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Die Erfindung betrifft eine Kraftfahrzeugkameraeinheit zum Erfassen zumindest eines Teils einer Umgebung eines Kraftfahrzeugs, wobei die Kraftfahrzeugkameraeinheit ein konvergierendes optisches System und einen Bildsensor aufweist, wobei das optische System derart ausgebildet ist, dass der mindestens eine Teil der Umgebung in Form eines reellen Bildes des zumindest einen Teils der Umgebung auf einen einzigen Projektionsbereich optisch abgebildet wird, wobei der Bildsensor zumindest teilweise im Projektionsbereich angeordnet ist und dazu ausgelegt ist, zumindest einen Teil des Lichts zu erfassen, welches durch das optische System hindurchtritt und welches das reelle Bild des zumindest einen Teils der Umgebung bildet. Die Erfindung betrifft auch ein Fahrerassistenzsystem und ein Kraftfahrzeug mit einer solchen Kraftfahrzeugkameraeinheit.
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Vielzählige verschiedene optische Sensoren sind aus dem Stand der Technik bekannt. Üblicherweise weisen solche optischen Sensoren ein optisches System auf, welches an die vorgesehene Verwendung des optischen Sensors angepasst ist. Beispielsweise beschreibt die
EP 2 189 340 A2 ein Kameramodul mit mehreren Funktionen. Das Kameramodul weist eine Kamera mit einem Bildsensor zum Erfassen einer Umgebung des Kraftfahrzeugs auf. Das Kameramodul umfasst weiterhin einen optischen Sekundärsensor, der als Regensensor ausgebildet ist, welcher wiederum mindestens einen Lichtleiter umfasst, welcher an eine Windschutzscheibe eines Kraftfahrzeugs gekoppelt ist. Darüber hinaus beschreibt auch die
US 2014/0043484 A1 ein Verfahren zum Herstellen einer optischen Einrichtung mit zwei verschiedenen Elementen, die aus verschiedenen Komponenten hergestellt sind, wobei mindestens eines der Elemente als ein optisches Element, wie eine asphärische Linse oder ein diffraktives optisches Element, ausgebildet ist. Das zweite Element ist vorzugsweise als ein Lichtleiter ausgebildet. Dabei sollen verschiedene Anwendungen durch das optische Gerät bereitgestellt werden, zum Beispiel eine Regensensorfunktion.
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Weitere optische Sensoren, die diffraktive optische Elemente verwenden, insbesondere in Form eines Hologramms, sind in der
DE 10 2013 210 878 A1 und
FR 2947781 A1 beschrieben. Insbesondere weisen die optischen Sensoren eine Kamera auf, die irgendwo hinter der Windschutzscheibe innerhalb des Kraftfahrzeugs angeordnet ist, und ein holografisches Element, das an der Windschutzscheibe angeordnet ist oder in die Windschutzscheibe integriert ist. Das holografische Element ist dabei als Strahlteiler ausgebildet, der es einem Fahrer ermöglicht, durch das holografische Element hindurchzusehen, wobei dieses holografische Element gleichzeitig Licht in die Richtung der Kamera beugt. Holografische Elemente sind im Allgemeinen diffraktive optische Elemente und sind weiterhin zum Beispiel in der
US 5,071,207 A und
US 7,957,063 B2 beschrieben.
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Oben beschriebene optische Sensoren mit diffraktiven optischen Elementen stellen mehr Freiheit zur Positionierung einer Kraftfahrzeugkamera innerhalb des Kraftfahrzeugs bereit, und um zum Beispiel eine Perspektive der jeweiligen Kraftfahrzeugkamera bereitzustellen, die mit der Perspektive der jeweiligen Fahrer übereinstimmen kann.
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Die vorliegende Erfindung ist auf dem Gebiet der Kraftfahrzeugkameraeinheiten angesiedelt, die eine funktionelle und physische Einheit darstellen sollen, im Gegensatz zu den oben beschriebenen optischen Sensoren, die optische Elemente und Komponenten aufweisen, die weit voneinander entfernt angeordnet sind, wie an oder in der Windschutzscheibe angeordnete Teile. Die Komponenten einer Kraftfahrzeugkameraeinheit sind vorzugsweise in einem gemeinsamen Gehäuse angeordnet. Derartige Kraftfahrzeugkameraeinheiten werden zum Erfassen zumindest eines Teils einer Umgebung des Kraftfahrzeugs verwendet, in welchem sie angeordnet sind, und basierend auf den Bildern, die von solch einer Kraftfahrzeugkameraeinheit erfasst werden, können weitere Funktionen ausgeführt werden, insbesondere ausgeführt durch ein oder mehrere Fahrerassistenzsysteme. Einige Beispiele können ein Erfassen von Verkehrszeichen, von anderen Kraftfahrzeugen oder Fußgängern in der Umgebung des Kraftfahrzeugs sein und ein Bereitstellen jeweiliger Warnungen an den Fahrer oder sogar das automatische Durchführen mancher Funktionen basierend auf den detektierten Objekten in der Umgebung des Kraftfahrzeugs. Zu diesem Zweck sollten Kameras, die einem Kraftfahrzeug zugeordnet sind, idealerweise ein Sichtfeld bereitstellen, das möglichst groß ist und das den Großteil einer Straße oder eines Verkehrsbereichs vor dem Kraftfahrzeug abdeckt, gute Abbildungseigenschaften bereitstellen, zum Beispiel einen hohen Kontrast und eine hohe Auflösung, und eine Brennweite, die so klein wie möglich ist, um eine sehr kompakte Ausbildung der Kraftfahrzeugkameraeinheit bereitzustellen. Um jedoch oben genannte optische Erfordernisse, wie ein großes Sichtfeld, eine gute Bildkreisausleuchtung, hohe Modulationstransferfunktionswerte, zu erreichen, muss das optische System einer solchen Kraftfahrzeugkameraeinheit üblicherweise aus mehreren Linsen, die refraktive Elemente darstellen, zusammengesetzt werden, was bedeutet, dass die Oberfläche eine spezielle Form hat, die Licht gemäß dem Snell-Descartes-Brechungsgesetz ablenken wird. Derartige Lösungen sind üblicherweise komplex zu konzipieren, herzustellen und zusammenzusetzen, was das optische System üblicherweise zum teuersten Element einer solchen Kraftfahrzeugkameraeinheit macht.
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Daher ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Kraftfahrzeugkameraeinheit, ein Fahrerassistenzsystem und ein Kraftfahrzeug bereitzustellen, welche ein kosteneffizienteres und kompakteres Design einer Kraftfahrzeugkameraeinheit erlauben und gleichzeitig Abbildungseigenschaften hoher Qualität ermöglichen.
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Diese Aufgabe wird gelöst durch eine Kraftfahrzeugkameraeinheit, ein Fahrerassistenzsystem und ein Kraftfahrzeug mit den Merkmalen gemäß den unabhängigen Ansprüchen. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der abhängigen Patentansprüche, der Beschreibung und der Figuren.
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Erfindungsgemäß weist eine Kraftfahrzeugkameraeinheit zum Erfassen zumindest eines Teils einer Umgebung eines Kraftfahrzeugs ein konvergierendes optisches System und einen Bildsensor auf, wobei das optische System derart ausgebildet ist, dass der mindestens eine Teil der Umgebung in Form eines reellen Bildes des mindestens einen Teils der Umgebung auf einen einzigen Projektionsbereich optisch abgebildet wird, wobei der Bildsensor zumindest teilweise im Projektionsbereich angeordnet ist und dazu ausgelegt ist, zumindest einen Teil des Lichts zu erfassen, das durch das optische System hindurchgetreten ist und welches das reelle Bild des zumindest einen Teils der Umgebung formt. Dabei weist das optische System mindestens ein diffraktives optisches Element auf, welches dazu ausgelegt ist, durch das mindestens eine diffraktive optische Element hindurchtretendes Licht zu konvergieren.
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Ein diffraktives optisches Element unterliegt dank seiner Mikrostrukturen weniger mechanischen Limitierungen als ein Refraktives. Daher kann in der Ausgestaltung ein einziges diffraktives optisches Element nicht nur eine refraktive Linse sondern vielleicht zwei oder sogar drei refraktive Linsen ersetzen, die üblicherweise verwendet werden, um bestimmte Abbildungseigenschaften eines optischen Systems einer Kraftfahrzeugkameraeinheit bereitzustellen. Mit anderen Worten können die optischen Eigenschaften einer Kombination von mehreren refraktiven Linsen durch ein einziges diffraktives optisches Element bereitgestellt werden, welches diese Kombination im optischen System ersetzt. Daher kann durch die Verwendung von zumindest einem diffraktiven optischen Element im optischen System der Kraftfahrzeugkameraeinheit die Gesamtzahl an optischen Elementen dieses optischen Systems signifikant reduziert werden, die zur Bereitstellung bestimmter optischer Eigenschaften notwendig sind. Somit kann ein einziges diffraktives Element ein ganzes, komplexes, optisches System ersetzen, wobei ein solches komplexes, diffraktives Element, welches durch das mindestens eine diffraktive optische Element bereitgestellt werden kann, auch holografisches Element genannt wird. Mit anderen Worten kann das mindestens eine diffraktive optische Element als ein holografisches Element ausgebildet sein. Darüber hinaus kann durch die Reduzierung der Anzahl an optischen Elementen des optischen Systems auch die Anzahl von mehreren mechanischen Elementen reduziert werden, wie Abstandshaltern zwischen optischen Elementen. Dies hat den Vorteil, dass die Kosten zum Bereitstellen solch einer Kraftfahrzeugkameraeinheit reduziert werden können. Darüber hinaus weisen die Abstandshalter zum Beispiel ebenfalls mechanische Toleranzen auf. Somit ist, je mehr Abstandshalter im optischen System vorhanden sind, das Risiko der Herstellung eines falschen optischen Systems umso höher, somit erhöht sich die Ausschussrate. Folglich können durch die Verwendung von mindestens einem diffraktiven optischen Element im optischen System der Kraftfahrzeugkameraeinheit die Materialkosten sowie auch die Ausschussrate reduziert werden.
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Ein weiterer großer Vorteil der Verwendung von mindestens einem diffraktiven optischen Element im optischen System ist, dass solch ein diffraktives optisches Element sehr dünn und flach ausgebildet werden kann, im Gegensatz zu einer refraktiven Linse, und sehr kleine effektive Brennweiten erlaubt. Dies ist sehr wichtig, um in der Lage zu sein, eine kompakte und kleine Kraftfahrzeugkameraeinheit bereitzustellen. Somit sind vorteilhafterweise Dimensionen des optischen Systems im niedrigen einstelligen Zentimeterbereich möglich. Sogar die Anordnung des optischen Systems und des Bildsensors kann mit solch kleinen Dimensionen bereitgestellt werden.
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Dass die Kraftfahrzeugkameraeinheit dazu ausgelegt ist, zumindest einen Teil einer Umgebung eines Kraftfahrzeugs zu erfassen, soll mit Bezug auf deren vorgesehene Anordnungsposition innerhalb dieses Kraftfahrzeugs verstanden werden. Mit anderen Worten ist die Kraftfahrzeugkameraeinheit dazu ausgelegt, zumindest einen Teil einer Umgebung eines Kraftfahrzeugs zu erfassen, wenn die Kraftfahrzeugkameraeinheit im Inneren des Kraftfahrzeugs wie vorgesehen angeordnet ist, vorzugsweise zwischen einem Innenspiegel und einer Windschutzscheibe des Kraftfahrzeugs. Weiterhin bedeutet, dass ein reelles Bild von dem zumindest einen Teil der Umgebung durch das optische System bereitgestellt wird, dass das Bild des mindestens einen Teils der Umgebung in Transmission und nicht in Reflexion mit Bezug auf das optische System gebildet wird. Weiterhin soll, dass das optische System derart ausgebildet ist, dass der zumindest eine Teil der Umgebung auf einen einzigen Projektionsbereich optisch abgebildet wird, so ausgelegt werden, dass das optische System nicht als Strahlteiler wirkt. Mit anderen Worten stellt das optische System einen optischen Pfad bereit, der nicht verzweigt ist oder irgendwie in separate Pfadteile geteilt ist. Der Projektionsbereich kann einen zwei- oder dreidimensionalen Bereich darstellen. Der Projektionsbereich kann so definiert sein, dass er zum Beispiel eine Brennebene des optischen Systems umfasst. Darüber hinaus kann die Brennebene des optischen Systems eben oder gekrümmt sein. Des Weiteren ist der Bildsensor ein positionsauflösender Bildsensor, der zum Beispiel in Form eines Sensorarrays bereitgestellt werden kann, wie zum Beispiel ein CCD-Sensor oder CMOS-Sensor. Der Bildsensor kann innerhalb des Projektionsbereichs mit einem Abstand zum optischen System angeordnet sein, der zur effektiven Brennweite des optischen Systems korrespondiert.
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Wie am Anfang beschrieben, soll die Kraftfahrzeugkameraeinheit als funktionelle und physische Einheit verstanden werden. Zum Beispiel ist es bevorzugt, dass die Kraftfahrzeugkameraeinheit ein Gehäuse aufweist, in welchem das optische System und der Bildsensor angeordnet sind. Mit anderen Worten teilen sich der Bildsensor und das optische System ein gemeinsames Kameragehäuse. Nichtsdestoweniger kann ein solches Gehäuse ebenso Teil einer anderen Komponente des Kraftfahrzeugs sein, zum Beispiel einer Halterung eines Innenspiegels des Kraftfahrzeugs. Weiterhin ist es bevorzugt, dass die Kraftfahrzeugkameraeinheit zwischen einem solchen Innenspiegel und einer Windschutzscheibe des Kraftfahrzeugs positioniert ist, insbesondere wobei sie dabei einen Abstand zur Windschutzscheibe des Kraftfahrzeugs aufweist. Nichtsdestoweniger kann die Kraftfahrzeugkameraeinheit auch an anderen Positionen im Inneren oder außerhalb des Kraftfahrzeugs angeordnet sein, zum Beispiel in Seitenspiegeln des Kraftfahrzeugs integriert. Insbesondere ist es aufgrund des kompakten Designs der Kraftfahrzeugkameraeinheit, welches durch die Verwendung des mindestens einen diffraktiven optischen Elements ermöglicht wird, leicht, die Kraftfahrzeugkameraeinheit in fast jede beliebige Komponente des Kraftfahrzeugs zu integrieren.
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Das mindestens eine diffraktive optische Element ist als ein optisches Element mit einem interferometrischen Muster definiert, welches auf dessen Oberfläche oder in seinem Volumen eingeprägt ist. Dieses Muster ist von mikroskopischer Größenordnung. Wenn das einfallende Licht das mindestens eine diffraktive optische Element erreicht, wechselwirkt die Lichtwelle mit dem interferometrischen Muster und das Licht wird dann gemäß diesem interferometrischen Muster gebeugt. Vorzugsweise weist das diffraktive optische Element mehrere kreisförmige, insbesondere konzentrische Bereiche auf, welche sich mit Bezug auf ihre optischen Pfadlängen unterscheiden, indem sie verschiedene optische Dichten und/oder verschiedene Höhen mit Bezug auf eine Ebene senkrecht zu einem optischen Pfad des optischen Systems aufweisen. Durch solch konzentrische, kreisförmige Bereiche kann es erreicht werden, dass das diffraktive optische Element konvergierende Eigenschaften aufweist. Durch die Bereitstellung solch verschiedener Bereiche mit verschiedenen optischen Pfadlängen kann eine bestimmte Beugung und ein bestimmtes Interferenzmuster erzeugt werden. Dabei können die verschiedenen optischen Pfadlängen durch verschiedene optische Dichten der bestimmten Bereiche bereitgestellt werden und/oder durch verschiedene Höhen dieser Bereiche mit Bezug auf eine definierte Ebene. Wenn das mindestens eine diffraktive optische Element verschiedene Bereiche mit verschiedenen Höhen aufweist, stellt dies ein Oberflächenmuster dar, insbesondere ein interferometrisches Oberflächenmuster. Andererseits muss die Oberfläche des diffraktiven optischen Elements nicht notwendigerweise eine bestimmte Oberflächenstruktur aufweisen, sondern kann ebenso vollkommen eben ausgebildet sein und stattdessen ein Volumenmuster aufweisen, welches durch verschiedene optische Dichten der jeweiligen Bereiche bereitgestellt werden kann. Beide Ausbildungen können auch kombiniert werden. Darüber hinaus kann das mindestens eine optische Element ein Material wie Glas und/oder Polymere und/oder Metamaterialien oder jede beliebige Kombination davon aufweisen oder aus einem solchen Material hergestellt sein. Zum Beispiel können verschiedene der oben genannten Materialien, zum Beispiel verschiedene Metamaterialien und/oder verschiedene Polymere, verwendet werden, um korrespondierende verschiedene optische Dichten in den verschiedenen Bereichen des diffraktiven optischen Elements bereitzustellen. Es ist besonders vorteilhaft, wenn das mindestens eine optische Element ein Metamaterial aufweist oder aus einem solchen hergestellt ist, da Metamaterialien eine besondere Wechselwirkung mit elektromagnetischer Strahlung bereitstellen, was es erlaubt, sehr spezielle optische Eigenschaften bereitzustellen. Daher stellt solch ein diffraktives optisches Element eine Vielzahl an Freiheitsgraden bereit, um bestimmte, vorgesehene Abbildungseigenschaften bereitzustellen.
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Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung weist das optische System zusätzlich mindestens ein refraktives optisches Element auf, wie eine refraktive optische Linse. Grundsätzlich kann das optische System jede beliebige Kombination jeder beliebigen Anzahl von diffraktiven und refraktiven optischen Elementen aufweisen. Der Vorteil des Vorsehens mindestens eines refraktiven optischen Elements, wie einer konventionellen Linse, zusätzlich zum mindestens einen diffraktiven optischen Element, besteht darin, dass bestimmte abbildende Eigenschaften mittels eines refraktiven Elements einfacher bereitgestellt werden können. Solch eine Abbildungseigenschaft ist zum Beispiel ein großes Sichtfeld. Ein großes Sichtfeld kann einfacher mittels einer refraktiven Linse bereitgestellt werden, insbesondere wenn sich solch ein refraktives Element an erster Stelle mit Bezug auf einen Eingang des optischen Systems befindet. Der Eingang des optischen Systems zum Bildsensor entgegengesetzt angeordnet. Mit anderen Worten tritt Licht, welches dem zumindest einen Teil der Umgebung entstammt, durch den Eingang des optischen Systems in das optische System ein, passiert dann das optische System und trifft letztendlich auf dem Bildsensor auf. Daher ist eine Kombination eines diffraktiven optischen Elements mit mindestens einem refraktiven optischen Element innerhalb des optischen Systems besonders vorteilhaft.
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Ein weiterer großer Vorteil des Kombinierens diffraktiver und refraktiver optischer Elemente ist es, dass es solch eine kombinierte Anordnung erlaubt, ein thermisch sehr stabiles optisches System zu erreichen, da der Effekt der thermischen Expansion zwischen Diffraktion und Refraktion invertiert ist. Insbesondere beeinflusst die thermische Expansion der optischen Elemente ihre jeweiligen effektiven Brennweiten. Insbesondere vergrößert sich die effektive Brennweite des mindestens einen refraktiven optischen Elements, wenn sich das mindestens eine refraktive optische Element thermisch ausdehnt, während die effektive Brennweite des mindestens einen diffraktiven optischen Elements abnimmt, wenn sich das mindestens eine diffraktive optische Element thermisch ausdehnt. Daher variiert die gesamte effektive Brennweite nicht sehr, wenn das optische System unterschiedlichen Temperaturen ausgesetzt wird, wie es der Fall wäre, wenn das optische System nur entweder refraktive oder diffraktive optische Elemente aufweisen würde. Daher können ebenfalls thermisch sehr stabile optische Eigenschaften durch diese vorteilhafte Ausführungsform der Erfindung bereitgestellt werden.
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Nichtsdestoweniger kann das optische System auch nur ein einziges optisches Element aufweisen, welches das diffraktive optische Element darstellt, oder mehrere optische Elemente, die alle diffraktive optische Elemente darstellen. Auf diese Weise kann eine sehr schlanke Ausgestaltung des optischen Systems bereitgestellt werden.
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Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung weist das optische System eine effektive Brennweite von weniger als zehn Millimetern auf, insbesondere von 6,5 Millimetern. Mit anderen Worten kann durch die Verwendung von mindestens einem diffraktiven optischen Element ein optisches System mit einer extrem kleinen effektiven Brennweite bereitgestellt werden, zum Beispiel mit weniger als 10 Millimeter, was eine sehr kompakte Ausbildung dieser Kraftfahrzeugkameraeinheit erlaubt, da der Bildsensor sehr nahe am optischen System angeordnet werden kann. Weiterhin ist die Kraftfahrzeugkameraeinheit vorzugsweise so ausgebildet, dass eine Abbildungstiefe mindestens 13 Mikrometer beträgt. Daher kann ein scharfes Bild vorteilhafterweise in einem großen Bereich, insbesondere dem Projektionsbereich, insbesondere um die Brennebene, bereitgestellt werden. Daher stellt dies einen bevorzugten Bereich für die Position des Bildsensors dar, insbesondere für dessen Erfassungsebene.
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Weiterhin weist gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung die Kraftfahrzeugkameraeinheit ein Sichtfeld zwischen 90° und 120°, vorzugsweise ein Sichtfeld von mindestens 100°, in der horizontalen Richtung auf. Die horizontale Richtung bezieht sich hier auf die bestimmungsgemäße Einbaulage der Kraftfahrzeugkameraeinheit im Fahrzeug. Das Vorsehen eines Sichtfelds von mindestens 100° in der horizontalen Richtung ist besonders vorteilhaft mit Bezug auf kraftfahrzeugbezogene Anwendungen der Kraftfahrzeugkameraeinheit mit Bezug auf das Erfassen der Umgebung des Kraftfahrzeugs, da mittels eines so großen Sichtfelds in der horizontalen Richtung der relevante Verkehrsbereich vor dem Kraftfahrzeug erfasst werden kann. Im Gegensatz dazu kann das Sichtfeld in der vertikalen Richtung viel kleiner sein als in der horizontalen Richtung. Vorzugsweise weist die Kraftfahrzeugkameraeinheit ein Sichtfeld zwischen 30° und 50°, vorzugsweise ein Sichtfeld von mindestens 39°, in der vertikalen Richtung auf Dabei bezieht sich die vertikale Richtung auf die bestimmungsgemäße Einbaulage der Kraftfahrzeugkameraeinheit.
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Wie ebenfalls oben erwähnt, ermöglicht die Verwendung des mindestens einen diffraktiven optischen Elements eine sehr kompakte Ausbildung des optischen Systems und der gesamten Kamera. Zum Beispiel kann das optische System so ausgebildet sein, dass es einen Durchmesser zwischen 0,5 und 2,0 Zentimetern aufweist, vorzugsweise weniger als 1,1 Zentimetern. Wie man sehen kann, kann das optische System extrem klein mit Bezug auf seinen Durchmesser ausgebildet sein und dennoch sehr gute Abbildungseigenschaften bereitstellen. Dies ermöglicht viel Flexibilität mit Bezug auf die Positionierung der Kamera innerhalb des Kraftfahrzeugs.
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Darüber hinaus weist das optische System gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung eine Länge zwischen 2 und 3 Zentimeter auf, vorzugsweise maximal 2,4 Zentimeter, entlang einer Optischen-Pfad-Richtung eines optischen Pfads, der durch das optische System bereitgestellt wird. Dadurch kann die Kraftfahrzeugkameraeinheit auch in der Richtung des optischen Pfads, der durch das optische System bereitgestellt wird, sehr kompakt ausgebildet sein. Der optische Pfad verläuft insbesondere vom Eingang des optischen Systems durch das optische System zum Bildsensor.
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Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung weist das optische System einen Modulationstransferfunktionswert innerhalb eines zentralen Bereichs innerhalb des Sichtfelds auf, der mindestens 35 Prozent des gesamten Sichtfelds in der horizontalen Richtung darstellt, wobei der Modulationstransferfunktionswert mindestens 0,65 beträgt. Mit anderen Worten kann eine sehr gute optische Auflösung innerhalb der zentralen Position des Sichtfelds bereitgestellt werden. Darüber hinaus kann das optische System derart ausgelegt sein, dass ein Modulationstransferfunktionswert größer als oder gleich 0,6 innerhalb eines zweiten zentralen Bereichs des Sichtfelds bereitgestellt werden kann, der mindestens 58 Prozent des gesamten Sichtfelds in der horizontalen Richtung darstellt. Insbesondere kann das optische System derart ausgebildet sein, dass der Modulationstransferfunktionswert mindestens 0,84 in einem dritten zentralen Bereich des Sichtfelds beträgt, der mindestens 90 Prozent des gesamten Sichtfelds in der horizontalen Richtung darstellt. Daher kann, obwohl die optische Auflösung im Randbereich des Sichtfelds abnimmt, dennoch eine sehr gute optische Auflösung für mindestens 90 Prozent des gesamten Sichtfelds in der horizontalen Richtung bereitgestellt werden.
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Die Erfindung betrifft auch ein Fahrerassistenzsystem mit einer erfindungsgemäßen Kraftfahrzeugkameraeinheit oder einer ihrer Ausgestaltungen. Die mit Bezug auf die Kraftfahrzeugkameraeinheit beschriebenen Vorteile gelten daher in gleicher Weise für das erfindungsgemäße Fahrerassistenzsystem. Das Fahrerassistenzsystem kann dazu ausgelegt sein, mindestens eine Funktion basierend auf den Bildern, die von der Kraftfahrzeugkameraeinheit erfasst werden, durchzuführen, wie das Durchführen einer Objektdetektion eines Objekts in der Umgebung des Kraftfahrzeugs durch Analysieren dieser Bilder. Dadurch können zum Beispiel Verkehrszeichen, andere Kraftfahrzeuge oder Fußgänger in der Umgebung des Kraftfahrzeugs detektiert werden und optional jeweilige Warnungen an den Fahrer bereitgestellt werden und/oder automatische Fahrfunktionen in Abhängigkeit von den detektierten Objekten durchgeführt werden.
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Die Erfindung betrifft auch ein Kraftfahrzeug aufweisend eine erfindungsgemäße Kraftfahrzeugkameraeinheit oder eine ihrer Ausgestaltungen. Auch hier gelten die mit Bezug auf die erfindungsgemäße Kraftfahrzeugkameraeinheit und ihre Ausgestaltungen genannten Vorteile in gleicher Weise für das erfindungsgemäße Kraftfahrzeug.
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Darüber hinaus ist gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Kraftfahrzeugs die Kraftfahrzeugkameraeinheit in einem Inneren des Kraftfahrzeugs angeordnet. Dies ermöglicht eine sehr sichere Position der Kraftfahrzeugkameraeinheit. Darüber hinaus ist die Kraftfahrzeugkameraeinheit vorzugsweise derart angeordnet, dass ein Sichtfeld der Kraftfahrzeugkameraeinheit in Fahrtrichtung zeigt. Die Fahrtrichtung ist definiert in Richtung der Kraftfahrzeugfront oder der Richtung, in welche das Kraftfahrzeug sich bewegt, wenn sich das Kraftfahrzeug vorwärts bewegt. An solch einer Position kann, insbesondere in Kombination mit oben beschriebenem, bevorzugtem Sichtfeld der Kraftfahrzeugkameraeinheit in der horizontalen und vertikalen Richtung, der relevante Verkehrsbereich vor dem Fahrzeug erfasst werden.
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Darüber hinaus weist gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung das Kraftfahrzeug eine Windschutzscheibe und einen Innenspiegel mit einer Spiegelfläche auf, wobei die Kraftfahrzeugkameraeinheit zwischen der Windschutzscheibe und der Spiegelfläche angeordnet ist. An dieser oben beschriebenen Position kann der relevante Verkehrsbereich vor dem Kraftfahrzeug sehr einfach erfasst werden.
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Weitere Merkmale der Erfindung ergeben sich aus den Ansprüchen, den Figuren und der Figurenbeschreibung. Die vorstehend in der Beschreibung genannten Merkmale und Merkmalskombinationen sowie die nachfolgend in der Figurenbeschreibung genannten und/oder in den Figuren alleine gezeigten Merkmale und Merkmalskombinationen sind nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen verwendbar, ohne den Rahmen der Erfindung zu verlassen. Es sind somit auch Ausführungen von der Erfindung als umfasst und offenbart anzusehen, die in den Figuren nicht explizit gezeigt und erläutert sind, jedoch durch separierte Merkmalskombinationen aus den erläuterten Ausführungen hervorgehen und erzeugbar sind. Es sind auch Ausführungen und Merkmalskombinationen als offenbart anzusehen, die somit nicht alle Merkmale eines ursprünglich formulierten unabhängigen Anspruchs aufweisen. Es sind darüber hinaus Ausführungen und Merkmalskombinationen, insbesondere durch die oben dargelegten Ausführungen, als offenbart anzusehen, die über die in den Rückbezügen der Ansprüche dargelegten Merkmalskombinationen hinausgehen oder von diesen abweichen.
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Dabei zeigen:
- 1 eine schematische Darstellung einer Kraftfahrzeugkameraeinheit gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung;
- 2 eine schematische und perspektivische Darstellung einer Kraftfahrzeugkameraeinheit gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung;
- 3 eine schematische Darstellung eines optischen Systems für eine Kraftfahrzeugkameraeinheit gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung;
- 4 eine schematische und perspektivische Darstellung eines diffraktiven optischen Elements für eine Kraftfahrzeugkameraeinheit gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung; und
- 5 eine schematische Darstellung eines interferometrischen Musters aus zwei zirkularen Wellenfronten, um das Funktionsprinzip eines diffraktiven optischen Elements zu illustrieren.
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1 zeigt eine schematische Darstellung einer Kraftfahrzeugkameraeinheit 1 gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung. Diese Kraftfahrzeugkameraeinheit 1 ist in 1 ohne ihr Gehäuse 2 dargestellt, wobei 2 eine schematische und perspektivische Darstellung dieser Kraftfahrzeugkameraeinheit 1 zusammen mit ihrem Gehäuse 2 zeigt. Wie in 1 zu sehen ist, weist die Kraftfahrzeugkameraeinheit 1 ein optisches System 3 und einen Bildsensor 4 auf, der auf einer Leiterplatte 5 angeordnet ist. Diese Leiterplatte 5 ist elektrisch, zum Beispiel über ein Kabel 6, mit einer Hauptplatine 7 der Kraftfahrzeugkameraeinheit 1 gekoppelt.
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In diesem Beispiel weist das optische System 3 ein diffraktives optisches Element 8, zum Beispiel eine diffraktive Linse, auf. Mittels eines solchen diffraktiven optischen Elements 8 kann die Gesamtzahl an Elementen im optischen Design eines solchen optischen Systems 3 vorteilhafterweise reduziert werden. Dies macht dieses günstiger und einfacher herzustellen. Das optische System 3 der Kraftfahrzeugkameraeinheit 1 kann eine einzige diffraktive Linse 8, wie in 1 illustriert, aufweisen, oder alternativ auch mehrere diffraktive optische Elemente 8, wie diffraktive optische Linsen. Darüber hinaus kann das optische System 3 zusätzlich auch ein oder mehrere refraktive optische Elemente aufweisen, wie zum Beispiel refraktive Linsen 9 (vergleiche 3). Der Vorteil der Verwendung von mindestens einem diffraktiven optischen Element 8 ist, dass solch ein einziges diffraktives Element 8 ein ganzes komplexes optisches System ersetzen kann, wobei ein solches komplexes diffraktives Element 8 auch als holografisches Element bezeichnet wird. Es ist auch möglich, nur ein paar optische Elemente 9 zu ersetzen und ein hybrides Design unter Verwendung diffraktiver und refraktiver Elemente 8, 9 bereitzustellen, wie in 3 illustriert. Eine solche Ausbildung erlaubt es, ein thermisch stabiles optisches System 3 zu erreichen, da der Effekt der thermischen Expansion zwischen Diffraktion und Refraktion invertiert ist. Auch kann ein solches diffraktives optisches Element 8 einige Eigenschaften zusätzlich zum Linseneffekt zeigen. Damit ist es möglich, manche optischen Nachteile, die von Standardlinsen 9 gezeigt werden, wie zum Beispiel optische Aberrationen, zu kompensieren. Durch die Begrenzung der Anzahl von Elementen ist es möglich, die Anzahl an unerwünschten inneren Reflexionen zu reduzieren. Die Menge an Lichtverlusten kann vorteilhafterweise reduziert werden. Ein diffraktives Element 8 kann etwas Chromatizität zeigen, welche jedoch durch die Wahl des optischen Materials des diffraktiven Elements 8 kompensiert werden kann.
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Die Kraftfahrzeugkameraeinheit 1 weist ein Sichtfeld 10 auf, welches durch die gestrichelten Linien in 1 illustriert ist. Das optische System 3 ist weiterhin derart ausgebildet, dass zumindest ein Teil 11a der Umgebung 11, insbesondere eines Kraftfahrzeugs, in welchem die Kraftfahrzeugkameraeinheit 1 angeordnet ist, optisch in Form eines reellen Bildes auf einen Projektionsbereich 12 abgebildet wird, in welchem der Bildsensor 4 angeordnet ist. Dabei können der Projektionsbereich 12 und der Bildsensor 4 identisch sein oder zumindest zum Teil mit Bezug auf ihre Positionen verschieden. Zumindest überschneiden sich die Positionen des Bildsensors 4 und des Projektionsbereichs 12. Dabei kann der Erfassungsbereich des Bildsensors 4 größer sein als der Projektionsbereich 12, so dass das gesamte Bild, welches vom optischen System 3 erzeugt wird, durch den Bildsensor 4 erfasst werden kann. Andererseits kann der Projektionsbereich 12 auch größer sein als der Erfassungsbereich des Bildsensors 4, so dass nur ein Teil des reellen Bildes, welches vom optischen System 3 erzeugt wird, vom Bildsensor 4 erfasst wird.
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Weiterhin kann das optische System 3 eine optische Achse 12 aufweisen. Diese optische Achse 12 kann mit allen optischen Achsen aller optischen Elemente, die vom optischen System 3 umfasst sind, zusammenfallen. In diesem Fall sind alle optischen Elemente, nämliche diffraktive optische Element 8 sowie auch refraktive optische Elemente 9, mit Bezug auf ihre jeweiligen optischen Achsen 12 koaxial zueinander angeordnet. Darüber hinaus weist das optische System einen Eingang 3a auf, durch welchen Licht aus dem Teil 11a der Umgebung 11 in das optische System eintritt, bevor es auf den Bildsensor 4 projiziert wird. Dieser Eingang 3a ist Teil des optischen Systems 3, was auch in 2 gesehen werden kann. Darüber hinaus weist das optische System 3 eine effektive Brennweite f auf, die vorzugsweise kleiner als 1 Zentimeter ist, wodurch ein sehr kompaktes Design der Kraftfahrzeugkameraeinheit 1 ermöglicht wird. Zum Beispiel können die Abmessungen der in 2 illustrierten Kraftfahrzeugkameraeinheit 1 10 Zentimeter in x-Richtung, 15 Zentimeter in y-Richtung und 7 Zentimeter in z-Richtung betragen. Darüber hinaus ist der Bildsensor 4 in einem Abstand zum optischen System 3 angeordnet, der zur effektiven Brennweite f korrespondiert. Mit anderen Worten ist der Bildsensor 4 zumindest zum Teil innerhalb der Brennebene des optischen Systems 3 angeordnet.
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3 zeigt eine schematische Darstellung eines solchen optischen Systems 3 für eine Kraftfahrzeugkameraeinheit 1, welche in diesem Beispiel mehrere refraktive Linsen 9 zusätzlich zum mindestens einen diffraktiven optischen Element 8 aufweist. Weiterhin weisen in diesem Beispiel alle optischen Elemente 8, 9 eine gemeinsame optische Achse 12 auf. Darüber hinaus ist es bevorzugt, dass diese optischen Elemente 8, 9 einen festen Abstand zueinander aufweisen, der zum Beispiel durch Abstandshalter fixiert sein kann, die hier nicht dargestellt sind. So kann auch dieses optische System 3 eine feste effektive Brennweite f aufweisen und auch der Bildsensor 4 kann sich in einer festen Position mit Bezug auf das optische System 3 befinden. Dies erlaubt eine sehr einfache Ausgestaltung der Kraftfahrzeugkameraeinheit. Jedoch kann eventuell eine Zoomfunktion ebenfalls in die Kraftfahrzeugkameraeinheit 1 integriert sein und durch das optische System 3 bereitgestellt werden.
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4 zeigt eine schematische Darstellung eines diffraktiven optischen Elements 8 für eine Kraftfahrzeugkameraeinheit 1 gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung. Solch eine diffraktive Linse 8 ist typischerweise ein flaches optisches Element mit einem interferometrischen Muster, das auf dessen Oberfläche 13 oder innerhalb seines Volumens eingeprägt ist. Dieses Muster ist von mikroskopischer Größenordnung. Solche Muster können zum Beispiel durch kreisförmige, insbesondere konzentrische, Bereiche 14, 15 bereitgestellt sein, die in 4 durch die jeweiligen hellen Bereiche 14 und dunklen Bereiche 15 illustriert sind, von welchen aus Gründen der Einfachheit nur jeweils einer mit einem Bezugszeichen versehen ist. Solche Bereiche 14, 15 unterscheiden sich voneinander mit Bezug auf ihre optischen Pfadlängen, die in Richtung der optischen Achse 12 des diffraktiven Elements 8 bereitgestellt sind. Solche unterschiedlichen optischen Pfadlängen können auf unterschiedliche Weisen bereitgestellt werden, zum Beispiel durch das Bereitstellen verschiedener optischer Dichten innerhalb der jeweiligen Bereiche 14, 15 und/oder durch Bereitstellen einer Mikrostruktur auf der Oberfläche 13 der diffraktiven Linse 8. Eine solche Mikrostruktur stellt verschiedene Höhen in den jeweiligen Bereichen 14, 15 mit Bezug auf eine definierte Ebene senkrecht zur optischen Achse 12 bereit. Dabei können nicht nur zwei verschiedene Bereiche 14, 15, wie in 4 dargestellt, bereitgestellt werden, sondern auch mehr als zwei. Auch können sich die verschiedenen Bereiche 14, 15 voneinander mit Bezug auf ihre Transparenzen unterscheiden, wie eine Fresnel-Zonenplatte. Insbesondere ist in 4 eine enorm vereinfachte Ausgestaltung eines solchen diffraktiven optischen Elements 8 dargestellt.
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5 zeigt ein interferometrisches Muster 16, welches durch zwei kreisförmige Wellenfronten hervorgerufen wird, um das Funktionsprinzip eines solchen diffraktiven optischen Elements 8 zu veranschaulichen. Das Licht, welches durch diese beiden Wellenfronten bereitgestellt wird, interferiert, und erzeugt dadurch Maxima und Minima in einem Abstand vom Ursprung der Wellenfronten, welcher die Ebene darstellt, die von einem diffraktiven optischen Element 8 bereitgestellt wird, im Falle, dass diese Wellenfronten von einem solchen diffraktiven optischen Element 8 hervorgerufen werden. Dieses Funktionsprinzip kann genutzt werden, um Licht, welches ein solches diffraktives optisches Element 8 durchläuft, zu fokussieren.
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Um dies zusammenzufassen, können durch die Verwendung von mindestens einem diffraktiven optischen Element in einem optischen System einer Kraftfahrzeugkamera gute Abbildungseigenschaften einer solchen Kraftfahrzeugkamera bereitgestellt oder erhalten werden, wobei man gleichzeitig in der Lage ist, die Anzahl notwendiger optischer Elemente zu reduzieren, da ein einzelnes diffraktives optisches Element, welches dank seiner Mikrostrukturen weniger mechanischen Limitierungen als ein refraktives optisches Element unterliegt, nicht nur eine refraktive Linse ersetzen kann, sondern vielleicht zwei oder sogar drei. Dies bedeutet, dass ein einzelnes diffraktives optisches Element die gleichen optischen Eigenschaften bereitstellen kann wie eine Kombination aus zwei oder sogar drei refraktiven Linsen. Dadurch kann die Komplexität des optischen Systems signifikant reduziert werden.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- EP 2189340 A2 [0002]
- US 2014/0043484 A1 [0002]
- DE 102013210878 A1 [0003]
- FR 2947781 A1 [0003]
- US 5071207 A [0003]
- US 7957063 B2 [0003]
