KR20090119740A

KR20090119740A - 주변광을 검출하는 광센서 장치

Info

Publication number: KR20090119740A
Application number: KR1020090042746A
Authority: KR
Inventors: 울리히 박케스
Original assignee: 테에르베 오토모티브 일렉트로닉스 운트 콤포넌츠 게엠베하
Priority date: 2008-05-16
Filing date: 2009-05-15
Publication date: 2009-11-19
Also published as: KR101070346B1; DE102008023845A1; MX2009005171A; DE102008023845B4; CN101581603B; BRPI0901468B1; EP2120025A1; ES2398044T3; BRPI0901468A2; US20090284735A1; JP5867979B2; US7894054B2; EP2120025B1; JP2009276345A; CN101581603A

Abstract

창유리(10), 특히 차량의 윈드실드에 연결되도록 되어 있는, 주변광을 검출하는 광센서 장치가 개시되어 있다. 광센서 장치는 하나 이상의 광 리시버(26)와 렌즈 플레이트(12)를 포함하는 센서 유닛을 구비한다. 센서 유닛에 의해 창유리(10)로 진입한 주변광은 창유리(10) 밖에서 커플링되어 광 리시버(26)로 지향된다. 창유리(10)를 향하는 표면(12b)에서 렌즈 플레이트(12)는 복수 개의 개별 구조(24)를 갖는 제1 프레넬 프리즘 구조(22)를 포함한다. 상기 제1 프레넬 프리즘 구조(22)의 개별 구조(24)는 광선을 여러 각도로 편향시키도록 구성된다.

Description

주변광을 검출하는 광센서 장치{OPTICAL SENSOR DEVICE FOR DETECTING AMBIENT LIGHT}

본 발명은 창유리, 특히 차량의 윈드실드에 연결되도록 되어 있는, 주변광을 검출하는 광센서에 관한 것이다.

이 타입의 센서 장치는 주로 차량의 조명을 제어하는 광센서로서 사용되고 있다. 유럽 특허 제1 068 112 B1호에 도시된 레인 센서의 광선 경로에 영향을 미치는 전통적인 렌즈, 예컨대 윈드실드를 향해 경사진 렌즈의 사용은 상당히 큰 양의 공간을 필요로 한다.

예컨대, 국제 공개 제WO 03/026937 A1호로부터 공지된 바와 같이 입체 영상 구조의 사용은 보다 작은 디자인을 실현하게 한다. 이들 센서는 회절 요소에 의한 광 회절의 원리를 기초로 하고, 이에 따라 실질적으로 유효한 조명 효율이 낮고 미광에 대한 감도가 높다고 하는 그 원리로 유도되는 단점을 갖는다.

광센서 장치와 관련하여, 독일 특허 제196 08 648 C1호는 프레넬 렌즈 형태로 광도파로 유닛의 광 유입면 및 광 유출면을 구성하는 것을 제안하고 있다. 하지만, 렌즈가 구성되는 광도파로의 표면들은 창유리의 표면에 대해 수직이기 때문 에, 이 장치는 매우 큰 양의 공간을 필요로 한다.

공지된 주변광 광센서 장치의 추가의 기본적인 단점은 높은 생산 비용과 너무 작은 수신 범위에 있다. 프레넬 렌즈를 구비한 센서 장치와 관련하여 광 리시버가 프레넬 렌즈의 초점으로부터 멀리 배치되거나 초점에 가깝게 배치되는 수신 범위를 확장하기 위한 시도는 성공적이지 못했는데, 그 이유는 이 시도가 제공되는 수신 범위를 벗어난 하나 이상의 추가의 광선으로 수신 특성이 분열되는 것을 동반하기 때문이다. 이는 또한 리시버 영역을 증가시키려는 시도에도 적용된다.

본 발명의 목적은 전술한 단점들을 피하면서 센서 유닛의 수신 범위를 증가시키는 것이다.

이 목적을 달성하기 위해, 창유리, 특히 차량의 윈드실드에 연결되도록 되어 있는, 주변광을 검출하는 광센서 장치가 제안된다. 본 발명에 따르면, 광센서 장치는 하나 이상의 광 리시버와 렌즈 플레이트를 포함하는 센서 유닛을 구비한다. 창유리로 입사한 주변광은 센서 유닛에 의해 창유리 밖에서 커플링되어 광 리시버로 지향된다. 창유리를 향하는 표면에서 렌즈 플레이트는 복수 개의 개별 구조를 갖는 제1 프레넬 프리즘 구조를 포함한다. 상기 제1 프레넬 프리즘 구조의 개별 구조는 광선을 여러 각도로 편향시키도록 구성된다. 본 발명에 따른 해법은 여러 개의 광선으로의 분열이 생성되는 일 없이 단지 하나의 프레넬 프리즘 구조에 의해 정해진 방식으로 센서 유닛의 수신 범위를 넓게 한다. 원하는 수신 특성을 달성하기 위하여, 예컨대 작은 각도 거리에서 평균 편향각에 관하여 반사용 개별 구조의 편향각을 조절하는 것이 가능하다.

본 발명에 따르면, 종래의 단점들을 피하면서 센서 유닛의 수신 범위를 증가시킬 수 있다.

본 발명의 특히 바람직한 실시예에 따르면, 제1 프레넬 프리즘 구조는 제1 배향을 갖는 선형 구조를 포함하고, 창유리를 향하는 표면에서 렌즈 플레이트는 복수 개의 개별 구조를 갖는 선형의 제2 프레넬 프리즘 구조를 포함하며, 제2 프레넬 프리즘 구조는 제1 배향과 상이한 제2 배향을 갖는다. 이 방식으로, 본 발명에 따른 해법을 이용할 때에 넓게 되는 수신 범위는 이 수신 범위와 상관없이 공간에서 상이한 방향으로 추가의 수신 범위를 갖게 완성될 수 있다.

제2 프레넬 프리즘 구조의 배향은 제1 프레넬 프리즘 구조의 배향에 수직한 것이 바람직하다. 따라서, 최대 상이한 2개의 방향으로부터 입사하는 광을 고려할 수 있고, 이는 광 검출의 신뢰성에 중요하다. 그러나, 다른 배향도 또한 기본적으로 가능하다.

제1 프레넬 프리즘 구조에서처럼, 제2 프레넬 프리즘 구조의 개별 구조는 광선을 여러 각도로 편향시켜 수신 범위를 증가시키도록 구성되는 것이 바람직하다.

제2 프레넬 프리즘 구조가 제1 프레넬 프리즘 구조에 적어도 부분적으로 통합된다는 점에서 최소의 생산 비용을 갖는 특히 콤팩트한 센서 유닛이 달성된다. 이 경우에, 개별 구조는 프레넬 프리즘 구조들 양자에 대해 필요한 광의 편향을 동시에 수행하는 이중 기능을 갖는다.

레인 및 광 센서의 바람직한 실시예에 있어서, 본 발명에 따른 주변광용 광센서 장치에 추가하여, 창유리 상의 습한 경우를 검출하기 위한 광학적 레인 센서 장치가 마련되고, 광센서 장치 및 광학적 레인 센서 장치는 모든 프레넬 구조(프리즘 구조 및 가능하게는 렌즈 구조)가 형성되는 공통의 렌즈 플레이트를 공유한다.

본 발명의 다른 특징 및 이점은 이하의 설명 및 참조한 첨부 도면으로부터 명백해질 것이다.

차량의 주변광 센서용 센서 유닛이 도 1에 개략적으로 도시되어 있다. 센서 유닛은 차량의 윈드실드(10)에 장착된다. 센서 유닛의 광학적 활성 요소는 렌즈 플레이트(12)이다. 렌즈 플레이트(12)는 커플러(14)에 의해 윈드실드(10)에 기계적으로 그리고 광학적으로 연결된다.

윈드실드(1)의 반대측에 있는 제1 표면(12a)에서, 렌즈 플레이트(12)에는 프레넬 렌즈 구조(16)가 마련된다. 프레넬 렌즈 구조의 초점에는 광 리시버(26)가 배치된다.

윈드실드(10)를 향하는 제2 표면(12b)에서, 렌즈 플레이트(12)에는 프레넬 렌즈 구조(16)와 반대측에 배치되는 프레넬 프리즘 구조(22)가 마련된다. 제2 표면(12b)의 프레넬 프리즘 구조(22)는 보다 상세히 후술되는 복수 개의 프리즘형 개별 구조(24)로 구성된다.

경사진 윈드실드(10)에 거의 수평으로 부딪치는 광선은 창유리(10)에 진입할 때에 소정 각도로 하방을 향해 굴절된다. 광선은 현저한 굴절 없이 커플러(14)에 의해 창유리(10) 밖으로 커플링되고 렌즈 플레이트(12)의 평면에 대해 비스듬하게 프레넬 프리즘 구조(22)에 부딪친다. 프레넬 프리즘 구조(22)는 평행 광선 형태로 렌즈 플레이트(12)를 수직 방향으로 통과하도록 광선을 편향시킨다. 프레넬 렌즈 구조(16)는 광선이 렌즈 플레이트(12)를 빠져나갈 때에 광 리시버(26) 상에 광선을 집중시킨다.

프레넬 프리즘 구조(22)의 특정한 특징은 본 발명을 따르지 않는 도 2에 도시된 프레넬 프리즘 구조의 실시예와 비교하여 센서 유닛의 수신 범위가 넓게 된다는 것이다. 반면에, 도 2에 도시된 센서 유닛에서, 프레넬 프리즘 구조(22)의 개별 구조(24')는 모두 동일한 디자인을 갖고 있고, 이에 따라 윈드실드(10)에 수평 방향으로 부딪치는 단지 좁게 제한된 평행 광선이 광 리시버(26)에 집중된다. 이와 달리, 본 발명에 따른 프레넬 프리즘 구조(22)의 실시예의 개별 구조(24)는 도 3a, 3b 및 4a 내지 4c를 참조하여 후술하는 바와 같이 광선을 여러 각도로 편향시키도록 구성된다. 그 결과, 도 1로부터 명백한 바와 같이, 수신 범위가 평행 광선으로 제한되지 않고 입사 방향에 대해 약간 수렴하는 광선으로 넓게 된다.

프레넬 프리즘 구조(22)의 프리즘형 개별 구조(24)의 단면은 베이스로부터 정점까지 연속적으로 곧게 연장되는 제1 측면(24₁)과, 2개의 섹션(24₂, 24₃)으로 이루어지는 제2 측면을 갖는다는 것이 도 3a로부터 명백하다. 제2 측면의 섹션(24₂)(도 3a의 우측)은 제2 섹션(24₃)보다 덜 가파르고, 제2 섹션은 또한 측면(24₁)보다 더 가파르다. 렌즈 플레이트(12)와 커플러(14)를 제조하는 재료의 굴절률(n1, n2)은 서로에 대해 신중히 조정된다(서로 약간만 상이하다).

간소화를 위해, 이하에서는 실질적으로 수평 방향으로 배향되는 주변 광선 중 하나의 개별 광선을 각각 고려하는데, 이 광선은 윈드실드(10)에 진입하고 커플러(14)를 통과한 후에 렌즈 플레이트(12)에 부딪친다.

도 3a의 좌측 절반에 따라 α=90°의 진입각으로 섹션(24₂)에 부딪치는 광선 은 굴절없이 개별 구조(24)에 진입하고 개별 구조(24) 내에서 측면(24₁)에 의해 전반사된다. 측면(24₁)에서 광선의 전반사 조건은 입사각(β₁)이 굴절률의 비율의 아크사인값보다 크다는 것이다. 굴절률들의 비는 1과 약간 다르기 때문에, 입사각(β₁)은 상대적으로 커야 한다(평탄한 광 입사). 개별 구조(24)의 측면들에서의 각도는 [전반사 법칙에 따라 입사각(β₁)과 동일한] 반사각(β₂)이 광선이 렌즈 플레이트(12)를 수직 방향으로 통과할 정도로 정확하게 크도록 서로에 대해 적합하게 된다.

도 3a의 우측 절반에 따라 또한 α=90°의 진입각으로 인접한 개별 구조(24)의 섹션(24₂)에 입사하는 광선은 전술한 광선과 거의 동일한 진로를 갖는다. 이 광선은 또한 렌즈 플레이트(12)를 수직 방향으로 통과하도록 편향된다. 그러나, 이 개별 구조(24), 특히 그 측면(24₁, 24₂)의 구성은 그러한 편향을 위해 전술한 조건이 윈드실드(10)에 부딪치기 전에 도 3a의 좌측 절반에 도시된 광선과 완벽하게 평행하게 연장되지 않는 광선에 적용되도록 선택된다. 따라서, 개별 구조(24)는 커플러(14)를 빠져나가는 광선 섹션과 렌즈 플레이트(12)를 수직 방향으로 통과하는 광선 섹션 사이의 각도와 관련하여 서로 상이한데, 상기 각도는 도 3a에 따른 개별 구조(24)의 구성에서 입사각과 반사각의 합(β₁+β₂, γ₁+γ₂)과 각각 동일하다. 그러나, 이것은 모든 개별 구조(24)의 편향각이 상이해야 한다는 것을 의미하지는 않는다.

도 3b는 순수하게 굴절하는 프레넬 프리즘 구조를 갖는 구성을 도시하고 있다. 프레넬 프리즘 구조(22)의 프리즘형 개별 구조(24)의 단면은 입사 광선이 (추가의 반사 없이) 단순히 굴절에 의해 편향되는 제1 측면(24₁)을 갖는다. 제2 측면과 관련하여, 특히 굴절률에 큰 차이가 있는 경우에 유리한 중간 섹션(24₂)이 생략된다. 위에서 정의된 편향각은 여기서 (도 3b의 예시에 따르면) 각각 180°+β₂-β₁과 180°+γ₂-γ₁에 달하는데, β₁과 γ₁은 입사각이고 β₂와 γ₂는 굴절각이다.

개별 구조(24)의 다른 구성이 또한 일례로 도 4a 내지 4d에 도시한 바와 같이 기본적으로 가능하다. 도 4b 및 4c에 따른 실시예에서, 광의 굴절은 도 4a의 실시예와 달리 [측면 섹션(24₂)에서] 개별 구조(24)에 진입할 시에 발생하는데, 이는 유리할 수 있다. 도 4c 및 4d에 따른 실시예에서는 제2 측면의 섹션(24₂)가 존재하지 않는다. 도 4c에 따르면, 광선은 제2 측면에서 굴절되고 제1 측면(24₁)에서 반사되지만, 도 4d에서 광선은 단지 제1 측면(24₁)에서 굴절된다. [통상의 공차 범위 내에서 윈드실드(10) 또는 렌즈 플레이트(12)의 평면에 대해 동일한 경사각을 갖고, 렌즈 플레이트(12)와 커플러(14)의 굴절률의 차이를 고려하는] 실질적으로 대칭적인 직선 측면들의 구성이 또한 가능한 뿐만 아니라 프레넬 프리즘 구조(22) 내에서 상이한 개별 구조(24)의 조합도 가능하다. 어떠한 경우라도 미리 약간 수렴하는 광선은 일반적으로 프레넬 프리즘 구조(22)에 의해 평행 광선으로 전환되는 것이 중요하다.

윈드실드(10)에 수평 방향으로 부딪치는 광선이 렌즈 플레이트(12)를 수직 방향으로 통과하게 하는 평균 편향각에 관한 편차에 의해, 유리한 수신 특성이 달성된다. 도 1은 이 방식으로 광 리시버(26)에 의해 검출되고 프레넬 프리즘 구조(22)에 의해 편향되기 전에 완벽하게 평행하지 않은 주변 광선을 도시하고 있다. 프레넬 렌즈 구조(16)의 디자인에 따라, 렌즈 플레이트(12)를 통과하는 평행 광선의 수직하지 않은 진로를 설정하는 것이 또한 가능하다.

도 1의 예시에 따르면, 프레넬 프리즘 구조(22)는 광 리시버(26)에서 재생되는 광선의 기본 방향에 의해 결정되는 특정한 배향을 갖는 선형 구조이다. 그러나, 프레넬 프리즘 구조(22)는 제1 배향을 갖는 제1 선형 구조 뿐만 아니라 추가적으로 제1 배향과 상이한 제2 배향을 갖는 제2 선형 구조를 포함한다는 것이 도 5a 및 5b의 예시로부터 명백하다. 도시된 실시예에 있어서, 제2 프레넬 프리즘 구조는 제1 프레넬 프리즘 구조에 통합된다. 즉, 개별 구조(24)는 공간에서 상이한 방향으로부터 윈드실드(10)에 입사하는 광선을 편향시키도록 3차원 방식으로 구성되어, 광선은 렌즈 플레이트(12)를 수직 방향으로 통과하고 렌즈 플레이트(12)를 빠져나갈 때에 프레넬 렌즈 구조(16)에 의해 광 리시버(26)에 집중된다. 제2 프레넬 프리즘 구조의 배향은 제1 프레넬 프리즘 구조의 배향에 대해 수직이지만, 다른 배향이 기본적으로 또한 가능하다. 개별 구조(24)와 관련하여, 제2 프레넬 프리즘 구조는 또한 개별 구조들이 광선을 약간 상이한 각도로 편향시키도록 구성되는 것이 바람직하다.

센서 유닛의 완벽한 기능을 위하여, 커플러(14)의 재료가 형합 방식으로 공 기 기포 등을 포함하지 않으면서 프리즘 구조(22)의 표면과 접촉될 필요가 있다.

사실상, 조합된 레인/광 센서가 요구된다. 레인 센서는 전술한 주변광 센서의 센서 유닛과 같이 활성 광학 구조를 필요로 하는 다수의 센서 유닛을 포함한다. 주변광 센서의 특별한 구조로 인해, 주변광 센서와 레인 센서의 센서 유닛은 최소의 공간이 달성되도록 공통의 렌즈 플레이트(12)를 공유하는 것이 가능하다. 필요에 따라, 여러 방향으로부터 광을 수신하고/수신하거나 여러 수신 특성을 갖는 추가의 센서 유닛이 추가적으로 마련될 수 있다.

렌즈 플레이트(12)는 종래의 사출 성형법을 이용하여 제조될 수 있다. 변경예로서, 스탬핑법을 채용할 수도 있다.

바람직하지 않은 형태로 커플링된 광에 의해 유발되는 오기능을 피하기 위해 [예컨대, 미광은 우회로를 경유하여 광 리시버(26)에 입사될 수 있다], 렌즈 플레이트(12)의 광학적 비활성 표면들 중 적어도 일부에는 굴절 또는 반사 구조, 예컨대 재귀반사 요소(소위, "캣츠 아이")가 마련될 수 있다. 이는 광학적 활성 표면에 입사하지 않는 광이 "무해한" 방향으로 편향되게 한다. 별법으로서 또는 추가적으로, 광이 투과하지 않는 프린팅이 있는 광학적 비활성 구역이 한쪽 면 또는 양쪽 면에 마련될 수 있다.

도 1은 본 발명에 따른 광센서 장치의 센서 유닛의 단면도.

도 2는 본 발명을 따르지 않는 광센서 장치의 센서 유닛의 단면도.

도 3a는 편향이 주로 반사에 의해 발생하는 프레넬 프리즘 구조의 확대 단면도.

도 3b는 편향이 주로 굴절에 의해 발생하는 프레넬 프리즘 구조의 확대 단면도.

도 4a 내지 4d는 상이한 개별적인 구조들의 대응하는 단면도.

도 5a 및 5b는 특정한 실시예의 프레넬 프리즘 구조의 사시도.

Claims

창유리(10), 특히 차량의 윈드실드에 연결되도록 되어 있는, 주변광을 검출하는 광센서 장치로서, 하나 이상의 광 리시버(26)와 렌즈 플레이트(12)를 포함하는 센서 유닛을 구비하고, 센서 유닛에 의해 창유리(10)로 진입한 주변광은 창유리(10) 밖에서 커플링되어 광 리시버(26)로 지향되는 광센서 장치에 있어서,

창유리(10)를 향하는 표면(12b)에서 렌즈 플레이트(12)는 복수 개의 개별 구조(24)를 갖는 제1 프레넬 프리즘 구조(22)를 포함하고, 상기 제1 프레넬 프리즘 구조(22)의 개별 구조(24)는 광선을 여러 각도로 편향시키도록 구성되는 것을 특징으로 하는 광센서 장치.
제1항에 있어서, 상기 제1 프레넬 프리즘 구조(22)는 제1 배향을 갖는 선형 구조를 포함하고, 상기 표면(12b)에서 렌즈 플레이트(12)는 복수 개의 개별 구조(24)를 갖는 선형의 제2 프레넬 프리즘 구조를 포함하고, 상기 제2 프레넬 프리즘 구조는 제1 배향과 상이한 제2 배향을 갖는 것을 특징으로 하는 광센서 장치.
제2항에 있어서, 상기 제2 프레넬 프리즘 구조의 배향은 제1 프레넬 프리즘 구조(22)의 배향에 수직한 것을 특징으로 하는 광센서 장치.
제2항에 있어서, 상기 제2 프레넬 프리즘 구조의 개별 구조(24)는 광선을 여 러 각도로 편향시키도록 구성되는 것을 특징으로 하는 광센서 장치.
제2항에 있어서, 상기 제2 프레넬 프리즘 구조는 적어도 부분적으로 제1 프레넬 프리즘 구조(22)에 통합되는 것을 특징으로 하는 광센서 장치.
제1항에 있어서, 상기 렌즈 플레이트(12)는 프레넬 프리즘 구조(22)와 형합 방식으로 접촉하는 커플러(14)에 의해 창유리(10)에 연결되는 것을 특징으로 하는 광센서 장치.
제1항에 있어서, 상기 개별 구조(24)는 광선이 반사되는 내표면을 갖는 것을 특징으로 하는 광센서 장치.
제1항에 있어서, 상기 개별 구조(24)는 단면이 거의 톱니형이고, 광선의 일부가 진입하는 제2 측면(24₂, 24₃)과, 반사가 발생하는 제1 측면(24₁)을 갖는 것을 특징으로 하는 광센서 장치.
제8항에 있어서, 여러 각도로의 광의 굴절은 개별 구조(24)의 제2 측면(24₂, 24₃)에서 발생하는 것을 특징으로 하는 광센서 장치.
제1항에 있어서, 상기 개별 구조(24)는 단면이 거의 톱니형이고, 여러 각도로의 광의 굴절이 발생하는 제1 측면(24₁)을 갖는 것을 특징으로 하는 광센서 장치.
제1항에 있어서, 광 리시버(26)를 향하는 표면(12a)에서 렌즈 플레이트(12)는 프레넬 렌즈 구조(16)를 갖는 것을 특징으로 하는 광센서 장치.
제11항에 있어서, 상기 프레넬 렌즈 구조(16)는 창유리(10) 밖에서 커플링되어 수렴하는 광선으로 렌즈 플레이트(12)를 통과하는 평행 광선을 재형성하는 것을 특징으로 하는 광센서 장치.
제12항에 있어서, 상기 평행 광선은 렌즈 플레이트(12)를 수직 방향으로 통과하는 것을 특징으로 하는 광센서 장치.
제1항에 있어서, 공통의 렌즈 플레이트(12)를 포함하는 다수의 센서 유닛을 구비하는 것을 특징으로 하는 광센서 장치.
제1항 내지 제14항 중 어느 한 항에 따른 광센서 장치가 광학적 레인 센서 장치와 조합되고, 광센서 장치는 공통의 렌즈 플레이트(12)를 갖는 것을 특징으로 하는 레인 및 광 센서.