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Die Erfindung betrifft eine Bildsensorvorrichtung einer Kamera zur Detektion von Licht, insbesondere von Licht im sichtbaren und infraroten Spektralbereich.
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Eine Bildsensorvorrichtung, insbesondere für Kamerasensoren, sind in der Regel eine flächige Anordnung einzelner Sensorelemente, das heißt Pixel, welche eine Bildinformation mittels der Bildpunkte und korrespondierender Intensitäts- beziehungsweise Helligkeitswerte erzeugen.
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Die einzelnen Sensorelemente (Bildpunkte, Pixel) können an sich nur Intensitätssignale, keine Farben aufzeichnen. Deshalb werden für Farbaufnahmen über Pixel Farbfilter gelegt, welche nur jeweils eine bestimmte Farbe durchlassen, zum Beispiel Rot, Grün und Blau, wodurch dieser Farbe dann ein bestimmter Helligkeitswert zugeordnet werden kann. Da jedem Sensorelement, das heißt jedem Pixel, nur ein Farbfilter zugeordnet werden kann, bedeutet dies jedoch, dass für jede Farbe theoretisch auch nur ein Drittel der Pixel und damit eine reduzierte Auflösung zur Verfügung steht, sowie jedes Pixel je nach Farbfilter nur einen Teil des Lichts empfängt. Die gebräuchlichste Methode zur Verteilung der Rot-, Grün- und Blaufarbfilter ist das sogenannte Bayer-Pattern. Hier kommt Grün doppelt so oft vor wie Rot oder Blau. Da jedes Pixel, wie beschrieben, nur einen konkreten Helligkeitswert messen kann, werden die beiden fehlenden Farbwerte für diese Pixelposition interpoliert, wodurch für jedes Pixel und damit Bildpunkt ein vollständiges Rot-, Grün- und Blausignal vorliegt.
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Möchte man mehr Bildinformationen, das heißt eine höhere Auflösung, haben, muss die Pixelanzahl beziehungsweise die Anzahl der Sensorelemente, der Bildsensorvorrichtung steigen. Hierfür muss entweder die Bildsensorvorrichtung flächenmäßig größer werden, oder aber bei gleichbleibender Fläche die einzelnen Pixel kleiner werden.
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Die vorliegenden Bildinformationen spielen heute, zum Beispiel für die Bildverarbeitung, eine immer größere Rolle. Für immer präzisere und anspruchsvollere Anwendungen werden immer mehr Bildinformationen benötigt. Dies gilt für Standbilder, das heißt Fotos, wie auch Bewegtbilder, das heißt Videos.
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Da die Sensorgrößen in der Regel festgelegt sind, beispielsweise wegen vorhandener Objektivnormen, ist eine Vergrößerung der Bildsensorvorrichtung oft keine Option. Stattdessen werden immer mehr Pixel auf gleichbleibender Fläche untergebracht. Dies bringt zum Beispiel das Problem des Bildrauschens mit sich. Vereinfacht kann gesagt werden, dass, je kleiner eine Fläche eines Sensorelements ist, desto weniger Licht (Photonen) kann diese Fläche aufsammeln und desto stärker ist das resultierende Bildrauschen.
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Aus der
WO 2008/091534 A1 sind ein Verfahren, ein Apparat und ein System bereitgestellt, die eine holografische Schicht als Mikrolinsen und Farbfilteranordnung in einem Bildsensor bereitstellen.
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Aus der
US 5764389 A sind holografische Farbfilter für Anzeigeanwendungen bekannt.
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Aus der
US 7 110 034 B2 ist eine Bildaufnahmevorrichtung bekannt, umfassend eine Vielzahl von photoelektrischen Umwandlungsbereichen und einen Lichteinstellbereich, der einen ersten Übertragungsabschnitt zum Übertragen von Licht, der in Verbindung mit einem ersten photoelektrischen Umwandlungsbereich vorgesehen ist, und einen zweiten Übertragungsabschnitt zum Übertragen von Licht, der in Verbindung mit einem zweiten photoelektrischen Umwandlungsbereich vorgesehen ist, umfasst.
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Aus der
US 2003/0179457 A1 ist ein Bildaufnahmeelement bekannt, umfassend einen photoelektrischen Umwandlungsabschnitt, einen Wellenlängenauswahlabschnitt, der näher an einer Lichteinfallsseite als der photoelektrische Umwandlungsabschnitt ausgebildet ist, einen ersten Bereich mit einem vorbestimmten Brechungsindex, der näher zu der Lichteinfallsseite ausgebildet ist als der Wellenlängenauswahlabschnitt, und einen zweiten Bereich mit einem vorbestimmten Brechungsindex, der näher an der Lichteinfallsseite als der erste Bereich ausgebildet ist, wobei der Brechungsindex des ersten Bereichs höher ist als der Brechungsindex des zweiten Bereichs.
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Aus der
US 2004/0004668 A1 ist ein Bildaufnahmeelement bekannt, umfassend eine Vielzahl von Pixeln, die jeweils einen fotoelektrischen Umwandlungsabschnitt und einen Wellenlängenauswahlabschnitt zum Übertragen von Licht einer vorbestimmten Wellenlänge an den photoelektrischen Umwandlungsabschnitt aufweisen, wobei der Wellenlängenauswahlabschnitt einen Scheitelpunkt aufweist, und wobei für ein Pixel, das sich in dem peripheren Teil des Bildaufnahmeelements befindet, der Scheitelpunkt des Wellenlängenauswahlabschnitts näher an der Mitte des Bildaufnahmeelements liegt als zu der Mitte des photoelektrischen Umwandlungsabschnitts.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine verbesserte Bildsensorvorrichtung bereitzustellen, in der mehr Licht für Sensorelemente bereitgestellt werden kann.
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Die Aufgabe wird durch die Gegenstände der unabhängigen Patentansprüche gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind durch die abhängigen Patentansprüche, die folgende Beschreibung sowie die Figuren offenbart.
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Durch die Erfindung ist eine Bildsensorvorrichtung zur Detektion von Licht bereitgestellt. Die Bildsensorvorrichtung kann insbesondere eine Bildsensorvorrichtung für eine Kamera zur farbabhängigen Detektion von Licht sein. Die Bildsensorvorrichtung umfasst zumindest ein erstes und ein zweites Sensorelement, die ausgebildet sind, ein jeweiliges Intensitätssignal aus detektiertem Licht zu erzeugen, ein Trägermedium, das vor dem ersten und zweiten Sensorelement angeordnet ist, wobei das Trägermedium als Lichtleiter ausgebildet ist und zumindest einen ersten und einen zweiten Einkoppelbereich und zumindest einen ersten und einen zweiten Auskoppelbereich aufweist. Der erste Einkoppelbereich weist eine erste Ablenkstruktur auf, die dazu ausgebildet ist, Licht mit einer ersten vorgegebenen Wellenlänge, das aus einer Umgebung auf den ersten Einkoppelbereich fällt, in das Trägermedium in Richtung des ersten Auskoppelbereichs einzukoppeln, wobei der zweite Einkoppelbereich eine zweite Ablenkstruktur aufweist, die dazu ausgebildet ist, Licht mit einer zweiten vorgegebenen Wellenlänge, das aus der Umgebung auf den zweiten Einkoppelbereich fällt, in das Trägermedium in Richtung des zweiten Einkoppelbereichs einzukoppeln. Das Trägermedium ist ferner ausgebildet, das über die Einkoppelbereiche eingekoppelte Licht mittels interner Reflexion an die Auskoppelbereiche zu übertragen, wobei der erste Auskoppelbereich vor dem ersten Sensorelement und der zweite Auskoppelbereich vor dem zweiten Sensorelement angeordnet ist, und wobei der erste Auskoppelbereich eine erste auskoppelnde Ablenkstruktur aufweist, die ausgebildet ist, das übertragene Licht mit der ersten vorgegebenen Wellenlänge, das auf den ersten Auskoppelbereich fällt, aus dem Trägermedium auf das erste Sensorelement auszukoppeln, und wobei der zweite Auskoppelbereich eine zweite auskoppelnde Ablenkstruktur aufweist, die ausgebildet ist, das übertragene Licht mit der zweiten vorgegebenen Wellenlänge, das auf den zweiten Auskoppelbereich fällt, aus dem Trägermedium auf das zweite Sensorelement auszukoppeln.
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Mit anderen Worten wird Licht mit einer vorgegebenen Wellenlänge über einen jeweiligen Einkoppelbereich eines Trägermediums zu dem Sensorelement übertragen, das ein Intensitätssignal für die vorgegebene Wellenlänge detektieren soll, wobei mit Licht eine elektromagnetische Strahlung gemeint ist, die vorzugsweise im sichtbaren und/oder infraroten Spektralbereich liegt. Das erste und zweite Sensorelement können nebeneinander angeordnet sein und vorzugsweise ein Teil einer Sensorelementenanordnung sein. Das heißt, dass das erste und zweite Sensorelement Sensoren eines Bildsensors der Kamera sind. Insbesondere können die Sensorelemente Photodioden sein. Der erste und zweite Einkoppelbereich können vorzugsweise eine größere Fläche aufweisen als ein Sensorelement, sodass mehr Licht zur Detektion eingesammelt werden kann. Der jeweilige Einkoppelbereich kann beispielsweise über dem jeweilig anderen Sensorelement angeordnet sein und die vorgegebene Wellenlänge einsammeln, um diese auf das passende Sensorelement zu leiten. Das heißt, dass beispielsweise die vorgegebene erste Wellenlänge, die auf das zweite Sensorelement treffen würde, von dem ersten Einkoppelbereich über die erste Ablenkstruktur in das Trägermedium eingekoppelt wird und mittels interner Reflexion zu dem ersten Auskoppelbereich geleitet wird, wo es auf das für die vorgegebene erste Wellenlänge bereitgestellte erste Sensorelement trifft. Insbesondere kann über dem ersten Sensorelement nur der zweite Einkoppelbereich oder der erste und zweite Einkoppelbereich angeordnet sein. Alternativ ist über dem ersten Sensorelement keiner der beiden Einkoppelbereiche angeordnet, so dass das Licht von einem anderen Bereich des Trägermediums zu dem ersten Sensorelement geleitet wird. Gleiches gilt für das zweite Sensorelement und einer Anordnung des ersten und/oder des zweiten Einkoppelbereichs vor diesem Sensorelement.
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Sind das erste und zweite Sensorelement flächig nebeneinander angeordnet, ist mit interner Reflexion innerhalb des Trägermediums gemeint, dass das Licht parallel zu einer Sensorelementenfläche geleitet wird, um die vorgegebene Wellenlänge an der durch den Auskoppelbereich festgelegten Stelle auskoppeln zu können.
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Das Trägermedium oder Lichtleitmedium kann beispielsweise eine Glasplatte oder Glasscheibe umfassen, welche als Lichtleiter ausgebildet ist. Das heißt, das Trägermedium kann Licht mittels interner Reflektion, insbesondere mittels Totalreflexion, insbesondere ähnlich einem Glasfaserkabel, weiterleiten. An dem Trägermedium sind der Einkoppelbereich und ein Auskoppelbereich angeordnet. Das Trägermedium trägt sozusagen den Einkoppelbereich und den Auskoppelbereich.
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Zum Einkoppeln des Lichts weist der Einkoppelbereich die genannte Ablenkstruktur auf. Diese kann beispielsweise in Form eines optischen Gitters, auch Beugungsgitter genannt, ausgebildet sein. Die Ablenkstruktur ist dazu ausgebildet, Licht, dass aus der Umgebung auf den Einkoppelbereich fällt in das Trägermedium einzukoppeln. Einkoppeln bedeutet in diesem Zusammenhang, dass die Ablenkstruktur das Licht aus der Umgebung derart ablenkt oder umlenkt, dass es in ein Volumen des Trägermediums eindringt und dort an zumindest einer Grenzfläche des Trägermediums intern reflektiert wird. Das Trägermedium ist ausgebildet, das über den Einkoppelbereich eingekoppelte Licht mittels der internen Reflexion an den Auskoppelbereich zu übertragen. Trifft das übertragene Licht nun auf den Auskoppelbereich, kann die auskoppelnde Ablenkstruktur des Auskoppelbereichs das übertragene Licht schließlich aus dem Trägermedium auskoppeln. Das heißt, die auskoppelnde Ablenkstruktur kann das übertragene oder weitergeleitete Licht insbesondere derart ablenken oder umlenken, dass das Licht beim Auftreffen auf die Ablenkstruktur nicht länger an der Grenzfläche des Trägermediums reflektiert, sondern stattdessen aus dem Trägermedium ausgekoppelt wird und somit aus dem Trägermedium austreten kann. Vorzugsweise verläuft das Licht der jeweiligen vorgegebenen Wellenlänge nach Einkopplung parallel zu den Sensorelementen.
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Die jeweiligen Ablenkstrukturen können als Beugungsstruktur oder Brechungsstruktur, als eine Interferenzstruktur, Gitterstruktur, als Linsensystem oder Spiegel ausgebildet sein. Insbesondere können die Ablenkstrukturen jeweils als holographisch-optisches Element (HOE) (oder abgekürzt holographisches Element) ausgebildet sein, das Licht mit einer vorgegebenen Wellenlänge in einen vorgegebenen Winkel ablenken kann.
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Vorzugsweise kann die Bildsensorvorrichtung auch eine Rechenvorrichtung umfassen, die dazu ausgebildet ist, aus dem jeweiligen Intensitätssignal des detektierten Lichts ein Bild, insbesondere ein Farbbild, zu generieren.
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Durch die Erfindung ergibt sich der Vorteil, dass jedem Sensorelement mehr Licht zur Verfügung gestellt werden kann, da Licht aus einer vergrößerten Fläche eingesammelt und auf das jeweilige Sensorelement geleitet werden kann. Hierdurch kann beispielsweise eine Auflösung der Bildsensorvorrichtung erhöht werden, ohne ein Bildrauschen zu verstärken.
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Des Weiteren ist vorgesehen, dass die jeweiligen Ablenkstrukturen als ein holografisches Element mit zumindest einem optischen Gitter ausgebildet sind, insbesondere ein holografisches Volumengitter oder ein holografisches Oberflächengitter.
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Ein Optisches Gitter, auch Beugungsgitter genannt, sowie dessen Wirkungsweise und Herstellungsverfahren ist allgemein bekannt. Grundsätzlich kann ein optisches Gitter als zumindest abschnittsweise periodische Strukturen, sogenannte Gitterstrukturen, in einem Substrat ausgebildet sein. Mittels der Gitterstruktur kann ein optisches Gitter durch den physikalischen Effekt der Beugung eine Lichtlenkung, wie sie zum Beispiel von Spiegeln, Linsen oder Prismen bekannt ist, herbeiführen. Fällt Licht, das heißt fallen Lichtstrahlen auf das optische Gitter, wobei die einfallenden Lichtstrahlen insbesondere die Bragg-Gleichung erfüllen, werden die Lichtstrahlen durch das optische Gitter gebeugt oder abgelenkt. Die Lichtlenkung kann somit insbesondere durch Interferenzerscheinungen der durch das optische Gitter gebeugten Lichtstrahlen erfolgen. Die Ablenkstruktur des Einkoppelbereichs oder Auskoppelbereichs kann dementsprechend auch als Beugungsstruktur bezeichnet werden.
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Vorzugsweise kann ein optisches Gitter gegenüber dem einfallenden Licht richtungsselektiv oder winkelselektiv ausgebildet sein. Somit kann nur Licht, insbesondere ein Anteil des Lichts, das aus einer vorbestimmten Einfallsrichtung, zum Beispiel in einem vorbestimmten Winkel, auf ein optisches Gitter fällt, abgelenkt werden. Licht, insbesondere ein Anteil des Lichts, das aus einer anderen Richtung auf das optische Gitter fällt, wird vorzugsweise nicht abgelenkt oder umso weniger, je größer der Unterschied zur vorbestimmten Einfallsrichtung ist. Der Lichtanteil, welcher von der vorbestimmten Einfallsrichtung oder Optimaleinfallsrichtung abweicht, kann folglich vorzugsweise ungehindert durch das Substrat mit dem optischen Gitter propagieren.
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Zusätzlich oder alternativ kann ein optisches Gitter noch wellenlängenselektiv oder frequenzselektiv ausgebildet sein. Somit kann nur Licht, insbesondere ein erster Anteil des Lichts mit einer vorbestimmten Wellenlänge von dem optischen Gitter in einem bestimmten Beugungswinkel abgelenkt oder gebeugt werden. Licht, insbesondere ein zweiter Anteil des Lichts mit einer anderen als der vorbestimmten Wellenlänge wird vorzugsweise nicht abgelenkt, oder umso weniger je größer der Unterschied zur vorbestimmten Wellenlänge ist. Der zweite Lichtanteil, welcher von der vorbestimmten Wellenlänge oder Optimalwellenlänge abweicht, kann folglich vorzugsweise ungehindert durch das Substrat mit dem optischen Gitter propagieren. Dadurch kann beispielsweise von polychromatischem Licht, welches auf das optische Gitter trifft, wenigstens ein monochromatischer Lichtanteil abgespaltet werden. In vorteilhafter Weise ist der Ablenkeffekt für die Optimalwellenlänge maximal und fällt zu längeren und kürzeren Wellenlängen hin, beispielsweise gemäß einer Gaußglocke, ab oder wird schwächer. Insbesondere wirkt der Ablenkeffekt nur auf einen Bruchteil des sichtbaren Lichtspektrums und/oder in einem Winkelbereich kleiner als 90 Grad.
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Eine Herstellung eines optischen Gitters kann insbesondere mittels Belichtung eines Substrats, also beispielsweise fotolithografisch oder holografisch, erfolgen. In diesem Zusammenhang kann das optische Gitter dann auch als holografisches oder holografisch-optisches Gitter bezeichnet werden. Es sind zwei Arten von holografisch-optischen Gittern bekannt: holografische Oberflächengitter (surface holografic gratings, kurz: SHG) und holografische Volumengitter (volume holografic gratings, kurz: VHG). Bei einem holografischen Oberflächengitter kann die Gitterstruktur durch optisches Verformen einer Oberflächenstruktur des Substrats erzeugt werden. Durch die veränderte Oberflächenstruktur kann auftreffendes Licht abgelenkt, zum Beispiel reflektiert werden. Beispiele für holografische Oberflächengitter sind sogenannte Sägezahn- oder Blazegitter. Im Gegensatz dazu kann die Gitterstruktur bei holografischen Volumengittern in das ganze Volumen oder einen Teilbereich des Volumens des Substrats eingearbeitet sein. Holografische Oberflächengitter und holografische Volumengitter sind in der Regel frequenzselektiv.
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Als Material für das besagte Substrat zum Einarbeiten eines optischen Gitters eignet sich besonders Glas, zum Beispiel Quarzglas, insbesondere ein fotosensitives Glas. Alternativ kann auch ein Polymer, insbesondere ein Fotopolymer, oder eine Folie, insbesondere eine fotosensitive Folie, zum Beispiel aus Kunststoff oder organischen Stoffen verwendet werden. Zur Verwendung derartiger Substrate für die Bildsensorvorrichtung, sollte zusätzlich beachtet werden, dass das Material, insbesondere in Substratform, lichtwellenleitende Eigenschaften aufweist. Substrate die eine Ablenkstruktur zum Beugen von Licht, beispielsweise in Form eines optischen Gitters aufweisen, können auch als holografisch-optische Elemente bezeichnet werden. Mit derartigen holographisch-optischen Elementen können insbesondere die Eigenschaften von herkömmliche Linsen, Spiegel und Prismen nachgebildet werden. Vorteile von holographisch-optischen Elementen sind, dass sie im Gegensatz zu den konventionellen aus Glas oder Kunststoff gefertigten optischen Elementen leichter, wegen der nicht notwendigen Krümmung wesentlich flacher und zugleich transparent ausgebildet sein können.
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Zu der Erfindung gehören auch Ausführungsformen, durch die sich zusätzliche Vorteile ergeben.
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Eine Ausführungsform sieht vor, dass zumindest ein drittes Sensorelement und ein dritter Einkoppelbereich mit einer dritten Ablenkstruktur bereitgestellt ist, die ausgebildet ist, Licht mit einer dritten vorgegebenen Wellenlänge in das Trägermedium in Richtung eines dritten Auskoppelbereichs einzukoppeln, wobei der dritte Auskoppelbereich eine dritte auskoppelnde Ablenkstruktur aufweist, die ausgebildet ist, das übertragene Licht mit der dritten vorgegebenen Wellenlänge, das auf den dritten Auskoppelbereich fällt, aus dem Trägermedium auf das dritte Sensorelement auszukoppeln, wobei der dritte Auskoppelbereich vor dem dritten Sensorelement angeordnet ist. Mit anderen Worten kann die Bildsensorvorrichtung zumindest drei Sensorelemente, das heißt drei Pixel, aufweisen, wobei jedes Sensorelement für eine vorgegebene Wellenlänge zuständig ist. Durch die drei Einkoppelbereiche können diese vorgegebenen Wellenlängen über einen großflächigen Bereich aus dem Umgebungslicht eingesammelt und an das passende Sensorelement weitergeleitet werden. Die drei Sensorelemente können insbesondere ein Teil eines Bildsensors sein, der aus einer periodischen Aneinanderreihung dieser drei Sensorelemente aufgebaut ist. Auch kann beispielsweise vorgesehen sein, dass ein erstes Sensorelement, zwei zweite Sensorelemente und ein drittes Sensorelement in einer 2x2-Matrix von Sensorelementen angeordnet sind, die einen Teil eines Bildsensors der Bildsensorvorrichtung bilden, wobei sich diese Matrix periodisch wiederholen kann, sodass sich der gesamte Bildsensor ergibt.
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Vorzugsweise ist vorgesehen, dass die erste vorgegebene Wellenlänge in einem roten Farbspektrum, die zweite vorgegebene Wellenlänge in einem grünen Farbspektrum und die dritte vorgegebene Wellenlänge in einem blauen Farbspektrum liegt, das heißt, dass die drei Grundfarben Rot, Grün und Blau nachgebildet werden können, sodass die Bildsensorvorrichtung ein Farbbild erzeugen kann. Beispielsweise kann die erste vorgegebene Wellenlänge in einem Wellenlängenbereich von 650 Nanometer bis 800 Nanometer, insbesondere bei 700 Nanometer, liegen, die grüne Wellenlänge in einem Wellenlängenbereich zwischen 500 Nanometer und 570 Nanometer, insbesondere bei 546 Nanometer, und die dritte vorgegebene Wellenlänge in einem Wellenlängenbereich zwischen 420 Nanometer bis 500 Nanometer, insbesondere bei 436 Nanometer. Durch diese Ausführungsform ergibt sich der Vorteil, dass aus den Grundfarben durch die Bildsensorvorrichtung ein Farbbild erzeugt werden kann, wobei mittels des Trägermediums und der Ein- und Auskoppelbereiche genügend Licht mit der vorgegebenen Wellenlänge für das jeweilige Sensorelement eingesammelt werden kann, sodass ein Bildrauschen unterdrückt werden kann und wodurch sich ein Bild verbessern kann. Somit kann eine verbesserte farbabhängige Detektion von Licht bereitgestellt werden.
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Vorzugsweise ist vorgesehen, dass zumindest jeweils zwei Einkoppelbereiche als ein zusammengehöriger Einkoppelbereich ausgebildet sind, wobei die zu den zumindest zwei Einkoppelbereichen gehörigen Ablenkstrukturen in dem zusammengehörigen Einkoppelbereich als jeweils einzelne Elemente bereitgestellt sind oder als eine einzige Multiplex-Ablenkstruktur ausgebildet sind. Das heißt, dass zumindest zwei Einkoppelbereiche in einem Bereich des Trägermediums zusammenfallen können, also zum Beispiel der erste und zweite Einkoppelbereich, der erste und dritte Einkoppelbereich oder der zweite und dritte Einkoppelbereich. Alternativ können auch alle drei Einkoppelbereiche in dem zusammengehörigen Einkoppelbereich angeordnet sein. Mit der Bereitstellung der Ablenkstrukturen in dem zusammengehörigen Einkoppelbereich als jeweils einzelne Elemente ist gemeint, dass diese beispielsweise innerhalb des zusammengehörigen Einkoppelbereichs an unterschiedlichen Positionen in das Trägermedium eingearbeitet sein können. Vorzugsweise können diese hintereinander, das heißt von einer Lichteinfallsrichtung aus gesehen hintereinander, angeordnet sein. Da die Ablenkstrukturen frequenzselektiv sein können, kann so beispielsweise die erste vorgegebene Wellenlänge von der ersten Ablenkstruktur abgelenkt werden, die sich im Trägermedium an einer Oberfläche befinden kann, und die zweite vorgegebene Wellenlänge kann durch die erste Ablenkstruktur passieren, da die Ablenkstrukturen frequenzselektiv sind. Anschließend kann die zweite vorgegebene Wellenlänge von der zweiten Ablenkstruktur, die sich in einer Lichteinfallsrichtung hinter der ersten Ablenkstruktur befinden kann, abgelenkt werden.
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Mit Multiplex-Ablenkstruktur sind optische Gitter, insbesondere holographische Gitter, gemeint, die polychromatisches Licht beugen können, obwohl optische Gitter in der Regel frequenzselektiv sind. Diese werden als holografische Mehrfachvolumengitter (multiplexed volume holografic gratings, kurz: MVHG) bezeichnet und können beispielsweise durch Verändern der Periodizität der Gitterstruktur eines optischen Gitters oder Erhöhen einer Anzahl an Gitterebenen des optischen Gitters oder durch Anordnen mehrerer holografisches Volumengitter hintereinander bereitgestellt werden.
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Durch diese Ausführungsform ergibt sich der Vorteil, dass noch mehr Flächen des Trägermediums zum Einsammeln der vorgegebenen Wellenlängen verwendet werden können und somit jedem Sensorelement mehr Licht zur Erzeugung des Intensitätssignals bereitgestellt werden kann.
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Eine Ausführungsform sieht vor, dass die jeweiligen Ablenkstrukturen frequenzselektiv ausgebildet sind und somit die erste Ablenkstruktur nur Licht der ersten vorgegebenen Wellenlänge ablenkt und die zweite Ablenkstruktur nur Licht der zweiten vorgegebenen Wellenlänge ablenkt. Insbesondere kann die dritte Ablenkstruktur nur Licht der dritten vorgegebenen Wellenlänge ablenken. Das heißt, die jeweilige Ablenkstruktur lenkt nur Licht einer vorbestimmten Wellenlänge ab, sodass es in das Trägermedium eingekoppelt wird. Eine derartige Frequenzselektivität oder Wellenlängenselektivität ist dabei eine typische Eigenschaft von holografisch-optischen Elementen, welche optische Gitter als Ablenkstrukturen für die Lichtlenkung nutzen. Fällt nun beispielsweise Weißlicht aus der Umgebung auf einen der jeweiligen Einkoppelbereiche, kann durch die jeweilige Ablenkstruktur nur der Lichtanteil des Lichts, also ein erster Anteil des Lichts, mit der vorbestimmten Wellenlänge von der jeweiligen Ablenkstruktur in einem bestimmten Beugungswinkel abgelenkt oder gebeugt werden. Übrige Anteile oder ein zweiter Anteil des Lichts mit einer anderen als der vorbestimmten Wellenlänge werden vorzugsweise nicht abgelenkt, oder umso weniger je größer der Unterschied zur vorbestimmten Wellenlänge ist. Andere Anteile des Lichts, welche von der vorbestimmten Wellenlänge oder Optimalwellenlänge abweichen, können folglich insbesondere ungehindert durch das Trägermedium propagieren. Dadurch kann von dem polychromatischen Licht, welches auf die jeweilige Ablenkstruktur trifft, insbesondere ein monochromatischer Lichtanteil abgespaltet werden. In vorteilhafterweise ist der Ablenkeffekt für die Optimalwellenlänge maximal und fällt zu längeren und kürzeren Wellenlängen hin, beispielsweise gemäß einer Gaußkurve ab, oder wird schwächer. Die vorbestimmten Wellenlängen, welche die jeweiligen Ablenkstrukturen ablenken, unterscheiden sich dabei voneinander. Das heißt, jede der Ablenkstrukturen lenkt Licht einer unterschiedlichen Wellenlänge ab. Somit kann ein erster der unterschiedlichen Einkoppelbereiche beispielsweise als Rotfilter ausgebildet sein, und nur rotes Licht ablenken. Hingegen kann ein zweiter der unterschiedlichen Einkoppelbereiche beispielsweise als Blaufilter ausgebildet sein, und somit nur blaues Licht ablenken. Schließlich kann ein dritter der unterschiedlichen Einkoppelbereiche beispielsweise als Grünfilter ausgebildet sein und somit nur grünes Licht ablenken. Durch diese Ausführungsform ergibt sich der Vorteil, dass die Ablenkstrukturen als Farbfilter wirken können, die das Licht auf die passenden Sensorelemente aufteilen können. Da die Ablenkstrukturen nicht nur vor den passenden Sensorelementen angeordnet sind, sondern an einer gesamten Fläche eines Bildsensors angeordnet sein können, kann jedoch mehr Licht mit der vorgegebenen Wellenlänge eingesammelt werden, wodurch eine Auflösung verbessert werden kann.
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Eine weitere Ausführungsform sieht vor, dass vor dem ersten Sensorelement ein erster Farbfilter und vor dem zweiten Sensorelement ein zweiter Farbfilter angeordnet ist, wobei der erste Farbfilter dazu ausgebildet ist, nur Licht mit der ersten vorgegebenen Wellenlänge durchzulassen, und wobei der zweite Farbfilter dazu ausgebildet ist, nur Licht mit der zweiten vorgegebenen Wellenlänge durchzulassen. Insbesondere kann ein dritter Farbfilter vor dem dritten Sensorelement vorgesehen sein, der dazu ausgebildet ist, nur Licht mit der dritten vorgegebenen Wellenlänge durchzulassen. Insbesondere können die jeweiligen Farbfilter rotes, grünes oder blaues Licht durchlassen. Vorzugsweise können die Sensorelemente in einer Matrix angeordnet sein und die Farbfilter können gemäß einem Bayer-Pattern vor den Sensorelementen angeordnet sein. Ein jeweiliger Farbfilter ist dabei frequenzselektiv, das heißt über jeden Farbfilter kann nur Licht einer vorbestimmten Wellenlänge auf das jeweilige Sensorelement transmittieren. Beispielsweise können die Farbfilter in Kategorien unterteilt sein, wobei eine erste Kategorie nur für rotes Licht durchlässig ist, eine zweite Kategorie nur für blaues Licht durchlässig ist und eine dritte Kategorie nur für grünes Licht durchlässig ist. Farbfilter können beispielsweise aus eingefärbtem Glas, Kunststoff oder Gelatinefolien ausgebildet sein. Durch diese Ausführungsform ergibt sich der Vorteil, dass Wellenlängenanteile eines Weißlichts, die nicht bereits durch eine der Ablenkstrukturen abgelenkt wurden, nicht auf das jeweilige Sensorelement treffen, das für eine vorgegebene Wellenlänge bestimmt ist. Somit kann eine Fehldetektion unerwünschter Wellenlängen vermieden werden, wodurch ein Bildsignal der Bildsensorvorrichtung verbessert werden kann.
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Eine weitere Ausführungsform sieht vor, dass der erste Einkoppelbereich nicht vor dem ersten Sensorelement angeordnet ist und der zweite Einkoppelbereich nicht vor dem zweiten Sensorelement angeordnet ist. Insbesondere kann der dritte Einkoppelbereich nicht vor dem dritten Sensorelement angeordnet sein. Mit anderen Worten können zum Beispiel der erste Einkoppelbereich vor dem zweiten Sensorelement und der zweite Einkoppelbereich vor dem ersten Sensorelement angeordnet sein. Durch diese Ausführungsform ergibt sich der Vorteil, dass beispielsweise Licht mit der vorgegebenen ersten Wellenlänge, das ohnehin auf das erste Sensorelement treffen würde, nicht von der ersten Ablenkstruktur abgelenkt wird, jedoch das Licht der vorgegebenen ersten Wellenlänge, das auf das zweite Sensorelement treffen würde, über die erste Ein- und Auskoppelstruktur auf das erste Sensorelement umgelenkt werden kann. Dies gilt auch für das zweite und dritte Sensorelement. Insbesondere ist diese Ausführungsform bevorzugt mit den oben genannten Farbfiltern anzuwenden. Durch diese Ausführungsform ergibt sich der Vorteil, dass Material bei der Erzeugung von Ablenkstrukturen eingespart werden kann, wodurch Kosten bei der Herstellung der Bildsensorvorrichtung eingespart werden können.
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Eine weitere Ausführungsform sieht vor, dass die Einkoppelbereiche und die Auskoppelbereiche einstückig mit dem Trägermedium ausgebildet sind oder wobei das Trägermedium als separates Element zu den Einkoppelbereichen und den Auskoppelbereichen ausgebildet ist. Im ersten Fall können der Einkoppelbereich und der Auskoppelbereich somit beispielsweise direkt in eine Oberflächenstruktur des Trägermediums eingearbeitet werden. Somit kann das Trägermedium selbst als holographisch-optisches Element ausgebildet sein, beispielsweise geätzt oder gelasert sein. Im zweiten Fall kann das Trägermedium separat von dem Einkoppelbereich und dem Auskoppelbereich ausgebildet sein. Dabei können der Einkoppelbereich und der Auskoppelbereich beispielsweise jeweils ein Element bilden und das Trägermedium kann ein anderes Element bilden, welches an den jeweiligen Elementen anliegt. Somit können der Einkoppelbereich und der Auskoppelbereich in wenigstens einem holographisch-optischen Element ausgebildet sein. Dies ermöglicht eine größere Auswahl bei der Nutzung eines Trägermediums. Beispielsweise können der Einkoppelbereich und der Auskoppelbereich in unterschiedlichen Abschnitten einer holografischen Folie oder Platte ausgebildet sein. Zum Befestigen der Folie oder Platte an dem Trägermedium kann die Folie oder Platte an das Trägermedium angeklebt sein. Alternativ kann die holografische Folie auch als Adhäsionsfolie ausgebildet sein und direkt, also ohne Klebstoff, durch molekulare Kräfte an der Oberfläche des Trägermediums haften.
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Eine weitere Ausführungsform sieht vor, dass der jeweilige Auskoppelbereich eine kleinere Abmessung als der jeweilige Einkoppelbereich eine größere Abmessung als der jeweilige Auskoppelbereich aufweist, wobei eine jeweilige Ablenkstruktur eine Bündelungsgitterstruktur aufweist, die dazu ausgebildet ist, Lichtstrahlen des Lichts in Abhängigkeit des Einfallsortes unterschiedlich stark abzulenken, so dass die Ablenkstruktur die Lichtstrahlen auf die jeweilige auskoppelnde Ablenkstruktur bündelt. Entsprechend kann die jeweilige auskoppelnde Ablenkstruktur eine Zerstreuungsgitterstruktur oder eine Bündelungsgitterstruktur aufweisen, die dazu ausgebildet ist, Lichtstrahlen des Lichts in Abhängigkeit des Einfallsortes unterschiedlich stark abzulenken und zum Auskoppeln aus dem Trägermedium auf das jeweilige Sensorelement zu parallelisieren oder zu fokussieren. Mit anderen Worten kann ein großer Einkoppelbereich vorgesehen sein, der eine große Eintrittsfläche für Licht aufweist, wobei dieses Licht auf einen kleinen Auskoppelbereich und somit passend für das jeweilige Sensorelement gebündelt wird. Eine Zerstreuungsgitterstruktur kann eine inhomogene Beugungsstruktur aufweisen, die beispielsweise Lichtstrahlen von einem Rand der Beugungsstruktur stärker beugen kann als Lichtstrahlen von einer Mitte der Beugungsstruktur, wodurch die Lichtstrahlen aufgefächert werden können. Dementsprechend kann eine Bündelungsgitterstruktur eine Gitterstruktur aufweisen, bei der Lichtstrahlen je nach auftreffender Position fokussiert werden können. Vorzugsweise sind in dieser Ausführungsform die Bündelungsgitterstruktur und die Zerstreuungsgitterstruktur und die entsprechenden Abstände der beiden Strukturen so gewählt, dass die Lichtstrahlen von der Zerstreuungsgitterstruktur zu der Bündelungsgitterstruktur auseinanderlaufen und von der Bündelungsgitterstruktur wieder parallelisiert werden. Diese Anordnung ist vergleichbar mit einem Galilei-Fernrohr, bei dem eine Sammellinse und eine Zerstreuungslinse derart hintereinander angeordnet sind, dass die Brennweiten der beiden Linsen hinter der Zerstreuungslinse in einem Punkt zusammenfallen. Durch diese Ausführungsform ergibt sich der Vorteil, dass mehr Licht der vorgegebenen Wellenlänge aus einem größeren Bereich eingesammelt werden kann und somit ein Intensitätssignal der Bildsensorvorrichtung verbessert werden kann.
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Die Erfindung umfasst auch die Kombinationen der Merkmale der beschriebenen Ausführungsformen.
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Im Folgenden sind Ausführungsbeispiele der Erfindung beschrieben. Hierzu zeigt:
- 1 eine schematische Darstellung einer Bildsensorvorrichtung gemäß einer beispielshaften Ausführungsform;
- 2 eine perspektivische Darstellung einer Bildsensorvorrichtung gemäß einer beispielhaften Ausführungsform;
- 3 eine perspektivische Darstellung einer Bildsensorvorrichtung gemäß einer weiteren beispielhaften Ausführungsform;
- 4 eine schematische Darstellung einer Lichtleitung innerhalb eines Trägermediums gemäß einer beispielhaften Ausführungsform;
- 5 eine schematische Darstellung einer Lichtleitung innerhalb eines Trägermediums gemäß einer weiteren beispielhaften Ausführungsform.
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Bei den im Folgenden erläuterten Ausführungsbeispielen handelt es sich um bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung. Bei den Ausführungsbeispielen stellen die beschriebenen Komponenten der Ausführungsformen jeweils einzelne, unabhängig voneinander zu betrachtende Merkmale der Erfindung dar, welche die Erfindung jeweils auch unabhängig voneinander weiterbilden. Daher soll die Offenbarung auch andere als die dargestellten Kombinationen der Merkmale der Ausführungsformen umfassen. Des Weiteren sind die beschriebenen Ausführungsformen auch durch weitere der bereits beschriebenen Merkmale der Erfindung ergänzbar.
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In den Figuren bezeichnen gleiche Bezugszeichen jeweils funktionsgleiche Elemente.
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In 1 ist eine Bildsensorvorrichtung 10 zur Detektion von Licht gemäß einer beispielhaften Ausführungsform schematisch dargestellt. Die Bildsensorvorrichtung 10 kann ein erstes Sensorelement 12 und ein zweites Sensorelement 14 aufweisen, die jeweils dazu ausgebildet sind, bei Detektion von Licht ein Intensitätssignal zu erzeugen. Beispielsweise kann das erste und zweite Sensorelement eine Photodiode umfassen.
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Das erste und zweite Sensorelement 12, 14 kann auf einer Fläche als Teil eines Bildsensors der Bildsensorvorrichtung 10 angeordnet sein. Der Bildsensor kann beispielsweise ein Teil einer Kamera sein, der dazu ausgebildet ist, ein Bild zu erzeugen, insbesondere ein Farbbild. In diesem Ausführungsbeispiel ist das erste Sensorelement 12 und das zweite Sensorelement 14 beabstandet voneinander dargestellt, diese können jedoch auch formschlüssig nebeneinander angeordnet sein. Auch eine flächige, dreidimensionale Anordnung, das heißt in einer Ebene mit mehreren Sensorelementen, kann vorgesehen sein. Zur Erklärung der Funktionsweise der Bildsensorvorrichtung 10 sind in diesem Ausführungsbeispiel jedoch nur die beiden Sensorelemente 12, 14 dargestellt.
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Ferner umfasst die Bildsensorvorrichtung 10 ein Trägermedium 16, das als Lichtleiter ausgebildet ist und auf einer Detektorfläche der Sensorelemente 12, 14 angeordnet ist. In diesem Ausführungsbeispiel ist das Trägermedium 16 beabstandet zu den Sensorelementen 12, 14 angeordnet, die Sensorelemente 12, 14 können jedoch auch formschlüssig an dem Trägermedium 16 anliegen.
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Das Trägermedium 16 kann einen ersten Einkoppelbereich 18 und einen zweiten Einkoppelbereich 20 aufweisen. Ferner kann das Trägermedium 16 einen ersten Auskoppelbereich 22 und einen zweiten Auskoppelbereich 24 aufweisen.
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Der erste Einkoppelbereich 18 kann eine erste Ablenkstruktur 26 aufweisen, die dazu ausgebildet ist, Licht mit einer ersten vorgegebenen Wellenlänge, das aus einer Umgebung auf den ersten Einkoppelbereich 18 fällt, in das Trägermedium 16 in Richtung des ersten Auskoppelbereichs 22 einzukoppein. In ähnlicher Weise kann der zweite Einkoppelbereich 20 eine zweite Ablenkstruktur 28 aufweisen, die dazu ausgebildet ist, Licht mit einer vorgegebenen zweiten Wellenlänge in das Trägermedium 16 in Richtung des zweiten Auskoppelbereichs 24 einzukoppeln. Innerhalb des Trägermediums 16 kann das eingekoppelte Licht dann mittels interner Reflexion zu dem jeweiligen Auskoppelbereichen 22, 24 weitergeleitet werden. Das heißt, dass das Trägermedium 16 das Licht parallel zu einer Detektorfläche der Sensorelemente 12, 14 von den Einkoppelbereichen zu den jeweiligen Auskoppelbereichen leiten kann.
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Der erste Auskoppelbereich 22, der vorzugsweise vor dem ersten Sensorelement 12 angeordnet ist, kann eine erste auskoppelnde Ablenkstruktur 30 aufweisen, die ausgebildet ist, das in dem Trägermedium 16 übertragene Licht der ersten vorgegebenen Wellenlänge aus dem Trägermedium auf das erste Sensorelement 12 auszukoppeln. Entsprechend kann der zweite Auskoppelbereich 24 eine zweite auskoppelnde Ablenkstruktur 32 aufweisen, die ausgebildet ist, das übertragene Licht mit der zweiten vorgegebenen Wellenlänge, das auf den zweiten Auskoppelbereich fällt, insbesondere auf die zweite auskoppelnde Ablenkstruktur 32, aus dem Trägermedium 16 auf das zweite Sensorelement 14 auszukoppeln.
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Die jeweiligen Ablenkstrukturen 26, 28, 30, 32 können beispielsweise mittels eines holografischen Elements als optisches Gitter ausgebildet sein, insbesondere als holografisches Volumengitter oder holografisches Oberflächengitter.
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Das Trägermedium 16 kann beispielsweise mittels einer Schichtbauweise ausgebildet sein, wobei lichtleitende Elemente, wie zum Beispiel Glas- oder Kunststoffplatten, Deckschichten für ein holografisch-optisches Element, das heißt für die Ablenkstrukturen 26, 28, 30, 32, bilden. Alternativ oder zusätzlich kann das holografisch-optische Element durch eine Stapelung mehrerer holografisch-optischer Elemente erzeugt werden.
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Die Ablenkstrukturen als holografisch-optische Elemente können beispielsweise mittels einer Fotopolymerfolie oder ein Glas ausgebildet sein, das zwischen Deckschichten des Trägermediums 16 eingebracht ist, vorzugsweise aufgeklebt. Ferner kann das holografisch-optische Element durch holografische Belichtungsverfahren derart ausgebildet sein, dass sich die Ablenkstrukturen 26, 28, 30, 32 bilden, wie beispielsweise das holografische Volumengitter oder das holografische Oberflächengitter.
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Im Nachfolgenden soll die Funktionsweise der Bildsensorvorrichtung 10 beschrieben werden. Beispielsweise kann Licht 34 aus einer Umgebung auf die Bildsensorvorrichtung 10 treffen, insbesondere auf den ersten Einkoppelbereich 18, was mittels einer gestrichelten Linie dargestellt ist. Das Licht 34 kann beispielsweise die erste vorgegebene Wellenlänge, wie zum Beispiel einen roten Wellenlängenanteil, umfassen, der auf die erste Ablenkstruktur 26 trifft. Die erste Ablenkstruktur 26 kann als holografisches Oberflächengitter ausgebildet sein, wobei dieses frequenzselektiv ist und somit nur den ersten vorgegebenen Wellenlängenanteil ablenken kann, um diesen in das Trägermedium 16 in Richtung des ersten Auskoppelbereichs 22 einzukoppein. In Richtung des Auskoppelbereichs bedeutet hier eine makroskopische Richtung vom Einkoppelbereich entlang des Trägermediums 16 zu dem Auskoppelbereich, beziehungsweise ein Richtungsvektor in die Ausbreitungsrichtung des Lichts mittels interner Reflexionen. Eine Weiterleitung mittels interner Reflexion bedeutet, dass die eingekoppelten Lichtstrahlen einer Grenzwinkelbedingung der Totalreflexion genügen. Ein Lichtpfad kann hierbei natürlich aufgrund der internen Reflexion einen Zickzackverlauf aufweisen.
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Trifft das eingekoppelte Licht mit der ersten vorgegebenen Wellenlänge auf die erste auskoppelnde Ablenkstruktur 30, kann diese das Licht mit der ersten vorgegebenen Wellenlänge aus dem Trägermedium 16 auskoppeln, sodass es von dem ersten Sensorelement 12 detektiert werden kann. Die erste auskoppelnde Ablenkstruktur 30 kann dabei auch als holografisches Oberflächengitter ausgebildet sein, das frequenzselektiv die erste vorgegebene Wellenlänge ablenkt. Vorzugsweise kann ein holografisches Gitter, wie die erste auskoppelnde Ablenkstruktur 30, auch winkelselektiv sein, das heißt, dass nur das Licht der ersten vorgegebenen Wellenlänge, das innerhalb des Trägermediums 16 aus Richtung des ersten Einkoppelbereichs kommt, abgelenkt wird. Das hat den Vorteil, dass beispielsweise Licht 36, das direkt auf das erste Sensorelement 12 treffen würde, von der ersten auskoppelnden Ablenkstruktur 30 nicht beziehungsweise nur schwach abgelenkt wird. Da das Licht 36 in dem zweiten Einkoppelbereich 20 auf die zweite Auskoppelstruktur fällt, wird bei diesem Licht entsprechend nur der Anteil der zweiten vorgegebenen Wellenlänge in das Trägermedium 16 abgelenkt, was hier zur besseren Übersicht nicht dargestellt ist.
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Jedoch kann das Licht 36, das zum Beispiel Weißlicht sein kann, neben der ersten und zweiten vorgegebenen Wellenlänge noch weitere Wellenlängenanteile aufweisen. Vorzugsweise kann daher das erste Sensorelement 12 einen ersten Farbfilter 38 aufweisen, der nur das Licht mit der ersten vorgegebenen Wellenlänge durchlässt und andere Wellenlängenanteile absorbiert. Somit kann das erste Sensorelement 12 ein Intensitätssignal erzeugen, was nur von der ersten vorgegebenen Wellenlänge stammt. In entsprechender Weise kann das zweite Sensorelement 14 einen zweiten Farbfilter 40 aufweisen, der nur Licht mit der zweiten vorgegebenen Wellenlänge passieren lässt.
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Besonders bevorzugt können die jeweiligen Einkoppelbereiche 18, 20 eine größere Abmessung aufweisen als die jeweiligen Auskoppelbereiche 22, 24. Das heißt, dass eine Fläche, auf die das Licht treffen kann, größer als der jeweilige Auskoppelbereich und damit das jeweilige Sensorelement sein kann, wodurch mehr Licht zur Detektion eingesammelt werden kann. Hierzu kann die jeweilige Ablenkstruktur 26, 28 eine Bündelungsgitterstruktur aufweisen, die dazu ausgebildet ist, die Lichtstrahlen der jeweiligen vorgegebenen Wellenlänge in Abhängigkeit des Einfallsortes unterschiedlich stark abzulenken, sodass nach dem Durchgang durch das Trägermedium 16 die Lichtstrahlen auf die auskoppelnde Ablenkstruktur 30, 32 fokussiert werden. Somit steht ein höherer Anteil an Licht zur Detektion zur Verfügung, was ein Intensitätssignal verbessern kann.
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In 2 ist eine perspektivische Ansicht einer beispielhaften Bildsensorvorrichtung 10 gemäß einer beispielhaften Ausführungsform dargestellt. In dieser Ausführungsform kann das erste Sensorelement 12 dazu ausgebildet sein, als erste vorgegebene Wellenlänge rotes Licht zu detektieren. Zusätzlich kann das zweite Sensorelement 14 dazu ausgebildet sein, die zweite vorgegebene Wellenlänge, in diesem Ausführungsbeispiel grünes Licht, zu detektieren, wobei zwei zweite Sensorelemente 14 vorgesehen sein können. Des Weiteren kann ein drittes Sensorelement 42 vorgesehen sein, das dazu ausgebildet ist, eine dritte vorgegebene Wellenlänge zu detektieren, in diesem Fall blaues Licht. Die Sensorelemente können als Teil eines Bildsensors in einer 2x2-Matrix rechteckig angeordnet sein, wobei die 2x2-Matrix nur einen Ausschnitt des Bildsensors darstellen kann. Insbesondere können die Sensorelemente entsprechend einem Bayer-Pattern angeordnet sein, sodass aus den detektierten Wellenlängen ein Farbbild rekonstruiert werden kann.
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In dieser Ausführungsform kann ein zusammengehöriger Einkoppelbereich 44 über eine gesamte Fläche des Trägermediums 16 reichen, wobei bei dem zusammengehörigen Einkoppelbereich 44 jeweils mehrere Einkoppelbereiche zusammengefasst sein können. Hierzu können beispielsweise der erste Einkoppelbereich 18, der zweite Einkoppelbereich 20 und ein dritter Einkoppelbereich in den zusammengehörigen Einkoppelbereich zusammenfallen, wobei Ablenkstrukturen der jeweiligen Einkoppelbereiche beispielsweise hintereinander in dem Trägermedium 16 angeordnet sind. Die zu dem jeweiligen Einkoppelbereich gehörigen Ablenkstrukturen können vorzugsweise auch als eine einzige Multiplex-Ablenkstruktur ausgebildet sein. Das heißt, dass durch Verändern der Periodizität der Gitterstruktur mehrere optische Gitter ineinander verschränkt sein können und somit nur diejenigen vorgegebenen Wellenlängenanteile in das Trägermedium 16 eingekoppelt werden, die der durch die Gitterebenen vorgegebenen Wellenlänge entsprechen.
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Beispielsweise kann Licht 34, das als erste vorgegebene Wellenlänge zum Beispiel rotes Licht umfasst und das auf den zusammengehörigen Einkoppelbereich 44 fällt, entsprechend der durch die Multiplex-Ablenkstruktur vorgegebene Wellenlänge derart in das Trägermedium 16 eingekoppelt werden, sodass diese auf den ersten Auskoppelbereich 22 gebündelt wird, wo die erste auskoppelnde Ablenkstruktur 30 den Anteil des roten Lichts auf das erste Sensorelement 12 abstrahlen kann. Das heißt, der zusammengehörige Einkoppelbereich 44 wirkt für rotes Licht als erste Ablenkstruktur. Außerdem kann neben der Multiplex-Ablenkstruktur auch die zuvor beschriebene Bündelungsgitterstruktur verwendet werden, um das Licht auf den im Vergleich zum zusammengehörigen Einkoppelbereich 44 kleineren ersten Auskoppelbereich 22 zu bündeln. Ferner können beispielsweise auch grüne und blaue Wellenlängenanteile (nicht gezeigt) auf die entsprechenden Sensorelemente 14, 42 abgelenkt werden.
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In 3 ist eine weitere beispielhafte Ausführungsform der Bildsensorvorrichtung 10 perspektivisch dargestellt. Die Sensorelemente als Teil eines Bildsensors können in dieser Ausführungsform gleich wie in 2 angeordnet sein. In dieser Ausführungsform kann eine Oberfläche des Trägermediums 16 den ersten Einkoppelbereich 18 umfassen. Insbesondere kann der erste Einkoppelbereich 18 entsprechend den zuvor genannten Ausführungsbeispielen das Licht 34, das auf den ersten Einkoppelbereich 18 fällt, auf den ersten Auskoppelbereich 22 über das Trägermedium 16 ablenken, sodass der rote Wellenlängenanteil auf das erste Sensorelement 12 ausgekoppelt werden kann.
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In diesem Ausführungsbeispiel kann jedoch vorgesehen sein, dass das Trägermedium 16 vor dem ersten Sensorelement 12 keinen ersten Einkoppelbereich mit der ersten Ablenkstruktur aufweist. Somit kann Licht 36, das auf diesen Bereich trifft, direkt durch das Trägermedium 16 hindurch auf das erste Sensorelement 12 gelangen. Insbesondere kann jedoch vorgesehen sein, dass an der Stelle des Trägermediums 16, an der kein erster Einkoppelbereich ist, die Ablenkstrukturen für den zweiten und dritten Einkoppelbereich vorgesehen sind (nicht gezeigt). Da die Ablenkstrukturen jedoch vorzugsweise als holografisches Gitter ausgebildet sind, sind die Ablenkstrukturen frequenzselektiv, das heißt, dass die vorgegebene erste Wellenlänge, das bedeutet das rote Licht, nicht abgelenkt wird und direkt auf das Sensorelement 12 passieren kann. Zusätzlich können die holografischen Gitter winkelselektiv sein, wodurch auch die erste auskoppelnde Ablenkstruktur des ersten Auskoppelbereichs 22 den roten Wellenlängenanteil des Lichts 36 nicht von dem direkten Weg in das erste Sensorelement 12 ablenkt. Somit kann erreicht werden, dass die jeweiligen Wellenlängenanteile das für sie vorgesehene Sensorelement erreichen.
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In 4 und 5 ist beispielsweise dargestellt, wie eine Lichtleitung mittels interner Reflexion innerhalb des Trägermediums 16 für eine zuvor gezeigte Bildmatrix aus Sensorelementen für rote, grüne und blaue Wellenlängen erreicht werden kann. Beispielsweise kann für rote und blaue Anteile, für die in einem Bayer-Pattern jeweils nur ein Sensorelement in der 2x2-Matrix vorgesehen sein kann, die Lichtleitung gemäß 4 bereitgestellt werden. Das heißt, dass Licht, das in einen jeweiligen Einkoppelbereich auf der Oberfläche des Trägermediums 16 fällt, diagonal in das entsprechende Feld des Auskoppelbereichs geleitet werden kann, von wo es aus dem Trägermedium 16 auf das entsprechende Sensorelement für rotes oder blaues Licht ausgekoppelt werden kann.
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Da in dem Bayer-Pattern für die Detektion von grünem Licht jeweils zwei Sensorelemente in der 2x2-Matrix vorgesehen sein können, kann ein Einkoppelbereich mit der Ablenkstruktur für grünes Licht zweimal an einer Oberfläche des Trägermediums 16 vorgesehen sein, wobei in dem Trägermedium 16 das grüne Licht dann mittels interner Reflexion parallel und gegenläufig zueinander in den jeweiligen Einkoppelbereichen an die Auskoppelbereiche für grünes Licht gelenkt werden können, was beispielsweise in 5 dargestellt ist.
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In einer anderen beispielhaften Ausführungsform besteht ein Aspekt darin, dass über ein Farbfilter-Pattern von Sensorelementen ein Lichtleiter (Trägermedium 16) mit einem holografisch-optischen Element (den Ablenkstrukturen) gelegt wird, welcher in Abhängigkeit der gewünschten Wellenlängen sonst unbenutztes rotes, grünes oder blaues Licht einsammelt und auf die einzelnen Pixel (die Sensorelemente) lenkt.
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Der Lichtleiter kann hierfür zum Beispiel mehrere einzelne holografisch-optische Elemente, beispielsweise drei Stück für Rot, Gelb und Blau, beinhalten, oder ein holografisch-optisches Element mit einer Mehrfachbelichtung (Multiplexing). Außerdem kann das holografisch-optische Element mindestens je eine einkoppelnde sowie auskoppelnde Ablenkstruktur aufweisen.
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So kann jedes Pixel Licht von einer gesamten Pixelfläche erhalten. Eine „aktive“ Fläche erhöht sich beim Bayer Pattern somit zum Beispiel für Grün um Faktor 2, Rot und Blau jeweils um einen Faktor 4.
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Dies kann erreicht werden, indem eine Bildsensorvorrichtung 10, beispielsweise ein Kamerasensor, mit mxn Pixeln vorgesehen ist, wobei mxn Farbfilter auf den Pixeln liegen, vorzugsweise rote, grüne und blaue Farbfilter gemäß einem Bayer-Pattern. Ferner kann ein transparenter Lichtleiter (Trägermedium 16) mit mindestens einem holografisch-optischen Element und mindestens zwei Belichtungen vorgesehen sein, eine für eine Einkopplung und eine für eine Auskopplung. Vorzugsweise können aber mindestens drei holografisch-optische Elemente oder drei Belichtungen in mindestens einem holografisch-optischen Element für eine Einkopplung von rotem, grünem und blauem Licht vorgesehen sein. Auch kann vorgesehen sein, dass für den auszukoppelnden Pixel Aussparungen im einkoppelnden holografisch-optischen Element vorgesehen sind.
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Insgesamt zeigen die Beispiele, wie durch die Erfindung ein Kamerasensor mit einem holografisch-optischen Element zur Erhöhung einer aktiven Pixelfläche bereitgestellt werden kann.
