DE10020477A1 - Sensoreinrichtung zur automatischen Steuerung des Fahrlichts - Google Patents

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Sensoreinrichtung zur Steuerung des Fahrlichts eines Fahrzeugs, insbesondere eines Kraftfahrzeugs, in Abhängigkeit vom Umgebungslicht, die zur Messung des Umgebungslichts einen photoelektrischen Lichtsensor (2) mit vorgegebener spektraler Empfindlichkeit umfaßt, der an eine Steuerschaltung angeschlossen ist. Weiterhin ist ein Verfahren zur Schaltung des Fahrlichts in Abhängigkeit von der spektralen Zusammensetzung des Umgebungslichts Gegenstand der Erfindung. Um bei einem relativ einfachen Aufbau eine zuverlässige Schaltung des Fahrlichts gemäß dem menschlichen Helligkeitsempfinden zu ermöglichen, schlägt die Erfindung vor, daß der Lichtsensor (2) nur in einem schmalen Spektralbereich von 400 nm bis 525 nm empfindlich ist. Das Verfahren sieht vor, daß die absolute Strahldichte des Umgebungslichts nur in diesem schmalen Spektralbereich gemessen und ausgewertet wird.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Sensoreinrichtung zur Steuerung des Fahrlichts eines Fahrzeugs, insbesondere eines Kraftfahrzeugs, in Abhängigkeit vom Umgebungslicht, die zur Messung des Umgebungslichts einen photoelektrischen Strahlungssensor mit vorgegebener spektraler Empfindlichkeit umfaßt, der an eine Steuerschaltung angeschlossen ist.

Mittels derartiger Sensoreinrichtungen können objektive Meßwerte des Umgebungslichts erfaßt werden, um zu entscheiden, ob das Fahrlicht eines Fahrzeugs eingeschaltet werden muß. Unabhängig von der subjektiven menschlichen Wahrnehmung der Umgebungshelligkeit kann damit über Warn- oder Anzeigegeräte angezeigt werden, daß das Fahrlicht eingeschaltet werden soll, oder über eine entsprechende Steuerschaltung das Fahrlicht automatisch eingeschaltet werden.

Eine einfache Sensoreinrichtung, welche lediglich die Umgebungshelligkeit erfaßt, berücksichtigt nicht den Einfluß der spektralen Zusammensetzung des Umgebungslichts auf die Helligkeitswahrnehmung des Verkehrsteilnehmers. Letzteres führt unter anderem zu einem witterungsabhängigen Schaltverhalten der Verkehrsteilnehmer, so daß beispielsweise bei bedecktem oder bewölktem Himmel das Fahrlicht bereits bei durchschnittlich 4.000 Lux eingeschaltet wird, wogegen dies bei klarem blauen Himmel erst bei durchschnittlich 1.500 Lux erfolgt. Um dieses Verhalten mit einer Sensoreinrichtung nachzubilden, ist eine Auswertung der spektralen Zusammensetzung des Umgebungslichts erforderlich.

Im Stand der Technik ist daher bereits vorgeschlagen wurden, die Empfindlichkeit der verwendeten Lichtsensoren an die Empfindlichkeit des menschlichen Auges anzupassen. Durch ein derartiges Vorgehen, wie es beispielsweise in der EP 0 606 400 B1 beschrieben ist, wird zwar der relevante Spektralbereich in seiner gesamten Breite erfaßt. Anhand der dabei gemessenen Lichtintensitäten, die naturgemäß über diesen gesamten, sichtbaren Spektralbereich gemäß der Empfindlichkeitsfunktion des menschlichen Auges gemittelt sind, läßt sich jedoch lediglich mit relativ hohem Aufwand eine eindeutige Vorgabe bezüglich der Inbetriebnahme der Beleuchtungseinrichtungen ermitteln.

Eine ähnlich gelagerte Problematik bei der Auswertung des Lichtsensor-Ausgangssignals liegt bei dem aus der DE 39 27 878 C1 bekanntem Warngerät ebenfalls darin begründet, daß ebenfalls ein breiter Spektralbereich erfaßt und ausgewertet wird, der den gesamten sichtbaren Wellenlängenbereich abdeckt. Die Auswertung ist ebenfalls relativ aufwendig.

In der WO 97/27077 ist ein automatischer Lichtschalter bekannt, der die Farbtemperatur des Umgebungslichts als maßgebliche Charakteristik auswertet. Dies erfordert allerdings zwingend die Verwendung von mindestens zwei Lichtsensoren mit jeweils unterschiedlicher spektraler Empfindlichkeit. Dies bedingt einen relativ großen Aufwand bezüglich der Sensoren und der Auswerteschaltung.

Zusammenfassend ist festzustellen, daß die im Stand der Technik bekannten Sensoreinrichtungen entweder unbefriedigend funktionieren, wenn sie einfach aufgebaut sind, oder aber außerordentlich komplexe und aufwendige Meß- und Auswerteschaltungen erfordern, was natürlich in jedem Fall einen erheblichen Kostenaufwand mit sich bringt.

Angesichts dessen liegt der vorliegenden Erfindung die Aufgabenstellung zugrunde, eine Sensoreinrichtung der eingangs genannten Art anzugeben, die einfacher aufgebaut ist und dabei dennoch eine sichere Funktion unter Berücksichtigung des witterungsabhängigen Schaltverhaltens gewährleistet.

Zur Lösung dieser Aufgabenstellung wird erfindungsgemäß vorgeschlagen, daß der Lichtsensor nur in einem schmalen Spektralbereich von 400 nm bis 525 nm (± 20 nm) empfindlich ist.

Die Erfindung basiert auf der neuartigen Erkenntnis, daß die relative Strahldichte des Umgebungslichts innerhalb des eng begrenzten, erfindungsgemäß definierten Spektralbereichs von 400 nm bis 525 nm eine relativ zuverlässige Einschätzung der tatsächlich herrschenden Witterungsverhältnisse zuläßt. Unter Ausnutzung dieser Erkenntnis ist es dank der erfindungsgemäßen Einschränkung des spektralen Meßbereichs erstmals möglich, anhand des Meßsignals eines einfachen Lichtempfängers die Einschaltung des Fahrlichts anzuzeigen bzw. automatisch über entsprechende Steuereinrichtungen zu veranlassen.

Das erfindungsgemäße Verfahren, das mit der vorgenannten Sensoreinrichtung umsetzbar ist, sieht vor, daß zur Schaltung des Fahrlichts in Abhängigkeit von der spektralen Zusammensetzung des Umgebungslichts die Strahldichte des Umgebungslichts nur in einem schmalen, definierten Spektralbereich von 400 nm bis 525 nm mit einer Toleranz von ± 20 nm gemessen und ausgewertet wird. Als Meßwert wird dabei die Helligkeit, das heißt die absolute Strahldichte von einem einzigen Lichtempfänger ausschließlich in dem angegebenen Wellenlängenbereich gemessen. Die Auswertung eines breiteren Spektralbereichs würde nämlich bei der integrierenden Meßmethode mit nur einem Sensor gemäß der Erfindung keine eindeutige Differenzierung der spektralen Zusammensetzung des Umgebungslichts mehr zulassen. Im Stand der Technik hat man deswegen bisher immer mindestens zwei oder mehr Lichtsensoren verwendet, um die Farbtemperatur des Umgebungslichts zu erfassen oder das menschliche Helligkeitsempfinden nachzubilden. Dem gegenüber zeigt das erfindungsgemäße Meßverfahren und die Sensoreinrichtung zur Durchführung dieses Verfahrens erstmals einen Weg auf, aus einer einfachen Absolutwertmessung in einem eng definierten, schmalen Spektralbereich eine spektrale Auswertung des Umgebungslichts zu ermöglichen.

Die besonderen Vorteile der Erfindung bzw. des erfindungsgemäßen Verfahrens ergeben sich daraus, daß für den Lichtsensor lediglich ein einziges Sensorelement erforderlich ist, wodurch ein einfacher und besonders kostengünstiger Aufbau ermöglicht wird. Dennoch wird dabei die Umgebungshelligkeit unter Berücksichtigung der spektralen Zusammensetzung zuverlässig bewertet und kann als Grundlage zur Schaltung des Fahrlichts herangezogen werden. Diese Meßsicherheit ist im bekannten Stand der Technik nur mit weitaus höherem Aufwand erreichbar.

Besonders vorteilhaft ist es, daß der Lichtsensor im wesentlichen senkrecht nach oben gerichtet es. Für das erfindungsgemäße Verfahren bedeutet das, daß im wesentlichen senkrecht von oben einfallendes Umgebungslicht gemessen und zur Auswertung herangezogen wird. Dadurch erfolgt die Messung (in mitteleuropäischen Breitengraden) nicht in Richtung der Sonne, sondern gegen einen indirekt angestrahlten Bereich des Himmels, nämlich gegen den blauen Himmel oder eine Wolkendecke. Die Unterschiede in der spektralen Strahldichte in Abhängigkeit von der jeweiligen Witterung sind bei dieser Meßrichtung besonders ausgeprägt. Bei klarem Himmel gibt der erfindungsgemäß sensibilisierte Empfänger daher ein deutlich höheres Meßsignal für die Strahldichte in dem erfindungsgemäßen Meßbereich in dem erfindungsgemäßen Meßbereich ab, als bei bedecktem oder bewölktem Himmel. Auf diese Weise ist es möglich, durch eine einfache Schwellwertschaltung in der an den Lichtsensor angeschlossenen Steuereinrichtung eine automatische Einschaltung des Fahrlichts zu veranlassen, wenn vorgegebene Grenzwerte erreicht werden. Folglich ergibt sich durch die im wesentlichen vertikale Meßrichtung eine weitere Vereinfachung der erfindungsgemäßen Sensor- und Steuereinrichtung.

Bevorzugt hat der Lichtsensor in der letztgenannten Ausführungsform einen Meßkegel mit einem Öffnungswinkel bis zu 60°. Dadurch ist, zumindest unter mitteleuropäischer Breite, sichergestellt, daß keine unmittelbare Sonneneinstrahlung erfolgt. Die vorgenannten Vorteile werden optimal ausgenutzt.

Bevorzugt umfaßt der erfindungsgemäße Lichtsensor ein Sensorelement mit einem vorgeschalteten oder integrierten optischen Filterelement. Die vorgegebene Empfindlichkeitscharakteristik eines Sensorelements, beispielsweise eines optoelektronischen Halbleitersensors wie einer Fotodiode oder dergleichen, kann durch ein vor dessen Lichteinfallsöffnung gesetztes Farbfilter bzw. ein farbig eingefärbtes Gehäuse so abgestimmt werden, daß der erfindungsgemäße Spektralbereich möglichst optimal abgedeckt wird und höhere und niedrigere Spektralbereiche möglichst nicht von der Messung erfaßt werden. Eine alternative Ausführungsform wäre ein z. B. durch Beschichtung aus dielektrischen Schichten ausgebildetes, in das Sensorelement integriertes Filter. Eine weitere alternative Ausführungsform wäre ein Sensorelement mit einer entsprechenden inhärenten spektralen Empfindlichkeit, die z. B. durch eine bestimmte Dotierung oder die geometrische oder die schaltungstechnische Ausführung der strahlungsempfindlichen Zonen des Elementes erreichbar sein könnte.

Als Sensorelement des Lichtsensors ist eine PIN-Diode besonders gut geeignet. Diese weist in dem Spektralbereich von etwa 400 nm bis 800 nm eine spektrale Empfindlichkeit mit linearer Charakteristik auf. Besonders vorteilhaft ist die Kombination einer solchen PIN-Fotodiode mit einem Kantenfilter als optischem Filterelement. Dieses zeichnet sich durch eine relativ scharf begrenzte Durchlässigkeit zu größeren Wellenlängen aus. Für die Umsetzung des erfindungsgemäßen Verfahrens ist dies von besonderer Bedeutung, da Rotanteile im Umgebungslicht oberhalb von 525 nm, welche für die Meßgenauigkeit schädlich sind, auf diese Weise sauber ausgeblendet werden können. Auf jeden Fall sollte daher das Maximum des Kantenfilters bei weniger als 525 nm erreicht werden, beispielsweise bei etwa 500 nm.

An die Steuerschaltung ist bevorzugt das Fahrlicht angeschlossen. Auf diese Weise kann mit relativ geringem Aufwand eine automatische Fahrlichtschaltung realisiert werden, bei welcher die Scheinwerfer automatisch in Abhängigkeit des vom Lichtsensor erfaßten Meßsignals in Betrieb genommen werden, und zwar in Einklang mit dem menschlichen Schaltverhalten unter dem Aspekt der Witterung.

Alternativ oder zusätzlich ist es ebenfalls denkbar, daß an die Steuereinrichtung eine Warneinrichtung angeschlossen ist. Mit dieser Warneinrichtung, die beispielsweise optische und/­ oder akustische Signalgeber umfaßt, können die Fahrzeuginsassen rechtzeitig informiert werden, wenn beispielsweise die automatische Fahrlichtschaltung deaktiviert ist und das Fahrlicht eingeschaltet werden soll.

Weitere Einzelheiten der erfindungsgemäßen Sensoreinrichtung und des erfindungsgemäßen Verfahrens ergeben sich aus der nachfolgenden ausführlichen Beschreibung zusammen mit den beigefügten Zeichnungen. Diese zeigen im einzelnen

Fig. 1 eine graphische Darstellung der relativen spektralen Strahldichte für unterschiedliche Witterungen sowie die relative spektrale Empfindlichkeit von Lichtsensor-Bauelementen;

Fig. 2 einen erfindungsgemäßen Lichtsensor.

Fig. 1 zeigt ein Diagramm, in dem die relative spektrale Strahldichte des Umgebungslichts normiert auf integrale Energiegleichheit über die Wellenlänge von 300 nm bis 950 nm aufgetragen ist. Die Kurven A, B und C geben die Daten einer Messung senkrecht nach oben, also unter 0° bezüglich der Senkrechten für heiteres, wolkiges und bedecktes Wetter wieder. Die Kurven D, E und F betreffen ebenfalls die spektrale Strahldichte für heiteres, wolkiges und bedecktes Wetter, allerdings unter 60° zur Senkrechten in Richtung zur Sonneneinstrahlung gemessen. Die Kurve G gibt die relative spektrale Empfindlichkeit einer typischen PIN-Diode an. Die Kurve H bezeichnet die relative spektrale Durchlässigkeit einer typischen PIN-Diode kombiniert mit einem optischen Kantenfilter mit einem Durchlässigkeitsmaximum bei etwa 500 nm.

Die Kurve I gibt die Empfindlichkeit des menschlichen Auges wieder.

Im Stand der Technik ist bereits vorgeschlagen worden, die Empfindlichkeit des menschlichen Auges I mittels entsprechender optischer Sensorelemente nachzubilden. Aus der Darstellung ergibt sich jedoch, daß sich aus dem Verlauf der relativen spektralen Strahldichte des Umgebungslichts für unterschiedliche Witterungen in dem breiten Bereich I zwischen etwa 510 nm und 640 nm eine Differenzierung der einzelnen Kurven A bis C bzw. D bis F anhand einer integralen Messung mittels eines einzigen Sensorelements praktisch nicht möglich ist. Bei diesem Ansatz ist daher zur Differenzierung der Witterungslage ein höherer technischer Aufwand erforderlich.

Beim erfindungsgemäßen Verfahren hingegen wird ausschließlich der senkrecht schraffierte Bereich für die Messung ausgenutzt, der sich 400 nm bis 525 nm erstreckt. Besonders augenfällig ist dabei, daß bei den Kurven A, B und C, welche die Daten der senkrecht nach oben gerichteten Messung angeben, die Kurve A für wolkenlosen Himmel deutlich oberhalb der Kurven B und C liegt, welche für wolkigen oder bedeckten Himmel stehen. Dadurch ist eine Differenzierung des Umgebungslichts A gegenüber den spektralen Zusammensetzungen B und C mit einem einzigen Lichtsensor mit relativ geringen Aufwand durchführbar. Aufgrund der signifikanten Abweichungen ist dieses Meßverfahren relativ sicher und zuverlässig.

Neben der Beschränkung des Meßwinkels senkrecht nach oben muß bei dem erfindungsgemäßen Lichtsensor eine Beschränkung der Empfindlichkeit auf den Bereich von 400 nm bis 525 nm erfolgen. Dies kann beispielsweise dadurch bewerkstelligt werden, daß als Lichtsensor eine typische PIN-Diode verwendet wird, deren relative spektrale Empfindlichkeit zu kürzeren Wellenlängen ausweislich der Kurve G bei 400 nm endet. Durch Kombination mit einem Kantenfilter, welches eine relative spektrale Durchlässigkeit hat, wie durch die Kurve H wiedergegeben mit einem steilen Abfall bei 500 nm bezüglich längerer Wellenlängen läßt sich eine Empfindlichkeitscharakteristik des Lichtsensors realisieren, welche praktisch nur den schraffierten Bereich zwischen 400 nm und 525 nm abdeckt. Alternativ kann ein direkt auf den Lichtsensor aufgedampftes integriertes Filter vorgesehen sein oder der Lichtsensor als entsprechend sensibilisierte Diode ausgebildet sein.

Ein Lichtsensor zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens kann beispielsweise ausgebildet sein wie der in Fig. 2 dargestellte Lichtsensor 2, der an einer Windschutzscheibe oder Heckscheibe 3 angebracht ist. Diese Sensoreinrichtung weist als Sensorelement 4 beispielsweise eine Fotodiode oder eine PIN-Diode auf. Durch die Windschutzscheibe 3 und eine Lichtleit- bzw. Sammeloptik 5 wird ausschließlich das von oben einfallende Umgebungslicht, welches mit den Pfeilen angedeutet ist, auf die lichtempfindliche Fläche des Sensorelements 4 geleitet. Der maximale Einfallswinkel α, das heißt der Öffnungswinkel des Meßkegels, sollte etwa 60° betragen, um direkte Einstrahlung der Sonne zu verhindern. Für diesen Zweck ist ein geschlossenes Gehäuse 6 zum Schutz gegen seitliche Lichteinstrahlung vorgesehen.

Vor der lichtempfindlichen Fläche des Sensorelements 4 ist ein optisches Filterelement 7 angeordnet, vorzugsweise ein Kantenfilter mit einer definierten spektralen Durchlässigkeit. Die spektrale Empfindlichkeit des Empfängers 4 und des Kantenfilters 7 werden so aufeinander abgestimmt, daß praktisch ausschließlich der Spektralbereich von 400 nm bis 525 nm gemessen und ausgewertet wird.

Die an den dargestellten Lichtsensor angeschlossene Steuerschaltung zur automatischen Aktivierung des Fahrlichts kann wegen der dargestellten spektralen Eigenschaften des Umgebungslichts bei vertikaler Meßrichtung besonders einfach und kostengünstig realisiert werden. Konkret kann nämlich bereits durch einen relativ einfach aufgebauten Schwellwertschalter sicher erkannt werden, ob ein blauer, wolkenloser Himmel vorliegt oder eine wolkige Witterung herrscht. Entsprechend dem menschlichen Helligkeitsempfinden kann dann das Fahrlicht entsprechend früher oder erst bei geringerer Resthelligkeit automatisch eingeschaltet werden.

Claims (14)

1. Sensoreinrichtung zur Steuerung des Fahrlichts eines Fahrzeugs, insbesondere eines Kraftfahrzeugs, in Abhängigkeit vom Umgebungslicht, die zur Messung des Umgebungslichts einen photoelektrischen Lichtsensor mit vorgegebener spektraler Empfindlichkeit umfaßt, der an eine Steuerschaltung angeschlossen ist, dadurch gekennzeichnet, daß der Lichtsensor (2) nur in einem schmalen Spektralbereich (1) von 400 nm bis 525 nm empfindlich ist.

2. Sensoreinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Lichtsensor (2) im wesentlichen senkrecht nach oben gerichtet ist.

3. Sensoreinrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Lichtsensor (2) einen Meßkegel mit einem Öffnungswinkel (α) bis zu 60° hat.

4. Sensoreinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Lichtsensor (2) ein Sensorelement (4) mit einem vorgeschalteten optischen Filterelement (7) umfaßt.

5. Sensoreinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Lichtsensor (2) ein Sensorelement (4) mit einem integrierten optischen Filterelement (7) umfaßt.

6. Sensoreinrichtung nach einem der Ansprüche 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, daß das Sensorelement (4) eine PIN-Diode ist.

7. Sensoreinrichtung nach einem der Ansprüche 4 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß das optische Filterelement ein Kanten- oder Bandfilter (7) ist.

8. Sensorelement nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Lichtsensor (2) ein Sensorelement (4) mit einer inhärenten spektralen Empfindlichkeit von hauptsächlich 400 nm oder darunter, bis 525 nm umfaßt.

9. Sensoreinrichtung nach einem der Ansprüche 4 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß das Maximum der spektralen Durchlässigkeit des Filterelements (7) bei weniger als 525 nm liegt.

10. Sensoreinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß an die Steuerschaltung das Fahrlicht angeschlossen ist.

11. Sensoreinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß an die Steuereinrichtung eine Warneinrichtung angeschlossen ist.

12. Sensoreinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuereinrichtung bei einem bestimmten Schwellwert des Lichtsensors (2) ein Schaltsignal abgibt.

13. Verfahren zur Schaltung des Fahrlichts eines Fahrzeugs in Abhängigkeit von der spektralen Zusammensetzung des Umgebungslichts, dadurch gekennzeichnet, daß die absolute Strahldichte des Umgebungslichts nur in einem schmalen Spektralbereich von 400 nm bis 525 nm gemessen und ausgewertet wird.

14. Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß nur das im wesentlichen senkrecht von oben einfallende Umgebungslicht gemessen wird.