DE102008062977A1

DE102008062977A1 - Optisches Modul mit multifokaler Optik zur Erfassung von Fern- und Nahbereich in einem Bild

Info

Publication number: DE102008062977A1
Application number: DE102008062977A
Authority: DE
Inventors: Konrad ROTHENHÄUSLER
Original assignee: ADC Automotive Distance Control Systems GmbH
Current assignee: ADC Automotive Distance Control Systems GmbH
Priority date: 2008-12-23
Filing date: 2008-12-23
Publication date: 2010-06-24
Also published as: KR20110105837A; EP2370297B1; CN102256836B; US20110253917A1; RU2011130884A; WO2010072198A1; BRPI0923496B1; CN102256836A; BRPI0923496A2; JP5382476B2; DE112009002664A5; RU2516033C2; US8541732B2; EP2370297A1; KR101871731B1; JP2012513603A

Abstract

Die Erfindung betrifft ein optisches Modul mit einem Halbleiterelement (4) mit einer für elektromagnetische Strahlung sensitiven Fläche und einem Objektiv (1) zum Projizieren elektromagnetischer Strahlung auf die sensitive Fläche des Halbleiterelements (4) insbesondere zum Einsatz in Kraftfahrzeugen. In einem definierten Teilvolumen im Raum zwischen dem Objektiv (1) und der sensitiven Fläche des Halbleiterelements (4) ist ein zusätzliches optisches Element (11) angeordnet, so dass durch das zusätzliche optische Element (11) in einem ersten Bereich der sensitiven Fläche des Halbleiterelements (4) ein erster Entfernungsbereich (8) abgebildet wi in dem sich das zusätzliche optische Element (11) nicht befindet, ein zweiter Entfernungsbereich (9) abgebildet wird.

Description

Die Erfindung betrifft ein optisches Modul zur Erfassung eines Fern- und eines Nahbereichs in einem Bild. Ein betreffendes optisches Modul kommt insbesondere in einem Kraftfahrzeug zur Außenraumbeobachtung durch die Windschutzscheibe zum Einsatz.
Intelligente Fahrerassistenzsysteme wie z. B. die Erkennung verschiedenster Objekte im Verkehrsgeschehen zeigen den flexiblen Einsatz von Kamerasystemen.
Moderne Kraftfahrzeugsensoren, die an der Windschutzscheibe angeordnet sind und durch diese hindurchblicken sind z. B. die Fahrzeugkamera, die Nachtsichtkamera oder auch diverse optische Abstandssensoren. Diese optischen Sensoren benötigen wie der Fahrer des Kraftfahrzeugs klare Sicht, um fehlerhafte Messsignale zu vermeiden.
Wassertropfen, Schnee und Schmutz auf der Windschutzscheibe werden in der Regel von einem elektrischen Scheibenwischer mit einer Gummilippe abgezogen. Der Scheibenwischer wird bei den meisten aktuell im Verkehr befindlichen Kraftfahrzeugen manuell ein und ausgeschaltet. Diese Aufgabe des Kraftfahrzeugfahrers wird in zunehmend von einem optoelektronischer Regensensor übernommen.
Das Funktionsprinzip eines optoelektronischen Regensensors basiert auf der Lichteinkopplung in die Windschutzscheibe unter einem Winkel, der die Bedingung der Totalreflexion zwischen Glas und Luft erfüllt aber kleiner ist als der erforderliche Winkel für eine Totalreflexion zwischen Glas und Wasser. Bei einer trockenen Scheibe wird ein großer Teil des in die Scheibe eingekoppelten Lichtbündels an der Scheibenaußenfläche totalreflektiert und an der Scheibeninnenfläche am Empfänger ausgekoppelt.
Befinden sich Wassertropfen auf der Scheibe wird die Winkelbedingung für Totalreflexion nicht mehr eingehalten. Dadurch wird ein Teil des Lichtbündels durch die Wassertropfen ausgekoppelt und kann den Empfänger im Fahrzeuginnenraum nicht mehr erreichen.
Dieses Prinzip zur Regenerkennung ist sehr störanfällig und abhängig von der Tropfengröße. Bei Nieselregen hat dieses Prinzip große Probleme da eine zweite Totalreflexion am Übergang zwischen Wasser und Luft das Licht wieder zur Einkopplung in die Scheibe und damit zum Empfänger bringt.
Der optoelektronische Regensensor hat Probleme bei der Erkennung von Schneeflocken, die noch nicht geschmolzen sind, trockenem Schmutz oder z. B. Insekten, die auf die Windschutzscheibe auftreffen.
Ein weiteres serienreifes Prinzip zur Regenerkennung ist die Regenerkennung durch einen kapazitiven Regensensor. Das Sensorprinzip basiert auf der stark abweichenden Dielelektrizitätskonstante von Wasser im Vergleich zu Glas oder Luft. Eine geschickte Anbringung von zwei Kondensatorplatten an der Fahrzeugscheibeninnenfläche bildet mit dem dazwischen liegenden Medium einen Kondensator. Ziel ist es hier den Verlauf der elektrischen Feldlinien nach außen durch den Luftraum knapp über der Windschutzscheibe zu ermöglichen. Befindet sich Wasser in diesem Luftraum oder feuchter Schmutz, so bewirkt die wesentlich höhere Dielelektrizitätskonstante des hinzugekommenen Mediums eine ansteigende Gesamtkapazität des dadurch gebildeten Kondensators. Diese Änderungen können mit neuen Digitalwandlungsverfahren mit direkter Erfassung der Kapazität schnell und günstig erfolgen. Aber auch dieser Sensor hat eine eingeschränkte Funktionalität bei einer Verschmutzung mit Stoffen deren Unterschied in der Dielelektrizitätskonstante nahe bei Luft liegt.
Ein Nachteil beider Sensoren ist der verhältnismäßig große Flächenbedarf an der Windschutzscheibe. Durch eine Verkleinerung der Sensorfläche würde die Reaktionsgeschwindigkeit des Sensors bei einsetzendem Regen deutlich herabgesetzt, da die Wahrscheinlichkeit sinkt, dass einer der ersten Tropfen in einem kleineren Sensorfeld auftrifft im Vergleich zu einer großen Sensorfläche.
Der Fahrer erwartet von der Komfortelektronik die er meist gegen Aufpreis erhält, ein schnelles und zuverlässiges Funktionieren. Im Idealfall soll sich das automatische System so verhalten wie er selbst es bei dem jeweiligen Ereignis tun würde. Beispielsweise soll bereits bei Nieselregen gewischt werden. Wenn zunehmend Insekten die Windschutzscheibe verschmutzen, ist ein Waschprogramm erforderlich. Wenn die Scheibe Schlieren hat, wird sie erneut gewischt.
In vielen dieser eben beschriebenen Situationen versagen die bisher serienreifen Sensoren durch fehlende Unterscheidungsmöglichkeiten bedingt durch ihre einfach gehaltene Sensorstruktur.
Die Notwendigkeit zur Vermeidung einer weiteren Anhäufung der Sensorelemente verschiedener Fahrerassistenz- und Komfortsysteme in den beengten Raumverhältnissen im oberen Windschutzscheibenbereich zwingt in der Zukunft zur Integration von mehreren Sensoren zu einem einzigen Sensor.
So gelangt man zu dem Ansatz eine Regensensorfunktion in eine existierende Fahrzeugkamera, die den Außenraum beobachtet als videobasierten Regensensor zu integrieren. Es ist bekannt, durch Kombinationen mit zusätzlichen optischen Komponenten Fernbereich und das Nahbereich (Windschutzscheibe) auf einen Bildsensor abzubilden. Der einfachste Ansatz hierzu ist eine Vorsatzlinse in einem Teilsichtfeld vor dem Objektiv der Fahrzeugkamera. Auf diese Weise bildet der Teil des Strahlengangs der durch die Vorsatzlinse verläuft den Nahbereich scharf auf dem Bildsensor ab und der Rest den Fernbereich (Straßenszene).
Das Patent DE 10 2004 037 871 B4 zeigt ein entsprechendes optisches Modul für ein den Außenvorraum in Fahrtrichtung eines Kraftfahrzeugs erfassendes Assistenzsystem. Es wird vorgeschlagen, einen Bildsensor abwechselnd für eine Außenraumassistenzfunktion und eine Regenfunktionalität zu verwenden.
Der Übergangsbereich zwischen Nah- und Fernbereich zeigt bei diesem Ansatz eine starke Verwischung auf, die zum einen durch die defokussierte Abbildung der Linsenkante und zum anderen durch die Vignettierung der Strahlbündel im Übergangsbereich entsteht. Die exakte Ausrichtung der optischen Mittel (Spiegel, Strahlteiler oder Vorsatzlinse) für Fern- und Nahbereich gestaltet sich schwierig. Für die gezeigten Losungen sind zudem stets teuere zusätzliche optische Mittel nötig.
Aufgabe der Erfindung ist es, eine kostengünstige, stabile und zuverlässige Optik für einen Kamerasensor anzugeben.
Gegenstand der Erfindung ist ein optisches Modul mit einem Halbleiterelement mit einer für elektromagnetische Strahlung sensitiven Fläche und einem Objektiv zum Projizieren elektromagnetischer Strahlung auf die sensitive Fläche des Halbleiterelements. In einem definierten Teilvolumen im Raum zwischen dem Objektiv und der sensitiven Fläche des Halbleiterelements ist ein zusätzliches optisches Element angeordnet.
Durch dieses zusätzliche, partielle optische Element wird ein erster Entfernungsbereich auf einen ersten Bereich der sensitiven Fläche des Halbleiterelements abgebildet, vorzugsweise der Fernbereich. Im zweiten Bereich des Sichtfeldes bzw. der sensitiven Fläche des Halbleiterelements, in dem sich das zusätzliche optische Element nicht befindet, wird ein zweiter Entfernungsbereich abgebildet, vorzugsweise der Nahbereich.
Dadurch werden auf der sensitiven Fläche des Halbleiterelements in einem ersten Bereich die elektromagnetischen Strahlen detektiert, die das zusätzliche optische Element über die gesamte Breite durchlaufen. Im zweiten Bereich werden die elektromagnetischen Strahlen detektiert, die außerhalb bzw. nicht durch die gesamte Breite des zusätzlichen optischen Elements verlaufen. Das zusätzliche optische Element füllt also einen Teil des Raumes vor der sensitiven Fläche des Halbleiterelements durch den die elektromagnetischen Strahlen auf die sensitive Fläche gelangen. Das zusätzliche optische Element befindet sich nicht in der gesamten Objektweite, sondern in einem Teilfeld der Bildweite des Objektivs.
Eine anschließende Bildverarbeitung kann das Gesamtbild, das sich aus den zwei Teilbildern der beiden unterschiedlichen Entfernungsbereiche zusammensetzt in einem Zyklus oder getrennt auswerten.
Gemäß einer bevorzugten Ausführung der Erfindung ist der Brechungsindex des zusätzlichen optischen Elements größer als der Brechungsindex des Mediums, das das zusätzliche optische Element umgibt. Das Medium, das das zusätzliche optische Element umgibt ist typischerweise Luft. Die Abbildung des zweiten Entfernungsbereichs wird nur unwesentlich von dem zusätzlichen optischen Element beeinflusst und ist somit von dem das zusätzliche optische Element umgebenden Medium mit kleinerem Brechungsindex abhängig.
Bevorzugt ist das Objektiv derart positioniert bzw. eingestellt und die Dicke bzw. der Brechungsindex des zusätzlichen optischen Elements derart vorgegeben, dass im ersten Bereich der sensitiven Fläche des Halbleiterelements ein optischer Fernbereich und im zweiten Bereich ein optischer Nahbereich abgebildet ist. Der Nahbereich liegt im Bereich von Zentimetern, der Fernbereich entspricht dem Bereich ab etwa zwei Metern.
Bei erfindungsgemäßer Positionierung des Objektivs führt die scharfe Abbildung des Nahbereichs zu einer sehr unscharfen, defokussierten Abbildung des Fernbereichs, solange kein zusätzliches optisches Element im optischen Modul angeordnet ist.
Durch das zusätzliche, partielle optische Element wird der Fernbereich abgebildet. In dem Bereich des Sichtfeldes, in dem sich dieses partielle optische Element nicht befindet, wird das Nahfeld abgebildet.
Die Bestimmung der erforderlichen Dicke des partiellen optischen Elements erfolgt in zwei Schritten:
Als erstes erfolgt eine Objektivfokussierung (Abstand zwischen Objektiv und Bildsensor) auf den Nahbereich. Dazu wird eine Objektdistanz von wenigen Zentimetern angenommen. Die optimierte Bildweite wird festgehalten und das partielle optische Element mit variabler Dicke (begrenzt durch die fixierte Bildweite) hinzugefügt.
Anschließend wird die Objektweite mit der Hyperfokaldistanz des Objektivs (Fernbereich) definiert. Eine geeignete Dicke des zusätzlichen optischen Elements ist dann gegeben, wenn das so erzeugte Bild eine befriedigende Qualität erreicht hat.
Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung ist das zusätzliche optische Element eine planparallele transparente Platte. Diese planparallele transparente Platte kann insbesondere aus Glas hergestellt sein, beispielsweise aus hochwertigem Bor-Kronglas, Borosilikatglas oder dergleichen. Entsprechend einer weiteren bevorzugten Ausführungsform kann die planparallele Platte aus transparentem Kunststoff hergestellt sein, beispielsweise aus Polycarbonat oder Polymethylmethacrylat (PMMA).
In einer besonderen Ausgestaltung der Erfindung ist das zusätzliche optische Element ein Teil einer Zerstreuungslinse, ein Mikrolinsenarray mit Zerstreuungslinsen oder ein diffraktives Mikrolinsenarray. Ein Mikrolinsenarray gebildet aus Zerstreuungslinsen, die den konvergierenden Strahlengang in definierter Weise aufweiten bzw. divergieren, ermöglicht die Abbildung des Fernbereichs an dem Punkt der optischen Achse, an dem eine optimale Abbildung des Nahfeldes besteht.
Gemäß einer alternativen Ausführungsform besteht das zusätzliche optische Element aus mindestens zwei planparallelen Bereichen mit unterschiedlicher Dicke. Das partielle optische Element ist hierbei abgestuft. Alternativ kann die „Abstufung” durch eine Materialvariation innerhalb einer planparallelen transparenten Platte realisiert werden. Hierzu werden in mindestens zwei Bereichen Materialien mit unterschiedlichen Brechungsindizes verwendet.
In beiden Varianten werden mindestens zwei verschiedene auch überschneidende Schärfentiefenbereiche in einem Kamerabild ermöglicht.
Für eine kontinuierliche Dickenvariation kann das zusätzliche optische Element gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform keilförmig sein.
In einer Fortführung der Erfindung kann das zusätzliche optische Element zyklisch in den Raum zwischen Objektiv und Bildsensor eingebracht werden, beispielsweise in Form eine „Chopperrades”, also einer rotierenden Scheibe, die abwechselnd Segmente mit einer planparallelen Platte und Segment ohne Platte aufweist.
Eine ähnliche Vorrichtung kann in einer weiteren Ausführungsform verwendet werden, um zusätzliche optische Elemente unterschiedlicher Dicke und/oder unterschiedlicher Brechungsindizes zyklisch in den Raum zwischen Objektiv und Bildsensor einzubringen. Dadurch können zyklisch Bilder aufgenommen werden, die einen unterschiedlichen Schärfentiefebereich im Fernbereich abbilden. Aus den Bildern mit unterschiedlichem Schärfentiefebereich kann anschließend auf die Entfernung von Gegenständen im Fernbereich geschlossen werden.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform kann das zusätzliche optische Element durch Füllung eines Teilvolumens mit einem flüssigen Medium, z. B. Wasser oder Öl, mit einem größeren Brechungsindex als dem des umgebenden Mediums (typischerweise Luft) realisiert sein.
Bevorzugt ist das partielle optische Element so dimensioniert, dass der erste Bereich der sensitiven Fläche des Halbleiterelements größer ist als der zweite Bereich. Das Verhältnis zwischen Fernbild und Nahbild wird durch die effektiv belegte Sichtfeldfläche durch das partielle optische Element bestimmt. Vorgeschlagen wird hier eine Aufteilung, die ein Bild gewährleistet, das zu 80% den Fernbereich abbildet und zu 20% den Nahbereich, je nach Komponenten und Applikation ist ein Verhältnis von 90% zu 10% vorteilhaft.
Vorteilhaft kann auf mindestens einer Seite des zusätzlichen optischen Elements eine Beschichtung angebracht ist, durch die Reflexionen vermieden werden.
Zusätzlich oder alternativ kann eine Beschichtung auf mindestens einer Seite des zusätzlichen optischen Elements angebracht werden, die elektromagnetische Strahlung in einem definierten Wellenlängenbereich filtert. Denkbar sind insbesondere Filterbeschichtungen für den IR- und UV-Bereich. Der Bereich der sensitiven Fläche, auf dem der Nahbereich abgebildet wird, dessen Strahlengang das zusätzliche optische Element nicht passiert, empfängt dadurch elektromagnetische Wellen ungefiltert, also auch außerhalb des sichtbaren Bereichs. Beispielsweise kann eine Beschichtung auf der Eintrittsseite des zusätzlichen optischen Elements, die UV-Licht filtert, das Element vor hohen UV-Intensitäten schützen. insbesondere bei einem zusätzlichen optischen Element aus Kunststoff ist dies erforderlich.
Zur Ausfilterung einer hohen UV-Intensität kann ein UV-Filter entweder mit der Windschutzscheibe kombiniert oder im vorderen Bereich des Objektivs dienen. Dadurch wird der Bildsensor vor hohen Intensitäten an UV-Strahlung geschützt. Dies hat zum einen den Vorteil, dass es zu einem geringeren Einfluss des lateralen Farbfehlers kommt, da die Wellenlängenbereiche in denen apochromatische Optiken optimiert werden begrenzt sind. Ein anderer Vorteil ist ein gegebener Schutz von optischen Bauteilen hinter dem Filter, der vor allem beim Einsatz von Kunststofflinsen und natürlich zum Schutz des Bildsensors bei starker Sonneneinstrahlung erforderlich ist.
Die Erfindung sieht bevorzugt vor, dass das optische Modul im Innenraum eines Kraftfahrzeuges hinter der Windschutzscheibe angeordnet ist und dabei in Fahrtrichtung den Außenraum erfasst.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform ist das optische Modul derart gestaltet, dass als zweiter Entfernungsbereich die Außenseite der Windschutzscheibe scharf auf dem zweiten Bereich (Nahbereich) der sensitiven Fläche des Halbleiterelements abgebildet wird. Durch das zusätzliche optische Element wird auf dem ersten Bereich (Fernbereich) der sensitiven Fläche des Halbleiterelements als erster Entfernungsbereich die vor dem Fahrzeug liegende Umgebung abgebildet. Das Halbleiterelement erfasst also gleichzeitig das Verkehrsgeschehen im Fernbereich, beispielsweise größer zwei Meter und die Windschutzscheibe im Nahbereich, beispielsweise kleiner 20 Zentimeter.
In einer bevorzugten Ausgestaltung ist eine Beleuchtungsquelle vorgesehen, die den Bereich des Sichtfeldes durch die Windschutzscheibe beleuchtet, der im zweiten Bereich der sensitiven Fläche des Halbleiterelements abgebildet wird. Vorteilhaft ist es, das Nahfeld mit IR-Licht auszuleuchten. Die Beleuchtungsquelle kann vorteilhaft durch einen optischen Verschluss gesteuert werden, insbesondere mit variabler Beleuchtungszeit der gesamten sensitiven Fläche des Halbleiterelements oder insbesondere für den Teilbereich der aktiven Fläche auf dem die Abbildung des Nahfeldes erfolgt.
Die Strahlung der Beleuchtungsquelle kann insbesondere über einen flexiblen Lichtleitkörper in die Windschutzscheibe eingekoppelt werden. Ein geeigneter flexibler Lichtleitkörper ist beispielsweise transparentes Silikon. Die Teilstrahlungsenergie kann über ein an der Scheibe angebrachtes Absorberelement in Wärme umgewandelt werden, die zum Heizen der Windschutzscheibenteilfläche dient. Als Absorberelemente können z. B. die aufgebrachten Heizdrähte einer bestehenden Scheibenheizung eingesetzt werden. Die als Absorberfläche verwendeten Heizdrähte können gleichzeitig als Abschattung des in Fahrtrichtung des Kraftfahrzeugs abgestrahlten Lichts dienen.
In einer bevorzugten Ausführungsform ist ein optisches Modul mit einem zumindest einseitig beschichteten zusätzlichen optischen Element vorgesehen, dessen Wellenlängenfilter den Wellenlängenbereich unterdrückt, der von der Beleuchtungsquelle zur Ausleuchtung des Nahbereichs verwendet wird. Der Bereich des Sichtfeldes durch die Windschutzscheibe wird insbesondere mit Licht im infraroten Wellenlängenbereich ausgeleuchtet und das zusätzliche optische Element ist mit einem Filter beschichtet, der die Transmission im infraroten Wellenlängenbereich unterdrückt. Dieser Wellenlängenbereich wird vom Kraftfahrzeuglenker und anderen Verkehrsteilnehmern nicht wahrgenommen. Gleichzeitig hat die sensitive Fläche des Halbleiterelements eine sehr hohe Empfindlichkeit für den IR-Bereich, was eine Ausleuchtung des Nahfeldes mit einer stromsparenden IR-Lichtintensität ermöglicht. Die Anbringung der Beleuchtungsquelle ist in mehreren Bereichen möglich. Gute Ergebnisse bei Tests mit Weißlicht-LEDs werden durch eine schräg in die Scheibe einfallende Beleuchtung von unten erzielt. Die Beleuchtung kann im Dauerbetrieb oder zyklisch erfolgen. Eine zyklische Beleuchtung mit einem sinusförmigen Intensitätsverlauf oder eine getaktete Beleuchtung ist zu bevorzugen um Störeinflüsse im Bild des Fernbereichs zu vermeiden bzw. zu mildern.
Die Erfindung umfasst zudem ein Verfahren zur Bestimmung des Abstands zwischen einer Windschutzscheibe und einem optischen Modul. Das optische Modul bildet dazu eine auf der Windschutzscheibe angeordnete Zielmarkierung auf den zweiten Bereich der sensitiven Fläche des Halbleiterelements fokussiert ab. Von einer Auswerteeinheit kann eine Veränderung der Position der Windschutzscheibe relativ zur optischen Achse des optischen Moduls im Vergleich zu einer gespeicherten Ausgangsposition festgestellt und gemessen werden. Abweichungen der optischen Achse relativ zur Windschutzscheibe können durch eine Bildverarbeitung herausgerechnet werden. Dieses Verfahren ist besonders vorteilhaft, um die Geometrie eines Stereokamerasystems zu überwachen. Abweichungen der Zielmarken von den gespeicherten Ausgangspositionen ermöglichen eine Bestimmung der Änderung der Position der beidem Stereokameramodule zueinander.
Die Erfindung zeichnet sich als eine besonders kostengünstige Lösung aus. Gerade der Einsatz eines einfachen Glas- oder Kunststoffplättchens bietet eine preisgünstige und sehr leistungsfähige Lösungsvariante für eine multifokale Optik in einem Optischen Modul.
Besonders der geringe Verwischungsbereich und die Kompensation der Unschärfe im Nah- und Fernfeld durch diesen optischen Aufbau sind von Vorteil. Im Vergleich zu einem Einbau eines optischen Zusatzelements in der Objektweite der Kamera bietet der hier vorgeschlagene Einbau in der Bildweite den großen Vorteil, dass es nicht zu einer Verwischung durch eine defokussierte Abbildung der Objektkante des optischen Bauteils kommt.
Nachfolgend wird die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen und Figuren erläutert.
1: Abbildungseigenschaften eines optischen Moduls in einem Kraftfahrzeug mit Objektiv und Halbleitersensor
2: Abbildungseigenschaften eines optischen Moduls in einem Kraftfahrzeug mit zusätzlichem, partiellen optischen Element zwischen Objektiv und Halbleitersensor
1 zeigt eine schematische Darstellung der Strahlengänge (8, 9) für einen ersten (8) und einen zweiten (9) Entfernungsbereich, die durch ein Objektiv (1) mit der Hauptebene (2) auf die sensitive Fläche eines Halbleiterelements (4) abgebildet werden. Das Sichtfeld (10) ist durch die gepunktet dargestellten Linien begrenzt. Das Objektiv (1) ist so zwischen Windschutzscheibe (5) und der sensitiven Fläche des Halbleiterelements (4) positioniert, dass zum einen das Sichtfeld (10) im unteren Bereich nicht durch die Streulichtblende (7) eingeschränkt wird, aber das verfügbare Volumen ausnutzt, und zum anderen ein Bereich der Windschutzscheibenaußenseite im Nahbereich (9) fokussiert auf die sensitive Fläche des Halbleiterelements (4) abgebildet ward. Sollte der Fernbereich (8) fokussiert auf der sensitiven Fläche des Halbleiterelements (4) abgebildet werden, müsste entweder das Objektiv (1) nach rechts verschoben werden oder das Halbleiterelement (4) müsste nach links verschoben werden. In beiden Fällen würde das Sichtfeld (10) durch die Streulichtblende (7) eingeschränkt und der Fernbereich würde nicht mehr scharf auf der sensitiven Fläche des Halbleiterelements (4) abgebildet. Ein derartiges optisches Modul entspricht dem Stand der Technik.
Der Parallelversatz beim Strahlengang durch die Windschutzscheibe (5) ist in den schematischen Darstellungen in 1 und 2 nicht berücksichtigt.
2 zeigt ein optisches Modul mit einem zusätzlichen optischen Element (11), das in einem definierten Teilvolumen zwischen Objektiv (1) und der sensitiven Fläche des Halbleiterelements (4) angeordnet ist. Das Teilvolumen ist darauf bezogen, dass das zusätzliche optische Element den Sichtbereich (10) in zwei Teile unterteilt. Einen Teil, der aus dem zusätzlichen optischen Element (11) auf der Austrittsseite (rechts) auf die sensitive Fläche des Halbleiterelements (4) trifft und einen Teil, der auf die sensitive Fläche des Halbleiterelements (4) über das Medium trifft, das das zusätzliche optische Element (11) umgibt. Diese beiden Teile des Sichtfeldes (10) definieren auf der sensitiven Fläche des Halbleiterelements (4) zwei Bereiche. Der erste Bereich entspricht dem Bereich des Halbleiterelements (4), der durch das zusätzliche optische Element (11) abgedeckt ist und in dem nach dieser Darstellung der Fernbereich (8) fokussiert abgebildet wird. Der zweite Bereich entspricht dem über dem ersten Bereich liegenden, der nicht durch das zusätzliche optische Element (11) abgedeckt ist und in dem nach dieser Darstellung der Nahbereich (9) fokussiert abgebildet wird. Auf diese Weise enthält das Bild, das durch die sensitive Fläche des Halbleiterelements (4) aufgenommen wird gleichzeitig einen Bereich mit einer scharfen Nahbereichsabbildung und einen Bereich mit einer tiefenscharfen Fernbereichsabbildung. In der Nahbereichsabbildung können Wassertropfen (6), Schmutz, Schneeflocken oder dergleichen detektiert und klassifiziert werden. Gleichzeitig ist auf einem großen ersten Bereich des Kamerabildes das Verkehrsgeschehen in z. B. zwei bis 50 Meter Entfernung verfügbar und kann von verschiedenen Fahrerassistenzfunktionen verwendet und ausgewertet werden.
Einem Videobasierten Regen- und Schmutzsensor mit einem erfindungsgemäßen optischen Modul stehen eine Vielzahl von Bildpixeln zur Verfügung. Intelligente Algorithmen ermöglichen eine Unterscheidung zwischen Regen, Schmutz, Schnee, Scheibenvereisung oder Tau durch eine geometrische Objekterkennung.
Eine intelligente Beleuchtung unterstützt und sichert die Bildanalyse z. B. durch eine definierte Beleuchtungsfunktion wie beispielsweise sinusförmigen Lichtintensitätsverlauf.
Ein weiterer Vorteil dieser Erfindung ist einpositiver Einfluss auf das bisherige Problem der temperaturabhängigen Fokusverschiebung. Bei Temperaturerhöhung besteht typischerweise das Problem, dass sich das Objektiv vom Bildsensor wegbewegt. Damit erfolgt eine Fokusverschiebung vom Fernfeld zum Nahfeld hin. Der Einfluss des partiellen optischen Elements in der Bildweite zeigt sich in einer Brechung des konvergenten Strahlengangs vom Lot weg (Übergang von Luft zum partiellen optischen Element n_Luft < n_POE), wodurch die scharfe Abbildung eines Objektes weiter entfernt vom Objektiv erfolgt als es beim gleichen Aufbau ohne partielles optisches Elements der Fall wäre.
Unterliegt das System einer Erwärmung, vergrößert sich wie oben beschrieben der Abstand zwischen Bildsensor und Objektiv. Gleichzeitig dehnt sich aber auch das partielle optische Element aus und kompensiert die defokussierte Abbildung auf dem Bildsensor in einem gewissen Maß. Diese Kombination verhält sich auch bei tiefen Temperaturen als positiver Kompensator für die Bildschärfe. Durch eine Materialoptimierung kann hier eine befriedigende Abbildungsqualität über den gesamten Temperaturbereich erzielt werden.
Eine Kamera ohne partielles optisches Element ist auf den Nahbereich fokussiert. Das partielle optische Element ermöglicht eine scharfe Abbildung des Fernbereichs. Eine Verschiebung des Objektivs weg vom Bildsensor aufgrund einer Temperaturerhöhung ist verantwortlich für eine unscharfe Abbildung von Nah- und Fernbereich. Die Nahbereichsabbildung hat einen positiven Abbildungsverlauf über Temperatur, da sich mit dem wegbewegenden Objektiv auch die Objektweite (Abstand von Objektivhauptebene zur Windschutzscheibe) verkleinert.
Ein weiterer positiver Ansatz zum temperaturabhängigen Fokusversatz durch die größer werdende Bildweite ist die damit entstehende Sichtfeldänderung welche das Sichtfeld durch die Windschutzscheibe verkleinert und damit eine Abbildung von höher liegenden Objektpunkten auf dem gleichen Bildpunkt zur Folge hat. Durch die geneigte Windschutzscheibe, wird nicht nur ein weiter oben liegender Objektpunkt erfasst, sondern eine scharfe Abbildung von Objekten mit einer kleineren Objektweite. Eine Verkleinerung der Objektweite bei gleichbleibender Brennweite bringt eine Verlängerung der Bildweite mit sich. Diese Verlängerung der Bildweite stellt bei der Nahabbildung eine selbstregulierende Temperaturkompensation dar. Es gilt: 1/f = 1/g + 1/b. Mit der Brennweite des Objektivs f, der Gegenstandsweite g (im Nahfeld z. B. 5,5 cm) und der Bildweite der Nahfeldabbildung b.
Bei der Abbildung im Fernfeld funktioniert dieser Korrekturmechanismus nicht. Zum einen, weil die Objektweite sehr viel größer ist und Änderungen nur eine sehr kleine Auswirkung haben auf die Bildweite, zum Anderen betrachtet man in der Objektweite keine geneigte Ebene wie es bei der Windschutzscheibe der Fall ist. Aus diesem Grund ist hier für das partielle optische Element ein geeignetes Material auszuwählen, dessen thermische Ausdehnung einen positiven Einfluss auf die Fokussierung hat.
Ein optimaler Übergangsbereich der beiden Bildbereiche wird durch eine definierte Kante des partiellen optischen Elements gewährleistet. Bei Elementen aus Glas entsteht ein „ausgefressener” Übergang zum Teilbild des Fernfeldes entstand durch Absplitterungen an der Glaskante. Beim Einsatz von Kunststoffelementen aus Polycarbonat oder PMMA können derartige Absplitterungen vermieden werden. Der Verwischungsbereich hängt zudem von der Dicke des partiellen optischen Elements ab. Materialien mit hohem Brechungsindex bringen hier Vorteile.
Dadurch, dass ein erfindungsgemäßes optische Modul in der Lage ist, verschiedene Objekte sowohl auf der Windschutzscheibenaußenseite als auch auf der Windschutzscheibeninnenseite zu erkennen und zu unterscheiden, kann eine erweiterte automatische Scheibenwisch- und -wasch- und -belüftungsfunktionalität bereitgestellt werden. Regen, Schmutz, Schnee, Eis, Tau und Aerosolablagerungen können unterschieden werden. Alle genannten Einflüsse beeinträchtigen die Sicht durch die Windschutzscheibe und damit sämtliche Fahrerassistenzfunktionen, die auf der Grundlage der Daten aus dem Teilbild des Fernfeldes arbeiten.
Im Anschluss an eine Bildverarbeitung und Objekterkennung wird in Abhängigkeit der erkannten Sichtbehinderungen ein Steuersignal an die Scheibenwisch-, Scheibenwasch-, Klima- oder Lüftungsanlage gegeben und damit eine flexible, der Sichtbehinderung in Art und Ausmaß angepasste Reinigungs- oder Komfortfunktion automatisch eingeleitet.
Eine weitere Möglichkeit zur Nutzung der vorgestellten multifokalen Optik liegt neben der Regen- und Schmutzerkennung im Betrieb als „Scanner” bzw. Codelesegerät für ein Kraftfahrzeug. Eine Zielmarke auf der Windschutzscheibe, die beispielsweise einen aufgedruckten Code zur Windschutzscheibenidentifikation enthält, kann aufgenommen und verarbeitet werden. Identifizierte Codes können über eine Datenleitung insbesondere ein Bussystem an andere Steuergeräte gesendet werden.
Es wird die Nutzung der Abbildung des Nahbereichs (Windschutzscheibenaußenfläche) als zukünftige Kommunikationsschnittstelle zwischen Mensch und Fahrzeug vorgeschlagen, indem es einen Codeleser (vergleichbar einem Registrierscanner) darstellt über den von außen Daten eingelesen werden können. So könnte z. B. die Kamera zum Öffnen des Fahrzeugs verwendet werden, indem z. B. der Fingerabdruck des Fahrers eingescannt wird, mit dem Finger ein eingespeicherter Weg abgefahren wird oder ein vorgehaltenes Codekärtchen gelesen wird.
Ein weiteres Beispiel ist das digitale Einlesen von Strafzetteln oder anderen Informationen, die dem Fahrzeughalter mitgeteilt werden sollen. Diese könnte sich der Fahrer z. B. über einen Bordmonitor ansehen.
Gerade beim Einsatz von zukünftigen Stereokameras rückt die Einbauposition von der Mitte der Windschutzscheibe näher zum Rand und so einfacher für den Fahrzeugbesitzer zu erreichen. Die Kamera müsste sich dazu in einer Stand-by-Phase befinden und bei schneller Verdunkelung des Sichtfeldes aktiv werden mit der Bildverarbeitung und der Nahbereichsbeleuchtung.
Eine alternative Möglichkeit, eine multifokale Optik durch ein partielles optisches Element zu gestalten, besteht darin, die Bildweite auf eine bestmögliche Fernbereichsabbildung einzustellen und als partielles optisches Element einen Teil einer Sammellinse zu verwenden. In diesem Fall ist die Nahbereichsabbildung ohne partielles optisches Element stark defokussiert. Allerdings kann eine Sammellinse (Teillinse) in der Bildweite den Abbildungsstrahlengang der Nahfeldabbildung kollimieren und damit eine ähnliche Abbildung ermöglichen wie bereits beschrieben.
Der Unterschied zur oben beschriebenen Lösung ist, dass dem Nahfeld durch die kleinere Brennweite auch nur ein verkleinertes Sichtfeld zur Verfügung steht, was eine großflächige Regenerkennung behindert.

1: Objektiv
2: Hauptebene des Objektivs
3: Abdeckglas des Halbleiterlement
4: Halbleiterelement mit sensitiver Fläche
5: Windschutzscheibe
6: Regentropfen
7: Streulichblende
8: Fernbereich
9: Nahbereich
10: Sichtbereich
11: Zusätzliches, partielles optisches Element

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

- DE 102004037871 B4 [0015]

Claims

Optisches Modul umfassend – ein Halbleiterelement (4) mit einer für elektromagnetische Strahlung sensitiven Fläche und – ein Objektiv (1) zum Projizieren elektromagnetischer Strahlung auf die sensitive Fläche des Halbleiterelements (4), dadurch gekennzeichnet, dass in einem definierten Teilvolumen im Raum zwischen dem Objektiv (1) und der sensitiven Fläche des Halbleiterelements (4) ein zusätzliches optisches Element (11) angeordnet ist, so dass durch das zusätzliche optische Element (11) in einem ersten Bereich der sensitiven Fläche des Halbleiterelements (4) ein erster Entfernungsbereich (8) abgebildet wird und in einem zweiten Bereich des Sichtbereichs, in dem sich das zusätzliche optische Element (11) nicht befindet, ein zweiter Entfernungsbereich (9) abgebildet wird.
Optisches Modul nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Brechungsindex des zusätzlichen optischen Elements (11) größer ist als der Brechungsindex des Mediums, das das zusätzliche optische Element (11) umgibt.
Optisches Modul nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Objektiv (1) derart positioniert ist und die Dicke des zusätzlichen optischen Elements (11) derart vorgegeben ist, dass im ersten Bereich der sensitiven Fläche des Halbleiterelements (4) ein optischer Fernbereich (8) und im zweiten Bereich ein optischer Nahbereich (9) abgebildet ist.
Optisches Modul nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass das zusätzliche optische Element (11) eine planparallele transparente Platte ist.
Optisches Modul nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die planparallele transparente Platte (11) aus Kunststoff ist.
Optisches Modul nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass das zusätzliche optische Element (11) ein Teil einer Zerstreuungslinse, ein Mikrolinsenarray mit Zerstreuungslinsen oder ein diffraktives Mikrolinsenarray ist.
Optisches Modul nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass das zusätzliche optische Element (11) mindestens zwei planparallele Bereich unterschiedlicher Dicke umfasst.
Optisches Modul nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass das zusätzliche optische Element (11) mindestens zwei Bereiche mit Materialien unterschiedlicher Brechungsindizes umfasst.
Optisches Modul nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass das zusätzliche optische Element (11) keilförmig ist.
Optisches Modul nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass das zusätzliche optische Element (11) zyklisch in den Raum zwischen Objektiv (1) und der sensitiven Fläche des Halbleiterelements (4) eingebracht werden kann.
Optisches Modul nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass zusätzliche optische Elemente (11) unterschiedlicher Dicke und/oder unterschiedlicher Brechungsindizes zyklisch in den Raum zwischen Objektiv (1) und der sensitiven Fläche des Halbleiterelements (4) eingebracht werden können.
Optisches Modul nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass das zusätzliche optische Element (11) durch Füllung eines Teilvolumens mit einem flüssigen Medium mit einem größeren Brechungsindex als das umgebende Medium realisiert ist.
Optisches Modul nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass das zusätzliche optische Element (11) so dimensioniert ist, dass der erste Bereich der sensitiven Fläche des Halbleiterelements größer ist als der zweite Bereich.
Optisches Modul nach einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass auf mindestens einer Seite des zusätzlichen optischen Elements (11) eine Beschichtung angebracht ist, durch die Reflexionen vermieden werden können.
Optisches Modul nach einem der Ansprüche 1 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass eine Beschichtung auf mindestens einer Seite des zusätzlichen optischen Elements (11) angebracht ist, die elektromagnetische Strahlung in einem definierten Wellenlängenbereich filtert.
Optisches Modul nach einem der Ansprüche 1 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass das optische Modul im Innenraum eines Kraftfahrzeuges hinter der Windschutzscheibe (5) in Fahrtrichtung den Außenraum erfassend angeordnet ist.
Optisches Modul nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, dass das Objektiv (1) derart positioniert ist, dass die Außenseite der Windschutzscheibe (5) scharf auf dem zweiten Bereich der sensitiven Fläche des Halbleiterelements (4) abgebildet wird.
Optisches Modul nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, dass eine Beleuchtungsquelle vorgesehen ist, die den Bereich (9) des Sichtfeldes (10) durch die Windschutzscheibe (5) beleuchtet, der im zweiten Bereich der sensitiven Fläche des Halbleiterelements (4) abgebildet wird.
Optisches Modul nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet dass die Strahlung der Beleuchtungsquelle über einen flexiblen Lichtleitkörper in die Windschutzscheibe (5) eingekoppelt wird.
Optisches Modul nach einem der Ansprüche 16 bis 19, dadurch gekennzeichnet, dass der Bereich (9) des Sichtfeldes (10) durch die Windschutzscheibe (5) mit Licht im infraroten Wellenlängenbereich ausgeleuchtet wird und das zusätzliche optische Element (11) mit einem Filter beschichtet ist, der die Transmission im infraroten Wellenlängenbereich unterdrückt.
Verfahren zur Kalibrierung des Abstands zwischen einer Windschutzscheibe (5) und einem optischen Modul gemäß einem der Ansprüche 16 bis 20, dadurch gekennzeichnet, dass das optische Modul eine auf der Windschutzscheibe (5) angeordnete Zielmarkierung auf der sensitiven Fläche des Halbleiterelements (4) fokussiert abbildet, so dass von einer Auswerteeinheit eine Veränderung der Position der Windschutzscheibe (5) relativ zur optischen Achse des optischen Moduls im Vergleich zu einer gespeicherten Ausgangsposition gemessen wird.