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Die Erfindung betrifft eine optische Einrichtung für ein Kraftfahrzeug und ein Verfahren zum Betreiben einer optischen Einrichtung für ein Kraftfahrzeug.
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Lidarsysteme zur optischen Abstands- und Geschwindigkeitsmessung sind im Kraftfahrzeugbereich bekannt. Auch ist bekannt, dass diese Systeme empfindlich auf Verschmutzungen der vorgelagerten Optik reagieren.
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Scheibenwaschanlagen für Xenon-Scheinwerfer werden beispielsweise mit Wasser betrieben. Hierzu wird über eine Pumpe und Spritzdüse das Waschmittel auf die Scheibenaußenseite gesprüht. Die Reinigung erfolgt mittels Schmutzabtrag.
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Damit ist es Aufgabe der Erfindung, die Empfindlichkeit optischer Systeme insbesondere hinsichtlich Verschmutzungen der Abdeckscheibe zu reduzieren.
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Die Aufgabe wird durch eine optische Einrichtung gemäß dem Anspruch 1 sowie durch ein Verfahren gemäß einem nebengeordneten Anspruch gelöst.
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Ein erster Aspekt dieser Beschreibung betrifft eine optische Einrichtung für ein Kraftfahrzeug, wobei die optische Einrichtung umfasst: ein Gehäuse, dessen Lichtdurchtrittsöffnung durch eine transparente Abdeckscheibe verschlossen ist, ein in dem Gehäuse angeordnetes optisches Modul, welches Licht durch einen Abschnitt der Abdeckscheibe hindurch abstrahlt und/oder welches durch den Abschnitt der Abdeckscheibe in die optische Einrichtung eintretendes Licht misst, und eine Druckluftstrahlvorrichtung mit einem Verdichter, einem Strahlmittelbehälter und einer Düse, wobei der Verdichter Druckluft erzeugt, wobei die Druckluft und Strahlmittel aus dem Strahlmittelbehälter in separaten Fluidleitungen in die Düse geleitet werden, und wobei die Düse zu einer Abstrahlung eines Druckluft-Strahlmittel-Gemischs auf eine äußere Oberfläche des Abschnitts der Abdeckscheibe gerichtet ist.
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Vorteilhaft wird die äußere Oberfläche des Abschnitts der Abdeckscheibe gereinigt, sodass die Funktionsfähigkeit des optischen Moduls gewährleistet werden kann. Die Funktion des optischen Moduls profitiert insbesondere von den kurzen Reinigungsdauern. Mechanische Wischer können entfallen.
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Ein vorteilhaftes Beispiel zeichnet sich dadurch aus, dass das optische Modul einen Lidarsender und/oder Lidarempfänger umfasst. Insbesondere die Detektion von Objekten mittels Lidar profitiert von einer sauber abgereinigten Außenfläche. So werden Artefakte, die sich durch Schmutz auf der äußeren Oberfläche der Abdeckscheibe in die abgestrahlte Lidarlichtverteilung oder die gemessene rückgestrahlte Lidarlichtverteilung einprägen, verhindert. Folglich bleibt die Funktionsfähigkeit eines Lidarsystems auch bei widrigen Wetter- und Umgebungsverhältnissen erhalten.
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Ein vorteilhaftes Beispiel zeichnet sich dadurch aus, dass die Druckluftstrahlvorrichtung zur Abstrahlung des Druckluft-Strahlmittel-Gemischs aktivierbar ist, wenn mittels des Lidarempfängers Schmutz an der äußeren Oberfläche des Abschnitts der Abdeckscheibe detektiert wird. Vorteilhaft kann der Lidarempfänger dazu genutzt werden, die Schmutzsituation zu erkennen.
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Ein vorteilhaftes Beispiel zeichnet sich dadurch aus, dass die optische Einrichtung derart eingerichtet ist, dass eine Bereitstellung eines Datenstroms, welcher das durch den Abschnitt der Abdeckscheibe in die optische Einrichtung eintretendes Licht repräsentiert, während der Aktivierung der Druckstrahlvorrichtung zur Abstrahlung des Druckluft-Strahlmittel-Gemischs unterbrochen wird. Repräsentiert der Datenstrom beispielsweise eine Abfolge von Bildern, so werden Bilder, die die Reinigung der Abdeckscheibe zeigen würden, nicht bereitgestellt, da diese Bilder keine verwertbaren Informationen zum Steuern des Kraftfahrzeugs liefern. Vorteilhaft wird durch die Unterbrechung der Bereitstellung des Datenstroms garantiert, dass der Reinigungsvorgang den Datenstrom und darauf basierende Entscheidungen der Fahrzeugelektronik nicht negativ beeinflusst.
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Ein vorteilhaftes Beispiel zeichnet sich dadurch aus, dass das Strahlmittel Kohlenstoffdioxid ist. Vorteilhaft wird damit eine Vorrichtung zum Reinigen mit Kohlenstoffdioxid-Schnee bereitgestellt. Ein Kohlenstoffdioxid-Luft-Gemisch wird ausgehend von der Düse auf die äußere Oberfläche des Abschnitts der Abdeckscheibe geleitet. Das Volumen des Kohlenstoffdioxid-Luft-Gemischs vergrößert sich aufgrund der sich erhöhenden Temperatur auf das Mehrfache und verdampft. Durch diese Änderung des Aggregatzustandes des Kohlenstoffdioxids vergrößert sich das Volumen des Kohlenstoffdioxid-Luft-Gemischs auf das 20-25-fache. Hierdurch werden Schmutzpartikel abgesprengt und die Abdeckscheibe gereinigt. Das Kohlenstoffdioxid-Luft-Gemisch verdampft anschließend rückstandsfrei. Es verbleiben insbesondere keine Wasserrückstände, welche die optische Wirkung der Abdeckscheibe verändern würden.
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Ein vorteilhaftes Beispiel zeichnet sich dadurch aus, dass die Düse eine Zweistoffringdüse ist. Vorteilhaft treffen die Strahlmittel-Partikel trotz ihrer Beschleunigung mittels Druckluft mit einer geringen kinetischen Energie auf die Abdeckscheibe. Dadurch wird noch die Abreinigung sichergestellt, gleichzeitig aber auch verhindert, dass Material der Abdeckscheibe abgetragen wird.
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Ein vorteilhaftes Beispiel zeichnet sich dadurch aus, dass eine Hauptabstrahlrichtung der Düse mit einer optischen Achse des optischen Moduls einen Winkel von 15°-75° insbesondere einen Winkel von 30°-45° einschließt. Vorteilhaft wird hierdurch zum einen die Abreinigbarkeit sichergestellt. Zum anderen ragt die Düse nicht in das Sichtfeld / Abstrahlfeld des optischen Moduls.
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Ein vorteilhaftes Beispiel zeichnet sich dadurch aus, dass die Hauptabstrahlrichtung der Düse mittig auf die Außenfläche des Abschnitts der Abdeckscheibe trifft.
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Vorteilhaft wird damit eine effektive Reinigung erzielt, bei der eine für die Funktion der optischen Einrichtung unnötige Reinigung von Randbereichen entfällt.
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Ein vorteilhaftes Beispiel zeichnet sich dadurch aus, dass die äußere Oberfläche des Abschnitts der Abdeckscheibe durch einen glatten Kunststoff gebildet ist. Der glatte Kunststoff ist einfacher abreinigbar.
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Ein vorteilhaftes Beispiel zeichnet sich dadurch aus, dass die optische Einrichtung dazu eingerichtet ist, eine Schmutzsituation, in welcher die äußere Oberfläche des Abschnitts der Abdeckscheibe verschmutzt ist, zu erkennen, und das Druckluft-Strahlmittel-Gemisch in Abhängigkeit von der erkannten Schmutzsituation abzustrahlen.
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Ein vorteilhaftes Beispiel zeichnet sich dadurch aus, dass die optische Einrichtung dazu eingerichtet ist, einen ersten Druckluftstrom ohne Strahlmittel abzustrahlen, sobald die Schmutzsituation erkannt wird, und das Druckluft-Strahlmittel-Gemisch abzustrahlen, wenn die Abstrahlung des ersten Druckluftstroms nach einer Zeitdauer beendet wird. Vorteilhaft findet durch den ersten Druckluftstrom eine Vorreinigung statt.
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Ein vorteilhaftes Beispiel zeichnet sich dadurch aus, dass die optische Einrichtung dazu eingerichtet ist, einen zweiten Druckluftstrom ohne Strahlmittel abzustrahlen, wenn die Abstrahlung des Druckluft-Strahlmittel-Gemischs nach einer Zeitdauer beendet wurde. Vorteilhaft können so Schmutzreste abgeblasen werden. Das flüssige CO2 hat eine Temperatur von -78° C. Das Abblasen ohne dieses Strahlmittel ermöglicht deshalb, dass kondensiertes Wasser entfernt wird.
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Ein vorteilhaftes Beispiel zeichnet sich dadurch aus, dass der Strahlmittelbehälter austauschbar ist. Vorteilhaft kann das Strahlmittel stets nachgefüllt werden, um so eine saubere äußere Oberfläche und damit die Funktionsfähigkeit der optischen Einrichtung zu garantieren.
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Ein zweiter Aspekt dieser Beschreibung betrifft ein Verfahren zum Betreiben einer optischen Einrichtung für ein Kraftfahrzeug mit einem Gehäuse, dessen Lichtdurchtrittsöffnung durch eine transparente Abdeckscheibe verschlossen ist, wobei das Verfahren umfasst: Abstrahlen von Licht durch einen Abschnitt der Abdeckscheibe hindurch mittels eines in dem Gehäuse angeordneten Lichtmoduls und/oder Messen von Licht, welches durch den Abschnitt der Abdeckscheibe in die optische Einrichtung eintritt, mittels des in dem Gehäuse angeordneten Lichtmoduls, Erzeugen von Druckluft mittels eines Verdichters einer Druckluftstrahlvorrichtung, Leiten der Druckluft der Druckluftstrahlvorrichtung mittels einer Fluidleitung in eine Düse der Druckluftstrahlvorrichtung, Leiten von Strahlmittel aus einem Strahlmittelbehälter der Druckluftstrahlvorrichtung mittels einer Fluidleitung in die Düse, Abstrahlen eines Druckluft-Strahlmittel-Gemischs mittels der Düse auf eine äußere Oberfläche des Abschnitts der Abdeckscheibe.
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In der Zeichnung zeigen:
- 1 eine optische Einrichtung für ein Kraftfahrzeug in schematischer Form;
- 2 eine Draufsicht auf eine Öffnung einer Düse;
- 3 eine Betriebsart der optischen Einrichtung in schematischer Form.
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1 zeigt eine optische Einrichtung 2 für ein Kraftfahrzeug in schematischer Form. In einem Gehäuse 4 einer Sensoreinrichtung 5 ist ein optisches Modul 6 angeordnet. Das optische Modul 6 empfängt und/oder sendet elektromagnetische Strahlung in Form von sichtbarem oder nicht sichtbarem Licht durch eine Lichtdurchtrittsöffnung, welche durch eine transparente Abdeckscheibe 8 verschlossen ist. Das optische Modul 6 empfängt und/oder sendet Licht durch einen Abschnitt 10 der Abdeckscheibe 8. Die Abdeckscheibe 8 ist Umwelteinflüssen ausgesetzt, weshalb eine äußere Oberfläche 12 des Abschnitts 10 mit Schmutz beaufschlagt wird. Schmutz umfasst in diesem Fall beispielsweise bereits Wasserflecken, welche eine Funktion des optischen Moduls 6 beeinträchtigen können. Weitergehend ist unter Schmutz beispielsweise auch Staub zu verstehen, welcher sich auf der Außenfläche 12 absetzt.
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Die optische Einrichtung 2 ist beispielsweise ein Scheinwerfer für ein Kraftfahrzeug und umfasst ein Lichtmodul 14 zum Aussenden einer sichtbaren Lichtverteilung durch die Abdeckscheibe 8 hindurch. In einem anderen Beispiel ist die optische Einrichtung 2 in einem Bereich hinter einer Windschutzscheibe angeordnet. Das optische Modul 6 umfasst einen Lidarsender zu einem Abstrahlen einer Lidar-Lichtpulsverteilung und/oder einen Lidarempfänger zum Empfangen einer reflektierten Lidar-Lichtpulsverteilung, jeweils umfassend nicht sichtbares Licht.
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Beispielhaft wird im Folgenden das optische Modul 6 als Hybridmodul angenommen, was bedeutet, dass das optische Modul sowohl einen Lidarempfänger als auch einen Lidarsender umfasst. Eine Steuereinheit 16 sendet Steuersignale 18 an das optische Modul 6 zur Abstrahlung einer Lidar-Lichtpulsverteilung. In Abhängigkeit von einer reflektierten empfangenen Lidar-Lichtpulsverteilung ermittelt das optische Modul 6 einen Datenstrom 20, welcher beispielsweise Einzelbilder umfasst, die in die optische Einrichtung 2 zu einem bestimmten Zeitpunkt eintretendes Licht im Sinne einer empfangenen Lidar-Lichtpulsverteilung repräsentieren.
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Die Steuereinheit 16 umfasst einen Prozessor P und einen Speicher M, wobei auf dem Speicher M ein Computerprogramm C abgespeichert ist. Das Computerprogramm C ist dazu ausgebildet, die in dieser Beschreibung erläuterten Verfahren auf dem Prozessor P auszuführen. Selbstverständlich kann Steuereinheit 16 einzelne Steuergeräte umfassen, welche miteinander kommunizieren.
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Die optische Einrichtung 2 umfasst eine Druckluftstrahlvorrichtung 30 mit einem Strahlmittelbehälter 32, einem Verdichter 34 und einer Düse 36. In Abhängigkeit von einem zugeführten Signal 38 saugt der Verdichter 34 Umgebungsluft 40 an, komprimiert diese und führt eine Druckluft über eine Fluidleitung 42 zur Düse 36. Die Druckluft wird mit ca. 2-4 bar bereitgestellt. In Abhängigkeit von einem Signal 44 wird ein Ventil 46 geöffnet und führt Strahlmittel aus dem Strahlmittelbehälter 32 über eine Fluidleitung 48 zu der Düse 36.
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Die Düse 36 ist an einem Halteelement 50 befestigt, welches gemäß einem Doppelpfeil 52 axial verschieblich ist. Zu der axialen Verschiebung des Halteelements 50 ist ein Antrieb 54 vorgesehen, welcher mittels eines nicht gezeigten Signals ausgehend von der Steuereinheit 16 betrieben wird. Alternativ hierzu ist das Halteelement 50 zu der Abdeckscheibe 8 nicht verschieblich/stationär angeordnet. Das Halteelement 50 ist über ein Anbauteil 56 zu der optischen Einrichtung 2 festgelegt.
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Ein jeweiliges Temperaturelement 60, 62 ist an der Fluidleitung 42, 48 angeordnet und wird mittels eines Signals 64, 66 betrieben. Das Temperaturelement 60, 62 beeinflusst die Temperatur des durch die Fluidleitung 42, 48 fließenden Fluids. Das Temperaturelement 60, 62 ist beispielsweise als Heizelement und/oder Kälteelement ausgebildet. Auf diese Weise kann die Aufrechterhaltung der Funktion der Druckluftstrahlvorrichtung 30 auch bei unterschiedlichen Temperaturen gewährleistet werden.
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Der Strahlmittelbehälter 32, das Ventil 46 und der Verdichter 34 sind Teil einer Betriebseinheit 70, welche beispielsweise im Motorraum des Kraftfahrzeugs und damit entfernt von der Düse 36 angeordnet ist.
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Der Strahlmittelbehälter 32 bevorratet beispielsweise Kohlenstoffdioxid als Strahlmittel, welches über eine Leitung 72 an das Ventil 46 geleitet wird. Der Strahlmittelbehälter 32 ist beispielsweise in einer nicht gezeigten temperierten Kammer angeordnet. Der Strahlmittelbehälter 32 ist austauschbar. In einem weiteren Beispiel werden wenigstens zwei austauschbare Strahlmittelbehälter 32 vorgehalten, um genügend Strahlmittel zur Reinigung der Außenfläche 12 vorrätig zu halten.
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Das optische Modul 6 weist wenigstens eine optische Achse 74 auf, welche beispielsweise mit einer Hauptabstrahlrichtung einer Lidar-Lichtpulsverteilung übereinstimmt. Ein von der Düse 36 abgestrahltes Druckluft-Strahlmittel-Gemisch 76 weist eine Hauptabstrahlachse 78 bzw. Hauptabstrahlrichtung auf, welche mit der optischen Achse 74 einen Winkel 80 einschließt. Der Winkel 80 beträgt vorliegend 35° und liegt damit in einem Bereich von 15-75°. In nicht gezeigter Form beträgt der Winkel 80 30-45°. Ein Winkel 82 ergibt sich entsprechend mit einer Parallelen 84 der optischen Achse 74. Anstatt der optischen Achse 74 kann für die vorgenannten Winkel auch eine gedachte lotrecht auf der Oberfläche 12 stehende Achse verwendet werden. Die Hauptabstrahlachse 78 trifft im Wesentlichen mittig auf die Außenfläche 12 des Abschnitts 10.
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Die Außenfläche 12 des Abschnitts 10 ist glatt ausgebildet, was bedeutet, dass die Außenfläche 12 keine äußeren Strukturen wie beispielsweise Kissen aufweist. In dem Abschnitt 10 wird die Abdeckscheibe 8 durch ein nach außen hin lackiertes Polycarbonat,PC, oder Polymethylmethacrylat , PMMA, gebildet. Die Lackierung der Außenfläche des Abschnitts 10 erfolgt mit Lacken auf Acrylat- oder Siloxanbasis. Je hydrophober die Außenfläche des Abschnitts 10 der Abdeckscheibe 8 ist, desto besser kann diese gereinigt werden.
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Die Steuereinheit 16 erkennt eine Schmutzsituation beispielsweise anhand des zugeführten Datenstroms 20. Alternativ oder zusätzlich ist ein nicht gezeigter Sensor vorhanden, welcher die Schmutzsituation an der Außenfläche 12 des Abschnitts 10 der Abdeckscheibe 8 detektiert und der Steuereinheit 16 bereitstellt.
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In Abhängigkeit von der erkannten Schmutzsituation wird das Druckluft-Strahlmittel-Gemisch auf die Außenfläche 12 abgestrahlt. Das Kohlenstoffdioxid trifft in schneehafter Konsistenz mit der Druckluft auf die verschmutzte Außenfläche 12. Bei Austritt aus der Düse 36 hat das Kohlenstoffdioxid eine Temperatur von ca. -78° C, erfährt beim Auftreffen auf die Außenfläche 12 der Abdeckscheibe 8 aufgrund der erhöhten Temperatur eine Aggregatszustandsänderung, wird gasförmig und dehnt sein Volumen auf das ca. 20-fache bis 25-fache aus. Schmutzpartikel werden hierbei von der Außenfläche 12 abgesprengt. Damit wird die saubere Außenfläche 12 erreicht.
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2 zeigt eine Draufsicht auf eine Öffnung der Düse 36. Die Düse 36 ist als Zweistoffringdüse ausgebildet. Eine zentrale Auslassöffnung 202 ist zum Austritt von Kohlenstoffdioxid vorgesehen. Entlang einer gedachten Kreisform 204 befinden sich Auslassöffnungen 206-222 zum Austritt von Druckluft. Das austretende Kohlenstoffdioxid wird von der umgebenden Druckluft beschleunigt und in Richtung der Außenfläche des Abschnitts der Abdeckscheibe geleitet. Das in flüssiger Form zur Verfügung stehende Kohlenstoffdioxid wird am Austritt auf Umgebungsdruck entspannt. Die entstehenden CO2-Schneepartikel werden durch einen Mantelstrahl aus Druckluft gebündelt und beschleunigt.
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3 zeigt eine Betriebsart der optischen Einrichtung 2 zur Reinigung der Außenfläche des Abschnitts der Abdeckscheibe, welche zum Betrieb des optischen Moduls benötigt wird. Zu einem Zeitpunkt t1 wird die Schmutzsituation an der Außenfläche des Abschnitts der Abdeckscheibe erkannt und gemäß einem Verlauf 302 der Verdichter zur Erzeugung von Druckluft betrieben. Nach dem Vorlauf der Druckluft wird zu einem Zeitpunkt t2 - das heißt nach Ablauf der Zeitdauer T1 - das Ventil gemäß einem Verlauf 304 geöffnet, um Strahlmittel zu der Düse zu leiten. Für eine Zeitdauer T2 wird das Druckluft-Strahlmittel-Gemisch auf die Außenfläche der Abdeckscheibe geleitet. Zu einem Zeitpunkt t3 wird das Ventil geschlossen und das Strahlmittel nicht mehr zu der Düse geleitet. Bis zu einem Zeitpunkt t4 findet ein Nachlauf der Druckluft ohne die Zuführung von Strahlmittel statt.
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In einem Beispiel ist die Zeitdauer T1 kleiner gleich einer Sekunde. Die Zeitdauer T2 liegt im Bereich zwischen 1-5 Sekunden. Je nach Oberflächengröße und Konfiguration ist die Zeitdauer T3 kleiner als 1 Sekunde.
