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Die Erfindung betrifft eine Kameraanordnung für ein Kraftfahrzeug mit einer im Fahrzeuginnenraum hinter einer Fahrzeugscheibe angeordneten Kamera und einem Strahlführungselement, das zwischen der Fahrzeugscheibe und der Kamera angeordnet ist, welches ein Prisma aufweist oder ausbildet.
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Windschutzscheiben moderner Personenkraftwagen haben typischerweise Neigungen zwischen 20° und 30°. Fahrerassistenzkameras, die an die Windschutzscheiben angekoppelt werden, beanspruchen daher normalerweise eine relativ große Fläche, die der Fahrer wegen der notwendigen optischen Abschirmung nicht durchblicken kann. Eine Verkleinerung der Ankoppelungsfläche trotz eines großen Bilderfassungswinkels ist durch die Verwendung von Prismen möglich. Eine derartige Kameraanordnung ist beispielsweise in der deutschen Offenlegungsschrift
DE 103 42 837 A1 beschrieben.
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Aus der deutschen Offenlegungsschrift
DE 10 2007 037 091 A1 ist ein Nachtsichtsystem für Kraftfahrzeuge bekannt. Dieses Dokument behandelt insbesondere auch das Problem von Blendungen und Mehrfachbildern, die aufgrund von Mehrfachreflexionen innerhalb einer Fahrzeugscheibe auftreten. Die Schrift schlägt zur Lösung dieses Problems ein flächiges transparentes Element vor, das entweder eine Antireflexbeschichtung trägt und/oder unter Einschluss eines keilförmigen Freiraumes mit der Fahrzeugscheibe verbunden ist.
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Die vorliegende Erfindung geht von einer Kameraanordnung aus, welche ein Prisma aufweist, das direkt oder über ein Koppelmaterial mit der Fahrzeugscheibe verbunden ist. Prismen, die einen relativ großen Prismenwinkel aufweisen, bewirken eine relativ starke vertikale Bildkompression. Da diese Eigenschaft häufig unerwünscht ist, werden zunehmend Strahlführungselemente mit kleinen Prismenwinkeln eingesetzt. Diese Geometrie führt aber zu störenden Reflexionen, so dass beispielsweise helle Lichtpunkte, die unten im Kamerabild erscheinen, zusätzlich noch einmal schwächer im oberen Bildbereich sichtbar sind.
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Zur Unterdrückung dieser unerwünschten Reflexe gibt es mehrere bekannte Möglichkeiten, die aber jeweils spezifische Nachteile mit sich bringen. Durch Mehrfachreflexionen entstehende Reflexe können prinzipiell durch Blenden ausgeblendet werden. Wegen des großen Kameraerfassungswinkels können Blenden zur Reflexunterdrückung aber nur mit extrem dicken und daher unvorteilhaften Prismen verwendet werden.
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Ebenfalls bekannt sind Antireflexbeschichtungen auf der Prismenrückseite. Allerdings bleibt bei den derzeit bekannten Beschichtungen für große Einfallswinkel immer noch eine relativ starke Restreflexion.
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Durch Mehrfachreflexionen entstehende Reflexe sind dominant senkrecht zur Einfallsebene polarisiert, so dass diese Reflexe mit einem Polarisator absorbiert oder reflektiert werden können. Nachteilig hierbei ist, dass gleichzeitig auch die Intensität des Nutzlichtes deutlich geschwächt wird. Ebenfalls nachteilig ist, dass preisgünstige Polarisationsfolien empfindlich gegenüber erhöhten Temperaturen sind und daher für eine Verwendung in Kraftfahrzeugen kaum geeignet sind.
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Es stellte sich die Aufgabe, eine Kameraanordnung zu schaffen, die Störungen durch Mehrfachreflexionen auf besonders einfache und kostengünstige Weise vermeidet und welche zudem die vorgenannten Nachteile nicht aufweist.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass innerhalb oder auf einer Außenfläche des Prismas eine optische Verzögerungsplatte angeordnet ist.
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Die Kameraanordnung weist eine optische Verzögerungsplatte auf, um die Polarisationsrichtung des Lichtes zu drehen. Das beste Ergebnis wird erreicht, wenn die Verzögerungsplatte als eine λ/2-Platte ausgeführt ist, durch die die Polarisationsrichtung des eingestrahlten Lichts um 90° gedreht wird. Da die störenden Reflexe durch zweimalige Reflexion unter Winkeln nahe dem Brewsterwinkel erfolgen, wird bei der ersten Reflexion an der Rückseite des Prismas Licht einer Polarisationsrichtung nahezu nicht reflektiert, die andere Polarisationsrichtung aber stark. Die Polarisation des einmalig reflektierten Lichtes wird dann durch die λ/2-Platte um 90° gedreht, so dass bei der zweiten Reflexion an der Prisma- bzw. Windschutzscheibenvorderseite dieses Licht ebenfalls nahezu nicht reflektiert wird. Die Intensität des verbleibenden Reflexes wird dadurch wesentlich reduziert.
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Die Verzögerungsplatte kann vorteilhaft entweder an die Rückseite des Prismas optisch angekoppelt sein oder auch in ein mehrteiliges Prisma eingebaut sein. Die Verzögerungsplatte kann dabei besonders vorteilhaft als eine kostengünstige Verzögerungsfolie ausgeführt sein.
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Je nach Anwendung kann es vorteilhaft sein, wenn wenigstens eine der Oberflächen der Verzögerungsplatte eine Entspiegelungsschicht aufweist.
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Oberflächen der Verzögerungsplatte, die optisch angekoppelt sind, brauchen – je nach Brechungsindex – im allgemeinen nicht entspiegelt zu sein. Wenn jedoch eine optische Ankoppelung nicht einfach möglich ist, kann eine Entspiegelung vorteilhaft sein. In dem Fall, dass die Verzögerungsplatte an die Rückseite des Prismas angekoppelt ist, kann eine Entspiegelung der Auskoppelfläche die verbleibenden Reflexe zusätzlich reduzieren.
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Im folgenden soll die Erfindung anhand der Zeichnung dargestellt und näher erläutert werden. Es zeigen
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1 eine schematisch dargestellte Kameraanordnung,
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2 den Strahlengang in einem flachen Prisma mit Mehrfachreflexionen,
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3 Strahlenintensitäten in einem mehrteiligen Prisma,
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4 Strahlenintensitäten in einem mehrteiligen Prisma mit einer intern angeordneten λ/2-Platte,
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5 die Anordnung einer λ/2-Platte an einer Außenfläche eines mehrteiligen Prismas.
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Die 1 zeigt die prinzipielle Anordnung der Komponenten einer erfindungsgemäßen Kameraanordnung. Da das Aufbau- und Funktionsprinzip verdeutlicht werden soll, sind die dargestellten Komponenten hinsichtlich einer realen konstruktiven Umsetzung weder größen- noch winkelgetreu zueinander dargestellt.
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Die Anordnung besteht aus einem Prisma 3 und einer Kamera 7, wobei die Kamera 7 die Fahrzeugscheibe 2 durchblickt, also Licht von der Außenseite der Fahrzeugscheibe 2 aufnimmt. Dabei verläuft der Strahlengang 1 von der Fahrzeugscheibe 2 bis zur Kamera 7 durch das Prisma 3 und durch ein, sich zwischen Prisma 3 und Kamera 7 befindendes optisches Medium 4. Der Einfachheit halber sei angenommen, dass als optisches Medium 4 Luft vorgesehen sei.
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Die Kamera 7 besteht aus zumindest einem Objektiv 6 und einem Licht registrierenden Sensorchip 5. Das Objektiv 6 weist dabei zumindest eine fokussierend wirkende Linse auf. Selbstverständlich können weitere optische, elektronische oder mechanische Komponenten, insbesondere ein eigenes Gehäuse, ebenfalls Bestandteile der Kamera 7 sein.
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Zur Erläuterung des Funktionsprinzips der dargestellten Anordnung ist in der 1 der Verlauf von drei parallelen Lichtstrahlen 1 dargestellt, die auf die Außenseite einer gegen die Einfallsrichtung geneigten Fahrzeugscheibe 2 treffen. Beim Eintritt in die Fahrzeugscheibe 2 werden die Lichtstrahlen 1 zum Scheibenlot hin gebrochen.
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An der Innenseite der Fahrzeugscheibe 2 ist ein Prisma 3 angeordnet. Dieses Prisma 3 weist einen gleichen oder ähnlichen Brechungsindex auf wie die Fahrzeugscheibe 2, und ist optisch an die Fahrzeugscheibe 2 angekoppelt, so dass im Übergangsbereich zwischen der Fahrzeugscheibe 2 und dem ersten Prisma 3 praktisch keine Winkelablenkung der Lichtstrahlen 1 erfolgt.
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Die nach Durchgang durch das Prisma 3 noch immer parallel zueinander verlaufende Lichtstrahlen 1 werden durch das Kameraobjektiv 6 auf den Sensorchip 5 der Kamera 7 fokussiert.
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Wie die 2 zeigt, ist das Prisma 3 als ein flaches Prisma mit einem kleinen Prismenwinkel δ ausgeführt; der Prismenwinkel 6 beträgt hier beispielhaft 2°. Um ein derartiges Prisma stabil aufzubauen, ist das Prisma 3 als Körper mit einem viereckigen Querschnitt ausgebildet, den man sich aus einer planparallelen Platte (oberhalb der gestrichelt eingezeichneten Hilfslinie) und einem daran einstückig angefügten Prismendreieck mit dem brechenden Winkel 6 vorstellen kann. Da das Prisma 3 am Anwendungsort, gegebenenfalls unter Zuhilfenahme eines hier nicht dargestellten Koppelkörpers, brechungsfrei mit der Fahrzeugscheibe 2 verbunden ist, kann man sich bezüglich des Strahlengangs die Fahrzeugscheibe 2 ebenfalls als Teil des planparallelen Abschnitts des Prismas 3 vorstellen. Die nachfolgend diskutierten Mehrfachreflexionen finden daher nicht nur im Prisma sondern auch in der Fahrzeugscheibe statt. Zur Vereinfachung der Diskussion soll im folgenden nicht zwischen dem Strahlengang im Prisma und in der Fahrzeugscheibe unterschieden werden.
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Die 2 bis 5 verdeutlichen den Strahlengang durch das Prisma 3. Als rein beispielhafte Zahlenwerte seien für das Prismenmaterial ein Brechungsindex von n = 1,52 und als Prismenwinkel 6 ein Wert von 2° angenommen.
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Betrachtet wird ein einfallender Strahl 11, der unter einem Einfallswinkel α1 von 66° zum Einfallslot aus dem Medium Luft auf die scheibenseitige Außenfläche 9 des Prismas 3 fällt. Entsprechend der höheren optischen Dichte des Primenmaterials wird der Lichtstrahl unter dem Winkel β1 = 36.9° zum Lot hin gebrochen.
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Wegen des Prismenwinkels δ = 2° trifft der gebrochene Strahl unter dem Winkel β2 = β1 – δ = 34.9° zum Prismenlot auf die Prismenfläche 10 und tritt unter dem Winkel α2 = 60.5° als ”erwünschter” Strahl 12 aus dem Prisma 3 aus.
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Innerhalb des Prismas 3 wird eine Teilintensität von der Prismenfläche 10 unter dem Winkel β2 reflektiert. Nach erneuter Reflexion an der gegenüberliegenden inneren Fläche unter dem Winkel β3 = β2 – δ = β1 – 2δ = 32.9° trifft dieser Strahl unter dem Winkel β4 = β3 – δ = β1 – 3δ = 30.9° auf die innere Prismenfläche und tritt als unerwünschter Reflex 13 unter dem Winkel α4 = 51.4° aus dem Prisma 3 aus.
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Der Differenzwinkel zwischen dem erwünschten Strahl 12 und dem unerwünschten Reflex 13 beträgt α4 – α2 = – 9.1°, so dass diese beiden Strahlen 12, 13 aufeinander zu laufen. Daher ist es für die in der 1 skizzierte Anordnung kaum zu vermeiden, dass beide Strahlen 12, 13 von der Kamera 7 erfasst werden.
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Zur Verdeutlichung, wie der Reflex 13 zum Kamerabild beiträgt, sind in der 3 berechnete Strahlenintensitäten verschiedener Teilstrahlen aufgetragen. Ersichtlich ist, in welchem Maß sich die Strahlenintensitäten jeweils in reflektierte und transmittierte Anteile aufspalten.
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Die Berechnung erfolgte unter Verwendung der Fresnelschen Formeln; dabei wurde angenommen, dass Absorptionsverluste vemachlässigt werden können. Dargestellt sind jeweils geordnete Zahlenpaare (s, p), wobei s die senkrecht polarisierte Intensität und p die parallel polarisierte Intensität bezeichnet. Die Bezeichnungen ”senkrecht” bzw. ”parallel” beziehen sich dabei auf die Einfallsebene des Lichtes. Parallel polarisiertes Licht hat den elektrischen Feldvektor in der Zeichenblattebene; der elektrische Feldvektor von senkrecht polarisiertem Licht steht dem entsprechend senkrecht auf der Zeichenblattebene. Betrachtet wird ein zweiteiliges Prisma 3; alle Prismenteile haben den gleichen Brechungsindex und sind optisch aneinander gekoppelt. Der Wert der einfallenden Intensität ist willkürlich auf (10000, 10000) gesetzt.
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Wie die 3 zeigt, hat der austretende Strahl 12 für die beiden Polarisationsrichtungen die Intensitäten (6102, 9816), es werden also ca. 61% bzw. 98% der eingestrahlten Intensität ausgekoppelt. Demgegenüber weist der ”unerwünschte” Reflex 13 die Intensitäten (186, 0) auf, d. h. zumindest die Intensität des senkrecht polarisierten Anteils des Reflexes 13 ist nicht vernachlässigbar gering. Auch wenn dieser Anteil nur wenige Prozent der Intensität des ausfallenden Strahls 12 beträgt, so wird er doch im Kamerabild deutlich dargestellt und wirkt damit insbesondere bei Nachtaufnahmen mit großen Helligkeitsunterschieden störend.
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Die 4 zeigt einen entsprechenden Strahlengang, wobei zwischen zwei Teilen des mehrteiligen Prismas 3 eine λ/2-Platte als Verzögerungsplatte 8 eingefügt ist. Die Wellenlänge λ entspricht dabei vorzugsweise einer mittleren Wellenlänge aus dem von der Kamera detektierten Teil des elektromagnetischen Spektrums. Als Verzögerungsplatte 8 kann auch eine Folie verwendet werden, die über einen größeren Wellenlängenbereich zumindest annähernd als λ/2-Platte wirkt. Derartige achromatische λ/2-Folien werden bisher beispielsweise in Computermonitoren eingesetzt.
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Wie die Zahlenwerte zeigen, ist die Intensität des senkrecht polarisierten austretenden Strahls 12 etwas höher als im Beispiel der 3; die parallel polarisierte Intensität ist dagegen etwas niedriger. Die von der Kamera registrierte Gesamtintensität des Strahls 11 ist in der Anordnung mit der λ/2-Platte in der gleichen Größenordnung wie bei dem in der 3 dargestellten Prisma 3 ohne Verzögerungsplatte 8.
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Die Intensitätswerte (0, 2) des Reflexes 13 sind bei der Anordnung der 4 dagegen auf deutlich kleinere Werte abgefallen, so dass dieser Reflex 13 nicht mehr so störend im Kamerabild auftritt. Die Verzögerungsplatte 8 vermindert somit die Intensitäten der störenden Mehrfachreflexe effizient, ohne die Intensitäten des erwünschten Strahls 12 wesentlich zu beeinflussen.
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Die 5 zeigt eine Ausführungsvariante zu der in der 4 schematisch dargestellten Anordnung. Die Verzögerungsplatte 8 ist hier nicht innerhalb des Prismas 3 sondern statt dessen an einer Außenfläche angeordnet. Hierbei haben die dargestellten Teilstrahlen die gleichen Intensitätswerte wie in der
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4, so dass auf eine erneute Notierung in der 5 verzichtet wurde. Die Ausführung gemäß der 5 ist somit technisch gleichwertig zu der in der 4 dargestellten.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Lichtstrahlen (Strahlengang)
- 2
- Fahrzeugscheibe
- 3
- Prisma
- 4
- optisches Medium
- 5
- Sensorchip
- 6
- Objektiv
- 7
- Kamera
- 8
- Verzögerungsplatte
- 9
- scheibenseitige Außenfläche
- 10
- Prismenfläche
- 11
- einfallender Strahl
- 12
- erwünschter (ausfallender) Strahl
- 13
- unerwünschter Reflex (Strahl)
- 6
- Prismenwinkel
