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Die vorliegende Beschreibung bezieht sich auf einen Umgebungslichtsensor beziehungsweise einen Helligkeitssensor für Fahrzeuge und auf ein entsprechendes Verfahren zur Erkennung der Umgebungshelligkeit.
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In modernen Fahrzeugen sind heute oftmals Helligkeitssensoren vorgesehen, welche die Umgebungshelligkeit erfassen. Unterschreitet die erfasste Umgebungshelligkeit einen vorbestimmten Wert, so kann beispielsweise eine Fahrzeugbeleuchtung wie das Fahrlicht oder ähnliches automatisch zugeschaltet werden. Die Umgebungslicht- oder Helligkeitssensoren sind meist in der Windschutzscheibe angeordnet und messen die auf die Intensität des auf die Windschutzscheibe einfallenden Lichtes. Diese fotooptischen Sensoren sind speziell für die Anwendung als Helligkeitssensor vorgesehen und benötigen eine entsprechende Ansteuerung und Verkabelung in der Windschutzscheibe.
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Zum Beispiel beschreibt die
DE 10 2008 025947 A1 eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Steuerung der Lichtabgabe zumindest eines Scheinwerfers, wobei lichtreflektierende Objekte wie Verkehrschilder mittels einer Kamera detektiert werden und die Helligkeit des Scheinwerfers in Abhängigkeit des reflektierten Lichtes angepasst wird Aus der
DE 197 13 884 A1 ist ein Verfahren und eine Vorrichtung bekannt, bei welcher die Leuchtrichtung und Leuchtweite von Scheinwerfern in Abhängigkeit von mit einem Kamerasensor aufgenommenen Daten eingestellt.
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Die im Stand der Technik genannten Verfahren funktionieren zufriedenstellend, haben jedoch den Nachteil, dass sie die Anbringung, Ansteuerung und Auslesung eines separaten Sensors erfordern.
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Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die genannten Nachteile zu überwinden, insbesondere Helligkeitssensoren kostengünstiger und mit geringerem Installationsaufwand bereitzustellen.
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Die Aufgabe wird gelöst durch ein Verfahren gemäß Anspruch 1 und durch eine Vorrichtung zur Bestimmung der Helligkeit in der Umgebung eines Fahrzeuges gemäß Anspruch 8. Die Aufgabe wird auch gelöst durch die Verwendung eines Oberflächensensors zur Messung der Umgebungshelligkeit um ein Fahrzeug bzw. der Helligkeit in der Umgebung eines Fahrzeuges.
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Das Verfahren umfasst die Schritte Erfassen von an einem Untergrund unter dem Fahrzeug reflektierten Licht und Bestimmen anhand des an den Untergrund unter dem Fahrzeug reflektierten Lichtes, ob die Umgebungshelligkeit eine Aktivität erfordert. Das Verfahren kann insbesondere unter Verwendung eines Oberflächensensors ausgeführt werden.
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Die Vorrichtung zur Bestimmung der Umgebungshelligkeit um ein Fahrzeug bzw. der Helligkeit in der Umgebung eines Fahrzeuges umfasst zumindest einen Detektor, der so an dem Fahrzeug angeordnet ist das er an dem Untergrund unter dem Fahrzeug reflektiertes Licht erfassen kann und eine Auswerteinrichtung um anhand des erfassten reflektierten Lichtes zu Bestimmen ob eine Aktivität ausgeführt werden soll. Der zumindest eine Detektor kann insbesondere ein Detektor eines optischen Oberflächensensors sein.
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Mit dem Verfahren und der Vorrichtung kann vorteilhaft ein Oberflächensensor verwendet werden, um die Helligkeit der Fahrzeugumgebung zu erfassen. Ein separater Helligkeitssensor ist dann nicht mehr notwendig und kann eingespart werden. Damit fällt der Einbau, die Ansteuerung und die Verkablung des separaten Helligkeitssensors weg.
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Hierin werden daher die Begriffe Sensor, Oberflächensensor und Helligkeitssensor synonym verwendet. Der Sensor wird insbesondere dann als Oberflächensensor bezeichnet, wenn der Sensor zur Bestimmung der Beschaffenheit des Untergrundes verwendet wird. Der selbe Sensor wird insbesondere dann als Helligkeitssensor bezeichnet, wenn der Sensor zur Bestimmung der Umgebungshelligkeit verwendet wird.
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Durch das Erfassen von an dem Untergrund reflektierten Licht gelangt im Wesentlichen nur indirektes Licht an den Detektor, so dass Fehler durch künstliche Beleuchtung insbesondere durch punktuelle Beleuchtung wie zum Beispiel durch Scheinwerfer vermieden werden können.
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Der zumindest eine Detektor des Sensors kann zum Erfassen von gestreut reflektiertem Licht ausgelegt sein.
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Die Vorrichtung wird im nachfolgenden sowohl als Helligkeitssensor, als auch als Oberflächensensor, oder allgemein als Sensor bezeichnet. Die erfindungsgemäße Vorrichtung kann sowohl als Oberflächensensor, als auch als Helligkeitssensor verwendet werden.
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In Abhängigkeit von dem erfassten Licht beziehungsweise von der erfassten Lichtintensität des am Untergrund reflektierten Lichtes, kann bestimmt werden, ob eine Aktivität erfolgen soll oder nicht. Die Aktivität kann das An- und Abschalten, beziehungsweise das Einstellen einer Fahrzeugbeleuchtung umfassen.
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Der Sensor kann über eine Lichtquelleneinheit zum Aussenden von Licht zumindest einer Wellenlänge umfassen. Das Aussenden von Licht erfolgt mit Unterbrechungen. Das Aussenden von Licht kann beispielsweise gepulst erfolgen. Insbesondere können mehrere Lichtquellen in der Lichtquelleneinheit vorgesehen sein, so dass Licht mehrer Wellenlängen beispielsweise drei Wellenlängen im Infrarotbereich und gegebenenfalls eine Wellenlänge im sichtbaren Bereich ausgesandt werden können.
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Das Aussenden von Licht der mehreren Wellenlängen kann zeitlich zueinander verschoben sein.
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Der optische Sensor kann über eine Lichtquelleneinheit zum Aussenden von Licht von zumindest einer Wellenlänge auf den Untergrund und zumindest einen Detektor verfügen, um von dem Untergrund reflektiertes Licht zu detektieren.
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Der Sensor kann neben dem ersten Detektor einen zweiten Detektor umfassen, wobei der erste Detektor zum Erfassen von diffus reflektiertem Licht und der zweite Detektor zum Erfassen von spiegelnd reflektiertem Licht geeignet sind. Es können zumindest zwei Polarisatoren vorgesehen sein, wobei ein erster Polarisator mit einer ersten Polarisationseinrichtung dem ersten Detektor zugeordnet ist. Der Lichtquelleneinheit kann ein Lichtquellenpolarisator und/oder dem zweiten Detektor kann ein zweiter Polarisator zugeordnet sein, dessen Polarisierungsrichtung(en) im Wesentlichen senkrecht zu der ersten Polarisierungsrichtung des ersten Polarisators ausgerichtet ist/sind. Sind zumindest zwei Polarisatoren bzw. Polarisationsfilter vorgesehen, ist der erste Polarisator an dem ersten Detektor angeordnet, welcher nur Lichtwellen in der ersten Polarisationsrichtung zu dem ersten Detektor durchlässt. Ist ein Lichtquellenpolarisator an der Lichtquelleneinheit vorgesehen, ist dessen Polarisationsrichtung im Wesentlichen senkrecht zu der ersten Polarisationsrichtung des ersten Polarisators angeordnet, und das von dem Sensor ausgesandte Licht ist in einer Richtung im Wesentlichen senkrecht zu der ersten Polarisationsrichtung polarisiert, so dass an dem ersten Detektor polarisiertes, spiegelnd reflektiertes Licht herausgefiltert und nur diffus reflektiertes Licht detektiert wird. Ein ähnlicher Effekt kann erreicht werden, wenn ein zweiter Polarisator vor dem zweiten Detektor angeordnet ist, dessen Polarisationsrichtung im Wesentlichen senkrecht zu der ersten Polarisationsrichtung ausgerichtet ist. Der zweite Polarisator kann alternativ oder zusätzlich zu dem Lichtquellenpolarisator verwendet werden. Es kann auch vorgesehen sein, in der Lichtquelleneinheit bereits polarisiertes Licht zu erzeugen Die Lichtquelleneinheit kann zum Aussenden von Licht von zumindest zwei voneinander verschiedenen Wellenlängen oder zum Aussenden von mehreren Wellenlängen auf den Untergrund bzw. die Fahrbahnoberfläche ausgelegt sein. Dazu kann die Lichtquelleneinheit beispielsweise mehrere Lichtquellen umfassen. Die Verwendung mindestens zweier, vorzugsweise drei von einander verschiedener Wellenlängen erlaubt es, den Sensor in spektraler Weise zu betreiben. Durch die Verwendung von Wellenlängen, welche z. B. von Eis oder Wasser besonders gut absorbiert werden, können Eis bzw. Wasser auf der Fahrbahn bzw. Fahrbahnoberfläche erkannt werden, wenn das reflektierte Licht der vom Wasser bzw. Eis absorbierten Wellenlänge mit dem einer Referenzwellenlänge verglichen wird. Es ist somit möglich, die Prinzipien der Spektralanalyse und der Diffus- und Spiegelndreflexion in nur einem Gerät, bzw. einem einzigen Gehäuse auszuführen. Die zumindest eine Lichtquelleneinheit, der erste Detektor und gegebenenfalls der zweite Detektor können dazu in einem gemeinsamen einzigen und/oder einstückigen Gehäuse beispielsweise unmittelbar nebeneinander angeordnet sein.
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Es kann Licht in zumindest drei voneinander verschiedenen Wellenlängen im Infrarotbereich verwendet werden. Die Lichtquelleneinheit kann dazu mehrere Lichtquellen umfassen. Z. B. kann die Lichtquelleneinheit dazu ausgelegt sein, Infrarotlicht der Wellenlängen 1300 nm, 1460 nm und 1550 nm auszusenden. Während Licht der Wellenlänge 1460 nm besonders gut von Wasser absorbiert wird, wird Licht der Wellenlänge 1550 nm gut von Eis absorbiert. Licht im Bereich von ungefähr 1300 nm kann dann als Referenzwellenlänge verwendet werden. Es können jedoch auch andere Wellenlängen verwendet werden. Insbesondere für die Referenzwellenlänge kann jede andere Wellenlänge verwendet werden, welche weder von Eis noch Wasser nennenswert absorbiert wird. Als wassersensitive Wellenlänge kann auch jede andere Wellenlänge verwendet werden, welche in Wasser erhöht absorbiert wird. Genauso kann als eissensitive Wellenlänge jede Wellenlänge gewählt werden, welche in Eis erhöht absorbiert wird. Andere interessante Wellenlängen umfassen z. B. 1190, 1040, 970, 880 und 810 nm im Infrarotbereich, sowie die sichtbaren Wellenlängen 625, 530 und 470 nm.
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Die Lichtquelleneinheit kann dazu ausgelegt sein, Licht genau drei verschiedener Wellenlängen auszusenden. Dazu kann die Lichtquelleneinheit drei Lichtquellen, eine Lichtquelle für jede Wellenlänge aufweisen. Es werden nur die drei Wellenlängen verwendet, um sowohl spektral als auch spiegelnd/diffus reflektiertes Licht zu erfassen, um sowohl die Fahrbahnbeschaffenheit als auch die Art der Fahrbahn zu ermitteln bzw. zu erkennen. Jede der Lichtquellen kann einzeln ansteuerbar und unabhängig von den anderen an- und abschaltbar sein bzw. in der Intensität regulierbar sein.
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Darüber hinaus können auch mehr als die oben genannten zwei oder drei voneinander verschiedenen Wellenlängen verwendet werden. Beispielsweise kann die Wellenlänge 625 nm auch zur Messung des diffus und spiegelnd reflektierten Lichts verwendet werden.
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Es kann weiterhin vorgesehen sein, das ausgesendete Licht in der Intensität bzw. Amplitude zu modulieren. Das Modulieren der Intensität oder Amplitude kann durch An- und Ausschalten aller oder einzelner Lichtquellen der Lichtquelleneinheit erfolgen. Das Modulieren der Intensität bzw. das An- und Abschalten kann für jede Wellenlänge der Lichtquelleneinheit oder für jede Lichtquelle der Lichtquelleneinheit separat erfolgen. Beispielsweise kann das Modulieren der Amplitude oder Intensität bzw. das An- und Abschalten für jede Wellenlänge mit der gleichen Frequenz, jedoch phasenverschoben und/oder mit unterschiedlichen Frequenzen erfolgen. Dadurch kann beispielsweise erreicht werden, dass das Licht unterschiedlicher Wellenlängen zeitlich versetzt oder sequentiell ausgesandt wird. Z. B. kann vorgesehen sein, Licht einer ersten Wellenlänge für ein bestimmtes Zeitintervall auszusenden, dann das Licht der ersten Wellenlänge abzuschalten und eine zweite Wellenlänge einzuschalten usw.. In den Detektoren wird dann jeweils Licht von nur einer Wellelänge detektiert. Dadurch kann eine spektrale Analyse oder Aufspaltung des einfallenden Lichts an den Detektoren vermieden werden. Es sind auch Mischformen verschiedener Modulationstechniken anwendbar, insbesondere frequenz- und amplitudenmodulierte optische Signalzüge mit oder ohne Unterbrechungen.
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Die vorliegende Erfindung erlaubt es daher auch, einfache Detektoren als ersten oder zweiten Detektor zu verwenden. Beispielsweise können Photodioden verwendet werden. Der erste Detektor und der zweite Detektor können jeweils eine oder mehrere Photodioden umfassen. Zumindest der erste Detektor kann dazu ausgelegt sein, Licht aller von der Lichtquelleneinheit ausgesendeten Wellenlängen zu erfassen. Der Detektor kann auch alternativ oder ergänzend einen optoelektronischen Chip (z. B. CCD) oder eine andere optische Aufnahmeeinrichtung umfassen.
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Der erste und der zweite Detektor können zur Erfassung bzw. zur Ermittlung von spiegelnd reflektiertem und diffus reflektiertem Licht verwendet werden. Zudem kann zumindest einer aus dem ersten und dem zweiten Detektor auch für die spektrale Ermittlung verwendet werden. Zumindest dieser Detektor ist dann dazu ausgelegt, Licht mehrerer Wellenlängen zu detektieren. In diesem Beispiel verfügt der Sensor über genau den ersten Detektor und den zweiten Detektor und es sind keine weiteren Detektoren vorgesehen.
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Der Oberflächensensor kann ferner eine Auswerteinrichtung umfassen, welche eine Information über die Beschaffenheit der Fahrbahnoberfläche bzw. des Untergrunds ausgibt.
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Wird der Sensor als Oberflächensensor verwendet, kann zur Verbesserung des Messergebnisse beziehungsweise der erfassten Werte vorgesehen sein, das Umgebungslicht beziehungsweise die Hintergrundstrahlung herauszufiltern. Dazu wird von dem ersten und gegebenenfalls von dem zweiten Detektor das an dem Untergrund reflektierte Licht auch dann erfasst, wenn gerade keine der Lichtquellen angeschaltet ist und Licht aussendet. Das zu diesen Zeitpunkten erfasste Licht entspricht dann dem Hintergrund bzw. dem aus dem Umgebungslicht auf den ersten Detektor bzw. den zweiten Detektor treffende Licht, welches Tageslicht sein kann und/oder von künstlichen Lichtquellen wie Straßenlaternen oder anderen Fahrzeugen herrühren kann.
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Für die Verbesserung der Messergebnisse des Oberflächensensors kann die erfasste Intensität der Hintergrundstrahlung von der während des Aussendens von Licht der zumindest einen Lichtquelle gemessenen Strahlung abgezogen werden. Die Differenz ergibt dann den reflektierten Anteil des ausgesendeten Lichtes. Dieses Prinzip kann bei allen Wellenlängen der Lichtquelleneinheit angewandt werden. Beispielsweise kann vorgesehen sein, wenn die Lichtquelleinheit über drei Lichtquellen mit drei voneinander unterschiedlichen Wellenlängen verfügt, vier zeitlich versetzte Perioden oder Zeitintervalle vorzusehen, wobei in einem ersten Zeitintervall Licht der ersten Wellenlänge, in einem zweiten Zeitintervall Licht der zweiten Wellenlänge und in einem dritten Zeitintervall Licht der dritten Wellenlänge ausgesandt wird. In dem vierten Zeitintervall wird gar kein Licht von der Lichtquelleneinheit ausgesandt und nur das auf den Detektor einfallende Umgebungslicht erfasst. Die zeitliche Abfolge und Wiederholung der ersten, zweiten, dritten und vierten Zeitintervalle kann dabei je nach Anforderung variiert und vom Fachmann an die Anwendung angepasst werden.
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Die mit einem solchen Verfahren erhaltene Intensität der Hintergrundstrahlung, beziehungsweise der erhaltene Intensität des Umgebungslichtes wird gemäß der vorliegenden Beschreibung dazu verwendet eine weitere Aktivität zu steuern. Beispielsweise kann vorgesehen sein, in Abhängigkeit von der so gemessenen Intensität Umgebungshelligkeit die Fahrzeugbeleuchtung und/oder das Fahrlicht Zu- oder Abzuschalten und/oder in der Helligkeit zu regulieren. Da der ermittelte Wert der Hintergrundbeleuchtung beziehungsweise Hintergrundhelligkeit in dem erfindungsgemäßen Sensor ohnehin erfasst wird, kann ein entsprechender Oberflächensensor mit geringen Modifikationen als Helligkeitssensor verwendet werden.
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Im Folgenden werden weitere Einzelheiten und Beispiele der Erfindung lediglich beispielhaft und nicht einschränkend mit Bezug auf die beiliegenden Figuren angegeben, welche zeigen:
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1 ein Fahrzeug mit einer erfindungsgemäßen Vorrichtung;
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2 eine erstes Beispiel einer Vorrichtung gemäß der vorliegenden Beschreibung;
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3 eine zweites Beispiel einer Vorrichtung gemäß der vorliegenden Beschreibung; und
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4 schematisch ein erfindungsgemäßes Verfahren.
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Die 1 zeigt ein Fahrzeug 60, welches mit einem Sensor 2 ausgerüstet ist. Der Sensor 2 ist so an dem Fahrzeug 60 angeordnet, das ein von dem Sensor 2 ausgesandter Lichtstrahl 11 im Wesentlichen senkrecht auf die Fahrbahnoberfläche 1a trifft. Der Sensor 2 kann an der Unterseite des Fahrzeugs 60 angeordnet sein.
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Beispielsweise kann der Sensor 2 vor dem Vorderrad 63 beziehungsweise vor der Vorderachse im Fahrzeug 60 angeordnet sein.
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Der ausgesandte Lichtstrahl 11 wird an der Fahrbahnoberfläche reflektiert und das reflektierte Licht trifft als erster bzw. zweiter reflektierter Lichtstrahl 21, 31 auf eine Unterseite 4a des Sensors 2, und dann insbesondere auf einen ersten Detektor 22 und auf einen zweiten Detektor 32.
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Auf die Unterseite 4a trifft auch am Untergrund 1 reflektiertes Umgebungslicht 72, beispielsweise eine Umgebungslicht 71, welches von der Sonne oder eine künstlichen Lichtquelle ausgehen kann. Bei dem Umgebungslicht 71 kann es sich auch um diffuses gestreutes Umgebungslicht und/oder einer Kombination aus Sonnenlicht, künstlichem Licht und diffusem gestreuten Licht handeln. Der Sensor ist somit zur Bestimmung der Helligkeit in der Umgebung eines Fahrzeuges geeignet.
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Der Sensor 2 kann mit einer Steuerung 7 für eine Fahrzeugbeleuchtung verbunden sein und in Abhängigkeit einer erfassten Intensität des am Untergrund 1 reflektierten Umgebungslichts 72 die Fahrzeugbeleuchtung, beispielsweise einen Scheinwerfer oder ein Fahrlicht 67 und/oder eine Rückleuchte 68 einschalten, ausschalten oder in der Helligkeit regulieren.
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Die 2 zeigt ein erstes Beispiel eines Sensors 2 welcher als Oberflächensensor und als Helligkeitssensor verwendet werden kann.
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Der Helligkeits- und Oberflächensensor 2 ist hierein auch als Sensors 2 zur Erkennung der Umgebungshelligkeit und der Beschaffenheit, insbesondere eines Zustands und der Art der Oberfläche einer Fahrbahn 1 bzw. Fahrbahnoberfläche 1a bezeichnet, ist dazu ausgelegt, an einem Kraftfahrzeug 60 angebracht zu werden.
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Der Sensor 2 umfasst in einem Gehäuse 4 drei Einrichtungen, eine Lichtemittereinrichtung 10, eine erste Detektoreinrichtung 20 und eine zweite Detektoreinrichtung 30. Der Lichtemittereinrichtung 10 weist ein Lichtemitterfenster oder eine Lichtemitteröffnung 18 in dem Gehäuse 4 auf, die erste Detektoreinrichtung 20 weist ein erstes Detektorfenster oder eine erste Detektoröffnung 28 in dem Gehäuse 4 auf und die zweite Detektoreinrichutung 30 weist ein zweites Detektorfenster oder eine zweite Detektoröffnung 38 in dem Gehäuse 4 auf. Die Lichtemitteröffnung 18, die erste Detektoröffnung 28 und die zweite Detektoröffnung 38 sind an der gleichen Seite 4a des Gehäuses 4 angeordnet und zu der Fahrbahn 1 hin ausgerichtet, wenn der Sensor 2 betriebsbereit an einem Fahrzeug montiert ist. Der Sensor 2 ist so ausgerichtet, dass der ausgesendete Lichtstrahl 11 ungefähr senkrecht auf die Fahrbahn 1 bzw. Fahrbahnoberfläche 1a fällt, d. h. die optische Achse des Lichtemitterabschnitts 10a, bzw. die Lichtemitterachse 11a steht im Wesentlichen senkrecht zu der Fahrbahn 1 bzw. Fahrbahnoberfläche 1a.
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In dem in den 2 und 3 dargestellten Beispielen sind die Lichtemittereinrichtung 10, die erste Detektoreinrichtung 20 und die zweite Detektoreinrichtung 30 in einer Reihe angeordnet und die Lichtemittereinrichtung 10 ist zwischen der ersten Detektoreinrichtung 20 und der zweiten Detektoreinrichtung 30 angeordnet.
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Die Lichtemittereinrichtung 10, die erste Detektoreinrichtung 20 und die zweite Detektoreinrichtung 30 können jedoch auch getrennt voneinander angeordnet sein und müssen nicht in einem Gehäuse zusammengefasst sein.
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In der Lichtemittereinrichtung 10 ist eine Lichtquelleneinheit 12 angeordnet, welche zur Aussendung von Licht mehrerer unterschiedlicher Wellenlängen ausgelegt ist. Die Lichtquelleneinheit 12 kann dazu eine oder mehrere Leuchtdioden (LEDs), Laserdioden, eine andere geeignete Lichtquelle oder eine Kombination daraus umfassen und ist dazu geeignet, Licht mehrerer voneinander verschiedener Wellenlängen auszusenden. Beispielsweise kann die Lichtquelleneinheit 12 Licht zumindest mit den Wellenlängen 1300 nm, 1460 nm und 1550 nm aussenden. Die vorgesehenen Wellenlängen können jedoch dem jeweiligen Einsatzzweck angepasst werden.
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Der Lichtquelleneinheit 12 ist im in der 2 dargestellten Beispiel in Richtung des ausgesandten Lichtstrahls 11 ein Lichtquellenpolarisator oder Lichtquellenpolarisationsfilter 14 nachgeschaltet, welcher das von der Lichtquelleneinheit 12 ausgesandte Licht in eine vorbestimmte Richtung polarisiert.
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Ferner ist eine Emitteroptik 16 vorgesehen, um das ausgesendete Licht entlang eines emittierten Lichtstrahls 11 auf einen bestimmten Bereich auf dem Untergrund oder der Fahrbahn 1 bzw. der Fahrbahnoberfläche 1a unter dem Fahrzeug 60 auszurichten bzw. zu fokussieren. Die optische Achse der Emitteroptik 16 kann die optische Achse 10a des Lichtemitterabschnitts 10 definieren. Die Emitteroptik 16 kann aus einer Emitterlinse bestehen oder mehrere Linsen und/oder andere optische Element umfassen.
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Der erste Detektorabschnitt 20 umfasst einen ersten Detektor 22, beispielsweise eine oder mehrere Photodioden, dazu ausgelegt, Licht aller von der Lichtquelleneinheit 10 ausgesandten Wellenlängen zu detektieren. Der erste Detektor 22 kann dazu auch mehrere nebeneinander angeordnete Photodioden oder einen oder mehrere optoelektronische Einheiten (z. B. CCD, CMOS) umfassen.
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An dem ersten Detektor 22 ist eine erste Sammeloptik 26 und ein erster Polarisator oder erster Polarisationsfilter 24 angeordnet. Die erste Sammeloptik 26 kann aus einer einzelnen ersten Sammellinse bestehen oder mehrere Linsen und/oder weitere optische Elemente umfassen. Die Polarisierungsrichtung des ersten Polarisationsfilters 24 ist senkrecht zu der des Lichtquellenpolarisationsfilters 14 und damit im Wesentlichen senkrecht zu der vorbestimmten Polarisierungsrichtung. Spiegelnd reflektiertes, in der vorbestimmten Richtung polarisiertes Licht wird damit herausgefiltert und lediglich diffus reflektiertes Licht gelangt zu dem ersten Detektor 22. Der erste Detektor 22 dient somit als „Streuungsdetektor”.
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Eine erste Achse 20a kann im Wesentlichen der optischen Achse der ersten Sammeloptik 26 und/oder des ersten Detektorabschnitts 20 entsprechen und im Wesentlichen parallel zu der Emitterachse 10a, welche im Wesentlichen der optischen Achse der Emitteroptik 16 und/oder des Lichtemitterabschnitts 10 entspricht, ausgerichtet sein.
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In dem zweiten Detektorabschnitt 30, welcher auf der dem ersten Detektorabschnitt 20 gegenüberliegenden Seite des Lichtemitterabschnitts 10 in dem Gehäuse 4 des Sensors 2 angeordnet ist, ist ein zweiter Detektor 32 angeordnet.
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Der zweite Detektor 32 kann ebenfalls eine Photodiode umfassen, welche dazu ausgelegt ist, zumindest Licht einer von der Lichtquelleneinheit 12 ausgesandten Wellenlängen zu detektieren. Der zweite Detektor 32 kann jedoch ebenfalls mehrere nebeneinander angeordnete Photodioden umfassen und dazu ausgelegt sein, Licht mehrerer verschiedener Wellenlängen oder Wellenlängenbereiche zu detektieren.
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Dem zweiten Detektor 32 ist eine zweite Sammeloptik 36 zugeordnet, um das reflektierte Licht auf den zweiten Detektor 32 zu fokussieren und in diesem zu detektieren. Die zweite Sammeloptik 36 kann aus einer einzelnen zweiten Sammellinse bestehen oder mehrere Linsen und/oder weitere optische Elemente umfassen. Im Gegensatz zu dem ersten Detektor 22, weist der zweite Detektor 32 im in der 1 dargestellten Beispiel keinen Polarisator oder Polarisationsfilter auf. Da bereits das emittierte Licht polarisiert ist, ist dies auch nicht notwendig. Von dem zweiten Detektor wird somit diffus reflektiertes und spiegelnd reflektiertes Licht detektiert, welches entlang des zweiten Detektorstrahlengangs 31 reflektiert wird. Jedoch kann auch der zweite Detektor 32 einen Polarisationsfilter (nicht dargestellt) aufweisen, dessen Polarisationsrichtung parallel zu derjenigen des Emitterpolarisators 16 ist, um lediglich spiegelnd reflektiertes Licht in der zweiten Photodiode 36 zu detektieren.
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Eine zweite Achse 30a kann im Wesentlichen der optischen Achse der zweiten Sammeloptik 36 und oder des zweiten Detektorabschnitts 30 entsprechen und im Wesentlichen parallel zu der Emitterachse 10a, welche im Wesentlichen der optischen Achse der Emitteroptik 16 und/oder des Lichtemitterabschnitts 10 entspricht, ausgerichtet sein.
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Der beschriebene Sensor kann im sichtbaren Lichtbereich, beispielsweise bei einer Wellenlänge von ungefähr 625 nm betrieben werden, um spiegelnd reflektiertes Licht und diffus reflektiertes Licht zu messen. Aus dem Verhältnis von dem im ersten Detektor 22 gemessenen diffus reflektierten Licht zu dem im zweiten Detektor 32 zusätzlich gemessenen spiegelnd reflektierten Licht kann auf die Fahrbahnhelligkeit und Fahrbahnrauhigkeit geschlossen werden und damit bestimmt werden, ob sich das Fahrzeug beispielsweise auf einer Asphalt- oder Betonfahrbahn befindet.
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Der beschriebene Sensor kann auch im Infrarotbereich bei verschiedenen Wellenlängen verwendet werden. Hierzu kann der erste Detektor 22 und/oder der zweite Detektor 32 verwendet werden. Beispielsweise wird Infrarotlicht der Wellenlänge 1460 nm besonders gut von Wasser absorbiert, so dass Licht dieser Wellenlänge bei nasser Fahrbahn nur in geringem Maße zu dem ersten Detektor 22 bzw. dem zweiten Detektor 32 zurückreflektiert wird. Bei trockener Fahrbahn wird diese Wellenlänge dahingegen normal reflektiert. Infrarotlicht der Wellenlänge 1550 nm wird dahingegen gut von Eis absorbiert. Durch Vergleich der Reflexion dieser beiden Wellenlängen und Berücksichtigung einer Referenzwellenlänge kann auf Eis oder Wasser auf der Fahrbahn geschlossen werden. Die Referenzwellenlänge, welche weder von Eis noch von Wasser nennenswert absorbiert wird, z. B. 1300 nm, dient als Bezugsgröße zur Bewertung des Absorptionsgrades der beiden anderen Wellenlängen. Dann können die gemessenen Intensitätsverhältnisse bei den Wellenlängen 1550 nm/1300 nm mit dem Verhältnis 1460 nm/1300 nm in bekannter Weise in Relation gesetzt werden, um Informationen über Wasser und Eis auf der Fahrbahn oder eine trockene Fahrbahn zu erlangen.
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Die verschiedenen Wellenlängen können parallel, insbesondere aber sequentiell zeitlich versetzt, ausgesandt werden. Somit wird jeweils nur Licht einer Wellenlänge zu einem Zeitpunkt ausgesandt und dementsprechend detektiert. Dies erlaubt es, auf eine aufwändige spektrale Analyse oder Strahlaufteilung zu verzichten.
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Der Sensor 2 verfügt ferner über eine Auswerteinrichtung 50, mit welcher die von dem ersten Detektor 22 und dem zweiten Detektor 32 erfassten bzw. ermittelten Daten verarbeitet werden. Die Auswerteinrichtung 50 kann außerhalb des Gehäuses 4 angeordnet sein und sich beispielsweise an einem anderen Ort in dem Fahrzeug 60 befinden. Die Auswerteinrichtung 50 kann mit dem ersten Detektor 22 und dem zweiten Detektor 32 über ein Kabel oder eine drahtlose Verbindung verbunden sein. Die Auswerteinrichtung kann auch eine Steuerung für die Lichtquelleneinheit 21 umfassen oder mit einer Steuerung verbunden sein. Die Auswerteinheit 50 und/oder die Steuerung können jedoch auch an oder in dem Gehäuse 4 angeordnet sein bzw. in diese integriert sein, wie mit Bezug auf die 2 dargestellt.
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Mit dem beschriebenen Sensor 2 können mit einem kompakten und kostengünstigen Aufbau sowohl spektrale Reflexion, als auch spiegelnde und diffuse Reflexion in kurzer zeitlicher Abfolge gemessen und auf dieser Basis auf Fahrbahnart und -zustand geschlossen werden. Dadurch entsteht eine bessere und genauere Information über die Art und den tatsächlichen Zustand der Fahrbahn 1 bzw. Fahrbahnoberfläche 1a unter dem Fahrzeug 60. Für die Messung ist nur der eine Sensor 2 erforderlich.
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Soll nur spektrale Reflexion gemessen werden, da beispielsweise die Messgenauigkeit dafür ausreichend ist, kann gegebenenfalls der zweite Detektorabschnitt 30 weggelassen werden.
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Eine Auswerteinrichtung 50 ist dazu vorgesehen, die Intensität der Umgebungshelligkeit zu bestimmen und ein entsprechendes Signal an die Steuerung eines Fahrzeuglichtes 67, 68 auszugeben. Die Auswerteinrichtung 50 kann auch dazu ausgelegt sein, die Beschaffenheit der Fahrbahnoberfläche 1a zu ermitteln Die 3 zeigt ein weiteres Beispiel für eine Vorrichtung 9. Die mit Bezug auf die 3 dargestellten und beschriebenen Merkmale können je nach Anwendung mit den mit Bezug auf die 2 dargestellten und beschriebenen Merkmalen kombiniert oder ausgetauscht werden.
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Der in der 3 dargestellte Sensor 2 entspricht dem mit Bezug auf die 2 beschriebenen Sensor mit dem Unterschied, dass kein Lichtquellenpolarisator vorgesehen ist. Der ausgesandte Lichtstrahl 110 ist in diesem Fall nicht polarisiert. Um dennoch spiegelnd reflektiertes Licht herausfiltern zu können, ist ein zweiter Polarisationsfilter 34 im Strahlengang vor dem zweiten Detektor 32 angeordnet. Die Polarisationsrichtung des zweiten Polarisationsfilters 34 ist im Wesentlichen senkrecht zu der Polarisationsrichtung des ersten Polarisationsfilters 24. Alle übrigen Elemente des Sensors 2 können denen des mit Bezug auf die 1 dargestellten Sensors entsprechen.
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Im in der 3 dargestellten Beispiel ist die erste Achse 20b, welche der optischen Achse der ersten Sammeloptik 26 und/oder des gesamten ersten Detektorabschnitts 20 entsprechen kann, in einem Winkel H zur Emitterachse 10a ausgerichtet, wobei der Winkel ☐ maximal ungefähr 10° beträgt. Entsprechend kann die zweite Achse 30b, welche der optischen Achse der zweiten Sammeloptik 36 und/oder des gesamten zweiten Detektorabschnitts 30 entsprechen kann, in einem Winkel ☐ zur Emitterachse 10a ausgerichtet sein, wobei der Winkel ☐ ebenfalls maximal ungefähr 10° beträgt. Der Schnittpunkt 40 der Emitterachse 10a mit der ersten Achse 20b und/oder der zweiten Achse 30b kann auf der Fahrbahnoberfläche 1a liegen oder in einem Abstand von bis zu 50 cm von der Fahrbahnoberfläche 1a liegen.
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Es besteht ferner die Möglichkeit, sowohl einen Lichtquellenpolarisator oder Lichtquellenpolarisationsfilter 14 an der Lichtquelleneinheit 12 vorzusehen, wie mit Bezug auf die 1 beschrieben, als auch einen zweiten Polarisator oder zweiten Polarisationsfilter 34 an dem zweiten Detektor 32. Typischerweise sind dann die Polarisationsrichtungen des Lichtquellenpolarisationsfilters 14 und des zweiten Polarisationsfilters 34 parallel zueinander ausgerichtet. Die Polarisationsrichtungen des Lichtquellenpolarisationsfilters 14 und des zweiten Polarisationsfilters 34 des zweiten Detektors 32 sind jedoch im Wesentlichen senkrecht zu der Polarisationsrichtung des ersten Polarisators oder ersten Polarisationsfilters 24 angeordnet.
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In der 3 ist ferner die Auswerteinrichtung 50 innerhalb des Gehäuses 4 des Sensors 2 angeordnet bzw. in das Gehäuse 2 integriert dargestellt. Es versteht sich, dass die Auswerteinheit auch, wie in 1 dargestellt, außerhalb des Sensors 2 vorgesehen sein kann.
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Der Sensor 2 und insbesondere die Emitteroptik 16 und die erste Sammeloptik 26 beziehungsweise gegebenenfalls auch die zweite Sammeloptik 36 können dazu ausgelegt sein in einer bestimmten Höhe oder einem bestimmten Höhenbereich über der Fahrbahnoberfläche 1a angeordnet zu werden. Beispielsweise kann der Sensor 2 dazu ausgelegt sein in einer Höhe h beziehungsweise einem Abstand von ungefähr 10 cm bis ungefähr 1 m von der Fahrbahnoberfläche 1a angeordnet zu werden, wobei der Abstand einen jeweiligen Einsatzzweck angepasst werden kann. Für die Verwendung des Sensors 2 in einem Personenkraftwagen kann die Höhe h im Bereich von ungefähr 10 cm bis 40 cm liegen. Bei einer Verwendung des Sensors 2 in einem Nutzfahrzeug, einem Omibus oder einem Geländefahrzeug kann die Höhe h ungefähr 30 cm bis ungefähr 100 cm betragen, insbesondere in einem Bereich von 50 cm bis 80 cm.
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Die Auswerteinrichtung kann insbesondere auch innerhalb des Gehäuses 4 angeordnet sein und ein Steuersignal für die Fahrzeugbeleuchtung 67, 68 ausgeben.
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Wie bereits oben erwähnt kann das Licht der verschiedenen Wellenlängen zeitlich versetzt zueinander ausgesandt werden. Insbesondere ist, wie in 4 beispielhaft dargestellt, vorgesehen zwischen der zeitlich versetzten Aussendung zu Zeiten t1, t2, t3 von Lichtpulsen dreier unterschiedlicher Frequenzen ☐1 ☐2, ☐3 auch Zeiten t4 zu haben, in denen von der Lichtquelleneinheit 12 kein Licht ausgesendet wird. Die erste Detektoreinheit 22 und/oder die zweite Detektoreineinheit 32 erfassen zu diesen Zeiten t4, wenn kein Licht von der Lichtquelleneinheit ausgesandt wird, Licht 72, welches aus der Umgebung des Fahrzeugs 60 stammt und auf den entsprechenden Detektor 22, 32 gestreut oder diffus reflektiert wird. Dieses Hintergrundlicht ist selbstverständlich auch vorhanden, wenn die Lichtquelleinheit 12 Licht aussendet. Im Betrieb als Oberflächensensor 2, wird die Auswerteinrichtung 50 die bei ausgeschalteter Lichtquelleneinheit 12 gemessene Hintergrundstrahlung 72 von der erfassten Lichtintensität zu den Zeiten t1, t2, t3 zu denen Licht von der Lichtquelleneinheit 12 ausgesandt wurde, abziehen. Die Differenz entspricht dann dem von der Lichtquelleneinheit 12 ausgesandten und an dem Untergrund 1 reflektierten Licht.
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Bei der Anwendung des Sensors 2 als Oberflächensensor ist es daher vorteilhaft die Hintergrundbeleuchtung 72 in regelmäßigen Abständen, beispielsweise mehrmals pro Sekunde zu messen.
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Erfindungsgemäß kann diese gemessene Hintergrundstrahlung 72 jedoch nicht nur zur Bestimmung der gestreuten Lichtintensität verwendet werden, sondern auch als repräsentativer Wert für die Umgebungshelligkeit in der Umgebung des Fahrzeugs 60. Die erfasste Lichtintensität 72 für die Umgebungshelligkeit beziehungsweise die Hintergrundbeleuchtung kann beispielsweise dazu verwendet werden, eine Fahrzeugbeleuchtung 67, 68, beziehungsweise ein Fahrlicht oder eine andere Beleuchtung Ein- oder Auszuschalten. Die Hintergrundhelligkeit kann auch dazu verwendet werden, die Beleuchtungshelligkeit zu regulieren und an die Umgebungshelligkeitsverhältnisse anzupassen.
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In der 4 ist dargestellt, dass das Licht der drei unterschiedlichen Wellenlängen ☐1, ☐2, ☐3 zeitlich versetzt zueinander ausgesandt wird, wobei jeweils nach den drei ausgesandten Wellenlängen eine Pause zur Ermittlung der Hintergrundhelligkeit beziehungsweise zur Umgebungshelligkeit erfolgt. Die Frequenz beziehungsweise das Aussenden von Licht kann jedoch auch in anderen Intervallen erfolgen, beispielsweise mit unterschiedlichen Pulsfrequenzen für die unterschiedlichen Wellenlängen oder mit Pausen zur Messung der Hintergrundbeleuchtung zwischen dem Aussenden von Licht der unterschiedlichen Wellenlängen. Weitere Veränderungen der Aussendeintervalle, Frequenzen und Überlagerungen wird der Fachmann den Anforderungen anpassen.
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Die vorangehende Beschreibung wurde im Hinblick auf die in den Figuren dargestellten Beispiele gegeben. Jedoch wird der Fachmann die angegebenen Beispiele ohne weiteres modifizieren oder kombinieren und beispielsweise um weitere Warnsignale oder Steuerungssignale ergänzen. Auch wird der Fachmann weitere Anwendungsmöglichkeiten der erfindungsgemäßen Vorrichtung und des erfindungsgemäßen Verfahrens finden, beispielsweise die Anbringung an anderen Stellen eines Fahrzeugs.
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Der Fachmann wird ebenfalls andere als die angegebenen Wellenlängen in Erwägung ziehen um die Messergebnisse an unterschiedliche Anforderungen anzupassen. Es versteht sich, dass die angegebenen Wellenlängen nicht auf genau die Werte eingeschränkt sind, sondern einen Wellenlängenbereich umfassen können, welcher die angegebenen diskreten Wellenlängen enthält.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102008025947 A1 [0003]
- DE 19713884 A1 [0003]
