雨滴探测器光学结构设计——毕业论文

河海大学本科毕业论文 学号 1062910104 年级 2010 级 本科毕业论文本科毕业论文 雨滴探测器光学结构设计雨滴探测器光学结构设计 专专 业业 电子科学与技术 姓姓 名名 指导教师指导教师 评评 阅阅 人人 中国中国 南京南京 河海大学本科毕业论文 BACHELORS DEGREE THESIS OF HOHAI UNIVERSITY The Design of the Optical structure of the Raindrop sensor College ： Subject ： Name ： Directed by ： BANJING CHIN 河海大学本科毕业论文 摘 要 随着汽车工业的迅速发展，汽车在不断的朝着安全、环保、舒适的方向发展。 而汽车的雨刷系统对汽车的安全性与舒适性的提高起着显著的作用，并且雨滴探 测器是雨刷系统的关键部分，因此本设计基于雨滴探测器的光学结构对汽车的雨 刷系统进行了分析和研究。 本设计对雨滴探测器的工作原理进行了研究，它由发射系统、挡风玻璃系统 和接收系统三个部分组成。发射端由红外发光管和准直透镜组成，接收系统由聚 焦透镜和红外探测器组成，通过探测平面接收光功率的大小自动控制雨刷系统的 刮水速度。 设计中利用 ZEMAX 软件对整个光学结构的光线传播路径进行仿真，通过仿 真的结果分析得出两面透镜对提高整个系统的光能利用率起着重要的作用。 关键词：关键词：雨滴探测器；准直透镜；全反射；光路仿真 河海大学本科毕业论文 ABSTRACT With the fast development of auto industry, the development of the automobile is constantly in the direction of the security,comfortable, environmental protection.Wiper system can significantly improve vehicles safety and comfort.And the rain detector is a important part of the wiper system, so this design is based on optical organization of the raindrops detector to auto wiper system analyze and research. This design were studied on the working principle of raindrops detector,It consists of launch system, the windshield system and receiving system of three parts.Launch comprised of infrared light-emitting tube and collimating lens, the receiving system consists of a focusing lens and the infrared detectors, the car control the speed of the wiper by the size of light power that detector to detect. The optical design software ZEMAX was used to simulation of light propagation path of the whole system.The simulation results proved that the two sides lens plays an significant role in improving the light energy utilization of the whole system. Key words: raindrops detector；collimating lens；total reflection； the light path simulation 河海大学本科毕业论文 目目 录录 摘要摘要. I ABSTRACT. II 目目 录录. III 第第 1 章章 绪论绪论.1 1.1 研究的背景.1 1.2 研究现状.1 1.2.1 国内情况3 1.2.2 国外情况3 1.3 研究的目的及意义.4 1.4 研究内容.5 第第 2 章章 雨滴探测器基本原理及软件工具简介雨滴探测器基本原理及软件工具简介.6 2.1 基本原理.6 2.1.1 光电传感器的基本原理6 2.1.2 整体结构及设计原理.7 2.2 软件工具介绍.8 第第 3 章章 雨滴探测器的光学结构设计雨滴探测器的光学结构设计.10 3.1 发射系统.10 3.1.1 发射模块设计10 3.1.2 准直透镜参数计算11 3.1.3 仿真光路模拟12 3.2 接收系统.17 3.2.1 接收模块设计17 3.2.2 聚焦透镜参数计算18 3.3 挡风玻璃系统.23 3.3.1 挡风玻璃模块设计23 3.3.2 全反射临界角的计算24 3.3.3 挡风玻璃光路模拟25 河海大学本科毕业论文 第第 4 章章 结果分析与设计优化结果分析与设计优化.31 4.1 结果分析.31 4.2 设计优化.33 第第 5 章章 总结与展望总结与展望.35 5.1 设计总结.35 5.2 设计展望.35 参考文献参考文献.36 致谢致谢 38 附录一附录一 39 附录二附录二 46 河海大学本科毕业论文 第第 1 章章 绪论绪论 1.1 研究的背景研究的背景 根据美国的国家高速公路安全管理局的统计数字，最少有 26%的重大交通事 故是由于驾驶员驾驶时的分心所导致的，而且全世界的雨天的车祸事故有 7%是 由于驾驶员手动的操作雨刷而造成的4。无论是飞机、汽车还是轮船，在行进过 程中挡风玻璃的清晰是安全行进的必要前提。因此，雨刷系统成了汽车、飞机等 交通工具的必不可少的配置。 第一个手动式的雨刷在 1903 年被美国的玛丽安德森发明制造出来，手动 式雨刷的出现，使司机不用时不时的下车擦拭车窗，以保证视野的清晰1。后来， 随着科技的推进，人们对手动式的雨刷进行了改进，发明了电动式雨刷系统，使 人们在开车的途中，不用手动控制雨刷的摆动，但是这种电动式雨刷系统只有打 开和关闭两种状态，雨刷摆动的速率是固定的，不能随着雨量的变化调节雨刮速 度，这就会造成摆动太慢或太快的问题。如果速度太慢，在雨速比较急的时候会 导致挡风玻璃的模糊，而遮挡驾驶员的视线，如果速度太快，在雨速较慢的时候， 又会磨损玻璃，同时太快的雨刮动作又会干扰驾驶员的视线。如果另驾驶员自己 根据雨滴的大小来控制雨刷的状态，又会使驾驶员分心，增加汽车事故的发生率。 因此，在电动式雨刷的基础上，增加自动探测雨量多少的系统，使雨刷能够根据 雨量的大小自己控制雨刷的状态和速度，减轻驾驶员驾驶负担，提高雨天行车的 安全性，减少雨天事故发生的概率。 1.2 研究现状研究现状 现有的雨量探测器主要分为三种：压电振子式、静电容式、红外线式。 压电振子式：以压电元件作为传感器，通过原件形变量的大小传递外界雨量 的大小2。当挡风玻璃表面有雨滴时，雨滴作用于压电振子引起形变，而且随着 雨量的增加，形变量也随着增加，输出的电压也就也就随之增大，根据雨量多少 与输出电压的对应关系控制雨刮速度，压电振子式传感器的原理图如下图 1.1 所 河海大学本科毕业论文 示： 图 1.1 压电振子式传感器原理图 静电容式：以电容作为传感器，通过电容介电常数的变化传递外界雨量的大 小3。当没有雨滴的时候，电容两个极板间的填充物质是空气，当有雨滴的时候， 电容两个极板间的填充物质是空气和雨滴的混合物质，因为雨滴和空气的导电能 力不同，使得在有雨滴时电容的介电常数发生变化，当雨滴的多少的发生变化时， 电容的介电常数就会改变，随着介电常数的变化，电容的大小也将随之发生改变， 根据电容变化的检测电路，我们可以通过测量电容振荡电路的频率大小来判断雨 量的大小，压电振子式传感器的原理图如下图 1.2 所示： 图 1.2 静电容式传感器原理图 红外线式：以发光管和红外接收端为传感器，发光元件以某一角度发出光线 照射到挡风玻璃上，经过挡风玻璃的反射，部分光线被反射回光敏元件，并转换 成电信号。当有雨滴的时候，光线在玻璃与水滴的临界面将发生散射，并且随着 河海大学本科毕业论文 雨量的增加，被雨滴散射掉的光线就越多，反射回光敏元件的光能就越少，转换 成的电信号也就越弱，通过检测电信号的大小来判断外界雨量的大小。 由于压电振子传感器和电容传感器有部分需要暴露在汽车的外面，很容易受 外界条件的影响，而且器件也容易被污染，影响探测结果，所以在本设计中我们 主要研究红外线式的探测器。 1.2.1 国内情况国内情况 国内对于雨量传感器的技术相对较为薄弱，产品的使用范围比较有限，只有 小部分的公司在研制这部分的产品，例如深圳海硕达电有限公司、嘉司通智能技 术（北京有限公司） ，深圳肯创科技等公司2。 1.2.2 国外情况国外情况 国外博世公司的第三代雨量传感器在过去传感器功能的基础上，提高了安全 性和舒适性，而且反应的时间比较短，能在 120 毫秒内对突然溅起的水滴进行相 应的操作。具备识别挡风玻璃上的灰尘的功能，避免灰尘对传感器的影响，同时 支持串行接口，博世的产品外形如下如图 1.3。 图 1.3 博世的产品外形 天合公司传感器中增加专利伺服控制技术，使产品有很强的自适应能力，不 仅能够根据环境的变化，控制雨刷工作在不同的状态，而且还能根据挡风玻璃的 不同自动配置系统状态，天合的产品外形如下如图 1.4。 河海大学本科毕业论文 图 1.4 天合公司的产品外形 科士达公司的最新传感器集成了最新的光传感器，不仅可以根据环境的不同 控制雨刷的工作状态，而且还能根据环境的情况，控制汽车的前照灯。该传感器 也能够根据客户的需求，集成各种不同功能的传感器4，科士达的产品外形如下 如图 1.5。 图 1.5 科士达公司的产品外形 1.3 研究的目的及意义研究的目的及意义 当今社会，汽车已经更成为一种不可或缺的代步工具，发达国家的汽车使用 率很高5。所以汽车行业是极具开发潜力的行业，随着市场竞争的激烈化，逐渐 提升汽车的性能成了万众瞩目的问题，而且面对汽车事故频发的今天，不断的提 升汽车的安全性在汽车的发展中则成为了倍受关注的焦点。根据奔驰公司的研究， 仅仅增加 0.5s 的警示时间，就可以避免 60%的交通事故，所以驾驶员的预防时间 成了保证行车安全的关键因素。因此在汽车上应用自动雨量探测器能够防止汽车 驾驶员在雨天时控制雨刷的分心，消除了手动控制雨刷的麻烦，在一定程度上提 高了行车的安全性问题。国内外许多汽车开发商都在以雨滴探测器为基础研发制 河海大学本科毕业论文 造汽车雨刮控制系统，用来代替传统的雨刮器6。 根据上面的论述，本课题研究的自动雨滴探测器符合现代汽车行业朝着集成 化、智能化的发展趋势，并且能够减少汽车事故发生率，促进现代汽车行业的发 展，符合国家产业政策7 8 9。 1.4 研究内容研究内容 本文主要研究自动雨量探测器的光学结构设计，详细的对自动雨滴探测器的 光学结构进行分析和设计，并且在本文中阐述了雨滴探测器光学部分整体结构的 设计思路、各个模块的设计原理，并且利用 ZEMAX 工程软件仿真了光线在结构 中的光路传播图，并对设计中存在的问题进行了分析处理。 本文研究的主要任务：1）雨滴探测器的工作原理。2）探测器的光学结构的 设计。3）探测器光能损耗的研究。4）提高探测器光能利用率方案的研究。 河海大学本科毕业论文 第第 2 章章 雨滴探测器基本原理及软件工具简介雨滴探测器基本原理及软件工具简介 2.1 基本原理基本原理 2.1.1 光电传感器的基本原理光电传感器的基本原理 光电传感器以光电器件作为检测器件，一般由发送器、接收器、检测电路三 个部分组成10。首先利用光源将被测量的变量信号转换成光信号，在将光信号利 用光电元件转换成电信号11，光电传感器的工作流程图如下图 2.1 所示： 光源 光学 通路 光电 器件 被测 物体 被测 物体 输出 图 2.1 光电传感器工作流程图 光电传感器是基于光电效应进行工作的，当光照射到某种物质的时候，将导 致物质的内部电子状态的改变，并且电子状态大小的改变将受光子能量的大小改 变的直接影响。由于光子的能量是 hv，所以在光电传感器中光子效应对光波的频 率具有一定的选择性。光电效应又包括内光电效应和外光电效应22。 外光电效应指物体的电子在光的作用下逸出物体表面的现象，根据爱因斯方 程： （2.1） 2 0 2 1 mvhv 式中 m 为电子质量，h 为普朗克常数，v0为电子的逃逸速度，v 为光的频率。当 光子的能量大于或等于功的函数的时候，将发生外光电效应。 内光电效应是指光照射在物体上的时候，光电子不逸出物体表面的现象。内 光电效应又可被分为光电导效应和光生伏特效应。光生伏特效应指在光的作用下 时物体产生一定方向电动势的现象。光电导效应指在光线的作用下，电子吸收光 河海大学本科毕业论文 子引起材料的电导率发生变化的现象12。 发送器的光线一般来源于红外发光二极管、发光二极管、激光二极管等半导 体光源，接收器一般由光敏三极管、光敏二极管组成13 14。 根据光电探测器工作原理的不同，又将光电传感器分成很多种类。常用的光 电传感器如下图 2.2 所示： 图 2.2 常用的光电传感器 根据外光电效应分为光电倍增管和光电管。根据内光电效应分为光导管、光 电二极管和光电探测器。根据光热效应分为热电探测器和远红外探测器等。 2.1.2 整体结构及设计原理整体结构及设计原理 自动雨量探测器由光学结构和电路结构两个部分组成，光学结构主要利用光 在不同介质的传播特性，将挡风玻璃有雨滴和无雨滴时的功率变化情况反馈到电 路结构中。电路结构根据光学结构反馈的电信号，驱动雨刷完成不同速率的雨刮 操作，探测器的基本原理图如下图 2.3 所示： 图 2.3 雨滴探测器的基本原理图 本研究主要针对雨滴探测器的光学结构部分进行分析设计，探测光线从发射 端发射，并以某一角度射向挡风玻璃，光线在挡风玻璃的内外表面之间发生光的 反射与散射，通过光在此过程中的能量损耗来探测挡风玻璃的外表面是否有水滴， 从而控制雨刷进行不同状态的雨刮操作。 河海大学本科毕业论文 当挡风玻璃外表面没有雨滴时，探测光经过挡风玻璃，被它的外表面直接反 射回来，光能在此过程中损失的较少，接收端接收到的光的功率相对来说就比较 大。当挡风玻璃外表面上有水滴时，探测光在有水滴处的玻璃表面将会发生光的 散射，损耗大量的光能，使接收端接收到的光的功率较小，而且水滴越多，被散 射掉的光线越多，相应的接收端接收到的光功率就越少。接收端将接收到的光功 率大小转换成电信号反馈给电路部分，电路部分根据接收端输出的电信号的差异 控制雨刷系统进行不同状态的雨刮操作。 根据设计任务书要求，整个系统的设计图如下图 2.4 所示： 90 90 发射端接收端 准直透镜聚焦透镜 挡风玻璃 胶质胶质 图 2.4 雨滴探测器系统设计图 在设计的过程中要考虑光能的损耗以及光能的利用率的问题，因此在系统中 我们加入了透镜系统，光线由光源发出，经过透镜的准直，变成平行光，然后射 到挡风玻璃的内表面上，经过一系列的反射，最终经过外表面反射回来，经过聚 焦透镜的汇聚，最终到达探测平面。 2.2 软件工具介绍软件工具介绍 本文利用了 ZEMAX 软件对自动雨量探测器的光学结构进行了仿真模拟，得 到了光线在雨量探测系统中的光功率变化情况以及光线的路径传播图。 ZEMAX 是由美国 Radiant Zemax 公司设计出的一套综合性的光学设计软件， 可以建立折射、反射等光学结构模型，有丰富的资料库，也可用做照明系统的照 度分析和光学组件的设计，它将实际光学系统中的设计概念、分析、优化、公差 分析和报表输出等功能集成在一个界面里，使它不仅仅可以进行透镜的设计，而 河海大学本科毕业论文 且可以进行全功能的光学设计分析，具有快速、灵活、易使用、以及直观等优点， 是目前被广泛使用的光学设计软件之一15。 ZEMAX 的主要功能： 1）分析：提供不同作用的分析图形，参数选择以对话窗式的形式呈现，便 于使用者对参数进行设计优化，能够进行传递函数分析以及各种数值指标的计算， 可将分析图形保存成图文件，例如.JPG,.BMP 等格式，或者存成.TXT 的文字文件 格式。 2）优化：表栏式的优化方程的参数输入，对话窗式的优化方程的参数设置， 能够方便使用者的定义，还可以进行全局优化，提高光学系统的性能。同时给使 用者提供多种优化方式。例如：Global/Hammer Optimization 找到最好的参数， Local Optimization 快速找到最佳值。 3）公差分析：表栏式的公差的参数输入，对话窗式的公差的参数设置，同 时可以进行灵敏度和反灵敏度的分析，方便使用者使用。 4）报表输出：可以输出多种数据和图形报表，并将最后结果形成文字文件 和图形文件。 5）光线追迹：对顺序和非顺序的光学结构进行光线追迹分析。 河海大学本科毕业论文 第第 3 章章 雨滴探测器的光学结构设计雨滴探测器的光学结构设计 光学结构由发射系统，接收系统和挡风玻璃系统三个部分组成。 3.1 发射系统发射系统 3.1.1 发射模块设计发射模块设计 发射模块的主要功能是为接收系统提供足够多的光能通量。 现在的汽车系统一般将雨滴探测器安装在汽车后视镜后的挡风玻璃位置，并 且不能阻碍汽车驾驶员的视线，所以探测器的体积要尽可能的小，这就要求在设 计中保证探测器的光源的体积要尽可能的小。 对发射端光源的选择，我们可以选择红外线和可见光，但是由于可见光会影 响驾驶员的视线，所以本设计中我们选用红外线发光装置，由于 LED 的功耗低， 体积小等特点，并且在现代的发射系统中一般被作为探测光的发射装置，所以我 们将采用 LED 作为光线的发射装置。 但是由于 LED 的发散角比较大，随着光的传播距离的增加光的能量会迅速 的减小，使光的能量产生大量的损耗，直接影响到探测器对光功率变化的探测， 所以在发射结构中我们考虑要采用一种装置将发散的红外光进行汇聚，经过对相 关资料的查找，在本设计中我将采用准直透镜完成对发散光的汇聚作用16。 准直透镜是一种较为长用的凸透镜，不过在本设计中，我们将采用前凸后平 的单凸透镜17，因为要尽量保证光在玻璃的内外表面之间的传输状态相同，不同 的传播角度，将会使光在玻璃表面的同一点同时发生反射和折射，对光能产生损 耗，影响探测结果。所以接下来我们将对透镜的参数进行详细的计算。 3.1.2 准直透镜参数计算准直透镜参数计算 费马原理：光在在均匀介质中的传播遵从光的直线传播定律、光的反射定律 和光的折射定律，以及傍轴条件下透镜的等光程性，光在任意介质中从一点传播 到另一点时，沿所需时间最短的路径传播22。根据此原理，可以证明薄透镜的物 河海大学本科毕业论文 点和像点之间的等光程性，即光在薄透镜中传播只会改变光的传播方向，不会引 起附加的光程差。 由于透镜有球面透镜和非球面透镜的区分，而对非球面透镜的加工是非常困 难的，所以根据等光程原理我们将对透镜的参数进行计算，如果计算出的函数为 非球面的函数，我们将继续对透镜的函数参数进行优化。 光程：光程是一个折合量，可以理解为相同时间内光线在真空中传播的距离 在数值上等于介质的折射率乘以光在介质中的传播路程20。 （3.1）lnL 式中，L 表示光程，n 为介质折射率，l 为光在介质中经过的几何距离。 根据透镜的成像原理，光源发出的光经过透镜后变成平行光，可以认为透镜 的像平面在无穷远处，所有在这里我们使用如下的数据进行透镜参数的计算，空 气的折射率 n1=1，玻璃在这里我们使用 SCHOTT 公司的 BK7，折射率 n2=1.51680，LED 到准直透镜的顶点的距离 l1=6mm18，像面距离透镜的顶点的距 离 l2=60mm。 根据薄透镜的等光程性，光源发出的任意光线经过透镜后到达像面的距离都 相等，所以我们可以得出以下的等式： （3.2） 22111 lnlnL （3.3） )()(L 22 2 1 2 12 ylnylxn （3.4） 12 LL 根据等式的解法，同时将 n1=1,l1=6mm,n2=1.5168,l2=60mm 带入（3.4）整理得 （3.5）1 71886817 . 2 38397966 . 2 38397966 . 2 22 xy 由函数关系可以得出，准直透镜的凸面函数为双曲线的上半。由于非球面的 透镜在实际的生产中加工是非常困难的，而我们的雨刷系统是需要在生产实际中 生产加工出来的，若我们在软件建模仿真中使用此函数将对我们的实际生产结果 有很大影响的，所以接下我们将根据此双曲线的函数关系，得出误差相对较小的 球面透镜参数。 单球面透镜的物象关系式为： 河海大学本科毕业论文 （3.6） r nn l n l n 1 1 1 - 式中，n 入射介质折射率，n1出射介质折射率，l 物距，l1像距，r 曲率半径。 根据单球面透镜的物象关系，以及薄透镜的成像原理，接下来我们将对透镜 的曲率半径进行计算：在这里我们设入射介质为空气 n=1，透镜的介质为 BK7，n1=1.5168，r1为透镜凸面的曲率半径，r2为透镜平面的曲率半径，l 和 l1为 物距，l和 l1为像距，f 为焦距。 光源发出的光线在薄透镜的前后两个面将发生两次折射现象，所以为了方便 计算，我们这里设入射的光线为平行光，即物点在无穷远处，可以得出第一次折 射时的物象关系式为： （3.7） 1 11 11 - r n l n 同理可以得出第二次折射时的物象关系式为： （3.8） 2 1 1 1 1 - r nn l n l n 同时，l1=l,l1=f ，将数据代入，解三个等式得出 （3.9） 21 1 11 1 1 rr n f 经过对一些厂家的产品的了解，拟定本设计中准直透镜的焦距为 6mm，玻璃 BK7 的折射率 n1=1.5168，带入（3.9）可得出 r1=3.10081920212223。 3.1.3 仿真光路模拟仿真光路模拟 为了能够提高光能的利用率，在开始的设计结构中加入了准直透镜，接下来 将利用 ZEMAX 软件模拟加入准直透镜前后两种情况下光线的路径图，进行功率 的对比分析。 经过对现代汽车的红外雨滴探测器的装置进行了解，发射端的光谱一般为 810-978nm 之间，所以在本设计中我们采用中心波长为 906nm 的发射光。 在仿真中我们假设探测光在设入挡风玻璃前需要传输 12mm 的距离，即光源 距离挡风玻璃的内表面 12mm，由于经过系统最终被探测器接收的有效光线为经 河海大学本科毕业论文 过准直透镜后射向挡风玻璃中光线，在分析中我们首先将光强的分析平面放在挡 风玻璃的内表面上。由于 LED 的发散角大，会有光线未经过透镜而达到探测面， 在这里为了防止这类光线对光功率的影响，在实验中将使用与透镜平面面积相同 的正方形探测面。根据面积的计算公式，透镜平面面积为： （3.10） 222 496 . 5 1008 . 3 r 所以矩形探测面的边长 l=5.496。 参考已经计算出的参数，将软件中的参数设置如下：光源的中心波长设为 906nm，发出的总功率设为 0.01W，为了能够更准确的得到实验结果，让光源发 出 5000 条光线，在垂直方向和水平方向的发散角为 100，并设置分析光线为 500000，探测面在距离光源 12mm 的位置处。 完成参数的设置后，利用 ZEMAX 进行仿真，我们得到了无准直透镜时的光 路探测图，如图 3.1 和图 3.2 所示： 图 3.1 无准直透镜时的 3D 绘图 河海大学本科毕业论文 图 3.2 无准直透镜时的阴影模型 通过对 ZEMAX 软件输出的无准直透镜时的 3D 绘图与阴影模型的观察，可 以看到，光源发射的光线到达探测平面时是非常发散的，光线不均匀的分布在探 测平面上。 图 3.3 无准直透镜时的功率探测图 河海大学本科毕业论文 通过光功率的探测图，如上图 3.3，我们看到光功率在到达探测平面及挡风 玻璃表面时已经非常小，整个接收平面的光强为 4.839410-4W，在探测平面上最 高光功率处的光功率密度为 3.06610-3W/cm2 。 在不改变其他参数的情况下，在系统中加入准直透镜后，保证之前的仿真参 数不变，只加入参数如下的透镜：曲率半径 r=3.1008mm，厚度为 6mm，材料为 BK7，介质的折射率 n=1.5168，完成参数设置后，利用软件输出有准直透镜时的 仿真图如下图 3.4 和图 3.5 所示。 并通过通过对 ZEMAX 软件输出的有准直透镜时的 3D 绘图与阴影模型的观 察，我们可以看到，光源发射的光线到达探测平面时的光线明显的汇聚，并且集 中地分布在探测屏中间的圆周里面，证明了我们在设计中加入的透镜很好的起到 了汇聚光线的作用。 图 3.4 有准直透镜时的 3D 绘图 河海大学本科毕业论文 图 3.5 有准直透镜时的阴影模型 发现光线被准直后，为了确认是否光的功率随着光线的汇聚也被提高，接下 来对探测器的功率图进行分析，如下图 3.6 所示： 图 3.6 有准直透镜时的功率探测图 河海大学本科毕业论文 通过上图 3.6 的分析，我们看到光功率在到达探测平面及挡风玻璃表面时被 明显的提高，光能量的损失明显的减少，光线被明显扥汇聚，形成一个光斑，整 个接收平面的光强提高到 9.264810-4W，在探测平面上最高光功率处的光功率密 度为 5.85910-3W/cm2 。 从上图 3.4 中我们看出，在发散角为 100时的准直效果不是很理想，最后 的光线有汇聚的趋势，并不是完整的平行光，接下来我们对光源的发散角进行了 调整，经过几次的实验，发现当发散角为 6时的光线传输效果很理想，所以在 后续的设计中，为了保证实验结果，我们将采用近轴光线进行建模仿真。发散角 6时的光线仿真图如下图所示： 图 3.7 近轴光线有准直透镜时的 3D 绘图 3.2 接收系统接收系统 3.2.1 接收模块设计接收模块设计 接收模块的主要功能是接收不同情况下射到探测屏上的光线，并将光能情况 传送到下一级电路模块 。 河海大学本科毕业论文 探测光经过发射系统后，又在挡风玻璃两个平面间发生反射和散射，最终射 出挡风玻璃的光线的角度会发生改变，原本的平行光会变得发散，所以在接收端 同样利用了发射端的透镜法，在接收模块中加入了聚焦透镜，使接收端能够尽可 能多的接收光信号，增加探测器的灵敏度。由于我们在发射端使用了功耗较低的 LED 作为发射源，随着光的传输，光能逐渐的损耗，到达探测器的能量很少，这 样就降低了整个系统的性能，所以加入聚焦透镜也能利用集中光能的方法增加了 接收端探测的灵敏度，提升系统的性能。 3.2.2 聚焦透镜参数计算聚焦透镜参数计算 参照发射系统准直透镜的设计以及计算方法，这里选用前面为平面，后面为 凸面的聚焦透镜。透镜的曲率半径的计算方法参照前面 3.1.2 章节的算法，根据 光的可逆性原理可以得到，光线在介质中沿着某一路经传播，当光线反向时，光 也必将沿同一路径逆向传播22。所以，我们可以利用光的可逆性原理，将汇聚过 程当做准直的反过程，将会聚透镜的计算过程按照准直的计算过程进行。 参照透镜的计算原理，光源发出的光经过透镜后变成平行光，可以认为透镜 的像平面在无穷远处，透镜计算的过程参数如下：空气的折射率 n1=1，玻璃在这 里我们使用 SCHOTT 公司的 BK7，折射率 n2=1.51680，LED 到准直透镜的顶点 的距离 l1=8mm，像面距离透镜的顶点的距离 l2=60mm。根据等式的解法，同时将 n1=1,l1=6mm,n2=1.5168,l2=60mm 带入整理（3.4）式整理可得 （3.11）1 625157335 . 3 178639542 . 3 178639542 . 3 22 xy 由函数关系可以得出，聚焦透镜的凸面函数为双曲线的上半。计算的结果同准直 透镜的结果一样，所得透镜均为非球面的透镜，所以接下我们将根据此双曲线的 函数关系，得出误差相对较小的球面透镜参数。 根据上文中单球面透镜的物象关系，以及薄透镜的成像原理，接下来将对透 镜曲率半径进行计算：入射介质为空气 n=1，透镜的介质为 BK7，n1=1.5168，r1 为透镜凸面的曲率半径，透镜平面的曲率半 r2=，l 和 l1为物距，l和 l1为像距， f 为焦距，聚焦透镜的焦距为 8mm，将参数带入（3.9）式可得出 r1=4.1344。 同准直透镜的分析过程一样，将相关的参数计算完成后，我们将进行建模，对加 河海大学本科毕业论文 入聚焦透镜前后的光功率进行对比分析。 在进行接收端光路分析时，先忽略在挡风玻璃间的散射和折射过程，使光线 从挡风玻璃的一侧入射另一侧射出，以便于能够更加清楚的反应加入透镜前后的 光的能量的变化24。玻璃的介质选用与透镜相同的材料，防止在透镜与玻璃接触 的表面发生折射，玻璃的折射率 n=1.5168。 在仿真接收端的光能变化时，发射端的所有参数的条件不变：光源的中心波 长为 906nm，发出的总功率设为 0.01W，让光源发出 5000 条光线，在垂直方向和 水平方向的发散角为 100，并设置分析光线为 500000，在仿真中先设置玻璃的 长度为 20mm。 由于普通的 LED 探测管的光敏面积大小一般为 4mm 的正方形25，这里我们 设置接收平面的边长 l=2mm，接收平面距离防风玻璃的后表面 8mm。 完成参数的设置后，我们得到了无准直透镜时的光路探测图， 图 3.8 无聚焦透镜时的 3D 绘图 河海大学本科毕业论文 图 3.9 无聚焦透镜时的阴影模型 通过对 ZEMAX 软件输出的无聚焦透镜时的 3D 绘图与阴影模型的观察，我 们可以看到，光源发射的光线到达探测平面时是非常发散的，光线不均匀的分布 在探测平面上。 图 3.10 无聚焦透镜时的功率探测图 河海大学本科毕业论文 通过光功率的探测图，我们看到经过在玻璃中的传输后，光功率在到达探测 平面时有很大的光能损失，整个接收平面的光强为 6.764610-4W，在探测平面上 最高光功率处的光功率密度为 4.301510-3W/cm2 。 为了进行对比，在系统中加入聚焦透镜，并保证其他参数不变，透镜的曲率 半径 r=4.1344mm，厚度为 2mm，材料为 BK7，介质的折射率 n=1.5168，按照上 述参数设置后，看到软件的输出如下图 3.11 和图 3.12 所示。 通过对 ZEMAX 软件输出图 3.11 和图 3.12 的有聚焦透镜时的 3D 绘图与阴影 模型的观察，我们可以看到，光源发射的光线经过玻璃到达探测平面时的光线明 显的汇聚，并且集中地分布在探测屏中间的圆周里面，说明透镜很好的起到了汇 聚光线的作用，从而减少了光能在传输过程中的损耗，提高了光能利用率。 图 3.11 有聚焦透镜时的 3D 绘图 河海大学本科毕业论文 图 3.12 有聚焦透镜时的阴影模型 发现光线被聚焦后，为了确认是否光的功率随着光线的汇聚也被提高，我们 接下来对探测器的功率图进行分析，如下图 3.13 所示： 图 3.13 有聚焦透镜时的功率探测图 通过对光功率的探测图如上图 3.13 的分析，我们看到光源经过在玻璃中的传 输后经过聚焦透镜，光功率在到达探测平面时光能量的损失明显的减少，光线被 河海大学本科毕业论文 明显汇聚，整个接收平面的光强提高到 7.986010-4W，在探测平面上最高光功率 处的光功率密度也被提高到 5.018810-3W/cm2 。 从图 3.11 中我们看出，在发散角为 100时的准直效果不是很理想，最后的 光线比较发散，所以我们设置光线的垂直和水平的发散角为 6，从下图 3.14 中 看到，光线经过透镜后被很好的准直成平行光，然后经过玻璃射出时，又被聚焦 透镜很好的汇聚到探测屏上，光线在接收屏上被很好的汇聚成了一个光斑，使整 个系统的传输效果很理想。 图 3.14 近轴光线有聚焦透镜时的 3D 绘图 3.3 挡风玻璃系统挡风玻璃系统 3.3.1 挡风玻璃模块设计挡风玻璃模块设计 在前面的设计中，我们采用了比较理想的分析方法，发射结构、挡风玻璃、 接收结构都在一个平面内，而在现实的设计中，发射端与接收端是融合在一个系 统内的，形成雨滴探测器系统，然后将雨滴探测器固定在挡风玻璃的内表面上， 所以就要求发射结构和接收结构与挡风玻璃成一定的角度。 在整个系统中，光线在挡风玻璃中发生反射和折射，在挡风玻璃上没有水滴 河海大学本科毕业论文 时，为了减少光能的损耗，应该尽量减少光的折射，因为随着折射光的数量的增 加，到达探测器的光的能量将越来越少，所以在设计中考虑要找到一种方法尽量 减少光的折射现象，经过查找资料，发现当光发生全反射的时候，所有的折射光 都将消失，只剩下反射光线。所以在挡风玻璃系统中，将利用全反射的方法，减 少光能的损失，提高光能的利用率。 全反射是指光传播到两种介质的界面上时，通常要同时发生折射和反射现象， 若满足了某种条件，光线不在产生折射，而全部返回到原介质中传播的现象20。 所以，光的全反射需要满足两个条件：1.光从光密介质进入光疏介质。2.入射角 大于或等于临界角22。 在设计中我们已知光线要在挡风玻璃中发生全反射，要求光的入射角度大于 或等于临界角，所以探测器固定在玻璃上的角度有一定的要求。与此同时，因为 要将探测器用胶质固定在挡风玻璃的表面，光在从探测器中射向玻璃时要经过胶 质，这就必然会发生光的折射，随着光的折射的发生，光在入射玻璃的角度必然 会发生改变，将打破全反射系统的设计，所以首先我们要保证这种胶质的折射率 必须要与 BK7 的折射率相同，此时光在这三种介质的表面将不会发生折射和反射， 光线将按照原来的方向传播。当光的传输过程中不发生折射时，我们将可以保证 光线的入射角的固定，使玻璃系统发生全反射，接下来我们将对全反射的临界角 进行计算。 3.3.2 全反射临界角的计算全反射临界角的计算 根据折射定律 （3.12） 11sin sinInIn 可知当光由光密射入光疏介质时，及折射率 n1n 时，此时 I1I，折射光线偏离法 线，并且随着 I 的不断增加，I1也逐渐增加，当 I1=90时，折射光线将沿分界面 水平射出去，此时的入射角就是全反射的临界角26，满足 m I （3.13） 11 90sinsin n n n n Im 当时光线将不射向第二介质，光线将在两个介质的临界面上全部反射。空 m II 河海大学本科毕业论文 气的折射率 n=1，玻璃与透镜的折射率 n1=1.5168，将参数代入（3.13）式中可以 得出 （3.14） 25.41 5168 . 1 1 sin 1 m I 所以当探测光线的入射角度大于 41.25时光线将发生全反射27。 当挡风玻璃上有水滴时，我们要通过水滴对光线的折射作用来反应光能的损 失，就要求由挡风玻璃中射向水滴的光线不能发生全反射，已知水滴的折射率 n=1.333，玻璃的折射率 n1=1.5168，所以玻璃和水滴表面发生全反射的临界角 （3.15） 5 . 61 5168. 1 333. 1 sin 1 m I 当光线的入射角大于等于 61.5时，光线将在临界面发生全反射，所以光线的入 射角必须控制在 41.25到 61.5之间。 3.3.3 挡风玻璃光路模拟挡风玻璃光路模拟 前面我们已经应用了 ZEMAX 软件对发射端和接收端进行了光路的模拟，下 面将在发射端和接收端加上挡风玻璃进行对整个系统的建模仿真，并对挡风玻璃 表面有雨滴和没雨滴两种情况下的功率进行分析。 首先，因为在生产加工过程中，需要利用胶质将探测器和挡风玻璃结合起来， 而在利用 ZEMAX 软件建立模型的时候，并不能实现将探测器两端和挡风玻璃完 全连接的情况，如果将探测器放置在挡风玻璃的内表面上时，由于不能够实现探 测器与挡风玻璃的充分连接，光线在从发射端射出时，经过空气后入射到挡风玻 璃中，这样在空气和玻璃的临界面上会发生光的折射，使入射到挡风玻璃中得光 线的角度会发生生改变，不能保证在原来的 41.25到 61.5之间，使在挡风玻 璃中的光线不能发生全反射，如下图 3.15 所示：当光线与挡风玻璃成 40角时 的光线传播路径。 通过图 3.15 我们发现，当光线的入射角度不在临界角 41.25到 61.5之间 时，光线不能够在挡风玻璃表面之间发生全反射而回到探测面，使设计出现错误 结果。 河海大学本科毕业论文 图 3.15 有空气时光的产波路径 按照我们前面的计算，当入射光线与镜面成 45角的时候，光线在挡风玻璃 的内外表面之间应该发生全反射，而如 3.15 图所示，光线从发射端射出后，由于 光经过空气后才射向挡风玻璃，使入射到挡风玻璃的光线角度变小，小于发生全 反射时的临界角，导致光线在挡风玻璃外表面与空气的临界面发生折射现象，没 有光线反射回探测器。所以，在接下来的设计中，我们将在发射端和接收端与挡 风玻璃中间加入一种与玻璃和透镜相同的介质，在设计中起到连接的作用，避免 光线在空气中的传播，破坏全反射条件。 通过利用折射定律（3.12）式我们知道，光线如果沿着介质的上表面射入， 那么经过折射后的角度一定小于 41.25，因此在设计中，我们将入射光的位置 选在介质的侧面，这使得随着入射角度的改变，光从接触介质射向挡风玻璃的的 角度会在 41.25到 61.5之间任意变动。因此在仿真的参数中，我们设置光线 从发射端射向接触介质的角度为 50，这使得射入挡风玻璃的光线的角度为 59.67，正好在全反射的角度条件内。 现在工程中的汽车挡风玻璃厚度一般为 4mm 到 6mm，在本设计中我们设置 挡风玻璃的厚度为 4mm，光源到透镜的距离为 6mm，准直透镜的厚度设为 6mm，光源的光功率为 0.01W，光源发出的光线数为 2000 条，进行光线追迹的分 河海大学本科毕业论文 析光线设置为 200000，光源在垂直和水平方向上的发散角设置为 5，即采用近 轴光线进行光线追迹仿真，接收端与聚焦透镜的顶点的距离设为 8mm，聚焦透镜 的厚度设置为 6mm。 在探测器的设计中，需要尽可能灵敏的检测挡风玻璃上的雨滴，所以挡风玻 璃间全反射的数目应该尽可能的多28，但是由于探测器的体积要尽可能的小，以 免影响驾驶员的视线，所以在射中应该选用全反射的数目在 4 次到 5 次左右，发 生一次全反射的距离 （3.16）67.13)67.59tan(*4*2l 所以探测器的发射端到接收端的距离应该在 54.6