CN101581603B - 用于检测环境光的光传感器器件 - Google Patents

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Abstract

一种用于检测环境光的光传感器器件适于耦接到窗格玻璃(10)，尤其是机动车辆的挡风玻璃。该光传感器器件具有包括至少一个光接收器(26)和一个透镜片(12)的传感器单元。借助于该传感器单元，已进入窗格玻璃(10)的环境光束被耦合出窗格玻璃(10)，并被引导到光接收器(26)。在面向窗格玻璃(10)的表面(12b)上，透镜片(12)包括具有多个独立结构(24)的第一菲涅耳棱镜结构(22)。该第一菲涅耳棱镜结构(22)的独立结构(24)被设计为以不同角度偏转该光束。

Description

用于检测环境光的光传感器器件
技术领域
本发明涉及一种用于检测环境光的光传感器器件，其适于耦接到窗格玻璃(pane)上，尤其是机动车辆的挡风玻璃上。
背景技术
这种类型的传感器器件主要用作控制车辆照明的光传感器。使用传统的影响光路的透镜，例如，EP1068112B1中所示的雨传感器的朝着挡风玻璃倾斜的透镜，需要比较大的空间。
从例如WO03/026937A1可知，全息结构的使用容许实现更小的设计。借助于衍射元件，这些传感器基于光衍射的原理，因此具有原理本身导致的缺陷，即相当低的有效发光效率和较高的杂散光敏感性。
关于光传感器器件，DE19608648C1提出以菲涅耳透镜的形式配置光波导单元的进光面和出光面。但是由于配置了透镜的光波导的表面垂直于窗格玻璃的表面，所以这个器件需要非常大的空间。
已知光学环境光传感器器件的更多的基本缺陷存在于高生产成本和太小的接收范围。在关于具有菲涅耳透镜的传感器器件的用以扩展接收范围的尝试中，光接收器被放置为更远离或更靠近菲涅耳透镜的焦点，这种尝试并不成功，因为其伴以接收特性分为远超出所提供的接收范围的一个或多个其他的光束。这也适用于增大接收器面积的尝试。
发明内容
本发明的一个目的在于增大传感器单元的接收范围，同时避免上述缺陷。
为达到这个目的，提出了一种用于检测环境光的光传感器器件，该光传感器器件适合耦接到窗格玻璃上，尤其是机动车辆的挡风玻璃上。依照本发明，该光传感器器件包括具有至少一个光接收器和一个透镜片的传感器单元。依靠该传感器单元，已进入该窗格玻璃的环境光束被耦合出该窗格玻璃，并被引导到在该光接收器上。在面向该窗格玻璃的表面上，该透镜片包括具有多个独立结构的第一菲涅耳棱镜结构。该第一菲涅耳棱镜结构的独立结构被设计为使得其以不同角度偏转该光束的光线。依照本发明的解决方法允许以一种规定的方式，利用仅仅一个菲涅耳棱镜结构而不会分成多个光束地，扩展该传感器单元的接收范围。为得到期望的接收特性，例如可以在平均偏转角周围、在小的角距离上调整反射独立结构的偏转角。
依照本发明的一个特别有利的实施例，该第一菲涅耳棱镜结构包括具有第一取向的线性结构，并且在同一表面上该透镜片包括具有多个独立结构的第二线性菲涅耳棱镜结构，该第二菲涅耳棱镜结构具有不同于该第一取向的第二取向。这样，使用依照本发明的解决方案扩展的接收范围可被完成为在空间上的不同方向彼此独立的更大的接收范围。
该第二菲涅耳棱镜结构的取向优选为垂直于该第一菲涅耳棱镜结构的取向。因此可以考虑从两个最大不同的方向入射的光，这对光检测的可靠性是重要的。然而，更多的取向也是基本上可能的。
与在第一菲涅耳棱镜结构中一样，该第二菲涅耳棱镜结构的独立结构优选设计为以不同角度偏转该光束的光线，由此增大了接收范围。
具有最低生产成本的特别紧凑的传感器单元这样获得，其中该第二菲涅耳棱镜结构至少部分集成到该第一菲涅耳棱镜结构中。在这种情况中，独立结构具有同时为两个菲涅耳棱镜结构引导必需的光偏转的双重作用。
在雨/光传感器的一个有利实施例中，除了依照本发明的用于环境光的光学传感器器件之外，提供了一种光学雨传感器器件，用于检测窗格玻璃上的润湿事件，这些传感器器件共用一个其中形成有所有的菲涅耳结构(棱镜结构和可能的透镜结构)的公共透镜片。
附图说明
从下面的描述和所参照附图中，本发明的更多的特征和优点将变得显见。在附图中：
图1示出依照本发明的光学传感器器件的传感器单元的剖面图；
图2示出未依照本发明的光学传感器器件的传感器单元的剖面图；
图3a示出一菲涅耳棱镜结构的放大的横截面图，其中偏转主要靠反射来发生；
图3b示出一菲涅耳棱镜结构的放大的横截面图，其中偏转主要靠折射来发生；
图4a到4d示出不同独立结构的相应的横截面图；以及
图5a和5b示出一个特定实施例的菲涅耳棱镜结构的立体图。
具体实施方式
用于车辆的环境光传感器的传感器单元在图1中被示意性示出。该传感器单元安装于车辆的挡风玻璃10上。该传感器单元的光学有效元件是透镜片12。借助于耦合器14，该透镜片12机械并光学地耦接到挡风玻璃10。
在背离挡风玻璃10的第一表面12a上，该透镜片12设置有菲涅耳透镜结构16。在该菲涅耳透镜结构的焦点处放置有光接收器26。
在面向挡风玻璃10的第二表面12b上，该透镜片12设置有与该菲涅耳透镜结构16相对放置的菲涅耳棱镜结构22。该第二表面12b的该菲涅耳棱镜结构22由多个棱镜状的独立结构24组成，稍后对所述独立结构进行详细说明。
基本上水平地入射在该倾斜的挡风玻璃10上的光束在进入该窗格玻璃10时被以一角度向下折射。该光束没有明显折射地被耦合器14耦合出该窗格玻璃10，并与透镜片12的平面倾斜地入射到菲涅耳棱镜结构22上。该菲涅耳棱镜结构22偏转该光束，从而使其以平行光束的形式垂直通过该透镜片12。菲涅耳透镜结构16使该光束在射出透镜片12时聚焦到光接收器26上。
与图2中示出的未依照本发明的菲涅耳棱镜结构的实施例相比，上述菲涅耳棱镜结构22的一个特别的特征在于传感器单元的接收范围被扩展了。而在图2中所示的传感器单元中，菲涅尔棱镜结构22的独立结构24’都具有相同的设计，因而仅仅狭窄的有限的水平撞击挡风玻璃10的平行光束聚焦到光接收器26上。与之相对的是，依照本发明的菲涅尔棱镜结构22的实施例中的独立结构24设计为以不同的角度偏转该光束，如下面参照图3a和3b以及4a到4c所说明的。因此，由图1显然可见，接收范围不仅仅限于平行光束，而是扩展到关于入射方向稍微会聚的光束。
由图3a显然可见，菲涅尔棱镜结构22的棱镜状的独立结构24在横截面上具有第一侧面241，其从底部连续笔直延伸到顶点；第二侧面包括两部分，即242和243。该第二侧面(在图3a中的右边)中的部分242没有第二部分243陡峭，该第二部分243也比侧面241陡峭。制造透镜片12和耦合器14的材料的折射率n1和n2被仔细地相对彼此调整(它们彼此仅有细微的不同)。
为了简单起见，下面分别考虑基本上水平取向的环境光束中的单个光线，该光线已经进入该挡风玻璃10，并且在穿过耦合器14后入射在透镜片12上。
依照图3a的左半边，以α＝90°的入射角入射在部分242的光线无折射地进入该独立结构24，且在该独立结构24中被侧面241全反射。该光线在侧面241全反射的条件是入射角β1大于折射率比值的反正弦。因为该折射率比值略微不同于1，所以该入射角β1必须相对较大(光的平入射(flat incidence))。该独立结构24的侧面的角度彼此配合，使得反射角β2(依照全反射定律，该反射角等于入射角β1)恰好大到令光线垂直穿过该透镜片12(参见图1)。
依照图3a的右半边，也以α＝90°的入射角入射在相邻独立结构24的部分242上的光线具有与上述光线基本上相同的路线。该光线也被偏转，从而垂直穿过该透镜片12。然而，这个独立结构24以及特别是它的侧面241和侧面242的设计被选择为使得，用于该偏转的上述条件应用于在入射到挡风玻璃10之前未完全平行于图3a中左半边示出的光线延伸的光线。因此独立结构24关于一角度彼此不同，该角度是射出耦合器14的光线部分和垂直穿过透镜片12的光线部分之间的角度，在依照图3a的独立结构24的设计中，该角度分别等于入射角和反射角之和，即β1+β2和γ1+γ2。然而，这并不意味着所有独立结构24的偏转角必须不同。
图3b示出了具有纯折射菲涅耳棱镜结构的配置。该菲涅耳棱镜结构22的棱镜状的独立结构24在横截面具有第一侧面241，在该侧面上入射光线仅通过折射(而无进一步反射地)被偏转。关于第二侧面，中间部分242被略去，这在折射率有较大不同的情况中尤为有利。上述定义的偏转角这里分别(根据图3b所示)计为180°+β2-β1和180°+γ2-γ1，其中β1和γ1是入射角，以及β2和γ2是折射角。
独立结构24的更多配置基本上也是可能的，如图4a到4d举例示出的。与图4a的实施例相比，在依照图4b和4c的实施例中，光的折射发生在一进入独立结构24(在侧面部分242)时，这可能是有利的。在依照图4c和4d的实施例中，没有第二侧面的部分242。依照图4c，该光线在第二侧面被折射，且在第一侧面241被反射，然而，在图4d中光线仅仅在第一侧面241处被折射。直侧面的基本上对称的配置也是可能的(关于挡风玻璃10或透镜片12的平面具有相同的、在容差的通常范围内的倾角，并考虑透镜片12和耦合器14的折射率差值)，在菲涅耳棱镜结构22中的不同独立结构24的组合也是可能的。无论如何，重要的是先前稍微会聚的光束通常被该菲涅耳棱镜结构22转换为平行光束。
已经示出的是，由于关于平均偏转角的变化导致水平入射在该挡风玻璃10上的光线垂直穿过透镜片12，因此获得了有利的接收特性。图1示出了以此方式被光接收器26检测到的、在被该菲涅耳棱镜结构22偏转之前不完全平行的环境光束。依靠菲涅耳透镜结构16的设计，也可能设置平行光束穿过透镜片12的非垂直路线。
按照图1所示，该菲涅耳棱镜结构22是具有特殊取向的线性结构，该取向由光接收器26上再现的光束的基本方向决定。然而从图5a和5b所示显然可见，菲涅耳棱镜结构22不仅包括具有第一取向的第一线性结构，另外还包括具有不同于第一取向的第二取向的第二线性结构。在图示的该实施例中，该第二菲涅耳棱镜与第一菲涅耳棱镜结构相集成，也就是说，独立结构24配置为三维形式，从而它们也偏转空间上从不同方向入射在挡风玻璃10上的光束，以使得光束垂直穿过透镜片12，且在射出透镜片12时被菲涅耳透镜结构16聚焦在接收器26上。该第二菲涅耳棱镜结构的取向垂直于第一菲涅耳棱镜结构的取向，但是其它取向基本上也是可能的。关于独立结构24，第二菲涅耳棱镜结构也优选地设计为使得独立结构偏转稍微不同角度的光束光线。
为得到传感器单元的理想功能，必要的是耦合器14的材料以形状匹配的方式与棱镜结构22表面接触，且不包含气泡或类似物。
实际上，需要组合的雨/光传感器。一种雨传感器包括多个象记载的环境光传感器的传感器单元一样的需要光学有效结构的传感器单元。由于该环境光传感器的特别结构，可能使环境光传感器和雨传感器的传感器单元共享公共的透镜片12，从而得到最小的空间。如果需要，能够另外提供更多的传感器单元，其接收来自不同方向的光，和/或具有不同的接收特性。
该透镜片12可以用传统的注模技术制备。可选的是，可以使用压印(stam ping)技术。
为避免光线以一种不期望的方式耦合所导致的故障(杂散光比如可以通过迂回路入射在光接收器26上)，透镜片12的非光学有效表面的至少一部分可以设置有折射或反射结构，例如，回射元件(所谓的“猫眼”)。这导致没有入射在光学有效表面的光沿“无害的”方向被偏转。可选的是，或者另外地，非光学有效区域可以设置在具有不透光的印刷物的一侧或两侧上。

Claims (16)

1.一种用于检测环境光的光传感器器件，该光传感器器件适于耦接到窗格玻璃(10)上，该器件具有包括至少一个光接收器(26)和一个透镜片(12)的传感器单元，已进入所述窗格玻璃(10)的环境光束通过该传感器单元被耦合出该窗格玻璃(10)，并被引导到所述光接收器(26)，所述光传感器器件的特征在于，在透镜片(12)的面向所述窗格玻璃(10)的表面(12b)上，透镜片(12)包括具有多个独立结构(24)的第一菲涅耳棱镜结构(22)，该第一菲涅耳棱镜结构(22)的独立结构(24)被设计为以不同角度偏转该光束。
2.根据权利要求1的光传感器器件，其特征在于，所述第一菲涅耳棱镜结构(22)包括具有第一取向的线性结构，并且在透镜片(12)的面向所述窗格玻璃(10)的所述表面(12b)上，所述透镜片(12)包括具有多个独立结构(24)的线性的第二菲涅耳棱镜结构，该第二菲涅耳棱镜结构具有不同于所述第一取向的第二取向。
3.根据权利要求2的光传感器器件，其特征在于，所述第二菲涅耳棱镜结构的取向垂直于所述第一菲涅耳棱镜结构(22)的取向。
4.根据权利要求2的光传感器器件，其特征在于，所述第二菲涅耳棱镜结构的独立结构(24)被设计为以不同角度偏转该光束的光线。
5.根据权利要求2的光传感器器件，其特征在于，所述第二菲涅耳棱镜结构至少部分与所述第一菲涅耳棱镜结构(22)相集成。
6.根据权利要求1的光传感器器件，其特征在于，所述透镜片(12)被耦合器(14)耦接到所述窗格玻璃(10)，所述耦合器以形状匹配的方式与所述菲涅耳棱镜结构(22)接触。
7.根据权利要求1的光传感器器件，其特征在于，独立结构(24)具有光束的光线在其上被反射的内表面。
8.根据权利要求1的光传感器器件，其特征在于，独立结构(24)在横截面上大体是锯齿状，具有部分光束入射在其上的第二侧面(242，243)和发生反射的第一侧面(241)。
9.根据权利要求8的光传感器器件，其特征在于，光的不同角度的折射发生在独立结构(24)的第二侧面(242，243)处。
10.根据权利要求1的光传感器器件，其特征在于，独立结构(24)在横截面上大体是锯齿状，具有光的不同角度的折射发生在其上的第一侧面(241)。
11.根据权利要求1的光传感器器件，其特征在于，在透镜片(12)的面向光接收器(26)的表面(12a)上，透镜片(12)具有菲涅耳透镜结构(16)。
12.根据权利要求11的光传感器器件，其特征在于，所述菲涅耳透镜结构(16)将耦合出窗格玻璃(10)并穿过透镜片(12)的平行光束整形成会聚光束。
13.根据权利要求12的光传感器器件，其特征在于，平行光束垂直穿过透镜片(12)。
14.根据权利要求1的光传感器器件，其特征在于，该光传感器器件具有包括公共透镜片(12)的多个传感器单元。
15.根据权利要求1的光传感器器件，其特征在于，所述窗格玻璃(10)是机动车辆的挡风玻璃。
16.一种传感器，其特征在于，将前面任何一个权利要求的光传感器器件与光学雨传感器器件组合，所述光传感器器件和所述光学雨传感器器件具有公共的透镜片(12)。
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