DE102010043479B4

DE102010043479B4 - Kameraanordnung und Verfahren zum Betreiben einer Kameraanordnung für ein Kraftfahrzeug

Info

Publication number: DE102010043479B4
Application number: DE102010043479.5A
Authority: DE
Inventors: Reinhold Fiess; Annette Frederiksen
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2010-11-05
Filing date: 2010-11-05
Publication date: 2019-03-07
Anticipated expiration: 2030-11-06
Also published as: FR2967107B1; CN102566212B; FR2967107A1; US9676329B2; DE102010043479A1; CN102566212A; US20120113258A1

Abstract

Kameraanordnung (1) für ein Kraftfahrzeug, die eine Kamera (2) mit einem Bildsensor (3) zur Ausgabe von Bildsignalen (S1) und optische Elemente (12, 13, 14) aufweist, wobei optische Elemente (12, 14) eine erste Kameraoptik (24) zum Erfassen eines ersten Umfeldes und Abbilden des ersten Umfeldes mit einer ersten Gegenstandsweite auf dem Bildsensor (3) bilden, und optische Elemente (12, 13, 14) eine zweite Kameraoptik (25) zum Erfassen eines zweiten Umfeldes und Abbilden des zweiten Umfeldes mit einer von der ersten Gegenstandsweite verschiedenen zweiten Gegenstandsweite auf dem Bildsensor (3) bilden, wobei die optischen Elemente (12, 13, 14) ein schaltbares optisches Element (14) aufweisen, welches in einem ersten Schaltzustand Teil der ersten Kameraoptik (24) ist und in einem zweiten Schaltzustand Teil der zweiten Kameraoptik (25) ist, dadurch gekennzeichnet, dass das schaltbare optische Element (14) in dem ersten Schaltzustand transparent und in dem zweiten Schaltzustand reflektierend ist.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Kameraanordnung und ein Verfahren zum Betreiben einer Kameraanordnung für ein Kraftfahrzeug
Stand der Technik
Kameraanordnungen für Kraftfahrzeuge sind grundsätzlich bekannt. So sind Kameraanordnungen bekannt, die für die Erfassung eines Umfeldes eines Kraftfahrzeuges im Rahmen eines Fahrerassistenzsystems verwendet werden. Die mit der Kameraanordnung aufgenommenen Bilddaten des Fahrzeugumfeldes können zur Unterstützung eines Fahrers verwendet werden, beispielsweise in Form einer Nachtsichtunterstützung, als Verkehrszeichen- oder Spurerkennung oder als Verkehrsüberwachung. Des Weiteren ist es bekannt, Kameraanordnungen für die Erfassung eines Fahrzeugscheiben-Zustandes einer Fahrzeugscheibe einzusetzen.
Die DE 102004015040 A1 offenbart einen videobasierten Regensensor, wobei ein scharfes Abbild der Fahrzeugumgebung einerseits und der Scheibe andererseits unter Aufteilung des Bildsensors in zwei nebeneinander liegende Bildbereiche bildverarbeitungstechnisch ausgewertet wird. Die Kamera selbst fokussiert auf unendlich, in der Praxis auf 15-30 Meter, der Bereich des aufgenommenen Bildes mit dieser Fokussierung wird Primärbild genannt und wird z.B. für Funktionen wie ein Fahrerassistenzsystem Spurhalteassistent (LDW, Lane Departure Warning) oder Straßenzeichenerkennung genutzt. Ein zusätzliches Optikelement, eine Linse oder ein Spiegel, realisiert die Fokussierung des Bildes der Kamera im anderen Bildbereich, das Sekundärbild, auf die Frontscheibe. Das von der automobilen Kamera aufgenommene Bild der fokussierten Regentropfen auf der Scheibe kann durch einen Bildverarbeitungsalgorithmus ausgewertet werden und die Tropfen können detektiert werden. Aufgrund der Aufteilung des Bildsensors steht dem Primärbild nicht die volle Sensorfläche zur Verfügung.
Die DE 10 2004 037 871 A1 offenbart ein optisches Modul eines den Außenvorraum in Fahrtrichtung eines Kraftfahrzeuges erfassenden Assistenzsystems, mit einem Schaltungsträger; einem auf dem Schaltungsträger angeordneten Halbleiterelement und einer Linseneinheit zum Projizieren von elektromagnetischer Strahlung auf eine sensitive Fläche des Halbleiterelements. Sie zeichnet sich dadurch aus, dass die sensitive Fläche des Halbleiterelements eine Vielzahl lichtempfindlicher Zellen (Pixel) aufweist, welche zeitweise und/oder zumindest teilweise auch den Nahbereich der Windschutzscheibe des Kraftfahrzeuges erfassen.
Die DE 10 2008 062 977 A1 offenbart ein optisches Modul mit einem Halbleiterelement mit einer für elektromagnetische Strahlung sensitiven Fläche und einem Objektiv zum Projizieren elektromagnetischer Strahlung auf die sensitive Fläche des Halbleiterelements insbesondere zum Einsatz in Kraftfahrzeugen. In einem definierten Teilvolumen im Raum zwischen dem Objektiv und der sensitiven Fläche des Halbleiterelements ist ein zusätzliches optisches Element angeordnet, so dass durch das zusätzliche optische Element in einem ersten Bereich der sensitiven Fläche des Halbleiterelements ein erster Entfernungsbereich abgebildet wird und in einem zweiten Bereich des Sichtbereichs, in dem sich das zusätzliche optische Element nicht befindet, ein zweiter Entfernungsbereich abgebildet wird.
Offenbarung der Erfindung
Dagegen haben die erfindungsgemäße Kameraanordnung nach Anspruch 1 und das Verfahren zum Betreiben einer Kameraanordnung für ein Kraftfahrzeug gemäß Anspruch 7 den Vorteil, dass ein auf eine erste Gegenstandsweite fokussiertes Primärbild die volle Sensorfläche nutzen kann und ein auf eine von der ersten Gegenstandsweite verschiedene zweite Gegenstandsweite fokussiertes Sekundärbild einen Teil der oder die gesamte Sensorfläche nutzen kann. Es entsteht kein Aufwand für einen größeren Bildsensor und entsprechende Ausleseelektronik. Weiterhin fallen gegenseitige Störungen in einer Übergangszone zwischen den separaten Bildbereichen nach dem Stand der Technik weg, ohne dass eine Blende verwendet werden muss, welche wiederum einen ungünstigen Helligkeitsverlauf im Übergangsbereich bewirkt. Es findet nur eine geringere Störung der Primärfunktion bei Integration einer Regensensorik in die Fahrerassistenzkamera statt.
Ein weiterer Vorteil ist es, dass je nach Fahrsituation dem Primärbild und dem Sekundärbild eine geeignete Beobachtungszeit zur Verfügung gestellt werden kann. Ein solches dynamisches Umschalten ermöglicht die beste Anpassung an die Umgebungssituation. Ein weiterer Vorteil ist es, dass den Primärfunktionen, die das Primärbild auswerten, alle Randbereiche des Bildsensors zur Verfügung stehen. Gerade die Primärfunktionen benötigen meist die Randbereiche des Bildes. Z.B. muss für das LDW der untere Bereich ausgewertet werden um den Verlauf der Fahrbahn zu erkennen. Die Erkennung von Straßenschildern und Ampeln benötigt den oberen Bildbereich.
Figurenliste

1 zeigt eine Ausführungsform einer Kameraanordnung,
2 zeigt eine perspektivische Ansicht der Kameraanordnung,
3 zeigt eine perspektivische Ansicht einer Kamerahalterung der Kameraanordnung, und
4 zeigt ein Flussdiagramm eine Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens.

Ausführungsformen der Erfindung
Gleiche oder einander entsprechende Bauteile sind in den Figuren mit denselben Bezugszeichen versehen.
Eine Kameraanordnung 1 ist für ein Kraftfahrzeug zur Erfassung eines Umfeldes ausgebildet. Die Kameraanordnung 1 umfasst eine Kamera 2 und eine Kamerahalterung 11. Die Kamerahalterung 11 ist an einer Fahrzeugscheibe 4, hier einer Windschutzscheibe, in einem Kraftfahrzeuginnenraum eines nicht näher dargestellten Kraftfahrzeugs befestigt und trägt und positioniert die Kamera 2. Die Kamera 2 weist auf ein Kameragehäuse 10, einen Bildsensor 3 sowie optische Elemente auf. Die optischen Elemente umfassen ein Objektiv 12, das hier durch eine Linse dargestellt ist, einen Umlenkspiegel 13, und ein schaltbares optisches Element 14. Das schaltbare optische Element 14 ist einem ersten Schaltzustand transmittierend und in einem zweiten Schaltzustand reflektierend. Der Bildsensor 3 ist auf Halbleiterbasis, beispielsweise als CMOS- oder CCD-Bauteil, ausgebildet, der Bildsignale S1 ausgibt. Eine erste Kameraoptik 24, bestehend aus mehreren optischen Elementen, nämlich dem Objektiv 12 und dem schaltbaren optischen Element 14, bildet ein erstes Umfeld, hier ein Umfeld des Fahrzeuges, welches z. B. in Fahrtrichtung vor dem Kraftfahrzeug liegt, durch die Fahrzeugscheibe 4 scharf auf den gesamten Bildsensor 3 ab. Das schaltbare optische Element 14 befindet sich dazu im ersten Schaltzustand, der Transmission. Hierzu wird durch die Fahrzeugscheibe 4 die einfallende erste Strahlung 20 auf den gesamten Sensorbereich 7a und 7b des Bildsensors 3 abgebildet bzw. fokussiert.
Eine zweite Kameraoptik 25, bestehend aus mehreren optischen Elementen, nämlich dem Objektiv 12 und dem schaltbaren optischen Element 14 und dem Umlenkspiegel 13, bildet ein zweites Umfeld, hier einen Ausschnitt A einer Fensterscheibenoberfläche 15 der Fensterscheibe 4, scharf auf den Sensorbereich 7b des Bildsensors 3 ab. Das schaltbare optische Element 14 befindet sich dazu im zweiten Schaltzustand, der Reflektion. Somit tritt von dem Ausschnitt A der Fahrzeugscheibe 4 ausgehende zweite Strahlung 21 bzw. durch den Ausschnitt A hindurch tretende zweite Strahlung 21 nacheinander durch den Umlenkspiegel 13, das schaltbare optische Element 14 und das Objektiv 12 und wird auf den Sensorbereich 7b des Bildsensors 3 abgebildet bzw. fokussiert. Die zweite Strahlung 21 kann wie eingezeichnet aus dem Umfeld des Fahrzeugs kommen und durch die Fahrzeugscheibe 4, gegebenenfalls auch einen auf dieser haftenden Wassertropfen 6 treten, oder auch aus dem Innenraum des Fahrzeugs stammen und entsprechend reflektiert werden. In 1 ist der genaue Strahlengang durch die Fahrzeugscheibe 4 und den Wassertropfen 6 der Einfachheit und Übersichtlichkeit halber nicht dargestellt, sondern vereinfacht.
In diesem Ausführungsbeispiel ist die Gegenstandsweite bzw. Objektweite der ersten Kameraoptik 24 unendlich, die Gegenstandsweite bzw. Objektweite der zweiten Kameraoptik 25 ist endlich und deren Fokus liegt im Bereich der Fahrzeugscheibe 4. Durch einen geeigneten Abstand zwischen den Spiegeln 13 und 14 (das schaltbare optische Element 14 im zweiten Schaltzustand), kann eine hinreichend große Gegenstandsweite ausgebildet werden, um dennoch einen Bereich A, der relativ nahe an der Kamera 2 angeordnet ist, mit guten Abbildungseigenschaften auf dem Bildsensor 3 abzubilden. Alternativ ist es ebenfalls möglich, optische Elemente 12, 13, 14 mit anderen Gegenstandsweiten oder zusätzliche optische Elemente, wie z. B. Linsen und/oder Gitter einzusetzen.
Des Weiteren umfasst die Kameraanordnung 1 eine Auswerteeinrichtung 5, die derart eingerichtet ist, dass sie die Bildsignale S1, die Bildinformationen des ersten Sensorbereichs 7a und des zweiten Sensorbereichs 7b des Bildsensors 3 enthalten, auswertet. Die Bildinformationen des zweiten Umfeldes A werden hier für die Ermittlung eines Scheibenzustandes der Fahrzeugscheibe 4 ausgewertet. In diesem Fall ist die Auswerteeinrichtung 5 insbesondere derart eingerichtet, dass eine unterschiedliche Benetzung des Ausschnitts A der Fahrzeugscheibe 4 durch Wassertropfen 6 ermittelt wird, und diese Informationen z. B. im Rahmen einer Regensensorfunktion weiter verwendet werden können, beispielsweise für die Ansteuerung eines Scheibenwischers. Alternativ oder zusätzlich ist es ebenfalls möglich, eine Verschmutzung oder eine Beschädigung der Fensterscheibe 4, beispielsweise durch Kratzer, auf diese Weise zu ermitteln. Des Weiteren umfasst die Kameraanordnung 1 vorteilhafterweise eine Lichtquelle 9, beispielsweise eine oder mehrere LEDs, mit der der Ausschnitt A der Fahrzeugscheibe 4 mit Strahlung 22 zusätzlich beleuchtbar ist. Dabei ist die Lichtquelle 9 z. B. derart angeordnet, dass im Bereich des Ausschnitts A reflektierte Strahlung 22 über die zweite Kameraoptik 25 auf den Bildsensor 3 fallen kann. Die Lichtquelle 9 ermöglicht es, insbesondere bei schlechten Lichtverhältnissen, beispielsweise bei Nacht, den Ausschnitt A zu beleuchten, um ein genügend helles Abbild des Ausschnitts A auf dem Bildsensor 3 zu erzeugen, wobei Letzteres vorteilhaft für die Auswertung des Scheibenzustandes ist. Die Lichtquelle 9 kann hierbei wie gezeigt mittels Steuersignalen S2 von der Auswerteeinheit 5, die somit auch eine Steuereinheit darstellt, oder aber auch von einer anderen Einrichtung angesteuert werden.
Somit sind der Bildsensor 3 und das Objektiv 12 im Kameragehäuse 10 der Kamera 2 angeordnet. Der Umlenkspiegel 13, das schaltbare optische Element 14 und die Lichtquelle 9 sind in oder an der Kamerahalterung 11 angeordnet, die somit ein eigenes Modul für die Funktion der Scheibenzustandsdetektion bildet. Alternativ ist es jedoch auch möglich, zumindest Teile der zweiten Kameraoptik 25 und/oder die Lichtquelle 9 an dem Kameragehäuse 10 vorzusehen.
Die Auswerteeinheit 5 ist vorteilhafterweise innerhalb des Kameragehäuses 10 angeordnet; sie kann aber auch außerhalb beispielsweise Teil einer zentralen Steuereinheit eines Fahrzeugassistenzsystems sein.
Alternativ kann das zweite Umfeld anstatt eines Ausschnitts A der Fahrzeugscheibe 4 beispielsweise ein Umfeld des Fahrzeuges sein, welches einen Straßenrand, sich am Straßenrand befindende Verkehrszeichen, oder sich oberhalb des Fahrzeuges befindende Verkehrsinformationstafeln erfasst, oder auch den Fahrzeuginnenraum erfassen, wobei erfindungsgemäß jeweils eine andere Gegenstandsweite als bei dem ersten Umfeld einstellbar ist. Eine Umlenkung der Blickrichtung kann über optische Elemente, insbesondere über Spiegel, bewirkt werden.
In der Kameraanordnung 1 weisen die optischen Elemente 12, 13, 14 ein schaltbares optisches Element 14 auf, welches in einem ersten Schaltzustand Teil der ersten Kameraoptik 24 ist und in einem zweiten Schaltzustand Teil der zweiten Kameraoptik 25 ist. Das gesamte schaltbare optische Element 14 ist schaltbar und ist in dem Strahlengang der ersten Kameraoptik 24 teilweise angeordnet, und das zweite Umfeld wird auf den Teilbereich 7b des Bildsensors 3 abgebildet. Alternativ besteht die Möglichkeit nur einen Teil des schaltbaren optischen Elements 14 schaltbar zu gestalten. In dieser Konfiguration wäre das gesamte schaltbare optische Element 14 in dem Strahlengang der ersten Kameraoptik 24 teilweise angeordnet, das zweite Umfeld würde auf einen Teilbereich des Bildsensors abgebildet. Alternativ könnte das gesamte schaltbare optische Element 14 schaltbar sein und in dem Strahlengang der ersten Kameraoptik 24 vollständig angeordnet sein, und das zweite Umfeld würde auf vollständig auf den Bildsensor 3, also auf beide Teilbereiche 7a und 7b des Bildsensors 3 abgebildet. In sämtlichen Varianten steht der gesamte Bildsensor für das erste Umfeld zur Verfügung.
Das schaltbare optische Element 14 ist in dem ersten Schaltzustand im Wesentlichen transparent und in dem zweiten Schaltzustand im Wesentlichen reflektierend. Alternativ sind weitere Schaltzustände möglich, die Mischzustände des ersten und zweiten Schaltzustandes darstellen. Dabei kann die Transmission in Abhängigkeit der angelegten Spannung etwa im Bereich zwischen annähernd 0% und 100% geändert werden. Je nach vorhandener Regensituation kann der Hauptspiegel somit dynamisch in seiner Transmission verändert werden. Bei Trockenheit kann beispielsweise die höchste Transmission gewählt werden. In einem solchen Mischzustand werden das erste Umfeld und das zweite Umfeld auf dem Bildsensor mit steuerbarem Anteilsverhältnis überlagert. Eine Auswerte-Software kann dies berücksichtigen. Dem zusätzlichen Aufwand für die aufwändigere Auswertung steht gegenüber, dass die Primärfunktionen das Kamerabild über besonders lange Zeitintervalle nutzen können. Zusätzlich besteht die Möglichkeit in regelmäßigen Zeitabständen umzuschalten und ein dadurch ein genaueres Überprüfen der Regensituation zu gewährleisten.
Das schaltbare optische Element weist ein elektrochromes Material auf. Schaltbare Spiegel können beispielsweise mit einem LCD-Material realisiert werden.
In 4 erläutert ein Flussdiagramm das Verfahren zum Betreiben einer Kameraanordnung für ein Kraftfahrzeug, die eine Kamera 2 mit einem Bildsensor 3 zur Ausgabe von Bildsignalen S1 und optische Elemente aufweist, wobei die optischen Elemente ein schaltbares optisches Element aufweisen. Dabei wiederholen sich die Verfahrensschritte a) Schalten des schaltbaren optischen Elements in den ersten Schaltzustand; und b) Schalten des schaltbaren optischen Elements in den zweiten Schaltzustand.
In Verfahrensschritt a) ist das schaltbare optische Element 14 in einem ersten Schaltzustand und ist Teil einer ersten Kameraoptik 24 zum Erfassen eines ersten Umfeldes und Abbilden des ersten Umfeldes mit einer ersten Gegenstandsweite auf dem Bildsensor 3.
In Verfahrensschritt b) ist das schaltbare optische Element 14 in einem zweiten Schaltzustand und ist Teil einer zweiten Kameraoptik 25 zum Erfassen eines zweiten Umfeldes und Abbilden des zweiten Umfeldes mit einer von der ersten Gegenstandsweite verschiedenen zweiten Gegenstandsweite auf dem Bildsensor 3.
Vorteilhaft dauert der erste Schaltzustand wesentlich länger an als der zweite Schaltzustand. Vorzugsweise wird ein Umschalten zwischen dem ersten Schaltzustand und dem zweiten Schaltzustand entsprechend einer Fahrsituation und/oder Witterungssituation gesteuert.

Claims

Kameraanordnung (1) für ein Kraftfahrzeug, die eine Kamera (2) mit einem Bildsensor (3) zur Ausgabe von Bildsignalen (S1) und optische Elemente (12, 13, 14) aufweist, wobei optische Elemente (12, 14) eine erste Kameraoptik (24) zum Erfassen eines ersten Umfeldes und Abbilden des ersten Umfeldes mit einer ersten Gegenstandsweite auf dem Bildsensor (3) bilden, und optische Elemente (12, 13, 14) eine zweite Kameraoptik (25) zum Erfassen eines zweiten Umfeldes und Abbilden des zweiten Umfeldes mit einer von der ersten Gegenstandsweite verschiedenen zweiten Gegenstandsweite auf dem Bildsensor (3) bilden, wobei die optischen Elemente (12, 13, 14) ein schaltbares optisches Element (14) aufweisen, welches in einem ersten Schaltzustand Teil der ersten Kameraoptik (24) ist und in einem zweiten Schaltzustand Teil der zweiten Kameraoptik (25) ist, dadurch gekennzeichnet, dass das schaltbare optische Element (14) in dem ersten Schaltzustand transparent und in dem zweiten Schaltzustand reflektierend ist.
Kameraanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das schaltbare optische Element (14) in einem Strahlengang der ersten Kameraoptik (24) vollständig oder teilweise angeordnet ist.
Kameraanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das schaltbare optische Element (14) ein elektrochromes Material aufweist.
Kameraanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das schaltbare optische Element (14) ein LCD-Material aufweist.
Kameraanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das schaltbare optische Element (14) einen optisch wirksamen schaltbaren Bereich und einen optisch wirksamen nicht schaltbaren Bereich aufweist.
Kameraanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Kameraanordnung (1) im zweiten Schaltzustand als Regensensor eingerichtet ist.
Verfahren zum Betreiben einer Kameraanordnung für ein Kraftfahrzeug, die eine Kamera (2) mit einem Bildsensor (3) zur Ausgabe von Bildsignalen (S1) und optische Elemente aufweist, wobei optische Elemente eine erste Kameraoptik (25) zum Erfassen eines ersten Umfeldes und Abbilden des ersten Umfeldes mit einer ersten Gegenstandsweite auf dem Bildsensor (3) bilden, und optische Elemente eine zweite Kameraoptik (25) zum Erfassen eines zweiten Umfeldes und Abbilden des zweiten Umfeldes mit einer von der ersten Gegenstandsweite verschiedenen zweiten Gegenstandsweite auf dem Bildsensor (3) bilden, wobei die optischen Elemente ein schaltbares optisches Element (14) aufweisen, welches in einem ersten Schaltzustand Teil der ersten Kameraoptik ist und in einem zweiten Schaltzustand Teil der zweiten Kameraoptik (25) ist, und wobei das schaltbare optische Element (14) in dem ersten Schaltzustand transparent und in dem zweiten Schaltzustand reflektierend ist, mit den sich wiederholenden Verfahrensschritten a) Schalten des schaltbaren optischen Elements (14) in den ersten Schaltzustand; und b) Schalten des schaltbaren optischen Elements (14) in den zweiten Schaltzustand.
Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Schaltzustand wesentlich länger andauert als der zweite Schaltzustand.
Verfahren nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass ein Umschalten zwischen dem ersten Schaltzustand und dem zweiten Schaltzustand entsprechend einer Fahrsituation und/oder Witterungssituation gesteuert wird.