Die Erfindung geht von einer Anordnung zur Verbesserung der
Sicht in Fahrzeugen nach dem Oberbegriff des Pa
tentanspruchs 1 aus, wie sie aus der EP 0 353 200 A2
bekannt ist.
Ein äußerst wichtiger Sicherheitsaspekt in Fahrzeugen wie
Automobilen, LKWs, Omnibussen, Lokomotiven und in Flugzeu
gen ist eine ausgezeichnete Sicht bei allen Wetterverhält
nissen. Schlechte Sichtverhältnisse bei Dunkelheit kombi
niert mit nassen Fahrbahnen oder mit Nebel waren immer
wieder Ursache für eine Reihe von Massenkarambolagen auf
Autobahnen in den letzten Jahren, die bei besserer Sicht
vermeidbar gewesen wären.
Bei der Analyse, wodurch schlechte Sichtverhältnisse zu
standekommen, zeigt sich, dass mangelnde Lichtempfindlichkeit
des Auges meist nicht die Ursache ist. Das Auge wäre durchaus
in der Lage, auch bei geringer Beleuchtung eine Szene relativ
gut wahrzunehmen. Ursache von schlechten Sichtverhältnissen
ist jedoch im allgemeinen störendes helles Licht, das die
Wahrnehmung der benötigten Szene beispielsweise eines
Straßenverlaufs behindert. Störendes Licht kann beispielsweise
das Licht von falsch eingestellten oder aufgeblendeten
Scheinwerfern entgegenkommender Fahrzeuge sein, ferner diffus
rückgestreutes Licht der eigenen Scheinwerfer bei Nebel oder
das helle Sonnenlicht zwischen zwei Tunneln. Derartiges
Störlicht überfordert den Kontrastumfang und die
Adaptionsfähigkeit des Auges, so dass eine Szene nur mehr
unzureichend wahrnehmbar ist.
Bisher bekannte Ansätze zur Lösung dieses Problems beruhen
entweder auf dem Einsatz von Infrarot-Wärmebildkameras oder
sind als Radar-Abstandswarnanlagen ausgelegt. Infrarot-
Wärmebildkameras sind aufgrund der verwendeten Materialien
sehr teuer und daher für Massenanwendungen wenig brauchbar.
Das räumliche Auflösungsvermögen des Mikrowellen-Radars ist
auch bei mm-Wellen für die Erkennung einer Szene in Abständen
von 5 m bis 300 m völlig unzulänglich.
Aus der Offenlegungsschrift EP 0 353 200 A2 ist eine Anordnung
zur Verbesserung der Sicht in Fahrzeugen, insbesondere bei
Dunkelheit, schlechter Witterung oder Nebel, mittels
Ausstrahlung und Empfang elektromagnetischer Wellen bekannt.
Diese Anordnung umfasst eine Beleuchtungsoptik und eine
Empfangsoptik um entfernungs-aufgelöste Bilddaten der
Fahrzeugumgebung zu gewinnen. Die entfernungs-aufgelösten
Daten werden graphisch rekonstruiert und auf einer Anzeige
angezeigt.
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine einfacher
aufgebaute Anordnung zur Verbesserung der Sicht in Fahrzeugen
anzugeben.
Die Aufgabe wird mit der Anordnung gemäß Patentanspruch 1
gelöst. Die Unteransprüche enthalten vorteilhafte
Ausgestaltungen der Erfindung,
Wesentlich bei der Erfindung ist die Orthogonalität zwi
schen Sendepolarisation und Empfangspolarisation, wodurch
eine erhebliche Verbesserung des Nutzsignal-Störsignal-
Verhältnisses erreicht wird, wie noch eingehend beschrie
ben, und wodurch auf einfache Weise die Verträglichkeit
mehrerer gleichartiger Anordnungen in entgegenkommenden
Fahrzeugen gewährleistet ist.
Die Erfindung ist nachfolgend an Beispielen unter Bezug
nahme auf die Abbildungen noch eingehend veranschaulicht.
Dabei zeigt
Fig. 1 eine Beleuchtungsoptik in Seitenansicht
Fig. 2 eine Empfangsoptik in Seitenansicht
Fig. 3 eine schematische Darstellung von
Streusituationen.
Die erfindungsgemäße Anordnung besteht im wesentlichen aus
den Baugruppen
- - Beleuchtungsoptik
- - Empfangsoptik
- - Darstellungsoptik
die nachfolgend einzeln und in ihrem Zusammenwirken noch
detailliert beschrieben sind. Bei allen Optiken seien
elektronische Systeme zur Ansteuerung und Auswertung mit
im Begriff eingeschlossen.
1. Beleuchtungsoptik
Die erfindungsgemäße Beleuchtungsoptik enthält eine Licht
quelle im nahen Infrarot (800 nm bis 2000 nm), zum Bei
spiel eine GaAs/GaAlAs Halbleiterlaser um 800 nm. Die ma
ximale Lichtleistung liegt beispielsweise zwischen 500 mW
und 5 W und wäre damit vergleichbar mit der Lichtleistung
normaler Scheinwerfer. Ist eine besonders große Reichweite
des Systems gefordert und keine Gefährdung durch Blendung
oder Augenschädigung zu befürchten, zum Beispiel bei
Flugzeugen, so kann die Laserleistung auch wesentlich hö
her gewählt werden. Wird nur eine geringere Lichtleistung
benötigt, so kann die Lichtleistung auch beispielsweise
durch Verringerung des elektrischen Laserstroms unter den
maximalen Wert abgesenkt werden.
Durch eine Scheinwerferoptik mit Linse und/oder Spiegel
wird das Licht in den zur Überwachung vorgesehenen Raum
winkelbereich abgestrahlt.
Zur Ausleuchtung des Raumwinkelbereichs sind im Prinzip
drei Vorgehensweisen zu unterscheiden
- a) gleichzeitige Ausleuchtung des gesamten Bereichs
durch zweidimensionale Strahlaufweitung des
Laserstrahls
- b) Aufweitung des Laserstrahls in nur einer Richtung
bei gleichzeitiger enger Bündelung in der
orthogonalen zweiten Richtung und Schwenken (scan)
des ausgeleuchteten flachen Raumwinkelausschnitts
in der zweiten Richtung
- c) Schwenken eines gebündelten Laserstrahls in zwei
Dimensionen zur abtastenden Ausleuchtung des
gesamten Raumwinkelbereichs.
Fig. 1 zeigt die unter vorstehend b) beschriebene bevor
zugte Ausführung der Beleuchtungsoptik mit einem Halblei
terlaser H, dessen Ausgangslicht über eine Linse L, bei
spielsweise eine Zylinderlinse oder eine Kombination von
sphärischen und Zylinderlinsen, in der Zeichenebene eng
gebündelt und senkrecht zur Zeichenebene entsprechend der
Ausdehnung des Raumwinkelbereichs (beispielsweise 3° bis
20°) aufgeweitet und über den Spiegel S in den vorgese
henen Überwachungsbereich gelenkt wird. Durch die enge
Bündelung in der Zeichenebene wird nur ein flacher
Ausschnitt Δα (z. B. Δα = 0,05°- bis 0,5°) des gesamten
Winkelbereichs Ø ausgeleuchtet. Durch Kippen des Spiegels
kann die gegen eine Bezugsrichtung R eingetragene Winkel
lage α des flachen Winkelausschnitts Δα verändert und
so der gesamte Winkelbereich Ø überstrichen, d. h. der ge
samte Raumwinkelbereich ausgeleuchtet werden. Die Bewegung
des Spiegels und die Bildaufnahme in der Empfangsoptik
sind synchronisiert. Anstelle des Kippspiegels kann auch
eine rotierende Spiegelanordnung oder eine linear ver
schiebbare Linse vorgesehen sein.
Durch Ausrichten des Halbleiterlaserkristalls und eventu
ell durch ein zusätzlich eingefügtes Polarisationsfilter
P1 wird die Polarisation des abgestrahlten Lichts einge
stellt.
Bei den Ausführungen b) und c) kann durch eine zeitliche
Modulation des Laserlichts, die durch eine zeitliche Va
riation des elektrischen Ansteuerstroms erreicht werden
kann, die Helligkeit der Beleuchtung abhängig vom Ab
strahlwinkel variiert werden, zum Beispiel bei der Ausfüh
rung b) abhängig vom Winkel α, so kann beispielsweise der
Vordergrund einer Szene (z. B. ein Straßenverlauf) weniger
hell beleuchtet werden als der Hintergrund; damit kann
beispielsweise die mit zunehmender Entfernung zunehmende
Schwächung des Laserlichts kompensiert und eine gleich
mäßigere Ausleuchtung der Szene erreicht werden. Alterna
tiv oder zusätzlich kann eine zeitliche Modulation mit hö
herer Frequenz durchgeführt werden. Die Modulation kann
beispielsweise sinusförmig sein mit einer Frequenz von 1-
10 KHz oder pulsförmig mit einer Pulslänge von 50-100 µs
und einem Pulsabstand von 100-1000 µs. Damit kann eine Be
leuchtung der Szene mit einem streifenförmigen oder punkt
förmigen Muster erreicht werden, wodurch eine plastische
Hervorhebung von Gegenständen wie Autos und vom Straßen
verlauf erzielt werden kann.
Die Lichtquelle kann immer voll aufgeblendet betrieben
werden. Der Bündeldurchmesser des Lichts an der zugängli
chen Austrittsfläche kann 5 cm bis 25 cm je nach Laserlei
stung betragen, um in jedem Fall die Augensicherheit zu
gewährleisten; die Augensicherheit kann durch Ausweichen
auf Wellenlängen um 1500 nm wesentlich erhöht werden.
2. Empfangsoptik
Die Empfangsoptik enthält eine Fernsehkamera, zum Beispiel
eine CCD-Kamera, mit hoher Empfindlichkeit. Zur Erhöhung
der Empfindlichkeit kann eine Bildverstärkung verwendet
werden. Zur Kontrastverstärkung, Datailverstärkung und
Bildspeicherung kann ein Videosignalprozessor benutzt wer
den. Die Kamera beobachtet die beleuchtete Szene, zum Bei
spiel einen Straßenverlauf oder ein Landefeld.
Vor der Optik O der Kamera K ist ein Polarisationsfilter
P2 angebracht, dessen Durchlaßrichtung senkrecht zur Rich
tung des emittierten Laserlichts steht; dieses Polarisati
onsfilter sperrt somit den Durchgang des eigenen emittier
ten Lichts und das Licht entgegenkommender Fahrzeuge glei
cher Polarisation auf beispielsweise einen Wert von 10-3
bis 10-5; eine gleiche Polarisationsrichtung ist für alle
Fahrzeuge vorzusehen, eventuell auch durch eine geregelte
Ausrichtung nach dem Schwerefeld der Erde auf exakt lot
recht oder horizontal.
Weiter ist vor der Optik O der Kamera ein spektrales Lini
enfilter F angeordnet, das für das anordnungseigene Laser
licht durchlässig ist, jedoch eine hohe Sperrung für das
restliche sichtbare und infrarote Spektrum aufweist, also
sowohl das Tageslicht als auch das normale Scheinwerfer
licht entgegenkommender Fahrzeuge stark dämpft, beispiels
weise auf einen Wert von 10-3 bis 10-5.
Zusätzlich kann zur weiteren Reduzierung von Störlicht
auch ein nicht gezeigtes räumliches Absorptionsfilter vor
der Kamera angebracht werden, das zum Beispiel die unteren
Bereiche des Bildes schwächt und damit den heller ausge
leuchteten Vordergrund schwächt zugunsten des weniger aus
geleuchteten Hintergrunds. Eine weitere Alternative dazu
stellt ein spatialer Lichtmodulator vor der Kamera dar,
der dann gezielt nur die zu hellen Partien des Bildes im
Kamerasystem schwächt. Ein derartiger Lichtmodulator kann
zum Beispiel als Flüssigkristall-Modulator aufgebaut sein.
Die Optik O der Kamera erzeugt auf der lichtempfindlichen
Bildfläche B der Kamera ein Bild des ausgeleuchteten Be
reichs, das dann weiter ausgewertet werden kann.
Je nach Ausführung der Beleuchtungsoptik entsteht das
Bild in der Kamera gleichzeitig auf der gesamten Bildflä
che oder einzelne Bildteile entstehen entsprechend der ab
tastenden Ausleuchtung des Raumwinkelbereichs zeitlich
nacheinander. Bei Einsatz der bevorzugten Ausführungsform
(b) der Beleuchtungsoptik mit einem in einer Ebene brei
ten, senkrecht dazu stark fokussierten (Δα) Lichtbündel,
das über den Überwachungswinkelbereich Ø geschwenkt wird
(Fig. 1), werden vorteilhafterweise mit dem Schwenkwinkel
α des beleuchteten Bündels synchronisierte Maßnahmen in
der Empfangsoptik getroffen, die gewährleisten, daß nur
Licht aus dem beleuchteten Streifen zum Bildaufbau bei
trägt und durch Mehrfachstreuung aus anderen Winkelberei
chen einfallendes Licht nicht störend wirksam wird. Dies
kann beispielsweise durch eine synchron mit der Lichtbün
delschwenkung bewegte streifenförmige Blende in der Emp
fangsoptik erfolgen. Vorzugsweise wird aber für die Bild
aufnahme in der lichtempfindlichen Bildfläche B eine An
ordnung mit zeilenweise getrennt elektrisch ansteuerbaren
lichtempfindlichen Elementen eingesetzt und es werden je
weils nur die Elemente der Zeile(n), die dem momentan von
der Beleuchtungsoptik ausgeleuchteten Winkelausschnitt
entsprechen, aktiviert. Alternativ dazu kann auch nur ein
schmaler Streifen mit einer oder wenigen Zeilen der Bild
fläche in Verbindung mit einem bewegten Spiegel oder einer
bewegten Linse ähnlich der bei der Beleuchtungsoptik
geschilderten Ablendemechanismus vorgesehen sein, so daß
verschiedene Bildteile zeitlich nacheinander von denselben
lichtempfindlichen Elementen aufgenommen werden.
3. Darstellung
Das von der Empfangsoptik aufgenommene Bild wird durch die
Darstellungsoptik dem Fahrer (oder Piloten) in geeigneter
Weise angezeigt. Vorzugsweise wird hierfür ein aus der
Empfangsoptik abgeleitetes Bild in das Sichtfeld des Fah
rers oder Piloten projiziert. Das Bild wird hierzu bei
spielsweise als Fernsehbild auf einem Bildschirm erzeugt
und nach Art eines Head-up-Displays auf die Windschutz
scheibe projiziert. Damit das projizierte Bild des Beob
achtungsraums und das vom Auge direkt beobachtete Bild
möglichst gut zur Deckung gelangen und um bei allen Hel
ligkeitsverhältnissen ein ausreichend helles und kontrast
reiches Bild vorliegen zu haben, sind vorteilhafterweise
die Lage und die Helligkeit des projizierten Bilds verän
derlich einstellbar. Die Einstellung kann manuell und/oder
automatisch vorgesehen sein. Für die automatische Bildver
schiebung könnte beispielsweise über ein Meßsystem mit In
frarot-LED und Fernsehkamera die Position der Augen des
Fahrers oder Piloten bestimmt und daraus die optimale Ein
stellung der Darstellungsoptik abgeleitet werden.
Anstelle des ins Lichtfeld projizierten Bildes kann
selbstverständlich auch eine andere Darstellungsweise,
z. B. ein separater Bildschirm oder in Verbindung mit wei
teren Auswerteeinrichtungen auch ein optisches und/oder
akustisches Warnsignal für automatisch erkannte Gefahrsi
tuationen vorgesehen sein. Ein gesonderter Bildschirm kann
z. B. auch vorgesehen sein für die Beobachtung in Rück
wärtsrichtung.
4. Zusammenwirken
Die Erfindung macht sich vor allem den an sich bekannten
Effekt zunutze, daß auf eine diffus reflektierende Ober
fläche gestrahltes Licht nach der Reflexion nicht mehr po
larisiert ist. Der Grad der Restpolarisation ist abhängig
von der Beschaffenheit der Oberfläche. In den weitaus mei
sten Fällen ist das diffus reflektierte Licht nahezu unpo
larisiert, teilweise ist auch zirkulare oder elliptische
Polarisation zu beobachten. Für die vorliegende Erfindung
bedeutet dies, daß das von beleuchteten Gegenständen, Per
sonen, Häusern, Bäumen, anderen Fahrzeugen, Retroreflekto
ren, Fahrbahn bzw. Landebahn usw. reflektierte Licht weit
gehend unpolarisiert ist und somit ein etwa zwischen 30%
und 50% liegender Anteil dieses diffus reflektierten
Lichts von der polarisationsselektiven Empfangsoptik auf
genommen werden kann. Dieser Anteil stellt das Nutzsignal
in der Empfangsoptik dar.
Demgegenüber stellen das Infrarotlicht entgegenkommender
Fahrzeuge und das an Nebel, Wassertröpfchen und derglei
chen rückgestreute Licht der eigenen Beleuchtungsoptik
Störsignale für die Bildauswertung in der Empfangsoptik
dar und sind daher soweit wie möglich zu unterdrücken.
Das Infrarotlicht entgegenkommender Fahrzeuge mit gleich
artiger Infrarotbeleuchtungsoptik wird auf einfache Weise
weitestgehend dadurch unterdrückt, daß in allen Anordnun
gen dieselben Sendepolarisationen, horizontal oder verti
kal, vorgesehen sind. Das Infrarotlicht entgegenkommender
Fahrzeuge ist dann senkrecht zur Empfangspolarisation der
eigenen Beleuchtungsoptik polarisiert und wird vom Polari
sator P2 wirksam ausgeblendet.
Die Rückstreuung des Lichts an molekularen Streuteilchen
wird als Rayleigh-Streuung, an größeren Streuteilchen wie
z. B. Wassertröpfchen als Mie-Streuung bezeichnet. Bei bei
den Arten der Streuung ist das direkt rückgestreute Licht
linear polarisiert mit derselben Polarisation wie das
emittierte Licht, wenn die Sendepolarisation in der Beob
achtungsebene liegt, die durch den Ort der Beleuchtungsop
tik BO, der Empfangsoptik EO und der Beleuchtungsrichtung
a (bzw. Beobachtungsrichtung c) aufgespannt ist, oder
senkrecht auf dieser Ebene steht. Unter dieser Vorausset
zung ist also das direkt rückgestreute Licht gleich pola
risiert wie das emittierte Licht und wird vom Polarisator
P2 der Empfangsoptik unterdrückt. Da zu Ausblendung der
Infrarot-Beleuchtung von entgegenkommenden Fahrzeugen die
Sendepolarisation nur horizontal oder vertikal sein kann,
werden Beleuchtungsoptik und Empfangsoptik eines Fahrzeugs
vorteilhafterweise vertikal übereinander oder horizontal
nebeneinander (Vektor t in Fig. 3) angeordnet.
Die beschriebene Polarisationserhaltung gilt nur für di
rekt rückgestreutes Licht. Bei Nebel tritt aber auch Mehr
fachstreuung auf, die bewirkt, daß Störlicht auch mit an
derer Polarisation auf die Empfangsoptik EO fällt und vom
Polarisator P2 nicht mehr vollständig unterdrückt werden
kann. In Fig. 3 ist für den Fall der Mehrfachstreuung ein
Streupunkt Z1 betrachtet der Licht von der Beleuchtungsop
tik BO nicht nur in Richtung c direkt zur Empfangsoptik,
sondern auch in andere Richtungen, beispielsweise b
streut. Das in Richtung b gestreute Licht wird an einem
zweiten Streupunkt Z2 erneut gestreut, z. B. auch in Rich
tung d auf die Empfangsoptik EO. Der Streupunkt Z1 kann
als neue Lichtquelle für die Mehrfachstreuung angesehen
werden. Die Beobachtungsebene ist dann nicht mehr durch a
und t aufgespannt, sondern durch b und t. Die beiden Ebe
nen schneiden sich im allgemeinen unter einen von 0° und
90° verschiedenen Winkel und die Polarisationsrichtung des
von Z2 in Richtung d gestreuten Lichts liegt nicht paral
lel zur Sendepolarisation, d. h. das von Z2 zur Empfangsop
tik rückgestreute Licht hat im Regelfall eine parallel zum
Polarisator P2 der Empfangsoptik polarisierte Komponente,
die sich als Störlicht bemerkbar macht. Berücksichtigt man
die Mehrfachstreuung über den gesamten Raumwinkel, so er
gibt sich eine Depolarisation des Lichts, die je nach
Dichte der Streupunkte (Nebel) bei 10% bis 40% liegen
kann.
Die in Fig. 1 und 2 skizzierte und bereits beschriebene
Kombination der Ausleuchtung und Beobachtung nur eines
flachen Winkelausschnitts Δα reduziert den störenden Ein
fluß durch Mehrfachstreuung erheblich, wenn die breite
Aufweitung des Lichtbündels in einer Ebene mit der Ver
bindungslinie t von Beleuchtungsoptik BO und Empfangsoptik
EO liegt und die raumabtastende Schwenkung des Lichtbün
dels um eine parallel zu t verlaufende Achse erfolgt. Nä
herungsweise kann der Winkelausschnitt Δα als Ebene be
trachtet werden, so daß
- a) innerhalb dieses Ausschnitts von Nebel oder dgl. rück
gestreutes Licht parallel zur Sendepolarisation und senk
recht zur Empfangspolarisation polarisiert ist und vom Po
larisator P2 unterdrückt wird.
- b) durch Mehrfachstreuung außerhalb des Winkelausschnitts,
z. B. z2 (siehe Fig. 2) rückgestreutes depolarisiertes
Licht zwar zumindest teilweise den Polarisator P2 durch
dringt, aber aufgrund einer Streifenblende ausgeblendet
wird oder auf nicht aktivierte Elemente der Bildfläche der
Kamera trifft und so in der Empfangsoptik nicht wirksam
wird.
Da das infrarote Licht vom Auge nicht detektiert wird und
eine Störung von Empfangsoptiken entgegenkommender Fahr
zeuge wegen der Orthoganalität von Sende- und Empfangspo
larisation ausgeschlossen ist, kann die Beleuchtungsoptik
immer voll aufgeblendet werden.
Durch die Aufweitung des Lichtbündels in einer Richtung
ist auch ausreichende Augensicherheit gewährleistet.