DE102020116468A1

DE102020116468A1 - Stereokamera

Info

Publication number: DE102020116468A1
Application number: DE102020116468.8A
Authority: DE
Inventors: Kazuyoshi Yamazaki; Tshiki Ishii
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 2019-07-05
Filing date: 2020-06-23
Publication date: 2021-01-07
Anticipated expiration: 2040-06-24
Also published as: JP2021012075A; DE102020116468A8; US20210006771A1; DE102020116468B4; JP7134925B2; CN112255880B; US11405600B2; CN112255880A

Abstract

Ein erster Spiegel (102) hat eine in einer ersten Richtung konvexe reflektierende Fläche, einen ersten Scheitelpunkt und eine erste Fächerform. Ein zweiter Spiegel (103) hat eine in einer zweiten Richtung konvexe reflektierende Fläche, einen zweiten Scheitelpunkt und eine zweite Fächerform. Eine Abbildungsoptik (104) erzeugt Bilder eines ersten Lichtstrahls (R1), der von einem Objekt emittiert, von der ersten reflektierenden Fläche und anschließend von der zweiten reflektierenden Fläche reflektiert wird, und eines zweiten Lichtstrahls (R2), der von dem Objekt emittiert und von der zweiten reflektierenden Fläche reflektiert wird. Die erste und die zweite Fächerform haben Innenwinkel von 180° oder mehr. Die Mittenposition eines Bildsensors (105) ist gegenüber der optischen Achse der Abbildungsoptik (104) versetzt. Eine kurze Seite der Lichtaufnahmefläche des Bildsensors (105) und die Mittellinie des Bildes der ersten oder der zweiten Fächerform sind im Wesentlichen parallel.

Description

STAND DER TECHNIK
Bekannt ist eine Stereokamera, die gleichzeitig Bilder eines Objekts aus mehreren unterschiedlichen Richtungen aufnimmt, so dass sich Informationen, etwa die Entfernung zum Objekt, erhalten lassen. Die Stereokameratechnik hat sich zu Kameras beispielsweise für automatisches Fahren, automatisches Bremsen und automatische Spurführung eines Automobils, weiterentwickelt.
Um vollautomatisches Fahren eines Automobils zu erreichen, ist es erforderlich, ein Objekt, das sich um das gesteuerte Fahrzeug herum mit hoher Geschwindigkeit bewegt, in einem weiten Bereich genau zu erfassen und zu orten. Wird beispielsweise ein sich mit 70 km/h bewegendes Objekt (etwa ein Motorrad) mit einem Sensor am vorderen Ende des Automobils erfasst, so gelten eine Winkelauflösung von 0,06°/Pixel und eine Ortungsgenauigkeit von 10% bei einer Entfernung von 100 m als notwendig.
Bezüglich dieser Anforderung besteht bei der existierenden Laserbilderfassung und -ortung (LIDAR = Laser Imaging Detection and Ranging) und beim Millimeterwellenradar das Problem, dass eine Kombination mit einer Kamera benötigt wird, um ihre Umgebung genau zu erfassen. Bei einem Abtasterfassungsgerät besteht wegen der Notwendigkeit eines beweglichen Teils und unzureichender Ansprechgeschwindigkeit das Problem hoher Kosten.
Bei einer herkömmlichen Stereokamera werden gewöhnlich zwei Bildsensoren benötigt, die in einem der Parallaxe entsprechenden Abstand zu montieren sind, was bei einem autonomen Fahrzeug zu erhöhten Kosten und größeren Abmessungen führt. Es besteht das Problem, dass es wegen der erhöhten Größe schwierig ist, sie am rechten und linken Vorderende eines Automobils anzubringen und ihre Weitwinkelerfassung zu gewährleisten (siehe JP-Patentschrift 4388530 ).
Daher ist, wenn eine Stereokamera an einem autonomen Fahrzeug montiert wird, eine solche erwünscht, die eine Weitwinkelerfassung mit hoher Genauigkeit bei kleiner Größe gewährleistet.
ZUSAMMENFASSUNG
Die vorliegende Erfindung vermittelt eine solche Stereokamera, die eine Weitwinkelerfassung mit hoher Genauigkeit bei kleiner Größe gewährleistet.
Zu Lösung der oben beschriebenen Probleme umfasst eine erfindungsgemäße Stereokamera einen ersten Spiegel, einen zweiten Spiegel, eine Abbildungsoptik und einen Bildsensor. Der erste Spiegel hat eine erste reflektierende Fläche in Form einer in einer ersten Richtung konvex gekrümmten Fläche, einen ersten Scheitelpunkt und eine erste Fächerform. Der zweite Spiegel hat eine zweite reflektierende Fläche, die in einer zu der ersten Richtung entgegengesetzten zweiten Richtung konvex ist, einen zweiten Scheitelpunkt gegenüber dem ersten Scheitelpunkt und eine zweite Fächerform. Die Abbildungsoptik erzeugt Bilder aus einem ersten und einem zweiten Lichtstrahl. Der erste Lichtstrahl wird von einem Objekt emittiert, von der ersten reflektierenden Fläche reflektiert und anschließend von der zweiten reflektierenden Fläche weiter reflektiert. Der zweite Lichtstrahl wird von dem Objekt emittiert und von der zweiten reflektierenden Fläche reflektiert. Der Bildsensor empfängt den ersten und den zweiten Lichtstrahl durch die Abbildungsoptik. Der zweite Spiegel umfasst einen inneren und einen äußeren Spiegel. Der äußere Spiegel ist am Außenrand des inneren Spiegels positioniert. Der äußere Spiegel hat eine andere Konuskonstante als der innere Spiegel. Die erste und die zweite Fächerform weisen Innenwinkel von 180° oder mehr auf. Ferner ist der Bildsensor an einer gegenüber der optischen Achse der Abbildungsoptik versetzten Stelle angeordnet, wobei die kurze Seite der Lichtaufnahmefläche des Bildsensors und die Mittellinie des Bildes der ersten und der zweiten Fächerform im Wesentlichen parallel sind.
Die vorliegende Erfindung vermittelt eine Stereokamera und eine mit dieser integrierte Scheinwerfereinheit, die eine hochgenaue Weitwinkel-Erfassung gewährleisten und kleine Bauform haben.
Figurenliste

1 ist eine schematische perspektivische Darstellung des Aufbaus einer Stereokamera gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel;
2 ist eine detailliertere schematische Darstellung eines oberen Hyperboloidspiegels 102 und eines unteren Hyperboloidspiegels 103 (eines inneren Hyperboloidspiegels 103A und eines äußeren Hyperboloidspiegels 103B);
3 ist eine schematische Darstellung der Positionsbeziehung zwischen einer Abbildungsoptik 104 und einem Bildsensor 105;
4 zeigt ein Beispiel des Lichtaufnahmezustands des Bildsensors 105 in dem Fall, dass die Mittenposition CP1 im Wesentlichen der optischen Achse Ox2 entspricht;
5 zeigt ein Beispiel des Lichtaufnahmezustands des Bildsensors 105 in dem Fall, dass die Mittenposition CP1 gegenüber der optischen Achse Ox2 versetzt ist;
6 ist ein Diagramm zur Veranschaulichung der Relation zwischen dem Blickwinkel δ in senkrechter Richtung der Stereokamera 101 und der Auflösung;
7 ist ein Diagramm zur Veranschaulichung der Relation zwischen dem Blickwinkel θ der Abbildungsoptik 104 und der Bildhöhe Hr;
8A und 8B sind schematische Darstellungen der Strukturen des inneren Hyperboloidspiegels 103A und des äußeren Hyperboloidspiegels 103B und ihrer Effekte; 7.
9 ist eine schematische perspektivische Darstellung des Aufbaus der Stereokamera 101 gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel.

DETAILLIERTE BESCHREIBUNG
Im Folgenden werden Ausführungsbeispiele anhand der Zeichnungen beschrieben. In diesen sind funktionell gleiche Bauelemente in einigen Fällen mit gleichen Bezugszeichen bezeichnet. Die Zeichnungen zeigen zwar Beispiele und Ausführungsbeispiele gemäß einem Prinzip der vorliegenden Offenbarung; sie dienen dem Verständnis der Offenbarung und beschränken sie keinesfalls. Die Beschreibung bezieht sich nur auf typische Beispiele und stellt daher keinerlei Beschränkung der Ansprüche oder Anwendungsbeispiele der vorliegenden Offenbarung dar.
Obwohl die Ausführungsbeispiele eine ausreichend detaillierte Beschreibung geben dürften, so dass der Fachmann die Offenbarung ausführen kann, wird darauf hingewiesen, dass weitere Anwendungen und Konfigurationen sowie Änderungen in den Konfigurationen und Strukturen der verschiedenen Elemente möglich sind, ohne Umfang und Sinn der technischen Idee der vorliegenden Offenbarung zu verlassen. Die nachstehende Beschreibung ist daher nicht einschränkend zu interpretieren.
Erstes Ausführungsbeispiel
Anhand von 1 wird eine Stereokamera 101 gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel beschrieben. Diese Stereokamera 101 ist als ein Beispiel aus einem oberen Hyperboloidspiegel 102, einem unteren Hyperboloidspiegel 103, einer Abbildungsoptik 104 und einem Bildsensor 105 aufgebaut. Die Stereokamera 101 ist mit einem Entfernungsrechner 117 zur Erzeugung einer Entfernungsinformation und einer Fahrsteuerung 118 zum Antrieb und zur Steuerung des Systems gekoppelt. Für ein Paar von Hyperboloidspiegeln (den oberen Hyperboloidspiegel 102 und den unteren Hyperboloidspiegel 103) sind jeweils eine Abbildungsoptik 104 und ein Bildsensor 105 ausreichend. Der einzige Bildsensor 105 ist in der Lage, Positionsinformationen eines Objekts im dreidimensionalen Raum zu erfassen, woraus im Vergleich zu einer herkömmlichen Stereokamera, die zwei Bildsensoren benötigt, geringere Kosten resultieren.
Der obere Hyperboloidspiegel 102 und der untere Hyperboloidspiegel 103 bilden eine Hyperboloidspiegeleinheit. Der obere Hyperboloidspiegel 102 hat die Form eines nach unten (in negativer Richtung einer z-Achse (einer ersten Richtung)) konvex gekrümmten oberen Hyperboloids, während der untere Hyperboloidspiegel 102 umgekehrt die Form eines nach oben (in der positiven Richtung der z-Achse (der zweiten Richtung)) konvex gekrümmten unteren Hyperboloids hat. Mit anderen Worten stehen der Scheitelpunkt des oberen Hyperboloidspiegel 102 und der Scheitelpunkt des unteren Hyperboloidspiegel 103 einander gegenüber, wobei diese beiden Hyperboloidspiegel 102 und 103 so angeordnet sind, dass ihre Mittelachsen Ox zusammenfallen. In dem Beispiel der 1 ist der obere Hyperboloidspiegel 102 oben und der untere Hyperboloidspiegel 103 unten angeordnet; diese Oben-Unten-Beziehung kann aber auch umgekehrt werden.
Der untere Hyperboloidspiegel 103 ist ferner in einen inneren Hyperboloidspiegel 103A und einen äußeren Hyperboloidspiegel 103B aufgeteilt. Der innere Hyperboloidspiegel 103A befindet sich an einer den Scheitelpunkt der Hyperboloids enthaltenden Stelle, während der äußere Hyperboloidspiegel 103B am äußeren Umfang der Außenkante des inneren Hyperboloidspiegel 103A angeordnet ist. Der innere und der äußere Hyperboloidspiegel 103A, 103B haben eine gemeinsame Mittelachse Ox, aber unterschiedliche Konuskonstanten. An ihrer Grenze besteht ein Höhenunterschied, wobei der innere Hyperboloidspiegel 103A gegenüber dem äußeren Hyperboloidspiegel 103B nach oben herausragt.
Der obere Hyperboloidspiegel 102 hat keine über den gesamten Hyperboloidumfang (360°) reflektierende Fläche, sondern ist zu einer (ersten) Fächerform mit einem Innenwinkel θ1 von 180° oder mehr und weniger als 360° beschnitten. Ähnlich hat auch der untere Hyperboloidspiegel 103 keine über den gesamten Hyperboloidumfang (360°) reflektierende Fläche, sondern ist zu einer (zweiten) Fächerform mit einem Innenwinkel θ2 von 180° oder mehr und weniger als 360° beschnitten. Die Innenwinkel θ1 und θ2sind entsprechend dem horizontalen Blickwinkel der Stereokamera 101 gewählt.
Die genannten Fächerformen verbessern die Auflösung des Bildsensors 105 mit dem Ergebnis einer erhöhten Genauigkeit in der Entfernungsmessung der Videokamera. Dies wird weiter unten beschrieben. Zu beachten ist, dass sich die Fächerform nicht darauf beschränkt, dass ein Teil des Kreises längs seinem Radius linear beschnitten ist. So umfasst die hier beschriebene Fächerform beispielsweise, wie in 1 gezeigt, auch eine Form, bei der die reflektierende Fläche nahe dem Scheitelpunkt beschnitten ist. Im Folgenden wird gesagt, dass die Innenwinkel θ1 und θ2 gleich groß sind; sie können aber auch verschieden sein.
Die Stereokamera 101 bewirkt, dass die Hyperboloidspiegel (der obere und der untere Hyperboloidspiegel 102, 103) das Licht von einem Objekt innerhalb eines vorgegebenen horizontalen Blickwinkels reflektieren, woraus sich Informationen über die Entfernung zu dem Objekt erhalten lassen. Dabei wird ein erster Lichtstrahl R1 von dem Objekt nach Reflexion durch den oberen Hyperboloidspiegel 102 weiter durch den unteren Hyperboloidspiegel 103 (den inneren Hyperboloidspiegel 103A) reflektiert und gelangt durch die Abbildungsoptik 104 an den Bildsensor 105. Ein von dem ersten Lichtstrahl R1 verschiedener zweiter Lichtstrahl R2 wird von dem unteren Hyperboloidspiegel 103 (dem äußeren Hyperboloidspiegel 103B) reflektiert und gelangt durch die Abbildungsoptik 104 an den Bildsensor 105. Der erste und der zweite Lichtstrahl R1, R2 treffen aus unterschiedlichen Richtungen auf den Bildsensor 105, was die Berechnung etwa der Entfernung zum Objekt gestattet.
Die Abbildungsoptik 104 ist aus einer Linse oder einer Kombination mehrerer Linsen aufgebaut und lässt sich vorzugsweise auf einer die Scheitelpunkte des oberen und des unteren Hyperboloidspiegels 102, 103 verbindenden Geraden anordnen.
Der Bildsensor 105 ist beispielsweise ein aus CMOS (Complementary Metal Oxide Semiconductor) bestehender oder von einem CCD (Charged Coupled Device) gebildeter Sensor und so ausgelegt, dass er aufgrund des über die Abbildungsoptik 104 empfangenen Lichts entsprechend der Steuerung durch die Fahrsteuerung 118 ein Bild erzeugt und das Bildsignal dem Entfernungsrechner 117 zuführt.
Die Fahrsteuerung 118 steuert ein Fahrzeug aufgrund der Entfernungsinformation aus dem Entfernungsrechner 117. Die Fahrzeugsteuerung enthält beispielsweise eine Kollisionsschäden vermindernde Bremse und eine Spurhalteunterstützung. Der Entfernungsrechner 117 erzeugt aufgrund des zugeführten Ausgangsbildes dreidimensionale Positionsinformationen des Objekts. Dabei berechnet er aufgrund des ersten und des zweiten Lichtstrahls R1, R2 durch Analyse des Bildsignals die dreidimensionale Position oder Entfernung des Objekts. Diese dreidimensionale Information kann einer elektronischen Steuereinheit (ECU) des Automobils, an dem die Stereokamera 101 montiert ist, oder über eine (nicht gezeigte) Übertragungssteuereinheit einem extern Server zugeführt werden.
Als Nächstes werden anhand von 2 der obere Hyperboloidspiegel 102 und der untere Hyperboloidspiegel 103 (der innere und der äußere Hyperboloidspiegel 103A. 103B) noch detaillierter beschrieben.
Der obere Hyperboloidspiegel 102, der innere Hyperboloidspiegel 103A und der äußere Hyperboloidspiegel 103B weisen jeweils Hyperboloide auf, die sich als durch die folgende Gleichung [1] ausgedrückte quadrische Flächen spezifizieren lassen. Ist die Konuskonstante k kleiner als -1, so wird die quadrische Fläche ein Hyperboloid. Die Konuskonstante k des inneren Hyperboloidspiegels 103A hat einen Absolutwert, der größer gewählt wird als der Absolutwert der Konuskonstante k des äußeren Hyperboloidspiegels 103B. $z (r) = \frac{c r^{2}}{1 + \sqrt{1 - (1 + k) c^{2} r^{2}}}$
In der Gleichung [1] ist z(r) der Betrag des Durchhangs einer Fläche in Richtung der optischen Achse mit dem Scheitelpunkt auf der optischen Achse als Ursprung, wobei c die Krümmung auf der optischen Achse und r die radiale Koordinate von der optischen Achse bedeuten.
Allgemein hat ein Hyperboloid zwei Brennpunkte, deren Koordinaten durch die folgende Gleichung [2] mit dem Flächenscheitel als Bezugspunkt ausgedrückt werden: $f = \frac{1}{c (1 \pm \sqrt{- k})}$
Dabei liegt die Koordinate f eines Brennpunktes innerhalb des Hyperboloids, wenn „±“ in der Gleichung [2] + ist, und außerhalb des Hyperboloids, wenn „+“ - ist. Im Folgenden wird ein Brennpunkt innerhalb des Hyperboloids als „erster Brennpunkt“ und ein Brennpunkt außerhalb des Hyperboloids als „zweiter Brennpunkt“ bezeichnet.
Der obere Hyperboloidspiegel 102 und der innere Hyperboloidspiegel 103A sind so angeordnet, dass der zweite Brennpunkt FPu2 des oberen Hyperboloidspiegels 102 i Wesentlichen mit dem ersten Brennpunkt FPdi1 der inneren Hyperboloidspiegels 103A zusammenfällt. Der erste Brennpunkt FPdo1 des äußeren Hyperboloidspiegels 103B braucht mit dem zweiten Brennpunkt FPu2 und dem ersten Brennpunkt FPdi1 nicht zusammenzufallen; vorzugsweise ist der äußere Hyperboloidspiegel 103B aber so angeordnet, dass der erste Brennpunkt FPdo1 in deren Nähe liegt.
Der innere und der äußere Hyperboloidspiegel 103A, 103B sind so angeordnet, dass der zweite Brennpunkt FPdo2 des äußeren Hyperboloidspiegels 103B im Wesentlichen mit dem zweiten Brennpunkt FPdi2 des inneren Hyperboloidspiegels 103A zusammenfällt. Die Abbildungsoptik 104 ist an dieser Stelle des zweiten Brennpunkts FPdo2 und des zweiten Brennpunkts FPdi2 angeordnet. Während der erste Brennpunkt FPu1 des oberen Hyperboloidspiegels 102 im Wesentlichen mit der Position des zweiten Brennpunktes FPdo2 und des zweiten Brennpunktes FPdi2 zusammenfallen kann, liegt er vorzugsweise in deren Nähe, insbesondere an einer bezüglich der Position des zweiten Brennpunktes FPdo2 und des zweiten Brennpunktes FPdi2 oberen Seite.
Die Tatsache, dass zwischen dem oberen und dem unteren Hyperboloidspiegel 102, 103 die oben beschriebene Positionsbeziehung besteht, wird der von dem Objekt zu dem ersten Brennpunkt FPu1 gerichtete erste Lichtstrahl R1 nach Reflexion durch den oberen Hyperboloidspiegel 102 zu dem zweiten Brennpunkt FPu2 gerichtet. Da der zweite Brennpunkt FPu2 und der erste Brennpunkt FPdi1 im Wesentlichen zusammenfallen, wird der von dem inneren Hyperboloidspiegel 103A reflektierte Lichtstrahl zu dem zweiten Brennpunkt FPdi2 (dem zweiten Brennpunkt FPdo2) gerichtet. Dieser Lichtstrahl gelangt durch die Abbindungsoptik 104 in den Bildsensor 105.
Der von dem Objekt zu dem ersten Brennpunkt FPdo1 gerichtete zweite Lichtstrahl R2 verläuft nach Reflexion an dem äußeren Hyperboloidspiegel 103B zu dem zweiten Brennpunkt FPdo2 (dem zweiten Brennpunkt FPdi2). Der zweite Lichtstrahl R2 erreicht die Abbildungsoptik 104 unter einem anderen Einfallswinkel als der erste Lichtstrahl R1, was bewirkt, dass er auf die Lichtaufnahmefläche des Bildsensors an einer anderen Stelle trifft als der erste Lichtstrahl R1.
Auf den Bildsensor 105 werden somit aufgrund des ersten Lichtstrahls R1 ein von dem ersten Brennpunkt FPu1 betrachtetes Bild des Objekts und aufgrund des zweiten Lichtstrahls R2 ein von dem ersten Brennpunkt FPdo1 betrachtetes Bild des Objekts projiziert. Diese Bilder sind die Ausgangsbilder. Wie oben beschrieben, hat die Konuskonstante k des inneren Hyperboloidspiegels 103A einen größeren Absolutwert als die Konuskonstante k des äußeren Hyperboloidspiegels 103B. Dadurch werden die Größen des von dem ersten Brennpunkt (dem oberen Brennpunkt) FPu1 und des von dem ersten Brennpunkt (dem unteren Brennpunkt) FPdo1 aus betrachteten Objektbildes in den Ausgangsbildern des Bildsensors 105 ausgeglichen. Dieser Bildgrößenausgleich stellt eine Anpassung in der Auflösung der beiden Bilder sicher, woraus eine erhöhte Genauigkeit bei der Parallaxe-Anpassung resultiert.
Anhand von 3 folgt eine Beschreibung der Positionsrelation zwischen der Abbildungsoptik 104 und dem Bildsensor 105. Die optische Achse Ox2 der Abbildungsoptik 104 ist so gelegt, dass sie mit den Mittelachsen Ox des oberen Hyperboloidspiegels 102 und des unteren Hyperboloidspiegel 103 zusammenfällt. Andererseits liegt die Mittenposition CP1 der Lichtaufnahmefläche des Bildsensors 105 an einer gegenüber diesen optischen Achsen Ox2 versetzten Stelle. Genauer ist der Bildsensor 105 so angeordnet, dass die optische Achse Ox2 der Abbildungsoptik 104 bezüglich der Mittenposition CP1 des Bildsensors 105 in einer Richtung im Wesentlichen parallel zur kurzen Seite Lx des Bildsensors 105 versetzt ist. Dies gewährleistet, dass die Lichtstrahlen, die von dem oberen und dem unteren Hyperboloidspiegel 102, 103, die die Fächerformen mit einem Innenwinkel von 180° oder mehr aufweisen, reflektiert werden, an der größeren Lichtaufnahmefläche des Bildsensors 105 empfangen werden und infolgedessen die Auflösung der Stereokamera 101 verbessert werden kann. Die wird anhand von 4 und 5 beschrieben.
4 zeigt ein Beispiel der Lichtaufnahmefläche des Bildsensors 105 in dem Fall, dass die Mittenposition CP1 mit der optischen Achse Ox2 im Wesentlichen zusammenfällt. In diesem Fall werden das auf dem ersten Lichtstrahl R1 beruhende fächerförmige Bild Im1 und das auf dem zweiten Lichtstrahl R2 beruhende fächerförmige Bild Im2 hauptsächlich nur auf einer Seite (der oberen Hälfte in 4) der Mittenposition CP1 gebildet. Infolgedessen nimmt die Anzahl von Pixeln, die zur Erfassung des Objekts beitragen, in dem Bildsensor 105 ab, so dass sich keine ausreichende Auflösung erzielen lässt-
Demgegenüber zeigt 5 ein Beispiel des Lichtaufnahmezustands des Bildsensors 105 in dem Fall, dass die Mittenposition CP1 aus der optischen Achse Ox2 versetzt ist. Vorzugsweise ist die Position des Bildsensors 105 so eingestellt, dass seine Mittenposition CP1 in den Fächerformen mit Innenwinkeln θ von 180° oder mehr nahe den Bildern Im1 und Im2 des oberen und des unteren Hyperboloidspiegels 102, 103 liegt. Dabei befindet sich die optische Achse Ox2 an einer Stelle, die in der Lichtaufnahmefläche Pi des Bildsensors 105 gegenüber der Mittenposition CP1 nach unten versetzt ist. Vorzugsweise befindet sich die optische Achse Ox2 an einer Stelle, die gegenüber der Mittenposition CP1 in senkrechter Richtung versetzt ist. Infolgedessen können die fächerförmigen Bilder Im1 und Im2 anders als im Falle der 4 nicht nur oberhalb der Mittenposition CP1 sondern an der die untere Seite umfassenden großen Lichtaufnahmefläche des Bildsensors 105 empfangen werden.
Bei diesem Ausführungsbeispiel verlaufen die Mittellinien der fächerförmigen Bilder Im1 und Im2 im Wesentlichen parallel zur kurzen Seite Lx der Lichtaufnahmefläche Pi. Dabei ist der Bildsensor 105 so angeordnet, dass die Bilder Im1 und Im2 an der Lichtaufnahmefläche Pi im Wesentlichen symmetrisch sind.
In dem vorliegenden Ausführungsbeispiel sind also die Bilder Im1 und Im2 an der Lichtaufnahmefläche Pi im Wesentlichen symmetrisch. Die Positionen der Brennpunkte des oberen und des unteren Hyperboloidspiegels 102, 103, die Vergrößerung der Abbildungsoptik 104 usw. sind so gewählt, dass die Bilder Im1 und Im2 an der Lichtaufnahmefläche Pi maximale Größe haben. Dadurch lässt sich die Auflösung der Stereokamera 101 verbessern. Betragen die Innenwinkel θ des oberen und des unteren Hyperboloidspiegels 102, 103 180° oder mehr, so wird durch den Versatz der optischen Achse Ox2 aus der Mitte der Lichtaufnahmefläche Pi des Bildsensors 105 und die Tatsache, dass die Mittellinien der fächerförmigen Bilder Im1 und Im2 im Wesentlichen parallel zur kurzen Seite Lx der Lichtaufnahmefläche Pi verlaufen, sichergestellt, dass der Lichtaufnahmebereich der Lichtaufnahmefläche Pi maximal wird. Im Ergebnis wird die Auslösung verbessert und damit eine genaue Erfassung der Entfernung zum Objekt erreicht.
Der Graph in 6 zeigt die Beziehung zwischen dem Blickwinkel δ in der senkrechten Richtung der Stereokamera 110 und der Auflösung. Bei dem Blickwinkel δ bedeutet dabei 0° die horizontale Richtung, ein negativer Wert eine Abwärtsrichtung und ein positiver Wert eine Aufwärtsrichtung gegenüber der Horizontalen.
Handelt es sich bei der Stereokamera 101 um eine Kamera zur automatischen Fahrsteuerung ein Automobils, so ist hohe Auslösung in horizontaler Richtung und oberhalb erforderlich, während unterhalb der Horizontalen keine hohe Auflösung benötigt wird und es ausreicht, wenn Haltelinien und Mittellinien auf der Straße erkannt werden. Daher sind die Abbildungsoptik 104 und die Hyperboloidspiegel so konfiguriert, dass die Auflösung (°/Pixel) in der Richtung, in der der Blickwinkel δ gleich 0 oder größer ist, verringert ist, während sie mit zunehmenden negativen Werten des Blickwinkels δ steigt.
Die Auflösung der Stereokamera 101 kann in eine Bildauflösung, die auf dem aufgrund des ersten Lichtstrahls R1 von dem ersten Brennpunkt FPu1 (oberer Blickpunkt) empfangenen Licht beruht (Auflösung des oberen Blickpunkts), und eine Bildauflösung, die auf dem aufgrund des zweiten Lichtstrahls R2 von dem ersten Brennpunkt FPo1 (unterer Blickpunkt) empfangenen Licht beruht (Auflösung des unteren Blickpunkts), unterteilt werden. Wie in 6 gezeigt, sind die Abbildungsoptik 104 oder die Hyperboloidspiegel 102 und 103 oder beide vorzugsweise so gestaltet, dass die Auflösung des oberen Blickpunkts und die des unteren Blickpunkts im vorgegebenen Bereich des Blickwinkels δ im Wesentlichen gleich werden. Durch Einhalten der Beziehung gemäß 6 wird die Auflösung der Bilder Im 1 und Im2 im Wesentlichen gleich, was wiederum eine genaue Berechnung der Entfernung zum Objekt gewährleistet.
Der Graph in 7 zeigt die Beziehung zwischen dem Blickwinkel θ der Abbildungsoptik 104 und der Bildhöhe Hr. In dem vorliegenden ersten Ausführungsbeispiel ist die Abbildungsoptik 104 so gestaltet, dass die Bildhöhe Hr in einem Bereich A nahe der optischen Achse Ox2 größer und in einem außerhalb des Bereichs A gelegenen Bereich B kleiner wird als die ideale Bildhöhe Hi (= f·tanθ). Wie die gekrümmte Linie zeigt, ist die Beziehung zwischen dem Blickwinkel θ und der Bildhöhe Hr so gewählt, dass nahe der Grenze zwischen den Bereichen A und B ein Wendepunkt vorliegt und die Steigung der gekrümmten Linie nahe dieser Grenze im Vergleich zu den anderen Bereichen groß wird. Dadurch wird die Winkelauflösung nahe dem mittleren Umfang der Abbildungsoptik 104 größer als nahe der optischen Achse und nahe dem Außenrand. Wird die Stereokamera 101 beispielsweise in einer automatischen Fahrsteuerung eingesetzt, so gewährleistet diese Gestaltung der Abbildungsoptik 104 eine noch genauere Erfassung eines Objekts, das sich schräg vor dem Fahrzeug bewegt.
Wie oben beschrieben, besteht zwischen dem inneren und dem äußeren Hyperboloidspiegel 103A, 103B an ihrer Grenze vorzugsweise ein Höhenunterschied, wobei der innere Hyperboloidspiegel 103A gegenüber dem äußeren Hyperboloidspiegel 103B nach oben ragt. 8A zeigt ein Beispiel für den Lichtaufnahmezustand des ersten und des zweiten Lichtstrahls R1, R2, wenn der innere Hyperboloidspiegel 103A gegenüber dem äußeren Hyperboloidspiegel 103B nach oben ragt. Andererseits zeigt 8B ein Beispiel für den Lichtaufnahmezustand des ersten und des zweiten Lichtstrahls R1, R2, wenn anders als bei dem vorliegenden Ausführungsbeispiel zwischen dem inneren und dem äußeren Hyperboloidspiegel 103A, 103B kein Höhenunterschied besteht.
Im Fall der 8B ist der Abstand zwischen dem ersten Brennpunkt FPdu1 und dem ersten Brennpunkt FPdo1 groß, so dass auch der Abstand zwischen den Lichtaufnahmestellen für den ersten und den zweiten Lichtstrahl R1, R2 an dem Bildsensor 105 zunimmt und der Blickwinkel, der eine stereoskopische Betrachtung gewährleistet, abnimmt. Im ersten Ausführungsbeispiel (8A) kann somit der Abstand zwischen den Lichtaufnahmestellen für den ersten und den zweiten Lichtstrahl R1, R2 verringert und der Blickwinkel, der eine stereoskopische Betrachtung gestattet, vergrößert werden. Alternativ verbessert sich die Auflösung des Bildsensors 105, was die Genauigkeit in der Messung der Entfernung zum Objekt erhöht.
In dem oben beschriebenen ersten Ausführungsbeispiel dienen die zueinander entgegengesetzten Hyperboloidspiegel als Paar von Spiegeln zur Reflexion des Lichts vom Objekt. Das Spiegelpaar ist aber nicht auf die in den Zeichnungen gezeigten Hyperboloidspiegel beschränkt; vielmehr ist es auch möglich, anstelle der Hyperboloidspiegel zueinander entgegengesetzte sphärische Spiegel, Parabolspiegel, elliptische Spiegel, nicht-sphärische Spiegel oder dergleichen zu verwenden.
Wie oben beschrieben, weist die Stereokamera 101 in dem ersten Ausführungsbeispiel einen oberen Hyperboloidspiegel 102 und einen unteren Hyperboloidspiegel 103 auf, die die Hyperboloidspiegel bilden. Der obere und der untere Hyperboloidspiegel 102, 103 sind fächerförmig mit Innenwinkeln von 180° oder mehr gestaltet. Um von diesen fächerförmigen Hyperboloidspiegeln Bilder maximal zu erhalten, befindet sich die Mittenposition des Bildsensors 105 an einer aus der optischen Achse der Abbildungsoptik versetzten Stelle. Ferner ist der Bildsensor 105 so angeordnet, dass die Mittellinien der Bilder in den Fächerformen im Wesentlichen parallel zur kurzen Seite des Bildsensors 105 verlaufen. Dies ergibt eine Stereokamera, die eine Erfassung mit hoher Genauigkeit und unter einem weiten Winkel gewährleistet und kleine Größe hat.
Zweites Ausführungsbeispiel
Anhand von 9 wird eine Stereokamera 101 gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel beschrieben. In 9 tragen identische Bauteile wie in 1 die gleichen Bezugszeichen, und überlappende Beschreibungen sind weggelassen.
Bei diesem zweiten Ausführungsbeispiel ist zwischen der Abbildungsoptik 104 und dem unteren Hyperboloidspiegel103 ein reflektierender Spiegel 106 vorgesehen. Der Platz der Abbildungsoptik 104 liegt in der Reflexionsrichtung des reflektierenden Spiegels 106; ein Unterschied zu dem ersten Ausführungsbeispiel besteht darin, dass die Abbildungsoptik 104 nahe dem Scheitelpunkt des Hyperboloids des oberen Hyperboloidspiegels angeordnet ist.
Da bei dieser Konfiguration das in die Abbildungsoptik 104 einfallende Licht an dem reflektierenden Spiegel 106 zurückgeworfen wird, lassen sich die Abbildungsoptik 104 und der Bildsensor 105 innerhalb der Höhe der Hyperboloidspiegel (des oberen und des unteren Hyperboloidspiegels 102, 103) unterbringen. Dadurch lässt sich die Größe der Stereokamera verringern.
Vorstehend sind einzelne Ausführungsbeispiele und Abwandlungen der vorliegenden Erfindung beschrieben; die Erfindung ist jedoch auf die obigen Ausführungsbeispiele nicht beschränkt, sondern deckt auch Varianten. So sind oben Ausführungsbeispiele zum leichteren Verständnis der Erfindungen im Detail beschrieben; die Erfindung enthält aber nicht notwendigerweise alle erläuterten Ausgestaltungen. Ferner kann ein Teil der Ausgestaltung eines Ausführungsbeispiels durch die eines anderen Ausführungsbeispiels ersetzt werden. Bei einem Teil der Ausgestaltung des betreffenden Ausführungsbeispiels kann eine andere Ausgestaltung hinzugefügt, weggelassen oder ersetzt werden. Ferner können die betreffende oben beschriebene Ausgestaltung, Funktion, Verarbeitungseinheit usw. in Hardware erzielt werden, indem sie teilweise oder vollständig etwa als integrierte Schaltung ausgeführt werden.
Bezugszeichenliste

101: Stereokamera
102: Oberer Hyperboloidspiegel
103: Unterer Hyperboloidspiegel
103A: Innerer Hyperboloidspiegel
103B: Äußerer Hyperboloidspiegel
104: Abbildungsoptik
105: Bildsensor
117: Entfernungsrechner
118: Fahrsteuerung

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

JP 4388530 [0004]

Claims

Stereokamera mit einem ersten Spiegel (102), der als eine erste reflektierende Fläche eine in einer ersten Richtung konvex gekrümmte Fläche mit einem ersten Scheitelpunkt und einer ersten Fächerform aufweist, einem zweiten Spiegel (103), der eine in einer zu der ersten Richtung entgegengesetzten zweiten Richtung konvex gekrümmte zweite reflektierende Fläche mit einem zweiten Scheitelpunkt gegenüber dem ersten Scheitelpunkt und einer zweiten Fächerform aufweist, einer Abbildungsoptik (104), die aus einem ersten und einem zweiten Lichtstrahl (R1, R2) Bilder erzeugt, wobei der erste Lichtstrahl (R1) von einem Objekt emittiert, von der ersten reflektierenden Fläche reflektiert und anschließend von der zweiten reflektierenden Fläche reflektiert wird und der zweite Lichtstrahl (R2) von dem Objekt emittiert und von der zweiten reflektierenden Fläche reflektiert wird, und einem Bildsensor (105), der den ersten und den zweiten Lichtstrahl (R1, R2) durch die Abbildungsoptik (104) empfängt, wobei der zweite Spiegel (103) einen inneren und einen äußeren Spiegel (103A, 103B) umfasst, von denen der äußere Spiegel (103B) am äußeren Umfang des inneren Spiegels (103A) angeordnet ist und eine andere Konuskonstante hat als der innere Spiegel, wobei die erste und die zweite Fächerform Innenwinkel von 180° oder mehr aufweisen und wobei der Bildsensor (105) so angeordnet ist, dass seine Mittenposition (CP1) an einer gegenüber der optischen Achse (Ox2) der Abbildungsoptik (104) versetzten Stelle liegt und eine kurze Seite (Lx) der Lichtaufnahmefläche des Bildsensors im Wesentlichen parallel zur Mittellinie des Bildes mit der ersten oder der zweiten Fächerform verläuft.
Stereokamera nach Anspruch 1, wobei der erste Lichtstrahl (R1) auf einen ersten Brennpunkt des ersten Spiegels (102) gerichtet ist und von der ersten reflektierenden Fläche reflektiert wird, anschließend auf einen ersten Brennpunkt des inneren Spiegels (103A) gerichtet ist und von der zweiten reflektierenden Fläche reflektiert wird und der zweite Lichtstrahl (R2) auf den ersten Brennpunkt (FPdo1) des äußeren Spiegels (103B) gerichtet ist und von der zweiten reflektierenden Fläche reflektiert wird.
Stereokamera nach Anspruch 1, wobei der erste und der zweite Spiegel (102, 103) so angeordnet sind, dass der zweite Brennpunkt (FPu2) des ersten Spiegels (102) mit dem ersten Brennpunkt (FPdi1) des inneren Spiegels (103A) im Wesentlichen zusammenfällt.
Stereokamera nach Anspruch 3, wobei der innere und der äußere Spiegel (103A, 103B) so angeordnet sind, dass ein zweiter Brennpunkt (FPdi2) des inneren Spiegels (103A) mit einem zweiten Brennpunkt (FPdo2) des äußeren Spiegels (103B) im Wesentlichen zusammenfällt.
Stereokamera nach Anspruch 1 mit ferner einem Spiegel, der so angeordnet ist, dass er den ersten oder den zweiten Lichtstrahl (R1, R2) auf die Abbildungsoptik (104) richtet.
Stereokamera nach Anspruch 1, wobei der äußere Spiegel (103B) einen Höhenunterschied gegenüber dem Außenrand des inneren Spiegels (103A) hat.
Stereokamera nach Anspruch 1, wobei der Bildsensor (105) so angeordnet ist, dass die optische Achse (Ox2) der Abbildungsoptik (104) in einer zu der kurzen Seite (Lx) des Bildsensors (105) im Wesentlichen parallelen Richtung gegenüber der Mittenposition (CP1) des Bildsensors versetzt ist.
Stereokamera nach Anspruch 1, wobei der erste Spiegel (102), der zweite Spiegel (103) und die Abbildungsoptik (104) so gestaltet sind, dass die Auflösung an einem oberen Blickpunkt und die Auflösung an einem unteren Blickpunkt in einem vorgegebenen Blickwinkelbereich im Wesentlichen gleich sind, wobei die Auflösung am oberen Blickpunkt die Auflösung eines aufgrund des ersten Lichtstrahls (R1) an dem Bildsensor (105) erzeugten Bildes und die Auflösung am unteren Blickpunkt die Auflösung eines aufgrund des zweiten Lichtstrahls (R2) an dem Bildsensor erzeugten Bildes ist.
Stereokamera nach Anspruch 1, wobei die Abbildungsoptik (104) so gestaltet ist, das die Bildhöhe (Hr) in einem ersten Bereich kleiner und in einem außerhalb des ersten Bereichs gelegenen zweiten Bereich größer wird als die optimale Bildhöhe (Hi).