DE102011055928A1

DE102011055928A1 - Optische Vorrichtung mit multifokaler Abbildung

Info

Publication number: DE102011055928A1
Application number: DE201110055928
Authority: DE
Inventors: Dieter Krökel; Jochen Bauer; Stefan Rathgeb
Original assignee: Conti Temic Microelectronic GmbH
Current assignee: Aumovio Microelectronic GmbH
Priority date: 2011-12-01
Filing date: 2011-12-01
Publication date: 2013-06-06

Abstract

Die Erfindung betrifft eine optische Vorrichtung für ein Fahrzeug, die wenigstens ein Bildaufnahmeelement (2) mit einer für elektromagnetische Strahlung (3, 4) sensitiven Fläche umfasst, wobei die optische Vorrichtung derart ausgebildet ist, dass das Bildaufnahmeelement (2) – in wenigstens einem ersten Bereich (2.1) der sensitiven Fläche des Bildaufnahmeelements elektromagnetische Strahlung (3) aus einem ersten optischen Entfernungsbereich erfasst, wobei es sich bei dem ersten Entfernungsbereich um zumindest einen Umgebungsbereich (6), insbesondere den Verkehrsraum, um das Fahrzeug handelt, und – in wenigstens einem zweiten Bereich (2.2) der sensitiven Fläche elektromagnetische Strahlung (4) aus einem zweiten optischen Entfernungsbereich erfasst, wobei es sich bei dem zweiten Entfernungsbereich um einen Bereich einer Scheibe (1) des Fahrzeugs handelt, zur Erkennung von Feuchtigkeit und/oder Regen (9) auf der Scheibe (1).

Description

Die Erfindung betrifft eine optische Vorrichtung mit multifokaler Abbildung, insbesondere zur Anordnung in einem Fahrzeug und zur Erfassung sowohl eines Fernbereichs, beispielsweise des Verkehrsraums vor dem Fahrzeug zur Objekterkennung, sowie eines Nahbereichs, beispielsweise der Windschutzscheibe bzw. deren Außenseite zur Erkennung von Regen bzw. Ablagerungen. Die optische Vorrichtung ist dabei bevorzugt hinter der Windschutzscheibe des Fahrzeugs angeordnet mit Blickrichtung durch die Windschutzscheibe hindurch.
Fahrerassistenzsysteme in Fahrzeugen verwenden häufig eine Kamera zur Erfassung der Fahrzeugumgebung, beispielsweise zur Erkennung verschiedenster Objekte im Umfeld des Fahrzeugs. Die Kameras ist dabei in der Regel hinter der Windschutzscheibe des Fahrzeugs angeordnet und blicken in Fahrtrichtung durch die Scheibe hindurch. Bekannt sind beispielsweise Fahrzeugkameras zur Erkennung von Fahrbahnmarkierungen, Verkehrszeichen und anderer Objekte, sowie Nachtsichtkameras oder auch Stereokameras als optische Abstandssensoren.
Neben dem Einbauraum einer solchen Kamera befinden sich typischerweise weitere Sensoren beispielsweise zur Erkennung von Ablagerungen auf der Fahrzeugscheibe wie Verschmutzungen, Feuchtigkeit, Regen oder Eis bzw. Schnee.
Zum Stand der Technik gehören inzwischen verschiedene Sensorsysteme in Kraftfahrzeugen, die mittels einer Kamera Fahrerassistenzfunktionen mit einer Objekterkennung in einem optischen Fernbereich (z.B. Verkehrszeichen-, Fußgänger-, Fahrspur oder Lichtquellenerkennung) und mittels eines zusätzlichen Sensors, z.B. ein Regensensor, Fahrerassistenzfunktionen mit einer Objekterkennung in einem optischen Nahbereich (z.B. Regenerkennung auf einer Windschutzscheibe) ermöglichen.
Aus der DE 103 55 205 A1 ist eine Vorrichtung bekannt, zur Befestigung einer Kamera der Windschutzscheibe eines Fahrzeugs, wobei in einem ersten Einbauraum hinter der Windschutzscheibe die Kamera angeordnet ist, die zur Erfassung von Bildern aus dem in Fahrtrichtung des Fahrzeugs vorausliegenden Verkehrsraum dient. Unterhalb des Einbauraums für die Kamera ist ein zweiter Einbauraum für einen Regensensor vorgesehen, dessen Sensorfläche der Windschutzscheibe zugewandt ist.
Nachteilig bei der in der DE 103 55 205 A1 beschriebenen Vorrichtung sowie bei anderen bekannten Vorrichtungen, bei denen mehrere Sensoren, insbesondere Kameras und Regensensoren, hinter der Windschutzscheibe eines Fahrzeugs angeordnet sind, ist ein erhöhter Bedarf an begrenztem Einbauraum.
Es gibt daher bereits Ansätze mehrere Funktionen auf eine einzelne Kameravorrichtung zu vereinen, beispielsweise mittels bifokaler bzw. multifokaler Kameras, d.h. Kameras die gleichzeitig zwei optische Entfernungsbereiche auf einem einzigen Bildaufnahmeelement erfassen können.
Um gleichzeitig unterschiedliche Funktionen mit nur einer Kamera erfüllen zu können, werden hierzu teilweise zusätzliche Elemente in den optischen Pfad, d.h. in den Strahlengang des in die Kamera einfallenden Lichts bzw. der elektromagnetischen Strahlung, eingebracht. Die zusätzlichen Elemente erlauben es mit nur einem in der Kamera angeordneten Bildaufnahmeelement, z.B. einem CMOS- oder CCD-Bildchip, gleichzeitig zwei unterschiedliche Entfernungsbereiche abzubilden.
Ein solches System ist aus der EP 1 923 280 A1 bekannt. Durch ein zusätzliches optisches Element mit einer positiven Linse (konvexe Linse) wird ein bestehendes Abbildungssystem, welches auf einen optischen Fernbereich fokussiert ist, in die Lage gebracht, zusätzlich eine scharfe Abbildung von Objekten aus einem optischen Nahbereich auf ein Bildaufnahmeelement zu projizieren, in diesem Fall eine scharfe Abbildung von Regentropfen auf einer Fahrzeugscheibe. Wenn sich keine Regentropfen auf der Scheibe befinden, ist das auf das Bildaufnahmeelement projizierte Bild ausschließlich vom optischen Fernbereich dominiert. Wenn sich Tropfen auf der Windschutzscheibe befinden, wird die Abbildung des Fernbereichs durch die Abbildung des Nahbereichs in der gleichen Bildebene überlagert und das erzeugte Bildsignal wird verändert.
Nachteilig bei dem in der EP 1 923 280 A1 beschriebenen multifokalen Abbildungssystem ist die Tatsache, dass Strahlung sowohl aus einem optischen Nahbereich als auch aus einem optischen Fernbereich gleichzeitig auf einem gemeinsamen Bereich des Bildaufnahmeelements auftrifft und dort zu einem zusammengesetzten Bildsignal führt. Dadurch wird für beide Fahrerassistenzfunktionen, d.h. für die Fernbereichserfassung und die Nahbereichserfassung, die Abbildungsqualität, durch die sich überlagernde Strahlung aus beiden Erfassungsbereichen, herabgesetzt.
Die DE 10 2004 037 871 A1 schlägt eine ähnliche Lösung vor. In diesem Fall wird jedoch bei einer optische Vorrichtung, die mit einem Halbleiterelement und einem Objektiv zum Projizieren von elektromagnetischer Strahlung auf die sensitive Fläche des Halbleiterelements ausgebildet ist, zwischen dem Objektiv und der sensitiven Fläche des Halbleiterelements ein zusätzliches optisches Element derart angeordnet, so dass durch das zusätzliche optische Element in einem ersten Bereich der sensitiven Fläche des Halbleiterelements, vor dem sich das zusätzliche optische Element befindet, ein erster Entfernungsbereich abgebildet wird und in einem zweiten Bereich des Sichtbereichs, vor dem sich das zusätzliche optische Element nicht befindet, ein zweiter Entfernungsbereich abgebildet wird.
Nachteilig bei der in der DE 10 2004 037 871 A1 beschriebenen Lösung ist jedoch, dass durch die Kante des zusätzlichen optischen Elements Störungen im Strahlverlauf für die erfassten Nah- und Fernbereichserfassung in der Nähe der Kante entstehen, d.h. im Übergangsbereich zwischen den beiden Bereichen der sensitiven Fläche des Bildaufnahmeelements. Darüber hinaus ergeben sich hohe Einbautoleranzanforderungen aufgrund der festen Kante des optischen Elements.
Die EP 1 580 092 A2 schlägt daher vor, eine Kamera für ein Fahrzeug mit einem Bildsensor, welcher erste optische Strahlung aus einem Fernbereich erfasst, derart weiterzubilden, dass mittels eines zusätzlichen optischen Elements, bei dem es sich beispielsweise um einen Hohlspiegel handeln kann, dem Bildsensor zweite optische Strahlung aus einem Nahbereich zuzuführen. Die zweite optische Strahlung wird dabei mittels des Hohlspiegels auf den Bildsensor gespiegelt. Der Hohlspiegel ist dabei über dem Strahlengang der optischen Strahlung aus dem Fernbereich angeordnet und erfasst zweite optische Strahlung aus einem Bereich der Windschutzscheibe des Fahrzeugs, der sich über dem Sichtbereich der Kamera für die Fernbereichserfassung befindet. Die optischen Strahlungen aus dem ersten und den zweiten Entfernungsbereich werden dabei auf getrennten Bereichen des Bildsensors abgebildet, so dass es keine Überlagerung der optischen Strahlungen gibt.
Nachteilig bei der in der EP 1 580 092 A2 beschrieben Lösung ist jedoch die Tatsache, dass für die Anordnung des zusätzlichen optische Elements und damit für die Erfassung des Nahbereichs, zusätzlicher Bauraum erforderlich ist, und dass insgesamt, d.h. für die Erfassung des Fern- und des Nahbereichs, ein großer Sichtbereich der Kamera durch bzw. auf die Windschutzscheibe des Fahrzeugs benötigt wird.
Insgesamt weisen die aus dem Stand der Technik bekannten Systeme, bei welchen die gleichzeitige Erfassung eines Fern- und eines Nahbereichs entweder mittels mehrerer separater Sensorvorrichtungen erfolgt oder bei welchen mehrere Erfassungsfunktionen mittels eines einzelnen optischen Systems realisiert werden, den wesentlichen Nachteil auf, dass diese Systeme umso mehr Bauraum und einen umso größeren Sichtbereich auf bzw. durch die Windschutzscheibe eines Fahrzeugs beanspruchen, je mehr Funktionen (Erfassungsfunktionen bzw. Fahrerassistenz-funktionen) diese Systeme erfüllen.
Der Erfindung liegt demnach die Aufgabe zugrunde, eine optische Vorrichtung anzugeben, die bei möglichst kompakter Bauweise, mehrere Erfassungsfunktionen, insbesondere eine gleichzeitige Nahbereichs- und eine Fernbereichserfassung- ermöglicht und bei welcher die vorangehend beschriebenen Probleme der bekannten Systeme vermieden werden.
Diese Aufgabe wird durch eine optische Vorrichtung mit den Merkmalen nach Anspruch 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen sind Gegenstand von Unteransprüchen, wobei auch Kombinationen und Weiterbildungen einzelner Merkmale miteinander denkbar sind.
Ein wesentlicher Gedanke der Erfindung besteht darin, eine optische Vorrichtung, insbesondere eine Fahrzeugkamera, die beispielsweise mittels eines Abbildungssystems auf einen optischen Fernbereich fokussiert ist, derart mit einem zusätzlichen optischen Element auszugestalten, beispielsweise mit einem Hohlspiegel, das zusätzlich elektromagnetische Strahlung aus einem optischen Nahbereich, insbesondere aus einem Bereich einer Fahrzeugscheibe, bildscharf auf einem einzigen Bildaufnahmeelement zur Abbildung gebracht wird. Gemäß einer bevorzugte Ausgestaltung handelt es sich bei dem Nahbereich um den Bereich der Windschutzscheibe, der gleichzeitig im Sichtbereich der optischen Vorrichtung für die Erfassung des Fernbereichs liegt, so dass für die Fern- und Nahbereichserfassung ein gemeinsamer Sichtbereich auf bzw. durch die Windschutzscheibe genutzt wird und eine besonders kompakte Bauweise erreicht wird. Durch die kompakte Bauweise der erfindungsgemäßen optischen Vorrichtung wird dabei zusätzlicher Bauraum geschaffen, beispielsweise für die Anordnung einer aktiven Beleuchtung, gemäß einer besonderen Ausgestaltung der Vorrichtung.
Die erfindungsgemäße optische Vorrichtung ist vorzugsweise in einem Fahrzeug angeordnet, insbesondere im Fahrzeuginnenraum hinter der Windschutzscheibe, und umfasst wenigstens ein Bildaufnahmeelement mit einer für elektromagnetische Strahlung sensitiven Fläche.
Bei dem Bildaufnahmeelement handelt es sich vorzugsweise um einen lichtempfindlichen Halbleiterbildsensor, beispielsweise ein CCD- oder CMOS-Bildsensor. Das Bildaufnahmeelement dient insbesondere zur Erfassung von elektromagnetischer Strahlung und zur Erzeugung und/oder Ausgabe von elektrischen Signalen in Abhängigkeit der erfassten elektromagnetischen Strahlung.
Bei der elektromagnetischen Strahlung handelt es sich vorzugsweise um elektromagnetische Strahlung im sichtbaren Spektralbereich und/oder um elektromagnetische Strahlung im Infrarot und/oder im Ultraviolettbereich.
Die optische Vorrichtung ist bevorzugt als Fahrzeugkamera ausgestaltet und kann weitere Komponenten umfassen, insbesondere ein Gehäuse, ein Abbildungssystem und Bildauswerteelektronik.
Bei dem Abbildungssystem handelt es sich vorzugsweise um ein Objektiv, das eine oder mehrere Linsen sowie andere optische Strahlformungs-/Strahllenkungselemente aufweisen kann. Das Abbildungssystem dient insbesondere zur Projektion von elektromagnetischer Strahlung, insbesondere aus einem vor einem Fahrzeug liegenden Umgebungsbereich bzw. aus einem Fernbereich, auf das Bildaufnahmeelement bzw. in eine hinter dem Abbildungssystem liegende Bildebene.
Bei der Bildauswerteelektronik handelt es sich vorzugsweise um elektronische Einrichtungen, die zur Auswertung der mittels des optischen Moduls erfassten elektromagnetischen Strahlung bzw. der mittels des Bildaufnahmeelements erzeugten elektrischen Signale dienen. Bei den elektronischen Einrichtungen kann es sich damit beispielweise um elektrische Schaltungen und Mikroprozessoren zur Durchführung von Bildverarbeitungsalgorithmen handeln.
Das Bildaufnahmeelement und die Bildauswerteelektronik sind bevorzugt auf einer oder mehreren Leiterplatten angeordnet, beispielsweise PCB-Leiterplatten (Printed Circuit Board) handelt. Das Bildaufnahmeelement und die Bildauswerteelektronik können auf einer gemeinsamen oder auf getrennten Leiterplatten angeordnet sein. Bei Ausgestaltung mit getrennten Leiterplatten, sind die Leiterplatten vorzugsweise elektrisch miteinander verbunden.
Erfindungsgemäß ist die optische Vorrichtung derart ausgebildet ist, dass das Bildaufnahmeelement in wenigstens einem ersten Bereich der sensitiven Fläche elektromagnetische Strahlung aus einem ersten optischen Entfernungsbereich und in wenigstens einem zweiten Bereich der sensitiven Fläche elektromagnetische Strahlung aus einem zweiten optischen Entfernungsbereich erfasst. Die optische Vorrichtung kann auch zur Erfassung weiterer Entfernungsbereiche ausgebildet sein. Bei dem ersten Entfernungsbereich handelt es sich bevorzugt um einen Umgebungsbereich um das Fahrzeug, insbesondere um den in Fahrtrichtung des Fahrzeugs vorausliegenden Verkehrsraum. Hierzu ist das Abbildungssystem, welches zur Projektion von elektromagnetischer Strahlung auf die sensitive Fläche des Bildaufnahmeelements in der erfindungsgemäßen optischen Vorrichtung angeordnet sein kann, vorzugsweise auf einen Fernbereich fokussiert, so dass die optische Vorrichtung für die Fernbereichserfassung beispielsweise einen Tiefenschärfenbereich zwischen 2 m und unendlich aufweist. Die optische Vorrichtung ist dabei mittels des Abbildungssystems auf einen Umgebungsbereich des Fahrzeug fokussiert, insbesondere den in Fahrtrichtung vorausliegenden Verkehrsraum sowie insbesondere derart, dass die Windschutzscheibe nicht im Tiefenschärfebereich der Fernbereichserfassung liegt. Der erste optische Entfernungsbereich wird im Folgenden als Fernbereich und die elektromagnetische Strahlung aus dem Fernbereich als Fernbereichsstrahlung bezeichnet.
Bei dem zweiten Entfernungsbereich handelt es sich bevorzugt um einen Bereich einer Scheibe, insbesondere um einen Bereich der Windschutzscheibe des Fahrzeugs, hinter der die erfindungsgemäße optische Vorrichtung angeordnet sein kann. Die Erfassung des zweiten Entfernungsbereichs dient dabei vorzugsweise zur Erkennung von Feuchtigkeit und/oder Regen, bzw. allgemein von Ablagerungen, auf der Scheibe. Der zweite optische Entfernungsbereich wird im Folgenden als Nahbereich und die elektromagnetische Strahlung aus dem Nahbereich als Nahbereichsstrahlung bezeichnet.
Die erfindungsgemäße optische Vorrichtung umfasst weiterhin zumindest ein optisches Element, das eine gekrümmte Spiegelfläche aufweist und im Strahlengang der Nahbereichsstrahlung angeordnet ist, vorzugsweise zwischen der Scheibe und dem Bildaufnahmeelement bzw. zwischen der Scheibe und dem auf den Fernbereich fokussierten Abbildungssystem. Das zumindest eine optische Element befindet sich dabei vorzugsweise außerhalb des Strahlenganges der Fernbereichsstrahlung.
Erfindungsgemäß wird mittels des optischen Elements die Nahbereichsstrahlung, insbesondere über bzw. durch das auf den Fernbereich fokussierte Abbildungssystem, auf die sensitive Fläche des Bildaufnahmeelements reflektiert bzw. umgelenkt. Das optische Element ist dabei vorzugsweise derart ausgebildet, dass es die Nahbereichsstrahlung kollimiert und umlenkt, insbesondere derart, dass eine bildscharfe Abbildung des Nahbereichs, in dem wenigstens zweiten Bereich der sensitiven Fläche des Bildaufnahmeelements erfolgt. Die bildscharfe Abbildung des Nahbereichs ist, obwohl das Abbildungssystem auf einen Fernbereich fokussiert ist und obwohl der Nahbereich nicht im Tiefenschärfenbereich des Abbildungssystems liegt, insbesondere deshalb möglich, da mittels des optischen Elements die Nahbereichsstrahlung vorzugsweise kollimiert wird, d.h. in eine im Wesentlichen parallele optische Strahlung umgewandelt wird.
In einer bevorzugten Ausgestaltung der erfindungsgemäßen optischen Vorrichtung, handelt es sich bei dem optischen Element um einen Hohlspiegel, beispielweise um einen Parabolspiegel. Der Hohlspiegel ist dabei vorzugsweise unterhalb des Strahlengangs der Fernbereichsstrahlung sowie derart angeordnet, dass mittels des Hohlspiegels die Nahbereichsstrahlung auf die sensitive Fläche des Bildaufnahmeelements reflektiert wird. Bei der Nahbereichsstrahlung handelt es sich vorzugsweise um elektromagnetische Strahlung aus einem Bereich der Windschutzscheibe, durch den die Fernbereichsstrahlung tritt. Das bedeutet, dass es sich bei dem mittels des Bildaufnahmeelements erfassten Nahbereich bevorzugt um einen Bereich der Windschutzscheibe handelt, durch den die elektromagnetische Strahlung des mittels der optischen Vorrichtung erfassten Fernbereichs handelt. Hierdurch wird für die Fernbereichs- und Nahbereichserfassung in vorteilhafter Weise ein gemeinsamer Sichtbereich durch bzw. auf die Windschutzscheibe genutzt und die erfindungsgemäße optische Vorrichtung kann besonders kompakt ausgebildet und platzsparend im Fahrzeuginnenraum hinter der Windschutzscheibe angeordnet werden.
In einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung der erfindungsgemäßen optischen Vorrichtung handelt es sich bei dem optischen Element um ein Prisma, beispielswiese ein Umlenkprisma, mit einer gekrümmten Spiegelfläche. Das Prisma ist dabei vorzugsweise derart angeordnet, dass mittels des Prismas elektromagnetische Strahlung eines Nahbereichs auf die sensitive Fläche des Bildaufnahmeelements reflektiert wird, durch den die Fernbereichsstrahlung tritt. Das bedeutet, dass es sich bei dem mittels des Bildaufnahmeelements erfassten Nahbereich insbesondere um einen Bereich der Windschutzscheibe handelt, durch den die Fernbereichsstrahlung tritt.
In einer vorteilhaften Ausgestaltung der erfindungsgemäßen optischen Vorrichtung ist das Prisma dabei direkt unterhalb des Strahlengangs der Fernbereichsstrahlung angeordnet. Hierdurch wird für die Fernbereichs- und Nahbereichserfassung in vorteilhafter Weise ein gemeinsamer Sichtbereich durch bzw. auf die Windschutzscheibe genutzt und die erfindungsgemäße optische Vorrichtung kann besonders kompakt ausgebildet und platzsparend im Fahrzeuginnenraum hinter der Windschutzscheibe angeordnet werden.
Mit der Anordnung unterhalb des Strahlengangs der Fernbereichsstrahlung ist bevorzugt ein Einbauraum unterhalb des Sichttrichters der optischen Vorrichtung für die Fernbereichserfassung gemeint und vorzugsweise ein Einbauraum senkrecht unterhalb der optischen Achse des auf den Fernbereich fokussierten Abbildungssystems, welches in der erfindungsgemäßen optischen Vorrichtung angeordnet sein kann. Bei Ausgestaltung der optischen Vorrichtung als Fahrzeugkamera mit einer im Sichttrichter der Fernbereichserfassung und hinter der Windscheibe angeordneten Streulichtblende, kann das optische Element beispielsweise in der Streulichtblende angeordnet bzw. integriert sein.
In einer besonderen Ausgestaltung umfasst die erfindungsgemäße optische Vorrichtung wenigstens eine aktive Beleuchtung, insbesondere zur Erzeugung von elektromagnetischer Strahlung und/oder zur Beleuchtung zumindest des Bereichs der Scheibe, der als Nahbereich mittels der erfindungsgemäßen optischen Vorrichtung erfasst werden kann. Bei der mittels der aktiven Beleuchtung erzeugten elektromagnetischen Strahlung handelt es sich dabei vorzugsweise um elektromagnetische Strahlung im Infrarotbereich. Die erfindungsgemäße optische Vorrichtung kann weiterhin wenigstens ein Einkoppelelement umfassen, zur Einkoppelung der mittels der aktiven Beleuchtung erzeugten elektromagnetischen Strahlung in die Scheibe. Das Bildaufnahmeelement der erfindungsgemäßen optischen Vorrichtung kann in dem Falle beispielsweise derart ausgebildet sein, dass das Bildaufnahmeelement im ersten Bereich, d.h. im Bereich für die Fernbereichserfassung, ausschließlich elektromagnetische Strahlung im sichtbaren Spektralbereich und im zweiten Bereich, d.h. im Bereich für die Nahbereichserfassung, ausschließlich elektromagnetische Strahlung im Infrarotbereich erfasst. Hierzu können beispielsweise eines oder mehrere optische Filterelemente, beispielsweise Spektralfilter, vor der sensitiven Fläche des Bildaufnahmeelements angeordnet sein.
In einer vorteilhaften Ausgestaltung der erfindungsgemäßen optischen Vorrichtung, insbesondere bei Ausgestaltung mit wenigstens einer aktiven Beleuchtung, die zur Erzeugung von elektromagnetischer Strahlung im Infrarotbereich und zur Beleuchtung eines als Nahbereich erfassten Bereichs der Scheibe dient, sowie insbesondere für den Fall, dass es sich bei dem optischen Element um einen Hohlspiegel handelt, ist die gekrümmte Spiegelfläche des optischen Elements bevorzugt mit einer optischen Filterbeschichtung ausgebildet. Die optische Filterbeschichtung ist dabei vorzugsweise derart ausgestaltet, dass an der gekrümmten Spiegelfläche des optischen Elements elektromagnetische Strahlung im Infrarotbereich reflektiert und elektromagnetische Strahlung zumindest im sichtbaren und/oder im Ultraviolettbereich absorbiert wird.
In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der erfindungsgemäßen optischen Vorrichtung, insbesondere bei Ausgestaltung mit wenigstens einer aktiven Beleuchtung, die zur Erzeugung von elektromagnetischer Strahlung im Infrarotbereich und zur Beleuchtung eines als Nahbereich erfassten Bereichs der Scheibe dient, sowie insbesondere wenn es sich bei dem optischen Element um ein Umlenkprisma handelt, ist das optische Element als Infrarot-Transmissionsfilter ausgebildet. Das optische Element ist dabei vorzugsweise derart ausgebildet, dass mittels des optischen Elements elektromagnetische Strahlung im Infrarotbereich transmittiert und reflektiert bzw. umgelenkt sowie elektromagnetische Strahlung zumindest im sichtbaren Spektralbereich und/oder im Ultraviolettbereich absorbiert wird. Hierzu kann die gekrümmte Spiegelfläche des Umlenkprismas mit einer Infrarotstrahlung reflektierenden Schicht, bzw. mit einer Infrarot-Filterschicht ausgestaltet sein und/oder das Umlenkprisma kann ganz oder teilweise aus einem Infrarotstrahlung transmittierendem Material gefertigt sein.
In einer besonderen Ausgestaltung der erfindungsgemäßen optischen Vorrichtung, insbesondere bei Ausgestaltung mit wenigstens einer aktiven Beleuchtung, die zur Erzeugung von elektromagnetischer Strahlung im Infrarotbereich und zur Beleuchtung eines als Nahbereich erfassten Bereichs einer Scheibe des Fahrzeugs dient, ist über dem ersten Bereich der sensitiven Fläche des Bildaufnahmeelements ein Infrarot-Sperrfilter angeordnet, insbesondere ein dielektrischer Infrarot-Sperrfilter. Hierdurch wird die elektromagnetische Strahlung aus dem Nahbereich nicht auf dem ersten Bereich der sensitiven Fläche abgebildet bzw. erfasst und es erfolgt eine vorteilhafte Trennung von Nah- und Fernbereichserfassung auf der sensitiven Fläche des Bildaufnahmeelements, bei der die Erfassung des Fernbereichs auf dem ersten Bereich der sensitiven Fläche des Bildaufnahmeelements, vorzugsweise nicht durch die Infrarotstrahlung aus dem Nahbereich überlagert und gestört wird. Ein weiterer Vorteil bei der Ausgestaltung mit einem dielektrischen Infrarot-Sperrfilter besteht darin, dass dielektrische Filter in der Regel nur wenige Mikrometer dick sind. Die Kante des Filters, d.h. die Kante zwischen den Bereichen der sensitiven Fläche des Bildaufnahmeelement für die Nah- und Fernbereichserfassung, verursacht zudem keine oder nur eine sehr geringe Störung der Erfassung von elektromagnetischer Strahlung, so dass die beiden Bereiche der sensitiven Fläche nahezu vollständig für die Nah- bzw. Fernbereichserfassung genutzt werden können.
Weitere Vorteile sowie optionale Ausgestaltungen der erfindungsgemäßen optischen Vorrichtung gehen aus der Beschreibung und den Zeichnungen hervor. Ausführungsbeispiele sind in den Zeichnungen vereinfacht dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert.
Es zeigt
1: eine bevorzugte Ausgestaltung der erfindungsgemäßen optischen Vorrichtung mit einem Hohlspiel als optisches Element.
2: eine Ausgestaltungsvariante der erfindungsgemäßen optischen Vorrichtung mit einem Umlenkprisma als optisches Element.
1 zeigt eine bevorzugte Ausgestaltung der erfindungsgemäßen optischen Vorrichtung, die in diesem Fall in einem Fahrzeug hinter der Windschutzscheibe 1 angeordnet ist. Die optische Vorrichtung umfasst ein Bildaufnahmeelement 2, mit einer für elektromagnetische Strahlung 3; 4 sensitiven Fläche. Die optische Vorrichtung umfasst weiterhin ein Abbildungssystem 5, in diesem Fall ein Objektiv, welches auf einen Fernbereich 6 fokussiert ist und beispielsweise eine oder mehrere Linsen (nicht dargestellt) umfassen kann. Die optische Achse 7 des Abbildungssystems 5 ist in diesem Fall horizontal bzw. waagerecht zum Horizont in Fahrtrichtung des Fahrzeugs ausgerichtet. Die optische Vorrichtung umfasst weiterhin ein optisches Element, in diesem Fall einen Hohlspiegel 8, mit einer gekrümmten Spiegelfläche 19. Der Hohlspiegel 8 ist in einem Bauraum zwischen der Windschutzscheibe 1 und dem Abbildungssystem 5 angeordnet, in diesem Fall unterhalb des Strahlenganges der elektromagnetischen Strahlung 3 aus dem Fernbereich 6 bzw. senkrecht unterhalb der optischen Achse 7 des Abbildungssystems 5. Der Hohlspiegel 8 ist weiterhin derart angeordnet, dass die elektromagnetische Strahlung 4 aus einem Nahbereich, bei dem es sich in diesem Fall um einen Bereich 10 der Windschutzscheibe 1 handelt, kollimiert und in das Abbildungssystem 5 reflektiert bzw. umgelenkt wird, so dass durch das Abbildungssystem 5 eine bildscharfe Abbildung des Nahbereichs auf einem Bereich 2.2 der sensitiven Fläche des Bildaufnahmeelements 2 erfolgt.
Die optische Vorrichtung aus 1 ist dabei erfindungsgemäß derart ausgebildet bzw. der Hohlspiegel 8 ist derart angeordnet, das in einem ersten Bereich 2.1, der sensitiven Fläche des Bildaufnahmeelements 5, elektromagnetische Strahlung 3 aus dem Fernbereich 6 (Fernbereichsstrahlung) und in einem zweiten Bereich 2.2, der sensitiven Fläche des Bildaufnahmeelements, elektromagnetische Strahlung 4 aus dem Nahbereich (Nahbereichsstrahlung) erfasst bzw. bildscharf abgebildet wird.
Durch die erfindungsgemäße Ausgestaltung der optischen Vorrichtung gemäß 1 können somit gleichzeitig ein optischer Fernbereich 6, insbesondere der vor der Fahrzeug liegenden Verkehrsraum beispielsweise zur Objekterkennung, und ein Nahbereich, beispielsweise die Außenseite der Windschutzscheibe 1 zur Erfassung von Feuchtigkeit bzw. Regen 9, auf getrennten Bereichen 2.1; 2.2 der sensitiven Fläche des Bildaufnahmeelements 2 erfasst und es können die gewonnenen Bilddaten beispielsweise für Fahrerassistenzfunktionen ausgewertet werden.
Dadurch das entsprechend 1 ein gemeinsamer Bereich 10 der Windschutzscheibe 1 sowohl als Sichtbereich für die Erfassung der Fernbereichsstrahlung 3, als auch für die Erfassung der Nahbereichsstrahlung 4 genutzt wird, ergibt sich eine besonders kompakte Bauweise für die optische Vorrichtung. Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist entsprechend 1 weiterhin eine aktive Beleuchtung 11 angeordnet. Die aktive Beleuchtung 11 dient zur Erzeugung von elektromagnetischer Strahlung 12, insbesondere von elektromagnetischer Strahlung 12 im Infrarotbereich, sowie zur Beleuchtung des Bereichs 10 der Windschutzscheibe 1 aus dem die Nahbereichsstrahlung 4 erfasst wird. In diesem Fall wird die mittels der aktiven Beleuchtung 11 erzeugte elektromagnetische Strahlung 12 über ein Einkoppelelement 13, beispielsweise ein Lichtleiter, derart in die Windschutzscheibe 1 eingekoppelt, dass die elektromagnetische Strahlung 12 über Totalreflektion in der Windschutzscheibe 1 in Richtung des erfassten Bereichs 10 geführt wird. Für den Fall, dass sich feuchte Ablagerungen bzw. Regen 9 auf der Scheibe 1 befinden, wird die elektromagnetische Strahlung 12 ganz oder teilweise aus der Scheibe 1 ausgekoppelt und in Richtung des Hohlspiegels 8 reflektiert. Durch den Hohlspiegel 8 wird die ausgekoppelte elektromagentische Strahlung 12; 4 gemäß der vorangegangenen Beschreibung kollimiert und in das Abbildungssystem 5 umgelenkt, so dass in einem Bereich 2.2 der sensitiven Fläche des Bildaufnahmeelements 2 eine Abbildung der Strahlung 4 erfolgt. Insbesondere für den Fall, dass die aktive Beleuchtung 11 ausschließlich elektromagnetische Strahlung 12 im Infrarotbereich erzeugt, beispielsweise mittels einer Infrarot-LED (Light Emitting Diode), kann z.B. ein Infrarot-Sperrfilter (nicht dargestellt) vor dem Bereich 2.1 der sensitiven Fläche des Bildaufnahmeelements 2 für die Fernbereichserfassung angeordnet sein, um Störungen der Fernbereichserfassung durch die Nahbereichserfassung zu vermeiden. Der Hohlspiegel 8 bzw. dessen gekrümmte Spiegelfläche 19 kann alternativ oder zusätzlich mit einer optischen Filterbeschichtung ausgebildet sein, dass an der Spiegelfläche 19 ausschließlich elektromagnetische Strahlung 12; 4 im Infrarotbereich reflektiert bzw. umgelenkt und elektromagnetische Strahlung im Ultraviolettbereich und/oder im sichtbaren Spektralbereich absorbiert wird, insbesondere um Störungen der Nahbereichserfassung auf dem Bereich 2.2 der sensitiven Fläche des Bildaufnahmeelements 2 durch Störlicht, beispielsweise aufgrund von Sonnenstrahlung erzeugte Störreflexe am Hohlspiegel 8, zu vermeiden oder zumindest stark abzuschwächen.
Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung der erfindungsgemäßen optischen Vorrichtung umfasst diese weiterhin Bildauswerteelektronik 14, die auf einer Leiterplatte 15 angeordnet ist. Entsprechend 1 kann auf derselben Leiterplatte 15 auch die aktive Beleuchtung 11 angeordnet sein. Das Bildaufnahmeelement 2 ist entsprechend 1 auf einer separaten Leiterplatte 16 angeordnet, die bevorzugt mit der Leiterplatte 15, auf welcher die Bildauswerteelektronik angeordnet ist, elektrisch verbunden ist. Die optische Vorrichtung im Beispiel aus 1 umfasst weiterhin ein Gehäuse 17, das über eine Haltevorrichtung (nicht dargestellt) an der Windschutzscheibe 1 des Fahrzeugs angeordnet sein kann. Die optische Vorrichtung aus 1 kann erfindungsgemäß als Fahrzeugkamera ausgestaltet sein und weitere Elemente umfassen, wie beispielsweise eine Streulichtblende, Halte- bzw. Befestigungsvorrichtungen sowie elektrische Verbindungselemente zu weiteren elektronischen Einrichtungen im Fahrzeug.
Das Abbildungssystem 5 kann erfindungsgemäß auch mehrteilig ausgestaltet sein.
Wie in 2 dargestellt kann die erfindungsgemäße optische Vorrichtung in einer besonderen Ausgestaltung mit einem Prisma bzw. mit einem Umlenkprisma 18 als optisches Element ausgebildet sein. Das Umlenkprisma 18 kann dabei direkt an der Windschutzschutzscheibe 1 angeordnet sein kann. Das Umlenkprisma 18 weist vorzugsweise eine gekrümmte Spiegelfläche 19 auf, an der elektromagnetische Strahlung 4 aus einem optischen Nahbereich, beispielsweise die Außenseite der Windschutzscheibe 1, kollimiert und in Richtung des Abbildungssystems 5 umgelenkt wird.
In einer besondere Ausgestaltung, insbesondere wenn das Umlenkprisma 18 direkt an der Innenseite der Windschutzscheibe 1 angeordnet ist, kann elektromagnetische Strahlung 4, insbesondere wenn es sich dabei um Infrarotstrahlung 12 handelt, die mittels einer aktiven Beleuchtung 11 erzeugt, mittels eines Einkoppelelements in die Windschutzscheibe 1 eingekoppelt und in der Windschutzscheibe 1 über Totalreflektion geführt wird, mittels des Umlenkprismas 18 aus der Scheibe 1 ausgekoppelt, kollimiert und Richtung des Abbildungssystems 5 umgelenkt werden, so dass eine Abbildung auf einem Bereich 2.2 der sensitiven Fläche des Bildaufnahmeelements 2 erfolgt. Befindet sich Feuchtigkeit bzw. Regen 9 auf der Außenseite der Windschutzscheibe 1, würde in diesem Falle die über Totalreflektion in der Scheibe 1 geführte elektromagnetische Strahlung 12 bereits vor der Auskoppelung durch das Prisma 9 teilweise aus der Scheibe 1 ausgekoppelt werden. Hierdurch würde die elektromagnetische Strahlung 12 bei Erreichen und bei Auskoppelung durch das Umlenkprisma 18 eine geringere Intensität aufweisen, als für den Fall, dass sich keine Feuchtigkeit 9 auf der Scheibe 1 befindet. Das Umlenkprisma 18 kann zudem mit einem Infrarot-Transmissionsfilter 20 oder alternativ ganz oder teilweise aus einem ausschließlich Infrarotstrahlung 12; 4 transmittierenden Material ausgestaltet sein, so dass nur elektromagnetische Strahlung 12, die von der aktiven Beleuchtung erzeugt und in die Scheibe eingekoppelt wurde, vom Umlenkprisma 18 umgelenkt bzw. in Richtung das Abbildungssystems 5 reflektiert wird.
Bezugszeichenliste

1: Windschutzscheibe
2: Bildaufnahmeelement
2.1: Bereich der sensitiven Fläche des Bildaufnahmeelements für die Fernbereichserfassung
2.2: Bereich der sensitiven Fläche des Bildaufnahmeelements für die Nahbereichserfassung
3: Fernbereichsstrahlung
4: Nahbereichsstrahlung
5: Abbildungssystem
6: Fernbereich
7: optische Achse des Abbildungssystems
8: Hohlspiegel
9: Regen / Feuchtigkeit
10: Sichtbereich der optischen Vorrichtung auf/ durch die Windschutzscheibe
11: aktive Beleuchtung
12: elektromagnetische Strahlung
13: Einkoppelelement
14: Bildauswerteelektronik
15: Leiterplatte
16: Leiterplatte
17: Gehäuse
18: Umlenkprisma
19: gekrümmte Spiegelfläche
20: Infrarot-Transmissionsfilter

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 10355205 A1 [0005, 0006]
EP 1923280 A1 [0009, 0010]
DE 102004037871 A1 [0011, 0012]
EP 1580092 A2 [0013, 0014]

Claims

Optische Vorrichtung für ein Fahrzeug umfassend wenigstens ein Bildaufnahmeelement (2) mit einer für elektromagnetische Strahlung (3, 4) sensitiven Fläche, wobei die optische Vorrichtung derart ausgebildet ist, dass das Bildaufnahmeelement (2) – in wenigstens einem ersten Bereich (2.1) der sensitiven Fläche elektromagnetische Strahlung (3) aus einem ersten optischen Entfernungsbereich erfasst, wobei es sich bei dem ersten Entfernungsbereich um zumindest einen Umgebungsbereich (6), insbesondere den Verkehrsraum, um das Fahrzeug handelt, und – in wenigstens einem zweiten Bereich (2.2) der sensitiven Fläche elektromagnetische Strahlung (4) aus einem zweiten optischen Entfernungsbereich erfasst, wobei es sich bei dem zweiten Entfernungsbereich um einen Bereich einer Scheibe (1) des Fahrzeugs handelt, zur Erkennung von Feuchtigkeit und/oder Regen (9) auf der Scheibe (1), dadurch gekennzeichnet, dass die optische Vorrichtung zumindest ein optisches Element (8, 18) umfasst, das eine gekrümmte Spiegelfläche (19) aufweist und im Strahlengang der elektromagnetischen Strahlung (4) aus dem zweiten Entfernungsbereich zwischen der Scheibe (1) und dem Bildaufnahmeelement (2) angeordnet ist, derart, dass mittels des optischen Elements (8, 18) die elektromagnetische Strahlung (4) aus dem zweiten Entfernungsbereich auf die sensitive Fläche des Bildaufnahmeelements (2) reflektiert wird.
Optische Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass es sich bei dem optischen Element (8, 18) um einen Hohlspiegel (8) handelt, der unterhalb des Strahlengangs der elektromagnetischen Strahlung (3) aus dem ersten Entfernungsbereich angeordnet ist, derart, dass es sich bei der mittels des Hohlspiegels (8) aus dem zweiten Entfernungsbereich auf die sensitive Fläche des Bildaufnahmeelements (2) reflektierten elektromagnetischen Strahlung (4) um elektromagnetische Strahlung (4) aus einem Bereich (10) der Scheibe (1) handelt, durch den die elektromagnetische Strahlung (3) aus dem ersten Entfernungsbereich tritt.
Optische Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass es sich bei dem optischen Element (8, 18) um ein Umlenkprisma (18) handelt.
Optische Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Umlenkprisma (18) unterhalb des Strahlengangs der elektromagnetischen Strahlung (3) aus dem ersten Entfernungsbereich angeordnet ist, derart, dass es sich bei der mittels des Umlenkprismas (18) aus dem zweiten Entfernungsbereich auf die sensitive Fläche des Bildaufnahmeelements (2) reflektierten elektromagnetischen Strahlung (4) um elektromagnetische Strahlung (4) aus einem Bereich (10) der Scheibe (1) handelt, durch den die elektromagnetische Strahlung (3) aus dem ersten Entfernungsbereich tritt.
Optische Vorrichtung nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die optische Vorrichtung – wenigstens eine aktive Beleuchtung (11), zur Erzeugung von elektromagnetischer Strahlung (12) im Infrarotbereich, und – wenigstens ein Einkoppelelement (13), zur Einkoppelung der mittels der aktiven Beleuchtung (11) erzeugten elektromagnetischen Strahlung (12) in die Scheibe (1), umfasst.
Optische Vorrichtung nach Anspruch 5, wobei es sich bei dem optischen Element (8, 18) um einen Hohlspiegel (8) handelt, dadurch gekennzeichnet, dass die gekrümmte Spiegelfläche (19) des Hohlspiegels (8) mit einer optischen Filterbeschichtung ausgebildet ist, derart, dass an der gekrümmten Spiegelfläche (19) des Holspiegels (8) elektromagnetische Strahlung (4, 12) im Infrarotbereich reflektiert und elektromagnetische Strahlung im Ultraviolettbereich und/oder im sichtbaren Spektralbereich absorbiert wird.
Optische Vorrichtung nach Anspruch 5, wobei es sich bei dem optischen Element (8, 18) um ein Umlenkprisma (18) handelt, dadurch gekennzeichnet, dass das Umlenkprisma (18) als Infrarot-Transmissionsfilter ausgebildet ist, derart, dass mittels es Umlenkprismas (18) elektromagnetische Strahlung (4, 12) im Infrarotbereich umgelenkt und elektromagnetische Strahlung im Ultraviolettbereich und/oder im sichtbaren Spektralbereich absorbiert wird.
Optische Vorrichtung nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die optische Vorrichtung einen Infrarot-Sperrfilter umfasst, der über dem ersten Bereich (2.1) der sensitiven Fläche des Bildaufnahmeelements (2) angeordnet ist.
Optische Vorrichtung nach einem der vorangegangenen Ansprüche, die im Innenraum eines Fahrzeugs hinter der Windschutzscheibe (1) angeordnet ist, mit Blickrichtung in Richtung eines in Fahrtrichtung des Fahrzeugs vorausliegenden Verkehrsraum (6), zur Erfassung des Verkehrsraumes (6) und zur Erkennung von Feuchtigkeit und/oder Regen (9) auf der Windschutzscheibe (1).
Fahrzeug, in dem eine optische Vorrichtung nach einem der vorangegangenen Ansprüche angeordnet ist.