EP3243119A1 - Optische vorrichtung zur belichtung einer sensorvorrichtung für ein fahrzeug - Google Patents

Optische vorrichtung zur belichtung einer sensorvorrichtung für ein fahrzeug

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Publication number
EP3243119A1
EP3243119A1 EP16700246.8A EP16700246A EP3243119A1 EP 3243119 A1 EP3243119 A1 EP 3243119A1 EP 16700246 A EP16700246 A EP 16700246A EP 3243119 A1 EP3243119 A1 EP 3243119A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
optical
light
sensor
microelements
sensor device
Prior art date
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Withdrawn
Application number
EP16700246.8A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Nadine Sticherling
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.)
Huf Huelsbeck and Fuerst GmbH and Co KG
Original Assignee
Huf Huelsbeck and Fuerst GmbH and Co KG
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 Huf Huelsbeck and Fuerst GmbH and Co KG filed Critical Huf Huelsbeck and Fuerst GmbH and Co KG
Publication of EP3243119A1 publication Critical patent/EP3243119A1/de
Withdrawn legal-status Critical Current

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    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L27/00—Devices consisting of a plurality of semiconductor or other solid-state components formed in or on a common substrate
    • H01L27/14—Devices consisting of a plurality of semiconductor or other solid-state components formed in or on a common substrate including semiconductor components sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation
    • H01L27/144—Devices controlled by radiation
    • H01L27/146—Imager structures
    • H01L27/14601—Structural or functional details thereof
    • H01L27/14625—Optical elements or arrangements associated with the device
    • H01L27/14627—Microlenses
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B60—VEHICLES IN GENERAL
    • B60W—CONJOINT CONTROL OF VEHICLE SUB-UNITS OF DIFFERENT TYPE OR DIFFERENT FUNCTION; CONTROL SYSTEMS SPECIALLY ADAPTED FOR HYBRID VEHICLES; ROAD VEHICLE DRIVE CONTROL SYSTEMS FOR PURPOSES NOT RELATED TO THE CONTROL OF A PARTICULAR SUB-UNIT
    • B60W30/00—Purposes of road vehicle drive control systems not related to the control of a particular sub-unit, e.g. of systems using conjoint control of vehicle sub-units
    • B60W30/08—Active safety systems predicting or avoiding probable or impending collision or attempting to minimise its consequences
    • G—PHYSICS
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    • G02B3/00—Simple or compound lenses
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    • G02B3/0037—Arrays characterized by the distribution or form of lenses
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    • G—PHYSICS
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    • G—PHYSICS
    • G06—COMPUTING; CALCULATING OR COUNTING
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    • G06F3/00—Input arrangements for transferring data to be processed into a form capable of being handled by the computer; Output arrangements for transferring data from processing unit to output unit, e.g. interface arrangements
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    • H01L31/02—Details
    • H01L31/0232—Optical elements or arrangements associated with the device
    • H01L31/02327—Optical elements or arrangements associated with the device the optical elements being integrated or being directly associated to the device, e.g. back reflectors
    • H—ELECTRICITY
    • H04—ELECTRIC COMMUNICATION TECHNIQUE
    • H04N—PICTORIAL COMMUNICATION, e.g. TELEVISION
    • H04N23/00—Cameras or camera modules comprising electronic image sensors; Control thereof
    • H04N23/50—Constructional details
    • H04N23/51—Housings

Definitions

  • the invention relates to an optical device for exposing a sensor device for a vehicle according to claim 1. Further, the invention relates to a system with a sensor device for a vehicle according to claim 13 and to a method for exposure of such a sensor device for a vehicle according to the claim 21.
  • sensor devices for image acquisition and image reproduction z. B. used in vehicles. For example, sensor devices or sensor systems for monitoring a detection area outside the vehicle are used to detect the presence of a user and / or gestures of the user. Depending on a detected approach and / or gesture, for example, a function is performed on the vehicle, such as an authentication. In such Sensor devices is not the image reproduction for a user of a vehicle in the foreground.
  • a disadvantage of known solutions is that under unfavorable lighting conditions, detection is difficult or impossible. This increases the risk of misrecognition or misinterpretation of the gesture or approach by the sensor device.
  • high power consumption i.e., power and / or voltage consumption
  • the power consumption is increased and the response time is lowered.
  • An increase in photosensitivity also requires a more complex design with possibly more expensive components for the sensor device or the sensor system, such. As the use of larger pixels or the use of lighting elements. It is therefore an object of the present invention to at least partially overcome the disadvantages described above.
  • the invention relates to an optical device for exposure of a sensor device, wherein the sensor device preferably for a vehicle and / or for Detecting gestures of a person such as a user (of the vehicle) is used.
  • exposure refers here to the fact that the optical device directs or transmits incident light, that is to say in particular light striking the optical device, onto the sensor device, preferably in that the optical device controls the light path and / or the direction
  • the exiting light or the exiting light beam is thus changed by the optical device to the corresponding incident light or to the incident light beam with respect to the direction of propagation, for example by changing the incident light
  • the emitted or emitted light is thereby directed at the sensor device, whereby a targeted exposure of the sensor device takes place.
  • the optical device comprises an optical structure which has an arrangement of optical microelements, in particular microlenses, to focus incident light through the optical microelements and respectively direct them to sensor elements of the sensor device, the optical structure being such is formed so that the directed to the sensor elements light for light-active areas of the sensor elements can be concentrated.
  • the advantage is achieved that a larger amount of light for image acquisition can be used by the sensor device. Normally, ie in particular without changing the optical path of the incident light through the optical device, both light-active and light-inactive regions of the sensor device are illuminated to a similar extent.
  • the illuminated surface of the sensor elements which has no light-active areas, thus forms the light-inactive area, which can not be used (by exposure to light) for image capture and z.
  • electronics and / or a substrate comprises.
  • the fill factor is given in particular by the ratio of the area of the light-sensitive light-active areas to the (illuminated) total area of the sensor device.
  • the sensor device is suitable for a vehicle, in particular for a motor vehicle, passenger car, truck and / or motorcycle, and in particular for monitoring an outside area of the vehicle.
  • the monitored by the sensor device area forms at least one detection area.
  • at least one sensor device with at least one optical device can be arranged in the side region of the vehicle (for example on a B-pillar of the vehicle), in the rear region and / or in the front region of the vehicle.
  • a plurality of detection areas are formed which comprise outer areas for different sides or directions of the vehicle.
  • an approach and / or movement of a user and / or a gesture can be detected from different directions on the vehicle.
  • the optical microelements are designed as microlenses and / or the optical structure is designed as a microlens array and / or the microelements are arranged like a matrix.
  • a transition of the incident light from an outer medium (eg air) into the microelements takes place, wherein, in particular due to the refractive index of the microelements, a refraction of light or deflection of the incident light takes place during this transition.
  • the microelements are in particular refractive optical elements with a refractive index, which differs from the refractive index of the external medium.
  • the optical structure may be formed like a template, in particular rectangular or square and z. B. have a number of lines of 10 or 20 or 30 or at most 40 microelements and number of columns of 10 or 20 or 30 or at most 40 microelements.
  • the microelements are formed from an amorphous material and / or from plastic and / or have polycarbonate and / or acrylic and / or technical polyester and / or cyclo-olefin copolymers (COC) and / or a hybrid polymer.
  • the plastic is preferably heat-stabilized and / or UV-resistant.
  • Polyester, in particular polycarbonate offers the advantage that very transparent and colorless microelements can be formed, which have good dimensional stability.
  • a paint in particular in the form of a coating, and / or doping with a dye, the UV resistance can also be increased and the filter properties of the microelements can be determined as an optical filter.
  • the UV resistance can be further increased by a combination with polyurethanes.
  • Cyclo-olefin copolymers advantageously have a very low birefringence.
  • the microelements or the material of the microelements z. B. a transmittance of substantially 80% to 99%, preferably 92%, in particular in the infrared and / or near-infrared region, on.
  • the microelements or the material of the microelements can have a refractive index between substantially 1.4 to 4, preferably in the range of 1, 5 or 3.1, in particular at a wavelength of 633 nm and / or in the infrared and / or near-infrared region exhibit.
  • the microelements can have a numerical aperture of 0.01 to 1, preferably 0.5 to 0.85 and / or greater than 0.7 and a diameter in the range of 1 ⁇ to 5mm, in particular 10 ⁇ to 800 ⁇ and preferably in Range from 40 ⁇ to 200 ⁇ , and / or have a focal length of 0.3 mm to 60 mm.
  • the microelements can be designed as microlenses with a substantially spherical or cylindrical or plano-convex or biconvex or aspherical or parabolic geometry and a center thickness of 0.1 to 1.5 mm. As a result, the optical properties of the optical device can be optimally adapted to the sensor device.
  • the microlenses are preferably arranged adjacent to each other at equal intervals, and thus effect an optimal division of the incident light into partial beams, which are directed onto the light-active regions of the sensor elements.
  • the entire optical structure may preferably have a maximum width of 10 mm and a maximum length of 10 mm.
  • the radius of curvature of the individual microelements, in particular microlenses can be, for example, in a range of 1 mm to 30 mm, in particular in a range of 10 mm to 15 mm.
  • the divergence angle of the microelements is z. B. ⁇ 0.5 ° to ⁇ 2.5 °.
  • the lens spacing or distance of the microelements is z. B. 40 ⁇ to 300 ⁇ .
  • the Fill factor of the optical structure in particular of the microlens array, is preferably substantially 100%, in particular at least 90% and / or 95%.
  • the regions of the optical structure between the adjacent microelements may be further coated and / or modified to absorb and / or reflect light. As a result, a contrast increase can be achieved.
  • an optical filter is provided for the selection of the incident light as a function of the wavelength. Due to the optical structure, incident light is concentrated on the light-active regions of the sensor elements and the fill factor is improved. However, it may happen that under certain conditions, eg. B. during the day, too much light hits the sensor device and in particular is concentrated on light-active areas. Here it comes z. B. for overexposure and / or a technical evaluation of the image information is difficult because unwanted light dominates the image capture. To solve this problem, an optical filter can be used which filters out unwanted light (eg by absorption and / or destructive interference and / or reflection of the unwanted light).
  • the unwanted light is in particular light in a certain, undesired spectral range (eg visible light in the wavelength range from about 380 nm to 780 nm) and / or light outside a specific, desired spectral range (eg light outside the infrared range). which is still detectable by the sensor device.
  • the filtering out of the unwanted light preferably takes place to different extents for different wavelengths of the undesired spectral range, but in such a way that the optical filter has a significantly higher transmittance for the light relevant for image acquisition (the desired light in the desired spectral range, eg in the infrared range) as for the unwanted light.
  • the optical filter is integrated in the optical structure, in particular in the microelements.
  • the arrangement of a separate filter element, which z. B. is designed as a glass plate, may have the disadvantage that the assembly and / or calibration is possibly difficult and a lot of space is required.
  • the integration of the optical filter in and / or on the optical structure allows the formation of a very compact and space-saving as well as inexpensive optical device. Also, this increases the reliability and safety, since no separate structural separate filter must be provided.
  • the optical filter can be designed in particular monolithically and / or in one piece with the optical structure and thus form the optical device according to the invention as an (integrated) component.
  • the optical filter can thus preferably be formed by the microelements themselves.
  • the optical device according to the invention can furthermore be designed in particular monolithically and / or in one piece with the sensor device and / or integrated in the sensor device.
  • the compactness, in particular of a system according to the invention, which comprises the optical device according to the invention and the sensor device, can be further increased.
  • an optical filter for filtering predetermined wavelengths of the incident light, wherein the optical filter is designed in particular as an infrared filter to block preferably visible light.
  • light i.e., electromagnetic radiation
  • infrared range a wavelength range from about 700 nm (or 780 nm) to 1 mm, preferably from 830 nm to 10 ⁇ m and / or from 780 nm to 10 ⁇ m
  • the near-infrared or near-infrared range is the wavelength range of about 700 nm or 780 nm (which in particular follows the visible light range) down to 1 .100 nm of the light.
  • the visible wavelength range is in particular the part of the electromagnetic radiation visible to the eye, and preferably the wavelength range between 380 nm to 700 nm (or 780 nm or 800 nm). It depends on the intended use of the sensor device, which spectral range of the light is relevant for image acquisition. It has surprisingly been found that the light in the infrared range, in particular in the near infrared range, allows a particularly reliable detection of gestures of a user for the exterior of the vehicle.
  • an optical filter is provided at and / or in the optical structure and in particular is designed such that the light directed onto the sensor elements is substantially free of visible light.
  • the visible light is z. B. is suppressed such that the intensity of the visible light, which is directed to the sensor device (ie, the filtered light) to a maximum of 80% or 50% or 30% or 10% of the intensity of the incident visible light becomes.
  • the incident visible light is in particular visible light which is reflected back by an object (such as the user) in the detection area and impinges on the optical device. This effectively reduces unwanted visible light.
  • the optical structure in particular the microelements
  • the microelements are designed as an optical filter and in particular have a substance for filtering and / or are doped with a substance for filtering, which preferably absorbs visible light.
  • a substance for filtering which preferably absorbs visible light.
  • the substance may for example be a dye, in particular a synthetic dye, which z. B. visible light to at least 10% or 30% or 50% or 80% absorbed.
  • the substance is introduced into the optical filter, in particular into the optical structure and / or into the microelements, by doping and / or by injection molding.
  • the microelements have layers, in particular dielectric and / or metallic layers.
  • the microelements may have a (preferably metallic) layer which is designed such that a reduction of the reflection is effected in particular by a wavelength-dependent constructive and a wavelength-dependent destructive interference.
  • a plurality of such layers may be provided and thus form an antireflection coating. The surface reflection is thereby preferably reduced to below 5% and / or 2% and / or 1% in the (near) infrared range.
  • the microelements have at least one dielectric layer, which is designed in particular as an interference filter for wavelength-dependent filtering out of light.
  • the filtering of unwanted light through the interference filter z. B. effected by causing wavelength-dependent destructive and constructive interference.
  • the optical filter may thus comprise an interference filter (ie formed by at least one layer on the microelements) and / or an absorption filter (eg by absorbing Dyes in the microelements).
  • an interference filter ie formed by at least one layer on the microelements
  • an absorption filter eg by absorbing Dyes in the microelements.
  • the optical filter has exclusively an interference filter or only an absorption filter.
  • At least 10 ⁇ 10 ie a total of 100 microelements and / or 10 columns and 10 rows
  • / or 20 ⁇ 20 ie a total of 400 microelements and / or 20 columns and 20 rows
  • / or 30 x 30 ie, a total of 900 microelements and / or 30 columns and 30 rows
  • / or 50 x 50 ie, a total of 2500 microelements and / or 50 columns and 50 rows
  • microelements particularly in a matrix arrangement, in the optical structure are arranged, and in particular a corresponding arrangement of sensor elements are assignable.
  • the assignment z. B. 1 1, so that each microelement is assigned to exactly one sensor element.
  • the assignment z. B. also be done 1: 2, so that each microelement exactly two sensor elements are assigned, or 1: 5 or 1:10 or in any other fixed ratio.
  • a plurality of optical structures in particular microlens arrays
  • the fill factor of the sensor device is improved efficiently and the photosensitivity for the sensor elements, in particular pixels, is increased uniformly.
  • the microelements are formed from a plastic.
  • the plastic can z. B. be designed as a translucent in particular in the infrared and / or at least partially transparent and / or a glazed plastic. It can be provided that the refractive index of the plastic is between 1, 4 and 1, 6, in order to achieve optimum focusing on the sensor elements.
  • the microelements comprise acrylic and / or polycarbonate and / or epoxy resin and / or quartz glass and / or silicon and / or germanium and / or zinc sulfide and / or zinc selenide and / or gallium phosphide and / or gallium arsenide.
  • the microelements z.
  • acrylic glass ie polymethylmethacrylate
  • be formed of polycarbot whereby a particularly good transmissivity in the infrared range is given.
  • such a color formulation of the microelements can be provided that a non-transmissivity in the (total) visible light range and Permeability for (near) infrared light is made possible.
  • Epoxy resin also has a good temperature resistance
  • germanium has a particularly good transparency in the infrared range.
  • gallium phosphide When using gallium phosphide, a particularly advantageous transmission in the infrared range can be achieved, wherein the microelements can have a refractive index of at least 3.
  • a support in particular a support member is provided to position at least individual microelements and / or the optical structure and / or to attach to the sensor device.
  • the carrier preferably serves for stabilization and / or temperature-independent positioning of the microelements and / or the optical structure.
  • the carrier may have such a configuration that even with a thermal expansion of the carrier, the optical structure remains fixed at a same position.
  • the carrier and / or a compensation element of the carrier has a structure which directs thermal expansion in different directions and thereby compensates.
  • the carrier also allows, for example, a detachable or non-detachable attachment of the optical structure to a substrate and / or to the sensor device.
  • the carrier is z. B. on one side, on both sides (eg, on opposite sides) or on each side of the sensor device or the optical structure.
  • the substrate has, for example, glass and / or silicon.
  • a carrier in particular a support element, has at least one compensation element, which is formed on the optical structure such that thermal expansion of the carrier and / or the support element is compensated, wherein in particular the optical structure in the Thermal expansion of the carrier is held in a substantially same position by the carrier.
  • the at least one compensation element of the carrier has an angled structure, which is preferably designed such that a thermal expansion in a first direction of a first structure of the compensation element by thermal expansion in a (in particular opposite) second direction of a second structure of the compensation element is compensated. This ensures optimal image acquisition even under different operating conditions.
  • the invention is a system having a sensor device for a vehicle, in particular a motor vehicle, and at least one optical device for exposing the sensor device.
  • the optical device comprises an optical structure having an array of optical microelements to focus incident light through the optical microelements and in each case to direct to sensor elements of the sensor device, wherein the optical structure is formed such that on the sensor elements directed light for light-active areas of the sensor elements is concentrated.
  • an optical device according to the invention can be used for the system according to the invention.
  • the system according to the invention brings the same advantages as have been described in detail with reference to an optical device according to the invention.
  • the optical structure forms a unit with the sensor device and / or is integrated on the sensor device, and is preferably arranged relative to the sensor device such that light incident from the outside onto the optical structure and through the optical structure onto the sensor elements is directed.
  • “outside” is understood to mean the region from which light from the detection region is incident into the optical device, wherein it is conceivable that the system or the optical device according to the invention has an aperture and / or aperture, by the incident light
  • the optical structure with the sensor device preferably forms a structural, in particular one-piece, unit so that assembly is greatly simplified be connected.
  • the sensor device is an image capture device and / or an image sensor, wherein the sensor elements are formed as photosensitive pixels and / or arranged as a matrix and / or adjacent to each other.
  • the sensor device can have, for example, a resolution of at least 10 ⁇ 10 and / or 20 ⁇ 20 and / or 30 ⁇ 30 and / or 50 ⁇ 50 and / or 100 ⁇ 100 and / or 200 ⁇ 200 pixels, the pixels in particular are arranged like a matrix and preferably square.
  • the sensor device can have a photosensitivity (in particular completely) in the visible spectral range of the light and at least partially in the light Have infrared range.
  • the sensor device can be designed to perform time-of-flight images and thus measure the transit time of the (emitted and reflected) light.
  • the sensor device can be connected via a control and / or evaluation device to a light source, in particular a pulse laser. Further, the sensor device time-controlled, z. B. operated by the control and / or evaluation device.
  • the sensor elements in particular the pixels, have the light-active region and a light-inactive region, with only the light-active regions being photosensitive and / or being used for image acquisition.
  • the light-inactive areas, however, z. As electrical wiring or electronics or the substrate, so that it is not used for capturing light image capture.
  • the light-inactive areas are therefore necessary to enable electronic functionality and electronic reading of the pixels.
  • the sensor device can be designed as a one-dimensional line sensor or as a two-dimensional sensor with color-sensitive or monochrome pixels.
  • the sensor device as a CMOS (complementary metal-oxide-semiconductor) sensor and / or as a CCD (charge-coupled device) sensor and / or LDPD (lateral drift field photodetector) sensor is trained.
  • the LDPD sensor is described, for example, in the document DE 10 2009 020 218 B3 and can be read out particularly quickly.
  • the CMOS sensor has a straightforward, cost-effective design.
  • the CCD sensor is designed to be particularly sensitive to light.
  • the sensor device is designed such that the photosensitivity in the near infrared range corresponds to at least 80% or 90% or 100% of the photosensitivity in the visible range.
  • the sensor device preferably has pixels which convert light into electrical current.
  • the sensor device is electrically connected to a control and / or evaluation device, and in particular timed so controlled that time-of-flight recordings (ie measurement of the light transit time) are feasible.
  • a light source is used to measure the light transit time to emit a light pulse.
  • the light pulse illuminates z. B. the detection area and is reflected by objects, such as the user, reflected (and / or scattered).
  • the reflected light passes, for example, to the optical device and is directed to the sensor device. Based on the time between the emission of the light pulse and the detection by the sensor device, the distance of the object can be calculated. For this purpose, the detection is timed.
  • the pulsed control is preferably carried out synchronously with the pulsed control of the light source of the system according to the invention, in particular a pulse laser or an LED.
  • the light source is preferably designed as an infrared light source and has z.
  • frame rates of at least 1 frame per second or at least 3 frames per second or at least 5 frames per second or at least 10 frames per second or at least 20 frames per second or at least 40 frames or at least 80 frames or at least 160 frames per second are used.
  • one, in particular each individual, of these images consists of at least 15 or at least 30 or at least 40 or at least 50 or 20 to 1000, preferably 40 to 60, in particular 200 individual images and / or accumulations.
  • a clock can be used for carrying out the control (the sensor device) and / or recording the individual shots z. B.
  • a clock can be used.
  • the sensor device and / or the frame rate and / or the exposure duration and / or the control are monitored by a monitoring unit of the control and / or evaluation device, whereby preferably the control and / or the clock and / or the timing and / or power supply of the sensor device are monitored and / or regulated and / or controlled and / or synchronized.
  • z. B. an approach of the user or gestures are reliably detected.
  • At least one light source for emitting at least light pulses or a continuous radiation and an optical filter of the optical device is provided, wherein the filter characteristics of the optical filter are adapted to the wavelength of the light emitted by the light source.
  • an infrared light source is provided, wherein the filter is adapted to the spectral range of the emitted light.
  • a method for exposing a sensor device for a vehicle with an optical device is the subject of the invention.
  • an optical structure of the optical device comprises an array of optical microelements, and incident light is focused by the optical microelements and directed respectively to sensor elements of the sensor device, wherein the light directed to the sensor elements for light-active areas of the Sensor elements is concentrated. Furthermore, provision may be made for an optical device according to the invention and / or a system according to the invention to be used for the method according to the invention. Thus, a method according to the invention brings the same advantages as have been described in detail with reference to a system according to the invention and / or an optical device according to the invention.
  • the light incident in the optical device first passes through the optical filter, then manipulated by the microelements and then directed by the microelements on the sensor elements.
  • the manipulation of the light is effected in particular by a deflection, such that the light is concentrated on light-active regions of the sensor elements.
  • a filtering of the incident light by an optical filter is wavelength-dependent by absorption and / or by reflection.
  • the optical filter z. B. have dyes which have an absorption of a certain, undesirable spectral range of the light.
  • the dyes may, for. B. be incorporated in one or more layers of the microelements and / or within the microelements.
  • the reflection of the unwanted spectral range of the light takes place, for example, by at least one interference filter, which is formed by layers on and / or in the microelements.
  • the microelements concentrate incident light and direct and / or focus on particular regions of the sensor device, in particular on light-active regions of the sensor elements, so that the exposure of light-inactive regions is reduced.
  • the microelements are thus designed in particular as microlenses, the bundling of the light being due to the refractive index of the microlenses, which differs from the outside area.
  • the fill factor and / or photosensitivity is thereby z. B. increased at least by 1, 5 times, 2 times and / or 3 times.
  • a control and / or evaluation device wherein the control and / or evaluation device, the sensor device and / or a light source pulsed to carry out time-of-flight recordings controls.
  • the pulsed operation of the sensor device is a time-dependent operation, wherein the sensor device z. B. is switched sensitive by means of electronic switches time-dependent.
  • a light pulse has, for example, the duration of 30 ns to 300 ns.
  • the control and / or evaluation device serves in particular as a modulation source for the time-dependent control, and may alternatively or additionally have an evaluation.
  • the evaluation includes z. As a microprocessor and / or a digital signal processor, and z. B.
  • the control and / or evaluation device effects a gesture recognition on the basis of the image information of the sensor device.
  • a pattern recognition is performed.
  • algorithms such as a statistical pattern recognition, such as support vector machines or neural networks are used.
  • the sensor device to monitor a detection area located outside the vehicle in order to determine a proximity and / or a gesture of a user, wherein a function of the vehicle is triggered in the event of detection of proximity and / or gestures. Such a function may be, for example, an identification test, which z. B.
  • z. B. be possible that when detecting a specific gesture, a wake-up signal to an identification transmitter, which the user z. B. carries, is transmitted.
  • the identification transmitter receives the wake-up signal and then transmits a code to the vehicle.
  • Another function can z. As the opening of a tailgate and / or the opening of doors of the vehicle. It can be z. B. be provided that in the detection of a first gesture, a first function and in the detection of a second gesture, a second function is controlled.
  • control and / or evaluation device is provided for image acquisition of the sensor device, which combines a dependent of the amount of light number of images of the sensor device for evaluation.
  • the control and / or evaluation device can also be used to improve the image capture, being averaged and / or integrated by the evaluation, for example.
  • image captures it is necessary that the sensor device performs several image recordings, which are then combined to form a recording.
  • an assembly module with an optical device and a sensor device for a vehicle is the subject of the invention.
  • the optical device comprises an optical structure having an array of optical microelements to focus incident light through the optical microelements and in each case to direct to sensor elements of the sensor device, wherein the optical structure is formed such that on the sensor elements directed light for light-active areas of the sensor elements is concentrated.
  • an optical device according to the invention and / or a system according to the invention and / or a method according to the invention are used for the assembly module according to the invention.
  • the system according to the invention and / or the mounting module according to the invention has a housing and in particular with the housing is manually mountable on the vehicle such that the outer region of the vehicle can be monitored by the sensor device.
  • the mounting module may be configured to be installed in the vehicle so that a detection area of the sensor device extends at least partially in the outer area of the vehicle.
  • the housing may, for example, be designed to be arranged on a B pillar of the vehicle and / or on the rear area and / or on the emblem of the vehicle.
  • the system according to the invention and / or the mounting module according to the invention comprises, in addition to the sensor device and the optical device z.
  • the housing has an opening through which incident light can penetrate and hit the optical device.
  • Figure 1 is a plan view of the rear of a vehicle
  • Figure 2 is a view of an optical device according to the invention, which on
  • FIG. 3 shows an illustration of a construction of an optical system according to the invention
  • FIG. 4 shows an illustration of the structure of an optical device according to the invention and of a system according to the invention
  • FIG. 5 shows an enlarged schematic representation of a sensor device
  • Figure 6 is a schematic representation of the operation of an inventive
  • FIG. 7 shows a schematic representation of the structure of an optical device according to the invention
  • FIG. 8 shows a further schematic representation of the structure of an optical device according to the invention.
  • FIG. 9 shows a further schematic illustration of the structure of an optical device according to the invention.
  • FIG. 10 shows a further schematic representation of the structure of an optical device according to the invention.
  • Figure 1 1 is a view of an optical device according to the invention, a system according to the invention and a mounting module according to the invention and
  • FIG. 12 shows a schematic representation for the visualization of method steps of a method according to the invention.
  • FIG. 1 shows a plan view of the rear area of a vehicle 1 is shown, wherein at the rear of the vehicle 1, an inventive system 200 with a Optical device 100 according to the invention and with a sensor device 10 is arranged.
  • the system 200 according to the invention is arranged on the outer region of the vehicle 1 in such a way that monitoring of a detection region 5 located outside the vehicle 1 by the sensor device 10 is possible.
  • the system 200 according to the invention and / or the optical device 100 has an opening or an aperture which is arranged on the vehicle 1 such that light can pass from the detection area 5 as incident light 2 through the optical device 100 according to the invention.
  • the incident light 2 is thereby deflected by the optical device 100 according to the invention or the light path is modified such that the light is directed onto sensor elements 10. 1 of the sensor device 10.
  • the incident light 2 is in particular light information, which emanates from an object in the detection area 5, such as a user 4.
  • the objects, such as the user 4, eg. Daylight and / or the light of a light source 7 is reflected back.
  • a distance detection is also possible.
  • the recording and the comparison of multiple images by the sensor device 10 further enables the recognition and evaluation of gestures of the user 4.
  • the image acquisition by the sensor device 10 by an approach of the user 4 and / or by a detection of an ID Encoder 6 is initiated.
  • a function of the vehicle 1 can be activated.
  • Such a function is, for example, an authentication process, wherein z. B. a wake-up signal is transmitted to the ID transmitter 6 via a radio link and / or an exchange of security codes wirelessly done with the I-D encoder 6.
  • FIG. 2 shows a rear view of a vehicle 1 with a sensor device 10 and an optical device 100 according to the invention.
  • the optical device 100 according to the invention can, for example, be arranged on a B-pillar of the vehicle 1 and has at least one opening to the outside area of the vehicle 1. It is conceivable that, depending on the optical device 100, a maximum image angle is predetermined, which determines the extent of a detection region 5. It may also be possible that a plurality of optical devices 100 according to the invention and / or a plurality of systems 200 according to the invention are also provided on the vehicle 1. For example, according to FIG.
  • a system 200 according to the invention or an optical device 100 according to the invention at the rear region of the vehicle 1 and a further optical device 100 according to the invention or a further system 200 according to the invention can be arranged on each side region of the vehicle.
  • the advantage is achieved that a detection of an approach and / or a gesture of a user 4 from each side of the vehicle 1 is possible.
  • FIG. 3 schematically shows the structure of a system 200 according to the invention.
  • the system 200 according to the invention is part of a mounting module 300 according to the invention.
  • the mounting module 300 is designed such that a simple attachment to a vehicle 1, z. B. in a dedicated receptacle of the vehicle 1, is possible.
  • the mounting module 300 z. B. a housing in which an optical device 100 according to the invention with a sensor device 10 and / or a light source 7 and / or a control and / or evaluation device 310 are arranged.
  • the mounting module according to the invention 300 z. B.
  • the mounting module according to the invention 300 electrical contact means, such. B. have connectors to make an electrical connection to the vehicle 1 or with a vehicle electronics of the vehicle 1 for power and / or data connection.
  • the control and / or evaluation device 310 preferably has electronics, such as a microprocessor and / or a microcontroller and / or an FPGA (Field Programmable Gate Array) and / or a data memory. It is also conceivable that the control and / or evaluation device 310, a bus adapter such. B.
  • the vehicle electronics of the vehicle 1 may in particular include an electronic control unit 1 .1, which z. B. based on the transmitted from the control and / or evaluation device 310 information an authentication process or another function of the vehicle 1 initiated.
  • the control and / or evaluation device 310 is electronically or electrically connected to the system 200 according to the invention, in particular to the sensor device 10 and / or to the light source 7, in particular not one shown electronics of the light source 7 for driving a laser diode 7.1 is connected.
  • control and / or evaluation device 310 preferably controls a pulsed or intermittent operation of the light source 7 and / or the sensor device 10. It is, for example, a light beam or light pulse generated by the light source 7, then by an expanding optics 7.2 for illumination of a detection area 5 is expanded and emitted into the detection area 5. The emitted light is reflected back by objects in the detection area 5, such as a user 4, and impinges at least partially on the optical device 100 as incident light 2. The incident light is changed by the optical device 100 according to the invention, e.g. B. bundled and / or concentrated, and directed to the sensor device 10.
  • FIG. 4 shows a schematic enlarged view of the optical device 100 according to the invention, wherein the optical device 100 according to the invention is arranged on a sensor device 10.
  • the sensor device 10 is embodied, for example, as an image detection sensor and preferably forms a common and / or individually mountable and / or monolithic component with the optical device 100.
  • sensor elements 10.1 of the sensor device 10 and / or the optical device 100 can also be arranged and / or fixed on a substrate 10.5 and / or on a printed circuit board 10.5 of the sensor device 10.
  • This component formed by the sensor device 10 and the optical device 100 forms, for example, the system 200 according to the invention and can furthermore have a housing 201 for mounting and / or protecting the system 200 according to the invention.
  • the optical device 100 can be embodied as a microlens array 101 and / or has a microlens array 101. Furthermore, an optical structure 101 or the microlens array 101 of the optical device 100 has a multiplicity of microelements 101 .1.
  • the microelements 101 .1 are preferably in the form of microlenses 101. 1 and are respectively assigned to sensor elements 10. 1 of the sensor device 10. In this case, in FIG. 4, each microelement 101. 1 is assigned to a single sensor element 10. 1, whereby other conditions are also conceivable.
  • Incident light 2 initially strikes the optical device 100 or the microelements 101 .1 and is preferably converted by the optical device 100 into a plurality of light bundles. In this case, each microelement 101 .1 can in each case generate a light bundle and thus the incident light 2 in each case focus on the microelement 101 .1 associated sensor element 10.1 or judge.
  • FIG. 5 shows an enlarged illustration of sensor elements 10.1 of a sensor device 10 (that is to say a section with by way of example 6 ⁇ 6 sensor elements).
  • a schematic top view of four (i.e., 2 columns and 2 rows or 2 ⁇ 2) sensor elements 10.1 of the sensor device 10 is shown on the right side of FIG.
  • Each sensor element 10.1 in this case has a light-active region 10.2, which (directly optically active) is used for image capture. This area is hatched.
  • the light-active areas 10.2 are photosensitive areas z. B. for converting light (especially infrared light) into electricity and have z.
  • the remaining surface of the sensor elements 10.1 forms a light-inactive area 10.3, which can not be used (by exposure to light) for image capture and z.
  • a specific region of a sensor element 10. 1 of the sensor device 10 is sensitive to light and can therefore be used for image acquisition. Usually, however, the entire area of the sensor elements 10.1 is illuminated, whereby a portion of the light remains unused. As a result, the filling factor and the photosensitivity with respect to the incident light 2 are lowered.
  • an optical device 100 is used on the sensor device 10 according to the invention. For this purpose, the incident light 2 initially strikes the optical device 100 or the optical structure 101, which may be designed as a microlens array 101.
  • FIG. 6 it is shown that the light rays of the incident light 2 are refracted by the microelements 101, 1 and are therefore deflected in particular in such a way that, as light 3 directed onto the sensor elements, they concentrate on light-active regions 10 the sensor elements 10.1 are directed or focused.
  • the illumination of the light-active areas 10.2 is increased or the illumination of the light-inactive areas 10.3 is reduced and more light information can be used for image acquisition.
  • the light refraction of the incident light 2 at the microelements 101 .1 occurs due to the refractive index of the microelements 101 .1 which differs from the refractive index of the material or gas (eg air) outside the microelements 101.1.
  • the optical device 100 can have an optical filter 102.
  • the optical filter 102 is embodied in such a way that wavelengths relevant for image acquisition (such as, for example, the wavelengths of a light source 7 and / or an infrared range) are transmitted and at least one undesired wavelength range, such as, for example,. B. visible light, is filtered out.
  • the filtering out z. B. on an absorption and / or by a reflection of the light in the unwanted spectral range.
  • Absorption is achieved, for example, by doping the optical structure 101 of the optical device 100 and / or the microelements 101 .1 with filter substances 102. 1, in particular dyes 102. 1, and / or having these filter materials 102. 1, as shown in FIG.
  • the microelements 101 .1 have at least one layer 102. 2 with the corresponding filter materials 102. 1 for filtering out.
  • the filter substances 102.1 are selected or designed such that absorption of the light takes place in the undesired spectral range or at the undesired wavelength through the filter substances 102.1.
  • the optical filter 102 and / or the filter materials 102.1 have in particular a refractive index and / or an absorption behavior which differs from the refractive index or absorption behavior of the microelements 101.1.
  • interference filters can be used, which are formed as at least one layer 102.2 on a microelement 101.1 of an optical device 100 according to the invention. This is illustrated, for example, in FIG. 8, wherein light of a first wavelength 2a forwarded and reflected light of a second wavelength 2b and thus filtered out. It is also possible for a plurality of layers 102. 2 to be formed on the microelements 101. B. is shown in Figure 9. This z. B. all layers 102.2 serve as an optical filter 102. Further, an additional layer 102.2, z. B.
  • a first layer 102.2a have a further function.
  • This function can, for. B. a reduction of unwanted reflections, so that, for example, a first layer 102.2a as an anti-reflection coating and a second layer 102.2b is formed as an optical filter 102.
  • the first layer 102.2a and / or the second layer 102.2b may each also have a plurality of layers in order, for. B. to increase the degree of filtering and / or anti-reflection function.
  • the anti-reflection layering has the antireflection function, and thus, in particular, can reduce the reflection of the incident light 2.
  • the anti-reflection coating z. B.
  • the optical filter 102 and in particular the first layer 102.2a of the optical filter 102 has a degree of reflection which is less than the reflectance of the second layer 102.2b and / or the microelements 101.1.
  • FIG. 10 shows a further possible embodiment of an optical filter 102 on an optical structure 101.
  • the optical filter 102 may be applied as a coating on the optical structure 101, so that incident light 2 first strikes the optical filter 102 and only after the transmission through the optical filter 102 to the microelements 101 .1 of the optical device 100 according to the invention.
  • the optical filter 102 may be formed as a separate unit, which is detachably or permanently connected to the optical structure 101 and the microelements 101 .1.
  • the optical filter 102 may comprise at least one layer, and in particular a plurality of layers, wherein the layers are at least partially formed as a frequency-dependent (interference or absorption) filter and / or at least partially as an anti-reflection filter.
  • a carrier 104 in particular a support elements 104 may be provided which z. B. on one side, on both sides or on each side of the optical structure 101 are arranged.
  • the carrier 104 serves for fastening and stabilizing the optical structure 101, wherein the carrier 104 is designed in particular in such a way that the optical structure remains fixed at the same position even with a thermal expansion of the carrier 104.
  • this will preferably effected by at least one compensation element 104.1 of the carrier 104 by means of an (angled) structure, which is preferably designed such that a thermal expansion in a first direction of a first structure of the compensation element 104.1 by thermal expansion in a (in particular opposite) second direction of a second structure of the compensation element 104.1 is compensated.
  • FIG. 11 shows a further embodiment of a system 200 according to the invention with an optical device 100 according to the invention, the system 200 according to the invention being designed together with a light source 7 as an inventive mounting module 300.
  • an additional optics 103 is provided, wherein incident light 2 is first deflected by the optics 103 and / or bundled and is then directed to the inventive optical device 100 through the optics 103.
  • the optics 103 may be formed, for example, as a convergent lens.
  • FIG. 12 schematically shows method steps of a method according to the invention.
  • incident light 2 first strikes an optical filter 102 of a device 100 according to the invention, whereby in particular visible light is blocked or filtered out and, in particular, visible light is suppressed, in contrast to an infrared light region.
  • the filtered light subsequently impinges on optical microelements 101 .1 of the optical device 100 and is bundled by them in such a way that the light is subsequently concentrated according to the third method step 400.3 to light-active regions 10.2 of the sensor elements 10.1.

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Abstract

Die Erfindung betrifft eine Optische Vorrichtung (100) zur Belichtung einer Sensorvorrichtung (10) für ein Fahrzeug (1), mit einer optischen Struktur (101), die eine Anordnung optischer Mikroelemente (101.1) aufweist, um einfallendes Licht (2) durch die optischen Mikroelemente (101.1) zu bündeln und jeweils auf Sensorelemente (10.1) der Sensorvorrichtung (10) zu richten, wobei die optische Struktur (101) derart ausgebildet ist, dass das auf die Sensorelemente (10.1) gerichtete Licht (3) für lichtaktive Bereiche (10.2) der Sensorelemente (10.1) konzentrierbar ist.

Description

Optische Vorrichtung zur Belichtung einer Sensorvorrichtung für ein Fahrzeug
B e s c h r e i b u n g
Die Erfindung betrifft eine optische Vorrichtung zur Belichtung einer Sensorvorrichtung für ein Fahrzeug gemäß Anspruch 1. Ferner bezieht sich die Erfindung auf ein System mit einer Sensorvorrichtung für ein Fahrzeug gemäß dem Anspruch 13 und auf ein Verfahren zur Belichtung einer derartigen Sensorvorrichtung für ein Fahrzeug gemäß dem Anspruch 21. Es ist aus dem Stand der Technik bekannt, dass Sensorvorrichtungen zur Bilderfassung und Bildwiedergabe z. B. bei Fahrzeugen eingesetzt werden. Auch werden bspw. Sensorvorrichtungen bzw. Sensorsysteme zur Überwachung eines Detektionsbereiches außerhalb des Fahrzeuges genutzt, um die Anwesenheit eines Benutzers und/oder Gesten des Benutzers zu detektieren. In Abhängigkeit einer detektierten Annäherung und/oder Geste wird bspw. eine Funktion am Fahrzeug, wie eine Authentifizierung, durchgeführt. Bei derartigen Sensorvorrichtungen steht nicht die Bildwiedergabe für einen Benutzer eines Fahrzeuges im Vordergrund.
Nachteilig bei bekannten Lösungen ist es jedoch, dass bei ungünstigen Lichtverhältnissen eine Detektion erschwert oder unmöglich ist. Hierdurch steigt das Risiko einer Fehlerkennung oder Fehlinterpretation der Geste oder der Annäherung durch die Sensorvorrichtung. Ferner ist zum Betrieb der Sensorvorrichtung oft ein hoher Energieverbrauch (d. h. Strom- und/oder Spannungsverbrauch) notwendig, um die Sensitivität zu erhöhen. Auch wird aufgrund einer fehlerhaften Detektion der Energieverbrauch erhöht und die Reaktionszeit herabgesenkt. Eine Erhöhung der Lichtempfindlichkeit erfordert zudem eine komplexere Ausgestaltung mit ggf. teureren Komponenten für die Sensorvorrichtung bzw. das Sensorsystem, wie z. B. den Einsatz größerer Pixel oder den Einsatz von Beleuchtungselementen. Es ist daher eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, die voranstehend beschriebenen Nachteile zumindest teilweise zu beheben. Insbesondere ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung, die Zuverlässigkeit einer Detektion zu erhöhen, die Gestenerkennung zu verbessern, den Energieverbrauch der Sensorvorrichtung zu verringern und/oder die Kosten für die Sensorvorrichtung bzw. das Sensorsystem zu reduzieren.
Die voranstehende Aufgabe wird gelöst durch eine optische Vorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 1 , einem System mit den Merkmalen des Anspruchs 13, einem Montagemodul für ein Fahrzeug sowie einem Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 21 . Weitere Merkmale und Details der Erfindung ergeben sich aus den jeweiligen Unteransprüchen, der Beschreibung und den Zeichnungen. Dabei gelten Merkmale und Details, die im Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen Verfahren beschrieben sind, selbstverständlich auch im Zusammenhang mit der erfindungsgemäßen optischen Vorrichtung, dem erfindungsgemäßen Montagemodul und dem erfindungsgemäßen System, und jeweils umgekehrt, so dass bezüglich der Offenbarung zu den einzelnen Erfindungsaspekten stets wechselseitig Bezug genommen wird bzw. werden kann.
Gegenstand der Erfindung ist eine optische Vorrichtung zur Belichtung einer Sensorvorrichtung, wobei die Sensorvorrichtung bevorzugt für ein Fahrzeug und/oder zur Erkennung von Gesten einer Person wie einem Benutzer (des Fahrzeuges) eingesetzt wird. Der Ausdruck „Belichtung" bezieht sich hierbei darauf, dass die optische Vorrichtung einfallendes Licht, d. h. insbesondere auf die optische Vorrichtung treffendes Licht, auf die Sensorvorrichtung richtet bzw. weiterleitet. Dieses erfolgt vorzugsweise dadurch, dass die optische Vorrichtung den Lichtweg und/oder die Richtung eines einfallenden Lichtstrahls verändern kann, d. h. dass das einfallende Licht verändert bzw. umgelenkt wird. Das austretende Licht bzw. der austretende Lichtstrahl wird somit durch die optische Vorrichtung zum entsprechenden einfallenden Licht bzw. zum einfallenden Lichtstrahl in Bezug auf die Ausbreitungsrichtung verändert, z. B. abgelenkt und/oder gebündelt. Das danach austretende bzw. abgegebene Licht wird dabei auf die Sensorvorrichtung gerichtet, wodurch eine gezielte Belichtung der Sensorvorrichtung erfolgt.
Dabei kann es vorzugsweise vorgesehen sein, dass die optische Vorrichtung eine optische Struktur umfasst, die eine Anordnung optischer Mikroelemente, insbesondere Mikrolinsen, aufweist, um einfallendes Licht durch die optischen Mikroelemente zu bündeln und jeweils auf Sensorelemente der Sensorvorrichtung zu richten, wobei die optische Struktur derart ausgebildet ist, dass das auf die Sensorelemente gerichtete Licht für lichtaktive Bereiche der Sensorelemente konzentrierbar ist. Hierdurch wird der Vorteil erzielt, dass eine größere Lichtmenge zur Bilderfassung von der Sensorvorrichtung genutzt werden kann. Normalerweise, d. h. insbesondere ohne Veränderung des Lichtweges des einfallenden Lichts durch die optische Vorrichtung, werden sowohl lichtaktive als auch lichtinaktive Bereiche der Sensorvorrichtung im ähnlichen Ausmaße beleuchtet. Die beleuchtete Fläche der Sensorelemente, welche keine lichtaktiven Bereiche aufweist, bildet damit den lichtinaktiven Bereich, welcher nicht (durch Lichteinwirkung) zur Bilderfassung genutzt werden kann und z. B. Leitungen, Elektronik und/oder ein Substrat umfasst. Je geringer die Fläche der beleuchteten lichtaktiven Bereiche im Verhältnis zu den beleuchteten lichtinaktiven Bereichen ist, desto geringer ist der Füllfaktor und umso geringer ist die Lichtsensitivität der Sensorvorrichtung. Der Füllfaktor ist dabei insbesondere durch das Verhältnis der Fläche der lichtempfindlichen lichtaktiven Bereiche zur (beleuchteten) Gesamtfläche der Sensorvorrichtung gegeben. Durch die Veränderung des Lichtweges des einfallenden Lichts (d. h. z. B. durch Bündelung des Lichts) durch die optische Struktur wird dabei der Füllfaktor der Sensorvorrichtung erhöht und die Lichtempfindlichkeit der Sensorvorrichtung deutlich verbessert. Auch kann somit der Energieverbrauch reduziert werden, da z. B. weniger Bildaufnahmen durch die Sensorvorrichtung durchgeführt werden müssen.
Ferner ist es denkbar, dass die Sensorvorrichtung für ein Fahrzeug, insbesondere für ein Kraftfahrzeug, Personenkraftfahrzeug, Lastkraftfahrzeug und/oder Motorrad, und insbesondere zur Überwachung eines Außenbereiches des Fahrzeuges geeignet ist. Der von der Sensorvorrichtung überwachte Bereich bildet dabei zumindest einen Detektionsbereich. Es kann dabei zumindest eine Sensorvorrichtung mit zumindest einer optischen Vorrichtung im Seitenbereich des Fahrzeuges (z. B. an einer B-Säule des Fahrzeuges), im Heckbereich und/oder im Frontbereich des Fahrzeuges angeordnet sein. Hierdurch werden mehrere Detektionsbereiche gebildet, welche Außenbereiche für unterschiedliche Seiten bzw. Richtungen des Fahrzeuges umfassen. Somit kann eine Annäherung und/oder Bewegung eines Benutzers und/oder eine Geste von unterschiedlichen Richtungen am Fahrzeuge erkannt werden.
Gemäß einer weiteren Möglichkeit kann es vorgesehen sein, dass die optischen Mikroelemente als Mikrolinsen ausgebildet sind und/oder die optische Struktur als Mikrolinsenarray ausgebildet ist und/oder die Mikroelemente matrizenartig angeordnet sind. Dabei erfolgt ein Übergang des einfallenden Lichts von einem Außenmedium (z. B. Luft) in die Mikroelemente, wobei insbesondere aufgrund des Brechungsindex der Mikroelemente eine Lichtbrechung bzw. Umlenkung des einfallenden Lichts bei diesem Übergang erfolgt. Die Mikroelemente sind dabei insbesondere refraktive optische Elemente mit einem Brechungsindex, welcher sich vom Brechungsindex des Außenmediums unterscheidet. Vorzugsweise beim Austreten des (austretenden und auf die Sensorelemente gerichteten) Lichts aus den Mikroelementen; erfolgt ein weiterer Übergang des Lichts von den Mikroelementen in das Außenmedium (z. B. Luft) oder ein weiteres Medium, insbesondere der Sensorvorrichtung bzw. der Sensorelemente (mit einem ebenfalls unterschiedlichen Brechungsindex). Die optische Struktur kann matrizenartig, insbesondere rechteckförmig oder quadratisch ausgebildet sein und z. B. eine Zeilenanzahl von 10 oder 20 oder 30 oder höchstens 40 Mikroelementen und Spaltenanzahl von 10 oder 20 oder 30 oder höchstens 40 Mikroelementen aufweisen. Es ist ferner denkbar, dass die Mikroelemente aus einem amorphen Material und/oder aus Kunststoff ausgebildet sind und/oder Polycarbonat und/oder Acryl und/oder technisches Polyester und/oder Cyclo-Olefin-Copolymere (COC) und/oder ein Hybridpolymer aufweisen. Der Kunststoff ist bevorzugt wärmestabilisiert und/oder UV-beständig ausgebildet. Polyester, insbesondere Polycarbonat, bietet dabei den Vorteil, dass sehr transparente und farblose Mikroelemente ausgebildet werden können, welche eine gute Formstabilität aufweisen. Durch die Nutzung eines Lacks, insbesondere in Form einer Beschichtung, und/oder Dotierung mit einem Farbstoff kann zudem die UV-Beständigkeit erhöht werden und die Filtereigenschaften der Mikroelemente als optischer Filter bestimmt werden. Die UV- Beständigkeit lässt sich weiter durch einen Verbund mit Polyurethanen erhöhen. Cyclo- Olefin-Copolymere besitzen vorteilhafterweise eine sehr geringe Doppelbrechung. Insbesondere weisen die Mikroelemente bzw. das Material der Mikroelemente z. B. einen Transmissionsgrad von im Wesentlichen 80 % bis 99 %, bevorzugt 92 %, insbesondere im Infrarot- und/oder Nahinfrarot-Bereich, auf. Ferner können die Mikroelemente bzw. das Material der Mikroelemente einen Brechungsindex zwischen im Wesentlichen 1 ,4 bis 4, bevorzugt im Bereich von 1 ,5 oder 3,1 , insbesondere bei einer Wellenlänge von 633 nm und/oder im Infrarot- und/oder Nahinfrarotbereich aufweisen. Ferner können die Mikroelemente eine numerische Apertur von 0,01 bis 1 , bevorzugt 0,5 bis 0,85 und/oder größer als 0,7 und einen Durchmesser im Bereich von 1 μηη bis 5mm, insbesondere 10 μηη bis 800 μηη und bevorzugt im Bereich von 40 μηη bis 200 μηη, und/oder eine Brennweite von 0,3 mm bis 60 mm aufweisen. Zudem können die Mikroelemente als Mikrolinsen mit einer im Wesentlichen sphärischen oder zylindrischen oder plankonvexen oder bikonvexen oder asphärischen oder parabolischen Geometrie und einer Mittendicke von 0,1 bis 1 ,5 mm ausgebildet sein. Hierdurch können optimal die optischen Eigenschaften der optischen Vorrichtung an die Sensorvorrichtung angepasst werden. Die Mikrolinsen sind vorzugsweise in gleichmäßigen Abständen benachbart angeordnet, und bewirken somit eine optimale Aufteilung des einfallenden Lichts in Teilstrahlen, welche auf die lichtaktiven Bereiche der Sensorelemente gerichtet sind. Die gesamte optische Struktur kann dabei vorzugsweise eine Breite von maximal 10 mm und eine Länge von maximal 10 mm aufweisen. Der Krümmungsradius der einzelnen Mikroelemente, insbesondere Mikrolinsen kann bspw. in einem Bereich von 1 mm bis 30 mm, insbesondere in einem Bereich von 10 mm bis 15 mm liegen. Der Divergenzwinkel der Mikroelemente beträgt z. B. ± 0,5 ° bis ± 2,5 °. Der Linsenabstand bzw. Abstand der Mikroelemente beträgt z. B. 40 μηη bis 300 μηη. Der Füllfaktor der optischen Struktur, insbesondere des Mikrolinsenarrays, beträgt vorzugsweise im Wesentlichen 100 %, insbesondere mindestens 90 % und/oder 95 %. Die Bereiche der optischen Struktur zwischen den benachbart angeordneten Mikroelementen kann ferner beschichtet sein und/oder derart modifiziert sein, dass Licht absorbiert und/oder reflektiert wird. Hierdurch kann eine Kontraststeigerung erzielt werden.
In einer weiteren Möglichkeit kann vorgesehen sein, dass ein optischer Filter zur Selektion des einfallenden Lichts in Abhängigkeit von der Wellenlänge vorgesehen ist. Aufgrund der optischen Struktur wird einfallendes Licht auf die lichtaktiven Bereiche der Sensorelemente konzentriert und der Füllfaktor verbessert. Allerdings kann es vorkommen, dass unter bestimmten Voraussetzungen, z. B. tagsüber, zu viel Licht auf die Sensorvorrichtung trifft und insbesondere auf lichtaktive Bereiche konzentriert wird. Hierbei kommt es z. B. zur Überbelichtung und/oder es wird eine technische Auswertung der Bildinformation erschwert, da unerwünschtes Licht die Bildaufnahme dominiert. Um dieses Problem zu lösen, kann ein optischer Filter eingesetzt werden, welcher unerwünschtes Licht herausfiltert (z. B. durch Absorption und/oder destruktive Interferenz und/oder Reflexion des unerwünschten Lichts). Das unerwünschte Licht ist dabei insbesondere Licht in einem bestimmten, unerwünschten Spektralbereich (z. B. sichtbares Licht im Wellenlängenbereich von etwa 380 nm bis 780 nm) und/oder Licht außerhalb eines bestimmten, erwünschten Spektralbereichs (z. B. Licht außerhalb des Infrarotbereiches), welches noch von der Sensorvorrichtung detektierbar ist. Bevorzugt erfolgt die Herausfilterung des unerwünschten Lichts für unterschiedliche Wellenlängen des unerwünschten Spektralbereichs unterschiedlich stark, jedoch derart, dass der optische Filter für das für die Bilderfassung relevante Licht (das erwünschte Licht im erwünschten Spektralbereich, z. B. im Infrarotbereich) einen deutlich höheren Transmissionsgrad aufweist als für das unerwünschte Licht.
Ferner ist es denkbar, dass der optische Filter in der optischen Struktur, insbesondere in den Mikroelementen integriert ist. Die Anordnung eines separaten Filterelementes, welches z. B. als Glasplatte ausgestaltet ist, kann den Nachteil aufweisen, dass die Montage und/oder Kalibrierung ggf. erschwert wird und ein großer Platzaufwand notwendig ist. Die Integration des optischen Filters in und/oder an der optischen Struktur ermöglicht dabei die Ausbildung einer sehr kompakten und platzsparenden sowie kostengünstigen optischen Vorrichtung. Auch wird hierdurch die Zuverlässigkeit und Sicherheit erhöht, da kein separater baulich getrennter Filter vorgesehen werden muss. Dabei kann der optische Filter insbesondere monolithisch und/oder einstückig mit der optischen Struktur ausgebildet sein und somit die erfindungsgemäße optische Vorrichtung als ein (integriertes) Bauteil bilden. Der optische Filter kann somit bevorzugt durch die Mikroelemente selbst gebildet werden. Die erfindungsgemäße optische Vorrichtung kann weiter insbesondere monolithisch und/oder einstückig mit der Sensorvorrichtung ausgebildet und/oder in der Sensorvorrichtung integriert sein. Hierdurch kann die Kompaktheit, insbesondere eines erfindungsgemäßen Systems, welches die erfindungsgemäße optische Vorrichtung sowie die Sensorvorrichtung umfasst, weiter erhöht werden.
Außerdem kann es im Rahmen der Erfindung von Vorteil sein, dass ein optischer Filter zur Filterung vorbestimmter Wellenlängen des einfallenden Lichts vorgesehen ist, wobei der optische Filter insbesondere als Infrarot-Filter ausgebildet ist, um bevorzugt sichtbares Licht zu blockieren. Als Infrarotbereich wird dabei insbesondere Licht (d. h. elektromagnetische Strahlung) in einem Wellenlängenbereich von etwa 700 nm (oder 780 nm) bis 1 mm, vorzugsweise von 830 nm bis 10 μηη und/oder von 780 nm bis 10 μηη bezeichnet. Als Nahinfrarot bzw. nahes Infrarot wird insbesondere der Wellenlängenbereich von etwa 700 nm oder 780 nm (welcher sich insbesondere dem sichtbaren Lichtbereich anschließt) bis 1 .100 nm des Lichts bezeichnet. Als sichtbarer Wellenlängenbereich wird insbesondere der für das Auge sichtbare Teil der elektromagnetischen Strahlung und vorzugsweise der Wellenlängenbereich zwischen 380 nm bis 700 nm (oder 780 nm oder 800 nm) bezeichnet. Dabei ist es von dem Einsatzzweck der Sensorvorrichtung abhängig, welcher Spektralbereich des Lichts für die Bilderfassung relevant ist. Hierbei hat sich überraschenderweise gezeigt, dass das Licht im Infrarotbereich, insbesondere im nahen Infrarotbereich, eine besonders zuverlässige Erkennung von Gesten eines Benutzers für den Außenbereich des Fahrzeuges ermöglicht.
Ferner kann im Rahmen der Erfindung vorgesehen sein, dass ein optischer Filter bei und/oder in der optischen Struktur vorgesehen ist und insbesondere derart ausgebildet ist, dass das auf die Sensorelemente gerichtete Licht im Wesentlichen frei von sichtbarem Licht ist. Das sichtbare Licht wird dabei z. B. derart unterdrückt, dass die Intensität des sichtbaren Lichts, das auf die Sensorvorrichtung gerichtet wird (d. h. das gefilterte Licht) auf maximal 80 % oder 50 % oder 30 % oder 10 % der Intensität des einfallenden sichtbaren Lichts reduziert wird. Das einfallende sichtbare Licht ist dabei insbesondere sichtbares Licht, welches von einem Objekt (wie dem Benutzer) im Detektionsbereich zurückgestrahlt wird und auf die optische Vorrichtung trifft. Hierdurch wird das unerwünschte sichtbare Licht effizient reduziert.
Ein weiterer Vorteil kann im Rahmen der Erfindung erzielt werden, wenn die optische Struktur, insbesondere die Mikroelemente, als optischer Filter ausgebildet sind und insbesondere einen Stoff zur Filterung aufweisen und/oder mit einem Stoff zur Filterung dotiert sind, der vorzugsweise sichtbares Licht absorbiert. Somit ergibt sich der Vorteil, dass die Mikroelemente gleichzeitig als refraktives Element (z. B. als eine Mikrolinse) und als optischer Filter genutzt werden können. Hierdurch ergibt sich eine kompakte Bauweise und eine kostengünstige Herstellung. Der Stoff kann bspw. ein Farbstoff, insbesondere ein synthetischer Farbstoff sein, welcher z. B. sichtbares Licht zu mindestens 10 % oder 30 % oder 50 % oder 80 % absorbiert. Der Stoff ist insbesondere durch Dotierung und/oder durch Spritzgießen in den optischen Filter, insbesondere in die optische Struktur und/oder in die Mikroelemente eingebracht.
Weiter ist im Rahmen der Erfindung denkbar, dass die Mikroelemente Schichten, insbesondere dielektrische und/oder metallische Schichten, aufweisen. Durch die Beschichtung kann die Funktionalität der Mikroelemente erweitert werden. So können bspw. die Mikroelemente eine (bevorzugt metallische) Schicht aufweisen, welche derart ausgebildet ist, dass eine Reduzierung der Reflexion insbesondere durch eine wellenlängenabhängige konstruktive und eine wellenlängenabhängige destruktive Interferenz bewirkt wird. Ebenfalls können mehrere derartige Schichten vorgesehen sein und somit eine Antireflexionsbeschichtung bilden. Die Oberflächenreflexion wird hierdurch bevorzugt auf unter 5 % und/oder 2 % und/oder 1 % im (Nah-) Infrarotbereich reduziert. Weiter ist es denkbar, dass die Mikroelemente zumindest eine dielektrische Schicht aufweisen, welche insbesondere als Interferenzfilter zur wellenlängenabhängigen Herausfilterung von Licht ausgebildet ist. Dabei kann die Herausfilterung von unerwünschtem Licht durch den Interferenzfilter z. B. dadurch erfolgen, dass wellenlängenabhängig destruktive und konstruktive Interferenz bewirkt wird. Der optische Filter kann somit einen Interferenzfilter (d. h. durch zumindest eine Schicht auf den Mikroelementen ausgebildet) und/oder einen Absorptionsfilter (z. B. durch absorbierende Farbstoffe in den Mikroelementen) aufweisen. Neben der Kombination verschiedener Filtertypen kann es auch vorgesehen sein, dass der optische Filter ausschließlich einen Interferenzfilter oder ausschließlich einen Absorptionsfilter aufweist. In einer weiteren Möglichkeit kann vorgesehen sein, dass zumindest 10 x 10 (d. h. insgesamt 100 Mikroelemente und/oder 10 Spalten und 10 Zeilen) und/oder 20 x 20 (d. h. insgesamt 400 Mikroelemente und/oder 20 Spalten und 20 Zeilen) und/oder 30 x 30 (d. h. insgesamt 900 Mikroelemente und/oder 30 Spalten und 30 Zeilen) und/oder 50 x 50 (d. h. insgesamt 2500 Mikroelemente und/oder 50 Spalten und 50 Zeilen) Mikroelemente, insbesondere in einer Matrix-Anordnung, in der optischen Struktur angeordnet sind, und insbesondere einer entsprechenden Anordnung von Sensorelementen zuordbar sind. Dabei kann die Zuordnung z. B. 1 :1 erfolgen, sodass jedes Mikroelement genau einem Sensorelement zugeordnet ist. Weiter kann die Zuordnung z. B. auch 1 :2 erfolgen, so dass jedem Mikroelement genau zwei Sensorelemente zugeordnet sind, oder 1 :5 oder 1 :10 oder in einem beliebigen anderen festen Verhältnis erfolgen. Um dieses vorgegebene Verhältnis zu erreichen, kann es auch vorgesehen sein, dass mehrere optische Strukturen (insbesondere Mikrolinsenarrays) benachbart, insbesondere matrixartig, angeordnet sind. Hierdurch wird der Füllfaktor der Sensorvorrichtung effizient verbessert und die Lichtempfindlichkeit für die Sensorelemente, insbesondere Pixel, gleichmäßig erhöht.
Zudem ist im Rahmen der Erfindung möglich, dass die Mikroelemente aus einem Kunststoff ausgebildet sind. Der Kunststoff kann z. B. als ein insbesondere im Infraroten transluzenter und/oder zumindest teilweise transparenter und/oder ein lasierter Kunststoff ausgebildet sein. Dabei kann es vorgesehen sein, dass der Brechungsindex des Kunststoffes zwischen 1 ,4 und 1 ,6 liegt, um eine optimale Fokussierung auf die Sensorelemente zu erzielen.
Es ist ferner denkbar, dass die Mikroelemente Acryl und/oder Polycarbonat und/oder Epoxidharz und/oder Quarzglas und/oder Silizium und/oder Germanium und/oder Zinksulfid und/oder Zinkselenid und/oder Galliumphosphid und/oder Galliumarsenid aufweisen. Dabei können die Mikroelemente z. B. als Acrylglas (d. h. Polymethylmethacrylat) oder aus Polycarbot ausgebildet sein, wobei hierdurch eine besonders gute Transmissivität im Infrarotbereich gegeben ist. Dabei kann eine derartige Farbrezeptur der Mikroelemente vorgesehen sein, dass eine Nichtdurchlässigkeit im (gesamten) sichtbaren Lichtbereich und Durchlässigkeit für (Nah-) Infrarotlicht ermöglicht wird. Epoxidharz besitzt ferner eine gute Temperaturbeständigkeit, Germanium weist eine besonders gute Transparenz im Infrarotbereich auf. Bei dem Einsatz von Galliumphosphid kann eine besonders vorteilhafte Transmission im Infrarotbereich erzielt werden, wobei die Mikroelemente einen Brechungsindex von mindestens 3 aufweisen können.
Von weiterem Vorteil kann vorgesehen sein, dass ein Träger, insbesondere ein Stützelement vorgesehen ist, um zumindest einzelne Mikroelemente und/oder die optische Struktur zu positionieren und/oder an der Sensorvorrichtung zu befestigen. Der Träger dient dabei vorzugsweise zur Stabilisierung und/oder zur temperaturunabhängigen Positionierung der Mikroelemente und/oder der optischen Struktur. Dabei kann der Träger eine derartige Ausgestaltung aufweisen, dass auch bei einer Wärmeausdehnung des Trägers die optische Struktur an einer gleichen Position fixiert bleibt. Insbesondere weist der Träger und/oder ein Kompensationselement des Trägers eine Struktur auf, welche eine Wärmeausdehnung in unterschiedliche Richtungen lenkt und hierdurch kompensiert. Der Träger ermöglicht ferner bspw. eine lösbare oder unlösbare Befestigung der optischen Struktur an einem Substrat und/oder an der Sensorvorrichtung. Dabei ist der Träger z. B. einseitig, beidseitig (z. B. an gegenüberliegenden Seiten) oder an jeder Seite der Sensorvorrichtung bzw. der optischen Struktur angeordnet. Das Substrat weist bspw. Glas und/oder Silizium auf.
Vorteilhafterweise kann bei der Erfindung vorgesehen sein, dass ein Träger, insbesondere ein Stützelement, zumindest ein Kompensationselement aufweist, das derart an der optischen Struktur ausgebildet ist, das eine Wärmeausdehnung des Trägers und/oder des Stützelements kompensiert wird, wobei insbesondere die optische Struktur bei der Wärmeausdehnung des Trägers an einer im Wesentlichen gleichen Position durch den Träger gehalten wird. Dies wird vorzugsweise dadurch erreicht, dass das zumindest eine Kompensationselement des Trägers eine abgewinkelte Struktur aufweist, welche vorzugsweise derart ausgebildet ist, dass eine Wärmeausdehnung in einer ersten Richtung einer ersten Struktur des Kompensationselementes durch eine Wärmeausdehnung in eine (insbesondere entgegengesetzte) zweite Richtung einer zweiten Struktur des Kompensationselementes ausgeglichen wird. Hierdurch wird auch unter verschiedenen Betriebsbedingungen eine optimale Bilderfassung gewährleistet. Ebenfalls Gegenstand der Erfindung ist ein System mit einer Sensorvorrichtung für ein Fahrzeug, insbesondere Kraftfahrzeug, und zumindest einer optischen Vorrichtung zur Belichtung der Sensorvorrichtung. Dabei ist vorzugsweise vorgesehen, dass die optische Vorrichtung eine optische Struktur umfasst, die eine Anordnung optischer Mikroelemente aufweist, um einfallendes Licht durch die optischen Mikroelemente zu bündeln und jeweils auf Sensorelemente der Sensorvorrichtung zu richten, wobei die optische Struktur derart ausgebildet ist, dass das auf die Sensorelemente gerichtete Licht für lichtaktive Bereiche der Sensorelemente konzentrierbar ist. Vorzugsweise kann für das erfindungsgemäße System eine erfindungsgemäße optische Vorrichtung Verwendung finden. Damit bringt das erfindungsgemäße System die gleichen Vorteile mit sich, wie sie ausführlich mit Bezug auf eine erfindungsgemäße optische Vorrichtung beschrieben worden sind.
Es ist ferner denkbar, dass die optische Struktur mit der Sensorvorrichtung eine Einheit bildet und/oder auf der Sensorvorrichtung integriert ist, und vorzugsweise derart relativ zur Sensorvorrichtung angeordnet ist, dass von außen einfallendes Licht auf die optische Struktur und durch die optische Struktur auf die Sensorelemente geleitet wird. Als„außen" wird in diesem Zusammenhang der Bereich verstanden, aus dem Licht aus dem Detektionsbereich in die optische Vorrichtung einfällt. Dabei ist es denkbar, dass das erfindungsgemäße System bzw. die optische Vorrichtung eine Öffnung und/oder Apertur aufweist, durch die einfallendes Licht von außen auf die optische Struktur gelangt. Weiter bildet bevorzugt die optische Struktur mit der Sensorvorrichtung eine bauliche, insbesondere einstückige Einheit, so dass eine Montage stark vereinfacht wird. Die optische Struktur kann dabei mit der Sensorvorrichtung vorzugsweise lösbar oder unlösbar z. B. durch Löten verbunden sein.
Es kann von Vorteil sein, wenn im Rahmen der Erfindung die Sensorvorrichtung eine Bilderfassungsvorrichtung und/oder ein Bildsensor ist, wobei die Sensorelemente als fotosensitive Pixel ausgebildet sind und/oder als Matrix und/oder benachbart zueinander angeordnet sind. Die Sensorvorrichtung kann dazu bspw. eine Auflösung von mindestens 10 x 10 und/oder 20 x 20 und/oder 30 x 30 und/oder 50 x 50 und/oder 100 x 100 und/oder 200 x 200 Pixel aufweisen, wobei die Pixel insbesondere matrixartig und vorzugsweise quadratisch angeordnet sind. Ferner kann die Sensorvorrichtung eine Lichtempfindlichkeit (insbesondere vollständig) im sichtbaren Spektralbereich des Lichts und zumindest teilweise im Infrarotbereich aufweisen. Vorzugsweise kann die Sensorvorrichtung dazu ausgebildet sein, Time-of-Flight Aufnahmen durchzuführen und somit die Laufzeit des (emittierten und zurückgestrahlten) Lichts messen. Hierzu kann die Sensorvorrichtung über eine Steuer- und/oder Auswertevorrichtung mit einer Lichtquelle, insbesondere einem Puls-Laser, verbunden sein. Weiter kann die Sensorvorrichtung zeitgesteuert, z. B. von der Steuer- und/oder Auswertevorrichtung betrieben werden.
Bevorzugt kann im Rahmen der Erfindung vorgesehen sein, dass die Sensorelemente, insbesondere die Pixel, den lichtaktiven Bereich und einen lichtinaktiven Bereich aufweisen, wobei ausschließlich der lichtaktive Bereiche fotosensitiv ausgebildet ist und/oder zur Bilderfassung genutzt wird. Dabei können die lichtaktiven Bereiche z. B. Fotodioden aufweisen und somit direkt mit den einfallenden Lichtstrahlen wechselwirken und zur Bilderfassung dienen. Die lichtinaktiven Bereiche weisen dagegen z. B. elektrische Leitungen oder Elektronik oder das Substrat auf, so dass darauf treffendes Licht nicht zur Bilderfassung genutzt wird. Die lichtinaktiven Bereiche sind daher notwendig, um eine elektronische Funktionalität und das elektronische Auslesen der Pixel zu ermöglichen. Die Sensorvorrichtung kann dabei als eindimensionaler Zeilensensor oder als zweidimensionaler Sensor mit farbempfindlichen oder monochromen Pixeln ausgebildet sein. Ebenfalls kann im Rahmen der Erfindung vorgesehen sein, dass die Sensorvorrichtung als CMOS (Complementary metal-oxide-semiconductor) -Sensor und/oder als CCD (charge- coupled device) -Sensor und/oder als LDPD (Lateral Drift Field Photodetector) -Sensor ausgebildet ist. Der LDPD-Sensor ist bspw. in der Druckschrift DE 10 2009 020 218 B3 beschrieben und kann besonders schnell ausgelesen werden. Der CMOS-Sensor weist einen unkomplizierten, kostengünstigen Aufbau auf. Der CCD-Sensor ist besonders lichtempfindlich ausgebildet. Insbesondere ist die Sensorvorrichtung derart ausgebildet, dass die Lichtempfindlichkeit im nahen Infrarotbereich mindestens 80 % oder 90 % oder 100 % der Lichtempfindlichkeit im sichtbaren Bereich entspricht. Dabei weist die Sensorvorrichtung vorzugsweise Pixel auf, welche Licht in elektrischen Strom umwandeln.
Es ist ferner erfindungsgemäß denkbar, dass die Sensorvorrichtung elektrisch mit einer Steuer- und/oder Auswertevorrichtung verbunden ist, und insbesondere derart getaktet ansteuerbar ist, dass Time-of-Flight Aufnahmen (d. h. Messung der Lichtlaufzeit) durchführbar sind. Dabei wird zur Messung der Lichtlaufzeit bspw. eine Lichtquelle eingesetzt, um einen Lichtpuls zu emittieren. Der Lichtpuls beleuchtet z. B. den Detektionsbereich und wird von Objekten, wie dem Benutzer, zurückgestrahlt (reflektiert und/oder gestreut). Anschließend gelangt das zurückgestrahlte Licht bspw. zur optischen Vorrichtung und wird auf die Sensorvorrichtung gerichtet. Anhand der Zeit zwischen der Aussendung des Lichtpuls und der Detektion durch die Sensorvorrichtung kann die Distanz des Objektes berechnet werden. Dazu erfolgt die Detektion zeitgesteuert. Die getaktete Ansteuerung erfolgt dabei bevorzugt synchron mit der gepulsten Ansteuerung der Lichtquelle des erfindungsgemäßen Systems, insbesondere eines Pulslasers oder einer LED. Dabei ist die Lichtquelle vorzugsweise als Infrarot-Lichtquelle ausgebildet und weist z. B. einen elektronischen Shutter oder zumindest zwei Schalter auf, welche in zeitlicher Abhängigkeit von der Lichtquelle angesteuert werden. Durch die zeitabgestimmte und synchronisierte Ansteuerung der Lichtquelle und/oder der Sensorvorrichtung durch insbesondere eine gemeinsame Modulationsquelle (d. h. z. B. durch die Steuer- und/oder Auswertevorrichtung) ist eine Erfassung der Lichtlaufzeit und damit eine Abstandsdetektion möglich. Dabei werden z. B. Bildraten von mindestens 1 Bild pro Sekunde oder mindestens 3 Bildern pro Sekunde oder mindestens 5 Bildern pro Sekunde oder mindestens 10 Bildern pro Sekunde oder mindestens 20 Bildern pro Sekunde oder mindestens 40 Bildern oder mindestens 80 Bildern oder mindestens 160 Bildern pro Sekunde eingesetzt. Vorzugsweise besteht dabei ein, insbesondere jedes einzelne, dieser Bilder aus mindestens 15 oder mindestens 30 oder mindestens 40 oder mindestens 50 oder 20 bis 1000, bevorzugt 40 bis 60, insbesondere 200 Einzelaufnahmen und/oder Akkumulationen. Weiter kann es vorgesehen sein, dass für die jeweiligen Einzelaufnahmen und/oder Akkumulationen eine Belichtung mit einer Aufnahmezeit (Belichtungsdauer) von 6 bis 100 ns (Nanosekunden), vorzugsweise 10 bis 50 ns, insbesondere mindestens 30 ns durchgeführt wird. Für die Durchführung der Ansteuerung (der Sensorvorrichtung) und/oder Aufnahme der Einzelaufnahmen kann z. B. ein Taktgeber eingesetzt werden. Weiter kann es vorgesehen sein, dass die Sensorvorrichtung und/oder die Bildrate und/oder die Belichtungsdauer und/oder die Ansteuerung durch eine Überwachungseinheit der Steuer- und/oder Auswertevorrichtung überwacht werden, wobei bevorzugt hierdurch die Ansteuerung und/oder der Takt und/oder das Zeitverhalten und/oder die Energieversorgung der Sensorvorrichtung überwacht und/oder geregelt und/oder gesteuert und/oder synchronisiert werden. Hierdurch können z. B. eine Annäherung des Benutzers oder Gesten zuverlässig detektiert werden. Es kann ferner vorgesehen sein, dass zumindest eine Lichtquelle zur Abgabe von zumindest Lichtpulsen oder einer kontinuierlichen Abstrahlung und ein optischer Filter der optischen Vorrichtung vorgesehen ist, wobei die Filtereigenschaften des optischen Filters der Wellenlänge des von der Lichtquelle emittierten Lichts angepasst sind. Um eine effiziente Gestenerkennung und/oder Time-of-Flight Messung zu ermöglichen, ist dabei insbesondere eine Infrarotlichtquelle vorgesehen, wobei der Filter dem Spektralbereich des emittierten Lichts angepasst ist. Zudem ist ein Verfahren zur Belichtung einer Sensorvorrichtung für ein Fahrzeug mit einer optischen Vorrichtung Gegenstand der Erfindung. Dabei kann vorgesehen sein, dass eine optische Struktur der optischen Vorrichtung eine Anordnung optischer Mikroelemente aufweist, und einfallendes Licht durch die optischen Mikroelemente gebündelt und jeweils auf Sensorelemente der Sensorvorrichtung gerichtet wird, wobei durch die optische Struktur das auf die Sensorelemente gerichtete Licht für lichtaktive Bereiche der Sensorelemente konzentriert wird. Ferner kann vorgesehen sein, dass eine erfindungsgemäße optische Vorrichtung und/oder ein erfindungsgemäßes System für das erfindungsgemäße Verfahren Verwendung findet. Damit bringt ein erfindungsgemäßes Verfahren die gleichen Vorteile mit sich, wie sie ausführlich mit Bezug auf ein erfindungsgemäßes System und/oder eine erfindungsgemäße optische Vorrichtung beschrieben worden sind.
Insbesondere ist es denkbar, dass das in die optische Vorrichtung einfallende Licht zunächst durch den optischen Filter gelangt, dann von den Mikroelementen manipuliert wird und anschließend durch die Mikroelemente auf die Sensorelemente gerichtet wird. Die Manipulation des Lichts erfolgt insbesondere durch eine Umlenkung, derart, dass das Licht auf lichtaktive Bereiche der Sensorelemente konzentriert wird. Dabei kann es vorgesehen sein, dass die Mikroelemente derart ausgebildet sind, dass je weiter ein Lichtstrahl entfernt vom Mittelpunkt des Mikroelementes auftrifft, es umso stärker gebrochen und abgelenkt wird, so dass einfallendes Licht von jedem Mikroelement gebündelt und konzentriert wird.
Es kann weiter vorgesehen sein, dass eine Filterung des einfallenden Lichts durch einen optischen Filter wellenlängenabhängig durch Absorption und/oder durch Reflexion erfolgt. Hierzu kann der optische Filter z. B. Farbstoffe aufweisen, welche eine Absorption eines bestimmten, unerwünschten Spektralbereiches des Lichts ermöglichen. Die Farbstoffe können z. B. in einer oder mehreren Schichten der Mikroelemente und/oder innerhalb der Mikroelemente eingebracht sein. Die Reflexion des unerwünschten Spektralbereiches des Lichts erfolgt bspw. durch zumindest einen Interferenzfilter, welcher durch Schichten an und/oder in den Mikroelementen ausgebildet wird. Hierdurch wird eine zuverlässige Filterung des unerwünschten Lichtbereiches (insbesondere des sichtbaren Lichts) ermöglicht.
Es ist ferner denkbar, dass die Mikroelemente einfallendes Licht bündeln und auf jeweils bestimmte Bereiche der Sensorvorrichtung richten und/oder fokussieren, insbesondere auf lichtaktive Bereiche der Sensorelemente, sodass die Belichtung lichtinaktiver Bereiche reduziert wird. Die Mikroelemente sind somit insbesondere als Mikrolinsen ausgebildet, wobei die Bündelung des Lichts aufgrund des zum Außenbereich unterschiedlichen Brechungsindex der Mikrolinsen erfolgt. Hierdurch kann die Lichtempfindlichkeit des Sensors sowie die Lichtausbeute verbessert werden. Der Füllfaktor und/oder die Fotosensitivität wird hierdurch z. B. mindestens um das 1 ,5-fache, das 2-fache und/oder das 3-fache erhöht.
Es kann ferner im Rahmen der Erfindung vorgesehen sein, dass eine Steuer- und/oder Auswertevorrichtung vorgesehen ist, wobei die Steuer- und/oder Auswertevorrichtung die Sensorvorrichtung und/oder eine Lichtquelle gepulst zur Durchführung von Time-of-Flight- Aufnahmen ansteuert. Der gepulste Betrieb der Sensorvorrichtung ist dabei ein zeitabhängiger Betrieb, wobei die Sensorvorrichtung z. B. mittels elektronischer Schalter zeitabhängig sensitiv geschaltet wird. Ein Lichtpuls hat dabei bspw. die Dauer von 30 ns bis 300 ns. Die Steuer- und/oder Auswertevorrichtung dient dabei insbesondere als Modulationsquelle zur zeitabhängigen Ansteuerung, und kann alternativ oder zusätzlich eine Auswerteelektronik aufweisen. Die Auswerteelektronik umfasst z. B. einen Mikroprozessor und/oder einen digitalen Signalprozessor, und kann z. B. anhand der gemessenen Bildinformation von der Sensorvorrichtung in Abhängigkeit von der Ansteuerung der Lichtquelle die Lichtlaufzeit ermitteln. Weiter ist es denkbar, dass die Steuer- und/oder Auswertevorrichtung eine Gestenerkennung anhand der Bildinformationen der Sensorvorrichtung bewirkt. Hierzu wird bspw. eine Mustererkennung durchgeführt. Dabei können z. B. Algorithmen wie eine statistische Mustererkennung, wie Support Vector Machines oder neuronale Netze eingesetzt werden. Es ist ferner denkbar, dass durch die Sensorvorrichtung ein außerhalb des Fahrzeuges liegender Detektionsbereich überwacht wird, um eine Nähe und/oder eine Gestik eines Benutzers festzustellen, wobei im Falle einer Detektion der Nähe und/oder der Gestik eine Funktion des Fahrzeuges ausgelöst wird. Eine solche Funktion kann bspw. eine Identifikationsprüfung sein, welche z. B. im Rahmen eines passive und/oder active Keyless- Entry Systems durchgeführt wird. So kann es z. B. möglich sein, dass bei der Erkennung einer bestimmten Geste ein Wecksignal an einen Identifikationsgeber, welcher der Benutzer z. B. mit sich trägt, übertragen wird. Der Identifikationsgeber empfängt das Wecksignal und überträgt daraufhin einen Code an das Fahrzeug. Eine weitere Funktion kann z. B. das Öffnen einer Heckklappe und/oder das Öffnen von Türen des Fahrzeuges sein. Dabei kann z. B. vorgesehen sein, dass bei der Erkennung einer ersten Geste eine erste Funktion und bei der Erkennung einer zweiten Geste eine zweite Funktion angesteuert wird.
Es ist ferner denkbar, dass zur Bilderfassung der Sensorvorrichtung eine Steuer- und/oder Auswertevorrichtung vorgesehen ist, welche eine von der Lichtmenge abhängige Anzahl von Bildaufnahmen der Sensorvorrichtung zur Auswertung kombiniert. Somit kann die Steuer- und/oder Auswertevorrichtung auch zur Verbesserung der Bilderfassung dienen, wobei durch die Auswerteelektronik bspw. mehrere Bildaufnahmen gemittelt und/oder integriert werden. Dazu ist es erforderlich, dass die Sensorvorrichtung mehrere Bildaufnahmen durchführt, welche anschließend zu einer Aufnahme kombiniert werden.
Ferner ist ein Montagemodul mit einer optischen Vorrichtung und einer Sensorvorrichtung für ein Fahrzeug Gegenstand der Erfindung. Dabei ist vorzugsweise vorgesehen, dass die optische Vorrichtung eine optische Struktur umfasst, die eine Anordnung optischer Mikroelemente aufweist, um einfallendes Licht durch die optischen Mikroelemente zu bündeln und jeweils auf Sensorelemente der Sensorvorrichtung zu richten, wobei die optische Struktur derart ausgebildet ist, dass das auf die Sensorelemente gerichtete Licht für lichtaktive Bereiche der Sensorelemente konzentriert wird. Ferner kann vorgesehen sein, dass eine erfindungsgemäße optische Vorrichtung und/oder ein erfindungsgemäßes System und/oder ein erfindungsgemäßes Verfahren für das erfindungsgemäße Montagemodul Verwendung findet. Damit bringt ein erfindungsgemäßes Montagemodul die gleichen Vorteile mit sich, wie sie ausführlich mit Bezug auf ein erfindungsgemäßes System und/oder eine erfindungsgemäße optische Vorrichtung und/oder ein erfindungsgemäßes Verfahren beschrieben worden sind.
Ferner ist es denkbar, dass das erfindungsgemäße System und/oder das erfindungsgemäße Montagemodul ein Gehäuse aufweist und insbesondere mit dem Gehäuse derart am Fahrzeug manuell montierbar ist, dass der Außenbereich des Fahrzeuges durch die Sensorvorrichtung überwachbar ist. Weiter kann das Montagemodul dazu ausgebildet sein, so in das Fahrzeug eingebaut zu werden, dass sich ein Detektionsbereich der Sensorvorrichtung zumindest teilweise im Außenbereich des Fahrzeuges erstreckt. Hierdurch ist eine optimale Erfassung von Objekten wie einem Benutzer möglich. Das Gehäuse kann bspw. dazu ausgebildet sein, an einer B-Säule des Fahrzeuges und/oder am Heckbereich und/oder am Emblem des Fahrzeuges angeordnet zu werden. Das erfindungsgemäße System und/oder das erfindungsgemäße Montagemodul umfasst dabei neben der Sensorvorrichtung und der optischen Vorrichtung z. B. auch die Lichtquelle und/oder die Steuer- und/oder Auswertevorrichtung, welche bevorzugt geschützt (z. B. vor Wettereinflüssen) innerhalb des Gehäuses angeordnet sind. Dabei weist das Gehäuse eine Öffnung auf, durch die einfallendes Licht eindringen und auf die optische Vorrichtung treffen kann. Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung, in der unter Bezugnahme auf die Zeichnungen Ausführungsbeispiele der Erfindung im Einzelnen beschrieben sind. Dabei können die in den Ansprüchen und in der Beschreibung erwähnten Merkmale jeweils einzeln für sich oder in beliebiger Kombination erfindungswesentlich sein. Es zeigen:
Figur 1 eine Draufsicht auf den Heckbereich eines Fahrzeugs
erfindungsgemäßen optischen Vorrichtung,
Figur 2 eine Ansicht einer erfindungsgemäßen optischen Vorrichtung, welche am
Seitenbereich eines Fahrzeugs angeordnet ist,
Figur 3 eine Darstellung eines Aufbaus einer erfindungsgemäßen optischen
Vorrichtung und eines erfindungsgemäßen Systems, Figur 4 eine Darstellung des Aufbaus einer erfindungsgemäßen optischen Vorrichtung und eines erfindungsgemäßen Systems, Figur 5 eine vergrößerte schematische Darstellung einer Sensorvorrichtung,
Figur 6 eine schematische Darstellung der Funktionsweise einer erfindungsgemäßen
Vorrichtung sowie des Aufbaus eines erfindungsgemäßen Systems, Figur 7 eine schematische Darstellung des Aufbaus einer erfindungsgemäßen optischen Vorrichtung,
Figur 8 eine weitere schematische Darstellung des Aufbaus einer erfindungsgemäßen optischen Vorrichtung,
Figur 9 eine weitere schematische Darstellung des Aufbaus einer erfindungsgemäßen optischen Vorrichtung,
Figur 10 eine weitere schematische Darstellung des Aufbaus einer erfindungsgemäßen optischen Vorrichtung,
Figur 1 1 eine Ansicht einer erfindungsgemäßen optischen Vorrichtung, eines erfindungsgemäßen Systems und eines erfindungsgemäßen Montagemoduls und
Figur 12 eine schematische Darstellung zur Visualisierung von Verfahrensschritten eines erfindungsgemäßen Verfahrens.
In den nachfolgenden Figuren werden für die gleichen technischen Merkmale auch von unterschiedlichen Ausführungsbeispielen die identischen Bezugszeichen verwendet.
In Figur 1 ist eine Draufsicht auf den Heckbereich eines Fahrzeugs 1 gezeigt, wobei am Heckbereich des Fahrzeugs 1 ein erfindungsgemäßes System 200 mit einer erfindungsgemäßen optischen Vorrichtung 100 und mit einer Sensorvorrichtung 10 angeordnet ist. Das erfindungsgemäße System 200 ist dabei am Außenbereich des Fahrzeugs 1 derart angeordnet, dass eine Überwachung eines außerhalb des Fahrzeugs 1 liegenden Detektionsbereichs 5 durch die Sensorvorrichtung 10 möglich ist. Hierzu weist das erfindungsgemäße System 200 und/oder die optische Vorrichtung 100 eine Öffnung bzw. eine Apertur auf, die derart am Fahrzeug 1 angeordnet ist, dass Licht aus dem Detektionsbereich 5 als einfallendes Licht 2 durch die erfindungsgemäße optische Vorrichtung 100 gelangen kann. Das einfallende Licht 2 wird dabei durch die erfindungsgemäße optische Vorrichtung 100 derart umgelenkt bzw. der Lichtweg modifiziert, dass das Licht auf Sensorelemente 10.1 der Sensorvorrichtung 10 gerichtet wird. Das einfallende Licht 2 ist dabei insbesondere Lichtinformation, welche von einem Objekt im Detektionsbereich 5, wie einem Benutzer 4, ausgeht. Dabei wird von den Objekten, wie dem Benutzer 4, bspw. Tageslicht und/oder das Licht einer Lichtquelle 7 zurückgestrahlt. Durch die Erfassung der Lichtlaufzeit bei der Nutzung einer Lichtquelle 7, bspw. durch Time-of- Flight-Messungen, ist zudem eine Abstandsdetektion möglich. Die Aufnahme und der Vergleich mehrerer Bilder durch die Sensorvorrichtung 10 ermöglicht ferner die Erkennung und Auswertung von Gesten des Benutzers 4. Dabei ist es denkbar, dass die Bilderfassung durch die Sensorvorrichtung 10 durch eine Annäherung des Benutzers 4 und/oder durch eine Detektion eines ID-Gebers 6 initiiert wird. In Abhängigkeit einer Auswertung der erfassten Bildinformationen, wie z. B. einer erkannten Geste oder eines erkannten Bewegungsmusters, kann eine Funktion des Fahrzeugs 1 aktiviert werden. Eine solche Funktion ist bspw. ein Authentifizierungsvorgang, wobei z. B. ein Wecksignal an den ID- Geber 6 über eine Funkverbindung übertragen wird und/oder ein Austausch von Sicherheitscodes drahtlos mit dem I D-Geber 6 erfolgt.
Figur 2 zeigt eine Rückansicht eines Fahrzeugs 1 mit einer Sensorvorrichtung 10 sowie einer erfindungsgemäßen optischen Vorrichtung 100. Die erfindungsgemäße optische Vorrichtung 100 kann bspw. an einer B-Säule des Fahrzeugs 1 angeordnet sein und weist zumindest eine Öffnung zum Außenbereich des Fahrzeugs 1 auf. Es ist denkbar, dass in Abhängigkeit von der optischen Vorrichtung 100 ein maximaler Bildwinkel vorgegeben ist, welcher die Ausdehnung eines Detektionsbereichs 5 bestimmt. Es kann ferner möglich sein, dass auch mehrere erfindungsgemäße optische Vorrichtungen 100 und/oder mehrere erfindungsgemäße Systeme 200 am Fahrzeug 1 vorgesehen sind. So kann bspw. gemäß Figur 1 ein erfindungsgemäßes System 200 bzw. eine erfindungsgemäße optische Vorrichtung 100 am Heckbereich des Fahrzeugs 1 und eine weitere erfindungsgemäße optische Vorrichtung 100 bzw. ein weiteres erfindungsgemäßes System 200 an jedem Seitenbereich des Fahrzeugs angeordnet sein. Hierdurch wird der Vorteil erzielt, dass eine Detektion einer Annäherung und/oder einer Geste eines Benutzers 4 von jeder Seite des Fahrzeugs 1 möglich ist.
In Figur 3 ist schematisch der Aufbau eines erfindungsgemäßen Systems 200 gezeigt. Dabei kann vorgesehen sein, dass das erfindungsgemäße System 200 Bestandteil eines erfindungsgemäßen Montagemoduls 300 ist. Das Montagemodul 300 ist dabei derart ausgebildet, dass eine einfache Anbringung an einem Fahrzeug 1 , z. B. in einer dafür vorgesehenen Aufnahme des Fahrzeugs 1 , möglich ist. Hierzu weist das Montagemodul 300 z. B. ein Gehäuse auf, in welchem eine erfindungsgemäße optische Vorrichtung 100 mit einer Sensorvorrichtung 10 und/oder einer Lichtquelle 7 und/oder einer Steuer- und/oder Auswertevorrichtung 310 angeordnet sind. Weiter kann das erfindungsgemäße Montagemodul 300 z. B. durch Schrauben, Clipsen, durch eine lösbare Befestigung und/oder form- und/oder kraftschlüssig an dem Fahrzeug 1 bzw. in der dafür vorgesehenen Aufnahme montiert werden. Ebenfalls kann das erfindungsgemäße Montagemodul 300 elektrische Kontaktmittel, wie z. B. Steckverbindungen aufweisen, um eine elektrische Verbindung mit dem Fahrzeug 1 bzw. mit einer Fahrzeugelektronik des Fahrzeugs 1 zur Stromversorgung und/oder Datenverbindung herzustellen. Die Steuer- und/oder Auswertevorrichtung 310 weist vorzugsweise eine Elektronik, wie einen Mikroprozessor und/oder einen MikroController und/oder einen FPGA (Field Programmable Gate Array) und/oder einen Datenspeicher auf. Weiter ist es denkbar, dass die Steuer- und/oder Auswertevorrichtung 310 einen Bus-Adapter, wie z. B. einen CAN-Bus-Adapter zur Datenverbindung mit der Fahrzeugelektronik und/oder einem digitalen Signalprozessor zur Verarbeitung der Licht- und/oder Bildinformationen umfasst. Die Fahrzeugelektronik des Fahrzeugs 1 kann dabei insbesondere eine Steuerelektronik 1 .1 umfassen, welche z. B. anhand der von der Steuer- und/oder Auswertevorrichtung 310 übermittelten Informationen einen Authentifizierungsvorgang oder eine weitere Funktion des Fahrzeuges 1 initiiert. In Figur 3 ist erkennbar, dass die Steuer- und/oder Auswertevorrichtung 310 elektronisch bzw. elektrisch mit dem erfindungsgemäßen System 200, insbesondere mit der Sensorvorrichtung 10 und/oder mit der Lichtquelle 7, insbesondere mit einer nicht dargestellten Elektronik der Lichtquelle 7 zur Ansteuerung einer Laserdiode 7.1 verbunden ist. Dabei steuert die Steuer- und/oder Auswertevorrichtung 310 vorzugsweise einen gepulsten bzw. intermittierenden Betrieb der Lichtquelle 7 und/oder der Sensorvorrichtung 10. Es wird bspw. ein Lichtstrahl bzw. Lichtpuls durch die Lichtquelle 7 erzeugt, anschließend durch eine aufweitende Optik 7.2 zur Beleuchtung eines Detektionsbereichs 5 aufgeweitet und in den Detektionsbereich 5 emittiert. Das emittierte Licht wird von Objekten im Detektionsbereich 5, wie einem Benutzer 4 zurückgestrahlt und trifft zumindest teilweise als einfallendes Licht 2 auf die optische Vorrichtung 100. Das einfallende Licht wird durch die erfindungsgemäße optische Vorrichtung 100 verändert, z. B. gebündelt und/oder konzentriert, und auf die Sensorvorrichtung 10 gerichtet.
Figur 4 zeigt eine schematische vergrößerte Darstellung der erfindungsgemäßen optischen Vorrichtung 100, wobei die erfindungsgemäße optische Vorrichtung 100 an einer Sensorvorrichtung 10 angeordnet ist. Die Sensorvorrichtung 10 ist bspw. als Bilderfassungssensor ausgebildet und bildet vorzugsweise mit der optischen Vorrichtung 100 ein gemeinsames und/oder einzeln montierbares und/oder monolithisches Bauteil. Hierzu können auch Sensorelemente 10.1 der Sensorvorrichtung 10 und/oder die optische Vorrichtung 100 auf einem Substrat 10.5 und/oder auf einer Leiterplatte 10.5 der Sensorvorrichtung 10 angeordnet und/oder befestigt sein. Dieses durch die Sensorvorrichtung 10 und der optischen Vorrichtung 100 gebildete Bauteil bildet bspw. das erfindungsgemäße System 200 und kann ferner ein Gehäuse 201 zur Montage und/oder zum Schutz des erfindungsgemäßen Systems 200 aufweisen. Es ist in Figur 4 zu sehen, dass die optische Vorrichtung 100 als Mikrolinsenarray 101 ausgebildet sein kann und/oder ein Mikrolinsenarray 101 aufweist. Ferner weist eine optische Struktur 101 bzw. das Mikrolinsenarray 101 der optischen Vorrichtung 100 eine Vielzahl an Mikroelementen 101 .1 auf. Die Mikroelemente 101 .1 sind bevorzugt als Mikrolinsen 101 .1 ausgebildet und jeweils Sensorelementen 10.1 der Sensorvorrichtung 10 zugeordnet. Dabei ist in Figur 4 jedes Mikroelement 101 .1 jeweils einem einzigen Sensorelement 10.1 zugeordnet, wobei auch andere Verhältnisse denkbar sind. Einfallendes Licht 2 trifft dabei zunächst auf die optische Vorrichtung 100 bzw. auf die Mikroelemente 101 .1 und wird von der optischen Vorrichtung 100 vorzugsweise in mehrere Lichtbündel umgewandelt. Dabei kann insbesondere jedes Mikroelement 101 .1 jeweils ein Lichtbündel erzeugen und somit das einfallende Licht 2 jeweils auf das dem Mikroelement 101 .1 zugeordnete Sensorelement 10.1 fokussieren bzw. richten.
In Figur 5 ist eine vergrößerte Darstellung von Sensorelementen 10.1 einer Sensorvorrichtung 10 (d. h. eines Ausschnitts mit beispielhaft 6 x 6 Sensorelementen) schematisch gezeigt. Dabei ist auf der rechten Seite der Figur 5 eine schematische Draufsicht auf vier (d. h. 2 Spalten und 2 Zeilen bzw. 2 x 2) Sensorelemente 10.1 der Sensorvorrichtung 10 dargestellt. Jedes Sensorelement 10.1 weist dabei einen lichtaktiven Bereich 10.2 auf, welcher (direkt optisch aktiv) zur Bilderfassung dient. Dieser Bereich ist schraffiert dargestellt. Die lichtaktiven Bereiche 10.2 sind dabei lichtempfindliche Bereiche z. B. zur Umwandlung von Licht (insbesondere Infrarotlicht) in elektrischen Strom und weisen z. B. Fotodioden auf. Die Fotodioden sind z. B. rechteckig, quadratisch oder polygonal ausgebildet und weisen bspw. eine Kantenlänge von 1 ,4 μηη bis etwa 20 μηη auf. Die übrige Fläche der Sensorelemente 10.1 bildet einen lichtinaktiven Bereich 10.3, welcher nicht (durch Lichteinwirkung) zur Bilderfassung genutzt werden kann und z. B. Leitungen, Elektronik und/oder lediglich das Substrat 10.5 bzw. Leiterbahnen umfasst. Je geringer die Fläche der beleuchteten lichtaktiven Bereiche 10.2 im Verhältnis zu den beleuchteten lichtinaktiven Bereichen 10.3 ausgebildet ist, desto geringer ist der Füllfaktor und umso geringer ist die Lichtsensitivität der Sensorvorrichtung 10.
Wie in Figur 5 gezeigt ist, ist nur ein bestimmter Bereich eines Sensorelements 10.1 der Sensorvorrichtung 10 lichtempfindlich und kann somit zur Bilderfassung genutzt werden. Üblicherweise wird jedoch der gesamte Bereich der Sensorelemente 10.1 beleuchtet, wodurch ein Teil des Lichts ungenutzt bleibt. Hierdurch werden der Füllfaktor und die Lichtempfindlichkeit im Bezug auf das einfallende Licht 2 herabgesetzt. Um den Füllfaktor bzw. die Lichtsensitivität zu erhöhen, wird erfindungsgemäß eine optische Vorrichtung 100 an der Sensorvorrichtung 10 genutzt. Hierzu trifft das einfallende Licht 2 zunächst auf die optische Vorrichtung 100 bzw. auf die optische Struktur 101 , welche als Mikrolinsenarray 101 ausgebildet sein kann.
In Figur 6 ist gezeigt, dass die Lichtstrahlen des einfallenden Lichts 2 von den Mikroelementen 101 .1 gebrochen und damit insbesondere derart umgelenkt werden, dass sie als auf die Sensorelemente gerichtetes Licht 3 konzentriert auf lichtaktive Bereiche 10.2 der Sensorelemente 10.1 gerichtet bzw. fokussiert werden. Hierdurch wird die Beleuchtung der lichtaktiven Bereiche 10.2 erhöht bzw. die Beleuchtung der lichtinaktiven Bereiche 10.3 verringert und es können mehr Lichtinformationen zur Bilderfassung genutzt werden. Insbesondere erfolgt die Lichtbrechung des einfallenden Lichts 2 an den Mikroelementen 101 .1 aufgrund des Brechungsindex der Mikroelemente 101 .1 , welcher sich von dem Brechungsindex des Materials oder Gases (z. B. Luft) außerhalb der Mikroelemente 101.1 unterscheidet.
Damit bei guten Lichtverhältnissen (z. B. tagsüber) nicht eine zu große Lichtmenge auf die lichtaktiven Bereiche 10.2 der Sensorelemente 10.1 trifft und zudem Störlicht reduziert wird, kann die erfindungsgemäße optische Vorrichtung 100 einen optischen Filter 102 aufweisen. Der optische Filter 102 ist dabei derart ausgebildet, dass für die Bilderfassung relevante Wellenlängen (wie z. B. die Wellenlängen einer Lichtquelle 7 und/oder ein Infrarotbereich) transmittiert und zumindest ein unerwünschter Wellenlängenbereich, wie z. B. sichtbares Licht, herausgefiltert wird. Das Herausfiltern erfolgt z. B. über eine Absorption und/oder durch eine Reflektion des Lichts im unerwünschten Spektralbereich. Eine Absorption wird bspw. dadurch erreicht, dass die optische Struktur 101 der optischen Vorrichtung 100 und/oder die Mikroelemente 101 .1 mit Filterstoffen 102.1 , insbesondere Farbstoffe 102.1 , dotiert werden und/oder diese Filterstoffe 102.1 aufweisen, wie in Figur 7 gezeigt ist. Ebenso ist es denkbar, dass die Mikroelemente 101 .1 zumindest eine Schicht 102.2 mit den entsprechenden Filterstoffen 102.1 zur Herausfilterung aufweisen. Die Filterstoffe 102.1 werden dabei derart ausgewählt bzw. sind derart ausgestaltet, dass eine Absorption des Lichts in dem unerwünschten Spektralbereich bzw. mit der unerwünschten Wellenlänge durch die Filterstoffe 102.1 erfolgt. Der optische Filter 102 und/oder die Filterstoffe 102.1 weisen dabei grundsätzlich insbesondere einen Brechungsindex und/oder ein Absorptionsverhalten auf, welcher sich vom Brechungsindex bzw. Absorptionsverhalten der Mikroelemente 101.1 unterscheidet.
Alternativ und/oder zusätzlich kann eine Reflektion des Lichts im unerwünschten Spektralbereich bzw. mit der unerwünschten Wellenlänge zur Herausfilterung erfolgen. Hierzu können bspw. Interferenzfilter eingesetzt werden, welche als zumindest eine Schicht 102.2 an einem Mikroelement 101.1 einer erfindungsgemäßen optischen Vorrichtung 100 ausgebildet sind. Dies ist bspw. in Figur 8 dargestellt, wobei Licht einer ersten Wellenlänge 2a weitergeleitet und Licht einer zweiten Wellenlänge 2b reflektiert und somit herausgefiltert wird. Es können ferner auch mehrere Schichten 102.2 an den Mikroelementen 101 .1 ausgebildet sein, wie z. B. in Figur 9 dargestellt ist. Dabei können z. B. sämtliche Schichten 102.2 als optischer Filter 102 dienen. Weiter kann eine zusätzliche Schicht 102.2, z. B. eine erste Schicht 102.2a, eine weitere Funktion aufweisen. Diese Funktion kann z. B. eine Reduzierung unerwünschter Reflektionen sein, so dass bspw. eine erste Schicht 102.2a als Anti-Reflektions-Beschichtung und eine zweite Schicht 102.2b als optischer Filter 102 ausgebildet ist. Die erste Schicht 102.2a und/oder die zweite Schicht 102.2b können jeweils auch mehrere Schichten aufweisen, um z. B. den Grad der Filterung und/oder Antireflektionsfunktion zu erhöhen. Die Anti-Reflektions-Schichtung weist die Antireflektionsfunktion auf und kann somit insbesondere die Reflektion des einfallenden Lichts 2 reduzieren. So kann die Anti-Reflektions-Beschichtung z. B. für eine Wellenlänge im Infrarotbereich (z. B. 900 nm) optimiert sein und/oder für den Infrarotbereich (insbesondere für 900 nm) einen Reflektionsgrad bzw. eine Reflektivität von unter 5 % oder vorzugsweise unter 1 % aufweisen. Insbesondere weist der optische Filter 102 und insbesondere die erste Schicht 102.2a des optischen Filters 102 einen Reflektionsgrad auf, welcher geringer als der Reflektionsgrad der zweiten Schicht 102.2b und/oder der Mikroelemente 101.1 ist.
In Figur 10 ist eine weitere mögliche Ausbildung eines optischen Filters 102 an einer optischen Struktur 101 gezeigt. So kann der optischer Filter 102 als Beschichtung auf der optischen Struktur 101 angebracht sein, so dass einfallendes Licht 2 zunächst auf den optischen Filter 102 und erst nach der Transmission durch den optischen Filter 102 auf die Mikroelemente 101 .1 der erfindungsgemäßen optischen Vorrichtung 100 trifft. Auch kann der optische Filter 102 als separate Einheit ausgebildet sein, welche lösbar oder unlösbar mit der optischen Struktur 101 bzw. mit den Mikroelementen 101 .1 verbunden wird. Der optische Filter 102 kann zumindest eine Schicht aufweisen, und insbesondere mehrere Schichten, wobei die Schichten zumindest teilweise als frequenzabhängiger (Interferenz oder Absorptions-)Filter und/oder zumindest teilweise als Anti-Reflektions-Filter ausgebildet sein. Auch kann ein Träger 104, insbesondere ein Stützelemente 104, vorgesehen sein, welche z. B. einseitig, beidseitig oder an jeder Seite der optischen Struktur 101 angeordnet sind. Der Träger 104 dient dabei zu Befestigung und Stabilisierung der optischen Struktur 101 , wobei der Träger 104 insbesondere derart ausgebildet ist, dass auch bei einer Wärmeausdehnung des Trägers 104 die optische Struktur an einer gleichen Position fixiert bleibt. Dies wird vorzugsweise durch zumindest ein Kompensationselement 104.1 des Trägers 104 mittels einer (abgewinkelten) Struktur bewirkt, welche vorzugsweise derart ausgebildet ist, dass eine Wärmeausdehnung in einer ersten Richtung einer ersten Struktur des Kompensationselementes 104.1 durch eine Wärmeausdehnung in eine (insbesondere entgegengesetzte) zweite Richtung einer zweiten Struktur des Kompensationselementes 104.1 ausgeglichen wird.
In Figur 1 1 ist eine weitere Ausbildung eines erfindungsgemäßen Systems 200 mit einer erfindungsgemäßen optischen Vorrichtung 100 gezeigt, wobei das erfindungsgemäße System 200 zusammen mit einer Lichtquelle 7 als ein erfindungsgemäßes Montagemodul 300 ausgebildet ist. Weiter ist eine zusätzliche Optik 103 vorgesehen, wobei einfallendes Licht 2 zunächst durch die Optik 103 umgelenkt und/oder gebündelt wird und anschließend auf die erfindungsgemäße optische Vorrichtung 100 durch die Optik 103 gerichtet wird. Die Optik 103 kann dabei bspw. als eine Sammellinse ausgebildet sein.
In Figur 12 sind schematisch Verfahrensschritte eines erfindungsgemäßen Verfahrens visualisiert. Dabei trifft gemäß einem ersten Verfahrensschritt 400.1 einfallendes Licht 2 zunächst auf einen optischen Filter 102 einer erfindungsgemäßen Vorrichtung 100, wodurch insbesondere sichtbares Licht blockiert bzw. herausgefiltert wird und insbesondere sichtbares Licht im Gegensatz zu einem Infrarotlichtbereich unterdrückt wird. Gemäß einem zweiten Verfahrensschritt 400.2 trifft anschließend das gefilterte Licht auf optische Mikroelemente 101 .1 der optischen Vorrichtung 100 und wird durch diese derart gebündelt, dass das Licht anschließend gemäß dem dritten Verfahrensschritt 400.3 auf lichtaktive Bereiche 10.2 der Sensorelemente 10.1 konzentriert wird.
Die voranstehenden Erläuterungen der unterschiedlichen Ausführungsformen beschreibt die vorliegende Erfindung ausschließlich im Rahmen von Beispielen. Selbstverständlich können einzelne Merkmale der Ausführungsformen, sofern technisch sinnvoll, frei miteinander kombiniert werden, ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen. B ez u g s ze i c h e n l i s te
1 Fahrzeug
1.1 Steuerelektronik
2 einfallendes Licht
2a Licht einer ersten Wellenlänge
2b Licht einer zweiten Wellenlänge
3 auf Sensorelemente gerichtetes Licht
4 Benutzer
5 Detektionsbereich
6 ID-Geber
7 Lichtquelle
7.1 Laserdiode
7.2 aufweitende Optik
10 Sensorvorrichtung, Bilderfassungssensor
10.1 Sensorelemente, Pixel
10.2 lichtaktive Bereiche
10.3 lichtinaktive Bereiche
10.5 Sensorsubstrat, Leiterplatte
100 Optische Vorrichtung
101 Optische Struktur, Mikrolinsenarray
101.1 Mikroelemente, Mikrolinsen
102 optischer Filter
102.1 Filterstoffe, Farbstoffe
102.2 Schichten
102.2a erste Schichten
102.2b zweite Schichten
103 Optik
104 Träger, Stützelement 104.1 Kompensationselement
200 System
201 Gehäuse
300 Montagemodul
310 Steuer- und/oder Auswertevorrichtung
400 Verfahren
400.1 Erster Verfahrensschritt
400.2 Zweiter Verfahrensschritt
400.3 Dritter Verfahrensschritt

Claims

P a t e n t a n s p r ü c h e
Optische Vorrichtung (100) zur Belichtung einer Sensorvorrichtung (10) für ein Fahrzeug (1 ), mit
einer optischen Struktur (101 ), die eine Anordnung optischer Mikroelemente (101 .1 ) aufweist, um einfallendes Licht (2) durch die optischen Mikroelemente (101 .1 ) zu bündeln und jeweils auf Sensorelemente (10.1 ) der Sensorvorrichtung (10) zu richten, wobei
die optische Struktur (101 ) derart ausgebildet ist, dass das auf die Sensorelemente (10.1 ) gerichtete Licht (3) für lichtaktive Bereiche (10.2) der Sensorelemente (10.1 ) konzentrierbar ist.
Optische Vorrichtung (100) nach Anspruch 1 ,
dadurch gekennzeichnet,
dass die optischen Mikroelemente (101.1 ) als Mikrolinsen (101 .1 ) ausgebildet sind und/oder die optische Struktur (101 ) als Mikrolinsenarray (101 ) ausgebildet ist und/oder die Mikroelemente (101.1 ) matrizenartig angeordnet sind.
Optische Vorrichtung (100) nach Anspruch 1 oder 2,
dadurch gekennzeichnet,
dass ein optischer Filter (102) zur Selektion des einfallenden Lichts (2) in Abhängigkeit von der Wellenlänge vorgesehen ist, wobei insbesondere der optische Filter (102) in der optischen Struktur (101 ), insbesondere in den Mikroelementen (101.1 ) integriert ist.
Optische Vorrichtung (100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet,
dass ein optischer Filter (102) zur Filterung vorbestimmter Wellenlängen des einfallenden Lichts (2) vorgesehen ist, wobei der optische Filter (102) insbesondere als Infrarot-Filter (102) ausgebildet ist, um bevorzugt sichtbares Licht zu blockieren. Optische Vorrichtung (100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet,
dass ein optischer Filter (102) bei der optischen Struktur (101 ) vorgesehen ist und insbesondere derart ausgebildet ist, dass das auf die Sensorelemente (10.1 ) gerichtete Licht (3) im Wesentlichen frei von sichtbarem Licht ist.
Optische Vorrichtung (100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet,
dass die optische Struktur (101 ), insbesondere die Mikroelemente (101 .1 ), als optischer Filter (102) ausgebildet sind und insbesondere einen Stoff (102.1 ) zur Filterung aufweisen und/oder mit einem Stoff (102.1 ) zur Filterung dotiert sind, der vorzugsweise sichtbares Licht absorbiert.
Optische Vorrichtung (100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet,
dass die Mikroelemente (101 .1 ) Schichten (102.2), insbesondere dielektrische und/oder metallische Schichten (102.2), aufweisen.
Optische Vorrichtung (100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet,
dass zumindest 10 x 10 und/oder 20 x 20 und/oder 30 x 30 und/oder 50 x 50 Mikroelemente (101 .1 ), insbesondere in einer Matrix-Anordnung, in der optischen Struktur (101 ) angeordnet sind, und insbesondere einer entsprechenden Anordnung von Sensorelementen (10.1 ) zuordenbar sind.
Optische Vorrichtung (100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet,
dass die Mikroelemente (101 .1 ) aus einem Kunststoff ausgebildet sind.
10. Optische Vorrichtung (100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet,
dass die Mikroelemente (101.1 ) Acryl und/oder Epoxidharz und/oder Quarzglas und/oder Silizium und/oder Germanium und/oder Zinksulfid und/oder Zinkselenid und/oder Galliumphosphid und/oder Galliumarsenid aufweisen.
1 1 . Optische Vorrichtung (100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet,
dass ein Träger (104), insbesondere ein Stützelement (104) vorgesehen ist, um zumindest einzelne Mikroelemente (101.1 ) und/oder die optische Struktur (101 ) zu positionieren und/oder an der Sensorvorrichtung (10) zu befestigen.
12. Optische Vorrichtung (100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet,
dass ein Träger (104), insbesondere ein Stützelement (104), ein Kompensationselement (104.1 ) aufweist, das derart an der optischen Struktur (101 ) ausgebildet ist, das eine Wärmeausdehnung des Trägers (104) und/oder Stützelements (104) kompensiert wird, wobei insbesondere die optische Struktur (101 ) bei der Wärmeausdehnung des Trägers (104) an einer im Wesentlichen gleichen Position durch den Träger (104) gehalten wird.
13. System (200) mit einer Sensorvorrichtung (10) für ein Fahrzeug (1 ) und zumindest einer optischen Vorrichtung (100) zur Belichtung der Sensorvorrichtung (10), wobei die optische Vorrichtung (100) eine optische Struktur (101 ) umfasst, die eine Anordnung optischer Mikroelemente (101 .1 ) aufweist, um einfallendes Licht (2) durch die optischen Mikroelemente (101 .1 ) zu bündeln und jeweils auf Sensorelemente (10.1 ) der Sensorvorrichtung (10) zu richten, wobei
die optische Struktur (101 ) derart ausgebildet ist, dass das auf die Sensorelemente (10.1 ) gerichtete Licht (3) für lichtaktive Bereiche (10.2) der Sensorelemente (10.1 ) konzentrierbar ist.
14. System (200) nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet,
dass die optische Struktur (101 ) mit der Sensorvorrichtung (10) eine Einheit bildet und/oder auf der Sensorvorrichtung (10) integriert ist, und vorzugsweise derart relativ zur Sensorvorrichtung (10) angeordnet ist, dass von außen einfallendes Licht (2) auf die optische Struktur (101 ) und durch die optische Struktur (101 ) auf die Sensorelemente (10.1 ) geleitet wird. 15. System (200) nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet,
dass die Sensorvorrichtung (10) eine Bilderfassungsvorrichtung (10) und/oder ein Bildsensor (10) ist, wobei die Sensorelemente (10.1 ) als fotosensitive Pixel (10.1 ) ausgebildet sind und/oder als Matrix und/oder benachbart angeordnet sind.
16. System (200) nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet,
dass die Sensorelemente (10.1 ) den lichtaktiven Bereich (10.2) und einen lichtinaktiven Bereich (10.3) aufweisen, wobei ausschließlich der lichtaktive Bereiche (10.2) fotosensitiv ausgebildet ist und/oder zur Bilderfassung genutzt wird.
17. System (200) nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet,
dass die Sensorvorrichtung (10) als CMOS-Sensor und/oder als CCD-Sensor und/oder als LDPD-Sensor ausgebildet ist.
18. System (200) nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet,
dass die Sensorvorrichtung (10) elektrisch mit einer Steuer- und/oder Auswertevorrichtung (310) verbunden ist, und insbesondere derart getaktet ansteuerbar ist, dass Time-of-Flight Aufnahmen durchführbar sind.
19. System (200) nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet,
dass zumindest eine Lichtquelle (7) zur Abgabe von zumindest Lichtpulsen oder einer kontinuierlichen Abstrahlung und ein optischer Filter (102) der optischen Vorrichtung (100) vorgesehen ist, wobei die Filtereigenschaften des optischen Filters (102) der Wellenlänge des von der Lichtquelle (7) emittierten Lichts angepasst sind.
20. System (200) nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet,
dass eine optische Vorrichtung (100) nach einem der Ansprüche 1 bis 12 zum Einsatz kommt.
21 . Verfahren (400) zur Belichtung einer Sensorvorrichtung (10) für ein Fahrzeug (1 ) mit einer optischen Vorrichtung (100), wobei eine optische Struktur (101 ) der optischen Vorrichtung (100) eine Anordnung optischer Mikroelemente (101.1 ) aufweist, und einfallendes Licht (2) durch die optischen Mikroelemente (101.1 ) gebündelt und jeweils auf Sensorelemente (10.1 ) der Sensorvorrichtung (10) gerichtet wird, wobei
durch die optische Struktur (101 ) das auf die Sensorelemente (10.1 ) gerichtete Licht (3) für lichtaktive Bereiche (10.2) der Sensorelemente (10.1 ) konzentriert wird.
22. Verfahren (400) nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet,
dass eine Filterung des einfallenden Lichts (2) durch einen optischen Filter (102) wellenlängenabhängig durch Absorption und/oder durch Reflexion erfolgt.
23. Verfahren (400) nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet,
dass die Mikroelemente (101 .1 ) einfallendes Licht (2) bündeln und auf jeweils bestimmte Bereiche der Sensorvorrichtung (10) richten und/oder fokussieren, insbesondere auf lichtaktive Bereiche (10.2) der Sensorelemente (10.1 ), sodass die Belichtung lichtinaktiver Bereiche (10.3) reduziert wird.
24. Verfahren (400) nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet,
dass eine Steuer- und/oder Auswertevorrichtung (310) vorgesehen ist, wobei die Steuer- und/oder Auswertevorrichtung (310) die Sensorvorrichtung (10) und/oder eine Lichtquelle (7) gepulst zur Durchführung von Time-of-Flight Aufnahmen ansteuert.
25. Verfahren (400) nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet,
dass durch die Sensorvorrichtung (10) ein außerhalb des Fahrzeuges (1 ) liegender Detektionsbereich (5) überwacht wird, um eine Nähe und/oder eine Gestik eines Benutzers (4) festzustellen, wobei im Falle einer Detektion der Nähe und/oder der Gestik eine Funktion des Fahrzeuges (2) ausgelöst wird.
26. Verfahren (400) nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet,
dass zur Bilderfassung der Sensorvorrichtung (10) eine Steuer- und/oder Auswertevorrichtung (310) vorgesehen ist, welche eine von der Lichtmenge abhängige Anzahl von Bildaufnahmen der Sensorvorrichtung (10) zur Auswertung kombiniert. 27. Verfahren (400) nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet,
dass eine optische Vorrichtung (100) nach einem der Ansprüche 1 bis 12 und/oder ein System (200) nach einem der Ansprüche 13 bis 20 Verwendung findet.
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