DE102006039034A1

DE102006039034A1 - Anordnung zur Detektion von Regen, Schmutz und Umgebungslicht

Info

Publication number: DE102006039034A1
Application number: DE200610039034
Authority: DE
Inventors: Nico Correns; Felix Dr. Kerstan; Christoph Dr. Nieten; Dietrich Dr. Martin
Original assignee: Carl Zeiss AG
Current assignee: Carl Zeiss AG
Priority date: 2006-08-19
Filing date: 2006-08-19
Publication date: 2008-02-21

Abstract

Die Erfindung betrifft einen Sensor zur Detektion von Niederschlag und Schmutz auf der Außenseite eines optisch durchlässigen Körpers (Windschutzscheibe 1), wobei der Sensor auf der Innenseite des durchlässigen Körpers angeordnet ist und mindestens ein Sendeelement (Lichtquelle 5) und mindestens ein Empfangselement (Fotodetektor 8) besitzt, die derart zueinander angeordnet sind, daß das Licht der Sendeelemente einerseits über eine Reflexion an der Außenseite des optisch durchlässigen Körpers in mindestens eines der Empfangselemente gelangt und andererseits durch Streuung an Objekten auf der Außenseite des optisch durchlässigen Körpers in eines der Empfangselemente gelangt, wobei mindestens eines der Empfangselemente eine spektrale Detektion der Signale bei mindestens drei verschiedenen Wellenlängen erlaubt.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft einen Sensor zur Detektion von Niederschlag, wie Regen, Tau, Schnee sowie Schmutz und Eis, auf der Außenseite eines optisch durchlässigen Körpers, sowie Umgebungslicht, welches durch den optisch durchlässigen Körper dringt, wobei der Sensor auf einer Innenseite des durchlässigen Körpers angebracht ist.
Sensoren zur Detektion von Regen, Schmutz und Eis sind aus dem Kraftfahrzeugbereich in unterschiedlichen Ausführungsformen bekannt. Diese basieren auf optischen Sensoren, bei denen das Licht, das von Sendelementen ausgestrahlt wird, an der Außenseite der Scheibe reflektiert wird und dann in ein Empfangselement gelangt. Zusätzlich wird, wie in EP 0910525 beschrieben, Licht zur Bewertung von Umgebungszuständen herangezogen, das an Objekten (wie Regentropfen, Eis, Schmutzpartikel) auf der Außenseite der Scheibe gestreut wird. Zur Unterdrückung der Störeinflüsse durch das Umgebungslicht werden die Beleuchtungselemente meist im Pulsbetrieb verwendet, um anhand des Differenzsignals eine Aussage über die reflektierenden bzw. streuende Eigenschaft von Objekten auf einer Scheibe zu erhalten.
Problem der bekannten Anordnungen zur Detektion ist die Unterscheidung von Regen, Schmutz und anderen Zuständen auf einer Scheibe und die Ableitung einer angemessenen Reaktion (Betätigung des Scheibenwischers, Scheibenwischer mit Spritzwasser). Bekannte Sensoren, die in DE 101 17 397 A1 und DE 103 11 800 A1 beschrieben sind, verwenden getrennte Detektionskanäle zur Unterscheidung der Zustände sowie einen Meßzyklus, in dem die verschiedenen Kanäle sequentiell angesteuert werden. Die Schwierigkeit bei der Unterscheidung der verschiedenen Umgebungszustände liegt darin, eine Zuordnung der Meßgrößen von Änderungen der Intensitäten für reflektiertes und gestreutes Licht und der Verhältnisse der Intensitäten zueinander zu den verschiedenen Zuständen zu finden.
Sensoren zur gleichzeitigen Detektion von Zuständen auf einer Scheibe und einer Beurteilung von Umgebungslicht sind ebenfalls im Fahrzeugbereich bekannt (z. B. EP 1 514 750 ). Die Ansätze beruhen darauf, die Intensität des Umgebungslichtes photometrisch zu bewerten. Zur Berücksichtigung der spektralen Empfindlichkeit des menschlichen Auges werden meist Filterelemente vor dem Sensor verwendet, um diese Empfindlichkeit nachzubilden.
Schwäche der bekannten Lösungen ist, daß eine Unterscheidung von Regen, Eis, Schnee, Schmutz oder einer Wasserschicht nicht möglich ist. Ansätze, die auf dem Prinzip der totalen internen Reflexion (TIR) beruhen, können lediglich einen plötzlichen Signalabfall beobachten, ohne die genaue Ursache dafür bestimmen zu können. Auch bei den anderen Umsetzungen ist eine Detektion von Schmutz und Eis oder eine Trennung von Regen nicht möglich. Dies ist jedoch wünschenswert, um eine angepaßte Steuerung der Wischelemente und eine eventuelle Zugabe von Spritzwasser durchführen zu können (um beispielsweise ein Verschmieren der Scheibe zu verhindern bzw. zu beheben).
Des Weiteren können Regensensoren über eine Bestimmung des Zustandes der Scheibe hinaus noch Aussagen über das Umgebungslicht treffen, wie beispielsweise in EP 1514 750 A2 beschrieben. Den vorhandenen Lichtsensoren ist gemeinsam, daß lediglich die Helligkeit von Umgebungslicht detektiert werden kann; eine Aussage darüber, ob es sich um natürliches Licht oder Kunstlicht handelt, ist nicht möglich. Dies ist aber beispielsweise in Tunneln von großer Bedeutung, da hier zwar das umgebende Licht hell ist, der Gesetzgeber aber das Einschalten der Scheinwerfer vorschreibt. Vorhandene Systeme sind mit solchen Anforderungen zur Zeit überfordert, da eine Unterscheidung zwischen natürlichem und künstlichem Licht nicht möglich ist.
Problem der bekannten Anordnungen ist die Unterscheidung verschiedener Umgebungslichtzustände, insbesondere die Unterscheidung zwischen natürlichem Licht und Kunstlicht. Es gibt Ansätze, die zwei photometrische Sensoren verwenden, die in zwei verschiedenen Spektralbereichen empfindlich sind ( EP 1 196 306 ). Anhand des Verhältnisses der integrierten Leuchtdichten im visuellen und infraroten Spektralbereich wird unterschieden, ob das Umgebungslicht natürlichen Ursprungs ist (die Sonne besitzt einen signifikanten IR-Anteil) oder künstlich ist (hier dominieren meist die Intensitäten im visuellen Bereich).
Schwierigkeit bei allen Lichtsensoren – insbesondere solcher, die mit Regensensoren kombiniert sind – bleibt jedoch die sichere Unterscheidung zwischen natürlichem und künstlichem Licht und damit eine gesicherte Ansteuerung der Scheinwerfer eines Fahrzeugs. Ursache hierfür sind die zahlreichen unterschiedlichen künstlichen Beleuchtungsquellen, die nicht alle anhand ihres Anteils an Infrarotstrahlung ihres Spektrums erkannt werden können. Der erfindungsgemäße Sensor überwindet dieses Problem durch eine spektroskopische Analyse des Umgebungslichtes. Während das Sonnenlicht ein breites Lichtspektrum besitzt (Planckscher Strahler), wird die Emission von Lampen durch schmale Spektrallinien dominiert. Insbesondere im Dämmerungsfall, wenn sowohl Sonnenlicht (direkt oder indirekt, spektral verändert je nach Bewölkung) als auch Emission von Straßenlaternen auf den Sensor fallen, ist mit Empfangselementen nach dem Stand der Technik eine Beurteilung der Lichtverhältnisse schwierig, da sich die beiden Signale überlagern – auch der Ansatz nach EP 1 196 306 kann diese Schwierigkeit nicht überwinden, da zwei Spektralbereiche nicht ausreichen, um eine Trennung und Unterscheidung der Lichtquellen durchzuführen.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, die Treffsicherheit bei der Detektion von Umgebungszuständen einer Glas-Luft-Trennfläche, die zum Beispiel durch Regen, Tau, Schnee oder Eis verschmutzt sind, zu verbessern, sowie eine Ermittlung der Art des Umgebungslichtes zu realisieren.
Die Lösung der Aufgabe gelingt mit den Merkmalen des Anspruchs 1. Die Merkmale der Unteransprüche 2 bis 6 sind vorteilhafte Ausgestaltungen des Hauptanspruchs.
Der Sensor weist mindestens ein optisches Sendeelement sowie mindestens ein optisches Empfangselement auf, wobei das Empfangselement derart ausgebildet ist, daß es eine spektrale Detektion der Signale bei mindestens drei verschiedenen Wellenlängen erlaubt. Dabei sind die Sende- und Empfangselemente derart zueinander angeordnet, dass das Licht, das aus einer Sendeeinheit auf die Außenseite des optisch durchlässigen Körpers gelangt, entweder über Reflexion oder über Streuung durch Objekte auf der Außenseite des optisch durchlässigen Körpers in das mindestens eine Empfangselement gelangt.
Durch die spektrale Charakteristik des reflektierten und gestreuten Lichtes an Wassertropfen, Schmutz oder anderen Objekten auf der Außenseite der Scheibe ist es möglich, die verschiedenen Zustände anhand ihres Signalspektrums zu unterscheiden und eine angemessene Reaktion (Betätigung des Scheibenwischers, Scheibenwischer mit Spritzwasser) hervorzurufen.
Die verschiedenen Objekte auf einer Scheibe besitzen ganz unterschiedliche spektrale Abhängigkeiten für gestreutes und reflektiertes Licht. Anhand des Spektrums lassen sich farblose Wassertropfen von weißem oder braunem Schmutz unterscheiden. Die Kennzeichnung verschiedener Zustände wird dabei erfindungsgemäß durch eine direkte Messung der reflektierenden und streuenden Eigenschaften von zu charakterisierenden Objekten auf der Scheibe durchgeführt Die Messung ist damit unabhängig vom verwendeten optisch durchlässigen Material.
Weiterhin ist das mindestens eine Empfangselement derart ausgebildet, dass es sowohl die von einem Sendelement erzeugte und an der Außenseite des optisch durchlässigen Körpers reflektierten oder gestreuten Lichtstrahlen empfängt, als auch Umgebungslicht detektiert, welches außerhalb der Sensoranordnung vorhanden ist und durch den optisch durchlässigen Körper dringt. Das Problem der Unterscheidung verschiedener Umgebungslichtzustände wird dadurch gelöst, daß die detektierten Signale des von außerhalb der Windschutzscheibe anfallenden Lichts spektral ausgewertet werden. Gegenüber dem Stand der Technik ergibt sich der Vorteil, dass die verschiedenen Umgebungslichtzustände nicht anhand von Verhältnissen der gemessenen integralen Intensitäten von gestreutem oder reflektiertem Licht unterschieden werden.
Die genauen Winkel, unter denen die Windschutzscheibe als Meßfläche beleuchtet wird und unter denen eine Detektion des Signals stattfindet, sind relativ frei wählbar. Entscheidend ist lediglich, daß man sowohl ein direkt reflektiertes Signal als auch gestreute Informationen gewinnen kann. Die beiden Signale, in Reflexion und in Streuung, bieten im Zusammenspiel die besten Möglichkeiten zur Trennung der verschiedenen Umgebungszustände und zur Bestimmung der Art des Umgebungslichts.
Aufgrund der Wahl des spektroskopischen Ansatzes zur Bestimmung der Umgebungszustände ist es sowohl möglich, eine Unterscheidung von Regen, Tau, Schmutz, Schnee oder Eis vornehmen zu können, als auch das Umgebungslicht auf seinen natürlichen oder künstlichen Ursprung hin zu untersuchen. Basierend auf einer derartigen Analyse der Umgebungszustände werden angepaßte Aktionen am Fahrzeug vorgenommen, welche die Fahrsicherheit zu verbessern.
Erst eine spektrale Analyse des Umgebungslichtes erlaubt eine sichere Erkennung von Sonnenlicht (unter Berücksichtigung verschiedener Wetterverhältnisse) und Kunstlichtquellen (und ihrer charakteristischen spektralen Intensitätsverteilung) und eine Bewertung der verschiedenen Beleuchtungssituationen und somit eine angepaßte Steuerung der Scheinwerfer.
Die Erfindung wird nachfolgend an Hand von Figuren beschrieben. Es zeigen:
1: Sensor mit zwei Lichtquellen und einem Empfänger
2: Sensor mit einer Lichtquelle und zwei Empfängern
3: Reflexions- und Streulichtspektren einer sauberen Scheibenoberfläche
4: Reflexions- und Streulichtspektren einer mit Nieselregen belegten Scheibenoberfläche
5: Reflexions- und Streulichtspektren einer mit Regentropfen belegten Scheibenoberfläche
6 Spektrum des natürlichen Tageslichts
7 Spektrum einer Kunstlichtquelle
Eine sichere Unterscheidung der verschiedenen möglichen Umgebungszustände ist erst bei einer Verwendung von mehr als einem Beleuchtungs- oder Detektionskanal möglich: In einem optischen Aufbau werden also mindestens ein Strahlung emittierendes Element und mindestens ein Strahlung detektierendes Element so angeordnet, daß zwischen einem mindestens einem strahlungsemittierendem Element und strahlungsdetektierendem Element eine direkter reflektiver Kontakt besteht und zwischen dem mindestens einem anderen Strahlung emittierenden und Strahlung detektierenden Element kein direkter reflektiver Kontakt besteht. Dies bedeutet, daß mindestens drei Teilstrahlengänge existieren.
In 1 und in 2 sind zwei Ausführungsbeispiele dargestellt. Eine Innenseite einer Windschutzscheibe 1 steht in Kontakt mit einem Optischen Element zur Strahlungsein- und Strahlungsauskopplung 2. Das Optische Element zur Strahlungsein- und Strahlungsauskopplung 2 ist ein prismenförmiges Teil, welches die drei Teilstrahlengänge realisiert. Über strahlbündelnde Linsen 5 werden entweder Lichtbündel aus Lichtquellen 5 eingekoppelt oder Licht wird auf Fotodetektoren 8 konzentriert. Diese Bauteile sind von einem Sensorgehäuse 8 umgeben, welches noch eine elektronische Steuerung 6 enthält. Zwischen dem Fotodetektor 8 und der Linse 4 ist eine Blende 9 im Lichtweg angeordnet.
In 1 ist ein optischer Aufbaus zur spektroskopischen Zustandsbestimmung der Umgebung mit zwei Einkoppelkanälen und einem Detektionskanal gezeigt, wobei die Beleuchtungskanäle in einem Winkel von 45° zueinander angeordnet sind.
Das Licht aus dem schräg stehenden Kanal wird über den Glas-Luft-Übergang in den Detektionskanal gespiegelt wird, während das Licht des senkrecht stehenden Kanals wird nicht auf direktem Weg in den Detektionskanal, durch Streuung an der Windschutzscheibe 1, eingekoppelt.
2 zeigt den optischen Aufbau zur spektroskopischen Zustandsbestimmung der Umgebung mit einem Einkoppelkanal und zwei Detektionskanälen, wobei die Detektionskanäle in einem Winkel von 45° angeordnet sind. Das Licht aus der Beleuchtung wird über den Glas-Luft-Übergang direkt in den schräg stehenden Detektionskanal eingespiegelt, während kein Licht der Beleuchtung auf direktem Weg in den senkrecht stehenden Detektionskanal eingekoppelt wird.
Mit den in den beiden 1 und 2 dargestellten Anordnungen lassen sich sowohl Angaben über die durch die Umgebung hervorgerufenen Änderungen des Reflexionsvermögens als auch über die Streuwirkungen gewinnen. Eine Kombination der beiden Daten ist am besten dazu geeignet, eine Unterscheidung der verschiedenen Umgebungszustände zu erhalten.
Zur Bestimmung von natürlichem oder künstlichem Umgebungslicht wird lediglich einer der Detektionskanäle benötigt. Der Fotodetektor 8 nimmt eine spektrale Messung des durch die Windschutzscheibe 1 einfallenden Lichts vor, wobei die Lichtquelle 5 nicht in Betrieb ist.
3 zeigt den Verlauf der Reflexion R und der Streuung S in Abhängigkeit von der Wellenlänge einer sauberen Windschutzscheibe. Im Vergleich dazu werden in 4 die Verläufe für Nieseln und in 5 für Regen dargestellt.
Zu erkennen sind die deutlichen Intensitätsunterschiede beider Messungen in Reflexion und in Streuung sowie zwischen den einzelnen Niederschlagsarten.
6 zeigt den von einem Sensor 9 gemessenen Intensitätsverlauf von natürlichem Tageslicht und 7 zeigt diesen für Kunstlicht.

1: (Windschutz-)Scheibe
2: Optisches Element zur Strahlungsein- und Strahlungsauskopplung
3: Optikfassung
4: Linse
5: Lichtquelle
6: Elektronische Steuerung
7: Sensorgehäuse
8: Fotodetektor
9: Blende
10: Meßfleck

Claims

Sensor zur Detektion von Niederschlag und Schmutz auf der Außenseite eines optisch durchlässigen Körpers (Windschutzscheibe 1), wobei der Sensor auf der Innenseite des durchlässigen Körpers angeordnet ist und mindestens ein Sendeelement (Lichtquelle 5) und mindestens ein Empfangselement (Fotodetektor 8) besitzt, die derart zueinander angeordnet sind, daß das Licht der Sendeelemente – einerseits über eine Reflexion an der Außenseite des optisch durchlässigen Körpers in mindestens eines der Empfangselemente gelangt und – andererseits durch Streuung an Objekten auf der Außenseite des optisch durchlässigen Körpers in eines der Empfangselemente gelangt, – wobei mindestens eines der Empfangselemente eine spektrale Detektion der Signale bei mindestens drei verschiedenen Wellenlängen erlaubt.
Sensor nach Anspruch 1, wobei ein Empfangselement zur Detektion von Umgebungslicht dient, welches durch eine Außenseite eines optisch durchlässigen Körpers auf ein Empfangselement einfällt.
Sensor nach Anspruch 1 oder Anspruch 2, wobei zwei Sendeelemente in einem Winkel zwischen 10° und 80° zueinander angeordnet sind und das eine Empfangselement Licht eines der Sendeelemente durch Reflexion an dem optisch durchlässigen Körper empfängt.
Sensor nach Anspruch 1 oder Anspruch 2, wobei ein Sendeelement in einem Winkel zwischen 10° und 80° zur Normalen auf den optisch durchlässigen Körper einstrahlt und zwei Empfangselemente in einem Winkel zwischen 10° und 80° zueinander angeordnet sind, wobei eines der Empfangselemente Licht des einen Sendeelementes durch Reflexion an dem optisch durchlässigen Körper empfängt.
Sensor nach Anspruch 1 oder Anspruch 2, wobei das Empfangselement ein Fotodetektor ist, der die Lichtanteile aus dem Sichtbaren Spektralbereich bis hin zum Infraroten Spektralbereich empfängt.
Sensor nach Anspruch 1 oder Anspruch 2, wobei die detektierten Signale einer Steuerung zugeführt werden und zur Steuerung von Scheibenwischer und/oder Klimaanlage und/oder Fensterheber und/oder Schiebdach und/oder Fahrzeugbeleuchtung dienen.