DE102021202922A1

DE102021202922A1 - Beleuchtungseinheit für eine Innenraumüberwachung eines Fahrzeugs und Innenraumüberwachungssystem

Info

Publication number: DE102021202922A1
Application number: DE102021202922.1A
Authority: DE
Inventors: Dietmar Grimm
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2021-03-25
Filing date: 2021-03-25
Publication date: 2022-09-29

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Beleuchtungseinheit (100) für eine Innenraumüberwachung eines Fahrzeugs, umfassend eine oberflächenemittierende Laserdiode (engl. vertical cavity surface emitting laser; VCSEL) (120), die dazu eingerichtet ist, Licht in zumindest zwei voneinander separaten parallelen Strahlen (125) senkrecht zu einer Haupterstreckungsebene der Laserdiode (120) zu emittieren, und ein optisches Element (140), das dazu eingerichtet ist, die zumindest zwei Strahlen (125) in zumindest zwei zueinander nicht parallele Strahlkeulen (142, 144) aufzuteilen, dadurch gekennzeichnet, dass das optische Element (140) integral mit der Laserdiode (120) ausgebildet ist. Ferner wird ein Innenraumüberwachungssystem (200) mit einer solchen Beleuchtungseinheit (100) vorgeschlagen.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Beleuchtungseinheit für eine InnenraumÜberwachung eines Fahrzeugs sowie ein Innenraumüberwachungssystem mit einer solchen Beleuchtungseinheit.
Hintergrund der Erfindung
Die WO 02/084325 A1 beschreibt ein System zur Innenraumsensierung eines Fahrzeugs, bei dem eine Lichtquelle mit einer Linsenanordnung versehen ist, um das Licht aus der Lichtquelle zu formen bzw. zu lenken.
Offenbarung der Erfindung
Erfindungsgemäß werden eine Beleuchtungseinheit für eine Innenraumüberwachung eines Fahrzeugs sowie ein Innenraumüberwachungssystem mit einer solchen Beleuchtungseinheit mit den Merkmalen der unabhängigen Patentansprüche vorgeschlagen. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind Gegenstand der Unteransprüche sowie der nachfolgenden Beschreibung.
Die Erfindung bedient sich der Maßnahme, eine oberflächenemittierende Laserdiode (engl. vertical cavity surface emitting laser; VCSEL), die Licht in zumindest zwei (jedoch typischerweise einer Vielzahl) voneinander separaten parallelen Strahlen emittiert, integral mit einer passenden, die gewünschte Lichtformung herbeiführenden Optik (bzw. optisches Element), auszustatten, um Licht der VCSEL gleichzeitig in verschiedene Raumrichtungen zur Beleuchtung mehrere interessierender Raumbereiche zu lenken. Dadurch können mit einer einzigen Beleuchtungseinheit z.B. mehrere Bereiche eines Fahrzeuginnenraums simultan beleuchtet werden. Die integrale Ausgestaltung ist insbesondere durch eine feste, unlösbare Verbindung des optischen Elements mit der Laserdiode realisiert. In einer Weiterentwicklung kann das optische Element einstückig mit der Laserdiode ausgebildet sein. Dies bringt Vorteile in Bezug auf Bauraum und Robustheit mit sich und erleichtert zudem die fehlerfreie Installation, da keine separaten Teile präzise zueinander ausgerichtet werden müssen. Eine im Falle von separaten Bauteilen notwendige Kalibrierung entfällt.
Insbesondere ist das optische Element dazu eingerichtet, refraktiv und/oder reflektiv und/oder diffraktiv und/oder holografisch auf von der Laserdiode emittiertes Licht einzuwirken. Dies sind in Verbindung mit Laserlicht besonders relevante Wirkmechanismen, die auch durch ein passendes optische Element gezielt herbeigeführt und eingestellt werden können.
Das Licht weist vorteilhafterweise eine Wellenlänge aus einem infraroten Spektralbereich, insbesondere Bereich von 800 nm bis 1000 nm, auf. Dadurch kann die Innenraumüberwachung ohne eine Beeinträchtigung des Komforts von Fahrzeuginsassen (für Menschen nicht wahrnehmbare Strahlung) und ohne Beeinträchtigung durch Wärmestrahlung (deutlich kurzwelliger als das in Fahrzeuginnenräumen relevante Wärmestrahlungsspektrum) erfolgen.
Das optische Element kann insbesondere ein Material auf Acrylatbasis und/oder ein hochrefraktives Material, insbesondere mit einem Brechungsindex für die Laserwellenlänge in einem Bereich von 1,5 bis 1,8, und/oder ein Halbleitermaterial, insbesondere auf Galliumarsenidbasis, aufweisen. Je nach konkreter Auswahl ergeben sich dabei unterschiedliche Vorteile in Bezug auf Herstellung (Komplexität und Kosten), Bauraum und/oder Integrierbarkeit. Beispielsweise sind Acrylharze äußerst kostengünstig herzustellen, während z.B. Halbleitermaterialien direkt in die Laserdiode bei deren Herstellung integriert werden können und somit eine hohe Präzision der Ausrichtung des optischen Elements erreicht werden kann.
Insbesondere kann das optische Element ein Material, das auch die Laserdiode enthält, umfassen. Beispielsweise sind Halbleiter auf Galliumarsenidbasis für optische Anwendungen im Infrarotbereich hervorragend geeignet.
Vorteilhafterweise ist das optische Element durch Abscheiden, insbesondere durch physikalische und/oder chemische Dampfabscheidung (engl. physical/chemical vapor deposition; PVD/CVD), einer Schicht auf der Laserdiode und Strukturieren, insbesondere durch Fotolithographie, der Schicht hergestellt. Dies stellt eine präzise Fertigung sicher und ist sehr materialeffizient.
Die zumindest zwei Strahlkeulen sind vorteilhafterweise so zueinander angeordnet, dass sie eine gezielte Beleuchtung von zumindest zwei, drei, fünf, sieben oder neun Sitzpositionen in einem Fahrzeug aus einer Position innerhalb des Fahrzeugs ermöglichen. Dadurch kann eine Insassenüberwachung für jeden Sitzplatz einzeln realisiert werden, wodurch Fehler in der Auswertung vermieden werden und eine entsprechende Auswertung weniger komplex und robuster durchgeführt werden kann. Sind es zumindest vier Strahlkeulen, können diese insbesondere auf die vier Ecken eines Vierecks gerichtet sein. Sind es zumindest fünf Strahlkeulen, können diese insbesondere auf die vier Ecken und einen Kantenmittelpunkt eines Vierecks gerichtet sein. Sind es zumindest sechs Strahlkeulen, können diese insbesondere auf die vier Ecken und zwei Kantenmittelpunkte eines Vierecks gerichtet sein.
Dabei ist es besonders vorteilhaft, wenn das optische Element dazu eingerichtet ist, für jede Sitzposition des Fahrzeugs eine separate Strahlkeule zu erzeugen. Dies trägt in besonderem Maße zu der Robustheit der Auswertung bei, da jeweils nur eine Person pro Sitzplatz erwartet wird.
Bevorzugt wird jede der Strahlkeulen aus mehr als einer, mehr als zehn, mehr als hundert oder mehr als tausend der zumindest zwei separaten Strahlen gebildet. Dadurch erhöht sich die Beleuchtungsstärke und -homogenität. Zudem wird dadurch auch die Ausfallwahrscheinlichkeit gesenkt, da es unwahrscheinlich ist, dass alle Einzellichtquellen, die zu einer gemeinsamen Strahlkeule zusammengefasst werden, gleichzeitig ausfallen.
Ein erfindungsgemäßes Innenraumüberwachungssystem zur Innenraumüberwachung eines Fahrzeugs umfasst eine Beleuchtungseinheit nach einem der vorstehenden Ansprüche und einen Detektor, der dazu eingerichtet ist, das von der Beleuchtungseinheit emittierte Licht zu erfassen. Sie profitiert daher von den Vorteilen der Beleuchtungseinheit entsprechend.
Bevorzugt umfasst das Innenraumüberwachungssystem ferner eine Auswerteeinheit, die dazu eingerichtet ist, auf Basis von durch den Detektor erfasstem Licht eine Objekterkennung und/oder Bewegungsanalyse und/oder Objektverfolgung durchzuführen. Dadurch kann die gesamte Innenraumüberwachung von einem einzigen System übernommen werden, so dass die Einzelkomponenten gut aufeinander abgestimmt werden können.
Die Auswerteeinheit kann dabei eine Recheneinheit, die zur Bildverarbeitung eingerichtet ist, umfassen und z.B. in einem Steuergerät eines Kraftfahrzeugs, implementiert sein. Sie ist, insbesondere programmtechnisch, dazu eingerichtet, eines oder mehrere der genannten Verfahren durchzuführen.
Weitere Vorteile und Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus der Beschreibung und der beiliegenden Zeichnung.
Die Erfindung ist anhand eines Ausführungsbeispiels in der Zeichnung schematisch dargestellt und wird im Folgenden unter Bezugnahme auf die Zeichnung beschrieben.
Figurenliste

1 zeigt eine Ausgestaltung einer erfindungsgemäßen Beleuchtungseinheit in explodierter schematischer Darstellung.
2 zeigt schematisch eine oberflächenemittierende Laserdiode, wie sie im Rahmen der Erfindung verwendet werden kann.
3 zeigt eine Ausgestaltung der in 1 dargestellten Beleuchtungseinheit in einer schematischen Detailansicht.
4 zeigt eine Ausgestaltung eines erfindungsgemäßen Innenraumüberwachungssystems in schematischer Darstellung.

Ausführungsform(en) der Erfindung
In 1 ist eine Ausgestaltung einer erfindungsgemäßen Beleuchtungseinheit in schematischer Explosionsdarstellung gezeigt und insgesamt mit 100 bezeichnet. Die Beleuchtungseinheit 100 weist ein Gehäuse 110, beispielsweise ein im Wesentlichen wannenförmiges Keramikbauteil, eine oberflächenemittierende Laserdiode (auch als vertical cavity surface emitting laser, VCSEL bezeichnet) 120 mit integriertem optischem Element 140 sowie eine transparente Abdeckung 150 auf. Ferner ist in dem gezeigten Beispiel eine Fotodiode 130 in der Beleuchtungseinheit 100 vorgesehen, die beispielsweise zur Steuerung einer Beleuchtungsstärke verwendet werden kann.
In 2 ist die Laserdiode bzw. VCSEL 120 in einem Detailausschnitt gezeigt. Die Laserdiode 120 umfasst eine Vielzahl an Einzellichtquellen, die jede einen Lichtstrahl 125 emittieren kann. Mit einer solchen Laserdiode ergeben sich daher viele zueinander parallel verlaufende Einzelstrahlen 125, so dass eine mit einer solchen Laserdiode 120 beleuchtete Fläche im Wesentlichen den gleichen Flächeninhalt wie die Laserdiode 120 selbst aufweist, da die Divergenz der Einzelstrahlen 125 sehr gering ist und beispielsweise weniger als 5°, 2° oder 1° betragen kann. Herkömmlicherweise wird daher ein Diffusor oder ein Mikrolinsenarray, beispielsweise in Form der Abdeckung 150 verwendet, um die parallelen Einzelstrahlen 125 zur Beleuchtung eines größeren Raumwinkels, insbesondere eines Raumwinkels, der im Wesentlichen 2π sr beträgt, verwenden zu können.
Das im Rahmen der Erfindung verwendete optische Element 140 ist dagegen dazu eingerichtet, die Einzelstrahlen 125 der Laserdiode 120 in mehrere Strahlkeulen 142, 144 aufzuteilen, die in verschiedene Raumrichtungen abgestrahlt werden, wie in 3 veranschaulicht. So können mittels einer einzelnen Beleuchtungseinheit 100 mehrere voneinander getrennte Beleuchtungsbereiche beleuchtet werden. Das optische Element 140 weist dementsprechend mehrere Sektoren auf, die jeweils mehrere Einzelstrahlen 125 in eine jeweils gemeinsame Strahlkeule 142, 144 vereinigen. 3 zeigt anhand einer Skizze zwei Strahlkeulen 142, 144, z.B. eine für einen Fahrer und eine für einen Beifahrer in einem Fahrzeug. Die realen Dimensionen für jede Einzellichtquelle der Laserdiode 120 mit der zugehörigen Optik des optischen Elements 140 und bewegen sich im Sub-Millimeter-Bereich. Bei dem gezeigten Beispiel kann es sich um eine refraktive Ausführung des optischen Elements 140 handeln. Aufgrund der Eigenschaften von Laser-Emittern könnten aber insbesondere auch diffraktive oder holografische Ausführungsformen gut geeignet sein.
Das optische Element 140 ist integral mit der Beleuchtungseinheit 100 ausgeführt, also insbesondere kein separates Bauteil. Besonders vorteilhafte Ausgestaltungen umfassen ein direkt bei der Herstellung der Laserdiode 120 ausgebildetes optisches Element 140, das insbesondere aus einem gleichen Halbleitermaterial aufgebaut sein kann, das auch für die Laserdiode 120 verwendet wird, beispielsweise ein Material, aus dem ein üblicherweise eingesetzter Bragg-Spiegel hergestellt ist. In solchen Fällen kann der zur Herstellung der Laserdiode 120 verwendete Fotolithographie-Prozess auch für die Bereitstellung und Integration des optischen Elements 140 genutzt werden. Insbesondere holographische optische Elemente 140 sind so gut herstellbar.
Eine Möglichkeit für eine Integration des optischen Elements 140 in die Beleuchtungseinheit 100 stellen schichtabscheidende Prozesse wie z.B. CVD oder PVD dar. Dabei werden sehr dünne Schichten eines Materials auf ein Substrat aufgetragen, wobei hier vorteilhafterweise die Laserdiode 120 als Substrat verwendet wird. Durch geeignete Nachbearbeitung der abgeschiedenen Schicht, insbesondere mittels Fotolithographie, kann diese Schicht dann strukturiert werden, um ihr die Eigenschaften des optischen Elementes 140 zu verleihen.
In 4 ist eine Ausgestaltung eines erfindungsgemäßen Innenraumüberwachungssystems dargestellt und insgesamt mit 200 bezeichnet. Das System 200 umfasst eine Beleuchtungseinheit 100, wie sie hier bereits beschrieben wurde, sowie einen Detektor 210, beispielsweise eine Kamera, die einen Bildsensor mit Sensitivität in dem von der Beleuchtungseinheit emittierten Spektralbereich aufweist. In dem gezeigten Beispiel sind diese Komponenten 100, 210 beispielhaft in der Fahrzeugmitte angeordnet. Es ist aber auch eine Anordnung z.B. im Bereich des Zentraldisplays oder des Dachmoduls denkbar, wodurch sich gegebenenfalls Leitungswege verkürzen. Das System 200 ist zur Überwachung eines gesamten Innenraums 240 eines Fahrzeugs eingerichtet, wobei der Innenraum in mehrere Teilbereiche 242, 244 gegliedert ist, die beispielsweise jeweils eine Sitzposition umfassen. Jeder der Teilbereiche 242, 244 wird von einer der Strahlkeulen 142, 144 beleuchtet, so dass alle relevanten Teilbereiche 242, 244 separat beleuchtet werden. Der Detektor 210 kann eine dem optischen Element 140 entsprechende Optik aufweisen, so dass auf dem Bildsensor des Detektors 210 nur die Teilbereiche 242, 244, die durch die Strahlkeulen 142, 144 beleuchtet werden, abgebildet werden. Dadurch kann eine Bildauflösung in den relevanten Teilbereichen 242, 244 des Innenraums 240 optimiert werden, während irrelevante Bereiche nicht erfasst werden.
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

WO 02/084325 A1 [0002]

Claims

Beleuchtungseinheit (100) für eine Innenraumüberwachung eines Fahrzeugs, umfassend eine oberflächenemittierende Laserdiode (120), die dazu eingerichtet ist, Licht in zumindest zwei voneinander separaten parallelen Strahlen (125) senkrecht zu einer Haupterstreckungsebene der Laserdiode (120) zu emittieren, und ein optisches Element (140), das dazu eingerichtet ist, die zumindest zwei Strahlen (125) in zumindest zwei zueinander nicht parallele Strahlkeulen (142, 144) aufzuteilen, dadurch gekennzeichnet, dass das optische Element (140) integral mit der Laserdiode (120) ausgebildet ist.
Beleuchtungseinheit (100) nach Anspruch 1, wobei das optische Element (140) dazu eingerichtet ist, refraktiv und/oder reflektiv und/oder diffraktiv und/oder holografisch auf von der Laserdiode (120) emittiertes Licht (125) einzuwirken.
Beleuchtungseinheit (100) nach Anspruch 1 oder 2, wobei das Licht (125) eine Wellenlänge aus einem infraroten Spektralbereich, insbesondere Bereich von 800 nm bis 1000 nm, aufweist.
Beleuchtungseinheit (100) nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei das optische Element (140) ein Material auf Acrylatbasis und/oder ein hochrefraktives Material, insbesondere mit einem Brechungsindex in einem Bereich von 1,5 bis 1,8, und/oder ein Halbleitermaterial, insbesondere auf Galliumarsenidbasis, aufweist.
Beleuchtungseinheit (100) nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei das optische Element (140) ein Material, das auch die Laserdiode (120) enthält, umfasst.
Beleuchtungseinheit (100) nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei das optische Element (140) durch Abscheiden einer Schicht auf der Laserdiode (120) und Strukturieren, insbesondere durch Fotolithographie, der Schicht hergestellt ist.
Beleuchtungseinheit (100) nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei die zumindest zwei Strahlkeulen (142, 144) so zueinander angeordnet sind, dass sie eine gezielte Beleuchtung von zumindest zwei, drei, fünf, sieben oder neun Sitzpositionen (242, 244) in einem Fahrzeug (240) aus einer Position innerhalb des Fahrzeugs ermöglichen.
Beleuchtungseinheit (100) nach Anspruch 7, wobei das optische Element (140) dazu eingerichtet ist, für jede Sitzposition (242, 244) des Fahrzeugs eine separate Strahlkeule (142, 144) zu erzeugen.
Beleuchtungseinheit (100) nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei jede der Strahlkeulen (242, 244) aus mehr als einer, mehr als zehn, mehr als hundert oder mehr als tausend der zumindest zwei separaten Strahlen (125) gebildet wird.
Innenraumüberwachungssystem (200) zur Innenraumüberwachung eines Fahrzeugs (240), das eine Beleuchtungseinheit (100) nach einem der vorstehenden Ansprüche und einen Detektor (210), der dazu eingerichtet ist, das von der Beleuchtungseinheit (100) emittierte Licht zu erfassen, umfasst.
Innenraumüberwachungssystem (200) nach Anspruch 10, ferner umfassend eine Auswerteeinheit, die dazu eingerichtet ist, auf Basis von durch den Detektor (210) erfasstem Licht eine Objekterkennung und/oder Bewegungsanalyse und/oder Objektverfolgung durchzuführen.