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Die Erfindung betrifft ein multifokales Abbildungssystem zur Abbildung von elektromagnetischer Strahlung aus mehreren Entfernungsbereichen auf einem Bildaufnahmeelement, insbesondere zum Einsatz in einem Fahrzeug.
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Fahrerassistenzsysteme in Kraftfahrzeugen verwenden häufig ein Kamerasystem als Umfeldsensor, beispielsweise zur Erkennung verschiedenster Objekte im Umfeld des Fahrzeugs.
Das Kamerasystem ist dabei in der Regel hinter der Windschutzscheibe des Fahrzeugs angeordnet und blickt in Fahrtrichtung durch diese hindurch. Beispiele hierfür sind Fahrzeugkameras zur Erkennung der Fahrbahnmarkierungen, Nachtsichtkameras oder Stereokameras als optische Abstandssensoren. Um gleichzeitig unterschiedliche Funktionen mit nur einer Kamera erfüllen zu können, werden teilweise zusätzliche Elemente in den optischen Pfad, d.h. in den Strahlengang des in die Kamera einfallenden Lichts, eingebracht. Die zusätzlichen Elemente erlauben es mit nur einem in der Kamera angeordneten Bildaufnahmeelement, z.B. einem CMOS- oder CCD-Bildchip, gleichzeitig zwei unterschiedliche Entfernungsbereiche abzubilden. Zum Stand der Technik gehören inzwischen verschiedene Kamerasysteme in Kraftfahrzeugen, die sowohl Fahrerassistenzfunktionen durch Objekterkennung in einem optischen Fernbereich (z.B. Verkehrszeichen-, Fußgänger-, Fahrspur oder Lichtquellenerkennung) als auch eine Objekterkennung in einem optischen Nahbereich (z.B. Regenerkennung auf einer Windschutzscheibe) ermöglichen, siehe z.B.
WO 2010/072198 A1 .
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Ein solches System ist beispielsweise aus der
EP 1 923 280 A1 bekannt. Durch ein zusätzliches optisches Element mit einer positiven Linse (konvexe Linse) wird ein bestehendes Abbildungssystem, welches auf einen optischen Fernbereich fokussiert ist, in die Lage gebracht, zusätzlich eine scharfe Abbildung von Objekten aus einem optischen Nahbereich auf ein Bildaufnahmeelement zu projizieren, in diesem Fall Regentropfen auf einer Windschutzscheibe. Wenn sich keine Regentropfen auf der Windschutzscheibe befinden, ist das auf das Bildaufnahmeelement projizierte Bild ausschließlich vom optischen Fernbereich dominiert. Wenn sich Tropfen auf der Windschutzscheibe befinden, wird die Abbildung des Fernbereichs durch die Abbildung des Nahbereichs in der gleichen Bildebene überlagert und das erzeugte Bildsignal wird verändert.
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Nachteilig bei dem in der
EP 1 923 280 A1 beschriebenen System sowie bei anderen Abbildungssystemen aus dem Stand der Technik ist die Tatsache, dass Strahlung sowohl aus einem optischen Nahbereich als auch aus einem optischen Fernbereich gleichzeitig auf einem gemeinsamen Bereich des Bildaufnahmeelements auftrifft und dort zum einem Bildsignal führt. Dadurch wird für beide Fahrerassistenzfunktionen, d.h. für die Fernbereichsüberwachung und die Nahbereichsüberwachung, die Abbildungsqualität, durch die sich überlagernde Strahlung aus beiden Überwachungsbereichen, herabgesetzt. Ein weiterer Nachteil bei bekannten Systemen ist, dass für die Abbildung eines Nahbereichs zur Regenerkennung in der Regel eine konvexe Linse verwendet wird, die in der Nähe der optischen Achse angeordnet ist, während für die Abbildung eines Fernbereichs Abbildungselemente eingesetzt werden, die sich abseits der optischen Achse befinden. Dies bedeutet für die Abbildung des Fernbereichs zusätzlich eine Verringerung der Abbildungsqualität, da in optischen Systemen generell gilt, dass für Strahlengänge mit zunehmendem Abstand zur optischen Achse die Abbildungsqualität, beispielsweise durch eine Zunahme des Ausmaßes von Bildfehlern, abnimmt. Gerade Fahrerassistenzfunktionen mit Fernbereichsüberwachung erfordern jedoch eine besonders hohe Abbildungsqualität. In aktuellen Kraftfahrzeugen kommen bifokale Abbildungssysteme, unter anderem aufgrund der vorangehend beschriebenen Probleme, bislang wenig oder gar nicht zum Einsatz, da diese in ihrer Zuverlässigkeit und Leistung insbesondere gegenüber den bisher separat eingesetzten optisch-elektronischen Regensensoren unterlegen sind.
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Aus der
DE102004015040A1 ist eine Kamera in einem Kraftfahrzeug mit einem Bildsensor bekannt, wobei die Kamera Primärfunktionen und eine Regensensorfunktion zur Verfügung stellt.
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Die
DE102010023591A1 zeigt ein Stereokamerasystem zum Einsatz in Kraftfahrzeugen hinter einer geneigten Windschutzscheibe.
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Die
JP 2007-318329 A beschreibt eine bifokale Linse bestehend aus einer Nahbereichslinse und einer Fernbereichslinse.
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Aus der
WO 2010/072198 A1 ist ein optisches Modul mit einem Halbleiterelement mit einer für elektromagnetische Strahlung sensitiven Fläche des Halbleiterelements insbesondere zum Einsatz in Kraftfahrzeugen bekannt.
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Der Erfindung liegt demnach die Aufgabe zugrunde, ein multifokales Abbildungssystem anzugeben, dass eine bessere Leistung und Zuverlässigkeit gegenüber bekannten multifokalen Abbildungssystemen aufweist, wobei insbesondere unterschiedliche Entfernungsbereiche mit jeweils einer besseren Bildqualität, Bildschärfe und Genauigkeit auf einem Bildaufnahmeelement abgebildet werden können.
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Diese Aufgabe wird durch eine Vorrichtung mit den Merkmalen nach Anspruch 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen sind Gegenstand von Unteransprüchen, wobei auch Kombinationen und Weiterbildungen einzelner Merkmale miteinander denkbar sind.
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Ein wesentlicher Gedanke der Erfindung besteht darin, in einem multifokalen Abbildungssystem, mit dem mindestens zwei Strahlbündel aus unterschiedlichen Entfernungsbereichen in einer gemeinsamen Bildebene fokussiert zur Abbildung gebracht werden, optische Filter anzuordnen, und zwar sowohl im projizierenden Teil des Abbildungssystems, welcher z.B. eine oder mehrere Linsen umfasst, als auch direkt über der Bildebene bzw. direkt über dem Bildaufnahmeelement. Hierdurch ergibt sich eine vorteilhafte Unterscheidungsmöglichkeit der Strahlung aus unterschiedlichen Entfernungsbereichen, insbesondere aus einem optischen Nahbereich und einem optischen Fernbereich, indem durch die erfindungsgemäße zweifache Filterung, die Abbildung von optischem Nahbereich und optischem Fernbereich jeweils nur in einem definierten Bereich auf einem Bildaufnahmeelement zu einem Bildsignal führen.
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Bei der Erfindung handelt es sich um ein multifokales Abbildungssystem für ein Fahrzeug, umfassend wenigstens ein Bildaufnahmeelement und zumindest ein optisches Element. Das Abbildungssystem ist bevorzugt im Innenraum eines Fahrzeugs angeordnet, insbesondere hinter einer Windschutzscheibe mit Blickrichtung durch die Windschutzscheibe hindurch in Fahrtrichtung des Fahrzeugs. Das Bildaufnahmeelement, beispielsweise ein CCD- oder CMOS-Bildchip, umfasst eine für elektromagnetische Strahlung sensitive Fläche, mit nebeneinander liegenden sensitiven Sensoreinheiten zur Umwandlung von optischer bzw. elektromagnetischer Strahlung in elektrische Signale. CMOS- und CCD-Bildchips weisen dabei beispielsweise ein zweidimensionales Array aus lichtempfindlichen Fotodioden auf, d.h. ein zweidimensionales Gitternetz aus Chipzeilen und Chipspalten bzw. ein zweidimensionales Array aus Pixeln.
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Das zumindest eine optische Element ist im Querschnitt des Strahlenganges der auf die sensitive Fläche des Bildaufnahmeelements auftreffenden elektromagnetischen Strahlung angeordnet und derart ausgestaltet, dass durch die Anordnung des optischen Elements im Strahlengang elektromagnetische Strahlung aus mindestens zwei unterschiedlichen Entfernungsbereichen fokussiert auf die sensitive Fläche des Bildaufnahmeelements projiziert wird. Das optische Element umfasst dabei zumindest zwei Durchtrittsbereiche, die Filter mit unterschiedlichen optischen Filtereigenschaften aufweisen. Das optische Element kann insbesondere auch mehrteilig bzw. mehrstückig ausgestaltet sein, beispielsweise in Form eines mehrstückigen Abbildungssystems, welches z.B. eine oder mehrere Linsen bzw. Linsenelemente sowie einen oder mehrere Filter bzw. Filterelemente umfasst, wobei die Filter bzw. die Filterelemente als optische Spektralfilter und/oder Polarisationsfilter ausgestaltet sein können.
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Die sensitive Fläche des Bildaufnahmeelements ist in zumindest zwei getrennte Funktionsbereiche unterteilt, die Filter mit denselben optischen Filtereigenschaften aufweisen, wie die zumindest zwei Durchtrittsbereiche des optischen Elements. Die Anordnung der Filter mit unterschiedlichen optischen Filtereigenschaften auf dem Bildaufnahmeelement bzw. auf dessen sensitiver Fläche definiert also insbesondere die Funktionsbereiche der sensitiven Fläche. Erfindungsgemäß sind bei der Aufteilung der sensitiven Fläche des Bildaufnahmeelements in zumindest zwei Funktionsbereiche beliebige Flächenaufteilungen möglich, die beispielsweise durch partielle Beschichtungsverfahren bzw. im Rahmen von Fertigungsverfahren des Bildaufnahmeelements umgesetzt werden können. Vor dem Bildaufnahmeelement und/oder in das Bildaufnahmeelement integriert, können sich hierzu beispielweise partiell aufgebrachte oder eingebrachte optische Filter befinden, wobei die Filter vorzugsweise alternierend vor mehreren nebeneinander liegenden Pixelregionen, die jeweils aus mindestens einem Pixel bestehen, angeordnet sind. Die sensitive Fläche des Bildaufnahmeelements kann beispielsweise auch in zwei nebeneinanderliegende Teilflächen unterteilt sein, vor denen unterschiedliche optische Filter angeordnet sind.
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In der vorangehend beschriebenen erfindungsgemäßen Ausgestaltung des multifokalen Abbildungssystems wird elektromagnetische Strahlung aus mindestens zwei unterschiedlichen Entfernungsbereichen mittels des optischen Elements fokussiert auf die sensitive Fläche des Bildaufnahmeelements projiziert. Bei Ausführung des optischen Elements mit zwei Durchtrittsbereichen, welche unterschiedliche optische Filtereigenschaften aufweisen, tritt ein Teil der elektromagnetischen Strahlung durch den ersten Durchtrittsbereich des optischen Elements und ein anderer Teil der elektromagnetischen Strahlung durch den zweiten Durchtrittsbereich. Die sensitive Fläche des Bildaufnahmeelements umfasst zumindest zwei Funktionsbereiche, die Filter mit denselben optischen Filtereigenschaften aufweisen, wie die Durchtrittsbereiche des optischen Elements. Das bedeutet, dass die sensitive Fläche des Bildaufnahmeelements einen ersten Funktionsbereich umfasst, der dieselben optischen Filtereigenschaften wie einer der Durchtrittsbereiche des optischen Elements aufweist, sowie einen zweiten Funktionsbereich, der analog dieselben optischen Filtereigenschaften wie der zweite Durchtrittsbereich des optischen Elements. Somit wird durch die Funktionsbereiche der sensitiven Fläche des Bildaufnahmeelement nur diejenige elektromagnetische Strahlung erfasst und verarbeitet, die durch den hinsichtlich der optischen Filtereigenschaft korrespondierenden Durchtrittsbereich des optischen Elements hindurch tritt bzw. transmittiert wird.
Bevorzugt wird dabei diejenige elektromagnetische Strahlung, die mittels des optischen Elements aus einem ersten Entfernungsbereich fokussiert auf die sensitive Fläche des Bildaufnahmeelements projiziert wird, ausschließlich durch einen der zumindest zwei Durchtrittsbereiche des optischen Elements fokussiert projiziert und analog die elektromagnetische Strahlung aus dem zweiten Entfernungsbereich ausschließlich durch den zweiten Durchtrittsbereich. In diesem Fall wird von den zumindest zwei getrennten Funktionsbereiche der sensitiven Fläche des Bildaufnahmeelements jeweils ausschließlich elektromagnetische Strahlung aus einem bestimmten Entfernungsbereich erfasst, wodurch sich eine bifokale bzw. multifokale Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Abbildungssystems ergibt. Erfindungsgemäß sind auch Ausgestaltungen des multifokalen Abbildungssystems mit drei oder mehr Fokusbereichen möglich, wobei zur Umsetzung der erfindungsgemäßen Zweifachfilterung das optische Element und das Bildaufnahmeelement entsprechend mit drei oder mehr Durchtrittsbereichen bzw. Funktionsbereichen ausgestaltet sind, mit jeweils unterschiedlichen korrespondierenden optischen Filtereigenschaften.
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In einer bevorzugten Ausführungsvariante ist das optische Element mit einem inneren Bereich ausgestaltet, durch den vorzugsweise die optische Achse des multifokalen Abbildungssystems verläuft und durch den elektromagnetische Strahlung aus einem optischen Fernbereich fokussiert auf die sensitive Fläche des optischen Elements projiziert wird, sowie mit einem äußeren Bereich, der den inneren Bereich umgibt und durch den elektromagnetische Strahlung aus einem optischen Nahbereich fokussiert auf die sensitive Fläche des Bildaufnahmeelements projiziert wird.
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Besonders vorteilhaft an dieser Ausführungsvariante, insbesondere gegenüber dem in der
EP 1 923 280 A1 beschriebenen System, ist die Tatsache, dass für die Abbildung eines Fernbereichs Strahlengänge genutzt werden, die in der Nähe der optischen Achse bzw. um diese herum das Abbildungssystem passieren, und zur Abbildung eines Nahbereichs hingegen Strahlengänge verwendet werden, mit größerem Abstand zur optischen Achse, beispielsweise zur Regenerkennung.
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Alternativ kann durch den inneren Bereich auch ein optischer Nahbereich und durch den äußeren Bereich ein optischer Fernbereich fokussiert projiziert werden. Bevorzugt sind dabei der innere und äußere Bereich zusätzlich als Durchtrittsbereiche mit unterschiedlichen optischen Filtereigenschaften ausgestaltet.
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In einer vorteilhaften Ausgestaltung ist der innere Bereich des optischen Elements kreisförmig und der äußere Bereich kreisringförmig ausgestaltet, wobei die optische Achse vorzugsweise durch den Mittelpunkt der beiden Bereiche verläuft. Das optische Element kann beispielsweise als kreisrunde Linse ausgestaltet sein, mit innerem kreisförmigem und äußerem kreisringförmigem Durchtrittsbereich mit jeweils unterschiedlichen optischen Brechungs- und Filtereigenschaften.
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In einer bevorzugten Ausgestaltungsvariante ist der erste Entfernungsbereich, der durch das optische Element fokussiert auf die sensitive Fläche des Bildaufnahmeelements projiziert wird, ein Fernbereich mit Entfernungen größer 1500 mm und der zweite Entfernungsbereich ein Nahbereich mit Entfernungen kleiner 500 mm. Bevorzugt wird durch den Nahbereich ein Bereich der Windschutzscheibe des Fahrzeugs auf der sensitiven Fläche des Bildaufnahmeelements abgebildet, z.B. zur Regen- und/oder Schmutzerkennung, und durch den Fernbereich ein Bereich aus dem Vorausfeld in Fahrtrichtung des Fahrzeugs, z.B. zur Verkehrszeichen-, Fußgänger-, Fahrspur und/oder Lichtquellenerkennung.
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In einer vorteilhaften Ausgestaltung wird die aus einem ersten Entfernungsbereich auf die sensitive Fläche des Bildaufnahmeelements projizierte elektromagnetische Strahlung durch einen spektralen optischen Hochpassfilter und die aus einem zweiten Entfernungsbereich auf die sensitive Fläche des Bildaufnahmeelements projizierte Strahlung durch einen spektralen optischen Tiefpassfilter transmittiert.
Bevorzugt ist dabei das optische Element mit zumindest zwei Durchtrittsbereichen ausgestaltet, wobei der erste Durchtrittsbereich als spektraler optischer Hochpassfilter ausgestaltet ist und elektromagnetische Strahlung aus einem ersten optischen Entfernungsbereich fokussiert auf die sensitive Fläche des Bildaufnahmeelements projiziert und der zweite Durchtrittsbereich als spektraler Tiefpassfilter ausgestaltet ist und elektromagnetische Strahlung aus einem zweiten optischen Entfernungsbereich fokussiert auf die sensitive Fläche des Bildaufnahmeelements projiziert.
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In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung lässt der spektrale optische Tiefpassfilter Wellenlängen bis 750 nm durch, wobei der spektrale optische Hochpassfilter Wellenlängen unterhalb von 780 nm sperrt.
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In einer bevorzugten Ausgestaltung ist der erste Entfernungsbereich, dessen elektromagnetische Strahlung durch einen spektralen optischen Hochpassfilter transmittiert wird ein Nahbereich, und der zweite Entfernungsbereich, dessen elektromagnetische Strahlung durch einen spektralen optischen Tiefpassfilter transmittiert wird, ein Fernbereich.
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In einer optionalen Ausgestaltung des Abbildungssystems ist mindestens eine Lichtquelle vorgesehen. Die Lichtquelle, beispielsweise eine oder mehrere Leuchtdioden (LEDs) oder OLEDs (organische LEDs), emittiert vorzugsweise Licht mit einer Wellenlänge, die vom spektralen optischen Hochpassfilter nicht gesperrt wird. Die Lichtquelle kann beispielsweise eine Regenerkennungsfunktion unterstützen und z.B. durch Strahlformungselemente, z.B. mittels Linsen, Spiegel und/oder diffraktive Elemente, in ihrer Abstrahlcharakteristik verändert werden, so dass die Lichtquelle durch die Windschutzscheibe des Fahrzeugs hindurch strahlt. Für den Fall, dass sich beispielsweise Regentropfen auf der Windschutzscheibe befinden, reflektieren diese das abgestrahlte Licht der Lichtquelle teilweise wieder in Richtung des Abbildungssystems. Die Strahlung der Lichtquelle kann auch über einen oder mehrere Lichtleiter von unten, oben oder von der Seite in die Windschutzscheibe eingekoppelt und zur Totalreflexion gebracht werden. Für die Einkoppelung des Lichts der mindestens einen Lichtquelle kann beispielsweise ein Element aus einem für den genutzten Wellenlängenbereich transparenten Kunststoff (z.B. Silikon oder Glas) verwendet werden, um das Licht derart in die Scheibe einzukoppeln, dass beim Auftreffen des Beleuchtungsstrahlenganges auf die Außenseite der Windschutzscheibe der Winkel der Totalreflexion überschritten wird. Sollte kein Tropfen auf der Windschutzscheibe sein, empfängt das Abbildungssystem keine signifikante Strahlung aus dem betreffenden Wellenlängenbereich. Sollten sich einer oder mehrere Regentropfen auf der Windschutzscheibe befinden, wird das Licht der Lichtquelle ausgekoppelt und im Tropfen teilweise in Richtung des Abbildungssystems reflektiert. Die Lichtquelle kann auch derart ausgestaltet sein, dass diese bestimmte Lichtmuster auf die Innen- und/oder Außenfläche der Windschutzscheibe des Fahrzeugs projiziert, wobei Änderungen des Lichtmusters, beispielsweise bei vorhanden Regentropfen auf der Scheibe, durch das Abbildungssystem erkannt werden. Für die Auskoppelung des zuvor eingekoppelten Lichts, kann beispielsweise ein Element aus einem für den genutzten Wellenlängenbereich transparenten Kunststoff verwendet werden (z.B. Silikon oder Glas), wobei an der dem Abbildungselement zugewandten Seite des Auskoppelungselements eine Mattscheibe angebracht sein kann.
Eine aktive Beleuchtung, z.B. durch Ausgestaltung des Abbildungssystems mit wenigstens einer Lichtquelle, kann die Erkennung von Objekten aus einem Nahbereich, beispielsweise die Regenerkennung, insbesondere bei Dunkelheit, unterstützen.
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In einer vorteilhaften Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Abbildungssystems weisen die Filter der unterschiedlichen Durchtrittsbereiche des optischen Elements und/oder die Filter der getrennten Funktionsbereiche der sensitiven Fläche des Bildaufnahmeelements jeweils unterschiedliche Polarisationseigenschaften auf. Die Ausgestaltung des optischen Elements und/oder des Bildaufnahmeelements mit Polarisationsfiltern ist sowohl als Alternative zu Spektralfiltern als auch als Kombination mit Spektralfiltern möglich. Bevorzugt sind dabei jeweils ein Durchtrittsbereich des optischen Elements und ein Funktionsbereich der sensitiven Fläche des Bildaufnahmeelements mit korrespondierenden ,d.h. mit denselben, Polarisationseigenschaften ausgestaltet, um die erfindungsgemäße zweifache Filterung sowohl im optischen Element als auch vor der Bildebene zu erreichen und damit eine multifokale Eigenschaften des Abbildungssystems.
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In einer bevorzugten Ausgestaltung ist die sensitive Fläche des Bildaufnahmeelements durch zumindest eine der folgenden Filter in zumindest zwei getrennte Funktionsbereiche mit unterschiedlichen spektralen optischen Filtereigenschaften unterteilt:
- a. Partielle Filterbeschichtung auf einem Filterglas, das über der sensitiven Fläche des Bildaufnahmeelements angeordnet ist.
- b. Partiell unterschiedliches Filterarray direkt zwischen sensitiver Fläche und Mikrolinsen des Bildaufnahmeelements, insbesondere als Color-FilterArray (CFA).
- c. Partiell unterschiedliche spektrale Transmissionseigenschaften der Mikrolinsen im Bildaufnahmeelement, z.B. durch unterschiedliche Materialeigenschaften der Mikrolinsen.
- d. Nutzung von spektral unterschiedlicher Eindringtiefe in das Halbeleitermaterial des Bildaufnahmeelements.
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In einer bevorzugten Ausgestaltung ist ein erster Durchtrittsbereich des optischen Elements, der eine bestimmte optische Filtereigenschaft aufweist, mit einer geringeren Brechkraft ausgestaltet, als ein zweiter Durchtrittsbereich, der eine bestimmte sowie von dem ersten Durchtrittsbereich unterschiedliche optische Filtereigenschaft aufweist. In diesem Fall wird durch den ersten Durchtrittsbereich des optischen Elements elektromagnetische Strahlung aus einem optischen Fernbereich und durch den zweiten Durchtrittsbereich elektromagnetische Strahlung aus einem optischen Nahbereich fokussiert auf die sensitive Fläche des Bildaufnahmeelements projiziert. Bevorzugt unterscheidet sich die Brechkraft des ersten Durchtrittsbereichs deutlich von der Brechkraft des zweiten Durchtrittsbereichs, wobei mit deutlich eine derartiger Brechkraftunterschied gemeint ist, dass beispielsweise der Nahbereich Entfernungen kleiner 500 mm und der Fernbereich Entfernungen größer 1500 mm betrifft.
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In einer vorteilhaften Ausgestaltung umfasst das optische Element im ersten Durchtrittsbereich ein konkaves Linsenelement, insbesondere zur Fokussierung eines Fernbereichs auf dem Bildaufnahmeelement, und im zweiten Durchtrittsbereich ein planparalleles Linsenelement, insbesondere zur Fokussierung eines Nahbereichs auf dem Bildaufnahmeelement.
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Erfindungsgemäß umfasst das optische Element im ersten Durchtrittsbereich ein konkaves Linsenelement, insbesondere zur Fokussierung eines Fernbereichs auf dem Bildaufnahmeelement, und im zweiten Durchtrittsbereich ein konvexes Linsenelement, insbesondere zur Fokussierung eines Nahbereichs auf dem Bildaufnahmeelement.
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In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung umfasst das optische Element im ersten Durchtrittsbereich ein planparalleles Linsenelement, insbesondere zur Fokussierung eines Fernbereichs auf dem Bildaufnahmeelement, und im zweiten Durchtrittsbereich ein konvexes Linsenelement, insbesondere zur Fokussierung eines Nahbereichs auf dem Bildaufnahmeelement.
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In einer bevorzugten Ausbildungsvariante sind die mit unterschiedlichen optischen Filtereigenschaften ausgebildeten Durchtrittsbereiche des optischen Elements (zusätzlich) mit Materialien ausgestaltet, die unterschiedliche Brechungsindizes aufweisen, wodurch sich die Brechkraft der Durchtrittsbereiche des optischen Elements in Ihrer Stärke unterscheiden.
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In einer weiteren bevorzugten Ausbildungsvariante werden die unterschiedlichen optischen Filtereigenschaften des optischen Elements durch unterschiedliche Beschichtungen des optischen Elements in zumindest zwei Durchtrittsbereichen, durch unterschiedliche Materialeigenschaften in zumindest zwei Durchtrittsbereichen und/oder durch separat angeordnete Filterelemente ausgebildet.
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Die Ausführung aller beschriebenen Linsen bzw. Linsenoberflächen, kann sowohl sphärisch als auch asphärisch umgesetzt werden, insbesondere mit aufgedampften oder eingeprägten Antireflexionsbeschichtungen. Die einzelnen Elemente bzw. Linsenelement des optischen Elements können zudem, anstatt durch Brechung, als Abbildungselemente auf Basis von Reflexion (Spiegel) und/oder Beugung (diffraktive Elemente) ausgeführt sein.
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Das beschriebene Abbildungssystem kann zur kamerabasierten Objekterkennung im Nahbereich neben der Regenerkennung weitere Einsatzmöglichkeiten finden, wie ein Schmutz-, Schnee- und/oder Wischergebniserkennung. Ebenfalls kann über eine auf der Windschutzscheibe angebrachte Kontrastkodierung der Windschutzscheibentyp identifiziert werden, damit die Kamera, z.B. nach einem Scheibenwechsel informiert ist, durch welchen spektralen Windschutzscheibentransmissionstyp die Kamera hindurch blickt, insbesondere um gegebenenfalls kalibrierte Farbverhältnisse bzw. einen Weißabgleich zu korrigieren. Um die Integration bzw. den Einbauraum der Kamera, bei Anordnung hinter der Windschutzscheibe eines Fahrzeugs zu minimieren, kann der Strahlengang zwischen Windschutzscheibe und dem erfindungsgemäß ausgeführten multifokalen Abbildungssystem mittels eines oder mehrerer weiterer optischer Elemente durch Brechung (z.B. Keilplatte), Spiegelung (gekrümmter Spiegel bzw. Planspiegel) und/oder durch Beugung (diffraktives Element, Gitter) umgelenkt werden, insbesondere damit der Strahlengang der Nahbereichsabbildung die gleich bzw. eine ähnliche Durchtrittsfläche durch die Windschutzscheibe erreicht, wie sich diese für die Fahrerassistenzfunktionen für den Fernbereich ergibt. Dadurch kann eine wesentlich kleinere Schwarzdruckaussparung auf bzw. in der Windschutzscheibe erreicht werden.
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Die Integration des erfindungsgemäßen Abbildungssystems beinhaltet vorzugsweise einen Licht-, Tunnel-, Temperatur-, Feuchtigkeits- und/oder Sonnenstandsensor, wobei diese Hardwarekomponenten nach dem jeweiligen Stand der Technik ausgeführt sein können, die Signalverarbeitung und die Kommunikation beispielsweise zu nachfolgenden Steuergeräten aber über die Hardwareressourcen des erfindungsgemäßen Abbildungssystem erfolgt, bzw. über ein Kamerasystem in der das erfindungsgemäße Abbildungssystem angeordnet ist. Ebenfalls wird vorgeschlagen, das erfindungsgemäße Abbildungssystem durch einen kapazitiven Regensensor zu ergänzen, da im Falle einer kombinierten, d.h. kamerabasierte und kapazitive Regenerkennung, die Schwächen des einen System, durch die Stärken des anderen System ausgeglichen werden können.
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Im Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen multifokalen Abbildungssystem wird auch ein Bildverarbeitungsalgorithmus vorgeschlagen, der insbesondere eine Lichtquelle bzw. ein Beleuchtungselement ansteuern bzw. modulieren kann und anschließend Änderung im Bildsignal auswertet. Allgemein werden für die Bildverarbeitung verschiedene Kantenalgorithmen und Schwellwertoperationen vorgeschlagen, die im gesamten Funktionsbereich des Bildaufnahmeelements für die Regenerkennung oder in einem Teilbereich davon arbeiten. Speziell werden Filterfunktionen vorgeschlagen, die direkte Sonneneinstrahlung erkennen und ein Auslösen des Scheibenwischers verzögern bzw. verhindern, wenn nicht eindeutig neben Kanten im Bild auch Tropfenstrukturen vorhanden sind. Weitere vorgeschlagene Bildverarbeitungsalgorithmen zur Regenerkennung ergeben sich mit Verfahren der Fourier-Transformation und der Klassifizierung bzw. einer Autokorrelationsfunktion des Bildsignals. Der Ablauf ist dabei vorzugsweise folgender: (1) Kamerabasierter Regensensor erkennt Regen auf Windschutzscheibe. (2) Hinterlegte Software-Schwellwerte definieren eine Entscheidung, wann der Scheibenwischer wie schnell gestartet wird. (3) Nach dem Wischereinsatz wird dieser mit einem Zeitwert und der Wischgeschwindigkeit flüchtig gespeichert, während die Kamera auf Grundlage dieser gespeicherten Information und der nächsten Bildauswertung der Windschutzscheibenabbildung über eine erneute Auslösung des Wischers entscheidet.
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Weitere Vorteile sowie optionale Ausgestaltungen gehen aus der Beschreibung und den Zeichnungen hervor. Ausführungsbeispiele sind in den Zeichnungen vereinfacht dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert.
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Es zeigt
- 1: ein multifokales Abbildungssystem.
- 2: ein multifokales Abbildungssystem, das hinter einer Windschutzscheibe angeordnet ist.
- 3: ein Filterelement mit unterschiedlichen optischen Filtereigenschaften, das Bestandteil eines optischen Elements sein kann.
- 4: ein mehrteilige ausgestaltetes optisches Element umfassend Filter- und Linsenelementen.
- 5: ein einteilig ausgestaltetes optisches Element mit Filterbeschichtung.
- 6: verschiedene Ausführungen (a-c) eines mehrteilig ausgestalteten optischen Elements.
- 7: ein einteilig ausgestaltetes optisches Element bestehend aus unterschiedlichen Materialien mit jeweils unterschiedlichen Filtereigenschaften.
- 8a: eine Ausgestaltung eines Bildaufnahmeelements mit optischen Filtern.
- 8a: eine weitere Ausgestaltung eines Bildaufnahmeelements mit optischen Filtern.
- 9a: ein Beispiel für ein mehrteilig ausgestaltetes optisches Element.
- 9b: ein weiteres Beispiel für ein mehrteilig ausgestaltetes optisches Element.
- 10: ein mehrteilig ausgestaltetes optisches Element mit Abstandshalter.
- 11: Funktionsprinzip der optischen spektralen Filterung vor einem Bildaufnahmeelement oder in einem optischen Element.
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In 1 ist ein erfindungsgemäßes multifokales Abbildungssystem 1 dargestellt. Das multifokale Abbildungssystem 1 umfasst ein Bildaufnahmeelement 2, das eine für elektromagnetische Strahlung 4;5 sensitive Fläche aufweist. Das multifokale Abbildungssystem 1 umfasst weiterhin ein optisches Element 3, das im Strahlengang der auf die sensitive Fläche des Bildaufnahmeelements 2 auftreffenden elektromagnetischen Strahlung 4;5 angeordnet ist. Das optische Element 3 ist in diesem Fall mehrteilig ausgestaltet und umfasst mehrere Abbildungselemente 6;7;8. Im vorderen Bereich, d.h. im Eintrittsbereich der elektromagnetischen Strahlung 4;5 in das optische Element 3, ist eine Sammellinse 6 angeordnet, deren erste Fläche konvex und deren zweite Fläche plan ausgestaltet ist. Die Sammellinse 6 weist somit eine positive Brechkraft auf. Hinter der Sammellinse 6 ist ein Filterglas 7 angeordnet. Das Filterglas 7 ist mit zwei Durchtrittsbereichen 3.1;3.2 ausgebildet mit unterschiedlichen optischen Filtereigenschaften. Der erste Durchtrittsbereich 3.1, dessen Mittelpunkt auf der optischen Achse 9 des multifokalen Abbildungssystem 1 liegt, ist in diesem Fall kreisförmig und als spektraler optischer Tiefpassfilter ausgestaltet. Der zweite Durchtrittsbereich 3.2, dessen Mittelpunkt ebenfalls auf der optischen Achse 9 des multifokalen Abbildungssystems 1 liegt und der den ersten Durchtrittsbereich 3.1 umgibt, ist kreisringförmig und als spektraler optischer Hochpassfilter ausgestaltet. Hinter dem Filterelement 7 befindet sich ein Linsenelement 8, das ein planes Trägerglas 8.1 umfasst, auf dem ein konkaves Linsenelement 8.2 angeordnet ist. Das Linsenelement 8 ist dabei derart ausgestaltet und angeordnet, dass nur diejenige elektromagnetische Strahlung 5, die durch ersten Durchtrittsbereich 3.1 des optischen Elements 3 transmittiert wird, durch das konkaves Linsenelement 8.2 negativ gebrochen wird.
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Durch die Ausgestaltung des optischen Elements 3 entsprechend 1 wird elektromagnetische Strahlung 4;5 aus zwei unterschiedlichen Entfernungsbereichen fokussiert auf die sensitive Fläche des Bildaufnahmeelements 2 projiziert, wobei die elektromagnetische Strahlung 5, die aus einem optischen Nahbereich fokussiert projiziert wird, ausschließlich durch einen ersten 3.1 von zwei Durchtrittsbereichen 3.1;3.2 tritt, der in diesem Fall als optischer spektraler Tiefpassfilter ausgestaltet ist, und die elektromagnetische Strahlung 4, die aus einem optischen Fernbereich fokussiert projiziert wird, ausschließlich durch einen zweiten 3.2 von zwei Durchtrittsbereichen 3.1;3.2 tritt, der als optischer spektraler Hochpassfilter ausgestaltet ist.
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Hinter dem, als mehrteiliges Abbildungssystem ausgestalteten, optischen Element 3 ist das Bildaufnahmeelement 2 angeordnet. Die sensitive Fläche des Bildaufnahmeelements 2 ist in diesem Fall in zwei getrennte Funktionsbereiche 2.1;2.2 unterteilt, die dieselben optischen Filtereigenschaften aufweisen, wie die Durchtrittsbereiche 3.1; 3.2 des optischen Elements.
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Der erste Funktionsbereich 2.1 des Bildaufnahmeelements, der entsprechend dem ersten Durchtrittsbereich 3.1 als spektraler optischer Tiefpassfilter ausgestaltet ist, erfasst somit nur diejenige elektromagentische Strahlung 5, die mittels des optischen Elements 3 aus einem optischen Fernbereich fokussiert auf die sensitive Fläche des Bildaufnahmeelements 2 projiziert wird.
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Der zweite Funktionsbereich 2.2 des Bildaufnahmeelement 2, der entsprechend dem zweiten Durchtrittsbereich 3.2 als spektraler optischer Hochpassfilter ausgestaltet ist, erfasst hingegen nur diejenige elektromagnetische Strahlung 4, die mittels des optischen Elements 3 aus einem optischen Nahbereich fokussiert auf die sensitive Fläche des Bildaufnahmeelements 2 projiziert wird.
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Mittels des multifokalen Abbildungssystems 1 aus 1 können somit zwei unterschiedliche Entfernungsbereiche, in diesem Fall ein Nahbereich und ein Fernbereich, mit einem Bildaufnahmeelement 2 erfasst und beispielsweise im Zusammenhang mit Fahrerassistenzfunktionen überwacht werden.
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2 zeigt das multifokale Abbildungssystem 1 aus 1, das in diesem Fall hinter einer Windschutzscheibe 10 angeordnet ist. Das multifokale Abbildungssystem 1 kann beispielsweise auch als Kamera ausgestaltet sein, die insbesondere noch weitere optische und nicht optische Elemente, z.B. Linsen, Blenden, Kameragehäuse, Objektiv, Trägerelemente, elektronische Komponenten, Halterungen, etc. umfasst. Auch zusätzliche dynamisch veränderliche Elemente, wie beispielsweise die motorisierte Einbringung oder Verschiebung von Abbildungselementen bzw. Linsenelementen und/oder Elemente die in einem elektromagnetischen Feld zu einer Formänderung gezwungen werden, z.B. Flüssiglinsen, sollen hier als weitere optische Elemente verstanden werden. Wie in 2 dargestellt, können mittels des multifokalen Abbildungssystems 1 gleichzeitig ein Fernbereich 11, z.B. zur Erkennung von Fahrspuren, Verkehrszeichen, Hindernissen und/oder anderer Verkehrsteilnehmer, sowie ein Nahbereich 12, z.B. zur Erkennung von Regentropfen 13 und/oder Verschmutzungen auf der Windschutzscheibe 10, mit einem einzelnen Bildaufnahmeelement 2 erfasst bzw. abgebildet werden.
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3 zeigt das Filterglas 7, das in dem multifokalen Abbildungssystem 1 aus 1 und 2 angeordnet ist. Das Filterglas 7 ist in 3 aus zwei Perspektiven gezeigt, in einer frontalen Draufsicht (linkes Bild), d.h. mit Blick in Richtung der optischen Achse 9, und in einer Seitenansicht (rechtes Bild), d.h. mit Blick senkrecht zur optischen Achse 9.
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Das Filterglas aus 3 ist mit zwei Bereichen 3.1;3.2 ausgestaltet, die unterschiedliche optische Filtereigenschaften aufweisen und damit als Durchtrittsbereiche 3.1;3.2 mit unterschiedlichen Filtereigenschaften fungieren. In diesem Fall ist der erste Durchtrittsbereich 3.1 kreisförmig und als spektraler optischer Tiefpassfilter ausgestaltet. Der zweite Durchtrittsbereich 3.2 ist als spektraler optischer Hochpassfilter sowie kreisringförmig ausgebildet, so dass er den ersten Bereich 3.1 umgibt. Der Mittelpunkt der zwei Durchtrittsbereiche 3.1, 3.2 liegt dabei jeweils auf der optischen Achse 9.
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Erfindungsgemäß können die beiden Durchtrittsbereiche 3.1, 3.2 auch als Polarisationsfilter mit jeweils unterschiedlichen Polarisationseigenschaften ausgestaltet sein.
Das Filterglas 7 kann auch allein als erfindungsgemäßes optischen Element 3 fungieren, beispielsweise in dem die beiden Durchtrittsbereiche 3.1;3.2 zusätzlich zu deren unterschiedlichen optischen Filtereigenschaften, mit einer unterschiedlichen Brechkraft ausgestaltet werden, beispielsweise durch eine Fertigung der Durchtrittsbereiche 3.1;3.2 aus unterschiedlichen Materialien mit jeweils voreinander abweichenden Brechungsindizes.
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4 zeigt ein weiteres Beispiel für ein optisches Element 3, das in einem erfindungsgemäßen multifokalen Abbildungssystem 1 angeordnet sein kann. Das optische Element 3 entspricht dabei in weiten Teilen der Beschreibung des optischen Elements 3 aus den 1 und 2. In diesem Fall ist jedoch kein separates Filterglas 7 in dem optischen Element 3 angeordnet. Im Gegensatz zu 1 und 2 ist die Sammellinse 6, die eine positive Brechkraft aufweist, auf ihrer planen Fläche mit Filterbeschichtungen ausgebildet. In diesem Fall ist ein radialer bzw. kreisförmiger innerer Durchtrittsbereich 3.1 mit einer Tiefpassfilterbeschichtung und ein äußerer radial bzw. kreisringförmiger Durchtrittsbereich 3.2 mit einer Hochpassfilterbeschichtung ausgestaltet. Hinter der Sammellinse 6 mit Filterschichtung, ist wie bereits in 1 und 2 ein Linsenelement 8 angeordnet, das ein planes Trägerglas 8.1 umfasst, auf dem ein konkaves Linsenelement 8.2 angeordnet ist. Das Linsenelement 8 ist dabei derart ausgestaltet und angeordnet, dass nur diejenige elektromagnetische Strahlung 5, die durch ersten Durchtrittsbereich 3.1 transmittiert wird, durch das konkaves Linsenelement 8.2 negativ gebrochen wird.
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In 4 ist in diesem Fall kein Bildaufnahmeelement 2 dargestellt. Durch Anordnung eines Bildaufnahmeelements 2 in der Fokusebene 14 des optischen Elements 3, wobei das Bildaufnahmeelement 2 bevorzugt zwei Funktionsbereiche 2.1, 2.2 mit jeweils denselben unterschiedlichen optischen Filtereigenschaften aufweist, wie das optische Element 3 in den Durchtrittsbereichen 3.1;3.2, kann elektromagnetische Strahlung 4;5 aus zwei unterschiedlichen Entfernungsbereichen, vorzugsweise gleichzeitig, durch die erfindungsgemäße zweifache Filterung auf dem Bildaufnahmeelement 2 erfasst und beispielsweise mittels Bildverarbeitungsalgorithmen verarbeitet werden.
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In 5 ist die Sammellinse 6 mit Filterbeschichtungen aus 4 aus zwei Perspektiven dargestellt, in einer frontalen Draufsicht (linkes Bild), d.h. mit Blick in Richtung der optischen Achse 9, und in einer Seitenansicht (rechtes Bild), d.h. mit Blick senkrecht zur optischen Achse 9.
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In 6 sind vorteilhafte Ausgestaltungen (a), (b), (c) des optischen Elements 3 dargestellt. Auf der linken Bildseite ist dabei das optische Element 3 aus der Draufsicht gezeigt, d.h. mit Blick in Richtung der optischen Achse 9, rechts daneben drei Varianten (a), (b), (c) des optischen Elements 3 aus der Seitenansicht, d.h. senkrecht zur optischen Achse 9. Das optische Element 3 entsprechend 6 (a) umfasst eine Sammellinse 6 mit konvexer erster Fläche und einer planen zweiten Fläche, wobei im Zentrum der planen Fläche als erster Durchtrittsbereich 3.1 ein konkaves Linsenelement angeordnet ist, das mit negativer Brechkraft und als spektraler optischer Tiefpassfilter ausgestaltet ist. Um das konkave Linsenelement herum ist als zweiter Durchtrittsbereich 3.2 ein planparalleles und kreisringförmiges Filterglas angeordnet, das als spektraler optischer Hochpassfilter ausgestaltet ist.
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Das optische Element 3 entsprechend 6 (b) umfasst eine Sammellinse 6 mit konvexer erster Fläche und einer planen zweiten Fläche, wobei im Zentrum der planen Fläche als erster Durchtrittsbereich 3.1 ein planparalleles Filterglas angeordnet ist, das als spektraler optischer Tiefpassfilter ausgestaltet ist. Um das Filterglas herum ist als zweiter Durchtrittsbereich 3.2 ein konvexes und kreisringförmiges Linsenelement angeordnet, das als spektraler optischer Hochpassfilter ausgestaltet ist.
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Das optische Element 3 entsprechend 6 (c) umfasst eine Sammellinse 6 mit konvexer erster Fläche und einer planen zweiten Fläche, wobei im Zentrum der planen Fläche als erster Durchtrittsbereich 3.1 ein konkaves Linsenelement angeordnet ist, das mit negativer Brechkraft und als spektraler optischer Tiefpassfilter ausgestaltet ist. Um das Filterglas herum ist als zweiter Durchtrittsbereich 3.2 ein konvexes und kreisringförmiges Linsenelement angeordnet, das zudem als spektraler optischer Hochpassfilter ausgestaltet ist.
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Die auf der planen Fläche der Sammellinse 6 angeordneten Elemente können z.B. durch Kleben aufgebracht werden oder durch mittels Spritzgussverfahren in bzw. aus dem Linsenrohling eingeprägt bzw. ausgearbeitet sein. Die Elemente können auch in einen Linsenrohling geschliffen sein.
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In allen drei Fällen (a), (b) und (c) wird eine bifokale Ausgestaltung dadurch erreicht, indem das optische Element 3 in einer ersten, der optischen Achse näheren Durchtrittsfläche bzw. Durchtrittsvolumen mit einer deutlich geringeren (vorzeichenbehafteten) Brechkraft in Dioptrien wirkt, als eine zweite Durchtrittsfläche bzw. Durchtrittsvolumen, welches die erste umgibt. Durch die erste Durchtrittsfläche wird bevorzugt ein optischer Fernbereich abgebildet und durch die zweite brechkraftstärkere Durchtrittsfläche ein optischer Nahbereich. Durch die Brechkraftdifferenz des optischen Elements 3 erfolgt die Abbildung von zwei Entfernungsbereichen in einer gemeinsamen Bildebene 14.
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7 zeigt ein weiteres optisches Element 3, das in einem erfindungsgemäßen multifokalen Abbildungssystem 1 angeordnet sein kann. Das optische Element 3 aus 7 ist dabei als bikonvexe Sammellinse ausgestaltet mit zwei Durchtrittsbereichen 3.1;3.2, die jeweils unterschiedliche optische Filtereigenschaften aufweisen. Der erste Durchtrittsbereich 3.1 ist dabei als spektraler optischer Tiefpassfilter und der zweite Durchtrittsbereich 3.2 als spektraler optischer Hochpassfilter ausgestaltet. Zudem sind dabei die Durchtrittsbereiche 3.1,3.2 aus Materialien mit unterschiedlichen Brechungsindizes ausgebildet, wodurch die multifokale Abbildung gewährleistet wird.
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Die 8a und 8b zeigen jeweils ein Beispiel für Bildaufnahmeelement 2, das in einem multifokalen Abbildungssystem 1 angeordnet sein kann, aus der Draufsicht auf eine für elektromagnetische Strahlung 4;5 sensitiven Fläche des Bildaufnahmeelements 2. Die sensitive Fläche ist dabei insbesondere als ein zweidimensionales Gitter aus lichtsensitiven Fotodioden aufgebaut, die elektromagnetische Strahlung 4;5 in elektrische Signale umwandeln.
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Die sensitive Fläche des Bildaufnahmeelements 2 aus 8a ist in zwei Funktionsbereiche 2.1;2.2 horizontal unterteilt, die unterschiedliche optische Filtereigenschaften a;b aufweisen. Hierzu ist zwischen den Fotodioden der sensitiven Fläche und Mikrolinsen, die sich direkt über den Fotodioden befinden, ein Filterarray angeordnet, umfassend Elemente a mit Hochpassfiltereigenschaften und Elemente b mit Tiefpassfiltereigenschaften.
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Die sensitive Fläche des Bildaufnahmeelements 2 aus 8b ist ähnlich wie in 8a mit optischen Filtereigenschaften ausgestaltet, wobei sich Fotodioden mit Tiefpassfilter b und Fotodioden mit Hochpassfilter a in Schachbrettanordnung abwechseln. Besonders vorteilhaft an einer Ausgestaltung entsprechend 8b ist die Möglichkeit, dass die Größe und Aufteilung der Funktionsbereiche 2.1;2.2 mit unterschiedlichen Filtereigenschaften a;b frei veränderbar sind. Es kann beispielsweise auch in einem speziellen Bildverarbeitungsverfahren abwechselnd ein Bild aus einem Nahbereich und anschließend ein Bild aus einem Fernbereich verarbeitet werden. Bei 30 erfassten Bildern in der Sekunde, könnten somit z.B. 15 Bilder aus einem Nahbereich und 15 Bilder aus einem Fernbereich verarbeitet werden, wobei jeweils nur Pixel mit einer bestimmten Filtereigenschaft a;b, d.h. entweder Pixel mit Filterelementen a oder Pixel mit Filterelementen b, ausgewertet werden. Auch andere Aufteilungen je nach Anforderungen der jeweiligen Bildverarbeitungsaufgaben möglich, beispielsweise 10/20 Bilder oder 5/25 Bilder. Insbesondere kann dabei zwischen den Bildaufnahmen die Integrationszeit für das ganze Bild bzw. für einzelne Pixelregionen mit mindestens einem Pixel derart angepasst werden, dass die unterschiedlichen Kamerafunktionen in einem sicheren Arbeitsbereich ausgeführt werden.
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Die 9a und 9b zeigen weitere Beispiele für die Ausgestaltung eines optischen Elements 3, das in dem erfindungsgemäßen multifokalen Abbildungssystem 1 angeordnet sein kann.
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Das optische Element 3 aus 9a umfasst ein kreisringförmiges Filterglas 15, das als spektraler optischer Hochpassfilter ausgestaltet ist und somit als zweiter Durchtrittsbereich 3.2 mit bestimmter optischer Filtereigenschaft fungiert. Das Filterglas 15 umfasst einen inneren kreisförmig ausgesparten Bereich und wird von einer Blende 16 gehalten. Die Blende 16 kann beispielweise Bestandsteil eines Objektivs bzw. Bestandteil eines Kameraaufbaus sein. Die Mitte des kreisringförmigen Filterglases 15 sowie die Mitte des ausgesparten Bereichs liegen auf der optischen Achse 9. Das optische Element 3 aus 9a umfasst weiterhin ein kreisförmiges konkaves Linsenelement 8.2, das auf einem planen Trägerglas 8.1 angeordnet ist, mit dessen Mitte ebenfalls auf der optischen Achse 9. Das konkave Linsenelement 8.2 ist dabei als spektraler optischer Tiefpassfilter ausgestaltet und fungiert damit als ein erster Durchtrittsbereich 3.1 des optischen Elements mit bestimmter und vom zweiten Durchtrittsbereich 3.2 abweichender optischer Filtereigenschaft. Das Filterglas 15 weist vorzugsweise durch spezielle Materialausgestaltung eine von dem konkaven Linsenelement 8.2 unterschiedliche Brechkraft auf, so dass in einer Bildebene 14 durch das optische Element 3 zwei unterschiedliche Entfernungsbereiche fokussiert projiziert bzw. abgebildet werden, wobei die elektromagnetische Strahlung 4;5 aus den beiden unterschiedlichen Entfernungsbereichen jeweils durch unterschiedliche Durchtrittsbereiche 3.1;3.2 mit unterschiedlichen optischen Filtereigenschaften transmittiert wird.
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Das optische Element aus 9b ist in weiten Teilen entsprechend der Beschreibung zu 9a aufgebaut. In diesem Fall ist das konkave Linsenelement 8.2, das auf dem Trägerglas 8.1 angeordnet ist, direkt in dem kreisförmig ausgesparten Bereich des kreisringförmigen Filterglases 15 angeordnet.
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10 zeigt ein weiteres Beispiel für ein optisches Element 3. Das optische Element 3 umfasst in diesem Fall eine Sammellinse 6, deren erste Fläche konvex ausgestaltet ist und damit eine positive Brechkraft aufweist, und deren zweite Fläche plan ausgestaltet ist und auf der partielle Durchtrittsbereiche 3.1;3.2 mit unterschiedlichen Filtereigenschaften ausgestaltet sind. In einem inneren Durchtrittsbereich 3.1 der planen Fläche der Sammellinse 6 ist dabei eine kreisförmige, spektrale optische Tiefpassfilterschichtung ausgebildet, deren Mitte auf der optischen Achse 9 liegt. Um die kreisförmige Filterbeschichtung herum ist ein kreisringförmiger Durchtrittsbereich 3.2 mit einer spektralen optischen Hochpassfilterbeschichtung ausgestaltet, dessen Mitte ebenfalls auf der optischen Achse 9 liegt.
Über einen Abstandshalter 17 ist hinter der Sammellinse 6 ein Linsenelement 8 angeordnet, das ein planparalleles Trägerglas 8.1 und ein konkaves Linsenelement 8.2 umfasst, welches eine negative Brechkraft aufweist. Das Linsenelement 8.2 ist dabei derart ausgestaltet und angeordnet, dass ausschließlich diejenige elektromagnetische Strahlung, die durch den Durchtrittsbereich 3.1 mit spektraler optischer Tiefpassfilterbeschichtung der Sammellinse 6 transmittiert wird, durch das konkaves Linsenelement 8.2 negativ gebrochen wird.
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In 11 ist beispielhaft ein Diagramm gezeigt, welches die Funktionsweise eines optischen Elements 3 bzw. eines Bildaufnahmeelements 2 mit Durchtrittsbereichen 3.1;3.2 bzw. Funktionsbereichen 2.1;2.2 mit unterschiedlichen optischen Filtereigenschaften darstellt. Entsprechend 11 umfasst beispielsweise ein Bildaufnahmeelement einen Funktionsbereich 2.2, der elektromagnetische Strahlung mit einer Wellenlänge > λ _1a passieren lässt und Strahlung mit einer Wellenlänge < λ_1a blockt, vorzugsweise mittels eines Hochpassfilters. Ein zweiter Funktionsbereich 2.1 hingegen lässt elektromagnetische Strahlung mit einer Wellenlänge < λ_2b passieren und blockt Strahlung mit einer Wellenlänge > λ_2b, vorzugsweise mittels eines Tiefpassfilters. Der erste Funktionsbereich 2.2 kann dabei beispielsweise zum Erfassen von Strahlung im Wellenlängenbereich von 780 nm bis 1200 nm ausgebildet sein und der zweite Funktionsbereich von Strahlung im Bereich von 350 nm bis 750 nm.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- multifokales Abbildungssystem
- 2
- Bildaufnahmeelement
- 2.1
- erster Funktionsbereich
- 2.2
- zweiter Funktionsbereich
- 3
- optisches Element
- 3.1
- erster Durchtrittsbereich
- 3.2
- zweiter Durchtrittsbereich
- 4
- elektromagnetische Strahlung aus einem Nahbereich
- 5
- elektromagnetische Strahlung aus einem Fernbereich
- 6
- konvexe Sammellinse
- 7
- Filterelement
- 8
- Linsenelement
- 8.1
- planes Trägerglas
- 8.2
- konkaves Linsenelement
- 9
- optische Achse
- 10
- Windschutzscheibe
- 11
- Fernbereich
- 12
- Nahbereich
- 13
- Regentropfen
- 14
- Bildebene
- 15
- kreisringförmiges Filterglas
- 16
- Blende
- 17
- Abstandshalter
- a
- Filterbeschichtung 1
- b
- Filterbeschichtung 2
