CN106488092A - 集成的摄像机、环境光检测及雨传感器组件 - Google Patents

集成的摄像机、环境光检测及雨传感器组件 Download PDF

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Abstract

适合安装在驾驶员操作的车辆(10)或自动驾驶的车辆(10)的挡风玻璃(12)后面的集成的摄像机、环境光(54)检测以及雨传感器组件(20)包括成像器设备(26)。成像器设备(26)由配置成定义该成像器设备(26)的中间部分(32)及外围部分(34)的像素的阵列(28)形成。像素的阵列(28)的每个像素(30)包括多个子像素。中间部分(32)中的每个像素(30)配备有红色/可见/可见/可见滤波器(RVVV滤波器(38))，排布成使得中间部分(32)中的每个像素(30)包括一个红色子像素(30A)与三个可见光子像素(30B)。外围部分(34)中的每个像素(30)配备有红色/绿色/蓝色/近红外滤波器(RGBN滤波器(40))，排布成使得外围部分(34)中的每个像素(30)包括红色子像素(30A)、绿色子像素(36B)、蓝色子像素(36C)以及近红外子像素(36D)。

Description

集成的摄像机、环境光检测及雨传感器组件
技术领域
本公开一般涉及集成的摄像机、环境光检测以及雨传感器组件，尤其涉及成像器设备，该成像器设备具有配备有红色/可见/可见/可见(RVVV)滤波器的中间部分、配备有红色/绿色/蓝色/近红外(RGBN)滤波器的外围部分以及可选地配置成将光引导至该外围部分上的多个反射折射元件。
背景技术
在车辆上提供摄像机以检测接近(例如，前方的)车辆的物体是已知的。将摄像机安装在车辆的内部中后视镜和挡风玻璃之间，即在挡风玻璃后面是有利的。此位置是有利的，因为它提供了车辆前方道路的提高的立体图，未进一步模糊操作者的视觉因为这个位置早已被后视镜遮盖了，利用挡风玻璃来保护摄像机，并且允许挡风玻璃雨刮器配置成使摄像机“看”过去的挡风玻璃部分保持干净。
由于关于模糊操作者视觉的相同的原因，将雨传感器定位在此位置也是有利的。雨传感器可由车辆用于自动地操作挡风玻璃雨刮器，以既给操作者道路的清晰视野，且保持摄像机的视场清晰。然而，将摄像机和雨传感器两者定位在相同的位置，可能结合诸如雷达单元和/或环境光传感器的其他设备的现有尝试已导致结合的模块包装尺寸，该模块包装尺寸安装起来笨重，且延伸超出已被后视镜遮盖的区域，从而不期望地进一步模糊操作者的道路视野。
发明内容
在此描述的是结合集成的摄像机、环境光检测以及雨传感器的组件。该组件克服了上述问题。该组件的一个方面是摄像机的成像设备(例如，集成电路)的外围部分中在其他方面未使用的像素用于检测车辆的挡风玻璃上的水(例如，雨滴)，并确定环境光强度，而成像设备的中间部分用于捕获图像。在此描述的组件的配置将对结合的摄像机、雨传感器及环境光传感器的封装要求最小化。在替代实施例中，反射折射的棱柱类型的环形透镜安装在现有的前视摄像机主透镜上。此实施例的光学设计允许该主透镜与辅助的反射折射棱柱的环形透镜合作以在宽视场上对光进行聚焦以用于环境光收集。该配置也允许红外或者近红外LED被放置在靠近挡风玻璃表面以用于高信号反射，并由此将对雨感应的LED功率/成本要求最小化。
形成该成像器设备的像素是用定制的成像器光谱滤波器掩模单独地滤波并隔离的。此配置有利地实现摄像机功能以在该成像器设备的中间部分上使用常规可见的RVVV(红色，可见x3)光谱滤波器，而外围部分配备有RGBN(红色，绿色，蓝色，以及近红外)以通过近红外滤波器(阻挡可见光并消除噪音)实现雨感应，并通过可见RGB(红色-绿色-蓝色)光谱滤波器实现环境光感应来匹配人类眼睛光谱。进一步的优势是：摄像机和雨传感器的集成；集成的但独立于主透镜结构的光学器件(例如，传统的，可回流的等)；比传统的光学传感器更低的成本；比使用摄像机图像处理算法的常见雨传感器更灵活；较大的检测区域(3-5x光学传感器)；没有因灰尘/小虫/盐剩余物所导致的持久的错误检测，因为灰尘被记忆且被减去同时检测区域损失可忽略。根据一个实施例，提供适合安装在车辆的挡风玻璃后面的集成的摄像机、环境光检测以及雨传感器组件。该组件包括由像素的阵列形成的成像器设备，该像素的阵列被配置成定义该成像器设备的中间部分和外围部分。像素的阵列的每个像素包括多个子像素。中间部分中的每个像素配备有红色/可见/可见/可见滤波器(RVVV滤波器)，排布成使得中间部分中的每个像素包括一个红色子像素以及三个可见光子像素。外围部分中的每个像素配备有红色/绿色/蓝色/近红外滤光器(RGBN滤光器)，排布成使得外围部分中的每个像素包括红色子像素、绿色子像素、蓝色子像素以及近红外子像素。在阅读优选实施例的下列详细描述后，进一步的特征和优势将更清楚地呈现，这些优选实施例仅作为非限定性的示例且结合附图而给出。
附图说明
现在将参考附图借助示例来描述本发明，在附图中：
图1是根据一个实施例的配备有集成的摄像机、环境光检测以及雨传感器组件的车辆的俯视图；
图2是根据一个实施例的图1的组件的侧剖视图；
图3是根据一个实施例的在图2的组件中使用的成像器设备的正视图；
图4是根据一个实施例的图2的组件的一部分的示图；
图5是根据一个实施例的在图2的组件中使用的环形透镜的一部分；以及
图6是根据一个实施例的图2的组件的环形透镜的设计参数表。
具体实施方式
图1示出集成的摄像机、环境光检测以及雨传感器组件的非限制性示例，下文称为组件20，其适合安装在车辆10的挡风玻璃12后面(即在车辆10的里面)。如将在下文中更详细描述的，组件20通常配置成确定靠近车辆10的视场14的图像16(图2)。在此非限制性示例中，视场14通常在车辆10的前方。组件20也通常被配置成确定车辆10外面的环境光18的环境光强度22，并确定挡风玻璃12上的水24(例如，雨滴)的存在。
图2和图3进一步示出了组件20的非限制性细节。组件20包括成像器设备26(图2：侧视图；图3：正视图)的单个实例，其可基于商业可购得的CMOS图像传感器。如本领域技术人员将理解的那样，成像器设备26由像素的阵列28形成，且像素(30，36)的每个实例包括多个子像素；在此非限制性示例中每个像素包括四个子像素。作为示例而非限制，成像器设备26可具有1280x 960个像素。
成像器设备26不同于图像传感器等的现有示例，因为成像器设备26独特地配置成定义成像器设备26的中间部分32和外围部分34.中间部分32中的像素30的每个实例都配备有红色/可见/可见/可见滤波器(下文称作RVVV滤光器38)，排列该滤波器从而使得中间部分32中的像素30的每个实例包括一个红色子像素30A和三个可见光子像素30B、30C、30D。与成像器设备的现有示例相反，外围部分34中的像素36的每个实例配备有红色/绿色/蓝色/近红外滤波器(下文称作RGBN滤波器40)，排布成使得外围部分34中的每个像素包括红色子像素36A、绿色子像素36B、蓝色子像素36C以及近红外子像素36D。
如稍后将做更详细描述的，RVVV滤波器38良好地适用于中间部分32，以使用三种可见光子像素30B、30C、30D作为黑白类型摄像机，而红色子像素30A允许组件20对将其他车辆的红色尾灯与其他车辆的白色头灯和诸如路灯的非红色光的其他光源区分开来是有用的。如稍后也将做更详细描述的，外围部分34的RGBN滤波器40允许近红外子像素36D用于检测或感测挡风玻璃12上的水(例如雨)，而红色子像素36A、绿色子像素36B以及蓝色子像素36C合作以利用对应于人类眼睛的颜色检测平衡来提供确定环境光强度22的手段，这样有利于控制车辆仪表板亮度以及其他车辆内部照明/显示功能。参考图2，组件20可包括配置成将光从视场14聚焦至成像器设备26的中间部分32上的主透镜42。如将被本领域人员理解的，主透镜42的配置或设计是基于诸如期望的视角(即视场14的角度)、焦距、景深、孔径等多个已知特征而确定或选择的。主透镜42的合适示例是来自阳光光学技术(集团)有限公司(Sunny Optical Technology(Group)Company Limited)的模型4067，该公司总部在中国浙江。
组件20也可包括配置成捕获视场14外面的光的环形透镜44，并将该光引导穿过主透镜并至外围部分34上。并不要求环形透镜44只捕获来自视场外面的光。即，除了来自视场14的外面的光，或者作为来自视场14的外面的光的替代，环形透镜44也可配置成捕获来自视场14内的光。仅出于简化示图的目的，图2建议环形透镜44只捕获来自视场外面的光。
可提供诸如红外发光二极管(LED)的光源46来照明挡风玻璃上的水24的实例。如果成像器设备26的外围部分34中的近红外子像素36D检测到对应于由光源46发出的近红外光，那么那可能是水24存在于挡风玻璃12上的指示。优选的是，光源46是组件20的一部分，并靠近环形透镜44以将充分地照明该水24所必须的电能的量最小化。仅出于简化示图的目的，图2示出光源46位于与环形透镜44隔开。
组件20可包括与成像器设备26通信的控制器48。控制器48可包括诸如微处理器的处理器(未示出)或诸如模拟和/或数字控制电路的其它控制电路，包括本领域内技术人员应熟知的用于处理来自成像器设备26的数据/信号的专用集成电路(ASIC)。控制器48可包括存储器(未示出)，包括非易失性存储器，例如电可擦除可编程只读存储器(EEPROM)，用以存储一个或多个例程、阈值以及捕获的数据。可由处理器执行一个或多个例程来执行步骤以确定是否来自成像器设备26的由控制器48接收到的信号指示例如在挡风玻璃12上有雨滴或者诸如其他车辆(未显示)的物体出现在车辆10的前面。
为此目的，控制器48通常配置成基于由中间部分32中的像素的红色子像素30A以及三个可见光子像素30B、30C、30D检测到的光来确定车辆10前面的视场14的图像16。可将来自三个可见光子像素30B、30C、30D的信号进行结合，以增加由中间部分32提供的摄像机功能的低环境光灵敏度。来自红色子像素30A的信号可与来自三个可见光子像素30B、30C、30D的信号进行比较，以确定视场14中的光是否为车辆的红色尾灯，并由此将其他车辆的红色尾灯与前灯以及其他非红色灯区分开。将红色尾灯与其他灯区分开的能力对于操作者辅助系统以及自动驾驶车辆(例如，自治车辆)系统是有用的，以检测何时在车辆10前面的物体是在与车辆10相同的方向行进的其他车辆，并检测何时该其他车辆正在制动，这是由红色尾灯发出的光强度的增加来指示的。同样地，控制器48配置成基于由红色子像素30A指示的光强度与由选定像素的三个可见光子像素30B、30C、30D指示的光强度的比较来确定中间部分32的哪些像素检测其他车辆(未示出)的红色尾灯(未示出)。
控制器48通常也配置成基于由外围部分34中的像素的红色子像素36A、绿色子像素36B、以及蓝色子像素36C检测到的光来确定环境光18的环境光强度22。通过基于红色、绿色以及蓝色光的强度确定环境光强度22，该环境光强度22可更好地对应由人类眼睛感知到的内容。例如，如果由彩色灯照明的大型广告牌是由不区分光的不同颜色的环境光检测器检测到的，则未通过考虑三个不同颜色的强度而确定环境光强度的环境光探测器可能会高估环境光强度。
控制器48通常也配置成基于由外围部分34中像素的近红外子像素36D检测到的光，确定挡风玻璃12上的水24的存在。通过检测红外光来检测水24是有利的，因为光源46可配置成发出红外光，这避免打扰或干扰车辆10的操作者的视野。
确定挡风玻璃上水的存在的雨传感器的现有示例使用很少数量的光探测器来检测如图2中所示的由水24散射/反射的红外光。通过使用成像器设备26的外围部分34来检测水24，控制器48可配置成确定外围部分34的哪些像素对应于挡风玻璃12上的永久障碍，并在控制器48确定水24的存在时忽略那些像素。如本文使用的，术语永久障碍用于指示由成像器设备26检测到的挡风玻璃12上的某物体，该物体通过操作挡风玻璃雨刷器无法被移除，例如，而挡风玻璃雨刷器会移除水24。永久障碍50的非限制性示例包括但不限于：飞溅在挡风玻璃上的干的小虫、灰尘、焦油，和/或挡风玻璃12的损坏(诸如形成挡风玻璃12的玻璃里的石头嵌片或裂缝)。
图4、5和6示出环形透镜44的可能的配置的非限制性细节。在这个例子中，环形透镜44由多个反射折射元件有利地形成，下文称作CD元件52(图5)。环形透镜44配置成将来自视场14外面的和/或里面的光进行引导，并将该光引导穿过主透镜42并至外围部分34上。在这个示例中，假定成像器设备26具有4:3的长宽比。透镜制造领域的技术人员将理解如何将本文呈现的示例适配成其他长宽比，例如16:9。
图4建议如何将环形透镜44隔离成四个区域，从而光54可被投射或聚焦至成像器设备26的外围部分34的相应部分上。以下是当CD元件52用于将光54引导至外围部分34的多个部分上时用于设计环形透镜44的设计过程的描述。
对外围部分34使用过扫描角度容差(例如，成像器设备26周围的边界+/-3.5°)。过扫描角度容差是在要求的视场外面的成像器的部分，并典型地分配给安装和对准容差。
基于过扫描角度容差确定主透镜42的场位置。主透镜视场被映射至成像器像素位置。成像器上的像素位置随后与过扫描容差匹配，从而使用正确的外围像素。例如，阳光(Sunny)4067透镜产生66度对角线视场(或从中心+/-33度)，产生52度水平视场(或从中心+/-26度)，并产生39度垂直视场(或从中心+/-19.5度)。通过从水平和垂直视场中减去3.5度并从对角线减去5度，相应的成像器像素位置代表外围部分34的边界定义。对于顶部，中间(TM1，TM2)—16°到19.5°场位置窗口，像素位置映射至垂直场角位置。TM1对应于16°位置，且TM2对应于19.5°位置。对于顶部，边缘(TE1，TE2)—28.0°到33°场位置窗口*(TE1＝SE1,TE2＝SE2)，像素位置映射至对角线场角位置。TE1对应于28°位置，且TE2对应于33°位置。在成像器的对角线角落处，侧面和顶部合并在一起。对于侧面部分，中间(SM1，SM2)–22.5°到26°场位置窗口，像素位置映射至水平场角位置。SM1对应于22.5°位置，且SM2对应于26°位置。对于侧面部分，边缘(SE1，SE2)—28.0°到33°场位置窗口*(TE1＝SE1,TE2＝SE2)，SE1对应于28°位置，且SE2对应于33°位置。在成像器的对角线角落处，侧面和顶部合并在一起，且他们的角位置重合。由于对面的边缘及侧面的对称性，仅要求这六个设计位置。场位置为CD透镜定义了角窗口以使离轴光折射。CD透镜设计成将离轴光聚焦至主透镜内，然后聚焦至成像器焦平面周长上。
基于中间和末端位置(例如，TM1、TM2、TE1、TE2、SM1、SM2、SE1、SE2)为光折射确定TIR形状。每个TIR部分的形状基于棱镜角的偏转，偏转角等于角位置(例如，SM1的偏转角＝22.5度)。因此，从TIR折射，如果CD透镜由具有折射率＝1.4915的丙烯酸透镜材料制成，则对于SM1，棱镜角＝64.14度。SM2的棱镜角(其偏转角是＝26.0度)＝63.53度。对于每个区域形状，两个TIR棱镜从边缘到中间到边缘(例如，区域2，SE1-SE2到SM1-SM2到SE1-SE2)合并(或混合)。复合棱镜形状(例如，从SM1到SM2)穿过宽度结合，从而棱镜形状是连续变化的棱镜角，该棱镜角同样地在端点位置之间变化。为了将不需要的眩光最小化，偏转角等于场位置(例如，SM1偏转角＝22.5度)。每个TIR形状旋转至初始的外围部分场角，从而折射光线以与成像器设备26的外围部分34的起点相匹配的场角进入主透镜。例如，对于SM1-SM2部分，棱镜形状从中心旋转开22.5度。TIR复合形状通过同样地在CD透镜的宽度(例如2mm厚度)上的两个TIR角度之间改变的连续改变的棱镜角中混合而得到。按照中间和边缘定义，TIR复合形状从中心到关于中心线轴(水平和垂直)对称的边缘混合起来。每个部分的长度基于区域弧度尺寸以及CD透镜到主透镜的圆周。这对所有四个区域重复，且棱镜形状在边界位置相称地合并(或混合)(例如，顶部和底部每个为103度，而中间部分(左边和右边)为77度)一起形成360度CD透镜形状。CD环形透镜是对准的，从而其以主透镜光学轴以及成像器取向为中心，以确保环形透镜44的CD透镜与主透镜42一致折射至成像器焦点。因此，提供了集成的摄像机、环境光检测和雨传感器组件(组件20)以及用于该组件20的控制器48。成像器设备26对于中间部分32以及外围部分34具有不同的滤波器配置，从而成像器设备26的单个实例的两个部分可用于不同的功能(摄像机、环境光检测以及雨传感器)。RVVV及RGBN光谱滤波器以1:1的滤波的像素与成像器子像素之比的基础对准。即，对于中间RVVV部分，有一个红色滤波的成像器子像素与三个可见滤波的子像素映射至每个成像器像素。同样地利用RGBN外围部分。由于CD类型的环形透镜为雨感应以及环境光强度确定提供了扩展的覆盖区域，还提供了由多个反射折射元件(CD元件52)组成的环形透镜44。
尽管已针对其优选实施例对本发明进行了描述，然而本发明不旨在如此限制，而是仅受所附权利要求书中给出的范围限制。

Claims (5)

1.适合安装在车辆(10)的挡风玻璃(12)后面的集成的摄像机、环境光(54)检测以及雨传感器组件(20)，所述组件(20)包括：
由配置成定义成像器设备(26)的中间部分(32)及外围部分(34)的像素的阵列(28)形成的成像器设备(26)，其中像素的所述阵列(28)的每个像素(30)包括多个子像素，所述中间部分(32)中的每个像素(30)配备有红色/可见/可见/可见滤波器(RVVV滤波器(38))，排布成使得所述中间部分(32)中的每个像素(30)包括一个红色子像素(32A)与三个可见光子像素(30B)，且所述外围部分(34)中的每个像素(30)配备有红色/绿色/蓝色/近红外滤波器(RGBN(40))，排布成使得所述外围部分(34)中的每个像素(30)包括红色子像素(30A)、绿色子像素(36B)、蓝色子像素(36C)以及近红外子像素(36D)。
2.如权利要求1所述的组件(20)，其特征在于，所述组件(20)进一步包括
配置成将光(54)从所述视场(14)聚焦至所述中间部分(32)上的主透镜(42)；以及
由配置成将光(54)从所述视场(14)的外面引导穿过所述主透镜(42)并至所述外围部分(34)上的多个反射折射元件形成的环形透镜(44)。
3.如权利要求1所述的组件(20)，其特征在于，所述组件(20)进一步包括
与所述成像器设备(26)通信的控制器(48)，并配置成
基于由所述中间部分(32)中的像素的所述红色子像素(30A)及所述三个可见光子像素(30B)检测到的光(54)确定所述车辆(10)前面的视场(14)的图像(16)，
基于由所述外围部分(34)中的像素的所述红色子像素(30A)、所述绿色子像素(36B)以及所述蓝色子像素(36C)检测到的光(54)确定环境光强度(22)，以及
基于由所述外围部分(34)中的像素的所述近红外子像素(36D)检测到的光(54)确定所述挡风玻璃(12)上的水(24)的存在。
4.如权利要求3所述的组件(20)，其特征在于，所述控制器(48)配置成
确定所述外围部分(34)的哪些像素对应于所述挡风玻璃(12)上的永久障碍(50)，并当所述控制器确定水(24)的存在时忽略那些像素。
5.如权利要求3所述的组件(20)，其特征在于，所述控制器(48)配置成
基于由所述红色子像素指示的光(54)强度与由选定像素(30)的所述三个可见光子像素(30B)指示的光(54)强度的比较，确定所述中间部分(32)的哪些像素检测其他车辆(10)的红色尾灯。
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