DE4337835A1 - Meßvorrichtung - Google Patents

Meßvorrichtung

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    • B60S1/0833Optical rain sensor

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.

Für den Übergang zwischen Glas und Luft ergibt sich somit mit
n1 = 1,5 (Brechungsindex Glas)
n2 = 1 (Brechungsindex Luft).

Totalreflexion bei
= 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%.

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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