Contamination sensor for an optical window

Abstract

The weather condition and its effect on the road surface are a factor with a significant impact on driving and driving safety. For this reason, Bosch regards the Road Condition Sensor (RCS) as one of the essential sensors to enable the advent of autonomous driving. The target of this sensor is to detect the presence of water in the road, its state (liquid, in the form of ice or snow) and its thickness. The sensor recognizes the road surface conditions by illuminating the ground with lasers of different wavelengths and analyzing the reflected light intensity. Due to the sensor’s position (near the ground), one of the biggest threats is getting damaged or contaminated with debris and other elements. To overcome this risk and protect the delicate sensor’s hardware, a protection window is needed to make a barrier between the RCS and external elements. In this dissertation, a solution to reduce and monitor the protection window contamination is proposed. To reduce contamination, a coating with repellent properties was selected. To monitor the contamination present in the window, a sensor that allows the detection of contaminants was developed and tested. It is based on light propagation through different materials. The contamination detection sensor explores the internal reflection principle and identifies the contaminants according to the intensity of light lost or kept inside the window. Throughout the dissertation, some optical effects and properties were measured. In order to characterize the spectral properties of the coatings and contaminants, an optical setup involving an Optical Spectrum Analyzer was implemented. With the use of a lock-in amplifier, losses by scattering were measured. The contamination detection sensor has been tested with different coatings and, with one of them (the one with the more repelling capability), the sensor can identify the presence of residues such as water and diesel.

As condições climáticas e o seu efeito no piso são um fator com impacto significativo na condução de um veículo e na sua segurança. Por este motivo, a Bosch considera o Road Condition Sensor (RCS) como um dos sensores essenciais para permitir o advento de condução autónoma. O objetivo deste sensor é detetar a presença de água no solo, o seu estado, isto é, líquido, sob a forma de gelo ou neve, e a sua espessura. O sensor reconhece as condições da superfície do piso iluminando a mesma com lasers de diferentes comprimentos de onda e analisando a intensidade de luz refletida. Devido à posição do sensor (próximo ao solo), uma das maiores ameaças é ser danificado ou contaminado com detritos e outros elementos. Para controlar esse risco e proteger o delicado hardware do sensor, uma janela de proteção é necessária para fazer uma barreira entre o RCS e os elementos externos. Nesta dissertação, uma solução para reduzir e monitorizar a contaminação da janela de proteção é proposta. De maneira reduzir a contaminação, um revestimento com propriedades repelentes foi selecionado. Para verificar a contaminação presente na janela, um sensor que permite a deteção de contaminantes foi desenvolvido e testado. É baseado na propagação da luz por diferentes materiais. O sensor de deteção de contaminação explora o princípio de reflexão interna e identifica os contaminantes de acordo com a intensidade da luz perdida ou mantida dentro da janela. Ao longo da dissertação, alguns efeitos óticos e propriedades foram medidos. A fim de caracterizar as propriedades espectrais dos revestimentos e contaminantes, um setup ótico envolvendo um Optical Spectrum Analyzer foi implementado. Com o uso de um lock-in amplifier, as perdas por scattering foram medidas. O sensor de deteção de contaminação foi testado com diferentes revestimentos e, com um deles (aquele com maior capacidade de repulsão de contaminantes), o sensor pode identificar a presença de resíduos tal como água e diesel.