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HINTERGRUND
DER ERFINDUNG
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Gebiet der Erfindung
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Die
vorliegende Erfindung betrifft eine Baugruppe zum Erfassen von Feuchtigkeit
auf einer Glasscheibe und insbesondere einen Regensensor zum Erkennen
von Regen auf der Windschutzscheibe eines Kraftfahrzeugs, um die
Scheibenwischer einzuschalten.
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Beschreibung
des Standes der Technik
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Das
Erfassen von Regen oder Feuchtigkeit auf der Windschutzscheibe eines
Fahrzeugs zur automatischen Betätigung
von Scheibenwischanlagen ist in den letzten paar Jahren zu einer
beliebten Fahrerkomfortfunktion geworden. Mit dieser Automatisierung
können
sich die Fahrer mehr auf die Straße als auf das manuelle Einstellen
der Scheibenwischerschalter konzentrieren. Herkömmliche Scheibenwischerschalter
sind normalerweise auf eine von mehreren Geschwindigkeiten voreingestellt,
und/oder das Wischintervall ist je nach der Niederschlagsmenge eingestellt.
Wenn der Niederschlag bzw. die Niederschlagsmenge zu- oder abnimmt, ändert sich
natürlich
die entsprechende Einstellung, um eine Windschutzscheibe nominell
klar zu halten, und es ist daher eine häufige Regulierung durch den
Fahrer notwendig.
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Solche
vollautomatischen, Regen erfassenden Scheibenwischerbetätigungssysteme überwachen
ständig
den Regen, der auf die Windschutzscheibe fällt und stellen daraufhin das
Wischintervall der Niederschlagsmenge entsprechend ein.
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Es
wurden mehrere Verfahren verwendet, um eine solche automatische
Scheibenwischerbetätigung
zu erreichen, und diese Verfahren unterscheiden sich größtenteils
nur in den dabei verwendeten Regen erfassenden Detektoren. Das heißt, das
Regen erfassende Element kann im Allgemeinen mit bestehenden Intervallwischanlagen
(zeitlich gesteuert) arbeiten oder diese steuern. Die am häufigsten
verwendeten Regen oder Feuchtigkeit erfassenden Detektoren basieren
entweder auf den optischen oder auf den elektrischen Eigenschaften
von Wasser. Dazu gehören
die in den US-Patenten 5,923,027 von Stam et al., 6,020,704 von
Buschur und in den oben genannten gleichzeitig anhängigen Anmeldungen der
Anmelderin dargestellten Vorrichtungen nach dem Stand der Technik.
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Zu
den Feuchtigkeitsvarianten, die erkannt werden müssen, gehören ein Wasserfilm, Tropfen, Beschlag,
Nebel, Schnee, Eis, etc.. Der wichtigste Aspekt jedes Feuchtigkeitserkennungssystems
ist die Genauigkeit beim Erkennen der Feuchtigkeit. Mit anderen
Worten, das System muss Feuchtigkeit auf der Windschutzscheibe erkennen
und dabei unempfindlich sein gegen eine falsche Auslösung durch Störsignale,
d.h. keine Feuchtigkeit, Lampen und sonstige Objekte.
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Das
Dokument DE-A-19929964 offenbart ein Verfahren gemäß dem Oberbegriff
von Anspruch 1 und eine Baugruppe gemäß dem Oberbegriff von Anspruch
6.
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ZUSAMMENFASSUNG
DER ERFINDUNG UND VORTEILE
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Die
vorliegende Erfindung stellt eine Baugruppe zum Erfassen von Feuchtigkeit
auf der Außenseite
einer Glasscheibe bereit, mit einem ersten Bildsensor zum Erfassen
eines ersten Bildes der Außenseite
des Glases längs
einer ersten optischen Achse und einem zweiten Bildsensor zum Erfassen eines
zweiten Bildes der Außenseite
des Glases längs
einer zweiten optischen Achse, die die erste optische Achse in einem
angrenzend an die Außenseite
des Glases angeordneten Schnittpunkt schneidet. Ein Bildkorrelator
ist zum Korrelieren des ersten und des zweiten Bildes und zum Erzeugen
eines Aktivierungssignals in Reaktion auf die Koinzidenz von Feuchtigkeit
in dem jeweiligen korrelierten ersten und zweiten Bild vorgesehen.
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Die
Erfindung umfasst außerdem
ein Verfahren zum Erfassen von Feuchtigkeit auf der Außenseite
einer Glasscheibe, mit den folgenden Schritten: Betrachten der Außenseite
des Glases längs
einer ersten optischen Achse, um ein erstes Bild zu erzeugen; Betrachten
der Außenseite
des Glases längs
einer zweiten optischen Achse, die die erste optische Achse in einem
angrenzend an die Außenseite
des Glases angeordneten Schnittpunkt schneidet, um ein zweites Bild
zu erzeugen; Korrelieren des ersten und des zweiten Bildes; und
Erzeugen eines Aktivierungssignals in Reaktion auf die Koinzidenz
von Feuchtigkeit in dem jeweiligen korrelierten ersten und zweiten
Bild.
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Demzufolge
befasst sich die Erfindung mit dem Problem der Selektivität von Regen
oder Feuchtigkeit, indem die Aktivierung der Scheibenwischanlage
ganz stark im Wesentlichen nur auf die Außenseite der Windschutzscheibe
begrenzt wird. Mit anderen Worten, Artefakte oder Fremdkörper, Lichtquellen
oder sonstige Objekte, die außerhalb
der überwachten
Zone oder in einer Kernzone auf der Außenseite der Windschutzscheibe
auftauchen, werden von der vorliegenden Erfindung ignoriert.
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KURZE BESCHREIBUNG DER
ZEICHNUNGEN
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Weitere
Vorteile der vorliegenden Erfindung werden mit zunehmendem Verständnis derselben anhand
der folgenden ausführlichen
Beschreibung in Verbindung mit den beigefügten Zeichnungen ohne weiteres
ersichtlich; in den Zeichnungen zeigen:
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1 eine
schematische Ansicht einer ersten Ausführungsform der Erfindung;
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2 eine
schematische Ansicht einer zweiten Ausführungsform der Erfindung; und
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3 ein
Blockdiagramm der zweiten Ausführungsform.
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AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN
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AUSFÜHRUNGSFORM
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Mit
Bezug auf die Figuren, in denen gleiche Bezugszeichen in den verschiedenen
Ansichten gleiche oder entsprechende Teile bezeichnen, ist eine Baugruppe
zum Erfassen von Feuchtigkeit 10 auf der Außenseite
einer Glasscheibe 12 in einer bekannten Baugruppe in 1 und
in der erfindungsgemäßen Baugruppe
in 2 und 3 dargestellt.
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Jede
Baugruppe umfasst einen ersten Bildsensor 14, 114 zum
Erfassen eines ersten Bildes der Außenseite des Glases 12 längs einer
ersten optischen Achse A. Außerdem
umfasst jede Baugruppe einen zweiten Bildsensor 16, 116 zum
Erfassen eines zweiten Bildes der Außenseite des Glases 12 längs einer
zweiten optischen Achse B, die die erste optische Achse A in einem
angrenzend an die Außenseite
des Glases 12 angeordneten Schnittpunkt X schneidet. Bei
der bekannten Baugruppe sind die Bildsensoren 14 und 16 Detektoren
mit getrennter Brennebene, während
die Bildsensoren 114 und 116 bei der zweiten Ausführungsform
durch einen Detektor mit einer einzigen Brennebene definiert sind,
der physisch in zwei Teile geteilt oder softwaremäßig partitioniert
sein kann, wie bei 18 und 20 in 3 gezeigt.
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Beide
Baugruppen enthalten einen Bildkorrelator 22 zum Korrelieren
des ersten und des zweiten Bildes und zum Erzeugen eines Aktivierungssignals 24 in
Reaktion auf die Koinzidenz von Feuchtigkeit 10 in dem
jeweiligen korrelierten ersten und zweiten Bild.
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Es
ist ein Linsensystem zum Fokussieren des Schnittpunkts X der optischen
Achsen auf den ersten und den zweiten Bildsensor 14, 114 und 16, 116 enthalten,
um das erste und das zweite Bild zu erzeugen. Bei der bekannten
Baugruppe umfasst das Linsensystem eine erste Linse 26 zum
Fokussieren des Blicks längs
der ersten optischen Achse A auf den ersten Bildsensor 14 und
eine zweite Linse 28 zum Fokussieren des Blicks längs der
zweiten optischen Achse B auf den zweiten Bildsensor 16.
Da jedoch bei der anderen Baugruppe ein Sensor 114, 116 mit
einer einzigen Ebene verwendet wird, umfasst das Linsensystem eine
einzige Linse 30 und ein erstes Spiegelsystem mit Spiegeln 32 und 34 zum Fokussieren
des Blicks längs
der ersten optischen Achse A auf den ersten Bildsensor 114 und
ein zweites Spiegelsystem mit den Spiegeln 36 und 38 zum Fokussieren
des Blicks längs
der zweiten optischen Achse B auf den zweiten Bildsensor 116.
Es versteht sich, dass der Spiegel Prismen bzw. jede Vorrichtung umfassen
kann, die den Lichtstrahl reflektiert.
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Demzufolge
kann die Erfassung von Bildern von zwei leicht unterschiedlichen
Blickpunkten aus mit Hilfe des in 2 gezeigten
stereoskopischen Adapters erfolgen. Diese Vorrichtungen werden normalerweise
verwendet, um normale Photokameras in stereoskopische Kameras umzuwandeln.
Dazu wird im Wesentlichen jedes Filmnegativ in zwei gleiche Teile
geteilt, z.B. einen linken und einen rechten Abschnitt, der jeweils
eine etwas andere Ansicht desselben Objekts aufnimmt. Natürlich besteht
der Zweck einer solchen Vorrichtung darin, dem betrachteten Bild
die Illusion von Tiefe zu verleihen. Mit Hilfe eines einfachen Systems
von Spiegeln oder Prismen lassen diese stereographischen Wandler
eine Linse 30 beide erforderlichen Ansichten abbilden.
Versuche mit solchen Vorrichtungen zeigen, dass eine kostengünstige Bilderzeugungsvorrichtung
(Brennebenenanordnung) verwendet werden kann, um beide Ansichten
gleichzeitig in einer angenehm kompakten Einheit aufzunehmen. Die
Brennebenenanordnung 114, 116 würde wirksam
in zwei Sensoren unterteilt, von denen jeder eine andere Ansicht
des Objekts, d.h. der Feuchtigkeit 20 auf der Außenseite
des Glases, bereitstellt. Diese Unterteilung kann vertikal oder horizontal
erfolgen, wobei Letzteres die bevorzugte Geometrie ist; horizontale
Stereotopologien erlauben eine einfache Anpassung von Korrekturverfahren nach
Scheimpflug, um den Bildbrennpunkt über das gesamte abgewinkelte
Blickfeld aufrechtzuerhalten. 3 zeigt
ein grundlegendes Blockdiagramm eines vor dem Glas angeordneten,
bilderzeugenden Regensensors, der mit Stereovision arbeitet. Ein
einfacher Bildsensor 114, 116 (Brennebenenanordnung) dient
dazu, beide Bilder gleichzeitig zu erfassen, indem der Sensor softwaremäßig unterteilt
wird (20). Diese Bilder werden gespeichert und in einem digitalen
Korrelator 22 verglichen, um eine räumliche Koinzidenz der abgebildeten
Elemente herzustellen. Anhand des Grades der Korrelation zwischen
den beiden Bildrahmen wird dann entschieden, ob die Scheibenwischanlage
aktiviert werden sollte. Es könnten noch
kompliziertere Algorithmen verwendet werden, um festzustellen, ob
Schmutz auf der Windschutzscheibe vorhanden ist und ob Lösungsmittel
aus der Scheibenwaschanlage aufgebracht werden sollte.
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Ein
Prozessor 40 ist vorgesehen, um die korrelierten Bilder
zu analysieren und vorbestimmte Sollpunkte 42 von Koinzidenzen
als Vorbedingung zum Erzeugen des Aktivierungssignals 24 festzulegen.
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Es
versteht sich, dass die Begrenzung der Systemreaktion auf Objekte,
die innerhalb eines genau definierten Abstands von der Linse der
Abbildungskamera liegen, mit Hilfe von Stereoabbildungsverfahren
erfolgen kann. Diese Stereoabbildung hat eine lange Geschichte in
der Photographie, und 'Stereopticon'-Bilder waren im
ausgehenden Teil des neunzehnten Jahrhunderts allgemein üblich. Diese Stereophotographien
wurden hergestellt, indem ein Objekt von zwei oder mehr leicht unterschiedlichen horizontalen
Positionen aus abgebildet wurde und indem die Bilder dann durch
eine spezielle Betrachtungsvorrichtung betrachtet wurden, die jedes
Auge das ursprüngliche
Objekt aus einer etwas anderen Perspektive sehen ließ, wodurch
sich die Illusion von Tiefe bzw. eine dreidimensionale Realität ergab.
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In ähnlicher
Weise kann eine Vielzahl von Bildern auf einer Festkörperbilderzeugungsvorrichtung
mit Brennebene erzeugt werden, um Informationen über die Tiefenschärfe bereitzustellen.
Diese beiden getrennten Bilder desselben Objekts können mit zwei
Linsen 26 und 28 und zwei Bildern 14 und 16 oder
mit einer Linse 30 und einem optischen Bildteiler 114, 116 erzeugt
werden.
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Die
einzige Anforderung zur Verwendung dieser Zweibildtechnik für die Regenerfassung
besteht darin, dass die zwei Bilder desselben Objekts 10 (Gegenstands)
aus zwei leicht unterschiedlichen Blickwinkeln, z.B. Achse A und B,
erfasst werden. Im Gegensatz zur herkömmlichen Stereophotographie muss
keine Illusion von Tiefe erzeugt werden, und die Visiergrundlinie
steht in keinem Zusammenhang mit den Anforderungen an das menschliche
Sehvermögen.
Wie in 1 dargestellt, ist der unterschiedliche Betrachtungswinkel
zwischen den Achsen A und B der vorliegenden Erfindung nur notwendig,
um Informationen über
die Tiefenschärfe
zu gewinnen. Das heißt,
die Verwendung stereographischer Grundsätze erlaubt es dem Regensensor
der vorliegenden Erfindung, Bilder von Objekten, die in einer schmalen Messzone
liegen, genau zu interpretieren, wobei Bilder von Objekten, die
außerhalb
dieser Zone liegen, ignoriert werden.
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In
gewissem Sinne ist die Anwendung der Systeme zur Erzeugung von zwei
Bildern, die durch eine vorgegebene Grundlinie getrennt sind, ähnlich dem
Prinzip der Telemetrie koinzidenter Bilder. Dieses wohlbekannte
optische Verfahren der Entfernungsmessung wird auf ganz verschiedenen
Gebieten von der militärischen
Artillerie bis zu Kameras mit Entfernungsmesser verwendet. Solche
herkömmlichen
Entfernungsmesser ermitteln die Entfernung durch genaue Messung
des optischen Schnittwinkels zwischen zwei Betrachungspositionen,
die durch eine genau bekannte Grundlinie oder einen genau bekannten
Versatz getrennt sind. Anstatt die Entfernung von dem Objekt zu
dem Instrument zu messen, fixiert der mit Stereovision arbeitende
Regensensor den Abstand, die Grundlinie (bzw. den Versatz) und den
eingeschlossenen Betrachtungswinkel, um Objekte in einer bestimmten
Entfernung eindeutig zu lokalisieren. Anders ausgedrückt, nur
Objekte, die in einem vorgegebenen, eng definierten Bereich auftauchen,
werden in den zwei getrennten Ansichten des überwachten Bereichs räumlich korreliert.
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Gemäß 1 sind
zwei Bilderzeugungssysteme, die durch einen nominalen Grundlinienabstand (d)
getrennt sind, so angeordnet, dass ein vorgegebener Bereich auf
der Windschutzscheibe betrachtet (überwacht) werden kann. In dem
dargestellten Beispiel ist jede Bilderzeugungsvorrichtung 14 und 16 mit
ihrer eigenen Bilderzeugungsoptik versehen, aber gemäß 2 und 3 kann
auch nur eine Linse 30 verwendet werden. Das wichtige und
notwendige Merkmal der Erfindung besteht darin, dass sich die optischen
Achsen für
jeden der zwei oder mehr Betrachtungswinkel A und B im Punkt X schneiden.
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Dieser
Schnittpunkt X liegt zwar auf der Außenseite des Glases 12,
doch kann er de facto der Einfachheit halber auch außerhalb
des Glases liegen, d.h. angrenzend an die Außenseite des Glases 12.
Um den Schnittpunkt X von dem Glas wegzubewegen, muss einfach eine
korrigierende Einstellung des Versatzes in der Bildanalysesoftware 40 vorgenommen
werden. Zur Erläuterung
und der Einfachheit halber ist der Schnittpunkt X der zwei (oder mehr)
optischen Achsen A und B als auf dem Glas befindlich dargestellt.
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Unter
der Annahme eines entsprechend gewählten, sich überlappenden
Blickfelds für
jede Bilderzeugungsvorrichtung wird das Vorhandensein von Wassertropfen 10 oder
sonstigem auf der Außenseite
der Windschutzscheibe liegendem Material auf jeder Brennebenenanordnung 14, 114 und 16, 116 abgebildet.
Zur Erläuterung
befindet sich ein Regentropfen 10 im Schnittpunkt X der
Achsen A und B auf der Außenseite
des Glases 12, d.h. an einer Stelle, die mit beiden optischen
Achsen A und B zusammenfällt.
Eine solche Position X würde
das Bild dieses Regentropfens 10 in der Mitte des ersten Bildsensors 14, 114 und
des zweiten Bildsensors 16, 116 platzieren. Das
heißt,
die Korrelation der Bilder wäre
praktisch perfekt; d.h. das Bild des Regentropfens 10 im
Schnittpunkt X auf jeder Brennebenenanordnung wäre fast identisch. Natürlich würden auch andere
Objekte innerhalb des Blickfelds eine ausgezeichnete Korrelation
zeigen, wenn sie auf der Außenseite
der Windschutzscheibe liegen. Infolge der Verschiebung der Perspektive
kommt es zwar zu einer gewissen geometrischen Verzerrung, doch können die
abgebildeten Objekte leicht korreliert werden. Varianzen in der
Vergrößerung aufgrund
des Grundlinienversatzes und Unterschiede im Betrachtungswinkel
können
in der Software 40 kompensiert werden.
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Um
die Installation des Systems zu erleichtern und sich genau überlappende
Blickfelder zu erhalten, könnte
man ein oder mehr kleine Bildmarken auf die Windschutzscheibe drucken.
Diese Marken würden
in jedem Blickfeld Referenzpunkte darstellen und könnten die
Grundlage für
einen adaptiven Korrelationsprozess sein, der keine genaue Positionierung
oder Platzierung jedes Bilderzeugungssystems erfordert.
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Anhand
von 1 ist ein störendes
Artefakt 44 innerhalb des Blickfelds des Regensensors dargestellt.
Dieses Artefakt 44 kann eine kleine, helle Lichtquelle
oder Reflexion sein, die sonst die Erkennung von Regentropfen stören könnte. Wenn
das Artefakt 44 nicht auf der Außenseite der Windschutzscheibe
liegt (was wahrscheinlich ist), wird die Position des Bildes des
Artefakts 44, das auf jeden Bildsensor 14 und 16 mit
Brennebene projiziert ist, etwas anders sein. Wie hier gezeigt,
würde die
Lage 144 des Bildes des Artefakts 44 auf dem ersten Bildsensor 14 etwas
rechts von dem zentrierten Bild des Regentropfens 10 auf
dem ersten Bildsensor 14 abgebildet werden, und die Lage 244 des
Bildes des Artefakts 44 etwas links von dem zentrierten
Bild des Regentropfens 10 auf dem zweiten Bildsensor 16. Die
Positionsumkehr ist auf die Bilderzeugungslinsen zurückzuführen. Das
Ergebnis einer solchen stereographischen Bilderzeugung besteht darin,
dass Bilder möglicher
störender
Objekte oder Lichtquellen in den beiden Ansichten nicht korreliert
sind, d.h. die Lage dieser Artefakte 144 und 244 erscheint
in verschiedenen Teilen des Bildrahmens. Echte Wassertropfen, die
auf der Glasaußenseite
liegen, sind jedoch gut korreliert und können korrekt als Regen identifiziert
werden. Die Korrelation der beiden Bilder, die im Wesentlichen gleichzeitig
erfasst werden, kann zweckmäßigerweise
mit Hilfe des digitalen Korrelators 22 erfolgen. Dieser
Korrelator 22 kann als Hardware oder besser noch als Software
konfiguriert sein. Eine solche Software würde im Allgemeinen die Luminanzwerte
der Bildpunkte in den beiden Bildrahmen 14, 114 und 16, 116 vergleichen
und die Koinzidenz ermitteln. Verschiedene Gewichtungsparameter
würden
verwendet, um den erwarteten geringfügigen Varianzen in den beiden
Ansichten Rechnung zu tragen, und es könnte eine Reihe von Sollpunkten oder
Triggerniveaus 42 festgelegt werden, um das Wischen der
Windschutzscheibe in Gang zu setzen. Natürlich könnten auch verschiedene Formen
der Filterung in der Frequenz- und Zeitdomäne verwendet werden, um die
Systemreaktion und Regenempfindlichkeit zu optimieren.
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Es
sei angemerkt, dass die vorliegende Erfindung zum Abbilden nativer
Regentropfen oder sonstiger Feuchtigkeit sowie der Spiegelung oder Brechung
von den Tropfen verwendet werden kann. In den meisten Fällen wird
eine externe Beleuchtung (Tageslicht) Bilder von gebrochenem Licht
entstehen lassen, während
eine interne Beleuchtung (zusätzliche
Infrarotstrahlung) Spiegelbilder erzeugen wird.
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Wie
es sich versteht, stellt die vorliegende Erfindung ein Verfahren
zum Erfassen von Feuchtigkeit 10 auf der Außenseite
einer Glasscheibe 12 bereit, mit den folgenden Schritten:
Betrachten der Außenseite
des Glases 12 längs
einer ersten optischen Achse A, um ein erstes Bild 14, 114 zu
erzeugen, und Betrachten der Außenseite
des Glases 12 längs
einer zweiten optischen Achse B, die die erste optische Achse A
in einem angrenzend an die Außenseite
des Glases 12 angeordneten Schnittpunkt X schneidet, um
ein zweites Bild 16, 116 zu erzeugen. Dies wird kombiniert
mit den Schritten des Korrelierens des ersten und des zweiten Bildes
und des Erzeugens eines Aktivierungssignals 24 in Reaktion
auf die Koinzidenz von Feuchtigkeit 10 in dem jeweiligen
korrelierten ersten und zweiten Bild 14, 114 und 16, 116. Das
Korrelieren erfolgt digital, und vorbestimmte Sollpunkte 42 der
Koinzidenz sind als Vorbedingung für das Erzeugen des Aktivierungssignals 24 festgelegt.
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Bei
dem Verfahren wird der Schnittpunkt X der optischen Achsen auf erste
und zweite Bildsensoren 14, 114 und 16, 116 fokussiert,
um das erste und das zweite Bild zu erzeugen. Das Fokussieren des
Schnittpunkts X der optischen Achsen wird durch eine einzige Linse 30 und
auf einen ersten Bildsensor 114 und durch die einzige Linse 30 auf
einen zweiten Bildsensor 116 erfolgen, um jeweils das erste
und das zweite Bild zu erzeugen. In diesem Fall kann der Schritt
den Blick längs
mindestens einer der optischen Achsen durch mindestens einen Spiegel,
z.B. den Blick längs
der erste optischen Achse A durch ein erstes Spiegelsystem 32, 34 und
den Blick längs der
zweiten optischen Achse B durch ein zweites Spiegelsystem 36, 38 umfassen.
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Ganz
offensichtlich sind angesichts der obigen Lehre viele Modifikationen
und Variationen der vorliegenden Erfindung möglich. Die Erfindung ist nur auf
den Umfang der beigefügten
Ansprüche
begrenzt.