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WO2020182589A1 - Sensorvorrichtung umfassend ein sensorelement und eine abschlussscheibe - Google Patents

Sensorvorrichtung umfassend ein sensorelement und eine abschlussscheibe Download PDF

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Publication number
WO2020182589A1
WO2020182589A1 PCT/EP2020/055768 EP2020055768W WO2020182589A1 WO 2020182589 A1 WO2020182589 A1 WO 2020182589A1 EP 2020055768 W EP2020055768 W EP 2020055768W WO 2020182589 A1 WO2020182589 A1 WO 2020182589A1
Authority
WO
WIPO (PCT)
Prior art keywords
light
sensor
detector
cover plate
cover lens
Prior art date
Application number
PCT/EP2020/055768
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Manuel Trierweiler
Original Assignee
Robert Bosch Gmbh
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Robert Bosch Gmbh filed Critical Robert Bosch Gmbh
Priority to US17/429,762 priority Critical patent/US20220128670A1/en
Priority to CN202080020307.1A priority patent/CN113631909A/zh
Publication of WO2020182589A1 publication Critical patent/WO2020182589A1/de

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    • G01S2007/4975—Means for monitoring or calibrating of sensor obstruction by, e.g. dirt- or ice-coating, e.g. by reflection measurement on front-screen
    • G01S2007/4977—Means for monitoring or calibrating of sensor obstruction by, e.g. dirt- or ice-coating, e.g. by reflection measurement on front-screen including means to prevent or remove the obstruction

Definitions

  • Sensor device comprising a sensor element and a cover plate
  • the invention relates to a sensor device comprising a sensor element, a cover plate which protects the sensor element from environmental influences, and a detection device for detecting contamination on the cover plate.
  • Sensor devices such as cameras or LiDAR sensors, as they are often used in connection with modern vehicles, comprise a sensor element which is covered with a cover lens to protect against environmental influences.
  • a cover lens to protect against environmental influences.
  • dirt from the cover lens such as solid particles, water, snow,
  • Ice or oil can be seen on the cover lens.
  • rain sensors which detect moisture or, in general, contamination on a windshield and, if necessary, can operate a windshield wiper as a function thereof.
  • Test light transmitter test light is radiated into the interior of the protective pane, an angle of incidence being selected so that total reflection occurs.
  • the interior of the protective pane is illuminated as a result, but the light cannot escape from the surfaces of the protective pane and an image sensor of the
  • Test light transmitter a photodiode can be arranged with which the test light level is determined. If the window is clean, a known test light level is received. This level changes when test light due to
  • DE 10 2014 116 709 A1 has disclosed a cooking appliance with a cooking space that includes an optical contamination sensor.
  • the contamination sensor has a transparent sensor surface, a light source and a light sensor.
  • the sensor surface is part of a cooking chamber wall and the light source and the light sensor are arranged outside the cooking chamber in such a way that light from the light source falls obliquely onto the sensor surface and from the sensor surface
  • the refractive index is changed by soiling on the transparent sensor surface in such a way that at least for part of the light emitted by the light source the
  • Total reflection on the sensor surface is canceled. Since the incident light is preferably coupled into the sensor surface over a wide angular range, the coupling out is also given over an angular range that extends to total reflection on the transparent sensor surface.
  • the coupling-out angle is determined by the optical refraction properties of the
  • Contamination material determines, which is why the angular range of the Extinguished total reflection can even determine which refractive index the pollution material has. From this property, in turn, conclusions can be drawn about the type of pollution material.
  • DE 10 2018 104 007 A1 describes a device comprising a sensor which contains a cylindrical window, as well as a
  • Wiper blade which is attached to the sensor and can be moved over a viewing section.
  • a sensor device comprising a sensor element, a
  • the detection device comprises an emitter for emitting light, coupling means for coupling light into the cover lens, coupling-out means for coupling light out of the cover lens and a detector. It is provided that the emitter and the coupling means are designed and arranged in such a way that light is coupled into the cover lens at a large number of angles and, due to total reflection within the cover lens, up to the
  • Propagated decoupling means and reaches the detector. If there is contamination on the cover lens, the total reflection for light which is at an angle within one of the refractive index of the
  • Impurity-dependent extinction area was coupled, at least partially extinguished.
  • the detector is set up to detect the extinction of the total reflection for these angles and the
  • Detection device is set up to infer the type of contamination from the angles for which the total reflection has been canceled.
  • the sensor device can use the information about the type of contamination to make an assessment of the functionality of the
  • the sensor element is a device which
  • this sensor element is equipped with a
  • Cover lens protected which is transparent to the electromagnetic radiation used by the sensor element. That works
  • Sensor element using light is the
  • Cover lens allows light to pass through. However, if there is contamination such as water or other dirt on the cover lens, the electromagnetic radiation can spread through the
  • the cover plate, the sensor device can comprise further housing parts which do not necessarily have to be transparent for the electromagnetic radiation used by the sensor element.
  • the detection device of the sensor device is set up not only to register the presence of contamination, but also to determine what type of contamination it is. Light shines into the cover lens to identify the contamination and its type
  • the light is emitted by the emitter and coupled into the cover lens using the coupling means.
  • the light is coupled into the cover lens at a variety of angles.
  • a plurality of angles can be understood to mean a plurality of discrete light beams, each of these light beams being able to be assigned a different angle, but it can also be, for example, a continuous angular range under which the light enters
  • Cover lens is coupled. This continuous angular range is limited by a largest and a smallest angle below the light is coupled into the cover lens and propagated using the total reflection within the cover lens.
  • the light coupled into the cover lens is repeatedly totally reflected between two surfaces of the cover lens and in this way spreads from the point at which the light was coupled into the cover lens to a point at which the light is coupled out again. They are there
  • Coupling means are arranged opposite or adjacent to the point at which the light is coupled into the cover lens and accordingly the coupling-out means are arranged adjacent to or opposite the point at which the light is coupled out again from the cover lens.
  • this can be a
  • the cover lens is free of soiling, light can reach from the coupling point to the coupling point at each of the coupled-in angles so that the detector registers light for all angular ranges. For all coupled angles, the light is totally reflected at an interface between the cover lens and the surrounding air.
  • the condition is changed at least in the contaminated areas.
  • the refractive index of the cover lens does not change into the refractive index of air but into the refractive index of the respective material of the contamination.
  • the pollution are thus for certain angles at which light enters the
  • Cover lens was coupled in, the conditions for total reflection no longer met, so that at least part of the light from the for this angle
  • Cover lens is already decoupled from the cover lens at the point of contamination. According to the Fresnel equations, all rays that were coupled into the cover lens at an angle that is smaller than the critical angle of total reflection are at least partially coupled out of the cover lens. For Impurities with a small refractive index is the critical angle of the
  • the partial outcoupling of light is then registered by the detector, with the detector for certain angular ranges the at least partially canceled total reflection via a reduction in the registered
  • the emitter is preferably set up to emit light in the form of a divergent light beam.
  • This divergent light beam contains all angles of propagation within the cone predetermined by the divergent light beam.
  • the emitter is preferably designed as a light-emitting diode or as a laser diode.
  • the light emitted by the emitter can have a specific wavelength or a specific wavelength range.
  • the wavelength of the light emitted by the emitter is preferably selected such that it is a measurement of the
  • a wavelength can be selected for which the
  • Sensor element has little or no sensitivity.
  • a filter element which is arranged in front of the sensor element and suppresses the light emitted by the emitter.
  • the coupling-in means and / or the coupling-out means are preferably designed as a prism, as a hologram, as an optical grating or as an inclined surface of the cover plate. In the case of a sloping surface, the
  • this surface is arranged with respect to the emitter or the detector in such a way that it is not arranged perpendicularly with respect to an axis of the emitter or the detector, but runs obliquely.
  • the coupling-in means or the coupling-out means as a prism, as a hologram or as an optical grating
  • these means can be designed as an additional element which is arranged adjacent to or opposite the cover plate.
  • these coupling-in means or out-coupling means can also be inserted directly into the
  • Detection device comprises a plurality of spatially distributed emitters and / or detectors. By providing several emitters and correspondingly several detectors assigned to the respective emitters, light can be at several points of the
  • Cover lens can be coupled in and decoupled again at several points accordingly.
  • light propagates via different paths to one of the detectors, the different paths being arranged in such a way that at least the surface of the cover lens required by the sensor element can be checked for contamination.
  • the area of the cover lens required by the sensor element is that part of the cover lens through which the sensor emits electromagnetic radiation or through which the sensor element receives electromagnetic radiation.
  • at least one first optical element such as a diffuser or a lens to be placed between an emitter and a coupling-in means in order to influence the light before coupling.
  • the light emitted by the emitter can be distributed over a defined area via a diffuser.
  • At least one emitter and at least one detector are movably accommodated in the detection device, so that the area in which contaminants can be detected on the cover lens can be varied by changing the position of the emitter or the detector.
  • a translational or rotational movement of the emitter and / or detector preferably takes place for this purpose.
  • the cover plate is designed in the form of a circular cylinder with a cylinder axis.
  • the at least one detector and the at least one emitter are set up around the cylinder axis rotate. In this way, the detection device can monitor at least part of the lateral surface of the circular cylinder via an emitter and an associated detector.
  • the sensor element is preferably a LiDAR sensor or a video camera.
  • the sensor element can be any light-sensitive sensor. In the case of a LiDAR sensor, it is preferred if a LiDAR sensor.
  • Sensor device is selected with a cover plate in the shape of a circular cylinder and a detector is used to detect impurities on the cover plate, which has at least one emitter and a detector which are set up to rotate around the cylinder axis of the circular cylinder shape of the cover plate. It can be provided in particular that parts of the LiDAR sensor as well as the emitter and the detector are arranged together on a rotating unit.
  • Photodiodes each of the photodiodes corresponds to an angular range that can be recognized by the detector.
  • the detector comprises a large number of pixels which can each detect the intensity of light at a different position, each pixel of the CCD being assigned an angle or a small angle range.
  • the detector it is possible for the detector to have other detector elements that are sensitive to optical radiation. In this case, too, a detector element is provided for detecting light entities for a specific angular range.
  • the radiation coupled out by the coupling-out means can be influenced via at least one second optical element such as a lens in such a way that beams of the same angle are mapped onto the same detector position in order to increase the measurement accuracy.
  • the sensor device preferably further comprises a cleaning device for cleaning the cover plate.
  • This cleaning device is preferably set up to be operated as a function of the type and / or amount of contamination that has been detected on the cover lens. It is thus possible, on the one hand, for the cleaning device to be activated only when contaminants are recognized at all, and to be completely deactivated when no contaminants whatsoever are recognized on the cover lens. Furthermore can it can be provided that an operating mode of the cleaning device is selected depending on the type of contamination detected.
  • the cleaning device preferably comprises a spray device for applying a liquid to the cover lens, the cleaning device being set up to operate the spray device depending on the type of contamination. For example, it can be provided that, if water is detected on the cover lens, no additional liquid is applied and the cleaning device is thus activated without actuating the spray device. Conversely, it is preferably provided that when dry
  • the spray device is activated to moisten the lens or to facilitate removal of the contamination.
  • the cleaning device can in particular be a mechanical cleaning unit such as a mechanical one
  • Wiper blade can also be operated without actuating the spray device.
  • the liquid which is applied with the spray device can in particular be a cleaning liquid.
  • a cleaning agent can be added to water for this purpose.
  • the cleaning device can be set up to store several different liquids and to apply them specifically to the cover lens.
  • the cover plate is preferably made from a material which is transparent to the electromagnetic radiation which is received or emitted by the sensor element.
  • a material which is transparent to the electromagnetic radiation which is received or emitted by the sensor element In particular, for the material for the
  • Cover plate a plastic or a glass can be used, which is transparent for the corresponding areas of the electromagnetic spectrum.
  • Cover lens are present, which protects a sensor element of the sensor device from environmental influences. In this way it is possible to assess whether the sensor device is functional, that is to say whether the sensor element of the sensor device can deliver correct data or not. This is particularly advantageous when the sensor device is used in application areas that are critical to safety, such as, for example, when detecting the surroundings when operating an autonomous vehicle.
  • the ability to differentiate between different types of contaminants is important because not every contamination affects the function of the sensor element to the same extent.
  • the sensor device comprises a cleaning device for this purpose, which is operated as a function of the type of contamination that was detected. If, for example, liquids are detected, a wiper blade can be actuated without it being necessary to first use a spray device
  • Spray cleaning liquid Conversely, if dry contaminants are present, the wiper blades can be prevented from running dry and a cleaning liquid can be sprayed on beforehand.
  • Detection of contamination on the entire surface of the cover lens is possible using the detection device.
  • a measure for the degree of contamination can be determined by the detection device, so that a meaningful interpretation of the measurement data of the sensor device is made possible.
  • the wavelength of the radiation used by the detection device can be freely selected. Thus, this can be selected so that interference from
  • Figure 1 is a schematic representation of a sensor device with a
  • Detection device for detecting contamination on a cover lens
  • Figure 2 is a schematic representation of the measuring principle
  • FIG. 6 shows a sensor device with a cylindrical cover plate.
  • FIG. 1 shows a schematic representation of a sensor device 10.
  • the sensor device 10 comprises a sensor element 12, with the data about the Environment in which the sensor device 10 is located can be detected.
  • the sensor element 12 is set up to receive electromagnetic radiation and, if necessary, also to transmit electromagnetic radiation.
  • Sensor element 12 is arranged in a housing 14, which with a
  • Cover plate 16 is closed.
  • the cover lens 16 protects that
  • the cover plate 16 allows electromagnetic radiation to reach the sensor element 12 and, if necessary, vice versa, that electromagnetic radiation which causes the
  • Sensor element 12 emits can be released into the environment.
  • the senor element 12 is designed as an optical camera
  • Cover plate 16 transparent to visible light. If the sensor element 12 is, for example, an infrared camera, the cover plate 16 is transparent to infrared light and can optionally be opaque to visible light. Another example of a sensor element 12 is a LiDAR sensor with which objects in the vicinity of the sensor device 10 can be detected and their
  • Distance to the sensor device 10 can be determined.
  • Sensor device 10 also has a detection device 100. Furthermore, the embodiment of the sensor device 10 shown in FIG. 1 has a
  • FIG. 2 schematically shows the detection device 100, compare FIG. 1, with which deposits 110 on a surface of the cover plate 16 can be detected.
  • the detection device 100 comprises an emitter 102, which is designed, for example, as a light-emitting diode and emits light 105 to be coupled into the cover plate 16.
  • the light 105 to be coupled in reaches the coupling means 104 and is fed into the coupling means 104 by the coupling means 104
  • the light 105 to be coupled in can be influenced before the coupling by a first optical element 112 which is arranged between the emitter 102 and the coupling means 104.
  • the first optical element 112 is designed as a diffuser.
  • the coupled-in light propagates within the cover plate 16 in the direction of coupling-out means 106 and exits there again as coupled-out light 107.
  • the light propagates with use total reflection, the light propagating from the coupling-in means 104 to the coupling-out means 106 through multiple reflection on the surfaces of the cover plate 16.
  • the critical angle determined for total reflection is given by the refractive index of the material of the cover plate 16 and the refractive index of the surrounding air. However, if there is an impurity 110 on the surface of the cover plate 16, then at the point where the
  • Contamination 110 is, due to the refractive index of the contamination 110, which differs from that of air, the critical angle at which total reflection within the cover lens 16 is possible, reduced.
  • the strength of the reduction in the critical angle depends on the refractive index of the impurity 110. Since total reflection is no longer possible for all angles under which the light 105 to be coupled was coupled into the cover lens 16, a subset 111 of the light is now at the position the impurity 110 decoupled.
  • the coupled-out light 107 is advantageously influenced by a second optical element 114 before it strikes the detector 108, which is designed as a lens in the example shown in FIG.
  • Light 105 to be coupled through the cover plate 16 is outlined.
  • Coupling means 104 are designed here, for example, as an inclined surface of the cover plate 16.
  • the coupling-out means 106 are also designed as a beveled surface of the cover plate 16.
  • the cover plate 16 there are no impurities 110, compare FIG. 2, on the cover plate 16, so that for all three outlined beams of the light 105 to be coupled in, total reflection within the Cover plate 16 is possible.
  • the three beams leave the cover plate 16 at a different angle, so that they impinge on the detector 108 at a different detector position P.
  • the detector position P can be assigned according to a propagation angle in the cover plate 16.
  • FIG. 3b shows a diagram which shows the intensity I of the coupled-out light 107 determined by the detector 108 as a function of the detector position P.
  • a high intensity I is measured for all three outlined light beams of the coupled-out light 107.
  • the smallest angle at which a high intensity I is measured corresponds to the critical angle of total reflection, which is linked to the refractive index.
  • the position on the detector 108 which corresponds to the critical angle is marked with the reference symbol 116.
  • FIG. 4 a and the associated FIG. 4 b the propagation of the three light beams, compare FIG. 3 a, through the cover plate 16 is shown, with an impurity 110 being located on a surface of the cover plate 16.
  • the presence of the contamination 110 changes the critical angle at the position of the contamination 110 at which total reflection is possible inside the cover lens 16, so that the conditions required for total reflection are only met for one of the three light beams of the light 105 to be coupled in.
  • the associated diagram in FIG. 4b shows a high intensity I for only one of the three light beams.
  • Figure 5a and the associated Figure 5b show the same situation as in Figures 4a and 4b, but for a second contamination 110 Ver, which is a different one
  • the refractive index of the second impurity 110 ′ does not allow total reflection in the interior of the cover plate 16 for any of the three outlined light beams of the light 105 to be coupled in, so that none of the three outlined light beams reaches the detector 108.
  • the diagram of the intensity I of the light determined by the detector 108 in FIG. 5b no longer shows an appreciable intensity I for any of the three outlined light beams.
  • the position on the detector 108 which corresponds to the critical angle is again marked with the reference number 116. In the cases outlined in FIGS. 3a, 4a and 5a, the detector 108
  • the detector 108 can be designed as a single-line CCD, so that the detector 108 can determine the intensity I of the respective incoming light for a plurality of pixels along a spatial dimension.
  • the detector 108 can be configured in the form of a plurality of detector elements 109, each of which represents, for example, a photodiode that is sensitive to light. Each of these photodiodes can then accordingly determine light for a certain angular range, for total reflection inside the
  • Figure 6 shows an embodiment of a detection device 100 in
  • the detection device 100 comprises an emitter 102 and a detector 108, each with two
  • Detector elements 109 Each of the two detector elements 109 can detect light which has been coupled into the cover plate 16 at a certain angular range.
  • both the emitter 102 and the detector 108 are set up in such a way that they can be rotated about the cylinder axis 120.
  • a light path 122 between the emitter 102 and the detector 108 gradually sweeps over the entire lateral surface of the circular cylindrical cover plate 16.
  • the embodiment of the detection device 100 shown in FIG. 6 is particularly suitable in connection with sensor elements 12 which are designed as LiDAR sensors and also rotate about an axis.

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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

Beschreibung
Titel:
Sensorvorrichtung umfassend ein Sensorelement und eine Abschlussscheibe
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 Al 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 Al 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 Al 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 Aufträgen 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. Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Ausführungsbeispiele der Erfindung werden anhand der Zeichnungen und der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert.
Es zeigen:
Figur 1 eine schematische Darstellung einer Sensorvorrichtung mit einer
Detektionseinrichtung zur Erkennung von Verunreinigungen auf einer Abschlussscheibe,
Figur 2 eine schematische Darstellung des Messprinzips,
Figuren 3a und 3b
eine schematische Darstellung der Ausbreitung drei verschiedener Lichtstrahlen ohne Verunreinigungen,
Figuren 4a und 4a
schematische Ausbreitung von drei Lichtstrahlen bei Vorliegen von einer ersten Verunreinigung,
Figuren 5a und 5b
die Ausbreitung von drei Lichtstrahlen bei Vorliegen einer zweiten Verunreinigung und
Figur 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.
Figur 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 Figur 1 dargestellte Ausführungsform der Sensorvorrichtung 10 eine
Reinigungseinrichtung 200 auf, mit der sich Verunreinigungen 110 von der
Abschlussscheibe 16 entfernen lassen.
Figur 2 zeigt schematisch die Detektionseinrichtung 100, vergleiche Figur 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 Figur 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 Figur 2 dargestellten Beispiel als eine Linse ausgestaltet ist.
In der Figur 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 Figur 3a dargestellten Situation befinden sich keinerlei Verunreinigungen 110, vergleiche Figur 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 Figur 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 Figur 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 Figur 4a und der dazugehörigen Figur 4b ist die Ausbreitung der drei Lichtstrahlen, vergleiche Figur 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 Figur 4b nur noch für einen der drei Lichtstrahlen eine hohe Intensität I.
Figur 5a und die dazugehörige Figur 5b zeigen die gleiche Situation wie in Figuren 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 Figur 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 Figuren 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 Figur 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.
Figur 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 Figur 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.

Claims

Ansprüche
1. 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.
2. Sensorvorrichtung (10) gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Emitter (102) eingerichtet ist, Licht in Form eines divergenten Lichtstrahls auszusenden.
3. Sensorvorrichtung (10) gemäß Anspruch 1 oder 2, dadurch
gekennzeichnet, dass der Emitter (102) als Leuchtdiode oder als Laserdiode ausgestaltet ist.
4. 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.
5. 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.
6. 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.
7. 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.
8. Sensorvorrichtung (10) gemäß Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Reinigungseinrichtung (200) eine Sprühvorrichtung zum Aufträgen 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.
9. 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.
10. 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.
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