專利名稱：成像系統(tǒng)和魚眼鏡頭的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及ー種具有權利要求1的特征的魚眼鏡頭。此外，本發(fā)明還涉及ー種具有權利要求9的特征的成像系統(tǒng)。
背景技術：
機動車的車載成像系統(tǒng)用于對周圍環(huán)境進行光學掃描，以便提供用于駕駛員輔助系統(tǒng)的數(shù)據(jù)。駕駛員輔助系統(tǒng)例如可以是車道輔助(Lane Departure Warning/LDD 車道偏離報警)或者是泊車輔助。有利于簡單且節(jié)省成本的結構地，成像系統(tǒng)通常包括具有魚眼特征的鏡頭。魚眼鏡頭通常具有180°范圍內(nèi)的視角(Bildwinkel)并且將周圍環(huán)境或多或少嚴重畸變地成像在圖像傳感器上。在圖像傳感器后面連接有處理裝置，所述處理裝置補償魚眼鏡頭的畸變。DE 10 2005 043 412 Al示出一種用于機動車的車載攝像裝置的由光學系統(tǒng)和圖像傳感器構成的裝置，其中，光學系統(tǒng)的光軸和圖像傳感器的光軸彼此成角度地設置。在魚眼鏡頭的情況下，可能存在不同的畸變，其取決于鏡頭的透鏡的彎曲 (Krummung)。ー些有利的畸變在光學上實現(xiàn)比較困難，使得這些畸變通過所攝取的圖像的再處理或校正來實現(xiàn)。通常，通過魚眼鏡頭產(chǎn)生的有用圖像是圓形的。如果使用具有各個規(guī)則設置的像素的矩形圖像傳感器——如同其例如在數(shù)字攝像機中常用的那樣，則在圓形的有用圖像之外的像素是多余的。如果有用圖像比圖像傳感器更大，例如使得有用圖像的直徑相當于圖像傳感器的對角線，則盡管所有像素都可以用于掃描有用圖像，但有用圖像的一部分位于圖像傳感器之外，從而出現(xiàn)信息損失。

發(fā)明內(nèi)容
因而，本發(fā)明的任務在干，提供一種高質(zhì)量的緊湊的魚眼鏡頭以及一種裝備有所述魚眼鏡頭的成像系統(tǒng)。本發(fā)明借助于具有權利要求1的特征的魚眼鏡頭和具有權利要求9的特征的成像系統(tǒng)解決所述任務。從屬權利要求反映了優(yōu)選的實施方式。根據(jù)本發(fā)明的用于機動車中的駕駛員輔助系統(tǒng)的魚眼鏡頭具有至少約180°的視角，其中，鏡頭的透鏡與旋轉體不同，使得鏡頭的有用圖像是基本上矩形的。通過使用在垂直于光軸的不同平面上具有不同曲率的透鏡，可以矩形地而不是圓形地構建鏡頭的有用圖像。由此，在鏡頭尺寸小的情況下，可以使鏡頭的漸暈最小化并且可以足夠均勻地構建有用圖像的照明。優(yōu)選地，透鏡被如此成形，使得鏡頭的成像至少在有用圖像的接近中間的區(qū)域中是基本上線性劃分的。進ー步優(yōu)選地，透鏡被如此成形，使得鏡頭在外部區(qū)域中的成像沿著有用圖像的側邊之一是至少部分等角的。成像涉及鏡頭的特性，如與光軸以ー個預先確定的角度設置的對象以距光軸的另一預先確定的距離成像在有用圖像中。在此，區(qū)分不同的成像函數(shù)(Abbildungsfunktion)， 為這些成像函數(shù)的中ー些分配了以下名稱等角的(winkeltreu)、線性劃分的、等面的 (flachentreu)和正交。這些成像之間的混合形式同樣是可能的，使得至少部分等角的成像是位于線性的成像與等角的成像之間的成像。在一個優(yōu)選的實施方式中，透鏡在平行于有用圖像的第一側的中心點截面中具有非球面的第一彎曲而在平行于有用圖像的第二側的中心點截面中具有不同于第一彎曲的第二彎曲。第二彎曲可以是球面的或者同樣是非球面的。由此，魚眼效應沿著有用圖像的不同延伸方向可以具有不同的程度。這樣，鏡頭的畸變可以與例如駕駛員輔助系統(tǒng)的成像需求相匹配。在所述透鏡與圖像傳感器之間可以設有用于校正由所述透鏡引起的散像 (Astigmatismus)的另一透鏡。散像可以通過透鏡在不同方向上的不同彎曲決定。平行于有用圖像的平面，透鏡可以具有矩形形狀的輪廓或者以下圖形形狀的輪廓其輪廓在矩形與內(nèi)切矩形的圓形之間。通過透鏡輪廓的這種近似矩形的形狀，不僅透鏡而且魚眼鏡頭可以被緊湊地構造。魚眼鏡頭還可以包括另一透鏡，其中，更接近有用圖像的平面的那個透鏡具有更相當于矩形的輪廓，而更遠離有用圖像的平面的那個透鏡具有更相當于圓的輪廓。尤其是在透鏡的不同方向上具有不同彎曲的情況下，出現(xiàn)散像形式的成像誤差，所述成像誤差可以通過光路中的附加的透鏡來修正。通過所描述的透鏡輪廓的構型，可以優(yōu)化光學成像，而同時使鏡頭保持緊湊。根據(jù)本發(fā)明的成像系統(tǒng)包括所描述的魚眼鏡頭以及設置在有用圖像的區(qū)域中的圖像傳感器和用于根據(jù)鏡頭的幾何成像來校正由圖像傳感器提供的圖像的處理裝置。通過相應地選擇成像和校正，經(jīng)校正的圖像可以具有比具有旋轉對稱的透鏡的類似成像系統(tǒng)更高的圖像質(zhì)量。


現(xiàn)在參考附圖進ー步描述本發(fā)明，在附圖中圖1示出了成像裝置；圖2示出了圖1的成像裝置的透鏡；圖3示出了圖2的透鏡的第一截面；圖4示出了圖2的透鏡的第二截面；圖5示出了圖2的透鏡的第三截面；以及圖6示出了圖2的透鏡的俯視圖。
具體實施例方式圖1示出機動車的車載駕駛員輔助系統(tǒng)的成像裝置100。成像裝置100包括鏡頭 105、圖像傳感器110和處理裝置115。圖像傳感器110通常是例如基于CXD的數(shù)字圖像傳感器。圖像傳感器110具有劃分成各個像素(Pixel)的光敏表面，其中，沿圖像傳感器110 的側邊像素密度通常是相同的。處理裝置115可以與圖像傳感器110 —起施加在鏡頭105 上。在另ー實施方式中，處理裝置115也可以設置成略微遠離圖像傳感器110和鏡頭105并且例如借助線纜與圖像傳感器110連接。處理裝置115包括可編程的微計算機，其被設置用于由通過圖像傳感器110提供的圖像數(shù)據(jù)以數(shù)字形式提供經(jīng)準備的圖像。為此，處理裝置115與接ロ 120連接。在一個實施方式中，駕駛員輔助系統(tǒng)的分析處理也可以在處理裝置115上運行， 其中，通過接ロ 120提供的數(shù)據(jù)不一定必須包括經(jīng)準備的圖像數(shù)據(jù)，而是可以主要表示處理結果。成像裝置100優(yōu)選是機動車的車載駕駛員輔助系統(tǒng)的組成部分，但是也可以用在另一周圍環(huán)境、例如全景攝影中。鏡頭105包括第一透鏡125和第二透鏡130。在其他實施方式中，鏡頭105也可以包括或多或少的透鏡125、130。根據(jù)需要，透鏡125、130可以具有凹的彎曲或凸的彎曲， 并且在必要時也可以彼此嵌塞(verkitten)。也可以在鏡頭105中設置其他透鏡125、130。 鏡頭105的透鏡125、130可以單獨地或者成組地存在。通常的鏡頭105包括8個組中的約 12個透鏡。在所示的實施方式中，第一透鏡125具有基本上圓形的橫截面并且向左凸地而向右凹地彎曲，其中，沿著垂直線的第一彎曲和垂直于繪圖平面的第二彎曲彼此不同。第二透鏡130具有在所述方向上可以不同的、雙側的凹的彎曲。但是，第二透鏡130也可以是旋轉対稱的并且在必要時是球面的。第二透鏡130的輪廓可以是圓的或者比第一透鏡125的輪廓更接近矩形。光軸135通過透鏡125、130的中心點并且通過圖像傳感器110的中心點。在光軸 135上示出對象140。由對象140發(fā)出的光通過第一透鏡125和第二透鏡130落到圖像傳感器110上，其中，在鏡頭105的有用圖像145中示出對象140的圖像。圖像傳感器110的平面中的如下區(qū)域不屬于有用圖像145 在所述區(qū)域中盡管示出對象140的圖像，但是所述圖像過分地不清晰、畸變或者欠曝光。如果鏡頭105的所有透鏡125、130尤其相對于光軸 135是旋轉対稱的，則有用圖像145是圓形的。非旋轉對稱的第二透鏡130被如此成形，使得鏡頭105的有用圖像145是矩形的。圖像傳感器110相對于鏡頭105如此定位，使得鏡頭105的有用圖像145的邊界盡可能準確地與圖像傳感器110的邊界相一致。對象140的圖像在穿過鏡頭105時根據(jù)魚眼的類型經(jīng)歷畸變。在此對象以大約 180°的極大視角α投影到平的圖像傳感器110上。在鏡頭105內(nèi)的魚眼畸變尤其取決于透鏡125和130的表面的彎曲。通常，借助于處理裝置115模擬借助于透鏡125、130的布置和構造僅僅較差地實現(xiàn)或者甚至不能實現(xiàn)的成像。同樣可能的是，借助于處理裝置115部分地或者全部地補償鏡頭105的成像的不期望的畸變。這兩種技術可以用于在不同位置上以單位面積的像素來有針對性地影響完成的圖像的分辨率。圖1中的鏡頭105的成像決定性地通過透鏡130的彎曲來確定。這不僅涉及視角 α，而且涉及對象140的大小比例或角度比例在圖像傳感器110上的成像。如果對象140 相對于光軸135成側向角w(視場角)，則鏡頭105的成像導致在圖像傳感器110上與光軸 135相距r的圖像位置。如果以f表示鏡頭105的焦距，則對于r與w之間的關系的特殊情況已知如下名稱等角的(球極平面的)r = 2/ · tani^l ；
線性劃分的(等距的):r = f-W；等面的(空間角相同的)ゾ=2/_—^>以及正交的r = f · sin (w)。除這些特殊情況之外，混合形式也是可能的。此外可以在圖像傳感器110的不同區(qū)域中設置不同的成像。尤其是，水平方向上的成像不同于垂直方向上的成像。第二透鏡 130優(yōu)選在垂直方向上是均勻地線性劃分的，而在水平方向上在中間區(qū)域中是線性劃分的而在外部區(qū)域中是至少部分等角的。圖2示出圖1中的鏡頭105的透鏡200的俯視圖。透鏡200尤其可以相當于圖1 中的第二透鏡130。所示的透鏡200具有矩形的輪廓。通過透鏡200的中心點205，三個不同的切線 210,215和220穿過透鏡200的邊緣點a至e。第一切線210連接邊緣點a和d，所述邊緣點a和d在透鏡200的上邊緣或下邊緣上分別平分透鏡20的水平側。第二切線215連接點c和f，所述點c和f在左邊緣或右邊緣分別平分透鏡200的垂直側。第三切線220連接左下角點e與右上角點b。圖3示出透鏡200沿著第二切線215 (f-c)的截面。圖3示出透鏡200沿著第一切線210(a-d)的截面，而圖4示出透鏡200沿著第三切線220 (b-e)的截面。簡明起見，在這里觀察如下情況透鏡200的下側是平的而上側凸地彎曲，但任意其他的彎曲也是可能的。沿著圖3至5的不同截面的彎曲是不同的。在圖3中示出的彎曲和/或在圖4中示出的彎曲是非球面的，也就是說，相應橫截面的彎曲的上側不是圓周線的區(qū)段。替代地， 彎曲例如可以遵循拋物線的區(qū)段或者包括不同圓弧的多個區(qū)段。連續(xù)地進行圖3和4的截面之間的過渡，也就是說，透鏡200的表面具有在每個方向上都連續(xù)的彎曲，所述彎曲不包含中斷或跳躍。在圖5中示出的透鏡200的對角截面中給出了透鏡200的另ー截面的示例。與透鏡200的輪廓形狀無關地選擇透鏡200的彎曲，使得透鏡200的有用圖像(根據(jù)圖1的鏡頭105的有用圖像145)具有基本上矩形的形狀。在另ー實施方式中透鏡200的輪廓也可以具有不同于矩形的形狀。例如，可以由矩形的透鏡200剪切出具有圓形輪廓的透鏡，其方式是，沿著圓周線圍繞中心點205以切線 210的直徑進行剪切。這樣的過程的分離線表示為圖2和5的截面中的垂直的虛線。圖6以俯視圖示出透鏡200的不同實施方式。所有在圖6中示出的輪廓相對于透鏡200的中心點205是對稱的，其優(yōu)選在圖1上以光軸135與攝像裝置100重合。第一輪廓605與圖2中的透鏡200相應地是矩形的。透鏡200的第二輪廓610基本上是具有倒圓角的矩形，其中，倒圓的程度或倒圓的半徑可以變化。第三輪廓615是橢圓形的。第三輪廓615的橢圓的主軸在圖6中示出的實施方式中在水平方向上延伸。第四輪廓620是圓形的。所述實施方式相當于以上參考圖2至5提到的圓形的實施方式。
權利要求
1.用于機動中的駕駛員輔助系統(tǒng)的魚眼鏡頭(105)，其中所述鏡頭(105)的視角(α)是至少約180° ；所述鏡頭(105)的透鏡(125，130)與旋轉體不同，使得所述鏡頭(105)的有用圖像 (145)是基本上矩形的。
2.根據(jù)權利要求1所述的魚眼鏡頭(105)，其特征在干，所述透鏡(125，130)被如此成形，使得所述鏡頭(1冊)的成像至少在所述有用圖像(14 的接近中間的區(qū)域中是基本上線性劃分的。
3.根據(jù)權利要求1或2所述的魚眼鏡頭(105)，其特征在干，所述透鏡(125，130)被如此成形，使得所述鏡頭(105)的成像在外部區(qū)域中沿著所述有用圖像(145)的側邊之ー是至少部分等角的。
4.根據(jù)以上權利要求中任ー項所述的魚眼鏡頭(105)，其特征在干，所述透鏡(125， 130)在平行于所述有用圖像(14 第一側邊的中心點截面O10)中具有非球面的第一彎曲，而在平行于所述有用圖像(14 第二側邊的中心點截面015)中具有不同于所述第一彎曲的第二彎曲。
5.根據(jù)權利要求4所述的魚眼鏡頭(105)，其特征在干，其他中心點截面(220)的彎曲無級地位于所述兩個彎曲之間。
6.根據(jù)權利要求4或5所述的魚眼鏡頭(105)，其特征在干，在所述透鏡(125)與所述圖像傳感器(120)之間設有另一透鏡(130)，所述另一透鏡用于校正由所述透鏡(12 引起的像散。
7.根據(jù)以上權利要求中任ー項所述的魚眼鏡頭(105)，其特征在干，所述透鏡(125， 130)平行于所述有用圖像(14 的平面具有矩形形狀的輪廓或者如下圖形形狀的輪廓 (605-620)所述圖形形狀的輪廓在所述矩形(60 與一內(nèi)切所述矩形的圓(620)之間。
8.根據(jù)以上權利要求中任ー項所述的魚眼鏡頭(105)，其特征在干，所述魚眼鏡頭包括另一透鏡(130)，其中，較接近所述有用圖像(14 的平面的那個透鏡(125，130)具有更相當于矩形的輪廓，而較遠離所述有用圖像(14 的平面的那個透鏡(125，130)具有更相當于圓的輪廓。
9.成像系統(tǒng)，所述成像系統(tǒng)包括根據(jù)以上權利要求中任ー項所述的魚眼鏡頭(105)以及設置在所述有用圖像(1妨)的區(qū)域中的圖像傳感器(110)以及處理裝置(115)，所述處理裝置用于根據(jù)所述鏡頭(1冊)的幾何成像來校正由所述圖像傳感器(110)提供的圖像。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種用于機動車中的駕駛員輔助系統(tǒng)的魚眼鏡頭和一種成像系統(tǒng)。所述魚眼鏡頭具有至少約180°的視角，其中，鏡頭的透鏡與旋轉體不同，使得鏡頭的有用圖像是基本上矩形的。
文檔編號H04N5/225GK102566010SQ201110431770
公開日2012年7月11日 申請日期2011年12月21日 優(yōu)先權日2010年12月21日
發(fā)明者R·梅施恩默澤, T·福克 申請人:羅伯特·博世有限公司