DE102008033204A1

DE102008033204A1 - Optischer Sensor

Info

Publication number: DE102008033204A1
Application number: DE102008033204A
Authority: DE
Inventors: Ulrich Backes
Original assignee: BCS Automotive Interface Solutions GmbH
Current assignee: BCS Automotive Interface Solutions GmbH
Priority date: 2008-07-15
Filing date: 2008-07-15
Publication date: 2010-02-04
Also published as: CN101628571A; US20100012824A1; EP2146227A3; JP2010025924A; EP2146227A2; CN101628571B; JP5537840B2; BRPI0902377A2; MX2009007532A; US8338774B2

Abstract

Ein optischer Sensor hat eine optische Platte, die flächig an eine Scheibe, insbesondere eine Windschutzscheibe eines Kraftfahrzeugs, ankoppelbar ist. Er hat ferner einen oder vorzugsweise mehrere Photoempfänger, die auf der von der Scheibe abgewandten Seite der optischen Platte angeordnet sind. Im Lichtweg vor jedem Photoempfänger ist eine optische Maske angeordnet, die lichtsperrende und lichtdurchlässige Flächenbereiche aufweist. Die lichtdurchlässigen Flächenbereiche geben jeweils einen die optische Platte durchquerenden und auf dem Photoempfänger auftreffenden Lichtweg frei, der durch die lichtsperrenden Flächenbereiche abgegrenzt wird.

Description

Die Erfindung betrifft einen optischen Sensor mit einer optischen Platte, die flächig an eine Scheibe, insbesondere eine Windschutzscheibe eines Kraftfahrzeugs, ankoppelbar ist, und wenigstens einem Photoempfänger, der auf der von der Scheibe abgewandten Seite der optischen Platte angeordnet ist. Typische Beispiele für derartige Sensoren sind Lichtsensoren zur Steuerung der Beleuchtungsanlage in Kraftfahrzeugen oder Sonnensensoren, die einen Eingangsparameter für eine Klimasteuerung liefern, oft in Kombination mit einem Regensensor zur automatischen Steuerung der Scheibenwischer.
Herkömmliche Sensoren dieser Art haben eine optische Platte, in der sowohl konvexe Linsenstrukturen als auch Lichtleiter ausgebildet sind. Die Linsen bündeln das auf der Scheibe eintreffende Licht, das dann durch die Lichtleiter auf die Photoempfänger geleitet wird. Die optische Platte mit ihren Linsen- und Lichtleiterstrukturen, die mehrfache Umlenkungen der Lichtbündel bewirken, hat eine recht komplexe dreidimensionale Form in Anpassung an die räumliche Anordnung der Photoempfänger, die gewöhnlich auf einer Leiterplatte montiert sind. Die Komplexität und der erforderliche Raumbedarf sind besonders groß, wenn der Sensor mehrere Sensoreinheiten umfaßt, beispielsweise Regensensor und Lichtsensoren.
Sehr viel geringer sind die Komplexität und der Raumbedarf bei Verwendung einer optischen Platte, in der die Linsenstrukturen Fresnel-Linsen sind. Ein solcher Sensor ist Gegenstand der unveröffentlichten DE 10 2007 036 492.1 .
Optische Sensoren haben typischerweise eine Lichtrichtungscharakteristik, die von der gewünschten Funktion abhängig ist. Regensensoren sollen möglichst nur Licht empfangen, das von einer pulsierenden Lichtquelle herrührt und an der Windschutzscheibe totalreflektiert wird. Umgebungslicht soll möglichst unterdrückt werden, weil es die Messung der regenbedingten Ereignisse nur stören kann. Lichtsensoren hingegen sollen selektiv Licht empfangen, das aus bestimmten Richtungen einfällt und die Windschutzscheibe durchquert, beispielsweise frontal aus einem schmalen Raumwinkel oder auch ungerichtet. Die gewünschte Richtungscharakteristik kann mit verschiedenen Maßnahmen erreicht werden, die aber alle aufwendig sind und zusätzlichen Raumbedarf erfordern.
Die vorliegende Erfindung, die in den beigefügten Patentansprüchen näher definiert ist, schafft einen optischen Sensor, bei dem die für die jeweilige Verwendung optimale Lichtrichtungscharakteristik mit sehr geringem Aufwand und ohne zusätzlichen Raumbedarf erzielt wird. Dazu ist im Lichtweg vor dem Photoempfänger eine optische Maske angeordnet, die lichtsperrende und lichtdurchlässige Flächenbereiche aufweist; die lichtdurchlässigen Flächenbereiche geben einen die optische Platte durchquerenden und auf dem Photoempfänger auftreffenden Lichtweg frei, der durch die lichtsperrenden Flächenbereiche abgegrenzt wird. Die optische Maske hat keinerlei Raumbedarf, sie kann unmittelbar auf der dem Photoempfänger oder den Photoempfängern zugewandten Fläche der optischen Platte aufgebracht, insbesondere aufgedruckt sein. Da die optische Maske unmittelbar im Lichtweg vor den Photoempfängern angeordnet werden kann, ist der Zutritt ungewünschter Lichtanteile zu den Photoempfängern, insbesondere im Zusammenwirken mit der Richt- oder Bündelungsfunktion der optischen Platte, praktisch ausgeschlossen.
Weitere Einzelheiten ergeben sich aus der folgenden Beschreibung einer beispielhaften Ausführungsform der Erfindung unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen. In den Zeichnungen zeigen:
1 eine schematische Schnittansicht eines optischen Sensors mit zwei Sensoreinheiten;
1a die Richtwirkungscharakteristik der einen Sensoreinheit des optischen Sensors in 1;
1b die Richtwirkungscharakteristik der anderen Sensoreinheit des optischen Sensors in 1; und;
2 eine schematische Perspektivansicht einer Sensoreinheit.
Der in 1 schematisch dargestellte optische Sensor ist zur Montage an der Innenseite einer Windschutzscheibe 1 bestimmt und beinhaltet zwei Sensoreinheiten. Die Ankopplung des Sensors an der Fläche der Windschutzscheibe 1 erfolgt mittels einer transparenten Koppelschicht 2, bei der es sich z. B. um transparentes Gummi oder ein Gel handelt. Wesentlicher Bestandteil des Sensors ist eine optische Platte 3, die aus transparentem Kunststoff besteht. Die optische Platte 3 trägt auf ihrer von der Windschutzscheibe 1 abgewandten Fläche eine optische Maske 4, die aus gerasterten lichtsperrenden und lichtdurchlässigen Flächenbereichen besteht. Mittels einer transparenten Koppelschicht 5 sind an die optische Platte 3 und die optische Maske 4 zwei Photoempfänger 6a, 6b angekoppelt.
Bei der in 1 gezeigten Ausbildung des Sensors haben die Windschutzscheibe 1, die Koppelschichten 2 und 5 sowie die optische Platte 3 alle den gleichen Brechungsindex. Folglich werden Lichtbündel, die auf der Windschutzscheibe auftreffen, geradlinig auf die lichtempfindlichen Flächen der Photoempfänger 6a, 6b durchgeleitet. Der Lichtdurchtritt wird jedoch durch die optische Maske 4 begrenzt, wie in 2 veranschaulicht. Die Lichtdurchlässigen Flächenbereiche der Maske 4 bilden Durchtrittsfenster, die von den lichtsperrenden Flächenbereichen begrenzt sind. Bei der in 2 gezeigten Ausführungsform sind de Rasterelemente kleine Quadrate. Die Kantenlänge der Quadrate ist -entgegen der schematischen Darstellung in 2 – sehr viel kleiner als die Ausdehnung der lichtempfindlichen Fläche der Photoempfänger. Auf diese Weise ergibt sich ein geglätteter Verlauf der Richtungscharakteristik, wie in den 1a und 1b für zwei Strahlenbündel 20a und 20b dargestellt, die auf den Photoempfängern 6a bzw. 6b auftreffen.
In 2 ist die Funktion der optischen Maske verdeutlicht. Ein Lichtstrahl 10a, der punktiert dargestellt ist, trifft auf lichtsperrende Flächenbereiche der Maske und wird absorbiert. Ein Lichtstrahl 10b, der mit durchgezogener Linie dargestellt ist, trifft auf lichtdurchlässige Flächenbereiche der Maske 4 und wird zum Lichtempfänger 6 durchgelassen.
Die erste Sensoreinheit in 1 enthält den Photoempfänger 6a, die zweite den Photoempfänger 6b. Beide Sensoreinheiten erfassen Umgebungslicht, das auf die Windschutzscheibe trifft. Jedoch hat die erste Sensoreinheit die Richtcharakteristik 20a in 1a, und die zweite Sensoreinheit hat die Richtcharakteristik 20b in 1b.
In praktischen Ausführungsformen umfaßt der Sensor weitere, hier nicht dargestellte Sensoreinheiten, insbesondere einen Regensensor. Dieser benötigt Linsenstrukturen zur Bündelung eines an der Windschutzscheibe totalreflektierten Lichtbündels aus einer pulsierenden Lichtquelle. Die erforderlichen Linsenstrukturen werden als Fresnel-Linsen
durch Prägung der optischen Platte 4 ausgeführt. Die Fresnel-Linsen wirken mit der optischen Maske zusammen, die nur nützliche Lichtstrahlen durchtreten läßt und die Photoempfänger so gegen Zutritt von Fremdlicht abschirmt.
Der Sensor mit mehreren Sensoreinheiten ist äußerst kompakt aufgebaut. Trotz der komplexen Funktionen des Sensors ist dieser sehr kostengünstig herstellbar und überdies leicht an die jeweiligen Forderungen besonderer Anwendungen anpassbar, indem die optische Maske entsprechend mit lichtsperrenden und lichtdurchlässigen Flächenbereichen aufgebracht wird, z. B. durch Bedrucken einer Fläche der optischen Platte oder durch Aufkleben einer Folie.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

- DE 102007036492 [0003]

Claims

Optischer Sensor mit einer optischen Platte, die flächig an eine Scheibe, insbesondere eine Windschutzscheibe eines Kraftfahrzeugs, ankoppelbar ist, und wenigstens einem Photoempfänger, der auf der von der Scheibe abgewandten Seite der optischen Platte angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, dass im Lichtweg vor dem Photoempfänger eine optische Maske angeordnet ist, die lichtsperrende und lichtdurchlässige Flächenbereiche aufweist, und dass die lichtdurchlässigen Flächenbereiche einen die optische Platte durchquerenden und auf dem Photoempfänger auftreffenden Lichtweg freigeben, der durch die lichtsperrenden Flächenbereiche abgegrenzt wird.
Optischer Sensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die optische Platte Fresnel-Linsenstrukturen aufweist.
Optischer Sensor nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die optische Maske zwischen der optischen Platte und dem Photoempfänger angeordnet ist.
Optischer Sensor nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die optische Maske flächig auf der dem Photoempfänger zugewandten Seite der optischen Platte aufgebracht ist.
Optischer Sensor nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die optische Maske auf der dem Photoempfänger zugewandten Fläche der optischen Platte aufgedruckt ist.
Optischer Sensor nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Photoempfänger über eine optische Koppelschicht an die optische Platte angekoppelt ist.
Optischer Sensor nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass mehrere Sensoreinheiten mit unterschiedlicher Lichtrichtungscharakteristik durch mehrere auf derselben Seite der optischen Platte angeordnete Photoempfänger und zugeordnete lichtdurchlässige Flächenbereiche der optischen Maske gebildet sind.
Optischer Sensor nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die mehreren Sensoren einen Regensensor und zwei Lichtsensoren mit unterschiedlicher Lichtrichtungscharakteristik bilden.
Optischer Sensor nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die lichtsperrenden Flächenbereiche durch eine opake Schicht gebildet sind, aus der die lichtdurchlässigen Flächenbereiche ausgespart sind.
Optischer Sensor nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die lichtsperrenden und die lichtdurchlässigen Flächenbereiche eine Rasterstruktur aufweisen.
Optischer Sensor nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Rasterstruktur aus Rasterelementen besteht, deren Flächeninhalt klein gegenüber dem Flächeninhalt der lichtempfindlichen Fläche des Photoempfängers ist.
Optischer Sensor nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Rasterelemente quadratisch sind.