DE102019203230A1

DE102019203230A1 - Sensorvorrichtung umfassend ein Sensorelement und eine Abschlussscheibe

Info

Publication number: DE102019203230A1
Application number: DE102019203230.3A
Authority: DE
Inventors: Manuel Trierweiler
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2019-03-11
Filing date: 2019-03-11
Publication date: 2020-10-22
Also published as: WO2020182589A1; US20220128670A1; CN113631909A

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Sensorvorrichtung (10) umfassend ein Sensorelement (12), eine Abschlussscheibe (16), welche das Sensorelement (12) vor Umwelteinflüssen schützt, sowie eine Detektionseinrichtung (100) zur Erkennung von Verunreinigungen (110) auf der Abschlussscheibe (16), welche einen Emitter (102) zum Aussenden von Licht, Einkopplungsmittel (104) zum Einkoppeln von Licht in die Abschlussscheibe (16), Auskopplungsmittel (106) zum Auskoppeln von Licht aus der Abschlussscheibe (16) sowie einen Detektor (108) umfasst. Ferner ist vorgesehen, dass der Emitter (102) und die Einkopplungsmittel (104) derart ausgebildet und angeordnet sind, dass Licht unter einer Vielzahl von Winkeln in die Abschlussscheibe (16) eingekoppelt wird und aufgrund von Totalreflexion innerhalb der Abschlussscheibe (16) bis zu den Auskopplungsmitteln (106) propagiert und auf den Detektor (108) gelangt, wobei bei Vorliegen von Verunreinigungen (110) auf der Abschlussscheibe (16) die Totalreflexion für Licht, welches mit einem Winkel innerhalb eines vom Brechungsindex der Verunreinigungen (110) abhängigen Auslöschungsbereichs eingekoppelt wurde, zumindest teilweise ausgelöscht wird und der Detektor (108) eingerichtet ist, die Auslöschung der Totalreflexion für diese Winkel zu detektieren, und die Detektionseinrichtung (100) eingerichtet ist, aus den Winkeln, für die die Totalreflexion ausgelöscht ist, auf die Art der Verunreinigung (110) zu schließen.

Description

Die Erfindung betrifft eine Sensorvorrichtung umfassend ein Sensorelement, eine Abschlussscheibe, welche das Sensorelement vor Umwelteinflüssen schützt, sowie eine Detektionseinrichtung zur Erkennung von Verunreinigungen auf der Abschlussscheibe.
Stand der Technik
Sensorvorrichtungen wie beispielsweise Kameras oder LiDAR-Sensoren, wie sie häufig im Zusammenhang mit modernen Fahrzeugen eingesetzt werden, umfassen ein Sensorelement, welches zum Schutz vor Einflüssen aus der Umwelt mit einer Abschlussscheibe abgedeckt ist. Um die Funktionsfähigkeit dieser Sensorvorrichtung sicherzustellen, ist es erforderlich, Verschmutzungen auf der Abschlussscheibe, wie beispielsweise feste Partikel, Wasser, Schnee, Eis oder Öl auf der Abschlussscheibe zu erkennen. Im Zusammenhang mit Fahrzeugen sind Regensensoren bekannt, welche Feuchtigkeit oder allgemein Verunreinigungen auf einer Windschutzscheibe erkennen und gegebenenfalls abhängig davon einen Scheibenwischer betätigen können. Eine Charakterisierung der Art der Verunreinigung auf der Scheibe ist mit diesen Regensensoren jedoch nicht möglich.
Aus DE 10 2007 003 023 B4 ist ein optoelektronischer Sensor zur Überwachung eines Überwachungsbereichs mit einer transparenten Schutzscheibe bekannt. Zum Prüfen der Lichtdurchlässigkeit der Schutzscheibe wird mit einem Testlichtsender Testlicht in den Innenraum der Schutzscheibe eingestrahlt, wobei ein Einstrahlwinkel so gewählt ist, dass Totalreflexion auftritt. Der Innenraum der Schutzscheibe wird dadurch ausgeleuchtet, das Licht kann aber nicht aus den Flächen der Schutzscheibe austreten und einen Bildsensor des optoelektronischen Sensors nicht erreichen. Wird die Schutzscheibe an einer Stelle verschmutzt, so sind die Bedingungen der Totalreflexion an dieser Stelle nicht mehr erfüllt und Licht kann austreten und als Störlicht durch den Bildsensor erfasst werden. Alternativ zu einem Bildsensor kann gegenüber dem Testlichtsender eine Photodiode angeordnet werden, mit der der Testlichtpegel bestimmt wird. Bei sauberer Scheibe wird ein bekannter Testlichtpegel empfangen. Dieser Pegel verändert sich, wenn Testlicht aufgrund von Verschmutzungen aus der Scheibe austreten kann.
Aus DE 23 54 100 A1 ist ein Verfahren sowie eine Vorrichtung zur Registrierung und Analyse von durchsichtigen Flüssigkeiten auf einer durchsichtigen Scheibe bekannt. Licht wird über ein optisches System derart auf die Scheibe gelenkt, dass es unter einem Winkel der Totalreflexion auf die Scheibe trifft. Das total reflektierte Licht tritt durch eine Prismenplatte aus der Scheibe aus und wird durch ein optisches System auf einen Detektor fokussiert. Befinden sich verschiedene Materialien wie zum Beispiel Öl und Wasser mit einem verschiedenen Brechungsindex auf der Scheibe, so ist diesen auch jeweils ein verschiedener Grenzwinkel der Totalreflexion in Bezug auf das Scheibenmaterial zuzuordnen. Auf diese Weise ist es möglich, Flüssigkeiten aufgrund ihres verschiedenen Brechungsindex zu unterscheiden, sodass beispielsweise bei einer Scheibenwaschanlage verschiedene Reinigungsmittel eingesetzt werden können.
Aus DE 10 2014 116 709 A1 ist ein Gargerät mit einem Garraum bekannt, der einen optischen Verschmutzungssensor umfasst. Der Verschmutzungssensor weist eine transparente Sensorfläche, eine Lichtquelle und einen Lichtsensor auf. Die Sensorfläche ist Teil einer Garraumwand und die Lichtquelle sowie der Lichtsensor sind außerhalb des Garraums so angeordnet, dass Licht von der Lichtquelle schräg auf die Sensorfläche fällt und von der Sensorfläche reflektiertes Licht vom Lichtsensor empfangen wird. Durch Verschmutzungen auf der transparenten Sensorfläche wird der Brechungsindex derart verändert, dass zumindest für einen Teil des von der Lichtquelle emittierten Lichts die Totalreflexion an der Sensorfläche aufgehoben wird. Da das einfallende Licht vorzugsweise über einen breiten Winkelbereich in die Sensorfläche eingekoppelt wird, ist auch die Auskopplung über einen Winkelbereich gegeben, der bis zur Totalreflexion an der transparenten Sensorfläche reicht. Der Auskopplungswinkel wird dabei durch die optische Brechungseigenschaft des Verschmutzungsmaterials bestimmt, weshalb sich durch den Winkelbereich der ausgelöschten Totalreflexion sogar bestimmen lässt, welchen Brechungsindex das Verschmutzungsmaterial hat. Aus dieser Eigenschaft wiederum kann auf die Art des Verschmutzungsmaterials geschlossen werden.
Im Zusammenhang mit Sensorvorrichtungen, welche ein Sensorelement und eine Abschlussscheibe umfassen, welche das Sensorelement vor Umwelteinflüssen schützt, ist die Verwendung von Reinigungsvorrichtungen bekannt. So beschreibt DE 10 2018 104 007 A1 eine Vorrichtung umfassend einen Sensor, welcher ein zylindrisches Fenster beinhaltet, sowie ein Wischerblatt, das an dem Sensor befestigt ist und über einen Sichtabschnitt bewegbar ist.
Aufgrund von Verschleiß können derartige Reinigungssysteme nicht ununterbrochen arbeiten. Es ist daher wünschenswert, zu erkennen, ob und welche Verunreinigungen auf einer Abschlussscheibe einer Sensorvorrichtung vorhanden sind.
Offenbarung der Erfindung
Es wird eine Sensorvorrichtung umfassend ein Sensorelement, eine Abschlussscheibe, welche das Sensorelement vor Umwelteinflüssen schützt, sowie eine Detektionseinrichtung zur Erkennung von Verunreinigungen auf der Abschlussscheibe vorgeschlagen. Die Detektionseinrichtung umfasst einen Emitter zum Aussenden von Licht, Einkopplungsmittel zum Einkoppeln von Licht in die Abschlussscheibe, Auskopplungsmittel zum Auskoppeln von Licht aus der Abschlussscheibe sowie einen Detektor. Dabei ist vorgesehen, dass der Emitter und die Einkopplungsmittel derart ausgebildet und angeordnet sind, dass Licht unter einer Vielzahl von Winkeln in die Abschlussscheibe eingekoppelt wird und aufgrund von Totalreflexion innerhalb der Abschlussscheibe bis zu den Auskopplungsmitteln propagiert und auf den Detektor gelangt. Bei Vorliegen von Verunreinigungen auf der Abschlussscheibe wird die Totalreflexion für Licht, welches mit einem Winkel innerhalb eines vom Brechungsindex der Verunreinigungen abhängigen Auslöschungsbereichs eingekoppelt wurde, zumindest teilweise ausgelöscht. Dabei ist der Detektor eingerichtet, die Auslöschung der Totalreflexion für diese Winkel zu detektieren und die Detektionseinrichtung ist eingerichtet, aus den Winkeln, für die die Totalreflexion ausgelöscht ist, auf die Art der Verunreinigung zu schließen.
Die Sensorvorrichtung kann die Information über die Art der Verunreinigung verwenden, um eine Beurteilung betreffend die Funktionsfähigkeit der Sensorvorrichtung beziehungswiese eine Beurteilung über die Qualität der vom Sensorelement erfassten Informationen zu erstellen sowie um gegebenenfalls Gegenmaßnahmen zu ergreifen.
Bei dem Sensorelement handelt es sich um eine Vorrichtung, welche elektromagnetische Strahlung wie beispielsweise Licht oder Funkwellen verwendet, um Daten über die Umgebung der Sensorvorrichtung zu erfassen. Zum Schutz vor Umwelteinflüssen ist dieses Sensorelement mit einer Abschlussscheibe geschützt, welche für die durch das Sensorelement verwendete elektromagnetische Strahlung transparent ist. Arbeitet das Sensorelement beispielsweise unter Verwendung von Licht, so ist die Abschlussscheibe für Licht durchlässig. Befinden sich jedoch Verunreinigungen wie beispielsweise Wasser oder anderer Schmutz auf der Abschlussscheibe, so kann die Ausbreitung der elektromagnetischen Strahlung durch die Abschlussscheibe hindurch gestört sein, sodass auch die Funktion des Sensorelements gestört oder zumindest eingeschränkt wird. Neben der Abschlussscheibe kann die Sensorvorrichtung weitere Gehäuseteile umfassen, welche nicht unbedingt für die verwendete elektromagnetische Strahlung des Sensorelements transparent sein müssen.
Die Detektionseinrichtung der Sensorvorrichtung ist eingerichtet, nicht nur das Vorhandensein von Verunreinigungen zu registrieren, sondern auch zu bestimmen, um welche Art von Verunreinigungen es sich handelt. Zum Erkennen der Verunreinigung und deren Art wird Licht in die Abschlussscheibe eingekoppelt. Das Licht wird dabei von dem Emitter ausgesendet und unter Verwendung der Einkopplungsmittel in die Abschlussscheibe eingekoppelt. Das Licht wird dabei unter einer Vielzahl von Winkeln in die Abschlussscheibe eingekoppelt. Unter einer Vielzahl von Winkeln können mehrere diskrete Lichtstrahlen verstanden werden, wobei jedem dieser Lichtstrahlen ein anderer Winkel zugeordnet werden kann, es kann sich aber beispielsweise auch um einen kontinuierlichen Winkelbereich handeln, unter dem Licht in die Abschlussscheibe eingekoppelt wird. Dieser kontinuierliche Winkelbereich wird dabei von einem größten und einem kleinsten Winkel begrenzt, unter dem Licht in die Abschlussscheibe eingekoppelt wird und unter Ausnutzung der Totalreflexion innerhalb der Abschlussscheibe propagiert.
Das in die Abschlussscheibe eingekoppelte Licht wird zwischen zwei Flächen der Abschlussscheibe immer wieder total reflektiert und breitet sich auf diese Weise von der Stelle, an der das Licht in die Abschlussscheibe eingekoppelt wurde, zu einer Stelle aus, an der das Licht wieder ausgekoppelt wird. Dabei sind die Einkopplungsmittel gegenüber oder angrenzend an die Stelle angeordnet, an der das Licht in die Abschlussscheibe eingekoppelt wird und entsprechend sind die Auskopplungsmittel angrenzend oder gegenüber der Stelle angeordnet, an der das Licht aus der Abschlussscheibe wieder ausgekoppelt wird.
Das unter Verwendung der Auskopplungsmittel aus der Abschlussscheibe ausgekoppelte Licht verlässt die Auskopplungsmittel jeweils unter unterschiedlichen Winkeln, die jeweils einem Winkel entsprechen, unter dem Licht in die Abschlussscheibe eingekoppelt wurde. Das ausgekoppelte Licht wird über den Detektor registriert, wobei der Detektor unterschiedliche Winkel unterscheiden kann. Je nach Ausgestaltung des Detektors kann dieser eine unterschiedliche Anzahl von Winkelbereichen unterscheiden.
Sofern die Abschlussscheibe frei von Verschmutzungen ist, kann Licht unter jedem der eingekoppelten Winkel von der Einkopplungsstelle bis zur Auskopplungsstelle gelangen, sodass vom Detektor für alle Winkelbereiche Licht registriert wird. Für alle eingekoppelten Winkel wird das Licht jeweils an einer Grenzfläche zwischen der Abschlussscheibe und der umgebenden Luft total reflektiert.
Weist die Abschlussscheibe hingegen Verschmutzungen auf, so liegt zumindest an den verschmutzten Bereichen eine veränderte Bedingung vor. An der Position, an der sich eine Verunreinigung befindet, geht der Brechungsindex der Abschlussscheibe nicht in den Brechungsindex von Luft sondern in den Brechungsindex des jeweiligen Materials der Verschmutzung über. Je nach Wert des Brechungsindex des Materials der Verschmutzung sind somit für bestimmte Winkel, unter denen Licht in die Abschlussscheibe eingekoppelt wurde, die Bedingungen für eine Totalreflexion nicht mehr erfüllt, sodass für diese Winkel zumindest ein Teil des Lichts aus der Abschlussscheibe bereits an der Stelle der Verschmutzung aus der Abschlussscheibe ausgekoppelt wird. Nach den Fresnel-Gleichungen koppeln alle Strahlen, welche mit einem Winkel in die Abschlussscheibe eingekoppelt wurden, der kleiner ist als der Grenzwinkel der Totalreflexion, zumindest teilweise aus der Abschlussscheibe aus. Für Verunreinigungen mit einem kleinen Brechungsindex ist der Grenzwinkel der Totalreflexion kleiner als bei Verunreinigung mit einem großen Brechungsindex. Für eine Verunreinigung mit größerem Brechungsindex ist deswegen die Ausbreitung von Licht innerhalb einer Abschlussscheibe für einen größeren Winkelbereich verlustbehaftet als im Vergleich zu einer Verunreinigung mit kleinerem Brechungsindex. Die teilweise Auskopplung von Licht wird anschließend durch den Detektor registriert, wobei der Detektor für bestimmte Winkelbereiche die zumindest teilweise ausgelöschte Totalreflexion über eine Verminderung der registrierten Intensität des Lichts erkennt.
Bevorzugt ist der Emitter eingerichtet, Licht in Form eines divergenten Lichtstrahls auszusenden. In diesem divergenten Lichtstrahl sind alle Ausbreitungswinkel innerhalb des durch den divergenten Lichtstrahl vorgegebenen Kegels enthalten. Durch Einkoppeln dieses divergenten Lichtstrahls in die Abschlussscheibe wird somit auch Licht in einem kontinuierlichen Bereich von Winkeln in die Abschlussscheibe eingekoppelt und propagiert dann unter Ausnutzung der Totalreflexion innerhalb der Abschlussscheibe.
Bevorzugt ist der Emitter als eine Leuchtdiode oder als eine Laserdiode ausgestaltet.
Das vom Emitter ausgesendete Licht kann eine bestimmte Wellenlänge bzw. einen bestimmten Wellenlängenbereich aufweisen. Bevorzugt wird die Wellenlänge des vom Emitter ausgesendeten Lichts derart gewählt, dass diese eine Messung des Sensorelements der Sensorvorrichtung nicht oder möglichst gering beeinflusst. Beispielsweise kann dazu eine Wellenlänge gewählt werden, für die das Sensorelement keine oder nur eine geringe Empfindlichkeit aufweist. Alternativ oder zusätzlich kann vorgesehen sein, ein Filterelement einzusetzen, welches vor dem Sensorelement angeordnet ist und das vom Emitter ausgesendete Licht unterdrückt.
Die Einkopplungsmittel und/oder die Auskopplungsmittel sind bevorzugt als ein Prisma, als ein Hologramm, als ein optisches Gitter oder als eine angeschrägte Fläche der Abschlussscheibe ausgestaltet. Im Fall einer angeschrägten Fläche der Abschlussscheibe ist diese Fläche mit Bezug auf den Emitter beziehungsweise auf den Detektor derart angeordnet, dass diese mit Bezug zu einer Achse des Emitters beziehungsweise des Detektors nicht senkrecht angeordnet ist, sondern schräg verläuft.
Für den Fall, dass die Einkopplungsmittel beziehungsweise die Auskopplungsmittel als ein Prisma, als ein Hologramm oder als ein optisches Gitter ausgestaltet sind, können diese Mittel als ein zusätzliches Element ausgestaltet sein, welches angrenzend oder gegenüber der Abschlussscheibe angeordnet ist. Alternativ dazu können diese Einkopplungsmittel beziehungsweise Auskopplungsmittel auch direkt in die Abschlussscheibe integriert sein.
Zum Erkennen von Verunreinigungen auf der Abschlussscheibe ist es notwendig, dass der entsprechende Bereich der Abschlussscheibe, auf dem Verunreinigungen erkannt werden sollen, auf einem Bereich der Abschlussscheibe liegt, unter dem Licht vom Emitter zum Detektor propagiert. Um einen möglichst großen Bereich der Abschlussscheibe abdecken zu können, ist es bevorzugt, dass die Detektionsvorrichtung mehrere räumlich verteilte Emitter und/oder Detektoren umfasst. Durch das Vorsehen mehrerer Emitter und entsprechend mehrerer, den jeweiligen Emittern zugeordnete Detektoren, kann Licht an mehreren Stellen der Abschlussscheibe eingekoppelt und entsprechend an mehreren Stellen wieder ausgekoppelt werden. Somit breitet sich Licht ausgehend von einem Emitter zu einem der Detektoren über verschiedene Pfade aus, wobei die verschiedenen Pfade so angeordnet werden, dass zumindest die vom Sensorelement benötigte Fläche der Abschlussscheibe auf Verunreinigungen überprüft werden kann. Als vom Sensorelement benötigter Bereich der Abschlussscheibe ist dabei derjenige Teil der Abschlussscheibe gemeint, durch den der Sensor elektromagnetische Strahlung aussendet oder durch den das Sensorelement elektromagnetische Strahlung empfängt. Alternativ oder zusätzlich kann auch vorgesehen sein, zwischen einem Emitter und einem Einkopplungsmittel mindestens ein erstes optisches Element wie einen Diffusor oder eine Linse zu platzieren, um das Licht vor der Einkopplung zu beeinflussen. Über einen Diffusor kann beispielsweise das vom Emitter ausgesandte Licht über eine definierte Fläche verteilt werden.
Zusätzlich oder alternativ kann auch vorgesehen sein, dass zumindest ein Emitter und mindestens ein Detektor beweglich in der Detektionsvorrichtung aufgenommen sind, sodass der Bereich, in dem Verunreinigungen auf der Abschlussscheibe erkannt werden können, durch Verändern der Position des Emitters beziehungsweise des Detektors variiert werden kann. Bevorzugt erfolgt dazu eine Translations- oder Rotationsbewegung von Emitter und/oder Detektor.
In einer Ausführungsvariante der Sensorvorrichtung ist die Abschlussscheibe in Form eines Kreiszylinders mit einer Zylinderachse ausgestaltet. Der zumindest eine Detektor und der zumindest eine Emitter sind dabei eingerichtet, um die Zylinderachse zu rotieren. Auf diese Weise kann über einen Emitter und einen zugeordneten Detektor die Detektionsvorrichtung zumindest einen Teil der Mantelfläche des Kreiszylinders überwachen.
Bei dem Sensorelement handelt es sich bevorzugt um einen LiDAR-Sensor oder um eine Videokamera. Das Sensorelement kann jedoch ein beliebiger lichtempfindlicher Sensor sein. Im Fall eines LiDAR-Sensors ist es bevorzugt, wenn eine Sensorvorrichtung mit einer Abschlussscheibe in Kreiszylinderform gewählt wird und zur Erkennung von Verunreinigungen auf der Abschlussscheibe ein Detektor eingesetzt wird, der zumindest einen Emitter und einen Detektor aufweist, die eingerichtet sind, um die Zylinderachse der Kreiszylinderform der Abschlussscheibe zu rotieren. Dabei kann insbesondere vorgesehen sein, dass sowohl Teile des LiDAR-Sensors als auch der Emitter und der Detektor zusammen auf einer rotierenden Einheit angeordnet sind.
Bevorzugt ist der Detektor der Detektionseinrichtung als Charged-coupled Device (CCD) oder als ein Array von Fotodioden ausgeführt. Im Fall eines Arrays von Fotodioden entspricht jede der Fotodioden einem Winkelbereich, der vom Detektor erkannt werden kann. Im Fall eines CCD umfasst der Detektor eine große Anzahl von Pixeln, welche jeweils die Intensität von Licht an einer verschiedenen Position erkennen können, wobei jedem Pixel des CCD ein Winkel beziehungsweise ein kleiner Winkelbereich zugeordnet ist. Alternativ ist es möglich, dass der Detektor andere, auf optische Strahlung empfindlich reagierende Detektorelemente aufweist. Auch in diesem Fall wird jeweils ein Detektorelement zur Detektion von Lichtentität für einen bestimmten Winkelbereich vorgesehen.
Zusätzlich kann die durch das Auskopplungsmittel ausgekoppelte Strahlung über mindestens ein zweites optisches Element wie beispielsweise einer Linse derart beeinflusst werden, dass Strahlen gleicher Winkel auf die gleiche Detektorposition abgebildet werden, um die Messgenauigkeit zu erhöhen.
Bevorzugt umfasst die Sensorvorrichtung des Weiteren eine Reinigungsvorrichtung zum Reinigen der Abschlussscheibe. Diese Reinigungseinrichtung ist bevorzugt dazu eingerichtet, abhängig von der Art und/oder Menge an Verunreinigungen, welche auf der Abschlussscheibe erkannt wurden, betrieben zu werden. So ist es zum einen möglich, dass die Reinigungseinrichtung lediglich dann aktiviert wird, wenn überhaupt Verunreinigungen erkannt werden, und vollständig deaktiviert wird, wenn keinerlei Verunreinigungen auf der Abschlussscheibe erkannt werden. Des Weiteren kann vorgesehen sein, dass ein Betriebsmodus der Reinigungseinrichtung abhängig von der Art der erkannten Verunreinigung gewählt wird.
Bevorzugt umfasst die Reinigungsvorrichtung eine Sprühvorrichtung zum Auftragen einer Flüssigkeit auf die Abschlussscheibe, wobei die Reinigungseinrichtung eingerichtet ist, die Sprühvorrichtung abhängig von der Art der Verunreinigung zu betätigen. So kann beispielsweise vorgesehen sein, dass, sofern Wasser auf der Abschlussscheibe erkannt wird, keine zusätzliche Flüssigkeit aufgetragen wird und somit die Reinigungseinrichtung aktiviert wird, ohne die Sprühvorrichtung zu betätigen. Umgekehrt ist bevorzugt vorgesehen, dass bei Erkennen von trockenen Verunreinigungen die Sprühvorrichtung aktiviert wird, um die Abschlussscheibe anzufeuchten oder ein Entfernen der Verunreinigungen zu erleichtern.
Zum Entfernen von Verunreinigungen kann die Reinigungseinrichtung insbesondere eine mechanische Reinigungseinheit wie beispielsweise ein mechanisches Wischerblatt aufweisen. Um einen vorzeitigen Verschleiß dieses Wischerblatts zu vermeiden ist bevorzugt vorgesehen, dass ein trockener Betrieb des Wischerblatts vermieden wird. Das heißt, dass wenn trockene Verunreinigungen erkannt werden, das Wischerblatt ausschließlich in Kombination mit einer Sprühvorrichtung betrieben wird. Umgekehrt kann bei Erkennen von Feuchtigkeit auf der Abschlussscheibe das Wischerblatt auch ohne Betätigung der Sprühvorrichtung betrieben werden.
Bei der Flüssigkeit, welche mit der Sprühvorrichtung aufgetragen wird, kann es sich insbesondere um eine Reinigungsflüssigkeit handeln. Beispielsweise kann dazu Wasser mit einem Reinigungsmittel versetzt werden.
Die Reinigungseinrichtung kann eingerichtet sein, mehrere verschiedene Flüssigkeiten zu bevorraten und gezielt auf die Abschlussscheibe aufzutragen.
Bevorzugt ist die Abschlussscheibe aus einem Material hergestellt, welches für die elektromagnetische Strahlung, welche vom Sensorelement empfangen oder ausgesendet wird, transparent ist. Insbesondere kann für das Material für die Abschlussscheibe ein Kunststoff oder ein Glas verwendet werden, welches für die entsprechenden Bereiche des elektromagnetischen Spektrums transparent ist.
Vorteile der Erfindung
Die vorgeschlagene Sensorvorrichtung kann unter Verwendung der Detektionseinrichtung erkennen, welche Art von Verunreinigungen auf der Abschlussscheibe vorhanden sind, welche ein Sensorelement der Sensorvorrichtung vor Umwelteinflüssen schützt. Auf diese Weise ist es möglich, zu beurteilen, ob die Sensorvorrichtung funktionsfähig ist, also ob das Sensorelement der Sensorvorrichtung korrekte Daten liefern kann oder nicht. Dies ist insbesondere dann vorteilhaft, wenn die Sensorvorrichtung in sicherheitskritischen Anwendungsbereichen eingesetzt wird, wie beispielsweise bei der Erfassung des Umfelds im Betrieb eines autonomen Fahrzeugs. Die Fähigkeit, zwischen verschiedenen Arten von Verunreinigungen zu unterscheiden ist dabei wichtig, da nicht jede Verunreinigung die Funktion des Sensorelements im gleichen Maße beeinträchtigt.
Des Weiteren ist es bei Kenntnis der Art der Verunreinigungen auf der Abschlussscheibe möglich, gezielt Gegenmaßnahmen einzuleiten. In bevorzugten Ausführungsformen umfasst die Sensorvorrichtung dazu eine Reinigungseinrichtung, welche abhängig davon betrieben wird, welche Art von Verunreinigungen erkannt wurde. Werden beispielsweise Flüssigkeiten erkannt, so kann ein Wischerblatt betätigt werden, ohne dass es erforderlich ist, mit einer Sprühvorrichtung zuvor eine Reinigungsflüssigkeit aufzusprühen. Umgekehrt kann bei Vorliegen von trockenen Verunreinigungen verhindert werden, dass die Wischerblätter trocken laufen und es kann vorher eine Reinigungsflüssigkeit aufgesprüht werden.
Des Weiteren ist denkbar, abhängig von der Art der erkannten Verunreinigung jeweils eine andere Reinigungsmethode und/oder eine andere Reinigungsflüssigkeit auszuwählen, um die Verunreinigungen zu entfernen.
Durch die Einkopplung großer Winkelbereiche in die Schutzabdeckung ist die Erkennung von Verunreinigungen auf der kompletten Oberfläche der Abschlussscheibe durch die Detektionseinrichtung möglich. Gleichzeitig kann dadurch auch ein Maß für den Verschmutzungsgrad durch die Detektionseinrichtung bestimmt werden, sodass eine sinnvolle Interpretation der Messdaten der Sensorvorrichtung ermöglicht wird.
Des Weiteren ist die Wellenlänge der verwendeten Strahlung der Detektionseinrichtung frei wählbar. Somit kann diese so gewählt werden, dass Störeinflüsse durch Hintergrundlicht minimiert werden. Eine weitere Minimierung der Störeffekte kann durch Hinzufügen von Filtern erreicht werden.
Figurenliste
Ausführungsbeispiele der Erfindung werden anhand der Zeichnungen und der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigen:

1 eine schematische Darstellung einer Sensorvorrichtung mit einer Detektionseinrichtung zur Erkennung von Verunreinigungen auf einer Abschlussscheibe,
2 eine schematische Darstellung des Messprinzips,
3a und 3b eine schematische Darstellung der Ausbreitung drei verschiedener Lichtstrahlen ohne Verunreinigungen,
4a und 4b schematische Ausbreitung von drei Lichtstrahlen bei Vorliegen von einer ersten Verunreinigung,
5a und 5b die Ausbreitung von drei Lichtstrahlen bei Vorliegen einer zweiten Verunreinigung und
6 eine Sensorvorrichtung mit zylindrischer Abschlussscheibe.

Ausführungsformen der Erfindung
In der nachfolgenden Beschreibung der Ausführungsformen der Erfindung werden gleiche oder ähnliche Elemente mit gleichen Bezugszeichen bezeichnet, wobei auf eine wiederholte Beschreibung dieser Elemente in Einzelfällen verzichtet wird. Die Figuren stellen den Gegenstand der Erfindung nur schematisch dar.
1 zeigt eine schematische Darstellung einer Sensorvorrichtung 10. Die Sensorvorrichtung 10 umfasst ein Sensorelement 12, mit dem Daten über die Umgebung erfasst werden können, in der sich die Sensorvorrichtung 10 befindet. Dazu ist das Sensorelement 12 eingerichtet, elektromagnetische Strahlung zu empfangen und gegebenenfalls auch elektromagnetische Strahlung auszusenden. Das Sensorelement 12 ist in einem Gehäuse 14 angeordnet, welches mit einer Abschlussscheibe 16 verschlossen ist. Die Abschlussscheibe 16 schützt das Sensorelement 12 vor Umwelteinflüssen. Gleichzeitig erlaubt es die Abschlussscheibe 16, dass elektromagnetische Strahlung zum Sensorelement 12 gelangen kann und gegebenenfalls umgekehrt, dass elektromagnetische Strahlung, welche das Sensorelement 12 aussendet, in die Umgebung abgegeben werden kann.
Ist das Sensorelement 12 als eine optische Kamera ausgeführt, so ist die Abschlussscheibe 16 für sichtbares Licht transparent. Ist das Sensorelement 12 beispielsweise eine Infrarotkamera, so ist die Abschlussscheibe 16 für infrarotes Licht transparent und kann gegebenenfalls für sichtbares Licht intransparent sein. Ein weiteres Beispiel für ein Sensorelement 12 ist ein LiDAR-Sensor, mit dem Objekte in der Umgebung der Sensorvorrichtung 10 erkannt werden können und deren Entfernung zur Sensorvorrichtung 10 bestimmt werden kann.
Zum Erkennen von Ablagerungen auf der Abschlussscheibe 16 weist die Sensorvorrichtung 10 zudem eine Detektionseinrichtung 100 auf. Des Weiteren weist die in 1 dargestellte Ausführungsform der Sensorvorrichtung 10 eine Reinigungseinrichtung 200 auf, mit der sich Verunreinigungen 110 von der Abschlussscheibe 16 entfernen lassen.
2 zeigt schematisch die Detektionseinrichtung 100, vergleiche 1, mit der Ablagerungen 110 auf einer Oberfläche der Abschlussscheibe 16 erkannt werden können. Die Detektionseinrichtung 100 umfasst dazu einen Emitter 102, welcher beispielsweise als eine Leuchtdiode ausgestaltet ist und in die Abschlussscheibe 16 einzukoppelndes Licht 105 aussendet. Dass einzukoppelnde Licht 105 gelangt auf Einkopplungsmittel 104 und wird von den Einkopplungsmitteln 104 in die Abschlussscheibe 16 eingekoppelt. Das einzukoppelnde Licht 105 kann vor der Einkopplung durch ein erstes optisches Elemente 112 beeinflusst werden, welches zwischen dem Emitter 102 und den Einkopplungsmitteln 104 angeordnet ist. In dem in der 2 dargestellten Beispiel ist das erste optische Element 112 als ein Diffusor ausgestaltet. Das eingekoppelte Licht propagiert innerhalb der Abschlussscheibe 16 in Richtung von Auskopplungsmitteln 106 und tritt dort als ausgekoppeltes Licht 107 wieder aus. Innerhalb der Abschlussscheibe 16 propagiert das Licht unter Ausnutzung der Totalreflexion, wobei das Licht durch mehrfache Reflexion an den Oberflächen der Abschlussscheibe 16 von den Einkopplungsmitteln 104 zu den Auskopplungsmitteln 106 propagiert. Befinden sich keine Verunreinigungen 110 auf der Oberfläche der Abschlussscheibe 16, so ist der für die Totalreflexion bestimmte Grenzwinkel durch den Brechungsindex des Materials der Abschlussscheibe 16 und dem Brechungsindex der umgebenden Luft gegeben. Befindet sich jedoch eine Verunreinigung 110 auf der Oberfläche der Abschlussscheibe 16, so wird an der Stelle, an der sich die Verunreinigung 110 befindet, durch den Brechungsindex der Verunreinigung 110, der sich von dem von Luft unterscheidet, der Grenzwinkel, unter dem Totalreflexion innerhalb der Abschlussscheibe 16 möglich ist, verringert. Die Stärke der Verringerung des Grenzwinkels ist dabei abhängig von dem Brechungsindex der Verunreinigung 110. Da nun die Totalreflexion nicht mehr für alle Winkel möglich ist, unter der einzukoppelndes Licht 105 in die Abschlussscheibe 16 eingekoppelt wurde, wird nun eine Teilmenge 111 des Lichts an der Position der Verunreinigung 110 ausgekoppelt.
Durch Analyse des ausgekoppelten Lichts 107 über einen Detektor 108 kann bestimmt werden, für welche Winkel die Totalreflexion innerhalb der Abschlussscheibe 16 möglich ist und für welche Winkel nicht. Aus dieser Information kann abgeleitet werden, ob sich eine Verunreinigung 110 auf der Abschlussscheibe 16 befindet und es kann auf den Brechungsindex dieser Verunreinigung 110 geschlossen werden. Da verschiedene Substanzen unterschiedliche Brechungsindizes haben, beispielsweise weist Wasser einen Brechungsindex von ungefähr 1,33 auf und Öl üblicherweise einen Brechungsindex im Bereich von etwa 1,4-1,6 sodass allein über den Brechungsindex ein Rückschluss auf die Art der Verunreinigung 110 möglich ist. Vorteilhaft wird das ausgekoppelte Licht 107 vor Auftreffen auf den Detektor 108 durch ein zweites optisches Element 114 beeinflusst, welches in dem in 2 dargestellten Beispiel als eine Linse ausgestaltet ist.
In der 3a ist der Verlauf von drei beispielhaften Lichtstrahlen des einzukoppelnden Lichts 105 durch die Abschlussscheibe 16 skizziert. Die Einkopplungsmittel 104 sind hier beispielhaft als eine angeschrägte Fläche der Abschlussscheibe 16 ausgestaltet. Gleichfalls sind die Auskopplungsmittel 106 ebenfalls als eine angeschrägte Fläche der Abschlussscheibe 16 ausgestaltet.
In der in 3a dargestellten Situation befinden sich keinerlei Verunreinigungen 110, vergleiche 2, auf der Abschlussscheibe 16, sodass für alle drei skizzierten Strahlen des einzukoppelnden Lichts 105 Totalreflexion innerhalb der Abschlussscheibe 16 möglich ist. Bei dem ausgekoppelten Licht 107 verlassen die drei Strahlen die Abschlussscheibe 16 jeweils unter einem unterschiedlichen Winkel, sodass diese auf dem Detektor 108 jeweils an einer unterschiedlichen Detektorposition P auftreffen. Die Detektorposition P kann entsprechend einem Propagationswinkel in der Abschlussscheibe 16 zugeordnet werden.
In 3b ist ein Diagramm dargestellt, welches die Intensität I des vom Detektor 108 ermittelten ausgekoppelten Lichts 107 abhängig von der Detektorposition P darstellt. Wie der Darstellung gemäß 3b entnommen werden kann, wird für alle drei skizzierten Lichtstrahlen des ausgekoppelten Lichts 107 eine hohe Intensität I gemessen. Der kleinste Winkel, bei dem eine hohe Intensität I gemessen wird, entspricht dem Grenzwinkel der Totalreflexion, der mit dem Brechungsindex verknüpft ist. Die Position auf dem Detektor 108, welche dem Grenzwinkel entspricht, ist mit dem Bezugszeichen 116 markiert.
In 4a und der dazugehörigen 4b ist die Ausbreitung der drei Lichtstrahlen, vergleiche 3a, durch die Abschlussscheibe 16 dargestellt, wobei sich eine Verunreinigung 110 auf einer Oberfläche der Abschlussscheibe 16 befindet. Durch das Vorhandensein der Verunreinigung 110 ändert sich an der Position der Verunreinigung 110 der Grenzwinkel, unter dem Totalreflexion im Inneren der Abschlussscheibe 16 möglich ist, sodass die für die Totalreflexion erforderlichen Bedingungen nur noch für einen der drei Lichtstrahlen des einzukoppelnden Lichts 105 erfüllt ist. Dementsprechend gelangt auch nur noch einer der drei skizzierten Lichtstrahlen in Form des ausgekoppelten Lichts 107 auf den Detektor 108. Entsprechend zeigt das dazugehörige Diagramm der 4b nur noch für einen der drei Lichtstrahlen eine hohe Intensität I.
5a und die dazugehörige 5b zeigen die gleiche Situation wie in 4a und 4b, jedoch für eine zweite Verunreinigung 110', welche einen anderen Brechungsindex aufweist. Der Brechungsindex der zweiten Verunreinigung 110' erlaubt für keinen der drei skizzierten Lichtstrahlen des einzukoppelnden Lichts 105 eine Totalreflexion im Inneren der Abschlussscheibe 16, sodass von den drei skizzierten Lichtstrahlen keiner mehr auf den Detektor 108 gelangt. Entsprechend zeigt das Diagramm der Intensität I des vom Detektor 108 ermittelten Lichts der 5b für keinen der drei skizzierten Lichtstrahlen mehr eine nennenswerte Intensität I an. Die Position auf dem Detektor 108, welche dem Grenzwinkel entspricht, ist wieder mit dem Bezugszeichen 116 markiert.
In den in 3a, 4a und 5a skizzierten Fällen kann der Detektor 108 beispielsweise als ein einzeiliges CCD ausgestaltet sein, sodass der Detektor 108 entlang einer räumlichen Dimension für eine Vielzahl von Pixeln die Intensität I des jeweils eintreffenden Lichts ermitteln kann. Alternativ ist es möglich, wie beispielsweise in der 2 angedeutet, den Detektor 108 in Form von mehreren Detektorelementen 109 auszugestalten, welche beispielsweise jeweils eine Photodiode darstellen, die für Licht empfindlich ist. Jede dieser Photodioden kann dann entsprechend Licht für einen gewissen Winkelbereich ermitteln, für den Totalreflexion im Inneren der Abschlussscheibe 16 möglich ist.
6 zeigt ein Ausführungsbeispiel einer Detektionseinrichtung 100 im Zusammenhang mit einer Abschlussscheibe 16, welche in Form eines Kreiszylinders mit einer Zylinderachse 120 ausgeführt ist. Die Detektionseinrichtung 100 umfasst in diesem Beispiel einen Emitter 102 und einen Detektor 108 mit jeweils zwei Detektorelementen 109. Jedes der beiden Detektorelemente 109 kann Licht detektieren, welches unter einem bestimmten Winkelbereich in die Abschlussscheibe 16 angekoppelt wurde.
Um die gesamte Mantelfläche der Abschlussscheibe 16 mit der Detektionseinrichtung 100 abzudecken, sind sowohl der Emitter 102 als auch der Detektor 108 derart eingerichtet, dass diese um die Zylinderachse 120 rotiert werden können. Durch Rotation um die Zylinderachse 120 überstreicht ein Lichtweg 122 zwischen dem Emitter 102 und dem Detektor 108 nach und nach die gesamte Mantelfläche der kreiszylinderförmigen Abschlussscheibe 16.
Die in 6 dargestellte Ausführungsform der Detektionseinrichtung 100 ist insbesondere im Zusammenhang mit Sensorelementen 12 geeignet, welche als LiDAR-Sensor ausgestaltet sind und ebenfalls um eine Achse rotieren.
Die Erfindung ist nicht auf die hier beschriebenen Ausführungsbeispiele und die darin hervorgehobenen Aspekte beschränkt. Vielmehr ist innerhalb des durch die Ansprüche angegebenen Bereichs eine Vielzahl von Abwandlungen möglich, die im Rahmen fachmännischen Handelns liegen.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102007003023 B4 [0003]
DE 2354100 A1 [0004]
DE 102014116709 A1 [0005]
DE 102018104007 A1 [0006]

Claims

Sensorvorrichtung (10) umfassend ein Sensorelement (12), eine Abschlussscheibe (16), welche das Sensorelement (12) vor Umwelteinflüssen schützt, sowie eine Detektionseinrichtung (100) zur Erkennung von Verunreinigungen (110, 110') auf der Abschlussscheibe (16), welche einen Emitter (102) zum Aussenden von Licht, Einkopplungsmittel (104) zum Einkoppeln von Licht in die Abschlussscheibe (16), Auskopplungsmittel (106) zum Auskoppeln von Licht aus der Abschlussscheibe (16) sowie einen Detektor (108) umfasst, wobei der Emitter (102) und die Einkopplungsmittel (104) derart ausgebildet und angeordnet sind, dass Licht unter einer Vielzahl von Winkeln in die Abschlussscheibe (16) eingekoppelt wird und aufgrund von Totalreflexion innerhalb der Abschlussscheibe (16) bis zu den Auskopplungsmitteln (106) propagiert und auf den Detektor (108) gelangt, wobei bei Vorliegen von Verunreinigungen (110, 110') auf der Abschlussscheibe (16) die Totalreflexion für Licht, welches mit einem Winkel innerhalb eines vom Brechungsindex der Verunreinigungen (110, 110') abhängigen Auslöschungsbereichs eingekoppelt wurde, zumindest teilweise ausgelöscht wird und der Detektor (108) eingerichtet ist, die Auslöschung der Totalreflexion für diese Winkel zu detektieren, und die Detektionseinrichtung (100) eingerichtet ist, aus den Winkeln, für die die Totalreflexion ausgelöscht ist, auf die Art der Verunreinigung (110, 110') zu schließen.
Sensorvorrichtung (10) gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Emitter (102) eingerichtet ist, Licht in Form eines divergenten Lichtstrahls auszusenden.
Sensorvorrichtung (10) gemäß Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Emitter (102) als Leuchtdiode oder als Laserdiode ausgestaltet ist.
Sensorvorrichtung (10) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Einkopplungsmittel (104) und/oder die Auskopplungsmittel (106) als ein Prisma, als ein Hologramm, als ein optisches Gitter oder als angeschrägte Fläche der Abschlussscheibe (16) ausgestaltet sind.
Sensorvorrichtung (10) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Detektionseinrichtung (100) mehrere räumlich verteilte Emitter (102) und/oder Detektoren (108) umfasst.
Sensorvorrichtung (10) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Detektor (108) als ein CCD oder als Array von Photodioden ausgeführt ist.
Sensorvorrichtung (10) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Sensorvorrichtung (10) des Weiteren eine Reinigungseinrichtung (200) zum Reinigen der Abschlussscheibe (16) umfasst, welche abhängig von der Art der Verunreinigung (110, 110') betreibbar ist.
Sensorvorrichtung (10) gemäß Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Reinigungseinrichtung (200) eine Sprühvorrichtung zum Auftragen einer Flüssigkeit auf die Abschlussscheibe (16) umfasst, wobei die Reinigungseinrichtung (200) eingerichtet ist, die Sprühvorrichtung abhängig von der Art der Verunreinigung (110, 110') zu betätigen.
Sensorvorrichtung (10) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Abschlussscheibe (16) in Form eines Kreiszylinders mit einer Zylinderachse (120) ausgestaltet ist, wobei der Emitter (102) und der Detektor (108) eingerichtet sind, um die Zylinderachse (120) zu rotieren.
Sensorvorrichtung (10) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass das Sensorelement (12) als ein LiDAR Sensor oder als eine Videokamera ausgestaltet ist.