ОПТИЧЕСКИЙ МОДУЛЬ С МУЛЬТИФОКАЛЬНОЙ ОПТИКОЙ ДЛЯ РЕГИСТРАЦИИ ДАЛЬНЕЙ И БЛИЖНЕЙ ЗОНЫ В ОДНОМ ИЗОБРАЖЕНИИ Российский патент 2014 года по МПК G02B23/10 G01N21/94 B60S1/08 

Изобретение относится к оптическому модулю для регистрации дальней и ближней зоны в одном изображении. Соответствующий оптический модуль используется, в частности, в механическом транспортном средстве для наблюдения за окружением через ветровое стекло.

В интеллектуальных системах помощи водителю, например для распознавания различных объектов в дорожных ситуациях, гибко применяются системы камер.

В качестве современных датчиков механических транспортных средств, которые расположены на ветровом стекле и регистрируют обстановку через это стекло, используется, например, автомобильная камера, камера ночного видения или же различные оптические датчики расстояния. Этим оптическим датчикам, как и водителю механического транспортного средства, требуется хорошая видимость для предотвращения появления неверных измерительных сигналов.

Как правило, капли воды, снег и загрязнения на ветровом стекле удаляются электрическим стеклоочистителем с резиновой накладкой. На большинстве используемых в настоящее время механических транспортных средств стеклоочиститель включается и выключается вручную. Эта задача водителя механического транспортного средства все чаще выполняется оптоэлектронным датчиком дождя.

Принцип действия оптоэлектронного датчика дождя основан на вводе светового излучения в ветровое стекло под определенным углом, который удовлетворяет условию полного отражения между стеклом и воздухом, однако меньше, чем угол, требуемый для полного отражения между стеклом и водой. При сухом стекле большая часть входящего в стекло пучка лучей полностью отражается на наружной поверхности стекла и отводится на внутренней поверхности стекла у приемника.

Если на стекле имеются капли воды, условие угла для полного отражения более не соблюдается. Вследствие этого часть светового луча отклоняется каплями воды и больше не достигает приемника внутри транспортного средства.

Этот принцип для распознавания дождя очень чувствителен к помехам и зависит от размера капель. При моросящем дожде этот принцип измерения часто не работает, так как полученный световой сигнал и тем самым разница сигнала у приемника часто недостаточны для надежного распознавания дождя.

В связи с этим оптоэлектронный датчик дождя также испытывает проблемы при распознавании снежинок, которые при попадании на стекло распадаются на мелкие капли, при распознавании сухих загрязнений, а также насекомых, которые попадают на ветровое стекло.

Еще одним решением для распознавания дождя является емкостный датчик дождя. Принцип действия этого датчика основан на сильном отличии диэлектрической постоянной воды по сравнению со стеклом или воздухом. В случае правильного размещения двух конденсаторных пластин на внутренней поверхности стекла транспортного средства в сочетании с находящейся между ними средой образуется конденсатор. Целью при этом является обеспечение протекания линий электрического поля наружу через воздушное пространство чуть выше наружной поверхности ветрового стекла. Если в этом воздушном пространстве находится вода или влажная грязь, значительно большая диэлектрическая постоянная добавившейся среды ведет к увеличению общей емкости образованного этой средой конденсатора. Но и этот датчик имеет ограниченные функциональные возможности. Различение небольших капель и влияние помех представляют собой проблему также и для этого датчика, из-за чего требуется уменьшать его чувствительность. Смачивание стекла мелкими каплями ведет к появлению сигнала на включение стеклоочистителя с определенной задержкой.

Недостатком обоих датчиков является относительно большая потребность в площади на ветровом стекле. Уменьшение площади датчика ведет к еще большему снижению скорости реакции датчика при начавшемся дожде, так как уменьшается вероятность того, что одна из первых капель попадет на поле датчика меньшего размера.

Водитель ожидает быструю и надежную работу от электронных систем, обеспечивающих комфортность эксплуатации, которые он чаще всего приобретает за дополнительную цену. В идеальном случае работа автоматической системы с точки зрения скорости реакции и управления стеклоочистителем должна соответствовать поведению водителя транспортного средства, чтобы не оказывать неприятное или мешающее воздействие. Например, стеклоочиститель ветрового стекла должен включаться уже при моросящем дожде. Если ветровое стекло загрязнено насекомыми, необходимо инициирование программы очистки. Если на стекле имеются полосы от щеток стеклоочистителя, также необходимо повторное включение стеклоочистителя.

Во многих из этих ситуаций разработанные ранее серийные датчики не выполняют свою работу из-за отсутствия возможностей для различения, что обусловлено их простой структурой.

Необходимость предотвращения увеличения количества элементов датчиков различных систем помощи водителю и обеспечивающих комфортность систем при стесненных пространственных условиях в верхней области ветрового стекла приведет в перспективе к интеграции нескольких датчиков в одном многофункциональном датчике.

В связи с этим приходят к мысли встроить функцию датчика дождя в виде видеодатчика дождя в имеющуюся камеру транспортного средства, которая используется для наблюдения за наружным пространством. Известным является способ, в котором дальняя и ближняя (ветровое стекло) зоны отображаются на датчике изображения посредством комбинаций с дополнительными оптическими элементами. В качестве такого подхода можно назвать насадочную линзу в области поля зрения перед объективом камеры транспортного средства. Таким образом, часть пучка лучей, которая проходит через насадочную линзу, резко отображает ближнюю зону на датчике изображения, а остальная часть - дальнюю зону (дорожную ситуацию).

В патенте DE 102004037871 B4 описывается соответствующий оптический модуль системы помощи водителю для регистрации наружного переднего пространства по направлению движения транспортного средства. Предлагается попеременно использовать датчик изображения для работы системы помощи водителю для наружного пространства и для функции распознавания дождя.

При таком подходе область перехода между ближней и дальней зоной имеет сильное смазывание изображения из-за очень неблагоприятного размещения линзы на малом расстоянии перед входным отверстием объектива. Это смазывание изображения происходит практически по всему изображению. Точное ориентирование оптического средства (зеркала, разделителя луча, оптического устройства для ближней зоны или насадочной линзы) для отображения ближней зоны достаточно сложно. Кроме того, для указанных решений все время требуются дорогие дополнительные оптические средства.

Задача изобретения состоит в обеспечении недорогой, стабильной и надежной оптической системы для датчика камеры.

Объектом изобретения является оптический модуль с полупроводниковым элементом, поверхность которого чувствительна к электромагнитному излучению, и с линзой или комбинацией линз (объективом) для проецирования электромагнитного излучения на чувствительную поверхность полупроводникового элемента. В определенной части объема в пространстве между объективом и чувствительной поверхностью полупроводникового элемента установлен дополнительный оптический элемент.

С помощью этого дополнительного, частичного оптического элемента первая зона дальности отображается на первую область чувствительной поверхности полупроводникового элемента, преимущественно дальняя зона. Во второй области поля зрения или чувствительной поверхности полупроводникового элемента, в которой отсутствует дополнительный оптический элемент, отображается вторая зона дальности, преимущественно ближняя зона.

Благодаря этому на чувствительной поверхности полупроводникового элемента в первой области распознаются электромагнитные лучи, которые проходят по всей ширине дополнительного оптического элемента. Во второй области распознаются электромагнитные лучи, которые проходят за пределами или не по всей ширине дополнительного оптического элемента. Таким образом, дополнительный оптический элемент заполняет область пространства перед чувствительной поверхностью полупроводникового элемента, то есть область, через которую электромагнитные лучи попадают на чувствительную поверхность. Дополнительный оптический элемент расположен не в пределах расстояния от предмета до передней главной плоскости объектива, а в области поля фокусного расстояния объектива.

При последующей обработке изображения может выполняться циклический или раздельный анализ всего изображения, которое составляется из двух частичных изображений обоих зон дальности.

Согласно предпочтительному варианту изобретения показатель преломления дополнительного оптического инструмента больше показателя преломления среды, которая окружает дополнительный оптический элемент. В стандартном случае средой, которая окружает дополнительный оптический элемент, является воздух. Дополнительный оптический элемент оказывает несущественное влияние на отображение второй зоны дальности, и поэтому отображение зависит от окружающей дополнительный оптический элемент среды с меньшим показателем преломления.

Предпочтительным является такое размещение или настройка объектива и толщина или показатель преломления дополнительного оптического элемента, при котором в первой области чувствительной поверхности полупроводникового элемента отображается оптическая дальняя зона, а во второй области - оптическая ближняя зона. Ближняя зона находится на расстоянии сантиметров, дальняя зона соответствует расстоянию от примерно двух метров.

При размещении объектива в соответствии с изобретением резкое отображение ближней зоны ведет к очень нерезкому, расфокусированному отображению дальней зоны, если в оптическом модуле отсутствует дополнительный оптический элемент.

Благодаря дополнительному, частичному оптическому элементу возможно отображение дальней зоны. В области поля зрения, в котором не находится этот частичный оптический инструмент, отображается ближнее поле зрения.

Бифокальная или мультифокальная оптика оптического модуля основана на принципе осевого смещения преломляющей плоской поверхности. Для этого камера фокусируется не на дальней зоне, что, как правило, применяется в современной технике, а на расстоянии в несколько сантиметров от предмета до передней главной плоскости объектива. Это расстояние от предмета до передней главной плоскости объектива описывает, например, плоскость, которая находится в точке пересечения нижнего поля зрения камеры с плоскостью ветрового стекла. Таким образом, на датчике изображения появляется резко сфокусированное отображение этой плоскости ближнего поля. Для обеспечения работы других функций системы помощи водителю на большей части датчика изображения требуется обеспечить резкое отображение дальней зоны. Для этого в области входа лучей перед датчиком изображения устанавливается частичный оптический элемент, который используется для отображения дальней зоны. Толщина частичного оптического элемента зависит от показателя преломления материала и требуемого осевого смещения между фокусным расстоянием для отображения дальней зоны и фокусным расстоянием для отображения ближней зоны.

Согласно предпочтительному варианту осуществления изобретения дополнительный оптический элемент является плоскопараллельной прозрачной пластиной. Эта плоскопараллельная прозрачная пластина может, в частности, быть изготовлена из стекла, например из высококачественного боратного кронгласа, боросиликатного стекла и т.п. В соответствии с другим предпочтительным вариантом осуществления изобретения плоскопараллельная пластина может быть изготовлена из прозрачной пластмассы, например из поликарбоната или полиметилметакрилата.

В особом варианте осуществления изобретения весь дополнительный оптический элемент или только часть объема элемента является частью рассеивающей линзы, матрицей микролинз с рассеивающими линзами, оптическим фильтром низких частот или дифракционной матрицей микролинз. В предпочтительном случае они находятся на стороне дополнительного оптического элемента, обращенной к чувствительной поверхности полупроводникового элемента. Матрица микролинз, собранная из рассеивающих линз, которые определенным образом расширяют или отклоняют сужающийся пучок лучей, позволяет получить отображение дальней зоны на такой точке оптической оси, на которой имеется оптимальное отображение ближней зоны.

Согласно альтернативному варианту осуществления изобретения дополнительный элемент состоит из по меньшей мере двух плоскопараллельных областей различной толщины. В этом случае частичный оптический элемент имеет ступенчатую форму. В качестве варианта «ступень» может быть образована посредством изменения материала в плоскопараллельной прозрачной пластине. Для этого по меньшей мере в двух областях используются материалы с разными показателями преломления.

В обоих вариантах обеспечивается по меньшей мере две, в том числе и пересекающиеся, области глубины резкости в одном изображении камеры.

Согласно другому предпочтительному варианту осуществления изобретения дополнительный оптический элемент может иметь клиновидную форму с целью обеспечения непрерывного изменения толщины.

Край частичного оптического элемента также может иметь переход, который адаптирован с учетом отображаемого пучка лучей. Форма такого перехода может быть, например, ступенчатой или клиновидной. Затемнение перехода может применяться для предотвращения помех, возникающих из-за рассеянного света.

В качестве варианта осуществления изобретения дополнительный оптический элемент может циклически перемещаться в пространстве между объективом и датчиком изображения, например, в форме «мотоциклетного колеса», т.е. вращающегося диска, в котором поочередно размещены сегменты с плоскопараллельной пластиной и сегменты без пластины.

В другом варианте осуществления изобретения может использоваться подобное устройство, чтобы в пространство между объективом и датчиком изображения циклически помещались дополнительные оптические элементы разной толщины и (или) с разным показателем преломления. Благодаря этому возможно циклическое получение изображений с использованием разной глубины резкости для дальней зоны. После этого на основании таких изображений с разной глубиной резкости можно сделать вывод о расстоянии до предметов в дальней зоне.

Согласно другому варианту осуществления изобретения дополнительный оптический элемент может быть реализован посредством заполнения части объема текучей средой, например водой или маслом, которая имеет больший показатель преломления, чем окружающая среда (обычно воздух).

Предпочтительным является такой размер частичного оптического элемента, при котором первая область чувствительной поверхности полупроводникового элемента больше, чем вторая область. Соотношение между изображением дальней зоны и изображением ближней зоны определяется поверхностью поля зрения, фактически занятой частичным оптическим элементом. В данном случае предлагается разделение, которое обеспечивает наличие изображения, 80% которого отображает дальнюю зону, а 20% - ближнюю зону, в зависимости от компонентов и области применения целесообразным является соотношение 90% к 10%.

Целесообразным может быть нанесение какого-либо покрытия по меньшей мере на одной стороне дополнительного оптического элемента, что позволяет предотвратить отражения.

Помимо этого или дополнительно к этому по меньшей мере на одной стороне дополнительного оптического элемента может быть нанесено покрытие, которое фильтрует электромагнитное излучение в определенном диапазоне длины волн. Возможны, в частности, фильтрующие покрытия для инфракрасного и ультрафиолетового диапазона.

Благодаря этому область чувствительной поверхности, на которой отображается ближняя зона, пучок лучей которой не проходит через дополнительный оптический элемент, принимает электромагнитные волны без фильтрации, т.е. в том числе и за пределами видимого диапазона. Например, покрытие на входной стороне дополнительного оптического элемента, которое фильтрует ультрафиолетовое излучение, может защищать элемент от ультрафиолетового излучения высокой интенсивности. Это требуется, в частности, в случае применения дополнительного оптического элемента из пластмассы.

Для фильтрации ультрафиолетового излучения высокой интенсивности может использоваться комбинация ультрафиолетового фильтра с ветровым стеклом или его размещение перед объективом. Это позволяет защитить датчик изображения от ультрафиолетового излучения высокой интенсивности. Преимуществом такого подхода является малое влияние боковой хроматической аберрации, так как имеется ограничение диапазонов длины волн, для работы с которыми оптимизирован объектив. Другим преимуществом является защитная функция для оптических узлов, находящихся за фильтром, которая, прежде всего, необходима при использовании пластмассовых линз и для защиты датчика изображения при сильном солнечном излучении.

Изобретение предусматривает, что оптический модуль преимущественно размещается в салоне транспортного средства за ветровым стеклом и при этом регистрирует наружное пространство в направлении движения.

Согласно предпочтительному варианту осуществления изобретения оптический модуль имеет такую конструкцию, при которой в качестве второй зоны дальности наружная сторона ветрового стекла резко отображается на второй области (ближней зоне) чувствительной поверхности полупроводникового элемента. Благодаря дополнительному оптическому элементу на первой области (дальней зоне) чувствительной поверхности полупроводникового элемента отображается в качестве первой зоны дальности находящееся перед транспортным средством пространство. Таким образом, полупроводниковый элемент одновременно регистрирует дорожную обстановку в дальней зоне, например, больше двух метров, и ветровое стекло в ближней зоне, например, меньше 20 сантиметров.

В предпочтительном усовершенствованном варианте в транспортном средстве может предусматриваться наличие датчика дождя на основе камеры. Анализируются изображения первой области чувствительной поверхности полупроводникового элемента (наружной стороны ветрового стекла), при этом может распознаваться дождь или частицы грязи на ветровом стекле. Возможна выдача выходного сигнала для активации модуля управления стеклоочистителей и/или очистки стекла.

В предпочтительном варианте осуществления изобретения предусматривается источник света, который освещает через ветровое стекло ту область поля зрения, которая отображается во второй области чувствительной поверхности полупроводникового элемента. Целесообразным является освещение ближнего поля инфракрасным светом. Целесообразным является управление источником света посредством оптического затвора, в частности, с переменным временем освещения всей чувствительной поверхности полупроводникового элемента или, в частности, для области активной поверхности, на которой производится отображение ближней зоны.

Излучение источника света может, в частности, обеспечиваться гибким светопроводящим телом в ветровом стекле. Подходящим гибким светопроводящим телом может быть, например, прозрачный силикон. Часть энергии излучения может преобразовываться установленным на стекле поглотительным элементом в тепло, которое используется для обогрева части поверхности ветрового стекла. В качестве поглотительных элементов могут использоваться, например, нагревательные проволоки имеющейся системы обогрева стекла. Используемые в качестве поглощающей поверхности нагревательные проволоки могут одновременно применяться для экранирования света, излучаемого в направлении движения транспортного средства.

В предпочтительном варианте осуществления изобретения оптический модуль оснащается дополнительным оптическим элементом с покрытием с по меньшей мере одной стороны, фильтр длины волн которого подавляет тот диапазон длины волн, который используется источником света для подсветки ближней зоны. В частности, область поля зрения подсвечивается через ветровое стекло светом в инфракрасном диапазоне длины волн, а дополнительный оптический элемент имеет фильтрующее покрытие, которое подавляет передачу в инфракрасном диапазоне длины волн. Этот диапазон длины волн не воспринимается водителем транспортного средства и другими участниками дорожного движения. Одновременно чувствительная поверхность полупроводникового элемента обладает высокой чувствительностью в инфракрасном диапазоне, что позволяет использовать для подсветки ближнего поля инфракрасное излучение относительно малой интенсивности. Источник света может размещаться в различных местах. Освещение может осуществляться на постоянной или циклической основе. Предпочтительным является циклическое освещение с синусоидальной характеристикой интенсивности или освещение с заданным тактом, чтобы предотвратить или уменьшить влияние помех на изображение дальней зоны.

Кроме того, в другом варианте осуществления изобретения в транспортном средстве можно предусмотреть установку емкостного датчика дождя. Сигналы, поступающие от емкостного датчика дождя и датчика дождя, установленного в камере, оцениваются общим аналитическим блоком. Оба типа датчиков очень хорошо дополняют друг друга, а их комбинация обеспечивает превосходные характеристики распознавания. Емкостный датчик дождя может быть выполнен в качестве токопроводящей полосы в прозрачной пленке или силиконовой подушке, а его электронный узел может быть встроен в датчик дождя, установленный в камере.

Установленный в камере датчик дождя имеет, например, преимущества при очень мелком моросящем дожде, в то время как у емкостного датчика дождя при этом практически не отмечается изменение сигнала из-за изменяющейся емкости. И напротив, емкостный датчик имеет, например, преимущества при наличии водной пленки по всей поверхности ветрового стекла, он может выполнить ее распознавание вследствие сильного изменения емкости, в то время как находящийся в камере датчик дождя в состоянии обнаружить лишь небольшое число следов, которые он распознает как дождевые капли.

В другом полезном варианте осуществления изобретения между ветровым стеклом и объективом может быть расположена клиновидная пластина в поле зрения для отображения ближней зоны. Таким образом, клиновидная пластина находится со стороны объектива в пучке лучей для отображения ближней зоны. В необходимой области ветрового стекла клиновидная пластина отклоняет электромагнитное излучение, которое проникает в поле зрения, предназначенное для отображения дальней зоны, в поле зрения для отображения ближней зоны. Клиновидная пластина может быть образована двумя плоскими поверхностями или одной плоской поверхностью и одной неплоской поверхностью или же двумя неплоскими поверхностями. Под неплоской поверхностью имеется в виду сферическая, асферическая или микроструктурная поверхность. В частности, клиновидная пластина может состоять из прозрачной пластмассы. Предпочтительным является такое размещение клиновидной пластины, при котором толстый конец находится вверху, а тонкий - внизу. Это приводит к отклонению вверх пучка лучей для отображения ближней зоны. Полезным является размещение клиновидной пластины под нижней областью или в нижней области по ходу лучей, используемых для отображения дальней зоны.

Предпочтительной является клиновидная пластина с фильтрующим покрытием, причем это фильтрующее покрытие подавляет определенные диапазоны длины волн, например видимый диапазон длины волн. Полезным является затемнение верхней стороны клиновидной пластины для подавления рассеянного света.

Преимуществом при использовании клиновидной пластины является уменьшение зачерненной области ветрового стекла, а также меньшие габаритные размеры оптического модуля или камеры.

В другом предпочтительном варианте осуществления изобретения в транспортном средстве имеется источник света, электромагнитное излучение которого попадает в ветровое стекло через вводящий элемент (например, гибкое светопроводящее тело). Предусмотрен отводящий элемент, который посредством прижима или приклеивания находится в прочном контакте с ветровым стеклом. В отсутствие водных капель на ветровом стекле поступающее электромагнитное излучение полностью отражается внутри ветрового стекла. С помощью отводящего элемента излучение передается в направлении оптического модуля и отображается на датчике изображения в области для отображения ближней зоны (области для распознавания дождя). Если на ветровом стекле имеются водные капли, часть поступающего электромагнитного излучения отводится этими водными каплями и более не отражается полностью на отводящий элемент. Тем самым возможно определение наличия водных капель и силы дождя на ветровом стекле в качестве разницы интенсивности отводимых сигналов при сухом ветровом стекле по сравнению с мокрым ветровым стеклом.

Предпочтительным является нанесение специального фильтрующего покрытия на отводящий элемент, которое подавляет определенный диапазон длины волн, например видимый диапазон длин волн.

Отводящий элемент может иметь выполненную посредством соответствующей обработки матовую поверхность на обращенной к объективу стороне, причем матовая сторона размещена на том уровне объектива, который используется для отображения ближней зоны.

В другом варианте осуществления изобретения отводящий элемент закрывает только определенную часть поверхности той части области поля зрения на ветровом стекле, которая используется для отображения ближней зоны. Благодаря этому возможно как выполнение дифференциального измерения сигнала, полученного из-за дождевых капель, так и измерение в другой части доли сигнала, попадающей через капли в объектив.

Комбинация этих двух способов измерения обеспечивает точное измерение смачивания стекла.

Кроме того, в изобретение входит способ определения расстояния или отклонений положения между ветровым стеклом и одним или несколькими оптическими модулями. Для этого оптический модуль фокусированно отображает нанесенные на ветровое стекло целевые метки на вторую область чувствительной поверхности полупроводникового элемента. Аналитический блок может определить и измерить изменение положения ветрового стекла относительно оптической оси оптического модуля по сравнению с сохраненным начальным положением. Отклонения оптической оси относительно ветрового стекла могут быть рассчитаны посредством обработки изображения. Этот способ особенно полезен для контроля геометрии стереокамеры. Отклонения целевых меток от сохраненного исходного положения позволяют определить положение обоих модулей стереокамеры относительно друг друга.

Особым отличием изобретения является не требующее больших затрат решение. Именно применение простой плоскопараллельной стеклянной или пластмассовой пластины обеспечивает недорогой и очень эффективный вариант решения для мультифокальной оптики в оптическом модуле.

Особым преимуществом такой оптической конструкции является малая зона смазывания изображения и простая ориентация оптического элемента. По сравнению с установкой оптического дополнительного элемента в пределах расстояния от предмета до передней главной плоскости объектива большим преимуществом предложенного здесь способа установки в фокусном расстоянии является отсутствие непосредственно влияющих помех.

Ниже к изобретению даны пояснения на основании примеров осуществления и чертежей.

Фиг.1: Характеристики отображения оптического модуля в транспортном средстве с объективом и полупроводниковым датчиком.

Фиг.2: Характеристики отображения оптического модуля в транспортном средстве с дополнительным, частичным оптическим элементом между объективом и полупроводниковым датчиком.

На фиг.1 представлено схематическое изображение пучков лучей (8, 9) для первой (8) и второй (9) зон дальности, которые отображаются через объектив (1) с главной плоскостью (2) на чувствительную поверхность полупроводникового элемента (4). Поле (10) зрения ограничено точечными линиями. Объектив (1) таким образом расположен между ветровым стеклом (5) и чувствительной поверхностью полупроводникового элемента (4), чтобы, во-первых, поле (10) зрения в нижней области не ограничивалось накладкой (7) рассеянного света, а использовало доступный объем, и, во-вторых, чтобы часть наружной стороны ветрового стекла в ближней зоне (9) фокусированным образом отображалась на чувствительной поверхности полупроводникового элемента (4). Если на чувствительной поверхности полупроводникового элемента (4) необходимо фокусированным образом отобразить дальнюю зону (8), следует либо переместить объектив (1) вправо, либо переместить полупроводниковый элемент (4) влево. В обоих случаях поле (10) зрения ограничивается накладкой (7) рассеянного света, а дальняя зона более не отображается резко на чувствительной поверхности полупроводникового элемента (4). Оптический модуль такого рода соответствует текущему состоянию техники.

Параллельное смещение при пучке лучей через ветровое стекло (5) не учтено в схематических представлениях на фиг.1 и 2.

На фиг.2 представлен оптический модуль с дополнительным оптическим элементом (11), который размещен в определенной части объема между объективом (1) и чувствительной поверхностью полупроводникового элемента (4). Частичный объем выполнен таким образом, чтобы дополнительный оптический элемент делил зону (10) обзора на две области: одну область, которая попадает из дополнительного оптического элемента (11) на сторону выхода (справа) на чувствительную поверхность полупроводникового элемента (4), и одну область, которая попадает на чувствительную поверхность полупроводникового элемента (4) через среду, окружающую дополнительный оптический элемент (11). Эти обе области поля (10) зрения создают две зоны на чувствительной поверхности полупроводникового элемента (4). Первая зона соответствует зоне полупроводникового элемента (4), которая покрывается дополнительным оптическим элементом (11) и в которой согласно этой схеме фокусированно отображается дальняя зона (8). Вторая зона соответствует зоне, находящейся над первой зоной, не перекрываемой дополнительным оптическим элементом (11), и в которой согласно этой схеме фокусированно отображается ближняя зона (9). Таким образом, изображение, которое воспринимается чувствительной поверхностью полупроводникового элемента (4), одновременно содержит область с резким отображением ближней зоны и область с резким отображением дальней зоны. В отображении ближней зоны возможно распознавание и классифицирование водных капель (6), грязи, снежинок и т.п. Одновременно на большой первой области изображения камеры отображается дорожная ситуация, например, на дистанции от 2 до 50 метров, что может использоваться и анализироваться различными системами помощи водителю.

Основанный на использовании видеоизображения датчик дождя и грязи с соответствующим изобретению оптическим модулем предоставляет большое число пикселей изображения. Интеллектуальные алгоритмы позволяют различать дождь, грязь, снег, обледенение стекла или росу посредством геометрического распознавания объектов.

Алгоритмы распознавания краев, например оператор Собеля, могут использоваться в вертикальном и (или) горизонтальном направлении. Края, которые распознаются только в вертикальном направлении, могут указывать на полосы от стеклоочистителя, вследствие чего может подаваться сигнал для повторного срабатывания стеклоочистителя или инициирования очистки стекла. При длительно сохраняющихся полосах возможно появление указания для водителя о необходимости замены щеток стеклоочистителя.

Преобразование Фурье, в частности БПФ, может использоваться для анализа частоты в отображении ближней зоны, особенно для распознавания высоких частот. Возможно предварительное обучение нейронной сети для распознавания образца из графических данных посредством классификатора с типичными объектами, например, дождевыми каплями разного размера, снежинками, частицами грязи. Также для распознавания объектов может быть выполнен анализ гистограммы.

Интеллектуальное освещение может использоваться для поддержки и обеспечения анализа изображения, например, посредством определенной функции освещения (например, синусоидальная характеристика интенсивности света или несколько источников света с разными углами падения).

Другим преимуществом этого изобретения является позитивное влияние на имевшуюся ранее проблему обусловленного температурой смещения фокуса. При повышении температуры обычно возникает проблема, заключающаяся в том, что объектив (1) отодвигается от датчика изображения (4). Тем самым происходит перемещение фокуса от дальнего поля (8) к ближнему полю (9). Влияние частичного оптического элемента (11) в фокусном расстоянии проявляется в преломлении сходящегося пучка лучей от перпендикуляра (переход от воздуха к частичному оптическому элементу (11) n_воздух < n_{точка входа}), благодаря чему резкое отображение объекта происходит на большем удалении от объектива (1), чем это было бы при такой же конструкции без частичного оптического элемента (11).

Если система нагревается, увеличивается, как описано выше, расстояние между датчиком изображения (4) и объективом (1). Однако одновременно расширяется и частичный оптический элемент (11) и в определенной степени компенсирует несфокусированное отображение на датчике изображения (4). Эта комбинация ведет себя как положительный компенсатор глубины резкости и при отрицательных температурах. Посредством оптимизации материала в данном случае можно получить удовлетворительное качество отображения по всему диапазону температур.

Камера без частичного оптического элемента (11) сфокусирована на ближней зоне. Частичный оптический элемент (11) обеспечивает резкое отображение дальней зоны (8). Перемещение объектива (1) от датчика температуры (4) из-за увеличения температуры ведет к нерезкому отображению ближней (9) и дальней зоны (8). Отображение ближней зоны имеет положительную характеристику отображения, так как вместе с перемещающимся объективом (1) также уменьшается расстояние от предмета до передней главной плоскости объектива (расстояние от главной плоскости объектива (2) до ветрового стекла (5)).

Другим положительным подходом для зависящего от температуры смещения фокуса из-за увеличивающегося фокусного расстояния является появляющееся в связи с этим изменение поля зрения, которое ведет к уменьшению поля (10) зрения через ветровое стекло (5) и тем самым к отображению расположенных выше точек объекта на той же точке изображения. Из-за наклонного ветрового стекла (5) обеспечивается не только захват находящейся далее выше точки объекта, но и резкое отображение объектов с меньшим расстоянием от предмета до передней главной плоскости объектива. Уменьшение расстояния от предмета до передней главной плоскости объектива при остающемся одинаковым фокусном расстоянии ведет к удлинению фокусного расстояния. Это удлинение фокусного расстояния представляет собой при отображении ближней зоны саморегулирующуюся температурную компенсацию. Действует следующая формула: 1/f = 1/g + 1/b, где f - фокусное расстояние объектива, g - расстояние до предмета (в ближнем поле, например, 5,5 см) и b - фокусное расстояние отображения ближнего поля.

При отображении в дальнем поле (8) этот корректирующий механизм не работает. Во-первых, поскольку расстояние от предмета до передней главной плоскости объектива намного больше и изменения очень мало влияют на фокусное расстояние, во-вторых, на этом расстоянии от предмета до передней главной плоскости объектива не рассматривается наклонная плоскость, как в случае с ветровым стеклом (5). Поэтому здесь для частичного оптического элемента (11) требуется выбрать подходящий материал, температурное расширение которого положительно влияет на фокусировку.

Оптимальная область перехода обеих областей изображения обеспечивается определенным краем частичного оптического элемента (11). В случае элементов из стекла появляется «съеденный» переход к области изображения с дальним полем (8) из-за сколов на краю стекла. При использовании пластмассовых элементов из поликарбоната или полиметилметакрилата можно избежать подобных сколов на краю. Переход необходимо откорректировать с учетом пучка лучей, он может быть, например, клиновидным или ступенчатым. Кроме того, зона смазывания изображения зависит от толщины частичного оптического элемента (11). Здесь преимуществами обладают материалы с большим показателем преломления.

Из-за того что соответствующий изобретению оптический модуль в состоянии распознавать и различать разные объекты как на наружной стороне ветрового стекла, так и на внутренней стороне ветрового стекла, возможно обеспечение расширенной автоматической функции очистки, омывания и вентиляции стекла. Благодаря большому количеству пикселей изображения посредством определенных характеристик распознавания возможно различение дождя, грязи, снега, льда, росы и аэрозольных отложений. Все указанные воздействия отрицательно влияют на обзор через ветровое стекло (5) и тем самым на другие функции систем помощи водителю, которые работают на основании данных, полученных из области изображения дальнего поля (8).

После обработки изображения и распознавания объекта в зависимости от распознанных препятствий для обзора подается управляющий сигнал для стеклоочистителя, омывателя, кондиционера или вентиляции, что автоматически инициирует включение гибкой функции очистки и обеспечения комфорта с учетом вида и размера препятствия для обзора.

Другой возможностью для использования представленной мультифокальной оптики помимо распознавания дождя и грязи является ее применение в качестве «сканера» или устройства считывания кодов для транспортного средства. Возможна регистрация и обработка целевой метки на ветровом стекле (5), которая, например, содержит напечатанный код для идентификации ветрового стекла. Идентифицированные коды могут передаваться по линии передачи данных, в частности, по шинной системе, в другие управляющие устройства.

Предлагается использование отображения ближней зоны (наружной поверхности ветрового стекла) в качестве будущего коммуникационного интерфейса между человеком и транспортным средством, в котором он представляет собой устройство для чтения кодов (подобно используемому для регистрации сканеру), посредством которого возможно считывание данных снаружи. Например, камера могла бы использоваться для открывания транспортного средства посредством сканирования, например, отпечатка пальца водителя, для поездки по сохраненному пути или для считывания поднесенной кодовой карточки.

Другим примером является цифровое считывание важной информации, которую требуется сообщить владельцу припаркованного транспортного средства. Владелец транспортно средства мог бы просмотреть эту информацию, например, на бортовом мониторе.

Как раз при использовании будущих стереокамер положение для установки сдвигается от центра ветрового стекла ближе к краю, и поэтому становится ближе для владельца транспортного средства. Для этого камера должна находиться в режиме ожидания и активироваться при быстром затемнении поля зрения с включением обработки изображения и подсветки ближней зоны.

Альтернативная возможность создания мультифокальной оптики посредством частичного оптического элемента (11) состоит в настройке фокусного расстояния на самое лучшее отображение дальней зоны и использование в качестве частичного оптического элемента (11) части собирательной линзы. В этом случае отображение ближней зоны без частичного оптического элемента (11) является сильно несфокусированным. Однако собирательная линза (часть линзы) может коллимировать в фокусном расстоянии пучок лучей для отображения ближнего поля и тем самым обеспечивать подобное отображение, как уже было описано.

Перечень ссылочных позиций

1 Объектив

2 Главная плоскость объектива

3 Защитное стекло полупроводникового элемента

4 Полупроводниковый элемент с чувствительной поверхностью

5 Ветровое стекло

6 Дождевые капли

7 Накладка рассеянного света

8 Дальняя зона

9 Ближняя зона

10 Область обзора

11 Дополнительный частичный оптический элемент

Оптический модуль содержит полупроводниковый элемент (4) с чувствительной к электромагнитному излучению поверхностью и объектив (1) для проецирования электромагнитного излучения на чувствительную поверхность полупроводникового элемента (4). В пространстве между объективом (1) и чувствительной поверхностью полупроводникового элемента (4) размещен дополнительный оптический элемент (11). Объектив (1) размещен таким образом и толщина дополнительного оптического элемента (11) предусмотрена таким образом, чтобы через дополнительный оптический элемент (11) в первой области чувствительной поверхности полупроводникового элемента (4) отображалась оптическая дальняя зона (8), а во второй области зоны обзора, в которой не находится дополнительный оптический элемент (11), отображалась оптическая ближняя зона (9). В транспортном средстве оптический модуль размещен в его внутреннем пространстве за ветровым стеклом (5) для регистрации наружного пространства в направлении движения. Технический результат - повышение стабильности и надежности оптической системы датчика. 3 н. и 26 з.п. ф-лы, 2 ил.

1. Оптический модуль, содержащий
- полупроводниковый элемент (4) с чувствительной к электромагнитному излучению поверхностью, и
- объектив (1) для проецирования электромагнитного излучения на чувствительную поверхность полупроводникового элемента (4),
отличающийся тем, что в определенной части объема в пространстве между объективом (1) и чувствительной поверхностью полупроводникового элемента (4) размещен дополнительный оптический элемент (11), а объектив (1) размещен таким образом и толщина дополнительного оптического элемента (11) предусмотрена таким образом, чтобы через дополнительный оптический элемент (11) в первой области чувствительной поверхности полупроводникового элемента (4) отображалась оптическая дальняя зона (8), а во второй области зоны обзора, в которой не находится дополнительный оптический элемент (11), отображалась оптическая ближняя зона (9).

2. Оптический модуль по п.1, отличающийся тем, что показатель преломления дополнительного оптического элемента (11) больше показателя преломления среды, которая окружает дополнительный оптический элемент (11).

3. Оптический модуль по п.1 или 2, отличающийся тем, что дополнительный оптический элемент (11) является плоскопараллельной прозрачной пластиной.

4. Оптический модуль по п.3, отличающийся тем, что плоскопараллельная прозрачная пластина (11) изготовлена из пластмассы.

5. Оптический модуль по одному из пп.1 или 2, отличающийся тем, что дополнительный оптический элемент (11) является частью рассеивающей линзы, матрицей микролинз с рассеивающими линзами или дифракционной матрицей микролинз.

6. Оптический модуль по одному из пп.1 или 2, отличающийся тем, что дополнительный оптический элемент (11) имеет по меньшей мере две плоскопараллельных области разной толщины.

7. Оптический модуль по одному из пп.1 или 2, отличающийся тем, что дополнительный оптический элемент (11) имеет по меньшей мере две области из материалов с разными показателями преломления.

8. Оптический модуль по одному из пп.1 или 2, отличающийся тем, что дополнительный оптический элемент (11) имеет клиновидную форму.

9. Оптический модуль по п.1, отличающийся тем, что дополнительный оптический элемент (11) может циклически перемещаться в пространстве между объективом (1) и чувствительной поверхностью полупроводникового элемента (4).

10. Оптический модуль по п.1, отличающийся тем, что в пространстве между объективом (1) и чувствительной поверхностью полупроводникового элемента (4) могут циклически перемещаться дополнительные оптические элементы (11) разной толщины и/или с разными показателями преломления.

11. Оптический модуль по одному из пп.1 или 2, отличающийся тем, что дополнительный оптический элемент (11) реализован посредством заполнения части объема текучей средой, показатель преломления которой больше показателя преломления окружающей среды.

12. Оптический модуль по п.1, отличающийся тем, что дополнительный оптический элемент (11) имеет такие размеры, при которых первая область чувствительной поверхности полупроводникового элемента больше второй области.

13. Оптический модуль по п.1, отличающийся тем, что по меньшей мере на одной стороне дополнительного оптического элемента (11) нанесено покрытие, благодаря которому могут предотвращаться отражения.

14. Оптический модуль по п.1, отличающийся тем, что по меньшей мере на одной стороне дополнительного оптического элемента (11) нанесено покрытие, которое фильтрует электромагнитное излучение в определенном диапазоне длины волн.

15. Транспортное средство с оптическим модулем по одному из пп.1-14, отличающееся тем, что оптический модуль размещен во внутреннем пространстве транспортного средства за ветровым стеклом (5) для регистрации наружного пространства в направлении движения.

16. Транспортное средство по п.15, отличающееся тем, что объектив (1) оптического модуля размещен таким образом, чтобы наружная сторона ветрового стекла (5) резко отображалась на второй области чувствительной поверхности полупроводникового элемента (4).

17. Транспортное средство по п.16, отличающееся тем, что изображения со второй области чувствительной поверхности полупроводникового элемента (4) анализируются, причем на ветровом стекле (5) распознается дождь и/или частицы грязи и системе управления стеклоочистителей и/или системе управления очистки стекла может быть выдан выходной сигнал.

18. Транспортное средство по п.16 или 17, отличающееся тем, что предусмотрен источник света, который через ветровое стекло (5) освещает зону (9) поля (10) зрения, которая отображается во второй области чувствительной поверхности полупроводникового элемента (4).

19. Транспортное средство по п.18, отличающееся тем, что излучение источника света вводится в ветровое стекло (5) посредством гибкого светопроводящего тела.

20. Транспортное средство по п.15, отличающееся тем, что зона (9) поля (10) зрения подсвечивается через ветровое стекло (5) светом в инфракрасном диапазоне длин волн, и дополнительный оптический элемент (11) покрыт фильтром, который подавляет передачу в инфракрасном диапазоне длин волн.

21. Транспортное средство по п.17, отличающееся тем, что в транспортном средстве дополнительно предусмотрен емкостный датчик дождя, и общий аналитический блок оценивает сигналы от емкостного датчика дождя и датчика дождя на основе камеры.

22. Транспортное средство по п.15, отличающееся тем, что между ветровым стеклом (5) и объективом (1) по ходу лучей со стороны объекта для отображения ближней зоны (9) размещена клиновидная пластина.

23. Транспортное средство по п.22, отличающееся тем, что на клиновидную пластину нанесено фильтрующее покрытие, которое подавляет определенные диапазоны длин волн.

24. Транспортное средство по п.22 или 23, отличающееся тем, что верхняя сторона клиновидной пластины затемнена для подавления рассеянного света.

25. Транспортное средство по п.19, отличающееся тем, что в прочном контакте с ветровым стеклом (5) размещен отводящий элемент, который отводит входящее излучение, чтобы оно отображалось во второй области чувствительной поверхности полупроводникового элемента (4).

26. Транспортное средство по п.25, отличающееся тем, что на отводящий элемент нанесено фильтрующее покрытие, которое подавляет определенные диапазоны длины волн.

27. Транспортное средство по п.25 или 26, отличающееся тем, что отводящий элемент имеет матовую поверхность на обращенной к объективу (1) стороне.

28. Транспортное средство по п.25, отличающееся тем, что отводящий элемент покрывает частичную область поля зрения ветрового стекла (5), которая регистрируется для отображения ближней зоны.

29. Способ калибровки расстояния и положения между ветровым стеклом (5) и оптическим модулем на транспортном средстве по одному из пп.15-28, отличающийся тем, что оптический модуль фокусированным образом отображает нанесенную на ветровое стекло (5) целевую метку на чувствительную поверхность полупроводникового элемента (4), чтобы аналитический блок измерял изменение положения ветрового стекла (5) относительно оптической оси оптического модуля по сравнению с сохраненным исходным положением.