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Die Erfindung betrifft eine optische Sensoranordnung für ein Kraftfahrzeug, umfassend eine Kamera und eine der Kamera zugeordnete Optik. Daneben betrifft die Erfindung ein Kraftfahrzeug mit einer solchen optischen Sensoranordnung.
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In Bezug auf Kraftfahrzeuge wird immer häufiger vorgeschlagen, sowohl die sensorischen Möglichkeiten zu erhöhen als auch Komponenten, die die Wahrnehmung des Fahrer betreffen, durch Sensordarstellungen zu ersetzen. Ein Beispiel hierfür sind die sogenannten elektronischen Rückspiegel, bei denen die sonst übliche Spiegelfläche durch ein Display ersetzt wird, welches ein von einer Kamera aufgenommenes Bild wiedergibt. So sind beispielsweise elektronische Seitenspiegel bekannt, die eine außen am Kraftfahrzeug angeordnete Kamera aufweisen, deren aufgenommene Bilder an ein Display übertragen werden, das sich außerhalb des Innenraums des Kraftfahrzeugs an der üblichen Position des Seitenspiegels oder bevorzugt innerhalb des Kraftfahrzeugs befinden kann. Ähnliche Ansätze gibt es für den Innenspiegel, für den es bekannt ist, eine Kamera am Heck des Kraftfahrzeugs auf das hintere Umfeld des Kraftfahrzeugs zu richten und die Bilder an ein Display an der Position des Innenspiegels zu übertragen.
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Um das Umfeld eines Kraftfahrzeugs besser abbilden zu können oder beispielsweise beim Einparken bessere Navigationshilfen bieten zu können, wurde zudem vorgeschlagen, das gesamte Umfeld des Kraftfahrzeugs über sogenannte „Top-View”-Kameras aufzunehmen. Derartige Kameras, die meist am Dach oder an der Seite des Kraftfahrzeugs angeordnet werden, weisen ein Weitwinkelobjektiv auf, um einen möglichst großen Winkelbereich der Fahrzeugumgebung zu erfassen. So wurde vorgeschlagen, vier Top-View-Kameras einzusetzen, deren Erfassungsbereich einen Öffnungswinkel im Bereich von 180° aufweist und die jeweils eine Seite des Kraftfahrzeugs, die Front des Kraftfahrzeugs und die Umgebung hinter dem Kraftfahrzeug aufnehmen können.
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Daneben sind Kameras in Kraftfahrzeugen auch für verschiedene andere Anwendungen bekannt. Dies führt im Allgemeinen dazu, dass sich die Zahl der Kameras für moderne Kraftfahrzeuge deutlich erhöht. Dem steht jedoch entgegen, dass in Kraftfahrzeugen häufig nur geringer Bauraum für solche zusätzlichen Sensoren gegeben ist. Werden beispielsweise elektronische Außenspiegel verwendet, so kann eine Top-View-Kamera bzw. die entsprechende optische Sensoranordnung nicht mehr im Seitenspiegel untergebracht werden, nachdem dieser wegfällt. Eine Integration der Top-View-Kameras zusätzlich zu den den Seitenspiegeln zugeordneten Kameras ist häufig aus Designgründen nicht erwünscht.
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Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Vervielfältigung der Möglichkeiten optischer Sensordatenaufnahme zu realisieren und dabei dennoch zusätzlich benötigten Bauraum zu vermeiden oder zumindest in Grenzen zu halten.
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Zur Lösung dieser Aufgabe ist bei einer optischen Sensoranordnung der eingangs genannten Art erfindungsgemäß vorgesehen, dass die Optik wenigstens zwei Suboptiken aufweist, über die wenigstens zwei unterschiedliche, unterschiedlichen Funktionen zugeordnete Erfassungsbereiche auf jeweils einem der Erfassungsbereiche zugeordnete Teilbereiche einer Sensorfläche der Kamera abgebildet werden.
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Die Erfindung schlägt mithin vor, für verschiedene Funktionen, die üblicherweise mehrere optische Sensoranordnungen, insbesondere mehrere Kameras, benötigt haben, diese in einer einzigen optischen Sensoranordnung zu realisieren, indem eine Optik so ausgestaltet wird, dass unterschiedliche Erfassungsbereiche mit einer einzigen Kamera erfasst werden können. Unterschiedliche Funktionen stellen dabei unterschiedliche Anforderungen an den Erfassungsbereich und gegebenenfalls die gewünschte Auflösung, weisen jedoch in vielen vorgeschlagenen Anwendungsgebieten eine gewisse räumliche Nähe auf. So sollen beispielsweise eine einem elektronischen Rückspiegel zugeordnete Kamera und eine Top-View-Kamera jeweils die Umgebung des Kraftfahrzeugs erfassen, gegebenenfalls sogar in denselben Richtungen. Dennoch werden durch die Funktion andere Anforderungen an den Erfassungsbereich gestellt, beispielsweise bei einer Top-View-Kamera den äußerst weitwinkligen Bereich, der dann auch verzerrt aufgenommen werden kann, bei einer einem elektronischen Rückspiegel zugeordneten Kamera jedoch soll ein gut lesbares Bild der Umgebung entstehen, welches nur den für den Fahrer relevanten und von diesem erwarteten Anteil der Umgebung zeigt. Werden nun Suboptiken benutzt, die diese deutlich unterschiedenen Erfassungsbereiche auf unterschiedliche Teilbereiche der Sensorfläche der Kamera abbilden, lassen sich die Teilbereiche getrennt verarbeiten, um jeweils ein einem Erfassungsbereich zugeordnetes Bild zu erhalten. Das bedeutet, es kann eine Bildverarbeitungseinheit vorgesehen sein, durch die für jeden Erfassungsbereich ein zugeordnetes Bild erzeugt wird. Diese Bilder können dann an zumindest teilweise unterschiedliche Fahrzeugsysteme zur Verarbeitung weitergegeben werden.
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Dabei sei an dieser Stelle angemerkt, dass die unterschiedlichen, unterschiedlichen Funktionen zugeordneten Erfassungsbereiche ersichtlich nicht so zu verstehen sind, dass sich beide Erfassungsbereiche nahtlos zu einem großen, zusammenhängenden Erfassungsbereich ergänzen, sondern dass die Erfassungsbereiche entweder räumlich getrennt sind, mithin nicht zu einem zusammenhängenden größeren Erfassungsbereich kombiniert werden können, oder die Erfassungsbereiche zumindest teilweise überlappen. Die konkreten Erfassungsbereiche bestimmen sich nach der Funktion, worauf im Folgenden noch näher eingegangen werden wird.
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Mit besonderem Vorteil kann die Optik als eine Freiformoptik ausgebildet sein. Zwar ist es im Stand der Technik bereits bekannt, dass lichtlenkende Objekte, insbesondere Linsen, errechnet werden können, die verschiedenste Strahlenverläufe realisieren können, wofür beispielsweise geeignete Berechnungs- und/oder Optimierungstools existieren. Allerdings war es aufgrund des bislang hauptsächlich verwendeten Materials Glas nicht zwangsläufig möglich, diese komplexen Formen und Optiken auch umsetzen zu können. Nachdem inzwischen Kunststoffarten bekannt sind, die die geeigneten Eigenschaften zur Lichtführung bieten, haben sich die Möglichkeiten zur Herstellung von Freiformoptiken stark vergrößert, nachdem es beispielsweise möglich wird, verschiedene Formen zu gießen. Es ist also beispielsweise denkbar, mit einem geeigneten Computerprogramm bzw. Computerprogrammpaket zur Berechnung von Strahlungswegen und dergleichen die Form eines oder mehrerer optischer Elemente, insbesondere Linsen, zu bestimmen, die die gewünschte Abbildung der Erfassungsbereiche auf Teilbereiche der Sensorfläche ermöglichen. Über die neu bekannten Herstellungsverfahren für optische Elemente, beispielsweise das beschriebene Kunststoff-Gussverfahren, lässt sich insgesamt die Optik realisieren. Es sei jedoch darauf hingewiesen, dass es auch denkbar ist, unterschiedliche optische Elemente für die beiden Suboptiken heranzuziehen, wobei selbstverständlich auch diese zumindest teilweise als Freiformoptiken realisiert sein können.
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Wie mithin bereits angedeutet wurde, ist es besonders vorteilhaft, wenn die Optik wenigstens eine zu beiden Suboptiken beitragende Linse, insbesondere aus Kunststoff, aufweist. In besonders vorteilhaften, kompakten Ausgestaltungen umfasst die Optik nur die eine Linse, die die Funktionen beider Suboptiken realisiert, beispielsweise, indem es sich bei der Linse um eine Freiformoptik handelt. Gerade in diesen Fällen kann es zweckmäßig denkbar sein, dass die Linse nicht rotationssymmetrisch ist. Es wird jedoch darauf hingewiesen, dass auch rotationssymmetrische Ausgestaltungen existieren, die unterschiedliche Erfassungsbereiche auf die Sensorfläche einer Kamera abbilden können. Beispielsweise ist es denkbar, einen inneren Teil einer Linse, mithin bis zu einem bestimmten Durchmesser, mit einem ersten Krümmungsradius und/oder ersten Strahlführungseigenschaften zu gestalten, während bei außerhalb dieses Durchmessers liegenden Anteilen der Linse ein zweiter Krümmungsradius und/oder zweite Strahlführungseigenschaften vorliegen. Für nichtrotationssymmetrische Ausgestaltungen ist es beispielsweise denkbar, dass die eine Linse gedanklich in zwei beispielsweise übereinander oder nebeneinander angeordnete Sublinsen unterteilbar ist, die jeweils das gewünschte Abbildungsverhalten für den jeweiligen Erfassungsbereich bieten. Bei solchen Ausgestaltungen ist es zweckmäßig, die Formen der Sublinsen möglichst derart anzupassen, dass Streueffekte durch das Abbildungsverhalten der jeweils anderen Sublinse möglichst vermieden werden. Zur Ermittlung optimaler Linsenformen lassen sich, wie bereits erwähnt wurde, geeignete Computerprogramme bzw. Computerprogrammpakete verwenden.
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In einer konkreten Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung kann vorgesehen sein, dass die Sensoranordnung als erste Suboptik eine insbesondere ein Winkelintervall von mehr als 175°, insbesondere 180°, abdeckende Fisheye-Optik und als zweite Suboptik eine ein kleineres Winkelintervall als die erste Suboptik abbildende Optik aufweist. Eine solche optische Sensoranordnung kann beispielsweise getrennte Kameras für einen elektronischen Rückspiegel und eine Top-View-Funktion ersetzen. Die Top-View-Funktion, mit der möglichst das gesamte Umfeld des Kraftfahrzeugs abgebildet werden soll, nutzt die Fisheye-Optik, um ein möglichst weitgehendes, wenn auch verzerrtes Bild der Umgebung des Kraftfahrzeugs zur Seite ihrer Ausrichtung zu erhalten. Über die zweite Suboptik wird das Winkelintervall abgebildet, das für die Funktion des elektronischen Rückspiegels benötigt wird, wobei hier im Sinne einer guten Lesbarkeit idealerweise eine geringere Verzerrung als bei der Fisheye-Optik vorliegt. Somit lassen sich über eine derartige optische Sensoranordnung also die Funktionen eines elektronischen Rückspiegels und einer Top-View-Kamera in einer einzigen optischen Sensoranordnung realisieren.
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In diesem Zusammenhang ist es häufig so, dass das kleinere Winkelintervall in dem größeren Winkelintervall wenigstens teilweise, bevorzugt vollständig, enthalten ist, so dass ein über den zweiten Teilbereich ermitteltes Bild den auch im über den ersten Teilbereich ermittelten Bild sichtbaren zweiten Erfassungsbereich höher aufgelöst abbildet. So wird beispielsweise für eine Top-View-Funktion häufig der gesamte Winkelbereich von 180° an der entsprechenden Seite des Kraftfahrzeugs abgebildet. Teil davon ist sicherlich auch der Erfassungsbereich, den ein Benutzer im elektronischen Rückspiegel zu sehen wünscht. Allerdings ließe sich ein geeignetes Bild nicht zwangsläufig aus dem Top-View-Bild zurückrechnen, da Verzerrungen und aufgrund des großen Winkelbereichs geringe Auflösungen gegeben sind. Mithin ist die Optik so gestaltet, dass einmal der gesamte benötigte Winkelbereich für die Top-View-Funktion abgebildet wird, zum anderen aber genauer auch der Winkelbereich, der für die Funktion des elektrischen Rückspiegels benötigt wird und Teil des größeren Winkelbereichs ist.
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Eine weitere Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, dass die Sensorfläche der optischen Sensoranordnung horizontal in zwei breite Teilbereich geteilt ist. Dies ist insbesondere dann zweckmäßig, wenn die Funktion einer Rückfahrkamera und einer einem elektronischen Innenspiegel zugeordneten Rückspiegelkamera vereint werden sollen. Über die Fisheye-Suboptik kann das 180°-Sichtfeld einer Rückfahrkamera realisiert werden, über die zweite Suboptik das normale Sichtfeld der Innenspiegelkamera. Nachdem beide beschriebenen Sichtfelder eher breitformatig ausgerichtet sind, bietet sich eine horizontale Teilung in zwei breite Teilbereiche an, um eine ideale Ausnutzung des Bildsensors der Kamera zu ermöglichen.
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Ferner kann auch vorgesehen sein, dass die zweite Suboptik ein 90°-Umlenkprisma umfasst. Die Verwendung eines Primas kann dann zweckmäßig sein, wenn ein Erfassungsbereich deutlich von der eigentlichen Ausrichtung der Kamera bzw. der optischen Sensoranordnung an sich abweicht. Dies ist beispielsweise dann gegeben, wenn die Funktionen einer elektronischen Außenspiegelkamera und einer seitlichen Top-View-Kamera vereint werden sollen. Ein Prisma kann dann eine besonders komplexe Ausgestaltung der zweiten Suboptik vermeiden.
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Es sei an dieser Stelle noch angemerkt, dass allgemein selbstverständlich die Bilder aus beiden Teilbereichen bzw. beiden Erfassungsbereichen sowohl getrennt, also je nach Funktion, angezeigt bzw. verwertet werden können, beispielsweise Bilder eine Rückfahrkamera nur bei eingelegtem Rückwärtsgang, es ist jedoch auch möglich, die Bilder zu einer einzigen Anzeige zusammenzuführen und/oder bezüglich einer Funktion, die beide Bilder verwendet, auszuwerten.
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Es sei ferner darauf hingewiesen, dass selbstverständlich auch Ausgestaltungen denkbar sind, in denen drei oder mehr Erfassungsbereiche durch eine entsprechende Anzahl von Suboptiken auf drei oder mehr Teilbereiche der Sensorfläche abgebildet werden. Dann können sogar eine größere Zahl von Vorrichtungen in eine einzige optische Sensoranordnung integriert werden.
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Wie sich aus der Beschreibung ergibt, hat die vorliegende Erfindung also allgemein den Vorteil, dass nur noch ein Bauteil statt mehrerer Kameras benötigt wird. Das bedeutet aber, dass weniger Bauraum benötigt wird, weniger Kosten anfallen und auch weniger Verkabelung verlegt werden muss.
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Neben der optischen Sensoranordnung betrifft die vorliegende Erfindung auch ein Kraftfahrzeug, umfassend eine erfindungsgemäße optische Sensoranordnung. Sämtliche Ausführungen bezüglich der optischen Sensoranordnung lassen sich analog auf das erfindungsgemäße Kraftfahrzeug übertragen, mit welchem mithin dieselben Vorteile erreicht werden können. Insbesondere kann das erfindungsgemäße Kraftfahrzeug auch mehrere erfindungsgemäße optische Sensoranordnungen aufweisen, so dass mit besonderem Vorteil möglichst viele Bauteile, also einzelne Kameras, vermieden werden. So ist es beispielsweise denkbar, an beiden Längsseiten des Kraftfahrzeugs eine optische Sensoranordnung vorzusehen, die die Funktionen einer elektronischen Außenspiegelkamera und einer Top-View-Kamera vereint. Am Heck des Kraftfahrzeugs kann eine optische Sensoranordnung vorgesehen werden, die die Funktionen einer Rückfahrkamera, welche auch als Top-View-Kamera eingesetzt werden kann, und einer Innenspiegelkamera vereint.
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In weiterer Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Kraftfahrzeugs kann vorgesehen sein, dass für die einzelnen Erfassungsbereiche erzeugte Bilder an unterschiedliche Fahrzeugsysteme weitergeleitet werden und durch diese auswertbar sind. Wie bereits dargelegt, können die unterschiedlichen Funktionen also in unterschiedlichen Fahrzeugsystemen realisiert sein, so dass die in den Teilbereichen jeweils ermittelten Bilder, die den verschiedenen Erfassungsbereichen zugeordnet werden, getrennt weiterbehandelt werden können. Selbstverständlich ist es auch denkbar, dass zumindest eine Funktion existiert, die beide Bilder gemeinsam nutzt.
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Weitere Vorteile und Einzelheiten der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus den im Folgenden beschriebenen Ausführungsbeispielen sowie anhand der Zeichnung. Dabei zeigen:
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1 ein erfindungsgemäßes Kraftfahrzeug,
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2 eine erfindungsgemäße optische Sensoranordnung in einer ersten Ausführungsform,
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3 Teilbereiche einer Sensorfläche,
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4 Erfassungsbereiche in einer Ansicht von oben bei der ersten Ausführungsform,
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5 eine Prinzipskizze einer erfindungsgemäßen optischen Sensoranordnung gemäß einer zweiten Ausführungsform, und
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6 Erfassungsbereiche in einer Ansicht von oben bei der zweiten Ausführungsform.
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1 zeigt eine Prinzipskizze eines erfindungsgemäßen Kraftfahrzeugs 1. In dem erfindungsgemäßen Kraftfahrzeug 1 soll durch verschiedene Fahrzeugsysteme, die in ihrer Gesamtheit hier nur bei 2 angedeutet sind, eine Mehrzahl von Funktionen realisiert werden, die optische Umfelddaten, mithin Bilder, verwenden. Zum einen existiert eine Top-View-Funktionalität, die möglichst das gesamte Umfeld des Kraftfahrzeugs 1 optisch erfassen soll, um hieraus ein Übersichtsbild für den Fahrer aus einer Vogelperspektive und/oder ein verbessertes Umfeldmodell zu generieren. Ferner weist das Kraftfahrzeug 1 als Fahrzeugsystem elektronische Rückspiegel auf, vorliegend zwei elektronische Seitenspiegel und einen elektronischen Innenspiegel. Diese umfassen jeweils Displays, auf denen der Funktion eines normalen Rückspiegels entsprechende, bevorzugt erweiterte Bilder dargestellt werden sollen. Auch eine verbesserte Orientierung des Fahrers beim Fahren im Rückwärtsgang soll ermöglicht werden, weshalb optische Bilder einer Rückfahrkamera auf einer entsprechenden Anzeigevorrichtung dargestellt werden sollen, wenn ein Rückwärtsgang eingelegt ist.
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Um die entsprechenden optischen Umfelddaten zu generieren, wäre normalerweise eine Vielzahl von Kameras notwendig, wobei vorliegend jedoch drei erfindungsgemäße optische Sensoranordnungen 3a, 3b und 3c zusätzlich zu einer an der Front vorgesehenen Top-View-Kamera 4, die über ein Weitwinkelobjektiv das vordere Fahrzeugumfeld aufnimmt, verwendet werden. Die optischen Sensoranordnungen 3a, 3b und 3c realisieren jeweils die Funktion von zwei unterschiedlichen Kameras, indem eine Optik verwendet wird, die in zwei Suboptiken unterteilbar ist. Die Suboptiken bilden unterschiedliche, der jeweiligen unterschiedlichen Funktion zugeordnete Erfassungsbereiche auf unterschiedliche Teilbereiche einer Sensorfläche der Kamera der entsprechenden optischen Sensoranordnung ab. So realisiert die optische Sensoranordnung 3a als ein einziges Bauteil die Funktion einer Innenspiegelkamera und einer Rückfahrkamera, die gleichzeitig auch als rückwärtig ausgerichtete Top-View-Kamera verwendet werden kann. Die Sensoranordnungen 3b und 3c realisieren als eine einzige Baueinheit die Funktionen einer elektronischen Seitenspiegelkamera und einer seitlichen Top-View-Kamera.
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2 zeigt nun zunächst die Sensoranordnung 3a genauer. Die Optik wird vorliegend als Freiformoptik durch eine Linse 5 gebildet, die gedanklich in eine erste Suboptik 6a und eine zweite Suboptik 6b zerlegt werden kann, die ihre jeweiligen Erfassungsbereiche auf in 3 näher dargestellte Teilbereiche 7a, 7b der Sensorfläche 8 einer Kamera 9 abbilden. Ersichtlich ist die Sensorfläche 8 vorliegend horizontal geteilt, so dass sich zwei breite Teilbereiche 7a und 7b ergeben. Dabei kann beispielsweise der Teilbereich 7a der als Fisheye-Optik ausgebildeten ersten Suboptik 6a zugeordnet sein, die einen in 4 schematisch relativ zum Kraftfahrzeug 1 dargestellten ersten Erfassungsbereich 10a einer Rückfahrkamera auf den ersten Teilbereich 7a abbildet. Die zweite Suboptik 6b bildet einen einem elektronischen Innenspiegel zugeordneten zweiten Erfassungsbereich 10b auf den Teilbereich 7b der Sensorfläche 8 ab. Eine Bildverarbeitungseinheit 11 errechnet für beide Teilbereiche 7a, 7b getrennt Bilder, die an unterschiedliche Fahrzeugsysteme 2 zur weiteren Verwendung und Auswertung weitergeleitet werden.
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Wie aus 4 leicht ersichtlich ist, deckt der Erfassungsbereich 10a etwa 180° hinter dem Kraftfahrzeug 1 ab, bevorzugt den Nahbereich. Innerhalb des von dem Erfassungsbereich 10a abgedeckten Winkelbereichs liegt der Winkelbereich des Erfassungsbereichs 10b, der kleiner ist, so dass mithin genauere Daten des auch in dem dem Erfassungsbereich 10a zugeordneten Bild sichtbaren zweiten Erfassungsbereichs, also hoch aufgelöstere Daten, erzielt werden. Zudem ist die Suboptik 6b auch auf den Fernbereich eingestellt. Das bedeutet also, die Erfassungsbereiche 10a, 10b weisen auch unterschiedliche Erfassungsreichweiten auf.
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Im vorliegenden Fall ist die Linse 5 im Übrigen nicht rotationssymmetrisch und aus Kunststoff hergestellt.
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5 zeigt eine Prinzipskizze der optischen Sensoranordnung 3c, wobei der Einfachheit halber gleichwirkende Komponenten mit gleichen Bezugszeichen versehen sind. Die in diesem Fall allgemein mit 12 bezeichnete Optik weist wiederum eine nichtrotationssymmetrische, aus Kunststoff bestehende Linse 5 auf, die jeweils zur ersten Suboptik 6a und zur zweiten Suboptik 6b beiträgt. Die Linse 5 kann wiederum als eine Freiformoptik realisiert und nicht rotationssymmetrisch sein. Allerdings weist die Optik 12, hier konkret die zweite Suboptik 6b, ein weiteres Bestandteil auf, nämlich ein 90°-Umlenkprisma 13. Dies sei anhand der in 6 wiederum schematisch relativ zum Kraftfahrzeug 1 dargestellten Erfassungsbereiche 14a, 14b näher erläutert. Ersichtlich deckt der Erfassungsbereich 14a wiederum ein Winkelintervall von 180°, mithin die gesamte Seite des Kraftfahrzeugs 1 ab, so dass die ihm zugeordnete Suboptik 6a als Fisheye-Optik ausgebildet ist. Auf dem entsprechenden Teilbereich der Sensorfläche 8 erzeugte Bilder dienen hier Top-View-Funktionen, wobei wiederum im Erfassungsbereich 14a nur der Nahbereich enthalten ist. Der Erfassungsbereich 14b entspricht dem für die Seitenspiegel-Funktion gewünschten Teilwinkelintervall der 180° des Erfassungsbereichs 14a und bildet auch aus dem Fernbereich noch scharf ab. Nachdem die optische Sensoranordnung 3c jedoch grundsätzlich seitlich ausgerichtet ist, der Erfassungsbereich 14b jedoch nach hinten, wird das 90° Umlenkprisma 13 eingesetzt, um eine einfachere Ausgestaltung der Linse 5 und eine verbesserte Bildqualität zu ermöglichen.
