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Stand der Technik
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Die Erfindung betrifft eine optische Vorrichtung für einen Dachhimmel eines Kraftfahrzeuginnenraums, insbesondere als Fahrerassistenzsystem, unter anderem zur Erfassung eines Umfelds des Kraftfahrzeugs, wobei die optische Vorrichtung möglichst unauffällig und nicht störend im Kraftfahrzeug verbaut ist. Ferner betrifft die Erfindung einen Kraftfahrzeugdachhimmel mit einer derartigen optischen Vorrichtung, genauer gesagt ein Kraftfahrzeug mit einer Dachhimmelverkleidung in der Fahrgastzelle, bei der eine derartige optische Vorrichtung möglichst unauffällig und ohne zu stören verbaut ist.
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Unter Kraftfahrzeugassistenzsystemen, insbesondere unter Fahrerassistenzsystemen, haben sich zahlreiche Komfortfunktionen, wie beispielsweise adaptive Geschwindigkeitsregelung („Active Cruise Control“ oder ACC), Parkpilot, Spurhalteassistent, Verkehrszeichenerkennung, sowie ebenso zahlreiche Sicherheitsfunktionen, wie zum Beispiel Fußgängerschutzsicherheit (beispielsweise „Predictive Safety System“ oder PSS), Spurverlassenswarnung, in den letzten Jahren auf dem Markt etabliert und sind in einigen Kraftfahrzeugen bereits Serienausstattung. Aktuell bereits in Serie eingesetzte Fahrerassistenzsysteme, wie beispielsweise ACC und PSS, beruhen fast ausschließlich auf der Nutzung nur eines einzigen Umfeldsensors, beispielsweise eines Radarsensors, der in der Lage ist, Entfernungen zu anderen Objekten mit relativ großer Genauigkeit zu messen.
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In Zukunft wird vorrausichtlich ein Portfolio weiterer Funktionen hinzukommen, die dem Trend folgen, das Kraftfahrzeug und die Insassen des Kraftfahrzeugs rundum zu schützen und zu unterstützen. Der Trend geht einher mit der Notwendigkeit, rund um das Fahrzeug weitere Sensoren anzuordnen, um die Umgebung vollständig und robust zu erfassen. Bei den zugrunde liegenden Sensortechnologien haben sich zum einen Radar- und Ultraschalltechnologien durchgesetzt, zum anderen werden zunehmend sowohl passiv-optische Sensoren, wie zum Beispiel Bildwandler, das heißt sogenannte Imager, oder Bildaufnahmegeräte, insbesondere Videokameras, als auch aktiv-optische Sensoren eingesetzt, insbesondere sogenannte Lidar-Systeme, wobei der Begriff „Lidar“ für den englischen Begriff „Light detection and ranging“ steht. Die von den unterschiedlichen Umfeldsensoren gelieferten Daten werden dabei üblicherweise in einem Steuergerät ausgewertet. Das Steuergerät generiert aus diesen Daten Steuersignale, die verschiedenen Systemen des Fahrzeugs, wie beispielsweise dem Antriebsstrang, dem Bremssystem, dem Lenksystem, dem Abstandskontrollsystem, dem Rückhaltesystem, zugeleitet werden. Optional können die Daten auch in einer für den Fahrer leicht erfassbaren Art auf einem Display dargestellt werden. Dabei kann beispielsweise ein möglichst genaues Abbild des Fahrzeugumfelds bereitgestellt werden.
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Der Einbau von immer mehr optischen Sensoren gestaltet sich zunehmend schwierig, da solche Sensoren zum einen den „freien Blick“ in die Umwelt benötigen und somit sichtbar verbaut werden müssen, zum anderen aber möglichst unauffällig am Fahrzeug angebracht werden sollen, ohne den Fahrer oder andere Kraftfahrzeuginsassen zu stören. Auch sollten sich solche Sensoren nicht negativ auf das heutzutage immer wichtiger werdende Design des Kraftfahrzeugs auswirken. Desweiteren sollen die Sensoren eine Rundumsicht um das Fahrzeug herum, am besten schon ab sehr niedrigen Distanzen ermöglichen. Deshalb werden optische Sensoren, meist Kameras, heute an vielen unterschiedlichen Positionen rund um das Fahrzeug angebracht. Dies hat neben der Variantenvielfalt der Lösungen auch zur Folge, dass die Vernetzung beziehungsweise die Verkabelung dieser optischen Sensoren zunehmend aufwändiger und damit in der Regel störender wird.
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Als Beispiel für ein bekanntes Fahrassistenzsystem zeigt der Stand der Technik in der deutschen Patentanmeldung
DE 10 2009 060 392 A1 eine Sensoreinrichtung, die an einer Innenseite einer Windschutzscheibe eines Kraftfahrzeuges angeordnet ist, und bei der durch eine Trennung der Einrichtung in ein Gehäusemodul zur Aufnahme mindestens einer Sensoreinrichtung und ein Gehäusemodul zur Aufnahme einer Recheneinheit der benötigte Bauraum reduziert wird. Das Gehäusemodul mit der Sensoreinrichtung, umfassend beispielsweise Lidar-Sensoren sowie Kameras zur Erfassung von Umfelddaten, wird dabei direkt an der Scheibe des Kraftfahrzeuges angeordnet, und das Gehäusemodul mit der Recheneinheit wird etwas davon entfernt angeordnet, beispielsweise an der Decke des Fahrzeugs hinter dem Gehäusemodul mit der Sensoreinrichtung durch Schrauben oder dergleichen aufgehängt.
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Als weiteres Dokument des Stands der Technik beschreibt die deutsche Patentanmeldung
DE 101 47 443 A1 eine Umfeldüberwachungsvorrichtung für ein Kraftfahrzeug mit einer Umfelderfassungseinheit, einer Sensorsteuereinheit und mit verschiedenen Sensoreinheiten. Die Sensorsteuereinheit stellt dabei eine gemeinsame Einrichtung für die Ansteuerung und Auswertung der Sensoren sowie eine Informationsübermittlung an den Fahrer zur Verfügung. Je nach Anforderung werde hier geeignete Sensoren angesteuert und ein geeigneter Betriebsmodus für die Messung ausgewählt. Mittels der zentralen Sensorsteuereinrichtung können unterschiedliche Sensortechnologien für verschiedene Anwendungszwecke integriert werden. Bei dieser Umfeldüberwachungsvorrichtung können speziell auf dem Dach des Kraftfahrzeuges Videokameras und Infrarotkameras sowie weitere beliebige Sensoren für die Umfeldüberwachung angeordnet sein.
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Die
DE 103 02 541 A1 zeigt eine Vorrichtung zur optischen Verkehrsraumüberwachung in einem Fahrzeug. Diese Vorrichtung weist eine Optikeinheit mit einem Nahbereichs-Optiksystem und einem zusätzlichen Fernbereichs-Optiksystem auf, jeweils zur Überwachung des Verkehrsraums vor dem Fahrzeug. Der Strahlengang beider Optiksysteme ist in einer gemeinsamen optischen Zentraleinheit zusammengeführt.
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Die
JP H08-179 131A zeigt eine Bildübertragung mittels optischer Faser.
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Offenbarung der Erfindung
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Gemäß der vorliegenden Erfindung wird eine optische Vorrichtung für einen Dachhimmel eines Kraftfahrzeuginnenraums mit den Merkmalen von Anspruch 1 sowie ein Dachhimmel eines Kraftfahrzeugs mit den Merkmalen von Anspruch 10 vorgeschlagen. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind durch die Merkmale der abhängigen Ansprüche gekennzeichnet.
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Gemäß einem ersten Gesichtspunkt der Erfindung umfasst die optische Vorrichtung für einen Dachhimmel eines Kraftfahrzeuginnenraums eine Vielzahl optischer Schnittstellen, die an einem Randbereich des Dachhimmels angeordnet sind, und ein mit der Vielzahl optischer Schnittstellen verbundenes optisches Steuergerät. Das Steuergerät ist dabei vorzugsweise an zentraler Stelle in dem Dachhimmel beziehungsweise im Symmetriezentrum der symmetrischen Gestalt des Dachhimmels angeordnet, das heißt an einer Stelle im Dachhimmel des Kraftfahrzeugs, die bezüglich der Anordnung der optischen Schnittstellen so angeordnet ist, dass diese zu jeder der optischen Schnittstellen einen möglichst kurzen Abstand einnimmt. Als Beispiel kann man sich die Anordnung der optischen Schnittstellen in der Form eines regelmäßigen Vierecks oder Quadrats vorstellen, wobei dabei das Steuergerät im Mittelpunkt des Quadrats angeordnet wäre. Bei einer Anordnung der optischen Schnittstellen in der Form eines Kreises würde die Anordnung des Steuergeräts an einer zentralen Stelle in dem Dachhimmel einer Anordnung des Steuergeräts in dem Zentrum des Kreises, dem Kreismittelpunkt, und damit der Anordnung in einem äquidistanten Abstand zu jeder optischen Schnittstelle entsprechen, also einer sternförmigen Anordnung der optischen Schnittstellen mit dem optischen Steuergerät. Ferner ist jede optische Schnittstelle durch einen optischen Leiter mit dem Steuergerät verbunden, um eine Signalübertragung von der optischen Schnittstelle zu dem optischen Steuergerät sicherzustellen. Alternativ dazu ist es auch denkbar, die optischen Schnittstellen in einer Ringanordnung am Randbereich des Dachhimmels anzuordnen, also eine Anordnung der optischen Schnittstellen in Reihe mit dem optischen Steuergerät, so dass eine Kabellänge der optischen Leiter deutlich reduziert werden könnte. Die Anordnung des Steuergeräts muss bei dieser alternativen Anordnung demnach nicht an zentraler Stelle erfolgen. Um eine möglichst unauffällige Anordnung der optischen Vorrichtung zu erreichen, sind sowohl Steuergerät als auch optische Leiter in dem Dachhimmel so verbaut, dass eine zu dem Kraftfahrzeuginnenraum hin angeordnete Verkleidung des Dachhimmels diese verdeckt. Alternativ dazu ist es auch denkbar, die optischen Leiter beziehungsweise die gesamte optische Vorrichtung in die Verkleidung des Dachhimmels zu integrieren, beispielsweise integriert in Designelemente, die in oder an dem Dachhimmel vorgesehen sind.
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Der Dachhimmel beziehungsweise die Verkleidung des Dachhimmels bezeichnet die Innenabdeckung der Fahrzeugkarosserie im Bereich der Fahrgastzelle des Kraftfahrzeugs. Als Randbereich des Dachhimmels ist ein Bereich des Dachhimmels nahe den Scheiben beziehungsweise an den Scheiben des Kraftfahrzeugs gedacht. Der Randbereich des Dachhimmels kann dabei einen einsehbaren Bereich am oberen Ende der Scheiben des Kraftfahrzeugs umfassen. Das Steuergerät ist unter anderem in der Lage, aus von den optischen Schnittstellen empfangenen und durch die optischen Leiter weitergeleiteten Empfangssignalen Datensignale zu erzeugen, die an verschiedene Assistenzsysteme des Fahrzeugs ausgegeben werden können, wie beispielsweise an den Antriebsstrang, das Bremssystem, das Lenksystem, das Abstandskontrollsystem, das Rückhaltesystem, oder auch an ein Displaysystem, das die Datensignale auch in einer für den Fahrer leicht erfassbaren Art auf einem Display darstellt, um beispielsweise ein möglichst genaues Abbild des Fahrzeugumfelds für den Fahrer in dessen Sichtbereich bereitzustellen. Der Einsatzbereich umfasst demnach alle optischen Sensorsysteme von Umfeldsensoren sowie Projektionssysteme im Innenbereich und Außenbereich von Kraftfahrzeugen.
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Gemäß einem weiteren Gesichtspunkt der Erfindung wird ein Kraftfahrzeugdachhimmel mit einer oben beschriebenen optischen Vorrichtung bereitgestellt, genauer gesagt ein Dachhimmel eines Kraftfahrzeugs, in dem die vorher genannte optische Vorrichtung verbaut ist. Eine Verbauung der optischen Vorrichtung, insbesondere des Steuergeräts sowie der optischen Leiter der optischen Vorrichtung, erfolgt dabei verdeckt unter der Dachhimmelverkleidung, in einem Bereich, in dem bei herkömmlichen Kraftfahrzeugen üblicherweise übriger Bauraum vorhanden ist, beispielsweise an einer zentralen Stelle des Dachhimmels an einer Position zwischen dem Fahrersitz und dem Beifahrersitz.
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Vorteile der Erfindung
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Mit einer optischen Vorrichtung gemäß der Erfindung kann eine Anbringung von optischen Sensoren in einem Fahrzeug erreicht werden, die für Fahrer und Fahrgäste sowie Außenstehende unauffällig beziehungsweise unsichtbar ist. Ferner kann durch die optische Vorrichtung gemäß der Erfindung der Aufwand für die Vernetzung beziehungsweise Verkabelung der optischen Vorrichtung verringert werden. Außerdem ist durch eine hier mögliche Standardisierung der benötigten Bauteile eine Kostensenkung erzielbar. Eine Abdeckung der Umwelt durch die Sensoren muss nicht jedes Mal neu entwickelt und geprüft werden, sondern es können Standardbauteile an der Innen- und Außenseite sowie standardisierte Kabellängen, unter anderem in Form von standardisierten Kabelbäumen verwendet werden, wodurch Entwicklungskosten gesenkt werden können. Dennoch kann eine gewisse Flexibilität für die Erfüllung spezifischer Kundenwünsche oder auch eine Flexibilität für die Anpassung an bestimmte Modellreihen oder Modellplattformen gewahrt werden. Hinzu kommt, dass wesentliche Komponenten verschiedener Sensoren der optischen Vorrichtung in einem einzelnen optischen Sensorsteuergerät zusammengefasst werden können, wodurch Bauraum gespart werden kann. Schließlich kann der Einbauort des Steuergeräts im Dachhimmel dafür Sorge tragen, dass dieses vor Beschädigungen weitgehend sicher in dem Kraftfahrzeug montiert ist, da das Steuergerät räumlich von den optischen Schnittstellen der optischen Vorrichtung getrennt ist. Dies wird insbesondere durch eine optische Vorrichtung mit den Merkmalen von Anspruch 1 erreicht, das heißt mit einer optischen Vorrichtung für einen Dachhimmel eines Kraftfahrzeuginnenraums, die eine Vielzahl optischer Schnittstellen, welche an einem Randbereich des Dachhimmels angeordnet sind, und ein mit der Vielzahl optischer Schnittstellen verbundenes optisches Steuergerät aufweist, wobei das Steuergerät in dem Dachhimmel angeordnet ist, vorzugsweise an zentraler Stelle, und wobei jede optische Schnittstelle durch zumindest einen in dem Dachhimmel angeordneten optischen Leiter mit dem optischen Steuergerät verbunden ist. Ferner ist von der Erfindung zudem ein Kraftfahrzeugdachhimmel mit den Merkmalen von Anspruch 10, also mit einer derartigen optischen Vorrichtung umfasst. Kern der Erfindung ist es demnach, die optische Vorrichtung, die im Sinne einer optischen Sensorik zu verstehen ist, im Dachhimmel des Fahrzeugs unterzubringen, die optischen Ausgänge rund um die Dachoberkante anzubringen und die optische Vorrichtung mit den optischen Ausgängen über optische Leiter zu verbinden. Auf diese Weise wird für die optischen Ausgänge eine Rundumsicht ermöglicht. Insbesondere können mehrfach nutzbare Komponenten der Sensorik nun einfach, im Sinne von nur ein Mal, ausgelegt und in einem einzelnen optischen Steuergerät zusammengefasst werden. Die Vernetzung bzw. Verkabelung findet im Dachhimmel statt, so dass die Kabellängen minimal sind. Hinzu kommt, dass im Dachhimmel üblicherweise noch etwas Bauraum verfügbar ist. Vorteile einer derartigen Lösung sind unter anderem die geringe Auffälligkeit der Sensorik trotz abzudeckender Rundumsicht, die Notwendigkeit weniger Designvarianten bei hoher Einbauflexibilitat mit ähnlichem Sensorverhalten und einem damit verbundenen geringeren Applikationsaufwand, eine signifikante Kostenverringerung durch kurze Verkabelung und Nutzung eines einzelnen optischen Steuergeräts, sowie ein lagebedingt hoher Einbauort der optischen Vorrichtung (am Dachhimmel), der zu besserer Rundumsicht, geringerer Verschmutzung der Sensorik und geringerer Gefahr von Beschädigungen an der Sensorik führt.
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In einer bevorzugten Ausführung der erfindungsgemäßen optischen Vorrichtung umfasst jede optische Schnittstelle einen optischen Eingang und/oder einen optischen Ausgang. Die optischen Schnittstellen der optischen Vorrichtung sind ferner bevorzugt gleichmäßig im Randbereich des Dachhimmels verteilt angeordnet. Das bedeutet, dass die optischen Schnittstellen, das heißt die optischen Eingänge bzw. optischen Ausgänge der optischen Schnittstellen in einer gleichmäßigen Anordnung rund um den Randbereich des Dachhimmels herum angeordnet sind, beispielsweise in gleichen Abständen voneinander, oder auch an strategisch sinnvollen Positionen, um möglichst eine lückenlose Rundumerfassung des Kraftfahrzeugs durch die optische Vorrichtung zu ermöglichen. Vorzugsweise ist dabei jeder optische Leiter ein Lichtwellenleiter, wie zum Beispiel ein Glasfaserkabel, wodurch ein Einbau der Sensorik in den Dachhimmel weiter vereinfacht wird und Bauraum gespart werden kann.
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In einer alternativen Ausführung der erfindungsgemäßen optischen Vorrichtung kann die Vielzahl optischer Schnittstellen von zumindest einer optischen Leiste umfasst sein, die an dem Randbereich des Dachhimmels vorgesehen ist, auch denkbar an der Außenseite des Kraftfahrzeugs. Eine derartige optische Ausgangsleiste beziehungsweise eine Vielzahl aneinandergereihter derartiger optischer Ausgangsleisten kann einheitlich und somit unauffällig gestaltet werden. Insbesondere können sie beispielsweise bei Lidarsystemen, die im Infrarot-Bereich arbeiten, aus speziellem schwarzen Kunststoff bestehen und somit als Designelement in dem Kraftfahrzeug wahrgenommen werden.
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In einer weiteren bevorzugten Ausführung kann jede optische Schnittstelle, also jeder optischer Eingang beziehungsweise Ausgang als integrierte Komponente einer bereits vorhandenen Scheibe des Kraftfahrzeugs vorgesehen sein, wie unter anderem der Windschutzscheibe, der Seitenfensterscheiben oder der Rückscheibe des Kraftfahrzeugs. Eine dabei zum Einsatz kommende Signalempfangsvorrichtung kann bei dieser Ausführung sehr unauffällig, nämlich an einen nicht einsehbaren Rand oder an einen nicht einsehbaren Randbereich der Scheibe montiert sein. Somit beansprucht die Signalempfangsvorrichtung keinen Bauraum in dem einsehbaren Bereich, insbesondere in der Nähe des Durchsichtbereichs der Scheibe, so dass sie das Aussehen und das Design in der Nähe des Durchsichtbereichs der Scheibe nicht beeinträchtigt. Die hohe Flexibilität beim Einbauort und der unauffällige Verbau können neben einer funktionalen Verbesserung auch kostensenkend wirken. Einzelne Bauelemente der optischen Baugruppe einer erfindungsgemäßen optischen Vorrichtung werden dabei in den Durchsichtbereich der Scheibe ausgelagert. Dies umfasst Komponenten der Optik, welche üblicherweise in ein Sensorgehäuse integriert sind. Da diese Komponenten, beispielsweise Linsen, Prismen oder Spiegel, selbst aus Glas bestehen können, sind sie für eine Person, die durch die Scheibe hindurchblickt, optisch kaum wahrnehmbar oder störend. Durch die Integration von optischen Bauelementen in das Fensterglas des Kraftfahrzeugs kann die optische Vorrichtung außerdem einen Erfassungsbereich bereitstellen, welcher sehr ähnlich dem Sichtfeld einer Person ist, die durch die Scheibe hindurchblickt. Besonders vorteilhaft ist ferner, dass die Reinigung der Durchsichtbereiche bei Verschmutzung und die Befreiung von Eis üblicherweise durch den Fahrer erfolgt, wenn dieser das Sichtfeld frei macht. Dabei reinigt der Fahrer die ausgelagerte Optik gleich mit.
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Weiter vorzugsweise deckt die Vielzahl optischer Schnittstellen an dem Randbereich des Dachhimmels des Kraftfahrzeugs entweder ein Umfeld des Kraftfahrzeugs, speziell ein nahes Umfeld des Kraftfahrzeugs, einen Innenraum des Kraftfahrzeugs, also den Bereich der Fahrgastzelle, oder sowohl das Umfeld des Kraftfahrzeugs als auch einen Innenraum des Kraftfahrzeugs ab. Je nach Anwendung müssen entsprechend mehr optische Schnittstellen vorgesehen werden, deren Ausrichtung, also deren Erfassungsbereich, entsprechend ausgerichtet ist. Neben dem Einsatz für die Erfassung der Umgebung des Kraftfahrzeugs zur Unterstützung von Kraftfahrzeugassistenzsystemen bringt ein Einsatz der optischen Schnittstellen zur Überwachung des Kraftfahrzeuginnenraums von oben, also ausgehend von dem Dachhimmel einen guten Überblick über den Innenbereich des Fahrzeugs mit sich, wodurch ein nach Innen gerichteter Einsatz für passiv-optische und aktiv-optische Sensoren sowie Projektionssysteme ermöglicht wird. Denkbar ist hier ein Einsatz der optischen Vorrichtung zur Fahrerüberwachung, insbesondere zur Überwachung eines Wach- oder Schlafzustands des Fahrers, zur Überwachung der Sitzplatzbelegung, wie zum Beispiel zur Überwachung der Anbringung eines Kindersitzes in dem Kraftfahrzeug, zur Gestikerkennung von Fahrer und Beifahrern, unter anderem zur Erkennung gefährlicher Situationen, zur Multimedia-Steuerung, oder auch als Konzepte zur Anzeige bestimmter Informationen für Fahrer und Mitfahrer, beispielsweise als Projektion an die entsprechende Stelle in dem Kraftfahrzeug.
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Die erfindungsgemäße optische Vorrichtung, genauer gesagt das optische Steuergerät der erfindungsgemäßen optischen Vorrichtung weist vorzugsweise eine Signalverarbeitungseinrichtung und eine optische Schalteinrichtung auf, wobei die optische Schalteinrichtung dazu angedacht ist, die Signale von der Vielzahl optischer Schnittstellen an die Signalverarbeitungseinrichtung und/oder Signale von der Signalverarbeitungseinrichtung an die Vielzahl optischer Schnittstellen zu übertragen. Die Signalverarbeitungseinrichtung kann dabei zumindest eine passiv-optische Sensorik, insbesondere einen Imager oder eine Videokamera, und zusätzlich oder alternativ dazu zumindest eine aktiv-optische Sensorik aufweisen, insbesondere eine Lidarsensorik oder einen Projektor. Beispielsweise kann ein optischer Schalter die Bilder verschiedener optischer Ausgänge auf einen zentralen Imager einer Videokamera schalten oder die Signale eines Lidarsensors über verschieden optische Ausgänge in unterschiedliche Richtungen schalten. Als optischer Schalter kann vorzugsweise ein elektrisch verstellbarer Spiegel, beispielsweise ein Mikrospiegel dienen, insbesondere ein MEMS-Mikrospiegel. Weiterhin ist anzumerken, dass bei einem Einsatz einer oben genannten Lidarsensorik eine höhere Robustheit gegen Störlicht aus der Umgebung erzielt werden kann, also ein höheres Signal-Rausch-Verhältnis erreicht wird, ähnlich einer bekannten Lösung mit Facettenoptik. Es ist weiterhin denkbar, über den optischen Ausgang einer optischen Schnittstelle eine Projektion in das Umfeld des Kraftfahrzeugs zu erzeugen, beispielsweise auf die Straßenoberfläche, um für Passanten oder andere Verkehrsteilnehmer sichtbar zu sein. Denkbar sind hier eine Anzeige von Sperrflächen am parkenden Fahrzeug als nicht zu betretender Sicherheitsbereich im Sinne eines Diebstahlschutzes, oder die Anzeige für den Hintermann im fließenden Verkehr, dass ein Abstand zum Kraftfahrzeug zu gering ist, beispielsweise durch Anzeige eines Minimalabstands auf der Straßenoberfläche. Das optische Steuergerät könnte weiterhin Projektionsmuster erzeugen und diese über den optischen Schalter und den optischen Ausgang an die gewünschte Position in der Umwelt projizieren, um beispielsweise als Hinweis- oder Warnsignal für in das Umfeld des Kraftfahrzeugs eintretende Passanten zu dienen. Auf diese Weise müssten Projektionsmuster nur in einem einzelnen Steuergerät erzeugt werden. Weiterhin ist es ebenfalls denkbar, dadurch optische Signale oder optische Designeffekte zu realisieren, die außerhalb des Fahrzeugs für Passanten sichtbar werden.
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Weitere Vorteile und Ausführungsformen der Erfindung werden aus der nachfolgenden Figurenbeschreibung ersichtlich.
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Kurze Beschreibung der Zeichnungen
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Es zeigen
- 1 eine Draufsicht auf ein Fahrzeug mit einer schematischen Darstellung einer optischen Vorrichtung nach einer ersten Ausführungsform der Erfindung;
- 2a eine Frontansicht auf das in 1 dargestellte Fahrzeug, 2b eine Seitenansicht des in 1 dargestellten Fahrzeugs, 2c eine Draufsicht auf das in 1 dargestellte Fahrzeug, und 2d eine Draufsicht auf das in 1 dargestellte Fahrzeug mit schematisch gekennzeichneten Erfassungsbereichen;
- 3 eine schematische Darstellung eines Steuergeräts einer optischen Vorrichtung gemäß der ersten Ausführungsform der Erfindung;
- 4 eine schematische Darstellung eines alternativen Steuergeräts einer optischen Vorrichtung gemäß der ersten Ausführungsform der Erfindung;
- 5 eine schematische Darstellung eines weiteren alternativen Steuergeräts einer optischen Vorrichtung gemäß der ersten Ausführungsform der Erfindung; und
- 6a eine Seitenansicht auf ein Fahrzeug mit einer optischen Vorrichtung gemäß einer zweiten Ausführungsform der Erfindung, 6b eine Anordnung mit einer optischen Baugruppe einer erfindungsgemäßen optischen Vorrichtung in einer Scheibe, 6c eine alternative Anordnung mit einer optischen Baugruppe einer erfindungsgemäßen optischen Vorrichtung in einer Scheibe, und 6d eine weitere alternative Anordnung mit einer optischen Baugruppe einer erfindungsgemäßen optischen Vorrichtung in einer Scheibe,
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Ausführungsformen der Erfindung
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1 zeigt eine Draufsicht auf ein Fahrzeug 1 mit einer ersten Ausführungsform der erfindungsgemäßen optischen Vorrichtung 2, bestehend aus einem in diesem Fall zentral angeordneten optischen Steuergerät 21, einer Vielzahl von optischen Leitern 22 und einer Vielzahl von optischen Schnittstellen 23, wobei jede optische Schnittstelle 23 durch zumindest einen optischen Leiter 22, vorzugsweise einem optischen Lichtwellenleiter 22 mit dem zentral angeordneten optischen Steuergerät 21 in optischer Verbindung steht. Mit optischer Schnittstelle 23 sind bei der ersten Ausführungsform beispielsweise optische Sensoren bezeichnet, die direkte optischen Eingänge und/oder optische Ausgänge aufweisen, also passiv-optische Sensoren, die Licht erfassen oder aussenden, ohne dieses in beispielsweise elektrische Signale umzuwandeln. Das Fahrzeug 1 umfasst prinzipiell eine Karosserie 11 mit einem Fahrzeugdachhimmel 12, der an dem Fahrzeugdach zu der Innenseite des Kraftfahrzeugs hin, also in den Innenraum hin angeordnet ist. Des Weiteren weist das Kraftfahrzeug 1 eine Windschutzscheibe oder Frontscheibe 13, eine Heckscheibe oder Rückscheibe 14, und mehrere Seitenscheiben 15 auf. In 1 ist schematisch die prinzipielle Lage der Komponenten der optischen Vorrichtung 2 im Dachhimmel 12 gezeigt, wobei das Steuergerät 21 in der Mitte des Dachhimmels 12 angeordnet ist, und wobei die optischen Schnittstellen 23 am Rand des Dachhimmels 12 angeordnet sind, genauer gesagt an vorbestimmten Positionen am oberen Rand der Windschutzscheibe 13, der Heckscheibe 14 und der Seitenscheiben 15.
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Die 2a bis 2d zeigen schematisch die Lage der optischen Schnittstellen 23 des in Figur dargestellten Fahrzeugs 1. Genauer gesagt zeigt 2a eine Frontansicht auf das in 1 dargestellte Fahrzeug 1, wobei erkennbar ist, dass die optischen Schnittstellen 23 in einem Bereich 3 an dem Randbereich des Dachhimmels 12 angeordnet sind. 2b zeigt eine Seitenansicht des in 1 dargestellten Fahrzeugs 1 mit den optischen Schnittstellen 23 in dem Randbereich des Dachhimmels 12, und 2c zeigt eine Draufsicht auf das in 1 dargestellte Fahrzeug 1, ähnlich zu der in 1 gezeigten Draufsicht, wobei der Anordnungsbereich der optischen Schnittstellen 23 an dem Randbereich des Dachhimmels 12 durch den kenntlich gemachten Bereich 3 dargestellt ist. 2d zeigt ebenfalls eine Draufsicht auf das in 1 und in den 2a bis 2c dargestellte Fahrzeug 1, wobei in dieser Ansicht die optischen Schnittstellen 23 an bestimmten Positionen in dem Bereich 3 angenommen sind und schematisch durch die optischen Schnittstellen erfassbare Bereiche 4, sogenannte Erfassungsbereiche 4 dargestellt sind. Ein Öffnungswinkel der Erfassungsbereiche 4 ist nur beispielhaft dargestellt und kann je nach Ausführung der jeweiligen optischen Schnittstelle 23 variieren.
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In 3 ist eine schematische Darstellung eines Steuergeräts 21 einer optischen Vorrichtung 2 gemäß der ersten Ausführungsform der Erfindung gezeigt. Genauer gesagt zeigt 3 beispielhaft eine Sende- und/oder Empfangseinrichtung 211, im folgenden als Sender/Empfänger bezeichnet, als Mittel zum Senden und/oder Empfangen von optischen Signalen, dargestellt durch die bidirektionalen Pfeile in 3, sowie einen in zwei orthogonalen Achsen schwingenden MEMS-Mikrospiegel 212 als optischen Schalter beziehungsweise optischen Verteiler zwischen dem optischen Sender/Empfänger und den optischen Leitern 22 zu den optischen Schnittstellen.
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4 zeigt eine schematische Darstellung eines alternativen Steuergeräts 21 b einer optischen Vorrichtung 2 gemäß der ersten Ausführungsform der Erfindung, wobei das alternative Steuergerät 21 b eine Anordnung mit ausschließlich passiv-optischen Sensor 213, wie zum Beispiel einer Videokamera als Mittel zum Empfangen von optischen Signalen, dargestellt durch die unidirektionalen Pfeile in 4, sowie einen in zwei orthogonalen Achsen schwingenden MEMS-Mikrospiegel 212 als optischen Schalter beziehungsweise optischen Verteiler zwischen dem optischen Empfänger und den optischen Leitern 22 zu den optischen Schnittstellen 23, die in diesem Fall der optischen Aufnahme des Umfelds des Kraftfahrzeugs reine optische Eingänge darstellen.
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Weiterhin ist in 5 eine schematische Darstellung eines alternativen Steuergeräts 21c einer optischen Vorrichtung 2 gemäß der ersten Ausführungsform der Erfindung gezeigt, wobei das alternative Steuergerät 21 c eine aktiv-optische Sensoranordnung mit Lidarsender 214 und Lidarempfänger 215 sowie einen zwischen diesen angeordneten, in zwei orthogonalen Achsen schwingenden MEMS-Mikrospiegel 212 als optischen Schalter beziehungsweise optischen Verteiler zwischen Lidarsender 214, optischen Leitern 22 und Lidarempfänger 215 aufweist. Bei dem hier dargestellten Lidarsensorsystem sendet der Lidarsender 214 ein Signal über den Mikrospiegel 212 über einen der optischen Leiter 22 sowie eine zugehörige optische Schnittstelle 23 aus, und ein reflektiertes Signal wird durch eine andere optische Schnittstelle 23 über einen optischen Leiter 22 zurück auf den Mikrospiegel 212 geworfen, der das Signal nach einen Schwenkvorgang des Spiegels 212 an den Lidarempfänger 215 weiterverteilt. Entsprechende Signale in der Lidarsensortechnik sind in der Regel Laserimpulse oder dergleichen. Derartige Lidar-Systeme für Kraftfahrzeuge senden demnach Laserpulse aus und detektieren das beispielsweise durch Hindernisse im Straßenverkehr zurückgestreute Licht, wobei aus der Lichtlaufzeit der Signale und der Lichtgeschwindigkeit die Entfernung zum Ort der Streuung berechnet werden kann.
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In 6a bis 6d ist eine optische Vorrichtung 2 gemäß einer zweiten Ausführungsform der Erfindung gezeigt, wobei die optischen Schnittstellen 23 in einen oberen Bereich 5 nahe dem Rand des Dachhimmels 12 vorgesehen sind. Beispielsweise sind die optischen Schnittstellen 23 dabei in einer speziell dafür vorgesehenen optischen Leiste angeordnet, deren Anordnung durch den Bereich 5 schematisch dargestellt sein kann. Alternativ dazu können die optischen Schnittstellen auch als Teil der Kraftfahrzeugscheiben vorgesehen sein. 6b zeigt dabei eine Anordnung einer optischen Baugruppe 151 als Teil einer erfindungsgemäßen optischen Vorrichtung 2, die in einer Windschutzscheibe 13, einer Heckscheibe 14 oder einer Seitenscheibe 15 des Kraftfahrzeugs vorgesehen ist. Zur Vereinfachung ist die Anordnung bei einer Seitenscheibe 15 gezeigt.
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Die Scheibe 15 weist dabei einen Durchsichtbereich und einen nicht einsehbaren Bereich auf. Für den Fall, dass die Scheibe 13 eine Windschutzscheibe, eine Heckscheibe statt einer Seitenscheibe eines Kraftfahrzeugs ist, befindet sich der Durchsichtbereich bevorzugt im Sichtfeld eines Fahrers des Kraftfahrzeugs. Gegenstände in der Umgebung des Durchsichtbereichs sind im Allgemeinen sichtbar, d. h. etwa vom Fahrzeuginneren her oder auch von außerhalb des Fahrzeugs. Die optische Baugruppe 151 umfasst eine Anordnung mit einer Sammellinse 1511 und einem Lichtwellenleiter 1512. Die Sammellinse 1511 empfängt und bündelt Licht von außerhalb des Kraftfahrzeugs und ist an verschiedenen Orten, d. h. flexibel einbaubar, sie befindet sich aber bevorzugt in dem Durchsichtbereich der Scheibe 15. Der Abstand der Sammellinse 1511 zum nicht einsehbaren Bereich der Scheibe 15 ist möglichst klein, so dass auf dem Weg durch die Scheibe 15 geringe Bildverluste entstehen. Das Licht wird hinter der Sammellinse 1511 in den Lichtwellenleiter 1512 gebündelt, in der Scheibe 15 geführt und schließlich an einem Ort 1513 im nicht einsehbaren Bereich aus der Scheibe 15 herausgeführt. Der Lichtleiter 1512 tritt an einer Seite der Scheibe 15 aus und setzt an eine Signalübertragungsvorrichtung 51 an, die das optische Signal an die optischen Leiter 22 weitergibt. Licht wird hier über die optische Baugruppe 151 so geleitet, das ein Strahlengang eines einfallenden Lichtbündels um einen Winkel abgeknickt, d.h. das Licht wird von dem gewöhnlichen Strahlengang durch die Scheibe abgelenkt, insbesondere um 80° bis 100°, bevorzugt um 90 °, so dass es an dem Rand der Scheibe 15 austritt. Durch die Verwendung des Lichtwellenleiters 1512 kann das Licht zu Einbaupositionen der Signalübertragungsvorrichtung 51 geleitet werden, welche außerhalb des Blickfelds von Personen liegen, die sich im Durchsichtbereich der Scheibe 15 befinden. Die Signalempfangsvorrichtung 51 kann beispielsweise in einen Teil der Fahrzeugkarosserie wie zum Beispiel dem Dachhimmel 12 des Fahrzeugs versenkt sein.
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6c zeigt eine zu 6b eine alternative Anordnung mit einer optischen Baugruppe 152 einer erfindungsgemäßen optischen Vorrichtung 2, die in einer Windschutzscheibe 13, einer Heckscheibe 14 oder einer Seitenscheibe 15 des Kraftfahrzeugs vorgesehen ist. Zur Vereinfachung ist die Anordnung bei einer Seitenscheibe 15 gezeigt. Die optische Baugruppe 152 umfasst ein Spiegel- oder Umlenkprisma 1521 und einen Lichtwellenleiter 1522. Das Umlenkprisma 1521 wird zur verlustarmen Umlenkung des von außerhalb des Fahrzeugs einfallenden Lichtes genutzt, wobei der Effekt der Totalreflektion angewendet wird. Beispielsweise kann das Umlenkprisma 1521 ein Prisma mit der Grundfläche eines gleichschenkligen, rechtwinkligen Dreiecks sein. Ein ausreichend hoher Transmissionsgrad für den Strahlengang ist nur für annähernd senkrecht auf die Eintrittsfläche eintretendes Licht zu erreichen, weshalb der Erfassungsbereich hier einen geringeren Öffnungswinkel aufweist als in der Ausführungsform nach 6b, bei der eine Sammellinse das einfallende Licht zunächst bündelt.
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Eine Fläche dient als Umlenkfläche, an der einfallendes Licht, das unter einem Winkel, der größer als der Grenzwinkel der Totalreflektion ist, möglichst ohne Reflektionsverluste reflektiert wird. Bei der Reflektion wird das Bild außerdem gespiegelt. An die Austrittsfläche des Prismas 1521 ist der Lichtwellenleiter 1522 gekoppelt, über welchen das Licht wie mit Bezug zu 1 beschrieben zu der Signalempfangsvorrichtung 3 geführt wird. Die Signalübertragungsvorrichtung 51 kann auch bei dieser alternativen Anordnung an einer unauffälligen Stelle in der Nähe des Prismas 1521 in dem nicht einsehbaren Bereich der Scheibe 15 verbaut werden. Anstelle des Vollkörperprismas 1521 kann die optische Baugruppe auch lediglich eine spiegelnde, das heißt reflektierende geneigte Schicht umfassen. In diesem Fall tritt das Licht durch die Hauptfläche der Scheibe 15 ein und wird nach der Reflektion in den Lichtleiter 1521 gekoppelt. Die optische Baugruppe 152 ist im Falle des Vollprismas und im Falle der spiegelnden Schicht geeignet, ein Lichtbündel aus dem Erfassungsbereich um einen Winkel, insbesondere um 80° bis 100°, bevorzugt um 90 ° umzulenken, so dass es an einem Rand der Scheibe 15 austritt.
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6d zeigt eine weitere alternative Anordnung mit einer optischen Baugruppe 153 einer erfindungsgemäßen optischen Vorrichtung 2, die in einer Windschutzscheibe 13, einer Heckscheibe 14 oder einer Seitenscheibe 15 des Kraftfahrzeugs vorgesehen ist. Zur Vereinfachung ist die Anordnung bei einer Seitenscheibe 15 gezeigt. Bei dieser alternativen Anordnung ist kein Lichtwellenleiter vorgesehen, so dass die optische Baugruppe 153 nur ein Spiegelprisma 1531 umfasst. Das Gehäuse der Signalübertragungsvorrichtung 51 ist bevorzugt unmittelbar an den Rand der Scheibe 15 gesetzt, um Ein- und Auskoppelverluste zu vermeiden. Das Spiegelprisma 1531 eignet sich, den Strahlengang des Lichtes um einen Winkel abzuknicken, so dass der Einbauort für die Signalübertragungsvorrichtung 51 in den nicht einsehbaren Bereich der Scheibe 15 verlegt werden kann.
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Bei aktiven optischen Sensoren, wie etwa einem Lidar-System können statt einer gemeinsamen Sende- und Empfangsausgangskomponente, welche sowohl zum Senden als auch für den Empfang verwendet wird, auch zwei getrennte Komponenten vorgesehen sein, so dass ein getrennter Sende- und ein Empfangsstrahlweg vorliegt. In dem Fall können bei der Anordnung nach 6b mehrere, insbesondere zwei Linsen 1511 und mehrere, insbesondere zwei Lichtleiter 1512 in die Scheibe verbaut sein und bei der alternativen Anordnung nach 6c mehrere, insbesondere zwei Prismen 1521 und mehrere, insbesondere zwei Lichtleiter 1522. Dies gilt auch für die weiteren alternative Anordnung nach 6d entsprechend.
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Den beschriebenen Anordnungen ist außerdem gemein, dass optische Bauelemente durch lokale Materialbeeinflussung der Scheibe erzeugt werden können. Bei Herstellung der Fahrzeugscheibe kann ein Laserverfahren vorgesehen sein, bei welchem Glaseigenschaften, wie ein Brechungsindex, Spiegelflächen und so weiter, in die Scheibe eingebracht werden, so dass lokal verschiedene Brechzahlen erzeugt werden und die Brechwirkung der Linse und/oder die Reflektionseigenschaften der Prismen erzielt werden können. Auch der Lichtleiter kann über geeignete Laserverfahren in die fertige Scheibe eingebracht werden. Hiernach muss die Scheibe nur noch an die Signalempfangsvorrichtung gekoppelt werden. Bevorzugt ist zumindest ein optisches Bauelement der optischen Baugruppe durch ein Laserverfahren an der fertigen Scheibe hergestellt. Alternativ dazu kann beispielsweise auch eine Verpressung der Bauelemente in eine Verbundglasscheibe vorgesehen sein. Bei den optischen Bauelementen in der Scheibe müssen darüber hinaus geltende Sicherheitsvorschriften für den Kraftfahrzeugbereich eingehalten werden. Als Windschutzscheibenglas wird üblicherweise Sicherheitsglas verwendet, beispielsweise Einscheibensicherheitsglas oder Verbundsicherheitsglas, was daher in diesem Fall bevorzugt auch für die optischen Bauelemente verwendet wird. Der Rand von Linsen darf außerdem nicht scharf ausgebildet sein, für den Fall, dass sich bei einem Bruch der Scheibe, wenn diese in zahlreiche kleine Stücke zerfällt, die Linse herauslöst. Außerdem kann die Größe der verwendeten Bauelemente durch Einhaltung von Sicherheitsvorschriften beschränkt sein.
