WO2019206596A1 - Verfahren zur detektion von beschädigungen und/oder verunreinigungen auf einem transparenten abdeckmaterial eines optoelektronischen sensors, system, optoelektronischer sensor und fortbewegungsmittel - Google Patents

Verfahren zur detektion von beschädigungen und/oder verunreinigungen auf einem transparenten abdeckmaterial eines optoelektronischen sensors, system, optoelektronischer sensor und fortbewegungsmittel Download PDF

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WO2019206596A1
WO2019206596A1 PCT/EP2019/058513 EP2019058513W WO2019206596A1 WO 2019206596 A1 WO2019206596 A1 WO 2019206596A1 EP 2019058513 W EP2019058513 W EP 2019058513W WO 2019206596 A1 WO2019206596 A1 WO 2019206596A1
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WO
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coupling
cover material
light beam
light
transparent cover
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Application number
PCT/EP2019/058513
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Inventor
Annemarie Holleczek
Tobias PETERSEIM
Andre ALBUQUERQUE
Original Assignee
Robert Bosch Gmbh
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    • G01N21/00—Investigating or analysing materials by the use of optical means, i.e. using sub-millimetre waves, infrared, visible or ultraviolet light
    • G01N21/84—Systems specially adapted for particular applications
    • G01N21/88—Investigating the presence of flaws or contamination
    • G01N21/95—Investigating the presence of flaws or contamination characterised by the material or shape of the object to be examined
    • G01N21/958—Inspecting transparent materials or objects, e.g. windscreens
    • G—PHYSICS
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    • G01N21/15—Preventing contamination of the components of the optical system or obstruction of the light path
    • G01N2021/155—Monitoring cleanness of window, lens, or other parts
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    • G01N21/88—Investigating the presence of flaws or contamination
    • G01N21/95—Investigating the presence of flaws or contamination characterised by the material or shape of the object to be examined
    • G01N2021/9511—Optical elements other than lenses, e.g. mirrors

Definitions

  • the present invention relates to a method for the detection of
  • DE 102013211738 A1 discloses a rain sensor for windscreens, in which the measuring principle mentioned above has a multiple total internal
  • Windshield can only in a small part by such
  • the invention relates to a method for detecting damage and / or contamination on a transparent substrate
  • impoelectronic sensor coversing material of an optoelectronic sensor.
  • impurities can be understood to be any foreign substances which have been deposited on the transparent covering material.
  • damage to the masking material in question e.g., dust particles and / or liquids, e.g. Water, and / or soot particles and / or other solid deposits and / or wear of the surface, e.g. Scratches and / or roughening and / or punctate cavities of
  • transparent covering material in particular comprises optically permeable materials which are used for covering, for example for the protection, of optoelectronic sensors.
  • the covering materials should prevent the penetration of contaminants into the prevent sensitive parts of the sensors.
  • Called protective glasses are under a transparent
  • Cover material to understand any transparent materials that shield the sensor against the outside environment and even with its outer surface in contact with the environment of the sensor.
  • Optoelectronic sensors are in particular laser scanners and / or LiDAR sensors and / or video cameras and / or surveillance cameras and / or car headlights in question.
  • As means of transportation within the meaning of the invention e.g. Automobiles, especially cars and / or trucks, and / or aircraft and / or ships and / or motorcycles in question.
  • the term "light beam” may be understood in accordance with the ray model of light as a simplified description for a set of electromagnetic waves which are representative of the system of interest, e.g. the transparent cover material, are relevant.
  • electromagnetic radiation which may be contained within the scope of the present disclosure in a light beam, in particular UV radiation (wavelength range: 10 nm to 380 nm) and / or visible light (wavelength range: 380 to 780 nm) and / or infrared radiation (wavelength range : 780 nm to 30 pm).
  • the coupling-in angle e.g. > 40 ° to 90 ° or> 40 ° to ⁇ 180 °, chosen such that a multiple total internal reflection of the light beam takes place within the covering material.
  • the "coupling angle” is defined as the angle which is described by the surface normal of the outer surface, in particular in the case of curved covering materials at the cutting edge between the first edge surface and the outer surface, and the coupled-in light beam.
  • the cover material may in particular be planar or arched or curved.
  • the Einkoppelposition of the light beam is located at a first
  • Light source in particular an LED and / or a laser and / or an incandescent lamp
  • a coupling element in particular a lens and / or a microlens array and / or a diffractive element and / or a glass fiber and / or a slanted surface for suppression of the Fresnel reflection and / or via MMI waveguide and / or via a prism, coupled.
  • divergent or collimated light can be generated via the coupling elements.
  • divergent or collimated light can be generated via the coupling elements.
  • the edge surface of the transparent cover material understood as that surface which has a smaller surface area than the "outer surface”.
  • an edge surface lines the outer surface.
  • the outer surface in particular shields the optoelectronic sensor from the environment.
  • the "inner surface” is the surface of the transparent cover material which is closest to the optoelectronic sensor. This runs e.g. substantially parallel to the outer surface and not directly adjacent to it. In other words, the edge surfaces directly adjoin the outer surface and / or the inner surface.
  • Edge surfaces can be either flat or curved. In this case, a coupling at any position of these edge surfaces is conceivable. However, in this case the light is not coupled in particular on the outer surface or on the inner surface of the transparent cover material. This would mean that the efficiency of the light coupling for large-area detection of the impurities would be too low.
  • the coupling angle is in this case selected such that a multiple total internal reflection of the light beam takes place within the covering material. In other words, the transparent cover material is substantially completely penetrated by the light beam. This means, in particular, that the coupling angle can not be 90 ° with a planar cover material, since otherwise no multiple total internal reflection would be possible. On the other hand, the coupling-in angle can be 90 ° for a curved transparent covering material, since it can be used by the
  • Curvature a multiple total internal reflection is possible.
  • the multiple total internal reflection is due in particular to the fact that outside the transparent cover material a thinner optical medium, i. an optical medium having a lower refractive index is present. This is for example air.
  • the coating may be, for example, an anti-reflection coating, a hard-coating, or a band-pass filter or other optical filters (e.g.
  • the surface may also have an embossed structure, for example a microstructure or nanostructure, or a diffractive structure.
  • the light is in a further step at a second edge surface, which in particular the first edge surface opposite, coupled out.
  • the first coupling-out position is opposite to the first coupling-in position.
  • the decoupling takes place via a decoupling element.
  • Decoupling element may have the same materials as that
  • Coupling element In particular, the passage of the light from the first coupling-in position to the first coupling-out position is referred to as light propagation within the transparent material.
  • the decoupled light beam is e.g. directed to a detector.
  • the detector is used to determine the transmission and / or reflection of the coupled-out light beam.
  • the decoupled light beam generated when hitting the detector first electronic signals within the detector, which depend on the intensity of the light beam.
  • a detector may in particular comprise a CCD and / or a CMOS chip and / or a diode and / or a 1D and / or a 2D detector array.
  • An evaluation unit e.g. a CPU and / or a microprocessor may be connected to the detector and convert the signals produced by the detector into transmission and / or reflection and a corresponding one
  • the evaluation unit compares in particular the known intensity of the light beam at the light source with the intensity which is measured by the detector.
  • the detection of the impurities is based in particular on the following measuring principle: By coupling the light beam to a lateral edge surface, complete light propagation can take place by means of multiple total internal reflection by the covering material. If impurities are present on an inner or outer surface of the covering material, preferably on the outer surface, the so-called evanescent or electromagnetic field (the light beam) may be present, with the impurities on the surface
  • part of the light beam can be absorbed by the contaminant and / or scattered in different spatial directions.
  • the light beam with the original intensity no longer propagates through the cover material to be examined. On the other side, one arrives
  • Incoupling means that multiple total reflection takes place before decoupling.
  • the coupling-in angle can be defined as follows:
  • the coupling-in angle is defined as an angle between the light beam and a surface normal at the line of intersection between the first edge surface and the outer surface.
  • the method can be implemented by installing the corresponding components in a conventional sensor housing. Moreover, contamination by the comprehensive light propagation through the transparent material can be recognized efficiently. Moreover, no complex electronics are necessary. In addition, costs can be saved compared to conventional methods. Furthermore, contamination can be detected at any time by the comprehensive light propagation through the transparent cover material. As a result, unnecessary cleaning operations that can damage the surface can be avoided. In addition, by the
  • Method according to the invention can be carried out in particular in response to activating a sleep mode of the sensor and / or in response to a startup of the sensor and / or in response to a shutdown of the sensor and / or in the off state of the sensor.
  • the covering material has a curvature.
  • the curvature can be formed, for example, in the form of a cylindrical section and / or in the form of a spherical section and / or in the form of a section through an ellipsoid of revolution.
  • the diameter of a circle inscribed in the curvature comprises in particular 1 to 60 cm, preferably 5 to 40 cm.
  • “inscribed in the curvature” means, in particular, that a cross section through the curvature corresponds to the arc of the inscribed circle.
  • the Einkoppelwinkel between 70 ° and 120 ° in the case of the curvature amount.
  • a coupling angle of 90 ° comes into consideration.
  • the transparent covering material comprises glass and / or a plastic, in particular polycarbonate and / or polymethyl methacrylate (PMMA). It is particularly important that the transparent cover material has a higher refractive index than air or the surrounding medium of the
  • the coupling element is connected via a plurality of photoconductive fibers with the covering material.
  • first coupling position not only does a first coupling position exist, but also a second or third or fourth coupling position, the number of which depends on the number of photoconductive fibers integrated in the transparent covering material.
  • the photoconductive fibers can be coupled.
  • MMI multi mode interferometer chip
  • Decoupling element is connected via a plurality of photoconductive fibers with the cover material.
  • a number from 1 to 1000, preferably 1 to 100, particularly preferably 1 to 10 photoconductive fibers are connected to the transparent cover material.
  • coupling and decoupling element may have a different number of photoconductive fibers.
  • the coupling-in element comprises a prism which is e.g. is integrated into the cover material by injection molding.
  • the transparent cover material comprises a plastic
  • the cover material can be manufactured together with an integrated prism.
  • the prism can also be placed.
  • the prism is arranged in particular in an edge region of the outer and / or inner surface of the transparent cover material.
  • the prism constitutes an extension of the first edge surface comprising the coupling position.
  • the light can be coupled in by prism.
  • the prism can also be used as a decoupling element.
  • the prism which is not integrated in the transparent cover material, for example, by conventional methods such as sticking.
  • an adhesive with a "matched refractive index" may be used.
  • a prism can be pressed on using a hard-press method.
  • the coupling element is particularly inexpensive to produce.
  • the covering material has a length of 5 to 40 cm and / or a width of 10 to 30 cm.
  • the transparent cover material has a length of 10 cm and a width of 5 cm.
  • the transparent cover material has a length of 15 cm and a width of 10 cm.
  • the covering material may also have a diameter of 5 to 30 cm, preferably 5 to 20 cm.
  • the transparent cover material has according to a further advantageous embodiment of the method according to the invention on a thickness of ⁇ 5 mm.
  • the thickness can be 3 to 4 mm.
  • the thickness is particularly as the distance between the inner surface of the
  • Covering material and the outer surface of the cover material defined.
  • the inventive method comprises coupling a plurality of light beams at a plurality of coupling positions, which at a plurality of corresponding
  • Einkoppelposition compared to a first coupling position, whereby the propagating light beam can be ideally coupled or disconnected. Furthermore, there is in particular a second coupling-in position with respect to a second coupling-out position, etc. For example, between 1 and 100 coupling-in positions can lie opposite 1 to 100 coupling-out positions. Moreover, in the case of a square and / or rectangular base surface of the transparent cover material can be coupled or decoupled at each of the edge surfaces. This means in particular that coupling elements can be located on two adjacent edge surfaces, wherein at the other two adjacent edge surfaces Auskoppelmaschine are arranged. This principle can be continued accordingly for a 5 to n-square base of the transparent cover material.
  • the coupling angle can be greater than 40 ° and less than 180 °.
  • the coupling-in angle in the case of a planar transparent covering material is in particular greater than 40 ° and less than 90 ° and is preferably 45 ° to 70 ° and particularly preferably 50 ° to 60 °.
  • the coupling angle is greater than 90 ° and less than 180 ° and is preferably 95 ° to 150 ° or particularly preferably 100 ° to 120 °.
  • the coupling-in angle is greater than 40 ° and less than 180 ° and is preferably 80 ° to 120 °, particularly preferably 90 °.
  • the present invention relates to a system which is set up to carry out a method according to the invention.
  • a system can in particular be a light source, a coupling element, which is optically connected to the light source, and a transparent
  • Covering material which is optically connected to the coupling element include.
  • the coupling element may be configured to couple a light beam at a first position of a first edge surface of the transparent cover material in a coupling-in angle.
  • the system according to the invention further comprises a decoupling element which is set up to decouple the light beam at a first outcoupling position of a second edge surface of the covering material.
  • the system according to the invention comprises a detector with the aid of which the transmission and / or the reflection of the decoupled light beam can be determined.
  • the present invention relates to a
  • Optoelectronic sensor with a system according to the second aspect Optoelectronic sensor with a system according to the second aspect.
  • the present invention relates to a
  • Means comprising an optoelectronic sensor according to the third aspect.
  • Figure 1 is a sectional view of an embodiment of the
  • FIG. 2 shows an embodiment of the system according to the invention
  • FIG. 3 a shows a partial illustration of an embodiment of the system according to the invention, in which the light is coupled in via a plurality of light-conducting fibers;
  • Figure 3b is a partial representation of an embodiment of the
  • Figure 4 is a theoretical view of the reflection for polycarbonate and air
  • Figure 5a shows an embodiment of the system according to the invention with an attached prism
  • FIG. 5b shows an embodiment of the system according to the invention with a prism integrated into the transparent cover material
  • FIG. 6a shows an optical simulation of an embodiment of the invention
  • FIG. 6b shows an intensity distribution with respect to the optical simulation without impurities
  • Figure 6c shows an intensity distribution resulting from the optical
  • FIG. 7 shows an embodiment of the system according to the invention with a plurality of detectors and light sources
  • Figure 8 is a cross-section through an embodiment of the
  • Figure 9 is a theoretical reflection of the reflection at a
  • FIG. 10 is a flowchart of an embodiment of the invention
  • Figure 12 shows an embodiment of an automobile according to the invention.
  • Figure 1 shows an embodiment of the system according to the invention with respect to a coupling of two light beams 1 a, 1 b in a transparent
  • the light is coupled to a first edge surface 2, which is planar, at a respective first coupling-in position 5a, 5b. This can be realized for example via a coupling element 10, as defined above. After the light beams 1a, 1b are coupled in, they propagate through the transparent under a multiple total internal reflection
  • Light beams 1 a, 1 b realized such that a multiple total internal reflection is possible.
  • the coupling angles qi, 0 2 are determined by the direction of the
  • the solder 3 extends on the first edge surface 2.
  • the solder 3 at the first coupling position 5a, 5b is a normal to the outer surface 20 of the transparent cover material 6.
  • the Einkoppelwinkel qi> 90 ° since the curvature of the transparent covering material 6 causes a multiple total internal reflection.
  • FIG. 2 shows an embodiment of the system according to the invention.
  • the transparent cover material 6 is planar.
  • the light beams 1a and 1b are coupled by a coupling element in the transparent cover material 6.
  • the coupling element 10 is in this case with a light source 9, which For example, an LED and / or a laser and / or an incandescent lamp may include, optically connected.
  • a coupling element 10 may comprise, for example, a lens and / or a microlens array and / or a diffractive element.
  • the arrows of the light beams 1 a and 1 b show the propagation direction of
  • Light rays 1 a, 1 b interact here with the impurities 8.
  • stray light 7 is emitted at the impurities.
  • the intensity of the light rays is weakened by the absorption and / or the scattering.
  • the decoupled via the coupling element 11 light beam 1a, 1b, which has a lower intensity, is detected by a detector 12. With the aid of the detector 12, the transmission and / or the reflection of the coupled-out light beams 1 a, 1 b can thus be determined. In the case of absorption or emission via scattered light 7, the transmission is lower.
  • Covering material 6 or on the outer surface 20 is present.
  • FIG. 3a shows a partial representation of an embodiment of the invention
  • the coupling elements 10a to 10k are optically connected to the light source 9. From the light source 9 is via the coupling elements 10a to 10k, which for example comprise glass fibers,
  • a point light source 9 can be fanned out, so to speak, and the light beam 1 can be coupled at a plurality of positions 5a to 5k of the first edge surface 2.
  • FIG. 3b shows the principle of FIG. 3a for decoupling.
  • the light can be coupled out via decoupling elements 10a to 10d at the second edge surface 4 at coupling-out positions 13a to 13e.
  • the light-conducting outcoupling elements 10a to 10d e.g. Glass fibers
  • the light beams 1 a to 1 d are passed to the detector 12.
  • FIG. 4 shows a theoretical view for calculating the
  • n o is the refractive index of air, which is approximately 1.
  • FIG. 5a shows an embodiment of the system according to the invention.
  • a prism 14 is placed on the transparent covering material 6.
  • the prism 14 is used here as a coupling element 10 and also includes the first edge surface 2.
  • the light beam 1 a is coupled via a first edge surface 2 of the coupling prism 14.
  • FIG. 5b shows a prism 15, which is integrated in the transparent cover material 6. This can be done for example via an injection molding process during the production of the transparent cover material 6.
  • FIG. 6a shows an optical simulation of an embodiment of the invention
  • the transparent cover material 6 is shown within the simulation.
  • an examination segment 16 is defined within the simulation.
  • the outer surface 20 of the transparent cover material 6 is defined as Lambertian light scatterers.
  • Figure 6b shows an intensity distribution when there is no contaminant 8 on the surface
  • Radiation intensity values used in the examination segment 16 and its representation 23 serve.
  • FIG. 6c shows a simulation of a soiled surface 20. Due to the scattering in the examination segment 16, there is an uneven distribution of the intensity during the detection of the light beam 1a at the end of the transparent cover material 6.
  • FIG. 7 shows a further embodiment of the system according to the invention.
  • a plurality of detectors 12i to 12n are arranged on a fourth edge surface 18.
  • this fourth edge surface 18 are at a third edge surface 17 light sources 9i to 9n.
  • light sources 9a to 9h are arranged on the first edge surface 2, while the detectors 12a to 12h are arranged on the second edge surface 4.
  • Light rays 1 a, 1 b and 1 c can propagate crosswise in this way.
  • this grid is formed as a matrix, which can detect an impurity 8 at the respective intersections of the light beams 1 a to 1 c.
  • Figure 8 shows a sectional view of a system according to the invention, wherein the transparent cover material 6 has a curved structure.
  • the curved structure is not completed. In other words, the forms curved structure no fully cylindrical structure and no solid cylinder ring.
  • FIG. 9 shows a theoretical calculation of the coupling-in angle qi.
  • the light of the scattered light on a liquid 8, in particular water is taken into account during decoupling.
  • Npc hereby means the refractive index of the transparent covering material, in the case that it comprises polycarbonate.
  • 0 r is the angle of the light beam 1a after coupling, which is defined by the perpendicular to the solder 3 and the light beam 1a.
  • the theoretical calculation is based on the following formulas:
  • impurities 8 for example in the form of water droplets and / or dirt particles.
  • FIG. 10 shows a flow chart of an embodiment of a
  • a method according to the invention for detecting impurities 8 on a transparent covering material 6 of an optoelectronic sensor 19 In a first step 100, the light beam 1a is coupled in at a first coupling-in position 5a of a first edge surface 2 of the transparent covering material 6 via a coupling element 10.
  • the coupling element 10 is for example a lens.
  • the coupling angle Q1 is in this case selected such that a multiple total internal reflection of the light beam 1 a within the
  • Covering material 6 takes place.
  • the covering material 6 is in particular curved, wherein the coupling angle qi, in particular 90 °.
  • the electromagnetic radiation of the light beam 1 a is scattered during a multiple total internal reflection on a dust particle 8, so that the intensity of the light beam 1 a is lost by means of scattered light 7.
  • the light beam 1a is coupled out at a first outcoupling position 13 via a lens 1 1 and guided to a detector 12.
  • a third step 300 the transmission of the light beam by means of the detector 12 and a
  • Evaluation unit determined.
  • the T ransmission is less than 1, since a reflection of the light beam 1a took place on a dust particle 8.
  • FIG. 11 shows an exemplary embodiment of a laser scanner 19, which has an exemplary embodiment of the system according to the invention.
  • the laser scanner 19 has a transparent covering material 6.
  • the transparent cover material 6 is connected to a light source 9 and a coupling element 10.
  • the transparent cover material 6 is curved here, as illustrated, for example, in FIG. Through the transparent covering material 6, after the introduction of a light beam 1a, it can propagate and pass over it
  • Decoupling element 11 are guided to a detector 12. In this way, the contamination 8 of the transparent cover material 6 of the
  • Figure 12 shows an embodiment of an automobile 25, which a
  • Embodiment of the optoelectronic sensor 19 according to the invention Embodiment of the optoelectronic sensor 19 according to the invention.

Abstract

Verfahren zur Detektion von Verunreinigungen auf einem transparenten Abdeckmaterial eines optoelektronischen Sensors umfassend die Schritte: Einkoppeln (100) eines Lichtstrahls an einer ersten Einkoppelposition einer ersten Randfläche des Abdeckmaterials über ein Einkoppelelement, wobei ein Einkoppelwinkel derart gewählt wird, dass eine mehrfache totale interne Reflexion des Lichtstrahls innerhalb des Abdeckmaterials stattfindet; Auskoppeln (200) des Lichtstrahls an einer ersten Auskoppelposition durch ein Auskoppelelement an einer zweiten Randfläche des Abdeckmaterials; und Ermitteln (300) einer Transmission und/oder Reflexion eines ausgekoppelten Lichtstrahls mithilfe eines Detektors.

Description

Beschreibung
Titel
Verfahren zur Detektion von Beschädigungen und/oder Verunreinigungen auf einem transparenten Abdeckmaterial eines optoelektronischen Sensors, System, optoelektronischer Sensor und Fortbewequnqsmittel
Stand der Technik
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Detektion von
Beschädigungen und/oder Verunreinigungen auf einem transparenten
Abdeckmaterial eines optoelektronischen Sensors, ein System, einen
optoelektronischen Sensor und ein Fortbewegungsmittel.
Heutzutage sind zur Gewährleistung der einwandfreien Funktionsweise optoelektronischer Sensoren, z.B. LiDAR-Sensoren, unterschiedliche Systeme bekannt, welche die Verschmutzung eines transparenten Abdeckmaterials dieser Sensoren feststellen können. Derartige Systeme umfassen eine Lichtquelle, welche als eine elektromagnetische Sendeeinheit aufgefasst werden kann, sowie einen Detektor. Dabei kann mithilfe der Lichtquelle und des Detektors die Menge des von der Verschmutzung des Abdeckmaterials gestreuten Lichtes ermittelt werden. Das gestreute Licht ist also ein Grad für die Verschmutzung des transparenten Abdeckmaterials. Aus US 2012/182553 A1 , EP 1983334 A1 und EP 19883899 A1 sind zudem Methoden zur Feststellung einer Verschmutzung des Abdeckmaterials bekannt, deren Messprinzipien darauf basieren,
Abbildungen auf einem Detektor mittels entsprechender Algorithmen
auszuwerten und daraus Rückschlüsse auf die Menge der Verschmutzung zu ziehen. Derartige Methoden basieren allerdings auf komplexen elektronischen Auswertemechanismen, welche teuer in der Umsetzung und überdies
fehleranfällig sind.
Ferner ist eine Detektion von Wasser auf Windschutzscheiben aus WO
2015/140181 , DE 102009053825 A1 , DE 102008023845 A1 , DE 102008020171 A1 , DE 2007025981 A1 , DE 102006040213 A1 , JP 2012/150041 A und WO 2013/091619 A1 bekannt.
Bei den dort offenbarten Messsystemen werden Lichtstrahlen über
Einkoppelelemente in die Windschutzscheibe eingekoppelt und nach einer totalen internen Reflexion über Auskoppelelemente ausgekoppelt. Hierbei kann die an einem etwaigen Wassertropfen, welcher sich auf der Windschutzscheibe befindet, gestreute Strahlung eine Schwächung der am Detektor auftretenden Intensität des Lichtstrahls verursachen. Bei diesen Systemen ist allerdings eine großflächige Untersuchung der Windschutzscheibe aufgrund der nur einmal stattfindenden totalen internen Reflexion nicht möglich.
DE 102013211738 A1 offenbart einen Regensensor für Windschutzscheiben, bei dem das oben genannte Messprinzip über eine mehrfache totale interne
Reflexion in der Windschutzscheibe realisiert wird. Dennoch erfolgt hier eine Einkopplung des Lichtes in einem kleinen Winkel (< 40°). Zudem ist der Sensor sehr kleinbauend. Hieraus ergeben sich Nachteile hinsichtlich der
Lichtpropagation bei der Einkopplung in der Windschutzscheibe. Die
Windschutzscheibe kann nur in einem geringen Teil durch derartige
kleinbauende Sensoren auf Oberflächenwasser untersucht werden.
Offenbarung der Erfindung
Gemäß einem ersten Aspekt betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Detektion einer Beschädigung und/oder Verunreinigung auf einem transparenten
Abdeckmaterial eines optoelektronischen Sensors. Als„Verunreinigungen“ können im Rahmen der vorliegenden Offenbarung jegliche Fremdsubstanzen verstanden werden, welche sich auf dem transparenten Abdeckmaterial abgeschieden haben. Ferner kommen im weiteren Sinne auch Beschädigungen des Abdeckmaterials infrage. Hierbei kommen insbesondere Staubpartikel und/oder Flüssigkeiten, z.B. Wasser, und/oder Rußpartikel und/oder sonstige Feststoffabscheidungen und/oder Abnutzungserscheinungen der Oberfläche, z.B. Kratzer und/oder Aufrauhungen und/oder punktuelle Kavitäten der
Oberfläche, in Betracht. Der Begriff„transparentes Abdeckmaterial“ umfasst insbesondere optisch durchlässige Materialien, welche zur Abdeckung, z.B. zum Schutz, von optoelektronischen Sensoren zum Einsatz kommen. Insbesondere sollen die Abdeckmaterialien das Eindringen von Verunreinigungen in die empfindlichen Teile der Sensoren verhindern. Als Beispiel seien hier
Schutzgläser genannt. Insbesondere sind unter einem transparenten
Abdeckmaterial jegliche transparenten Materialien zu verstehen, welche den Sensor gegen die äußere Umgebung abschirmen und selbst mit ihrer äußeren Oberfläche mit der Umgebung des Sensors in Kontakt stehen. Als
optoelektronische Sensoren kommen insbesondere Laserscanner und/oder LiDAR-Sensoren und/oder Videokameras und/oder Überwachungskameras und/oder Autoscheinwerfer infrage. Als Fortbewegungsmittel im Sinne der Erfindung kommen z.B. Automobile, insbesondere PKW und/oder LKW, und/oder Flugzeuge und/oder Schiffe und/oder Motorräder infrage.
In einem ersten Schritt des erfindungsgemäßen Verfahrens erfolgt ein
Einkoppeln eines Lichtstrahls an einer ersten Einkoppelposition einer ersten Randfläche des transparenten Abdeckmaterials über ein Einkoppelelement. Der Begriff„Lichtstrahl“ kann gemäß dem Strahlenmodell des Lichtes als eine vereinfachte Beschreibung für eine Gesamtheit elektromagnetischer Wellen aufgefasst werden, welche für das betrachtete System, z.B. das transparente Abdeckmaterial, relevant sind. Als elektromagnetische Strahlung, welche im Rahmen der vorliegenden Offenbarung in einem Lichtstrahl enthalten sein kann, kommt insbesondere UV-Strahlung (Wellenlängenbereich: 10 nm bis 380 nm) und/oder sichtbares Licht (Wellenlängenbereich: 380 bis 780 nm) und/oder Infrarotstrahlung (Wellenlängenbereich: 780 nm bis 30 pm) infrage. Hierbei wird der Einkoppelwinkel, z.B. > 40° bis 90° oder > 40° bis < 180°, derart gewählt, dass eine mehrfache totale interne Reflexion des Lichtstrahls innerhalb des Abdeckmaterials stattfindet.
Als„Einkoppelwinkel“ wird vorliegend jener Winkel definiert, welcher durch die Oberflächennormale der äußeren Oberfläche, insbesondere bei gekrümmten Abdeckmaterialien an der Schnittkante zwischen der ersten Randfläche und der äußeren Oberfläche, und dem eingekoppelten Lichtstrahl beschrieben wird.
Das Abdeckmaterial kann insbesondere planar oder gewölbt bzw. gekrümmt sein. Die Einkoppelposition des Lichtstrahls befindet sich an einer ersten
Randfläche des Abdeckmaterials. Hierbei wird der Lichtstrahl von einer
Lichtquelle, insbesondere einer LED und/oder einem Laser und/oder einer Glühlampe, durch ein Einkoppelelement, insbesondere eine Linse und/oder ein Mikrolinsen-Array und/oder ein diffraktives Element und/oder eine Glasfaser und/oder eine abgeschrägte Fläche zur Unterdrückung der Fresnelreflexion und/oder über MMI-Wellenleiter und/oder über ein Prisma, eingekoppelt.
Beispielsweise kann über die Einkoppelelemente divergentes oder kollimiertes Licht erzeugt werden. Im Rahmen der vorliegenden Offenbarung wird
insbesondere die Randfläche des transparenten Abdeckmaterials als jene Fläche verstanden, welche einen geringeren Flächeninhalt als die„äußere Oberfläche“ aufweist. Mit anderen Worten säumt eine Randfläche die äußere Oberfläche. Die äußere Oberfläche schirmt hierbei insbesondere den optoelektronischen Sensor von der Umgebung ab. Die„innere Oberfläche“ ist insbesondere die Oberfläche des transparenten Abdeckmaterials, welche dem optoelektronischen Sensor am nächsten ist. Diese verläuft z.B. im Wesentlichen parallel zur äußeren Oberfläche und grenzt an diese nicht direkt an. Mit anderen Worten grenzen die Randflächen direkt an die äußere Oberfläche und/oder die innere Oberfläche an. Die
Randflächen können entweder eben oder gewölbt sein. Hierbei ist ein Einkoppeln an einer beliebigen Position dieser Randflächen denkbar. Allerdings wird hierbei das Licht insbesondere nicht an der äußeren Oberfläche bzw. an der inneren Oberfläche des transparenten Abdeckmaterials eingekoppelt. Dies hätte zur Folge, dass die Effizienz der Lichteinkopplung zur großflächigen Detektion der Verunreinigungen zu gering wäre. Der Einkoppelwinkel wird hierbei derart gewählt, dass eine mehrfache totale interne Reflexion des Lichtstrahls innerhalb des Abdeckmaterials stattfindet. Mit anderen Worten wird das transparente Abdeckmaterial im Wesentlichen vollständig von dem Lichtstrahl durchdrungen. Dies bedeutet insbesondere, dass der Einkoppelwinkel bei einem planaren Abdeckmaterial nicht 90° sein kann, da ansonsten keine mehrfache totale interne Reflexion möglich wäre. Hingegen kann der Einkoppelwinkel bei einem gekrümmten transparenten Abdeckmaterial 90° betragen, da durch die
Krümmung eine mehrfache totale interne Reflexion ermöglicht wird. Die mehrfache totale interne Reflexion wird insbesondere dadurch bedingt, dass außerhalb des transparenten Abdeckmaterials ein dünneres optisches Medium, d.h. ein optisches Medium mit einem geringeren Brechungsindex vorliegt. Dies ist beispielsweise Luft.
Die Beschichtung kann beispielsweise ein Anti-Reflex-Coating, ein Hard-Coating, oder einen Bandpassfilter oder andere optische Filter (z.B. Lang- oder
Kurzpassfilter) umfassen. Alternativ kann die Oberfläche auch eine eingeprägte Struktur besitzen, beispielsweise eine Mikro- oder Nanostruktur, oder eine diffraktive Struktur. Das Licht wird in einem weiteren Schritt an einer zweiten Randfläche, welcher der ersten Randfläche insbesondere gegenüberliegt, ausgekoppelt. Hierbei liegt insbesondere die erste Auskoppelposition der ersten Einkoppelposition gegenüber. Das Auskoppeln erfolgt über ein Auskoppelelement. Das
Auskoppelelement kann dieselben Materialien aufweisen wie das
Einkoppelelement. Insbesondere wird der Gang des Lichts von der ersten Einkoppelposition bis zur ersten Auskoppelposition als Lichtpropagation innerhalb des transparenten Materials bezeichnet.
In einem weiteren Schritt wird der ausgekoppelte Lichtstrahl z.B. zu einem Detektor geleitet. Dies kann beispielsweise direkt über das Auskoppelelement erfolgen. Mithilfe des Detektors wird die Transmission und/oder Reflexion des ausgekoppelten Lichtstrahls ermittelt. Der ausgekoppelte Lichtstrahl erzeugt beim Auftreffen auf den Detektor zunächst elektronische Signale innerhalb des Detektors, welche von der Intensität des Lichtstrahls abhängen. Ein derartiger Detektor kann insbesondere einen CCD und/oder einen CMOS-Chip und/oder eine Diode und/oder ein 1 D- und/oder ein 2D-Detektor-Array umfassen. Eine Auswerteeinheit, z.B. eine CPU und/oder ein Mikroprozessor kann mit dem Detektor verbunden sein und die durch den Detektor entstandenen Signale in Transmission und/oder Reflexion umrechnen und eine entsprechende
Hinterlegung, z.B. in einem Speicher und/oder eine Ausgabe, z.B. auf einem Monitor, dieser Werte veranlassen. Hierbei vergleicht die Auswerteeinheit insbesondere die bekannte Intensität des Lichtstrahls an der Lichtquelle mit der Intensität, welche durch den Detektor gemessen wird. Der Detektion der Verunreinigungen liegt hierbei insbesondere folgendes Messprinzip zugrunde: Durch die Einkopplung des Lichtstrahls an einer seitlichen Randfläche kann eine vollständige Lichtpropagation mittels mehrfacher totaler interner Reflexion durch das Abdeckmaterial erfolgen. Sollten sich auf einer inneren oder äußeren Oberfläche des Abdeckmaterials, vorzugsweise auf der äußeren Oberfläche, Verunreinigungen befinden, kann das sog. evaneszente bzw. elektromagnetische Feld (der Lichtstrahl), mit den Verunreinigungen auf der Oberfläche
wechselwirken. Dadurch kann ein Teil des Lichtstrahls von der Verunreinigung absorbiert und/oder in verschiedene Raumrichtungen gestreut werden. Somit propagiert nicht mehr der Lichtstrahl mit der ursprünglichen Intensität durch das zu untersuchende Abdeckmaterial. Auf der anderen Seite trifft ein
intensitätsmäßig abgeschwächter Lichtstrahl auf den Detektor. Mithilfe der mehrfachen totalen internen Reflexion werden durch den Lichtstrahl große Teile der Oberfläche erfasst, wobei eine beliebig angeordnete Verunreinigung durch diesen erreicht werden kann. Insbesondere erfolgt das Einkoppeln in die erste Randfläche in einem Einkoppelwinkel von > 40°. Ein Kriterium bei der
Einkopplung besagt, dass eine mehrfache Totalreflexion vor der Auskopplung stattfindet. Insbesondere kann der Einkoppelwinkel hierbei wie folgt definiert werden:
Wenn die erste Randfläche gekrümmt ist, so ist der Einkoppelwinkel als Winkel zwischen dem Lichtstrahl und einer Oberflächennormalen an der Schnittgeraden zwischen erster Randfläche und äußerer Oberfläche definiert.
Aus dem erfindungsgemäßen Verfahren ergibt sich zunächst der Vorteil, dass nur ein kleines Einbauvolumen zur Realisierung desselben vonnöten ist. Das Verfahren kann über den Einbau der entsprechenden Komponenten in ein konventionelles Sensorgehäuse realisiert werden. Überdies kann auf effiziente Art und Weise eine Verunreinigung durch die umfassende Lichtpropagation durch das transparente Material erkannt werden. Überdies ist keine komplexe Elektronik notwendig. Zudem können im Vergleich zu konventionellen Verfahren Kosten eingespart werden. Ferner kann durch die umfassende Lichtpropagation durch das transparente Abdeckmaterial eine Verunreinigung jederzeit detektiert werden. Hierdurch können unnötige Reinigungsvorgänge, welche die Oberfläche beschädigen können, vermieden werden. Zudem kann auch durch die
Feststellung einer Beschädigung der Oberfläche die Notwendigkeit ermittelt werden, ein transparentes Abdeckmaterial auszutauschen. Das
erfindungsgemäße Verfahren kann insbesondere im Ansprechen auf ein Aktivieren eines Ruhemodus' des Sensors und/oder im Ansprechen auf ein Hochfahren des Sensors und/oder im Ansprechen auf ein Abschalten des Sensors und/oder im ausgeschalteten Zustand des Sensors automatisiert erfolgen.
Die Unteransprüche zeigen bevorzugte Weiterbildungen der Erfindung.
In einer vorteilhaften Weiterbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens weist das Abdeckmaterial eine Krümmung auf. Die Krümmung kann beispielsweise in Form eines Zylinderschnitts und/oder in Form eines Kugelschnitts und/oder in Form eines Schnitts durch einen Rotationsellipsoid ausgebildet sein. Hierbei umfasst der Durchmesser eines in die Krümmung einbeschriebenen Kreises, insbesondere 1 bis 60 cm, bevorzugt 5 bis 40 cm. Hierbei bedeutet„in die Krümmung einbeschrieben“ insbesondere, dass ein Querschnitt durch die Krümmung den Bogen des einbeschriebenen Kreises entspricht. Insbesondere kann der Einkoppelwinkel zwischen 70° und 120° im Falle der Krümmung betragen. Insbesondere kommt ein Einkoppelwinkel von 90° in Betracht. Hierbei ist es lediglich entscheidend, dass eine mehrfache totale interne Reflexion des Lichtstrahls ermöglicht wird.
Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens umfasst das transparente Abdeckmaterial Glas und/oder ein Kunststoff, insbesondere Polycarbonat und/oder Polymethylmethacrylat (PMMA). Hierbei ist es insbesondere entscheidend, dass das transparente Abdeckmaterial einen höheren Brechungsindex als Luft bzw. das Umgebungsmedium des
transparenten Abdeckmaterials hat.
Gemäß einer anderen vorteilhaften Weiterbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens ist das Einkoppelelement über mehrere lichtleitende Fasern mit dem Abdeckmaterial verbunden. Mit anderen Worten bedeutet dies, dass mehrere Lichtstrahlen an mehreren Einkoppelpositionen der ersten Randfläche
eingekoppelt werden. Somit existiert nicht nur eine erste Einkoppelposition, sondern auch eine zweite bzw. dritte bzw. vierte Einkoppelposition, wobei deren Anzahl abhängig von der Anzahl der in das transparente Abdeckmaterial integrierten lichtleitenden Fasern ist. Die lichtleitenden Fasern können
insbesondere Glasfasern umfassen. Hierbei kann eine einzige punktförmige Lichtquelle mit der Anzahl der lichtleitenden Fasern verbunden werden, um das Licht einzukoppeln. Hierdurch wird die Lichteinkoppeleffizienz nochmals gesteigert, wodurch eine umfassendere Propagation durch das transparente Abdeckmaterial erfolgen kann, um Verunreinigungen in einem größeren Ausmaß festzustellen. Hierbei kann es ebenso vorgesehen sein, dass nur ein Teil der lichtleitenden Fasern mit derselben Lichtquelle verbunden ist. Eine
Ausführungsform der Lichtquelle und der lichtleitenden Fasern kann
beispielsweise mit einem MMI (multi mode interferrometer chip) realisiert werden. Zusätzlich oder alternativ kann es vorgesehen sein, dass auch das
Auskoppelelement über mehrere lichtleitende Fasern mit dem Abdeckmaterial verbunden ist. Beispielsweise können sowohl für die lichtleitenden Fasern des Einkoppelelements als auch für die lichtleitenden Fasern des Auskoppelelements eine Anzahl von 1 bis 1000, vorzugsweise 1 bis 100, besonders bevorzugt 1 bis 10, lichtleitende Fasern mit dem transparenten Abdeckmaterial verbunden werden. Zudem können Ein- und Auskoppelelement eine unterschiedliche Anzahl lichtleitender Fasern aufweisen.
In einer weiteren Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens umfasst das Einkoppelelement ein Prisma, welches z.B. mittels Spritzgussverfahrens in das Abdeckmaterial integriert ist. Hierbei kann, wenn beispielsweise das transparente Abdeckmaterial einen Kunststoff umfasst, das Abdeckmaterial gemeinsam mit einem integrierten Prisma gefertigt werden. Ferner oder alternativ kann das Prisma auch aufgesetzt sein. Hierbei ist das Prisma insbesondere in einem Randbereich der äußeren und/oder inneren Oberfläche des transparenten Abdeckmaterials angeordnet. Somit stellt das Prisma eine Erweiterung der ersten Randfläche, welche die Einkoppelposition umfasst, dar. Nach vorstehend offenbarten Prinzipien, kann das Licht durch Prisma eingekoppelt werden. Ferner oder alternativ kann das Prisma auch als Auskoppelelement verwendet werden. Das Prisma, welches nicht in das transparente Abdeckmaterial integriert ist, kann beispielsweise über herkömmliche Verfahren wie beispielsweise ein Ankleben. Alternativ kann auch ein Kleber mit einem„matched refraktive index“ verwendet werden. Alternativ oder ergänzend kann ein Prisma über ein Hardpress- Verfahren aufgepresst sein.
Des Weiteren besteht die Möglichkeit das Prisma mechanisch zu klemmen und die Lücke mit einem Material dessen Brechungsindex mit dem Prisma und dem Deckglas übereinstimmt zu füllen. Im Falle des Herstellens mittels
Spritzgussverfahrens ist das Einkoppelelement besonders kostengünstig herstellbar.
Nach einer vorteilhaften Weiterbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens umfasst das Abdeckmaterial eine Länge von 5 bis 40 cm und/oder eine Breite von 10 bis 30 cm. Bevorzugt umfasst das transparente Abdeckmaterial eine Länge von 10 cm und eine Breite von 5 cm. In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform umfasst das transparente Abdeckmaterial eine Länge von 15 cm und eine Breite von 10 cm. Ferner kann das Abdeckmaterial auch im Falle eines kreisförmigen Querschnitts einen Durchmesser von 5 bis 30 cm, bevorzugt 5 bis 20 cm, umfassen. Das transparente Abdeckmaterial weist gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens eine Dicke von < 5 mm auf. Insbesondere kann die Dicke 3 bis 4 mm betragen. Hierbei ist die Dicke insbesondere als der Abstand zwischen der inneren Oberfläche des
Abdeckmaterials und der äußeren Oberfläche des Abdeckmaterials definiert.
In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung umfasst das erfindungsgemäße Verfahren ein Einkoppeln einer Mehrzahl von Lichtstrahlen an einer Mehrzahl von Einkoppelpositionen, welche an einer Mehrzahl entsprechender
Auskoppelpositionen ausgekoppelt wird. Hierbei befindet sich eine erste
Einkoppelposition gegenüber einer ersten Auskoppelposition, womit der propagierende Lichtstrahl ideal ein- bzw. ausgekoppelt werden kann. Ferner befindet sich insbesondere eine zweite Einkoppelposition gegenüber einer zweiten Auskoppelposition, usw. Beispielsweise können zwischen 1 bis 100 Einkoppelpositionen 1 bis 100 Auskoppelpositionen gegenüber liegen. Überdies kann im Falle einer quadratischen und/oder rechteckigen Grundfläche des transparenten Abdeckmaterials an jeder der Randflächen eingekoppelt bzw. ausgekoppelt werden. Dies bedeutet insbesondere, dass sich Einkoppelelemente an zwei angrenzenden Randflächen befinden können, wobei an den beiden anderen sich einander angrenzenden Randflächen Auskoppelelemente angeordnet sind. Dieses Prinzip kann entsprechend für eine 5 bis n-eckige Grundfläche des transparenten Abdeckmaterials fortgesetzt werden. Auf diese Weise kann durch die unterschiedlichen durch das Material propagierenden Lichtstrahlen ein Raster im transparenten Abdeckmaterial generiert werden, wobei Verunreinigungen bezüglich ihrer Position lokalisiert werden können. Dies kann insbesondere über eine mit dem Detektor verbundene Auswerteeinheit, z.B. eine CPU oder einen Mikroprozessor, erfolgen.
Der Einkoppelwinkel kann größer als 40° und kleiner als 180° sein. Hierbei ist der Einkoppelwinkel im Falle eines planaren transparenten Abdeckmaterials insbesondere größer als 40° und kleiner als 90° und beträgt bevorzugt 45° bis 70° und besonders bevorzugt 50° bis 60°. Alternativ ist der Einkoppelwinkel größer als 90 ° und kleiner als 180° und beträgt bevorzugt 95° bis 150° bzw. besonders bevorzugt 100° bis 120°. Im Falle eines gekrümmten transparenten Abdeckmaterials ist der Einkoppelwinkel größer als 40° und kleiner als 180° und beträgt bevorzugt 80° bis 120° besonders bevorzugt 90°. Die folgenden erfindungsgemäßen Aspekte umfassen die vorteilhaften
Ausgestaltungen und Weiterbildungen sowie die generellen Vorteile des erfindungsgemäßen Verfahrens und jeweils die damit verbundenen technischen Effekte gleichsam.
Gemäß einem zweiten Aspekt betrifft die vorliegende Erfindung ein System, welches eingerichtet ist, ein erfindungsgemäßes Verfahren durchzuführen. Ein derartiges System kann insbesondere eine Lichtquelle, ein Einkoppelelement, welches optisch mit der Lichtquelle verbunden ist, und ein transparentes
Abdeckmaterial, welches optisch mit dem Einkoppelelement verbunden ist, umfassen. Das Einkoppelelement kann eingerichtet sein, einen Lichtstrahl an einer ersten Position einer ersten Randfläche des transparenten Abdeckmaterials in einem Einkoppelwinkel einzukoppeln. Das erfindungsgemäße System umfasst ferner ein Auskoppelelement, welches eingerichtet ist, den Lichtstrahl an einer ersten Auskoppelposition einer zweiten Randfläche des Abdeckmaterials auszukoppeln. Ferner umfasst das erfindungsgemäße System einen Detektor, mit dessen Hilfe die Transmission und/oder die Reflexion des ausgekoppelten Lichtstrahls ermittelt werden kann.
Gemäß einem dritten Aspekt betrifft die vorliegende Erfindung einen
optoelektronischen Sensor mit einem System gemäß dem zweiten Aspekt.
Gemäß einem vierten Aspekt betrifft die vorliegende Erfindung ein
Fortbewegungsmittel umfassend einen optoelektronischen Sensor gemäß dem dritten Aspekt.
Kurze Beschreibung der Zeichnung
Nachfolgend werden Ausführungsbeispiele der Erfindung unter Bezugnahme auf die begleitende Zeichnung im Detail beschrieben. In der Zeichnung ist:
Figur 1 eine Schnittdarstellung einer Ausführungsform des
erfindungsgemäßen Systems;
Figur 2 eine Ausführungsform des erfindungsgemäßen Systems; Figur 3a eine teilweise Darstellung einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Systems, wobei ein Einkoppeln des Lichts über mehrere lichtleitende Fasern stattfindet;
Figur 3b eine teilweise Darstellung einer Ausführungsform des
erfindungsgemäßen Systems, bei dem eine Auskopplung über mehrere lichtleitende Fasern stattfindet;
Figur 4 eine theoretische Betrachtung der Reflexion für Polycarbonat und Luft;
Figur 5a eine Ausführungsform des erfindungsgemäßen Systems mit einem aufgesetzten Prisma;
Figur 5b eine Ausführungsform des erfindungsgemäßen Systems mit einem in das transparente Abdeckmaterial integrierten Prisma;
Figur 6a eine optische Simulation einer Ausführungsform des
erfindungsgemäßen Verfahrens;
Figur 6b eine Intensitätsverteilung bezüglich der optischen Simulation ohne Verunreinigungen;
Figur 6c eine Intensitätsverteilung resultierend aus der optischen
Simulation im Falle einer Verunreinigung des transparenten Abdeckmaterials;
Figur 7 eine Ausführungsform des erfindungsgemäßen Systems mit mehreren Detektoren und Lichtquellen;
Figur 8 ein Querschnitt durch eine Ausführungsform des
erfindungsgemäßen Systems für ein gekrümmtes transparentes Abdeckmaterial;
Figur 9 eine theoretische Betrachtung der Reflexion bei einer
Benetzung der Oberfläche mit einer Flüssigkeit; Figur 10 ein Flussdiagramm einer Ausführungsform des
erfindungsgemäßen Verfahrens;
Figur 11 einen Laserscanner, der das erfindungsgemäße System
umfasst; und
Figur 12 eine Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Automobils.
Ausführungsformen der Erfindung
Figur 1 zeigt eine Ausführungsform des erfindungsgemäßen Systems bezüglich eines Einkoppelns zweier Lichtstrahlen 1 a, 1 b in ein transparentes
Abdeckmaterial 6. Das Licht wird an einer ersten Randfläche 2, welche planar ist, an einer jeweils ersten Einkoppelposition 5a, 5b eingekoppelt. Dies kann beispielsweise über ein Einkoppelelement 10, wie oben definiert, realisiert werden. Nach dem Einkoppeln der Lichtstrahlen 1a, 1 b propagieren diese unter einer mehrfachen totalen internen Reflexion durch das transparente
Abdeckmaterial 6. Beim Einkoppeln wird ein Einkoppelwinkel 0i, 02 der
Lichtstrahlen 1 a, 1 b derart realisiert, dass eine mehrfache totale interne Reflexion möglich ist. Die Einkoppelwinkel qi, 02 werden durch die Richtung der
Lichtstrahlen 1a, 1 b bei der Einkopplung an der ersten Randfläche 2 und ein Lot 3 definiert. Hierbei verläuft das Lot 3 auf der ersten Randfläche 2. Ferner stellt das Lot 3 an der ersten Einkoppelposition 5a, 5b eine Normale zur äußeren Oberfläche 20 des transparenten Abdeckmaterials 6 dar. Im Falle eines gekrümmten transparenten Abdeckmaterials 6, wie hier gezeigt, kann der Einkoppelwinkel qi > 90° betragen, da durch die Krümmung des transparenten Abdeckmaterials 6 eine mehrfache totale interne Reflexion hervorgerufen wird.
Im Falle eines planaren transparenten Abdeckmaterials 6 wäre ein derartiger Einkoppelwinkel qi, 02 unvorteilhaft, da die Lichtstrahlen 1 a, 1 b dann geradewegs ohne eine mehrfache totale interne Reflexion zu durchlaufen, durch das transparente Abdeckmaterial 6 propagieren würde. An der zweiten Randfläche 4 können die Lichtstrahlen 1 a, 1 b ausgekoppelt werden.
Figur 2 zeigt eine Ausführungsform des erfindungsgemäßen Systems. Hierbei ist das transparente Abdeckmaterial 6 planar. Die Lichtstrahlen 1a und 1 b werden durch ein Einkoppelelement in das transparente Abdeckmaterial 6 eingekoppelt. Das Einkoppelelement 10 ist hierbei mit einer Lichtquelle 9, welche beispielsweise eine LED und/oder ein Laser und/oder eine Glühlampe umfassen kann, optisch verbunden. Ein Einkoppelelement 10 kann beispielsweise eine Linse und/oder ein Mikrolinsen-Array und/oder difraktives Element umfassen. Die Pfeile der Lichtstrahlen 1 a und 1 b zeigen die Propagationsrichtung der
Lichtstrahlen 1a und 1 b durch das transparente Abdeckmaterial 6 an. Hierbei sind Verunreinigungen 8, beispielsweise Staubpartikel, auf der äußeren
Oberfläche 20 des transparenten Abdeckmaterials 6 vorhanden. Die
Lichtstrahlen 1 a, 1 b wechselwirken hier mit den Verunreinigungen 8. Die Verunreinigungen 8 können die elektromagnetische Strahlung der Lichtstrahlen 1 a, 1 b teilweise absorbieren und/oder streuen. Im Falle der Streuung wird an den Verunreinigungen 8 Streulicht 7 abgestrahlt. Hierbei wird die Intensität der Lichtstrahlen durch die Absorption und/oder die Streuung geschwächt. Der über das Auskoppelelement 11 ausgekoppelte Lichtstrahl 1a, 1 b, weicher eine geringere Intensität aufweist, wird über einen Detektor 12 erfasst. Mithilfe des Detektors 12 kann somit die Transmission und/oder die Reflexion der ausgekoppelten Lichtstrahlen 1 a, 1 b ermittelt werden. Im Falle einer Absorption bzw. Abstrahlung über Streulicht 7 ist die Transmission geringer. Somit kann festgestellt werden, dass eine Verunreinigung 8 auf dem transparenten
Abdeckmaterial 6 bzw. auf dessen äußerer Oberfläche 20 vorhanden ist.
Figur 3a zeigt eine teilweise Darstellung einer Ausführungsform des
erfindungsgemäßen Systems, wobei die Einkoppelelemente 10a bis 10k mit der Lichtquelle 9 optisch verbunden sind. Aus der Lichtquelle 9 wird über die Einkoppelelemente 10a bis 10k, welche beispielsweise Glasfasern umfassen,
Licht an die jeweilige erste Einkoppelposition 5a bis 5k geleitet. Somit kann eine punktförmige Lichtquelle 9 sozusagen aufgefächert werden, und der Lichtstrahl 1 kann an mehreren Positionen 5a bis 5k der ersten Randfläche 2 eingekoppelt werden.
Figur 3b zeigt das Prinzip aus Figur 3a für das Auskoppeln. Hierbei kann an der zweiten Randfläche 4 an Auskoppelpositionen 13a bis 13e das Licht über Auskoppelelemente 10a bis 10d ausgekoppelt werden. Somit kann über die lichtleitenden Auskoppelelemente 10a bis 10d, z.B. Glasfasern, die Lichtstrahlen 1 a bis 1 d zum Detektor 12 geleitet werden.
Figur 4 zeigt eine theoretische Betrachtung zur Berechnung des
Einkoppelwinkels Oi bei einer Reflexion in Polycarbonat 6 mit Licht einer Wellenlänge von 905 nm. no ist hierbei der Brechungsindex von Luft, welcher näherungsweise 1 ist. Hierbei wird der Lichtstrahl 1a innerhalb einer
theoretischen Betrachtung nach einem Einkoppeln in einem Einkoppelwinkel qi über einen Auskoppelwinkel qo ausgekoppelt, nachdem eine Brechung innerhalb des Polycarbonats 6 erfolgte. Der theoretischen Betrachtung liegen folgende Formeln zugrunde:
Figure imgf000016_0001
Die Formeln sagen aus, dass in Abwesenheit von Wasser auf der Oberfläche des Abdeckmaterials 6, das gesamte Licht intern reflektiert wird und nicht ausgekoppelt wird, da der Sinus des kritischen Winkels höher ist als 1.
Figur 5a zeigt eine Ausführungsform des erfindungsgemäßen Systems. Hierbei ist ein Prisma 14 auf das transparente Abdeckmaterial 6 aufgesetzt. Das Prisma 14 wird hierbei als Einkoppelelement 10 verwendet und umfasst zudem die erste Randfläche 2. Hierbei wird der Lichtstrahl 1 a über eine erste Randfläche 2 des Einkoppelprismas 14 eingekoppelt.
Figur 5b zeigt ein Prisma 15, welches in das transparente Abdeckmaterial 6 integriert ist. Dies kann beispielsweise über ein Spritzgussverfahren während der Fertigung des transparenten Abdeckmaterials 6 erfolgen. An einer zweiten
Randfläche 2 und einer ersten Einkoppelposition 5a wird der Lichtstrahl 1 a über das Prisma 15 in das transparente Abdeckmaterial 6 eingekoppelt. Figur 6a zeigt eine optische Simulation einer Ausführungsform des
erfindungsgemäßen Verfahrens. Hierbei wird innerhalb der Simulation das transparente Abdeckmaterial 6 dargestellt. Hierbei wird innerhalb der Simulation ein Untersuchungssegment 16 definiert. Hierbei wird die äußere Oberfläche 20 des transparenten Abdeckmaterials 6 als lambertscher Lichtstreuer definiert.
Figur 6b zeigt eine Intensitätsverteilung, wenn keine Verunreinigung 8 auf der Oberfläche vorhanden ist
Ferner zeigt die Figur Farbbalken 21 , 22, welche als Referenz für die
Strahlungsintensitätswerte, welche im Untersuchungssegment 16 und dessen Darstellung 23 verwendet werden, dienen.
Figur 6c zeigt eine Simulation einer verschmutzten Oberfläche 20. Aufgrund der Streuung im Untersuchungssegment 16 kommt es zu einer ungleichmäßigen Verteilung der Intensität bei der Detektion des Lichtstrahls 1 a am Ende des transparenten Abdeckmaterials 6.
Figur 7 zeigt eine weitere Ausführungsform des erfindungsgemäßen Systems. Hierbei sind mehrere Detektoren 12i bis 12n an einer vierten Randfläche 18 angeordnet. Zur Vereinfachung sind hier weder Einkoppelelemente 10 noch Auskoppelelemente 1 1 gezeigt. Gegenüber dieser vierten Randfläche 18 befinden sich an einer dritten Randfläche 17 Lichtquellen 9i bis 9n. Ferner sind an der ersten Randfläche 2 Lichtquellen 9a bis 9h angeordnet, während an der zweiten Randfläche 4 die Detektoren 12a bis 12h angeordnet sind. Lichtstrahlen 1 a, 1 b und 1 c können auf diese Weise über Kreuz propagieren. Durch die Anordnung der Detektoren 12a bis 12n und der Lichtquellen 9a bis 9h wird ein Raster definiert. Sollten alle Detektoren 12a bis 12n und alle Quellen 9a bis 9n gleichzeitig aktiviert sein, so kann eine Verunreinigung 8 an der jeweiligen Position genau lokalisiert werden. Mit anderen Worten ist dieses Raster als eine Matrix ausgebildet, welche an den jeweiligen Schnittpunkten der Lichtstrahlen 1 a bis 1 c eine Verunreinigung 8 feststellen kann.
Figur 8 zeigt eine Schnittdarstellung eines erfindungsgemäßen Systems, wobei das transparente Abdeckmaterial 6 eine gekrümmte Struktur aufweist. Hierbei ist die gekrümmte Struktur nicht abgeschlossen. Mit anderen Worten bildet die gekrümmte Struktur keine vollzylindrische Struktur und keinen Vollzylinderring aus.
Figur 9 zeigt eine theoretische Berechnung des Einkoppelwinkels qi. Hierbei wird das Licht des Streulichts an einer Flüssigkeit 8, insbesondere Wasser, beim Auskoppeln berücksichtigt npc bedeutet hierbei den Brechungsindex des transparenten Abdeckmaterials, im Falle, dass dieses Polycarbonat umfasst. 0r ist hierbei der Winkel des Lichtstrahls 1a nach Einkoppeln, welcher durch die Senkrechte zum Lot 3 und dem Lichtstrahl 1a definiert wird. Der theoretischen Berechnung liegen folgende Formeln zugrunde:
Die Abschätzung dieser Figur betrifft Verunreinigungen 8; beispielsweise in Form von Wassertropfen und/oder Schmutzpartikeln.
Figure imgf000018_0001
=> & = 56.3#
Die Formeln sagen aus, dass in Anwesenheit von Verunreinigungen 8 auf dem Abdeckmaterial 6 das gesamte Licht ab einem Einstrahlwinkel von 56° ausgekoppelt wird, da der Sinus des kritischen Winkels kleiner als 1 ist.
Figur 10 zeigt ein Flussdiagramm einer Ausführungsform eines
erfindungsgemäßen Verfahrens zur Detektion von Verunreinigungen 8 auf einem transparenten Abdeckmaterial 6 eines optoelektronischen Sensors 19. In einem ersten Schritt 100 wird der Lichtstrahl 1a an einer ersten Einkoppelposition 5a einer ersten Randfläche 2 des transparenten Abdeckmaterials 6 über ein Einkoppelelement 10 eingekoppelt. Das Einkoppelelement 10 ist beispielsweise eine Linse. Der Einkoppelwinkel Q1 wird hierbei derart gewählt, dass eine mehrfache totale interne Reflexion des Lichtstrahls 1 a innerhalb des
Abdeckmaterials 6 stattfindet. Hierbei ist das Abdeckmaterial 6 insbesondere gekrümmt, wobei der Einkoppelwinkel qi, insbesondere 90° beträgt. Hierbei wird die elektromagnetische Strahlung des Lichtstrahls 1 a während der mehrfachen totalen internen Reflexion an einem Staubpartikel 8 gestreut, so dass Intensität des Lichtstrahls 1 a über Streulicht 7 verloren geht. In einem zweiten Schritt 200 wird der Lichtstrahl 1a an einer ersten Auskoppelposition 13 über eine Linse 1 1 ausgekoppelt und zu einem Detektor 12 geführt. In einem dritten Schritt 300 wird hierbei die Transmission des Lichtstrahls mithilfe des Detektors 12 und eine
Auswerteeinheit ermittelt. Hierbei ist die T ransmission kleiner als 1 , da eine Reflexion des Lichtstrahls 1a an einem Staubpartikel 8 stattfand.
Figur 11 zeigt ein Ausführungsbeispiel eines Laserscanners 19, welcher ein Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Systems aufweist. Hierbei weist der Laserscanner 19 ein transparentes Abdeckmaterial 6 auf. Das transparente Abdeckmaterial 6 ist mit einer Lichtquelle 9 und einem Einkoppelelement 10 verbunden. Das transparente Abdeckmaterial 6 ist hierbei gekrümmt, wie beispielsweise auch in Figur 8 illustriert. Durch das transparente Abdeckmaterial 6 kann nach Einkoppeln eines Lichtstrahls 1a dieser propagieren und über ein
Auskoppelelement 11 zu einem Detektor 12 geführt werden. Auf diese Weise kann die Verunreinigung 8 des transparenten Abdeckmaterials 6 des
Laserscanners 19 untersucht werden. Figur 12 zeigt ein Ausführungsbeispiel eines Automobils 25, welches ein
Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen optoelektronischen Sensors 19 aufweist.

Claims

Ansprüche
1. Verfahren zur Detektion von Beschädigungen und/oder Verunreinigungen (8) auf einem transparenten Abdeckmaterial (6) eines optoelektronischen Sensors (19) umfassend die Schritte:
• Einkoppeln (100) eines Lichtstrahls (1 a-1 c) an einer ersten
Einkoppelposition (5a-5k) einer ersten Randfläche (2) des
Abdeckmaterials (6) über ein Einkoppelelement (10a-10k), wobei ein Einkoppelwinkel (qi,q2) derart gewählt wird, dass eine mehrfache totale interne Reflexion des Lichtstrahls (1a-1 c) innerhalb des Abdeckmaterials (6) stattfindet;
• Auskoppeln (200) des Lichtstrahls (1a-1 c) an einer ersten
Auskoppelposition (13a-13e) durch ein Auskoppelelement (11 a-1 1 e) an einer zweiten Randfläche (4) des Abdeckmaterials (6); und
• Ermitteln (300) einer Transmission und/oder Reflexion eines
ausgekoppelten Lichtstrahls (1a-1 c) mithilfe eines Detektors (12a bis 12n).
2. Verfahren nach Anspruch 1 , wobei das Abdeckmaterial (6) eine Krümmung aufweist.
3. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 oder 2, wobei das Abdeckmaterial (6) Glas und/oder Kunststoff umfasst.
4. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei das
Einkoppelelement (10a-10k) und/oder das Auskoppelelement (1 1 a-1 1 e) mehrere lichtleitende Fasern umfassen.
5. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei das
Einkoppelelement (10a-10k) ein Prisma (14,15) umfasst, welches mittels Spritzgussverfahrens in das Abdeckmaterial (6) integriert ist und/oder auf dem Abdeckmaterial (6) befestigt ist.
6. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei eine Mehrzahl von Lichtstrahlen (1a-1 c) an einer Mehrzahl von Einkoppelpositionen (5a-5k) eingekoppelt und an einer Mehrzahl von Auskoppelpositionen (13a-13e) ausgekoppelt wird.
7. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei das
Abdeckmaterial (6) eine Länge von 2 bis 30 cm und/oder eine Breite von 2 bis 40 cm aufweist.
8. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei das
Abdeckmaterial (6) eine Dicke von < 5 mm aufweist.
9. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei der
Einkoppelwinkel (qi, 02) für das Abdeckmaterial (6), welches eine Krümmung aufweist, größer als 40° bis kleiner als 180° ist und/oder der Einkoppelwinkel (Q1, Q2) für ein planares transparentes Abdeckmaterial (6) größer als 40° und/oder kleiner als 90° oder größer als 90° und kleiner als 180° ist.
10. System, welches eingerichtet ist, ein Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9 auszuführen, umfassend:
• ein transparentes Abdeckmaterial (6);
• ein Einkoppelelement (10a-10k), welches optisch mit dem transparenten Abdeckmaterial (6) verbunden ist und welches eingerichtet ist, einen Lichtstrahl (1 a-1 c) an einer ersten Einkoppelposition (5a-5k) an einer ersten Randfläche (2) des Abdeckmaterials (6) in einem derartigen Einkoppelwinkel (Q1, Q2) einzukoppeln, dass eine mehrfache totale interne Reflexion des Lichtstrahls (1 a-1 c) innerhalb des Abdeckmaterials (6) stattfindet;
• ein Auskoppelelement (13a-13e), welches optisch mit dem
Abdeckmaterial (6) verbunden ist und eingerichtet ist, den Lichtstrahl (1 a-1 c) an einer ersten Auskoppelposition (13a-13e) an einer zweiten Randfläche (4) des Abdeckmaterials (6) auszukoppeln; und
• einen Detektor (12a-12n), welcher mit dem Auskoppelelement (13a-13e) optisch verbunden ist und mithilfe dessen eine Transmission und/oder Reflexion des ausgekoppelten Lichtstrahls (1a-1c) gemessen werden kann.
1 1. Optoelektronischer Sensor (19) umfassend ein System nach Anspruch 10.
12. Fortbewegungsmittel (25) umfassend einen optoelektronischen Sensor (19) nach Anspruch 11.
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