DE102009053825A1

DE102009053825A1 - Optische Sensorvorrichtung zur Detektion von Umgebungslicht

Info

Publication number: DE102009053825A1
Application number: DE102009053825A
Authority: DE
Inventors: Ulrich Dr. Backes
Original assignee: BCS Automotive Interface Solutions GmbH
Current assignee: BCS Automotive Interface Solutions GmbH
Priority date: 2009-11-18
Filing date: 2009-11-18
Publication date: 2011-05-19
Also published as: CN102667427A; EP2502036B1; US9546900B2; CN102667427B; US20120267514A1; ES2562028T3; WO2011060911A1; EP2502036A1

Abstract

Eine optische Sensorvorrichtung zur Detektion von Umgebungslicht ist an eine Scheibe (10) ankoppelbar, insbesondere an eine Windschutzscheibe eines Fahrzeugs. Die optische Sensorvorrichtung umfasst eine Sensoreinheit, die wenigstens einen Lichtempfänger (22) für Umgebungslicht und eine Linsenplatte (12) zur gerichteten Auskopplung eines Umgebungslichtbündels (26) aus der Scheibe (10) auf den Lichtempfänger (22) aufweist. Die Linsenplatte (12) hat eine dem Lichtempfänger (22) zugewandte Fläche (18), die im angekoppelten Zustand der optischen Sensorvorrichtung im Wesentlichen parallel zur Scheibe (10) orientiert ist. Die Fläche (18) weist eine Prismenstruktur (20) mit mehreren Einzelprismen (24) auf, welche so ausgelegt sind, dass sie die Strahlen eines bestimmten, durch eine Hauptrichtung (A) und einen Öffnungswinkel definierten Umgebungslichtbündels (26) auf den Lichtempfänger (22) lenken.

Description

Die Erfindung betrifft eine optische Sensorvorrichtung zur Detektion von Umgebungslicht, die an eine Scheibe ankoppelbar ist, insbesondere an eine Windschutzscheibe eines Fahrzeugs, gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
Solche Sensorvorrichtungen werden hauptsächlich 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 holografischer Strukturen möglich. Diese Sensoren basieren auf dem Prinzip der Lichtbeugung mithilfe 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.
Weitere grundsätzliche Nachteile bekannter optischer Umgebungslichtsensorvorrichtungen sind im hohen Herstellungsaufwand und in einem zu engen Empfangsbereich zu sehen. Der Versuch, bei Sensorvorrichtungen mit Fresnellinsen eine Ausweitung dadurch zu produzieren, dass der Lichtempfänger weiter oder näher zum Brennpunkt der Fresnellinse platziert wird, scheitert an der damit einhergehenden Aufspaltung der Empfangscharakteristik in ein weiteres oder mehrere weitere Strahlenbündel weit außerhalb des vorgesehenen Empfangsbereichs. Gleiches gilt für den Versuch, die Empfängerfläche zu vergrößern.
Aus der DE 20 2006 005 665 U1 ist eine optische Regensensorvorrichtung mit einer quaderförmigen, parallel zur Windschutzscheibe eines Kraftfahrzeugs angeordneten Linsenplatte bekannt. Die dem Sender und dem Empfänger der Vorrichtung zugewandte Vorderseite der Linsenplatte weist Fresnelstufen auf, die zwei asphärische Fresnellinsen bilden, deren optische Achsen gegenüber der Windschutzscheibe jeweils um etwa 45° geneigt sind. Die erste Fresnellinse sorgt für eine im Wesentlichen parallele Ausrichtung der Strahlen des vom Sender ausgestrahlten Lichtbündels, sodass die Strahlen als parallel ausgerichtetes Lichtbündel in die Windschutzscheibe eingekoppelt werden. Die zweite Fresnellinse sorgt dafür, dass das aus der Windschutzscheibe ausgekoppelte, nach wie vor parallel ausgerichtete Lichtbündel auf den Empfänger fokussiert wird.
Die DE 20 2007 036 492 A1 zeigt einen als gattungsgemäße optische Sensorvorrichtung ausgebildeten richtungsabhängigen Tageslichtsensor. Die Linsenplatte der Vorrichtung hat auf ihrer dem Lichtempfänger zugewandten Fläche Fresnel-Linsenstrukturen und auf der gegenüberliegenden, der Scheibe zugewandten Fläche Fresnel-Reflektorstrukturen. Ein parallel auf die Scheibe treffendes Lichtbündel durchquert 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 den Lichtempfänger gebündelt. Grundsätzlich weisen auf dieser Fresnel-Linsenplattentechnik basierende Tageslichtsensoren neben der gewünschten Hauptempfangscharakteristik jedoch eine gewisse Empfindlichkeit in weiteren, unerwünschten Empfangsrichtungen auf.
Aufgabe der Erfindung ist es, eine gewünschte Empfangscharakteristik zu erreichen, ohne dass die für die Fresnel-Prismatechnik typische Aufspaltung der Empfangscharakteristik in einen erwünschten und einen unerwünschten Bereich stattfindet.
Gelöst wird diese Aufgabe durch eine optische Sensorvorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 1. Vorteilhafte und zweckmäßige Ausgestaltungen der erfindungsgemäßen optischen Sensorvorrichtung sind in den Unteransprüchen angegeben.
Die erfindungsgemäße optische Sensorvorrichtung dient zur Detektion von Umgebungslicht und ist an eine Scheibe ankoppelbar, insbesondere an eine Windschutzscheibe eines Fahrzeugs. Die optische Sensorvorrichtung umfasst eine Sensoreinheit, die wenigstens einen Lichtempfänger für Umgebungslicht und eine Linsenplatte zur gerichteten Auskopplung eines Umgebungslichtbündels aus der Scheibe auf den Lichtempfänger aufweist. Die Linsenplatte hat eine dem Lichtempfänger zugewandte Fläche, die im angekoppelten Zustand der optischen Sensorvorrichtung im Wesentlichen parallel zur Scheibe orientiert ist. Die Fläche weist eine Prismenstruktur mit mehreren Einzelprismen auf, welche so ausgelegt sind, dass sie die Strahlen eines bestimmten, durch eine Hauptrichtung und einen (vorzugsweise von Null verschiedenen) Öffnungswinkel definierten Umgebungslichtbündels auf den Lichtempfänger lenken.
Da die erfindungsgemäße optische Sensorvorrichtung für ihre Funktion zur Erfassung von gerichtetem Umgebungslicht nur die eine Prismenstruktur benötigt, ist die Herstellung vereinfacht, und es ist eine äußerst kompakte Bauform möglich.
Dementsprechend ist die auf der dem Lichtempfänger zugewandten Fläche der Linsenplatte angeordnete Prismenstruktur in vorteilhafter Weise so gestaltet, dass sie auf das Umgebungslichtbündel die Wirkung einer Sammellinse hat, deren Fokus auf dem Lichtempfänger liegt.
Die Einzelprismen der Prismenstruktur sind vorzugsweise so ausgelegt, dass sie Strahlen des Umgebungslichtbündels, die unter verschiedenen Winkeln in die Linsenplatte eintreten, auf den Lichtempfänger fokussieren. Das bedeutet anders ausgedrückt, dass die Einzelprismen verschiedenen vertikalen Lichteintrittswinkeln zugeordnet sind. Eine solche Gestaltung der Einzelprismen ermöglicht es, den Empfangsbereich der Sensoreinheit definiert auszuweiten, ohne dass eine Aufspaltung in mehrere Lichtbündel produziert wird.
Die Prismenstruktur kann eine lineare Struktur sein, bei der Reihen von Einzelprismen entlang von parallelen Geraden angeordnet sind.
Die Prismenstruktur kann aber auch eine nicht-lineare, vorzugsweise rotatorische Struktur sein, bei der Reihen von Einzelprismen entlang von parallelen Kurven, insbesondere Kreislinien, angeordnet sind. In diesem Fall bestimmen die Radien den horizontalen Öffnungswinkel des Umgebungslichtbündels.
Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung kann die Linsenplatte auf der dem Lichtempfänger zugewandten Fläche auch zwei oder mehr Prismenstrukturen mit mehreren Einzelprismen aufweisen, welche so ausgelegt sind, dass sie die Strahlen wenigstens zweier Umgebungslichtbündel mit verschiedenen Hauptrichtungen auf den Lichtempfänger lenken.
Besonders platzsparend ist eine Ausführungsform, bei der zwei oder mehr Prismenstrukturen wenigstens teilweise ineinander integriert (d. h. einander überlagert) sind.
Zum Schutz des Lichtempfängers vor unerwünschtem Fremdlichteinfluss ist gemäß einer besonders vorteilhaften Ausführungsform der optischen Sensorvorrichtung auf der dem Empfänger zugewandten Fläche um die Prismenstruktur herum eine für Umgebungslicht undurchlässige Lichtsperre angeordnet. Die Lichtsperre kann in unterschiedlicher Weise realisiert sein, beispielsweise als dunkler Aufdruck oder als dunkle Kunststoffschicht.
Ein optimaler Schutz für den Lichtempfänger ergibt sich durch eine Ausgestaltung, bei der der Lichtempfänger, bezogen auf eine den Lichtempfänger schneidende Normale zur ersten Fläche, hinter der Lichtsperre positioniert ist.
In einer vorteilhaften Ausführungsform eines Regen/Licht-Sensors ist neben der erfindungsgemäßen optischen Sensorvorrichtung für Umgebungslicht noch eine optische Regensensorvorrichtung zur Erfassung von Benetzungsereignissen auf der Scheibe vorgesehen, wobei sich die Sensorvorrichtungen eine gemeinsame Linsenplatte teilen, in der alle Prismenstrukturen ausgebildet sind.
Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung und aus den beigefügten Zeichnungen, auf die Bezug genommen wird. In den Zeichnungen zeigen:
1 eine schematische Schnittansicht einer Sensoreinheit einer erfindungsgemäßen optischen Sensorvorrichtung;
2 eine Draufsicht auf eine Prismenstruktur gemäß einer ersten Ausführungsform; und
3 eine Draufsicht auf eine Prismenstruktur gemäß einer zweiten Ausführungsform.
Die in 1 dargestellte Sensoreinheit für einen Umgebungslichtsensor ist für den Einsatz in einem Kraftfahrzeug vorgesehen und an der Windschutzscheibe 10 des Fahrzeugs angebracht. Das optisch aktive Element der Sensoreinheit ist eine Linsenplatte 12. Die Linsenplatte 12 ist mittels eines Kopplers 14 mechanisch und optisch an die Windschutzscheibe 10 gekoppelt, indem das Material des Kopplers 14 formschlüssig und ohne Einschluss von Luftblasen oder dergleichen an einer der Windschutzscheibe 10 zugewandten ersten Fläche 16 der Linsenplatte 12 anliegt. Die erste Fläche 16 ist im Wesentlichen plan und weist keine refraktiven oder diffraktiven Strukturen auf.
Auf einer von der Windschutzscheibe 10 abgewandten zweiten Fläche 18 ist die Linsenplatte 12 mit einer kreisförmigen Fresnel-Prismenstruktur 20 versehen. Ansonsten ist die zweite Fläche 18 der Linsenplatte 12 parallel zur ersten Fläche 16 ausgerichtet und einem Lichtempfänger 22 der Sensoreinheit zugewandt. Die Prismenstruktur 20 weist eine Vielzahl von besonders gestalteten refraktiven Einzelprismen 24 auf, deren wesentliche Eigenschaften später noch erläutert werden.
Eine bezogen auf eine Hauptrichtung A unter einem spitzen Winkel auf die Windschutzscheibe 10 auftreffendes Umgebungslichtbündel 26 wird beim Eintritt in die Windschutzscheibe 10 schräg nach unten gebrochen. Das Lichtbündel 26 wird ohne wesentliche Brechung durch den Koppler 14 aus der Windschutzscheibe 10 aus- und in die Linsenplatte 12 eingekoppelt. Das die Linsenplatte 12 durchquerende Lichtbündel 26 trifft, bezogen auf die zweite Fläche 18 der Linsenplatte 12, schräg auf die Prismenstruktur 20. Die Prismenstruktur 20, genauer gesagt deren Einzelprismen 24 sind so gestaltet, dass sie auf das Lichtbündel 26 die Wirkung einer Sammellinse haben und die Strahlen des Lichtbündels 26 bündeln. Im Fokus der so gebildeten Sammellinse befindet sich der Lichtempfänger 22.
Eine weitere Besonderheit der Prismenstruktur 20 liegt darin, dass der Empfangsbereich der Sensoreinheit nicht auf ein eng begrenztes paralleles Lichtbündel, das unter einem bestimmten Winkel auf die Windschutzscheibe 10 trifft, beschränkt ist. Die Prismenstruktur 20 ist vielmehr so ausgelegt, dass der Empfangsbereich auf ein bezüglich der Hauptrichtung A konvergierendes Lichtbündel ausgeweitet ist. Wie aus 1 ersichtlich, lenken die besonders gestalteten Einzelprismen 24 der Prismenstruktur 20 die Strahlen eines vorbestimmten, durch die Hauptrichtung A und einen Öffnungswinkel definierten Umgebungslichtbündels 26 auf den Lichtempfänger 22, d. h. die Einzelprismen 24 fokussieren Strahlen des Lichtbündels 26, die unter verschiedenen Winkeln in die Linsenplatte 12 eintreten, auf den Lichtempfänger 22.
Um die beiden vorgenannten Funktionen (Sammellinse und Empfangsbereichausweitung) zu erfüllen, weisen die Einzelprismen 24 der Prismenstruktur 20 geeignet geneigte Flächen zur Brechung bzw. Reflexion der Strahlen des Lichtbündels 26 auf.
2 zeigt eine erste Ausführungsform der Prismenstruktur 20, bei der Reihen 28 von Einzelprismen 24 entlang von parallelen Geraden angeordnet sind. Eine solche Struktur kann als lineare Prismenstruktur bezeichnet werden.
3 zeigt eine zweite Ausführungsform der Prismenstruktur 20, bei der Reihen 28' von Einzelprismen 24 entlang von parallelen Kurven angeordnet sind, insbesondere entlang von konzentrischen Kreislinien, wobei die Radien den horizontalen Öffnungswinkel des detektierbaren Umgebungslichtbündels 26 bestimmen. Eine solche Struktur kann als rotatorische Prismenstruktur bezeichnet werden.
Die Linsenplatte 12 der optischen Sensorvorrichtung kann auf der zweiten Fläche 18 auch zwei Prismenstrukturen 20 aufweisen, z. B. eine lineare und eine rotatorische. Die Einzelprismen 24 der beiden Prismenstrukturen 20 sind dann so ausgelegt, dass sie die Strahlen zweier Umgebungslichtbündel 26 mit verschiedenen Hauptrichtungen A auf den Lichtempfänger 22 lenken. Die zwei Prismenstrukturen 20 können auch ineinander integriert (überlagert) sein.
Um die Prismenstruktur 20 herum ist auf der zweiten Fläche 18 der Linsenplatte 12 eine für Umgebungslicht undurchlässige Lichtsperre 30 angeordnet. In dem in 1 dargestellten Ausführungsbeispiel ist die gesamte zweite Fläche 18 mit Ausnahme der Prismenstruktur 20 mit der Lichtsperre 30 belegt.
Die Lichtsperre 30 schützt den Lichtempfänger 22 vor unerwünschtem Fremdlichteinfall. Hierzu ist der Lichtempfänger 22, bezogen auf eine den Lichtempfänger 22 schneidende Normale N zur zweiten Fläche 18, vorteilhaft hinter der Lichtsperre 30 positioniert.
Die Herstellung der Linsenplatte 12 mit der Prismenstruktur 20 kann in herkömmlicher Spritzgusstechnik erfolgen. Alternativ kommt eine Prägetechnik zum Einsatz. Die Lichtsperre 30 kann insbesondere ein Schwarzdruck oder ein dunkler Kunststoff sein, der nachträglich auf die Linsenplatte 12 aufgebracht (z. B. durch Überspritzen) oder in einem Mehrkomponenten- bzw. Mehrfarbspritzgussverfahren zusammen mit der Linsenplatte 12 hergestellt wird.
In der Praxis werden kombinierte Regen/Licht-Sensoren benötigt. Ein Regensensor enthält eine Anzahl von Sensoreinheiten, die ebenso wie die Sensoreinheit des beschriebenen Umgebungslichtsensors aktive optische Strukturen erfordern. Der besondere Aufbau des Umgebungslichtsensors erlaubt es, dass sich die Sensoreinheiten des Umgebungslichtsensors und des Regensensors eine gemeinsame Linsenplatte 12 teilen können, sodass sich ein minimaler Bauraum ergibt. Bei Bedarf können außerdem weitere Sensoreinheiten vorgesehen sein, die Licht aus verschiedenen Richtungen empfangen und/oder unterschiedliche Empfangscharakteristiken aufweisen.
Bezugszeichenliste

10: Windschutzscheibe
12: Linsenplatte
14: Koppler
16: erste Fläche der Linsenplatte
18: zweite Fläche der Linsenplatte
20: Prismenstruktur
22: Lichtempfänger
24: Einzelprismen
26: Lichtbündel
28, 28': Reihen von Einzelprismen
30: Lichtsperre

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

EP 1068112 B1 [0002]
WO 03/026937 A1 [0003]
DE 19608648 C1 [0004]
DE 202006005665 U1 [0006]
DE 202007036492 A1 [0007]

Claims

Optische Sensorvorrichtung zur Detektion von Umgebungslicht, die an eine Scheibe (10) ankoppelbar ist, insbesondere an eine Windschutzscheibe eines Fahrzeugs, mit einer Sensoreinheit, die wenigstens einen Lichtempfänger (22) für Umgebungslicht und eine Linsenplatte (12) zur gerichteten Auskopplung eines Umgebungslichtbündels (26) aus der Scheibe (10) auf den Lichtempfänger (22) aufweist, wobei die Linsenplatte (12) eine dem Lichtempfänger (22) zugewandte Fläche (18) hat, die im angekoppelten Zustand der optischen Sensorvorrichtung im Wesentlichen parallel zur Scheibe (10) orientiert ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Fläche (18) eine Prismenstruktur (20) mit mehreren Einzelprismen (24) aufweist, welche so ausgelegt sind, dass sie die Strahlen eines bestimmten, durch eine Hauptrichtung (A) und einen Öffnungswinkel definierten Umgebungslichtbündels (26) auf den Lichtempfänger (22) lenken.
Optische Sensorvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die auf der Fläche (18) angeordnete Prismenstruktur (20) so gestaltet ist, dass sie auf das Umgebungslichtbündel (26) die Wirkung einer Sammellinse hat, deren Fokus auf dem Lichtempfänger (22) liegt.
Optische Sensorvorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Einzelprismen (24) der Prismenstruktur (20) so ausgelegt sind, dass sie Strahlen des Umgebungslichtbündels (26), die unter verschiedenen Winkeln in die Linsenplatte (12) eintreten, auf den Lichtempfänger (22) fokussieren.
Optische Sensorvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Strahlen des Umgebungslichtbündels (26), bezogen auf die zweite Fläche (18) der Linsenplatte (12), schräg auf die Prismenstruktur (20) treffen.
Optische Sensorvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Prismenstruktur (20) eine lineare Struktur ist.
Optische Sensorvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Prismenstruktur (20) eine nicht-lineare, vorzugsweise rotatorische Struktur ist.
Optische Sensorvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Linsenplatte (12) auf der Fläche (18) zwei Prismenstrukturen (20) mit mehreren Einzelprismen (24) aufweist, welche so ausgelegt sind, dass sie die Strahlen zweier Umgebungslichtbündel (26) mit verschiedenen Hauptrichtungen (A) auf den Lichtempfänger (22) lenken.
Optische Sensorvorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die zwei Prismenstrukturen (20) wenigstens teilweise ineinander integriert sind.
Optische Sensorvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass auf der Fläche (18) um die Prismenstruktur (20) herum eine für Umgebungslicht undurchlässige Lichtsperre (30) angeordnet ist.
Optische Sensorvorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Lichtempfänger (22), bezogen auf eine den Lichtempfänger (22) schneidende Normale (N) zur Fläche (18), hinter der Lichtsperre (30) positioniert ist.
Optische Sensorvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Linsenplatte (12) durch einen formschlüssig an die Prismenstruktur (20) anliegenden Koppler (14) an die Scheibe (10) gekoppelt ist.
Optische Sensorvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass sie eine Anzahl von Sensoreinheiten aufweist, die eine gemeinsame Linsenplatte (12) haben.
Regen/Licht-Sensor, gekennzeichnet durch eine optische Sensorvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, kombiniert mit einer optischen Regensensorvorrichtung, wobei die Sensorvorrichtungen eine gemeinsame Linsenplatte (12) haben.