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Die Erfindung betrifft einen optischen Sensor mit optoelektronischen Wandlerelementen, wobei zumindest eine ihre Transmissionseigenschaften in Abhängigkeit von dem Anliegen eines elektrischen Feldes ändernde Zelle in den Strahlengang zum Belichten der fotosensitiven Oberfläche von mindestens einem Wandlerelement eingebracht ist, wobei die Zelle einen Kanal aufweist, der zwei Reservoirbereiche miteinander verbindet, die durch die einander gegenüberliegenden Endabschnitte des Kanals gebildet sind, wobei durch ein elektrisches Feld eine Filterflüssigkeit durch den Kanal verschiebbar ist, und wobei der Strahlengang zu einem oder mehreren Wandlerelementen zwischen den Reservoirbereichen quer oder senkrecht durch den Kanal verläuft.
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Für diverse Anwendungen ist es vorteilhaft, optische Eigenschaften von Systemen bzw. Systemelementen zeitlich vorübergehend ändern zu können. Ein Beispiel ist die Modulierung der Intensität oder des Spektrum des Lichtes, das auf eine Kamera fällt. Ein weiteres Beispiel ist das Umschalten zwischen verschiedenen Strahlengängen, indem ein Spalt zwischen optischen Bauteilen entweder totalreflektierend oder transmittierend ist.
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Zur Erhöhung der Fahrsicherheit beim Führen eines Kraftfahrzeuges werden in zunehmendem Maße Fahrerassistenzsysteme eingesetzt. Verwendet werden zu diesem Zweck häufig Kamerasensoren ohne Farbfilterung, mit denen ein Graustufenbild erzeugbar ist. Über derartige Kamerasensoren, die eine zweidimensionale Anordnung von optoelektronischen Wandlerelementen als fotosensitives Sensorarray und eine vorgeschaltete Optik aufweisen, erfolgt eine Erfassung der Fahrzeugumgebung, insbesondere nach vorne in Fahrtrichtung blickend. Über ein solches Fahrerassistenzsystem wird beispielsweise eine Abblendung des Fernlichtes gesteuert, wenn ein entgegenkommendes Kraftfahrzeug detektiert wird. Mit einem herkömmlichen Graustufen-Kamerasensor ist jedoch nicht eindeutig feststellbar, ob erfasste Lichtpunkte relativ geringer Intensität Rücklichtern eines voranfahrenden Fahrzeuges oder anderen Lichtquellen wie z. B. einzelnen Laternen zuzuordnen sind. Die Detektion der Rücklichter eines voranfahrenden Fahrzeuges soll das Abblenden des Fernlichtes bewirken, während einzelne Laternen die Verwendung des Fernlichtes erlauben.
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Eine Unterscheidung weißen oder gelben Laternenlichts von roten Rücklichtern eines in dieselbe Richtung voranfahrenden Fahrzeuges wäre durch Einsatz eines Farbkamerasensors möglich. Zur Realisierung von Farbfiltern für Kameras werden oftmals drucktechnische Systeme verwendet, bei denen einzelne Wandlerelementen eines Kamerasensors mit bestimmten Farbfiltern abgedeckt sind (z. B. „Bayer-Pattern“). Die optische Information eines Bildpunktes (Pixel) wird also durch mehrere unterschiedliche Farbkanäle und somit letztendlich durch mehrere Wandlerelemente gebildet. Nachteilig bei dieser Lösung ist also, dass die notwendige Ausbildung eines Pixels durch mehrere Wandlerelemente erfolgt und damit die räumliche Auflösung reduziert wird. Überdies ist der Einsatz derartiger Sensoren kostenträchtig.
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Bekannt sind außerdem mechanische Systeme (z. B. Farbräder) und elektrooptische Systeme (z. B. LCD, Pockelszellen, Kerrzellen), die jedoch ihre jeweiligen Nachteile haben. So sind mechanische Systeme oft anfällig und nur schwer steuerbar, elektrooptische Systeme sind häufig träge oder sehr aufwändig und damit teuer.
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Die deutsche Patentanmeldung
DE 10 2007 014 126 A1 offenbart eine Farbfilterung mit einer Electrowetting-Anordnung. Das dieser Anordnung zugrunde liegende Funktionsprinzip wird auch als Elektrokapillar- oder Elektrobenetzungseffekt bezeichnet. In diesem Dokument ist ein Kamerasensor beschrieben, bei dem zumindest eine lichtdurchlässige, ihren Farbzustand in Abhängigkeit von dem Anliegen eines elektrischen Feldes ändernde Zelle in den Strahlengang zum Belichten der fotosensitiven Oberfläche von Wandlerelementen des Sensorarrays als elektrisch schaltbarer optischer Farbfilter eingebracht ist.
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Aus der Druckschrift
US 4,701,021 A ist ein optischer Modulator bekannt, der eine Zelle mit Reservoirmitteln aufweist, zwischen denen sich ein Kapillarraum befindet. Mittels eines elektrischen Feldes kann ein Fluid zwischen dem Reservoirmitteln und dem Kapillarraum verschoben werden.
Ein wesentlicher Nachteil der derzeit bekannten Electrowetting-Zellen ist ihre relativ lange Umschaltzeit, die dadurch hervorgerufen wird, dass Flüssigkeitstropfen aus einem Reservoir in die Position bewegt werden müssen, in der der gewünschte physikalische Effekt aktiviert ist. Danach dauert es ebenfalls eine relativ lange Zeit, bis der Ausgangszustand wieder hergestellt ist. Dies ist nachteilig, wenn die gefilterte Sensorinformation zyklisch für nur jeweils eine kurze Zeit erfasst werden soll und danach wieder möglichst schnell die ungefilterte Sensorinformation zur Verfügung stehen soll.
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Es stellte sich die Aufgabe, einen optischen Sensor zu schaffen, bei dem ein gewünschter Filtereffekt für sehr kurze Zeiten einschaltbar ist.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass durch das elektrische Feld die Filterflüssigkeit durch den Kanal von einem Reservoirbereich in den anderen Reservoirbereich verschiebbar ist, dass der Kanal zwischen den Reservoirbereichen einen Transitbereich aufweist, und dass bei ihrer Bewegung durch den Kanal die Filterflüssigkeit zwischen dem Transitbereich und den Reservoirbereichen Beschleunigungsbereiche durchläuft, in denen die Filterflüssigkeit vor dem Erreichen des Transitbereichs beschleunigt wird und nach Passieren des Transitbereichs abgebremst wird.
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Der erfindungsgemäße optische Sensor weist mindestens eine fluidtechnische Zelle auf, die den Elektrokapillar- bzw. Elektrobenetzungseffekt zur Bewegung von Flüssigkeiten nutzt. Diese mindestens eine Zelle besteht im Wesentlichen aus einem länglichen Kanal, durch dessen mittleren Bereich, den so genannte Transitbereich, der Strahlengang zu einem oder mehreren Wandlerelemente eines Kamerasensors verläuft, welcher vorzugsweise als ein kostengünstiger Schwarzweiß-Kamerasensor ausgebildet ist. Die Zelle(n) bilden dabei optische Filter oder Shutter aus.
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Jede Zelle weist zwei Reservoirbereiche auf, die eine beispielsweise eingefärbte Filterflüssigkeit aufnehmen können. Die Menge der Filterflüssigkeit sowie die Ansteuerung der zur Zelle gehörenden transparenten Elektroden ist so abgestimmt, dass die Filterflüssigkeit aus einer der beiden Endlagen in den Reservoirbereichen beschleunigt werden kann, dann über einen bestimmten, definierten Zeitraum den eigentliche Filter- bzw. Transitbereich passiert und in den gegenüberliegenden Reservoirbereich eintritt. Zwischen den Reservoirbereichen und dem Transitbereich weist der Kanal Beschleunigungsbereiche auf, in denen die Bewegung der Filterflüssigkeit beschleunigt oder abgebremst wird.
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Die zentrale Idee, den Filter oder Verschluss nur „im Transit“ im Strahlengang zu halten, hat den Vorteil, dass man die niedrigen Geschwindigkeiten der Filterflüssigkeit in der Beschleunigungs- und Abbremsphase für die Filterfunktion nicht berücksichtigen muss und so Filterzeiten von etwa 5 ms oder weniger realisieren kann, welche für die eingangs genannten Anwendungen vorteilhaft sind.
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Vorteilhaft ist auch, dass sich die Filterflüssigkeit im ausgeschalteten Zustand nicht im optischen Weg befindet, wodurch ein Ausbleichen und der Einfluss von UV-Strahlung auf die optischen Eigenschaften von nachrangiger Bedeutung sind.
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Das grundsätzliche Prinzip dieser Erfindung, nämlich die nur kurzzeitige Änderung der physikalischen Bauelement-Eigenschaften in einem bestimmten Bereich einer Electrowetting-Zelle nicht durch Füllen und Entleeren, sondern durch das Vorbeifließen einer geeigneten Flüssigkeit zu erreichen, kann vorteilhaft auf alle mit Electrowetting erzielbaren Effekte angewandt werden.
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Vorteilhafterweise ist der freie Raum der Zelle mit einer durchsichtigen Füllflüssigkeit aufgefüllt, so dass der Elektrobenetzungseffekt noch verstärkt nutzbar ist. Ein bei der Bewegung der Filterflüssigkeit den Druckausgleich unterstützender Ausgleichskanal kann neben der eigentlichen Filterfläche angeordnet und mittels Barrieren so dimensioniert sein, dass der durch seine Oberflächenspannung zusammengehaltene Filterflüssigkeitstropfen nicht in diesen Kanal eindringen kann.
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Mehrere dieser Filter-/Shutter-Anordnungen können zur Realisierung unterschiedlicher Filterfarben auch übereinander gestapelt angeordnet sein.
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Vorteilhaft ist es, wenn mindestens ein Sensorelement vorgesehen ist, welches ein Signal generiert, wenn der bewegte Filterflüssigkeitstropfen eine vorgegebene Position innerhalb des Kanals erreicht. Dieses Signal kann beispielsweise als ein Triggersignal für eine nachgeschaltete Elektronik verwendet werden.
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Ebenfalls vorteilhaft ist es, wenn mindestens ein Sensorelement vorgesehen ist, welches physikalische Eigenschaften der Zelle lokal misst, wodurch zum Beispiel die optischen Transmission oder die elektrische Kapazität im interessierenden Bereich oder auch in einem Reservoir messtechnisch überwacht werden kann.
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Besonders vorteilhaft ist es, wenn mindestens ein Sensors zur Erfassung der Flüssigkeitstemperatur innerhalb der Zelle vorgesehen ist. Hierdurch können temperaturabhängige Eigenschaften der Zelle auf einfache Weise kompensiert werden.
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In einer besonders vorteilhaften Ausgestaltung kann zudem ein Heizelement vorgesehen sein, um die Fließeigenschaften der Filterflüssigkeit zu verbessern.
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Nachfolgend ist die Erfindung anhand eines Ausführungsbeispiels unter Bezugnahme auf die beigefügten Figuren beschrieben. Es zeigen:
- 1 eine schematische Schnittdarstellung eines optischen Sensor,
- 2 einen Querschnitt durch den Kanal des optischen Sensors, und die
- 3 ein Diagramm zum Zeitverhaltens des optischen Sensors.
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Die 1 zeigt die Prinzipskizze eines optischen Sensors mit einer elektrooptischen Zelle 1, deren Funktionsprinzip auf dem Effekt der Elektrokapillarität oder Elektrobenetzung (engl. electrowetting) beruht.
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Das Funktionsweise einer solchen Zelle basiert darauf, dass ein elektrisches Feld in der Lage ist, die Oberflächenspannung von Flüssigkeiten zu verändern. Grundsätzlich besteht eine Elektrobenetzungszelle aus einer Art Kondensator, bei dem der Platz zwischen den Elektroden mit einer unpolaren, hydrophoben Flüssigkeit (z. B. Öl) und einer polaren Flüssigkeit (z. B. Wasser) gefüllt ist, wobei eine der Elektroden hydrophob beschichtet ist. Ohne ein elektrisches Feld legt sich das Öl als Film über die beschichtete Elektrode; mit Feld verdrängt das Wasser den Ölfilm, da das anliegende Feld die Polarisation der Dipole in der Wasseroberfläche aufhebt. Weitere Details einer nach diesem Prinzip funktionierenden Anordnung sind beispielsweise in der
DE 10 2007 014 126 A1 beschrieben.
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Die in der 1 im Schnitt dargestellte Zelle 1 weist einen mehrschichtigen Aufbau auf. Die äußeren Schichten der Zelle 1 sind durch Glasflächen 12 gebildet. Auf den Innenseiten der Glasflächen 12 sind einander gegenüberliegend Elektroden (4, 5) angebracht, die einerseits aus einer Elektrodenreihe 4 aus mehreren gegeneinander isolierten Abschnitten, und andererseits aus einer räumlich durchgängigen Gegenelektrode 5 bestehen. Beide Elektroden (4, 5) sind mit jeweils einem Dielektrikum 2 versehen, auf welches weiter innen liegend, jeweils eine hydrophobe Beschichtung 3 aufgebracht ist. Alle diese Schichten sind aus optisch transparenten Materialien aufgebaut und haben daher im Idealfall keinen Einfluss auf den quer bzw. vorzugsweise senkrecht durch die Zelle 1 verlaufenden Strahlengang 11.
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Der Strahlengang 11 endet nach Durchgang durch die Zelle 1 auf einem oder mehreren optischen Wandlerelementen 7 eines Kamerasensors 19. Die Zelle 1 kann beispielsweise, entsprechend der Darstellung der 1, so dimensioniert sein, dass der Transitbereich 10 die gesamte Bilderfassungsfläche des Kamerasensors 19 abdeckt, und die Zelle daher sämtliche optischen Wandlerelemente 7 des Kamerasensors 19 beeinflusst.
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Alternativ kann die Zelle 1 auch derart dimensioniert sein, dass sie nur eines oder wenige Wandlerelemente 7 des Kamerasensors 19 überdeckt. Darüber hinaus kann sogar ein ganzes Array derartiger „mikroskopisch“ kleiner Zellen 1 vorgesehen sein, die einzeln oder gemeinsam steuerbar sind und eine entsprechende Anzahl von optischen Wandlerelementen 7 jeweils einzeln beeinflussen.
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Die hier beispielhaft dargestellte Verwendung einer Zelle 1 zur gemeinsamen Beeinflussung sämtlicher Wandlerelemente eines Kamerasensors 19 wird wegen des besonders geringen erforderlichen Aufwandes als eine für viele Anwendungen besonders vorteilhafte Ausführungsform angesehen.
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Das Innere der Zelle 1 bildet einen Kanal 13 aus, in den zumindest ein Tropfen einer Filterflüssigkeit 6 eingebracht ist. Ein Shutter kann durch die Verwendung einer besonders stark absorbierend wirkenden Filterflüssigkeit 6 realisiert sein. Zur Ausbildung eines Farbfilters kann als Filterflüssigkeit 6 ein gefärbtes Öl vorgesehen sein. Im Zusammenhang einer Erkennung von Lichtquellen, und ob diese ein als Frontscheinwerfer einem entgegenkommenden Fahrzeug oder als Rücklicht einem vorangehenden Fahrzeug zugehörig sind, wird man ein rot gefärbtes Öl verwenden, um auf diese Weise einen Rotfilter bereitzustellen.
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Der Filterflüssigkeitstropfen 6 kann durch Anlegen eines wandernden elektrischen Feldes an die Elektroden (4, 5) durch den Kanal 13 verschoben werden. Zur Verdeutlichung zeigt die 2 einen senkrechten Schnitt mitten durch den Kanal 13. Dieser bildet an seinen entgegengesetzt gelegenen äußeren Abschnitten einen ersten und einen zweiten Reservoirbereich (8, 9) aus, die über jeweils einen angrenzenden Beschleunigungsbereich 14 mit einem mittleren Transitbereich 10, durch den der Strahlengang des optischen Sensors verläuft, verbunden sind. Der Kanal 13 weist eine mechanische Barriere 15 auf, die in Längsrichtung einen Ausgleichskanal 17 abteilt. Die Barriere 15 besitzt im Übergangsbereich zwischen den Reservoirbereichen (8, 9) und den Beschleunigungsbereichen 14 zwei Anformungen 18 in Form kurzer steg- oder wandförmiger Abschnitte.
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Im ersten Reservoirbereich 8 ist in der 2 ein Filterflüssigkeitstropfen 6 dargestellt. Der Filterflüssigkeitstropfen 6 ist durch Kohäsionskräfte ausreichend formstabil, so dass die Anformung 18 der Barriere 15 den Filterflüssigkeitstropfen 6 innerhalb des ersten Reservoirbereichs 8 hält und insbesondere verhindert, dass sich dieser im Fall mechanischer Bewegungen oder Erschütterungen der Zelle 1 aus dem ersten Reservoirbereich 8 fort bewegen kann. Erst ein an den Elektroden (4, 5) anliegendes elektrisches Feld vermag die Filterflüssigkeitstropfen 6 soweit zu verformen, dass sich dieser an der Anformung 18 der Barriere 15 vorbeibewegen kann.
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Wie bereits erwähnt, ist der Kanal 13 mit einer polaren Füllflüssigkeit 16, und zwar vorzugsweise mit Wasser, aufgefüllt. Damit die Füllflüssigkeit 16 die Bewegung des Filterflüssigkeitstropfens 6 nicht behindert, kann sie in den Ausgleichskanal 17 verdrängt werden und den jeweils durch den Filterflüssigkeitstropfen 6 freigegebenen Bereich ausfüllen.
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Wird nun an die in der 1 dargestellten Elektroden (4, 5) ein elektrisches Feld angelegt, so verdrängt die Füllflüssigkeit 16 den an der hydrophoben Beschichtung 3 anliegenden Filterflüssigkeitstropfen 6. Der Filterflüssigkeitstropfen 6 wird sodann seitlich weggedrängt, und durch den Kanal 13 bewegt, bis er den gegenüberliegenden Reservoirbereich 9 erreicht. Von dort kann der Filterflüssigkeitstropfen 6 durch ein räumlich umgekehrt wanderndes elektrisches Feld auch wieder in den ersten Reservoirbereich 8 zurück verschoben werden.
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Bei seiner Bewegung durch den Kanal 13 durchläuft der Filterflüssigkeitstropfen 6 zwischen dem Transitbereich 10 und den Reservoirbereichen (8, 9) Beschleunigungsbereiche 14, in denen der Filterflüssigkeitstropfen 6 vor dem Erreichen des Transitbereichs 10 beschleunigt und nach Passieren des Transitbereichs 10 abgebremst wird.
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In der 3 ist das Geschwindigkeits-Zeit-Diagramm für die Bewegung eines Filterflüssigkeitstropfens 6 durch den Kanal 13 der Zelle 1 beispielhaft dargestellt. Erkennbar ist, dass die Beschleunigungsphase des Filterflüssigkeitstropfen 6 vor dem Erreichen des Transitbereichs 10 mit ca. 50 ms relativ lange dauert. Etwa ebenso lange dauert auch die Abbremsphase nach dem Durchgang durch den Transitbereich 10. Man beachte, dass diese beiden Phasen in der 3 sogar im Maßstab gestaucht skizziert sind.
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Das Passieren des Transitbereichs 10, in welchem sich der Filterflüssigkeitstropfen 6 innerhalb des Strahlengangs 11 befindet, dauert dagegen nur ca. 5 ms, da der Filtertropfen beim Erreichen des Transitbereichs 10 schon eine hohe Geschwindigkeit erreicht hat. Die zum Passieren des Transitbereichs 10 erforderliche Zeit beträgt somit in diesem Beispiel weniger als 5 % der Gesamtdauer eines Verschiebungszyklusses des Filterflüssigkeitstropfen 6 zwischen den Reservoirbereichen (8, 9).
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Die gefilterte Bilderfassung kann somit äußerst schnell erfolgen, so dass die ungefilterte Bilderfassung durch die gleichen optischen Wandlerelemente 7 des Kamerasensors 19 jeweils nur für sehr kurze Zeiten unterbrochen wird.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Zelle
- 2
- Dielektrikum
- 3
- (hydrophobe) Beschichtung
- 4
- Elektrodenreihe (transparent)
- 5
- Gegenelektrode (transparent)
- 6
- Filterflüssigkeit (Filterflüssigkeitstropfen)
- 7
- Wandlerelement(e)
- 8
- (erster) Reservoirbereich
- 9
- (zweiter) Reservoirbereich
- 10
- Transitbereich
- 11
- Strahlengang
- 12
- Glasflächen
- 13
- Kanal
- 14
- Beschleunigungsbereiche
- 15
- Barriere
- 16
- Füllflüssigkeit
- 17
- Ausgleichskanal
- 18
- Anformung
- 19
- Kamerasensor
