CN104618665B - 多个成像器的车辆光学传感器系统 - Google Patents
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Abstract
一种光学传感器系统(10)，其包括主透镜(12)、光漫射器(22)和多个光电子器件(24)。主透镜(12)定位在车辆上以观察车辆周围的视野(14)。光漫射器(22)定位成靠近主透镜(12)的焦平面(20)。漫射器(22)构造成显示来自主透镜(12)的视野(14)的图像(16)。多个光电子器件(24)构造成查看漫射器(22)。第一光电子器件(24A)产生指示在漫射器(22)的第一部分(28A)上的图像的第一视频信号(26A)。第二光电子器件(24B)产生指示在漫射器(22)的第二部分(28B)上的图像的第二视频信号(26B)。可选地，第一光电子器件(24A)构造成对第一光波长范围敏感，而第二光电子器件(24B)构造成对不同于第一光波长范围的第二光波长范围敏感。
Description
技术领域
本发明通常涉及车辆光学传感器系统，且更具体地涉及具有通过公共或主透镜接收图像的光电子器件的光学传感器系统。
背景技术
光学传感器系统常常用于汽车和其它车辆以提供车辆周围或附近区域的图像。在某些实例中，这些图像用于各种车辆警告和控制系统。在前视光学传感器系统的实例中，由传感器提供的图像用作防撞、车道偏离探测、前方碰撞警告、侧面警告、自适应巡航控制、夜视、头灯控制、雨水感应系统以及其它等等的输入。前视光学传感器系统可定位在靠近后视镜的挡风玻璃后面以获得类似于驾驶员视线的前方道路视线。光学传感器系统还可用于观察车辆后面的区域，用于倒车、拖车拖拉、后方碰撞警告及后盲区警告的系统。此外，光学传感器系统可用于确定约束系统、后座乘员监视或安全和入侵探测系统的乘员位置。
这些车辆警告或控制系统中的每一个所使用的单个传感器系统的成本，加上将多个光学传感器系统有效地安装在车辆中的挑战，使得可令人满意地使用集成传感器系统以提供图像给多个汽车警告和控制系统。遗憾的是，在使用基于单一光电子器件的系统时，性能权衡由于每个车辆警告和控制系统的光敏度、光谱灵敏度和视野的具体需要而存在。这些性能权衡已经事先排除每个车辆警告和控制系统的最佳性能。
例如，夜视系统由于需要在具有非常小的有源照明的长范围下识别物体的反差，可需要具有高光敏度的光学传感器系统。相反地，由于日光或头灯(在较近的范围)提供足够的照明，因此车道偏离系统可适应具有较低光敏度的光学传感器系统。
光敏度主要由光学传感器系统中使用的以将光信号转换成电信号的光电子器件的像素大小确定；越大像素具有越多用于撞击像素并被吸收的光子的可用区域。如本文所使用的，光电子器件是可操作成产生视频信号的光学传感器系统的元件。然而，像素大小越大，则对于等效像素分辨率需要越大光电子器件。给定像素大小的光敏度可通过增加曝光时间提高。然而，较长的曝光时间会降低图像的帧频。此外，光敏度可通过使用较大光圈的透镜以允许更多的光落在传感器的像素上来提高。然而，越大的光圈通常需要越大的透镜，这增加了光学传感器系统的包装尺寸。
不同车辆警告和控制系统还可能需要具有不同光谱灵敏度的光学传感器系统。例如，尾灯探测系统可要求红光灵敏度，车道偏离探测系统可要求黄光灵敏度，而夜视系统可要求红外光灵敏度。存在着在基于单一光电子器件的系统用于这些车辆警告和控制系统中的全部三个时可能需要的性能权衡。
不同车辆警告和控制系统还可要求具有不同视野的光学传感器系统。例如，雨水探测系统可要求宽视野，而自适应巡航控制系统可要求较窄视野。再次强调，使用基于单一光电子器件的系统可需要性能权衡。
发明内容
根据一个实施例，提供了适于用在车辆上的光学传感器系统。系统包括主透镜、光漫射器和多个光电子器件。主透镜定位在车辆上以观察车辆周围的视野。主透镜的特征是限定焦平面。光漫射器定位成靠近主透镜的焦平面。漫射器构造成显示来自主透镜的视野的图像。多个光电子器件构造成查看漫射器。多个光电子器件包括可操作成产生指示在漫射器的第一部分上的图像的第一视频信号的第一光电子器件，以及可操作成产生指示在漫射器的第二部分上的图像的第二视频信号的第二光电子器件。
在一个实施例中，第一光电子器件构造成对第一光波长范围敏感，而第二光电子器件构造成对不同于第一光波长范围的第二光波长范围敏感。
其它特征和优点在阅读以下较佳实施例的详细描述上会更清楚地明了，描述仅以非限制实例的方式并参照附图给出。
附图说明
现将参照附图以示例的方式描述本发明，附图中：
图1是根据一个实施例的具有多个成像器的光学传感器系统的侧视图；
图2是根据一个实施例的图1所示的系统的细节侧视图；
图3A、3B和3C是根据一个实施例的图1所示的系统的细节侧视图组合；
图4A和4B分别是根据一个实施例的图1所示的系统的细节侧视图和正视图；以及
图5是根据一个实施例的图1所示的系统的细节示意图。
具体实施方式
图1示出了在下文中称为系统10的光学传感器系统的非限制性实例。通常，系统10适于用在车辆(未示出)上。然而，应该考虑，本文所述的系统10会对诸如建筑安全系统的非车辆应用有用。
系统包括例如定位在车辆上以观察车辆周围的视野14的主透镜12。视野14可指向车辆的前方以探测车辆行进路径中或附近的物体，或可指向车辆旁边的区域以探测可能占据车辆驾驶员的所谓“盲点”的相邻车道中的其它车辆物体。或者，视野14可指向车辆后方以探测例如倒车时在车辆后面的物体，或在拖拉时监视拖车。视野14还可包括车辆内部的区域，以探测乘员是否在正确座位位置以控制诸如气囊的辅助约束系统的激活，或以监视车辆后座上的乘客。
主透镜12可像单个双凸透镜元件一样简单，或可以是构造成从视野14聚集光的透镜和/或镜子的复杂组合。借助另一实例，主透镜12可构造成提供车辆周围的整个区域的‘鸟瞰图’或全景。通常，主透镜12构造成将视野14中的物体18的图像16聚焦到焦平面20上。换言之，主透镜12的特征可以是限定焦平面20。应该理解，焦平面20可不是所示的平坦平面，而通常是曲面。焦平面20在本文中示出为平坦仅是为了简化附图。
系统10可包括定位在或靠近主透镜12的焦平面20的光学漫射器22。通常，漫射器22构造成显示来自主透镜12的视野14中的物体18的图像16，因此，多个光电子器件24可各自布置成查看由漫射器22限定的视区26的全部或部分。在一个实施例中，漫射器22是半透明的并可类似于毛玻璃片。这样，图像(前像)通过主透镜12聚焦在漫射器22上，因此前像可被多个光电子器件24“看见”。例如，如果人从漫射器22的与多个光电子器件24所示的同一侧观看漫射器22，人就将能够看到在漫射器22上的图像。换言之，图像16不以与主透镜12将图像直接聚焦到多个光电子器件24中的情况(即，没有漫射器)相同的方式投影在多个光电子器件24上。漫射器有时也称为光漫射器，且合适的光漫射器可从美国新泽西巴灵顿的Edmund Optics Inc.购得。在未示出的替代实施例中，漫射器22可以是不透光的并类似于投影屏(例如，墙壁)。主透镜将图像聚焦在投影屏上，且多个光电子器件24可布置成从漫射器22的与主透镜12相同一侧看见在投影屏上2的东西。应该理解，毛玻璃式的光漫射器可从任一侧查看。
由于多个光电子器件24中的每个可查看漫射器22的全部或漫射器22的相同部分或重叠部分时，布置多个光电子器件24查看漫射器22是有利的。这样，系统10可使用同一主透镜12以提供图像给多个光电子器件24，且由此在透镜组件倾向于光学系统的更贵部件中的一个时，避免为多个光电子器件24中的每个提供单独透镜组件产生的不希望的额外费用。虽然本文所述的说明可建议多个光电子器件24布置在一条线上，但应考虑到，多个光电子器件24可以是二维(2-D)阵列的器件。此外，不要求多个光电子器件24中的每个器件共面布置。即，多个光电子器件24中的每个可离开漫射器22不同的距离。
继续参照图1，多个光电子器件24可包括可操作成产生指示在漫射器22的第一部分28A上的图像的第一视频信号26A的第一光电子器件24A，以及可操作成产生指示在漫射器22的第二部分28B上的图像的第二视频信号26B的第二光电子器件24B。如上所述并借助另一非限制性实例，第一部分28A和第二部分28B可都是整个视区26，或各自小于整个视区26的重叠部分，或明显不重叠部分，或一个可以是另一个的子部分。
查看来自单一或公共透镜(即主透镜12)的图像的多个光电子器件24的这种组合的优点是，可根据从被查看的部分期望得到什么样的信息为部分(例如，第一部分28A和第二部分28B)最佳地选择多个光电子器件24中的每个的性能特征。例如，第一光电子器件24A可构造成对第一光波长范围(例如，可见光谱)敏感，而第二光电子器件24B可构造成对第二光波长范围(例如，红外线)敏感。在该实例中，第二光电子器件24B对不同于第一光电子器件24A的第一光波长范围的第二光波长范围敏感。如本文所使用的，具有对不同光波长范围的灵敏度通常意思是多个光电子器件24中的每个具有对特定颜色的光的不同灵敏度。虽然多个光电子器件24中的每个可使用诸如CCD或CMOS式图像传感器的类似型式的技术，但多个光电子器件24中的每个可通过为特定光电子器件装配滤光器来适于对特定颜色的光敏感。因此，本文所述的系统10与具有基本上相同光波长灵敏度的具有多个图像传感器的光学系统不同。
互补金属氧化物半导体光电子器件制造技术的发展已使得能够产生那些相比以前用于汽车光学传感器系统的光电子器件可提供显著大小和成本优势的光电子器件。这种制造技术允许光电子器件在本文称为光电子管芯的半导体晶片管芯水平下制造。这些光电子管芯通常用于晶片级的摄影头。晶片级摄影头大约是以前用于汽车应用中的光学传感器的尺寸的三分之一。
由于晶片级摄影头对比于单一传统光学传感器享有显著成本优势，因此，理想地是使用晶片级摄影头为基于光学的车辆警告和控制系统提供视频信号(例如，第一视频信号26A和第二视频信号26B)。通过这样做，每个晶片级摄影头可优化成满足各种车辆警告和控制系统的要求。
然而，当首先考虑使晶片级摄影头适于汽车应用时，确定了关于光敏度的缺点。当与通常用于汽车应用的光学传感器中的像素(通常直径大约6微米)相比时，用于晶片级摄影头的光电子管芯具有较小像素(通常直径小于2微米)。此外，当与通常用于汽车应业的光学传感器相比时，晶片级摄影机的透镜具有较小光圈(通常f2.8或更大)。由于较小光圈减少了可聚焦在像素上的光量，因此较小光圈降低了晶片级摄影机透镜的效率。较小像素尺寸和较少有效透镜的组合导致具有通常是小于很多汽车光学传感器可能需要的数量级的固有光敏度的晶片级摄影头。
具有单个较高效率透镜(例如，主透镜12)和几个光电子器件或光电子管芯(例如，多个光电子器件24)的光学传感器系统可用于替代单机光学传感器。较高效率透镜可使聚光能力最优化并将光聚焦在漫射器22上。较高效率透镜可在比个别晶片级摄影机透镜更高的效率下聚集所有光电子器件的光。较高效率透镜可有利于是宽带光谱设计，该宽带光谱设计允许多个波长光谱被探测到的，例如通过近红外波长(大约380至1000纳米的波长)可见。从使用光电子管芯节省的成本可抵消较高效率透镜的额外成本。
由于多个光电子器件各自可独立产生视频信号，因此每个光电子器件的性能特征可通过结合单个光学元件和独特的信号处理来优化多个汽车警告和控制功能。因此，系统10可提供调整过的多个视频信号给多个车辆警告和控制系统。
系统10可包括构造成从多个光电子器件24接收视频信号(例如，第一视频信号26A和第二视频信号26B)的控制器30。控制器30可包括诸如微处理器的处理器(未示出)或诸如包括本领域人员应该明白的处理数据的专用集成电路(ASIC)的模拟和/或数字控制电路的其它控制电路。控制器30可包括存储器，存储器包括诸如用于储存一个或多个程序、阈值和捕获的数据的电可擦除编程只读存储器(EEPROM)的非易失性存储器。一个或多个程序可通过处理器执行以执行处理通过如本文所述的控制器30接收的视频信号的步骤。
在一个实施例中，第一视频信号26A独立于第二视频信号26B处理。如本文所使用的，独立处理意思是，视频信号不组合以形成某一合成图像，而是彼此独立地用于不同目的。例如，如果第一光电子器件24构造成对可见光敏感且第一部分28A对应于车辆后方的盲点，那控制器30就可仅使用第一视频信号26A来控制指示器(未示出，例如指示灯和/或声音报警)的激活以表明有另一车辆在盲点。相比之下，如果第二光电子器件24B构造成对红外光敏感且第二部分对应于车辆前方的区域，那第二视频信号26B就可仅用于提供信号给警告信息显示器以覆盖与车辆前方的车辆驾驶员前视一致的红外图像。应该明白，在该实例中，即使两者都通过控制器30(即同一控制器)处理，第一视频信号26A也可独立于第二视频信号26B处理。通过该实例，应该明白，多个安全系统(例如，盲点探测和前视红外)可通过使用主透镜12(即同一透镜组件)的单一光学传感器系统(系统10)提供。
在以上实例中，第一光电子器件24A和第二光电子器件24B中的成像器可基本上是同一技术，例如，或者CCD或者CMOS式成像器。为了使第一光电子器件24A和第二光电子器件24B具有不同光波长范围或不同光波长灵敏度，任一或两者都可装配有插在第一光电子器件24A和漫射器22之间的第一滤光器32A，和/或装配有插在第二光电子器件24B和漫射器22之间的第二滤光器32B。根据以上给出的实例，第一滤光器32A可例如选择成过滤掉蓝光以提高相对车辆旁边的区域的图像对比度的黄色透镜，而第二滤光器32B可阻止全部或部分的可见光谱，使得第二光电子器件24B对红外光更敏感，例如红色透镜或者，第一光电子器件24A和第二光电子器件24B可具有为它们的特定光谱灵敏度而选择的不同成像器
一般而言，光漫射器(漫射器22)通常使来自主透镜12的光在整个宽区域上散射而没有方向偏好。即，漫射器22可呈现全向光散射特征。某些可用光漫射器可呈现某个优先方向性。即，如与其它方向相比，它们可沿垂直于漫射器22或焦平面20的方向引导更多的光。为了增加所看到的或通过多个光电子器件24接收到的图像16的亮度，系统可包括在下文中称为IPL34的图像投影层34。通常，IPL插在漫射器22和多个光电子器件24之间，并通常构造成优先地将光从漫射器22引向多个光电子器件24。
图2示出了呈双凸透镜镜头36的阵列形式(本文标示为双凸透镜阵列38)的IPL 34的非限制性实例。主透镜12和控制器30从该附图及某些后续附图中省略，仅仅是为了简化说明。如本领域人员应该认识到的，双凸透镜阵列38可以是平行倒圆脊的一维(1D)阵列或可以是球形、圆形或非球面透镜元件的二维阵列(2D)。双凸透镜镜头容易购得，且优化本文所述的系统10的双凸透镜阵列38的设计规则是众所皆知的。
图3A、3B和3C示出了呈电润湿透镜40形式的IPL 34的非限制性实例，电润湿透镜40可操作成将光从漫射器引向多个光电子器件中的每个。图3A、3B和3C示出了通过施加适当偏置电压到电润湿透镜40以优先地将漫射器22上的图像引向多个光电子器件中的一个或多个，实现电润湿透镜形状的进程。通过复用图像16，可使多个光电子器件24中的每个的亮度最大化。操作电润湿透镜引导光的描述可在2008年3月4日发布的第7,339,575号和2013年4月12日发布的第8,408,765号的美国专利申请中找到。虽然未明确示出，但应该理解，电润湿透镜40可通过控制器30操作。
图4A和4B分别示出了呈自由形态光学器件42的形式的IPL 34的侧视图和正视图，该自由形态光学器件42有时也称为自由形态光学阵列或微光学透镜阵列。通常，自由形态光学器件限定透镜元件44的阵列，其中，每个透镜元件44构造成优先地将光从漫射器引向多个光电子器件24中的每个。自由形态光学器件42的优点是图像16的光更明确地引向多个光电子器件24中的每个，且因此图像16预计会比借助图2所示的双凸透镜阵列38更亮。此外，在电润湿透镜40的情况下，自由形态光学器件42不需要操作。如本领域人员应该认识到的，自由形态光学器件可包括平行或平面折射元件的一维(1D)阵列，或可以是作为衍射光栅中的球形或圆形或球面透镜元件的二维(2D)阵列或1D和2D元件的组合。
图5示出了系统10的另一非限制性实例。随着多个光电子器件24的数量增加，相对于焦平面20法线的角度增加，漫射器22或IPL 34从该角度观察，且视差角度的影响变得明显。为了校正该影响，系统10可包括角度校正透镜44C或44D，该角度校正透镜44C或44D插在多个光电子器件24中的任一个(例如，用于第三光电子器件24C的角度校正透镜44C或用于第四光电子器件24D的角度校正透镜44D)和漫射器22之间。如本文所使用的，角度校正透镜构造成校正第一、第二、第三、第四或任意光电子器件相对于漫射器22的视线角度。
通常，如果成本相对固定，那图像的分辨率和图像的速度通常被认为是设计权衡。可能理想的是，多个光电子器件24中的一个或多个具有比其余的更快的响应时间，由此可更快地探测到快速移动的物体，尽管更快的探测可能牺牲或降低物体18的图像16的分辨率。这样，可有利的是，如果第二光电子器件24B具有比第一光电子器件24A低的分辨率，那使得第二视频信号26B具有比第一视频信号26A更快的响应时间。或者，如果保持第一光电子器件24A和第二光电子器件24B的图像分辨率相对较高是较佳的，那系统10可包括可操作成产生指示在漫射器22的第三部分28C上的图像的第三视频信号的第三光电子器件24C，其中第三光电子器件24C具有比第一光电子器件24A低的分辨率，使得第三视频信号26C具有比第一视频信号26A更快的响应时间。
因此，提供了系统10的光学传感器系统(系统10)、控制器30。系统10有利地包括漫射器22，因此多个光电子器件24可查看出现在漫射器22的视区26上的图像16的重叠或相同部分。这样，当系统10使用同一透镜(主透镜12)捕获物体18的图像16时，系统10可提供更低成本的多光谱遥感。
虽然已根据其较佳实施例描述了本发明，但不意味着如此限制，而是只限于以下权利要求中阐述的。
Claims (13)
1.一种适于用在车辆上的光学传感器系统(10)，所述系统(10)包括：
主透镜(12)，所述主透镜定位在车辆上以观察车辆周围的视野(14)，所述主透镜(12)的特征是限定焦平面(20)，
光漫射器(22)，所述光漫射器定位成靠近所述主透镜(12)的所述焦平面(20)，所述光漫射器(22)构造成显示来自所述主透镜(12)的所述视野(14)的图像(16)；
多个光电子器件(24)，所述多个光电子器件构造成查看(14)所述光漫射器(22)，其中，所述多个光电子器件(24)包括可操作成产生指示在所述光漫射器(22)的第一部分(28A)上的图像的第一视频信号(26A)的第一光电子器件(24A)，以及可操作成产生指示在所述光漫射器(22)的第二部分(28B)上的图像的第二视频信号(26B)的第二光电子器件(24B)，所述多个光电子器件(24)离开所述焦平面(20)一距离设置，并且所述图像(16)未通过所述主透镜(12)直接聚焦到所述多个光电子器件(24)上；以及
插在所述光漫射器(22)和所述多个光电子器件(24)之间的图像投影层(34)，所述图像投影层(34)构造成优先地将光从所述光漫射器(22)引向所述多个光电子器件(24)。
2.如权利要求1所述的系统(10)，其特征在于，所述第一光电子器件(24A)构造成对第一光波长范围敏感，而所述第二光电子器件(24B)构造成对不同于所述第一光波长范围的第二光波长范围敏感。
3.如权利要求2所述的系统(10)，其特征在于，所述第一光波长范围对应于可见光波长范围，而所述第二光波长范围对应于红外光波长范围。
4.如权利要求1所述的系统(10)，其特征在于，所述第一光电子器件(24A)包括光电子管芯。
5.如权利要求1所述的系统(10)，其特征在于，所述第一视频信号(26A)独立于所述第二视频信号(26B)处理。
6.如权利要求1所述的系统(10)，其特征在于，所述系统(10)还包括插在所述第一光电子器件(24A)和所述光漫射器(22)之间的滤光器。
7.如权利要求1所述的系统(10)，其特征在于，所述图像投影层(34)包括双凸透镜阵列(38)。
8.如权利要求1所述的系统(10)，其特征在于，所述图像投影层(34)包括可操作成将光从所述光漫射器(22)引向所述多个光电子器件(24)中的每个的电润湿透镜(40)。
9.如权利要求1所述的系统(10)，其特征在于，所述图像投影层(34)包括自由形态光学器件(42)，所述自由形态光学器件(42)限定透镜元件(44)阵列，其中，每个所述透镜元件(44)构造成优先地将光从所述光漫射器(22)引向所述多个光电子器件(24)中的每个。
10.如权利要求1所述的系统(10)，其特征在于，所述系统(10)包括插在所述第一光电子器件(24A)和所述光漫射器(22)之间的角度校正透镜(44C)，所述角度校正透镜(44C)构造成校正所述第一光电子器件(24A)相对于所述光漫射器(22)的视线(14)的角度。
11.如权利要求1所述的系统(10)，其特征在于，所述第二光电子器件(24B)具有比所述第一光电子器件(24A)低的分辨率，使得所述第二视频信号(26B)具有比所述第一视频信号(26A)更快的响应时间。
12.如权利要求11所述的系统(10)，其特征在于，所述第一光电子器件(24A)构造成对第一光波长范围敏感，而所述第二光电子器件(24B)构造成对不同于所述第一光波长范围的第二光波长范围敏感。
13.如权利要求1所述的系统(10)，其特征在于，所述第一光电子器件(24A)构造成对第一光波长范围敏感，而所述第二光电子器件(24B)构造成对不同于所述第一光波长范围的第二光波长范围敏感，其中所述系统(10)包括
可操作成产生指示在所述光漫射器(22)的第三部分(28C)上的图像的第三视频信号(26C)的第三光电子器件(24C)，其中所述第三光电子器件(24C)具有比所述第一光电子器件(24A)低的分辨率，使得所述第三视频信号(26C)具有比所述第一视频信号(26A)更快的响应时间。
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