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Die Erfindung betrifft eine Linsenplatte für eine optische Sensorvorrichtung in einem Fahrzeug, insbesondere für einen Regensensor, mit einer senderseitigen Linsenstruktur und einer empfängerseitigen Linsenstruktur, gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
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Regensensoren in Fahrzeugen, die die Benetzung einer Scheibe detektieren, weisen einen Lichtsender, eine mit einer Koppelschicht an der Scheibe befestigte Linsenplatte sowie einen Lichtempfänger auf. Die Linsenplatte weist eine senderseitige und eine empfängerseitige Linsenstruktur auf, die jeweils aus einer Lichteinkoppel- und einer Lichtauskoppelstruktur bestehen.
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Das vom Lichtsender emittierte Licht wird mithilfe der senderseitigen Lichteinkoppelstruktur in die Linsenplatte eingekoppelt und zu im Wesentlichen parallelen Lichtstrahlen umgewandelt, welches die Linsenplatte senkrecht durchquert. Die senderseitige Lichtauskoppelstruktur lenkt das Lichtbündel um ca. 45° um, sodass es nach Durchqueren der Koppelschicht und des Glases dessen äußere Oberfläche erreicht. Dort wird das Lichtbündel totalreflektiert und durchquert wiederum Glas und Koppelschicht. Die empfängerseitige Lichteinkoppelstruktur lenkt das Lichtbündel wieder senkrecht durch die Linsenplatte, bevor es durch die empfängerseitige Lichtauskoppelstruktur auf die Fläche des Lichtempfängers gebündelt wird.
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Bei einer Benetzung der Oberfläche der Scheibe wird ein Teil des Lichts an der Oberfläche der Scheibe ausgekoppelt. Somit wird nur ein Teil des Lichts reflektiert. Über die Veränderung der Intensität des reflektierten Lichts, das auf den Lichtempfänger zurückreflektiert wird, kann somit die Benetzung der Scheibe detektiert werden.
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Bei den aus dem Stand der Technik bekannten Linsenplatten ist die Lichtverteilung an der Windschutzscheibe aber nicht gleichmäßig, sondern weist eine deutliche Überhöhung in der Mitte und einen starken Abfall zum Rand hin auf. Eine Benetzung im Randbereich, in dem die Lichtintensität deutlich geringer ist, führt also zu einem geringeren Lichtverlust als eine Benetzung in der Mitte des Messbereiches. Eine Benetzung im Randbereich kann also aufgrund des geringen Lichtunterschiedes schwer detektiert werden. Die Fläche, die zur Detektierung der Benetzung der Scheibe genutzt werden kann, ist somit wesentlich geringer als die tatsächlich beleuchtete Fläche.
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In der gattungsbildenden
DE 10 2008 000 599 A1 ist eine optische Regensensorvorrichtung gezeigt, die eine Blende aufweist, die parasitäre Lichtstrahlen vor dem Einkoppeln in die Linsenstruktur abhalten soll.
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Aus der
DE 10 2007 039 776 A1 ist ein optischer Koppelkörper bekannt, der zur Ankopplung einer optoelektronischen Vorrichtung an einer Fahrzeugscheibe vorgesehen ist und einen als Linse ausgebildeten Optikkörper aufweist.
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Aufgabe der Erfindung ist es, eine Linsenplatte bereitzustellen, mit der eine größere Fläche beziehungsweise ein größerer Bereich der Scheibe zur Detektierung einer Benetzung genutzt werden kann.
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Zur Lösung der Aufgabe ist eine Linsenplatte für eine optische Sensorvorrichtung in einem Fahrzeug vorgesehen, insbesondere für einen Regensensor, mit einer senderseitigen Linsenstruktur und einer empfängerseitigen Linsenstruktur, wobei die senderseitige Linsenstruktur partiell mit Anti-Transmissionsmerkmalen versehen ist, die den Durchgang des von einem Lichtsender ausgesandten Lichts in einzelnen Bereichen der Linsenplatte partiell oder vollständig verhindern. Die senderseitige Linsenstruktur ist aus Fresnel-Strukturen auf einer Lichteintrittsseite und auf einer Lichtaustrittsseite gebildet, wobei die Anti-Transmissionsmerkmale durch einzelne Rillen einer Fresnel-Struktur oder eines Fresnel-Prismas gebildet sind, die das Licht vom Abtastbereich des Sensors wegleiten oder den Lichtdurchtritt abschwächen oder blockieren, und wobei die Anti-Transmissionsmerkmale in einem radial inneren Bereich der senderseitigen Linsenstruktur vorgesehen und so ausgelegt sind, dass die an einer Scheibe totalreflektierte Lichtintensität, bezogen auf die Messung am Lichtempfänger, weitgehend homogen ist.
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Der Erfindung liegt die Überlegung zugrunde, die senderseitige Linsenstruktur derart zu verändern, das die Lichtintensität an der Scheibe in den üblicherweise lichtintensiven Bereichen, insbesondere in der Mitte der beleuchteten Fläche, reduziert wird, während in den weniger lichtintensiven Bereichen die Lichtintensität nicht beeinflusst wird. Idealerweise wird die Lichtintensität in den lichtintensiven Bereichen derart abgeschwächt, dass eine im Wesentlichen homogene Ausleuchtung des gesamten beleuchteten Bereichs der Scheibe erreicht wird.
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Die Abschwächung des Lichts wird dadurch erreicht, dass der Durchgang des Lichts durch die Linsenplatte in einzelnen Bereichen partiell oder vollständig verhindert wird, sodass in diesem Bereich kein oder nur ein abgeschwächtes Licht aus der Linsenplatte in Richtung zur Scheibe austreten kann. Die Bereiche sind so ausgebildet und positioniert, dass der Messbereich auf der Scheibe gleichmäßiger ausgeleuchtet wird, sodass eine größere Fläche zur Detektierung einer Benetzung genutzt werden kann.
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Wird der Lichtdurchgang durch die Linsenplatte durch diese Bereiche reduziert, ist diese Abschwächung beispielsweise so gewählt, dass das auf die Scheibe auftreffende Licht annähernd die gleiche Intensität hat wie in den Bereichen, in denen der Lichtdurchtritt nicht durch Anti-Transmissionsmerkmale reduziert wird.
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Auch wenn der Lichtdurchtritt in einzelnen Bereichen durch entsprechende Strukturen vollständig behindert wird, kann sich auf der Scheibe aufgrund von Streueffekten hinter der Linsenplatte eine gleichmäßige Lichtintensität einstellen. In einer solchen Ausführungsform können die lichtundurchlässigen Bereiche eine relativ kleine Ausdehnung haben und in einem definierten Raster angeordnet sein, so dass sich durch Streueffekte eine gleichmäßige Beleuchtung der Scheibe ergibt.
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Um diesen Effekt zu erzielen, reicht es aus, auf der senderseitigen Linsenstruktur Anti-Transmissionsmerkmale aufzubringen. Eine Erweiterung solcher Merkmale auf den lichtempfängerseitigen Bereich ist nicht sinnvoll, da in diesem Bereich keine Abschwächung des Lichts mehr erforderlich ist.
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Erfindungsgemäß ist die senderseitige Linsenstruktur aus einer Fresnel-Struktur auf einer Lichteintrittsseite und auf einer Lichtaustrittsseite gebildet sein. Diese Fresnel-Strukturen ermöglichen eine ideale Einkopplung beziehungsweise Auskopplung aus der Linsenplatte bei einer sehr geringen Bauhöhe der Linsenplatte.
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Die Anti-Transmissionsmerkmale können beispielsweise durch eine Licht streuende Struktur gebildet sein. Eine solche Struktur streut das Licht, statt es gerichtet in die Linsenplatte ein- bzw. aus dieser auszukoppeln, in verschiedene Richtungen. Lediglich ein Teil des auf die senderseitige Linsenstruktur auftreffenden Lichts durchquert so die Linsenplatte direkt und trifft dann auf die Scheibe auf. Die Anzahl, der Abstand und die Lage beziehungsweise die Form der Licht streuenden Strukturen kann so gewählt werden, dass eine möglichst homogene Lichtverteilung auf der Oberfläche der Scheibe erreicht wird.
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Alternativ können die Strukturen auch flach ausgeformt sein, sodass das auftreffende Licht vollständig reflektiert wird und nicht in die Linsenplatte eingekoppelt bzw. ausgekoppelt werden.
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Die Anti-Transmissionsmerkmale können auch durch eine partielle Beschichtung der Linse gebildet sein. Diese Beschichtung kann entweder das auftreffende Licht reflektieren, absorbieren oder abschwächen. Eine solche Beschichtung ist wesentlich einfacher aufzubringen als Licht streuende Strukturen. Die Herstellung der Linsenplatte kann somit deutlich vereinfacht werden. Durch die Eigenschaften der Beschichtung, beispielsweise die Lichtdurchlässigkeit, die Positionierung oder die Ausdehnung der beschichteten Bereiche auf der Linsenplatte, kann die Intensität des in diesen Bereichen in die Linsenplatte ein- beziehungsweise austretenden Lichts eingestellt werden. Die Beschichtung kann dazu beispielsweise vollständig lichtundurchlässig, transluzent oder reflektierend sein.
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Um eine einfache Herstellung der Linsenplatte zu ermöglichen, ist es auch möglich, dass die Beschichtung auf die Linsenplatte aufgedruckt ist.
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Üblicherweise sind die Linsenstrukturen einer solchen Linsenplatte kreisförmig angeordnet, insbesondere durch eine Fresnel-Struktur gebildet. Eine solche Struktur hat im Mittenbereich eine sehr starke Lichtintensität, die zum Rand hin abnimmt. Bei einer solchen Struktur sind die Anti-Transmissionsmerkmale vorzugsweise in einem radial innen liegenden Bereich der Linsenstruktur vorgesehen, während ein radial außen liegender Bereich frei davon ist, sodass im radial außen liegenden Bereich das Licht ungehindert in die Linsenplatte eingekoppelt beziehungsweise aus dieser ausgekoppelt wird, während im radial inneren Bereich eine Abschwächung der Lichtintensität erfolgt.
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Die Anti-Transmissionsstrukturen können bei einer solchen Ausführungsform durch einzelne Rillen einer Fresnel-Linse oder eines Fresnel-Prismas gebildet sein, die das Licht vom Abtastbereich des Sensors wegleiten oder den Lichtdurchtritt abschwächen, blockieren oder streuen.
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Diese Rillen der Fresnel-Struktur können beispielsweise einen sich von benachbarten Rillen unterscheidenden Querschnitt aufweisen, sodass diese unterschiedliche Reflexions- beziehungsweise Ein- oder Auskoppeleigenschaften haben.
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Die Rillen sind so ausgebildet, dass sich aus dem insgesamt reflektierten bzw. gestreuten Licht eine gleichmäßige Lichtintensität an der Scheibe einstellt. Einzelne Rillen können dazu auch das Licht vollständig so streuen, dass es nicht auf die Scheibe auftrifft. Zudem können sich die gestreuten, auf die Scheibe auftreffenden Lichtbündel einzelner Rille überlagern, so dass eine gleichmäße Ausleuchtung der Scheibe entsteht.
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Alternativ ist es auch möglich, dass diese Rillen zumindest teilweise durch eine Beschichtung gefüllt sind, durch die eine Abschwächung, Reflexion oder Streuung des Lichts erfolgt.
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Unabhängig von der Ausführungsform der senderseitigen Linsenstruktur ist die empfängerseitige Linsenstruktur vorzugsweise aus Fresnel-Strukturen auf der Lichteintrittsseite und auf der Lichtaustrittsseite gebildet.
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Weitere Vorteile und Merkmale ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung in Verbindung mit den beigefügten Zeichnungen. In diesen zeigen:
- - 1 eine schematische Darstellung des allgemeinen Funktionsprinzips eines Regensensors mit einer Linsenplatte,
- - 2 eine Schnittansicht eines Regensensors mit einer Linsenplatte nach dem Stand der Technik,
- - 3 eine Schnittansicht eines Regensensors mit einer erfindungsgemäßen Linsenplatte,
- - 4 eine Darstellung der Lichtverteilung der Regensensoren aus den 2 und 3, und
- - 5 eine Schnittansicht eines Regensensors mit einer zweiten Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Linsenplatte.
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1 zeigt einen schematischen Aufbau eines Regensensors 10 zur Erfassung der Benetzung einer Scheibe 12 eines Fahrzeugs. Der Regensensors 10 weist einen Lichtsender 14, einen Lichtempfänger 16 sowie eine Linsenplatte 18 auf, die mit einer Koppelschicht 20, insbesondere aus Silikon, an der Scheibe 12 montiert ist.
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Am Lichtsender 14 ist des Weiteren eine Steuerung 22 vorgesehen, die die Intensität des Lichtsenders 14 regulieren kann, sowie eine Signalverarbeitungseinheit 24, die die Signale des Lichtempfängers 16 verarbeiten kann und mit der Steuerung 22 des Lichtsenders 14 gekoppelt ist.
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Die Linsenplatte 18 weist eine senderseitige Linsenstruktur 26 auf, die aus einer dem Lichtsender 14 zugewandten ersten Lichteinkoppelstruktur 28 und einer der Scheibe 12 zugewandten ersten Lichtauskoppelstruktur 30 besteht. Des Weiteren ist eine empfängerseitige Linsenstruktur 32 vorgesehen, die aus einer der Scheibe 12 zugewandten zweiten Lichteinkoppelstruktur 34 und einer dem Lichtempfänger 16 zugewandten zweiten Lichtauskoppelstruktur 36 besteht.
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Wie in 1 zu sehen ist, wird ein vom Lichtsender 14 emittiertes Lichtbündel 38 über die lichtsenderseitige erste Lichteinkoppelstruktur 28 in die Linsenplatte 18 eingekoppelt und zu im Wesentlichen parallelem Licht umgewandelt. Dieses Licht durchquert die Linsenplatte 18 und wird durch die lichtsenderseitige erste Lichtauskoppelstruktur 30 um ca. 45° abgelenkt. Anschließend durchquert das Lichtbündel die Kopplerschicht 20 und die Scheibe 12, bevor es an der Außenseite 40 der Scheibe 12 reflektiert wird.
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Anschließend durchquert das Lichtbündel 38 die Scheibe 12 sowie die Kopplerschicht 20 und trifft an der empfängerseitigen zweiten Lichteinkoppelstruktur 34 auf die Linsenplatte 18. Das Lichtbündel durchquert im Wesentlichen senkrecht die Linsenplatte 18 und wird durch die zweiten Lichtauskoppelstruktur 36 auf die relativ kleine Fläche des Lichtempfängers 16 gebündelt.
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Mithilfe der Steuerung 22 wird der Lichtsender so gesteuert, dass am Ausgang des Lichtempfängers 16 ein vorgegebener Wert erreicht wird.
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Bei einer Benetzung der Außenseite 40 der Scheibe 12 wird ein Teil des Lichtbündels 38 an der Außenseite 40 der Scheibe 12 ausgekoppelt. Dadurch wird nur ein Teil des Lichtbündels 38 reflektiert, sodass am Lichtempfänger 16 ein Abfall des Ausgangssignals detektiert werden kann. Bei Überschreiten eines bestimmten Schwellwertes gilt die Benetzung der Scheibe 12 als erkannt.
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In 2 ist eine Regensensor 10' aus dem Stand der Technik dargestellt. Die Lichteinkoppelstrukturen 28', 34' sowie die Lichtauskoppelstrukturen 30', 36' bestehen jeweils aus Fresnel-Linsen, durch die eine entsprechende Ablenkung des Lichtbündels bei einer sehr geringen Bauhöhe der Linsenplatte 18' möglich ist.
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Wie in 2 zu sehen ist, bestehen die Lichteinkoppelstrukturen 28', 34' sowie die Lichtauskoppelstrukturen 30', 36' jeweils aus einem inneren Bereich 42', 46', 50', 54' sowie einem äußeren Bereich 44', 48', 52', 56'. Diese sind jeweils so ausgebildet, dass das auftreffende Licht in die Linsenplatte eingekoppelt wird, die Linsenplatte 18' senkrecht zu ihrer Erstreckungsrichtung durchquert und in einem Winkel von ca. 45° auf die Scheibe 12' auftrifft, anschließend an der Scheibe 12' reflektiert und durch die empfängerseitige Linsenstruktur 32' auf den Lichtempfänger 16' fokussiert wird.
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Wie in 2 des Weiteren zu sehen ist, ist die Lichtintensität des Lichtbündels, das aus dem mittleren Bereich 46' der ersten Lichtauskoppelstruktur 30' austritt, höher als im äußeren Bereich 48'. Dies ist zum einen der Bauart der Fresnel-Linsen geschuldet. Im äußeren Bereich 48' der Lichtauskoppelstruktur 30' erfolgt zudem durch den flacheren Einfallswinkel des Lichtes eine teilweise Abschattung der einzelnen Prismenstrukturen durch benachbarte Strukturen.
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Dadurch ist in einem mittleren Bereich 58' der Scheibe 12' die Lichtintensität deutlich höher als in den Randbereichen 60'. Eine Verteilung der Lichtintentität bezogen auf den Abstand zum Mittelpunkt der beleuchteten Außenseite 40' ist mit dem Bezugszeichen 64 in 4 dargestellt. Dies führt dazu, dass eine Benetzung des inneren Bereichs 58' zu einem wesentlich stärkeren Abfall der Lichtintensität führt als in einem äußeren Randbereich 60'. Eine Benetzung in den Randbereichen 60' kann also gegebenenfalls nicht oder erst bei einer stärkeren Benetzung detektiert werden, da der Abfall der Lichtintensität zu gering ist. Eine Erhöhung der Lichtintensität hätte aber auch eine Erhöhung der Lichtintensität im mittleren Bereich 58' zur Folge, sodass eine Auskopplung von Licht in den Randbereichen 60' wiederum nicht detektiert werden kann.
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Um dieses Problem zu lösen und auf der gesamten beleuchteten Außenseite 40 der Scheibe 12 eine gleichmäßige Lichtintensität zu erzeugen, wird bei dem in 3 gezeigten Regensensor 10 eine erfindungsgemäße Linsenplatte 18 verwendet. Die Linsenplatte 18 entspricht im Wesentlichen der in 2 gezeigten Linsenplatte 18'. Die Linsenplatte 18 unterscheidet sich lediglich darin, dass der innere Bereich 42 der ersten Lichteinkoppelstruktur 28 Anti-Transmissionsmerkmale, in diesem Fall Licht streuende Strukturen 62, aufweist.
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Wie in 3 zu sehen ist, wird das auf diese Strukturen 62 auftreffendes Licht nicht parallel beziehungsweise senkrecht in die Linsenplatte 18 eingekoppelt, sondern in der Linsenplatte 18 gestreut. Dadurch tritt aus dem inneren Bereich 46 der senderseitigen ersten Lichtauskoppelstruktur 30 deutlich weniger Licht aus. Die Lichtintensität im inneren Bereich 58 der Scheibe 12 wird so deutlich verringert, während das Licht in den äußeren Bereichen 44, 48 ungehindert durch die Linsenplatte 18 durchtreten und auf die Randbereiche 60 auftreffen kann.
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Die Lichtverteilung der in den 2 und 3 gezeigten Baugruppen 10 bezogen auf den Abstand zum Mittelpunkt der beleuchteten Außenseite 40 ist im Vergleich in 4 dargestellt. 4 zeigt die am Lichtempfänger gemessene Lichtintensität bezogen auf die z. B. in 3 dargestellte Längsrichtung der benetzungsempfindlichen Außenseite 40. Eine erste Kurve 64 stellt die Lichtverteilung des Regensensors 10' aus 2 dar, eine zweite Linie 66 die Verteilung des Regensensors 10 mit der erfindungsgemäßen Linsenplatte 18 aus 3.
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Wie deutlich zu erkennen ist, weist der Regensensor 10' mit der Linsenplatte 18' aus dem Stand der Technik im inneren Bereich 58 eine sehr hohe Lichtintensität auf, die zu den Randbereichen 60 stark abnimmt.
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Demgegenüber zeigt die Linie 66, dass mit der erfindungsgemäßen Linsenplatte 18 über einen sehr weiteren Bereich von -3 bis +3 mm eine homogenere Lichtintensität erzeugt werden kann, indem die Lichtintensität im inneren Bereich 58 abgeschwächt wird. Ein Absinken der Lichtintensität im inneren Bereich 58 unter den Wert des äußeren Randbereichs 60 stellt kein Problem dar, da der äußere Randbereich 60 eine deutlich größere Fläche aufweist, so dass auch in diesem Fall eine wesentlich größere Fläche zur Detektierung der Benetzung der Scheibe 12 vorhanden ist. Idealerweise hat aber die Lichtintensität an der Scheibe 12 auf der gesamten Fläche einen im Wesentlichen gleich hohen Wert.
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Auch wenn in einzelnen Bereichen durch eine Bedruckung, Beschichtung oder eine entsprechende Ausbildung der Strukturen kein Licht durch die Linsenplatte 18 durchtritt, wird dennoch aufgrund der geringfügigen Strahlenaufweitung durch die imperfekte Ausführung der Fresnel-Linsen in der Fertigung eine homogene Ausleuchtung erzielt, indem die durch die Ausblendung entstehenden Lücken wieder teilweise aufgefüllt werden. Zudem können sich die Lichtbündel, die an einzelnen Strukturen gestreut werden, derart überlagern, dass eine gleichmäßige Lichtintensität an der Scheibe 12 erreicht wird.
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Die Erfindung zielt also allgemein darauf ab, einzelne Bereiche der ersten Linsenstruktur 26 derart zu gestalten, dass im inneren Bereich 42 weniger oder gar kein Licht durch die Linsenplatte 18 durchtreten und auf die Scheibe 12 auftreffen kann.
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Dies kann, wie in 3 zu sehen ist, durch lichtbrechendere Strukturen 62 erfolgen. Alternativ kann dies auch, wie beispielsweise in 5 dargestellt ist, durch Bedrucken einzelner Bereiche 68 der Oberfläche der Linsenplatte 18 erfolgen. Diese Bereiche 68 können, wie in 5 zu sehen ist, abgeflacht sein. Es ist aber auch möglich, dass die erste Lichteinkoppelstrukur 28 eine herkömmliche Fresnell-Strukur ist und lediglich einzelne Rillen bedruckt sind. Die Bedruckung kann reflektierend, transluzent oder lichtabsorbierend sein.
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Es ist auch möglich, die Linsenplatte partiell zu beschichten, wobei die Beschichtung ebenfalls reflektierend, teildurchlässig oder lichtabsorbierend ausgestattet sein kann.
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In den hier gezeigten Ausführungsformen sind die Anti-Transmissionsmerkmale jeweils auf der ersten Lichteinkoppelstruktur 28 vorgesehen. Es ist aber auch möglich, diese auf der ersten Lichtauskoppelstrukur 30, also scheibenseitig an der Linsenplatte 18 vorzusehen.
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Die Ausblendung erfolgt in jedem Fall auf die lichtsenderseitige Linsenstruktur 26. Eine Anordnung solcher Anti-Transmissionsmerkmale auf der lichtempfängerseitigen Linsenstruktur würde dazu führen, dass von außerhalb des Glases kommende Lichtstrahlen, beispielsweise von der Sonne oder entgegenkommenden Fahrzeugen, auf den Lichtempfänger 16 gelenkt werden könnten. Dies könnte in der Folge zu Fehldetektionen führen.
