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Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung, um eine Bilderfolge einer Umgebung eines Fahrzeugs aufzunehmen, sowie ein entsprechend ausgestaltetes Fahrzeug, welches die vorliegende Erfindung beispielsweise für einen elektronischen Rückspiegel einsetzt.
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Um die Aufnahme der Bilderfolge sowohl am Tage als auch in der Nacht mit einer ausreichenden Qualität zu ermöglichen, müssen große Helligkeitsbereiche abgedeckt werden. Wird beispielsweise ein bildgebender Sensor benutzt, um als Rückspiegel des Fahrzeugs eingesetzt zu werden, muss die auf ihn einfallende Helligkeit reguliert werden. Dies erfolgt nach dem Stand der Technik durch eine elektronische Belichtungszeitsteuerung in der digitalen Kamera. Die Zeitdauer, in welcher das Bild aufgenommen wird, kann bei heller Umgebung daher wesentlich kürzer sein als die Zykluszeit für die Bildübertragung. Trotzdem sollten gepulste Lichtquellen, welche ihr Licht in Form von kurzen Lichtpulsen abstrahlen, in der aufgenommenen Bilderfolge zu erkennen sein, um beispielsweise auch geblitzte LED-Lichter von modernen Einsatzfahrzeugen neben rotierenden Warnlichtern von älteren Einsatzfahrzeugen (z. B. Blaulicht eines Polizeifahrzeugs) als solche in der Bilderfolge zu erkennen.
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Daher stellt sich die vorliegende Erfindung die Aufgabe, eine Bilderfolge einer Umgebung eines Fahrzeugs aufzunehmen, wobei auch Lichtpulse nahezu beliebig kurzer Zeitdauer in entsprechender Qualität in der aufgenommenen Bilderfolge enthalten sind.
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Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch ein Verfahren zur Aufnahme einer Bilderfolge einer Umgebung eines Fahrzeugs nach Anspruch 1, durch eine Vorrichtung zur Aufnahme einer Bilderfolge einer Umgebung eines Fahrzeugs nach Anspruch 7, durch ein Fahrzeug nach Anspruch 11 und durch eine Verwendung einer Vorrichtung nach Anspruch 13 gelöst. Die abhängigen Ansprüche definieren bevorzugte und vorteilhafte Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung.
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Im Rahmen der vorliegenden Erfindung wird ein Verfahren zur Aufnahme einer Bilderfolge einer Umgebung eines Fahrzeugs bereitgestellt. Dabei wird ein Licht oder eine optische Strahlung der Umgebung von einem Sensor erfasst, um die Bilderfolge aufzunehmen. Dieser Sensor wird während der Aufnahme der Bilderfolge kontinuierlich mit der auf ihn einfallenden Strahlung der Umgebung belichtet, um auch einen Lichtpuls mit beliebig kurzer Zeitdauer zu erfassen.
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Nach dem Stand der Technik erfolgt eine Anpassung an eine Helligkeit der auf den Sensor einfallenden Strahlung im Allgemeinen durch eine elektronische Belichtungszeitsteuerung. Dabei ist die Belichtungszeit, d. h. die Zeitdauer, in welcher der Sensor die optische Strahlung der Umgebung erfasst bzw. in welcher der Sensor lichtempfindlich ist, bei einer hellen Umgebung wesentlich kürzer als eine Zykluszeit für die Bildübertragung. Dabei ergibt sich die Zykluszeit aus der Framerate, d. h. der Anzahl der Bilder, die der Sensor pro Sekunde aufnimmt (das Produkt aus Zykluszeit und Framerate ergibt dabei eine Sekunde). Nach dem Stand der Technik ist bei einer hellen Umgebung beispielsweise eine Belichtungszeit von 1 ms bei einer normalen Zykluszeit von 30 ms üblich, was bedeutet, dass der Sensor 29 ms lang pro Zyklus quasi blind ist, und keine optische Strahlung der Umgebung erfasst.
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Dagegen erfasst der Sensor gemäß der vorliegenden Erfindung ständig oder kontinuierlich die auf ihn einfallende Strahlung der Umgebung, so dass seine Belichtungszeit maximal eingestellt ist. Dadurch ist das erfindungsgemäße Verfahren auch in der Lage Licht von gepulsten Lichtquellen, wie beispielsweise ein Blaulicht eines Fahrzeugs, als solches zu erfassen. Während es also nach dem Stand der Technik sehr wahrscheinlich ist, dass die Zeitdauer, in welcher eine gepulste Lichtquelle Licht aussendet, in eine Pausenzeit des Sensors (d. h. in eine Zeit ohne aktive Lichtaufnahme des Sensors) fällt, in welcher dieser nicht lichtempfindlich ist, ist dies gemäß der vorliegenden Erfindung nicht möglich. Damit erfasst der Sensor erfindungsgemäß auch Licht von modernen LED-Scheinwerfern oder LED-Rückleuchten, die ebenfalls Licht in gepulster Form ausgeben.
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Bei der vorliegenden Erfindung umfasst der Begriff Sensor sowohl einen Sensor, welcher ein gesamtes Bild erfasst, als auch einen Sensor, welcher nur einen Teil eines Bildes (z. B. ein Pixel des Bildes) erfasst. Im zweiten Fall werden mehrere Sensoren erfindungsgemäß eingesetzt, um die Bilderfolge aufzunehmen.
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Unter einer Bilderfolge wird bei der vorliegenden Erfindung eine Folge von Bildern verstanden. Der zeitliche Abstand zwischen zwei aufeinanderfolgenden Bildern wird dabei insbesondere derart gewählt sein, dass der Betrachter eine aufgenommene fließende Bewegung als solche erkennt, was bei einem zeitlichen Abstand von ca. 30 ms der Fall ist.
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Um z. B. eine Sättigung des Sensors zu vermeiden, kann eine Lichtmenge der auf den Sensor einfallenden Strahlung derart geregelt (z. B. gedämpft) werden, dass die Lichtmenge pro Zeiteinheit unterhalb eines vorbestimmten Schwellenwerts gehalten wird.
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Wenn der Sensor, beispielsweise ein CMOS-Sensor, über eine ausreichende Grundempfindlichkeit und einen geeigneten HDR-Modus (”High Dynamic Range”) verfügt, ist eine Regelung (Dämpfung) der auf den Sensor einfallenden Lichtmenge verzichtbar, da ein solcher Sensor unabhängig von der Helligkeit der Umgebung in der Lage ist, jederzeit auch gepulste Lichtquellen zu erkennen. Ein handelsüblicher Sensor weist diese Eigenschaften allerdings in der Regel nicht auf, so dass es bei einem Einsatz eines handelsüblichen Sensors vorteilhaft ist, die Lichtmenge pro Zeiteinheit unterhalb des vorbestimmten Schwellenwerts zu halten, um zu verhindern, dass der Sensor in die Sättigung kommt bzw. überbelichtet wird.
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Eine Pausenzeit des Sensors ist derart definiert, dass der Sensor in dieser Pausenzeit die auf ihn einfallende Strahlung nicht in elektrische Signale umsetzt oder nicht lichtempfindlich ist. Eine solche Pausenzeit ist vorteilhafterweise derart eingestellt, dass die Pausenzeit kürzer als eine vorgegebene Zeitdauer ist. Dabei entspricht die vorgegebene Zeitdauer derjenigen Zeitdauer, in welcher ein vorgegebener Lichtpuls, der von dem Sensor während der Aufnahme der Bilderfolge gerade noch zu erfassen sein soll, sein Licht abstrahlt. In der Pausenzeit kann der Sensor ausgelesen werden, um die dem jeweiligen Bild (Frame) entsprechende Ladung, welche während der Belichtungszeit abhängig von der in dieser Zeit einfallenden Lichtmenge von dem Sensor erzeugt wurde, zu erfassen und auszuwerten. Pausenzeiten von weniger als 5 μs sind bei handelsüblichen Sensoren möglich.
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Wenn diese Pausenzeit kürzer als diejenige Zeitdauer ist, in welcher der zu erfassende Lichtpuls sein Licht abstrahlt, ist gewährleistet, dass der Sensor den Lichtpuls auch dann erfasst, wenn die Pausenzeit gerade mit dieser Zeitdauer zusammenfällt. Mit anderen Worten erfasst der Sensor den Lichtpuls in jedem Fall.
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Damit keine Überbelichtung des Sensors stattfindet bzw. damit der Fall, dass der Sensor in die Sättigung gerät, nicht stattfindet, sind folgende Möglichkeiten erfindungsgemäß denkbar:
Mit einem Dämpfungsfilter kann die auf den Sensor einfallende Strahlung derart gedämpft werden, dass keine Übersteuerung oder Überbelichtung des Sensors möglich ist. Ein solches z. B. elektronisches Dämpfungsfilter, welches auch als fotochromatische oder elektrochromatische Linse bezeichnet wird, ist derart vor dem Sensor angeordnet, dass jegliche optische Strahlung der Umgebung, welche auf den Sensor einfällt, zuerst durch das Dämpfungsfilter verläuft. Bei einer fotochromatischen Linse erfolgt die Steuerung der Transmissionseigenschaften (d. h. der Lichtdurchlasseigenschaften) der Linse durch das einfallende Licht und bei der elektrochromatischen Linse durch Anlegen einer Spannung. In beiden Fällen wird die Transmissionseigenschaft des Dämpfungsfilters derart eingestellt, dass das Dämpfungsfilter einen umso geringeren Anteil der einfallenden Strahlung an den Sensor weiterleitet, je größer die Lichtmenge pro Zeiteinheit der auf das Dämpfungsfilter einfallenden Strahlung ist. Mit anderen Worten wird ein einfallendes helles Licht mittels des Dämpfungsfilters derart gedämpft, so dass keine Übersteuerung des Sensors auftritt, selbst wenn dieser kontinuierlich belichtet wird. Bei Dunkelheit wird das Dämpfungsfilter entsprechend angepasst, so dass auch gepulste Lichtquellen erkannt werden.
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Auch mit einer Blende kann die aufgrund der optischen Strahlung der Umgebung auf den Sensor einfallende Lichtmenge abhängig von Helligkeitsverhältnissen der Umgebung derart gesteuert werden, dass keine Übersteuerung oder Überbelichtung des Sensors auftritt. Dazu ist die Blende (genau wie das Dämpfungsfilter) derart vor dem Sensor angeordnet, dass jegliche auf den Sensor einfallende Strahlung der Umgebung vorher durch die Blendenöffnung verläuft. Zur Steuerung wird die Blendenöffnung der Blende, welche auch als Objektivblende oder Auto-Iris bezeichnet wird, automatisch derart gesteuert, dass bei verschiedenen Helligkeitsverhältnissen der Umgebung die pro Zeiteinheit auf den Sensor einfallende Lichtmenge trotzdem den vorbestimmten Schwellenwert nicht übersteigt. Die Blende reduziert die auf den Sensor einfallende Lichtmenge, indem der Strahlengang vom Rand her beschnitten wird. Die Blende dient zur mechanischen Regelung der Belichtung des Sensors. Durch den Einsatz der Blende, welche im optischen Weg vor dem Sensor angeordnet ist, wird eine eventuell auftretende Helligkeit derart heruntergeregelt, dass die Belichtungszeit des Sensors immer maximal lang ist. Dadurch erfasst der Sensor auch zeitlich kurze Lichtblitze.
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Erfindungsgemäß ist auch eine Kombination aus Dämpfungsfilter und Blende möglich, so dass das auf den Sensor einfallende Licht zuerst das Dämpfungsfilter und die Blende (oder umgekehrt) durchläuft, bevor es auf den Sensor auftrifft.
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Indem mit Hilfe des Dämpfungsfilters und/oder der Blende eine Übersteuerung des Sensors verhindert wird, kann die Belichtungszeit des Sensors vorteilhafterweise unabhängig von Umgebungslichtbedingungen maximal eingestellt werden, so dass der Sensor während der Aufnahme der Bilderfolge kontinuierlich mit der auf ihn einfallenden Strahlung belichtet wird, um so einen Lichtpuls beliebig kurzer Zeitdauer zu erfassen.
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Im Rahmen der vorliegenden Erfindung wird auch eine Vorrichtung zur Aufnahme einer Bilderfolge einer Umgebung eines Fahrzeugs bereitgestellt. Dabei umfasst die Vorrichtung eine Steuerung und einen lichtempfindlichen Sensor. Der Sensor erfasst eine optische Strahlung der Umgebung, um die Bilderfolge bzw. Folge von Bildern aufzunehmen. Die Vorrichtung ist derart ausgestaltet, dass der Sensor während der Aufnahme der Bilderfolge ständig mit der auf ihn einfallenden Strahlung belichtet wird.
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Dabei kann die Vorrichtung auch ein Dämpfungsfilter umfassen. Dieses Dämpfungsfilter ist derart im Bezug zu dem Sensor angeordnet, dass jegliche optische Strahlung, welche auf den Sensor einfällt, vorher durch das Dämpfungsfilter verläuft. Die Steuerung steuert das Dämpfungsfilter abhängig von einer Lichtintensität der Strahlung der Umgebung derart an, dass das Dämpfungsfilter die auf den Sensor einfallende Strahlung derart dämpft, dass keine Überbelichtung, Sättigung oder Übersteuerung des Sensors auftritt. Bei einer fotochromatischen Linse als Dämpfungsfilter kann die Steuerung der Vorrichtung zumindest teilweise auch in der Linse integriert sein, so dass die Transmissionseigenschaft der Linse bzw. des Dämpfungsfilters abhängig von dem auf die Linse einfallenden Licht eingestellt werden kann.
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Zusätzlich oder anstelle des Dämpfungsfilters kann die Vorrichtung auch eine Blende umfassen. Die Blende ist dabei derart bezüglich des Sensors angeordnet, dass jegliches auf den Sensor einfallendes Licht vorher durch die Blende verläuft. Die Steuerung der Vorrichtung steuert die Blende abhängig von Helligkeitsverhältnissen der Strahlung der Umgebung derart an, dass die von der Blende auf den Sensor einfallende Strahlung zu keiner Übersteuerung des Sensors führt. Bei Einsatz einer geregelten Objektivblende können je nach Lichteinfall Blendenstufen der Objektivblende derart gesteuert werden, dass der Sensor kontinuierlich belichtet werden kann, ohne dass eine Übersteuerung bei Helligkeit auftritt. Dadurch kann auch gepulstes Licht jederzeit von dem Sensor erfasst werden.
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Die Vorteile der erfindungsgemäßen Vorrichtung entsprechen im Wesentlichen den Vorteilen des erfindungsgemäßen Verfahrens, welche vorab im Detail ausgeführt sind, so dass hier auf eine Wiederholung verzichtet wird.
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Im Rahmen der vorliegenden Erfindung wird schließlich auch ein Fahrzeug bereitgestellt, welches eine erfindungsgemäße Vorrichtung umfasst.
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Bei einer bevorzugten erfindungsgemäßen Ausführungsform umfasst dieses Fahrzeug einen Monitor, auf welchem die mittels des Sensors aufgenommene Bilderfolge wiedergegeben wird.
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Ein solcher Monitor oder eine solche Bildanzeige kann dabei einen Rückspiegel (Außenspiegel oder Innenspiegel) des Fahrzeugs ersetzen. Mit anderen Worten kann die erfindungsgemäße Vorrichtung oder das erfindungsgemäße Verfahren für einen digitalen Außenspiegel oder für einen digitalen Innenspiegel in einem Fahrzeug eingesetzt werden.
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Die vorliegende Erfindung ist insbesondere geeignet, um eine von der Umgebung eines Fahrzeugs aufgenommene Bilderfolge auf einem Monitor innerhalb des Fahrzeugs wiederzugeben. Darüber hinaus kann die vorliegende Erfindung bei kamerabasierten Fahrerassistenzsystemen, z. B. zum Erkennen gepulster LED-Heck- und Bremsleuchten von vorausfahrenden Fahrzeugen eingesetzt werden. Auch die Erkennung von gepulstem LED-Licht eines Tagfahrlichts oder von Frontscheinwerfern eines entgegenkommenden Fahrzeugs bei einem Spurtwechselassistent (z. B. zur Warnung vor überholendem Verkehr) ist erfindungsgemäß möglich. Selbstverständlich ist die vorliegende Erfindung nicht auf diese bevorzugten Anwendungsbereiche eingeschränkt, da die vorliegende Erfindung auch bei Schiffen, Flugzeugen oder gleisgebundenen oder spurgeführten Fahrzeugen eingesetzt werden kann. Darüber hinaus kann die vorliegende Erfindung auch mit einem ortsfesten Monitor eingesetzt werden, um eine Bilderfolge einer beliebigen Umgebung auf diesem Monitor wiederzugeben.
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Im Folgenden wird die vorliegende Erfindung anhand bevorzugter Ausführungsformen mit Bezug zu den Figuren im Detail beschrieben.
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1 stellt die vorliegende Erfindung im Vergleich zum Stand der Technik anschaulich dar.
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In 2 ist eine prinzipielle erfindungsgemäße Verwendung eines lichtempfindlichen Sensors 1 dargestellt.
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3 stellt schematisch ein erfindungsgemäßes Fahrzeug mit einer erfindungsgemäßen Vorrichtung dar.
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In 1 sind oben Belichtungsintervalle 11 bei Dunkelheit dargestellt. Man erkennt, dass die Belichtungszeit (d. h. die Zeitdauer pro Bild, in welcher der Sensor lichtempfindlich ist) einen Großteil einer Periodendauer 2, in welcher jeweils ein Bild von einem als Eimer dargestellten lichtempfindlichen Sensor 1 erfasst wird, ausmacht. Aufgrund der Dunkelheit ist die auf den Sensor 1 einfallende Lichtmenge gering, was in Form eines Wassertropfens über dem Eimer (Sensor 1) dargestellt ist. Aufgrund der verhältnismäßig langen Belichtungszeit wird der Sensor 1 bei Dunkelheit nach dem Stand der Technik quasi kontinuierlich belichtet.
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Unter dem Verlauf der Belichtungsintervalle 11 ist ein Verlauf von Belichtungsintervallen 12 bei einer hellen Umgebung dargestellt. Man erkennt, dass in diesem Fall die Belichtungszeit nur einen geringen Prozentsatz der Periodendauer 2 ausmacht. Aufgrund der Helligkeit ist die auf den Sensor 1 einfallende Lichtmenge (im Verhältnis zur Dunkelheit) groß, was in Form mehrerer Wassertropfen über dem Eimer dargestellt ist. Aufgrund der verhältnismäßig kurzen Belichtungszeit wird der Sensor 1 bei Helligkeit nach dem Stand der Technik nur kurz belichtet, so dass nur ein Bruchteil der Lichtmenge in elektrische Signale gewandelt wird.
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Unter dem Verlauf der Belichtungsintervalle 12 bei Helligkeit sind Leuchtintervalle 13 einer gepulsten Lichtquelle dargestellt. Die Leuchtintervalle 13 weisen dabei eine mit dem Bezugszeichen 17 gekennzeichnete Zeitdauer auf. Bei der in 1 dargestellten Konstellation fällt nur der erste Lichtpuls 13 in die Belichtungszeit 12, während die anderen (durchgestrichenen) Lichtpulse 13 nicht in eine Belichtungszeit 12 fallen und daher von dem Sensor 1 nach dem Stand der Technik nicht erfasst werden.
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Erfindungsgemäß wird eine Blende 3 über dem Sensor 1 angeordnet. diese Blende 3 sorgt dafür, dass die Belichtungszeit trotz der Helligkeit maximal eingestellt werden kann, ohne dass dadurch der Sensor 1 überbelichtet wird, indem die Blende 3 nur einen bestimmten Anteil der Lichtmenge zu dem Sensor 1 durchlässt. Wenn eine Pausenzeit 18, in welcher der Sensor die auf ihn einfallende Lichtmenge nicht in elektrische Signale wandelt, kleiner als die Zeitdauer 17 ist, in welcher die gepulste Lichtquelle Licht abstrahlt, ist sichergestellt, dass der Sensor 1 erfindungsgemäß jeden Lichtpuls 13 erfasst.
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Zur Lösung der Aufgabe, jeden Lichtpuls 13 zu erfassen, werden demnach erfindungsgemäß längere Belichtungsintervalle 14 bei durch die Blende 3 reduzierter Leuchtdichte oder Lichtleistung eingesetzt.
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In 2 ist eine Kamera 16 mit einem lichtempfindlichen Sensor 1 zur Aufnahme von Lichtpulsen einer geregelten Pulslichtquelle 5 gemäß der vorliegenden Erfindung dargestellt. Vor der Kamera 16 sind eine Blende 3 und ein Dämpfungsfilter 4 angeordnet, um eine auf den Sensor 1 einfallende Lichtmenge unabhängig von Helligkeitsverhältnissen in der Umgebung auf einen vorbestimmten Schwellenwert zu beschränken. Dadurch ist es möglich, dass der Sensor 1 quasi ständig mit der auf ihn einfallenden Strahlung belichtet wird, umso so auch Lichtpulse beliebig kurzer Zeitdauer von der geregelten Pulslichtquelle 5 zu erfassen und in Form elektrischer Signale an eine entsprechende Auswertevorrichtung 15 weiterzuleiten.
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In 3 ist ein erfindungsgemäßes Fahrzeug dargestellt, welches eine erfindungsgemäße Vorrichtung 8 und einen Monitor 7 umfasst. Die Vorrichtung 8 umfasst ihrerseits einen lichtempfindlichen Sensor 1 und eine Steuerung 6. Die Steuerung 6 leitet die mit Hilfe des lichtempfindlichen Sensors 1 aufgenommene Bilderfolge an den Monitor 7 weiter. Wenn mit dem Sensor 1 eine Bilderfolge aus der rückwärtigen Umgebung des Fahrzeugs 10 aufgenommen wird, kann der Monitor 7 einen Rückspiegel des Fahrzeugs 10 ersetzen.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102006055905 A1 [0002]
- DE 102008022064 A1 [0002]
- US 7567291 B2 [0002]
