DE102007039349A1

DE102007039349A1 - Vorrichtung zur Bestimmung der Reflexionseigenschaften einer Grenzfläche

Info

Publication number: DE102007039349A1
Application number: DE102007039349A
Authority: DE
Inventors: Markus Wolff; Andreas Pack
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2007-08-01
Filing date: 2007-08-21
Publication date: 2009-02-05
Also published as: WO2009015988A1; EP2176098A1

Abstract

Die erfindungsgemäße Vorrichtung zur Bestimmung der Reflexionseigenschaften einer Grenzfläche (10) zwischen einem ersten und einem zweiten Medium zeigt eine elektromagnetische Strahlungsquelle (6) sowie eine Optikanordnung (13), die zur Einkopplung der von der Strahlungsquelle (6) emittierten Strahlung (4) in das erste Medium dient. Dabei kann es sich im Fall der Verwendung der erfindungsgemäßen Anordnung in einem Regensensor für Kraftfahrzeuge bei dem ersten Medium um einen Teil einer Fahrzeugscheibe (1), insbesondere einer Frontscheibe handeln; bei dem zweiten Medium handelt es sich in diesem Fall um Luft bzw. im Fall einer durch Regen benetzten Scheibe (1) um Wasser. Zur Auskopplung der an der Grenzfläche (10) reflektierten Strahlung (5) aus dem ersten Medium wird ebenfalls die bereits genannte Optikanordnung (13) verwendet, welche die aus dem ersten Medium ausgekoppelte reflektierte Strahlung (5) auf einen Empfänger (7) lenkt. Die Optikanordnung (13) weist dabei die Strahlung (4, 5) reflektierende Bereiche (14) sowie Teile einer Fresnellinse auf.

Description

Stand der Technik
Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Bestimmung der Reflexionseigenschaften einer Grenzfläche, wie sie beispielsweise in einer Optik für einen optischen Sensor wie z. B. einem Regensensor Verwendung finden kann.
Aus dem Stand der Technik sind Regensensoren bekannt, die im allgemeinen nach dem in 1 dargestellten Prinzip arbeiten:
Eine elektromagnetische Strahlungsquelle 6 wie beispielsweise eine Infrarot-LED sendet elektromagnetische Strahlung 4 unter einem bestimmten Winkel von der Innenseite einer Scheibe 1 her, also üblicherweise vom Fahrgastraum eines Kraftfahrzeuges aus, in Richtung der Scheibe 1. Die Strahlung 4 passiert die Grenzfläche zwischen Innenraum und Scheibe 1 und wird gegen die von Scheibe 1 und dem Fahrzeugäußeren gebildete Grenzfläche 10 gelenkt, die in diesem Bereich als sensitive Fläche bezeichnet wird. Der Einfallswinkel der elektromagnetischen Strahlung 4 gegenüber der Grenzfläche 10 ist dabei so gewählt, dass die elektromagnetische Strahlung 4 bei einer nicht beispielsweise durch Regentropfen benetzten Scheibe 1 an der Grenzfläche 10 nach den Gesetzen der Optik in Richtung der Innenseite der Scheibe 1 als reflektierte Strahlung 5 totalreflektiert wird und von einem in der Nähe der Scheibeninnenseite angeordneten beispielsweise als Infrarot-LRD ausgebildeten Empfänger 7 detektiert wird. Bei einer Benetzung der Scheibe 1 wird diese Totalreflexion aufgrund der geänderten Brechzahlverhältnisse an der Grenzfläche 10 gestört bzw. aufgehoben, so dass ein Teil der elektromagnetischen Strahlung 4 nach außen ausgekoppelt wird und an der LRD 7 weniger Strahlung als im Falle der Totalreflexion ankommt. Aus dem Einbruch des Lichteinfalls schließt eine der LED 6 und LRD 7 zugeordnete, z. B. auf einer Leiterplatte angeordnete Auswerteeinheit 8 auf den vorliegenden Benetzungsgrad und steuert entsprechend Wischvorgänge des Scheibenwischers. Um dieses Grundprinzip zu realisieren, sind LED 6, LRD 7 und die Auswerteeinheit 8 zusammen mit einem nicht dargestellten Steuergerät in einem Gehäuse 9 untergebracht, das zum Zwecke der effektiven Lichtstrahlführung mit einer der LED 6 zugeordneten Einkoppeloptik 13a und einer der LRD 7 zugeordneten Auskoppeloptik 13b ausgerüstet ist und zum Zwecke der ungestörten Lichtleitung und Einkopplung der Strahlung 4 bzw. 5 in die bzw. aus der Scheibe 1 mit einem optischen Koppelmedium als Zwischenschicht 2, z. B. aus Silikon, luftblasenfrei an die Scheibe 1 angekoppelt ist. Die genannten Einkoppel- bzw. Auskoppeloptiken 13a, 13b bestehen dabei üblicherweise aus Linsen, deren eine Seite konvex und deren andere Seite plan ist.
Regensensoren der zuvor geschilderten Ausführungsform sind beispielsweise in der deutschen Patentanmeldung DE 102 61 244 A1 , in der europäischen Patentammeldung EP 0 997 360 A2 sowie in der internationalen Patentanmeldung mit der Veröffentlichungsnummer PCT/US98/20881 beschrieben. Die Auslegung der Optik bedingt jedoch, dass die elektromagnetische Strahlungsquelle und der Empfänger lateral (d. h. parallel zur Scheibe) in einem größeren Abstand als die Einkoppel- bzw. die Auskoppeloptiken selbst angeordnet sind.
Aus der deutschen Patentanmeldung DE 198 30 120 A1 ist die in 2 dargestellte Optikanordnung 13 bekannt, die jeweils segmentierte Linsen 13a und 13b, sogenannte Fresnel-Linsen, zur Strahlführung für eine LED 6 und eine LRD 7 verwendet, wobei beide Linsen identisch ausgeführt sind. Die in der genannten Anmeldung beschriebenen Fresnel-Linsen 13a, 13b sind dabei in der Weise angeordnet, dass die optische Achse der Linsen in einem Winkel von ca. 45° zu der Scheibenoberfläche orientiert ist und ausschließlich Brechung zur Ablenkung der elektromagnetischen Strahlung 4 bzw. 5 verwendet wird. Als Konsequenz sind LED 6 und LRD 7 lateral außerhalb der Berandung des Fresnel-Linsenbereiches angeordnet.
Ferner ist in der deutschen Patentanmeldung DE 10 2004 015 699 A1 ein Regensensor offen bart, der eine Optikanordnung mit reflektierenden Bereichen aufweist.
Vorteile der Erfindung
Die erfindungsgemäße Vorrichtung zur Bestimmung der Reflexionseigenschaften einer Grenzflache zwischen einem ersten und einem zweiten Medium zeigt eine elektromagnetische Strahlungsquelle sowie eine Optikanordnung, die zur Einkopplung der von der Strahlungsquelle emittierten Strahlung in das erste Medium dient. Dabei kann es sich im Fall der Verwendung der erfindungsgemäßen Anordnung in einem Regensensor für Kraftfahrzeuge bei dem ersten Medium um einen Teil einer Fahrzeugscheibe, insbesondere einer Frontscheibe handeln; bei dem zweiten Medium handelt es sich in diesem Fall um Luft bzw. im Fall einer durch Regen benetzten Scheibe um Wasser. Zur Auskopplung der an der Grenzfläche reflektierten Strahlung aus dem ersten Medium wird ebenfalls die bereits genannte Optikanordnung verwendet, welche die aus dem ersten Medium ausgekoppelte reflektierte Strahlung auf einen Empfänger lenkt. Die Optikanordnung weist Bereiche, an denen die Strahlung reflektiert, insbesondere totalreflektiert, sowie mindestens Teile einer Fresnellinse auf. Diese Ausgestaltung der Optikanordnung hat den Vorteil, dass die Strahlungsquelle und der Empfänger nicht in einem größeren Abstand als dem, welcher der lateralen Ausdehnung der Optikanordnung entspricht, angeordnet sein müssen. Dies rührt daher, dass die reflektierenden Bereiche insbesondere in Kombination mit den Teilen der Fresnellinse eine vorteilhafte Möglichkeit bieten, die verwendete elektromagnetische Strahlung besonders effizient umzuleiten, so das sich die Strahlung um fast jeden beliebigen Winkel, insbesondere auch um ca. 180°, ablenken lässt. Damit gestattet diese Maßnahme eine ausgesprochen kompakte Ausführung der Optikanordnung und damit auch eines mit der erfindungsgemäßen Optikanordnung ausgestatteten Regensensors.
Eine vorteilhafte Ausführungsform der Erfindung besteht in der Realisation der Optikanordnung in Form zweier Teiloptiken, insbesondere einer Einkoppeloptik und einer Auskoppeloptik, die jeweils als Fresnel-Linse bzw. als Teil einer Fresnel-Linse ausgebildet sind. Die Fres nel-Linse kann dabei in der Weise ausgeführt sein, dass in ersten Teilbereichen der Linse ausschließlich Brechung und in zweiten Teilbereichen der Linse Brechung und Totalreflexion erfolgen. Dem Empfänger und der Strahlungsquelle sind dabei jeweils eine Teiloptik zugeordnet, die beide nicht identisch ausgeführt zu sein brauchen, sondern vielmehr so gewählt sein können, dass sie optimal auf die Richtcharakteristik der Strahlungsquelle bzw. des Empfängers abgestimmt sind und insbesondere eine Anordnung der Strahlungsquelle und des Empfängers innerhalb der lateralen Ausdehnung der Optikanordnung erlauben.
In einer weiteren vorteilhaften Variante der Erfindung ist die Optikanordnung, insbesondere die Einkoppeloptik, so gewählt, dass, die von der Strahlungsquelle ausgehende Strahlung als paralleles Strahlenbündel in dem ersten Medium verläuft und, nachdem es an der Grenzfläche totalreflektiert wurde, die Auskoppeloptik ebenfalls als paralleles Strahlenbündel erreicht und von dieser auf den Empfänger fokussiert wird. Bei dieser Ausführungsform ist das Verhältnis von sensitiver Fläche zu den Abmessungen der Optikanordnung besonders vorteilhaft. Ein weiterer Vorteil der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist eine gute Ausnutzung der von der Strahlungsquelle ausgesendeten Strahlung, da die Strahlungsquelle direkt gegenüber der Einkoppeloptik angeordnet werden kann und somit die Hauptkeule ihrer Richtcharakteristik in Richtung der Einkoppeloptik weist.
Kurzbeschreibung der Zeichnung
Es zeigen:
1 eine Darstellung des Wirkprinzips eines Regensensors nach dem Stand der Technik;
2 eine Ausführungsform eines Regensensors nach dem Stand der Technik, bei dem zwei identisch ausgebildete Fresnellinsen verwendet werden;
3 eine erste Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Regensensors;
4 eine Draufsicht auf die Optikanordnung eines erfindungsgemäßen Regensensors; und
5 und 6 weitere Varianten eines erfindungsgemäßen Regensensors.
Beschreibung von Ausführungsbeispielen
3 zeigt eine erfindungsgemäße Vorrichtung in einer Querschnittsdarstellung. Die Optikanordnung 13 ist dabei über die Zwischenschicht 2, die gleichzeitig zur Verbesserung der Ein- und Auskopplung der verwendeten elektromagnetischen Strahlung 4 bzw. 5 durch Indexanpassung dient, mit der Scheibe 1 verbunden. Dabei wird die von der bspw. als LED ausgebildeten Strahlungsquelle 6 emittierte Strahlung 4 über die Teiloptik 13a der Optikanordnung 13 und die Zwischenschicht 2 in die Scheibe 1 eingekoppelt und an der gegenüberliegenden Seite totalreflektiert. Der reflektierte Teilstrahl 5 der elektromagnetischen Strahlung passiert nachfolgend die Zwischenschicht 2 und wird über die Teiloptik 13b der Optikanordnung auf den bspw. als LRD ausgebildeten Empfänger 7 fokussiert.
Die beiden Teiloptiken 13a, 13b zeigen dabei jeweils Teilbereiche 15, in denen nur Brechung, und Teilbereiche 14, in denen Brechung und Totalreflexion auftritt. Die der Strahlungsquelle 6 zugeordnete Teiloptik 13a ist dabei so gewählt, dass die von der Strahlungsquelle 6 ausgesandte elektromagnetische Strahlung 4 parallelisiert wird und einem Winkel, unter dem Totalreflexion auftritt, auf die Grenzfläche 10 zwischen der Scheibe 1 und dem Außenraum auftrifft. Ist die Scheibe 1 auf ihrer dem Außenraum zugewandten Seite unbenetzt, wird die elektromagnetische Strahlung als Teilstrahl 5 total reflektiert und fällt nach Passieren der fokussierenden Teiloptik 13b auf den Empfänger 7. Dabei müssen die Teiloptiken 13a und 13b geometrisch nicht identisch sein; vielmehr können sie an die Richtcharakteristik der Strahlungsquelle 6 und des Empfängers 7 individuell angepasst sein. Darüber hinaus eröffnet in diesem Fall die individuell gestaltete Geometrie die Möglichkeit, einen Höhenunterschied 18 der optisch aktiven Bereiche von Strahlungsquelle 6 und Empfänger 7 auszugleichen. Die in einer Teiloptik 13a bzw. 13b angeordneten Totalreflexionsflächen müssen dabei nicht alle senkrecht zur Scheibe 1 verlaufen und können insbesondere unterschiedliche Höhen aufweisen. Ebenso können die für die gezielte Brechung der elektromagnetischen Strahlung sorgenden Bereiche der Teiloptiken 13a bzw. 13b alle voneinander geometrisch unterschiedlich ausgestaltet sein.
4 zeigt eine weitere vorteilhafte Ausführungsform der Einkoppel- und Auskoppeloptik 13a bzw. 13b von der fahrzeuginneren Seite aus gesehen. Bei dieser Ausführungsform bestehen die Einkoppel- und Auskoppeloptik 13a bzw. 13b jeweils aus mindestens einem bogenförmigen Kreissegment (20). In einer weiteren Ausführungsform können die einzelnen, beispielsweise bogenförmigen Segmente (20) selbst auch noch aus mehreren geraden Abschnitten (20a–d) zusammengesetzt sein. Bezeichnet man die parallel zur nicht dargestellten Scheibe liegende Ebene als xy-Ebene, so ist beispielsweise eine Unterteilung der Segmente (20) in y-Richtung möglich oder in Richtung des jeweiligen Bogens möglich. Die Form der jeweils noch weiter unterteilten Segmente ist dabei keine Grenze gesetzt. Die Wirkung der beschriebenen Gestaltung der Einkoppel- bzw. Auskoppeloptik 13a und 13b besteht dabei im Wesentlichen in einer Homogenisierung des Lichtfeldes und in einer Erhöhung des Wirkungsgrades der Anordnung. Die Einkoppel- und Auskoppeloptik 13a, 13b bestehen vorzugsweise aus Kunststoff, können aber auch aus anderen Materialien bestehen, die lichtdurchlässig sind und einen im Vergleich zur Umgebung verschiedenen Brechungsindex aufweisen. Die Einkoppel- und Auskoppeloptik 13a, 13b können einstückig oder als voneinander getrennte Teile ausgeführt sein. Ferner besteht die Möglichkeit, dass die Einkoppel- und Auskoppeloptik 13a, 13b aus unterschiedlichen Materialien bestehen. Ein weiterer Freiheitsgrad ergibt sich, wenn auch die unterschiedlichen Segmente der Einkoppel- und Auskoppeloptik 13a, 13b zumindest teilweise aus unterschiedlichen Materialien bestehen. Darüber hinaus können Einkoppel- und Auskoppeloptik 13a, 13b aus mehreren Teilen zusammengesetzt sein.
Eine für einen Regensensor verwendete erfindungsgemäße Vorrichtung ist in einer Querschnittsdarstellung in 5 dargestellt. Sie umfasst mindestens eine erfindungsgemäße Op tikvorrichtung 13 mit den Teiloptiken 13a, 13b sowie mindestens eine LED als elektromagnetische Strahlungsquelle 6 und eine LRD als Empfänger 7. Die Optikvorrichtung 13 ist dabei über eine als Koppelmedium wirkende Zwischenschicht 2 luftblasenfrei an die Innenseite der Scheibe 1 angekoppelt und in einem vorzugsweise lichtundurchlässigen beispielsweise aus Kunststoff bestehenden Optikträger 19 angeordnet. Ferner zeigt 5 eine der Optikvorrichtung 13 zugeordnete Auswerteelektronik 8, die in einem Gehäuse 9 aus vorzugsweise lichtundurchlässigen Material (z. B. einem lichtundurchlässigen Kunststoff) angeordnet ist. Die Kommunikation mit nicht dargestellten nachgeordneten Aktuatoren oder Steuergeräten sowie die Energieversorgung erfolgt mittels einer in 5 ebenfalls nicht dargestellten elektrischen Schnittstelle. Die LED 6 und die LRD 7 arbeiten dabei vorzugsweise im infraroten Wellenlängenbereich; auf diese Weise wird eine Irritation des Fahrzeugführers oder anderer Verkehrsteilnehmer durch austretende elektromagnetische Strahlung etwa im sichtbaren Spektralbereich wirksam verhindert.
In einer in 6 dargestellten weiteren Ausführungsform entfällt der Optikträger 19, vielmehr bildet die erfindungsgemäße Optikanordnung 13 selbst den Deckel des Gehäuses 9. Zum Schutz gegen von außen eindringendes Fremdlicht ist eine Schicht aus lichtundurchlässigem Material 16 direkt auf der Optikanordnung 13 angeordnet. Die Schicht 16 kann beispielsweise aus Silikon oder Kunststoff bestehen und beispielsweise mittels Klebung, Haftung oder mechanischer Befestigung, insbesondere durch Clips mit der Optikanordnung 13 verbunden sein.
Die Einsatzmöglichkeit der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist selbstverständlich nicht auf eine Verwendung in einem Regensensor beschränkt; vielmehr kann die Erfindung überall dort eingesetzt werden, wo elektromagnetische Strahlung effizient und unter Beanspruchung von möglichst wenig Bauraum in ein Medium ein- bzw. ausgekoppelt werden muss.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

- DE 10261244 A1 [0003]
- EP 0997360 A2 [0003]
- US 98/20881 [0003]
- DE 19830120 A1 [0004]
- DE 102004015699 A1 [0005]

Claims

Vorrichtung zur Bestimmung der Reflexionseigenschaften einer Grenzfläche (10) zwischen einem ersten und einem zweiten Medium, mit einer elektromagnetischen Strahlungsquelle (6) und einer Optikanordnung (13) zur Einkopplung der von der Strahlungsquelle emittierten Strahlung (4) in das erste Medium und zur Auskopplung der an der Grenzfläche (10) reflektierten Strahlung (5) aus dem ersten Medium sowie einem Empfänger (7) für die aus dem ersten Medium ausgekoppelte reflektierte Strahlung, wobei die Optikanordnung Bereiche (14) aufweist, an denen die Strahlung (4, 5) reflektiert wird, dadurch gekennzeichnet, dass die Optikanordnung (13) mindestens Teile einer Fresnellinse zeigt.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Optikanordnung (13) als Teiloptiken eine Auskoppeloptik (13b) und eine Einkoppeloptik (13a) aufweist, die jeweils mindestens Teile einer Fresnellinse aufweisen.
Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Einkoppeloptik (13a) und die Auskoppeloptik (13b) jeweils an die Richtcharakteristik der Strahlungsquelle (6) bzw. des Empfängers (7) angepasst sind.
Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Einkoppeloptik (13a) und die Auskoppeloptik (13b) identisch ausgebildet sind.
Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass es sich bei dem ersten Medium um einen Teil einer Fahrzeugscheibe (1), insbesondere einer Frontscheibe handelt.
Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Optikanordnung (13) in der Weise ausgebildet ist, dass die in das erste Medium eingekoppelte Strahlung (4) in diesem als paralleles Strahlenbündel verläuft.
Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen der Optikanordnung (13) und dem ersten Medium eine Zwischenschicht (2) angeordnet ist.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Fresnellinse mindestens ein bogenförmiges Segment (20) zeigt.
Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass das mindestens eine bogenförmige Segment aus mehreren geraden Abschnitten (20a–d) zusammengesetzt ist.
Regensensor für ein Kraftfahrzeug mit einer Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1– 9.