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Die Erfindung betrifft einen Sensor nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
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Gattungsgemäße Sensoren werden zur Erkennung von Objekten innerhalb ihres Abtastfeldes verwendet. Derartige Sensoren bestehen aus einem Gehäuse für die Abtasteinheit, bei dem das Abtastlicht durch ein Fenster des Sensors geleitet wird. Derartige Sensoren sind, insbesondere bei Anwendung im Außenbereich, Umwelteinflüssen wie Schnee, Regen und Schmutz ausgesetzt. Derartige Umwelteinflüsse wirken sich möglicherweise dahingehend auf die Transparenz oder Lichtdurchlässigkeit des Sensorfensters aus, dass der Austritt von Abtastlicht aus dem Sensor oder der Eintritt von reflektiertem Licht in den Sensor nicht mehr möglich ist.
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Zur Lösung dieses Problems sind bereits Sensoren bekannt, die Anordnungen zum Überprüfen der Sensorfenstertransparenz umfassen.
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In der
DE 10 2015 105 264 A1 ist ein optoelektronischer Sensor mit einem Testlichtscanner offenbart, wobei der Testlichtscanner einen Testlichtdeflektor umfasst, der sich zusammen mit der Ablenkeinrichtung der Abtasteinheit dreht. Dabei sind Testlichtsender und -empfänger um den Gehäuseumfang herum verteilt.
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Dementsprechend sind die Testlichtempfänger und Testlichtsender in radialer Richtung nebeneinander angeordnet. Das ausgestrahlte Licht durchdringt das Fenster und wird von dem an der drehbaren Ablenkeinrichtung befestigten Testlichtdeflektor reflektiert. Mit diesem Aufbau lässt sich der Weg durch das Fenster hindurch analysieren. Anhand der empfangenen Lichtstärke des Strahls lässt sich dann die Verschmutzung des Fensters bestimmen.
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In der
EP 2 237 065 A1 ist eine Testlichtanordnung zur Überprüfung des Fensters eines Sensors offenbart. Dabei wird die Messstrahlung von einem Drehspiegel abgelenkt. Der Empfänger und die LED der Testlichtanordnung sind relativ zum Spiegel in einer festen Position auf derselben Seite des Spiegels angeordnet. Dabei wird das von der LED abgestrahlte Testlicht von einem am Gehäuse angebrachten Spiegel reflektiert, der gegenüber dem Testlichtsender und dem Testlichtempfänger angeordnet ist. Bei dieser Anordnung ist eine kontinuierliche Messung entlang des Umfangs des Fensters möglich.
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Der Nachteil dieser Anordnung besteht jedoch darin, dass die elektrischen Bauelemente an einem drehenden Teil, nämlich dem Spiegel, angeordnet sind, während die Leiterplatten in der Regel am feststehenden Teil des Gehäuses angebracht sind. Je nach Größe des Drehspiegels können sich also die am Spiegel angebrachten Dioden negativ auf das Gleichgewicht des Drehspiegelelements auswirken.
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Es ist Aufgabe der Erfindung, ein verbessertes Fensterüberwachungssystem bereitzustellen.
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Diese Aufgabe wird durch die kennzeichnenden Merkmale des Anspruchs 1 in Verbindung mit den Merkmalen seines Oberbegriffs gelöst.
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In den Unteransprüchen sind weitere vorteilhafte Ausführungsformen der Erfindung angegeben.
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In bekannter Weise umfasst ein gattungsgemäßer Sensor ein Gehäuse und eine im Inneren des Gehäuses angeordnete Abtasteinheit, mit der durch Aussenden und Empfangen des Abtastlichts ein Winkelerfassungsbereich abgetastet wird. Die Abtasteinheit umfasst einen Drehspiegel zur Ablenkung des gesendeten und/oder empfangenen Abtastlichts. Durch Drehung des Drehspiegels tastet das Abtastlicht den Winkelerfassungsbereich vorzugsweise in mehreren Ebenen ab. Dabei kann die Abtasteinheit beispielsweise ein LiDAR-System umfassen, bei dem das Abtastlicht vorzugsweise gepulst wird und ein Abstand durch Auswertung der Laufzeit des Pulses und seiner Reflexion bestimmt wird, was allgemein als TOF-Auswertung bekannt ist.
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Das Gehäuse enthält ein Fenster, durch das das Abtastlicht hindurch verlaufen kann. Dieses Fenster erstreckt sich in Umfangsrichtung über den genannten Winkelerfassungsbereich und in einer Richtung parallel zur Drehachse des Drehspiegels, wobei das mindestens eine Fensterelement gegenüber der Drehachse geneigt sein kann. Ein Fenster im Sinne der Erfindung ist ein Teil des Gehäuses, der für den Durchtritt des Abtastlichts durchlässig ist. Die Transparenz des Fensters ist auch für das Testlicht gegeben.
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Der Sensor umfasst des Weiteren eine Fensterüberwachungseinheit zur Bestimmung der Transparenz des Fensters. Die Fensterüberwachungseinheit umfasst ein erstes optoelektronisches Bauelement und ein zweites optoelektronisches Bauelement, zwischen denen ein Testlichtweg erzeugt werden kann, indem ein Testlicht vom ersten optoelektronischen Bauelement zum zweiten optoelektronischen Bauelement oder umgekehrt gesendet wird.
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Der mindestens eine Testlichtweg wird dabei derart erzeugt, dass das Testlicht durch das Fenster hindurch verläuft. Der durch das Fenster verlaufende Teil des Testlichtweges verläuft dabei schräg zum Weg des Abtastlichtes, vorzugsweise fast senkrecht dazu.
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Das mindestens eine erste optoelektronische Bauelement und das mindestens eine zweite optoelektronische Bauelement sind an dem Gehäuse angebracht.
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Außerdem umfasst die Fensterüberwachungseinheit ein optisches Bauelement, mit dem das Testlicht zwischen dem ersten optoelektronischen Bauelement und dem zweiten optoelektronischen Bauelement umgelenkt wird. Darüber hinaus umfasst die Fensterüberwachungseinheit eine Auswerteeinheit, die derart ausgelegt ist, dass sie die Leistungsänderung des empfangenen Testlichts auswertet, um festzustellen, ob ein erheblicher Grad an Verschmutzung oder dergleichen auf dem Fenster vorliegt und dessen Transparenz erheblich verringert ist.
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Das optische Bauelement, das mindestens eine erste optoelektronische Bauelement und das mindestens eine zweite optoelektronische Bauelement sind derart angeordnet, dass eine Mehrzahl von Testlichtwegen entlang des Winkelerfassungsbereichs der Abtasteinheit gebildet wird.
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Erfindungsgemäß ist das optische Bauelement dabei ein Lichtleiter, der das Testlicht über einen Teil seines Testlichtwegs hinweg leitet. Der Lichtleiter ist derart am Drehspiegel angebracht, dass er sich mit dem Spiegel mitdreht und es ermöglicht, verschiedene Testlichtwege bei unterschiedlichen Winkelpositionen des Fensters zum selben zweiten optoelektronischen Bauelement zu führen. Dementsprechend enden mehrere Testlichtwege in einem gemeinsamen Endpunkt, der insbesondere eine feste Position hat.
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Bei diesem Aufbau lässt sich durch einfaches Anbringen eines Lichtleiters am Drehspiegel mit einer Mehrzahl von Testlichtwegen eine sehr hohe Auflösung der Winkelpositionen erzielen, da die Auflösung nicht von der Größe der optoelektronischen Bauelemente, sondern von der Größe des Lichtleiters abhängt.
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Dabei ist der Lichtleiter vorzugsweise ein kleines Stück Kunststoff, das sich in nur geringem oder vernachlässigbarem Maße hinsichtlich der Dreheigenschaften des Spiegels auf das Gleichgewicht des Spiegels auswirkt. Außerdem muss dabei weder die Stromversorgung noch irgendeine Art der Signalübertragung eines optoelektronischen Bauelements zwischen sich drehenden elektrischen Bauelementen und am Gehäuse angebrachten Leiterplatten ermöglicht werden. Unter Ausnutzung des TIR-Effekts (Totalreflexion, TIR) leitet der Lichtleiter dabei Licht von einem ersten Ende mit einer ersten Kopplungsstruktur, die Licht von oder an ein erstes optoelektronisches Bauelement koppelt, an ein zweites Ende mit einer zweiten Kopplungsstruktur, die Licht von oder an ein zweites optoelektronisches Bauelement koppelt.
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Licht aus dem mindestens einen optoelektronischen Bauelement wird in den Lichtleiter innerhalb des korrekten Winkelbereichs eingeleitet und darin eingefangen und verbleibt im Wesentlichen im Lichtleiter, bis es mittels eines Auskopplungsmerkmals ausgekoppelt wird oder unter einem kleineren als dem kritischen Winkel auf eine Oberfläche trifft und dann zu dem mindestens einen empfangenden optoelektronischen Bauelement geleitet wird.
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Bei einer weiteren Ausführungsform ist der Lichtleiter vorzugsweise aus Kunststoff, insbesondere aus Polycarbonat, gefertigt. Dieser Kunststoff kann üblicherweise einen Brechungsindex von etwa 1,5 haben.
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Bei einer bevorzugten Ausführungsform umfasst die Fensterüberwachungseinheit mehrere erste opto-elektronische Bauelemente und ein zweites optoelektronisches Bauelement, um mehrere Testlichtwege zu schaffen.
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Durch diese Anordnung kann jedes der mehreren ersten optoelektronischen Bauelemente in Abhängigkeit von der Winkelstellung des Lichtleiters mehrere Testlichtwege mit dem zweiten optoelektronischen Bauelement aufbauen.
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Handelt es sich bei den ersten optoelektronischen Bauelementen um Sender, so können diese gepulst betrieben werden, und jeder Puls desselben Senders kann aufgrund der unterschiedlichen Winkelstellungen des Lichtleiters zum Zeitpunkt des Pulses einen anderen Testlichtweg erzeugen.
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Gemäß einer weiteren Verbesserung der Erfindung liegt die zweite Kopplungsstruktur des Lichtleiters im Drehpunkt des Drehspiegels, um Licht verschiedener Lichtwege in das zweite optoelektronische Bauelement einzukoppeln oder aus diesem auszukoppeln. Diese Anordnung ermöglicht die Abdeckung der Winkelpositionen einer vollen Umdrehung des Spiegels mit nur einem zweiten optoelektronischen Bauelement.
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Vorzugsweise ist das zweite optoelektronische Bauelement in Ausrichtung mit dem Drehpunkt des Drehspiegels angeordnet und liegt der zweiten Kopplungsstruktur des Lichtleiters gegenüber. Bei dieser Anordnung kann das Testlicht direkt auf das zweite optoelektronische Bauelement gerichtet werden.
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Gemäß einer alternativen Lösung kann die Fensterüberwachungseinheit einen zusätzlichen Lichtleiter umfassen, mit dem das Licht vom Drehpunkt zum zweiten optoelektronischen Bauelement geleitet wird. Bei dieser Anordnung ist die erste Kopplungsstruktur des zusätzlichen Lichtleiters in Ausrichtung auf die Drehachse des Drehspiegels angeordnet. Bei dieser Ausführungsform können das erste optoelektronische Bauelement und das zweite optoelektronische Bauelement beide auf derselben Leiterplatte montiert sein.
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Handelt es sich bei dem zweiten optoelektronischen Bauelement um einen Empfänger, so wird das in den Lichtleiter eingekoppelte Testlicht im Drehpunkt des Drehspiegels ausgekoppelt und strahlt auf den Empfänger. So bestrahlt das aus dem Lichtleiter ausgekoppelte Testlicht den Empfänger und das Testlicht kann während der Drehung des Spiegels potenziell kontinuierlich über den gesamten Winkelerfassungs-bereich empfangen werden.
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Bei einer besonders bevorzugten Ausführungsform ist der Lichtleiter eine Faser oder ein Prisma, das vom Drehpunkt aus in radialer Richtung weg verläuft. Eine Faser, ein Kanal oder ein Prisma ist sehr leicht und hat nur geringe Auswirkungen auf das Gleichgewicht des Spiegels. Darüber hinaus hat eine Faser, ein Kanal oder ein Prisma eine definierte Größe (Querschnitt), sodass die Kopplungsstruktur eine schräge, auf das erste optoelektronische Bauelement gerichtete Fläche sein kann, wodurch die Position des Testlichtweges in Abhängigkeit von der Winkelstellung des Drehspiegels leicht bestimmt werden kann.
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Bei einem Prisma als Lichtleiter hingegen kann die Kopplungsstruktur durch eine schräge Fläche bereitgestellt werden.
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Bei einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist das zweite optoelektronische Bauelement ein Empfänger, insbesondere eine Fotodiode. Da Empfänger in der Regel mehr Raum einnehmen als LED-Sender, kann eine bessere räumliche Auflösung erreicht werden. Sender und Empfänger senden und empfangen vorzugsweise Infrarotstrahlung.
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Gemäß einer vorteilhaften Ausführungsform umfasst die Fensterüberwachungseinheit mehrere erste optoelektronische Bauelemente, bei denen es sich um über den Winkelerfassungsbereich, insbesondere entlang der Fensterkontur verteilte Leuchtdioden handelt.
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Bei einer bevorzugteren Ausführungsform kann die Fensterüberwachungseinheit eine Abschirmung umfassen, die mehrere erste optoelektronische Komponenten umgibt, wobei die Abschirmung einen konischen Hohlraum um jede der mehreren ersten optoelektronischen Komponenten herum umfasst. Dadurch erhält das ausgestrahlte Licht eine bestimmte Form, wodurch die eingerichteten Testlichtwege sehr definiert sind, was insbesondere einen definierten Öffnungswinkel des kegelförmigen Testlichtstrahls bewirkt.
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Gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung ist zwischen dem mindestens einen ersten opto-elektronischen Bauelement und dem Lichtleiter mindestens eine Linse vorgesehen, wobei die Linse als Sammellinse mit einem Brennpunkt auf der Seite des ersten optoelektronischen Bauelements ausgebildet ist.
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Dies hat die Wirkung, dass der Rand des Lichtstrahls, zumindest in einer Querschnittsebene einschließlich der Drehachse, zwischen der Linse und dem Lichtleiter einen sehr spitzen Winkel bildet.
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Dies ermöglicht eine nahezu parallele Übertragung des Testlichts durch die Fensterelemente hindurch.
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Vorzugsweise hat die Linse einen konvex gekrümmten Querschnitt in mindestens einer Querschnittsebene, die die Drehachse einschließt. Noch bevorzugter hat die Linse in der Ebene senkrecht zur Drehachse gesehen eine gekrümmte Form, insbesondere die Form eines Kreises oder eines Kreissektors, und erstreckt sich über mindestens einen Teil des Winkelerfassungsbereichs (alpha). Folglich hat jede Linse eine Mehrzahl von Brennpunkten, die am Umfang des Sektors oder des Kreises entlang verteilt sind.
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Die Fensterüberwachungseinheit kann aus einem Rundspiegel auf gleicher Höhe wie der Lichtleiter bestehen. Der Rundspiegel lenkt das Testlicht von dem ersten optoelektronischen Bauelement zum Lichtleiter oder umgekehrt ab. Bei dieser Ausführungsform muss die erste Kopplungsstruktur des Lichtleiters nicht in Lichtrichtung auf das erste optoelektronische Bauelement gerichtet sein, sondern kann auch quer dazu angeordnet sein, insbesondere senkrecht dazu. Durch Verwendung des Rundspiegels kann der Lichtleiter in seiner Ausdehnung dem Radius des Spiegels entsprechen oder kleiner als der Radius sein. Dies verbessert das Gleichgewicht des Drehspiegels im Vergleich zu einem Lichtleiter, der über den Umfang des Drehspiegels hinausgeht.
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Außerdem lässt sich mit dem Rundspiegel die über eine Testlichtstrecke übertragbare Energiemenge erhöhen, wenn die erste Kopplungsstruktur des Lichtleiters und das aktive erste optoelektronische Bauelement unterschiedliche Winkelstellung haben. Im Sinne der Erfindung wird ein optoelektronisches Bauelement bei einem Empfänger während des Messens und bei einem Sender während des Sendens aktiv geschaltet.
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Der Rundspiegel erhöht die Anzahl der möglichen Testlichtwege mit ausreichender Lichtstärke, da die Anzahl der Testlichtwege nicht nur auf Testlichtwege beschränkt ist, bei denen das erste und das zweite optoelektronische Bauelement in gleicher Winkelausdehnung liegen, sondern auch zusätzliche Testlichtwege umfasst, die einen Winkelversatz aufweisen. Dadurch lässt sich die Auflösung der Fensterüberwachungs-einheit effektiv erhöhen, ohne dass hierfür zusätzliche optoelektronische Komponenten benötigt werden.
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Gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung besteht das Fenster aus zwei Fensterelementen, die, in Richtung der Drehachse gesehen, übereinander angeordnet und zueinander geneigt sind. Vorzugsweise sind die beiden Fensterelemente dabei optisch derart voneinander getrennt, dass ein Fensterelement von dem ausgestrahlten Abtastlicht durchdrungen wird, während das andere Fenster von dem reflektierten Abtastlicht durchdrungen wird.
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Die Fensterüberwachungseinheit ist derart ausgeführt, dass die Testlichtwege durch beide Fensterelemente verlaufen.
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Die Fensterüberwachungseinheit ist dabei vorzugsweise derart ausgeführt, dass sie Testlicht entlang der Testlichtwege erfasst, von denen mindestens ein erster Testlichtweg derart definiert ist, dass er einen ersten Versatz zwischen seiner Winkelposition des Lichtleiters und dem aktiven ersten optoelektronischen Bauelement aufweist, und mindestens ein zweiter Testlichtweg derart definiert ist, dass er einen zweiten Versatz zwischen seiner Winkelposition des Lichtleiters und einem weiteren aktiven ersten optoelektronischen Bauelement aufweist, wobei sich der zweite Versatz vom ersten Versatz durch einen definierten seitlichen Versatzabstand und/oder in einer seitlichen Versatzrichtung unterscheidet. Gemäß dieser Auswertung lässt sich die vertikale Auflösung verbessern, insbesondere dann, wenn die Lichtwege in einer vermaschten Topologie erzeugt werden.
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Besonders bevorzugt beträgt der seitliche Versatzabstand mehr als 1/8, insbesondere mehr als 1/4 der Fensterhöhenausdehnung, sodass eine ausreichende Differenzneigung für die vertikale Bestimmung eines Punktes auf dem Fenster gegeben ist.
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Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform ist die Fensterüberwachungseinheit zur Erfassung von Lichtstärken von sich kreuzenden Lichtwegen ausgelegt. Sich kreuzende Testlichtwege entstehen, wenn die Position des ersten aktiven optoelektronischen Bauelements eines zweiten Lichtweges einen Versatz zu einem ersten aktiven optoelektronischen Bauelements eines ersten Testlichtweges in einer ersten Versatzrichtung aufweist und die erste Winkelposition des Lichtleiters eines ersten Testlichtweges und die zweite Winkelposition des Lichtleiters des zweiten Testlichtweges einen Versatz in einer zweiten Versatzrichtung aufweisen, die der ersten Versatzrichtung entgegengesetzt ist.
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Ein auf diese Weise erstelltes Netz von Testlichtwegen ermöglicht eine bessere Bestimmung der Position und Größe von Schmutzflecken auf dem Fenster. Durch diese verbesserte Bestimmung von Punkten auf dem Fenster lässt sich das Verhalten der Abtasteinheit differenzierter beeinflussen.
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Die Erfindung betrifft des Weiteren ein Verfahren zur Bestimmung der Transparenz eines Sensorfensters wie zuvor beschrieben, wobei der Sensor ein erstes und ein zweites Fensterelement und eine Auswerteeinheit umfasst. Die Winkelstellung des Lichtleiters und die Ansteuerung des ersten optoelektronischen Bauelements und/oder des zweiten optoelektronischen Bauelements werden dabei derart synchronisiert, dass ein optisches Netz von Testlichtwegen aufgebaut wird. Das optische Netz wird auf der Grundlage der gemessenen Lichtstärken in Bezug auf die Testlichtwege bewertet. Eine Änderung der Fenstertransparenz wird dabei auf dem ersten Fensterelement und/oder auf dem zweiten Fensterelement festgestellt.
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Das optische Netz im Sinne der Erfindung kann insbesondere durch anschließende Erzeugung der spezifischen Lichtwege nacheinander aufgebaut werden.
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Weitere Vorteile, Merkmale und Anwendungsmöglichkeiten der vorliegenden Erfindung können der nachfolgenden Beschreibung in Verbindung mit den in den Zeichnungen dargestellten Ausführungsformen entnommen werden.
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In der Beschreibung, den Ansprüchen und den Figuren der Zeichnung werden durchwegs die Begriffe und zugehörigen Bezugszeichen verwendet, wie sie in der beigefügten Bezugszeichenliste aufgeführt sind. Es zeigen
- 1 eine Querschnittsansicht einer Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Sensors;
- 2 eine schematische Querschnittsansicht des Fensters von 1;
- 3a eine alternative Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Sensors in Schematischer Seitenansicht;
- 3b einen Sensor nach 3a mit einer anderen Winkelstellung des Spiegels, und
- 4 eine schematische perspektivische Teilansicht eines Sensors, insbesondere dessen Fenster und die Komponenten seiner Fensterüberwachungseinheit.
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1 zeigt eine schematische Querschnittsansicht I-I einer Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Sensors 10. Dabei umfasst der Sensor 10 ein Gehäuse 40 mit einer oberen Abdeckung 44, einer unteren Abdeckung 46 und einem Fenster mit einem ersten Fensterelement 42a und einem zweiten Fensterelement 42b, die zueinander geneigt sind. Der Sensor 10 umfasst eine Abtasteinheit 60 mit einem Abtastlichtsender 14a, 15a, einem Abtastlichtempfänger 14b, 15b und einem Drehspiegel 12 zur Abtastung der Umgebung über einen bestimmten Winkelerfassungsbereich hinweg. Wie in der schematischen Querschnittsansicht gemäß II-II in 2 zu sehen ist, liegt der Winkelerfassungsbereich in dieser Ausführungsform bei etwa 270°.
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Wie in 1 dargestellt, umfasst der Sensor 10 eine Fensterüberwachungseinheit 50 mit mehreren ersten optoelektronischen Bauelementen 18.1 bis 18.22, die als Infrarot-LEDs ausgeführt sind. Die ersten optoelektronischen Bauelemente 18.1 bis 18.22 sind jeweils von einer Abschirmung 28 umgeben, die einen konischen Hohlraum 32 umfasst, der als Strahlformungshohlraum dient, um dem von den ersten optoelektronischen Bauelementen 18.X ausgesendeten Licht eine definierte Form zu geben, insbesondere einen definierten Öffnungswinkel eines kegelförmigen Testlichtstrahls.
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Darüber hinaus umfasst die Fensterüberwachungseinheit 50 ein zweites optoelektronisches Bauelement 16, das als Fotodiode ausgeführt ist. Das zweite optoelektronische Bauelement 16 ist mit der Drehachse R des Drehspiegels 12 ausgerichtet und am Gehäuse 40 angebracht. Da sich das zweite optoelektronische Bauelement 16 während des Betriebs des Sensors 10 nicht bewegt, kann es ohne weiteres zur Messung elektrisch an die Sensorelektronik (nicht dargestellt) angeschlossen werden.
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Wie in 2 zu sehen ist, sind die ersten optoelektronischen Bauelemente 18.1 bis 18.22 über den Umfang der Fensterelemente 42a, 42b hinweg entlang des Winkelerfassungsbereichs alpha verteilt. Die ersten opto-elektronischen Bauelemente 18.1 bis 18.22 senden einen Lichtstrahl aus, der sowohl das erste Fenster 42a als auch das zweite Fenster 42b durchdringt und dabei die Testlichtwege T.X erzeugt.
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Erfindungsgemäß umfasst die Fensterüberwachungseinheit 50 einen Lichtleiter 20, der derart an dem Drehspiegel 12 angebracht ist, dass er sich zusammen mit dem Drehspiegel 12 bewegt, insbesondere dreht. Der Lichtleiter 20 ist bei dieser Ausführungsform ein Kunststoffprisma mit einer ersten Kopplungsstruktur 22a und einer zweiten Kopplungsstruktur 22b. Der Lichtleiter 20 ist derart ausgeführt, dass die erste Kopplungsstruktur 22a in radialer Richtung des Drehspiegels 12 liegt. Das bedeutet, dass in einer im Wesentlichen senkrecht zur Drehachse R verlaufenden Richtung auf den Lichtleiter 20 fallendes Licht in den Lichtleiter 20 eingekoppelt und zur zweiten Kopplungsstruktur 22b geleitet wird. Der Lichtleiter 20 ist derart ausgeführt, dass die zweite Kopplungsstruktur 22b das Licht in einer Richtung parallel zur Drehachse R auskoppelt.
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Gemäß dieser Ausführungsform ist das zweite optoelektronische Bauelement 16 auf die Drehachse R ausgerichtet montiert, sodass das an der zweiten Kopplungsstruktur 22b aus dem Lichtleiter 20 ausgekoppelte Licht direkt zum zweiten optoelektronischen Bauelement 16 geleitet wird.
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Bei dieser Anordnung kann der Lichtleiter 20 Testlicht in allen Winkelpositionen empfangen, abhängig von einem aktuellen Drehwinkel des Drehspiegels 12.
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Dabei sind die ersten optoelektronischen Bauelemente 18.X derart angeordnet, dass das Testlicht im Wesentlichen parallel zur Drehachse R verläuft.
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Des Weiteren umfasst die Fensterüberwachungseinheit 50 einen Rundspiegel 30 zur Ablenkung des vom Lichtleiter 20 zu empfangenden Testlichts in radialer Richtung. Der Rundspiegel 30 lenkt im Wesentlichen das Testlicht von einer axialen in eine radiale Richtung um. Außerdem fokussiert der Rundspiegel 30 aufgrund seiner Kreisform das Testlicht, dessen Weg nicht parallel zur Drehachse R, sondern schräg zu dieser verläuft. Dabei wird das Phänomen ausgenutzt, dass das Testlicht nicht als runder Strahl, sondern kegelförmig abgestrahlt wird.
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In 1 ist zu erkennen, dass das vom ersten optoelektronischen Bauelement 18.4 ausgesandte Testlicht dem Weg T.1 folgt. In diesem Fall wird das Testlicht von dem ersten optoelektronischen Bauelement 18.4 ausgestrahlt und verläuft durch das zweite Fensterelement 42b und dann durch das erste Fensterelement 42a hindurch. Nach seinem Durchtritt durch die Fensterelemente 42a, 42b wird das Testlicht durch den Rundspiegel 30 von einer axialen in eine radiale Richtung abgelenkt.
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In dem in 1 dargestellten Fall befindet sich der Drehspiegel 12 in einer Position, bei der sich der Lichtleiter 20 an der gleichen Winkelposition wie das erste optoelektronische Bauelement 18.4 befindet. Das in eine im Wesentlichen radiale Richtung umgelenkte Testlicht trifft im Wesentlichen senkrecht auf die erste Kopplungs-struktur 22a. Das Testlicht wird im Lichtleiter 20 eingefangen und entlang des Lichtleiters 20 zu seiner zweiten Kopplungsstruktur 22b im Drehzentrum des Drehspiegels 12 geführt. Dort wird das Testlicht aus dem Lichtleiter 20 ausgekoppelt und direkt zum zweiten optoelektronischen Bauelement 16 geleitet, einer Fotodiode, die mit dem Drehpunkt des Drehspiegels 12 ausgerichtet ist. Das zweite optoelektronische Bauelement 16 ist oberhalb des Drehspiegels 12 angeordnet, wobei die lichtempfindliche Seite des zweiten optoelektronischen Bauelements 16 dem Drehspiegel zugewandt ist.
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1 zeigt auch den bei Drehung des Drehspiegels um 180° vom Lichtleiter 20 und dann vom zweiten optoelektronischen Bauelement 16 empfangenen Testlichtweg T5.
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Wie 1 des Weiteren zeigt, kann der Sensor 10 optional eine konvexe Linse 36 aufweisen, die vorzugsweise in Draufsicht ringförmige Form hat und sich über einen Sektor erstreckt, der alle ersten optoelektronischen Bauelemente 18.X abdeckt. Bei der Linse 36 handelt es sich um eine Sammellinse, deren Brennpunkt an der Seite und in der Nähe des ersten optoelektronischen Bauelements liegt. Daher weist die Linse im Querschnitt gesehen eine konvexe Krümmung auf. Dies ermöglicht beispielsweise eine Verringerung des Winkels des von der Linse abgestrahlten und durch die geneigten Fensterelemente 42a, 42b hindurch verlaufenden Testlichtstrahls. Dies ermöglicht eine gute Abdeckung der gesamten Tiefe der geneigten Fensterelemente 42a, 42b.
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2 zeigt eine schematische Querschnittsansicht durch den Sensor entlang II-II. Der Drehspiegel 12 hat eine kreisförmige Oberseite, wobei die Facetten des Spiegels 12 in dreieckigem Querschnitt angeordnet sind.
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Die Ausführungsform des Drehspiegels 12 ermöglicht einen Winkelabtastbereich alpha von etwa 270°. Der Lichtleiter 20 erstreckt sich vom Drehzentrum bis zum Umfang des Drehspiegels 12. Dabei ragt der Lichtleiter 20 vorzugsweise nicht über den Körper des Drehspiegels 12 hinaus. Diese Anordnung wirkt sich positiv auf das Gleichgewicht des Drehspiegels 12 aus.
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Die Position des zweiten optoelektronischen Bauelements 16 ist durch das mit der Drehachse R ausgerichtete gestrichelte Quadrat angedeutet. Das vom ersten optoelektronischen Bauelement 18.X ausgestrahlte Testlicht kann in verschiedenen Winkelpositionen empfangen werden, die von der ersten Kopplungsstruktur 22a erreicht werden können.
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Dabei ist offensichtlich, dass die Anzahl der zu analysierenden Lichtwege mindestens der Anzahl der ersten optoelektronischen Bauelemente 18.X entspricht, da der Lichtleiter 20 bei einer vollen Umdrehung des Drehspiegels 12 alle ersten optoelektronischen Bauelemente 18.X passiert. Für jede Winkelposition des Lichtleiters 20, die mit der Position des ersten optoelektronischen Bauelements ausgerichtet ist, kann ein Testlichtweg erstellt werden. Dies wird beispielhaft durch eine weitere Winkelstellung dargestellt, bei der der Lichtleiter auf das erste optoelektronische Bauelement 18.19 gerichtet ist.
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Eine weitere vorteilhafte Wirkung des erfindungsgemäßen Sensors 10 ist, dass zusätzliche Testlichtwege T.X erzeugt werden können, indem Winkelversatzpositionen zwischen der ersten Kopplungsstruktur 222a und dem ersten optoelektronischen Bauelement 18.X ermöglicht werden. Dies bedeutet, dass der Testlichtweg durch ein erstes optoelektronisches Bauelement 18.X erzeugt wird, das zu einem Zeitpunkt strahlt, zu dem die erste Kopplungsstruktur 22a einen Winkelversatz zu dem strahlenden ersten optoelektronischen Bauelement aufweist. Der erzeugte Testlichtweg verläuft dann schräg. Gemäß dieser Option kann ein Netz von Testlichtwegen erzeugt werden, indem lediglich die Aktivierung der ersten optischen Bauelemente mit der Winkelposition des Drehspiegels 12 synchronisiert wird.
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Dies ermöglicht eine höhere Anzahl von Testlichtwegen ohne Einschränkung durch räumliche Gegebenheiten. Wie in 1 veranschaulicht ist, verbessert der Rundspiegel 30 das bei derartigen „Versatz-Fällen“ erfassbare Energieniveau.
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Darüber hinaus ermöglichen die strahlformenden Hohlräume 32 räumlich sehr gut definierte Testlichtwege, was insbesondere zu einer besseren Auswertung der über eine Versatzkonstellation erzeugten Testlichtwege beiträgt.
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2 zeigt die ringförmige Linse 36 in Draufsicht, die sich über einen Sektor von 270° erstreckt und alle ersten optoelektronischen Bauelemente 18.X abdeckt.
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Die ringförmige Linse 36 bewirkt, dass der Kegel des Testlichtstrahls TB sich in seiner Ausdehnung in der die Drehachse einschließenden Querschnittsebene verengt, während er in Umfangsrichtung nicht in diesem Maße beeinflusst wird.
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In 3a ist eine weitere Ausführungsform des erfindungsgemäßen Sensors 110 in schematischer Seitenansicht gezeigt.
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Der Sensor 110 umfasst ein Gehäuse 140 mit einer oberen Abdeckung 144, einer unteren Abdeckung 146 und einem Fenster mit einem ersten Fensterelement 142a und einem zweiten Fensterelement 142b. Dabei sind das erste Fensterelement 142a und das zweite Fensterelement 142b relativ zueinander geneigt. Der Sensor 110 umfasst eine Abtasteinheit 160 mit einem Drehspiegel 112, einem Lichtsender 114a und einem Lichtempfänger 114b zur Abtastung der Umgebung über einen bestimmten Winkelerfassungsbereich hinweg.
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Der erfindungsgemäße Sensor 110 umfasst eine Fensterüberwachungseinheit 150 mit mehreren ersten optoelektronischen Bauelementen 118.1, 118.2, 118.3, 118.4, 118.5, die als Infrarot-LEDs ausgeführt sind.
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Darüber hinaus umfasst die Fensterüberwachungseinheit 150 ein zweites optoelektronisches Bauelement 116, das als Fotodiode ausgeführt ist. Das zweite optoelektronische Bauelement 116 befindet sich auf derselben Platine 148 wie die ersten optoelektronischen Bauelemente 118.X. Die ersten optoelektronischen Bauelemente 118.X und das zweite optoelektronische Bauelement 116 sind daher an einer festen Position am Gehäuse 140 angebracht. Da sich weder das zweite optoelektronische Bauelement 116 noch das erste optoelektronische Bauelement 118.X während des Betriebs des Sensors 110 bewegen, lassen sie sich ohne weiteres zur Messung elektrisch an die Sensorelektronik (nicht dargestellt) anschließen.
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Analog zur Darstellung in 2 sind die ersten optoelektronischen Bauelemente 18.1 bis 18.22 über den Umfang der Fensterelemente 142b hinweg entlang des Winkelerfassungsbereichs alpha verteilt.
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Das erste optoelektronische Bauelement 118.1 sendet beispielsweise einen Lichtstrahl aus, der auf dem Testlichtweg T.10 sowohl durch das zweite Fenster 142b als auch durch das erste Fenster 142a hindurchtritt.
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Erfindungsgemäß umfasst die Fensterüberwachungseinheit 160 einen Lichtleiter 120, der derart an dem Drehspiegel 112 angebracht ist, dass er sich zusammen mit dem Drehspiegel 112 bewegt/dreht. Der Lichtleiter 120 ist bei dieser Ausführungsform ein Kunststoffprisma mit einer ersten Kopplungsstruktur 122a und einer zweiten Kopplungsstruktur 122b. Der Lichtleiter 120 ist derart ausgestaltet, dass die erste Kopplungsstruktur 122a in einer Richtung parallel zur Drehachse R des Drehspiegels 112 liegt. Das bedeutet, dass Licht, das in einer im Wesentlichen parallel zur Drehachse R verlaufenden Richtung auf den Lichtleiter 20 fällt, in den Lichtleiter 20 eingekoppelt und zur zweiten Kopplungsstruktur 122b geleitet wird. Das Testlicht, das im Wesentlichen parallel zur Drehachse R von den ersten optoelektronischen Bauelementen 118.X abgestrahlt wird, kann direkt vom Lichtleiter 120 empfangen werden.
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Der Lichtleiter 120 ist derart ausgeführt, dass die zweite Kopplungsstruktur 122b das Licht in eine Richtung parallel zur Drehachse R auskoppelt.
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In einem weiteren Unterschied zur Ausführungsform von 1 ist das zweite optoelektronische Bauelement 116 nicht zur Drehachse R ausgerichtet angebracht. Gemäß dieser Ausführungsform umfasst die Fensterüber-wachungseinheit 160 einen weiteren Lichtleiter 124, dessen erste Kopplungsstruktur 126a mit der Drehachse R ausgerichtet angeordnet ist, sodass das aus dem Lichtleiter 120 an der zweiten Kopplungsstruktur 122b ausgekoppelte Testlicht an die erste Kopplungsstruktur 126a des weiteren Lichtleiters 124 geführt wird.
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Das Testlicht wird dann durch den zweiten Lichtleiter 124 geleitet und zur zweiten Kopplungsstruktur 126b geführt, wo das Testlicht aus dem Lichtleiter 124 ausgekoppelt wird, um das zweite optoelektronische Bauelement 116 zu bestrahlen.
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Ähnlich zur Anordnung von 1 kann der Lichtleiter 120 abhängig vom aktuellen Drehwinkel des Drehspiegels 112 das Testlicht in allen Winkelpositionen empfangen.
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Im Gegensatz zum Lichtleiter 20 der Anordnung von 1 weist der Lichtleiter 120 an seiner ersten Kopplungsstruktur 122a eine linsenartige Struktur auf. Dies verbessert die Empfangseigenschaften bei schrägen Testlichtpfaden, ohne dass ein zusätzlicher Spiegel verwendet werden muss. Schräge Testlichtpfade werden erzeugt, wenn die Winkelposition des ersten aktiven optoelektronischen Bauelements 118.X und die Position der zweiten Kopplungsstruktur 122a des Lichtleiters 120 einen Winkelversatz aufweisen.
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Wie beispielhaft in 3a gezeigt ist, folgt das vom ersten optoelektronischen Bauelement 118.1 ausgestrahlte Testlicht dem Weg T.10. Das vom ersten optoelektronischen Bauelement 118.1 ausgestrahlte Testlicht durchläuft das zweite Fensterelement 142b und dann das erste Fensterelement 142a. Nach dem Durchtritt durch die Fensterelemente 142a, 142b fällt das Testlicht dann auf die erste Kopplungsstruktur 122a. Das Testlicht wird im Lichtleiter 220 eingefangen und entlang des Lichtleiters 220 zu seiner zweiten Kopplungsstruktur 122b im Drehzentrum des Drehspiegels 112 geführt. Dort wird das Testlicht aus dem Lichtleiter 120 ausgekoppelt und in einen weiteren Lichtleiter 124 eingekoppelt. Das Testlicht wird dann von dem zweiten optoelektronischen Bauelement 116, einer Fotodiode, empfangen. Durch Verwendung des zusätzlichen Lichtleiters 124 ist das zweite optoelektronische Bauelement 116 freier im Gehäuse 144 positionierbar.
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In 3b ist die Ausführungsform von 3a mit dem Drehspiegel 112 in einer anderen Winkelstellung, d.h. um 90° verschoben, dargestellt, wobei der Lichtleiter 120 in der entsprechenden radialen Richtung verläuft.
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Wie in 3b zu sehen ist, können drei Testlichtpfade T.13, T.14, T.15 an einer einzigen Winkelposition des Lichtleiters 120 erzeugt werden. Ein Testlichtpfad T.14 wird durch das erste optoelektronische Bauelement 118.4 erzeugt, wenn es sich direkt unter der ersten Kopplungsstruktur 122a des Lichtleiters 120 befindet. Die Lichtwege T.13 und T. 15 werden von dem ersten optoelektronischen Bauelement 118.3, 118.5 erzeugt, wenn sich der Lichtleiter 120 oberhalb des ersten optoelektronischen Bauelements 118.4 befindet. Entsprechend werden schräg durch die Fensterelemente 142a, 142b hindurchtretende Testlichtwege T.13, T.14 erzeugt.
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Zum besseren Verständnis ist in 3b eine weitere Position des Lichtleiters 120' mit gestrichelten Linien dargestellt. In dieser Winkelposition können die Testlichtwege T.12', T.13' und T.14' erzeugt werden.
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Dieses Beispiels verdeutlicht, dass sich die Auflösung der die Fensterelemente durchdringenden Lichtwege unter Beibehaltung einer einfachen und zuverlässigen Verbindung der optoelektronische Bauelemente steigern lässt.
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4 zeigt eine schematische Ansicht des Sensors 200, in der insbesondere die relevanten Teile des Fensterüberwachungssystems mit der Drehachse zu sehen sind, wobei die abtastenden Teile des Sensors aus Gründen der Übersichtlichkeit nicht dargestellt sind. Die Drehachse R ist jedoch die Drehachse des Spiegels (nicht dargestellt) einer Abtastvorrichtung, wobei der Spiegel von einem Motor 260 angetrieben wird.
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Die Fensterüberwachungseinheit umfasst ein zweites optoelektronisches Bauelement 216 als Empfänger, einen um die Drehachse R drehenden Lichtleiter 220 und mehrere erste optoelektronische Bauelemente 218.1, 218.2, 218.3, 218.4, 218.5, 218.6, ..., 218.10 (auch 218.X genannt), wobei die ersten optoelektronischen Bauelemente 218.X als Sender, nämlich LEDs, ausgebildet sind.
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Die Fensterüberwachungseinheit ist dabei vorzugsweise derart ausgeführt, dass sie Testlicht entlang der Testlichtwege erfasst, von denen mindestens ein erster Testlichtweg derart definiert ist, dass er einen ersten Versatz zwischen seiner Winkelposition des Lichtleiters und dem aktiven ersten optoelektronischen Bauelement aufweist, und mindestens ein zweiter Testlichtweg derart definiert ist, dass er einen zweiten Versatz zwischen seiner Winkelposition LP4 des Lichtleiters und einem anderen aktiven ersten optoelektronischen Bauelement 218.1 aufweist, wobei sich der zweite Versatz von dem ersten Versatz durch einen definierten seitlichen Versatzabstand und/oder eine seitliche Versatzrichtung unterscheidet. Insbesondere werden sich kreuzende Testlichtwege T.21, T.25 erzeugt. Sich kreuzende Testlichtwege entstehen, wenn die Position des ersten aktiven optoelektronischen Bauelements 218.1 eines zweiten Lichtweges T.21 einen Versatz zu dem ersten aktiven optoelektronischen Bauelement 218.5 eines ersten Lichtweges 25 in einer ersten Versatzrichtung aufweist, und eine erste Winkelposition LP.1 des Lichtleiters 220 des ersten Testlichtweges T.25 und die zweite Winkelposition LP.4 des Lichtleiters des zweiten Testlichtweges T.21 einen zweiten Versatz aufweist, wobei die zweite Versatzrichtung entgegengesetzt zur ersten Versatzrichtung verläuft. Durch diesen Aufbau kann ein sogenannter Verschattungseffekt vermieden werden, da Querinformationen gewonnen werden.
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Zur Erfassung der Informationen über das optische Netz aktiviert die Auswertungseinheit 250 die ersten optoelektronischen Bauelemente, die in diesem Beispiel insbesondere LEDs sind, zur Aussendung eines gepulsten Testlichts, um einen Testlichtweg über den Lichtleiter 220 an seiner aktuellen Winkelposition LP.X aufzubauen, der dann von dem einzelnen Empfänger 216 empfangen wird.
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Die aktuelle Winkelposition LP.X ist der Auswertungseinheit 250 bekannt, da die Winkelposition des Spiegels (nicht dargestellt) und damit die Position des am Spiegel angebrachten Lichtleiters 220, der sich um die Drehachse R dreht, leicht ableitbar ist, insbesondere vom Motor 260, genauer gesagt dessen Steuerung. Abhängig von der Winkelposition LP.X und der Position des sendenden ersten aktiven optoelektronischen Bauelements 218.X kann ein bestimmter Testlichtweg T.X erzeugt werden. Aufgrund der Synchronisierung der Ansteuerung der ersten optoelektronischen Bauelemente mit der Winkelstellung des Lichtleiters 220 ist die Fensterüberwachungseinheit 210 dazu ausgebildet, die Lichtstärken mehrerer Lichtwege, insbesondere auch mehrerer sich kreuzender Lichtwege, beispielsweise T.21, T.25, zu erfassen.
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Durch die Auswertung einer Mehrzahl solcher Testlichtwege T.X wird ein optisches Netz von Testlichtwegen T.X erzeugt, das aufgrund der relativ geringen Größe des Lichtleiters eine sehr hohe Auflösung haben kann, da eine viel eindeutigere Winkelposition LP.X realisiert werden kann als durch die Verwendung von separaten Empfängern für jede Position.
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Erfindungsgemäß können detaillierte Informationen auf der Grundlage eines sehr engmaschigen optischen Netzes gewonnen werden. Aufgrund der gewonnenen Detailinformationen kann somit eine bessere Bewertung der Position und Größe von Schmutzflecken auf dem Fenster vorgenommen werden.
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Dabei wird das optische Netz derart erzeugt, dass die Testlichtwege nacheinander generiert werden, vorzugsweise einer nach dem anderen, wobei die Auswerteeinheit die Fenstertransparenz erst nach Messung aller zum optischen Netz gehörenden Testlichtwege bewertet.
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Durch diese verbesserte Bestimmung einer Transparenzveränderung des Fensters lässt sich das Verhalten der Abtasteinheit differenzierter beeinflussen und in Abhängigkeit davon, auf welchem Fensterelement sich der Fleck befindet, kann eine bestimmte Aktion gewählt werden. So lässt sich beispielsweise ein unnötiges Abschalten des Sensors verhindern.
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Bezugszeichenliste
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- 10
- Sensor
- 12
- Drehspiegel
- 14a
- Abtastlichtsender
- 14b
- Abtastlichtempfänger
- 15a
- Abtastlichtsender
- 15b
- Abtastlichtempfänger
- 16
- zweites optoelektronisches Bauelement
- 18
- erstes optoelektronisches Bauelement
- 20
- Lichtleiter
- 22a
- erste Kopplungsstruktur
- 22b
- zweite Kopplungsstruktur
- 26
- Fensterüberwachungseinheit
- 28
- Abschirmung
- 30
- Rundspiegel
- 32
- konischer Hohlraum
- 36
- Linse
- 40
- Gehäuse
- 42a
- erstes Fensterelement
- 42b
- zweites Fensterelement
- 44
- obere Abdeckung
- 46
- untere Abdeckung
- 50
- Fensterüberwachungseinheit
- 60
- Abtasteinheit
- 110
- Sensor
- 112
- Drehspiegel
- 114a
- Sender
- 114b
- Empfänger
- 116
- zweites optoelektronisches Bauelement
- 118.X
- erstes optoelektronisches Bauelement
- 120
- Lichtleiter
- 122a
- erste Kopplungsstruktur
- 122b
- zweite Kopplungsstruktur
- 124
- weiterer Lichtleiter
- 126a
- erste Kopplungsstruktur
- 126b
- zweite Kopplungsstruktur
- 140
- Gehäuse
- 142a
- erstes Fensterelement
- 142b
- zweites Fensterelement
- 144
- obere Abdeckung
- 146
- untere Abdeckung
- 148
- Leiterplatte
- 150
- Fensterüberwachungseinheit
- 160
- Abtasteinheit
- 200
- Sensor
- 210
- Fensterüberwachungseinheit
- 216
- zweites optoelektronisches Bauelement
- 218.X
- erstes optoelektronisches Bauelement
- 220
- Lichtleiter
- 250
- Auswertungseinheit
- 260
- Motor
- alpha
- Winkelabtastbereich
- R
- Drehachse
- SE
- gesendetes Abtastlicht
- SR
- empfangenes Abtastlicht
- T.X
- Testlichtweg
- TB
- Testlichtstrahl
- LP.X
- Winkellage des Lichtleiters
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102015105264 A1 [0004]
- EP 2237065 A1 [0006]
