DE102012011847A1 - Nachtsichtsystem für ein Kraftfahrzeug - Google Patents
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Abstract
Ein Nachtsichtsystem für ein Kraftfahrzeug umfasst wenigstens eine Infrarotlicht emittierende LED-Baugruppe (6) und einen im Wellenlängenbereich des Infrarotlichts empfindlichen Sensor (13). Die LED-Baugruppe (6) ist ausgelegt, um einen gebündelten Infrarotstrahl (9) zu emittieren, der von Ablenkmitteln (7; 12; 20) periodisch durch einen vorgegebenen Raumwinkelbereich bewegt wird.
Description
- Die vorliegende Erfindung betrifft ein Nachtsichtsystem für den Einsatz in einem Kraftfahrzeug. Nachtsichtsysteme basieren im Allgemeinen auf der Erfassung von für den Menschen nicht wahrnehmbarer Infrarotstrahlung und deren Umsetzung in ein für einen Betrachter wahrnehmbares Bild. Passive, auf der Erfassung von in der Umgebung vorhandener Infrarotstrahlung basierende Nachtsichtsysteme haben das Problem, dass das Infrarotbild einer Szenerie sich stark vom natürlichen Bild in sichtbarem Licht unterscheidet und für einen ungeübten Betrachter nur schwer auszuwerten ist. Wird beispielsweise ein solches Nachtsichtsystem auf ein Kraftfahrzeug gerichtet, dann sind warme Teile des Kraftfahrzeugs wie etwa Scheinwerfer und Auspuff deutlich zu erkennen, während Karosseriebleche, deren Temperatur sich nicht nennenswert von der Umgebung unterscheidet, sich kaum sichtbar vom Hintergrund abheben. Um ein zur gewohnten Wahrnehmung ähnliches Bild mit einem Infrarotnachtsichtsystem erzeugen zu können, muss ein solches System eine eigene Infrarot-Lichtquelle aufweisen, mit der zu erfassende Objekte angeleuchtet werden können.
- Ein Nachtsichtsystem mit Infrarot-Lichtquelle ist z. B. aus
DE 103 48 117 A1 bekannt. - Das von den LEDs dieses herkömmlichen Nachtsichtsystems ausgestrahlte Infrarotlicht wird von Menschen nicht bewusst wahrgenommen. Ein Betrachter kann daher frontal auf die Infrarot-Lichtquelle schauen, ohne dabei eine Blendung zu verspüren und ohne dass es zu einer Pupillenverengung kommt. Dadurch kann das Licht der Infrarot-Lichtquelle lange Zeit und mit hoher Intensität auf die Netzhaut eines Betrachters fokussiert werden. Um Schäden an der Netzhaut zu vermeiden, schlägt
DE 103 48 117 A1 vor, Infrarot-LEDs an einer Kraftfahrzeugkarosserie über eine große Fläche verteilt anzuordnen, so dass sich auch ihr Licht auf der Netzhaut eines Betrachters großflächig verteilt. - Eine solche großflächige Verteilung vieler IR-LEDs macht den Einbau dieses herkömmlichen Nachtsichtsystems aufwendig und teuer.
- Aufgabe der Erfindung ist, ein Nachtsichtsystem zu schaffen, das eine Blendung eines Betrachters sicher ausschließen kann, ohne dafür eine große Zahl von räumlich weit verteilten Infrarot-Lichtquellen zu benötigen.
- Die Aufgabe wird gelöst, indem bei einem Nachtsichtsystem für ein Kraftfahrzeug mit wenigstens einer Infrarotlicht emittierenden LED-Baugruppe und einem im Wellenlängenbereich des Infrarotlichts empfindlichen Sensor die LED-Baugruppe ausgerichtet ist, um einen gebündelten Infrarotstrahl zu emittieren und Ablenkmittel zum periodischen Bewegen des Infrarotstrahls durch einen vorgegebenen Raumwinkelbereich vorgesehen sind.
- Die Bewegung des Infrarotstrahls stellt sicher, dass dieser niemals über eine längere Zeit hinweg die Augen eines Betrachters treffen kann. Die mit der Bewegung des gebündelten Infrarotstrahls zusammenhängende Schwankung der aus einer gegebenen Raumrichtung zurückgeworfenen Infrarot-Intensität erleichtert die Unterscheidung zwischen reflektiertem Infrarotlicht und Untergrund, so dass eine geringe Lichtleistung der LED-Baugruppe ausreicht, um ein gewünschtes Signal-Rauschverhältnis zu erzielen. Auch dies trägt wieder zur Blendsicherheit des erfindungsgemäßen Nachtsichtsystems bei.
- Die Ablenkmittel können durch einen eine Drehung der gesamten LED-Baugruppe antreibenden Motor gebildet sein; einer bevorzugten Ausgestaltung zufolge kann jedoch die LED-Baugruppe in Bezug auf das Kraftfahrzeug unbeweglich montiert sein, und die Ablenkmittel umfassen wenigstens einen rotierenden Körper, der im Strahlengang der LED-Baugruppe angeordnet ist, um den Infrarotstrahl zu brechen, oder einen den Infrarotstrahl reflektierenden rotierenden Spiegel. Es können mehrere solcher Körper oder Spiegel im Strahlengang hintereinandergeschaltet sein, um den Infrarotstrahl gleichzeitig in zwei verschiedene Raumrichtungen abzulenken und so einen zweidimensionalen Raumwinkelbereich abzutasten.
- Der Körper oder Spiegel ist vorzugsweise prismenförmig.
- Der Sensor kann ein einzelnes, für Infrarot aus dem gesamten vorgegebenen Raumwinkelbereich empfindliches Sensorelement umfassen. Dann spiegelt die zeitliche Änderung des Ausgabesignals dieses Sensors die im Laufe der Bewegung des Infrarotstrahls veränderliche Menge an zum Sensor reflektiertem Infrarot wider, und ein Bild der Umgebung kann aus dem Ausgabesignal rekonstruiert werden, wenn zu jedem Zeitpunkt bekannt ist, in welche Richtung der Infrarotstrahl emittiert wird. Vorzugsweise umfasst der Sensor eine ein- oder zweidimensionale Anordnung von Sensorelementen, die unmittelbar ein ortsaufgelöstes Ausgabesignal liefert.
- Die Periode, mit der die Sensorelemente der Anordnung ausgelesen werden, ist zweckmäßigerweise kürzer als die Periode der Bewegung des Infrarotstrahls. Dies hat zur Folge, dass zwischen aufeinanderfolgenden Auslesezeitpunkten immer jeweils nur ein Teil der Sensorelemente reflektiertes Infrarotlicht der LED-Baugruppe empfangen hat, während die übrigen Sensorelemente lediglich natürliches Infrarot empfangen haben. Indem die Differenz zwischen nacheinander ausgelesenen Daten jedes Sensorelements gebildet wird, kann der Beitrag des natürlichen Infrarots unterdrückt und das reflektierte Infrarot der LED-Baugruppe vor geringem Untergrund mit hoher Empfindlichkeit erfasst werden.
- Die meisten Infrarotsensoren basieren auf Halbleitermaterialien und sind intrinsisch empfindlich gegen Photonen, deren Energie größer ist als die Bandlücke des Halbleitermaterials. Der Wellenlängenbereich, in dem diese Sensoren empfindlich sind, hat daher meist eine Breite von mehreren hundert Nanometer. Um das Untergrundsignal eines solchen Sensors zu reduzieren, ist es zweckmäßig, davor einen schmalbandig für den Infrarotstrahl der LED durchlässigen Filter vorzusehen.
- Die LED-Baugruppe ist vorzugweise Teil eines Scheinwerfers. Dies vereinfacht Verdrahtung und Montage, und es hat überdies den Vorteil, dass ein Betrachter, wenn er von einer sichtbaren Lichtquelle des Scheinwerfers geblendet ist, unwillkürlich dem Licht ausweicht oder seine Pupillen verengt, so dass seine Netzhaut vor einer lang anhaltenden Belichtung mit aus Richtung des Scheinwerfers kommenden Infrarotlicht geschützt sind.
- Um die Schutzwirkung sicherzustellen, ist die LED-Baugruppe vorzugweise nur gemeinsam mit einer Lichtquelle für sichtbares Licht des Scheinwerfers betreibbar.
- Um die Häufigkeit, mit der ein gegebener Raumwinkel von einem Infrarotstrahl des Nachtsichtsystems abgetastet wird – und damit die Aktualisierungsrate der von dem Nachtsichtsystem gelieferten Bilder – zu erhöhen, kann das System eine Mehrzahl von LED-Baugruppen umfassen. Damit trotz begrenzter Bewegungsfreiheit des von einer einzelnen LED-Baugruppe emittierten Strahls ein großer Winkelbereich von dem Nachtsichtsystem erfasst werden kann, können die LED-Baugruppen zweckmäßigerweise so angeordnet sein, dass die von ihnen emittierten Strahlen jeweils aneinander angrenzende Raumwinkelbereiche überstreichen.
- Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die beigefügten Figuren. Aus dieser Beschreibung und den Figuren gehen auch Merkmale der Ausführungsbeispiele hervor, die nicht in den Ansprüchen erwähnt sind. Solche Merkmale können auch in anderen als den hier spezifisch offenbarten Kombinationen auftreten. Die Tatsache, dass mehrere solche Merkmale in einem gleichen Satz oder in einer anderen Art von Textzusammenhang miteinander erwähnt sind, rechtfertigt daher nicht den Schluss, dass sie nur in der spezifisch offenbarten Kombination auftreten können; stattdessen ist grundsätzlich davon auszugehen, dass von mehreren solchen Merkmalen auch einzelne weggelassen oder abgewandelt werden können, sofern dies die Funktionsfähigkeit der Erfindung nicht in Frage stellt. Es zeigen:
-
1 eine Vorderansicht eines Kraftfahrzeugs, das mit einem erfindungsgemäßen Nachtsichtsystem ausgestattet ist; -
2 einen schematischen Teilschnitt durch einen Scheinwerfer des Fahrzeugs aus1 ; -
3 einen zu2 analogen Schnitt gemäß einer zweiten Ausgestaltung der Erfindung; -
4 ein erstes von einer Kamera des Nachtsichtsystems geliefertes Bild; -
5 ein zweites von der Kamera geliefertes Bild; und -
6 ein aus den Bildern der4 und5 abgeleitetes, dem Fahrer des Fahrzeugs auf einem Anzeigeschirm dargebotenes Bild; und -
7 einen zu2 analogen Schnitt gemäß einer dritten Ausgestaltung der Erfindung. -
1 zeigt eine Frontalansicht eines Kraftfahrzeugs, das mit Frontscheinwerfer auf LED-Grundlage ausgestattet ist. Jeder der Frontscheinwerfer1 setzt sich zusammen aus einer Vielzahl von stationären Einheiten2 , die jeweils einen Reflektor3 und, am Boden des Reflektors, eine Baugruppe mit mehreren LEDs oder einer einzelnen leistungsstarken LED4 umfassen, die sichtbares, je nach Anwendung weißes oder farbiges Licht emittiert. Jeweils mehrere der Einheiten2 sind durch gemeinsame Ansteuerung zu einer Funktionsgruppe wie etwa einem Blinker, einem Abblendlicht, einem Fernlicht etc. zusammengefasst. - Zwischen den Einheiten
2 des Fernlichts, die im Wesentlichen einen oberen Teil des Scheinwerfers einnehmen, und denen des Abblendlichts im unteren Bereich des Scheinwerfers1 erstreckt sich eine Zone5 , in der jeweils mehrere LED-Baugruppen6 angeordnet sind, die im Koordinatensystem des Fahrzeugs bewegliche Infrarotstrahlen emittieren. Zwei solche LED-Baugruppen gemäß einer ersten Ausgestaltung der Erfindung sind in2 in einem schematischen Schnitt gezeigt. Sie umfassen jeweils ein von einem nicht dargestellten Motor um eine zur Schnittebene senkrechte Achse drehangetriebenes Prisma7 sowie eine IR-emittierende LED8 , deren Strahl9 in dem jeweils zwischen der LED8 und einer Außenscheibe10 des Scheinwerfers1 angeordneten Prisma7 gebrochen und abgelenkt wird. Zylinderlinsen19 sind zum Auffächern der Strahlen9 in vertikaler Richtung von den LEDs8 angeordnet. Die LED kann inkohärent emittierend sein, es kann aber auch eine Laserdiode verwendet werden. Mit modernen Laserdioden sind sehr hohe Leuchtdichten erreichbar. Da sie außerdem einen eng gebündelten und wenig divergenten Strahl liefern, können die Abmessungen des Prismas7 klein gehalten werden, was die Unterbringung im Scheinwerfer erleichtert. - Die azimutale Richtung, in die das Prisma
7 den Strahl9 ablenkt, variiert mit der Drehung des Prismas7 , so dass jeder Strahl9 in einem Winkelintervall, wie im Falle der rechten LED8 der2 durch punktierte Linien11 bezeichnet, hin und her pendelt. Die Orientierung der auf der linken Seite benachbarten LED8 ist gegen die der rechten LED8 so verdreht, dass die von ihren Strahlen9 nach Durchlaufen der Prismen7 überstrichenen Winkelintervalle einander berühren oder knapp überlappen. Indem in der Zone5 eine ausreichend große Zahl unterschiedlich orientierter LEDs8 montiert wird, kann der von ihren Strahlen9 abgetastete Azimutalwinkelbereich im Prinzip beliebig groß gemacht werden. - Anstelle eines rotierenden Prismas kann, wie in
3 gezeigt, auch ein rotierender Spiegel12 eingesetzt werden, um den Strahl9 der LED8 abzulenken. Da die LED8 hier seitlich vom Spiegel12 montiert sein muss, belegt eine einzelne LED-LED-Baugruppe6 hier mehr Platz entlang der Oberfläche der Außenscheibe10 als bei der Ausgestaltung der2 . Dieser Nachteil wird jedoch ausgeglichen durch die Tatsache, dass der von einem einzelnen Strahl9 überstrichene Winkelbereich größer gemacht werden kann als im Falle eines in Transmission betriebenen Prismas7 , so dass die zum Abdecken eines gegebenen Raumwinkelbereichs vor dem Fahrzeug benötigte Zahl von LED-Baugruppen6 kleiner ist als bei der Ausgestaltung der2 . Außerdem schwenkt der Strahl9 außerhalb des Scheinwerfers mit einer konstanten Winkelgeschwindigkeit, nämlich der doppelten Winkelgeschwindigkeit des Spiegels12 und springt, wenn er einen Rand seines Winkelbereichs erreicht hat, abrupt zum entgegengesetzten Rand zurück, so dass Ungleichmäßigkeiten der Ausleuchtung, die im Falle des Prismas auf eine veränderliche Winkelgeschwindigkeit des Strahls9 zurückzuführen sind, vermieden werden. - Das Prisma
7 und der Spiegel12 sind in1 und2 jeweils mit dreieckigem Querschnitt gezeigt, doch versteht sich, dass auch andere polygonale Querschnitte in Betracht kommen. - Das von Objekten vor dem Fahrzeug reflektierte Licht der LEDs
8 erreicht eine Kamera13 , die, wie in1 gezeigt, an der Innenseite einer Frontscheibe14 der Fahrgastzelle, vorzugweise mittig in der Nähe des oberen Randes der Frontscheibe14 , angebracht sein kann, und auf die vor dem Fahrzeug liegende Fahrbahn ausgerichtet ist. Die Kamera13 enthält als optischen Sensor eine an sich bekannte zweidimensionale Anordnung von Sensorelementen wie etwa eine CCD-Vorrichtung, die intrinsisch empfindlich ist für sichtbares Licht und Licht im nahen Infrarotbereich mit Wellenlängen von bis zu ca. 1 μm. Um den Sensor gegen das sichtbare Licht unempfindlich zu machen, ist vor ihm ein für sichtbares Licht undurchlässiger, für Infrarot transparenter Filter angeordnet. Um die Kamera13 möglichst unempfindlich gegen natürliche Infrarotstrahlung zu machen, kann der Filter schmalbandig mit einer genau auf das Emmissionsspektrum der LEDs8 abgestimmten Transmissionsbandbreite sein, um das Licht der LEDs8 möglichst vollständig durchzulassen, Infrarot mit nicht zum Spektrum der LEDs8 gehörenden Wellenlängen aber zu blockieren. - Der Filter kann beweglich sein, um die Kamera
13 auch für andere Aufgaben der Verkehrsraumüberwachung einsetzen zu können, insbesondere dann, wenn wegen ausreichender Umgebungshelligkeit die Scheinwerfer1 und, als Teil von ihnen, auch die LEDs8 ausgeschaltet sind und das Nachtsichtsystem nicht benötigt wird. -
4 zeigt schematisch ein zu einem gegebenen Zeitpunkt von der Kamera13 aufgenommenes Bild einer vor dem Fahrzeug verlaufenden zweispurigen Straße15 . Auf der Gegenspur nähert sich ein Fahrzeug16 . Die Zeitspanne, in der die Kamera13 das Licht für das Bild der4 sammelt und integriert, ist kürzer als die Bewegungsperiode der Strahlen9 , im hier betrachteten Fall in etwa halb so lang. Infolgedessen zerfällt das von der Kamera13 gelieferte Bild in eine Mehrzahl von einander von links nach rechts abwechselnden Zonen17 ,18 . Die Zonen17 sind gebildet durch diejenigen Raumwinkelbereiche, die während der Sammelzeit von einem Strahl9 überstrichen worden sind, die Zonen18 hingegen sind unbeleuchtet geblieben. In den Zonen17 basiert das Bild der Kamera somit auf dem reflektierten Licht der LEDs8 sowie auf natürlichem Infrarot der beobachteten Szenerie, während in den Zonen18 allenfalls ein undeutliches, allein auf dem natürlichen Infrarot basierendes Bild erhalten wird. - Während eines darauffolgenden Integrationszeitraums überstreichen die Strahlen
9 die zuvor unbeleuchtet gebliebenen Zonen18 , während die im vorhergehenden Integrationszeitraum beleuchteten Zonen17 im Dunkel verbleiben. Das dabei erhaltene, in5 gezeigte Bild ist daher genau in den Zonen18 detailreich, die im Bild der4 kaum erkennbare Strukturen enthalten, und umgekehrt. - Die Bilder der
4 und5 können zu einem vollständigen Bild kombiniert werden, indem für jedes Pixel der Betrag der Differenz der Helligkeitswerte der Bilder von4 und5 berechnet wird. Da der Beitrag der natürlichen Infrarotstrahlung in den Bildern der4 und5 gleich ist, wird er in dem so berechneten Bild unterdrückt, und sichtbar werden lediglich diejenigen Objekte der Szenerie, die von den Strahlen9 getroffen werden. Infolgedessen ist das Fahrzeug16 als Ganzes in dem Bild der6 klar sichtbar, aber Teile des Fahrzeugs16 , die von sich aus starke Infrarotstrahlung emittieren, wie etwa die Scheinwerfer, überstrahlen die im Licht der LEDs8 sichtbar werdenden Strukturen nicht. - Die vertikale Ausdehnung der beleuchteten Zonen
17 ist zurückzuführen auf die vertikale Auffächerung der Strahlen9 durch die Zylinderlinsen19 in den LED-Baugruppen6 der2 bzw.3 .7 zeigt einer Ausgestaltung einer LED-Baugruppe6 , bei der die Zylinderlinse ersetzt ist durch einen Spiegel20 , der um eine in der Schnittebene verlaufende Achse mit einer Periode schwenkbar ist, die ein ganzzahliges Vielfaches der azimutalen Ablenkperiode des Spiegels12 ist. Die Bewegung des Spiegels20 lässt den Punkt, an dem der Strahl den Spiegel12 trifft, in der Vertikalen wandern, so dass der Strahl9 die Umgebung zeilenweise, wie der Elektronenstrahl einer Bildröhre, abtastet. Bei Verwendung einer solchen LED-Baugruppe können mit der Kamera13 Bilder erhalten werden, die sich wie die Bilder der4 und5 aus beleuchteten und unbeleuchteten Zonen zusammensetzen und zu einem um den Beitrag der natürlichen Infrarotstrahlung bereinigten Bild kombiniert werden können. - Bezugszeichenliste
-
- 1
- Scheinwerfer
- 2
- LED-Baugruppe
- 3
- Reflektor
- 4
- LED
- 5
- Zone
- 6
- LED-Baugruppe
- 7
- Prisma
- 8
- LED
- 9
- Strahl
- 10
- Außenscheibe
- 11
- Linie
- 12
- Spiegel
- 13
- Kamera
- 14
- Frontscheibe
- 15
- Straße
- 16
- Fahrzeug
- 17
- Zone
- 18
- Zone
- 19
- Zylinderlinse
- 20
- Spiegel
- ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
- Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
- Zitierte Patentliteratur
-
- DE 10348117 A1 [0002, 0003]
Claims (10)
- Nachtsichtsystem für ein Kraftfahrzeug mit wenigstens einer Infrarotlicht emittierenden LED-Baugruppe (
6 ) und einem im Wellenlängenbereich des Infrarotlichts empfindlichen Sensor (13 ), dadurch gekennzeichnet, dass die LED-Baugruppe (6 ) ausgelegt ist, um einen gebündelten Infrarotstrahl (9 ) zu emittieren und dass Ablenkmittel (7 ;12 ;20 ) zum periodischen Bewegen des Infrarotstrahls (9 ) durch einen vorgegebenen Raumwinkelbereich vorgesehen sind. - Nachtsichtsystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Ablenkmittel wenigstens einen rotierenden, den Infrarotstrahl brechenden Körper (
7 ) oder einen rotierenden Spiegel (12 ;20 ) umfassen. - Nachtsichtsystem nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Körper (
7 ) oder der Spiegel (12 ) prismenförmig ist. - Nachtsichtsystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Sensor (
13 ) eine ein- oder zweidimensionale Anordnung von Sensorelementen umfasst. - Nachtsichtsystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Periode, mit der die Sensorelemente ausgelesen werden, kürzer ist als die Periode der Bewegung des Infrarotstrahls (
9 ). - Nachtsichtsystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass dem Sensor (
13 ) ein schmalbandig für den Infrarotstrahl (9 ) der LED-Baugruppe (6 ) durchlässiger Filter vorgesetzt ist. - Nachtsichtsystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die LED-Baugruppe (
6 ) Teil eines Scheinwerfers (1 ) ist. - Nachtsichtsystem nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die LED-Baugruppe (
6 ) nur gemeinsam mit einer Lichtquelle (4 ) für sichtbares Licht betreibbar ist. - Nachtsichtsystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die LED-Baugruppe (
6 ) eine Laserdiode umfasst. - Nachtsichtsystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass es eine Mehrzahl von LED-Baugruppen (
6 ) umfasst, die durch aneinandergrenzende Raumwinkelbereiche bewegte Strahlen (9 ) emittieren.
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