DE4007646A1 - Anordnung zur verbesserung der sicht in fahrzeugen - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Anordnung zur Verbesserung der Sicht in Fahrzeugen nach dem Oberbegriff des Pa­ tentanspruchs 1.

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 Lichtempfindlich, keit 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 eingestell­ ten oder aufgeblendeten Scheinwerfern entgegenkommender Fahrzeuge sein, ferner diffus rückgestreutes Licht der ei­ genen 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. Infra­ rot-Wärmebildkameras sind aufgrund der verwendeten Mate­ rialien sehr teuer und daher für Massenanwendungen wenig brauchbar. Das räumliche Auflösungsvermögen des Mikrowel­ len-Radars ist auch bei mm-Welle für die Erkennung einer Szene in Abständen von 5 m bis 300 m völlig unzulänglich.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine wei­ tere Anordnung zur Verbesserung der Sicht in Fahrzeugen anzugeben.

Die Erfindung in im Patentanspruch 1 beschrieben. Die Un­ teransprüche 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 Auschnitt Δ α (z. B. Δ α= 0,05°-0,5°) des gesamten Winkelbereichs Φ ausgeleuchtet. Durch Kippen des Spiegels kann die gegen eine Bezugsrichtung R eingetragene Winkel­ lage α des flachen Winkelausschnitts Δ α verändert und so der gesamte Winkelbereich Φ 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 Frequen von 1- 10 KHz oder pulsförmig mit eimer 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, Detailverstärkung 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 g ei­ 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 (Δ α) Lichtbündel, das über den Überwachungswinkelbereich Φ 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 zur 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 Licht, 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 Δ α 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 Δ α 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.

Claims (9)

1. Anordnung zur Verbesserung der Sicht in Fahrzeugen, insbesondere bei Dunkelheit, schlechter Witterung und Ne­ bel, mittels Ausstrahlung und Empfang elektromagnetischer Wellen, gekennzeichnet durch

• - eine Beleuchtungsoptik zur Abstrahlung infraroten Lichts mit festgelegter Sendepolarisation in einen vorgegebenen Raumwinkelbereich
• - eine Empfangsoptik zum Empfang reflektierter Anteile des abgestrahlten Lichts in zur Sendepolarisation orthogonaler Empfangspolarisation und
• - eine Anzeigeoptik zur Darstellung der zu der Empfangsoptik gewonnenen Bildinformation.

2. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das abgestrahlte Licht horizontal oder vertikal polari­ siert ist.

3. Anordnung nach Anspruch 1 oder Anspruch 2, gekenn­ zeichnet durch ein spektrales Linienfilter (F) in der Emp­ fangsoptik.

4. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß das emittierte Licht als Lichtbündel, das in einer durch die Verbindungslinie von Beleuchtungs­ optik und Empfangsoptik verlaufenden Ebene aufgeweitet und senkrecht dazu eng gebündelt ist, abgestrahlt wird, daß das Lichtbündel in Richtung der engen Bündelung schwenkbar ist und daß in der Empfangsoptik Einrichtungen zur Be­ schränkung des momentanen Beobachtungsraums auf den gleichzeitig von dem Lichtbündel beleuchteten Winkelaus­ schnitt vorgesehen sind.

5. Anordnung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Polarisation des abgestrahlten Lichts parallel oder senkrecht zu der genannten Ebene liegt.

6. Anordnung nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeich­ net, daß die Empfangsoptik eine Bildfläche mit zeilenweise getrennt elektronisch aktivierbaren lichtempfindlichen Bildelementen aufweist.

7. Anordnung nach einem der Ansprüche 4 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Schwenkung des Lichtbündels mit­ tels eines bewegten Spiegels erfolgt.

8. Anordnung nach einem der Ansprüche 4 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Empfangsoptik eine CCD-Kamera mit Matrixanordnung von lichtempfindlichen Elementen enthält.

9. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Anzeigeoptik ein aus den Bildin­ formationen der Empfangsoptik abgeleitetes Bild in das Ge­ sichtsfeld des Fahrers projiziert.