-
Die Erfindung betrifft ein optisches Element zur multifokalen Abbildung in einer Kamera für Fahrzeuganwendungen gemäß Anspruch 1.
-
Zunehmend werden in Fahrzeugen Kameras eingesetzt, beispielsweise in Einparkhilfen zur Unterstützung des Fahrers beim Einparken und in Fahrerassistenzssystemen insbesondere zur Erfassung von Verkehrssituationen vor dem Fahrzeug.
-
Die Kameras von Fahrerassistenzsystemen werden in Form von Modulen häufig hinter der Windschutzscheibe im Bereich des Rückspiegels in Fahrzeuge eingebaut. In der Regel sind die eingesetzten Kameras für die Fernbereichsabbildung ausgelegt, da ihre Schärfentiefe von wenigen Metern bis Unendlich reicht. Dadurch können Objekte ab einem bestimmten Abstand vom Fahrzeug bzw. der Kamera mit hinreichender Abbildungsschärfe zur Weiterverarbeitung mit Algorithmen zur Bildverarbeitung erfasst werden. Objekte, die sich sehr nahe und außerhalb der Schärfentiefe beispielsweise am Fahrzeug auf der Windschutzscheibe wie Regentropfen befinden, werden unscharf abgebildet und können daher in der Regel von Bildverarbeitungsalgorithmen nicht sicher erkannt werden.
-
Sollen auch Objekte im Nahbereich sicher erkannt werden, ist daher eine zweite Kamera mit einer anderen Fokussierung auf den Nahbereich des Fahrzeugs erforderlich, beispielsweise eine Kamera zur Regenerkennung, die auf die Windschutzscheibe fokussiert ist. Dies führt jedoch zu einem erhöhten technischen Aufwand, beispielsweise bei der Verkabelung im Fahrzeug, da die Bilddaten der Kameras häufig von einem Rechner verarbeitet werden, dem sie zugeführt werden müssen.
-
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, ein optisches Element für eine Kamera für Fahrzeuganwendungen vorzuschlagen, mit dem eine multifokale Abbildung ermöglicht wird.
-
Diese Aufgabe wird durch ein optisches Element zur multifokalen Abbildung in einer Kamera für Fahrzeuganwendungen mit den Merkmalen nach Anspruch 1 gelöst. Weitere Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen.
-
Unter einer multifokalen Abbildung wird hierin insbesondere eine Abbildung von Bereichen mit unterschiedlichen Abständen von einer Kamera, in der das erfindungsgemäße optische Element eingesetzt wird, mit hinreichender Schärfe verstanden, insbesondere die Abbildung eines Fern- und gleichzeitig eines Nahbereichs. Das erfindungsgemäße optische Element ist vor allem für Kameras vorgesehen, die hinter der Windschutzscheibe eines Fahrzeugs angeordnet werden. Anstelle von verschiedenen Kameras zur Fern- und Nahbereichsabbildung kann eine einzige Kamera verwendet werden, in der das optische Element eingesetzt und die hinter der Windschutzscheibe eines Fahrzeugs angeordnet wird. Eine solche Kamera kann durch das erfindungsgemäße optische Element beispielsweise für eine Fernbereichsabbildung zur Umgebungserfassung und für eine Nahbereichsabbildung zur Regentropfenerkennung ausgebildet sein. Das optische Element kann vor einem Bildsensor der Kamera derart angeordnet werden, dass Bereiche des Bildsensors durch die im Strahlengang der Kamera davor liegenden jeweiligen Teilbereiche für unterschiedliche Fokusbereiche vorgesehen sind. Die von den unterschiedlichen Fokusbereichen zugeordneten Bereichen des Bildsensors erzeugten Bilddaten können dann von einem Bildverarbeitungsalgorithmus getrennt verarbeitet werden.
-
Eine Ausführungsform der Erfindung betrifft nun ein optisches Element zur multifokalen Abbildung in einer Kamera für Fahrzeuganwendungen mit
- – mindestens einem ersten und mindestens einem zweiten nebeneinander angeordneten Teilbereich, wobei
- – der mindestens eine erste Teilbereich ausgebildet ist, einen ersten axialen Versatz des Strahlengangs in der Kamera zu bewirken,
- – der mindestens eine zweite Teilbereich ausgebildet ist, einen zweiten axialen Versatz des Strahlengangs in der Kamera zu bewirken,
- – sich der erste vom zweiten axialen Versatz unterscheidet,
- – der erste axiale Versatz für eine Fernbereichsabbildung in der Kamera vorgesehen ist,
- – der zweite axiale Versatz für eine Nahbereichsabbildung in der Kamera vorgesehen ist, und wobei
- – sich der zweite Teilbereich vom ersten Teilbereich darin unterscheidet, dass sich sein Querschnitt in eine vertikale Richtung der Nahbereichsabbildung ändert. Ein solches optisches Element eignet sich vor allem für eine Kamera geeignet, die hinter der Windschutzscheibe eines Fahrzeugs angeordnet ist und deren Abbildungsoptik für eine Fernbereichsabbildung zur Umgebungserfassung fokussiert ist. Durch die Querschnittsänderung des zweiten Teilbereichs in eine vertikale Richtung der Nahbereichsabbildung ist das optische Element insbesondere geeignet, einen vertikalen Bereich einer geneigten Windsschutzscheibe eines Fahrzeugs mit hinreichender Schärfe abzubilden, so dass eine Regentropfenerkennung ermöglicht wird, während mit dem ersten Teilbereich eine Umgebungserfassung vor dem Fahrzeug ermöglicht wird.
-
Der zweite Teilbereich kann sich vom ersten Teilbereich insbesondere darin unterscheiden, dass seine Materialstärke dünner als die des ersten Teilbereichs ist. Hierdurch kann der zweite Teilbereich an die Nahbereichsabbildung angepasst werden.
-
Weiterhin kann sich der zweite Teilbereich vom ersten Teilbereich darin unterscheiden, dass sich sein Querschnitt in die vertikale Richtung der Nahbereichsabbildung nichtlinear ändert. Die nichtlineare Änderung kann beispielsweise dadurch implementiert sein, dass der Querschnitt des zweiten Teilbereichs in die vertikale Richtung der Nahbereichsabbildung keilförmig oder abgestuft ausgebildet ist.
-
Der erste und der zweite Teilbereich können weiterhin unterschiedliche Brechungsindizes und/oder unterschiedliche spektrale Transmissionseigenschaften besitzen.
-
Es sind im Rahmen der vorliegenden Erfindung verschiedene Ausgestaltungen des optischen Elements möglich; insbesondere kann das optische Element rechteckig, insbesondere quadratisch ausgebildet sein, und in der Ebene des optischen Elements kann ein zweiter Teilbereich an einer der Seiten des rechteckigen optischen Elements vorgesehen sein, oder es können zwei zweite Teilbereiche an gegenüberliegenden Seiten des rechteckigen optischen Elements vorgesehen sein.
-
Eine weitere Ausführungsform der Erfindung betrifft eine Kamera für Fahrzeuganwendungen mit
- – einem Bildsensor und
- – einem optischen Element nach der Erfindung und wie oben erläutert, das vor dem Bildsensor im Strahlengang der Kamera derart angeordnet ist, dass ein erster Teilbereich einen ersten strahlungssensitiven Bereich des Bildsensors abdeckt und ein zweiter Teilbereich einen zweiten, sich vom ersten unterscheidenden strahlungssensitiven Bereich des Bildsensors abdeckt.
-
Die Kamera kann eine Optik mit Zwischenabbildung aufweisen, und das optische Element kann etwa in der Zwischenabbildungsebene angeordnet sein.
-
Schließlich betrifft eine Ausführungsform der Erfindung ein Kameramodul eines Fahrerassistenzsystems, das zur Montage im Windschutzscheibenbereich eines Fahrzeugs ausgebildet ist und mindestens eine Kamera nach der Erfindung wie vorstehend erläutert aufweist.
-
Weitere Vorteile und Anwendungsmöglichkeiten der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung in Verbindung mit dem/den in der/den Zeichnung(en) dargestellten Ausführungsbeispiel(en).
-
In der Beschreibung, in den Ansprüchen, in der Zusammenfassung und in der/den Zeichnung(en) werden die in der hinten angeführten Liste der Bezugszeichen verwendeten Begriffe und zugeordneten Bezugszeichen verwendet.
-
Die Zeichnung(en) zeigt/zeigen in
-
1 eine Anordnung eines Bildsensors einer Fahrzeugkamera hinter einer geneigten Windschutzscheibe eines Fahrzeugs, wobei im Strahlengang der Kamera vor dem Bildsensor das erfindungsgemäße optische Element angeordnet ist;
-
2 ein Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen optischen Elements mit einem ersten und einem zweiten Teilbereich in einer Draufsicht und einer Seitenansicht;
-
3 beispielhaft eine Abbildungsebene eines Bildsensors, vor dem das optische Element von 2 angeordnet ist; und
-
4 ein weiteres Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen optischen Elements mit einem ersten und zwei links und rechts vom ersten Teilbereich angeordneten zweiten Teilbereichen in einer Draufsicht.
-
Im Folgenden können gleiche und/oder funktional gleiche Elemente mit den gleichen Bezugszeichen versehen sein. Die im Folgenden angegebenen absoluten Werte und Maßangaben sind nur beispielhafte Werte und stellen keine Einschränkung der Erfindung auf derartige Dimensionen dar.
-
In 1 ist schematisch eine Anordnung eines Bildsensors IMA einer Fahrzeugkamera, die zur Montage hinter einer Windschutzscheibe 12 beispielsweise im Bereich des Rückspiegels vorgesehen ist, des erfindungsgemäßen optischen Elements POE und einer Linse 16 einer Abbildungsoptik der Fahrzeugkamera dargestellt. Diese Kamera kann insbesondere zur Realisierung einer Regensensorfunktion, d. h. zur Erkennung von Regentropfen 14 auf der Windschutzscheibe 12, und Umgebungserkennung verwendet werden.
-
Im Folgenden wird nun das erfindungsgemäße optische Element im Detail beschrieben.
-
Wie in 1 dargestellt ist, wird das erfindungsgemäße optische Element POE bei einem Kamerasystem bzw. einer Kamera für Fahrzeuganwendungen zwischen dem Objektiv der Kamera bzw. einer Linse 16 und dem Bildsensor IMA im Strahlengang 10 der Kamera angeordnet. Bei einer Optik mit Zwischenabbildung kann es auch in der Abbildungsebene der Zwischenabbildung angeordnet sein. Das optische Element POE kann direkt auf oder über der sensitiven Bildsensorfläche, direkt auf einem Bildsensorabdeckglas oder auch darüber platziert sein.
-
Das optische Element besitzt mindestens zwei unterschiedlich ausgebildete Teilbereiche T1 und T2, die in Fläche und Volumen definiert sind. T1 wird als der erste, T2 der zweite Teilbereich bezeichnet. In 2 ist ein typisches Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen optischen Elements POE mit einem ersten Teilbereich T1 und einem zweiten, rechts vom ersten angeordneten Teilbereich T2 in einer Draufsicht (links in 2) und in einer Seitenansicht (rechts in 2) gezeigt. Der zweite Teilbereich T2 kann prinzipiell links, rechts oder links und rechts vom ersten Teilbereich T1 angeordnet sein. Denkbar ist aber auch, dass der zweite Teilbereich T2 oben, unten, mittig oder umrandend zum ersten Teilbereich T1 angeordnet ist, je nach Anwendungsfall.
-
Das optische Element POE kann auch mehrere erste und/oder zweite Teilbereiche T1 bzw. T2 besitzen, wie es beispielsweise in 4 anhand der Draufsicht auf ein weiteres Ausführungsbeispiel des optischen Elements POE gezeigt ist, das einen etwa rechteckförmig ausgebildeten ersten Teilbereich T1 besitzt, der links und rechts jeweils von einem länglichen und ebenfalls rechteckförmig ausgebildeten zweiten Teilbereich T2_1 bzw. T2_2 begrenzt ist.
-
Das optische Element POE kann aus einem Teil gefertigt oder als ein zusammengefügtes Element aus mindestens zwei Einzelelementen ausgebildet sein. Es kann ferner derart ausgebildet sein, dass es sich entweder teilweise oder über den gesamten Bildsensor IMA erstreckt. Insbesondere kann es so ausgebildet sein, dass es vollflächig die Bildsensorfläche zur Abschirmung des Bildsensors IMA vor Umwelteinflüssen abdeckt. Das optische Element POE kann insbesondere aus einem für Licht and angrenzende Spektralbereich wie IR- und UV-Strahlung transparenten Material, insbesondere einem Kunststoff gefertigt sein. Die unterschiedlichen Teilbereiche T1 und T2 können sich in ihrer Materialstärke und auch Materialzusammensetzung unterscheiden. Das gesamte Element POA ist typischerweise etwa rechteckförmig ausgebildet.
-
Durch die unterschiedlich ausgeprägten bzw. ausgebildeten Teilbereiche T1 und T2 des optischen Elements POE wird ein unterschiedlicher axialer Versatz des nicht parallelen Strahlengangs in der Kamera bewirkt. Hierbei ist der erste Teilbereich T1 so ausgebildet, dass er einen ersten axialen Versatz des Strahlengangs in der Kamera bewirkt, und der zweite Teilbereich T2 ist so ausgebildet, dass er einen zweiten axialen Versatz im Strahlengang in der Kamera bewirkt, wobei sich der erste vom zweiten axialen Versatz unterscheidet und der erste axiale Versatz für eine Fernbereichsabbildung und der zweite axiale Versatz für eine Nahbereichsabbildung in der Kamera vorgesehen ist.
-
Der zweite Teilbereich T2 unterscheidet sich vom ersten durch eine geringere und in seinem Querschnitt variierende Materialstärke T2_d1–T2_d2, welche den gewünschten axialen Versatz bewirkt, um die Nahbereichsabbildung mit der Fernbereichsabbildung in einer gemeinsamen Bildebene, aber in unterschiedlichen Teilflächen zu bewirken. Der zweite Teilbereich T2 unterscheidet sich vom ersten Teilbereich T1 darin, dass sich sein Querschnitt in eine vertikale Richtung 20 der Nahbereichsabbildung ändert, bei den in 1 und 2 dargestellten Ausführungsbeispielen von T2_d1 bis T2_d2. Dadurch wird durch den zweiten Teilbereich T2 ein vertikaler Abschnitt der Windschutzscheibe 12, auf dem sich Regentropfen 14 befinden können, auf den Bildsensor IMA projiziert.
-
Die im Querschnitt variierende Materialstärke des zweiten Teilbereichs T2 kann an ein im Nahbereich abzubildendes Objekt angepasst sein. In 1 und 2 ist gezeigt, dass der zweite Teilbereich T2 zusätzlich eine Keilform im Querschnitt aufweist, um eine sich örtlich ändernde Bildweite der Abbildung der geneigten Windschutzscheibe 12 mit einer sich örtlich ändernden Objektweite in einer einzigen Bildebene scharf abzubilden. Hierbei können durch die Keilform entstehende Bildfehler für die Nahbereichsobjekterkennung als vernachlässigbar angenommen werden. Damit kann die Nahbereichsabbildung mit mindestens einem Teilbereich der Schnittfläche von Kamerasichtfeld und Windschutzscheibenebene erfolgen, welcher neben sich dem Teilbereich für die Fernbereichsabbildung befindet. Insbesondere bei Stereokameras kann so ein Windschutzscheibenbereich zur Nahbereichsabbildung genutzt werden, welcher sich zwischen den Kameras befindet, den Bauraum im Fahrzeug nicht nachteilig vergrößert und ansonsten ungenutzt wäre.
-
Das optische Element POE kann ferner so ausgelegt sein, dass die geringste Objektweite im Nahbereich der Schnittfläche aus Kamerasichtfeld und geneigter Objektebene für den maximal erforderlichen axialen Versatz gewählt wird. An dieser Stelle ist die größte Materialstärkendifferenz zwischen erstem Teilbereich T1 und zweitem Teilbereich T2 erforderlich. Um die gesamte Nahbereichsabbildung einer geneigten Objektebene im Nahbereich und die Fernbereichsabbildung in einer einzigen Ebene abzubilden, kann dieser erforderliche axiale Versatz mit größer werdender Objektweite abnehmen, weshalb auch eine geringere Materialstärke erforderlich wird.
-
Daraus resultiert eine angenäherte keilförmige Form des zweiten Teilbereichs T2.
-
Die Materialstärke des zweiten Teils T2 muss aber nicht einen linearen Abfall von T2_d2 nach T2_d1 in Form eines Keils besitzen, sondern kann auch mit einem nichtlinearen Abfall ausgeformt sein kann, beispielsweise abgestuft.
-
Das optische Element POE kann auch in der anderen Richtung orientiert sein, d. h. das keilförmige Element zur Nahbereichsabbildung kann sich auch in der Mitte befinden, während die Randbereiche für die Fernobjekterkennung genutzt werden. Wobei damit T1 und T2 in ihrer Anordnung auf dem Bildsensor vertauscht ausgeführt sind während die Flächenverhältnisse bestehen bleiben.
-
Somit kann die Elementkante zwischen erstem Teilbereich T1 und zweitem Teilbereich T2 zum Bildsensor hin gerichtet sein oder vom Bildsensor weg ausgerichtet sein kann
-
Der erste Teilbereich T1 kann sich außerdem vom zweiten Teilbereich T2 durch eine Materialwahl mit unterschiedlichen Brechungsindizes unterscheiden. Weiterhin können sich die Teilbereiche T1 und T2 in der spektralen Transmission durch Material- oder Filterbeschichtungswahl unterscheiden.
-
Bezugszeichenliste
-
- 10
- Strahlengang einer Fahrzeugkamera
- 12
- Windschutzscheibe eines Fahrzeugs
- 14
- Regentropfen auf der Windschutzscheibe 12
- 16
- Linse
- 18
- abgebildete Straßenszene mit einer Distanz von > 2 m
- 20
- vertikale Richtung der Nahbereichsabbildung
- IMA
- Bildsensor der Fahrzeugkamera
- POE
- optisches Element mit partiell unterschiedlicher Materialstärke und Formverlauf
- T1
- erster Teilbereich des optischen Elements POE
- T2
- zweiter Teilbereich des optischen Elements POE
- T2_1
- rechter zweiter Teilbereich des optischen Elements POE
- T2_2
- linker zweiter Teilbereich des optischen Elements POE
- T2_d2
- Materialstärke des zweiten Teilbereichs in oberer vertikaler Richtung
- T2_d1
- Materialstärke des zweiten Teilbereichs in unterer vertikaler Richtung
