DE102019206357A1

DE102019206357A1 - Kameravorrichtung

Info

Publication number: DE102019206357A1
Application number: DE102019206357.8A
Authority: DE
Inventors: Markus KLUG; Tobias Scheu; Johannes Scheuchenpflug
Original assignee: Audi AG
Current assignee: Audi AG
Priority date: 2019-05-03
Filing date: 2019-05-03
Publication date: 2020-11-05

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Kameravorrichtung (K) zum Erzeugen eines Abbilds einer Umgebung, bei der einer Bilderfassungseinrichtung (B), insbesondere einem Lichteinfallsbereich (L) der Bilderfassungseinrichtung (B), eine Vorsatzoptik (V) vorgeschaltet ist, um die Resilienz der Kameravorrichtung (K) gegenüber optischen Hindernissen (D), wie beispielsweise Verschmutzungen, im Bereich einer Lichterfassungsfläche (F) der Kameravorrichtung (K) zu erhöhen. Die Vorsatzoptik (V) weist dabei einen Einkoppelbereich (E), welcher ausgebildet ist, Licht (S) aus der Umgebung mittels interner Reflexion und/oder einer Mikrostruktur (M) an einen Auskoppelbereich (A) der Vorsatzoptik (V) umzulenken. Der Auskoppelbereich (A), ist ausgebildet das umgelenkte Licht (S) schließlich über den Lichteinfallsbereich (L) an die Bilderfassungseinrichtung (B) zu übertragen. Der Einkoppelbereich (E) der Vorsatzoptik (V) stellt somit eine Lichterfassungsfläche (F) der Kameravorrichtung (K) dar. Um nun Verschmutzungen im Bereich der Lichterfassungsfläche (F) gegenüber weniger anfällig zu sein, ist die Fläche des Einkoppelbereichs (E) größer ausgebildet als eine Fläche des Lichteinfallsbereichs (L) der Bilderfassungseinrichtung (B).

Description

Die Erfindung betrifft eine Kameravorrichtung zum Erzeugen eines Abbilds einer Umgebung. Die Kameravorrichtung umfasst dazu eine Bilderfassungseinrichtung, die einen Lichteinfallsbereich aufweist, und die ausgebildet ist, Licht welches über den Lichteinfallsbereich in die Bilderfassungseinrichtung fällt, zu detektieren und in Form von Bilddaten, die mit dem einfallenden Licht korreliert sind, bereitzustellen. Man ist daran interessiert, möglichst viel einfallendes Licht zu erfassen, auch im Falle einer Verschmutzung der Kameravorrichtung.
Eine Bilderfassungseinrichtung kann beispielsweise als Kamera, wie etwa ein Fotoapparat oder eine Videokamera, oder beispielsweise als Smartphone (mobiles Endgerät) realisiert sein. Somit weist eine entsprechende Bilderfassungseinrichtung wenigstens einen Bildsensor, wie zum Beispiel einen CCD Sensor (charge coupled device - ladungsgekoppeltes Bauelement) oder einen CMOS Sensor (complementary metal-oxide semiconductor - komplementärer Metalloxidhalbleiter) auf, dem eine abbildende Optik oder ein Objektiv vorgeschaltet ist. Über die abbildende Optik kann Licht aus der Umgebung erfasst und somit die Umgebung, insbesondere ein Objekt in der Umgebung auf dem Bildsensor abgebildet werden. Die abbildende Optik kann somit den Lichteinfallsbereich der Bilderfassungseinrichtung darstellen. Anders ausgedrückt bildet der Lichteinfallsbereich eine Lichterfassungsfläche der Bilderfassungseinrichtung.
Kameras mit herkömmlichen abbildenden Optiken haben durch eine Größe des Bildsensors und der Objektivöffnung eine relativ geringe Lichterfassungsfläche. Wird nun diese Lichterfassungsfläche durch ein Objekt, wie beispielsweise einen Schmutzpartikel oder einen Regentropfen, verdeckt, entsteht eine Abschattung auf dem Bildsensor. Das Sichtfeld der Bilderfassungseinrichtung wird somit durch das Objekt noch weiter eingeschränkt oder verkleinert. Durch diese Abschattung somit in der Regel ein großer Teilbereich des Abbilds der Umgebung unbrauchbar.
Um nun die Auswirkungen von einem Objekt oder optischen Hindernis im Bereich der Lichterfassungsfläche auf das Abbild der Umgebung zu reduzieren, ist aus der DE 10 2016 013 472 A1 eine Abbildungsvorrichtung bekannt. Die Abbildungsvorrichtung umfasst eine Kamera die aus einem optischen Bild einen Datensatz erzeugt. Weiterhin umfasst die Abbildungsvorrichtung auch eine Schutzvorrichtung, wie zum Beispiel eine Windschutzscheibe die der Kamera und somit sozusagen der Lichteinfallsfläche der Kamera, vorgeschaltet ist. Befindet sich nun ein optisches Hindernis, wie beispielsweise ein Wassertropfen, auf der Windschutzscheibe, so kann die Kamera ausgebildet sein, den Wassertropfen auf der Windschutzscheibe scharf einzustellen, sodass der Wassertropfen bei der Weiterverarbeitung des Datensatzes berücksichtigbar ist. Beispielsweise kann der Wassertropfen anschließend aus dem Datensatz herausgerechnet werden.
Hierdurch ergibt sich jedoch der Nachteil, dass ein Rechenaufwand entsteht, um die Auswirkung eines optischen Hindernisses auf das Abbild der Umgebung zu reduzieren.
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung liegt darin, eine Kameravorrichtung bereitzustellen, deren Resilienz gegenüber Verschmutzungen im Bereich der Lichterfassungsfläche erhöht ist.
Die Aufgabe wird durch die Gegenstände der unabhängigen Patentansprüche gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind durch die abhängigen Patentansprüche, die folgende Beschreibung sowie die Figuren offenbart.
Durch die Erfindung ist eine Kameravorrichtung zum Erzeugen eines Abbilds einer Umgebung bereitgestellt. Die Kameravorrichtung umfasst dazu eine Bilderfassungseinrichtung, welche wie eingangs beschrieben, als Kamera mit einer eigenen abbildenden Optik ausgebildet sein kann. Ein Lichteinfallsbereich der Bilderfassungseinrichtung für Licht, welches aus der Umgebung auf die Bilderfassungseinrichtung fällt, kann somit durch eine abbildende Optik gebildet sein. Die Bilderfassungseinrichtung ist entsprechend ausgebildet, das einfallende Licht zu erfassen und daraus Bilddaten, die mit dem einfallenden Licht korreliert sind, zu erzeugen. Bevorzugt kann die Bilderfassungseinrichtung auch ausgebildet sein, die Bilddaten bereitzustellen, beispielsweise an eine Anzeigeeinrichtung. Durch Rekonstruktion der Bilddaten mittels der Anzeigeeinrichtung kann somit ein korrektes Abbild der Umgebung, also insbesondere ein scharfes und verzerrtes Abbild, angezeigt werden. Bei einer derartigen Bilderfassungseinrichtung, welche Teil der Kameravorrichtung ist, bildet folglich der Lichteinfallsbereich der Bilderfassungseinrichtung eine Lichterfassungsfläche der Kameravorrichtung.
Um nun die Resilienz der Kameravorrichtung gegenüber Verschmutzungen im Bereich der Lichterfassungsfläche zu erhöhen, umfasst die Kameravorrichtung in der vorliegenden Erfindung eine Vorsatzoptik, welche der Bilderfassungseinrichtung vorgeschaltet ist. Beispielsweise kann die Vorsatzoptik als Glasplatte mit zwei lichtlenkenden Strukturen entlang einer Längserstreckungsrichtung gesehen nacheinander oder als Reflexionsprisma ausgebildet sein. Durch die Vorsatzoptik kann die Lichterfassungsfläche der Kameravorrichtung von dem Lichteinfallsbereich der Bilderfassungseinrichtung räumlich getrennt und insbesondere größer als der Lichteinfallsbereich ausgestaltet sein. Dazu weist die Vorsatzoptik einen Einkoppelbereich und einen Auskoppelbereich auf, wobei sie mit dem Auskoppelbereich an den Lichteinfallsbereich der Bilderfassungseinrichtung angeordnet ist. Der Einkoppelbereich stellt die Lichteinfallsfläche dar und ist ausgebildet, Licht, welches aus der Umgebung auf den Einkoppelbereich fällt, mittels interner Reflexion in einem Trägermedium, zum Beispiel der zuvor genannten Glasplatte, und/oder einer Mikrostruktur auf den Auskoppelbereich umzulenken. Der Auskoppelbereich ist hingegen ausgebildet, das übertragene Licht an den Lichteinfallsbereich der Bilderfassungseinrichtung zu übertragen.
Die räumliche Trennung der Lichterfassungsfläche und des Lichteinfallsbereichs kann somit durch eine Ausgestaltung der Vorsatzoptik, insbesondere deren Form und die Anordnung des Einkoppelbereichs und des Auskoppelbereichs an der Vorsatzoptik, erreicht werden. Zur Vergrößerung der Lichteinfallsfläche im Gegensatz zum Lichteinfallsbereich ist zudem eine Fläche des Einkoppelbereichs größer als eine Fläche des Lichteinfallsbereichs. Somit kann der Einkoppelbereich der Vorsatzoptik die Lichterfassungsfläche der Kameravorrichtung bilden oder darstellen. Durch Vorschalten oder Anordnen der Vorsatzoptik vor den Lichteinfallsbereich der Bilderfassungseinrichtung kann somit ein Verhältnis des Sichtbereichs der Bilderfassungseinrichtung zu der Lichteinfallsfläche verringert werden, indem die Lichterfassungsfläche, also der Einkoppelbereich größer ausgebildet ist als der Lichteinfallsbereich. Durch die vergrößerte Lichterfassungsfläche wäre somit ein deutlich größeres optisches Hindernis, wie beispielsweise eine Verschmutzung nötig, um einen relevanten Teil des Sichtfelds abzuschatten.
Anders ausgedrückt kann die Vorsatzoptik sozusagen als optisches System ausgebildet sein, welches das aus der Umgebung auf die Vorsatzoptik treffende beziehungsweise einfallende Licht, abgelenkt oder umgelenkt. Zum Umlenken des Lichts weist die Vorsatzoptik den Einkoppelbereich und den Auskoppelbereich auf. Der Einkoppelbereich kann das einfallende Licht insbesondere in die Vorsatzoptik, insbesondere in ein Substrat oder Trägermedium der Vorsatzoptik, einkoppeln, wo es mittels interner Reflektion, insbesondere Totalreflektion, an den Auskoppelbereich weitergeleitet und somit auf den Auskoppelbereich umgelenkt wird. Alternativ kann die Vorsatzoptik auch eine Mikrostruktur umfassen, um das Licht aus der Umgebung von dem Einkoppelbereich auf den Auskoppelbereich zu übertragen. Eine Mikrostrukturkann dabei insbesondere eine Struktur sein, die eine Anordnung von Strukturelementen, beispielsweise Mikrolinsen und/oder Mikroprismen, mit einer Dimension kleiner als 1 Millimeter aufweist.
Vorzugsweise kann vorgesehen sein, dass eine Fläche des Einkoppelbereichs um ein Vielfaches größer ist als die Fläche des Lichteinfallsbereich der Bilderfassungseinrichtung. Insbesondere kann die Fläche des Einkoppelbereichs wenigstens 1,5-fach so groß, vorzugsweise wenigstens doppelt so groß wie die Fläche des Lichteinfallsbereichs sein.
Durch Vorschalten der Vorsatzoptik vor die Bilderfassungseinrichtung ergibt sich der Vorteil, dass die Lichterfassungsfläche der Kameravorrichtung bei gleich bleibendem Sichtfeld vergrößert werden. Somit kann eine Verdeckung durch das optische Hindernis im Bereich der Lichterfassungsfläche im Vergleich zum erfassten Sichtfeld reduziert werden. Die Kameravorrichtung weist somit eine erhöhte Resilienz gegenüber optischen Hindernissen im Bereich der Lichterfassungsfläche auf. Weiterhin kann durch die beschriebene Vorsatzoptik auch eine Gegenstandsweite der Kameravorrichtung gestaucht werden. Die Gegenstandsweite beschreibt dabei die Entfernung von der Kameravorrichtung zu einem Objekt in der Umgebung, welches auf dem Abbild der Umgebung scharf dargestellt werden soll. Die Gegenstandsweite kann durch die Vorsatzoptik nämlich in Längserstreckungsrichtung verkürzt werden. Das Licht, insbesondere ein Abbildungsstrahl des Lichts legt nämlich einen Teil des Weges insbesondere in der Vorsatzoptik zurück, sodass die Gegenstandsweite gestaucht wird.
Zu der Erfindung gehören auch Ausführungsformen durch die sich zusätzliche Vorteile ergeben.
Eine Ausführungsform sieht vor, dass die Vorsatzoptik ein Trägermedium umfasst, welches als Lichtleiter ausgebildet ist, d.h. es ist ein Lichtleitmedium. Zum Beispiel kann das Trägermedium als Glasplatte oder Polymerplatte ausgebildet sein. An dem Trägermedium sind entlang einer Längserstreckungsrichtung der Einkoppelbereich und ein Auskoppelbereich angeordnet, d.h. es trägt den Einkoppelbereich und den Auskoppelbereich. Zur Lichtlenkung weist der Einkoppelbereich eine erste Ablenkstruktur auf und der Auskoppelbereich weist eine zweite Ablenkstruktur auf. Die beiden Ablenkstrukturen können insbesondere als Beugungsgitter realisiert sein, an welchen auftreffendes Licht gebeugt und somit abgelenkt wird. Mittels der ersten Ablenkstruktur kann somit der Einkoppelbereich das Licht aus der Umgebung ablenken, sodass es in das Trägermedium einkoppelt. An Grenzflächen des Trägermediums kann das eingekoppelte Licht anschließend reflektieren. Somit kann das Trägermedium das eingekoppelte Licht durch interne Reflektion, insbesondere Totalreflexion, an den Auskoppelbereich übertragen. Mittels der zweiten Ablenkstruktur kann der Auskoppelbereich das übertragene Licht schließlich auskoppeln und an den Lichteinfallsbereich der Bilderfassungseinrichtung bereitstellen.
Mit anderen Worten ist die erste Ablenkstruktur ist ausgebildet, Licht, das aus einer Umgebung auf den Einkoppelbereich fällt, in das Trägermedium einzukoppeln. Das Trägermedium ist ausgebildet, das eingekoppelte Licht mittels interner Reflexion, von dem Einkoppelbereich an den Auskoppelbereich zu übertragen. Die zweite Ablenkstruktur ist ausgebildet, das übertragene Licht, das auf den Auskoppelbereich fällt, aus dem Trägermedium auszukoppeln.
Das Trägermedium kann vorzugsweise als Platte, insbesondere als transparente Platte, ausgebildet sein. Als Platte kann in der vorliegenden Beschreibung ein quaderförmiges Gebilde beziehungsweise Element bezeichnet werden, dessen mittlere Materialstärke, also dessen Dicke beziehungsweise Höhe, kleiner ist als dessen Länge und/oder Breite. Insbesondere kann die mittlere Materialstärke kleiner als 20 Prozent der Länge und/oder Breite, vorzugsweise kleiner als 10 Prozent der Länge und/oder Breite, besonders bevorzugt kleiner als 5 Prozent der Länge und/oder Breite sein. Eine derartige quaderförmige Platte weist in der Regel sechs Seitenflächen auf. Im Folgenden werden die beiden Seitenflächen, die von direkt aneinander liegenden Längs- und Breitenkanten beziehungsweise Längs- und Breitseiten der Platte eingeschlossen sind, als Oberflächen der Platten bezeichnet. Hingegen können die übrigen vier Seitenflächen, die von direkt aneinander liegenden Längs- und Hochkanten beziehungsweise Längs- und Hochseiten oder Breit- und Hochkanten beziehungsweise Breit- und Hochseiten eingeschlossen sind, als Mantelflächen der Platte bezeichnet werden.
Als Material für das Trägermedium kann sich insbesondere Glas oder Quarzglas oder ein Polymer, auch Kunststoff genannt, wie beispielsweise ein Fotopolymer eignen.
Vorzugsweise können der Einkoppelbereich und der Auskoppelbereich in unterschiedlichen Abschnitten des Trägermediums angeordnet sein. Beispielsweise können sie entlang der Längserstreckungsrichtung auf einer gleichen Oberfläche oder auf gegenüberliegenden Oberflächen des Trägermediums ausgebildet sein. Die erste und zweite Ablenkstruktur können insbesondere als Beugungsstruktur, oder als Brechungsstruktur ausgebildet sein, um Licht welches auf die Ablenkstruktur trifft zu reflektieren, zu beugen oder zu brechen.
Eine weitere Ausführungsform sieht vor, dass der Einkoppelbereich und der Auskoppelbereich als Ablenkstruktur zumindest ein optisches Gitter, insbesondere ein holografisches Volumengitter oder ein holografisches Oberflächengitter, aufweisen.
Ein optisches Gitter, auch Beugungsgitter genannt, sowie dessen Wirkungsweise und Herstellungsverfahren ist allgemein bekannt. Grundsätzlich kann ein optisches Gitter als zumindest abschnittsweise periodische Strukturen, sogenannte Gitterstrukturen, in einem Substrat ausgebildet sein. Mittels der Gitterstruktur kann ein optisches Gitter durch den physikalischen Effekt der Beugung eine Lichtlenkung, wie sie zum Beispiel von Spiegeln, Linsen oder Prismen bekannt ist, herbeiführen. Fällt Licht, das heißt fallen Lichtstrahlen auf das optische Gitter, wobei die einfallenden Lichtstrahlen insbesondere die Bragg-Gleichung erfüllen, werden die Lichtstrahlen durch das optische Gitter gebeugt oder abgelenkt. Die Lichtlenkung kann somit insbesondere durch Interferenzerscheinungen der durch das optische Gitter gebeugten Lichtstrahlen erfolgen. Die Ablenkstruktur des Einkoppelbereichs oder Auskoppelbereichs kann dementsprechend auch als Beugungsstruktur bezeichnet werden.
Vorzugsweise kann ein optisches Gitter gegenüber dem einfallenden Licht richtungsselektiv oder winkelselektiv ausgebildet sein. Somit kann nur Licht, insbesondere ein Anteil des Lichts, das aus einer vorbestimmten Einfallsrichtung, zum Beispiel in einem vorbestimmten Winkel, auf ein optisches Gitter fällt, abgelenkt werden. Licht, insbesondere ein Anteil des Lichts, das aus einer anderen Richtung auf das optische Gitter fällt, wird vorzugsweise nicht abgelenkt oder umso weniger, je größer der Unterschied zur vorbestimmten Einfallsrichtung ist. Der Lichtanteil, welcher von der vorbestimmten Einfallsrichtung oder Optimaleinfallsrichtung abweicht, kann folglich vorzugsweise ungehindert durch das Substrat mit dem optischen Gitter propagieren.
Zusätzlich oder alternativ kann ein optisches Gitter noch wellenlängenselektiv oder frequenzselektiv ausgebildet sein. Somit kann nur Licht, insbesondere ein erster Anteil des Lichts mit einer vorbestimmten Wellenlänge von dem optischen Gitter in einem bestimmten Beugungswinkel abgelenkt oder gebeugt werden. Licht, insbesondere ein zweiter Anteil des Lichts mit einer anderen als der vorbestimmten Wellenlänge wird vorzugsweise nicht abgelenkt, oder umso weniger je größer der Unterschied zur vorbestimmten Wellenlänge ist. Der zweite Lichtanteil, welcher von der vorbestimmten Wellenlänge oder Optimalwellenlänge abweicht, kann folglich vorzugsweise ungehindert durch das Substrat mit dem optischen Gitter propagieren. Dadurch kann beispielsweise von polychromatischem Licht, welches auf das optische Gitter trifft, wenigstens ein monochromatischer Lichtanteil abgespaltet werden. In vorteilhafter Weise ist der Ablenkeffekt für die Optimalwellenlänge maximal und fällt zu längeren und kürzeren Wellenlängen hin, beispielsweise gemäß einer Gaußglocke, ab oder wird schwächer. Insbesondere wirkt der Ablenkeffekt nur auf einen Bruchteil des sichtbaren Lichtspektrums und/oder in einem Winkelbereich kleiner als 90 Grad.
Eine Herstellung eines optischen Gitters kann insbesondere mittels Belichtung eines Substrats, also beispielsweise fotolithografisch oder holografisch, erfolgen. In diesem Zusammenhang kann das optische Gitter dann auch als holografisches oder holografisch-optisches Gitter bezeichnet werden. Es sind zwei Arten von holografisch-optischen Gittern bekannt: holografische Oberflächengitter (surface holografic gratings, kurz: SHG) und holografische Volumengitter (volume holografic gratings, kurz: VHG). Bei einem holografischen Oberflächengitter kann die Gitterstruktur durch optisches Verformen einer Oberflächenstruktur des Substrats erzeugt werden. Durch die veränderte Oberflächenstruktur kann auftreffendes Licht abgelenkt, zum Beispiel reflektiert werden. Beispiele für holografische Oberflächengitter sind sogenannte Sägezahn- oder Blazegitter. Im Gegensatz dazu kann die Gitterstruktur bei holografischen Volumengittern in das ganze Volumen oder einen Teilbereich des Volumens des Substrats eingearbeitet sein. Holografische Oberflächengitter und holografische Volumengitter sind in der Regel frequenzselektiv. Es sind jedoch auch optische Gitter bekannt die polychromatisches Licht beugen können. Diese werden als holografische Mehrfachvolumengitter (multiplexed volume holografic gratings, kurz: MVHG) bezeichnet und können beispielsweise durch Verändern der Periodizität der Gitterstruktur eines optischen Gitters oder durch Anordnen mehrerer holografisches Volumengitter hintereinander oder parallel zueinander hergestellt werden.
Als Material für das besagte Substrat zum Einarbeiten eines optischen Gitters eignet sich besonders Glas oder Quarzglas. Alternativ kann auch ein Polymer, insbesondere ein Fotopolymer, oder eine Folie, insbesondere eine fotosensitive Folie, zum Beispiel aus Kunststoff oder organischen Stoffen verwendet werden. Zur Verwendung derartiger Substrate für die Kameravorrichtung, sollte jedoch beachtet werden, dass das Material, insbesondere in Substratform, lichtwellenleitende Eigenschaften aufweist. Substrate die eine Ablenkstruktur zum Beugen von Licht, beispielsweise in Form eines optischen Gitters aufweisen, können auch als holografisch-optische Elemente (HOE) bezeichnet werden.
Eine weitere Ausführungsform sieht vor, dass der Einkoppelbereich als die erste Ablenkstruktur zumindest ein optisches Gitter mit einer Bündelungsgitterstruktur aufweist. Als Bündelungsgitterstruktur oder Sammelgitterstruktur kann eine Struktur oder Ausgestaltung des optischen Gitters, beispielsweise in Bezug auf einen Gitterabstand oder eine Anzahl von Gitterstrukturen in dem Substrat oder eine äußere Form des Substrats in welches das optische Gitter eingearbeitet ist, verstanden werden. Ein derartig ausgebildetes optisches Gitter kann auch als Bündelungsgitter oder Sammelgitter bezeichnet werden und kann ähnlich einer Sammellinse zur Lichtbündelung eingesetzt werden. Das heißt, es werden einzelne Lichtstrahlen des Lichts, das aus der Umgebung auf den Einkoppelbereich fällt, in Abhängigkeit von einem Einfallsort auf dem Einkoppelbereich unterschiedlich stark abgelenkt und zwar derart, dass sich die Lichtstrahlen zum Auskoppelbereich hin bündeln oder sammeln oder konzentrieren. Mit anderen Worten ist die erste Ablenkstruktur dazu ausgebildet, das Licht, insbesondere die Lichtstrahlen, zum Auskoppelbereich hin zu bündeln. Eine Bündelungsgitterstruktur kann beispielsweise durch ein holografisches Oberflächengitter, welches in ein Substrat mit konvexer, insbesondere plankonvexer Oberflächenform eingearbeitet ist, realisiert sein.
Weiterhin weist der Auskoppelbereich als die zweite Ablenkstruktur zumindest ein optisches Gitter mit einer Zerstreuungsgitterstruktur auf. Als Zerstreuungsgitterstruktur kann ebenfalls eine Struktur oder Ausgestaltung des optischen Gitters, beispielsweise in Bezug auf einen Gitterabstand oder eine Anzahl von Gitterstrukturen in dem Substrat oder eine äußere Form des Substrats in welches das optische Gitter eingearbeitet ist, verstanden werden. Ein derartig ausgebildetes optisches Gitter kann auch als Zerstreuungsgitter bezeichnet werden und kann ähnlich einer Zerstreuungslinse zur Lichtstreuung eingesetzt werden. Das heißt, es werden einzelne Lichtstrahlen des Lichts, das aus der Umgebung auf den Auskoppelbereich fällt, in Abhängigkeit von einem Einfallsort auf dem Auskoppelbereich unterschiedlich stark abgelenkt und zwar derart, dass sich die Lichtstrahlen aus dem gebündelten Zustand heraus zerstreuen und insbesondere parallelisieren. Das heißt, die Lichtstrahlen verlaufen zum Einkoppeln in den Lichteinfallsbereich der Bilderfassungseinrichtung parallel zueinander. Mit anderen Worten ist die zweite Ablenkstruktur dazu ausgebildet, das gebündelte Licht, insbesondere die gebündelten Lichtstrahlen, zum Übertragen an die Bilderfassungseinrichtung zu parallelisieren. Eine Bündelungsgitterstruktur kann beispielsweise durch ein holografisches Oberflächengitter, welches in ein Substrat mit konkaver, insbesondere plankonkaver Oberflächenform eingearbeitet ist, realisiert sein.
Hierdurch ergibt sich der Vorteil, dass eine Lichtintensität für das Licht, welches über den Lichteinfallsbereich in die Bilderfassungseinrichtung einfällt, erhöht oder verstärkt ist.
Eine weitere Ausführungsform sieht vor, dass der Einkoppelbereich und der Auskoppelbereich einstückig mit dem Trägermedium ausgebildet sind. Der Einkoppelbereich und der Auskoppelbereich können somit beispielsweise direkt in eine Oberflächenstruktur des Trägermediums eingearbeitet sein. Das heißt, die Ablenkstruktur kann beispielsweise in die Oberfläche des Trägermediums geätzt oder gelasert sein. Somit kann das Trägermedium selbst als HOE ausgebildet sein.
Eine weitere Ausführungsform sieht vor, dass das Trägermedium als separates Element zu dem Einkoppelbereich und dem Auskoppelbereich ausgebildet ist. Das heißt, Einkoppelbereich, Auskoppelbereich und Trägermedium können separat ausgebildet sein. Zum Beispiel können der Einkoppelbereich und der Auskoppelbereich wenigstens ein erstes Element bilden und das Trägermedium kann ein zweites Element bilden, welches an dem ersten Element anliegt. Somit können der Einkoppelbereich und der Auskoppelbereich in wenigstens einem HOE ausgebildet sein. Beispielsweise können der Einkoppelbereich und der Auskoppelbereich in unterschiedlichen Abschnitten einer holografischen Folie oder Platte ausgebildet sein. Zum Befestigen der Folie oder Platte an dem Trägermedium kann die Folie oder Platte an das Trägermedium angeklebt sein. Alternativ kann die holografische Folie auch als Adhäsionsfolie ausgebildet sein und direkt, also ohne Klebstoff, durch molekulare Kräfte an der Oberfläche des Trägermediums haften.
Eine weitere Ausführungsform sieht vor, dass die Bilderfassungseinrichtung mit dem Lichteinfallsbereich an dem Auskoppelbereich anliegt und eine Fläche des Auskoppelbereichs vollständig mit einer Fläche des Lichteinfallsbereichs überlappt. Das heißt, die Fläche des Auskoppelbereichs und des Lichteinfallsbereichs der Bilderfassungseinrichtung stimmt überein. Weiterhin kann der Auskoppelbereich derart an dem Lichteinfallsbereich angeordnet sein, dass die Fläche des Auskoppelbereichs bündig mit der Fläche des Lichteinfallsbereich abschließt.
Somit kann sichergestellt werden, dass das Licht, welches aus dem Auskoppelbereich ausgekoppelt wird, vollständig an den Lichteinfallsbereich der Bilderfassungseinrichtung übertragen wird.
Eine weitere Ausführungsform sieht vor, dass die Bilderfassungseinrichtung wenigstens eine Linse in dem Lichteinfallsbereich aufweist. Die Bilderfassungseinrichtung kann somit beispielsweise eine Optik oder ein Objektiv umfassen. Bevorzugt ist bei der Kameravorrichtung vorgesehen, dass ausschließlich der Lichteinfallsbereich der Bilderfassungseinrichtung Linsen aufweist. Die Vorsatzoptik kann somit bevorzugt linsenfrei sein.
Eine weitere Ausführungsform sieht vor, dass die Vorsatzoptik ein Trägermedium umfasst, dessen Oberfläche als Anordnung von Mikrostrukturen, insbesondere als Mikrolinsenarray, oder als Mikrospiegelarray, oder als Mikroprismenarray, ausgebildet ist. Derartige Mikrostrukturen können auch als Mikrooptiken oder mikrooptische Bauteile bezeichnet werden. Mikrooptiken können beispielsweise als Linsen, Spiegel oder Prismen ausgebildet sein, deren Abmessungen jedoch nur wenige Größenordnungen über der Wellenlänge des sie bestrahlenden Lichts liegt.
Eine weitere Ausführungsform sieht vor, dass die Vorsatzoptik als Reflexionsprisma ausgebildet ist, dessen eine Fläche den Einkoppelbereich bildet und dessen weitere Fläche den Auskoppelbereich bildet. Ein Reflexionsprisma oder Umlenkprisma ist ein Prisma, bei welchem im Unterschied zu einem Dispersionsprisma, eine wellenabhängige Lichtbrechung, also eine Aufspaltung des Lichts nach Wellenlängenanteilen, vermieden wird. Stattdessen kann Licht, welches insbesondere in einem vorbestimmten Winkel von außen auf eine Grenzfläche trifft und in das Reflexionsprisma einkoppelt, an den Grenzflächen in dem Reflexionsprisma reflektieren, insbesondere totalreflektieren. Trifft das Licht dabei erneut in dem vorbestimmten Winkel von innen auf eine Grenzfläche des Reflexionsprismas kann es aus dem Reflexionsprisma auskoppeln. In vorteilhafter Weise entsprich der vorbestimmten Winkel etwa 90 Grad. Das heißt, das Licht trifft vorwiegend senkrecht auf den Einkoppelbereich und den Auskoppelbereich. Die Grenzfläche über die das Licht aus der Umgebung in das Reflexionsprisma einkoppelt kann somit den Einkoppelbereich darstellen wohingegen die Grenzfläche über die das Licht aus dem Reflexionsprisma auskoppelt den Auskoppelbereich darstellen kann.
Somit ist der Einkoppelbereich ausgebildet, Licht, welches aus der Umgebung auf den Einkoppelbereich fällt, in das Reflexionsprisma einzukoppeln. Das Reflexionsprisma ist ausgebildet, das eingekoppelte Licht mittels interner Reflexion von dem Einkoppelbereich an den Auskoppelbereich zu übertragen. Schließlich ist der Auskoppelbereich ausgebildet, das übertragene Licht, welches auf den Auskoppelbereich fällt, aus dem Reflexionsprisma auszukoppeln.
Die Erfindung umfasst auch die Kombinationen der Merkmale der beschriebenen Ausführungsformen.
Im Folgenden sind Ausführungsbeispiele der Erfindung beschrieben. Hierzu zeigt:

1 eine schematische Darstellung einer Kameravorrichtung zum Erzeugen eines Abbilds einer Umgebung mit einer Bilderfassungseinrichtung, wie sie beispielsweise aus dem Stand der Technik bekannt ist;
2 eine schematische Darstellung einer vorteilhaften Ausgestaltung einer Kameravorrichtung mit einer Bilderfassungseinrichtung, welcher eine Vorsatzoptik vorgeschaltet ist,
3 eine schematische Darstellung einer bevorzugten Ausgestaltung der Vorsatzoptik, wie sie in 2 gezeigt ist;
4 eine schematische Darstellung einer vorteilhaften Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Kameravorrichtung mit einer ersten alternativen Ausgestaltung der Vorsatzoptik; und
5 eine schematische Darstellung einer vorteilhaften Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Kameravorrichtung mit einer zweiten alternativen Ausgestaltung der Vorsatzoptik.

Bei den im Folgenden erläuterten Ausführungsbeispielen handelt es sich um bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung. Bei den Ausführungsbeispielen stellen die beschriebenen Komponenten der Ausführungsformen jeweils einzelne, unabhängig voneinander zu betrachtende Merkmale der Erfindung dar, welche die Erfindung jeweils auch unabhängig voneinander weiterbilden. Daher soll die Offenbarung auch andere als die dargestellten Kombinationen der Merkmale der Ausführungsformen umfassen. Des Weiteren sind die beschriebenen Ausführungsformen auch durch weitere der bereits beschriebenen Merkmale der Erfindung ergänzbar.
In den Figuren bezeichnen gleiche Bezugszeichen jeweils funktionsgleiche Elemente.
1 zeigt eine schematische Darstellung einer Kameravorrichtung K' zum Erzeugen eines Abbilds einer Umgebung, mit einer Bilderfassungseinrichtung B, wie sie beispielsweise aus dem Stand der Technik bekannt ist. Die Bilderfassungseinrichtung B kann beispielsweise als Kamera, insbesondere als digitaler Fotoapparat oder Videokamera oder als Smartphone mit einer Kamera ausgebildet sein kann. Zum Aufnehmen oder Erzeugen einen optischen Abbilds einer realen Umgebung, insbesondere eines Objekts in der Umgebung kann die Bilderfassungseinrichtung B beispielsweise eine Auswerteeinrichtung, einen Bildsensor und eine abbildende Optik, wie beispielsweise ein Objektiv (in 1 nicht gezeigt) umfassen. Mittels des Objektivs kann Licht S, insbesondere Lichtstrahlen, welches aus der Umgebung, insbesondere von einem Objekt der Umgebung, auf das Objektiv fällt, auf dem Bildsensor umgelenkt und somit abgebildet werden. Bei auftreffen auf den Bildsensor kann eine Lichtinformation in ein elektrisches Signal umgewandelt werden. Die Auswerteeinrichtung kann den Bildsensor, insbesondere das elektrische Signal auslesen und daraus die Bilddaten erzeugen. Dadurch kann mit der Bilderfassungseinrichtung B und somit auch mit der Kameravorrichtung K', wie sie in 1 gezeigt ist, ein optisches Abbild einer realen Umgebung oder des Objekts in der Umgebung erzeugt oder aufgenommen werden. Eine Fläche, über oder durch die das Licht S aus der Umgebung in die Bilderfassungseinrichtung B fällt, kann auch als Lichteinfallsbereich L der Bilderfassungseinrichtung bezeichnet werden. Der Lichteinfallsbereich L kann somit eine Lichterfassungsfläche F der Kameravorrichtung K' für das Licht S darstellen.
Bevorzugt kann die Bilderfassungseinrichtung B dabei derart ausgebildet sein, dass nur das Objekt in der Umgebung oder der Teilbereich der Umgebung auf der optischen Abbildung scharf dargestellt werden kann, welches sich in einer Gegenstandsebene G befindet. Ein Abstand von der Bilderfassungseinrichtung B, insbesondere dem Lichteinfallsbereich L zu der Gegenstandsebene G kann als Gegenstandsweite g bezeichnet werden. Die Gegenstandsweite g und somit auch die Position oder der Abstand der Gegenstandsebene G im Vergleich zur Bilderfassungseinrichtung B kann insbesondere von einer Abbildungscharakteristik der abbildenden Optik der Bilderfassungseinrichtung B bestimmt werden.
Derjenige Bereich in der Gegenstandsebene G, der mittels der Bilderfassungseinrichtung B erfasst werden kann, kann als Sichtbereich c oder Sichtfeld bezeichnet werden. Der Sichtbereich c kann beispielsweise ebenfalls von der Abbildungscharakteristik der abbildenden Optik, also zum Beispiel einer Art des Objektivs oder einer Blendenöffnung, der Bilderfassungseinrichtung B, oder der Gegenstandsweite G, abhängen. In der Regel haben Kameravorrichtungen K', mit einer Bilderfassungseinrichtung B, wie sie in 1 gezeigt ist, beispielsweise durch die Größe ihres Bildsensors, sowie eine Blenden- und Objektivöffnung einen im Verhältnis zum Sichtfeld c kleinen Lichteinfallsbereichs L beziehungsweise eine kleine Lichterfassungsfläche F.
Wird nun beispielsweise der Lichteinfallsbereich L der Bilderfassungseinrichtung B durch ein optisches Hindernis D verdeckt, kann eine Abschattung auf dem Bildsensor entstehen, sodass das Abbild der Umgebung nur noch einen Teilbereich des tatsächlichen Sichtfelds c der Bilderfassungseinrichtung B zeigt. Ein optisches Hindernis D kann beispielsweise eine Verschmutzung oder ein Wassertropfen auf dem Objektiv, insbesondere einer Abschlusslinse des Objektivs sein. Alternativ oder zusätzlich kann auch ein Finger eines Nutzers sein, welcher einen Teil des Lichteinfallsbereichs L der Bilderfassungseinrichtung B verdeckt, das optische Hindernis bilden.
Wie in 1 gezeigt kann durch das optische Hindernis D, also die Verdeckung eines Teilbereichs des Lichteinfallsbereichs L durch das optische Hindernis D der Sichtbereich c, insbesondere das verdeckungsfreie Sichtfeld c, reduziert werden. Somit kann der Sichtbereich c durch das optische Hindernis D in ein Verdeckungsfeld a und ein Freisichtfeld b unterteilt werden. Das Verdeckungsfeld a beschreibt einen verdeckten Anteil des Sichtfelds c und das Freisichtfeld b beschreibt einen noch freien Anteil des Sichtfelds c. Über das Verdeckungsfeld a kann somit kein Licht S aus der Umgebung mehr auf den Lichteinfallsbereichs L der Bilderfassungseinrichtung B fallen. Somit kann nur noch über das Freisichtfeld b Licht von der Bilderfassungseinrichtung B detektiert werden. Anders ausgedrückt, wird der Sichtbereich c durch das optische Hindernis D eingeschränkt. Das resultierende optische Abbild der Umgebung umfasst entsprechend auch zwei Bildausschnitte, nämlich einen verdeckten Bildausschnitt und einen freien Bildausschnitt. Nur auf dem freien Bildausschnitt ist dann zumindest ein Teilbereich der gewünschten abzubildenden Umgebung zu sehen.
Um nun eine Resilienz oder Widerstandskraft der Kameravorrichtung K', wie sie in 1 dargestellt ist, gegenüber einem oder mehreren optischen Hindernissen im Bereich der Lichteinfallsfläche F, auch Lichteinkoppelfläche genannt, zu erhöhen, kann der Bilderfassungseinrichtung B, wie in 2 gezeigt, eine Vorsatzoptik V vorgeschaltet sein, wodurch sich die Kameravorrichtung K ergibt. Die abbildende Optik kann somit insbesondere vollständig durch die Bilderfassungseinrichtung B umfasst sein. Die Vorsatzoptik V ist folglich insbesondere linsenfrei. Hierzu ist vorgesehen, dass mittels der Vorsatzoptik V die Lichteinfallsfläche F der Kameravorrichtung K im Gegensatz zu der Kameravorrichtung K' vergrößert wird. Somit beeinflusst ein optisches Hindernis im Lichteinfallsbereich F, den Sichtbereich c der Bilderfassungseinrichtung B weniger.
In der Ausgestaltung der Kameravorrichtung K, wie sie in 2 dargestellt ist, umfasst die Vorsatzoptik V ein Trägermedium T, welches beispielsweise als Glasplatte oder Kunststoffplatte ausgebildet ist. Bei dem Trägermedium T sollte darauf geachtet werden, dass es lichtleitende Eigenschaften aufweist und somit Licht mittels interner Reflexion, insbesondere Totalreflexion, leitet. Entlang einer Längserstreckungsrichtung des Trägermediums T sind ein Einkoppelbereich E und ein Auskoppelbereich A angeordnet. Über den Einkoppelbereich E wird Licht S, welches aus der Umgebung auf den Einkoppelbereich E fällt, in das Trägermedium T eingekoppelt und mittels interner Reflexion auf den Auskoppelbereich A umgelenkt, also an den Auskoppelbereich A übertragen. Um nun das Licht an die Bilderfassungseinrichtung B, insbesondere an deren Bildsensor, zu übertragen, ist die Vorsatzoptik V mit dem Auskoppelbereich A an den Lichteinfallsbereich L der Bilderfassungseinrichtung B angeordnet. Wie in 2 gezeigt, kann insbesondere vorgesehen sein, dass eine Fläche des Auskoppelbereichs A mit einer Fläche des Lichteinfallsbereichs L abschließt, sodass das auf den Auskoppelbereich A umgelenkte Licht S vollständig über oder durch den Lichteinfallsbereichs L in die Bilderfassungseinrichtung B fällt.
Somit stellt bei einer derartigen Ausgestaltung der Kameravorrichtung K, wie sie in 2 gezeigt ist, der Einkoppelbereich E die Lichterfassungsfläche F der Kameravorrichtung K dar. Um nun die genannte Vergrößerung der Lichteinfallsfläche F der Kameravorrichtung K im Vergleich zu der Kameravorrichtung K' in 1 zu erreichen, ist die Fläche des Einkoppelbereichs E größer ausgebildet als die Fläche des Lichteinfallsbereichs L der Bilderfassungseinrichtung B und somit auch größer als eine Fläche des Auskoppelbereichs A. Um das gesamte Licht S aus der von dem Sichtbereich c eingeschlossenen Umgebung dennoch auf den kleineren Lichteinfallsbereich L zu übertragen, ist der Einkoppelbereich bevorzugt dazu ausgebildet, das Licht S zu bündeln und entsprechend das gebündelte Licht auf den Auskoppelbereich A umzulenken.
Durch Anordnen der Vorsatzoptik V in der beschriebenen Weise an der Bilderfassungseinrichtung B können somit die Lichteinfallsfläche F der Kameravorrichtung K und der Lichteinfallsbereich B der Bilderfassungseinrichtung B räumlich getrennt werden. Anders ausgedrückt, ist der die Lichteinfallsfläche F der Kameravorrichtung K nicht mehr durch den Lichteinfallsbereich L der Bilderfassungseinrichtung B limitiert.
Wird in diesem Fall nun die Lichteinfallsfläche F der Kameravorrichtung K durch das optische Hindernis D im gleichen Maße verdeckt, wie der Lichteinfallsbereich L der Kameravorrichtung K' in 1, wirkt sich die Verdeckung bei gleich bleibendem Sichtbereich c weniger stark auf das optische Abbild der Umgebung aus. Mit der Vorsatzoptik V der Kameravorrichtung K ergibt sich bei Verdeckung der Lichteinfallsfläche F durch das optische Hindernis D nämlich nur ein Verdeckungsfeld a' und ein Freisichtfeld b'. Dabei ist das Verdeckungsfeld a' kleiner als das Verdeckungsfeld a (a' < a) der Kameravorrichtung K' in 1. Somit ist auch das Freisichtfeld b' der Kameravorrichtung K mit Vorsatzoptik V bei gleich bleibendem Sichtbereich c größer als das Freisichtfeld b der Kameravorrichtung K' ohne Vorsatzoptik V aus 1 (b' > b). Folglich weist die die Kameravorrichtung K, wie sie in 2 gezeigt ist, eine erhöhte Resilienz gegenüber Verschmutzungen im Bereich der Lichteinfallsfläche F auf.
Zusätzlich ergibt sich durch die Vorsatzoptik V auch der Vorteil, dass eine Gegenstandsweite g' der Kameravorrichtung K verkürzt ist im Gegensatz zu der Gegenstandsweite g der Kameravorrichtung K ohne Vorsatzoptik V aus 1. Durch die Vorsatzoptik V kann die Gegenstandsweite g nämlich auf die Gegenstandsweite g' gestaucht werden, da das Licht S einen Teil des Wegs von der Gegenstandsebene G zu dem Lichteinfallsbereich L in der Vorsatzoptik V zurücklegt. Das heißt, um einen gleichen Bereich in der Umgebung, also ein gleich großes Sichtfeld, zu fotografieren oder auf einem optischen Abbild abzubilden, muss ein Nutzer mit der Kameravorrichtung K' gemäß 1 wesentlich weiter von der Gegenstandsebene entfernt sein, als ein Nutzer mit der Kameravorrichtung K.
An folgendem Beispiel kann der Einsatz der beschriebenen Vorsatzoptik V beispielhaft erklärt werden. Es könnte beispielsweise ein Wassertropfen als optisches Hindernis mit einer Fläche von 25 Quadratmillimeter auf einem Lichteinfallsbereichs L einer als Smartphone ausgebildeten Bilderfassungseinrichtung B fallen. Dabei weist der Lichteinfallsbereich L des Smartphones lediglich eine Fläche von 8 Quadratmillimeter auf. Somit wird der Wassertropfen eine Abschattung erzeugen, die den gesamten Lichteinfallsbereich L des Smartphones betrifft. Der Nutzer des Smartphones könnte mit dem Wassertropfen auf der Kamera des Smartphone somit keine Bilder oder Abbilder der Umgebung mehr aufnehmen. Nun könnte der Lichteinfallsbereich L des Smartphones durch Vergrößern der Lichteinfallsfläche F mittels einer Vorsatzoptik V, wie sie zuvor beschrieben wurde, vergrößert werden. Die Vorsatzoptik V könnte dabei derart gewählt werden, dass der Einkoppelbereich E beispielsweise eine Fläche von 40x20 Millimeter aufweist, sodass die Lichteinfallsfläche F auf 800 Quadratmillimeter vergrößert werden würde. Fällt nun der Wassertropfen mit 25 Quadratmillimeter Fläche auf die Lichteinfallsfläche F, würden dennoch 775 Quadratmillimeter des Einkoppelbereichs E zum Erzeugen eines optischen Abbilds zur Verfügung stehen. Der Wassertropfen würde das Smartphone mit Vorsatzoptik V, insbesondere eine Aufnahmefunktion des Smartphones zum Erzeugen des Abbilds der Umgebung, somit kaum beeinträchtigen.
Um die Funktion der Vorsatzoptik V gemäß 2 zu beschreiben, zeigt 3 eine schematische Darstellung einer vorteilhaften Ausgestaltung der Vorsatzoptik V. 1 zeigt dabei ein Schnittbild der Vorsatzoptik V, bei dem die Vorsatzoptik V mit einem Schnitt entlang einer Längserstreckungsachse dargestellt ist Die Vorsatzoptik V in 3 umfasst als ein Trägermedium T zwei separate Platten, beispielsweise Glasplatten oder Polymerplatten, zum Beispiel aus Polymethylmethacrylat (PMMA), die als Lichtleiter ausgebildet sind. Weiterhin umfasst die Vorsatzoptik V auch ein separat zu dem Trägermedium T ausgebildetes holografisch-optisches Element H, im Folgenden HOE abgekürzt, welches beispielsweise aus einer Fotopolymerfolie gebildet sein kann. HOEs sind im Allgemeinen als optische Bauelemente bekannt, welchen mittels Belichtung, zum Beispiel holografisch oder fotolithografisch, lichtlenkende Eigenschaften eingearbeitet oder eingeprägt werden können. Dazu kann in ein lichtaktives Substrat, wie einer Fotopolymerfolie, durch Belichtung ein optisches Gitter eingearbeitet werden. Entsprechend einer Gitterstruktur des optischen Gitters kann somit eine Lichtlenkung, insbesondere eine Beugung des Lichts, welches auf das Gitter trifft, erfolgen. Anders ausgedrückt, nutzen HOEs den physikalischen Effekt der Beugung, um verschiedene Varianten der Lichtlenkung herbeizuführen.
Trägermedium T und HOE H sind in 3 als separate Elemente ausgebildet dargestellt, die zum Bilden der Vorsatzoptik V in einer Sandwichbauweise aufgebaut sind. Die beiden Polymerplatten des Trägermediums T bilden die Deckschichten und das HOE H bildet den Kern der Vorsatzoptik V. Das Trägermedium T in Sandwichbauweise ist aber nur eine beispielhafte Ausführungsform. Alternativ kann auch nur eine Platte als Trägermedium vorgesehen sein. Der Einkoppelbereich und der Auskoppelbereich können dann beispielsweise entlang der Längserstreckungsrichtung direkt in einer Oberfläche oder in gegenüberliegenden Oberflächen des Trägermediums T ausgebildet sein.
In 3 sind an dem Trägermedium T der Einkoppelbereich E und ein Auskoppelbereich A angeordnet. Der Einkoppelbereich E und der Auskoppelbereich A der Vorsatzoptik V sind insbesondere durch das HOE H bereitgestellt. Dabei sind der Einkoppelbereich E und der Auskoppelbereich A in unterschiedlichen Abschnitten insbesondere entlang einer Längserstreckungsrichtung des HOE H ausgebildet. Zur Lichtlenkung weist der Einkoppelbereich E weist eine erste Ablenkstruktur A1 in Form eines zuvor beschriebenen optischen Gitters auf. Der Einkoppelbereich ist in 3 als holografisches Volumengitter dargestellt. Die erste Ablenkstruktur A1 des Einkoppelbereichs E ist dazu ausgebildet ist, Licht S, das aus der Umgebung auf die den Einkoppelbereich E fällt, in das Trägermedium T einzukoppeln. Das heißt, das Licht S aus der Umgebung wird durch die erste Ablenkstruktur A1 umgelenkt. Das eingekoppelte Licht S wird dann mittels interner Reflexion, insbesondere Totalreflexion, an den zur Umgebung ausgerichteten Grenzflächen des Trägermediums T reflektiert und somit von dem Einkoppelbereich E an den Auskoppelbereich A übertragen. Vorzugsweise weisen die Polymerplatten und das HOE H denselben Brechungsindex auf, sodass eine Lichtbrechung an den Grenzflächen zwischen HOE H und Polymerplatten vermieden wird. Analog zu dem Einkoppelbereich E, weist auch der Auskoppelbereich A eine Ablenkstruktur, nämlich die zweite Ablenkstruktur A2 auf, die dazu ausgebildet ist, das übertragene Licht S, das auf den Auskoppelbereich A fällt, aus dem Trägermedium T auszukoppeln. Analog zu dem Einkoppelbereich E ist auch der Auskoppelbereich A in 3 als holografisches Volumengitter ausgebildet. Durch Nutzen eines HOE H zur Lichtlenkung kann die Kameravorrichtung K, wie sie in 2 abgebildet ist, auch als HoloCam bezeichnet werden.
Wie zuvor beschrieben, ist eine Fläche des Einkoppelbereichs E größer als eine Fläche des Auskoppelbereichs A, um die Lichteinfallsfläche F der Kameravorrichtung K zu vergrößern. Die erste Ablenkstruktur A1 des Einkoppelbereichs E ist entsprechend als ein optisches Gitter mit einer Bündelungsgitterstruktur ausgebildet. Somit kann das Licht S, welches aus der Umgebung auf die erste Ablenkstruktur A1 trifft, unterschiedlich stark abgelenkt werden, wodurch das Licht S zum Auskoppelbereich A hin gebündelt wird. Zum Bereitstellen des Lichts S an die Bilderfassungseinrichtung B ist die zweite Ablenkstruktur A2 des Auskoppelbereichs A als optisches Gitter mit einer Zerstreuungsgitterstruktur ausgebildet. Auch in der Zerstreuungsgitterstruktur werden die Lichtstrahlen unterschiedlich stark abgelenkt, wobei das Licht zum Übertragen an die Bilderfassungseinrichtung B wieder parallelisiert. Anders ausgedrückt, können die einzelnen Lichtstrahlen des Lichts S durch die zweite Ablenkstruktur A2 gleichgereichtet oder gleichlaufend angeordnet werden. Somit kann das von der ersten Ablenkstruktur A1 gebündelte Licht S durch die zweite Ablenkstruktur A2 wieder zerstreut werden.
Die in 3 gezeigte Vorsatzoptik V könnte in dieser Ausgestaltungbeispielsweise auch eine abbildende Optik einer Kamera, also beispielsweise das Objektiv einer Kamera ersetzen. Dementsprechend könnte die Bilderfassungseinrichtung B lediglich als ein Bildsensor ausgebildet sein, welcher an einer Lichtauskoppelfläche des Trägermediums T angeordnet ist, um das aus dem Trägermedium T von mittels der zweiten Ablenkstruktur A2 ausgekoppelte Licht S zu erfassen.
Die in 3 gezeigte Anordnung des Einkoppelbereichs E und des Auskoppelbereichs A in einem HOE H ist dabei nur eine bevorzugte Ausgestaltung der Vorsatzoptik V. Alternativ kann auch vorgesehen sein, dass der Einkoppelbereich E und der Auskoppelbereich A in verschiedenen HOEs ausgebildet sind, welche an dem Trägermedium T angebracht sind.
4 und 5 zeigen nun alternative Ausgestaltungsformen der Kameravorrichtung K, wie sie genutzt werden könnten, um die Auswirkungen eines optischen Hindernisses im Bereich einer Lichteinfallsfläche F der Kameravorrichtung K im Hinblick auf das mittels der Kameravorrichtung K erzeugte Abbild der Umgebung, zu reduzieren. In 4 umfasst die Vorsatzoptik V ein Trägermedium T, dessen Oberfläche als Anordnung von Mikrostrukturen ausgebildet ist.
Derartige Mikrostrukturen oder Mikrooptiken können beispielsweise als Mikrolinsen oder als Mikrospiegel oder als Mikroprismen ausgebildet sein. Als Mikrostruktur M kann insbesondere eine Struktur verstanden werden, deren Abmessungen insbesondere nur wenige Größenordnungen über einer Wellenlänge des sie durchstrahlenden Lichts liegen. Bevorzugt kann die Abmessung einer Mikrostruktur M dabei weniger als 1 Millimeter betragen. Diese Mikrostrukturen M sind insbesondere in einem Array, also in einer Matrix, zueinander angeordnet. Der Einkoppelbereich E und Auskoppelbereich A können in dieser Ausgestaltung der Kameravorrichtung K insbesondere durch jeweilige Lichteintrittsflächen und Lichtaustrittsflächen der einzelnen Mikrostrukturen M bereitgestellt sein. Um den Beugungseffekt einer derartigen Vorsatzoptik V zu verstärken, kann eine der Bilderfassungseinrichtung B zugewandte Oberfläche des Trägermediums, welches die Anordnung an Mikrostrukturen M umfasst, insbesondere konkav ausgebildet sein. Dadurch kann die Gegenstandsweite g, also die Entfernung von der Bilderfassungseinrichtung B zu der Gegenstandsebene G weiter verkürzt werden, sodass die Kameravorrichtung K besonders kompakt ausgebildet ist.
In 5 ist die Vorsatzoptik V als Prisma, insbesondere als Reflexionsprisma ausgebildet. Eine erste Fläche des Reflexionsprismas P stellt dabei den Einkoppelbereich E dar, wohingegen eine zweite Fläche des Reflexionsprismas P den Auskoppelbereich A darstellt. Das Licht S aus der Umgebung kann somit über die erste Fläche des Prismas P in das Reflexionsprisma P eingekoppelt werden. Anschließend kann das eingekoppelte Licht S innerhalb des Reflexionsprismas P mittels interner Reflexion, insbesondere mittels Totalreflexion von dem Einkoppelbereich E an den Auskoppelbereich A übertragen oder weitergeleitet werden. Über die zweite Fläche, die den Auskoppelbereich A darstellt, kann das übertragene Licht bei Auftreffen auf den Auskoppelbereich A schließlich aus dem Reflexionsprisma P ausgekoppelt werden, wo das ausgekoppelte Licht schließlich auf den Lichteinfallsbereich L der Bilderfassungseinrichtung B fällt.
Wie in 4 und 5 gezeigt, kann somit auch durch die alternativen Ausgestaltungen der Vorsatzoptik V die Lichteinfallsfläche F der Kameravorrichtung K im Vergleich zum Lichteinfallsbereich L der Bilderfassungseinrichtung B vergrößert werden, sodass Verschmutzungen im Bereich der Lichterfassungsfläche F die mittels der Kameravorrichtung K erzeugte Abbildung der Umgebung weniger stark beeinflussen. Die Kameravorrichtung K ist somit resistenter gegenüber Verschmutzungen oder optischen Hindernissen im Bereich der Lichteinfallsfläche F.
Insgesamt zeigen die Beispiele, eine Vorsatzoptik V, welche mit einer Bilderfassungseinrichtung B gekoppelt werden kann zur Erhöhung der Resilienz gegenüber Verschmutzungen von optischen Systemen, wie beispielsweise einer Kameravorrichtung K.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

DE 102016013472 A1 [0004]

Claims

Kameravorrichtung (K) zum Erzeugen eines Abbilds einer Umgebung, umfassend - eine Bilderfassungseinrichtung (B), die einen Lichteinfallsbereich (L) aufweist und die ausgebildet ist, Licht (S) welches über den Lichteinfallsbereich (L) in die Bilderfassungseinrichtung (B) fällt, zu erfassen und daraus Bilddaten, die mit dem einfallenden Licht (S) korreliert sind, zu erzeugen, dadurch gekennzeichnet, dass - die Kameravorrichtung (K) eine Vorsatzoptik (V) mit einem Einkoppelbereich (E) und einem Auskoppelbereich (A) umfasst, welche mit ihrem Auskoppelbereich (A) an dem Lichteinfallsbereich (L) der Bilderfassungseinrichtung (B) angeordnet ist, wobei - der Einkoppelbereich (E) ausgebildet ist, Licht (S), welches aus der Umgebung auf den Einkoppelbereich (E) fällt, mittels interner Reflexion in einem Trägermedium und/oder mittels einer Mikrostruktur (M) auf den Auskoppelbereich (A) umzulenken, und - der Auskoppelbereich (A) ausgebildet ist, das übertragene Licht (S) an den Lichteinfallsbereich (L) der Bilderfassungseinrichtung (B) zu übertragen, wobei - eine Fläche des Einkoppelbereichs (E) größer ist als eine Fläche des Lichteinfallsbereichs (L).
Kameravorrichtung (K) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass - die Vorsatzoptik (V) das Trägermedium (T) umfasst, welches als Lichtleiter ausgebildet ist und an welchem entlang einer Längserstreckungsrichtung gesehen nacheinander der Einkoppelbereich (E) und ein Auskoppelbereich (A) angeordnet sind, wobei - der Einkoppelbereich (E) eine erste Ablenkstruktur (A1) aufweist, die dazu ausgebildet ist, Licht (S), das aus einer Umgebung auf den Einkoppelbereich (E) fällt, in das Trägermedium (T) einzukoppeln, - das Trägermedium (T) ausgebildet ist, das eingekoppelte Licht (S) mittels der internen Reflexion von dem Einkoppelbereich (E) an den Auskoppelbereich (A) zu übertragen, und - der Auskoppelbereich (A) eine zweite Ablenkstruktur (A2) aufweist, die dazu ausgebildet ist, das übertragene Licht (S), das auf den Auskoppelbereich (A) fällt, aus dem Trägermedium (T) auszukoppeln.
Kameravorrichtung (K) nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Einkoppelbereich (E) und der Auskoppelbereich (A) als Ablenkstruktur (A1, A2) zumindest ein optisches Gitter, insbesondere ein holografisches Volumengitter oder ein holografisches Oberflächengitter, aufweisen.
Kameravorrichtung (K) nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Einkoppelbereich (E) als die erste Ablenkstruktur (A1) zumindest ein optisches Gitter mit einer Bündelungsgitterstruktur aufweist, welche Lichtstrahlen des Lichts (S), das aus der Umgebung auf die erste Ablenkstruktur (A1) fällt, in Abhängigkeit von einem Einfallsort unterschiedlich stark abgelenkt, sodass die erste Ablenkstruktur (A1) die Lichtstrahlen zum Auskoppelbereich (A) hin bündelt und der Auskoppelbereich (A) als die zweite Ablenkstruktur (A2) zumindest ein optisches Gitter mit einer Zerstreuungsgitterstruktur aufweist, welche die Lichtstrahlen des gebündelten Lichts (S) in Abhängigkeit von einem Einfallsort unterschiedlich stark abgelenkt, sodass die zweite Ablenkstruktur (A2) die Lichtstrahlen zum Übertragen an die Bilderfassungseinrichtung (B) parallelisiert.
Kameravorrichtung (K) nach Anspruch 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Einkoppelbereich (E) und der Auskoppelbereich (A) einstückig mit dem Trägermedium (T) ausgebildet sind, oder das Trägermedium (T) als separates Element zu wenigstens einem holografisch-optischen Element (H), welches den Einkoppelbereich (E) und den Auskoppelbereich (A) aufweist, ausgebildet ist.
Kameravorrichtung (K) nach einem der Ansprüche 2 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Bilderfassungseinrichtung (B) mit dem Lichteinfallsbereich (L) an dem Auskoppelbereich (A) anliegt und eine Fläche des Auskoppelbereichs (A) vollständig mit einer Fläche des Lichteinfallsbereichs (L) überlappt.
Kameravorrichtung (K) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Bilderfassungseinrichtung (B) wenigstens eine Linse in dem Lichteinfallsbereich (L) aufweist.
Kameravorrichtung (K) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorsatzoptik (V) ein Trägermedium (T) umfasst, dessen Oberfläche als Anordnung von Mikrostrukturen (M), insbesondere als Mikrolinsenarray, oder als Mikrospiegelarray, oder als Mikroprismenarray, ausgebildet ist.
Kameravorrichtung (K) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorsatzoptik (V) als Reflexionsprisma (P) ausgebildet ist, dessen eine Fläche den Einkoppelbereich (E) bildet und dessen weitere Fläche den Auskoppelbereich (A) bildet, wobei - der Einkoppelbereich (E) ausgebildet ist, Licht (S), welches aus der Umgebung auf den Einkoppelbereich (E) fällt, in das Reflexionsprisma (P) einzukoppeln, - das Reflexionsprisma (P) ausgebildet ist, das eingekoppelte Licht (S) mittels interner Reflexion von dem Einkoppelbereich (E) an den Auskoppelbereich (A) zu übertragen, und - der Auskoppelbereich (A) ausgebildet ist, das übertragene Licht (S), welches auf den Auskoppelbereich (A) fällt, aus dem Reflexionsprisma (P) auszukoppeln.