Optoelektronisches Verfahren

Beleuchtung einer Glasscheibe mittels einer Leuchtdiode (LED) und Registrieren des Reflexes mittels eines Lichtempfängers (Fototransistor). Dabei wird die physikalische Gesetzmäßigkeit der Reflexion an der Grenze vom optisch dichteren zum optisch dünneren Material (Brechungsindex) genutzt. Der Winkel des zur Oberfläche der Glasscheibe geneigt verlaufenden Lichtstrahls ist so gewählt, dass bei trockener äußerer Scheibenoberfläche die gesamte Lichtmenge reflektiert und zum Fotoempfänger läuft (Totalreflexion: Das Licht verlässt das optisch dichtere Medium „Glas“ nicht). Wassertropfen – etwa von Regen – auf der Außenfläche der Scheibe verändern das Reflexionsverhalten, d. h., es wird weniger reflektiert, ein Teil wird durch die unebene Oberfläche des Wassers gestreut und kann entweichen.

Damit Licht an der Grenze von Glas (mit Brechungsindex etwa n = 1,5) zu Luft (fast n = 1) totalreflektiert wird, muss der Einfallswinkel größer als 41° (Grenzwinkel für Totalreflexion, vom Lot weg gemessen; also je größer, desto flacher zur Grenzfläche verlaufend) gewählt werden. Möglich wäre etwa 45°. Liegt an der Glasfläche nun Wasser (n = 1,33) an, das in seiner optischen Dichte eine Zwischenstellung einnimmt, so ist der relevante Brechungsindexunterschied (Glas zu Wasser) wesentlich geringer, und es tritt nur teilweise Reflexion auf, es erreicht also weniger Licht den Detektor. Totalreflexion tritt (von Glas zu Wasser) erst ab einem höheren Grenzwinkel von 61° auf.

Der Grenzwinkel für Totalreflexion (dichter zu dünner) errechnet sich genau aus dem Brechungsindexverhältnis (^n₁⁄_n2).

Dasselbe gilt übrigens auch für die neu dazugekommene Grenzschicht zwischen Wasser und Luft ganz außen: kleinerer Brechungsindexunterschied – größerer Grenzwinkel. Der Lichtstrahl wird zu größerem Winkel hin (= vom Lot weg) gebrochen und könnte nunmehr von der Wasser-Grenzschicht zur Luft reflektiert werden. Die Wasseroberfläche ist jedoch nicht eben, weshalb ein Großteil des Lichtes austritt: Das Wasser liegt als mehr oder weniger gespreizte, gewölbte Tropfen oder als durch Fahrtwind und Wasserströmung unebene Schicht am Glas. Je mehr Glasfläche vom Wasser uneben benetzt ist, desto mehr wird die Totalreflexion gestört, was wiederum vom Sensor registriert wird.

Die Messgröße ist die bei Benetzung abnehmende Lichtintensität am Fotoempfänger.

Ein einziger kleiner Tropfen im Messfeld soll den Wischer noch nicht auslösen, ein größerer oder mehrere jedoch schon. Der Sensor soll so auf die beginnende Sichtbeeinträchtigung durch Wassertropfen am Glas reagieren.

Der Anteil der reflektierten Lichtmenge kann auch als Steuergröße für die Intervallzeit eines Scheibenwischers dienen, damit der Regensensor auch abhängig von der Regenmenge die Geschwindigkeit des Scheibenwischers steuern kann.

Üblicherweise wird Infrarot verwendet. Der IR-Strahl wird durch Streulinsen aufgeweitet und mittels eines aufgeklebten optischen Prismas unter dem erforderlichen Winkel in die Windschutzscheibe geführt. Das Prisma ist nötig, um die Strahlung überhaupt im erforderlichen Winkel in die Scheibe einkoppeln zu können – ohne Prisma könnte aufgrund der Brechung kein Strahl in die planparallele Scheibe gelangen, der anschließend totalreflektiert wird. Der Lichtstrahl wird nun innerhalb der Windschutzscheibe reflektiert und gelangt an einer anderen Stelle an ein Auskoppel-Prisma, das dort die Totalreflexion an der Innenoberfläche vermeidet, verlässt die Windschutzscheibe und wird mittels Sammellinsen auf den Fotoempfänger fokussiert.

Bei starkem Regen kann ein Sensorsystem automatisch von Intervall- auf Dauerwischen umschalten. Während eines plötzlich einsetzenden Wolkenbruchs oder in der Gischtfahne eines LKW schaltet die Anlage sofort in die höchste Geschwindigkeitsstufe. Fallen nur noch vereinzelt Regentropfen, steuert die Elektronik die Wischergeschwindigkeit so, dass der Fahrer stets guten Durchblick hat. Trockenes Reiben der Wischerblätter auf der Frontscheibe und damit die starke Abnutzung des Wischerblattes werden vermieden. Um Fehlinterpretationen durch Kondensationsfeuchte vorzubeugen, kann eine integrierte Heizung den Messbereich von innen trocken halten.

Verglichen mit der Infrarot-Strahlungsleistung der Sonne oder auch von Tunnelbeleuchtungen ist die Intensität der IR-Diode äußerst gering, die zu messende Größe (ausgestreutes Licht) sogar verschwindend klein. Um dennoch präzise Messwerte zu erlangen, wird das Signal gepulst betrieben und mit Hilfe eines digitalen Lock-in-Verstärkers ausgewertet.

Elektrische Verfahren

Elektrische Regensensoren, wie sie als Baugruppe in der Haustechnik oder dem Gartenbau eingesetzt werden, besitzen eine Elektrodenanordnung. Sie nutzen die Veränderung der Kapazität der beregneten Anordnung, oder sie registrieren den geänderten elektrischen Widerstand aufgrund der Leitfähigkeit des Regenwassers.

Je nach Verfahren sind die Elektroden entweder mit einer isolierenden Schicht bedeckt bzw. geschützt oder metallisch-offen. Offene Anordnungen müssen korrosionsfeste Metalloberflächen besitzen; man wählt oft als Leiterplatte gefertigte vergoldete Leiterzüge.