DE102011112212A1

DE102011112212A1 - Vorrichtung und Verfahren zur Feuchtigkeitserfassung auf einer Scheibe

Info

Publication number: DE102011112212A1
Application number: DE102011112212A
Authority: DE
Inventors: Dieter Krökel
Original assignee: Conti Temic Microelectronic GmbH
Current assignee: Conti Temic Microelectronic GmbH
Priority date: 2011-09-02
Filing date: 2011-09-02
Publication date: 2013-03-07

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren zum Erfassen von Feuchtigkeit (10) auf einer Scheibe (4), insbesondere auf der Windschutzscheibe (4) eines Fahrzeugs, mittels zumindest einer Lichtquelle (1), einem Erfassungsmittel (2) und einem Polarisator (3).

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Erfassung von Feuchtigkeit an/auf einer Scheibe, insbesondere von Regen an einer Fahrzeugscheibe.
Fahrerassistenzsysteme in Fahrzeugen verwenden häufig eine Kamera zur Erfassung der Fahrzeugumgebung, beispielsweise zur Erkennung verschiedenster Objekte im Umfeld des Fahrzeugs. Die Kamera ist dabei in der Regel hinter der Windschutzscheibe des Fahrzeugs angeordnet und blickt in Fahrtrichtung durch die Scheibe hindurch. Bekannt sind beispielsweise Fahrzeugkameras zur Erkennung der Fahrbahnmarkierungen, Nachtsichtkameras oder Stereokameras als optische Abstandssensoren. Neben dem Einbauraum eines solchen Kamerasystems befinden sich typischerweise weitere Sensoren zur Erkennung von Ablagerungen auf der Fahrzeugscheibe, beispielsweise Verschmutzungen, Feuchtigkeit, Regen oder Schnee, und/oder Sensoren zur Erkennung der vorherrschenden Lichtverhältnisse.
Aus der DE 103 55 205 A1 ist beispielsweise eine Vorrichtung bekannt, zur Befestigung eines Kameramoduls in einem Fahrzeug hinter einer Windschutzscheibe, wobei in einem ersten Einbauraum hinter der Windschutzscheibe ein Kameramodul angeordnet ist, zur Erfassung von Bildern aus dem Vorausbereich des Fahrzeugs. Unterhalb des Einbauraums für das Kameramodul ist ein zweiter Einbauraum für einen Regensensor vorgesehen, dessen Sensorfläche ebenfalls der Windschutzscheibe zugewandt ist.
Nachteilig bei der in der DE 103 55 205 A1 beschriebenen Vorrichtung sowie bei anderen bekannten Vorrichtungen, bei denen mehrere Sensoren, insbesondere Kameramodule und Regensensoren, hinter einer Windschutzscheibe eines Fahrzeugs angeordnet sind, ist ein erhöhter Bedarf an begrenztem Einbauraum, da für jedes Kameramodul und für jede Sensoreinheit ein eigener Sichtbereich durch die Windschutzscheibe benötigt wird.
Es gibt daher bereits Ansätze mehrere Sensorfunktionen auf ein einzelnes Kameramodul zu vereinen, beispielsweise mittels bifokaler bzw. multifokaler Kameramodule, d. h. Kameras die gleichzeitig einen Fernbereich und einen Nahbereich auf einem einzelnen Bildaufnahmeelement erfassen können.
Ein solches System ist aus der EP 1 923 280 A1 bekannt. Durch ein zusätzliches optisches Element mit einer positiven Linse (konvexe Linse) wird ein bestehendes Abbildungssystem, welches auf einen optischen Fernbereich fokussiert ist, in die Lage gebracht, zusätzlich eine scharfe Abbildung von Objekten aus einem optischen Nahbereich auf ein Bildaufnahmeelement zu projizieren, in diesem Fall Regentropfen auf einer Windschutzscheibe. Wenn sich keine Regentropfen auf der Windschutzscheibe befinden, ist das auf das Bildaufnahmeelement projizierte Bild ausschließlich vom optischen Fernbereich dominiert. Wenn sich Tropfen auf der Windschutzscheibe befinden, wird die Abbildung des Fernbereichs durch die Abbildung des Nahbereichs in der gleichen Bildebene überlagert und das erzeugte Bildsignal wird verändert.
Nachteilig bei dem in der EP 1 923 280 A1 beschriebenen multifokalen Abbildungssystem ist die Tatsache, dass Strahlung sowohl aus einem optischen Nahbereich als auch aus einem optischen Fernbereich gleichzeitig auf einem gemeinsamen Bereich des Bildaufnahmeelements auftrifft und dort zu einem zusammengesetzten Bildsignal führt. Dadurch wird für beide Fahrerassistenzfunktionen, d. h. für die Fernbereichsüberwachung und die Nahbereichsüberwachung, die Abbildungsqualität, durch die sich überlagernde Strahlung aus beiden Überwachungsbereichen, herabgesetzt.
Die DE 10 2008 062 977 A1 zeigt daher eine Lösung mit ebenfalls einem multifokalen Abbildungssystem, wobei jedoch im Gegensatz zur EP 1 923 280 A1 , mittels eines hierfür speziell ausgebildeten optischen Elements, welches im Abbildungssystem zwischen Objektiv und Bildaufnahmeelement angeordnet ist, elektromagnetische Strahlung aus einem Fernbereich vor dem Fahrzeug und elektromagnetische Strahlung aus einem Bereich der Fahrzeugscheibe auf verschiedenen Bereichen des Bildaufnahmeelements fokussiert abgebildet werden.
Nachteilig bei dem in der DE 10 2008 062 977 A1 beschrieben System ist jedoch, dass insbesondere bei Nacht, das von der Fahrzeugumgebung zurückgestreute Licht des Fahrzeugscheinwerfers nicht ausreicht, um beispielsweise Feuchtigkeit auf der Fahrzeugscheibe ausreichend auszuleuchten und sicher mit der Kamera zu erkennen.
In der US 7,259,367 B2 wird daher eine Beleuchtung der Fahrzeugscheibe durch eine, neben der Kamera angeordnete, Lichtquelle vorgeschlagen. In der Regel reicht jedoch, aufgrund der Großflächigkeit der vorgeschlagenen Beleuchtung, der Anteil des, insbesondere durch Regentropfen, reflektierten Lichts nicht aus, um eine sichere und zuverlässige Erkennung von Regen bzw. Obstruktionen (Ablagerungen) auf der Fahrzeugscheibe zu erreichen.
Der Erfindung liegt demnach die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung anzugeben, mittels derer auch bei schwachen Lichtverhältnissen, beispielsweise bei Nacht, eine sichere und zuverlässige Erkennung von Feuchtigkeit, z. B. Regentropfen, auf einer Scheibe möglich ist und welche die Probleme und Nachteile, der aus dem Stand der Technik bekannten Systeme, löst.
Diese Aufgabe wird durch eine Vorrichtung mit den Merkmalen nach Anspruch 1 und durch Verfahren mit den Merkmalen nach den Ansprüchen 14 und 15 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen sind Gegenstand von Unteransprüchen, wobei auch Kombinationen und Weiterbildungen einzelner Merkmale miteinander denkbar sind.
Ein wesentlicher Gedanke der Erfindung besteht darin, die Scheibe, auf welcher Feuchtigkeit erfasst werden soll, mittels zumindest einer Lichtquelle zu beleuchten und das von Feuchtigkeit auf der Scheibe (insbesondere von Regen) reflektierte Licht mittels eines Erfassungsmittels (z. B. einer Kamera) zu erfassen. Das von der Lichtquelle erzeugte und auf die Scheibe ausgesandte Licht wird dabei erfindungsgemäß unter einem definierten Einfallswinkel auf die Scheibe gestrahlt, dem sogenannten Brewster-Winkel, der sich nach dem Brewster-Gesetz berechnet.
Hierdurch wird erreicht, dass für den Fall, wenn sich keine Ablagerungen auf der Scheibe befinden (insbesondere keine Feuchtigkeit), ausschließlich vollständig polarisierte elektromagnetische Strahlung an den Grenzflächen zwischen der Scheibe und der Luft, welche die Scheibe auf beiden Seiten umgibt, reflektiert wird. Bei der, an den Grenzflächen (Luft-Scheibe, Scheibe-Luft) reflektierten elektromagnetischen Strahlung, handelt es sich dabei insbesondere um vollständig linear polarisierte Strahlung, deren Vektor des elektrischen Feldes senkrecht zur Einfallsebene der elektromagnetischen Strahlung zur Scheibe liegt. Unter der Einfallsebene ist dabei diejenige Ebene zu verstehen, die zwischen dem Einfallswinkel der elektromagnetischen Strahlung und der Normalen zur Scheibe (Senkrechte auf der Grenzfläche am Einfallspunkt der elektromagnetischen Strahlung) aufgespannt wird.
Erfindungsgemäß wird entweder zwischen der Lichtquelle und der Scheibe oder zwischen der Scheibe und dem Erfassungsmittel wenigstens ein Polarisator angeordnet, bevorzugt derart, dass der Polarisator entweder die von der Lichtquelle ausgesandte Strahlung polarisiert, bevor diese auf die Scheibe trifft, oder dass er die an den Grenzflächen der Scheibe reflektierte Strahlung polarisiert, bevor diese vom Erfassungsmittel erfasst wird.
In beiden Fällen ist der Polarisator vorzugsweise derart ausgebildet, dass er die elektromagnetische Strahlung linear polarisiert, insbesondere derart, dass deren Vektor des elektrischen Feldes in der Einfallsebene der elektromagnetischen Strahlung zur Scheibe liegt.
Für den Fall, dass der Polarisator zwischen der Lichtquelle und der Scheibe angeordnet ist, wird somit nur für den Fall elektromagentische Strahlung an einer Grenzfläche der Scheibe reflektiert und infolge durch das Erfassungsmittel erfasst, wenn sich an der betreffenden Grenzfläche Ablagerungen, insbesondere Feuchtigkeit, befinden. Für den Fall, dass sich keine Feuchtigkeit an den Grenzflächen befindet, ist die Bedingung des Brewster-Gesetzes erfüllt und die mittels des Polarisators polarisierte elektromagnetische Strahlung wird an den Grenzflächen vollständig gebrochen.
Für den Fall, dass der Polarisator zwischen der Scheibe und dem Erfassungsmittel angeordnet ist, wird ebenfalls nur dann an einer Grenzfläche der Scheibe reflektierte elektromagnetische Strahlung mittels des Erfassungsmittels erfasst, wenn sich an der Grenzfläche Feuchtigkeit befindet. Wenn sich keine Feuchtigkeit an den Grenzflächen der Scheibe befindet, wird an beiden Grenzflächen gemäß Brewster-Gesetz ausschließlich vollständig linear polarisierte elektromagnetische Strahlung reflektiert deren Vektor des elektrischen Feld derart ausgerichtet ist, dass die elektromagnetische Strahlung vom Polarisator vollständig absorbiert wird. Insbesondere nur für den Fall, dass sich Feuchtigkeit auf einer der Grenzflächen der Scheibe befindet, hat die reflektierte elektromagnetische Strahlung bzw. hat deren Vektor des elektrischen Feldes eine Komponente in der Einfallsebene, so dass infolge elektromagnetische Strahlung deren Vektor des elektrischen Feldes in der Einfallsebene liegt vom Polarisator durchgelassen werden kann.
Bei beiden Ausgestaltungen wird somit mittels des Erfassungsmittels nur für den Fall die von der Lichtquelle ausgesandte und an einer Grenzfläche der Scheibe reflektierte elektromagnetische Strahlung erfasst, wenn sich Ablagerungen, insbesondere Feuchtigkeit (z. B. Regen), auf der Scheibe befinden und das Brewster-Gesetzt an den Grenzflächen infolge nichtmehr erfüllt ist. Wird von der Lichtquelle beispielsweise elektromagnetische Strahlung mit einer bestimmten Wellenlänge ausgestrahlt, z. B. im Infrarotbereich, kann auf einfache Weise auf das Vorhandensein von Feuchtigkeit auf der Scheibe geschlossen werden, z. B. sobald mittels des Erfassungsmittels Infrarotstrahlung erfasst wird. Eine weitere Möglichkeit wäre es, sofern mittels des Erfassungsmittel auch bei nicht vorhandener Feuchtigkeit elektromagnetische Strahlung, z. B. Sonnenlicht, aus der Umgebung erfasst wird, aus einer Signalerhöhung, die sich aufgrund der an der Grenzfläche reflektierten elektromagnetischen Strahlung ergibt, auf das Vorhandensein von Regen auf der Scheibe zu schließen. Besonders vorteilhaft an der erfindungsgemäß vorgeschlagenen Vorrichtung, zur Erkennung von Feuchtigkeit auf einer Scheibe, ist somit die Tatsache, dass mittels Vorrichtung ein sehr gutes Signal- zu Rauschverhältnis erreicht wird, insbesondere dadurch, dass mittels des Erfassungsmittels bevorzugt nur im Falle von vorhandender Feuchtigkeit auf der Scheibe überhaupt Anteile der von der Lichtquelle ausgesandten und an einer Grenzfläche. der Scheibe reflektierten elektromagnetischen Strahlung erfasst werden.
Hierdurch ist selbst bei geringem Anteil an reflektiertem Licht eine zuverlässige Erkennung von Feuchtigkeit möglich. Mittels der erfindungsgemäßen Vorrichtung kann somit Feuchtigkeit auf der Scheibe insbesondere bei Nacht besonders effizient erkannt werden.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung dient zur Erfassung von Feuchtigkeit an einer Scheibe, insbesondere an der Scheibe eines Fahrzeugs. Unter Feuchtigkeit sind im Rahmen der Erfindung insbesondere feuchte Ablagerungen auf der Scheibe wie Regen bzw. Regentropfen, Schnee und/oder Eis zu verstehen, wobei im Folgenden nur noch allgemein der Begriff Feuchtigkeit verwendet wird.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung umfasst wenigstens eine Lichtquelle, ein Erfassungsmittel und einen Polarisator.
Die Lichtquelle dient dabei zum Erzeugen und Aussenden von elektromagnetischer Strahlung in Richtung zumindest eines Teilbereichs der Scheibe, insbesondere auf einen Bereich der Scheibe, auf welchem Feuchtigkeit erfasst werden sollen.
Als Erfassungsmittel kann grundsätzlich jede bekannte Sensoreinrichtung verwendet werden, die in der Lage ist elektromagnetische Strahlung zu erfassen, insbesondere im Wellenlängenbereich von ultravioletter Strahlung über sichtbares Licht bis Infrarotstrahlung. In einer bevorzugten Ausgestaltung wird eine Kamera als Erfassungsmittel verwendet, z. B. mit einem für elektromagnetische Strahlung sensitiven Bildaufnahmeelement. Das Erfassungsmittel dient erfindungsgemäß zum Erfassen der von der Lichtquelle ausgesandten elektromagnetischen Strahlung, die an einer Grenzfläche der Scheibe reflektiert wird. Unter Grenzflächen sind dabei insbesondere die Außen- und die Innenseite einer Scheibe bzw. beiden Grenzflächen zwischen der Scheibe und der die Scheibe umgebenden Luft zu verstehen, auf denen mittels der erfindungsgemäßen Vorrichtung Feuchtigkeit erfasst werden soll.
Der wenigstens eine Polarisator der erfindungsgemäßen Vorrichtung dient bevorzugt zur Polarisation von elektromagnetischer Strahlung, insbesondere derjenigen elektromagnetischen Strahlung, die von der Lichtquelle ausgesandt und/oder die an einer Grenzfläche der Scheibe reflektiert wird.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung ist weiterhin derart ausgebildet, dass ein Einfallswinkel θ, der von der Lichtquelle ausgesandten elektromagnetischen Strahlung auf die Scheibe bzw. auf deren Grenzflächen, zumindest annähernd dem Brewster-Winkel θ_B entspricht.
Der Brewster-Winkel θ_B ist auch als Polarisationswinkel bekannt und wird vorzugsweise nach dem Brewster-Gesetz bzw. nach der folgenden Gleichung (G1.1) bestimmt: tanθ_B= n₁ / n₂ (G1.1) mit

θ_B:: Brewster-Winkel (Polarisationswinkel)
n₁:: Brechzahl Medium 1
n₂:: Brechzahl Medium 2

Unter einem Einfallswinkel, der annähernd dem Brewster-Winkel entspricht, ist auch eine solche Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Vorrichtung eingeschlossen, bei welcher der Einfallswinkel eine geringe Abweichung gegenüber dem Brewster-Winkel aufweist, z. B. eine Abweichung im Bereich von +/–1°, derart, dass die Brewster-Bedingung noch im Wesentlichen erfüllt ist. Eine geringe Abweichung zwischen tatsächlichem Einfallswinkel und Brewster-Winkel kann beispielsweise aufgrund einer Anpassung bzw. Ausrichtung der erfindungsgemäßen Vorrichtung an bestimmte Betriebsbedingungen des jeweiligen Umfeldes, in dem die Vorrichtung eingesetzt werden soll, erforderlich sein, beispielsweise eine Anpassung an Betriebsbedingungen in einem Fahrzeug, z. B. begrenzter Einbauraum und speziellen Eigenschaften der Windschutzscheibe. Für den Fall, dass die erfindungsgemäße Vorrichtung zur Erfassung von Feuchtigkeit an der Windschutzscheibe eines Fahrzeugs dient, insbesondere an einem Teilbereich der Außenseite der Windschutzscheibe, sind die Lichtquelle und das Erfassungsmittel bevorzugt im Innenraum des Fahrzeug mit Strahlungs- bzw. Erfassungsrichtung in Richtung des Teilereichs der Scheibe ausgerichtet, an welchem Feuchtigkeit erkannt werden soll.
Erfindungsgemäß kann der wenigstens eine Polarisator zwischen der Lichtquelle und der Scheibe und/oder zwischen der Scheibe und dem Erfassungsmittel angeordnet sein.
Der Polarisator ist dabei vorzugsweise derart ausgebildet, dass dieser elektromagnetische Strahlung linear polarisiert, insbesondere derart, dass er (bei Anordnung zwischen Lichtquelle und Scheibe) die von der Lichtquelle ausgesandte elektromagnetische Strahlung oder (bei Anordnung zwischen Scheibe und Erfassungsmittel) die von einer Grenzfläche der Scheibe reflektierte elektromagnetische Strahlung linear polarisiert, so dass der Vektor des elektrischen Feldes der elektromagnetischen Strahlung in der Einfallsebene zur Scheibe liegt.
In einer vorteilhaften Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Vorrichtung handelt es sich bei dem wenigstens einen Polarisator um einen dichromatischen Kristall oder dichroitischen Kristall.
In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Vorrichtung handelt es sich bei dem wenigstens einen Polarisator um eine polarisierende Folie.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung ist bevorzugt derart ausgebildet, dass der Einfallswinkel der von der Lichtquelle ausgesandten elektromagnetischen Strahlung auf die Scheibe bzw. auf die erste Grenzfläche (Luft-Scheibe) zwischen 50° und 60° liegt.
Bevorzugt beträgt der Einfallswinkel annähernd 57,17°, wobei sich dieser Wert mit
n_1(Luft) = 1: Brechzahl Luft
n_2(Glas) = 1,55: Brechzahl Glas
gemäß (Brewster-Gesetz) θ_B,Luft-Glas = arctan( n₂ / n₁) = arctan( 1,55 / 1,0) = 57,17 berechnet.
Bei dem Erfassungsmittel der erfindungsgemäßen Vorrichtung handelt es sich vorzugsweise um eine Kamera. Dient die erfindungsgemäße Vorrichtung zur Erfassung von Feuchtigkeit auf der Windschutzscheibe eines Fahrzeugs, dann handelt es sich bei dem Erfassungsmittel bevorzugt um eine Fahrzeugkamera, die im Innenraum des Fahrzeugs hinter der Windschutzscheibe angeordnet ist, mit Blickrichtung in Fahrtrichtung durch die Windschutzscheibe hindurch und zur Erfassung der vorausliegenden Fahrzeugumgebung, beispielsweise für eines oder mehrere Fahrerassistenzsysteme. Für die erfindungsgemäße Vorrichtung kann somit in einer vorteilhaften Ausgestaltung eine Kamera verwendet werden, die ohnehin im Fahrzeug für eine oder mehrere Fahrerassistenzfunktionen bzw. -systeme angeordnet ist, beispielsweise für eine Objekterkennung, Abstandsregelung, Verkehrszeichenerkennung oder Fahrspurerkennung. In diesem Fall muss kein zusätzliches Erfassungsmittel für den Einsatz der erfindungsgemäßen Vorrichtung in einem Fahrzeug angeordnet werden. Die Kamera kann in dem Fall beispielsweise derart ausgerichtet sein und/oder es können optische Elemente (z. B. Umlenkspiegel) angeordnet sein, dass die Kamera neben einem Vorausbereich gleichzeitig einen Teilbereich der Windschutzscheibe erfassen kann bzw. insbesondere die Grenzfläche der Windschutzscheibe, an der die von der Lichtquelle ausgesandte elektromagnetische Strahlung reflektiert wird.
Bei der wenigstens einen Lichtquelle der erfindunsgemäßen Vorrichtung handelt es sich in einer bevorzugten Ausgestaltung um zumindest eine LED (light-emitting diode) oder beispielsweise eine O-LED (organic led).
Bei der von der Lichtquelle erzeugten und ausgesandten elektromagnetischen Strahlung kann sich um elektromagnetische Strahlung im sichtbaren Wellenlängenbereich (sichtbares Licht) und/oder um elektromagnetische Strahlung im Infrarot- oder Ultraviolettbereich handeln. Handelt es sich bei der elektromagnetischen Strahlung um Infrarotlicht, wird in vorteilhafter Weise eine Beleuchtung der Scheibe erreicht, die für das menschliche Auge und damit für einen Fahrzeugführer des Fahrzeugs nicht sichtbar ist, wodurch die Wahrnehmung des Fahrzeugführers durch die erfindungsgemäße Vorrichtung nicht negativ beeinflusst wird.
In einer besonderen Ausführungsvariante der erfindungsgemäßen Vorrichtung dient die Vorrichtung zur Regenerkennung, insbesondere für eines oder mehrere Assistenzsysteme in einem Fahrzeug. Die Vorrichtung kann beispielsweise derart ausgestaltet sein, dass Informationen über erfasste Feuchtigkeit auf der Scheibe des Fahrzeugs an andere Einrichtungen weitergegeben werden kann, z. B. an Steuergeräte von Systemen wie ESP, ABS oder Bremsassistenten, so dass diese Systeme ihre Steuerungsparameter entsprechend anpassen können, beispielsweise an einen möglicherweise feuchten Fahrbahnbelag. Weiterhin kann die erfindungsgemäße Vorrichtung die Informationen an Systeme zur Steuerung von Scheibenwischern und/oder an Steuergeräte zum automatischen Schließen eines Fahrzeugdachs und/oder von Fahrzeugscheiben weitergeben.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung dient insbesondere zur Erfassung von feuchten Ablagerungen z. B. von Regen bei Nacht, da das von der Fahrzeugumgebung zurückgestreute Licht des Fahrzeugscheinwerfers bei Nacht in der Regel allein nicht ausreicht, um Feuchtigkeit auf der Fahrzeugscheibe ausreichend auszuleuchten und sicher zu erkennen.
Gemäß eines erfindungsgemäßen Verfahrens zur Erfassung von Feuchtigkeit auf einer Scheibe, bei welchem eine Vorrichtung nach einer der vorangehend beschriebenen Ausgestaltungsmöglichkeiten zum Einsatz kommt, wird Feuchtigkeit auf der Scheibe dann erkannt (d. h. es wird dann darauf geschlossen, dass z. B. Regen auf der Scheibe vorhanden ist) wenn elektromagnetische Strahlung mittels des Erfassungsmittels erfasst wird, die von der Lichtquelle ausgesandt und an einer Grenzfläche der Scheibe reflektiert wird. In diesem Fall ist Vorrichtung bevorzugt derart ausgestaltet, dass für den Fall, dass keine Feuchtigkeit auf der Scheibe vorhanden ist, keine elektromagnetische Strahlung mittels des Erfassungsmittels erfasst wird. Hierzu kann beispielsweise eine Lichtquelle eingesetzt werden, die elektromagnetische Strahlung in einem bestimmten Wellenlängenbereich aussendet, wobei das Erfassungsmittel in dem Fall bevorzugt mit einem analogen Wellenlängenfilter ausgebildet ist, so dass andere elektromagnetische Strahlung, z. B. sonstiges Umgebungslicht, absorbiert wird.
Da in der Regel mittels des Erfassungsmittel zu jedem Zeitpunkt elektromagnetische Strahlung erfasst wird, beispielsweise Sonnenlicht oder Scheinwerferlicht von anderen Fahrzeugen, kann das erfindungsgemäße Verfahren derart ausgebildet sein, dass Feuchtigkeit auf der Scheibe dann erkannt wird, wenn mittels des Erfassungsmittel eine Erhöhung der Intensität, der mittels des Erfassungsmittels erfassten elektromagnetischen Strahlung, erfasst wird. Aus der Erhöhung der Intensität (Signalerhöhung) der erfassten elektromagnetischen Strahlung, insbesondere aus dem betreffenden Teilbereich der Scheibe, in dem Feuchtigkeit erfasst werden soll, kann beispielsweise direkt auf das Vorhandensein von Feuchtigkeit auf der Scheibe geschlossen werden.
Weitere Vorteile sowie optionale Ausgestaltungen gehen aus der Beschreibung und den Zeichnungen hervor. Ausführungsbeispiele sind in den Zeichnungen vereinfacht dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert.
Es zeigen
1a und 1b: ein Beispiel für eine Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Vorrichtung sowie deren Detektionsprinzip für den Fall, dass der Polarisator zwischen Scheibe und Erfassungsmittel angeordnet ist.
1a und 1b: ein Beispiel für eine Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Vorrichtung sowie deren Detektionsprinzip für den Fall, dass der Polarisator zwischen Lichtquelle und Scheibe angeordnet ist.
Die 1a und b zeigen in vereinfachter Darstellung eine bevorzugte Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Vorrichtung sowie deren Detektionsprinzip. In diesem Fall dient die Vorrichtung zur Erfassung von Feuchtigkeit 10, insbesondere von Regen, auf der Windschutzscheibe 4 eines Fahrzeugs. Die Vorrichtung umfasst eine Lichtquelle 1 und ein Erfassungsmittel 2, die im Innenraum des Fahrzeugs hinter der Windschutzscheibe 4 angeordnet sind.
Gemäß den 1a und 1b wird mittels der Lichtquelle 1 unpolarisierte elektromagnetische Strahlung 6 in Richtung der Windschutzscheibe 4 ausgesendet, insbesondere in Richtung zumindest eines Teilbereichs der Windschutzscheibe, in dem Feuchtigkeit 10 erfasst werden soll. Die Lichtquelle 1 ist dabei derart angeordnet, dass der Einfallswinkel θ der unpolarisierten elektromagnetischen Strahlung 6 zur Normalen 9 der ersten Grenzfläche 5.1 der Windschutzscheibe 4, d. h. der Grenzfläche zwischen Luft und Scheibe 4, dem Brewster-Winkel θ_B entspricht. Gemäß Brewster-Gesetz wird infolge vollständig polarisierte elektromagnetische Strahlung 7, deren Vektor des elektrischen Feldes senkrecht zur Einfallsebene liegt, an der ersten Grenzfläche 5.1 reflektiert und unpolarisierte bzw. teilweise polarisierte elektromagnetische Strahlung 6 in die Scheibe 4 gebrochen. An der zweiten Grenzfläche 5.2 der Windschutzscheibe 4, d. h. an der Grenzfläche 5.2 zwischen Scheibe 4 und Luft, ist die Brewster-Bedingung erneut erfüllt, so dass wiederum vollständig polarisierte elektromagnetische Strahlung 7, deren Vektor des elektrischen Feldes senkrecht zur Einfallsebene liegt, an der Grenzfläche 5.2 reflektiert und unpolarisierte bzw. teilweise polarisierte elektromagnetische Strahlung 6 an der Grenzfläche 5.2 gebrochen wird. Bei dem Erfassungsmittel 2 handelt es sich in diesem Fall um eine Kamera 2. Die Kamera 2 ist dabei derart im Innenraum des Fahrzeugs angeordnet, dass die von der Lichtquelle 1 ausgesandte und an der Grenzfläche 5.2 reflektierte elektromagnetische Strahlung 7 von der Kamera 2 erfasst werden kann. Vor der Kamera 2 ist ein Polarisator 3 angeordnet, welcher derart ausgebildet ist, dass er elektromagnetische Strahlung linear polarisiert, wobei es sich vorzugsweise um die elektromagnetische Strahlung 6; 7 handelt, die von der Lichtquelle ausgesandt und an einer Grenzfläche 5.1; 5.2 der Scheibe 4 reflektiert wird, und wobei die elektromagnetische Strahlung 6; 7 insbesondere derart polarisiert wird, dass deren Vektor des elektrischen Felds in der Einfallsebene zur Scheibe 4 liegt.
Gemäß 1a wird für den Fall, dass sich keine Feuchtigkeit 10 auf der Scheibe 4 befindet ausschließlich vollständig linear polarisierte Strahlung 7 an den Grenzflächen 5.1; 5.2 der Scheibe 4 reflektiert, deren Vektor des elektrischen Feldes derart ausgerichtet ist, dass sie vom Polarisator 3 absorbiert wird, so dass mittels der Kamera 2 keine reflektierte elektromagnetische Strahlung 6, 7 erfasst wird. Für den Fall, dass sich gemäß 1b Feuchtigkeit 10 auf der Scheibe 4 befindet, wird im Gegensatz zur Situation aus 1a reflektierte elektromagnetische Strahlung 6 mittels der Kamera 2 erfasst, da in diesem Fall an der zweiten Grenzfläche 5.2 die Brewster-Bedingung aufgrund der Feuchtigkeit 10 nicht länger erfüllt ist und somit unpolarisierte elektromagnetische Strahlung 6 an der Grenzfläche 5.2 reflektiert wird. Die an der zweiten Grenzfläche 5.2 reflektierte unpolarisierte elektromagnetische Strahlung 6 wird teilweise vom Polarisator 3 durchgelassen, da deren Vektor des elektrischen Feldes, im Gegensatz zu der an der ersten Grenzfläche 5.1 reflektierten polarisierten Strahlung 7, eine Komponente 8 in der Einfallsebene aufweist.
Gemäß dem in den 1a und 1b dargestellten Detektionsprinzip ergibt sich ein wesentlicher Vorteil der erfindungsgemäßen Vorrichtung, insbesondere daraus, dass nur für den Fall (1b) elektromagnetische Strahlung 8 erfasst wird, deren Vektor des elektrischen Feld in der Einfallsebene liegt und somit vom Polarisator 3 durchgelassen wird, wenn tatsächlich Feuchtigkeit 10 auf der Scheibe 4 vorhanden ist.
Die 2a und 2b zeigen in vereinfachter Darstellung eine weitere bevorzugte Ausgestaltungmöglichkeit der erfindungsgemäßen optischen Vorrichtung sowie deren Detektionsprinzip.
Die Vorrichtung aus den 2a und 2b ist dabei in weiten Teilen entsprechend der Vorrichtung aus den 1a und 1b aufgebaut. In diesem Fall ist jedoch der Polarisator 3 nicht zwischen der Scheibe 4 und der Kamera 2, sondern zwischen der Lichtquelle 1 und der Scheibe 4 angeordnet. Mittels des Polarisators 3 wird entsprechend 2a und 2b die von der Lichtquelle 1 ausgesandte unpolarisierte elektromagnetische Strahlung 6 bereits vor deren Auftreffen auf die Scheibe 4 polarisiert, derart, dass der Vektor des elektrischen Feldes der polarisierten Strahlung 8 in der Einfallsebene zur Scheibe 4 liegt. Hierdurch wird erreicht, dass aufgrund des Einfallswinkels θ der elektromagnetischen Strahlung 8 auf die Scheibe 4, welcher dem Brewster-Winkel θ_B entspricht, für den Fall gemäß 2a, dass sich keine Feuchtigkeit 10 an einer der Grenzflächen 5.1; 5.2 der Scheibe 4 befindet, der gesamte Anteil der elektromagnetischen Strahlung 8 an den Grenzflächen 5.1; 5.2 gebrochen wird und keine elektromagnetische Strahlung 8 reflektiert wird. Mittels des Erfassungsmittels 2 wird entsprechend 2b, wie auch bei der Ausgestaltung entsprechend den 1a und 1b, nur für den Fall reflektierte elektromagnetische Strahlung 8 mittels der Kamera 2 erfasst, wenn sich Feuchtigkeit 10 an einer der Grenzflächen 5.2 befindet, in diesem Fall an der Außenseite der Windschutzscheibe 4. Hierdurch ist wie in 2b dargestellt, die Berwster-Bedingung an der zweiten Grenzfläche 5.2 nicht mehr erfüllt, so dass elektromagnetische Strahlung 8 deren Vektor des elektrischen Feldes senkrecht zur Einfallsebene liegt, an der Grenzfläche 5.2 reflektiert wird.
In beiden Beispielen sind das Erfassungsmittel 2 und die Lichtquelle 1 jeweils derart hinter der Scheibe 4 angeordnet, dass zum einen der Einfallswinkel θ der elektromagnetischen Strahlung 6; 8 auf die Scheibe 4 dem Brewster-Winkel θ_B entspricht, und dass zum anderen das Erfassungsmittel 2 derart ausgerichtet ist, dass es die an den Grenzflächen 5.1; 5.2 reflektierte elektromagnetische Strahlung 6 bzw. 8 erfassen kann. Hierfür sind die Lichtquelle 1 und das Erfassungsmittel 2 bezüglich deren Ausstrahlungs- und Erfassungsrichtungen in einem Winkel zur Normalen 9 ausgerichtet, der ebenfalls im Wesentlichen dem Brewster-Winkel θ_B entspricht. Die erfindungsgemäße Vorrichtung kann im Gegensatz zu den Beispielen aus den 1a und 1b sowie 2a und 2b auch mit weiteren optischen Elementen ausgestaltet sein, beispielsweise mit zusätzlichen Strahlformungselementen und Umlenkspiegeln. In diesem Fall könnte beispielsweise die von der Lichtquelle 1 ausgesandte elektromagnetische Strahlung 6 mittels eines oder mehrerer Spiegel derart umgelenkt werden, dass für den Einfallswinkel θ der Brewster-Winkel θ_B erreicht wird, und die Lichtquelle 1 müsste selbst nicht in diesem Winkel zur Scheibe 4 ausgerichtet sein. Zum anderen könnte auch das Erfassungsmittel 2 mit einem vom Brewster-Winkel θ_B abweichenden Blickwinkel hinter der Scheibe 4 angeordnet sein und beispielswiese zusätzlich zur Erfassung eines Vorausbereichs vor dem Fahrzeug dienen, wobei mittels eines oder mehrerer optischer Strahlformungs- und Strahllenkungselemente die von einer Grenzfläche 5.2 reflektierte elektromagnetische Strahlung 6; 7; 8 gezielt in Richtung des Erfassungsmittels 2 gelenkt werden könnte.
Bezugszeichenliste

1: Lichtquelle
2: Erfassungsmittel
3: Polarisator
4: Scheibe
5.1: Erste Grenzfläche (Luft-Scheibe)
5.2: Zweite Grenzfläche (Scheibe-Luft)
6: Elektromagnetische Strahlung (unpolarisiert bzw. teilweise polarisiert)
7: Elektromagnetische Strahlung (polarisiert: Vektor des elektrischen Feldes senkrecht zur Einfallsebene)
8: Elektromagnetische Strahlung (polarisiert: Vektor des elektrischen Feldes in der Einfallsebene)
9: Normale (Senkrechte auf der Grenzfläche 5.1)
10: Feuchtigkeit
θ: Einfallswinkel
θ_B: Brewster-Winkel

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 10355205 A1 [0003, 0004]
EP 1923280 A1 [0006, 0007, 0008]
DE 102008062977 A1 [0008, 0009]
US 7259367 B2 [0010]

Claims

Vorrichtung zur Erfassung von Feuchtigkeit (10) an einer Scheibe (4), insbesondere an der Scheibe (4) eines Fahrzeugs, mit – einer Lichtquelle (1), zum Aussenden von elektromagnetischer Strahlung (6) in Richtung der Scheibe (4), – einem Erfassungsmittel (2), zum Erfassen der von der Lichtquelle (1) ausgesandten elektromagnetischen Strahlung (8), die an einer Grenzfläche (5.1; 5.2) der Scheibe (4) reflektiert wird, dadurch gekennzeichnet, dass – wenigstens ein Polarisator (3) vorgesehen ist, zur Polarisation der elektromagnetischen Strahlung (6; 7), und – die Vorrichtung derart ausgebildet ist, dass ein Einfallswinkel θ, der von der Lichtquelle (1) ausgesandten elektromagnetischen Strahlung (6; 8) auf die Scheibe (4), zumindest annähernd dem Brewster-Winkel θ_B entspricht.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der wenigstens eine Polarisator (3) derart ausgebildet ist, dass elektromagnetische Strahlung (6; 7) mittels des Polarisators linear polarisiert wird, so dass der Vektor des elektrischen Feldes der polarisierten elektromagnetischen Strahlung (8) in der Einfallsebene zur Scheibe (4) liegt.
Vorrichtung nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Polarisator (3) zwischen der Lichtquelle (1) und der Scheibe (4) angeordnet ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Polarisator (3) zwischen der Scheibe (4) und dem Erfassungsmittel (2) angeordnet ist.
Vorrichtung nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Einfallswinkel θ der elektromagnetischen Strahlung (6; 8) auf die Scheibe (4) zwischen 50° und 60° liegt.
Vorrichtung nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Einfallswinkel θ annähernd 57,17° beträgt.
Vorrichtung nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass es sich bei dem wenigstens einen Polarisator (3) um einen dichromatischen Kristall handelt.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass es sich bei dem wenigstens einen Polarisator (3) um eine polarisierende Folie handelt.
Vorrichtung nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass es sich bei dem Erfassungsmittel (2) um eine Kamera handelt.
Vorrichtung nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass es sich bei der von der Lichtquelle (1) ausgesandten elektromagnetischen Strahlung (6) um sichtbares Licht handelt.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass es sich bei der von der Lichtquelle (1) ausgesandten elektromagnetischen Strahlung (6) um elektromagnetische Strahlung im Infrarotbereich handelt.
Vorrichtung nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass es sich bei der Scheibe (4) um die Windschutzscheibe eines Fahrzeugs handelt.
Vorrichtung nach einem der vorangegangenen Ansprüche, zur Erkennung von Regen (10) für wenigstens eine Assistenzfunktion in einem Fahrzeug.
Verfahren zur Erfassung von Feuchtigkeit (10) auf einer Scheibe (4), mittels einer Vorrichtung nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass Feuchtigkeit (10) dann erkannt wird, wenn mittels des Erfassungsmittels (2) elektromagnetische Strahlung (8) erfasst wird, die von der Lichtquelle (1) ausgesandt und an einer Grenzfläche (5.2; 5.3) der Scheibe (4) reflektiert wird.
Verfahren zur Erfassung von Feuchtigkeit (10) auf einer Scheibe (4), mittels einer Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass Feuchtigkeit (10) dann erkannt wird, wenn mittels des Erfassungsmittel (2) eine Erhöhung der Intensität, der mittels des Erfassungsmittels (2) erfassten elektromagnetischen Strahlung (8), erfasst wird.