CN104428655A - 成像单元、附着物质检测器、用于车辆的控制系统以及车辆 - Google Patents

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Abstract

一种成像单元，包含放置在透光的板状元件表面上的光源以将光投射到板状元件的一个表面上，成像元件，捕捉在用来自光源的光照明的板状元件的另一个表面上的附着物质，和光学元件，其具有来自光源的光入射的入射表面，反射表面，通过该反射表面反射来自入射表面的入射的光，与板状元件的一个表面接触的透射表面，反射表面反射的光通过该投射表面透射，以及出射表面，通过该出射表面经由透射表面透射的并且被板状元件的另一个表面反射的光向成像元件发射。

Description

成像单元、附着物质检测器、用于车辆的控制系统以及车辆
相关申请的交叉引用 
本申请基于2012年7月13日提交的日本专利申请No.2012-157174和2013年5月14日提交的No.2013-101851，并且要求他们的优先权，因此通过引用将他们的公开全部合并于此。 
技术领域
本发明涉及成像单元以捕捉类似透光板元件上的附着物质的图像，附着物质检测器以从捕捉到的图像中检测附着物质，控制系统，用于车辆以根据附着物质检测器的检测结果控制车辆的部件，和包含这种控制系统的车辆。 
背景技术
日本专利No.4326999公开了一种图像处理系统，作为附着物质检测器来检测车辆、船只和飞机的玻璃表面上或者建筑物的多种窗玻璃上的诸如雨滴的液滴和诸如霜或者灰尘的异物。这个系统将光从安装在车舱中的光源投射到挡风玻璃并且用成像元件接收通过该挡风玻璃反射的光，以捕捉和分析图像来确定是否诸如雨滴的异物是否附着在该挡风玻璃上。具体地，当导通光源的时候，它在捕捉图像的图像信号上执行边缘检测，使用拉普拉斯(Laplasian)筛选来生成加亮在雨滴图像区域和非-雨滴图像区域之间界限的边缘图像。随后，它在边缘图像上传导广义霍夫变换，检测圆形的图像区域，计算这些区域的数目，并将该数目转换为雨量。 
申请人在日本专利申请No.2011-240848中提出了一种成像单元，其经由挡风玻璃捕捉车辆前面区域的图像和挡风玻璃外表面上的雨滴的图像。在下文中参照图示描述这个成像单元。 
图35A显示了当挡风玻璃倾斜20度的时候，从光源被挡风玻璃上的雨滴圆Rd反射并且进入成像元件1200的光程，同时图35B显示了捕捉的图像数据的示例。 
成像单元包括成像元件1200和光源1210并且被安置靠近车辆的挡风玻璃 1105的内表面。成像元件1200被固定在上车舱顶棚上，例如，以适当的角度以便成像元件1200的成像透镜的光轴P相对于水平方向与某一方向对准。由此，车辆前方区域被适当地显示在车辆探测的图像区域1231上，如图35B所示。 
在图35A中，光源1210被固定在挡风玻璃1105的内表面上，例如，处于适当的角度以便来自其中的光被雨滴反射并且在图像区域中成像用于附着物质检测1232。由此，处于挡风玻璃1105的外表面上的雨滴Rd的图像被适当地显示在图像区域1232上，如图35B所示。 
存在对于这种成像单元减小尺寸的要求，目的在于缩小安装空间。然而，这个包括成像元件1200和光源1210的成像单元不能满足该要求，因为光源1210被固定在挡风玻璃内表面上，与成像元件1200相距一定距离，以允许从光源1210投射光并且通过雨滴反射以入射到成像元件1200上。 
发明内容
本发明的目的是提供一种成像单元，其捕捉如同挡风玻璃外表面的板状元件上的如雨滴的附着物质的图像并且可以容易地减少尺寸，并且提供包含这种成像单元的用于车辆的控制系统和车辆两者。 
根据本发明的一个方面，一种成像单元，包含放置在透光的板状元件表面上的光源以将光投射到类似板状元件的一个表面上，成像元件，捕捉在用来自光源的光照明的板状元件的另一个表面上的附着物质，和光学元件，其具有来自光源的光入射的入射表面，反射表面，通过该反射表面反射来自入射表面的入射的光，与板状元件的一个表面接触的透射表面，反射表面反射的光通过该投射表面透射，以及出射表面，通过该出射表面经由透射表面透射的并且被板状元件的另一个表面反射的光向成像元件发射。 
附图说明
从以下参照附图的详细说明中，本发明的特征，实施例和优点将变得明显： 
图1示意性地显示了车载控制系统的结构； 
图2示意性地显示了包括成像单元的附着物质检测装置的结构； 
图3显示了图2中的成像单元的光学系统； 
图4示意性地显示了成像单元的光源的结构的一个示例； 
图5显示了成像单元的光源的结构的另一个示例； 
图6示意性地显示了成像单元的光源的结构的再一个示例； 
图7显示了在光源和成像透镜之间提供的光屏蔽的示例； 
图8是成像单元的示意透视图； 
图9A是当以相对于水平面22度的倾斜角安装在车辆的挡风玻璃上的时候，成像单元的侧视图，并且图9B，9C分别显示了当没有雨滴附着和当雨滴附着的时候，图9A中的成像单元的光学系统； 
图10A是当以相对于水平面34度的倾斜角安装在车辆的挡风玻璃上时，成像单元的侧视图，并且图10B显示了图10A中的成像单元的光学系统； 
图11是成像单元的光源的锥形棒状透镜和光波导管的透视图； 
图12是举例来说成像单元的反射/偏移棱镜的透视图； 
图13是成像单元的另一个示例的反射/偏移棱镜的透视图； 
图14是成像单元的再一个示例的反射/偏移棱镜的透视图； 
图15显示了使用反射/偏移棱镜的成像单元的光学系统； 
图16是显示了适用于用于附着物质检测的图像数据的截止滤波器的滤波器特性曲线的图表； 
图17是显示了适用于用于附着物质检测的图像数据的带通滤波器的滤波器特性曲线的图表； 
图18是包括用于车辆检测的滤光区域和用于附着物质检测的滤光区域的成像单元的滤光器的前视图； 
图19显示了捕捉到的图像数据的示例； 
图20是如同从与光的透射方向垂直的方向看，光学滤波器和图像传感器的放大图； 
图21显示在用于车辆检测和附着物质检测的滤光区域与在图像传感器上用于车辆检测和附着物质检测的图像区域之间的关系； 
图22是显示滤光器的第一光谱过滤器的透射比特性的图表； 
图23是作为偏振滤光器的滤光器的线栅偏振器的放大图； 
图24是显示滤光器的第二光谱过滤器的透射比特征的图表； 
图25A显示了使用图14中的反射/偏移棱镜，捕捉到附着有一些雨滴(没有烟雾)的图像的示例并且图25B显示了捕捉到附着的烟雾和雨滴两者的图像的示例； 
图26A显示了当光源被断开时候，捕捉到的用于检测雨滴的图像的示例，同时图26B显示了当光源被打开的时候相同的示例； 
图27是用于检测挡风玻璃的附着物质的流程图； 
图28是用于根据用于车辆检测的图像区域中图像数据，检测雨刷器控制参数或者除霜器控制参数的流程图； 
图29显示了模糊的挡风玻璃的图像； 
图30显示了冻结的挡风玻璃的图像； 
图31是用于根据用于附着物质检测的图像区域中图像数据，检测雨刷器控制参数或者除霜器控制参数的流程图； 
图32是用于确定挡风玻璃的状态的流程图； 
图33显示了用于图32中的确定处理的作为参考的表格； 
图34是包含用于图32中的确定处理结果的指令的表格； 
图35A显示了当相关技术的成像单元以20度的倾斜角被安装在挡风玻璃上时，从光源通过雨滴反射到成像元件的光程，并且图35B显示了通过该成像单元捕捉的图像数据的示例； 
图36显示了当将倾斜20度的窗户护罩所最佳化的成像单元以20度的倾斜安装在挡风玻璃上时，从光源被挡风玻璃外表面反射的光程； 
图37显示了当将倾斜20度的窗户护罩所最佳化的成像单元以35度的倾斜安装在挡风玻璃上时，从光源被挡风玻璃外表面反射的光程； 
图38是显示当挡风玻璃的外表面的镜面反射不入射到成像元件上时，相对于雨滴反射的光和挡风玻璃反射的光，成像元件的光接收量的图表；和 
图39是显示当挡风玻璃的外表面的镜面反射入射到成像元件时，与图38中相同的图表。 
具体实施方式
以下，将参照附图详细地描述应用了本发明的包括成像单元的车载控制系统的实施例。只要可能，贯穿附图使用相同的参考数字来指代相同或者类似的 部分。除了在车载控制系统之外，成像单元还适用于例如，使用附着物质检测器以根据捕捉的图像检测光透射板状元件上的物质的其他的系统。 
图1示意性地显示了根据一个实施例的车载控制系统的结构，其使用作为车辆100(作为汽车)的成像单元所捕捉的成像区域的车辆前方区域中的图像数据，控制前灯的光分布和挡风雨刷器及其他车载单元的运行。 
车载系统包括成像单元101，例如其被安装接近于未显示的在挡风玻璃105上的后视反光镜，以捕捉在车辆100的移动方向上的车辆前方区域的图像。成像单元101的成像元件所捕捉的图像数据被输入到图像分析单元102，以研究该图像数据，计算在车辆100前面的其他车辆的位置、方向、和距离，或者检测异物，例如附着在挡风玻璃105上的雨滴或者检测目标对象，例如成像区域中的白色路标、道路的末端。 
车辆100包括周围温度传感器111。图像分析单元102使用周围温度传感器111所检测的结果来执行如上各种检测。例如根据本实施例，它被配置为从来自周围温度传感器111的结果检测挡风玻璃105上的霜。 
图像分析单元102的计算结果被传输到前灯控制器103。具体的说，前灯控制单元103控制器前灯104来在强光灯和弱光灯之间切换，或者局部地遮蔽他们，例如以避免前灯104的强光进入到前面的或者迎面车辆的驾驶员的眼睛中并且保持车辆100的驾驶员的良好视线。 
计算结果还被发送给雨刷器控制单元106以控制挡风玻璃雨刷器107来移除附着在挡风玻璃105上的雨滴和异物。它生成用于风挡雨刷器107的控制信号以响应通过图像分析单元102检测的异物的结果。从雨刷器控制单元106接收该控制信号，挡风雨刷器107运行以清理驾驶员的视线。 
计算结果还被发送给车辆驱动控制单元108。车辆驱动控制单元108在车辆100驶出行车道时，根据所检测到的道路末端或者白色标记向车辆的驾驶员发出警告并且控制方向盘或者刹车用于驾驶帮助。 
车辆驱动控制单元108根据图像分析单元102所检测的路标比较关于路标的信息和车辆的驾驶状态。当车辆100的驾驶速度接近所检测的路标所指示的速度限制的时候，它向车辆100的驾驶员发出警告，或者当车辆的驾驶速度超过速度限制的时候，它控制刹车。 
图像分析单元102的计算结果还被发送给除霜器控制单元109，其根据所检测到的挡风玻璃105上的霜或者烟雾为除霜器110生成控制信号。除霜器110一从除霜器控制单元109接收到控制信号，就将空气吹到挡风玻璃105或者加热挡风玻璃105以移除霜或者烟雾。稍后将详细地描述除霜器控制器。 
图2示意性地显示了包括具有成像元件200的成像单元101的附着物质检测器300的结构。成像元件200包含成像透镜204、滤光器205、安装有具有二维像素阵列的图像传感器206的基底207以及信号处理器208以通过将来自基底207的模拟电信号(在图像传感器206上的像素的光接收量)转换为数字电信号来生成图像数据。在本实施例中，光源201被安装在基底207上以检测在作为另一个表面的挡风玻璃105的外表面上附着的物质。以下主要描述雨滴作为附着物质的示例。 
在本实施例中，布置了成像单元101以便成像透镜204的光轴与图2中作为X轴的水平方向对准。替选地，其光轴可以被定向在相对于水平方向的具体方向。成像透镜204例如由具有远离挡风玻璃105的焦点的透镜组成。例如成像透镜204的焦点位置可以被设置为无穷远或者在无穷远和挡风玻璃105之间的某处。 
滤光器205被放置在成像透镜204后面，以限制入射在图像传感器206上的光的波段。在本实施例中，滤光器205减少来自车辆外面的周围光的影响，用于根据从光源210投射的和挡风玻璃105反射的光确定挡风玻璃的状态。如果挡风玻璃105的状态被精确地检测，那么可以省略滤光器205。 
图像传感器206包含二维布置的光接收元件或者像素，它们接收从滤光器205发送的光。每个像素光电地转换入射光。虽然在附图中未详细地显示，但是图像传感器206包含数十万个像素并且可以例如是CCD(电荷耦合设备)或者CMOS(互补金属氧化物半导体)。 
信号处理器208与图像分析单元102电气连接，以将来自基底207的模拟电信号转换为数字电信号以生成图像数据。信号处理器208在经由基底207接收到模拟信号时，生成代表图像传感器206的每个像素的亮度的数字信号或者图像数据，并且将它与水平的和竖直的同步信号一起输出给图像分析单元102。 
图像分析单元102包含各种功能。它控制成像单元101的成像操作并且分析来自成像单元101的图像数据。它还为捕捉到的诸如车辆100前面的另一个车辆、挡风玻璃105上的雨滴、霜或者烟雾的对象计算并且设置最理想的曝光量(本实施例中的曝光时间)，并且随着曝光调节，调节光源210投射光束的定时。此外，根据来自成像单元101的图像数据，它获得关于道路状态或者路标的信息或者挡风玻璃105的当前状态(雨滴、霜或者烟雾)以及计算车辆100前面的另一个车辆的位置、方向和距离。 
图3显示了根据本实施例的成像单元101的光学系统。光源210照明挡风玻璃105以检测其上的附着物质并且包含多个LED。因此，与单个LED相比，它可以扩展在挡风玻璃105上检测附着物质的区域并且改善检测挡风玻璃105的状态的变化的准确度。 
LED与图像传感器206一起被安装在基底207上。他们不需要分离的基底以便减少基底的数量，导致成本降低。沿着图3中的Y轴将LED布置为一个或多个阵列，以能够平均的照明挡风玻璃105用于在显示了车辆前方区域的图像的区域下捕获挡风玻璃的图像。 
光源210被放置在基底207上使得来自光源的光的光轴与成像透镜204的光轴形成特定角度，以及在挡风玻璃105上的它的照明区域将在成像透镜204的视角范围之内。光源210可以是一个或多个LED或半导体激光器(LD)。为了保护迎面车辆的驾驶员或行人的眼睛，光源210的光波长将不会是可见光并且优选地比可见光长，例如在红外光波长范围内的大约800到1，000nm，图像传感器206的光接收灵敏度可以覆盖该波长。通过图像分析单元102与来自信号处理器208的图像信号协调来控制光源210照射光的定时。 
挡风玻璃105反射的光根据挡风玻璃105的状态而变化，所述挡风玻璃105的状态诸如在外表面上冻结的雨滴或夜露或由湿气引起在内表面上雾化。可以通过分析经由滤光器205用图像传感器206捕捉的图像来取得在反射光方面的改变。 
将成像元件200的LED211的光轴和图像传感器206上的法线对准为沿着相对于基底表面的法线可以简化制造工艺。然而，在本实施例中，光源的光发射和成像元件200的成像或成像透镜的光轴在不同的方向上。因此，难以在相 同的基底207上提供LED211和图像传感器206。 
为了在相同的基底上安装LED211和图像传感器206，可以在光源210中提供例如改变LED211的光程的元件，诸如图4中的偏移棱镜213或图5中偏心布置的准直透镜212。准直透镜212的数目必须等于LED211的数目并且可以使用沿着Y轴的透镜阵列。 
替选地，元件可以是如图6所示的锥形光导215。在基底207上靠近LED211的出口侧提供锥形光导215以允许光导215的内表面反射来自LED211的光，同时通过其中以几乎平行于LED211的光轴的角度传递并且放射所述光。由此，用光导215，可以缩窄发射角分布。此外，光导215的出口侧被配置为以希望的方向发光。在图6中，光导215可以用窄的亮度分布将光平均地投射到希望的方向。它有助于精确地检测挡风玻璃105外表面的状态并且减少修正不均匀亮度的负荷。 
此外，光源210和图像传感器206可以被安装在不同的基底上来代替相同的基底207。 
此外，图3中的成像单元101进一步包含具有反射表面221的反射/偏移棱镜220并且紧密附着在挡风玻璃105的内表面(一个表面)上以将来自光源210的光引导至挡风玻璃105内部。具体地，棱镜220被固定在挡风玻璃105内表面的一个表面上以便在图像传感器206上适当地接收在反射表面221进行的镜面反射当中、挡风玻璃105外表面的非附着物质区域进行的镜面反射，而与反射/偏移棱镜220是的光的入射角方面的变化无关。 
为了将反射/偏移棱镜220附接在挡风玻璃105的内表面上，优选地在他们之间插入诸如由半透明材料制成的凝胶或密封剂的填充物，以增强粘聚力。这使它可以阻止在反射/偏移棱镜220和挡风玻璃105之间出现使挡风玻璃105模糊的空气层或气泡。填充物的折射率应该优选地是在反射/偏移棱镜220和挡风玻璃105之间的中间折射率。由此，可以减少在填充物和反射/偏移棱镜220之间以及在填充物和挡风玻璃105之间的费涅反射造成的光损耗。在这里，费涅反射是指在具有不同折射率的材料之间发生的反射。 
图3中的反射/偏移棱镜220被配置为在反射表面221上仅仅将来自光源210的入射光反射到挡风玻璃105的内表面一次。外表面上的反射光在其上以 角度φ入射(大约42≤φ≤大约62度)。入射角φ是由于空气和挡风玻璃105外表面的折射率的差异而在外表面上发生全反射的临界角。对应地，在外表面上没有附着物质，通过反射表面221反射的光不经由外表面透射但是被它完全反射。入射角φ的下限被设置为使得光被挡风玻璃105外表面的非附着物质区域完全反射的值。同时，它的上限被设置为使得在外表面的非附着物质区域不发生全反射的值。 
不通过挡风玻璃105外表面的附着物质区域发生全反射，其上附着了具有与空气折射率1.0不同的1.38折射率的雨滴，并且光经由其中透射。通过非附着物质区域反射的光在图像传感器206上形成高亮度图像部分，同时通过附着区域反射的光由于反射光量的减少和图像传感器206的光接收量的减少而形成低亮度部分。由此，在捕捉的图像上显现出雨滴附着部分和非附着部分的对比。 
进一步，可以如图7所示的，在光源210和成像透镜204之间提供光屏蔽230，用于减少图像传感器206上入射的光的扩散成分以防止图像信号的劣化。 
图8是根据使用图6的光导作为光程改变元件的本实施例的成像单元101的示意透视图。成像单元101包含第一模块101A作为第一支持件，固定在挡风玻璃105的内表面上以固定地支持反射/偏移棱镜220以及第二模块101B，作为第二支持件以固定地支持安装有图像传感器206和LED211的基底207、光导215和成像透镜204。 
模块101A、101B通过旋转耦合机构240可旋转地耦合，所述旋转耦合机构240具有在正交于挡风玻璃105的倾角和垂直两者的方向上(图3中的前和后方向)延伸的轴241。旋转耦合机构240可以围绕轴241相对地旋转第一模块和第二模块101A、101B。因此，第一个模块101A可以被固定在以不同的角度倾斜的挡风玻璃105上以便在第二模块101B中的成像元件200在某一方向，例如，水平方向上捕捉图像。 
以上所述的成像单元101被如下安装在车辆100中。首先，第一模块101A被固定在挡风玻璃105上，使反射/偏移棱镜220的一个面紧密附着在它的内表面上。通过用胶粘剂将第一模块101附接到挡风玻璃105上或通过使用在挡风玻璃105上提供的钩子等将第一模块101A卡合在挡风玻璃105上来完成固 定。 
接下来，围绕旋转耦合机构240的轴241相对于第一模块101A旋转第二模块101B。以被调节的角度将第二模块101B固定在车辆100中以便成像元件200的成像方向与水平方向重合。在第二模块101B的外壁中提供销242并且在第一模块101A中形成孔243。销242在孔243内部可动以限制调节旋转耦合机构240的旋转的范围或调节第二模块101B相对于第一个模块101A的角度的范围。根据挡风玻璃105的倾斜角范围适当地设置旋转耦合机构240的旋转调节范围，在这里挡风玻璃105的倾斜角范围被假设为大约20度以上35度以下。这个倾斜角范围可以根据安装成像单元101的车辆类型任意变化。 
图9A是以相对于水平面22度倾斜角θg安装在挡风玻璃105上的成像单元101的侧视图。图9B显示了当雨滴没有附着在挡风玻璃上的时候图9A中成像单元101的光学系统并且图9C显示了当雨滴附着在挡风玻璃上的时候成像单元101的光学系统。图10A是以相对于水平面34度倾斜角θg安装在挡风玻璃105上的成像单元101的侧视图。并且图10B显示了图10A中的成像单元101的光学系统。 
来自光源210的光束L1入射在反射/偏移棱镜220的入射表面223上，从而以特定角度折射并且通过反射表面221镜面反射。镜面反射L2经由挡风玻璃105的内表面221透射。没有雨滴附着在挡风玻璃105的外表面223上的情况下，通过外表面223全反射镜面反射L2。全反射L3经由内表面透射并且被棱镜220的出射表面224折射到成像透镜204。同时，具有雨滴附着在挡风玻璃105的外表面上的情况下，通过反射表面221的镜面反射L2经由外表面透射。如果挡风玻璃105的倾斜角θg变化，则将第二模块101B在挡风玻璃105内表面上的姿势变化为成像方向被保持在水平方向上，并且与挡风玻璃105一体地围绕图示中Y轴旋转反射/偏移棱镜220。 
反射/偏移棱镜220的反射表面221和挡风玻璃105的外表面被布置为使得在旋转耦合机构240的旋转调节范围内，在用于附着物质检测的图像传感器的光接收区域中接收全反射L3。因此，即使与挡风玻璃105的倾斜角θg方面的变化，也可以在图像传感器206的光接收区域中适当地接收全反射L3并且检测挡风玻璃105外表面上的雨滴。 
尤其是，棱镜220的反射表面221和挡风玻璃105的外表面被布置为在旋转耦合机构240的旋转调节范围内基本上满足角锥反射器(corner cube reflector)的原理。这个原理是指这样的现象，其中以直角组合两个反射表面，光以角度δ入射在一个反射表面上，通过另一个反射表面反射并且以相同的角度δ射出。具体来说，通过一个表面所反射的光被弯转角度2δ并且以角度90-δ入射在另一个表面上。由于通过另一个反射表面所反射的光的出射角还是90-δ，所以通过一个反射表面将光弯转角度180-2δ。总计2δ+180-2δ＝180并且通过另一个反射表面将光反射回入射方向。根据本实施例，使用这个原理，利用挡风玻璃105的角度θg方面的变化，通过挡风玻璃105外表面进行的全反射L3的轴和水平面之间的角度θ是基本上恒定的。对应地，有可能防止全反射L3的光轴通过外表面上的不同位置并且适当地检测雨滴。 
当棱镜220的反射表面221和挡风玻璃105的外表面正交的时候，角锥反射器的原理是有效的。然而，它们的布置将不会被限制为正交。通过调节棱镜220的出射表面或入射表面的角度，即使具有挡风玻璃105的倾斜角θg方面的变化，全反射L3的光轴到成像透镜的角度θ也可以被保持恒定。 
例如，如果反射表面221与挡风玻璃105的外表面之间的角度比90度大，出射表面224与附着在挡风玻璃105上的表面222之间的角度被对应地设置为更大。优选的将出射表面224与表面222之间的角度增加大约从90度增加的两倍。在这种情况下，出射表面224与入射表面223不平行，使得光导的出射角需要被适当地设置为与成像透镜204的出射角一致。 
进一步，即便满足了角椎反射器的原理，全反射L3从反射/偏移棱镜220的出射位置也不总是恒定的。这个在出射位置方面的变化可能改变图像传感器206的光接收区域中，全反射L3的光轴通过的位置，这可能遏制对雨滴的稳定检测。 
考虑到这点，旋转耦合机构240的旋转中心被设置为在旋转调节范围以内，以在图像传感器206上的预先确定的区域中恒定接收全反射L3，具体来说，在成像元件200的视角位置处。例如，旋转耦合机构240的轴241被设置在位于反射表面221上光束L的光轴穿过的位置与挡风玻璃105的外表面上镜面反射L2的光轴穿过的位置之间。 
由此，通过两个步骤完成成像单元101的安装，而不管挡风玻璃105的倾斜角，即将第一模块101A固定在挡风玻璃105上并且以被调节为使得成像方向与水平方向重合的角度固定第二模块101B。 
接下来，图11是靠近光源提供的光导215的透视图。光导215的入射侧可以是锥形棒状透镜，其由具有内反射表面类似管状的镜子构成并且从入射端到出射端形成锥形。优选地，它由诸如玻璃的具有1.0以上折射指数的材料组成。可以通过铸模以低成本制造它。 
图12是反射/偏移棱镜220的透视图。它包含来自光源的光束L1入射的入射表面223，用于反射光束L1的反射表面221，附着在挡风玻璃105内表面上并且使镜面反射L2透射其中的透射表面222，以及将镜面反射L3发射到成像元件200的出射表面224。根据本实施例，入射表面223和出射表面224是平行的；然而他们可以是非平行的。 
反射/偏移棱镜220可以由例如玻璃或者塑料的透光材料制成。替选地，它可以由吸收可见光的黑色材料制成，因为来自光源210的光是红外光。使用这样的材料，可以防止除了来自LED红外光以外的光(来自车辆外面的可见光)进入反射/偏移棱镜220。 
此外，形成反射/偏移棱镜220，以满足在旋转耦合机构240的旋转调节范围内，通过反射表面221全反射来自光源210的光的条件。如果那是困难的，可以通过在反射表面221上蒸镀铝层来形成反光镜。 
此外，反射表面221是平面，但是它是可以如图13所示的凹面。这种凹面反射表面225可以使漫射光束平行，这导致防止挡风玻璃105上的亮度的减少。 
参照图14、15描述了反射/偏移棱镜220的另一个例子。图15显示了包括图14中的反射/偏移棱镜220的成像单元101的光学系统。该反射/偏移棱镜220额外包括反光镜表面206并且想要除外表面上的雨滴之外，还例如检测挡风玻璃105内表面上的烟雾。 
反射/偏移棱镜220在入射表面223接收来自光导215的沿着Y轴的光的中心部分并且将它反射到挡风玻璃105的外表面。然而，在它沿着Y轴的两个末端的光不入射到入射表面223上并且通过反光镜表面226全反射到挡风玻 璃105的内表面上。没有烟雾附着在其上时，通过内表面反射全反射L4，但是在旋转耦合机构240的旋转调节范围内，在图像传感器206上从未接收到镜面反射L5。 
具有烟雾在内表面上时，通过烟雾扩散并且在图像传感器206上接收到反射L4。因此，当在图像传感器206的对应于反光镜表面226的部分上接收到特定数量以上的光时，可以检测到在挡风玻璃105内表面上出现了烟雾。 
在这个例子中，具有用于雨滴检测的反射表面221的棱镜和具有用于检测烟雾的反光镜表面226的镜子部分被集成在一起，然而他们可以是分离的。此外，在如图14所示的棱镜两侧提供镜子部分，但是替选地，可以仅仅在棱镜的任一个侧面上或者在棱镜的顶端或者底部上提供它。 
接下来，描述根据本实施例的滤光器205。为了检测挡风玻璃105外表面上的雨滴，成像元件200成像来自光源210的红外光。然而，包括日光的大量周围光可能入射到成像元件200的图像传感器206上。为了区分大量的周围光与来自光源210的红外光，光源210的光数量需要比周围光足够大，这是很难实现的。 
鉴于这点，成像单元200包含截止滤波器来切断具有比图16中光源210的波长短的的光，或者具有峰值透射比与图17中光源210的波长匹配的带通滤波器，来经由这种滤光镜在图像传感器206上接收来自光源210的光。从而，可以去除具有与来自光源200的光的波长不同的波长的光，以便图像传感器206接收大量的来自光源的光。因此，可以区分它与周围光，而不增加光源的光量。 
此外，在本实施例中，图像数据被分成用于检测前面的或者迎面车辆和白线标记的第一图像区域以及用于检测如雨滴的附着物质的第二图像区域。滤光器205包括仅仅用于图像传感器的区域的滤光镜，以去除与来自光源的红外光的不同波段的光，其中该图像传感器的区域与用于附着物质检测的第二图像区域对应。因此，图像传感器可以接收车辆或者白色标记检测所需要的波段的光。 
图18是被分成用于第一图像区域和第二图像区域的两个区域205A、205B的滤光器205的前视图。图19显示了图像数据的示例；如图19所示，第一图像区域231是顶端的三分之二区域并且第二图像区域232是底部的三分之一 区域。迎面车辆的前灯、前面车辆的尾灯、白线标记和路标一般显现在图像的上部，同时车辆100前面的路面和它的发动机盖或者车辆前方区域显现在下部。因此，用于识别前灯或者尾灯和白色标记所需的信息主要在最上部并且关于下部的信息不是很重要。因此，优选的是将图像数据划分为如上的第一和第二图像区域并且将滤光器205划分为与两个图像区域相关联的两个区域，从而从相同的图像数据中检测雨滴203，以及迎面的和前面的车辆、白线标记和路标这两者。 
此外，图16中的截止滤波器和图17中的带通滤波器还用来消除通过车辆100的发动机盖100a反射的诸如日光的周围光或者前面车辆的尾灯，这可能引起前灯和尾灯以及白线标记的错误检测。因此，可以改善识别前灯和尾灯的准确度。 
第一和第二滤光区域205A和205B被不同的配置。与第一图像区域231对应的第一滤光区域205A包括分光滤光器251，同时与第二图像区域232对应的第二滤光区域205B不包括分光滤光器251。由于成像透镜204的特性，图像区域中的景象与图像传感器206上的图像相反。当第二图像区域232被设置到图像的下部时，第二滤光区域205B被设置在滤光器205的上侧。 
此外，难以仅仅从亮度数据精确地检测前面车辆的尾灯，因为尾灯的光量小于迎面车辆的前灯光量并且存在大量如路灯的周围光。鉴于这点，滤光器205可以额外的包括红色或者青色过滤，通过它们仅仅是尾灯的波长的光可以透射，以能够检测红光的接收量。从而，可以根据红光的接收量使用光谱信息来精确地识别尾灯。 
此外，滤光器250包括分光滤光器255以切断可见光范围和光源的波段之间的光。从而，可以防止图像传感器206接收包括红外波段的光并且生成整体微红的图像。这使得可以适当地识别对应于尾灯的红色图像部分。 
图20是从垂直于光透射的方向上看滤光器205和图像传感器206的放大图。图21显示了滤光器205的第一和第二滤光区域205a、205b与图像传感器206的第一和第二图像区域231、232之间的关系。滤光器205被布置接近于图像传感器206的光接收表面。在图20中，分光滤光器255被形成在透明滤光器基底252的表面上，与光接收表面相对，并且偏振滤光器253和分光滤光 器255被形成在它的另一个表面上。例如可以通过UV胶粘剂粘合滤光器205和图像传感器206或者通过UV胶粘剂或热压粘合将有效像素区域以外的图像传感器206的方形区域粘合在滤光器205上，同时通过垫片支持。 
此外，滤光器基底252可以由诸如玻璃、蓝宝石、水晶的透明材料制成，可见范围和红外线范围中的光可以通过它们透射。尤其是玻璃，特别是具有1.46折射率的低价格、耐用的石英玻璃和具有1.46折射率的tempax玻璃在本实施例中是优选的。 
分光滤光器255具有如图22所示的透射率特性，例如以通过其中透射从波长400nm以上到670nm以下的可见范围的入射光，以及从波长940nm以上并且970nm以下的红外线范围中的入射光并且切断波长从670nm以上到小于940nm的入射光。在从400nm以上到670nm以下以及940nm以上并且970nm以下的波长范围中的透射率优选地是30％以上，更优选地是90％以上。在从670nm以上到小于940nm中的透射率优选地是20％以下，更优选地是5％以下。 
可见范围中的光被用来在第一图像区域231中检测车辆和白线标记，同时红外线范围中的光被用来检测第二图像区域232中的挡风玻璃上的诸如雨滴的附着物质。不允许透射具有670nm以上并且小于940nm的波长的光，以免整体图像数据变得微红，这使得难以提取诸如尾灯或者红色符号的红色部分。相应地，可以改善识别尾灯或者包括在日本作为停止符号的红色部分的路标的准确度。 
分光滤光器255可以是多层结构，其中交替层叠具有高折射率的薄膜和具有低折射率的薄膜。用这种多层结构，可以使用光学干涉自由地设置光谱透射率。甚至可以通过层叠大量薄膜实现相对于特定波长(例如不同于红外光)的大约100％的反射率。 
提供偏振滤光器253来减少由于不必要的反射光而引起的噪声。通过挡风玻璃105的内表面或外表面反射的光是相对于由成像透镜204的光轴和光源210移动到挡风玻璃105的光的光轴形成的竖直面基本上竖直的偏振元件(水平偏振元件)。因此，形成偏振滤光器253来相对于竖直面透射水平偏振成分并且切断平行偏振成分(竖直偏振成分)。 
可以由图23中的线栅偏振器形成偏振滤光器253，所述线栅偏振器是由用特定节距在矩阵中布置导电的铝线制成。用比诸如可见光波长的入射光波长小许多的节距(例如一半以下)，可以通过反射几乎所有平行于导电丝振荡的电场矢量的光来生成单个偏振并且透射几乎所有竖直于该导电丝振荡的电场矢量的光。 
关于线栅偏振器，金属线的交叉横截区域越大，消光比越大。此外，通过利用相对于循环宽度的特定宽度以上的金属线，偏振器的透射率有所减少。具有垂直于金属线长度的锥形横截面的金属线通过宽带中的透射率或者偏振度施加较少的波长分散性和高的消光比。线栅结构可以由已知的半导体处理形成。例如，线栅的不均匀的亚波长结构可以由在铝薄膜上蒸镀、形成图案和金属蚀刻形成。相应地，偏振器的方向可以以相当于图像传感器象素大小的数个微米为单位来调节。此外，由例如铝的金属制造的线栅偏振器在高热阻方面很优秀并且适合于在车辆中使用。 
用具有等于或者低于滤光器基底252折射率的无机材料填充滤光器基底252和偏振滤光器253之间的缺口以及线栅的凸起之间的缺口，这形成填充层254。为了避免退化偏振滤光器253的偏振特性，无机材料优选地具有尽可能靠近例如空气折射率的低折射率，如多孔硅(SiO2)、多孔氟化镁(MgF)或者多孔氧化铝(Al2O3)的多孔陶瓷材料。通过多孔，即陶瓷中气孔的尺寸和数量确定该低折射率的程度。利用主要由二氧化硅水晶或者玻璃制造滤光器基底254、由多孔硅(n＝1.22至1.26)制造的填充层254是优选的，因为它的折射率小于滤光器基底252的折射率。 
可以通过旋涂玻璃处理(SOG)形成填充层254。也就是，在酒精中溶解硅醇(Si(OH)4)的溶剂被旋涂在滤光器基底252上，并且通过热处理蒸发溶剂成分以开始硅醇的聚合反应。 
亚波长大小的线栅结构的偏振滤光器253在强度方面低于填充层254上的分光滤光器255。在本实施例中该偏振滤光器253被填充层254覆盖用于保护。因此，当安装滤光器时，线栅结构不太可能受到损害。另外，填充层254帮助防止异物进入线栅结构。 
线栅结构的凸起高度通常被设置为使用中的波长的一半以下。分光滤光器 255的波长等于使用中的波长或者比使用中的波长大数倍，并且厚度越大，它在截止波长中施加的透射率特性越尖锐。填充层254的厚度优选地为薄的，因为随着厚度增加，它变得更难以保护顶面的水平度和填充区域的一致性。在本实施例中可以坚固地形成填充层254，因为在用填料层254覆盖偏振滤光器253之后，在填充层254上形成分光滤光器255。分光滤光器255也可以具有最佳的特性。 
在本实施例中，分光滤光器255、填充层254和偏振滤光器253被布置在滤光器基底252上接近于成像透镜204的一边。通常重要的是减少制造工艺中多个层中的误差。容许的误差上限被设置为随着滤光器与图像传感器206分离的越远，值越大。滤光器基底252的厚度是0.5mm以上和1.0mm以下。与放置在图像传感器侧上的这些层相比较，制造工艺可以被简化并且招致更低的成本。 
此外，在滤光器基底252的图像传感器侧上形成的分光滤光器251是具有基本上匹配图24中的光源210的波长的峰值透射率的带通滤波器。仅仅为第二滤光区域205B提供它，以区分从光源210投射的并且通过挡风玻璃105上的水滴或者霜反射的红外光与大量的周围光。从而，可以去除具有不是来自光源210的光的波长的光，相对地增加被检测的光的量。 
滤光器205包括在基底252的两侧上形成的两个分光滤光器251、255。这使它可以防止滤光器205偏斜，因为来自两个表面的应力互相消除。 
分光层251与分光滤光器255相同并且可以是具有高折射率的薄膜和具有低折射率的薄膜被交互层叠的多层结构，或者是滤波器。可以通过遮蔽第一滤光区域205A，同时蒸镀多个层来仅仅为第二滤光区域205B形成它。 
多层结构的分光滤光器251、255可以获得任意的分光辐射率。用于彩色传感器的滤色器由难以调节分光辐射率的阻挡材料组成。通过利用多层结构，滤光器251、255的所透射的波段几乎可以匹配光源201的波段。 
在本实施例中，提供分光滤光器251以减少周围光的量。没有分光滤光器251，雨滴检测也是可行的。然而，鉴于噪声的变动，更优选的是包括分光过滤器251的滤光器205。 
图25A显示了利用图14中的反射/偏移棱镜附着了雨滴(没有烟雾)的图 像的例子并且图25B显示了附着了烟雾和雨滴两者的图像的例子。使用反射/偏移棱镜220，第二图像区域232的水平中心部分以高亮度接收通过挡风玻璃105外表面的无雨滴区域反射的镜面反射L3。同时，它以低亮度接收较少量的外表面上雨滴203反射的镜面反射。 
第二图像区域232的两个水平末端部分从不接收来自光源210的镜面反射L5并且恒定的处于低亮度，如图25A所示。在挡风玻璃105内表面上出现如微小的水滴的烟雾时，在烟雾部分203’中发生漫反射。一旦接收漫反射，末端部分的亮度从没有烟雾的亮度轻微地增加，如图25B所示。 
在第一图像区域231中通过挡风玻璃105内表面上的烟雾模糊了发动机盖100a的边缘。这种现象也被用来检测烟雾的存在与否。 
即便用滤光器205，与光源的波长相同的周围光也可以经由滤光器205的带通滤波器透射。因此，不能完全去除周围光。例如，在白天日光包括红外波长成分同时在晚上迎面车辆的前灯包括红外波长成分。这种周围光可能引起雨滴203的检测中的误差。例如，通过利用用于检测雨滴存在的算法，当第二图像区域232中亮度值变化超过的特定量时，亮度值可能被周围光影响得偏移，导致雨滴检测的错误。 
为了防止这种错误检测，例如光源210被控制为与图像传感器206的曝光同步。具体来说，在导通和断开光源210两个状态下捕捉到两个图像，以生成两个图像的第二图像区域232的差分图像并且根据该差分图像检测雨滴。因此，需要使用至少图像的两个帧。 
图26A显示了在光源210的断开期间捕捉的两个帧中的一个同时图26B显示了在光源210的导通期间捕捉的另一个帧。在图26A中在第二图像区域232中仅仅捕捉了周围光并且在图26B中捕捉了来自光源210的光和周围光。根据排除周围光的两个帧之间的亮度差计算差分图像的亮度值或者像素值。通过使用差分图像，可以因此防止错误的雨滴检测。鉴于减少的功耗，光源210优选地除了雨滴检测以外，维持断开。 
获得差分图像的图像的两个帧优选地是连续不断的。通过两个帧之间的时间间隔，如迎面车辆的前灯的周围光的量可能很大地变化，这可能使它不可能消除差分图像中的周围光。 
为了根据第一图像区域231上的图像信息控制车辆或者车辆的光分布，通常根据图像中心的亮度值执行自动曝光控制(AEC)。对于两个连续的帧，应该最佳地通过例如在相同的一段时间根据检测雨滴来执行曝光控制。在自动曝光控制下，在光源210导通期间捕捉的多个帧中的一个帧和在它断开的期间捕捉的另一个帧可能在不同的时期被曝光。这可能改变在每个帧中包含的周围光的亮度值并且阻止使用差分图像对它的适当消除。 
替选地，曝光时间上的差异可以通过图象处理而不是相同的曝光时间来修正。具体来说，通过以下公式计算差分值Yr： 
Ya＝Ya/Ta 
Yb＝Yb/Tb 
Yr＝Ya-Yb 
其中，Ta是用于捕捉到的具有光的帧的曝光时间，Ya是它亮度值，Tb是用于捕捉到的另一个没有光的帧的曝光时间，并且Yb是它的亮度值。使用如上的修正过的差分图像，即便对两个帧在不同长度的时期被曝光，也可以适当地去除周围光的影响。 
替选地，可以根据曝光时间的差别控制光源210的光强。例如，控制光强以减少对帧曝光更长的一段时间。以这种方式，可以适当地去除周围光的影响而不管曝光时间的差别。另外它消除了通过花费巨大负荷的图象处理修正差别的必要性。 
此外，光源210的LED 211的发射根据温度变化而改变。随着温度升高，发射减少。此外LED 211的光量也随着时间而减少。LED211发射方面的改变导致亮度值的改变，这可能引起错误的雨滴检测。在本实施例中，做出LED 211的发射是否变化的确定，并且当它变化时，控制光源210以增加发射。 
当在运行雨刷器207之后，第二图像区域232的整体亮度减少时，确定LED 211方面的改变。这是由于因为通过挡风玻璃105外表面反射的全反射L3被捕捉为第二图像区域232中的二维图像，所以随着发射的改变，第二图像区域232的亮度被减少。同时，当挡风玻璃105的外表面由于雨而变得湿润的时候，第二图像区域232的亮度也被减少。运行雨刷器207以排除由于雨而引起的第二图像区域中的亮度减少。 
接下来，参照图27描述图像分析单元102检测挡风玻璃状态的过程。具有分光过滤器251的用于附着物质检测的第二滤光器区域205B接收比没有分光过滤器的用于车辆检测的第一滤光器区域205A少的光量。经由第一和第二滤光器区域205A、205B的透射的光量上存在巨大的差别。相应地，用于与第一滤光器区域205A对应的第一图像区域231的如曝光量的成像条件与用于与第二滤光器区域205B对应的第二图像区域232的基本上不同。 
鉴于上述，对第一和第二图像区域231、232应用不同的曝光量。例如，根据图像传感器206的输出自动地调节用于第一图像区域231的曝光量。同时，用于第二图像区域232的曝光量被固定为预定量。通过改变曝光时间曝光量是可改变的。例如，可以通过图像分析单元102控制图像传感器206将光接收量转换为电信号的时间来改变曝光时间。 
捕获车辆100周边的第一图像区域231的光接收量取决于景象而很大的改变，因为车辆周围的辉度从白天的几万lux到夜间的1.0lux以下很大的变化。因此，优选的是通过已知的自动曝光控制修正第一图像区域231的曝光量。同时，因为通过具有已知透射率的滤光器205从光源210接收具有特定强度的光所以第二图像区域232的光接收量不改变许多。相应地，可以以固定的曝光时间而不进行自动曝光控制来捕捉第二图像区域232，这导致简化曝光量控制和因此花费的时间。 
在步骤S1，调节第一图像区域231的曝光。在步骤S2，分析单元102从第一图像区域231获取图像数据。在这里，第一图像区域231中的图像数据被用于检测车辆、白线标记和路标以及被用于控制雨刷器或者除霜器。在步骤S3，图像分析单元102根据第一图像区域231中图像数据检测用于雨刷器和除霜器控制的参数，并且在步骤S4将他们存储在预定的存储区中。 
图28是用于检测用于雨刷器和除霜器控制的参数的流程图。在步骤S31中，检测第一图像区域231的亮度分布值作为参数。在步骤S32中，车辆100的背景和发动机盖的边缘部分被提取作为参数。 
如果挡风玻璃105是如图29中有雾的，或者如图30中有冻霜的，那么第一图像区域231图像的亮度分布值减小，并且难以提取发动机盖的边缘部分，。因此，这些参数对于检测挡风玻璃105上的烟雾或者霜是有益的。 
在步骤S5中，根据光源210的光能和分光过滤器251的分光特性调节用于第二图像区域232的曝光时间。在步骤S6中，图像分析单元102从第二图像区域232中获取图像数据。在步骤S7，图像分析单元102根据第二图像区域232中图像数据检测用于雨刷器和除霜器控制的参数，并且在步骤S8将他们存储在预定的存储区中。 
图31是用于从第二图像区域232的图像数据中检测用于雨刷器和除霜器控制的参数的流程图。在步骤S71中，首先计算第二图像区域232的平均亮度值。在挡风玻璃105上具有雨滴、烟雾或者霜时，第二图像区域232的平均亮度值被减少。这被用来检测挡风玻璃上的附着物质。 
在步骤S72中，第二图像区域232的亮度分布值被检测作为参数。在小雨时，显现在第二图像区域232中的雨滴的总体大小是小的，以便亮度分布值与没有雨滴时相比不改变许多。随着挡风玻璃105上大尺寸雨滴的量增加该亮度分布值减少，因为雨滴的图像模糊并且重叠。因此，根据亮度分布值将挡风玻璃105上的雨滴量确定为小雨。 
在步骤S73，计算在第二图像区域232中的附着物质区域的占有率。在这里，附着物质区域的占有率是指具有平均亮度值超过预定值的像素(图像的尺寸)数量相对于图像平面232的像素总数量(总体尺寸)的比例。烟雾或者霜部分通常显示出大的占有率。因此，可以根据附着物质区域的占有率确定挡风玻璃上的附着物质不是来自小雨的雨滴而是烟雾或者霜。 
在步骤74到76中，分别检测平均亮度值、亮度分布值和附着物质区域的占有率随着时间的变化量。该时间变化量表示在第二图像区域232中的先前捕捉的图像数据与当前捕捉的图像数据中的变化。由于来自另一个车辆或者别的车辆的喷水，这些量意外的快速增加。因此，可以根据时间变化量确定挡风玻璃上的附着物质是飞溅物质。 
在如上存储检测到的参数之后，在步骤S9中确定挡风玻璃105的状态。参照图32描述该确定处理的细节。图33是显示用于该确定处理的标准的表格。在步骤S91中，做出在步骤S1中确定的用于第一图像区域231的曝光时间是否小于阈值A(例如，40ms)的确定。超过阈值A的长的曝光时间表示成像区域的光量低并且是夜间。因此，可以根据相对于阈值A的曝光时间的量级 来识别夜间或者白天。 
在夜间期间，不能根据参数(如亮度分布值以及从第一图像区域231的图像数据获得的发动机盖的边缘的参数)来精确地确定挡风玻璃的状态。在步骤S91中确定为夜间时，因此，仅仅使用第二图像区域232的参数来确定挡风玻璃105的状态。 
在步骤S91中确定为白天时，在步骤S92中做出第一图像区域231的亮度分布值是否超过阈值B的确定，并且将结果存储在预定存储区中。优选的是准备包括通过实验获得的对应于曝光时间的具体的阈值的表格并且根据曝光时间确定阈值B。 
在步骤S93中，做出是否已经抽取发动机盖的边缘部分的确定，并且将结果存储在预定的存储区中。为了抽取边缘部分，例如，根据相邻竖直像素的亮度的改变从包括发动机盖和背景的图像区域生成水平边缘成分的差分图像，并且通过图案匹配与预先存储的差分图像进行比较。当差分图像的每个部分的图案匹配中的误差都在预定阈值以下时，确定边缘部分的抽取。基于边缘部分的抽取，可以确定在挡风玻璃105上没有出现霜或者飞溅物质。 
接下来，在步骤S94中，做出第二图像区域232的平均亮度值是否小于阈值C的确定并且将结果存储在预定的存储区中。例如在第二图像区域232中1，024色调的亮度的情况下，阈值C可以被设置为除噪声成分以外900。 
在步骤S95中，做出第二图像区域232的亮度分布值是否小于阈值D的确定并且将结果存储在预定的存储区中。在第二图像区域232中1，024色调的亮度的情况下，阈值D可以是例如50。该亮度分布值小于50时，判定挡风玻璃105上的烟雾或者霜。 
接下来，在步骤S96中，做出第二图像区域232的平均亮度值的时间变化量是否小于阈值E的确定并且将结果存储在预定的存储区中。例如，如果当前捕捉的第二图像区域232的平均亮度值是900以上并且先前捕捉的第二图像区域232的平均亮度值小于700，则可以确定出现了飞溅物质。 
在步骤S97中，做出第二图像区域232中的附着物质区域的占有率是否小于阈值F的确定并且将结果存储在预定的存储区中。例如，阈值F可以被设置为1/5。在来自光源210的均匀照明下，当具有平均亮度值小于900的区域 占领第二图像区域的1/5以下时确定是小雨。在占有率是1/5以上时，确定附着物质不是小雨。 
在步骤S98中，做出通过周围温度传感器111检测的周围温度是否大于阈值G的确定并且将结果存储在预定存储区中。阈值G可以例如被设置为零。在周围温度0度时确定在挡风玻璃上出现雪或者霜。 
在步骤S99中，根据以上所述步骤的结果确定挡风玻璃105的状态，参照图33中的表格。优选地，该参数被加权。例如，用于第二图像区域232和周围温度的参数的加权系数被设置为10同时用于第一图像区域231的参数的加权系数被设置为5。在表格的“没有异常”行中将“结果”中不同的项目设置为1，同时将“结果”中相同的项目设置为0。结果乘以加权系数的总数与阈值相比较。因此，即使结果没有完全匹配图33中的表格内容也可以确定挡风玻璃105的状态。 
此外，由于用于第二图像区域232的参数和没有异常栏的内容上的差别，可以在运行雨刷器一次之后再一次核对每个参数。 
然后，在步骤S10中图像分析单元102根据获得的状态，向雨刷器控制单元106或者除霜器控制单元109发出指令，参照图34。以三级速度控制雨刷器，高、中和低。控制除霜器向挡风玻璃105内表面吹出或者不吹出最大量的热空气。 
以上实施例已经描述了图像传感器206被配置为接收通过没有雨滴附着的挡风玻璃105的外表面反射的镜面反射L3，但是不接收在挡风玻璃上的雨滴上入射的反射L2的例子。替选地，图像传感器206可以被配置为接收通过雨滴进行的反射并且不接收通过没有雨滴的挡风玻璃105外表面反射的镜面反射。此外，具有反射表面21的镜子元件能被用于光学元件来代替反射/偏移棱镜220。 
根据本实施例，光学元件形成光程以将通过挡风玻璃外表面上的附着物质进行的反射返回到光源。用这样的光学元件，可以将成像元件布置得靠近光源。这使它容易缩小包括成像元件和光源的成像单元的规模。 
此外，光学元件被配置为使通过透射表面的光仅一次被挡风玻璃的外表面全反射并且从出射表面将它射出。这可以导致与需要多个的全反射的构成相比， 缩小了光学元件和成像单元两者的规模并且减少了光损耗。 
由于以特定折射角度被光学元件的入射表面或者出射表面的任一个折射，光学元件和成像单元可以容易的被缩小规模。 
此外，由于旋转耦合机构240作为定位机构，所以可以容易的调节特定折射角。 
根据当前实施例，安置成像单元中，通过旋转耦合机构可旋转地耦合第一和第二模块以限制该两个模块的相对位置。因此，可以容易的调节它的相对位置。 
在图35A中的相关技术的成像单元中，光源1210相对于成像元件1200的位置和光源1210的发光方向是不变化的。因此，可以通过放置成像单元来容易地安装它，使得如果预置了挡风玻璃的倾斜角θg，成像元件1200以特定方向P捕捉图像。然而，因为倾斜角θg视车辆类型而不同，所以成像元件1200和光源1210的单元可以被仅仅应用于有限种类的车辆。 
图36显示了当为倾斜20度的挡风玻璃1105安装了为倾斜20度的挡风玻璃最优化的成像单元时，挡风玻璃1105外表面反射的来自光源的光程。图37显示了当为倾斜35度的挡风玻璃1105安装相同的成像单元时，挡风玻璃1105外表面反射的来自光源的光程。从光源1210投射的光的一部分被挡风玻璃1105的内或外表面反射。在用于附着物质检测的图像区域1232上将具有高强度的被外表面反射的镜面反射显示为周围光，劣化了用来检测雨滴Rd的准确度。因此，需要调节光源1210的角度以显示图35A中被雨滴Rd反射的光而不在图像区域1232上显示被挡风玻璃1105外表面反射的镜面反射。 
图36中可以通过放置成像单元来简单地将它安装用于倾斜20度的挡风玻璃，以便成像元件1200以特定方向捕捉图像，以便阻止通过外表面反射的镜面反射进入成像元件1200。因此，它可以捕捉图像区域1231中的车辆前面的图像用于成像元件1200的车辆检测，以及图像区域1232中的雨滴图像用于附着物质检测而没有通过镜面反射反射的噪音。然而，使用这种安装在倾斜超过20度的车辆挡风玻璃上的成像单元，来自光源1210的光在挡风玻璃1105内表面上的入射角比当挡风玻璃1105的倾斜角是20度时更大。结果是，通过挡风玻璃1105外表面反射的镜面反射移动得比图36中的更向上并且进入成像元 件1200。 
接下来，存在另一种成像单元，其中用固定在挡风玻璃1105内表面上的光源1210可调节成像元件1200的特定方向P。通过调节成像元件1200的角度并且将光源1210固定在内表面上而简单地完成成像单元的安装，以便防止外表面反射的镜面反射进入的成像元件1200中。使用这种安装在倾斜超过20度的车辆挡风玻璃上的成像单元，来自光源1210的光在挡风玻璃1105内表面上的入射角θ与当挡风玻璃1105的倾斜角是20度时相同。 
然而，此成像单元具有这样的问题，光源1210的发光方向根据挡风玻璃1105的倾斜角θg而变化。随着倾斜角θg改变，通过外表面发生的镜面反射的移动方向即便以相同的入射角θ也发生移位。例如，如果将成像单元安装在图37中的倾斜35度挡风玻璃1105上时，镜面反射的方向向上移位15度作为与图36的倾斜角的差别。结果是，镜面反射入射在成像元件1200上。 
图38是显示当通过挡风玻璃1105外表面反射的镜面反射不入射在成像元件1200上时，通过雨滴和挡风玻璃反射的并且通过成像元件1200接收到的光量的图示。图39是显示当通过挡风玻璃1105外表面反射的镜面反射入射在成像元件1200上时，雨滴和挡风玻璃反射的并且通过成像元件1200接收到的光量的图示。在图38中，成像元件1200仅仅接收挡风玻璃1105内和外表面反射的一部分漫反射并且它的量比通过雨滴反射的光量少得多。因此，为了检测雨滴，可以获得高的S/N比例。同时，图39中成像元件1200接收与周围光一样高强度的镜面反射光，并且它的量比雨滴反射的光的量大。相应地，不能获得高S/N比例用于检测雨滴。 
可以取得高S/N比以保持雨滴检测准确度，只要即便在倾斜角θg不是20度时，通过挡风玻璃反射的镜面反射也不进入成像元件1200。然而，事实上，挡风玻璃1105防止镜面反射光进入成像元件1200的倾斜角范围很窄，因为来自光源的光通常被分散。因此，出现了以上描述的问题，容易安装的成像单元不能被应用于在很宽的倾斜角范围内的各种挡风玻璃。虽然有通过除成像元件1200的角度之外，还调节光源1210的位置和发光方向，可能将成像单元应用在不同倾斜角的挡风玻璃上，但是它需要光源1210校准的额外工作，这妨碍了成像单元的简单安装。 
如果成像元件接收不通过雨滴反射的镜面反射，而是通过外表面区域上非附着物质区域反射的镜面反射，则类似地发生以上问题。成像元件类似地需要不接收通过非附着物质区域反射的镜面反射。 
此外，如果成像元件捕捉雨滴但是不捕捉车辆前方区域，那么发生以上问题。难以将成像元件安装在挡风玻璃的内表面上，并且它通常附着于车舱顶棚上或者后视镜上。挡风玻璃的倾斜角视车辆类型而不同。在不同的车辆中安装成像元件的位置或者姿势是变化的。因此，安装在挡风玻璃上的光源和成像元件之间的关系根据挡风玻璃的倾斜角而变化。 
根据本实施例，支持光学元件的第一模块的姿势根据挡风玻璃的倾斜角变化，然而第二模块的姿势独立于倾斜角并且通过另一个条件确定。第二模块支持的光源以一个无关倾斜角的方向发射光，同时光学元件的反射表面的定向根据挡风玻璃的倾斜角变化。随着倾斜角改变，反射表面上的来自光源的光的入射角也变化。然而，旋转耦合机构被配置为只要第一和第二模块的相对角落入预先定义的角度范围以内，成像元件就可以在通过光学元件的反射表面所反射的镜面反射当中，通过挡风玻璃外表面上的非附着物质区域稳定地接收镜面反射，而不管倾斜角的改变。 
利用接收不通过挡风玻璃外表面反射的镜面反射而是雨滴反射的镜面反射的成像元件，旋转耦合机构被配置为只要第一和第二模块的相对角落入预先定义的角度范围以内，成像元件就可以在镜面反射L2当中，通过挡风玻璃外表面上的附着物质区域稳定地接收镜面反射L3，并且可以稳定地检测附着物质而不管挡风玻璃的倾斜角。 
此外，因为第二模块由安装在相同基底上的光源的元件和成像元件的元件组成。这相应地减少了基底的数量和成本。 
在当前实施例中成像元件的光接收表面被分成用于车辆检测的第一图像区域和用于附着物质检测的第二图像区域。从而，可以使用捕获成像区域的成像元件检测附着物质。 
由于分光滤光器，成像单元可以减少周围光的量并且改善附着物质检测准确度。 
使用反射/偏移棱镜220，可以以低成本实现光学元件。 
由于光学元件包括凹面反射表面，入射在反射表面上的漫射光束可以被平行化，这可以防止减少挡风玻璃上的辉度。 
此外，合并了如上的缩小规模的成像单元的附着物质检测器可以检测挡风玻璃外表面上的附着物质。 
此外，用于车辆的控制系统包括如上所述的缩小规模的成像单元并且包括这种控制系统车辆可以检测车辆挡风玻璃外表面上的附着物质并且控制车辆的单元。 
虽然已经通过示例性实施例描述了本发明，但其不受限于此。应该理解的是在不脱离以下权利要求中定义的本发明的范围的情况下，本领域技术人员能够在描述的实施例中做出变化或者修改。 
权利要求书(按照条约第19条的修改)
1.(原始)一种成像单元，包括：
光源，放置在板状的透光元件的一个表面上以将光投射到板状元件的一个表面上；
成像元件，捕捉在用来自光源的光照明的板状元件的另一个表面上的附着物质的图像；以及
光学元件，其具有入射表面，反射表面，透射表面和出射表面，来自光源的光入射在入射表面上，通过该反射表面反射来自入射表面的入射的光，透射表面与板状元件的一个表面接触，反射表面反射的光通过该透射表面透射，并且经由透射表面透射的并且被板状元件的另一个表面反射的光从出射表面向成像元件发射。
2.(修改)根据权利要求1所述的成像单元，其中
光学元件适用于允许光经由透射表面透射，仅仅被板状元件的另一个表面全反射一次并且从出射表面发射到成像元件；以及
成像元件适用于使成像元件的顶端位于光学元件的顶端上方,以能够成像不包括光学元件的区域。
3.(修改)根据权利要求1或者2所述的成像单元，其中
光学元件适用于通过入射表面和出射表面中的至少任何一个以特定折射角折射来自光源的光；以及
成像元件适用于使成像元件的顶端位于光学元件的顶端上方,以能够成像不包括光学元件的区域。
4.(修改)根据权利要求3所述的成像单元，进一步包括：
第一支持件，用于在板状元件的一个表面上固定地支持光学元件；
第二支持件，用于固定地支持光源和成像元件；以及
定位机构，用于相对地定位第一和第二支持件以获得特定的折射角，其中
光学元件适用于通过入射表面和出射表面中的至少任何一个以特定折射角折射来自光源的光。
5.(原始)根据权利要求4所述的成像单元，其中
定位机构是具有相对于板状元件的一个表面、垂直于通过光学元件反射表面反射的光的入射面的旋转轴的旋转耦合机构，从而耦合第一和第二支持件以围绕该旋转轴可相对旋转。
6.(原始)根据权利要求5所述成像单元，进一步包括
用于第一支持件的定位器，以在板状元件的一个表面上定位光学元件，以便只要第一和第二支持件的相对角落入预先定义的范围，成像元件就在从光源投射的并且通过光学元件的反射表面镜面反射的光当中，接收通过非附着物质区域镜面反射的光或者通过在板状元件的另一个表面上的附着物质镜面反射的光。
7.(原始)根据权利要求6所述的成像单元，其中
用于第一支持件的定位器被配置为只要第一和第二支持件的相对角落入预先定义的范围内，就保持在来自光源的光的光轴以及在另一个表面上通过非附着物质区域镜面反射或通过附着物质反射的并且通过成像元件接收的光的光轴之间的相对角在特定范围内。
8.(原始)根据权利要求6或者7所述的成像单元，其中
旋转耦合机构被配置为只要第一和第二支持件的相对角落入预先定义的范围内，就保持成像元件在板状元件的另一个表面上接收通过非附着物质区域或者通过附着物质镜面反射的光的位置在预先定义区域内。
9.(原始)根据要求4至8中的任何一项所述的成像单元，其中
第二支持件包括其上安装光源的组件和成像元件的组件的单个基底。
10.(原始)根据权利要求1至9中任何一项所述的成像单元，其中
成像元件的光接收表面被分成第一图像区域和第二图像区域，其中，在第一图像区域中，接收从预定成像区域入射的并且经由板状元件的另一个表面透射的光，以捕捉预定成像区域的图像，在第二图像区域中捕捉附着物质的图像。
11.(原始)根据权利要求1至10中任何一项所述的成像单元，其中
成像元件包含分光过滤器，以选择性地透射来自光源的光的波长范围。
12.(原始)根据权利要求1至11中任何一项所述的成像单元，其中
光学元件是棱镜。
13.(原始)根据权利要求1至12中任何一项所述的成像单元，其中
光学元件的反射表面是凹面。
14.(原始)一种附着物质检测装置，包括：
根据权利要求1至13中的任何一项所述的成像单元；以及
附着物质检测器，以根据通过成像单元捕捉到的图像检测板状元件的另一个表面上附着的物质。
15.(原始)一种控制系统，用于具有板状窗户和成像单元的车辆，成像单元具有安装在板状窗户内表面上的成像元件，以捕捉板状窗户外表面上附着物质的图像，所述控制系统包括：
附着物质检测器，以根据通过成像单元捕捉到的图像检测板状窗户的外表面上的附着物质；以及
控制器，以根据通过附着物质检测器检测到的结果控制车辆的单元。
16.(原始)一种具有板状窗户的车辆，包括根据权利要求15所述的控制系统，以控制车辆的单元。

Claims (16)

1.一种成像单元，包括：
光源，放置在板状的透光元件的一个表面上以将光投射到板状元件的一个表面上；
成像元件，捕捉在用来自光源的光照明的板状元件的另一个表面上的附着物质的图像；以及
光学元件，其具有入射表面，反射表面，透射表面和出射表面，来自光源的光入射在入射表面上，通过该反射表面反射来自入射表面的入射的光，透射表面与板状元件的一个表面接触，反射表面反射的光通过该透射表面透射，并且经由透射表面透射的并且被板状元件的另一个表面反射的光从出射表面向成像元件发射。
2.根据权利要求1所述的成像单元，其中
光学元件适用于允许光经由透射表面透射，仅仅被板状元件的另一个表面全反射一次并且从出射表面发射到成像元件。
3.根据权利要求1或者2所述的成像单元，其中
光学元件适用于通过入射表面和出射表面中的至少任何一个以特定折射角折射来自光源的光。
4.根据权利要求3所述的成像单元，进一步包括：
第一支持件，用于在板状元件的一个表面上固定地支持光学元件；
第二支持件，用于固定地支持光源和成像元件；以及
定位机构，用于相对地定位第一和第二支持件以获得特定的折射角。
5.根据权利要求4所述的成像单元，其中
定位机构是具有相对于板状元件的一个表面、垂直于通过光学元件反射表面反射的光的入射面的旋转轴的旋转耦合机构，从而耦合第一和第二支持件以围绕该旋转轴可相对旋转。
6.根据权利要求5所述成像单元，进一步包括
用于第一支持件的定位器，以在板状元件的一个表面上定位光学元件，以便只要第一和第二支持件的相对角落入预先定义的范围，成像元件就在从光源投射的并且通过光学元件的反射表面镜面反射的光当中，接收通过非附着物质区域镜面反射的光或者通过在板状元件的另一个表面上的附着物质镜面反射的光。
7.根据权利要求6所述的成像单元，其中
用于第一支持件的定位器被配置为只要第一和第二支持件的相对角落入预先定义的范围内，就保持在来自光源的光的光轴以及在另一个表面上通过非附着物质区域镜面反射或通过附着物质反射的并且通过成像元件接收的光的光轴之间的相对角在特定范围内。
8.根据权利要求6或者7所述的成像单元，其中
旋转耦合机构被配置为只要第一和第二支持件的相对角落入预先定义的范围内，就保持成像元件在板状元件的另一个表面上接收通过非附着物质区域或者通过附着物质镜面反射的光的位置在预先定义区域内。
9.根据要求4至8中的任何一项所述的成像单元，其中
第二支持件包括其上安装光源的组件和成像元件的组件的单个基底。
10.根据权利要求1至9中任何一项所述的成像单元，其中
成像元件的光接收表面被分成第一图像区域和第二图像区域，其中，在第一图像区域中，接收从预定成像区域入射的并且经由板状元件的另一个表面透射的光，以捕捉预定成像区域的图像，在第二图像区域中捕捉附着物质的图像。
11.根据权利要求1至10中任何一项所述的成像单元，其中
成像元件包含分光过滤器，以选择性地透射来自光源的光的波长范围。
12.根据权利要求1至11中任何一项所述的成像单元，其中
光学元件是棱镜。
13.根据权利要求1至12中任何一项所述的成像单元，其中
光学元件的反射表面是凹面。
14.一种附着物质检测装置，包括：
根据权利要求1至13中的任何一项所述的成像单元；以及
附着物质检测器，以根据通过成像单元捕捉到的图像检测板状元件的另一个表面上附着的物质。
15.一种控制系统，用于具有板状窗户和成像单元的车辆，成像单元具有安装在板状窗户内表面上的成像元件，以捕捉板状窗户外表面上附着物质的图像，所述控制系统包括：
附着物质检测器，以根据通过成像单元捕捉到的图像检测板状窗户的外表面上的附着物质；以及
控制器，以根据通过附着物质检测器检测到的结果控制车辆的单元。
16.一种具有板状窗户的车辆，包括根据权利要求15所述的控制系统，以控制车辆的单元。
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