DE102007036492A1

DE102007036492A1 - Optische Sensorvorrichtung

Info

Publication number: DE102007036492A1
Application number: DE102007036492A
Authority: DE
Inventors: Ulrich Dr. Backes
Original assignee: BCS Automotive Interface Solutions GmbH
Current assignee: BCS Automotive Interface Solutions GmbH
Priority date: 2007-08-01
Filing date: 2007-08-01
Publication date: 2009-02-05
Anticipated expiration: 2027-08-02
Also published as: EP2020348A3; US20090032689A1; BRPI0803750A2; CN101359059B; DE102007036492B4; CN101359059A; US7804055B2; JP5156072B2; MX2008009889A; EP2020348A2; JP2011080995A; JP2009042220A; EP2020348B1

Abstract

Eine optische Sensorvorrichtung hat eine Sensoreinheit, die einen Lichtsender, einen Lichtempfänger und eine Linsenplatte aufweist, mit der ein vom Lichtsender ausgestrahltes Lichtbündel in die Scheibe eingekoppelt, aus der Scheibe ausgekoppelt und auf den Lichtempfänger gelenkt wird. Die Linsenplatte weist auf ihrer dem Lichtsender und dem Lichtempfänger zugewandten Fläche Fresnel-Linsenstrukturen und auf der gegenüberliegenden, der Scheibe zugewandten Fläche Fresnel-Reflektorstrukturen auf. Diese Ausführung eignet sich besonders als Regensensor. Ohne Lichtsender ist die Sensorvorrichtung als Lichtsensor geeignet.

Description

Die Erfindung betrifft eine optische Sensorvorrichtung, die an eine Scheibe ankoppelbar ist, insbesondere an eine Windschutzscheibe eines Kraftfahrzeugs.
Solche Sensorvorrichtungen werden hauptsächlich als Regensensoren in Kraftfahrzeugen zur automatischen Betätigung der Scheibenwischer und als Lichtsensoren zur Steuerung der Fahrzeugbeleuchtung eingesetzt. Die Verwendung klassischer Linsen zur Beeinflussung des Strahlengangs, wie z. B. die gegen die Windschutzscheibe geneigten Linsen des in der EP 1 068 112 B1 gezeigten Regensensors, benötigen einen verhältnismäßig großen Bauraum.
Kleinere Bauformen sind, wie z. B. aus der WO 03/026937 A1 bekannt, durch Verwendung holographischer Strukturen möglich. Diese Sensoren basieren auf dem Prinzip der Lichtbeugung mit Hilfe von diffraktiven Elementen und haben daher den prinzipbedingten Nachteil einer wesentlich geringeren Nutzlichtausbeute und einer höheren Störlichtempfindlichkeit.
Die DE 196 08 648 C1 schlägt bei einer optischen Sensorvorrichtung vor, die Lichteintritts- bzw. -austrittsflächen der Lichtleitereinheit als Fresnellinsen auszubilden. Da jedoch die Flächen des Lichtleiters, in denen die Linsen ausgebildet sind, senkrecht zu der Fläche der Scheibe stehen, ist der erforderliche Bauraum dieser Vorrichtung sehr groß.
Die Erfindung schafft eine optische Sensorvorrichtung, die bei optimalen optischen Verhältnissen mit einem sehr geringen Bauraum auskommt.
Hierzu ist bei einer ersten Ausführung der optischen Sensorvorrichtung eine einer Sensoreinheit vorgesehen, die einen Lichtsender, einen Lichtempfänger und eine Linsenplatte aufweist, mit der ein vom Lichtsender ausgestrahltes Lichtbündel in die Scheibe eingekoppelt, aus der Scheibe ausgekoppelt und auf den Lichtempfänger gelenkt wird. Die Linsenplatte weist auf ihrer dem Lichtsender und dem Lichtempfänger zugewandten Fläche Fresnel-Linsenstrukturen und auf der gegenüberliegenden, der Scheibe zugewandten Fläche Fresnel-Reflektorstrukturen auf. Diese Ausführung eignet sich besonders als Regensensor. In diesem Fall hat die Sensoreinheit in der Linsenplatte einander benachbart zwei getrennte Fresnel-Linsenstrukturen mit gegenüberliegenden Fresnel-Reflektorstrukturen. Im Brennpunkt der einen Fresnel-Linsenstruktur ist der Lichtsender sowie im Brennpunkt der anderen Fresnel-Linsenstruktur der Lichtempfänger angeordnet. Das vom Lichtsender ausgehende Lichtbündel wird durch die eine Fresnel-Linsenstruktur parallel gerichtet, durchquert die Linsenplatte senkrecht, wird durch die entsprechende Fresnel-Reflektorstruktur schräg gegen die Scheibe gerichtet und von der Scheibe totalreflektiert und sodann durch die zu der anderen Fresnel-Linsenstruktur gehörende Fresnel-Reflektorstruktur in die Linsenplatte eingekoppelt und senkrecht durch die Linsenplatte auf die andere Fresnel-Linsenstruktur gerichtet sowie durch diese auf dem Lichtempfänger gebündelt. Da alle optisch aktiven Elemente in der Linsenplatte konzentriert sind, ergibt sich ein minimaler Bauraum. Zugleich wird eine große nutzbare Sensorfläche auf der Scheibe erreicht.
In einer zweiten Ausführung der optischen Sensorvorrichtung ist eine Sensoreinheit vorgesehen, die einen Lichtempfänger und eine Linsenplatte aufweist, mit der ein auf der Scheibe auftreffendes Lichtbündel aus der Scheibe ausgekoppelt und auf den Lichtempfänger gelenkt wird. Die Linsenplatte hat auf ihrer dem Lichtempfänger zugewandten Fläche Fresnel-Linsenstrukturen und auf der gegenüberliegenden, der Scheibe zugewandten Fläche Fresne-Reflektorstrukturen. Diese Ausführung eignet sich besonders als Lichtsensor. In diesem Fall durchquert ein parallel auf die Scheibe treffendes Lichtbündel diese schräg und wird sodann durch die Fresnel-Reflektorstruktur in die Linsenplatte eingekoppelt und senkrecht durch die Linsenplatte auf die Fresnel-Linsenstruktur gerichtet sowie durch diese auf dem Lichtempfänger gebündelt. Auch hier sind alle optisch aktiven Elemente in der Linsenplatte konzentriert, so daß sich ein minimaler Bauraum ergibt. Zugleich wird eine ausgezeichnete Richtwirkung für das zu detektierende Licht erreicht.
In einer vorteilhaften Ausführungsform eines Regen/Licht-Sensors sind beide Ausführungen der optischen Sensorvorrichtung kombiniert und teilen sich eine gemeinsame Linsenplatte, in der alle Fresnel-Linsenstrukturen und Fresnel-Reflektorstrukturen ausgebildet sind.
Weitere vorteilhafte und zweckmäßige Ausgestaltungen der erfindungsgemäßen optischen Sensorvorrichtung ergeben sich aus den Unteransprüchen.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand bevorzugter Ausführungsformen unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen näher erläutert. In den Zeichnungen zeigen schematisch:
1 eine schematische Schnittansicht einer Sensoreinheit eines Regensensors;
2 eine vergrößerte Querschnittsansicht einer Fresnel-Reflektorstruktur;
3a bis 3c entsprechende Querschnittsansichten verschiedener Ausführungsformen; und
4 eine schematische Schnittansicht eines Tageslichtsensors.
Ein Regensensor besteht typischerweise aus zwei gleichen optischen Sensoreinheiten. Eine solche Sensoreinheit ist in 1 schematisch dargestellt. Die Sensoreinheit wird an der Windschutzscheibe 10 eines Kraftfahrzeugs angebracht. Das optisch aktive Element der Sensoreinheit ist eine Linsenplatte 12. Die Linsenplatte 12 ist an die Windschutzscheibe 10 mittels einer Kopplerschicht 14 optisch angekoppelt. Auf ihrer von der Windschutzscheibe 10 abgewandten Fläche ist die Linsenplatte 12 mit zwei gleichen Fresnel-Linsenstrukturen 16a, 16b versehen, die einen geringen Abstand voneinander haben. Auf ihrer der Windschutzscheibe 10 zugewandten Fläche ist die Linsenplatte 12 mit zwei spiegelsymmetrischen Fresnel-Reflektorstrukturen 18a, 18b in Gegenüberlage zu den Fresnel-Linsenstrukturen 16a, 16b versehen. Im Brennpunkt der Fresnel-Linsenstruktur 16a befindet sich ein Lichtsender 20. Im Brennpunkt der Fresnel-Linsenstruktur 16b befindet sich ein Lichtempfänger 22.
Das vom Lichtsender 20 ausgehende Lichtbündel wird durch die Fresnel-Linsenstruktur 16a zu parallelem Licht umgeformt, das die Linsenplatte 12 senkrecht durchquert. Durch die Fresnel-Reflektorstruktur 18a wird das parallele Licht bündel schräg zur Ebene der Linsenplatte 12 reflektiert und tritt in die Kopplerschicht 14 ein. nach Durchqueren der Kopplerschicht 14 tritt das Lichtbündel in die Windschutzscheibe 10 ein und wird an deren gegenüberliegenden Innenfläche 10a total reflektiert. Es durchquert dann erneut die Windschutzscheibe 10, tritt in die Kopplerschicht 14 ein und wird durch die Fresnel-Reflektorstruktur 18b umgelenkt, so daß es die Linsenplatte 12 senkrecht durchquert. Die Fresnel-Linsenstruktur 16b transformiert schließlich das parallele Lichtbündel in ein konvergierendes Lichtbündel, das auf den Lichtempfänger 22 trifft. Die Fresnel-Reflektorstrukturen weisen einige Besonderheiten auf, die nun anhand der 2 erläutert werden.
Ähnlich wie die Fresnel-Linsenstrukturen bestehen auch die Fresnel-Reflektor strukturen aus feinen Oberflächengestaltungen, die abwechselnd erhaben und vertieft sind. Wie in 2 gezeigt, sind diese Gestaltungen im Querschnitt allgemein sägezahnförmig. Eine erste Flanke 18₁ erstreckt sich durchgehend gerade vom Grund bis zum Scheitel; eine zweite Flanke besteht aus zwei Abschnitten 18₂ und 18₃ . Der Abschnitt 18₂ der zweiten Flanke (rechts in 2) ist weniger steil als der zweite Abschnitt 18₃ , der auch steiler ist als die Flanke 18₁ . Die Brechungsindizes n1 und n2 der Materialien, aus denen die Linsenplatte 12 und die Kopplerschicht 14 bestehen, sind sorgfältig aufeinander abgestimmt, ebenso wie die Winkel an den Flanken der sägezahnförmigen Reflektorstrukturen. Ein Lichtstrahl L, der die Linsenplatte 12 senkrecht durchquert, trifft unter einem spitzen Winkel α auf die Flanke 18₁ , wird total reflektiert und trifft unter einem Winkel β auf die Flanke 18₂ . Bei der in 2 gezeigten Ausführung ist der Winkel β gleich 90°, so daß auch der Austrittswinkel γ 90° beträgt. An der Flanke 18₂ tritt also keine Lichtbrechung auf. Die Brechungsindizes n1 und n2 unterscheiden sich nur wenig voneinander. Bedingung für die Totalreflexion des Lichtstrahls an der Flanke 18₁ ist, daß der Einfallswinkel größer ist als der Arcussinus des Verhältnisses der Brechungsindizes. Da das Verhältnis der Brechungsindizes nur wenig von 1 verschieden ist, muß der Einfallswinkel α relativ flach sein. Beispielsweise ergibt sich für die Materialpaarung Polycarbonat für die Linsenplatte 12 und Silikongummi für die Kopplerschicht 14 ein maximaler Einfallswinkel α von etwa 26°. Dieser Winkel bestimmt die minimale Steilheit der Reflektorstruktur. Die tatsächliche Steilheit wird dadurch bestimmt, daß der in Richtung der Windschutzscheibe austretende Lichtstrahl den für die Totalreflexion an der Scheibe notwendigen Winkel aufweist. Der für die Totalreflexion an der Windschutzscheibe erwünschte Eintrittswinkel beträgt typisch etwa 45°. Dieser Winkel ist mit den Forderungen an die Geometrie der Reflektorstrukturen kompatibel.
3a zeigt nochmals schematisch die mit der in 2 dargestellten Geometrie der Fresnel-Reflektorstrukturen erzielbare Lichtführung. An der Grenzschicht zwischen Linsenplatte 12 und Kopplerschicht 14 tritt keine Lichtbrechung auf. Die Konsequenz ist eine nicht optimale Ausleuchtung der durch die totalreflektierende Fläche der Windschutzscheibe 10 gebildeten Sensorfläche.
Noch ungünstiger sind die Verhältnisse in 3b. Dort ist der Abschnitt 18₂ an der rechten Flanke der Sägezahnstruktur noch flacher. Da die Lichtstrahlen unter einem von 90° verschiedenen Winkel auf der Flanke 18₂ auftreffen, tritt eine Lichtbrechung in mathematisch negativer Richtung (nach rechts in 3) auf. Die austretenden Lichtbündel sind noch schmäler als in 3a. Optimal sind die Verhältnisse bei der in 3c gezeigten Geometrie. Die in der Figur rechte Flanke der Sägezahnstruktur ist hier ungeteilt durchgehend und steiler gestellt als die linke Flanke. An der rechten Flanke erfolgt eine Lichtbrechung im mathematisch positiven Sinne (nach links in 3c). Der Auftreffwinkel für den Lichtstrahl auf der linken Flanke ist mit der Bedingung für Totalreflexion noch vereinbar. Das an der rechten Flanke gebrochene Lichtbündel berührt gerade den Scheitel einer benachbarten Sägezahnstruktur. Dies ergibt eine lückenlose Ausleuchtung der Sensorfläche an der Windschutzscheibe.
Für die einwandfreie Funktion dieser Ausführung der Fresnel-Reflektorstrukturen ist es notwendig, daß das Material der Kopplerschicht 14 formschlüssig und ohne Einschluß von Luftblasen oder dergleichen an der Fläche der Reflektorstrukturen anliegt.
Die in 4 gezeigte Ausführung einer optischen Sensorvorrichtung ist ein richtungsempfindlicher Tageslichtsensor. Die gezeigte Sensoreinheit hat als optisches Element wiederum eine Linsenplatte 12, die in diesem Fall nur eine Fresnel-Linsenstruktur 16 und in Gegenüberlage dazu eine entsprechende Fresnel-Reflektorstruktur 18 aufweist. Der Lichtempfänger 22 ist im Brennpunkt der Fresnel-Linsenstruktur 16 plaziert. Die Linsenplatte ist mittels der Kopplerschicht 14 an die Windschutzscheibe 10 angekoppelt, deren Neigungswinkel in dem gezeigten Ausführungsbeispiel etwa 27° beträgt. Für die Geometrie der Fresnel-Reflektorstruktur 18 gelten dieselben Kriterien wie bei der in 1 gezeigten Ausführungsform eines Regensensors. Der Tageslichtsensor ist empfindlich für horizontal auf die Windschutzscheibe 10 auftreffendes Licht, das beim Auftreffen auf der Scheibe schräg nach unten gebrochen wird und durch die Kopplerschicht 14 auf die Fresnel-Reflektorstruktur 18 trifft, welche die Lichtstrahlen umlenkt und senkrecht durch die Linsenplatte 12 auf die Fresnel-Linsenstruktur 16 richtet, die das Licht auf dem Lichtempfänger 22 bündelt.
In der Praxis werden kombinierte Regen/Licht-Sensoren benötigt. Der Regensensor enthält zwei gleiche Sensoreinheiten der in 1 gezeigten Art. Die Signalauswertung erfolgt durch Differenzbildung der von den Lichtempfängern gelieferten Signale. Die beiden Sensoreinheiten sind einander benachbart angeordnet und teilen sich eine gemeinsame Linsenplatte. In derselben Linsenplatte sind auch die optisch aktiven Strukturen des in 4 gezeigten Tageslichtsensors angeordnet. Bei Bedarf werden weitere Sensoren vorgesehen, die Licht aus verschiedenen Richtungen empfangen können. Ungerichtetes Umgebungslicht kann zusätzlich durch einen optisch nicht oder nur wenig aktiven Bereich der Linsenplatte 12 hindurch detektiert werden.
Die Herstellung der Linsenplatte 12 kann in herkömmlicher Spritzgußtechnik erfolgen. Alternativ kommt eine Prägetechnik zum Einsatz.
Zur Vermeidung einer Fehlfunktion durch unerwünschte Lichtein- und/oder -auskopplung sind optisch nicht aktive Flächen der Linsenplatte mit Brechungs- oder Reflexionsstrukturen, z. B. Retroreflektorelementen (sog. „Katzenaugen"), versehen. Dadurch wird Licht, das nicht an den optisch aktiven Flächen auftrifft, in „unschädliche" Richtungen umgelenkt.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

- EP 1068112 B1 [0002]
- WO 03/026937 A1 [0003]
- DE 19608648 C1 [0004]

Claims

Optische Sensorvorrichtung, die an eine Scheibe ankoppelbar ist, insbesondere an eine Windschutzscheibe eines Kraftfahrzeugs, mit einer Sensoreinheit, die einen Lichtsender, einen Lichtempfänger und eine Linsenplatte aufweist, mit der ein vom Lichtsender ausgestrahltes Lichtbündel in die Scheibe eingekoppelt, aus der Scheibe ausgekoppelt und auf den Lichtempfänger gelenkt wird, dadurch gekennzeichnet, daß die Linsenplatte auf ihrer dem Lichtsender und dem Lichtempfänger zugewandten Fläche Fresnel-Linsenstrukturen und auf der gegenüberliegenden, der Scheibe zugewandten Fläche Fresnel-Reflektorstrukturen aufweist.
Optische Sensorvorrichtung, die an eine Scheibe ankoppelbar ist, insbesondere an eine Windschutzscheibe eines Kraftfahrzeugs, mit einer Sensoreinheit, die einen Lichtempfänger und eine Linsenplatte aufweist, mit der ein auf der Scheibe auftreffendes Lichtbündel aus der Scheibe ausgekoppelt und auf den Lichtempfänger gelenkt wird, dadurch gekennzeichnet, daß die Linsenplatte auf ihrer dem Lichtempfänger zugewandten Fläche Fresnel-Linsenstrukturen und auf der gegenüberliegenden, der Scheibe zugewandten Fläche Fresne-Reflektorstrukturen aufweist.
Optische Sensorvorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die mit den Reflektorstrukturen versehene Fläche der Linsenplatte durch eine formschlüssig an den Reflektorstrukturen anliegende Kopplerschicht an die Scheibe angekoppelt ist.
Optische Sensorvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Fresnel-Reflektorstrukturen an einer Innenfläche reflektieren.
Optische Sensorvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Linsenplatte ein konvergierendes Lichtbündel auf der Seite der Fresnel-Linsenstrukturen in ein paralleles Lichtbündel auf der Seite der Fresnel-Reflektorstrukturen transformiert und umgekehrt.
Optische Sensorvorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß das parallele Lichtbündel die Linsenplatte senkrecht durchquert.
Optische Sensorvorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß das parallele Lichtbündel außerhalb der Linsenplatte schräg zu ihrer Ebene geneigt ist.
Optische Sensorvorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß das parallele Lichtbündel außerhalb der Linsenplatte unter einem Winkel von etwa 45° geneigt ist.
Optische Sensorvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Fresnel-Reflektorstrukturen im Querschnitt allgemein sägezahnförmig sind, mit einer ersten Flanke, an der die Reflexion auftritt, und einer zweiten Flanke, an der ein paralleles Lichtbündel ein- oder austritt.
Optische Sensorvorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die zweite Flanke der Fresnel-Reflektorstrukturen senkrecht durchquert wird.
Optische Sensorvorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß an der zweiten Flanke der Fresnel-Reflektorstrukturen eine Lichtbrechung erfolgt.
Optische Sensorvorrichtung nach Anspruch 10 oder 11, dadurch gekennzeichnet, daß die zweite Flanke der Fresnel-Reflektorstrukturen aus zwei verschieden steilen Abschnitten besteht, von denen der weniger steile die Ein- bzw. Austrittsfläche bildet.
Optische Sensorvorrichtung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß die zweite Flanke der Fresnel-Reflektorstrukturen eine Ein- bzw. Austrittsfläche bildet, die steiler ist als die erste Flanke.
Optische Sensorvorrichtung nach Anspruch 1 und einem der Ansprüche 3 bis 13, gekennzeichnet durch wenigstens eine Sensoreinheit, für die in der Linsenplatte einander benachbart zwei getrennte Fresnel-Linsenstrukturen mit gegenüberliegenden Fresnel-Reflektorstrukturen gebildet sind und im Brennpunkt der einen Fresnel-Linsenstruktur der Lichtsender sowie im Brennpunkt der anderen Fresnel-Linsenstruktur der Lichtempfänger angeordnet ist, wobei das vom Lichtsender ausgehende Lichtbündel durch die eine Fresnel-Linsenstruktur parallel gerichtet wird, die Linsenplatte senkrecht durchquert, durch die entsprechende Fresnel-Reflektorstruktur schräg gegen die Scheibe gerichtet und von der Scheibe totalreflektiert wird und sodann durch die zu der anderen Fresnel-Linsenstruktur gehörende Fresnel-Reflektorstruktur in die Linsenplatte eingekoppelt und senkrecht durch die Linsenplatte auf die andere Fresnel-Linsenstruktur gerichtet sowie durch diese auf dem Lichtempfänger gebündelt wird.
Optische Sensorvorrichtung nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß sie eine gerade Anzahl von Sensoreinheiten aufweist, die eine gemeinsame Linsenplatte haben.
Optische Sensorvorrichtung nach Anspruch 2 und einem der Ansprüche 3 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß ein unter einem engen Erfassungswinkel auf die Scheibe treffendes Lichtbündel diese schräg durchquert und sodann durch die Fresnel-Reflektorstruktur in die Linsenplatte eingekoppelt und senkrecht durch die Linsenplatte auf die Fresnel-Linsenstruktur gerichtet sowie durch diese auf dem Lichtempfänger gebündelt wird.
Regen/Licht-Sensor, gekennzeichnet durch eine optische Sensorvorrichtung nach Anspruch 14 oder 15 kombiniert mit einer optischen Sensorvorrichtung nach Anspruch 16 und einer gemeinsamen Linsenplatte.