CN101359059B - 光学传感装置和包括它的雨水或光传感器 - Google Patents

光学传感装置和包括它的雨水或光传感器 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种光学传感装置和包括它的雨水/光传感器，该光学传感装置具有传感单元，该传感单元包括光发射器、光接收器和透镜板，使用该透镜板，将由光发射器发射的光束耦合到窗玻璃中，从窗玻璃耦合出并引导到光接收器上。在透镜板的面对光发射器和光接收器的表面上，该透镜板包括菲涅耳透镜结构，并且，在该透镜板的面对窗玻璃的相对表面上，该透镜板包括菲涅耳反射器结构。该实施例尤其可用作雨水传感器。在没有光发射器的情况下，该传感装置可以用作光传感器。

Description

光学传感装置和包括它的雨水或光传感器
技术领域
本发明涉及可以耦合到窗玻璃(window pane)，特别是耦合到汽车的挡风玻璃上的光学传感装置。
背景技术
这种传感装置主要用作用于自动地致动刮水器的汽车中的雨水传感器以及用作用于控制车辆照明的光传感器。使用用于影响光路的传统透镜，例如在EP 1 068 112B1中公开的向雨水传感器的挡风玻璃倾斜的透镜，需要相对较大的封装空间。
例如从WO 03/026937A1中可知，通过使用全息结构，较小的结构是可能的。这些传感器是基于通过衍射元件进行光衍射的原理，因此具有对可用光相对很小的利用率和对外界光较高的敏感度的主要缺陷。
关于光学传感装置，DE 196 08 648C1提出形成作为菲涅耳透镜的光导单元的光入射表面和光出射表面。但是，由于其中形成透镜的光导的表面布置得与窗玻璃的表面垂直，因此这种装置所需要的封装空间非常大。
发明内容
本发明提供一种在最佳的光学条件下最小化封装空间的光学传感装置。
在该光学传感装置的第一类型中，提供一种传感单元，该传感单元包括光发射器、光接收器和透镜板，使用该透镜板，将由光发射器发射的光束耦合到窗玻璃中，从窗玻璃耦合出并引导到光接收器上。在透镜板的面对光发射器和光接收器的表面上，该透镜板包括菲涅耳透镜结构，并且在其面对窗玻璃的相对表面上，该透镜板包括菲涅耳反射器结构。这种类型尤其可用作雨水传感器。在这种情况下，传感单元具有两个分开的菲涅耳透镜结构，这两个菲涅耳透镜结构具有在透镜板中彼此相邻的菲涅耳反射器结构。在一个菲涅耳透镜结构的焦点上，设置光发射器，并且，在另一个菲涅耳透镜结构的焦点上，设置光接收器。从光发射器射出的光束被一个菲涅耳透镜结构平行排列，垂直穿过透镜板，被对应的菲涅耳反射器结构倾斜地引导到窗玻璃上，并被窗玻璃全反射，然后由属于另一个菲涅耳透镜结构的菲涅耳反射器结构耦合进透镜板并垂直通过透镜板被引导到所述另一个菲涅耳透镜结构，从而集中在光接收器上。由于所有的光学有效元件都集中在透镜板中，因此获得了最小的封装尺寸。同时，在窗玻璃上实现了大的有用的传感表面。
在该光学传感装置的第二类型中，提供一种传感单元，该传感单元包括光接收器和透镜板，通过该透镜板，将入射在窗玻璃上的光束从窗玻璃耦合出并引导到光接收器上。在透镜板的面对光接收器的表面上，该透镜板具有菲涅耳透镜结构，并且在其面对窗玻璃的相对表面上，该透镜板具有菲涅耳反射器结构。这种类型尤其可用作光传感器。在这种情况下，平行入射到窗玻璃上的光束倾斜地穿过该窗玻璃，然后由菲涅耳反射器结构耦合进透镜板中，并垂直通过透镜板被引导到菲涅耳透镜结构，从而集中在光接收器上。在这里，同样地，所有的光学有效元件都集中在透镜板中，因此获得了最小的封装尺寸。同时，为要被探测的光实现了极好的方向性。
在雨水/光传感器的有利的实施例中，这两种类型的光学传感装置被组合并共享公共的透镜板，在该透镜板中形成所有的菲涅耳透镜结构和菲涅耳反射器结构。
根据本发明的光学传感装置的进一步有益的、有利的方面可以从从属权利要求中得出。
附图说明
随后将参考附图通过优选实施例对本发明进行详细的解释，在附图中：
图1示出雨水传感器的传感单元的示意性截面图；
图2示出菲涅耳反射器结构的放大的剖视图；
图3a到3c示出不同实施例的对应的剖视图；并且
图4示出光传感器的示意性剖视图。
具体实施方式
雨水传感器通常包括两个相同的光学传感单元。在图1中示意性地示出了这样的传感单元。该传感单元安装在汽车的挡风玻璃10上。该传感单元的光学有效元件为透镜板12。透镜板12通过耦合层14光学耦合到挡风玻璃10。在透镜板12的背对挡风玻璃10的表面上，透镜板12设置有两个相同的菲涅耳透镜结构16a、16b，其中，菲涅耳透镜结构16a和16b彼此之间具有较小的距离。在透镜板12的面对挡风玻璃10的表面上，透镜板12设置有两个与菲涅耳透镜结构16a、16b相对的对称反射镜菲涅耳反射器结构18a、18b。在菲涅耳透镜结构16a的焦点上，设置光发射器20。在菲涅耳透镜结构16b的焦点上，设置光接收器22。
从光发射器20射出的光束被菲涅耳透镜结构16a转换为平行光，该平行光垂直穿过透镜板12。通过菲涅耳反射器结构18a，该平行光束被倾斜地反射到透镜板12的面上，并进入耦合层14。穿过耦合层14后，该光束进入挡风玻璃10并在挡风玻璃10的相对的内侧表面10a上被全反射。然后，该光束再次穿过挡风玻璃10，进入耦合层14，并被菲涅耳反射器结构18b偏转，使得该光束垂直穿过透镜板12。最终，菲涅耳透镜结构16b将平行光束转换为会聚光束，该会聚光束入射到光接收器22上。该菲涅耳反射器结构具有某些特性，现在将参考图2对这些特性进行解释。
与菲涅耳透镜结构相似，菲涅耳反射器结构也具有精细的表面构造(surface configuration)，该表面构造为交替的上升和下降(risingand sloping)。如图2所示，在剖视图中，这些构造通常都是锯齿形。第一齿侧(flank)181从底部笔直地持续延伸到顶点；第二齿侧包括两个部分182和183。第二齿侧的部分182(在图2中，在右侧上)没有第二部分183陡峭，第二部分183也比齿侧181陡峭。正如锯齿形反射器结构的齿侧上的角度一样，构成透镜板12和耦合层14的材料的折射率n1和n2彼此之间仔细调整。垂直穿过透镜板12的光束L以锐角α入射到齿侧181上，被全反射并以角度β入射到齿侧182上。在图2中所示的实施例中，角度β为90°，因此出射角也是90°。这样，在齿侧182上没有发生光折射。折射率n1和n2只有很小的差别。在入射角大于折射率比的反正弦的情况下，在齿侧181上发生光束的全反射。由于该折射率比与1只有很小的差别，入射角α必须相对较平坦。例如，对于用于透镜板12的聚碳酸酯和用于耦合层14的硅橡胶这两种材料，可以得到大约26°的最大入射角α。该角度确定反射器结构的最小陡度。实际的陡度由在挡风玻璃的方向上射出的光束具有在窗玻璃上实现全反射所需的角度的事实所确定。在窗玻璃上实现全反射的理想入射角通常为大约45°。该角度与关于反射器结构的几何形状的要求相兼容。
图3a再次示意性地示出用如图2所示的菲涅耳反射器结构的几何形状可以实现的光引导。在透镜板12和耦合层14之间的界面上，没有光的折射。结果是由挡风玻璃10的全反射表面形成对传感器表面的非最佳照明。
图3b示出的情况甚至更加不适宜。在该图中，在锯齿结构的右手侧的齿侧上的部分182甚至更加平坦。由于光束以不同于90°的角度入射到齿侧182上，因此在数学上负的方向上(在图3中，向右边)发生光折射。射出的光束甚至比图3a更窄。使用图3c所示的几何形状获得最佳的条件。这里，在该图的右边示出的锯齿结构的齿侧是连续的，并且设置为比左手侧的齿侧更陡峭。在右手侧的齿侧上，在数学上正的方向上(在图3中，向左边)发生光折射。在左手侧的齿侧上的光束的入射角仍然与全反射的条件兼容。在右手侧的齿侧上折射的光束只是接触相邻锯齿结构的顶点。这对挡风玻璃上的传感器表面产生无阻挡的照明。
为了获得菲涅耳反射器结构的这一实施例的正确功能，必需使耦合层14的材料在不包含任何气泡等的情况下严密地靠在(positivelyresting against)反射器结构的表面。
如图4中所示的光学传感装置的实施例是方向敏感的光传感器。被照明的传感单元也具有作为光学元件的透镜板12，在这种情况下该透镜板12只包括菲涅耳透镜结构16和与其相对的对应的菲涅耳反射器结构18。光接收器22被置于菲涅耳透镜结构16的焦点上。通过耦合层14，透镜板耦合到挡风玻璃10上，在示出的实施例中，该挡风玻璃10的倾角是大约27°。对于菲涅耳反射器结构18的几何形状，采用与图1中所示的雨水传感器的实施例中相同的标准。光传感器对水平入射在挡风玻璃10上的光具有敏感性，当水平入射到挡风玻璃10上的光入射到窗玻璃上时，其倾斜地向下折射并穿过耦合层14入射到菲涅耳反射器结构18，该菲涅耳反射器结构18对光束进行偏转，并且该光束垂直通过透镜板12被引导到菲涅耳透镜结构16上，该菲涅耳透镜结构16将光集中到光接收器22上。
实际上，需要组合的雨水/光传感器。雨水传感器包括两个图1中所示的类型的相同的传感单元。通过形成由光接收器提供的信号的差别而实现信号评估。两个传感单元彼此相邻地排列，并共用共同的透镜板。该透镜板还包括在图4中示出的光传感器的光学有效结构。如果需要，还可以提供别的传感器，这些传感器可以从不同方向接收光。无方向性的环境光还可以通过透镜板12的光学无效或者几乎无效的区域来探测。
通过传统的注塑技术可以实现透镜板12的制造。或者，也可以使用压花技术。
为了避免由于对光的不需要的耦合进和/或耦合出而造成的任何故障，为透镜板的光学无效表面设置折射或反射结构，例如逆向反射器元件(所谓的猫眼)。因此，没有入射到光学有效表面上的光被偏转在“无害”方向上。

Claims (20)

1.一种光学传感装置，该光学传感装置适合耦合到窗玻璃，所述光学传感装置包括传感单元，所述传感单元包括光发射器、光接收器和透镜板，所述透镜板用于将由所述发射器发射的光束耦合到所述窗玻璃中，将所述光束从所述窗玻璃耦合出，并且将所述光束引导到所述光接收器上，其中，所述透镜板具有面对所述光发射器和所述光接收器且设置有菲涅耳透镜结构的表面、以及面对所述窗玻璃且设置有菲涅耳反射器结构的相对表面。
2.一种光学传感装置，该光学传感装置适合耦合到窗玻璃，所述光学传感装置包括传感单元，所述传感单元包括光接收器和透镜板，所述透镜板用于将入射在所述窗玻璃上的光束从所述窗玻璃耦合出，并且将所述光束引导到所述光接收器上，其中，所述透镜板具有面对所述光接收器且设置有菲涅耳透镜结构的表面、以及面对所述窗玻璃且设置有菲涅耳反射器结构的相对表面。
3.根据权利要求1或2所述的光学传感装置，其中，所述窗玻璃是汽车的挡风玻璃。
4.根据权利要求1或2所述的光学传感装置，其中，所述透镜板的设置有所述菲涅耳反射器结构的所述表面通过严密地靠在所述反射器结构上的耦合层耦合到所述窗玻璃。
5.根据权利要求1或2所述的光学传感装置，其中，所述菲涅耳反射器结构在该菲涅耳反射器结构的内表面上反射光束。
6.根据权利要求1或2所述的光学传感装置，其中，所述透镜板将所述菲涅耳透镜结构侧上的会聚光束转换为所述菲涅耳反射器结构侧上的平行光束，反之亦然。
7.根据权利要求6所述的光学传感装置，其中，所述平行光束与所述透镜板的面对所述光接收器的所述表面和所述透镜板的面对所述窗玻璃的所述表面垂直地穿过所述透镜板。
8.根据权利要求7所述的光学传感装置，其中，在所述透镜板的外部，所述平行光束相对于所述透镜板的面对所述光接收器的所述表面和所述透镜板的面对所述窗玻璃的所述表面倾斜。
9.根据权利要求7所述的光学传感装置，其中，在所述透镜板的外部，所述平行光束相对于所述透镜板的面对所述光接收器的所述表面和所述透镜板的面对所述窗玻璃的所述表面以大约45°的角度倾斜。
10.根据权利要求1或2所述的光学传感装置，其中，所述菲涅耳反射器结构的横截面为锯齿状，并且，所述菲涅耳反射器结构具有反射光入射到其上的第一齿侧、以及平行光束进入其中或从其中射出的第二齿侧。
11.根据权利要求10所述的光学传感装置，其中，所述菲涅耳反射器结构的所述第二齿侧包括两个不同地陡峭的部分，所述平行光束垂直地穿过所述菲涅耳反射器结构的所述第二齿侧的较不陡峭的一部分。
12.根据权利要求10所述的光学传感装置，其中，在所述菲涅耳反射器结构的所述第二齿侧上发生光折射。
13.根据权利要求11或12所述的光学传感装置，其中，所述菲涅耳反射器结构的所述第二齿侧包括两个不同地陡峭的部分，其中较少陡峭的部分形成入射表面或出射表面。
14.根据权利要求12所述的光学传感装置，其中，所述菲涅耳反射器结构的所述第二齿侧形成比所述第一齿侧更陡峭的入射表面或出射表面。
15.根据权利要求1所述的光学传感装置，所述光学传感装置包括至少一个传感单元，所述至少一个传感单元具有两个分开的菲涅耳透镜结构、所述光发射器和所述光接收器，这两个分开的菲涅耳透镜结构具有彼此相邻地形成在所述透镜板中的相对的菲涅耳反射器结构，所述光发射器置于所述菲涅耳透镜结构中的第一菲涅耳透镜结构的焦点上，并且，所述光接收器置于所述菲涅耳透镜结构中的第二菲涅耳透镜结构的焦点上，其中，从所述光发射器中射出的光束通过所述第一菲涅耳透镜结构平行地排列，垂直地穿过所述透镜板，通过对应的菲涅耳反射器结构被倾斜地引导到所述窗玻璃，并被所述窗玻璃全反射，然后通过属于所述第二菲涅耳透镜结构的菲涅耳反射器结构耦合到所述透镜板中，垂直地通过所述透镜板被引导到所述第二菲涅耳透镜结构上，并通过所述第二菲涅耳透镜结构被集中在所述光接收器上。
16.根据权利要求15所述的光学传感装置，所述光学传感装置包括具有共用的透镜板的偶数个传感单元。
17.根据权利要求2所述的光学传感装置，其中，水平地入射在所述窗玻璃上的光束倾斜地穿过所述窗玻璃，然后通过所述菲涅耳反射器结构耦合到所述透镜板中，并且通过所述透镜板被垂直地引导到所述菲涅耳透镜结构上，从而被集中在所述光接收器上。
18.一种雨水传感器，该雨水传感器包括与根据权利要求17所述的光学传感装置结合的根据权利要求15或16所述的光学传感装置，其中，根据权利要求15或16所述的光学传感装置和根据权利要求17所述的光学传感装置共用透镜板。
19.一种光传感器，该光传感器包括与根据权利要求17所述的光学传感装置结合的根据权利要求15或16所述的光学传感装置，其中，根据权利要求15或16所述的光学传感装置和根据权利要求17所述的光学传感装置共用透镜板。
20.一种传感装置，该传感装置适合耦合到窗玻璃，所述传感装置包括：
(i)第一传感单元，其具有两个分开的菲涅耳透镜结构、光发射器和光接收器，这两个分开的菲涅耳透镜结构具有彼此相邻地形成在透镜板中的相对的菲涅耳反射器结构，所述光发射器置于所述菲涅耳透镜结构中的第一菲涅耳透镜结构的焦点上，并且，所述光接收器置于所述菲涅耳透镜结构中的第二菲涅耳透镜结构的焦点上，其中，从所述光发射器中射出的光束通过所述第一菲涅耳透镜结构平行地排列，垂直地穿过所述透镜板，通过对应的菲涅耳反射器结构被倾斜地引导到所述窗玻璃，并被所述窗玻璃全反射，然后通过属于所述第二菲涅耳透镜结构的菲涅耳反射器结构耦合到所述透镜板中，垂直地通过所述透镜板被引导到所述第二菲涅耳透镜结构上，并通过所述第二菲涅耳透镜结构被集中在所述光接收器上；以及
(ii)第二传感单元，其包括单独的光接收器，并且使用与所述第一传感单元相同的透镜板，以便将入射在所述窗玻璃上的光束从所述窗玻璃耦合出并将所述光束引导到所述光接收器上，其中，所述透镜板具有面对所述光接收器且设置有菲涅耳透镜结构的表面、以及面对所述窗玻璃且设置有菲涅耳反射器结构的相对表面；并且，其中，水平地入射在所述窗玻璃上的光束倾斜地穿过所述窗玻璃，然后通过所述菲涅耳反射器结构耦合到所述透镜板中，并且垂直地通过所述透镜板被引导到所述菲涅耳透镜结构上，从而被集中在所述光接收器上。
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