WO2009059978A1 - Optoelektronische sensoreinrichtung für ein kraftfahrzeug - Google Patents

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WO2009059978A1
WO2009059978A1 PCT/EP2008/064955 EP2008064955W WO2009059978A1 WO 2009059978 A1 WO2009059978 A1 WO 2009059978A1 EP 2008064955 W EP2008064955 W EP 2008064955W WO 2009059978 A1 WO2009059978 A1 WO 2009059978A1
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light
vehicle window
sensor device
optoelectronic sensor
light receiver
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PCT/EP2008/064955
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Alexander Braun
Matthias Richwin
Thomas Weber
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Leopold Kostal Gmbh & Co. Kg
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    • G01N21/00—Investigating or analysing materials by the use of optical means, i.e. using sub-millimetre waves, infrared, visible or ultraviolet light
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    • G01N21/95—Investigating the presence of flaws or contamination characterised by the material or shape of the object to be examined
    • G01N21/958—Inspecting transparent materials or objects, e.g. windscreens
    • G01N2021/9586—Windscreens

Definitions

  • Optoelectronic sensor device for a motor vehicle
  • the invention relates to an optoelectronic sensor device for a motor vehicle for the differential detection of moisture and salt solutions on a vehicle window, with a lighting unit for irradiating light in a vehicle window and with a light receiver, which detects light reflected from the vehicle window, as well as with a coupling element for insertion. and coupling of light into and out of the vehicle window.
  • the light falls on the vehicle window at mainly a single angle of incidence. This angle is chosen so that the light is totally reflected on a dry vehicle window. When wetted, a portion of the light is extracted from the vehicle window, which reduces the intensity of the total reflected light. Although such a system recognizes wetting with both water and saline solutions, it does not distinguish between these types of wetting.
  • the first reflection path is provided for detecting a wetting of the vehicle window with water or salt
  • the second reflection path specifically allows the detection of a saline solution on the vehicle window.
  • Dissolved salts are also recognized only above a certain concentration, the value of which depends on the geometry of the reflection path provided for this purpose.
  • the illumination device irradiates light over an incident angle range in the vehicle window, which extends over several degrees that the light receiver has a plurality of receiving elements that an optical system reflects the light reflected by the vehicle window in a Ausfallswinkel Scheme light on receiving elements of the light receiver, and that the light receiver generates a signal from which an evaluation device determines the critical angle of total reflection on the vehicle window.
  • the optoelectronic sensor arrangement according to the invention provides a refractometer functionality in the manner of an Abbe refractometer. Depending on the refractive index of a wetting liquid, the maximum total reflection angle changes. This critical angle translates through the imaging optics in a local limit on the sensor, up to which a signal reduction takes place by canceling the total reflection. The location of this local limit on the sensor is again a direct measure of the salt concentration of the liquid on the vehicle window.
  • the wiping frequency and the wiping speed of the windshield wiper can be adjusted and thus a streaking on the disk can be reduced. Furthermore, it is possible to provide a control of the amount of washing water discharged by the mop washer.
  • the plurality of receiving elements can be realized in a particularly simple and cost-effective manner by a single CCD line.
  • a particularly advantageous embodiment of the optoelectronic sensor device is to provide an image sensor as a light receiver, which is embodied for example as a CCD matrix or generally as a camera chip.
  • Such an imaging sensor additionally allows a pictorial detection of the vehicle exterior, which can function unaffected by the rain and salt sensors described here.
  • FIG. 1 shows a schematic representation of an optoelectronic sensor device
  • Figure 2 shows the image of light bundles with different
  • FIG. 3 different angular ranges when light is transmitted to a vehicle window
  • Figure 4 optical sensor areas on a camera chip.
  • a lighting unit 1 couples via a coupling element 2, shown here as a simple prism, light in the vehicle window 3 of a motor vehicle.
  • the term "light” here does not refer exclusively to electromagnetic radiation in the visible wavelength range, but also to radiation in the adjacent wavelength ranges, and in particular to near infrared radiation It is advantageous if the light used has a relatively narrow spectrum, which by the use of one or more LED as a component (s) of the lighting unit 1 is easily and inexpensively feasible.
  • This lighting unit 1 may also have not shown here optical elements such.
  • a diffuser one or more imaging elements (lenses), optical filters or a holographic plate (Diffractive Optical Element, DOE).
  • the prism 2 has the function of light almost refraction in the
  • the wedge-shaped prism shown here 2 can of course have a much more complex structure in realizations, and be designed for example as a light guide, consisting of a plurality of individual prisms. A refraction of the light when entering and exiting the prism 2 is not shown in FIG.
  • the illumination device 1 does not emit the light at a single angle and not at a plurality of discrete angles, but instead as uniformly as possible over a relatively large angle of incidence range ⁇ in the vehicle window 3.
  • this incident angle range ⁇ corresponds at least to that angular range in which the incident light is totally reflected on a dry vehicle window 3.
  • the incident angle range ⁇ in this case has a size of about 25 ° or more.
  • the angle of incidence range ⁇ is chosen so that the total light incident on the vehicle window 3 is totally reflected on a dry vehicle window 3, the light falling in the angle of incidence ⁇ is reflected by the vehicle window 3 into a angle of emergence range ⁇ ', which is directly dependent on ⁇ ,
  • the light strikes an optical system 4 and then falls on a light receiver 5 having a plurality of individual receiving elements (not shown) and illuminates an area 8 on the light receiver 5.
  • the light receiver 5 is designed, for example, as a CCD line or preferably as a camera chip.
  • the optical system 4 can advantageously be formed by a camera lens or generally a lens system consisting of one or more lenses.
  • FIG. 2 schematically shows the beam path of light which strikes the optical system 4 from different directions.
  • a first Light bundle 6a which is shown by solid lines and a second light bundle 6b, which is shown by dashed lines fall from different directions of incidence on the optical system 4 and are imaged by the optical system 4 at different locations (9a, 9b) of the light receiver 5 , Consequently, the optical system 4 has the property of translating the angle information given by the incident direction of a light beam (6a, 6b) into a location information.
  • a substance wetting the outside of the vehicle window 3 can decouple light from the vehicle window 3, which would be totally reflected by the vehicle window 3 on an unwetted outside. Whether or not light is coupled out depends on the one hand on the direction of irradiation of the light in the vehicle window 3 and on the other hand on the refractive index of the wetting substance (and also on the refractive index of the vehicle window 3, which is to be assumed to be a constant size). Therefore, two light paths are provided in the German patent application DE 10 2005 013 021 A1, in order to be able to distinguish a wetting of the vehicle window with water and with a saline solution. The underlying functional principle is briefly described below.
  • the critical angle of total reflection ß c is given by the refractive indices of the inner medium n, and outer medium n a :
  • the refractive index n of pure water just above 0 ° C is about 1.329.
  • the relative change of the refractive index by changing the concentration c of the dissolved NaCl can be described by
  • dnldc 0.178.
  • the maximum concentration is about 26 mass percent. This results in a range of the refractive index of saline solutions near 0 ° C of about 1.329 to 1.375.
  • Range a from 0 ° to about 41, 8 ° to the slotted solder. There is no here
  • Total reflection takes place. Range b from about 41, 8 ° to about 62.3 ° to the Scheibenlot. Total reflection takes place only with a dry disc. Any wetting with water or saline will couple light. Range c from about 62.3 ° to about 66.5 ° to the Scheibenlot. Total reflection takes place with a dry disc and wetting with pure water. Only when wetting with a saline solution takes place coupling.
  • Range d from about 66.5 ° to 90 ° to the Scheibenlot.
  • the concretely chosen irradiation angle in the region c determines the minimum necessary salt concentration at which decoupling takes place. At an angle just above 62.3 °, a low salt concentration is sufficient; at an angle just below 66.5 °, a high salt concentration must be present.
  • concentration of the saline solution on the vehicle window is dried, the concentration of the saline solution increases monotonically, so that in any case a range of high salt concentration is achieved.
  • Solid sodium chloride on the vehicle window causes complete suppression of total reflection since its refractive index is greater than that of glass unless an air gap forms between the glass and the NaCl crystallites. Due to the generally rough surface of the salt layer, the light is scattered, so that the intensity at the receiver of the optical path decreases greatly.
  • the optical system 4 forms the angle of incidence range ⁇ ', under which light is reflected by the vehicle window 3, onto a region 8 on the sensor surface of the light receiver 5. If now by wetting of the vehicle window 3 the Ausfallswinkel Scheme ⁇ ', under the light from the vehicle window 3 is totally reflected, so decreases in accordance with the lit on the light receiver 5 area 8. Since the critical angle of total reflection is a function of the refractive index of the wetting material the vehicle window 3 is the width of the illuminated
  • Area 8 on the light receiver 5 suitable for determining the refractive index.
  • vehicle window 3 wetting medium is generally only water or, possibly slightly contaminated, saline in
  • the salt concentration of a wetting of the vehicle window can be determined quantitatively from the refractive index.
  • the salt concentration thus results directly from the critical angle of total reflection, which in turn can be determined from the position of the light-dark boundary on the surface of the light receiver 5.
  • the quantitative value of the salt concentration of the wetting is determined by the
  • Evaluation device 7 determines and can be used, for example, for an adapted control of the windshield wipers and the mop wash. Examples include the control of the windshield wiper frequency and the automatic control of the amount of wash water. In addition, the evaluation device 7 can provide the data of the vehicle windscreen wetting to other devices, not described here, in the motor vehicle.
  • a camera chip can be used. It is particularly advantageous that a part of the sensor surface of the camera chip for the pictorial detection of the vehicle exterior 10 may be provided. As FIG. 1 illustrates on the basis of the beam path illustrated by means of a dotted line, this area of the camera chip 5 is not influenced by the area 8 for detecting the total reflection on the vehicle window 3.
  • the area B is illuminated by light in the angular range of about 41, 8 ° to about 62.3 °.
  • the wetting of the vehicle window 3 with both water and saline solution leads to a reduction in the amount of light falling on the area B.
  • a salt-crystal layer also reduces the amount of light.
  • the area D on the camera chip 5 remains always illuminated when moistened with water or saline, as the total reflection is not canceled.
  • a solid salt-crystal layer reduces the amount of light.
  • a suitable evaluation algorithm can now distinguish between a wetting of the vehicle window 3 with normal water or a saline solution by considering the signal break-in both in the area B and in the area C.
  • the salt content in the salt solution can be determined quantitatively.
  • the refractive index depends on the exact salt concentration, and thus defines a spatial limit of the area C on the camera chip 5. Based on this insight, for example, the wiper speed can be adjusted to the salinity with better efficiency.
  • the area D it can be ascertained whether a liquid is still present on the vehicle window 3 or whether a solid salt-crystal layer has already formed. Only in the case of a salt layer is from the Vehicle window 3, the light for area D decoupled, otherwise the area must always remain illuminated.

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Abstract

Beschrieben wird eine optoelektronische Sensoreinrichtung für ein Kraftfahrzeug zur unterscheidenden Detektion von Feuchtigkeit und Salzlösungen auf einer Fahrzeugscheibe, mit einer Beleuchtungseinheit zur Einstrahlung von Licht in eine Fahrzeugscheibe und mit einem Lichtempfänger, welcher von der Fahrzeugscheibe reflektiertes Licht erfasst, sowie mit einem Koppelelement zur Ein- und Auskopplung von Licht in bzw. aus der Fahrzeugscheibe, wobei die Beleuchtungseinrichtung Licht über einen Einfallswinkelbereich in die Fahrzeugscheibe einstrahlt, der sich über mehrere W inkelgrade erstreckt, wobei der Lichtempfänger eine Vielzahl von Empfangselementen aufweist, wobei ein optisches System das von der Fahrzeugscheibe in einen Ausfallswinkelbereich reflektierte Licht auf Empfangselemente des Lichtempfängers abbildet, und wobei der Lichtempfänger ein Signal generiert, aus dem eine Auswertevorrichtung den Grenzwinkel der Totalreflexion an der Fahrzeugscheibe ermittelt.

Description

Optoelektronische Sensoreinrichtung für ein Kraftfahrzeug
Die Erfindung betrifft eine optoelektronische Sensoreinrichtung für ein Kraftfahrzeug zur unterscheidenden Detektion von Feuchtigkeit und Salzlösungen auf einer Fahrzeugscheibe, mit einer Beleuchtungseinheit zur Einstrahlung von Licht in eine Fahrzeugscheibe und mit einem Lichtempfänger, welcher von der Fahrzeugscheibe reflektiertes Licht erfasst, sowie mit einem Koppelelement zur Ein- und Auskopplung von Licht in bzw. aus der Fahrzeugscheibe.
Eine derartige optoelektronische Sensoreinrichtungen ist aus der deutschen Patentanmeldung DE 10 2005 013 021 A1 bekannt.
Bei gängigen optischen Regensensor-Systemen fällt das Licht unter hauptsächlich einem einzigen Einfallswinkel auf die Fahrzeugscheibe. Dieser Winkel ist dabei so gewählt, dass das an einer trockenen Fahrzeugscheibe das Licht totalreflektiert wird. Bei einer Benetzung wird ein Teil des Lichts aus der Fahrzeugscheibe ausgekoppelt, wodurch sich die Intensität des totalreflektierten Lichts verringert. Ein solches System erkennt dadurch zwar Benetzungen sowohl mit Wasser als auch mit Salzlösungen, kann aber nicht zwischen diesen Benetzungsarten unterscheiden.
Bei winterlichen Straßenverhältnissen kommt es zum Hochspritzen von Salzwasser von der Fahrbahnoberfläche. Die üblichen Wischersysteme in Kraftfahrzeugen sind nicht in der Lage, diese Salzlösung rückstandsfrei von der Scheibe zu entfernen. Es bleiben Schlieren auf der Scheibe, die abtrocknen und einen optisch diffusen Salzfilm erzeugen. Im Winter ist es also vorteilhaft, das Wischersystem bei gleicher Wassermenge auf der Fahrzeugscheibe seltener zu benutzen als zu anderen Jahreszeiten. Einer Schlierenbildung seitens eines Regensensors vorzubeugen, ist ausgesprochen komplex, da sich die Schlieren erst nach dem Wischvorgang und einer Trocknungsperiode zeigen. Es ist daher vorteilhaft, wenn das Sensorsystem Salzlösungen auf der Fahrzeugscheibe erkennen und von einer Benetzung mit salzfreiem Wasser unterscheiden kann.
Die DE 10 2005 013 021 A1 schlägt hierzu zwei unabhängige
Reflexionsstrecken mit je einem speziell gewählten Reflexions-Winkel vor. Die erste Reflexionsstrecke ist zur Detektion einer Benetzung der Fahrzeugscheibe mit Wasser oder Salz vorgesehen, während die zweite Reflexionsstrecke speziell die Erkennung einer Salzlösung auf der Fahrzeugscheibe ermöglicht. Allerdings macht ein solches System nur eine qualitative Aussage darüber, ob eine Benetzung mit oder ohne gelöste Salze vorliegt. Gelöste Salze werden auch erst ab einer gewissen Konzentration erkannt, deren Wert von der Geometrie der hierzu vorgesehen Reflexionsstrecke abhängt.
Es stellte sich die Aufgabe, eine optoelektronische Sensoranordnung zu schaffen, die Feuchtigkeit auf einer Fahrzeugscheibe erkennen kann, welche gelöstes Salz enthält und die die Konzentration der Salzlösung auch quantitativ erfassen kann.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass die Beleuchtungseinrichtung Licht über einen Einfallswinkelbereich in die Fahrzeugscheibe einstrahlt, der sich über mehrere Winkelgrade erstreckt, dass der Lichtempfänger eine Vielzahl von Empfangselementen aufweist, dass ein optisches System das von der Fahrzeugscheibe in einen Ausfallswinkelbereich reflektierte Licht auf Empfangselemente des Lichtempfängers abbildet, und dass der Lichtempfänger ein Signal generiert, aus dem eine Auswertevorrichtung den Grenzwinkel der Totalreflexion an der Fahrzeugscheibe ermittelt. Die erfindungsgemäße optoelektronische Sensoranordnung stellt eine Refraktometer-Funktionalität nach Art eines Abbe-Refraktometers zur Verfügung. In Abhängigkeit vom Brechungsindex einer benetzenden Flüssigkeit ändert sich der maximale Totalreflexionswinkel. Dieser Grenzwinkel übersetzt sich durch die Abbildungsoptik in eine örtliche Grenze auf dem Sensor, bis zu welcher eine Signalreduzierung durch Aufhebung der Totalreflexion stattfindet. Die Lage dieser örtlichen Grenze auf dem Sensor ist wiederum ein direktes Maß für die Salzkonzentration der Flüssigkeit auf der Fahrzeugscheibe.
Durch die quantitative Detektion der Salzlösungskonzentration auf der Fahrzeugscheibe kann beispielsweise die Wischfrequenz und die Wischgeschwindigkeit der Scheibenwischer angepasst und damit eine Schlierenbildung auf der Scheibe verringert werden. Des weiteren kann eine Steuerung der von der Wischwaschanlage abgegebenen Waschwassermenge vorgesehen sein.
Die Vielzahl von Empfangselementen kann auf besonders einfache und kostengünstige Weise durch eine einzige CCD-Zeile realisiert sein.
Eine besonders vorteilhafte Ausgestaltung der optoelektronischen Sensoreinrichtung besteht darin, als Lichtempfänger einen bildgebenden Sensor vorzusehen, der etwa als eine CCD-Matrix oder allgemein als ein Kamerachip ausgeführt ist. Ein solcher bildgebender Sensor ermöglicht zusätzlich eine bildliche Erfassung des Fahrzeugaußenraums, die von der hier beschriebenen Regen- und Salzssensorik unbeeinflusst funktionieren kann.
Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung gehen aus den abhängigen Ansprüchen hervor. Im folgenden wird die Erfindung anhand eines in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiels näher erläutert. Es zeigen
Figur 1 eine schematische Darstellung einer optoelektronischen Sensoreinrichtung,
Figur 2 die Abbildung von Lichtbündel mit unterschiedlicher
Einfallsrichtung durch ein optisches System auf unterschiedliche Sensorbereiche,
Figur 3 unterschiedlich wirkende Winkelbereiche beim Einstrahlen von Licht in eine Fahrzeugscheibe,
Figur 4 optische Sensorbereiche auf einem Kamerachip.
Der schematische Aufbau eines optoelektronischen Sensors ist in der Figur 1 skizziert. Eine Beleuchtungseinheit 1 koppelt über ein Koppelelement 2, hier als ein einfaches Prisma dargestellt, Licht in die Fahrzeugscheibe 3 eines Kraftfahrzeuges ein. Der Begriff „Licht" bezieht sich hier nicht ausschließlich auf elektromagnetische Strahlung im sichtbaren Wellenlängenbereich, sondern auch auf Strahlung in den dazu benachbarten Wellenlängenbereichen, und insbesondere auf Strahlung im nahen Infrarotbereich. Vorteilhaft ist es, wenn das verwendete Licht ein relativ enges Spektrum aufweist, was durch die Verwendung von einer oder mehreren LED als Bestandteil(e) der Beleuchtungseinheit 1 leicht und kostengünstig realisierbar ist.
Diese Beleuchtungseinheit 1 kann darüber hinaus hier nicht näher dargestellte optische Elemente aufweisen, wie z. B. einen Diffusor, ein oder mehrere abbildende Elemente (Linsen), optische Filter oder eine holographische Platte (Diffractive Optical Element, DOE).
Das Prisma 2 hat die Funktion Licht nahezu brechungsfrei in die
Fahrzeugscheibe 3 einzukoppeln. Das hier keilförmig dargestellte Prisma 2 kann in Realisierungen selbstverständlich einen wesentlich komplexeren Aufbau aufweisen, und beispielsweise als ein Lichtleitkörper, bestehend aus einer Vielzahl von Einzelprismen ausgeführt sein. Eine Brechung des Lichts beim Ein- und Austritt in das Prisma 2 ist in der Figur 1 nicht dargestellt.
Im Gegensatz zu vorbekannten Sensoreinrichtungen strahlt die Beleuchtungseinrichtung 1 das Licht nicht unter einem einzigen Winkel und auch nicht unter mehreren, diskreten Winkeln, sondern statt dessen möglichst gleichmäßig über einen relativ großen Einfallswinkelbereich α in die Fahrzeugscheibe 3 ein. Vorzugsweise entspricht dieser Einfallswinkelbereich α zumindest jenem Winkelbereich, in dem das eingestrahlte Licht an einer trockenen Fahrzeugscheibe 3 totalreflektiert wird. Der Einfallswinkelbereich α hat in diesem Fall eine Größe von ca. 25° oder mehr.
Ist der Einfallswinkelbereich α so gewählt, dass das gesamte auf die Fahrzeugscheibe 3 fallende Licht an einer trockenen Fahrzeugscheibe 3 totalreflektiert wird, so wird das in den Einfallswinkelbereich α fallende Licht von der Fahrzeugsscheibe 3 in einen Ausfallswinkelbereich α' reflektiert, welcher direkt von α abhängig ist. Wie die Figur 1 zeigt, trifft das Licht nach dem Austritt aus dem Prisma 2 auf ein optisches System 4 und fällt danach auf einen Lichtempfänger 5, welcher eine Vielzahl von (nichtdargestellten) einzelnen Empfangselementen aufweist, und beleuchtet einen Bereich 8 auf dem Lichtempfänger 5. Der Lichtempfänger 5 ist beispielsweise als eine CCD-Zeile oder vorzugsweise als Kamerachip ausgeführt. Das optische System 4 kann vorteilhaft durch ein Kameraobjektiv oder allgemein ein Linsensystem, bestehend aus einer oder mehreren Linsen, gebildet sein.
Die Figur 2 zeigt schematisch den Strahlengang von Licht, welches aus unterschiedlichen Richtungen auf das optische System 4 fällt. Ein erstes Lichtbündel 6a, welches mittels durchgezogener Linien dargestellt ist und ein zweites Lichtbündel 6b, welches mittels gestrichelter Linien dargestellt ist, fallen aus verschiedenen Einfallsrichtungen auf das optische System 4 und werden durch das optische System 4 auf verschiedene Stellen (9a, 9b) des Lichtempfängers 5 abgebildet. Das optische System 4 hat folglich die Eigenschaft, die durch die Einfallsrichtung eines Lichtbündels (6a, 6b) gegebene Winkelinformation in eine Ortsinformation zu übersetzen.
Bekanntermaßen kann eine die Außenseite der Fahrzeugscheibe 3 benetzende Substanz Licht aus der Fahrzeugscheibe 3 auskoppeln, welches bei einer unbenetzten Außenseite von der Fahrzeugscheibe 3 totalreflektiert würde. Ob Licht ausgekoppelt wird oder nicht, hängt dabei einerseits von der Einstrahlungsrichtung des Lichts in die Fahrzeugscheibe 3 und andererseits vom Brechungsindex der benetzenden Substanz (und auch vom Brechungsindex der Fahrzeugscheibe 3, der aber als eine konstante Größe anzunehmen ist) ab. Daher sind in der deutschen Patentanmeldung DE 10 2005 013 021 A1 zwei Lichtstrecken vorgesehen, um eine Benetzung der Fahrzeugscheibe mit Wasser und mit einer Salzlösung unterscheiden zu können. Das zugrundeliegende Funktionsprinzip sei nachfolgend kurz beschrieben.
Eine interne Totalreflexion findet am Übergang vom optisch dichteren zum optisch dünneren Medium statt. Der Grenzwinkel der Totalreflexion ßc ist gegeben durch die Brechungsindizes des inneren Mediums n, und äußeren Mediums na:
sin ßc = na / n,.
Das innere Medium ist das Glas der Fahrzeugscheibe, dessen Brechungsindex vereinfacht zu n, = 1 ,50 angenommen wird. (Weist das Glas einen abweichenden Brechungsindex auf, so ändern sich die numerischen Werte der nachfolgend genannten Winkelbereiche entsprechend, was aber das hier beschriebene Funktionsprinzip selbstverständlich nicht verändert.)
Bei trockener Fahrzeugscheibe ist das äußere Medium Luft (na = 1 ), und der Grenzwinkel der Totalreflexion ist 41 ,8° d. h. Strahlung, die unter einem Winkel von mehr als 41 ,8° zum Lot auf die Grenzfläche trifft, wird bei trockener Scheibe totalreflektiert.
Bei einer mit Regenwasser benetzten Fahrzeugscheibe ist der äußere Brechungsindex der von Wasser (vereinfacht na = 1 ,33), und die Totalreflexion setzt bei Winkeln größer 62,5° ein.
Zur Enteisung von Straßenoberflächen wird hauptsächlich Stein- oder Siedesalz eingesetzt, das im Wesentlichen aus Natriumchlorid (NaCI) besteht. Dieses wird in fester Form ausgebracht oder als Sole versprüht. Für besonders tiefe Temperaturen wird auch Kalziumchlorid (CaCI2) verwendet, was aber eine untergeordnete Bedeutung hat. Bezüglich der folgenden Betrachtungen zum Brechungsindex wird daher von NaCI ausgegangen. Für die nachfolgende Abschätzung wird überdies die Abhängigkeit der Brechungsindizes von der Wellenlänge des verwendeten Lichts vernachlässigt.
Der Brechungsindex n von reinem Wasser knapp oberhalb von 0 °C beträgt ca. 1 ,329. Die relative Änderung des Brechungsindexes durch Veränderung der Konzentration c des gelösten NaCI lässt sich beschreiben durch
An ~ —Ac , de
wenn man Temperatur, Druck und Wellenlänge konstant hält. Die Konzentration wird hier definiert als Massenkonzentration m NaCl c = ■ mH,O + mNaCl
Für NaCI gilt dnldc = 0,178 . Die maximale Konzentration liegt bei ca. 26 Massenprozenten. Damit ergibt sich ein Bereich des Brechungsindex von Kochsalzlösungen nahe 0°C von ca. 1 ,329 bis 1 ,375. Der Brechungsindex von festem NaCI ist n = 1 ,544.
Hinsichtlich des Zusammenhangs zwischen Einstrahlungswinkel und der Totalreflexion an der Fahrzeugscheibe ergeben sich damit vier unterschiedlich wirkende Winkelbereiche, die in der Figur 3 skizziert sind:
Bereich a von 0° bis ca. 41 ,8° zum Scheibenlot. Hier findet keine
Totalreflexion statt. Bereich b von ca. 41 ,8° bis ca. 62,3° zum Scheibenlot. Totalreflexion findet nur bei trockener Scheibe statt. Jegliche Benetzung mit Wasser oder einer Salzlösung koppelt Licht aus. Bereich c von ca. 62,3° bis ca. 66,5° zum Scheibenlot. Totalreflexion findet bei trockener Scheibe und bei Benetzung mit reinem Wasser statt. Nur bei Benetzung mit einer Salzlösung findet Auskopplung statt.
Bereich d von ca. 66,5° bis 90° zum Scheibenlot. Hier findet immer
Totalreflexion statt.
Der konkret gewählte Einstrahlungswinkel im Bereich c bestimmt dabei die minimal notwendige Salzkonzentration, bei der Auskopplung stattfindet. Bei einem Winkel nur knapp oberhalb von 62,3° genügt eine geringe Salzkonzentration, bei einem Winkel knapp unterhalb von 66,5° muss eine hohe Salzkonzentration vorliegen. Beim Abtrocknen der Salzlösung auf der Fahrzeugscheibe steigt die Konzentration der Salzlösung monoton an, so dass auf jeden Fall ein Bereich hoher Salzkonzentration erreicht wird.
Festes Natriumchlorid auf der Fahrzeugscheibe bewirkt eine vollständige Unterdrückung der Totalreflexion, da sein Brechungsindex größer ist als der von Glas, sofern sich kein Luftspalt zwischen dem Glas und den NaCI- Kristalliten bildet. Aufgrund der allgemein rauhen Oberfläche der Salzschicht wird das Licht gestreut, so dass die Intensität am Empfänger der optischen Strecke stark zurückgeht.
Eine der zur Erfindung führenden Ideen bestand nun darin, den Winkelbereich unter dem in die Fahrzeugscheibe 3 eingestrahltes Licht totalreflektiert wird, möglichst vollständig zu erfassen, um den Salzgehalt einer Benetzung der Fahrzeugscheibe 3 quantitativ zu bestimmen.
Wie die Figur 1 verdeutlicht, bildet das optische System 4 den Ausfallswinkelbereich α', unter dem Licht von der Fahrzeugscheibe 3 reflektiert wird, auf einen Bereich 8 auf der Sensorfläche des Lichtempfängers 5 ab. Verkleinert sich nun durch eine Benetzung der Fahrzeugscheibe 3 der Ausfallswinkelbereich α', unter dem Licht von der Fahrzeugscheibe 3 totalreflektiert wird, so verkleinert sich entsprechend der auf dem Lichtempfänger 5 beleuchtete Bereich 8. Da der Grenzwinkel der Totalreflexion eine Funktion des Brechungsindexes des benetzenden Materials auf der Fahrzeugscheibe 3 ist, ist die Breite des beleuchteten
Bereichs 8 auf dem Lichtempfänger 5 zur Bestimmung des Brechungsindexes geeignet.
Als das die Fahrzeugscheibe 3 benetzende Medium ist im allgemeinen nur Wasser oder eine, evtl. geringfügig verunreinigte, Kochsalzlösung in
Betrachtung zu ziehen. Da zwischen der Konzentration einer Salzlösung und ihrem Brechungsindex der oben beschriebene funktionelle Zusammenhang besteht, ist aus dem Brechungsindex die Salzkonzentration einer Benetzung der Fahrzeugscheibe quantitativ bestimmbar. Als Spezialfall kann folglich auch eine Benetzung mit reinem Wasser (Salzkonzentration = 0) erkannt und von einer Salzbenetzung unterschieden werden. Die Salzkonzentration ergibt sich somit unmittelbar aus dem Grenzwinkel der Totalreflexion, welche wiederum aus der Lage der Hell-Dunkel-Grenze auf der Fläche des Lichtempfängers 5 ermittelbar ist.
Der quantitative Wert der Salzkonzentration der Benetzung wird von der
Auswertevorrichtung 7 bestimmt und kann beispielsweise für eine angepasste Steuerung der Scheibenwischer und der Wischwaschanlage verwendet werden. Beispielhaft genannt sei die Steuerung der Scheibenwischerfrequenz und die automatische Steuerung der Waschwassermenge. Darüber hinaus kann die Auswertevorrichtung 7 die Daten der Fahrzeugscheibenbenetzung auch weiteren, hier nicht näher beschriebenen Vorrichtungen im Kraftfahrzeug zur Verfügung stellen.
Als Lichtempfängers 5 kann vorzugsweise ein Kamerachip verwendet werden. Hierbei ist besonders vorteilhaft, dass ein Teil der Sensorfläche des Kamerachips zur bildlichen Erfassung des Fahrzeugsaußenraums 10 vorgesehen sein kann. Wie die Figur 1 anhand des mittels einer punktierten Linie dargestellten Strahlengangs verdeutlicht, wird dieser Bereich des Kamerachips 5 von dem Bereich 8 zur Erfassung der Totalreflexion an der Fahrzeugscheibe 3 nicht beeinflusst.
Auf dem in der Figur 4 schematisch dargestellten Kamerachip 5 werden sich gemäß den anhand er Figur 3 beschriebenen Winkelbereichen (a, b, c, d) vier örtliche Bereiche (A, B, C, D) ausbilden, welche unterschiedlich durch verschiedene Benetzungen auf der Fahrzeugscheibe 3 betroffen sind. In den Bereich A gelangen keine Lichtstrahlen, die an der Fahrzeugscheibe 3 totalreflektiert wurden. Dieser Bereich ist für die .normale' räumliche Darstellung des Fahrzeugaußenraums 10 nutzbar.
Der Bereich B wird durch Licht im Winkelbereich von ca. 41 ,8° bis ca. 62,3° beleuchtet. Die Benetzung der Fahrzeugscheibe 3 mit sowohl Wasser als auch Salzlösung führt zu einer Verringerung der Lichtmenge, die auf den Bereich B fällt. Auch eine Salz-Kristall-Schicht reduziert die Lichtmenge.
In den Bereich C werden Lichtstrahlen abgebildet, welche unter einem Winkel zwischen ca. 62,3° und ca. 68° an der Fahrzeugscheibe 3 totalreflektiert werden. Eine Beleuchtung in diesem Bereich nimmt nur dann ab, wenn die Fahrzeugscheibe 3 mit einer Salzlösung benetzt ist, oder wenn sich eine Salz- Kristall-Schicht gebildet hat.
Der Bereich D auf dem Kamerachip 5 bleibt bei Benetzung mit Wasser oder einer Salzlösung immer beleuchtet, da die Totalreflexion nicht aufgehoben wird. Eine feste Salz-Kristall-Schicht hingegen reduziert die Lichtmenge.
Ein geeigneter Auswerte-Algorithmus kann nun durch Betrachtung des Signal- Einbruchs sowohl im Bereich B als auch im Bereich C zwischen einer Benetzung der Fahrzeugscheibe 3 mit normalem Wasser oder einer Salzlösung unterscheiden. Darüber hinaus lässt sich der Salzgehalt in der Salzlösung quantitativ bestimmen. Der Brechungsindex hängt von der genauen Salzkonzentration ab, und legt damit eine räumliche Grenze des Bereichs C auf dem Kamerachip 5 fest. Basierend auf dieser Erkenntnis kann beispielsweise die Scheibenwischergeschwindigkeit mit besserer Effizienz an den Salzgehalt angepasst werden. Zuletzt kann durch Bewertung des Bereiches D festgestellt werden, ob sich überhaupt noch eine Flüssigkeit auf der Fahrzeugscheibe 3 befindet, oder ob sich bereits eine feste Salz-Kristall- Schicht gebildet hat. Nur für den Fall einer Salzschicht wird aus der Fahrzeugscheibe 3 das Licht für Bereich D ausgekoppelt, ansonsten muss der Bereich immer beleuchtet bleiben.
Bezugszeichen
1 Beleuchtungseinheit
2 Prisma (Koppelelement)
3 Fahrzeugscheibe
4 optisches System (Objektiv)
5 Lichtempfänger (CCD-Zeile, Kamerachip)
6a, 6b Lichtbündel
7 Auswertevorrichtung
8 (beleuchteter) Bereich
9a, 9b Stellen (des Lichtempfängers)
10 Fahrzeugaußenraum
α Einfallswinkelbereich α' Ausfallswinkelbereich
a, b, c, d Winkelbereiche
A; B, C, D Bereiche (des Kamerachips)

Claims

Patentansprüche
1. Optoelektronische Sensoreinrichtung für ein Kraftfahrzeug zur unterscheidenden Detektion von Feuchtigkeit und Salzlösungen auf einer Fahrzeugscheibe, mit einer Beleuchtungseinheit zur Einstrahlung von Licht in eine Fahrzeugscheibe und mit einem Lichtempfänger, welcher von der Fahrzeugscheibe reflektiertes Licht erfasst, sowie mit einem Koppelelement zur Ein- und Auskopplung von Licht in bzw. aus der Fahrzeugscheibe,
dadurch gekennzeichnet,
dass die Beleuchtungseinrichtung (1 ) Licht über einen Einfallswinkelbereich (α) in die Fahrzeugscheibe (3) einstrahlt, der sich über mehrere Winkelgrade erstreckt,
dass der Lichtempfänger (5) eine Vielzahl von Empfangselementen aufweist,
dass ein optisches System (4) das von der Fahrzeugscheibe (3) in einen Ausfallswinkelbereich (α1) reflektierte Licht auf Empfangselemente des Lichtempfängers (5) abbildet,
und dass der Lichtempfänger (5) ein Signal generiert, aus dem eine Auswertevorrichtung (7) den Grenzwinkel der Totalreflexion an der Fahrzeugscheibe (3) ermittelt.
2. Optoelektronische Sensoreinrichtung nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass der Lichtempfänger (5) einen lichterfassender Zeilensensor ist oder einen lichterfassenden Zeilensensor aufweist.
3. Optoelektronische Sensoreinrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Zeilensensor als CCD-Zeile oder PDA-Zeile ausgebildet ist.
4. Optoelektronische Sensoreinrichtung nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass der Lichtempfänger (5) ein bilderfassender Sensor ist.
5. Optoelektronische Sensoreinrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass Lichtempfänger (5) ein Kamerachip ist.
6. Optoelektronische Sensoreinrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass das optische System (4) durch das Objektiv des Kamerachips ausgebildet ist.
7. Optoelektronische Sensoreinrichtung nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Lichtempfänger (5) zusätzlich den Fahrzeugaußenraum (10) bildlich erfasst.
8. Optoelektronische Sensoreinrichtung nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die Auswertevorrichtung (7) die Salzkonzentration der Fahrzeugscheibenbenetzung quantitativ bestimmt.
9. Optoelektronische Sensoreinrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Auswertevorrichtung (7) den Wert der Salzkonzentration an weitere Einrichtungen im Kraftfahrzeug übermittelt.
10. Optoelektronische Sensoreinrichtung nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, dass der Wert der Salzkonzentration zur Anpassung des Wischverhaltens einer Wisch-Waschanlage verwendet wird.
1 1. Optoelektronische Sensoreinrichtung nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, dass der Wert der Salzkonzentration zur Beeinflussung der Wischfrequenz und/oder der Wischgeschwindigkeit der Scheibenwischer verwendet wird.
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