DE102008061616B4

DE102008061616B4 - Optische Sensorvorrichtung

Info

Publication number: DE102008061616B4
Application number: DE102008061616.8A
Authority: DE
Inventors: Ulrich Backes
Original assignee: BCS Automotive Interface Solutions GmbH
Current assignee: BCS Automotive Interface Solutions GmbH
Priority date: 2008-12-11
Filing date: 2008-12-11
Publication date: 2021-06-10
Anticipated expiration: 2028-12-12
Also published as: JP5274425B2; CN101750635A; ES2676531T3; EP2196793A2; EP2196793A3; CN101750635B; DE102008061616A1; EP2196793B1; US8082783B2; JP2010141296A; US20100147067A1

Abstract

Optische Sensorvorrichtung mit wenigstens einem wenigstens einem Lichtempfänger und rotationssymmetrisch geformten Fresnel-Prismenstrukturen, die auf einer ersten Seite an eine insbesondere eine Windschutzscheibe eines Fahrzeugs, ankoppelbar sind und auf einer zweiten, gegenüberliegenden Seite Licht von dem Lichtsender aufnehmen, in die Scheibe einkoppeln und nach Totalreflexion an einer Innenfläche der Scheibe auf den Lichtempfänger lenken, dadurch gekennzeichnet, dass die Fresnel-Prismenstrukturen ein durch Rotation einer Sägezahnkurve um eine Achse bestimmtes Profil aufweisen, wobei die Zähne der Sägezahnkurve symmetrische Form haben.

Description

Die Erfindung betrifft eine optische Sensorvorrichtung, die an einer Scheibe, insbesondere Windschutzscheibe eines Fahrzeugs, angekoppelt werden kann und eine Benetzung der Scheibe detektiert (Regensensor).
Derartige Sensorvorrichtungen werden hauptsächlich als Regensensoren in Kraftfahrzeugen zur automatischen Betätigung der Scheibenwischer eingesetzt. Sie beruhen letztlich auf der Detektion einer Benetzung der Scheibe aufgrund einer Verminderung der an der Innenfläche der Scheibe totalreflektierten Lichtmenge. Besonders kompakte Bauformen von optischen Sensorvorrichtungen können durch die Verwendung von Fresnel-Linsen erreicht werden.
Die DE 197 01 258 A1 offenbart einen Regensensor, bei dem über Koppelmittel Licht in eine Scheibe eines Kraftfahrzeugs eingekoppelt und nach mehrmaliger Totalreflexion innerhalb der Scheibe an anderer Stelle zu Messzwecken wieder ausgekoppelt wird. Die Koppelmittel weisen dabei eine planare oder quasi-planare Struktur auf und sind durch asymmetrische Mikroprismen, asymmetrisch beugende Reliefstrukturen oder durch Phasengitter gebildet.
In der DE 10 2007 039 349 A1 ist ein optischer Sensor beschrieben, der auch als Regensensor verwendet werden kann. Zur Ein- und Auskopplung von Licht in eine Scheibe weist eine Optikanordnung des optischen Sensors zumindest Teile einer Fresnel-Linse auf.
Weitere Sensoren, die zur Verwendung als Regensensor geeignet sind, sind in der DE 20 2006 005 665 U1 und in der DE 101 32 889 A1 beschrieben.
Die DE 195 30 289 A1 beschreibt einen Sensor, der gleichzeitig als Regensensor und als Sichtweitensensor einsetzbar ist. Dabei wird Licht so in eine Scheibe eines Kraftfahrzeugs eingekoppelt, dass ein Teil in der Scheibe reflektiert wird, während ein anderer Teil aus der Scheibe ausgekoppelt und außerhalb der Scheibe gestreut wird, wobei ein gewisser Anteil zur Scheibe zurückgelangt. Aus den beiden Anteilen wird dann eine Benetzung der Scheibe bzw. eine Sichtweite bestimmt.
In der DE 10 2006 039 065 A1 ist eine Befestigungsvorrichtung offenbart, mittels der ein optischer Sensor an einer Fahrzeugscheibe anbringbar ist.
Die vorliegende Erfindung ist eine Weiterbildung des Konzepts der Verwendung von Fresnel-Strukturen zur Verminderung des Bauraumes unter gleichzeitiger maximaler Ausnutzung des von einer Lichtquelle zur Verfügung gestellten Lichts.
Die erfindungsgemäße optische Sensorvorrichtung hat wenigstens einen Lichtsender, wenigstens einen Lichtempfänger und rotationssymmetrische Fresnel-Prismenstrukturen, die auf einer ersten Seite an eine Scheibe, insbesondere eine Windschutzscheibe eines Fahrzeugs, ankoppelbar sind und auf einer zweiten, gegenüberliegenden Seite Licht von dem Lichtsender aufnehmen, in die Scheibe einkoppeln und nach Totalreflexion an einer Innenfläche der Scheibe auf den Lichtempfänger lenken. Die Fresnel-Prismenstrukturen weisen ein durch Rotation einer Sägezahnkurve um eine Achse bestimmtes Profil auf, wobei die Zähne der Sägezahnkurve symmetrische Form haben. Dieses Prinzip ermöglicht verschiedene Ausführungsformen, die sich alle durch äußerst kompakte Bauform und optimierte Ausnutzung des von dem Lichtsender zur Verfügung gestellten Lichtes auszeichnen. Die rotationssymmetrische Ausbildung der Fresnel-Prismenstrukturen ergibt eine gute Beherrschbarkeit der Strahlengänge und eine gute Ausnutzung der verfügbaren Fläche auf der Scheibe sowie eine optimale Lichtausbeute.
Vorzugsweise ist allen Ausführungsformen gemeinsam, dass das Licht aus dem Lichtsender als paralleles Licht auf die Fresnel-Prismenstrukturen trifft und als paralleles Licht von den Fresnel-Prismenstrukturen zurück reflektiert wird. Das führt zu gut kontrollierbaren Lichtwegen mit konsistent definierten Reflexionswinkeln.
Bei allen Ausführungsformen werden die Fresnel-Prismenstrukturen vorzugsweise durch eine Koppelschicht aus einem transparenten elastischen Medium, die auf ihrer den Fresnel-Prismenstrukturen zugewandten Fläche komplementär dazu geformt sowie in enger Berührung ist und mit der gegenüberliegenden Fläche an der Scheibe anliegt, an die Scheibe angekoppelt. Bei Bedarf lässt sich die Koppelschicht von der Scheibe wieder lösen. Es sind aber auch Ausführungen mit einem starren Koppelmedium vorgesehen, bei denen die Fresnel-Prismenstrukturen nach Entfernen der übrigen Teile des Sensors fest auf der Scheibe verbleiben.
Besonders vorteilhaft ist eine Ausführungsform, bei der die Fresnel-Prismenstrukturen einen zentralen Bereich aufweisen, auf den das Licht von dem Lichtsender als paralleles Strahlenbündel auftrifft. Das parallele Strahlenbündel wird durch die Prismenstrukturen in zwei getrennte Strahlenkränze aufgespalten, die sich an der Scheibe überlagern. Ferner weisen die Fresnel-Prismenstrukturen einen den zentralen Bereich umgebenden ringförmigen äußeren Bereich auf, der die an der Scheibe totalreflektierten Strahlen als paralleles Licht auf den Lichtempfänger ablenkt. Bei geometrisch präziser Ausbildung der Prismenstrukturen und genauer Anpassung der äußeren an die inneren Prismenbereiche ergibt sich so die größtmögliche Lichtausbeute und eine optimale Ausnutzung der auf der Scheibe eingenommenen Fläche.
Es ist aber auch die umgekehrte Anordnung möglich, bei der also das Licht in die äußeren Bereiche eingestrahlt wird und nach Totalreflektion an der Scheibe in den zentralen Bereich umgelenkt wird.
Bei einer konkreten Implementierung sind die Fresnel-Prismenstrukturen vorzugsweise auf einer Fläche einer transparenten Optikplatte geformt, die auf der gegenüberliegenden Fläche angeformte konvexe Linsenstrukturen und / oder eingeformte Fresnel-Linsenstrukturen und / oder eingeformte Fresnel-Reflektorstrukturen aufweist. Wenn keine flächigen Lichtsender und Lichtempfänger verfügbar sind, werden Linsen benötigt, um das Licht eines idealisiert als punktförmig angenommen Lichtsenders in ein paralleles Lichtbündel umzuformen und das parallele rückreflektierte Licht auf einem idealisiert als punktförmig angenommenen Empfänger zu fokussieren.
Bei der erfindungsgemäßen Ausbildung sind die erforderlichen Linsenstrukturen oder Reflektorstrukturen auf der Fläche der transparenten Optikplatte gebildet, die den Fresnel-Prismenstrukturen gegenüberliegt. Folglich wird kein zusätzlicher Bauraum für die Linsenstrukturen benötigt.
Mit besonderem Vorteil werden in der Optikplatte mehre Optiksysteme aus Fresnel-Strukturen für mehrere Sensoreinheiten integriert. Durch die Erfindung wird insbesondere ein Regen/Licht-Sensor für Fahrzeuge geschaffen, der eine Regen-Sensoreinheit und eine Licht-Sensoreinheit mit gemeinsamer Optikplatte aufweist.
Eine konstruktiv vorteilhafte Ausführungsform zeichnet sich dadurch aus, daß am Außenumfang der Optikplatte ein Befestigungsring angebracht ist, der auf der Scheibe starr befestigt wird und vorzugsweise überdies bajonettartige Befestigungsmittel aufweist, die zur Befestigung eines Innenspiegels dienen.
Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der folgenden Beschreibung mehrerer Ausführungsformen unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen. In den Zeichnungen zeigen:

- 1 schematisch im Schnitt eine erste Ausführungsform der Sensorvorrichtung;
- 2 ebenfalls schematisch im Schnitt eine zweite Ausführungsform der Sensorvorrichtung;
- 3 eine weitere Ausführungsform der Sensorvorrichtung in schematischer Schnittansicht;
- 4 eine schematische Schnittansicht einer auf einer Scheibe befestigten Sensorvorrichtung, an deren Außenumfang eine Spiegelhalterung befestigt ist;
- 5a, b und c Draufsichten verschiedener Ausführungsformen der Fresnelstrukturen; und
- 6 eine schematische Schnittansicht eines Licht-Sensors.

In 1 ist an einer Scheibe 10, insbesondere der Windschutzscheibe eines Fahrzeugs, mittels einer Koppelschicht 12 aus einem transparenten, elastischen Material eine Optikplatte 14 angekoppelt. Die Optikplatte 14 ist auf ihrer, der Scheibe 10 zugewandten Seite, mit Fresnel-Prismenstrukturen ausgebildet. Die Fresnel-Prismenstrukturen sind rotationssymmetrisch, d.h. sie haben ein Profil, das durch Rotation einer Sägezahnkurve um eine feste Achse definiert ist. Die in 1 sichtbaren Scheitel der sägezahnförmigen Schnittlinie bilden somit in Draufsicht konzentrische Kreise. Ein Lichtsender 16, der idealisiert als flächiger Lichtstrahler angenommen wird, sendet ein Bündel paralleler Lichtstrahlen senkrecht auf die den Fresnel-Prismenstrukturen gegenüberliegende Fläche der Optikplatte 14. Das von dem Lichtsender 16 ausgehende parallele Lichtbündel nimmt einen zentralen Bereich der Optikplatte 14 ein. An den symmetrischen sägezahnförmigen Flanken der Fresnel-Prismenstrukturen wird das parallele Lichtbündel in zwei getrennte Strahlenkränze aufgespalten. Die einzelnen Lichtstrahlen dieser Strahlenkränze bilden einen Winkel von etwa 45 ° mit der Scheibe 10. Die Lichtstrahlen der beiden Strahlenkränze überlagern sich an der Scheibe 10 und werden an deren äußerer Innenfläche totalreflektiert sowie gegen den äußeren, ringförmigen Bereich der Fresnel-Prismenstrukturen gelenkt, wo sie als parallele Lichtbündel umgelenkt werden und senkrecht aus der Optikplatte austreten. Der Lichtsender 16 ist von einem ringförmigen, hier als flächig angenommenen Lichtempfänger 18 umgeben. Die Koppelschicht 12 bildet ein elastisches Kissen, dass auf seiner der Optikplatte 14 zugewandten Seite komplementär zu den Fresnel-Prismenstrukturen geformt und an diesen in Anlage ist. Auf der gegenüberliegenden Seite ist die Koppelschicht 12 auf der Innenseite der Scheibe 10 permanent oder lösbar befestigt.
Die Ausführungsform nach 2 unterscheidet sich von der nach 1 lediglich in der Ausbildung der Optikplatte 14. Diese ist auf ihrer von den Fresnel-Prismenstrukturen abgewandten Fläche zu Konvexlinsen ausgeformt. In einem zentralen Bereich nimmt die Konvexlinse das von einem als punktförmig angenommenen Lichtsender 16a ausgehende Licht auf und formt dieses zu einem parallelen Lichtbündel um. In einem äußeren Umfangsbereich ist die Konvexlinse so geformt, dass sie das nach Totalreflexion an der Scheibe 10 umgelenkte Licht, dass dann an den Fresnel-Prismenstrukturen umgelenkt wird, auf einem als punktförmig angenommenen Lichtempfänger 18a fokussiert.
Die Ausführungsform nach 3 unterscheidet sich von der nach 2 dadurch, dass im zentralen Bereich die Linse als Fresnel-Linse und im äußeren Umfangsbereich anstatt einer Konvexlinse eine Fresnel-Reflektorstruktur verwendet wird.
Die 4 zeigt eine konstruktive Weiterbildung der Ausführungsform nach 3. Die Weiterbildung besteht darin, dass am Außenumfang der Optikplatte 14 ein Befestigungsring 20 angebracht ist. Der Befestigungsring 20 kann auf der Scheibe 10 dauerhaft befestigt werden, insbesondere durch eine Klebung. Der Befestigungsring 20 hat nicht nur die Aufgabe, die Sensorvorrichtung an der Innenseite der Scheibe 10 in Anlage zu halten, er hat darüber hinaus die Funktion einer Halterung, an der ein Spiegelfuß 22 eines Innenspiegels befestigt werden kann. Die Befestigung erfolgt vorzugsweise durch bajonettartige Befestigungsmittel 24.
Es sind verschiedene geometrische Ausgestaltungen der Fresnel-Strukturen möglich, wie in den 5a, b, c veranschaulicht ist. Bei allen Ausführungsformen befindet sich ein Lichtsender 16a im zentralen Bereich. Entsprechend den in den 2 und 3 gezeigten Ausführungsformen ist in 5a der Lichtempfänger 18a dem Lichtsender 16a benachbart angeordnet.
Davon abweichend sind in 5b zwei Lichtempfänger 18b und 18c beiderseits des Lichtsenders 16a angeordnet, und die äußeren Reflektorstrukturen sind entsprechend auf diese Lichtempfänger ausgerichtet.
In Weiterbildung dieses Konzeptes sind bei der Ausführungsform nach 5c drei Lichtempfänger 18d, 18e und 18f um den zentralen Lichtsender 16a angeordnet, und die Reflektorstrukturen sind entsprechend auf diese Lichtempfänger ausgerichtet.
Die beschriebene Ausführung der Sensorvorrichtung eignet sich als Regensensor. Sie wird vorzugsweise mit einer weiteren Sensoreinheit, insbesondere einem Lichtsensor, in einer gemeinsamen Optikplatte integriert. Auf diese Weise entsteht ein Regen/Licht-Sensor für die Steuerung der Wischeranlage und der Beleuchtungsanlage in Fahrzeugen. Ein geeigneter Lichtsensor wird nun unter Bezugnahme auf die 6 beschrieben.
In 6 umfaßt die an der Scheibe 10 mittels der Koppelschicht 12 angebrachte Optikplatte 14 ein weiteres Optiksystem für eine zweite Sensoreinheit, bei der es sich um einen richtungsempfindlichen Tageslichtsensor handelt. Die Optikplatte 14 weist eine Fresnel-Linsenstruktur 26 und in Gegenüberlage dazu eine entsprechende Fresnel-Reflektorstruktur 28 auf. Ein Lichtempfänger 30 ist im Brennpunkt der Fresnel-Linsenstruktur 26 plaziert. 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 Koppelschicht 12 auf die Fresnel-Reflektorstruktur 28 trifft, welche die Lichtstrahlen umlenkt und senkrecht durch die Optikplatte 14 auf die Fresnel-Linsenstruktur 26 richtet, die das Licht auf dem Lichtempfänger 30 bündelt.

Claims

Optische Sensorvorrichtung mit wenigstens einem wenigstens einem Lichtempfänger und rotationssymmetrisch geformten Fresnel-Prismenstrukturen, die auf einer ersten Seite an eine insbesondere eine Windschutzscheibe eines Fahrzeugs, ankoppelbar sind und auf einer zweiten, gegenüberliegenden Seite Licht von dem Lichtsender aufnehmen, in die Scheibe einkoppeln und nach Totalreflexion an einer Innenfläche der Scheibe auf den Lichtempfänger lenken, dadurch gekennzeichnet, dass die Fresnel-Prismenstrukturen ein durch Rotation einer Sägezahnkurve um eine Achse bestimmtes Profil aufweisen, wobei die Zähne der Sägezahnkurve symmetrische Form haben.
Sensorvorrichtung nach Anspruch 1, bei der das Licht aus dem Lichtsender als paralleles Licht auf die Fresnel-Prismenstrukturen trifft und als paralleles Licht auf den Lichtempfänger gelenkt wird.
Sensorvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 2, bei der die Fresnel-Prismenstrukturen durch eine Koppelschicht aus einem transparenten elastischen Medium, die auf ihrer den Fresnel-Prismenstrukturen zugewandten Fläche komplementär dazu geformt sowie in enger Berührung ist und mit der gegenüberliegenden Fläche an der Scheibe anliegt, lösbar an die Scheibe (40) angekoppelt sind.
Sensorvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 2, bei der die Fresnel-Prismenstrukturen durch eine Koppelschicht aus einem transparenten starren Medium an die Scheibe angekoppelt sind.
Sensorvorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, bei der die Fresnel-Prismenstrukturen einen zentralen Bereich aufweisen, auf den das Licht von dem Lichtsender als paralleles Strahlenbündel trifft, das durch die PrismenStrukturen in zwei getrennte, sich auf der Scheibe (40) überlagernde Strahlenkränze aufgespalten wird, und einen den zentralen Bereich umgebenden ringförmigen äußeren Bereich aufweisen, der die an der Scheibe totalreflektierten Strahlen als paralleles Licht auf den Lichtempfänger ablenkt.
Sensorvorrichtung nach Anspruch 5, bei der die einzelnen Strahlen der zwei Strahlenkränze unter einem Winkel von etwa 45° zur Fläche der Scheibe geneigt sind.
Sensorvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, bei der die Fresnel-Prismenstrukturen einen äußeren Bereich aufweisen, auf den das Licht von dem Lichtsender als paralleles Strahlenbündel trifft, und einen zentralen Bereich, der die an der Scheibe totalreflektierten Strahlen als paralleles Licht auf den Lichtempfänger ablenkt.
Sensorvorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, bei der die Fresnel-Prismenstrukturen auf der einen Fläche einer Optikplatte (44) aus transparentem Material und auf der gegenüberliegenden Fläche Linsenstrukturen geformt sind, die Licht von einem punktförmigen Lichtsender in paralleles Licht umformen und paralleles Licht der an der Scheibe totalreflektierten Strahlen auf dem punktförmigen Lichtempfänger bündeln.
Sensorvorrichtung nach Anspruch 8, bei der die Linsenstrukturen zumindest bereichsweise Fresnel-Strukturen sind.
Sensorvorrichtung nach Anspruch 8 oder 9, bei der Lichtsender und Lichtempfänger benachbart nebeneinander angeordnet sind.
Sensorvorrichtung nach Anspruch 8 oder 9, bei der ein zentral angeordneter Lichtsender von mehreren Lichtempfängern umgeben ist.
Sensorvorrichtung nach einem der Ansprüche 8 bis 11, bei der am Außenumfang der Optikplatte (44) Befestigungsmittel angebracht sind, vorzugsweise bajonettartige Befestigungsmittel für einen Innenspiegel.
Sensorvorrichtung nach einem der Ansprüche 8 bis 12, bei der in der Optikplatte (44)- mehrere Optiksysteme mit Fresnel-Strukturen für mehrere Sensoreinheiten ausgebildet sind.
Regen/Licht-Sensor mit einer Sensorvorrichtung nach Anspruch 13.