-
Die Erfindung betrifft eine Kameraanordnung für ein Kraftfahrzeug mit einer eine Fahrzeugscheibe durchblickenden Kamera, wobei in den Strahlengang zwischen der Fahrzeugscheibe und dem Kameraobjektiv eine Prismenanordnung eingebracht ist, die mindestens zwei hintereinander angeordnete Prismen aus optisch transparenten Materialien aufweist, die zusammenwirkend farbfehlerkompensierende Eigenschaften aufweisen, wobei die Prismen derart orientiert sind, dass sie entgegengesetzte Brechungsrichtungen aufweisen und ihre einander zugewandten Flächen nichtparallel verlaufen und wobei der Strahlengang durch ein zwischen den Prismen befindliches nichtkondensiertes optisches Medium verläuft.
-
Kameraanordnungen mit einer eine Fahrzeugsscheibe durchblickenden Kamera werden beispielsweise zur Fahrspur- und/oder zur Verkehrszeichenerkennung eingesetzt. In einem modernen Kraftfahrzeug steht die als Windschutzscheibe bezeichnete vordere Fahrzeugscheibe unter einem relativ flachen Winkel (etwa 20° bis 25°) zum Horizont. Daher wird ein in horizontaler Richtung einfallender Lichtstrahl beim Eintritt in eine solche Fahrzeugscheibe stark gebrochen.
-
Damit der Lichtstrahl beim Austritt aus der Fahrzeugscheibe nicht erneut gebrochen wird, ist es bekannt, einen prismenartigen Lichtleitkörper brechungsfrei oder mit nur geringer Brechung an die Innenseite der Fahrzeugscheibe anzukoppeln. Die Verwendung des Lichtleitkörpers in Kombination mit der starken Brechung an der Außenfläche einer Fahrzeugscheibe führt neben einer Winkelablenkung auch zu einer Vergrößerung des Strahlquerschnitts nach der Brechung. Dies ist erwünscht, da dadurch die Einkoppelfläche auf der Fahrzeugscheibe klein gehalten werden kann.
-
Derartige Lichtleitkörper können allerdings geometrische Verzerrungen sowie störende Farbfehler bewirken. Bei den geometrischen Verzerrungen handelt es sich sowohl um vertikale Stauchungen als auch um Krümmungen der Kamerabilder.
-
In der europäischen Patentschrift
EP 1 651 469 B1 ist eine Kameraanordnung beschrieben, bei der der Lichtleitkörper aus einem festen Verbund von mindestens zwei Prismen gebildet ist, die nach dem Flint-Kronglas-Prinzip eine achromatisch wirkende Anordnung ausbilden.
-
Nachteilig hierbei ist, dass von den benötigten unterschiedlichen Prismenmaterialien zumeist wenigstens eines relativ teuer ist, was erheblich zum Kostenaufwand für die gesamte Kameraanordnung beiträgt.
-
Nachteilig ist weiterhin, dass die Farbfehlerkompensation nur für einige wenige Wellenlängen gut gelingt. Eine weiter verbesserte Farbfehlerkompensation erfordert den Einsatz zusätzlicher Prismen aus wiederum anderen Materialien, was zu einem weiteren Kostenaufwand führt.
-
Diese Prismen sind optisch aneinander anzukoppeln und werden zumeist miteinander verklebt, wobei das Klebematerial hinsichtlich seiner optischen Eigenschaften hohen Anforderungen genügen muss, da ansonsten erhebliche Reflexionsverluste auftreten.
-
Die Patentschrift
GB 271,963 A offenbart eine Kameraanordnung, bei der in den Strahlengang vor dem Kameraobjektiv eine Prismenanordnung eingebracht ist, die zwei hintereinander angeordnete Prismen aus optisch transparenten Materialien aufweisen, die zusammen farbfehlerkompensierende Eigenschaften (”achromatic”) aufweisen, wobei die Prismen derart orientiert sind, dass sie entgegengesetzte Brechungsrichtungen aufweisen, und ihre einander zugewandten Flächen nichtparallel verlaufen und wobei der Strahlengang durch ein zwischen den Prismen befindliches nichtkondensiertes optisches Medium (Luft) verlauft.
-
Dieses Dokument gibt jedoch keine Hinweise auf die Möglichkeit einer Anwendung der Kameraanordnung in einem Kraftfahrzeug und somit auch nicht, wie eine hierzu geeignete Kameraanordnung konstruktiv vorteilhaft auszugestalten wäre.
-
Es ergab sich die Aufgabe, eine Kameraanordnung mit einer effizient wirkenden Farbfehler kompensierenden Prismenkombination für ein Kraftfahrzeug zu schaffen, welche besonders einfach und kostengünstig zu fertigen ist.
-
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass die Prismen einstückig miteinander verbunden sind.
-
Die Prismenanordnung ist somit als einstückig geformter Lichtleitkörper ausgebildet. Eine derartige Prismenanordnung mit fest zueinander angeordneten Prismen ist besonders kostengünstig herstellbar und erfordert keinen Justieraufwand bei der Montage.
-
Die einander zuwandten Flächen der Prismen stehen unter einem Versatzwinkel ≠ 0° zueinander, wobei sich in dem Zwischenraum zwischen diesen Prismenflächen ein Gas, Gasgemisch oder ein Vakuum befindet. Für eine effiziente Farbfehlerkorrektur ist es erforderlich, dass das optische Medium zwischen den Prismen keine oder nur eine geringe Dispersion aufweist, weshalb ein nichtkondensiertes optisches Medium vorgesehen ist.
-
Vorteilhaft ist, dass durch eine geeignete Anordnung von zwei Prismen in einem optimierten Versatzwinkel zueinander eine sehr gute Farbfehlerkompensation für einen großen Wellenlängenbereich möglich wird, was eine qualitativ hervorragende Farbdarstellung ermöglicht.
-
Die erfindungsgemäße Kameraanordnung setzt, im Gegensatz zu der aus der
EP 1 651 469 B1 bekannten Kameraanordnung, keine Prismen aus unterschiedlichen Materialien voraus. Hierdurch wird es möglich, beide Prismen aus einem einzigen kostengünstigen Glas- oder Kunststoffmaterial einstückig zu fertigen.
-
Aufgrund des Versatzwinkels zwischen den beiden Prismen ergibt sich eine anamorphe Verzerrung, nämlich eine vertikale Stauchung des Bildes. Diese kann je nach Anwendungszweck der Kamera vorteilhaft sein und kann gegebenenfalls zur Darstellung auf einem Bildschirm durch die Kamera oder eine mit der Kamera verbundenen Auswertevorrichtung auf elektronischem Wege, insbesondere durch einen Digitalrechner, leicht rückgängig gemacht werden. Die beim Einzelprisma zu beobachtende Krümmung des Kamerabildes wird dagegen von der Prismenanordnung kompensiert.
-
Im folgenden soll ein Ausführungsbeispiel der Erfindung anhand der Zeichnung dargestellt und näher erläutert werden.
-
Die 1 zeigt die prinzipielle Anordnung der Komponenten einer erfindungsgemäßen Kameraanordnung. Da das Aufbau- und Funktionsprinzip verdeutlicht werden soll, sind die dargestellten Komponenten hinsichtlich einer realen konstruktiven Umsetzung weder größen- noch winkelgetreu zueinander dargestellt.
-
Die Anordnung besteht in ihrer minimalen Ausgestaltung aus zwei einstückig miteinander verbundenen Prismen (3, 5) und einer Kamera 7, wobei die Kamera 7 die Fahrzeugscheibe 2 durchblickt, also Licht von der Außenseite der Fahrzeugscheibe 2 aufnimmt. Dabei verläuft der Strahlengang 1 von der Fahrzeugscheibe 2 bis zur Kamera 7 durch beide Prismen (3, 5) und durch ein, sich zwischen den Prismen (3, 5) befindendes optisches Medium 4.
-
Unter dem Begriff ”Kamera” soll in diesem Dokument eine Anordnung verstanden werden, die aus zumindest einem Objektiv 6 und einem Licht registrierenden Sensorchip 8 besteht. Das Objektiv 6 weist dabei zumindest eine fokussierend wirkende Linse auf. Selbstverständlich können weitere optische, elektronische oder mechanische Komponenten, insbesondere ein eigenes Gehäuse, ebenfalls Bestandteile der Kamera 7 sein.
-
Der Begriff ”Prisma” bezeichnet hier einen Körper, der zueinander nicht parallele, optisch brechend wirkende Flächen aufweist. Im einfachsten Fall können die einstückig miteinander verbundenen Prismen (3, 5), wie in der Figur dargestellt, als einfache Dreiecksprismen ausgebildet sein, die senkrecht zum Strahlengang 1 eine dreieckige Querschnittsfläche aufweisen.
-
Vorteilhaft ist es, wenn die einstückig miteinander verbundenen Prismen (3, 5) aus möglichst kostengünstigen Materialien bestehen, wobei es besonders vorteilhaft ist, wenn beide Prismen (3, 5) aus dem gleichen Material bestehen und zudem die gleiche Form und Größe aufweisen, also insgesamt baugleich ausgeführt sind, so dass in großen Stückzahlen günstig herzustellende Prismen verwendet werden können. Es sei darauf hingewiesen, dass die in diesem Absatz genannten Eigenschaften der Prismen (3, 5) für die Funktion der Anordnung keineswegs als zwingend anzusehen sind, so dass in geeigneter Anpassung auch Prismen unterschiedlicher Formen, Größen und Materialien zu einer Prismengruppe verbunden sein können. Wichtig ist hier die Erzielung der gewünschten Strahlablenkung bei gleichzeitig möglichst guter Farbkompensation.
-
Wesentlich dazu ist, dass der Strahlengang zwischen den Prismen (3, 5) durch ein optisches Medium 4 verläuft, welches einen anderen Brechungsindex aufweist, als die Prismen (3, 5). Da dieser Brechungsindex des optischen Mediums 4 kleiner sein muss als der Brechungsindex bzw. die Brechungsindizes der Prismen und die Dispersion des optischen Mediums möglichst gering sein soll, ist es vorteilhaft ein nichtkondensiertes optisches Medium 4 vorzusehen, also ein Gas oder Gasgemisch, insbesondere Luft. Darüber hinaus kann auch ein nichtmaterielles optisches Medium 4, also ein Vakuum zwischen den Prismen (3, 5) vorgesehen sein.
-
Zur Erläuterung des Funktionsprinzips der dargestellten Anordnung ist in der 1 der Verlauf von drei parallelen Lichtstrahlen 1 dargestellt, die etwa horizontal auf die Außenseite einer gegen die Einfallsrichtung geneigten Fahrzeugscheibe 2 treffen. Beim Eintritt in die Fahrzeugscheibe werden die Lichtstrahlen 1 zum Scheibenlot hin gebrochen.
-
An der Innenseite der Fahrzeugscheibe 2 ist ein erstes Prisma 3 angeordnet. Dieses erste Prisma 3 weist einen gleichen oder ähnlichen Brechungsindex auf wie die Fahrzeugscheibe 2, und ist optisch an die Fahrzeugscheibe 2 angekoppelt, so dass im Übergangsbereich zwischen der Fahrzeugscheibe 2 und dem ersten Prisma 3 praktisch keine Winkelablenkung der Lichtstrahlen 1 erfolgt.
-
Die beiden Prismen (3, 5) sind mit ihren Prismenwinkeln (3a, 5a) zueinander entgegengesetzt orientiert, so dass sie die durchlaufenden Lichtstrahlen 1 in entgegengesetzte Brechungsrichtungen ablenken. Die Strahlablenkung des ersten Prismas 3 wird so durch das zweite Prisma 5 zumindest teilweise kompensiert. Der Strahlenverlauf ist durch eine Vorgabe des Versatzwinkels 4a zwischen den Prismen (3, 5) beeinflussbar, was bei der Konstruktion einer besonders kompakten Kameraanordnung vorteilhaft ist.
-
Die nach Durchgang durch das zweite Prisma 5 noch immer parallel zueinander verlaufende Lichtstrahlen 1 werden durch das Kameraobjektiv 6 auf den Sensorchip 8 der Kamera 7 fokussiert.
-
Das Prinzip der Farbfehlerkompensation wird im folgenden anhand der 2 und 3 erläutert. Die 2 verdeutlicht zunächst in einer stark vereinfachten, rein qualitativen Darstellung, das Entstehen von Farbfehlern, bei einer Anordnung mit nur einem Prisma.
-
Auf die Eintrittsfläche des Prismas 3' treffen zwei parallele weiße Lichtstrahlen 1' auf. Die verschiedenen Farbanteile dieser Strahlen 1' werden bekanntermaßen beim Durchlaufen des Prismas 3' aufgrund der Dispersionseigenschaften des Prismenmaterials verschieden stark gebrochen. Dies ist hier dadurch angedeutet, dass sich die eintretenden Lichtstrahlen 1 in jeweils zwei Strahlen (b1', r1', b2', r2') aufspalten, wobei die gestrichelt dargestellten Strahlen (r1', r2') hier die roten Farbanteile darstellen, während der punktiert dargestellten Strahlen (b1', b2') die blauen Farbanteile repräsentieren.
-
Da Strahlen gleicher Farben (b1', b2', bzw. r1', r2') durch das Prisma 3' gleich stark gebrochen werden, treten die gleichfarbigen Strahlen (b1', b2', bzw. r1', r2') jeweils parallel zueinander in das Objektiv 6', hier symbolisch durch eine einzige Konvexlinse dargestellt, ein und werden durch das Objektiv 6' auf jeweils einen Bildpunkt (B bzw. R) fokussiert. Bildpunkte unterschiedlicher Farbe (B bzw. R) liegen somit in der Bildebene der Kamera nebeneinander, was zu Farbsäumen oder bei einem nur die Helligkeit erfassenden Sensorchip („Schwarz-Weiß-Kamera”) zu unscharfen Bildern führt.
-
Die Kompensation dieser Farbfehler erfolgt, wie in der 3 skizziert, durch ein zweites Prisma 5. Das zweite Prisma 5 bricht die eintretenden Lichtstrahlen 1 wie das erste Prisma 3, allerdings aufgrund seiner zum ersten Prisma 3 entgegengesetzten Anordnung in Gegenrichtung. Dies gilt insbesondere auch für die unterschiedlich starke Brechung verschiedener Farben, so dass die Strahlen unterschiedlicher Farben nach dem Durchlaufen des zweiten Prismas parallel zueinander ausgerichtet sind. Diese parallelen Strahlen werden durch das fokussierend wirkende Objektiv 6 in einem einzigen Bildpunkt P vereinigt, wodurch sich keinerlei Farbaufspaltung in der Bildebene der Kamera mehr ergibt.
-
Für den Fall, dass der Versatzwinkel 4a der beiden Prismen (3, 5) Null wird, erhält man den Sonderfall, dass die beiden Prismen eine planparallele Platte bilden. In diesem Sonderfall ergibt sich eine verzerrungsfreie und vollständig farbfehlerfreie Abbildung, allerdings fehlt die gewünschte Ablenkung des Strahlenganges. Diese Ablenkung ist erst durch einen geeigneten Versatzwinkel 4a der beiden Prismen (3, 5) erreichbar. Mit größer werdendem Versatzwinkel 4a wird auch die Strahlablenkung großer. Prinzipiell nimmt auch der Farbfehler zu, jedoch in wesentlich kleinerem Maße als mit nur einem Prisma wie in 2 dargestellt. Insbesondere ist es möglich, durch geeignete gleichzeitige Wahl der Brechungsindizes der Medien 3, 4 und 5, der Prismenwinkel (3a, 5a) und des Versatzwinkels (4a) für einen gewissen Einfallswinkelbereich der Lichtstrahlen 1 eine sehr gute Farbkompensation zu erzielen.
-
Bezugszeichenliste
-
- 1, 1'
- Lichtstrahlen (Strahlengang)
- 2
- Fahrzeugscheibe
- 3, 3'
- erstes Prisma
- 3a
- Prismawinkel
- 4
- optisches Medium
- 4a
- Versatzwinkel (zwischen den Prismen)
- 5
- zweites Prisma
- 5a
- Prismawinkel
- 6, 6'
- Objektiv
- 7
- Kamera
- 8
- Sensorchip
- b1', r1', b2', r2'
- Strahlen
- R, B, P
- Bildpunkte