DE102010055865A1

DE102010055865A1 - Kameravorrichtung für einen Kraftwagen

Info

Publication number: DE102010055865A1
Application number: DE102010055865A
Authority: DE
Inventors: Jürgen Dr. Ing. 89079 Dickmann; Lars Dr. Ing. 89073 Krüger
Original assignee: Daimler AG
Current assignee: Mercedes Benz Group AG
Priority date: 2010-12-22
Filing date: 2010-12-22
Publication date: 2011-07-28

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Kameravorrichtung (1) für einen Kraftwagen (2) mit zumindest einem ersten, mehrere photoempfindliche Pixel (4) umfassenden integrierten Halbleiterbauelement (3), welches dazu ausgebildet ist, ein erstes Bild (B1) optisch zu detektieren und räumlich aufgelöste, zweidimensionale Bildinformationen bereitzustellen, und zumindest einem von dem ersten Halbleiterbauelement (3) verschiedenen zweiten, mehrere photoempfindliche Pixel (6) umfassenden integrierten Halbleiterbauelement (5), welches dazu ausgebildet ist, ein zweites Bild (B2) optisch zu detektieren und räumlich aufgelöste, dreidimensionale Bildinformationen bereitzustellen, wobei das zumindest eine erste (3) und das zumindest eine zweite Halbleiterbauelement (5) in einem gemeinsamen Gehäuse (7) vorliegen.

Description

Die Erfindung betrifft eine Kameravorrichtung für einen Kraftwagen mit zumindest einem ersten mehrere photoempfindliche Pixel umfassenden integrierten Halbleiterbauelement, welches dazu ausgebildet ist, ein erstes Bild optisch zu detektieren und räumlich aufgelöste, zweidimensionale Bildinformationen bereitzustellen.
Es sind Fahrerassistenzsysteme für Kraftwägen bekannt, die Sensoren umfassen, mit denen sich Objekte im Fahrzeugumfeld detektieren lassen. Bei vielen Fahrerassistenzsystemen ist es hierbei sinnvoll, die hohe Winkelauflösung von Bildsensoren mit der genauen Entfernungsinformation zu verbinden, welche von anderen aktiven Sensoren, wie z. B. Radar- oder Lidarsensoren, bereitgestellt wird. Eine Entfernungsbildkamera bildet hier eine Kompromisslösung. Entfernungsbildkameras basieren in der Regel auf dem Prinzip des Photomischdetektors (Photonic Mixer Device, PMD), bei dem die Signallaufzeit eines ausgesandten Lichtimpulses eine Entfernungsinformation für ein Objekt liefert, das den Lichtimpuls reflektiert. Entsprechende Kameras werden deshalb auch als TOF-(Time Of Flight, TOF)Kameras bezeichnet. Allerdings sind die lateralen Auflösungsgrenzen aufgrund der geringen Pixelanzahl und großen Pixelfläche bei den heutigen PMD-Sensoren limitiert, so dass nur eine unbefriedigende Winkelauflösung erreicht wird. Eine konventionelle Tageslichtkamera (z. B. CCD-Kamera) ist zwar beleuchtungsunabhängig, liefert jedoch keine Entfernungsinformationen.
Aus der DE 10 2007 004 348 A1 ist ein Halbleiterbauelement für ein Kamerasystem eines Fahrzeugs bekannt, das eine zweidimensionale integrierte Anordnung von Imager-Pixeln zur Aufnahme von optischer oder infraroter Strahlung und Ausgabe von Bildsignalen umfasst, wobei auf dem Halbleiterbauelement Messzellen für eine Entfernungsbestimmung durch Laufzeitmessung von optischer und infraroter Strahlung integriert sind.
Die WO 03/030521 A1 beschreibt einen Bildaufnehmer, der eine Vielzahl von zweidimensional angeordneten photoempfindlichen Pixelelementen umfasst, wobei eine programmierbare Schaltungsanordnung zum parallelen Zusammenschalten beliebig vieler benachbarter Pixelelemente vorhanden ist. Bei den Pixelelementen kann es sich um PMD-Pixelelemente handeln.
Es ist Aufgabe der Erfindung, eine kostengünstige, kompakte und variabel ausgestaltbare Kameravorrichtung bereitzustellen, mit der sich Bilder in hoher Winkel- und Tiefenauflösung erfassen lassen.
Diese Aufgabe wird durch eine Kameravorrichtung, welche die Merkmale des Patentanspruchs 1 aufweist, gelöst.
Die Erfindung betrifft eine Kameravorrichtung für einen Kraftwagen, welche zumindest ein erstes integriertes Halbleiterbauelement mit mehreren photoempfindlichen Pixeln umfasst. Dieses erste Halbleiterbauelement ist dazu ausgebildet, ein erstes Bild optisch zu detektieren und räumlich aufgelöste zweidimensionale Bildinformationen bereitzustellen. Erfindungsgemäß umfasst die Kameravorrichtung darüber hinaus auch zumindest ein zweites integriertes Halbleiterbauelement, welches von dem ersten Halbleiterbauelement verschieden ist. Dieses zweite Halbleiterbauelement umfasst mehrere photoempfindliche Pixel und ist dazu ausgebildet, ein zweites Bild optisch zu detektieren und räumlich aufgelöste dreidimensionale Bildinformationen bereitzustellen. Das zumindest eine erste und das zumindest eine zweite Halbleiterbauelement liegen in einem gemeinsamen Gehäuse vor.
Durch die Verbindung zweier Sensoren in einem Gehäuse kann sowohl Bauraum eingespart als auch der Energieverbrauch reduziert werden. Weiterhin wird durch die direkte Verfügbarkeit von Entfernungsdaten aus dem zweiten Halbleiterbauelement Rechenzeit eingespart, die sonst benötigt würde, um aus den Grau- oder Farbbildern mehrerer erster Halbleiterbauelemente, z. B. durch Triangulation (Stereovision), diese Informationen zu gewinnen. Durch das zweite Halbleiterbauelement kann ein Sensor bereitgestellt werden, welcher für die Entfernungsmessung optimiert ist; dagegen kann das erste Halbleiterbauelement hinsichtlich der lateralen zweidimensionalen Auflösung bzw. Winkelauflösung optimiert sein. Durch die Kombination des ersten und zweiten Halbleiterbauelements in einem gemeinsamen Gehäuse werden entfernungsmessende und den lateralen Abstand messende Funktionalitäten so kombiniert, dass sich komplementäre Effekte und/oder Synergieeffekte ergeben. Die resultierende Kameravorrichtung ist kompakt, kostengünstig und variabel ausgestaltbar.
Vorzugsweise weist die Kameravorrichtung eine Optikvorrichtung zur Erfassung eines Gesamtbildes auf, welche dazu ausgebildet ist, den optischen Strahlweg der zum erfassten Gesamtbild gehörenden Lichtstrahlen so aufzuteilen, dass ein erster Ausschnitt des Gesamtbildes auf das zumindest eine erste Halbleiterbauelement gelenkt wird und ein zweiter Ausschnitt des Gesamtbildes auf das zumindest eine zweite Halbleiterbauelement gelenkt wird. Vorzugsweise überlappen der erste und zweite Ausschnitt zumindest teilweise miteinander. Besonders bevorzugt ist es, wenn der erste und zweite Ausschnitt identisch sind.
Hierbei ist es weiterhin bevorzugt, wenn die Optikvorrichtung eine Aperturvorrichtung und einen Strahlteiler umfasst. Vorzugsweise umfasst die Aperturvorrichtung zumindest eine Linse. Die Aperturvorrichtung ist insbesondere dazu ausgebildet, das Gesamtbild zu erfassen, während der Strahlteiler dazu ausgebildet ist, den optischen Strahlweg der zum erfassten Gesamtbild gehörenden Lichtstrahlen aufzuteilen. Der Strahlteiler ermöglicht es, dass das erste und das zweite Halbleiterbauelement innerhalb des Gehäuses sehr platzsparend angeordnet werden können. Ein separater Ersatz der einzelnen Halbleiterbauelemente ist leicht möglich. Die jeweils auszuleuchtende Fläche ist gering, so dass die Optikvorrichtung klein und insbesondere die Linse mit geringen Durchmessern ausgebildet werden kann.
Vorzugsweise können um das mindestens eine zweite Halbleiterbauelement wenigstens zwei der ersten Halbleiterbauelemente räumlich gruppiert sein. Aus mehreren diskreten Bildsensoren kann so ein größerer, virtueller Bildsensor zusammengestellt werden. In die Lücken zwischen ersten Halbleiterbauelementen können zweite Halbleiterbauelemente eingebracht werden. Eine hohe laterale Auflösung wird so mit einer sehr großen Tiefenauflösung kombiniert.
Vorzugsweise ist das zumindest eine erste Halbleiterbauelement als CCD-(Charged Coupled Device)Sensor order CMOS-(Complementary Metal Oxide Semiconductor)Sensor ausgebildet. Diese Sensortypen verfügen über eine sehr hohe laterale Auflösung. Die zugehörigen Pixel können sehr klein ausgebildet werden. Zusätzlich oder alternativ kann das zweite Halbleiterbauelement als PMD-(Photonic Mixer Device)Sensor ausgebildet sein. Dieser Sensortyp verfügt über eine sehr gute Tiefenauflösung und besitzt nur geringe Entfernungsmessfehler. Er ist auch bei Tageslicht oder sonstigem Fremdlicht einsetzbar.
Vorzugsweise umfasst die Kameravorrichtung eine Beleuchtungsvorrichtung zum Aussenden modulierter und/oder gepulster Strahlung, welche mit dem zumindest einen zweiten Halbleiterbauelement zur Gewinnung einer Tiefeninformation des zweiten Bildes gekoppelt ist. Durch eine Signallaufzeitmessung bzw. durch Messung der Phasenverschiebung zwischen ausgesendetem und empfangenem Lichtsignal kann das zweite Halbleiterbauelement einfach und unkompliziert die Entfernung eines Objekts bestimmen.
Besonders bevorzugt ist es hierbei, wenn die Beleuchtungsvorrichtung in dem gemeinsamen Gehäuse vorliegt. Diese kompakte Bauweise garantiert, dass der zu beleuchtende Raumwinkel klein ist und insgesamt wenig Lichtleistung und damit Energie benötigt wird.
Anhand von Ausführungsbeispielen wird die Erfindung im Folgenden näher erläutert. Es zeigen:
1 einen Kraftwagen mit einer Kameravorrichtung, welche ein schematisch dargestelltes Fahrzeugvorfeld dreidimensional erfasst;
2 eine schematisch Darstellung einer erfindungsgemäßen Kameravorrichtung gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel mit einem optischen Strahlteiler;
3A eine schematische Darstellung eines PMD-Sensors;
3B eine schematische Darstellung eines CCD-Sensors;
4 schematische Darstellungen von von Halbleiterbauelementen erfassten Teilbildern eines Gesamtbildes; und
5 eine schematische Darstellung einer kombinierten Sensoranordnung in einer erfindungsgemäßen Kameravorrichtung gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel.
In den Figuren sind gleiche oder funktionsgleiche Elemente mit den gleichen Bezugszeichen versehen.
1 zeigt einen Kraftwagen 2 mit einer Kamera 1, welche Teil eines Fahrerassistenzsystems ist. Die Kamera 1 erfasst das Fahrzeugvorfeld, in welchem schematisch zwei Objekte O1 und O2 dargestellt sind. Das Objekt O1 befindet sich in einer ersten Ebene E1, während das Objekt O2 in einer zweiten Ebene E2 vorliegt, welche um die Tiefe x weiter als die erste Ebene E1 vom Kraftwagen 2 entfernt ist. Der laterale Abstand zwischen dem Objekt O1 und dem gedanklich in die Ebene E1 projizierten Objekt O2 beträgt l.
Um den lateralen Abstand l zwischen den Objekten O1 und O2 mit möglichst geringem Fehler bzw. hoher Auflösung zu erfassen, ist in der Kamera 1 ein erstes Halbleiterbauelement in Form eines CCD-Sensors 3 vorgesehen. Um auch die Tiefe x mit hoher Auflösung zu erfassen, umfasst die Kamera 1 zudem ein zweites Halbleiterbauelement, welches als PMD-Sensor 5 ausgebildet ist.
Ein erstes Ausführungsbeispiel für die Anordnung der Sensoren 3 und 5 in der Kamera 1 ist in 2 dargestellt. Es handelt sich hierbei um eine Mehrchipkamera, bei der die beiden Sensoren 2 und 5 in einem gemeinsamen Gehäuse 7 untergebracht sind. Eine Linse 8 erfasst das Fahrzeugvorfeld optisch, wobei die aufgesammelten Lichtstrahlen L mittels eines Strahlteilers 9 auf die orthogonal zueinander platzierten Sensoren 3 und 5 aufgeteilt werden. Die Linse 8 bildet zusammen mit dem Strahlteiler 9 eine Optikvorrichtung zur Erfassung eines Gesamtbildes.
Zur Beleuchtung des Fahrzeugvorfeldes ist eine Lichtquelle 10 vorgesehen, welche ebenfalls im Gehäuse 7 vorliegt. Sie gibt moduliertes Infrarotlicht S ab und ist mit dem PMD-Sensor 5 zur Zeitsynchronisation gekoppelt. Der Strahlteiler 9 kann auch dichroitisch ausgebildet sein, um bevorzugt Licht mit der Wellenlänge des von der Lichtquelle 10 ausgesandten Lichtes S auf den PMD-Sensor 5 zu lenken. Die Lichtquelle 10 kann alternativ auch getrennt vom Gehäuse 7 untergebracht sein.
Die schematischen Darstellungen der 3A und 3B erlauben einen Vergleich hinsichtlich der Größen der PMD-Pixel 6 des PMD-Sensors 5 und der CCD-Pixel 4 des CCD-Sensors 3. Die CCD-Pixel 4 des CCD-Sensors 3 sind hinsichtlich ihrer Fläche sehr klein, so dass dieser Sensortyp hinsichtlich der erfassten Bilder eine hohe laterale, d. h. zweidimensionale Auflösung in der Ebene des erfassten Bildes garantiert. Die laterale Auflösung eines vom PMD-Sensor 5 erfassten Bildes ist relativ hierzu schlechter, da die PMD-Pixel 6 eine größere Fläche aufweisen als die CCD-Pixel 4. Die größere Fläche garantiert dagegen verbesserte Auflösungen hinsichtlich der Tiefe x.
Die von den Sensoren 3 und 5 erfassten Bilder sollten so weit wie möglich übereinstimmen. Es kann jedoch zu leichten Abweichungen kommen, wie dies in 4 dargestellt ist. Aufgrund möglicherweise unterschiedlicher Größen der Sensoren 3 und 5 oder unterschiedlicher Ausleuchtungen der Sensoren 3 und 5 durch den Strahlteiler 9 können gegebenenfalls nur Ausschnitte eines von der Linse 8 erfassten Gesamtbildes B3 von den Sensoren 3 und 5 detektiert werden. Beispielsweise detektiert der CCD-Sensor 3 ein erstes Bild B1, welches einem ersten Ausschnitt des Gesamtbildes B3 entspricht. Dagegen detektiert der PMD-Sensor 5 ein zweites Bild B2, welches einem zweiten, vom ersten Ausschnitt verschiedenen Ausschnitt entspricht. Idealerweise ist die Kamera 1 so optimiert, dass die Bilder B1 und B2 einen möglichst großen gemeinsamen Überlappungsbereich aufweisen und einen großen Ausschnitt des Gesamtbildes B3 erfassen.
In 5 ist ein zweites Ausführungsbeispiel für die Anordnung der Sensoren 3 und 5 in der Kamera 1 dargestellt. Um einen PMD-Sensor 5 sind acht CCD-Sensoren 3 räumlich gruppiert. Die mehreren diskreten CCD-Sensoren 3 bilden so einen größeren virtuellen Bildsensor, wobei sich in der Lücke dazwischen der PMD-Sensor 5 befindet.
Bezugszeichenliste

1: Kamera
2: Kraftwagen
3: CCD-Sensor
4: CCD-Pixel
5: PMD-Sensor
6: PMD-Pixel
7: Gehäuse
8: Linse
9: Strahlteiler
10: Lichtquelle
B1: Bild
B2: Bild
B3: Bild
L: Lichtstrahl
S: Licht
O1: Objekt
O2: Objekt
E1: Ebene
E2: Ebene
x: Tiefe
l: Abstand

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

DE 102007004348 A1 [0003]
WO 03/030521 A1 [0004]

Claims

Kameravorrichtung (1) für einen Kraftwagen (2) mit zumindest einem ersten, mehrere photoempfindliche Pixel (4) umfassenden integrierten Halbleiterbauelement (3), welches dazu ausgebildet ist, ein erstes Bild (B1) optisch zu detektieren und räumlich aufgelöste, zweidimensionale Bildinformationen bereitzustellen, gekennzeichnet durch zumindest ein von dem ersten Halbleiterbauelement (3) verschiedenes zweites, mehrere photoempfindliche Pixel (6) umfassendes integriertes Halbleiterbauelement (5), welches dazu ausgebildet ist, ein zweites Bild (B2) optisch zu detektieren und räumlich aufgelöste, dreidimensionale Bildinformationen bereitzustellen, wobei das zumindest eine erste (3) und das zumindest eine zweite Halbleiterbauelement (5) in einem gemeinsamen Gehäuse (7) vorliegen.
Kameravorrichtung (1) nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch eine Optikvorrichtung zur Erfassung eines Gesamtbildes (B3), welche dazu ausgebildet ist, den optischen Strahlweg der zum erfassten Gesamtbild (B3) gehörenden Lichtstrahlen (L) so aufzuteilen, dass ein erster Ausschnitt (B1) des Gesamtbildes (B3) auf das zumindest eine erste Halbleiterbauelement (3) gelenkt wird und ein zweiter Ausschnitt (B2) des Gesamtbildes (B3) auf das zumindest eine zweite Halbleiterbauelement (5) gelenkt wird, wobei insbesondere der erste (B1) und zweite Ausschnitt (B2) identisch sind.
Kameravorrichtung (1) nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Optikvorrichtung eine Aperturvorrichtung, insbesondere mit zumindest einer Linse (8), und einen Strahlteiler (9) umfasst, wobei die Aperturvorrichtung dazu ausgebildet ist, das Gesamtbild (B3) zu erfassen und der Strahlteiler (9) dazu ausgebildet ist, den optischen Strahlweg der zum erfassten Gesamtbild (B3) gehörenden Lichtstrahlen (L) aufzuteilen.
Kameravorrichtung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass um das mindestens eine zweite Halbleiterbauelement (5) zwei der ersten Halbleiterbauelemente (3) räumlich gruppiert sind.
Kameravorrichtung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das zumindest eine erste Halbleiterbauelement als CCD-Sensor (3) oder CMOS-Sensor ausgebildet ist und/oder das zumindest eine zweite Halbleiterbauelement als PMD-Sensor (5) ausgebildet ist.
Kameravorrichtung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch eine Beleuchtungsvorrichtung (10) zum Aussenden modulierter und/oder gepulster Strahlung (S), welche mit dem zumindest einen zweiten Halbleiterbauelement (5) zur Gewinnung einer Tiefeninformation des zweiten Bildes (B2) gekoppelt ist.
Kameravorrichtung (1) nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Beleuchtungsvorrichtung (10) in dem gemeinsamen Gehäuse (7) vorliegt.