-
Die vorliegende Erfindung betrifft ein optisches System, insbesondere LiDAR(Light Detection and Ranging)-System, umfassend einen primären optischen Sensor, der durch eine optisch transparente Schutzabdeckung gegenüber Umwelteinflüssen geschützt ist, wobei das optische System ein Verschmutzungserkennungssystem umfasst, wobei das Verschmutzungserkennungssystem mindestens eine optische Sendeeinheit und mindestens eine optische Empfängereinheit umfasst, wobei eine erste Sendeeinheit dazu eingerichtet ist, ein erstes Lichtsignal so in die Schutzabdeckung einzukoppeln, dass sich das erste Lichtsignal gerichtet mit mindestens einer inneren Totalreflexion innerhalb der Schutzabdeckung auf einem ersten Propagationspfad ausbreitet, wobei eine erste Empfängereinheit dazu eingerichtet ist, das erste Lichtsignal an einem Ende des ersten Propagationspfades aus der Schutzabdeckung auszukoppeln und zu empfangen.
-
Stand der Technik
-
Viele Sensoren wie beispielsweise Sensoren mit Fahrerassistenzfunktionen im Automobilbereich wie Kameras, Radar oder LiDAR-Sensoren sind zum Schutz vor äußeren Umgebungseinflüssen durch eine transparente Schutzabdeckung geschützt. Der zu dem jeweiligen Sensor gehörende Informationsübertrag (zum Beispiel die Ausbreitung von Licht) erfolgt durch die Schutzabdeckung hindurch. Ist diese Schutzabdeckung durch Verschmutzungen wie beispielsweise Wasser oder Schmutz kontaminiert, so ist der Informationsfluss gestört und die Sensoren sind in ihrer Funktion eingeschränkt. Um diese Funktionseinschränkung aufzuheben, werden oftmals Systeme an der Außenseite der Schutzabdeckung angebracht, die diese reinigen. Beispiele dafür sind Scheibenwischer oder Spritzdüsen. Diese Reinigungssysteme können jedoch aufgrund von Verschleiß und Reinigungsmittelverbrauch nicht ununterbrochen arbeiten.
-
Aus dem Stand der Technik ist beispielsweise
DE102013211738A1 bekannt. Diese beschreibt die Detektion von Feuchtigkeit auf einer Scheibe (insbesondere einer Windschutzscheibe eines Fahrzeugs) mittels interner Totalreflexionen (TIR). Die Strahlung wird also ein oder mehrmals innerhalb der Scheibe totalreflektiert. Das System zur Detektion von Feuchtigkeit besteht aus einem Sender elektromagnetischer Strahlung, einem Einkoppelelement zur Einkopplung der Strahlung in ein Deckglas, einem Auskoppelement und einem Detektor. Das Prinzip beruht auf der Ausbreitung der Strahlung innerhalb der Scheibe durch TIR und der Erkennung von Abweichungen vom erwarteten auskopplungsseitigen Strahlungssignal. Alternativ kann auch eine Surround-Kamera dazu verwendet werden, die Windschutzscheibe zu überwachen.
-
WO2014/005585A1 beschreibt die Detektion von Feuchtigkeit auf einer Scheibe (insbesondere Windschutzscheibe) mittels einer Kamera, deren Hauptaufgabe eine von der Feuchtigkeitsdetektion unabhängige Aufgabe wie zum Beispiel die Erkennung von Fahrzeug externen Objekten (zum Beispiel anderen Fahrzeugen oder Hindernissen) ist.
-
Im Stand der Technik ist es also grundsätzlich bekannt, TIR in einer Scheibe zur Detektion von Feuchtigkeit auf der Scheibenoberfläche zu benutzen. Aktuelle Systeme sind insbesondere Regensensoren zur Detektion von Feuchtigkeit auf einer Windschutzscheibe. Diese Regensensoren detektieren Regentropfen nur auf einem kleinen Bereich der Windschutzscheibe und regeln mit der Information die Reinigung der Scheibe mittels beispielsweise eines Scheibenwischers. Treffen aber Verschmutzungen (Partikel, Wasser, Schnee, Eis, Öle; feste, flüssige, transparente und nicht-transparente Verunreinigungen, etc.) auf einen anderen Bereich der Windschutzscheibe, so wird die Verschmutzung durch den konventionellen Regensensor nicht erkannt. Für manche Anwendungen (zum Beispiel eine Schutzabdeckung eines LiDAR-Systems) reicht dies aber nicht aus, da jede Verschmutzung der Schutzabdeckung die Messdaten negativ beeinflussen kann.
-
Kamerasensoren zur Überwachung der Scheibenoberfläche / Schutzabdeckung hingegen sind sehr stark von der Umgebungsbeleuchtung abhängig.
-
Eine detektorunabhängige, automatische regelmäßige Reinigung der Schutzabdeckung ist problematisch, da damit je nach Intervalllänge entweder ein sehr hoher Reinigungsmittel- und Wasserverbrauch / eine hohe Abnutzung einhergeht und/oder längere Phasen der Verschmutzung der Schutzabdeckung und damit fehlerhafte Messdaten des optischen Systems in Kauf genommen werden.
-
Offenbarung der Erfindung
-
Erfindungsgemäß wird ein optisches System der eingangs genannten Art zur Verfügung gestellt, dadurch gekennzeichnet, dass das Verschmutzungserkennungssystem dazu eingerichtet ist, Verschmutzungen auf einer Oberfläche der Schutzabdeckung entlang des ersten Propagationspfades durch Vergleich des von der ersten Empfängereinheit empfangenen ersten Lichtsignals mit einem erwarteten ersten Lichtsignal zu erkennen, wobei das optische System so eingerichtet ist, dass durch Drehung und/oder Verschiebung des Verschmutzungserkennungssystems der erste Propagationspfad innerhalb der Schutzabdeckung verschoben und/oder gedreht wird, sodass das Verschmutzungserkennungssystem Verschmutzungen entlang der vom ersten Propagationspfad überstrichenen Oberfläche der Schutzabdeckung erkennt.
-
Vorteile der Erfindung
-
Die Erfindung erlaubt die Detektion und/oder Reinigung von Verschmutzungen auf der Schutzabdeckung eines optischen Sensors, beispielsweise eines LiDAR-Sensors, einer Kamera oder einer Kombination einer Kamera und eines LiDAR-Sensors hinter einer gemeinsamen Schutzabdeckung. Die optisch transparente Schutzabdeckung kann beispielsweise eine Glas- oder Kunststoffscheibe sein.
-
Grundgedanke ist die Verwendung einer oder mehrerer optischer Sendeinheiten und einer oder mehrerer optischer Empfängereinheiten, die entlang der Schutzabdeckung rotieren oder sich entlang dieser bewegen. Ein wesentlicher Vorteil der Erfindung ist die zumindest eindimensional, vorteilhafterweise zweidimensional ortsaufgelöste Detektion von Verschmutzungen auf der Oberfläche der Schutzabdeckung. Diese Positionsbestimmung von Verschmutzungen bietet die Möglichkeit, durch gezielte Reinigung die dazu benötigten Ressourcen (zum Beispiel Spritzwasser, Reinigungsmittel) sparsamer einsetzen zu können. So kann beispielsweise nur ein Abschnitt der Schutzabdeckung durch eine verbundene Reinigungsvorrichtung gereinigt werden, auf dem eine Verschmutzung festgestellt wurde.
-
Zusätzlich können die durch den primären Sensor gemessen Daten (zum Beispiel Abstandsmessungen) zuverlässiger interpretiert werden, da eventuelle Fehldetektionen den Verschmutzungen zugeordnet werden können. Somit kann eine Software entscheiden, welche Messdaten zuverlässig sind beziehungsweise kann durch Verschmutzungen erzeugte Artefakte in den Daten zumindest teilweise herausrechnen, bis eine Reinigung möglich ist. Da mit dem erfindungsgemäßen Verschmutzungserkennungssystem prinzipiell die gesamten relevanten inneren und äußeren Oberflächen der Schutzabdeckung überwacht werden können, kann sichergestellt werden, dass Verschmutzungen schnell und zuverlässig entdeckt werden können. Gleichzeitig wird der Verbrauch an Reinigungsmitteln / Wasser reduziert und damit der Wartungszyklus des optischen Systems verlängert.
-
Ein negativer Einfluss des Verschmutzungserkennungssystems auf den primären Sensor des optischen Systems selbst kann vermieden werden, da eine andere Wellenlänge verwendet werden kann. Zusätzlich kann ein Einfluss auf den primären Sensor vermieden werden indem der/die Sendeeinheit(en) und der/die Empfängereinheit(en) stets in eine andere Richtung als der primäre Sensor ausgerichtet werden.
-
Das erfindungsgemäße System hat gegenüber passiven, rein kamerabasierten Systemen den Vorteil, dass es auch bei schlechten Lichtverhältnissen gleich gute Ergebnisse liefert.
-
Ein Propagationspfad verläuft innerhalb der Schutzabdeckung in Schnittansicht zickzackförmig zwischen den Totalreflexionen. In Aufsicht senkrecht zu einer Oberfläche der Schutzabdeckung verlaufen Projektionen der Propagationspfade aber im Wesentlichen gradlinig, wobei eine gewisse Streuung und Winkelabweichungen unvermeidbar sind. Auch in gebogenen Schutzabdeckungen (zum Beispiel zylinderförmigen Schutzabdeckungen) verlaufen die Propagationspfade nur näherungsweise linear in Projektion auf der gebogenen Oberfläche.
-
„Licht“ ist hier nicht zwangsläufig auf sichtbares Licht beschränkt, sondern kann beispielsweise auch Infrarotlicht oder UV-Strahlung umfassen. Im Folgenden wird Licht und Strahlung zum Teil synonym verwendet.
-
Ein Propagationspfad kann aber in Aufsicht auf die Oberfläche der Schutzabdeckung eine gewisse Ausdehnung in Breitenrichtung aufweisen. Gleichzeitig kann ein Propagationspfad in Dickenrichtung der Schutzabdeckung eine Ausdehnung in der gleichen Größenordnung wie die Dicke der Schutzabdeckung aufweisen. Damit wird sichergestellt, dass ein wesentlicher Teil der (oder die gesamte) inneren und äußeren Oberfläche der Schutzabdeckung abgetastet werden kann.
-
Das optische System ist mit einer oder mehreren Sende- und Empfängereinheiten ausgestattet, die beispielsweise auf der gegenüberliegenden Seite, alternativ auch über oder unter dem eigentlichen primären Sensor, angeordnet sind.
-
Es können zwei, drei, vier, fünf, sechs oder mehr Propagationspfade verwendet werden, um die Position der Verschmutzungen möglichst genau zu bestimmen. Innerhalb jedes Propagationspfades können ein oder mehrere Lichtsignale eingesetzt werden, um Verschmutzungen zu erkennen. Die Lichtsignale können sich dabei jeweils in ihrem geometrischen Verlauf durch die Schutzabdeckung und/oder in ihren Signaleigenschaften (Wellenlänge, Wellenlängenbereich etc.) unterscheiden. Mehrere Lichtsignale können durch dieselben Sende- und Empfängereinheiten bereitgestellt werden.
-
Das der Erfindung zugrundeliegende Verschmutzungserkennungssystem beruht auf einer oder mehreren optischen Sendeeinheiten (zum Beispiel eine LED oder ein Laser etc.) und einer oder mehreren optischen Empfängereinheiten (zum Beispiel eine Photodiode, ein CCD etc.).
-
In einer bevorzugten Ausführungsform umfasst das Verschmutzungserkennungssystem eine zweite optische Sendeeinheit und eine zweite optische Empfängereinheit, die entsprechend des ersten Propagationspfades mittels eines zweiten Lichtsignals einen zweiten Propagationspfad durch die Schutzabdeckung bilden, wobei sich der zweite Propagationspfad von dem ersten Propagationspfad unterscheidet. Die zweite Sendeeinheit ist also dazu eingerichtet, ein zweites Lichtsignal so in die Schutzabdeckung einzukoppeln, dass sich das zweite Lichtsignal gerichtet mit mindestens einer inneren Totalreflexion innerhalb der Schutzabdeckung auf einem zweiten Propagationspfad ausbreitet, wobei die zweite Empfängereinheit dazu eingerichtet ist, dass zweite Lichtsignal an einem Ende des ersten Propagationspfades aus der Schutzabdeckung auszukoppeln und zu empfangen. Die Verwendung von zwei unterschiedlichen Propagationspfaden erlaubt eine genauere Ortsbestimmung einer Verschmutzung auf einer der Oberflächen der Schutzabdeckung.
-
In einer Ausführungsform verlaufen mindestens zwei Propagationspfade unter einem Relativwinkel in der Schutzabdeckung, wobei das Verschmutzungserkennungssystem dazu eingerichtet ist, durch einen Vergleich von zwei erkannten eindimensionalen Positionen einer mittels der beiden entsprechenden Lichtsignale erkannten Verschmutzung eine zweidimensionale Position und/oder eine zweidimensionale Ausdehnung der Verschmutzung auf der Oberfläche der Schutzabdeckung zu bestimmen. Durch einen Vergleich der beiden Zeitpunkte zu dem in dem ersten Propagationspfad beziehungsweise in dem zweiten Propagationspfad eine Verschmutzung festgestellt wird, kann dann eine zweidimensionale Position der Verschmutzung auf einer Oberfläche der Schutzabdeckung rekonstruiert werden. Dies erlaubt einen sparsameren Einsatz einer eventuellen Reinigungsvorrichtung und ermöglicht außerdem durch die Verschmutzung verursachte Signalstörungen des primären Sensors genauer zu bestimmen.
-
In einer Ausführungsform ist mindestens ein Propagationspfad so eingerichtet, dass entlang dieses Propagationspfades im Wesentlichen vollständige Streifen einer inneren Oberfläche der Schutzabdeckung und einer äußeren Oberfläche der Schutzabdeckung abgetastet werden. Ein Streifen ist dabei als zweidimensionaler Abschnitt der beispielsweise in Form eines Rechtecks oder Parallelogramms auf der inneren Oberfläche der Schutzabdeckung beziehungsweise der äußeren Oberfläche der Schutzabdeckung zu verstehen. In dieser Ausführungsform sind die Dimensionen des Lichtsignals vorteilhafterweise so ausgelegt, dass entlang des Streifens im Wesentlichen die gesamte innere und äußere Oberfläche der Schutzabdeckung (vorzugsweise genau) einmal mit dem Lichtsignal in Kontakt kommt.
-
Es ist bevorzugt, wenn mindestens ein Propagationspfad so eingerichtet ist, dass entlang dieses Propagationspfades nur ein Teil einer inneren Oberfläche der Schutzabdeckung und nur ein Teil einer äußeren Oberfläche der Schutzabdeckung abgetastet werden. Diese Ausführungsform ermöglicht es, bei Verwendung mehrerer Lichtsignale zu unterscheiden, ob eine Verschmutzung auf der inneren oder der äußeren Oberfläche der Schutzabdeckung vorliegt.
-
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform verlaufen mindestens zwei Propagationspfade im Wesentlichen parallel und tasten jeweils unterschiedliche Teile der inneren Oberfläche und unterschiedliche Teile der äußeren Oberfläche ab, wobei mindestens ein dritter Propagationspfad unter einem Relativwinkel zu den beiden anderen Propagationspfaden verläuft, wobei das Verschmutzungserkennungssystem dazu eingerichtet ist, durch eine Bestimmung, in welchen zwei der drei Propagationspfade eine jeweils erkannte Verschmutzung erkannt wurde, zusätzlich zu bestimmen, ob die Verschmutzung auf der inneren Oberfläche oder der äußeren Oberfläche der Schutzabdeckung vorhanden ist. Bei einer zylinderförmigen Schutzabdeckung können die parallelen Lichtsignale beispielsweise abwechselnd je einen Zylinderring der inneren Oberfläche und dann in Höhenrichtung versetzt einen Zylinderring der äußeren Oberfläche abtasten. Parallel ist hier lediglich in Bezug auf eine zweidimensionale Projektion der Propagationspfade auf die äußere oder innere Oberfläche der Schutzabdeckung zu verstehen. Zusammen tasten die beiden parallelen Lichtsignale dann zu jedem Zeitpunkt einen im Wesentlichen vollständigen Streifen der inneren Oberfläche und der äußeren Oberfläche ab, wobei sich jeweils bestimmte Höhenabschnitte auf der Zylinderfläche einem der beiden Lichtsignale zuordnen lassen. Zusammen mit einem dritten, unter einem Relativwinkel verlaufenden Lichtsignal kann dann zunächst die zweidimensionale Position einer erkannten Verschmutzung bestimmt werden. Aus der Kenntnis, welches der beiden parallelen Lichtsignale zusammen mit dem dritten Lichtsignal eine Verschmutzung anzeigt, kann dann auch noch bestimmt werden, ob sich die Verschmutzung auf der inneren oder der äußeren Oberfläche der Schutzabdeckung befindet.
-
Vorzugsweise erfolgt eine Einkopplung und/oder eine Auskopplung mindestens eines Lichtsignals in die Schutzabdeckung über optische Komponenten oder durch mindestens einen Lichtaufnahmebereich der Schutzabdeckung. Die optischen Komponenten können Strahlteiler, Lichtleiter, Prismen, Linsen, Kollimatorlinsen oder Hologramme umfassen. Ein Lichtaufnahmebereich der Schutzabdeckung kann beispielsweise eine angeschrägte Kante der Schutzabdeckung sein. Grundsätzlich ist ein Lichtaufnahmebereich dazu eingerichtet, ein auf die Schutzabdeckung treffendes Lichtsignal in die Schutzabdeckung auf einen Propagationspfad zu leiten. Dies kann durch geeignete geometrische Ausbildung der Schutzabdeckung im Lichtaufnahmebereich erfolgen.
-
Es ist bevorzugt, wenn das Verschmutzungserkennungssystem dazu eingerichtet ist, mindestens einen Signalparameter eines Lichtsignals zu variieren, um die Eigenschaften einer erkannten Verschmutzung zu bestimmen. Ein Signalparameter kann beispielsweise eine Wellenlänge oder ein Wellenlängenbereich oder eine Breite des Propagationspfades in Abtastrichtung (= der Bewegungsrichtung des Propagationspfades bei der Rotation und/oder Verschiebung) sein. Eine Änderung der Wellenlänge oder des Wellenlängenbereichs verursacht in der Regel eine Änderung im Anteil des Lichtsignals, dass von der Verschmutzung absorbiert wird, je nachdem um welche Art von Verschmutzung (zum Beispiel Partikel, Wasser, Schnee, Eis, Öle; feste, flüssige, transparente und nicht-transparente Verunreinigungen) es sich handelt. Bei bestimmten Verschmutzungen kann es ausreichen, einen Reinigungsmechanismus ohne Reinigungsflüssigkeit zur Entfernung einzusetzen, während es bei anderen Verschmutzungen sinnvoll sein kann, zusätzlich zu einer mechanischen Reinigung auch eine Reinigungsflüssigkeit auf die Schutzabdeckung aufzubringen.
-
In einer Ausführungsform sind die mindestens eine Sendeeinheit und die mindestens eine Empfängereinheit so angeordnet, dass sie gemeinsam mit dem primären optischen Sensor im Betrieb des optischen Systems um eine gemeinsame Rotationsache rotiert werden und dabei der mindestens eine Propagationspfad die Oberflächen der Schutzabdeckung zur Verschmutzungserkennung überstreicht. Durch eine Rotation des primären Sensors kann oftmals ein größeres Blickfeld abgedeckt werden. Gleichzeitig dient die sowieso schon vorhandene Rotation des primären Sensors dann dem Verschmutzungserkennungssystem zur Detektion von Verschmutzungen mittels eines Abtastens beziehungsweise Abrasterns der Schutzabdeckung.
-
In einer Ausführungsform umfasst das Verschmutzungserkennungssystem einen eigenen Bewegungsmechanismus, der so eingerichtet ist, dass durch Drehung und/oder Verschiebung mindestens einer Sendeeinheit und mindestens einer Empfängereinheit mindestens ein Propagationspfad innerhalb der Schutzabdeckung verschoben und/oder gedreht wird, sodass das Verschmutzungserkennungssystem Verschmutzungen entlang der von diesem Propagationspfad überstrichenen Oberfläche der Schutzabdeckung erkennt. Diese Ausführungsform eignet sich insbesondere für optische Systeme mit einem statischen primären Sensor. Das Verschmutzungserkennungssystem sorgt dann gewissermaßen selbst für eine für die Abtastung der Oberflächen der Schutzabdeckung notwendige Relativbewegung zwischen Schutzabdeckung und Sendeeinheit beziehungsweise Empfängereinheit.
-
Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben und in der Beschreibung beschrieben.
-
Figurenliste
-
Ausführungsbeispiele der Erfindung werden anhand der Zeichnungen und der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigen:
- 1 eine schematische Darstellung einer Ausführungsform eines erfindungsgemäßen optischen Systems,
- 2 eine schematische Darstellung einer Ausführungsform eines erfindungsgemäßen optischen Systems,
- 3 eine schematische Darstellung einer Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Verschmutzungserkennungssystems,
- 4 eine schematische Darstellung einer weiteren Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Verschmutzungserkennungssystems, und
- 5 eine schematische Darstellung der Totalreflexion in der Schutzabdeckung.
-
Ausführungsformen der Erfindung
-
1 zeigt eine schematische Schnittansicht durch ein erfindungsgemäßes optisches System 1 (beispielsweise ein LiDAR-Sensorsystem als Fahrerassistenzsystem), das von einer Schutzabdeckung 2 umgeben ist. Die Schutzabdeckung ist optisch transparent und in der vorliegenden Ausführungsform zylinderschalenförmig. Das optische System 1 umfasst einen primären Sensor 3, der beispielsweise ein LiDAR-Sensor oder eine Kamera sein kann, sowie ein Verschmutzungserkennungssystem 4. Der primäre Sensor 3 und das Verschmutzungserkennungssystem 4 rotieren in dieser Ausführungsform gemeinsam um eine Achse.
-
Für optische Systeme 1 mit rotierendem primärem Sensor 3 und einer zylindrischen Schutzabdeckung 2 lässt sich das erfindungsgemäße Verschmutzungserkennungssystem 4 am einfachsten integrieren, da sich dann die betriebsbedingte Rotation des primären Sensors 3 auch zur Abtastung der Schutzabdeckung 2 durch das Verschmutzungserkennungssystem 4 nutzen lässt.
-
Das optische System 1 ist zusätzlich mit einer oder mehreren Sendeeinheiten und Empfängereinheiten ausgestattet (siehe insbesondere 2), die beispielsweise auf der gegenüberliegenden Seite (1), alternativ auch über oder unter dem primären Sensor 3 angeordnet sind.
-
2 zeigt eine schematische Darstellung einer Ausführungsform eines erfindungsgemäßen optischen Systems 1, wobei alle Komponenten außer dem Verschmutzungserkennungssystem 4 und der Schutzabdeckung 2 der Übersichtlichkeit halber nicht dargestellt sind.
-
Das Verschmutzungserkennungssystem 4 umfasst hier zwei optische Sendeeinheiten 5, 6 und zwei optische Empfängereinheiten 7, 8. Eine erste Sendeeinheit 5 ist dazu eingerichtet, ein erstes Lichtsignal so in die Schutzabdeckung 2 einzukoppeln, dass sich das erste Lichtsignal gerichtet mit mindestens einer inneren Totalreflexion innerhalb der Schutzabdeckung 2 auf einem ersten Propagationspfad 9 ausbreitet. Eine erste Empfängereinheit 7 ist dazu eingerichtet, das erste Lichtsignal an einem Ende des ersten Propagationspfades 9 aus der Schutzabdeckung 2 auszukoppeln und zu empfangen. Entsprechend ist eine zweite Sendeeinheit 6 dazu eingerichtet, ein zweites Lichtsignal so in die Schutzabdeckung 2 einzukoppeln, dass sich das zweite Lichtsignal gerichtet mit mindestens einer inneren Totalreflexion innerhalb der Schutzabdeckung 2 auf einem zweiten Propagationspfad 10 ausbreitet. Eine zweite Empfängereinheit 8 ist dazu eingerichtet, das zweite Lichtsignal an einem Ende des zweiten Propagationspfades 9 aus der Schutzabdeckung 2 auszukoppeln und zu empfangen.
-
Die Einkopplung und/oder Auskopplung der Lichtsignale in die Schutzabdeckung 11 kann über optische Komponenten oder durch mindestens einen Lichtaufnahmebereich der Schutzabdeckung 11 erfolgen (siehe auch 5). Ein Lichtaufnahmebereich der Schutzabdeckung 11 kann beispielsweise eine angeschrägte Kante der Schutzabdeckung 11 sein. Grundsätzlich ist ein Lichtaufnahmebereich dazu eingerichtet, ein auf die Schutzabdeckung 11 treffendes Lichtsignal in die Schutzabdeckung 11 auf einen Propagationspfad 9, 10 zu leiten. Dies kann durch geeignete geometrische Ausbildung der Schutzabdeckung 11 im Lichtaufnahmebereich erfolgen.
-
Das Verschmutzungserkennungssystem 4 ist dazu eingerichtet, Verschmutzungen auf einer Oberfläche der Schutzabdeckung 2 entlang der Propagationspfade 9, 10 durch Vergleich des von den Empfängereinheiten 7, 8 empfangenen Lichtsignals mit erwarteten Lichtsignalen zu erkennen. Das optische System 1 ist dabei wie beschrieben so eingerichtet, dass (hier) durch Drehung (und/oder Verschiebung) des Verschmutzungserkennungssystems 4 die Propagationspfade 9, 10 innerhalb der Schutzabdeckung 2 (verschoben und/oder) gedreht werden, sodass das Verschmutzungserkennungssystem 4 Verschmutzungen entlang der von den Propagationspfaden 9, 10 überstrichenen Oberfläche der Schutzabdeckung 2 erkennt. Die Propagationspfade wandern hier gegen den Uhrzeigersinn über die Schutzabdeckung 2.
-
Die Sende- und Empfängereinheiten 5, 6, 7, 8 können (wie in 1 angedeutet) beispielsweise auf der gegenüberliegenden Seite, alternativ auch über und unter dem primären Sensor 3 angeordnet sein.
-
Der oder die optischen Sendeeinheiten 5, 6 können zum Beispiel LED, Laser oder IR-Laserdioden mit oder ohne Kollimationsoptiken sein. Der oder die optischen Empfängereinheiten können zum Beispiel (Si-)Photodioden, Kameras oder CCD mit oder ohne Kollimationsoptiken sein. Durch die Sendeeinheiten 5, 6 wird elektromagnetische Strahlung in die Ober- oder Unterseite der Schutzabdeckung 2 eingekoppelt, sodass das Licht in der Schutzabdeckung 2 durch interne Totalreflexionen (siehe 5) an die gegenüberliegende Seite propagiert und dort bei der Empfängereinheit 7, 8 auskoppelt.
-
Als Schutzabdeckung 2 kann eine zylinderförmige Platte aus Kunststoff oder Glas verwendet werden. Der Brechungsindex des Materials definiert die Reflexionseigenschaften des Systems, die in der Realisierung der Kopplung berücksichtigt werden müssen.
-
Im gezeigten Fall in 2 sind sowohl Sendeeinheiten 5, 6 als auch Empfängereinheiten 7, 8 mit der Rotationsachse des Systems gekoppelt. Die Orte, an denen die Strahlung ein beziehungsweise auskoppelt, bleiben relativ zueinander gleich. Über den aktuellen Rotationswinkel können die Positionen der Verschmutzungen bestimmt werden (siehe 3 und 4).
-
Die Ein- beziehungsweise Auskopplung kann dabei durch verschiedene Elemente (zum Beispiel Prismen, Spiegel, Hologramme etc.) realisiert werden. Befinden sich Verschmutzungen auf der Oberfläche der Schutzabdeckung 2, so wird die Totalreflexion bei geeigneter Wahl des Einkopplungswinkels an den entsprechenden Stellen unterbunden und das Lichtsignal sinkt. Dies ist primär die Folge eines anderen Brechungsindexes an den Verschmutzungsstellen gegenüber sauberen Stellen der Oberflächen der Schutzabdeckung 2, wodurch die Totalreflexion entlang des jeweiligen Propagationspfades unterbrochen oder zumindest reduziert wird (beispielsweise aufgrund von teilweiser Absorption und/oder Streuung des Lichtsignals).
-
Die Lichtsignalstärke kann somit als Maß für den Grad der Verschmutzung angesehen werden. Dabei werden nur (vereinfacht gesprochen) eindimensionale Propagationspfade auf der Schutzabdeckung 2 überwacht, an dem die elektromagnetische Strahlung ein- beziehungsweise auskoppelt. Die Rotation des Sensors bewirkt eine Verschiebung der Ein- beziehungsweise Auskoppelebene, sodass im Wesentlichen die gesamten Oberflächen der Schutzabdeckung 2 abgescannt werden. „Im Wesentlichen“ ist hier so zu verstehen, dass je nach Art der Einkopplung und Auskopplung die (hier oberen und unteren) Ränder der Schutzabdeckung 2 nicht abgescannt werden. Dies kann jedoch unproblematisch sein, da der primäre Sensor 3 nicht notwendigerweise die gesamte Schutzabdeckung 2 für sein Blickfeld verwendet. Weiterhin kann auch ein Teil der Ränder der Schutzabdeckung 2 durch Verbindungsbereiche von einem Gehäuse des optischen Systems 1 abgedeckt sein.
-
Die Ausführungsformen unterscheiden sich insbesondere in der Ein- und Auskopplung der Strahlung in die / aus der Schutzabdeckung, den verwendeten Sendeeinheiten 5, 7 sowie Empfängereinheiten 8, 9, Optiken zur Strahlformung und -umlenkung oder in Form und Material der Schutzabdeckung. Die Einkopplung / Auskopplung kann beispielsweise durch Abschrägen der oberen beziehungsweise unteren Kanten der Schutzabdeckung 2 realisiert werden. Alternativ können optische Elemente wie Prismenstrukturen oder Hologramme auf der Oberfläche der Schutzabdeckung 2 angebracht werden, um Kopplungsverluste zu minimieren.
-
Die 3 und 4 zeigen zwei Ausführungsformen des optischen Systems 1 sowie das Prinzip der erfindungsgemäßen Verschmutzungserkennung. Die Schutzabdeckung 2 kann in den beiden gezeigten Ausführungsformen hier beispielsweise zylinderförmig oder rechteckig sein. Entsprechend der Ausführungsform der 1 und 2 ist die Schutzabdeckung dann von links nach rechts „ausgerollt“ dargestellt, also entlang einer Rotation um die Rotationsachse des Zylinders. Das optische System 1 funktioniert aber auch bei einer beispielsweise rechteckigen Schutzabdeckung 2, wobei das Verschmutzungserkennungssystem 4 dann vorzugsweise einen eigenen Bewegungsmechanismus umfasst. Im Folgenden wird ohne Festlegung auf eine rotationssymmetrische Schutzabdeckung eine derartige Ausführungsform beschrieben, um das Funktionsprinzip zu verdeutlichen.
-
In 3 umfasst das Verschmutzungserkennungssystem 4 eine optische Sendeeinheit 5 und eine optische Empfängereinheit 7, die einen Propagationspfad 9 durch die Schutzabdeckung 2 erzeugen. Befinden sich keine Verschmutzungen auf der Schutzabdeckung 2, so ist das Lichtsignal für alle Winkel der Rotation (oder alle Positionen der Verschiebung) gleich. Befinden sich Verschmutzungen auf der Oberfläche, so sinkt das Signal an den entsprechenden Stellen ab. Durch Auslesen der aktuellen Winkeleinstellung (oder der räumlichen Position) des Propagationspfades 9, kann eine eindimensionale Verschmutzungsposition 12 der Verschmutzung 11 auf der entsprechenden Vertikalen (siehe 3 unten) bestimmt werden und beispielsweise an ein Reinigungssystem weitergegeben werden.
-
In 4 umfasst das Verschmutzungserkennungssystem 4 zwei optische Sendeeinheiten 5, 6 und zwei optische Empfängereinheiten 7, 8. Um zu gewährleisten, dass Verschmutzungen 11 an jeder Position auf der Vertikalen erkannt werden, muss die in die Schutzabdeckung 2 eintretende Strahlung so geführt werden, dass jeder Punkt auf der Vertikalen mindestens einmal bestrahlt wird.
-
Wie in 3 gezeigt können Verschmutzungen in der Ausführungsform der 4 auf der entsprechenden Vertikalen der Schutzabdeckung erkannt werden (die internen Totalreflexionen liegen senkrecht zur Bildebene und sind somit nicht sichtbar, vergleiche auch 5). Das Verschmutzungserkennungssystem 4 ist dann (durch Rotation oder Translation) horizontal ortsaufgelöst. Um dem Verschmutzungserkennungssystem 4 eine vertikale Ortsauflösung hinzuzufügen, wird dieses um mindestens einen weiteren Propagationspfad 10 erweitert. Für jeden Propagationspfad 9, 10 können die Verschmutzungen 11 dann auf den zugehörigen Vertikalen (beziehungsweise Schrägen, falls die Ebenen gedreht sind) erkannt werden. Aus den Zeitpunkten beziehungsweise horizontalen Koordinaten jeder Verschmutzung 11, die jeweils mittels eines der Propagationspfade 9, 10 bestimmt werden, lässt sich dann in der Regel (bei einer begrenzten Anzahl an Verschmutzungen 11) sowohl eine horizontale als auch eine vertikale Koordinate für eine zweidimensionale Verschmutzungsposition 13 jeder Verschmutzung 11 bestimmen. In 4 bestimmen die beiden Propagationspfade die erste Verschmutzung von links fast zeitgleich, woraus sich eine vertikal mittige Position errechnen lässt. Die zweite Verschmutzung 11 von links ist sehr weit unten angeordnet, was sich daraus bestimmen lässt, dass sie den Propagationspfad 10 deutlich früher (bei einer Rotation „nach rechts“) als den Propagationspfad 9 beeinflusst.
-
Zur Realisierung der gekreuzten Propagationspfade 9, 10 können beispielsweise mehrere Sendeeinheiten 5, 6 (mit eventuellen Optiken etc.) sowie mehrere Empfängereinheiten 7, 8 (mit eventuellen Optiken) verwendet werden. Alternativ kann das Licht einer einzelnen Sendeeinheit 5 über optische Elemente (zum Beispiel Strahlteiler) in mehrere Propagationspfade 9, 10 aufgespalten werden, sodass weniger Komponenten benötigt werden. Die Sendeeinheiten 5, 6 (bspw. LEDs) können aber auch selbst dazu eingerichtet sein, mehrere Lichtsignale unter verschiedenen Winkeln in die Schutzabdeckung 11 einzuleiten, sodass diese sich auch mit verschiedenen Winkeln (divergent) entlang des Propagationspfades 9, 10 ausbreiten. Entsprechend können die Empfängereinheiten 7, 8 dazu eingerichtet sein, mehrere Lichtsignale aus demselben Propagationspfad 9, 10 zu empfangen und zu unterscheiden (bspw. über deren geometrischen Ankunftsbereich in der Empfängereinheit, deren Wellenlänge oder deren Wellenlängenbereich etc.).
-
5 zeigt die Propagation von Licht / Strahlung mittels interner Totalreflexionen durch eine Schutzabdeckung 2 zwischen Sendeeinheit 5, 6 und Empfängereinheit 7, 8. Die in 3 und 4 gezeigten Ebenen stehen senkrecht zur Bildebene, sodass die Reflexionen dort nicht sichtbar sind. Durch eine Relativbewegung von Sendeeinheit 5, 6 und Empfängereinheit 7, 8 wird die Schutzabdeckung 2 abgescannt. Die Vertikale (oder Diagonale, 4), auf der sich eine Verschmutzung 11 befindet, liefert ein verringertes Lichtsignal.
-
Der prozentuale Anteil der ausgekoppelten Strahlung bei Auftreffen auf eine Verschmutzung 11 hängt von einem Propagationswinkel des Propagationspfades 9, den Brechungsindizes von Schutzabdeckung 2 und der Ausdehnung und Stärke der Verschmutzung 11 (und somit von der Wellenlänge der Strahlung) sowie von der Polarisation der Strahlung ab. Durch geeignete Wahl der Parameter kann zusätzlich der Abschwächungsgrad der Strahlung als Maß für den Grad der Verschmutzung 11 interpretiert werden. Durch Variation der Parameter können Rückschlüsse auf die Art der Verschmutzung (zum Beispiel Brechungsindex) geschlossen werden.
-
Es können auch mehrere Lichtsignale mit verschiedenen Winkeln durch denselben Propagationspfad 9 propagieren. Damit „scannen“ die Lichtsignale beispielsweise verschiedene Abschnitte der Oberflächen der Schutzabdeckung 2 entlang des Propagationspfades 9 ab. So kann die Ortsauflösung des Verschmutzungserkennungssystems 4 verbessert werden. Die Lichtsignale können sich beispielsweise in einer Signaleigenschaft (Wellenlänge, Wellenlängenbereich etc.) unterscheiden und gleichzeitig eine Analyse der Art der Verschmutzung 11 erlauben.
-
Durch Erhöhen der Anzahl der Propagationspfade 9, 10 kann unterschieden werden, ob sich die Verschmutzung auf der Innen- oder der Außenseite der Schutzabdeckung 2 befindet. Es können zwei, drei, vier, fünf, sechs oder mehr Propagationspfade verwendet werden, um die Position der Verschmutzungen 11 zu bestimmen. Dazu können die unterschiedlichen Pfade so definiert werden, dass sie unterschiedliche Bereiche (nicht mehr jede Position auf der Schutzabdeckung 2 für jeden Propagationspfad 9, 10) entlang einer Ausbreitungsrichtung beleuchten. Abhängig davon, welche Bereiche beleuchtet werden, kann unter Berücksichtigung verschiedener Propagationspfade 9, 10 darauf rückgeschlossen werden, ob die Verschmutzung auf der inneren Oberfläche der äußeren Oberfläche der Schutzabdeckung 2 liegt. Hierzu sind in der Regel drei Propagationspfade 9, 10 notwendig, wobei sich mindestens zwei in ihren Relativwinkeln in der Ebene der Schutzabdeckung unterscheiden müssen (siehe 4).
-
In diesem Fall verlaufen mindestens zwei Propagationspfade 9, 10 im Wesentlichen parallel und tasten jeweils unterschiedliche Teile der inneren Oberfläche und unterschiedliche Teile der äußeren Oberfläche ab. Mindestens ein dritter Propagationspfad 9, 10 verläuft unter einem Relativwinkel zu den beiden anderen Propagationspfaden 9, 10. Das Verschmutzungserkennungssystem kann dann dazu eingerichtet sein, durch eine Bestimmung, in welchen zwei der drei Lichtsignale eine jeweils erkannte Verschmutzung 11 erkannt wurde, zusätzlich zu bestimmen, ob die Verschmutzung 11 auf der inneren Oberfläche oder der äußeren Oberfläche der Schutzabdeckung 2 vorhanden ist.
-
Bei einer zylinderförmigen Schutzabdeckung 2 können die parallelen Lichtsignale beispielsweise abwechselnd je einen Zylinderring der inneren Oberfläche und dann in Höhenrichtung versetzt einen Zylinderring der äußeren Oberfläche abtasten (vergleiche 2). Parallel ist hier lediglich in Bezug auf eine zweidimensionale Projektion der Propagationspfade 9, 10 auf die äußere oder innere Oberfläche der Schutzabdeckung 2 zu verstehen. Zusammen tasten die beiden parallelen Lichtsignale dann zu jedem Zeitpunkt einen im Wesentlichen vollständigen Streifen der inneren Oberfläche und der äußeren Oberfläche ab, wobei sich jeweils bestimmte Höhenabschnitte auf der Zylinderfläche einem der beiden Lichtsignale zuordnen lassen. Zusammen mit einem dritten, unter einem Relativwinkel verlaufenden Lichtsignal kann dann zunächst die zweidimensionale Position einer erkannten Verschmutzung 11 bestimmt werden. Aus der Kenntnis, welches der beiden parallelen Lichtsignale zusammen mit dem dritten Lichtsignal eine Verschmutzung 11 anzeigt, kann dann auch noch bestimmt werden, ob sich die Verschmutzung 11 auf der inneren oder der äußeren Oberfläche der Schutzabdeckung 2 befindet.
-
5 zeigt die Einkopplung der Strahlung in die Schutzabdeckung 2 auf einer bestimmten Breite, sodass aufeinanderfolgende Reflexe in der Schutzabdeckung 2 die gesamte Oberfläche der Schutzabdeckung treffen. Dargestellt ist die Einkopplung über um 45° gewinkelte Kanten, sodass die notwendige Strahlbreite trivialerweise genau der Kantenlänge entspricht. Für größere Propagationswinkel oder Kantenwinkel sind zusätzliche Überlegungen zur Realisierung der Einkopplung notwendig, um die notwendige Strahlbreite zu erreichen.
-
Für einen festgelegten Propagationswinkel der Propagationspfade 9, 10 kann die eintretende Strahlung so weit aufgeweitet werden, dass aufeinanderfolgende Reflexionen den gesamten Bereich der Sensorabdeckung 2 beleuchten. Alternativ kann auch eine der Sendeeinheiten 5, 6 so eingerichtet sein, dass sie abwechselnd immer nur mit je einem Propagationspfad 9 mit einer halben „Breite“ (die halbe „Breite“ des Propagationspfades 9 in 5) jeweils die Hälfte der Oberflächen abtastet (beispielsweise in abwechselnde Zylinderringe unterteilt) und das Abrastern der Oberflächen zweimal nacheinander durchgeführt wird mit je einem der „halben“ Propagationspfade 9, 10. Dann lässt sich auch bestimmen, ob eine Verschmutzung 11 auf der äußeren Oberfläche oder der inneren Oberfläche vorliegt. Es ist auch möglich, zwei, drei oder mehr Lichtsignale mit verschiedenen Winkeln durch denselben Propagationspfad 9, 10 propagieren zu lassen. Damit „scannen“ die Lichtsignale beispielsweise verschiedene Abschnitte der Oberflächen der Schutzabdeckung 2 entlang des Propagationspfades 9 ab.
-
Die Auskopplung der Strahlung am Ende der Schutzabdeckung 2 kann prinzipiell durch Verwendung von mehreren Empfängereinheiten 7,8 direkt an der Austrittsfläche vermieden werden. Die Anzahl und Größe der Empfängereinheiten 7,8 bestimmt dann die Auflösung. Dadurch kann gewährleistet werden, dass ein Großteil der Strahlung in der Schutzabdeckung 2 auch auf die Detektorfläche der Empfängereinheiten 7,8 fällt. Prinzipiell kann die Erfindung auch auf ein nicht-rotierendes optisches System 1 mit gekrümmter oder flacher Schutzabdeckung 2 angewendet werden. Dazu muss das hier gezeigte Verschmutzungserkennungssystem 4 mit einer eigenen Rotation oder einer mechanischen Drehung oder linearen Führung ausgestattet werden, die für das Abrastern der Schutzabdeckung 2 sorgt.
-
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 102013211738 A1 [0003]
- WO 2014/005585 A1 [0004]
