用於機動車的具有部分的光學濾光器的夜視系統的製作方法

2023-11-06 17:22:47

專利名稱：用於機動車的具有部分的光學濾光器的夜視系統的製作方法
技術領域：
本發明涉及用於機動車的夜視系統，該夜視系統包括一個照相機(Kamera)，該照相機(或攝像機)具有一個對輻射敏感的圖像傳感器面，被設置用於採集尤其是來自近紅外區域的電磁輻射。
背景技術：
屬於此的主要是在沒有接通傳統的遠光的情況下改善駕駛員的視野的夜視系統。
用於夜視輔助的系統越來越多地配備在機動車中。夜視系統的目標是，在夜晚通過使用照相機及顯示器或擋風玻璃投影改善駕駛員的超過近光區域的視野。在此不應使對面來車炫目，而這在使用也具有可見區域中的光的傳統遠光的情況中則可能是這種情況。夜視輔助通過使用及採集對於人眼不可見的波長範圍來實現。通過照相機藉助於顯示器或擋風玻璃投影(例如通過抬頭顯示器)使得這些波長範圍對於駕駛員可接近。
傳統的滷素前照燈(遠光及近光)不僅包括可見光區域(VIS，380nm～780nm。參見DIN5030第二部分)中的光譜份額，而且包括近紅外(NIR IR-A，780nm～1400nm)中的光譜份額。當前結構形式的NIR-遠光前照燈使用傳統的滷素白熾燈並且藉助於一些光學濾光器減弱可見光區域。將來也可使用基於雷射器或LED的NIR-遠光前照燈。基於CCD-技術或CMOS-技術的攝像機具有這樣的光譜敏感度，該光譜敏感度從約380nm達約1100nm。NIR-IR-A-區域中因此僅780nm與1100nm之間的區域被利用。該區域在下面被稱為NIR-區域。
在已公知的各種夜視系統中使用波長從780至約1100nm的不可見的近紅外區域(NIR-區域)。在這些基於NIR的所謂的主動式系統(相對於基於遠紅外的熱輻射的系統)中，由機動車的NIR-遠光前照燈照亮的區域作為用於駕駛員夜視輔助的近紅外圖像通過攝像機採集並且藉助於顯示器(傳統的或抬頭顯示器)顯現給駕駛員。
在純NIR-系統(不使用VIS-區域)中，僅780nm～約1100nm的NIR-區域中的圖像被照相機攝取並且可讓駕駛員在一個顯示器或抬頭顯示器上看到。在Kunihiko Toyofuku等的《使用近紅外光的「夜視系統」》(「The「Night View System」using Near-Infrared Light」，in SAE2003-01-0018，第33頁～第38頁)中公開了一種這樣的系統。在該文獻中，圖像傳感器(成像器)前的光路中的一個遮光濾光器完全抑制可見光區域(VIS-區域)、即380至780nm的波長的攝取。但由此在對於夜視輔助至關重要的圖像區域中圖像質量的可能的改善被可見光(VIS)區域中的輻射阻止並且對於駕駛員隱瞞了在前行駛的車輛的對安全性至關重要的信息如基於LED的制動信號燈，這些制動信號燈僅可在可見光區域中被使用。
此外公開了混合式NIR-VIS-系統。在此不僅採集NIR-區域中的輻射而且採集VIS-區域中的輻射，並且將圖像顯現在一個顯示器上。為此使用的照相機對約λ_下至λ_上的波長範圍敏感，其中λ_下位於380nm與780nm之間的可見光區域中，λ_上位於NIR-區域中的780nm與1100nm之間。
純NIR-系統中及尤其是組合的NIR-VIS-系統中的問題是通過照相機採集的區域的不均勻的照亮。對於在夜晚的視野的改善感興趣的主要是超過近光區域的視野域的直觀化。近光區域(下面被稱為近區域)被已通過近光充分照亮並且因此意義不大，但儘管如此還是被(至少部分地)呈現出，以便使駕駛員在觀察夜視圖像時容易地定向。產生了用於這個區域的照相機圖像的亮的照射，因為補充了傳統的近光及NIR-遠光。此外，近區域由於原理而被較更強地照亮並且比位於遠處的地帶更亮地成像。由此照相機及顯示器的受限制的亮度動態的一部分由於亮的近區域而「喪失」，以至例如遠光區域(下面被稱為遠區域)的暗區域不可再被這樣好地分辨。此外，駕駛員的注意力增多地轉移到亮的近區域上，由此，對遠區域中的緊急的的感覺變難。
不期望地亮的區域的由軟體算法在圖像處理(在純顯視系統中也被稱為圖像加工)中在計算上進行的色度加深要求高的計算耗費和附加的存儲單元，這提高了相應地被裝備的夜視控制儀器的成本。在不包括圖像處理計算機的簡單夜視系統中，照相機圖像的這樣一個軟體支持的後處理是不可能的。由於受限制的亮度動態，通過軟體支持的後處理不可再校正成像器的過調。此外，近區域的與波長相關的衰減通過軟體算法在灰度照相機中是不可能的，在彩色照相機中耗費高。

發明內容
通過獨立權利要求的措施實現在不藉助於處理圖像的軟體算法的情況下在夜視系統的照相機的圖像傳感器面的預先確定的部分區域上進行所採集的輻射的衰減，不期望地高的輻射強度通常否則會分攤給這些部分區域。輻射的衰減根據本發明在一些預先確定的部分區域中通過一個相應地設置在夜視系統的光路中的光學濾光器元件產生，由此，已經在圖像傳感器面中採集前就在期望的圖像區域中、如尤其是在過亮的近區域的圖像中降低了輻射。對於本發明的目的，所述光路理解為從被照射的物體到成像器的路徑，其中對於本發明，濾光器元件的合適的位置優選區段地位於照相機的緊前面和/或內部。
用於圖像後加工的、成本高的軟體算法對於通常可能不期望地亮的圖像區域的色度加深則是可有可無的。駕駛員的視野以並不複雜的方式更多地轉移到對於夜視輔助有益的圖像片斷上。圖像傳感器面的部分區域的過調被避免並且照相機及顯示器的可供使用的亮度動態就對於夜視輔助至關重要的圖像區域而言被很好地利用。
從屬權利要求中給出了本發明的相應主題的有利的構型、進一步構型及改進。
本發明的系統的一個有利的構型包括一個照相機，該照相機對380至1100nm的波長範圍敏感。在此不僅採集VIS-區域中的輻射而且採集NIR-區域中的輻射，這提高了夜視輔助的質量(例如LED制動信號燈及尾燈也可被看到)。
本發明的夜視系統的另一個有利的構型是圖像傳感器面的至少部分的輻射的由濾光器引起的衰減，駕駛員視野中的近區域成像在該部分上。在此涉及機動車緊前面的區域，駕駛員視野中的該區域藉助於近光就可被充分看清。尤其是通過近光及NIR-遠光的組合造成的高亮度由此在對於夜視輔助不感興趣的區域中根據本發明被衰減，這造成超過近光區域的夜視的改善。駕駛員的注意力不由於近區域中的高亮度轉移。此外，照相機的動態區域被更好地利用，使得暗的圖像區域(尤其在遠光區域中)可被更高地分辨。
本發明的一個有利的進一步構型是光學濾光器的與波長相關的濾光特性，其中，該濾光特性具有個別地與該系統的特定使用相匹配的透過功能。因此通過光學濾光器的反相的波長特性考慮例如照相機中的圖像傳感器的波長特性和/或前照燈，由此，超過一個大的波長範圍達到總系統的均勻的光譜敏感性。
通過選擇近光及NIR-遠光的不同的光譜區域可強地簡化近光的衰減。如果這樣地選擇NIR-遠光的及傳統的近光的光譜，使得這些光譜不重疊(例如通過藉助於近光前照燈中的光學濾光器阻斷NIR-份額)，則可完全抑制NV-圖像中的近光份額(光譜分離)。特別有利的是，阻斷近光光譜中的大於約600nm的所有光譜份額，因為於是可這樣地設計夜視照相機(透過範圍從600nm至1100nm)，使得儘管近光被抑制但還是可採集波長例如為625nm的LED尾燈或制動信號燈。在設計與波長相關的濾光特性時一起考慮(例如瀝青)道路的光譜反射性質。
一個附加的改善方案是光學濾光器的可更換性。這可實現與不同的車輛型號或車輛變型相匹配。改裝系統由此也可簡單地與不同的車輛型號相匹配。
對於有效地衰減一個確定的目標區域、例如近區域中的輻射特別適合的是在圖像傳感器面的緊前面定位濾光器。一個作為圖像傳感器面上的塗層的光學濾光器在此情況下是有利的變型，因為由此取消了用於濾光器的固定裝置。替換地，該濾光器可作為塗層設置在用於圖像傳感器的保護玻璃(玻璃蓋)上，該保護玻璃保護真正的圖像傳感器及其連接導線免受損害。替換地，該蓋本身也可壓製成光學濾光器。也可有利地將濾光器集成在物鏡中。在此尤其是所述塗層適合於最後的、朝著成像器的透鏡。


下面藉助附圖來描述本發明的實施例。附圖表示圖1根據本發明的用於機動車的夜視系統的一個實施形式的框圖；圖2具有根據本發明設置在夜視系統的光路中的、用於衰減從近區域中採集的輻射的濾光器元件的照相機的橫截面的示意圖；圖3用於表示一個可根據本發明使用在夜視系統的光路中的濾光器元件的例子的與波長相關的帶通特性的曲線圖；圖4具有根據本發明的起濾光器作用的塗層的被設置用於使用在機動車的夜視系統中的圖像傳感器面的實施形式的示意圖；圖5近光的局部的強度分布的示意圖，用於說明用於衰減近區域的被設置使用在用於機動車的夜視系統中的光學濾光器的實施形式的儘可能反相的局部的特性。
具體實施例方式
在附圖中，相同的參考標號表示相同的或功能相同的部件。
圖1示出了根據本發明的用於機動車的夜視系統1的一個實施形式的框圖。夜視系統1具有一個控制單元3，該控制單元與該系統的其它部件連接、控制這些部件並且處理這些部件的信號及數據。
在通過一個操作單元13激活該夜視系統之後，控制單元3接通NIR-遠光前照燈5。這些前照燈5以NIR-波長範圍(780至約1100nm)照亮機動車前方的一個與在傳統遠光的情況中類似的空間區域。有效距離約為250米。
一個也對NIR-區域敏感的、具有CCD-圖像傳感器或CMOS-圖像傳感器(分別具有線性的或非線性的強度特性曲線)的、景深範圍約為2m至無窮大的照相機7主要採集由位於NIR-遠光區域中的物體反射的NIR-輻射。根據本發明，照相機7裝備有一個設置在夜視系統1的光路中的光學的濾光器元件9，通過該濾光器元件衰減照相機7中的圖像傳感器面11的預先確定的部分區域上的輻射。該圖像傳感器面例如是CCD-晶片或CMOS-晶片。
由照相機7採集的圖像數據通過控制單元3傳輸給顯示單元15。在該顯示單元15中，照相機的圖像在用於駕駛員的顯示器17上被直觀化。顯示器17例如是一個所謂的「抬頭顯示器」，通過該顯示器可使照相機的直觀化的圖像對於駕駛員可很好看到地投射在擋風玻璃的下部上。
圖2中示意性地描繪了一個具有根據本發明設置在夜視系統的光路中的、用於衰減從近區域中採集的輻射的濾光器元件9的照相機7的橫截面。在圖2中所示的實施形式中，一個這樣的濾光器元件9位於圖像傳感器的部分區域的緊前面，該近區域在其上被成像。虛線表示從近區域20的前端部及後端部出發的射線束的邊緣射線。濾光器元件的位置這樣地選擇，使得所有從近區域投在圖像傳感器面上的射線透過濾光器元件9。實線表示近區域的前邊緣點的或後邊緣點的主點射線。點線反映了來自遠區域的一個確定的、任意選擇的點，該點如可從該圖中看到的那樣不通過濾光器元件9衰減。
如本領域技術人員所看到的那樣，有利的是，濾光器元件9儘可能靠近圖像傳感器面11地設置，以便以儘可能少的重疊獲得近區域成像與遠區域成像之間的儘可能清晰的邊界，由此，來自遠區域的圖像點的、儘可能少的射線被過濾地成像，而來自近區域20的、儘可能多的射線被濾光器9過濾。
在此情況下，來自近區域20的由照相機7採集的輻射通過概括地作為透鏡示出的照相機物鏡22投射到圖像傳感器面11的上區域、即所謂的近區域-圖像區域24上。根據本發明，濾光器元件9被設置在這個近區域-圖像區域24的緊前面。濾光器元件9可由市場上常見的幹涉濾光器或吸收濾光器材料的一些層構成。這個濾光器9按照其波長特性衰減來自近區域20的輻射。來自遠區域的未被過濾的輻射投射在圖像傳感器面11的其餘部分上。例如一個濾光器被設置在圖像傳感器面11之前，該濾光器對輻射的衰減具有機動車的近光的成像的與位置相關的反相特性。也可以使用其它一些濾光器元件，這些濾光器元件遮蓋一個超過純粹的近區域的區域。這些濾光器元件例如具有與位置相關的濾光特性，這些濾光器元件藉助於由照相機7採集的輻射的總強度定向並且由此不僅校正近區域的過輻射，而且通過反相特性附加地補償遠區域中的不均勻性。因此可實現照相機的總的可見光區域的均勻的強度，由此例如補償漸暈。濾光器9或濾光器塗層由此可影響總的成像器面，或者僅影響該總的成像器面的部分。
濾光器9也可具有與波長相關的帶通特性。此外與位置相關的特性和與波長相關的特性的組合也是可能的。
圖3中以曲線圖形式示出了濾光器的這樣一個與波長相關的帶通特性或者說透射特性的例子。
透射率T是關于波長A的函數。對於可見光區域(380～780nm)的衰減約為90％，非常強。而對NIR-區域(780～1100nm)中的輻射的抑制僅約為4％。為了例如實現來自近區域的NIR-輻射的同樣強的衰減及實現VIS-輻射及NIR-輻射的對於其餘的圖像傳感器面區域同樣好的透過，與位置相關的特性同波長特有的帶通特性的組合也是有利的。
圖4中簡單示出了根據本發明塗層有光學濾光器的、被設置用於使用在機動車的夜視系統中的圖像傳感器面11。圖像傳感器面11具有一個塗層，該塗層與位置相關地僅對於圖像傳感器面的部分區域24衰減在那裡入射的輻射。塗層24由一種合適的、如上面已經提到的材料構成。濾光作用在此除了始終存在的與波長相關的特性之外還具有與位置相關的特性，後者例如通過在不同的位置上施加不同的塗層實現。
與位置方面的濾光特性相關地，圖5再現了照相機的視野中的近光的在位置上的強度分布。用灰色示出的框19及19′大致表示近區域並且由此表示(反相地設置的)光學濾光器9的位置和大小。容易看出，該濾光器不必絕對地佔據圖像傳感器的整個寬度。因為濾光器9(圖5中未示出)應具有強度的反相特性，以便為駕駛員產生亮度儘可能均勻的圖像，所以有對於暗的區域應優選不被濾光器衰減，對於亮的區域應被濾光器9強地衰減。位於中間的亮度級應儘可能連續地並且反相地成像。位置上不同的衰減及濾光器9的透射能力的儘可能無級的變化可以以不同的方式實現一方面通過位置不同地施加不同數量的相同透射性的衰減層一個衰減層例如具有95％的透射性。如果現在上下重疊地施加例如5個層，則得到總透過率為95％的5次方＝77％。在不同位置上的不同數量的層例如可通過掩模及多次的塗層實現。
另一方面通過在不同位置施加具有不同的透射性的不同的層。由此一個接一個地將例如透射性為95％、90％、85％、……的層施加在不重疊的多個掩模上。也可組合這兩種方法。
儘管上面藉助於一些優選的實施例描述了本發明，但本發明並不被限制於此，而是可以以多種方式變型。因此光學濾光器可已經在照相機之前就設置在夜視系統的光路中。例如可考慮擋風玻璃的局部的、起濾光作用的塗層。
最後，只要從屬權利要求的特徵彼此獨立，這些特徵就基本上可彼此無關地並且不按照權利要求中存在的順序地彼此組合。
權利要求
1.用於機動車的夜視系統(1)，該夜視系統包括一個照相機(7)，該照相機具有一個圖像傳感器(11)，被設置用於採集尤其是來自可見光區域(VIS)及紅外區域(NIR)的電磁輻射，其特徵在於該夜視系統包括一個濾光器元件(9)，該濾光器元件被這樣地設置在該夜視系統(1)的光路中，使得它從圖景(11)的預先確定的部分區域(24)引起所採集的輻射的衰減，所述圖景成像在該圖像傳感器的預先確定的部分區域上。
2.根據權利要求1的夜視系統(1)，其特徵在於該照相機(7)對400至1100nm的波長範圍或其中的一些部分範圍敏感，但這些部分範圍至少也包含近紅外(波長＞780nm)中的一個份額。
3.根據權利要求1或2的夜視系統(1)，其特徵在於輻射的由濾光器引起的衰減包括該圖像傳感器面(11)的至少部分，駕駛員視野中的近區域(20)成像在該部分上。
4.根據權利要求1至3中一項的夜視系統(1)，其特徵在於該濾光器元件(9)具有與波長相關的濾光特性，其中，該濾光特性具有個別地與該系統(1)的特定使用相匹配的透過功能。
5.根據權利要求1至4中一項的夜視系統(1)，其特徵在於該濾光器元件(9)具有與位置相關的濾光特性，其中，該濾光特性具有個別地與該系統(1)的特定使用相匹配的透過功能。
6.根據權利要求5的夜視系統(1)，其特徵在於，該與位置相關的濾光特性被根據整個光學系統的反相的與位置相關的敏感性來調節，以便平衡尤其是來自遠區域的輻射強度的不均勻性。
7.根據權利要求1至6中一項的夜視系統(1)，其特徵在於該濾光器元件(9)可更換地被固定。
8.根據權利要求1至7中一項的夜視系統(1)，其特徵在於該濾光器元件(9)位於該圖像傳感器(11)緊前面。
9.根據權利要求1至6中一項或8的夜視系統(1)，其特徵在於該濾光器元件(9)作為塗層(24)設置在該圖像傳感器(11)上。
10.根據上述權利要求1至6中一項的夜視系統(1)，其特徵在於，該濾光器元件(9)被構造成用於該圖像傳感器(11)的保護玻璃的集成的部分。
11.根據權利要求1至10中一項的夜視系統(1)，其特徵在於，NIR-遠光的光譜與傳統的近光的光譜具有儘可能小的重疊或不具有重疊。
12.用於機動車的夜視系統(1)的照相機(7)，該照相機包括一個對輻射敏感的圖像傳感器面(11)，被設置用於採集尤其是來自紅外區域的電磁輻射，其特徵在於該圖像傳感器面(11)包括一個濾光器元件(9)，該濾光器元件被這樣地設置在該夜視系統(1)的光路中，使得它在圖像傳感器面(11)的預先確定的部分區域上引起所採集的輻射的衰減。
13.用於機動車的夜視系統(1)的濾光器元件(9)，其中，該夜視系統包括一個照相機(7)，該照相機具有一個對輻射敏感的圖像傳感器面(11)，被設置用於採集尤其是來自紅外區域的電磁輻射，其特徵在於該濾光器元件(9)被設置用於這樣地設置在該夜視系統(1)的光路中，使得在圖像傳感器面(11)的預先確定的部分區域(24)上引起所採集的輻射的衰減。
14.用於機動車的夜視系統(1)中的照相機(7)的圖像傳感器面(11)，被設置用於採集尤其是來自紅外區域的電磁輻射，其特徵在於該圖像傳感器面(11)包括一個塗層(24)，其中，該塗層(24)在該圖像傳感器面(11)的預先確定的部分區域上導致該照相機中所採集的輻射的衰減。
全文摘要
本發明涉及用於機動車的夜視系統，該夜視系統包括一個照相機(7)，該照相機具有一個對輻射敏感的圖像傳感器面(11)，被設置用於採集尤其是紅外區域中的電磁輻射。為了在超過近光區域的遠視野方面改善這樣的系統，該夜視系統包括一個濾光器元件(9)，該濾光器元件被這樣地設置在該夜視系統的光路中，使得它在圖景(11)的預先確定的部分區域(24)上引起所採集的輻射的衰減。由此來自近光區域(20)的在其它情況下過強的輻射被衰減。
文檔編號G01S17/00GK1902522SQ200480040207
公開日2007年1月24日 申請日期2004年11月22日 優先權日2004年1月10日
發明者卡斯滕·豪格 申請人:羅伯特·博世有限公司