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Stand der Technik
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Die
vorliegende Erfindung betrifft einen Regensensor nach dem Oberbegriff
des Anspruchs 1 und eine Scheibe für einen Regensensor
nach dem Oberbegriff des Anspruchs 12.
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Ein
solcher Regensensor ist aus der
WO 2004/002789 bekannt
und umfasst einen Wellenleiter, der einen Wellenleiterkern und zwei
Mantelschichten aufweist, und einen Detektionsabschnitt, wobei die
Mantelschichten auf zwei gegenüberliegenden Seiten des
Wellenleiterkerns vorgesehen sind, wobei der Wellenleiterkern einen
ersten Brechungsindex aufweist, und wobei die Mantelschichten einen
zweiten Brechungsindex aufweisen, der geringer als der erste Brechungsindex
ist. Die Mantelschichten sind in der Regel aus dem gleichen Werkstoff
und dienen dazu ein Lichtstrahlenbündel total zu reflektieren,
so dass es den Wellenleiterkern nicht verlässt. Der Wellenleiter
und der Detektionsabschnitt sind in einer Windschutzscheibe eines
Kraftfahrzeugs integriert. Der Regensensor dient dazu, die Scheibenwischer
des Kraftfahrzeugs zu steuern. Regentropfen werden über
dem Detektionsabschnitt auf der äußeren Oberseite
der Windschutzscheibe erfasst. Der Detektionsabschnitt weist ein
holographisches Auskoppelelement auf, das ein Lichtstrahlenbündel,
welches durch den Lichtwellenleiter läuft, zu der äußeren
Oberseite der Windschutzscheibe auffächert, von wo das
Lichtstrahlenbündel zu einem Reflektor total reflektiert
wird, wenn die äußere Oberseite trocken ist, und
nicht oder nur teilweise total reflektiert wird, wenn die äußere
Oberseite nass ist. Das an der äußeren Oberseite
der Windschutzscheibe total reflektierte Lichtstrahlenbündel
gelangt schließlich zu einem Detektor, der anhand der Intensität
des erfassten Lichtstrahlenbündels erkennt, ob es regnet
oder nicht.
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Ein
Nachteil eines solchen Regensensors liegt darin, dass das holographische
Auskoppelelement nicht vollkommen transparent ist. Der Detektionsabschnitt
ist daher in einem Randbereich der Windschutzscheibe vorgesehen.
Der erfasste Zustand der Oberseite der Windschutzscheibe in dem Randbereich
ist jedoch zur Steuerung der Scheibenwischer nicht gut geeignet.
Der Regensensor ist außerdem stark abhängig von
Temperaturschwankungen. Die Herstellung solcher Regensensoren ist
zudem aufwendig und daher teuer.
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Ein
Nachteil eines solchen Regensensors liegt darin, dass das holographische
Auskoppelelement nicht vollkommen transparent ist. Der Detektionsabschnitt
ist daher in einem Randbereich der Windschutzscheibe vorgesehen.
Der erfasste Zustand der Oberseite der Windschutzscheibe in dem Randbereich
ist jedoch zur Steuerung der Scheibenwischer nicht gut geeignet.
Der Regensensor ist außerdem stark abhängig von
Temperaturschwankungen. Die Herstellung solcher Regensensoren ist
zudem aufwendig und daher teuer.
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Offenbarung der Erfindung
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Der
vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Regensensor
und eine Scheibe für einen Regensensor zu schaffen, welche
zumindest hinsichtlich eines der oben genannten Nachteile verbessert
sind.
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Die
der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe wird durch einen Regensensor
mit den Merkmalen des kennzeichnenden Teils des Patentanspruchs
1 und eine Scheibe für einen Regensensor mit den Merkmalen
des kennzeichnenden Teils des Patentanspruchs 12 gelöst.
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Die
vorliegende Erfindung betrifft einen Regensensor, wobei der Wellenleiterkern
in dem Detektionsabschnitt einen Seitenbereich aufweist, der an einen
Werkstoff mit einem dritten Brechungsindex angrenzt, der größer
als der zweite Brechungsindex ist. Der Seitenbereich ist eine Grenzfläche
des Wellenleiterkerns zu einem anderen Werkstoff und ermöglicht,
dass ein Lichtstrahlenbündel den Wellenleiterkern verlassen
kann. Der Wellenleiterkern kann von einem Ende des Detektionsabschnitts
zum gegenüberliegenden Ende des Detektionsabschnitts verlaufen,
so dass der Wellenleiterkern auch einen Teil des Detektionsabschnitts
bildet. Ein holographisches Auskoppelelement ist nicht erforderlich.
Der Detektions abschnitt kann daher vollständig transparent
gestaltet werden und im zentralen Sichtbereich des Kraftfahrzeugführers
in der Windschutzscheibe integriert werden. Somit kann ein Zustand
de Windschutzscheibe erfasst werden, der für die Steuerung der
Scheibenwischer besonders geeignet ist.
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In
einer bevorzugten Ausführungsform weist der Wellenleiterkern
in dem Detektionsabschnitt einen weiteren gegenüberliegenden
Seitenbereich auf, der an einen Werkstoff mit einem vierten Brechungsindex
angrenzt, der geringer als der erste Brechungsindex ist. Der weitere
Seitenbereich wird dadurch definiert, dass er dem Seitenbereich
gegenüberliegt. Der weitere Werkstoff mit dem vierten Brechungsindex
ist vorzugsweise mit einer der Mantelschichten identisch, die somit
von einem Ende des Detektionsabschnitts zum gegenüberliegenden
Ende des Detektionsabschnitts verlaufen kann, so dass auch diese
Mantelschicht einen Teil des Detektionsabschnitts bildet. Der vierte
Brechungsindex ist dann mit dem zweiten Brechungsindex identisch.
Lediglich die andere Mantelschicht ist durch den Werkstoff mit größerem
Brechungsindex ersetzt.
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In
noch einer bevorzugten Ausführungsform sind der Wellenleiter
und der Detektionsabschnitt in einer Scheibe integriert, und ist
der Seitenbereich derart bemessen, dass ein Lichtstrahl, der von
dem Lichtwellenleiter auf der einen Seite in den Detektionsabschnitt
eintritt, von dem Detektionsabschnitt durch den Seitenbereich in
die Scheibe eintritt, an der Oberseite der Scheibe reflektiert wird
und von der Scheibe durch den Seitenbereich wieder in den Detektionsabschnitt
eintritt, auf der anderen Seite von dem Detektionsabschnitt wieder
in den Lichtwellenleiter eintritt. Dies ermöglicht es,
den Lichtstrahl weiterzuleiten und somit einen Detektor geeignet
zu platzieren.
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In
einer Weiterbildung der letztgenannten bevorzugten Ausführungsform
ist ein Reflektor vorgesehen, um den Lichtstrahl umzulenken. Der
Lichtstrahl durchläuft dann nochmals den Detektionsabschnitt,
wodurch die Sensitivität des Regensensors noch weiter erhöht
wird. Der Detektor kann außerdem zusammen mit einer Lichtquelle
in einem gemeinsamen Bauteil platziert werden.
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In
einer alternativen bevorzugten Ausführungsform sind der
Wellenleiter und der Detektionsabschnitt in einer Scheibe integriert,
und ist der Seitenbereich derart bemessen, dass ein Lichtstrahl,
der von dem Lichtwellenleiter auf der einen Seite in den Detektionsabschnitt
eintritt, von dem Detektionsabschnitt durch den Seitenbereich in
die Scheibe eintritt, an der Oberseite der Scheibe reflektiert wird
und von der Scheibe durch den Seitenbereich wieder in den Detektionsabschnitt
eintritt, auf der anderen Seite von dem Detektionsabschnitt auf
einen Reflektor trifft, um den Lichtstrahl umzulenken. Der Reflektor ist
für diese Ausführungsform also direkt hinter dem Detektionsabschnitt
vorgesehen und ansonsten gleich ausgebildet.
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In
einer Weiterbildung der beiden letztgenannten alternativen Ausführungsformen
wird der Lichtstrahl so umgelenkt, dass er den Wellenleiter und
den Detektionsabschnitt in entgegen gesetzter Richtung durchläuft.
Ein weiterer Wellenleiter ist folglich nicht erforderlich.
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In
noch einer Weiterbildung der beiden letztgenannten alternativen
Ausführungsformen weist der Reflektor zwei reflektierende
Flächen auf, die in einem Winkel von 90° zueinander
angeordnet sind. Der Lichtstrahl wird somit versetzt reflektiert,
so dass der Detektor neben einer Lichtquelle angeordnet werden kann.
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In
einer Weiterbildung der beiden letztgenannten alternativen Ausführungsformen
ist der Seitenbereich derart bemessen, dass der Lichtstrahl mindestens
noch einmal von dem Detektionsabschnitt durch den Seitenbereich
in die Scheibe eintritt und an der Oberseite der Windschutzscheibe
reflektiert wird. Es können daher Regentropfen in einem größeren
Bereich auf der Windschutzscheibe erfasst werden. Die Genauigkeit
des Regensensors wird erhöht.
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In
noch einer Weiterbildung der beiden letztgenannten bevorzugten Ausführungsformen
ist der Werkstoff, der an den Seitenbereich grenzt, geeignet, einen
Anteil des Lichtstrahls zu reflektieren. Der Lichtstrahl wird daher
weiter aufgefächert, und es können Regentropfen
in einem noch größeren Bereich auf der Windschutzscheibe
erfasst werden. Die Genauigkeit des Regensensors wird weiter erhöht.
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In
noch einer bevorzugten Ausführungsform enthält
der Werkstoff, der an den Seitenbereich grenzt Sol-Gel-Werkstoff.
Dieser Werkstoff ist im sichtbaren Lichtspektrum transparent, so
dass es die Sicht des Kraftfahrzeugführers nicht behindert.
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Die
vorliegende Erfindung betrifft ferner eine Scheibe mit einem erfindungsgemäßen
Wellenleiter und einem erfindungsgemäßen Detektionsabschnitt.
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Im
Folgenden wird die Erfindung mit Bezugnahme auf die Zeichnungen
näher beschrieben. Es zeigen:
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1 einen
Regensensor mit einem Wellenleiter und einem Detektionsabschnitt,
die in einer Windschutzscheibe integriert sind;
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2 den
Reflektor des Regensensors aus 1;
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3A, 3B und 3C alternative Ausführungsformen
der Windschutzscheibe aus 1 im Schnitt;
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4A eine
Schnittansicht des Regensensors aus 1;
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4B eine
weitere Schnittansicht des Regensensors aus 1 mit einem
Wassertropfen;
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5A eine
Schnittansicht eines weiteren Regensensors; und
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5B eine
Schnittansicht noch eines weiteren Regensensors.
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1 zeigt
einen Regensensor mit einem Wellenleiter 4 und einem Detektionsabschnitt 5,
die in einer Windschutzscheibe 12 integriert sind. Eine Lichtquelle 1 sendet
Licht aus. Ein optisches System 2 erzeugt aus dem ausgesendeten
Licht ein Lichtstrahlenbündel 3 mit einer rechteckigen
Querschnittsfläche aus parallelen Lichtstrahlen. Das Lichtstrahlenbündel 3 tritt
in den Wellenleiter 4 ein, wird durch den Wellenleiter 4 zu
einem Detektionsabschnitt 5 und weiter zu einem Reflektor 6 geleitet,
von dem Reflektor 6 am Ende des Wellenleiters 4 reflektiert
und zurück durch den Wellenleiter 4 zu dem Detektionsabschnitt 5 und
weiter zu einem Detektor 25 geleitet.
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2 zeigt
den Reflektor 6 des Regensensors aus 1 am
Ende des Wellenleiters 4. Der Wellenleiter 4 weist
einen Wellenleiterkern 7 und zwei Mantelschichten 8 und 9 auf.
Der Wellenleiterkern 7 und die Mantelschichten 8, 9 bestehen
aus dielektrischem transparentem Werkstoff, vorzugsweise Glas oder
Kunststoff, wobei der Brechungsindex nk des
Wellenleiterkerns 7 höher als der Brechungsindex
nm der Mantelschichten 8, 9 ist
und ungefähr genauso groß wie der Brechungsindex
ng der Glasscheibe 12 ist, so dass
das Lichtstrahlenbündel 3 für einen geeigneten
Einfallswinkel φ wie dargestellt an den Mantelschichten 8 und 9 total
reflektiert wird und sich dabei entlang des Wellenleiters 4 in
Richtung x ausbreitet. Die Mantelschichten 8, 9 können
aus dem gleichen Werkstoff beste hen. Zumindest der Brechungsindex
nm der Mantelschicht 9 ist geringer
als der Brechungsindex nw von Wasser. Der
Reflektor 6 umfasst zwei reflektierende Metallschichten 10 bzw. 11,
die das Lichtbündel 3 reflektieren. Die zu dem Wellenleiterkern 7 hin
gewandten Oberflächen der Metallschichten 10 bzw. 11 schließen
einen Winkel α bzw. β mit einem Vektor in x-Richtung
ein, wobei gilt α + β = 90°, und schließen
einen Winkel γ = 90° mit den Oberflächen
der Mantelschichten 8 und 9 ein, die zu dem Wellenleiterkern 7 hin
gewandt sind, d. h. sie stehen senkrecht auf den Mantelschichten 8 bzw. 9. Das
Lichtstrahlenbündel 3 läuft nach der
Reflektion an dem Reflektor 6 entgegen der Richtung x in
dem Wellenleiter 4 um einen gewissen Abstand versetzt zurück.
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3A, 3B und 3C zeigen
alternative Ausführungsformen der Windschutzscheibe 12 aus 1.
Es handelt sich bei diesen um Verbundglasscheiben, die jeweils aus
zwei transparenten Glasscheiben 13 und 14 mit
dem Brechungsindex ng und der bzw. den transparenten
klebfähigen Verbundfolien 15, 16 aus
Polyvinylbutyral (PVB) besteht. Der Wellenleiter mit dem Wellenleiterkern 7 und
den zwei Mantelschichten 8, 9 ist jeweils zwischen
den beiden Glasscheiben 13, 14 angeordnet. Die
klebefähige Verbundfolie 15 bzw. 16 befindet
sich entweder über dem Wellenleiter (3A)
oder unter dem Wellenleiter (3B). Die
klebefähigen Verbundfolien 15, 16 können
sich auch auf beiden Seiten des Wellenleiters befinden (3C).
Die Windschutzscheibe kann auch weitere Folien, Glasscheiben und
Schichten aufweisen, deren Brechungsindizes jeweils im Bereich des
Brechungsindex nk des Wellenleiterkerns
liegen sollten, damit weder beim Austritt aus dem Wellenleiterkern
noch beim Eintritt in den Wellenleiterkern Totalreflexion stattfindet.
Im Folgenden wird die genaue Struktur der Windschutzscheibe 12 nicht
weiter betrachtet.
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4A zeigt
eine Schnittansicht des Regensensors aus 1. Die Leuchtdiode 1 sendet
infrarotes Licht 20 mit einer Wellenlänge von
780 nm aus, welches das optische System 2 durchläuft.
Das optische System 2 umfasst zwei Linsen 17, 18 und
eine Blende 19. Die Linsen 17, 18 sorgen
dafür, dass die Strahlen des infraroten Lichts 20 parallel
werden. Die Blende 19 hat eine rechteckige Blendenöffnung,
die den Querschnitt des parallelen Strahlenbündels 3 festlegt,
welches durch die Blendenöffnung hindurch tritt. Die Schnittansicht
verläuft parallel zu der kurzen Seite der Blendenöffnung,
die nur 40 bis 60 Mikrometer lang ist, während die andere
Seite ungefähr 40 Millimeter lang ist, so dass sich entsprechend
ein Strahlenbündel 3 mit den rechteckigen Abmessungen
von 40 bis 60 Mikrometer auf ungefähr 40 Millimeter ergibt.
Das Strahlenbündel 3 wird mit Hilfe des Prismas 21 durch
die Glasscheibe 14 und eine Schicht 22, die an
den Wellenleiterkern 7 grenzt, eingeleitet und dann durch
den Wellenleiterkern 7 zu dem Detektionsabschnitt 5 geleitet,
während das Strahlenbündel 3 immer wieder
an den Mantelschichten 8 und 9 reflektiert wird.
Wäre die kurze Abmessung des Strahlenbündels 3 größer,
könnte ein Teil des Strahlenbündels 3 nicht
in den Wellenleiterkern 7 eingeleitet werden. Die lange
Abmessung des Strahlenbündels 3 ermöglicht
die Detektion von Regentropfen in einem relativ großen
Bereich auf der Windschutzscheibe 12. Der Brechungsindex
no der Schicht 22 aus einem optischen
Kleber ist größer als der Brechungsindex nm der Mantelschichten 8 und 9, um
eine Totalreflexion zu verhindern. Der Detektionsabschnitt 5 der
Länge l unterscheidet sich von dem Wellenleiter 4 dadurch,
dass in einem Seitenbereich des Wellenleiters 4 die Mantelschicht 9 nicht
vorgesehen ist, sondern eine Detektionsabschnittsschicht 23 aus
einem optischen Kleber, welche einen höheren Brechungsindex
no als die Mantelschicht 9 hat,
so dass das Lichtstrahlenbündel 3 daher nicht
an der Grenzfläche zu der Detektionsabschnittsschicht 23 reflektiert
wird, sondern in die Glasscheibe 13 eintritt. Das Lichtstrahlenbündel 3 wird
schließlich an der Oberfläche der Glasscheibe 13 reflektiert
und tritt durch die Detektionsabschnittsschicht 23 wieder
in den Wellenleiterkern 7 ein. Das Lichtstrahlenbündel 3 wird
dann bis zum Reflektor 6 am Ende des Lichtwellenleiters 7 weitergeleitet,
wo das Lichtstrahlenbündel 3 reflektiert wird.
Das reflektierte Lichtstrahlenbündel 3 ist nicht
dargestellt. Dieses durchläuft wie in 1 dargestellt
ebenfalls den Detektionsabschnitt 5, in dem das reflektierte
Lichtstrahlenbündel 3 ebenfalls auf die Oberseite
der Glasscheibe 13 trifft. Die Länge l des Detektionsabschnitts 5 hängt
von den Dicken der Glasscheibe 13 und des Wellenleiterkerns 7 und
einem Einfallswinkel φ ab und soll bei Vernachlässigung
der Dicke der Detektionsabschnittsschicht 23 den folgenden
Wert l0 haben: l0 = 2·(d + g)·tan(φ)
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Die
Länge l des Detektionsabschnitts
5 darf nicht
um mehr als Δl = d·tan(φ) von l
0 abweichen, da das Lichtstrahlenbündel
nach der Reflexion an der Oberseite der Glasscheibe sonst nicht
mehr in den Wellenleiter eintritt. Der Regensensor ist nicht maßstabsgetreu
dargestellt, da die Glasschei ben
13,
14 viel dicker
als der Wellenleiter sind. Der Einfallswinkel φ muss folgende
Beziehung erfüllen:
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Alternativ
kann der Reflektor direkt hinter dem Detektionsabschnitt angeordnet
sein, so dass das Strahlenbündel am Ende des Detektionsabschnitts
direkt reflektiert wird, ohne in den Wellenleiter einzutreten.
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4B zeigt
eine weitere Schnittansicht des Regensensors aus 1 mit
einem Wassertropfen 24. Wie in 4A wird
das Lichtstrahlenbündel 3 durch den Wellenleiterkern 7 zu
dem Detektionsabschnitt 5 geleitet und tritt in die Glasscheibe 13 ein. An
der Oberseite der Glasscheibe wird das Lichtstrahlenbündel 3 diesmal
jedoch nicht reflektiert, sondern tritt in den Wassertropfen 24 ein
und läuft durch diesen in die Luft. Das Lichtstrahlenbündel 3 läuft also
nicht weiter durch den Lichtwellenleiter 4 und wird auch
nicht von dem Detektor 25 an dem Ende des Lichtwellenleiters 4 detektiert.
Regen kann daher an einer Verringerung des Signals erkannt werden, welches
der Detektor 25 erfasst. Im Folgenden werden nur Unterschiede
explizit angesprochen. Die weiteren Merkmale können also
der vorangegangenen Beschreibung entnommen werden.
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5A zeigt
eine Schnittansicht eines weiteren Regensensors. Wie in 4A und 4B wird das
Lichtstrahlenbündel 3, welches von einer Lichtquelle
mit Hilfe des optischen Systems 2 erzeugt wurde, durch
den Wellenleiterkern 7 zu dem Detektionsabschnitt 5 geleitet
und tritt durch die Detektionsabschnittsschicht 23 in die
Glasscheibe 13 ein. Im Unterschied zu dem Regensensor aus 4A und 4B hat
der Detektorabschnitt eine Länge L, die ein vielfaches
der Länge l0 ist (L = n·l0 ± Δl,
wobei n eine natürliche Zahl ist), so dass das Lichstrahlenbündel 3 daher
mehrfach an der Oberfläche 13 der Glasscheibe
reflektiert wird. Wassertropfen können daher in einen größeren
Bereich detektiert werden, so dass sich die Detektionssensitivität
erhöht.
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5B zeigt
eine Schnittansicht noch eines weiteren Regensensors. Wie in 5a wird
das Lichtstrahlenbündel 3, welches von einer Lichtquelle mit
Hilfe eines optischen Systems erzeugt wurde, durch den Wellenleiterkern 7 zu
dem Detekti onsabschnitt 5 geleitet. Im Unterschied zu dem
Regensensor aus 5A ist die Detektionsabschnittsschicht 23 teilweise
reflektierend, so dass das Lichtstrahlenbündel 3 die
Detektionsabschnittsschicht 23 nie vollständig
durchdringt, sondern ein Teil des Lichstrahlenbündels 3 bei
jedem Austritt des Lichtstrahlenbündels 3 aus
dem Lichtwellenleiterkern 3 in die Glasscheibe 13 und
bei jedem Eintritt in den Lichtwellenleiterkern 3 von der
Glasscheibe 13 teilweise reflektiert wird. Die Detektionsabschnittsschicht 23 ist
für sichtbare Wellenlängen transparent und nur
für infrarotes Licht, insbesondere für die Wellenlänge
von 780 nm reflektierend und nicht transparent. Die Detektionsabschnittsschicht 23 enthält
vorzugsweise einen Sol-Gel-Werkstoff mit Silizid-Nanopartikeln.
Auf die Oberseite der Glasscheibe 13 fallen daher großflächig
Lichtstrahlen ein, die zur Detektion von Regentropfen genutzt werden.
Ein Anteil der Lichtwellen, wird am Ende des Detektionsabschnitts 5 nicht
in den Wellenleiter 3 zurück reflektiert und ist
für die Detektion von Regentropfen 24 daher nicht
mehr nutzbar. Eine besonders homogene Verteilung eintreffender Lichtstrahlenbündel
an der Oberfläche der Glasscheibe, die für die
Erfassung von Wassertropfen besonders geeignet ist, liegt für
eine semireflektierende Detektionsabschnittsschicht 23 und
l = 2·l0 ± Δl
vor.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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