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Stand der Technik
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Bei Nachtfahrten mit einem Kraftfahrzeug stellt die reduzierte Sichtweite infolge der begrenzten Reichweite des Abblendlichtes erhöhte Anforderungen an den Fahrer. Durch Einführung von neuen Gasentladungsscheinwerfern mit höherer Lichtabstrahlung wurde in jüngster Zeit gegenüber herkömmlichen Scheinwerfern eine bessere Ausleuchtung der Fahrbahn erreicht. Jedoch ist die Sichtweite auch durch den Einsatz dieser neuen Scheinwerfer beschränkt und es ist deshalb zur Verbesserung der Sicht geplant, Nachtsichtsysteme in Kraftfahrzeugen einzusetzen.
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Es sind passive und aktive Nachtsichtsysteme bekannt. Passive Nachtsichtsysteme bestehen aus einer Wärmebildkamera. Nachteil der passiven Nachtsichtsysteme ist, dass es mit einer Wärmebildkamera schwierig ist, wirklichkeitsgetreue Bilder zu erzeugen. Dagegen bestehen aktive Nachtsichtsysteme aus einer infrarotstrahlenden Beleuchtungseinheit, beispielsweise einem Halogenlicht mit Filter, und einer oder mehreren infrarotempfindlichen Kameras. Die Beleuchtungseinheit bestrahlt das Fahrzeugvorfeld im Fernlichtbereich und die Kameras nehmen das zurückgestrahlte Infrarot-Fernlicht auf und geben das Bild auf einem Monitor oder einem Head-up-Display wieder. Dabei können die Scheinwerfer für das sichtbare Abblendlicht und Fernlicht für die Abgabe von Infrarotlicht eingesetzt werden. Die Kraftfahrzeugindustrie plant jedoch zunehmend, anteilig infrarot-strahlende Halogen-Scheinwerfer durch infrarotfreie Xenon-Scheinwerfer zu ersetzen. Hierdurch wird ein Einsatz von zusätzlichen infrarotstrahlenden Strahlungsquellen notwendig. Als zusätzliche infrarotstrahlende Strahlungsquellen ist beispielsweise der Einsatz von infrarotstrahlenden Lasern möglich.
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In der deutschen Patentschrift
DE 42 43 200 C1 ist eine Vorrichtung zur Freund-Feind-Kennung von Landfahrzeugen für militärische Anwendungen beschrieben. Zur Sichtbarmachung einer verdeckten Signatur zur Freund-Feind-Kennung wird eine Wärmebildkamera mit einem CO
2-Laser gekoppelt. Ein Beobachter schickt einen einzelnen Lichtpuls ab und die Infrarot-Kamera empfängt synchronisiert das reflektierte Signal. Ein Nachteil dieser Vorrichtung ist, dass Wärmebildkameras keine wirklichkeitsgetreuen Abbildungen liefern. Hinweise auf eine Vorrichtung oder ein Verfahren zur Bilderzeugung von wirklichkeitsgetreuen Bildern, die für den Einsatz in Kraftfahrzeugen geeignet sind, fehlen in der
DE 42 43 200 C1 .
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Aus der
DE 102 26 278 A1 ist ein System zur Hinderniswarnung und Kollisionsvermeidung beim Rückwärtsfahren von Fahrzeugen bekannt, das zur Erfassung und Warnung vor Hindernissen aus einem Video-Kamerasystem in Kombination mit einem lichtoptischen Entfernungsmeßsysstem besteht. Eine Linienstruktur wird im sichtbaren oder im infraroten Bereich auf die betrachtete Szene projiziert und von der Kamera gemeinsam mit dem Bild der Szene aufgenommen. Kamera und Beleuchtungseinheit sind in einem von Entfernungen und Auflösung abhängigen Abstand voneinander angeordnet, so dass durch anschließende Bildverarbeitung die Entfernung an den durch die Lichtstruktur beleuchteten Punkten berechnet werden kann. Diese Entfernungswerte können in das Bild eingeblendet und entsprechend farblich gekennzeichnet werden. Entfernungswerte aus zurückliegenden Bildern während der Fahrt können entsprechend geometrisch umgerechnet im Bild beibehalten werden, so dass Teile eines Entfernungsbildes der Szene überlagert werden. Die Struktur der Beleuchtung läßt sich durch entsprechend zeitliche und spektrale Filtermethoden weitgehend von der Szenenstruktur trennen.
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In der
DE 40 07 646 A1 wird eine Anordnung zur Verbesserung der Sicht in Fahrzeugen beschrieben, welche die unterschiedlichen Polarisationseigenschaften von Nutzsignalen und Störsignalen im reflektierten Licht einer Infrarot-Beleuchtungsoptik im Fahrzeug ausnutzt.
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Vorteile der Erfindung
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Die nachfolgend in den unabhängigen Ansprüchen beschriebene Vorrichtung und das Verfahren zur Bilderzeugung in einem Kraftfahrzeug, wobei mit wenigstens einer infrarotempfindlichen Kamera Bilder der Umgebung des Kraftfahrzeuges erzeugt werden, hat den Vorteil, dass wirklichkeitsgetreue Bilder mit hoher Bildqualität bei guten und auch bei schlechten Sichtverhältnissen und/oder Wetterverhältnissen erzeugt werden. Die Vorrichtung und das Verfahren zur Bilderzeugung können in besonders vorteilhafter Weise durch die hohe Bildqualität der erzeugten Bilder zu einer Verminderung der Unfallzahlen bei schlechten Sichtverhältnissen, insbesondere bei Nacht, beitragen. Die Erzeugung von wirklichkeitsgetreuen Bildern mit hoher Bildqualität bei schlechten Sichtverhältnissen und/oder Wetterverhältnissen wird auch erreicht, weil die Ausleuchtung des Bilderfassungsbereiches mit einer wenigstens im nahen infraroten Spektralbereich strahlenden Strahlungsquelle durch Regen oder Schnee nicht signifikant gestört wird.
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Vorteilhaft ist, dass die Lebensdauer der wenigstens einen wenigstens im nahen infraroten Spektralbereich strahlenden Strahlungsquelle durch die gepulste Lichtabgabe erhöht wird. Beim Pulsbetrieb tritt bei gleicher Leistung eine geringere thermische Belastung der Strahlungsquelle im Vergleich zum Dauerbetrieb auf, da sich die Strahlungsquelle während den Impulspausen regenerieren kann. Dies führt direkt zu einer Erhöhung der Lebensdauer. Eine längere Lebensdauer der Strahlungsquelle und damit verbunden längere Austauschintervalle tragen bei einem Kraftfahrzeug in vorteilhafter Weise zur Senkung der Betriebskosten bei.
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Besonders vorteilhaft ist wenigstens eine infrarotempfindliche CMOS-Kamera zur Erzeugung wenigstens eines Bildes der Umgebung des Kraftfahrzeuges. Gegenüber andern Kameratypen ist bei CMOS-Kameras der Blooming-Effekt reduziert. Unter Blooming versteht man dabei die Überstrahlung des erzeugten Bildes durch Blendung mit starken Lichtquellen. Weiterhin ist es möglich, CMOS-Kameras mit linearer oder logarithmischer Kennlinie der Belichtungsempfindlichkeit einzusetzen. Die logarithmische Kennlinie ermöglicht die Erzeugung von Bildern mit hoher Bildqualität auch bei großem Dynamikumfang der Helligkeit innerhalb des Bilderfassungsbereiches. Ein großer Dynamikumfang der Helligkeit tritt in einem Kraftfahrzeug beispielsweise dann auf, wenn das Kraftfahrzeug von einer sonnenbeleuchteten Straße in einen Tunnel einfährt.
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In vielen Ländern legen gesetzliche Vorschriften die zulässigen Eigenschaften von Strahlungsquellen in Kraftfahrzeugen fest. Beispielsweise wird die maximale durchschnittliche Strahlungsstärke bzw. die Lichtstärke von Strahlungsquellen in Kraftfahrzeugen definiert. Unter der Strahlungsstärke versteht man den Strahlungsfluss pro Raumwinkel mit der Einheit Watt/sterad. Dagegen ist die Lichtstärke eine physiologische Größe, die den Lichtstrom pro Raumwinkel festlegt. Die Einheit der Lichtstärke ist das Candela. In besonders vorteilhafter Weise führen die nachfolgend beschriebene Vorrichtung und das Verfahren durch die gepulste Ausleuchtung von Teilbereichen des Bilderfassungsbereiches der Kamera zu einer Erhöhung der Strahlungsstärke innerhalb des Teilbereiches unter Einhaltung der gesetzlich vorgeschriebenen durchschnittlichen Strahlungsstärken der Strahlungsquelle. Dies führt insgesamt zu einer intensiveren Ausleuchtung des Bilderfassungsbereiches der infrarotempfindlichen Kamera. Diese Maßnahme kann zu einer Erhöhung der Bildqualität des erzeugten Bildes beitragen. Umgekehrt ist es möglich, die elektrische Leistungsaufnahme der Strahlungsquelle bei gleich bleibender Leistung pro beobachteter Fläche zu erniedrigen. Dies trägt in vorteilhafter Weise zu einer Energieeinsparung im Kraftfahrzeug bei.
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Durch wenigstens ein wenigstens im nahen infraroten Strahlungsbereich strahlendes Laserdioden-Array und/oder wenigstens ein im nahen infraroten Spektralbereich strahlendes Laser-Array ist erfindungsgemäß die gepulste Ausleuchtung von Teilbereichen des Bilderfassungsbereiches der wenigstens einen infrarotempfindlichen Kamera in einfacher Art und Weise möglich. Beispielsweise ermöglichen Laserdioden durch ein kurzes Ansprechverhalten die Erzeugung von kurzen Lichtpulsen bei gleichzeitig hoher Strahlungsstärke während der Lichtpulsdauer. Weiterhin haben infrarotstrahlende Laserdioden und/oder infrarotstrahlende Laser den Vorteil, dass das Laserlicht eine geringe spektrale Bandbreite aufweist. Durch entsprechende Bandfilter vor der wenigstens einen infrarotempfindlichen Kamera ist es dadurch möglich, andere Spektralbereiche herauszufiltern. Beispielsweise ist es bei entgegenkommenden Kraftfahrzeugen, die beispielsweise mit Abblendlicht bei Nacht fahren, dadurch möglich, dieses zur Bilderzeugung störende sichtbare Abblendlicht herauszufiltern. Damit trägt der Einsatz von wenigstens einem Laser-Array und/oder wenigstens einem Laserdioden-Array zur Erzeugung von Bildern mit hoher Bildqualität bei. Daneben haben infrarotstrahlende Laser und/oder infrarotstrahlende Laserdioden den Vorteil, dass sie einen hohen Wirkungsgrad aufweisen. Durch die gepulste Ausleuchtung von Teilbereichen des Bilderbereiches der infrarotempfindlichen Kamera wird der Duty Cycle der Laserdioden und/oder der Laser verringert. Unter dem Duty Cycle versteht man die Zeit der Lichtabgabe in Bezug auf die Gesamtbetriebszeit eines Beleuchtungsmittels.
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Vorteilhaft ist die Erfassung von Bildzeilen und/oder Bildspalten der infrarotempfindlichen Kamera als Teilbildbereiche. Durch eine Verkleinerung der erfassten Teilbildbereiche auf die Größe von einzelnen Bildzeilen und/oder Bildspalten ist es möglich, die gepulst ausgeleuchteten zugehörigen Teilbereiche entsprechend zu verkleinern. Dadurch wird in vorteilhafter Weise die oben erläuterte Vergrößerung der Strahlungsstärke unter Einhaltung der gesetzlichen Vorschriften möglich. Dieser Vorteil wird zum einen dadurch erreicht, dass jeweils nur einzelne Teilbereiche ausgeleuchtet werden, während die restlichen Teilbereiche nicht ausgeleuchtet sind. Weiterhin benötigen moderne Kameras für den Samplevorgang einer Bildzeile und/oder Bildspalte nur einige Nanosekunden. Durch diese kurze gepulste und räumlich eingeschränkte Ausleuchtung ist es möglich, die Strahlungsstärke, also den Strahlungsfluss pro Raumwinkel, weiter zu erhöhen. Beide Effekte tragen zu einer wesentlichen Erhöhung der Strahlungsstärke des ausgeleuchteten Teilbereiches bei der Erfassung des Teilbildbereiches als Bildzeile und/oder Bildspalte bei. Dies trägt wiederum zu einer Verbesserung der Bildqualität des erzeugten Bildes insgesamt bei.
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Vorteilhaft ist, wenn bei der Erfassung der Teilbildbereiche im wesentlichen der entsprechende Teilbereich des Bilderfassungsbereiches der wenigstens einen infrarotempfindlichen Kamera gepulst ausgeleuchtet wird. Hierdurch wird eine unnötige Ausleuchtung nicht erfasster Bereiche des Bilderfassungsbereiches vermieden. Daraus ergeben sich zwei wichtige Vorteile. Zum einen trägt dies zur Energieeinsparung im Kraftfahrzeug bei, da nicht erfasste Bereiche nicht ausgeleuchtet sind. Anderseits ist es möglich die Strahlungsstärke eines Teilbereiches bei gleicher durchschnittlicher Strahlungsstärke zu erhöhen.
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Vorteilhaft ist eine Variante der Vorrichtung und des Verfahrens bei der wenigstens ein Teilbereich des Bilderfassungsbereiches der wenigstens einen infrarotempfindlichen Kamera wenigstens zwei Teilbildbereiche umfasst. Die Zusammenfassung von Teilbildbereichen zu einem ausgeleuchteten Teilbereich trägt zu einem einfachen und kostengünstigen Aufbau der Strahlungsquelle bei.
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Besondere Vorteile weist eine Variante der nachfolgend beschriebenen Vorrichtung und des Verfahrens auf, bei der die Erfassung der Teilbildbereiche gegenüber der gepulsten Ausleuchtung zeitlich verschiebbar ist. Dadurch ist es beispielsweise möglich, Laufzeiteffekte der Strahlung von der Lichtimpulsabgabe bis zur Detektion durch die Kamera auszugleichen. Dies trägt zu Bilder mit hoher Bildqualität bei.
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Besonders vorteilhaft ist eine infrarotempfindliche Kamera, insbesondere eine infrarotempfindliche CMOS-Kamera, mit Mitteln zur Durchführung aller oder zumindest der wesentlichen Schritte des beschriebenen Verfahrens zur Bilderzeugung in einem Kraftfahrzeug. Die Vorteile einer solchen infrarotempfindlichen Kamera sind die beschriebenen Vorteile des Verfahrens und der Vorrichtung zur Bilderzeugung in einem Kraftfahrzeug.
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Weitere Vorteile ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen mit Bezug auf die Figuren und aus den abhängigen Patentansprüchen.
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Zeichnung
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Die Erfindung wird nachstehend anhand der in der Zeichnung dargestellten Ausführungsformen näher erläutert.
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Es zeigen:
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1 eine Übersichtszeichnung des bevorzugten Ausführungsbeispiels,
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2 ein Blockdiagramm des bevorzugten Ausführungsbeispiels,
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3 ein Zeitdiagramm des bevorzugten Ausführungsbeispiels.
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Beschreibung von Ausführungsbeispielen
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Nachfolgend werden eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Bilderzeugung in einem Kraftfahrzeug beschrieben. Eine infrarotempfindliche Kamera erzeugt Bilder von der Umgebung des Kraftfahrzeuges. Zur gepulsten Ausleuchtung von Teilbereichen des Bilderfassungsbereiches der Kamera wird eine im nahen infraroten Spektralbereich strahlende Strahlungsquelle verwendet. Die Kamera erzeugt die Bilder durch Erfassung von Teilbildbereichen. Zur Erfassung der Teilbildbereiche wird eine zeitliche Synchronisation mit der gepulsten Ausleuchtung des wenigstens den Teilbildbereich umfassenden Teilbereichs durchgeführt. Im bevorzugten Ausführungsbeispiel wird die Erfassung von Teilbildbereichen einer infrarotempfindliche CMOS-Kamera mit einem im nahen infraroten Spektralbereich strahlenden Laserdiode-Array zeitlich synchronisiert.
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1 zeigt eine Übersichtszeichnung der Vorrichtung zur Bilderzeugung in einem Kraftfahrzeug des bevorzugten Ausführungsbeispiels, bestehend aus einer infrarotempfindlichen Kamera 10 mit einer Steuereinheit/Verarbeitungseinheit 16 und einer im nahen infraroten Spektralbereich strahlenden Strahlungsquelle 12 mit einer Steuereinheit 14. Die Steuereinheit/Verarbeitungseinheit 16 der infrarotempfindlichen Kamera 10 und die Steuereinheit 14 der Strahlungsquelle 12 sind über eine Signalleitung 18 miteinander verbunden. Die Strahlungsquelle 12 erzeugt Infrarotstrahlung 20 im nahen infraroten Spektralbereich zur gepulsten Ausleuchtung der Umgebung 24 des Kraftfahrzeuges. Dabei ist die Strahlungsquelle 12 im Frontbereich des Kraftfahrzeuges zwischen den Scheinwerfern für das Abblendlicht/Fernlicht eingebaut. Als im nahen infraroten Spektralbereich strahlende Strahlungsquelle 12 wird im bevorzugten Ausführungsbeispiel ein Laserdioden-Array verwendet, das Infrarotstrahlung 20 im nahen infraroten Spektralbereich emittiert. Die Strahlungsquelle 12 wird durch die Steuereinheit 14 gesteuert und überwacht. Aus der rückgestreuten Infrarotstrahlung 22 erzeugt die infrarotempfindliche Kamera 10 Bilder von der Umgebung 24 des Kraftfahrzeuges. Die infrarotempfindliche Kamera 10 ist hinter der Windschutzscheibe des Kraftfahrzeuges im Bereich des Innenrückspiegels angebracht. Im bevorzugten Ausführungsbeispiel ist die infrarotempfindliche Kamera 10 eine infrarotempfindliche CMOS-Kamera 10. Die CMOS-Kamera 10 wird über die Steuereinheit/Verarbeitungseinheit 16 angesteuert. Gleichzeitig überträgt die CMOS-Kamera 10 die erzeugten Bilder der Umgebung 24 des Kraftfahrzeuges zur weiteren Verarbeitung an die Steuereinheit/Verarbeitungseinheit 16. Die Steuereinheit/Verarbeitungseinheit 16 der CMOS-Kamera 10 und die Steuereinheit 14 der Strahlungsquelle 12 enthalten zur Durchführung von Programmen zur Steuerung und/oder Verarbeitung jeweils wenigstens einen Mikroprozessor.
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2 zeigt ein Blockdiagramm der Vorrichtung zur Bilderzeugung in einem Kraftfahrzeug des bevorzugten Ausführungsbeispiels. Nachfolgend werden die gegenüber 1 zusätzlichen Komponenten und die Funktionsweise der Vorrichtung erläutert. Die im nahen infraroten Spektralbereich strahlende Strahlungsquelle 12 besteht aus einer Laserdioden-Matrix mit fünf Zeilen mit jeweils vier Laserdioden 28. Die Laserdioden 28 der Strahlungsquelle 12 erzeugen Infrarotstrahlung wenigstens im nahen infraroten Spektralbereich, vorzugsweise im Wellenlängenbereich zwischen 850 nm und 900 nm. Vier Laserdioden 28 einer Zeile werden von der Steuereinheit 14 zeilenweise gemeinsam gepulst angesteuert. Anschließend wird die zeilenweise erzeugte Infrarotstrahlung über eine Optik 26 zur gepulsten Ausleuchtung eines Teilbereiches 32, 34, 36, 38, 40 des Bilderfassungsbereiches der CMOS-Kamera 10 verwendet. In 2 sind der erste ausgeleuchtete Teilbereich 32, der zweite ausgeleuchtete Teilbereich 34, der dritte ausgeleuchtete Teilbereich 36, der vierte ausgeleuchtet Teilbereich 38 und der fünfte ausgeleuchtete Teilbereich 40 des Bilderfassungsbereiches eingezeichnet. Der erste Teilbereich 32 wird von der ersten Zeile der Strahlungsquelle 12 ausgeleuchtet, während die weiteren Teilbereiche 34, 36, 38, 40 von den Zeilen 2 bis 5 der Strahlungsquelle 12 ausgeleuchtet werden. Durch die Optik 26 wird im bevorzugten Ausführungsbeispiel erreicht, dass eine teilweise Überlappung der Teilbereiche 32, 34, 36, 38, 40, insbesondere zur vollständigen Ausleuchtung der Teilbereiche, vorliegt, so dass der gesamte Bilderfassungsbereich der infrarotempfindlichen Kamera durch die Teilbereiche 32, 34, 36, 38, 40 abgedeckt ist. Die Optik 26 dient weiterhin zur Erzeugung eines homogen ausgeleuchteten Teilbereichs 32, 34, 36, 38, 40 aus den jeweils vier punktförmigen Laserdioden 28 als Lichtquellen. Die Zeilen der Strahlungsquelle 12 werden nacheinander so von der Steuereinheit 14 angesteuert, dass die Teilbereiche 32, 34, 36, 38, 40 sequentiell gepulst ausgeleuchtet werden. Ein Teilbereich 32, 34, 36, 38, 40 ist dabei im bevorzugten Ausführungsbeispiel ein etwa rechteckförmiger Bereich der Umgebung des Kraftfahrzeuges in Fahrtrichtung. Die Umgebung des Kraftfahrzeuges ist dabei beispielsweise die in 2 eingezeichnete Fahrbahn 30. Die rückgestrahlte Infrarotstrahlung wird von der infrarotempfindlichen CMOS-Kamera 10 erfasst. Die infrarotempfindliche CMOS-Kamera 10 erzeugt aus der rückgestrahlten Infrarotstrahlung Bilder der Umgebung des Kraftfahrzeuges und überträgt die erzeugten Bilder zur Steuereinheit/Verarbeitungseinheit 16. Dabei ist die CMOS-Kamera 10 so ausgerichtet, dass sie die Umgebung des Kraftfahrzeuges in Fahrtrichtung umfasst, beispielsweise die in 2 eingezeichnete Fahrbahn 30. Die infrarotempfindliche CMOS-Kamera 10 besteht aus einzelnen Pixeln, die im ersten Ausführungsbeispiel in einer 640×480 Pixeln umfassenden Matrix angeordnet sind. Zur Erzeugung eines Bildes werden Teilbildbereiche 42, 44, 46, 48, 50 erfasst. In 2 sind die entsprechenden Teilbildbereiche 42, 44, 46, 48, 50 eingezeichnet. Der erste Teilbildbereich 42 umfasst den ersten Teilbereich 32, während die weiteren Teilbereiche 44, 46, 48, 50 die entsprechenden Teilbereiche 34, 36, 38, 40 umfassen. Dabei sind die Teilbildbereiche 42, 44, 46, 48, 50 so dimensioniert, dass Grenzen der zugehörigen Teilbereiche 32, 34, 36, 38, 40 nicht überschritten werden. Damit ist die vollständige Ausleuchtung der Teilbildbereiche 42, 44, 46, 48, 50 gewährleistet. Durch die Steuereinheit/Verarbeitungseinheit 16 wird die nachfolgend erläuterte zeitliche Synchronisation zwischen der Erfassung eines Teilbildbereiches 42, 44, 46, 48, 50 durch die CMOS-Kamera 10 und der gepulsten Ausleuchtung der dem Teilbildbereich 42, 44, 46, 48, 50 entsprechenden Teilbereiches 32, 34, 36, 38, 40 gesteuert. Im ersten Schritt steuert die Steuereinheit/Verarbeitungseinheit 16 über die Signalleitung 18 die Steuereinheit 14 so an, dass die Laserdioden 28 der erste Zeile der Strahlungsquelle 12 angesteuert werden. Dadurch wird der Teilbereich 32 mit naher Infrarotstrahlung ausgeleuchtet. Im zweiten Schritt steuert die Steuereinheit/Verarbeitungseinheit 16 die infrarotempfindliche CMOS-Kamera 10 so, dass während der Ausleuchtung des Teilbereiches 32 die Bildzeilen der CMOS-Kamera 10, die innerhalb des entsprechenden Teilbildbereiches 42 liegen, durch eine Sample&Hold Schaltung sequentiell Bildzeile für Bildzeile eingelesen werden. In diesem Ausführungsbeispiel sind dies die Bildzeilen 1 bis 96. Im dritten Schritt steuert die Steuereinheit/Verarbeitungseinheit 16 über die Signalleitung 18 die Steuereinheit 14 so an, dass die Laserdioden 28 der erste Zeile der Strahlungsquelle 12 abgeschaltet werden. Anschließend werden die Schritte 1 bis 3 für die Zeilen 2, 3, 4 und 5 der Strahlungsquelle 12 und den Bildzeilen 97 bis 192, 193 bis 288, 289 bis 384 und 385 bis 480 der infrarotempfindlichen CMOS-Kamera 10 entsprechend wiederholt. Das erzeugte Bild setzt sich schließlich aus den erfassten Bildzeilen 1 bis 480 der Teilbildbereiche zusammen. Zur Erzeugung von weiteren Bildern wird der vorstehend beschriebene Vorgang wiederholt. Im bevorzugten Ausführungsbeispiel werden pro Sekunde 25 Bilder erzeugt. Die vier Laserdioden 28 jeder Zeile werden entsprechend mit einer Periodendauer von 40 ms und einer Impulsdauer von 8 ms betrieben. Die Ansteuerung der Steuereinheit 14 durch die Steuereinheit/Verarbeitungseinheit 16 erfolgt durch unidirektionale oder bidirektionale Übertragung von analogen und/oder digitalen Signalen. In einer alternativen Variante ist die Signalleitung 18 ein Kommunikationsbus in einem Kraftfahrzeug, beispielsweise ein CAN-Bus.
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3 zeigt jeweils ein Zeitdiagramm für das bevorzugte Ausführungsbeispiel der Bestrahlungsstärke der gepulst beleuchteten Teilbereiche 32, 34, 36, 38, 40 der Umgebung des Kraftfahrzeuges. 3 gibt den prinzipiellen Verlauf der Bestrahlungsstärke der gepulst beleuchteten Teilbereiche 32, 34, 36, 38, 40 wieder. Auf den Abszisse der 3a, 3b, 3c, 3d und 3e ist jeweils die Zeit t aufgetragen. Die Bestrahlungsstärke ist als Strahlungsleistung pro Fläche definiert. 3a zeigt den zeitlichen Verlauf der Bestrahlungsstärke des gepulst beleuchteten Teilbereiches 32 entsprechend dem Blockdiagramm nach 2. Der Teilbereich 32 wird mit einer Periode von 40 ms etwa 8 ms ausgeleuchtet. Die 3b, 3c, 3d, 3e zeigen entsprechend den zeitlichen Verlauf der Bestrahlungsstärke der weiteren Teilbereiche 34, 36, 38, 40 nach 2. Die gepulste Ausleuchtung dieser Teilbereiche 34, 36, 38, 40 erfolgt ebenfalls mit einer Periode von 40 ms und einer Beleuchtungsdauer von 8 ms. Wie aus 3 ersichtlich ist, erfolgt die gepulste Ausleuchtung sequentiell beginnend bei dem Teilbereich 32 über die Teilbereiche 34, 36, 38 bis zum Teilbereich 40. Nach der gepulsten Beleuchtung des Teilbereiches 40 beginnt die gepulste Ausleuchtung wieder beim Teilbereich 32.
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In einer ersten Variante des bevorzugten Ausführungsbeispiels werden die Bildzeilen der CMOS-Kamera 10 nicht sequentiell Bildzeile für Bildzeile, sondern er werden alle Bildzeilen eines Teilbildbereiches parallel eingelesen. Im bevorzugten Ausführungsbeispiel bedeutet dies, dass beispielsweise im ersten Schritt die Bildzeilen 1 bis 96 in einem parallelen Schritt gleichzeitig durch einen Samplevorgang eingelesen werden.
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In einer alternativen Variante wird durch das im bevorzugten Ausführungsbeispiel verwendete Laserdioden-Array die Teilbereiche 32, 34, 36, 38, 40 nach 2 ebenfalls gepulst ausgeleuchtet. In dieser Variante wird jedoch bei jedem Samplevorgang einer Bildzeile der entsprechende Teilbereich 32, 34, 36, 38, 40 jeweils gepulst ausgeleuchtet. Dies führt dazu, dass beispielsweise zur Erfassung des Teilbildbereiches 42 der Teilbereich 32 insgesamt mit 96 aufeinanderfolgenden Lichtimpulsen ausgeleuchtet wird. Bei jedem Lichtimpuls zur Ausleuchtung des Teilbereiches 32 werden sequentiell die Bildzeilen 1 bis 96 in einem Samplevorgang eingelesen. Dabei ist die gepulste Ausleuchtung des Teilbereiches 32 mit dem Samplevorgang aller 96 Bildzeilen des ersten Teilbildbereiches 42 und entsprechend für alle weiteren Teilbereiche 34, 36, 38, 40 zeitlich synchronisiert. Die Erfassung eines Teilbildbereiches 42, 44, 46, 48, 50 entsprechend 2 dauert etwa 8 ms bei einer Periodendauer von 40 ms. Innerhalb der 8 ms dauernder Erfassung des Teilbildbereiches 42, 44, 46, 48, 50 werden einzelne Lichtimpulse mit einer Lichtimpulsdauer von etwa 120 ns bei einer Periodendauer der Lichtimpulse von etwa 83 μs erzeugt. Diese Lichtimpulse sind zeitlich mit dem Samplevorgang einer entsprechenden Bildzeile synchronisiert.
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In einer weiteren Variante wird ein verändertes Laserdioden-Array als im bevorzugten Ausführungsbeispiel verwendet. Das in dieser Variante eingesetzte Laserdioden-Array besteht aus 480 Zeilen mit jeweils etwa 100 Laserdioden pro Zeile. Die verwendeten Laserdioden sind miniaturisiert. Es besteht Identität zwischen der Anzahl der Zeilen des Laserdioden-Arrays und der Anzahl der Bildzeilen des eingesetzten CMOS-Bildsensors. Die eingesetzte Optik ist so beschaffen, dass pro Zeile ein vertikaler Ausleuchtungsbereich von 1° etwa erzielt wird. In horizontaler Richtung ist der Ausleuchtungsbereich ausgedehnt, so dass insgesamt eine linienartige Ausleuchtung der Umgebung des Kraftfahrzeuges erfolgt. Entsprechend der Anzahl der Zeilen des Laserdioden-Arrays werden 480 Teilbereiche zur gepulsten Ausleuchtung erzeugt. Bei einer gepulsten Ausleuchtung eines Teilbereiches durch eine Zeile des Laserdioden-Arrays wird hierzu der diesem Teilbereich entsprechende Teilbildbereich aufgenommen. In dieser Variante ist ein Teilbildbereich eine Bildzeile des CMOS-Bildsensor. Jeder Teilbereich wird mit einer Lichtimpulsdauer von etwa 80 ns und einer Periodendauer von 40 ms ausgeleuchtet. Es liegt also ein Tastverhältnis von Impulsdauer zu Impulsperiode von 0,000002 vor. Der Samplevorgang für eine Bildzeile dauert etwa 120 ns. Dabei ist der Lichtimpuls zeitlich mit dem Samplevorgang der Bildzeile so zeitlich synchronisiert, dass der 80 ns dauernde Lichtimpuls etwa in der Mitte des 120 ns dauernden Samplevorganges der Bildzeile erzeugt wird. Die Ansteuerung der Zeilen des Laserdioden-Arrays erfolgt so, dass der erzeugte Beleuchtungssweep synchron zum Scansweep des CMOS-Bildsensors erfolgt.
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In einer weiteren Variante der vorstehend beschriebenen Vorrichtung und des Verfahrens wird allgemein wenigstens eine infrarotempfindliche Kamera verwendet, die Mittel zur Erfassung von Teilbildbereichen, insbesondere von Bildzeilen, aufweist. Neben einer infrarotempfindlichen Kamera wird in einer Variante wenigstens eine weitere infrarotempfindliche Kamera, insbesondere wenigstens eine infrarotempfindlichen CMOS-Kamera verwendet. Neben der in den vorstehenden Ausführungsbeispielen verwendeten Matrixgröße der Kamera von 640×480 Pixeln werden in weiteren Varianten infrarotempfindliche Kameras mit einer Matrixgröße von beispielsweise 1024×768 Pixeln und/oder 1280×1024 Pixeln verwendet.
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Alternativ werden in weiteren Varianten der vorstehend beschriebenen Ausführungsbeispiele anstatt von Bildzeilen Bildspalten erfasst. Demnach sind die Teilbildbereiche und die Teilbereiche anstatt in horizontaler Richtung entsprechend in vertikaler Richtung räumlich ausgedehnt. Entsprechendes gilt für das eingesetzt Laserdioden-Array, das in diesen Varianten spaltenweise zur gepulsten Ausleuchtung angesteuert wird. Allgemein sind weitere Variante zur Aufteilung und Anzahl von Teilbereichen und Teilbildbereichen möglich. Voraussetzung ist lediglich, dass die Aufteilung und die Anzahl der Teilbereichen und Teilbildbereichen so gewählt wird, dass jedem Teilbildbereich wenigstens ein Teilbereich zuordenbar ist, wobei dieser wenigstens eine Teilbereich wenigstens den Teilbildbereich umfasst. Weiterhin ist notwendig, dass eine zeitliche Synchronisation zwischen der Erfassung eines Teilbildbereiches mit der gepulsten Ausleuchtung des wenigstens den Teilbildbereich umfassenden Teilbereiches durchführbar ist. Neben der zeitlichen Synchronisation wird damit eine Art räumliche Synchronisation zwischen der gepulsten Ausleuchtung wenigstens eines Teilbereiches und des wenigstens einen entsprechenden Teilbildbereiches ermöglicht.
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In einer Variante der vorstehend beschriebenen Ausführungsbeispiele und Varianten bilden die wenigstens eine infrarotempfindliche Kamera und die wenigstens eine Steuereinheit/Verarbeitungseinheit der Kamera eine Einheit. Alternativ oder zusätzlich sind die wenigstens eine wenigstens im nahen infraroten Spektralbereich strahlende Strahlungsquelle und die wenigstens eine Steuereinheit der Strahlungsquelle eine Einheit.
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Einer Variante der vorstehend beschriebenen Vorrichtung und des Verfahrens verwendet neben dem im nahen infraroten Spektralbereich strahlenden Laserdioden-Array wenigstens eine weitere im nahen infraroten Spektralbereich strahlende Strahlungsquelle. Alternativ oder zusätzlich wird wenigstens ein im nahen infraroten Spektralbereich strahlendes Laser-Array eingesetzt. Allgemein ist wenigstens eine im nahen infraroten Spektralbereich strahlende Strahlungsquelle verwendbar, die zur gepulsten Ausleuchtung von Teilbereichen und zur zeitlichen Synchronisation der Ausleuchtung mit der Erfassung von Teilbildbereichen einer Kamera geeignet ist.
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Die zeitliche Synchronisation der Erfassung eines Teilbildbereiches mit der gepulsten Ausleuchtung des wenigstens den Teilbildbereich umfassenden Teilbereiches erfolgt in verschiedenen Varianten der beschriebenen Ausführungsbeispiele bildzeilenweise und/oder teilbildbereichsweise und/oder teilbereichsweise und/oder bildweise und/oder bildfolgenweise. Bei einer bildzeilenweisen zeitlichen Synchronisation werden für jede Bildzeile Synchronisationssignale erzeugt. Dagegen werden bei der teilbildbereichsweisen zeitlichen Synchronisation für jeden Teilbildbereich entsprechende Synchronisationssignale erzeugt. Eine analoge Vorgehensweise ergibt sich für die teilbereichsweise zeitliche Synchronisation. In einer weiteren Variante erfolgt die zeitliche Synchronisation bildweise. Diese Art der Synchronisation erfolgt durch Bildsynchronisationsimpulse. In einer weiteren Variante wird die zeitliche Synchronisation bildfolgenweise durchgeführt. Dies bedeutet, dass ein Bildfolgensynchronisationsimpuls beispielsweise nach zehn Bildern erzeugt wird. Zur zeitlichen Synchronisation der gepulsten Ausleuchtung wenigstens eines Teilbereiches und/oder der Erfassung wenigstens eines Teilbildbereiches ist der Einsatz von Taktgeber in der Steuereinheit der Strahlungsquelle und/oder in der Steuereinheit/Verarbeitungseinheit der Kamera möglich. Als Taktgeber werden beispielsweise Quarze verwendet.
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Eventuelle Phasenverschiebungen zwischen der gepulsten Ausleuchtung von Teilbereichen des Bilderfassungsbereiches der Kamera und der zeitlich zu synchronisierenden Erfassung der Bildzeilen werden durch eine einstellbare zeitliche Verschiebung zueinander ausgeglichen. Als Ursache der Phasenverschiebung sind zeitliche Verzögerungen in der Erzeugung der Lichtimpulse und Laufzeitverzögerungen des Lichtimpulses zu nennen. Diese Verschiebung kann typspezifisch, also in Abhängigkeit der eingesetzten Einzelkomponenten, fest eingestellt werden oder sie wird über ein Bildqualitätsmaß ermittelt. Das Bildqualitätsmaß wird über eine Bildauswertung in der Steuereinheit/Verarbeitungseinheit der infrarotempfindlichen Kamera über die Helligkeit des Bildes und/oder den Helligkeitsgradienten in den Bildrändern ermittelt, also in Richtung von der ersten Bildzeile zur letzten Bildzeile. Über eine entsprechende Regelung wird die zeitliche Verschiebung in Abhängigkeit des ermittelten Bildqualitätsmaßes optimal eingestellt.
