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Die Erfindung betrifft eine Kraftfahrzeugkamera zum Erfassen eines Teils einer Umgebung eines Kraftfahrzeuges, wobei die Kraftfahrzeugkamera ein optisches System und einen Bildsensor aufweist, wobei das optische System dazu ausgelegt ist, Licht aus dem Teil der Umgebung auf den Bildsensor zu projizieren, wobei der Bildsensor dazu ausgelegt ist, Licht, welches das optische System durchlaufen hat, zu erfassen, wobei das optische System eine Flüssigkristallzelle aufweist, die eine Flüssigkristallschicht mit Flüssigkristallen umfasst, wobei die Flüssigkristallzelle derart steuerbar ist, dass Licht, welches die Flüssigkristallzelle durchläuft, durch die Flüssigkristallschicht gebrochen wird. Darüber hinaus weist die Kraftfahrzeugkamera eine Steuereinheit auf, die dazu ausgelegt ist, die Flüssigkristallzelle zu steuern, wobei die Steuereinheit dazu ausgelegt ist, die Flüssigkristallzelle derart zu steuern, dass die Flüssigkristallschicht mindestens einen ersten Brechungsbereich aufweist, der derart ausgebildet ist, dass Licht, welches den ersten Brechungsbereich durchläuft, ein erstes Bild auf dem Bildsensor bildet. Die Erfindung betrifft auch ein Fahrerassistenzsystem mit einer solchen Kraftfahrzeugkamera, ein Kraftfahrzeug, aufweisend eine solche Kraftfahrzeugkamera und ein Verfahren zum Steuern einer Kraftfahrzeugkamera.
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Um fortgeschrittene Fahrerassistenzsystemfunktionen, wie Objektdetektion, Fahrspurdetektion oder Zeichenerkennung auszuführen, muss eine Kraftfahrzeugkamera idealerweise vielzellige Anforderungen erfüllen. Zum Beispiel wäre es sehr vorteilhaft, sich an verschiedene Sichtfelder anpassen zu können. Ein weites Sichtfeld erlaubt es, neben das Fahrzeug zu sehen und ist beim städtischen Fahren am besten geeignet, aber andererseits hat eine Kamera mit einem weiten Sichtfeld eine kurze Brennweite und ist daher nicht für eine Langstreckendetektion geeignet. Andererseits haben Kameras mit schmalem Sichtfeld eine größere Brennweite, so dass sie deutliche Bilder von Objekten erhalten können, die in großen Entfernungen positioniert sind, was für ein schnell fahrendes Fahrzeug geeignet ist, wie zum Beispiel auf der Autobahn. Aber dann kann die Kamera nur Objekte detektieren, die sich vor dem Kraftfahrzeug befinden, was ein Problem für die Vorhersage darstellt.
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Möglicherweise haben manche Kameras mehrere optische Pfade, um alle Detektionen durchzuführen. Jedoch sind solche Systeme sehr teuer, da die optischen Pfade die teuersten Komponenten des Kamerasystems darstellen.
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Weiterhin ist es im Zusammenhang mit der Objekterkennung und Detektion auch wichtig in der Lage zu sein, eine Entfernungsschätzung durchzuführen. Zu diesem Zweck werden einige Systeme in der Automobilindustrie verwendet, wie Radare, Lidare oder Stereokamerasysteme. Radare sind effizient, um eine Entfernungsschätzung durchzuführen. Jedoch verwenden diese eine komplexe Software, um eine Objektidentifikation durchzuführen. Lidare sind den Radaren ähnlich, verwenden jedoch eine Laserlichtquelle. Sie sind präziser in der Entfernungsschätzung, und sie verwenden dennoch eine komplexe Software, um eine Objektidentifikation durchzuführen. Jedoch werden sie manchmal aufgrund der Lichtintensität, die sie zur Durchführung einer Langstreckendetektion emittieren müssen, bei einer Nahentfernungsdetektion geblendet. Andererseits sind konventionelle Kamerasysteme bei der Objektidentifikation entspannter, aber sie sind viel weniger genau bei der Distanzschätzung, da sie nur ein zweidimensionales Bild erzeugen. Aktuell bieten manche Unternehmen eine Stereokamera an, die aus zwei Kameras mit zwei separaten optischen Pfaden besteht. Derartige stereoskopische Systeme sind zur Entfernungsschätzung geeignet. Jedoch erhöht die Verwendung von zwei optischen Pfaden die Kosten einer solchen Kamera und macht solch ein System mehr oder weniger genauso teuer wie ein Lidar-System. Solche stereoskopischen Kameras sind zudem sperrig, da ihre Auflösung vom Abstand zwischen den zwei optischen Pfaden abhängt. Dies ist auch ein Problem zur Anwendung in einer Fahrgastzelle, insbesondere zwischen der Windschutzscheibe und dem Rückspiegel.
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In diesem Zusammenhang offenbart die
US 2017/0293199 A1 eine Kraftfahrzeugkamera, welche einen Bildsensor umfasst, eine erste variable Linse und ein zweite variable Linse. Die erste variable Linse weist eine Flüssigkristallschicht mit Flüssigkristallmolekülen auf, die eine Anordnung aufweisen, die von einer Spannung abhängt, die an die erste Flüssigkristallschicht angelegt wird. Basierend auf der Anordnung der Flüssigkristallmoleküle lenkt die erste Flüssigkristallschicht Licht ab, welches in den Bildsensor eingeleitet wird. Weiterhin ist die zweite variable Linse zwischen dem Bildsensor und der ersten variablen Linse angeordnet und weist ebenfalls eine zweite Flüssigkristallschicht mit Flüssigkristallmolekülen auf, die durch Anlegen einer Spannung steuerbar sind. Basierend auf der zweiten Anordnung der zweiten Flüssigkristallmoleküle in der zweiten Flüssigkristallschicht wird Licht abgelenkt, welches in den Bildsensor eingeleitet wird. Mittels der zwei Flüssigkristalllinsen kann ein Sichtfeld der Kraftfahrzeugkamera in der horizontalen und vertikalen Richtung angepasst werden. Darüber hinaus kann die Kraftfahrzeugkamera auch nur eine solche Flüssigkristalllinse aufweisen. Die Brennweite der Flüssigkristalllinse kann verändert werden, um auf den Bereich auf der linken Seite basierend auf der Fahrtrichtung des Kraftfahrzeugs zu fokussieren. Dann kann die Brennweite der variablen Linse verändert werden, um auf den Bereich auf der rechten Seite basierend auf der Fahrtrichtung des Kraftfahrzeugs zu fokussieren. Basierend auf den zwei erfassten Bildern wird ein Stereobild erzeugt, und eine Entfernungsinformation kann basierend auf dem Stereobild berechnet werden.
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Der Nachteil eines solchen Verfahrens zum Erzeugen eines Stereobildes ist es, dass Flüssigkristalle nicht wirklich schnell sind. Typischerweise liegen Zeitspannen von ca. 20 ms zwischen dem Erfassen von zwei Bildern. Ein solcher zeitlicher Abstand ist für typische fortgeschrittene Fahrerassistenzsystemstandards nicht geeignet. Darüber hinaus ist oben beschriebene Kamera nur dazu geeignet, um entweder auf irgendeinen Bereich von Interesse zu fokussieren oder um ein Bild vom gesamten Sichtfeld bereitzustellen. Obwohl dies eine noch bessere Anpassung an eine Situation erlaubt als statische Kameraoptiken, die nicht dazu in der Lage sind, einen variablen Fokus oder ein variables Sichtfeld bereitzustellen, wäre es immer noch vorteilhaft, noch bessere oder schnellere Anpassungen bereitstellen zu können.
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Daher ist es die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Kraftfahrzeugkamera, ein Fahrerassistenzsystem, ein Kraftfahrzeug und ein Verfahren zum Steuern einer Kraftfahrzeugkamera bereitzustellen, die es ermöglichen, möglichst viele nützliche Informationen über einen Teil einer Umgebung des Kraftfahrzeugs auf möglichst effiziente Art und Weise zu erfassen.
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Diese Aufgabe wird gelöst durch eine Kraftfahrzeugkamera, ein Fahrerassistenzsystem, ein Kraftfahrzeug und ein Verfahren mit den Merkmalen gemäß den unabhängigen Ansprüchen. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben, der Beschreibung und den Figuren.
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Eine erfindungsgemäße Kraftfahrzeugkamera zum Erfassen eines Teils einer Umgebung eines Kraftfahrzeugs weist ein optisches System und einen Bildsensor auf. Das optische System ist dazu ausgelegt, Licht aus dem Teil der Umgebung auf den Bildsensor zu projizieren. Der Bildsensor ist dazu ausgelegt, Licht, welches das optische System durchlaufen hat, zu erfassen. Weiterhin weist das optische System eine Flüssigkristallzelle auf, die eine Flüssigkristallschicht mit Flüssigkristallen umfasst, wobei die Flüssigkristallzelle derart steuerbar ist, dass Licht, welches die Flüssigkristallzelle durchläuft, durch die Flüssigkristallschicht gebrochen wird. Darüber hinaus weist die Kraftfahrzeugkamera eine Steuereinheit auf, die dazu ausgelegt ist, die Flüssigkristallzelle zu steuern. Des Weiteren ist die Steuereinheit dazu ausgelegt, die Flüssigkristallzelle derart zu steuern, dass die Flüssigkristallschicht mindestens einen ersten Brechungsbereich aufweist, der derart ausgebildet ist, dass Licht, welches den ersten Brechungsbereich durchläuft, ein erstes Bild auf dem Bildsensor bildet. Darüber hinaus ist die Steuereinheit dazu ausgelegt, die Flüssigkristallzelle derart zu steuern, dass die Flüssigkristallschicht mindestens einen zweiten Brechungsbereich aufweist, der derart ausgebildet ist, dass Licht, welches den zweiten Brechungsbereich durchläuft, ein zweites Bild auf dem Bildsensor bildet, wobei sich das zweite Bild zumindest teilweise vom ersten Bild unterscheidet.
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Die Erfindung hat den großen Vorteil, dass zwei Bilder, die sich zumindest teilweise voneinander unterscheiden, durch brechende Brechungsbereiche einer Flüssigkristallzelle gleichzeitig und nicht nacheinander bereitgestellt werden können. Dies erlaubt eine Vielzahl großartiger Anwendungen. Zum Beispiel können gleichzeitig Stereobilder bereitgestellt werden, aber ohne die Notwendigkeit mehrerer teurer optischer Systeme. Auch kann ein Bild vom gesamten Sichtfeld und ein Zoom-Bereich gleichzeitig bereitgestellt werden, insbesondere durch Erfassen nur eines einzelnen Bildes, welches insbesondere aus dem ersten und zweiten Bild zusammengesetzt ist. Dies basiert auf der Erkenntnis, dass die Flexibilität, die durch Flüssigkristalllinsen, oder im Allgemeinen einer Flüssigkristallzelle mit einer Flüssigkristallschicht, bereitgestellt wird, nicht nur dazu verwendet werden kann, um verschiedene Brechungseigenschaften und Abbildungseigenschaften zu unterschiedlichen Zeitpunkten bereitzustellen, sondern auch in verschiedenen Bereichen einer solchen Flüssigkristallschicht zum gleichen Zeitpunkt. Im Allgemeinen stellt eine Flüssigkristallzelle, wie sie in der erfindungsgemäßen Kraftfahrzeugkamera oder einer ihrer Ausgestaltungen verwendet wird, ein optisches Element dar, welches die Moleküle der Flüssigkristalle abhängig von einer angelegten Spannung orientieren kann. Aber im Unterschied zu herkömmlichen Flüssigkristalllinsen kann eine Flüssigkristallzelle komplexere Formen erzeugen. Somit kann eine solche Flüssigkristallzelle als eine Mischung einer herkömmlichen Flüssigkristalllinse und eines komplexen Flüssigkristalldisplays aufgefasst werden. Daher kann die Oberfläche der Flüssigkristallzelle in verschiedene Linsen mit unterschiedlichen optischen Parametern aufgeteilt werden. Die Flüssigkristallzelle kann einfach derart gesteuert werden, dass verschiedene Bereiche innerhalb der gleichen Flüssigkristallschicht bereitgestellt werden können, die die Brechungseigenschaften von zwei oder sogar mehr Brechungslinsen aufweisen. Mit anderen Worten kann die Flüssigkristallzelle derart gesteuert werden, dass diese wie zum Beispiel zwei oder sogar mehr separate Linsen funktioniert, zum Beispiel wie ein Linsenarray. Weiterhin kann dies durch die Verwendung einer Flüssigkristallzelle auf viel kompaktere Weise erfolgen. Darüber hinaus kann des Weiteren eine bestimmte Linsenregion innerhalb des Flüssigkristallbereichs einfach durch eine geeignete Steuerung der Flüssigkristallzelle bereitgestellt werden, zum Beispiel durch Anlegen einer bestimmten Spannung. Durch Verändern der Spannung oder spezieller durch Verändern der Spannungsverteilung über der Flüssigkristallschicht kann eine bestimmte Linsenregion zum Beispiel einfach von einer Position zur anderen bewegt werden oder mit Bezug auf ihre Linseneigenschaften verändert werden. Daher erlaubt es die Erfindung, eine Kraftfahrzeugkamera bereitzustellen, welche enorme Vorteile mit Bezug auf fortgeschrittene Fahrerassistenzsystemfunktionen bereitstellt, insbesondere in Bezug auf Flexibilität. Da eine solche Kraftfahrzeugkamera viel bessere Anpassungen an spezifische Situationen erlaubt, ermöglicht sie es, viel geeignetere oder wichtigere Umgebungsinformationen zu erfassen.
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Das erste und zweite Bild sind Bilder von dem Teil einer Umgebung des Kraftfahrzeugs. Zumindest ist jedes dieser Bilder ein Bild von zumindest einem Teil dieses Teils der Umgebung des Kraftfahrzeugs. Darüber hinaus kann das optische System neben der Flüssigkristallzelle weitere optische Elemente umfassen, wie konventionelle Linsen und/oder andere optische Elemente. Das optische System kann auch weitere Flüssiglinsen oder Flüssigkristalllinsen oder weitere Flüssigkristallzellen aufweisen. Insbesondere kann das optische System konventionelle optische Elemente umfassen, wie diese in konventionellen Kraftfahrzeugkameras verwendet werden und zusätzlich die Flüssigkristallzelle. So müssen vorteilhafterweise nur kleinere Modifikationen vorgenommen werden, um eine erfindungsgemäße Kraftfahrzeugkamera oder eine ihrer Ausgestaltungen bereitzustellen.
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Im Allgemeinen kann die Flüssigkristallzelle weitere jeweilige Elektrodenschichten auf beiden Seiten der Flüssigkristallschicht aufweisen. Jede Elektrodenschicht ist transparent und kann eine Vielzahl an Elektroden aufweisen, die separat steuerbar sind. Jede Elektrode oder jedes Elektrodenpaar kann zu einer bestimmten steuerbaren Region der Flüssigkristallschicht korrespondieren. So können die optischen Eigenschaften von verschiedenen Bereichen in der Flüssigkristallschicht durch Einstellen der Spannung der jeweiligen Elektroden und der Elektrodenschichten separat eingestellt werden. Somit können verschiedene Brechungsindices an unterschiedlichen Positionen der Flüssigkristallschicht durch eine geeignete Gestaltung der transparenten Elektroden oder Elektrodenschichten bereitgestellt werden. Durch Einstellen der Spannung der Elektrodenbereiche und der Elektrodenschichten kann die lokale Konzentration und/oder Orientierung der Flüssigkristalle und der korrespondierenden Bereiche eingestellt werden, und somit können verschiedene optische Eigenschaften bereitgestellt werden. Die jeweiligen Elektrodenschichten können strukturiert sein, um eine Vielzahl von Elektroden bereitzustellen, die separat steuerbar sind. Darüber hinaus kann der Bildsensor ein gewöhnlicher Bildsensor sein. Er ist vorzugsweise ortsauflösend, was in Form eines Sensor-Arrays bereitgestellt werden kann, wie zum Beispiel ein CCD-Sensor oder CMOS-Sensor. Der Bildsensor kann innerhalb oder nahe der Brennebene positioniert sein, die vom optischen System bereitgestellt wird.
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Darüber hinaus ist die Kraftfahrzeugkamera für die Verwendung in einem Kraftfahrzeug ausgelegt. Die Kraftfahrzeugkamera kann ein Gehäuse aufweisen, in welchem das optische System und der Bildsensor angeordnet sind. Darüber hinaus ist die Kraftfahrzeugkamera vorzugsweise zwischen einem Innenspiegel eines Kraftfahrzeugs und einer Windschutzscheibe des Kraftfahrzeugs angeordnet. Nichtsdestoweniger kann die Kraftfahrzeugkamera ebenfalls an verschiedenen Positionen innerhalb oder außerhalb des Kraftfahrzeugs angeordnet sein, zum Beispiel in Seitenspiegeln des Kraftfahrzeugs integriert sein.
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Wie oben beschrieben kann die Flüssigkristallzelle einfach gesteuert werden, um bestimmte Abbildungseigenschaften und Brechungseigenschaften in verschiedenen Bereichen der Flüssigkristallschicht bereitzustellen. Somit kann die Flüssigkristallzelle gesteuert werden, um sich in einem bestimmten Zustand zu befinden, in welchem bestimmte Abbildungs- und Brechungseigenschaften bereitgestellt werden. Durch Steuern der Flüssigkristallzelle sind mehrere vorteilhafte Ausbildungen der Flüssigkristallschicht möglich, die nun im Folgenden beschrieben werden. Diese verschiedenen Ausbildungsmöglichkeiten korrespondieren dann zu verschiedenen Zuständen der Flüssigkristallzelle. Weiterhin können diese verschiedenen Zustände durch die gleiche Kraftfahrzeugkamera bereitgestellt werden, zum Beispiel zu unterschiedlichen Zeitpunkten, oder auch durch verschiedene Kameras. Mit anderen Worten ist es auch möglich, dass eine Kraftfahrzeugkamera eine Flüssigkristallzelle aufweist, die gesteuert wird, um in unten beschriebenem ersten Zustand als einzigen aktiven Zustand der Flüssigkristallzelle zu sein, oder um in unten beschriebenem zweiten Zustand als einzigen aktiven Zustand der Flüssigkristallzelle zu sein.
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Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist die Steuereinheit dazu ausgelegt, die Flüssigkristallzelle derart zu steuern, dass sich die Flüssigkristallzelle in einem ersten Zustand befindet, in welchem die ersten und zweiten Brechungsbereiche nebeneinander angeordnet sind und das erste Bild und das zweite Bild nebeneinander auf dem Bildsensor gebildet sind. Insbesondere können das erste und das zweite Bild, die nebeneinander auf dem Bildsensor gebildet sind, auch einen Abstand zueinander aufweisen. Insbesondere überschneiden sich das erste und das zweite Bild nicht. Durch eine solche Ausbildung der Flüssigkristallzelle ist die Flüssigkristallzelle dazu ausgelegt, den optischen Pfad aufzuteilen und zwei Bilder, nämlich das erste und das zweite Bild, von dem Teil der Umgebung aus verschiedenen Winkeln bereitzustellen. Somit können das erste und das zweite Bild zu einem Stereobild kombiniert werden und dadurch kann eine Entfernungsinformation über Objekte in der Umgebung des Kraftfahrzeugs bereitgestellt werden. Um ein solches Stereobild bereitzustellen, ist keine sperrige Ausbildung der Kraftfahrzeugkamera notwendig. Im Gegenteil, die Flüssigkristallzelle kann mit einem Durchmesser oder einer Länge und Breite von ca. 1 cm oder im Allgemeinen mit weniger als 5 cm bereitgestellt werden. Der Abstand der beiden aufgeteilten optischen Pfade, die durch die beiden Brechungsbereiche der Flüssigkristallzelle bereitgestellt werden, kann ca. 5 mm oder im Allgemeinen weniger als 2 cm betragen, vorzugsweise weniger als 1 cm. Dadurch kann eine Kraftfahrzeugkamera mit sehr kleinen Dimensionen bereitgestellt werden, insbesondere in der lateralen Richtung, die die Richtung senkrecht zu einer optischen Achse des optischen Systems oder senkrecht zu den jeweiligen optischen Achsen der jeweiligen Brechungsbereiche der Flüssigkristallzelle oder im Allgemeinen senkrecht zu den optischen Pfaden einer Hauptausbreitungsrichtung des Lichts, welches das optische System durchläuft, darstellt. Diese Ausführungsform ist sehr vorteilhaft, da zum Bereitstellen eines Stereobildes keine zwei optischen Systeme notwendig sind. Obwohl der optische Pfad durch die Flüssigkristallzelle aufgeteilt wird, können gemeinsame optische Elemente des optischen Systems verwendet werden, bevor das Licht aus dem Teil der Umgebung die Flüssigkristallzelle erreicht. Wie zu Anfang beschrieben haben, um eine Entfernungsschätzung durchzuführen, Kamerasysteme den Vorteil, dass eine Objektidentifikation einfacher durchgeführt werden kann als durch die Verwendung eines Lidars oder Radars. Mittels dieser Ausführungsform der Erfindung ist es nun möglich, die Vorteile einer einfachen Objektidentifikation mit einer genauen Entfernungsschätzung zu kombinieren, ohne zwei separate optische Systeme und eine sperrige Ausbildung der Kraftfahrzeugkamera zu benötigen.
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Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung weist das optische System mindestens eine optische Komponente auf, wobei die Flüssigkristallzelle zwischen der mindestens einen optischen Komponente und dem Bildsensor angeordnet ist, wobei die optische Komponente dazu ausgelegt ist, ein reelles Zwischenbild des Teils der Umgebung bereitzustellen, insbesondere an einer Position zwischen der mindestens einen optischen Komponente und der Flüssigkristallzelle, wobei die Flüssigkristallzelle derart gesteuert wird und ausgebildet ist, dass das reelle Zwischenbild im ersten Zustand der Flüssigkristallzelle mittels des ersten Brechungsbereichs der Flüssigkristallzelle aus einem ersten Betrachtungswinkel in Form des ersten Bildes auf den Bildsensor projiziert wird und mittels des zweiten Brechungsbereichs der Flüssigkristallzelle aus einem zweiten Betrachtungswinkel in Form des zweiten Bildes auf den Bildsensor projiziert wird.
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Wie erwähnt können gemeinsame optische Elemente, wie zum Beispiel die mindestens eine optische Komponente, zum Bereitstellen des Stereobildes verwendet werden, was eine sehr kompakte und kosteneffiziente Stereokamera ermöglicht. Darüber hinaus kann im Gegensatz zu konventionellen stereoskopischen Systemen eine viel bessere Tiefenauflösung bereitgestellt werden, obwohl die beiden aufgeteilten optischen Pfade, die von der Flüssigkristallzelle bereitgestellt werden, nur einen sehr kleinen Abstand zueinander haben können. In normalen stereoskopischen Systemen hängt die Tiefenauflösung vom Verhältnis des Abstands zwischen den Objekten in der Umgebung zum Abstand zwischen den zwei optischen Pfaden ab. Daher kann üblicherweise eine bessere Auflösung bereitgestellt werden, nämlich eine kleinere Auflösung, je größer der Abstand zwischen den zwei optischen Pfaden ist. Auch im Falle einer Kraftfahrzeugkamera gemäß dieser Ausführungsform der Erfindung hängt die Auflösung in gleicher Weise vom Abstand der beiden optischen Pfade ab. Nichts desto weniger kann eine viel bessere Auflösung erreicht werden, weil der erste und zweite Brechungsbereich der Flüssigkristallzelle das reelle Zwischenbild auf den Bildsensor projizieren und nicht Licht, welches vom Teil der Umgebung direkt kommt. Mit anderen Worten hängt in diesem Fall die Auflösung vom Verhältnis des Abstands zwischen den Objekten im reellen Zwischenbild und dem Abstand zwischen den beiden aufgeteilten optischen Pfaden ab. Der Abstand der Objekte auf dem reellen Zwischenbild ist jedoch viel kleiner als der reale Abstand zwischen den realen Objekten in der Umgebung, und dadurch kann eine viel bessere, nämlich eine viel kleinere, Auflösung erreicht werden.
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Die mindestens eine optische Komponente kann zum Beispiel eine konventionelle Linse darstellen. Darüber hinaus kann das optische System auch eine Vielzahl von weiteren optischen Komponenten zum Bereitstellen des reellen Zwischenbildes aufweisen. Die Vielzahl von optischen Komponenten kann jede beliebige geeignete Kombination von diffraktiven optischen Elementen, refraktiven optischen Elementen, Flüssiglinsen und so weiter darstellen.
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Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist die Steuereinheit dazu ausgelegt, die Flüssigkristallzelle derart zu steuern, dass der erste und zweite Brechungsbereich der Flüssigkristallzelle im ersten Zustand der Flüssigkristallzelle ähnliche oder gleiche optische Eigenschaften aufweisen, zum Beispiel eine gleiche Apertur und eine gleiche Brennweite. Dies erlaubt es, ein stereoskopisches Bild auf sehr einfache Weise zu erreichen. Um eine solche Ausbildung der Flüssigkristallzelle bereitzustellen, kann die Flüssigkristallzelle in gleiche Brechungsbereiche aufgeteilt werden, nämlich den ersten und zweiten Brechungsbereich, die die gleiche Geometrie und Größe aufweisen können, und auch die Elektrodenschichten können in gleicher Weise für beide Brechungsbereiche gesteuert werden. Somit arbeitet jeder Brechungsbereich als konventionelle Linse und die beiden Bereiche haben gleiche Linseneigenschaften. Auf diese Weise kann ein erstes und zweites Bild bereitgestellt werden, die eine unterschiedliche Perspektive auf ein bestimmtes Objekt in der Umgebung des Kraftfahrzeugs bereitstellen, was es ermöglicht, eine Entfernungsinformation über dieses bestimmte Objekt abzuleiten. Aufgrund der gleichen optischen Eigenschaften der beiden Brechungsbereiche kann die Entfernungsinformation einfach durch einen Vergleich des ersten und zweiten Bildes abgeleitet werden.
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Daher stellt es eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung dar, dass die Kraftfahrzeugkamera dazu ausgelegt ist, eine Entfernung von mindestens einem Objekt im ersten und zweiten Bild in Abhängigkeit von einem Unterschied des ersten und zweiten Bildes zu bestimmen, wenn sich die Flüssigkristallzelle im ersten Zustand befindet. Da die nebeneinander befindlichen Flüssigkristalllinsen, die durch die jeweiligen Brechungsbereiche der Flüssigkristallzelle bereitgestellt sind, das Bild von zum Beispiel einem bestimmten Objekt in der Umgebung des Kraftfahrzeugs, welches in Form des reellen Zwischenbildes bereitgestellt wird, aus unterschiedlichen Betrachtungswinkeln in der lateralen Richtung sehen, wird sich auch die Position des Objekts in dem ersten und zweiten Bild in der lateralen Richtung abhängig von der Entfernung des Objekts unterscheiden. Für nahe Objekte wird dieser Unterschied in der Position in der lateralen Richtung signifikanter sein. Daher kann aus der Information über das Ausmaß dieser lateralen Verschiebung der Objektposition im ersten und zweiten Bild eine Information über die reale Entfernung des Objekts in der Umgebung von der Kamera bestimmt werden. Zur Bestimmung der Entfernung kann die Kraftfahrzeugkamera eine weitere Steuereinheit aufweisen, die dazu ausgelegt ist, das erste und zweite Bild zu analysieren und daraus die Entfernung mindestens eines Objekts zu bestimmen. Insbesondere kann diese weitere Steuereinheit auch dazu ausgelegt sein, Objekte im Bild zu identifizieren. Zu diesem Zweck können herkömmliche Bildanalysetechniken verwendet werden.
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Gemäß einer weiteren sehr vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist die Steuereinheit dazu ausgelegt, die Flüssigkristalllinse derart zu steuern, da sich die Flüssigkristalllinse in einem zweiten Zustand befindet, in welchem der zweite Brechungsbereich und der erste Brechungsbereich zusammen einen Gesamtbereich der Flüssigkristallschicht bilden, wobei der zweite Brechungsbereich kleiner ist als der erste Brechungsbereich, und der zweite Brechungsbereich mindestens eine Abbildungseigenschaft bereitstellt, die von der des ersten Brechungsbereichs verschieden ist. Das zweite Bild wird dann innerhalb des Gesamtbildes gebildet und stellt einen Teil des Gesamtbildes dar, während der Rest des Gesamtbildes, der vom zweiten Bild verschieden ist, das erste Bild darstellt. Das erste und zweite Bild können gemäß dieser Ausführungsform der Erfindung mit unterschiedlichen Abbildungseigenschaften, zum Beispiel einer unterschiedlichen Vergrößerung, bereitgestellt werden. Dies hat den großen Vorteil, dass zwei Bilder mit verschiedenen Abbildungseigenschaften gleichzeitig und nicht nacheinander bereitgestellt werden können. Somit können lange Umschaltzeiten zum Schalten eines Flüssigkristalls in unterschiedliche Zustände zum Bereitstellen verschiedener Abbildungseigenschaften vermieden werden. Wie ebenfalls zu Anfang beschrieben ist einerseits ein weites Sichtfeld vorteilhaft, da es erlaubt, neben das Fahrzeug zu sehen, was vor allem beim städtischen Fahren geeigneter ist, während ein schmales Sichtfeld den Vorteil hat, dass ein deutliches Bild von Objekten bereitgestellt werden kann, die sehr weit entfernt sind. Diese beiden Vorteile eines schmalen und weiten Sichtfelds können nun durch diese vorteilhafte Ausbildung der Flüssigkristallzelle kombiniert werden, da verschiedene Brechungsbereiche mit verschiedenen Abbildungseigenschaften gleichzeitig bereitgestellt werden können. Somit ist kein Umschalten zwischen verschiedenen Sichtfeldern notwendig.
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Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist die Steuereinheit dazu ausgelegt, die Flüssigkristallzelle derart zu steuern, dass der zweite Brechungsbereich im zweiten Zustand der Flüssigkristallzelle einen Zoom-Bereich innerhalb des Gesamtbereichs darstellt. Dieser Zoom-Bereich kann vorteilhafterweise verwendet werden, um eine vergrößerte Sicht auf bestimmte Bereiche von Interesse in der Umgebung des Kraftfahrzeugs bereitzustellen, wie zum Beispiel Verkehrszeichen. Die Flüssigkristallzelle kann dann als Hauptlinse, die ein normales oder großes Sichtfeld bereitstellt, und zum Beispiel als eine seitliche Ecklinse fungieren, die eine ausgedehnte Vergrößerung für einen bestimmten Bereich von Interesse bereitstellt. Dieser Zoom-Bereich erlaubt folglich, ein deutliches Bild von Objekten zu erhalten, die weit entfernt positioniert sind, und gleichzeitig kann mittels des ersten Brechungsbereichs ein Sichtfeld bereitgestellt werden, welches es erlaubt, neben das Kraftfahrzeug zu sehen.
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Weiterhin ist gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung die Steuereinheit dazu ausgelegt die Flüssigkristalllinse derart zu steuern, dass in einem zweiten Zustand der Flüssigkristalllinse eine Position des zweiten Brechungsbereichs innerhalb des Gesamtbereichs variabel ist. Dies ist sehr vorteilhaft, da die Position des zweiten Brechungsbereichs, welcher den Zoom-Bereich bereitstellt, dann gemäß einer Bewegung eines Bereichs von Interesse variiert werden kann. Dabei kann zum Beispiel eine vergrößerte Sicht auf einen Bereich von Interesse, wie zum Beispiel ein Verkehrszeichen, durch den zweiten Brechungsbereich bereitgestellt werden, selbst wenn sich das Kraftfahrzeug bewegt und sich das Verkehrszeichen lateral mit Bezug auf die Bewegungsrichtung der Kraftfahrzeugkamera bewegt. Weiterhin kann die Größe des zweiten Brechungsbereichs auf einen bestimmten Bereich von Interesse beschränkt sein. Dadurch können Informationen auf sehr effiziente Weise erfasst werden.
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Darüber hinaus ist es auch möglich, dass der zweite Brechungsbereich mit Bezug auf seine Größe verändert werden kann. Zum Beispiel wenn der Bereich von Interesse ein bestimmtes Objekt umfasst, wie zum Beispiel ein Verkehrszeichen, welches größer wird, wenn es näher kommt, kann die Steuereinrichtung die Flüssigkristallzelle derart ansteuern, dass die Größe des zweiten Brechungsbereichs korrespondierend vergrößert wird. Mit anderen Worten kann die Steuereinrichtung die Flüssigkristallzelle derart steuern, dass sich die Position und/oder Größe des zweiten Brechungsbereichs im zweiten Zustand der Flüssigkristallzelle zeitlich verändert, zum Beispiel von Bild zu Bild. Eine solche Veränderung ist üblicherweise kontinuierlich, da Objekte von Interesse, wie Verkehrszeichen, einer ziemlich kontinuierlichen Bewegung folgen, wenn sich das Kraftfahrzeug bewegt. Eine korrespondierende Veränderung der Eigenschaften der Flüssigkristallzelle durch Anlegen einer korrespondierenden Spannungsverteilung über den Elektrodenschichten kann daher sehr schnell durchgeführt werden, da diese Veränderung in kleinen inkrementellen Schritten aufgrund dieser kontinuierlichen Bewegung erfolgen kann.
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Darüber hinaus ist es bevorzugt, dass die Steuereinheit dazu ausgelegt ist, die Flüssigkristallzelle derart zu steuern, dass ein zweiter Brechungsbereich einen zweiten Zoomfaktor bereitstellt, welcher größer ist als der erste Zoomfaktor, der dem ersten Brechungsbereich zugeordnet ist, wobei der zweite Zoomfaktor vorzugsweise mindestens doppelt so groß ist wie der erste Zoomfaktor. Dadurch können wichtige Informationen über Bereiche von Interesse einfacher bereitgestellt werden. Darüber hinaus kann die Steuereinheit optional auch dazu ausgelegt sein, die Flüssigkristallzelle derart zu steuern, dass der zweite Zoomfaktor des zweiten Brechungsbereichs veränderbar ist. Im Falle, dass ein bestimmtes Objekt innerhalb des Bereichs von Interesse sehr nahe ist, kann dann der zweite Zoomfaktor kleiner sein als im Falle, dass ein bestimmtes Objekt von Interesse sehr weit weg ist. Eine Flüssigkristallzelle stellt folglich viel Flexibilität für Anpassungen an verschiedene Situationen bereit.
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Darüber hinaus kann ein optisches System mit einer Flüssigkristallzelle, die im zweiten Zustand betrieben wird, ein weiteres optisches Element aufweisen, wie ein Okular oder eine andere Flüssigkristallzelle, die als Okular fungiert, um die jeweiligen ersten und zweiten Bilder auf den Bildsensor zu projizieren, da ohne ein solches weiteres optisches Element die ersten und zweiten Bilder in unterschiedlichen Entfernungen hinter der Flüssigkristallzelle erzeugt werden könnten, zum Beispiel im Falle dass die ersten und zweiten Brechungsbereiche unterschiedliche Brennweiten aufweisen.
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Wie oben beschrieben kann sich die Flüssigkristallzelle wie mehrere separate Linsen verhalten, zum Beispiel als zwei Linsen, die nebeneinander angeordnet sind, um ein stereoskopisches Bild zu erzeugen, oder als eine Hauptlinse und eine seitliche Ecklinse, um einen Zoom-Bereich innerhalb des Gesamtbildbereichs bereitzustellen. Diese unterschiedlichen Ausbildungen der Flüssigkristallzelle können durch eine korrespondierende Steuerung der Elektroden der Flüssigkristallzelle bereitgestellt werden. Daher ist es möglich, all die beschriebenen obigen Ausführungsformen zu kombinieren, zum Beispiel in einer zeitlichen Abfolge. Zum Beispiel kann die Steuereinheit dazu ausgelegt sein, die Flüssigkristallzelle derart zu steuern, dass die Flüssigkristallzelle zu einem ersten Zeitpunkt in einem ersten Zustand ist, und dass die Flüssigkristallzelle zu einem zweiten Zeitpunkt in einem zweiten vom ersten verschiedenen Zustand ist. Wenn die Flüssigkristallzelle im ersten Zustand ist, können die ersten und zweiten Brechungsbereiche der Flüssigkristallzelle nebeneinander angeordnet sein, insbesondere um ein stereoskopisches Bild wie oben beschrieben bereitzustellen, und im zweiten Zustand kann die Flüssigkristallzelle derart ausgebildet sein, dass der zweite Brechungsbereich andere Abbildungseigenschaften bereitstellt als der erste Brechungsbereich und zum Beispiel einen Zoom-Bereich innerhalb des Gesamtbereichs der Flüssigkristallschicht wie ebenfalls oben beschrieben darstellt.
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Es soll angemerkt werden, dass der Ausdruck zweiter Zustand nicht impliziert, dass ein erster Zustand existieren muss. Mit anderen Worten kann der zweite Zustand auch der einzige aktive Zustand sein, in welchem die Flüssigkristallzelle betrieben wird.
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Darüber hinaus können auch weitere Zustände der Flüssigkristallzelle bereitgestellt werden. Zum Beispiel kann die Steuereinheit derart ausgelegt sein, dass die sich die Flüssigkristallzelle wie eine einzelne Linse gemäß einem dritten Zustand der Flüssigkristallzelle verhält. Mit anderen Worten ist die Flüssigkristallzelle im dritten Zustand als einzelne Flüssigkristalllinse ausgebildet. Eine solche Flüssigkristalllinse kann ebenfalls verschiedene Sichtfelder gemäß einer korrespondierenden Steuerung der Elektrodenschichten bereitstellen. Weiterhin kann die Steuereinheit dazu ausgelegt sein, solche Zustände der Flüssigkristallzelle von Zeit zu Zeit umzuschalten, zum Beispiel in einer abwechselnden Art und Weise von Zeitschritt zu Zeitschritt oder von Zeitfenster zu Zeitfenster, wobei jedes Zeitfenster mehrere Zeitschritte umfasst, in welchem ein oder mehrere Bilder erfasst werden. Die Veränderung des Zustands der Flüssigkristallzelle kann in Abhängigkeit von zum Beispiel einem Situationsparameter gesteuert werden. Im Falle, dass kein Objekt von Interesse in erfassten Bildern detektiert wird, kann die Flüssigkristallzelle so gesteuert werden, dass sie sich im oben beschriebenen dritten Zustand befindet. Im Falle, dass ein Objekt detektiert wird, zum Beispiel abhängig von der Art des Objekts, kann die Flüssigkristallzelle im ersten und/oder zweiten Zustand, zum Beispiel in einer abwechselnden Art und Weise betrieben werden. Vorteilhafterweise erlaubt es die Kraftfahrzeugkamera dann, sich an verschiedene Fahrsituationen einhergehend mit einer enormen Kosteneinsparung anzupassen.
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Die Erfindung betrifft auch ein Fahrerassistenzsystem mit einer erfindungsmäßen Kraftfahrzeugkamera oder einer ihrer Ausgestaltungen. Die Erfindung betrifft auch ein Kraftfahrzeug mit einer erfindungsgemäßen Kraftfahrzeugkamera oder einer ihrer Ausgestaltungen.
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Die mit Bezug auf die Kraftfahrzeugkamera und ihre Ausgestaltungen beschrieben Vorteile gelten in gleicher Weise für das erfindungsgemäße Fahrerassistenzsystem und das Kraftfahrzeug. Aufgrund all der enormen Vorteile, die durch die Kraftfahrzeugkamera, insbesondere mit Bezug auf eine Objektdetektion und Objekterkennung, bereitgestellt werden, ist die Verwendung einer solchen Kraftfahrzeugkamera für ein Fahrerassistenzsystem, insbesondere ein fortgeschrittenes Fahrerassistenzsystem, sehr vorteilhaft.
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Darüber hinaus betrifft die Erfindung auch ein Verfahren zum Steuern einer Kraftfahrzeugkamera zum Erfassen eines Teils eine Umgebung eines Kraftfahrzeugs, wobei die Kraftfahrzeugkamera ein optisches System und einen Bildsensor aufweist, wobei das optische System Licht von dem Teil der Umgebung auf den Bildsensor projiziert, wobei der Bildsensor Licht, welches das optische System durchlaufen hat, erfasst, wobei das optische System eine Flüssigkristallzelle umfasst, die eine Flüssigkristallschicht mit Flüssigkristallen aufweist, wobei die Flüssigkristallzelle derart gesteuert wird, dass Licht, welches die Flüssigkristallzelle durchläuft, durch die Flüssigkristallschicht gebrochen wird. Darüber hinaus weist die Kraftfahrzeugkamera weiterhin eine Steuereinheit zum Steuern der Flüssigkristallzelle auf, wobei die Steuereinheit dazu ausgelegt ist, die Flüssigkristallzelle derart zu steuern, dass die Flüssigkristallschicht mindestens einen ersten Brechungsbereich aufweist, der derart ausgebildet ist, dass Licht, welches den ersten Brechungsbereich durchläuft, ein erstes Bild auf dem Bildsensor bildet. Darüber hinaus steuert die Steuereinheit die Flüssigkristallzelle derart, dass die Flüssigkristallschicht mindestens einen zweiten Brechungsbereich aufweist, der derart ausgebildet ist, dass Licht, welches den zweiten Brechungsbereich durchläuft, ein zweites Bild auf dem Bildsensor bildet, wobei sich das zweite Bild zumindest teilweise vom ersten Bild unterscheidet.
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Auch gelten die anderen Vorteile, die mit Bezug auf die erfindungsgemäße Kraftfahrzeugkamera oder ihre Ausführungsformen beschrieben worden sind, in gleicher Weise für das Verfahren zum Steuern einer Kraftfahrzeugkamera.
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Weitere Merkmale der Erfindung ergeben sich aus den Ansprüchen, den Figuren und der Figurenbeschreibung. Die vorstehend in der Beschreibung genannten Merkmale und Merkmalskombinationen sowie die nachfolgend in der Figurenbeschreibung genannten und/oder in den Figuren alleine gezeigten Merkmale und Merkmalskombinationen sind nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen verwendbar, ohne den Rahmen der Erfindung zu verlassen. Es sind somit auch Ausführungen von der Erfindung als umfasst und offenbart anzusehen, die in den Figuren nicht explizit gezeigt und erläutert sind, jedoch durch separierte Merkmalskombinationen aus den erläuterten Ausführungen hervorgehen und erzeugbar sind. Es sind auch Ausführungen und Merkmalskombinationen als offenbart anzusehen, die somit nicht alle Merkmale eines ursprünglich formulierten unabhängigen Anspruchs aufweisen. Es sind darüber hinaus Ausführungen und Merkmalskombinationen, insbesondere durch die oben dargelegten Ausführungen, als offenbart anzusehen, die über die in den Rückbezügen der Ansprüche dargelegten Merkmalskombinationen hinausgehen oder abweichen.
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Darin zeigen:
- 1 eine schematische Darstellung einer Kraftfahrzeugkamera mit einer Flüssigkristallzelle gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung;
- 2 eine schematische Darstellung der Flüssigkristallzelle der Kraftfahrzeugkamera gemäß 1, wenn die Flüssigkristallzelle gesteuert wird, um in einem ersten Zustand zu sein, um ein stereoskopisches Bild bereitzustellen;
- 3 eine schematische Darstellung der Kraftfahrzeugkamera mit einer Flüssigkristallzelle im ersten Zustand;
- 4 eine schematische Darstellung von zwei Bildern, die von einer Kraftfahrzeugkamera mit einer Flüssigkristallzelle im ersten Zustand erzeugt werden, um ein stereoskopisches Bild bereitzustellen;
- 5 eine schematische Darstellung einer Flüssigkristallzelle einer Kraftfahrzeugkamera gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung, wobei die Flüssigkristallzelle sich in einem zweiten Zustand befindet, um einen lokalen Zoom-Bereich bereitzustellen, sowie ein Bild, das mit der Kraftfahrzeugkamera erzeugt wurde, die die Flüssigkristallzelle im zweiten Zustand aufweist;
- 6 eine schematische Darstellung der Flüssigkristallzelle in einem dritten Zustand und einem Bild, welches von einer Kraftfahrzeugkamera mit der Flüssigkristallzelle im dritten Zustand erzeugt wurde;
- 7 eine schematische Seitenansicht einer Kraftfahrzeugkamera mit zwei Flüssigkristallzellen gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung, wobei die Flüssigkristallzellen in einem Zustand zum Erzeugen eines mittleren Sichtfelds sind;
- 8 eine schematische Darstellung der Kraftfahrzeugkamera aus 7, wobei die Flüssigkristallzellen in einem Zustand zum Erzeugen eines schmalen Sichtfelds sind; und
- 9 eine schematische Seitenansicht der Kraftfahrzeugkamera gemäß 7 und 8, wobei die Flüssigkristallzellen in einem Zustand zum Bereitstellen eines zweiten Sichtfelds sind.
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1 zeigt eine schematische Darstellung, insbesondere eine Seitenansicht, einer Kraftfahrzeugkamera 1, welche eine Flüssigkristallzelle 2 gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung aufweist. In diesem Beispiel weist die Kraftfahrzeugkamera 1 ein optisches System 3 auf, von welchem die Flüssigkristallzelle 2 einen Teil darstellt. Neben der Flüssigkristallzelle 2 kann das optische System 3 weitere optische Komponenten 4, zum Beispiel konventionelle Linsen 5, aufweisen, insbesondere unterschiedliche Linsen 5, oder andere optische Elemente. Darüber hinaus weist die Kraftfahrzeugkamera 1 weiterhin einen Bildsensor 10 auf. Der Bildsensor 10 ist dazu ausgelegt, Licht 11 aus der Umgebung 12, welches das optische System 3 durchlaufen hat, oder zumindest einen Teil davon zu erfassen.
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Die Flüssigkristallzelle 2 ist ein optisches Element, welches die Moleküle des Flüssigkristalls abhängig von einer angelegten Spannung orientieren kann. Zum Steuern der Flüssigkristallzelle 2 kann die Kraftfahrzeugkamera 1 eine Steuereinheit 6 aufweisen, die auch als Controller 6 bezeichnet wird. Die Flüssigkristallzelle 2 weist eine Flüssigkristallschicht 7 mit Flüssigkristallen auf, oder genauer gesagt Flüssigkristallmoleküle, und zwei Elektrodenschichten, eine auf jeder Seite der Flüssigkristallschicht 7. Jede der Elektrodenschichten 9 weist eine Mehrzahl an Elektroden auf. Die Steuereinheit 6 ist dazu ausgelegt, eine Spannung an diese Elektroden der Elektrodenschichten 9 anzulegen, so dass eine bestimmte elektrische Feldverteilung in der Flüssigkristallschicht 7 bereitgestellt werden kann. Abhängig von der Verteilung des elektrischen Feldes, haben die Flüssigkristalle eine unterschiedliche Konzentration und/oder Orientierung in verschiedenen Bereichen der Flüssigkristallschicht 7, insbesondere in der x- und y-Richtung, wie in 1 dargestellt. Daher kann durch Steuerung der Elektrodenschichten 9 mittels der Steuereinheit 6 die Flüssigkristallzelle 2 gesteuert werden, um bestimmte Abbildungseigenschaften und optische Eigenschaften bereitzustellen. Insbesondere kann die Flüssigkristallzelle 2 derart gesteuert werden, dass die Flüssigkristallzelle 2 im Gegensatz zu konventionellen Flüssigkristalllinsen als mehrere Linsen gleichzeitig fungieren kann. Dies erlaubt es, sich an viele verschiedene Fahrsituationen zum Erfassen zumindest eines Teils einer Umgebung des Kraftfahrzeugs mit einer signifikanten Kosteneinsparung anzupassen, wie es im Folgenden detaillierter beschrieben wird.
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2 zeigt eine schematische Darstellung der Flüssigkristallzelle 2, wenn sie mittels der Steuereinheit 6 derart gesteuert wird, dass sie sich in einem ersten Zustand S1 befindet. In diesem ersten Zustand S1 fungiert die Flüssigkristallzelle 2 als zwei, insbesondere identische, nebeneinander angeordnete Linsen. Daher weist die Flüssigkristallschicht 7 zwei Brechungsbereiche 13, 14 auf, die in diesem Beispiel in der x-Richtung nebeneinander angeordnet sind. Alternativ können diese beiden Brechungsbereiche 13, 14 auch in der y-Richtung nebeneinander angeordnet sein. Somit sind ein erster Brechungsbereich 13 und ein zweiter Brechungsbereich 14 bereitgestellt. Licht 11, welches den ersten Brechungsbereich 13 durchläuft, bildet ein erstes Bild 15 (vgl. 4), auf dem Bildsensor 10, und Licht 11, welches den zweiten Brechungsbereich durchläuft, bildet ein zweites Bild 16 auf dem Bildsensor 10. Vorzugsweise wird die Flüssigkristallzelle 2 derart gesteuert, dass im ersten Zustand S1 der ersten und zweiten Brechungsbereiche 13, 14 die gleichen optischen Eigenschaften aufweisen, insbesondere die gleiche Brennweite, die gleiche Größe und Geometrie. Mittels einer solchen Ausbildung der Flüssigkristallschicht 7 kann ein Stereobild 17 (vgl. 4) bereitgestellt werden, welches Entfernungsinformationen über Objekte im Bild enthält, was nun im Folgenden beschrieben wird.
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3 ist eine schematische Darstellung von der Kraftfahrzeugkamera 1 und von Objekten 18, 19 in der Umgebung 12 des Kraftfahrzeugs. In diesem Beispiel sind ein nahes Objekt 18 und ein zweites Objekt 19, welches von der Kraftfahrzeugkamera 1 weit entfernt ist, illustriert. In diesem Beispiel ist die Flüssigkristallzelle 2 in einem ersten Zustand S1, wie in 2 illustriert. Weiterhin sind in diesem Beispiel die optischen Komponenten 4, wie zuvor in 1 beschrieben, ausgebildet, um ein reelles Bild 20 dieser Objekte 18, 19 bereitzustellen. Im Allgemeinen kann mittels solcher optischen Komponenten 4 ein virtuelles (hinter der Linse betrachtet) oder reelles Bild (vor der Linse betrachtet) eines Objekts 18, 19 erzeugt werden. In diesem Fall wird ein reelles Bild 20 erzeugt. Dieses Bild 20 ist dreidimensional, nämlich hat es vertikale, horizontale und longitudinale (Tiefen-) Koordinaten. In konventionellen Kamerasystemen würde ein Bildsensor an der Stelle dieses reellen Bildes 20 positioniert werden, um das Bild zu erfassen. Als Folge wäre dieses erfasste Bild zweidimensional, was durch die Natur des Bildsensors bedingt ist.
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Gemäß diesem Ausführungsbeispiel der Kraftfahrzeugkamera 1, wird dieses Bild 20 jedoch nicht direkt vom Bildsensor 10 erfasst, sondern stellt eine Art Zwischenbild 20 dar, welches auch als Relaybild bezeichnet werden kann. Dieses Zwischenbild 20 wird auf den Bildsensor 10 mittels des ersten Brechungsbereichs 13 aus einem ersten Betrachtungswinkel projiziert, wodurch somit das erste Bild 15 erzeugt wird, welches in 4 dargestellt ist, und gleichzeitig wird dieses Zwischenbild 20 mittels des zweiten Brechungsbereichs 14 aus einem zweiten Betrachtungswinkel auf den Bildsensor 10 projiziert, wodurch das zweite Bild 16 gebildet wird, welches ebenfalls in 4 illustriert ist. Somit wird der optische Pfad mittels der zwei Brechungsbereiche 13, 14 der Flüssigkristallzelle 2 aufgeteilt, wodurch zwei Bilder 15, 16 auf dem Bildsensor 10 bereitgestellt werden, die ebenfalls nebeneinander auf dem Bildsensor 10 gebildet werden, insbesondere ohne sich zu überschneiden. Da diese beiden Bilder 15, 16 aus unterschiedlichen Betrachtungswinkeln erfasst werden, können diese Bilder 15, 16 vorteilhafterweise für eine stereoskopische oder 3D-Analyse verwendet werden, insbesondere wie diese mit Standard-stereoskopischen Kameras durchgeführt wird. Der Bildsensor 10 kann in diesem Beispiel direkt hinter der Flüssigkristallzelle 2 positioniert sein. In einer solchen Anordnung werden die verschiedenen optischen Elemente, nämlich die jeweiligen Brechungsbereiche 13, 14, ein Bild 15, 16 dieses Zwischenbilds 20 auf dem korrespondierenden Teil des Bildsensors 10 erzeugen. Jedes dieser Bilder 15, 16 enthält Tiefeninformation korrespondierend zu ihrem Betrachtungswinkel des Zwischenbildes 20. Das Zwischenbild 20 wird durch die nebeneinander angeordneten Linsen, die durch beide Brechungsbereiche 13, 14 gebildet sind, die das Zwischenbild 20 aus unterschiedlichen Winkeln 10 sehen, abgebbildet, so dass das Nahfeldobjekt 18 sich lateral zu bewegen scheint, während das Fernfeldobjekt 19 sich nicht bewegt oder zumindest weniger als das Nahfeldobjekt 18. In 4 sind die jeweiligen Bilddarstellungen des Nahfeldobjekts 18 und des Fernfeldobjekts 19 mit 18' und 19' bezeichnet.
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Einer der Hauptvorteile dieser Anordnung ist es, dass die beiden aufgeteilten optischen Pfade sehr nahe beieinander angeordnet sein können, zum Beispiel 5 mm, und eine sehr gute Auflösung, insbesondere in der Tiefenrichtung, bereitgestellt werden kann. In einem normalen stereoskopischen System hängt die Tiefenauflösung vom Verhältnis des Abstands zwischen den Objekten zum Abstand zwischen den zwei optischen Pfaden ab. In dieser Anordnung hängt die Auflösung vom Verhältnis des Abstands zwischen den Objekten auf dem Zwischenbild 20, die mit jeweils 18" und 19" in 3 bezeichnet sind, und dem Abstand zwischen den zwei aufgeteilten optischen Pfaden ab. Die Entfernung der beiden aufgeteilten optischen Pfade korrespondiert in diesem Beispiel zum Abstand der jeweiligen optischen Achsen des ersten und zweiten Brechungsbereichs 13, 14. Der Abstand der Darstellungen 18", 19" der beiden Objekte 18, 19 ist viel kleiner als der reale Abstand dieser Objekte 18, 19, somit kann eine verbesserte Auflösung bereitgestellt werden. Dies erlaubt eine sehr kompakte Ausgestaltung der Kraftfahrzeugkamera 1, die dennoch dazu in der Lage ist, Stereobilder 17 mit hoher Tiefenauflösung bereitzustellen. Weiterhin kann ein gemeinsames optisches System 3 verwendet werden, um ein solches stereoskopisches Bild 17 bereitzustellen, was die Kraftfahrzeugkamera 1 sehr viel kosteneffizienter macht als jede konventionelle stereoskopische Kamera. Weiterhin kann mittels dieser Ausbildung ein Sichtfeld in der horizontalen Richtung bereitgestellt werden, zum Beispiel zwischen 20 Grad und 120 Grad, und in der vertikalen Richtung zwischen 15 Grad bis 80 Grad. Darüber hinaus kann die effektive Brennweite des optischen Systems 3 bis zu 8 mm betragen. Daneben können auch weitere optische Elemente zwischen der Flüssigkristallzelle 2 und dem Bildsensor 10 positioniert sein.
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5 zeigt eine schematische Darstellung der Flüssigkristallzelle 2 in einem zweiten Zustand S2. In diesem Beispiel, nämlich in diesem illustrierten zweiten Zustand S2, weist die Flüssigkristallzelle 2 auch einen ersten Brechungsbereich 21 und einen zweiten Brechungsbereich 22 auf, die zusammen einen Gesamtbereich 23 der Flüssigkristallschicht 7 formen. In diesem Fall und im Gegensatz zu den vorhergehend beschriebenen Ausführungsformen, weisen die ersten und zweiten Brechungsbereiche 21, 22 unterschiedliche optische Eigenschaften auf. Insbesondere wird mittels des zweiten Brechungsbereichs 22 eine Art Zoom-Bereich bereitgestellt. Somit fungiert in diesem Beispiel die Flüssigkristallzelle 2 als eine Hauptlinse, die durch den ersten Brechungsbereich 21 repräsentiert wird, und als eine seitliche Ecklinse, die durch den zweiten Brechungsbereich 22 repräsentiert wird. Es soll angemerkt werden, dass der zweite Brechungsbereich 22 nicht notwendigerweise an dieser seitlichen Eckposition, die in 5 dargestellt ist, angeordnet sein muss, sondern im Prinzip irgendwo innerhalb des Gesamtbereichs 23 sein kann. Insbesondere kann dieser zweite Brechungsbereich 22 auch mit Bezug auf seine Position innerhalb des Gesamtbereichs 23 bewegt werden, zum Beispiel abhängig von einem Bereich von Interesse 24 des erfassten Gesamtbildes 25. Dieses Gesamtbild 25, welches vom optischen System 3 umfassend die Flüssigkristallzelle 2 im zweiten Zustand S2 auf dem Bildsensor 10 erzeugt wird, ist auch in 5 auf der rechten Seite dargestellt. Dieses Gesamtbild 25 weist folglich verschiedene Bildteile auf, nämlich ein erstes Bild 26 und ein zweites Bild 27. Licht 11, welches den zweiten Brechungsbereich 22 der Flüssigkristallzelle 2 im zweiten Zustand S2 durchlaufen hat, bildet daher das zweite Bild 27, welches eine vergrößerte Sicht auf die Umgebung im Gegensatz zum ersten Bild 26 bereitstellt, welches durch Licht 11 gebildet wird, welches den ersten Brechungsbereich 21 durchlaufen hat. Durch diese Ausbildung kann ein enges und weites Sichtfeld gleichzeitig bereitgestellt werden, was durch die Verwendung einer solchen Flüssigkristallzelle 2, insbesondere einer solch komplexen Flüssigkristallzelle 2, an einer Relay-Optikposition bereitgestellt werden kann. Somit kann zum Beispiel durch den ersten Brechungsbereich 21 ein weites Sichtfeld der Kamera 1 bereitgestellt werden, während mittels des zweiten Brechungsbereichs 22 die Vergrößerungskraft innerhalb dieses Teils des Sichtfelds der Kamera 1 erhöht werden kann. Somit kann es sein, dass ein Zeichen, welches in irgendeiner großen Entfernung von der Kamera 1 positioniert ist, mit den optischen Eigenschaften, die durch den ersten Brechungsbereich 21 bereitgestellt werden, kaum lesbar ist. Jedoch kann wenn das Zeichen im Sichtfeld des zweiten Brechungsbereichs 22 angeordnet ist, eine deutlichere Lesbarkeit des Zeichens bereitgestellt werden. Die Bilderstellung eines solchen Verkehrszeichens ist in 5 mit 28 bezeichnet. Auch in diesem Fall kann ein horizontales Sichtfeld bis zu 120 Grad bereitgestellt werden, insbesondere durch Kombination normaler Linsen 5 mit einer solchen Flüssigkristallzelle 2. Die Brennweiten eines jeweiligen Brechungsbereichs 13, 14 können zwischen 6 mm und 7 mm liegen, und die größere Flüssigkristallzelle 2 kann nur ein paar Zentimeter betragen, insbesondere weniger als 5 cm, zum Beispiel ungefähr 1 cm im Durchmesser.
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Ohne diesen zusätzlichen Zoom-Bereich, der durch den zweiten Brechungsbereich 22 bereitgestellt wird, würde ein Gesamtbild 25' wie in 6 auf der rechten Seite bereitgestellt werden. Somit kann solch ein Bild 25' mittels einer Flüssigkristallzelle 2 in einem dritten Zustand S3 erzeugt werden, in welchem diese Zelle 2 derart gesteuert wird, dass es sich wie eine einzelne Linse verhält. Somit wird nur ein erster Brechungsbereich 21 bereitgestellt, welcher die optischen Eigenschaften einer einzelnen Linse simuliert. Die optischen Eigenschaften der Brechungsbereiche 21, 22 können einfach verändert oder durch ein geeignetes Anlegen einer Spannung an die Elektroden angepasst werden. Somit kann zum Beispiel die Position und/oder der Zoomfaktor und/oder die geometrische Größe des zweiten Brechungsbereichs 22 zum Beispiel abhängig von der Situation oder eines bestimmten Bereichs von Interesse 24 angepasst werden.
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Darüber hinaus kann die Steuereinheit 6 auch dazu ausgelegt sein, die Flüssigkristallzelle 2 derart zu steuern, dass sich die Flüssigkristallzelle 2 von Zeit zu Zeit in verschiedenen Zuständen befinden kann. Somit kann zum Beispiel, wie in 5 und 6 dargestellt, die Flüssigkristallzelle 2 vom zweiten Zustand S2 zum dritten Zustand S3 umgeschaltet werden und zurück, zum Beispiel abhängig von der Fahrsituation oder Charakteristiken in der Umgebung 12 des Kraftfahrzeugs 1. Darüber hinaus kann eine solche Flüssigkristallzelle 2 verwendet werden, um verschiedene Sichtfelder in einer zeitlichen Art und Weise bereitzustellen. Dabei ist es vorteilhaft mindestens eine weitere Flüssigkristallzelle 29 zu haben, wie in 7 dargestellt. Diese zweite Flüssigkristallzelle 29 kann auch wie mit Bezug auf die erste Flüssigkristallzelle 2 beschrieben ausgebildet sein. Darüber hinaus kann die zweite Flüssigkristallzelle 29 zwischen der ersten Flüssigkristallzelle 2 und dem Bildsensor 10 angeordnet sein und sich wie ein Flüssigkristallokular verhalten. Die erste Flüssigkristallzelle 2 verhält sich wie eine Flüssigkristallfeldlinse. Die optischen Eigenschaften der jeweiligen Flüssigkristallzellen 2, 29 können durch jeweilige Steuerung mittels einer Steuereinheit 6 wie zuvor beschrieben bereitgestellt werden. Somit ist jede dieser Flüssigkristallzellen 2, 29 mit einem elektronischen System verbunden, nämlich der Steuereinheit 6, die es erlaubt, die an die Flüssigkristallzellen 2, 29 angelegte Spannung zu verändern. Abhängig von der an die Flüssigkristallfeldlinse 2 angelegten Spannung ist es möglich, das Sichtfeld des Systems von einem intermediären Sichtfeld, welches in 7 dargestellt ist, zu einem schmalen Sichtfeld, welches in 8 dargestellt ist, oder einem weiten Sichtfeld, welches in 9 dargestellt ist, zu ändern. Das Flüssigkristallokular, welches durch die zweite Flüssigkristallzelle 29 bereitgestellt ist, ist dazu ausgelegt, die effektive Brennweite zu korrigieren. Diese Ausbildung kann vorteilhafterweise mit den zuvor beschriebenen Ausführungsformen kombiniert werden. Zum Beispiel kann die Flüssigkristallfeldlinse, die durch die erste Flüssigkristallzelle 2 bereitgestellt wird, zusätzlich derart gesteuert werden, dass ein stereoskopisches Bild erzeugt werden kann, zum Beispiel wie in 2 dargestellt. Auch kann ein Zoom-Bereich wie in 5 durch diese erste Flüssigkristallzelle 2 bereitgestellt werden. Das Flüssigkristallokular 29 kann dann ebenfalls korrespondierende verschiedene Brechungsbereiche abhängig von der Ausbildung des ersten und zweiten Brechungsbereichs 13, 21, 14, 22 der ersten Flüssigkristallzelle 2 haben.
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Die Veränderung des Sichtfelds kann zusätzlich erfolgen, um sich an die Geschwindigkeit des Kraftfahrzeugs anzupassen, zum Beispiel ein schmales Sichtfeld, wie in 8 dargestellt, bei hohen Geschwindigkeiten und ein weites Sichtfeld, wie in 9 dargestellt, bei einer niedrigen Geschwindigkeit. Auch kann die angelegte Spannung sequenziert werden, um das Sichtfeld gemäß der Bildrate des Bildsensors 10 von schmal zu weit zu wechseln. Somit können abwechselnd Bilder mit verschiedenen Sichtfeldern erhalten werden.
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Mittels einer solchen Kraftfahrzeugkamera können bestimmte optische Anforderungen, wie ein bestimmtes Sichtfeld, eine Bildkreisausleuchtung, bestimmte Modulationstransferfunktionswerte und eine effektive Brennweite, erreicht werden, und gleichzeitig erlaubt sie, sich an alle Fahrsituationen einhergehend mit einer signifikanten Kostenersparnis anzupassen.
