CN103329039A

CN103329039A - 用于机动车的摄像机系统

Info

Publication number: CN103329039A
Application number: CN2012800060020A
Authority: CN
Inventors: 马库斯·艾克霍夫; 弗兰克·布莱辛; 格雷戈尔·伯内; 拉尔夫·伯贝尔
Original assignee: Leopold Kostal GmbH and Co KG
Current assignee: Leopold Kostal GmbH and Co KG
Priority date: 2011-01-21
Filing date: 2012-01-19
Publication date: 2013-09-25
Anticipated expiration: 2032-01-19
Also published as: DE102011009075B4; US20130162827A1; DE102011009075A1; CN103329039B; US9525808B2; WO2012098192A1; EP2666055A1

Abstract

本发明涉及一种用于机动车的摄像机系统，其具有在车辆内部空间中布置在车窗玻璃（2）后的摄像机（7）并且具有布置在车窗玻璃与摄像机之间的波束导向元件，该波束导向元件具有或构成棱镜（3），其中，摄像机具有带像素阵列的电子摄像传感器（5），其中，摄像机（7）和棱镜（3）的光学性质以如下方式相互协调，即，使得由于棱镜在由摄像机采集的波长范围内的色散引起的在摄像传感器上的最大波束扩宽位于像素阵列（5）的像素尺寸内。

Description

用于机动车的摄像机系统

技术领域

本发明涉及一种用于机动车的摄像机系统，其具有在车辆内部空间中布置在车窗玻璃后的摄像机和布置在车窗玻璃与摄像机之间的波束导向元件，其具有或构成棱镜，其中，摄像机具有带像素阵列的电子摄像传感器。

背景技术

在德国公开文献DE 10 2008 020 954 A1中公开了这种摄像机系统。

具有透过车窗玻璃取景的摄像机的摄像机系统被安装用于例如车道识别和/或交通信号识别。在现代个人汽车中，被称为挡风玻璃的前车窗玻璃出于空气动力上和美观上的原因以相对于水平面相对平缓的角度（约20°到25°）放置。因此，在水平方向上入射的光束在进入这种车窗玻璃中时被强烈地偏折。

通常光束在从车窗玻璃中射出时被重新强烈地偏折。然而公知的是，棱镜状的光导体可以无折射地或仅以低折射与车窗玻璃的内侧耦接，从而以有利的方式对光路进行调整。然而这种光导体也可能引起几何变形以及干扰色差。

在几何变形中不仅出现摄像机图像的压缩或拉伸还出现摄像机画面的弯曲。这是相对来说是不那么成问题，因为其可以随后以计算方式来消除。相反，补偿由棱镜系统所造成的色差可以是非常昂贵的。对此大多设置有多个棱镜，这些棱镜由多种不同且部分昂贵的材料制成，或以几何上复杂的方式相对彼此布置。

发明内容

提出了如下任务，即，提供一种特别简单且成本低廉的用于机动车的通用的摄像机系统，该摄像机系统不具有或仅具有低色差。

根据本发明，该任务通过以下方式来解决，即，摄像机和棱镜的光学性质以如下方式相互协调，即，使得由于棱镜在由摄像机采集的波长范围内的色散引起的在摄像传感器上的最大波束扩宽位于像素阵列的像素尺寸内。

可以特别成本低廉地制造根据本发明的摄像机系统，因为其仅凭唯一的棱镜就足以应付。

本发明基于如下考虑，即，当由摄像机所采集的对象的点在摄像机的摄像传感器的不同像素上成像时，才会识别出由棱镜的色散引起的模糊或色差。因此，只要由光学元件造成的成像误差保持在像素尺寸以下，该成像误差就保持不被察觉。

光学棱镜的光学有效面通常是如下这样平整的，即，不会通过残余不平度形成可识别的误差。此外，光学棱镜的材料通常是如下这样均质的，即，同样不会由此形成可识别的误差。

当具体来说简单的棱镜（相对于多个棱镜的色散补偿系统来说）被安装在摄像机的镜头或者说物镜之前时，主要通过棱镜材料的色散性质来预估成像质量的恶化。不同的波长穿过棱镜被不同地偏转，从而使得在摄像传感器上的入射角也是不同的。为了使所有与产生像点有关的波长的光束都足够好地在唯一的像素上成像，棱镜角必须是如下这样小的，即，使得在摄像传感器上的入射角之差保持在额定的分辨限度以下。

因此，摄像机和棱镜的光学性质适合地相互协调。在此，在棱镜方面涉及棱镜材料的折射率和在由摄像机采集的光的波长范围上的折射率变化（色散关系）、光的入射角、以及棱镜折射棱角的值。在摄像机方面，在摄像传感器上的像素的尺寸以及间距是尤其相关的。

这些值以如下方式相互协调，即，使得由棱镜的色散引起的最大可能的波束扩宽不能大于摄像传感器的像素。棱镜角尤其有针对性地如下这样来选择，即，使得所期望的棱镜效应、具体来说例如光束偏转或几何压缩是尽可能大的，而通过色像上的误差造成的在摄像传感器上的点扩宽还是足够小的。

附图说明

以下应当结合附图示出本发明，并且对其进行更详尽的阐述。其中，

图1示意性示出摄像机系统，

图2示出摄像传感器分辨性能的示意图，

图3示出由于棱镜材料的色散造成的波束展宽的示意图。

具体实施方式

图1示出了根据本发明摄像机系统的组件的基本布置。首先应该说明结构原理和工作原理；因此，所示出的组件就实际构造上的变化而言既不彼此大小真实也不彼此角度真实地示出。

该系统由棱镜3和摄像机7构成，其中，摄像机7以如下方式布置，即，使得其透过车窗玻璃2取景，具体来说，从车窗玻璃2的外侧接收光。在此，光路1自车窗玻璃2延伸穿过棱镜3并穿过位于棱镜3与摄像机7之间的光学介质4直至摄像机7。为了简单起见假设，将空气设置作为光学介质4。

摄像机7由至少一个物镜6和一个光学记录摄像传感器5构成。物镜6在此具有至少一个聚焦效应透镜。显然，其他光学的、电子的或机械的组件、尤其是壳体也同样可以是摄像机7的组成部分。

为了说明光路，在图1中示出了三个平行入射光束1的走向，这些光束大致上平行地落在相对于入射方向倾斜的车窗玻璃2的外侧上。光束1在进入车窗玻璃2时向玻璃垂直线去地偏折。

在车窗玻璃2的内侧上布置有棱镜3。优选地，棱镜3具有与车窗玻璃2相同的或相近的折射率，并且在光学上与车窗玻璃2耦接，从而使得在车窗玻璃2与棱镜3之间的过渡区域中实际上没有发生光束1的角偏向。在贯穿棱镜3之后仍然彼此平行分布的光束1通过摄像机物镜6聚焦在摄像机7的摄像传感器5上。

在图1中示出的棱镜3具有相对较小的折射棱角β，并且由此并不具有对于棱镜来说典型的楔形，而是构造为带有非平面平行的主面的板。该棱镜3也可以被设计为由平面平行的板和极小锐角的光楔的一体式联合。折射棱角β在此处示出的棱镜3中约为2°。

图2说明了摄像机的摄像传感器5的分辨性能。代替物镜6示出单独的透镜6′。通过虚线示意出透镜6′的主平面和摄像机的光轴。在透镜6′的焦距f的间距上可以看到横截面中的摄像传感器5。假设，摄像传感器5由未作为单独零件示出的、具有像素尺寸p的像素阵列构成。

以相对于光轴的角α作为中心波束入射在透镜6′上的的光束未发生偏折，具体来说以等大的相对于光轴的角α′入射在摄像传感器5的表面上，并且在那里成像在摄像传感器5的从传感器中心开始数第k个像素上。从图2中可以看出以下关系：

tan α′=x/f=k p/f

计算示例：在焦距f=10mm且像素尺寸p=10μm的情况下，得出tan 1°=k*0.010/10，具体来说对于小的角α′来说摄像机的分辨率为每度n=17.455个像素。

以下结合图3阐述本发明的原理。图3首先以基简化的、纯粹定性的图示说明了在布置有棱镜的情况下色差的发生。

如众所周知的，入射到（此处未示出的）棱镜中的光鉴于棱镜材料的色散性质分解为包含在光中的光谱色。例如如果白光以给定的入射角落到棱镜上，那么不同的颜色或波长以不同的偏向角从棱镜射出。对于可见光来说，在此所覆盖的角范围通过最强偏折的短波的光的偏向角α_蓝和最弱偏折的长波的光的偏向角α_红来估计。然而对于摄像机系统而言，重要的并非入射光的光谱，而是只有可被摄像机系统检测到的光的光谱才重要。鉴于例如车窗玻璃2或物镜6的透射性质和摄像机芯片5的光谱敏感度，检测到的光的光谱与入射光的光谱相比通常减小。有意义的是，因此α_蓝和α_红意味着具有最短和最长的可检测到的波长的光的偏向角。

除了所应用的棱镜材料的色散分布之外，所得出的该偏向角的数值在此还依赖于棱镜的几何结构和光进入棱镜3中的入射角，并且可以针对各系统以计算方式或以实验方式来确定。

因此，色散扩宽的波束鉴于角分散在摄像传感器上以如下宽度来成像，

Δx=(tan α_蓝-tan α_红)*f。

为了使棱镜3的色散不造成可察觉的干扰而设置：在图1中示出的摄像机系统的组件如下这样相互协调，即，使得色散扩宽保持小于摄像传感器5的像素尺寸p：

(tan α_蓝-tan α_红)*f<p

这可以通过对棱镜材料、棱镜几何结构、摄像机系统的光谱性质以及摄像传感器5的分辨性能的适合的选择来实现。

由像素尺寸p所决定的分辨率表示用于整个摄像光学设备的有意义的限度。透镜6′（或者说物镜6）不需要具有低于像素尺寸p的分辨率。只要整个成像误差保持低于像素尺寸p，则其他光学元件的误差也是无关紧要的。

此处所描述的摄像机系统由此避免了色像上的误差，而无需具有昂贵的多件式棱镜系统的补偿措施。

附图标记

Claims

1.用于机动车的摄像机系统，其具有在车辆内部空间中布置在车窗玻璃（2）后的摄像机（7）并且具有布置在所述车窗玻璃（2）与所述摄像机（7）之间的波束导向元件，所述波束导向元件具有或构成棱镜（3），其中，所述摄像机（7）具有带像素阵列的电子摄像传感器（5），其特征在于，所述摄像机（7）和所述棱镜（3）的光学性质以如下方式相互协调，即，使得由于所述棱镜（3）在由摄像机（7）采集的波长范围内的色散引起的在所述摄像传感器（5）上的最大波束扩宽位于所述像素阵列的像素尺寸内。

2.根据权利要求1所述的摄像机系统，其特征在于，所述由摄像机（7）采集的波长范围基本上相当于对人眼来说可见的波长范围。

3.根据权利要求1所述的摄像机系统，其特征在于，所述棱镜（3）的折射棱角（β），以及摄像机物镜（6）的焦距f和所述摄像传感器（5）的像素尺寸p以如下方式相互协调，即，使得所述摄像机系统对于所述像素列阵的每个点来说都包含以下关系：

(tan α_蓝-tan α_红)*f<p，

其中，α_蓝和α_红表示偏向角，在所述偏向角的情况下，对于所述由摄像机（7）采集的波长范围中的最短波的光和最长波的光来说，待成像对象的点在所述摄像传感器（5）上成像。

4.根据权利要求1所述的摄像机系统，其特征在于，所述波束导向元件除了所述棱镜（3）的光学有效面之外还包含用于附着所述摄像机（7）和/或对所述摄像机（7）进行定向的元件。

5.根据权利要求1所述的摄像机系统，其特征在于，所述波束导向元件除了所述棱镜（3）的光学有效面之外还包含用于抑制散射光的元件。

6.根据权利要求1所述的摄像机系统，其特征在于，所述棱镜（3）具有最大为4°的折射棱角（β）。