CN104768809B - 用于借助摄像装置探测窗玻璃上雨滴的照明装置 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种用于雨滴(4)识别的装置。该装置包括摄像装置(1)和用于向窗玻璃(2)发射可见光(h、n)的照明光源(3、30)。摄像装置(1)和照明光源(3,30)的设置方式是，使摄像装置能够捕获到由照明光源发射到窗玻璃(2)上的可见光(r1、r2‘)的信号。在此尤其是将由摄像装置(1)所探测到的信号与在窗玻璃内测(2.1)或外侧(2.2)上和/或在雨滴(4)上所反射或散射的照明光源(3、30)的可见光(r1、r2‘)互相关联。可见光穿过遮光器(20)，该遮光器导致光沿垂直于照明方向的预定方向被遮光器(20)的结构(21)阻挡或大幅度削弱。与此相反，在与预定方向和照明方向垂直的方向上的光可几乎不受阻碍地通过遮光器而传输。
Description
技术领域
本发明涉及一种用于借助照明光源和摄像装置来识别窗玻璃上雨滴的装置。
背景技术
在US 7,259,367 B2中，提出一种借助摄像装置的雨水感应装置，它通过红外二极管提供窗玻璃拍摄角度传输窗口的大面积照明。这一摄像装置几乎聚焦于无穷远，因此可同时用于驾驶辅助应用程序。由于远距离成像，雨滴在图像中仅可被识别为干扰，得通过对采用同步于像素时钟脉冲的或调制的红外光所拍摄图像的复杂的差分测量，对其进行探测。
在WO 2012/092911 A1中，描述了一种用于识别雨水的装置和方法。在窗玻璃后，尤其是在车内挡风玻璃的后面安置一台摄像装置，并聚焦于窗玻璃前方的远程范围。用于产生至少一个射向玻璃的光束的照明光源以如下方式将至少一束光射向玻璃，即至少使一束被玻璃外侧所反射的光作为外部光反射或外部反射，入射到摄像装置。至少一束入射到摄像装置的光或光反射的光量可由摄像装置来测量。其中，照明光源可产生可见光波长范围内的光。在此必须注意，要使交通参与者不受照明装置的干扰。为此可以使照明强度和持续时间与外部亮度相适应。
然而，采用可见光的照明，即使它符合车辆照明准则，也被认为是干扰性的。其他交通参与者，尤其是行人，在注意到这种照明时，可能会受到干扰。
发明内容
本发明的任务在于，克服现有技术中已知装置的上述困难，并提供一种基于摄像装置识别雨水的优化照明装置。
本发明基于以下基本考虑：在可见光波长范围内的照明具有的优点是，常见的具有颜色分辨率的驾驶辅助摄像机能完全捕获这一光谱范围，而与此相反，红外光在任何情况下都不能通过通常用于优化颜色分辨率的、阻止红外线通过的滤波器，因此不能被这类驾驶辅助摄像装置探测到。在照明装置产生宽辐射角光线的照明几何形状上，由于辐射角宽，尤其在侧面可看到光射出面。因此，可能会烦扰到例如在车辆附近侧面处于挡风玻璃高度上的行人等其他交通参与者。
按本发明所述的、用于识别雨水的装置包括一台摄像装置和一个用于将可见光发射到窗玻璃的照明光源。摄像装置和照明光源的设计和布置方式是，使摄像装置可捕获照明光源发射到窗玻璃上的可见光的信号。在此尤其是，由摄像装置所探测到的信号与在窗玻璃内侧或外侧上和/或在雨滴上反射或散射的照明光源可见光相互关联。可见光贯穿遮光器，该遮光器的作用是，在垂直于照明方向的预定方向上的光被遮光器的结构阻挡或大幅度削弱。如果无遮光器情况下，最多10％的光量在被阻挡方向上传播时，尤其会发生相应光被大幅度削弱的情况。与此相反，在与预定方向和照明方向垂直的方向上的光线可几乎不受阻碍地通过遮光器进行传播。遮光器优选如一百叶窗般作用。它可使光线沿预定方向很好通过，而垂直于该方向的光线被百叶窗的叶片阻挡。
换句话说，遮光器布置在照明光源和窗玻璃外侧之间，并导致已述效果，即沿预定横向方向的光传播被减弱或阻止，优选是在这一横向方向上向两侧传播(即沿正向和负向)。
其优点在于，可控制照明光源的可见光从玻璃射出的方向，从而能避免对位于窗玻璃以外(例如侧面)的目标和人员受到干扰。
摄像装置优选地包括一个图像传感器，例如CCD传感器或CMOS传感器，以及一个镜头或成像系统，用于将来自于一个或多个区域的电磁辐射聚焦到图像传感器上。
照明光源可设计为一个或多个发光二极管(LED)或设计为一个光带。有益的是，照明光源可产生大面积的照明。
优选通过将摄像装置布置在窗玻璃的后面，并且聚焦于窗玻璃前方的远程范围来识别窗玻璃外侧的雨水。
有益的是，从照明光源产生至少一束光，并且射向玻璃的方式是，使至少一束被窗玻璃外侧反射的光入射到摄像装置中。
优选借助摄像装置测量至少一束被窗玻璃外侧反射的光的光反射，并对所测得的至少一束被窗玻璃外侧反射的光的光反射进行分析评估，以探测窗玻璃外侧的雨水。
根据一种有利的实施方式，窗玻璃是车辆的挡风玻璃，预定的(阻挡)方向垂直于照明方向并垂直于车辆纵向或对应于车辆横向。由此，可避免使其他交通参与者，尤其是在车辆旁边侧面处于挡风玻璃高度上的行人眩目或受到烦扰。
在一种优选实施方式中，遮光器包括或者就是光栅，它包括作为结构的叶片。
摄像装置优选包括一个视锥或隔板或镜头遮光罩，这尤其(向下)限制了摄像装置的视野，并在理想情况下最大限度地减少干扰和散光反射。遮光器被设置在视锥上或集成在视锥中。为了实现摄像装置与集成照明的紧凑设计结构，照明光源可优选设置在视锥下方。因此，来自照明光源的光可照射到窗玻璃上，视锥优选设计在可见光可透过的区域中，来自照明光源的光束通过该区域照射到窗玻璃。为此，遮光器集成到视锥中的优选方式是，使它在该区域“替代”视锥。作为替代选择，视锥可以具有由透光性材料制成的区域，并且遮光器例如可设置于该区域下方或上方。
遮光器的各结构优选彼此平行设置，在此，它们相互之间还可具有相同的间距(等距设置)。
在一种有利的替代性实施方式中，安装在视锥中或其上的遮光器结构可以以与视锥表面的几何形状相匹配的方式设置。视锥表面通常不是矩形的，而是对称的梯形。因此有利地是，该结构并不是以精确平行方式布置，而是以沿观察方向以相同的面积或路径划分视锥的方式布置。
遮光器的相邻结构可优选具有小于100微米的间距，即在微米范围内。采用类似结构尺寸的光栅(例如叶片宽度约15微米)早已存在，例如作为计算机显示屏的隐私过滤器，它们可以以有利的方式制作为薄膜。
作为替代选择，遮光器的相邻结构可有利地具有0.1毫米到1毫米范围内的间距，即在毫米范围内的间距。较大结构的优点在于，它们可以借助于注塑成型技术来制造。光栅的制备甚至可有利地在一个双组分注塑成型工艺中与同样可以注塑成型技术制造的光导体的生产流程结合在一起。
从对结构宽度和叶片高度的简单的几何形状考虑中得到光栅或遮光器的所需高度。因此例如在结构宽度与叶片高度的比例为1比1的情况下，当无限薄叶片的吸收系数为1时，横向于叶片结构的侧面辐射角将被限制于45°。这种侧面反射限制对于光学干扰抑制的设想目的来说已经足够。
因此，该结构的高度最好是约等于遮光器结构的间距。
根据其中一种有利的实施方式，遮光器的设计方式是，各相邻结构的间距或各单一结构的宽度周期性变化。由此，可实现照明装置的空间调制。
在其中一种优选实施方式中，光导体设置在照明光源上。
有益的是，遮光器被设置在光导体上。
接下来，借助附图和实施案例对本发明进行更详细的说明。
附图说明
附图分别显示：
图1是照明光源和摄像装置设置可能性的基本原理以及窗玻璃上雨水中的光束路径(纵向截面)示意图；
图2，由摄像装置的图像传感器所探测到的信号，这些信号能推断出是否下雨；
图3，带发光二极管(LED)照明的摄像装置(纵向截面)
图4，视锥俯视图与四个在下面成行排列的发光二极管(LED)
图5，俯视图和横截面中的光栅、光导体和发光二极管(LED)。
具体实施方式
图1显示纵向截面中一聚焦于远程范围的摄像装置(1)和一个照明光源(3)，该照明光源将可见光波长范围内的光(h、n)辐射到窗玻璃(2)上。下面所解释的光束路径(h、n、t1、r1、t2‘以及r2‘)是一种示意性说明。照明装置的主光束(h)没有反射到摄像装置(1)。照明装置的张角如此之大，使得由次级光束(n)在窗玻璃内侧(2.1)和外侧(2.2)上所反射的光束作为两个空间分离的光束(r1、r2‘)入射到镜头或摄像装置(1)上。因为聚焦于远程范围，光束的边缘只是模糊地成像于图像芯片(5)上。两个光束(r1、r2‘)充分分离，并可通过图像传感器(5)测量其各自的反射光。
次级光束(n)在空气与玻璃的界面(或窗玻璃内侧(2.1))上所反射的部分(r1)可被用作参考光束。射入(t1)窗玻璃的部分用作测量光束(r2‘)，其在窗玻璃与雨滴界面(或窗玻璃外侧(2.2))上反射并入射到摄像装置(1)。未示出的光束部分在窗玻璃(2)内部多次反射(在窗玻璃与水滴之间的外侧(2.2)上反射之后，在窗玻璃与空气之间的内侧(2.1)上反射)。
如果如此处所示下雨时(4)挡风玻璃(2)的外侧(2.2)被润湿，由窗玻璃内侧(2.1)射入窗玻璃的光(t1)的大部分(t2‘)被耦合输出，因此反射部分(r2‘)要弱于其在干燥窗玻璃上的反射(未示出)。内侧(2.1)的反射光束(r1)不受窗玻璃外侧(2.2)润湿的影响。
通过比较所测得的两个光束(r1对r2‘)的光反射，可很容易地测出下雨时(4)所减小的信号(r2‘)，并相应对雨刮器进行相应控制。
具有宽辐射角的照明光源(3)可在本设置中集成到摄像装置(1)，精确地说可集成到摄像装置外壳中，例如如图所示置于摄像装置模块的电路板(16)上。
在此，照明光源(3)设置在隔板或视锥(14)的下方。视锥(14)处于可见光可透过区域中，光束(n)由此从照明光源(3)照射到窗玻璃(2)。
如果在窗玻璃(2)外侧(2.2)存在一个或多个雨滴(4)，雨滴(4)会造成从窗玻璃到窗玻璃前方区域更强烈的光耦合出现象(t2‘)。从而，由摄像装置(1)测量窗玻璃(2)外侧(2.2)所反射的分光束(r2‘)的减弱强度。
由于照明光源(3)产生宽辐射角的可见光(h、n)，因为宽辐射角，光射出面尤其在侧面可见，在此意味着垂直于图1的纵向截面。由此，可能会烦扰到例如车辆附近侧面处于(挡风)玻璃高度上的行人等其他交通参与者。
图2显示在用于雨水识别的图像传感器(5)的上部(6)中的例如由七个发光二极管(LED)作为照明光源(3)产生的七对灯光反射(8、9)。由于摄像装置(1)无限聚焦，它们的成像并不清晰，但仍可察觉。尤其是，可测量光强度或光量。上部灯光反射(8)由在挡风玻璃(2)内侧(2.1)上所反射的光束(r1)产生，下部灯光反射(9)由在挡风玻璃外侧(2.2)上的所反射的光束(r2‘)产生。
因此，图2显示了在图像芯片(5)上的驾驶辅助区域(7)和雨水传感器区域(6)的示例性分区。这两个区域探测在可见光波长范围内的光(电磁辐射)，并以典型方式重叠在雨水传感器区域(6)中。来自上方有雨滴(4)的挡风玻璃外侧的灯光反射(9)在强度上被减弱。这些灯光反射(9)源于挡风玻璃(2)外侧(2.2)上所反射的光束(r2‘)，并且强度减弱，因为射入挡风玻璃(2)的大部分光束(t1)经雨滴(4)被耦合出挡风玻璃(t2‘)，因而不再反射(r2‘)回摄像装置(1)。因此，这些灯光反射(9)本身携带有窗玻璃(2)外侧(2.2)是否存在雨水(4)的信息，并且光量或光配图案可被单独用作测量信号。
本发明的一个实施例在图3中被显示为纵向截面。照明光源(3)、窗玻璃(2)和摄像装置(1)的基本设置在此与图1中所示设置相对应。此处所示摄像装置(1)包括一个图像传感器(5)、两个电路板(15、16)、一个镜头或成像系统(13)和一个视锥(14)。图像传感器(5)设置在第一块电路板(15)上，该电路板与第二块电路板(16)相连。视锥(14)限制了摄像装置(1)的视野。
根据图3的示意说明可看出，远程范围经成像系统(13)或镜头聚焦于摄像装置(1)的图像传感器(5)而成像。用虚线对远距离成像(17)的光束路径进行了示意说明。用虚线对照明成像或短程成像的光束路径(n、r2‘)进行了示意说明。窗玻璃外侧(2.2)上所反射的照明光束(r2‘)的成像焦点(18)位于图像传感器(5)后。因此，摄像装置图像中的这些灯光反射(9)是模糊的。
在这一实施例中，多个发光二极管(LED)(30)被用作照明光源(3)，它们以成行排列的形式设置在第二块电路板(16)上。在发光二极管(LED)(30)前安装有一个作为遮光器(20)的光栅。在此，光栅被集成在视锥(14)中。光栅(20)的叶片(21)设置方式是，发光二激光(LED)(30)没有或只有很少的光可垂直于所示纵向截面的对应平面从摄像装置(1)或窗玻璃(2)中逸出。为此，光栅叶片(21)例如可设置为平行于虚线所示的、摄像装置(1)的光轴(11)。
图4显示了视锥(14)的俯视图，包括四个位于其下成行排列的发光二极管(LED)(30)。在此，还设置了一个集成到视锥(14)中，作为遮光器(20)的光栅。作为光阑结构(21)，还要对叶片进行设置，这些叶片相互之间的排列并非精确平行或平行于光轴，而是与视锥(14)表面的几何形状相匹配。这种叶片的设置也会造成垂直于光轴(11)，即在图4中向上和向下的光被光栅(20)的叶片(21)所阻挡。与此相反，光栅叶片(21)可使发光二极管(LED)(30)产生的可见光(n)穿透视锥(14)到达窗玻璃(2)。
最后，图5显示了带有发光二极管(30)、光导体(19)和光栅(20)的照明光源(3)作为替代选择的另一种实施方式。图5a显示了该设置的俯视图，图5b显示了该设置的横截面。在此，在四个相邻布置的发光二极管(30)上，设置了一个光导体(19)。作为光阑结构(20)的光栅位于光导体上。在此，光栅(20)的叶片相互之间(21)平行设置，优选平行对准摄像装置(1)的光轴(11)。
叶片(21)或光栅(20)可例如通过注塑成型技术来制造。光栅(20)的制备甚至可有利地在一个双组分注塑成型工艺中与同样可以注塑成型技术制造的光导体(19)的生产流程结合在一起。
附图标记列表
1 摄像装置
2 窗玻璃
2.1 窗玻璃内侧
2.2 窗玻璃外侧
3 照明光源
4 雨、雨滴
5 图像传感器
6 雨水传感器区
7 驾驶辅助区域
8 窗玻璃内侧的灯光反射
9 窗玻璃外侧的灯光反射
10 雨滴上的信号变化
11 光轴
13 成像系统或镜头
14 视锥
15 第一电路板
16 第二电路板
17 远程光束路径(车辆周围环境)
18 短程成像焦点(窗玻璃外侧)
19 光导体
20 遮光器或光栅
21 遮光器结构或光栅叶片
30 发光二极管(LED)
h 照明装置主光束
n 照明装置次级光束或光束路径
r1 窗玻璃内侧反射的n部分
t1 窗玻璃内侧传输的n部分
r2‘ 下雨时，窗玻璃外侧反射的t1部分
t2‘ 下雨时，窗玻璃外侧传输的t1部分
Claims (11)
1.一种用于识别车窗玻璃(2)上雨滴(4)的装置，该装置包括
-摄像装置(1)，
-用于向所述车窗玻璃(2)上沿照明方向发射可见光(h、n)的照明光源(3、30)，和
-位于所述照明光源(3、30)和所述车窗玻璃(2)之间的遮光器(20)，所述遮光器(20)具有包括多个叶片(21)的光栅，所述叶片(21)在照明方向上将所述可见光引导至所述车窗玻璃，而在除照明方向外的其他方向上阻挡或削弱所述可见光，
-其中，摄像装置和照明光源的设置方法是，使摄像装置能够捕获到由照明光源发射到车窗玻璃(2)上的可见光(r1、r2‘)。
2.根据权利要求1所述的装置，其中车窗玻璃(2)是车辆的挡风玻璃并且其中所述除照明方向外的其他方向垂直于照明方向并且垂直于车辆纵向。
3.根据权利要求1或2所述的装置，还包括视锥(14)，其中所述遮光器(20)设置在视锥上或集成在视锥中。
4.根据权利要求1或2所述的装置，其中遮光器(20)的叶片(21)相互之间平行设置。
5.根据权利要求3所述的装置，其中遮光器(20)的叶片(21)以与视锥(14)表面的几何形状相匹配的方式布置。
6.根据权利要求1、2、5中任一项所述的装置，其中遮光器(20)的相邻叶片(21)具有小于100微米的间距。
7.根据权利要求1、2、5中任一项所述的装置，其中遮光器(20)的相邻叶片(21)具有0.1毫米至1毫米范围内的间距。
8.根据权利要求1、2、5中任一项所述的装置，其中叶片(21)的高度约等于遮光器(20)叶片的间距。
9.根据权利要求1、2、5中任一项所述的装置，其中遮光器(20)的设置方式是，使相邻叶片(21)的间距和/或叶片的宽度周期性变化。
10.根据权利要求1、2、5中任一项所述的装置，其中光导体(19)设置在照明光源(3、30)上。
11.根据权利要求10所述的装置，其中遮光器(20)设置在光导体(19)上。
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