DE102004050181B4

DE102004050181B4 - Aktives Nachtsichtsystem mit adaptiver Bildgebung

Info

Publication number: DE102004050181B4
Application number: DE102004050181A
Authority: DE
Inventors: Willes H. Ann Arbor Weber; Aric Ypsilanti Shaffer; Timothy Dearborn Potter
Original assignee: Ford Global Technologies LLC
Current assignee: Ford Global Technologies LLC
Priority date: 2003-10-27
Filing date: 2004-10-14
Publication date: 2011-03-17
Anticipated expiration: 2024-10-15
Also published as: GB2407726A; JP2005126068A; GB2407726B; US6967569B2; US20050206510A1; DE102004050181A1; GB0422236D0

Abstract

Sichtsystem (10) für ein Fahrzeug (50) umfassend:
eine Lichtquelle (13) zur Erzeugung eines Beleuchtungsstrahls (60);
einen Empfänger (15) mit einem Pixelfeld (70) zur Aufnahme eines Bildes in Reaktion auf mindestens einen reflektierten Teil des genannten Beleuchtungsstrahles (60), wobei das genannte Bild einem ersten horizontalen Gesichtsfeld-(FOV)-Winkel entspricht; und
einen an die genannte Lichtquelle (13) und den genannten Empfänger (15) gekoppelten und eine Fahrzeuggeschwindigkeitseingabe empfangenden Regler (11), wobei der genannte Regler (11) einen Teil des genannten Bildes als nicht lineare Funktion der genannten Fahrzeuggeschwindigkeit selektiert, um einen zweiten horizontalen FOV-Winkel zur Anzeige für den Fahrzeugführer zu erzeugen, wobei der zweite FOV-Winkel bis zu einem Niedriggeschwindigkeits-(LS)-Schwellwert gleich dem ersten FOV-Winkel ist.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft Nachtsichtsysteme. Insbesondere bezieht sich die vorliegende Erfindung auf ein aktives Nachtsichtsystem mit adaptiver Bildgebung.
Nachtsichtsysteme erlauben es einem Fahrzeuginsassen, Objekte bei relativ schwachem Licht – wie beispielsweise in der Nacht – besser zu sehen. Nachtsichtsysteme werden üblicherweise in passive Nachtsichtsysteme bzw. aktive Nachtsichtsysteme eingeteilt. Passive Systeme detektieren lediglich Grund-Infrarotlicht, das von den Objekten innerhalb einer spezifischen Umgebung emittiert wird. Aktive Systeme verwenden eine Lichtquelle im nahen Infrarot (NIR), um ein Zielgebiet zu beleuchten und anschließend das innerhalb dieses Gebietes von den Objekten reflektierte NIR-Licht zu detektieren.
Passive Systeme verwenden typischerweise Kameras im fernen Infrarot, die durch eine geringe Auflösung und einen verhältnismäßig geringen Kontrast charakterisiert sind. Derartige Kameras müssen außen am Fahrzeug angebracht werden, um in der Betriebsumgebung die benötigte Infrarotenergie aufzunehmen zu können. Extern angebrachte Kameras beeinflussen jedoch das Styling des Fahrzeugs nachteilig. Kameras im fernen Infrarot sind ferner teuer in der Herstellung und erzeugen nicht-intuitive Bilder, welche schwer zu interpretieren sein können.
Aktive Systeme besitzen gegenüber passiven Systemen eine verbesserte Auflösung und Bildklarheit. Bei aktiven Systeme werden Laserlichtquellen oder Glühlichtquellen eingesetzt, um einen Beleuchtungsstrahl im Spektralgebiet des nahen Infrarot zu erzeugen; weiterhin werden Ladungstransportspeicher (charge-coupled devices, CCD) oder CMOS-Kameras verwendet, um das reflektierte NIR-Licht zu detektieren.
Diodenlaser werden gegenüber Glühlichtquellen aus mehreren Gründen bevorzugt. Glühlichtquellen sind nicht wie Diodenlaser monochromatisch, sondern emittieren Energie über ein breites Spektrum, welches zur Vermeidung einer Blendung der entgegenkommenden Fahrzeuge gefiltert werden muss. Die Filterung eines erheblichen Anteils der von einer Glühbirne erzeugten Energie ist jedoch teuer und energieineffizient und erzeugt unerwünschte Wärme. Ferner ist die Filterpositionierung bei Glühlampenanwendungen eingeschränkt, da das Filter nahe der zugehörigen Lichtquelle angeordnet werden muss. Weiterhin werden häufig mehrere Glühlichtquellen benötigt, um die erforderliche Beleuchtung bereitzustellen, wodurch die Komplexität und die Kosten steigen.
Bei einem beispielhaften aktiven Nachtsichtsystem wird ein NIR-Laser zur Beleuchtung eines Zielgebietes verwendet. Eine Kamera wird in Verbindung mit dem Laser eingesetzt, um von Objekten innerhalb des Zielgebietes reflektiertes NIR-Licht zu empfangen. Der Laser kann mit einem Tastverhältnis (duty cycle) von etwa 25–30% gepulst werden. Die Kamera kann in Synchronisation mit dem Laser betrieben werden, um ein Bild aufzunehmen, während der Laser in einem ”AN”-Zustand ist.
Die Kamera enthält typischerweise einen Bandpassfilter, welcher den Durchtritt von Licht aus einem engen Bereich oder Band erlaubt, das die Wellenlänge des vom Laser erzeugten Lichtes umfasst. Durch die Kombination des Tastverhältnisses und der Verwendung des Bandpassfilters werden die mit den Scheinwerfern von entgegenkommenden Fahrzeugen verbundenen Blendwirkungen (blinding effects) effektiv unterdrückt. Der Ausdruck ”Blendwirkung” bezieht sich auf die Situation, dass Pixelintensitäten aufgrund der Helligkeit von entgegenkommenden Lichtern hoch sind, wodurch ein Bild ”überflutet” wird oder große helle Flecken aufweist, so dass das Bild unklar wird.
Bei den meisten aktiven Nachtsichtsystemen wird ein fixes Sichtfeld eingesetzt, welches dem Fahrzeugfahrer präsentiert wird. Falls das Sichtfeld zu breit angesetzt wird, wird die Identifikation von entfernten Objekten erschwert, insbesondere bei hohen Geschwindigkeiten. Falls das Sichtfeld dagegen zu eng angesetzt wird, kann ein ausreichender Erfassungsbereich bei geringen Fahrzeuggeschwindigkeiten oder während eines Lenk- oder Wendemanövers des Fahrzeuges fehlen. Die meisten Anzeigesysteme mit variablem Sichtfeld verwenden daher eine mechanische Zoomregelung an der Kameralinse oder einen mechanischen Lenkmechanismus, um das System auf die jeweils interessierende Region auszurichten. Derartige mechanische Regelungen erhöhen jedoch die Systemkomplexität und damit die Systemkosten sowie eventuelle Gewährleistungsprobleme.
Aus der WO 02/036389 A1 ist eine Nachtsichtkamera (ohne spezielle aktive Lichtquelle) mit einem adaptiven Sichtfeld bekannt, wobei das Sichtfeld abhängig von einem oder mehreren Fahrzeugparametern ausgewählt werden kann; insbesondere kann sich das Gesichtsfeld mit steigender Geschwindigkeit verengen.
Aus der DE 100 59 315 A1 ist ein (Tageslicht)-Weitwinkelkamera bekannt, bei der ein Zoombereich u. a. abhängig von der Fahrzeuggeschwindigkeit verändert werden kann.
Aus der DE 199 50 033 A1 ist die Möglichkeit einer fahrzeuggeschwindigkeitsabhängigen Anpassung des Erfassungsfelds einer Kameravorrichtung für Fahrzeuge bekannt.
Eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, ein verbessertes aktives Nachtsichtsystem bzw. ein Verfahren zur Erzeugung von Bildern zu schaffen, mit dem ein adaptives Sichtfeld in Bezug auf die Fahrzeuggeschwindigkeit oder Richtung in einer fahrpsychologisch besonders geeigneten Weise bereitgestellt werden kann.
Die Lösung der vorgenannten Aufgabe erfolgt mittels eines Sichtsystems für ein Fahrzeug mit den Merkmalen des Patentanspruches 1 sowie durch ein aktives Nachtsichtsystem für ein Fahrzeug mit den Merkmalen des Patentanspruches 8. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen beschrieben.
Im Rahmen der vorliegenden Erfindung wird ein Sichtsystem für ein Fahrzeug bereitgestellt. Das Sichtsystem enthält eine Lichtquelle, welche einen Beleuchtungsstrahl erzeugt. Ein feststehender Empfänger mit einem zugehörigen Pixelfeld erzeugt ein erstes Bildsignal in Reaktion auf einen reflektierten Anteil des Beleuchtungsstrahls. Ein Regler bzw. ein Steuergerät ist an die Lichtquelle und den Empfänger gekoppelt. Der Regler erzeugt ein Bild zur Anzeige, welches einen Teil des Pixelfeldes umfasst, wobei der Teil des Feldes als Funktion der Fahrzeuggeschwindigkeit und/oder -richtung bestimmt wird.
Der Empfänger kann insbesondere als CMOS- oder CCD-Kamera ausgebildet sein. Die Lichtquelle kann insbesondere eine Glühlichtquelle oder eine andere Lichtquelle sein.
In einer Ausgestaltung der Erfindung wird ein Sichtsystem für ein Fahrzeug wie folgt bereitgestellt: Das System enthält eine Lichtquelle, die einen Beleuchtungsstrahl erzeugt, einen Empfänger mit einem Pixelfeld zur Aufnahme eines Bildes in Reaktion auf mindestens einen reflektierten Teil des Beleuchtungsstrahls, wobei das Bild einem ersten horizontalen Gesichtsfeld-(field of view, FOV)-Winkel entspricht, und einen an die Lichtquelle und den Empfänger gekoppelten Regler bzw. ein Steuergerät. Der Regler empfängt ein Fahrzeuggeschwindigkeitseingangssig nah und wählt in Reaktion hierauf einen Teil des Bildes als (vorzugsweise) nichtlineare Funktion der Fahrzeuggeschwindigkeit aus, um einen zweiten horizontalen FOV-Winkel für die Anzeige an den Fahrzeugführer zu erzeugen. Das angezeigte Winkel-FOV nimmt mit steigender Fahrzeuggeschwindigkeit nichtlinear ab. Bei einem anderen Ausführungsbeispiel werden eine Niedriggeschwindigkeits-(LS)- und eine Hochgeschwindigkeits-(HS)-Schwelle verwendet, um den angezeigten Gesichtsfeldwinkel unterhalb der LS-Schwelle auf einem konstanten weiten Winkel und oberhalb der HS-Schwelle auf einem konstanten engen Winkel zu halten.
Bei einen anderen Ausführungsbeispiel enthält ein aktives Nachtsichtsystem für ein Fahrzeug eine Lichtquelle, die einen Beleuchtungsstrahl erzeugt, Fahrzeugsensoren zur Anzeige erster und zweiter Fahrzeugbetriebsparameter, einen Empfänger mit einem Pixelfeld zur Aufnahme eines Bildes in Reaktion auf mindestens einen reflektierten Teil des Beleuchtungsstrahls, wobei das Bild einem ersten horizontalen Gesichtsfeld-(FOV)-Winkel entspricht, und einen an die Lichtquelle, den Empfänger und die Fahrzeugsensoren gekoppelten Regler. Der Regler wählt einen Teil des Bildes als nichtlineare Funktion des ersten Fahrzeugbetriebsparameters und des zweiten Fahrzeugbetriebsparameters aus, um einen zweiten horizontalen FOV-Winkel zur Anzeige für den Fahrzeugführer zu erzeugen. Der erste Parameter kann die Fahrzeuggeschwindigkeit sein, und der zweite ist die Änderung der Fahrzeugrichtung oder eine vorhergesagte Richtungsänderung.
Das System enthält vorzugsweise eine Anzeige zur Anzeige des dem zweiten FOV-Winkel entsprechenden Bildes an den Fahrzeugführer. Die Anzeige kann insbesondere ein Blickfelddarstellungsgerät (head-up display) sein. Der zweite FOV-Winkel kann insbesondere in Bezug auf den ersten FOV-Winkel abnehmen, wenn die Fahrzeuggeschwindigkeit ansteigt. Der zweite FOV-Winkel kann ferner in Bezug auf den ersten FOV-Winkel in Richtung der Fahrzeugrichtungsänderung verschoben werden.
Die vorliegende Erfindung weist mehrere Vorteile auf: Ein mit der Erfindung verbundener Vorteil liegt in der Verwendung eines einzigen, feststehenden Empfängers zur Erzeugung adaptiver Bildsignale. Auf diese Weise minimiert die vorliegende Erfindung die Systemkosten und die Komplexität. Die vorliegende Erfindung stellt diesbezüglich ein aktives Nachtsichtsystem bereit, welches kostengünstig, vielseitig und robust ist.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand der Zeichnungen beispielhaft näher erläutert. Es zeigen:
1 ein schematisches Blockdiagramm eines aktiven Nachtsichtsystems gemäß einer Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung;
2 eine perspektivische Ansicht von oben eines aktiven Nachtsichtsystems gemäß einer Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung;
3 eine schematische Blockansicht des Pixelfeldes des Empfängers von Figur;
4 eine schematische Blockansicht des Pixelfeldes von 3 gemäß einer anderen Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung;
5 eine Funktionskennlinie des adaptiven Gesichtsfeldes in Abhängigkeit von der Fahrzeuggeschwindigkeit für das System von 1, und
6 ein logisches Flussdiagramm, welches ein Verfahren zum Betrieb eines Nachtsichtsystems gemäß einer Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung illustriert.
In den Figuren werden gleiche Bezugszeichen zur Kennzeichnung gleicher Komponenten verwendet. Während die vorliegende Erfindung mit Bezugnahme auf ein aktives Nachtsichtsystem mit adaptiver Bildgebung beschrieben wird, kann sie auch in verschiedenen Anwendungen eingesetzt werden, in denen eine Bildgebung mit nahem Infrarot gewünscht ist, beispielsweise in Anwendungen mit adaptiver Temporegelung, in Systemen zur Kollisionsvermeidung und zur Einleitung von Gegenmaßnahmen, und in Bildverarbeitungssystemen. Die vorliegende Erfindung kann in verschiedenen Typen und Gestaltungen von Fahrzeugen sowie in nicht-fahrzeugbezogenen Anwendungen eingesetzt werden.
In der folgenden Beschreibung werden verschiedene Betriebsparameter und Komponenten für ein Ausführungsbeispiel beschrieben. Diese speziellen Parameter und Komponenten werden beispielhaft genannt und sollen nicht begrenzend wirken.
Des Weiteren bezieht sich in der folgenden Beschreibung der Ausdruck ”nahes Infrarotlicht” auf Licht mit Wellenlängen aus der spektralen Region von 750 bis 1000 nm. Der Ausdruck schließt ferner mindestens den Teil des Lichtspektrums ein, welcher von der speziellen, hier offenbarten Laserdiodenquelle abgegeben werden.
Die 1 und 2 veranschaulichen ein Nachtsichtsystem 10 zur Detektion von Objekten bei verhältnismäßig niedrigen Niveaus von sichtbarem Licht. Das System 10 kann in einer Vielzahl von Anwendungen eingesetzt werden. Das System 10 kann beispielsweise in einem Automobil 50 verwendet werden, um einem Fahrer das Sehen von Objekten bei Nacht zu ermöglichen, welche sonst mit bloßem Auge nicht sichtbar wären. Wie dargestellt enthält das System 10 einen Regler 11, ein Beleuchtungssystem 13 und einen Empfänger 15. Mehrere der Systemkomponenten können in einem Gehäuse 12 enthalten sein. Es versteht sich jedoch, dass die im Gehäuse 12 enthaltenen Komponenten des Systems 10 auch an verschiedenen Stellen innerhalb des Fahrzeuges 50 angeordnet sein könnten, wobei das Gehäuse 12 nicht benötigt würde. Die Komponenten des Systems 10 könnten beispielsweise auch an verschiedenen Betriebsorten in dem Automobil angeordnet sein, so dass das Gehäuse 12 nicht nötig wäre. Das Gehäuse 12 wird vorgesehen, um die verschiedenen Komponenten des Systems zu umgeben und zu schützen. Das Gehäuse 12 kann aus einer Vielzahl an Materialien hergestellt sein, einschließlich Metallen und Kunststoff.
Das Beleuchtungssystem 13 kann dazu eingerichtet sein, in einer Überkopf-Konsole (overhead console) oberhalb des Rückspiegels im Fahrzeug 50 angebracht zu werden, und das Empfängersystem 15 kann dazu eingerichtet sein, vor dem Fahrersitz auf einem Armaturenbrett angebracht zu werden. Das Beleuchtungssystem 13 und das Empfängersystem 15 können natürlich auch an anderen Orten um die Windschutzscheibe herum sowie an anderen Fenstern und an sonstigen Orten innerhalb des Fahrzeuges 50 angebracht werden.
Wie unten detaillierter erläutert werden wird, kann das System 10 dazu verwendet werden, irgendein reflektierendes Objekt – wie beispielsweise das Objekt 24 – in betriebswirksamer Nähe zu dem System 10 zu detektieren. Das System ist jedoch insbesondere dazu geeignet, mehrere Objekte in verschiedenen Distanzen zu detektieren und dem Fahrzeugführer anzuzeigen.
Der Regler 11 ist vorzugsweise ein Mikroprozessor-basierter Regler, welcher die Treiberelektronik für das Beleuchtungssystem 13 und den Empfänger 15 sowie eine Bildverarbeitungslogik für das Anzeigesystem 30 enthält. Alternativ kann die Anzeigeeinheit 30 ihre eigene entsprechende Regelungslogik für die Erzeugung und Wiedergabe (rendering) von Bilddaten enthalten. Es können auch verschiedene Regler für das Beleuchtungssystem 13 und den Empfänger 15 vorgesehen werden, zur Vereinfachung wird jedoch nur ein Regler 11 gezeigt.
Das Beleuchtungssystem 13 enthält eine Lichtquelle 14, welche Licht erzeugt, das vom System in Form eines Beleuchtungsstrahls – wie beispielsweise des Strahls 60 – emittiert werden kann. Von der Lichtquelle 14 erzeugtes Licht wird durch eine optische Anordnung 16 fokussiert, in der es zur Erzeugung des Beleuchtungsstrahls 60 gebündelt wird. Der Beleuchtungsstrahl 60 wird von der Lichtanordnung 13 emittiert und passiert beispielsweise die Windschutzscheibe.
Im Beispiel von 1 enthält das Beleuchtungsuntersystem 13 eine NIR Lichtquelle 14, eine Strahlformungsoptik 16 und einen Koppler 17 zwischen den beiden Komponenten. Bei einer Ausgestaltung ist die Lichtquelle ein NIR-Diodenlaser; die Strahlformungsoptik umfasst ein optisches Dünnschicht-Element (thin-sheet optical element) gefolgt von einem holographischen Lichtdiffuser, deren gemeinsamer Zweck es ist, ein Strahlmuster in Richtung des Pfeils A vergleichbar dem für normale Fahrzeugscheinwerfer verwendeten Fernlichtmuster zu formen. Bei dem Koppler zwischen den Komponenten handelt es sich um ein Glasfaserkabel. Der Lichtkoppler kann weggelassen werden, wenn die Lichtquelle 14 eine direkte Emission in die Optik 16 aufweist. Ferner kann der Lichtkoppler einen Spiegel oder eine Serie von Spiegeln oder andere reflektierende oder Licht transportierende Einrichtungen enthalten, die im Stand der Technik bekannt sind. Das Beleuchtungssystem 13 beleuchtet die Fahrumgebung ohne Fahrer in sich annähernden Fahrzeugen zu blenden, da das NIR-Licht für das menschliche Auge nicht sichtbar ist.
Die Lichtquelle kann einen NIR-Diodenlaser umfassen. Bei einer Ausgestaltung ist die Lichtquelle ein ”single stripe” Diodenlaser mit der Modellnummer S-81-3000-C-200-H, der von Coherent, Inc., Santa Clara, Kalifornien, hergestellt wird. Die Laserlichtquelle besitzt die Fähigkeit zu einer gepulsten Emission mit einer Pulsbreite im Bereich von einigen wenigen Millisekunden für einen Normalbetrieb bis zu einer Pulsbreite von mehreren Nanosekunden, das heißt 10–20 ns für eine entfernungsspezifische Abbildung. Die Lichtquelle kann in einem Gehäuse 12 angeordnet sein. Weiterhin kann der Koppler 17 ein glasfaseroptisches Kabel sein, wobei in diesem Falle die NIR-Lichtquelle 14 unter Verwendung eines Lichtkopplers (nicht dargestellt) an ein erstes Ende des faseroptischen Kabels angeschlossen sein kann, wie es dem Fachmann bekannt ist. Ein zweites Ende des faseroptischen Kabels ist betriebswirksam benachbart zu dem optischen Element aus Feinblech angeordnet (nicht dargestellt). Alternativ könnte die Lichtquelle direkt über einen starren Verbinder an das optische Element aus Feinblech gekoppelt sein, wobei in diesem Falle der Koppler eine einfache Linse oder eine reflektierende Komponente wäre. Ungeachtet dessen, dass bei dem System 10 vorzugsweise eine NIR-Laserlichtquelle verwendet wird, kann bei einer alternativen Ausgestaltung des Systems 10 eine andere Art von NIR-Lichtquelle anstelle des infraroten Diodenlasers verwendet werden, solange diese zu einem gepulsten Betrieb in der Lage ist.
Wenngleich die Optik im Ausführungsbeispiel die Form eines optischen Dünnschicht-Elementes aufweist, kann diese auch in irgendeiner anderen geeigneten Form ausgebildet werden. Ferner kann, obgleich nur eine einzige Optik gezeigt ist, eine zusätzliche Optik im Beleuchtungssystem 13 enthalten sein, um ein gewünschtes Strahlmuster auf ein außerhalb des Fahrzeugs 50 befindliches Ziel zu formen.
Die Optik 16 kann aus Kunststoff, Acrylfaserstoff (acrylic) oder einem anderen ähnlichen, im Stand der Technik bekannten Material gebildet sein. Bei der Optik 16 kann das Prinzip der inneren Totalreflexion (TIR) eingesetzt und das gewünschte Strahlmuster mit einer Reihe von gestuften Facetten gebildet werden (nicht dargestellt). Ein Beispiel für ein geeignetes optisches Element wird in dem US-Patent 6 422 713 B1 mit dem Titel ”Thin-Sheet Collimation Optics For Diode Laser Illumination Systems For Use In Night-Vision And Exterior Lighting Applications” offenbart.
Das Empfängersystem 15 enthält einen Empfänger 20, einen Filter 22 und einen Empfängersystemregler, welcher in den Systemregler 11 integriert sein kann.
Der Empfänger 20 kann die Form eines Ladungsverschiebeelementes (CCD) oder einer komplementären Metalloxidhalbleiter-(CMOS)-Kamera haben. Beide derartige Vorrichtungen verwenden ein Pixelfeld und vorzugsweise ein Mega-Pixelfeld zur Bildgebung, wie unten detailliert erläutert werden wird. Als Empfänger 20 kann beispielsweise eine Kamera vom Typ Wat902HS Verwendet werden, die von Watec America Corporation in Las Vegas, Nevada, USA, hergestellt wird. Von Objekten reflektiertes nahes Infrarotlicht wird vom Empfänger 20 empfangen, um ein Bildsignal zu erzeugen.
Vom Beleuchtungsuntersystem 13 emittiertes Licht wird vom Objekt 24 und der Umgebung reflektiert, und wird vom NIR-sensitiven Empfänger 20 zur Erzeugung eines Bildsignals empfangen. Das Bildsignal wird zum Regler 11 oder direkt zum Anzeigemodul 30 übertragen, wo es verarbeitet und angezeigt wird, um dem Fahrzeugführer das Sehen des Objektes 24 zu ermöglichen. Die Anzeige 30 kann ein Fernsehmonitor, eine Kathodenstrahlröhre (CRT), ein LCD, oder ein Blickfelddarstellungsgerät sein, die innerhalb des Automobils 50 angeordnet sind, um dem Nutzer das Wahrnehmen der vom System 10 beleuchteten Objekte zu ermöglichen.
Das Filter 22 wird verwendet, um das in die Kamera eintretende Licht zu filtern. Das Filter 22 kann als ein optischer Bandpassfilter ausgebildet sein, durch welchen Licht innerhalb des Nah-Infrarot-Spektralbereichs zum Empfänger 20 durchgelassen wird. Das Filter 22 kann auf die Lichtwellenlängen abgestimmt sein, die innerhalb des Beleuchtungssignals 60 enthalten sind. Das Filter 22 verhindert ein Überstrahlen (blooming) durch die Lichter von entgegenkommenden Fahrzeugen oder Objekten. Das Filter 22 kann – wie dargestellt – separat von der Linse 19 und dem Empfänger 20 ausgebildet sein, oder es kann in Form einer Beschichtung auf der Linse 19 oder einer Beschichtung auf einer Linse in dem Empfänger 20 (falls vorhanden) ausgebildet sein. Das Filter 22 kann dabei als mehrlagiges (multistack) optisches Filter ausgebildet sein, das innerhalb des Empfängers 20 angeordnet ist.
In einer Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung ist die zentrale Wellenlänge des Filters 22 ungefähr gleich der Emissionswellenlänge der Lichtquelle 14, und die Halbwertbreite des Filters wird minimiert, um den Ausschluss von Umgebungslicht zu maximieren. Ferner ist das Filter 22 zwischen einer Linse 19 und dem Empfänger 20 angeordnet, um das Vorhandensein von unerwünschten Geisterbildern oder falschen Bildern zu verhindern. Wenn das Filter 22 zwischen der Linse 19 und dem Empfänger 20 angeordnet ist, fällt das von der Linse 19 empfangene Licht über einen von der Linse 19 bestimmten Winkelbereich auf das Filter 22.
Der Empfängerregler 11 kann ebenfalls Mikroprozessor-basiert, durch einen anwendungsspezifischen integrierten Schaltkreis oder eine andere, im Stand der Technik bekannte Logikeinrichtung realisiert werden. Der Empfängerregler 11 kann Teil einer zentralen Hauptregelungseinheit, eines interaktiven Fahrzeugdynamikmoduls, eines Rückhaltemittelregelungsmoduls (restraints control module) oder eines Hauptsicherheitsreglers sein, in einen einzigen integrierten Regler kombiniert sein – beispielsweise in den Beleuchtungsregler 11 – oder als eigen ständiger Regler ausgebildet sein.
Die Anzeige 30 kann ein Videosystem, ein Audiosystem, eine Blickfelddarstellung (head-up display), eine Flachbildschirmanzeige, ein telematisches System oder eine andere im Stand der Technik bekannt Anzeige sein. Bei einer Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung hat die Anzeige 30 die Form einer Blickfelddarstellung, und das Anzeigesignal ist ein virtuelles Bild, das projiziert wird, um vor dem Fahrzeug 50 zu erscheinen. Die Anzeige 30 stellt ein Echtzeitbild des Zielgebietes bereit, um die Sichtbarkeit der Objekte während Bedingungen mit verhältnismäßig niedrigem Lichtniveau zu erhöhen ohne dass es erforderlich ist, die Augen zur Beobachtung eines Anzeigeschirms innerhalb des Innenraums des Fahrzeugs 50 scharf zu stellen bzw. zu akkomodieren.
Das Nachtsichtsystem 10 passt sich in Reaktion auf Eingaben von Sensoren 33 an, welche Fahrzeuggeschwindigkeitssensoren und Fahrzeugrichtungssensoren umfassen können. Die Fahrzeuggeschwindigkeitssensoren geben die Fahrzeuggeschwindigkeit in den Regler 11 ein. Die Eingabe der Fahrzeuggeschwindigkeit kann durch irgendein bekanntes Verfahren erzeugt werden. Fahrzeugrichtungsdaten können durch ein GPS-System, einen Beschleunigungsmesser, einen Lenkungssensor oder eine Drehsignalaktivierung (turn signal activation) bereitgestellt werden. Die relative Richtungsänderung oder potentielle Richtungsänderung ist von besonderem Interesse für das Panning (Teilbildselektierung) des FOV des Systems, wie unten detaillierter unter Bezugnahme auf 4 erläutert wird.
In 2 ist gemäß einer Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung eine schematische Aufsicht auf ein Trägerfahrzeug 50 dargestellt, das das Sichtsystem 10 verwendet und sich einem entgegenkommenden Fahrzeug 80 nähert. Das Beleuchtungsmuster 60 für das Beleuchtungssystem 13 ist dargestellt. Das Empfängersystem 15 hat ein zugehöriges Gesichtsfeld (FOV) zur Detektion von durch das Beleuchtungssystem 13 beleuchteten Objekten. Das breiteste FOV für den Empfänger deckt näherungsweise dieselbe Fläche ab wie das Beleuchtungsmuster 60, obgleich es auch breiter oder enger als das Beleuchtungsmuster sein kann. Wenn als Empfängersystem 15 ein Silizium-basiertes CCD-Element oder eine komplementäre Metalloxidhalbleiter-(CMOS)Kamera als Empfänger 20 verwendet, kann der Felddetektor in der Brennebene der Kamera die beleuchtete Szene zur Bildverarbeitung aufnehmen. Bei aktuellen Videochip-Technologien werden Mega-Pixelfelder mit sehr hoher Auflösung verwendet. Die Auflösung der Anzeige 30 wird jedoch durch das Anzeigegerät wie beispielsweise die Blickfelddarstellung mit sehr viel geringerer Auflösung begrenzt. Als Ergebnis können Teile des Brennebenenfeldes unter Beibehaltung derselben scheinbaren Auflösung auf der Fahrzeuganzeige verwendet oder ”vergrößert” werden. Durch Anwendung von Echtzeitsoftware in der Anzeige oder dem Empfängerregler 11 stellt die vorliegende Erfindung somit ein anpassbares oder adaptierbares FOV ohne Verschlechterung der Auflösung bereit.
In 3 ist eine schematische Blockansicht des Pixelfeldes 70 dargestellt, das mit dem Empfänger 15 und insbesondere der Kamera 20 verbunden ist. Die gesamte Fläche des Pixelfeldes 70 repräsentiert das maximale FOV der Kamera 20 und kann mit dem durch den Winkel A in 2 repräsentierten horizontalen FOV-Winkel übereinstimmen. Bei höheren Geschwindigkeiten ist es jedoch gewünscht, das FOV des Abbildungssystems zu verengen. Bei höheren Geschwindigkeiten wird daher nur ein Teil des Feldes 70 verwendet, um ein Bild für den Fahrzeugführer anzuzeigen. Die Fläche 72 repräsentiert beispielsweise eine ”vergrößerte” (zoomed-in) Pixelfläche zur Verarbeitung und Anzeige. Wie oben erwähnt wurde, erlaubt das System ein digitales Zoomen des FOV ohne irgendeine resultierende Verschlechterung des angezeigten Bildes, weil das Feld 70 eine sehr viel höhere Auflösung als die Anzeige 30 hat.
In einem Beispiel wird bei geringen Geschwindigkeiten ein horizontales FOV von 18° bereitgestellt. Dieses wird in 2 als Winkel A dargestellt und als Fläche 74 des Pixelfeldes in 3. Bei verhältnismäßig hohen Geschwindigkeiten adaptiert sich das Nachtsichtsystem auf ein horizontales FOV von 10–11°, das durch den Winkel B in 2 und die vergrößerte Pixelfläche 72 in 3 repräsentiert wird. Das Empfängersystem 15 der vorliegenden Erfindung ist befestigt und ausgerichtet, um entlang der Fahrzeugachse in Vorwärtsrichtung des Fahrzeuges 50 zu projizieren. Das Beleuchtungssystem 13 und das Empfängersystem 15 können koaxial zentral in Bezug auf das Fahrzeug, wie dargestellt, oder in Bezug auf den Fahrzeugführer ausgerichtet sein. Alternativ können das Beleuchtungssystem 13 und das Empfängersystem 15 in Bezug aufeinander versetzt sein, wobei ein System zentral angeordnet und eines mit der Sichtrichtung des Fahrzeugführers ausgerichtet sein kann.
In 4 ist eine schematische Blockansicht des Pixelfeldes 70 und der aktiven Pixelflächen 71, 73 während eines Normalbetriebs beziehungsweise während eines richtungsadaptiven Betriebes dargestellt. Wenn das Fahrzeug im Wesentlichen geradeaus fährt, ist das FOV des Systems nach vorne schauend, wie durch die Pixelfläche 71 und zum Beispiel den horizontalen Winkel A von 2 dargestellt ist. Während einer Lenkbewegung bzw. Drehung nach rechts verschiebt das System in diesem Falle die aktive Pixelfläche 73 nach rechts in Richtung des vorhergesagten oder tatsächlichen Fahrzeugkurses. Der korrespondierende FOV-Winkel des Systems kann in Abhängigkeit von der Fahrzeuggeschwindigkeit und dem Ausmaß der Richtungsänderung durch die Winkel C, D oder E von 2 repräsentiert werden. Der Winkel C kann eine tatsächliche oder vorhergesagte, moderate Richtungsänderung nach rechts bei verhältnismäßig geringer Geschwindigkeit repräsentieren. Der Winkel E repräsentiert zum Beispiel eine scharfe Rechtsdrehung bei geringer Geschwindigkeit, und der Winkel D repräsentiert eine Rechtskurve bei hoher Geschwindigkeit. Dieselben Prinzipien würden für eine tatsächliche oder vorhergesagte Richtungsänderung nach links anwendbar sein.
Tatsächliche Richtungsinformation wird von Fahrzeugsensoren 33 – wie beispielsweise einem GPS-System, einem Beschleunigungsmesser, einem Radwinkelsensor und/oder einem Lenkradsensor – bereitgestellt. Vorhergesagte Richtungsänderungsdaten können beispielsweise durch den Blinkerschalter geliefert werden.
In 5 ist für das Empfängersystem 15 ein Graph des adaptiven FOV in Abhängigkeit von der Fahrzeuggeschwindigkeit dargestellt. Der Graph zeigt eine glatte Transferfunktion 90, die im Regler 11 implementiert ist, um die aktive Pixelfläche als Funktion der Fahrzeuggeschwindigkeit festzusetzen. Ein glatter, nichtlinearer Übergang zwischen einer geringen und einer hohen Geschwindigkeit wird implementiert, um irgendwelche abrupten Änderungen im dem Fahrzeugführer angezeigten FOV des Systems zu verhindern, damit eine Ablenkung ausgeschlossen wird. Unterhalb einer bestimmten Geschwindigkeit wie beispielsweise ca. 50 km/h (30 mph) ist der Prozentsatz aktiver Fläche des Pixelfeldes verhältnismäßig konstant und hoch, das heißt nahe 100%. Dementsprechend ist Oberhalb einer bestimmten Geschwindigkeit wie beispielsweise ca. 95 km/h (60 mph) der Prozentsatz der aktiven Fläche des Pixelfeldes relativ konstant und gering, das heißt etwa 60%. Zwischen diesen zwei vorgegebenen Geschwindigkeits-Schwellwerten ändert sich der Prozentsatz der aktiven Fläche des Pixelfeldes annähernd linear, obgleich er auch als eine nichtlineare Anpassung gesetzt werden kann.
In 6 ist ein logisches Flussdiagramm dargestellt, das ein Verfahren zum Betrieb eines Nachtsichtsystems gemäß einer Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung veranschaulicht. In Schritt 100 wird das Beleuchtungssystem 13 bei einem Tastverhältnis aktiviert und erzeugt einen Beleuchtungsstrahl 60, um die gewünschte Fläche vor dem Fahrzeug 50 zu beleuchten. Das Tastverhältnis kann zwischen 0 und 100% liegen, wird jedoch in den meisten Anwendungen wahrscheinlich zwischen 20% und 50% betragen.
In Schritt 102 werden die Betriebsparameter des Fahrzeuges bestimmt. Diese können – wie vorstehend erläutert – die Fahrzeuggeschwindigkeit, die Fahrzeugrichtung oder die vorhergesagte Fahrzeugrichtung umfassen.
Der Fahrzeuggeschwindigkeitswert kann einen Schwellwert für das Zoomen oder das ”Panning” des anzuzeigenden Bildes repräsentieren. Wenn somit beispielsweise die Fahrzeuggeschwindigkeit (VS) geringer als die Niedriggeschwindigkeits-Schwelle (LS) ist, wird dem Fahrzeugführer die gesamte Weitwinkelsicht (das heißt 18° FOV) angezeigt. Dies wird durch die Schritte 104 und 106 repräsentiert.
Wenn die Fahrzeuggeschwindigkeit (VS) eine Hochgeschwindigkeits-Schwelle (HS) – wie beispielsweise ca. 100 km/h (60 mph) – überschreitet, wird das Empfängersystem in ähnlicher Weise in den Schritten 108, 110 Bilddaten nur aus dem Teil des Pixelfeldes sammeln, welches einen engen Winkel (d. h. 10–11° FOV) des FOV repräsentiert. Andernfalls wird in Schritt 112 ein FOV mit adaptivem Winkel als Funktion der Fahrzeuggeschwindigkeit erzeugt. Dies kann eine lineare oder nichtlineare Funktion in Abhängigkeit von den Schwellwerten sein, die für LS und HS gesetzt sind. Die Niedriggeschwindigkeits- und Hochgeschwindigkeits-Schwellwerte können auch bei Extremen wie LS = 0 und HS = 200 gesetzt werden, so dass der FOV-Winkel über alle relevanten Fahrzeuggeschwindigkeiten hinweg adaptiv sein kann.
Optional kann in Schritt 114 die Ausrichtung des Fahrzeuges oder die vorhergesagte Ausrichtung in Betracht gezogen werden. In Abhängigkeit von der Größe der Richtungsänderung wie sie beispielsweise durch die Fahrzeuggeschwindigkeit und den Lenkradwinkel angezeigt wird, kann somit der aktive Teil des Pixelfeldes des Empfängers wie oben in Bezug auf 4 erläutert verschoben werden. Die Größe der Bildverschiebung kann wiederum linear oder nichtlinear zur Größe der Richtungsänderung in Beziehung stehen. Wie oben können auch obere und untere Schwellwerte verwendet werden, um eine aus ständigen Änderungen der Bildverschiebung resultierende Ablenkung des Fahrzeugführers zu beseitigen. Wenn irgendeine Bildverschiebung angewendet wird, wird diese in Schritt 116 implementiert. Die resultierende aktive Fläche des Pixelfeldes wird dann in Schritt 118 dem Fahrzeugführer angezeigt.

Claims

Sichtsystem (10) für ein Fahrzeug (50) umfassend: eine Lichtquelle (13) zur Erzeugung eines Beleuchtungsstrahls (60); einen Empfänger (15) mit einem Pixelfeld (70) zur Aufnahme eines Bildes in Reaktion auf mindestens einen reflektierten Teil des genannten Beleuchtungsstrahles (60), wobei das genannte Bild einem ersten horizontalen Gesichtsfeld-(FOV)-Winkel entspricht; und einen an die genannte Lichtquelle (13) und den genannten Empfänger (15) gekoppelten und eine Fahrzeuggeschwindigkeitseingabe empfangenden Regler (11), wobei der genannte Regler (11) einen Teil des genannten Bildes als nicht lineare Funktion der genannten Fahrzeuggeschwindigkeit selektiert, um einen zweiten horizontalen FOV-Winkel zur Anzeige für den Fahrzeugführer zu erzeugen, wobei der zweite FOV-Winkel bis zu einem Niedriggeschwindigkeits-(LS)-Schwellwert gleich dem ersten FOV-Winkel ist.
Sichtsystem (10) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der zweite FOV-Winkel in Bezug auf den ersten FOV-Winkel abnimmt, wenn die Fahrzeuggeschwindigkeit (VS) steigt.
Sichtsystem (10) nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der zweite FOV-Winkel in Bezug auf den ersten FOV-Winkel abnimmt, wenn die Fahrzeuggeschwindigkeit (VS) zwischen dem genannten LS-Schwellwert und einem Hochgeschwindigkeits-(HS)-Schwellwert steigt.
Sichtsystem (10) nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass der zweite FOV-Winkel jenseits des HS-Schwellwertes bei einem kleineren Winkel in Bezug auf den ersten FOV-Winkel festliegt.
Sichtsystem (10) nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass der LS-Schwellwert geringer oder gleich 50 km/h und der HS-Schwellwert größer oder gleich 80 km/h ist.
Sichtsystem (10) nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass der zweite FOV-Winkel oberhalb des HS-Schwellwertes zwischen 5° und 15° beträgt.
Sichtsystem (10) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der zweite FOV-Winkel unterhalb des LS-Schwellwertes zwischen 10° und 30° beträgt.
Aktives Nachtsichtsystem (10) für ein Fahrzeug (50), umfassend: eine Lichtquelle (13) zur Erzeugung eines Beleuchtungsstrahls (60); Fahrzeugsensoren (33) zur Anzeige erster und zweiter Fahrzeugbetriebsparameter; einen Empfänger (15) mit einem Pixelfeld (70) zur Aufnahme eines Bildes in Reaktion auf mindestens einen reflektierten Teil des genannten Beleuchtungsstrahls (60), wobei das Bild einem ersten horizontalen Gesichtsfeld-(FOV)-Winkel entspricht; und einen an die genannte Lichtquelle (13), den genannten Empfänger (15) und die genannten Fahrzeugsensoren (33) gekoppelten Regler (11), wobei der genannte Regler (11) einen Teil des genannten Bildes als eine nichtlineare Funktion des genannten ersten Fahrzeugbetriebsparameters und des genannten zweiten Fahrzeugbetriebsparameters auswählt, um einen zweiten horizontalen FOV-Winkel für die Anzeige an den Fahrzeugführer zu erzeugen, wobei der zweite FOV-Winkel bis zu einem auf den ersten Fahrzeugbetriebsparameter bezogenen Niedriggeschwindigkeits-(LS)-Schwellwert und bis zu einem auf den zweiten Fahrzeugbetriebsparameter bezogenen Niedriggeschwindigkeits-(LS)-Schwellwert gleich dem ersten FOV-Winkel ist.
Aktives Nachtsichtsystem (10) gemäß Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass der genannte erste Fahrzeugbetriebsparameter die Fahrzeuggeschwindigkeit (VS) und der genannte zweite Fahrzeugbetriebsparameter die Änderung der Fahrzeugrichtung ist.