EP2997407A1 - Radialobjektiv für einen sensor zum erzeugen einer optischen abbildung eines erfassungsbereichs - Google Patents

Radialobjektiv für einen sensor zum erzeugen einer optischen abbildung eines erfassungsbereichs

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Publication number
EP2997407A1
EP2997407A1 EP14711689.1A EP14711689A EP2997407A1 EP 2997407 A1 EP2997407 A1 EP 2997407A1 EP 14711689 A EP14711689 A EP 14711689A EP 2997407 A1 EP2997407 A1 EP 2997407A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
light
optical
radial
unit
lens assembly
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Withdrawn
Application number
EP14711689.1A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Reinhold DE FRIES
Christophe C. Bobda
Joachim Zöbisch
Dirk Heinrich
Gert Dankworth
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Universitaet Postdam
Original Assignee
Universitaet Postdam
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Universitaet Postdam filed Critical Universitaet Postdam
Publication of EP2997407A1 publication Critical patent/EP2997407A1/de
Withdrawn legal-status Critical Current

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Classifications

    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B13/00—Optical objectives specially designed for the purposes specified below
    • G02B13/06—Panoramic objectives; So-called "sky lenses" including panoramic objectives having reflecting surfaces
    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B19/00—Condensers, e.g. light collectors or similar non-imaging optics
    • G02B19/0004—Condensers, e.g. light collectors or similar non-imaging optics characterised by the optical means employed
    • G02B19/0009—Condensers, e.g. light collectors or similar non-imaging optics characterised by the optical means employed having refractive surfaces only
    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B19/00—Condensers, e.g. light collectors or similar non-imaging optics
    • G02B19/0033—Condensers, e.g. light collectors or similar non-imaging optics characterised by the use
    • G02B19/0076—Condensers, e.g. light collectors or similar non-imaging optics characterised by the use for use with a detector
    • G02B19/008—Condensers, e.g. light collectors or similar non-imaging optics characterised by the use for use with a detector adapted to collect light from a complete hemisphere or a plane extending 360 degrees around the detector
    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B5/00—Optical elements other than lenses
    • G02B5/001—Axicons, waxicons, reflaxicons
    • G—PHYSICS
    • G03—PHOTOGRAPHY; CINEMATOGRAPHY; ANALOGOUS TECHNIQUES USING WAVES OTHER THAN OPTICAL WAVES; ELECTROGRAPHY; HOLOGRAPHY
    • G03B—APPARATUS OR ARRANGEMENTS FOR TAKING PHOTOGRAPHS OR FOR PROJECTING OR VIEWING THEM; APPARATUS OR ARRANGEMENTS EMPLOYING ANALOGOUS TECHNIQUES USING WAVES OTHER THAN OPTICAL WAVES; ACCESSORIES THEREFOR
    • G03B37/00—Panoramic or wide-screen photography; Photographing extended surfaces, e.g. for surveying; Photographing internal surfaces, e.g. of pipe
    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B27/00—Optical systems or apparatus not provided for by any of the groups G02B1/00 - G02B26/00, G02B30/00
    • G02B27/10—Beam splitting or combining systems
    • G02B27/12—Beam splitting or combining systems operating by refraction only

Definitions

  • the present invention relates to a radial objective arrangement for generating an optical image of a detection area, in particular a radial objective arrangement for an all-round optical sensor.
  • An objective arrangement for a panoramic camera is known, for example, from DE 20 2006 013 714 U1.
  • an all-round vision camera for environmental monitoring which has a central Lichtumlenkki in the form of an objective, the light coming from a detection range breaks and directed directed to a Lichtsammeizie in the form of a convex or conical mirror.
  • the previously known all-round camera has motion sensors, which are arranged laterally in a housing jacket of the panoramic camera and are aligned in such a way that a range of 360 ° relative to an optical axis of the panoramic camera is detected. If a motion sensor indicates a movement, the panoramic camera is triggered and the image information reflected via the mirror is converted into digital data by a semiconductor chip of the panoramic camera.
  • a disadvantage of the known all-round camera is that said movement sensors must be provided for the operation in order to ensure detection of an object in the detection area can.
  • DE 600 37 040 T2 discloses a radial objective arrangement according to the preamble of patent claim 1.
  • a disadvantage of the radial objective arrangement known from this document is the inaccurate positioning of the light collecting unit, which is designated in the document as a "general parabolic omnidirectional mirror" and is designated in the figures there by the reference numeral 112. This mirror is designed as a separate component and must Because of this imprecise positioning, an image projected onto the viewing surface is blurred and / or incomplete.
  • the radial lens assembly includes the central light-deflecting unit (sometimes referred to simply as a "light-deflecting unit" in the description of the present invention) that is configured and arranged to break and initially conduct directionally incoming light from the detection area.
  • the detection area is, for example, an area lying above to / and / or below the radial objective arrangement. If, for example, a center of the radial objective arrangement is considered to be the center of a spherical coordinate system, the detection area comprises coordinates which have an arbitrary azimuth angle between -180 ° to +180 ° and a polar angle between approximately 0 ° to 90 ° and / or 90 ° to 180 °.
  • the detection area starts at the outer lateral surfaces of the central light deflection unit.
  • the detection area extends below to / and / or above the central light deflection unit, the incident light being incident on the outer surface of a respective one of the plurality of optical rings.
  • the light collection unit is configured and arranged to receive light transmitted by the central light deflection unit and to project it onto an observation surface of the light collection unit.
  • the light collecting unit is configured, for example, as an optical cone, wherein a base of the cone forms the observation surface. From the observation area, the light is preferred fed to an evaluation unit, which is designed, for example, to measure a brightness and / or to detect a brightness change.
  • the cone base of the cone is, for example, circular. Depending on the field of application, however, other shapes for the conical base come into consideration. For example, a substantially elliptical cone base is useful for detecting a playing field of a sports stadium.
  • the number of optical rings of the light collection unit functions as a lens of the radial lens assembly.
  • the optical rings are arranged such that the light coming from the detection area is incident on the respective outer surface of the mantle.
  • the central light deflection unit may in particular also comprise only a single optical ring.
  • the central light deflection unit and the light collection unit are formed from a monolithic piece of material.
  • the monolithic piece of material of the radial objective arrangement thus comprises the central light deflection unit and the light collection unit. Both the light gathering unit and the central light deflecting unit are formed in the same, single and continuous (monolithic) piece of material.
  • the monolithic piece of material may, for example, be a piece of plexiglass that has been processed to form the central light collecting unit and the light deflecting unit, for example by a grinding process.
  • the central light deflection unit and the light collection unit are exactly aligned with each other. All light coming out of the detection area is projected exactly onto the observation surface of the light collecting unit.
  • the central light deflection unit and the light collection unit have a common optical axis which runs along a z-axis of the radial objective arrangement and comprises a respective center of the number of optical rings. This aspect will be explained further below.
  • the radial objective arrangement according to the invention is further distinguished by a simple lens design, which can advantageously be integrated in an optical sensor and / or in a communication sensor.
  • the radial objective arrangement according to the invention has no moving optical parts. Due to the configuration of the central light deflection unit and the light collection unit in the monolithic piece of material, distance relationships, in particular between the light collection unit and the light deflection unit, are fixed and variable.
  • the radial objective arrangement according to the invention preferably comprises exclusively the light deflection unit and light collection unit formed in the monolithic piece of material.
  • the radial lens assembly is thus completely rigid and insensitive to shocks. In addition to the monolithic piece of material in which the Lichtumlenkmaschine and the Lichtsammeimaschine are formed, no further components are necessary to produce the optical image.
  • moving lenses or moving cameras have been used in the prior art to produce all-round views.
  • lenses are used which, for example, can detect 120 ° wide angles.
  • three of these lenses would be necessary to create a 360 ° view.
  • the radial lens assembly according to the invention is also characterized by a long service life, since the local strength causes both the radial lens assembly and the optical elements therein, in contrast to moving parts no wear. Because no movable optical elements are provided, well-founded measurement errors are completely avoided by a faulty movement of optical elements.
  • the radial lens assembly according to the invention is ideal for mass production.
  • the hardware usage for optics and sensors is significantly reduced.
  • the radial objective arrangement according to the invention is particularly suitable for use in the technical fields of motion detection, motion detection, image recognition and light intensity determination as well as in the field of data communication.
  • the radial objective arrangement according to the invention is suitable for generating an image of a 360 ° all-round view of the detection area.
  • the inventive radial lens assembly is also particularly suitable, in the context of a motion-free sensor for communication signals and / or environment maps to be used.
  • the radial lens assembly is good for both daytime use and night use.
  • the radial lens arrangement is preferably formed by a self-supporting construction, which preferably requires no calibration or adjustment prior to use. Rather, the radial lens assembly is ready for use after their production readily available. This results in particular from the use of the monolithic piece of material.
  • a respective one of the plurality of optical rings preferably comprises an inner circumferential surface facing in a direction opposite to the radial direction.
  • the central light deflection unit is preferably designed to decouple the light coming from the detection area via the respective inner jacket surface and to forward it to the light collecting unit.
  • the phrase "number of optical rings" should not suggest that the radial objective arrangement comprises several components. Rather, the radial lens assembly preferably comprises only a single component, namely said monolithic piece of material, in which the light collecting unit and the Lichtumlenkmaschine are formed.
  • the 'number' of optical rings which - as I said - can also be one, results from the design of the outer and / or inner lateral surfaces. In this case, depending on the desired detection range, different angles of curvature or taper angle and / or curvature can be selected (which will be explained in more detail later), so that virtually a plurality of optical rings is formed.
  • the central light deflection unit is preferably designed to break the light coming from the detection area in such a way that a light transport in the beam path, that is to say when the observation surface passes through, has a parallel course. Furthermore, the central light deflection unit is preferably designed such that light is scattered and / or attenuated outside the parallel course on an upper and / or a lower jacket surface of the central light collecting unit. This scattered and / or dim light loses itself in the noise. With this approach, the refraction of light and the light transport are bound to simple calculation algorithms.
  • the number of optical rings are preferably designed to provide a light transport in a parallel beam path and / or in a focused light transport with total reflection.
  • the number of optical rings each have a shape of a hollow cylinder, wherein the outer radius of the respective hollow cylinder is preferably a multiple of the height.
  • the inner radius of the respective hollow cylinder is a multiple of the height.
  • the outer radius is about 10 to 120 mm.
  • the height of a respective optical ring is, for example, 1.5 to 7 mm.
  • the height of the light collection unit preferably designed as an optical cone, is for example identical to the total height of all optical rings.
  • the distance of the light-gathering unit to the central light-deflecting unit can be adjusted in the manufacture of the radial lens assembly by forming the light-collecting unit and the light-deflecting unit in the monolithic piece of material.
  • the light collection unit of the radial lens assembly is configured as an optical cone or cylinder, wherein a base of the cone or the cylinder forms the observation surface on which the forwarded light is projected by the light collection unit.
  • the light collected by the light collecting unit thus preferably falls perpendicular to the observation surface. From there, it can be directed, for example, onto a photoresistive surface, which is preferably connected to an evaluation unit, such as a camera module.
  • the center angle of the optical cone is constant, for example, and is 45 degrees, for example.
  • at least part of the conical surface in one embodiment of the radial objective arrangement is, for example, concave and / or convex and / or lenticular.
  • the light collection unit and the central light redirecting unit of the radial lens assembly have a common optical axis that extends along a z-axis of the radial lens assembly and includes a respective center of the number of optical rings.
  • the number of optical rings thus have a common central axis, which runs along the z-axis.
  • the central axis of the light-collecting unit also runs along this z-axis.
  • this z-axis extends in the perpendicular direction and in one embodiment, the number of optical rings of the central light deflection unit and the light collection unit are arranged vertically above one another. This can be achieved in an advantageous manner, in particular, by forming the light-collecting unit and the light-deflecting unit in the monolithic piece of material.
  • the preferably designed as a hollow cylinder optical rings define an interior, whose central axis forms the common central axis.
  • the light-collecting unit is preferably arranged in such a way, ie: formed in the monolithic piece of material such that its optical axis likewise falls on the common central axis, ie is identical to it.
  • the light-collecting unit may optionally be arranged in the interior or below or above the interior, wherein the optical axis of the light-collecting unit always falls on the optical axis of the central Lichtumlenkki.
  • a normal of the outer shell surface is therefore not perpendicular to the z-axis, but in an outer bevel angle of for example 70 ° or 1 10 °.
  • the outer mantle surface of the light deflecting unit may also have different skew angles from each other, so that it is appropriate to speak of the 'number of optical rings' wherein a respective one of the optical rings has a separate taper angle and / or inner and / or outer diameter from the chamfer angles and / or inner and / or Au dated josrn the remaining rings can differ.
  • the bevel angle By selecting the bevel angle, it can be defined which detection range is to be picked up by the radial lens arrangement. In principle, it is necessary to focus on the observed surface areas. With such a determination, an observation height and a distance of the objects are fixed, i. the determination of the focal points for sharpening. If the central light deflection unit comprises not only one optical ring but several, then the bevel angles can be chosen to be different from one another, so that the incident light is always forwarded to the light collection unit. Several optical rings define different observation areas of the detection area. The light collecting unit then projects the relayed light onto the observation surface.
  • the light collecting unit is designed as a cone, then this is preferably arranged such that a center of the base of the cone and a cone tip are also on the z-axis, ie on the common optical axis of the light collecting unit and the central Lichtumlenkki.
  • the central Lichtumlenkki with the number of optical rings is arranged such that the forwarded light is incident on the conical surface and then projected from the cone on the base, ie on the observation surface, preferably such that the projected light perpendicular through the base / Observation area falls.
  • the bevelled outer lateral surface preferably has a concave peripheral profile.
  • At least one of the number of optical rings of the central light deflection unit for transmitting the light comprises an inner jacket surface bevelled relative to the z axis and point to the z axis.
  • a corresponding inner taper angle is preferably selected such that the central light deflection unit transmits the incident light to the conical surface of the light collection unit so that it can project the relayed light onto the observation surface.
  • At least one of the optical rings has a substantially trapezoidal cross-sectional area.
  • the inner chamfering angle and the outer chamfering angle are preferably selected such that the relayed light is relayed to the conical surface of the light gathering unit, so that the light gathering unit can project the relayed light onto the observation surface.
  • the observation surface of the light collecting unit has a convex circumferential course. In this way, a focus is exactly defined.
  • the number of optical rings is arranged in a layered relationship to one another. Preferably, the optical rings are each parallel to each other.
  • the monolithic piece of material in which the central light deflection unit is formed with the number of optical rings and the light collection unit preferably comprises a transparent optical material.
  • the material of the monolithic piece of material can be freely selected depending on the field of application.
  • the monolithic piece of material is an optical glass, a quartz glass and / or acrylic.
  • a gap located between the central diverter unit and the light collection unit is preferably filled with a gas, such as air.
  • a gas such as air
  • the invention is by no means limited to the use of air as a gas for the gap.
  • the radial lens assembly may be provided with capping means disposed on the monolithic piece of material to hold the gas in the gap.
  • an optical sensor is also proposed for monitoring a detection area, which has a radial objective arrangement according to the present invention.
  • FIG. 1 A schematically and exemplarily a plan view of a first embodiment of a radial lens assembly according to the present invention
  • Fig. 1 B schematically and exemplarily a side view of the first
  • FIG. 1A shows schematically and by way of example a plan view of a first embodiment 100 of a radial objective arrangement according to the present invention.
  • 1 b shows schematically and by way of example a side view of this first embodiment 100.
  • the six dashed vertical lines represent horizontal dimensions in the radial objective arrangement 100.
  • the radial objective arrangement 100 comprises a central light deflection unit 120 as well as a light collection unit 160 formed centrally therewith. Although the central light deflection unit 120 and the light gathering unit 160 are shown as separate components, it should be emphasized at this point that for all embodiments, a monolithic piece of material of the radial lens assembly includes the central light deflection unit 120 and the light collection unit 160. Both the light gathering unit 160 and the light deflecting unit 120 are formed in the monolithic piece of material.
  • a spherical coordinate system includes the one fictitious z-axis 102 and a fictitious x-axis 104 perpendicular thereto, which may also be referred to as the y-axis.
  • the radial objective arrangement 100 is used to generate an optical image of a detection area, which is below the radial objective arrangement 100 in the illustrated embodiment.
  • the detection range of the radial lens assembly 100 includes coordinates having an azimuth angle between -180 ° and 180 °, a polar angle between 90 ° and 180 °, for example, between 100 ° and 175 ° and a radius larger than the largest outer radius of the central light deflection unit 160 ,
  • the radial lens assembly 100 is disposed in a lantern and monitors a detection area located below the lantern lamp, so that the lantern can be turned on or off in response to a presence of an object in this detection area.
  • Another area of application is animal observation.
  • the radial lens assembly 100 forms, for example, a part of the optics of a camera for animal observation.
  • a detection area located below the observation position of the camera can be used depending on the presence of an animal for presence detection and / or image generation.
  • the radial lens arrangement 100 is arranged, for example, at a height of 2 m above ground.
  • the central light redirecting unit receives light 10 coming out of the detection area, breaks it, and directs it toward the light collecting unit 160.
  • the light collecting unit 160 receives the relayed light 12 and projects it onto an observation area 110 of the light collecting unit 160. From there, the light of a camera or a photocell for the purpose of evaluation.
  • the central light redirecting unit 120 comprises a first optical ring 122, a second optical ring 124 and a third optical ring 126.
  • the optical rings 122, 124 and 126 are fixedly arranged in the radial lens assembly 100, namely formed in said monolithic piece of material.
  • a material for the monolithic piece of material is, for example, an acrylic, optical glass, Plexiglas or other transparent material into consideration.
  • the light-collecting unit 160 is formed in the example shown as a cone whose base surface forms the observation surface 110.
  • the central light deflection unit 120 guides the incident light 10 onto a conical surface 160-1 of the light collection unit 160 so that it can project the light onto the observation surface 110.
  • the central light-deflecting unit 120 and the light-gathering unit have a common optical axis that extends along a z-axis 102 of the radial lens assembly 100 and includes a respective center of the number of optical rings 122, 124, and 126.
  • the z-axis 102 extends in the perpendicular direction, so that the light collecting unit 160 and the optical rings 122, 124 and 126 are arranged vertically one above the other.
  • the light collecting unit 160 is arranged such that the observation surface 110 is perpendicular to the z-axis 102 and that a cone tip 160-2 is also located on the z-axis 102.
  • each of the optical rings 122, 124, and 126 includes an outer shell surface 122-1, 124-1, and 126-1, respectively, tapered relative to the z-axis 102.
  • These outer circumferential surfaces 122-1, 124-1 and 126-1 each point in the radial direction.
  • a corresponding outer bevel angle is chosen such that a beam path, as shown schematically in FIG. 1B, is realized.
  • the beveling of a respective outer shell surface takes place according to a parabolic equation which defines a convex or concave profile.
  • the outer bevel angle can be varied depending on the detection range.
  • the tapered outer outer surfaces 122-1, 124-1 and 126-1 can have a respective concave peripheral profile.
  • the optical rings 122, 124 and 126 comprise an inner jacket surface 122-2, 124-2 or 126-2, which is beveled relative to the z-axis 102 and point to the z-axis 102, ie opposite to the radial direction.
  • a corresponding inner bevel angle is also chosen such that a beam path shown schematically in FIG. 1B can be realized.
  • the choice of the outer bevel angle and the selection of the inner bevel angle ensures that the central light deflection unit 120 transmits the light 10 coming from the detection area onto the conical surface 160-1 of the light collecting unit 160, so that it directs the transmitted light 12 onto the observation surface 1 10 can project.
  • the projected light beams cross the observation surface 110 in a direction which is substantially perpendicular to the observation surface 110, ie approximately parallel to the z-axis 102.
  • the optical rings 122, 124 and 126 each have a substantially trapezoidal cross-sectional area.
  • the optical rings 122, 124 and 126 are layered on each other and arranged parallel to each other in the monolithic piece of material.
  • a gas such as air.
  • the light collecting unit 160 has a convex circumferential shape.
  • the light 10 coming out of the detection area is received by the central deflection unit 120, that is to say via the tapered outer lateral surfaces 122, 124 and 126, and coupled out via the tapered inner lateral surfaces 122 - 2, 124 - 2 and 126 - 2 and to the light collecting unit 160 forwarded.
  • FIG. 2A schematically and exemplarily shows a plan view of a second embodiment 200 of a radial objective arrangement according to the present invention.
  • Fig. 2B schematically and exemplarily shows a side view of this second embodiment 200.
  • Fig. 2C illustrates a modification of the second embodiment 200 in which no gap 150 is provided between the optical rings 122, 124 and 126 on the one hand and the light gathering unit 160 on the other hand.
  • the radial lens assembly 200 is formed substantially of the same components as the radial lens assembly 100, and in the radial lens assembly 200, the light collecting unit 160 is formed in the shape of a cone in reverse.
  • the light gathering unit 160 is not formed above or below the central light deflecting unit 120 but in a space 150 formed by the three optical rings 122, 124 and 126 such that the apex 160-2 is in one through a first one End face of the first optical ring 122 defines plane and the base of the cone 160, so the observation surface 1 10, in a plane formed by a second end face of the third optical ring 126.
  • the inner circumferential surfaces 122-2, 124-4 and 126-2 are not chamfered, but lie substantially parallel to the z-axis 102.
  • the inner lateral surfaces 122-2, 124-2, 126-6 of the central deflection unit 120 have been combined with the conical surface surface 160-1; that is, in each case have a corresponding bevel with respect to the z-axis 102.
  • the center angle of the cone in the embodiments according to FIGS. 2A-2C is for example 45 degrees.
  • the height of the cone and thus the total height of the three optical rings 122, 124 and 126 is for example 10 mm and the diameter of the approximately circular observation surface 110 is e.g. 25 mm.
  • the optical rings 122, 124 and 126 have a diameter of about 215 mm, for example.
  • the exemplary embodiments described are particularly suitable in each case for use in the technical fields of motion detection, motion detection, image recognition and light intensity determination as well as in the field of data communication.
  • they are suitable for generating an image of a 360 ° all-round view of the detection area.
  • they are suitable for use as part of a motion-free sensor for communication signals and / or environmental images; They are suitable for both daytime use and night use.

Landscapes

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Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Radialobjektivanordnung (100) zum Erzeugen einer optischen Abbildung eines Erfassungsbereichs. Die Radialobjektivanordnung (100) umfasst eine zentrale Lichtumlenkeinheit (120), die ausgebildet und angeordnet ist, aus dem Erfassungsbereich kommendes Licht (10) zu brechen und gerichtet weiterzuleiten. Ferner umfasst die Radialobjektivanordnung (100) eine Lichtsammeleinheit (160), die ausgebildet und angeordnet ist, von der zentralen Lichtumlenkeinheit (120) weitergeleitetes Licht (12) zu empfangen und auf eine Beobachtungsfläche (110) der Lichtsammeleinheit (160) zu projizieren. Erfindungsgemäß umfasst die zentrale Lichtumlenkeinheit (120) eine Anzahl von optischen Ringen (122, 124, 126), welche ortsfest in der Radialobjektivanordnung (100; 200) angeordnet sind, wobei ein jeweiliger der Anzahl von optischen Ringen (122, 124, 126) eine äußere Manteloberfläche umfasst (122-1; 124-1; 126-1), welche in radiale Richtung weist, und wobei die zentrale Lichtumlenkeinheit (120) derart angeordnet ist, dass das aus dem Erfassungsbereich kommende Licht (10) an der jeweiligen äußeren Manteloberfläche (122-1; 124-1; 126-1) einfällt. Dabei umfasst ein monolithisches Materialstück der Radialobjektivanordnung (100; 200) die zentrale Lichtumlenkeinheit (120) und die Lichtsammeleinheit (160).

Description

RADIALOBJEKTIV FÜR EINEN SENSOR ZUM ERZEUGEN EINER OPTISCHEN ABBILDUNG EINES
ERFASSUNGSBEREICHS
Beschreibung Die vorliegende Erfindung betrifft eine Radialobjektivanordnung zum Erzeugen einer optischen Abbildung eines Erfassungsbereichs, insbesondere eine Radialobjektivanordnung für einen optischen Rundumsichtsensor.
Eine Objektivanordnung für eine Rundumsichtkamera ist beispielsweise aus der DE 20 2006 013 714 U1 bekannt. Dort ist eine Rundumsichtkamera zur Umgebungsüberwachung beschrieben, welche eine zentrale Lichtumlenkeinheit in Gestalt eines Objektivs aufweist, das aus einem Erfassungsbereich kommendes Licht bricht und gerichtet weiterleitet auf eine Lichtsammeieinheit in Gestalt eines konvexen oder kegelförmigen Spiegels. Die vorbekannte Rundumsichtkamera weist Bewegungssensoren auf, die seitlich in einem Gehäusemantel der Rundumsichtkamera angeordnet sind und derart ausgerichtet sind, dass ein Bereich von 360° bezogen auf eine optische Achse der Rundumsichtkamera erfasst wird. Meldet ein Bewegungssensor eine Bewegung, erfolgt eine Auslösung der Rundumsichtkamera und die über den Spiegel reflektierten Bildinformationen werden von einem Halbleiterchip der Rundumsichtkamera in digitale Daten umgewandelt.
Nachteilig an der vorbekannten Rundumsichtkamera ist, dass für den Betrieb besagte Bewegungssensoren vorgesehen sein müssen, um ein Detektieren eines Objektes in den Erfassungsbereich sicherstellen zu können. Die DE 600 37 040 T2 offenbart eine Radialobjektivanordnung gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 . Nachteilig an der aus dieser Schrift bekannten Radialobjektivanordnung ist die ungenaue Positionierung der Lichtsammeieinheit, die in der Schrift als„allgemeiner parabolischer omnidirektionaler Spiegel" bezeichnet ist und in den dortigen Figuren mit der Bezugsziffer 1 12 gekennzeichnet ist. Dieser Spiegel ist als separates Bauelement ausgeführt und muss in Bezug auf die Lichtumlenkeinheit genau positioniert werden, was jedoch nur mit einer begrenzten Genauigkeit erfolgen kann. Aufgrund der dieser nur ungenau möglichen Positionierung ist ein auf die Beobachtungsfläche projiziertes Bild unscharf und/oder unvollständig.
Es ist eine der Erfindung zugrundliegende Aufgabe, eine Radialobjektivanordnung zum Erzeugen einer optischen Abbildung eines Erfassungsbereichs bereitzustellen, welche einen einfacheren und kompakteren Aufbau aufweist. Diese technische Aufgabe wird gelöst durch eine Radialobjektivanordnung nach Anspruch 1 . Merkmale vorteilhafter Weiterbildungen sind in den Unteransprüchen angegeben.
Die Radialobjektivanordnung umfasst die zentrale Lichtumlenkeinheit (im Rahmen der Beschreibung der vorliegenden Erfindung gelegentlich auch einfach als .Lichtumlenkeinheit' bezeichnet), die ausgebildet und angeordnet ist, aus dem Erfassungsbereich kommendes Licht zu brechen und zunächst gerichtet weiterzuleiten. Der Erfassungsbereich ist beispielsweise ein oberhalb bis/und/oder unterhalb der Radialobjektivanordnung liegender Bereich. Wird beispielsweise ein Mittelpunkt der Radialobjektivanordnung als Mittelpunkt eines Kugelkoordinatensystems betrachtet, so umfasst der Erfassungsbereich Koordinaten, die einen beliebigen Azimutwinkel zwischen -180 ° bis +180 ° aufweisen sowie einen Polarwinkel zwischen etwa 0 ° bis 90° und/oder 90 ° bis 180°. Der Erfassungsbereich beginnt an den äußeren Manteloberflächen der zentralen Lichtumlenkeinheit. Der Erfassungsbereich erstreckt sich unterhalb bis/und/oder oberhalb der zentralen Lichtumlenkeinheit, wobei das einfallende Licht an der äußeren Manteloberfläche eines jeweiligen der Anzahl von optischen Ringen einfällt.
Die Lichtsammeieinheit ist ausgebildet und angeordnet, von der zentralen Lichtumlenkeinheit weitergeleitetes Licht zu empfangen und auf eine Beobachtungsfläche der Lichtsammeieinheit zu projizieren. Die Lichtsammeieinheit ist beispielsweise als optischer Kegel ausgestaltet, wobei eine Grundfläche des Kegels die Beobachtungsfläche bildet. Von der Beobachtungsfläche aus ist das Licht bevorzugt einer Auswerteeinheit zugeführt, die beispielsweise ausgebildet ist, eine Helligkeit zu messen und/oder eine Helligkeitsänderung zu detektieren. Die Kegelgrundfläche des Kegels ist beispielsweise kreisförmig. Je nach Anwendungsbereich kommen jedoch auch andere Formen für die Kegelgrundfläche in Betracht. Beispielsweise ist eine im Wesentlichen ellipsenförmige Kegelgrundfläche für die Erfassung eines Spielfeldes eines Sportstadions zweckmäßig.
Die Anzahl von optischen Ringen der Lichtsammeieinheit fungiert als Linse der Radialobjektivanordnung. Die optischen Ringe sind derart angeordnet, dass das aus dem Erfassungsbereich kommende Licht an der jeweiligen äu ßeren Manteloberfläche einfällt. Die zentrale Lichtumlenkeinheit kann insbesondere auch nur einen einzigen optischen Ring umfassen.
Erfindungsgemäß ist ferner vorgesehen, dass die zentrale Lichtumlenkeinheit und die Lichtsammeieinheit aus einem monolithischen Materialstück geformt sind. Das monolithische Materialstück der Radialobjektivanordnung umfasst also die zentrale Lichtumlenkeinheit und die Lichtsammeieinheit. Sowohl die Lichtsammeieinheit als auch die zentrale Lichtumlenkeinheit sind in demselben, einzigen und zusammenhängenden (monolithischen) Materialstück ausgebildet. Bei dem monolithischen Materialstück kann es sich beispielsweise um ein Plexiglasstück handeln, dass zur Ausbildung der zentralen Lichtsammeieinheit und der Lichtumlenkeinheit verarbeitet worden ist, beispielsweise durch einen Schleifvorgang.
Aufgrund der gemeinsamen Ausbildung der zentralen Lichtumlenkeinheit und der Lichtsammeieinheit in dem monolithischen Materialstück sind die zentrale Lichtumlenkeinheit und die Lichtsammeieinheit exakt aufeinander ausgerichtet. Sämtliches, aus dem Erfassungsbereich kommendes Licht wird exakt auf die die Beobachtungsfläche der Lichtsammeieinheit projiziert. Es lässt sich insbesondere in einfacher Weise sicherstellen, dass die zentrale Lichtumlenkeinheit und die Lichtsammeieinheit eine gemeinsame optische Achse aufweisen, welche entlang einer z- Achse der Radialobjektivanordnung verläuft und einen jeweiligen Mittelpunkt der Anzahl von optischen Ringen umfasst. Dieser Aspekt wird weiter unten näher erläutert werden.
Die erfindungsgemäße Radialobjektivanordnung zeichnet sich ferner durch eine einfache Linsengestaltung aus, die vorteilhaft in einem optischen Sensor und/oder in einem Kommunikationssensor integriert werden kann. Insbesondere weist die erfindungsgemäße Radialobjektivanordnung keine bewegten optischen Teile auf. Aufgrund der Ausbildung der zentralen Lichtumlenkeinheit und der Lichtsammeieinheit in dem monolithischen Materialstück sind Abstandsrelationen insbesondere zwischen der Lichtsammeieinheit und der Lichtumlenkeinheit fix und veränderlich. Bevorzugt umfasst die erfindungsgemäße Radialobjektivanordnung ausschließlich die in dem monolithischen Materialstück ausgebildete Lichtumlenkeinheit und Lichtsammeieinheit. Die Radialobjektivanordnung ist also vollständig starr und auch gegenüber Erschütterungen unempfindlich. Neben dem monolithischen Materialstück, in welchem die Lichtumlenkeinheit und die Lichtsammeieinheit ausgebildet sind, sind keine weiteren Bauteile notwendig, um die optische Abbildung zu produzieren.
Üblicherweise werden gemäß Stand der Technik zur Erzeugung von Rundumansichten bewegte Linsen oder bewegte Kameras eingesetzt. Alternativ zu bewegten Linsen oder bewegten Kameras kommen Linsen zum Einsatz, die beispielsweise 120° weite Winkel erfassen können. Demnach wären gemäß Stand der Technik drei dieser Linsen notwendig, um eine Rundumansicht zu erzeugen.
Demgegenüber müssen weder die erfindungsgemäße Radialobjektivanordnung als solche noch die darin enthaltenen Elemente, insbesondere nicht die zentrale Lichtumlenkeinheit, zum Erzeugen der optischen Abbildung eines Rundumbereichs nicht bewegt oder positioniert werden. Daher zeichnet sich die erfindungsgemäße Radialobjektivanordnung auch durch eine hohe Lebensdauer aus, da die Ortsfestigkeit sowohl der Radialobjektivanordnung als auch der darin befindlichen optischen Elemente im Gegensatz zu beweglichen Teilen keinen Verschleiß herbeiführt. Dadurch, dass keine beweglichen optischen Elemente vorgesehen sind, werden durch eine fehlerhafte Bewegung optischer Elemente begründete Messfehler vollständig vermieden.
Aufgrund des einfachen und kostengünstigen Aufbaus eignet sich die erfindungsgemäße Radialobjektivanordnung hervorragend für eine Massenproduktion. Darüber hinaus ist der Hardwareeinsatz für Optik und Sensorik signifikant reduziert.
Die erfindungsgemäße Radialobjektivanordnung eignet sich insbesondere, um in den technischen Gebieten der Bewegungserkennung, Bewegungsdetektion, Bilderkennung und der Lichtintensitätsbestimmung sowie im Bereich der Datenkommunikation eingesetzt zu werden. Insbesondere eignet sich die erfindungsgemäße Radialobjektivanordnung zum Erzeugen einer Abbildung einer 360 °-Rundumsicht des Erfassungsbereichs. Die erfindungsgemäße Radialobjektivanordnung eignet sich ferner insbesondere, im Rahmen eines bewegungsfreien Sensors für Kommunikationssignale und/oder Umgebungsabbildungen eingesetzt zu werden. Die Radialobjektivanordnung taugt sowohl für den Taggebrauch als auch für den Nachtgebrauch.
Nachfolgend werden weitere Ausführungsbeispiele der erfindungsgemäßen Radialobjektivanordnung beschrieben. Die zusätzlichen Merkmale dieser weiteren Ausführungsbeispiele können zur Bildung weiterer Ausführungsformen miteinander kombiniert werden, sofern sie nicht ausdrücklich als alternativ zueinander beschrieben sind. Die Radialobjektivanordnung ist bevorzugt durch eine selbsttragende Konstruktion gebildet, welche vor einer Verwendung bevorzugt keine Kalibrierung oder Justage erfordert. Vielmehr ist die Radialobjektivanordnung nach ihrer Herstellung ohne weiteres einsatzbereit. Dies ergibt sich insbesondere aus der Verwendung des monolithischen Materialstücks.
Ein jeweiliger der Anzahl von optischen Ringen umfasst bevorzugt eine innere Manteloberfläche, welche in eine der radialen Richtung entgegengesetzte Richtung weist. Die zentrale Lichtumlenkeinheit ist bevorzugt ausgebildet, das aus dem Erfassungsbereich kommende Licht über die jeweilige innere Manteloberfläche auszukoppeln und an die Lichtsammeieinheit weiterzuleiten.
Dabei soll die Formulierung .Anzahl von optischen Ringen' nicht etwa suggerieren, dass die Radialobjektivanordnung mehrere Bauteile umfasst. Vielmehr umfasst die Radialobjektivanordnung bevorzugt nur ein einziges Bauteil, nämlich besagtes monolithisches Materialstück, in welchem die Lichtsammeieinheit und die Lichtumlenkeinheit ausgebildet sind. Die .Anzahl' der optischen Ringe, die - wie gesagt - auch Eins betragen kann, ergibt sich durch die Ausgestaltung der äußeren und/oder inneren Manteloberflächen. Dabei können in Abhängigkeit des gewünschten Erfassungsbereichs verschiedene Krümmungswinkel bzw. Anschrägungswinkel und/oder Wölbungen gewählt werden (was an späterer Stelle genauer erläutert werden wird), sodass quasi eine Mehrzahl von optischen Ringen entsteht. Jedenfalls sind sämtliche optische Ringe der Lichtumlenkeinheit in dem monolithischen Materialstück ausgebildet, sodass die Radialobjektivanordnung stets im Wesentlichen nur dieses Materialstück umfasst und keinerlei weitere Komponenten. Keine Komponenten der Radialobjektivanordnung müssen bewegt oder positioniert werden, um eine die optische Abbildung zu gewinnen. Die zentrale Lichtumlenkeinheit ist bevorzugt ausgebildet, das aus dem Erfassungsbereich kommende Licht derart zu brechen, dass ein Lichttransport im Strahlengang, also beim Durchtreten der Beobachtungsfläche, einen parallelen Verlauf aufweist. Ferner ist die zentrale Lichtumlenkeinheit bevorzugt derart ausgebildet, dass Licht au ßerhalb des parallelen Verlaufs an einer oberen und/oder einer unteren Manteloberfläche der zentralen Lichtsammeleinheit gestreut und/oder gedämpft wird. Dieses gestreute und/oder gedämpfte Licht verliert sich dadurch im Rauschen. Mit diesem Ansatz sind die Lichtbrechung und der Lichttransport an einfache Berechnungsalgorithmen gebunden.
Die Anzahl von optischen Ringen sind bevorzugt ausgebildet, einen Lichttransport in einem parallelen Strahlengang bereitzustellen und/oder in einem fokussierten Lichttransport mit totaler Reflektion. Bei einer Ausführungsform haben die Anzahl von optischen Ringen jeweils eine Form eines Hohlzylinders, wobei der Außenradius des jeweiligen Hohlzylinders bevorzugt ein Vielfaches der Höhe beträgt. Bevorzugt beträgt auch der Innenradius des jeweiligen Hohlzylinders ein Vielfaches der Höhe. Beispielsweise beträgt der Außenradius etwa 10 bis 120 mm. Die Höhe eines jeweiligen optischen Rings beträgt beispielsweise 1 ,5 bis 7 mm. Die Höhe der bevorzugt als optischer Kegel ausgebildeten Lichtsammeleinheit ist beispielsweise identisch zu der Gesamthöhe aller optischen Ringe. Der Abstand der Lichtsammeleinheit zur zentralen Lichtumlenkeinheit kann bei der Herstellung der Radialobjektivanordnung durch Ausbilden der Lichtsammeleinheit und der Lichtumlenkeinheit in dem monolithischen Materialstück eingestellt werden.
Bei einer weiteren Ausführungsform ist die Lichtsammeleinheit der Radialobjektivanordnung als optischer Kegel oder Zylinder ausgestaltet, wobei eine Grundfläche des Kegels bzw. des Zylinders die Beobachtungsfläche bildet, auf die das weitergeleitete Licht von der Lichtsammeleinheit projiziert wird. Das von der Lichtsammeleinheit gesammelte Licht fällt also bevorzugt senkrecht auf die Beobachtungsfläche. Von dort aus kann es beispielsweise auf eine fotoresistive Fläche gerichtet werden, welche bevorzugt an einer Auswerteeinheit, wie ein Kameramodul, angeschlossen ist. Der Mittelpunktswinkel des optischen Kegels ist beispielsweise konstant und beträgt beispielsweise 45 Grad. Je nach Anwendungsbereich ist zumindest ein Teil der Kegeloberfläche bei einer Ausführungsform der Radialobjektivanordnung beispielsweise konkav und/oder konvex und/oder linsenförmige ausgebildet.
Bei einer weiteren bevorzugten Ausführungsform weisen die Lichtsammeleinheit und die zentrale Lichtumlenkeinheit der Radialobjektivanordnung eine gemeinsame optische Achse auf, welche entlang einer z-Achse der Radialobjektivanordnung verläuft und einen jeweiligen Mittelpunkt der Anzahl von optischen Ringen umfasst. Die Anzahl von optischen Ringen haben also eine gemeinsame Mittelachse, die entlang der z-Achse verläuft. Die Mittelachse der Lichtsammeleinheit verläuft ebenfalls entlang dieser z- Achse. Beispielsweise verläuft diese z-Achse in Lotrichtung und bei einer Ausführungsform sind die Anzahl von optischen Ringen der zentralen Lichtumlenkeinheit sowie die Lichtsammeleinheit lotrecht übereinander angeordnet. Dies kann in vorteilhafter Weise insbesondere dadurch erreicht werden, dass die Lichtsammeleinheit und die Lichtumlenkeinheit in dem monolithischen Materialstück ausgebildet werden.
Die bevorzugt als Hohlzylinder ausgestalteten optischen Ringe definieren einen Innenraum, dessen zentrale Achse die gemeinsame Mittelachse bildet. Die Lichtsammeleinheit ist bevorzugt derart angeordnet, sprich: derart in dem monolithischen Materialstück ausgebildet, dass ihre optische Achse ebenfalls auf die gemeinsame Mittelachse fällt, also mit dieser identisch ist. Die Lichtsammeleinheit kann wahlweise in dem Innenraum oder unterhalb bzw. oberhalb des Innenraums angeordnet sein, wobei die optische Achse der Lichtsammeleinheit stets auf die optische Achse der zentralen Lichtumlenkeinheit fällt.
Zum Erfassen des aus dem Erfassungsbereich kommenden Lichts weist bei einer bevorzugten Ausführungsform der Radialobjektivanordnung wenigstens einer der Anzahl von optischen Ringe eine relativ zur z-Achse angeschrägte äu ßerer Manteloberfläche auf, welche in eine radiale Richtung, also in einer von der z-Achse abgekehrten Richtung, weist. Eine Normale der äu ßeren Manteloberfläche liegt also nicht senkrecht zur z-Achse, sondern in einem äußeren Anschrägungswinkel von beispielsweise 70 ° bzw. 1 10°. Die äu ßere Manteloberfläche der Lichtumlenkeinheit kann auch voneinander verschiedene Anschrägungswinkel aufweisen, sodass es angemessen ist, von der .Anzahl der optischen Ringe' zu sprechen, wobei ein jeweiliger der optischen Ringe einen separaten Anschrägungswinkel und/oder Innen- und/oder Außendurchmesser aufweist, der sich von den Anschrägungswinkeln und/oder Innen- und/oder Au ßendurchmessern der übrigen Ringe unterscheiden kann.
Durch die Wahl des Anschrägungswinkels kann definiert werden, welcher Erfassungsbereich von der Radialobjektivanordnung abzugreifen ist. Dabei ist grundsätzlich auf die zu beobachteten Flächenbereiche abzustellen. Mit einer solchen Festlegung sind eine Beobachtungshöhe und eine Entfernung der Objekte fixiert, d.h. die Bestimmung der Brennpunkte zur Schärfeneinstellung. Umfasst die zentrale Lichtumlenkeinheit nicht nur einen optischen Ring, sondern mehrere, so können die Anschrägungswinkel durchaus voneinander verschieden gewählt werden, so dass das einfallende Licht stets zur Lichtsammeleinheit weitergeleitet wird. Mehrere optische Ringe definieren unterschiedliche Beobachtungsbereiche des Erfassungsbereichs. Die Lichtsammeleinheit projiziert das weitergeleitete Licht sodann auf die Beobachtungsfläche.
Ist die Lichtsammeleinheit als Kegel ausgebildet, so ist dieser bevorzugt derart angeordnet, dass ein Mittelpunkt der Grundfläche des Kegels sowie eine Kegelspitze ebenfalls auf der z-Achse liegen, also auf der gemeinsamen optischen Achse der Lichtsammeleinheit und der zentralen Lichtumlenkeinheit. Dabei ist die zentrale Lichtumlenkeinheit mit der Anzahl von optischen Ringen derart angeordnet, dass das weitergeleitete Licht auf die Kegelmanteloberfläche einfällt und sodann von dem Kegel auf die Grundfläche, also auf die Beobachtungsfläche projiziert wird, bevorzugt derart, dass das projizierte Licht senkrecht durch die Grundfläche/Beobachtungsfläche fällt. Dazu weist die angeschrägte äußere Manteloberfläche bevorzugt einen konkaven Umfangsverlauf auf.
Bei einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Radialobjektivanordnung umfasst wenigstens einer der Anzahl der optischen Ringe der zentralen Lichtumlenkeinheit zum Weiterleiten des Lichts eine relativ zur z-Achse angeschrägte innere Manteloberfläche, welche zur z-Achse weist. Ein entsprechender innerer Anschrägungswinkel ist bevorzugt derart gewählt, dass die zentrale Lichtumlenkeinheit das einfallende Licht auf die Kegelmanteloberfläche der Lichtsammeleinheit weiterleitet, so dass diese das weitergeleitete Licht auf die Beobachtungsfläche projizieren kann.
Bei einer weiteren Ausführungsform der Radialobjektivanordnung weist wenigstens einer der optischen Ringe eine im Wesentlichen trapezförmige Querschnittsfläche auf. Dabei sind der innere Anschrägungswinkel und der äu ßere Anschrägungswinkel bevorzugt derart gewählt, dass das weitergeleitete Licht auf die Kegelmanteloberfläche der Lichtsammeieinheit weitergeleitet wird, so dass die Lichtsammeieinheit das weitergeleitete Licht auf die Beobachtungsfläche projizieren kann.
Bei einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Radialobjektivanordnung weist die Beobachtungsfläche der Lichtsammeieinheit einen konvexen Umfangsverlauf auf. In dieser Weise ist ein Brennpunkt exakt definiert. Bei einer besonders bevorzugten Ausführungsform der Radialobjektivanordnung ist die Anzahl von optischen Ringen schichtartig aufeinander angeordnet. Bevorzugt liegen die optischen Ringe jeweils parallel zueinander.
Das monolithische Materialstück, in welchem die zentrale Lichtumlenkeinheit mit der Anzahl der optischen Ringe und die Lichtsammeieinheit ausgebildet sind, umfasst bevorzugt einen transparenten optischen Werkstoff. Der Werkstoff des monolithischen Materialstücks kann in Abhängigkeit des Anwendungsbereichs frei gewählt werden. Beispielsweise handelt es sich bei dem monolithischen Materialstück um ein optisches Glas, ein Quarzglas und/oder um Acryl.
Ein zwischen der zentralen Umlenkeinheit und der Lichtsammeieinheit befindlicher Zwischenraum ist bevorzugt mit einem Gas befüllt, wie beispielsweise Luft. Es kommen aber auch je nach gewünschtem Grad der Lichtbrechung und/oder Lichtdämpfung andere Gase in Betracht. Die Erfindung ist keinesfalls auf die Verwendung von Luft als Gas für den Zwischenraum beschränkt. Zum Verhindern des Austritts des Gases kann die Radialobjektivanordnung mit einem Abdeckungsmittel versehen werden, das an dem monolithischen Materialstück angeordnet ist, um das Gas in dem Zwischenraum zu halten. Erfindungsgemäß wird ferner ein optischer Sensor zum Überwachen eines Erfassungsbereichs vorgeschlagen, der eine Radialobjektivanordnung gemäß der vorliegenden Erfindung aufweist.
Weitere Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden bei der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen anhand der Figuren deutlich.
Es zeigen: Fig. 1 A schematisch und exemplarisch eine Draufsicht auf eine erste Ausführungsform einer Radialobjektivanordnung gemäß der vorliegenden Erfindung;
Fig. 1 B schematisch und exemplarisch eine Seitenansicht der ersten
Ausführungsform; schematisch und exemplarisch eine Draufsicht auf eine zweite Ausführungsform einer Radialobjektivanordnung gemäß der vorliegenden Erfindung; schematisch und exemplarisch eine Seitenansicht der zweiten Ausführungsform; und
Fig. 2C schematisch und exemplarisch eine Seitenansicht einer Abwandlung der zweiten Ausführungsform.
Fig. 1 A zeigt schematisch und exemplarisch eine Draufsicht auf eine erste Ausführungsform 100 einer Radialobjektivanordnung gemäß der vorliegenden Erfindung. Fig. 1 B zeigt schematisch und exemplarisch dazu eine Seitenansicht dieser ersten Ausführungsform 100. Die sechs gestrichelten Vertikallinien stellen horizontale Abmessungen bei der Radialobjektivanordnung 100 dar. Die Radialobjektivanordnung 100 umfasst eine zentrale Lichtumlenkeinheit 120 sowie eine mittig dazu ausgebildete Lichtsammeieinheit 160. Obschon die zentrale Lichtumlenkeinheit 120 und die Lichtsammeieinheit 160 als separate Komponenten dargestellt sind, sei bereits an dieser Stelle betont, dass für alle Ausführungsformen gilt, dass ein monolithisches Materialstück der Radialobjektivanordnung die zentrale Lichtumlenkeinheit 120 und die Lichtsammeieinheit 160 umfasst. Sowohl die Lichtsammeieinheit 160 als auch die Lichtumlenkeinheit 120 sind in dem monolithischen Materialstück ausgebildet.
Ein Kugelkoordinatensystem, auf das im Folgenden Bezug genommen wird, beinhaltet die eine fiktive z-Achse 102 sowie eine senkrecht dazu liegende fiktive x-Achse 104, die auch als y-Achse bezeichnet werden könnte. Die Radialobjektivanordnung 100 dient dem Erzeugen einer optischen Abbildung eines Erfassungsbereichs, der sich bei der dargestellten Ausführungsform unterhalb der Radialobjektivanordnung 100 befindet. In Kugelkoordinaten ausgedrückt umfasst der Erfassungsbereich der Radialobjektivanordnung 100 Koordinaten mit einem Azimutwinkel zwischen -180° und 180° einen Polarwinkel zwischen 90 ° und 180° beispielsweise zwischen 100 ° und 175° sowie einen Radius, der größer ist als der größte Außenradius der zentralen Lichtumlenkeinheit 160.
Die Radialobjektivanordnung 100 ist beispielsweise in einer Laterne angeordnet und überwacht einen unterhalb der Laternenlampe befindlichen Erfassungsbereich, so dass die Laterne in Abhängigkeit einer Anwesenheit eines Objekts in diesem Erfassungsbereich eingeschaltet oder ausgeschaltet werden kann. Ein anderer Anwendungsbereich ist die Tierbeobachtung. Die Radialobjektivanordnung 100 bildet dazu beispielsweise einen Teil der Optik einer Kamera für die Tierbeobachtung. So kann ein unterhalb der Beobachtungsposition der Kamera befindlicher Erfassungsbereich in Abhängigkeit der Anwesenheit eines Tiers für eine Präsenzmeldung und/oder eine Bilderzeugung verwendet werden. Die Radialobjektivanordnung 100 ist beispielsweise in einer Höhe von 2 m über Grund angeordnet. Die zentrale Lichtumlenkeinheit empfängt aus dem Erfassungsbereich kommendes Licht 10, bricht dieses und leitet es gerichtet weiter zur Lichtsammeleinheit 160. Die Lichtsammeleinheit 160 empfängt das weitergeleitete Licht 12 und projiziert dieses auf eine Beobachtungsfläche 1 10 der Lichtsammeleinheit 160. Von dort aus kann das Licht einer Kamera oder einer Fotozelle zum Zwecke einer Auswertung zugeführt werden.
Die zentrale Lichtumlenkeinheit 120 umfasst einen ersten optischen Ring 122, einen zweiten optischen Ring 124 sowie einen dritten optischen Ring 126. Die optischen Ringe 122, 124 und 126 sind ortsfest in der Radialobjektivanordnung 100 angeordnet, nämlich im besagten monolithischen Materialstück ausgebildet. Als Material für das monolithische Materialstück kommt beispielsweise ein Acryl, optisches Glas, Plexiglas oder ein sonstiger transparenter Werkstoff in Betracht.
Die Lichtsammeleinheit 160 ist bei dem gezeigten Beispiel als Kegel ausgebildet, dessen Grundfläche die Beobachtungsfläche 1 10 bildet. Die zentrale Lichtumlenkeinheit 120 leitet das einfallende Licht 10 auf eine Kegelmanteloberfläche 160-1 der Lichtsammeleinheit 160, so dass diese das Licht auf die Beobachtungsfläche 1 10 projizieren kann. Die zentrale Lichtumlenkeinheit 120 und die Lichtsammeieinheit weisen eine gemeinsame optische Achse auf, welche entlang einer z-Achse 102 der Radialobjektivanordnung 100 verläuft und einen jeweiligen Mittelpunkt der Anzahl von optischen Ringen 122, 124 und 126 umfasst. Beispielsweise verläuft die z-Achse 102 in Lotrichtung, so dass die Lichtsammeieinheit 160 und die optischen Ringe 122, 124 und 126 lotrecht übereinander angeordnet sind.
Die Lichtsammeieinheit 160 ist derart angeordnet, dass die Beobachtungsfläche 1 10 senkrecht zur z-Achse 102 liegt und dass eine Kegelspitze 160-2 ebenfalls auf der z- Achse 102 liegt.
Zum Erfassen des aus dem Erfassungsbereich kommenden Lichts 10 umfasst jeder der optischen Ringe 122, 124 und 126 eine relativ zur z-Achse 102 angeschrägte äußere Manteloberfläche 122-1 , 124-1 bzw. 126-1 . Diese äußeren Manteloberflächen 122-1 , 124-1 und 126-1 weisen jeweils in radiale Richtung. Ein entsprechender äu ßerer Anschrägungswinkel ist derart gewählt, dass ein Strahlengang, wie er in Fig. 1 B schematisch dargestellt ist, realisiert wird. Beispielsweise erfolgt die Anschrägung einer jeweiligen äu ßeren Manteloberfläche gemäß einer Parabelgleichung, welche einen konvexen oder konkaven Verlauf definiert. Der äußere Anschrägungswinkel kann aber je nach Erfassungsbereich variiert werden. Ebenso können dazu die angeschrägten äu ßeren Manteloberflächen 122-1 , 124-1 und 126-1 einen jeweiligen konkaven Umfangsverlauf aufweisen. Zum Weiterleiten des Lichts umfassen die optischen Ringe 122, 124 und 126 eine relativ zur z-Achse 102 angeschrägte innere Manteloberfläche 122-2, 124-2 bzw. 126-2, welche zur z-Achse 102 weisen, also entgegengesetzt zur radialen Richtung. Auch ein entsprechender innerer Anschrägungswinkel ist derart gewählt, dass ein in Fig.l B schematisch dargestellter Strahlengang realisiert werden kann. Durch die Wahl des äu ßeren Anschrägungswinkels und durch die Wahl des inneren Anschrägungswinkels ist sichergestellt, dass die zentrale Lichtumlenkeinheit 120 das aus dem Erfassungsbereich kommende Licht 10 auf die Kegelmanteloberfläche 160-1 der Lichtsammeieinheit 160 weiterleitet, so dass diese das weitergeleitete Licht 12 auf die Beobachtungsfläche 1 10 projizieren kann. Die projizierten Lichtstrahlen durchkreuzen die Beobachtungsfläche 1 10 in einer Richtung, die im Wesentlichen senkrecht zur Beobachtungsfläche 1 10 liegt, also in etwa parallel zur z-Achse 102. Im Ergebnis weisen die optischen Ringe 122, 124 und 126 jeweils eine im Wesentlichen trapezförmige Querschnittsfläche auf. Die optischen Ringe 122, 124 und 126 sind schichtartig aufeinander und parallel zueinander angeordnet in dem monolithischen Materialstück ausgebildet.
In einem zwischen der zentralen Umlenkeinheit 120 und der Lichtsammeieinheit 160 vorhandenen Zwischenraum 150 befindet sich ein Gas, wie beispielsweise Luft.
Zum Definieren eines Brennpunktes weist die Lichtsammeieinheit 160 einen konvexen Umfangsverlauf auf.
Das aus dem Erfassungsbereich kommende Licht 10 wird von der zentralen Umlenkeinheit 120, also über die angeschrägten äußeren Manteloberflächen 122, 124 und 126, empfangen und über die angeschrägten inneren Manteloberflächen 122-2, 124- 2 und 126-2 auskoppelt und an die Lichtsammeieinheit 160 weitergeleitet.
Fig. 2A zeigt schematisch und exemplarisch eine Draufsicht auf eine zweite Ausführungsform 200 einer Radialobjektivanordnung gemäß der vorliegenden Erfindung. Fig. 2B zeigt schematisch und exemplarisch eine Seitenansicht dieser zweiten Ausführungsform 200. Fig. 2C illustriert eine Abwandlung von der zweiten Ausführungsform 200, bei der kein Zwischenraum 150 zwischen den optischen Ringen 122, 124 und 126 einerseits und der Lichtsammeieinheit 160 andererseits vorgesehen ist.
Die Radialobjektivanordnung 200 ist im Wesentlichen aus denselben Komponenten gebildet wie die Radialobjektivanordnung 100, wobei bei der Radialobjektivanordnung 200 die Lichtsammeieinheit 160 in Gestalt eines Kegels umgekehrt ausgebildet ist.
Ferner ist die Lichtsammeieinheit 160 nicht oberhalb oder unterhalb der zentralen Lichtumlenkeinheit 120 ausgebildet, sondern in einem Zwischenraum 150, der durch die drei optischen Ringe 122, 124 und 126 gebildet ist, und zwar derart, dass die Kegelspitze 160-2 in einer durch eine erste Stirnseite des ersten optischen Rings 122 definierten Ebene mündet und die Grundfläche des Kegels 160, also die Beobachtungsfläche 1 10, in einer durch eine zweite Stirnseite des dritten optischen Rings 126 gebildeten Ebene. Ferner sind bei dem Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 2B die inneren Manteloberflächen 122-2, 124-4 und 126-2 nicht angeschrägt, sondern liegen im Wesentlichen parallel zur z- Achse 102. Bei der Abwandlung gemäß Fig. 2C sind die inneren Manteloberflächen 122-2, 124-2, 126-6 der zentralen Umlenkeinheit 120 mit der Kegelmanteloberflächenfläche 160-1 vereint worden; wie weisen also jeweils eine entsprechende Anschrägung gegenüber der z-Achse 102 auf.
Der Mittelpunktswinkel des Kegels bei den Ausführungsbeispielen gemäß Fig. 2A - 2C beträgt beispielsweise 45 Grad. Die Höhe des Kegels und damit die Gesamthöhe der drei optischen Ringen 122, 124 und 126 beträgt beispielsweise 10 mm und der Durchmesser der etwa kreisförmigen Beobachtungsfläche 1 10 beträgt z.B. 25 mm. Die optischen Ringen 122, 124 und 126 haben beispielsweise einen Durchmesser von jeweils etwa 215 mm.
Die beschriebenen Ausführungsbeispiele eignen sich jeweils insbesondere, um in den technischen Gebieten der Bewegungserkennung, Bewegungsdetektion, Bilderkennung und der Lichtintensitätsbestimmung sowie im Bereich der Datenkommunikation eingesetzt zu werden. Insbesondere eignen sie sich zum Erzeugen einer Abbildung einer 360°-Rundumsicht des Erfassungsbereichs. Ferner eignen sie sich, im Rahmen eines bewegungsfreien Sensors für Kommunikationssignale und/oder Umgebungsabbildungen eingesetzt zu werden; sie taugen sowohl für den Taggebrauch als auch für den Nachtgebrauch.
Bezugszeichenliste
10 Einfallendes Licht
12 Weitergeleitetes Licht
100 Erste Ausführungsform der Radialobjektivanordnung
102 z-Achse
104 x-Achse
1 10 Beobachtungsfläche
120 Zentrale Lichtumlenkeinheit
122 Erster optischer Ring
122-1 Äu ßere Manteloberfläche des ersten optischen Rings
122-2 Innere Manteloberfläche des zweiten optischen Rings
124 Zweiter optischer Ring
124-1 Äu ßere Manteloberfläche des zweiten optischen Rings
124-2 Innere Manteloberfläche des zweiten optischen Rings
126 Dritter optischer Ring
126-1 Äu ßere Manteloberfläche des dritten optischen Rings
126-2 Innere Manteloberfläche des dritten optischen Rings
160 Lichtsammeieinheit
160-1 Kegelmanteloberfläche
160-2 Kegelspitze
200 Zweite Ausführungsform der Radialobjektivanordnung
* * * * *

Claims

Ansprüche
Radialobjektivanordnung (100; 200) zum Erzeugen einer optischen Abbildung eines Erfassungsbereichs, umfassend
- eine zentrale Lichtumlenkeinheit (120), die ausgebildet und angeordnet ist, aus dem Erfassungsbereich kommendes Licht (10) zu brechen und gerichtet weiterzuleiten;
- eine Lichtsammeieinheit (160), die ausgebildet und angeordnet ist, von der zentralen Lichtumlenkeinheit (120) weitergeleitetes Licht (12) zu empfangen und auf eine Beobachtungsfläche (1 10) der Lichtsammeieinheit (160) zu projizieren; wobei die zentrale Lichtumlenkeinheit (120) eine Anzahl von optischen Ringen (122, 124, 126) umfasst, welche ortsfest in der Radialobjektivanordnung (100; 200) angeordnet sind, wobei ein jeweiliger der Anzahl von optischen Ringen (122, 124, 126) eine äu ßere Manteloberfläche umfasst (122-1 ; 124-1 ; 126-1 ), welche in radiale Richtung weist, und wobei die zentrale Lichtumlenkeinheit (120) derart angeordnet ist, dass das aus dem Erfassungsbereich kommende Licht (10) an der jeweiligen äu ßeren Manteloberfläche (122-1 ; 124-1 ; 126-1 ) einfällt; dadurch gekennzeichnet, dass die zentrale Lichtumlenkeinheit (120) und die Lichtsammeieinheit (160) in einem monolithischen Materialstück der Radialobjektivanordnung (100; 200) ausgebildet sind.
Radialobjektivanordnung (100; 200) nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass ein jeweiliger der Anzahl von optischen Ringen (122, 124, 126) eine innere Manteloberfläche umfasst (122-2; 124-2; 126-2), welche in eine der radialen Richtung entgegengesetzte Richtung weist, und die zentrale Lichtumlenkeinheit (120) ausgebildet ist, das aus dem Erfassungsbereich kommende Licht (10) über die jeweilige innere Manteloberfläche (122-2; 124-2; 126-2) auszukoppeln und an die Lichtsammeieinheit (160) weiterzuleiten.
Radialobjektivanordnung (100; 200) nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die Lichtsammeieinheit (160) als optischer Kegel oder Zylinder ausgestaltet ist, wobei eine Grundfläche des Kegels bzw. des Zylinders die Beobachtungsfläche (1 10) ausbildet.
4. Radialobjektivanordnung (100; 200) nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die zentrale Lichtumlenkeinheit (120) und die Lichtsammeieinheit (160) eine gemeinsame optische Achse aufweisen, welche entlang einer z-Achse (102) der Radialobjektivanordnung (100; 200) verläuft und einen jeweiligen Mittelpunkt der Anzahl von optischen Ringen (122, 124 ,126) umfasst.
5. Radialobjektivanordnung (100; 200) nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die äußere Manteloberfläche (122-1 ; 124-1 ; 126-1 ) wenigstens eines der Anzahl der optischen Ringe (122, 124, 126) zum Erfassen des aus dem Erfassungsbereich kommenden Lichts (10) relativ zur z-Achse (102) angeschrägt ist.
6. Radialobjektivanordnung (100; 200) nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass die angeschrägte äußere Manteloberfläche (122-1 ; 124-1 ; 126-1 ) einen konkaven Umfangsverlauf aufweist.
7. Radialobjektivanordnung (100; 200) nach einem der Ansprüche 4 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens einer der Anzahl der optischen Ringe (122, 124, 126) zum Weiterleiten des Lichts (10, 12) eine relativ zur z-Achse (102) angeschrägte innere Manteloberfläche (122-2; 124-2; 126-2) umfasst, welche zur z-Achse (102) weist.
8. Radialobjektivanordnung (100; 200) nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Lichtsammeieinheit (160) einen konvexen Umfangsverlauf aufweist.
9. Radialobjektivanordnung (100; 200) nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens einer der optischen Ringe (122, 124, 126) eine im Wesentlichen trapezförmige Querschnittsfläche aufweist.
10. Radialobjektivanordnung (100; 200) nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Anzahl von optischen Ringen (122, 124, 126) in dem monolithischen Materialstück schichtartig aufeinander angeordnet ausgebildet sind.
1 1 . Radialobjektivanordnung (100; 200) nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das monolithische Materialstück, in welchem die zentrale Lichtumlenkeinheit mit der Anzahl der optischen Ringe und die Lichtsammeieinheit ausgebildet sind, einen transparenten optischen Werkstoffumfasst.
12. Optischer Sensor zum Überwachen eines Erfassungsbereichs, dadurch gekennzeichnet, dass der optische Sensor eine Radialobjektivanordnung (100; 200) nach einem der vorstehenden Ansprüche aufweist.
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