MX2008009889A

MX2008009889A - Dispositivo de sensor optico.

Info

Publication number: MX2008009889A
Application number: MX2008009889A
Authority: MX
Inventors: Ulrich Backes
Original assignee: Trw Automotive Electron & Comp
Priority date: 2007-08-01
Filing date: 2008-07-31
Publication date: 2009-02-27
Also published as: JP2009042220A; EP2020348A3; JP5156072B2; EP2020348A2; BRPI0803750A2; DE102007036492B4; US20090032689A1; CN101359059A; JP2011080995A; CN101359059B; EP2020348B1; US7804055B2; DE102007036492A1

Abstract

Un dispositivo de sensor óptico tiene una unidad de sensor, que incluye un transmisor de luz, un receptor de luz y una palca de luz, con la que un haz de luz emitido por el transmisor de luz se acopla con el cristal de la ventana, se desacopla del cristal de la venta y se dirige hacia el receptor de luz. En su superficie que enfrenta al transmisor de luz y al receptor de luz, la placa de lente incluye estructuras de lente Fresnel, y en la superficie opuesta que enfrenta al cristal de ventana incluye estructuras reflectoras de Fresnel. Esta modalidad es particularmente útil como sensor de lluvia. Sin un transmisor de luz, el dispositivo de sensor puede ser usado como sensor de luz.

Description

DISPOSITIVO DE SENSOR ÓPTICO Campo de la Invención Esta invención se refiere a un dispositivo de sensor óptico que puede acoplarse a un cristal de ventana, en particular un parabrisas de un vehículo motorizado. Tales dispositivos de sensor se usan principalmente como sensores de lluvia en vehículos motorizados para accionar automáticamente los limpiadores y como sensores de luz para controlar la iluminación del vehículo. El uso de lentes clásicas para influenciar la vía óptica, tales como las lentes inclinadas hacia el parabrisas del sensor de lluvia descrito en EP 1 068 112 B1, requiere un espacio de empacado relativamente grande. Antecedentes de la Invención Como se conoce de por ejemplo WO 03/026937 A1, son posibles construcciones menores usando estructuras holográficas. Estos sensores se basan en el principio de la difracción de luz por medio de elementos de difracción y por lo tanto tienen la desventaja principal de una capacidad mucho menor de luz utilizable y una sensibilidad mayor a luz externa. En lo que respecta a un dispositivo de sensor óptico, DE 196 08 648 C1 propone formar la entrada de luz y superficies de emergencia de la unidad de guía de luz como lentes de Fresnel. Pero ya que las superficies de la guía de luz, en donde se forman las lentes, se disponen de manera perpendicular a la superficie del cristal de la ventana, el espacio de empaque requerido de este dispositivo es m uy gra nde. Breve Descri pción de la I nvención La invención provee un dispositivo de sensor óptico que minimiza el espacio de empaque bajo condiciones ópticas óptimas . En un primer tipo de dispositivo de sensor óptico, se provee una un idad de sensor que incluye un tra nsmisor de luz, un receptor de luz y una lente y una placa de lente con la q ue u n haz de luz emitido por el transmisor de luz se acopla al cristal de la ventana , se desacopla del cristal de la ventana y se d irige al receptor de luz. En su superficie q ue enfrenta el tra nsmisor de luz y el receptor de luz, la placa de lentes incluye estructu ras de lentes de Fresnel , y en la superficie opuesta q ue enfrenta el crista l de la ventana incluye estructu ras reflectoras de Fresnel. Este tipo es pa rticula rmente útil como sensor de lluvia . En este caso, la u nidad de sensor tiene dos estructu ras de lente Fresnel separadas con estructu ras reflectoras de Fresnel opuestas adyacentes una a otra en la placa del lente. En el foco de la estructura de lente Fresnel, se dispone el transmisor de luz, y en el foco de la otra estructura de lente Fresnel , se dispone el receptor de luz. El haz de luz que emerge del transmisor de luz se alinea en paralelo por la estructu ra de lente de Fresnel , atraviesa d manera perpendicular la placa del lente , se di rige de ma nera oblicua contra el cristal de la ventana y es entonces acoplada a la placa del lente por la estructura reflectora de Fresnel perteneciente a la otra estructu ra de lente Fresnel y se dirige perpendicularmente a través de la placa de lente sobre la otra estructura de lente Fresnel y se concentra así en el receptor de luz. Ya que todos los elementos ópticamente activos se concentran en la placa de lente, se obtiene un tamaño de empaque mínimo. Al mismo tiempo, se logra una superficie grande útil de sensor en el cristal de la ventana. En un segundo tipo de dispositivo de sensor óptico, se provee una unidad de sensor, que incluye un receptor de luz y una placa de lente por medio de la cual un haz de luz que se impacta en el cristal en el ventana se acopla fuera del cristal de la ventana y se dirige al receptor de luz. En su superficie que enfrenta al receptor de luz, la placa de lente tiene estructuras de lente Fresnel, y en lado opuesto que enfrenta al cristal de ventana tiene estructuras reflectoras Fresnel. Este tipo es particularmente útil como sensor de luz. En este caso, un haz de luz que se impacta en el cristal de la ventana en paralelo atraviesa al mismo de manera oblicua y es entonces acoplado en la placa del lente hacia la estructura de lente de Fresnel y se concentra de esta forma en el receptor de luz. Aquí también, todos los elementos ópticos activos se concentran en la placa de lente, de modo que se obtiene un espacio de empaque mínimo. Al mismo tiempo, se logra una excelente capacidad de direccionamiento para que se detecte la luz. En una modalidad ventajosa de un sensor de lluvia/luz, ambos tipos del dispositivo de sensor óptico se combinan y comparten una placa de lente común en donde se forman todas las estructuras de lente Fresnel y de reflectores Fresnel. Otras modalidades ventajosas y convenientes del sensor óptico de acuerdo con la invención se pueden tomar de las reivindicaciones dependientes. Breve Descripción de las Figuras La invención se explicará subsecuentemente en detalle por medio de las modalidades preferidas con referencia a los dibujos anexos, en donde: La figura 1 muestra una vista seccional esquemática de una unidad de sensor de un sensor de lluvia; La figura 2 muestra una vista de corte transversal agrandada de una estructura reflectora Fresnel; Las figuras 3a a 3c muestran vistas de corte transversal de varias modalidades; y La figura 4 muestra una vista esquemática de corte transversal de un sensor de luz. Descripción detallada de la Invención Un sensor de lluvia típicamente consiste de dos unidades de sensor óptico idénticas. Tal unidad de sensor se muestra esquemáticamente en la figura 1. La unidad de sensor se monta en el parabrisas 10 de un vehículo motorizado. EL elemento óptico activo de la unidad de sensor es una placa de lente 12. La placa de lente 12 se acopla típicamente al parabrisas 10 por medio de una capa de acoplamiento 14. En su superficie que no apunta al parabrisas 10, la placa de lente 12 se provee con dos estructuras reflectoras Fresnel con simetría de espejo 18a, 18b opuestas a las estructuras de lente Fresnel 16a, 16b. En el foco de la estructura de lente Fresnel 16a, se dispone un transmisor 20 de luz. En el foco de la estructura de lente 16b, se dispone un receptor de luz 22. El haz de luz que emerge del transmisor de luz 20 se transforma por la estructura de lente Fresnel 16a en luz paralela que atraviesa de manera perpendicular la placa de lente 12. Por la estructura reflectora Fresnel 18a, el haz de luz paralelo es reflejado de manera oblicua al plano de la placa de lente 12 y entra a la capa de acoplamiento 14. Al atravesar la capa de acoplamiento 14, el haz de luz entra al parabrisaslO y se refleja totalmente en su superficie interior opuesta 10a. Entonces, de nuevo atraviesa el parabrisas 10, entra a la capa de acoplamiento 14 y es desviada por la estructura reflectora Fresnel 18b, de modo que atraviesa perpendicularmente la placa de lente 12. Finalmente, la estructura de lente Fresnel 16b transforma el haz paralelo de luz en un haz de luz convergente, que se impacta en el receptor de luz 22. Las estructuras reflectoras Fresnel tienen algunas particularidades que se explicarán ahora con referencia a la figura 2. De manera similar a las estructuras de lente de Fresnel, las estructuras reflectoras de Fresnel también consisten de configuraciones de superficie finas, que descienden y ascienden de manera alternativa. Como se muestra en la figura 2, estas configuraciones generalmente tienen forma de sierra en sección transversal. Un primer flanco 181 se extiende continuamente de forma recta desde la base al pico; un segundo flanco consiste de dos porciones 182 y 183. La porción 182 del segundo flanco (a la derecha de la figura 2) es menos empinada que la segunda porción 183l que es también más empinada que el flanco 18^ Los índices refractivos n1 y n2 de los materiales de los que están hechos la placa de lente 12 y la capa de acoplamiento 14 se ajustan entre sí cuidadosamente, así como los ángulos en los flancos de las estructuras de reflector de forma de sierra. Un haz de luz L que atraviesa perpendicularmente la placa de lente 12 impacta en el flanco 181 bajo un ángulo agudo a, se refleja totalmente e impacta en el flanco 182 bajo un ángulo ß. En la modalidad mostrada en la figura 2, el ángulo beta es de 90°, de modo que el ángulo de emergencia gamma es 90°. Así, no existe refracción de luz en el flanco 182. Los índices refractivos n1 y n2 tienen solo poca diferencia. Una reflexión total del haz de luz en el flanco 181 ocurre en la condición de que el ángulo de incidencia sea mayor que el arco seno de la proporción de los índices de refracción. Al ser la proporción de los índices refractivos diferente solo por poco de 1, el ángulo de incidencia alfa debe ser relativamente plano. Para el par de materiales policarbonato para la placa de lente 12 y caucho de silicona para la capa de acoplamiento 14, por ejemplo, se obtiene un ángulo máximo de incidencia de alrededor de 26°. Este ángulo es determinado por el hecho de que el haz de luz que emerge en la dirección del parabrisas tiene el ángulo necesario para la reflexión total en el cristal de la ventana. El ángulo de incidencia deseado para reflexión total en el cristal de la ventana es típicamente de alrededor de 45°. Este ángulo es compatible con los requerimientos que conciernen la geometría de las estructuras reflectoras.

La figura 3a muestra de nuevo esquemáticamente la guía de luz alcanzable con la geometría de las estructuras reflectoras de Fresnel como se muestra en la figura 2. En la interfaz entre la placa de lente 12 y la capa de acoplamiento 14, no existe refracción de luz. La consecuencia es una iluminación no óptima de la superficie de sensor formada por la superficie reflectora del parabrisas 10. Las condiciones como se muestran en la figura 3b son aún más desfavorables. En esta figura, la porción 182 en el flanco derecho de la estructura de sierra es aún más plana. Ya que los haces de luz se impactan en el flanco 182 en un ángulo diferente a 90°, ocurre una refracción de luz en una dirección matemáticamente negativa (a la derecha de la figura 3). Los haces emergentes de luz son aún más angostos que en la figura 3a. Se obtienen condiciones óptimas con la geometría como se muestra en la figura 3c. Aquí, el flanco de la estructura de sierra mostrada en la derecha en esta figura es continuo y dispuesto de manera más empinada que el flanco a mano izquierda. En el flanco a mano derecha, se efectúa una refracción de luz en un sentido matemáticamente positivo (a la izquierda en la figura 3c). El ángulo de impacto para el haz de luz en el flanco a mano izquierda es todavía compatible con la condición para reflexión total. El haz de luz refractado en el flanco a mano derecha solo toca el pico de una estructura de sierra adyacente. Esto resulta en una iluminación ininterrumpida de la superficie de sensor en el parabrisas. Para el funcionamiento adecuado de esta modalidad de las estructuras reflectoras Fresnel, es necesario que el material de la capa de acoplamiento 14 descanse positivamente contra la superficie de las estructuras reflectoras sin ninguna inclusión de burbujas de aire o similares. La modalidad de un dispositivo de sensor óptico como se muestra en la figura 4 es un sensor de luz sensible a la dirección. La unidad de sensor ilustrada de nuevo tiene una placa de lente 12 como elemento óptico, que en este caso solo incluye una estructura de lente de Fresnel 16 y en oposición a esto una estructura reflectora de Fresnel 18. El receptor de luz 22 se coloca en el foco de la estructura de lente de Fresnel 16. Por medio de la capa de acoplamiento 14, la placa de lente se acopla al parabrisas 10, cuyo ángulo de inclinación es de alrededor de 27° en la modalidad ilustrada. Para la geometría de la estructura reflectora de Fresnel 18, aplican los mismos criterios que en la modalidad de un sensor de lluvia como se muestra en la figura 1. EL sensor de luz es sensible al impacto de luz horizontal en el parabrisas 10, que se refracta de manera oblicua hacia abajo al impactarse en el cristal de la ventana y a través de la capa de acoplamiento 14 se impacta en la estructura reflectora de Fresnel 18, que desvía los haces de luz y dirige perpendicularmente los mismos a través de la placa de lente 12 sobre la estructura de lente Fresnel 16, que concentra la luz en el receptor de luz 22. En práctica, se requieren sensores de luz/lluvia combinados. El sensor de lluvia incluye dos unidades de sensor del tipo mostrado en la figura 1. La evaluación de señal se efectúa formando una diferencia de las señales suministradas por los receptores de luz. Las dos unidades de sensor se disponen de manera adyacente y comparten una placa de lente común. La misma placa de lenta también incluye las estructuras ópticamente activas del sensor de luz mostrado en la figura 4. Si es necesario, se proveen sensores adicionales, que pueden recibir luz de diferentes direcciones. La luz ambiental no dirigida puede adicionalmente ser detectada a través de una región ópticamente no activa o poco activa de la placa de lente 12. La manufactura de la placa de lente 12 puede efectuarse por una técnica convencional de moldeado por inyección. Alternativamente, se puede usar una técnica de repujado. Para evitar cualquier malfuncionamiento por acoplamiento y/o desacoplamiento no deseado de luz, las superficies no activas ópticamente de la placa de lente se proveen con estructuras reflectoras o refractivas, por ejemplo elementos retro-reflectores (llamados ojos de gato). La luz que no se impacta en las superficies ópticamente activas es así desviada en direcciones inofensivas.

Claims

REIVINDICACIONES 1. Un dispositivo de sensor óptico adaptado para ser acoplado al cristal de una ventana, en particular a un parabrisas de un vehículo motorizado, que comprende una unidad de sensor que incluye un transmisor de luz, un receptor de luz y una placa de lente para acoplar un haz de luz emitido por el transmisor de luz en el cristal de la ventana, desacoplar el haz del cristal de ventana y dirigir el haz hacia el receptor de luz, en donde la placa de lente tiene una superficie que enfrenta al transmisor de luz y al receptor de luz y provista con estructuras de lente de Fresnel, y una superficie opuesta que se enfrenta al cristal de ventana y provisto con estructuras reflectoras de Fresnel.
2. Un dispositivo de sensor óptico adaptado para ser acoplado a un cristal de ventana, en particular a un parabrisas de un vehículo motorizado, que comprende una unidad de sensor que incluye un receptor de luz y una placa de lente para acoplar un haz de luz que se impacta en el cristal de ventana fuera del cristal de ventana y dirigir el haz sobre el receptor de luz, en donde la placa de lente tiene una superficie que enfrenta al receptor de luz y está provista con estructuras de lentes Fresnel, y una superficie opuesta que enfrenta el cristal de ventana y está provista con estructuras reflectoras de Fresnel, y una superficie opuesta que enfrenta el cristal de ventana y está provista con estructuras reflectoras de Fresnel.
3. El dispositivo de sensor óptico de acuerdo con la reivind icación 1 o 2 , en donde la superficie de la placa de lente provista con las estructu ras reflectoras se acopla al cristal de venta na por una capa de acoplamiento q ue desca nsa de manera positiva contra las estructu ras reflectoras.
4. El dispositivo de sensor óptico de acuerdo con las reivindicaciones 1 a 3, en donde las estructu ras reflectoras Fresnei se reflejan en u na superficie interior.
5. El d ispositivo de snesor óptico de acuerdo con las reivindicaciones 1 a 4, en donde la placa de lente tra nsforma u n haz convergente de luz en el lado de las estructu ras de lentes Fresnei en un haz de luz paralelo en el lado de las estructu ras reflectoras de Fresnei , y viceversa .
6. El dispositivo de sensor óptico de acuerdo con la reivindicación 5, en donde el haz paralelo de luz atraviesa la placa de lente de manera perpend icular a dichas su perficies.
7. El d ispositivo de sensor óptico de acuerdo con la reivindicación 6 , en donde el haz paralelo de luz se inclina de manera oblicua con respecto a d ichas superficies en la placa de lente.
8. El dispositivo de sensor óptico de acuerdo con la reivindicación 6, en donde fuera de la placa de lente el haz pa ralelo de luz es inclinado en u n áng ulo de alrededor de 45° con respecto a dichas su perficies.
9. El dispositivo de sensor óptico de acuerdo con las reivindicaciones 1 a 8 , en donde las estructu ras reflectoras Fresnei generalmente tienen una forma de sierra dentada en su sección transversal, con un primer flanco en el que se impacta la reflexión y un segundo flanco en el que un haz paralelo de luz entra o emerge.
10. El dispositivo de sensor óptico de acuerdo con la reivindicación 9, en donde el segundo flanco de estructuras reflectoras Fresnel es atravesado perpendicularmente.
11. El dispositivo de sensor óptico de acuerdo con la reivindicación 9, en donde en el segundo flanco de las estructuras reflectoras Fresnel se efectúa un refracción de luz.
12. El dispositivo de sensor óptico de acuerdo con la reivindicación 10 u 11, en donde el segundo flanco de estructuras reflectoras Fresnel consiste de dos porciones de diferente pendiente, la menos empinada de las cuales forma una superficie de entrada o de salida.
13. El dispositivo de sensor óptico de acuerdo con la reivindicación 11, en donde el segundo flanco de las estructuras reflectoras Fresnel forma una entrada o una superficie de emergencia que es más empinada que el primer flanco.
14. El dispositivo de sensor óptico de acuerdo con la reivindicación 1 o cualquiera de las reivindicaciones 3 a 13, que además comprende por lo menos una unidad de sensor que tiene dos estructuras de lente Fresnel separadas con estructuras reflectoras Fresnel opuestas formadas en la placa de lente de manera adyacente, el transmisor de luz está dispuesto en el foco de una primera de dichas estructuras de lente Fresnel y con el receptor de luz dispuesto en el foco de una segunda de dichas estructuras de lente Fresnel, en donde el haz de luz que emerge del transmisor de luz se alinea en paralelo por la primera estructura de lente de Fresnel, atraviesa de manera perpendicular la placa de lente, se dirige de manera oblicua contra el cristal de ventana por la estructura reflectora de Fresnel correspondiente y se refleja totalmente por el cristal de ventana y luego se acopla en la placa de lente por la estructura reflectora Fresnel perteneciente a la segunda estructura de lente Fresnel y es dirigido de manera perpendicular a través de la placa de lente hacia una segunda estructura de lente Fresnel y se concentra por la misma en el receptor de luz.
15. El dispositivo de sensor óptico de acuerdo con la reivindicación 14, que además comprende un número par de unidades de sensor, que tienen una placa de lente común.
16. El dispositivo de sensor óptico de acuerdo con la reivindicación 2 y cualquiera de las reivindicaciones 3 a 13, en donde un haz de luz que se impacta en el cristal de la ventana en un ángulo de detección reducido atraviesa oblicuamente a la misma y luego se acopla a la placa de lente por la estructura reflectora de Fresnel y se dirige de manera perpendicular a través de la placa de lente hacia la estructura de lente Fresnel y de esta forma se concentra en el receptor de luz.
17. Un sensor de lluvia/luz que comprende un dispositivo de sensor óptico de acuerdo con la reivindicación 14 o 15 en combinación con un dispositivo de sensor óptico de acuerdo con la reivindicación 16 y una placa de lente común.