专利名称：尤其是用于机动车的下雨传感器和制造下雨传感器的方法
技术领域：
本发明涉及一种尤其是用于机动车的下雨传感器，具有光波导体， 它设置在玻璃里面并具有波导体芯、波导体壳和用于耦合和去耦合射线 的平面的全息的耦合元件。本发明还涉及一种用于在用于下雨传感器 的、由光聚合物构成的全息的耦合元件中产生体全息图的方法以及用于 制造下雨传感器的方法。
背景技术：
由DE 102 29 239 Al已知这种按照全反射原理工作的下雨传感器。 传统的传感器使光耦合到作为波导体的挡风玻璃里面，而已知的下雨传 感器使用附加的光波导体，在光波导体中，光从可以定位在玻璃里面、 其边缘上或者甚至外部的发射/接收区一直传播到雨刷器的雨刷区附件 的检测区并传播回去。在此也可以设想使用平面的全息的耦合元件，其 中去耦合元件可以由体全息图构成。在已知的下雨传感器中，光波导体 设置在玻璃的粘接的中间层里面。波导体壳在耦合元件的区域内具有相 应的开口。其提出由此实现这一点，即让壳层由连续层构成，它例如通
过光刻工艺获得具有期望的耦合和去耦合特性的全息特性。
由DE 19701 258 Al已知许多不同的用于传统的下雨传感器、即没 有光波导体的平面耦合元件的实施例，其中例如全息相光栅尤其也可以 通过具有光聚合物作为载体材料的体全息图构成。其中提到，体全息图 可以写入到光聚合物的膜里面，但是没有给出产生全息图或下雨传感器 或光聚合物载体材料与玻璃连接/结构的细节。
发明内容
按照本发明的按照权利要求1的下雨传感器的优点是，耦合元件由 光聚合物制成的层状块件构成，体全息图写入到光聚合物里面，并且使 光聚合物块件设置在波导体芯与波导体壳之间。通过这种方式得到具有 非常好的耦合特性的价廉的耦合元件，它们可以通过4艮少费用组合到下 雨传感器的光波导体里面。此外通过这种结构能够实现将配有光聚合物
块件的光波导体嵌入到玻璃里面的不同方法。为了耦合和去耦合可以使 用相同(或类似)的全息光栅。因为使用体全息图，避免了在凸起式结 构中存在的表面脏污的隐患。
在加工性方面有利的是，使配有光聚合物块件的光波导体在复合玻 璃中设置在玻璃层与粘接的中间层之间。但是原则上也可以使具有聚合 物块件的光波导体设置在中间层里面。
在特别有利的实施例中，所述光聚合物包括由聚甲基丙烯酸甲酯
(PMMA)组成的聚合物母体。这种多样且价廉的塑料具有特别高的光 学质量，尤其是能够以容易的加工性在其中产生精确的全息相光栅。在 全息图显影后，光聚合物变成透明，即也不干扰司机的视野。
在下雨传感器的有利的U型结构方案中，第一和第二光聚合物块件
其中第 一耦合元件使射线朝;检测区去耦合，而第i耦合元件使射线再
耦合到波导体里面，由此使射线可以向着接收区传播。这个实施例的前 提是非常精确的体全息图。
在备选的轴线性结构方案中，沿着在光波导体中的传播方向相继地 设置有两个分别用于耦合和去耦合的光聚合物块件。轴线型传感器的优 点是，可以使用相对较宽的光束，由此得到有利放大的^r测区。
按照本发明，在用于下雨传感器的、尤其是按照本发明的所述的下 雨传感器的、由光聚合物构成的全息的耦合元件中产生体全息图的方 法，能够以较少花费的方式产生用于体全息图的精确的干涉图样，尤其 是在压克力玻璃中。在此规定
-制备由聚合物母体和光敏分子构成的光聚合物，
-对应于曝光和未曝光的部位的预定的空间的周期图样全息地对 光聚合物进行曝光，其中通过光敏分子的一部分的聚合作用形成反射率 的对应于部位的第 一调制，该第 一调制通过反射率的由未聚合的光敏分 子所构成的第二调制部分地得到补偿，
-通过加热显影曝光的光聚合物，其中这样执行上述加热，使得其 通过光敏分子从未曝光部位空间均匀地扩散到曝光部位中致使第二调 制减少或上升，并由此致使通过调制所形成的干涉图样得到强化，
-通过曝光和/或热处理固定形成的干涉图样，用于这样在光聚合物 中产生体全息图。
因此按照本发明，通过简单和价廉的全息方法、尤其是通过常见的 激光光源写入全息图。由聚合物母体和光敏单体组成的光聚合物无需化 学地显影。而通过例如借助卣素灯的加热起到显影和固定的作用。
在从属权利要求8至10中给出用于加工按照本发明的下雨传感器 的方法。
下面借助于简示的附图，详细描述本发明的实施例。附图中
件的光波导体， 、、、 ""，、"
图2以俯视图示出具有按照本发明的U型下雨传感器的玻璃， 图3示出在第一方向上穿过图2中所示的结构的横截面， 图4示出在第二方向上穿过图2中所示的结构的横截面， 图5以俯视图示出具有按照本发明的轴线型下雨传感器的玻璃， 图6示出穿过图5中所示的结构的横截面，
图7示出按照本发明的在用于下雨传感器的、由光聚合物构成的全 息的耦合元件中产生体全息图的方法的步骤a)至d)，
图8示出用于制造按照本发明的下雨传感器的方法的步骤a )至g )。
具体实施例方式
图1示出还未安装在玻璃里面的、用于下雨传感器的光波导体22, 它具有波导体芯1和由以理想的方式透明的介电材料制成的波导体壳 2。波导体芯1例如可以由玻璃制成并且具有200ym范围的厚度，而覆 层2 —般厚度为5至10jum。由在图1中未示出的下雨传感器的结构部 件产生的光束4耦合到光波导体22里面，并且一直传播到规定的位置， 在该位置上，射线4穿过耦合元件3去耦合，即，在确定的方向上偏转。 在下雨传感器中，光束4通常偏转到玻璃的外表面上的检测区，只要玻 璃不被雨滴浸润，光束就在该表面上全反射，由此使光束l再耦合到光 波导体22里面，在那里传播并且可以仅仅向着下雨传感器4的接收元 件才能去耦合。由于在以液体浸润的检测区上的局部去耦合，可以以公 知的方式充分利用光束4的弱化来产生所期望的传感器信号。这种光波 导体22例如可以具有5cm的宽度和20cm或更大的长度，由此可以使
传感器的发射/接收部位具有与检测区更大的距离，对于传感器无需规定 利用玻璃本身作为光波导体。
为了精确地耦合或去耦合，所选择的全息耦合元件3由光聚合物块 件3组成，它们通常具有2x2mm或者更大范围的尺寸和5至10jum范 围的厚度。因为这些光聚合物块件3位于光波导体22的芯1与壳2之 间，于是光波导体的表面在那里可以与在图1中所示的示意图不同而可 以是凸起形地拱曲，但是这对于给出的尺寸和材料不会引起原则上的问 题。此外，如同下面还要详细描述地那样，光波体22 —般嵌入到复 合玻璃片里面，其中粘接的、弹性的PVB中间层可以容纳或补偿光波 导体22的形状，尤其是凸起的形状
在图2中示出机动车的正面玻璃26,具有由(未示出)玻璃刮水器 涂刷的雨刷区27,并且具有中心地设置在玻璃26的上边缘的U型下雨 传感器。该下雨传感器具有设置在司机视野以外的发射/接收区24以及 位于雨刷区27里面的检测区25。可以看到传感器的U形结构，连同作 为"基础"的适合于耦合和去耦合的光聚合物块件3a，它使射线4从发 射/接收区24耦合或去耦合到波导体22中。此外具有两个"U型侧边"， 它们在一側通过在光波导体22中从光聚合物块件3a传播到另一光聚合 物块件3b的光束4构成，在另 一侧从耦合的第三光聚合物块件3c返回 传播到"基础"的射线4构成。
在图3中示出在图2中所示下雨传感器沿着在那里示出的第一截切 方向(视角1)的横截面。发射/接收区24设置在复合玻璃片26上(为 了简化在图3中的4见图在外侧面上)，它由内部和外部的玻璃层23组 成，它由粘接的优选由PVB (聚乙烯醇缩丁醛)制成的中间层21固定 在一起。在中间层21与玻璃层23之间设置有在图1中所示的由玻璃芯 1、壳层2以及由光聚合物制成的全息耦合元件3所组成的光波导体22。
由图3结合在图4中所示的传感器截面(参见图2，视角2)最清 楚地给出U型下雨传感器的工作原理。来自发射/接收区24的光视角4 从光聚合物块件3a耦合到光波导体22里面，并且一直传播到光波导体 22中的去耦合元件3b,从那里射线4偏转到敷设在玻璃26外表面上的 检测区25。在那里射线4全反射，因此使射线到达用于耦合的光聚合物 块件3c,并且由此在光波导体22中再返回传播到发射/接收区24。检测 区25相对于耦合元件3b和3c设置在中心。
在图5和6中示出轴线型下雨传感器。基本测量原理仍然与U型一 样，基于由于在检测区25上存在的雨滴而弱化的光束4的全反射。
光波导体22设置在一般玻璃26里面。沿着传播方向在光波导体22 中相继地设置有两个分别用于耦合和去耦合的光聚合物块件3dl和 3d2,由此使射线4在光波导体22中一直传播到第一光聚合物块件3dl， 参见图6,其中在那里一部分射线4去耦合，在玻璃26外表面上的检测 区25上全反射,并且由第二光聚合物块件3d2的光栅再耦合到光波导体 22里面，而在第一光聚合物块件3dl上反射的部分射线4首先继续在光 波导体22中传播，在第二光聚合物块件3d2上去耦合，并且在检测区
轴线型传J器的〗^点是，在光栅3dl上折射的精密性和效率不是关 键的，因为无论折射的还是不折射的光束4部分都包括到检测里面。也 仅仅需要保证或优化基于光栅3d2的折射的精密性。通过使光束4沿着 轴线传播能够使用相对较宽的光束4，由此有利地加大了检测区25。
在图7中示出在光聚合物中产生体全息图。全息光栅按照本发明通 过光聚合作用写入到光聚合物里面。上述产生过程在第一步骤7a)中以 制备由聚合物母体6和光敏分子5所组成的混合物(溶液)(在图7中 示意表示的两个组分在垂直部位中的分离只是为了更好理解)开始。通 过以空间的周期的图样7，即借助于啄光的部位8和未曝光的部位9实 现的光敏分子5的曝光，在曝光的部位8中实现其部分的聚合作用，在 图7b)中示出分子5在聚合物母体6中的局部积聚10。未积聚的分子 11以及新形成的由积聚的光敏分子IO和聚合物母体6所组成的共聚物 分别产生空间光栅，它通过折射率的空间的、即局部的调制12(由分布 10引起)和13 (由分布11引起)表征。如同由图7b)看到的那样，调 制12和13局部相互地补偿，由此首先得到相互弱化构成的干涉图样14。 由未积聚的分子11引起的调制13可以通过例如由于加热(照射)而感 应出的扩散(松弛)朝着零线的方向移动。通过扩散实现未积聚的分子 11在曝光部位8和未曝光部位9中的分布的均匀化，参见图7c)，它伴 随着折射率从属的第二调制13的减少和上升，因此更强烈地产生干涉 图样14、即所期望的光栅。
为了固定干涉图样14，参见图7d),可以使显影的光聚合物通过卤 素灯15空间均匀地照射，其中它导致光聚合物的硬化、即目前未积聚
的光敏分子5或11 (空间均匀地)积聚在光聚合物母体6上。在此当然 保持在7b)和7c)中显影的干涉图样14并且形成所期望的体全息图。
图8a)至g)示出在加工具有由光聚合物制成的耦合元件的下雨传 感器时的可能的方法过程。在步骤8a)中首先通过从储存容器16将光 聚合物排出到位于其下面的、以恒定的相对速度运动的表面18上，以 使光聚合物层17涂敷到平面固定的表面18上。这个步骤的结果在图8b) 中示出。然后实现光聚合物层17的干燥和从表面18分离，参见图8c)。 在步骤8e)中通过干涉的光波20在光聚合物中产生体全息图，其中优 选在上述产生过程之前，通过剪刀19将光聚合物层17分解成单个光聚 合物块件3,参见图8d)。
在步骤8f)中将光聚合物块件3设在、例如粘接在光波导体22的 波导体芯l上，接着通过波导体壳材料2涂覆，该波导体壳材料是基本 透明的并且具有比波导体芯1更低的反射率。在步骤8g)中仅仅使配有 光聚合物块件3的光波导体22装入到具有玻璃层23和中间层21的玻 璃里面。可以有利地通过使配有光聚合物块件3的波导体芯1浸入到特 氟隆溶液里面，以实现在步骤8f)中对波导体壳材料2的涂覆。
在使配有光聚合物块件3的光波导体22与粘接的中间层21 —起嵌 入到两个玻璃层23之间时，通常以约10(TC以上的温度实现烧结成复合 玻璃片。在此可以充分利用在烧结时作用于光聚合物块件3上的热量， 以在按照图7、尤其是图7d)的范围中产生体全息图时通过热处理同时 进行固定。玻璃的烧结工艺在加工方法的这个扩展方案中在时间上这样 限制，(例如限制到30分钟)，从而没有导致在太长时间加热体全息图 时造成消除。这个扩展方案首先在具有相对较低熔点的聚合物母体6如 PMMA时是有利的，也可以使用具有高熔点如PMMI的聚合物母体6, 它可以经受复合玻璃片的标准烧结工艺，而不损坏体全息图。
权利要求
1.一种尤其是用于机动车的下雨传感器，具有光波导体，该光波导体设置在玻璃里面，并且该光波导体具有波导体芯(1)、波导体壳(2)和用于耦合和去耦合射线(4)的平面的全息的耦合元件，其特征在于，使耦合元件通过由光聚合物制成的层状块件(3)构成，使体全息图加入到光聚合物里面；并且使光聚合物块件(3)设置在波导体芯(1)与波导体壳(2)之间。
2. 如权利要求1所述的下雨传感器，其特征在于，使配有光聚合物 块件(3)的光波导体(22)在玻璃层(23)与粘接的中间层(21 )之 间设置在复合玻璃片中。
3. 如权利要求1或2所述的下雨传感器，其特征在于，所述光聚合 物包括由聚甲基丙烯酸曱酯(PMMA)构成的聚合物母体(6)。
4. 如权利要求1至3中任一项所述的下雨传感器，其特征在于，所 述光波导体(22)设置在玻璃里面；射线(4)在光波导体(22)中一 直传播到第一光聚合物块件(3b),通过该光聚合物块件，射线(4) 从光波导体(22)去耦合并穿过玻璃的玻璃层(23)偏转到玻璃外表面 上的检测区(25)，射线(4)从那里被全反射并由第二光聚合物块件(3c)再耦合到光波导体(22)中并且在那里继续传播，其中两个光聚 合物块件(3b， 3c)在光波导体(22)中垂直于传播方向且平行于玻璃 延伸的线中彼此相距地布置。
5. 如权利要求4所述的下雨传感器，其特征在于，所述检测区(25) 在玻璃的外表面上到两个光聚合物块件(3b, 3c )具有大约相同的距离。
6. 如权利要求1至3中任一项所述的下雨传感器，其特征在于，所 迷光波导体(22)设置在玻璃里面；沿着传播方向在光波导体(22)中 相继地设置有两个分别用于耦合和去耦合的光聚合物块件(3dl ， 3d2 ); 射线(4)在光波导体(22)中一直传播到第一光聚合物块件(3dl)， 其中在那里一部分射线(4)去耦合，射线(4)在玻璃的外表面上的检 测区(25)上被全反射，并由第二光聚合物块件(3d2)再耦合到光波 导体(22)中，而在第一光聚合物块件(3dl )上反射的那部分射线(4) 首先继续在光波导体(22)中传播，在第二光聚合物块件(3d2)上去 耦合，并且在检测区(25)上全反射后由第一光聚合物块件(3dl)又 耦合到光波导体(22)中。
7. —种在用于下雨传感器的、尤其是如权利要求1至6中任一项所 述的下雨传感器的、由光聚合物构成的全息的耦合元件中产生体全息图 的方法，具有下列步骤-制备由聚合物母体(6)和光敏分子(5)构成的光聚合物，-对应于曝光和未曝光的部位(8,9)的预定的空间的周期图样(7 ) 全息地对光聚合物进行曝光，其中通过光敏分子(5)的一部分(10) 的聚合作用形成反射率的对应于部位(8, 9)的第一调制(12),该第 一调制通过反射率的由未聚合的光敏分子(11 )所构成的第二调制(13 ) 部分地得到补偿，-通过加热显影爆光的光聚合物，其中这样执行上述加热，使得其 通过光敏分子(11 )从未曝光部位(9)空间均匀地扩散到曝光部位(8) 中致使第二调制(13)减少或上升，并由此致使通过调制(12, 13)所 形成的干涉图样(14)得到强化，-通过曝光和/或热处理固定形成的干涉图样(14),用于这样在光 聚合物中产生体全息图。
8. —种用于加工如权利要求1至6中任一项所述下雨传感器的方 法，具有下列步骤-通过将光聚合物排到位于其下面的、以恒定的相对速度移动的表 面(18)上使光聚合物层(17)涂敷到平面的固定的表面(18)上，-使光聚合物层(17)干燥并从表面(18)分离，-在光聚合物中产生体全息图，其中在上述产生过程之前或之后， 将光聚合物层(17)分割(19)成单个的光聚合物块件(3)，-将光聚合物块件(3 )布置在光波导体(22 )的波导体芯(1 )上， 接着以波导体壳材料(2)进行涂覆，该波导体壳材料是基本透明的并 具有比波导体芯(1 )更低的反射率，-将设有光聚合物块件(3)的光波导体(22)装入到玻璃里面。
9. 如权利要求8所述的方法，其中，上述通过波导体壳材料(2) 进行的涂覆通过将设有光聚合物块件(3)的波导体芯(1 )浸入到特氟 隆溶液里面实现。
10. 如权利要求8或9所述的方法，其中，将设有光聚合物块件(3) 的光波导体(22)与粘接的中间层(21) —起嵌入到两个玻璃层(23) 之间，接着在约100。C以上的温度下烧结成复合玻璃片，其中充分利用 在烧结时作用在光聚合物块件(3)上的热量，以在按照权利要求7产 生体全息图的范围内通过热处理进行同时固定。
全文摘要
一种尤其是用于机动车的下雨传感器，具有光波导体(22)，该光波导体设置在玻璃里面，本发明提出，用于耦合和去耦合射线(4)的平面的全息的耦合元件通过由光聚合物制成的层状块件(3)构成，使体全息图写入到光聚合物里面；并且使光聚合物块件(3)设置在波导体芯(1)与波导体壳(2)之间，由此得到容易的加工性并提高光波导体(22)在玻璃中布置的灵活性。
文档编号G03H1/04GK101351698SQ200680049598
公开日2009年1月21日 申请日期2006年11月8日 优先权日2005年12月28日
发明者A·帕克, F·沃尔夫, K·哈劳德, R·科沃施克, V·马图塞维克 申请人:罗伯特.博世有限公司