JP2012513603A - 画像において遠隔範囲及び近接範囲を検出する多焦点レンズを持つ光学モジュール - Google Patents

Abstract

本発明は、特に自動車に使用するため、電磁放射線に対する感応面を持つ半導体素子（４）、及び半導体素子（４）の感応面へ電磁放射線を投射するレンズ（１）を持つ光学モジュールに関する。レンズ（１）と半導体素子（４）の感応面との間の空間の所定の部分体積に、付加光学素子（１１）が設けられて、付加光学素子（１１）により、半導体素子（４）の感応面の第１の範囲に第１の距離範囲（８）が写像され、付加的な光学素子（１１）が存在しない第２の範囲に第２の距離範囲（９）が写像されるようにしている。

Description

本発明は、画像において遠隔範囲及び近接範囲を検出する光学モジュールに関する。光学モジュールは、特に自動車において、前窓ガラスを通して外部空間を観察するために使用される。

例えば交通事件において種々の物体の確認のような知的運転者援助システムは、カメラシステムの柔軟な使用を示す。前窓ガラスに設けられてこれを通して見る最近の自動車センサは、例えば車両カメラ、夜でも見えるカメラ又は多様な間隔センサである。これらの光学センサは、誤りのある測定信号を避けるため、自動車の運転者のように、明らかに見えることを必要とする。

前窓ガラス上の水滴、雪及び汚物は、一般にゴムリップを持つ電気窓拭き機によって除去される。窓拭き機は、現在流通している大抵の自動車では、手動で開閉される。運転者のこの役割は光電雨センサに次第に引継がれる。

光電雨センサの動作原理は、前窓ガラスへの角をなしての光導入に基いており、この角はガラスと空気との間の全反射の条件を満たすが、ガラスと水との間の全反射に必要な角より小さい。乾いているガラスでは、ガラスへ導入される光束の大部分がガラス外面で全反射され、ガラス内面の受像機では遮断される。水滴がガラス上にあると、全反射の角度条件はもはや維持されない。それにより光束の一部は水滴により遮断され、車両内部空間にある受像機にはもはや達しない。

この雨識別原理は、非常に妨害を受けやすく、水滴の大きさに関係している。霧雨ではこの測定原理はしばしば役立たない。なぜならば、遮断される光信号従って受像信号の相違は、確実な雨確認のためには小さすぎるからである。

従って光電雨センサは、ガラスに当たる際微細な小滴にこわれる雪片の識別の際、乾いた汚物及び前窓ガラスへ当たる昆虫においても、問題を持っている。

容量性雨センサは雨を識別する別の量産原理を示す。センサ原理は、ガラス又は空気と比較して水の著しく異なる誘電定数に基いている。車両ガラス内面への２つのコンデンサ板の巧みな取付けは、その間にある媒体と共にコンデンサを形成する。この場合目的は、前窓ガラスのすぐ上の空気空間を通って外方へ電気力線が延びるのを可能にすることである。この空気空間に水又は湿った汚物があると、更に加わる媒体の著しく大きい誘電定数が、それにより形成されるコンデンサの増大する全容量を生じる。このセンサも限られた動作能力を持っている。微細な滴と外乱の影響との区別は、このセンサにおいても問題であり、従ってセンサの感度が低下する。それにより微細な滴でガラスが濡れると、比較的遅い窓拭き信号が生じる。

両方のセンサの欠点は、前窓ガラスに比較的大きい面積が必要なことである。センサ面積が小さくなることにより、雨が始まる場合、センサの反応速度が更に低下する。なぜならば、最初の滴の１つが小さいセンサ範囲で当たる確率が低下するからである。運転者は、大抵の場合追加料金に反して得る快適電子装置により、速やかで確実な動作を期待する。理想的な場合自動システムは、その反応速度及び窓拭き動作において、自動車の運転者の挙動に適合して、不快に又は邪魔に作用しないようにする。例えば前窓ガラスは霧雨でも窓拭きされるようにする。前窓ガラスが昆虫により次第に汚される場合、窓拭きプログラムが必要である。ガラスが縞を持つと、再び拭かされるようにする。

多くのこれらの状況では、今まで開発された量産センサは、区別する可能性がないため、その簡単に保たれたセンサ構造により役立たない。

前窓ガラスの上部範囲における狭い空間状態で種々の運転者援助システム及び快適システムの引続く集積を回避する必要性は、将来複数のセンサをただ１つの多機能センサに統合せざるを得なくする。

こうしてビデオに基く雨センサとして外部空間を観察する既存の車両カメラに雨センサ機能を統合する手掛かりが得られる。付加的な光学部品との組合わせにより、遠隔範囲及び近接範囲（前窓ガラス）を１つの画像センサに写像することが公知である。このための手掛かりは、車両カメラのレンズの前の部分視野にあるアダプタレンズである。こうしてアダプタレンズを通って延びる光路の部分が、近接範囲を画像センサに鮮明に写像し、残りの部分が遠隔範囲（道路光景）を写像する。

ドイツ連邦共和国特許第１０２００４０３７８７１号明細書は、自動車の走行方向において前の外部空間を検出する援助システム用の適当な光学モジュールを示している。画像センサを交互に外部空間援助機能及び雨機能のために使用することが提案される。

近接範囲と遠隔範囲との間の移行範囲は、この手掛かりでは、入射瞳孔の直前にあるレンズの非常に不利な位置ぎめによって、強いぼかしを示す。この画像ぼかしは、ほぼ全画像にわたって広がっている。近接範囲写像のための光学手段（鏡、光線分割器、近接光学装置又はアダプタレンズ）の正確な向きは、形成困難である。更に示される解決策のために、常に一層高価な付加光学手段が必要である。

本発明の課題は、カメラセンサ用の安価かつ安定で確実な光学装置を提示することである。

課第を解決するための手段

本発明の対象は、電磁放射線に対する感応面を持つ半導体素子、及び半導体素子の感応面へ電磁放射線を投射するレンズ又はレンズ組合わせを持つ光学モジュールである。レンズと半導体素子の感応面との間の空間の所定の部分体積に、付加光学素子が設けられている。この付加光学素子により、半導体素子の感応面の第１の範囲に第１の距離範囲なるべく遠隔範囲が写像される。付加的な光学素子が存在しない視界又は半導体素子の感応面の第２の範囲に第２の距離範囲なるべく近接範囲が写像される。

それにより半導体素子の感応面の第１の範囲において、全幅にわたって付加光学素子を通る電磁放射線が検出される。第２の範囲において、付加光学素子外に延びるか又は付加光学素子全幅を通らない電磁放射線が検出される。従って付加光学素子は、半導体素子の感応面の前の空間の一部を満たし、この一部を通って電磁放射線が感応面へ達する。付加光学素子はレンズの全幅にあるのではなく、レンズの画像幅の部分区域にある。

続く画像処理は、両方の異なる距離範囲の２つの部分画像から合成される全画像を、１つのサイクルで又は別々に評価することができる。

本発明の好ましい構成によれば、付加光学素子の屈折率が、付加光学素子を包囲する媒体の屈折率より大きい。付加光学素子を包囲する媒体は、典型的には空気である。第２の距離範囲の写像は、付加光学素子によりあまり影響されず、従って付加光学素子を包囲する比較的小さい屈折率の媒体に関係している。

半導体素子の感応面の第１の範囲で光学的遠隔範囲が写像され、第２の範囲で光学的近接範囲が写像されているように、レンズが位置ぎめされ、付加光学素子の厚さ又は屈折率が規定されているのがよい。近接範囲は数ｃｍの範囲にあり、遠隔範囲は約２ｍ以上の範囲に相当する。

本発明によるレンズの位置ぎめの際、光学モジュールに付加的な光学素子が設けられていない限り、近接範囲の鮮明な写像は、遠隔範囲の非常に不鮮明な焦点ぼけの写像になる。付加的な部分的光学素子により遠隔範囲が写像される。この部分的光学素子が存在しない範囲では、近接範囲が写像される。

光学モジュールの２焦点又は多焦点レンズは、屈折平面の軸線方向ずれの原理に基いている。そのためカメラは、従来技術において説明されているように、遠隔範囲に焦点を合わされるのではなく、少なくとも数ｃｍの物体距離に焦点を合わされる。この物体距離は、例えばカメラの下部視野と前窓ガラス平面との交点にある面を表す。こうして画像センサに、この近接範囲面の鮮明に集束される写像が生じる。別の運転者援助機能を可能にするため、画像センサの大部分に、遠隔範囲が鮮明に写像されねばならない。これは、部分的光学素子を遠隔範囲写像のために使用される画像センサの前の光路の範囲へ挿入することによって行われる。部分的光学素子の厚さは、材料の屈折率に関係して、遠隔範囲写像の画像距離と近接範囲写像の画像距離との間の必要な軸線方向ずれによって生じる。

本発明の好ましい構成によれば、付加光学素子が平行平面の透明な板である。この平行平面の透明な板は、特にガラス例えば高級な硼素クラウンガラス、硼珪酸ガラス等から製造することができる。別の好ましい実施形態によれば、平行平面の透明な板がプラスチック例えばポリカーボネート又はポリメチルメタクリレート（ＰＭＭＡ）製であってもよい。

本発明の好ましい構成では、付加光学素子の全体又はこの素子の部分体積のみが、発散レンズの一部、発散レンズを持つ微小レンズアレイ（微小レンズ装置）、光学低域フィルタ又は回折微小レンズアレイである。これらは、半導体素子の感応面に近い方にある付加光学素子の側にあるのがよい。集束する光路を所定のように広げるか又は散開させる発散レンズから形成される微小レンズアレイは、近接範囲の最適な写像が存在する光軸の点における遠隔範囲の写像を可能にする。

本発明の別の実施形態によれば、付加光学素子が異なる厚さの少なくとも２つの平行平面の範囲から成っている。この場合部分的光学素子は段付けされる。その代わりに、平行平面の透明板内の材料変化により“段付け”を行うことができる。このため少なくとも２つの範囲に、異なる屈折率を持つ材料が使用される。両方の実施形態において、１つのカメラ画像において、少なくとも２つの交差もする異なる焦点深度範囲が可能になる。

連続的な厚さ変化のために、別の好ましい実施形態によれば、付加光学素子が楔状である。

付加光学素子の縁は、写像光路に合わされている移行部を持つことができる。これは例えば段付けされるか又は楔状の移行部形状であってもよい。移行部を黒くすることは、散乱光妨害要因の回避に役立つ。

本発明の展開では、付加光学素子が、レンズと画像センサとの間の空間へ周期的に、例えば“チョッパ車”従って平行平面の板を持つ区域と板なしの区域とを交互に持つ回転円板の形で入れられる。

別の実施形態では、異なる厚さ及び／又は異なる屈折率の複数の付加光学素子を、レンズと画像センサとの間の空間へ周期的に入れるために、類似の装置を使用することができる。それにより、遠隔範囲にある異なる焦点深度範囲を写像する複数の画像を周期的に記録することができる。異なる焦点深度範囲を持つ画像から、続いて遠隔範囲にある物体の距離を推論することができる。

別の実施形態によれば、付加光学素子が、周囲の媒体（典型的には空気）より大きい屈折率を持つ液状媒体例えば水又は油で部分体積を満たすことにより実現されている。

半導体素子の感応面の第１の範囲が第２の範囲より大きいように、部分的光学素子が寸法を定められているのがよい。遠隔画像と近接画像との比は、部分的光学素子が実際に占める視野面積により決定される。この場合８０％遠隔範囲を写像しまた２０％近接範囲を写像する画像が保証する分配が、成分及び応用に応じて提案されると、９０％と１０％の比が有利である。

付加光学素子の少なくとも１つの側に、反射を回避できる被覆が設けられていると有利である。

それに加えて又はその代りに、付加光学素子の少なくとも１つの側に、所定の波長範囲の電磁放射線を濾波する被覆が設けられているようにすることができる。特に赤外線範囲及び紫外線範囲用の濾波被覆が考えられる。付加光学素子を通過しない光路を持つ近接範囲を写像する感応面の範囲は、それにより電磁波を濾波されずに受け、従って可視範囲外でも受ける。例えば付加光学素子の紫外線光を濾波する入射側の被覆は、素子を高い紫外線強度に対して保護することができる。特にプラスチックから成る付加光学素子では、これが必要である。高い強度の紫外線をフィルタで除くため、紫外線フィルタを前窓ガラスと組合わせるか、又はレンズの前部範囲に設けることができる。それにより画像センサが、高い強度の紫外線に対して保護される。これは、横色誤差の僅かな影響しか生じないという利点を持っている。なぜならば、レンズが最適化されている波長範囲は限られているからである。別の利点は、フィルタの後の光学部材のための保護機能であり、この保護機能は、特にプラスチックレンズを使用する場合及び強い太陽光入射の際画像センサを保護するために必要である。

本発明は、車両の内部空間内で走行方向において前窓ガラスの後にある光学モジュールが、外部空間を検出するようにしている。

好ましい実施形態によれば、第２の距離範囲として、前窓ガラスの外側が半導体素子の感応面の第２の範囲（近接範囲）に鮮明に写像されるように、光学モジュールが形成されている。付加光学素子により、第２の距離範囲として半導体素子の感応面の第１の範囲（遠隔範囲）に、車両の前にある周辺が写像される。従って半導体素子は、遠隔範囲例えば２ｍ以上にある交通事件と近接範囲例えば２０ｍ以下にある前窓ガラスを同時に検出する。

好ましい展開では、車両にカメラに基く雨センサを設けることができる。画像が半導体素子の感応面（前窓ガラスの外側）の第１の範囲により評価され、前窓ガラス上の雨及び／又は汚物粒子が識別され、出力信号が窓拭き制御装置及び／又は窓浄化制御装置へ与えられる。

好ましい構成では、照明源が設けられて、前窓ガラスを通して視野の範囲を照らし、この範囲が半導体素子の感応面の第２の範囲に写像される。近接範囲を赤外線光で照らすのが有利である。照明源が、光学シャッタにより、特に半導体素子の全感応面の可変照明時間で、又は特に近接範囲の写像が行われる活動面の部分範囲のために、制御される。

照明源の光線が可撓導光体を介して前窓ガラスへ導入される。適当な可撓導光体は例えば透明なシリコーンである。部分光線エネルギは、ガラスに取付けられる吸収素子を介して熱に変換され、この熱が前窓ガラス部分面の加熱に役立つ。吸収素子として、例えば存在するガラス加熱装置の加熱線を使用することができる。吸収面として使用される加熱線は、同時に自動車の走行方向へ放射される光の遮光体としても役立つ。

好ましい実施形態では、少なくとも片側を被覆される付加光学素子を持つ光学モジュールが設けられ、この付加光学素子の波長フルタが、近接範囲を照明する照明源が使用する波長範囲を抑制する。前窓ガラスを通る視野の範囲が、特に赤外線波長範囲（ＩＲ）の光で照らされ、付加光学素子が、赤外線波長範囲における透過を抑制するフィルタで被覆されている。この波長範囲は、自動車運転者及び他の道路使用者によっては認められない。同時に半導体素子の感応面はＩＲ範囲に対して非常に高い感度を持ち、それが比較的小さいＩＲ照度で近接範囲を照らすのを可能にする。照明源の取付けは複数の範囲で可能である。照明は連続運転で又は周期的に行うことができる。正弦波状強度経過を持つ周期的照明又はクロックパルスによる照明は、遠隔範囲の画像における外乱の影響を回避するか又は軽減するために好ましい。

更に有利な構成では、容量性雨センサが付加的に車両に設けられる。共通な評価装置が容量性雨センサ及びカメラにも続く雨センサの信号を評価する。両方の形式のセンサは非常によく互いに補って、組合わせですぐれた検出特性を与える。容量性センサは、透明な膜又はシリコーンクッション中の導体条片として有利に構成可能であり、電子装置はカメラに基く雨センサ用の照明モジュールへ統合可能である。カメラに基く雨センサは、例えば最も微細な霧雨において利点を持ち、一方容量性雨センサは、変化する容量による信号変化を受けない。これに反し容量性雨センサは、例えば前窓ガラス上の全面水膜の場合に利点を持ち、強い容量変化のためこの水膜を完全に検出でき、一方カメラに基く雨センサは、画像にある僅かな縁を見出して、これらの縁から雨滴を推論する。

本発明の有利な構成では、前窓ガラスと近接範囲写像の視野にあるレンズとの間に楔板が設けられている。こうして楔板は、近接範囲写像のレンズ側光路に設けられている。楔板は、遠隔範囲写像の視野により貫通される前窓ガラスの範囲から、近接範囲写像の視野へ、電磁放射線を偏向させる。楔板は、２つの平面又は１つの平面と平らでない面又は２つの平らでない面によって規定することができる。楔板は特に透明なプラスチックから成っていてもよい。楔板は、なるべく厚い端部が上にあり、薄い端部が下にあるように、設けられている。それにより近接範囲写像の光路は上方へ偏向せしめられる。楔板は、遠隔範囲写像の光路の下又は下部範囲に有利に設けることができる。

楔板が、特定の波長範囲を抑制するフィルタ被覆で被覆されているのがよい。散乱光抑制のため、楔板の上側が黒くされていると有利である。楔板を使用する際の利点は、前窓ガラスの必要な黒印刷部分が小さくなり、光学モジュール又はカメラシステムの寸法が小さくなることである。

好ましい実施形態では、車両が照明源を含み、この照明源の電磁放射線が、導入素子（例えば可撓導光体）を介して前窓ガラスへ導入される。接着又は押付けにより前窓ガラスと固定的に接触している遮断素子が設けられている。前窓ガラスに水滴がないと、導入される電磁放射線が前窓ガラス内で全反射される。遮断素子により、放射線が光学モジュールの方向に遮断され、近接範囲写像の範囲（雨識別用部分範囲）において画像センサへ写像される。水滴が前窓ガラス上にあると導入される電磁放射線の一部が水滴により遮断され、もはや遮断素子へ全反射されない。従って前窓ガラス上における水滴の存在及び雨量が、湿った前窓ガラスと比較して乾いた前窓ガラスにおいて遮断される強度の信号差として求められる。

遮断素子が、特定の波長範囲例えば可視波長範囲を抑制するフィルタ被覆で被覆されているのがよい。

遮断素子が、レンズに近い方の側を適当な表面処理により曇りガラスとして構成されているのが有利であり、曇りガラス板面が近接範囲写真の物体面に位置ぎめされている。

遮断素子が、近接範囲写像により検出される前窓ガラスの視野の所定の部分範囲のみを覆っている。それにより雨滴により遮断される信号の差測定も、他の部分範囲においてレンズにある滴により散乱される信号成分も測定することができる。両方の測定方法は、組合わせてガラスの濡れの正確な測定を可能にする。

本発明は、更に前窓ガラスと１つ又は複数の光学モジュールとの間隔又は位置偏差を求める方法を含んでいる。そのため光学モジュールが、前窓ガラス上に設けられる１つ又は複数の目標標識を、半導体素子の感応面上に集束して写像する。評価装置により、光学モジュールの光軸に対する前窓ガラスの位置の変化が、記憶されている初期位置と比較して測定される。

本発明は、特に安価な解決策としてすぐれている。簡単な平行平面のガラス板片又はプラスチック板片の使用が、光学モジュールの多焦点レンズに対して安価で非常に効率の良い解決策を与える。特に光学素子の小さいぼやけ範囲及び簡単な調節が、この光学構造では有利である。カメラの物体距離への付加光学素子の組込みと比較して、ここに提案される焦点距離への組込みは、外乱光要因の直接導入を少なくするという利点を持っている。

本発明が実施例及び図により以下に説明される。

レンズ及び半導体センサを持つ自動車にある光学モジュールの写像特性を示す。 レンズと半導体センサとの間に部分的付加光学素子を持つ自動車にある光学モジュールの写像特性を示す。

図１は、主要面２を持つレンズ１により半導体素子４の感応面に写像される第１の距離範囲８及び第２の距離範囲９用の光路８，９の概略図を示す。視野１０は点線により区画されている。レンズ１は、前窓ガラス５と半導体素子４の感応面との間に次のように位置ぎめされている。即ち一方では視野１０が、下部範囲において散乱光遮光装置７により制限されないけれども、利用可能な体積を利用し、他方では前窓ガラス外側の範囲が、近接範囲９で集束されて半導体素子４の感応面に写像される。遠隔範囲８を集束して半導体素子４の感応面に写像させようとするならば、レンズ１を右方へ移動させるか、又は半導体素子４を左方へ移動させねばならないであろう。いずれの場合も、視野１０が散乱光遮光装置７により制限され、遠隔範囲８は半導体４の感応面にもはや鮮明に写像されなくなるであろう。このような光学モジュールは従来技術に相当している。

前窓ガラス５による光路における平行ずれは、図１及び２の概略図では考慮されていない。

図２は、レンズ１と半導体素子４の感応面との間の所定の部分体積に設けられている付加光学素子１１を持つ光学モジュールを示す。部分体積は、付加光学素子１１が視野１０を２つの部分、即ち付加光学素子１１の外側（右）から半導体素子４の感応面へ当たる部分と、付加光学素子１１を包囲する媒体を介して半導体素子４の感応面へ当たる部分とに分割することに関係している。視野１０のこれら両方の部分は、半導体素子４の感応面に、２つの範囲を規定する。第１の範囲は、付加光学素子１１によって覆われる半導体素子４の範囲に相当し、図ではこの範囲において遠隔範囲８が集束されて写像される。第２の範囲は、付加光学素子１１によっては覆われない半導体素子４の範囲に相当し、図ではこの範囲において近接範囲９が集束される。こうして半導体素子４の感応面により記録される画像は、鮮明な近接範囲写像と深い鮮明な遠隔範囲とを含んでいる。近接範囲写像において、水滴６、汚物、雪片等を検出して分類することができる。同時にカメラ画像の大きい第１の範囲において、例えば２〜５０ｍの距離にある交通事件が利用可能であり、種々の運転者援助機能により使用しかつ評価することができる。

本発明による光学モジュールを持つビデオに基く雨及び汚物センサは、多数の画素を使用可能である。知的アルゴリズムは、幾何学的物体識別により、雨、汚物、雪、ガラス氷結又は露の区別を可能にする。

例えばソーベル演算子のような縁識別アルゴリズムは、垂直及び／又は水平方向に使用可能である。垂直方向でのみ識別される縁は、窓拭き機の縞を指摘でき、再度の窓拭き又は窓浄化の開始のための信号を出力することができる。縞が持続して現れると、窓拭き羽根の交換を運転者に指示する。

フーリエ変換特にＦＦＴは、近接範囲写像の周波数分析のため、特に高い周波数の識別に使用可能である。神経回路網は、パターン認識のため、異なる大きさの雨滴、雪片、汚物粒子のような典型的物体を持つ分類器により、画像データから予備訓練可能である。ヒストグラム評価も、物体の識別のために行うことができる。

知的照明は、画像分析を援助し、例えば所定の照明関数（例えば正弦波状の光度推移又は異なる入射角を持つ複数の照明源）により保証することができる。

この発明の別の利点は、温度に関係する焦点移動という今までの問題への有利な影響である。温度上昇の際、レンズ１が画像センサ４から離れるように動くという問題が生じる。それにより遠隔範囲８から近接範囲９への焦点移動が行われる。焦点距離にある部分的光学素子１１の影響は、収束する光路の屈折において、垂線から遠く離れて（空気から部分的光学素子への移行部ｎ_Ｌｕｆｔ＜ｎ_ＰＯＥ）現れ、それにより物体の鮮明な写像が、部分的光学素子１１なしの同じ構造の場合よりレンズ１から大きく離れた所で行われる。

システムが加熱を受けると、上述したように画像センサ４とレンズ１との間隔が増大する。しかし同時に部分的光学素子１１も膨張して、画像センサ４上の集束されない写像をある程度補償する。この組合わせは、低い温度でも、画像の鮮明度に対する有利な補償手段として作用する。この場合材料の最適化により、全温度範囲にわたって満足できる写像品質が得られる。

部分的光学素子１１なしのカメラは、近接範囲へ集束されている。部分的光学素子１１は遠隔範囲８の鮮明な写像を可能にする。温度上昇のため画像センサ４から離れるレンズ１の移動は、近接範囲９及び遠隔範囲８の不鮮明な写像に対して責任をとる。近接範囲写像は温度について有利な写像推移をとる。なぜならば、遠ざかるレンズ１により、物体距離（レンズ主要面２から前窓ガラス５までの間隔）も小さくなるからである。

大きくなる焦点距離による温度に関係する焦点ずれに対する別の有利な手掛かりは、それにより生じる視野変化であり、この視野変化が前窓ガラス５を通る視野１０を小さくし、その結果一層高い所にある物体点が同じ画素に写像されることになる。適当な前窓ガラス５により、更に上にある物体点が検出されるだけでなく、一層小さい焦点距離を持つ物体の鮮明な写像が検出される。不変な焦点距離で物体距離の減少は、画像距離の延長を伴う。画像距離の子の増大は、近接写像において自動制御する温度補償を示す。レンズの焦点距離ｆ、物体距離ｇ（近接範囲で例えば５．５ｃｍ）及び近接範囲写像の画像距離ｂで、１／ｆ＝１／ｇ＋１／ｂが成立する。

遠隔範囲８の写像の際、この修正機構は作用しない。なぜならば一方では、物体距離が非常に大きく、変化が画像距離に非常に小さい影響しか及ぼさず、他方では物体距離において、前窓ガラス５の場合のように傾斜する面を考慮しないからである。この理由から、部分的光学素子１１のために、集束に有利な影響を及ぼす熱膨張を持つ適当な材料が選ばれる。

両方の画像範囲の最適な移行範囲は、部分的光学素子１１の所定の縁により保証される。カラスから成る素子では、ガラス縁の分裂により、遠隔範囲８の部分画像への“浸食された”移行部が生じる。ポリカーボネート又はＰＭＭＡから成るプラスチック素子を使用すると、縁にあるこのような分裂を回避することができる。移行部は光路に合わされ、例えば楔状に又は段付けして構成することができる。更にぼやけ範囲は部分的光学素子１１の厚さに関係する。この場合大きい屈折率を持つ材料は利点をもたらす。

本発明による光学モジュールが、前窓ガラスの外側及び前窓ガラスの内側で種々の物体を確認して区別できることによって、拡張される自動窓拭き、窓洗浄及び窓換気の機能が与えられる。雨、汚物、雪、氷、霧及び煙霧質堆積物を、多数の画素により、特定の確認特徴で区別できる。上記のすべての影響物は、前窓ガラス５を通して見るのを妨げ、従って遠隔範囲８の部分画像からのデータに基いて動作する他の運転者援助機能も妨げる。

画像処理及び物体確認に続いて、確認される視界障害物に関係して、制御信号が窓拭き装置、窓洗浄装置、空調装置又は換気装置へ与えられ、それにより視界障害物の種類及び大きさに合わせた融通性のある浄化機能又は快適機能が開始される。

前に置かれるレンズを利用する別の可能性は、雨及び汚物の確認のほかに、自動車用“スキャナ”又は符号読取り器としての作動である。例えば前窓ガラス確認用の印刷された符号を含む前窓ガラス５上の目標標識を記録して、処理することができる。確認される符号を、データ導線特にバスシステムを介して他の制御装置へ送ることができる。

外部からデータを読込むことができる符号読取り器（記録スキャナに対比可能）であることによって、人間と車両との将来の通信インタフェースとして、近接範囲（前窓ガラスの外面）の写像を利用することが提案される。例えば運転者の指紋が走査され、記憶されている経路が指により読出されるか、又は差出される符号カード片が読取られることによって、車両を開くため例えばカメラを使用することができるであろう。別の例は、駐車している車両の所有者に通報すべき重要な情報のディジタル読込みである。これらの情報を、車両の所有者は例えば機内モニタを介して見ることができるであろう。

将来の立体カメラを使用する際、取付け位置は、前窓ガラスの中央から縁の近くへ寄り、こうして一層簡単に車両所有者に連絡可能である。そのためカメラは待機段階にあり、視野が急に暗くなる際、画像処理及び近接範囲照明により、活動的にならねばならない。

部分的光学素子１１により多焦点レンズを形成する別の可能性は、画像距離をできるだけ良い遠隔範囲写像に設定し、部分的光学素子として集束レンズの一部を使用することである。この場合近接範囲写像は、部分的光学素子１１なしに著しく焦点を外される。焦点距離にある収束レンズ（部分レンズ）は、近接範囲写像の写像光路を視準し、それにより既に述べたのと類似な写像を可能にする。

１ レンズ
２ レンズの主要面
３ 半導体素子のカバーガラス
４ 感応面を持つ半導体素子
５ 前窓ガラス
６ 雨滴
７ 散乱光遮断装置
８ 遠隔範囲
９ 近接範囲
１０ 視野
１１ 付加（部分的）光学素子

Claims (30)

1. 電磁放射線に対する感応面を持つ半導体素子（４）、及び半導体素子（４）の感応面へ電磁放射線を投射するレンズ（１）を含む光学モジュールであって、レンズ（１）と半導体素子（４）の感応面との間の空間の所定の部分体積に、付加光学素子（１１）が設けられて、付加光学素子（１１）により、半導体素子（４）の感応面の第１の範囲に第１の距離範囲（８）が写像され、付加的な光学素子（１１）が存在しない第２の範囲に第２の距離範囲（９）が写像されるようにしていることを特徴とする、光学モジュール。
2. 付加光学素子（１１）の屈折率が、付加光学素子（１１）を包囲する媒体の屈折率より大きいことを特徴とする、請求項１に記載の光学モジュール。
3. 半導体素子（４）の感応面の第１の範囲で光学遠隔範囲が写像され、第２の範囲で光学近接範囲（９）が写像されているように、レンズ（１）が位置ぎめされ、付加光学素子（１１）の厚さが規定されていることを特徴とする、請求項１又は２に記載の光学モジュール。
4. 付加光学素子（１１）が平行平面の透明な板（１１）であることを特徴とする、請求項１〜３の１つに記載の光学モジュール。
5. 平行平面の透明な板（１１）がプラスチック製であることを特徴とする、請求項４に記載の光学モジュール。
6. 付加光学素子（１１）が、発散レンズの一部、発散レンズを持つ微小レンズアレイ又は回折微小レンズアレイであることを特徴とする、請求項１〜３の１つに記載の光学モジュール。
7. 付加光学素子（１１）が異なる厚さの少なくとも２つの平行平面の範囲を含んでいることを特徴とする、請求項１〜３の１つに記載の光学モジュール。
8. 付加光学素子（１１）が異なる屈折率の材料を持つ少なくとも２つの範囲を含んでいることを特徴とする、請求項１〜３の１つに記載の光学モジュール。
9. 付加光学素子（１１）が楔状であることを特徴とする、請求項１〜３の１つに記載の光学モジュール。
10. 付加光学素子（１１）が、レンズ（１）と半導体素子（４）の感応面との間の空間へ周期的に入れられることができることを特徴とする、請求項１〜９の１つに記載の光学モジュール。
11. 異なる厚さ及び／又は異なる屈折率の複数の付加光学素子（１１）が、レンズ（１）と半導体素子（４）の感応面との間の空間へ周期的に入れられることができることを特徴とする、請求項１〜９の１つに記載の光学モジュール。
12. 付加光学素子（１１）が、周囲の媒体より大きい屈折率を持つ液状媒体で部分体積を満たすことにより実現されていることを特徴とする、請求項１〜３の１つに記載の光学モジュール。
13. 半導体素子の感応面の第１の範囲が第２の範囲より大きいことを特徴とする、請求項１〜１２の１つに記載の光学モジュール。
14. 付加光学素子（１１）の少なくとも１つの側に、反射を回避できる被覆が設けられていることを特徴とする、請求項１〜１３の１つに記載の光学モジュール。
15. 付加光学素子（１１）の少なくとも１つの側に、所定の波長範囲の電磁放射線を濾波する被覆が設けられていることを特徴とする、請求項１〜１４の１つに記載の光学モジュール。
16. 車両の内部空間内で走行方向において前窓ガラス（５）の後にある光学モジュールが、外部空間を検出するように設けられていることを特徴とする、請求項１〜１５の１つに記載の光学モジュールを持つ車両。
17. 前窓ガラス（５）の外側が半導体素子（４）の感応面の第２の範囲に鮮明に写像されるように、光学モジュールのレンズ（１）が位置ぎめされていることを特徴とする、請求項１６に記載の車両。
18. 画像が半導体素子（４）の感応面の第２の範囲により評価され、前窓ガラス（５）上の雨及び／又は汚物粒子が識別され、出力信号が窓拭き制御装置及び／又は窓浄化制御装置へ与えられることを特徴とする、請求項１７に記載の車両。
19. 照明源が設けられて、前窓ガラス（５）を通して視野（１０）の範囲（９）を照らし、この範囲（９）が半導体素子（４）の感応面の第２の範囲に写像されることを特徴とする、請求項１７又は１８に記載の車両。
20. 照明源の光線が可撓導光体を介して前窓ガラス（５）へ導入されることを特徴とする、請求項１９に記載の車両。
21. 前窓ガラス（５）を通る視野（１０）の範囲（９）が、赤外線波長範囲の光で照らされ、付加光学素子（１１）が、赤外線波長範囲における透過を抑制するフィルタで被覆されていることを特徴とする、請求項１６〜２０の１つに記載の車両。
22. 容量性雨センサが付加的に車両に設けられ、共通な評価装置が容量性雨センサ及びカメラにも続く雨センサの信号を評価することを特徴とする、請求項１８〜２１の１つに記載の車両。
23. 前窓ガラス（５）と近接範囲写像（９）のレンズ側光路にある窓とレンズ（１）との間に楔板が設けられていることを特徴とする、請求項１６〜２２の１つに記載の車両。
24. 楔板が、特定の波長範囲を抑制するフィルタ被覆で被覆されていることを特徴とする、請求項２３に記載の車両。
25. 散乱光抑制のため、楔板の上側が黒くされていることを特徴とする、請求項２３又は２４に記載の車両。
26. 導入される光線と遮断する遮断素子が前窓ガラス（５）に固定的に接触して設けられて、光線が半導体素子（４）の感応面の第２の範囲に写像されるようにしていることを特徴とする、請求項２０に記載の車両。
27. 遮断素子が、特定の波長範囲を抑制するフィルタ被覆で被覆されていることを特徴とする、請求項２６に記載の車両。
28. 遮断素子が、レンズ（１）に近い方の側に曇った表面を持っていることを特徴とする、請求項２６又は２７に記載の車両。
29. 遮断素子が、近接範囲写像により検出される前窓ガラス（５）の視野の部分範囲を覆っていることを特徴とする、請求項２６〜２８の１つに記載の車両。
30. 請求項１６〜２９に記載の車両において、前窓ガラス（５）と光学モジュールとの間隔及び位置を校正する方法であって、光学モジュールが、前窓ガラス上に設けられる目標標識を、半導体素子（４）の感応面上に集束して写像して、評価装置により、光学モジュールの光軸に対する前窓ガラス（５）の位置の変化が、記憶されている初期位置と比較して測定されるようにしていることを特徴とする、方法。

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