CN100426046C - 用于机动车的具有局部的光学滤光器的夜视系统 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及用于机动车的夜视系统，该夜视系统包括一个照相机(7)，该照相机具有一个对辐射敏感的图像传感器面(11)，被设置用于采集尤其是红外区域中的电磁辐射。为了在超过近光区域的远视野方面改善这样的系统，该夜视系统包括一个滤光器元件(9)，该滤光器元件被这样地设置在该夜视系统的光路中，使得它在图景(11)的预先确定的部分区域(24)上引起所采集的辐射的衰减。由此来自近光区域(20)的在其它情况下过强的辐射被衰减。

Description

用于机动车的具有局部的光学滤光器的夜视系统
技术领域
本发明涉及用于机动车的夜视系统，该夜视系统包括一个摄像机(Kamera)，该摄像机具有一个对辐射敏感的图像传感器面，被设置用于采集尤其是来自近红外范围的电磁辐射。
背景技术
属于此的主要是在没有接通传统的远光的情况下改善驾驶员的视野的夜视系统。
用于夜视辅助的系统越来越多地配备在机动车中。夜视系统的目标是，在夜晚通过使用摄像机及显示器或挡风玻璃投影改善驾驶员的超过近光区域的视野。在此不应使对面来车炫目，而这在使用也具有可见范围中的光的传统远光的情况中则可能是这种情况。夜视辅助通过使用及采集对于人眼不可见的波长范围来实现。通过摄像机借助于显示器或挡风玻璃投影(例如通过抬头显示器)使得这些波长范围对于驾驶员可接近。
传统的卤素前照灯(远光及近光)不仅包括可见范围(VIS，380nm～780nm。参见DIN5030第二部分)中的光谱部分，而且包括近红外(NIR IR-A，780nm～1400nm)中的光谱部分。当前结构形式的NIR-远光前照灯使用传统的卤素白炽灯并且借助于一些光学滤光器减弱可见范围。将来也可使用基于激光器或LED的NIR-远光前照灯。基于CCD-技术或CMOS-技术的摄像机具有这样的光谱敏感度，该光谱敏感度从约380nm达约1100nm。NIR-IR-A-范围中因此仅780nm与1100nm之间的范围被利用。该范围在下面被称为NIR-范围。
在已公知的各种夜视系统中使用波长从780至约1100nm的不可见的近红外范围(NIR-范围)。在这些基于NIR的所谓的主动式系统(与基于远红外的热辐射的系统相反)中，由机动车的NIR-远光前照灯照亮的区域作为用于驾驶员夜视辅助的近红外图像通过摄像机采集并且借助于显示器(传统的或抬头显示器)显现给驾驶员。
在纯NIR-系统(不使用VIS-范围)中，仅780nm～约1100nm的NIR-范围中的图像被摄像机摄取并且可让驾驶员在一个显示器或抬头显示器上看到。在Kunihiko Toyofuku等的《使用近红外光的“夜视系统”》(“The“Night View System”using Near-Infrared Light”，in SAE2003-01-0018，第33页～第38页)中公开了一种这样的系统。在该文献中，图像传感器(成像器)前的光路中的一个遮光滤光器完全抑制可见范围(VIS-范围)、即380至780nm的波长的摄取。但由此在对于夜视辅助至关重要的图像区域(Bildbereichen)中图像质量通过可见(VIS)范围中的辐射的可能的改善被阻止并且对于驾驶员隐瞒了在前行驶的车辆的对安全性至关重要的信息如基于LED的制动信号灯，这些制动信号灯仅可在可见范围中被使用。
此外公开了混合式NIR-VIS-系统。在此不仅采集NIR-范围中的辐射而且采集VIS-范围中的辐射，并且将图像显现在一个显示器上。为此使用的摄像机对约λ_下至λ_上的波长范围敏感，其中λ_下位于380nm与780nm之间的可见范围中，λ_上位于NIR-范围中的780nm与1100nm之间。
纯NIR-系统中及尤其是组合的NIR-VIS-系统中的问题是通过摄像机采集的区域的不均匀的照亮。对于在夜晚的视野的改善感兴趣的主要是超过近光区域的视野域的可视化。近光区域(下面被称为近区域)已被通过近光充分照亮并且因此具有次要的意义，但尽管如此还是被(至少部分地)呈现出，以便使驾驶员在观察夜视图像时容易地定向。产生了用于这个区域的摄像机图像的亮的照射，因为传统的近光及NIR-远光相互补充。此外，近区域从原理上被更强地照亮并且比位于远处的区域更亮地成像。由此摄像机及显示器的受限制的亮度动态的一部分由于亮的近区域而“丧失”，以至例如远离近区域(下面被称为远区域(Fernbereich))的暗区域不再可被这样好地分辨。此外，驾驶员的注意力增多地转移到亮的近区域上，由此，对远区域中的关键的详情的感觉变难。
不期望地亮的区域的由软件算法在图像处理(在纯显视系统中也被称为图像加工)中在计算上进行的色度加深要求高的计算耗费和附加的存储单元，这提高了相应地被装备的夜视控制仪器的成本。在不包括图像处理计算机的简单夜视系统中，摄像机图像的这样一个软件支持的后处理是不可能的。由于受限制的亮度动态，通过软件支持的后处理不可再校正成像器的过调。此外，近区域(Nahbereich)的与波长相关的衰减通过软件算法在灰度摄像机中是不可能的，在彩色摄像机中耗费高。
发明内容
通过独立权利要求的措施实现：在不借助于处理图像的软件算法的情况下在夜视系统的摄像机的图像传感器面的预先确定的部分区域上进行所采集的辐射的衰减，不期望地高的辐射强度通常在无本发明的衰减的情况下会分配给这些部分区域。辐射的衰减根据本发明在一些预先确定的部分区域中通过一个相应地设置在夜视系统的光路中的光学滤光器元件产生，由此，已经在图像传感器面中采集前就在期望的图像区域中、如尤其是在过亮的近区域的图像中降低了辐射。对于本发明的目的，所述光路理解为从被照射的物体到成像器的路径，其中对于本发明，滤光器元件的合适的位置优选位于摄像机的紧前面和/或内部的区段中。
用于图像后加工的、成本高的软件算法对于通常可能不期望地亮的图像区域的色度加深则是可有可无的。驾驶员的视野以并不复杂的方式更多地转移到对于夜视辅助有益的图像片断上。图像传感器面的部分区域的过调被避免并且摄像机及显示器的可供使用的亮度动态就对于夜视辅助至关重要的图像区域而言被更好地利用。
从属权利要求中给出了本发明的相应主题的有利的构型、进一步构型及改进。
本发明的系统的一个有利的构型包括一个摄像机，该摄像机对380至1100nm的波长范围敏感。在此不仅采集VIS-范围中的辐射而且采集NIR-范围中的辐射，这提高了夜视辅助的质量(例如LED制动信号灯及尾灯也可被看到)。
本发明的夜视系统的另一个有利的构型是图像传感器面的至少部分的由滤光器引起的辐射衰减，驾驶员视野中的近区域成像在该部分上。在此涉及机动车紧前面的区域，该区域由驾驶员视野借助于近光就可被充分看清。尤其是通过近光及NIR-远光的组合造成的高亮度由此在对于夜视辅助不感兴趣的区域中根据本发明被衰减，这造成超过近光区域的夜视的改善。驾驶员的注意力不由于近区域中的高亮度转移。此外，摄像机的动态范围被更好地利用，使得暗的图像区域(尤其在远区域中)可被更高地分辨。
本发明的一个有利的进一步构型是光学滤光器的与波长相关的滤光特性，其中，该滤光特性具有个别地与该系统的特定使用相匹配的透过功能。因此通过光学滤光器的反转的(invers)波长特性考虑例如摄像机中的图像传感器的波长特性和/或前照灯，由此，超过一个大的波长范围达到总系统的均匀的光谱敏感性。
通过选择近光及NIR-远光的不同的光谱范围可强地简化近光的衰减。如果这样地选择NIR-远光的及传统的近光的光谱，使得这些光谱不重叠(例如通过借助于近光前照灯中的光学滤光器阻断NIR-部分)，则可完全抑制NV-图像中的近光部分(光谱分离)。特别有利的是，阻断近光光谱中的大于约600nm的所有光谱部分，因为于是可这样地设计夜视摄像机(透过范围从600nm至1100nm)，使得尽管近光被抑制但还是可采集波长例如为625nm的LED尾灯或制动信号灯。在设计与波长相关的滤光特性时可一起考虑(例如沥青)道路的光谱反射性质。
一个附加的改善方案是光学滤光器的可更换性。这可实现与不同的车辆型号或车辆变型相匹配。改装系统由此也可简单地与不同的车辆型号相匹配。
对于有效地衰减一个确定的目标区域、例如近区域中的辐射特别适合的是在图像传感器面的紧前面定位滤光器。一个作为图像传感器面上的涂层的光学滤光器在此情况下是有利的变型，因为由此取消了用于滤光器的固定装置。替换地，该滤光器可作为涂层设置在用于图像传感器的保护玻璃(玻璃盖)上，该保护玻璃保护真正的图像传感器及其连接导线免受损害。替换地，该盖本身也可构造成光学滤光器。也可有利地将滤光器集成在物镜中。在此尤其是所述涂层适合于最后的、朝着成像器的透镜。
附图说明
下面借助附图来描述本发明的实施例。附图表示：
图1根据本发明的用于机动车的夜视系统的一个实施形式的框图；
图2具有根据本发明设置在夜视系统的光路中的、用于衰减从近区域中采集的辐射的滤光器元件的摄像机的横截面的示意图；
图3用于表示一个可根据本发明使用在夜视系统的光路中的滤光器元件的例子的与波长相关的带通特性的曲线图；
图4具有根据本发明的起滤光器作用的涂层的被设置用于使用在机动车的夜视系统中的图像传感器面的实施形式的示意图；
图5近光的、位置上的强度分布的示意图，用于说明用于衰减近区域的、被设置使用在用于机动车的夜视系统中的光学滤光器的实施形式的尽可能反转的位置上的特性。
具体实施方式
在附图中，相同的参考标号表示相同的或功能相同的部件。
图1示出了根据本发明的用于机动车的夜视系统1的一个实施形式的框图。夜视系统1具有一个控制单元3，该控制单元与该系统的其它部件连接、控制这些部件并且处理这些部件的信号及数据。
在通过一个操作单元13激活该夜视系统之后，控制单元3接通NIR-远光前照灯5。这些前照灯5以NIR-波长范围(780至约1100nm)照亮机动车前方的一个与在传统远光的情况中类似的空间区域。有效距离约为250米。
一个也对NIR-范围敏感的、具有CCD-图像传感器或CMOS-图像传感器(分别具有线性的或非线性的强度特性曲线)的、景深范围约为2m至无穷大的摄像机7主要采集由位于NIR-远光区域中的物体反射的NIR-辐射。根据本发明，摄像机7装备有一个设置在夜视系统1的光路中的光学的滤光器元件9，通过该滤光器元件衰减摄像机7中的图像传感器面11的预先确定的部分区域上的辐射。该图像传感器面例如是CCD-芯片或CMOS-芯片。
由摄像机7采集的图像数据通过控制单元3传输给显示单元15。在该显示单元15中，摄像机的图像在用于驾驶员的显示器17上被可视化。显示器17例如是一个所谓的“抬头显示器”，通过该显示器可使摄像机的可视化的图像对于驾驶员可很好看到地投射在挡风玻璃的下部上。
图2中示意性地描绘了一个具有根据本发明设置在夜视系统的光路中的、用于衰减从近区域中采集的辐射的滤光器元件9的摄像机7的横截面。在图2中所示的实施形式中，一个这样的滤光器元件9位于图像传感器的部分区域的紧前面，该近区域在该部分区域上被成像。虚线表示从近区域20的前端部及后端部出发的射线束的边缘射线。滤光器元件的位置这样地选择，使得所有从近区域投在图像传感器面上的射线透过滤光器元件9。实线表示近区域的前边缘点的或后边缘点的主点射线。点线反映了来自远区域的一个确定的、任意选择的点，该点如可从该图中看到的那样不通过滤光器元件9衰减。
如本领域技术人员所看到的那样，有利的是，滤光器元件9尽可能靠近图像传感器面11地设置，以便以尽可能少的重叠获得近区域成像与远区域成像之间的尽可能清晰的边界，由此，来自远区域的像点的、尽可能少的射线被过滤地成像，而来自近区域20的、尽可能多的射线被滤光器9过滤。
在此情况下，来自近区域20的由摄像机7采集的辐射通过概括地作为透镜示出的摄像机物镜22投射到图像传感器面11的上区域、即所谓的近区域-图像区域24上。根据本发明，滤光器元件9被设置在这个近区域-图像区域24的紧前面。滤光器元件9可由市场上常见的干涉滤光器或吸收滤光器材料的一些层构成。这个滤光器9按照其波长特性衰减来自近区域20的辐射。来自远区域的未被过滤的辐射投射在图像传感器面11的其余部分上。例如一个滤光器被设置在图像传感器面11之前，该滤光器对辐射的衰减具有机动车的近光的成像的与位置相关的反转特性。也可以使用其它一些滤光器元件，这些滤光器元件遮盖一个超过纯粹的近区域的区域。这些滤光器元件例如具有与位置相关的滤光特性，它针对由摄像机7采集的辐射的总强度并且由此不仅校正近区域的过辐射，而且通过反转特性附加地补偿远区域中的不均匀性。因此可实现摄像机的总的可见范围的均匀的强度，由此例如补偿渐晕。滤光器9或滤光器涂层由此可影响总的成像器面，或者仅影响该总的成像器面的部分。
滤光器9也可具有与波长相关的带通特性。此外与位置相关的特性和与波长相关的特性的组合也是可能的。
图3中以曲线图形式示出了滤光器的这样一个与波长相关的带通特性或者说透射特性的例子。
透射率T是关于波长A的函数。对于可见范围(380～780nm)的衰减约为90％，非常强。而对NIR-范围(780～1100nm)中的辐射的抑制仅约为4％。为了例如实现来自近区域的NIR-辐射的同样强的衰减及实现VIS-辐射及NIR-辐射的对于其余的图像传感器面区域同样好的透过，与位置相关的特性同波长特有的带通特性的组合也是有利的。
图4中简单示出了根据本发明涂层有光学滤光器的、被设置用于使用在机动车的夜视系统中的图像传感器面11。图像传感器面11具有一个涂层，该涂层与位置相关地仅对于图像传感器面的部分区域24衰减在那里入射的辐射。涂层24由一种合适的、如上面已经提到的材料构成。滤光作用在此除了始终存在的与波长相关的特性之外还具有与位置相关的特性，后者例如通过在不同的位置上施加不同的涂层实现。
与位置方面的滤光特性相关地，图5再现了摄像机的视野中的近光的在位置上的强度分布。用灰色示出的框19及19′大致表示近区域并且由此表示(反转地设置的)光学滤光器9的位置和大小。容易看出，该滤光器不是绝对必要地必须占据图像传感器的整个宽度。因为滤光器9(图5中未示出)应具有强度的反转特性，以便为驾驶员产生亮度尽可能均匀的图像，所以有：对于暗的区域应优选不被滤光器衰减，对于亮的区域应被滤光器9强地衰减。位于中间的亮度级应尽可能连续地也反转地成像。位置上不同的衰减及滤光器9的透射能力的尽可能无级的变化可以以不同的方式实现：
一方面通过位置上不同地施加不同数量的相同透射性的衰减层：一个衰减层例如具有95％的透射性。如果现在上下重叠地施加例如5个层，则得到总透过率为95％的5次方＝77％。在不同位置上的不同数量的层例如可通过掩模及多次的涂层实现。
另一方面通过在不同位置施加具有不同的透射性的不同的层。由此一个接一个地将例如透射性为95％、90％、85％、……的层施加在不重叠的多个掩模上。也可组合这两种方法。
尽管上面借助于一些优选的实施例描述了本发明，但本发明并不被限制于此，而是可以以多种方式变型。因此光学滤光器可已经在摄像机之前就设置在夜视系统的光路中。例如可考虑挡风玻璃的局部的、起滤光作用的涂层。
最后，只要从属权利要求的特征彼此独立，这些特征就基本上可彼此无关地并且不按照权利要求中存在的顺序地彼此组合。

Claims (15)

1.用于机动车的夜视系统(1)，该夜视系统包括一个摄像机(7)，该摄像机具有一个图像传感器(11)，被设置用于采集来自可见范围及红外范围的电磁辐射，其特征在于：该夜视系统包括一个滤光器元件(9)，该滤光器元件被这样地设置在该夜视系统(1)的光路中，使得它引起从图景的预先确定的部分区域所采集的辐射的衰减，所述图景的预先确定的部分区域成像在该图像传感器的预先确定的部分区域(24)上，其中，所述由滤光器引起的辐射的衰减包括该图像传感器面(11)的至少部分，驾驶员视野中的包括近光区域的近区域(20)成像在该部分上。
2.根据权利要求1的夜视系统(1)，其特征在于：该摄像机(7)对400至1100nm的波长范围或其中的一些部分范围敏感，但这些部分范围至少也包含近红外中的一个部分，在该近红外的波长范围内波长＞780nm。
3.根据权利要求1或2的夜视系统(1)，其特征在于：该滤光器元件(9)具有与波长相关的滤光特性，其中，该滤光特性具有个别地与该系统(1)的特定使用相匹配的透过功能。
4.根据权利要求1或2的夜视系统(1)，其特征在于：该滤光器元件(9)具有与位置相关的滤光特性，其中，该滤光特性具有个别地与该系统(1)的特定使用相匹配的透过功能。
5.根据权利要求4的夜视系统(1)，其特征在于，该与位置相关的滤光特性被根据整个光学系统的反转的与位置相关的敏感性来调节，以便补偿辐射强度的不均匀性。
6.根据权利要求1或2的夜视系统(1)，其特征在于：该滤光器元件(9)可更换地被固定。
7.根据权利要求1或2的夜视系统(1)，其特征在于：该滤光器元件(9)位于该图像传感器(11)紧前面。
8.根据权利要求1或2的夜视系统(1)，其特征在于：该滤光器元件(9)作为涂层(24)设置在该图像传感器(11)上。
9.根据上述权利要求1或2的夜视系统(1)，其特征在于，该滤光器元件(9)被构造成用于该图像传感器(11)的保护玻璃的集成的部分。
10.根据权利要求1或2的夜视系统(1)，其特征在于，NIR-远光的光谱与传统的近光的光谱具有小的重叠。
11.根据权利要求5的夜视系统(1)，其特征在于，所述辐射来自远区域。
12.根据权利要求1或2的夜视系统(1)，其特征在于，NIR-远光的光谱与传统的近光的光谱不具有重叠。
13.用于机动车的夜视系统(1)的摄像机(7)，该摄像机包括一个对辐射敏感的图像传感器面(11)，被设置用于采集来自可见范围及红外范围的电磁辐射，其特征在于：该图像传感器面(11)包括一个滤光器元件(9)，该滤光器元件被这样地设置在该夜视系统(1)的光路中，使得它引起在图像传感器面(11)的预先确定的部分区域上所采集的辐射的衰减，其中，所述由滤光器引起的辐射的衰减包括该图像传感器面(11)的至少部分，驾驶员视野中的包括近光区域的近区域(20)成像在该部分上。
14.用于机动车的夜视系统(1)的滤光器元件(9)，其中，该夜视系统包括一个摄像机(7)，该摄像机具有一个对辐射敏感的图像传感器面(11)，被设置用于采集来自可见范围及红外范围的电磁辐射，其特征在于：该滤光器元件(9)被设置用于这样地设置在该夜视系统(1)的光路中，使得引起在图像传感器面(11)的预先确定的部分区域(24)上所采集的辐射的衰减，其中，所述由滤光器引起的辐射的衰减包括该图像传感器面(11)的至少部分，驾驶员视野中的包括近光区域的近区域(20)成像在该部分上。
15.用于机动车的夜视系统(1)中的摄像机(7)的图像传感器面(11)，被设置用于采集来自可见范围及红外范围的电磁辐射，其特征在于：该图像传感器面(11)包括一个涂层(24)，其中，该涂层(24)引起在该图像传感器面(11)的预先确定的部分区域上在该摄像机中所采集的辐射的衰减，其中，所述由滤光器引起的辐射的衰减包括该图像传感器面(11)的至少部分，驾驶员视野中的包括近光区域的近区域(20)成像在该部分上。
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