(57)【要約】  光源の放射特性から散乱媒体における光ビームの時間分布及び空間分布を定量的に決定する方法であって、この方法は、光ビームの中の一つの光ビームのビーム方向（θ，φ）と光強度Ｉ（θ，φ）を決定して、その方向（θ，φ）とその大きさＩ（θ，φ）を有するビームベクトルｋを定義する工程と、運動量空間における光の通過時間及び霧の濃さに応じた、このビームベクトルｋの散乱に依存する光強度分布ＩＩｍｐｕｌｓ（αＩｍｐｕｌｓ，ｔ）を決定する工程と、この運動量空間における散乱に依存する光強度分布ＩＩｍｐｕｌｓ（αＩｍｐｕｌｓ，ｔ）を実空間における散乱に依存する光強度分布ＩＯｒｔ（αＯｒｔ，ｔ）に変換する工程と、実空間における距離に依存する光強度ＩＥ（θ，φ，ｒＰ）と散乱に依存する光強度分布ＩＯｒｔ（αＯｒｔ，ｔ）とから、実空間における観測点Ｐの照度Ｅ（θＰ，φＰ，ｒＰ）を決定する工程とを有する。
2019535095.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
光源の放射特性から散乱媒体における光ビームの時間分布及び空間分布を定量的に決定する方法であって、
光ビームの中の一つの光ビームのビーム方向（θ，φ）と光強度Ｉ（θ，φ）を決定して、その方向（θ，φ）とその大きさＩ（θ，φ）を有するビームベクトルｋを定義する工程と、
運動量空間における光の通過時間及び霧の濃さに応じた、このビームベクトルｋの散乱に依存する光強度分布ＩＩｍｐｕｌｓ（αＩｍｐｕｌｓ，ｔ）を決定する工程と、
この運動量空間における散乱に依存する光強度分布ＩＩｍｐｕｌｓ（αＩｍｐｕｌｓ，ｔ）を実空間における散乱に依存する光強度分布ＩＯｒｔ（αＯｒｔ，ｔ）に変換する工程と、
実空間における距離に依存する光強度ＩＥ（θ，φ，ｒＰ）と散乱に依存する光強度分布ＩＯｒｔ（αＯｒｔ，ｔ）とから、実空間における観測点Ｐの照度Ｅ（θＰ，φＰ，ｒＰ）を決定する工程と、
を有する方法。
【請求項２】
照度Ｅ（θＰ，φＰ，ｒＰ）が、それぞれ同じ間隔ｄＰの多数の観測点Ｐに関して決定されて、視覚的な判断基準に基づき、関連した分布として評価される請求項１に記載の方法。
【請求項３】
それぞれ異なる間隔ｖＰ、或いはそれぞれ異なる観測角度ｄ（θＰ，φＰ，θ，φ）及び間隔ｖＰを有する少なくとも一つの観測点Ｐ（又はその観測点Ｐの周りの限定された周囲領域）に関する多数の照度Ｅ（θＰ，φＰ，ｒＰ）が決定されて、視覚的な判断基準に基づき個々に、或いはシーケンスとして評価される請求項１に記載の方法。
【請求項４】
均質な散乱媒体における視程を定量的に決定する方法であって、
少なくとも一つの周囲領域検出手段を用いて、周囲領域から少なくとも一つの光源の画像データを検出する工程と、
前記の少なくとも一つの周囲領域検出手段の画像データ及び／又は少なくとも一つの別の周囲領域検出手段のデータから、前記の少なくとも一つの光源の光が前記の光源と少なくとも一つの周囲領域検出手段の間を通過する時間ｔＬａｕｆｚｅｉｔを算出する工程と、
前記の少なくとも一つの周囲領域検出手段の画像データと少なくとも一つの光源の光の通過時間とから、前記の少なくとも一つの光源の散乱光の輝度分布の半値角度αＨａｌｂｗｅｒｔを算出する工程であって、この半値角度αＨａｌｂｗｅｒｔは、中心点としての前記光源から出発して、検出された照度を定義された比率に分割する水平立体角度及び／又は垂直立体角度である工程と、
この半値角度αＨａｌｂｗｅｒｔに応じて定義される、光量Ｉ０に対する前記の運動量空間における散乱に依存する光強度分布ＩＩｍｐｕｌｓの比率を選定する工程と、
前記の半値角度αＨａｌｂｗｅｒｔと少なくとも一つの光源の光の通過時間とから霧の濃さを算出して、定量的な視程を導き出す工程と、
を有する方法。
【請求項５】
前記の半値角度αＨａｌｂｗｅｒｔが、検出された光強度を約１：１の比率に分割する角度である請求項４に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、散乱媒体における光ビームの時間分布及び空間分布を定量的に決定する方法と霧における視程を定量的に決定する方法とに関する。
【背景技術】
【０００２】
霧などの散乱媒体における視程を決定する必要性は、特に、地上、水上及び空中における道路使用者の行動様式を適合させるとの背景に鑑みて、十分に知られている。
【０００３】
特許文献１は、霧の時の視程を測定する方法を記載している。そこでは、霧は、光ビームの単位距離当たりのエネルギー損失の係数により表され、そのエネルギー損失は、水滴の散乱挙動に依存し、それは、更に、粒子の大きさに依存する光の散乱係数により規定することができる。粒子の大きさは、光子が散乱により所定の角度で偏向される確率に影響を与える。その散乱確率は、水滴の位相関数として表すことができる。光の所与の波長及び定義された水滴の大きさでは、ミー理論に基づき、その位相関数を計算することが可能である。個々の位相関数毎（異なる周知の霧形式毎）に、放出される光の異なる波長に対して、後方散乱角度に依存して後方散乱曲線を引いた場合、角度範囲を限定すると、それらの異なる曲線の「互いに入り込む傾向」を検知することができる。その後方散乱角度で後方散乱光を検出することによって、霧における視程に関する情報を入手することが可能である。しかし、霧における視程は、水滴の大きさだけでなく、霧の濃さにも依存する。更に、後方散乱曲線の「入り込み」は、大まかな拠り所にしかならず、全ての霧形式に対して同じ意味を持つものではない。結局、位相関数は、実際の霧を発生させて、測定しなければならないので、相対的に大きな負担でしか決定できない。
【０００４】
特許文献２には、車両における視程を定量的に見積もる方法及び装置が提案されている。その場合、撮影画像の評価により算出される特徴的な測定数値が基準値に関連付けられている。その特徴的な測定数値として、後方散乱光のシャープネス、コントラスト又は強度を表す測定数値が示されている。そこでは、その発明は、視程が短くなるほど、より多くの光が反射され、そのため、後方散乱信号の強度が大きくなるとの知見に基づいている。強度分布に関する測定数値として、ヒストグラム表示において、ヒストグラム曲線の正規化された幅（例えば、半値幅）が示されている。そこでは、特徴的な測定数値とそれに対応する視程の間の相関値に相当する基準値の精度を信頼できる程度の精度でしか視程を決定できない。それでも、車両内に有る間隔測定システム及び既知の気象状況に基づきそれを決定又は更新するには、主に基準形態を構築できるようにするために、事前の校正を必要とする。
【０００５】
特許文献３は、光送信機と光受信機の間に挿入可能な光パス、少なくとも二つの相前後して接続された後方散乱用ディフューザ及びシェードを配置した、後方散乱動作式視程測定器（後方散乱計）のための校正機器を記載している。それらのディフューザは、粗い、有利には、艶消しされた、或いは細かい粒面状の表面を有するガラス本体部であるとすることができる。そのような負担のかかる基準値を生成するための試験構成は、霧の水滴などの視程を悪化させる事象の粗い分類しか実現できない。
【０００６】
同様の装置が、特許文献４に提案されている。その場合、光ビームが、送信機から反射目標物に向けられて、送出された光ビームに対する反射された光ビームの位相差が、送信機の近くに配置された受信機により測定されている。送信機と目標物の間には、フィルターが配置され、そのフィルターの送信機からの間隔は、所定の霧の濃さで決まる視程の関数であり、その関数に基づき、透過率と散乱係数を設定することができる。その場合でも、負担のかかる基準値が生成されて、それに基づき、比較によって、視程が決定されている。
【０００７】
これらの従来技術で周知の視程見積方法は、負担がかかり、模範的に（実験で）しか算出できない基準値を前提としている。その本来の視程見積りは、複数又は少数の大まかに分類された基準値との比較によって行なわれているので、見積もられた視程は、常に不正確であり、妥協の産物である。
【０００８】
更に、幾つかの送出された光ビームの経路を大きな計算負担をかけてシミュレーションする所謂光線追跡方法を使用することが知られている。特許文献５は、そのような照明の目視可能な照度パターンを計算により算出する方法を開示している。その場合、照度の三次元仮想モデルが使用されており、各照明源に関して、照明部分での反射、屈折及び／又は吸収による影響を受ける、その照明源から送出される任意の数のビームの推移が検知されている。照明を出たビームに基づき、照明の出力におけるビームベクトル場が検知されている。そのビームベクトル場を用いて、選定可能な仮想視角に応じて、視角特有の照明パターンを検知することができる。そのような光ビーム追跡方法は、照明のモデルを前提としており、それは、例えば、光測角器による計測に基づき個々の照明に対して決定することができる。しかし、散乱媒体におけるビームベクトル場の追跡は、異なる気象状況において定量的に視程を決定することをほぼ不可能にするとともに、如何なる場合でも非実用的にする計算技術的負担を必要とする。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００９】
【特許文献１】ドイツ特許公開第６８９０２８７７号明細書
【特許文献２】ドイツ特許公開第１０３０３０４６号明細書
【特許文献３】ドイツ実用新案第６８１２３３４号明細書
【特許文献４】ドイツ特許登録第３６０１３８６号明細書
【特許文献５】ドイツ特許登録第２００４０１７８８４号明細書
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
本発明の課題は、散乱媒体におけるビーム推移の決定に関する従来技術を更に発展させること、並びに散乱媒体におけるビームの検知された推移の利用可能性を改善することである。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
本課題は、独立請求項１の措置に対応する、ビーム源の放射特性から散乱媒体におけるビームの時間分布及びビームの空間分布を定量的に決定する方法によって解決される。本課題は、更に、並列請求項４の措置に対応する、均質な散乱媒体における視程を定量的に決定する方法によって解決される。
【００１２】
本発明は、技術的な用途及び評価、有利には、車両のヘッドライトのために必要な散乱媒体におけるビームの空間分布及びビームの時間分布を定量的に決定するとの技術的な問題をベースとする。
【００１３】
本発明は、光源の放射特性から散乱媒体における光ビームの時間分布及び空間分布を定量的に決定する方法に関し、この放射特性は、有利には、光強度分布パターン（ＬＶＫ）により規定される光ビームによって与えられ、光ビームは、媒体の構成要素（粒子）で散乱される。
【００１４】
光は、電磁波として規定することができ、電磁波スペクトルの目視可能な部分は、約３８０ｎｍ〜７８０ｎｍの波長である。その外に、光は、粒子の流れとして、より正確には、光子の流れとして規定することができる（波動と粒子の二重性）。光の拡がりは、真っ直ぐなビームにより図解することができ、それは、以下においても、表示手段として選択されている。波動光学とビーム光学の間を結び付けるものは、波動ベクトルであり、その方向は、光の方向と一致する。光ビームは、別の物体に当たるまで、常に直線状に拡がり、反射、屈折又は散乱により、その方向を変える。散乱の場合、方向の変化は、反射の場合と同様に向きを変えるのではなく、拡散する形で行なわれる。
【００１５】
散乱媒体は、固体、液体又は気体の物質又は粒子、例えば、大気中の窒素分子から構成される。影響を与える粒子の分布が、例えば、大気中に局所的に観察されるような均等な分布である場合、均質な散乱媒体と称する。以下において、散乱媒体とは、特に、霧であると理解し、或いはより広い意味で降雨であると理解するが、本発明の利用可能性は、これに関して制限されない。この場合、光ビームが何回も霧粒子で、大抵は水滴で散乱されるので、所謂体積散乱が起こる。それによって、並びに実際の用途において無視できる吸収によって、光ビームが減衰される。
【００１６】
霧粒子の大きさと、局所的に均質であると仮定できるその分布密度との両方が、光減衰の大きさに、そのため、直に視程に影響する。後者は、後方散乱による自己眩惑及び前方散乱による直接的又は間接的な眩惑と共に、特に、地上、水上及び空中の交通において問題となる事象である。より単純に表現するために、以下において、地上の交通を引き合いに出し、そこでは主に自動車の道路交通を引き合いに出す。
【００１７】
前記の問題となる事象の各々は、それぞれ異なる観点から観察すると異なる結果を生じさせる同じ事態により引き起こされる。その原因は、同様に線形的には発生しない霧における光ビームの時間分布及び空間分布である。この「時間分布」とは、分布が時間の経過と共に変化することを意味する。それは、媒体自体に関係するのではなく、媒体がビームに作用する時間に、最も簡単には、光ビームが媒体を通過する所要時間に、従って、霧の拡がり、或いは、例えば、ヘッドライトであるとすることができる光ビーム源（光源）に対する観察者又は観測者の相対的な位置に関係する。この空間分布は、同様に線形的な分布ではなく、散乱による各光ビームの外見上ランダムな分布に関する。既に述べた通り、空間分布は、拡散形態で生じ、それは、実用的な負担で光ビーム、特に、多数の追跡すべき光ビームを光線追跡により追跡することをほぼ除外する。
【００１８】
光ビームの時間分布及び空間分布の定量的な決定は、物理的な根拠を有する測定技術的に調査可能な結果を提供する。それらは、実験的に得られる分布と異なり、離散的な有効範囲ではなく、多数の影響変量を考慮した連続的な有効範囲を有する。本方法は、光技術的な例により表現され、ビーム源、ビーム領域及び様々な均質散乱媒体に同様に転用することが可能である。
【００１９】
光源の放射特性は、光源からの光が空間に、即ち、三次元的に如何に拡がるのかを規定する。放射特性の良く行なわれる有利な記述及び規定は、測定技術的に検出可能であるとともに、目的通り構成可能であり、殆ど標準化された様式として多数の研究及び処理に供することができる光強度分布パターン（ＬＶＫ）を使用することをベースとしている。このＬＶＫは、参照系内において、光強度Ｉの光束が垂直角度θ及び水平角度φで光源から放出又は放射される三次元光強度分布Ｉ（θ，φ）を規定する。この参照系は、通常光源により定義される。ここでの有利な適用分野において、光源は、車両の少なくとも一つのヘッドライトである。この場合、参照系は、一般的に車両の座標系であり、ゼロ点は、観察手法に応じて、ヘッドライトの中の一つの内で、或いは複数のヘッドライトの間をスライドさせることができる。
【００２０】
本発明による方法は、参照系の垂直角度θ及び水平角度φに応じて、光ビームの中の一つのビームのビーム方向（θ，φ）及び光強度Ｉ（θ，φ）を決定して、これらの方向（θ，φ）及び大きさＩ（θ，φ）を有するビームベクトルｋを定義する工程を有する。このビーム方向及び光強度の決定は、それぞれ垂直角度及び水平角度に関して、放射特性、有利には、ＬＶＫから読み取る又は導き出すことにより行なわれる。光ビームは、ビーム光学系に対応して、光源からビーム形状で拡がるので、ビーム方向を決定又は定義するには、二つの角度の選定により全ての（三次元の）空間方向を一義的に確定可能又は規定可能であるので、光源を原点とする参照系、有利には、座標系、例えば、極座標系における垂直角度及び水平角度を使用するのが適している。当然のことながら、空間方向の一義的な確定に適した如何なる別の参照方法も使用することができる。
【００２１】
連続的なＬＶＫの場合、限り無く多数の空間方向を、そのため、限り無く多数の光ビームを選定できる。当然のことながら、個々の光ビームを選定することは、放射特性と照明の肯定的又は否定的な効果を生成、明確化又は表現するのに適していない。光線追跡方法では、原理的な制限から、常に有限の数の光ビームが観測され、そのことは、本方法を自ずから不正確にする。十分な信頼度又は信憑性により情報を提供するためには、多数の光ビームを観測すべきである。本方法においても、その通りである。しかし、個々の光ビームを追跡するのではなく、立体角度に纏める、有利には、統合することができる空間方向を追跡する。以下において、個々の選定された光ビームについて述べる場合、連続的な光分布に対する別の空間方向の光と共に一つの立体角度に統合することができる、二つの角度により定義される空間方向の光を意味するものとする。単数形は、単に分かり易さを改善する役割を果たす。
【００２２】
立体角度によるＬＶＫの連続的な分布と同じ精度で、空間方向における送出された光の波長分布も、ＬＶＫにおいて連続して保存することができる。ここで、空間方向の光強度ＩがＬＶＫから決定されると、この光強度は、波長に応じてＬＶＫに保存することができる。そのような場合、光強度Ｉ（θ，φ）の決定は、光ビームの中の一つのビームの光強度Ｉ（θ，φ）に関して、ビーム方向（θ，φ）の光ビームのスペクトル分布を積分することにより行なわれる。
【００２３】
ここで、ビーム方向（θ，φ）と光強度Ｉ（θ，φ）に基づき、このビーム方向（θ，φ）の方向（θ，φ）とこの光強度Ｉ（θ，φ）の大きさＩ（θ，φ）とを用いて、ビームベクトルｋを定義することができる。それにより、因果関係の作用連鎖を維持しつつ数学的なツールを用いて現実を記述することが可能になる。
【００２４】
本発明による方法の更なる工程は、運動量空間における光の通過時間と霧の濃さに応じたビームベクトルｋの散乱に依存する光強度分布ＩＩｍｐｕｌｓ（αＩｍｐｕｌｓ，ｔ）を決定することである。
【００２５】
散乱は、霧により引き起こされる光の減衰の主要な構成要因又は原因であり、従って、分離して観測するか、或いは定量的に決定すべきである。そこで、本発明者は、一つのビーム方向に放射される光ビームが運動量空間において出発点に有ることに、詳しくは、先ずは全ての時間ｔにおいて散乱及び吸収が無いとすると出発点に有ることに気付いた。ここで、散乱を取り入れると、光ビームの部分が、本来の運動方向（ビーム方向）から散らばる。しかし、ビームベクトルｋの大きさは変わらない。全ての光ビームは半径ｋの球体上に有る。光ビームは、運動量空間において、時間と共に本来の点から球の表面全体に渡って拡散して拡がる。
【００２６】
「光ビームの部分」によって、異なる波長を意味することができる。物理的に厳密に言うと、各波長を個々に観察しなければならない。それは、全体として分散、即ち、霧による散乱の波長依存性を引き起こす、材料における光速度の波長依存性と霧の濃さ又は拡散定数とに起因する。しかし、それは、全ての波長の最終的な末端が入り乱れて散乱されるので、人間の眼には実際に感じられない。この事象が分かっている光技術では、前に説明した通り、全ての波長が重み関数により積分されており、その結果、波長依存性を明らかに解消して、一種の中心波長を更なる計算のために使用することができる。本方法では、異なる波長から成る光を観察することが数学的に難無く可能である。しかし、それは、計算負担を増大させるが、本方法は、光線追跡方法と比べて、依然として基本的に実用可能な形で実現できる。運動量空間を活用する別の利点は、一つの波長から成るビームも部分的に散乱させることができることである。
【００２７】
ここで、前に定義したビームベクトルｋに対して、数学的に簡単に決定して、自然の散乱事象を現実に合った形で記述できる散乱を適用するために、本発明者は、更に、光ビームを運動量空間におけるパルスとして観察した場合に、霧粒子での光ビームの散乱が、外見上は濃度勾配により促されるが、微視的には分子での散乱により引き起こされる、媒体における成分の拡散に類似していることに気付いた。その外に、同じことが、外見上は温度勾配により促されるが、微視的には固体内での準粒子の散乱により説明できる、媒体における熱の拡散に対して言える。即ち、運動量空間における霧による散乱の場合には、実空間における拡散の場合と同じ効果が生じるので、拡散方程式又は熱伝導方程式（フィックの第２法則）を同様に取り入れることができる。即ち、散乱事象を技術的に決定できるようにするために、既知の物理的なプロセスを散乱事象に転用する。
【００２８】
実空間は、使用する参照系も割り当てられる普通の三次元ユークリッド空間である。これらの三次元（空間自由度）に対して、一つの物理系は、追加空間において記述される、例えば、運動量空間でのパルスのように記述される、例えば、速度、パルス又はスピンなどの別の自由度を持つことができる。両方の空間は、本問題では同等であるが、所定の問題提起を技術的に加工することは、両方の空間の中の一方においてより容易である。光の散乱の例では、容易な方を明らかにすることができる。実空間では、光は、粒子（例えば、霧の粒）に当たる光子の流れである。この場合、各光子は、同じ本来の方向から、それぞれ別の方向に偏向される。各光子の方向を技術的に決定することは、実際には不可能である。それに対して、運動量空間では、散乱方向を技術的に決定することは、拡散方程式を用いることにより相対的に小さい負担で可能である。しかし、この物理的なプロセス自体は同じである。
【００２９】
運動量空間では、ビームベクトルは、独自の参照系を有する。従って、この事実を明らかにするために、散乱角をαＩｍｐｕｌｓと表す。この散乱角は、一般的に、散乱された粒子が偏向される角度として定義される。運動量空間での散乱角は、運動量空間における一つの出発点から見た本来のビーム方向と新たな、即ち、散乱後のビーム方向との間の角度である。取り得る各散乱角αＩｍｐｕｌｓと各経過時間ｔに光強度を割り当てた光強度分布ＩＩｍｐｕｌｓ（αＩｍｐｕｌｓ，ｔ）が得られる。
【００３０】
拡散方程式の解は、次の通り、二次元におけるガウス分布に一致する。
【００３１】
【数１】
2019535095.tif 000003
【００３２】
ｋが拡散する時間ｔは、光の通過時間である。１００ｍの区間と３＊１０９ｍ／ｓの丸められた光速度の例では、３．３＊１０−７ｓの時間が得られる。拡散方程式を用いるためには、更に、拡散定数ａが必要である。これは、霧の濃さに関する尺度であり、この濃さは、更に、霧粒子の大きさと分布濃度に依存する。この正規化は、霧が有っても、霧が無くても合計が一定でなければならない光量Ｉにより行なわれる。時点ｔ＝０では、光量はＩ０と表される。
【００３３】
運動量空間と実空間から成る参照系は、数学的に両立しなければならない。そのために、本発明による方法の次の工程で、運動量空間における散乱に依存する光強度分布ＩＩｍｐｕｌｓ（αＩｍｐｕｌｓ，ｔ）から実空間における散乱に依存する光強度分布ＩＯｒｔ（αＯｒｔ，ｔ）への変換が行なわれ、有利には、この運動量空間における散乱に依存する光強度分布ＩＩｍｐｕｌｓ（αＩｍｐｕｌｓ，ｔ）から実空間における散乱に依存する光強度分布ＩＯｒｔ（αＯｒｔ，ｔ）への変換が、運動量空間における散乱角αＩｍｐｕｌｓから実空間における散乱角αＯｒｔへのフーリエ変換により行なわれる。上記で導き出される通り、散乱が外見上拡散するように行なわれるため、偏向後のビーム方向は一義的に確定されないので、実空間における散乱角αＯｒｔは、本来のビーム方向と偏向後の新たなビーム方向の間の角度として定義することができない。しかし、運動量空間における散乱の技術的な決定によって、選定された空間方向における散乱に依存する光強度に関する一義的な情報を提供することができる。この空間方向は、実空間参照系において、垂直角度θＰ、水平角度φＰ及び実空間参照系の原点からの間隔ｒＰにより定義される観測点Ｐで示される。即ち、この観測点に入射する光強度が算出される。そのため、実空間における散乱角αＯｒｔは、本来のビーム方向（θ，φ）と観測方向（θＰ，φＰ）の間の角度として定義され、α（θＰ，φＰ，θ，φ）と表すこともできる。
【００３４】
フーリエ変換による実空間と運動量空間の結合は、運動量空間における散乱方向の単位ベクトルにより行なわれ、それは、数学的には容易に決定できないだけでなく、技術的な因果関係によっても現実を記述できず、その結果、実空間における散乱に依存する光強度分布ＩＯｒｔ（αＯｒｔ，ｔ）を表現することになる。
【００３５】
最後に、観測角度α（ΘＰ，φＰ，Θ，φ）と距離ｒＰに応じた実空間における観測点Ｐの照度Ｅ（ΘＰ，φＰ，ｒＰ）の決定が、距離に依存する光強度ＩＥ（Θ，φ，ｒＰ）と実空間における散乱に依存する光強度分布ＩＯｒｔ（αＯｒｔ，ｔ）とから行なわれる。この照度は、平面に入射する光束であり、その平面は、立体角度により、特定の場合には、空間方向により定義することができる。照度は、基本的に二つの係数に、即ち、本来の放出された光強度（立体角度当たり放出された光束）と光源からの観測点の距離とに依存する。ここでの場合には、一つの空間方向に放出される光強度は既に分かっている。光源までの距離は、正に二つの立体角度と一つの距離により定義される観測点により同様に与えられる。この距離は、二重の影響を与え、測光による距離法則に基づき、照度は、距離の二乗に比例して減少し、これは、当然のことながら、散乱する光にも有効であり、散乱は、距離に比例にして増加する。第一の影響要因は、距離に依存する光強度ＩＥ（θ，φ，ｒＰ）により表され、第二の影響要因は、実空間における散乱に依存する光強度分布ＩＯｒｔ（αＯｒｔ，ｔ）により表される。
【００３６】
これら二つの影響要因の組み合わせは、次の通り照度を提供する。
【００３７】
【数２】
2019535095.tif 000004
ここで、時間ｔは、距離ｒＰと光速度ｃに応じて算出される。
【００３８】
その結果、本発明は、均質な散乱媒体における光減衰に関する定量的な情報を提供する。この結果は、従来技術よりも数桁精確であると同時に、計算負担又はリソース使用量が大幅に低減される。更に、この定量的な情報は、連続する互いに独立した影響要因に依存する関数値として表され、従来技術における種々の方法に関する基準としての役割を果たすだけでなく、具体的な用途に対してオンラインで決定できる。
【００３９】
本発明による方法は、均質な散乱媒体における光減衰の二つの基本的な構成要素に基づき照度を算出することによって、個々の空間方向の光ビームの増幅及び減衰などの重畳効果を取り入れることを可能にする。
【００４０】
驚くほど簡単ではあるが、正しく当然とは思われない、運動量空間における霧による光の散乱と実空間における異なる媒体の拡散との間の因果関係は、総じて第一に実用的な枠組み内で散乱媒体における光ビームの時間分布及び空間分布を関数により定量的に決定することを可能にする。定量的な決定が行なわれるので、比較データによる校正又は基準データの実験による検知が不要である。
【００４１】
別の利点は、眩惑も、例えば、霧の中の別の道路使用者も決定できることである。霧において起こる光の散乱及びそれに付随する光ビームの偏向によって、本来の光分布は、最早その本当の目的を果たすことができない。一つの例として、車両のヘッドライトのロービーム分布を挙げる。この光分布の散乱によって、対向車両の運転者を眩惑させる可能性が有る。観測点は、本当のビーム方向に対して逆に有る可能性も有る。そのようにして、自己眩惑を決定することができる。
【００４２】
本発明による方法の有利な改善構成では、それぞれ同じ間隔ｄＰの多数の観測点Ｐに関する照度分布Ｅ（θＰ，φＰ，ｄＰ）が決定されて、視覚的な判断基準に基づき関連する分布として評価される。一つの照度分布は、地面に入射する照明画像又は照明パターンに一致する。照度分布は、ヘッドライトから平面上に生成される、場所に依存する照度を表す。そのような照度分布は、例えば、車両のヘッドライトを評価するために用いられる。それらは、直に測定用スクリーンで決定するか、或いは道路又は地面において、輝度カメラを用いて車両の底部に対して平行に検出することができる。ここで、本発明による方法の改善構成は、如何なる任意の霧の濃さに関しても、測定用スクリーンで照度分布を定量的に決定することを可能にし、それは、特に、霧が無い場合の照度分布と比較することにより、例えば、依然として感じ取れるコントラスト及び光度、或いは周囲領域、例えば、走行路の依然として存在する照明に関して、眼による感覚の情報を提供することを可能にする。有利には、それによって、ヘッドライトは、製造段階において、それを車両に組み込む前に、事前に霧における特性に関して評価して、安価に最適化することができる。
【００４３】
本発明による方法の別の改善構成では、それぞれ異なる間隔ｖＰ、或いはそれぞれ異なる観測角度α（θＰ，φＰ，θ，φ）及び間隔ｖＰの少なくとも一つの観測点Ｐ又はその観測点Ｐの周りの限定された周囲領域に関する多数の照度Ｅ（θＰ，φＰ，ｖＰ）が決定されて、個々に、或いはシーケンスとして視覚的な判断基準に基づき評価することができる。それにより、測定用スクリーンでのヘッドライトの標準化された評価と異なり、光源から放出される光を大きな面ではなく、点として感じる具体的な感知状況を評価することが可能である。特に有利には、観測点の異なる間隔、或いは異なる観測角度と組み合わせた異なる間隔によって、個々に、特に、シーケンスとして順番に動的な状況を視覚的な判断基準に基づき評価することができる。例えば、対向車両及び／又は通過車両の運転者が霧の中の光を如何に感じるのかを評価することができる。この場合、特に、輝度との意味での絶対的な照度に関心を持つべきである。それは、同様に未だ製造段階中において典型的に起こる状況に関するヘッドライトの評価とそれに基づく安価な最適化とを可能にする。
【００４４】
請求項１の方法に対応する、光ビームを運動量空間におけるパルスとして観察した場合の霧粒子での光ビームの散乱の技術評価が媒体での成分の拡散又は媒体での熱の拡散に類似するとの本発明による考えは、これらを逆にした場合でも使用することができる。この場合、霧の濃さ又は霧の分布は、検出された散乱から逆算され、そのため、定量的に決定することが可能である。それにより、同じ技術的な作用メカニズムに基づき、本発明による第一の方法の記述の物理的な根拠は、そのため、概念も、明確に本発明による第二の方法に対して完全に転用されて、組み入れられる。
【００４５】
従って、本発明による均質な散乱媒体において視程を定量的に決定する別の方法が得られる。この視程は、通常暗い物体と明るい背景の間の正に未だ感じ取れるコントラストの差により定義される。定量的な視程の決定を均質な散乱媒体における決定に限定することは、一方において、陰影（例えば、壁での全吸収）により視程限界を曖昧にし、他方において、現実に間隔を開けた時に非常に頻繁に起こる視程限界の場合を反映している。即ち、これらは、大部分、局所的に仮定された均質性が全く現実に合致する大気による効果に基づくものである。この場合、光の散乱が大気水象、大気塵象又はエアロゾルにより引き起こされるのかは基本的に関係しない。上で述べた条件の下では、視程が（狭い意味で）光の減衰だけに、そのため、主に光の散乱に依存するので、これらの粒子の異なる散乱作用も重要ではない。
【００４６】
この場合、少なくとも一つの光源の画像データは、少なくとも一つの周囲領域検出手段を用いて周囲領域から検出されて、その少なくとも一つの光源の照度が算出される。画像データを検出する周囲領域検出手段は、例えば、カメラであるとすることができる。これらは、モノカメラ及びステレオカメラであるとすることができる。画像データにおいて、少なくとも一つの光源が特定される。それは、周知の画像評価方法に基づき、例えば、コントラスト、輝度又は輝度勾配により行なわれる。照度の算出は、有利には、入力された光束の一次元又は二次元の積分により行なわれる。
【００４７】
更に、この少なくとも一つの光源の光がその光源と少なくとも一つの周囲領域検出手段の間を通過する時間（ｔＬａｕｆｚｅｉｔ）は、この少なくとも一つの周囲領域検出手段の画像データ及び／又は少なくとも一つの別の周囲領域検出手段のデータから算出される。この光の通過時間は、この少なくとも一つの光源とこの少なくとも一つの周囲領域検出手段の間の距離と同一視することができ、その理由は、これら二つの変量の関係が極めて一定である光速度により固定的に定義されるからである。通過時間自体又は距離の算出は、様々な手法で行なうことができる。一つの手法は、この少なくとも一つの周囲領域検出手段が直接算出できるように設計されていれば、その周囲領域検出手段自体により直接算出することであり、これは、例えば、ステレオカメラの場合に言える。別の手法は、この少なくとも一つの周囲領域検出手段により間接的に、例えば、二つの光源の間隔に基づき算出することであり、これは、保存された比較表により近似的に行なうことができる。その外に、別の周囲領域検出手段により、距離を直接測定することができ、これは、例えば、ＲＡＤＡＲ機器を用いて実現することができる。複数の周囲領域検出手段が存在する場合、個々の算出された通過時間を互いに実証又は検証することができる。
【００４８】
更に、この少なくとも一つの光源の散乱光の輝度分布の半値角度αＨａｌｂｗｅｒｔは、この少なくとも一つの周囲領域検出手段の画像データとこの少なくとも一つの光源の光通過時間ｔＬａｕｆｚｅｉｔとから算出され、この半値角度αＨａｌｂｗｅｒｔは、光源を中心点として、決定された照度を定義された比率で分割する水平立体角度及び／又は垂直立体角度である。この半値角度は、決定された照度全体（全光量）を評価光量の成分と残光量の成分に分ける。この半値角度は、この少なくとも一つの周囲領域検出手段と光源の同心部分の二つの水平周縁部又は垂直周縁部との間の二等辺三角形の同じ大きさの辺の間の平面角であり、そのため、光源の全光量の定義された比率に相当する。この半値角度は、水平の拡がりと垂直の拡がりを有する立体角度として算出することもでき、この場合、立体角度は、例えば、光源の中心点が周囲領域検出手段内に投影された所に頂点が有る同心の直円錐として表される。検出された光量の決定は、検出された光源の面積全体（立体角度の場合）又は検出された光源の中心点を通る線（特定の立体角度としての平面角の場合）に渡って照度を二次元又は一次元積分することにより行なうことができる。光源の放射される全光量が確かに散乱により減衰するが、吸収による低下を無視できるとの現実に合致した仮定により、検出された光量は、時点ｔ＝０で放射された光量Ｉ０と同一視することができる。
【００４９】
半値角度との名称が示唆することと異なり、半値角度は、算出された照度に応じて、光量を１：１（評価光量対残光量）の比率で、即ち、（検出された光量の５０％を重要な角度、即ち、半値角度を算出、観察するために用いる）５０％の光量に分ける必要はない。本発明による方法は、１：４（２０％）又は４：１（８０％）の比率でも機能し、それどころか、それ以下又はそれ以上でも機能し、全光量（決定された照度全体）の２０％を下回る比率では、実際には光源は点光源ではなく、面放射体であるので、光源自体に対する一義的な画定が難しくなる。それと異なり、８０％を上回る割合では、散乱光のコントラスト勾配は、最小限のコントラスト差が不釣り合いな程に大きな角度差を意味する程小さくなり、そのような小さなコントラスト差は、実際には測定が難しい。従って、実用的な観点から、有利には、２：３（４０％）又は３：２（６０％）の比率で、特に有利には、１：１（５０％）の比率で検出された光量を分ける半値角度が決められる。
【００５０】
光源の光分布と観測者までの間隔が分かっている場合、半値角度αＨａｌｂｗｅｒｔは、漸く視程に関する定量的な測度となる。しかし、一つの光源の光分布は大抵分からないが、輝度の推移は定量的に検出することができる。従来技術では、散乱の挙動は、例えば、基準データセットによって、近似的に視程と相関される。しかし、それらは、大きな負担をかけて算出しなければならず、そのようにして算出された視程の異なるシステム間の比較可能性を実質的に排除する。
【００５１】
それと異なり、本発明による運動量空間における霧による光の散乱と実空間における異なる媒体の拡散との間の（散乱媒体における光ビームの分布を定量的に決定する場合と同じ技術的な相関関係に相当する）因果関係に基づき、視程を定量的に決定することができる。これは、次の工程において、半値角度αＨａｌｂｗｅｒｔに応じて定義される、光量Ｉ０に対する運動量空間における散乱に依存する光強度分布ＩＩｍｐｕｌｓの比率を選定することにより行なわれる。この比率は、本発明による第一の方法に応じた運動量空間における散乱に依存する光強度分布ＩＩｍｐｕｌｓ（αＩｍｐｕｌｓ，ｔ）から実空間における散乱に依存する光強度分布ＩＯｒｔ（αＯｒｔ，ｔ）への変換（或いは実空間から運動量空間への逆変換）により、全光量に対する評価光量の割合に比例して結合される。本当の半値角度の場合、即ち、全光量の半分（５０％）を分割した場合、以下の光の通過時間と拡散定数ａ（霧の濃さに関する尺度）の間の関係式が得られる。
【００５２】
【数３】
2019535095.tif 000005
【００５３】
拡散定数ａに関して式３を解くと、その定数が次の通り半値角度αと通過時間に応じて得られる。
【００５４】
【数４】
2019535095.tif 000006
【００５５】
最終的に、霧の濃さは、半値角度αＨａｌｂｗｅｒｔと少なくとも一つの光源の光の通過時間とから算出されて、定量的な視程が導き出される。その結果、霧の濃さに関する尺度、即ち、拡散定数ａが得られる。これは、漸く視程に関する尺度となる。
【００５６】
本発明による別の方法は、特に、光強度が一般的に分からないので、有利には、実際に放出される光強度に関係無く、視程を定量的に決定することを可能にする。更に、この別の方法は、対向する光源（対向するヘッドライト）の場合にも、先行する光源（先行するテールライト）の場合にも適用することができる。この場合、従来技術で周知の視程決定方法が、精度に関して明らかに改善される。その外に、異なるシステムにより算出された霧の濃さを、そのため、視程を互いに比較することができる。それは、物理的な理由から本発明による特定の特徴を用いて算出される視程に関する尺度を発見することである。
【００５７】
当然のことながら、用途又は気象現象に特化した形で霧の濃さの質的な解釈を行なうことができる。２００ｍの視程は、例えば、道路交通では、十分に良好な状況に相当し、飛行機又は船の交通では、この視程は絶対的に不十分である。霧、雨又は降雪などの異なる曇り形態の解釈も、それらの技術的な視程が本当に同じであったとしても、異なる結果として解釈することができる。
【００５８】
以下における図面に模式的に図示された本発明の実施例の記述から、本発明の更なる特徴、利用可能性及び利点が明らかになる。この場合、全ての記述又は表示された特徴は、請求項における関連形態又はそれらの引用形態に関係無く、並びに本明細書又は図面における記述又は図示に関係無く、単独に、或いは任意に組み合わされた形で本発明の対象を形成する。
【図面の簡単な説明】
【００５９】
【図１】霧が無い時の距離２５ｍのスクリーンでの照度分布グラフ
【図２】霧が薄い時の距離２５ｍのスクリーンでの照度分布グラフ
【図３】霧が適度な時の距離２５ｍのスクリーンでの照度分布グラフ
【図４】霧が非常に濃い時の距離２５ｍのスクリーンでの照度分布グラフ
【図５】霧が無い時の霧の濃さを決定する半値角度を算出するためのグラフ
【図６】霧が非常に濃い時の霧の濃さを決定する半値角度を算出するためのグラフ
【発明を実施するための形態】
【００６０】
図１は、霧が無い時のヘッドライト座標系における車両のヘッドライトの照度分布を図示している。そのような照度分布は、製造中における車両のヘッドライトの検査又は調整、車両登録又は定期的な技術検査のために、実際に２５ｍの間隔を開けた測定用スクリーン上に生成される。この場合、照度分布の状態を法的な規則に関して評価することができる。この照度分布は、ＩＳＯルクス線、即ち、照度が同じである曲線により特徴付けられる。これらの曲線には、輝度関係を表すために、それぞれ照度がルックス単位で表示されている。この場合、輝度分布の上部における１ルックス線は、明暗境界（符号１）の粗い推移を表す。この明暗境界１の下方では、照度が大きく上昇し、更に、急激に低下している。これらの輝度差は、測定用スクリーンに、その後道路上に大きなコントラストを発生させ、それにより、前記の明暗境界が生じる。これは、同様に法的に規定されており、その特徴的な推移により、車両の直前の走行路と走行路の縁を一層照明するとともに、対面交通側を眩惑させないように、対面交通側の方向に対して、より短く走行路の中央を照明する。
【００６１】
１．霧のシミュレーションの例
霧の影響に関して照度分布を評価する場合、霧を人工的に発生させなければならず、それは、所要の精度に関しても、反復可能性に関しても不可能である。それに代わって、光線追跡方法を用いて、個々の光ビーム毎に霧を計算するか（これは、事実上現実的な負担では実現不可能である）、或いは放出された光の散乱を、そのため、任意の濃さの霧における照度分布を、媒体の拡散との類似性により定量的に技術的に決定することができる。後者を実施する場合、本発明による第一の方法を使用することができる。
【００６２】
そのために、光の通過時間又は観測点までの距離（この場合、測定用スクリーンまでの２５ｍ）と霧の濃さとが変数として選定される。入力としては、光強度分布パターンの形の散乱させるべき光ビームが必要である。これは、仮想的に、或いは実際のヘッドライトの光測角器による計測によって生成することができる。
【００６３】
ここで、この例では、測定用スクリーンまでの間隔又は距離が２５ｍに保持されている。図２〜４は、適用すべき拡散方程式の拡散定数を用いて表示された形で、それぞれ霧の濃さが異なる時の図１の照度分布を図示しており、薄い霧（図２、ａ＝１１３）を始めとして、適度な霧（図３、ａ＝１８０３）から、非常に濃い霧（図４、ａ＝１８，０３０）まで図示している。極端な霧の場合、視程は１０ｍにまで低下し、それは、従来の車両のヘッドライトの光度では、距離２５ｍの測定用スクリーン上に最早利用可能な結果を生み出さない。
【００６４】
ここで、図２では、明暗境界１が弱くなり始めていることが分かる。図３では、明暗境界は、ほんの僅かしか分からず、図４では、完全に消失している。その原因は、１リックス線の上方及び下方の領域を曖昧にできる散乱であり、それによって、輝度勾配又は照度勾配がより小さくなり、最早明確な境界が検知できなくなる。しかし、これは、本来見込まれていた光よりも多くの光が明暗境界１に渡って放射又は偏向されることをも意味する。それによって、対向交通側を眩惑させる可能性が有る。そこで、本発明によるヘッドライトの評価によって、霧が無い場合の明暗境界１と走行路の照明を要件に合致したままにすると同時に、霧の中での眩惑を低減できるように、ヘッドライトの光路を適合させることができる。
【００６５】
２．視程の決定の例
本発明による別の方法は、運動量空間における光の散乱と実空間における媒体の拡散の間に類似性が有るとの本発明による考えを用いて視程を決定することに関する。そのために、先ずは、カメラを用いて、離れた光源、例えば、対向車両のヘッドライトの照度を検出する。これは、図５及び６に図示された上方の照度分布などを表す。図５及び６の両図の水平軸（ｘ軸）は、カメラの座標系の横座標軸である。
【００６６】
ここで、受信した照度Ｅｖ（図５及び６のそれぞれ中央のグラフ）は、例えば、照度分布の水平断面に沿った最大照度により算出される。この照度分布は、随意に選定された、横座標に対して垂直に延びる左右の境界に基づき画定しなければならない。それは、この例では、図５及び６の二つの外側の一点鎖線により表される０．１ルックス線に基づき行なわれる。実際には、これらの境界は、カメラの受信感度又は検出された照度分布に応じて選定される。
【００６７】
ここで、図５及び６の中央のグラフに対応する水平の照度分布から、受信された光量Ｑｖを照度Ｅｖの積分として演算することができる（図５及び６の下方のグラフ）。この光量は、左の境界（図５及び６のそれぞれ左外側の一点鎖線）では、定義の通り０であり、右の境界（図５及び６のそれぞれ右外側の一点鎖線）では、定義の通り１、或いは０％及び１００％である。
【００６８】
次の工程として、半値角度αＨａｌｂｗｅｒｔが決定される。そのために、光量の５０％を包含する境界が算出される。この５０％Ｑｖは、定義の通り０．２５Ｑｖと０．７５Ｑｖの間に有る。図５及び図６において、それぞれ二つの内側の一点鎖線により表される、５０％光量の左右の境界は、横座標上で一つの区間（図５のΔｘ１、図６のΔｘ２）を画定する。この区間と、ステレオカメラ又はレーダー機器により決定される、光源までの距離とに基づき、半値角度αＨａｌｂｗｅｒｔを決定することができる。それに代わって、割当規則により一つの角度に割り当てられる、Δｘと、０Ｑｖと１Ｑｖの間の区間（Δｘｇｅｓ）との比率から、半値角度αＨａｌｂｗｅｒｔを決定することもできる。
【００６９】
最終的に、半値角度αＨａｌｂｗｅｒｔと光の通過時間ｔ又は光源までの距離とを用いて、拡散定数又は霧の濃さが、そのため、視程に関する尺度が算出される。
【００７０】
図５及び６には、霧が無い時（図５）と霧が非常に濃い時（図６）の照度分布が図示されている。二つの変化形態の水平断面の照度分布が、ここでは対称的に図示されており、これは、現実に合致する必要はない。その外に、積分された両方の光量Ｑｖは同じ大きさであり、それは、両方の場合の放出される光量が同じであるが、霧の場合には、後方散乱又は吸収によって、より多くの光が減衰する可能性が有るので、仮定として妥当である。しかし、本発明による技術思想を原理的に図解するためには、この模式形態は十分であり、現実に合致していると判明している。
【００７１】
図５では、半分の光量が、ヘッドライト座標系の縦座標軸、即ち、横座標軸の原点又はゼロ点の周りの狭く画定された領域内に位置し、そのため、半値角度αＨａｌｂｗｅｒｔが比較的小さい。そのことから、比較的小さい拡散定数が得られ、それは、更に、長い視程に相当する。それに対して、図６では、断面における照度Ｅｖの平坦な推移と光量Ｑｖのほぼ線形的な推移とを生じさせる大きく散乱された照度分布が分かる。そのことから、又もや比較的大きな半値角度αＨａｌｂｗｅｒｔとそれに対応した短い視程とになる。
【００７２】
そのようにして、例えば、道路交通において、視程が高精度に決定される。この場合、有利には、視程は、例えば、船又は飛行機の交通における大きな距離に関しても、例えば、静止測定などのそれ以外の用途に関しても、高精度に決定できるとともに、更に、算出された値を互いに比較できることを可能にする。
【符号の説明】
【００７３】
１    １ルックス線上の明暗境界
（θ，φ）  ビーム方向，方向角／立体角度
（θＰ，φＰ）  観測方向
θ      ビーム方向と座標軸の間の垂直角
φ      ビーム方向と座標軸の間の水平角
Ｉ    光強度又は空間方向に関する光束
ｋ    光ビームのベクトル
Ｐ    観測点
αＩｍｐｕｌｓ  運動量空間における散乱角
αＯｒｔ      実空間における散乱角（α（θＰ，φＰ，θ，φ））
ＩＥ（θ，φ，ｒＰ）    距離に依存する光強度
ＩＩｍｐｕｌｓ（αＩｍｐｕｌｓ，ｔ）    運動量空間における散乱に依存する光強度分布
ＩＯｒｔ（Ｏｒｔ，ｔ）    実空間における散乱に依存する光強度分布
αＨａｌｂｗｅｒｔ  散乱光の輝度分布の半値角度
ａ    拡散定数；定量的な霧の濃さ
Ｅｖ    水平照度分布
Ｑｖ    積分された光量
ｒＰ    位置参照系の原点までの観測点の間隔
ｄＰ    観測点が多い場合の位置参照系の原点までの観測点の同じ間隔
ｖｐ    観測点が多い場合の位置参照系の原点までの観測点の異なる間隔
Ｅ（θＰ，φＰ，ｒＰ）    観測点での照度
ｃ    光速度
ｔ    時間
ｔＬａｕｆｚｅｉｔ    光の通過時間
【図１】
2019535095.tif 000007
【図２】
2019535095.tif 000008
【図３】
2019535095.tif 000009
【図４】
2019535095.tif 000010
【図５】
2019535095.tif 000011
【図６】
2019535095.tif 000012
【国際調査報告】
2019535095.tif 000013
2019535095.tif 000014
2019535095.tif 000015
2019535095.tif 000016
2019535095.tif 000017
2019535095.tif 000018
2019535095.tif 000019
2019535095.tif 000020