DE10245085A1

DE10245085A1 - Optisches System für eine Kamera

Info

Publication number: DE10245085A1
Application number: DE10245085A
Authority: DE
Inventors: Joachim Dr. Massen
Original assignee: ADC Automotive Distance Control Systems GmbH
Current assignee: ADC Automotive Distance Control Systems GmbH
Priority date: 2002-09-27
Filing date: 2002-09-27
Publication date: 2004-04-01

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft ein optisches System für eine Kamera, mit mindestens einer ersten, objektseitigen Fokussierungsoptik, einer zweiten, bildseitigen Fokussierungsoptik, einer zwischen der ersten und der zweiten Fokussierungsoptik angeordneten Gesichtsfeldblende und einem Bildsensor, welches optische System eine Auskopplungs- oder Ablenkungseinheit aufweist, mittels der ein Lichtstrahl, der von einem Objekt ausgeht und durch die Gesichtsfeldblende begrenzt wird, in mindestens zwei Teilbündel zerlegt wird und die Teilbündel parallel oder nacheinander von dem Bildsensor aufgezeichnet werden, zwecks Erhöhung der Hell/Dunkel-Dynamik der Kamera.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein optisches System für eine Kamera, mit mindestens einer ersten, objektseitigen Fokussierungsoptik, einer zweiten, bildseitigen Fokussierungsoptik und einer zwischen der ersten und der zweiten Fokussierungsoptik angeordneten Gesichtsfeldblende.
Die Erfindung betrifft ebenso ein Verfahren zur Bildaufzeichnung für eine Fahrzeugumfeldbeobachtungs-Kamera für Kraftfahrzeuge.
Künftig werden voraussichtlich immer mehr Kraftfahrzeuge Systeme zur Beobachtung des näheren und weiteren Umfelds des Fahrzeugs aufweisen. Dies schließt Systeme ein, welche die Bewegung des Fahrzeugs als Ganzes und als bewegliches Objekt in einem Verkehrsstrom auf der Straße ermitteln.
Auf der Grundlage dieser Systeme kann eine zielgerichtete Führung und Lenkung des Fahrzeugs zur Fahrerassistenz oder zur Navigation und eine Erweiterung von Insassenschutzsystemen bis hin zur Aufprallvermeidung realisiert werden. Solche Systeme bilden auch die Basis für semiautonomes oder sogar autonomes Fahren.
Als Systeme zur Fahrzeugumfeldbeobachtung sind neben den zur Abstands- und Folgeregelung bekannten Radarsystemen insbesondere Kamerasysteme (Fahrzeugumfeldbeobachtungs-Kamera) mit bildgebenden Sensoren (Bildsensoren) auf der Basis des sichtbaren Lichts oder auch im Infrarotbereich geeignet.
Die Kamerasysteme müssen in der Dämmerung und unter starker Sonnenbestrahlung hinreichend sicher und genau ar beiten. Dies erfordert einen sehr hohen Dynamikbereich des Bildsensors.
Der Begriff „Dynamikbereich" oder „Dynamikumfang" bedeutet hier und im folgenden einen Bereich für eine Hell/Dunkel-Dynamik. Das bedeutet einen Helligkeitsbereich, in dem Bildkontraste noch hinreichend aufgelöst werden können. Der Dynamikumfang wird in dB -auf Grundlage einer logarithmische Skala- angegeben und beschreibt das Verhältnis zwischen dem Sättigungssignal und dem Rauschpegel des Sensors.
Unter dem Begriff „elektronischer Dynamikbereich" ist hier und im folgenden der Dynamikumfang D_elektronisch zu verstehen, der sich aus der Definition eines Spannungsverhältnisses oder eines Stromverhältnisses (Photostrom I) ergibt: Delektronisch = 20 · log (Ihell / Idunkel
Demgegenüber ergibt sich die „optische Dynamik" D_optisch aus der Definition eines Leistungsverhältnisses, der optischen Empfangsleistung P: Doptisch = 10 · log (Phell / Pdunkel
Es gilt: Delektronisch = 2 · Doptisch
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein optisches System für eine Kamera zu schaffen, das deren Dynamikumfang verbessert und insbesondere den Dynamikanforderungen im Kraftfahrzeugbereich genügt.
Diese Aufgabe wird nach der Erfindung durch die Merkmale der unabhängigen Patentansprüche gelöst. Durch die Merkmale der davon abhängigen Unteransprüche sind vorteilhafte Weiterbildungen angegeben.
Nach der Erfindung wird die Aufgabe durch ein optisches System für eine Kamera gelöst, das mindestens eine erste, objektseitige Fokussierungsoptik, eine zweite, bildseitige Fokussierungsoptik, eine zwischen der ersten und der zweiten Fokussierungsoptik angeordnete Gesichtsfeldblende eine Auskopplungs- oder Ablenkungseinheit und einen Bildsensor aufweist, mittels der ein Lichtstrahl, der von einem Objekt ausgeht und durch die Gesichtsfeldblende begrenzt wird, in mindestens zwei Teilbündel zerlegt wird und die Teilbündel parallel oder nacheinander von dem Bildsensor aufgezeichnet werden, zwecks Erhöhung der Hell/Dunkel-Dynamik der Kamera. Es ist demnach wesentlich, dass die Auskopplungs- oder Ablenkungseinheit ein Mittel aufweist, das geeignet ist, den aus dem Bereich der Gesichtsfeldblende ausfallenden Lichtstrahl zu teilen und somit einen bestimmten Anteil des Lichtstrahls von dem restlichen Lichtstrahl auszukoppeln bzw. abzulenken, damit diese örtlich oder zeitlich getrennt aufgezeichnet werden können.
Der ausgekoppelte bzw. abgelenkte Strahl und der nicht ausgekoppelte bzw. nicht abgelenkte Restanteil des ursprünglichen Strahls (Reststrahl) werden dabei in ihrer Intensität oder Helligkeit so gewählt, dass sie sich ergänzen. Der Dynamikumfang des den Lichtstrahl aufnehmenden Bildsensors kann so vorteilhaft stark erhöht werden. Es ist möglich, den Gesamtdynamikumfang nahezu zu verdoppeln.
Es ist nach der Erfindung vorgesehen, dass die erste Fokussierungsoptik ein erstes Bild entwirft, das von der Gesichtsfeldblende begrenzt wird und dass mittels der Auskopplungs- oder Ablenkungseinheit ein zweites Bild erzeugt wird, das im wesentlichen mit dem ersten Bild übereinstimmt. Durch das optische System wird somit das durch die Gesichtsfeldblende begrenzte Bild verdoppelt. Es entstehen gleichzeitig zwei Bilder, die auf dem Bildsensor dargestellt werden. Die zwei Bilder werden dabei in ihrer Helligkeit so gewählt, dass sich vorteilhaft eine Ergänzung des Dynamikbereichs des Bildsensors ergibt. Der Gesamtdynamikumfang kann nahezu verdoppelt werden.
Erfindungsgemäß ist es vorgesehen, dass die Auskopplungs- oder Ablenkungseinheit der zweiten optischen Fokussierungsoptik zugeordnet ist und einen optischen Keil oder ein zumindest annähernd keilförmiges Prisma aufweist oder dass die Auskopplungs- oder Ablenkungseinheit als ein Teil einer der zweiten optischen Fokussierungsoptik zugeordneten Linse, insbesondere als ein Linsensegment, ausgebildet ist.
Nach der Erfindung ist es vorgesehen, dass die erste und zweite Fokussierungsoptik zumindest eine Sammellinse aufweist. Die Auskopplungs- oder Ablenkungseinheit wird vorzugsweise durch ein die optischen Eigenschaften, wie Brechungseigenschaften, des Randbereichs der zweiten, bildseitigen Fokussierungsoptik veränderndes Mittel dargestellt. Es können die Brechungseigenschaften des Randbereichs direkt verändert werden durch besondere Ausgestaltung oder Materialeigenschaften des Randbereichs dieser Linse oder aber es können zusätzliche optische Mittel, wie ein keilförmiges Prisma, im Randbereich angeordnet sein.
Erfindungsgemäß ist es vorgesehen, dass das von der ersten Fokussierungsoptik entworfene erste Bild mittels der Auskopplungs- oder Ablenkungseinheit ein zweites Mal im wesentlichen räumlich getrennt, vorzugsweise parallelverschoben, auf dem Bildsensor abgebildet wird. Demnach wird nicht nur ein einziges Bild auf dem Sensor entworfen, sondern zwei mal dasselbe Bild nebeneinander mit unterschiedlich starker Intensität auf den Bildsensor abgebildet.
Es können nach der Erfindung die Bilder aber auch übereinander projiziert werden. Das von der ersten Fokussierungsoptik entworfene erste Bild wird dann mittels der Auskopplungs- oder Ablenkungseinheit ein zweites Mal im wesentlichen an demselben Ort auf dem Bildsensor abgebildet.
Beide Bilder werden aber zeitlich getrennt. Dies kann beispielsweise durch mechanische Blenden (Shutter) oder durch optoelektronische Schalter, die z.B. nach dem Prinzip von Flüssigkristallanzeigen arbeiten, realisiert werden.
Als Bildsensoren sind alle bekannten und denkbaren Sensoren für eine Bilderfassung geeignet, insbesondere Multisensorstrukturen aus lichtempfindlichen Elementen (Bildpunkten bzw. Pixeln), die in Zeilen- oder Matrixform angeordnet sind und ihr Licht aus der erfindungsgemäßen Optik erhalten.
Durch die Erfindung ist auch eine Anwendung von Bildsensoren mit einer relativ niedrigen Dynamik zur Umfeldbeobachtung im Kraftfahrzeugbereich möglich. Erfindungsgemäß weisen die Bildsensoren einen Dynamikumfang in einem Bereich von vorzugsweise 50 bis 100 dB elektronischer Dynamikumfang auf.
Es können auch Si-Bildsensoren (CCD Charge-Coupled Devices) verwendet werden. Bei den CCD-Bildsensoren werden durch das über eine transparente Elektrode einfallende Licht proportional zur Intensität und Belichtungszeit Ladungsträger erzeugt, die in einem „Potentialsumpf" (Si-SiO₂-Grenzschicht) gesammelt werden. Mit weiteren Elektroden werden diese Ladungen in eine lichtundurchlässige Zone verschoben und in „analogen" Schieberegistern (Eimerkettenprinzip) zeilenweise in ein Ausgangsregister weitertransportiert, das mit hoher Taktrate seriell ausgelesen wird. Durch das erfindungsgemäße optische System kann die relativ begrenzte Hell-Dunkeldynamik dieser CCD-Sensoren von ca. 60 dB so stark verbessert werden, dass diese zumindest für einige Anwendungsfälle mit geringerer Dynamikanforderung eingesetzt werden können.
Vorzugsweise werden aber auf CMOS-Technik beruhende Bildsensoren eingesetzt. Die hier mögliche logarithmische Helligkeit/Signalkennlinie entspricht dem menschlichen Auge und weist eine Dynamik von bis zu 120 dB auf. Bei Verwendung von CMOS-Sensoren kann auch eine Blendensteuerung entfallen. Eine konstante Kontrastauflösung im gesamten Helligkeitsbereich wird ermöglicht. Diese Sensoren gestatten darüber hinaus vorteilhaft einen wahlfreien Zugriff auf die einzelnen Pixel bei gleichzeitig höherer Empfindlichkeit (höhere Ausleserate). Auch eine erste Vorverarbeitung der Signale auf dem Bildsensorchip ist möglich.
In einer besonders günstigen Ausführungsform der Erfindung werden an sich bekannte, bereits in großen Stückzahlen produzierte Formate für die Sensoren eingesetzt, vorzugsweise CMOS-Kamerasensoren, mit im wesentlichen einer VGA-Auflösung (640 × 480 Pixel) oder SVGA-Auflösung (800 × 600 Pixel).
Für eine Anwendung in einer Fahrzeugumfeldbeobachtungs-Kamera, z.B. zur Spurerkennung, wird das VGA- oder SVGA-Format nicht vollständig benötigt. Daher wird eine Hälfte des Bildsensorchips jeweils zur Darstellung eines der beiden Bildern genutzt, um das Bild zweimal zeitparallel aufzunehmen. Durch Verwendung der Standardformate sind die Kosten des Systems gering. Denn diese werden bereits in großen Stückzahlen gefertigt.
Die Erfindung ist aber ausdrücklich nicht auf die Verwendung dieser Standard-Sensoren beschränkt. Es ist beispielsweise vorgesehen, auch spezielle hochdynamische Sensoren beim optischen System nach der Erfindung zu verwenden. Insbesondere ist eine Anwendung von sogenannten TFA (Thin Film an ASIC)-Chips als Bildsensoren vorgesehen. Durch Einsatz dieser Sensoren kann ein Dynamikumfang von insgesamt größer 200 dB erreicht werden. Diese Systeme können dann auch bei geringer Lichtstärke, insbesondere in der Dämmerung oder in der Nacht, z.B. als Nachtsichtgeräte, eingesetzt werden.
Das erfindungsgemäße optisches System wird vorzugsweise für eine Fahrzeugumfeldbeobachtungs-Kamera für Kraftfahrzeuge, eingesetzt.
Die zugrundeliegende Aufgabe wird auch durch ein Verfahren zur Bildaufzeichnung für eine Fahrzeugumfeldbeobachtungs-Kamera für Kraftfahrzeuge, gelöst, bei dem ein Objektbild separiert wird in mindestens zwei Bilder und die zwei Bilder zeitlich oder örtlich getrennt erfasst werden. Anschließend können die beiden getrennten Bilder umgewandelt, verstärkt und/oder aufbereitet werden, zwecks Erhöhung des Dynamikbereichs der Kamera.
Bei dem Verfahren weisen die Signalumwandlung-, verstärkung und -aufbereitung zumindest folgende Schritte, einzeln oder in Kombination miteinander, auf: eine Ladungsträgerintegration oder Direktauslese, einen beliebigen Pixelzugriff, ein „dual-sampling", einen „regional shutter", eine Analog-Digital-Wandlung der Bildinformationen, ein „correlated double sampling, eine digital Signalverarbeitung (Integration auf demselben Chip), eine analoge oder digitale Signalintegration zur Rauschunterdrückung und/oder eine Fensterbildung (elektronisches Zoom).
Die Erfindung wird in der nachfolgenden Beschreibung unter Bezugnahme auf die beiliegenden Abbildungen (1 und 2) näher erläutert.
Die 1 zeigt schematisch eine Ausführungsform des optischen Systems mit einem optischen Keil als Auskopplungs- oder Ablenkungseinheit.
Die 2 zeigt schematisch eine Ausführungsform des optischen Systems mit einem Linsensegment als Auskopplungs- oder Ablenkungseinheit.
In der 1 ist ein optisches System für eine Kamera zur Fahrzeugumfeldbeobachtung dargestellt. Das optische System weist im wesentlichen eine erste, objektseitige Fokussierungsoptik 1, eine zweite, bildseitige Fokussierungsoptik 2 und eine dazwischen angeordnete Gesichtsfeldblende 3 auf. Mit einem optischen Keil 4 als Auskopplungs- oder Ablenkungseinheit wird ein Teil 5 des in die Gesichtsfeldblende einfallenden Lichtstrahls ausgekoppelt. Daher fällt nur ein bestimmter Anteil 6 der gesamten, durch die Gesichtsfeldblende 3 einfallenden Strahlmenge 7 auf einen Bildsensorchip 8.
Die 2 zeigt schematisch eine alternative Ausführungsform des optischen Systems mit einer anderen Auskopplungs- oder Ablenkungseinheit. Das optische System ist bis auf die Auskopplungs- oder Ablenkungseinheit im wesentlichen so aufgebaut wie das in 1 gezeigte System. Daher sind die identischen bzw. analogen Komponenten mit gleichen Bezugszeichen versehen und werden im folgenden nicht näher erläutert. Im Unterschied zur 1 weist die Auskopplungs- oder Ablenkungseinheit ein Linsensegment 9 auf, das ein Teil der zweiten, bildseitigen Fokussierungsoptik 2 darstellt. Durch das Linsensegment 9 lässt sich im wesentlichen derselbe Strahlengang und dieselbe Strahlenenergieverteilung wie bei dem in 1 gezeigten System erreichen.
Die in 1 und 2 gezeigten optischen System weisen den Vorteil eines technisch relativ einfachen und damit kostengünstigen Aufbaus auf, da zur Auskopplung bzw. Ablenkung nur ein weiteres optisches Element 4,9 notwendig ist.
Durch die Auskopplung bzw. Ablenkung mittels Keil (1) oder Linsensegment (2) werden gleichzeitig zwei Bilder A,B erzeugt und auf dem Bildsensor 8 dargestellt. Die Intensität der beiden Bilder A,B wird so gewählt, dass die Helligkeiten sich ergänzen und somit der Dynamikbereich erweitert wird. Bei im wesentlicher gleicher Fläche bekommt hier der untere Teil des Bildsensors (Bild B) einen geringen Anteil 5 des ursprünglichen Lichtstrahls 7 ab. Dieser Teil des Sensors ist „lichtunempfindlicher" und für eine hohe Lichtintensität, wie sie bei Fahrsituationen im hellen Sonnenlicht vorkommen, gut geeignet. Auf den oberen Bereich (Bild A) entfällt ein deutlich größerer Strahlanteil 6. Dadurch ist dieser Bereich vergleichsweise „lichtempfindlicher". Es können auf diesem Teil auch Objekte bei schwachen Lichtverhältnissen, z.B. bei der Dämmerung, kontrastreich abgebildet werden. Insgesamt kann der Dynamikumfang des Bildsensorchips 8 so erhöht werden. Denn der gesamte Dynamikbereich wird im wesentlichen begrenzt durch eine „Hell-Grenze" bei der Abbildung auf den Bereich B des Sensors und durch eine „Dunkel-Grenze" bei der Abbildung auf den Bereich A des Sensors mit einer hohen Strahlintensität.
Auch eine Addition der Bildintensitäten von Bereich A und Bereich B zur Erhöhung der Empfindlichkeit (verbesserte Dunkel-Grenze) ist erfindungsgemäß möglich.
Durch die im folgenden angegebenen Maßnahmen, einzeln oder in Kombination miteinander, wird bei der nachfolgenden elektronischen Signalverstärkung und Bearbeitung des Ausgangs-Signals des Sensors 8 die Dynamik weiter optimiert:
eine Anpassung der pixelinternen Verstärkung, eine Anpassung der Bildaufnahmezeit (Shutter, Belichtung) und/oder ggf. eine pixelindividuelle Steuerung von Belichtung und Verstärkung zur Vergrößerung des Dynamikumfangs in einem Bild.

Claims

Optisches System für eine Kamera, mit mindestens einer ersten, objektseitigen Fokussierungsoptik, einer zweiten, bildseitigen Fokussierungsoptik, einer zwischen der ersten und der zweiten Fokussierungsoptik angeordneten Gesichtsfeldblende und einem Bildsensor, dadurch gekennzeichnet, dass das optische System eine Auskopplungs- oder Ablenkungseinheit aufweist, mittels der ein Lichtstrahl, der von einem Objekt ausgeht und durch die Gesichtsfeldblende begrenzt wird, in mindestens zwei Teilbündel zerlegt wird und die Teilbündel parallel oder nacheinander von dem Bildsensor aufgezeichnet werden, zwecks Erhöhung der Hell/Dunkel-Dynamik der Kamera.
Optisches System nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Fokussierungsoptik ein erstes Bild entwirft, das von der Gesichtsfeldblende begrenzt wird und dass mittels der Auskopplungs- oder Ablenkungseinheit ein zweites Bild erzeugt wird, das im wesentlichen mit dem ersten Bild übereinstimmt.
Optisches System nach einem der Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Auskopplungs- oder Ablenkungseinheit der zweiten optischen Fokussierungsoptik zugeordnet ist und einen optischen Keil aufweist.
Optisches System nach einem der Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Auskopplungs- oder Ablenkungseinheit als ein Teil einer der zweiten optischen Fokussierungsoptik zugeordneten Linse ausgebildet ist.
Optisches System nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die erste und zweite Fokussierungsoptik zumindest eine Sammellinse aufweist.
Optisches System nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass das von der ersten Fokussierungsoptik entworfene erste Bild mittels der Auskopplungs- oder Ablenkungseinheit ein zweites Mal im wesentlichen räumlich getrennt, vorzugsweise parallelverschoben, auf dem Bildsensor abgebildet wird.
Optisches System nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass das von der ersten Fokussierungsoptik entworfene erste Bild mittels der Auskopplungs- oder Ablenkungseinheit ein zweites Mal im wesentlichen an demselben Ort auf einem Bildsensor abgebildet wird und beide Bilder zeitlich getrennt werden.
Optisches System nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Bildsensor einen Dynamikumfang (elektronische Dynamik) in einem Bereich von 40 dB bis 120 dB aufweist.
Optisches System nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Bildsensor im wesentlichen eine VGA-Auflösung oder SVGA-Auflösung aufweist.
Optisches System nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass mittels des optischen Systems ein bestimmtes Verhältnis der Intensitäten oder Helligkeiten des ausgekoppelten bzw. abgelenkten Lichtstrahls zu dem ursprünglichen Lichtstrahl eingestellt wird, zwecks Verbesserung des Dynamikumfangs der Kamera.
Fahrzeugumfeldbeobachtungs-Kamera für Kraftfahrzeuge, dadurch gekennzeichnet, dass die Kamera ein optisches System nach einem der vorangegangenen Ansprüche aufweist.
Verfahren zur Bildaufzeichnung für eine Fahrzeugumfeldbeobachtungs-Kamera für Kraftfahrzeuge, dadurch gekennzeichnet, dass ein Objektbild separiert wird in mindestens zwei Bilder, dass die mindestens zwei Bilder parallel aufgezeichnet werden und zeitlich getrennt oder örtlich getrennt erfasst werden und dass die beiden Bilder anschließend umgewandelt, verstärkt und/oder aufbereitet werden, zwecks Erhöhung des Dynamikumfangs der Fahrzeugumfeldbeobachtungs-Kamera.
Verfahren nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Umwandlung, Verstärkung und/oder Aufbereitung zumindest eine pixelindividuelle Verstärkung aufweist, die automatisch oder extern steuerbar ist, und eine elektronische Belichtungssteuerung aufweist, die automatisch oder extern steuerbar ist