DE10132889A1

DE10132889A1 - Optischer Sensor zur Erfassung einer Benetzung einer Oberfläche

Info

Publication number: DE10132889A1
Application number: DE10132889A
Authority: DE
Inventors: Helmut Sautter
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2001-07-06
Filing date: 2001-07-06
Publication date: 2003-01-23
Also published as: US20040027666A1; EP1425203A1; WO2003004321A1; US7019322B2; JP2004521358A

Abstract

Es wird ein optischer Sensor (5) zur Erfassung der Benetzung einer Oberfläche (20) eines Körpers (21), insbesondere einer Scheibe eines Kraftfahrzeuges, mit einem Sender (13), einem Empfänger (14) und einem Retroreflektor (11, 11', 11'') für elektromagnetische Wellen vorgeschlagen. Die Oberfläche (20) des Körpers (21) weist dazu mindestens zwei Sensierbereiche (12, 12') auf, die von dem Sender (13) ausgehende, in einem Zentralbereich (10) in den Körper (2) eingekoppelten elektromagnetischen Wellen ausgesetzt sind, wobei die Ausbildung der Benetzung auf den Sensierbereich (12, 12') eine Änderung eines Signals von in dem Zentralbereich (10) in den Empfänger (14) ausgekoppelten elektromagnetischen Wellen bewirkt. Dazu ist der Retroreflektor (11, 11', 11'') derart ausgebildet und angeordnet, dass er von der Oberfläche (20) des Körpers (21) reflektierte elektromagnetische Wellen zu der Oberfläche (20) des Körpers (21) und von dort in den Zentralbereich (10) zurückführt.

Description

Stand der Technik

Aus DE 199 43 887 A1 ist ein optischer Sensor zur Erfassung einer Benetzung einer Oberfläche, insbesondere einer Kraftfahrzeugscheibe, mit einem Sender und einem Empfänger für elektromagnetische Wellen bekannt, wobei sich die Oberfläche in einem Sensierbereich zwischen dem Sender und dem Empfänger befindet, so dass die Ausbildung einer Benetzung auf der Oberfläche eine Änderung des vom Empfänger detektierten Signals bewirkt. Weiter weist der optische Sensor dort ein Licht führendes Element auf, mit dem die elektromagnetischen Wellen bidirektional in den Sensierbereich geleitet bzw. aus dem Sensierbereich abgeleitet werden. Schließlich ist aus DE 199 43 887 A1 bekannt, einen Retroreflektor, insbesondere einen holografischen Retroreflektor, so anzuordnen, dass er die von der Oberfläche reflektierten elektromagnetischen Wellen zu der Oberfläche und von dort zu dem Licht führenden Element zurückführt. Der derart charakterisierte optische Sensor ist insbesondere als Regensensor einsetzbar, wobei bei trockener Scheibe das eingekoppelte Licht an der Scheibenaußenseite totalreflektiert wird, während bei nasser Scheibe die Totalreflexion unterbrochen ist, was die detektierte Signaländerung bewirkt.

Ein weiterer Regensensor, bei dem eine holografische Folie zwischen Sensor und Empfänger angeordnet ist, ist aus EP 0 999 104 A2 bekannt.

Vorteile der Erfindung

Der erfindungsgemäße optische Sensor hat gegenüber dem Stand der Technik den Vorteil, dass er eine größere sensitive Fläche aufweist. Dadurch wird es möglich, bei gleichzeitiger Miniaturisierung der Auswerteelektronik und der sonstigen elektronischen Bauteilen, beispielsweise von Sender und Empfänger, die Empfindlichkeit des Sensors zu steigern, und die Ansprechschwelle zu senken.

Daneben ermöglicht es der erfindungsgemäße optische Sensor auch, die Regenintensität zu klassifizieren, so dass das Sensorsignal nicht nur zum Ein- oder Ausschalten eines Scheibenwischers eines Kraftfahrzeuges verwendbar ist, sondern beispielsweise auch zur Steuerung der Wischerfrequenz bzw. der Länge der Intervalle zwischen einzelnen Wischvorgängen.

Weiterer Vorteil des erfindungsgemäßen optischen Sensors liegt darin, dass er durch die vorgesehene Mehrzahl von Sensierbereichen auch bei einem Ausfall eines dieser Sensierbereiche weiterhin funktionsfähig ist, d. h. er ist insgesamt zuverlässiger und weniger störanfällig bzw. weist in dieser Hinsicht eine redundante Funktion auf.

Schließlich wird durch die vorgesehene Mehrzahl von Sensierbereichen eine insgesamt günstigere Anordnung der Retroreflektoren relativ zu dem Zentralbereich bzw. der mit dem Zentralbereich in Verbindung stehenden elektronischen Komponenten erreicht, was zu einer insgesamt besseren Ausnutzung der zur Verfügung stehenden, in Fall von Kraftfahrzeugscheiben aus Gründen einer unerwünschten Beeinträchtigung der Sicht des Fahrers möglichst geringen Oberfläche des Körpers führt.

Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den in den Unteransprüchen genannten Maßnahmen.

So ist vorteilhaft hinsichtlich einer möglichst weitgehenden Miniaturisierung, wenn sich der mindestens eine Sender und der mindestens eine Empfänger in dem Zentralbereich befinden.

Daneben kann der Zentralbereich hinsichtlich der benötigen Fläche dadurch vorteilhaft weiter verkleinert werden, dass Sender und/oder Empfänger außerhalb des Zentralbereiches in einem separaten Bauteil untergebracht sind. In diesem Fall ist dann von diesem Bauteil in den Zentralbereich, wie in DE 199 43 887 A1 bereits beschrieben, ein erstes, mit dem Sender in Verbindung stehendes, Licht führendes Element und ein zweites, mit dem Empfänger in Verbindung stehendes, Licht führendes Element geführt, die daneben mit einem in dem Zentralbereich angeordneten, dem betreffenden Licht führenden Element jeweils zugeordneten Einkoppelelement bzw. Auskoppelelement verbunden sind.

Zur Erreichung einer möglichst optimalen Flächenausnutzung und einer kompakten Bauform ist weiter vorteilhaft, wenn eine gerade Anzahl, insbesondere zwei, vier oder sechs, von sich bezüglich des Zentralbereiches paarweise gegenüberliegenden Sensierbereichen vorgesehen ist.

Unter dem Aspekt einer möglichst einfachen, gleichmäßigen und vollständigen Beaufschlagung der Sensierbereiche mit den eingekoppelten elektromagnetischen Wellen, sowie auch einer möglichst guten Flächenausnutzung ist es überdies vorteilhaft, wenn die Sensierbereiche fächerförmig, kreissegmentförmig, kreisausschnittförmig oder kreisringförmig ausgebildet sind. Im Übrigen kommen an Stelle der genannten, von einem Kreis ausgehenden Flächenformen jedoch auch entsprechende, von einer Ellipse ausgehende Flächenformen in Frage.

Der Retroreflektor ist vorteilhaft ein holografischer Retroreflektor, der zwei Fokuspunkte aufweist, wobei in einem der Fokuspunkte der Sender und in dem anderen der Empfänger angeordnet ist, bzw. wobei sich in einem der Fokuspunkte das Einkoppelelement für den Sensor und in dem anderen Fokuspunktes das Auskoppelelement für den Empfänger befindet.

Zeichnungen

Die Erfindung wird anhand der Zeichnungen und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigt Fig. 1 einen Schnitt durch eine Scheibe eines Kraftfahrzeuges, die mit dem optischen Sensor in Form eines Regensensors versehen ist, Fig. 2 eine Draufsicht auf die linksseitige oder rechtsseitige Hälfte von Fig. 1 entlang der dort eingezeichneten Schnittlinie, Fig. 3 eine Draufsicht auf ein weiteres, zu Fig. 1 ähnliches Ausführungsbeispiel für einen optischen Sensor in Form eines Regensensors, und Fig. 4 den Strahlengang bei einem holografischen Retroreflektor mit zwei Fokuspunkten.

Ausführungsbeispiele

Die Fig. 1 zeigt einen Schnitt durch eine Scheibe 21 eines Kraftfahrzeuges, auf der sich einseitig ein Zentralbereich 10 befindet, von dem zwei, in Draufsicht halbkreisförmige elektromagnetische Wellen ausgehen, die auf zwei, diesen zugeordnete halbkreisringförmig ausgebildete Sensierbereiche 12 auftreffen, von dort jeweils reflektiert bzw. totalreflektiert werden, sofern die Scheibe 21 auf deren Oberfläche 20 im Bereich der Sensierbereiche 12 trocken ist, von den Sensierbereichen 12 auf zwei halbkreisringförmige, den Sensierbereichen 12 zugeordnete Retroreflektoren 11 treffen, die in Form von holografischen Retroreflektoren 11 mit zwei Fokuspunkten 22, 23 ausgebildet sind, und von den Retroreflektoren 11 dann wieder zurück über die Sensierbereiche 12 in den Zentralbereich 10 zurückgeführt werden.
Die Fig. 2 zeigt eine Draufsicht auf Fig. 1, wobei lediglich eine Hälfte des Zentralbereiches 10 bzw. einer der beiden halbkreisringförmigen Sensierbereiche 12 und des zugeordneten halbkreisringförmigen Retroreflektors 11 dargestellt ist.
Insgesamt bildet der Zentralbereich 10 mit den Sensierbereichen 12, den Retroreflektoren 11 und der mit den elektromagnetischen Wellen beaufschlagten Scheibe 21 somit einen optischen Sensor 5, der auf eine Benetzung der Sensierbereiche 12 und damit der Scheibe 21 sensitiv ist.
Insbesondere wird in dem Zentralbereich 10 eine Änderung der Intensität der dorthin zurück reflektierten elektromagnetischen Wellen aus den beiden Sensierbereichen 12 separat voneinander detektiert, sobald sich in mindestens einem der Sensierbereiche 12, beispielsweise durch Ausbildung einer Benetzung durch Regen oder Nebel, die Bedingung für das Auftreten von Totalreflexion der auf die Sensierbereiche 12 einfallenden elektromagnetischen Wellen verändert, d. h. die bei trockener Scheibe 21 gegebene Totalreflexion wird bei nasser Scheibe 21 unterbrochen.
Der Zentralbereich 10 weist im erläuterten Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 1 weiter zwei der Anzahl der Sensierbereiche 12 entsprechende Einkoppelelemente auf, über die die Sensierbereiche 12 mit zwei, jeweils als Sender 13 vorgesehenen, in dem Zentralbereich 10 integrierten Leuchtdioden mit elektromagnetischen Wellen beaufschlagbar sind.
An Stelle von zwei Leuchtdioden kann in dem Zentralbereich 10 jedoch auch lediglich eine Leuchtdiode als gemeinsamer Sender 13 für alle Sensierbereiche 12 vorgesehen sein, dem ein üblicher, der Anzahl der Sensierbereiche 12 angepasster Strahlteiler nachgeschaltet ist. Im Übrigen kann der Strahlteiler auch in das Einkoppelelement integriert sein.
Daneben weist der Zentralbereich 10 gemäß Fig. 1 bzw. 2 auch zwei der Zahl der Sensierbereiche 12 entsprechende Zahl von Auskoppelelementen auf, über die die in den Sensierbereichen 12 auftretende Änderung des Messsignals mit zwei separaten, den Auskoppelelementen jeweils zugeordneten, in dem Zentralbereich integrierten Empfängern 14, beispielsweise Fotodioden, detektierbar ist.
Bevorzugt ist in dem Zentralbereich 10 für jeden Sensierbereich 12 ein separater Empfänger 14 vorgesehen, so dass eine ortsaufgelöste Änderung des Signals, d. h. eine Zuordnung einer Signaländerung zu einem Sensierbereich 12, möglich ist.
Alternativ zu der Anordnung von Sender 13 bzw. Empfänger 14 in den Zentralbereich 10 kann, wie aus DE 199 43 887 A1 bekannt, der Sender 13 und/oder der Empfänger 14 jedoch auch außerhalb des Zentralbereiches 10 angeordnet sein. In diesem Fall sind dann Sender 13 und/oder Empfänger 14 über ein Licht führendes Element, beispielsweise einen monomodigen oder multimodigen Lichtleiter oder ein Bündel derartiger Lichtleiter, mit dem jeweils zugeordneten, in dem Zentralbereich 10 befindlichen Einkoppelelement bzw. Auskoppelelement verbunden.
Die Fig. 3 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel eines optischen Sensors 5 mit drei Sensierbereichen 12', die jeweils einen Winkelbereich von ca. 90° erfassen, wobei auch die den drei Sensierbereichen 12' zugeordneten drei Retroreflektoren 11' entsprechend kreisringförmig strukturiert sind. Abgesehen von der Zahl und Form der Sensierbereich 12' bzw. der Retroreflektoren 11' sowie der entsprechend angepassten Ausgestaltung des Zentralbereiches 10 ist das Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 3 weitgehend analog dem Ausführungsbeispiel gemäß den Fig. 1 und 2.
Eine Weiterführung des Ausführungsbeispiels gemäß Fig. 3 sieht vor, die Sensierbereiche 12' so auszuformen, dass sie einen Winkelbereich von jeweils 30° bis 120°, insbesondere 60° bis 120°, erfassen. Dabei kann die Anzahl der kreisringförmigen Sektoren bzw. Sensierbereiche 12' abweichend von Fig. 3 auch von drei verschieden sein. Bevorzugt liegt die Anzahl der kreisringförmigen Sektoren bzw. Sensierbereiche 12' zwischen zwei und sechs, wobei sie weiter so geformt sind, dass sie einen möglichst großen Winkelbereich, idealerweise 360°, erfassen.
Bevorzugt ist in den vorstehend erläuterten Ausführungsbeispielen in jedem Fall schließlich vorgesehen, dass die Form der Retroreflektoren 11, 11' an die Form der Sensierbereiche 12, 12' angepasst ist. Besonders bevorzugt entspricht dabei sowohl die Form als auch die Anzahl der Retroreflektoren 11, 11' der Form und Anzahl der Sensierbereiche 12, 12'.
Die Retroreflektoren 11, 11' gemäß den Fig. 1 bis 3 sind im Übrigen, wie aus DE 199 43 887 A1 bekannt, bevorzugt holografische Retroreflektoren 11, 11', die auf die Scheibe 21 in Form einer Folie, einer Platte oder einer flachen Glasscheibe aufgeklebt sind. Alternativ können derartige holografische Retroreflektoren 11, 11' aber auch in das Innere oder die Oberfläche der Scheibe 21, beispielsweise bereits während deren Herstellung, integriert worden sein.
Die Auskoppelelemente bzw. Einkoppelelemente, die sich in dem Zentralbereich 10 befinden, werden in bekannter Weise beispielsweise durch einen Krümmer, ein Prisma oder ein Gitter gebildet.
Die Fig. 4 erläutert abschließend schematisch die Anordnung von Sender 13 und Empfänger 14 in dem Zentralbereich 10 in Draufsicht, wobei ein Retroreflektor 11" eingezeichnet ist, der in Form eines Ausschnittes aus einem Ellipsenring ausgeführt ist. Dieser Retroreflektor 11" besitzt zwei Fokuspunkte 22, 23, so dass von dem Sender 13 in dem ersten Fokuspunkt 22 ausgehende elektromagnetische Wellen über den nicht dargestellten Sensierbereich 12, 12' und den zugeordneten Retroreflektor 11" in den zweiten Fokuspunkt 23, und damit an den Ort des Empfängers 14 zurück reflektiert werden.
Hinsichtlich weiterer, an sich bekannter Details zu der Ausführung des optischen Sensors 5 sei im Übrigen auf die Anmeldung DE 199 43 887 A1 verwiesen. Insbesondere können die Retroreflektoren 11, 11', 11", wie dort beschrieben, auch als Spiegelsegmente oder Hohlspiegelsegmente ausgeführt sein, die die elektromagnetischen Wellen auf das Auskoppelelement bzw. den Empfänger 14 fokussieren.

Claims

1. Optischer Sensor zur Erfassung einer Benetzung einer Oberfläche (20) eines Körpers (21), insbesondere einer Scheibe eines Kraftfahrzeuges, mit mindestens einem Sender (13), mindestens einem Empfänger (14) und mindestens einem Retroreflektor (11, 11', 11") für elektromagnetische Wellen, wobei die Oberfläche (20) des Körpers (21) einen Sensierbereich (12, 12') aufweist, der von dem mindestens einen Sender (13) ausgehenden, in einem Zentralbereich (10) in den Körper (21) eingekoppelten elektromagnetischen Wellen ausgesetzt ist, und die Ausbildung der Benetzung auf dem Sensierbereich (12, 12') eine Änderung des Signals von in dem Zentralbereich (10) in den mindestens einen Empfänger (14) ausgekoppelten elektromagnetischen Wellen bewirkt, und wobei der Retroreflektor (11, 11', 11") derart ausgebildet und angeordnet ist, dass er von der Oberfläche (20) des Körpers (21) reflektierte elektromagnetische Wellen zu der Oberfläche (20) des Körpers (21) und von dort in den Zentralbereich (10) zurückführt, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens zwei, über den Zentralbereich (10) mit elektromagnetischen Wellen beaufschlagte Sensierbereiche (12, 12') vorgesehen sind.

2. Optischer Sensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Zentralbereich (10) mindestens ein Einkoppelelement aufweist, über das die Sensierbereiche (12, 12') mit den von dem mindestens einen Sender (13) ausgehenden elektromagnetischen Wellen beaufschlagbar sind.

3. Optischer Sensor nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Zentralbereich (10) mindestens ein Auskoppelelement aufweist, über die die in den Sensierbereichen (12, 12') auftretende Änderung des Signals in den mindestens einen Empfänger (14) auskoppelbar sind.

4. Optischer Sensor nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der mindestens eine Sender (13) und/oder der mindestens eine Empfänger (14) in dem Zentralbereich (10) angeordnet sind.

5. Optischer Sensor nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Sender (13) mit dem Einkoppelelement und der Empfänger (14) mit dem Auskoppelelement in Verbindung steht.

6. Optischer Sensor nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Sender (13) über ein Licht führendes Element mit dem Einkoppelelement und/oder der Empfänger (14) über ein Licht führendes Element mit dem Auskoppelelement in Verbindung steht.

7. Optischer Sensor nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Sensierbereiche (12, 12') fächerförmig, kreissegmentförmig, kreisausschnittförmig oder kreisringförmig ausgebildet sind, oder eine entsprechende, von einer Ellipse ausgehende Flächenform aufweisen.

8. Optischer Sensor nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine gerade Anzahl, insbesondere zwei, vier oder sechs, von sich bezüglich des Zentralbereiches (10) paarweise gegenüber liegenden Sensierbereichen (12, 12') vorgesehen sind.

9. Optischer Sensor nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Sensierbereiche (12, 12') einen Winkelbereich von jeweils 30° bis 180°, insbesondere 60° bis 120°, erfassen.

10. Optischer Sensor nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Form der Retroreflektoren (11, 11', 11") an die Form der Sensierbereiche (12, 12') oder die Form und die Anzahl der Retroreflektoren (11, 11', 11") an die Form und die Zahl der Sensierbereiche (12, 12') angepasst ist.

11. Optischer Sensor nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass jedem der Sensierbereiche (12, 12') ein separater Sender (13) zugeordnet ist, oder dass mehreren Sensierbereichen (12, 12') ein gemeinsamer Sender (13), mit einem nachgeordneten, insbesondere in das Einkoppelelement integrierten, der Zahl der Sensierbereiche (12, 12') entsprechend ausgebildeten Strahlteiler zugeordnet ist.

12. Optischer Sensor nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass jedem der Sensierbereiche (12, 12') ein separater Empfänger (14) zugeordnet ist.

13. Optischer Sensor nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass mehreren Sensierbereichen (12, 12') ein gemeinsamer Empfänger (14) zugeordnet ist.

14. Optischer Sensor nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens einer der Retroreflektoren (11, 11', 11") ein holografischer Retroreflektor (11, 11', 11") ist.

15. Optischer Sensor nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Retroreflektoren (11, 11', 11") zwei Fokuspunkte (22, 23) aufweisen, wobei einer die elektromagnetischen Wellen auf das Einkoppelelement oder den Sender (13) und einer die elektromagnetischen Wellen auf das Auskoppelelement oder den Empfänger (14) abbildet.

16. Optischer Sensor nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Licht führende Element ein mono- oder multimodiger Lichtleiter, ein Bündel derartiger Lichtleiter oder eine Platte ist.