WO2012098192A1 - Kameraanordnung für ein kraftfahrzeug - Google Patents

Kameraanordnung für ein kraftfahrzeug Download PDF

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Frank BLÄSING
Gregor BÖHNE
Ralf Böbel
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Leopold Kostal Gmbh & Co Kg
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    • B60R2011/0026—Windows, e.g. windscreen

Definitions

  • the invention relates to a camera arrangement for a motor vehicle with a camera arranged in the vehicle interior behind a vehicle window and with a beam guide element which is arranged between the vehicle window and the camera, which has or forms a prism, wherein the camera has an electronic camera sensor with a pixel array.
  • the front windshield referred to as a windshield
  • a windshield is located at a relatively shallow angle (about 20 ° to 25 °) to the horizon for aerodynamic and aesthetic reasons. Therefore, one in horizontal
  • Light guide can be coupled without refraction or with only a small refraction to the inside of the vehicle window, so that the beam path is modified in an advantageous manner.
  • such light guide can also cause geometric distortions and disturbing color aberrations.
  • This object is achieved in that the optical properties of the camera and the prism are matched to one another such that caused by the dispersion of the prism within the wavelength range detected by the camera maximum
  • Beam broadening on the camera sensor is within a pixel size of the pixel array.
  • the camera assembly according to the invention is particularly inexpensive to produce, since it manages with only a single prism.
  • the invention is based on the consideration that blurring or chromatic aberrations are only recognizable by the dispersion of the prism when a point of an object detected by the camera is imaged on different pixels of the camera sensor of the camera. Therefore, aberrations of optical elements go unnoticed as long as they remain below the pixel size.
  • optically effective surfaces of an optical prism are usually so flat that no discernible defect is created by the residual unevenness.
  • material of an optical prism is usually so homogeneous that this also causes no recognizable error. So if a simple prism (as opposed to a
  • dispersion compensating arrangement of a plurality of prisms is used in front of the lens or in front of the lens of the camera, a deterioration of the image quality is to be expected mainly by the dispersion properties of the prism material. Different wavelengths are deflected differently by the prism, so that then the angles of incidence on the camera sensor are different. So that the light rays of all
  • Prism angle should be so small that the difference of the angle of incidence on the camera sensor remains below the resolution limit.
  • the optical properties of the camera and the prism are therefore suitable to match. In this case, go from the prism of the refractive index of the prism material and its change
  • Dispersion of the prism maximum possible beam broadening can not be greater than a pixel of the camera sensor.
  • FIG. 1 shows a schematically illustrated camera arrangement
  • FIG. 2 shows a sketch of the resolution capability of a camera sensor
  • FIG. 3 shows a sketch of the beam expansion through the dispersion of the camera
  • FIG. 1 shows the basic arrangement of the components of FIG
  • the arrangement consists of a prism 3 and a camera 7, wherein the camera 7 is arranged such that it looks through a vehicle window 2, that receives light from the outside of the vehicle window 2.
  • the beam path 1 extends from the vehicle window 2 to the camera 7 through the prism 3 and through an optical medium 4 located between the prism 3 and the camera 7.
  • air is provided as the optical medium 4.
  • the camera 7 consists of at least one lens 6 and a light-registering camera sensor 5.
  • the lens 6 has at least one focusing-acting lens.
  • further optical, electronic or mechanical components, in particular a housing, may also be components of the camera 7.
  • the course of three parallel incident light beams 1 is shown in Figure 1, which meet approximately horizontally on the outside of the inclined against the direction of incidence vehicle window 2.
  • the light beams 1 are refracted towards the Scheibenlot.
  • the prism 3 is arranged on the inside of the vehicle window 2, the prism 3 preferably has an identical or similar refractive index as the vehicle window 2, and is optically coupled to the vehicle window 2, so that in the transition region between the vehicle window 2 and the prism 3 virtually no angular deflection of the light beams 1 takes place.
  • the after passing through the prism 3 still parallel to each other extending light beams 1 are focused by the camera lens 6 on the camera sensor 5 of the camera 7.
  • the prism 3 shown in FIG. 1 has a relatively small size
  • refractive angle ß does not have the wedge shape typical for prisms, but is designed as a plate with non-plane-parallel major surfaces. You can also think of this prism 3 as a one-piece
  • FIG. 2 illustrates the resolving power of the camera sensor 5 of a camera.
  • the lens 6 Representative of the lens 6, a single lens 6 'is shown. Dashed lines indicate the main plane of the lens 6 'and the optical axis of the camera.
  • a camera sensor 5 At a distance of the focal length f of the lens 6 ', a camera sensor 5 in cross section recognizable. It is assumed that the camera sensor 5 consists of a pixel array p, not shown as an individual part.
  • FIG. 3 firstly illustrates, in a greatly simplified, purely qualitative representation, the development of chromatic aberrations in an arrangement with a prism.
  • incident light in a prism is decomposed into the spectral colors contained in the light.
  • incident light in a prism is decomposed into the spectral colors contained in the light.
  • the different colors or wavelengths exit the prism at different angles of deflection.
  • the angle range covered thereby can be estimated for visible light by the deflection angle ocbiau of the shortest wavelength light refracted the most and the deflection angle ro t of the weakest refracted longwave light.
  • the camera arrangement it is not the spectrum of the incident light that is relevant, but only that of the light which can also be detected by the camera arrangement. Due to the transmission properties of eg the vehicle window 2 or the objective 6 and the spectral
  • Sensitivity of the camera chip 5 the spectrum of the detected light is normally reduced compared to the spectrum of the incident light.
  • ocbiau and ro t therefore mean the deflection angles of the light with the shortest and the longest detectable wavelengths.
  • the resulting numerical values for these deflection angles depend not only on the dispersion profile of the prism material used but also on the geometry of the prism and on the angle of incidence of the light into the primate 3 and can be determined computationally or experimentally for the particular arrangement.
  • the dispersion-broadened beam is thus reduced to a width of .mu.m on the camera sensor
  • Dispersion broadening smaller than the pixel size p of the camera sensor 5 remains:
  • the resolution caused by the pixel size p represents a sensible limit for the entire camera optics.
  • the lens 6 '(or the objective 6) does not need to have a resolution which lies below the pixel size p. Also errors of other optical elements are irrelevant, as long as the whole
  • Image error remains below the pixel size p.

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Abstract

Die Erfindung betrifft eine Kameraanordnung für ein Kraftfahrzeug mit einer im Fahrzeuginnenraum hinter einer Fahrzeugscheibe (2) angeordneten Kamera (7) und mit einem Strahlführungselement, das zwischen der Fahrzeugscheibe und der Kamera angeordnet ist, welches ein Prisma (3) aufweist oder ausbildet, wobei die Kamera einen elektronischen Kamerasensor (5) mit einem Pixelarray aufweist, wobei die optischen Eigenschaften der Kamera (7) und des Prismas (3) 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 (5) liegt.

Description

Kameraanordnung für ein Kraftfahrzeug
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 Figur 1 eine schematisch dargestellte Kameraanordnung, Figur 2 eine Skizze zum Auflösungsvermögen eines Kamerasensors, Figur 3 eine Skizze zur Strahlaufweitung durch die Dispersion des
Prismenmaterials.
Die Figur 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 großen- 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 Figur 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 Figur 1 dargestellte Prisma 3 hat einen relativen kleinen
brechenden Winkel ß 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 ß beträgt bei dem hier skizzierten Prisma 3 etwa 2°.
Die Figur 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 zur optischen Achse als Mittelpunktsstrahl auf die Linse 6' fallender Lichtstrahl fällt ungebrochen, also unter einem gleichgroßen Winkel ' 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 Figur 2 lässt sich folgender Zusammenhang ablesen: tan ' = x / f = k p / f
Ein Zahlenbeispiel: bei einer Brennweite f = 10 mm und einer Pixelgröße p = 10 μιη erhält man tan 1 ° = k * 0.010/10, also eine Auflösung der Kamera von n = 17,455 Pixel pro Grad für kleine Winkel '.
Das Prinzip der Erfindung wird im Folgenden anhand der Figur 3 erläutert. Die Figur 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 ocbiau des am stärksten gebrochenen kurzwelligen Lichts und dem Ablenkwinkel 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 ocbiau und 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
Δχ = (tan biau - tan arot) * f abgebildet.
Damit sich die Dispersion des Prismas 3 nicht störend bemerkbar macht, ist es vorgesehen, die Komponenten der in der Figur 1 skizzierten
Kameraanordnung so aufeinander abzustimmen, dass die
Dispersionsverbreiterung kleiner als die Pixelgröße p des Kamerasensors 5 bleibt:
(tan abiau - tan arot) * 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. Bezugszeichen
1 , Lichtstrahlen (Strahlengang)
2 Fahrzeugscheibe
3 Prisma
4 optisches Medium
5 Kamerasensor
6 (Kamera)Objektiv
6' Linse
7 Kamera , ' Winkel
«rot, «biau Ablenkwinkel
ß brechender Winkel f Brennweite
k Anzahl Pixel
p Pixelgröße
x Abstand

Claims

Patentansprüche
1 . 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.
2. Kameraanordnung nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass der von der Kamera (7) erfasste Wellenlängenbereich im wesentlichen dem für das menschliche Auge sichtbaren Wellenlängenbereich entspricht.
3. Kameraanordnung nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass der brechende Winkel (ß) 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:
(tan ccbiau - tan rot) * f < p wobei biau und arot 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 (ß) von maximal 4° aufweist.
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