WO2006015905A1 - Optisches modul für ein den aussenvorraum in fahrtrichtung eines kraftfahrzeuges erfassendes assistenzsystem - Google Patents

Optisches modul für ein den aussenvorraum in fahrtrichtung eines kraftfahrzeuges erfassendes assistenzsystem Download PDF

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motor vehicle
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sensitive surface
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Henryk Frenzel
Thorsten KÖHLER
Stephan Voltz
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Siemens Corp
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Siemens Corp
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    • B60R2300/10—Details of viewing arrangements using cameras and displays, specially adapted for use in a vehicle characterised by the type of camera system used
    • B60R2300/108—Details of viewing arrangements using cameras and displays, specially adapted for use in a vehicle characterised by the type of camera system used using 'non-standard' camera systems, e.g. camera sensor used for additional purposes i.a. rain sensor, camera sensor split in multiple image areas

Definitions

  • Optical module for an assistance system which detects the outer vestibule in the direction of travel of a motor vehicle
  • the invention relates to an optical module of an outer space in the direction of travel of a motor vehicle detecting assistance system, with a circuit carrier; a semiconductor element arranged on the circuit carrier; and a lens unit for projecting electromagnetic radiation onto a sensitive surface of the semiconductor element.
  • Camera applications are finding more and more application in the motor vehicle of the near future. Many assistive systems are conceivable for which one or more cameras must look ahead through the windshield. Examples include: lane detection or monitoring applications, night vision applications, obstacle warning, pre-crash sensing, automatic speed adaptation, congestion assist, pedestrian and cyclist protection, traffic sign recognition, parking assistance and the like.
  • the optical module of a monocamera or the optical modules must have a "clear view" to the front. They should also be protected from contamination, i. as uninfluenced by rain, snow and dirt can work. A preferred place is therefore in the interior behind the windshield.
  • rain sensors in the foot section of the holder for the mirror surface of an interior rear-view mirror.
  • These emit, for example, an infrared light directed obliquely through the pane, which is guided through the windshield and reflected on the outer pane surface.
  • Receiver diodes especially photodiodes, receive the reflected light.
  • the infrared light reaches the receiving diode almost at full strength, so-called total reflection.
  • An electronic control recognizes die ⁇ this S ⁇ gnaldifferenz that there are drops of water on the windshield and controls accordingly the wiper system.
  • the sensor system Since these measurements are to be made permanently within the wiping range, the sensor system detects the intensity of the precipitate. Accordingly, it controls single wiping operations as well as wiping intervals with optimal interval cycles and continuous wiping at different speeds. After current generations of rain sensors work with infrared light, the sensor can also be housed in a blackened area of the windscreen. This makes the rain sensor virtually invisible from the outside.
  • an optical module that is to say an optical lens system with a sensor for recording two-dimensional or three-dimensional images
  • image acquisition sensors in the foot section of the support for the mirror surface of an interior rear-view mirror are therefore much more problematic.
  • the rain sensor has already been placed at this point; in general, very little installation space is present at this point, if, for example, the entire electronics, in particular from cost and production points of view, should be arranged in the mirror base or not close to it.
  • the line length can not be arbitrarily long, because the driver power is regularly limited.
  • the invention is based on generic optical modules in that the sensitive surface of the semiconductor element has a multiplicity of light-sensitive cells (pixels) which temporarily and / or at least partly also detect the proximity of the windshield of the motor vehicle, advantageously also in the so-called Blurred area.
  • pixels light-sensitive cells
  • the present invention is based on the idea that one and the same sensitive surface is used cyclically, ie temporarily, advantageously for realizing an exterior space assist function and a rain functionality, namely according to the invention alternatively or cumulatively for the partial use of light-sensitive cells (US Pat. Pi ⁇ xel), eg the use of partial image areas.
  • an optical exposure means is provided for this purpose, for example a focal plane shutter which cyclically alternately alternates at least part of the light-sensitive cells (pixels) of the sensitive area of the semiconductor element for the outer vestibule .
  • the motor vehicle sometimes exposed to the vicinity of the windshield.
  • the present invention makes use of the idea that often only a relatively few lines of photosensitive cells (pixels) of the sensitive area of the semiconductor element of an optical module are required for the aforementioned assistance systems, but the full number of gaps.
  • Conventional sensitive surfaces of the semiconductor element often simply referred to as an image sensor, have, for example, a ratio of columns to rows of 4: 3 (eg VGA640x480).
  • the present invention therefore also proposes, for the first time, the partial image area which is not needed for the assistance function.
  • at least one second projection means is arranged in the beam path of the optical module, which focuses at least part of the light-sensitive cells (pixels) of the sensitive surface of the semiconductor element onto the near zone of the windshield of the motor vehicle.
  • the second projection means is designed as a close-up optics.
  • the second projection means is a partial conversion lens.
  • the focusing of at least part of the photosensitive cells (pixels) of the sensitive area of the semiconductor element onto the near area of the windshield of the motor vehicle can finally also be achieved by means of an optical beam splitter or a semitransparent mirror.
  • a robust rain sensor functionality can be realized when the light source and optics are arranged accordingly.
  • the effect is exploited that at the points where a Re- grafting, no total reflection at the disc takes place, but that light is deflected in different directions and thus a lower signal is detectable.
  • infrared light sources have proven to be suitable as sources of illumination for the near field.
  • suitable projection means or sequences have been realized for the first time, which i.a. the viewing area, which is required for the driver assistance maps to a sensor area with a suitable depth of focus and at the same time a sufficiently large area of Wind ⁇ protection disc of the motor vehicle partially maps to another ⁇ sensor area.
  • This has the advantage that the camera system for driver assistance completely assumes the functions of the rain sensor.
  • the classic rain sensor is thus superfluous and can advantageously be omitted.
  • FIG. 1 shows a first realization of the invention
  • Fig. 2 shows a second embodiment of the invention
  • Fig. 3 shows a third realization of the invention.
  • Lane detection often requires relatively few lines of a camera 1, but the full number of columns.
  • conventional image sensors 12 have a ratio of columns to rows of e.g. 4: 3 (e.g., VGA640x480).
  • the image area which is not suitable for the driver assistance radio
  • Fig. 1 shows such a realization of the invention according to the principle of beam splitting.
  • the light-sensitive cells (pixels) of the sensitive surface 34 are split up of the semiconductor element 12 to electromagnetic radiation from the main beam path 50 (observation of the road) and to electromagnetic radiation from the sub-beam path 51 (focus on the windshield 40).
  • the mirror 28 directs about 86 to 94% of the electromagnetic radiation from the outer vestibule 50 of the motor vehicle and 6 to 14% of the electromagnetic radiation from the near zone 51 of the windshield 40 on the photosensitive cells (pixels) of the sensitive surface 34 of the semiconductor element 12th from.
  • An alternative solution is, instead of the deflection mirror 28, which can be provided for only a part of the sensor surface 34, to provide a beam splitter, which reads a large part of the light for the far range (eg 90%) and a part of (eg 90 °). coupled (eg 10%), which is focused on an optics 28 on the near zone 51.
  • a reference sensor functionality By means of a suitable illumination source (LED), with a corresponding arrangement of the light source 5 and the optic 28, a reference sensor functionality can be realized.
  • LED illumination source
  • the effect is exploited that at the points on which there is a rain drop, no total reflection takes place on the disk 40, but that light is deflected in different directions and thus a lower signal can be detected.
  • Fig. 2 shows such an implementation of the invention.
  • an additional Nahfeld ⁇ optics 24 introduced, which realizes the focus on a near area 51 of the windshield 40 and at the same time the evaluation of the light beams fed through an LED 5 and thus an evaluation in rain / no rain allowed.
  • the near-vision 24 can also cooperate with a partial objective lens 26. But it can also only one optics 14; 16, 18, 20; 21 used for the distance 50, and a partial front lens 28 are brought into the beam path, which focuses at least parts of the sensor surface 34 to the near zone 51.
  • FIG. 3 shows a further realization of the invention.
  • one or more LEDs 5 are used to temporally define or modulate an evaluable light at the height of the main beam path into the windshield 40.
  • a corresponding blurred image occurs, which as a defined reflection pattern before an evaluation in rain Yes / No allow. Due to the number and size of the reflection patterns, it is also possible to deduce the degree of visual impairment, which permits an "intelligent" control of a windshield wiper (not shown), taking advantage of the fact that when the windshield is dry, all the rays with angle are larger about 42 ° are totally reflected and wet disk 40 total reflection only at angles greater about 62 °.
  • CMOS image sensors By using a sensor with a synchronous shutter, it is also possible to expose all light-sensitive cells (pellets) at a time, and thus to synchronize them with the IR light source 5. This advantageously makes it possible to suppress background light such as sunlight, since the light source 5 is pulsed with increased current only for a short time (eg between 80 ⁇ s and 120 ⁇ s, in particular with 100 ⁇ s) and also the sensitive surface 34 of the semiconductor element 12 only for a short time exposed.
  • a short time eg between 80 ⁇ s and 120 ⁇ s, in particular with 100 ⁇ s
  • the Regensensor ⁇ function possibly only a small part of the sensitive surface 34 of the semiconductor element 12 used and / or only a small exposure time is required, the image data of a few milliseconds can within * "(for example, between 1 ms un, d 2ms) perennial- be men.
  • a relatively low update rate is necessary for a rain sensor system (eg between 500 ms and 1 ms), so that in addition to a driver assistance function, it is advantageously possible to realize a reverse sensor function with relatively little computational effort without adversely affecting the overall timing. influence.
  • the camera is able to extend the windshield wiper function via an intelligent software evaluation. This allows the camera to control the wiping function more intelligently via the size, speed and intensity, etc. of the drops or snow. Furthermore, it is conceivable to counteract the detection of upcoming "water events" on the windshield 40 in advance: if, for example, an overtaking car bends in front of one's own vehicle during rain, rain is to be expected immediately Even when overtaking, especially of trucks in the rain, haze can be detected, so that the windshield wiping process is started before the visibility is poor.
  • the present invention is based on the main idea that a camera system for driver assistance completely assumes the functions of a rain sensor. The rain sensor is thus no longer necessary and deleted.
  • the optical module according to the invention allows a better and more intelligent functionality, since the image of the camera or the module rather corresponds to the human senses. Both, human and camera, try to look through the glass. Only software can be used for a first evaluation - it rains. Finally, predictive windscreen wiping can also be detected, e.g. Retraction in haze of trucks during overtaking or the like.
  • the present invention is excellently suited as an application in existing motor vehicle optical assistance systems such as lane detection or monitoring applications, night vision applications, obstacle warning, pre-crash sensing, automatic speed adaptation, congestion assist, pedestrian and cyclist contactor, Traffic character recognition, or the like more.

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Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft ein optisches Modul (1) eines den Außenvorraum (50) in Fahrtrichtung eines Kraftfahrzeuges erfassenden Assistenzsystems, mit einem Schaltungsträger (10); einem auf dem Schaltungsträger (10) angeordneten Halbleiterelement (12); und einer Linseneinheit (14; 16, 18, 20; 21) zum Projizieren von elektromagnetischer Strahlung auf eine sensitive Fläche (34) des Halbleiterelements (12). Sie zeichnet sich dadurch aus, dass die sensitive Fläche (34) des Halbleiterelements (12) eine Vielzahl lichtempfindlicher Zellen (Pixel) aufweist, welche zeitweise und/oder zumindest teilweise auch den Nahbereich (51) der Windschutzscheibe (40) des Kraftfahrzeuges erfassen. Mit der vorliegenden Erfindung wurden erstmals geeignete Projektionsmittel bzw. -sequenzen realisiert, welche u.a. den Sichtbereich, welcher für die Fahrerassistenz benötigt wird, auf einen Sensorbereich mit geeigneter Tiefenschärfe abbildet und gleichzeitig einen ausreichend großen Bereich der Windschutzscheibe des Kraftfahrzeuges partiell auf einen anderen Sensorbereich abbildet. Dies hat zum Vorteil, dass das Kamerasystem für die Fahrerassistenz die Funktionen des Regensensors vollständig übernimmt. Der klassische Regensensor wird damit überflüssig und kann vorteilhaft entfallen.

Description

Beschreibung
Optisches Modul für ein den Außenvorraum in Fahrtrichtung ei¬ nes Kraftfahrzeuges erfassendes Assistenzsystein
Die Erfindung betrifft ein Optisches Modul eines den Außen¬ vorraum in Fahrtrichtung eines Kraftfahrzeuges erfassenden Assistenzsystems, mit einem Schaltungsträger; einem auf dem Schaltungsträger angeordneten Halbleiterelement; und einer Linseneinheit zum Projizieren von elektromagnetischer Strah¬ lung auf eine sensitive Fläche des Halbleiterelements.
Kameraapplikationen finden immer mehr Anwendung im Kraftfahr¬ zeug der näheren Zukunft. Dabei sind viele assistierende Sys- teme vorstellbar, für die eine oder mehrere Kameras nach vor¬ ne durch die Windschutzscheibe blicken müssen. Als Beispiele können genannt werden: Spurerkennungs- oder -Überwachungs- Anwendungen, Nachtsicht-Anwendungen, Hinderniswarnung, Pre- Crash-Sensierung, Automatische Geschwindigkeitsadaption, Stauassistent, Fußgänger- und Fahrradfahrerschutz, Verkehrs¬ zeichenerkennung, Einparkhilfe und dergleichen mehr.
Im Kraftfahrzeug steht häufig jedoch nur ein begrenzter Bau- raum zur Verfügung. Des Weiteren müssen das Optikmodul einer Monokamera bzw. die Optikmoduln in Fall einer Stereokamera "freie Sicht" nach vorne haben. Sie sollten zudem vor Ver¬ schmutzungen geschützt sein, d.h. möglichst unbeeinflusst von Regen, Schnee und Dreck arbeiten können. Ein bevorzugter Platz ist daher im Innenraum hinter der Windschutzscheibe.
Es gibt im Wesentlichen zwei Möglichkeiten der Anbringung ei¬ ner vorwärtsgerichteten Kamera in einem Kraftfahrzeug: Direkt an der Scheibe oder etwas zurück gesetzt im Fahrerraum. Bei der zurückgesetzten Lösung bietet sich vorteilhaft die Mög¬ lichkeit, ein Beschlagen der Scheibe automatisch durch Steue¬ rung von Klima und Heizung entgegenzuwirken. Damit aber ist der Nachteil verbunden, dass das Optikmodul für den Menschen sichtbar ist und somit in das Design des Fahrzeugs zum Teil empfindlich eingreift.
Es ist bekannt, im Fußabschnitt der Halterung für die Spie¬ gelfläche eines Innenrückspiegels sog. Regensensoren anzuord- nen. Diese geben beispielsweise ein schräg durch die Scheibe gerichtetes Infrarotlicht ab, welches durch die Windschutz¬ scheibe geleitet und an der äußeren Scheibenoberfläche re¬ flektiert wird. Empfängerdioden, insb. Fotodioden, empfangen das reflektierte Licht. Bei einer trockenen Scheibenoberflä- che erreicht das Infrarotlicht die Empfangsdiode nahezu mit voller Stärke, sog. Totalreflexion. Bei Regen dagegen wird es durch die Wassertropfen ausgekoppelt und gelangt nur noch teilweise dorthin. Eine Steuerelektronik erkennt anhand die¬ ser Sάgnaldifferenz, dass sich Wassertropfen auf der Wind- schutzscheibe befinden und steuert dementsprechend die Wisch¬ anlage. Da diese Messungen permanent innerhalb des Wischbe¬ reiches vorzunehmen sind, erkennt die Sensorik die Stärke des Niederschlags. Dementsprechend steuert sie Einzelwisch- Vorgänge ebenso wie Wisch-Intervalle mit optimalen Intervall- Zyklen und das Dauerwischen mit unterschiedlichen Geschwin¬ digkeiten. Nachdem aktuelle Generationen von Regensensoren mit infrarotem Licht arbeiten, kann der Sensor auch in einem geschwärzten Bereich der Frontscheibe untergebracht werden. Damit ist der Regensensor von außen so gut wie nicht sicht- bar.
Der Einbau eines Optikmoduls, also eines optischen Linsensys¬ tems mit Sensor zur Aufnahme von zwei- oder dreidimensionalen Bildern, sog. Bildaufnahmesensoren, im Fußabschnitt der HaI- terung für die Spiegelfläche eines Innenrückspiegels ist da¬ gegen ungleich problembehafteter. So ist nicht nur von Nach¬ teil, dass an dieser Stelle bereits der Regensensor platziert ist; überhaupt ist an dieser Stelle sehr wenig Bauraum vor¬ handen, wenn beispielsweise die gesamte Elektronik, insbeson¬ dere aus Kosten- und Fertigungsgesichtspunkten, im Spiegelfuß oder nicht unweit davon angeordnet sein soll. Insbesondere kann die Leitungslänge nicht beliebig lang sein, weil die Treiberleistung regelmäßig begrenzt ist. Aufgrund des Win¬ kels, den das Optikmodul bei seiner Ausrichtung in Fahrtrich¬ tung zu der Windschutzscheibe einhalten muss, wird ebenfalls viel Platz verloren, so dass für die notwendige Unterbringung des Optikmoduls sowie ggf. einer Auswerte- und/oder Übertra- gungseinheit oder anderer Sensoren wie den eines Regensensors ein verhältnismäßig großer Spiegelfuß zu entwerfen wäre, wel¬ cher neben seinem designerischen Makel immanent der Problema¬ tik unterliegt, den Blickwinkel des Optikmoduls wenigsten teilweise, insb. in den Eckeru^des Sichtfeldes, abzuschatten. Bekannte optische Module für Fahrerassistenzfunktionen wie z.B. Spurerkennung etc. befinden sich daher meist unterhalb des Regensensors im gewischten Bereich zwischen Innenrück¬ spiegel und Frontscheibe.
Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, die aus dem Stand der Technik bekannten Nachteile zu vermieden.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Merkmale der un¬ abhängigen Patentansprüche gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltun- gen und Weiterbildungen, welche einzeln oder in Kombination miteinander eingesetzt werden können, sind Gegenstand der je¬ weils abhängigen Ansprüche. Die Erfindung baut auf gattungsgemäßen optischen Moduln da¬ durch auf, dass die sensitive Fläche des Halbleiterelements eine Vielzahl lichtempfindlicher Zellen (Pixel) aufweist, welche zeitweise und/oder zumindest teilweise auch den Nahbe- reich der Windschutzscheibe des Kraftfahrzeuges erfassen, vorteilhaft also auch im sog. Unscharfe Bereich.
Der vorliegenden Erfindung liegt somit zum einen der Gedanke zugrunde, dass ein und dieselbe sensitive Fläche zyklisch, also zeitweise, abwechselnd vorteilhaft zur Realisierung ei¬ ner Außenraumassistenzfunktion und einer Regenfunktionalität verwendet wird, und zwar erfindungsgemäß alternativ oder ku¬ mulativ zur teilweisen Nutzung lichtempfindlicher Zellen (Pi¬ xel) , also z.B. der Nutzung partieller Bildbereiche. Diesbe- züglich bevorzugt ist dazu ein optisches Belichtungsmittel vorgesehen, beispielsweise ein (Schlitz-)Verschluss (focal- plane shutter) , welcher wenigstens einen Teil der lichtemp¬ findlichen Zellen (Pixel) der sensitiven Fläche des Halblei¬ terelements zyklisch abwechselnd mal für den Außenvorraum ..des Kraftfahrzeuges, mal für den Nahbereich der Windschutzscheibe belichtet.
Zum anderen macht die vorliegende Erfindung von dem Gedanken gebrauch, dass für die eingangs genannten Assistenzsysteme oft nur verhältnismäßig wenige Zeilen lichtempfindlicher Zel¬ len (Pixel) der sensitiven Fläche des Halbleiterelements ei¬ nes optischen Moduls benötigt werden, jedoch die volle Anzahl an Spalten. Übliche sensitive Flächen des Halbleiterelements, häufig einfach auch als Bildsensor bezeichnet, verfügen bei- spielsweise aber über ein Verhältnis von Spalten zu Zeilen von 4:3 (z.B. VGA640x480) . Mit der vorliegenden Erfindung ist daher erstmals auch vorgeschlagen, den partiellen Bildbe¬ reich, welcher nicht für die Assistenzfunktion benötigt wird, vorteilhaft zur Realisierung einer Regensensorfunktionalität zu verwenden. Diesbezüglich bevorzugt ist dazu im Strahlen¬ gang des optischen Moduls wenigstens ein zweites Projektions¬ mittel angeordnet, welches wenigstens einen Teil der licht- empfindlichen Zellen (Pixel) der sensitiven Fläche des Halb¬ leiterelements auf den Nahbereich der Windschutzscheibe des Kraftfahrzeuges fokussiert.
Vorzugsweise ist das zweite Projektionsmittel als Nahoptik ausgebildet.
Alternativ oder kumulativ hierzu ist das zweite Projektions¬ mittel eine partielle Vorsatzlinse.
Die Fokussierung wenigstens eines Teils der lichtempfindli¬ chen Zellen (Pixel) der sensitiven Fläche des Halbleiterele¬ ments auf den Nahbereich der Windschutzscheibe des Kraftfahr¬ zeuges kann schließlich auch mittels eines optischen Strah¬ lenteilers oder eines halbdurchlässigen Spiegels erreicht werden.
Bewährt hat sich, dass 86 % bis 94 %, insbesondere 88% bis 92 %, vorzugsweise 90 %, der Zeilen mit einer normalen Optik für den Fernbereich beleuchtet werden und 6 % bis 14 %, insbeson- dere 8 % bis 12 %, vorzugsweise 10%, der Zeilen über einen Ablenkspiegel oder ein Prisma auf eine zweite Optik beleuch¬ tet werden, welche/r auf die Windschutzscheibe fokussiert ist.
Durch eine geeignete Beleuchtungsquelle (LED) kann bei ent¬ sprechender Anordnung von Lichtquelle und Optik eine robuste Regensensorfunktionalität realisiert werden. Hier wird der Effekt ausgenutzt, dass an den Stellen, auf welchen ein Re- gentropfen ist, keine Totalreflexion an der Scheibe stattfin¬ det, sondern dass Licht in verschiedene Richtungen abgelenkt und somit ein geringeres Signal detektierbar wird.
Als Beleuchtungsquellen für den Nahbereich haben sich insbe¬ sondere Infrarotlichtquellen bewährt.
Schließlich wird vorgeschlagen, vor den zweiten Projektions¬ mittel für den Nahbereich einen nur für infrarotes Licht durchlässigen Filter anzuordnen, welcher vorteilhaft vermei¬ det, dass die Fahrerassistenzfunktion durch die Optik der Re- gensensorik negativ beeinflusst wird.
Mit der vorliegenden Erfindung wurden erstmals geeignete Pro- jektionsmittel bzw. -Sequenzen realisiert, welche u.a. den Sichtbereich, welcher für die Fahrerassistenz benötigt wird, auf einen Sensorbereich mit geeigneter Tiefenschärfe abbildet und gleichzeitig einen ausreichend großen Bereich der Wind¬ schutzscheibe des Kraftfahrzeuges partiell auf einen anderen^ Sensorbereich abbildet. Dies hat zum Vorteil, dass das Kame¬ rasystem für die Fahrerassistenz die Funktionen des Regensen¬ sors vollständig übernimmt. Der klassische Regensensor wird damit überflüssig und kann vorteilhaft entfallen.
Zusätzliche Einzelheiten und weitere Vorteile der Erfindung . werden nachfolgend an Hand bevorzugter Ausführungsbeispiele in Verbindung mit der beigefügten Zeichnung beschrieben.
Darin zeigen schematisch:
Fig. 1 eine erste Realisierung der Erfindung; Fig. 2 eine zweite Realisierung der Erfindung; und
Fig. 3 eine dritte Realisierung der Erfindung.
5
Bei der nachfolgenden Beschreibung einer bevorzugten Ausfüh¬ rungsform der vorliegenden Erfindung bezeichnen gleiche Be¬ zugszeichen gleiche oder vergleichbare Komponenten.
10 Für z.B. eine Spurerkennung werden oft nur relativ wenige Zeilen einer Kamera 1 benötigt, jedoch die volle Anzahl an Spalten. Übliche Bildsensoren 12 verfügen aber über ein Ver¬ hältnis von Spalten zu Zeilen von z.B. 4:3 (z.B. VGA640x480) . Der Bildbereich, welcher nicht für die Fahrerassistenzfunk-
15 tion benötigt wird, kann verwendet werden, um eine Regensen¬ sorfunktionalität zu realisieren. Hierfür muss eine geeignete Optik (14, 16, 18, 20, 21; 24, 26, 28) realisiert werden, welche den Sichtbereich 50, welcher für die Fahrerassistenz benötigt wird, auf einen Sensorbereich 34«,mit geeigneter Tie-
20 fenschärfe abbildet und gleichzeitig einen ausreichend großen Bereich der Frontscheibe 40 auf den anderen Sensorbereich 34 abbildet.
Dies kann erreicht werden, indem der eine Teil der Zeilen mit 2.5 einer normalen Optik 14 16, 18, 20, 21 für den Fernbereich beleuchtet wird und der andere Teil der Zeilen über einen Ab¬ lenkspiegel oder ein Prisma 28 auf eine zweite Optik 28 be¬ leuchtet wird, welche auf die Scheibe fokussiert ist.
30 Fig. 1 zeigt eine derartige Realisierung der Erfindung nach dem Prinzip der Strahlenteilung. Mittels eines halbdurchläs¬ sigen Spiegels bzw. Prismas 28 erfolgt eine Aufsplittung der lichtempfindlichen Zellen (Pixel) der sensitiven Fläche 34 des Halbleiterelements 12 auf elektromagnetische Strahlung aus dem Hauptstrahlengang 50 (Beobachtung der Straße) und auf elektromagnetische Strahlung aus dem Nebenstrahlengang 51 (Fokus auf die Windschutzscheibe 40) . Der Spiegel 28 lenkt dabei etwa 86 bis 94 % der elektromagnetischen Strahlung aus dem Außenvorraums 50 des Kraftfahrzeuges und 6 bis 14 % der elektromagnetischen Strahlung aus dem Nahbereich 51 der Wind¬ schutzscheibe 40 auf die lichtempfindlichen Zellen (Pixel) der sensitiven Fläche 34 des Halbleiterelements 12 ab.
Eine alternative Lösung ist, statt des Ablenkspiegels 28, der zumeist nur für einen Teil der Sensorfläche 34 vorgesehen sein kann, einen Strahlteiler vorzusehen, welcher einen Grossteil des Lichts für den Fernbereich durchläset (z.B. 90%) und einen Teil von (z.B. 90°) einkoppelt (z.B. 10%), welcher über eine Optik 28 auf den Nahbereich 51 fokussiert ist.
Durch eine geeignete Beleuchtungsquelle (LED) kann bei ent- sprechender Anordnung von Lichtquelle 5 und Optik 28 eine Re¬ gensensorfunktionalität realisiert werden. Hier wird der Ef¬ fekt ausgenutzt, dass an den Stellen auf welchen ein Regen¬ tropfen ist, keine Totalreflexion an der Scheibe 40 stattfin¬ det, sondern dass Licht in verschiedene Richtungen abgelenkt wird und somit ein geringeres Signal detektierbar ist.
Statt die für die Regensensorik vorgesehenen Zeilen mit einem Spiegel 28 abzulenken, kann auch eine komplexere geteilte Op¬ tik realisiert werden, welche in dem einen Bereich die Fokus- sierung in die Ferne 50 realisiert hat, in dem anderen Be¬ reich die Fokussierung in den Nahbereich 51 vornimmt, um die Scheibe 40 zu detektieren. Fig. 2 zeigt eine derartige Realisierung der Erfindung. Hier¬ bei ist im Strahlengang zur Straßenbeobachtung 50 in einem relativ unwichtigen Bildfeldbereich eine zusätzliche Nahfeld¬ optik 24 eingebracht, welche den Fokus auf einen Nahbereich 51 der Windschutzscheibe 40 realisiert und gleichzeitig die Auswertung der durch eine LED 5 eingespeisten Lichtstrahlen und damit eine Auswertung in Regen /kein Regen erlaubt. Die Nahoptik 24 kann - wie dargestellt - zudem mit einer partiel¬ len Vorsatzlinse 26 zusammenwirken. Es kann aber auch nur ei- ne Optik 14; 16, 18, 20; 21 für die Ferne 50 verwendet wer¬ den, und eine partielle Vorsatzlinse 28 in den Strahlengang gebracht werden, welche zumindest Teile der Sensorfläche 34 auf den Nahbereich 51 fokussiert.
Fig. 3 schließlich zeigt eine weitere Realisierung der Erfin¬ dung. Hierbei wird über eine oder mehrere LEDs 5 zeitlich de¬ finiert bzw. moduliert ein auswertbares Licht auf Höhe des Hauptstrahlengangs in die Windschutzscheibe 40 eingespeist. Bei ..Wasser bzw. Regen tritt ein entsprechend unscharfes Bild auf, welches als definiertes Reflexmuster eine Auswertung in Regen vorhangen Ja/Nein gestatten. Durch die Anzahl und Größe der Reflexmuster kann zudem auf den Grad einer Sichtbeein¬ trächtigung geschlossen werden, was eine „intelligente" Steu¬ erung eines Scheibenwischers (nicht dargestellt) gestattet. Dabei wird ausgenutzt, dass bei trockener Scheibe alle Strah¬ len mit Winkel größer etwa 42° total reflektiert werden und bei nasser Scheibe 40 eine Totalreflexion erst bei Winkeln größer etwa 62 ° erfolgt.
Sinnvollerweise sollte für die Beleuchtungsquelle 5 der Re¬ gensensorfunktion eine Infrarotlichtquelle verwendet werden. Durch einen geeigneten Filter vor der Optik (nicht darge¬ stellt) , welcher nur das Infrarotlicht durchlässt kann ver- mieden werden, dass die Fahrerassistenzfunktion durch die Op¬ tik der Regensensorik negativ beeinflusst wird.
Sensitive Flächen 34 mikroelektronischer Halbleitererzeugnis- se 12 wie sog. CMOS Bildsensoren verfügen häufig über eine Möglichkeit, nur Teilbereiche des Sensors 34 auszulesen. Durch die Verwendung eines Sensors mit einem synchronen Shut- ter ist es zudem möglich, alle lichtempfindlichen Zellen (Pi¬ xel) zu einem Zeitpunkt zu belichten, und somit auf die IR Lichtquelle 5 zu synchronisieren. Dies ermöglich vorteilhaft die Unterdrückung von Hintergrundlicht wie Sonnenlicht, da die Lichtquelle 5 mit erhöhtem Strom nur eine kurze Zeit (z.B. zwischen 80μs und 120μs, insbesondere mit lOOμs) ge¬ pulst wird und auch die sensitive Fläche 34 des Halbleiter- elements 12 nur so kurz belichtet. Weil für die Regensensor¬ funktion ggf. nur ein kleiner Teil der sensitiven Fläche 34 des Halbleiterelements 12 genutzt und/oder nur eine geringe Belichtungszeit benötigt wird, können die Bilddaten innerhalb *» weniger Millisekunden (z.B. zwischen 1 ms un,d 2ms) aufgenom- men werden. Für eine Regensensorik ist zudem nur eine relativ geringe Updaterate notwendig (z.B. zwischen 500ms und Is), so dass neben einer Fahrerassistenzfunktion vorteilhaft eine Re¬ gensensorfunktion mit relativ geringem Rechenaufwand reali¬ siert werden kann, ohne das Gesamttiming negativ zu beein- . flussen.
Schließlich ist denkbar, dass die Kamera über eine intelli¬ gente Softwareauswertung die Scheibenwischerfunktion erwei¬ terbar ist. So kann die Kamera über Größe, Geschwindigkeit und Intensität etc. der Tropfen oder auch Schnee die Schei- benwischfunktion intelligenter steuern. Weiterhin ist denkbar, beim Erkennen von kommenden „Wasserer¬ eignissen" auf der Scheibe 40 vorab dagegen zu wirken: biegt bei Regen beispielsweise ein überholendes Auto kurz vor dem eigenen Fahrzeug ein, so ist sofort mit aufsprühendem Regen zu rechnen. Die Scheibenwischanlage wird entsprechend gesteu¬ ert. Auch beim Überholen, insbesondere von LKWs bei Regen, sind Dunstschleppen detektierbar, so dass der Scheibenwisch- vorgang gestartet wird, bevor die Sicht schlecht wird.
Der vorliegenden Erfindung liegt der Hauptgedanke zugrunde, dass ein Kamerasystem für die Fahrerassistenz die Funktionen eines Regensensors vollständig übernimmt. Der Regensensor wird damit so nicht mehr nötig und entfällt.
Für diese Realisierung wurden hier verschiedene Methoden / Realisierungsmöglichkeiten vorgeschlagen:
Strahlenteileroptik in Hauptstrahlengang (Beobachtung Straße) um teilweise auf Scheibe zu fokussieren; - zusätzliche Nahlinsenoptik in Richtung Strahlengang Scheibe mit zusätzlicher Beleuchtung;
Einspeisung von definierten Licht in Scheibe und Auswer¬ tung des „unscharfen" Reflexmusters; und/oder - zwischen Optik und Halbleiterelement erfolgt partiell und/oder zeitlich begrenzt eine Anpassung der Optik auf Nahfokus.
Für einen Kraftfahrzeughersteller ergibt sich damit zum einen der Vorteil, dass Kosten gespart werden, da nur ein System verbaut werden muss. Die Kamera für die Fahrerassistenz mit zusätzlicher Regensensorik wird nicht oder nur unwesentlich teuerer, ist in jedem Fall preiswerter als zwei getrennte Systeme. Zudem spart sie vorteilhaft Bauraum. Ein weiterer Vorteil ist, dass eine zuverlässigere Regensensorfunktionali¬ tät realisiert werden kann als bei herkömmlichen Systemen, da diese nur mit einzelnen Photodioden als Detektoren arbeiten, während dessen bei der erfindungsgemäßen Lösung mit Kamera eine Vielzahl von Detektoren (z.B. 10.000 bis 300.000 Pixel) verwendet werden können, und diese in Verbindung mit komple¬ xen Bildverarbeitungsalgorithmen eine zuverlässige Detektion erlauben.
Das erfindungsgemäße optische Modul erlaubt eine bessere und intelligentere Funktionalität, da das Bild der Kamera bzw. des Moduls eher dem menschlichen Empfinden entspricht. Beide, Mensch und Kamera, versuchen durch die Scheibe zu schauen. Allein durch Software kann schon eine erste Auswertung erfol- gen - es regnet. Vorausschauendes Scheibenwischen schließlich kann ebenfalls detektiert werden, z.B. Einfahren in Dunst¬ schleppen von LKWs beim Überholvorgang oder dergleichen.
Λ-Die vorliegende Erfindung eignet sich in hervorragender Weise als Applikation in bestehende optische Assistenzsysteme in einem Kraftfahrzeug wie Spurerkennungs- oder -Überwachungs- Anwendungen, Nachtsicht-Anwendungen, Hinderniswarnung, Pre- Crash-Sensierung, Automatische Geschwindigkeitsadaption, Stauassistent, Fußgänger- und Fahrradfahrerschütz, Verkehrs- Zeichenerkennung, oder dergleichen mehr.

Claims

Patentansprüche
1. Optisches Modul (1) eines den Außenvorraum (50) in Fahrtrichtung eines Kraftfahrzeuges erfassenden Assis- tenzSystems, mit einem Schaltungsträger (10) ; einem auf dem Schaltungsträger (10) angeordneten
Halbleiterelement (12); und einer Linseneinheit (14; 16, 18, 20; 21) zum Proji- zieren von elektromagnetischer Strahlung auf eine sensitive Fläche (34) des Halbleiterelements (12); d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, dass die sensitive Fläche (34) des Halbleiterele¬ ments (12) eine Vielzahl lichtempfindlicher Zellen (Pixel) aufweist, welche zeitweise und/oder zumin¬ dest teilweise auch den Nahbereich (51) der Wind¬ schutzscheibe (40) des Kraftfahrzeuges erfassen.
2. Optisches Modul (1) nach Anspruch""'!, dadurch gekenn- zeichnet, dass ein Belichtungsmittel vorgesehen ist, welches wenigstens einen Teil der lichtempfindlichen Zellen (Pixel) der sensitiven Fläche (34) des Halblei¬ terelements (12) zyklisch abwechselnd mal für den Außen¬ vorraum (50) des Kraftfahrzeuges, mal für den Nahbereich (51) der Windschutzscheibe (40) belichtet.
3. Optisches Modul nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Belichtungsmittel ein optischer Verschluss ist.
4. Optisches Modul (1) nach Anspruch 1, dadurch gekenn¬ zeichnet, dass im Strahlengang des optischen Moduls (1) wenigstens ein zweites Projektionsmittel (24; 26; 28) angeordnet ist, welches wenigstens einen Teil der licht- empfindlichen Zellen (Pixel) der sensitiven Fläche (34) des Halbleiterelements (12) auf den Nahbereich (51) der Windschutzscheibe (40) des Kraftfahrzeuges fokussiert.
5. Optisches Modul (1) nach Anspruch 4, dadurch gekenn¬ zeichnet, dass das zweite Projektionsmittel eine Nahop¬ tik (24) ist.
6. Optisches Modul (1) nach Anspruch 4 oder 5, dadurch ge- kennzeichnet, dass das zweite Projektionsmittel eine partielle Vorsatzlinse (26) ist.
7. Optisches Modul (1) nach einem der Ansprüche 4 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass das zweite Projektionsmit- tel ein optischer Strahlenteiler oder halbdurchlässiger Spiegel (28) ist.
8. Optisches Modul (1) nach Anspruch 7, dadurch gekenn¬ zeichnet, dass der Strahlenteiler bzw. Spiegel (28) etwa 86 bis 94 % der elektromagnetischen Strahlung aus dem Außenvorraums (50) des Kraftfahrzeuges und 6 bis 14 % der elektromagnetischen Strahlung aus dem Nahbereich (51) der Windschutzscheibe (40) auf die lichtempfindli¬ chen Zellen (Pixel) der sensitiven Fläche (34) des HaIb- leiterelements (12) abgelenkt.
9. Optisches Modul (1) nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens eine Beleuch¬ tungsquelle (5) für den Nahbereich (51) vorgesehen ist.
10. Optisches Modul (1) nach Anspruch 9, dadurch gekenn¬ zeichnet, dass als Beleuchtungsquelle (5) eine Infrarot¬ lichtquelle (5) vorgesehen ist.
11. Optisches Modul (1) nach einem der vorherigen Ansprüche 4 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass vor den zweiten Projektionsmittel {24; 26; 28) für den Nahbereich (51) ein Filter angeordnet ist, welcher nur infrarotes Licht durchlasst.
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