CN101852647A - 雨刷感测光学系统 - Google Patents

Abstract

本发明一种雨刷感测光学系统是装设于汽车挡风玻璃内的感测光学系统，其包括光源、光接收器、准直透镜、集光透镜、两反射镜、棱镜元件、透明胶带等构件，由准直透镜、集光透镜与两个反射镜整合成一个棱镜元件，将光源与光接收器亦设于棱镜元件的同一侧斜面，借由光源透过准直透镜形成平行光射入挡风玻璃，再由挡风玻璃反射入棱镜元件，由棱镜元件内的反射镜形成两次反射，再将平行光折射经集光透镜回到光接收器，使光接收器可更灵敏计算接收光的效率。

Description

雨刷感测光学系统

技术领域

本发明是关于一种雨刷感测光学系统，其是指用于挡风玻璃上雨刷用的光学感应式传感器，当有雨滴、雪花掉落于挡风玻璃上时，传感器的光学感应系统检测后即自动开启雨刷装置，启动雨刷将挡风玻璃上的雨滴等异物予以扫除，以保持挡风玻璃的适当能见度，而确保行车安全。

背景技术

当前有许多雨刷传感器，这些雨刷传感器是以光线遇水时产生的透射与部份折射原理，以此光线折射原理检测雨滴的大小，以控制雨刷的运转速度，这种光线的原理必须做相当多重的处理，以降低传感器对于背景光源(如阳光、灯光)等的干扰，防止传感器感应错误或检测不确实，因此会使传感器的成本提高、而感测的效果也打折扣，使用上犹存在有许多缺失，有待改善。

如US4798956的专利，其利用光源射出的光线，会从挡风玻璃面射出，因为光源与挡风玻璃间有空气；挡风玻璃上、下两面几乎是平行，光线能射进去就会从挡风玻璃面射出，产生的缺点为：因光线折射回来有限，所以感测光线接收也有限，无法灵敏的判读检测光线。

又，US5560245的专利，其组装上是用电路板因配合光做成两片成倾斜状组装，组装过于复杂误差大，且因传感器装于系统中央，使整个组装体积过大，而会有一半凸入驾驶视线内，影响驾驶行车安全。

再者，US4620141的专利，这个专利的光发射与光接收的光轴在同一点，形成一锐角，无法形成全反射，所以会浪费掉部份的光线，且雨滴感测区面积小，同样有无法完整接收光的缺点。

另外，US7230260B1的专利，这个专利利用两种光路，以取决于是否安装硅胶片，如没有硅胶片时，只有一光路能作用，有硅胶片时则两种光路可同时作用，缺点为发光源很难将发射光控制在光路的特定角度上，光会散射造成浪费使光接收不佳，影响感测精确度；另外其光接收端的光线是斜向射入，会降低接收效率。

因鉴于现有技术的雨刷传感器对光的折射接收检测灵敏度不佳，进而研发的光学系统，以对行进间的车辆安全产生相对影响，本发明者遂积其多年从事光学产品设计、制造、贩售等丰硕经验，投注心力予以研究、改良、创设，并经多次重复实验、检测、试用后，终于成功地研发出本发明，利用光学全反射原理，并提高传感器对于感测物的感度、降低杂信干扰，以确实控制雨刷启动。

发明内容

本发明的主要目的，是提供一种雨刷感测光学系统，将光源与光接收器设于同一面，借由光线反射两次，再射入挡风玻璃，可使雨滴感测区域的大小因此加倍，且光源的光路经过准直透镜形成平行光，再经两反射镜将平行光折射回到光接收器，使光接收器可更灵敏计算接收光的效率。

本发明的另一目的，是利用光线射入挡风玻璃的入射角为45±2.5度，在无雨时可形成全反射，有雨时则光线穿透形成无反射，且在大雨时可避开雨滴与空气介面间的反射，减少杂信干扰，增加光接收的检测灵敏度。

为达到上述目的，本发明的技术方案是这样实现的：一种雨刷感测光学系统，包括光源、光接收器、准直透镜、集光透镜、棱镜元件、透明胶带等构件；所述棱镜元件内设有两个反射镜，且棱镜元件的一平面借由透明胶带与汽车挡风玻璃紧密贴附；所述光源、光接收器、准直透镜、集光透镜设于棱镜元件的同一侧斜面；所述光源经准直透镜形成平行光路投射至挡风玻璃再以反射光路回棱镜元件内，经棱镜元件内设的两反射镜产生两次反射形成平行光路返回再经集光透镜到光接收器。

本发明借由上述结构可使雨滴感测区加倍放大，并增加光感测接收的灵敏准确度。

附图说明

图1本发明雨刷感测光学系统的结构配置图。

图2本发明雨刷感测光学系统的光路图。

图3本发明雨刷感测光学系统的实施例一。

图4本发明雨刷感测光学系统的实施例二。

图5本发明雨刷感测光学系统的实施例三。

图6本发明雨刷感测光学系统的反射率与光束的入射角的关系曲线实施例一。

图7本发明雨刷感测光学系统的反射率与光束的入射角的关系曲线实施例二。

主要元件符号说明：

光源10，准直透镜11，平行光路12，光接收器20，集光透镜21，棱镜元件30，两反射镜31、32，透明胶带40，挡风玻璃50，雨滴感测区60，雨滴70，雨水薄膜80。

具体实施方式

现在再配合本发明各较佳实施例的附图进一步说明如后，以期能使本领域普通技术人员，得依本说明书的陈述据以实施：

首先，敬请参阅如图1所示，本发明的雨刷感测光学系统，其包括：光源10、光接收器20、准直透镜11、集光透镜21、棱镜元件30、两反射镜31、32、透明胶带40；

其中，所述光源10为光发射物件，可为LED、红外线、激光、灯泡等；所述准直透镜11与集光透镜21均为凸面透镜，与两个反射镜31、32整合为一个棱镜元件30；所述光源10、光接收器20、准直透镜11、集光透镜21设于棱镜元件30的同一侧斜面；

其中，敬请参阅图2所示，为本发明的光路图，所述光源10经准直透镜11光路的投射至挡风玻璃50后成45±2.5度，经两次反射形成平行光路12，再由集光透镜21接收到光接收器20，使雨滴感测区60的面积加倍，并增加光感测接收的灵敏准确度；而棱镜元件30借由透明胶带40贴附于挡风玻璃50上，也借由透明胶带40为光路介质能将光源10射入挡风玻璃50上的折射线完全投射、折射。

本发明的雨刷感测光学系统的原理是利用挡风玻璃50上的外表面全反射角度的变化，其平行光路12全反射角度为：

$\mathrm{\θ}={\sin }^{-1}\left(\frac{n_{\mathrm{air}}}{n_g}\right)={\sin }^{-1}\left(\frac{1}{n_g}\right)$

此处的n_air与n_g分别为空气与挡风玻璃的折射率。

如图3所示，空气的折射率为1(n_air＝1)，挡风玻璃50的折射率为1.50984(波长为850nm，n_g＝1.50984)，则平行光路12全反射角θ为：

如图4所示，空气的折射率为1(n_air＝1)，挡风玻璃50的折射率为1.50984(波长为850nm，n_g＝1.50984)，当有小雨滴落在挡风玻璃50上时，雨滴的折射率1.32740(raindrop n_watter＝1.32740)，则平行光路12全反射角θ为：

如图5所示，空气的折射率为1(n_air＝1)，挡风玻璃50的折射率为1.50984(波长为850nm，n_g＝1.50984)，当挡风玻璃50覆盖满雨水时，则雨水薄膜与空气的介面也会反射光线。雨滴薄膜的折射率为1.32740(rain water film n_watter＝1.32740)，其全反射的入射角度大约是48.9度以上：

再者，当挡风玻璃上无雨滴的状态下入射光束的最适当范围光束的偏振特性会影响其反射。我们考虑两种模态：第一种模态是横向电场(TE)偏振，其入射光的电场向量平行于边界平面。第二种模态是横向磁场(TM)偏振，其入射光的磁场向量平行于边界平面；其反射率与光束的入射角的关系曲线如图6所示。

再者，反射率与入射角的曲线会随着玻璃表面的干湿而有所不同。当雨下的很大时，在挡风玻璃的表面会形成一个雨水薄膜，此薄膜也会反射检测光而造成误差，其入射光的横向磁场(TM)向量平行于边界平面；其反射率与光束的入射角的关系曲线共有六种模态如图7所示。

考虑制造的公差(大约正负2.5度)，因而把光束的入射角设定在42.5～47.5度的范围。当玻璃处于干燥的状况下，光线的反射量非常强，几乎可以达到100％。当玻璃盖满雨水时，反射率则会低于20％。

在本发明中，我们将使用非偏振光，其感测雨滴后产生的信号传输平均的信号杂信强度大约是噪音强度的20倍(由光学系统量测到)，在最差的状况下仍可高于5倍，因此感测信号传输数据是较为精确的。

本发明的光源10经准直透镜11使光束形成平行光路12，可适用在不同厚度、不同材质的挡风玻璃上，且对制造公差的敏感度降低。

当入射光角度：

假设θ＝45°，则φ＝45.97°；将设定φ＝45°，且θ＝44.06°。若加上允许制造公差；φ＝45±2.5度，则θ分布在41.64～46.48度之间，可以确保在无雨时θ角一定大于41.48度；产生全反射，光接收器完全接收反射光，而不会启动雨刷作动。

由以上实验，本发明包括：

准直透镜11是一凸面，其作用系将光源10发出的光线整理成平行光路12，射入挡风玻璃50；

平行光路12的光线通过挡风玻璃50到达其外侧表面(即雨滴感测区60)时；当没有雨滴时，光线由于全反射效应反射回挡风玻璃50内。当有雨滴时，全反射效应被破坏，光线会穿出挡风玻璃50；

反射回来的平行光路12的光线经过两次反射，再射入挡风玻璃50，借此可扩大雨滴感测区60检测范围；

棱镜元件30的这两个反射面上贴有反射片；

集光透镜21是一凸面，将第二次从挡风玻璃50外侧表面反射回的光线聚在光接受器20上，完成雨刷感测光学系统。

光线射入挡风玻璃的入射角为45±2.5度，入射角定义为光线与挡风玻璃入射面法线的角度；与目前存在的专利比较，有下列优点：

光线射入挡风玻璃50的入射角45±2.5度，在无雨时可形成全反射，有雨时则光现穿透(无反射)，且在大雨时可避开雨滴与空气介面间的反射，减少杂信干扰；

发生全反射时，射入与反射出挡风玻璃50的光线间夹角为直角，与目前常用的锐角或钝角比较，有利于棱镜元件30的制造与检测；

雨滴感测区60位于雨刷感测光学系统的一侧，可将此侧伸入雨刷作用区，其他区域则可位于雨刷作用区外，减少曝露在驾驶视线内的面积，遮挡视角较小，有助提高行车安全；

准直透镜11、集光透镜21与两个反射镜31、32整合成一个棱镜元件30，可提高组装精确度，且容易组装，成本也较低；

光线两次从挡风玻璃50外侧表面反射回棱镜元件30，雨滴感测区60大小因此加倍；

棱镜元件30上的两个反射镜31、32虽然可全反射，但仍可贴上反光片，当棱镜元件30结雾或脏污时，会结在反光片外侧，不会因此影响雨滴感测的精确度。

据此，本发明雨刷感测光学系统具有增加感测雨滴的精确度，可使汽车雨刷能得到精确检测而依雨滴大小控制动作速度，并于无雨时自动关闭不动，实符合发明专利的要件。

综上所述，仅为本发明的一较佳实施例而已，并非用来限定本发明实施的范围。即凡依本发明申请专利范围所做的均等变化与修饰，皆为本发明专利范围所涵盖。

Claims (6)

1.一种雨刷感测光学系统，其特征在于：包括光源、光接收器、准直透镜、集光透镜、棱镜元件、透明胶带等构件；

所述棱镜元件内设有两个反射镜，且棱镜元件的一平面借由透明胶带与汽车挡风玻璃紧密贴附；

所述光源、光接收器、准直透镜、集光透镜设于棱镜元件的同一侧斜面；

所述光源经准直透镜形成平行光路投射至挡风玻璃再以反射光路回棱镜元件内，经棱镜元件内设的两反射镜产生两次反射形成平行光路返回再经集光透镜到光接收器，借此使雨滴感测区加倍放大，并增加光感测接收的灵敏准确度。

2.如权利要求1所述的雨刷感测光学系统，其特征在于，所述光源经准直透镜投射至挡风玻璃后成45±2.5度折射，经两次反射形成平行光路，再由集光透镜接收到光接收器，增加光感测接收的灵敏准确度。

3.如权利要求1所述的雨刷感测光学系统，其特征在于，所述棱镜元件借由透明胶带贴附于挡风玻璃上，而透明胶带亦为光路介质，能将光源射入挡风玻璃上的光线完全投射、折射，避免光产生散射。

4.如权利要求1所述的雨刷感测光学系统，其特征在于，所述光源为光发射物件，如LED、红外线、激光或灯泡。

5.如权利要求1所述的雨刷感测光学系统，其特征在于，所述准直透镜与集光透镜均为凸面透镜。

6.如权利要求1所述的雨刷感测光学系统，其特征在于，所述棱镜元件上的两个反射镜虽然可全反射，亦再贴上反光片。

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