液滴传感器的制作方法

1.本发明涉及一种感测雨滴、水滴等液滴的液滴传感器。


背景技术：

2.已经提出了一种传感器，该传感器使用构成旋转椭圆体的一部分的光学罩，利用根据与光学罩接触的物质是气体还是液体而产生的反射率的变化来检测液滴(例如参照专利文献1)。
3.为了进行雨滴的探测、降雨量的测定，液滴传感器设置在屋外，直接暴露在雨、风、阳光等中。传感器所使用的光学材料除了光学特性之外，期望考虑耐久性、耐候性来选择。
4.现有技术文献
5.专利文献
6.专利文献1：日本特开2019-120567号公报


技术实现要素：

7.发明所要解决的课题
8.为了制作构成旋转椭圆体的一部分的光学部件，由塑料材料一体成形是高效的，但若将塑料长时间放置在屋外，则因紫外线变色而透射率变差，而且有脆化的趋势。在聚碳酸酯的情况下，因紫外线变黄。并且，塑料是比较柔软的原材料，表面容易划伤。在使用其它光学材料来代替塑料的情况下，需要重新考虑材料的透明性、折射率等来再设计旋转椭圆体的形状。根据光学材料，有时旋转椭圆体的加工本身困难。
9.考虑不取代塑料材料而在表面实施涂层来抑制劣化，提高耐久性。但是，通过由其它物质覆盖光学零件的表面，有可能得不到期望的光学特性。为了避免这一情况，需要预先掌握涂层的影响并设计成维持目的功能。
10.本发明的目的在于提供一种维持针对检测对象的液体的反射率的入射角依存性并且提高了耐久性或耐候性的液滴传感器。
11.用于解决课题的方案
12.在发明的一个方案中，液滴传感器具有：光学罩，其具有形成旋转椭圆体的一部分的弯曲面；保护膜，其覆盖上述光学罩的上述弯曲面；光源，其配置于与上述弯曲面对置的椭圆的第一焦点位置；以及光检测器，其配置于上述椭圆的第二焦点位置，上述保护膜的折射率比检测对象的液体的折射率大，将满足从上述光源射入至上述弯曲面的光在上述保护膜与气体的界面被全反射而在上述保护膜与上述液体的界面不被全反射的条件的入射角的范围作为检测区域。
13.在发明的其它方案中，液滴传感器具有：光学罩，其具有形成旋转椭圆体的一部分的弯曲面；保护膜，其覆盖上述光学罩的上述弯曲面；光源，其配置于与上述弯曲面对置的椭圆的第一焦点位置；以及光检测器，其配置于上述椭圆的第二焦点位置，上述保护膜的折射率比上述保护膜所接触的气体的折射率大且比检测对象的液体的折射率小，若将上述光
学罩的折射率设为n1、将上述保护膜的折射率设为n2，则将从上述光源向上述弯曲面射入的光的入射角比在上述保护膜与上述气体的界面的临界角大且比sin
－1
(n2/n1)小的范围作为检测区域。
14.发明的效果如下。
15.实现维持针对检测对象的液体的反射率的入射角依存性并且提高了耐久性或耐候性的液滴传感器。
附图说明
16.图1是说明没有保护膜涂层的情况下的传感检测原理的图。
17.图2是示出没有保护膜涂层的情况下的反射率的入射角依存性的图。
18.图3是实施方式的液滴传感器的示意图。
19.图4是示出事例1的反射率的入射角依存性的可应用范围的图。
20.图5a是示出图4的区域(a)的举动的示意图。
21.图5b是示出图4的区域(b)的举动的示意图。
22.图5c是示出图4的区域(c)的举动的示意图。
23.图6是示出事例1的条件下的针对空气和水的总反射率的入射角依存性的图。
24.图7是说明总反射率的求解方法的图。
25.图8是示出事例2的反射率的入射角依存性的可应用范围的图。
26.图9是示出事例2的条件下的针对空气和水的总反射率的入射角依存性的图。
27.图10a是示出图8的区域(a)的举动的示意图。
28.图10b是示出图8的区域(b)的举动的示意图。
29.图10c是示出图8的区域(c)的举动的示意图。
30.图10d是示出图8的区域(d)的举动的示意图。
31.图11是示出事例3的反射率的入射角依存性的可应用范围的图。
32.图12是示出事例3的条件下的针对空气和水的总反射率的入射角依存性的图。
33.图13a是示出图11的区域(a)的举动的示意图。
34.图13b是示出图11的区域(b)的举动的示意图。
35.图13c是示出图11的区域(d)的举动的示意图。
36.图14是示出事例4的反射率的入射角依存性的可应用范围的图。
37.图15是示出事例4的条件下的针对空气和水的总反射率的入射角依存性的图。
38.图16a是示出图14的区域(a)的举动的示意图。
39.图16b是示出图14的区域(d)的举动的示意图。
40.图17是示出使用多层保护膜时的折射状态的图。
41.图18是示出使用多层保护膜时的另一折射状态的例子的图。
42.图19是示出图18的条件下的反射率的入射角依存性的可应用范围的图。
43.符号说明
44.10—液滴传感器，11—光学罩，12a、12b—空间，13—弯曲面，14—底面，15—发光元件，16—受光元件，17—保护膜，171—第一膜，172—第二膜，173—第三膜，21—基板，n0—空气的折射率，n0'—水的折射率，n1—光学罩的折射率，n2—保护膜的折射率。
具体实施方式
45.在实施方式中，适当地选择液滴传感器所使用的保护膜的折射率和检测光的入射角度范围，正确地检测在传感器界面的反射率变化。
46.图1是说明没有保护膜的情况下的传感检测原理的图。在实施方式中，为了保护液滴传感器免受环境的影响，用保护膜来覆盖光学罩，但即使设置保护膜，也维持与没有保护膜时相同的液滴传感器的动作和特性。
47.在没有保护膜的状态下，利用根据在光学罩oc的检测面ss上有无水滴引起的反射率的变化，来检测液滴的存在。将传感器的光学罩oc的折射率设为n1，将光学罩oc所接触的气体、例如空气的折射率设为n0，将水滴的折射率设为n0'。在光学罩oc的外部为空气的情况下，从光源ls输出的光在检测面ss被全反射并由光检测器pd检测。
48.当在光学罩oc的检测面ss附着有水滴的情况下，射入至水滴与光学罩oc的界面的光不满足全反射条件，大部分的光射入至水滴。图中的虚线箭头示出由光学罩oc和水滴的折射率的不同引起的在界面的反射或损失。其反射光的成分很少，并且很少的光向光检测器pd的方向反射。根据在检测面ss是否存在水滴而引起的反射率的变化，光检测器pd的受光量变化，能检测有无水滴。
49.图2示出没有保护膜时的反射率的入射角依存性。如图1所示，入射角是从光源ls射入至检测面ss的光线与检测面ss的法线所成的角度。图2的实线是无偏振光的反射率，粗点线是相对于s偏振光的反射率，细点线是相对于p偏振光的反射率。无偏振光是s偏振光和p偏振光的平均値。图1的光源ls是无偏振光的发光二极管等，因此实线表示反射率。作为光学罩oc的材料，使用近红外光下的折射率为1.57的聚碳酸酯。
50.在入射角约为40
°
～52
°
的范围内，水和空气的反射率较大不同。图1的检测面ss是覆盖该范围的入射角的有效检测区域。以检测面ss的面积成为最大的方式决定光学罩oc的形状或离心率。基于因在检测面ss附着有水滴而引起的受光量的变化，能够推断水滴的存在和该水滴的量。
51.图3是实施方式的液滴传感器10的示意图。液滴传感器10具有：光学罩11，其具有弯曲面13；保护膜17，其覆盖弯曲面13；发光元件15，其配置于与弯曲面13对置的底面14；以及受光元件16。发光元件15是光源的一例，受光元件16是光检测器的一例。发光元件15和受光元件16也可以形成于同一基板21。
52.光学罩11是构成旋转椭圆体的一部分的固体罩，由相对于发光元件15的输出光的波长为透明的材料形成。在图1的例子中，将使在x方向上具有长轴且在y方向上具有短轴的椭圆绕长轴(x轴)旋转后得到的立体作为旋转椭圆体。光学罩11具有以与x-y平面水平的面切下旋转椭圆体的形状，弯曲面13反映了该旋转椭圆体的表面形状。将光学罩11的高度方向作为z方向。
53.发光元件15是例如输出近红外光的发光二极管，配置于旋转椭圆体的底面14的椭圆的第一焦点。受光元件16是例如对近红外区域的光具有感度的受光元件，配置于底面14的椭圆的第二焦点。
54.也可以在配置发光元件15的第一焦点的周围设有将光学罩11的一部分挖空的空间12a。也可以在配置受光元件16的第二焦点的周围设有将光学罩11的一部分挖空的空间12b。通过设置球状的空间12a及12b，当来自发光元件15的输出光向光学罩11射入时，或者
当在保护膜17与外部物质的界面被全反射后的光从光学罩11向空间12b内的受光元件16射入时，能够避免在空间12与光学罩11的边界面的光的折射。
55.保护膜17由相对于使用的检测光的波长为透明且能够充分保护光学罩11免受周围环境的影响的材料形成。保护膜17选择为，即使光学罩11被保护膜17覆盖，也维持在检测光的预定的入射角范围内产生针对空气和水的较大的反射率差的特性。
56.在本专利申请中提及“保护膜”时是指保护液滴传感器10的检测面免受来自外部的物理刺激、光学刺激等的膜，与主动地控制透射率、反射率等的功能性的涂层膜区别。对于在以控制透射率、反射率为目的的情况下的膜厚而言，一般为由具有与发光元件的光的波长λ/2、λ/4相当的光路长度的薄膜构成的多层膜，但在以保护膜为目的的情况下，优选设为比其厚的几μm～几十μm。例如，相对于具有860nm的波长的光，成为具有几倍至几十倍以上的较长的光路长度差的膜厚，因此难以产生因保护膜的光路长度差而引起的干涉，也难以影响透射率、反射率。来自外部的物理刺激包括与其它物体的碰撞、摩擦等。光学刺激包括由含有太阳光的光照射引起的变色、劣化。
57.作为保护膜17，可以使用相对于zro2、tio2、al2o3等近红外光为透明的金属氧化物或其烧结体(陶瓷)，也可以使用上述金属氧化物和填料的混合物。保护膜17也可以使用含有硅玻璃或石英玻璃等玻璃材料、氮化铝或氮化硅等氮化物、碳化硅或碳化硼等碳化物、丙烯酸树脂等高分子材料的材料。
58.zro2涂层剂在近红外光下的折射率能够控制在1.53～1.76的范围内。tio2涂层剂在近红外光下的折射率能够控制在1.53～1.90的范围内。一般的微粒子zro2在近红外光下的折射率为1.62，混合有防紫外线填料的微粒子zro2在近红外光下的折射率为1.64。在以下的记载中提及“折射率”时，在没有特别说明的情况下，设为检测光的波长的折射率。
59.如在下文中说明，若保护膜17的折射率比检测对象的液体的折射率高，则能够以与没有保护膜的传感器相同的举动来检测液滴。即，对于向弯曲面13射入的入射角θi而言，将在保护膜17与气体的界面产生全反射且在保护膜17与液体的界面不产生全反射的范围作为液滴的检测区域。
60.保护膜17的折射率比与保护膜17接触的气体的折射率大，但在比检测对象的液体的折射率小的情况下，能够检测的入射角的范围受到限制，而将受到限制的入射角的范围作为检测区域，能够以与没有保护膜的液滴传感器相同的举动来进行液滴的检测。
61.以下，将保护膜17的折射率与参与传感检测的其它物质的折射率的相对的大小关系区分情况，检讨适当的检测区域。将光学罩11的折射率设为n1，将保护膜17的折射率设为n2，将周围的气体的折射率设为n0，将检测对象的液体的折射率设为n0'。作为折射率的大小关系，考虑如下四个事例。
62.(1)n0＜n0'＜n1＜n263.(2)n0＜n0'＜n2＜n164.(3)n0＜n2＜n0'＜n165.(4)n2＜n0＜n0'＜n166.这在不使折射率n0＜n0'＜n1的关系变化而使与折射率n2的大小关系变化的情况下考虑上述四个事例。
67.[事例1：n0＜n0'＜n1＜n2]
[0068]
图4示出事例1的反射率的入射角依存性的可应用范围。与图2相同，实线是无偏振光的光，粗点线是s偏振光，细点线是p偏振光的反射率。在事例1中，空气的折射率n0、水的折射率n0'、光学罩11的折射率n1、保护膜17的折射率n2依次变大。具体而言，将空气的折射率n0设为1.00，将水的折射率n0'设为1.33，将光学罩11的折射率n1设为1.57，将保护膜17的折射率n2设为1.60。由于在光学罩11与保护膜17之间不引起全反射，所以向弯曲面13射入的入射角度没有限制，在0
°
～90
°
的整个范围内，维持与没有保护膜的情况相同的举动。光在向保护膜17射入时产生折射，但若保护膜17具有均一的厚度，则空气或水的情况下的全反射条件无论有保护膜17还是没有保护膜17，光学罩11的边界面的入射角条件都没有变化。此处，假定保护膜17具有均一的厚度。将维持与没有保护膜的情况相同的举动的分区设为“分区i”。
[0069]
若将维持与没有保护膜17的情况相同的举动的分区设为“分区i”，则分区i分为三个区域(a)～(c)。在区域(a)，无论对于空气还是对于水，都几乎不会产生反射。区域(b)示出位于空气的情况下的临界角与水的情况下的临界角之间的区域，且是能够确保针对空气和水的反射率差为0.90(90％)以上的区域所存在的范围。区域(b)是能够进行与没有保护膜的情况相同的检测的区域，并且提高了耐久性、耐候性。在区域(c)，无论对于空气还是对于水都引起全反射。在分区i，遍及入射角0
°
～90
°
的整个范围进行与没有保护膜时相同的行为。在分区i中，将在针对水和空气的反射率差较大的区域(b)中得到所需的反射率差的区域用作检测区域，检测水滴的附着。
[0070]
图5a示意性地示出在图4的区域(a)的举动。图中的实线箭头示出光的折射或反射的方向，虚线箭头示出一部分的光在界面正反射的方向。在区域(a)，无论对于空气还是对于水，在界面的反射率都约为5％以下，非常低。从发光元件15(参照图3)射出的光通过光学罩11与保护膜17的界面，从保护膜17向空气中射出。在水滴31所存在的部位，通过光学罩11与保护膜17的界面后的光从保护膜17进入水滴31。无论在与空气之间的界面还是在与水之间的界面，都不会引起全反射，受光元件16几乎探测不到反射光。因在界面的折射率的不同引起的很少的正反射成分(虚线箭头)几乎不会被受光元件16检测到，从而不会影响动作。在区域(a)，由于无论有无水滴都不会检测到光，所以在检测中不会使用该入射角的范围。
[0071]
图5b示意性地示出在图4的区域(b)的举动。在区域(b)，从发光元件15射出的光以较小的折射角通过光学罩11与保护膜17的界面，并在保护膜17与空气的界面被全反射。被全反射后的光以较小的入射角返回至保护膜17与光学罩11的界面，进行折射并向受光元件16射入。保护膜17的膜厚为几μm～几十μm左右，即使返回光的位置因折射而变化，也位于受光元件16的受光面的范围内，从而检测到返回光。此外，可以使受光元件16的位置从焦点稍微偏离，也可以将受光元件16侧的空间12b(参照图3)的球面用作散射面。
[0072]
在水滴31所存在的部位，光未被全反射，而从保护膜17向水滴31射入。根据受光元件16的受光量的变化，来探测水滴31的存在。区域(b)成为能够利用针对水和空气的反射率差来检测水滴31的检测区域。
[0073]
图5c示意性地示出在图4的区域(c)的举动。在区域(c)，无论在保护膜17上有无水滴31，从发光元件15(参照图3)射出的光都通过光学罩11与保护膜17的界面，并在保护膜17与空气及水滴31等外部物质的界面被全反射。无论在区域(c)是否附着水滴，受光量都不会变化，因此在水滴的检测中不使用该入射角的范围。但是，在图1的椭圆形状的情况下，成为
不存在区域(c)之类的全反射区域那样的离心率。图1中成为最大入射角的部分为天顶部，而天顶部相当于区域(b)。图3的光学罩11也设计为不存在区域(c)那样的离心率的椭圆形状。
[0074]
图6示出事例1的条件下的液滴传感器10的针对空气和水的总反射率的入射角依存性。粗实线是水相对于无偏振光的光的总反射率，虚线是空气相对于无偏振光的光的总反射率。如图7那样计算总反射率。
[0075]
图7中，将空气的折射率n0设为1.00，将水的折射率n0'设为1.33，将光学罩11的折射率n1设为1.57，将保护膜17的折射率n2设为1.60。将光学罩11与保护膜17的界面设为i1，将保护膜17与外部物质的界面设为i2。界面i1与图3的弯曲面13对应。
[0076]
在以入射角θ射入至界面i1的光中，将在界面i1被反射的成分作为反射成分(1)，将通过界面i1的成分作为透射成分(2)。在透射成分(2)中，将在界面i2被反射的光作为反射成分(3)，在反射成分(3)中，将再次通过界面i1而返回至光学罩11的光作为透射成分(4)。
[0077]
总反射率大概通过(1) (2)
×
(3)
×
(4)来求出。在成分(1)～(4)中，根据外部是空气还是水而反射率或透射率的入射角依存性产生差异的是反射成分(3)。成分(1)、(2)、(4)的反射率或透射率的入射角依存性与水滴31的有无无关而恒定。此处，无视由吸收引起的衰减，不考虑膜内的干涉和在膜内产生的多次反射。
[0078]
返回至图6，若比较在事例1的条件下设有保护膜17时的总反射率的入射角依存性的曲线与图2的没有保护膜时的反射率的入射角依存性的曲线，则除了90
°
附近的总反射率的下降之外，基本相同。具有保护膜17的液滴传感器10在向弯曲面13射入的入射角θ为0
°
至90
°
附近的范围内，与没有保护膜时大致相同地动作。将向保护膜17的外部物质的界面射入的光的入射角比相对于气体的临界角大且为相对于液体的临界角以下的范围能够用作检测区域。此外，实际上，向椭圆的弯曲面射入的入射角为0
°
(长轴侧的顶点即图3的光学罩11的左右的端部)至约51
°
(短轴侧的顶点或光学罩11的天顶部)的范围。
[0079]
[事例2：n0＜n0'＜n2＜n1]
[0080]
图8示出事例2的反射率的入射角依存性的可应用范围。在事例2中，保护膜17的折射率n2比光学罩11的折射率n1小且比检测对象的液体的折射率n0'大。与事例1相同，将空气的折射率n0设为1.00，将水的折射率n0'设为1.33，将光学罩11的折射率n1设为1.57。保护膜17例如由氧化镓形成，其折射率n2为1.45左右。
[0081]
由于保护膜17的折射率n2比光学罩11的折射率n1小，所以以超过临界角的角度射入至光学罩11与保护膜17的界面的光被全反射。在不超过临界角的范围、即入射角θ不超过sin
－1
(n2/n1)的范围内，维持与没有保护膜的情况相同的举动。即，在检测面与空气接触时，光在保护膜17与空气的界面被全反射，在附着有水滴时成为非全反射，能够基于反射率的变化来检测水滴。若入射角超过相对于保护膜17的临界角，则在光学罩11与保护膜17的界面引起全反射，无法检测保护膜17的表面状态。在n1＝1.57，n2＝1.48的情况下，临界角约为70
°
。向弯曲面13射入的入射角为0
°
～约70
°
的范围成为“分区i”。在入射角超过70
°
的范围内，在光学罩11与保护膜17的界面(即弯曲面13)产生全反射这一新的举动的分区成为“分区ii”。
[0082]
与事例1相同，分区i分为三个区域(a)～(c)。在区域(a)，无论对于空气还是对于水，都几乎不会引起反射，光向外部物质中射出。在区域(b)，针对空气和水的反射率差较
大。区域(b)是与没有保护膜的情况相同地能够进行检测的区域，并且提高了耐久性、耐候性。在区域(c)，无论对于空气还是对于水，都在保护膜17的表面引起全反射。在分区i，遍及入射角0
°
～约70
°
的范围进行与没有保护膜时相同的举动。其中，将反射率差较大的区域(b)用作检测区域，能够来检测水滴的有无。在与分区ii对应的区域(d)，在光学罩11与保护膜17的界面引起全反射，因此光不会到达保护膜17的表面，无法用于检测。
[0083]
图9示出事例2的针对空气和水的总反射率的入射角依存性。与参照图7说明的内容相同，总反射率根据在界面i1的反射成分(1)和透射成分(2)、在界面i2的反射成分(3)、以及再次通过界面i1的透射成分(4)并通过(1) (2)
×
(3)
×
(4)来计算。
[0084]
若比较图9的总反射率的入射角依存性的曲线与图2的没有保护膜时的反射率的入射角依存性的曲线，则除了临界角70
°
附近的总反射率的下降之外，基本相同。但是，与图2不同，超过70
°
的范围的全反射是在光学罩11与保护膜17之间的界面的全反射，举动不同。
[0085]
在事例2的情况下，具有保护膜17的液滴传感器10在向弯曲面13射入的入射角θ相对于保护膜17为临界角以下的范围(该例子中为0
°
至70
°
的范围)内，与没有保护膜时相同地动作，其中，能够将区域(b)用作检测区域。
[0086]
图10a示意性地示出在图8的区域(a)的举动。在区域(a)，从发光元件15(参照图3)射出的光与保护膜17上的水滴31的有无无关，都从保护膜17向液滴传感器10外射出。无论对于空气还是对于水，都不会引起全反射，无法应用于利用反射率的变化进行的检测。
[0087]
图10b示意性地示出在图8的区域(b)的举动。在区域(b)，从发光元件15射出的光通过光学罩11与保护膜17的界面，并在保护膜17与空气的界面被全反射。被全反射后的光在保护膜17与光学罩11的界面折射并向受光元件16射入。
[0088]
在水滴31所存在的部位，通过光学罩11与保护膜17的界面后的光大部分从保护膜17射入至水滴31内，受光元件16几乎检测不到。根据受光量的变化来探测水滴31。
[0089]
图10c示意性地示出在图8的区域(c)的举动。在区域(c)，与保护膜17上的水滴31的有无无关，从发光元件15射出的光都在保护膜17与外部的物质的界面被全反射。由于即使附着水滴，受光量也不变化，所以在检测中不使用区域(c)的入射角范围。
[0090]
图10d示意性地示出在图8的区域(d)的举动。在区域(d)，由于入射角超过临界角的70
°
而变大，所以从发光元件15射出的光在光学罩11与保护膜17的界面被全反射。光不进入保护膜17，因此无法探测保护膜17的表面状态。
[0091]
在事例2的条件下，使用进行与没有保护膜时相同的举动的分区i的区域(b)，能够有效地检测液滴。
[0092]
[事例3：n0＜n2＜n0'＜n1]
[0093]
图11示出事例3的反射率的入射角依存性的可应用范围。在事例3中，保护膜17的折射率n2比检测对象的液体的折射率n0'小，但比空气的折射率n0大。将检测对象作为水滴，水的折射率n0'为1.33，光学罩11的折射率n1与事例1及2相同地为1.57。保护膜17的折射率n2例如为1.20。
[0094]
在事例3中，向弯曲面13射入的入射角相对于保护膜17不超过临界角的范围成为维持与没有保护膜的情况相同的举动的“分区i”。在n1＝1.57，n2＝1.20的情况下，由sin
－1
(n2/n1)决定的临界角约为50
°
。向弯曲面13射入的入射角超过50
°
的范围成为在光学罩11与保护膜17的界面引起全反射的“分区ii”。在事例3的条件下，分区ii侵入在没有保护膜时能
够利用反射率差进行检测的区域。
[0095]
分区i分为区域(a)和区域(b)。在区域(a)，无论对于空气还是对于水，都几乎不会产生反射。在区域(b)，针对空气和水的反射率差为0.90(90％)以上。区域(b)与没有保护膜的情况相比，能够利用反射率的入射角依存性的范围稍微受到限制，但能够与没有保护膜的液滴传感器相同地进行检测，并且提高了耐久性、耐候性。
[0096]
分区ii与区域(d)对应。由于区域(d)在光学罩11与保护膜17的界面引起全反射，所以无法用于检测。由于保护膜17的折射率n2与光学罩11的折射率n1之差和事例2的情况相比变大，所以能够检测的区域(b)受到限制。
[0097]
图12示出事例3的针对空气和水的总反射率的入射角依存性。与参照图8说明的内容相同，总反射率根据在界面i1的反射成分(1)和透射成分(2)、在界面i2的反射成分(3)、以及再次通过界面i1的透射成分(4)并通过(1) (2)
×
(3)
×
(4)来计算。
[0098]
若比较图12的总反射率的入射角依存性的曲线与图2的没有保护膜时的反射率的入射角依存性的曲线，则除了总反射率在入射角50
°
的附近下降之外，示出与没有保护膜时类似的倾向。但是，与图2不同，超过50
°
的范围的针对水以及空气的全反射是在光学罩11与保护膜17之间的界面的全反射，举动不同。在入射角为50
°
以下的角度范围内，示出确保在水和空气之间能够用于检测的反射率差的区域。
[0099]
在事例3的条件下，具有保护膜17的液滴传感器10在向弯曲面13射入的入射角θ为0
°
至50
°
附近的范围内，示出与没有保护膜时相同的举动(分区i)。其中，在向弯曲面13射入的入射角为40
°
～50
°
的区域(b)的范围内存在能够作为检测区域来使用的区域。
[0100]
图13a示意性地示出在图11的区域(a)的举动。在区域(a)，从发光元件15(参照图3)射出的光与保护膜17上的水滴31的有无无关，都从保护膜17向液滴传感器10的外部射出。无论对于空气还是对于水，都不会引起全反射，无法应用于利用反射率的变化的检测。
[0101]
图13b示意性地示出在图11的区域(b)的举动。在区域(b)，从发光元件15射出的光通过光学罩11与保护膜17的界面，并在保护膜17与空气的界面被全反射。被全反射后的光在保护膜17与光学罩11的界面折射并向受光元件16射入。
[0102]
在水滴31所存在的部位，通过光学罩11与保护膜17的界面后的光大部分从保护膜17射入至水滴31内，受光元件16几乎检测不到。根据受光量的变化来探测水滴31。
[0103]
图13c示意性地示出在图11区域(d)的举动。在区域(d)，与保护膜17上的水滴31的有无无关，从发光元件15射出的光都在光学罩11与保护膜17的界面被全反射。由于光不会到达保护膜17的表面，所以无法探测保护膜17的表面的水滴的有无。
[0104]
在事例3的条件下，与事例1及2相比，进行与没有保护膜时相同的举动的分区i的区域(b)受到限制，但还能够有效地检测液滴。
[0105]
[事例4：n2＜n0＜n0'＜n1]
[0106]
图14示出事例4的反射率的入射角依存性的可应用范围。在事例4中，保护膜17的折射率n2比空气的折射率n0小。虽然难以想象折射率比空气的折射率小的固体介质，但此处，将保护膜17的外部的介质的折射率n0设定为1.25这一假想值，将保护膜17的折射率设定为1.10来进行计算。图14中，结合事例1～3，为便于说明，将外部介质记载为“空气”。
[0107]
在事例4中n1＝1.57，n2＝1.10的情况下，由sin
－1
(n2/n1)决定的临界角为45
°
。向弯曲面13射入的入射角为0
°
～45
°
的范围是与没有保护膜的情况相同的举动的分区i，超过
45
°
的范围是分区ii。
[0108]
在事例4中，由于将外部介质的折射率n0假想地设定为1.25，所以没有保护膜的状态下的在光学罩与空气的界面的临界角移至52
°
附近。在没有保护膜的状态下，应该能够利用针对模拟空气的外部介质和水的反射率差来进行检测的所有区域包括在分区ii中。分区i仅为区域(a)，分区ii仅为区域(d)。
[0109]
图15示出事例4的针对外部介质和水的总反射率的入射角依存性。图15中，为便于说明，也将外部介质示为“空气”。与参照图7说明的内容相同，总反射率根据在界面i1的反射成分(1)和透射成分(2)、在界面i2的反射成分(3)、以及再次通过界面i1的透射成分(4)并通过(1) (2)
×
(3)
×
(4)来计算。
[0110]
在事例4的条件下，针对空气的总反射率的入射角依存性与针对水的总反射率的入射角依存性重叠，无法利用总反射率的不同来进行检测。
[0111]
图16a示意性地示出在图14的区域(a)的举动。在区域(a)，从发光元件15(参照图3)射出的光相对于保护膜17以临界角以下的角度射入至弯曲面13，并通过光学罩11与保护膜17的界面。该光与保护膜17上的水滴31的有无无关，都从保护膜17向液滴传感器10的外部射出。无论对于空气还是对于水，都不会引起全反射，无法应用于利用反射率的变化的检测。
[0112]
图16b示意性地示出在图14的区域(d)的举动。从发光元件15射出的光以相对于保护膜17超过临界角的角度射入至弯曲面13，并在光学罩11与保护膜17的界面被全反射。由于光不会到达保护膜17的表面，所以无法探测保护膜17的表面的水滴的有无。
[0113]
在事例4中，无论在分区i还是在分区ii，都无法利用外部物质的反射率差进行检测。保护膜17需要至少具有比外部物质的折射率n0大的折射率。
[0114]
[多层构造的保护膜]
[0115]
保护膜17不限定于单层膜。也可以考虑液滴传感器10的规格环境来使多种保护膜重叠。例如，也可以层叠防止紫外线的防紫外线涂层和用于防止或抑制检测面的伤痕的硬涂层。以下，对保护膜17使用两层以上的多层构造的例子进行说明。
[0116]
图17示出使用多层保护膜时的折射状态。在该例子中，覆盖光学罩11的保护膜17是三层构造，从与光学罩11相邻的一侧起依次具有第一膜171、第二膜172、以及第三膜173。将空气的折射率设为n0，将检测对象的液体例如水的折射率设为n0'，将光学罩11的折射率设为n1。
[0117]
将第一膜171、第二膜172、以及第三膜173的折射率分别设为n2、n3、n4。将第一膜171、第二膜172、第三膜173全部具有比空气的折射率大的折射率作为前提。若包括水滴31和光学罩11在内地维持折射率n0＜n0'＜n1的关系，则折射率的大小关系的组合最大为120种，例如，考虑如下四个事例。
[0118]
(i)n0＜n0'＜n1＜n2＜n3＜n4[0119]
(ii)n0＜n0'＜n4＜n3＜n2＜n1[0120]
(iii)n0＜n0'＜n1＜n4＜n3＜n2[0121]
(iv)n0＜n3＜n0'＜n1＜n2＜n4[0122]
在(i)的情况下，由于折射率从液滴传感器10的下层朝向上层单调增加，所以无论是哪种入射角，都不会引起在界面的全反射。并且，如图18的光路(i)所示，在除与水滴31的
界面之外的所有界面，折射角都比入射角小。在该情况下，液滴传感器10维持与没有保护膜17的情况相同的举动。在第三膜173与外部物质的界面，在对于空气满足全反射条件且对于水成为非全反射的入射角的范围内，能够有效地检测水滴31。
[0123]
在(ii)的情况下，由于折射率从液滴传感器10的上层朝向下层单调减少，所以根据入射角，能够得到在任何界面都引起全反射的状况。具体而言，若使向弯曲面13射入的入射角逐渐变大，则最初在第三膜173与水滴31的界面引起全反射。若使入射角进一步变大，则在第二膜172与第三膜173的界面引起全反射。若使入射角更进一步变大，则在第一膜171与第二膜172的界面引起全反射，最后在光学罩11与第一膜171的界面引起全反射。
[0124]
根据入射角，能够在任何界面都引起全反射，但最初引起全反射的是第三膜173与水滴31的界面，因此在此时的入射角以下的范围内，维持与没有保护膜时相同的功能。
[0125]
在(iii)的情况下，在光沿层叠方向前进时，在光学罩11与第一膜171之间，折射率从n1增大至n2，但在之后单调减少。但是，由于除水滴31之外，在四个层中，光学罩11具有最小的折射率n1，所以当在水滴31与第三膜173的界面引起全反射之前，不会在其它界面产生全反射。
[0126]
在(iii)的条件下，也维持与没有保护膜的情况相同的功能，在第三膜173的表面与空气接触时进行全反射而与水滴31接触时不进行全反射的角度范围内，能够检测水滴31。
[0127]
在(iv)的情况下，在光沿层叠方向前进时，若向弯曲面13射入的入射角增大，则在第三膜173与水滴31的界面引起全反射之前，在第一膜171与第二膜172的边界面先引起全反射。在比在该边界面引起全反射的入射角小的角度区域内，维持与没有保护膜的情况相同的功能，但能够用于水滴31的检测用的入射角的范围变小。
[0128]
若考虑上述的(i)～(iv)的事例，则保护膜17为多层膜时的液滴传感器10的动作如下。
[0129]
(a)在光学罩11以及保护膜17所包含的所有多个膜的折射率比水滴31的折射率n0'大的情况下，维持与没有保护膜时相同的功能，能够利用针对水和空气的反射率差来检测水滴31。
[0130]
(b)在折射率比水滴31的折射率小的层存在于层叠中的某处的情况下，若使向弯曲面13射入的入射角增大，则在与水滴31之间的界面引起全反射之前产生全反射的界面存在于层叠中。在比向最初引起全反射的界面射入的入射角小的角度区域内，维持与没有保护膜的情况相同的功能，但该角度区域变小。
[0131]
综上所述，由折射率比检测对象的液体的折射率大的材料形成保护膜17所包含的多个膜，从而没有保护膜时的检测原理照原样适用。在使用折射率比空气的折射率大且比检测对象的液体的折射率小的涂层材料的情况下，与没有保护膜的结构相比，能够用于液滴的检测的入射角的范围变小。尽管如此，在满足在与气体之间的界面全反射而在与液体之间的界面不全反射的条件的角度范围内，作为液滴传感器发挥功能。
[0132]
图18示出使用多层保护膜时的另一折射状态的例子。图18中，折射率按照n0＜n4＜n0'＜n3＜n2＜n1的顺序变大。与水滴31形成边界的第三膜173的折射率n4比空气的折射率n0大，但比水滴31的折射率n0'小。因此，在第三膜173与水滴31的界面不产生全反射，但在光向水滴31射入之前，有可能在保护膜17中的任一界面、或者光学罩11与保护膜17的界面引
起全反射。
[0133]
在使向弯曲面13射入的入射光的入射角逐渐变大时，在比在任一界面最初引起全反射的入射角小的入射角的范围内，液滴传感器10与没有保护膜的情况相同地发挥功能。在图18的例子中，按照n1、n2、n3、n4单调减少，因此最初产生全反射的是n3与n4的界面。
[0134]
图19示出图18的条件下的反射率的入射角依存性的可应用范围。比在n3与n4的界面引起全反射时的入射角小的入射角的范围是进行与没有保护膜的情况相同的动作的分区i。超过该入射角的区域是在光到达保护膜17的表面之前引起全反射的分区ii。
[0135]
在分区i中，在针对空气和水的反射率差较大的入射角区域(在该例子中为40
°
～54
°
)中存在能够作为检测水滴31的区域来使用的区域。分区ii分为三个区域c
3-4
、c
2-3
、c
1-2
。c
3-4
是在折射率n3与n4的边界引起全反射的区域。c
2-3
是在折射率n2与n3的边界引起全反射的区域。c
1-2
是在折射率n1与n2的边界引起全反射的区域。分区ii在检测光到达保护膜17表面并向水滴31射入之前，在保护膜17内或者光学罩11与保护膜17的界面引起全反射，因此无法用于检测。
[0136]
以上，基于特定的结构例对发明进行了说明，但本发明不限定于上述的结构例。例如，在图18的三层构造的保护膜中，也可以由相同材料形成两个膜。只要确保得到与没有保护膜的情况相同的功能的分区i，也可以使保护膜17与防水膜、光吸收膜、反射膜等功能性涂层组合。也可以构成为，通过将图1所示的检测面ss以外的面作为非检测面而将其遮光，防止太阳光等外来光从非检测面向发光元件、受光元件射入，从而外来光不影响动作。
[0137]
在图3的结构中，也可以不设置球形的空间12a、12b，而将发光元件15和/或受光元件16在第一焦点位置和/或第二焦点位置埋入至光学罩11。也可以以yz面切下光学罩11的旋转椭圆体中的不影响液滴的检测功能的x轴方向的两端部。光学罩11的折射率n1例如能够在1.4～1.8的范围内选择。在保护膜17的折射率比检测对象的液体的折射率大的情况下，无论保护膜17的折射率比光学罩11的折射率大，还是比光学罩11的折射率小，都能够与没有保护膜17时相同地发挥功能。
[0138]
实施方式的液滴传感器作为雨水传感器，能够设置于路边树、路灯等。或者，也能够设置于车辆的前挡风玻璃的附近，用于雨刮器控制等。