivalente.
Na prática, são exigidos sensores de chuva/luz combinados.Um sensor de chuva inclui uma quantidade de unidades de sensor que, como aunidade de sensor do sensor de luz ambiente descrita, exige estruturas óticasativas. Devido à estrutura particular do sensor de luz ambiente, é possível queas unidades de sensor do sensor de luz ambiente e do sensor de chuvacompartilhem uma placa de lente comum 12, de modo que um espaço mínimoseja obtido. Se exigido, podem ser providas, adicionalmente, unidades desensor adicionais que recebem luz a partir de diferentes direções e/ou têmdiferentes características de recebimento.
A placa de lente 12 pode ser produzida usando uma técnica demoldagem por injeção convencional. Como uma alternativa, uma técnica deestampagem pode ser empregada.
Para evitar mau-funcionamento causado pela luz sendoacoplada de uma maneira indesejada (a luz dispersa, por exemplo, poderiaficar incidente sobre o receptor de luz 26 via desvios), pelo menos parte dassuperfícies oticamente não-ativas da placa de lente 12 pode ser provida comestruturas de retração ou reflexão, por exemplo, elementos retro-reflexivos(os assim chamados "olhos de gato"). Isso faz a luz que não é incidente sobreas superfícies oticamente ativas ser defletida em direções "inofensivas".Alternativamente, ou adicionalmente, a região oticamente não-ativa pode serprovida sobre um lado ou sobre ambos os lados com uma impressão que sejaimpermeável a luz.
Claims (15)
1. Dispositivo sensor óptico para detectar luz ambiente, que éadaptado para ser acoplado a uma vidraça (10), em particular, a um pára-brisade um veículo a motor, o dispositivo tendo uma unidade de sensor, que incluipelo menos um receptor de luz (26) e uma placa de lente (12), e por meio daqual um feixe de luz ambiente tendo entrado pela vidraça (10) é acoplado àvidraça (10) e direcionado por cima do receptor de luz (26), caracterizadopelo fato de que, sobre uma superfície (12b) que se volta para a vidraça (10),a placa de lente inclui uma primeira estrutura de prisma de Fresnel (22) tendouma pluralidade de estruturas individuais (24), as estruturas individuais (24)da primeira estrutura de prisma de Fresnel (22) sendo projetadas de modo adefletir o feixe de luz em diferentes ângulos.
2. Dispositivo sensor óptico de acordo com a reivindicação 1,caracterizado pelo fato de que a primeira estrutura de prisma de Fresnel (22)inclui uma estrutura linear tendo uma primeira orientação, e pelo fato de quesobre a mesma superfície (12b), a placa de lente (12) inclui uma segundaestrutura de prisma de Fresnel linear tendo uma pluralidade de estruturasindividuais (24), a segunda estrutura de prisma de Fresnel tendo uma segundaorientação que difere da primeira orientação.
3. Dispositivo sensor óptico de acordo com a reivindicação 2,caracterizado pelo fato de que a orientação da segunda estrutura de prisma deFresnel é perpendicular à orientação da primeira estrutura de prisma deFresnel (22).
4. Dispositivo sensor óptico de acordo com a reivindicação 2,caracterizado pelo fato de que as estruturas individuais (24) da segundaestrutura de prisma de Fresnel são projetadas de modo a defletir raios do feixede luz em diferentes ângulos.
5. Dispositivo sensor óptico de acordo com a reivindicação 2,caracterizado pelo fato de que a segunda estrutura de prisma de Fresnel é,pelo menos parcialmente, integrada na primeira estrutura de prisma de Fresnel(22).
6. Dispositivo sensor óptico de acordo com a reivindicação 1,caracterizado pelo fato de que a placa de lente (12) é acoplada aa vidraça (10)por meio de um acoplador (14) que contata a(s) estrutura(s) de prisma deFresnel (22) de um modo de ajuste de forma.
7. Dispositivo sensor óptico de acordo com a reivindicação 1,caracterizado pelo fato de que as estruturas individuais (24) têm superfíciesinternas sobre as quais os raios do feixe de luz são refletidos.
8. Dispositivo sensor óptico de acordo com a reivindicação 1,caracterizado pelo fato de que as estruturas individuais (24) são geralmenteem forma de dente de serra em seção transversal, tendo segundos flancos (242, 243) nos quais parte do feixe de luz entra, e primeiros flancos (24i) nos quaisocorre uma reflexão.
9. Dispositivo sensor óptico de acordo com a reivindicação 8,caracterizado pelo fato de que ocorre uma retração da luz em diferentesângulos nos segundos flancos (242, 243) das estruturas individuais (24).
10. Dispositivo sensor óptico de acordo com a reivindicação 1,caracterizado pelo fato de que as estruturas individuais (24) são geralmenteem forma de dente de serra em seção transversal, tendo primeiros flancos(241) nos quais ocorre uma refração da luz em diferentes ângulos.
11. Dispositivo sensor óptico de acordo com a reivindicação 1,caracterizado pelo fato de que sobre uma superfície (12a) que se volta para oreceptor de luz (26), a placa de luz (12) tem uma estrutura de prisma deFresnel (16).
12. Dispositivo sensor óptico de acordo com a reivindicação 11, caracterizado pelo fato de que a estrutura de prisma de Fresnel (16)remodela um feixe de luz paralelo acoplado aa vidraça (10) e passandoatravés da placa de lente (12) para dentro de um feixe de luz convergente.
13. Dispositivo sensor óptico de acordo com a reivindicação-12, caracterizado pelo fato de que o feixe de luz paralelo passaperpendicularmente através da placa de lente (12).
14. Dispositivo sensor óptico de acordo com a reivindicação 1,caracterizado pelo fato de que ele tem uma quantidade de unidades de sensorque inclui uma placa de lente comum (12).
15. Sensor de chuva/luz, caracterizado pelo fato de ter umdispositivo sensor óptico como definido em qualquer uma das reivindicaçõesanteriores combinado com um dispositivo sensor de chuva óptico, osdispositivos de sensor tendo uma placa de lente comum (12).
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