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Die
Erfindung betrifft eine Anordnung zur Verbesserung der Sicht in
Fahrzeugen nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.
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Ein äußerst wichtiger
Sicherheitsaspekt in Fahrzeugen wie Automobilen, Lkws, Omnibussen, Lokomotiven
F ist eine ausgezeichnete Sicht bei allen Wetterverhältnissen.
Schlechte Sichtverhältnisse bei
Dunkelheit kombiniert 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.
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Bei
der Analyse, wodurch schlechte Sichtverhältnisse zustande kommen, zeigt
sich, daß mangelnde
Lichtempfindlichkeit 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 eingestellten oder
aufgeblendeten Scheinwerfern entgegenkommender Fahrzeuge sein, ferner diffus
rückgestreutes
Licht der eigenen 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.
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Bisher
bekannte Ansätze
zur Lösung
dieses Problems beruhen entweder auf dem Einsatz von Infrarot-Wärmebildkameras
oder sind als Radar-Abstandswarnanlagen ausgelegt. Infrarot-Wärmebildkameras
sind aufgrund der verwendeten Materialien sehr teuer und daher für Massenanwendungen
wenig brauchbar. Das räumliche
Auflösungsvermögen des
Mikrowellenradars ist auch bei mm-Welle für die Erkennung einer Szene
in Abständen
von 5 m bis 300 m völlig
unzulänglich.
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Aus
der europäischen
Offenlegungsschrift
EP
0 353 200 A2 ist eine Anordnung zum Verbessern der Sicht
in Fahrzeugen, insbesondere bei schlechten Sichtbedingungen wie
beispielsweise Nebel, bekannt. Die Anordnung umfasst eine Beleuchtungsoptik,
die infrarotes Licht in einen vorgegebenen Raumwinkelbereich bestrahlt
und über
eine Empfangsoptik, welche reflektierte Anteile des ausgestrahlten Lichts
empfängt.
Indem die Beleuchtung die Szene mit gepulstem Licht ausleuchtet
und die empfangenen Lichtimpulse mittels einer Zeitfenstersteuerung hinsichtlich
ihrer Laufzeit ausgewertet werden, ermöglicht es die Anordnung zwischen
unerwünschter aus
dem Nahbereich zurückgestreuter
Strahlung und erwünschter,
von einem entfernten Hindernis zurückgestreuter Strahlung zu diskriminieren.
Auf einer der Anordnung zugeordneten Anzeige werden sodann die mittels
der Empfangsoptik gewonnenen Informationen bezüglich vorgegebener Zeitfensterbereiche beziehungsweise
Entfernungsbereiche dargestellt. Aus Gründen der Zeitfenstersteuerung
muss durch eine aufwendige Elektronik eine exakte Synchronität zwischen Beleuchter
und Empfänger
sicher gestellt werden. Zudem ist es, da nur bestimmte Entfernungsbereiche
der ausgeleuchteten Szene dem Fahrzeugführer dargestellt werden, notwendig
der Bildverarbeitung und -darstellung eine intelligente Auswahlsteuerung
zu unterlegen.
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Eine
Lösung
für das
Problem, dass verschiedene Objekte in einer Szene bei aktiver Beleuchtung unterschiedlich
stark die Strahlungsenergie zu der die Szene erfassenden Kamera
zurückreflektieren, wird
in dem Patent
US 3 953
667 A beschrieben. Hierbei wird ein System beschrieben,
welches sowohl die passive Infrarotemission von Objekten, als auch
deren Infrarotreflektivität
bei aktiver Beleuchtung zu erfassen in der Lage ist. Hierbei wird
eine gleichmäßige Bilddarstellung
bezüglich
der ausge- leuchteten und erfassten Szene dadurch erreicht, dass
die beiden aktiven und passiven infraroten Bildkomponenten einander
mit unterschiedlich verstärkter
Intensität überlagert
werden. Somit wird eine bezüglich
der Bilddarstellung gleichmäßigere Darstellung
einer Szene erreicht, das System bedarf jedoch eines Empfangszweiges,
welcher so ausgelegt werden muss, dass er zwei unterschiedliche
Signalkomponenten (passive Infrarotstrahlung und auf Grund aktiver
Beleuchtung reflektierte Infrarotstrahlung) erfassen und auflösen kann.
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Aufgabe
der Erfindung ist es eine Anordnung zur Verbesserung der Sicht in
Fahrzeugen zu schaffen, welche kostengünstig ohne aufwändige Elektronik
und Bildverarbeitung und bei der Verwendung eines einfach zu realisierenden
Empfangszweiges, eine möglichst
gleichmäßige Bilddarstellung
der erfassten Szene ermöglicht.
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Die
Erfindung wird durch Anordnungen zur Verbesserung der Sicht in Fahrzeugen
mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 bzw. 2 gelöst.
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Vorteilhafte
Weiterbildungen und Ausgestaltungen der Erfindung werden in den
Unteransprüchen
beschrieben.
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Wesentlich
bei der Erfindung ist die Verwendung eines Halbleiterlasers als
Lichtquelle für
die aktive Beleuchtung.
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Die
Erfindung ist nachfolgend an Beispielen unter Bezugnahme auf die
Abbildungen noch eingehend veranschaulicht. Dabei zeigt
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1 eine
Beleuchtungsoptik in Seitenansicht,
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2 eine
Empfangsoptik in Seitenansicht,
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3 eine
schematische Darstellung von Streusituationen.
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Die
erfindungsgemäße Anordnung
besteht im wesentlichen aus den Baugruppen Beleuchtungsoptik, Empfangsoptik
und Darstellungsoptik, welche nachfolgend einzeln und in ihrem Zusammenwirken noch
detailliert beschrieben sind. Bei allen Optiken seien elektronische
Systeme zur Ansteuerung und Auswertung mit im Begriff eingeschlossen.
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1. Beleuchtungsoptik
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Die
erfindungsgemäße Beleuchtungsoptik enthält eine
Lichtquelle im nahen Infrarot (800 nm bis 2000 nm), zum Beispiel
eine GaAs/GaAlAs Halbleiterlaser um 800 nm. Die maximale 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,
so kann die Laserleistung auch wesentlich höher 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 Raumwinkelbereich 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.
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1 zeigt
die unter vorstehend b) beschriebene bevorzugte Ausführung der
Beleuchtungsoptik mit einem Halbleiterlaser H, dessen Ausgangslicht über eine
Linse, beispielsweise 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 5 in den vorgesehenen Überwachungsbereich gelenkt
wird. Durch die enge Bündelung
in der Zeichenebene wird nur ein flacher Ausschnitt Δα (z. B. Δα = 0,05° – 0,5°) des gesamten
Winkelbereichs Φ ausgeleuchtet. Durch
Kippen des Spiegels kann die gegen eine Bezugsrichtung R eingetragene
Winkellage α des
flachen Winkelausschnitts Δα verändert und
so der gesamte Winkelbereich Φ überstrichen,
d. h. der gesamte 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 verschiebbare Linse vorgesehen sein.
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Durch
Ausrichten des Halbleiterlaserkristalls und eventuell durch ein
zusätzlich eingefügtes Polarisationsfilter
P1 wird die Polarisation des abgestrahlten Lichts eingestellt. Bei
den Ausführungen
b) und c) kann durch eine zeitliche Modulation des Laserlichts, die
durch eine zeitliche Variation des elektrischen Ansteuerstroms erreicht
werden kann, die Helligkeit der Beleuchtung abhängig vom Abstrahlwinkel variiert werden,
zum Beispiel bei der Ausführung
b) abhängig
vom Winkel a, 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 gleichmäßigere Ausleuchtung der
Szene erreicht werden. Alternativ oder zusätzlich kann eine zeitliche
Modulation mit höherer
Frequenz durchgeführt
werden. Die Modulation kann beispielsweise sinus-förmig sein
mit einer Frequenz von 1–10 kHz
oder pulsförmig
mit einer Pulslänge
von 50–100 ps
und einem Pulsabstand von 100–1000
ps. Damit kann eine Beleuchtung der Szene mit einem streifenförmigen oder
punktförmigen
Muster erreicht werden, wodurch eine plastische Hervorhebung von
Gegenständen
wie Autos und vom Straßenverlauf
erzielt werden kann.
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Die
Lichtquelle kann immer voll aufgeblendet betrieben werden. Der Bündeldurchmesser
des Lichts an der zugänglichen
Austrittsfläche
kann 5 cm bis 25 cm je nach Laserleistung betragen, um in jedem
Fall die Augensicherheit zu gewährleisten;
die Augensicherheit kann durch Ausweichen auf Wellenlängen um
1500 nm wesentlich erhöht
werden.
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2. Empfangsoptik
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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 werden. Die
Kamera beobachtet die beleuchtete Szene, zum Beispiel einen Straßenverlauf
oder ein Landefeld.
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Vor
der Optik 0 der Kamera K ist ein Polarisationsfilter P2 angebracht,
dessen Durchlaßrichtung senkrecht
zur Richtung des emittierten Laserlichts steht; dieses Polarisationsfilter
sperrt somit den Durchgang des eigenen emittierten Lichts und das Licht
entgegenkommender Fahrzeuge gleicher 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 lotrecht oder horizontal.
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Weiter
ist vor der Optik 0 der Kamera ein spektrales Linienfilter F angeordnet,
das für
das anordnungseigene Laserlicht durchlässig ist, jedoch eine hohe
Sperrung für
das restliche sichtbare und infrarote Spektrum aufweist, also sowohl
das Tageslicht als auch das normale Scheinwerferlicht entgegenkommender
Fahrzeuge stark dämpft,
beispielsweise auf einen Wert von 10–3 bis
10–5.
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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 ausgeleuchteten
Vordergrund schwächt – zugunsten
des weniger ausgeleuchteten 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.
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Die
Optik 0 der Kamera erzeugt auf der lichtempfindlichen Bildfläche B der
Kamera ein Bild des ausgeleuchteten Bereichs, das dann weiter ausgewertet
werden kann.
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Je
nach Ausführung
der Beleuchtungsoptik entsteht das Bild in der Kamera gleichzeitig
auf der gesamten Bildfläche
oder einzelne Bildteile entstehen entsprechend der abtastenden Ausleuchtung des
Raumwinkelbereichs zeitlich nacheinander. Bei Einsatz der bevorzugten
Ausführungsform
(b) der Beleuchtungsoptik mit einem in einer Ebene breiten, senkrecht
dazu stark fokusierten (Δα) Lichtbündel, das über den Überwachungswinkelbereich Φ geschwenkt
wird (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 beiträgt und durch
Mehrfachstreuung aus anderen Winkelbereichen einfallendes Licht
nicht störend
wirksam wird. Dies kann beispielsweise durch eine synchron mit der
Lichtbündelschwenkung
bewegte streifenförmige Blende
in der Empfangsoptik erfolgen. Vorzugsweise wird aber für die Bildaufnahme
in der lichtempfindlichen Bildfläche
B eine Anordnung mit zeilenweise getrennt elektrisch ansteuerbaren
lichtempfindlichen Elementen eingesetzt und es werden jeweils 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 Bildfläche
in Verbindung mit einem bewegten Spiegel oder einer bewegten Linse ähnlich der
bei der Beleuchtungsoptik geschilderten Abblendmechanismus vorgesehen
sein, so daß verschiedene
Bildteile zeitlich nach einander von denselben lichtempfindlichen
Elementen aufgenommen werden.
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3. Darstellung
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Das
von der Empfangsoptik aufgenommene Bild wird durch die Darstellungsoptik
dem Fahrer in geeigneter Weise angezeigt Vorzugsweise wird hierfür ein aus
der Empfangsoptik abgeleitetes Bild in das Sichtfeld des Fahrers
Projiziert Das Bild wird hierzu beispielsweise als Fernsehbild auf
einem Bildschirm erzeugt und nach Art eines Head-up-Displays auf
die Windschutzscheibe projiziert. Damit das projizierte Bild des
Beobachtungsraums und das vom Auge direkt beobachtete Bild möglichst
gut zur Deckung gelangen und um bei allen Helligkeitsverhältnissen
ein ausreichend helles und kontrastreiches Bild vorliegen zu haben,
sind vorteilhafterweise die Lage und die Helligkeit des projizierten
Bilds veränderlich
einstellbar. Die Einstellung kann manuell und/oder automatisch vorgesehen
sein. Für
die automatische Bildverschiebung könnte beispielsweise über ein
Meßsystem
mit Infrarot-LED und Fernsehkamera die Position der Augen des Fahrers
bestimmt und daraus die optimale Einstellung der Darstellungsoptik
abgeleitet werden.
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Anstelle
des ins Lichtfeld projizierten Bildes kann selbstverständlich auch
eine andere Darstellungsweise, z.B. ein separater Bildschirm oder
in Verbindung mit weiteren Auswerteeinrichtungen auch ein optisches
und/oder akustisches Warnsignal für automatisch erkannte Gefahrensituationen
vorgesehen sein. Ein gesonderter Bildschirm kann z. B. auch vorgesehen
sein für
die Beobachtung in Rückwärtsrichtung.
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4. Zusammenwirken
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Es
wird der bekannte Effekt ausgenutzt daß auf eine diffus reflektierende
Oberfläche
gestrahltes Licht nach der Reflexion nicht mehr polarisiert ist
Der Grad der Restpolarisation ist abhängig von der Beschaffenheit
der Oberfläche.
In den weitaus meisten Fällen
ist das diffus reflektierte Licht nahezu unpolarisiert, teilweise
ist auch zirkulare oder elliptische Polarisation zu beobachten.
Dies bedeutet, daß das
von beleuchteten Gegenständen,
Personen, Häusern, Bäumen, anderen
Fahrzeugen, Retroreflektoren, Fahrbahn usw. reflektierte Licht weitgehend
unpolarisiert ist und somit ein etwa zwischen 30% und 50% liegender
Anteil dieses diffus reflektierten Lichts von der polarisationsselektiven
Empfangsoptik aufgenommen werden kann. Dieser Anteil stellt das
Nutzsignal in der Empfangsoptik dar.
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Demgegenüber stellen
das Infrarotlicht entgegenkommender Fahrzeuge und das an Nebel, Wassertröpfchen und
dergleichen 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 gleichartiger
Infrarotbeleuchtungsoptik wird auf einfache Weise weitestgehend
dadurch unterdrückt,
daß in
allen Anordnungen dieselben Sendepolarisationen, horizontal oder
vertikal, vorgesehen sind. Das Infrarotlicht entgegenkommender Fahrzeuge
ist dann senkrecht zur Empfangspolarisation der eigenen Beleuchtungsoptik
polarisiert und wird vom Polarisator P2 wirksam ausgeblendet.
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Die
Rückstreuung
des Lichts an molekularen Streuteilchen wird als Rayleigh-Streuung,
an größeren Streuteilchen
wie z. B. Wassertröpfchen
als Mie-Streuung bezeichnet. Bei beiden Arten der Streuung ist das
direkt rückgestreute
Licht linear polarisiert mit derselben Polarisation wie das emittierte Licht,
wenn die Sendepolarisation in der Beobachtungsebene liegt, die durch
den Ort der Beleuchtungsoptik BO, der Empfangsoptik EO und der Beleuchtungsrichtung
a (bzw. Beobachtungsrichtung c) aufgespannt ist, oder senkrecht
auf dieser Ebene steht. Unter dieser Voraussetzung ist also das
direkt rückgestreute
Licht gleich polarisiert 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 so kann, werden Beleuchtungsoptik und Empfangsoptik
eines Fahrzeugs vorteilhafterweise vertikal übereinander oder horizontal
nebeneinander (Vektor t in 3) angeordnet.
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Die
beschriebene Polarisationserhaltung gilt nur für direkt rückgestreutes Licht. Bei Nebel
tritt aber auch Mehrfachstreuung auf, die bewirkt, daß Störlicht auch
mit anderer Polarisation auf die Empfangsoptik EO fällt und
vom Polarisator P2 nicht mehr vollständig unterdrückt werden
kann. In 3 ist für den Fall der Mehrfachstreuung
ein Streupunkt Z1 betrachtet der Licht von der Beleuchtungsoptik
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 Richtung 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 Ebene schneiden sich im allgemeinen unter einen von 0° und 90° verschiedenen
Winkel und die Polarisationsrichtung s des von Z2 in Richtung d
gestreuten Lichts liegt nicht parallel zur Sendepolarisation, d.
h. das von Z2 zur Empfangsoptik 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 ergibt sich eine Depolarisation des
Licht, die je nach Dichte der Streupunkte (Nebel) bei 10% bis 40%
liegen kann.
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Die
in 1 und 2 skizzierte und bereits beschriebene
15 Kombination der Ausleuchtung und Beobachtung nur eines flachen
Winkelausschnitts Δα reduziert
den störenden
Einfluß durch
Mehrfachstreuung erheblich, wenn die breite Aufweitung des Lichtbündels in
einer Ebene mit der Verbindungslinie t von Beleuchtungsoptik BO
und Empfangsoptik EO liegt und die raumabtastende Schwenkung des
Lichtbündels
um eine parallel zu t verlaufende Achse erfolgt näherungsweise
kann der Winkelausschnitt Δα als Ebene
betrachtet werden, so dass
- a) innerhalb dieses
Ausschnitts von Nebel oder dgl. rückgestreutes Licht parallel
zur Sendepolarisation und senkrecht zur Empfangspolarisation polarisiert
ist und vom Polarisator P2 unterdrückt wird. b) durch Mehrfachstreuung
außerhalb
des Winkelausschnitts, z. B. Z2 (siehe 2) rückgestreutes
depolarisiertes Licht zwar zumindest teilweise den Polarisator P2
durchdringt, aber aufgrund einer Streifenblende ausgeblendet wird oder
auf nicht aktivierte Elemente der Bildfläche der Kamera trifft und so
in der Empfangsoptik nicht wirksam wird.
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Durch
eine gewinnbringende Realisierung der Anordnung, bei welcher Orthogonalität zwischen Sendepolarisation
und Empfangspolarisation ausgebildet ist, wird eine erhebliche Verbesserung
des Nutzsignal/Störsignal-Verhältnisses
erreicht. Hierdurch ist sodann auf einfache Weise die Verträglichkeit
mehrerer gleichartiger Anordnungen in entgegenkommenden Fahrzeugen
gewährleistet.
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Da
das infrarote Licht vom Auge nicht detektiert wird und eine Störung von
Empfangsoptiken entgegenkommender Fahrzeuge wegen der Orthogonalität von Sende- und Empfangspolarisation
ausgeschlossen ist, kann die Beleuchtungsoptik immer voll aufgeblendet
werden. Durch die Aufweitung des Lichtbündels in einer Richtung ist
auch ausreichende Augensicherheit gewährleistet