TWI435118B - A multi - channel optical image capture device - Google Patents

Description

一種多通道光學影像擷取裝置

本發明係有關於一種光學式影像切換開關之裝置，特別關於一種分時多工且從多個方向切換影像之裝置，並且可應用於光學車輛安全輔助駕駛系統中。

根據車輛之不同造型設計，車輛周遭存在著許多大小不等的視線死角，對駕駛的行車安全都將造成一定威脅，尤其是在較為複雜之環境中，例如狹窄巷弄或車庫等，更容易因為視線死角的問題而造成車體的擦撞以及人員的受傷。為了彌補觀測盲區之缺點，越來越多的車輛安裝監視系統。習知的作法是在車輛後方架設攝影機並建立後視系統，讓駕駛員得以在倒車時，可監視來自車輛後方的影像，一般車載影像監視系統之鏡頭有效視角為60度，但此設計結果是不足以滿足需要，駕駛員仍須分心監視兩側後照鏡以及前方區域，在無法同時一覽無遺車輛四周的狀況下，駕駛常會顧此失彼而造成行車意外。

習知的車輛安全監視系統，如我國專利申請號91134359，此項專利揭示之；車用影像記錄方法及其裝置，此發明包含一偵測器、一攝影裝置、一記錄裝置以及一控制器。其係利用一偵測器偵測車輛附近之外界物，並輸出一探測信號予一控制器，利用控制器判斷外界接近之程度，而輸出一控制信號致動一攝影裝置進行攝影動作，該影像資料並由一紀錄裝置同步記錄儲存，及由一顯示器顯示影像畫面。因此，於行車過程中可 適時地攝影並顯示異常接近之車輛或行人、動物等外界物的動態影像，但該方式無法同時監控四周環境。另外，美國專利US7139412B2揭示之車用監視系統係安裝數台攝影機於車輛上，拍攝該車輛周圍環境之影像，再將所拍攝影像合成一張整合影像顯示於車內螢幕上，然而，因其影像於接合處未做適當之處理，若一非平面之物體通過接合線，該物體之邊緣線會在接合線的兩邊出現錯位的現象，而無法提供駕駛人確切的影像資訊。我國專利公開號200933526揭示之；車用影像整合系統及其方法，係為改善前述專利，此專利主要包含兩個攝像裝置、一影像處理裝置以及一顯示裝置。一攝像裝置，係裝置於一車輛上，以取得該車輛周邊環境之一第一影像；一攝像裝置，係裝置於該車輛上，以取得該車輛周圍環境之一第二影像，其中該二影像具有一重疊區域；一影像處理裝置，主要包括：一定義元件，係將該第一及第二影像分別定義為複數個第一及第二影像點；一合成元件，係將該第一影像與該第二影像整合為一第三影像；該影像處理裝置進一步包含一形變元件(deformation component)，係將該影像對位元件所產生之結果擴散至整張影像，而形成該第一影像與該第二影像之形變；一影像對位元件(image registration component)，係對齊該物體位於接合線兩側之邊緣線；一轉換元件(transforming component)，係將該第一影像與該第二影像轉換為一俯視圖；以及一顯示裝置，係顯示該第三影像。由上述元件將裝設於車輛上之攝影機所拍攝得到之週邊影像，整合於同一俯視畫面上，使攝影機間重疊的部分可以看起來平順無接縫，呈現一高 品質整合畫面，以期許達到良好的監控功能。由於該方式是將兩台攝像裝置所拍攝到之影像先進行定義再轉換而後合成，故影像會存在些許失真，影像接合處也會有些微不連續處。

我國專利申請號91211136(證書號215482)揭示一全方位車用影像裝置，係依據有一攝影模組，一控制模組及一顯示模組，利用該攝影模組具有兩組分別使其鏡頭於不同方向上擺動之馬達，以達到全方位攝影之功效。但因其機械與光學較為複雜，且與前述方法有影像會存在些許失真，影像接合處也會有些微不連續處之相同缺點。我國專利申請號95140669(證書號I318694)揭示之；機械式光開關，係利用切換光纖模組來達成開關動作，因此方式係利用機械式控制光纖之移動，而機械式光開關缺陷在於開關時間較長，有時還存在回跳抖動和重複性較差的問題，體積大不易做成大型的光開關矩陣。另外，中華人民共和國專利02134941揭示之；光開關及光開關組合，係利用一液晶片來控制極化態，最終用以達成開關動作，期包含兩偏振光分光器、一液晶片以及兩反射鏡。其具有不需移動任何光學元件以實現光路的切換，且輸入端至輸出端需經過之元件較少，因此具有操作簡單及光學性能較佳之優點。但此方式係使用兩個各別反射鏡以及偏振分光器，元件雖為精密製造，但是仍會有誤差存在。

本發明的目的在於改善上專利之缺點，利用極化光學開關來進行多方向輸入埠影像之切換，使得在不同方向的影像能於同一成像元件上依時序自動切換，於車輛安全輔助駕駛系統中達成較完美之影像整合，提供較寬廣有效涵蓋範圍之行車狀況 監控，以實現行車高安全性之需求。

鑒於上述習知技術之缺點，本發明之主要目的在於提供一種多通道光學影像擷取裝置，整合一起偏器、一光學成像鏡頭組、一極化光分光鏡、一可程式化之時序控制電路裝置、一影像擷取單元及光學雙折射極化轉換元件等，以解決多通道光學影像擷取裝置發生影像失真、光學誤差等問題。

為了達到上述目的，根據本發明所提出之一方案，提供一種多通道光學影像擷取裝置，其包括：提供一水平極化光學起偏器，設置於一光學通道開口；一垂直極化光學起偏器，設置於另一光學通道開口；一光學成像鏡頭組，可依需要觀察視角大小進行光學變換；一極化光分光鏡，設置於該光學成像鏡頭組前，可當做一光學邏輯開關，以控制一入射光線之輸出方向；至少二光學雙折射極化轉換元件，設置於該水平或垂直極化光學起偏器以及該極化光分光鏡之間，其中，該光學雙折射極化轉換元件可藉由電壓之控制將該入射光線進行極化轉換；一可程式化之時序控制電路裝置，可依時序控制該光學雙折射極化轉換元件之工作時間，以達成各通道影像切換之功能；一影像擷取單元，擷取依時序而成像在感測元件上之影像後，進行影像處理以顯示不同視角之影像。

上述之光學起偏器，目的是調整入射光線的極化偏振狀態，當入射光線經過光學起偏器後，入射光線將由自然光狀態 轉換為一線性極化偏振狀態，其中，水平極化光學起偏器將使入射光線轉換為水平線性極化偏振光，而垂直極化光學起偏器將使入射光線轉換為垂直線性極化偏振光，光學起偏器種類繁多，例如可使用偏振片。

本發明使用一極化光分光鏡，該極化光分光鏡，係利用極化態之改變，可使入射光經極化光分光器鏡 後達成分光效果，也就說，當入射光線經光學起振偏 器轉換為線性極化偏振入射光時，再經其他光學元件轉換後，利用其線性極化偏振方向的不同，經過極化光分光鏡時，將產生反射或通過極化光分光鏡兩種狀態，因而可控制光線的行進方向。

上述之光學雙折射極化轉換元件，乃設置於上述之水平或垂直極化光學起偏器以及上述極化光分光鏡之間，其中，該光學雙折射極化轉換元件可藉由電壓之控制將該入射光線進行極化轉換，也就是說，當入射光線經由光學起偏器後轉換為一線性極化偏振光，而線性極化偏振光經過光學雙折射極化轉換元件時，會因光學雙折射極化轉換元件的極化偏振方向不同，產生線性極化偏振入射光通過不發生變化或線性極化偏振入射光偏振方向旋轉90度的結果，因而可管控入射光輸出的方向、管制影像擷取的時間。這管控光學雙折射極化轉換元件的極化偏振狀態可藉由一可程式化之時序控制電路裝置來完成，例如一可調控之電壓控制源，該可程式化之時序控制電路裝置可依時序控制該光學雙折射極化轉換元件之工作時間，而達成各通道影像切換之功能。

本發明中尚包含一光學成像鏡頭組，其作用為可依需要 觀察視角大小藉由該光學成像鏡頭組組進行光學元件變換而得到所需的畫面。

本發明中尚包含一影像擷取單元，該擷取單元包含一影像攝取元件，一影像處理單元及一影像顯示裝置，其中，該影像攝取元件係包含一光感測元件，例如一CCD元件或CMOS元件，該光感測元件可依不同設計呈現不同陣列(Array)形式排列，當入射光線經由光學起偏器、極化光分光鏡、光學成像鏡頭組後可被影像攝取元件所感測、擷取，同時經由可程式化之時序控制電路裝置的控制，該影像攝取元件可擷取依時序而成像在感測元件上之影像，再經影像處理單元處理後，將影像呈現於一影像顯示裝置，例如一LCD螢幕。

本發明的多通道光學影像擷取裝置，藉由不同光學元件、影像處理等元件的組合，使得在不同方向的影像能於同一成像元件上依時序自動切換顯示，可應用於車輛安全輔助駕駛系統中，達到較完美之影像整合，提供較寬廣有效涵蓋範圍之行車狀況監控，因而實現行車高安全性之需求。

以上之概述與接下來的詳細說明及附圖，皆是為了能進一步說明本發明為達成預定目的所採取的方式、手段及功效。而有關本發明的其他目的及優點，將在後續的說明及圖示中加以闡述。

以下係藉由特定的具體實例說明本發明之實施方式，熟悉此技藝之人士可由本說明書所揭示之內容輕易地瞭解本發明 之其他優點與功效。

本發明之範疇在於提供一種利用線性極化偏振光的產生、極化光分光元件、可電壓控制的光學雙折射變換元件與單鏡頭單感光元件組合而成之光學系統，使得不同輸入埠的光學影像能於成像於同一元件上，並依時序自動切換成像之輸入埠，使得在不同方向的影像能於同一成像元件上依時序自動切換，應用於車輛安全輔助駕駛系統中達成較完美之影像整合，提供駕駛在車輛附近較寬廣有效涵蓋範圍之監控。

請參考第一圖，為本發明一種多通道光學影像擷取裝置架構圖。如圖所示，根據本發明之一具體實施例，多通道光學影像擷取裝置包含二個極化光學起偏器b1b2、二個由電壓控制的光學雙折射極化轉換元件a1a2、一個可程式化之時序控制電路裝置d、一個極化光分光鏡c1、一組光學成像鏡頭組e、一個影像擷取單元f以及數位影像處理單元g。

請參考第二圖，為本發明一種多通道光學影像擷取裝置工作狀態示意圖。如圖二所示，係一個非特定極化光線(自然光)通過輸入埠1端口(光學通道開口)的光學起偏器b1後轉換為一線性偏振極化狀態的入射光，即電場振動為特定方向之線性極化偏振光，此光線經由電壓控制的光學雙折射極化轉換元件a1來決定此光線的電場振動方向，當不施加電壓於光學雙折射極化轉換元件a1時，經光學起偏器b1後形成的線性極化偏振光在通過光學雙折射極化轉換元件a1後，其電場振動方向將旋轉90度，即為偏振方向垂直入射時的偏振方向，後穿過極化光分光鏡c1時則該光束發生折射，由輸出埠4輸出。

請參考第三圖，為本發明一種多通道光學影像擷取裝置另一工作狀態示意圖。如圖三所示，係當施加電壓於光學雙折射極化轉換元件a1時，經光學起偏器b1的線性極化偏振入射光，通過光學雙折射極化轉換元件a1後電場振動方向不發生旋轉，因而穿過極化光分光鏡c1時則該線性極化偏振入射光不發生折射，則由輸出埠3輸出。於是由輸入埠1進入的光線，可藉由上述的控制方法和裝置，選擇由輸出埠3或輸出埠4輸出。同理，輸入埠2(另一光學通道開口)進入的光線，亦可藉由上述的控制方法和裝置，選擇由輸出埠3或輸出埠4輸出(如圖四：一種多通道光學影像擷取裝置另一工作狀態示意圖、圖五：一種多通道光學影像擷取裝置另一工作狀態示意圖)。

在輸出埠3連接一組光學成像鏡頭組e和一個影像擷取單元f，並利用可程式化的時序控制電路裝置d，控制輸入埠1端口與輸入埠2端口的光學雙折射極化轉換元件a1a2之電壓施加時間。使得；當輸入埠1輸入的光線由輸出埠3輸出的同時，輸入埠2輸入的光線由輸出埠4輸出，或是當輸入埠1輸入的光線由輸出埠4輸出的同時，輸入埠2輸入的光線由輸出埠3輸出。則可將輸入埠1或輸入埠2，這兩個不同入射方向的影像依時序分別成像在影像擷取單元f上，將兩個不同時序擷取之影像，經由數位影像處理單元g進行合併，顯示在駕駛座旁的螢幕上以提供汽車周圍較廣視角的影像，進而協助消除視線死角，提供駕駛人更高的安全性。此裝置也可以協助記錄車內外的環境數據資料，以作為車用安全警示系統驗證之輔助工具，利用實際道路上所拍攝之影像來做為測試驗證與量測兩 動態車輛之瞬時相對速度及相對位置關係。與現有技術相比，本發明通過電壓控制的光學雙折射極化轉換元件之通電狀態來實現光路的切換，而不需移動與轉動任何光學元件從而加強了系統的穩定性與耐用度，並可減少成像系統的體積與降低系統的承載重量。在特定情況下，極化光分光鏡也可依需求製成非矩形之形狀，以適應不同監測區域時之不同入射方向光源的需求。

本發明的關鍵元件為電壓控制的光學雙折射極化轉換元件a1a2，為減少系統體積與元件成本，較可行的方案是利用液晶元件來進行此項極化轉換功能。因本發明需在短時間內讓液晶分子產生轉換，需要應答速度(responsible time)快的液晶顯示模式，例如可採用扭曲向列型液晶。

請參考第六圖，為本發明一種多通道光學影像擷取裝置在時間1週期的工作狀態示意圖，及請參考第七圖，為本發明一種多通道光學影像擷取裝置在時間2週期的工作狀態示意圖。如圖所示，光學雙折射極化轉換元件-液晶光開關a1a2改變光的極化，液晶光開關a1a2在未加電壓時能將P極化光轉為S極化光，S極化光轉成P極化光，在加電壓時，光的極化則不變。運用這個特性，在時間1週期時，入射光經過光學起偏器b1b2，變成P極化光後，再經過未加電壓的液晶光開關a1a2，此時P極化光轉成S極化光，S極化光在進入極化光分光鏡，則會從極化光分光鏡的S極化端輸出(如圖六所示)。相反地，入射光經過光學起偏器b1及b2，變成P極化光後，再經過加電壓的液晶光開關a1a2，出來還是P極化光，再進入 極化光分光鏡c1，則會從極化光分光鏡的P極化端輸出(如圖七所示)。我們設計一個電路控制液晶光開關能在短時間內快速重複開和關的動作，再將開和關輸出的影像合成一個影像，這樣攝影機就成了比一般攝影機的可見範圍還要來的廣了。

如圖六在時間1週期時，兩道自然光k1和k5，分別進入光學起偏器b1和b2變成方位角(θ)為0°的線性極化偏振光k2和k6，再經過光學雙折射極化轉換元件-液晶光開關-a1和a2，由於未加電壓的光學雙折射極化轉換元件-液晶光開關a1及a2，會扭轉光的極化，所以出來的線性極化偏振光k3和k7，變成方位角為90°，進入極化光分光鏡c1，由於極化光分光鏡的特性中P極光(方位角為0°)會穿透，S極光(方位角為90°)會反射，因此線性極化偏振光k3和k7經反射分別變成線性極化偏振光k4和k8，線性極化偏振光k8進入一成像單元h1，藉由該成像單元h1可得到一影像。

如圖七時間2週期時，兩道自然光k1和k5，分別進入光學起偏器b1和b2變成方位角為0°的線性極化偏振光k2和k6，再經過液晶光開關a1和a2，由於加電壓的液晶光開關a1及a2，不會改變光的極化，所以出來的線性極化偏振光k3和k7方位角為0°，進入極化光分光鏡c1，由於極化光分光鏡的特性中P極光(方位角為0°)會穿透，S極光(方位角為90°)會反射，因此線性極化偏振光k3和k7會穿透極化光分光鏡c1，得到k4和k8兩道線性極化偏振光，穿透的線性極化偏振光k4進入成像單元h1，藉由成像單元h1可得到一影像。

上述之實施例僅為例示性說明本發明之特點及其功效，而 非用於限制本發明之實質技術內容的範圍。任何熟習此技藝之人士均可在不違背本發明之精神及範疇下，對上述實施例進行修飾與變化。因此，本發明之權利保護範圍，應如後述之申請專利範圍所列。

a1、a2‧‧‧光學雙折射極化轉換元件

b1、b2‧‧‧光學起偏器

c1‧‧‧極化光分光鏡

d‧‧‧時序控制電路裝置

e‧‧‧光學成像鏡頭組

f‧‧‧影像擷取單元

g‧‧‧數位影像處理單元

h1‧‧‧成像單元

k1、k5‧‧‧自然光

k2、k3、k4、k6、k7、k8‧‧‧線性極化偏振光

第一圖係為本發明一種多通道光學影像擷取裝置架構圖；第二圖係為本發明一種多通道光學影像擷取裝置工作狀態示意圖；第三圖係為本發明一種多通道光學影像擷取裝置另一工作狀態示意圖；第四圖係為本發明一種多通道光學影像擷取裝置另一工作狀態示意圖；第五圖係為本發明一種多通道光學影像擷取裝置另一工作狀態示意圖；第六圖係為本發明一種多通道光學影像擷取裝置在時間1週期的工作狀態示意圖；第七圖係為本發明一種多通道光學影像擷取裝置在時間2週期的工作狀態示意圖。

a1、a2‧‧‧光學雙折射極化轉換元件

b1、b2‧‧‧光學起偏器

c1‧‧‧極化光分光器鏡

d‧‧‧時序控制電路裝置

e‧‧‧光學成像鏡頭組

f‧‧‧影像擷取單元

g‧‧‧數位影像處理單元

h1‧‧‧成像單元

Claims (9)

1. 一種多通道光學影像擷取裝置，包括：一水平極化光學起偏器，設置於一光學通道開口；一垂直極化光學起偏器，設置於另一光學通道開口；一光學成像鏡頭組，可依需要觀察視角大小進行光學變換，代表不同視角之影像的入射光線分別入射該些光學通道開口；一極化光分光鏡，設置於該光學成像鏡頭組前，可當做一光學邏輯開關，以控制該些入射光線之輸出方向；至少二光學雙折射極化轉換元件，分別設置於該水平及垂直極化光學起偏器以及該極化光分光鏡之間，其中，該光學雙折射極化轉換元件可藉由電壓之控制將該入射光線進行極化轉換；一可程式化之時序控制電路裝置，可依時序控制該光學雙折射極化轉換元件之工作時間，以達成各通道影像切換之功能；一影像擷取單元，擷取依時序而成像在感測元件上之影像後，進行影像處理以顯示不同視角之影像。
2. 如申請專利範圍第1項之多通道光學影像擷取裝置，其中，該水平極化光學起偏器係包含一水平偏振方向，使得該入射光線轉換為一水平線性極化偏振光。
3. 如申請專利範圍第1項之多通道光學影像擷取裝置，其中，該垂直極化光學起偏器係包含一垂直偏振方向，使得該入射光線轉換為一垂直線性極化偏振光。
4. 如申請專利範圍第1項之多通道光學影像擷取裝置，其中，該光學雙折射極化轉換元件係為一液晶元件。
5. 如申請專利範圍第1項之多通道光學影像擷取裝置，其中，該光學雙折射極化轉換元件係利用電壓控制擷取時序，以達自動切換顯示影像來源。
6. 如申請專利範圍第5項之多通道光學影像擷取裝置，其中，該光學雙折射極化轉換元件至少包含一電壓控制源。
7. 如申請專利範圍第1項之多通道光學影像擷取裝置，其中，該極化光分光鏡，係利用極化態之改變，使入射光線經極化光分光鏡後達成分光效果。
8. 如申請專利範圍第1項之多通道光學影像擷取裝置，其中，該影像擷取單元，包含一影像攝取元件，一影像處理單元及一影像顯示裝置。
9. 如申請專利範圍第1項之多通道光學影像擷取裝置，其中，該影像擷取單元係包含一光感測元件陣列。