WO2020169339A1 - Verbundscheibe mit integriertem lichtsensor und holographisch-optischem element - Google Patents

Verbundscheibe mit integriertem lichtsensor und holographisch-optischem element Download PDF

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WO2020169339A1
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light
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holographic
incidence
circuit board
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PCT/EP2020/052791
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Gabor Varga
Michael Zeiss
Christian EFFERTZ
Doane Shelby CRAIG
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Saint-Gobain Glass France
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Definitions

  • the present invention is based on the object of providing a further improved composite pane with an integrated light sensor, which is as simple and inexpensive to manufacture as possible, and wherein the integrated light sensor is characterized by a flat structure.
  • the light sensor according to the invention has exactly one light-sensitive surface. This means that the light-sensitive surface of an individual light sensor is no longer segmented and that the measurement signal that is output by the light sensor summarizes the amount of light that strikes the light-sensitive surface. Such light sensors are particularly inexpensive and easy to evaluate the electrical signal.
  • several light sensors are arranged on a printed circuit board, preferably at least two, particularly preferably four light sensors. A better spatial resolution of the direction of radiation of the detected light can be achieved by using several light sensors.
  • the circuit board has a maximum width of at least 15 cm, preferably at least 20 cm.
  • the width is the extension essentially parallel to the side edge to which the light sensor is assigned.
  • the maximum width is the largest width that occurs along the entire length of the circuit board if the width is not constant.
  • the circuit board preferably has at least one section with a width of at least 15 cm, particularly preferably at least 20 cm.
  • the holographic-optical element 11.1 which is assigned to the left light sensor 4, is a right-directed holographic-optical element 11.1. It is designed in such a way that it diffracts light R which hits the holographic optical element 11.1 (or the outer pane 1) from the right in such a way that it is deflected past the light-sensitive surface 4.1 of the light sensor 4 '. This is done, for example, for light from all angles of incidence phi from an angle of incidence range beta of -90 ° to 0 °.
  • light L which strikes the holographic-optical element 11.1 (or the outer pane 1) from the left is diffracted in such a way that it strikes the light-sensitive surface 4.1 of the light sensor 4 'partially or completely.
  • light from all angles of incidence phi from an angle of incidence range alpha of 0 ° to 45 ° with respect to the orthogonals of the holographic-optical element 11.1 can be at least partially directed onto the light-sensitive surface 4.1 of the light sensor 4 ‘and detected there.
  • Due to a suitable design of the holographic optical element 11.1 the size of the illuminated portion of the light-sensitive surface 4.1 depends on the angle of incidence phi.
  • both the sensitivity of the light-sensitive surface 4.1 can be directed to a first angle of incidence range alpha and the angular resolution in the first angle of incidence range alpha can be significantly increased.

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Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Verbundscheibe (100) und insbesondere eine Fahrzeug-Verbundscheibe (100) mit einem integrierten Lichtsensor (4), umfassend: - eine Außenscheibe (1) und eine Innenscheibe (2), die über mindestens eine thermoplastische Zwischenschicht (3) miteinander verbunden sind und - mindestens einen Lichtsensor (4) mit mindestens einer lichtempfindlichen Fläche (4.1), der zwischen der Außenscheibe (1) und der Innenscheibe (2) angeordnet ist, wobei - die lichtempfindliche Fläche (4.1) der Außenscheibe (1) zugewandt ist und - ein holographisch-optisches Element (11) zwischen der lichtempfindlichen Fläche (4.1) und der Außenscheibe (1) angeordnet ist und - das holographisch-optische Element (11) als ein Hologramm zur Einfallswinkelabhängigen Beugung eintreffenden Lichts (L, R) ausgeführt ist.

Description

Verbundscheibe mit integriertem Lichtsensor und holographisch-optischem
Element
Die Erfindung betrifft eine Verbundscheibe und insbesondere eine Fahrzeug- Verbundscheibe mit integriertem Lichtsensor, ein Verfahren zu deren Herstellung und deren Verwendung.
Es ist bekannt, Fahrzeuge mit Lichtsensoren auszustatten, um die Menge an verfügbarem Tageslicht zu ermitteln und auf dieser Grundlage bei Bedarf beispielsweise die Fahrzeugscheinwerfer in Betrieb zu nehmen. Gebräuchliche Lichtsensoren sind als Anbauteile insbesondere an die innenraumseitige Oberfläche der Windschutzscheibe angebracht, beispielsweise im Bereich des Rückspiegels.
Aus EP2100722A2 ist ein Lichtsensor bekannt, welcher in eine Windschutzscheibe einlaminiert ist, also zwischen der Außenscheibe und der Innenscheibe der Windschutzscheibe angeordnet ist, wobei die Scheiben mittels einer thermoplastischen Zwischenschicht miteinander verbunden sind. So kann die Windschutzscheibe mit dem integrierten Lichtsensor kompakt bereitgestellt werden, eine nachträgliche Montage des Lichtsensors entfällt. Der Lichtsensor ist in Form von Flip-Chip-Photodioden auf einer Leiterplatte ausgebildet.
Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine weiter verbesserte Verbundscheibe mit integriertem Lichtsensor bereitzustellen, die möglichst einfach und kostengünstig herzustellen ist, und wobei sich der integrierte Lichtsensor durch einen flachen Aufbau auszeichnet.
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung wird erfindungsgemäß durch eine Verbundscheibe gemäß Anspruch 1 gelöst. Bevorzugte Ausführungen gehen aus den Unteransprüchen hervor.
Die erfindungsgemäße Verbundscheibe und insbesondere die erfindungsgemäße Fahrzeug-Verbundscheibe umfasst mindestens - eine Außenscheibe und eine Innenscheibe, die über mindestens eine thermoplastische Zwischenschicht miteinander verbunden sind und
- mindestens einen Lichtsensor mit mindestens einer lichtempfindlichen Fläche, der zwischen der Außenscheibe und der Innenscheibe angeordnet ist,
wobei
- die lichtempfindliche Fläche der Außenscheibe zugewandt ist und
- ein holographisch-optisches Element zwischen der lichtempfindlichen Fläche und der Außenscheibe angeordnet ist und
- das holographisch-optische Element als ein Hologramm zur Einfallswinkel
abhängigen Beugung eintreffenden Lichts ausgeführt ist.
Die erfindungsgemäße Verbundscheibe mit einem integrierten Lichtsensor umfasst mindestens eine Außenscheibe und eine Innenscheibe, die über eine thermoplastische Zwischenschicht miteinander verbunden sind. Es versteht sich, dass die Begriff Außenscheibe und Innenscheibe frei gewählt sind und lediglich eine Richtung hinsichtlich einfallenden Lichts darstellen, die über die Außenscheibe auf die Verbundscheibe trifft. Als Fahrzeug-Verbundscheibe ist die Verbundscheibe zur Abtrennung eines Fahrzeuginnenraums von einer äußeren Umgebung vorgesehen. Die Fahrzeug-Verbundscheibe ist also eine Fensterscheibe, die in eine Fensteröffnung der Fahrzeugkarosserie eingesetzt ist oder dafür vorgesehen ist. Die erfindungsgemäße Fahrzeugscheibe ist insbesondere eine Windschutzscheibe, Dachscheibe oder Heckscheibe eines Kraftfahrzeugs. Mit Innenscheibe wird diejenige Scheibe bezeichnet, welche in Einbaulage dem Innenraum des Fahrzeugs zugewandt ist. Mit Außenscheibe wird diejenige Scheibe bezeichnet, welche in Einbaulage der äußeren Umgebung des Fahrzeugs zugewandt ist. Die thermoplastische Zwischenschicht ist typischerweise aus mindestens einer thermoplastischen Folie ausgebildet.
Diejenige Oberfläche der jeweiligen Scheibe, welche in Einbaulage der äußeren Umgebung des Fahrzeugs zugewandt ist, wird als außenseitige Oberfläche bezeichnet. Diejenige Oberfläche der jeweiligen Scheibe, welche in Einbaulage dem Innenraum des Fahrzeugs zugewandt ist, wird als innenraumseitige Oberfläche bezeichnet. Die innenraumseitige Oberfläche der Außenscheibe ist über die thermoplastische Zwischenschicht mit der außenseitigen Oberfläche der Innenscheibe verbunden. Üblicherweise wird die außenseitige Oberfläche der Außenscheibe als „Seite I“ bezeichnet, die innenraumseitige Oberfläche der Außenscheibe als „Seite II“, die außenseitige Oberfläche der Innenscheibe als „Seite in“ und die innenraumseitige Oberfläche der Innenscheibe als„Seite IV“.
Die Erfindung umfasst des Weiteren einen Lichtsensor, umfassend:
- einen Lichtsensor mit mindestens einer lichtempfindlichen Fläche,
wobei
- ein holographisch-optisches Element auf der der lichtempfindlichen Fläche
zugewandten Seite des Lichtsensors angeordnet ist und
- das holographisch-optische Element als ein Hologramm zur Einfallswinkel abhängigen Beugung eintreffenden Lichts ausgeführt ist.
Die Erfindung umfasst des Weiteren eine Einzelscheibe mit Lichtsensor, umfassend:
- eine Außenscheibe und
- mindestens einen Lichtsensor mit mindestens einer lichtempfindlichen Fläche, der an einer Innenseite II der Außenscheibe angeordnet ist,
wobei
- die lichtempfindliche Fläche der Außenscheibe zugewandt ist und
- ein holographisch-optisches Element zwischen der lichtempfindlichen Fläche und der Außenscheibe angeordnet ist und
- das holographisch-optische Element als ein Hologramm zur Einfallswinkel abhängigen Beugung eintreffenden Lichts ausgeführt ist.
Die Außenscheibe ist hier gleichbedeutend zur Einzelscheibe.
Es versteht sich, dass die bevorzugten Ausgestaltungsbeispiele im Folgenden für den erfindungsgemäßen Lichtsensor, die erfindungsgemäße Einzelscheibe und die erfindungsgemäße Verbundscheibe gelten soweit dies technisch möglich ist. In einer vorteilhaften Ausgestaltung weist der erfindungsgemäße Lichtsensor genau eine lichtempfindliche Fläche auf. Das bedeutet, dass die lichtempfindliche Fläche eines einzelnen Lichtsensors nicht weiter segmentiert ist und dass das Messsignal, welches von Lichtsensor ausgegeben wird, die Menge an Licht, die auf die lichtempfindliche Fläche auftrifft, summarisch wiedergibt. Derartige Lichtsensoren sind besonders kostengünstig und einfach in der Auswertung des elektrischen Signals.
In einer alternativen vorteilhaften Ausgestaltung weist der erfindungsgemäße Lichtsensor mehrere lichtempfindlichen Flächen oder eine lichtempfindliche Fläche, die in mehrere Teilflächen segmentiert ist, auf. Das bedeutet, dass unterschiedliche elektrische Signale unterschiedlichen Bereiche der lichtempfindlichen Fläche zugeordnet werden können. Derartige Lichtsensoren liefern bereits ortsaufgelöste Informationen zu auftreffenden Lichtstrahlen und können diese besser unterscheiden.
Es versteht sich, dass die lichtempfindliche Fläche keine mathematische Fläche ist, sondern eine lichtempfindliche Schicht mit einer gewissen Schichtdicke, die aber in der Regel deutlich geringer ist, als ihre laterale Ausdehnung.
Die lichtempfindliche Fläche des erfindungsgemäßen Lichtsensors ist der Außenscheibe zugewandt. Dies bedeutet, dass nur Licht, welches über die Außenscheibe in die Verbundscheibe eintritt, auf die lichtempfindliche Fläche des Lichtsensors gelangen kann und der Lichtsensor nur auf dieses Licht reagiert.
Die lichtempfindliche Fläche ist vollständig mit einer Schutzschicht bedeckt, die die freiliegende Oberfläche der lichtempfindlichen Fläche vor mechanischen und chemischen Beschädigungen schützt, beispielsweise vor Feuchtigkeit.
Die Schutzschicht ist dabei transparent oder ausreichend transparent für den Detektionswellenlängenbereich des Lichtsensors. Das bedeutet, vorteilhafterweise, dass die Transmission für den Wellenlängenbereich, für den der Lichtsensor technisch ausgelegt ist, mehr als 20%, bevorzugt mehr als 50%, besonders bevorzugt mehr als 70% und insbesondere mehr als 90% beträgt.
Die Schutzschicht ist dabei auf der der Außenscheibe zugewandten Seite des Lichtsensors und unmittelbar auf der lichtempfindlichen Fläche angeordnet ist. Es versteht sich, dass die Schutzschicht zumindest die lichtempfindliche Fläche vollständig bedeckt, aber auch über die lichtempfindliche Fläche hinausragen kann, was der Regelfall ist. Im Weiteren wird die Schutzschicht als Teil des Lichtsensors bzw. als Bestandteil der lichtempfindlichen Fläche betrachtet.
Des Weiteren ist zwischen der lichtempfindlichen Fläche und der Außenscheibe ein holographisch-optisches Element angeordnet.
Als holographisch-optische Elemente (HOE) werde zusammenfassend diejenigen optischen Elemente bezeichnet, deren Funktionsprinzip auf Holographie beruht. Statt durch die geometrische Form eines Licht transmittierenden oder reflektierenden Objektes, wie z.B. bei Linsen oder Spiegeln, verändern holographisch optische Elemente das Licht im Strahlengang durch die in einem Hologramm gespeicherte Information. Die im Hologramm gespeicherte Information ist meist als Veränderung des Brechungsindex gespeichert. Die verwendeten Hologramme werden dabei in der Regel nicht als Abbildung von realen Objekten produziert, sondern als Überlagerung verschiedener ebener oder sphärischer Lichtwellen, deren Interferenzmuster den gewünschten optischen Effekt bewirkt. Mit anderen Worten, die holographisch optischen Elemente basieren auf der Wirkung planarer beugender Strukturen. Derartige holographisch-optische Elemente können zum Beispiel für einen bestimmten Einfallswinkelbereich das Licht ablenken bzw. beugen, für einen anderen Einfallswinkelbereich aber vollkommen transparent sein oder in eine andere Richtung lenken.
Der besondere Vorteil solcher holographisch-optischer Elemente liegt neben ihren vielfältigen optischen Funktionseigenschaften in ihrer geringen Dicke und Folien- artigen Beschaffenheit, die es erlaubt, die Elemente einfach und kostengünstig herzustellen und in eine Verbundscheibe einzulaminieren.
Die erfindungsgemäße Verbundscheibe erlaubt die Bestimmung der Lichteinfallsrichtung bezüglich der Außenscheibe der Verbundscheibe durch geschickte Ausnutzung der funktionellen Eigenschaften des holographisch-optischen Elements.
In einer vorteilhaften Ausgestaltung ist das erfindungsgemäße holographisch optische Element derart ausgeführt ist, dass es unter einem ersten Einfallswinkelbereich Alpha auf die Außenscheibe eintreffendes Licht zumindest abschnittsweise auf die lichtempfindliche Fläche lenkt und unter einem zweiten Einfallswinkelbereich Beta eintreffendes Licht zumindest abschnittsweise und bevorzugt vollständig neben die lichtempfindliche Fläche lenkt.
In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung des erfindungsgemäßen holographisch-optische Elements umfasst der erste Einfallswinkelbereich Alpha alle Einfallswinkel phi von 0° bis 60°, bevorzugt von 0° bis 45° und insbesondere von 10° bis 30° und/oder der zweite Einfallswinkelbereich Beta alle Einfallswinkel phi von - 90° bis 0°, bevorzugt von -60° bis -5° und insbesondere von -30° bis -10°.
In einer vorteilhaften Ausgestaltung eines erfindungsgemäßen Lichtsensors ist das holographisch-optische Element unmittelbar auf dem Lichtsensor und/oder auf der innenraumseitigen Oberfläche II der Außenscheibe angeordnet. Es versteht sich, dass das holographisch-optische Element gleichzeitig unmittelbaren Kontakt mit dem Lichtsensor und der darüber angeordneten innenraumseitigen Oberfläche II der Außenscheibe haben kann.
In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung ist das erfindungsgemäße holographisch-optische Element unmittelbar oberhalb der lichtempfindlichen Fläche angeordnet, d.h. das holographisch-optische Element ist zumindest vollständig im Bereich der orthogonalen Projektion der lichtempfindlichen Fläche auf die Außenscheibe angeordnet. Mit anderen Worten, das holographisch optische Element bedeckt die lichtempfindliche Fläche bezüglich eines orthogonalen Lichteinfalls auf die Außenscheibe zumindest vollständig. Es versteht sich, dass das holographisch-optische Element auf einer, mehreren oder allen Seiten (in der Projektion) über die lichtempfindliche Fläche hinausragen kann.
In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung ist das erfindungsgemäße holographisch-optische Element folienartig ausgebildet. Vorteilhafterweise beträgt die Dicke d des holographisch-optischen Elements von 10 pm bis 10000 pm, bevorzugt von 10 pm bis 10000 pm, besonders bevorzugt von 50 pm bis 500 pm und insbesondere von 100 pm bis 500 pm.
In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung enthält die erfindungsgemäße
Verbundscheibe mindestens zwei, bevorzugt genau zwei oder genau vier Lichtsensoren.
In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung enthält die erfindungsgemäße
Verbundscheibe vier Lichtsensoren mit vier unterschiedlich ausgerichteten holographisch-optischen Elementen. Es versteht sich, dass die vier unterschiedlich ausgerichteten holographisch-optischen Elemente auch als vier unterschiedliche funktionelle Bereichen eines oder zweier holographisch-optischen Elemente ausgeführt sein kann.
Dabei ist es besonders vorteilhafte, wenn die Verbundscheibe eine erste Anordnung aus zwei Lichtsensoren aufweist, deren holographisch-optisches Element oder deren holographisch optische Elemente funktionell gegenläufige Einfallswinkelbereiche aufweisen, und die Verbundscheibe des Weiteren eine zweite Anordnung mit zwei Lichtsensoren aufweist, deren holographisch-optisches Element oder deren holographisch optische Elemente funktionell gegenläufige Einfallswinkelbereiche aufweisen, und die erste Anordnung orthogonal zur zweiten Anordnung angeordnet ist. In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung einer erfindungsgemäßen Verbundscheibe sind der oder die Lichtsensoren auf mindestens einer Leiterplatte, bevorzugt auf mindestens einer flexiblen Leiterplatte, angeordnet und mit Leiterbahnen darauf kontaktiert. Dies ermöglicht den einfachen Anschluss der Lichtsensoren an eine entsprechende Auswerteelektronik des Fahrzeugs.
In Abhängigkeit des gemessenen Ursprunges eines Umgebungslichts kann von der Auswerte- und Steuerungselektronik beispielsweise der Schaltzustand der Scheinwerfer automatisch gesteuert werden. Dadurch wird der Komfort für den Fahrzeugführer gesteigert, der nicht mehr manuell für das Ein- und Ausschalten der Scheinwerfer sorgen muss. Weitere Anwendungen sind beispielsweise die automatische elektrische Schaltung der Transmissionseigenschaften der gesamten Scheibe oder eines Scheibenbereichs und die Helligkeitsregelung von Anzeigeelementen im Fahrzeuginnenraum.
Als erfindungsgemäße Lichtsensoren, die in eine Verbundscheibe einlaminiert werden sollen, eignen sich aufgrund der geringen Abmessungen besonders SMD- Bauteil. Wie dem Fachmann allgemein bekannt ist, steht die Abkürzung SMD für den Begriff surface-mounted device (oberflächenmontiertes Bauelement). SMD-Bauteile haben keine Drahtanschlüsse, sondern werden mittels lötfähiger Anschlussflächen direkt auf die Leiterplatte gelötet. Konventionelle Bauelemente müssen durch Bestückungslöcher geführt werden und auf der Rückseite der Leiterplatte verlötet werden müssen. Dies entfällt bei SMD-Bauteilen. Dadurch werden sehr dichte Bestückungen möglich, was den Platzbedarf verringert. Verfahrenstechnisch vorteilhaft entfällt das Bohren von Löchern in die Leiterplatte. Durch den Wegfall von Anschlussdrähten und kleineren Bauteilen wird Gewicht reduziert. Die SMD- Technologie eignet sich außerdem besonders für die automatisierte Bestückung (automatisiertes Aufnehmen und Aufsetzen der Lichtsensoren, automatisiertes Löten), was für eine industrielle Massenfertigung besonders vorteilhaft ist. SMD- Lichtsensoren weisen typischerweise ein Gehäuse, insbesondere Kunststoffgehäuse, um den eigentlichen Chip auf. Alternativ können sogenannte Flip-Chip-Lichtsensoren verwendet werden. Als Lichtsensor, auch Photodetektor, optischer Detektor oder optoelektronischer Sensor genannt, werden elektronische Bauelemente bezeichnet, die Licht, insbesondere unter Benutzung des photoelektrischen Effekts, in ein elektrisches Signal umwandeln oder einen von der einfallenden Strahlung abhängigen elektrischen Widerstand zeigen. Der Begriff Licht bezieht sich in der Optoelektronik und auch im Rahmen der vorliegenden Erfindung nicht nur auf sichtbares Licht, sondern auch auf unsichtbares Infrarotlicht und ultraviolette Strahlung.
Für Lichtsensoren im sichtbaren Spektralbereich, werden bevorzugt Photodioden verwendet, die im sichtbaren Spektralbereich empfindlich sein. Vorteilhafterweise sollte die spektrale Empfindlichkeitsverteilung an diejenige des menschlichen Auges angeglichen sein, so dass die gemessene Lichtmenge mit der von den Fahrzeuginsassen wahrgenommenen Lichtmenge möglichst gut übereinstimmt. Unerwünschte Schaltvorgänge, die durch vom Menschen nicht als relevant wahrgenommene Strahlung hervorgerufen werden, können vermieden werden. Eine vorteilhafte Anpassung ist dann gegeben, wenn die Photodiode im gesamtem Spektralbereich zwischen 500 nm und 600 nm eine Empfindlichkeit aufweist, die mindestens 50 % ihres Empfindlichkeitsmaximums entspricht, bevorzugt mindestens 60 %. Das Empfindlichkeitsmaximum sollte im Bereich von 450 nm bis 600 nm liegen, insbesondere im Bereich von 490 nm bis 570 nm. Die Empfindlichkeit kann auch als Detektionseffizienz bezeichnet werden und kann quantifiziert werden als Anteil detektierter Photonen an der Gesamtzahl der auf die Photodiode treffenden Photonen der jeweiligen Wellenlänge. Die gewünschte spektrale Empfindlichkeit wird idealerweise durch die Art des aktiven Materials der Photodiode beeinflusst. Alternativ kann aber auch ein optischer Filter verwendet werden, um die gewünschte spektrale Empfindlichkeit zu erreichen, beispielsweise eine außenseitig zur Photodiode angeordnete Filterfolie. Es versteht sich, dass diese Folie als Teil der Photodiode oder der Schutzschicht verstanden wird.
Die Leiterplatte kann auch als Platine, gedruckte Schaltung oder printed Circuit board (PCB) bezeichnet werden. Sie dient der mechanischen Befestigung und elektrischen Verbindung der darauf angeordneten Photodioden. Leiterplatten bestehen aus elektrisch isolierendem Material, insbesondere Kunststoff, mit daran haftenden, leitenden Verbindungen (Leiterbahnen). Die Leiterbahnen können lokale Verbreiterungen aufweisen, die als Lötflächen für die Bauelemente dienen.
In einer bevorzugten Ausgestaltung ist die Leiterplatte eine flexible Leiterplatte, auch als Flexleiterplatte bekannt. Solche Leiterplatten sind aus flexiblen, biegbaren Polymerfolien gebildet, beispielsweise Polyimid-Folien. Sie weisen eine Dicke von bevorzugt kleiner als 0,38 mm und größer als 50 pm auf, besonders bevorzugt von 120 pm bis 180 pm. Damit werden besonders gute Ergebnisse erreicht hinsichtlich Flexibilität einerseits und Stabilität andererseits. Durch die Flexibilität und geringe Dicke eignen sich flexible Leiterplatten besonders dafür, in eine Verbundscheibe, insbesondere gebogene Verbundscheibe einlaminiert zu werden.
Sind die Lichtsensoren SMD-Bauteile, so wird zweckmäßigerweise eine SMD- Leiterplatte verwendet.
Die Leiterplatte kann direkt auf einer der Scheiben angeordnet sein, insbesondere mit der von dem Lichtsensor abgewandten Seite auf der außenseitigen Oberfläche der Innenscheibe. Es hat sich gezeigt, dass die Anwesenheit der örtlich begrenzten Leiterplatte nicht zu einer wesentlichen Herabsetzung der Stabilität des Laminats führt. Die Leiterplatte kann aber auch zwischen zwei thermoplastischen Schichten, d.h. zwischen zwei Lagen der thermoplastischen Zwischenschicht angeordnet sein.
Die Leiterplatte weist mindestens zwei Anschlussflächen zur externen elektrischen Kontaktierung auf (beispielsweise Anode und Kathode). Diese Anschlussflächen dienen der Verbindung der Leiterplatte mit einer externen Auswerte- und Steuerungselektronik über Anschlusskabel, um den durch den Lichtsensor bei Lichteinfall erzeugten Stromimpuls der Auswerte- und Steuerungselektronik zuzuleiten. Die Kontaktierung der Anschlussflächen erfolgt bevorzugt mit einem Flachleiter (auch Flachbandleiter oder Folienleiter genannt), umfassend eine elektrisch leitende Folie und eine optionale, polymere Ummantelung, welche natürlich an der Anschlussstelle eine Aussparung aufweisen muss. Bevorzugt ist ein Flachleiter mit den Anschlussstellen der Leiterplatte verbunden, beispielsweise über eine Lotmasse oder einen elektrisch leitfähigen Klebstoff. Es wird bevorzugt ein mehrpoliger Flachleiter verwendet, wobei jeder Pol mit einer Anschlussfläche verbunden ist. Alternativ kann aber auch für jede Anschlussfläche ein eigener Flachleiter verwendet werden. Der Flachleiter weist an seinem von der Leiterplatte abgewandten Ende bevorzugt einen Steckverbinder auf (Stecker oder Kupplung) zur Verbindung mit weiteren Kabeln der Bordelektrik.
Die Leiterplatte ist bevorzugt vollständig im Inneren der Verbundscheibe angeordnet und mit einem Flachleiter kontaktiert, welcher sich über die Seitenkante hinaus aus der Verbundscheibe heraus erstreckt. Die Kontaktierung der Leiterplatte mit dem Flachleiter erfolgt vor der Herstellung der Verbundscheibe, bei der die Leiterplatte dann so im Verbundstapel angeordnet wird, dass sie vollständig innerhalb der Fläche der Scheiben angeordnet ist. Der Vorteil besteht in einer verringerten Bruchgefahr für die Leiterplatte, welche typischerweise anfälliger für Beschädigungen ist als der Flachleiter.
Alternativ kann sich die Leiterplatte auch aus dem Inneren der Verbundscheibe über deren Seitenkanten hinaus erstrecken, wobei die Lichtsensoren im Inneren der Verbundscheibe angeordnet sind und die Anschlussflächen für das Anschlusskabel außerhalb der Verbundscheibe. Die Kontaktierung der Leiterplatte mit dem Anschlusskabel kann dann nach der Herstellung der Verbundscheibe erfolgen. So kann die Verbundscheibe mit dem integrierten Lichtsensor beispielsweise ohne Anschlusskabel an den Fahrzeughersteller verkauft werden, der dann vor dem Einbau der Verbundscheibe die Kontaktierung vornimmt. Es versteht sich, dass der Flachleiter auch schon vorher mit der Leiterplatte verbunden werden kann und die Verbundscheibe mit integriertem Lichtsensor zusammen mit dem angeschlossenen Flachleiter bereitgestellt werden.
Leiterplatte und Flachleiter mit Steckverbinder können auch einstückig ausgebildet sein, so dass der Flachleiter gleichsam ein integraler Bestandteil der Leiterplatte ist mit einer gemeinsamen polymeren Ummantelung. Eine solche Leiterplatte hat verfahrenstechnische Vorteile, weil bei der Herstellung der Verbundscheibe das Anlöten des Flachleiters an die Anschlussflächen der Leiterplatte entfällt.
Diejenige Seitenkante, über die sich die Leiterplatte beziehungsweise ein mit ihr verbundener Flachleiter aus der Verbundscheibe hinaus erstreckt, wird im Sinne der Erfindung als diejenige Seitenkante bezeichnet, der die Leiterplatte beziehungsweise der Lichtsensor zugeordnet ist.
In einer vorteilhaften Ausgestaltung sind auf einer Leiterplatte mehrere Lichtsensoren angeordnet, bevorzugt mindestens zwei, besonders bevorzugt vier Lichtsensoren. Durch mehrere Lichtsensoren kann eine bessere Ortsauflösung der Strahlungsrichtung des detektierten Lichts erzielt werden.
In einer vorteilhaften Ausgestaltung beträgt der Abstand benachbarter Lichtsensoren höchstens 3 cm, bevorzugt höchstens 2 cm, beispielsweise von 1 cm bis 2 cm.
Die Leiterplatte weist in einer bevorzugten Ausgestaltung eine maximale Breite von mindestens 15 cm auf, bevorzugt mindestens 20 cm. Unter der Breite wird im Sinne der Erfindung die Ausdehnung im Wesentlichen parallel zu der Seitenkante bezeichnet, der der Lichtsensor zugeordnet ist. Die maximale Breite ist die größte Breite, die entlang der gesamten Länge der Leiterplatte auftritt, wenn die Breite nicht konstant ist. Mit anderen Worten, weist die Leiterplatte bevorzugt mindestens einen Abschnitt auf mit einer Breite von mindestens 15 cm, besonders bevorzugt mindestens 20 cm.
In einer bevorzugten Ausgestaltung weist die Leiterplatte einen Endabschnitt und einen Zuleitungsabschnitt auf, wobei der Zuleitungsabschnitt eine geringere Breite aufweist als der Endabschnitt. Die Lichtsensoren sind im Endabschnitt angeordnet und die Anschlussflächen für das Anschlusskabel im Zuleitungsabschnitt, insbesondere in der Nähe des vom Endabschnitt abgewandten Endes des Zuleitungsabschnitts. Der Zuleitungsabschnitt weist einen geringeren Abstand zur zugeordneten Seitenkante auf als der Endabschnitt und erstreckt sich bevorzugt über diese Seitenkante hinaus aus der Verbundscheibe. Eine solche Leiterplatte ist beispielsweise T-förmig ausgebildet, wobei der Querbalken (entspricht dem Endabschnitt) von der zugeordneten Seitenkante abgewandt ist. Der Zuleitungsabschnitt weist bevorzugt eine Länge von 1 cm bis 12 cm, besonders bevorzugt von 2 cm bis 8 cm auf. Der Zuleitungsabschnitt weist bevorzugt eine Breite von 2 cm bis 15 cm, besonders bevorzugt von 3 cm bis 10 cm auf. Der Endabschnitt weist bevorzugt eine Länge von 0,5 cm bis 3 cm auf, besonders bevorzugt von 1 cm bis 2 cm. Der Endabschnitt weist bevorzugt eine Breite von 15 cm bis 40 cm auf, besonders bevorzugt von 20 cm bis 30 cm. Mit einer solchen Leiterplatte werden besonders gute Ergebnisse erzielt hinsichtlich Effizienz und platzsparender Gestaltung.
Alternativ kann die Leiterplatte aber auch rechteckig ausgestaltet sein. Sie kann dann gedanklich ebenfalls in einen Endabschnitt mit den Lichtsensoren und einen Zuleitungsabschnitt mit den elektrischen Kontakten unterteilt werden, wobei allerdings Zuleitungs- und Endabschnitt die gleiche Breite aufweisen.
In einer vorteilhaften Ausgestaltung umfasst die Verbundscheibe mehrere Lichtsensoren, also mehrere Leiterplatten mit jeweils mindestens einer Photodiode. Dies bietet zum einen den Vorteil der Redundanz: bei Ausfall eines Lichtsensors kann die Funktionalität durch den oder die anderen Lichtsensoren trotzdem sichergestellt werden. Zum anderen erlaubt die Anwesenheit mehrerer, über die Verbundscheibe verteilter Lichtsensoren die Unterscheidung zwischen einer lokalen, näherungsweise punktförmigen Strahlungsquelle wie einer Straßenlaterne und dem Umgebungslicht. Fehlinterpretationen durch die Auswerte- und Steuerungselektronik können so vermieden werden. Beispielsweise kann vermieden werden, dass eine Straßenlaterne als helles Umgebungslicht fehlinterpretiert wird und die Fahrzeugbeleuchtung infolgedessen des Nachts ausgeschaltet wird. Auch wird eine Bestimmung der Richtungsabhängigkeit der einfallenden Strahlung möglich über einen Vergleich der Intensitäten, die von den verschiedenen Lichtsensoren gemessen werden. Durch mehrere Lichtsensoren auf einer Leiterplatte oder durch die Verwendung mehrerer Lichtsensorelemente in einer Verbundscheibe kann die Einstrahlrichtung des detektierten Lichts im gesamten Halbraum über der Außenscheibe bestimmt werden. Damit kann beispielsweise der aktuelle Sonnenstand ermittelt werden.
In einer bevorzugten Ausgestaltung beträgt die Breite jedes Lichtsensors kleiner als 2 mm. Unter der Breite wird dabei die maximale laterale Ausdehnung in einer Ebene parallel zur Leiterplatte verstanden. Dadurch sind die Lichtsensoren unauffällig in die Verbundscheibe integrierbar. Eventuell nötige Löcher in einem Abdeckdruck, hinter dem der Lichtsensor versteckt werden soll, können klein und unauffällig gestaltet werden. Die Höhe der Lichtsensoren (Ausdehnung senkrecht zur Leiterplatte) beträgt bevorzugt kleiner 0,7 mm, besonders bevorzugt kleiner 0,6 mm. Die Lichtsensoren sind dann unter Verwendung der Standardstärke der thermoplastischen Zwischenschicht von 0,76 mm in die Verbundscheibe integrierbar.
Die Innenscheibe und die Außenscheibe bestehen bevorzugt aus Glas, besonders bevorzugt Kalk-Natron-Glas, was sich für Fenstergläser bewährt hat. Die Scheiben können aber auch aus anderen Glassorten bestehen, beispielsweise Borosilikatglas oder Aluminosilikatglas. Die Scheiben können grundsätzlich alternativ aus Kunststoff gefertigt sein, insbesondere Polycarbonat (PC) oder Polymethylmethacrylat (PMMA). Es versteht sich, dass die Verbundscheibe auch eine Glas- und eine Kunststoffscheibe aufweisen kann.
Die Dicke der Scheiben kann breit variieren und so hervorragend den Erfordernissen im Einzelfall angepasst werden. Vorzugsweise betragen die Dicken der Außenscheibe und der Innenscheibe von 0,5 mm bis 10 mm, besonders bevorzugt von 1 mm bis 5 mm, ganz besonders bevorzugt von 1 ,2 mm bis 3 mm.
Die Außenscheibe, die Innenscheibe oder die Zwischenschicht können klar und farblos, aber auch getönt, getrübt oder gefärbt sein. Die Gesamttransmission durch die Verbundscheibe beträgt in einer bevorzugten Ausgestaltung größer 70%, insbesondere wenn die Verbundscheibe eine Windschutzscheibe ist. Der Begriff Gesamttransmission bezieht sich auf das durch ECE-R 43, Anhang 3, § 9.1 festgelegte Verfahren zur Prüfung der Lichtdurchlässigkeit von Kraftfahrzeugscheiben. Die Außenscheibe und die Innenscheibe können aus nicht vorgespanntem, teilvorgespanntem oder vorgespanntem Glas bestehen.
Die Fahrzeug-Verbundscheibe ist bevorzugt in einer oder in mehreren Richtungen des Raumes gebogen, wie es für Kraftfahrzeugscheiben üblich ist, wobei typische Krümmungsradien im Bereich von etwa 10 cm bis etwa 40 m liegen. Das Verbundglas kann aber auch plan sein, beispielsweise wenn es als Architekturscheibe, beispielsweise in Gebäudeverglasung oder als Scheibe für Busse, Züge oder Traktoren vorgesehen ist.
Die Zwischenschicht enthält zumindest ein thermoplastisches Polymer, bevorzugt Ethylenvinylacetat (EVA), Polyvinylbutyral (PVB) oder Polyurethan (PU) oder Gemische oder Copolymere oder Derivate davon, besonders bevorzugt PVB. Die Zwischenschicht ist aus mindestens einer thermoplastischen Folie ausgebildet. Die Dicke einer thermoplastischen Folie beträgt bevorzugt von 0,2 mm bis 2 mm, besonders bevorzugt von 0,3 mm bis 1 mm, beispielsweise 0,38 mm oder 0,76 mm. Die Zwischenschicht kann auch aus einer sogenannten akustischen Folie ausgebildet sein, welche eine geräuschdämpfende Wirkung hat. Solche Folien bestehen typischerweise aus mindestens drei Lagen, wobei die mittlere Lage eine höhere Plastizität oder Elastizität aufweist als die sie umgebenden äußeren Lagen, beispielsweise infolge eines unterschiedlichen Anteils an Weichmachern.
Die Leiterplatte ist bevorzugt in einem nicht-transparenten Bereich der Verbundglasscheibe angeordnet, so dass sie nicht oder kaum sichtbar ist. In diesem Bereich wird die Durchsicht durch ein opakes Element verhindert. Im Fahrzeugbereich sind dafür opake Abdeckdrucke auf einer oder auf beiden Scheiben üblich. Alternativ kann die Durchsicht aber auch beispielsweise durch eine eingefärbte thermoplastische Folie der Zwischenschicht oder ein opakes Einlegeelement gehindert werden. Bevorzugt ist das opake Element innenraumseitig zum Lichtsensor angeordnet, weist also einen geringen Abstand zum Innenraum beziehungsweise zur innenraumseitigen Oberfläche der Innenscheibe auf als der Lichtsensor. Dann ist der Lichtsensor von innen nicht sichtbar, während von außen Licht auf ihn fallen kann, sodass er seine Funktion erfüllen kann. Es kann besonders bevorzugt sein, dass in Durchsichtsrichtung vor und hinter der Leiterplatte opake Elemente angebracht sind, also jeweils ein opakes Element innenraumseitig und außenseitig zum Lichtsensor. Die Leiterplatte ist dann weder von außen noch von innen sichtbar. Damit der Lichtsensor seine Funktion erfüllen kann, muss das opake Element natürlich Aussparungen an der Stelle er Lichtsensoren aufweisen, weil eine Detektion von Licht sonst nicht möglich wäre. Ein innenraumseitig zum Lichtsensor angeordnetes opakes Element ist bevorzugt durch einen Abdeckdruck auf der Innenscheibe realisiert, ein außenseitig zum Lichtsensor angeordnetes opakes Element durch einen Abdeckdruck auf der Außenscheibe. Abdeckdrucke sind für Fahrzeugscheiben außerhalb des zentralen Sichtbereichs üblich, um Anbauteile zu verdecken oder den Klebstoff, mit dem die Fahrzeugscheibe mit der Karosserie verbunden ist, vor UV-Strahlung zu schützen. Der Abdeckdruck besteht typischerweise aus einem im Siebdruckverfahren aufgebrachten und eingebrannten schwarzen oder dunklen Emaille.
Es kann alternativ jedoch auch gewünscht sein, die Leiterplatte nicht durch einen Abdeckdruck zu verdecken, so dass sie von außen sichtbar ist. Dadurch werden insbesondere die Fertigungstoleranzen erhöht, weil die Leiterplatte nicht so exakt positioniert werden muss, um mit etwaigen Aussparungen im Schwarzdruck exakt überlagert zu sein.
Es ist auch möglich, den erfindungsgemäßen Lichtsensor mit anderen Sensoren zu kombinieren, was eine vorteilhaft platzsparende Bauweise ermöglicht. Der Lichtsensor kann beispielsweise mit einem Regensensor kombiniert werden, insbesondere einem kapazitiven Regensensor, der die Anwesenheit von Feuchtigkeit auf der Scheibe anhand einer Kapazitätsänderung mindestens einer Elektrode bestimmt wird. Die als Elektroden dienenden leitfähigen Strukturen können beispielsweise auf der Leiterplatte angeordnet sein oder auf der Innenscheibe. Der Regensensor und der Lichtsensor werden bevorzugt in räumlicher Nähe zueinander angeordnet oder räumlich überlagert, wodurch ein platzsparendes kombiniertes Sensorelement realisiert werden kann.
Die Erfindung umfasst weiter ein Verfahren zur Herstellung einer Fahrzeug- Verbundscheibe mit einem integrierten Lichtsensor. Dabei werden zunächst eine Außenscheibe, eine Innenscheibe, mindestens eine thermoplastische Folie und mindestens ein auf einer Leiterplatte befindlicher Lichtsensor als Stapel angeordnet, so dass die Folie und der Lichtsensor zwischen der Außenscheibe und der Innenscheibe angeordnet sind. Die beiden Scheiben und die dazwischenliegende Folie oder Folien werden natürlich flächig und im Wesentlichen kongruent übereinander angeordnet. Die Leiterplatte mit den Lichtsensoren ist in einen Bereich dieses Stapels eingelegt. Der Stapel wird anschließend üblichen Verfahren zur Erzeugung von Verbundscheiben unterworfen. Dabei wird die Außenscheibe über eine thermoplastische Zwischenschicht, welche während des Verfahrens aus der mindestens einen thermoplastischen Folie gebildet wird, mit der Innenscheibe durch Lamination verbunden. Dies erfolgt mit üblichen, dem Fachmann an sich bekannten Methoden, beispielsweise Autoklavverfahren, Vakuumsackverfahren, Vakuumringverfahren, Kalanderverfahren, Vakuumlaminatoren oder Kombinationen davon. Die Verbindung von Außenscheibe und Innenscheibe dabei erfolgt üblicherweise unter Einwirkung von Hitze, Vakuum und/oder Druck.
Bevorzugt wird die Leiterplatte vorher mit einem Flachleiter verbunden und dann erst im Stapel angeordnet. Bevorzugt wird sie dabei so angeordnet, dass die Leiterplatte vollständig innerhalb der Flache der Scheiben angeordnet ist und sich der Flachleiter über deren Seitenkanten hinaus erstreckt. Die Verbindung zwischen Flachleiter und den Anschlussflächen der Leiterplatte kann beispielsweise durch Löten oder über einen elektrisch leitfähigen Klebstoff erfolgen.
Soll die Fahrzeug-Verbundscheibe eine Biegung aufweisen, wie insbesondere für Personenkraftwagen üblich, so werden die Scheiben vor dem Laminieren einem Biegeprozess unterzogen, beispielsweise durch Schwerkraftbiegen, Saugbiegen und/oder Pressbiegen. Typische Biegetemperaturen betragen von 500°C bis 700°C.
Bevorzugt wird vor dem Laminieren und vor dem optionalen Biegen ein opaker Abdeckdruck auf den Randbereich der Außenscheibe und der Innenscheibe aufgebracht. Dazu wird typischerweise eine schwarze oder dunkle Emaille per Siebdruck aufgebracht und vor dem Laminieren, insbesondere vor dem Biegen oder während des Biegens, eingebrannt.
Die Leiterplatte kann direkt auf eine der Scheiben aufgelegt werden, insbesondere mit der von den Lichtsensoren abgewandten Seite auf die außenseitige Oberfläche der Innenscheibe. Alle Folien der Zwischenschicht werden dann auf einer Seite der Leiterplatte angeordnet. Alternativ kann die Leiterplatte aber auch zwischen zwei thermoplastische Folien eingelegt werden, welche die Leiterplatte sandwichartig einschließen.
Es kann eine nicht weiter vorbehandelte thermoplastische Folie verwendet werden. Beim Laminieren fließt das erhitzte, fließfähige thermoplastische Material in die Räume um die Lichtsensoren und die Leiterplatte, so dass ein stabiler Verbund sichergestellt wird.
Um die optische Qualität der Verbundscheibe zu verbessern, kann es vorteilhaft sein, die thermoplastische Folie (oder zumindest eine thermoplastische Folie bei der Verwendung von mehreren Folien) insoweit vorzubereiten, dass Aussparungen für den Lichtsensor vorgesehen werden.
Es können großflächige Löcher in der Folie erzeugt werden, in die die gesamte Leiterplatte eingesetzt wird. Bevorzugt wird die Leiterplatte dann sandwichartig von zwei dünneren Folienabschnitten umgeben, um einen Höhenunterschied zwischen Leiterplatte und Folie auszugleichen und die Haftung des Verbunds sicherzustellen. Alternativ dazu wird in einer vorteilhaften Ausführung die thermoplastische Folie vor dem Laminieren mit Löchern oder Vertiefungen versehen. Diese Löcher oder Vertiefungen sind in Größe, Position und Anordnung auf den oder die Lichtsensoren abgestimmt. Das bedeutet, dass die lateralen Abmessungen der Löcher oder Vertiefungen im Wesentlichen den Abmessungen der Lichtsensoren entspricht oder leicht größer sind, insbesondere höchsten 150% oder höchstens 120 % der Abmessungen der Lichtsensoren betragen. Die Position der Löcher oder Vertiefungen entspricht der gewünschten Positionierung des Lichtsensors in der zu fertigenden Verbundscheibe. Die relative Anordnung der Löcher oder Vertiefungen zueinander entspricht der relativen Anordnung der Lichtsensoren zueinander, sofern mehrere Lichtsensoren verwendet werden. Löcher und Vertiefungen einerseits und Lichtsensoren andererseits stehen also gleichsam in einem Schlüssel- Schlüsselloch-Verhältnis zueinander. Beim Anordnen des Stapels zur Lamination werden die Lichtsensoren in die Löcher oder Vertiefungen eingesetzt. So werden die Lichtsensoren wirksam in die Zwischenschicht eingebettet. Außerdem ist die Position der Lichtsensoren während der Produktion festgelegt, was hinsichtlich der Massenfertigung vorteilhaft ist. Die Löcher oder Vertiefungen können direkt vor dem Laminieren erzeugt werden. Die Folien mit den definierten Löchern oder Vertiefungen können aber auch in großer Stückzahl vorbereitet werden oder sogar in dieser Form vom Folienzulieferer bezogen werden.
Die Folie kann mit durchgehenden Löchern versehen werden. Weist die Folie eine Dicke auf, die größer ist als die Höhe der Lichtsensoren, so bleibt ein eigentlich unerwünschter Hohlraum zurück. Dieser kann optional beispielsweise durch kleine Ausschnitte der thermoplastischen Folie gefüllt werden. Noch vorteilhafter, weil verfahrenstechnisch einfacher ist es, die Folie statt mit durchgehenden Löchern mit Vertiefungen zu versehen, deren Tiefe im Wesentlichen der Höhe der Lichtsensoren entspricht. Der unerwünschte Hohlraum wird so ohne erforderliche Nacharbeit vermieden. Die Vertiefungen werden beispielsweise durch Stanzen eingebracht.
Die Erfindung umfasst außerdem die Verwendung einer erfindungsmäßen Verbundscheibe mit einem integrierten Lichtsensor als Fahrzeugscheibe, bevorzugt in Fahrzeugen zu Wasser, zu Lande oder in der Luft, und insbesondere bevorzugt als Windschutzscheibe, Heckscheibe oder Dachscheibe eines Kraftfahrzeugs, insbesondere eines Personenkraftwagens. Bevorzugt ist der mindestens eine Lichtsensor dabei mit einer Auswerte- und Steuerungselektronik des Fahrzeugs verbunden.
In Abhängigkeit von dem durch den mindestens einen Lichtsensor gemessenen Umgebungslicht kann beispielsweise einer oder mehrere der folgenden Schaltzustände gesteuert:
- der Schaltzustand der Fahrzeugbeleuchtung (insbesondere Scheinwerfer, Schlussleuchten und Seitenmarkierungsleuchten): bei Unterschreiten eines vorbestimmten Schwellwerts wird die Beleuchtung eingeschaltet, bei Überschreiten des vorbestimmten Schwellwerts wird die Beleuchtung ausgeschaltet.
- die Transmissionseigenschaften eines Bereichs der Verbundscheibe, der mit einem elektrisch schaltbaren oder regelbaren Funktionselement ausgestattet ist. Der besagte Scheibenbereich ist insbesondere ein schalt- oder regelbarer Blendschutz im oberen Scheibendrittel (auch bekannt als shaded band). Der Schaltzustand kann in Abhängigkeit von der absoluten Menge an Umgebungslicht geregelt werden oder auch in Abhängigkeit vom Sonnenstand, den eine ortsabhängige Messung mit mehreren Photodioden oder Lichtsensorelementen ergibt. Insbesondere bei niedrigem Sonnenstand ist der Blendschutz notwendig. Das regelbare Funktionselement kann beispielsweise ein SPD-Element ( suspended particle device) sein oder ein LC-Element {liquid crystal) oder eine elektrochromes Element.
- die Intensität (Helligkeit) von Anzeigeelementen im Fahrzeuginnenraum, beispielsweise LED-Anzeigeelementen oder OLED-Anzeigeelementen oder Projektionen mit HUD-Technik. Die Anzeigeelemente sind beispielsweise Warnleuchten oder Informationsanzeigen, insbesondere in Form von Piktogrammen oder in alphanumerischer Darstellungsweise. Im Folgenden wird die Erfindung anhand einer Zeichnung und Ausführungsbeispielen näher erläutert. Die Zeichnung ist eine schematische Darstellung und nicht maßstabsgetreu. Die Zeichnung schränkt die Erfindung in keiner Weise ein.
Es zeigen:
Fig. 1A eine Draufsicht auf eine Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Fahrzeug- Verbundscheibe,
Fig. 1 B eine Querschnittsdarstellung entlang der Schnittlinie A-A‘ durch die Fahrzeug-Verbundscheibe aus Fig. 1A,
Fig. 2A eine vereinfachte Darstellung des Ausschnitts Z aus Fig. 1A eines Ausgestaltungsbeispiels mit vier erfindungsgemäßen Lichtsensoren,
Fig. 2B eine vereinfachte Darstellung des Ausschnitts Z aus Fig. 1A eines weiteren Ausgestaltungsbeispiels mit vier erfindungsgemäßen Lichtsensoren, und Fig. 3 ein Flussdiagramm einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens.
Die Figuren 1A und 1 B zeigen je ein Detail einer erfindungsgemäßen Verbundscheibe 100 mit integriertem Lichtsensor 4 am Beispiel einer Fahrzeug- Verbundscheibe. Die Verbundscheibe 100 ist aufgebaut aus einer Außenscheibe 1 (mit einer außenseitigen Oberfläche I und einer innenraumseitigen Oberfläche II) und einer Innenscheibe 2 (mit einer außenseitigen Oberfläche III und einer innenraumseitigen Oberfläche IV), die über eine thermoplastische Zwischenschicht 3 flächig miteinander verbunden sind. Die Außenscheibe 1 und die Innenscheibe 2 bestehen beispielsweise aus Kalk-Natron-Glas und weisen beispielsweise eine Dicke von 2, 1 mm auf. Die Zwischenschicht 3 ist aus einer 0,76 mm dicken Folie aus Polyvinylbutyral (PVB) ausgebildet. Die Verbundscheibe 100 ist beispielsweise als Windschutzscheibe eines Kraftfahrzeugs vorgesehen. Es versteht sich, dass die Verbundscheibe auch eine andere Fahrzeugscheibe sein kann, beispielweise eine Dachscheibe. Die Verbundscheibe 100 ist in diesem Beispiel mit zwei Lichtsensoren 4 und beispielsweise mit zwei Photodioden 4 ausgestattet. Wie in Fig. 1 B dargestellt, weist jede Photodiode 4 an einer Seite eine lichtempfindliche Fläche 4.1 auf und an der gegenüberliegenden Seite Lötanschlüsse 4.5, über die die Photodiode 4 elektrisch kontaktierbar ist. Es versteht sich, dass die Photodioden 4 weitere hier im Detail nichtdargestellt Bestandteile aufweist, wie ein Gehäuse, in welchem ein lichtempfindlicher Halbleiterchip angeordnet ist, dessen eine Oberfläche, die lichtempfindliche Fläche 4.1 bildet. Des Weiteren ist die lichtempfindliche Fläche 4.1 üblicherweise durch eine transparente Schutzschicht bedeckt und vor mechanischer oder chemischer Beschädigung geschützt, beispielsweise vor Feuchtigkeit. Die Schutzschicht kann beispielsweise aus einer dünnen Schicht Siliziumoxid oder Siliziumnitrid bestehen.
Die Photodioden 4 sind auf einer gemeinsamen flexiblen Leiterplatte 5 angeordnet, die beispielhaft in Mitte der Verbundscheibe 100 und im Bereich der Oberkante O angeordnet ist. Es versteht sich, dass auch jeweils ein oder mehrere Lichtsensoren 4 an unterschiedlichen Stellen der Verbundscheibe 100 angeordnet sein können, beispielsweise im Bereich der Ecken der Verbundscheibe 100 und/oder an den Seitenkanten oder an der Unterkante U. Die Leiterplatte 5 ist vollständig innerhalb der Verbundscheibe angeordnet. Sie liegt direkt auf der außenseitigen Oberfläche III der Innenscheibe 2 auf und ist über die Zwischenschicht 3 mit der Außenscheibe 1 verbunden. Sie weist zwei elektrische Anschlussflächen (nicht dargestellt) auf, die mit jeweils einem Pol eines zweipoligen Flachleiters als Anschlusskabel 6 verlötet sind. Das Anschlusskabel 6 erstreckt sich aus dem Verbund über die Oberkante O hinaus. Das Anschlusskabel 6 dient der elektrischen Verbindung der Leiterplatte 5 über weitere Verbindungskabel (typischerweise Rundkabel) mit einer Auswerte- und Steuerungselektronik als Teil der Fahrzeug-Bordelektronik. Die Auswerte- und Steuerungselektronik analysiert die Signale der Photodioden 4 - so kann die Auswerte- und Steuerungselektronik beispielsweise die Fahrzeugbeleuchtung in Abhängigkeit von der durch Photodioden 4 bestimmte Menge an ortsaufgelöstem Umgebungslicht ein- beziehungsweise ausschalten, eine hier nicht dargestellte Verdunkelung regeln oder die Klimaanlage steuern. Durch die Mehrzahl an Lichtsensoren 4 kann das System unterscheiden zwischen dem Umgebungslicht, das von allen Lichtsensoren 4 im Wesentlichen mit gleicher Intensität gemessen wird, und einer lokalen Lichtquelle wie einer Straßenlaterne oder der Sonneneinstrahlung, welche von den verteilten Lichtsensoren 4 mit stark unterschiedlicher Intensität gemessen wird. Durch die erfindungsgemäße zusätzliche Winkelauflösung der erfindungsgemäßen Lichtsensoren 4 mit holographisch-optischen Elementen 11 kann auf die genaue Einfallsrichtung der Lichtquelle zurückgeschlossen werden.
Als Lichtsensoren 4 sind beispielsweise SMD-Photodioden des Typs APDS-9005 der Firma Avago Technologies geeignet. Sie weisen vorteilhaft geringe Abmessungen auf (Höhe 0,55 mm, Breite 1 ,6 mm, Tiefe 1 ,5 mm) und eine spektrale Empfindlichkeitsverteilung, die diejenige des menschlichen Auges in guter Näherung nachahmt. Das Empfindlichkeitsmaximum liegt ungefähr bei 500 nm, und im gesamten Bereich von 500 nm bis 600 nm beträgt die Empfindlichkeit mehr als 60 % des Maximalwerts bei 500 nm. Dadurch wird sichergestellt, dass die vom Lichtsensor gemessene Lichtmenge auch mit der vom Menschen als relevant eingestuften übereinstimmt.
Es versteht sich, dass hier und im Folgenden als Lichtsensor 4 auch andere Sensoren verwendet werden können, die geeignet sind sichtbare Licht oder unsichtbares infrarotes oder ultraviolettes Licht zu detektieren.
Die Leiterplatte 5 ist eine flexible Leiterplatte, umfassend eine etwa 150 pm dicke Polyimid-Folie und darauf aufgedruckte Leiterbahnen. Alle Photodioden 4 der Leiterplatte sind hier beispielsweise im Endabschnitt angeordnet, während der Zuleitungsabschnitt der Verbindung mit dem Anschlusskabel 6 dient. Am Ende des Zuleitungsabschnitts sind zwei nicht dargestellte Anschlussflächen angeordnet, die den beiden Polen des Systems an Leiterbahnen entsprechen und die jeweils mit einem Pol des zweipoligen Anschlusskabels 6 verlötet sind. Die Verbundscheibe 100 weist, wie für Windschutzscheiben üblich, einen rahmenartigen opaken Abdeckdruck 7 auf. Der Abdeckdruck 7 ist beispielsweise als aufgedruckte und eingebrannte, schwarze Emaille auf den innenraumseitigen Oberflächen II der Außenscheibe 1 ausgebildet. Die Leiterplatten 5 sind im Bereich des Abdeckdrucks 7 angeordnet, so dass sie weder von außen noch von innen sichtbar sind. Der äußere Abdeckdruck 7 auf der Außenscheibe 1 weist an den Stellen der Photodioden 4 bzw. der holographisch-optischen Elemente 11 Löcher auf, so dass Licht auf die Photodioden 4 fallen kann und die Lichtsensoren 4 ihre Funktion erfüllen können.
Im Einzelnen weist die Verbundscheibe 100 einen linken Lichtsensor 4‘ am Beispiel einer Photodiode 4‘ und einen rechten Lichtsensor 4“ am Beispiel einer Photodiode 4“ auf.
Das holographisch-optische Element 11.1 , welches dem linken Lichtsensor 4‘ zugeordnet ist, ist ein rechts-gerichtetes holographisch-optisches Element 11.1. Es ist derart ausgeführt, dass es Licht R, welches von rechts auf das holographisch optische Element 11.1 (bzw. die Außenscheibe 1 ) auftritt, derart beugt, dass es an der lichtempfindlichen Fläche 4.1 des Lichtsensors 4‘ vorbeigelenkt wird. Dies erfolgt beispielsweise für Licht aus allen Einfallswinkeln phi aus einem Einfallswinkelbereich Beta von -90° bis 0°. Der Einfallswinkel phi wird bezüglich der Orthogonalen des holographisch-optischen Elements 11.1 (welche aufgrund des Schichtaufbaus der Verbundscheibe 100 aus im Wesentlichen parallelen Schichten auch der Orthogonalen der Außenscheibe 1 der Verbundscheibe 100 entspricht) bestimmt. Das heißt, dass alles Licht mit einem Einfallswinkel phi von -90° bis 0° nicht von der lichtempfindlichen Fläche 4.1 des Lichtsensors 4‘ detektiert wird.
Das Winkelsystem ist hier auf die„Richtung“ des holographisch-optischen Elements bezogen. Da heißt, Einfallswinkel phi, die bei einem rechts-gerichteten holographisch-optischem Element 11.1 Licht R aus der Einfallsrichtung von rechts beschreiben, werden ausgehend von der Orthogonalen positiv gezählt und beschreiben den ersten Einfallswinkelbereich Alpha. Einfallswinkel phi, die bei einem rechts-gerichteten holographisch-optischem Element 11.1 Licht L aus der Einfallsrichtung von links beschreiben, werden ausgehend von der Orthogonalen negativ gezählt und beschreiben den zweiten Einfallswinkelbereich Beta.
Somit wird Licht L, welches von links auf das holographisch-optische Element 11.1 (bzw. die Außenscheibe 1 ) auftritt, derart gebeugt, dass es teilweise oder vollständig auf die lichtempfindlichen Fläche 4.1 des Lichtsensors 4‘ trifft. So kann beispielsweise Licht aus allen Einfallswinkeln phi aus einem Einfallswinkelbereich Alpha von 0° bis 45° bezüglich der Orthogonalen des holographisch-optischen Elements 11.1 zumindest teilweise auf die lichtempfindliche Fläche 4.1 des Lichtsensors 4‘ gelenkt und dort detektiert werden. Durch eine geeignete Ausführung des holographischen optischen Element 11.1 hängt die Größe des beleuchteten Anteils an der lichtempfindlichen Fläche 4.1 vom Einfallswinkel phi ab. Dadurch kann sowohl die Sensitivität der lichtempfindlichen Fläche 4.1 auf einen ersten Einfallswinkelbereich Alpha gelenkt und die Winkelauflösung im ersten Einfallswinkelbereich Alpha deutlich erhöht werden.
Der zweite, rechte Lichtsensor 4“ weist eine gespiegelte Funktion zum linken Lichtsensor 4‘ auf. Das heißt, dass die Richtung des Einfallswinkels phi und damit die Einfallswinkelbereiche Alpha und Beta vertauscht sind. Das holographisch optische Element 11.2, welches dem rechten Lichtsensor 4“ zugeordnet ist, ist ein links-gerichtetes holographisch-optisches Element 11.2. Es ist derart ausgeführt, dass es Licht L, welches von links auf das holographisch-optische Element 11.2 (bzw. die Außenscheibe 1 ) auftritt, derart beugt, dass es an der lichtempfindlichen Fläche 4.1 des Lichtsensors 4“ vorbeigelenkt wird.
Dies erfolgt beispielsweise für Licht aus allen Einfallswinkeln phi aus einem Einfallswinkelbereich Beta von -90° bis 0° bezüglich der Orthogonalen des holographisch-optischen Elements 11.2. Das heißt, dass alles Licht mit einem Einfallswinkel phi von -90° bis 0° nicht von der lichtempfindlichen Fläche 4.1 des Lichtsensors 4‘ detektiert wird. Dagegen wird Licht R, welches von rechts auf das holographisch-optische Element 11.2 (bzw. die Außenscheibe 1 ) auftritt, derart gebeugt, dass es mehr oder weniger zentral auf die lichtempfindlichen Fläche 4.1 des Lichtsensors 4‘ trifft. So kann beispielsweise Licht aus allen Einfallswinkeln phi aus einem Einfallswinkelbereich Alpha von 0° bis 45° bezüglich der Orthogonalen des holographisch-optischen Elements 11.2 zumindest teilweise auf die lichtempfindliche Fläche 4.1 des Lichtsensors 4“ gelenkt und dort detektiert werden. Durch eine geeignete Ausführung des holographischen optischen Element 11.2 hängt die Größe des beleuchteten Anteils an der lichtempfindlichen Fläche 4.1 vom Einfallswinkel phi ab, wodurch die Winkelauflösung im ersten Einfallswinkelbereich Alpha deutlich erhöht.
Figur 2A zeigt ein Anwendungsbeispiel mit vier Lichtsensoren 4‘, 4“, 4‘“, 4““ am Beispiel von vier Photodioden 4‘, 4“, 4‘“, 4““ gemäß einem Bereich Z aus der Figur 1A. Die Photodioden 4‘, 4“, 4‘“, 4““ sind dabei symmetrisch auf einer Leiterplatte 5 angeordnet. Die Photodioden 4‘, 4“, 4‘“, 4““ bilden dabei zwei Anordnungen (oder Zweier-Paare), die jeweils der Anordnung aus Figur 1 B entsprechen, wobei die erste Anordnung aus dem Paar der Photodioden 4‘ und 4“ und die zweite Anordnung aus dem Paar der Photodioden 4‘“ und 4““ besteht. Wie der Figurenbeschreibung zur Figur 1 B zu entnehmen ist, sind die Photodioden 4‘ und 4“ in ihrer Charakteristik bezüglich der Lichtbeugung spiegelsymmetrisch aufgebaut. Gleiches gilt für die Photodioden 4‘“ und 4““ der zweiten Anordnung. Des Weiteren sind die beiden Anordnungen bezüglich ihrer Charakteristik der Lichtbeugung orthogonal zueinander angeordnet. Ein derartiger Aufbau ermöglicht mit Hilfe einer geeigneten Auswertung der elektrischen Signale eine präzise Ortung einer Lichteinstrahlung innerhalb eines halbkugelförmigen Raumelements um die Außenscheibe 1.
Figur 2B zeigt eine Abwandlung des Ausgestaltungsbeispiels aus Figur 2A. Die Photodioden 4‘, 4“, 4‘“, 4““ sind dabei frei auf einer Leiterplatte 5 angeordnet. Dies ist besonders vorteilhaft, wenn noch weitere, hier nicht dargestellte, Sensoren oder Aktoren auf der Leiterplatte 5 angeordnet werden sollen oder die Leiterplatte 5 aufgrund der technischen Gegebenheiten eine besonders unregelmäßige Form aufweisen. Der Aufbau entspricht dem Aufbau aus Figur 2A, wobei in der ersten Anordnung die Photodioden 4‘ und 4“ nicht in einer Linie angeordnet sind, sondern versetzt zueinander. Gleiches gilt für die Photodioden 4‘“ und 4““. Da die Lichtquelle der Lichteinstrahlung sehr weit weg von den Photodioden 4‘, 4“, 4‘“, 4““ ist und die Photodioden 4‘, 4“, 4‘“, 4““ im Vergleich zum Abstand zur Lichtquelle sehr nahe beieinander angeordnet sind, kann auch bei diesem Aufbau eine präzise Ortung einer Lichteinstrahlung innerhalb eines halbkugelförmigen Raumelements um die Außenscheibe 1 durchgeführt werden.
Figur 3 zeigt ein Flussdiagramm eines Ausführungsbeispiels des erfindungsgemäßen Verfahrens zur Herstellung einer Verbundscheibe 100 mit einem integrierten Lichtsensor 4 mit den folgenden beispielhaften Verfahrensschritten:
S1 : Herstellen einer Leiterplatte 5 mit Lichtsensoren 4;
S2: Verbinden der Leiterplatte 5 mit einem Anschlusskabel 6;
S3: Herstellen von Vertiefungen in einer thermoplastischen Folie, die in Größe, Position und Anordnung auf die Lichtsensoren 4 abgestimmt sind;
S4: Einsetzen der Lichtsensoren 4 in die Vertiefungen der Folie;
S5: Bereitstellen einer Innenscheibe 2;
S6: Auflegen der thermoplastischen Folie mit der Leiterplatte 5 auf die Innenscheibe
2;
S7: Auflegen einer Außenscheibe 1 auf die thermoplastische Folie;
S8: Laminieren der Außenscheibe 1 und der Innenscheibe 2 zu einem Verbundglas, wobei aus der thermoplastischen Folie eine Zwischenschicht 3 entsteht. Bezugszeichenliste:
1 Außenscheibe
2 Innenscheibe
3 thermoplastische Zwischenschicht
4, 4‘, 4“, 4‘“, 4 Lichtsensor, Photodiode
4.1 strahlungssensitive Fläche, lichtempfindliche Fläche
4.5 Lötanschluss
5 Leiterplatte {printed Circuit board, PCB)
6 Anschlusskabel / Flachleiter
7 opaker Abdeckdruck
11 Holographische Schicht
11.1 , 11.3 rechts-gerichtetes holographisch-optisches Element
11.2, 11.4 links-gerichtetes holographisch-optisches Element
100 Verbundscheibe, Fahrzeug-Verbundscheibe
0 Oberkante der Verbundscheibe
U Unterkante der Verbundscheibe
I außenseitige Oberfläche der Außenscheibe 1
II innenraumseitige Oberfläche der Außenscheibe 1
III außenseitige Oberfläche der Innenscheibe 2
IV innenraumseitige Oberfläche der Innenscheibe 2
A-A‘ Schnittlinie
Alpha, Beta Einfallswinkel-Bereich
phi Einfallswinkel
R Lichteinfall von rechts
L Lichteinfall von links
Z vergrößerter Ausschnitt

Claims

Patentansprüche
1. Verbundscheibe (100), insbesondere Fahrzeug-Verbundscheibe, mindestens umfassend:
- eine Außenscheibe (1 ) und eine Innenscheibe (2), die über mindestens eine thermoplastische Zwischenschicht (3) miteinander verbunden sind und
- mindestens einen Lichtsensor (4) mit mindestens einer lichtempfindlichen Fläche (4.1 ), der zwischen der Außenscheibe (1 ) und der Innenscheibe (2) angeordnet ist,
wobei
- die lichtempfindliche Fläche (4.1 ) der Außenscheibe (1 ) zugewandt ist und
- ein holographisch-optisches Element (11 ) zwischen der lichtempfindlichen Fläche (4.1 ) und der Außenscheibe (1 ) angeordnet ist und
- das holographisch-optische Element (11 ) als ein Hologramm zur
Einfallswinkel-abhängigen Beugung eintreffenden Lichts (L, R) ausgeführt ist.
2. Verbundscheibe (100) nach Anspruch 1 , wobei das holographisch-optische Element (11 ) derart ausgeführt ist, dass es unter einem ersten Einfallswinkelbereich Alpha auf die Außenscheibe (1 ) eintreffendes Licht (L, R) mindestens teilweise auf die lichtempfindliche Fläche (4.1 ) lenkt und unter einem zweiten Einfallswinkelbereich Beta eintreffendes Licht (L, R) neben die lichtempfindliche Fläche (4.1 ) lenkt.
3. Verbundscheibe (100) nach Anspruch 1 oder 2, wobei der erste Einfallswinkelbereich Alpha alle Einfallswinkel phi von 0° bis 60°, bevorzugt von 0° bis 45° und insbesondere von 10° bis 30° und/oder der zweite Einfallswinkelbereich Beta alle Einfallswinkel phi von -90° bis 0°, bevorzugt von -60° bis -5° und insbesondere von -30° bis -10° umfasst.
4. Verbundscheibe (100) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei das holographisch-optische Element (11 ) unmittelbar auf der lichtempfindlichen Fläche (4.1 ) und/oder auf einer innenraumseitigen Oberfläche (II) der Außenscheibe (1 ) angeordnet ist.
5. Verbundscheibe (100) nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei das holographisch-optische Element folienartig ausgebildet ist und bevorzugt eine Dicke d von 10 pm bis 10000 pm, besonders bevorzugt von 10 pm bis 1000pm, noch mehr bevorzugt von 50 pm bis 500 pm und insbesondere von 100 pm bis 500 pm aufweist.
6. Verbundscheibe (100) nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei der oder die Lichtsensoren (4) auf mindestens einer Leiterplatte (5), bevorzugt auf mindestens einer flexiblen Leiterplatte, angeordnet sind.
7. Verbundscheibe (100) nach einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei die Verbundscheibe (100) mindestens zwei Lichtsensoren (4) enthält, bevorzugt genau zwei oder genau vier Lichtsensoren (4).
8. Verbundscheibe (100) nach Anspruch 7, wobei die Verbundscheibe (100) eine erste Anordnung aus zwei Lichtsensoren (4‘,4“) aufweist, deren holographisch optische Elemente (11.1 , 11.2) mit gegenläufigen Einfallswinkelbereichen angeordnet ist, und eine zweite Anordnung mit zwei Lichtsensoren 4‘“, 4““), deren holographisch-optische Elemente (11.1 , 11.2) mit gegenläufigen
Einfallswinkelbereichen angeordnet ist, aufweist, und die erste Anordnung orthogonal zur zweiten Anordnung angeordnet ist.
9. Verfahren zur Herstellung einer Verbundscheibe (100) mit einem integrierten Lichtsensor (4) nach einem der Ansprüche 1 bis 8, wobei
(a) eine Außenscheibe (1 ), eine Innenscheibe (2), mindestens eine thermoplastische Folie und die auf einer Leiterplatte (5) befindlichen Lichtsensoren (4) als Stapel angeordnet werden, so dass die Folie und die Lichtsensoren (4) zwischen der Außenscheibe (1 ) und der Innenscheibe (2) angeordnet sind. (b) die Außenscheibe (1 ) über eine aus der mindestens einen thermoplastischen Folie gebildeten Zwischenschicht (3) mit der Innenscheibe (2) durch Lamination verbunden wird.
10. Verfahren nach Anspruch 9, wobei die Folie vor Schritt (a) mit Löchern oder
Vertiefungen versehen wird, welche in Größe, Position und Anordnung auf die Lichtsensoren (4) abgestimmt sind und in welche die Lichtsensoren (4) während des Schritts (a) eingesetzt werden.
11. Verwendung einer Verbundscheibe (100) mit einem integrierten Lichtsensor (4) nach einem der Ansprüche 1 bis 8 als Fahrzeugscheibe, bevorzugt eines Fahrzeugs zu Wasser, zu Lande oder in der Luft, und insbesondere bevorzugt als Windschutzscheibe, Heckscheibe oder Dachscheibe eines Kraftfahrzeugs.
12. Verwendung nach Anspruch 11 , wobei die Lichtsensoren (4) mit einer
Auswerte- und Steuerungselektronik des Fahrzeugs verbunden sind und der Schaltzustand der Fahrzeugbeleuchtung, die Transmissionseigenschaften eines Scheibenbereichs, die Funktion einer Klimaanlage, die Helligkeit von HUD-Displays und/oder die Intensität von Anzeigeelementen im Fahrzeuginnenraum in Abhängigkeit von dem durch die Lichtsensoren (4) gemessenen Umgebungslicht gesteuert wird.
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