DE19716809A1

DE19716809A1 - Verfahren und Gerät zur Messung des Streulichts von Sichtscheiben, insbesondere Fahrzeugscheiben, auch im eingebauten Zustand, mit Oberflächenverschleiß auf der Außenseite der Scheibe

Info

Publication number: DE19716809A1
Application number: DE1997116809
Authority: DE
Inventors: Guenter Schwahn
Original assignee: SCHWAHN SYSTEMS GES fur AUTOM
Current assignee: SCHWAHN SYSTEMS GES fur AUTOM
Priority date: 1997-04-22
Filing date: 1997-04-22
Publication date: 1998-10-29
Anticipated expiration: 2017-04-23
Also published as: DE19716809B4

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und ein Gerät zur Messung des Streulichts von Sichtscheiben, insbesondere Fahrzeugscheiben mit Oberflächenverschleiß auf der Außenseite.

Fahrzeugscheiben, insbesondere Windschutzscheiben, unterliegen einem Oberflächenverschleiß durch Aufprall von Partikeln wie Sand- und Tonmi neralien, oder durch Wischen und Reinigen. Der Verschleiß führt zu winzigen Kratern, Kratzern und Riefen in der Scheibe. An solchen Ober flächenschäden entsteht Streulicht, das besonders beim Fahren bei Nacht und bei Regen ein Gefährdungspotential darstellt.

Streulicht reduziert bei Nacht merklich den wahrgenommenen Kontrast z. B. zwischen einem Hindernis auf der Straße und der Umgebung. Damit verringert sich die Entfernung, aus der das Hindernis entdeckt werden kann - ein potentielles Risiko für die Verkehrssicherheit (Helmers und Lundvist, VTI-Rapport 339A, Linköping 1988, Swedish Road and Traffic Institute). Voraussichtlich wird in absehbarer Zeit - geplant ab 1.1.1998 - in den EU-Staaten die regelmäßige Fahrzeuginspektion (in Deutschland schon nach §29 StVZO) - darunter auch die der Windschutzscheiben - vorgeschrieben werden (EG-Richtlinie 91/328/EWG u. 77/143/EWG bzw. 77/649/EWG).

Deutsche Verkehrssicherheitsexperten teilen überwiegend den Standpunkt Schwedens, der eine Streulichtmessung vorschreibt, nicht nur eine Besichtigung durch einen Experten (W. Schneider, New Aspects of Minimum Requirements for Windscreen Standards, Conf. VIV, 1995 Derby U.K.). Diese Meinung wird durch die Ergebnisse von Felduntersuchungen insbesondere der Forschungsgemeinschaft ASS e.V. Köln gestützt.

Bei Nachtfahrten ist besonders das Streulicht unter kleinen Winkeln zur Blickrichtung für den Autofahrer störend, weil es aus physikalischen Gründen - wodurch im einzelnen auch verursacht - generell zu höheren Streuwinkeln hin abnimmt. Typisch dafür ist das Streulicht unter kleinen Winkeln von wenigen Graden, hervorgerufen durch die Scheinwerfer entgegenkommender Fahrzeuge.

Verfahren und Vorrichtungen zur Messung des Streulichts unter kleinen Winkeln, typisch zwischen 1,5° und 2° zur Einfallsrichtung, in Trans mission, d. h. bei Durchstrahlung der Scheibe, wie es der Sicht des Fahrers entspricht, sind bekannt (Streulichtmeßgeräte-Typ SLA nach dem Konzept ASS e.V. ; Gebrauchsmuster G 92 08 017.0 aus 06.1996; Verfahren nach DIN 52298-1(12.1993)).

Die für Streulichtmessungen an eingebauten Scheiben ausgelegten Geräte haben Strahler und Strahlungsempfänger auf den beiden Hälften einer Gabel angeordnet, damit die Windschutzscheibe in den Strahl gebracht werden kann. Aufwand und meßtechnischer Standard sind zu hoch, um bei einer Fahrzeuginspektion vertretbar zu sein.

Es hat belegbare Versuche gegeben, diese Gabelanordnung und ihren hohen Standard zu umgehen durch eine Messung des Streulichts in Reflexion. Dabei kann die Messung durch ein außen auf die Scheibe gesetztes Gerät erfolgen. Die bekannten Versuche sind jedoch entweder zu aufwendig (Gebrauchsmuster G 90 15 015.5 aus 10.1990) oder verwen den nicht das Streulicht unter kleinen Winkeln (Patentansprüche nach Offenlegungsschrift DE 43 18 358 A1: die dortige Messung des bei schräger Einstrahlung unter 50-70° und Erfassung des im Bereich des Einfallslots zurückgestreuten Lichts entsprechen nicht den Sichtverhält nissen des Autofahrers).

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und ein zur Durchführung geeignetes Gerät zu schaffen, bei dem Streulicht an einer Scheibe mit Oberflächenschäden an der Außenseite derart unter kleinen Winkeln am reflektierten Licht erfaßt und ausgewertet wird, daß eine vergleichbare bzw. sehr ähnliche Streulichtkenngröße wie beim Verfahren nach DIN 52298-1 erhalten wird.

Diese Aufgabe wird hinsichtlich des Verfahrens mit den im kennzeichnen den Teil des Anspruchs 1 angegebenen Merkmalen gelöst. Die weitere Ausbildung des Verfahrens ist in Anspruch 2 gekennzeichnet. Hinsichtlich des Geräts wird die Aufgabe durch die im gekennzeichneten Teil des Anspruchs 3 angegebenen Merkmale gelöst.

Die Fassung der Merkmale von Anspruch 2 läßt offen, ob man neben dem Streulicht unter kleinen Winkeln zum H-Reflex, das sich als äquivalent zum transmissiven Streulicht nach dem genormten Verfahren erweist, auch - aus anderen Gründen - das Streulicht unter kleinen Winkeln zum V-Reflex erfaßt und auswertet.

Zur Lösung der Aufgabe wird auf folgende Verhältnisse hingewiesen:
Das an den Oberflächenschäden entstehende Streulicht hat im allgemeinen eine kontinuierliche Verteilung. Bei der genormten Anordnung nach DIN 52298-1 wird die Scheibe von einem parallelen Lichtbündel durchstrahlt. Das ungestreute (regulär transmittierte) Licht wird im punktförmigen Bild der Lichtquelle fokussiert. Das unter kleinen Winkeln von der Scheibe in Transmission gestreute Licht erscheint unter den gleichen Winkeln zur optischen Achse neben dem Lichtquellenbild; also zwischen zwei von entsprechenden Kegeln mit den Streuwinkeln (Grenzwinkel des Streuwin kelbereichs) als Polarwinkel.

Bei der erfindungsgemäßen Lösung ist zu bedenken, daß Reflexion an einer spiegelnden d. h. regulär reflektierenden Fläche zwar eine Richtungsände rung der einfallenden Strahlen (um 180° minus doppelter Einfallswinkel) bedeutet; die reflektierten Strahlen aber so verlaufen, als kämen sie von einem hinter der spiegelnden Fläche gelegenen Spiegelbild der Lichtquelle. Dieses gilt in gleicher Weise für die Spiegelbilder, die bei der regulären Reflexion an der Außenseite (Vorderfläche) bzw. der Innenseite (Hinter fläche) der Scheibe, wie z. B. einer Fahrzeugscheibe, entstehen, wenn man anstelle von parallelem Licht mit konvergentem Licht beleuchtet, wie es erfindungsgemäß geschieht.

Der Strahlengang nach der regulären Reflexion ist genau so, als kämen die Strahlen in Transmission von Lichtquellen hinter der Scheibe.

Licht, das bei dem erfindungsgemäßen Verfahren von außen auf die Außenseite der Scheibe eingestrahlt wird, die Oberfläche ungestreut passiert, an der Innenseite (Hinterfläche) reflektiert und beim Verlassen der Scheibe an der Außenseite gestreut wird, verhält sich analog zu Licht, das von dem Spiegelbild der Lichtquelle hinter der Scheibe kommt und an derselben Stelle der Außenseite gestreut wird; mit dem einzigen (nicht wesentlichen) Unterschied, daß es bei Einstrahlung und Reflexion den doppelten Weg im Vergleich zur Transmission durchläuft und stärker absorbiert wird.

Ähnlich verhält es sich mit Licht, das bereits beim Einfall auf die Außensei te und Passieren der Vorderfläche transmissiv gestreut wird und nach Reflexion an der Hinterfläche die Vorderfläche beim Verlassen der Scheibe ohne Streuung passiert.

Das ungestreute Licht durchläuft in beiden Fällen den gleichen Weg.

Bei gleichen Streuwinkelbereichen und gleicher Intensität des eingestrahlten Lichts sind die von Streulichtempfänger und Empfänger für ungestreutes Licht erfaßten Strahlungsleistungen zwar kleiner bei dem erfindungsgem äßen Verfahren gegenüber dem genormten Verfahren; bezieht man aber erfindungsgemäß in Analogie zum genormten Verfahren nach DIN 52298- 1 - das erfaßte Streulicht auf das ungestreute Licht, ergibt sich eine Streulichtkenngröße, die in einer einfachen Beziehung zu der genormten Kenngröße (reduzierter Leuchtdichtekoeffizient, Einheit: cd/m²/lx) steht.

Im einfachsten Fall unterscheidet sich die erfindungsgemäß ermittelte Kenngröße um einen festen Faktor; jedoch wird dieser Zusammenhang dadurch modifiziert, daß wegen des konvergenten Lichtbündels der von dem Streulichtempfänger definierte Streuwinkelbereich nicht für alle Punkte der Meßfläche (Lichtfleck nach Anspruch 1b) gleich groß ist.

Die mit der Erfindung erzielbaren Vorteile sind darin zu sehen, daß

(a) die Streulichtmessung nur von der Außenseite der Scheibe, insbeson dere bei eingebauten Fahrzeugscheiben von der Fahrzeugaußenseite erfolgt,
(b) der Einfallswinkel von (50+/- 5)° weitgehend dem Neigungswinkel gegen die Vertikale bei der Mehrzahl der Personenkraftwagen ent spricht; somit der einfallende Strahl weitgehend der Blicklinie des Fahrers folgt,
(c) das Streulichtmeßgerät unempfindlich gegen Intensitätsänderungen des Strahlers (LED) ist, weil dem Meßergebnis eine Verhältnisbildung von Streulicht zu ungestreutem Licht zugrundeliegt,
(d) die Scheibendicke keinen Einfluß auf die Funktion des Gerätes hat, weil die Empfänger nicht fixiert, sondern beweglich sind, um das Meßlicht abzutasten (Scanning),
(e) die Messungen automatisiert erfolgen können,
(f) wegen der energiearmen Versorgung ein netzunabhängiger Betrieb erfolgen kann,
(g) kurze Meßzeiten durch Einsatz moderner Halbleitertechnologie erzielt werden können,
(h) ein kompakter, mechanisch unempfindlicher Aufbau erreicht werden kann, der das Gerät für die Einhandbedienung geeignet macht,
(i) der Herstellungsaufwand gering ist,
(j) das erfindungsgemäße Gerät weitgehend einer bereits genormten Meßgeometrie entspricht,
(k) das Gerät deshalb mit normgemäß gemessenen Glasproben mit geringem Aufwand kalibriert werden kann.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt und wird im folgenden näher beschrieben:

Es zeigen

Fig. 1 den Aufbau eines Streulichtmeßgerätes nach dem erfindungsgemäßen Verfahren in einer schematischen Seitenansicht,

Fig. 2 die Form der Blenden vom Streulichtempfänger bzw. Empfänger für ungestreutes Licht.

Die Seitenansicht von Fig. 1 liegt in der Einfallsebene. Die Einfallsebene verläuft senkrecht zur horizontalen Biegung (Hauptbiegung) einer Wind schutzscheibe (9). Das Gehäuse (8) mit den Auflagern (7) wird in kon stantem Abstand über die Scheibe (9) geführt. Das Gehäuse enthält den LED-Strahler (1) mit der Sammeloptik (2) zur Beleuchtung der Außenseite der Scheibe (9) unter (50+/- 5)° Einfallswinkel und die Empfänger (3) und (4) auf dem drehbaren Zylinder (5) und der Achse (6) zur Drehung mit einem nicht dargestellten Motor. Der Empfänger (3) für ungestreutes Licht und der Empfänger (4) für gestreutes Licht werden über die Reflexe V (von der Außenseite der Scheibe) und H (von der Innenseite der Scheibe) sowie über das Streulicht S (gezeigt ist ein Reflex, der durch Streuung beim Eindringen in die Scheibe entsteht) hinweg bewegt; dabei werden Intensität und Drehwinkel des Lichtes erfaßt und ausgewertet.

Der Steg auf der Kreisblende von Streulichtempfänger (4) und die Kreis blende des Empfängers (3) für ungestreutes Licht liegen in der Einfall sebene E-E. Sie sind so breit, daß auch bei den gebogenen Windschutz scheiben mit etwas verbreiterten Reflexen V und H im Vergleich zu planen Scheiben der Reflex H (LED-Bild) vollständig durch die Kreisblende (3) paßt und vollständig vom Steg beim Empfänger (4) abgedeckt wird. Erfindungs gemäß wird der Reflex H und das umgebende Streulicht in dem durch die Streulichtblende (4) festgelegten Streuwinkelbereich der Messung zugrun degelegt.

Der Reflex V läßt sich je nach Drehrichtung des Zylinders (5) nach Winkellage und Intensität im Vergleich zum Reflex H identifizieren.

Claims

1. Verfahren zur Messung des Streulichts von Sichtscheiben, insbesondere Fahrzeugscheiben, auch im eingebauten Zustand, mit Oberflächenver schleiß auf der Außenseite der Scheibe, dadurch gekennzeichnet, daß man

(a) sichtbare Strahlung einer punktförmigen Strahlungsquelle mit einer Sammeloptik konvergent macht, so daß die Quelle in einem bestimm ten Maßstab abgebildet wird,
(b) das konvergente Strahlungsbündel unter einem definierten Einfalls winkel schräg auf die Außenseite der Scheibe richtet, und zwar in einem solchen Abstand von der Scheibenoberfläche, daß noch kein Bild der Strahlungsquelle entsteht, sondern sich ein Lichtfleck (Meß fläche) geeigneter Abmessungen auf der Oberfläche der Scheibe ausbildet,
(c) durch Reflexion der Strahlung demzufolge außen vor der Scheibe - in der Einfallsebene auf der zur Strahlungsquelle entgegengesetzten Seite des Einfallslots - zwei räumlich getrennte reelle Bilder der Strahlungsquelle erzeugt, und zwar das näher an der Scheibe gelege ne Bild durch Reflexion an der Innenseite (Hinterfläche), das weiter entfernte Bild durch Reflexion an der Außenseite (Vorderfläche) der Scheibe,
(d) das durch Oberflächenverschleiß (Kratzer, Riefen, winzige Krater usw.) erzeugte, seitlich neben den Bildern auftretende Streulicht sowie die in den beiden Bildern fokussierte ungestreute Lichtstrahlung als Bezugsgröße mit zwei räumlich getrennten Strahlungsempfängern mißt, die zur Messung nacheinander über die Bilder und ihre Umge bung hinweg bewegt werden,
(e) die Signale der Streulichtempfänger einer Auswerteschaltung zuführt mit dem Ziel, die Signale miteinander zu verknüpfen, um eine Streu lichtkenngröße als Meßwert zu bestimmen.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß

(a) eine NF-modulierte LED (Leuchtdiode), z. B. rot leuchtend, ca. 0,4 mm×0,4 mm Leuchtfläche, als Strahler verwendet wird,
(b) der Einfallswinkel zwischen der optischen Achse des konvergenten Strahlungsbündels und dem Einfallslot (50+/- 5)° beträgt,
(c) der Abstand zwischen dem Fußpunkt des Einfallslots und den Bildern der Strahlungsquelle, hier der LED, der als "Arbeitsabstand" bezeich net wird, max. das 10- bis 15-fache der Scheibendicke beträgt,
(d) die beiden Strahlungsempfänger aus Halbleitern, wie Fotodioden (Fotoelemente) mit unterschiedlich großer Empfängerfläche bestehen, die mit vorgesetzter Meßblende von unterschiedlicher Form und Größe der Apertur versehen sind,
(e) der Streulichtempfänger mit kreisförmiger Apertur von ca. 6° und einem lichtundurchlässigen Steg von 2° Breite, zum Kreismittelpunkt zentriert und parallel zur Einfallsebene des Strahlungsbündels ver laufend, wobei die Winkel auf den Arbeitsabstand bezogen sind, ausgerüstet ist,
(f) der Referenzlichtempfänger, das ist der Empfänger für das ungestreu te (regulär oder gerichtet reflektierte) Licht mit kreisförmiger Apertur von 2°, bezogen auf den Arbeitsabstand, ausgerüstet ist,
(g) diese Empfänger in der durch die Mitte der beiden Bilder der LED gehenden Einfallsebene gekoppelt bewegt werden, und zwar derart, daß die Aperturen der beiden Empfänger auf der Einfallsebene senk recht stehen, ihre Aperturmitten in der Einfallsebene liegen, diese Mitten einen festen Abstand voneinander und gleichzeitig konstanten Abstand zu einer Drehachse behalten, die auf der Einfallsebene senkrecht steht sowie durch die optische Achse des an der Innenseite (Hinterfläche) der Scheibe reflektierten Strahlungsbündels verläuft, und die Empfänger um die Drehachse rotieren,
(h) die Rotation der beiden Empfänger in der Einfallsebene wahlweise in beiden Drehrichtungen und zwischen zwei Endpositionen erfolgt, die so festgelegt sind, daß bei jeder Drehrichtung die beiden LED-Bilder sowie der zu untersuchende Streuwinkelbereich, bezogen auf den genannten Arbeitsabstand, in der Umgebung der Bilder, von jedem der beiden Empfänger vollständig abgetastet werden ("Scanning-Verfah ren"),
(i) man die Intensität der Meßstrahlung (als Meßsignal) beim "Scannen" für jeden Empfänger in Abhängigkeit vom zurückgelegten Drehwinkel erfaßt, die Winkelposition des Referenzlichts bestimmt und aufgrund des vorgegebenen Winkelabstands zwischen Referenzlicht- und Streulichtempfänger und des definierten Streuwinkelbereichs die entsprechende Winkelposition des Streulichtempfängers zur Erfassung des Streulichts kennt, identifiziert und erfaßt sowie die Meßsignale von Streulicht- und Referenzlichtempfänger der Auswerteschaltung zuführt,
(j) man in der Regel als Referenzlicht die an der Hinterfläche (Innenseite) der Scheibe regulär reflektierte Lichtstrahlung ("H-Reflex"), die in dem der Scheibenaußenseite (Vorderfläche) näheren LED-Bild fokussiert ist, und das unter kleinen Winkeln, bezogen auf den Arbeitsabstand, zum H-Reflex auftretende Streulicht erfaßt und auswertet,
(k) man alternativ auch das regulär reflektierte Licht von der Vorderfläche (Außenseite) der Scheibe ("V-Refex") als Referenz sowie das diesen Reflex umgebende Streulicht unter kleinen Winkeln erfaßt und aus wertet,
(l) man eine relationale Streulichtkenngröße ermittelt, indem man den Quotienten aus Streulicht- und Referenzlichtsignal auswertet und ggf. noch mit einem Umwertungsfaktor multipliziert,
(m) man die Schritte (h) bis (l) wahlweise auch mit einer praktisch streu lichtfreien Scheibe ("Leerscheibe") durchführt, damit verfahrensbe dingtes Streulicht, das nicht von der zu messenden Scheibe stammt, erfaßt ("Leermessung") und die nach Schritt (l) erhaltenen Kenngrö ßen bei streuenden Scheiben zur Korrektur in Abzug bringt.

3. Gerät zur Durchführung des Verfahrens nach den vorstehenden An sprüchen, dadurch gekennzeichnet, daß

(a) der Streulicht- und der Referenzlichtempfänger auf dem Umfang eines Zylinders eingebaut sind, der um seine Achse mittels eines Motors drehbar ist,
(b) dieser Motor ein Schrittmotor ist, so daß der Drehwinkel zu der Anzahl der Winkelschritte proportional ist,
(c) die Leuchtdiode (LED), die vorgeschaltete Sammeloptik und der drehbare Zylinder mit den auf dem selben Umfang eingebauten Empfängern auf einer Tragplatte des Gerätegehäuses so eingebaut sind, daß die optische Achse durch die LED und die Sammeloptik sowie der bezeichnete Zylinderumfang mit den Empfängern in ein und derselben Ebene ("Konstruktionsebene") liegen,
(d) die Tragplatte derart auf der mit einer ausreichend großen Öffnung versehenen Bodenplatte mit Auflagern an der Unterseite angebracht ist, daß für eine unter der Bodenplatte des Geräts befindliche, die Auflager berührende Scheibe, die Einfallsebene mit der Konstruktions ebene zur Deckung kommt,
(e) die strahler- (LED) und empfängerseitigen Auflagerpunkte in zwei durch die Zylinder- bzw. Motorachse verlaufenden Ebenen liegen,
(f) die Öffnung in der Bodenplatte mit einer geneigt eingebauten ent spiegelten Glasplatte abgedeckt ist,
(g) der Abstand zwischen den Auflagerpunkten und der Unterseite der Bodenplatte des Gehäuses groß genug ist, daß gebogene Scheiben anliegen, ohne die Unterseite der Bodenplatte zu berühren,
(h) alle Gerätekomponenten so gestaltet und angeordnet sind, daß die Merkmale nach den Ansprüchen 1 (a)-(e) und 2 (a)-(m) zutreffen.