CN102256836B - 光学模块、具有光学模块的汽车及用于校准距离和位置的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种具有半导体元件(4)的光学模块。所述半导体元件具有对于电磁辐射灵敏的表面和主要在汽车内使用的、用于将电磁辐射投影到半导体元件(4)灵敏表面上的物镜(1)。在所述物镜(1)和所述半导体元件(4)灵敏表面之间的空间中限定的部分容积内装有附加光学器件(11)，从而通过所述附加光学器件(11)将第一距离范围(8)投影在所述半导体元件(4)灵敏表面的第一区域内，将第二距离范围(9)投影在没有所述附加光学器件(11)的可视范围的第二区域内。

Description

光学模块、具有光学模块的汽车及用于校准距离和位置的方法
技术领域
本发明涉及一种用于在图像中采集远程和近程范围的光学模块。相关光学模块尤其用于在汽车中通过挡风玻璃观察车外环境。本发明还涉及具有光学模块的汽车及用于校准挡风玻璃和光学模块之间距离和位置的方法。 
背景技术
诸如在交通现场识别各种目标的智能驾驶员辅助系统说明了摄像系统的灵活使用。 
例如汽车摄像机、夜视摄像机以及各种光学车距传感器是安装在挡风玻璃上、并通过挡风玻璃进行观察的现代化汽车传感器。这些光学传感器与汽车驾驶员一样，需要良好的视野，以避免错误的测量信号。 
挡风玻璃上的水滴、积雪和污垢一般情况下通过带有唇形橡胶刮雨条（Gummilippe）的电动刮水器去除。当前运行中的大多数汽车的刮水器都是手动开关的。汽车驾驶员的这项任务会越来越多地由光电下雨传感器承担。 
光电下雨传感器的功能原理是以光线以一个角度输入耦合到挡风玻璃中为基础的，所述角度满足玻璃和空气之间的全反射条件，但小于玻璃和水之间全反射所需的角度。对于干燥的挡风玻璃，大部分输入耦合到挡风玻璃中的光束在挡风玻璃的外表面被全反射，并输出耦合到玻璃内表面的接收器。 
如果挡风玻璃上有水滴，则不再遵循全反射的角度条件。部分光束因此通过水滴被输出耦合，不再能够到达汽车内部的接收器。 
这一识别下雨的原理非常容易受到干扰并且取决于雨滴大小。下毛毛雨时，这种测量原理常常失灵，因为输出耦合的光信号与接收器信号的差异太小，不足以可靠识别下雨。 
在识别落在挡风玻璃上融化成小水滴的雪花、干燥后的污迹以及出现在挡风玻璃上的昆虫时，所述光电下雨传感器也存在着一些问题。 
电容式下雨传感器是另一种已能用于批量生产的的下雨识别原理。这类传感器原理的基础是与玻璃或空气相比偏差很大的水的电介质常数。将两个电容器板巧妙安装在汽车挡风玻璃内表面，与其中的介质一起构成一个电容器。目的是使电场的电力线向外通过空气空间能刚好穿过挡风玻璃。如果这一空气空间中有水或潮湿污垢，那么参与进来的介质具有的高得多的水电介质常数会导致由此构成的电容器总电容升高。这类传感器的功能也有限制。细小水滴和干扰影响之间的区别也是这类传感器的一个问题，因此必须降低传感器的灵敏度。被细小水滴打湿的挡风玻璃会由此导致刮雨信号的相对延迟。 
两类传感器的一个缺点是，需占用挡风玻璃相对较大的面积。如果减小传感器表面，下雨情况下传感器反应速度会进一步下降，因为由此降低了第一批水滴中部分落到较小传感器表面的概率。 
驾驶员期望大多数情况下支付额外费用购得的舒适电子设备具有快速、可靠的功能。理想情况下，自动系统的反应速度和刮雨情况应与汽车驾驶员的行为相适应，避免出现不舒服或干扰现象。例如在下毛毛雨时挡风玻璃就应能够发挥刮雨功能。如果挡风玻璃不断被昆虫脏污，则需要一个清洗程序。如果挡风玻璃有条纹，则应重新刮水。 
目前开发的、已能批量生产的传感器在上述情况下很多都会失灵，原因是受制于其简单的结构以及缺乏分辨能力。 
要避免在挡风玻璃上面范围狭小的空间中进一步堆积各种驾驶员辅助系统和舒适系统的传感器部件，迫使未来将多个传感器集成为唯一一个多功能传感器。 
出于这一考虑，人们开始将下雨传感器功能作为基于视频的下雨传感器集成到进行车外观察的现有汽车摄像机中。人们知道，通过与附加光学部件的组合，使远程范围和近程范围(挡风玻璃)投影到图像传感器上，这样做的一个方法是在汽车摄像机物镜前面部分视野中添加附加透 镜。这样，经过附加透镜的部分光路将近程范围清晰投影在图像传感器上，其余光路是远程范围(街景)。 
专利DE 102004037871B4说明了一个相应的光学模块，它用于在汽车行驶方向探测车外前面空间的辅助系统。建议将一个图像传感器交替用于外部空间辅助功能和下雨检测功能。 
在这种方法中，由于透镜在入射孔前非常不利的定位，近程和远程范围之间的过渡区域显示得非常模糊。这种图像模糊延伸到几乎整个图像。用于近程范围投影的光学设备(镜子、辐射分配器、近距镜头或附加透镜)精确校准非常困难。此外，对所述解决方案不断需要更昂贵的附加光学设备。 
发明内容
本发明的任务在于提供一种用于摄像机传感器的、经济合理且稳定可靠的光学镜头。 
本发明的对象是一种具有半导体元件的光学模块，所述半导体元件有用于电磁辐射的灵敏表面和将电磁辐射投影到半导体元件灵敏表面的透镜或透镜组合(物镜)。在物镜和半导体元件灵敏表面之间的空间中，在一个限定部分容积内安装了附加的光学器件。 
通过这附加的局部光学器件，第一距离范围被被投影在半导体元件灵敏表面的第一区域上-优选是远程范围；第二距离范围被投影在视野或半导体元件灵敏表面没有附加光学器件的第二区域上-优选是近程范围。 
从而在半导体元件灵敏表面上的第一个区域探测到电磁辐射，该辐射经过附加的光学器件的整个范围。在第二个区域探测附加光学器件以外、或不经过附加光学器件整个范围的电磁辐射。因此，附加光学器件填满半导体元件灵敏表面之前的部分空间，通过该部分空间，电磁辐射到达灵敏表面。附加光学器件不在整个目标范围内，而是在物镜图像范围的部分区域中。 
随后的图像处理可在一个周期内或分开分析由两个不同距离范围的 部分图像组成的完整图像。 
根据本发明的一个优选实施例，附加光学器件的折射率大于附加光学器件周围介质的折射率。附加光学器件周围的典型介质是空气。第二个距离范围的投影只受到附加光学器件的微小影响，并因此取决于附加光学器件周围折射率较小的介质。 
优选地定位或调整透镜，并规定附加光学器件厚度及折射率，使得光学远程范围投影在半导体元件灵敏表面的第一区域内，使光学近程范围投影在第二区域内。近程范围在厘米范围内，远程范围相当于约2米以外的范围。 
根据本发明定位物镜时，如果在光学模块中没有安装附加光学器件，则近程范围的清晰投影会导致远程范围聚焦投影极不清晰。 
通过附加的局部光学器件实施远程范围的投影。在没有局部光学器件的视野范围内实施近场投影。 
光学模块的双焦点或多焦点镜头基于折射平面轴向偏移的原理。对此，摄像机不像当前技术水平中所描述的那样，聚焦在远程范围上，而是聚焦到几厘米的目标范围。此目标范围描述了例如位于摄像机下方视野与挡风玻璃平面交点中的一个平面。这样在图像传感器上形成这种近场平面的一个清晰聚焦投影。为了能够实现另外的驾驶员辅助功能，远程范围必须清晰投影在大部分图像传感器上。这通过在应被用于远场投影的图像传感器前的光路范围内安装局部光学器件来实现。根据材料的折射率，通过远程范围投影图像范围和近程范围投影图像范围之间所需轴向偏移得出局部光学器件的厚度。根据本发明的一个优选实施例，附加光学器件是尤其可用例如优质硼冕玻璃、硼硅玻璃或类似玻璃制成的平行透明平板。根据另一个优选实施方式，平行平板可用例如聚碳酸酯或聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)等透明塑料制成。在本发明的一个特殊实施例中，整个附加光学器件或其部分容器是发散透镜的一部分，是带有发散透镜的微透镜排列(微透镜阵列)、光学低通滤波器或衍射微透镜阵列。优选的，这些透镜位于附加光学器件的朝向半导体元件灵敏表面的一侧，由以规定方式扩大或分散交汇光路的发散透镜构成的微透镜阵列 可将远程范围投影在近场最佳投影的光学轴点上。 
根据一个可供选择的实施方式，附加光学器件至少由两个不同厚度的平行平面区域组成。在此情况下，局部光学器件呈阶梯形。也可选择通过平行透明平板内的材料变化实现所述的“阶梯形”。为此将在至少两个区域内使用具有不同折射率的材料。 
在两种变体中，在摄像图片上至少可有两个不同、但交互的清晰深度范围。 
对连续的厚度变化，根据另一个优选实施方式的附加光学器件可以是楔形的。 
局部光学器件的边缘可优选具有匹配投影光路的过渡。过渡形状例如可为阶梯形或楔形。过渡的涂黑可避免散射光的干扰因数。 
在本发明的一个扩展方案中，所述附加光学器件例如可以“摩托车轮”形式-即旋转圆盘形式-环形安装在物镜和图像传感器之间的空间内，该圆盘交替装有带平行平板的扇形部分和没有平板的扇形部分。 
在另一个实施方式中可使用一种类似的装置，用以将不同厚度和/或不同折射率的附加光学器件环形安装在物镜和图像传感器之间的空间中。由此可环形接收投影在远程范围内不同清晰深度范围的图像。随后从这些具有不同清晰深度范围的图像中可推断出远程范围内目标的距离。 
根据另一个实施方式，可通过给部分容积填充例如水或油等具有比周围介质(典型介质为空气)更大的折射率的液态介质来实现附加光学器件。 
确定局部光学器件尺寸的优选方式是，使半导体元件灵敏表面的第一区域大于第二区域。远程图像和近程图像之间的比例由局部光学器件有效占用的视野面积确定。建议进行细分，保证图像80％投影远程范围，20％投影近程范围，根据部件和应用最好使比例为90％比10％。 
最好在附加光学器件的至少一侧涂有避免反射的涂层。 
在附加光学器件的至少一侧，可附加或选择性地涂有过滤规定波长范围电磁辐射的涂层。主要可考虑过滤红外线和紫外线范围辐射的涂 层。 
近程范围在半导体灵敏面积区域投影，其光路不经过附加光学器件，由此半导体灵敏面积区域接收的是未经过滤的电磁波，即也可接受可见光范围之外的光波。例如，附加光学器件入射侧的涂层可过滤紫外线光辐射，保护光学器件免受高强度紫外线破坏。对塑料制成的附加光学器件这种方法尤为重要。 
为了过滤高强度紫外线，紫外线过滤器可与挡风玻璃组合或用于物镜的前面区域。由此保护图像传感器免受高强度紫外线辐射。这样做的优点是，由于限制了优化物镜的波长范围，所以对侧向色差的影响较小。另一个优点是尤其在使用塑料透镜时对过滤器后的光学器件具有保护功能，在强太阳光辐射下能对图像传感器进行必要的保护。 
本发明优选规定，所述光学模块安装在车内挡风玻璃后，同时在行驶方向上对车外进行探测。 
根据一个优选实施方式，所述光学模块的设计方式使挡风玻璃的外侧作为第二距离范围被清晰投影在半导体元件灵敏表面的第二区域(近程范围)上。通过附加光学器件，汽车前面的环境作为第一距离范围被投影在半导体元件灵敏表面的第一区域(远程范围)上。半导体元件同时探测例如2米以外的交通现场这样的远程范围，以及例如小于20厘米的挡风玻璃这样的近程范围。 
在一个优选改进方案中，车内可安装基于摄像机的下雨传感器。通过对半导体元件灵敏表面第一区域的图像(挡风玻璃外侧)进行分析，可识别挡风玻璃上的雨水或污垢颗粒，并可向刮水器控制装置和/或挡风玻璃清洁装置发出激活的输出控制信号。 
在一个优选实施案例中，安装了通过挡风玻璃照明视野范围的照明光源。该视野范围投影在半导体元件灵敏表面的第二区域。优点是，用红外线光照亮近场。照明光源可通过光学闭合装置进行控制，尤其是通过半导体元件整个灵敏表面可变的照明时间或用于近场投影的激活面积部分区域加以控制。 
照明光源的辐射尤其可通过例如透明的硅胶这样的柔韧光导体输入 耦合到挡风玻璃中。部分辐射能量可通过装在挡风玻璃上的吸收器件转换成用于加热挡风玻璃部分表面的热能。例如现有挡风玻璃加热装置上安装的加热丝就可用作吸收器件。用作吸收表面的加热丝同时可用于遮挡汽车行驶方向射出的光。 
在一个优选实施方式中，光学模块装有至少一侧涂有涂层的附加光学器件，该器件的波长过滤器抑制照明光源用于照亮近程区域的波长范围。通过挡风玻璃的视野范围尤其以红外线波长范围(IR)内的光照亮，附加光学器件涂有抑制红外线波长范围内光传播的过滤层。汽车驾驶员和其他交通参与者不会注意到这种波长范围。同时，所述半导体元件灵敏表面对红外线范围具有非常高的灵敏度，这样可通过相当小的红外线光强度照亮近场。所述照明光源可设置在多个区域。照明可持续进行或循环进行。优选使用的是具有正弦强度曲线的循环照明或定时照明，由此可避免或减少远程范围图像中的干扰影响。 
此外，在一个有益的实施例中，车内装有一个附加的电容式下雨传感器。电容式下雨传感器信号和基于摄像机的下雨传感器信号用一个共用分析单元进行分析。两类传感器具有很好的互补性，通过组合提供出色的识别性能。电容式传感器最好可设计为装在透明薄膜或硅胶箱内的电路通道，并将电子装置集成在用于基于摄像机的下雨传感器的照明模块中。 
所述基于摄像机的下雨传感器例如在下细小毛毛雨时具有优势，而电容式下雨传感器在此情况下几乎不会由于电容变化改变信号。相反，电容式下雨传感器例如在挡风玻璃上满是水膜的情况下具有优势，它可根据强烈的电容变化准确无误地探测到水膜，而这种情况下基于摄像机的下雨传感器在图像中只能找到极少可从中推断出雨滴的边缘。 
在本发明的一个优选实施例中，可在挡风玻璃和近程范围投影视野内的物镜之间设置一块楔形板。所述楔形板安装在近程范围投影的目标侧光路中。该楔形板将电磁辐射从远程范围投影视野穿过的挡风玻璃区域折射到近程范围投影的视野。楔形板可通过两个平面或一个平面和一个非平面或通过两个非平面进行定义。非平面是一种球形表面、非球形 表面或微结构表面。所述楔形板尤其可由透明塑料构成。楔形板的优选安装方法是使厚的一端在上，薄的一端在下。由此将近程范围投影的光路向上折射。楔形板最好可装在远程范围投影的光路下方或其下部区域。 
优选方式是给楔形板涂上一层过滤层，这样所述过滤层能抑制例如可见光波长范围等特定的波长范围。楔形板的正面最好涂黑，使其能够抑制散射光。 
使用一个楔形板的优点在于，减小挡风玻璃涂黑部分摄像机必需的窥视孔以及减小光学模块或摄像系统的尺寸。 
在一个优选实施方式中，汽车包含照明光源，该光源的电磁辐射通过输入耦合件(例如柔韧的光导体)输入耦合到挡风玻璃中。通过粘贴或压紧安装与挡风玻璃紧固接触的输出耦合件。挡风玻璃上没有水滴时，输入耦合的电磁辐射在挡风玻璃内全反射。通过输出耦合件所述辐射在光学模块方向被输出耦合，并在近程范围投影区域(识别雨水的部分区域)内投影在图像传感器上。如果挡风玻璃上有水滴，部分输入耦合的电磁辐射通过水滴输出耦合，不能再全部反射到输出耦合件上。因此，可通过比较干燥挡风玻璃与潮湿挡风玻璃输出耦合强度信号的差异测定挡风玻璃上是否有水滴以及雨水量。 
所述输出耦合件最好可涂上一层抑制例如可见光波长范围等规定波长范围的专用过滤层。 
所述输出耦合件最好可在朝向物镜的一侧通过适当的表面处理设计成不透明的磨砂玻璃，其中磨砂玻璃表面定位在近程范围投影的目标面。 
在一个扩展的实施方式中，所述输出耦合件最好仅覆盖近程范围投影探测的挡风玻璃视野部分区域中规定部分的表面。由此既可测量通过雨滴输出耦合的信号差，也可在其他部分区域测量通过雨滴散射到物镜上的信号比例。 
两种测量方法组合使用，可精确测量挡风玻璃的湿润情况。 
此外，本发明还包含了测量挡风玻璃和一个或多个光学模块之间距 离及位置偏差的方法。对此，所述光学模块将设在挡风玻璃上的一个或多个目标标记聚焦投影到半导体元件灵敏表面的第二区域上。通过与所存储初始位置的比较，可由分析单元确定和测量挡风玻璃相对光学模块光学轴的位置变化。光学轴相对于挡风玻璃的偏差可通过图像处理系统计算。这种方法在监控立体摄像系统的几何形状时优点尤其明显。目标标记与所存储初始位置的偏差可确定两个立体摄像模块相互间位置的变化。 
本发明的突出优点在于：这是一种经济合理的解决方案。仅使用一块简单的平行玻璃小平板或塑料板，就为光学模块中多焦镜头提供了经济合理、但非常有效的不同解决方案。 
尤其是在模糊范围小、光学器件校准简便方面，这种光学结构具有优势。与在摄像机目标范围内安装附加光学器件相比，这里建议在图像范围内的安装具有很大优势，它不会导致直接输入耦合干扰因素。 
附图说明
下面将根据实施例和附图对本发明加以阐述。 
图1：在具有物镜和半导体传感器的汽车中光学模块的投影特性 
图2：在物镜和半导体传感器之间具有附加局部光学器件的汽车中，一个光学模块的投影特性 
具体实施方式
图1是第一(8)和第二(9)距离范围的光路(8、9)示意图，该光路通过一个带有主平面(2)的物镜(1)投影到半导体元件(4)灵敏表面上。视野(10)通过点状线加以限制。物镜(1)安装在挡风玻璃(5)和半导体元件(4)灵敏表面之间，一方面使下面区域内的视野(10)不会受到散射光遮光板(7)的限制，但又充分利用了可供使用的容积，另一方面近程范围(9)内的挡风玻璃外侧区域在半导体元件(4)灵敏表面上聚焦投影。如果远程范围(8)要聚焦投影在半导体元件(4)的灵敏表面上，必须将物镜(1)向右推移或将半导体元件(4)向左推移。两种情况下，视野(10)可能会受到散射光遮光板(7)的限制，并且远程范围不能再清晰投影在半导体元件(4)的灵敏表面上。 这种光学模块符合当前的技术水平。 
在图1和图2的示意图中未考虑由于挡风玻璃(5)在光路中产生的平行偏移。 
图2是带有附加光学器件(11)的光学模块，该附加光学器件安装在物镜(1)和半导体元件(4)灵敏表面之间规定的部分容积中。所述部分容积是指附加光学器件将可视范围(10)分为两个部分。一部分是从射出侧(右)的附加光学器件(11)辐射到半导体元件(4)灵敏表面的部分，另一部分是通过附加光学器件(11)周围的介质辐射到半导体元件(4)灵敏表面的部分。视野(10)的这两个部分在半导体元件(4)的灵敏表面上定义两个区域。第一区域相当于被附加光学器件(11)遮住的半导体元件(4)区域。根据本示意图，远程范围(8)在此区域聚焦投影。第二区域相当于第一区域上方未被附加光学器件(11)遮住的区域。根据本示意图，近程范围(9)在此区域聚焦投影。这样，通过半导体元件(4)灵敏表面拍摄的图像同时包含带有清晰近程范围投影的区域和带有深度清晰远程范围投影的区域。在近程范围投影中，可探测并分类水滴(6)、污垢、雪花或类似物体。同时，摄影图像较大的第一区域可用于例如2米到50米距离的交通现场，并可供各种驾驶员辅助功能使用和分析。 
具有根据本发明的光学模块、基于视频的雨水和污垢传感器有大量像素可用。智能算法可通过几何形状的目标识别系统区分雨水、污垢、雪、挡风玻璃结冰或凝露。 
可在垂直和/或水平方向上使用诸如索贝尔(Sobel)算子这样的边缘识别算法。仅在垂直方向上识别的边缘可指出挡风玻璃刮水器的条纹缺陷，并发出重新刮雨或擦净车窗玻璃的信号。如果持续出现条纹，可向驾驶员提示更换雨刷片。 
一种傅里叶变换，尤其是快速傅里叶变换(FFT)可用于近程范围投影的频率分析，尤其用于高频识别。可通过具有诸如不同大小的雨滴、雪花、污垢颗粒等典型目标的分类器预先对神经网络进行训练，使其能够从图像数据中识别图形。也可进行历史程序分析，用于目标识别。 
一种智能照明系统通过例如规定的照明功能(例如，正弦光强度曲线 或具有不同射入角的多个照明光源)可支持和保证图像分析。 
本发明的另一个优点是，对目前依赖于温度的焦点位移问题有积极的影响。温度升高时的典型问题是物镜(1)离开图像传感器(4)。由此产生焦点从远场(8)位移到近场(9)。图像范围内局部光学器件(11)的影响表现在会聚光束远离垂准折射(从空气到局部光学器件(11)nLuft＜nPOE的过渡)，因此目标的清晰投影与透镜(1)的距离超过相同结构但没有局部光学器件(11)的情况。 
如果系统发热，如上所述，图像传感器(4)和物镜(1)之间的距离变大。同时局部光学器件(11)膨胀，并在一定程度上补偿图像传感器(4)上的聚焦投影。这种组合在温度很低时也作为图像清晰度的主动补偿器。通过材料优化，可在整个温度范围达到令人满意的投影质量。 
没有局部光学器件(11)的摄像机聚焦到近程范围。局部光学器件(11)能够实现远程范围(8)的清晰投影。温度升高造成物镜(1)从图像传感器(4)的位移是近程范围(9)和远程范围(8)投影不清晰的主要原因。所述近程范围投影具有相关温度的正投影曲线，原因是随着物镜(1)的偏移，目标范围(物镜主平面(2)与挡风玻璃(5)的距离)也会变小。 
图像范围变大造成与温度相关的焦点偏移，解决这一问题的另一个积极方法是对由此形成的视野变化施加影响，该视野变化通过挡风玻璃(5)缩小视野(10)，由此导致较高的目标点投影到相同的像点上。通过倾斜的挡风玻璃(5)，不仅可探测上方的目标点，并且具有较小目标范围的目标也能清晰投影。保持相同焦距时，目标范围的缩小会造成图像范围延伸。这种图像范围的延伸在近程投影中显示了自我调节的温度补偿。适用的公式为：1/f＝1/g+1/b。其中f为物镜焦距、g为目标范围(例如近场为5.5厘米)，b为近场投影的图像范围。 
在远场(8)中投影时，这种修正机制不起作用。一方面因为目标范围大得多，并且变化对图像范围只有很小的影响，另一方面，在目标范围内没有观察到像挡风玻璃(5)那样的倾斜平面。因此，对于局部光学器件(11)应选择其热膨胀对聚焦有积极影响的合适材料。 
两个图像区域的最佳过渡范围通过部分光学器件(11)的规定边缘加 以保证。对玻璃制成的器件，由于玻璃边缘的剥落形成一个到远场(8)部分图像的“淹没”过渡。使用聚碳酸酯或聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)制成的塑料器件时，可避免这类边缘剥落现象。所述过渡必须与光路匹配。过渡结构例如可以是楔形或阶梯形的。此外，模糊范围取决于局部光学器件(11)的厚度。高折射率的材料在此具有优势。 
由于根据本发明的光学模块能识别和区分挡风玻璃外侧以及挡风玻璃内侧的不同目标，所以能提供一种扩展的自动车窗刮雨、洗刷和通风功能。雨水、污垢、雪、冰、露水和气溶胶沉积物可通达大量像素根据规定的识别特征进行区分。列出的所有影响干扰了通过挡风玻璃(5)的视线，以及其他根据来自远场(8)部分图像数据工作的驾驶员辅助功能。 
随后，图像处理和目标识别装置根据识别的视线妨碍向车窗刮雨装置、洗刷装置、空调或通风装置发出控制信号，并以此自动引入灵活的、在一定程度上与视线妨碍相匹配的清洁或舒适功能。 
除了识别雨水和污垢外，还可使用所介绍的多焦镜头作为“扫描仪”或汽车读码器。可将其用来接收和处理包含例如用于识别挡风玻璃的打印代码等挡风玻璃(5)上的目标标记。识别的代码可通过数据线缆、尤其是通过总线系统发送到另一台控制器。 
建议利用近程范围投影(挡风玻璃外表面)作为人和汽车之间未来的通讯界面。方法是：它可作为能从外部读取数据的读码器(类似于记录式扫描仪)。这样就可将摄像机用于例如通过扫描驾驶员的指纹打开汽车、用手指运行存储的路径或读取预先提供的代码盒等功能。 
另一个例子是数字读取应告知所停汽车使用者的重要信息。汽车使用者可通过诸如车载监视器查看这些信息。 
恰好是在使用未来立体摄像机时，安装位置从挡风玻璃中间挪动到靠近边缘位置，这样使汽车所有者非常容易操控安装器件。对此，所述摄像机必须处于待机阶段，并在视野快速变黑时连同图像处理系统和近程照明系统一起被激活。 
通过局部光学器件(11)构成多焦镜头的一种可供选择的方法是，将图像范围调节到尽可能最佳的远程范围投影，并将聚光透镜的一部分用 作局部光学器件(11)。在这种情况下，没有局部光学器件(11)的近程范围投影强烈聚焦。但图像范围中的聚光透镜(部分透镜)可对准近场投影的投影光路，从而实现如上所述的类似投影。 
参考符号
1    物镜 
2    物镜的主平面 
3    半导体元件的玻璃罩 
4    具有灵敏表面的半导体元件 
5    挡风玻璃 
6    雨滴 
7    散射光遮光板 
8    远程范围 
9    近程范围 
10   可视范围 
11   附加的局部光学器件 

Claims (29)

1.一种光学模块，包括
–具有对电磁辐射灵敏的表面的半导体元件(4)，
–用于将电磁辐射投影到所述半导体元件(4)的对电磁辐射灵敏的表面的物镜(1)，其中在所述物镜(1)和所述半导体元件(4)的对电磁辐射灵敏的表面之间的空间中的限定的部分容积内安装附加光学器件(11)，其特征在于，所述物镜(1)被定位且所述附加光学器件(11)的厚度被规定为使得通过所述附加光学器件(11)将光学远程范围(8)投影在所述半导体元件(4)的对电磁辐射灵敏的表面的第一区域内，将光学近程范围(9)投影在没有所述附加光学器件(11)的可视范围的第二区域内。
2.如权利要求1所述的光学模块，其特征在于，所述附加光学器件(11)的折射率大于所述附加光学器件(11)周围的介质的折射率。
3.如权利要求1或2所述的光学模块，其特征在于，所述附加光学器件(11)是平行透明平板。
4.如权利要求3所述的光学模块，其特征在于，所述平行透明平板(11)用塑料制成。
5.如权利要求1或2所述的光学模块，其特征在于，所述附加光学器件(11)是发散透镜的一部分或是具有发散透镜的微透镜阵列或是衍射微透镜阵列。
6.如权利要求1或2所述的光学模块，其特征在于，所述附加光学器件(11)包含至少两个不同厚度的平行平面区域。
7.如权利要求1或2所述的光学模块，其特征在于，所述附加光学器件(11)包含至少两个采用不同折射率材料的区域。
8.如权利要求1或2所述的光学模块，其特征在于，所述附加光学器件(11)是楔形的。
9.如权利要求1或2所述的光学模块，其特征在于，所述附加光学器件(11)能环形安装在物镜(1)和半导体元件(4)的对电磁辐射灵敏的表面之间的空间内。
10.如权利要求1或2所述的光学模块，其特征在于，不同厚度和/或不同折射率的所述附加光学器件(11)能环形安装在物镜(1)和半导体元件(4)的对电磁辐射灵敏的表面之间的空间内。
11.如权利要求1或2所述的光学模块，其特征在于，通过给部分容积充填具有比周围介质折射率更大的液体介质实现所述附加光学器件(11)。
12.如权利要求1或2所述的光学模块，其特征在于，所述附加光学器件(11)的尺寸被确定为使得所述半导体元件的对电磁辐射灵敏的表面的第一区域大于所述第二区域。
13.如权利要求1或2所述的光学模块，其特征在于，所述附加光学器件(11)的至少一侧涂有能避免反射的涂层。
14.如权利要求1或2所述的光学模块，其特征在于，所述附加光学器件(11)的至少一侧涂有过滤规定波长范围内电磁辐射的涂层。
15.一种具有如权利要求1至14之一所述光学模块的汽车，其特征在于，所述光学模块在车内安装在挡风玻璃(5)后，在行驶方向对外部进行采集。
16.如权利要求15所述的汽车，其特征在于，所述光学模块的物镜(1)被定位为使得所述挡风玻璃(5)的外侧清晰投影在所述半导体元件(4)的对电磁辐射灵敏的表面的第二区域上。
17.如权利要求16所述的汽车，其特征在于，分析所述半导体元件(4)的对电磁辐射灵敏的表面的第二区域的图片，其中能够识别所述挡风玻璃(5)上的雨水和/或污垢颗粒，并能向刮水器控制装置和/或挡风玻璃清洗控制装置发出输出控制信号。
18.如权利要求16或17所述的汽车，其特征在于，设置有照明光源，所述照明光源通过所述挡风玻璃(5)照明投影在所述半导体元件(4)的对电磁辐射灵敏的表面的第二区域中的视野(10)的范围(9)。
19.如权利要求18所述的汽车，其特征在于，所述照明光源的辐射通过柔韧的光导体输入耦合到所述挡风玻璃(5)中。
20.如权利要求18所述的汽车，其特征在于，所述视野(10)的范围(9)通过所述挡风玻璃(5)用红外线波长范围内的光照明，所述附加光学器件(11)涂有抑制红外线波长范围内光传播的过滤层。
21.如权利要求17所述的汽车，其特征在于，车内还装有电容式下雨传感器，一个共用分析单元分析电容式下雨传感器的信号和基于摄像机的下雨传感器的信号。
22.如权利要求15至17之一所述的汽车，其特征在于，在近距离投影的目标侧光路中在挡风玻璃(5)和物镜(1)之间装有楔形板。
23.如权利要求22所述的汽车，其特征在于，所述楔形板涂有抑制特定波长范围的过滤层。
24.如权利要求22所述的汽车，其特征在于，为了抑制散射光，楔形板的正面被涂黑。
25.如权利要求19所述的汽车，其特征在于，一个输出耦合件与所述挡风玻璃(5)紧固接触地安装，所述输出耦合件对输入耦合的辐射输出耦合，使得输入耦合的辐射投影在所述半导体元件(4)的对电磁辐射灵敏的表面的第二区域内。
26.如权利要求25所述的汽车，其特征在于，所述输出耦合件涂有抑制特定波长范围的过滤层。
27.如权利要求25或26所述的汽车，其特征在于，所述输出耦合件在朝向所述物镜(1)的一侧具有磨砂表面。
28.如权利要求25或26所述的汽车，其特征在于，所述输出耦合件遮盖所述挡风玻璃(5)的视野范围中通过近程投影采集的部分区域。
29.一种用于在如权利要求15至28之一所述的汽车中校准挡风玻璃(5)和光学模块之间距离和位置的方法，其特征在于，所述光学模块将设置在所述挡风玻璃(5)上的目标标记聚焦投影到半导体元件(4)的灵敏表面上，从而由分析单元根据与所存储的初始位置的比较测量所述挡风玻璃(5)的位置相对于所述光学模块的光学轴的变化。
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