BRPI0901468B1

BRPI0901468B1 - Dispositivo sensor óptico para detectar luz ambiente, e, sensor de chuva/luz

Info

Publication number: BRPI0901468B1
Application number: BRPI0901468-3A
Authority: BR
Inventors: Ulrich Backes
Original assignee: Trw Automotive Electronics & Components Gmbh
Priority date: 2008-05-16
Filing date: 2009-05-13
Publication date: 2019-02-19
Also published as: KR20090119740A; US7894054B2; JP2009276345A; BRPI0901468A2; US20090284735A1; DE102008023845A1; EP2120025B1; CN101581603A; CN101581603B; JP5867979B2; EP2120025A1; KR101070346B1; ES2398044T3; MX2009005171A; DE102008023845B4

Abstract

dispositivo sensor óptico para detectar luz ambiente, e, sensor de chuva/luz. um dispositivo sensor óptico para detectar luz ambiente é adaptado para ser acoplado a uma vidraça (10), em particular, a um pára-brisa de um veículo a motor. o dispositivo sensor óptico tem uma unidade de sensor que inclui pelo menos um receptor de luz (26) e uma placa de lente (12). por meio da unidade de sensor, um feixe de luz ambiente tendo entrado pela vidraça (10) é acoplado aa vidraça (10) e direcionado por cima do receptor de luz (26). sobre uma superficie (1 2b) que se volta para a vidraça (10), a placa de lente (12) inclui uma primeira estrutura de prisma de fresnel (22) tendo uma pluralidade de estruturas individuais (24). as estruturas individuais (24) da primeira estrutura de prisma de fresnel (22) sendo projetadas de modo a defletir o feixe de luz em diferentes ângulos.

Description

“DISPOSITIVO SENSOR ÓPTICO PARA DETECTAR LUZ AMBIENTE,

E, SENSOR DE CHUVA/LUZ”

A invenção refere-se a um dispositivo sensor óptico para detectar luz ambiente, que é adaptado para ser acoplado a uma vidraça, em particular, a um pára-brisa de um veículo a motor.

Dispositivos sensores desse tipo são usados, principalmente, como sensores de luz para controlar a iluminação de veículo. O uso de lentes tradicionais para influenciar o trajeto de feixe, como, por exemplo, as lentes, inclinadas em direção ao pára-brisa, do sensor de chuva mostrado na EP 1 068 112 Bl, exige uma quantidade comparativamente grande de espaço.

O uso de estruturas holográficas permite realizar projetos pequenos, como conhecido, por exemplo, a partir de WO 03/026937 Al. Esses sensores são baseados no princípio da difração de luz com a ajuda de elementos difrativos e, portanto, têm a desvantagem, induzida por princípio, de uma eficiência luminosa útil substancialmente baixa e uma sensibilidade mais alta à luz dispersa.

Em conexão com um dispositivo sensor óptico, a DE 196 08 648 Cl propõe configurar a entrada de luz e as superfícies de saída da unidade de guia de onda óptico na forma de lentes de Fresnel. Porém, visto que as superfícies do guia de onda óptico nas quais as lentes são configuradas são perpendiculares à superfície da vidraça, esse dispositivo exige uma quantidade muito grande de espaço.

Desvantagens básicas adicionais dos dispositivos de sensor de luz ambiente conhecidos são encontradas no alto custo de produção e em uma faixa de recepção que é muito pequena. A tentativa, em conexão com dispositivos de sensor tendo lentes de Fresnel, de expandir a faixa de recepção na qual o receptor de luz é colocado afastando-se adicionalmente, ou, mais próximo do ponto focal da lente de Fresnel não foi bem-sucedida porque esta é acompanhada por uma divisão da característica de recebimento em um ou diversos feixes de raio muito fora da faixa de recepção provida. Isso também se aplica à tentativa de aumentar a área de receptor.

E um objetivo da invenção aumentar a faixa de recepção da unidade de sensor enquanto evitando as desvantagens mencionadas acima.

Para alcançar esse objetivo, é proposto um dispositivo sensor óptico para detectar luz ambiente que é adaptado para ser acoplado a uma vidraça, em particular, a um pára-brisa de veículo a motor. De acordo com a invenção, o dispositivo sensor óptico inclui uma unidade de sensor que tem pelo menos um receptor de luz e uma placa de lente. Por meio da unidade de sensor, um feixe de luz ambiente tendo entrado pela vidraça é acoplado aa vidraça e direcionado por cima do receptor de luz. Sobre uma superfície voltando-se para a vidraça, a placa de lente inclui uma primeira estrutura de prisma de Fresnel tendo uma pluralidade de estruturas individuais. As estruturas individuais da primeira estrutura de prisma de Fresnel são projetadas de modo a defletir os raios do feixe de luz em diferentes ângulos. A solução de acordo com a invenção permite ampliar a faixa de recepção da unidade de sensor de uma maneira definida por meio de meramente uma estrutura de prisma de Fresnel sem uma divisão em diversos feixes de luz sendo produzida. A fim de obter uma característica de recepção desejada, é possível, por exemplo, ajustar o ângulo de deflexão das estruturas individuais de reflexão em tomo de um ângulo médio de deflexão em pequenas distâncias angulares.

De acordo com um modo de realização particularmente vantajoso da invenção, a primeira estrutura de prisma de Fresnel inclui uma estrutura linear tendo uma primeira orientação, e sobre a mesma superfície a placa de lente inclui uma segunda estrutura de prisma de Fresnel tendo uma pluralidade de estruturas individuais, a segunda estrutura de prisma de Fresnel tendo uma segunda orientação que difere da primeira orientação. Desse modo, a faixa de recepção ampliada quando usando a solução de acordo com a invenção pode ser completada com uma faixa de recepção adicional, independente da mesma, em uma direção diferente no espaço.

A orientação da segunda estrutura de prisma de Fresnel, de preferência, é perpendicular à orientação da primeira estrutura de prisma de r

Fresnel. E possível, desse modo, levar a incidência de luz a partir de duas direções diferindo ao máximo em conta, o que é importante para a confiabilidade da detecção de luz. Entretanto, orientações adicionais também são basicamente possíveis.

Como na primeira estrutura de prisma de Fresnel, as estruturas individuais da segunda estrutura de prisma de Fresnel são projetadas, de preferência, de modo a defletir os raios do feixe de luz em diferentes ângulos para, desse modo, aumentar a faixa de recepção.

Uma unidade de sensor particularmente compacta com custo de produção mínimo é obtida pelo fato de que a segunda estrutura de prisma de Fresnel é, pelo menos parcialmente, integrada à estrutura de prisma de Fresnel. Nesse caso, as estruturas individuais têm uma dupla função, pelo fato de que conduzem a deflexão necessária da luz simultaneamente para ambas as estruturas de prisma de Fresnel.

Em um modo de realização vantajoso de um sensor de chuva/luz, é provido, em adição ao dispositivo sensor óptico para luz ambiente de acordo com a invenção, um dispositivo sensor de chuva para detectar eventos de umedecimento sobre a vidraça, os dispositivos de sensor compartilhando uma placa de lente comum na qual todas as estruturas de Fresnel (estruturas de prisma e, possivelmente, estruturas de lente) são formadas.

Características e vantagens adicionais da invenção ficarão visíveis a partir da descrição abaixo e a partir dos desenhos anexos, aos quais é feita referência. Nos desenhos:

- a fig. 1 mostra uma vista em seção transversal de uma unidade de sensor de um dispositivo sensor óptico de acordo com a invenção;

- a fig. 2 mostra uma vista seccional de uma unidade de sensor de um dispositivo sensor óptico não de acordo com a invenção;

- a fig. 3a mostra uma vista em seção transversal alargada de uma estrutura de prisma de Fresnel na qual a deflexão ocorre, principalmente, por reflexão;

- a fig. 3b mostra uma vista em seção transversal alargada de uma estrutura de prisma de Fresnel na qual a deflexão ocorre, principalmente, por refração;

- as figs. 4a a 4d mostram vistas em seção transversal correspondentes das diferentes estruturas individuais; e

- as figs. 5a e 5b mostram vistas em perspectiva da estrutura de prisma de Fresnel de um modo de realização particular.

Uma unidade de sensor para um sensor de luz ambiente para um veículo é mostrada esquematicamente na fig. 1. A unidade de sensor é montada ao pára-brisa 10 do veículo. O elemento opticamente ativo da unidade de sensor é uma placa de lente 12. A placa de lente 12 é mecanicamente e oticamente acoplada ao pára-brisa 10 por meio de um acoplador 14.

Sobre uma primeira superfície 12a que se volta afastando-se do pára-brisa 10, a placa de lente 12 é provida com uma estrutura de lente de Fresnel 16. Um receptor de luz 26 fica localizado no ponto focal da estrutura de lente de Fresnel.

Sobre uma segunda superfície 12b que se volta para o párabrisa 10, a placa de lente 12 é provida com uma estrutura de prisma de Fresnel 22 arranjada oposta à estrutura de lente de Fresnel 16. A estrutura de prisma de Fresnel 22 da segunda superfície 12b é composta de uma pluralidade de estruturas individuais em forma de prisma 24 que são explicadas em detalhe mais adiante.

Um feixe de luz chocando-se substancialmente horizontalmente sobre o pára-brisa inclinado 10 é refratado descendentemente em um ângulo quando entrando pela vidraça 10. O feixe de luz é acoplado à vidraça 10 pelo acoplador 14 sem refração significativa e choca-se sobre a estrutura de prisma de Fresnel 22 obliquamente ao plano da placa de lente 12. A estrutura de prisma de Fresnel 22 deflete o feixe de luz de modo que ele passe perpendicularmente através da placa de lente 12 na forma de um feixe de luz paralelo. A estrutura de lente de Fresnel 16 focaliza o feixe de luz sobre o receptor de luz 26 quando ele sai da placa de lente 12.

Uma característica especial da estrutura de prisma de Fresnel 22 é que, em comparação com um modo de realização da estrutura de prisma de Fresnel não de acordo com a invenção e mostrada na fig. 2, a faixa de recepção da unidade de sensor é ampliada. Embora na unidade de sensor mostrada na fig. 2 as estruturas individuais 24’ da estrutura de prisma de Fresnel 22 tenham todas o mesmo projeto, meramente um feixe de luz paralelo estreitamente limitado chocando-se horizontalmente sobre o párabrisa 10 é, consequentemente, focalizado sobre o receptor de luz 26. Em contraste com isso, as estruturas individuais 24 no modo de realização da estrutura de prisma de Fresnel 22 de acordo com a invenção são projetadas de modo a defletir o feixe de luz em diferentes ângulos, como explicado abaixo com referência às figs. 3a e 3b e 4a a 4c. Como resultado, como visível a partir da fig. 1, a faixa de recepção não está limitada a um feixe de luz paralelo, mas ampliada a um feixe de luz ligeiramente convergente com relação à direção de incidência.

É visível a partir da fig. 3 a que as estruturas individuais em forma de prisma 24 da estrutura de prisma de Fresnel 22 têm, em seção transversal, um primeiro flanco 24, que se estende continuamente direto da base ao ápice; um segundo flanco consiste de duas seções 24₂ e 24₃. A seção 24₂ do segundo flanco (à direita na fig. 3 a) é menos pronunciada que a seção

24₃ que também é mais pronunciada que o flanco 24_b Os índices refrativos nl e n2 dos materiais a partir dos quais a placa de lente 12 e o acoplador 14 são feitos são cuidadosamente ajustados um ao outro (eles diferem um do outro somente ligeiramente).

Em nome da simplicidade, um raio de luz individual de um feixe de luz ambiente orientado substancialmente horizontalmente é, respectivamente, considerado abaixo, esse raio de luz tendo entrado pelo párabrisa 10 e chocando-se sobre a placa de lente 12 depois de ter passado através do acoplador 14.

O raio de luz chocando-se sobre a seção 24₂ a um ângulo de entrada de α = 90°, de acordo com a metade à esquerda da fig. 3 a, entra na estrutura individual 24 sem refração e é totalmente refletido pelo flanco 24_bdentro da estrutura individual 24. A condição para a reflexão total do raio de luz no flanco 241 é que o ângulo de incidência βι seja maior que o seno de arco da razão dos índices refrativos. Visto que a razão dos índices refrativos difere somente ligeiramente de 1, o ângulo de incidência βι tem de ser relativamente grande (incidência plana da luz). Os ângulos nos flancos das estruturas individuais 24 são adaptados um ao outro de modo que o ângulo de reflexão βι (que, de acordo com as leis da reflexão total, é igual ao ângulo de incidência β]) seja exatamente tão grande que o raio passe perpendicularmente através da placa de lente 12 (conforme a fig. 1).

O raio de luz incidente sobre a seção 24₂ da estrutura individual adjacente 24 também a um ângulo de α = 90° de acordo com a metade direita da fig. 3 a tem, substancialmente, o mesmo curso que o raio de luz descrito acima. Esse raio também é defletido de modo a passar perpendicularmente através da placa de lente 12. Entretanto, o projeto dessa estrutura individual 24 e, em particular, de seu flanco 241 e de seu flanco 24₂, é escolhido de modo que as condições descritas acima para essa deflexão se apliquem a um raio de luz que não se estenda completamente paralelo ao raio de luz mostrado na metade esquerda da fig. 3a antes de chocar-se sobre o pára-brisa 10. As estruturas individuais 24, então, diferem uma da outra com relação ao ângulo entre a seção de raio saindo do acoplador 14 e a seção de raio passando perpendicularmente através da placa de lente 12, que, no projeto das estruturas individuais 24 de acordo com a fig. 3a, é igual à soma do ângulo de incidência do ângulo de reflexão βι + β₂ e γι + γ₂, respectivamente. Entretanto, isso não significa que os ângulos de deflexão de todas as estruturas individuais 24 têm de ser diferentes.

A fig. 3b mostra uma configuração tendo uma estrutura de prisma de Fresnel puramente de refração. As estruturas individuais em forma de prisma 24 da estrutura de prisma de Fresnel 22 têm, em seção transversal, um primeiro flanco 24 _b sobre o qual um raio de luz incidente é defletido meramente por refração (sem reflexão adicional). Conectando o segundo flanco, a seção intermediária 24₂ é omitida, o que é vantajoso, em particular, no caso de grandes diferenças nos índices refrativos. O ângulo de deflexão definido acima atinge aqui (de acordo com a ilustração da fig. 3b) 180° + β₂ βι e 180° + γ₂ - γι, respectivamente, βι e γι sendo os ângulos de incidência e β₂e γ₂ sendo os ângulos de refração.

Configurações adicionais das estruturas individuais 24 também são basicamente possíveis, como mostrado nas figs. 4a a 4d a título de exemplo. Nos modos de realização de acordo com as figs. 4b e 4c, ocorre uma refração da luz, em contraste com o modo de realização da fig. 4a, quando da entrada nas estruturas individuais 24 (na seção de flanco 24₂), o que pode, possivelmente, ser vantajoso. No modo de realização de acordo com as figs. 4c e 4d, a seção 24₂ do segundo flanco não está presente. De acordo com a fig. 4c, o raio de luz é refratado no segundo flanco e refletido sobre o primeiro flanco 24], enquanto na fig. 4d o raio de luz é meramente refratado no primeiro flanco 24j. Uma configuração substancialmente simétrica dos flancos retos também é possível (tendo a mesma inclinação com relação ao plano do pára-brisa 10 ou da placa de lente 12 dentro de uma faixa usual de tolerância e levando as diferenças nos índices refrativos da placa de lente 12 e no acoplador 14 em consideração), bem como uma combinação das diferentes estruturas individuais 24 dentro da estrutura de prisma de Fresnel 22. Em qualquer caso, é importante que o feixe de luz anteriormente ligeiramente convergente seja convertido geralmente em um feixe de luz paralelo pela estrutura de prisma de Fresnel 22.

Foi mostrado que, com uma variação ao redor do ângulo de deflexão médio fazendo um raio de luz chocar-se horizontalmente sobre o pára-brisa 10 para passar perpendicularmente através da placa de lente 12, uma característica de recebimento vantajosa é obtida. A fig. 1 mostra o feixe de luz ambiente que é detectado desse modo pelo receptor de luz 24 e não é completamente paralelo antes da deflexão pela estrutura de prisma de Fresnel 22. Dependendo do projeto da estrutura de prisma de Fresnel 16, também é possível ajustar um curso não-perpendicular do feixe de luz paralelo através da placa de lente 12.

De acordo com a ilustração da fig. 1, a estrutura de prisma de Fresnel 22 é uma estrutura linear tendo uma orientação específica determinada pela direção básica do feixe de luz reproduzido sobre o receptor de luz 26. É visível, entretanto, a partir da ilustração das figs. 5a e 5b, que a estrutura de prisma de Fresnel 22 inclui não somente uma primeira estrutura linear tendo uma primeira orientação, mas, adicionalmente, uma segunda estrutura linear tendo uma segunda orientação diferindo da primeira orientação. No modo de realização ilustrado, a segunda estrutura de prisma de Fresnel é integrada à primeira estrutura de prisma de Fresnel, ou seja, as estruturas individuais 24 são configuradas de um modo tridimensional, de modo a defletir também um feixe de luz incidente sobre o pára-brisa 10 a partir de uma direção diferente no espaço, de modo que ele passe perpendicularmente através da placa de lente 12 e seja focalizado sobre o receptor de luz 26 pela estrutura de prisma de Fresnel 16 quando sair da placa de lente 12. A orientação da segunda estrutura de prisma de Fresnel é perpendicular à orientação da primeira estrutura de prisma de Fresnel, mas orientações adicionais também são basicamente possíveis. No que diz respeito a estruturas individuais 24, a segunda estrutura de prisma de Fresnel também é projetada, de preferência, de modo que as estruturas individuais deflitam os raios do feixe de luz a ângulos ligeiramente diferentes.

Para um perfeito funcionamento da unidade de sensor, é necessário para o material do acoplador 14 ficar em contato com a superfície da estrutura de prisma 22 de um modo de ajuste de forma e sem a inclusão de bolhas de ar ou o equivalente.

Na prática, são exigidos sensores de chuva/luz combinados. Um sensor de chuva inclui uma quantidade de unidades de sensor que, como a unidade de sensor do sensor de luz ambiente descrita, exige estruturas óticas ativas. Devido à estrutura particular do sensor de luz ambiente, é possível que as unidades de sensor do sensor de luz ambiente e do sensor de chuva compartilhem uma placa de lente comum 12, de modo que um espaço mínimo seja obtido. Se exigido, podem ser providas, adicionalmente, unidades de sensor adicionais que recebem luz a partir de diferentes direções e/ou têm diferentes características de recebimento.

A placa de lente 12 pode ser produzida usando uma técnica de moldagem por injeção convencional. Como uma alternativa, uma técnica de estampagem pode ser empregada.

Para evitar mau-funcionamento causado pela luz sendo acoplada de uma maneira indesejada (a luz dispersa, por exemplo, poderia ficar incidente sobre o receptor de luz 26 via desvios), pelo menos parte das superfícies oticamente não-ativas da placa de lente 12 pode ser provida com estruturas de refração ou reflexão, por exemplo, elementos retro-reflexivos (os assim chamados “olhos de gato”). Isso faz a luz que não é incidente sobre as superfícies oticamente ativas ser defletida em direções “inofensivas”. Altemativamente, ou adicionalmente, a região oticamente não-ativa pode ser provida sobre um lado ou sobre ambos os lados com uma impressão que seja impermeável a luz.

Claims

REIVINDICAÇÕES

1. Dispositivo sensor óptico para detectar luz ambiente, que é adaptado para ser acoplado a uma vidraça (10), em particular, a um pára-brisa de um veículo a motor, o dispositivo tendo uma unidade de sensor, que inclui pelo menos um receptor de luz (26) e uma placa de lente (12), e por meio da qual um feixe de luz ambiente tendo entrado pela vidraça (10) é acoplado à vidraça (10) e direcionado por cima do receptor de luz (26), caracterizado pelo fato de que, sobre uma superfície (12b) que se volta para a vidraça (10), a placa de lente inclui uma primeira estrutura de prisma de Fresnel (22) tendo uma pluralidade de estruturas individuais (24), as estruturas individuais (24) da primeira estrutura de prisma de Fresnel (22) sendo projetadas de modo a defletir o feixe de luz em diferentes ângulos.
2. Dispositivo sensor óptico de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que a primeira estrutura de prisma de Fresnel (22) inclui uma estrutura linear tendo uma primeira orientação, e pelo fato de que sobre a mesma superfície (12b), a placa de lente (12) inclui uma segunda estrutura de prisma de Fresnel linear tendo uma pluralidade de estruturas individuais (24), a segunda estrutura de prisma de Fresnel tendo uma segunda orientação que difere da primeira orientação.
3. Dispositivo sensor óptico de acordo com a reivindicação 2, caracterizado pelo fato de que a orientação da segunda estrutura de prisma de Fresnel é perpendicular à orientação da primeira estrutura de prisma de Fresnel (22).
4. Dispositivo sensor óptico de acordo com a reivindicação 2, caracterizado pelo fato de que as estruturas individuais (24) da segunda estrutura de prisma de Fresnel são projetadas de modo a defletir raios do feixe de luz em diferentes ângulos.
5. Dispositivo sensor óptico de acordo com a reivindicação 2, caracterizado pelo fato de que a segunda estrutura de prisma de Fresnel é, pelo menos parcialmente, integrada na primeira estrutura de prisma de Fresnel (22).
6. Dispositivo sensor óptico de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que a placa de lente (12) é acoplada aa vidraça (10) por meio de um acoplador (14) que contata a(s) estrutura(s) de prisma de Fresnel (22) de um modo de ajuste de forma.
7. Dispositivo sensor óptico de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que as estruturas individuais (24) têm superfícies internas sobre as quais os raios do feixe de luz são refletidos.
8. Dispositivo sensor óptico de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que as estruturas individuais (24) são geralmente em forma de dente de serra em seção transversal, tendo segundos flancos (24₂, 24₃) nos quais parte do feixe de luz entra, e primeiros flancos (24]) nos quais ocorre uma reflexão.
9. Dispositivo sensor óptico de acordo com a reivindicação 8, caracterizado pelo fato de que ocorre uma refração da luz em diferentes ângulos nos segundos flancos (24₂, 24₃) das estruturas individuais (24).
10. Dispositivo sensor óptico de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que as estruturas individuais (24) são geralmente em forma de dente de serra em seção transversal, tendo primeiros flancos (24j) nos quais ocorre uma refração da luz em diferentes ângulos.
11. Dispositivo sensor óptico de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que sobre uma superfície (12a) que se volta para o receptor de luz (26), a placa de luz (12) tem uma estrutura de prisma de Fresnel (16).
12. Dispositivo sensor óptico de acordo com a reivindicação 11, caracterizado pelo fato de que a estrutura de prisma de Fresnel (16) remodela um feixe de luz paralelo acoplado aa vidraça (10) e passando através da placa de lente (12) para dentro de um feixe de luz convergente.
13. Dispositivo sensor óptico de acordo com a reivindicação 12, caracterizado pelo fato de que o feixe de luz paralelo passa perpendicularmente através da placa de lente (12).
14. Dispositivo sensor óptico de acordo com a reivindicação 1, 5 caracterizado pelo fato de que ele tem uma quantidade de unidades de sensor que inclui uma placa de lente comum (12).
15. Sensor de chuva/luz, caracterizado pelo fato de ter um dispositivo sensor óptico como definido em qualquer uma das reivindicações anteriores combinado com um dispositivo sensor de chuva óptico, os 10 dispositivos de sensor tendo uma placa de lente comum (12).