DE102004026993A1

DE102004026993A1 - Kamera

Info

Publication number: DE102004026993A1
Application number: DE102004026993A
Authority: DE
Inventors: Marco Dr. Pretorius; Thomas Dr. Schulze; Frank Dr. Höller; Christoph KÜBLER
Original assignee: Carl Zeiss Jena GmbH
Current assignee: Jenoptik AG
Priority date: 2004-06-03
Filing date: 2004-06-03
Publication date: 2005-12-29
Anticipated expiration: 2024-06-04
Also published as: WO2005119327A1; DE102004026993B4

Abstract

Es wird bereitgestellt eine Kamera, insbesondere für ein Fahrzeug, mit einem Bildsensor (10) und einer Abbildungsoptik (6), die ein aufzunehmendes Bild auf den Bildsensor (10) abbildet, wobei die Abbildungsoptik (6) als reine Spiegeloptik ausgebildet ist.

Description

Die Erfindung betrifft eine Kamera, insbesondere für ein Fahrzeug (z.B. ein Kraftfahrzeug). Solche Kameras werden immer häufiger bei sogenannten Fahrerassistenzsystemen in Kraftfahrzeugen eingesetzt, um beispielsweise zur Verbesserung der Sicht des Fahrers auf den umgebenden Verkehrsraum, insbesondere bei ungünstigen Sichtbedingungen wie Dunkelheit, Regen oder Nebel beizutragen.

Gemäß dem Stand der Technik werden zur Verbesserung der Fahrersicht Kameras mit einem Detektor für den infraroten Spektralbereich eingesetzt, deren Bild dem Fahrer als Graustufen- oder Falschfarbenbild auf einer Anzeigevorrichtung dargeboten wird. Neben passiven Wärmebildkameras werden zunehmend sogenannte aktive Nachtsichtsysteme eingesetzt, bei denen Bereiche der Fahrzeugumgebung durch Nahinfrarotlicht, bevorzugt im Wellenlängenbereich von 750-1100 nm, beleuchtet und das von den Objekten rückgestreute Licht in einer Kamera, bevorzugt einer CCD- oder CMOS-Kamera, detektiert wird. Die von der Kamera detektierten Bilder werden häufig in Bezug auf Kontrastumfang und Bildschärfe durch elektronische Bildverarbeitungsschritte aufbereitet und auf einer Anzeigevorrichtung, beispielsweise einem Bildschirm oder einem Head-Up-Displaydargestellt.

Besonders gefährliche Sichtbedingungen liegen insbesondere vor, wenn der Fahrzeugführer zusätzlich durch helle Lichtquellen oder deren Reflexe geblendet wird, beispielsweise verursacht durch die Scheinwerter eines entgegenkommenden Fahrzeuges. Gerade in diesen Situationen ist es besonders wichtig, daß das Kamerabild eine einwandfreie Sicht auf den Verkehrsraum ermöglicht, so daß der Fahrer jederzeit auch schwach beleuchtete Objekte wie Personen, Tiere oder liegengebliebene Fahrzeuge aus hinreichend großer Distanz erkennen kann. Es sind verschiedene Verfahren bekannt, durch die das Blendproblem teilweise verringert werden kann. Die bekannten Verfahren betreffen entweder die Beleuchtung der Nachtsichtanordnung (zeitdiskrete Lichtpulse, schmalbandige Halbleiterlichtquellen, Verwendung polarisierter Strahlung), die Detektionseinheit (Verwendung hochdynamischer CMOS-Detektoren) oder eine zwischen Detektionseinheit und Anzeigeeinheit zwischengeschaltete Bildverarbeitungseinheit. Auch können Antireflexionsbeschichtungen eingesetzt werden. Diese sind jedoch relativ teuer und aufwendig. Darüber hinaus verbleibt immer eine gewisse Restreflektivität, die zu störender Blendung führt.

Die bekannten Maßnahmen reichen jedoch nicht aus, um in der Gegenwart starker Blendlichtquellen ein einwandfreies Kamerabild zu erzeugen. Vielmehr haben alle bekannten Systeme ein grundsätzliches Problem dadurch, daß Licht von sehr hellen Objekten wie beispielsweise Scheinwerfern durch unerwünschte Reflexionen an der Detektoroberfläche und an den Oberflächen der Linsen der Kameraoptik auf den Detektor gelangen kann. Dieses unerwünschte Licht erzeugt sogenannte Geisterbilder und trägt auch zur flächenhaften Aufhellung des Bildhintergrundes bei, so daß lichtschwache Objekte wie beispielsweise Personen oder Tiere nicht mehr ausreichend deutlich vom Hintergrund zu unterscheiden sind. Dadurch wird das Sichtverbesserungssystem gerade in den besonders kritischen Situationen in seiner Funktion erheblich eingeschränkt. Dieses Problem ist besonders stark ausgeprägt, wenn der Detektor ein hochdynamischer Detektor mit beispielsweise logarithmischer Kennlinie ist, wie es bei den oben genannten aktiven Nachtsichtsystemen meistens der Fall ist.

Ausgehend hiervon ist es Aufgabe der Erfindung, eine Kamera bereitzustellen, mit der eine ausgezeichnete Abbildung auch bei ungünstigen Beleuchtungsverhältnissen möglich ist.

Erfindungsgemäß wird die Aufgabe gelöst durch eine Kamera, insbesondere für ein Fahrzeug (z.B. ein Kraftfahrzeug), mit einem Bildsensor und einer Abbildungsoptik, die ein aufzunehmendes Bild auf den Bildsensor abbildet, wobei die Abbildungsoptik als reine Spiegeloptik ausgebildet ist. Die Abbildungsoptik weist somit nur Spiegel und keine Linsen auf.

Die Abbildungsoptik weist also nur an der Oberflächen reflektierende Spiegel und keinerlei für den Lichtdurchtritt bestimmte Elemente, wie beispielsweise Linsen oder Prismen, auf. Die Spiegeloptik ist insbesondere derart ausgebildet, daß Rückreflexe von der Oberfläche des Sensors vollständig aus der Kamera herausreflektiert werden und somit keinerlei Falschlicht auf dem Sensor erzeugen können, so daß eine unerwünschte Aufhellung des Bildhintergrundes und insbesondere eine Blendung des Sensors ausgeschlossen sind.

Durch den Einsatz einer reinen Spiegeloptik kann eine außerordentliche große spektrale Bandbreite zur Abbildung genutzt werden, ohne daß eine Korrektur von chromatischen Bildfehlern notwendig ist. Dadurch ist es ohne Zusatzaufwand möglich, mehrere Spektralbereiche parallel zur Abbildung zu nutzen (Multispektralkamera), insbesondere den sichtbaren und den nahinfraroten Spektralbereich.

Die Verspiegelungsschicht kann insbesondere auch derart ausgebildet sein, daß Licht im nahinfraroten Spektralbereich mit einer Reflektivität größer als 90% und Licht im sichtbaren Spektralbereich mit einer geringeren Reflektivität, insbesondere mit einer Reflektivität kleiner als 50% reflektiert wird. Dadurch kann die Kamera auch ohne ein zusätzliches Transmissionsfilter so ausgebildet werden, daß zur Bildentstehung bevorzugt das Nahinfrarotlicht beiträgt. Die erfindungsgemäße Kamera kann ferner leicht dahingehend weitergebildet werden, daß ein wellenlängenselektives Element, beispielsweise eine dünne, mit einer Farbteilerschicht versehene Planparallelplatte hinter der Aufnahmeoptik angeordnet ist, die Licht eines ersten Wellenlängenbereiches auf den Bildsensor (erster Bildsensor) und Licht eines zweiten Wellenlängenbereiches auf einen weiteren Bildsensor lenkt, wobei der erste Bildsensor empfindlich für das Licht eines ersten Wellenlängenbereiches (z.B. sichtbarer Spektralbereich) und der zweite Bildsensor besonders für das Licht eines zweiten Wellenlängenbereiches (z.B. nahinfraroter Spektralbereich) ist. Die Farbteilerplatte kann insbesondere unter einem Winkel von 45° zum Bildsensor angeordnet werden. Dadurch werden Reflexe an der Oberfläche der Farbteilerplatte weiterhin vollständig aus der Kamera herausreflektiert und die Blendfreiheit der Kamera bleibt in vollem Umfange erhalten.

Ferner weist die erfindungsgemäße Kamera durch den Verzicht auf refraktive Materialien, die im allgemeinen eine temperaturabhängige Brechzahl aufweisen, keine Verschiebung des Bildortes bei Änderung der Temperatur auf. Dadurch ist eine ausgezeichnete Abbildungsqualität über einen großen Temperaturbereich möglich, beispielsweise von -60°C bis +120°C, der unter extremen Umweltbedingungen für den Betrieb eines Fahrzeuges relevant sein kann.

Die Kamera ist bevorzugt zur Bildaufnahme von Strahlungen in einem Wellenlängenbereich von größer als 750 nm, insbesondere in einem Wellenlängenbereich von 750 – 1100 nm, ausgebildet. In diesem Infrarot- bzw. nahen Infrarotbereich können auch nachts die gewünschten Aufnahmen durchgeführt werden. Insbesondere kann die Kamera für Nachsichtsysteme bzw. Fahrerassistenzsysteme bei Kraftfahrzeugen verwendet werden. Ferner kann die Kamera auch zur Bildaufnahme von Strahlung in einem Wellenlängenbereich von 7 – 14 μm ausgebildet sein. In diesem Wellenlängenbereich ist die Spiegeloptik der erfindungsgemäßen Kamera herkömmlichen Linsensystemen weit überlegen.

Die Spiegel der Kameraoptik können alle aus einem Material mit gleichem thermischen Ausdehnungskoeffizienten gebildet sein. Insbesondere können Fassung und Halterung der Spiegel, sowie die Spiegel selbst aus Materialien mit gleichem Wärmeausdehnungskoeffizienten gebildet sein, wobei es sich besonders bevorzugt um Materialien mit hoher Wärmeleitfähigkeit handelt. Dieses können beispielsweise Metalle, Legierungen oder wärmeleitfähige Kunststoffe sein. Dadurch kommt es auch bei größeren Temperaturschwankungen zu keiner Verschlechterung der Abbildungsqualität.

Die Kamera kann ein Gehäuse aufweisen, in dem die Spiegel der Abbildungsoptik angeordnet sind, wobei das Kameragehäuse aus mehreren Teilen, insbesondere aus zwei Teilen zusammengesetzt ist. Wenn das Gehäuse aus zwei Teilen zusammengesetzt ist, kann jedes Gehäuseteil zumindest einen Spiegel der Abbildungsoptik tragen. Damit läßt sich eine sehr kompakte Kamera verwirklichen. Die Spiegel können separat gefertigt, gefaßt und mit den Gehäuseteilen verbunden sein.

Besonders bevorzugt ist zumindest ein Spiegel (oder auch alle Spiegel der Abbildungsoptik) mit dem ihm zugeordneten Gehäuseteil einstückig ausgebildet. In diesem Fall ist die Herstellung der Kamera vereinfacht und kann, falls alle Spiegel einstückig mit den entsprechenden Gehäuseteilen ausgebildet sind, durch Zusammensetzen von den Gehäuseteilen die Abbildungsoptik schnell hergestellt werden, ohne daß weitere Justierungen notwendig sind. Die Gehäuseteile können aus Kunststoff oder Metall sein. Falls sie aus Kunststoff hergestellt sind, ist für die Bildung der Spiegel noch eine Beschichtung notwendig. Die Spiegelflächen können beispielsweise durch Diamantdrehen gefertigt sein. Als Material für die Gehäuseteile können natürlich auch Legierungen, wie z.B. eine AIMg-Legierung verwendet werden.

Durch das einstückige Ausbilden des Spiegels mit dem ihm zugeordneten Gehäuseteil wird die in der Optik sonst übliche Trennung zwischen Fassung, Halterung und optischer Fläche aufgehoben. Es wird nur noch ein Bauteil gefertigt, das die optische Fläche aufweist und gleichzeitig ihre Fassung und Halterung darstellt. Dies ist insbesondere im Hinblick auf eine Massenproduktion von Vorteil.

Die Spiegeloberflächen können beispielsweise durch Diamantdrehen, durch ein abformendes Verfahren oder durch ein Spritz- oder Druckgußverfahren hergestellt werden. Als Material für die Gehäuseteile können neben Metallen oder Kunststoffen insbesondere auch Legierungen, wie beispielsweise Dispal, verwendet werden.

Insbesondere kann das Spiegelsystem derart ausgebildet sein, daß eine paßgenaue Verbindung der Komponenten im Rahmen der für die optische Abbildung erforderlichen Toleranzen ohne zusätzliche Justierschritte möglich. Auf diese Weise wird die schnelle und kostengünstige Herstellbarkeit der Abbildungsoptik in großen Stückzahlen erleichtert.

Bei der erfindungsgemäßen Kamera besteht die Abbildungsoptik mindestens aus zwei gekrümmten Spiegeln. Es ist insbesondere möglich, daß die Abbildungsoptik genau zwei gekrümmte Spiegel aufweist. In diesem Falle ist einer der beiden Spiegel konvex und der andere konkav gekrümmt. Somit kann mit einer minimalen Anzahl von optischen Elementen eine Optik für einen großen Spektralbereich zur Verfügung gestellt werden. Besonders bevorzugt ist in diesem Fall der erste Spiegel konvex und der zweite konkav gekrümmt. Dadurch läßt sich eine besonders gute Korrektion der Abbildungsfehler über einen großen Feldwinkelbereich erzielen.

Natürlich kann die Abbildungsoptik auch drei, vier oder mehr Spiegel aufweisen. Wenn die Abbildungsoptik drei oder mehr Spiegel umfaßt, können zumindest zwei dieser Spiegel als disjunkte Bereiche einer einzigen Spiegelfläche ausgebildet sein. Dadurch wird eine deutliche Verringerung des Justieraufwands und eine Vereinfachung der Fertigung erreicht.

Es ist besonders bevorzugt, daß die Abbildungsoptik so ausgebildet ist, daß der Strahlengang der Abbildungsoptik an jedem der Spiegel genau einmal gefaltet ist. Somit findet bei der Abbildung an jedem Spiegel nur eine Reflexion statt.

Es ist besonders bevorzugt, daß die Abbildungsoptik so ausgebildet ist, daß sie keinerlei Selbstabschattung (Vignettierung), insbesondere keinerlei Mittenabschattung, aufweist. Dadurch kann das Licht vollständig zur Abbildung auf den Sensor genutzt werden und es kann insbesondere kein Falschlicht durch unerwünschte Streuung oder Reflexion entstehen.

Falls die Optik genau zwei gekrümmte Spiegel aufweist, kann die Spiegelfläche des ersten gekrümmten Spiegels als Bereich einer Rotationsasphäre oder einer Sphäre ausgebildet sein. Wenn sie als Rotationsasphäre ausgebil-det ist, wird für den ersten Spiegel bevorzugt ein axialsymmetrisches Segment einer Rotationsasphäre verwendet.

Die Spiegelfläche des zweiten gekrümmten Spiegels ist bevorzugt ein Segment einer Freiformasphäre. Eine Freiformasphäre weist in jedem Punkt im allgemeinen unterschiedliche Hauptkrümmungen im x-z-Schnitt und im y-z-Schnitt auf. Ferner kann die Fläche des zweiten Spiegels auch als außeraxiales Segment einer Rotationsasphäre ausgebildet sein. Eine solchen Fläche ist einfacher herzustellen als eine allgemeine Freiformfläche.

Die Spiegeloptik kann ferner neben den gekrümmten Spiegelflächen auch einen oder mehrere Planspiegel umfassen. Insbesondere ist es möglich, daß sich vor dem ersten gekrümmten Spiegel ein Planspiegel befindet, um den Strahlengang in eine bevorzugte Richtung umzulenken.

Die Abbildungsoptik der Kamera kann bevorzugt derart ausgebildet sein, daß eine nahezu isometrische (flächentreue) aber nicht streng kollineare Abbildung verwirklicht wird. Dadurch kann mit der minmalen Anzahl optischer Elemente eine scharfe Abbildung erzielt werden, und gleichzeitig tritt bei einer nachträglichen Korrektur der Bildgeometrie kein Verlust an Auflösung in Teilen des Bildes ein. Dadurch kann mit minmalem Aufwand gleichzeitig ein scharfes und unverzerrtes Bild auf dem Anzeigemittel erzeugt werden.

Ferner kann die Kamera so ausgebildet sein, daß der Einfallswinkel auf den ersten Spiegel größer als 20° und insbesondere kleiner oder gleich als 50° ist. Der erste Spiegel ist dabei der Spiegel, an dem die Strahlung bei der Abbildung als erstes reflektiert wird. Unter Einfallswinkel wird hier der Winkel des Mittelhauptstrahls (bzw. zentralen Hauptstrahls) zur Rotationsachse des ersten Spiegels bzw. zur lokalen Flächennormale des ersten Spiegels, falls dieser keine Rotationsachse aufweist, verstanden. Der Mittelhauptstrahl ist dabei der Hauptstrahl, der durch die Abbildungsoptik in die Mitte des Bildsensors abgebildet wird. Durch die angegebene Wahl des Einfallswinkels wird es möglich, den Strahlengang in der Abbildungsoptik so aufzufalten, daß einerseits sichergestellt werden kann, daß das einfallende Licht direkt auf den Bildsensor trifft, und daß andererseits keine unerwünschte Abschattung im Strahlengang stattfindet, die zu einer Verringerung der Abbildungsqualität führen würden.

Der minimal erforderliche Einfallwinkel auf den ersten Spiegel, so daß weder Selbstabschattung auftritt noch Licht direkt auf den Sensor gelangen kann, hängt auf nicht einfach beschreibbare Weise sowohl vom Feldwinkel als auch vom Aperturwinkel (NA) der Optik ab und kann vom Fachmann für ein spezielles System aufgrund seines Fachwissens ermittelt werden.

Die Kamera ist insbesondere so ausgebildet, daß sie ein Gehäuse mit einer Eintrittsöffnung aufweist und die Abbildungsoptik so ausgebildet ist, daß durch die Eintrittsöffnung einfallendes Licht nur nach Reflexion an den Spiegeln auf den Bildsensor fällt. Ein direktes Auftreffen des einfallenden Lichtes ohne Reflexion an den Spiegeln auf den Bildsensor ist nicht möglich.

Die Eintrittsöffnung der Kamera ist bevorzugt mit einem Filterglas verschlossen, das unerwünschte Wellenlängen abschwächt oder ganz herausfiltert. Insbesondere kann das Filterglas als planparallele Platte ausgebildet sein, die unter einem Winkel gegenüber dem zentralen Hauptstrahl angeordnet ist, der von 90° abweicht. Dadurch kann erreicht werden, daß Reflexe an der Innenseite der Filterplatte nicht auf den Sensor gelangen können.

Das Filterglas kann so ausgebildet sein, daß nur Wellenlängen in dem Bereich von größer als 750 nm transmittiert werden. Natürlich können die Spiegel selbst auch so ausgebildet werden, daß sie die Aufgabe des Filterglases unterstützen oder sogar vollständig übernehmen. In diesem Fall kann die Eintrittsöffnung nur mit einem transmissiven Glas ohne Filtereigenschaften für den gewünschten Wellenlängenbereich verschlossen oder offen sein. Wenn die Eintrittsöffnung offen ist, kann sie z.B. bei Verwendung der Kamera in einem Kraftfahrzeug durch die Windschutzscheibe verschlossen sein.

Die Kamera kann ferner so ausgebildet sein, daß die Symmetrieachse des Primärspiegels parallel zur Normalen der Ebene verläuft, in der der Bildsensor angeordnet ist. Damit wird die Herstellung und Fertigung der Kamera vereinfacht, da die Rückseite des Primärspiegels als Bezugsfläche verwendet werden kann.

Das Gehäuse der Kamera kann insbesondere mit einem getrockneten Schutzgas befüllt sein, so daß bei Temperaturwechsel keine Betauung an den optischen Oberflächen eintritt. Ferner kann die Kamera eine Vorrichtung zur Angleichung des Luftdruckes im Innenraum der Kamera zu dem der Umgebung aufweisen. Die Vorrichtung kann speziell eine semipermeable Membran umfassen, die einerseits einen Druckausgleich durch einen Luftstrom ermöglicht und andererseits das Eindringen von Feuchtigkeit in den Kamerainnenraum verhindert. Im Inneren der Kamera können ferner Trocknungsmittel eingebracht sein. Auf diese Weise ist eine korrekte Funktion der Kamera auch unter ungünstigen Witterungsbedingungen möglich.

Ferner kann die Spiegeloptik so ausgebildet sein, daß die Aperturblende durch den freien Durchmesser des Primärspiegels gebildet wird. Weiterhin kann die Aperturblende als separate Blende ausgebildet sein, die sich bevorzugt hinter dem Primärspiegel, also im Raum zwischen den beiden Spiegeln befindet. Der Primärspiegel ist der Spiegel der Abbildungsoptik, an dem die Strahlung bei der Abbildung als erstes reflektiert wird.

Ferner kann die Kamera eine Verarbeitungseinheit aufweisen, der die Bilddaten des Bildsensors zugeführt sind und die die zugeführten Bilddaten dahingehend verarbeitet, daß durch die Abbildung bedingte Verzeichnungen korrigiert werden. Damit läßt sich die Abbildungsqualität weiter erhöhen.

Ferner kann die Kamera noch eine Anzeigeeinheit aufweisen, die auf der Basis der korrigierten Bilddaten ein Bild anzeigt. Die Anzeigeeinheit kann beispielsweise einen Bildschirm, eine Projektionseinheit (z.B. ein Head-up Display (HUD)) oder eine auf dem Kopf zu tragende Anzeigeeinheit sein, wie z.B. eine HMD-Vorrichtung (HMD = Head Mounted Display).

Statt oder zusätzlich zur Anzeigeeinheit kann die Kamera noch eine Auswerteeinheit aufweisen, die das aufgenommene und gegebenenfalls durch die Verarbeitungseinheit korrigierte Bild auf Gefahrenquellen hin untersucht (z.B. auf Hindernisse auf der Fahrbahn, wenn die Kamera in einem Kraftfahrzeug eingesetzt wird) und den Fahrer dann von der Gefahrenquelle akustisch und/oder optisch warnt. Es kann z.B. mit der Anzeigeeinheit ein Zeiger dargestellt werden, der auf die Gefahrenquelle hinweist. Dem Fahrer kann dabei auch noch das Bild dargeboten werden, es kann aber auch sein, daß dem Fahrer das Bild selbst nicht dargestellt wird.

Als Bildsensor kann ein CMOS-Sensor eingesetzt werden. Der CMOS-Sensor ist insbesondere für den Wellenlängenbereich bis 1100 nm bevorzugt. Für einen Wellenlängenbereich von 7-14 μm kann als Bildsensor insbesondere ein Mikrobolometersensor verwendet werden.

Die Abbildungsoptik der Kamera ist insbesondere so ausgebildet, daß sie eine numerische Apertur von größer gleich 0,2, einen horizontalen Feldwinkeln von größer gleich +-14°, einen vertikalen Feldwinkel von größer gleich +-7° aufweist. Ferner liegt der Spektralbereich der Kamera bevorzugt bei 400 – 1500 nm, insbesondere 500 – 1100 nm. Der Randhelligkeitsabfall ist bevorzugt kleiner als 30%, insbesondere kleiner als 20%.

Die Abbildungsoptik ist insbesondere so ausgebildet, daß die Hauptstrahlen im wesentlichen telezentrisch auf den Bildsensor treffen, wobei der Einfallswinkel bevorzugt kleiner als 20°.

Die Ebene, in der der Bildsensor liegt, liegt bevorzugt hinter dem Primärspiegel. Damit kann sichergestellt werden, daß der Bildsensor, der insgesamt wesentlich größer als sein lichtempfindlicher Bereich ist, sich auch hinter dem Primärspiegel erstrecken kann.

Die Kamera weist bevorzugt noch mindestens eine Blende auf, insbesondere ist die Blende bzw. sind die Blenden in einem Kameragehäuse so angeordnet, daß keine Strahlung direkt (ohne Reflexion an den Spiegeln der Abbildungsoptik) auf den Bildsensor fällt. Ferner können die nicht spiegelnden Bereiche des Kameragehäuses geschwärzt sein.

Die erfindungsgemäße Kamera wird insbesondere in Verbindung mit einem Fahrzeug oder Kraftfahrzeug verwendet, so daß ein Fahrzeug mit einer erfindungsgemäßen Kamera bereitgestellt wird.

Die Erfindung wird nachfolgend beispielshalber anhand der beigefügten Zeichnungen noch näher erläutert. Es zeigen:

1 eine Seitenansicht einer Ausführungsform der erfindungsgemäßen Kamera;

2 eine vergrößerte Ansicht der Zwei-Spiegel-Abbildungsoptik von 1;

3 eine weitere Zwei-Spiegel-Abbildungsoptik;

4 eine noch andere Zwei-Spiegel-Abbildungsoptik, und

5 eine Drei-Spiegel-Abbildungsoptik.

Wie aus 1 ersichtlich ist, umfaßt die Kamera ein Kameragehäuse 1, das einen ersten Gehäuseteil 2 (eine vordere Halbschale) sowie einen zweiten Gehäuseteil 3 (eine hintere Halbschale) aufweist. Das erste Gehäuseteil 2 enthält eine Eintrittsöffnung 4, in der ein Eintrittsfenster 5 eingesetzt ist, das hier als Infrarotfilter ausgebildet, der nur Strahlung mit einer Wellenlänge von größer als 750 nm transmittiert.
Die Kamera umfaßt ferner eine Abbildungsoptik 6, die als reine Spiegeloptik ausgebildet ist und einen ersten Spiegel 7 sowie einen zweiten Spiegel 8 aufweist. Das zweite Gehäuseteil 3 weist eine Austrittsöffnung 9 auf, die durch einen Bildsensor 10 verschlossen ist. Natürlich kann das zweite Gehäuseteil 3 auch so ausgebildet sein, daß es keine Austrittsöffnung 9 aufweist. In diesem Fall ist der Bildsensor 10 in dem Gehäuse 1 selbst angeordnet. Der Bildsensor 10 ist hier ein CMOS-Sensor, der hier insbesondere auch ohne Deckglas eingebaut werden kann, da das Gehäuse die Schutzfunktion des Deckglases übernimmt. Durch den Verzicht auf das Deckglas werden vorteilhaft unerwünschte Reflexe zwischen Deckglas und Sensor vermieden.
Der erste Spiegel 6 ist ein sphärischer Konvexspiegel, der einzeln gefaßt und mit dem zweiten Gehäuseteil 3 verbunden ist. In dem hier beschriebenen Ausführungsbeispiel sind beide Gehäuseteile 2, 3 aus demselben Metal gebildet.
Der zweite Spiegel ist ein Konkavspiegel. Die Krümmung des zweiten Spiegels 7 entspricht einem außeraxialen Bereich einer Rotationsasphäre. Der zweite Spiegel 7 ist einstückig mit dem ersten Gehäuseteil 2 ausgebildet und durch Diamantdrehen hergestellt. Da der erste Spiegel 6 ein sphärischer Spiegel ist, ist die Herstellung der beschriebenen Kamera besonders einfach und kostengünstig.
Die spektrale Einschränkung, die durch das als Infrarotfilter wirkende Eintrittsfenster 5 erzielt wird, kann durch eine geeignete Wahl der Spiegelreflektivität unterstützt oder auch vollständig ersetzt werden.
Der objektseitige Feldwinkelbereich beträgt 28° × 14° und die numerische Apertur NA beträgt 0,2.
In 2 ist die Abbildungsoptik mit eingezeichnetem Strahlenverlauf noch mal größer dargestellt. In 2 ist dabei die Abbildungsoptik gespiegelt dargestellt, da die nachfolgenden Optikdaten für die Darstellung von 2 angegeben sind. Die genauen Systemdaten sind mit dem bekannten Optikprogramm Code V erzeugt. Bei der Interpretation der Daten kann sich der Fachmann, falls notwendig, daher an den Beschreibungen zu diesem Optikprogramm orientieren. In der nachfolgenden ersten Tabelle ist das Element mit der Bezeichnung Objekt ein im unendlichen angenommenes, aufzunehmendes Objekt, sind die Elementnummern 1 und 2 die Spiegelflächen der Spiegel 7 und 8 und ist das Element Bild die Ebene, in der der Sensor angeordnet ist. Die Angaben beziehen sich ferner auf die in 2 gezeigte Referenzfläche F.
Dieses System (einschließlich seiner Objekte) ist nicht rotationssymmetrisch.
Die freien Öffnungen (clear apertures) sind in Bezug auf den lokalen Flächenmittelpunkt angegeben und stellen möglicherweise nicht das kleinstmögliche dezentrierte Element dar.
FERTIGUNGSDATEN
ANMERKUNGEN

– Ein positiver Radius zeigt an, dass sich der Krümmungsmittelpunkt rechts befindet Ein negativer Radius zeigt an, dass sich der Krümmungsmittelpunkt links befindet
– Maßangaben in Millimetern
– Dicke = Achsabstand zur nächsten Fläche
– Oben angegebener Bilddurchmesser ist paraxialer Wert, kein Strahldurchrechnungswert

Eine Dezentrierung legt ein neues Koordinatensystem fest (verschoben und/oder rotiert), in dem nachfolgende Flächen definiert sind. Flächen, die einer Dezentrierung folgen, sind auf der lokalen mechanischen Achse (z-Achse) des neuen Koordinatensystems ausgerichtet. Die neue mechanische Achse wird weiterverwendet, bis sie durch eine weitere Dezentrierung verändert wird. Die Reihenfolge, in der die Verschiebungen und Kippungen auf eine gegebene Fläche angewandt werden, wird durch Verwendung unterschiedlicher Dezentriertungsarten angegeben, die andere, neue Koordinatensysteme erzeugen; die hier verwendeten sind nachfolgend erläutert. Alpha, beta und gamma sind in Grad angegeben.
DEZENTRIERUNGSKONSTANTEN-SCHLÜSSEL:
LOKALE FLÄCHENKOORDINATEN BEZIEHEN SICH AUF FLÄCHE 1
In 3 ist eine alternative Ausführungsform der Abbildungsoptik gezeigt, die sich von der Abbildungsoptik von 2 dadurch unterscheidet, daß der erste Spiegel 6 als axialsymmetrischen Bereich einer Rotationsasphäre ausgebildet. Dadurch läßt sich die Abbildungsoptik derart auslegen, daß die bildseitige numerische Apertur 0,33 beträgt und gleichzeitig eine hervorragende Korrektion der Abbildungsfehler möglich ist. Die genauen Herstellungsdaten sind nachfolgend in gleicher Weise wie bei der Ausführungsform von 2 angegeben.
Dieses System (einschließlich seiner Objekte) ist nicht rotationssymmetrisch.
Die freien Öffnungen (clear apertures) sind in Bezug auf den örtlichen Flächenmittelpunkt angegeben und stellen möglicherweise nicht das kleinstmögliche dezentrierte Element dar.
FERTIGUNGSDATEN
ANMERKUNGEN

Eine Dezentrierung legt ein neues Koordinatensystem fest (verschoben und/oder rotiert), in dem nachfolgende Flächen definiert sind. Flächen, die einer Dezentrierung folgen, sind auf der lokalen mechanischen Achse (z-Achse) des neuen Koordinatensystems ausgerichtet. Die neue mechanische Achse wird weiterverwendet, bis sie durch eine weitere Dezentrierung verändert wird. Die Reihenfolge, in der die Verschiebungen und Kippungen auf eine gegebene Fläche angewandt werden, wird durch Verwendung unterschiedlicher Dezentriertungsarten angegeben, die andere, neue Koordinatensysteme erzeugen; die hier verwendeten sind nachfolgend erläutert. Alpha, beta und gamma sind in Grad angegeben.
DEZENTRIERUNGSKONSTANTEN-SCHLÜSSEL:
LOKALE FLÄCHENKOORDINATEN BEZIEHEN SICH AUF FLÄCHE 1
In 4 ist eine noch weitere Ausgestaltung gezeigt, wobei der erste Spiegel 6 nun als Bereich einer Polynomasphäre ausgelegt ist, die durch folgende Formel beschrieben ist.
Damit kann eine numerische Apertur von 0,40 bei gleicher Bildgüte wie bei den vorherigen Ausführungsformen erreicht werden. Jedoch ist die Herstellung etwas anspruchsvoller. Die genauen Herstellungsdaten sind nachfolgend in gleicher Weise wie für die Ausführungsform von 2 angegeben.
Dieses System (einschließlich seiner Objekte) ist nicht rotationssymmetrisch.
Die freien Öffnungen (clear apertures) sind in Bezug auf den örtlichen Flächenmittelpunkt angegeben und stellen möglicherweise nicht das kleinstmögliche dezentrierte Element dar.
FERTIGUNGSDATEN

(ELT = Element; INF = UNENDLICH) NA = 0.40 28 × 14 deg

ANMERKUNGEN

Eine Dezentrierung legt ein neues Koordinatensystem fest (verschoben und/oder rotiert), in dem nachfolgende Flächen definiert sind. Flächen, die einer Dezentrierung folgen, sind auf der lokalen mechanischen Achse (z-Achse) des neuen Koordinatensystems ausgerichtet. Die neue mechanische Achse wird weiterverwendet, bis sie durch eine weitere Dezentrierung verändert wird. Die Reihenfolge, in der die Verschiebungen und Kippungen auf eine gegebene Fläche angewandt werden, wird durch Verwendung unterschiedlicher Dezentriertungsarten angegeben, die andere, neue Koordinatensysteme erzeugen; die hier verwendeten sind nachfolgend erläutert. Alpha, beta und gamma sind in Grad angegeben.
DEZENTRIERUNGSKONSTANTEN-SCHLÜSSEL:
In 5 ist schließlich eine Variante mit drei Spiegeln gezeigt. Bei dieser Abbildungsoptik 6 mit drei Spiegeln sind der erste Spiegel 6 wie ein dritter Spiegel 11 einstückig mit dem zweiten Gehäuseteil 3 ausgebildet und ist der zweite Spiegel 7, wie bei den vorher beschriebenen Ausführungsformen, einstückig mit dem ersten Gehäuseteil 2 ausgebildet. Durch die Verwendung von drei Spiegeln kann ein Feldwinkelbereich von 40° × 20° bei einer numerischen Apertur (NA) 0,42 erreicht werden. Solche Drei-Spiegel-Abbildungsoptiken eignen sich aufgrund der erreichbaren größeren numerischen Apertur insbesondere für passive Nachtsichtsysteme. Die vorher beschriebenen Zwei-Spiegel-Abbildungsoptiken eignen sich insbesondere für aktive Nachtsichtsysteme, bei denen das abzubildende Bild bzw. der abzubildende Umgebungsbereich mit Infrarotlicht beleuchtet wird.
Die genauen Herstellungsdaten sind nachfolgend in gleicher Weise wie für 2 angegeben, wobei ELT. Nr. 3 der dritte Spiegel 11 ist. Alle drei Spiegel sind als Polynomasphären ausgebildet, wie die, die in Verbindung mit 4 angegeben ist.
Dieses System (einschließlich seiner Objekte) ist nicht rotationssymmetrisch.
Die freien Öffnungen (clear apertures) sind in Bezug auf den örtlichen Flächenmittelpunkt angegeben und stellen möglicherweise nicht das kleinstmögliche dezentrierte Element dar.
FERTIGUNGSDATEN

(ELT = Element; INF = UNENDLICH) NA = 0.42 40 × 20 deg

ANMERKUNGEN

Eine Dezentrierung legt ein neues Koordinatensystem fest (verschoben und/oder rotiert), in dem nachfolgende Flächen definiert sind. Flächen, die einer Dezentrierung folgen, sind auf der lokalen mechanischen Achse (z-Achse) des neuen Koordinatensystems ausgerichtet. Die neue mechanische Achse wird weiterverwendet, bis sie durch eine weitere Dezentrierung verändert wird. Die Reihenfolge, in der die Verschiebungen und Kippungen auf eine gegebene Fläche angewandt werden, wird durch Verwendung unterschiedlicher Dezentriertungsarten angegeben, die andere, neue Koordinatensysteme erzeugen; die hier verwendeten sind nachfolgend erläutert. Alpha, beta und gamma sind in Grad angegeben.
DEZENTRIERUNGSKONSTANTEN-SCHLÜSSEL:
LOKALE FLÄCHENKOORDINATEN BEZIEHEN SICH AUF FLÄCHE 1
Alle angegebenen Herstellungsdaten sind gemäß der Nomenklatur des Optikprogramms Code V angegeben.
Die Kamera kann noch, wie in 1 schematisch gezeigt ist, eine Verarbeitungseinheit 12 aufweisen, der die Bilddaten des Bildsensors 10 zugeführt sind und die eine Entzerrung durchführt, so daß die Bildqualität steigt. Die Verarbeitungseinheit 12 gibt die korrigierten Bilddaten an eine Anzeigeeinheit 13 weiter, die dann ein Bild anhand der korrigierten Bilddaten erzeugt.
Die Kamera ist bevorzugt innerhalb eines Kraftfahrzeuges, beispielsweise direkt an der Windschutzscheibe angeordnet. So kann die Kamera beispielsweise zwischen Rückspiegel und Windschutzscheibe montiert sein, wobei der Bereich der Eintrittsöffnung 4 bevorzugt in einem Bereich der Windschutzscheibe liegt, der noch mit den Scheibenwischern überstrichen wird, so daß eine klare Sicht auch bei Regen sichergestellt ist. Natürlich kann die Kamera auch an jedem anderen Ort in oder an einem Kraftfahrzeug befestigt sein. Die Verarbeitungseinheit ist mit dem Bildsensor entweder über Verbindungsleitungen oder drahtlos verbunden und bevorzugt an einem anderen Ort im Fahrzeug angeordnet. Gleiches gilt für die Anzeigeeinheit, die wiederum drahtlos oder über Kabel mit der Verarbeitungseinheit verbunden sein kann und an einer noch anderen Position im Fahrzeug angeordnet sein kann.

Claims

Kamera, insbesondere für ein Fahrzeug, mit einem Bildsensor (10) und einer Abbildungsoptik (6), die ein aufzunehmendes Bild auf den Bildsensor (10) abbildet, dadurch gekennzeichnet, daß die Abbildungsoptik (6) als reine Spiegeloptik ausgebildet ist.
Kamera nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Kamera zur Bildaufnahme von Strahlung in einem Wellenlängenbereich von größer als 750 nm, insbesondere in einem Wellenlängenbereich von 750 – 1100 nm, ausgebildet ist.
Kamera nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Kamera zur Bildaufnahme von Strahlung in einem Wellenlängenbereich von 7 – 14 μm ausgebildet ist.
Kamera nach einem der obigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß alle Spiegel (7, 8, 11) aus einem Material mit gleichem thermischen Ausdehnungskoeffizient ausgebildet sind.
Kamera nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Kamera ein Gehäuse (1) aufweist, in dem die Spiegel (7, 8, 11) angeordnet sind, wobei der thermische Ausdehnungskoeffizient des Gehäusematerials dem thermischen Ausdehnungskoeffizienten der Spiegel (7, 8, 11) entspricht.
Kamera nach einem der obigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Kamera ein Gehäuse (1) aufweist, in dem die Spiegel der Abbildungsoptik angeordnet sind, wobei das Kameragehäuse (1) aus mehreren Teilen (2, 3) zusammengesetzt ist und zumindest einer der Spiegel (7, 8, 11) mit dem ihm zugeordneten Gehäuseteil (2, 3) einstückig ausgebildet ist.
Kamera nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Kameragehäuse (1) aus genau zwei Teilen (2, 3) zusammengesetzt ist und jedes Gehäuseteil (2, 3) zumindest einen Spiegel (7, 8, 11) der Abbildungsoptik (6) aufweist.
Kamera nach einem der obigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Abbildungsoptik (6) zumindest zwei gekrümmte Spiegel (7, 8) umfaßt, wobei einer der Spiegel (7) konvex gekrümmt und der andere der beiden Spiegel konkav (8) gekrümmt ist.
Kamera nach einem der obigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Abbildungsoptik (6) genau zwei Spiegel (7, 8) aufweist.
Kamera nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Abbildungsoptik (6) mindestens drei Spiegel (7, 8, 11) aufweist, wobei zwei der Spiegel disjunkte Bereiche einer gekrümmten Fläche sind.
Kamera nach einem der Ansprüche 8 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß der Strahlengang der Abbildungsoptik (6) an jedem Spiegel (7, 8, 11) genau einmal gefaltet ist.
Kamera nach einem der obigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Spiegelfläche des konvexen Spiegels (7) als Segment einer Rotationsasphäre oder einer Sphäre ausgebildet ist.
Kamera nach einem der obigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Spiegelfläche des konkav gekrümmten Spiegels (8) als Segment einer Freiformfläche, insbesondere als außeraxiales Segment einer Rotationsasphäre, ausgebildet ist.
Kamera nach einem der obigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Abbildungsoptik (6) einen flächentreue Abbildung verwirklicht.
Kamera nach einem der obigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Einfallswinkel auf den ersten Spiegel (7) größer als 25° und insbesondere kleiner gleich als 50° ist.
Kamera nach einem der obigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Kamera ein Gehäuse (1) mit einer Eintrittsöffnung (4) aufweist und die Abbildungsoptik (6) so ausgebildet ist, daß durch die Eintrittsöffnung (4) einfallendes Licht nur nach Reflexion an den Spiegeln (7, 8, 11) auf den Bildsensor (10) fällt.
Kamera nach einem der obigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Symmetrieachse des Primärspiegels (7) parallel zur Normalen der Ebene, in der der Bildsensor (10) angeordnet ist, verläuft.
Kamera nach einem der obigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Aperturblende durch den Primärspiegel (7) oder hinter dem Primärspiegel (7) ausgebildet ist, wobei der Primärspiegel (7) der Spiegel der Abbildungsoptik (6) ist, an dem die Strahlung bei der Abbildung als erstes reflektiert wird.
Kamera nach einem der obigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß eine Verarbeitungseinheit (12) vorgesehen ist, der die Bilddaten des Bildsensors (10) zugeführt sind und die die zugeführten Bilddaten dahingehend verarbeitet, daß durch die Abbildung bedingte Verzeichnungen korrigiert werden.
Kamera nach Anspruch 19, dadurch gekennzeichnet, daß eine Anzeigeeinheit (13) vorgesehen ist, die auf der Basis der korrigierten Bilddaten ein Bild anzeigt.
Kamera nach einem der obigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Abbildungsoptik ein Filterelement aufweist, das nur Strahlung im gewünschten Wellenlängenbereich transmittiert.
Kamera nach einem der obigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß zumindest einer der Spiegel der Abbildungsoptik (6) eine Filtereigenschaft derart aufweist, daß er nur Strahlung im gewünschten Wellenlängenbereich reflektiert.
Kamera nach einem der obigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß alle Spiegel einzeln gefaßt sind.
Kamera nach einem der obigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Bildsensor ein Bildsensor ohne Deckglas ist.
Verwendung der Kamera nach einem der obigen Ansprüche in einem Fahrzeug, insbesondere einem Kraftfahrzeug.