PL191088B1 - Optyczny czujnik wilgoci - Google Patents

Abstract

1. Optyczny czujnik wilgoci do zamocowania na pierwszej po- wierzchni arkusza szkla, celem wykrywania wilgoci w co najmniej jednym obszarze czujnikowym na drugiej powierzchni tego arkusza szkla, zawierajacy sprzegacz do zamocowania na pierwszej po- wierzchni arkusza szkla, do optycznego wprowadzania promieni swietlnych w szklo i wyprowadzania ich z niego, obudowe mocowana do sprzegacza, umieszczona w obudowie plaska plytke obwodu drukowanego z powierzchnia bazowa usytuowana zasadniczo równo- legle do pierwszej powierzchni arkusza szkla, a takze zawierajacy na powierzchni bazowej co najmniej jeden emiter do emitowania promieni swietlnych oraz co najmniej jeden detektor z powierzchnia detekcji do detekcji promieni swietlnych padajacych na te powierzchnie i do generowania sygnalów w odpowiedzi na wykryte promienie swietlne, znamienny tym, ze zawiera co najmniej jeden kolimator (37) sprze- zony optycznie ze sprzegaczem (24) do kolimowania wiazki promieni swietlnych z emitera (56), emitowanej wokól osi (66) emisji skierowa- nej od emitera (56) w przyblizeniu prostopadle do powierzchni bazo- wej (54), przy czym kolimator (37) ma przyjmujaca swiatlo aperture (82) ze srodkiem fizycznym (84) i przesunietym wzgledem niego srodkiem optycznym (86), z osia optyczna (41) przebiegajaca przez srodek optyczny (86), który to kolimator (37) jest tak umieszczony, ze os optyczna (41) tworzy pierwszy kat ostry (69) wzgledem osi (66) emisji, oraz zawiera co najmniej jeden zespól ogniskujacy (42) sprze- zony optycznie ze sprzegaczem (24) do ogniskowania skolimowanej wiazki promieni swietlnych (72) w zbiezny wachlarz promieni na powierzchni detekcji (67) detektora (58), wokól osi (68) detekcji skierowanej od detektora (58) w przyblizeniu prostopadle do po- wierzchni bazowej (54), przy czym zespól ogniskujacy (42) ............... PL PL PL PL

Description

Przedmiotem wynalazku jest optyczny czujnik wilgoci do zamontowania na wewnętrznej powierzchni szyby przedniej, zwłaszcza miniaturowy optyczny czujnik wilgoci mający emitery optyczne, detektory i elementy optyczne zamocowane na płaskiej płytce drukowanej, która jest usytuowana równolegle do powierzchni wewnętrznej szyby.

Pojazdy samochodowe od dawna są wyposażane w napędzane silnikiem wycieraczki szyby przedniej do usuwania wilgoci z zewnętrznej powierzchni szyby przedniej przynajmniej w polu widzenia kierowcy, a zwykle na większym obszarze, aby zwiększyć widoczność przez szybę przednią. W większości pojazdów zespół wycieraczek szyby przedniej jest wyposażony w wielopołożeniowe lub zapewniające regulację prędkości przełączniki, które umożliwiają kierowcy regulację w szerokim, a nawet nieograniczonym zakresie prędkości pracy, w zależności od warunków. Elementy sterowania wycieraczek są obsługiwane ręcznie i zwykle uruchamiają zespół z opóźnieniem, dzięki czemu wycieraczki działają w sposób przerywany w wybranych odstępach czasowych.

Ostatnio opracowano systemy sterowania wycieraczek, które zawierają czujnik wilgoci zamontowany na szybie przedniej, by automatycznie uruchamiać silnik wycieraczek, gdy wilgoć osiądzie na powierzchni szyby przedniej, lub na innym oknie pojazdu, na którym może być stosowana wycieraczka, np. na oknie tylnym. Dzięki wykrywaniu deszczu lub innej wilgoci na powierzchni szkła, wycieraczki mogą być odpowiednio sterowane. Takie systemy sterowania wycieraczek są niezależne od kierowcy i uwalniają go od niewygody częstej regulacji prędkości wycieraczek przy zmianie warunków prowadzenia pojazdu. Systemy sterowania wycieraczek z optycznymi czujnikami wilgoci są wykorzystywane w kilku modelach samochodów osobowych. Aby zwiększyć wykorzystanie w przemyśle oraz zainteresować odbiorców systemami sterowania wycieraczek, konieczna jest miniaturyzacja i zmniejszenie kosztu optycznego czujnika wilgoci.

Systemy sterowania wycieraczek wykorzystują pewną liczbę różnych sposobów badania warunków wilgoci napotykanych przez pojazd, łącznie z czujnikami przewodnościowymi, pojemnościowymi, piezoelektrycznymi i optycznymi. Czujniki optyczne pracują na tej zasadzie, że wiązka promieni świetlnych jest rozpraszana lub odchylana od swej normalnej drogi wskutek obecności wilgoci na zewnętrznej powierzchni szyby przedniej. Systemy wykorzystujące czujniki optyczne mają istotną zaletę polegającą na tym, że środki wykrywania zakłóceń na drodze optycznej są bezpośrednio związane ze zjawiskami obserwowanymi przez kierowcę (to znaczy zakłócenia na drodze optycznej, które pogarszają widzialność).

Noak (opis patentowy USA nr 4.355.271) ujawnia optyczny czujnik wilgoci posiadający elementy optyczne zamontowane w pudełkowej obudowie przymocowanej do wewnętrznej powierzchni szyby przedniej. Czujniki wilgoci do sterowania wycieraczek szyby przedniej pojazdu, ujawnione w opisach patentowych USA nr 5.059.877 (McCumber i in.) oraz 5.239.244 (Teder) również opisują pudełkową obudowę zamontowaną na wewnętrznej powierzchni szyby przedniej, przeznaczoną do umieszczenia w niej elementów optycznych i elektronicznych.

W optycznych czujnikach wilgoci światło z emitera jest kierowane do szyby przedniej pod kątem około 45° względem szyby przedniej. Następnie światło jest odbijane przez zewnętrzną powierzchnię szyby przedniej w przybliżeniu pod kątem 45° i jest kierowane do detektora. Obecność wilgoci na powierzchni szyby przedniej wpływa na odbijanie światła po stronie styku szkła z powietrzem, od zewnętrznej powierzchni szyby przedniej, a taka zmiana w odbijanym świetle jest przetwarzana elektronicznie i wykorzystywana jako sygnał do uruchomienia wycieraczek szyby przedniej.

Opis patentowy USA nr 4.620.141 (McCumber i in.) opisuje układ automatycznego sterowania do wyzwalania wahliwego ruchu wycieraczek w przypadku obecności kropelek wody na zewnętrznej powierzchni szyby przedniej.

Kiedy kąt wchodzenia wiązki światła w szybę przednią jest większy niż 50°, często występuje strata sygnału. Kiedy kąt wejścia jest mniejszy niż 40°, występuje pogorszenie czułości i czujnik nie może prawidłowo wykrywać wilgoci na szybie przedniej. W konsekwencji jest istotne, by kąt wchodzenia wiązki światła z emitera w szybę przednią wynosił w przybliżeniu 45°.

Wymagany kąt 45° można uzyskać przez zamontowanie urządzeń optoelektronicznych (emitery i detektory) pod kątem 45° lub przez odchylanie światła na jego drodze pomiędzy tymi urządzeniami a szklaną szybą przednią. Opis patentowy USA nr 5.414.257 (Stanton) ujawnia czujnik optyczny posiadający urządzenia optoelektroniczne, zamontowane na płytce drukowanej pod odpowiednim kątem względem powierzchni szkła tak, że ich oś optyczna przebiega pod właściwym kątem 45° lub może

191 088 B1 być odchylana dla uzyskania takiego kąta. Stanton przedstawia urządzenia odlane z giętkiej żywicy epoksydowej oraz gięcie wyprowadzeń tych urządzeń pod pewnym kątem, by ułatwić ich kątowe zamocowanie. Problem z gięciem wyprowadzeń urządzeń elektronicznych polega na tym, że większość sprzętu do automatycznego wkładania elementów nie może wkładać elementów z giętymi wyprowadzeniami, co zwiększa koszt o montaż płytek drukowanych. Ponadto urządzenia z giętymi wyprowadzeniami są mniej niezawodne w działaniu.

Montaż urządzeń optoelektronicznych na płytkach drukowanych bez gięcia wyprowadzeń ujawniony jest w opisie patentowym USA nr 5.560.245 (Zettler). Emitery i detektory są montowane na niewielkich satelitarnych płytkach drukowanych, które są ustawione pod kątem względem głównej płytki drukowanej. Takie satelitarne płytki drukowane są umieszczane kątowo, by ustawić emitery i detektory pod odpowiednim kątem 45° względem szyby przedniej. Chociaż taka konfiguracja montażu nie wymaga kształtowania wyprowadzeń, zastosowanie tak małych płytek drukowanych stwarza inne problemy. Małe płytki drukowane, użyte do montażu urządzeń optoelektronicznych, nie mogą pomieścić obwodu przetwarzania sygnału, który musi być umieszczony na oddzielnej płytce drukowanej. Zastosowanie wielu płytek drukowanych i usytuowanie płytek drukowanych w obudowie czujnika powoduje zwiększenie wymiarów i kosztów czujnika.

Konwencjonalne urządzenia optoelektroniczne, zawierające nowe urządzenia wykonane w technice montażu powierzchniowego (SMT) są zwykle konstruowane tak, że oś optyczna jest prostopadła do płytki drukowanej, na której są one montowane. Teder (opis patentowy USA nr 5.661.303) ujawnia użycie pojedynczej płytki drukowanej montowanej współpłaszczyznowo z powierzchnią szyby przedniej, co w wyniku powoduje zmniejszenie kosztu i zmniejszenie wymiarów obudowy czujnika. Jednakże konstrukcja taka wymaga elementów optycznych, których oś optyczna jest w przybliżeniu równoległa do osi optycznej urządzeń optoelektronicznych. Pożądane jest zmniejszenie wymiarów i kosztu elementów optycznych, aby jeszcze bardziej zmniejszyć wymiary i koszt czujnika wilgoci.

Inny sposób na zmniejszenie wymiarów i kosztu czujnika optycznego polega na zmniejszeniu liczby elementów optoelektronicznych. Noak ujawnia zastosowanie pojedynczego detektora do równoczesnej detekcji emisji z dwóch lub większej liczby emiterów. Muller (opis patentowy USA nr 5.015.931) ujawnia, że kilka wiązek może pochodzić z pojedynczego emitera niekierunkowego. Rozwiązania takie dają żądany obszar detekcji przy mniejszej liczbie detektorów. McCumber i in. (opis patentowy USA nr 4.620.141) podają, że konfiguracja symetryczna ma tendencję do eliminowania wpływu oświetlenia z otoczenia. Jednakże emitery zwykle wykazują zróżnicowanie siły sygnału do około 2:1. Ogranicza to możliwość uzyskania dobrej symetryczności sygnału w przypadku znanych optycznych czujników wilgoci. Drogi optyczne przedstawione przez Mullera w opisie patentowym '931 mają nierówne długości. Drogi te będą zatem miały różną sprawność optyczną i nie mogą być wykorzystywane do uzyskania dobrze symetryzowanego układu. Teder (opis patentowy USA nr 5.661.303) stosuje cztery emitery i dwa detektory do uzyskania czterech dróg optycznych o jednakowej długości, jednakże pożądane jest zmniejszenie wymiarów i kosztu czujnika wilgoci przez stosowanie mniejszej liczby elementów.

Optyczny czujnik wilgoci powinien być niezawodnie połączony z szybą przednią, a zawarty w nim układ optyczny powinien być sprzężony optycznie z szybą przednią tak, aby skutecznie eliminować, z optycznego punktu widzenia, powierzchnię międzyfazową między emiterami-detektorami światła a powierzchnią szkła. Purvis (opis patentowy USA nr 5.262.640) ujawnia pośrednią warstwę kleju do mocowania obudowy czujnika z zawartymi w niej elementami optycznymi, do szyby przedniej. Obudowa czujnika jest mocowana bezpośrednio do powierzchni szyby przedniej lub do innego okna pojazdu za pomocą warstwy pośredniej usytuowanej pomiędzy obudową czujnika a wewnętrzną powierzchnią szyby przedniej.

Wytwórcy pojazdów oczekują, że czujnik zostanie już zainstalowany u producenta szyby przedniej, to znaczy, że czujnik musi być bardzo łatwo montowany na linii wytwórczej samochodów. Wytwórca szyb przednich transportuje szyby przednie umieszczone jedna przy drugiej tak, że pozostaje bardzo mała przestrzeń do zamocowania czujnika.

Schofield (opis patentowy USA nr 4.930.743) ujawnia zastosowanie wspornika, takiego typu jak wspornik lusterka wstecznego, do montowania optycznego czujnika wilgoci. Rozwiązanie takie wymaga dodatkowej konstrukcji wsporczej lub wprowadzenia elementów silikonowych w celu optycznego sprzężenia czujnika wilgoci z szybą przednią. Systemy montażu wspornikowego wiążą się z dodatkowymi częściami i zwiększonym kosztem.

Bendix (opis patentowy USA nr 5.278.425) oraz Stanton ('257) podają, że do szyby przedniej można trwale przymocować soczewkę tak, że obudowę czujnika można rozłączalnie montować na tej

191 088 B1 soczewce. Soczewka może ogniskować wiązkę, jak przedstawia Bendix. Alternatywnie soczewka może sprzęgać wiązki z szybą przednią poprzez płaskie powierzchnie prostopadłe do kierunku wiązki, jak ujawnia Stanton. Jednakże oba rozwiązania wymagają soczewki, której grubość jest w przybliżeniu równa grubości szyby przedniej. Przy układaniu szyb przednich w stos do transportu od producenta szyb do linii montażu samochodów, dodatkowa przestrzeń wymagana na soczewkę zwiększa koszty szyby przedniej o koszt transportu i przeładunku. Pożądany byłby czujnik, który jest przymocowany do szyby przedniej i jest na tyle cienki, że nie przeszkadza w układaniu szyb przednich jedna przy drugiej na czas transportu.

Nowoczesne szyby przednie zatrzymujące promieniowanie słoneczne, takie jak szyby przednie sprzedawane z oznaczeniem towarowym „EZ-KOOL”, dostępne w handlu z firmy Libbey-Owens-Ford Co., pochłaniają promieniowanie podczerwone używane przez wiele optycznych czujników wilgoci. Czujniki bez sprzężenia lub elementów optycznych zbierających światło są przypuszczalnie zbyt mało skuteczne do stosowania na takich szybach przednich. W niemieckim opisie patentowym nr DE 3314770 (Kohler i in.) soczewki w sprzęgaczu zwiększają badany obszar i sprawność czujnika wilgoci. Watanabe (opis patentowy USA nr 4.701.613) ujawnia szereg klinowych rowków, które wprowadzają promienie w szybę przednią i wyprowadzają je z lepszą sprawnością, jednakże urządzenia te są montowane pod kątem 45° względem powierzchni szkła, ponieważ rowki nie zbierają rozbieżnych promieni świetlnych i nie ogniskują ich na detektorze.

Celem wynalazku jest opracowanie miniaturowego optycznego czujnika wilgoci zawierającego elementy optoelektroniczne zamocowane na jednej płaskiej płytce drukowanej i zaopatrzonego w układ optyczny o dużej skośności, o sprawności tak ulepszonej, że czujnik może być stosowany na nowoczesnych szybach przednich zatrzymujących promieniowanie słoneczne.

Optyczny czujnik wilgoci do zamocowania na pierwszej powierzchni arkusza szkła, w celu wykrywania wilgoci w co najmniej jednym obszarze czujnikowym na drugiej powierzchni tego arkusza szkła, zawierający sprzęgacz do zamocowania na pierwszej powierzchni arkusza szkła, do optycznego wprowadzania promieni świetlnych w szkło i wyprowadzania ich z niego, obudowę mocowaną do sprzęgacza, umieszczoną w obudowie płaską płytkę obwodu drukowanego z powierzchnią bazową usytuowaną zasadniczo równolegle do pierwszej powierzchni arkusza szkła, a także zawierający na powierzchni bazowej co najmniej jeden emiter do emitowania promieni świetlnych oraz co najmniej jeden detektor z powierzchnią detekcji do detekcji promieni świetlnych padających na tę powierzchnię i do generowania sygnałów w odpowiedzi na wykryte promienie świetlne, według wynalazku charakteryzuje się tym, że zawiera co najmniej jeden kolimator sprzężony optycznie ze sprzęgaczem do kolimowania wiązki promieni świetlnych z emitera, emitowanej wokół osi emisji skierowanej od emitera w przybliżeniu prostopadle do powierzchni bazowej, przy czym kolimator ma przyjmującą światło aperturę ze środkiem fizycznym i przesuniętym względem niego środkiem optycznym, z osią optyczną przebiegającą przez środek optyczny, który to kolimator jest tak umieszczony, że oś optyczna tworzy pierwszy kąt ostry z osią emisji, oraz zawiera co najmniej jeden zespół ogniskujący sprzężony optycznie ze sprzęgaczem do ogniskowania skolimowanej wiązki promieni świetlnych w zbieżny wachlarz promieni na powierzchni detekcji detektora, wokół osi detekcji skierowanej od detektora w przybliżeniu prostopadle do powierzchni bazowej, przy czym zespół ogniskujący ma przepuszczającą światło aperturę ze środkiem fizycznym i przesuniętym względem niego środkiem optycznym, z osią optyczną przebiegającą przez środek optyczny, który to zespół ogniskujący jest tak umieszczony, że oś optyczna tworzy drugi kąt ostry z osią detekcji.

Korzystnie, kolimator zawiera co najmniej jedną soczewkę kolimacyjną, a zespół ogniskujący zawiera co najmniej jedną soczewkę ogniskującą. Soczewka kolimacyjna i soczewka ogniskująca są zwłaszcza ciągłymi soczewkami wypukłymi. W szczególności, sprzęgacz, kolimator, soczewka kolimacyjna, zespół ogniskujący i soczewka ogniskująca są ukształtowane integralnie z jednego kawałka materiału. Korzystnie, pierwszy kolimator zawiera pierwszą i drugą soczewkę kolimacyjną, a pierwszy zespół ogniskujący zawiera pierwszą i drugą soczewkę ogniskującą, oraz drugi kolimator zawiera trzecią i czwartą soczewkę kolimacyjną a drugi zespół ogniskujący zawiera trzecią i czwartą soczewkę ogniskującą, przy czym promienie świetlne z dwóch emiterów są kolimowane w wiązki promieni świetlnych, które są ogniskowane na dwóch detektorach.

Korzystnie, optyczny czujnik wilgoci zawiera obwód przetwarzania sygnału zamontowany na płytce obwodu drukowanego, połączony z emiterem i detektorem, do sterowania promieniowaniem świetlnym emitowanym przez emiter i do przetwarzania sygnałów z detektora.

W szczególności, pierwszy kąt ostry wynosi 39-51°, a drugi kąt ostry wynosi 39-51°.

191 088 B1

Korzystnie, środek optyczny przyjmującej promienie świetlne apertury kolimatora jest przesunięty o co najmniej 20% szerokości tej apertury od fizycznego środka tej apertury.

Korzystnie, środek optyczny przepuszczającej promienie świetlne apertury zespołu ogniskującego jest przesunięty o co najmniej 20% szerokości tej apertury od fizycznego środka tej apertury.

Kolimator jest, zwłaszcza, tak usytuowany, aby kolimować promienie świetlne z emitera, emitowane pod kątem 10-50° względem osi emisji.

Zespół ogniskujący jest, zwłaszcza, tak usytuowany, aby ogniskować skolimowaną wiązkę promieni świetlnych w zbieżny wachlarz promieni świetlnych na powierzchni detekcji, zbieżnych pod kątem 10-50° względem osi detekcji.

W szczególności, kolimator zawiera segmentowaną soczewkę kolimacyjną, a zespół ogniskujący zawiera segmentowaną soczewkę ogniskującą.

Korzystnie, pierwszy detektor jest przeznaczony do detekcji promieni świetlnych biegnących wzdłuż pierwszej drogi optycznej skierowanej od pierwszego emitera do drugiej powierzchni szkła w jednym z obszarów czujnikowych i z powrotem do pierwszego detektora oraz do detekcji promieni świetlnych biegnących wzdłuż drugiej drogi optycznej skierowanej od drugiego emitera do drugiej powierzchni szkła w jednym z obszarów czujnikowych i z powrotem do pierwszego detektora, przy czym długość drugiej drogi optycznej jest w przybliżeniu równa długości pierwszej drogi optycznej, oraz drugi detektor jest przeznaczony do detekcji promieni świetlnych biegnących wzdłuż trzeciej drogi optycznej skierowanej od pierwszego emitera do drugiej powierzchni arkusza szkła w jednym z obszarów czujnikowych i z powrotem do drugiego detektora oraz do detekcji promieni świetlnych biegnących wzdłuż czwartej drogi optycznej skierowanej od drugiego emitera do drugiej powierzchni szkła w jednym z obszarów czujnikowych i z powrotem do drugiego detektora, przy czym długości trzeciej i czwartej drogi optycznej są w przybliżeniu równe długości pierwszej drogi optycznej.

W szczególności, optyczny czujnik wilgoci zawiera tuleję umieszczoną wokół obwodu sprzęgacza po stronie przeciwległej do powierzchni montażowej z płytkami skierowanymi na zewnątrz tulei oraz zawiera mocowaną na tulei obudowę, mającą podstawę i wystające z podstawy ścianki boczne, których powierzchnie wewnętrzne zawierają wykonane w nich rowki tak, że obudowa wchodzi rozłączalnie na tuleję, gdy płytki wchodzą w rowki mocując obudowę do sprzęgacza.

Optyczny czujnik wilgoci do zamocowania na pierwszej powierzchni arkusza szkła, w celu wykrywania wilgoci w co najmniej jednym obszarze czujnikowym na drugiej powierzchni tego arkusza szkła, zawierający sprzęgacz do zamontowania na pierwszej powierzchni arkusza szkła do optycznego wprowadzania promieni świetlnych w szkło i wyprowadzania ich z niego, obudowę mocowaną do sprzęgacza, umieszczoną w obudowie płaską płytkę obwodu drukowanego z powierzchnią bazową usytuowaną zasadniczo równolegle do pierwszej powierzchni arkusza szkła, a także zawierający na powierzchni bazowej co najmniej jeden emiter do emitowania promieni świetlnych oraz co najmniej jeden detektor z powierzchnią detekcji do detekcji promieni świetlnych padających na tę powierzchnię i do generowania sygnałów w odpowiedzi na wykryte promienie świetlne, według wynalazku charakteryzuje się tym, że zawiera, na płaszczyźnie w punktach wyznaczających narożniki kwadratu, pierwszy emiter usytuowany w pierwszym narożniku kwadratu, drugi emiter usytuowany w drugim narożniku kwadratu naprzeciw pierwszego narożnika, pierwszy kolimator usytuowany przy pierwszym emiterze do kolimowania promieni świetlnych emitowanych z pierwszego emitera w pierwszą i drugą skolimowaną wiązkę promieni świetlnych, drugi kolimator usytuowany przy drugim emiterze do kolimowania promieni świetlnych emitowanych z drugiego emitera w trzecią i czwartą skolimowaną wiązkę promieni świetlnych, pierwszy detektor umieszczony w trzecim narożniku kwadratu do detekcji pierwszej skolimowanej wiązki promieni świetlnych biegnących wzdłuż pierwszej drogi optycznej pomiędzy pierwszym emiterem a pierwszym detektorem oraz trzeciej skolimowanej wiązki promieni świetlnych biegnącej wzdłuż drugiej drogi optycznej pomiędzy drugim emiterem a pierwszym detektorem, gdzie druga droga optyczna ma długość w przybliżeniu równą pierwszej drodze optycznej; oraz drugi detektor usytuowany w czwartym narożniku kwadratu naprzeciw trzeciego narożnika do detekcji drugiej skolimowanej wiązki promieni świetlnych biegnącej wzdłuż trzeciej drogi optycznej pomiędzy pierwszym emiterem a drugim detektorem oraz czwartej skolimowanej wiązki promieni świetlnych biegnących wzdłuż czwartej drogi optycznej pomiędzy drugim emiterem a drugim detektorem, gdzie każda trzecia i czwarta droga optyczna ma długość w przybliżeniu równą pierwszej drodze optycznej.

Przewidziano skuteczne i tanie środki montowania optycznych czujników wilgoci na szybie przedniej pojazdu. Według przedmiotowego wynalazku sprzęgacz będzie zwykle montowany na wewnętrznej powierzchni szyb przednich przez wytwórcę szkła przed przetransportowaniem szyb

191 088 B1 przednich do zakładu wytwarzającego pojazdy. Wytwórca pojazdów korzystnie montuje obudowę czujnika, która zawiera płytkę drukowaną, na sprzęgaczu podczas montażu pojazdu. Ponieważ sprzęgacz jest mały, cienki i stosunkowo tani, może być montowany na wszystkich szybach przednich transportowanych od producenta szkła do danej linii montażu w fabryce samochodów, bez zmiany tradycyjnych materiałów opakowania używanych przez wytwórcę szkła. Po zamontowaniu szyby przedniej w pojeździe, montaż czujnika można zakończyć przez proste przymocowanie obudowy czujnika do sprzęgacza.

Koszt wytwarzania czujnika jest zmniejszony przez montaż wszystkich elementów optoelektronicznych i obwodu przetwarzania sygnału na jednej płaskiej płytce drukowanej. Technika montażu powierzchniowego i technika obwodów scalonych na płytce w połączeniu z automatycznymi technikami montażu przy wytwarzaniu płytki drukowanej zapewniają lepszą wydajność i zmniejszenie kosztów wytwarzania czujników. Rozwiązanie według wynalazku eliminuje stosowanie wielu płytek drukowanych i kształtowanie wyprowadzeń na urządzeniach optycznych.

Zasadnicza część promieni świetlnych wychodzących z każdego emitera jest wprowadzana w każdy z dwóch detektorów, co zapewnia wysoką sprawność optyczną. Ponadto stosuje się parę emiterów i parę detektorów, by utworzyć cztery drogi optyczne o jednakowej długości w celu powstania symetrycznego systemu optycznego, posiadającego cztery obszary wykrywania. Liczba elementów optoelektronicznych jest zmniejszona, co zmniejsza koszt czujnika bez zmniejszania skuteczności i sprawności czujnika wilgoci.

Optyczny czujnik wilgoci według wynalazku jest przedstawiony w przykładzie wykonania w widoku schematycznym na rysunku, na którym: fig. 1 w częściowym widoku perspektywicznym pokazuje optyczny czujnik wilgoci zamontowany na szybie przedniej samochodu, fig. 2 w powiększonym widoku perspektywicznym pokazuje optyczny czujnik wilgoci zamocowany na wewnętrznej powierzchni szyby przedniej, fig. 3 w powiększonym widoku perspektywicznym pokazuje zależność montażową pomiędzy obudową a sprzęgaczem, fig. 4 w przekroju poprzecznym pokazuje kolimator umieszczony przy emiterze, fig. 5 w widoku z boku wzdłuż linii 5-5 pokazuje aperturę soczewki kolimacyjnej, fig. 6 w widoku perspektywicznym pokazuje kolimator wystający ze sprzęgacza, fig. 7 w widoku z boku wzdłuż linii 7-7 pokazuje aperturę soczewki ogniskującej, fig. 8 w widoku z góry przedstawia alternatywny przykład wykonania z zilustrowanymi czterema drogami optycznymi, fig. 9 schematycznie ilustruje elementy optoelektroniczne alternatywnego przykładu wykonania, a fig. 10 w przekroju poprzecznym drugiego alternatywnego przykładu realizacji przedstawia soczewkę kolimacyjną z wykorzystaniem soczewki segmentowanej.

Figura 1 przedstawia ogólnie czujnik 10 wilgoci według przedmiotowego wynalazku i część samochodu łącznie z maską 12 silnika, bocznymi słupkami 14 i dachem 16, tworzącymi otwór, w którym zamontowana jest szyba przednia 18. Piórka 20 wycieraczek szyby przedniej, pokazane w swym położeniu spoczynkowym wzdłuż dłuższych krawędzi szyby przedniej, są tradycyjnie przeznaczone do poruszania się po łukach 22 i zgarniania zgromadzonej wilgoci z powierzchni szyby przedniej 18. Czujnik 10 wilgoci jest przymocowany do szyby przedniej w obszarze zgarnianym przez piórka 20 wycieraczek szyby przedniej.

Jak pokazano na fig. 2, optyczny czujnik 10 wilgoci zawiera sprzęgacz 24, płytkę drukowaną 26 do montażu elementów elektronicznych 27 oraz obudowę 28 czujnika mocowaną do sprzęgacza 24 mieszczącą płytkę drukowaną 26.

Sprzęgacz 24 zawiera powierzchnię montażową 29, która jest przymocowana do wewnętrznej powierzchni 30 szyby przedniej 18. Optyczny czujnik 10 wilgoci jest zwykle mocowany w pobliżu lusterka wstecznego (nie pokazano) na wewnętrznej powierzchni 30 tak, aby zmniejszyć do minimum wszelkie przeszkody w obserwacji dla osób w samochodzie, chociaż czujnik ten może być zamontowany w innym miejscu na szybie przedniej. Szyba przednia 18 jest płaska lub prawie płaska w obszarze, gdzie ma być zamontowany czujnik, a zatem powierzchnia montażowa 29 sprzęgacza może być płaska. Jednakże uwzględnia się, że powierzchnia montażowa 29 sprzęgacza 24 może mieć odpowiedni kształt dopasowany do krzywizny powierzchni szyby przedniej w danym miejscu. Czujnik 10 może być również montowany na innych oknach, łącznie z oknem tylnym.

Do mocowania powierzchni montażowej 29 sprzęgacza do szyby przedniej 18 lub innego okna używana jest dwustronnie klejąca warstwa pośrednia 34. Ta warstwa pośrednia 34 jest wykonana z silikonu lub innego podobnego, elastycznego i przezroczystego tworzywa sztucznego. Sprzęgacz 24 może być mocowany do szyby przedniej 18 przez wytwórcę szkła przed przetransportowaniem szyby przedniej 18 do linii montażu samochodów. Od sprzęgacza 24 naprzeciw powierzchni montażowej 29

191 088 B1 odchodzi prostokątna tuleja 36, a od końców tej tulei wystają na zewnątrz przytrzymujące płytki 53 do mocowania sprzęgacza do obudowy 28, jak podano powyżej. Sprzęgacz 24 ma również kolimator 37 sprzęgający bryłę kolimacyjną 38 wystającą ze sprzęgacza i soczewkę kolimacyjną 40 usytuowaną w obrębie tej bryły kolimacyjnej. Soczewka kolimacyjna 40 ma oś optyczną 41, która przebiega przez kolimacyjną bryłę 38 pod kątem 45° względem wewnętrznej powierzchni szyby przedniej 30. Sprzęgacz 24 zawiera ponadto zespół ogniskujący 42, posiadający bryłę ogniskującą 43, wystającą ze sprzęgacza, oraz soczewkę ogniskującą 44 umieszczoną przy tej bryle ogniskującej. Soczewka ogniskująca 44 ma oś optyczną 45, która przebiega poprzez bryłę ogniskującą 43 pod kątem 45° względem wewnętrznej powierzchni szyby przedniej 30. Sprzęgacz 24, bryła kolimacyjna 38, soczewka kolimacyjna 40, bryła ogniskująca 43 i soczewka ogniskująca 44 są korzystnie wykonane integralnie z jednego kawałka materiału. Soczewka kolimacyjna 40 jest wykonana przez ukształtowanie powierzchni bryły kolimacyjnej 38, a soczewka ogniskująca 44 jest wykonana przez ukształtowanie powierzchni bryły ogniskującej 43 w sposób opisany poniżej. Alternatywnie oddzielna soczewka kolimacyjna 40 może być usytuowana przy bryle kolimacyjnej 38 i oddzielna soczewka ogniskująca 44 może być usytuowana przy bryle ogniskującej 43.

Sprzęgacz jest wykonany z materiału załamującego światło, takiego jak żywica poliwęglanowa lub poliestrowa, chociaż można stosować każdy odpowiedni materiał, który może wytrzymać szeroki zakres temperatur, którym może podlegać samochód. Sprzęgacz 24 wprowadza promienie światła i wyprowadza je z szyby przedniej 18 tak, że promienie te nie są odchylane przy przechodzeniu z bryły kolimacyjnej 38 do szyby przedniej i z szyby przedniej do bryły ogniskującej 43. Ponadto sprzęgacz 24 stanowi pewną podstawę do montowania soczewki kolimacyjnej 40, soczewki ogniskującej 44 i obudowy 28 do szyby przedniej 18.

Grubość sprzęgacza 24 jest ważnym zagadnieniem z punktu widzenia pakowania przy transporcie szyby przedniej od wytwórcy szkła do linii montażu samochodów. Zaprojektowano specjalne podpory i materiał opakowania w celu pakowania oddzielnych szyb przednich możliwie blisko siebie dla wydajnego przewożenia, przy równoczesnym zabezpieczeniu szyb przednich podczas transportu, by uniemożliwić ich podrapanie lub inne uszkodzenie. Samochodowe szyby przednie zwykle zawierają podstawę montażową (nie pokazano) na szybie do montowania lusterka wstecznego tak, że podpory transportowe mogą pomieścić taką podstawę montażową. Sprzęgacz 24 według przedmiotowego wynalazku ma grubość mniejszą niż 5 mm, to znaczy jest cieńszy niż typowa podstawa montażowa lusterka wstecznego. Dzięki temu wytwórca szkła może montować sprzęgacz 24 na linii wytwarzania szyb przednich bez konieczności zmiany procesów pakowania i manipulowania materiałem stosowanych przy dostawie szyb przednich do linii montażu samochodów. Możliwość montażu sprzęgacza w trakcie wytwarzania szyby przedniej bez zmiany techniki pakowania i manipulowania materiałem ma istotne znaczenie dla osiągnięcia szerszego stosowania czujnika wilgoci i układu sterowania wycieraczek przez wytwórców samochodów.

Jak pokazano na fig. 2 i 3, obudowa 28 czujnika jest wykonana z twardego tworzywa sztucznego lub innego sztywnego materiału i jest nieprzezroczysta, by zatrzymywać niepożądane światło. Celem klarownego objaśnienia, fig. 3 przedstawia sprzęgacz 24 bez kolimatora lub zespołu ogniskującego. Obudowa 28 zawiera podstawę 46 i cztery boczne ścianki 48 odchodzące od podstawy, korzystnie tworzące skrzynkową osłonę. Obudowa 28 ma takie wymiary, by pasowała na tuleję 36 sprzęgacza 24 po przymocowaniu tego sprzęgacza do szyby przedniej 18. Na wewnętrznej stronie ścianek 48 obudowy wykonane są rowki przeznaczone na płytki 53 sprzęgacza i rozłączalnie przytrzymujące obudowę 28 przy sprzęgaczu 24. Boczne ścianki 48 obudowy 28, jak również tuleja 36 sprzęgacza, są nieco odkształcalne, aby ułatwić zatrzaskowe nachodzenie obudowy na sprzęgacz tak, że płytki 53 sprzęgacza wchodzą w rowki 50. W tulei 36 sprzęgacza 24 mogą być wycięte wgłębienia zwiększające odkształcalność.

Po wprowadzeniu obudowy 28 zatrzaskowe na miejsce na tulei 36 sprzęgacza, boczne siły wywierane na sprzęgacz 24 są przenoszone przez ścianki 48 obudowy na tuleję 36. Ścianki 48 obudowy i tuleja 36 sprzęgacza, mając duże pole powierzchni, nie będą miały tendencji do skupiania sił, które doprowadzałyby do pęknięcia. Ponadto niekołowy kształt tulei 36 sprzęgacza pochłania siły skrętne przykładane do obudowy 28. Przedmiotowy czujnik wilgoci będzie zatem miał tendencję do pozostawania w położeniu, pewnie przymocowany do szyby przedniej w razie kolizji, albo jeżeli niezgrabnie manipuluje nim ciekawy pasażer. Wgłębienie 51 w bocznej ściance 48 obudowy 28 ułatwia jej zdjęcie za pomocą monety lub wkrętaka. Korzystnie sprzęgacz 24 jest autoklawowany na szybie przedniej za pomocą silikonu o bardzo silnej adhezji, chociaż można stosować dowolny odpowiedni materiał. Spo8

191 088 B1 sób mocowania sprzęgacza i mały rozmiar wypukłości na szybie umożliwia przeprowadzenie takiego montażu przez wytwórcę szyb przednich, bez wpływu na zagęszczenie pakowania szyb przednich, jak opisano powyżej. Wytwórcy samochodów odnoszą się niechętnie do jakichkolwiek procesów związanych z klejami lub innymi chemikaliami i wolą, by sprzęgacz optycznego czujnika wilgoci przychodził do nich umocowany na szybie przedniej.

Oprócz nadania optycznemu czujnikowi wilgoci odporności na uderzenie, konstrukcja mocowana obwodowo cechuje się łatwością montażu. W przeciwieństwie do sposobów mocowania optycznego czujnika wilgoci z zastosowaniem oddzielnych zacisków lub innych elementów mocujących, obecna obudowa optycznego czujnika wilgoci może być zatrzaskowo wprowadzana na sprzęgacz jedną ręką. Skraca to czas montażu optycznego czujnika wilgoci u wytwórcy pojazdów, co obniża koszt zespołu.

Pojedyncza płaska płytka drukowana 26 jest przytrzymywana w obudowie za pomocą płytek 52, które wystają do wewnątrz od wewnętrznej powierzchni ścianek obudowy. Płytka drukowana 26 zawiera powierzchnię 54 bazową, na której montowane są elementy elektroniczne 27. Płytka drukowana 26 jest montowana w obudowie 28 tak, że bazowa powierzchnia 54 jest w przybliżeniu równoległa do wewnętrznej powierzchni 30 szyby przedniej 18, kiedy obudowa 28 jest przymocowana do sprzęgacza 24, a sprzęgacz jest przymocowany do szyby przedniej. Elementy elektroniczne 27 są montowane na bazowej powierzchni 54 płytki drukowanej 26 tak, że górne powierzchnie tych elementów elektronicznych są w przybliżeniu równoległe do tej powierzchni 54. Do montowania elementów na płytce drukowanej 26 można stosować typowe techniki montażu powierzchniowego.

Elementami elektronicznymi 27 są emiter 56, detektor 58 i obwód przetwarzania sygnału. Chociaż przedstawiono pojedynczy emiter 56 i detektor 58, można, jak podano poniżej, stosować wiele emiterów i detektorów. Emiter 56 jest korzystnie diodą emitującą światło podczerwone, chociaż można stosować dowolny odpowiedni emiter, a detektorem 58 jest korzystnie fotodioda, chociaż można stosować dowolny odpowiedni detektor. Emiter 56 i detektor 58 są urządzeniami montowanymi powierzchniowo, takimi jak części o numerach katalogowych Siemens SFH-421 i BPW-34FAS. Emiter 56 i detektor 58 mogą być również wprowadzone z użyciem silikonowej matrycy spojonej bezpośrednio z płytką drukowaną 26 w systemie z obwodem scalonym na płytce.

Obwód przetwarzania sygnału zawiera typowe elementy 59 zamontowane na płytce drukowanej 26. Ponadto na płytce drukowanej mogą być montowane barykady świetlne 61 w celu uniemożliwienia dochodzenia światła otoczenia do detektora 58 i aby uniemożliwić nieprawidłowe połączenie optyczne lub przenik pomiędzy emiterem 56 a detektorem 58 w obudowie 28. Emiter 56 i detektor 58 są elektrycznie połączone z obwodem przetwarzania sygnału. Dodatkowe szczegóły dotyczące działania obwodu przetwarzania sygnału i interfejsu z kontrolerem i układem sterowania wycieraczek można znaleźć w opisach patentowych USA nr 4.620.141,5.059.877, 5.239.244 i 5.568.027.

Jak pokazano na fig. 4, emiter 56 jest zwykle złożony z obudowy 60 z tworzywa sztucznego, struktury półprzewodnikowej 62 emitującej promieniowanie podczerwone, zamontowanej w zagłębieniu w tej obudowie, oraz z obszaru 64 wypełnionego przezroczystą żywicą epoksydową. Emiter 56 wysyła promienie świetlne 65, zwykle o określonej długości fali, np. promieniowanie podczerwone o długości fali 880 nm, chociaż można stosować inne długości fali. Promienie świetlne 65 są emitowane jako rozbieżna wiązka promieni, symetryczna wokół osi 66 emisji odchodzącej od emitera zasadniczo w kierunku prostopadłym do bazowej powierzchni 54 płytki drukowanej 26. Promienie świetlne 65 wychodzą z emitera 56 pod całym zakresem kątów, przy czym każdy promień porusza się pod pewnym kątem Θε względem osi 66 emisji. Natężenie każdego z promieni 65 rozchodzących się od emitera 56 jest w przybliżeniu zależne od cosinusa 0e. Zatem wiązka promieni 65 z emitera 56 jest najintensywniejsza wzdłuż osi 66 emisji. W zakresie funkcjonowania rozwiązania według wynalazku, promienie o kącie 0e wyjścia z emitera większym niż około 50°, są przesłaniane przez obudowę 60 emitera, a zatem natężenie ich jest słabsze.

Jak pokazano na fig. 2, detektor 58 zawiera powierzchnię 67 detekcji przebiegającą w przybliżeniu równolegle do powierzchni bazowej 54. Oś 68 detekcji o największej czułości detekcji odchodzi od powierzchni 67 detekcji w kierunku zasadniczo prostopadłym do powierzchni 67 detekcji i do bazowej powierzchni 54 płytki drukowanej 26. Detektor 58 ma również kąt akceptacji (nie pokazano) rozciągający się symetrycznie wokół osi 68 detekcji tak, że wiązki światła padające na detektor w zakresie kąta akceptacji będą powodować generowanie przez detektor 58 sygnału sterowania. Konkretny zastosowany emiter 56 i detektor 58 są dobrane tak, że detektor jest czuły na długość fali światła emitowanego przez emiter.

191 088 B1

Kiedy obudowa 28 jest przymocowana do sprzęgacza 24, jak pokazano na fig. 2, bryła kolimacyjna 38 i soczewka kolimacyjna 40 są skierowane do emitera 56, a bryła ogniskująca 43 i soczewka ogniskująca 44 są skierowane do detektora. Część promieni świetlnych 65 wychodzących z emitera 56 trafia w kolimacyjną soczewkę 40, gdzie są one zbierane w wiązkę 72 przebiegającą poprzez bryłę kolimacyjną 38 wzdłuż osi optycznej 41 soczewki kolimacyjnej. Promienie świetlne, które trafią w soczewkę kolimacyjną 40, korzystnie są pod kątem 10-50° względem osi 66 emisji, chociaż soczewka może mieć taki kształt, by przyjmowała promienie świetlne pod mniejszymi lub większymi kątami. Soczewka kolimacyjna 40 jest usytuowana względem emitera 56 tak, że oś optyczna 41 tworzy kąt ostry 69 względem osi 66 emisji. Ten kąt ostry 69 wynosi korzystnie 39-51 °, chociaż może być on mniejszy lub większy. Powierzchnia soczewki kolimacyjnej 40 musi być ukształtowana tak, by powstawała wiązka skolimowana o wystarczającym natężeniu, aby detektor 58 mógł wytworzyć użyteczny sygnał.

Podobnie, soczewka ogniskująca 44 jest usytuowana względem detektora 58 tak, że oś optyczna 45 soczewki ogniskującej 44 tworzy kąt ostry 71 względem osi 68 detekcji. Ten kąt ostry 71 wynosi korzystnie 39-51°. Powierzchnia skupiającej soczewki 44 jest ukształtowana tak, aby ogniskować skolimowaną wiązkę 72 na powierzchni detekcyjnej detektora. Skolimowana wiązka 72 jest ogniskowana w wachlarz zbieżnych promieni o natężeniu na powierzchni detekcyjnej 67 wystarczającym, by detektor mógł wytworzyć użyteczny sygnał. Wachlarz promieni świetlnych zbieżnych ku powierzchni detekcyjnej korzystnie tworzy kąt w przybliżeniu 10-50° względem osi detekcji, chociaż wachlarz ten może tworzyć mniejszy lub większy kąt względem osi detekcji.

Światło biegnie od emitera 56 do detektora 58 wzdłuż optycznej drogi 73. Promienie światła z emitera, które są skolimowane w skolimowaną wiązkę 72, przebiegają wzdłuż drogi optycznej w szybę przednią 18 pod kątem 45° względem wewnętrznej powierzchni 30. Wiązka 72 skolimowanego światła pada na zewnętrzną powierzchnię 32 w czujnikowym obszarze 74 i jest odbijana wzdłuż drogi optycznej 73 z powrotem przez szybę przednią i w ogniskującą bryłę 43 pod kątem 45° względem powierzchni wewnętrznej 30. Oś optyczna 45 soczewki ogniskującej 44 jest oddalona od osi optycznej 41 soczewki kolimacyjnej 40 na powierzchni sprzęgacza 24 o wymiar T. Żaden pojedynczy promień świetlny nie biegnie w bok wzdłuż tej odległości. Jest to raczej wymiar sztuczny, sygnalizujący, że środek optyczny systemu jest przesunięty na powierzchni sprzęgacza 24. Wymiar T jest dobrany tak, że soczewka ogniskująca 44 zbiera pełną szerokość wiązki 72. Powierzchnia kolimacyjna 40 jest ściętą powierzchnią obrotową, symetryczną wokół osi optycznej 41. Odległość T optycznej osi 41 od optycznej osi 45 wynika z natury asymetrii apertury kolimacyjnej i apertury ogniskującej. Zewnętrzna powierzchnia szkła działa jako zwierciadło składane. Ze względu na działanie tego składanego zwierciadła, promienie bliskie osi emisji padają na detektor pod kątem z dala od osi detekcji. Wiązka przechodząca przez środek optyczny kolimatora nie będzie zatem przechodziła przez środek optyczny soczewki ogniskującej, który jest przesunięty względem osi detekcji.

Jak pokazano na fig. 5 i 6, soczewka kolimacyjna 40 ma przyjmującą światło aperturę 82 utworzoną przez obwód 80. Obwodem 80 mogą być fizyczne krawędzie soczewki kolimacyjnej 40, albo też obwód 80 może być utworzony przez ten obszar powierzchni soczewki, który przyjmuje światło emitowane bezpośrednio z emitera 56 i który zbiera takie światło, jak opisano powyżej. Promienie świetlne, które padają na powierzchnię soczewki na zewnątrz apertury 82, nie są kolimowane i nie są skutecznie przekazywane do detektora 58. Przyjmująca światło apertura 82 ma szerokość W, jak pokazano, mierzoną w kierunku linii odniesienia 5-5. Przyjmująca światło apertura 82 ma fizyczny środek 84 usytuowany w środku obwodu 80.

Środek optyczny soczewki jest określony jako punkt, w którym oś optyczna przecina powierzchnię soczewki. Zgodnie z definicją, promień światła biegnący wzdłuż osi optycznej, który wchodzi w aperturę soczewki poprzez środek optyczny, biegnie prostoliniowo, natomiast wszystkie inne promienie wchodzące w aperturę soczewki są odchylane przez soczewkę wzdłuż drogi równoległej do osi optycznej. Soczewka kolimacyjna 40 ma mimośrodowy środek optyczny 86, przesunięty względem fizycznego środka 84, a zatem ma mimośrodową oś optyczną 41. Korzystnie optyczny środek 86 jest przesunięty względem fizycznego środka 84 o około 22% szerokości W, chociaż można zastosować dowolne odpowiednie przesunięcie. Powierzchnia kolimacyjnej bryły 38 sprzęgacza 24 może ewentualnie być pokryta nieprzezroczystym materiałem, by wykluczyć promienie, które nie padają w aperturę 82, ewentualnie promienie takie mogą mieć możliwość przechodzenia przez sprzęgacz bez przeszkód. Dodatkowo, powierzchnia soczewki kolimacyjnej na zewnątrz obwodu 80 określającego aperturę 82 może być pokryta nieprzezroczystym materiałem, by uniemożliwić padanie promieni w aperturę 82,

191 088 B1 albo też takie promienie mogą mieć możliwość przechodzenia przez sprzęgacz bez przeszkód. Do wykrywania deszczu użyteczne są tylko te promienie emitera, które przechodzą przez aperturę 82.

Jak pokazano na fig. 7, soczewka ogniskująca 44 ma przepuszczającą światło aperturę 90 określoną przez obwód 88. Ten obwód 88 mogą stanowić fizyczne krawędzie soczewki ogniskującej 44, albo też obwód 88 może określać obszar powierzchni soczewki, który przepuszcza wiązkę 72 skolimowanego światła w zogniskowanej wiązce do powierzchni detekcyjnej 67 detektora 58. Promienie świetlne, które wychodzą z soczewki ogniskującej na zewnątrz apertury 90 nie są ogniskowane na detektorze 58. Apertura 90 ma, jak pokazano, szerokość W. Ogniskująca soczewka 44 ma fizyczny środek 92 usytuowany w środku obwodu 88. Optyczny środek 94 soczewki 44 jest mimośrodowy, to znaczy jest przesunięty względem fizycznego środka 92, a zatem oś optyczna 45 soczewki ogniskującej jest również mimośrodowa. Korzystnie środek optyczny 94 jest przesunięty względem środka fizycznego 92 o około 22% szerokości W, chociaż możliwe jest dowolne odpowiednie przesunięcie. Powierzchnia ogniskującej bryły 43 sprzęgacza 24 może ewentualnie być pokryta nieprzezroczystym materiałem, by wykluczyć te promienie, które nie padają na aperturę 90, albo też takie promienie mogą przechodzić przez sprzęgacz bez przeszkód. Ewentualnie powierzchnia soczewki ogniskującej 44 na zewnątrz obwodu 88 określającego aperturę 90 może być pokryta materiałem nieprzezroczystym, by wykluczyć promienie, które nie padają na aperturę 90, albo też takie promienie mogą przechodzić bez przeszkód przez sprzęgacz.

Podczas działania optycznego czujnika wilgoci, sterownik (nie pokazano) wysyła sygnały do emitera 56, który powoduje emitowanie promieni świetlnych 65 symetrycznie wokół osi emisji. Promienie świetlne 65, które padają na aperturę 82 soczewki kolimacyjnej, są kolimowane w wiązkę 72 biegnącą wzdłuż drogi optycznej 73, która jest równoległa do osi optycznej 41 soczewki kolimacyjnej. Wiązka światła 72 jest optycznie wprowadzana w pośrednią warstwę 34, a następnie w szybę przednią 18 wzdłuż drogi optycznej 73. Wiązka światła 72 przechodzi przez szybę przednią 18, biegnąc dalej pod kątem w przybliżeniu 45°, i jest odbijana przez zewnętrzną powierzchnię 32 szyby przedniej 18 w obszarze czujnikowym 74. Odbita wiązka przechodzi z powrotem przez szybę przednią 18 wzdłuż drogi optycznej 73 pod kątem 45° względem powierzchni szyby przedniej. Wiązka 72 skolimowanego światła przechodzi przez bryłę ogniskującą 43 i soczewkę ogniskującą 44. Soczewka ogniskująca ogniskuje skolimowaną wiązkę 72 na powierzchni detektora 58. Jeżeli wilgoć 76 zgromadziła się na szybie przedniej w obszarze czujnikowym 74, wówczas nie cała skolimowana wiązka świetlna 72 będzie odbita z powrotem do bryły ogniskującej 43 i detektor 58 wytworzy sygnał zależnie od natężenia wykrywanego światła. Chociaż detektor zasadniczo ma największą czułość wtedy, gdy wiązki światła są prostopadłe do płytki drukowanej 26, wykrywana będzie każda wiązka światła 72 w zakresie kąta przyjmowania detektora 58. Obwód 59 przetwarzania sygnału odbiera sygnał detektora i rozpoznaje zmianę w sygnale w przypadku obecności wilgoci, aby odpowiednio sterować wycieraczkami.

Dla prawidłowego działania, soczewka kolimacyjna 40 musi być umieszczona względem emitera 56 tak, aby kolimowana była wystarczająca liczba promieni świetlnych 65, które padają na aperturę 82 soczewki. Na fig. 4 kąt linii przecinającej powierzchnię soczewki kolimacyjnej 40 względem szyby przedniej oznaczono jako θχ. Wartości θ_χ są różne na powierzchni soczewki kolimacyjnej. Jak wspomniano powyżej, korzystnie promienie skolimowanej wiązki świetlnej 72 biegną wewnątrz szyby przedniej 18 pod kątem θο 45° względem powierzchni 30 szyby przedniej. Aby soczewka kolimacyjna załamywała promienie emitera pod żądanym kątem 45°, można wykazać przez przekształcenie prawa Snella, że:

θχ = arctg [(sin(0_E) - n · sin(O_G))/(cos(0_E) - n · cos(0_G))] gdzie n oznacza współczynnik załamania światła dla sprzęgacza 24.

Sprzęgacz 24 jest korzystnie wykonany z poliwęglanu i ma współczynnik załamania n = 1,57 przy 880 nm. Alternatywnie sprzęgacz może być wykonany ze szkła, materiału akrylowego lub innego przezroczystego materiału. Na podstawie powyższego równania można np. wykazać, że przy kącie emitera Θε wynoszącym 10°, potrzebny jest kąt powierzchniowy soczewki kolimacyjnej 76°. Przy takim stromym kącie w przybliżeniu połowa natężenia wiązki z emitera jest odbijana od powierzchni soczewki kolimacyjnej, a więc nie wchodzi w szybę przednią 18. Odbicie silnie wzrasta przy jeszcze mniejszych kątach emitera. Dlatego ta zależność pomiędzy kątem emitera a kątem powierzchniowym soczewki kolimacyjnej określa dolną granicę odległości pomiędzy soczewką 40 kolimatora a osią 66 emisji. Podobnie, taka sama granica dolna obowiązuje wobec odległości pomiędzy soczewką ogniskującą 44 a osią 68 detekcji. Promienie światła przechodzące przez soczewkę ogniskującą 44 bliżej niż pod kątem około 10° względem osi 68 detekcji, będą wewnętrznie odbijane od wewnętrznej po191 088 B1 wierzchni soczewki ogniskującej 44 i zmniejszają natężenie zogniskowanej wiązki, która dochodzi do powierzchni detekcyjnej 67.

Inne zjawiska określają górną granicę odległości pomiędzy osią 66 emisji a soczewką 40 kolimatora. Gdy kąt Θε rośnie, skośność zmniejsza natężenie wiązki emitera, które zmienia się zgodnie z cos 0e, jak opisano powyżej. Przy wartościach kąta 0e około 50° emitowane promienie światła są przesłaniane przez obudowę 60 emitera. Zakres kątów, pod którymi promienie świetlne mogą być użytecznie wprowadzane w szybę przednią 18, jest ograniczony do kątów emitera w zakresie 10-50°. Przy mniejszych kątach zbyt duża część wiązki jest odbijana od powierzchni soczewki kolimatora. Przy większych kątach skośność zmniejsza natężenie emitowanego światła, a światło jest przesłaniane przez obudowę emitera. W tym zakresie kątów emitera zasadniczo nie występują efekty odbicia i skośności. Emitowane promienie świetlne są zatem rozsądnie jednorodne w przewidzianym zakresie kątów emitera.

Takie ograniczenie wiązki emitera ma tę dalszą zaletę, że umożliwia zmieszczenie konstrukcji w wymaganej wysokości sprzęgacza 5 mm. Szerszy zakres promieni emitera wymagałby wyższego sprzęgacza. Podobnie, promienie świetlne biegnące pod kątem większym niż 50° od osi 68 detekcji będą słabo odbierane przez detektor 58 na skutek dużej skośności. Podobnie jak w przypadku kolimatora 36, ograniczenie kątów promieni odbieranych z soczewki ogniskującej 44 przez detektor 58 umożliwia płytką konstrukcję sprzęgacza 24.

Powierzchnia soczewki kolimacyjnej 40 ma taki kształt, aby soczewka ta mogła zbierać dużą część promieni świetlnych biegnących od emitera, gdy oś 66 emisji tworzy kąt ostry z osią optyczną 41. Korzystnie powierzchnia soczewki kolimacyjnej jest ciągłą, wypukłą powierzchnią załamującą, chociaż powierzchnia ta może być segmentowana, jak opisano poniżej. Odpowiedni kształt powierzchni soczewki można określić za pomocą systemu oprogramowania do konstruowania elementów optycznych, takiego jak system Zemax firmy Focus Software in Tucson, AZ. Wynikowy kształt powierzchni jest najlepiej reprezentowany przez wielomianową powierzchnię asferyczną. Powierzchnia ta jest określona przez funkcję zwisu, która wyznacza odległość z pomiędzy powierzchnią a promieniem od osi optycznej. Powierzchnią tą może być, na przykład:

z = ^f cr^{2 Ί / f} 1 + ^1 - (l + k) c²r² Ί + a^r² + + a^r^a^r^ + ...

gdzie:

Współczynnik	Wartość
r	nieskończoność
c	0
a1	0,22631484
a2	-0,018779505
a3	0,0010712278
a4	0

Taki sposób opisania soczewki asferycznej jest znany fachowcom w dziedzinie budowy systemów optycznych. Alternatywnie można zastosować soczewkę sferyczną o promieniu 3,163 mm, jednakże wprowadzana jest wtedy aberracja, która może zmniejszyć natężenie światła przepuszczanego przez soczewkę. Podane wartości umożliwią niewielką rozbieżność wiązki skolimowanej, zmniejszając wymagania dotyczące tolerancji umieszczenia emitera.

Chociaż potrzebna jest tylko jedna droga optyczna, by zapewnić działanie optycznego czujnika wilgoci, pojedyncza droga optyczna może dawać obszar czujnikowy o polu powierzchni nieodpowiednim dla niezawodnego działania wycieraczek. Jak pokazano na fig. 8, alternatywny przykład realizacji przedmiotowego wynalazku przewidziany jest z innym układem elementów optycznych, zapewniającym wiele dróg optycznych. Czujnik 10 tego alternatywnego przykładu wykonania zawiera pierwszy i drugi emiter 156a i 156b oraz pierwszy i drugi detektor 158a i 158b zamontowane na powierzchni płytki drukowanej do przyjęcia elementów elektronicznych (nie pokazano) w sposób podobny jak opisano powyżej. Pierwszy emiter 156a jest usytuowany na płytce drukowanej (nie pokazano) przy

191 088 B1 pierwszym narożniku 102a na planie kwadratu 104, a drugi emiter 156b jest usytuowany na płytce drukowanej przy drugim narożniku 102b naprzeciw pierwszego narożnika 102a. Pierwszy i drugi emiter 156a i 156b mają osie emisji (nie pokazano) podobne do osi 69 emisji emitera 56 pokazanego na fig. 4. Pierwszy detektor 158a jest usytuowany na płytce drukowanej przy trzecim narożniku 102c kwadratu 104, a drugi detektor 158b jest usytuowany na płytce drukowanej przy czwartym narożniku 102d naprzeciw trzeciego narożnika 102c. Pierwszy i drugi detektor 158a i 158b mają osie detekcji (nie pokazano) podobne do osi 68 detekcji detektora 56 z fig. 4. Płytka drukowana jest zamontowana w obudowie 28 pokazanej na fig. 3 w sposób podobny do płytki drukowanej 26 opisanej powyżej.

Czujnik 100 zawiera sprzęgacz 106 posiadający powierzchnię montażową (nie pokazano), która jest przymocowana do szyby przedniej w sposób podobny, jak sprzęgacz 24 opisany powyżej. Obudowa 28 jest przymocowana do sprzęgacza 106 podobnie, jak do sprzęgacza 24. Sprzęgacz 106 zawiera pierwszy kolimator 108a usytuowany przy pierwszym emiterze 156a przy pierwszym narożniku 102a, gdy obudowa 28 jest przymocowana do sprzęgacza 106. Sprzęgacz 106 zawiera również drugi kolimator 108b usytuowany w sąsiedztwie drugiego emitera 156b przy drugim narożniku 102b, gdy obudowa 28 jest przymocowana do sprzęgacza 106. Każdy kolimator 108a i 108b zawiera dwie bryły kolimacyjne 109 i dwie soczewki kolimacyjne 110. Te dwie soczewki kolimacyjne 110 oparte są o siebie tak, że ich osie optyczne 111 tworzą w przybliżeniu kąt 90°, w widoku pokazanym na fig. 8. Soczewki kolimacyjne 110 są korzystnie ukształtowane integralnie z bryłami kolimacyjnymi 109, chociaż przy każdej bryle kolimacyjnej można umieścić oddzielne soczewki, jak opisano powyżej.

Każda z soczewek kolimacyjnych 110 jest podobna do soczewki kolimacyjnej 40 opisanej powyżej. Każda soczewka kolimacyjna 110 ma fizyczny środek, optyczny środek i oś optyczną, podobnie jak fizyczny środek 84, optyczny środek 86 i optyczna oś 41 soczewki kolimacyjnej 40 pokazanej na fig. 4, 5 i 6, przy czym soczewki kolimacyjne 110 pierwszego kolimatora 108a są usytuowane przy pierwszym emiterze 156a tak, że każda z osi optycznych tworzy kąt ostry względem opisanej powyżej osi emitera. Soczewki kolimacyjne 110 drugiego kolimatora 108b są usytuowane przy drugim emiterze 156b tak, że każda z osi optycznych tworzy kąt ostry z opisaną powyżej osią emitera. Powierzchnia soczewek kolimacyjnych 110 jest ukształtowana podobnie do soczewki kolimacyjnej 40 opisanej powyżej tak, że środek optyczny jest przesunięty względem środka fizycznego, z powodów opisanych powyżej.

Sprzęgacz 106 zawiera również pierwszy zespół ogniskujący 114a usytuowany w pobliżu pierwszego detektora 158a przy pierwszym narożniku 102c, gdy obudowa 28 jest przymocowana do sprzęgacza 106. Sprzęgacz 106 zawiera ponadto drugi zespół ogniskujący 114b usytuowany w pobliżu drugiego detektora 158b przy czwartym narożniku 102d, gdy obudowa 28 jest przymocowana do sprzęgacza 106. Każdy zespół ogniskujący 114a i 114b zawiera dwie ogniskujące bryły 115 i dwie ogniskujące soczewki 116. Te dwie ogniskujące soczewki 116 są oparte o siebie tak, że ich osie optyczne 117 tworzą w przybliżeniu kąt 90°, w widoku pokazanym na fig. 8. Soczewki ogniskujące 116 są korzystnie ukształtowane integralnie z ogniskującymi bryłami 115, chociaż w pobliżu każdego korpusu ogniskującego mogą być umieszczone oddzielne soczewki, jak opisano powyżej. Narożnik każdej soczewki kolimacyjnej 110 i soczewki ogniskującej 116 jest usunięty, aby umożliwić ich umieszczenie obok siebie, ale nie ma to szkodliwego wpływu na działanie soczewek.

Każda z soczewek ogniskujących 116 jest podobna do soczewki ogniskującej 44 opisanej powyżej i nie będą one opisywane szczegółowo. Każda soczewka ogniskująca 116 ma fizyczny środek, optyczny środek i oś optyczną, podobnie jak fizyczny środek 92, optyczny środek 94 i optyczna oś 45 soczewki ogniskującej 44, jak pokazano na fig. 2 i 7. Soczewki ogniskujące 116 pierwszego zespołu ogniskującego 114a są usytuowane w pobliżu pierwszego detektora 158a tak, że każda z osi optycznych tworzy kąt ostry względem opisanej powyżej osi emitera. Soczewki ogniskujące 116 drugiego zespołu ogniskującego 114b są usytuowane w pobliżu drugiego detektora 158b tak, że każda z osi optycznych tworzy kąt ostry względem opisanej powyżej osi emitera. Powierzchnie ogniskujących soczewek 116 są ukształtowane podobnie do soczewki ogniskującej 44, opisanej powyżej tak, że środek optyczny jest odsunięty od środka fizycznego z przyczyn opisanych powyżej.

Przewidziane są cztery drogi optyczne 173a, 173b, 173c i 173d. Pierwsza droga optyczna 173a przebiega od pierwszego emitera 156a poprzez soczewkę kolimacyjną 110 i bryłę kolimacyjną 109 pierwszego kolimatora 108a w szybę przednią pod kątem 45° względem wewnętrznej powierzchni do pierwszego obszaru czujnikowego 174a, z powrotem przez szybę przednią pod kątem 45° względem wewnętrznej powierzchni szyby przedniej, przez bryłę ogniskująca 115 i soczewkę ogniskującą 116 pierwszego zespołu ogniskującego 114a do pierwszego detektora 158a. Druga droga optyczna 173b

191 088 B1 przebiega od drugiego emitera 156b poprzez soczewkę 110 kolimatora i bryłę 109 kolimatora drugiego kolimatora 108b w szybę przednią pod kątem 45° względem wewnętrznej powierzchni do drugiego obszaru czujnikowego 174b, z powrotem przez szybę przednią pod kątem 45° względem wewnętrznej powierzchni szyby przedniej, przez bryłę ogniskującą 115 i soczewkę ogniskującą 116 pierwszego zespołu ogniskującego 114a do pierwszego detektora 158a.

Trzecia droga optyczna 173c przebiega od pierwszego emitera 156a poprzez kolimacyjną soczewkę 110 i kolimacyjną bryłę 109 pierwszego kolimatora 108a w szybę przednią pod kątem 45° względem wewnętrznej powierzchni do drugiego obszaru czujnikowego 174c, z powrotem przez szybę przednią pod kątem 45° względem wewnętrznej powierzchni szyby przedniej, przez bryłę ogniskującą 115 i soczewkę ogniskująca 116 drugiego zespołu ogniskującego 114b do drugiego detektora 158b. Czwarta droga optyczna 173b przebiega od drugiego emitera 156b poprzez kolimacyjną soczewkę 110 i kolimacyjną bryłę 109 drugiego kolimatora 108b w szybę przednią pod kątem 45° względem powierzchni wewnętrznej do czwartego obszaru czujnikowego 174d, z powrotem przez szybę przednią pod kątem 45° względem wewnętrznej powierzchni szyby przedniej, przez bryłę ogniskującą 115 i soczewkę ogniskującą 116 drugiego zespołu ogniskującego 114b do drugiego detektora 158b.

Podczas działania emitery 156a i 156b emitują rozbieżne promienie świetlne w hemisferę tak, że każda z sąsiednich kolimacyjnych soczewek 110 otrzymuje jednakową ilość światła. Dwie kolimacyjne bryły 109 i soczewki 110 pierwszego kolimatora 108a wytwarzają pierwszą i drugą skolimowane wiązki światła 172a i 172b podobne do opisanej powyżej skolimowanej wiązki 72. Pierwsza i druga skolimowane wiązki świetlne 172a i 172b przebiegają pod kątem prostym względem siebie, jak pokazano na fig. 8, przy czym każda wiązka światła biegnie odpowiednio wzdłuż pierwszej i trzeciej drogi optycznej 173a i 173c. Dwie kolimacyjne bryły 109 i soczewki 110 drugiego kolimatora 108b wytwarzają trzecią i czwartą skolimowane wiązki świetlne 172c i 172d podobne do opisanej powyżej skolimowanej wiązki 72. Trzecia i czwarta skolimowane wiązki świetlne 172c i 172d przebiegają pod kątem prostym do siebie, a każda wiązka świetlna biegnie odpowiednio wzdłuż drugiej i czwartej drogi optycznej 173b i 173d.

Pierwsza skolimowana wiązka światła 172a jest odbijana przez zewnętrzną powierzchnię szyby przedniej w pierwszym obszarze czujnikowym 174a z powrotem poprzez ogniskującą bryłę 115 i ogniskującą soczewkę 116 pierwszego detektora 158a. Jeżeli w pierwszym obszarze czujnikowym na zewnętrznej powierzchni szyby przedniej jest wilgoć, część skolimowanej wiązki światła nie będzie odbijana z powrotem do zespołu ogniskującego 114 i pierwszy detektor 158a będzie emitować sygnał odpowiadający zmianie wykrywanego światła. Sygnał ten będzie przetwarzany przez obwód przetwarzania sygnału (nie pokazano) podobny do obwodu 59 przetwarzania sygnału z fig. 2, a wycieraczki będą odpowiednio sterowane. Podobnie druga, trzecia i czwarta wiązka skolimowanego światła będzie odbijana od odpowiedniego obszaru czujnikowego, a pierwszy lub drugi detektor będzie wykrywać zmiany w odbieranym świetle. Dzięki zastosowaniu czterech obszarów czujnikowych, optyczny czujnik 100 wilgoci może zapewnić lepsze sterowanie wycieraczek i zwiększyć widzialność.

Rozmieszczenie elementów optycznych w alternatywnym przykładzie wykonania optycznego czujnika 100 wilgoci tworzy zrównoważony system optyczny, ponieważ cztery drogi optyczne 102 mają jednakową długość i jednakową sprawność optyczną. Układ taki będzie kompensować różnice sprawności pomiędzy emiterami 56, które mogą być znaczne. Oba detektory 58 będą odbierać jednakową ilość światła od danego emitera, a suma światła odebranego od obu emiterów będzie taka sama dla każdego detektora.

Na figurze 9 przedstawiono zrównoważony układ elektryczny 190 do stosowania w połączeniu z opisanym powyżej zrównoważonym układem optycznym, by stworzyć zrównoważony system optycznego czujnika wilgoci. Impulsowe źródło prądu steruje emiterami 156a i 156b, które są korzystnie połączone szeregowo przewodem 191. Wiązka światła (narysowana liniami przerywanymi 172a, 172b, 172c, 172d) biegnąca wzdłuż drogi optycznej sprzęga każdy emiter 156a, 156b z każdym detektorem 158a, 158b. Każda droga optyczna ma taką samą długość i podobną sprawność optyczną. Detektory 158a, 158b działają w trybie prądowym i są połączone ze sobą we wspólny węzeł 192 sumowania prądu. Dołączony do tego węzła 192 obwód przetwarzania sygnału i sterowania wykrywa deszcz. W przypadku doskonale zrównoważonego systemu optycznego czujnika wilgoci przy braku deszczu żaden prąd nie płynie z węzła 192 do obwodu przetwarzania sygnału i sterowania. Zrównoważony system optycznego czujnika wilgoci jest pożądany, ponieważ wymaga on od obwodu przetwarzania sygnału mniejszego zakresu dynamiki i zwiększa zdolność systemu do odrzucania światła otoczenia.

191 088 B1

Nowoczesne szyby przednie z kontrolowanym przepuszczaniem promieniowania słonecznego, takie jak szyby przednie sprzedawane ze znakiem towarowym „EZ-KOOL”, dostępne w handlu z firmy Libbey Owens Ford, Co., zmniejszają przepuszczanie podczerwieni przez szybę przednią. Optyczne czujniki wilgoci stosowane na takich szybach przednich muszą mieć dużą sprawność, ponieważ szyba przednia zmniejsza transmitancję wiązki podczerwieni z emitera do detektora. Opisany powyżej optyczny czujnik wilgoci 100 zapewnia sprawny czujnik nadający się do używania z takimi szybami przednimi z kontrolowanym przepuszczaniem promieniowania słonecznego. Powyższy optyczny czujnik wilgoci został przetestowany na szybach przednich z kontrolowanym przepuszczaniem promieniowania słonecznego „Ez-Kool” przy użyciu sprzęgaczy wykonanych z lanej żywicy poliestrowej, które wytwarzają 17 mikroamper na jeden amper prądu emitera, co wystarcza dla typowego obwodu przetwarzania sygnału. Optyczny czujnik wilgoci tworzy łącznie obszar czujnikowy 57 milimetrów kwadratowych z wykorzystaniem tylko dwóch emiterów i dwóch detektorów, a wersje wdrażane do wytwarzania seryjnego będą prawdopodobnie miały jeszcze większe obszary czujnikowe.

Na figurze 10 przedstawiono odmienny przykład wykonania soczewki kolimatora z zastosowaniem soczewki segmentowanej lub soczewki Fresnela 202 zamiast ciągłej soczewki wypukłej 40 omówionej powyżej. Soczewka Fresnela 202 może również być stosowana jako soczewka ogniskująca zamiast ciągłej wypukłej soczewki ogniskującej 44 omówionej powyżej. Ze względu na podobieństwo pomiędzy soczewką kolimacyjną a soczewką ogniskującą, jak omówiono powyżej, omówiony jest tylko kolimator z soczewką Fresnela. Podobną soczewkę Fresnela można stosować do zespołu ogniskującego, który działa podobnie do zespołu ogniskującego 40 z ciągłą soczewką wypukłą, opisanego powyżej.

Soczewka 202 kolimatora Fresnela ma tę zaletę, że obszar soczewki, a zatem optyczny czujnik wilgoci jako całość, można wykonać jako jeszcze cieńszy. Wynikowy cieńszy sprzęgacz 204 uzyskiwany jest kosztem pewnej sprawności optycznej i nieco bardziej skomplikowanej formy potrzebnej do kształtowania sprzęgacza i soczewek 202. Taka soczewka może być zbudowana przez rzutowanie powierzchni soczewki kolimatora z fig. 4 i 6 na wewnętrzną powierzchnię sprzęgacza 24 z możliwością sięgnięcia do głębokości D w operacji modulo. W wyniku uzyskuje się soczewkę 202 kolimatora złożoną z pewnej liczby załamujących segmentów 204. Należy zauważyć, że w odróżnieniu od zwykłej konstrukcji soczewki Fresnela, płaszczyzna projekcji promieni świetlnych nie jest ortogonalna względem osi optycznej, ale raczej usytuowana pod pewnym kątem, aby zapewnić odbicie na powierzchni zewnętrznej szkła, jak opisano powyżej. Alternatywnie, do utworzenia potrzebnej powierzchni można zastosować bezpośrednio programy konstruowania elementów optycznych, takie jak uprzednio wymieniony program Zemax, stosując odpowiednie polecenia przechylenia, by osiągnąć żądaną płaszczyznę projekcji. Jako kolejny sposób generowania powierzchni można wykorzystać wzór wyprowadzony z prawa Snella powyżej, by generować żądane kąty.

Wadą podejścia segmentowego jest to, że powstają obszary okluzji, takie jak obszar 206. Obszary okluzji 206 występują wtedy, gdy promienie światła padają na nieużyteczny segment powrotny 208. Takie segmenty są potrzebne do utrzymania geometrii soczewki na głębokości D. Obszary okluzji 206 nie nadają się jednak do kierowania światła w żądanym kierunku i pogarszają optyczną sprawność systemu. Wielodrogowa konfiguracja wynalazku, jak pokazano na fig. 8, nie jest modyfikowana. Podobnie sposób mocowania pozostaje bez zmian. Konstrukcję fresnelowską można wykonać z wieloma segmentami, jak pokazano, albo z niewielką liczbą segmentów, np. z dwoma segmentami. Ponadto, chociaż korzystne jest, by projekcja była na płaszczyznę ścianki wewnętrznej sprzęgacza, płaszczyzna projekcji może być nieco przechylona w kierunku do urządzeń optycznych. Rozwiązanie takie wymagałoby mniejszej liczby obszarów okluzji.

Oprócz szyby przedniej pojazdu samochodowego, optyczny czujnik wilgoci według przedmiotowego wynalazku może być również stosowany na innych powierzchniach szklanych do wykrywania wilgoci.

Claims (15)

1. Optyczny czujnik wiigoci do zamocowania na pierwszej powierzchni arkusza szkła, celem wykrywania wilgoci w co najmniej jednym obszarze czujnikowym na drugiej powierzchni tego arkusza szkła, zawierający sprzęgacz do zamocowania na pierwszej powierzchni arkusza szkła, do optycznego wprowadzania promieni świetlnych w szkło i wyprowadzania ich z niego, obudowę mocowaną do

191 088 B1 sprzęgacza, umieszczoną w obudowie płaską płytkę obwodu drukowanego z powierzchnią bazową usytuowaną zasadniczo równolegle do pierwszej powierzchni arkusza szkła, a także zawierający na powierzchni bazowej co najmniej jeden emiter do emitowania promieni świetlnych oraz co najmniej jeden detektor z powierzchnią detekcji do detekcji promieni świetlnych padających na tę powierzchnię i do generowania sygnałów w odpowiedzi na wykryte promienie świetlne, znamienny tym, że zawiera co najmniej jeden kolimator (37) sprzężony optycznie ze sprzęgaczem (24) do kolimowania wiązki promieni świetlnych z emitera (56), emitowanej wokół osi (66) emisji skierowanej od emitera (56) w przybliżeniu prostopadle do powierzchni bazowej (54), przy czym kolimator (37) ma przyjmującą światło aperturę (82) ze środkiem fizycznym (84) i przesuniętym względem niego środkiem optycznym (86), z osią optyczną (41) przebiegającą przez środek optyczny (86), który to kolimator (37) jest tak umieszczony, że oś optyczna (41) tworzy pierwszy kąt ostry (69) względem osi (66) emisji, oraz zawiera co najmniej jeden zespół ogniskujący (42) sprzężony optycznie ze sprzęgaczem (24) do ogniskowania skolimowanej wiązki promieni świetlnych (72) w zbieżny wachlarz promieni na powierzchni detekcji (67) detektora (58), wokół osi (68) detekcji skierowanej od detektora (58) w przybliżeniu prostopadle do powierzchni bazowej (54), przy czym zespół ogniskujący (42) ma przepuszczającą światło aperturę (90) ze środkiem fizycznym (92) i przesuniętym względem niego środkiem optycznym (94), z osią optyczną (45) przebiegającą przez środek optyczny (94), który to zespół ogniskujący (42) jest tak umieszczony, że oś optyczna (45) tworzy drugi kąt ostry (71) względem osi detekcji (68).

2. Optyczny czujnik wilgoci według zastrz. 1, znamienny tym, że kollmator (37) zawiera co najmniej jedną soczewkę kolimacyjną (40), a zespół ogniskujący (42) zawiera co najmniej jedną soczewkę ogniskującą (44).

3. Optyczny czujnik wiigoci według zastrz. 2, znamienny tym, że soczewka kollmacyjna (40) i soczewka ogniskująca (44) są ciągłymi soczewkami wypukłymi.

4. Optyczny czujnik wiigoci według zastrz. 2, znamienny tym, że sprzęgacz (24), kollmator (137), soczewka kolimacyjna (40), zespół ogniskujący (42) i soczewka ogniskująca (44) są ukształtowane integralnie z jednego kawałka materiału.

5. Optyczny czunik wiigoci według zas^z. 2, znamienny tym, że pierwszy kollmator (377 zawiera pierwszą i drugą soczewkę kolimacyjną (40), a pierwszy zespół ogniskujący (42) zawiera pierwszą i drugą soczewkę ogniskującą (44), oraz drugi kolimator (37) zawiera trzecią i czwartą soczewkę kolimacyjną (40) a drugi zespół ogniskujący (42) zawiera trzecią i czwartą soczewkę ogniskującą (44), przy czym promienie świetlne z dwóch emiterów (56) są kolimowane w wiązki promieni świetlnych, które są ogniskowane na dwóch detektorach (58).

6. Optycznyczujnikwiigoci w^c^łLujzs^^fr^^. 1, tym, że zawiera obwód(59) ppzetwarzania sygnału zamontowany na płytce obwodu drukowanego (26), połączony z emiterem (56) i detektorem (58), do sterowania promieniowaniem świetlnym emitowanym przez emiter (56) i do przetwarzania sygnałów z detektora (58).

7. Optyczny cz^nik wiigoci według zas^z. 1, znamienny tym, że pierwszy kąt ossi^ (69) wynosi 39-51°, a drugi kąt ostry (71) wynosi 39-51°.

8. Optyczny czujnik wiigoci według zas^z. 1, znamienny tym, że środek optyczny (86) przyjmującej promienie świetlne apertury (82) kolimatora (37) jest przesunięty o co najmniej 20% szerokości tej apertury (82) od fizycznego środka (84) tej apertury (82).

9. Optyczny czujnik wiigoci według zas^z. 1, znamienny tym, że środek opt:yczny (94) przepuszczającej promienie świetlne apertury (90) zespołu ogniskującego (42) jest przesunięty o co najmniej 20% szerokości tej apertury (90) od fizycznego środka (92) tej apertury (90).

10. Optyczny czujnik wilgoci według zastrz. 1, znamienny tym, że kolimator (37) jest tak usytuowany, aby kolimować promienie świetlne z emitera (56), emitowane pod kątem 10-50° względem osi (66) emisji.

11. Oppyczny cz^nik wiigoci według zas^z. 1, zr^^r^i^r^n\y tym, że zespół ognisk^ący (42) 1esf usytuowany tak, aby ogniskować skolimowaną wiązkę promieni świetlnych w zbieżny wachlarz promieni świetlnych na powierzchni detekcji (67), zbieżnych pod kątem 10-50° względem osi (68) detekcji.

12. Optyczny czujnik wiigoci według zas^z. 1, znamienny tym, że kollmator (377 segmentowaną soczewkę kolimacyjną (40), a zes pół ogniskujący (42) zawiera segmentowaną soczewkę ogniskującą (44).

13. Optyczny czuinik wiigoci według zastrz. 1, znamienny tym, że pierwszy detektor (58) jest przeznaczony do detekcji promieni świetlnych biegnących wzdłuż pierwszej drogi optycznej skierowanej od pierwszego emitera (56) do drugiej powierzchni szkła (32) w jednym z obszarów czujnikowych (74)

191 088 B1 i z powrotem do pierwszego detektora (58) oraz do detekcji promieni świetlnych (72) biegnących wzdłuż drugiej drogi optycznej skierowanej od drugiego emitera (56) do drugiej powierzchni (32) szkła (18) w jednym z obszarów czujnikowych (74) i z powrotem do pierwszego detektora (58), przy czym długość drugiej drogi optycznej jest w przybliżeniu równa długości pierwszej drogi optycznej, oraz drugi detektor (58) jest przeznaczony do detekcji promieni świetlnych (72) biegnących wzdłuż trzeciej drogi optycznej skierowanej od pierwszego emitera (56) do drugiej powierzchni (32) arkusza szkła (18) w jednym z obszarów czujnikowych (74) i z powrotem do drugiego detektora (58) oraz do detekcji promieni świetlnych (72) biegnących wzdłuż czwartej drogi optycznej skierowanej od drugiego emitera (56) do drugiej powierzchni (32) szkła (18) w jednym z obszarów czujnikowych (74) i z powrotem do drugiego detektora (58), przy czym długości trzeciej i czwartej drogi optycznej są w przybliżeniu równe długości pierwszej drogi optycznej.

14. Optyczny czujnik wiigoci według zastrz. 1, znamienny tym, że zawiera tuleję (36) umieszczoną wokół obwodu sprzęgacza (24) po stronie przeciwległej do powierzchni montażowej (29) z płytkami (53) skierowanymi na zewnątrz tulei (36) oraz zawiera mocowaną na tulei (36) obudowę (28), mającą podstawę i wystające z podstawy ścianki boczne, których powierzchnie wewnętrzne zawierają wykonane w nich rowki (50) tak, że obudowa wchodzi rozłączalnie na tuleję (36), gdy płytki (53) wchodzą w rowki (50) mocując obudowę (28) do sprzęgacza (24).

15. Optyczny czuinik wiigoci do zamocowania na pierwszej powierzchni arkusza szkła, w celu wykrywania wilgoci w co najmniej jednym obszarze czujnikowym na drugiej powierzchni tego arkusza szkła, zawierający sprzęgacz do zamontowania na pierwszej powierzchni arkusza szkła do optycznego wprowadzania promieni świetlnych w szkło i wyprowadzania ich z niego, obudowę mocowaną do sprzęgacza, umieszczoną w obudowie płaską płytkę obwodu drukowanego z powierzchnią bazową usytuowaną zasadniczo równolegle do pierwszej powierzchni arkusza szkła, a także zawierający na powierzchni bazowej co najmniej jeden emiter do emitowania promieni świetlnych oraz co najmniej jeden detektor z powierzchnią detekcji do detekcji promieni świetlnych padających na tę powierzchnię i do generowania sygnałów w odpowiedzi na wykryte promienie świetlne, znamienny tym, że zawiera, na płaszczyźnie w punktach wyznaczających narożniki kwadratu (104), pierwszy emiter (156a) usytuowany w pierwszym narożniku (102a) kwadratu (104), drugi emiter (156b) usytuowany w drugim narożniku (102b) kwadratu (104) naprzeciw pierwszego narożnika (102a), pierwszy kolimator (108a) usytuowany przy pierwszym emiterze (156a) do kolimowania promieni świetlnych emitowanych z pierwszego emitera (156a) w pierwszą i drugą skolimowaną wiązkę promieni świetlnych, drugi kolimator (108b) usytuowany przy drugim emiterze (156b) do kolimowania promieni świetlnych emitowanych z drugiego emitera (156b) w trzecią i czwartą skolimowaną wiązkę promieni świetlnych, pierwszy detektor (158a) umieszczony w trzecim narożniku (102c) kwadratu (104) do detekcji pierwszej skolimowanej wiązki promieni świetlnych biegnących wzdłuż pierwszej drogi optycznej (173a) pomiędzy pierwszym emiterem (156a) a pierwszym detektorem (158a) oraz trzeciej skolimowanej wiązki promieni świetlnych biegnącej wzdłuż drugiej drogi optycznej (173b) pomiędzy drugim emiterem (156b), a pierwszym detektorem (158a), gdzie druga droga optyczna (173b) ma długość w przybliżeniu równą pierwszej drodze optycznej (173a) oraz drugi detektor (158b) usytuowany w czwartym narożniku (102d) kwadratu (104) naprzeciw trzeciego narożnika (102c) do detekcji drugiej skolimowanej wiązki promieni świetlnych biegnącej wzdłuż trzeciej drogi optycznej (173c) pomiędzy pierwszym emiterem (156a) a drugim detektorem (158b) oraz czwartej skolimowanej wiązki promieni świetlnych biegnących wzdłuż czwartej drogi optycznej (173d) pomiędzy drugim emiterem (156b) a drugim detektorem (156b), gdzie każda trzecia i czwarta droga optyczna (173c, 173d) ma długość w przybliżeniu równą pierwszej drodze optycznej (73a).