DE10328040A1

DE10328040A1 - Abbildende Optik für Entfernungsmesssysteme mit schräggestelltem Sensor und Erfassung des Unschärfeverlaufs

Info

Publication number: DE10328040A1
Application number: DE2003128040
Authority: DE
Inventors: Thomas Schilling
Original assignee: Aglaia Gesellschaft fuer Bildverarbeitung und Kommunikation mbH
Current assignee: Hella GmbH and Co KGaA
Priority date: 2003-06-18
Filing date: 2003-06-18
Publication date: 2005-01-13

Abstract

In Bildaufnahmeeinrichtungen mit einem schräggestellten Sensor wird eine angepasste Unschärfe eines Bildes realisiert. Diese Unschärft wird abhängig vom Winkel zur optischen Achse erzeugt. Durch eine Verschiebung des Sensors parallel zur Schärfenebene können überlagerte Unschärfebereiche in Abhängigkeit der Entfernung des Objektes gebildet werden, was minimale Anforderungen an die Qualität einer eingesetzten, abbildenden Optik stellt. In dem System kann als abbildende Optik eine einfache Linse eingesetzt werden.

Description

Die Erfindung betrifft eine abbildende Optik zur Entfernungsbestimmung eines Objektes mittels einer Digitalkamera, bei der im Bereich der Schärfenebene ein Sensor zur Ermittlung der Unschärfe von Objektpunkten schräg unter einem Winkel α zur optischen Achse angeordnet ist.
[Stand der Technik]
Aus der DE 101 53 113 A1 ist ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Entfernungsbestimmung bekannt, bei der zwischen einer Bildaufnahmeeinrichtung, insbesondere Videokamera, und einem Objekt in einer Szene im Bereich der Schärfenebene der Bildaufnahmeeinrichtung ein Bildaufnahmesensor schräg angeordnet ist. Durch die Schrägstellung des Sensors werden die Bildpunkte des Objektes mit zunehmender Distanz zur Schärfenebene unscharf. Die Punkte einer Bildlinie werden auf dem Sensor als Funktion ihres Abstandes zur Schärfenebene abgebildet. Die Erfassung des Verlaufes der Unschärfe von Objektpunkten einer Bildlinie und ihre Bewertung ermöglicht bei bekannter Abbildungsfunktion einen Rückkehrschluss auf die Entfernung der Linie in der Realität.
Die Optik besteht in derartigen Messsystemen aus Linsengruppen mit vorzugsweise mehreren Linsen im gehobenen Kostenbereich. Sie besitzen zwar eine gute Auflösung, sind demgegenüber aber teuer und aufwendig für Produkte in großen Stückzahlen.
Der Nachteil bei der Produktion derartiger Bildaufnahmeeinrichtungen zur Entfernungsbestimmung mit schräggestelltem Sensor besteht beim Einsatz von Standardoptiken in einem zu hohen Kalibrier- und Justageaufwand während des Herstellungsprozesses.
Temperaturdriften und Vibrationen in dem optisch mechanischen System wirken sich ebenfalls negativ aus bzw. die für eine Kompensation der entstehenden Fehlabbildungen notwendige Rechenleistung ist sehr hoch. Das führt wiederum zu erhöhten Produktkosten.
[Aufgabe der Erfindung]
Aufgabe der Erfindung ist es, eine für den Einsatzzweck optimierte abbildende Optik für Entfernungsmesssysteme mit schräg gestelltem Sensor und Erfassung des Unschärfeverlaufs zu schaffen, bei der mit einer kostengünstigen, einfach herzustellenden Optikbaugruppe, keine Kalibrierung im Herstellungsprozess notwendig ist und die Optik mit einer minimalen Brennweitentoleranz über große Stückzahlen lieferbar ist.
Die Aufgabe wird mit den Merkmalen des 1. Patentanspruchs gelöst. Vorteilhafte Weiterentwicklungen und Ausgestaltungen sind Gegenstand der Unteransprüche.
In einem Entfernungsmesssystem gemäß der DE 101 53 113 A1 mit einem schräggestelltem Sensor und einem Verfahren der Erfassung des Unschärfeverlaufs von Objektpunkten wird in der neuen Erfindung eine, den Bedingungen des Systems entsprechende optimierte abbildende Optik, die keinen großen Ansprüchen genügen muss, in der Bildaufnahmeeinrichtung eingesetzt. Dabei gilt, dass für Merkmale eines Objektes der Unschärfeverlauf der Punkte einer Objektkante ein Maß für den Abstand des Objektes zur Bildaufnahmeeinrichtung darstellt.
Die einer Entfernung des Objektes entsprechende Unschärfe des Bildes wird realisiert, indem der Sensor im Bereich der Bild- bzw. Schärfenebene der abbildenden Optik positioniert wird und in mindestens einer Ebene unter einem Winkel α schräg zur Schärfeebene angeordnet ist. Die Unschärfe wird auf dem Sensor dann abhängig vom Winkel α zur optischen Achse erzeugt.
Davon ausgehend besteht die Optimierung der abbildenden Optik gemäß der Erfindung in dem Einsatz einer einzelnen Linse.
Bedingt durch die Eigenschaften einer einfachen Linse entsteht ein gewölbter Verlauf der Schärfenebene, welcher eine Unschärfe für plane Bildaufnahmesensoren verursacht. Dieser Unschärfeverlauf und der durch die Schrägstellung verursachte bilden einen resultierenden Unschärfeverlauf der nun aufgabenbezogen genutzt wird. Eine mögliche Drift des Sensors aus dem Schärfebereich bedeutet somit nicht gleich den Ausfall des Sensors, da dieser seine Funktionsweise auf der Basis großer Unschärfen definiert.
Bei der Serienfertigung einer einfachen Linse entstehen kleinere Toleranzunterschiede, so dass im Sinne der Erfindung durchaus größere Fertigungstoleranzen zugelassen werden können, was die Produktion der Produkte durch entfallende Justageprozeduren stark vereinfacht.
Das Problem der starken Krümmung der Bildebene und des daraus resultierenden nichtlinearen Unschärfeverlaufs einer Bildlinie kann mit einfachen rechnerischen Mitteln behoben werden, indem der Unschärfeverlauf entsprechend approximiert bzw. linearisiert wird.
In einer Ausführungsform kann der Bereich der Schärfentiefe durch die Wahl einer möglichst kleinen Blende vergrößert werden. Dadurch entstehen weitere minimale Anforderungen an die Qualität der Optik.
Mit der erfinderischen Anordnung werden in überraschender Weise folgende positive Wirkungen erzielt:

– Das System ist ohne Prüfung reproduzierbar.
– Abbildungsfehler äußern sich nicht über Unschärfen des gesamten Bildes (Unschärfe bei normalen Optiken) sondern durch Verschiebung des scharfen Bildbereiches in seiner Lage auf dem Sensor. Der Sensor liefert auch bei einer nicht korrekten Justierung auswertbare Ergebnisse.
– Bei einer symmetrischen Ausrichtung der optischen Achse des Systems zur Sensormitte wird eine kleine Baugröße erreicht, es sind keine zusätzlichen Maßnahmen zur Absorption von Streustrahlungen notwendig und somit ist keine linke und rechte Lösung für unsymmetrische Anwendungen erforderlich.
– Abweichungen durch Temperaturausdehnungen werden minimiert, da der Bereich des scharten Bildausschnittes dem Verlauf der Wölbung der Schärfenebene optimal angepasst wird.
– Durch die verursachte optische Filterung von Bildbereichen kann das Datenaufkommen aufgabenspezifisch reduziert werden.

[Beispiele]
In 1 ist ein Ausführungsbeispiel der erfinderischen Lösung dargestellt.
Die Bildaufnahmeeinrichtung zur Entfernungsmessung besteht im wesentlichen aus einer einfachen Linse 1 und einem im Bereich der Bild- bzw. Schärfenebene 2 in einem Winkel α zur optischen Achse 4 angeordneten schräggestellten Sensor 3. Die Schärfenebene 2 ist bei einer einfachen Linse 1 stark gekrümmt, was normalerweise zu Bildverzerrungen führen würde.
Da durch die Krümmung der Schärfenebene 2 die Unschärfe einer Bildlinie in Bezug zur Entfernung eines Objektes nicht linear ist, ist es zweckmäßig, den Unschärfeverlauf zu linearisieren. Dazu wird ein Bildbereich x ausgewählt, der auf dem Sensor 3 scharf erscheint, also in der Schärfenebene 2 liegt. Aus diesem scharf erscheinenden Teilbereich x wird eine Tangente 5 bestimmt, an der entsprechend dem bekannten Verfahren nach DE 101 53 113 A1 der Unschärfeverlauf im Abstand zur optischen Achse 4 berechnet und so linearisiert wird.
Die Tangente 6 besitzt die Neigung des Sensors 3, kann aber zu diesem parallel verschoben sein. Bei Kenntnis der Abbildungsfunktion muss der Sensor 3 nicht zwangsläufig die Schärfenebene 2 schneiden oder berühren.

Claims

Abbildende Optik einer Bildaufnahmeeinrichtung für Entfernungsmesssysteme mit schräggestelltem Sensor (3) und der Erfassung des Unschärfeverlaufs von Objektpunkten einer oder mehrerer Bildlinien eines Objektes, wobei der Unschärfeverlauf der Punkte einer Bildlinie ein Maß für den Abstand des Objektes zur Bildaufnahmeeinrichtung ist und der Sensor (3) im Bereich der Schärfenebene (2) der Optik (1) in mindestens einer Ebene unter einem Winkel α schräg zur Schärfeebene (2) angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, dass die abbildende Optik eine einzelne Linse (1) ist.
Abbildende Optik nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die einzelne Linse (1) ein in einem Arbeitsgang gepresster Linsenkörper mit unterschiedlichen Krümmungsbereichen ist.
Abbildende Optik nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass zur Vergrößerung der Schärfentiefe eine möglichst kleine Blende angeordnet ist.