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Stand der Technik
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Die Erfindung betrifft einen Bildsensor und eine Kamera.
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In der
DE2608998A1 wird eine Bildsensoranordnung mit unterschiedlichen Sensorelementen beschrieben. Diese sind für unterschiedliche Spektralbereiche empfindlich und in sich wiederholendem Muster angeordnet.
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Im Stand der Technik ist üblich, Bilder mittels quadratischer Sensorelemente zu erfassen. Zudem werden Bilder meist maßstabsgerecht auf Bildsensoren abgebildet, sodass keine Verzerrungen entstehen.
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Offenbarung der Erfindung
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Die Erfindung beschreibt einen Bildsensor für eine Kamera, insbesondere eine Fahrzeugkamera, welcher Sensorelemente wenigstens einer ersten und einer zweiten Art aufweist. Diese Sensorelemente sind auf Strahlung in einem ersten bzw. einem zweiten Spektralbereich empfindlich. Hierbei sind die zwei Arten von Sensorelementen in sich wiederholendem Muster über die Fläche des Bildsensors angeordnet. Durch die die jeweiligen Sensorelemente werden für unterschiedliche Spektralbereiche empfindliche, zusammenhängende Bereiche auf dem Bildsensor gebildet. Der Kern der Erfindung liegt darin, dass die Bereiche entlang zweier zueinander senkrechter Richtungen auf der Fläche des Bildsensors unterschiedliche Ausdehnungen aufweisen.
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Die Spektralbereiche, für welche die Sensorelemente empfindlich sind, können sich hierbei voneinander unterscheiden, jedoch durchaus Überdeckungen aufweisen. Der Bildsensor kann auch Sensorelemente einer weiteren Art aufweisen, welche für einen weiteren Spektralbereich empfindlich sind. Insbesondere können drei Arten von Sensorelementen vorgesehen sein, die jeweils für die Farben rot, grün und blau, bzw. die entsprechenden Spektralbereiche empfindlich sind. Es ist auch denkbar mehr oder weniger Sensorelemente unterschiedlicher Arten zu verwenden, bspw. mit Sensorelemente, welche auf die Farben grün, smaragdgrün, blau und rot empfindlich sind. Die zusammenhängenden Bereiche auf dem Sensor können entweder durch einzelne Sensorelemente oder durch Aneinanderreihungen oder Gruppierungen von Sensorelementen, welche für die gleichen Spektralbereiche empfindlich sind, entstehen. Die Bereiche weisen jeweils in zwei zueinander senkrechten Richtungen unterschiedliche Ausdehnungen auf. Das bedeutet, dass jeder Bereich an sich unterschiedliche Ausdehnungen in jeweils zwei zueinander senkrechte Richtungen aufweist. Die verschiedenen Bereiche können sich zudem auch untereinander unterscheiden Die Richtungen beziehen sich in dieser Anmeldung jeweils auf Richtungen in der Ebene des Bildsensors und beziehen sich nicht bspw. auf die Dicke des Bildsensors. Wenn von Richtungen der Ausdehnung die Rede ist, ist die zweidimensionale flächige Ausdehnung der Bereiche auf dem Bildsensor gemeint. Die zueinander senkrechten Richtungen sind von der Geometrie und der Ausrichtung des Bildsensors unabhängig. Als Richtungen kommen aber auch bspw. die Horizontale oder Vertikale des Bildsensors in Betracht.
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Diese Erfindung bietet den Vorteil, dass bei einer Aufnahme von durch eine Optik verzerrten Bildern, bspw. durch eine Streckung oder Stauchung, mittels des Bildsensors eine an die Optik angepasste farbliche Abtastung des Gegenstands erfolgen kann. Bei einer Rückrechnung auf den unverzerrten Gegenstand entspräche dessen farbliche Abtastung folglich einer Abtastung eines unverzerrten Bildes mit einem herkömmlichen Bildsensor.
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In einer vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung sind die Bereiche rechteckig, insbesondere nicht quadratisch, ausgebildet.
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Bis auf das Quadrat erfüllt die rechteckige Form immer die Bedingung der, entlang zweier zueinander senkrechter Richtungen auf der Fläche des Bildsensors, unterschiedlichen Ausdehnungen der Bereiche. Diese Form ist deshalb von Vorteil, da sich sehr leicht und kostengünstig umzusetzen ist.
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In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung sind die Sensorelemente rechteckig, insbesondere nicht quadratisch, ausgebildet.
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In dieser Ausführungsform können die Bereiche schon durch jeweils ein Sensorelement gebildet werden, da dieses bereits die Bedingung der, entlang zweier zueinander senkrechter Richtungen auf der Fläche des Bildsensors, unterschiedlichen Ausdehnungen der Bereiche erfüllt. Eine rechteckige Form der Sensorelemente lässt sich zudem sehr einfach herstellungstechnisch umsetzen.
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In einer vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung entsteht die unterschiedliche Ausdehnung der Bereiche durch wenigstens zwei direkt aneinandergrenzende Sensorelemente, welche für den gleichen Spektralbereich empfindlich sind.
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Diese Ausführungsform bietet den Vorteil, dass herkömmliche Bildsensoren mit quadratischen Sensorelementen eingesetzt werden können. Lediglich die Farbmaske muss angepasst werden, sodass die gewünschte Ausdehnung der Bereiche entsteht. Die Form der Bereiche kann generell jede beliebige Form annehmen, so lange sich die Ausdehnungen in zwei zueinander senkrechte Richtungen voneinander unterscheiden. Falls Optiken eingesetzt werden, die komplexere Verzerrungen des abzubildenden Gegenstands erzeugen, kann auf diese Weise eine optimale farbliche Abtastung dieser verzerrt abgebildeten Gegenstände gewährleistet werden. Es ist auch denkbar, dass die Ausdehnung der Bereiche durch mehrere rechteckige, nicht quadratische Sensorelemente entsteht. Unter direkt aneinandergrenzende Sensorelemente werden Sensorelemente verstanden, die auf dem Bildsensor direkt benachbart sind, zwischen denen sich also kein weiteres Sensorelement befindet. Unter zusammenhängenden Bereichen werden entweder die lichtempfindlichen Flächen einzelner Sensorelemente oder Zusammenschlüsse von direkt aufeinanderfolgenden / benachbarten Sensorelementen verstanden, die für den gleichen Spektralbereich empfindlich sind. Die Bereiche sind auch dann als zusammenhängend zu betrachten, wenn aufgrund des Bildsensoraufbaus kleine Lücken zwischen benachbarten, für den gleichen Spektralbereich empfindlichen Sensorelementen vorhanden sind.
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In einer vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung sind die Sensorelemente durch Fotodioden gebildet, die mit Farbfiltern selektiver Durchlässigkeit bedeckt sind.
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Diese Ausführungsform bietet den Vorteil, dass die Bildsensoren kostengünstig hergestellt werden können, da bekannte Technologien zum Einsatz kommen. Durch die Verwendung von Fotodioden, welche insbesondere im gesamten für das menschliche Auge sichtbaren Spektralbereich aktiv sein können, können die Bereiche kostengünstig und unkompliziert durch unterschiedliche Anordnungen der Farbfilter realisiert werden. Für unterschiedliche Ausdehnungen der Bereiche müssen in diesen Fall keine Sensorelemente ausgetauscht, sondern lediglich die Farbfilter verändert werden. Es ist auch denkbar, dass die Fotodioden für weitere Spektralbereiche empfindlich sind, beispielsweise für den ultravioletten oder infraroten Spektralbereich. Bspw. könnten die Sensorelemente der ersten Art ein gründurchlässiges Filter, die Sensorelemente der zweiten Art ein rotdurchlässiges Filter und Sensorelemente einer dritten Art ein blaudurchlässiges Filter aufweisen.
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Zudem wird eine Kamera, insbesondere für ein Fahrzeug, beansprucht. Diese weist einen Bildsensor und eine Kameraoptik zur Abbildung eines Erfassungsbereichs auf dem Bildsensor auf. Zudem weist die Kameraoptik ein optisches Element auf, mittels welchem der Erfassungsbereich wenigstens entlang einer Richtung auf der Fläche des Bildsensors gestreckt oder gestaucht auf dem Bildsensor abgebildet wird.
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Unter Strecken oder Stauchen wird hierbei verstanden, dass der Erfassungsbereich in unterschiedliche Richtungen unterschiedlich stark gestreckt oder gestaucht wird. Es ist keine in alle Richtungen gleichmäßige Vergrößerung oder Verkleinerung des Erfassungsbereichs auf dem Bildsensor gemeint.
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Mittels dieser Kamera ist es möglich, für relevant erachtete Bereiche der Umgebung aufzuzeichnen, unabhängig von der Form oder den Seitenverhältnissen des Bildsensors. Ist der Bildsensor bspw. quadratisch ausgelegt und das optische Element staucht das Bild entlang der Horizontalen des Bildsensor um den Faktor 2, so kann ein doppelt so breites wie hohes Bild aufgezeichnet werden. Mit einem an diese Verzerrung angepasstem Bildsensor lässt sich hieraus im Nachhinein ein realistische Bild der unverzerrten Umgebung ermitteln.
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In einer vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung ist das optische Element derart ausgebildet, dass eine Streckung oder Stauchung um einen Faktor größer oder gleich zwei erfolgt, wobei die Faktoren insbesondere ganzzahlig sind.
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Diese Ausführungsform bietet den Vorteil, dass Bereiche der Umgebung mit sehr großen Unterschieden in Länge und Breite erfassbar sind. Beispielsweise können auf diese Weise im Fahrzeug sehr große Winkelbereiche abgedeckt werden. Beträgt bspw. der aufzuzeichnende vertikale Winkelbereich 75° und der horizontale Winkelbereich 150°, lässt sich dieser Bereich der Umgebung auf einem quadratischen Bildsensor abbilden, falls mittels des optischen Elements die Umgebung bei der Abbildung auf den Bildsensor um den Faktor 2 in der Breite gestaucht wird.
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In einer vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung ist das optische Element als Spiegel und/oder Optik, Spiegeloptik oder anamorphotische Optik ausgebildet.
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Diese Ausführungsform bietet den Vorteil, dass das Element sehr kostengünstig und einfach herzustellen ist. Als anamorphotische Optikelemente kommen beispielsweise Linsen, Spiegel oder Blenden in Betracht.
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In einer vorteilhaften Ausführungsform der Kamera umfasst diese den erfindungsgemäßen Bildsensor.
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Diese Ausführungsform bietet den Vorteil, dass der auf dem Bildsensor gestreckt oder gestaucht abgebildete Erfassungsbereich mittels der für unterschiedliche Spektralbereiche empfindlichen, zusammenhängenden Bereiche auf dem Bildsensor derart erfassbar ist, dass eine, bezüglich zweier senkrechter Richtungen auf dem Bildsensor, symmetrische spektrale Abtastung des nicht verzerrten Erfassungsbereichs erfolgt.
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In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung entspricht die Streckung oder Stauchung des durch die Kameraoptik auf den Bildsensor abgebildeten Erfassungsbereichs im Wesentlichen dem Verhältnis der Ausdehnungen der Bereiche entlang zweier zueinander senkrechter Richtungen auf der Fläche des Bildsensors bzw. dem Kehrwert dieses Verhältnisses.
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Diese Ausführungsform der Erfindung bietet den Vorteil, dass der Verzerrung durch das optische Element eine entsprechend angepasste Ausgestaltung der Bereiche auf dem Bildsensor entgegengewirkt. Hierdurch ist es möglich, bei einer späteren Entzerrung des Bildes, beispielsweise durch eine entsprechende Bildverarbeitung mittels einer dafür konzipierten Software, eine spektrale Auflösung zu erhalten, die einer spektralen Auflösung eines unverzerrten Bildes entspricht, welches mit einer herkömmlichen Kamera aufgezeichnet wurde. Wird das Bild bspw. in horizontaler Richtung gestaucht, so werden die Bereiche ebenfalls in dieser Richtung gestaucht oder in vertikaler Richtung gestreckt. Werden sie ebenfalls gestaucht, entsteht keine Verschlechterung der Auflösung insgesamt. Bei einer Streckung wird die Auflösung derart angepasst, dass lediglich die spektrale Abtastung optimal an das verzerrte Bild angepasst wird. Ob das Verhältnis oder der Kehrwert verwendet werden, hängt von der Begriffswahl ab. Wird das Bild nur in eine Richtung gestaucht, so entspricht eine der zueinander senkrecht stehenden Richtungen der Stauch- bzw. Streckrichtung. Im Wesentlichen bedeutet hier, dass das Verhältnis nicht exakt mit der Streckung oder Stauchung übereinstimmen muss. Dies gilt vor allem bezogen auf die Fläche des gesamten Bildsensors. Es ist auch denkbar, dass das Verhältnis und die Stauchung oder Streckung sich nur in Teilbereichen auf dem Bildsensor entsprechen. Aufgrund von unpräzisen Optiken und Abbildungsfehlern, kann meist keine identische Abbildung im gesamten Abbildungsbereich gewährleistet werden.
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Zeichnungen
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1 zeigt eine beispielhafte Ausführungsform des Bildsensors.
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2 zeigt eine beispielhafte Anordnung der Kamera.
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3 zeigt die Ausnutzung eines Abbildungsbereichs einer Optik bei der Verwendung unterschiedlicher Bildsensoren.
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4 zeigt eine alternative Ausführung des Bildsensors.
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Ausführungsbeispiele
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In 2 ist ein beispielhafter Kameraaufbau für ein Fahrzeug skizziert. Ein quadratisches Objekt 204 wird über einen Spiegel 202 und eine Optik 203 auf einem Bildsensor 101 abgebildet. Durch den Spiegel wird das Objekt 204 verzerrt, wodurch ein entsprechend verzerrtes Bild 205 des Objekts 204 auf dem Bildsensor 201 entsteht. In diesem Fall wird das Bild 205 durch den Spiegel 202 in vertikaler Richtung gestreckt, bzw. in horizontaler Richtung gestaucht. Der Faktor, um welchen das Bild 205 gestreckt wird, ist in diesem Ausführungsbeispiel zwei. Da die Streckung in vertikaler Richtung gleichzeitig einer Stauchung in horizontaler Richtung entspricht, kann mittels dieser Kamera ein wesentlich breiteres Objekt 204 in seiner vollen Höhe und Breite abgebildet werden, als mit einer herkömmlichen Kamera.
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Bei der Verwendung eines herkömmlichen Bildsensors, welcher bspw. aus quadratischen Sensorelementen und auf diesen angebrachten Farbfiltern, bspw. in Form eines typischen „Bayer-Pattern“, aufgebaut ist, würde eine bezüglich der Horizontalen und Vertikalen ungleichmäßige farbliche Abtastung des Objekts 204 auf dem Bildsensor erfolgen, da dieser durch den Spiegel gestreckt wird. Die Abtastung würde zwar auf dem Bildsensor sowohl in horizontaler als auch in vertikaler Richtung in gleichmäßigen bzw. äquidistanten Abständen erfolgen, allerdings würde der Gegenstand in horizontaler Richtung nur halb so oft farblich abgetastet wie in vertikaler Richtung.
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Um die so entstehende Asymmetrie bei der farblichen Abtastung bzw. die Streckung oder Stauchung des Erfassungsbereichs auf dem Bildsensor 101 auszugleichen, kommt ein spezieller Bildsensor 101 zum Einsatz. Dieser weist mehrere Sensorelemente 102, 103, 104 auf. Die Sensorelemente 102, 103, 104 bestehen aus Fotodioden, auf welchen ein Farbfilter angebracht ist. Folglich sind die Sensorelemente 102, 103, 104 für Strahlung unterschiedlicher Wellenlängen / Spektralbereiche empfindlich. In diesem Beispiel besteht der Bildsensor 101 aus Sensorelementen 402, 403, 404, welche für die Farben grün, blau und rot bzw. die entsprechenden spektralen Bereiche empfindlich sind (r = rot, g = grün, b = blau). Wie beim „Bayer-Pattern“ weist dieser Bildsensor 101 doppelt so viele grüne Sensorelemente 402 wie jeweils rote Sensorelemente 404 und blaue Sensorelemente 403 auf.
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Der Bildsensor 101 zeichnet sich dadurch aus, dass die zusammenhängenden Bereiche 102, 103, 104, welche für die unterschiedlichen Spektralbereiche empfindlich sind, in vertikaler und horizontaler Richtung unterschiedliche Ausdehnungen aufweisen. Die Bereiche 102, 103, 104 werden in diesem Fall durch die Sensorelemente 402, 403, 404 gebildet, welche hier rechteckig ausgelegt sind. Hierbei sind die Bereiche 102, 103, 104 und folglich auch die Sensorelemente 402, 403, 404 doppelt so hoch wie breit.
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In einem alternativen Ausführungsbeispiel des Bildsensors 101, welcher in 4 abgebildet ist, unterscheiden sich die Bereiche 102, 103, 104 von den Sensorelementen 402, 403, 404. Die Sensorelemente 402, 403, 404 sind in diesem Fall quadratisch ausgebildet. Die zusammenhängenden Bereiche 102, 103, 104 werden von jeweils zwei quadratischen Sensorelementen 402, 403, 404 gebildet, die direkt hintereinander angeordnet sind, bzw. direkt aneinander angrenzen.
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In beiden Ausführungsbeispielen erfolgt durch die Ausdehnungen der Bereiche 102, 103, 104 eine Abtastung des gestreckt oder gestaucht abgebildeten Erfassungsbereichs, welche einer Abtastung eines nicht gestreckt oder gestaucht abgebildeten Erfassungsbereichs mittels eines herkömmlichen Bildsensors, mit quadratischen Sensorelementen und klassischem „Bayer-Pattern“, entspricht. Folglich kann mittels der Bereiche 102, 103, 104 eine an den tatsächlich abgebildeten Erfassungsbereich angepasste Abtastung erfolgen. Bei einer Rückskalierung des mittels des Bildsensors 101 erfassten Bildes entspräche die farbliche Abtastung des Bildes einer unverzerrten, weder gestauchten noch gestreckten Aufnahme.
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In 3 wird der Vorteil des erfindungsgemäßen Bildsensors 101 und der Kamera noch einmal verdeutlicht. Es sind drei, typischerweise runde Abbildungsbereiche einer Optik dargestellt. In diesen Abbildungsbereichen sind drei Bildsensoren 301, 311, 321 mit unterschiedlichen Formaten angeordnet. Je breiter eine Aufnahme im Vergleich zu Ihrer Höhe sein soll, des größer wird die ungenutzte Fläche 302, 312, 322 der Abbildungsbereiche, welche von den Bildsensoren 301, 311, 321 nicht erfasst werden. Hierdurch gehen Informationen und Helligkeit verloren. Diese Verluste müssen durch teure Objektive und/oder bessere Sensoren kompensiert werden.
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Mittels der erfindungsgemäßen Kamera ist es nun möglich, in Vergleich zur Breite sehr hohe oder im Vergleich zur Höhe sehr breite Bilder einer Umgebung auf einen quadratischen Bildsensor 321 abzubilden. Dieser nutzt den in den meisten Fällen kreisförmigen oder runden Abbildungsbereich einer Optik optimal aus, wird von einer rechteckigen Form der Bildsensoren ausgegangen. Folglich können die ungenutzten Abbildungsbereiche 322 minimiert werden.
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Werden die Bereiche 102, 103, 104 auf der Bildsensorfläche entsprechend der Abbildung durch den Spiegel 202 oder ein vergleichbares optisches Element gestreckt oder gestaucht, lässt sich eine optimale Farbrekonstruktion der unverzerrten Umgebung gewährleisten.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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