JP2009276345A - 周辺光を検知するための光センサー装置 - Google Patents

Abstract

【課題】受光範囲が広い小型の光センサー装置を提供すること。
【解決手段】周辺光を検知するための光学センサー装置が、板ガラス（１０）、詳細には、自動車両のフロントガラスに連結されるように構成される。光センサー装置は、少なくとも１つの光受信器（２６）およびレンズプレート（１２）を含むセンサーユニットを有する。このセンサーユニットを使用して、板ガラス（１０）に進入した周辺光ビームが、板ガラス（１０）から外方に連結されて、光受信器（２６）上に向けられる。板ガラス（１０）に面する表面（１２ｂ）上に、レンズプレート（１２）は、複数の個々の構造物（２４）を有する第１のフレネルプリズム構造（２２）を備える。第１のフレネルプリズム構造（２２）の個々の構造物（２４）は、それらが、異なる諸角度で光ビームを偏向させるように設計される。
【選択図】図１

Description

本発明は、板ガラス、詳細には、自動車両のフロントガラスに連結されるように構成された、周辺光を検知するための光センサー装置に関する。

この型のセンサー装置は、車両照明を制御するための光センサーとして主に使用される。たとえば、欧州特許第１０６８１１２Ｂ１号に示されたレインセンサーの、フロントガラスに対して傾斜したレンズなどのビーム経路に影響を与える従来のレンズを使用するには、比較的大量のスペースを必要とする。

たとえば、国際公開第０３／０２６９３７Ａ１号から分かるように、ホログラフィック構造を使用することによって、より小型の設計を実現することができる。これらのセンサーは、回折性要素を補助とする光回折の原理に基づき、したがって、この原理に誘発される、有用な視感効率が実質的に低くなる欠点を有し、迷光への感度がより高くなる。

独国特許第１９６０８６４８Ｃ１号には、ある光センサー装置と関連して光導波路ユニットの光入射口および光出射口の表面をフレネルレンズの形で構成することが提案されている。しかし、レンズが構成される光導波路の表面が、板ガラスの表面に対して垂直であるので、この装置は、非常に大量のスペースを必要とする。

既知の光学式周辺光センサー装置のさらに根本的な短所は、製造経費が高く、受光範囲が余りにも狭い点に見受けられる。光受信器を、フレネルレンズの焦点からさらに離れてまたはフレネルレンズの焦点の近くに配置することでの、フレネルレンズを有するセンサー装置と関連した、受光範囲を拡大する試みが不成功である理由は、設けられた受光範囲から大きく外れて、１つまたはさらにいくつかの光線ビームへの受光特性の分離が伴うからである。このことは、光受信器の面積を増加させる試みにも当てはまる。

欧州特許第１０６８１１２Ｂ１号 国際公開第０３／０２６９３７Ａ１号 独国特許第１９６０８６４８Ｃ１号

本発明の目的は、上述の欠点を回避しながらセンサーユニットの受光範囲を増大させることである。

この目的を達成するために、周辺光を検知するための光センサー装置が提案され、これは、板ガラス、詳細には、自動車両のフロントガラスに連結されるように構成される。本発明によれば、光センサー装置は、少なくとも１つの光受信器とレンズプレートを有するセンサーユニットを含む。センサーユニットを用いて、板ガラスに進入した周辺光ビームは、板ガラスから外方に連結され、光受信器上に向けられる。レンズプレートは、板ガラスに面する表面上に、複数の個々の構造物を有する第１のフレネルプリズム構造を備える。第１のフレネルプリズム構造の個々の構造物は、それらが異なる諸角度で光ビームの光線を偏向させるように設計される。本発明による解決法は、いくつかの光ビームへの分離が生じることなく、単に１つのフレネルプリズム構造だけを使用して、規定された方法でセンサーユニットの受光範囲を拡大させることを可能にする。所望の受光特性を得るために、たとえば、反射する個々の構造物の偏向角を平均偏向角のあたりに小さい角距離で調整することが可能である。

本発明の特に有利な一実施形態によれば、第１のフレネルプリズム構造は、第１の配向を有する線形構造を備え、同じ表面上で、レンズプレートは、第１の配向と異なる第２の配向を有する、複数の個々の構造物を有する第２の線形フレネルプリズム構造を備える。このように、本発明による解決法を使用した場合の拡大された受光範囲は、空間内の異なる方向に受光範囲に依存しないさらなる受光範囲を備えることができる。

第２のフレネルプリズム構造の配向は、第１のフレネルプリズム構造の配向に対して垂直であることが好ましい。したがって、最大限に異なる２つの方向からの光の入射を考慮することが可能であり、このことは、光の検出の信頼性にとって重要である。しかし、さらなる配向も基本的に可能である。

第１のフレネルプリズム構造にあるように、第２のフレネルプリズム構造の個々の構造物は、それらが異なる諸角度で光ビームの光線を偏向させ、したがって受光範囲を増大させるように設計されることが好ましい。

第２のフレネルプリズム構造が、第１のフレネルプリズム構造に少なくとも部分的に組み込まれることで、製造経費が最小で、とりわけ小型のセンサーユニットが得られる。この場合、個々の構造物は、それらが、両方のフレネルプリズム構造に対して必要な光の偏向を同時に行うという点で、２重の機能を有する。

レイン／光センサーの有利な一実施形態では、本発明による周辺光のための光センサー装置に加えて、板ガラス上の濡れた事象を検知するための光学式レインセンサー装置が、全てのフレネル構造（プリズム構造および場合によってはレンズ構造）が形成される共通のレンズプレートを両センサー装置が共有しつつ提供される。

本発明のさらなる特徴および利点は、以下の説明および参照される添付の図面から明らかであろう。

本発明による光センサー装置のセンサーユニットの断面図である。 本発明によらない光センサー装置のセンサーユニットの断面図である。 図３ａは、偏向が、主として反射によって生じるフレネルプリズム構造の拡大断面図である。 図３ｂは、偏向が、主として屈折によって生じるフレネルプリズム構造の拡大断面図である。 図４ａは、異なる個々の構造物に対応する断面図である。図４ｂは、異なる個々の構造物に対応する断面図である。図４ｃは、異なる個々の構造物に対応する断面図である。図４ｄは、異なる個々の構造物に対応する断面図である。 図５ａは、特定の一実施形態のフレネルプリズム構造の斜視図である。 図５ｂは、特定の一実施形態のフレネルプリズム構造の斜視図である。

車両用の周辺光センサーのためのセンサーユニットが、図１に概略的に示される。センサーユニットは、車両のフロントガラス１０に取り付けられる。センサーユニットの光学活性要素は、レンズプレート１２である。レンズプレート１２は、連結部１４を用いてフロントガラス１０に機械的かつ光学的に連結される。

フロントガラス１０と反対向きの第１の表面１２ａ上で、レンズプレート１２には、フレネルレンズ構造１６が設けられる。光受信器２６は、フレネルレンズ構造の焦点に設置される。

フロントガラス１０に面する第２の表面１２ｂ上で、レンズプレート１２には、フレネルレンズ構造１６の反対側に配置されたフレネルプリズム構造２２が設けられる。第２の表面１２ｂのフレネルプリズム構造２２は、後で詳細に説明される複数のプリズム状の個々の構造物２４から成る。

傾斜したフロントガラス１０に実質的に水平に当たる光ビームは、板ガラス１０に進入する時に、ある角度で下方に屈折する。光ビームは、大きく屈折することなく、連結部１４によって板ガラス１０の外方に連結され、フレネルプリズム構造２２に、レンズプレート１２の面に対して斜めに当たる。フレネルプリズム構造２２は、光ビームが、平行な光ビームの形でレンズプレート１２を垂直に通過するように光ビームを偏向させる。フレネルレンズ構造１６は、光ビームが、レンズプレート１２を抜け出ると、光ビームを光受信器２６上に集光させる。

フレネルプリズム構造２２の特別な特徴は、図２に示された本発明によらないフレネルプリズム構造の一実施形態と比較して、センサーユニットの受光範囲が拡大されることである。一方で、図２に示されたセンサーユニットにおいては、フレネルプリズム構造２２の個々の構造物２４’が全て同じ設計であり、フロントガラス１０に水平に当たる単に狭く制限された平行な光ビームが、それに応じて、光受信器２６上に集光される。これとは対照的に、本発明によるフレネルプリズム構造２２の実施形態の個々の構造物２４は、図３ａおよび図３ｂならびに図４ａから図４ｃを参照して以下に説明されるように、異なる諸角度で光ビームが偏向されるように設計される。その結果、図１から明らかなように、受光範囲は、平行な光ビームに制限されず、入射方向に関して僅かに集束する光ビームにまで拡大される。

フレネルプリズム構造２２のプリズム状の個々の構造物２４は、基底から頂点へまっすぐに連続的に延びる第１のフランク２４_１を断面内に有し、第２のフランクは、２つの切り口２４_２および２４_３から成ることは図３ａから明らかである。第２のフランクの切り口２４_２（図３ａの右側）は、第２の切り口２４_３より急勾配でなく、切り口２４_３はまた、フランク２４_１より急勾配である。レンズプレート１２および連結部１４が作られる材料の屈折率ｎ１およびｎ２は、互いに慎重に調整される（それらは、互いにほんの僅かに異なる）。

簡単のために、実質的に水平向きの周辺光ビームの個別の１本の光線であって、フロントガラス１０に進入して連結部１４を通過した後にレンズプレート１２に当たる光線を、以下に個別に考察する。

図３ａの左側半分による、α＝９０°の入射角度で切り口２４_２に当たる光線は、屈折せずに個々の構造物２４に進入し、個々の構造物２４内部でフランク２４_１によって全反射される。フランク２４_１で光線が全反射する条件は、入射角β１が、両屈折率の比のアークサインより大きいことである。屈折率の比が、ほんの僅かだけ１と異なるので、入射角β１は、比較的大きくなければならない（光の平坦な入射）。光線が、レンズプレート１２を垂直に通過するために反射角β_２（これは、全反射の法則に従って入射角β_１に等しい）が丁度の大きさになるように、個々の構造物２４のフランクの角度は互いに適合される（参照図１）。

図３ａの右側半分による、同じくα＝９０°の入射角度で、隣接する個別の構造物２４の切り口２４_２に入射した光線は、上述の光線と実質的に同じ進路を有する。この光線もまた、レンズプレート１２を垂直に通過するように偏向される。しかし、この個別の構造物２４の設計、詳細には、そのフランク２４_１およびフランク２４_２の設計は、このような偏向のための上述の条件が、フロントガラス１０に当たる前に図３ａの左側半分に示された光線と完全に平行には延びない光線に対して、当てはまるように選択される。したがって、個々の構造物２４は、連結部１４を抜け出る光線部分とレンズプレート１２を垂直に通過する光線部分との間の角度に関して互いに異なり、この角度は、図３ａによる個々の構造物２４の設計において、入射角と反射角の和に等しく、それぞれβ_１＋β_２およびγ_１＋γ_２である。しかし、このことは、個々の構造物２４全ての偏向角度が異なる必要があることを意味しない。

図３ｂは、単に屈折するフレネルプリズム構造を有する構成を示す。フレネルプリズム構造２２のプリズム状の個々の構造物２４は、入射光線が（さらに反射することなく）単に屈折だけによって偏向される第１のフランク２４_１を断面内に有する。第２のフランクに関して、屈折率の差がより大きい場合には、特に有利である中間の切り口２４_２は省略される。上で定義された偏向角は、（図３ｂの説明図によれば）ここではそれぞれ１８０°＋β_２−β_１および１８０°＋γ_２−γ_１になり、β_１およびγ_１が入射角で、β_２およびγ_２が屈折角となる。

個々の構造物２４のさらなる構成は、一例として図４ａから図４に示されたように基本的に同じく可能である。図４ｂおよび図４ｃによる実施形態では、図４ａの実施形態と対照的に、（フランク切り口２４_２での）個々の構造物２４への進入と同時に光の屈折が生じ、これは場合によって有利となる可能性がある。図４ｃおよび図４ｄによる実施形態では、第２のフランクの切り口２４_２は存在しない。図４ｃによれば、光線は、第２のフランクで屈折して第１のフランク２４_１上で反射されるのに対して、４ｄ図では、光線は、単に第１のフランク２４_１で屈折するだけである。（フロントガラス１０の面またはレンズプレート１２に関して、通常の許容限度の範囲内で同じ傾斜を有し、レンズプレート１２と連結部１４との屈折率の違いを考慮に入れた）、まっすぐなフランクの実質的に対称な構成、ならびにフレネルプリズム構造２２内の異なる個々の構造物２４の組合せも可能である。いずれにせよ、以前は僅かに集束していた光ビームが、フレネルプリズム構造２２によって平行な光ビームに全体的に変換されることが重要である。

光線をフロントガラス１０に水平に当たらせてレンズプレート１２を垂直に通過させる平均偏向角あたりの変動により、有利な受光特性が得られることが示された。図１は、このようにして光受信器２６によって検知され、フレネルプリズム構造２２による偏向の前は完全に平行でない周辺光ビームを示す。フレネルレンズ構造１６の設計に応じて、レンズプレート１２を通過する平行な光ビームの垂直でない進路を設定することも可能である。

図１の説明図によれば、フレネルプリズム構造２２は、光受信器２６上で再現された光ビームの基本的な方向によって決定される特定の配向を有する線形構造である。しかし、フレネルプリズム構造２２は、第１の配向を有する第１の線形構造だけでなく、第１の配向とは異なる第２の配向を有する第２の線形構造もさらに含むことが、図５ａおよび図５ｂの説明図から明らかである。図示された実施形態で、第２のフレネルプリズム構造は、第１のフレネルプリズム構造に組み込まれる、すなわち、個々の構造物２４は、それらが、空間の異なる方向からフロントガラス１０上に入射する光ビームを偏向もさせるように３次元的な形で構成され、光ビームが、レンズプレート１２を垂直に通過して、レンズプレート１２を抜け出ると、フレネルレンズ構造１６によって光受信器２６に集光されるようにする。第２のフレネルプリズム構造の配向は、第１のフレネルプリズム構造の配向に対して垂直であるが、さらなる配向も基本的に可能である。個々の構造物２４に関して、第２のフレネルプリズム構造は、同じく個々の構造物が、僅かに異なる諸角度で光ビームの光線を偏向させるように設計されることが好ましい。

センサーユニットが完全に機能するために、連結部１４の材料が、プリズム構造２２の表面とぴったり合う形で、気泡または同様の物を含まずに接触していることが必要である。

実際には、組み合わされたレイン／光センサーが必要である。レインセンサーは、説明された周辺光センサーのセンサーユニットのように、光学活性構造を要する複数のセンサーユニットを含む。周辺光センサーに特有の構造のために、周辺光センサーおよびレインセンサーのセンサーユニットが共通のレンズプレート１２を共有して最小スペースが得られるようにすることが可能である。必要ならば、異なる諸方向から光を受け取る、かつ／または異なる諸受光特性を有する別のセンサーユニットをさらに設けることができる。

レンズプレート１２は、従来の射出成形技術を使用して生産することができる。別の方法として、打抜き加工技術を利用することができる。
望ましくない形で光が連結されることで引き起こされる動作不良（たとえば、迷光が、迂回路を経て光受信器２６上に入射し得る）を防止するために、レンズプレート１２の光学非活性面の少なくとも一部に屈折または反射構造、たとえば、逆反射的要素（いわゆる「猫の目」）を設けることができる。これは、光学活性表面上に入射しない光を「無害な」方向に偏向させる。別の方法として、または追加的に、一方の側または両側上に、光に対して不透過性の印刷物を光学非活性的領域に設けることができる。

１０ フロントガラス、板ガラス
１２ レンズプレート
１２ａ 第１の表面
１２ｂ 第２の表面
１４ 連結部
１６ フレネルレンズ構造
２２ フレネルプリズム構造
２４ 個々の構造物
２４’ 個々の構造物
２４_１ フランク
２４_２ 切り口
２４_３ 切り口
２６ 光受信器

Claims (15)

1. 板ガラス（１０）、詳細には、自動車両のフロントガラスに連結されるように構成された、周辺光を検知するための光センサー装置であって、少なくとも１つの光受信器（２６）およびレンズプレート（１２）を含むセンサーユニットを有し、前記光センサー装置を使用して、前記板ガラス（１０）に進入した周辺光ビームが、前記板ガラス（１０）から外方に連結されて、光受信器（２６）上に向けられる光センサー装置において、
   前記板ガラス（１０）に面する表面（１２ｂ）上で、前記レンズプレート（１２）が、複数の個々の構造物（２４）を有する第１のフレネルプリズム構造（２２）を備え、前記第１のフレネルプリズム構造（２２）の前記個々の構造物（２４）が、異なる諸角度で前記光ビームを偏向させるように設計されることを特徴とする光センサー装置。
2. 前記第１のフレネルプリズム構造（２２）が、第１の配向を有する線形構造を含み、前記同一表面（１２ｂ）上に、前記レンズプレート（１２）が、複数の個々の構造物（２４）を有する、前記第１の配向と異なる第２の配向を有する第２の線形のフレネルプリズム構造を備えることを特徴とする、請求項１に記載の光センサー装置。
3. 前記第２のフレネルプリズム構造の前記配向が、前記第１のフレネルプリズム構造（２２）の前記配向に対して垂直であることを特徴とする、請求項２に記載の光センサー装置。
4. 前記第２のフレネルプリズム構造の前記個々の構造物（２４）が、それらが異なる諸角度で前記光ビームの光線を偏向させるように設計されることを特徴とする、請求項２に記載の光センサー装置。
5. 前記第２のフレネルプリズム構造が、前記第１のフレネルプリズム構造（２２）に、少なくとも部分的に組み込まれることを特徴とする、請求項２に記載の光センサー装置。
6. 前記レンズプレート（１２）が、前記フレネルプリズム構造（２２）とぴったり合う形で接触する連結部（１４）によって、前記板ガラス（１０）に結合されることを特徴とする、請求項１に記載の光センサー装置。
7. 前記個々の構造物（２４）が、その上で前記光ビームの光線が反射される内面を有することを特徴とする、請求項１に記載の光センサー装置。
8. 前記個々の構造物（２４）が、断面内で全体的に鋸歯状で、前記光ビームの一部が進入する第２のフランク（２４_２、２４_３）と、反射が起きる第１のフランク（２４_１）とを有することを特徴とする、請求項１に記載の光センサー装置。
9. 異なる諸角度での光の屈折が、前記個々の構造物（２４）の前記第２のフランク（２４_２、２４_３）で起きることを特徴とする、請求項８に記載の光センサー装置。
10. 前記個々の構造物（２４）が、断面内で全体的に鋸歯状で、異なる諸角度で光の屈折が起きる第１のフランク（２４_１）を有することを特徴とする、請求項１に記載の光センサー装置。
11. 前記光受信器（２６）に面する表面（１２ａ）上に、前記レンズプレート（１２）が、フレネルレンズ構造（１６）を有することを特徴とする、請求項１に記載の光センサー装置。
12. 前記フレネルレンズ構造（１６）が、前記板ガラス（１０）から外方に連結されて、前記レンズプレート（１２）を通過する平行な光ビームを集束光ビームに再形成することを特徴とする、請求項１１に記載の光センサー装置。
13. 前記平行な光ビームが、前記レンズプレート（１２）を垂直に通過することを特徴とする、請求項１２に記載の光センサー装置。
14. 共通のレンズプレート（１２）を含む複数のセンサーユニットを有することを特徴とする、請求項１に記載の光センサー装置。
15. 共通のレンズプレート（１２）を有する光学式レインセンサー装置と組み合わされた、請求項１から１４のいずれかに記載の光センサー装置を特徴とするレイン／光センサー。

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