DE102020133691A1 - Infrared thermal imaging camera and on-board system to assist in driving a motor vehicle having such a camera - Google Patents
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Abstract
Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist eine in ein Kraftfahrzeug integrierbare Infrarot-Wärmebildkamera (1'), wobei die Wärmebildkamera (1') einen optischen Block (2') aufweist und dadurch gekennzeichnet ist, dass der optische Block (2') eine Frontlinse (L'1) aufweist, die einen äußeren Teil der Wärmebildkamera (1') bildet, wobei die Frontlinse (L'1) aus Germanium oder aus Silicium ist. Anwendung: FahrerassistenzsystemeThe subject matter of the present invention is an infrared thermal imaging camera (1') that can be integrated into a motor vehicle, the thermal imaging camera (1') having an optical block (2') and being characterized in that the optical block (2') has a front lens (L '1) forming an external part of the thermal imaging camera (1'), the front lens (L'1) being made of germanium or of silicon. Application: driver assistance systems
Description
Technisches Gebiettechnical field
Die vorliegende Erfindung betrifft im Allgemeinen das Gebiet der Kraftfahrzeuge und insbesondere die Unterstützung des Führens eines Kraftfahrzeugs durch Detektion von Objekten in der Umgebung eines Kraftfahrzeugs auf der Grundlage von Bildern, die durch eine Infrarot-Wärmebildkamera aufgenommen wurden.The present invention relates generally to the field of motor vehicles, and more particularly to assisting in driving a motor vehicle by detecting objects in the vicinity of a motor vehicle based on images captured by an infrared thermal imaging camera.
Allgemeiner Stand der TechnikGeneral state of the art
Zur Erhöhung der Verkehrssicherheit sind einige Kraftfahrzeuge, semiautonome Kraftfahrzeuge genannt, mit Teilautomatisierungssystemen oder Fahrerassistenzsystemen (auch unter der englischen Abkürzung ADAS bekannt) ausgestattet, insbesondere mit Systemen, die anstelle des Fahrers die Seitensteuerung und/oder die Längssteuerung des Fahrzeugs ausführen oder den Fahrer zumindest vor einer möglicherweise gefährlichen Situation warnen, um ihm ein rechtzeitiges Reagieren zu ermöglichen. Vorgesehen ist auch, Fahrzeuge vollautonom, d. h. fahrerlos, zu machen.To increase road safety, some motor vehicles, known as semi-autonomous motor vehicles, are equipped with partial automation systems or driver assistance systems (also known by the English abbreviation ADAS), in particular with systems that carry out lateral control and/or longitudinal control of the vehicle instead of the driver, or at least place the driver in front warn of a potentially dangerous situation in order to enable him to react in good time. It is also planned that vehicles will be fully autonomous, i. H. driverless to do.
Einige ADAS-Systeme verwenden herkömmliche Sichtvorrichtungen vom Kamera-Typ, die im sichtbaren Wellenlängenbereich funktionieren, um das Vorhandensein von Fußgängern, Fahrradfahrern, Tieren und/oder anderen Kraftfahrzeugen, die sich in der Umgebung der Fahrzeuge mit diesen integrierten ADAS-Systemen befinden, zu detektieren. Diese Sichtsysteme sind vom Sonnenlicht oder von der Straßenbeleuchtung abhängig, was die Effektivität der ADAS-Systeme in Fahrsituationen mit schlechter Sicht, üblicherweise nachts und/oder bei ungünstigen Witterungsbedingungen wie Nebel, starkem Regen und Schnee, beeinträchtigt.Some ADAS systems use conventional camera-type vision devices that operate in the visible wavelength range to detect the presence of pedestrians, bicyclists, animals, and/or other motor vehicles in the vicinity of vehicles with these integrated ADAS systems . These vision systems rely on sunlight or streetlights, which reduces the effectiveness of the ADAS systems in driving situations with poor visibility, typically at night and/or in adverse weather conditions such as fog, heavy rain and snow.
Zur Lösung dieses Problems verwenden einige ADAS-Systeme Wärmebild-Nachtsichtvorrichtungen wie etwa Wärme-Infrarotkameras, die zumindest eine Wellenlänge im Bereich [8 µm; 14 µm] bedienen.To solve this problem, some ADAS systems use thermal imaging night vision devices, such as thermal infrared cameras, that have at least one wavelength in the range [8 µm; 14 µm].
Wie aus der schematischen Darstellung in
Ein typischer optischer Block einer Wärmebildkamera für ein ADAS-System ist aus zwei oder drei Linsen zusammengesetzt, wie etwa die mit L1, L2 und L3 bezeichneten Linsen in
Allerdings ist Chalkogenidglas nicht ausreichend schlagfest. Da die Kamera außen am Fahrzeug, beispielsweise an der vorderen Stoßstange, montiert ist, weist die Kamera 1 folglich auch ein Schutzglas 6 auf, das vor dem optischen Block 2 angeordnet ist. Dieses Schutzglas 6 ist im Allgemeinen aus Germanium ausgeführt und besitzt üblicherweise eine Dicke von etwa 4 mm, um eine wirksame Beständigkeit gegen Stöße durch Steine und Schotter zu gewährleisten.However, chalcogenide glass is not sufficiently impact-resistant. Consequently, since the camera is mounted on the outside of the vehicle, for example on the front bumper, the
So bleiben bei den bekannten Wärme-Infrarotkameras des in
Zusammenfassung der ErfindungSummary of the Invention
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, die Einschränkungen des Stands der Technik zu überwinden, indem eine Lösung vorgeschlagen wird, die es ermöglicht, auf das Schutzglas 6 zu verzichten.The object of the present invention is to overcome the limitations of the prior art by proposing a solution that allows the
Folglich ist der Gegenstand der vorliegenden Erfindung eine in ein Kraftfahrzeug integrierbare Infrarot-Wärmebildkamera, wobei die Wärmebildkamera einen optischen Block aufweist und dadurch gekennzeichnet ist, dass der optische Block eine Frontlinse aufweist, die einen äußeren Teil der Wärmebildkamera bildet, wobei die Frontlinse aus Germanium oder aus Silicium ist.Consequently, the subject of the present invention is an infrared thermal imager that can be integrated into a motor vehicle, the thermal imager having an optical block and being characterized in that the optical block has a front lens which forms an outer part of the thermal imager, the front lens being made of germanium or is made of silicon.
Bei einer möglichen Ausführungsform ist die Frontlinse aus Germanium mit einer mittleren Mindestdicke von 3 mm.In one possible embodiment, the front lens is made of germanium with an average minimum thickness of 3 mm.
In diesem Fall weist die Frontlinse aus Germanium vorzugsweise eine mittlere Höchstdicke von 4 mm auf.In this case, the germanium front lens preferably has an average maximum thickness of 4 mm.
Bei einer anderen möglichen Ausführungsform besteht die Frontlinse aus Silicium mit einer mittleren Mindestdicke von 1,5 mm.In another possible embodiment, the front lens consists of silicon with an average minimum thickness of 1.5 mm.
Die Frontlinse aus Silicium weist vorzugsweise eine mittlere Höchstdicke von 2 mm auf.The silicon front lens preferably has an average maximum thickness of 2 mm.
Die Außenfläche der Frontlinse aus Silicium ist vorzugsweise mit einer harten Beschichtung des DLC-Typs beschichtet.The outer surface of the silicon front lens is preferably coated with a DLC type hard coating.
Bei einer möglichen Ausführungsform kann die Frontlinse sphärisch sein.In one possible embodiment, the front lens can be spherical.
Bei einer möglichen Ausführungsform weist der optische Block ferner zumindest eine weitere asphärische Linse aus Chalkogenidglas auf, die sich entlang der optischen Achse des optischen Blocks hinter der Frontlinse befindet.In one possible embodiment, the optics block further includes at least one other aspheric lens made of chalcogenide glass located behind the front lens along the optical axis of the optics block.
Die Frontlinse ist vorzugsweise mit einer Antireflexbeschichtung versehen.The front lens is preferably provided with an anti-reflective coating.
Die Infrarot-Wärmebildkamera ist beispielsweise so konfiguriert, dass sie bei einer Wellenlänge im Bereich [8 µm; 14 µm] mit einer mittleren Übertragungsrate des optischen Blocks von mindestens 59 % funktioniert.For example, the infrared thermal imaging camera is configured to operate at a wavelength in the range [8 µm; 14 µm] with an average transmission rate of the optical block of at least 59%.
Bei einer möglichen Ausführungsform weist die Infrarot-Wärmebildkamera ferner ein Mikrobolometer des VGA- oder QVGA-Formats auf, das auf der optischen Achse und hinter dem optischen Block zentriert ist.In one possible embodiment, the infrared thermal imaging camera further includes a VGA or QVGA format microbolometer centered on the optical axis and behind the optical block.
Ein weiterer Gegenstand der vorliegenden Erfindung besteht in einem in ein Kraftfahrzeug integrierten Fahrerassistenzsystem, das dadurch gekennzeichnet ist, dass es eine Nachtdetektionsvorrichtung und eine außerhalb des Kraftfahrzeugs montierte erfindungsgemäße Infrarot-Wärmebildkamera aufweist.Another object of the present invention is a driver assistance system integrated into a motor vehicle, which is characterized in that it has a night detection device and an infrared thermal imaging camera according to the invention mounted outside the motor vehicle.
Figurenlistecharacter list
Die Erfindung wird durch die nachfolgende Beschreibung unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen verdeutlicht. Es zeigen:
- -
1 , die bereits oben beschrieben wurde, in schematischer Weise ein Beispiel einer bekannten Infrarot-Wärmebildkamera; - -
2 in schematischer Weise ein Beispiel einer Infrarot-Wärmebildkamera nach einer möglichen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung; - -
3 die Variationen der Übertragungsrate einer Siliciumlinse in Abhängigkeit von der Wellenlänge für zwei unterschiedliche Linsendicken; - -
4 ein Prinzip zur Reduzierung des Erfassungskreises eines optischen Blocks auf ein Panoramaformat.
- -
1 , which has already been described above, shows in a schematic way an example of a known infrared thermal imaging camera; - -
2 in a schematic way an example of an infrared thermal imaging camera according to a possible embodiment of the present invention; - -
3 the variations in transmission rate of a silicon lens as a function of wavelength for two different lens thicknesses; - -
4 a principle for reducing the detection circle of an optical block to a panoramic format.
Beschreibung einer Ausführungsform/von AusführungsformenDescription of an embodiment(s).
Die Infrarot-Wärmebildkamera 1' umfasst wie die Kamera 1 des in
Bei einer Wärmebildkamera mit einem Sensor 3 vom VGA-Format (640 x 480 Pixel) ist der optische Block 2' beispielsweise so konfiguriert, dass er die folgenden Eigenschaften aufweist:
- - horizontales Sichtfeld (oder FOV): 40 Grad;
- - vertikales Sichtfeld (oder FOV): 30 Grad;
- - Blende: F/1,2;
- - Brennweite: 10,9 mm;
- - Effektiver Durchmesser: 15 mm;
- - gesamte optische Weglänge L: 21,3 mm.
- - horizontal field of view (or FOV): 40 degrees;
- - vertical field of view (or FOV): 30 degrees;
- - Aperture: F/1.2;
- - Focal Length: 10.9mm;
- - Effective Diameter: 15mm;
- - total optical path length L: 21.3 mm.
Der optische Block 2' weist zumindest eine Linse L'1 auf. Als nicht einschränkendes Beispiel weist der optische Block 2' hier drei Linsen L'1, L'2 und L'3 auf, wobei die Linse L'1 die sogenannte Frontlinse ist.The optical block 2' has at least one lens L' 1 . By way of non-limiting example, the optical unit 2' here comprises three lenses L' 1 , L' 2 and L' 3 , the lens L' 1 being the so-called front lens.
Im Gegensatz zur Kamera 1 weist die Kamera 1' hier kein Schutzglas auf. Anders ausgedrückt bildet die Frontlinse L'1 hier vorteilhafterweise einen äußeren Teil der Wärmebildkamera. Dies ist darauf zurückzuführen, dass die Frontlinse L'1 hier gemäß einer ersten Variante der Erfindung aus Silicium ausgeführt ist, das eine hohe Beständigkeit gegen Stein- oder Kiesschlag aufweist.In contrast to the
Diese Wahl des Siliciums widerspricht der bislang bekannten Lehre, die davon ausgeht, dass Silicium bei Wellenlängen im Infrarotbereich keine ausreichende Übertragungsrate aufweist.This choice of silicon contradicts the previously known teaching, which assumes that silicon does not have a sufficient transmission rate at wavelengths in the infrared range.
Die Anmelderin hat jedoch verschiedene Versuche zur Simulation von Detektionsentfernungen, die mit den herkömmlichen ADAS-Systemen zur Detektion von Fußgängern, Radfahrern und Tieren erzielt werden, durchgeführt, die überraschenderweise gezeigt haben, dass eine Übertragung von ca. 59 % für den optischen Block einer Infrarot-Wärmebildkamera im 8 - 14 µm-Band ausreichend ist, um die im Allgemeinen von diesen ADAS-Systemen geforderten Mindestdetektionsentfernungen (oder -reichweiten) zu erzielen (üblicherweise zwischen 50 und 100 m für einen Fußgänger).However, the Applicant has carried out various tests to simulate detection distances obtained with conventional ADAS systems for detecting pedestrians, cyclists and animals, which have surprisingly shown that a transmission of around 59% for the optical block of an infrared -Thermal imaging camera in the 8 - 14 µm band is sufficient to achieve the minimum detection distances (or ranges) generally required by these ADAS systems (typically between 50 and 100 m for a pedestrian).
Versuche haben außerdem gezeigt, dass selbst mit einer Siliciumlinse je nach Linsendicke Übertragungsraten von über 59 % erreicht werden können. So zeigt
- - eine erste Kurve C1, die die Änderungen der Übertragungsrate einer Siliciumlinse mit einer
1,5 mm in Abhängigkeit von der IR-Wellenlänge zeigt;mittleren Dicke von - - eine zweite Kurve C2, die die Änderungen der Übertragungsrate einer Siliciumlinse mit einer
mittleren Dicke von 2 mm in Abhängigkeit von der Wellenlänge IR zeigt.
- - a first curve C 1 showing the variations in the transmission rate of a silicon lens with an average thickness of 1.5 mm as a function of the IR wavelength;
- a second curve C 2 showing the variations in the transmission rate of a silicon lens with an average thickness of 2 mm as a function of the IR wavelength.
Unter „mittlere Dicke“ ist der Durchschnitt der verschiedenen Dicken der Linse, die parallel zur optischen Achse der Linse über die gesamte optische Fläche der Linse gemessen wurden, zu verstehen. Bei beiden Kurven ist die Siliciumlinse auf der Vorderseite zusätzlich mit einer harten Beschichtung und auf der Rückseite mit einer Antireflexbeschichtung versehen."Mean thickness" means the average of the various thicknesses of the lens measured parallel to the optical axis of the lens over the entire optical surface of the lens. In both curves, the silicon lens has an additional hard coating on the front and an anti-reflective coating on the back.
Diesen Kurven zufolge hängt die für jede der Siliciumlinsendicken (d = 1,5 mm oder d = 2 mm) erhaltene durchschnittliche Übertragungsrate T von den Wellenlängen ab, wie die folgende Tabelle zusammenfasst:
Bei einer Ausführungsform nach der Erfindung ist die mittlere Dicke der Frontlinse L'1 aus Silicium so gewählt, dass sie mindestens 1,5 mm beträgt.In an embodiment of the invention, the average thickness of the silicon front lens L' 1 is chosen to be at least 1.5 mm.
Bei einer weiteren Ausführungsform nach der Erfindung ist die mittlere Dicke der Frontlinse L'1 aus Silicium so gewählt, dass sie maximal 2 mm beträgt.In another embodiment of the invention, the average thickness of the silicon front lens L' 1 is chosen to be at most 2 mm.
Bei einer bevorzugten Ausführungsform ist die mittlere Dicke der Frontlinse L'1 aus Silicium so gewählt, dass sie im Bereich [1,5 mm; 2 mm] liegt.In a preferred embodiment, the mean thickness of the silicon front lens L' 1 is chosen to be in the range [1.5 mm; 2 mm] lies.
Bei dem in
Die Außenfläche der Siliciumlinse L'1 ist vorteilhafterweise mit einer harten Beschichtung, beispielsweise einer Beschichtung aus diamantähnlichem amorphem Kohlenstoff (der unter der englischen Abkürzung DLC bekannt ist) versehen, um Steinschlägen zu widerstehen. Alle Linsenoberflächen weisen vorzugsweise eine Antireflexbeschichtung auf, um die Übertragung zu maximieren.The outer surface of the silicon lens L'1 is advantageously provided with a hard coating, for example a coating of diamond-like amorphous carbon (known by its English acronym DLC) to resist stone chips. All lens surfaces preferably have an anti-reflective coating to maximize transmission.
In diesem Fall ist die Gesamtübertragung Tg des optischen Blocks 2' durch das Produkt der Übertragungen jeder Linse gegeben, d. h. in unserem Beispiel:
Nach einer zweiten erfindungsgemäßen Ausführungsvariante ist das für die Frontlinse L'1 verwendete Material Germanium. In diesem Fall weist die Frontlinse L'1 eine mittlere Mindestdicke von 3 mm auf. Die mittlere Dicke der Linse L'1 aus Germanium beträgt vorzugsweise nicht mehr als 4 mm.According to a second embodiment of the invention, the material used for the front lens L'1 is germanium. In this case, the front lens L' 1 has an average minimum thickness of 3 mm. The average thickness of the germanium lens L' 1 is preferably not more than 4 mm.
Der erfindungsgemäße optische Block 2' ist nicht auf die mit Bezug auf
Auf jeden Fall werden nicht nur die Kosten der Wärmebildkamera optimiert, sondern auch ihr Platzbedarf, da die Verwendung eines Schutzglases nicht mehr erforderlich ist.In any case, not only the cost of the thermal imager is optimized, but also its footprint, since it is no longer necessary to use a protective glass.
Wie oben erläutert, ist der in einer Infrarot-Wärmebildkamera für ein ADAS-System verwendete Sensor 3 im Allgemeinen rechteckig und weist ein VGA- oder QVGA-Format auf. Das Objektiv (oder der optische Block) ist seinerseits im Allgemeinen aus kreisförmigen Linsen zusammengesetzt, so dass es die einfallenden Infrarotstrahlen auf einen Kreis fokussiert, der als Erfassungskreis bezeichnet wird. Klassischerweise werden die Besonderheiten des optischen Blocks, insbesondere in Bezug auf die Anzahl der Linsen und die Art der Linsen, durch komplexe Konzeptionsalgorithmen berechnet, die es ermöglichen, vorgegebene Anforderungen in Bezug auf die gewünschte Bildqualität zu erfüllen und dafür zu sorgen, dass das Rechteck, das den Sensor darstellt, in dem Kreis, der dem optischen Block zugeordnet ist, enthalten ist. Dies ist in der Ansicht (a) von
Dieses Problem lässt sich umgehen, wenn man sich vergegenwärtigt, dass im Rahmen der Detektion von Objekten für ADAS-Anwendungen ein vertikales Sichtfeld von 20° oder weniger ausreicht. Das bedeutet, dass das 4/3-Format, das herkömmlicherweise aufgrund der Verwendung eines VGA- oder QVGA-Sensors gewählt wird, tatsächlich überdimensioniert erscheint und dass ein Panoramaformat (16/9) ausreichen würde. Um ein solches Panoramaformat zu erhalten, während weiterhin ein Sensor mit dem Format 4/3 verwendet wird, ist der optische Block 2' vorteilhafterweise so dimensioniert, dass sein Erfassungskreis 8' (siehe Ansicht (b) in
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