用于配备有光学传感器的嵌装玻璃的光学楔形元件

技术领域

本发明涉及放置在倾斜嵌装玻璃后面的光学传感器领域。更具体地，本发明涉及一种放置在倾斜嵌装玻璃的内面上的光学楔形元件。本发明还涉及一种用于重新调整放置在倾斜嵌装玻璃后面、且更具体地是交通工具的倾斜嵌装玻璃后面的光学传感器的视场大小的方法。

背景技术

如今，交通工具配备有越来越多的光学传感器。交通工具包括小轿车、厢式货车、卡车、摩托车、公交车、有轨电车、火车、无人机、飞机、直升机等等。除交通工具外，在建筑物(还包括风车、石油钻井平台、路标等)的嵌装玻璃后面安装光学传感器的需求也越来越大。

在交通工具上使用的光学传感器中，对发射和接收(E/R)光学传感器的要求越来越高，即，光学传感器首先从交通工具朝向交通工具外部发射信号、然后接收由交通工具外部的某一障碍物反射的信号。激光雷达是这种E/R光学传感器的典型示例。“发射和接收”或“E/R”这两种表述可以通篇使用，并且均指代同一概念。

趋势是将这种E/R光学传感器集成在交通工具嵌装玻璃后面。由于E/R光学传感器放置在嵌装玻璃后面，因此大量的信号损耗源于发射信号在嵌装玻璃内表面(即，嵌装玻璃的面向交通工具内部的表面)上的反射。这种反射在光线向外部发射时发生在空气/嵌装玻璃交界面处。这种衰减会削弱E/R光学传感器的检测，从而无法再进行准确的距离测量。

如果将E/R光学传感器放置在交通工具的倾斜嵌装玻璃后面，则会导致信号更进一步的衰减。例如，在挡风玻璃的情况下，光学传感器与水平平面的安装夹角介于25°到40°之间。由于E/R光学传感器通常放置在挡风玻璃的上部部分，并且由于挡风玻璃的上部部分可能更弯曲，因此嵌装玻璃与水平平面之间的角度会更小，通常为20°到35°。如果E/R光学传感器水平放置，则意味着信号在嵌装玻璃上的入射角为70°到55°(嵌装玻璃与水平平面之间的角度的互补角)。考虑到E/R光学传感器的视场(FOV)为30°，因此其会导致嵌装玻璃上的入射角可以高达85°，从而导致信号的重要部分被反射。

减少这种反射的一种方式是在嵌装玻璃的内表面涂覆抗反射(AR)涂层。AR涂层可以例如通过物理气相沉积(PVD)施加在嵌装玻璃上。AR涂层仅在嵌装玻璃的一小块区域上需要，即，在嵌装玻璃的处于光学传感器的视场(FOV)内的部分上需要。然而，局部沉积相当复杂。因此，要么施加完整涂层，这会导致不需要AR涂层的区域上存在AR涂层。要么需要在除AR涂层的专用区域外的整个玻璃表面上进行遮蔽，这会导致制造约束。局部沉积可以通过除PVD以外的其他技术来进行，但这些技术在粗糙度、均匀性和耐久性方面通常达不到高水平的光学质量。此外，标准AR涂层通常针对法向入射进行优化。这种AR涂层的性能随着入射光的入射角的增大而降低。专门设计的AR涂层可以针对大入射角进行优化，但这种AR涂层更复杂、更昂贵且安装更具挑战性。AR涂层明显增加了制造难度和成本。而且，AR涂层可能会降低在其上施加该涂层的嵌装玻璃的机械阻力、化学耐性和热阻。

如WO9419705中披露的，减少这种反射的另一种方式是在嵌装玻璃的内面上放置具有适当折射率和吸收水平的棱柱元件以适应光束的入射角。这种光学楔形元件将减少反射。然而，光学楔形元件可能是具有一定重量和尺寸的大块材料，这使得集成在交通工具嵌装玻璃上较复杂或导致光学楔形元件难以粘结到嵌装玻璃。而且，由于光学楔形元件的厚度，其会吸收部分信号，从而导致信号衰减。

使用光学楔形元件还会导致光学传感器的视场(FOV)发生更改。通常，对于在一块嵌装玻璃后面包括光学传感器的交通工具，制造商要求光学传感器在被放置在嵌装玻璃后面时具有特定的视场。光学传感器需要该特定的FOV才能检测交通工具外部的物体并测量这种物体与交通工具之间的距离。因此，光学传感器的FOV是基于制造商的FOV规格来设计的。然而，当光学传感器面向光学楔形元件(和嵌装玻璃)放置时，其FOV会被更改。该更改后的FOV不再对应于要求的FOV。

WO 2018087223也披露了用于相机的导光体(在可见波长范围内有效)的用途。这种导光体还充当光学棱镜，并且可以比作光学楔形元件。然而，该光学楔形元件的目的是使从外部穿过车窗并被传感器检测到的辐射发生偏转，从而扩大传感器的工作角度。然后缩小用于进行检测的车窗区域。因此，其允许使用较少的不透明遮蔽印制品来隐藏传感器，从而提升总透光率和车窗的美观性。如本文献中提到的，楔角越大，辐射的偏转就越强，效果就越明显，但是楔角受到空间要求的限制。然而，楔角越大，光学楔形元件就越厚，并且由光学楔形元件产生的对光的吸收就越高，导致测量准确性降低，因为相机接收到的光较少。

因此，需要一种光学楔形元件来纠正现有技术中已知的光学楔形元件的缺点并满足汽车制造商的要求。

发明内容

本发明涉及一种具有内面和外面的嵌装玻璃。嵌装玻璃包括面向嵌装玻璃的内面的E/R光学传感器。E/R光学传感器具有固有视场α。嵌装玻璃还包括光学楔形元件，该光学楔形元件也具有内面和外面。光学楔形元件被放置在嵌装玻璃的内面与E/R光学传感器之间。光学楔形元件的外面面向嵌装玻璃的内面。光学楔形元件的内面和外面形成楔角γ。嵌装玻璃在E/R光学传感器面向嵌装玻璃的内面的区域处被放置成与水平平面呈安装角度τ。缩放因子

本发明还涉及包括光学楔形元件的嵌装玻璃的用途以及一种用于确定这种光学楔形元件的最佳楔角γ的方法。

附图说明

现在将通过举例并参照附图来进一步描述本发明，其中，在各图中相似的附图标记表示相似的要素。这些示例是通过说明而非限制的方式提供的。这些附图是示意图，而不是按真实的比例。这些附图不以任何方式限制本发明。将通过示例来阐释更多优点。

图1展示了根据本发明的放置在交通工具挡风玻璃后面的光学楔形元件的3D视图。

图2a和图2b展示了根据本发明的放置在交通工具嵌装玻璃后面的光学楔形元件的2D视图。图2b是图2a的放大视图。图2c展示了E/R光学传感器相对于水平平面倾斜的实施例。

图3是在各种安装角度值下作为楔角的函数的缩放因子S的曲线图。

图4展示了基于菲涅耳方程在折射率为1.5的材料与空气之间的交界面处的反射率。

图5展示了在给定配置下使用根据本发明的光学楔形元件的积极影响。

具体实施方式

将关于具体实施例并参照某些附图来对本发明进行描述；然而，本发明不限于此而是仅由权利要求限制。

尽管本文描述的一些实施例包括一些特征但不包括其他实施例中包括的其他特征，但是不同实施例的特征的组合意在在本发明的范围内，并且形成不同的实施例，如本领域技术人员将理解的那样。例如，在所附权利要求中，任何所要求保护的实施例可以以任何组合使用。

本发明提出一种嵌装玻璃，该嵌装玻璃包括发射和接收(E/R)光学传感器和放置在嵌装玻璃与E/R光学传感器之间的光学楔形元件。以下描述侧重于交通工具嵌装玻璃的情况，但本发明可以应用于放置在任何种类的嵌装玻璃上的光学楔形元件。

交通工具嵌装玻璃是指交通工具的任何常规的窗，比如挡风玻璃、后窗或侧窗(包括边窗)。基本上，这种交通工具嵌装玻璃被提供用于将交通工具内部与外部环境分隔开。但是这种交通工具嵌装玻璃也可以指交通工具的任何其他外部部件，只要其对E/R光学传感器的波长范围而言是透明的即可。例如，E/R光学传感器可以放置在前照灯隔室内部。在这种情况下，嵌装玻璃是指形成前照灯的透明件。另一个示例将是放置在机动交通工具的一个支柱后面的E/R光学传感器。在这种情况下，嵌装玻璃是指作为支柱盖置于E/R光学传感器前方的部件。

交通工具嵌装玻璃包括至少一个窗板。该至少一个窗板的、安装位置面向交通工具外部环境的面被称为“外面”。该至少一个窗板的、安装位置面向交通工具内部的面被称为“内面”。使用相同的措辞来描述光学楔形元件的面：“外面”是指与嵌装玻璃内面接触的面，而“内面”是指E/R光学传感器前方的面。

交通工具嵌装玻璃由玻璃(单片玻璃)或塑料、或其组合(比如层压玻璃)制成，只要嵌装玻璃在E/R光学传感器的操作波长范围内是透明的即可。嵌装玻璃可以是平坦的或弯曲的。嵌装玻璃还可以在上部部分(比如小轿车的挡风玻璃)呈现出与下部部分不同的曲率。

E/R光学传感器是指发射和接收光学传感器，比如激光雷达或雷达。在激光雷达的情况下，其首先从交通工具内部朝向交通工具外部发射IR光。然后，IR光被交通工具外部的物体反射回传感器，然后该传感器能够评估交通工具与所述物体之间的距离。

光学楔形元件可以由玻璃或塑料制成，比如由聚乙烯醇缩丁醛(PVB)、聚氨酯(PU)、聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)、聚碳酸酯(PC)或光学硅制成。光学楔形元件也可以由这些材料的组合制成。基本上，光学楔形元件可以由任何材料制成，只要其在E/R光学传感器的工作波长范围内是透明的即可。为了本发明的目的，光学楔形元件呈现出的折射率还必须接近嵌装玻璃的折射率。光学楔形元件也可以涂覆有抗反射涂层，以减少在其各个面上的反射。与现有技术相比，将这种抗反射涂层施加在光学楔形元件上比施加在所讨论的嵌装玻璃的整个表面上更容易且更便宜。此外，可以使用为法向入射而设计的标准AR涂层，因为入射角保持在定义的值以下(在本说明书后面描述)。可以向该光学楔形元件添加其他功能，比如发热涂层或银质印刷品。光学楔形元件可以通过胶合、高压蒸汽灭菌、机械夹紧、激光焊接、光学耦合或本领域技术人员已知的任何其他方法来附接到交通工具嵌装玻璃。

楔角γ是由光学楔形元件的外面与其内面形成的角度。

安装角度τ是由交通工具嵌装玻璃在E/R光学传感器面向嵌装玻璃的内面的嵌装玻璃区域处与水平平面形成的角度。

FOV缩放

通常，对于在至少一块嵌装玻璃后面包括E/R光学传感器的交通工具，制造商要求E/R光学传感器在被放置在嵌装玻璃后面时具有特定的视场(FOV)。E/R光学传感器需要该特定的FOV才能检测交通工具外部的物体并测量这种物体与交通工具之间的距离。该要求的FOV与E/R光学传感器的固有FOV不同，因为光线必须穿过嵌装玻璃并因此会遭遇折射。因此，该要求的FOV总是大于E/R光学传感器的固有FOV。缩放因子S确定固有FOV与要求的FOV之间的因子：

固有FOV特定于E/R光学传感器。使用光线追踪模拟方法，可以基于嵌装玻璃和光学楔形元件的安装角度、楔角和折射率来确定缩放因子S。

基本上，E/R光学传感器的固有FOV应当尽可能得小。这样，嵌装玻璃上的传感器区(即，嵌装玻璃中的、光线传出或传入E/R光学传感器的区)(并且该区对E/R光学传感器的工作波长范围而言是透明的)可以相对较小。由于该传感器区较小，因而也可以减小光学楔形元件的厚度，从而减少吸收并且更易于集成到嵌装玻璃上。

光学传感器的固有FOV的大小需要重新调整，并且信号分布需要重新分配，使得要求的FOV(在交通工具嵌装玻璃配备了光学楔形元件之后)符合交通工具制造商要求的配置。通常，只有通过利用E/R光学传感器的倾斜度和光学楔形元件的楔角，才能将要求的FOV调整到要求的配置。然而，也可以在E/R光学传感器与光学楔形元件之间添加附加校正光学元件，比如畸变透镜，以重新调整固有FOV的大小和信号分布。

光学楔形元件内表面上的最大入射角

入射角ι是E/R光学传感器的信号在光学楔形元件内面处的入射角。如本领域技术人员已知的，入射角越小，发生的反射就越少，导致光线的透射率就越高。

基于菲涅耳方程并且已知嵌装玻璃和光学楔形元件两者的折射率，就可以根据入射角来计算反射率。根据使E/R光学传感器足够准确地操作所需的最小透射率，可以估计最大反射率。与该最大反射率相对应的是最大入射角ι

最大入射角ι

最小楔角

确定E/R光学传感器的固有FOV与光学楔形元件的内面相交形成低于或等于最大入射角ι

本发明还涉及包括光学楔形元件的嵌装玻璃用于减少来自E/R光学传感器的信号在嵌装玻璃内面处的反射的用途。

本发明还涉及一种用于确定放置在嵌装玻璃内面上的光学楔形元件的最佳楔角的方法，该光学楔形元件的内面面向E/R光学传感器。

实例

在以下示例中，参考附图(示例性实施例)来详细解释本发明。这些附图是示意性表示，而不是按真实的比例。这些附图决不限制本发明。

图1是交通工具嵌装玻璃(1)(在这种情况下为挡风玻璃)和面向交通工具嵌装玻璃(1)的E/R光学传感器(2)的3D视图。光学楔形元件(3)被放置在交通工具嵌装玻璃(1)与E/R光学传感器(2)之间。如可以看出，固有FOV(α)和要求的FOV(β)两者均是锥形的。然而，为了清楚地进行解释，以下描述将基于2D附图来进行，但推理是相同的。

图2a描绘了交通工具嵌装玻璃(1)和面向交通工具嵌装玻璃(1)的内面(1i)的E/R光学传感器(2)。光学楔形元件(3)被放置在交通工具嵌装玻璃(1)与E/R光学传感器(2)之间。光学楔形元件(3)的外面(3e)和嵌装玻璃(1)的内面(1i)相互匹配。在该示例中，嵌装玻璃(1)和光学楔形元件(3)两者的折射率相同，均为1.5。

要求的FOV(β)由形成该FOV在竖直平面上的极限的极值光线(L-

为清楚地进行描述，图2b以更高的放大倍率描绘了相同交通工具嵌装玻璃(1)和相同的E/R光学传感器(2)，包括相同的光学楔形元件(3)。该附图还示出了安装角度(τ)，该安装角度对应于由交通工具嵌装玻璃(1)在E/R光学传感器(2)被放置在交通工具嵌装玻璃(1)附近的区域处与水平平面形成的角度。在该示例中，E/R光学传感器(2)水平放置，但其可以相对于交通工具嵌装玻璃(1)倾斜，如图2c所示。

E/R光学传感器(2)的固有FOV(α)也由形成该FOV在竖直平面上的极限的极值光线(L-

楔角(γ)是由光学楔形元件(3)的外面(3e)和内面(3i)形成的角度。

缩放因子由下式给出：

图3示出了在各种安装角度(τ)的值下作为楔角(γ)的函数的缩放因子S。随着安装角度(τ)的增大，缩放因子S也会增大。对于固定安装角度(τ)≤40°，缩放因子S随着楔角(γ)的增大(高达30°)而减小：楔角(γ)越大，固有FOV(α)就越小。此外，对于固定安装角度(τ)>40°，缩放因子S在楔角(γ)<30°时达到最小值。这意味着设计应尽可能接近该楔角(γ)，以具有最小固有FOV(α)。

光学楔形元件(3)的内表面(3i)上的最大入射角(ι

表1示出了取决于安装角度(τ)、在楔角(γ)的几个值下分别和固有FOV(α)的极值光线(L+

表1

最小楔角(γ)等于E/R光学传感器(2)的固有FOV(α)与光学楔形元件(3)的内面(3i)相交形成低于前面定义的最大入射角(ι

表2示出了取决于安装角度(τ)的楔角(γ)的最佳值。已经从表1中以粗体突出显示的值中选择了楔角(γ)的最小值。

表2

对比实例

基于前面的示例以及嵌装玻璃(1)和光学楔形元件(3)两者的材料都具有非常低的吸收系数(低于0.01cm

虽然在附图和前述说明中详细展示和描述了本发明，但这样的展示和描述应视为是说明性的或示例性的，而不是限制性的。前述说明详细描述了本发明的某些实施例。然而，应理解的是，无论前述内容在文本方面看上去如何详细，本发明都可以以多种方式实践。本发明不限于所披露的实施例。