DE102009053452A1 - Camera system for use in vehicle for mounting on inclined plate, has image sensor with sensitive surface for detecting electromagnetic radiation and micro lens arrangement for projecting electromagnetic radiation on image sensor - Google Patents
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Abstract
Description
Die Erfindung betrifft ein Kamerasystem, wie es insbesondere bei Fahrzeugen mit Fahrerassistenzsystemen zum Einsatz kommt.The invention relates to a camera system, as used in particular in vehicles with driver assistance systems.
Herkömmliche Kamerasysteme für Fahrerassistenzsysteme umfassen typischerweise einen Bildsensor und ein Objektiv zur Fokussierung der gesamten elektromagnetischen Strahlung, die durch den Bildsensor detektiert wird.Conventional camera systems for driver assistance systems typically include an image sensor and a lens for focusing all the electromagnetic radiation detected by the image sensor.
Die Entfernung zwischen der Öffnungsblende und der sensitiven Fläche des Bildsensors bestimmt die minimale Bautiefe des Kamerasystems. Diese Entfernung ist proportional zur Anzahl und zur Breite der Pixel des Bildsensors. Insbesondere bei Kraftfahrzeugen ist der für Kamerasysteme zur Verfügung stehende Bauraum stark begrenzt. Die Fokussierung und Justierung von Objektiv zu Bildsensor stellt zudem stets eine Herausforderung bei der Massenproduktion und Montage von Kamerasystemen dar.The distance between the aperture stop and the sensitive surface of the image sensor determines the minimum depth of the camera system. This distance is proportional to the number and width of the pixels of the image sensor. Especially in motor vehicles, the installation space available for camera systems is severely limited. The focus and adjustment from lens to image sensor also always presents a challenge in mass production and installation of camera systems.
Es ist deshalb die Aufgabe der hier vorgestellten Erfindung eine kostengünstige und platzsparende Lösung für ein solches Kamerasystem bereitzustellen.It is therefore the object of the invention presented here to provide a cost-effective and space-saving solution for such a camera system.
Ein erfindungsgemäßes Kamerasystem umfasst mindestens einen Bildsensor mit einer sensitiven Fläche zur Detektion elektromagnetischer Strahlung, ein Element zur Abbildung elektromagnetischer Strahlung auf die sensitive Fläche des Bildsensors, das aus einer Anordnung einer Vielzahl einzelner Mikrolinsen in einer Ebene besteht, im Folgenden Mikrolinsenanordnung oder -array genannt, und mindestens eine als Falschlichtblende wirkende Blendenstruktur. Die Blendenstruktur ist zwischen der Mikrolinsenanordnung und dem Bildsensor angeordnet und wird auch als Blendenarray bezeichnet. Der Bildsensor kann auf einer bestückten Leiterplatte (PCB, printed circuit board) angeordnet sein.A camera system according to the invention comprises at least one image sensor with a sensitive surface for detecting electromagnetic radiation, an element for imaging electromagnetic radiation on the sensitive surface of the image sensor, which consists of an arrangement of a plurality of individual microlenses in a plane, hereinafter referred to as microlens array or array, and at least one aperture structure acting as a false-aperture. The diaphragm structure is arranged between the microlens array and the image sensor and is also referred to as a diaphragm array. The image sensor can be arranged on a populated printed circuit board (PCB).
Die Blendenstruktur und die Mikrolinsenanordnung bewirken den Übergang zu einer Multiaperturoptik, wodurch ein flacherer Aufbau bei gleichbleibender Auflösung im Vergleich zur herkömmlichen Einzelaperturoptik mit einem Objektiv möglich wird. Anstelle eines Gesamtbildes wird eine Vielzahl von Teilbildern auf dem Bildsensor abgebildet. Aus den Teilbildern kann im Rahmen einer anschließenden Bildverarbeitung das Gesamtbild rekonstruiert werden.The diaphragm structure and the microlens arrangement cause the transition to a multi-aperture optical system, whereby a flatter construction with constant resolution compared to conventional single-aperture optical system with a lens is possible. Instead of an overall image, a multiplicity of partial images are imaged on the image sensor. From the partial images, the overall picture can be reconstructed as part of a subsequent image processing.
Die Geometrie von Mikrolinse und zugehöriger/n Blendenöffnung(en) bestimmt den Raumwinkel im Objektraum, der auf dem zugehörigen Teilbereich des Bildsensors abgebildet wird. Dieser Teilbereich des Bildsensors mit zugehöriger/n Blendenöffnung(en) und Mikrolinse wird auch als ein Kanal dieses Kamerasystems bezeichnet.The geometry of the microlens and the associated aperture (s) determines the solid angle in the object space, which is imaged on the associated subarea of the image sensor. This subregion of the image sensor with associated aperture (s) and microlens is also referred to as a channel of this camera system.
Das erfindungsgemäße Kamerasystem ist geeignet zur Befestigung an der Unterseite einer geneigten Scheibe, beispielsweise an der Innenseite einer Windschutzscheibe eines Fahrzeugs. Das Kamerasystem ist derart angeordnet, dass die sensitive Fläche des Bildsensors gegenüber der Horizontalen um einen vorgegebenen Winkel nach oben blickt. Die sensitive Fläche des Bildsensors ist also gegenüber der Vertikalen um einen Winkel zwischen 0° und 90° geneigt. Dieser Neigungswinkel kann durch die Neigung der Scheibe vorgegeben sein oder von diesem ausgehend durch einen keilförmigen Abstandshalter variiert werden.The camera system according to the invention is suitable for attachment to the underside of an inclined disc, for example on the inside of a windshield of a vehicle. The camera system is arranged such that the sensitive surface of the image sensor with respect to the horizontal by a predetermined angle looks upwards. The sensitive surface of the image sensor is thus inclined relative to the vertical by an angle between 0 ° and 90 °. This angle of inclination may be predetermined by the inclination of the disc or be varied starting therefrom by a wedge-shaped spacer.
In einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung sind Mikrolinsenanordnung, Blendenstruktur und Bildsensor des Kamerasystems parallel zueinander aufeinander geschichtet angeordnet. Diese geschichtete Anordnung ermöglicht den äußerst flachen Aufbau des Kamerasystems.In an advantageous development of the invention, the microlens arrangement, diaphragm structure and image sensor of the camera system are arranged stacked parallel to one another. This layered arrangement allows the extremely flat structure of the camera system.
In einer bevorzugten Ausführungsform kann durch einen transversalen Versatz zwischen Mikrolinsenanordnung und Blendenstruktur für jeden Kanal eingestellt werden, welcher Raumwinkel im Objektraum durch diesen Kanal abgebildet wird. Auf dieses Weise kann beispielsweise eine vergrößerte Abbildung erzielt werden oder Teilbereiche des Objektraums können abgebildet werden, die nicht entlang der optischen Achse einer Mikrolinse liegen, indem ein Winkel zwischen der optischen Achse und der Verbindungslinie Mikrolinsenmittelpunkt-Blendenöffnung eingestellt wird. Die Blendenstruktur des Kamerasystems ist bevorzugt derart aufgebaut, dass nur elektromagnetische Strahlung, die unter einem definierten Einfallswinkelbereich auf eine Mikrolinse der Mikrolinsenanordnung einfällt, die Blendenstruktur passieren kann und auf der sensitiven Fläche des Bildsensor detektiert wird. Dazu kann die Blendenstruktur derart aufgebaut sein, dass ein deutlicher transversaler Versatz zwischen einer Mikrolinse und dem zugehörigen Empfängerpixel oder Pixelbereich des Bildsensors besteht. Hierdurch wird bewirkt, dass elektromagnetische Strahlung entlang der optischen Achse eines einzelnen optischen Elements der Mikrolinsenanordnung durch die absorbierende Wirkung der sich dort befindlichen Blendenstruktur die sensitive Halbleiterfläche des Bildsensors nicht erreicht. Die Position der zugehörigen Blendenöffnung legt im Zusammenspiel mit den optischen Eigenschaften der Mikrolinse fest aus welchem Einfallswinkelbereich elektromagnetische Strahlung auf den zugehörigen Teilbereich der sensitiven Fläche des Bildsensors gelangt. Vorzugsweise wird durch jede Mikrolinse ein separater Einfallswinkelbereich auf einen separaten Bildsensorbereich abgebildet.In a preferred embodiment, it can be adjusted by a transverse offset between the microlens array and aperture structure for each channel, which solid angle is imaged in the object space through this channel. In this way, for example, an enlarged image can be obtained or portions of the object space can be imaged which are not along the optical axis of a microlens by adjusting an angle between the optical axis and the microlens center-point connecting line. The diaphragm structure of the camera system is preferably constructed such that only electromagnetic radiation incident on a microlens of the microlens array at a defined angle of incidence range can pass through the diaphragm structure and be detected on the sensitive surface of the image sensor. For this purpose, the diaphragm structure can be constructed such that there is a clear transverse offset between a microlens and the associated receiver pixel or pixel region of the image sensor. This has the effect that electromagnetic radiation along the optical axis of a single optical element of the microlens array does not reach the sensitive semiconductor surface of the image sensor due to the absorbing effect of the diaphragm structure located there. The position of the associated diaphragm opening determines, in interaction with the optical properties of the microlens, from which incident angle range electromagnetic radiation reaches the associated partial area of the sensitive surface of the image sensor. Preferably, a separate angle of incidence range is imaged onto a separate image sensor area by each microlens.
Dieser Aufbau des Kamerasystems mit Multilinsenanordnung und Blendenstruktur ermöglicht es, Bildbereiche abzubilden, die nicht senkrecht zur sensitiven Fläche des Bildsensors liegen, sondern unterhalb dieser Achse liegen. Das Kamerasystem schielt in eine gewünschte Richtung. Für den Einsatz in kamerabasierten Fahrerassistenzfunktionen sind beispielsweise der Bereich vor dem Fahrzeug und der Straßenbereich vor dem Fahrzeug relevant, z. B. zur Detektion von Fahrzeugen, Fußgängern, Hindernissen, Verkehrsschildern oder Fahrbahnmarkierungen. This construction of the camera system with multi-lens arrangement and diaphragm structure makes it possible to image areas that are not perpendicular to the sensitive surface of the image sensor, but lie below this axis. The camera system switches in a desired direction. For example, for use in camera-based driver assistance functions, the area in front of the vehicle and the road area in front of the vehicle are relevant, eg. As for the detection of vehicles, pedestrians, obstacles, traffic signs or lane markings.
In einer alternativen Ausführungsform sind die Mikrolinsen derart ausgebildet und/oder angeordnet, dass nur elektromagnetische Strahlung, die unter einem definierten Einfallswinkelbereich auf eine Mikrolinse der Mikrolinsenanordnung einfällt, die Blendenstruktur passieren kann und auf der sensitiven Fläche des Bildsensor detektiert wird. Beispielsweise kann die Ausrichtung der optischen Achse zumindest einer Mikrolinse des Mikrolinsenarrays durch eine veränderte Formgebung der Mikrolinse variiert werden und dadurch ein Schielen des Kamerasystems in eine gewünschte Richtung erzeugt werden.In an alternative embodiment, the microlenses are designed and / or arranged such that only electromagnetic radiation incident on a microlens of the microlens array at a defined angle of incidence range can pass through the diaphragm structure and be detected on the sensitive surface of the image sensor. For example, the alignment of the optical axis of at least one microlens of the microlens array can be varied by changing the shape of the microlens, thereby generating a squint of the camera system in a desired direction.
Um den Bauraum für ein erfindungsgemäßes Kamerasystem weiter zu minimieren kann das Kamerasystem direkt an die Unterseite einer geneigten Scheibe geklebt bzw. befestigt werden. Durch den geschichteten Aufbau des Kamerasystems liegen hierbei die Mikrolinsenanordnung, die Blendenstruktur und der Bildsensor parallel zur Neigung der Unterseite der geneigten Scheibe. Eine transparente planparallele Platte, auf der die Mikrolinsen angeordnet sind, wird mit ihrer freien Seite (den Mikrolinsen gegenüberliegend) an die Scheibenunterseite geklebt oder anderweitig befestigt.In order to further minimize the installation space for a camera system according to the invention, the camera system can be glued or fastened directly to the underside of an inclined disk. Due to the layered structure of the camera system, the microlens arrangement, the diaphragm structure and the image sensor lie parallel to the inclination of the underside of the inclined disk. A transparent plane-parallel plate, on which the microlenses are arranged, is glued or otherwise fixed with its free side (opposite the microlenses) to the underside of the pane.
In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung wird ein keilförmiger Abstandshalter zwischen der geneigten Scheibe und dem Mikrolinsenarray angeordnet. Der Abstandshalter kann beispielsweise aus einem optisch transparenten Material gebildet sein, insbesondere einem transparenten Klebstoff bzw. Klebemittel, oder als Rahmen ausgebildet sein, der in seinem Inneren die elektromagnetische Strahlung ungehindert von der geneigten Scheibe zum Mikrolinsenarray passieren lässt, da im Inneren Luft oder ein anderes Gas befindlich ist.In a further advantageous embodiment of the invention, a wedge-shaped spacer is arranged between the inclined disk and the microlens array. The spacer may for example be formed of an optically transparent material, in particular a transparent adhesive or adhesive, or be designed as a frame that allows the electromagnetic radiation to pass unhindered from the inclined disc to the microlens array in its interior, as in the interior air or another Gas is located.
Durch Einsatz unterschiedlicher Abstandshalter mit variiertem Keilwinkel für unterschiedlich geneigte Scheiben (z. B. bei unterschiedlichen Fahrzeugtypen) kann das erfindungsgemäße Kamerasystem bevorzugt stets in einem definierten Winkel zur Fahrzeuglängsachse ausgerichtet sein. Dies ermöglicht den Einsatz eines vorkonfigurierten Kamerasystems bei Fahrzeugtypen mit unterschiedlich geneigten Windschutzscheiben.By using different spacers with a varied wedge angle for differently inclined disks (eg with different vehicle types), the camera system according to the invention can preferably always be aligned at a defined angle to the vehicle longitudinal axis. This allows the use of a preconfigured camera system for vehicle types with differently sloped windshields.
Vorzugsweise kann die Lage der sensitiven Fläche des Bildsensors des Kamerasystems durch einen Abstandshalter von –5° bis +5° gegenüber der geneigten Scheibe variiert werden.Preferably, the position of the sensitive surface of the image sensor of the camera system can be varied by a spacer of -5 ° to + 5 ° relative to the inclined disk.
Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung umfasst die Blendenstruktur mindestens zwei Ebenen mit unterschiedlich angeordneten Blendenöffnungen. Durch eine Mehrzahl von Blendenplatten mit unterschiedlich angeordneten Blendenöffnungen kann der mögliche Einfallswinkelbereich für elektromagnetische Strahlung, die schließlich auf dem Bildsensor detektiert wird, genau vorgegeben werden.According to an advantageous development of the invention, the diaphragm structure comprises at least two planes with differently arranged diaphragm openings. The possible angle of incidence range for electromagnetic radiation, which is finally detected on the image sensor, can be specified precisely by means of a plurality of diaphragm plates with differently arranged diaphragm openings.
Die Erfindung betrifft weiterhin ein Fahrzeug umfassend ein erfindungsgemäßes Kamerasystem, wobei das Kamerasystem mit einem Klebemittel an der Innenseite der Windschutzscheibe befestigt ist oder an einem Abstandshalter, der an der Windschutzscheibe befestigt ist.The invention further relates to a vehicle comprising a camera system according to the invention, wherein the camera system is fastened with an adhesive to the inside of the windshield or to a spacer which is fastened to the windshield.
Bevorzugt sind bei einem Fahrzeug mit Kamerasystem Mikrolinsenanordnung und Blendenstruktur des Kamerasystems derart ausgestaltet, dass ein Bereich bzw. eine Objektebene auf dem Bildsensor abgebildet wird, der/die sich vor dem Fahrzeug befindet.In a vehicle having a camera system, the microlens arrangement and diaphragm structure of the camera system are preferably configured in such a way that an area or an object plane is imaged on the image sensor which is located in front of the vehicle.
Bevorzugt ist bei einem Fahrzeug mit Kamerasystem in mindestens einem Teilbereich die Blendenstruktur variiert oder die angeordneten Mikrolinsen sind unterschiedlich zum restlichen Bereich der Mikrolinsenanordnung ausgeführt.In the case of a vehicle having a camera system, the diaphragm structure is preferably varied in at least one subarea, or the arranged microlenses are embodied differently from the remaining region of the microlens array.
In einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung kann das Kamerasystem durch eine besondere partiell (also in Teilbereichen z. B. am Rand der Anordnung) unterschiedliche Ausführung der Elemente Mikrolinsenanordnung und Blendenstruktur weitere Assistenzfunktion ermöglichen. Bevorzugt kann das Kamerasystem zur Regenerkennung und/oder Taglichterkennung eingesetzt werden. Hierzu können insbesondere die folgenden Parameter verändert werden, um so auf kostengünstige Weise weitere Funktionen zu implementieren:
- – Ausrichtung der Optischen Achse der zugehörigen optischen Elemente der Mikrolinsenanordnung durch partiell verschiedene Formgebung
- – Partielle Materialvariation in mindestens einem Teilbereich der Mikrolinsenanordnung zur Änderung der Brennweite oder der spektralen Transmissionseigenschaften der veränderten Mikrolinsen
- – Partiell unterschiedliche Ausführung der Blendenstruktur insbesondere zur Festlegung weiterer Einfallswinkel auf bestimmte Bereiche (Randbereiche) des Bildsensors. Damit kann ein Sichtfeld nach oben definiert werden, in dem eine Messung der Helligkeit über der Windschutzscheibe erfolgt, was zur Taglichterkennung erforderlich ist.
- - Alignment of the optical axis of the associated optical elements of the microlens array by partially different shape
- - Partial material variation in at least a portion of the microlens array for changing the focal length or the spectral transmission properties of the modified microlenses
- Partially different design of the diaphragm structure, in particular for determining further angles of incidence on specific areas ( Edge areas) of the image sensor. Thus, a field of view can be defined upwards, in which a measurement of the brightness takes place over the windshield, which is required for daylight detection.
Zur Integration einer Regenerkennung in die Funktionalität des Kamerasystems umfasst das Fahrzeug gemäß eines bevorzugten Ausführungsbeispiels eine Beleuchtungsquelle, z. B. LED oder infrarote LED, deren Strahlung in die Windschutzscheibe eingekoppelt wird. Die Mikrolinsenanordnung nutzt partiell angeordnete optische Elemente (Kanäle) z. B. im Randbereich und eine zugehörige dafür optimierte Blendenstruktur, um elektromagnetische Strahlung über die Windschutzscheibe in den Teilbereich des Kamerasystems einzukoppeln.To integrate a rain detection in the functionality of the camera system, the vehicle according to a preferred embodiment comprises a lighting source, for. B. LED or infrared LED whose radiation is coupled into the windshield. The microlens array uses partially arranged optical elements (channels) z. B. in the edge region and an associated optimized diaphragm structure to couple electromagnetic radiation through the windshield in the sub-region of the camera system.
Beleuchtungsquelle und Kamerasystem können derart aufeinander abgestimmt sein, dass bei einer freien und trockenen Windschutzscheibe, die von der Beleuchtungsquelle ausgesandte elektromagnetische Strahlung den Teilbereich des Kamerasystems nicht erreicht. Erst das Vorliegen von Wassertropfen oder Schmutzpartikeln bewirkt eine Reflexion der ausgesandten Strahlung ab den Wassertropfen bzw. eine Streuung an den Partikeln, wodurch eine gestiegene Intensität im Teilbereich des Kamerasystems gemessen wird. Änderungen durch Reflexion oder Brechung an Objekten im Nahbereich können also über einen abbildenden Kanal und den zugehörigen Pixelbereich vom Kamerasystem erfasst werden und somit Regen bzw. Schmutz erkannt werden.The illumination source and the camera system can be matched to one another in such a way that, with a free and dry windscreen, the electromagnetic radiation emitted by the illumination source does not reach the partial area of the camera system. Only the presence of water droplets or dirt particles causes a reflection of the emitted radiation from the water droplets or a scattering of the particles, whereby an increased intensity in the partial area of the camera system is measured. Changes due to reflection or refraction of objects in the near range can therefore be detected by the camera system via an imaging channel and the associated pixel range, and thus rain or dirt can be detected.
Alternativ können entsprechend des bekannten Regensensorprinzips Beleuchtungsquelle und Kamerasystem derart aufeinander abgestimmt sein, dass bei einer trockenen Windschutzscheibe eine Totalreflexion innerhalb der Windschutzscheibe erfolgt und im (Teil-)Empfangsbereich des Kamerasystems das Signal mit voller Stärke gemessen wird. Bei Wassertropfen/Partikeln auf der Windschutzscheibe wird die elektromagnetische Strahlung dagegen teilweise ausgekoppelt und die gemessene Intensität ist geringer.Alternatively, in accordance with the known rain sensor principle, the illumination source and the camera system can be matched to one another such that, in the case of a dry windshield, total reflection takes place within the windshield and the full strength signal is measured in the (partial) reception area of the camera system. In the case of drops of water / particles on the windshield, on the other hand, the electromagnetic radiation is partially decoupled and the measured intensity is lower.
In einer weiteren Ausführungsform ist das Kamerasystem über ein Kabel, bevorzugt ein Flachbandkabel mit einem Stecker mit der Fahrzeugelektronik im Dachhimmel verbunden ist. Dadurch kann der benötigte Bauraum im Bereich der Windschutzscheibe minimal gehalten werden. Die platzbeanspruchende Steckerverbindung wird in den Dachhimmel oder alternativ in den Fuß des Rückspiegels verlegt.In a further embodiment, the camera system is connected via a cable, preferably a ribbon cable with a plug to the vehicle electronics in the headliner. As a result, the required space in the windshield can be kept to a minimum. The space-consuming connector is laid in the headliner or alternatively in the foot of the rearview mirror.
Bevorzugt ist das Kamerasystem elektronisch mit einer Vorrichtung zur Bildverarbeitung verbunden, die im Fuß des Rückspiegels angeordnet ist.Preferably, the camera system is electronically connected to a device for image processing, which is arranged in the foot of the rearview mirror.
Nachfolgend wird die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen und Figuren erläutert.The invention will be explained with reference to embodiments and figures.
Die Schnittzeichnung in
In
Bei einer Verwendung als Fahrzeugkamerasystem für Fahrerassistenzfunktionen wäre die geneigte Scheibe (
Nur elektromagnetische Strahlung, die unter einem definierten Einfallswinkel ϕ auf eine Mikrolinse (
Es entstehen bei diesem Kamerasystem auf Teilbereichen (Pixel oder Pixelbereiche) des Bildsensors (
Die geneigte Scheibe (
Die Schnittzeichnung in
In
BezugszeichenlisteLIST OF REFERENCE NUMBERS
- 11
- Geneigte ScheibeInclined disc
- 22
- Klebemitteladhesive
- 33
- PlanplattePlanplatte
- 44
- MikrolinsenanordnungMicrolens array
- 55
- Blendenstrukturaperture structure
- 66
- Bildsensorimage sensor
- ϕφ
- Einfallswinkelangle of incidence
- a1, a2a1, a2
- Strahlengang aBeam path a
- b1, b2b1, b2
- Strahlengang bBeam path b
- 6a6a
- Bildsensorbereich/Pixel, in dem Strahlengang a abgebildet wirdImage sensor area / pixel, in which beam path a is imaged
- 6b6b
- Bildsensorbereich/Pixel, in dem Strahlengang b abgebildet wirdImage sensor area / pixel, in which beam path b is imaged
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DE102009053452A DE102009053452A1 (en) | 2009-11-17 | 2009-11-17 | Camera system for use in vehicle for mounting on inclined plate, has image sensor with sensitive surface for detecting electromagnetic radiation and micro lens arrangement for projecting electromagnetic radiation on image sensor |
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- 2009-11-17 DE DE102009053452A patent/DE102009053452A1/en not_active Withdrawn
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