CN112313500B - 具有动态光学配置控制的光学雨水传感器 - Google Patents

具有动态光学配置控制的光学雨水传感器 Download PDF

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Abstract

一种用于检测透明基板上的降雨量的光学雨水传感器，该光学雨水传感器包括布置在该透明基板表面上的外壳；布置在该外壳内的多个光元件，每个光元件能够被选择性地激活以发射光和去激活以接收光；以及控制器，其操作地连接到多个光元件并被配置为在第一操作模式和第二操作模式之间交替驱动多个光元件，其中，在第一操作模式中，至少一个第一光元件被激活且至少一个第二光元件被去激活，而在第二操作模式中，至少一个第二光元件被激活且至少一个第一光元件被去激活。

Description

具有动态光学配置控制的光学雨水传感器
相关申请的交叉引用
本申请要求2019年6月25日提交的美国非临时专利申请号16/451,778的权益，该美国非临时专利申请要求享有于2018年6月25日提交的临时专利申请号62/689,509的优先权，其整体内容通过引用纳入本文。
技术领域
本公开通常涉及传感器领域，并且特别涉及一种被配置为检测透明基板(诸如汽车挡风玻璃)上的降雨量的光学雨水传感器。
背景技术
现代汽车通常配备有雨水传感器，其被配置为检测汽车挡风玻璃上的降雨量。从这种传感器收集到的信息可用于自动激活和改变汽车挡风玻璃雨刷的速度和/或控制汽车的各种其他系统(例如，牵引控制系统)。
参考图1，示出了传统光学雨水传感器10(以下为“雨水传感器10”)的俯视图的示意图。在典型应用中，雨水传感器10被安装到透明基板(例如，汽车挡风玻璃)的底侧(即，内侧)。雨水传感器10包括布置在雨水传感器10周边的发光元件12a-f(例如，发光二极管)；准直透镜14a-f，其适于对发光元件12a-f发射的光进行准直并将准直光导向挡风玻璃上的相应感测区域15a-f；适于接收挡风玻璃反射出的准直光并且将光聚焦的聚焦透镜16a-f；以及位于雨水传感器10的中心的光检测元件17(例如，光电二极管)，其适于接收来自聚焦透镜16a-f的聚焦光，并将接收到的光转换为传送到控制器18的电输出信号。如果水(例如，雨水)出现在挡风玻璃外部上的感测区域15a-f之一，则照射(strike)感测区域的准直光的一部分将被折射到水中，而不是反射到相应的聚焦透镜。因此，相对于挡风玻璃的感测区域干燥时，从挡风玻璃的感测区域反射出的并被光检测元件接收到的准直光量通常会减弱。
在雨水传感器10工作时，控制器18交替地激活和去激活A和B两组发光元件12a-f，并且同时监测光检测元件17的输出。即，当发光元件12a-c被激活时发光元件12d-f被去激活，反之亦然。当挡风玻璃干燥时，A组发光元件12a-f被激活时光检测元件17所产生的输出与B组发光元件12a-f被激活时光检测元件17所产生的输出基本相似。然而，当挡风玻璃潮湿时，水可能存在于挡风玻璃上的感测区域15a-f中的一个或多个。因此，因为由发光元件12a-f中的一个或多个发射的一些光量将在(一个或多个)潮湿的感测区域被折射，而不是反射到光检测元件，A组发光元件12a-f被激活时光检测元件17产生的输出与B组发光元件12a-f被激活时光检测元件17产生的输出之间将会存在不平衡。一旦检测到这种不平衡，控制器18就可以确定挡风玻璃是潮湿的，并可以相应地影响其他汽车系统(如挡风玻璃雨刷)的操作。
由于尺寸的限制，汽车中的光学雨水传感器通常必须以相对小的形状尺寸来实现。因此雨水传感器10的每个发光元件12a-f与光检测元件17之间的距离d10相对较短，而且，如图1B所示，准直光在挡风玻璃26的外表面上的入射角Θi相对较小。特别是，准直光线在挡风玻璃26上的入射角Θi通常小于准直光线不再发生折射而完全反射所超出的入射角，其通常称为“临界角”(Θc)。因此，即使当挡风玻璃26干燥时，照射挡风玻璃26外表面的准直光的量将折射到外部空气中，而不会反射到光检测元件17。这对雨水传感器10的效率和灵敏度都是不利的。此外，相对较小的入射角Θi导致挡风玻璃26上的感测区域(以图1B中的感测区域15a为例)相对较小，其对雨水传感器10的灵敏度和准确性是不利的。
关于这些和其他考虑，目前的改进可能是有用的。
发明内容
提供本发明内容是为了以简化的形式介绍概念的选择，这些概念将在下面的详细描述中进一步描述。本发明内容不旨在识别要求保护的主题的关键特征或基本特征，也不旨在作为帮助以确定要求保护的主题的范围。
根据本公开的示例性实施例的光学雨水传感器可以包括：多个光元件，每个光元件能够被选择性地激活以发射光和去激活以接收光；和控制器，其操作性地连接到多个光元件并被配置为在第一操作模式和第二操作模式之间交替驱动多个光元件，其中，在第一操作模式中，至少一个第一光元件被激活且至少一个第二光元件被去激活，并且其中，在第二操作模式中，至少一个第二光元件被激活且至少一个第一光元件被去激活。
根据本公开的另一个示例性实施例的光学雨水传感器可以包括：布置在透明基板的表面上的外壳；布置在外壳内的多个光元件，每个光元件能够被选择性地激活以发射光和去激活以接收光；以及控制器，其操作性地连接到多个光元件并被配置为在第一操作模式和第二操作模式之间交替驱动多个光元件，其中，在第一操作模式中，至少一个第一光元件被激活且至少一个第二光元件被去激活，并且在第二操作模式中，至少一个第二光元件被激活且至少一个第一光元件被去激活。
附图说明
图1A是示出了与现有技术一致的传统雨水传感器的俯视图的示意图；
图1B是示出了在由图1A所示的雨水传感器的发光元件发射出的光线入射在透明基板上的情况下透明基板的横截面的示意图；
图2A是示出了根据本公开示例性实施例的在第一操作模式中的雨水传感器的俯视图的示意图；
图2B是示出了图2A所示的在第二操作模式中的雨水传感器的俯视图的示意图；
图2C是示出了在由图2A所示的雨水传感器的发光元件发射出的光线入射在透明基板上的情况下透明基板的横截面的示意图。
具体实施方式
现在将参考附图更全面地描述根据本公开的光学雨水传感器，附图中给出了光学雨水传感器的优选实施例。然而，该光学雨水传感器可以具体化为许多不同的形式，并且不应被解释为限于本文所述的实施例。相反，提供这些实施例是为了使本公开将向本领域的技术人员传达光学雨水传感器的一些示例性方面。
参考图2A和2B，示出了根据本公开的示例性实施例的光学雨水传感器(以下为“雨水传感器110”)的俯视图的示意图。在所述的非限制性实施例中，雨水传感器110通常可包括布置在外壳122内的多个光元件112a-f、多个准直透镜114a-f以及多个聚焦透镜116a-f。为了清楚起见，从图2A中省略了准直透镜114c、114d、114e和聚焦透镜116c、116d、116e，并且从图2B中省略了准直透镜114a、114b、114f和聚焦透镜116a、116b、116f。光元件112a-f可以操作性地安装在与控制器118(例如，微控制器、专用集成电路(ASIC)等)电通信的印刷电路板(PCB)120上，控制器118被配置为向光元件112a-f提供电功率、指示光元件112a-f的操作，和/或从光元件112a-f收集数据。准直透镜114a-f和聚焦透镜116a-f可以布置在光元件112a-f中间(下文将进一步描述)，并可以安装或贴附到外壳122上(例如，安装或贴附到外壳的透明盖，未显示)。
外壳122可适于安装在透明基板上或邻近透明基板。例如，外壳122可以以本领域普通技术人员所熟悉的方式安装在汽车挡风玻璃的内表面上。在一些实施例中，控制器118可以布置在外壳122内并安装在PCB 120上。可替换地，控制器118可以位于外壳122的外部，远离PCB 120。
雨水传感器100的光元件112a-f可以是被配置为选择性地发射或接收光的发光二极管(LED)。例如，光元件112a-f中的每一个可以被配置为当其被控制器118激活时(即，当控制器118向其施加电功率时)发射光，和当其被控制器118去激活时(例如，当控制器118未向其施加电功率时)接收光并向控制器18输出相应的电信号。因此，如下面进一步描述的，光元件112a-f中的每一个都可以选择性地和独立地实施为光电发射器或光传感器。
光元件112a-f可以以“六角星形配置”被布置在PCB 120上，其中每个光元件112a-f设置在假想六角星形的相应角处，并且与该假想六角星形的中心点q的距离相等。虽然附图中描述了六个光元件112a-f，但在不偏离本公开的范围的情况下，预期的是雨水传感器110中的光元件的数量可以变化。
如下面进一步描述，光元件112a-f中的每个可以被配置(例如，定向)为向光元件112a-f中的一个或多个其他光元件发射一个或多个光束。准直透镜114a-f的每一个可被配置(例如，定位和定向)为接收光元件112a-f中最近的一个光元件发射的光束并对其进行准直，并将准直光束以一个倾斜的角度导向透明基板126上的相应感测区域124a-f(参见图2C)，其中至少部分准直光束从透明基板126反射出，如下文进一步所述。聚焦透镜116a-f的每一个都可以被配置(例如，定位和定向)为接收从透明基底126反射的光，并将接收到的光聚焦到光元件112a-f中相应的最近的一个光元件，如下文进一步所述。
在使用过程中，雨水传感器110可被配置为在图2A和2B中分别描述的两种操作模式之间快速和连续地交替。在图2A所示的第一操作模式中，控制器118可以激活光元件112a和112f并且去激活光元件112b-e，其中光元件112a被配置为向光元件112c、112e分别发射光束128a1和128a2，并且其中光元件112f被配置为向光元件112b发射光束128f。光束128a1、128a2和128f可以由准直透镜114a、114b和114f以上述方式进行准直，在感测区域124a、124b和124f处以上述方式反射，并由聚焦透镜116a、116b和116f以上述方式聚焦，并且由光元件112c、112b和112e接收到的合成光可转化为传送到控制器118的相应电信号。因此，控制器118接收到的电信号可以对应于在透明基板126的感测区域124a、124b和124f处反射的光量。
在如图2B所示的第二操作模式中，控制器118可以激活光元件112c和112d并且去激活光元件112a、112b、112e和112f，其中光元件112c被配置为向光元件112e发射光束128c，并且其中光元件112d被配置为向光元件112b和112f分别发射光束128d1和128d2。光束128c、128d1和128d2可以由准直透镜114c、114d和114e以上述方式进行准直，在感测区域124c、124d和124e处以上述方式反射并由聚焦透镜116c、116d和116e以上述方式聚焦，并且由光元件112b、112e和112f接收到的合成光可转化为传送到控制器118的相应电信号。因此，控制器118接收到的电信号可以对应于在透明基板126的感测区域124c、124d和124e所反射的光量。
当透明基板126干燥时，光元件112c、112b和112e在第一操作模式中产生的输出可以基本上等于光元件112b、112e和112f在第二操作模式中产生的输出。然而，当透明基板126潮湿时，水可能存在于透明基板126上的感测区域124a-f中的一个或多个感测区域处。因此，由于一个或多个激活光元件发射出的一些光量将在(一个或多个)潮湿的感测区域处被折射，而不是反射到相应去激活的光元件，因此由光元件112c、112b和112e在第一操作模式中产生的输出和由光元件112b、112e和112f在第二操作模式中产生的输出之间将会存在不平衡。一旦检测到这种不平衡，控制器118就可以确定透明基板126是潮湿的，并可能相应地影响其他汽车系统(如挡风玻璃雨刷)的操作。
在上述第一操作模式和第二操作模式二者中，激活的光发射光元件和相应的去激活的光接收光元件之间的距离d110，大于图1A所示的传统雨水传感器10中的每个发光元件12a-f与光接收元件17之间的距离d10。因此，距离d100可以大于图1A所示的距离d10，而雨水传感器100的占地面积或外部尺寸可能与传统雨水传感器10相同或相似。与传统的雨水传感器相比，雨水传感器100中的光发射光元件和光接收光元件之间的距离增加，准直光线在透明基板上的入射角可以相对较大。特别是参考图2C，由雨水传感器100产生的光线在透明基板126的感测区域(如上所述以感测区域124a举例)上的入射角Θi可以大于准直光线不再发生折射但完全反射所超出的入射角，通常被称为“临界角”(Θc)。因此，可以实现全内反射(TIR)，并且当透明基板126的感测区域124a基本干燥时，照射透明基板126外表面的所有准直光将反射到雨水传感器100的相应光元件。因此，与传统的雨水传感器相比，雨水传感器100的效率和灵敏度得到了提高。此外，由雨水传感器100的配置所促进的相对较大入射角Θi导致透明基板126上的感测区域(以图2C的感测区域124a为例)相对较大，其为雨水传感器100提供了相对于传统雨水传感器更大的灵敏度和准确性。
如本文所用，除非明确地叙述了此类排除，否则以单数形式叙述并且以单词“一”或“一个”开头的元件或步骤应被理解为不排除多个元件或步骤。此外，对本公开的“一个实施方案”的引用不旨在被解释为排除同样包含所述特征的附加实施方案的存在。
虽然本公开引用某些实施方案，但在不脱离如所附权利要求中所定义的本公开的实质和范围的情况下，对所述实施方案的许多修改、更改和改变是可能的。因此，本公开旨在不限于所描述的实施方案，而是具有由所附权利要求的语言及其等同物限定的全部范围。

Claims (16)

1.一种光学雨水传感器，包括：
多个光元件，每个光元件能够被选择性地激活以发射光和去激活以接收光；和
控制器，其被操作性地连接到所述多个光元件并被配置为在第一操作模式和第二操作模式之间交替驱动所述多个光元件，其中，在所述第一操作模式中，至少一个第一光元件被激活且至少一个第二光元件被去激活，并且其中，在所述第二操作模式中，所述至少一个第二光元件被激活且所述至少一个第一光元件被去激活，
其中，在所述第一操作模式中，所述多个光元件中的至少一个适于接收所述第一光元件发射出的光，并且向所述控制器输出对应的第一电信号，并且其中，在所述第二操作模式中，所述多个光元件中的至少一个被配置为接收所述第二光元件发射出的光并向所述控制器输出对应的第二电信号。
2.根据权利要求1所述的光学雨水传感器，其中，所述控制器适于将所述第一电信号与所述第二电信号进行比较。
3.根据权利要求1所述的光学雨水传感器，其中，所述光元件中的至少一个被配置为将光线投射到透明基板上，其中照射所述透明基板的所述光线的入射角大于对应的临界角。
4.根据权利要求1所述的光学雨水传感器，还包括沿着在两个所述光元件之间延伸的路径设置的准直透镜和聚焦透镜。
5.根据权利要求1所述的光学雨水传感器，其中，所述多个光元件包括以六角星形配置布置的六个光元件。
6.根据权利要求5所述的光学雨水传感器，其中，在所述第一操作模式中，第一光元件被配置为向第二光元件和第三光元件投射光线，并且第四光元件被配置为向第五光元件投射光线。
7.根据权利要求6所述的光学雨水传感器，其中，在所述第二操作模式中，所述第二光元件被配置为向所述第三光元件投射光线，并且第六光元件被配置为向所述第四光元件和所述第五光元件投射光线。
8.根据权利要求7所述的光学雨水传感器，还包括：沿着在所述第一光元件和所述第二光元件之间延伸的路径设置的第一准直透镜和第一聚焦透镜；沿着在所述第一光元件和所述第三光元件之间延伸的路径设置的第二准直透镜和第二聚焦透镜；沿着所述第四光元件和所述第五光元件之间延伸的路径设置的第三准直透镜和第三聚焦透镜；沿着所述第二光元件和所述第三光元件之间延伸的路径设置的第四准直透镜和第四聚焦透镜；沿着所述第六光元件和所述第五光元件之间延伸的路径设置的第五准直透镜和第五聚焦透镜；沿着所述第六光元件和所述第四光元件之间延伸的路径设置的第六准直透镜和第六聚焦透镜。
9.一种用于检测透明基板上的降雨量的光学雨水传感器，所述光学雨水传感器包括：
设置在所述透明基板的表面上的外壳；
设置在所述外壳内的多个光元件，每个光元件能够被选择性地激活以发射光和去激活以接收光；以及
控制器，其被操作性地连接到所述多个光元件并被配置为在第一操作模式和第二操作模式之间交替驱动所述多个光元件，其中，在所述第一操作模式中，至少一个第一光元件被激活且至少一个第二光元件被去激活，并且其中，在所述第二操作模式中，所述至少一个第二光元件被激活且所述至少一个第一光元件被去激活，
其中，在所述第一操作模式中，所述多个光元件中的至少一个适于接收所述第一光元件发射出的并从所述透明基板反射出的光，并且向所述控制器输出对应的第一电信号，并且其中，在所述第二操作模式中，所述多个光元件中的至少一个被配置为接收由所述第二光元件发射出的并从所述透明基板反射出的光，并向所述控制器输出对应的第二电信号。
10.根据权利要求9所述的光学雨水传感器，其中，所述控制器适于将所述第一电信号与所述第二电信号进行比较。
11.根据权利要求9所述的光学雨水传感器，由所述第一光元件投射到所述透明基板的光的入射角大于对应的临界角，使得由所述第一光元件投射到所述透明基板的所有光都是从所述透明基板反射出的。
12.根据权利要求9所述的光学雨水传感器，还包括沿着在两个所述光元件之间延伸的路径设置的准直透镜和聚焦透镜。
13.根据权利要求9所述的光学雨水传感器，其中，所述多个光元件包括以六角星形配置设置在印刷电路板上的六个光元件。
14.根据权利要求13所述的光学雨水传感器，其中，在所述第一操作模式中，第一光元件被配置为向第二光元件和第三光元件投射光线，并且第四光元件被配置为向第五光元件投射光线。
15.根据权利要求14所述的光学雨水传感器，其中，在所述第二操作模式中，所述第二光元件被配置为向所述第三光元件投射光线，并且第六光元件被配置为向所述第四光元件和所述第五光元件投射光线。
16.根据权利要求15所述的光学雨水传感器，还包括：沿着在所述第一光元件和所述第二光元件之间延伸的路径设置的第一准直透镜和第一聚焦透镜；沿着在所述第一光元件和所述第三光元件之间延伸的路径设置的第二准直透镜和第二聚焦透镜；沿着所述第四光元件和所述第五光元件之间延伸的路径设置的第三准直透镜和第三聚焦透镜；沿着所述第二光元件和所述第三光元件之间延伸的路径设置的第四准直透镜和第四聚焦透镜；沿着所述第六光元件和所述第五光元件之间延伸的路径设置的第五准直透镜和第五聚焦透镜；沿着所述第六光元件和所述第四光元件之间延伸的路径设置的第六准直透镜和第六聚焦透镜。
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