CN100573891C - 包含耦合至微透镜矩阵的光探测器矩阵的多功能光传感器 - Google Patents
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Abstract
一种多功能光学传感器包含CCD或CMOS类型的光电探测器(12)矩阵，具有被分成子区域的敏感区域，其中的每一个单独地或与其他组合之后专用于监控场景或测量环境参数的特定功能。该光学传感器包含微透镜(14)矩阵，其中的每个被设置以此使来自立体角(16)的一部分的辐射在相关联的光电探测器(12)或一群彼此相邻的光电探测器(12)上聚焦。每种功能与单个微透镜或者彼此相邻的微透镜的单个小组、或者多个非彼此相邻的微透镜或者多个非彼此相邻的微透镜的小组相关联。邻近的光电探测器或邻近的成群光电探测器所对着的立体角(16)的若干部分的中心方向之间的角距在矩阵内不是恒定的。
Description
技术领域
本发明涉及多功能光学传感器，特别是用于汽车的多功能光学传感器，所述多功能光学传感器包含具有被分成子区域的敏感区域的CCD或CMOS类型的光电探测器矩阵，所述子区域单独地或组合之后被指定了监控场景或测量环境参数的特定功能。
背景技术
场景监控功能包括监控汽车前方、后方或侧面的场景。前方监控探测比如从对面方向开来的汽车的存在、朝向车道的纵向分界线的汽车移动或弯道的存在。监控汽车的后方比如可帮助停车操纵。侧面监控探测比如侧面驶来的汽车以及利用外部后视镜看不到的汽车，因为它们处于所谓的“盲角”范围内。
环境参数的测量包含比如雾、雨、窗户起雾、照明和太阳辐射状况的测量。
同一申请人的文献EP-A-1 418 089和EP-A-1 521 226描述了多功能光学传感器，但是提到了借助于位于传感器的光学窗口前面的单孔径光学部件或透镜矩阵在CCD或CMOS类型的光电探测器矩阵上的多功能集成解决方案。在文献EP-A-1 521 226中，每种功能与单个透镜(或与位于不同矩阵上的多个透镜)相关联并且所述透镜与光电探测器的小组相关联。
图1示出了按照文献EP-A-1 418 089的发明的传感器实施例的透视图。单孔径光学部件的使用整体上限制了减小光学-机械系统尺寸的可能性。此外，用于系统的结构和组装过程的复杂性不允许显著地、大量地降低传感器的成本。
发明内容
本发明的目的是提供如上所定义的类型的光学传感器，其能够：
-优化矩阵的分区：在定义与每种功能相关联的光电探测器矩阵的子区域的形状(矩形、梯形、线性)和坐标方面存在有更大的自由度，减少或者除去了单独用于子区域分隔的光电探测器，整个敏感区域被使用并且能够将不同的方向和视场分配给属于相同子区域/功能的光电探测器(如将在下面进行说明的)；
-从光学部件和芯片的观点来使传感器小型化：使用微透镜矩阵，除去了单孔径光学系统的典型尺寸，通过优化矩阵的分区，其格式被减少；高度小型化简化了汽车上的集成，使得能够在后视镜、车顶部附近、吊灯等之中插入光学传感器；
-简化图像处理：每一个光电探测器或光电探测器组具有以便取得一种光学“预处理”的方式被优化的自己的视场和方向；
-由于矩阵的优化格式、低成本微透镜制作过程、干涉滤光片在邻近光电探测器的微透镜矩阵表面上的沉积而减少成本。
按照本发明，所述目的通过具有权利要求1所述的特征的多功能光学传感器而达到。
附图说明
现在将参考纯粹为了非限制性实例而提供的附图对本发明进行详细地描述，其中：
-图1示出了按照文献EP-A-1 418 089的发明的传感器实施例的透视图，
-图2是表示利用单孔径的光学解决方案的工作原理的示意图，
-图3是表示基于微透镜矩阵的光学解决方案的工作原理的示意图，
-图4是表示基于构成现有技术的微透镜矩阵的光学系统的工作原理的示意图，
-图5是表示按照第一实施例的本发明光学系统的工作原理的示意图，
-图6是表示按照第二实施例的本发明光学系统的工作原理的示意图，
-图7和8是说明图6的光学系统的两种变体的工作原理的示意图，
-图9是表示按照第三实施例的本发明光学系统的工作原理的示意图，
-图10示出了具有高分辨率、未借助于光阑操作的微透镜矩阵的工作原理，
-图11是表示物的间隔和由单孔径光学部件(图11a)以及2D微透镜矩阵(图11b)构成的两个光学系统的图像间隔的示意图，所述光学系统被耦合至具有相同格式的2D光电探测器矩阵，
-图12是图11b的一种变体，
-图13是表示物的间隔和由1D微透镜矩阵构成的光学系统的图像间隔的示意图，
-图14是图11b的另一种变体，
-图15示出了具有光电探测器矩阵和微透镜的光学传感器的实例，所述光电探测器矩阵具有恒定的尺寸或间距，所述微透镜具有涉及路况的不同视场，
-图16是涉及路况的图15的光学传感器的应用实例，
-图17是构成相同部分场景或不同部分场景的光电探测器小组的矩阵的实例，
-图18是用于光学预处理功能的图17的光阑的使用的变体，
-图19和20示出了由同一申请人在文献EP-A-1 418 089中描述的光电探测器矩阵的敏感区域的子区域中的分区的两个实例，
-图21示意性示出了基于具有不同焦距的微透镜矩阵探测下雨的光学解决方案，
-图22示出了耦合至光电探测器矩阵以此实施监控汽车乘员功能的光波导的实例，
-图23示出了按照本发明的优选特征的光电探测器矩阵的敏感区域分区为子区域的实例，
-图24示出了用于按照本发明的“盲角”功能的多功能传感器的汽车上的可能定位。
具体实施方式
本发明涉及包含CCD或CMOS类型的光电探测器矩阵和微透镜矩阵的多功能光学传感器，其中每个微透镜耦合至光电探测器(像素)的小组(群)或耦合至单个光电探测器。微透镜被分组为小组，其中每个小组单独地或与其他组合起来被专用于监控场景或测量环境参数的特定功能。
尤其是，本发明的目的在于上述类型的多功能光学传感器在机动车上的应用，所述多功能光学传感器可定位于比如：
-靠近挡风玻璃，如在内部后视镜中，以此实施比如下列功能：环境照明或进入地下通道的测量、太阳辐射的测量、出现于挡风玻璃上的雨点的探测、挡风玻璃的内部或外部起雾状况的探测、出现冰的探测、雾状况的探测以及监控汽车前方的场景(会车)；可另外或可选地集成于会车功能的附加功能是：水准测量、弯道或车道探测(用于命令自适应的前灯或用于车道警告)、夜视(在近红外或NIR下察看场景)、直立的道路标志的探测、行人的探测、黑匣子(将与前方监控有关的图像存进循环存储缓冲器，其可用于发生事故的情形)；
-后窗附近，以此实施下列功能：环境照明、下雨/起雾(内部和外部)、冰、雾、后方监控(停车)的测量；可另外或可选地集成于后方监控的附加功能是：盲角监控、水准测量、车道探测、黑匣子；
-侧镜中，以此实现下列功能：环境照明、雾、后方监控(盲角)的测量；可另外或可选地集成于盲角监控的附加功能是：停车、水准测量、车道探测、黑匣子；
-挡风玻璃的直立部分上，用于以下功能：用户识别、用于气囊系统的乘员监控。
按照本发明的光学传感器还可用于其他应用，如道路基础设施、机器人技术、休闲(domotics)、农业等。
现在将参考光学系统的工作原理对本发明进行详细的描述。
图2示出了文献EP-A-1 418 089和EP-A-1 521 226基于其上的单孔径光学解决方案：透镜8具有视场FOV＝a·arctan(d/2f)，其中d＝n·dpixel是光电探测器矩阵12的总尺寸，dpixel是光电探测器12的尺寸或间距，以及f是光学系统的焦距。
通常，为了减小光学系统的尺寸并且特别是为了将焦距f减少到原来的l/n，可使用微透镜14，每个微透镜14耦合至光电探测器12，具有d/n＝dpixel的线性尺寸和f1＝f/n的焦距(图3)。在这种情形中，每个微透镜14具有与全局视场一致的视场，FOV1＝FOV＝2·arctan(dpixel/2f1)。
为了具有作为每个微透镜14的单独视场的结果的全局视场FOV，有必要减小光电探测器12的有效面积的大小，以这样的一种方式即使得它们的尺寸为dpixel/n或者等效地将具有尺寸为dpixel/n的孔径的光阑18放置于光电探测器12的前方。
如果光阑18的中心之间的距离不同于微透镜14的尺寸，如构成先有技术的图4所示，在光电探测器矩阵12的前方被定位的是光阑18的矩阵以使任何的微透镜14具有IFOV16，所述IFOV16具有中心方向20以及中心方向20之间的恒定角距αi(α1＝α2＝α3＝α4)。单独IFOV16的和确定全局视场FOV。还可通过“挡板”18′使每个微透镜14和相邻的微透镜分离，所述“挡板”18′的功能是阻止来自相邻微透镜的辐射到达非对应的光电探测器。
如果中心方向20之间的角距αi不是恒定的，如包含在权利要求1以及图5所示的那样，有必要改变光阑中心之间的距离。图5示意性示出了光学传感器10[p1]的一部分的侧视图，其包含了光电探测器矩阵12和微透镜矩阵14，其中光阑18的中心之间的距离不同于微透镜14的中心之间的距离。每个微透镜14与一群光电探测器12相关联或者与单个光电探测器相关联。在图5的实例中，微透镜14彼此相同。每个微透镜14被设置成可使来自立体角IFOV16的一部分的辐射聚焦在与微透镜14相关联的一群光电探测器12上或者单个光电探测器12上。图5示出了位于光电探测器矩阵12和微透镜矩阵14之间的光阑18的矩阵。光阑矩阵18能够为各光电探测器12或一群光电探测器12选择立体角IFOV16的一部分。
相对于图4情形的差异是微透镜14对着的立体角16的若干部分的中心方向20之间的角距αi不是恒定的。在图5的实例中，中心方向20之间的角被指定为α1、α2、α3，并且它们是α1≠α2≠α3。其原因是光阑18的中心之间的距离不是恒定的。另一个差异是总FOV不是IFOV16之和并且因此FOV可以被二次取样。为了阻止来自相邻微透镜14的辐射到达非对应的光电探测器12，每个微透镜14可以通过“挡板”18′与相邻的微透镜14分离。
如果中心方向20之间的角距αi不是恒定的，但是光阑18之间的距离等于微透镜14的尺寸，如图6所示，必须计算添加棱镜部件至球面部件的微透镜，以便于使得微透镜利用光轴操作而不是与它们的对称轴一致(离轴)。每个微透镜的IFOV16将具有这样的中心方向20，即α1≠α2≠α3。正如图6所示的情形中，总FOV可以被二次取样。
为了覆盖比可能利用如上所述的折射光学解决方案的视场更大的视场，可以考虑利用具有全内反射的类型的微透镜的解决方案、反射解决方案和混合方案。例如，图7示出了通过与折射离轴微透镜14相关联的全内反射操作的微透镜22。图8示出了具有与折射离轴微透镜14相关联的反射透镜24的光学传感器。
如图9所示，获得中心方向20之间的非恒定角距αi的另外的可能性是使用显微物镜矩阵。显微物镜15通过至少两个叠加的显微物镜组成。双合透镜光学解决方案允许改变有效的焦距(e.f.l.)以维持对所有显微物镜来说相等的后焦距(b.f.l)。这样，光电探测器矩阵12和显微物镜矩阵15之间的距离是恒定的(b.f.l)，同时改变e.f.l.的可能性允许具有中心方向20之间非恒定的距离，即α1≠α2≠α3。在这种情形下，IFOV同时被改变。
对于上述的光学系统，使用光阑18的可能的选择包括使用具有比光阑18更小尺寸的光电探测器12的矩阵。最后，对于光电探测器矩阵12的敏感区域的相等尺寸，能够具有高分辨率光电探测器矩阵12或更大尺寸以及因此更小分辨率的光电探测器矩阵12。如图10a所示，使用低分辨率光电探测器矩阵12，光阑矩阵18被用来改变与每个微透镜14相关联的中心方向20(在前面的光学解决方案中描述的情形)。而使用高分辨率光电探测器矩阵12，如图10b所示，只有某些对应于要获得的微透镜14的中心方向20的光电探测器12被起动，并且其他的光电探测器变为无效，而无需使用光阑矩阵18。使用高分辨率矩阵的优点包括除去光阑18以及能够重新配置(同时还获得来自矩阵的图像)有效的光电探测器，以这样的一种方式即以便改变视场的中心方向20。缺点是由于下列事实造成的：通过不连续的步骤(最小间距等于光电探测器12的尺寸)，中心方向20的移动发生并且如在使用光阑18时那样不连续，以及为了显现图像，需要寻址有效的光电探测器的预处理。
按照本发明的光学传感器的微透镜可由GRIN(梯度折射率)材料构成。在某些微透镜的底面或在微透镜的某些小组的底面上可沉积作为滤光片来操作的选择性干涉涂层，以此仅传输所关注的波长。针对某些功能，例如可使用NIR(近红外)LED照明器，不得不相对于背景选择有关的光谱带。
光电探测器矩阵是CCD或CMOS技术、标准或并联结构(光电探测器层的预处理)。
按照权利要求1，多重功能在耦合至微透镜矩阵的光电探测器矩阵上的集成依照下列规则：
-每种功能与单个微透镜或不是彼此相邻的多个微透镜、或彼此相邻的微透镜的一个小组或不是彼此相邻的微透镜的若干小组相关联。
-每个微透镜与单个光电探测器或光电探测器的小组(群)相关联；
-能够与功能相关联的相邻的光电探测器定义了子区域(ROI或所关注的区域)；
-某些光电探测器可仅仅用于分离子区域；
-与若干光电探测器或成群的邻近光电探测器有关的视场(IFOV)的中心方向之间的角距在矩阵内不是恒定的。
据此与邻近的若干光电探测器或成群的光电探测器有关的视场(IFOV)的中心方向之间的角距在矩阵内不是恒定的状况在下列情形中发生：
-存在有专用于许多功能的邻近子区域，其中子区域的视场是不同的；
-在光电探测器矩阵上集成的至少其中一种功能与对着立体角FOV的微透镜的单个小组相关联，但是由于可以独立建立每个单独微透镜的视场IFOV的中心方向的事实，与微透镜的小组相关联的相邻的若干光电探测器或成群的光电探测器不会总是具有彼此邻近的IFOV(在后面的段落“矩阵形状”中将对这种情形进行更详尽的描述和说明)；
-微透镜的至少一个小组具有不同的以及彼此相邻的视场，以这样的一种方式即以便在所述小组的全局视场内部获得不同的分辨率(在段落“前方监控”中将对这种情形进行更详尽的描述和说明)；
-微透镜的至少一个小组具有相等的但是不是彼此相邻的视场，以这样的一种方式即以便以非连续的方式对微透镜的所述小组的全局视场进行取样，并且因此在微透镜的所述小组的全局视场内部获得不同的分辨率(在段落“前方监控”中将对这种情形进行更详尽的描述和说明)；
可获得与若干光电探测器或成群的光电探测器有关的视场的中心方向之间的角距中的变化：
-修改位于光电探测器或一群光电探测器前方的光阑中心之间的距离(图5)；
-在离轴微透镜矩阵的情形下修改棱镜部件(图6)；
可获得单独的微透镜的视场中的变化：
-修改位于光电探测器或一群光电探测器前方的光阑的直径；
-利用具有显微物镜的解决方案(图9)。
基于上述规则，可识别另外的创新元件，在下文中将对其单独描述，其涉及：
1.矩阵形状
2.前方监控
3.变焦
4.光学预处理
5.矩阵分区
矩阵形状
图11是表示两个光学系统的物平面和像平面的示意图，第一个由单孔径光学部件8构成(图11a)，第二个由微透镜14的2D矩阵构成(图11b)，所述光学系统耦合至光电探测器的2D矩阵，所述矩阵具有相同的格式mxn。
在图11a中，按照应用于透镜8的几何光学定律，光电探测器12对着IFOV：在像平面中，彼此相邻的光电探测器12对着物平面的相邻部分。
在构成如前面图11a的现有技术的图11b中，微透镜矩阵14替代单孔径透镜并且前面所考虑的因素继续适用：在像平面中，彼此相邻的光电探测器12对着物平面的邻近部分。
然而，可独立建立每个单独微透镜14的视场IFOV的中心方向20。因此，在图12中，微透镜14被定位成以使前面的规则不再适用并且因此与邻近的光电探测器有关的视场的中心方向20之间的角距在矩阵内不是恒定的。然而，在这种情形中，用于寻址光电探测器的预处理是必要的以便于显现图像。
前面的实例可以被认为是特定情形的概括，下面对其中的两个进行说明。
具有单孔径透镜8并且所述单孔径透镜8具有水平度数为x以及垂直度数为y的视场(图11a)的mxn光电探测器12的2D矩阵可以被重新设计成mxn光电探测器12的1D线性矩阵，以这样的一种方式即使得与相应的光电探测器12相关联的每个微透镜14具有水平度数为x/m、垂直度数为y/n以及中心方向20的视场以便覆盖水平度数为x以及垂直度数为y的全局视场的一部分(图13)。
例如，在有必要实施场景的2D监控并且用于集成传感器的可用表面仅对于mxn光电探测器的1D线性矩阵来说是足够而对于mxn光电探测器的2D矩阵来说不足时，这可能是有用的。
每个单独的微透镜14的视场IFOV的中心方向20可以被独立建立的事实还可用来优化将光电探测器矩阵分区为专用于特定功能的子区域，并且尤其可用来利用矩阵的整个敏感区域。
图14通过举例的方式示出了其中存在有需要察看具有水平度数为x以及垂直度数为y的视场的场景的一部分的情形，其中x＝y，并且由光电探测器12的2D矩阵构成的传感器10上可有的子区域是矩形的：如果不得不沿着物平面的两个轴x和y维持相同的分辨率并且因此不得不为每个微透镜12维持相同的视场，则如图14所示，可将微透镜定位于矩形子区域。
前方监控
在具有用于监控汽车前方的场景的单孔径透镜的系统中使用的TV摄像机的格式主要依赖于两个参数：在其中某些物不得不利用更高精度进行辨别的场景区域(如路面上的水平标志)所需要的视场FOV和分辨率R。这意味着在其中不存在所关注物的场景的其他区域中，前面的分辨率R是完全多余的。
对于大多数前方监控功能，摄像机的格式必须至少是CIF(320×256像素)或VGA(640×480像素)。
这些格式不与上面提出的基于显微光学矩阵的光学解决方案兼容，其中光电探测器的尺寸为几十微米的数量级，即远远大于今天消费者或汽车应用所使用的标准矩阵的光电探测器的数量级(小于10微米)。具有尺度为几十微米数量级的光电探测器的使用结合高分辨率意味着过分扩张的芯片总面积以及因此增加的制造成本。
在基于显微光学矩阵的光学解决方案的情形中，有必要设计专用于前方监控功能的微透镜小组，以使彼此相邻的单独的光电探测器(或成群的光电探测器)的视场IFOV不为微透镜小组的整个视场FOV保持恒定，但是如图15所示，以场景的不同区域内实际需要的分辨率为基础对它们进行限定。因此，单独的彼此相邻的光电探测器(或成群的光电探测器)的视场IFOV的中心方向之间的角距不是恒定的。
如图16所示，这种方法使得能够相对于外围区域的点在图像的逸出点上定义更高的分辨率。从逸出点开始到矩阵的外部边缘，单独的光电探测器(或成群的光电探测器)的视场IFOV以及IFOV的中心方向之间的角距两者都增加，否则只有IFOV的中心方向之间的角距增加，同时IFOV反而维持恒定，以便于对需要较低分辨率的场景的部分进行不连续地取样。
变焦
前方场景监控功能是多种形式的(会车、车道警告、弯道探测、直立标志探测、行人监控等)。
为了将所有这些功能集成于与单孔径透镜耦合的同一光电探测器矩阵上，首先有必要评估视场、最小和最大范围、最大距离处的基准障碍物的分辨率方面的功能规格。组合这些规格使得能够定义矩阵的格式，其对于某些功能来说明显是足够的而对其他功能来说是多余的。利用这种方法，摄像机的格式无疑将大于VGA。
减小TV摄像机的格式的备选方案必需使用光学变焦。然而，光学变焦的尺寸和复杂度使得难以将其与专用于环境参数测量功能的其他光学系统集成(注意按照文献EP-A-1 418 089的发明的如图1所示的传感器的复杂度)。此外，光学变焦增加了传感器的制造成本。
如果使用的是微透镜矩阵而不是单孔径光学系统，可优化专用于前方场景监控的子区域，增加其中细节需要被辨别的区域内的分辨率(水平标志、障碍物识别等)并减小其中必要的信息更定性的区域内(路沿、地平线等)的分辨率。当利用光学变焦使其成为可能时，这等效于处理具有最佳分辨率的图像。
在前面的段落“前方监控”中已经讨论过用于改变分辨率的解决方案。
光学预处理
设计定义每个微透镜的视场的方向和幅度的微透镜矩阵的能力允许简化图像处理。
可能的光学预处理功能包括：应用滤光片以便于预变换图像用于后面的处理。利用单孔径光学部件，甚至在不显著的区域要求高分辨率以便于具有足够的分辨率来识别图像的某些区域。而使用每个微透镜或微透镜小组的不同视场，能够以适当的分辨率和视场定义矩阵的子区域，以便于简化图像处理操作。
参考图17，另外的可能性包括：在矩阵的敏感区域上定义j个光电探测器的k组，每个光电探测器能够产生(借助于单个微透镜或j个微透镜的矩阵)场景的相同部分的图像或场景的不同部分的图像。在每一组j个光电探测器上安置的是具有不同形状的光阑。在一组光电探测器构成与光阑的形状匹配的场景的一部分时，信号是最高的。如图17所示，这种方法可用于比如车道警告功能，其中有j个光电探测器的k/2组察看路况的左边部分(所关注的类型1区)而有j个光电探测器的k/2组察看路况的右边部分(所关注的类型2区)。
现在可以根据不同的观点来分析图12中示出的实例。正如上面所解释的，微透镜14被定位以使在图像平面内彼此相邻的光电探测器12没有对着物平面的邻近部分，并且因此与邻近的光电探测器12有关的视场的中心方向20之间的角距在矩阵内不是恒定的。基于这个一般的实例，能够设计具有这样的视场的微透镜的k个小组以便察看与图17的光阑形状精确匹配的场景的k个部分，从而选择水平分界线的k个位置。然而，所述微透镜的k个小组被水平定位于光电探测器矩阵上：第一小组从矩阵的左上角开始并且向右走，第二小组从第一小组的结尾开始并且向右走等等；到达矩阵的右边缘时，后面的行开始。
图18a示出了与ROI有关的光电探测器小组和实际暴露于通过光阑的辐射中的若干光电探测器的放大图。图18b示出了如上所述的微透镜的第k小组的定位。
正如图12的实例中提到的，这种解决方案的优点是：除去图17的光阑，使用具有更小格式的矩阵，消除了用于寻址光电探测器的任何形式的预处理。
矩阵分区
按照集成功能的任何类型和数目，光电探测器矩阵的敏感区域的分区可具有不同的配置。
图19仅仅通过举例的方式示出了、已经在文献EP-A-1 418 089中由同一申请人提到的光电探测器矩阵的敏感区域的第一可能分区。按照本专利申请的发明元件，相同功能可以被有不同地集成。
所谓“微光”功能由不得不测量环境照明的矩阵的子区域来实施。甚至可以将专用于该功能的光电探测器的数目减少到刚好为一，并且在定位于矩阵的敏感区域方面没有约束。按照优选的特征，中心光电探测器(或少数光电探测器)被具有不同视场的八个或更多光电探测器所包围，中心的更大而侧面的更小，以便于具有关于环境照明的强度(中心光电探测器)以及关于太阳辐射的强度和方向(侧面光电探测器)的信息。关于环境照明的信息使得能够在不良照明状况下自动打开/关闭汽车前灯。关于太阳照明方向的信息使得能够优化汽车的空调系统，如用于起动和调节多区域空调系统的气流。按照另外的优选特征，某些光电探测器的取向朝着汽车的仪表盘以此测量投射其上的辐射(光电探测器上的漫射辐射)。专用于照明和太阳辐射功能的光电探测器可以被互相分离地定位于非相邻的位置。
关于雾探测功能(基于有源技术)，甚至可以将光电探测器的数目减少到刚好为一个，并且在定位于矩阵的敏感区域方面没有约束。
对于隧道功能，甚至可以将光电探测器的数目减少到刚好为一个，并且在定位于矩阵的敏感区域方面没有约束。按照优选的特征，光电探测器(少数光电探测器)具有大约为20°的前方视场，而第二光电探测器(少数光电探测器)具有大约为10°的更小的前方视场。
标以“前方监控”的敏感矩阵的子区域实施所谓的“车道警告”功能。优选地，所关注的区域(即有效地用于图像处理的区域)是梯形的，并且因此专用于该功能的光电探测器的数目根据文献EP-A-1418 089中由同一申请人所描述的来减少。优选地，光电探测器的视场在其中车道分界线可被定位的图像区域内更小(更高的分辨率)。这使得能够减少专用于该功能的光电探测器的数目。
称为“前方监控”的区域可选地或另外的“车道警告”功能可专用于会车探测功能。按照优选的特征，所关注的区域(即有效地用于图像处理的区域)是梯形的，并且因此专用于该功能的光电探测器的数目根据文献EP-A-1 418 089中由同一申请人所描述的来减少。光电探测器的视场在其中会车的汽车的前灯出现的潜在指示物或在基准汽车(其上安装有传感器的汽车)之前的汽车尾灯出现的潜在指示物可被定位的图像区域内更小(更高的分辨率)。按照优选的特征，光电探测器的两个小组被设置以实施这种功能：第一小组的光电探测器具有确保远距离监控场景的视场以此探测来自对面车道的汽车，以及第二小组的光电探测器具有确保短距离监控场景的视场以此探测在基准汽车之前的汽车。
按照优选的特征，位于前方监控功能的子区域的未使用区域中的一组光电探测器可专用于侧面监控，即专用于弯道出现的探测用来指挥汽车的自适应前灯。
称为“前方监控”的敏感区域的部分可用于多种功能的组合，即车道警告、会车、弯道探测等。专用于这样的功能的子区域优选地由其微透镜具有优化的方向和视场的光电探测器构成：只在其中用于处理算法的所关注的物可被定位的区域内为高分辨率，在非关注区域(如地平线)内为低分辨率。该结果可与利用光学变焦获得的结果相比拟。
图20示出了已经在文献EP-A-1 418 089中由同一申请人描述的、光电探测器矩阵的敏感区域的分区的第二实例。按照本专利申请的发明元件，相同功能可以被集成。
对于下雨/起雾功能，在定位于矩阵的敏感区域方面没有约束。在文献EP-A-1 418 089描述的解决方案中，为了使雨点落在相同的图像平面上，光轴不得不垂直于挡风玻璃。按照本发明，微透镜的使用使得微透镜矩阵的光轴保持与路面平行。如图21的示意图所示的，通过设计具有不同焦距的微透镜，能够补偿光电探测器矩阵和雨点位于其上的挡风玻璃之间的不同距离。在该图中，汽车的挡风玻璃用数字30表示。数字32示意性表示了在挡风玻璃的外部表面上沉积的水滴。附图标记14′、14″、14′″表示具有不同焦距的、被定位的微透镜，以这样的一种方式定位微透镜，使得各自对应的焦距调整点相对于挡风玻璃落在了独立于微透镜的不同距离的光电探测器的平面上。
参考图22，数字36表示能够实施监控汽车乘员功能的装置。由附图标记38表示的光电探测器矩阵的取向朝着汽车的前方。某些光电探测器40(比如位于矩阵38的左下和右下角)被用来确定乘员驾驶员的位置以及乘客的存在、类型和位置。因为该功能不需要能够产生整个汽车图像的光学部件，而是仅仅能够监控和识别乘客存在，所以显示了许多的(比如等于9个的)光电探测器。因为汽车内部被定位于光电探测器矩阵38的有效侧的后部，为了察看场景，使用光学系统42，能够接收位于光电探测器矩阵后部的图像。例如，光学系统42可以是如图22所示的波导元件。另一方面，光学系统42可包含棱镜元件(图中未示出)。光学系统的视场由附图标记44表示。
图23示出了光电探测器的有用表面的分区的另外的可能性。这种分区使得能够将更多的功能集成在具有减小的格式(如CIF)的矩阵上。
图24示出了按照本发明的、用于实施察看盲角功能的传感器10的可能布置。按照本发明的优选特征，为了实施该功能，每个传感器10可具有两种不同视场以覆盖不同的方向和距离，以使驶来的汽车在不同时间横穿两个辐射束，产生可用来发信号通知危险物的阶跃信号。
Claims (24)
1.一种多功能光学传感器，包含CCD或CMOS类型的光电探测器(12)矩阵，具有被分成子区域的敏感区域，所述子区域的每一个单独地或与其他组合之后专用于监控所述传感器所观测的场景或测量环境参数的特定功能，
其中，
-所述光学传感器包含微透镜(14)矩阵，每个微透镜被设置以此使来自微透镜立体角(16)的一部分的辐射在相关联的光电探测器(12)或一群彼此相邻的光电探测器(12)上聚焦，
-每种功能与单个微透镜或彼此相邻的微透镜的单个小组、或者多个非彼此相邻的微透镜或微透镜的非彼此相邻的若干小组相关联，
-能够与功能相关联的所述相邻的光电探测器定义了子区域，即所关注的区域，
-邻近的光电探测器或邻近的成群的光电探测器所对着的立体角(16)的若干部分的中心方向之间的角距在所述微透镜矩阵内不是恒定的，
其特征在于，通过以下方式提供不恒定的角距：
具有光阑(18)矩阵的所述传感器被布置在所述光电探测器(12)矩阵和所述微透镜(14)矩阵之间，其中所述光阑的中心之间的距离不同于所述微透镜的尺寸，所述光阑(18)矩阵通过改变所述光阑的中心之间的距离来允许为每个光电探测器(12)或每群光电探测器选择每个微透镜(14)所对着的所述立体角的一部分，或者
具有光阑(18)矩阵的所述传感器被布置在所述光电探测器(12)矩阵和所述微透镜(14)矩阵之间，其中所述光阑的中心之间的距离等于所述微透镜的尺寸，所述微透镜(14)被集中在各自对应的光电探测器(12)或一群光电探测器上，每个微透镜(14)以这样的一种方式被设计，即以便为每个光电探测器(12)或每群光电探测器选择每个微透镜所对着的所述立体角的一部分，或者
具有光阑(18)矩阵的所述传感器被布置在所述光电探测器(12)矩阵和所述微透镜(14)矩阵之间，其中所述光阑的中心之间的距离不同于所述微透镜的尺寸，所述微透镜是显微物镜(15)的矩阵，其中的每一个由至少两个微透镜构成，所述显微物镜(15)的每一个与各自对应的光电探测器(12)或一群光电探测器(12)以及有关的光阑相关联，其中所述显微物镜(15)允许在包含后焦距时有效地改变焦距，由此允许在中心方向之间非恒定的距离，或者
不含光阑(18)矩阵而含有光电探测器(12)矩阵的所述传感器是一种高分辨率矩阵，其包括有效光电探测器和无效光电探测器，其中有效光电探测器(12)定义各微透镜所对着的视场的中心方向。
2.如权利要求1所述的光学传感器，其特征在于，分离挡板存在于相邻的微透镜之间.
3.如权利要求1所述的光学传感器，其特征在于，利用反射的折射微透镜设计所述微透镜(14、22、24)。
4.如权利要求3所述的光学传感器，其特征在于，利用全内反射的折射微透镜设计所述微透镜(14、22、24)。
5.如权利要求1所述的光学传感器，其特征在于，存在有专用于许多功能的邻近子区域，其中所述子区域的视场是不同的。
6.如权利要求1所述的光学传感器，其特征在于，在所述光电探测器矩阵上集成的功能的至少其中之一与单个微透镜小组相关联，其对着立体角视场以及相邻光电探测器或光电探测器群，该光电探测器群与所述微透镜小组相关联，所述微透镜小组不会总是具有彼此邻近的单独视场。
7.如权利要求1所述的光学传感器，其特征在于，至少一个小组的所述微透镜具有不同的以及彼此相邻的视场。
8.如权利要求1所述的光学传感器，其特征在于，至少一个小组的所述微透镜具有相等的但是不相邻的视场，以这样的一种方式即以便以非连续的方式对所述微透镜小组的所述全局视场进行取样。
9.如权利要求1所述的光学传感器，其特征在于，存在有单独用来分离所述光电探测器矩阵的敏感区域的邻近子区域的光电探测器。
10.如权利要求1所述的光学传感器，其特征在于，所述微透镜(14)由梯度折射率(GRIN)材料构成。
11.如权利要求1所述的光学传感器，其特征在于，至少一个小组的所述微透镜在其取向朝着所述光电探测器矩阵(12)的表面上使选择性干涉光学涂层作为滤光片来操作，以此仅传输所关注的波长。
12.如权利要求1所述的光学传感器，其特征在于，所述光电探测器矩阵(12)是CCD或CMOS技术、标准或利用所述光电探测器级(12)的预处理设置的并联结构。
13.如权利要求1所述的光学传感器，其特征在于，具有mxn光电探测器矩阵的至少一个子区域耦合至微透镜的一个小组，以这样的一种方式即使得在图像平面内彼此不相邻的光电探测器(12)对着物平面的邻近部分，其中m，n为光电探测器矩阵的行数和列数。
14.如权利要求1所述的光学传感器，其特征在于，对着水平度数为x以及垂直度数为y的视场的、具有mxn＝t光电探测器的子区域可在所述矩阵上被重新映射为子区域pxq＝t1光电探测器，以使每个光电探测器具有水平度数为x/m、垂直度数为y/n以及中心方向(20)的视场，以便覆盖水平度数为x以及垂直度数为y的全局视场的一部分，其中m、n为光电探测器矩阵的行数和列数，t为光电探测器总数，p、q为光电探测器的子区域的行数和列数，t1为光电探测器的子区域的光电探测器总数。
15.如权利要求1所述的光学传感器，其特征在于，它包含专用于前方场景监控功能的至少一个微透镜(14)的小组，其中在属于所述小组的微透镜中，所述邻近微透镜对着的所述中心方向之间的角距不是恒定的，并且所述若干微透镜对着的单独视场不是恒定的，以这样的一种方式即以便改变所关注场景的特定区域内的分辨率。
16.如权利要求1所述的光学传感器，其特征在于，它包含专用于前方场景监控功能的至少一个微透镜(14)的小组，其中在属于所述小组的微透镜中，所述邻近微透镜对着的所述中心方向之间的角距不是恒定的，并且所述微透镜对着的单独视场是恒定的，以这样的一种方式即以便以非连续的方式对为此需要更低分辨率的所述场景的部分进行取样。
17.如权利要求1所述的光学传感器，其特征在于，在前述的光电探测器矩阵(12)中定义了j个光电探测器的k个组，每个组能够在安置了具有不同形状的光阑的所述k个组上产生场景的相同部分的图像或场景的不同部分的图像，以使在一组产生与所述光阑的形状匹配的场景部分的图像时，信号是最强的。
18.如权利要求1所述的光学传感器，其特征在于，在前述的光电探测器矩阵(12)中定义了水平定位的光电探测器的k个组，所述组与能够产生所述场景的k个不同部分的图像的各自对应的微透镜相耦合，以这样的一种方式即以便获得光学预处理。
19.如权利要求1所述的光学传感器，其特征在于，它包含位于所述光电探测器矩阵的敏感区域的任何点上的、充当测量环境照明功能的至少一个光电探测器，所述至少一个光电探测器与被一定数量的微透镜所包围的中心微透镜相关联，以这样的一种方式即以便借助于所述中心微透镜获得关于环境照明强度的信息，以及借助于侧面微透镜获得关于太阳辐射强度和方向的信息。
20.如权利要求19所述的光学传感器，其特征在于，至少一个所述侧面微透镜的取向朝着汽车的仪表盘，以此测量投射其上的太阳辐射。
21.如权利要求1所述的光学传感器，其特征在于，肯定会实施前方监控功能的所述光电探测器矩阵的子区域具有梯形形状。
22.如权利要求1所述的光学传感器，其特征在于，对于下雨功能，所述微透镜具有平行于路面的光轴，并且具有便于补偿挡风玻璃的弯曲的焦距。
23.如权利要求1所述的光学传感器，其特征在于，在所述光电探测器矩阵中的乘员监控功能专用于耦合到能够接收位于所述光电探测器矩阵的后部的图像的棱镜或波导系统的一个或多个像素。
24.如权利要求1所述的光学传感器，其特征在于，在所述光电探测器矩阵中的盲角监控功能专用于一个或多个光电探测器的小组，所述光电探测器的小组具有不同的视场以便于以不同的分辨率覆盖不同的方向。
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