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Optische Linse - Dokument DE102005007945A1
 
PatentDe  



Beschreibung[de]

Lichtbasierte Abstands- und/oder Geschwindigkeitsmesssysteme (LIDAR: Light Detection And Ranging) können zur Umgebungserfassung in Fahrzeugen eingesetzt werden und stellen eine kostengünstige Alternative zu einer Radaranordnung dar.

In einem Umgebungserfassungssystem für Kraftfahrzeuge ist die Erkennung von Objekten in unterschiedlichen Entfernungen, d.h. von Objekten unmittelbar vor dem Fahrzeug bis hin zu Objekten im Fernbereich (>100m), wünschenswert und stellt hohe Anforderungen an die optischen Mittel vor Sender und Empfänger: Um den Fernbereich auszuleuchten werden nahezu parallele Abtaststrahlen verwendet, für den Nahbereich hingegen ist eine große Aufweitung des Abtaststrahls gefordert, um mit möglichst wenig Sensoren auch Objekte direkt vor dem Fahrzeug erfassen zu können.

Es ist naheliegend als Optik kostengünstige und raumsparende Fresnellinsen einzusetzen. Fresnellinsen habe jedoch die nachteilige Eigenschaft, dass über die steilen Flanken auf der Oberfläche der Linse viel Streustrahlung in alle Raumrichtungen freigesetzt wird. Ist Empfänger benachbart zum Sender angeordnet blendet die Streustrahlung der Fresnellinse den Empfänger, d.h. die Funktion des Empfängers ist eingeschränkt, ankommende Signale können nicht erkannt und verarbeitet werden. Die Blendung wird verstärkt durch eine Frontscheibe, die in der Regel vor dem optischen System zu seinem Schutz angebracht ist. Das Problem der Blendung des Empfängers kann technisch einfach durch eine Trennscheibe zwischen Sender und Empfänger gelöst werden. In Fahrzeugen können dem jedoch die Anforderungen des Designs entgegenstehen. In design-sensiblen Bereichen eines Fahrzeugs, z.B. im Scheinwerferbereich, wird eine solche Trennscheibe häufig als störend empfunden und von Fahrzeugherstellern und Kunden nicht akzeptiert. Ein alternativer und designfreundlicher Lösungsansatz ist die Verwendung von sphärischen Linsen, die wesentlich weniger Streulicht erzeugen als Fresnellinsen. Nachteil einer sphärischen Linse ist jedoch, dass der Strahl entweder kollimiert oder aufgeweitet wird und damit nicht in allen Fällen den Erfordernissen eines Umgebungserfassungssystems gerecht wird. Dies gilt insbesondere, wenn Objekte in unterschiedlichen Entfernungsbereichen abgetastet werden sollen.

Es ist daher eine Aufgabe der hier vorliegenden Erfindung, eine geeignete Linse für ein Umgebungserfassungssystem vorzustellen, das unterschiedliche Entfernungsbereiche erfassen kann.

Diese Aufgabe ist erfindungsgemäß gelöst durch eine optische Linse die sich aus zwei nebeneinanderliegenden Abschnitten unterschiedlicher Geometrie mit den in Anspruch 1 beschriebenen Merkmalen zusammenfügt. Vorteilhafte Weiterbildungen sind den Unteransprüchen zu entnehmen.

Erfindungsgemäß wurde erkannt, dass eine streuarme, kompakte optische Anordnung zur Beleuchtung und Erfassung von Objekten in unterschiedlichen Entfernungsbereichen durch eine optische Linse realisiert werden kann, wobei ein erster Abschnitt die Geometrie einer Meniskuslinse aufweist und das in diesem Abschnitt auftreffende Licht zu einem zumindest näherungsweise parallelen ersten Teilstrahl formt, und wobei in einem zweiten asphärisch verzerrten Abschnitt die auftreffende Lichtstrahlen so abgelenkt werden, dass die Ausbreitungsrichtung dieser Lichtstrahlen hinter der Linse von der des ersten Teilstrahls abweicht.

Vorzugsweise wird die Anordnung so ausgeführt, dass der Anteil der Linse 1 mit sphärischer Geometrie wenigstens 50% der Gesamtlinse einnimmt.

Der asphärische Teil der Linse 2 wird am Rand vorzugsweise durch eine Facettenfläche 5 begrenzt, deren Flächennormale parallel zur Hauptebene der Gesamtlinse steht. Der Begriff Hauptebene bezieht sich in dieser Anmeldung auf die sphärisch geformte untere Fläche 6 der Linse und die Hauptebene wird durch den Rand 3 der Linse aufgespannt.

Die Oberfläche der Linse weist vorzugsweise eine runde und/oder wellenförmige Struktur auf. Die Linsenoberfläche verläuft kontinuierlich ohne Kanten und Unstetigkeiten, um Streustrahlung, wie sie bei der Fresnellinse auftritt, zu vermeiden. Die bereits beschriebene Facettenfläche 5 ist die einzige senkrecht und/oder nahezu senkrecht stehende Grenzfläche zur Hauptebene der Gesamtlinse.

Der asphärische Abschnitt der Linse 2 weist vorzugsweise eine konkave Wölbung auf, wobei die konkave Wölbung 2b der Linsenoberfläche im Wesentlichen in eine vorgegebene Raumrichtung ausgeprägt ist, derart dass die Aufweitung der Lichtstrahlen nahezu nur in diese Raumrichtung erfolgt.

Vorzugsweise ist der asphärische Teil der Linse so gestaltet, dass die im asphärischen Abschnitt auftreffenden Lichtstrahlen hinter der Linse im Wesentlichen um 0° bis maximal &agr; oder um 0° bis maximal –&agr; bezogen auf den ersten nahezu parallelen Teilstrahl und abgelenkt werden. Der maximale Ablenkwinkel &agr; ist ein Designparameter, er wird durch geeignete Wahl der Linsengeometrie, der optischen Eigenschaften des verwendeten Linsenmaterials und der Wellenlänge anwendungsgemäß eingestellt.

Die optische Linse ist vorzugsweise Bestandteil eines optischen Umgebungserfassungssystems, das mindestens zwei elektromagnetische Strahlung emittierende Sender und zwei Empfänger zum Empfang der reflektierten Strahlung vorsieht, wobei jeweils ein Sender und ein Empfänger benachbart angeordnet und zu einer Einheit zusammengefasst sind. Jede Einheit ist in ein Zielgebiet ausgerichtet. Die Einheiten sind beabstandet voneinander auf einer Linie angeordnet.

Mindestens ein Sender und ein einer anderen Einheit zugehöriger Empfänger sind mit einer optischen Linse wie vorher beschrieben versehen. Die Linsen sind so ausgerichtet, dass durch den asphärische Teils der Linse vor dem Sender Strahlung in einen Bereich gelenkt wird, der sich teilweise mit dem Empfangsbreich des beabstandeten Empfängers überschneidet. Durch die geschickte Anordnung der benachbarten Einheiten und den Einsatz der oben beschriebenen Linse kann also ein zusätzliches Zielgebiet erfasst werden.

Das oben beschriebene Umgebungserfassungssystem wird vorzugsweise in Fahrzeugen eingesetzt, es besteht aus zwei Sende- und Empfangseinheiten, die sich im Bereich der Scheinwerfer befinden. Die Einheiten sind auf einer Linie in Fahrzeugquerrichtung an der Fahrzeugfront angeordnet und die Sende- und Empfangseinheiten schauen in Fahrtrichtung. Die optischen Linsen sind so ausgerichtet, dass die Linse vor dem Emitter mit ihrer asphärischen Verzerrung zum beabstandet angebrachten Empfänger gerichtet ist und die Linse vor dem Empfänger mit der asphärischen Verzerrung zum beabstandet angebrachten Sender weist. Durch diese Anordnung wird erreicht, dass sich das Zielgebiet von Sender und beabstandeten Empfänger direkt vor dem Fahrzeug befindet und Objekte im Nahbereich erfasst werden können.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand eines Ausführungsbeispiels und Abbildungen näher beschrieben.

Es zeigen:

1 Umgebungserfassungssystem in einem Kraftfahrzeug gemäß dem Stand der Technik

2 Ausgestaltung eines erfindungsgemäßen Umgebungserfassungssystems in der ersten Betriebsphase

3 Umgebungserfassungssystems in der zweiten Betriebsphase

4 Ablenkung der Lichtstrahlen durch ein Ausführungsbeispiel einer optische Linse

5 Ausführungsbeispiel der optischen Linse von seitlich oben betrachtet.

6 Ausführungsbeispiel der optischen Linse von seitlich unten betrachtet.

6 zeigt ein Ausführungsbeispiel der optischen Linse von seitlich unten gesehen. Die untere Fläche 6 der Linse ist sphärisch konkav geformt. 5 stellt eine bevorzugte Ausführung der optischen Linse von seitlich oben dar. Die Linsenoberfläche besteht aus einem sphärischen Abschnitt 1 und einem asphärischen Abschnitt 2. Der Abschnitt 1 der Linse weist die Geometrie eine konkavkonvexen Meniskuslinse auf und kollimiert das hier auftreffende Licht zu einem ersten Teilstrahl 8. Abschnitt 2 der Linse wurde durch eine Facette 5 modifiziert. Die Facette 5 steht senkrecht zur Hauptebene, die durch den Rand 3 der Linse aufgespannt wird, und ist durch die Oberfläche des asphärischen Abschnitts 2 begrenzt. Die Höhe der Facette 5 ist in der Nähe des Abschnitts 1 der Linse gering, und sie wächst mit zunehmenden Abstand von Abschnitt 1 an und wird maximal am Punkt 4. Im Bereich 2b, der sich im Wesentlichen vom Ort maximaler Facettenhöhe bis zum Mittelpunkt 7 der Linse erstreckt, ist die asphärische Verzerrung am stärksten ausgeprägt. Die Verzerrung hat die Form einer konkaven Wölbung, so dass die auftreffenden Lichtstrahlen zu einem zweiten Teilstrahl 9 aufgeweitet werden. Der Strahl 9 wird hauptsächlich von 0° bis &agr; = 50° bezüglich des ersten nahezu parallelen Teilstrahls 8 in Richtung des Punkts 4 mit maximalen Facettenhöhe abgelenkt.

Die Bereiche 2a, die an Abschnitt 2b und an Abschnitt 1 grenzen, weisen eine nahezu sphärische Meniskusgeometrie mit kleineren Verzerrungen am Rand der Oberfläche, auf, so dass die auftreffenden Lichtstrahlen hauptsächlich dem ersten Teilstrahl 8 folgen. Der Verlauf der Lichtstrahlenstrahlen nach dem Durchgang durch die Linse ist zusammenfassend in 4 dargestellt.

Besonderes Merkmal der erfindungsgemäß geformten Linse ist, dass der divergente Teilstrahl 9 nur in eine vorgegebene Raumrichtung aufgeweitet wird. Dadurch ist der Einsatz in einem Umgebungserfassungssystem zur Erkennung von Zielen im Nah- und im Fernbereich besonders vorteilhaft. Durch die Aufweitung des Abtaststrahls wird der Nahbereich erfasst und die Aufspreizung des Strahls in nur eine Raumrichtung stellt sicher, dass im Wesentlichen nur Objekte auf der Fahrspur des Fahrzeugs detektiert werden.

Aus Kostengründen ist es vorteilhaft die Fern- und Naherfassung mit einem Sensorsystem zu verwirklichen. Die Optik eines solchen Messsystems in Fahrzeugen muss also einen nahezu parallelen Strahl für die Fernerfassung und einen stark aufgeweiteten Strahl für die Naherfassung zur Verfügung stellen und wenig Streulicht verursachen. Ein solches Umgebungserfassungssystem wird in Patentanmeldung DE 103 42 836 vorgestellt und wird im Folgenden kurz beschrieben.

Die 1 zeigt ein Umgebungserfassungssystem in einem Kraftfahrzeug, wie es bekanntermaßen zukünftig für die Abstandsreglung oder Precrash-Erkennung oder weitere Anwendungsgebiete eingesetzt werden kann. Es weist zumindest zwei Sender S1,S2 von elektromagnetischen Wellen auf, die in diesem Beispiel an der rechten und linken Seite des Fahrzeugs mit Senderichtung in Fahrtrichtung angeordnet sind. Entsprechend sind zwei Empfänger E1,E2 zum Empfang von Reflexionen der ausgesendeten Wellen vorgesehen, wobei der erste Sender S1 mit dem ersten Empfänger E1 auf ein erstes Zielgebiet Z1 und ein zweiter Sender S2 mit einem zweiten Empfänger E2 auf ein zweites Zielgebiet Z2 ausgerichtet sind. Dadurch wird zumindest ab einer bestimmten Entfernung der Frontbereich vor dem Fahrzeug vollständig erfasst. Im Nahbereich verbleibt wegen der kegelförmig in Fahrtrichtung auseinander laufenden Zielgebiete einen nicht erfassten Bereich.

Erfindungsgemäß wird daher vorgeschlagen, dass wie in 2 skizziert, zumindest der erste Sender S1, vorzugsweise jedoch beide Sender S1 und S2 die oben beschriebene Linse aufweisen, die zumindest zeitweise zumindest einen Teil der von diesem Sender S1 ausgesendeten Wellen in das dritte Zielgebiet Z3 lenken und zumindest der zweite Empfänger E2, vorzugsweise auch der erste Empfänger E1 die oben beschriebene Linse aufweist, die zumindest zeitweise Reflexionen der vom ersten Sender S1 in das dritte Zielgebiet Z3 ausgesendeten Wellen auf den zweiten Empfänger E2 lenken.

Vorzugsweise sind die optischen Linsen permanent vor dem ersten Sender S1 und dem zweiten Empfänger E2 angeordnet und lenken dabei jeweils nur einen Teil der ausgesendeten Wellen auf das Zielgebiet Z3 bzw. von diesem Zielgebiet Z3 dann auf den Empfänger E2.

In einer ersten Betriebsphase sendet dann der erste Sender S1, wobei dabei der erste Empfänger E1 das erste Zielgebiet Z1 und zweite Empfänger E2 das dritte Zielgebiet Z3 erfassen, während der zweite Sender S2 inaktiv ist, wie in 2 skizziert.

In einer zweiten Betriebsphase gemäß 3 sendet der zweite Sender S2, wobei der zweite Empfänger E2 das zweite Zielgebiet Z2 erfasst. Vorzugsweise kann natürlich während der zweiten Betriebsphase auch der erste Empfänger E1 das dritte Zielgebiet (Z3) erfassen. Dann wird das dritte Zielgebiet doppelt so häufig erfasst wie das erste und zweite Zielgebiet, was jedoch auch gewünscht ist, da das dritte Zielgebiet den unmittelbaren Nahbereich vor dem Fahrzeug umfasst und die Erfassung dort besonders zeitkritisch ist.

Das dritte Zielgebiet Z3 erfasst zumindest teilweise einen zwischen dem ersten und zweiten Zielgebiet Z1,Z2 liegenden Nahbereich, kann diese jedoch durchaus überschneiden.

Die zeitliche Steuerung der Sender und Empfänger und die Auswertung der Signale der Empfänger und die Zuordnung zu den Zielgebiet erfolgt dabei in einer zentralen Auswerteeinheit 1, welche die aufbereiteten Signale dann den entsprechenden Anwendungseinheiten zur Verfügung stellt.


Anspruch[de]
  1. Optische Linse dadurch gekennzeichnet, dass zwei nebeneinanderliegende Abschnitte (1 und 2) vorgesehen sind, wobei ein erster Abschnitt (1) die Geometrie einer Meniskuslinse aufweist und das in diesem Abschnitt auftreffende Licht zu einem zumindest näherungsweise parallelen ersten Teilstrahl (8) formt, und wobei in einem zweiten asphärisch verzerrten Abschnitt (2) die auftreffende Lichtstrahlen so abgelenkt werden, dass die Ausbreitungsrichtung dieser Lichtstrahlen hinter der Linse von der des ersten Teilstrahls (8) abweicht.
  2. Linse nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Anteil der Linse mit sphärischer Geometrie (1) mindestens 50% der Gesamtlinse einnimmt
  3. Linse nach Anspruch 1 oder Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der asphärische Teil der Linse (2) am Rand durch eine Facettenfläche (5) begrenzt ist, deren Flächennormale parallel zur Hauptebene der Gesamtlinse steht.
  4. Linse nach Anspruch 3 dadurch gekennzeichnet, dass die Oberfläche eine runde und/oder wellenförmige kontinuierliche Struktur aufweist und die Facettenfläche (5) die einzige senkrecht und/oder nahezu senkrecht stehende Grenzfläche zur Hauptebene der Gesamtlinse ist.
  5. Linse nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der asphärische Abschnitt der Linse (2) eine kontinuierliche, konkave Wölbung der Linsenoberfläche aufweist, wobei die konkave Wölbung der Linsenoberfläche im Wesentlichen in eine vorgegebene Raumrichtung ausgeprägt ist, derart dass der im zweiten Abschnitt der Linse (2) auftreffende Lichtstrahl aufgeweitet wird und die Aufweitung im Wesentlichen in diese Raumrichtung erfolgt.
  6. Linse nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die auf den asphärischen zweiten Teil der Linse (2) treffenden Lichtstrahlen hinter der Linse im Wesentlichen um 0° bis zu einem maximalen Winkel +&agr; oder um 0° bis maximal –&agr; bezüglich des ersten nahezu parallelen Teilstrahls (8) abgelenkt werden.
  7. Linse nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Wert des maximalen Aufweitungswinkel &agr; zwischen 35° und 50° beträgt.
  8. Optisches Umgebungserfassungssystem

    dadurch gekennzeichnet, dass

    mindestens zwei elektromagnetische Strahlung emittierende Sender (S1,S2) und mindestens zwei Empfänger (E1,E2) zum Empfang der reflektierten Strahlung vorgesehen sind, wobei jeweils ein Sender und ein Empfänger benachbart angeordnet und zu einer Einheit (S1/E1 bzw. S2/E2...) zusammengefasst sind, wobei jede Einheit in ein Zielgebiet (Z1 bzw. Z2 ...) ausgerichtet ist und die Einheiten (S1/E1 und S2/E2) sind beabstandet voneinander auf einer Linie angeordnet,

    wobei mindestens ein Sender einer Einheit und ein Empfänger einer anderen Einheit (z.B. S1 und E2) mit einer optischen Linse nach einem der vorherigen Ansprüche versehen sind, wobei die Linsen so ausgerichtet sind, dass mittels des asphärische Teils der Linse vor dem Sender die Strahlung in einen Bereich gelenkt wird, der teilweise mit dem Empfangsbreich des mit der optischen Linse nach einem der vorherigen Ansprüche versehenen Empfängers überlappt und somit ein zusätzliches Zielgebiet (Z3) erfasst wird.
  9. Fahrzeug mit Umgebungserfassungssystem nach Anspruch 8 dadurch gekennzeichnet, dass zwei Sende- und Empfangseinheiten vorgesehen sind, die auf einer Linie in Fahrzeugquerrichtung in Fahrtrichtung schauend an der Fahrzeugfront angeordnet sind, wobei die optischen Linsen nach einem der vorhergehenden Ansprüche 1–6 so ausgerichtet sind, dass die Linse vor dem Emitter mit ihrer asphärischen Verzerrung zum beabstandet angebrachten Empfänger gerichtet ist und die Linse vor dem Empfänger mit der asphärischen Verzerrung zum beabstandet angebrachten Sender.
Es folgen 2 Blatt Zeichnungen






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