DE102011009075A1

DE102011009075A1 - Kameraanordnung für ein Kraftfahrzeug

Info

Publication number: DE102011009075A1
Application number: DE102011009075A
Authority: DE
Inventors: Dr. Eickhoff Marcus; Frank Bläsing; Gregor Böhne; Ralf Böbel
Original assignee: Leopold Kostal GmbH and Co KG
Current assignee: Kostal Automobil Elektrik GmbH and Co KG
Priority date: 2011-01-21
Filing date: 2011-01-21
Publication date: 2012-07-26
Anticipated expiration: 2031-01-22
Also published as: CN103329039B; DE102011009075B4; US20130162827A1; CN103329039A; US9525808B2; EP2666055A1; WO2012098192A1

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Kameraanordnung für ein Kraftfahrzeug mit einer im Fahrzeuginnenraum hinter einer Fahrzeugscheibe angeordneten Kamera und mit einem Strahlführungselement, das zwischen der Fahrzeugscheibe und der Kamera angeordnet ist, welches ein Prisma aufweist oder ausbildet, wobei die Kamera einen elektronischen Kamerasensor mit einem Pixelarray aufweist, wobei die optischen Eigenschaften der Kamera und des Prismas derart aufeinander abgestimmt sind, dass die durch die Dispersion des Prismas innerhalb des von der Kamera erfassten Wellenlängenbereichs bewirkte maximale Strahlverbreiterung auf dem Kamerasensor innerhalb einer Pixelgröße des Pixelarrays liegt.

Description

Die Erfindung betrifft eine Kameraanordnung für ein Kraftfahrzeug mit einer im Fahrzeuginnenraum hinter einer Fahrzeugscheibe angeordneten Kamera und mit einem Strahlführungselement, das zwischen der Fahrzeugscheibe und der Kamera angeordnet ist, welches ein Prisma aufweist oder ausbildet, wobei die Kamera einen elektronischen Kamerasensor mit einem Pixelarray aufweist.
Eine derartige Kameraanordnung ist aus der deutschen Offenlegungsschrift DE 10 2008 020 954 A1 bekannt.
Kameraanordnungen mit einer eine Fahrzeugsscheibe durchblickenden Kamera werden beispielsweise zur Fahrspur- und/oder zur Verkehrszeichenerkennung eingesetzt. In modernen Personenkraftwagen steht die als Windschutzscheibe bezeichnete vordere Fahrzeugscheibe aus aerodynamischen und ästhetischen Gründen unter einem relativ flachen Winkel (etwa 20° bis 25°) zum Horizont. Daher wird ein in horizontaler Richtung einfallender Lichtstrahl beim Eintritt in eine solche Fahrzeugscheibe stark gebrochen.
Normalerweise wird der Lichtstrahl beim Austritt aus der Fahrzeugscheibe erneut stark gebrochen. Es ist aber bekannt, dass ein prismenartiger Lichtleitkörper brechungsfrei oder mit nur geringer Brechung an die Innenseite der Fahrzeugscheibe angekoppelt werden kann, so dass der Strahlengang in vorteilhafter Weise modifiziert wird. Derartige Lichtleitkörper können allerdings auch geometrische Verzerrungen sowie störende Farbfehler bewirken.
Bei den geometrischen Verzerrungen handelt es sich sowohl um Stauchungen oder Dehnungen als auch um Krümmungen der Kamerabilder. Diese sind relativ unproblematisch, da sie nachträglich rechnerisch beseitigt werden können. Die Kompensation von Farbfehlern von Prismenanordnungen kann dagegen sehr aufwendig sein. Zumeist sind dazu mehrere Prismen vorgesehen, die aus unterschiedlichen, und teilweise teuren Materialien bestehen oder die in geometrisch komplexer Weise zueinander anzuordnen sind.
Es stellte sich die Aufgabe, eine besonders einfache und kostengünstige gattungsgemäße Kameraanordnung für ein Kraftfahrzeug zu schaffen, welche keine oder nur geringe Farbfehler aufweist.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass die optischen Eigenschaften der Kamera und des Prismas derart aufeinander abgestimmt sind, dass die durch die Dispersion des Prismas innerhalb des von der Kamera erfassten Wellenlängenbereichs bewirkte maximale Strahlverbreiterung auf dem Kamerasensor innerhalb einer Pixelgröße des Pixelarrays liegt.
Die erfindungsgemäße Kameraanordnung ist besonders kostengünstig herstellbar, da sie mit nur einem einzigen Prisma auskommt.
Die Erfindung beruht auf der Überlegung, dass Unschärfen bzw. Farbfehler durch die Dispersion des Prismas erst dann erkennbar werden, wenn ein Punkt eines von der Kamera erfassten Gegenstands auf unterschiedliche Pixel des Kamerasensors der Kamera abgebildet wird. Abbildungsfehler von optischen Elementen bleiben daher unbemerkt, solange sie unterhalb der Pixelgröße bleiben.
Die optisch wirksamen Flächen eines optischen Prismas sind normalerweise so plan, dass durch die Restunebenheiten kein erkennbarer Fehler entsteht. Außerdem ist das Material eines optischen Prismas üblicherweise so homogen, dass dadurch ebenfalls kein erkennbarer Fehler entsteht.
Wenn also ein einfaches Prisma (im Gegensatz zu einer dispersionskompensierenden Anordnung mehrerer Prismen) vor der Linse bzw. vor dem Objektiv der Kamera eingesetzt wird, ist eine Verschlechterung der Abbildungsqualität hauptsächlich durch die Dispersionseigenschaften des Prismenmaterials zu erwarten. Verschiedene Wellenlängen werden durch das Prisma unterschiedlich abgelenkt, so dass dann auch die Einfallswinkel auf dem Kamerasensor verschieden sind. Damit die Lichtstrahlen aller Wellenlängen, die für die Erzeugung eines Bildpunktes relevant sind, hinreichend gut auf ein einziges Pixel abgebildet werden, muss der Prismenwinkel so klein sein, dass die Differenz der Einfallswinkel auf dem Kamerasensor unterhalb der genannten Auflösungsgrenze bleibt.
Die optischen Eigenschaften der Kamera und des Prismas sind daher geeignet aufeinander abzustimmen. Hierbei gehen seitens des Prisma der Brechungsindex der Prismenmaterials und dessen Änderung (Dispersionsrelation) über den Wellenlängenbereich des von der Kamera erfassten Lichts, der Einfallswinkel des Lichts, sowie der Wert des brechenden Winkels des Prismas ein. Seitens der Kamera ist besonders die Größe bzw. der Abstand der Pixel auf dem Kamerasensor relevant.
Diese Werte sind derart aufeinander abzustimmen, dass die durch die Dispersion des Prismas maximal mögliche Strahlverbreiterung nicht größer als ein Pixel des Kamerasensors werden kann. Insbesondere wird der Prismenwinkel gezielt so gewählt, dass die gewünschte Prismenwirkung, also beispielsweise die Lichtstrahlablenkung oder die geometrische Stauchung, möglichst groß, aber die Punktverbreiterung auf dem Kamerasensor durch den chromatischen Fehler noch hinreichend klein ist.
Im Folgenden soll die Erfindung anhand der Zeichnung dargestellt und näher erläutert werden. Es zeigen
1 eine schematisch dargestellte Kameraanordnung,
2 eine Skizze zum Auflösungsvermögen eines Kamerasensors,
3 eine Skizze zur Strahlaufweitung durch die Dispersion des Prismenmaterials.
Die 1 zeigt die prinzipielle Anordnung der Komponenten einer erfindungsgemäßen Kameraanordnung. Vorrangig soll das Aufbau- und Funktionsprinzip verdeutlicht werden; daher sind die dargestellten Komponenten hinsichtlich einer realen konstruktiven Umsetzung weder größen- noch winkelgetreu zueinander dargestellt.
Die Anordnung besteht aus einem Prisma 3 und einer Kamera 7, wobei die Kamera 7 derart angeordnet ist, dass sie eine Fahrzeugscheibe 2 durchblickt, also Licht von der Außenseite der Fahrzeugscheibe 2 aufnimmt. Dabei verläuft der Strahlengang 1 von der Fahrzeugscheibe 2 bis zur Kamera 7 durch das Prisma 3 und durch ein, sich zwischen Prisma 3 und Kamera 7 befindendes optisches Medium 4. Der Einfachheit halber sei angenommen, dass als optisches Medium 4 Luft vorgesehen sei.
Die Kamera 7 besteht aus zumindest einem Objektiv 6 und einem Licht registrierenden Kamerasensor 5. Das Objektiv 6 weist dabei zumindest eine fokussierend wirkende Linse auf. Selbstverständlich können weitere optische, elektronische oder mechanische Komponenten, insbesondere ein Gehäuse, ebenfalls Bestandteile der Kamera 7 sein.
Zur Verdeutlichung des Strahlengangs ist in der 1 der Verlauf von drei parallel einfallenden Lichtstrahlen 1 dargestellt, die etwa horizontal auf die Außenseite der gegen die Einfallsrichtung geneigten Fahrzeugscheibe 2 treffen. Beim Eintritt in die Fahrzeugscheibe 2 werden die Lichtstrahlen 1 zum Scheibenlot hin gebrochen.
An der Innenseite der Fahrzeugscheibe 2 ist das Prisma 3 angeordnet. Das Prisma 3 weist vorzugsweise einen gleichen oder ähnlichen Brechungsindex auf wie die Fahrzeugscheibe 2, und ist optisch an die Fahrzeugscheibe 2 angekoppelt, so dass im Übergangsbereich zwischen der Fahrzeugscheibe 2 und dem Prisma 3 praktisch keine Winkelablenkung der Lichtstrahlen 1 erfolgt. Die nach Durchgang durch das Prisma 3 noch immer parallel zueinander verlaufende Lichtstrahlen 1 werden durch das Kameraobjektiv 6 auf den Kamerasensor 5 der Kamera 7 fokussiert.
Das in der 1 dargestellte Prisma 3 hat einen relativen kleinen brechenden Winkel β und weist daher nicht die für Prismen typische Keilform auf, sondern ist als eine Platte mit nicht planparallelen Hauptflächen ausgebildet. Man kann sich dieses Prisma 3 auch als eine einstückige Verbindung aus einer planparallelen Platte und einem sehr spitzwinkligen Prismenkeil vorstellen. Der brechende Winkel β beträgt bei dem hier skizzierten Prisma 3 etwa 2°.
Die 2 verdeutlicht das Auflösungsvermögen des Kamerasensors 5 einer Kamera. Stellvertretend für das Objektiv 6 ist eine einzelne Linse 6' dargestellt. Durch gestrichelte Linien sind die Hauptebene der Linse 6' und die optische Achse der Kamera angedeutet. Im Abstand der Brennweite f von der Linse 6' ein Kamerasensor 5 im Querschnitt erkennbar. Es sei angenommen, der Kamerasensor 5 bestehe aus einem, nicht als Einzelteil dargestellten, Pixelarray mit der Pixelgröße p.
Ein unter dem Winkel α zur optischen Achse als Mittelpunktsstrahl auf die Linse 6' fallender Lichtstrahl fällt ungebrochen, also unter einem gleichgroßen Winkel α' zur optischen Achse, auf die Oberfläche des Kamerasensors 5 und wird dort auf das, gezählt von der Sensormitte, k-te Pixel des Kamerasensors 5 abgebildet. Aus der 2 lässt sich folgender Zusammenhang ablesen: tanα' = x/f = kp/f
Ein Zahlenbeispiel: bei einer Brennweite f = 10 mm und einer Pixelgröße p = 10 μm erhält man tan1° = k·0.010/10, also eine Auflösung der Kamera von n = 17,455 Pixel pro Grad für kleine Winkel α'.
Das Prinzip der Erfindung wird im Folgenden anhand der 3 erläutert. Die 3 verdeutlicht zunächst in einer stark vereinfachten, rein qualitativen Darstellung, das Entstehen von Farbfehlern, bei einer Anordnung mit einem Prisma.
In ein (hier nicht dargestelltes) Prisma einfallendes Licht wird bekanntermaßen aufgrund der Dispersionseigenschaften des Prismenmaterials in die im Licht enthaltenen Spektralfarben zerlegt. Trifft beispielsweise weißes Licht unter einem gegebenen Einfallswinkel auf das Prisma, so treten die verschieden Farben oder Wellenlängen unter verschieden Ablenkwinkeln aus dem Prisma aus. Der dabei abgedeckte Winkelbereich lässt sich für sichtbares Licht durch den Ablenkwinkel α_blau des am stärksten gebrochenen kurzwelligen Lichts und dem Ablenkwinkel α_rot des am schwächsten gebrochenen langwelligen Lichts abschätzen. Für die Kameraanordnung ist jedoch nicht das Spektrum des einfallenden Lichtes, sondern nur das des auch von der Kameraanordnung detektierbare Lichtes relevant. Aufgrund der Transmissionseigenschaften z. B. der Fahrzeugscheibe 2 oder des Objektives 6 und der spektralen Empfindlichkeit des Kamerachips 5 ist das Spektrum des detektierten Lichtes im Vergleich zum Spektrum des einfallenden Lichtes normalerweise reduziert. Sinngemäß bedeuten daher α_blau und α_rot die Ablenkwinkel des Lichtes mit der kürzesten und der längsten detektierbaren Wellenlänge.
Die sich ergebenden Zahlenwerte für diese Ablenkwinkel hängen dabei neben dem Dispersionsverlauf des verwendeten Prismenmaterials auch noch von der Geometrie des Prismas und vom Einfallswinkel des Lichts in das Primas 3 ab und kann für die jeweilige Anordnung rechnerisch oder experimentell bestimmt werden.
Aufgrund der Winkelaufspaltung wird der dispersionsverbreiterte Strahl somit auf dem Kamerasensor auf eine Breite von Δx = (tanα_blau – tanα_rot)·f abgebildet.
Damit sich die Dispersion des Prismas 3 nicht störend bemerkbar macht, ist es vorgesehen, die Komponenten der in der 1 skizzierten Kameraanordnung so aufeinander abzustimmen, dass die Dispersionsverbreiterung kleiner als die Pixelgröße p des Kamerasensors 5 bleibt: (tanα_blau – tanα_rot)·f < p
Dies kann dadurch geeignete Wahl des Prismenmaterials, der Prismengeometrie, der spektralen Eigenschaften der Kameraanordnung sowie des Auflösungsvermögens des Kamerasensors 5 erreicht werden.
Die durch die Pixelgröße p bedingte Auflösung stellt eine sinnvolle Grenze für die gesamte Kameraoptik dar. Die Linse 6' (bzw. das Objektiv 6) braucht keine Auflösung aufzuweisen, die unterhalb der Pixelgröße p liegt. Auch Fehler anderer optischer Elemente sind irrelevant, solange der gesamte Abbildungsfehler unterhalb der Pixelgröße p bleibt.
Die hier beschriebene Kameraanordnung vermeidet damit chromatische Fehler, ohne dass Kompensationsmaßnahmen mit aufwendigen mehrteiligen Prismenanordnungen erforderlich sind.
Bezugszeichenliste

1,: Lichtstrahlen (Strahlengang)
2: Fahrzeugscheibe
3: Prisma
4: optisches Medium
5: Kamerasensor
6: (Kamera)Objektiv
6': Linse
7: Kamera
α, α': Winkel
α_rot, α_blau: Ablenkwinkel
β: brechender Winkel
f: Brennweite
k: Anzahl Pixel
p: Pixelgröße
x: Abstand

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

DE 102008020954 A1 [0002]

Claims

Kameraanordnung für ein Kraftfahrzeug mit einer im Fahrzeuginnenraum hinter einer Fahrzeugscheibe (2) angeordneten Kamera (7) und mit einem Strahlführungselement, das zwischen der Fahrzeugscheibe (2) und der Kamera (7) angeordnet ist, welches ein Prisma (3) aufweist oder ausbildet, wobei die Kamera (7) einen elektronischen Kamerasensor (5) mit einem Pixelarray aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass die optischen Eigenschaften der Kamera (7) und des Prismas (3) derart aufeinander abgestimmt sind, dass die durch die Dispersion des Prismas (3) innerhalb des von der Kamera (7) erfassten Wellenlängenbereichs bewirkte maximale Strahlverbreiterung auf dem Kamerasensor (5) innerhalb einer Pixelgröße des Pixelarrays liegt.
Kameraanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der von der Kamera (7) erfasste Wellenlängenbereich im wesentlichen dem für das menschliche Auge sichtbaren Wellenlängenbereich entspricht.
Kameraanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der brechende Winkel (β) des Prismas (3), sowie die Brennweite f des Kameraobjektivs (6) und die Pixelgröße p des Kamerasensors (5) derart aufeinander abgestimmt sind, dass die Kameraanordnung für jeden Punkt des Pixelarrays folgende Beziehung einhält: (tanα_blau – tanα_rot)·f < p wobei α_blau und α_rot die Ablenkwinkel bezeichnen, unter denen ein Punkt des abzubildenden Gegenstands für maximal kurzwelliges und maximal langwelliges Licht aus dem von der Kamera (7) erfassten Wellenlängenbereich auf dem Kamerasensor (5) abgebildet wird.
Kameraanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Strahlführungselement neben den optisch wirksamen Flächen des Prismas (3) Elemente enthält, die der Befestigung und/oder Ausrichtung der Kamera (7) dienen.
Kameraanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Strahlführungselement neben den optisch wirksamen Flächen des Prismas (3) Elemente enthält, die der Unterdrückung von Streulicht dienen.
Kameraanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Prisma (3) einen brechenden Winkel (β) von maximal 4° aufweist.