201034877 六、發明說明： 【發明所屬之技術領域】 本發明係關於一種雨刷感測光學系統，其係指用於擋風破 璃上雨刷用之光學感應式偵測器，以當有雨滴、雪花掉落於擒 風玻璃上，偵測器之光學感應系統偵測後即自動開啟雨刷裝 置，以啟動雨刷將擋風玻璃上之雨滴等異物予以掃除，以保持 擔風玻璃之適當成見度，而;[保行車安全。 〇 【先前技術】 時下有許多雨刷感測器，這些雨刷感測器乃是以光線遇水 時產生的透射與部份折射原理，以此光線折射原理偵測雨滴的 大小，以控制雨刷的運轉速度，這種光線的原理必須做相當多 重之處理，以降低感應器對於背景光源(如陽光、燈光）等的干 擾，防止偵測器感應錯誤或偵測不確實，因此會使感測器之成 本提高、而感測之效果也打折扣，使用上猶存在有許多缺失， 〇 有待改善》 如US4798956的專利’其係利用光源射出的光線，會從擋 風玻璃面射出，因為光源與擋風玻璃間有空氣；擋風玻璃上、 下兩面幾乎是平行，光線能射進去就會從擂風玻璃面射出，產 生的缺點為：gj光騎伽來有限，所减測級接收也有 限，無法靈敏的判讀偵測光線。 又’ US5560245的專利，其組裝上用電路板因配合光做成 兩片成傾斜狀組裝，组裝過於複雜誤差大，且因感測器裝於系 3 201034877 統中央使正個組裝體積過大，而會有一半凸入駕驶視線内， 影響駕驶行車安全。 再者US侧141轉利，這個專利的光發射與光接收的 光轴在同-點’喊―勒’無法形成全反射，卿會浪費掉 部份的光線，且__“積小，囉有無法完整接收光的 缺點。 另外’ US7230260B1的專利，這個專利利用兩種光路，以 取決於是否安裝鄉片，如沒树膠片時，只有—光路能作 用’有石夕膠片時則兩種光路可同時作用’缺點為發光源很難將 發射光控制在光路的特定歧上，光會㈣造成浪#使光接收 不佳’影嶋確度；另其光接收端的統是斜向射入，會 降低接收效率。 因鑑於習知雨刷感測器對光的折射接收偵測靈敏度不 佳，進而研發之光學系統，以對行進間之車輛安全產生相對影 響，本發明者遂積其多年從事光學產品設計、製造、販售等豐 碩經驗’投注心力予以研究、改良、創設，並經多次重複實驗、 檢測、試用後，終於成功地研發出本發明，利用光學全反射原 理’並提高感測器對於感測物之感度、降低雜訊干擾，以確實 控制雨刷啟動。 【發明内容】 本發明之主要目的，係提供一種雨刷感測光學系統，將光 源與光接收器設於同一面’藉由光線反射兩次，再射入擔風玻 201034877 璃，可使雨滴感測區域的大小因此加倍，且光源之光路經過準 直透鏡形成平行光’再經兩反射鏡將平行光折射回到光接收 器，使光接收器可更靈敏計算接收光的效率。 本發明之另一目的’係利用光線射入擋風玻璃的入射角為 45±2.5度，在無雨時可形成全反射，有雨時則光線穿透形成 無反射，且在大雨時可避開雨滴與空氣介面間的反射，減少雜 訊干擾，增加光接收的偵測靈敏度。 0 【實施方式】 餘下’兹再配合本發明各較佳實施例之圖式進一步說明如 后’以期能使熟悉本發明相關技術之人士 ’得依本說明書之陳 述據以實施： 首先，敬請參閱如第一圖所示，本發明之雨刷感測光學系 統，其包括：光源10、光接收器20、準直透鏡11、集光透鏡 21、稜鏡元件30、兩反射鏡31、32、透明膠帶40 ;其中， Ο 該光源10係為光發射物件’可為LE1D、紅外線、雷射光、 燈泡等，該準直透鏡11與集光透鏡21均為凸面透鏡，與兩個 反射鏡31、32整合為一個稜鏡元件3〇 ;該光源1〇、光接收器 20、準直透鏡11、集光透鏡21設於棱鏡元件3〇之同一侧斜 面； 其中，敬請參閱第二圖所示，為本發明之光路圖，該光源 10經準直透鏡11光路之投射至擋風玻璃50後成45±2. 5度， 經兩次反射形成平行光路12，再由集光透鏡21接收到光接收 5 201034877 器20，使雨滴感測區6〇的面積加倍，並增加光感測接收的靈 敏準確度，而稜鏡元件30藉由透明膠帶4〇貼附於擋風玻璃 50上，亦藉由透明膠帶4〇為光路介質能將光源1〇射入擋風 玻璃50上之折射線完全投射、折射。 本發明之雨刷感測光學系統的原理係利用擋風玻璃5〇上 的外表面全反射角度的變化，其平行光路12全反射角度為： 0 = sin-l(i) = sin-l(丄） 〜 % 此處的!1心與仏分別為空氣與檔風玻璃的折射率。 如第二圖所示’擋風玻璃50的折射率為15〇984(波長為 850nm)，則平行光路12全反射角0為： 如第四圖所示，當有小雨滴落在擋風玻璃5〇上時，擋風 玻璃50的折射率為1. 50984，雨滴的折射率1. 32740 (raindrop n*atter = 1.32740)，則平行光路12全反射角0為： (1.3274 (1.50984 Θ = sin'1 )» 61.54。 如第五圖所示’當擋風玻璃5〇覆蓋滿雨水，則雨水薄膜 與空氣的介面也會反射光線。__的折射率為L 3274〇， 其全反射之入射角度大約是48. 9度以上。 θ = sin (Γ^ί) 48.88° 再者，當擋風玻璃上無雨滴的狀態下入射光束的最適當 範圍光束的偏振特性會影響其反射。我們考慮兩賴態：第一 種模態是橫向電場(ΤΕ)偏振’其入射光的電場向量平行於邊界 201034877 平面。第二種模態是横向磁場(TM)偏振，其入射光的磁場向量 朴於邊界平面；其反射率與光束的人射肖的_曲線如第六 圖所示。 再來’反射率與入射角的曲線會隨著玻璃表面的乾濕而有 所不同。當雨下的很大時，在擋風玻璃的表面會形成一個雨水 細，此_也會反射細光而造麟差，其人射光的橫向磁 場(TM)向量平行於邊界平面；其反射率與光束的入射角的關係 〇 曲線共有六種模態如第七圖所示。 考慮製造的公差（大約正負2· 5度），因而把光束的入射角 設定在42. 5〜47· 5度的範圍。當玻璃處於乾燥的狀況下，光線 的反射量非常強，幾乎可以達到1〇〇%。當玻璃蓋滿雨水時， 反射率則會低於20%。 在本發明中，我們將使用非偏振光，其感測雨滴後產生的 訊號傳輸平均的訊號雜訊強度大約是噪音強度的2〇倍（由光 ❹ 學系統量測到），在最差的狀況下仍可高於5倍，因此感測訊 號傳輸數據是較為精確。 本發明之光源10經準直透鏡11使光束形成平行光路 12，可適用在不同厚度、不同材質的擋風玻璃上，且對製造公 差的敏感度降低。 當入射光：角度 假設<9=45°，則0= 45.97。；將設定0=45。，且0=44.〇6。。 若加上允許製造公差；0=45±2.5度，則0分布 7 201034877 在41.64〜46.48度之間，可以確保在無雨時6»角一定大於 41.48度；產生全反射，光接收器完全接收反射光，而不會啟 動雨刷作動。 由以上實驗，本發明包括： • 準直透鏡11是一凸面，其作用係將光源1〇發出的光線整理 成平行光路12，射入擋風玻璃50 ; •平行光路12之光線通過擋風玻璃50到達其外侧表面（即雨 滴感測區60)時；當沒有雨滴時，光線由於全反射效應反射 回擋風玻璃50内。當有雨滴時，全反射效應被破壞，光線會 穿出擋風玻璃50 ; • 反射$來的平行光路12之光線經過兩次反射，再射入擋風玻 璃50，藉此可擴大雨滴感測區60偵測範圍； • 稜鏡元件30的這兩個反射面上貼有反射片； •集光透鏡21是一凸面，將第二次從擋風玻璃50外侧表面反 射回的光線聚在光接受器20上，完成雨刷感測光學系統。 光線射入擋風玻璃的入射角為45±2· 5度，入射角定義為 光線與擋風玻璃入射面法線的角度；與目前存在之專利比 較，有下列優點： • 光線射入擋風玻璃50的入射角45±2· 5度，在無雨時可形成 全反射，有雨時則光現穿透（無反射），且在大雨時可避開雨 滴與空氣介面間的反射，減少雜訊干擾； • 發生全反射時’射入與反射出擋風玻璃50的光線間夾角為直 201034877 角’與目前常用的銳角或鈍角比較，有利於稜鏡元件的製 造與檢測； • 雨滴感測區60位於雨刷感測光學系統之一侧，可將此側伸入 雨刷作用區，其他區域則可位於雨刷作用區外，減少曝露在 駕駛視線内的面積，遮擋視角較小，有助提高行車安全； • 準直透鏡Π、集光透鏡21與兩個反射鏡31、32整合成一個 稜鏡元件30 ’可提高組裝精確度’且容易組裝，成本也較低； 〇 ·光線兩次從擋風玻璃50外側表面反射回稜鏡元件30,雨滴感 測區60大小因此加倍； • 棱鏡元件30上的兩個反射鏡31、32雖然可全反射，但仍可 貼上光片，當稜鏡元件30結霧或髒污時，會結在反光片外側， 不會因此影響雨滴感測的精確度。 據此，本發明雨刷感測光學系統具有增加感測雨滴之精 確度，可使Η車雨刷能得到精確摘測而依雨滴大小控制作動 〇 速度，並於無雨時自動關閉不動，實符合發明專利之要件。 綜上所陳，僅為本發明之一較佳實施例而已，並非用來 限定本發明實施之範圍。即凡依本發明申請專利範圍所做之 均等變化與修飾，皆為本發明專利範圍所涵蓋。 【圖式簡單說明】 第一圖本發明雨刷感測光學系統之結構配置圖。 9 201034877 第二圖本發明雨刷感測光學系統之光路圖。 第三圖本發明雨刷感測光學系統之實施例一。 第四圖本發明雨刷感測光學系統之實施例二。 第五圖本發明雨刷感測光學系統之實施例三。 第六圖本發明雨刷感測光學系統之反射率與光束的入射角的 關係曲線實施一。 第七圖本發明雨刷感測光學系統之反射率與光束的入射角的 關係曲線實施二。 【主要元件符號說明】 光源- ---------10 準直透鏡- 平行光路 Ί2 光接收器 集光透鏡 ---------21 稜鏡元件- 兩反射鏡----- 31、32 透明膠帶-- 擋風玻璃----- ---------50 雨滴感測區-