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Die Erfindung betrifft ein optisches Modul zur Erfassung eines Fern- und eines Nahbereichs in einem Bild. Ein betreffendes optisches Modul kommt insbesondere in einem Kraftfahrzeug zur Außenraumbeobachtung durch die Windschutzscheibe zum Einsatz.
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In
WO2010/072198 A1 wird eine Regenerkennung mit Hilfe einer Kamera beschrieben, die für automotive Fahrerassistenzfunktionen eingesetzt wird, bei der ein Fernbereich auf einem ersten Bereich einer sensitiven Fläche eines Halbleiterelements abgebildet wird. Zur Regenerkennung wird eine bifokale Optik genutzt, die einen Teilbereich der Windschutzscheibe scharf auf einen zweiten Teilbereich der sensitive Fläche der Kamera bzw. des Halbeiterelements abbildet.
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Für eine gute Erkennung der Regentropfen ist erforderlich, dass die Kanten der Regentropfen scharf auf den Bildchip abgebildet werden. Tagsüber werden die Regentropfen von dem Umgebungslicht beleuchtet, so dass ihre Strukturen ausreichend gut detektiert werden können. Nachts reicht hierfür das Umgebungslicht nicht aus, weshalb die Regentropfen aktiv beleuchtet werden müssen. Für die Beleuchtung darf jedoch kein sichtbares Licht verwendet werden, da die Beleuchtung in der Frontscheibe andere Verkehrsteilnehmer irritieren würde. Für die Beleuchtung der Regentropfen wird daher Infrarot-Licht z. B. mit einer Wellenlänge größer als 850 nm verwendet.
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Die Brennpunkte im infrarotem Bereich und sichtbaren Bereich stimmen wegen der Dispersion nicht überein mit der Folge, dass ein im sichtbaren Bereich scharf abgebildeter Regentropfen im infraroten Bereich unscharf abgebildet wird oder umgekehrt, wodurch die Detektion der Regentropfen entweder am Tage oder in der Nacht erschwert wird.
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Außerdem darf das infrarote Licht den Bereich für die Fahrerassistenzfunktionen im Fernbereich nicht stören, weshalb das zusätzliche optische Element zur optischen Wegverlängerung in
WO2010/072198 A1 mit einem Kantenfilter zur Blockierung des infraroten Lichtes versehen werden kann.
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Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein optisches Modul anzugeben, das zu jeder Tageszeit eine optimale Abbildung von Regentropfen oder Schmutzpartikeln auf der Windschutzscheibe ermöglicht und zugleich eine Fernabbildung für Fahrerassistenzfunktionen gewährleistet.
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Diese Aufgabe wird im Rahmen der Erfindung dadurch gelöst, dass zwei zueinander komplementäre optische Kantenfilter in die Strahlengänge der Abbildungen des optischen Nahbereichs bzw. Fernbereichs eingebracht werden.
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Der wesentliche Vorteil der Erfindung wird darin gesehen, dass die nicht gleichzeitig fokussierte Abbildung des Nahbereichs aufgrund unterschiedlicher Dispersion bei unterschiedlichen Wellenlängenbereichen wie z. B. sichtbarem Licht tagsüber und infraroter Beleuchtung nachts vermieden wird. Aufgrund der Filterung wird ein Wellenlängenbereich für die Nahbereichsabbildung vorgegeben und für diesen kann problemlos eine fokussierte Abbildung im zweiten Bereich der sensitiven Fläche des Halbleiterelements erzielt werden, z. B. durch entsprechende Anordnung der Bestandteile des optischen Moduls. Das für elektromagnetische Strahlung im Wellenlängenbereich zwischen ultraviolett und infrarot sensitive Halbleiterelement kann insbesondere ein CCD oder CMOS Bildsensor sein.
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Ein weiterer Vorteil der Erfindung wird darin gesehen, dass sie eine gezielte Beleuchtung der Windschutzscheibe im Nahbereich ermöglicht, die auch tagsüber erfolgen kann, wobei der erste Kantenfilter die Beleuchtungswellenlängen) aus der Fernbereichsabbildung herausfiltert. Durch den zweiten Kantenfilter wird dagegen nur ein begrenzter Wellenlängenbereich, in dem die Beleuchtungswellenlänge(n) liegt bzw. liegen, zur Abbildung des Nahbereichs durchgelassen, der Hauptbestandteil des Tageslichts jedoch abgeblockt. Somit ist eine scharfe Abbildung von Regentropfen bzw. Schmutzpartikeln auf der Windschutzscheibe zu jeder Tageszeit möglich.
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Die Kantenfilter können bevorzugt als Hochpass- und Tiefpassfilter mit identischer Kantenwellenlänge oder Kantenwellenlänge innerhalb eines schmalen Bereichs von z. B. ca. 50 nm ausgestaltet sein. Der erste Kantenfilter lässt bevorzugt nur elektromagnetische Strahlung aus einen ersten Wellenlängenbereich durch und der zweite Kantenfilter nur elektromagnetische Strahlung aus einen angrenzenden zweiten Wellenlängenbereich.
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In einer bevorzugten Ausführungsform ist der Kantenfilter für die Nahbereichsabbildung ein Hochpassfilter, der infrarote elektromagnetische Strahlung transmittiert, z. B. nur ab 780 nm Wellenlänge, und der Kantenfilter für die Fernbereichsabbildung ein Tiefpassfilter, der infrarote elektromagnetische Strahlung absorbiert, z. B. Wellenlängen größer als 750 nm.
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Bevorzugt können ein oder beide Kantenfilter am optischen Element angebracht sein, z. B. als Beschichtung oder als Bestandteil des optischen Elements oder auf bzw. in einem weiteren Element wie Abbildungselement, Blende oder Planplatte als Filterträger integriert sein kann, das am optischen Element befestigt wird, z. B. durch Kleben.
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Alternativ oder ergänzend können ein oder beide Kantenfilter auf dem ersten und/oder zweiten Teilbereich der sensitiven Fläche des Halbleiterelements angebracht sein, beispielsweise als
- a) partielle Filterbeschichtung auf einem Filterglas auf der sensitiven Fläche des Halbleiterelements,
- b) eine partiell unterschiedliche Filter- oder Filterpixelanordnung direkt zwischen der sensitiven Fläche des Halbleiterelements und Mikrolinsen, wie sie aus dem Stand der Technik für diese Halbleiterelemente bekannt sind, als sogenanntes Color-Filter-Array (CFA),
- c) eine partiell unterschiedliche Materialeigenschaften der eingesetzten Mikrolinsen
- d) Nutzung von unterschiedlichen Eindringtiefen in das Halbleiterelement bei unterschiedlichen Wellenlängen der elektromagnetischen Strahlung.
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In einer vorteilhaften Ausführung der Erfindung ist eine Lichtquelle vorgesehen, die den Nahbereich beleuchtet, indem sie elektromagnetische Strahlung mit einer Wellenlänge bzw. Wellenlängen emittiert, die vom Kantenfilter für die Nahbereichsabbildung durchgelassen wird. Als Lichtquelle kann beispielsweise eine Leuchtdiode (LED), insesondere eine Infrarot-LED dienen.
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Das optische Element kann bevorzugt partiell, d. h. nur in ein definierten Teilvolumen des Strahlengangs ausgeführt sein wie in
WO 2010/072198 A1 . Bei dieser Variante könnte der erste Kantenfilter auf dem zweiten Teilbereich der sensitiven Fläche des Halbleiterelements angebracht sein und der zweite Kantenfilter am optischen Element oder auf dem ersten Teilbereich der sensitiven Fläche des Halbleiterelements.
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Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform kann das optische Element mit zwei Teilbereichen mit unterschiedlichen optischen Abbildungseigenschaften im gesamten Querschnitt des Strahlengangs angeordnet sein wie in
WO 2011/003381 A1 . Dabei können die Teilbereiche insbesondere als planparallele Platten mit unterschiedlicher Dicke ausgeführt sein.
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Anhand von Figuren und Ausführungsbeispielen wird die Erfindung im Folgenden näher erläutert.
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Es zeigen:
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1 ein optisches Modul mit einer bifokale Abbildung durch ein partielles optisches Element nach dem Stand der Technik,
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2a Kantenfilter auf optischem Element und einem Bereich der sensitiven Fläche des Halbleiterelements,
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2b Kantenfilter zwischen zwei Teilbereichen eines optischem Elements und zwei Bereichen der sensitiven Fläche des Halbleiterelements.
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1 zeigt ein optisches Modul mit einem optischen Element (11), das in einem definierten Teilvolumen zwischen Objektiv (1) und der sensitiven Fläche des Halbleiterelements (4) angeordnet ist, wie es aus dem Stand der Technik bekannt ist. Das Teilvolumen ist darauf bezogen, dass das zusätzliche optische Element den Sichtbereich (10) in zwei Teile unterteilt. Einen Teil, der aus dem zusätzlichen optischen Element (11) auf der Austrittsseite (rechts) auf die sensitive Fläche des Halbleiterelements (4) trifft und einen Teil, der auf die sensitive Fläche des Halbleiterelements (4) über das Medium trifft, das das optische Element (11) umgibt. Diese beiden Teile des Sichtfeldes (10) definieren auf der sensitiven Fläche des Halbleiterelements (4) zwei Bereiche. Der erste Bereich entspricht dem Bereich des Halbleiterelements (4), der durch das optische Element (11) abgedeckt ist und in dem nach dieser Darstellung der Fernbereich (8) fokussiert abgebildet wird. Der zweite Bereich entspricht dem über dem ersten Bereich liegenden, der nicht durch das optische Element (11) abgedeckt ist und in dem nach dieser Darstellung der Nahbereich (9) fokussiert abgebildet wird. Auf diese Weise enthält das Bild, das durch die sensitive Fläche des Halbleiterelements (4) aufgenommen wird gleichzeitig einen Bereich mit einer scharfen Nahbereichsabbildung und einen Bereich mit einer tiefenscharfen Fernbereichsabbildung. In der Nahbereichsabbildung können Wassertropfen (6), Schmutz, Schneeflocken oder dergleichen detektiert und klassifiziert werden. Gleichzeitig ist auf einem großen ersten Bereich des Kamerabildes das Verkehrsgeschehen in z. B. zwei bis 50 Metern Entfernung verfügbar und kann von verschiedenen Fahrerassistenzfunktionen verwendet und ausgewertet werden.
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1 zeigt eine schematische Darstellung der Strahlengänge (8, 9) für einen entfernten (8) und einen nahen (9) Entfernungsbereich, die durch ein Objektiv (1) mit der Hauptebene (2) mittels des optische Elements (11) gleichzeitig fokussiert auf die sensitive Fläche eines Halbleiterelements (4) abgebildet werden. Das Halbleiterelement (4) ist hinter einem Abdeckglas (3) angeordnet ist. Das dargestellte optische Modul ist in einem Fahrzeug hinter einer Windschutzscheibe (5) in Fahrtrichtung blickend angeordnet, wobei der Sichtbereich (10) nach unten durch eine Streulichtblende begrenzt ist.
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2a zeigt ein Ausführungsbeispiel der Erfindung, bei dem ein optisches Element (11), das nur einen Teil des Querschnitts des Strahlengangs bzw. Sichtbereichs (10) abdeckt, analog zu 1 verwendet wird, an das im Eintrittsbereich ein erster Kantenfilter (12) angebracht ist. Der zweite komplementäre Kantenfilter (13) ist auf dem Teilbereich der sensitiven Fläche des Halbleiterelements (4) angebracht, auf dem die elektromagnetische Strahlung aus dem Nahbereich (9) abgebildet wird, die das optische Element (11) nicht durchquert hat. Der zweite Kantenfilter (13) für die Nahbereichsabbildung (9) könnte bevorzugt ein Hochpassfilter sein, der infrarote elektromagnetische Strahlung transmittiert, z. B. nur ab 780 nm Wellenlänge. Der erste Kantenfilter (12) für die Fernbereichsabbildung (8) könnte ein Tiefpassfilter sein, der infrarote elektromagnetische Strahlung absorbiert, z. B. Wellenlängen größer als 750 nm. Optional könnte eine Lichtquelle zur Beleuchtung des Nahbereichs vorgesehen sein, diese sollte bei dieser Auslegung elektromagnetische Strahlung im infraroten Wellenlängenbereich emittieren, z. B. bei 850 nm.
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In 2b ist das optische Element (11) gestuft ausgebildet, d. h. mit zwei planparallelen Teilbereichen (11a, 11b), die aufgrund ihrer unterschiedlichen Dicke unterschiedliche optische Abbildungseigenschaften aufweisen. Die gleichzeitige Fokussierung von Fern- (8) und Nahbereichsabbildung (9) wird bewirkt durch eine Änderung des axialen Versatzes im nichtparallelen Strahlengang.
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Die durchgängige Fläche des gestuften optischen Elements (11) ist zum Bildsensor bzw. Halbleiterelement (4) hin orientiert. Das optische Element (11) hat einen ersten Teilbereich (11a), der vom Strahlengang für die Fernbereichsabbildung (8) passiert wird und einen zweiten Teilbereich (11b), der vom Strahlengang für die Nahbereichsabbildung (9) passiert wird.
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Bei der in 2b dargestellten Ausführungsform sind die beiden Kantenfilter (12, 13) zwischen dem optischem Element (11) und der sensitiven Fläche des Halbleiterelements (4) angeordnet und zwar in den Bereichen in denen der Fern- (8) bzw. Nahbereich (9) abgebildet wird. In einer andere Ausführungsform könnten beide Kantenfilter (12, 13) jeweils auf der Eintrittsseite der beiden Teilbereiche (11a, 11b) des optischen Elements (11) angebracht sein.
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Um sowohl tags- als auch nachtsüber für eine scharfe Abbildung von Regentropfen (6) zu sorgen, wird gemäß einem konkreten Ausführungsbeispiel vorgeschlagen, auf das Abdeckglas (3) vor der sensitiven Fläche des Halbleiterelements (4) im Bereich der Nahbereichsabbildung (9) ein zweites komplementäres Kantenfilter (13) aufzubringen, durch das der sichtbare Teil der elektromagnetischen Strahlung tagsüber abgeblockt wird und nur der infraroten Anteil des Tageslichtes durchgelassen wird. Dieser Anteil ist bezüglich der Anzahl der Photonen sogar höher als der sichtbare Anteil und kann mit der ausreichenden Empfindlichkeit des Halbleiterelements im infraroten Bereich eine sichere Detektion von Regentropfen (6) mit Hilfe der nun auch tagsüber scharfen Abbildung der Regentropfen (6) im Nahbereich (9) sicherstellen.
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Darüber hinaus kann eine infrarote Beleuchtung auch tagsüber eingesetzt werden und so die Regentropfenerkennung am Tage noch verbessern. Dass die infrarote Beleuchtung die Abbildung des Fernbereichs (8) durch das optische Element (11 bzw. 11a) nicht stört, stellt der erste Kantenfilter (12) für die Fernbereichsabbildung sicher, der elektromagnetische Strahlung im infraroten Bereich absorbiert.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Objektiv
- 2
- Hauptebene des Objektivs
- 3
- Abdeckglas des Halbleiterelements
- 4
- Halbleiterelement mit sensitiver Fläche
- 5
- Windschutzscheibe
- 6
- Regentropfen
- 7
- Streulichtblende
- 8
- Fernbereich
- 9
- Nahbereich
- 10
- Sichtbereich
- 11
- optisches Element
- 11a
- erster Teilbereich des optischen Elements
- 11b
- zweiter Teilbereich des optischen Elements
- 12
- erster optischer Kantenfilter
- 13
- zweiter optischer Kantenfilter
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- WO 2010/072198 A1 [0002, 0005, 0015]
- WO 2011/003381 A1 [0016]
