构造用于识别传感器的至少一个发射窗和/或接收窗的污染的设备

技术领域

本发明描述一种用于识别传感器的至少一个发射窗和/或接收窗的污染的设备。

背景技术

为了防止受到例如灰尘或水的污染，通过透明覆盖装置(Abdeckung)向外保护诸如激光雷达传感器或摄像机的环境传感器的发射窗和/或接收窗。但是，污染也可能沉积在覆盖装置上，由此可能干扰传感器的光学路径。

例如，文献WO 2014/005585A1提出，为了识别车辆的挡风玻璃上的污染，借助环绕摄像机检测玻璃的状态。

发明内容

由此出发，本发明的任务在于开发一种简化的设备，其用于识别光学传感器的至少一个发射窗和/或接收窗的透光覆盖装置的污染。

为了解决该任务，提出根据权利要求1的一种用于识别光学传感器的至少一个发射窗和/或接收窗的透光覆盖装置的污染的设备。在此，光学传感器尤其是车辆的光学环境传感器。该设备具有至少一个全息结构，在本文中，所述全息结构构造为对入射通过透光覆盖装置的光束至少部分地朝图像传感器的方向进行偏转。在此，光束尤其从设备的外部环境入射通过透光覆盖装置。替代地，全息结构构造为对由透光覆盖装置的内侧反射的光束至少部分地朝图像传感器的方向进行偏转。在本文中，内侧意味着透光覆盖装置的指向全息结构和图像传感器方向的侧。在两种情况下，该设备的图像传感器都构造为根据到达图像传感器的偏转光束来检测图像信号。该设备还包括计算单元，该计算单元构造为根据至少一个所检测的图像信号来识别透光覆盖装置的污染。

优选地，计算单元构造用于根据至少一个所检测的图像信号来求取透光覆盖装置的表面的成像(Abbildung)。该成像在此例如可以表示透光覆盖装置的内侧或外侧的表面的完整图像。在此，计算单元进而可以根据所求取的成像来识别透明覆盖装置的污染。成像在此尤其构造为彩色成像。在这种情况下，表面的污染尤其可以与现实相符地以相应的颜色显示。

至少一个全息结构优选地构造为体积全息图。体积全息图的特征在于，到达体积全息图的光束不被折射而是被衍射。仅将具有特定波长和/或具有到体积全息图上的特定入射角的光束朝图像传感器的方向进行衍射。对于具有与此不同的波长和/或不同入射角的光束，体积全息图是透明的，并且光束可以穿过体积全息图而不会偏转。作为全息光学元件(HOE)的这种体积全息图的衍射特性在HOE的记录时由在那里所使用的入射角和/或波长定义。因此，例如可以如此设置体积全息图的衍射特性，使得光学传感器的光学功能不受干扰。在激光雷达传感器的情况下，体积全息图例如可以设计为对于激光雷达传感器发射和/或接收的红外射束是透明的，因此不会使所述红外射束衍射。红外射束可以不受干扰地穿过体积全息图，并且光学传感器可以继续实施其光学功能。体积全息图优选地具有体积光栅。这些全息衍射光栅曝光到膜中，可以构造为反射光栅或透射光栅。在透射体积光栅的情况下，体积光栅构造为使入射通过透光覆盖装置的光束或由透光覆盖装置的内侧反射的射束透射。这意味着，朝图像传感器的方向衍射的光束透射通过透射全息图。在反射体积光栅的情况下，体积光栅构造为将入射通过透光覆盖装置的光束或由透光覆盖装置的内侧反射的光束根据入射光束的波长和/或入射光束的入射角朝图像传感器的方向进行反射。

图像传感器优选地构造为CCD图像传感器。这种CCD图像传感器具有由多个光敏光电二极管组成的矩阵，这些光敏光电二极管也称为像素。根据这种像素的照明在成像上产生图像点。在此，每个像素分配有待成像的透光覆盖装置的限定的区域。至少一个全息结构构造为将入射到待成像的透光覆盖装置的限定区域中的光束偏转到CCD图像传感器的分配给相应的限定区域的像素上。替代地，全息结构构造为将在透光覆盖装置的内侧的限定区域上反射的光束偏转到CCD图像传感器的分配像素上。因此，可以产生透光覆盖装置的成像。通过所产生的成像，可以对透光覆盖装置上的可能的污染进行定位。CCD图像传感器优选地具有多个红色、绿色和蓝色。这意味着，例如仅相应于红色波长的可见光到达红色像素。由此可以产生透光覆盖装置的彩色成像。此外优选地，CCD图像传感器可以附加地具有多个红外像素。因此，同时还可以检测光的红外成分。

优选地，至少一个全息结构构造为具有叠加的多个全息图的层。在此，多个全息图的每一个都构造为使入射通过透光覆盖装置的光束或由透光覆盖装置的内侧反射的光束分别不同地根据光束的波长和/或光束的入射角朝图像传感器的方向衍射。通过这种将多个全息图叠加到一层中的也称为全息多路复用的方法使得例如可以将图像传感器的特定像素分配给透光覆盖装置的限定区域。在此，由此产生的成像的分辨率由叠加的全息图的数量和图像传感器的像素确定。替代地，至少一个全息结构由彼此相继地布置的多个全息图构成。在此，全息结构由多个单独的全息图层的堆叠组成。在此，各个全息图构造为使入射通过透光覆盖装置的光束或由透光覆盖装置的内侧反射的光束分别不同地根据光束的波长和/或光束的入射角朝图像传感器的方向衍射。由此例如也可以将图像传感器的特定像素分配给透光覆盖装置的限定区域。在此，由此产生的成像的分辨率由堆叠中的全息图的数量和图像传感器的像素确定。

优选地，该设备附加地具有至少一个第一照明单元，该第一照明单元构造用于照明透光覆盖装置的内侧。在此，如此执行照明，使得在透光覆盖装置的污染下，由第一照明单元所发射的光束在透光覆盖装置的内侧上被反射。在此，至少一个全息结构构造为对由第一照明单元所发射的和在透光覆盖装置的内侧上被反射的光束至少部分地朝图像传感器的方向进行偏转。图像传感器又构造用于检测图像信号，并且计算单元根据所检测的图像信号来识别透光覆盖装置的污染。

该设备优选地具有至少一个第二照明单元，该第二照明单元构造为如此照明透光覆盖装置的外侧，使得在透光覆盖装置的污染下，由第二照明单元所发射的光束在外侧上被反射。在此，透光覆盖装置的外侧意味着透光覆盖装置的背离至少一个全息结构和图像传感器指向的一侧。在此，至少一个全息结构构造为对由第二照明单元所发射的和入射穿过透光覆盖装置的外侧的光束至少部分地朝图像传感器的方向进行偏转。图像传感器又构造用于检测图像信号，并且计算单元根据所检测的图像信号来识别透光覆盖装置的污染。

该设备优选地附加地具有至少一个第三照明单元，该第三照明单元构造为在侧面从上方或从下方如此照明透光覆盖装置，使得在透光覆盖装置的污染下，由第三照明单元所发射的光束朝全息结构的方向被偏转。在此，所述至少一个全息结构构造为对由第三照明单元所发射的和朝全息结构的方向偏转的光束至少部分地朝图像传感器的方向进行偏转。图像传感器又构造用于检测图像信号，并且计算单元根据所检测的图像信号来识别透光覆盖装置的污染。该设备优选地附加地具有至少一个第四照明单元，该第四照明单元也构造为在侧面从上方或从下方如此照明透光覆盖装置，使得在透光覆盖装置的污染下，由第三照明单元所发射的光束朝全息结构的方向被偏转。第四照明单元与第三照明单元相反地(entgegengesetzt)布置，由此，两个照明单元因此分别朝另一个照明单元的方向进行辐射。

如上所述的这种第一、第二、第三或第四照明单元提供以下优点，即可以产生透光覆盖装置的均匀照明，这又有利于经偏转的探测到的光束和由此得到的图像信号的可比较性。外部照明的另一优点是不仅在白天而且在晚上也可以识别透光覆盖装置的污染。第一照明单元、第二照明单元、第三照明单元和/或第四照明单元例如可以构造为LED。

本发明的另一主题是一种光学传感器，其具有用于识别光学传感器的至少一个发射窗和/或接收窗的透光覆盖装置的污染的上述设备。附加地，尤其可以构造为车辆的光学环境传感器的该光学传感器具有壳体，该壳体具有传感器的至少一个发射窗和/或至少一个接收窗。发射窗和/或接收窗意味着壳体的如下区段：该区段构造为允许所产生的传感器辐射或传感器的接收信号通过。此外，光学传感器具有透光覆盖装置，该透光覆盖装置构造用于相对于光学传感器的外部环境覆盖光学传感器的至少一个发射窗和/或至少一个接收窗。根据本发明的设备的至少一个全息结构如此布置在壳体内，使得对入射穿过透光覆盖装置的光束或由透光覆盖装置的内侧反射的光束至少部分地朝也布置在壳体内的图像传感器的方向进行偏转。图像传感器又构造为根据经偏转的光束来检测至少一个图像信号。计算单元根据所检测的图像信号来识别透光覆盖装置的污染。该计算单元优选地构造为根据至少一个所检测的图像信号来求取透光覆盖装置的表面的成像，并且根据所求取的成像来识别透光覆盖装置的污染。光学传感器优选地是激光雷达传感器。这样的激光雷达传感器可以构造为扫描式或旋转式激光雷达传感器，并且具有透光覆盖装置，该透光覆盖装置保护光学传感器免受例如水可能渗入到壳体中。

全息结构优选地布置在作为光学传感器的激光雷达传感器的接收镜头的弯曲的外侧上。在此，制成全息结构的材料可以以液态的状态施加到接收镜头的弯曲的外侧上。然后将全息结构进行曝光，然后进行硬化。替代地，全息结构也可以构造为膜并且布置在接收镜头的外侧上。在此，膜尤其具有大约100μm的厚度。为了更好地保护环境和更好地进行操作，例如通过由聚碳酸酯(Polycarbonat)或聚酰胺(Polyamid)组成的保护层来覆盖所施加的全息结构。通过接收镜头的外侧上的全息结构上的布置提供了将激光雷达传感器的图像传感器用作根据本发明的设备的图像传感器的可能性。在此，图像传感器上的像素优选地如此分布，使得通过激光雷达传感器检测周围环境的功能不受透光覆盖装置的污染的附加识别的限制。为此，相较于相对红色、绿色和蓝色或替代地单色的像素，例如可以在图像传感器上布置更多的红外像素。为此所需的光学滤光器功能例如可以借助全息级联滤光器来实现，该全息级联滤光器由反射全息图或透射全息图的特定的角度布置或多级布置实现。本发明的另一主题是一种用于识别光学传感器的至少一个发射窗和/或接收窗的透光覆盖装置的污染的方法。借助上述根据本发明的设备来实施该方法。

附图说明

图1示出根据本发明的设备的第一实施方式；

图2示出根据本发明的设备的第二实施方式；

图3示出全息级联滤光器的第一实施方式；

图4示出全息级联滤光器的第二实施方式；

图5示出根据本发明的设备的图像传感器的一种实施方式；

图6示意性地示出已经由所检测的至少一个图像信号产生的产生图示；

图7示出根据本发明的光学传感器的第一实施方式；

图8示出根据本发明的光学传感器的第二实施方式；

图9示出根据本发明的方法的一种实施方式。

具体实施方式

图1示出设备110a的第一实施方式的示意图，其用于识别光学传感器的至少一个发射窗和/或接收窗的透光覆盖装置50的污染51a、51b和51c。

设备110a在此具有全息结构100a，该全息结构例如构造为全息光学元件(HOE)。附加地，设备110a具有图像传感器120a和计算单元130。附加地，设备110a在该第一实施方式中具有第三照明单元70a，其在侧面从下方如此照明透光覆盖装置，使得在污染51、51b和51c下光束被反射并且朝全息结构100a的方向偏转。此外，在此设有第四照明单元70b，其在侧面从上方如此照明透光覆盖装置，使得在污染51、51b和51c下光束被反射并且朝全息结构100a的方向偏转。全息结构100a进而用于对反射射束71a、71b、72a、72b、73a和73b朝图像传感器120a的方向进行偏转。

在该第一实施方式中，图像传感器120a构造为具有多个像素121、122和123的图像传感器。每个像素121、122和123分配有透光覆盖装置50的限定区域52a、52b或53c。在这种情况下，像素121例如分配有透光覆盖装置50的区域52a。全息结构100a对反射光束71a、71b、72a、72b、73a和73b如此进行偏转，使得经偏转的光束71c、72c、73c、75c、76c和77c照射到分配有相应的区域52a、52b或53c的像素121、122或123上。为此，全息结构100a例如可以由彼此相继地布置的多个全息图构成。在此，各个全息图被分别不同地构造并且对反射光束71a、71b、72a、72b、73a和73b根据光束71a、71b、72a、72b、73a和73b的波长和/或光束71a、71b、72a、72b、73a和73b的入射角朝相应的像素121、122或123的方向进行偏转。替代地，可以通过全息复用将多种光学功能存储在全息结构100a的层中，并且光束71c、72c、73c、75c、76c和77c因此可以被偏转到相应的像素121、122或123上。

在这种情况下，全息结构100a构造为体积全息图，其构造为将反射光束71a、71b、72a、72b、73a和73b朝图像传感器的方向进行反射。对于相对于光束71a、71b、72a、72b、73a和73b具有不同的波长和/或不同的入射角的光束78，体积全息图是透明的，并且光束78可以穿过体积全息图而不会偏转。

设备110a附加地具有计算单元130，其构造为根据至少一个所检测的图像信号来识别透光覆盖装置50的污染51a、51b或51c。在设备110a的第一实施方式中，计算单元130构造为用于求取透光覆盖装置50的表面的成像。计算单元130借助例如构造为CCD图像传感器的图像传感器120获得图像信号，根据该图像信号可以产生透光覆盖装置50的表面的单色成像或甚至彩色成像。在所产生的图像上，例如白点可以指示污染51、51b和51c。

图2示意性地示出用于识别光学传感器的至少一个发射窗和/或接收窗的透光覆盖装置50的污染51a、51b和51c的设备110b的第二实施方式的图示。

不同于图1中的第一实施方式，在此设置第一照明单元70c，其如此照明透光覆盖装置50的内侧，使得在透光覆盖装置50的污染51a、51b和51c下，由第一照明单元70a所发射的光束在透光覆盖装置50的内侧55b上被反射。

图3示意性地示出全息级联滤光器140的第一实施方式。

该全息级联滤光器140用作用于不具有限定的波长范围和/或入射角范围的光束的滤光器单元。第一全息图100a构造为透射全息图，并且用于对具有限定的波长范围和/或入射角范围的入射光朝下游的第二全息图100e的方向进行偏转。不位于限定的波长范围和/或入射角范围内的入射光束116a可以直线穿过第一全息图100d而不会偏转。

第二全息图100e构造为反射全息图，并且还构造用于仅将具有限定的波长范围和/或限定的入射角范围的入射光束116b反射到下游的第三反射全息图100f上。因此，越来越多的不相应于限定的波长范围和/或限定的入射角范围的光束被逐步滤除。

在第一实施方式中，全息级联滤光器140以弯曲形状构造，并且在多次反射并且在反射全息图100e、100f、100g和100h之一上进行相应的滤光之后，光束116f照射到构造为透射全息图的全息图100i上。透射全息图100i构造为仅使具有特定波长和/或特定入射角的光束衍射，并将其偏转到像素125a上。波长在此例如可以相应于红色的波长，由此使得能够产生单色成像。

不同于图3，图4示出全息级联滤光器140b，其以直线形状构造并且具有用于两个像素125b和125c的两个波导145a和145b。

在全息级联滤光器140b的第二实施方式中，在两个透射全息图106b和107b的上游分别连接有另一反射全息图106a，该反射全息图滤除不期望的信号，例如来自射束路径的干扰信号。随后的两个透射全息图106b和107b构造为使具有彼此不同的波长范围和/或具有入射角范围的光束127b或137b衍射，并将所述光束朝随后的反射全息图106b或107c的方向进行反射。然后，如在图3中一样，在上波导145a中的其他反射全息图106c、106d、106d和在下波导145b中的反射全息图107d、107e和107f上发生多次偏转。最终，在上波导145a中，经偏转的光束127f到达透射全息图106f并且从该处偏转到像素125b上。在下波导145b中，经偏转的光束137f最终到达透射全息图107g并且从该处偏转到像素125c上。因此，可以将具有不同波长并因此也具有不同颜色的光束引导到所分配的像素上。

图5示意性地示出例如可以在上述设备中使用的图像传感器。图像传感器在此具有蓝色像素121、绿色像素123和红色像素124。附加地，图像传感器在此具有红外像素。

图6例如示意性地示出由至少一个所检测的图像信号产生的产生成像90。成像90在此显示为单色成像90，并且成像上的白点91源自借助全息结构被偏转到图像传感器上的光束。成像上的这种图案例如是在透光覆盖装置的外表面上的雨滴和/或灰尘下产生的。

图7以侧视图示意性地示出根据本发明的光学传感器10a的第一实施方式。在该实施方式中，光学传感器10a构造为激光雷达传感器。在此示例性地示出，以不同的入射角入射到透光覆盖装置50上的光束101a、102a和103a随后如何照射到全息结构105上。在该实施方式中，全息结构105a构造为透射全息图，并且被布置到激光雷达传感器的接收镜头20的透镜110的弯曲的外侧上。全息结构105a如此偏转光束101a、102a和103a，使得经偏转的光束101b、102b和103b再次在接收镜头20中被如此引导，使得经偏转的光束101b、102b和103b最终照射到图像传感器120上。激光雷达传感器10a的图像传感器在此用作图像传感器120。为了滤除经偏转的光束101b、102b和103b的可能的干扰信号，在图像传感器120的前面布置有干扰信号滤光器46。图像传感器120又构造为根据经偏转的光束来检测至少一个图像信号。在该实施方式中连接在下游的计算单元130又根据至少一个所检测的图像信号来识别透光覆盖装置50的可能污染。

图8以俯视图示出根据本发明的光学传感器10b的第二实施方式。光学传感器10b在此也构造为激光雷达传感器，其除了根据本发明的具有全息结构105b、图像传感器120和计算单元130的设备之外还具有壳体65。圆形壳体65的特定区域构造为向外敞开，从而形成光学传感器10的发射窗和/或接收窗64。发射窗和/或接收窗64被透光覆盖装置50相对于光学传感器10b的外部环境覆盖。圆形壳体65与透光覆盖装置50一起在信号产生和信号检测期间旋转。激光器30产生例如红外射束40，其借助发射镜头80a、80b和80c来指向并向外发射到环境中。入射穿过透光覆盖装置50的光束被借助全息结构105b至少部分地偏转到图像传感器120上。

图9示出用于识别光学传感器的至少一个发射窗和/或接收窗的透光覆盖装置的污染的方法的一种实施方式。在此，借助根据本发明的设备来实施该方法。在第一方法步骤200中，借助至少一个全息结构对入射通过透光覆盖装置的光束或在透光覆盖装置的内侧上反射的光束至少部分地朝图像传感器的方向进行偏转。在随后的方法步骤210中，借助图像传感器来检测经偏转的光束。随后，在方法步骤240中，借助计算单元根据至少一个所检测的图像信号来识别透光覆盖装置的污染。

可选地，在跟随方法步骤210的方法步骤220中，根据至少一个所检测的图像信号来产生透光覆盖装置的表面的成像。在随后的方法步骤230中，检查在所产生的成像上是否可以识别出透光覆盖装置的污染。如果能够识别在透光覆盖装置上的表面的污染，则以方法步骤240继续该方法。但是，如果不能够识别污染，则该方法从前面开始或可选地结束。