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Die vorliegende Erfindung betrifft
eine katadioptrische Kamera, das heißt eine Kamera, bei der nicht
nur Linsen, sondern auch gekrümmte
Spiegelflächen
als bildgebende Elemente eingesetzt werden.
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Herkömmliche Objektive in Linsenoptik zeichnen
Bilder aus einem kegelförmigen
Beobachtungsraum auf, an dessen Scheitelpunkt sich das Objektiv
befindet. Die meisten Objektive in Linsenoptik sind für Öffnungswinkel
des Kegels bzw. Blickwinkel von nicht mehr als 90° konzipiert.
Es sind zwar größere Blickwinkel
erreichbar, doch erfordert dies einen erheblichen technischen Aufwand.
Um eine gleichmäßige Helligkeit
eines von einem solchen Objektiv erzeugen Bildes zu erreichen, muss
dafür gesorgt werden,
dass auch Licht, das aus einem Randbereich des Beobachtungskegels
auf das Objektiv trifft, unter einem nicht zu großen Winkel
auf dessen Frontlinse trifft. Die daraus resultierende vorgewölbte Form
der Frontlinse hat derartigen Objektiven die Bezeichnung „Fischauge" eingetragen. Die
Gefahr von Beschädigungen
ist bei einer solchen vorgewölbten Frontlinse
hoch. Blickwinkel in der Größenordnung von
180° oder
darüber
sind mit herkömmlicher
Linsenoptik nicht realisierbar.
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Für Überwachungsaufgaben
besteht Bedarf nach bildgebendem Systemen, die in der Lage sind, mit
einem Objektiv ein möglichst
großes
Blickfeld zu überwachen
bzw. bei denen die abbildenden Oberflächen besser geschützt sind
als bei einem „Fischaugenobjektiv". Diese Aufgabe ist
lösbar
mit sogenannten katadioptrischen Objektiven, bei denen gewölbte Spiegel
wenigstens einen Teil des optischen Systems bilden. Objektive dieser
Art sind z.B. aus WO 00/41024,
US 6 392 687 B1 und
US 633 826 B1 bekannt. So
zeigt z.B.
US 6 392
687 B1 eine katadioptrische Kamera, bei der ein Linsensystem
im Inneren eines als Hauptreflektor bezeichneten Spiegels untergebracht
ist, wobei eine Frontlinse dieses Linsensystems in eine Öffnung des
Hauptreflektors eingesetzt ist und einen gegenüberliegenden zweiten Reflektor
beobachtet. Der mit dieser Kamera beobachtbare kegelförmige Raum
hat einen Öffnungswinkel von
deutlich mehr als 180°,
doch liegt innerhalb dieses Blickfeldes ein toter Bereich, in dem
der zweite Reflektor einen Blick des Linsensystems geradeaus nach
vorn versperrt. Dies wurde jedoch nicht als störend empfunden, da im wesentlichen
an eine Anwendung der Kamera mit vertikal orientierter optischer Achse
gedacht wurde. Bei einer solchen Aufstellung hat die Kamera in der
Horizontalen einen 360°-Rundumblick,
und der tote Bereich ist in Richtung des Zenit oder Nadir orientiert,
in einer Richtung, die zu beobachten im Allgemeinen von geringerem
Interesse ist.
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Die Notwendigkeit, die optische Achse
im wesentlichen vertikal zu orientieren, schränkt das Anwendungsgebiet einer
solchen Kamera jedoch unerwünscht
ein. So wäre
es z.B. im Prinzip denkbar, derartige Kameras an Kraftfahrzeugen
einzusetzen, z.B. für
die stereoskopische Abstandsmessung zu einem voranfahrenden Fahrzeug,
als Hilfsmittel beim Einparken und dergleichen. Es stehen jedoch
an einem Kraftfahrzeug kaum horizontale Oberflächen zur Verfügung, an
denen eine solche Kamera montiert werden könnte. Montiert man eine solche
Kamera mit vertikaler optischer Achse an einer nicht horizontalen Oberfläche, so
versperrt die Oberfläche
selbst einen Großteil
des Blickfeldes der Kamera, und wenn man die Kamera mit zur Oberfläche senkrechter
optischer Achse montiert, läuft
man Gefahr, dass ein Raumbereich, der eigentlich beobachtet werden
sollte in den toten Bereich der Kamera hineinfällt.
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Aufgabe der Erfindung ist daher,
eine katadioptrische Kamera anzugeben, bei der der tote Bereich,
wenn nicht gar vollständig
beseitigt, so doch zumindest wesentlich reduziert ist.
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Die Aufgabe wird gelöst durch
eine Kamera mit den Merkmalen des Anspruchs 1. Dabei wird die Tatsache
ausgenutzt, dass dem toten Bereich ein Teil der Oberfläche des
der Bildebene gegenüberliegenden
ersten Spiegels entspricht, der nicht zur Erzeugung eines Bildes
von der Umgebung beiträgt,
sondern allenfalls von der Bildebene kommendes Licht zu dieser zurückreflektiert.
Indem in diesem Bereich des ersten Spiegels ein Fenster vorgesehen
wird, werden die Abbildungseigenschaften des optischen Hauptsystems
nicht verändert,
aber es wird ein freier Blick von der Bildebene in den vom ersten
Spiegel verdeckten toten Bereich hinein geschaffen.
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Das optische Hilfssystem ist vorzugsweise als
Linsensystem ausgeführt.
Sein Blickwinkel kann exakt dem Öffnungswinkel
des toten Bereichs des optischen Hauptsystems entsprechen. Wenn
dies der Fall ist, so reduziert sich der tote Bereich auf einen
Hohlkegel mit einer Wanddicke, die in etwa dem Radius des ersten
Spiegels entspricht. Ein solcher restlicher toter Bereich ist vernachlässigbar,
wenn die zu beobachtenden Objekte in einer Entfernung von der Kamera
liegen, die ein Vielfaches des Radius des ersten Spiegels beträgt.
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Für
Spezialanwendungen und insbesondere für Beobachtungen im Nahfeldbereich
kann es zweckmäßig sein,
wenn der Blickwinkel des Hilfssystems geringfügig größer als der Öffnungswinkel
des toten Bereichs ist. In diesem Fall überschneiden sich in großer Entfernung
von der Kamera die Beobachtungsbereiche des Hauptsystems und des
Hilfssystems, doch gibt es eine Ebene, wo die Beobachtungsbereiche
nahtlos aneinandergrenzen. Der Abstand dieser Ebene von der Kamera
ist um so geringer, je größer die
Differenz der Öffnungswinkel
des toten Bereichs des optischen Hauptsystems und des Beobachtungsbereichs
des Hilfssystems sind.
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Dem blinden Fleck des optischen Hauptsystems
bzw. dem erfindungsgemäß durch
das Fenster ersetzten Oberflächenbereich
des ersten Spiegels entspricht ein kegelförmiges Volumen zwischen dem ersten
Spiegel und der Bildebene, durch das keine zur Bilderzeugung beitragenden
Lichtstrahl laufen. In dem Aufsatz „Real-Time Target Localization
and Tracking by N-Ocular Stereo",
T. Sogo et al., Proceedings of IEEE Workshop on Omnidirectional
Vision, Hilton Head Island, SC, USA, 12. June 2000, wird eine Kamera
vorgestellt, die in diesem Volumen einen geschwärzten Kegel aufweist, der dazu
dient, Schlaglichter und Mehrfachreflexionen im von der Kamera erzeugten
Bild zu unterdrücken.
In dem bereits erwähnten
US-Patent 6 333 826 dient ein in diesem Volumen zwischen der Frontlinse
eines Linsensystems und dem zweiten Spiegel angebrachter Stift als
Stütze
für den
zweiten Spiegel. Gemäß der vorliegenden
Erfindung wird dieser Stift vorzugsweise durch ein Rohr ersetzt,
durch welches der Strahlengang des Hilfssystems verläuft. Dieses
Rohr dient nicht nur der Streulichtunterdrückung in dem optischen Hauptsystem,
sondern es erleichtert auch erheblich die Konstruktion des optischen
Hilfssystems, da es es ermöglicht,
Linsen des Hilfssystems an beliebiger Stelle entlang der optischen
Achse zwischen dem ersten Spiegel und der Bildebene zu platzieren.
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Vorzugsweise umfasst die Kamera noch
einen zweiten Spiegel, der im Strahlengang des optischen Hauptsystems
dem ersten Spiegel vorgelagert ist. Diese zwei Spiegel können durch
eine transparente Kuppel fest und dauerhaft verbunden sein, die gleichzeitig
ein Eintrittsfenster des optischen Hauptsystems bildet. Denkbar
ist auch, dass die zwei Spiegel Oberflächen eines einzigen transparenten
Körpers
sind, wobei in diesem Fall das Rohr, sofern vorhanden, durch eine
axiale Bohrung in dem transparenten Körper gebildet ist.
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Weitere Merkmale und Vorteile der
Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen
der Erfindung unter Bezugnahme auf die beigefügten Figuren.
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Dabei zeigen:
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1 einen
Schnitt entlang der optischen Achse durch eine katadioptrische Kamera
gemäß einer
ersten Ausgestaltung der Erfindung;
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2 einen
Schnitt analog dem der 1 durch
eine Variante dieser Kamera;
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3 einen
schematischen Schnitt durch eine Kamera gemäß einer zweiten Ausgestaltung
der Erfindung; und
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4 und 5 zwei Varianten des Verhältnisses
des toten Bereichs des Hauptsystems zum Beobachtungsbereich des
Hilfssystems.
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1 zeigt
einen schematischen Schnitt durch eine katadioptrische Kamera gemäß einer
ersten Ausgestaltung der Erfindung. Die Kamera umfasst ein becherartiges
Gehäuse 1 mit
einem auf der optischen Achse A angeordneten lichtempfindlichen Element
wie etwa einem CCD (Charge Coupled Device) 2. Das Gehäuse ist
an seiner Oberseite durch einen konvexen Trägerkörper 3 aus Glas, einem formbeständigen Kunststoff
oder dergleichen verschlossen. Der Trägerkörper 3 trägt an seiner
Außenseite
einen Spiegel 4, z.B. in Form einer aufgedampften, ggf.
vergüteten
Aluminium- oder Silberschicht. Eine zentrale Bohrung 5 des
Trägerkörpers 3,
durch die Licht auf das lichtempfindliche Element 2 fällt, erstreckt
sich entlang der optischen Achse A Dem CCD 2 und dem Spiegel 4 gegenüber liegt
ein weiterer Trägerkörper 6,
an dessen Unterseite in gleicher weise wie beim Trägerkörper 3 ein
Spiegel 7 gebildet ist. Die zwei Trägerkörper 3, 6 sind
starr verbunden durch eine transparente Kuppel 8, die gleichzeitig
ein Eintrittsfenster des optischen Hauptsystems der Kamera bildet.
Dieses optische Hauptsystem umfasst die zwei Spiegel 4, 7 sowie
ggf. eine Linse oder ein Linsensystem (nicht dargestellt), das in
der Bohrung 5 angebracht sein kann, um evtl. Abbildungsfehler der
Spiegel zu korrigieren.
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Die Fig. zeigt den Verlauf von zwei
Strahlen 9, 10, die jeweils die Grenzen des mit
dem optischen Hauptsystems beobachtbaren Bereichs bezeichnen. Das
optische Hauptsystem zeichnet auf dem CCD 2 ein ringfömiges Bild
dieses beobachtbaren Bereichs, wobei der vom Spiegel 7 verdeckte
tote Bereich einer mittleren Dunkelzone im Inneren des Rings entspricht.
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Im Spiegel 7 und seinem
Trägerkörper 6 ist auf
der optischen Achse A ein Fenster 11 gebildet. Das Fenster
beeinflusst die Abbildungseigenschaften des optischen Hauptsystems
nicht, da es sich in einem blinden Fleck befindet, an welchem der
CCD 2, wenn dort der Spiegel 7 durchgehend wäre, nur sein
eigenes Spiegelbild sehen würde.
In das Fenster 11 ist ein rohrförmiger Tubus 12 eingefügt. Der
Tubus ist außen
schwarz, um im Zwischenraum zwischen den Spiegeln 4, 7 Streulicht
abzufangen, das andernfalls störende
Schlaglichter auf dem CCD 2 verursachen könnte. Im
Innern des Tubus 12 sind mehrere Linsen 13, 14 verankert,
die – sofern
vorhanden, zusammen mit in der Bohrung 5 montierten Linsen – ein Linsenobjektiv
bilden. Dieses Linsenobjektiv projiziert ein Bild seines Beobachtungsraumes
in den von dem optischen Hauptsystem nicht ausgeleuchteten dunklen
Fleck inmitten des Rings. Der Öffnungswinkel
des Blickfeldes ist exakt der gleiche wie der des toten Bereichs
des optischen Hauptsystems. 4 veranschaulicht
dieses Verhältnis.
Der tote Bereich 16 des optischen Hauptsystems und der
Beobachtungsbereich 17 des durch das Linsenobjektiv gebildeten
optischen Hilfssystems sind zwei um die optische Achse A zentrierte
Kegel mit gleichem Öffnungswinkel.
Es existiert ein weder mit dem Hauptsystem noch mit dem Hilfssystem
beobachtbarer Bereich in Form eines Hohlkegels mit einer Wandstärke, die
etwa der Differenz der Radien des Spiegels 7 und der Frontlinse 13 des
Linsenobjektivs entspricht. Diese Wandstärke beträgt in der praktischen Anwendung
maximal ein paar Zentimeter und kann daher in der Regel vernachlässigt werden,
wenn es darum geht, Gegenstände
von wenigstens mehreren Zentimetern Größe in einer Entfernung von
ca. einem Meter oder darüber
zu erfassen.
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Wie 5 zeigt,
kann der Öffnungswinkel des
Beobachtungsbereichs des optischen Hilfssystems auch größer gewählt werden
als der des toten Bereichs des optischen Hauptsystems. Wenn dies der
Fall ist, so existiert eine zur optischen Achse A senkrechte Ebene 18,
in der die Beobachtungsbereiche des Hauptsystems und des Hilfssystems
nahtlos ineinander übergehen.
Jenseits dieser Ebene 18 überschneiden sich die Beobachtungsbereiche
teilweise, so dass ein und derselbe beobachtete Gegenstand auf dem
CCD 2 zweimal abgebildet werden kann, einmal in dem vom
Hauptsystem ausgeleuchteten Ring und einmal in dem vom Hilfssystem
ausgeleuchteten zentralen Fleck. Da mit zunehmender Entfernung von
der Kamera die Überschneidung
der Beobachtungsbereiche immer größer wird, ist die in 5 gezeigte Anordnung weniger
gut geeignet, wenn es darum geht, Gegenstände in großer Entfernung zu überwachen;
für eine Überwachung
im Nahbereich der Kamera, z.B. wenn eine an einem Stoßfänger eines
Kraftfahrzeugs montierte erfindungsgemäße Kamera eingesetzt wird,
um evtl. Hindernisse beim Einparken zu überwachen, ist die auf diese Weise
erreichte Verkleinerung des restlichen toten Bereichs vorteilhaft.
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Selbstverständlich ist es auch denkbar,
für das
optische Hilfssystem ein Objektiv mit variabler Brennweite zu verwenden,
das zur Überwachung des
Fernbereichs auf einen mit dem toten Winkel des Hauptsystems übereinstimmenden
Beobachtungs winkel und zur Überwachung
des Nahbereichs auf einen größeren Beobachtungswinkel
einstellbar ist.
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Bei der Ausgestaltung der 1 ist die Frontlinse 13 des
optischen Hilfssystems unmittelbar in die Öffnung des Fensters eingesetzt.
Dies begrenzt die Lichtstärke
des optischen Hilfssystems und kann dazu führen, dass das vom optischen
Hilfssystem erzeugte Bild in unerwünschter Weise dunkler als das
des Hauptsystems ist. Bei der Ausgestaltung der 2 wird dies durch die Verwendung einer Frontlinse 13 vermieden,
deren Durchmesser erheblich größer als
der des Fensters 11 ist und die dem Objektiv entsprechend
eine höhere
Lichtstärke
verleiht.
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Bei der Ausgestaltung der 3 sind die zwei Trägerkörper 3, 6 und
die Kuppel 8 durch einen einzigen Glaskörper 20 ersetzt, der
eine im wesentlichen kegelförmige,
ggf. antireflexbeschichtete Außenfläche, die
das Eintrittsfenster des optischen Hauptsystems bildet, sowie zwei
verspiegelte Außenflächen hat,
die jeweils die Spiegel 4 bzw. 7 bilden. Auch
hier ist im Bereich des blinden Flecks des Spiegels 4 ein
Fenster 11 vorgesehen, durch welches das optische Hilfssystem
verläuft.
Allerdings ist durch diese Ausgestaltung der Tubus des optischen
Hilfssystems nicht durch ein am Spiegel 7 verankertes Rohr
gebildet, sondern durch eine entlang der optischen Achse A verlaufende
Aussparung 21 des Glaskörpers 20.
Die Seitenwände
der Aussparung 21 können
geschwärzt
sein, um wie das Tubusrohr des Beispiels aus 1 Streulicht im Raum zwischen den Spiegeln
abzufangen, und die Verjüngung
des Tubus in Richtung des CCD 2 ist vorzugsweise durch eine
oder mehrere Schultern gebildet, die gleichzeitig als Auflage für von dem
offenen Ende der Aussparung 21 her eingeführte Linsen
des optischen Hilfssystems dienen können.