DE4337835B4

DE4337835B4 - Meßvorrichtung

Info

Publication number: DE4337835B4
Application number: DE19934337835
Authority: DE
Inventors: Gerd Reime
Original assignee: Valeo Schalter und Sensoren GmbH
Current assignee: Valeo Wischersysteme GmbH
Priority date: 1993-11-05
Filing date: 1993-11-05
Publication date: 2008-05-15
Anticipated expiration: 2013-11-06
Also published as: DE4337835A1

Abstract

Messvorrichtung mit einer Leuchtdiode (10), deren emittierte Strahlung in eine für eine bestimmte Strahlung durchlässige Platte oder Scheibe (11) in eine Totalreflexionsstrecke (11a) innerhalb der Platte oder Scheibe (11) einleitbar ist,
wobei
– die Strahlung der Leuchtdiode (10) unmittelbar von der Leuchtdiode (10) in die der Leuchtdiode (10) zugewandte Oberfläche (11c) der Platte oder Scheibe (11) einkoppelbar ist, und
– die Leuchtdiode (10) ein Abdeckelement (13, 14) umfasst, das verhindert, dass Strahlung auf der von der Leuchtdiode (10) abgewandten Oberfläche der Platte oder Scheibe (11) austritt, indem dieses Abdeckelement (13, 14) den Austritt von solcher Strahlung aus der Leuchtdiode (10) unterbindet, die unter einem Winkel in die Platte oder Scheibe (11) eintreten würde, der kleiner ist als der Grenzwinkel für Totalreflexion in der Platte oder Scheibe (11).

Description

Die Erfindung betrifft eine Meßvorrichtung nach dem Oberbegriff des Anspruches 1.
Vielfach ist bereits versucht worden, in durchlässigen Platten, Wänden oder auch Schichten Strahlung einzukoppeln, um in Abhängigkeit von der eingekoppelten Strahlung Meßergebnisse zu erzielen. Dabei werden meist die Ergebnisse der Reflexion an den Grenzflächen dazu benutzt Daten zu ermitteln, die anschließend ausgewertet werden. Z.B. besteht dadurch die Möglichkeit, eine Benetzung der Außenfläche der Schicht festzustellen, da sich das Reflexionsbild in Abhängigkeit der Benetzung ändert.
Zum Beispiel ist es aus der DE 37 14 800 A1 bekannt, eine Strahlung von einer Leuchtdiode in einen Lichtwellenleiter einzuleiten, wobei auf der einen Seite des Lichtwellenleiters die Leuchtdiode und auf der anderen Seite eine Fotodiode angeordnet ist, um die Ergebnisse einer Totalreflexion zu messen. Die Strahlung wird von der Leuchtdiode über einen Luftraum auf das Ende des Lichtwellenleiters und in Längsrichtung des Lichtwellenleiters gerichtet. Die hierfür erforderliche Halterung der Leuchtdiode und durch den Abstand der Leuchtdiode vom Lichtwellenleiter bedingte Bauhöhe, fällt bei der dortigen Meßvorrichtung nicht weiter ins Gewicht, ist jedoch bei einem beispielsweise an einer Windschutzscheibe anzuordnenden Sensor unerwünscht.
Ebenso ist es aus der DE 42 15 165 A1 bekannt, ein Raster-Scanning-Spektralphotometer herzustellen, bei dem die Strahlung in Längsrichtung eines Lichtwellenleiters geführt, dann jedoch vor Einkopplung in das eigentliche Lichtübertragungselement über eine Sammel linse gebündelt werden muß. Die Einkopplung in Längsrichtung des Lichtwellenleiters erleichtert zwar die Unterbringung der Strahlungsquellen, erhöht jedoch auch hier die Größe des gesamten Sensors in einer Weise, die bei einem Einsatz als Wasser- oder Feuchtigkeitssensor unerwünscht ist.
In Übertragung der bekannten Einkopplung in Richtung des Lichtwellenleiters wurde auch schon versucht, die Strahlung durch helle Lichtquellen quer zum Lichtwellenleiter einzukoppeln. Gerade beim Einsatz eines Wasser- oder Feuchtigkeitssensors treten bei einem Einsatzzweck, z.B. an der Windschutzscheibe von Kraftfahrzeugen jedoch Blendungen anderer Verkehrsteilnehmer auf. Insofern sind diese hellen Strahlungsquellen in unveränderter Form zunächst wenig geeignet. Es wurden aber auch bereits Versuche unternommen, das Licht von Leuchtdioden in derartige Schichten, Platten oder Wände einzukoppeln. Diese Versuche fanden meist mit hinsichtlich ihrer Helligkeit selektierten Leuchtdioden statt, konnten jedoch auf Grund der äußeren Form und der Art der Abstrahlung der Strahlung nicht zu einem zufriedenstellenden Ergebnis führen, da eine Einkopplung der Strahlung kaum möglich war.
Aus den DE 32 03 091 C2 oder DE 41 02 146 C1 ist es bekannt, das Licht von Strahlungsquellen über Prismen in die Schicht, Platte oder Wand einzukoppeln. Dadurch ist eine Einkopplung unter einem Winkel zwar möglich, jedoch ist der hierfür zu treibende Aufwand hoch, so daß auch die Kosten des Sensors erhöht werden.
Ausgehend von diesem Stand der Technik liegt der vorliegenden Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine mit einer Leuchtdiode bestückte Meßvorrichtung der eingangs genannten Gattung derart weiterzubilden, daß auf kostengünstigste und einfachste Weise Strahlung zu Meßzwecken verwendbar ist und dennoch eine kompakte Meßvorrichtung geschaffen wird.
Diese Aufgabe wird durch die Merkmale des Anspruches 1 gelöst, wobei nun ohne weitere Zwischenelemente die Leuchtdiode unmittelbar ihr Licht in die durchlässige Schicht einkoppeln kann. Insofern müssen nicht mehr aufwendige Prismen vorgesehen werden und durch die unmittelbare Einkopplung genügen auch weniger helle Leuchtdioden für ausreichende Meßergebnisse. Andererseits gilt der Grundsatz, daß je heller die Leuchtdiode ist, desto besser das Reflexionssignal, da der Sensor dann gegenüber Umwelteinflüssen unempfindlicher wird. Durch die unmittelbare Einkopplung der Strahlung der Leuchtdiode wird die üblicherweise vom Reflektor der Leuchtdiode in Richtung der Frontlinse der Leuchtdiode gelenkte Strahlung nun direkt in die durchlässige Schicht eingelenkt. Die Frontlinse kann daher den Abstrahlwinkel nicht mehr für den vorliegenden Einsatz negativ beeinflussen. In der somit veränderten Bauform der Leuchtdiode ergibt sich dann ein möglichst großer Abstrahlwinkel in einem Bereich zwischen der Totalreflexion bis zur mechanischen Abgrenzung im Bereich des Abschlusses der Leuchtdiode an die Oberfläche. Die Strahlung wird im wesentlichen so eingekoppelt, daß sie der Totalreflexion unterliegt, so daß störende nach vorn gerichtete Strahlung, die nicht der Totalreflexion unterworfen ist, ausgeschaltet wird. Dadurch wird eine möglichst starke Bündelung auf den von der Senkrechten abweichenden Austrittswinkel erreicht.
Der erstrebte optimale Austrittswinkel, insbesondere bei Reflexionsstrecken sollte in einem Bereich vom Lot aus gesehen hinter der Totalreflexion liegen. In diesem Bereich erreicht aber die Fotodiode nur noch ein Bruchteil der ins Glas ausgesendeten Intensität. Diese Intensität ist proportional zum Quadrat des Reflexionsfaktors r, der das Verhältnis von durchgehender und reflektierter Strahlung bestimmt und wie folgt vom Lichteinfallswinkel abhängt:
Dabei sind n1: Brechungsindex des Glases
n2: Brechungsindex der Luft
: Winkel des Lichtes im Glas zum Lot hin
: Lichtaustrittswinkel in die Luft zum Lot hin
Für den Übergang zwischen Glas und Luft ergibt sich somit mit
n1 = 1,5 (Brechungsindex Glas)
n2 = 1 (Brechungsindex Luft)
Totalreflexion bei
= arc sin (n2/n1) = 41,8°
Normiert man die bei einem Winkel von 41,8° auftretende Lichtintensität zu 100%, so ergibt sich eine Intensität des reflektierten Strahles bei gegebenem Einfallswinkel zu:
= 41,8°: r²=100% (Totalreflexion)
= 40,0°: r²= 39%
= 35,0°: r²= 17%.
Innerhalb eines Winkelbereichs von 6,8° vor der Totalreflexion sinkt somit also die Intensität des Lichtes von 100% auf 17%.
Ein bevorzugter Winkelbereich für die Emission des Lichtes ergibt sich somit vom Lot aus gesehen oberhalb der Totalreflexion bis zu einem Winkelbereich, bei dem die Intensität des Lichts durch die Dämpfung im Glas beschränkt wird.
Vorzugsweise ist die Leuchtdiode der Form der Platte oder Scheibe nach den Ansprüchen 2 oder 3 angepaßt, da dadurch weitgehend Übergänge von anderen Medien zwischen Leuchtdiode und durchlässiger Schicht vermieden werden können, die die Meßergebnisse stören.
Erfindungsgemäß kann aber auch im Grenzbereich zu der durchlässigen Schicht ein Diffusor in der Leuchtdiode vorgesehen sein. Wird dieser Diffusor nur teilweise eingesetzt, ergibt sich einerseits eine direkt gerichtete Strahlung, die vorzugsweise in einem Bereich emittiert wird, der zu einer Totalreflexion führt. Diese nicht vom Diffusor verteilte Strahlung ist gerade bei Wassersensoren geeignet, kleinere Tropfen zu erkennen. Die diffuse Strahlung führt jedoch auch zu einem Meßergebnis, und zwar können durch diese flächenmäßige Strahlung, die infolge des Einsatzes des Diffusors auftritt, größere Tropfen deutlich erkannt werden.
Im folgenden werden Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand der Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:
1 eine schematische Darstellung einer Lichteinkopplung mit der dabei auftretenden Lichtausbeute an der Meßfläche 11b,
2–5 verschiedene Ausführungsbeispiele erfindungsgemäßer Leuchtdioden.
Bei einer Meßvorrichtung wird eine Leuchtdiode 10 vorgesehen, deren emittierte Strahlung in eine für eine bestimmte Strahlung durchlässige Schicht, Platte oder Scheibe 11 eingeleitet wird. Die Strahlung kann dabei sowohl auf der der Leuchtdiode abgewandten Seite Meßwerte liefern, üblicherweise wird die Strahlung jedoch in der Platte oder Scheibe 11 reflektiert, so daß die Meßfläche 11b Daten liefert, die einer weiteren Verarbeitung zugänglich sind. Gemäß 1 wird die Strahlnug dabei unmittelbar von der Leuchtdiode 10 in die Platte oder Scheibe 11 eingekoppelt. Vorzugsweise ist die der Platte oder Scheibe 11 zugewandte Oberfläche 10a der Leuchtdiode der Form der Platte oder Scheibe angepaßt, was einerseits dadurch erfolgen kann, daß eine handelsübliche Leuchtdiode, vorzugsweise mit hellem Chip 12 abgeschliffen und poliert wird, so daß sie sich der Oberfläche der Platte oder Wand anpaßt. Andererseits besteht jedoch auch die Möglichkeit, spezielle Bauformen der Leuchtdiode zu entwickeln, die grundsätzlich für die Einkopplung bestens geeignet sind.
Auf der Meßfläche ergibt sich dabei ein Bild, wie es sich in dem in 1 dargestellten Diagramm widerspiegelt. Aus Sicht der Leuchtdiode befindet sich um die Leuchtdiode herum zunächst ein dunkler Ring, der dadurch hervorgerufen wird, daß die Strahlung erst unterhalb eines Brechungswinkels, der zur Totalreflexion führt, reflektiert wird. Der Durchmesser dieses Ringes ist nur von der Scheibendicke und der Leuchtdiodendicke abhängig, nicht jedoch von der Art der Einkopplung der Strahlung. Die Abnahme der Ringintensität nach außen beruht auf der Dämpfung im Glas bzw. auf der zunehmenden Steilheit des Einfallwinkels und unter anderem auch darauf, daß die Intensität proportional zum Quadrat des Reflexionsfaktors abnimmt. Die rechts im Diagramm auftretende äußere Ringbegrenzung letztlich wird durch den äußeren mechanischen Rand der Leuchtdiode vorgegeben.
Somit ergibt sich als optimaler Platz für die Fotodiode ein Ort im Bereich des Reflexionsmaximums r_max, da hier am ehesten Differenzen in der auftretenden Strahlung bemerkt werden.
Die Leuchtdiode 12 soll vorzugsweise Strahlung gebündelt unter einem Eintrittswinkel in die Platte oder Scheibe 11 einkoppeln, die im wesentlichen von der Senkrechten auf der Grenzfläche 11c von Scheibe oder Platte 11 um mehr als den Grenzwinkel der Totalreflexion abweicht. Die nicht reflektierte Strahlung ist nämlich grundsätzlich störend auf der der Leuchtdiode gegenüberliegenden Seite. Aufgrund des Abstrahlwinkels tritt der für die Reflexion wesentliche Teil nur am Rand der Leuchtdiodenoberfläche aus. Die direkt nach vorn aus dem Glas austretenden Lichtstrahlen können insofern durch Abdeckelemente 13 (2) unterbunden werden, die den Austritt der Strahlung nur noch im gewünschten Bereich zulassen.
Üblicherweise beinhalten Leuchtdioden einen kleinen schüsselförmigen Reflektor. Zwar hat sich gezeigt, daß bei der Verwendung als Lichteinkoppelelement dieser Reflektor nur eine unwesentliche Rolle spielt, solange die Leuchtdiode in unveränderter Form beibehalten und lediglich abgeschliffen wird. Andererseits kann durch eine entsprechende Anordnung eines Reflektors eine Bündelung des Lichts in Richtung auf den gewünschten Abstrahlwinkel erreicht werden. Bei spielsweise kann auch anstelle des Abdeckelementes 13 ein Reflektor 14 vorgesehen werden, der das sonst nach vorne austretende Licht in die gewünschte Richtung lenkt.
Alternativ besteht nach 3 die Möglichkeit, den Chip 12 ggf. auch mit Reflektor 15 einer hellen Leuchtdiode in der Leuchtdiode zu drehen, damit sich ein bevorzugter Lichteintrittswinkel um 45° ergibt. Dies führt dann zu einer asymmetrischen Reflexion, die jedoch gezielt in Richtung auf die Fotodiode gerichtet werden kann, die im Bereich von r_max liegt. Diese Ausbildung hat dabei den Vorteil, daß die Hauptstrahlung reflektiert wird, wodurch sich an der Meßfläche die Lichtintensität um etwa das Doppelte erhöhen kann.
In einer weiteren Ausbildung gemäß 4 kann im Ankopplungsbereich, also im Bereich der Oberfläche 10a der Leuchtdiode, mit der sie an die Scheibe oder Platte 11 angekoppelt wird, zumindest teilweise ein Diffusor 16 vorgesehen werden. In der Praxis hat sich nämlich gezeigt, daß im Bereich einer ungehindert in die durchlässige Schicht eingeleiteten Strahlung beste Meßergebnisse dann auftreten, wenn kleine Reflexionsänderungen, beispielsweise bei einem Wassersensor durch kleine Tropfen festgestellt werden sollen. Sollen aber großflächige Veränderungen erfaßt werden, so fallen diese stärker ins Gewicht, wenn eine diffuse Lichtstrahlung gemessen wird. Selbstverständlich bieten sich hier verschiedenste Mischformen an; so können nebeneinander klare und diffuse Leuchtdioden vorgesehen werden oder es kann eine einzige Leuchtdiode vorgesehen werden, die einen klaren und einen diffusen Bereich aufweist.
Die Strahlung läßt sich aber auch dadurch gebündelt in die durchlässige Platte oder Scheibe einleiten, daß die Leuchtdiode schräg abgeschliffen und mit dieser schrägen Fläche gemäß 5 angekoppelt wird.
Zusammenfassend läßt sich feststellen, daß die Leuchtdiode 10 flach an der Platte oder Scheibe anliegen muß mit einem brechungsindexabhängigen Lichtaustrittswinkel. Der Bereich der reflektierten Strahlung muß dabei eine bestimmte Mindestbreite aufweisen, so daß sowohl kleine Reflexionsänderungen bei kleinem Lichtaustrittswinkel und große Reflexionsänderungen bei großem Lichtaustrittswinkel erfaßt werden können. Der nichtreflektierte senkrechte Lichtaustritt kann durch verschiedene Mittel reflektiert werden. Bevorzugterweise kann der Reflektor das austretende Licht stärker als bei üblichen Leuchtdioden bündeln.

Claims

Messvorrichtung mit einer Leuchtdiode (10), deren emittierte Strahlung in eine für eine bestimmte Strahlung durchlässige Platte oder Scheibe (11) in eine Totalreflexionsstrecke (11a) innerhalb der Platte oder Scheibe (11) einleitbar ist, wobei – die Strahlung der Leuchtdiode (10) unmittelbar von der Leuchtdiode (10) in die der Leuchtdiode (10) zugewandte Oberfläche (11c) der Platte oder Scheibe (11) einkoppelbar ist, und – die Leuchtdiode (10) ein Abdeckelement (13, 14) umfasst, das verhindert, dass Strahlung auf der von der Leuchtdiode (10) abgewandten Oberfläche der Platte oder Scheibe (11) austritt, indem dieses Abdeckelement (13, 14) den Austritt von solcher Strahlung aus der Leuchtdiode (10) unterbindet, die unter einem Winkel in die Platte oder Scheibe (11) eintreten würde, der kleiner ist als der Grenzwinkel für Totalreflexion in der Platte oder Scheibe (11).
Messvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die der Platte oder Scheibe (11) zugewandte Oberfläche (10a) der Leuchtdiode (10) der Form der Platte oder Scheibe (11) angepasst ist.
Messvorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Leuchtdiode (10) eine handelsübliche Leuchtdiode mit hellem Chip (12) ist, deren Oberfläche zur Anpassung an die Platte oder Scheibe (11) abgeschliffen ist.
Messvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Leuchtdiode (10) Strahlung in die Platte oder Scheibe (11) unter einem Eintrittswinkel gebündelt einkoppelt, der im wesentlichen von einer Senkrechten zur Grenzfläche (11c) der Platte oder Scheibe (11) um mehr als den Brechungswinkel der Totalreflexion abweicht.
Messvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Abdeckelement ein Reflektor (14) ist.
Messvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in der einen. Ankopplungsbereich an die Platte oder Scheibe (11) bildenden Oberfläche (10a) der Leuchtdiode (10) zumindest teilweise ein Diffusor (16) vorgesehen ist.
Messvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in der Leuchtdiode (10) ein Chip (12) und vorzugsweise auch ein Reflektor (15) gegenüber der Grenzfläche (11c) so gedreht angeordnet sind, dass die austretende Strahlung weitgehend einer Totalreflexion in der Platte oder Scheibe (11) unterworfen ist.
Messvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Leuchtdiode (10) Strahlung mit einer Wellenlänge emittiert, die im sichtbaren dunkelroten bis orangenen Bereich des Lichts liegt.
Messvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die von der Leuchtdiode (10) emittierte Strahlung vorzugsweise mit einem Eintrittswinkel in die durchlässige Schicht einkoppelbar ist, die zu einer Totalreflexion bei Glas mit einem Reflexionswinkel von etwa 41,8° führt.