DE102019213812A1

DE102019213812A1 - Optischer Sensor

Info

Publication number: DE102019213812A1
Application number: DE102019213812.8A
Authority: DE
Inventors: Mustafa Kamil; Nico Heussner
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2019-09-11
Filing date: 2019-09-11
Publication date: 2021-03-11
Also published as: WO2021048029A1; US20220317303A1; CN114402226A

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft einen optischen Sensor (25) umfassend einen ersten Lichtdetektor (30), einen zweiten Lichtdetektor (35), einen optischen Pfad (40) und eine Auswerteeinheit (10), wobei der erste Lichtdetektor (30) eingerichtet ist, Licht im infraroten Wellenlängenbereich zu erfassen. Der erste Lichtdetektor (30) und der zweite Lichtdetektor (35) sind jeweils CCD-Sensoren, wobei sich eine Lichtempfindlichkeit des CCD-Sensors des ersten Lichtdetektors (30) von einer Lichtempfindlichkeit des CCD-Sensors des zweiten Lichtdetektors (35) bezüglich eines vordefinierten Wellenlängenbereichs unterscheidet. Der erste Lichtdetektor (30) und der zweite Lichtdetektor (35) weisen ferner spaltenförmig angeordnete Pixel (50) auf, welche derart benachbart zueinander angeordnet sind, dass eine erste Längsseite des ersten Lichtdetektors (30) an eine erste Längsseite des zweiten Lichtdetektors (35) angrenzt und erste Lichtdetektor (30) und der zweite Lichtdetektor sind zusätzlich eingerichtet, Licht über den optischen Pfad (40) zu empfangen. Der erste Lichtdetektor (30) ist weiter eingerichtet, aus elektrischen Ladungen erste Messsignale zu erzeugen und der zweite Lichtdetektor (35) ist weiter eingerichtet, aus elektrischen Ladungen zweite Messsignale zu erzeugen. Die Auswerteeinheit (10) ist eingerichtet, die ersten Messsignale mit einer ersten Abtastfrequenz und die zweiten Messsignale mit einer zweiten Abtastfrequenz zu empfangen und diese zu einem Ausgangssignal zusammenzuführen.

Description

Stand der Technik
Die vorliegende Erfindung betrifft einen optischen Sensor und insbesondere einen optischen Sensor auf Basis einer CCD-Technologie.
Aus dem Stand der Technik sind optische Sensoren auf Basis unterschiedlicher Technologien bekannt, wie zum Beispiel CCD-, CMOS-, SPAD-Detektoren usw., welche zur Erfassung elektromagnetischer Strahlung eingesetzt werden können. Während CCD- und CMOS-Detektoren meist für eine RGB-Bilderfassung in Kamerasystemen eingesetzt werden, werden SPAD-Detektoren häufig im Zusammenhang mit LIDAR-Sensoren eingesetzt. Ferner sind aus dem Stand der Technik Fortbewegungsmittel bekannt, welche eine Umfelderfassung auf Basis von Kamera und/oder auf Basis von LIDAR-Systemen durchführen.
DE102009060392A1 beschreibt eine Sensoreinrichtung zur Anordnung an einer Innenseite einer Scheibe eines Kraftfahrzeugs mit mindestens einem Sensor zum Empfangen und/oder Senden elektromagnetischer Strahlung, umfassend ein erstes Gehäusemodul zur Aufnahme einer Recheneinheit und ein zweites Gehäusemodul zur Aufnahme des mindestens einen Sensors. In einer bevorzugten Ausführungsform sind im zweiten Gehäusemodul ein Lidar-Sensor bestehend aus einem Lasersender und einem Laserempfänger, sowie eine Kamera angeordnet. Der Lasersender kann vorzugsweise ein gepulster Laser sein, der aus einer vorgegebenen Anzahl von Laserdioden zusammengesetzt ist, die miteinander zu einem Stack verbunden sind.
WO002001017838A1 beschreibt ein Verfahren zur Überwachung eines Gefahrenbereiches auf gefährdete und/oder gefährliche Gegenstände mittels eines Bildaufnahmegerätes, wobei eine Bildaufnahme zur Erhöhung einer Zuverlässigkeit und einer Aussagefähigkeit auf Basis mehrerer Sensoren erfolgt. Ein gezeigtes Ausführungsbeispiel der Erfindung basiert auf einer Kombination von Vorteilen einer automatischen stereoskopischen Auswertung eines stereoskopischen Bildpaares und einer räumlichen Datengewinnung mittels dreidimensionaler Lasermesstechnik.
US2016240579A1 beschreibt einen optischen Sensor umfassend ein Pixel-Array, welches sich aus einer Mehrzahl von Pixeln zur Erfassung von sichtbarem Licht und einer Mehrzahl von Pixeln zur Erfassung von Infrarotlicht zusammensetzt, wobei die Pixel zur Infrarotlichterfassung insbesondere TOF- (Time of Flight) Informationen eines ausgesendeten Infrarotlichtes erfassen. In einer bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Sensors sind die jeweiligen Sensorpixel verschachtelt auf einem einzelnen Die angeordnet und verfügen über separate Leitungen zum Auslesen der jeweiligen Sensorinformationen.
Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung einen optischen Sensor bereitzustellen, welcher eingerichtet, eine LIDAR-basierte Tiefenerfassung und eine RGB-basierte Farberfassung auf Basis kombinierter CCD-Sensoren zu ermöglichen.
Offenbarung der Erfindung
Die vorliegende Erfindung schlägt einen optischen Sensor umfassend einen ersten Lichtdetektor, einen zweiten Lichtdetektor, einen optischen Pfad und eine Auswerteeinheit vor. Der erste Lichtdetektor ist eingerichtet, Licht im infraroten Wellenlängenbereich zu erfassen. Das Licht im infraroten Wellenlängenbereich kann bevorzugt mittels einer Infrarotlaserquelle des optischen Sensors erzeugt und in ein Umfeld des optischen Sensors abgestrahlt werden. Durch das Umfeld zum ersten Lichtdetektor reflektierte und/oder gestreute Anteile des infraroten Laserlichtes können somit für eine aktive Messung durch den ersten Lichtdetektor verwendet werden. Das durch den ersten Lichtdetektor und/oder durch den zweiten Lichtdetektor erfasste Licht im infraroten Wellenlängenbereich kann weiter bevorzugt ein gepulstes und/oder ein „continuous-wave“-Laserlicht sein.
Der erste Lichtdetektor und der zweite Lichtdetektor sind jeweils CCD- („chargecoupled device“) Sensoren, wobei sich eine Lichtempfindlichkeit des CCD-Sensors des ersten Lichtdetektors von einer Lichtempfindlichkeit des CCD-Sensors des zweiten Lichtdetektors bezüglich eines vordefinierten Wellenlängenbereich unterscheidet. Für den Fall, dass sowohl der erste Lichtdetektor, als auch der zweite Lichtdetektor für einen im Wesentlichen identischen Wellenlängenbereich ausgelegt sind (z. B. beide als Infrarotlichtdetektoren) weist somit einer der beiden Lichtdetektoren erfindungsgemäß eine geringere Empfindlichkeit in diesem Wellenlängenbereich auf. Für den Fall, dass der erste Lichtdetektor und der zweite Lichtdetektor für unterschiedliche Wellenlängenbereiche ausgelegt sind (z. B. ein Infrarotlichtdetektor und ein RGB-Lichtdetektor für sichtbares Licht), weist der erste Lichtdetektor erfindungsgemäß eine geringere (oder auch keine) Lichtempfindlichkeit für den Wellenlängenbereich des zweiten Lichtdetektors auf und umgekehrt. Ferner umfassen der erste Lichtdetektor und der zweite Lichtdetektor jeweils spaltenförmig angeordnete Pixel, welche derart benachbart zueinander angeordnet sind, dass eine erste Längsseite des ersten Lichtdetektors an eine erste Längsseite des zweiten Lichtdetektors angrenzt. Jeweilige Pixelspalten des ersten Lichtdetektors und des zweiten Lichtdetektors können jeweils ein- oder zweidimensionale Anordnungen von Pixeln umfassen. Durch die örtliche Nähe der Pixelspalten des ersten Lichtdetektors und des zweiten Lichtdetektors sind die beiden Lichtdetektoren eingerichtet, Licht aus dem Umfeld des optischen Sensors gleichzeitig über den gemeinsam genutzten optischen Pfad zu empfangen. Der optische Sensor ist in Verbindung mit dem ersten Lichtdetektor eingerichtet, aus elektrischen Ladungen, welche bei einem Lichteinfall auf den ersten Lichtdetektor erzeugt werden, erste Messsignale zu erzeugen und in Verbindung mit dem zweiten Lichtdetektor aus elektrischen Ladungen, welche bei einem Lichteinfall auf den zweiten Lichtdetektor erzeugt werden, zweite Messsignale zu erzeugen.
Die Auswerteeinheit, welche beispielsweise als ASIC, FPGA, Prozessor, digitaler Signalprozessor, Mikrocontroller, o. ä. ausgestaltet sein kann, ist eingerichtet, die ersten Messsignale mit einer ersten Abtastfrequenz und die zweiten Messsignale mit einer zweiten Abtastfrequenz zu empfangen und diese zu einem Ausgangssignal zusammenzuführen. Das Ausgangssignal kann bevorzugt ein aus dem ersten Messsignal und dem zweiten Messsignal erzeugtes Gesamtsignal sein. Alternativ oder zusätzlich kann das Ausgangssignal auch das erste Messsignal und das zweite Messsignal als separate Messsignale umfassen. Ferner können die erste Abtastfrequenz und die zweite Abtastfrequenz identische oder unterschiedliche Frequenzen sein. Eine informationstechnische Anbindung der erfindungsgemäßen Auswerteeinheit an den optischen Sensor kann bevorzugt über einen A/D-Wandler erfolgen, welcher eingerichtet ist, die durch den ersten Lichtdetektor und den zweiten Lichtdetektor erzeugten Ladungsmengen in korrespondierende digitale Signale umzuwandeln. Dies kann durch einen durch den ersten und zweiten Lichtdetektor gemeinsam genutzten A/D-Wandler oder durch jeweilige separate A/D-Wandler für die jeweiligen Lichtdetektoren erfolgen. Ferner kann der A/D-Wandler ein Bestandteil des optischen Sensors selbst oder ein Bestandteil der Auswerteeinheit sein. Darüber hinaus kann die Auswerteeinheit ein Bestandteil des optischen Sensors sein. Vorteilhaft kann einem jeweiligen A/D-Wandler zudem ein Signalverstärker vorgeschaltet sein.
Der optische Pfad kann als ein Lichteintrittspfad zwischen einer Eintrittsöffnung (z. B. in einem Gehäuse) des optischen Sensors zu jeweiligen Sensorpixeln des ersten und zweiten Lichtdetektors verstanden werden. Innerhalb des optischen Pfades können sich bevorzugt optische Elemente wie Linsen, Linsensysteme, Spiegel usw. zur optimalen Anpassung (z. B. Bündelung, Umlenkung, Aufspaltung, usw.) des in den optischen Sensor eintretenden Lichtes befinden.
Die Unteransprüche zeigen bevorzugte Weiterbildungen der Erfindung.
In einer vorteilhaften Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung ist der optische Sensor ein Rotationsscanner und/oder ist die Auswerteeinheit eingerichtet, aus einer Mehrzahl erster Messsignale und einer Mehrzahl zweiter Messsignale eines jeweiligen Scan-Vorganges jeweilige lichtdetektorbezogene Gesamtbilder und/oder ein sensorbezogenes Gesamtbild eines Umfeldes des optischen Sensors zu erzeugen und in Form des Ausgangssignals auszugeben. Mittels einer aus dem Stand der Technik bekannten rotierenden Scanbewegung des Rotationsscanners ist der erfindungsgemäße optische Sensor eingerichtet, das Umfeld des optischen Sensors sequenziell abzutasten. Die Auswerteeinheit kann beispielsweise auf Basis eines durch die Auswerteeinheit ausgeführten Computerprogramms eingerichtet sein, jeweilige spaltenförmig ausgebildete Einzelbilder zu einem Gesamtbild des Umfeldes zu kombinieren.
In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung umfasst der optische Sensor zusätzlich ein erstes Transferregister und/oder ein zweites Transferregister, wobei das erste Transferregister und/oder das zweite Transferregister jeweils mindestens eine Pixelspalte umfassen, welche an eine zweite Längsseite des ersten Lichtdetektors und/oder an eine zweite Längsseite des zweiten Lichtdetektors angrenzt. Des Weiteren sind das erste Transferregister und das zweite Transferregister eingerichtet, durch den ersten Lichtdetektor und/oder durch den zweiten Lichtdetektor erzeugte elektrische Ladungen zwischen zu speichern und sequenziell getaktet an die Auswerteeinheit auszugeben. Dem CCD-Sensorprinzip aus dem Stand der Technik folgend, liegen die jeweiligen Transferregister in einem lichtgeschützten Bereich des optischen Sensors, so dass durch den optischen Pfad einfallendes Licht keinerlei Auswirkungen auf die Transferregister hat. In Abhängigkeit einer jeweiligen Anwendung des erfindungsgemäßen optischen Sensors kann es vorteilhaft sein, nur das erste oder nur das zweite Transferregister oder entsprechend beide Transferregister vorzusehen, um die durch die Lichtdetektoren erzeugten Ladungen aus dem Bereich der jeweiligen Lichtdetektorflächen für einen nachgelagerten Auslesevorgang nach außen zu transportieren.
In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung weisen das erste Transferregister und das zweite Transferregister eine identische oder eine voneinander abweichende Anzahl von Pixelspalten auf. Die Anzahl jeweiliger Pixelspalten des ersten Transferregisters und/oder des zweiten Transferregisters orientiert sich bevorzugt an einer Ausprägung eines jeweils zu erfassenden Lichtes und/oder an einer jeweiligen Abtastfrequenz der jeweiligen Lichtdetektoren. Im Falle einer Verwendung eines gepulsten Laserlichtes zur Beleuchtung des Umfeldes des optischen Sensors, kann eine Anzahl von Pixelspalten für ein jeweils vom infraroten Lichtempfang betroffenes Transferregister bevorzugt derart gewählt werden, dass mindestens eine Pulsbreite des gepulsten Laserlichtes vollständig im jeweiligen Transferregister vorgehalten werden kann.
In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung ist der zweite Lichtdetektor eingerichtet, Licht im sichtbaren Wellenlängenbereich zu erfassen und die Auswerteeinheit ist zusätzlich eingerichtet, auf Basis des ersten Messsignals und auf Basis des zweiten Messsignals ein Ausgangssignal zu erzeugen, welches sowohl eine Tiefeninformation, als auch eine Farbinformation über das durch den optischen Sensor erfasste Umfeld umfasst. Bevorzugt stellt die Messung des sichtbaren Lichts durch den zweiten Lichtdetektor eine passive Messung dar, es ist aber auch denkbar, das Umfeld durch Verwendung einer Lichtquelle für den sichtbaren Wellenlängenbereich zusätzlich zu beleuchten, wodurch auch durch den zweiten Lichtdetektor eine aktive Messung ermöglicht werden kann.
In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung ist der zweite Lichtdetektor eingerichtet, Licht im infraroten Wellenlängenbereich zu erfassen und die Auswerteeinheit ist zusätzlich eingerichtet, auf Basis des ersten Messsignals und des zweiten Messsignals ein Ausgangssignal zu erzeugen, welches einen erweiterten Dynamikumfang bezüglich des ersten Messsignals oder bezüglich des zweiten Messsignals umfasst. Aufgrund der erfindungsgemäßen unterschiedlichen Empfindlichkeiten des ersten Lichtdetektors und des zweiten Lichtdetektors kann die Auswerteeinheit beispielsweise schwächer belichtete Bereiche des Umfeldes aus dem jeweiligen Messsignal des lichtempfindlicheren Lichtdetektors verwenden, während sie stärker belichtete Bereiche des Umfeldes aus dem jeweiligen Messsignal des weniger lichtempfindlichen Lichtdetektors verwenden kann. Ein geeigneter Algorithmus zur Zusammenführung der beiden Messsignale kann sich beispielsweise an einem aus dem Stand der Technik bekannten Algorithmus zur Erzeugung sogenannter HDR- („High Dynamic Range“) Bilder orientieren.
In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung weisen der erste Lichtdetektor und der zweite Lichtdetektor jeweils identische oder unterschiedliche Halbleitermaterialien und/oder Belichtungszeiten und/oder Ausrichtungen bezüglich des optischen Pfades und/oder Dämpfungsfilter (z. B. Graufilter) und/oder Abtastfrequenzen und/oder Auflösungen und/oder Pixelgrößen auf. Insbesondere durch Abweichungen zwischen einem oder mehreren der vorstehend genannten technischen Eigenschaften der jeweiligen Lichtdetektoren können geeignete Erweiterungen des Dynamikumfangs bei einer Verwendung zweier Infrarotlichtdetektoren erzielt werden. Unterschiedliche technische Eigenschaften zwischen den beiden Lichtdetektoren können darüber hinaus auch genutzt werden, um die oben beschriebene Kombination eines Infrarotlichtdetektors und eines RGB-Lichtdetektors anwendungsspezifisch vorteilhaft auszugestalten. Im Falle einer Infrarot- / RGB-Lichtdetektorkombination kann es besonders vorteilhaft sein, den ersten Lichtdetektor (d. h. den Infrarotlichtdetektor) optimal auf den optischen Pfad auszurichten (d. h. senkrecht zum optischen Pfad), um eine maximale Lichtausbeute für diesen Lichtdetektor zu ermöglichen, während der RGB-Lichtdetektor eine damit einhergehende geringe Abweichung zur optimalen Ausrichtung zum optischen Pfad aufweisen kann.
In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung können der erste Lichtdetektor und der zweite Lichtdetektor gemeinsam auf ein und demselben Substrat oder auf separaten Substraten ausgebildet werden. Ferner können der erste Lichtdetektor und/oder der zweite Lichtdetektor jeweils auf Basis von Silicium oder Indiumphosphid oder Galliumarsenid hergestellt sein. Im Falle einer Ausgestaltung des ersten Lichtdetektors und des zweiten Lichtdetektors auf Basis desselben Halbleitermaterials kann insbesondere Silicium zur Anwendung kommen, da dieses sowohl für eine Erfassung im infraroten Wellenlängenbereich, als auch im sichtbaren Wellenlängenbereich geeignet ist. Durch eine Verwendung ein und desselben Halbleitermaterials können Fertigungsschritte damit einhergehende Herstellungskosten reduziert werden. Darüber hinaus kann dadurch auch eine höhere Integration und somit eine Verringerung der Größe des optischen Sensors ermöglicht werden.
Durch die hier vorgeschlagene gleichzeitige RGB-Bilderfassung und Abstandsmessung auf Basis eines CCD-Lidar-Systems kann unter anderem eine optimale zeitliche Synchronisation von Farb- und Tiefeninformationen erreicht werden. Darüber hinaus können Justage- und Kalibrierungsaufwände für die unterschiedlichen Lichtdetektoren entfallen, da diese zu erfassendes Licht über ein und denselben optischen Pfad empfangen können.
Figurenliste
Nachfolgend werden Ausführungsbeispiele der Erfindung unter Bezugnahme auf die begleitende Zeichnung im Detail beschrieben. Dabei zeigen:

1 eine schematische Übersicht eines erfindungsgemäßen optischen Sensors;
2 eine erste Ausführungsform einer Lichtdetektoreinheit eines erfindungsgemäßen optischen Sensors;
3 eine zweite Ausführungsform einer Lichtdetektoreinheit eines erfindungsgemäßen optischen Sensors; und
4 eine dritte Ausführungsform einer Lichtdetektoreinheit eines erfindungsgemäßen optischen Sensors.

Ausführungsformen der Erfindung
1 zeigt eine schematische Übersicht eines erfindungsgemäßen optischen Sensors 25, welcher hier ein Rotationsscanner ist. Der optische Sensor 25 umfasst eine Lichtdetektoreinheit 45, welche einen ersten Lichtdetektor 30 und einen zweiten Lichtdetektor 35 umfasst. Der erste Lichtdetektor 30 ist hier ein Lichtdetektor für den infraroten Wellenlängenbereich, während der zweite Lichtdetektor 35 hier ein Lichtdetektor für den sichtbaren Wellenlängenbereich ist. Der erste Lichtdetektor 30 und der zweite Lichtdetektor 35 umfassen jeweils eine eindimensionale Pixelspalte 55, welche sich jeweils aus einer Mehrzahl von Detektorpixeln 50 zusammensetzt. Die Pixelspalte 55 des ersten Lichtdetektors 30 ist derart bezüglich eines optischen Pfades 40 (Lichteintrittspfad) des optischen Sensors 25 ausgerichtet, dass die Flächennormale der Pixelspalte 55 des ersten Lichtdetektors 30 parallel zum optischen Pfad 40 verläuft. Der optische Pfad 40 umfasst hier ein Linsensystem 70, welches eine Fokussierung des in den optischen Sensor 25 eintretenden Lichtes vornimmt. Angrenzend an die jeweiligen Lichtdetektoren 30, 35 sind ein erstes Transferregister 60 und ein zweites Transferregister 65 angeordnet, welche eingerichtet sind, durch die Lichtdetektoren 30, 35 bei Lichteinfall erzeugte Ladungen aus einem lichtempfindlichen Bereich der Lichtdetektoren 30, 35 nach außen zu transportieren. Durch die Ladungen repräsentierte Bildinformationen werden auf diese Weise von einem mittleren Bereich der Lichtdetektoreinheit 45 zu den jeweiligen Seiten der Lichtdetektoreinheit 45 transportiert. Dort werden die Ladungsmengen über eine Kombination aus jeweiligen (nicht gezeigten) Signalverstärkern und A/D-Wandlern in erste und zweite digitale Messsignale gewandelt und an eine erfindungsgemäße Auswerteeinheit 10 übertragen, welche informationstechnisch mit den A/D-Wandlern verbunden ist. Die Auswerteeinheit 10 speichert die empfangenen Messsignale in einer informationstechnisch an die Auswerteeinheit 10 angebundenen Speichereinheit 20 ab. Nach einer vollständigen Abtastung eines Umfeldes des optischen Sensors 25 berechnet die Auswerteeinheit 10 auf Basis der in der Speichereinheit 20 abgelegten Messsignale ein Gesamtbild des Umfeldes in Form eines 3D-Farbbildes.
2 zeigt eine erste Ausführungsform einer Lichtdetektoreinheit 45 eines erfindungsgemäßen optischen Sensors in Form eines Rotationsscanners. Die Detektoreinheit 45 umfasst einen ersten Lichtdetektor 30 zur Erfassung von Licht im infraroten Wellenlängenbereich, welcher hier ein Lidar-Sensor ist und einen zweiten Lichtdetektor 35 (RGB-Sensor) zu Erfassung von Licht im sichtbaren Wellenlängenbereich. Wie in 1 entsteht auch hier ein Gesamtbild eines Umfeldes des optischen Sensors durch Rotation jeweiliger Pixelspalten 55 und durch das Zusammenfügen jeweiliger detektierter Spaltenbilder. Um die unterschiedlichen Laufzeiten zu berücksichtigen, welche für die unterschiedlichen Messungen nötig sind, wandern die durch das einfallende Licht erzeugten Elektronen im Falle des Lidar-Sensors über das erste Transferregister 60 nach links weg (erste Transferrichtung 62). Dies ermöglicht eine entsprechend hohe Abttastfrequenz, wie sie zur Abtastung eines Lidar-Pulses im Falle eines TOF-(„Time of Flight“) Messprinzips nötig ist. Für den RGB-Sensor ist aufgrund des integrationsbasierten Messprinzips (Imager-Prinzip) eine vergleichsweise längere Integrationszeit innerhalb der einzelnen Pixel 50 und damit eine niedrigere Abtastfrequenz erforderlich. Im Falle des RGB-Sensors wandern die durch das einfallende Licht erzeugten Elektronen über das zweite Transferregister 65 nach rechts weg (zweite Transferrichtung 67). In ist eine Ausführungsform mit unterschiedlichen Pixelgrößen zwischen dem ersten Lichtdetektor 30 und dem zweiten Lichtdetektor 35 gezeigt. Somit kann für jedes „Lidar-Pixel“ 50 eine vollständige Farbinformation zur Verfügung gestellt werden.
3 zeigt eine zweite Ausführungsform einer Lichtdetektoreinheit 45 eines erfindungsgemäßen optischen Sensors in Form eines Rotationsscanners. Die Detektoreinheit 45 umfasst einen ersten Lichtdetektor 30 und einen zweiten Lichtdetektor 35, welche jeweils eingerichtet sind, Licht im infraroten Wellenlängenbereich zu erfassen. Die zweite Ausführungsform sieht zwar identische Pixelgrößen der jeweiligen Detektorpixel 50 in den jeweiligen Pixelspalten 55 des ersten Lichtdetektors 30 und des zweiten Lichtdetektors 35 vor, allerdings werden die jeweiligen Lichtdetektoren 30, 35 hier mit unterschiedlichen Abtastfrequenzen betrieben. Dadurch ergeben sich unterschiedlich lange Integrationszeiten innerhalb der Detektorpixel 50 der jeweiligen Lichtdetektoren 30, 35, welche zu unterschiedlichen Empfindlichkeiten der jeweiligen Lichtdetektoren 30, 35 führen. Die durch den Lichteinfall in den Lichtdetektoren 30, 35 freigesetzten Elektronen werden über ein erstes Transferregister 60 in einer ersten Transferrichtung 62 und über ein zweites Transferregister 65 in einer zweiten Transferrichtung 67 in einer jeweiligen lichtdetektorspezifischen Taktung zu einem A/D-Wandler 80 geführt, welcher anschließend ein erstes digitales Messsignal für den ersten Lichtdetektor 30 und ein zweites digitales Messsignal für den zweiten Lichtdetektor 35 erzeugt. Auf Basis der beiden Messsignale kann eine erfindungsgemäße (nicht gezeigte) Auswerteeinheit anschließend ein Gesamtbild des Umfeldes des optischen Sensors 25 mit einem erweiterten Dynamikumfang berechnen.
3 zeigt eine dritte Ausführungsform einer Detektoreinheit 45 eines erfindungsgemäßen optischen Sensors in Form eines Rotationsscanners. Die Detektoreinheit 45 umfasst einen ersten Lichtdetektor 30 und einen zweiten Lichtdetektor 35, welche jeweils eingerichtet sind, Licht im infraroten Wellenlängenbereich zu erfassen. Im Unterschied zu 2 weist der zweite Lichtdetektor 35 im Vergleich zum ersten Lichtdetektor 30 in den Pixelspalten 55 eine vierfach höhere Pixelanzahl der Detektorpixel 50 auf. Entsprechend ist auch die Pixelanzahl der jeweils korrespondierenden Transferregister 60, 65, welche durch Lichteinfall erzeugte Ladungen im ersten Lichtdetektor 30 und im zweiten Lichtdetektor 35 in Richtung der korrespondierenden Transferrichtungen 62, 67 nach außen transportieren, unterschiedlich. Auch auf diese Weise lassen sich unterschiedliche Empfindlichkeiten der jeweiligen Lichtdetektoren 30, 35 erzeugen, da durch die unterschiedlichen Flächen der Detektorpixel 50 im gleichen Zeitraum mehr (größere Pixel) oder weniger (kleinere Pixel) Photonen empfangen werden, womit eines der daraus resultierenden Messsignale für eine Erfassung lichtstarker und ein jeweils anderes der daraus resultierenden Messsignale für eine Erfassung lichtschwacher Objekte geeignet ist. Eine (nicht gezeigte) erfindungsgemäße Auswerteeinheit verrechnet die beiden Messsignale anschließend zu einem Gesamtbild mit einem erhöhten Dynamikumfang.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102009060392 A1 [0003]
WO 002001017838 A1 [0004]
US 2016240579 A1 [0005]

Claims

Optischer Sensor (25) umfassend: • einen ersten Lichtdetektor (30), • einen zweiten Lichtdetektor (35), • einen optischen Pfad (40), und • eine Auswerteeinheit (10), wobei • der erste Lichtdetektor (30) eingerichtet ist, Licht im infraroten Wellenlängenbereich zu erfassen, • der erste Lichtdetektor (30) und der zweite Lichtdetektor (35) jeweils ◯ CCD-Sensoren sind, wobei sich eine Lichtempfindlichkeit des CCD-Sensors des ersten Lichtdetektors (30) von einer Lichtempfindlichkeit des CCD-Sensors des zweiten Lichtdetektors (35) bezüglich eines vordefinierten Wellenlängenbereichs unterscheidet, ◯ spaltenförmig angeordnete Pixel (50) aufweisen, welche derart benachbart zueinander angeordnet sind, dass eine erste Längsseite des ersten Lichtdetektors (30) an eine erste Längsseite des zweiten Lichtdetektors (35) angrenzt, und ◯ eingerichtet sind, Licht über den optischen Pfad (40) zu empfangen, • wobei der optische Sensor in Verbindung mit dem ersten Lichtdetektor (30) eingerichtet ist, aus elektrischen Ladungen erste Messsignale zu erzeugen und in Verbindung mit dem zweiten Lichtdetektor (35) aus elektrischen Ladungen zweite Messsignale zu erzeugen, und • die Auswerteeinheit (10) eingerichtet ist, die ersten Messsignale mit einer ersten Abtastfrequenz und die zweiten Messsignale mit einer zweiten Abtastfrequenz zu empfangen und diese zu einem Ausgangssignal zusammenzuführen.
Optischer Sensor (25) nach Anspruch 1 wobei • der optische Sensor (25) ein Rotationsscanner ist, und/oder • die Auswerteeinheit (10) eingerichtet ist, aus einer Mehrzahl erster Messsignale und einer Mehrzahl zweiter Messsignale eines jeweiligen Scan-Vorganges ◯ jeweilige lichtdetektorbezogene Gesamtbilder, und/oder ◯ ein sensorbezogenes Gesamtbild eines Umfeldes des optischen Sensors (25) zu erzeugen und in Form des Ausgangssignals auszugeben.
Optischer Sensor (25) nach einem der vorstehenden Ansprüche weiter umfassend: • ein erstes Transferregister (60), und/oder • ein zweites Transferregister (65), wobei das erste Transferregister (60) und/oder das zweite Transferregister (65) • jeweils mindestens eine Pixelspalte (55) umfassen, welche an eine zweite Längsseite des ersten Lichtdetektors (30) und/oder an eine zweite Längsseite des zweiten Lichtdetektors (35) angrenzt, und • eingerichtet sind, durch den ersten Lichtdetektor (30) und/oder den zweiten Lichtdetektor (35) erzeugte elektrische Ladungen zwischen zu speichern und sequentiell getaktet an die Auswerteeinheit (10) auszugeben.
Optischer Sensor (25) nach Anspruch 3, wobei • das erste Transferregister (60) und das zweite Transferregister (65) eine identische oder eine voneinander abweichende Anzahl von Pixelspalten (55) aufweisen, und/oder • sich eine Anzahl jeweiliger Pixelspalten (55) des ersten Transferregisters (60) und/oder des zweiten Transferregisters (65) an ◯ einer Ausprägung eines jeweils zu erfassenden Lichtes, und/oder ◯ einer jeweiligen Abtastfrequenz des jeweiligen Lichtdetektors (30, 35) orientiert.
Optischer Sensor (25) nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei • der zweite Lichtdetektor (35) eingerichtet ist, Licht im sichtbaren Wellenlängenbereich zu erfassen, und • die Auswerteeinheit (10) eingerichtet ist, auf Basis des ersten Messsignals und des zweiten Messsignals ein Ausgangssignal zu erzeugen, welches sowohl eine Tiefeninformation, als auch eine Farbinformation über ein durch den optischen Sensor (25) erfasstes Umfeld umfasst.
Optischer Sensor (25) nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei • der zweite Lichtdetektor (35) eingerichtet ist, Licht im infraroten Wellenlängenbereich zu erfassen, und • die Auswerteeinheit (10) eingerichtet ist, auf Basis des ersten Messsignals und des zweiten Messsignals ein Ausgangssignal zu erzeugen, welches einen erweiterten Dynamikumfang bezüglich des ersten Messsignals oder bezüglich des zweiten Messsignals umfasst.
Optischer Sensor (25) nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei der erste Lichtdetektor (30) und der zweite Lichtdetektor (35) jeweils identische oder unterschiedliche • Halbleitermaterialien, und/oder • Belichtungszeiten, und/oder • Ausrichtungen bezüglich des optischen Pfads (40), und/oder • Dämpfungsfilter, und/oder • Abtastfrequenzen, und/oder • Auflösungen, und/oder • Pixelgrößen aufweisen.
Optischer Sensor (25) nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei das durch den ersten Lichtdetektor (30) und/oder zweiten Lichtdetektor (35) erfasste Licht im infraroten Wellenlängenbereich ein durch den optischen Sensor (25) in ein Umfeld des optischen Sensors (25) ausgesendetes • gepulstes, und/oder • continuous-wave Laserlicht ist.
Optischer Sensor (25) nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei der erste Lichtdetektor (30) und der zweite Lichtdetektor (35) • gemeinsam auf ein und demselben Substrat, oder • auf separaten Substraten ausgebildet sind.
Optischer Sensor (25) nach einem der vorstehenden Ansprüchen, wobei der erste Lichtdetektor (30) und/oder der zweite Lichtdetektor (35) jeweils auf Basis von • Silizium, oder • Indiumphosphid, oder • Galliumarsenid hergestellt sind.