DE102012110094A1

DE102012110094A1 - Image capturing sensor arrangement of image sensor for camera mounted on vehicle, has first type sensing elements which are designed with infrared band elimination filter for electromagnetic radiation in non-visible spectral region

Info

Publication number: DE102012110094A1
Application number: DE201210110094
Authority: DE
Inventors: Eva Miel; Boris Werthessen; Dieter Krökel
Original assignee: Conti Temic Microelectronic GmbH
Current assignee: Conti Temic Microelectronic GmbH
Priority date: 2012-10-23
Filing date: 2012-10-23
Publication date: 2014-04-24

Abstract

The sensor arrangement (1) has first type electromagnetic radiation sensing elements (R,G,B) which are designed with a color filter to sensitive to electromagnetic radiation in a particular region in a visible spectral region. Second type sensing elements (CL) are arranged sensitive to electromagnetic radiation in an entire region of the visible spectral region. The first type sensing elements are designed with an infrared band elimination filter (IR) for electromagnetic radiation in a non-visible spectral region.

Description

Die Erfindung betrifft eine Sensoranordnung zur Bilderfassung, mit einer Vielzahl an rasterförmig angeordneten und für elektromagnetische Strahlung sensitiven Sensorelementen. The invention relates to a sensor arrangement for image acquisition, with a plurality of grid-like arranged and sensitive to electromagnetic radiation sensor elements.

Es ist bekannt, in einem Fahrzeug eine oder mehrere Kameras anzuordnen, um Bilder aus dem Innenraum des Fahrzeugs und/oder aus der Fahrzeugumgebung zu erfassen. Die erfassten Bilder können dem Fahrer zur Anzeige gebracht und zur Umsetzung unterschiedlicher Fahrerassistenzfunktionen ausgewertet werden. Derartige Kameras bzw. Kamerasysteme werden auch allgemein als Fahrzeugkameras bezeichnet. It is known to arrange in a vehicle one or more cameras to capture images from the interior of the vehicle and / or from the vehicle environment. The captured images can be displayed to the driver and evaluated to implement different driver assistance functions. Such cameras or camera systems are also generally referred to as vehicle cameras.

Im Zusammenhang mit den genannten Fahrerassistenzfunktionen ist insbesondere die Anordnung einer Fahrzeugkamera im Innenraum des Fahrzeugs hinter der Windschutzscheibe bekannt, mit Blickrichtung durch die Scheibe hindurch in Fahrtrichtung des Fahrzeugs. Mittels geeigneter Verarbeitung der so aus dem Vorausbereich des Fahrzeugs erfassten Bilder ist die Umsetzung verschiedener Fahrerassistenzfunktionen möglich. Bekannte Funktionen sind beispielsweise adaptives Kurvenlicht, Auf- und Abblendassistent für das Fahrlicht, Nachtsichtsysteme (englisch: night vision), Tempomat, Einparkhilfe, Bremsassistent, ACC (Adaptive Cruise Control) bzw. Abstandsregeltempomat, Abstandswarner, Abbiegeassistent, Stauassistent, Spurerkennungssystem, Spurhalteassistent, Spurhalteunterstützung, Spurwechselassistent, ISA (Intelligent Speed Adaption), ANB (Automatische Notbremsung), Kurvenassistent und Verkehrszeichenerkennung. Systeme zur Verarbeitung der mittels Fahrzeugkameras erfassten Bilder und zur Umsetzung von Fahrerassistenzfunktionen werden allgemein als Fahrerassistenzsysteme bezeichnet. In particular, the arrangement of a vehicle camera in the interior of the vehicle behind the windshield is known in connection with the aforementioned driver assistance functions, as viewed through the window in the direction of travel of the vehicle. By means of suitable processing of the images thus acquired from the advance range of the vehicle, the implementation of various driver assistance functions is possible. Well-known functions include adaptive cornering lights, headlamps, night vision, cruise control, parking assistance, brake assist, ACC (adaptive cruise control), distance warning, turn assistant, traffic jam assistant, lane detection system, lane departure warning system, lane keeping assistance , Lane Change Assist, ISA (Intelligent Speed Adaptation), ANB (Automatic Emergency Braking), Curve Assist and Traffic Sign Recognition. Systems for processing images captured by vehicle cameras and for implementing driver assistance functions are generally referred to as driver assistance systems.

Bei den derzeit in Fahrzeugen eingesetzten Kameras bzw. Kamerasystemen werden zur Bilderfassung sogenannte Bildsensoren bzw. Bildaufnahmeelemente verwendet, z.B. CMOS- oder CCD-Bildchips, die in der Regel in einem Kameragehäuse hinter einem Abbildungssystem, z.B. einem Objektiv, angeordnet sind. In the cameras or camera systems currently used in vehicles, so-called image sensors or image recording elements are used for image acquisition, e.g. CMOS or CCD image chips typically housed in a camera body behind an imaging system, e.g. a lens, are arranged.

Ein Kamerasystem dieser Art ist beispielsweise aus der DE 30 21 470 C2 bekannt. Das dort beschriebene System weist einen Bildsensor mit einer Vielzahl von Sensorelementen auf, die rasterförmig in Zeilen und Spalten angeordnet sind. Bei den Sensorelementen handelt es sich um Fotodioden, die für elektromagnetische Strahlung sensitiv sind. Die Fotodioden erfassen dabei elektromagnetische Strahlung, die mittels eines Objektivs auf den Bildsensor projiziert wird. A camera system of this kind is for example from the DE 30 21 470 C2 known. The system described there has an image sensor with a plurality of sensor elements, which are arranged in grid form in rows and columns. The sensor elements are photodiodes that are sensitive to electromagnetic radiation. The photodiodes detect electromagnetic radiation that is projected onto the image sensor by means of a lens.

Die in Fahrzeugkameras eingesetzten Bildsensoren sind in der Regel auch in der Lage Farben zu erfassen, z.B. mittels Demosaicking/Demosaicing bei einem mit einem Mosaik-Farbfilter überlagerten Bildsensor. The image sensors used in vehicle cameras are usually also able to detect colors, e.g. using demosaicing / demosaicing on an image sensor overlaid with a mosaic color filter.

Ein solcher Bildsensor wird beispielsweise in der DE 10 2005 047 127 A1 angegeben. Der dort beschriebene CMOS-Bildsensor umfasst sogenannte Farb-Pixel, die in einem definierten Colorfilterarray bzw. in einer bestimmten Farbfiltermatrix angeordnet sind. Hierzu umfasst der Bildsensor eine Unterschicht bzw. ein Substrat mit Fotodiodenbereichen und Metallleitungen, die in einem Halbleitersubstrat gebildet sind, um auf einfallendes Licht hin Ladungen zu erzeugen. Weiterhin umfasst der Bildsensor eine dielektrische Zwischenschicht, die auf der gesamten Oberfläche der Unterschicht gebildet ist. Weiterhin umfasst der Bildsensor Farbfilterschichten von Rot, Grün und Blau, die auf der dielektrischen Zwischenschicht gebildet sind, um jeweils Licht von bestimmten Wellenlängen zu den Fotodiodenbereichen durchzulassen. Darüber hinaus umfasst der Bildsensor eine Planarisierungsschicht, die auf den Farbfilterschichten gebildet ist, sowie konvexe Mikrolinsen, die eine bestimmte Krümmung aufweisen und die auf der Planarisierungsschicht gebildet sind, um Licht auf ihr entsprechendes Farbfilter in den Farbfilterschichten konvergieren zu lassen und um dadurch nach Farben getrenntes Licht auf den Fotodiodenbereichen konvergieren zu lassen. Such an image sensor is used for example in the DE 10 2005 047 127 A1 specified. The CMOS image sensor described therein comprises so-called color pixels which are arranged in a defined color filter array or in a specific color filter matrix. For this purpose, the image sensor comprises a lower layer or a substrate with photodiode regions and metal lines, which are formed in a semiconductor substrate in order to generate charges in response to incident light. Furthermore, the image sensor comprises an interlayer dielectric layer formed on the entire surface of the underlayer. Further, the image sensor includes color filter layers of red, green and blue formed on the dielectric interlayer to pass light of respective wavelengths to the photodiode areas, respectively. Moreover, the image sensor comprises a planarization layer formed on the color filter layers and convex microlenses having a certain curvature and formed on the planarization layer for converging light on its corresponding color filter in the color filter layers and thereby separated into colors To converge light on the photodiode areas.

Die Anforderungen an die heutzutage in Fahrzeugen eingesetzten Kameras nehmen beständig zu. Eine einzelne Fahrzeugkamera muss somit bereits häufig zur Umsetzung mehrerer unterschiedlicher Fahrerassistenzfunktionen einsetzbar sein. Insbesondere soll nicht für jede Fahrerassistenzfunktion eine separate Kamera im Fahrzeug angeordnet werden. Weiterhin müssen die eingesetzten Fahrzeugkameras auch bei unterschiedlichen Lichtbedingungen bzw. Lichtverhältnissen auswertbare Bilder erfassen können, insbesondere sowohl bei Tag als auch bei Nacht. The demands on the cameras used in vehicles these days are steadily increasing. A single vehicle camera must therefore often be used to implement several different driver assistance functions. In particular, a separate camera should not be arranged in the vehicle for each driver assistance function. Furthermore, the vehicle cameras used must be able to record evaluable images even under different light conditions or light conditions, in particular both during the day and at night.

Aus der DE 10 2009 036 595 A1 ist es in diesem Zusammenhang bereits bekannt in die Farbfilteranordnung bzw. in das Colorfilterarray eines Bildsensors sogenannte Clear-Pixel einzufügen, die idealerweise für elektromagnetische Strahlung im gesamten Wellenlängenbereich des sichtbaren Spektralbereichs sensitiv sind. Dadurch soll die Empfindlichkeit des Bildsensors bei schlechten Lichtverhältnissen, insbesondere bei Nacht, erhöht werden. From the DE 10 2009 036 595 A1 In this connection, it is already known to insert so-called clear pixels into the color filter arrangement or into the color filter array of an image sensor, which are ideally sensitive to electromagnetic radiation in the entire wavelength range of the visible spectral range. As a result, the sensitivity of the image sensor in low light conditions, especially at night, to be increased.

Die aus dem Stand der Technik bekannten Bildsensoren, insbesondere Bildsensoren, die zur Bilderfassung bei unterschiedlichen Lichtbedingungen sowohl Farb- als auch Clear-Pixel umfassen, unterliegen jedoch einer grundlegenden Problematik. So sind die Bildsensoren bzw. deren Sensorelemente in der Regel auch für elektromagnetische Strahlung außerhalb des sichtbaren Spektralbereichs sensitiv, insbesondere für elektromagnetische Strahlung im nicht sichtbaren Spektralbereich von Infrarotrahlung (infrarotes Licht). Die Erfassung von sowohl sichtbarem als auch von infrarotem Licht ist dabei nachteilig für die Güte der Farbauswertung mittels der Farb-Pixel. Daher wird häufig ein Sperrfilter für elektromagnetische Strahlung im infraroten Wellenlängenbereich (Spektralbereich von Infrarotstrahlung) über der Pixelanordnung des Bildsensors appliziert. Ein solcher Sperrfilter wird auch als Infrarot-Sperrfilter bezeichnet. Die Applikation eines Infrarot-Sperrfilters reduziert jedoch gleichzeitig auch das Erfassungsspektrum der Clear-Pixel. Die Clear-Pixel erfassen demzufolge ebenfalls keine elektromagnetische Strahlung im infraroten Wellenlängenbereich, was die Empfindlichkeit der Clear-Pixel und damit die Empfindlichkeit des Bildsensors bei schlechten Lichtverhältnissen, insbesondere bei Nacht, nachteilig herabsetzt. However, the image sensors known from the prior art, in particular image sensors, which comprise both color and clear pixels for image acquisition in different light conditions, are subject to a fundamental one Problems. Thus, the image sensors or their sensor elements are generally sensitive to electromagnetic radiation outside the visible spectral range, in particular for electromagnetic radiation in the non-visible spectral range of infrared radiation (infrared light). The detection of both visible and infrared light is disadvantageous for the quality of color evaluation by means of color pixels. Therefore, a blocking filter for electromagnetic radiation in the infrared wavelength range (spectral range of infrared radiation) is often applied over the pixel array of the image sensor. Such a notch filter is also referred to as an infrared cut filter. However, the application of an infrared cut filter also reduces the detection spectrum of the clear pixels at the same time. The clear pixels therefore also do not detect electromagnetic radiation in the infrared wavelength range, which adversely reduces the sensitivity of the clear pixels and thus the sensitivity of the image sensor in poor lighting conditions, especially at night.

Die Aufgabe der Erfindung besteht im Wesentlichen darin, eine Sensoranordnung anzugeben, mit welcher die vorangehend genannten Anforderungen an Fahrzeugkameras, insbesondere die Bilderfassung bei unterschiedlichen bzw. bei schlechten Lichtverhältnissen, z.B. sowohl bei Tag als auch bei Nacht, erfüllt werden. Weiterhin soll insbesondere die vorangehend geschilderte Problematik (bzw. das Dilemma) zwischen guter Bilderfassung bei Nacht, ohne Infrarot-Sperrfilter, und guter Bilderfassung bei Tag, mit Infrarot-Sperrfilter, gelöst werden. The object of the invention is essentially to specify a sensor arrangement with which the above-mentioned requirements for vehicle cameras, in particular the image acquisition in different or low-light conditions, e.g. both day and night. Furthermore, in particular the above-described problems (or the dilemma) between good image capture at night, without infrared cut filter, and good image acquisition by day, with infrared cut filter to be solved.

Diese Aufgabe wird durch Sensoranordnung mit den Merkmalen nach Anspruch 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen sind Gegenstand von Unteransprüchen, wobei auch Kombinationen und Weiterbildungen einzelner Merkmale miteinander denkbar sind. This object is achieved by sensor arrangement with the features of claim 1. Advantageous embodiments and further developments are the subject of dependent claims, wherein combinations and developments of individual features are conceivable with each other.

Ein wesentlicher Gedanke der Erfindung besteht darin nur auf den Farb-Pixeln eines Bildsensors, der sowohl Farb-Pixel als auch Clear-Pixel umfasst, einen Infrarot-Sperrfilter zu applizieren. Dadurch wird sowohl eine gute Farberfassung mittels der Farbpixel erreicht, insbesondere bei Tag bzw. bei guten Lichtverhältnissen, als auch eine gute Bilderfassung mittels der Clear-Pixel, insbesondere bei Nacht bzw. bei schlechten Lichtverhältnissen. An essential idea of the invention is only to apply an infrared cut filter on the color pixels of an image sensor comprising both color pixels and clear pixels. As a result, both a good color detection by means of the color pixels is achieved, especially during the day or in good light conditions, as well as a good image capture by means of the clear pixels, especially at night or in low light conditions.

Die erfindungsgemäße Sensoranordnung dient zur Bilderfassung und umfasst eine Vielzahl an rasterförmig angeordneten und für elektromagnetische Strahlung sensitiven Sensorelementen. Die Sensoranordnung umfasst dabei insbesondere eine Vielzahl von Bildpunkte- bzw. Pixel-bildenden und für elektromagnetische Strahlung sensitiven Sensorelementen, die nebeneinander liegend in Form einer Matrix, insbesondere in Spalten und Zeilen, angeordnet sind. Die Sensorelemente können beispielsweise derart ausgestaltet sein, dass diese elektromagnetische bzw. optische Strahlung in elektrische Energie umwandeln und/oder einen von der einfallenden elektromagentischen Strahlung abhängigen elektrischen Widerstand anzeigen. Der Begriff elektromagnetische Strahlung bezieht sich dabei sowohl auf elektromagnetische Strahlung im sichtbaren Spektralbereich (Farbspektrum), d.h. insbesondere auf für das menschliche Auge sichtbares Licht, als auch auf elektromagnetische Strahlung im nicht sichtbaren Spektralbereich, d.h. insbesondere auf für das menschliche Auge nicht sichtbares Licht, z.B. Infrarot- und/oder Ultraviolettstrahlung. Die Sensoranordnung kann beispielsweise als CCD-Bildsensor (CCD: Charge-Coupled Device) oder als CMOS-Bildsensor (CMOS: Complementary Metal Oxide Semiconductor) sowie insbesondere als aktiver Pixelsensor (engl. Active Pixel Sensor, APS), ausgestaltet sein, mit lichtempfindlichen Fotodioden als Sensorelemente. The sensor arrangement according to the invention is used for image acquisition and comprises a plurality of grid-like arranged and sensitive to electromagnetic radiation sensor elements. In this case, the sensor arrangement in particular comprises a multiplicity of sensor elements which are pixel-forming or pixel-forming and sensitive to electromagnetic radiation, which are arranged next to one another in the form of a matrix, in particular in columns and rows. By way of example, the sensor elements can be designed such that they convert electromagnetic or optical radiation into electrical energy and / or indicate an electrical resistance which depends on the incident electromagnetic radiation. The term electromagnetic radiation refers both to electromagnetic radiation in the visible spectral range (color spectrum), i. in particular to visible to the human eye light, as well as to electromagnetic radiation in the non-visible spectral range, i. in particular to light not visible to the human eye, e.g. Infrared and / or ultraviolet radiation. The sensor arrangement can be designed, for example, as a CCD image sensor (CCD: Charge-Coupled Device) or as a CMOS image sensor (CMOS: Complementary Metal Oxide Semiconductor) and, in particular, as an active pixel sensor (Active Pixel Sensor, APS), with light-sensitive photodiodes as sensor elements.

Erfindungsgemäß umfasst die Sensoranordnung Sensorelemente eines ersten Typs, die mit einem Farbfilter ausgestaltet und für elektromagnetische Strahlung in einem bestimmten Bereich im sichtbaren Spektralbereich sensitiv sind. Farbfilter für Sensoranordnungen bzw. für Bildsensoren sind, wie einleitend erwähnt, aus dem Stand der Technik bereits bekannt. Die mit einem Farbfilter ausgestalteten Sensorelemente einer Sensoranordnung werden, wie ebenfalls einleitend erwähnt, oft auch als Farb-Pixel bezeichnet. Dabei kann grundsätzlich jedes einzelne Sensorelement der Sensoranordnung mit einem eigenen Farbfilter ausgestaltet sein. Es können aber auch mehrere Sensorelemente der Sensoranordnung mit einem gemeinsamen, d.h. mit demselben, Farbfilter ausgebildet sein. Erfindungsgemäß kann die Sensoranordnung weiterhin Sensorelemente des ersten Typs umfassen, die jeweils mit unterschiedlichen Farbfiltern ausgebildet sind, z.B. mit Farbfiltern für die Spektralfarben Rot, Grün und Blau. Es können aber auch alle Sensorelemente des ersten Typs mit dem gleichen Farbfilter ausgestaltet sein. According to the invention, the sensor arrangement comprises sensor elements of a first type, which are designed with a color filter and are sensitive to electromagnetic radiation in a specific range in the visible spectral range. Color filters for sensor arrangements or for image sensors are already known from the prior art, as mentioned in the introduction. The sensor elements of a sensor arrangement designed with a color filter are often also referred to as color pixels, as also mentioned in the introduction. In principle, each individual sensor element of the sensor arrangement can be designed with its own color filter. However, it is also possible to use a plurality of sensor elements of the sensor arrangement with a common, i. be formed with the same color filter. According to the invention, the sensor arrangement may further comprise sensor elements of the first type, each formed with different color filters, e.g. with color filters for the spectral colors red, green and blue. However, all sensor elements of the first type can also be designed with the same color filter.

Die Farbfilter der Sensorelemente des ersten Typs können beispielsweise als absorbierende Farbmasken insbesondere in den Grundfarben Rot, Grün und Blau und/oder in den Farben Gelb, Magenta und Cyan ausgestaltet sein, die vorzugsweise direkt über den Sensorelementen angeordnet sind. Jedes Sensorelement liefert in dem Fall nur Informationen/Signale für eine einzige Farbkomponente des Lichts bzw. für elektromagnetische Strahlung aus dem entsprechenden Wellenlängenbereich. Der Farbfilter kann insbesondere auch als Dünnschichtfarbfilter ausgestaltet sein, mit einem Träger der über den Sensorelementen angeordnet ist und auf dem ein Farbfilter aufgebracht ist, beispielsweise als Mischung aus organischen Farbpigmenten und anorganischen Materialien, z.B. Halogenide. Die Sensoranordnung kann auch mit einem Mikrolinsen-Farbfilter-System ausgestaltet sein, wobei zwischen den Sensorelementen und darüber angeordneten Mikrolinsen eine Farbfilterschicht ausgebildet ist. Alternativ oder zusätzlich kann auch ein System eingesetzt werden, dass die unterschiedliche Eindringtiefen von Licht, insbesondere von rotem und blauem Licht, in Silicium ausnutzt (Foveon-X3-Sensor). The color filters of the sensor elements of the first type can be configured, for example, as absorbing color masks, in particular in the primary colors red, green and blue and / or in the colors yellow, magenta and cyan, which are preferably arranged directly over the sensor elements. Each sensor element provides in this case only information / signals for a single color component of the light or for electromagnetic radiation from the corresponding wavelength range. The color filter can in particular also be designed as a thin-layer color filter, with a carrier which is arranged above the sensor elements and on which a color filter is applied, for example as a mixture of organic color pigments and inorganic materials, eg halides. The sensor arrangement can also be designed with a microlens color filter system, wherein a color filter layer is formed between the sensor elements and microlenses arranged above them. Alternatively or additionally, it is also possible to use a system that utilizes the different penetration depths of light, in particular of red and blue light, in silicon (Foveon X3 sensor).

Erfindungsgemäß umfasst die Sensoranordnung weiterhin Sensorelemente eines zweiten Typs, die für elektromagnetische Strahlung im gesamten Bereich des sichtbaren Spektralbereichs sensitiv sind, d.h. für das gesamte Licht- bzw. Farbspektrum. Die Sensorelemente sind dabei vorzugsweise ohne einen Farbfilter ausgestaltet. Die Anordnung derartiger Sensorelemente in einer Sensoranordnung ist aus dem Stand der Technik grundsätzlich bekannt. Derartige Sensorelemente werden, wie einleitend erwähnt, auch als Clear-Pixel bezeichnet. According to the invention, the sensor arrangement further comprises sensor elements of a second type, which are sensitive to electromagnetic radiation in the entire region of the visible spectral range, i. for the entire light or color spectrum. The sensor elements are preferably designed without a color filter. The arrangement of such sensor elements in a sensor arrangement is basically known from the prior art. As mentioned in the introduction, such sensor elements are also referred to as clear pixels.

Die erfindungsgemäße Sensoranordnung ist weiterhin bevorzugt derart ausgebildet, dass die Sensorelemente des ersten Typs mit einem Sperrfilter für elektromagnetische Strahlung in einem nicht sichtbaren Spektralbereich ausgestaltet sind. Weiterhin sind die Sensorelemente des zweiten Typs vorzugsweise ohne einen entsprechenden Sperrfilter ausgestaltet. The sensor arrangement according to the invention is furthermore preferably designed such that the sensor elements of the first type are configured with a blocking filter for electromagnetic radiation in a non-visible spectral range. Furthermore, the sensor elements of the second type are preferably designed without a corresponding blocking filter.

Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Sensoranordnung sind die Sensorelemente des zweiten Typs für elektromagnetische Strahlung in einem nicht sichtbaren Spektralbereich sensitiv, insbesondere im Spektralbereich von Infrarotstrahlung. According to an advantageous embodiment of the sensor arrangement according to the invention, the sensor elements of the second type are sensitive to electromagnetic radiation in a non-visible spectral range, in particular in the spectral range of infrared radiation.

Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Sensoranordnung handelt es sich bei dem nicht sichtbaren Spektralbereich für den der Sperrfilter, mit dem die Sensorelemente des ersten Typs ausgestaltet sind, elektromagnetische Strahlung sperrt, um den Wellenlängenbereich bzw. den Spektralbereich von Infrarotstrahlung. Bei dem Sperrfilter für elektromagnetische Strahlung in einem nicht sichtbaren Spektralbereich, mit dem die Sensorelemente des ersten Typs erfindungsgemäß ausgestaltet sein können, handelt es sich somit bevorzugt um einen Infrarot-Sperrfilter. Der Infrarot-Sperrfilter kann beispielsweise durch dichroitische Filterschichten über den Sensorelementen des ersten Typs realisiert sein. Ist die Sensoranordnung als CCD-Bildsensor oder als CMOS-Bildsensor mit lichtempfindlichen Fotodioden als Sensorelemente, kann insbesondere eine Infrarot-Filterschicht über den Fotodioden angeordnet sein, die derart ausgestaltet ist, dass diese nur Infrarotstrahlung in Bereichen mit Sensorelemente des ersten Typs sperrt. Umfasst die Sensoranordnung Mikrolinsen, die über den Fotodioden angeordnet sind, können beispielweise nur die Mikrolinsen über den Sensorelementen (Fotodioden) des ersten Typs mit einer Infrarot-Filterschicht ausgestaltet sein, insbesondere mit einer dichroitischen Filterschicht. According to a preferred embodiment of the sensor arrangement according to the invention, the non-visible spectral range for which the blocking filter, with which the sensor elements of the first type are configured, blocks electromagnetic radiation around the wavelength range or the spectral range of infrared radiation. In the barrier filter for electromagnetic radiation in a non-visible spectral range, with which the sensor elements of the first type can be designed according to the invention, it is thus preferably an infrared cut filter. The infrared cut filter can be realized, for example, by dichroic filter layers over the sensor elements of the first type. If the sensor arrangement is a CCD image sensor or a CMOS image sensor having light-sensitive photodiodes as sensor elements, in particular an infrared filter layer can be arranged above the photodiodes, which is designed such that it blocks only infrared radiation in areas with sensor elements of the first type. If the sensor arrangement comprises microlenses which are arranged above the photodiodes, for example only the microlenses above the sensor elements (photodiodes) of the first type can be designed with an infrared filter layer, in particular with a dichroic filter layer.

Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Sensoranordnung handelt es sich bei den Farbfiltern, mit denen die Sensorelemente des ersten Typs ausgestaltet sind, um Farbfilter für wenigstens eine der Spektralfarben Rot, Grün und/oder Blau, d.h. um Farbfilter für das rote, grüne und/oder blaue sichtbare Lichtspektrum bzw. Farbspektrum. According to a further advantageous embodiment of the sensor arrangement according to the invention, the color filters with which the sensor elements of the first type are designed are color filters for at least one of the spectral colors red, green and / or blue, i. to color filters for the red, green and / or blue visible light spectrum or color spectrum.

Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Sensoranordnung sind die Sensorelemente des zweiten Typs rasterförmig zwischen den Sensorelementen des ersten Typs angeordnet sind. Die Sensorelemente des zweiten Typs sind dabei insbesondere regelmäßig zwischen den Sensorelementen des ersten Typs verteilt. Dabei kann z.B. für jedes Sensorelement des ersten Typs ein Sensorelement des zweiten Typs in der Sensoranordnung angeordnet sein. Weiterhin kann die Anzahl an Sensorelementen des zweiten Typs auch der Anzahl an Sensorelementen des ersten Typs mit jeweils identischem Farbfilter entsprechen. Sind die Sensorelemente des ersten Typs beispielweise jeweils in gleicher Anzahl mit identischen Farbfiltern ausgestaltet, d.h. existiert beispielsweise die gleiche Anzahl an Sensorelementen mit rotem, grünen und blauem Farbfilter, dann kann die Anzahl an Sensorelementen des zweiten Typs in dem Fall der Anzahl an Sensorelementen des ersten Typs mit identischem Farbfilter entsprechen. According to a further preferred embodiment of the sensor arrangement according to the invention, the sensor elements of the second type are arranged in grid form between the sensor elements of the first type. The sensor elements of the second type are in particular regularly distributed between the sensor elements of the first type. In this case, e.g. for each sensor element of the first type, a sensor element of the second type may be arranged in the sensor arrangement. Furthermore, the number of sensor elements of the second type can also correspond to the number of sensor elements of the first type, each with an identical color filter. For example, if the sensor elements of the first type each have the same number of identical color filters, i. For example, if the same number of sensor elements with red, green and blue color filters exists, then the number of sensor elements of the second type may correspond to the number of sensor elements of the first type with identical color filter.

Gemäß einer besonderen Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Sensoranordnung umfasst diese eine Vielzahl an Modulen mit jeweils mindestens einem Sensorelement des ersten Typs und mindestens einem Sensorelement des zweiten Typs. Die Module der Sensoranordnung sind dabei vorzugsweise rasterförmig angeordnet, insbesondere matrixförmig, d.h. in Zeile und Spalten. According to a particular embodiment of the sensor arrangement according to the invention, this comprises a plurality of modules each having at least one sensor element of the first type and at least one sensor element of the second type. The modules of the sensor arrangement are preferably arranged in the form of a grid, in particular in the form of a matrix, i. in line and columns.

Gemäß einer weiteren besonderen Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Sensoranordnung umfasst diese eine Vielzahl an identischen Modulen, die jeweils vier Sensorelemente umfassen, die einer 2×2 Matrix angeordnet sind. Dabei umfasst vorzugsweise jedes Modul drei Sensorelemente des ersten Typs und ein Sensorelement des zweiten Typs. Die Module der Sensoranordnung sind dabei vorzugsweise rasterförmig angeordnet, insbesondere matrixförmig in Zeile und Spalten. Die drei Sensorelemente des erstens Typs sind weiterhin bevorzugt mit unterschiedlichen Farbfiltern ausgestaltet, derart, dass die Module keine Sensorelemente mit identischen Farbfiltern umfassen. According to a further particular embodiment of the sensor arrangement according to the invention, this comprises a multiplicity of identical modules which each comprise four sensor elements which are arranged in a 2 × 2 matrix. In this case, each module preferably comprises three sensor elements of the first type and a sensor element of the second type. The modules of the sensor arrangement are preferably arranged in the form of a grid, in particular in the form of a matrix in rows and columns. The three sensor elements of the first type are further preferably configured with different color filters, such that the modules do not comprise sensor elements with identical color filters.

Die erfindungsgemäße Sensoranordnung ist bevorzugt als Bildsensor ausgestaltet und kann insbesondere in einer optischen Erfassungsvorrichtung in einem Fahrzeug eingesetzt werden, d.h. beispielsweise als Bildsensor in einer Fahrzeugkamera. The sensor arrangement according to the invention is preferably designed as an image sensor and can be used in particular in an optical detection device in a vehicle, ie for example as an image sensor in a vehicle camera.

Weitere Vorteile sowie optionale Ausgestaltungen gehen aus der Beschreibung und den Zeichnungen hervor. Ausführungsbeispiele sind in den Zeichnungen vereinfacht dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Further advantages and optional embodiments will become apparent from the description and the drawings. Embodiments are shown in simplified form in the drawings and explained in more detail in the following description.

Es zeigt It shows

1: eine erste Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Sensoranordnung. 1 A first embodiment of the sensor arrangement according to the invention.

2: eine zweite Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Sensoranordnung. 2 A second embodiment of the sensor arrangement according to the invention.

1 zeigt eine bevorzugte Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Sensoranordnung 1. Die Darstellung zeigt dabei schematisch eine erfindungsgemäße Anordnung von einzelnen Sensorelementen R, G, B, CL der Sensoranordnung 1. Bei der Sensoranordnung 1 aus 1 kann es sich insbesondere um die Anordnung von Sensorelementen R, G, B, CL eines Bildsensors bzw. eines Bildaufnahmeelements handeln, der in einer Kamera hinter einem Abbildungssystem, z.B. einem Objektiv mit einer oder mit mehreren Linsen, angeordnet ist. 1 shows a preferred embodiment of the sensor arrangement according to the invention 1 , The illustration shows schematically an inventive arrangement of individual sensor elements R, G, B, CL of the sensor arrangement 1 , In the sensor arrangement 1 out 1 it may in particular be the arrangement of sensor elements R, G, B, CL of an image sensor or of an image recording element, which is arranged in a camera behind an imaging system, for example a lens with one or more lenses.

Bei der Kamera kann es sich insbesondere um eine Kamera in einem Fahrzeug handeln, die zur Umsetzung von Fahrerassistenzfunktionen Bilder aus dem Fahrzeuginnenraum oder der Fahrzeugumgebung erfasst. Die Sensoranordnung 1 aus 1 umfasst eine Vielzahl von rasterförmig angeordneten und für elektromagnetische Strahlung sensitiven Sensorelementen R, G, B, CL, z.B. lichtempfindliche Fotodioden bzw. einzelne CCD-Sensorelemente. Die Sensorelemente R, G, B, CL sind in diesem Fall matrixförmig in Zeilen und Spalten nebeneinander angeordnet. Die Sensorelemente R, G, B, CL umfassen dabei wiederum Sensorelemente R, G, B eines ersten Typs und Sensorelemente CL eines zweiten Typs. Die Sensorelemente R, G, B des ersten Typs sind jeweils mit einem Farbfilter ausgestaltet und entsprechend im sichtbaren Lichtspektrum (sichtbarer Spektralbereich) nur für elektromagnetische Strahlung in einem bestimmten Wellenlängenbereich des sichtbaren Spektralbereichs sensitiv. Darüber hinaus können die Sensorelemente R, G, B des ersten Typs für elektromagnetische Strahlung mit Wellenlängen im nicht sichtbaren Spektralbereich sensitiv sein, insbesondere für Infrarotstrahlung und/oder für Ultraviolettstrahlung. Der sichtbare Spektralbereich von elektromagnetischer Strahlung bzw. des elektromagnetischen Spektrums wird auch allgemein als Lichtspektrum oder Farbspektrum bezeichnet und reicht bekanntermaßen von ungefähr 380nm bis 780nm. Angrenzend an den sichtbaren Spektralbereich befinden sich die nicht sichtbaren Spektralbereiche von Ultraviolettstrahlung, bekanntermaßen in einem Wellenlängenbereich von ungefähr 100nm bis 380nm, sowie von Infrarotstrahlung, bekanntermaßen ein einem Wellenlängenbereich von ungefähr 780nm bis 1μm. Die Farbfilter der Sensorelemente R, G, B des ersten Typs entsprechen in Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Sensoranordnung 1 entsprechend 1 den drei Grundfarben (Spektralfarben) Rot(R), Grün(G) und Blau(B). Jedes der Sensorelemente R, G, B erfasst demnach im sichtbaren Lichtspektrum nur elektromagnetische Strahlung aus dem der jeweiligen Farbkomponente zuzuordnenden Wellenlängenbereich. Darüber hinaus können die Sensorelemente R, G, B elektromagnetische im nicht sichtbaren Spektralbereich erfassen. Die Sensorelemente CL des zweiten Typs sind bevorzugt ohne Farbfilter ausgestaltet und sind für elektromagnetische Strahlung im gesamten sichtbaren Lichtspektrum sensitiv, d.h. für den gesamten Spektralbereich. Darüber sind die Sensorelemente CL des zweiten Typs vorzugsweise für elektromagnetische Strahlung mit Wellenlängen im nichtsichtbaren Spektralbereich sensitiv, insbesondere für Infrarotstrahlung und/oder für Ultraviolettstrahlung. Erfindungsgemäß sind die Sensorelemente R, G, B des ersten Typs mit einem Sperrfilter IR für elektromagnetische Strahlung in wenigstens einem Bereich des nichtsichtbaren Spektralbereichs ausgestaltet. In Ausgestaltung gemäß 1 handelt es sich bei dem nichtsichtbaren Spektralbereich, für den die Sperrfilter IR der Sensorelemente R, G, B des ersten Typs elektromagnetische Strahlung sperren, um den Wellenlängenbereich von Infrarotstrahlung. In Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Sensoranordnung 1 gemäß 1 sind die Sensorelemente CL des zweiten Typs rasterförmig zwischen den Sensorelementen R, G, B des ersten Typs angeordnet, wobei in ungeradzahligen Zeilen jeweils abwechselnd Sensorelemente R, G des ersten Typs angeordnet sind, die aufgrund deren Farbfilter im sichtbaren Lichtspektrum für rotes bzw. grünes Licht sensitiv sind, wohingegen sich in den geradzahligen Zeilen Sensorelemente B des ersten Typs, die aufgrund deren Farbfilter im sichtbaren Lichtspektrum für blaues Licht sensitiv sind, und Sensorelemente CL des zweiten Typs, die für Licht im gesamten sichtbaren Lichtspektrum sensitiv sind, abwechseln. Weiterhin sind aufgrund der Ausgestaltung der Sensorelemente R, G, B des ersten Typs mit einem Infrarot-Sperrfilter IR nur die Sensorelemente CL des zweiten Typs sensitiv für elektromagnetische Strahlung im Wellenlängenbereich von Infrarotstrahlung. Die rasterförmige Anordnung gemäß 1 besteht also aus einer Vielzahl von identischen Modulen M, die jeweils vier Sensorelemente R, G, B, CL umfassen, die in einer quadratischen Matrix in 2×2 Anordnung angeordnet sind. Jedes Modul M wird dabei aus drei Sensorelementen R, G, B des ersten Typs und einem Sensorelement CL des zweiten Typs gebildet. Weiterhin sind die Sensorelemente R, G, B des ersten Typs innerhalb eines Moduls (M) mit unterschiedlichen Farbfiltern ausgestaltet. Die identischen Module M sind regelmäßig in Zeilen und Spalten nebeneinander angeordnet und bilden damit die erfindungsgemäße Sensoranordnung 1 in Ausgestaltung entsprechend 1. Die Sensorelemente R, G, B, CL könnten erfindungsgemäß innerhalb der Module M auch andere Positionen annehmen, d.h. eine andere Verteilung annehmen, und mit anderen Farbfiltern ausgestaltet sein. The camera may, in particular, be a camera in a vehicle that captures images from the vehicle interior or the vehicle surroundings for implementing driver assistance functions. The sensor arrangement 1 out 1 comprises a plurality of grid-like arranged and sensitive to electromagnetic radiation sensor elements R, G, B, CL, such as photosensitive photodiodes or individual CCD sensor elements. The sensor elements R, G, B, CL are in this case arranged in matrix form in rows and columns next to each other. The sensor elements R, G, B, CL in turn comprise sensor elements R, G, B of a first type and sensor elements CL of a second type. The sensor elements R, G, B of the first type are each designed with a color filter and correspondingly sensitive in the visible light spectrum (visible spectral range) only for electromagnetic radiation in a specific wavelength range of the visible spectral range. In addition, the sensor elements R, G, B of the first type can be sensitive to electromagnetic radiation having wavelengths in the non-visible spectral range, in particular for infrared radiation and / or for ultraviolet radiation. The visible spectral range of electromagnetic radiation or of the electromagnetic spectrum is also generally referred to as light spectrum or color spectrum and is known to range from approximately 380 nm to 780 nm. Adjacent to the visible spectral range are the non-visible spectral ranges of ultraviolet radiation, known to be in the wavelength range of about 100nm to 380nm, as well as infrared radiation, known to be in the wavelength range of about 780nm to 1μm. The color filters of the sensor elements R, G, B of the first type correspond in an embodiment of the sensor arrangement according to the invention 1 corresponding 1 the three primary colors (spectral colors) red (R), green (G) and blue (B). Accordingly, each of the sensor elements R, G, B detects in the visible light spectrum only electromagnetic radiation from the wavelength range to be assigned to the respective color component. In addition, the sensor elements R, G, B can detect electromagnetic in the non-visible spectral range. The sensor elements CL of the second type are preferably designed without color filters and are sensitive to electromagnetic radiation in the entire visible light spectrum, ie for the entire spectral range. In addition, the sensor elements CL of the second type are preferably sensitive to electromagnetic radiation having wavelengths in the non-visible spectral range, in particular for infrared radiation and / or for ultraviolet radiation. According to the invention, the sensor elements R, G, B of the first type are configured with a barrier filter IR for electromagnetic radiation in at least one region of the non-visible spectral range. In the embodiment according to 1 the non-visible spectral range for which the barrier filters IR of the sensor elements R, G, B of the first type block electromagnetic radiation is the wavelength range of infrared radiation. In an embodiment of the sensor arrangement according to the invention 1 according to 1 the sensor elements CL of the second type are arranged in grid form between the sensor elements R, G, B of the first type, wherein in odd-numbered rows respectively sensor elements R, G of the first type are arranged, due to their color filter in the visible light spectrum for red or green light are sensitive, whereas in the even-numbered rows, sensor elements B of the first type, which are sensitive to blue light due to their color filters in the visible light spectrum, and sensor elements CL of the second type, which are sensitive to light in the entire visible light spectrum, alternate. Furthermore, due to the configuration of the sensor elements R, G, B of the first type with an infrared cut filter IR, only the sensor elements CL of the second type are sensitive to electromagnetic radiation in the wavelength range of infrared radiation. The grid-shaped arrangement according to 1 Thus, it consists of a plurality of identical modules M, each comprising four sensor elements R, G, B, CL, which are arranged in a square matrix in 2 × 2 arrangement. Each module M is made of three sensor elements R, G, B of the first type and a sensor element CL of the second type. Furthermore, the sensor elements R, G, B of the first type within a module (M) are designed with different color filters. The identical modules M are arranged regularly in rows and columns next to each other and thus form the sensor arrangement according to the invention 1 in accordance with the design 1 , According to the invention, the sensor elements R, G, B, CL could also assume other positions within the modules M, ie assume a different distribution, and be configured with other color filters.

2 zeigt eine alternative Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Sensoranordnung 1 mit rasterförmig verteilten Sensorelemente R, G, B, CL. Die Sensoranordnung 1 umfasst dabei Vielzahl an Modulen M aus jeweils mindestens einem Sensorelement R des ersten Typs und mindestens einem Sensorelement CL des zweiten Typs. Entsprechend der Ausgestaltung aus 1 sind die Sensorelemente R des ersten Typs mit Farbfiltern und Infrarot-Sperrfiltern IR ausgestaltet, wohingegen die Sensorelemente CL des zweiten Typs für das gesamte sichtbare Lichtspektrum sowie für Infrarotstrahlung sensitiv sind. In Ausgestaltung gemäß 2 sind die Module M rasterförmig nebeneinander anordnet, wobei jedes Modul M genau ein Sensorelemente R des ersten Typs und ein Sensorelemente CL des zweiten Typs umfasst und wobei es sich jeweils um Sensorelemente R mit demselben Farbfilter handelt, in diesem Fall für die Spektralfarbe Rot. 2 shows an alternative embodiment of the sensor arrangement according to the invention 1 with grid-shaped distributed sensor elements R, G, B, CL. The sensor arrangement 1 In this case, a plurality of modules M comprises in each case at least one sensor element R of the first type and at least one sensor element CL of the second type. According to the embodiment 1 For example, the sensor elements R of the first type are configured with color filters and infrared blocking filters IR, whereas the sensor elements CL of the second type are sensitive to the entire visible light spectrum as well as to infrared radiation. In the embodiment according to 2 the modules M are arrayed next to each other in a grid, each module M comprising exactly one sensor element R of the first type and a sensor element CL of the second type and each being sensor elements R with the same color filter, in this case the spectral color red.

Die Sensoranordnung 1 gemäß den 1 und 2 kann beispielsweise als CMOS-Bildsensor aufgebaut sein, mit einer unteren Schicht matrixförmig angeordneter und lichtempfindlicher Fotodioden, einer darüber liegenden Zwischenschicht mit einzelnen den Fotodioden zugeordneten Farbfiltern und einer darüber liegenden Mikrolinsenstruktur. Grundsätzlich ist jede mögliche und bekannter Aufbau eines Bildsensors, insbesondere eines CCD- oder CMOS-Bildsensors möglich, wobei der Bildsensor mit einer erfindungsgemäßen Anordnung von Sensorelementen R, G, B, CL, beispielsweise entsprechend den 1 und 2, und mit einer beliegen Auflösung (Anzahl an Sensorelementen) ausgestaltet sein kann. Die in den 1 und 2 dargestellten Colorfilterarray-Muster (Farbfilter-Verteilung) sind nur als Beispiele zu verstehen. Die Farb- und Clear-Pixel können auch anders angeordnet werden, es können andere Farben gewählt werden oder Farben weggelassen werden. Auch muss nicht jede Sorte Pixel gleich oft vertreten sein. Vielmehr ist eine Vielzahl von Varianten und Abwandlungen denkbar, die von dem Erfindungsgedanken Gebrauch machen und deshalb ebenfalls in den Schutzbereich fallen. Auf vorteilhafte Weise eingesetzt werden kann die erfindungsgemäße Sensoranordnung beispielsweise dann, wenn sowohl eine gute Farberkennung als auch eine hohe Empfindlichkeit gewünscht sind, z.B. Fahrerassistenzsysteme wie Verkehrszeichenerkennung, Fernlichtassistent, insbesondere dann, wenn das Kamerabild für verschiede Funktionen zur Verfügung steht, die oft unterschiedliche Anforderungen (Farberkennung, Empfindlichkeit bei Nacht) haben. The sensor arrangement 1 according to the 1 and 2 For example, it can be constructed as a CMOS image sensor, with a bottom layer of photosensitive diodes arranged in matrix form, an overlying intermediate layer with individual color filters assigned to the photodiodes and an overlying microlens structure. Basically, any possible and known structure of an image sensor, in particular a CCD or CMOS image sensor is possible, wherein the image sensor with an inventive arrangement of sensor elements R, G, B, CL, for example, according to 1 and 2 , and with an arbitrary resolution (number of sensor elements) may be configured. The in the 1 and 2 shown color filter array pattern (color filter distribution) are only to be understood as examples. The color and clear pixels can also be arranged differently, other colors can be selected or colors can be omitted. Also, not every type of pixel has to be represented the same number of times. Rather, a variety of variants and modifications are conceivable that make use of the concept of the invention and therefore also fall within the scope. The sensor arrangement according to the invention can advantageously be used, for example, if both good color recognition and high sensitivity are desired, for example driver assistance systems such as traffic sign recognition, high-beam assistant, especially when the camera image is available for different functions, which often have different requirements ( Color detection, sensitivity at night).

BezugszeichenlisteLIST OF REFERENCE NUMBERS

1 1: Sensoranordnung sensor arrangement
R, G, B R, G, B: Sensorelemente des ersten Typs Sensor elements of the first type
CL CL: Sensorelemente des zweiten Typs Sensor elements of the second type
IR IR: Infrarot-Sperrfilter Infrared cut filter
M M: Modul module

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Zitierte PatentliteraturCited patent literature

DE 3021470 C2 [0005]
DE 102005047127 A1 [0007]
DE 102009036595 A1 [0009]

Claims

Sensor arrangement ( 1 ) for image acquisition, with a plurality of grid-like arranged and sensitive to electromagnetic radiation sensor elements (R, G, B, CL), comprising - sensor elements (R, G, B) of a first type, which is configured with a color filter and for electromagnetic radiation in sensitive to a certain range in the visible spectral range, and - sensor elements (CL) of a second type which are sensitive to electromagnetic radiation in the entire range of the visible spectral range, characterized in that - the sensor elements (R, G, B) of the first type a barrier filter (IR) are designed for electromagnetic radiation in a non-visible spectral range.

Sensor arrangement ( 1 ) according to claim 1, characterized in that the sensor elements (CL) of the second type are sensitive to electromagnetic radiation in the spectral range of infrared radiation.

Sensor arrangement ( 1 ) according to one of the preceding claims, characterized in that it is the non-visible spectral range to the spectral range of infrared radiation and the notch filter (IR) is an infrared cut filter.

Sensor arrangement ( 1 ) according to one of the preceding claims, characterized in that the color filters with which the sensor elements (R, G, B) of the first type are designed are color filters for at least one of the spectral colors red, green and / or blue.

Sensor arrangement ( 1 ) according to one of the preceding claims, characterized in that the sensor elements (CL) of the second type are arranged in grid form between the sensor elements (R, G, B) of the first type.

Sensor arrangement ( 1 ) according to one of the preceding claims, characterized in that the sensor arrangement ( 1 ) comprises a plurality of modules (M) each having at least one sensor element (R, G, B) of the first type and at least one sensor element (CL) of the second type, wherein the modules (M) are arranged in grid form in rows and columns next to each other.

Sensor arrangement ( 1 ) according to one of the preceding claims, characterized in that the sensor arrangement ( 1 ) comprises a plurality of identical modules (M) each having four sensor elements arranged in a 2 × 2 matrix, each module (M) comprising three sensor elements (R, G, B) of the first type and a sensor element (CL) of the first type of the second type.

Sensor arrangement ( 1 ) according to claim 7, characterized in that the three sensor elements (R, B, G) of the first type of module (M) are designed with different color filters.

Image sensor for image acquisition comprising a sensor arrangement ( 1 ) according to any one of the preceding claims.

Camera, for mounting in a vehicle, comprising an image sensor according to claim 9 and / or a sensor arrangement according to one of claims 1 to 8.