-
Die Erfindung betrifft eine optische Vorrichtung, die als Kamerasystem in einem Fahrzeug als Umfeldsensor für Fahrerassistenzsysteme eingesetzt werden kann.
-
Intelligente Fahrerassistenzsysteme verwenden häufig ein Kamerasystem als Umfeldsensor, beispielsweise zur Erkennung verschiedenster Objekte im Verkehrsgeschehen. Das Kamerasystem ist häufig hinter der Windschutzscheibe des Fahrzeugs angeordnet und blickt durch diese hindurch. Beispiele hierfür sind Fahrzeugkameras zur Erkennung der Fahrbahnmarkierungen, Nachtsichtkameras oder Stereokameras als optische Abstandssensoren. Die Anzahl und Qualität von Funktionen, die durch die Auswertung der Bilddaten von Kamerasystemen realisiert werden, wurde in den letzten Jahren gesteigert. So sind heute Fahrerassistenzsysteme in Fahrzeugen im Einsatz, die eine intelligente Lichtsteuerung, eine Verkehrszeichenerkennung und eine Spurhalteunterstützung kombinieren, die eine gemeinsame Kamera als Umfeldsensor nutzen.
-
Die
DE 10 2004 037 871 B4 zeigt ein Kamerasystem für ein den Außenvorraum in Fahrtrichtung eines Kraftfahrzeugs erfassendes Assistenzsystem. Durch Einbringen einer Vorsatzlinse in einem Teilsichtfeld vor dem Objektiv der Fahrzeugkamera werden Fern- (Straßenszene) und Nahbereich (Windschutzscheibe) auf einen Bildsensor abgebildet. Der Nahbereich kann durch die partielle Vorsatzlinse oder eine partielle Nahoptik abgebildet werden. Es wird vorgeschlagen, einen Bildsensor abwechselnd für eine Außenraumassistenzfunktion und eine Regenfunktionalität zu verwenden.
-
Der generelle Ansatz mit einer Kamera einen Fern- und einen Nahbereich auf einem Bildsensor abzubilden bringt mitunter einige Schwierigkeiten mit sich. Die Abbildung des Nahbereichs kann Störlichteinflüssen aus dem Fernbereich unterliegen, was eine Auswertung der Nahbereichsabbildung erschwert.
-
Eine Aufgabe der Erfindung ist es daher eine kostengünstige, stabile und zuverlässige Optik für einen Fahrzeugkamerasensor anzugeben, durch die insbesondere Störlichteinflüsse minimiert werden können. Eine weitere Aufgabe besteht darin, gleichzeitig die Zuverlässigkeit der von dem Kamerasystem erfassten Bilddaten zu erhöhen bzw. zu gewährleisten und weitere Assistenzfunktionen mit einem Kamerasystem zu realisieren oder zu ermöglichen.
-
Erfindungsgemäß ist im Innenraum eines Fahrzeugs eine optische Vorrichtung hinter der Windschutzscheibe angeordnet, die in Fahrtrichtung den Außenraum erfasst. Die optische Vorrichtung umfasst einen Bildsensor, ein Objektiv, ein bifokales optisches Element und ein Spiegelelement.
-
Der Bildsensor ist ein Halbleiterelement mit einer für elektromagnetische Strahlung sensitiven Fläche, insbesondere ein CCD- oder CMOS-Chip. Das Halbleiterelement kann auf einer Leiterplatte angeordnet sein. Das Objektiv zum Projizieren elektromagnetischer Strahlung auf die sensitive Fläche des Bildsensors umfasst bevorzugt mindestens eine Linse und einen Linsenhalter. Bei dem bifokalen optischen Element kann es sich insbesondere um eine Bifokallinse, eine planparallele Platte, die nur in einem Teilbereich (lateral) des Abbildungsstrahlengangs liegt, oder um ein durchgängiges Element mit mindestens zwei Teilbereichen unterschiedlicher Dicke handeln. Das bifokale optische Element bewirkt, dass in einem ersten Bildbereich des Bildsensors ein optischer Nahbereich, insbesondere ein Bereich der Windschutzscheibe, fokussiert abgebildet wird und in einem zweiten Bildbereich desselben Bildsensors gleichzeitig ein optischer Fernbereich, typischerweise ein Bereich vor dem Fahrzeug, d. h. die Fahrzeugumgebung. Das Spiegelelement dient insbesondere dazu, elektromagnetische Strahlung aus einem definierten Objektbereich so in das Objektiv einzuspiegeln, dass diese Strahlung in zumindest einem Bildbereich des Bildsensors abgebildet wird.
-
In einem Fahrzeug kann in einer bevorzugten Weiterbildung ein kamerabasierter Regensensor vorgesehen sein. Die Bilder vom ersten Bereich der sensitiven Fläche des Bildsensors (Außenseite der Windschutzscheibe) werden ausgewertet, wobei Regen oder Schmutzpartikel auf der Windschutzscheibe erkannt werden. Ein Ausgabesignal zur Aktivierung kann an eine Scheibenwischersteuerung und/oder Scheibenreinigung ausgegeben werden. Die Bilder des zweiten Bereichs der sensitiven Fläche des Bildsensors (Bereich vor dem Fahrzeug) können einem oder mehreren Fahrerassistenzsystemen wie z. B. Verkehrszeichenerkennung und/oder Spurhalteunterstützung/-verlassenswarnung als Rohdaten zur Verfügung gestellt werden.
-
Vorteilhafterweise ist in einem Fahrzeug mit einer optischen Vorrichtung das Spiegelelement derart angeordnet, dass elektromagnetische Strahlung, die von einem Bereich oberhalb des Fahrzeugs durch die Windschutzscheibe auf das Spiegelelement fällt, auf einen Bereich der sensitiven Fläche des Bildsensors gelenkt wird. Dadurch wird bevorzugt die Funktionalität eines Umgebungslichtsensors realisiert werden, der Tageslicht, Nacht und die Einfahrt in einen Tunnel erkennen kann und das Abblendlicht entsprechend automatisch steuert. Bekannte Umgebungslichtsensoren verwenden typischerweise je eine nach vorne und eine nach oben gerichtete Photodiode. Zur Ermittlung der Helligkeit in diesem Bereichen wird das Spiegelelement, z. B. als an die Windschutzscheibe angrenzender Teil einer Streulichtblende, so angeordnet, dass elektromagnetische Strahlung, die von einem Bereich oberhalb des Fahrzeugs durch die Windschutzscheibe auf das Spiegelelement fällt, durch das Spiegelelement reflektiert wird, an der Unterseite der Windschutzscheibe erneut reflektiert wird und auf einen Bereich der sensitiven Fläche des Bildsensors gelenkt wird. Insbesondere kann der an die Windschutzscheibe angrenzende Bereich der Streulichtblende so glatt ausgeführt sein, dass er als Spiegelelement wirkt, der Bereich der Streulichtblende kann dagegen typischerweise sehr rau ausgeführt sein, um weitere Reflexionen zu minimieren. Vorzugsweise wird die durch das Spiegelelement reflektierte elektromagnetische Strahlung auf einen Bereich der sensitiven Fläche des Bildsensors gelenkt, in dem der Fernbereich fokussiert abgebildet wird, idealerweise nicht überlagert mit der Abbildung des Fernbereichs, der dem Bereich vor dem Fahrzeug entspricht. Aus der Abbildung des Bereichs vor dem Fahrzeug kann mit demselben Bildsensor zugleich die Helligkeit im nach vorne gerichteten Gesichtsfeld ermittelt werden. Durch die Auswertung der Helligkeitswerte in beiden Richtungen kann z. B. mit Hilfe von Grauwertschwellen zwischen Tag und Nacht bzw. Tunnelein- oder -ausfahrt unterschieden und das Fahrzeuglicht entsprechend gesteuert werden. Auf diese Weise kann also die Funktionsweise einer vergleichsweise einfachen automatischen Lichtsteuerung, die bei niedriger Umgebungshelligkeit das Abblendlicht automatisch aktiviert zusätzlich z. B. zur Regendetektion und weiteren Assistenzfunktionen mit einer gemeinsamen optischen Vorrichtung mit einem einzigen Bildsensor realisiert werden.
-
In einer bevorzugten Ausführungsform ist das Spiegelelement derart angeordnet, dass elektromagnetische Strahlung, die von einem Bereich der Windschutzscheibe auf das Spiegelelement fällt, in einem ersten Unterbereich des (ersten) Teilbereichs der Nahfeldabbildung auf der sensitiven Fläche des Bildsensors abgebildet wird und im zweiten Unterbereich dieses Teilbereichs der eine Bereich der Windschutzscheibe direkt abgebildet wird. Das Spiegelelement hat bevorzugt bezogen auf das Kamerasichtfeld einen entgegengesetzten Nickwinkel im Vergleich zur Neigung der Windschutzscheibe. Die Spiegelkante befindet sich bevorzugt in der Mitte der Nahbereichsabbildung und stellt somit eine Symmetrieebene dar. Objekte auf der Windschutzscheibe, wie z. B. Regentropen können dadurch auf dem Bildsensor an dieser Symmetrieebene einmal normal und einmal gespiegelt abgebildet werden. Durch Vergleich der beiden Abbildungen können Objektkanten von Störlichteinflüssen besser unterschieden werden, da Störfaktoren aus dem Fernbereich werden nur auf einer Abbildung auftreten, und beispielsweise nicht in der durch das Spiegelelement eingespiegelten Abbildung. Durch eine geeignete Auswertung der beiden Nahbereichsabbildungen kann also die Qualität der Erkennung von Objekten im Bereich der Windschutzscheibe weiter optimiert werden.
-
In einem Fahrzeug mit einer erfindungsgemäßen optischen Vorrichtung kann das Spiegelelement bevorzugt als Hohlspiegelanordnung ausgeführt sein. Über die Anordnung von Hohlspiegelelementen wird elektromagnetische Strahlung, die von einem Bereich der Windschutzscheibe auf die Hohlspiegelanordnung fällt, an den Hohlspiegelelementen reflektiert wird, an der Unterseite der Windschutzscheibe erneut reflektiert wird und auf einen Bereich der sensitiven Fläche des Bildsensors gelenkt wird. Durch die bevorzugt in die Streulichtblende integrierten Hohlspiegelelemente wird der Abbildungsstrahlengangs von Objekten auf der Windschutzscheibe kollimiert. Das bifokale optische Element kann dazu dienen, den erforderlichen Krümmungsradius der Hohlspiegelelemente klein zu halten.
-
In einer bevorzugten Ausführungsform umfasst das Fahrzeug ein Beleuchtungselement zur Beleuchtung des Bereichs der Windschutzscheibe. Durch die externe Beleuchtung können Objekte auf der Windschutzscheibe z. B. auch bei Dunkelheit zuverlässig detektiert werden. Als Beleuchtungselement kann insbesondere eine Leuchtdiode dienen. Vorteilhaft ist eine Beleuchtung mit elektromagnetischer Strahlung in infraroten Wellenlängenbereich, da diese für den Fahrer nicht sichtbar ist, aber von einem entsprechenden Bildsensor detektiert werden kann.
-
Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung wird die vom Beleuchtungselement emittierte elektromagnetische Strahlung über ein Einkoppelelement (z. B. einen flexiblen Lichtleitkörper) in die Windschutzscheibe des Fahrzeugs eingekoppelt. Besonders in der Kombination mit dem Spiegelelement biete ein solches Einkoppelelement eine gute Möglichkeit zur Unterscheidung zwischen Nahbereichs- und Fernbereichsabbildung. Die Beleuchtungseinkopplung erfolgt bevorzugt über einen Lichtleitkörper mit einem integrierten Hohlspiegelprofil in zylindrischer Ausführung. Bei der Bildauswertung kann vorteilhaft die Symmetrie der Bilddaten als Parameter zur Trennung zwischen Objekten auf der Windschutzscheibe und Störfaktoren aus der Umgebung verwendet werden.
-
Bevorzugt kann das Spiegelelement als Teil des Einkoppelelements ausgeführt sein, z. B. als eine (nach außen) reflektierende Kante des Elements, das zum Einkoppeln der Strahlung in die Windschutzscheibe dient. Vorteilhaft kann zudem das Beleuchtungselement innerhalb des Einkoppelelements angeordnet sein. Bevorzugt kann die Kante des Einkoppelelements hierbei als doppelseitiges Spiegelelement ausgeführt sein, d. h. die vom Beleuchtungselement emittierte Strahlung wird nach innen reflektiert, während von außen auf die Kante treffende Strahlung nach außen reflektiert wird, insbesondere zur Abbildung auf den Bildsensor.
-
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform ist das Spiegelelement unter einer Vorrichtung zum periodischen Lichtdurchlass angeordnet. Das Spiegelelement könnte sich unter einem LCD Array, einer mechanischen Blende oder einem anderen optoelektonischen System zum periodischen Lichtdurchlass befinden. Durch die zeitlich variierte Reflexion wird die Identifikation der eingespiegelten Abbildung auf dem Bildsensor erleichtert.
-
Bevorzugt ist die Beleuchtung durch das Beleuchtungselement modulierbar. Die Unterscheidung zwischen Nahfeld und Fernfeld könnte durch eine modulierte Beleuchtung unterstützt werden, wobei insbesondere eine Beleuchtungseinkopplung in die Windschutzscheibe oder eine Durchleuchtung der Windschutzscheibe durch das Beleuchtungselement vorgesehen sein kann. Eine Modulation der Beleuchtung kann zusätzlich helfen, Nah- von Fernbereichsabbildung zuverlässig zu unterscheiden.
-
Die Erfindung betrifft zudem ein Verfahren zur Auswertung von Bilddaten, die mit einer erfindungsgemäßen optischen Vorrichtung eines Fahrzeugs aufgenommen werden, wobei bei der Auswertung das Spiegelbild berücksichtigt wird, um Störeinflüsse aus der Fernbereichsabbildung im Teilbild der Nahbereichsabbildung zu eliminieren.
-
Nachfolgend wird die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen und Figuren erläutert.
-
1: Abbildungseigenschaften (schematisch) einer optischen Vorrichtung in einem Kraftfahrzeug mit einem bifokalen optischen Element, einem Spiegelelement und einem Bildsensor
-
2: Beispiel eines vom Bildsensor aufgenommenen Bildes
-
3: Einkopplungselement mit Spiegelelement
-
4: Doppelseitiges Spiegelelement mit Beleuchtungs- und Einkoppelelement
-
5: Optische Vorrichtung mit Hohlspiegelanordnung und Beleuchtungselement
-
In 1 sind schematisch die Abbildungseigenschaften einer optischen Vorrichtung mit einem Objektiv (1), einem bifokalen optischen Element (8), einem Spiegelelement (S1) und einem Bildsensor (4) zur Detektion von elektromagnetischer Strahlung dargestellt. Der Bildsensor (4) ist ferner mit einem Abdeckglas (3) versehen. Die optische Vorrichtung ist unterhalb einer Windschutzscheibe (5) eines Fahrzeugs angeordnet. Innerhalb der gepunkteten Linien liegt der Sichtbereich der optischen Vorrichtung, der nach unten durch eine Streulichtblende (7) begrenzt ist. Das dargestellte bifokale optische Element (8) ist ein partielles optisches Element, z. B. eine planparallelen Glasplatte, welches nur einen Teilbereich des Sichtbereichs ausfüllt. Alternativ könnte insbesondere ein bifokales optisches Element (8) eingesetzt werden, welches z. B. den Bildsensor (4) vollständig abdeckt und zwei unterschiedlich dicke Teilbereiche aufweist. Dadurch könnte das dargestellte Abdeckglas (3) für den Bildsensor (4) entfallen. Das Prinzip für diese bifokale Optik basiert auf dem axialen Versatz eines nicht parallelen Strahlengangs einer brechenden Planfläche. Das Objektiv (1) ist derart fokussiert, dass der Fernbereich (S4) nur durch das partielle optische Element (8) scharf auf der sensitiven Fläche des Bildsensors (4) abgebildet wird und der Nahbereich (S2, S3) ohne das partielle optische Element zu durchqueren abgebildet wird. Die Hauptebene (2) des Objektivs (1) wird dabei entsprechend festgelegt. Der Nahbereich (S2, S3) ist auf die Außenseite der Windschutzscheibe (5) fokussiert, so dass dort befindliche Regentropfen (6) oder Schmutzpartikel im entsprechenden Teil (T4, T2) des Kamerabildes detektiert werden können. Die Fernbereichsabbildung (S4) wird für kamerabasierte Assistenzfunktionen ausgewertet, z. B. Fahrspurerkennung, Verkehrszeichenerkennung etc.
-
Die Sensitivität einer Regensensorfunktion mit einer bifokalen optischen Vorrichtung kann durch Störfaktoren von Lichtquellen aus dem Fernbereich eingeschränkt werden. Eine modulierte annähernd monochromatische Beleuchtung und die Farbfilter des Bayer-Patterns können zur Signalfilterung verwendet werden. Zur besseren Unterscheidung von Objektkanten und Störlichteinflüssen ist ein Spiegelelement (S1) vorgesehen, das auch mit einem Einkopplungselement zur Beleuchtung kombiniert sein kann, wie es in 3 und 4 dargestellt ist. Das Spiegelelement (S1) hat auf das Sichtfeld des Bildsensors (4) bezogen einen entgegengesetzten Nickwinkel wie die geneigte Windschutzscheibe (5). Der Strahlengang der Nahbereichsabbildung (S2) über das Spiegelelement (S1), der Strahlengang der Nahbereichsabbildung (S3) ohne Spiegelelement und der Strahlengang der Fernbereichsabbildung (S4) sind ebenfalls dargestellt.
-
2 zeigt das Beispiel eines Bildes, welches vom Bildsensor (4) einer erfindungsgemäßen optischen Vorrichtung aufgenommen wurde. Das dargestellte Bild entspricht einem um 180° gedrehten Bild, das vom Bildsensor (4) in 1 aufgenommen worden sein könnte. Die oberen etwa 60 Prozent des Gesamtbildes zeigen die Fernbereichsabbildung (T1), welche dem Strahlengang (S4) aus 1 entsprechen. Im verbleibenden unteren Teil des Gesamtbildes befinden sich die beiden Nahbereichsabbildungen (T2 und T4). Die obere Nahbereichsabbildung (T2) resultiert aus dem direkten Strahlengang der Nahbereichsabbildung (S3) aus 1. Die untere Nahbereichsabbildung (T4) ist im wesentlichen dazu horizontal gespiegelt, die Spiegelkante (T3) trennt beide Nahbereichsabbildungen (T4, T2). Die untere Nahbereichsabbildung (T4) resultiert aus dem Strahlengang der Nahbereichsabbildung (S2) über das Spiegelelement (S1) aus 1. Die Spiegelkante (T3) befindet sich bevorzugt in der Mitte der Nahbereichsabbildung und stellt somit eine Symmetrieebene dar. Regentropfen (6) auf der Windschutzscheibe (5) werden auf dem Bildsensor (4) an dieser Symmetrieebene (T3) einmal normal und einmal gespiegelt abgebildet. Störfaktoren aus dem Fernbereich werden dagegen nur in einem der beiden Unterbereiche der Nahfeldabbildungen abgebildet. Die Bildauswertung verwendet bei einem aufgenommenen Bild die Symmetrie der beiden Nahbereichsabbildungen (T2, T4) als Parameter zur Trennung zwischen tatsächlichen Objekten (z. B. Regentropfen (6)) auf der Windschutzscheibe (5) und Störfaktoren aus der Umgebung.
-
3 zeigt ein Spiegelelement (S1), das als Teil des Einkoppelelements (B1) ausgeführt ist. Hierzu ist eine reflektive Fläche als Spiegelelement (S1) in einer gewünschten Neigung gegenüber der Windschutzscheibe (5) als Kante des Beleuchtungseinkoppelelements (B1) realisiert. Besonders in der Kombination mit einem Beleuchtungseinkoppelelement (B1) ist das Spiegelelement (S1) eine interessante Möglichkeit zur Unterscheidung zwischen Nahbereich und Fernbereich. Die Beleuchtungseinkopplung kann auch über einen Lichtleitkörper mit einem integrierten Hohlspiegelprofil in zylindrischer Ausführung erfolgen.
-
In 4 ist eine Anordnung zum Einkoppeln einer Beleuchtung schematisch dargestellt. Hinter der Windschutzscheibe (a) ist ein beidseitiges Spiegelelement (d) angeordnet, das von einem Lichtemitter mit einer Zylinderlinse als Optik (c) emittiertes Licht auf einen Konkavfreiformspiegel, d. h. einen Hohlspiegel (b) reflektiert. Vom Konkavfreiformspiegel (b) wird wiederum das Licht des Lichtemitters (c) in die Windschutzscheibe (a) eingekoppelt, wo es in den Bereich geführt wird, der vom Bildsensor (4) abgebildet wird.
-
5 zeigt ein Ausführungsbeispiel der optischen Vorrichtung in einem Fahrzeug mit einer Anordnung von Hohlspiegeln (e) als Spiegelelement. Über die Anordnung von Hohl spiegelelementen wird elektromagnetische Strahlung (S5), die von einem Bereich der Windschutzscheibe (5) auf die Hohlspiegelanordnung (e) fällt, an den Hohlspiegelelementen reflektiert wird, an der Unterseite der Windschutzscheibe (5) erneut reflektiert wird und auf einen Bereich der sensitiven Fläche des Bildsensors (4) gelenkt. Ein bifokales optisches Element (8) ist in 5 nicht dargestellt, könnte sich aber z. B. innerhalb des Objektivs (1) befinden oder zwischen Objektiv und Bildsensor angeordnet sein. Durch die bevorzugt in die Streulichtblende integrierten Hohlspiegelelemente wird der Abbildungsstrahlengangs von Objekten auf der Windschutzscheibe kollimiert. Durch Auslegung und Ausrichtung der Hohlspiegelanordnung kann zudem der Strahlengang der im Bereich der Windschutzscheibe fokussierten Nahbereichssabbildung (S5) z. B. über das bifokale optische Element (8) auf einen anderen Bereich des Bildsensors gelenkt werden als die Fernbereichsabbildung (S4). Das bifokale optische Element (8) ist dabei behilflich, den erforderlichen Krümmungsradius der Hohlspiegelelemente (e) klein zu halten.
-
Bezugszeichenliste
-
- 1
- Objektiv
- 2
- Hauptebene des Objektivs
- 3
- Abdeckglas
- 4
- Bildsensor
- 5
- Windschutzscheibe
- 6
- Regentropfen in einem Bereich der Windschutzscheibe
- 7
- Streulichtblende
- 8
- bifokales optisches Element
- S1
- Spiegelelement
- S2
- Strahlengang Nahbereichsabbildung über Spiegelelement
- S3
- Strahlengang Nahbereichsabbildung
- S4
- Strahlengang Fernbereichsabbildung
- S5
- Strahlengang Nahbereichsabbildung über Hohlspiegelanordnung
- T1
- Bildbereich der Fernbereichsabbildung
- T2
- Bildbereich der direkten Nahbereichsabbildung
- T3
- Spiegelachse bzw. Symmetrieebene
- T4
- Bildbereich der Nahbereichsabbildung über das Spiegelelement
- B1
- Einkopplungselement
- a
- Windschutzscheibe
- b
- konkaver Freiformspiegel (Hohlspiegel)
- c
- Beleuchtungselement mit Zylinderlinse
- d
- beidseitiges Spiegelelement
- e
- Hohlspiegelanordnung
- LED
- Beleuchtungselement
-
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
-
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
-
Zitierte Patentliteratur
-
- DE 102004037871 B4 [0003]
