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Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Erkennung von Feuchtigkeit an einer Scheibe, insbesondere von Regen an einer Fahrzeugscheibe.
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Fahrerassistenzsysteme in Fahrzeugen verwenden häufig eine Kamera zur Erfassung der Fahrzeugumgebung, beispielsweise zur Erkennung verschiedenster Objekte im Umfeld des Fahrzeugs. Die Kamera ist dabei in der Regel hinter der Windschutzscheibe des Fahrzeugs angeordnet und blickt in Fahrtrichtung durch die Scheibe hindurch. Bekannt sind beispielsweise Fahrzeugkameras zur Erkennung der Fahrbahnmarkierungen, Nachtsichtkameras oder Stereokameras als optische Abstandssensoren.
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Neben dem Einbauraum eines solchen Kamerasystems befinden sich typischerweise weitere Sensoren zur Erkennung von Ablagerungen auf der Fahrzeugscheibe, beispielsweise Verschmutzungen, Feuchtigkeit, Regen oder Schnee, und/oder Sensoren zur Erkennung der vorherrschenden Lichtverhältnisse.
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Aus der
DE 103 55 205 A1 ist beispielsweise eine Vorrichtung bekannt, zur Befestigung eines Kameramoduls in einem Fahrzeug hinter einer Windschutzscheibe, wobei in einem ersten Einbauraum hinter der Windschutzscheibe ein Kameramodul angeordnet ist, zur Erfassung von Bildern aus dem Vorausbereich des Fahrzeugs. Unterhalb des Einbauraums für das Kameramodul ist ein zweiter Einbauraum für einen Regensensor vorgesehen, dessen Sensorfläche ebenfalls der Windschutzscheibe zugewandt ist.
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Nachteilig bei der in der
DE 103 55 205 A1 beschriebenen Vorrichtung sowie bei anderen bekannten Vorrichtungen bei denen mehrere Sensoren, insbesondere Kameramodule und Regensensoren, hinter einer Windschutzscheibe eines Fahrzeugs angeordnet sind, ist ein erhöhter Bedarf an begrenztem Einbauraum, da für jedes Kameramodul und für jede Sensoreinheit ein eigener Sichtbereich durch die Windschutzscheibe gebraucht wird.
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Es gibt daher bereits Ansätze mehrere Sensorfunktionen auf ein Kameramodul zu vereinen, beispielsweise mittels bifokaler bzw. multifokaler Kameramodule, d. h. Kameras die gleichzeitig einen Fernbereich und einen Nahbereich auf einem einzelnen Bildaufnahmeelement erfassen können.
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Ein solches System ist aus der
EP 1 923 280 A1 bekannt. Durch ein zusätzliches optisches Element mit einer positiven Linse (konvexe Linse) wird ein bestehendes Abbildungssystem, welches auf einen optischen Fernbereich fokussiert ist, in die Lage gebracht, zusätzlich eine scharfe Abbildung von Objekten aus einem optischen Nahbereich auf ein Bildaufnahmeelement zu projizieren, in diesem Fall Regentropfen auf einer Windschutzscheibe. Wenn sich keine Regentropfen auf der Windschutzscheibe befinden, ist das auf das Bildaufnahmeelement projizierte Bild ausschließlich vom optischen Fernbereich dominiert. Wenn sich Tropfen auf der Windschutzscheibe befinden, wird die Abbildung des Fernbereichs durch die Abbildung des Nahbereichs in der gleichen Bildebene überlagert und das erzeugte Bildsignal wird verändert.
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Nachteilig bei dem in der
EP 1 923 280 A1 beschriebenen multifokalen Abbildungssystem ist die Tatsache, dass Strahlung sowohl aus einem optischen Nahbereich als auch aus einem optischen Fernbereich gleichzeitig auf einem gemeinsamen Bereich des Bildaufnahmeelements auftrifft und dort zu einem zusammengesetzten Bildsignal führt. Dadurch wird für beide Fahrerassistenzfunktionen, d. h. für die Fernbereichsüberwachung und die Nahbereichsüberwachung, die Abbildungsqualität, durch die sich überlagernde Strahlung aus beiden Überwachungsbereichen, herabgesetzt.
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Die
DE 10 2008 062 977 A1 zeigt daher eine Lösung mit ebenfalls einem multifokalen Abbildungssystem, wobei jedoch im Gegensatz zur
EP 1 923 280 A1 , mittels eines hierfür speziell ausgebildeten optischen Elements, welches im Abbildungssystem zwischen Objektiv und Bildaufnahmeelement angeordnet ist, elektromagnetische Strahlung aus einem Fernbereich vor dem Fahrzeug und elektromagnetische Strahlung aus einem Bereich der Fahrzeugscheibe auf verschiedenen Bereichen des Bildaufnahmeelements fokussiert abgebildet werden.
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Nachteilig bei dem in der
DE 10 2008 062 977 A1 beschrieben System ist jedoch, dass insbesondere bei Nacht, das von der Fahrzeugumgebung zurückgestreute Licht des Fahrzeugscheinwerfers nicht ausreicht, um beispielsweise Feuchtigkeit auf der Fahrzeugscheibe ausreichend auszuleuchten und sicher mit der Kamera zu erkennen.
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In der
US 7,259,367 B2 wird daher eine Beleuchtung der Fahrzeugscheibe durch eine, neben der Kamera angeordnete, Lichtquelle vorgeschlagen. In der Regel reicht jedoch, aufgrund der Großflächigkeit der vorgeschlagenen Beleuchtung, der Anteil des, beispielsweise durch Regentropfen, reflektierten Lichts nicht aus, um eine sichere und zuverlässige Erkennung von Regen bzw. Obstruktionen (Ablagerungen) auf der Fahrzeugscheibe zu erreichen.
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Der Erfindung liegt demnach die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung anzugeben, mittels derer auch bei schwachen Lichtverhältnissen bzw. bei Nacht eine sichere und zuverlässige Erkennung von Feuchtigkeit, z. B. Regentropfen, auf einer Scheibe möglich ist und welche die Probleme und Nachteile, der aus dem Stand der Technik bekannten Systeme, löst.
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Diese Aufgabe wird durch eine Vorrichtung mit den Merkmalen nach Anspruch 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen sind Gegenstand von Unteransprüchen, wobei auch Kombinationen und Weiterbildungen einzelner Merkmale miteinander denkbar sind.
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Ein wesentlicher Gedanke der Erfindung besteht darin, Licht über ein Einkoppelelement derart in eine Scheibe einzukoppeln, dass es über den Effekt der Totalreflektion in der Scheibe geführt wird. Trifft das Licht auf einen auf der Scheibe befindlichen Regentropfen, wird das Licht aus der Scheibe ausgekoppelt und im Regentropfen reflektiert und/oder gebrochen. Ein Teil der am Regentropfen reflektierten und gebrochenen Lichtstrahlen können daraufhin beispielsweise mittels einer Kamera detektiert werden. Mittels der erfindungsgemäßen Vorrichtung kann, insbesondere bei Nacht, Regen effizient erkannt werden, da nur für den Fall, dass sich Regen oder andere feuchte Ablagerungen auf der Scheibe befinden, Licht mittels der Kamera bzw. eines anderen Erfassungsmittels detektiert wird. Durch die vorgeschlagene Erfindung kann demnach ein besonders gutes Signal- zu Rauschverhältnis erreicht werden, da vorzugsweise nur im Regenfall Licht detektiert wird.
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Die erfindungsgemäße Vorrichtung umfasst wenigstens eine Lichtquelle, zum Erzeugen und Aussenden von Licht, insbesondere von elektromagnetischer Strahlung im sichtbaren Spektralbereich, im Infrarotbereich und/oder im Ultraviolettbereich.
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Die erfindungsgemäße Vorrichtung umfasst weiterhin wenigstens ein Einkoppelelement, zum Einkoppeln des von der Lichtquelle erzeugten und ausgestrahlten Lichts in eine Scheibe, insbesondere in die Scheibe eines Fahrzeugs, z. B. eine Windschutzscheibe.
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Die erfindungsgemäße Vorrichtung umfasst außerdem wenigstens ein Erfassungsmittel, beispielsweise eine Kamera, zum Erfassen von Licht. Das Erfassungsmittel dient dabei insbesondere zum Erfassen von Licht, das durch Feuchtigkeit auf/an der vorbenannten Scheibe aus dieser ausgekoppelt und in Richtung des Erfassungsmittels reflektiert wird, beispielsweise in Richtung der Öffnung eines Objektivs einer Kamera als Erfassungsmittel.
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Die erfindungsgemäße Vorrichtung kommt vorzugsweise in einem Fahrzeug zum Einsatz zur Erfassung von Obstruktionen auf der Windschutzscheibe, insbesondere von Feuchtigkeit, wie Regen, Schnee, Eis oder Verschmutzungen.
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Bevorzugt wird das von der wenigstens einen Lichtquelle erzeugte und ausgestrahlte Licht derart mittels des Einkoppelelements in eine Fahrzeugscheibe eingekoppelt, dass es über Totalreflektion in der Scheibe geführt wird. Hierzu können die Lichtquelle und das Einkoppelelement derart ausgestaltet und an der Scheibe angeordnet sein, dass für das in die Scheibe eingekoppelte Licht ein Grenzwinkel für die Totalreflektion erreicht oder überschritten wird.
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Bei dem wenigstens einen Einkoppelelement handelt es sich vorzugsweise um einen Lichtwellenleiter, der zwischen der Scheibe, in der das Licht eingekoppelt wird, und der Lichtquelle welche das Licht erzeugt und ausstrahlt, angeordnet ist.
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Bei der wenigstens einen Lichtquelle handelt es sich in einer bevorzugten Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Vorrichtung um zumindest eine LED (light emitting diode) oder beispielsweise eine O-LED (organic led).
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Bei dem von der Lichtquelle erzeugten und ausgestrahlten Licht kann es sich in einer vorteilhaften Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Vorrichtung um elektromagnetische Strahlung im Infrarotbereich handeln, wodurch das Licht, welches vorzugsweise über Totalreflektion, beispielsweise in der Windschutzscheibe eines Fahrzeugs, geführt wird, für das menschliche Auge und damit beispielsweise für einen Fahrzeugführer des Fahrzeugs nicht sichtbar ist und seine Wahrnehmung daher nicht negativ beeinflusst.
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Bei dem wenigstens einen Erfassungsmittel handelt es sich vorzugsweise um eine Kamera, insbesondere um eine Fahrzeugkamera die im Innenraum eines Fahrzeugs hinter der Windschutzscheibe angeordnet ist, mit Blickrichtung in Fahrtrichtung durch die Windschutzscheibe hindurch und zur Erfassung der vorausliegenden Fahrzeugumgebung, beispielsweise für eines oder mehrere Fahrerassistenzsysteme. Für die erfindungsgemäße Vorrichtung kann damit in einer vorteilhaften Ausgestaltung eine Kamera verwendet werden, die ohnehin im Fahrzeug für eine oder mehrere Fahrerassistenzfunktionen bzw. -systeme angeordnet ist, beispielsweise für eine Objekterkennung, Abstandsregelung, Verkehrszeichenerkennung oder Fahrspurerkennung. In diesem Fall muss kein zusätzliches Erfassungsmittel für den Einsatz der erfindungsgemäßen Vorrichtung in einem Fahrzeug angeordnet werden.
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In einer besonderen Ausführungsvariante der erfindungsgemäßen Vorrichtung dient die Vorrichtung zur Regenerkennung, insbesondere für eines oder mehrere Assistenzsysteme in einem Fahrzeug. Die Vorrichtung kann beispielsweise derart ausgestaltet sein, dass Informationen über erfasste Feuchtigkeit auf der Scheibe des Fahrzeugs an andere Einrichtnungen weitergegeben werden, z. B. an Steuergeräte von Systemen wie ESP, ABS oder Bremsassistenten, so dass diese Systeme ihre Steuerungsparameter entsprechend anpassen können, beispielsweise an feuchten Fahrbahnbelag. Weiterhin kann die erfindungsgemäße Vorrichtung die Informationen an Systeme zur Steuerung von Scheibenwischern und/oder an Steuergeräte zum automatischen Schließen eines Fahrzeugdachs und/oder von Fahrzeugscheiben weitergeben.
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Die erfindungsgemäße Vorrichtung dient insbesondere zur Erfassung von feuchten Ablagerungen bzw. von Regen bei Nacht, da das von der Fahrzeugumgebung zurückgestreute Licht des Fahrzeugscheinwerfers bei Nacht in der Regel nicht ausreicht, um Feuchtigkeit auf der Fahrzeugscheibe ausreichend auszuleuchten und sicher zu erkennen.
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Weitere Vorteile sowie optionale Ausgestaltungen gehen aus der Beschreibung und den Zeichnungen hervor. Ausführungsbeispiele sind in den Zeichnungen vereinfacht dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert.
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Es zeigen 1 und 2 schematisch den Aufbau und das Funktionsprinzip der erfindungsgemäßen Vorrichtung, wobei
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1: den Fall zeigt, wenn sich keine Feuchtigkeit auf der Scheibe befindet, und
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2: den Fall einer feuchten Scheibe veranschaulicht.
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In 1 ist eine erfindungsgemäße Vorrichtung dargestellt, umfassend eine Lichtquelle (1), z. B. eine LED, zum Erzeugen und Ausstrahlen von Licht (5, 6, 7), ein Einkoppelelement (2) zum Einkoppeln des Lichts (5, 6, 7) in eine Scheibe (4), sowie eine Erfassungsvorrichtung (3), in diesem Fall eine Kamera.
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Bei dem Einkoppelelement handelt es sich im Beispiel aus 1 beispielsweise um eine Lichtleitfaser. Die Lichtleitfaser ist mit der Lichtquelle (1) verbunden, welche vorzugsweise gebündeltes Licht (5, 6, 7) in die Lichtleitfaser einkoppelt. Die Lichtleitfaser ist entweder senkrecht oder in einem bestimmten Winkel (z. B. >42°) sowie vorzugsweise flächig und auf einer polierten Oberfläche der Scheibe (4) aufgesetzt oder in die Scheibe (4) hineingeführt, z. B. in eine Bohrung.
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Bei der Scheibe (4) handelt es sich in dem Beispiel aus 1 um die Windschutzscheibe eines Fahrzeugs.
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Die Vorrichtung dient dabei in diesem Fall zur Erfassung von Feuchtigkeit, insbesondere von Regen (8) auf der Außenseite der Scheibe (4).
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Für den Fall, dass sich entsprechend 1 kein Regen (8) auf der Scheibe (4) befindet wird, das über das Lichtquelle (1) erzeugte und ausgestrahlte sowie über das Einkoppelelement (2) in die Scheibe (4) eingekoppelte Licht (5, 6, 7) innerhalb der Scheibe (4) im Wesentlichen verlustfrei geführt. Dieser Effekt ist allgemein als Effekt der Totalreflektion bekannt. Beim Übergang des Lichts (5, 6, 7) von der Scheibe (4) in die umgebende Luft, würde normalerweise ein Großteil des Licht (5, 6, 7) an der Grenzfläche zwischen Scheibe (4) und Luft gebrochen werden und/oder es würde nur ein kleiner Teil des Lichts (5, 6, 7) in die Scheibe (4) zurückreflektiert werden. Je größer jedoch der Einfallswinkel ist, desto mehr Licht wird bei diesem Übergang reflektiert. Erreicht der Einfallswinkel einen bestimmten Grenzwert, wird kein Licht mehr gebrochen, sondern es wird alles Licht reflektiert (Totalreflektion). Beim Übergang von Glas zu Luft beispielsweise liegt der Grenzwinkel bei 42°. Der Grenzwinkel kann insbesondere auch nach dem sogenannten Snellius-Gesetzt berechnet werden, worauf sich das Licht (5, 6, 7) mittels der erfindungsgemäßen Vorrichtung gezielt in die Scheibe (4) einkoppeln lässt, so dass es über Totalreflektion innerhalb der Scheibe (4) geführt wird.
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Entsprechend 1 wird für den Fall, dass sich kein Regen (8) auf der Scheibe (4) befindet, mittels des Erfassungsmittels (3) kein reflektiertes Licht (5, 6, 7) erfasst.
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2 zeigt den Fall, dass sich feuchte Ablagerungen, insbesondere Regen (8), auf der Scheibe (4) befinden. Die Tatsache, dass sich auf der Scheibe (4) Regen (8) befindet, führt dazu, dass ein Teil des in die Scheibe (4) eingekoppelten Lichts (6, 7) durch den Tropfen (8) ausgekoppelt wird. Ein Teil des ausgekoppelten Lichts (7) wird dabei derart gebrochen, dass es in Richtung des Erfassungsmittels (3) reflektiert wird. Ein anderer Teil des ausgekoppelten Lichts (6) wird in andere Richtungen gestreut.
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Entsprechend 2 wird somit für den Fall, dass sich Regen (8) auf der Scheibe (4) befindet, das durch den Regen (8) ausgekoppelte und in Richtung des Erfassungsmittels (3) reflektierte Licht (7) mittels des Erfassungsmittels (3) erfasst.
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Die Lichtquelle (1) und das Einkoppelelement (2) sind vorzugsweise außerhalb eines Sichtbereichs (9) des Erfassungsmittels (3) angeordnet, so dass eine Funktionfähigkeit des Erfassungsmittels (3) für andere Aufgaben, beispielsweise als Mittel zur Umgebungserfassung für eine oder mehrere Assistenzfunktionen bzw. -systeme im Fahrzeug, nicht beeinträchtigt ist. Zudem sind die Lichtquelle (1) und das Einkoppelelement (2) vorzugsweise außerhalb eines Blickbereichs eines Fahrzeugführers und/oder weiterer Fahrzeuginsassen angeordnet, insbesondere derart, dass das Blickfeld des Fahrzeugführers durch die Lichquelle (1) und das Einkoppelelement (2) nicht eingeschränkt und das Design des Fahrzeugs nicht beeinflusst wird. Handelt es sich, gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Vorrichtung, bei dem von der Lichtquelle (1) erzeugten und ausgestrahlten Licht (5, 6, 7) beispielsweise um Infrarotstrahlung, kann somit insgesamt eine Vorrichtung zur Erfassung von Regen (8) bzw. von Feuchtigkeit auf einer Fahrzeugscheibe (4) realisiert werden, die unsichtbar verbaut und betrieben werden kann. Das mittels der Lichtquelle (1) erzeugte und ausgestrahlte sowie mittels des Einkoppelelements (2) in die Scheibe (4) eingekoppelte Licht (5, 6, 7) wird dabei bevorzugt über Totalreflektion in Richtung des Sichtfelds (9) der Kamera bzw. des Erfassungsmittels (3) innerhalb der Scheibe (4) geführt, so dass Reflektionen an Feuchtigkeit (8) mittels des Erfassungsmittels (3) erfasst werden können.
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Die Streueffekte, welche für das Licht (5, 6, 7) durch Feuchtigkeit bzw. einen oder mehreren Regentropfen (8) auf der Scheibe (4) entstehen, sind in den 1 und 2 zur Veranschaulichung stark vereinfacht dargestellt. In Wirklichkeit sind die auftretenden Effekte wesentlich komplexer. Das betrifft insbesondere die Lichtbrechungseffekte innerhalb sowie beim Übergang zwischen der/den Medien Luft, Wasser und Glas.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Lichtquelle
- 2
- Einkoppelelement
- 3
- Erfassungsmittel
- 4
- Scheibe
- 5
- Lichtstrahl
- 6
- Lichtstrahl
- 7
- Lichtstrahl
- 8
- Regen/Feuchtigkeit
- 9
- Sichtbereich des Erfassungsmittels (3)
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 10355205 A1 [0004, 0005]
- EP 1923280 A1 [0007, 0008, 0009]
- DE 102008062977 A1 [0009, 0010]
- US 7259367 B2 [0011]
