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Die
Erfindung betrifft eine Kameraanordnung für ein Kraftfahrzeug
gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
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Im
Automobilbereich gewinnen optische Fahrerassistenzsysteme immer
mehr an Bedeutung.
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Neben
den bereits seit langem im Einsatz befindlichen klassischen Systeme
wie ABS (Antiblockiersystem), ESP (elektronisches Stabilitätsprogramm)
etc. sind seit kurzem auch bildverarbeitende Fahrerassistenzsysteme
bekannt, z. B. das System ”lane assist” von Audi®, das vor einem unbeabsichtigten
Spurwechsel wart, auf dem Markt.
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Solche
Systeme benötigen zur Erfassung der Fahrzeugumgebung eine
Kamera, die ein digitalisiertes Bild der Umgebung in der für
die Auswertung erforderlichen Auflösung liefert. In der
Regel sind die Kameras hinter den Frontscheiben der Kraftfahrzeuge
angeordnet. Um den Sichtbereich insbesondere des Fahrers möglichst
wenig zu beeinflussen, sind sie häufig im Rückspiegelbereich
an der oberen Kante der Frontscheibe vorgesehen. In der Regel sind bei
geneigten Frontscheiben zur Führung der Lichtstrahlen zwischen
Scheibe und Kamera Strahlführungselemente vorgesehen.
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Aus
der
DE 10 2005 000 650 ist
eine Kameraanordnung mit mehreren Stahlführungselementen
bekannt. Bei dieser Anordnung werden die Lichtstrahlen mit Hilfe
von Spiegeln zur Kamera gelenkt. Durch die Spiegel wird ein entsprechend
großer Bauraum benötigt. Ein weiterer Nachteil
dieser Anordnung sind die hohen Fresnelverluste (Reflexionen an Grenzflächen),
die insbesondere bei stark geneigten Frontscheiben auftreten. Insgesamt
ist diese Kameraanordnung sehr aufwendig aufgebaut.
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Aus
der
DE 10209615 ist
eine weitere Kameraanordnung bekannt. Das in dieser Druckschrift gezeigte
Strahlführungselement dient im Wesentlichen dazu, im Bereich
zwischen Fahrzeugscheibe und Kamera einen Unterdruckraum zu erzeugen,
der ein Beschlagen und ein Verschmutzen der Innenseite der Fahrzeugscheibe
verhindert.
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Aus
der
DE 10 2004 024 735 ist
ebenfalls eine Kameraanordnung für Kraftfahrzeuge bekannt, bei
der ein prismenförmiges Strahlführungselement vorgesehen
ist. Dieses Strahlführungselement weist zwar geringe Fresnelverluste
auf, es führt aber zu Farbfehlern aufgrund chromatischer Abberation.
Außerdem treten Verzerrungen des Bildes durch die Prismenwirkung
auf. Totalreflektionen an der Außenfläche der
Frontscheibe können im Extremfall zu einer unerwünschten
Abbildung des Armaturenbretts führen.
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Aus
der
DE 10 2004 024 735 ist
eine weitere Kameraanordnung bekannt, die einen relativ kleinen Bauraum
benötigt. Aber auch hier treten Bildfehler durch Verzerrungen
(geometrische Verzeichnungen) bzw. durch chromatische Abberation
auf.
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Alle
bekannten Anordnungen weisen bei kleinem Bauraum entsprechende Bildfehler
auf bzw. führen zu starken Fresnelverlusten.
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Geometrische
Verzeichnungen können bei weit öffnenden Objektiven,
wie sie bei der Erfassung der Fahrzeugumgebung im Automobilbereich
eingesetzt werden, zu einer stark verringerten Auflösung führen.
Zur Korrektur dieser Verzeichnungen werden in den Auswerteeinheiten,
in denen die eigentliche Bildverarbeitung stattfindet, aufwendige
Rechenverfahren eingesetzt. Diese Rechenverfahren benötigen entsprechend
viel Speicherplatz und führen aufgrund des Programmumfangs
zu unerwünschten Zeitverzögerungen bei der Bildverarbeitung.
Außerdem ist aufgrund der geringeren Auflösungen
der Kalibrieraufwand entsprechend erhöht.
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Aufgabe
der Erfindung ist es deshalb, eine Kameraanordnung für
ein Kraftfahrzeug anzugeben, die die oben genannten Nachteile nicht
aufweist, die insbesondere einen kleinen Bauraum benötigt
aber trotzdem wenig Bildfehler und geringe Verluste aufweist und
die einfach und kostengünstig herstellbar ist.
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Gelöst
wird diese Aufgabe durch folgende im Anspruch 1 angegebenen Merkmale.
Kameraanordnung für ein Kraftfahrzeug, mit einer im Fahrzeuginnenraum
hinter einer Fahrzeugscheibe angeordneten Kamera und einem Strahlführungselement,
das zwischen der Fahrzeugscheibe und der Kamera vorgesehen ist und
eine der Fahrzeugscheibe zugewandten Lichteintrittsfläche
und einen der Kamera zugewandten Lichtaustrittsfläche aufweist,
wobei die Lichtaustrittsfläche des Strahlführungselements
im Querschnitt sägezahnförmig ausgebildet ist
und erste und zweite Sägezahnflanken aufweist, wobei die ersten
Sägezahnflanken im Wesentlichen parallel zur Lichteintrittsfläche
verlaufen.
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Die
wesentliche Idee der Erfindung besteht darin, zwischen der Fahrzeugscheibe
und der Kamera ein Strahlführungselement mit einer sägezahnförmigen
Lichtaustrittsfläche vorzusehen. Dadurch werden Bildfehler
z. B. Verzerrungen bzw. Farbfehler, wie sie bei Prismen normalerweise
auftreten, vermieden. Außerdem bleibt die Parallelität
der Lichtstrahlen beim Durchgang durch das Strahlführungselement
erhalten. Darüber hinaus benötigt die Kameraanordnung
wenig Bauraum und ist insgesamt optisch akzeptabel.
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Vorteilhafte
Weiterentwicklungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen
angegeben.
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In
einer ersten Weiterentwicklung der Kameraanordnung sind die zweiten
Sägezahnflanken so angeordnet, dass nur Lichtstrahlen,
die nicht aus dem vertikalen Akzeptanzbereich der Kamera stammen,
auf diese zweiten Sägezahnflanken fallen. Dadurch werden
Störeinflüsse durch Lichtstrahlen, die nicht aus
dem Akzeptanzbereich der Kameraanordnung stammen, vermindert und
die Strahlen aus dem Akzeptanzbereich der Kamera fallen auf die „parallele” Flanke
und können so von der Kamera erfasst werden.
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In
einer zweiten Weiterentwicklung der Erfindung sind für
die zweiten Sägezahnflanken Abdunkelungsmittel z. B. jalousienförmige
Blenden oder Lackierungen vorgesehen, die verhindern, dass „unerwünschte” Lichtstrahlen
von der Kamera erfasst werden. Dadurch werden Störeinflüsse
durch Lichtstrahlen, die nicht aus dem Akzeptanzbereich der Kamera stammen,
fast vollständig vermieden.
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In
einer dritten Weiterentwicklung der Erfindung ist auf der Lichtaustrittsfläche
des Strahlführungselements eine Antireflexbeschichtung
vorgesehen. Dadurch treten insgesamt weniger Verluste an den Grenzflächen
auf.
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In
einer vierten Weiterentwicklung der Erfindung wird der Brechungsindex
des Strahlführungselements so gewählt, dass er
zwischen dem Brechungsindex von Luft und dem Brechungsindex der Fahrzeugscheibe
liegt. Dadurch treten ebenfalls weniger Verluste an den Grenzflächen
auf, insbesondere wenn auf die vorstehend erwähnte Entspiegelungsschicht
verzichtet wird.
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In
einer fünften Weiterentwicklung ist die Lichtaustrittsfläche,
insbesondere mit den ersten Sägezahnflanken, so ausgestaltet,
dass ein Linseneffekt entsteht. Dabei verlaufen z. B. die oberen
Kanten der Sägezähne nicht in einer Ebene sondern
auf einer entsprechend gekrümmten Fläche. Aufgrund
der Linsenwirkung ließe sich eine Linse des Kameraobjektiv;
so in das Strahlführungselement integrieren. Da jede Grenzfläche
zu Verlusten führt, könnten diese so vermindert
werden.
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Nachfolgend
ist die Erfindung anhand eines in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiels näher
erläutert.
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Es
zeigen:
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1 schematische
Schnittdarstellung einer Kameraanordnung gemäß dem
Stand der Technik;
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2 schematische
Schnittdarstellung einer erfindungsgemäßen Kameraanordnung;
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3 vergrößerte
Darstellung der Kameraanordnung nach 1.
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In 1 ist
eine Kameraanordnung für Kraftfahrzeuge 1 näher
dargestellt. Diese besteht im Wesentlichen aus einer Kamera 7,
die hinter einer Fahrzeugscheibe 5 angeordnet ist. Vorzugsweise
handelt es sich bei der Fahrzeugscheibe 5 um die Frontscheibe
eines Kraftfahrzeugs. Solche Frontscheiben sind aus aerodynamischen
Gründen meist stark geneigt. Die Kamera 7 ist
im Fahrzeuginnenraum 3 im oberen Scheibenbereich mittig,
also in unmittelbarer Nähe zum Fahrzeugdach 8 angeordnet.
In diesem Bereich ist normalerweise auch der Fahrzeugrückspiegel
vorgesehen, der aus Gründen der Übersichtlichkeit
nicht dargestellt ist. Zwischen Kamera 7 und der Fahrzeugscheibe 5 ist
ein Strahlführungselement 9 angeordnet, das eine
Lichteintrittsfläche 10a und eine Lichtaustrittsfläche 10b aufweist.
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Die
Kamera 7 umfasst typischerweise mehrere Linsen, in deren
Fokus ein lichtempfindliches Element 22 mit einem quadratischen
Pixelarray (typischerweise 64 × 16 Pixel bis 1024 × 768
Pixel) angeordnet ist, das ein Umgebungsabbild in digitalisierter Form
liefert. Je nach Wellenlängenbereich werden unterschiedliche
lichtempfindliche Elemente 22 verwendet. Für den
Bereich sichtbar bis nahes Infrarot werden Silizium-Detektoren (400–1000
nm) eingesetzt.
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Die
Bildverarbeitung erfolgt in einer nicht näher dargestellten
Auswerteeinheit, die mit entsprechenden Anzeige- bzw. Sicherheitssystemen
im Kraftfahrzeug verbunden ist. Beispielhaft für den Strahlweg
sind zwei Lichtstrahlen L1 und L2 dargestellt. Aufgrund der Abbildungseigenschaften
des optischen Systems Fahrzeugscheibe-Strahlführungselement,
treten Verzerrungen bzw. Farbfehler auf, die hauptsächlich
auf der Prismeneigenschaft des Strahlführungselements beruhen.
Wie in 1 illustriert führt ein zunehmend flacher
Einfallswinkel zu einem nicht linear zunehmenden Ausfallswinkel.
So ist die Winkeldifferenz der Strahlenpaare L1 und L2 vor und hinter
dem optischen Systems nicht gleich, was zu einer Stauchung des Bildes
in vertikaler Richtung führt.
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Ist
das einfallende Licht zudem noch polychromatisch, so treten aufgrund
von Dispersion zusätzliche Farbfehler (Farbränder)
auf.
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In 2 ist
eine erfindungsgemäße Kameraanordnung näher
dargestellt. Der Akzeptanzbereich der Anordnung beträgt
in vertikaler Richtung ca. 20° und in horizontaler Richtung
ca. 60°. Die Kameraanordnung „schaut” somit
nach vorne in Fahrtrichtung in einen relativ großen Winkelbereich.
Im Unterschied zu 1 ist die Lichtaustrittsfläche 10b des
Strahlführungselements 9b senkrecht zur Fahrtrichtung
angeordnet und sie weist eine im Querschnitt sägezahnförmige
Struktur mit ersten und zweiten Sägezahnflanken 12 bzw. 13 auf.
Dabei verlaufen die ersten Sägezahnflanken 12 im
Wesentlichen parallel zu der Lichteintrittsfläche 10a mit
einem Winkel kleiner 10°. Besonders bevorzugt sind Winkel kleiner
3°.
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Nachfolgend
ist die Funktion der Erfindung näher erläutert.
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Durch
die Parallelität wirkt das Strahlführungselement 9b quasi
wie eine planparallele Platte, die keinen bzw. nur einen sehr geringen
Einfluss auf die Parallelität der sie durchdringenden Lichtstrahlen hat.
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Die
zweiten Sägezahnflanken 13 sind so zur Ebene der
Fahrzeugscheibe geneigt, dass nur Lichtstrahlen, die nicht aus dem
vertikalen Akzeptanzbereich der Kamera (ca. 20° in Fahrtrichtung)
stammen, auf diese Flächen auftreffen.
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Zusätzlich
kann mittels Abdunklungsmittel verhindert werden, dass Lichtstrahlen über
die zweiten Sägezahnflanken 13 austreten und gegebenenfalls
von der Kamera 7 erfasst werden. Denkbar sind z. B. jalousienförmige
Blenden bzw. eine undurchsichtige Lackierung dieser Flächen.
Dadurch können Störeinflüsse von Lichtstrahlen,
die nicht aus dem vertikalen Akzeptanzbereich der Kameraanordnung stammen,
verhindert werden.
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Der
Abstand zwischen Lichtaustrittsfläche 10b und
der Kamera 7 sollt möglichst klein gewählt werden
(< 20 mm). Bevorzugt
liegt der Abstand sogar unter 8 mm.
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Um
Verluste an der Lichtaustrittsfläche
10b zu verringern,
kann diese Fläche mit einer Antireflexbeschichtung versehen
werden. Diese Beschichtung wird dann mittels Sputter-, Aufdampf-,
nass chemische- Ionenbeschuß-, Spin-Coating bzw. anderen dem
Fachmann bekannten Techniken aufgebracht. Denkbar sind auch dielektrische
Schichten, Mottenstrukturen wie sie etwa aus der
DE 10241708 bekannt sind oder nanoporöse
Polymerfilme.
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Durch
Anpassung im Brechungsindex des Strahlführungselementes 9b können
ebenfalls Verluste an den Grenzflächen verringert werden.
In vorteilhafter Weise liegt der Brechungsindex des Strahlführungselementes 9b zwischen
dem von Luft (umgebendes Medium) und dem der Fahrzeugscheibe. Bei
einer genauen Berechnung hierfür wird das Maximum der Transmission
beim Lichtdurchgang durch zwei planparallele Platten bei der gewünschten
Wellenlänge unter Berücksichtigung des mittleren
Einfallswinkels bestimmt.
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Geeignete
Materialien für das Strahlführungselement 9b sind
Glas bzw. ein Polymerwerkstoff. Der verwendete Polymerwerkstoff
sollte für den interessierenden Wellenlängenbereich
eine hohe Transmission haben. Denkbar ist es auch, zum Erzielen
einer Filterwirkung, dem Polymerwerkstoff Farbpartikel beizufügen.
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Um
Linseneffekte zu erzeugen kann, die Lichtaustrittsfläche 10b auch
zumindest in einer Richtung gewölbt sein.
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Der
wesentliche Vorteil der Erfindung besteht darin, dass durch die
spezielle Form des Strahlführungselements 9b wenig
Verzerrungen und nur geringe Farbfehler auftreten. Gleichzeitig
ist der benötigte Bauraum sehr klein und die gesamte Kameraanordnung
kann so ausgeführt werden, dass sie für einen
Fahrzeuginnenraum in einem PKW optisch akzeptabel ist. Auch der
Bereich der Fahrzeugscheibe 5 durch den die interessierenden
Lichtstrahlen hindurchtreten, kann relativ klein gehalten werden.
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Die
erfindungsgemäße Kameraanordnung ist besonders
für optische Umgebungserfassungssysteme geeignet, die mit
einer aktiven Beleuchtung arbeiten. Bei diesen Systemen wird die
Szene vor dem Fahrzeug mit einer Sendereinheit, vorzugsweise einem
Infrarotlicht-Sender, ausgeleuchtet und das zurückgestreute
Licht von einem hinter der Frontscheibe angeordnetem Kamera mit
einem entsprechenden im Infrarotbereich empfindlichen Pixelarray erfasst.
Die zurückgestreute Lichtintensität, die zur Auswertung
(z. B. Entfernungsmessung mit einer PMD-Kamera) zur Verfügung
steht, ist normalerweise extrem gering. Verluste des zurückgestreuten Lichts
auf dem Weg zur Kamera sollten deshalb möglichst vermieden
werden. Zur Kompensation dieser Verluste wird bisher entweder die
Sendeleistung erhöht bzw. die Anzahl der Sender erhöht.
Beide Maßnahmen sind teuer bzw. aufwendig. Außerdem
muss bei diesen Maßnahmen immer der Aspekt der Augensicherheit
berücksichtigt werden.
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Durch
die erfindungsgemäße Kameraanordnung, die zu erheblich
weniger Verlusten führt, steht deshalb bei gleicher Sendeeinheit
mehr Lichtintensität zur Auswertung zur Verfügung.
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Durch
die Strahlführung im optisch dichteren Medium des Strahlführungselements 9b kann
die von den Lichtstrahlen durchsetzte Fläche der Fahrzeigscheibe
relativ klein gehalten werden. Die Erfindung ist nicht auf den Automobilbereich
beschränkt. Sie kann überall dort eingesetzt werden,
wo bei geneigten Scheiben Kameraanordnungen eingesetzt werden.
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In 3 ist
die Kamera 7 schematisch dargestellt. Insgesamt sind 3
Linsen 20a, 20b, 20c zur Strahlführung
vorgesehen. Eingezeichnet sind hier ebenfalls die beiden Lichtstrahlen
L1, L2 aus 1. Vor dem Pixelarray 22 ist
noch ein Infrarotfilter 21 vorgesehen. Wie man der Zeichnung
entnehmen kann sind, liegt der Brennpunkt des Lichtstrahls L1 nicht
in der Ebene des Pixelarrays 22.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- - DE 102005000650 [0005]
- - DE 10209615 [0006]
- - DE 102004024735 [0007, 0008]
- - DE 10241708 [0035]