车用雨量传感器及其光透镜的制作方法

本发明涉及一种传感器，尤其是涉及一种车用雨量传感器及其光透镜。

背景技术：

在汽车上，雨量传感器主要用于感应挡风玻璃上雨滴的大小，从而自动调节雨刮运行速度，为驾驶者提供良好的视野。目前应用较广的雨量传感器分别是光学式传感器和电容式传感器，由于电容式传感器安装在挡风玻璃的外表面上，其金属镀层在雨刷的长期工作下会很快被挡风玻璃刮蹭掉，所以光学式传感器较之更受技术关注。

根据光学原理，当光由光密介质射向光疏介质时，折射角将大于入射角。当入射角增大到某一数值时，折射角将达到90°，这时在光疏介质中将不出现折射光线，只要入射角大于或等于上述数值时，均不再存在折射现象，这就是全反射。

光学式雨量传感器即是根据光的全反射原理工作的。图1是一种已知的光学式雨量传感器的结构图。如图1所示，传感器一般包括光发射器105、光接收器107、发射透镜104、接收透镜108和透镜板103。光发射器105和光接收器107间隔对着挡风玻璃101设置。发射透镜104设在光发射器105与玻璃101之间，接收透镜108设在光接收器107和玻璃101之间。透镜板103用于承载发射透镜104和接收透镜108。光发射器105发出的光通过发射透镜104的收集和整理，穿透耦合层102投射到挡风玻璃101的内表面。当无雨时，玻璃101的外表面是空气，相对于玻璃101是光疏介质，入射角大于临界角时会发生全反射，这时所有光线会通过接收透镜108的整理汇聚到光接收器107上；当有雨时，由于挡风玻璃101外表面的介质发生变化，会有部分光线折射到玻璃101外，光接收器107上接收到的光强发生变化。光学式雨量传感器就是通过这种变化来判断是否下雨以及雨量大小。

对于光学式雨量传感器中最重要是包括发射透镜104和接收透镜108的光透镜部件。传统的透镜朝着挡风玻璃倾斜，需要较大的空间。全息结构借助于衍射原理，但具有原理本身的缺陷，导致发光效率低、杂散光影响大。图1的透镜是菲涅耳透镜的改进，可以做到比传统凸透镜更薄的尺寸，并且同样达到聚光的效果。

但是这种透镜结构存在一定的问题：这种结构要求光源(如图1的光发射器105)都必须布置在透镜(发射透镜104)的焦点f处；如果要把传感器的尺寸做薄，就要求一个更小的焦距，这样就要将透镜上的锯齿做得很小、很浅，但在实际加工制造中很难实现；如果光源距离透镜中心o的距离大于焦距f，则会有较多的杂光106不会被收集到，这些杂光甚至会干扰到光线的接收端。

技术实现要素：

本发明所要解决的技术问题是提供一种车用雨量传感器及其光透镜，可以适应不同的光源，做成较薄的尺寸，以及汇聚更多的入射光。

本发明为解决上述技术问题而采用的技术方案是一种车用雨量传感器，包括光发射总成、光发射器、发射透镜、光接收总成、光接收器、接收透镜、耦合层以及玻璃，该光发射器位于该光发射总成上，该光接收器位于该光接收总成上，该发射透镜和该接收透镜通过该耦合层耦合于该玻璃上且间隔设置，该光发射总成面向该发射透镜，该光接收总成面向该接收透镜，其中：该发射透镜和该接收透镜各包括第一部分和第二部分，该第一部分的上表面或下表面为菲涅尔透镜结构，该第二部分从第一部分下表面凸出，且该第二部分的下表面具有凹槽；该光发射总成面向该发射透镜的第二部分的凹槽，该光接收总成面向该接收透镜的第二部分的凹槽。

在本发明的一实施例中，该光发射总成和该光接收总成具有凹陷，该光发射器和该光接收器分别位于该光发射总成和该光接收总成的凹陷内。

在本发明的一实施例中，该第二部分的周缘内表面的形状对光线为全反射。

在本发明的一实施例中，该发射透镜的第二部分的下端点低于该光发射器的发光边缘与该光发射总成的边缘的连线延长线，且该接收透镜的第二部分的下端点低于该光接收器的受光边缘与该光接收总成的边缘的连线延长线。

在本发明的一实施例中，传感器还包括透镜板，用于承载该该发射透镜和该接收透镜。

本发明还提出一种车用雨量传感器的透镜结构，包括第一部分和第二部分，该第一部分呈圆柱形且该第一部分的上表面或下表面为菲涅尔透镜结构，该第二部分位于该第一部分下表面，且该第二部分的下表面具有凹槽。

在本发明的一实施例中，该第二部分的周缘内表面的形状对光线为全反射。

本发明由于采用以上技术方案，使之与现有技术相比，具有如下显著优点：

1、由于透镜的第二部分考虑了来自光源边缘的光线，因此可以收集到光源发出的大部分光线；对于接收端，则接收器可以收集到穿过接收透镜的全部光线。

2、调整了光源和透镜之间的距离，可以通过改变透镜的第二部分的参数，达到同样的光线收集效果，因此可以将整个传感器做得很薄。

3、由于第二部分的存在，现有设计中尺寸很小且精度要求高的锯齿可以被忽略，加工难度大大降低。

附图说明

为让本发明的上述目的、特征和优点能更明显易懂，以下结合附图对本发明的具体实施方式作详细说明，其中：

图1是一种已知的光学式雨量传感器的结构图。

图2a是本发明一实施例的光学式雨量传感器的透镜结构的立体图。

图2b是本发明一实施例的光学式雨量传感器的透镜结构的俯视图。

图2c是本发明一实施例的光学式雨量传感器的透镜结构的剖视图。

图3是本发明一实施例的光学式雨量传感器及其光路图。

图4是本发明一实施例的光学式雨量传感器的透镜收集光发射器边缘杂散光的光路细节。

具体实施方式

图2a是本发明一实施例的光学式雨量传感器的透镜结构的俯视图。图2b是本发明一实施例的光学式雨量传感器的透镜结构的立体图。图2c是本发明 一实施例的光学式雨量传感器的透镜结构的剖视图。参考图2a-2c所示，本实施例的车用雨量传感器的透镜结构包括第一部分210和第二部分220。第一部分210的上表面分布有锯齿211。这些锯齿211的形状可以不同。锯齿211的作用是将第二部分220收集的光线折成一定角度投射到汽车的挡风玻璃上。第二部分220凸出于第一部分210下表面，且第二部分220的下表面具有凹槽221。

相比现有透镜结构，本实施例的透镜的第二部分220上的凹槽221，可以完全将光发射器或者光接收器罩在其中，从而在更大程度上收集光线。

在图2a所示实施例中，在第一部分210的上表面分布锯齿211以构成菲涅尔透镜结构。在本发明的另一实施例中，菲涅尔透镜结构可以设置在第一部分210的下表面，即锯齿可以分布在第一部分210的下表面。

在形状上，透镜的第一部分210大致上呈圆柱形，第二部分220大致上呈圆台形。

透镜的尺寸一般由光源的大小来决定，实际应用中透镜的直径尺寸为4mm-10mm不等，厚度为5mm-15mm。透镜的材质一般为聚甲基丙烯酸甲酯(pmma)或者聚碳酸酯(pc)，可以通过注塑方式制造。

图3是本发明一实施例的光学式雨量传感器及其光路图。如图3所示，本实施例的车用雨量传感器包括光发射总成305、光发射器307、发射透镜304、光接收总成309、光接收器308、接收透镜310、透镜板303、耦合层302以及玻璃301。光发射器307位于光发射总成305上，光接收器308位于光接收总成309上。发射透镜304和接收透镜310通过耦合层302耦合于玻璃301上且间隔设置。光发射总成305面向发射透镜304，光接收总成309面向接收透镜310。透镜板303用于承载发射透镜304和接收透镜310。

本实施例的发射透镜304和接收透镜310采用图2所示结构。具体来说，发射透镜304包括第一部分410和第二部分420。第一部分410上表面分布有锯齿411以构成菲涅尔透镜结构，第二部分420从第一部分410下表面凸出，且第二部分420的下表面具有凹槽421。光发射总成305面向发射透镜304的第二部分420的凹槽421。类似地，接收透镜310包括第一部分510和第二部分520。第一部分510上表面分布有锯齿511以构成菲涅尔透镜结构，第二部分520从第一部分510下表面凸出，且第二部分520的下表面具有凹槽521。 光接收总成309面向接收透镜310的第二部分520的凹槽521。

在本发明的另一实施例中，锯齿构成的菲涅尔透镜结构也可以设置在发射透镜304的第一部分410的下表面，或者菲涅尔透镜结构可以设置在接收透镜310的第一部分510的下表面。

较佳地，光发射总成305和光接收总成309分别具有凹陷，光发射器307和光接收器308分别位于光发射总成305和光接收总成309的凹陷内。从光发射器307射出的光束经光发射总成305会聚折射入发射透镜304，发射透镜304不但收集光发射器307发出的中间部分光线，同时可利用全反射原理收集光发射器307边缘杂散光。光束经发射透镜304上表面(或下表面)的菲涅尔透镜结构转换为平行光进入耦合层302。穿过耦合层302后，该光束被折射进入玻璃301并在玻璃301的相对内表面发生反射。然后，该光束再次穿过玻璃301，进入耦合层302，根据光路可逆原理，最终光束入射到光接收器308上。

进一步，发射透镜304的第二部分420的周缘内表面最好设计成全反射，以尽量减少光线损失。图4展示了透镜收集光发射器边缘杂散光的光路细节。如图4所示，由光发射器307最边缘发射出的光线，投射到发射透镜304的第一表面4011，在该表面，光线会发生一定角度的折射，由折射定理可知，β2＜β1。光线进入发射透镜304后，投射到透镜内表面4012上，发生全发射后投射到内表面4013上，其中第二表面4012和第三表面4013设计成一定的夹角，夹角范围为90度-180度，最佳度数是120度，这样，发射透镜304能产生全反射的现象。

由于光线由光密物质(pmma)射向光疏物质(空气)，根据全反射定律可以计算得临界角约为45°，并且入射角等于反射角，因此可以算得γ1＝γ2＝α1＝α2＞45°。再由三角形的内角和等于180°可以推出，要达到全发射发生的条件，第二表面4012和第三表面4013的夹角θ必须大于90°。对于接收透镜310，同样如此。

进一步，发射透镜304最好能光发射器307发出的全部光线。为此，发射透镜304的第二部分420的下端点4014需要低于光发射器307的发光边缘与光发射总成305的边缘的连线延长线。由于光路的是可逆的，因此在接收端，可以采用完全相同的设计，即接收透镜310的第二部分520的下端点需要低于光 接收器308的受光边缘与光接收总成309的边缘的连线延长线。

与现有的透镜结构相比，本发明的上述实施例有以下特点：

1、由于透镜的第二部分考虑了来自光源边缘的光线，因此可以收集到光源发出的大部分光线，当采用考虑第二部分下端点与光发射器的边缘的相对关系的较佳设计时，可以收集到光源发出的全部光线；对于接收端，则接收器可以收集到穿过接收透镜的全部光线。

2、调整了光源和透镜之间的距离，可以通过改变透镜的第二部分的参数，达到同样的光线收集效果，因此可以将整个传感器做得很薄。

3、由于第二部分的存在，现有设计中尺寸很小且精度要求高的锯齿可以被忽略，加工难度大大降低。

虽然本发明已参照当前的具体实施例来描述，但是本技术领域中的普通技术人员应当认识到，以上的实施例仅是用来说明本发明，在没有脱离本发明精神的情况下还可作出各种等效的变化或替换，因此，只要在本发明的实质精神范围内对上述实施例的变化、变型都将落在本申请的权利要求书的范围内。