CN1348095A - 湿气检测器 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种湿气检测器,其中光源的光被耦合到光导层,只要周围介质具有低于门限湿气的湿气,就发生全反射,如果介质的湿气超过门限湿气,则不发生全反射,具有解耦元件,用于使公从光导层中解耦,还具有用于检测解耦的光的检测器。按照本发明,在光导层的一部分上提供有反射全息图,当光线以其在光导层内传播的角度入射时,重现基本上和入射光线反向传播的光线。本发明还涉及一种相应的湿气检测器,其中使用玻璃板,特别是飞机或车辆上的挡风玻璃作为光导层。

Description

湿气检测器
本发明涉及一种具有权利要求1的前序部分的特征或权利要求4的前序部分的特征的湿气检测器。
雨水检测器目前被用于机动车辆工业中，例如用于实现挡风玻璃刮水器的自动控制。在已知的雨水检测器中，借助于光线耦合装置从内部把具有一个选择的角度的光线耦合进入挡风玻璃，所述角度在正常的环境下即具有干燥的外部空气时，产生光线在挡风玻璃内部的全反射。在另一点，光线被解除耦合，并被引导到检测器。耦合装置和解耦装置位于挡风玻璃的内侧。如果水滴或湿气附着在挡风玻璃的外侧，则在该区域内和挡风玻璃相邻的介质的折射率改变。通过合适地选择耦合角，在具有所述湿的外部介质时，在挡风玻璃内部将不再发生全反射。光线射出玻璃板而不到达检测器。借助于光强测量仪器可以检测光强的损失。例如，如果信号小于预定的门限，则接通挡风玻璃刮水器。
例如，光线的耦合和解耦可以借助于棱镜实现，所述棱镜从内部装配在挡风玻璃上，并且也由玻璃制成。这些棱镜的底部区域也被装配在挡风玻璃的内部，具有这样选择的棱镜角，使得棱镜的侧面垂直于光线在挡风玻璃内行进的方向。用这种方式，可以进行在挡风玻璃和周围介质之间的界面上全反射条件下而在挡风玻璃内部运动的光线的耦合和解耦。
图4示意地表示这种已知的结构。101表示挡风玻璃，103表示光线解耦棱镜，105表示光线耦合棱镜。当周围介质是空气时，光线109在挡风玻璃内部全反射。如果水滴107位于挡风玻璃上，则光线射出挡风玻璃，不再到达光线解耦装置103。
利用现有技术的这种湿气检测器结构，光线耦合棱镜和光线解耦棱镜分别被装配在挡风玻璃的内部，从而由于附加的装置使得挡风玻璃内部成为不平滑的结构。
这种雨水检测器不能位于车辆驾驶员的视野内，因为附加的结构引起应当通过挡风玻璃的光线的折射或散射。这种反射作用自然使安全性降低。因而，雨水检测器必须被设置在不在视野内的挡风玻璃的区域内，并且必须尽可能小。因此，这种雨水检测器例如被设置在利用黏合剂固定后视镜的区域内。
为了确保光源和接收器以及光线耦合装置和光线解耦装置分别在整体上形成小型的装置，光线耦合装置和光线解耦装置必须紧靠在一起。这限制了对在光线耦合和光线解耦之间的一个或几个全反射的测量范围和精度。
从所述现有技术出发，本发明的目的在于提供一种具有较大的测量范围的湿气检测器。
本发明的目的通过具有权利要求1的特征部分或具有权利要求4的特征部分的湿气检测器解决了。
本发明的有利的方面是从属权利要求的主题。
按照本发明，在光导层的部分上或在玻璃板上提供反射全息图，并具有这样一种全息结构，使得当光线以在光导层或玻璃板内部全反射的角度α入射时，光线在反射全息图和光导层或玻璃板之间的基本上逆着入射光线延伸的界面上被重现。
在一个实施例中，光导层是湿气检测器阵列的一部分。在另一个实施例中，玻璃板，例如挡风玻璃被用作光导层。
其中，按照本发明的装置提供的优点在于，其能够提供大的空间测量范围。反射全息图基本上是透明的。只有以某个角度入射的光被用于全息重现。因而，反射全息图可以被设置在挡风玻璃上的任何点，在全息图的下方，挡风玻璃的透明度基本上不受影响。由于检测光线向回重现所述光线，耦合装置和解耦装置可以靠近到一起。尽管如此，空间测量范围不由耦合装置和解耦装置之间的距离确定，而由耦合装置和解耦装置分别与反射全息图之间的距离的两倍确定。用这种方式，可以利用非常大的空间测量范围，使得能够实现多个全反射。用这种方式，可以提高湿气测量的精度。在极端的情况下，可以使用挡风玻璃的整个范围。
另一个优点在于，空间测量范围也可以覆盖挡风玻璃刮水器作用的挡风玻璃的区域。这种湿气检测器只响应几滴水滴便使刮水器运动，例如，在雨很小的情况下便能使刮水器运动。利用已有的雨水检测器，挡风玻璃刮水器通常不扫过湿气检测器，因为其不被设置在视野内。因此只要少量的水滴留在湿气检测器上，挡风玻璃刮水器就不会关断。在本发明的湿气检测器中，可以由挡风玻璃刮水器扫过空间测量范围。如果只有曾经引起挡风玻璃刮水器接通的小的降雨量即只有几滴被刮水器擦除，则本发明的湿气检测器便使挡风玻璃刮水器再次关断。
包括光导层的湿气检测器的几层可以被组合成被设置在挡风玻璃上膜的一个单元。例如，光可以通过玻璃板向耦合元件发送。在另一个实施例中，各个元件被设置在避开要被测量湿气的玻璃板表面的一侧，使得玻璃板本身作为光导层。
在本发明的一种有利的方面中，耦合元件包括透射全息图元件，在光从光源的方向入射时，所述透射全息图元件具有在光导层或玻璃板内部的等于在所述层或玻璃板中的所需的传播角的重现方向。如果解耦元件包括透射全息图元件，在光基本上以光导层或玻璃板中的传播角入射到解耦元件上时，所述透射全息图元件具有沿接收器方向的重现方向，则同样是有利的。这种透射全息图元件可以被设计成非常紧凑和非常小，并且能够非常精确地确定光线的方向。进一步的发展提供利用一个元件作为耦合元件和解耦元件。用这种方式，可以提供更紧凑的设计。
光源例如可以包括发光二极管(LED)。通过有利的设计，可以由LED获得特定方向的光，其具有规定的波长。
通常，全反射发生在没有设置透射全息图和反射全息图的光导层或玻璃板的区域内。如果透射全息图和反射全息图位于避开要检测湿气的光导层或玻璃板的表面的一侧，则在反射全息图和透射全息图之间可以提供辅助反射器全息图。这个辅助反射器全息图结构利用全息反射镜代替在光导层或玻璃板的不在要测湿气的一侧上的界面的全反射。
此外，利用在反射全息图和透射全息图之间的这种辅助反射器层，可以在玻璃板或光导层上获得整个湿气测量系统的完全平滑的表面。
如果由于湿气、污染或粗糙，光导层或玻璃板的设置有透射全息图和反射全息图的表面不可避免地没有或只有少量的全反射性能，则可以有利地使用辅助反射器层。
辅助反射器全息图层被这样设计，使得当光以角度α入射到在光导层和辅助反射器全息图之间的界面上时，光线以相应于角β＝180°-α的方向重现。总之，得到相应于反射镜反射的情况。
本发明的湿气检测器可被有利地用在飞机或车辆上控制挡风玻璃刮水器。如果玻璃板本身被用作光导层，这种应用是尤其有利的。不过，本发明的湿气检测器也可以用于其它场合，在这些场合中需要确定表面上的湿气，或者要根据表面上的湿气控制一种装置。
下面参照附图以雨水检测器为例说明本发明的湿气检测器的实施例，其中：
图1示意地表示本发明的湿气检测器的工作原理；
图2示意地表示本发明的雨水检测器的实施例；
图3是本发明的湿气检测器的实施例的部分截面图；以及
图4示意地表示已知的雨水检测器的一部分。
图1表示LED7，例如激光二极管，其沿着透射全息图5的方向发光，以便耦合进入光导层1。代表性地示出了光线15。透射全息图用已知的方式设计，使得当光线从光源7的方向入射时，其重现在光导层1内以角度α行进的光线17，此时透射全息图5被这样选择，使得在角α下，能够在光导层1和周围空气之间的界面上发生全反射。
能够发生全反射的角度范围可以用已知的方式由光导层1的折射率和各个邻接的介质的折射率计算。发生全反射的界面和入射方向之间的最大角度按照公式cosαG＝(邻接介质的折射率)/(光导层的折射率)计算。在玻璃作为光导层，折射率为1.5，空气作为邻接介质，折射率为1时，角度αG＝48度。入射到光导层和环境之间的界面上的入射角较小时，则发生全反射。
光线17在到达反射全息图3之前以角度α全反射多次。所述反射全息图被这样设计，使得当光线以角度α入射时，其再次重现另一个光线，所述光线接着基本上以相同的角度向回延续。
在反射全息图3的区域内，光线可以射出光导层1，因为此处的全反射条件和周围介质是空气时的全反射条件不同。
通过光导层1向回延续的光线又入射到透射全息图上。在此处光线沿着方向19被重现，方向19基本上和入射光线15的方向相同。检测器9，例如光电管位于光线19的通路上，用于测量入射光的强度。
光导层1可以是具有选择的折射率的合适的膜或玻璃板，例如机动车辆的挡风玻璃。13代表挡风玻璃的内表面，11代表挡风玻璃的外表面。水滴21由虚线表示。在所述水滴的区域内的光导层1的周围介质不是空气，而是水。此时相应的全反射条件改变了。发生全反射的临界角，例如在从玻璃(折射率＝1.5)到水(折射率＝1.3)的转换中，按照已知的公式αG＝(邻接介质的折射率)/(光导层的折射率)计算得αG＝30度。因此，在具有光导层或挡风玻璃和周围空气的实施例中，能够利用的角度范围是α从30度到48度。因而确保当水存在于玻璃板1的外表面11上时，不会发生全反射，因而光线沿方向22射出玻璃板，如图1的虚线所示。当没有水时，光线被全反射。
按照图1的功能如下：光从二极管7入射到透射全息图，并以角度α被耦合进入光导层或挡风玻璃1。在干燥的周围环境下，光线17在光导层或玻璃板1和周围空气之间的界面上被全反射，直到其达到反射全息图3。在反射全息图3，光线被重现并沿反向通过基本相同的路径。其再次通过透射全息图5射出，并沿检测器9的方向被重现。至少对于选择的波长，由检测器9检测到的强度应当基本上相当于由光源7发出的强度。
如果水滴21或湿气位于光导层1或玻璃板的外表面11上，则发生全反射的条件按上述的方式改变。在所述区域内，光线不再全反射，并沿方向22射出玻璃板或光导层1。因而只有较少的光或者根本没有光到达反射全息图3并被重现为返回的光。至少对于一个波长，可以由检测器9检测到的光线的强度降低。在从反射全息图3到施加光的透射全息图5的路径上的光的强度被同样地减少。
在用于挡风玻璃刮水器的雨水检测器的情况下，设置一个门限值，使得当检测器检测到的光强下降到所述门限值以下时自动地接通挡风玻璃刮水器。
因而透射全息图5分别作为解耦装置和耦合装置，并且可以用容易制造的模压全息图实施。在所示的实施例中的反射全息图3是一种体积全息图，例如聚合物层，其中记录有全息信息。
图2示意地表示本发明的湿气检测器的特征。其中，使用照射某个角度范围的二极管35。透射全息图33的表面被这一光线照射。其被这样设计，它使得来自二极管35方向的光基本重现于相同的方向以角度α进入光导层1。返回的光由透射全息图33重现，使得其入射到检测器9上。其它方面的作用原理和图1所示的相同。
区域37是传感区域。如果水滴或湿气位于这个区域的玻璃板或光导层1的外表面11上，则入射到该表面上的光的相应的部分不能在该层中全反射，因而具有强度测量值的损失。检测器检测到的信号相应降低，因而例如可以用于控制挡风玻璃刮水器。
在所示的实施例中，附带地示出了辅助反射器全息图结构31。其被这样设计，使得以角度α入射的光以角度β被全息地重现，所述角度β等于(180°-α)。在这种情况下。辅助反射器全息图的作用在这一程度内类似常规的反射镜。因而代替易于干涉的全反射。此外，由于附加的辅助反射器全息图，在光导层或玻璃板的内侧可以形成平滑的表面，此时所述表面由透射全息图33，辅助反射器全息图31和反射全息图3构成。
在上述的实施例中，例如飞机的挡风玻璃或者车辆的挡风玻璃用作光导层1。
图3示意地示出了可用于本发明的实施例中的膜结构。这里全息层43包括反射全息图51，辅助反射器全息图53和透射全息图55，它们相应于图2示出的元件3，31和33。全息图层43被设置在例如膜结构的载体层45上。它们被设置在黏附层47上。整个结构可以被保护层41覆盖。在使用之前，黏合剂层由纸层48覆盖。在使用时把纸层48剥除，然后，把具有黏合剂的膜例如粘结在机动车辆的挡风玻璃上。
载体层和黏合剂层的折射率尽可能对应于所述结构要被粘结在上的材料的折射率，即，例如具有对应于玻璃的折射率1.5，使得光线在从载体层进入黏合剂层时或者进入具有黏合剂层的光导层时不会改变方向。
因此，利用本发明的装置提供的湿气检测器具有大的空间测量范围。测量范围的大小不依赖于耦合装置和解耦装置的距离，而依赖于反射全息图到耦合装置和解耦装置的距离。整个结构是透明的，使得其可以用于挡风玻璃上，可以位于驾驶员的视野内。由于大的测量范围，由于在测量范围内的大量的全反射，增加了测量精度。

Claims (13)

1.一种湿气检测器，包括一个光源；
一个光导层；
一个耦合元件，用于把光耦合以角度α到光导层，耦合的光线和光导层表面之间的角为α，在邻接所述光导层的介质具有低于门限湿气的湿气时，在所述α角度下，至少一个波长的光在所述光导层内被全反射；并且
当邻接所述光导层的介质具有大于门限湿气的湿气时，不发生全反射；
一个解耦元件，用于使光从所述光导层解耦；以及
一个用于检测解耦的光的检测器，
其特征在于
在光导层(1)的一部分上的反射全息图(3，51)，其具有这样的全息记录结构，使得当光线(17)在反射全息图(3，51)和光导层(1)之间的界面上以角度α入射时，则重现基本上逆着入射光线(17)传播的光线。
2.如权利要求1所述的湿气检测器，其中使用玻璃板作为光导层(1)。
3.如权利要求2所述的湿气检测器，其中所述玻璃板包括机动车辆或飞机的挡风玻璃。
4.一种用于固定在机动车辆或飞机的挡风玻璃上的湿气检测器，包括：
一个光源；
一个耦合元件，用于把光源的光线以α角耦合到玻璃板上，耦合方向和玻璃板表面之间的角为α，在所述α角度下，在邻接所述玻璃板的介质具有低于门限湿气的湿气时，至少一个波长的光在所述玻璃板内被全反射；并且
当邻接所述玻璃板的介质具有大于门限湿气的湿气时，不发生全反射；
一个解耦元件，用于使光从所述玻璃板解耦；以及
一个用于检测解耦的光的检测器，
其特征在于
在光导层(1)的一部分上的反射全息图(3，51)，其具有这样的全息记录结构，使得当光线(17)在反射全息图(3，51)和光导层(1)之间的界面上以角度α入射时，则重现基本上逆着入射光线(17)传播的光线。
5.如权利要求1到4任何一个所述的湿气检测器，其中耦合元件(5，55)是透射全息元件，当光(15)从光源(7，35)的方向入射时，其在光导层(1)或玻璃板中的重现方向基本上等于角α。
6.一种如权利要求1到4任何一个所述的湿气检测器，其中解耦元件(5，55)是透射全息元件，当光基本上以角α从光导层(1)或玻璃板入射时，其重现方向沿着接收器(9)的方向。
7.一种如权利要求5和6所述的湿气检测器，其中解耦元件和耦合元件由单件元件(5，55)构成。
8.一种如权利要求5到7任何一个所述的湿气检测器，其中透射全息元件(5，55)包括模压全息图。
9.一种如权利要求5到7任何一个所述的湿气检测器，其中透射全息元件(5，55)包括光聚合物层。
10.一种如权利要求1到9任何一个所述的湿气检测器，其中反射全息图(3，51)包括光聚合物层。
11.一种如权利要求1到10任何一个所述的湿气检测器，其特征在于，激光二极管作为光源(9)。
12.一种如权利要求1到11任何一个所述的湿气检测器，其中辅助反射器全息图(31)位于光导层(1，45)或玻璃板上，其在耦合元件(5，55)和反射全息图(3)之间的区域内，当光以角度α入射到光导层(1)和辅助反射器全息图之间的界面上时，沿着在光线和光导层(1，43)之间的角度β＝180°-α的方向重现光线。
13.如权利要求1到12任何一个所述的用于控制挡风玻璃刮水器的湿气检测器的使用。
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