DE102014000073B4

DE102014000073B4 - Sensorvorrichtung, insbesondere zur Erfassung von Umgebungsbedingungen eines Kraftfahrzeuges

Info

Publication number: DE102014000073B4
Application number: DE102014000073.7A
Authority: DE
Inventors: Alexander Göhmann; Dirk Jegminat; Henry Kellner
Original assignee: Hella GmbH and Co KGaA
Current assignee: Hella GmbH and Co KGaA
Priority date: 2014-01-09
Filing date: 2014-01-09
Publication date: 2023-03-16
Anticipated expiration: 2034-01-10
Also published as: FR3016210A1; FR3016210B1; CN104819772A; DE102014000073A1; CN104819772B; US20150192460A1

Abstract

Sensorvorrichtung, insbesondere eine Sensorvorrichtung zur Erfassung von Umgebungsbedingungen eines Kraftfahrzeuges, wobei die Sensorvorrichtung mindestens eine einen Detektionswinkel (4) der Sensorvorrichtung vorgebende Blende (2) und einen Detektor (1) aufweist, und wobei ein optisches Bauelement (5) zwischen der Blende (2) und dem Detektor (1) angeordnet ist,wobei das optische Bauelement (5) mindestens einen ersten und einen zweiten konkav gekrümmten Bereich (6, 7) aufweist,wobei der erste Bereich (6) benachbart zu einer optischen Achse (11), die eine Symmetrieachse des optischen Bauelements (5) bildet, angeordnet ist,wobei der zweite Bereich (7) den ersten Bereich (6) umgibt, undwobei der erste Bereich (6) eine stärkere konkave Krümmung aufweist als der zweite Bereich (7),dadurch gekennzeichnet,dass das Doppelte eines Durchmessers des ersten Bereiches (6) kleiner gleich einem Durchmesser des zweiten Bereiches (7) ist.

Description

Die Erfindung betrifft eine Sensorvorrichtung, insbesondere eine Sensorvorrichtung zur Erfassung von Umgebungsbedingungen eines Kraftfahrzeuges, wobei die Sensorvorrichtung mindestens eine den Detektionswinkel der Sensorvorrichtung vorgebende Blende und einen Detektor aufweist und wobei ein optisches Bauelement zwischen der Blende und dem Detektor angeordnet ist.
Sensorvorrichtungen der eingangs genannten Art sind bekannt und werden beispielsweise zur Erfassung der das Kraftfahrzeug umgebenden Lichtverhältnisse genutzt. In der EP 0 981 470 B1 wird eine Kombination von Regen- und Außenlichtsensor mit einem gemeinsamen optischen Detektor beschrieben. Durch den Sensor wird die Umgebungshelligkeit erfasst, so dass Beleuchtungsanlagen gemäß der gemessenen Umgebungshelligkeit gesteuert werden können. Das einfallende Licht wird durch einen geformten Lichtleiter geleitet und auf eine entsprechende Fotodiode gebündelt. Dabei weist der Lichtleiter eingeformte Linsenstrukturen auf.
Die US 5 022 725 A beschreibt einen optischen Sensor mit einem Lichtdetektor und einer zwischen dem Lichtdetektor und einer Lichtquelle angeordneten Sammellinse, deren Strahlen von dem Lichtdetektor erfasst werden. Weiterhin ist auf einem Teil der Sammellinse eine Lichtabschirmeinrichtung vorgesehen, wobei die Abschirmeinrichtung von der Lichtquelle imitierte Strahlung abschirmt, wodurch die Abhängigkeit der Menge der zur erfassenden Lichtstrahlen von den Einfallswinkeln, mit denen die Strahlen in die Sammellinse des optischen Sensors eintreten, verringert wird.
In der DE 28 43 553 A1 ist eine Beleuchtungsanordnung für ein Endoskop mit einem Lichtführungselement, welches innerhalb eines flexiblen Tubus des Endoskops angeordnet ist, offenbart. Die Beleuchtungseinrichtung weist ein vor der Stirnfläche des Lichtführungselementes Deckglas auf, wobei aus der Stirnfläche des Lichtführungselementes Licht austritt. Erfindungswesentlich vorgesehen ist, dass das Deckglas mit einer Vielzahl konzentrisch angeordneter, konkaver Linsenbereiche mit verschiedenen Krümmungsradien ausgebildet ist.
Durch das Voranstellen einer Blende oder sonstiger optisch nicht durchlässiger Elemente wird der Detektionswinkel eines hinter dem Element angeordneten optischen Sensors begrenzt. Eine festgelegte Anordnung optischer Elemente ist nachträglich zumeist schwierig an neue Anforderungen anzupassen, da der maximale Detektionswinkel durch die Blende vorgegeben ist und ohne eine Änderung der Anordnung, beispielsweise eine Änderung der Öffnungsweite der Blende oder eine Änderung des Abstands zwischen der Blende und dem Detektor, ist der Detektionswinkel nicht zu vergrößern.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde eine Sensorvorrichtung vorzuschlagen, bei der ohne eine Veränderung der Anordnung der optischen Elemente ein größerer Detektionswinkel als durch die Blende vorgegeben ist, ermöglicht ist.
Die Lösung der Aufgabe erfolgt mit einer Sensorvorrichtung gemäß den Merkmalen des Patentanspruchs 1 und einem Kraftfahrzeug gemäß den Merkmalen des Patentanspruchs 6. Weiterbildungen und vorteilhafte Ausgestaltungen sind in den jeweiligen Unteransprüchen angegeben.
Bei einer Sensorvorrichtung, insbesondere einer Sensorvorrichtung zur Erfassung von Umgebungsbedingungen eines Kraftfahrzeuges, wobei die Sensorvorrichtung mindestens eine einen Detektionswinkel der Sensorvorrichtung vorgebende Blende und einen Detektor aufweist und wobei ein optisches Bauelement zwischen der Blende und dem Detektor angeordnet ist, wobei das optische Bauelement mindestens einen ersten und einen zweiten konkav gekrümmten Bereich aufweist, wobei der erste Bereich benachbart zu einer optischen Achse, die eine Symmetrieachse des optischen Bauteils bildet, angeordnet ist und zumindest der zweite Bereich den ersten Bereich umgibt und wobei der erste Bereich eine stärkere konkave Krümmung aufweist als der zweite Bereich, ist erfindungswesentlich vorgesehen, dass das Doppelte eines Durchmessers des ersten Bereiches kleiner gleich einem Durchmesser des zweiten Bereiches ist.
Als optische Achse wird die Symmetrieachse des optischen Bauteils bezeichnet. Das optische Bauelement weist eine der Blende zugewandte plane Seite und mindestens zwei Flächen mit unterschiedlichen konkaven Krümmungen auf. Das optische Bauteil kann beispielsweise so angeordnet sein, dass die Blende das optische Bauteil abschnittsweise verdeckt. Beispielsweise können die Abmessungen der verschiedenen Bauteile so gewählt sein, dass die maximale Verdeckung 0,5 mm beträgt. Häufig werden zur Fokussierung plankonkave Streulinsen eingesetzt, deren plane Seite der Blende zugewandt sind. Bei einer plankonkaven Linse werden die eher senkrecht zur planen Oberfläche einfallenden Lichtanteile von dem Bereich der Linse, der sich nahe bei der optischen Achse befindet, gebündelt bzw. gestreut, während der unter größeren Winkeln einfallende Lichtanteil eher von Bereichen der Linse, die sich weiter am inneren Rand der Blende befinden, gestreut bzw. gebündelt werden. Bei dem optischen Bauteil mit zwei unterschiedlich konkav gekrümmten Bereichen ist aufgrund der verschiedenen Krümmungen die Anordnung der streuenden Bereiche vertauscht. Der innere konkave Bereich ist vorzugsweise kreisrund um die optische Achse herum angeordnet. Dieser Bereich streut bzw. bündelt den Lichtanteil, der unter größeren Winkeln auf das optische Bauteil trifft. Die eher senkrecht zur planen Oberfläche des optischen Bauteils eintretenden Lichtanteile werden vom äußeren, den inneren Bereich umgebenden Bereich, des optischen Bauteils gestreut bzw. gebündelt. Dabei weist der innere Bereich, der um die optische Achse herum angeordnet ist, eine stärkere konkave Krümmung auf als der zweite, den ersten Bereich umgebende, Bereich. Durch diese Anordnung der beiden Bereiche ist eine Vergrößerung des Detektionswinkels eines hinter dem optischen Bauteil angeordneten Detektors gegeben. Dadurch, dass der Bereich des optischen Bauteils, der den Anteil des Lichtes bündelt, der unter größeren Winkeln auf die plane Oberfläche trifft, mittig nahe der optischen Achse angeordnet ist, können Lichtanteile unter größeren Winkeln gestreut bzw. gebündelt werden. Die Kontur der beiden optischen Bereiche lässt sich beispielsweise durch ein Polynom 4. Grades beschreiben. Vorzugsweise besteht das optische Bauelement im ersten und im zweiten Bereich durchgehend aus einem Material wie beispielsweise Glas oder einem Kunststoff. In einer alternativen Ausführung können der erste und der zweite Bereich auch unterschiedliche optische Eigenschaften aufweisen, beispielsweise aus unterschiedlichen Materialien mit voneinander verschiedenen Brechungsindizes bestehen. Beispielsweise kann der erste Bereich einen größeren Brechungsindex als der zweite Bereich aufweisen oder umgekehrt.
Beispielsweise kann der erste Bereich einen Durchmesser von 1,5 mm und der zweite Bereich einen Durchmesser von 4,0 mm aufweisen. Durch die gegebenen Abmessungen ist eine optimale Anpassung der konkaven Bereiche zur Streuung oder Bündelung des einfallenden Lichts auf den Detektor gegeben.
In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist ein Durchmesser des zweiten Bereiches kleiner gleich dem Vierfachen, insbesondere kleiner gleich dem Dreifachen eines Durchmessers des ersten Bereiches. Durch das Verhältnis der Durchmesser des ersten und des zweiten Bereiches können unter größeren Winkeln zur planen Fläche des Linsenkörpers einfallende Lichtanteile auf den Detektor gebündelt werden.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung weist das optische Bauelement eine plane Fläche auf und das optische Bauelement weist im ersten Bereich eine geringere Dicke auf als im zweiten, den Bereich umgebenden Bereich. Das optische Bauelement kann als ein Linsenkörper ausgebildet sein, der eine plane Fläche aufweist. Die plane Fläche des optischen Bauelementes ist vorzugsweise der Blende zugewandt. Der innere Bereich des optischen Bauelementes, der direkt um die optische Achse herum angeordnet ist, weist eine stärkere konkave Krümmung als der ihn umgebende Bereich auf und ist als eine Vertiefung in der der Blende abgewandten Fläche des Linsenkörpers ausgebildet. Der den inneren Bereich umgebende Bereich ist als eine weniger stark ausgeprägte Vertiefung im Linsenkörper ausgebildet. Somit ist die Dicke des Linsenkörpers im ersten Bereich geringer als im zweiten Bereich.
In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist erfindungswesentlich vorgesehen, dass der erste Bereich und der zweite Bereich als Vertiefungen in einem Linsenkörper ausgebildet sind und dass eine maximale Tiefe der Vertiefung des ersten Bereiches mindestens das Dreifache, insbesondere genau das Dreifache, einer maximalen Tiefe der Vertiefung des zweiten Bereiches beträgt. Für die Dicke des Linsenkörpers ergibt sich daraus ein Minimalwert im ersten Bereich. Beispielsweise kann die minimale Dicke des Linsenkörpers in ersten Bereich 0,8 mm betragen bei einer gesamten Dicke des Linsenkörpers von 2 mm. Hieraus ergibt sich bei dieser Ausführungsform eine maximale Tiefe des ersten Bereiches von 1,2 mm und eine maximale Tiefe des zweiten Bereiches von 0,4 mm. Durch diese Verhältnisse der Abmessungen der Tiefen des ersten und des zweiten Bereiches zueinander ist eine optimale Bündelung des einfallenden Lichtes auf den Detektor gegeben.
In einer bevorzugten Ausbildung der Erfindung beträgt die maximale Tiefe der Vertiefung des ersten Bereiches weniger als das Fünffache, insbesondere weniger als das Vierfache der maximalen Vertiefung des zweiten Bereiches. Durch das Verhältnis der Tiefen der Vertiefung des ersten und des zweiten Bereiches ist die Bündelung des einfallenden Lichtes auf den Detektor unterstützt.
Bei einem optischen Bauelement für eine Sensorvorrichtung mit einer den Detektionswinkel der Sensorvorrichtung vorgebenden Blende und einem Detektor, wobei das optische Bauelement zwischen der Blende und dem Detektor angeordnet ist, kann vorgesehen sein, dass das optische Bauelement mindestens zwei konkav gekrümmte Bereiche aufweist, dass ein erster innerer Bereich benachbart zur optischen Achse angeordnet ist und zumindest ein zweiter Bereich den ersten Bereich umgibt und dass der erste Bereich eine stärkere konkave Krümmung aufweist als der zweite Bereich.
Durch die Anordnung des optischen Bauelementes mit zwei konkav gekrümmten Bereichen zwischen der Blende und dem Detektor ist eine Erhöhung des Detektionswinkels des Detektors gegeben. Dadurch, dass der innere Bereich eine stärkere konkave Krümmung aufweist als der ihn umgebende zweite Bereich, können Lichtanteile, die unter einem größeren Winkel auf die plane Oberfläche des optischen Bauelements auftreffen, gestreut bzw. gebündelt und auf den Detektor geleitet werden.
Ein weiterer Aspekt der Erfindung betrifft ein Kraftfahrzeug mit einer oben beschriebenen Sensorvorrichtung.
Nachfolgend wird die Erfindung anhand eines in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiels weiter erläutert. Im Einzelnen zeigen die schematischen Darstellungen in:

1 eine Sensorvorrichtung mit einer Blende einer herkömmlichen Streulinse und einem Detektor; und
2 eine erfindungsgemäße Sensorvorrichtung mit einer Blende, einem Detektor und einem zwei konkave Flächen aufweisenden optischen Bauteil.

In 1 ist eine Sensorvorrichtung mit einem Detektor 1, einer Blende 2 und einer zwischen dem Detektor und der Blende angeordneten Streulinse 3 dargestellt. Einfallendes Licht wird durch die Streulinse 3 gebündelt und auf den Detektor gelenkt. Der maximale Detektionswinkel 4 ist durch die Öffnungsweite der Blende 2 vorgegeben. Eine Vergrößerung des maximalen Detektionswinkels 4 ist bei dieser Anordnung nur durch Änderung der Anordnung, beispielsweise durch die Veränderung des Abstandes zwischen Detektor 1 und Blende 2 oder eine Vergrößerung der Öffnungsweite der Blende 2 möglich.
In 2 ist eine erfindungsgemäße Sensorvorrichtung mit einer Blende 2, einem Detektor 1 und einem zwischen der Blende und dem Detektor angeordneten optischen Bauelement 5 dargestellt. Das optische Bauelement 5 weist zwei Bereiche 6, 7 mit unterschiedlichen konkaven Krümmungen auf. Der erste Bereich 6 ist um die optische Achse 11 herum angeordnet, der zweite Bereich 7 ist weiter entfernt von der optischen Achse 11 angeordnet und umgibt den ersten Bereich 6. Der erste Bereich 6 weist eine stärkere konkave Krümmung auf als der zweite ihn umgebende Bereich 7. Unter größeren Winkeln auf die plane Oberfläche 8 des optischen Bauelements 5 auftreffende Lichtbündel werden im ersten Bereich 6 nahe der optischen Achse 11 gestreut bzw. gebündelt, während in steileren Winkeln auf die plane Oberfläche auftreffende Lichtbündel 10 im zweiten Bereich 7 gestreut bzw. gebündelt werden. Durch die Streuung bzw. Bündelung der unter größeren Winkeln auftreffenden Lichtbündel 9 nahe der optischen Achse 11 ist eine Vergrößerung des maximalen Detektionswinkels 4 gegeben.
Alle in der vorstehenden Beschreibung und in den Ansprüchen genannten Merkmale sind in einer beliebigen Auswahl mit den Merkmalen des unabhängigen Anspruchs kombinierbar. Die Offenbarung der Erfindung ist somit nicht auf die beschriebenen bzw. beanspruchten Merkmalskombinationen beschränkt, vielmehr sind alle im Rahmen der Erfindung sinnvollen Merkmalskombinationen als offenbart zu betrachten.

Claims

Sensorvorrichtung, insbesondere eine Sensorvorrichtung zur Erfassung von Umgebungsbedingungen eines Kraftfahrzeuges, wobei die Sensorvorrichtung mindestens eine einen Detektionswinkel (4) der Sensorvorrichtung vorgebende Blende (2) und einen Detektor (1) aufweist, und wobei ein optisches Bauelement (5) zwischen der Blende (2) und dem Detektor (1) angeordnet ist, wobei das optische Bauelement (5) mindestens einen ersten und einen zweiten konkav gekrümmten Bereich (6, 7) aufweist, wobei der erste Bereich (6) benachbart zu einer optischen Achse (11), die eine Symmetrieachse des optischen Bauelements (5) bildet, angeordnet ist, wobei der zweite Bereich (7) den ersten Bereich (6) umgibt, und wobei der erste Bereich (6) eine stärkere konkave Krümmung aufweist als der zweite Bereich (7), dadurch gekennzeichnet, dass das Doppelte eines Durchmessers des ersten Bereiches (6) kleiner gleich einem Durchmesser des zweiten Bereiches (7) ist.
Sensorvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Durchmesser des zweiten Bereiches (7) kleiner gleich dem Vierfachen, insbesondere kleiner gleich dem Dreifachen des Durchmessers des ersten Bereiches (6) ist.
Sensorvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das optische Bauelement (5) eine plane Fläche (8) aufweist, und dass das optische Bauelement (5) im ersten Bereich (6) eine geringere Dicke aufweist, als im zweiten, den ersten Bereich (6) umgebenden Bereich (7).
Sensorvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Bereich (6) und der zweite Bereich (7) als Vertiefungen in einem Linsenkörper ausgebildet sind und dass eine maximale Tiefe der Vertiefung des ersten Bereiches (6) mindestens das Dreifache, insbesondere genau das Dreifache, einer maximalen Tiefe der Vertiefung des zweiten Bereiches (7) beträgt.
Sensorvorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die maximale Tiefe der Vertiefung des ersten Bereiches (6) weniger als das Fünffache, insbesondere weniger als das Vierfache maximalen Tiefe der Vertiefung der des zweiten Bereiches (7) beträgt.
Kraftfahrzeug mit einer Sensorvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5.