DE4335244A1

DE4335244A1 - Anordnung zur Bildaufnahme

Info

Publication number: DE4335244A1
Application number: DE4335244A
Authority: DE
Inventors: Edgar Weidel
Original assignee: Daimler Benz AG
Current assignee: Mercedes Benz Group AG
Priority date: 1993-10-15
Filing date: 1993-10-15
Publication date: 1995-06-22
Anticipated expiration: 2013-10-16
Also published as: DE4335244B4

Description

Die Erfindung betrifft eine Anordnung zur Bildaufnahme, insbesondere für die Verbesserung der Sicht in Fahrzeugen.

Im Straßenverkehr sind bei unzureichenden Sichtverhältnis sen zwei Situationen besonders kritisch: Bei Dunkelheit und Regen wird der Fahrer durch die Scheinwerfer des Ge genverkehrs und deren Reflexe auf der nassen Straße geblendet, bei Dunkelheit und Nebel durch das rückgestreute Licht der eigenen Scheinwerfer. In beiden Fällen überfordert das Störlicht den Kontrastumfang und die Adaptionsfähigkeit des Auges derart, daß die Szene nur mehr unzureichend wahrnehmbar ist und daß Straßenver lauf und mögliche Hindernisse kaum mehr erkennbar sind.

Zur Lösung dieses Problems ist in der Patentanmeldung P 40 07 646.6 ein System zur Sichtverbesserung angegeben, bei dem ein verbessertes Bild mit einer Videokamera aufgenom men wird und dem Fahrer dargestellt wird.

Als Lichtquelle wird bevorzugt ein Halbleiterlaser verwen det, der vorzugsweise in einer Richtung aufgeweitet ist (Lichtfächer) und in der dazu orthogonalen Richtung z. B. mit Hilfe eines Galvanometerscanners geschwenkt wird. Als Kamera ist vorzugsweise eine CCD-Kamera mit einem elektro nisch gesteuerten Schlitzverschluß vorgesehen, der syn chron mit dem Scanner bewegt wird. Das Licht des Lasers ist polarisiert, beispielsweise lotrecht. Vor der Kamera befindet sich ein dazu senkrecht stehendes Polarisations filter und ein spektrales Linienfilter, das für das Laser licht durchlässig ist, jedoch eine hohe Sperrung für das restliche sichtbare und infrarote Spektrum aufweist.

Bei dem Einsatz eines Lasers als Lichtquelle sind die Vorschriften zur Verhütung von Unfällen durch Laser strahlung zu beachten. Diese erlauben bei der vorgeschla genen fächerförmigen Geometrie bei einer Wellenlänge von 750-850nm (GaAs) nur Laserleistungen von 50-100mW, um die maximal zulässige Bestrahlung (MZB) für die Einwirkung der Laserstrahlung auf die Netzhaut des Auges einzuhalten.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine An ordnung zur Bildaufnahme, insbesondere für ein Sichtver besserungssystem in Fahrzeugen anzugeben, für die trotz einer höheren Laserleistung (von beispielsweise 1W) im ge samten zugänglichen Scheinwerferbereich die MZB eingehal ten wird, die also im gesamten zugänglichen Bereich augen sicher ist.

Die Erfindung ist im Patentanspruch 1 beschrieben. Die Un teransprüche enthalten vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung.

Mit der erfindungsgemäßen Anordnung wird die Lichtleistung des Lasers so verteilt, daß ein im ausgeleuchteten Bereich befindliches optisches System wie z. B. das menschliche Auge, ggf. mit optischen Hilfsmitteln, keine Punktabbil dung der Laserlichtquelle mehr erreichen kann, ohne daß aber die Ausleuchtungseigenschaften des Beleuchtungssy stems, beispielsweise die Erzeugung eines fächerförmigen Lichtbündels, beeinträchtigt sind.

Die Erfindung ist nachfolgend anhand von Beispielen unter Bezugnahme auf die Abbildungen noch eingehend veranschau licht. Dabei zeigt

Fig. 1 zwei vorteilhafte Positionierungen von Kamera und Beleuchtungseinrichtung in einem Fahrzeug,

Fig. 2 eine Beleuchtungseinrichtung gemäß der Erfindung in Seitenansicht (A) und Draufsicht (B),

Fig. 3 eine vorteilhafte Ausführung des optischen Ele ments der Beleuchtungseinrichtung.

Bei der in Fig. 1 skizzierten Anordnungen ist jeweils die bildaufnehmende Kameraeinheit K oberhalb der Position FA der Augen des Fahrers angebracht, so daß das aufgenommene Bild ungefähr dem Blickwinkel des Fahrers entspricht. Die Beleuchtungseinrichtung SCH ist vorzugsweise in vertikaler oder horizontaler Richtung von der Kameraeinheit versetzt angeordnet, beispielsweise oberhalb der Beifahrerposition (Fig. 1(a)) oder in der fahrerseitigen Hälfte der Fahr zeugfront. (Fig. 1(b)), wo eine Integration in den Fahr zeugscheinwerfer besonders vorteilhaft ist. Die Beleuch tungseinrichtung enthält als Lichtquelle einen im Infraro ten emittierenden Halbleiterlaser, z. B. einen GaAs-Laser, der Wellenlängen 810nm oder einen InP-Laser der Wellen länge 1550nm.

Die spektrale Breite des Lasers beträgt wenige Nanometer, die Mittenwellenlänge kann durch Konstanthalten der Tempe ratur auf einem definierten Wert stabilisiert werden. Das Laserlicht ist zu einem hohen Anteil linear polarisiert; durch einen zusätzlichen Polarisator kann der Anteil der orthogonal polarisierten Lichtleistung auf 10^-3 bis 10^-4 gedruckt werden. Laser und Polarisator sind vorzugsweise horizontal oder vertikal ausgerichtet mit einer zulässigen Abweichung von etwa ± 2°, was durch eine Sensor- und Stel leinheit eingehalten werden kann. Als Kamera wird eine Si- CCD-Kamera für den Wellenlängenbereich bis 850nm und eine InGaAs-Kamera für den langwelligeren Bereich bis 1700nm verwendet. Das sichtbare Scheinwerferlicht entge genkommender Fahrzeuge wird durch ein schmalbandiges opti sches Bandpaßfilter vor der Kamera um einen Faktor 50-100 reduziert, ebenso das bei Nebel rückgestreute eigene sichtbare Scheinwerferlicht. Das bei Regen und Nebel rück gestreute Laserlicht und das Laserlicht entgegenkommender Fahrzeuge wird durch ein senkrecht zur Laserpolarisation stehendes Polarisationsfilter in der Kameraeinheit um einen Faktor 1000 geschwächt. Wichtig ist dabei, daß alle Fahrzeuge die gleiche Ausrichtung der Polarisation aufwei sen. Eine weitere Reduzierung des Scheinwerferlichts ent gegenkommender Fahrzeuge kann durch einen gepulsten Be trieb der Laserlichtquelle mit einem Tastverhältnis N (z. B. 1:4, N = 0,25), eine um 1/N höheren Laserleistung und eine synchron empfindlich geschaltete CCD-Kamera er reicht werden.

Der Aufbau der bei der Erfindung vorgesehenen Beleuch tungseinrichtung, im folgenden auch als Laserscheinwerfer bezeichnet, ist in Fig. 2 skizziert. Als Lichtquelle dient ein Halbleiterlaser L. Der Polarisationsgrad des Laserlichts wird erhöht durch einen Polarisator P. Halbleiterlaser emittieren aus sehr kleinen Abstrahlflächen von typischerweise 1 µm senkrecht zum pn- Übergang und 50-200 µm parallel zum pn-Übergang; die Di vergenz des abgestrahlten Lichts ist typisch α= 10° par allel zum pn-Übergang und δ = 50° senkrecht dazu. Es han delt sich also um eine punktförmige Lichtquelle mit rich tungsabhängiger Divergenz.

In dem Ausführungsbeispiel nach Fig. 2 ist ein Halbleiter laser L als Lichtquelle vorgesehen, der ein optisches Ele ment E mit zwei Platten FM1, FM2 ausleuchtet. Als Maße der Lichtaustrittsfläche des Scheinwerfers sind K₁ = 100mm und K₂ = 150mm vorgesehen. Ordnet man den Laser mit vertikal ausgerichtetem pn-Übergang an, so wird mit δ = 50° in ei ner Distanz D₂ = 160mm eine Breite K₂ von 150mm erreicht. Um in dieser Distanz K₁ = 100mm zu erreichten, muß der Winkel α durch eine konkave Zylinderlinse auf einen Winkel β = 35° aufgeweitet werden. Damit wird die gesamte Fläche K₁×K₂ ausgeleuchtet. Das Lichtbündel trifft nach Fig. 2(a) in der Distanz D₁ auf eine optische Platte FM1, die auf der dem Laser zugewandten Seite zur Realisierung einer Sammellinse als zylindrische Fresnellinse ausgebildet ist mit einer Brennweite ungefähr gleich D₁. Damit wird im In neren der Platte ein nahezu paralleler Strahlengang in ho rizontaler Richtung erreicht. FM1 besitzt auf der dem Laser abgewandten Seite eine konvexe oder vorzugsweise eine kon kave zylindrische Mikrolinsenstruktur der Oberfläche, wo bei die Breite b₁ der Einzellinse beispielsweise 2mm be tragen kann und der Divergenzwinkel γ durch b₁ und Brenn weite f₁ bestimmt ist. Analog wird mittels FM2 die Strahl formung in horizontaler Richtung nach Fig. 2(b) durchge führt wobei die Winkel δ, ε, die Maße K2, D2, b2, f2, an die Stellen der entsprechenden Größen in Fig. 2(a) treten. Die Zylinderlinse ist in horizontaler Richtung ohne Wir kung. Im Abstand D3 von dem optischen Element E ist das Frontglas S des Scheinwerfers angeordnet (für eine Posi tionierung gemäß Fig. 1(b)).

Damit wird aus der punktförmigen Laserlichtquelle eine ausgedehnte Laserlichtquelle, für die nach DIN VDE 0837 oder IEC 825 eine maximale Bestrahlung von 10⁴Wm^-2sr^-1 lässig ist.

Wählt man beispielsweise γ= 3° und ε = 10°, so erhält man für die Fläche K₁×K₂= 100mm×150 eine zulässige Lichtleistung von 1,37W. Um sicherzustellen, daß bei einem Bruch oder einem Entfernen von FM1 und FM2 keine Laser strahlung nach außen tritt, sind Sensoren (Bruchsensor) vorzusehen, die die Lichtabstrahlung des Lasers für diese Fälle unterbinden.

Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform ist das optische Element E wie in Fig. 3 skizziert als nur eine Platte FN ausgeführt, bei welcher die Oberfläche einer Plattenseite so strukturiert ist, daß sie die Abbildungseigenschaften der beidseitig strukturierten Platte FM1 in Fig. 2 auf weist, und in entsprechender Weise die andere Plattenseite die Abbildungseigenschaften der Platte FM2 der Fig. 2 be sitzt. Dies kann beispielsweise durch eine Reliefüberlage rung der jeweils zylindrischen Fresnel-Struktur der Sam mellinse und der hier konkaven Mikrolinsen realisiert wer den wie in Fig. 3 für eine Seitenansicht einer solchen Platte FM skizziert. Die Stufenweite der Fresnel-Struktur kann vorteilhafterweise auch an die Breite der Zylinder- Mikrolinsen angepaßt sein. Andere Reliefstrukturen die zu denselben Abbildungseigenschaften führen, sind möglich und zulässig. Insbesondere ist die Aufteilung in getrennte zylindrische Strukturen für die orthogonalen Richtungen zwar vorteilhaft, aber nicht zwingend.

Als vorteilhaftes Verfahren zur Herstellung vom FM1, FM2 oder FM wird Blankpressen angesehen.

Claims

1. Anordnung zur Bildaufnahme, insbesondere für die Ver besserung der Sicht in Fahrzeugen, mit einer Beleuchtungs einrichtung, die eine Laserlichtquelle und ein von dieser ausgeleuchtetes optisches Element zur Formung eines Be leuchtungsbündels enthält, dadurch gekennzeichnet, daß das optische Element (E) die abbildenden Eigenschaften einer Kombination aus

a) einer großflächigen Sammellinse mit einer Brenn weite ungefähr gleich dem Abstand (D1) des Ele ments von der Laserlichtquelle und
b) einer Vielzahl flächig eng aneinandergefügt ange ordneter Mikrolinsen, deren Brennweiten (f₁, f₂) untereinander ungefähr gleich und klein gegen die Brennweite der großflächigen Sammenlinse sind und deren Linsenflächen klein gegen die Fläche der Sammellinse sind aufweist und als flaches Element ausgeführt ist.

2. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Laserlichtquelle einen linear polarisierten Halblei terlaser enthält.

3. Anordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß für die Polarisationsrichtung des Lasers und für die dazu senkrechte Richtung getrennte Zylinderlinsenstrukturen vorgesehen sind.

4. Anordnung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die getrennten Strukturen auf gegenüberliegenden Flächen einer gemeinsamen Linse (FM) realisiert sind (Fig. 3).

5. Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, da durch gekennzeichnet, daß für die Sammellinse eine Fres nelstruktur vorgesehen ist.

6. Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, da durch gekennzeichnet, daß die Mikrolinsen als Zerstreu ungslinsen ausgeführt sind.

7. Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, da durch gekennzeichnet, daß die Beleuchtungseinrichtung eine Zerstreuungslinse (L1) für das vom Laser abgestrahlte Licht zur Ausleuchtung des optischen Elements aufweist.