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Die Erfindung betrifft ein optisches Sensormodul mit einem einstellbaren Linsenelement sowie ein Verfahren zum Anpassen eines einstellbaren Linsenelements.
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Aus dem Stand der Technik ist beispielsweise aus der Druckschrift
DE102015205076A1 eine Abstandserkennungsvorrichtung mit einem Kameraobjektiv und einem Kamerasensor bekannt. Das Kameraobjektiv besitzt dabei eine variabel einstellbare Brennweite. Ähnliches ist aus der Druckschrift
DE102015205077B4 bekannt. In dieser Druckschrift ist ebenfalls ein Kameraobjektiv mit einer variabel einstellbaren Brennweite offenbart, wobei zusätzlich die Abstandserkennungsvorrichtung dazu konfiguriert ist, die Bereitstellung von Bildsignalen für die Verarbeitungseinheit mit einer Brennweitenvariation des Kameraobjektivs zu synchronisieren.
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Bei den genannten Druckschriften wird die Fokussierungsebene der Kamera verändert, um sich an verschiedene Objektweiten anzupassen. Die genannten Systeme sind zudem aktiv ausgestaltet.
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Nachteilig bei diesen Systemen ist, dass bei aktiven Systemen ständig Rechenleistung benötigt wird, da sich diese Systeme jedes Mal anpassen, wenn sich die Szene vor der Kamera ändert.
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Weiter ist bekannt den Bereich einer Erhöhung der Schärfentiefe eines Bildes, insbesondere wenn sich der Imager aus der Fokusebene der Linse bewegt, durch die Auswahl einer kleineren Blendenöffnung bzw. einer größeren f-Zahl der Linse zu erhöhen.
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Nachteilig hierbei ist, dass durch die Auswahl einer kleineren Blendenöffnung die Lichtdurchlässigkeit des gesamten Linsensystems reduziert wird. Aufgrund der kleineren Apertur wird die Größe des Beugungsscheibchens vergrößert, was die theoretisch erreichbare maximale Schärfe des Linsensystems verringert.
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Es ist demnach eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung ein optisches Sensormodul sowie ein Verfahren bereitzustellen, welches eine gleichbleibende Bildqualität gewährleistet.
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Diese Aufgabe wird durch den Gegenstand der unabhängigen Ansprüche 1 und 7 gelöst.
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Vorteilhafte Ausgestaltungen und Ausführungsformen sind Gegenstand der Unteransprüche.
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Im Zuge der Erfindung wurde festgestellt, dass insbesondere Temperaturänderungen zu ungewollten Auswirkungen in einem Sensormodul führen können, wodurch sich die Bildqualität verschlechtern kann. Weitere Überlegungen waren dahingehend, dass zum Ausgleich der verschlechterten Bildqualität beispielsweise bestimmte Parameter des Sensormoduls angepasst werden müssen
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Erfindungsgemäß wird daher ein optisches Sensormodul, insbesondere für ein Fahrzeug, vorgeschlagen, umfassend unter anderem ein Gehäuse, ein Objektiv, einen Imager, eine Blende, eine Steuereinheit sowie eine Linsenanordnung mit einem einstellbaren Linsenelement, wobei die Dioptrienzahl des einstellbaren Linsenelements mittels der Steuereinheit anpassbar ist.
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Bei dem optischen Sensormodul kann es sich insbesondere um eine Frontkamera oder um eine Surroundview-Kamera eines Fahrzeugs handeln.
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Die Steuereinheit umfasst dabei unter anderem eine Recheneinheit sowie eine Steuerelektronik. Mittels der Recheneinheit können Daten verarbeitet und überwacht werden.
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Die Steuerelektronik der Steuereinheit steuert die angelegte Spannung und/oder den angelegten Strom an dem einstellbaren Linsenelement, um je nach Linsenelement die Dioptrienzahl entsprechend anzupassen. Durch die Anpassung der Dioptrienzahl können in vorteilhafter Weise auftretende Brechungsfehler bzw. Bildlagefehler ausgeglichen und somit eine gute Bildqualität gewährleistet werden.
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Das einstellbare Linsenelement ist dabei ein zusätzliches Element, welches in die Linsenanordnung eingebracht wird.
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Grundsätzlich gilt, dass die Apertur der Linse über die Tiefenschärfe (Depth of Focus) den Temperaturbereich bestimmt, in dem das Kameramodul noch ein akzeptabel scharfes Bild liefert. Hierbei gilt vereinfacht die Relation: je kleiner die Apertur, desto größer der Temperaturbereich akzeptabler Schärfe, aber auch desto kleiner die transmittierte Lichtenergie pro Zeit. Eine Vergrößerung der Apertur würde die Transmission der Lichtenergie pro Zeit erhöhen und somit kürzere Integrationszeiten bei gleichem Signal-zu-Rauschen erlauben, aber zur gleichen Zeit auch den Temperaturbereich akzeptabler Schärfe verringern. Durch das einstellbare Linsenelement jedoch, kann vorteilhafterweise eine optimale Punktspreizfunktion für jeden Temperaturbereich erzielt werde, unabhängig davon wie die Größe der Apertur gewählt wurde. Weiterhin wird durch das einstellbare Linsenelement die optische Designfreiheit im Modul vergrößert und vereinfacht, beispielsweise die Optimierung eines Kameramoduls für schwaches Licht (Low Light), was im Automotivebereich einem der kritischsten Use-Cases entspricht.
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Weiter ist besonders bevorzugt die Steuereinheit dazu ausgestaltet Temperaturdaten des optischen Sensormoduls von einem Temperatursensor zu empfangen und zu überwachen. Denkbar wäre auch, dass die Bilddaten und deren Bildschärfe bzw. deren Veränderung überwacht wird. Hierdurch könnte eine indirekte Temperaturmessung basierend auf der durch die Temperatur induzierten Bildunschärfe erfolgen.
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Dies ist vorteilhaft, da das Sensormodul bei einer bestimmten Temperatur produziert wird. Ändert sich die Umgebungstemperatur im Betrieb wird es bei Über- oder Unterschreiten dieser bestimmten Temperatur zu mechanischen Veränderungen in bzw. an dem Modul kommen, wodurch sich die Position des Imagers gegenüber der Fokusebene verändert.
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Besonders bevorzugt ist die Steuereinheit weiter dazu ausgestaltet einen Wert für einen Versatz einer Objektivfokusebene und einer Bildsensorebene basierend auf den Temperaturdaten zu bestimmen.
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Durch eine sehr hohe oder eine sehr niedrige Temperatur kommt es zu einer Expansion oder eine Kontraktion des gesamten Sensormoduls. Dadurch entsteht ein Versatz zwischen der Objektivfokusebene und der Bildsensorebene, was wiederum zu Bildlagefehlern und einem unscharfen Bild führt.
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Die Steuereinheit kann den Versatz beispielsweise basierend auf den Temperaturdaten und Materialdaten etc. berechnen. Denkbar wäre auch, dass die Steuereinheit einen Wert für den Versatz aus einer Nachschlagetabelle (Look-up table) abruft, wobei jeder Temperatur bzw. einer bestimmten Temperaturspanne ein Wert für den Versatz zugeordnet ist. Diese Lösung ist insbesondere deshalb vorteilhaft, da diese besonders leistungssparend und wenig rechenintensiv ist.
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In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist durch die anpassbare Dioptrienzahl des einstellbaren Linsenelement der Versatz der Objektivfokusebene und der Bildsensorebene ausgleichbar.
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Es wird entsprechend eine geeignete Dioptrienzahl berechnet, welche den Versatz ausgleichen kann und somit auch den Bildlagefehler ausgleicht, um die gewünschte Bildqualität bzw. Bildschärfe zu erhalten. Nach der Berechnung der Dioptrienzahl wird das einstellbare Linsenelement entsprechend von der Steuerelektronik angesteuert.
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Bevorzugt ist das einstellbare Linsenelement eine Flüssiglinse, eine Polymer-Linse, eine Flüssigkristalllinse oder eine mechanisch bewegbare Linse.
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Bei einer Flüssigkristalllinse kann beispielsweise durch das Anlegen einer Spannung die Ausrichtung der Flüssigkristalle geändert werden. Dadurch lässt sich beispielsweise die Brechkraft der Linse ändern. Flüssiglinsen bestehen in der Regel aus zwei unterschiedlichen Flüssigkeiten, welche nicht miteinander mischbar sind, welche aber eine möglichst gleiche Dichte aber unterschiedliche Brechungsindizes aufweisen. Durch anlegen einer Spannung kann über den Effekt der Elektrobenetzung der Kontaktwinkel eines Tropfens an einem Kammerfenster der Linse und somit die Brennweite verändert werden. Eine Polymer-Linse besteht aus einer elastischen Polymer-Membran in welcher sich eine optische Flüssigkeit befindet. Durch Zu- bzw. Abführen der Flüssigkeit lässt sich der Fokusbereich der Linse ändern.
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Weiter ist das einstellbare Linsenelement bevorzugt in eine Blendenöffnung einbringbar. Das einstellbare Linsenelemnt wird dabei in der Position der Blende entlang der optischen Achse in das Linsensystem eigebracht. Weiter kann das einstellbare Linsenelement bevorzugt in die Ebene der Aperturblende des Linsensystems eingebracht werden. Die Position der Blendenebene ist vorteilhaft, da hier Brennweitenänderungen des einstellbaren Linsenelements keine bzw. nur geringe Auswirkung auf die Bildgröße haben.
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Erfindungsgemäß wird weiterhin ein Verfahren zum Anpassen eines einstellbaren Linsenelements für ein optisches Sensormodul mit den folgenden Schritten vorgeschlagen:
- - Erfassen von Temperaturdaten eines optischen Sensormoduls mittels eines Temperatursensors,
- - Bestimmen eines Versatzes einer Objektivfokusebene und einer Bildsensorebene mittels einer Steuereinheit basierend auf den Temperaturdaten,
- - Anpassen einer Dioptrienzahl des einstellbaren Linsenelements mittels der Steuereinheit zum Ausgleich des Versatzes.
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In einer bevorzugten Ausführungsform des Verfahrens wird nach der Berechnung des Versatzes der Objektivfokusebene und der Bildsensorebene die zum Ausgleich des Versatzes geeignete Diotprienzahl mittels der Steuereinheit bestimmt. Hierfür werden Algorithmen verwendet, welche die Kantenübergänge auf Ihre Schärfe hin untersuchen und somit Rückschlüsse auf die Schärfe des Bildes ziehen. Durch kleine Anpassungen der Flüssiglinse werden diese Übergänge dann schärfer oder weicher, was der Recheneinheit als Indiz für die Regelungsrichtung dient. Der Algorithmus regelt so lange, bis eine optimale Schärfe der Übergänge erreicht ist.
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In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform wird die Dioptrienzahl über eine Analyse der Bilddaten bestimmt.
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Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen du Ausführungsformen ergeben sich aus den Zeichnungen. Gleiche Merkmale oder Bestandteile wurden aus Gründen der Übersichtlichkeit nur einmalig mit den jeweiligen Bezugszeichen versehen.
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Darin zeigen:
- 1 eine schematische Darstellung einer Linsenanordnung gemäß einer Ausführungsform des Sensormoduls;
- 2 eine weitere schematische Darstellung einer Linsenanordnung gemäß einer Ausführungsform des Sensormoduls;
- 3 eine schematische Darstellung einer Ausführungsform des Sensormoduls,
- 4 ein schematisches Ablaufdiagramm einer Ausführungsform des Verfahrens.
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1 zeigt eine schematische Darstellung einer Linsenanordnung 1a gemäß einer Ausführungsform des Sensormoduls 1. Die Linsenanordnung 1a weist dabei einen vorderen Teil 3 sowie einen hinteren Teil 4 der Linsenanordnung auf. Zwischen dem vorderen Teil 3 und dem hinteren Teil 4 ist ein einstellbares Linsenelement 2 angeordnet. Der vordere Teil 3 ist dabei der Teil bei welchem die Lichtstrahlen 6 zuerst auftreffen. Diese Lichtstrahlen 6 bewegen sich durch den vorderen Teil 3 über das einstellbare Linsenelement 2 und den hinteren Teil 4 hin zu dem Imager 7.
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In 1 sind drei Darstellungen der Linsenanordnung 1a für verschiedene Szenarien I-III gezeigt. Das erste Szenario I beschreibt den Betrieb des Sensormoduls 1 bei einer Temperatur T=T_0, wobei T_0 einer Umgebungstemperatur entspricht, bei der das Sensormodul 1 gefertigt wurde. Das einstellbare Linsenelement 2 ist in diesem Szenario I nicht aktiv bzw. muss nicht aktiv sein, und es wird keine Dioptrienzahl angepasst. Je nach Linsensystem kann es notwendig sein, dass das einstellbare Linsenelement 2 eine spezifische Brennweite aufweist. In dem zweiten Szenario II hat sich die Temperatur erhöht und somit eine Expansion des Sensormoduls bzw. wie hier dargestellt der Linsenanordnung 1a hervorgerufen. Hierbei ändert sich auch die Linsenabbildung aufgrund der Temperatur. Hierzu zählen unter anderem Brechungsindizes, Linsenradien, Linsendicken und/oder Linsenposition. Es ergibt sich hierbei ein Versatz 5 zwischen der Objektivfokusebene OE und der Bildsensorebene BE, wobei hierbei der Abstand zwischen Objektivfokusebene OE und Bildsensorebene BE vergrößert wird. Das einstellbare Linsenelement 2 ist in diesem Szenario II ebenfalls nicht aktiv bzw. es wird keine Dioptrienzahl angepasst. Somit ergibt sich eine Fokusabweichung an dem Imager 7, was zu einer schlechteren Bildqualität bzw. einem unscharfen Bild führt. In dem dritten Szenario III wurde eine entsprechende Dioptrienzahl des einstellbaren Linsenelements eingestellt, wodurch der Versatz 5 ausgeglichen wurde und die Lichtstrahlen 6 somit wieder fokussiert an dem Imager 7 auftreffen.
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2 zeigt dieselben Bauteile wie 1 und ebenfalls drei verschiedene Szenarien I-III. Das erste Szenario I ist identisch mit dem aus 1. In dem zweiten Szenario II der 2 hat sich die Temperatur verringert was zu einer Kontraktion des Sensormoduls führt. Daraus resultiert ein Versatz 5 zwischen Objektivfokusebene OE und Bildsensorebene BE, wobei aufgrund der Kontraktion der Abstand zwischen Objektivfokusebene OE und Bildsensorebene BE verkleinert wird. In diesem Szenario II ist das einstellbare Linsenelement 2 nicht aktiv bzw. die Dioptrienzahl ist nicht angepasst. Dies führt zu einem defokussierten Auftreffen der Lichtstrahlen 6 auf dem Imager 7. In dem dritten Szenario III wurde eine entsprechende Dioptrienzahl des einstellbaren Linsenelements eingestellt, wodurch der Versatz 5 ausgeglichen wurde und die Lichtstrahlen 6 somit wieder fokussiert an dem Imager 7 auftreffen.
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3 zeigt eine schematische Darstellung einer Ausführungsform des Sensormoduls 1. Das Sensormodul 1 besteht dabei aus einer Linsenanordnung 1a und einem Gehäuse 1b. Weiterhin ist die Bildsensorebene BE gezeigt. Hierbei ist das gesamte Sensormodul 1 bei sich verändernder Temperatur T in drei verschiedenen Varianten A, B und C gezeigt. Weiterhin sind so genannten Punktspreizfunktionen (PSF) 8 für die jeweiligen Varianten A-C gezeigt. Die Werte 8a der Punktspreizfunktionen 8 verändern sich beispielsweise aufgrund von Abbildungsfehlern. Je niedriger der Wert 8a ist umso unschärfer wird das Bild. Je höher der Wert 8a auf der PSF 8 ist desto schärfer ist das Bild. Das Bezugszeichen 9 beschreibt einen Wert, bei dem die Schärfe des Bildes noch akzeptabel ist.
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In der ersten Variante A wurde das Sensormodul 1 derart fokussiert, dass bei einer Temperatur T=T_0, also der Temperatur bei der Produktion des Sensormoduls die beste Bildschärfe erreicht wird. Ändert sich nun die Temperatur T, verändert sich auch der jeweilige Wert 8a der Punktspreizfunktion 8. In Variante A erreicht der Wert 8a bei T=T_0 den höchsten Wert und die beste Schärfe. Bei einer niedrigeren Temperatur T<T_0 wird der Wert 8a der PSF 8 niedriger und das Sensormodul 1 liefert ein unscharfes Bild. Dies ist auf die Kontraktion des Sensormoduls 1 und die Verschiebung der Bildsensorebene BE zurückzuführen. Wird die Temperatur T größer als T_0, also T>T_0, sinkt der Wert 8a der PSF 8 ebenfalls ab, was zu einem sehr unscharfen Bild führt. Der Wert 8a für T>T_0 liegt dabei auch unterhalb des Wertes 9 für eine akzeptable Schärfe.
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In der Variante B wurde die PSF 8 für kalte Temperaturen optimiert. Die Werte 8a für T=T_0 sowie T<T_0 liegen oberhalb des Wertes 9 für eine akzeptable Schärfe, wobei der Wert 8a bei T<T_0 aufgrund der Optimierung für kalte Temperaturen am höchsten ist. Der Wert 8a für T>T_0 liegt weiterhin unterhalb des Wertes 9. Somit würde auch hier bei hohen Temperaturen das Sensormodul ein unscharfes Bild liefern.
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In Variante C wurde die PSF für warme Temperaturen optimiert. Bei dieser Variante ist festzustellen, dass bei T=T_0, T<T_0 und T>T_0 die zugehörigen Werte 8a alle oberhalb des Wertes 9 einer akzeptablen Schärfe liegen. Je nach Modulverhalten kann es sehr schwierig bzw. besonders bei geringer f-Zahl des Objektivs sogar unmöglich sein das temperaturabhängige Modulverhalten (z.B. Verschiebung der Bildebene, Materialausdehnung) allein durch passive Änderung der BFL (Back focal length) des Linsensystem zu kompensieren. Es wäre dann nicht möglich die Zielwerte der Bildschärfe für alle Betriebstemperaturen zu gewährleisten. Der Einsatz eines verstellbaren Linsenelements stellt hier eine mögliche Lösung dar.
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4 zeigt ein schematisches Ablaufdiagramm einer Ausführungsform des Verfahrens. In Schritt S1 des Verfahrens werden Temperaturdaten eines optischen Sensormoduls mittels eines Temperatursensors erfasst. In einem zweiten Schritt S2 wird ein Versatz einer Objektivfokusebene und einer Bildsensorebene mittels einer Steuereinheit basierend auf den Temperaturdaten oder alternativ auf Basis der Bilddaten berechnet. In einem weiteren Schritt S3 wird eine Dioptrienzahl des einstellbaren Linsenelements mittels einer Steuerelektronik zum Ausgleich des Versatzes angepasst.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Sensormodul
- 1a
- Linsenanordnung
- 1b
- Gehäuse
- 2
- einstellbares Linsenelement
- 3
- vorderer Teil der Linsenanordnung
- 4
- hinterer Teil der Linsenanordnung
- 5
- Versatz
- 6
- Lichtstrahlen
- 7
- Imager
- 8
- Punktspreizfunktion PSF
- 8a
- Wert der Punktspreizfunktion PSF
- 9
- Wert für eine akzeptable Schärfe
- BE
- Bildsensorebene
- OE
- Objektivfokusebene
- T
- Temperatur
- I-III
- Szenarien
- A-C
- Varianten
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102015205076 A1 [0002]
- DE 102015205077 B4 [0002]
