DE4337835A1 - Meßvorrichtung - Google Patents
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Description
Die Erfindung betrifft eine Meßvorrichtung nach dem Oberbegriff des
Anspruches 1.
Vielfach ist bereits versucht worden, in durchlässigen Platten,
Wänden oder auch Schichten Strahlungen einzukoppeln, um in
Abhängigkeit von der eingekoppelten Strahlung Meßergebnisse zu er
zielen. Dabei werden meist die Ergebnisse der Reflexion an den
Grenzflächen dazu benutzt Daten zu ermitteln, die anschließend aus
gewertet werden. Z.B. besteht dadurch die Möglichkeit, eine Be
netzung der Außenfläche der Schicht festzustellen, da sich das Re
flexionsbild in Abhängigkeit der Benetzung ändert.
Zu diesem Zweck wurde schon versucht, die Strahlung durch helle
Lichtquellen einzukoppeln. Gerade beim Einsatz eines Wasser- oder
Feuchtigkeitssensors treten bei einem Einsatzzweck, z. B. an der
Windschutzscheibe von Kraftfahrzeugen jedoch Blendungen anderer
Verkehrsteilnehmer auf. Insofern sind diese hellen Strahlungsquellen
in unveränderter Form zunächst wenig geeignet. Es wurden aber auch
bereits Versuche unternommen, das Licht von Leuchtdioden in
derartige Schichten, Platten oder Wände einzukoppeln. Diese Versuche
fanden meist mit hinsichtlich ihrer Helligkeit selektierten
Leuchtdioden statt, konnten jedoch auf Grund der äußeren Form und
der Art der Abstrahlung der Strahlung nicht zu einem
zufriedenstellenden Ergebnis führen, da eine Einkopplung der
Strahlung kaum möglich war.
Zwischenzeitlich wurde noch versucht, das Licht von
Strahlungsquellen über Prismen in die Schicht, Platte oder Wand
einzukoppeln. Dadurch ist eine Einkopplung zwar möglich, jedoch ist
der hierfür zu treibende Aufwand hoch, so daß auch die Kosten des
Sensors erhöht werden.
Ausgehend von diesem Stand der Technik liegt der vorliegenden Erfin
dung die Aufgabe zugrunde, eine mit einer Leuchtdiode bestückte Meß
vorrichtung der eingangs genannten Gattung derart weiterzubilden,
daß auf kostengünstigste und einfachste Weise Strahlung zu Meßzwecken
verwendbar ist.
Diese Aufgabe wird durch die Merkmale des Anspruches 1 gelöst, wobei
nun ohne weitere Zwischenelemente die Leuchtdiode unmittelbar ihr
Licht in die durchlässige Schicht einkoppeln kann. Insofern müssen
nicht mehr aufwendige Prismen vorgesehen werden und durch die unmit
telbare Einkopplung genügen auch weniger helle Leuchtdioden für aus
reichende Meßergebnisse. Andererseits gilt der Grundsatz, daß je
heller die Leuchtdiode ist, desto besser das Reflexionssignal, da
der Sensor dann gegenüber Umwelteinflüssen unempfindlicher wird.
Durch die unmittelbare Einkopplung der Strahlung der Leuchtdiode
wird die üblicherweise vom Reflektor der Leuchtdiode in Richtung der
Frontlinse der Leuchtdiode gelenkte Strahlung nun direkt in die
durchlässige Schicht eingelenkt. Die Frontlinse kann daher den Ab
strahlwinkel nicht mehr für den vorliegenden Einsatz negativ beein
flussen. In der somit veränderten Bauform der Leuchtdiode ergibt
sich dann ein möglichst großer Abstrahlwinkel, vorzugsweise in einem
Bereich zwischen der Totalreflexion bis zur mechanischen Abgrenzung
im Bereich des Abschlusses der Leuchtdiode an die Oberfläche. Durch
die im folgenden noch näher zu beschreibenden Weiterbildungen kann
dabei eine möglichst starke Bündelung auf den von der Senkrechten
abweichenden Austrittswinkel durchgeführt werden.
Der erstrebte optimale Austrittswinkel, insbesondere bei Reflexions
strecken sollte in einem Bereich vom Lot aus gesehen hinter der
Totalreflexion liegen. In diesem Bereich erreicht aber die Fotodiode
nur noch ein Bruchteil der ins Glas ausgesendeten Intensität. Diese
Intensität ist proportional zum Quadrat des Reflexionsfaktors r, der
das Verhältnis von durchgehender und reflektierter Strahlung
bestimmt und wie folgt vom Lichteinfallswinkel abhängt:
Dabei sind
n1: Brechungsindex des Glases
n2: Brechungsindex der Luft
Winkel des Lichtes im Glas zum Lot hin
Lichtaustrittswinkel in die Luft zum Lot hin.
n1: Brechungsindex des Glases
n2: Brechungsindex der Luft
Winkel des Lichtes im Glas zum Lot hin
Lichtaustrittswinkel in die Luft zum Lot hin.
Für den Übergang zwischen Glas und Luft ergibt sich somit mit
n1 = 1,5 (Brechungsindex Glas)
n2 = 1 (Brechungsindex Luft).
n1 = 1,5 (Brechungsindex Glas)
n2 = 1 (Brechungsindex Luft).
Totalreflexion bei
= arc sin (n2/n1) = 41,8°.
= arc sin (n2/n1) = 41,8°.
Normiert man die bei einem Winkel von 41,8° auftretende Lichtinten
sität zu 100%, so ergibt sich eine Intensität des reflektierten
Strahles bei gegebenem Einfallswinkel zu:
= 41,8°: r²=100% (Totalreflexion)
= 40,0°: r²= 39%
= 35,0°: r²= 17%.
= 41,8°: r²=100% (Totalreflexion)
= 40,0°: r²= 39%
= 35,0°: r²= 17%.
Innerhalb eines Winkelbereichs von 6,8° vor der Totalreflexion sinkt
somit also die Intensität des Lichtes von 100% auf 17%.
Ein bevorzugter Winkelbereich für die Emission des Lichtes ergibt
sich somit vom Lot aus gesehen oberhalb der Totalreflexion bis zu
einem Winkelbereich, bei dem die Intensität des Lichts durch die
Dämpfung im Glas beschränkt wird.
Vorzugsweise ist die Leuchtdiode der Form der Platte oder Wand nach
den Ansprüchen 2 oder 3 angepaßt, da dadurch weitgehend Übergänge
von anderen Medien zwischen Leuchtdiode und durchlässiger Schicht
vermieden werden können, die die Meßergebnisse stören.
Nach den Ansprüchen 4-6 wird die Strahlung vorzugsweise bereits le
diglich in dem Bereich eingekoppelt, in dem sie der Totalreflexion
unterliegt, so daß auch ohne weiteres möglich ist, störende nach
vorn gerichtete Strahlung, die nicht der Totalreflexion unterworfen
ist, durch Abdeckelemente oder Reflektoren auszuschalten.
Nach Anspruch 7 kann aber auch im Grenzbereich zu der durchlässigen
Schicht ein Diffusor an der Leuchtdiode vorgesehen sein. Wird dieser
Diffusor nur teilweise eingesetzt, ergibt sich einerseits eine
direkt gerichtete Strahlung, die vorzugsweise in einem Bereich emit
tiert wird, der zu einer Totalreflexion führt. Diese nicht vom
Diffusor verteilte Strahlung ist gerade bei Wassersensoren geeignet,
kleinere Tropfen zu erkennen. Die diffuse Strahlung führt jedoch
auch zu einem Meßergebnis, und zwar können durch diese flächenmäßige
Strahlung, die infolge des Einsatzes des Diffusors auftritt,
größere Tropfen deutlich erkannt werden.
Im folgenden werden Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand der
Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:
Fig. 1 eine schematische Darstellung einer Licht
einkopplung mit der dabei auftretenden
Lichtausbeute an der Meßfläche 11b,
Fig. 2-5 verschiedene Ausführungsbeispiele erfin
dungsgemäßer Leuchtdioden.
Bei einer Meßvorrichtung wird eine Leuchtdiode 10 vorgesehen, deren
emittierte Strahlung in eine für eine bestimmte Strahlung durch
lässige Schicht, Platte oder Wand 11 eingeleitet wird. Die Strahlung
kann dabei sowohl auf der der Leuchtdiode abgewandten Seite Meßwerte
liefern, üblicherweise wird die Strahlung jedoch in der Platte oder
Wand 11 reflektiert, so daß die Meßfläche 11b Daten liefert, die
einer weiteren Verarbeitung zugänglich sind. Gemäß Fig. 1 wird die
Strahlung dabei unmittelbar von der Leuchtdiode 10 in die Platte
oder Wand 11 eingekoppelt. Vorzugsweise ist die der Platte oder Wand
11 zugewandte Oberfläche 10a der Leuchtdiode der Form der Platte
oder Wand angepaßt, was einerseits dadurch erfolgen kann, daß eine
handelsübliche Leuchtdiode, vorzugsweise mit hellem Chip 12 abge
schliffen und poliert wird, so daß sie sich der Oberfläche der
Platte oder Wand anpaßt. Andererseits besteht jedoch auch die Mög
lichkeit, spezielle Bauformen der Leuchtdiode zu entwickeln, die
grundsätzlich für die Einkopplung bestens geeignet sind.
Auf der Meßfläche ergibt sich dabei ein Bild, wie es sich in dem in
Fig. 1 dargestellten Diagramm widerspiegelt. Aus Sicht der Leuchtdio
de befindet sich um die Leuchtdiode herum zunächst ein dunkler Ring,
der dadurch hervorgerufen wird, daß die Strahlung erst unterhalb
eines Brechungswinkels, der zur Totalreflexion führt, reflektiert
wird. Der Durchmesser dieses Ringes ist nur von der Scheibendicke
und der Leuchtdiodendicke abhängig, nicht jedoch von der Art der
Einkopplung der Strahlung. Die Abnahme der Ringintensität nach außen
beruht auf der Dämpfung im Glas bzw. auf der zunehmenden Steilheit
des Einfallwinkels und unter anderem auch darauf, daß die Intensität
proportional zum Quadrat des Reflexionsfaktors abnimmt. Die rechts
im Diagramm auftretende äußere Ringbegrenzung letztlich wird durch
den äußeren mechanischen Rand der Leuchtdiode vorgegeben.
Somit ergibt sich als optimaler Platz für die Fotodiode ein Ort im
Bereich des Reflexionsmaximums rmax, da hier am ehesten Differenzen
in der auftretenden Strahlung bemerkt werden.
Die Leuchtdiode 12 soll vorzugsweise Strahlung gebündelt unter einem
Eintrittswinkel in die Platte oder Wand 11 einkoppeln, die im we
sentlichen von der Senkrechten auf der Grenzfläche 11c von Wand oder
Platte 11 um mehr als den Grenzwinkel der Totalreflexion abweicht.
Die nicht reflektierte Strahlung ist nämlich grundsätzlich störend
auf der der Leuchtdiode gegenüberliegenden Seite. Aufgrund des Ab
strahlwinkels tritt der für die Reflexion wesentliche Teil nur am
Rand der Leuchtdiodenoberfläche aus. Die direkt nach vorn aus dem
Glas austretenden Lichtstrahlen können insofern durch Abdeckelemente
13 (Fig. 2) unterbunden werden, die den Austritt der Strahlung nur
noch im gewünschten Bereich zulassen.
Üblicherweise beinhalten Leuchtdioden einen kleinen schüsselförmigen
Reflektor. Zwar hat sich gezeigt, daß bei der Verwendung als Licht
einkoppelelement dieser Reflektor nur eine unwesentliche Rolle
spielt, solange die Leuchtdiode in unveränderter Form beibehalten
und lediglich abgeschliffen wird. Andererseits kann durch eine ent
sprechende Anordnung eines Reflektors eine Bündelung des Lichts in
Richtung auf den gewünschten Abstrahlwinkel erreicht werden. Bei
spielsweise kann auch anstelle des Abdeckelementes 13 ein Reflektor
14 vorgesehen werden, der das sonst nach vorne austretende Licht in
die gewünschte Richtung lenkt.
Alternativ besteht nach Fig. 3 die Möglichkeit, den Chip 12 ggf.
auch mit Reflektor 15 einer hellen Leuchtdiode in der Leuchtdiode zu
drehen, damit sich ein bevorzugter Lichteintrittswinkel um 45° er
gibt. Dies führt dann zu einer asymmetrischen Reflexion, die jedoch
gezielt in Richtung auf die Fotodiode gerichtet werden kann, die im
Bereich von rmax liegt. Diese Ausbildung hat dabei den Vorteil, daß
die Hauptstrahlung reflektiert wird, wodurch sich an der Meßfläche
die Lichtintensität um etwa das Doppelte erhöhen kann.
In einer weiteren Ausbildung gemäß Fig. 4 kann im Ankopplungsbe
reich, also im Bereich der Oberfläche 10a der Leuchtdiode, mit der
sie an die Wand oder Platte 11 angekoppelt wird, zumindest teilweise
ein Diffusor 16 vorgesehen werden. In der Praxis hat sich nämlich
gezeigt, daß im Bereich einer ungehindert in die durchlässige
Schicht eingeleiteten Strahlung beste Meßergebnisse dann auftreten,
wenn kleine Reflexionsänderungen, beispielsweise bei einem Wasser
sensor durch kleine Tropfen festgestellt werden sollen. Sollen aber
großflächige Veränderungen erfaßt werden, so fallen diese stärker
ins Gewicht, wenn eine diffuse Lichtstrahlung gemessen wird. Selbst
verständlich bieten sich hier verschiedenste Mischformen an; so
können nebeneinander klare und diffuse Leuchtdioden vorgesehen
werden oder es kann eine einzige Leuchtdiode vorgesehen werden, die
einen klaren und einen diffusen Bereich aufweist.
Die Strahlung läßt sich aber auch dadurch gebündelt in die durch
lässige Platte oder Wand einleiten, daß die Leuchtdiode schräg ab
geschliffen und mit dieser schrägen Fläche gemäß Fig. 5 angekoppelt
wird.
Zusammenfassend läßt sich feststellen, daß die Leuchtdiode 10 flach
an der Platte oder Wand anliegen muß mit einem brechungsindexab
hängigen Lichtaustrittswinkel. Der Bereich der reflektierten Strah
lung muß dabei eine bestimmte Mindestbreite aufweisen, so daß sowohl
kleine Reflexionsänderungen bei kleinem Lichtaustrittswinkel und
große Reflexionsänderungen bei großem Lichtaustrittswinkel erfaßt
werden können. Der nichtreflektierte senkrechte Lichtaustritt kann
durch verschiedene Mittel reflektiert werden. Bevorzugterweise kann
der Reflektor das austretende Licht stärker als bei üblichen Leucht
dioden bündeln.
Claims (10)
1. Meßvorrichtung mit einer Leuchtdiode (10), deren emittierte
Strahlung in eine für eine bestimmte Strahlung durchlässige
Platte oder Wand (11), insbesondere in eine Reflexionsstrecke
(11a) einleitbar ist,
dadurch gekennzeichnet, daß die Strahlung unmittelbar von der
Leuchtdiode (10) in die Platte oder Wand einkoppelbar ist.
2. Meßvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die
der Platte oder Wand (11) zugewandte Oberfläche (10a) der hellen
Leuchtdiode (10) der Form der Platte oder Wand angepaßt ist.
3. Meßvorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die
Leuchtdiode (10) eine handelsübliche Leuchtdiode mit hellem Chip
(12) ist, deren Oberfläche zur Anpassung an die Platte oder Wand
(11) abgeschliffen ist.
4. Meßvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch
gekennzeichnet, daß die Leuchtdiode (10) Strahlung in die Platte
oder Wand (11) unter einem Eintrittswinkel gebündelt einkoppelt,
der im wesentlichen von einer Senkrechten zur Grenzfläche (11c)
der Platte oder Wand um mehr als den Brechungswinkel der
Totalreflexion abweicht.
5. Meßvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch
gekennzeichnet, daß die Leuchtdiode ein Abdeckelement (13)
umfaßt, das den Austritt der Strahlung unterbindet, die unter
einem Winkel in die Scheibe eintritt, der zu einem Brechungswin
kel führt, der kleiner ist als der Brechungswinkel für die Total
reflexion.
6. Meßvorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß das
Abdeckelement ein Reflektor (14) ist.
7. Meßvorrichtung nach einem der Ansprüche 1-5, dadurch gekennzeich
net, daß im Ankopplungsbereich (Oberfläche 10a) der Leuchtdiode
(10) an die Wand oder Platte (11) zumindest teilweise ein
Diffusor (16) vorgesehen ist.
8. Meßvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch
gekennzeichnet, daß in der Leuchtdiode ein Chip (12) und vorzugs
weise auch ein Reflektor (15) gegenüber der Grenzfläche (11c)
so gedreht angeordnet sind, daß die austretende Strahlung weitgehend
einer Totalreflexion in der Platte oder Wand (11) unterworfen
ist.
9. Meßvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch
gekennzeichnet, daß die Leuchtdiode Strahlung mit einer Wellen
länge emittiert, die im sichtbaren dunkel roten bis orangenen
Bereich des Lichts liegt.
10. Meßvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch
gekennzeichnet, daß die von der Leuchtdiode emittierte Strah
lung vorzugsweise mit einem Eintrittswinkel in die durchlässige
Schicht einkoppelbar ist, die zu einer Totalreflexion bei Glas
mit einem Reflexionswinkel von etwa 41,8° führt.
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DE19934337835 DE4337835B4 (de) | 1993-11-05 | 1993-11-05 | Meßvorrichtung |
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DE19934337835 DE4337835B4 (de) | 1993-11-05 | 1993-11-05 | Meßvorrichtung |
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ID=6501919
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