DE102012011847A1 - Nachtsichtsystem für ein Kraftfahrzeug - Google Patents

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DE102012011847A1
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Frank LANGKABEL
Ingolf Schneider
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Abstract

Ein Nachtsichtsystem für ein Kraftfahrzeug umfasst wenigstens eine Infrarotlicht emittierende LED-Baugruppe (6) und einen im Wellenlängenbereich des Infrarotlichts empfindlichen Sensor (13). Die LED-Baugruppe (6) ist ausgelegt, um einen gebündelten Infrarotstrahl (9) zu emittieren, der von Ablenkmitteln (7; 12; 20) periodisch durch einen vorgegebenen Raumwinkelbereich bewegt wird.

Description

  • Die vorliegende Erfindung betrifft ein Nachtsichtsystem für den Einsatz in einem Kraftfahrzeug. Nachtsichtsysteme basieren im Allgemeinen auf der Erfassung von für den Menschen nicht wahrnehmbarer Infrarotstrahlung und deren Umsetzung in ein für einen Betrachter wahrnehmbares Bild. Passive, auf der Erfassung von in der Umgebung vorhandener Infrarotstrahlung basierende Nachtsichtsysteme haben das Problem, dass das Infrarotbild einer Szenerie sich stark vom natürlichen Bild in sichtbarem Licht unterscheidet und für einen ungeübten Betrachter nur schwer auszuwerten ist. Wird beispielsweise ein solches Nachtsichtsystem auf ein Kraftfahrzeug gerichtet, dann sind warme Teile des Kraftfahrzeugs wie etwa Scheinwerfer und Auspuff deutlich zu erkennen, während Karosseriebleche, deren Temperatur sich nicht nennenswert von der Umgebung unterscheidet, sich kaum sichtbar vom Hintergrund abheben. Um ein zur gewohnten Wahrnehmung ähnliches Bild mit einem Infrarotnachtsichtsystem erzeugen zu können, muss ein solches System eine eigene Infrarot-Lichtquelle aufweisen, mit der zu erfassende Objekte angeleuchtet werden können.
  • Ein Nachtsichtsystem mit Infrarot-Lichtquelle ist z. B. aus DE 103 48 117 A1 bekannt.
  • Das von den LEDs dieses herkömmlichen Nachtsichtsystems ausgestrahlte Infrarotlicht wird von Menschen nicht bewusst wahrgenommen. Ein Betrachter kann daher frontal auf die Infrarot-Lichtquelle schauen, ohne dabei eine Blendung zu verspüren und ohne dass es zu einer Pupillenverengung kommt. Dadurch kann das Licht der Infrarot-Lichtquelle lange Zeit und mit hoher Intensität auf die Netzhaut eines Betrachters fokussiert werden. Um Schäden an der Netzhaut zu vermeiden, schlägt DE 103 48 117 A1 vor, Infrarot-LEDs an einer Kraftfahrzeugkarosserie über eine große Fläche verteilt anzuordnen, so dass sich auch ihr Licht auf der Netzhaut eines Betrachters großflächig verteilt.
  • Eine solche großflächige Verteilung vieler IR-LEDs macht den Einbau dieses herkömmlichen Nachtsichtsystems aufwendig und teuer.
  • Aufgabe der Erfindung ist, ein Nachtsichtsystem zu schaffen, das eine Blendung eines Betrachters sicher ausschließen kann, ohne dafür eine große Zahl von räumlich weit verteilten Infrarot-Lichtquellen zu benötigen.
  • Die Aufgabe wird gelöst, indem bei einem Nachtsichtsystem für ein Kraftfahrzeug mit wenigstens einer Infrarotlicht emittierenden LED-Baugruppe und einem im Wellenlängenbereich des Infrarotlichts empfindlichen Sensor die LED-Baugruppe ausgerichtet ist, um einen gebündelten Infrarotstrahl zu emittieren und Ablenkmittel zum periodischen Bewegen des Infrarotstrahls durch einen vorgegebenen Raumwinkelbereich vorgesehen sind.
  • Die Bewegung des Infrarotstrahls stellt sicher, dass dieser niemals über eine längere Zeit hinweg die Augen eines Betrachters treffen kann. Die mit der Bewegung des gebündelten Infrarotstrahls zusammenhängende Schwankung der aus einer gegebenen Raumrichtung zurückgeworfenen Infrarot-Intensität erleichtert die Unterscheidung zwischen reflektiertem Infrarotlicht und Untergrund, so dass eine geringe Lichtleistung der LED-Baugruppe ausreicht, um ein gewünschtes Signal-Rauschverhältnis zu erzielen. Auch dies trägt wieder zur Blendsicherheit des erfindungsgemäßen Nachtsichtsystems bei.
  • Die Ablenkmittel können durch einen eine Drehung der gesamten LED-Baugruppe antreibenden Motor gebildet sein; einer bevorzugten Ausgestaltung zufolge kann jedoch die LED-Baugruppe in Bezug auf das Kraftfahrzeug unbeweglich montiert sein, und die Ablenkmittel umfassen wenigstens einen rotierenden Körper, der im Strahlengang der LED-Baugruppe angeordnet ist, um den Infrarotstrahl zu brechen, oder einen den Infrarotstrahl reflektierenden rotierenden Spiegel. Es können mehrere solcher Körper oder Spiegel im Strahlengang hintereinandergeschaltet sein, um den Infrarotstrahl gleichzeitig in zwei verschiedene Raumrichtungen abzulenken und so einen zweidimensionalen Raumwinkelbereich abzutasten.
  • Der Körper oder Spiegel ist vorzugsweise prismenförmig.
  • Der Sensor kann ein einzelnes, für Infrarot aus dem gesamten vorgegebenen Raumwinkelbereich empfindliches Sensorelement umfassen. Dann spiegelt die zeitliche Änderung des Ausgabesignals dieses Sensors die im Laufe der Bewegung des Infrarotstrahls veränderliche Menge an zum Sensor reflektiertem Infrarot wider, und ein Bild der Umgebung kann aus dem Ausgabesignal rekonstruiert werden, wenn zu jedem Zeitpunkt bekannt ist, in welche Richtung der Infrarotstrahl emittiert wird. Vorzugsweise umfasst der Sensor eine ein- oder zweidimensionale Anordnung von Sensorelementen, die unmittelbar ein ortsaufgelöstes Ausgabesignal liefert.
  • Die Periode, mit der die Sensorelemente der Anordnung ausgelesen werden, ist zweckmäßigerweise kürzer als die Periode der Bewegung des Infrarotstrahls. Dies hat zur Folge, dass zwischen aufeinanderfolgenden Auslesezeitpunkten immer jeweils nur ein Teil der Sensorelemente reflektiertes Infrarotlicht der LED-Baugruppe empfangen hat, während die übrigen Sensorelemente lediglich natürliches Infrarot empfangen haben. Indem die Differenz zwischen nacheinander ausgelesenen Daten jedes Sensorelements gebildet wird, kann der Beitrag des natürlichen Infrarots unterdrückt und das reflektierte Infrarot der LED-Baugruppe vor geringem Untergrund mit hoher Empfindlichkeit erfasst werden.
  • Die meisten Infrarotsensoren basieren auf Halbleitermaterialien und sind intrinsisch empfindlich gegen Photonen, deren Energie größer ist als die Bandlücke des Halbleitermaterials. Der Wellenlängenbereich, in dem diese Sensoren empfindlich sind, hat daher meist eine Breite von mehreren hundert Nanometer. Um das Untergrundsignal eines solchen Sensors zu reduzieren, ist es zweckmäßig, davor einen schmalbandig für den Infrarotstrahl der LED durchlässigen Filter vorzusehen.
  • Die LED-Baugruppe ist vorzugweise Teil eines Scheinwerfers. Dies vereinfacht Verdrahtung und Montage, und es hat überdies den Vorteil, dass ein Betrachter, wenn er von einer sichtbaren Lichtquelle des Scheinwerfers geblendet ist, unwillkürlich dem Licht ausweicht oder seine Pupillen verengt, so dass seine Netzhaut vor einer lang anhaltenden Belichtung mit aus Richtung des Scheinwerfers kommenden Infrarotlicht geschützt sind.
  • Um die Schutzwirkung sicherzustellen, ist die LED-Baugruppe vorzugweise nur gemeinsam mit einer Lichtquelle für sichtbares Licht des Scheinwerfers betreibbar.
  • Um die Häufigkeit, mit der ein gegebener Raumwinkel von einem Infrarotstrahl des Nachtsichtsystems abgetastet wird – und damit die Aktualisierungsrate der von dem Nachtsichtsystem gelieferten Bilder – zu erhöhen, kann das System eine Mehrzahl von LED-Baugruppen umfassen. Damit trotz begrenzter Bewegungsfreiheit des von einer einzelnen LED-Baugruppe emittierten Strahls ein großer Winkelbereich von dem Nachtsichtsystem erfasst werden kann, können die LED-Baugruppen zweckmäßigerweise so angeordnet sein, dass die von ihnen emittierten Strahlen jeweils aneinander angrenzende Raumwinkelbereiche überstreichen.
  • Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die beigefügten Figuren. Aus dieser Beschreibung und den Figuren gehen auch Merkmale der Ausführungsbeispiele hervor, die nicht in den Ansprüchen erwähnt sind. Solche Merkmale können auch in anderen als den hier spezifisch offenbarten Kombinationen auftreten. Die Tatsache, dass mehrere solche Merkmale in einem gleichen Satz oder in einer anderen Art von Textzusammenhang miteinander erwähnt sind, rechtfertigt daher nicht den Schluss, dass sie nur in der spezifisch offenbarten Kombination auftreten können; stattdessen ist grundsätzlich davon auszugehen, dass von mehreren solchen Merkmalen auch einzelne weggelassen oder abgewandelt werden können, sofern dies die Funktionsfähigkeit der Erfindung nicht in Frage stellt. Es zeigen:
  • 1 eine Vorderansicht eines Kraftfahrzeugs, das mit einem erfindungsgemäßen Nachtsichtsystem ausgestattet ist;
  • 2 einen schematischen Teilschnitt durch einen Scheinwerfer des Fahrzeugs aus 1;
  • 3 einen zu 2 analogen Schnitt gemäß einer zweiten Ausgestaltung der Erfindung;
  • 4 ein erstes von einer Kamera des Nachtsichtsystems geliefertes Bild;
  • 5 ein zweites von der Kamera geliefertes Bild; und
  • 6 ein aus den Bildern der 4 und 5 abgeleitetes, dem Fahrer des Fahrzeugs auf einem Anzeigeschirm dargebotenes Bild; und
  • 7 einen zu 2 analogen Schnitt gemäß einer dritten Ausgestaltung der Erfindung.
  • 1 zeigt eine Frontalansicht eines Kraftfahrzeugs, das mit Frontscheinwerfer auf LED-Grundlage ausgestattet ist. Jeder der Frontscheinwerfer 1 setzt sich zusammen aus einer Vielzahl von stationären Einheiten 2, die jeweils einen Reflektor 3 und, am Boden des Reflektors, eine Baugruppe mit mehreren LEDs oder einer einzelnen leistungsstarken LED 4 umfassen, die sichtbares, je nach Anwendung weißes oder farbiges Licht emittiert. Jeweils mehrere der Einheiten 2 sind durch gemeinsame Ansteuerung zu einer Funktionsgruppe wie etwa einem Blinker, einem Abblendlicht, einem Fernlicht etc. zusammengefasst.
  • Zwischen den Einheiten 2 des Fernlichts, die im Wesentlichen einen oberen Teil des Scheinwerfers einnehmen, und denen des Abblendlichts im unteren Bereich des Scheinwerfers 1 erstreckt sich eine Zone 5, in der jeweils mehrere LED-Baugruppen 6 angeordnet sind, die im Koordinatensystem des Fahrzeugs bewegliche Infrarotstrahlen emittieren. Zwei solche LED-Baugruppen gemäß einer ersten Ausgestaltung der Erfindung sind in 2 in einem schematischen Schnitt gezeigt. Sie umfassen jeweils ein von einem nicht dargestellten Motor um eine zur Schnittebene senkrechte Achse drehangetriebenes Prisma 7 sowie eine IR-emittierende LED 8, deren Strahl 9 in dem jeweils zwischen der LED 8 und einer Außenscheibe 10 des Scheinwerfers 1 angeordneten Prisma 7 gebrochen und abgelenkt wird. Zylinderlinsen 19 sind zum Auffächern der Strahlen 9 in vertikaler Richtung von den LEDs 8 angeordnet. Die LED kann inkohärent emittierend sein, es kann aber auch eine Laserdiode verwendet werden. Mit modernen Laserdioden sind sehr hohe Leuchtdichten erreichbar. Da sie außerdem einen eng gebündelten und wenig divergenten Strahl liefern, können die Abmessungen des Prismas 7 klein gehalten werden, was die Unterbringung im Scheinwerfer erleichtert.
  • Die azimutale Richtung, in die das Prisma 7 den Strahl 9 ablenkt, variiert mit der Drehung des Prismas 7, so dass jeder Strahl 9 in einem Winkelintervall, wie im Falle der rechten LED 8 der 2 durch punktierte Linien 11 bezeichnet, hin und her pendelt. Die Orientierung der auf der linken Seite benachbarten LED 8 ist gegen die der rechten LED 8 so verdreht, dass die von ihren Strahlen 9 nach Durchlaufen der Prismen 7 überstrichenen Winkelintervalle einander berühren oder knapp überlappen. Indem in der Zone 5 eine ausreichend große Zahl unterschiedlich orientierter LEDs 8 montiert wird, kann der von ihren Strahlen 9 abgetastete Azimutalwinkelbereich im Prinzip beliebig groß gemacht werden.
  • Anstelle eines rotierenden Prismas kann, wie in 3 gezeigt, auch ein rotierender Spiegel 12 eingesetzt werden, um den Strahl 9 der LED 8 abzulenken. Da die LED 8 hier seitlich vom Spiegel 12 montiert sein muss, belegt eine einzelne LED-LED-Baugruppe 6 hier mehr Platz entlang der Oberfläche der Außenscheibe 10 als bei der Ausgestaltung der 2. Dieser Nachteil wird jedoch ausgeglichen durch die Tatsache, dass der von einem einzelnen Strahl 9 überstrichene Winkelbereich größer gemacht werden kann als im Falle eines in Transmission betriebenen Prismas 7, so dass die zum Abdecken eines gegebenen Raumwinkelbereichs vor dem Fahrzeug benötigte Zahl von LED-Baugruppen 6 kleiner ist als bei der Ausgestaltung der 2. Außerdem schwenkt der Strahl 9 außerhalb des Scheinwerfers mit einer konstanten Winkelgeschwindigkeit, nämlich der doppelten Winkelgeschwindigkeit des Spiegels 12 und springt, wenn er einen Rand seines Winkelbereichs erreicht hat, abrupt zum entgegengesetzten Rand zurück, so dass Ungleichmäßigkeiten der Ausleuchtung, die im Falle des Prismas auf eine veränderliche Winkelgeschwindigkeit des Strahls 9 zurückzuführen sind, vermieden werden.
  • Das Prisma 7 und der Spiegel 12 sind in 1 und 2 jeweils mit dreieckigem Querschnitt gezeigt, doch versteht sich, dass auch andere polygonale Querschnitte in Betracht kommen.
  • Das von Objekten vor dem Fahrzeug reflektierte Licht der LEDs 8 erreicht eine Kamera 13, die, wie in 1 gezeigt, an der Innenseite einer Frontscheibe 14 der Fahrgastzelle, vorzugweise mittig in der Nähe des oberen Randes der Frontscheibe 14, angebracht sein kann, und auf die vor dem Fahrzeug liegende Fahrbahn ausgerichtet ist. Die Kamera 13 enthält als optischen Sensor eine an sich bekannte zweidimensionale Anordnung von Sensorelementen wie etwa eine CCD-Vorrichtung, die intrinsisch empfindlich ist für sichtbares Licht und Licht im nahen Infrarotbereich mit Wellenlängen von bis zu ca. 1 μm. Um den Sensor gegen das sichtbare Licht unempfindlich zu machen, ist vor ihm ein für sichtbares Licht undurchlässiger, für Infrarot transparenter Filter angeordnet. Um die Kamera 13 möglichst unempfindlich gegen natürliche Infrarotstrahlung zu machen, kann der Filter schmalbandig mit einer genau auf das Emmissionsspektrum der LEDs 8 abgestimmten Transmissionsbandbreite sein, um das Licht der LEDs 8 möglichst vollständig durchzulassen, Infrarot mit nicht zum Spektrum der LEDs 8 gehörenden Wellenlängen aber zu blockieren.
  • Der Filter kann beweglich sein, um die Kamera 13 auch für andere Aufgaben der Verkehrsraumüberwachung einsetzen zu können, insbesondere dann, wenn wegen ausreichender Umgebungshelligkeit die Scheinwerfer 1 und, als Teil von ihnen, auch die LEDs 8 ausgeschaltet sind und das Nachtsichtsystem nicht benötigt wird.
  • 4 zeigt schematisch ein zu einem gegebenen Zeitpunkt von der Kamera 13 aufgenommenes Bild einer vor dem Fahrzeug verlaufenden zweispurigen Straße 15. Auf der Gegenspur nähert sich ein Fahrzeug 16. Die Zeitspanne, in der die Kamera 13 das Licht für das Bild der 4 sammelt und integriert, ist kürzer als die Bewegungsperiode der Strahlen 9, im hier betrachteten Fall in etwa halb so lang. Infolgedessen zerfällt das von der Kamera 13 gelieferte Bild in eine Mehrzahl von einander von links nach rechts abwechselnden Zonen 17, 18. Die Zonen 17 sind gebildet durch diejenigen Raumwinkelbereiche, die während der Sammelzeit von einem Strahl 9 überstrichen worden sind, die Zonen 18 hingegen sind unbeleuchtet geblieben. In den Zonen 17 basiert das Bild der Kamera somit auf dem reflektierten Licht der LEDs 8 sowie auf natürlichem Infrarot der beobachteten Szenerie, während in den Zonen 18 allenfalls ein undeutliches, allein auf dem natürlichen Infrarot basierendes Bild erhalten wird.
  • Während eines darauffolgenden Integrationszeitraums überstreichen die Strahlen 9 die zuvor unbeleuchtet gebliebenen Zonen 18, während die im vorhergehenden Integrationszeitraum beleuchteten Zonen 17 im Dunkel verbleiben. Das dabei erhaltene, in 5 gezeigte Bild ist daher genau in den Zonen 18 detailreich, die im Bild der 4 kaum erkennbare Strukturen enthalten, und umgekehrt.
  • Die Bilder der 4 und 5 können zu einem vollständigen Bild kombiniert werden, indem für jedes Pixel der Betrag der Differenz der Helligkeitswerte der Bilder von 4 und 5 berechnet wird. Da der Beitrag der natürlichen Infrarotstrahlung in den Bildern der 4 und 5 gleich ist, wird er in dem so berechneten Bild unterdrückt, und sichtbar werden lediglich diejenigen Objekte der Szenerie, die von den Strahlen 9 getroffen werden. Infolgedessen ist das Fahrzeug 16 als Ganzes in dem Bild der 6 klar sichtbar, aber Teile des Fahrzeugs 16, die von sich aus starke Infrarotstrahlung emittieren, wie etwa die Scheinwerfer, überstrahlen die im Licht der LEDs 8 sichtbar werdenden Strukturen nicht.
  • Die vertikale Ausdehnung der beleuchteten Zonen 17 ist zurückzuführen auf die vertikale Auffächerung der Strahlen 9 durch die Zylinderlinsen 19 in den LED-Baugruppen 6 der 2 bzw. 3. 7 zeigt einer Ausgestaltung einer LED-Baugruppe 6, bei der die Zylinderlinse ersetzt ist durch einen Spiegel 20, der um eine in der Schnittebene verlaufende Achse mit einer Periode schwenkbar ist, die ein ganzzahliges Vielfaches der azimutalen Ablenkperiode des Spiegels 12 ist. Die Bewegung des Spiegels 20 lässt den Punkt, an dem der Strahl den Spiegel 12 trifft, in der Vertikalen wandern, so dass der Strahl 9 die Umgebung zeilenweise, wie der Elektronenstrahl einer Bildröhre, abtastet. Bei Verwendung einer solchen LED-Baugruppe können mit der Kamera 13 Bilder erhalten werden, die sich wie die Bilder der 4 und 5 aus beleuchteten und unbeleuchteten Zonen zusammensetzen und zu einem um den Beitrag der natürlichen Infrarotstrahlung bereinigten Bild kombiniert werden können.
  • Bezugszeichenliste
    • 1
    Scheinwerfer
    2
    LED-Baugruppe
    3
    Reflektor
    4
    LED
    5
    Zone
    6
    LED-Baugruppe
    7
    Prisma
    8
    LED
    9
    Strahl
    10
    Außenscheibe
    11
    Linie
    12
    Spiegel
    13
    Kamera
    14
    Frontscheibe
    15
    Straße
    16
    Fahrzeug
    17
    Zone
    18
    Zone
    19
    Zylinderlinse
    20
    Spiegel
  • ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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  • Zitierte Patentliteratur
    • DE 10348117 A1 [0002, 0003]

Claims (10)

  1. Nachtsichtsystem für ein Kraftfahrzeug mit wenigstens einer Infrarotlicht emittierenden LED-Baugruppe (6) und einem im Wellenlängenbereich des Infrarotlichts empfindlichen Sensor (13), dadurch gekennzeichnet, dass die LED-Baugruppe (6) ausgelegt ist, um einen gebündelten Infrarotstrahl (9) zu emittieren und dass Ablenkmittel (7; 12; 20) zum periodischen Bewegen des Infrarotstrahls (9) durch einen vorgegebenen Raumwinkelbereich vorgesehen sind.
  2. Nachtsichtsystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Ablenkmittel wenigstens einen rotierenden, den Infrarotstrahl brechenden Körper (7) oder einen rotierenden Spiegel (12; 20) umfassen.
  3. Nachtsichtsystem nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Körper (7) oder der Spiegel (12) prismenförmig ist.
  4. Nachtsichtsystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Sensor (13) eine ein- oder zweidimensionale Anordnung von Sensorelementen umfasst.
  5. Nachtsichtsystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Periode, mit der die Sensorelemente ausgelesen werden, kürzer ist als die Periode der Bewegung des Infrarotstrahls (9).
  6. Nachtsichtsystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass dem Sensor (13) ein schmalbandig für den Infrarotstrahl (9) der LED-Baugruppe (6) durchlässiger Filter vorgesetzt ist.
  7. Nachtsichtsystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die LED-Baugruppe (6) Teil eines Scheinwerfers (1) ist.
  8. Nachtsichtsystem nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die LED-Baugruppe (6) nur gemeinsam mit einer Lichtquelle (4) für sichtbares Licht betreibbar ist.
  9. Nachtsichtsystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die LED-Baugruppe (6) eine Laserdiode umfasst.
  10. Nachtsichtsystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass es eine Mehrzahl von LED-Baugruppen (6) umfasst, die durch aneinandergrenzende Raumwinkelbereiche bewegte Strahlen (9) emittieren.
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