DE102011118134B4

DE102011118134B4 - Kameraanordnung für ein Kraftfahrzeug

Info

Publication number: DE102011118134B4
Application number: DE102011118134.6A
Authority: DE
Inventors: Dr. Böhne Gregor; Frank Bläsing; Alf Burau; Andreas Pirchner; Claudia Weber; Thomas Weber; Frank Hagen
Original assignee: Kostal Automobil Elektrik GmbH and Co KG
Current assignee: Kostal Automobil Elektrik GmbH and Co KG
Priority date: 2011-11-10
Filing date: 2011-11-10
Publication date: 2021-12-16
Anticipated expiration: 2031-11-11
Also published as: US20140233118A1; WO2013068450A1; US10061063B2; DE102011118134A1; EP2776281A1

Abstract

Kameraanordnung für ein Kraftfahrzeug mit einer im Fahrzeuginnenraum hinter einer Fahrzeugscheibe angeordneten Kamera und einem Prisma, das zwischen der Fahrzeugscheibe und der Kamera angeordnet ist und über ein Koppelmedium an die Fahrzeugscheibe angekoppelt ist, und das eine der Fahrzeugscheibe zugewandte Lichteintrittsfläche und eine der Kamera zugewandte Lichtaustrittsfläche aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass das Prisma nicht-ebene Flächen aufweist, durch die das Prisma die aus der Wölbung der Fahrzeugscheibe resultierende Brechkraft zumindest teilweise kompensiert, wobei sowohl die Lichteintrittsfläche als auch die Lichtaustrittsfläche des Prismas nicht-ebene Flächen sind.

Description

Die Erfindung betrifft eine Kameraanordnung für ein Kraftfahrzeug mit einer im Fahrzeuginnenraum hinter einer Fahrzeugscheibe angeordneten Kamera und einem Prisma, das zwischen der Fahrzeugscheibe und der Kamera angeordnet ist und über ein Koppelmedium an die Fahrzeugscheibe angekoppelt ist, und das eine der Fahrzeugscheibe zugewandte Lichteintrittsfläche und eine der Kamera zugewandte Lichtaustrittsfläche aufweist.
Eine derartige Kameraanordnung ist in der deutschen Offenlegungsschrift DE 10 2004 024 735 A1 beschrieben. Aus diesem Dokument sind Vorteile bekannt, die sich durch die Verwendung von Prismen für so genannte Fahrerassistenzkameras ergeben, insbesondere die Robustheit des optischen Pfades gegenüber Umwelteinflüssen und die Verkleinerung der für einen vorgegebenen Blickbereich benötigten Einkoppelfläche auf der Scheibenfläche („Footprint“). Zur Erzielung der erwähnten Robustheit und um Lichtreflexionen möglichst zu vermeiden, ist es vorteilhaft, das Prisma oder eine planparallele Glasplatte über ein weiches Koppelmedium direkt an die Windschutzscheibe zu drücken. Die Brechungsindizes der optischen Medien sind dabei möglichst gleich.
Die erwähnte Verkleinerung des Footprints ergibt sich aus dem Prismenwinkel, d.h. dem Winkel zwischen der Ein- und der Auskoppelfläche. Für den Sonderfall, dass der Prismenwinkel 0° beträgt, d. h. Ein- und Auskoppelfläche zueinander parallel sind, entfällt der Effekt der Footprint-Verkleinerung, der Aufbau eines optisch robusten Pfades ist aber trotzdem möglich. Im diesem Dokument soll der Begriff des Prismas diesen Sonderfall (Prismenwinkel = 0°) ausdrücklich mit einschließen.
Die bei den meisten Fahrzeugtypen vorhandene Krümmung der Windschutzscheibe und der schräge Strahlengang beim Durchblicken der normalerweise stark geneigten Scheibe führt zu einer etwas defokussierenden Wirkung der Scheibe, wenn kein Prisma angekoppelt ist. Die Krümmung der Scheibenaußenseite würde bei einer ebenen Scheibeninnenseite eine Fokussierung der Lichtstrahlen bewirken. Aufgrund der konkaven Fläche der Scheibeninnenseite mit einem etwas kleinerem Krümmungsradius und der Scheibendicke wird dieser Effekt etwas überkompensiert.
Wenn an der Innenseite einer gekrümmten Scheibe jedoch ein Prisma mit einem Koppelmedium angebracht wird, fehlt wegen des angefügten Koppelmediums und der ebenen Prismenrückseite die defokussierende Wirkung einer konkaven Fläche. Das heißt, die gewölbte Fahrzeugscheibe und das an die Fahrzeugscheibe angefügte und mit dem geraden Prisma eingeschlossene Koppelmedium wirken zusammen als Linse.
Da die effektiv wirkenden Krümmungsradien von Windschutzscheiben im Allgemeinen verschieden für die horizontale und vertikale Richtung sind und außerdem Windschutzscheiben typischerweise geneigt eingebaut sind, kann die Linsenwirkung durch eine Veränderung der Fokussierung des Kameraobjektives in der Regel nicht vollständig kompensiert werden.
Die deutschen Offenlegungsschrift DE 10 2008 020 954 A1 behandelt das Problem geometrischer Verzeichnungen bei einer Kameraanordnung und schlägt als Lösung vor, dass die Lichtaustrittsfläche des Prismas im Querschnitt sägezahnförmig ausgebildet ist und erste und zweite Sägezahnflanken aufweist, wobei die ersten Sägezahnflanken im Wesentlichen parallel zur Lichteintrittsfläche verlaufen. Darüber hinaus wird vorgeschlagen, dass die Lichtaustrittsfläche zusätzlich zur sägezahnförmigen Strukturierung gewölbt ist, um einen Linseneffekt zu erzeugen.
Die deutsche Offenlegungsschrift DE 103 42 837 A1 beschreibt eine optische Umgebungserfassungseinrichtung mit einem optischen Empfänger, der insbesondere eine Kamera in einem Kraftfahrzeug sein kann. Beschrieben werden Maßnahmen, um die optischen Eigenschaften der Umgebungserfassungseinrichtung an einer geneigten Scheibe zu verbessern. Hierzu gehört eine Prismenanordnung, die mit einer Seite formschlüssig an der Scheibe angeordnet ist, und deren Lichtaustrittsfläche als optische Linse ausgeformt sein kann. Mit der Scheibenneigung wird in diesem Dokument die Lage der Scheibenfläche bezogen auf die Horizontalebene des Kraftfahrzeugs oder auf die Hauptempfindlichkeitsrichtung des optischen Empfängers bezeichnet. Dagegen nimmt die DE 103 42 837 A1 keinen Bezug auf eine mögliche Krümmung der Scheibe.
Die deutsche Offenlegungsschrift DE 10 2009 027 512 A1 offenbart eine Vorrichtung zur Erfassung von Bilddaten eines Erfassungsbereichs außerhalb eines Fahrzeugs durch eine Fahrzeugscheibe, wobei die Vorrichtung eine Kamera mit einer Kameraoptik und einem Bildsensor aufweist, die Licht aus dem Erfassungsbereich aufnimmt. Die Vorrichtung weist eine lichtlenkende Einrichtung, insbesondere einen Spiegel und/oder ein Prisma auf, die an einer Scheibeninnenseite der Fahrzeugscheibe befestigt ist, und Licht aus dem Erfassungsbereich zu der Kamera umlenkt. Die lichtlenkende Einrichtung kann für Licht, das aus einem anderen Raumwinkelbereich außerhalb des Fahrzeugs durch die Fahrzeugscheibe tritt, im Wesentlichen transparent sein. Dadurch kann die lichtlenkende Einrichtung insbesondere für Fahrzeuginsassen im Wesentlichen transparent erscheinen.
Die deutsche Offenlegungsschrift DE 10 2009 027 520 A1 schlägt zur Kompensation von Verzeichnungen eine in den Strahlengang eingefügte, komplementär zur Fahrzeugscheibe geformte Entzerrungsscheibe vor. Die bei den bekannten Kameraanordnungen kompensierten geometrischen Verzeichnungen stellen jedoch im Allgemeinen kein besonderes Problem dar.
Da sie gleichmäßig sind, können sie durch eine rechnerische Bildauswertung beseitigt werden, was durch die fortgeschrittene Prozessortechnik auch keinen besonders hohen Aufwand mehr erfordert.
Problematischer ist, dass - wie bereits beschrieben - durch die Krümmung der Fahrzeugscheibe, die zudem orts- und richtungsabhängig variieren kann, ein defokussierend wirkender Linseneffekt entsteht. Dieser Effekt ist zwar relativ klein, macht sich aber, da Fahrerassistenzkameras in zunehmendem Maße hohe Bildauflösungen aufweisen, immer störender bemerkbar. Defokussierungen bewirken Bildunschärfen und damit Informationsverluste, die möglichst zu vermeiden sind.
Zur Erläuterung: Wenn eine Fahrzeugscheibe als Prisma wirkt, verzerrt sie das Außenbild. Wenn sie - gegebenenfalls zusammen mit einem Koppelpad - als Linse wirkt, defokussiert sie. Die Defokussierung kommt durch die Scheibenkrümmung und den - je nach Blickrichtung - unterschiedlichen Einfallswinkel der Lichtstrahlen zustande. Bei einer beispielhaft angenommenen Scheibenneigung von 25° relativ zur Fahrbahn fallen von vorne kommende, horizontale Lichtstrahlen unter einem Einfallswinkel von 65° auf die Fahrzeugscheibe. Bei einem vertikalen Sichtbereich von +/- 15° liegt also der Einfallswinkelbereich zwischen 50° und 80°. Für große Winkel erhält man eine andere Defokussierung als für kleine Winkel, so dass dieser Effekt nicht durch eine Änderung des Abstandes oder der Ausrichtung des Objektives zum Kamerasensor ausgeglichen werden kann. Bei der nachfolgend beschriebenen Erfindung geht es um diesen Defokussierungseffekt, der durch das Koppelmedium und das Kameraprisma noch deutlich verstärkt wird.
Es stellte sich die Aufgabe, eine Kameraanordnung zu schaffen, bei der sich der durch die Wölbung der Fahrzeugscheibe ergebende Defokussierungseffekt möglichst wenig auf die Bilderfassung durch die Kamera auswirkt.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass das Prisma nicht-ebene Flächen aufweist, durch die das Prisma die aus der Wölbung der Fahrzeugscheibe resultierende Brechkraft zumindest teilweise kompensiert, wobei sowohl die Lichteintrittsfläche als auch die Lichtaustrittsfläche des Prismas nicht-ebene Flächen sind.
Es wird somit vorgeschlagen, nicht ein Prisma mit den üblichen ebenen Vorder- und Hinterflächen zu verwenden, sondern stattdessen beide Flächen des Prismas so zu formen (wölben), dass der oben beschriebene defokussierend wirkende Linseneffekt möglichst gut kompensiert wird.
Die Krümmung der Lichteintrittsfläche und der Lichtaustrittsfläche des Prismas kann sphärisch, zylindrisch oder ellipsoidisch ausgebildet sein. Dabei kann die Krümmung in Art und Betrag an der Lichteintrittsfläche und an der Lichtaustrittsfläche des Prismas unterschiedlich vorgesehen sein, wie zum Beispiel an der Lichteintrittsfläche zylindrisch horizontal und an der Lichtaustrittsfläche zylindrisch vertikal.
Besonders vorteilhaft ist es, am Prisma als Resultat einer Optimierung berechnete frei geformte Flächen vorzusehen. Hierdurch ist im Allgemeinen eine bestmögliche Kompensation von Defokussierungen erreichbar.
Zudem ist es vorteilhaft, wenn die Krümmung der Prismenflächen unter Einbeziehung der Eigenschaften der Kameraoptik berechnet ist. Es kann beispielsweise eine Teilkompensierung durch das Kameraobjektiv und eine Restkompensation durch die Form des Prismas vorgesehen sein.
Es kann vorteilhaft sein, wenn die vorgesehene Krümmung der Prismenflächen einen Kompromiss für einen Satz verschiedener Scheibenformen darstellt. Um eine optimale Kompensation einer Defokussierung einer individuellen Fahrzeugscheibe zu erreichen, ist eine Anpassung der Form des Prismas an genau die Wölbungsmaße der bestimmten Fahrzeugscheibe an genau dem vorgesehenen Anbauort der Kameraanordnung erforderlich. Eine derartige genaue Anpassung erfordert ein genaues Ausmessen der Eigenschaften der Fahrzeugscheibe. In den meisten Fällen dürfte es ausreichend sein, die Form des Prismas an die gemittelten Eigenschaften einer Fahrzeugscheibenserie anzupassen und kleinere, durch Fertigungstoleranzen bedingte Abweichungen zu akzeptieren, wodurch sich eine oft erhebliche Kosteneinsparung erreichen lässt. Dabei kann gegebenenfalls sogar über die Eigenschaften verschiedener Typen von Fahrzeugscheiben gemittelt werden.
Das Prisma kann entweder einteilig oder auch mehrteilig ausgeführt sein, zum Beispiel als ein achromatisches Prisma oder ein ebenes Prisma mit einem aufgesetzten, gekrümmten Teil. Das Prisma kann vorteilhaft entweder aus Glas oder Kunststoff gefertigt sein.
Das Prisma kann auch vorteilhaft um ein so genanntes DOE (Diffraktives optisches Element) ergänzt werden, also ein Bauteil mit einer optischen Gitterstruktur, welche lichtbeugend wirkt. Darüber hinaus kann es vorteilhaft sein, wenn das Prisma aufgrund seiner Materialeigenschaften oder aufgrund einer oder mehrerer zusätzlich aufgebrachten Oberflächenbeschichtungen spektral filternde Eigenschaften aufweist. Weiterhin können durch Oberflächen-Beschichtungen oder -Behandlungen zusätzliche Vorteile wie Reflexminderung, Schutz gegen Betauung, Robustheit gegen Kratzer usw. erzielt werden.

Claims

Kameraanordnung für ein Kraftfahrzeug mit einer im Fahrzeuginnenraum hinter einer Fahrzeugscheibe angeordneten Kamera und einem Prisma, das zwischen der Fahrzeugscheibe und der Kamera angeordnet ist und über ein Koppelmedium an die Fahrzeugscheibe angekoppelt ist, und das eine der Fahrzeugscheibe zugewandte Lichteintrittsfläche und eine der Kamera zugewandte Lichtaustrittsfläche aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass das Prisma nicht-ebene Flächen aufweist, durch die das Prisma die aus der Wölbung der Fahrzeugscheibe resultierende Brechkraft zumindest teilweise kompensiert, wobei sowohl die Lichteintrittsfläche als auch die Lichtaustrittsfläche des Prismas nicht-ebene Flächen sind.
Kameraanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass mit dem Prisma ein diffraktives optisches Element (DOE) verbunden ist.
Kameraanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die nicht-ebenen Flächen des Prismas eine sphärische, zylindrische oder ellipsoidische Form aufweisen.
Kameraanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die nicht-ebenen Flächen als Resultat einer Optimierung frei geformt sind.
Kameraanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Lichteintrittsfläche und die Lichtaustrittsfläche des Prismas unterschiedlich geformt sind.
Kameraanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Kompensationseigenschaften der nicht-ebenen Flächen des Prismas einen Kompromiss für einen Satz verschiedener Scheibenformen darstellen.
Kameraanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Prisma einteilig oder mehrteilig ausgeführt ist.
Kameraanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Prisma aus Glas oder Kunststoff besteht.
Kameraanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Prisma spektral filternde Eigenschaften aufweist.
Kameraanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Prisma eine Oberflächenbeschichtung aufweist.
Kameraanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Prisma eine Oberflächenbearbeitung erfahren hat.