EP4154052A1 - Bildsensorvorrichtung einer kamera zur detektion von licht - Google Patents

Bildsensorvorrichtung einer kamera zur detektion von licht

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EP4154052A1
EP4154052A1 EP21720740.6A EP21720740A EP4154052A1 EP 4154052 A1 EP4154052 A1 EP 4154052A1 EP 21720740 A EP21720740 A EP 21720740A EP 4154052 A1 EP4154052 A1 EP 4154052A1
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EP
European Patent Office
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light
coupling
area
carrier medium
designed
Prior art date
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Withdrawn
Application number
EP21720740.6A
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English (en)
French (fr)
Inventor
Tobias Moll
Markus Klug
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Audi AG
Original Assignee
Audi AG
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Publication date
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Publication of EP4154052A1 publication Critical patent/EP4154052A1/de
Withdrawn legal-status Critical Current

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Definitions

  • the invention relates to an image sensor device of a camera for detecting light, in particular light in the visible and infrared spectrum.
  • An image sensor device in particular for camera sensors, is generally a flat arrangement of individual sensor elements, that is to say pixels, which generate image information by means of the image points and corresponding intensity or brightness values.
  • the individual sensor elements can only record intensity signals, not colors. For this reason, color filters are placed over pixels for color recordings, which only allow a certain color to pass through, for example red, green and blue, so that a certain brightness value can then be assigned to this color. Since only one color filter can be assigned to each sensor element, i.e. each pixel, this means that theoretically only a third of the pixels and thus a reduced resolution are available for each color, and only a part of each pixel, depending on the color filter of light.
  • the most common method for distributing the red, green and blue color filters is the so-called Bayer pattern. Here green occurs twice as often as red or blue.
  • each pixel can only measure one specific brightness value, as described, the two missing color values are interpolated for this pixel position, so that a complete red, green and blue signal is available for each pixel and thus image point.
  • the number of pixels or the number of sensor elements of the image sensor device must increase. For this purpose, either the image sensor device must be larger in terms of area, or the individual pixels must be smaller while the area remains the same.
  • image information plays an increasingly important role today, for example for image processing. More and more image information is required for ever more precise and demanding applications. This applies to still images, i.e. photos, as well as moving images, i.e. videos.
  • WO 2008/091534 A1 provides a method, an apparatus and a system which provide a holographic layer as a microlens and color filter arrangement in an image sensor.
  • the invention is based on the object of providing an improved image sensor device in which more light can be provided for sensor elements.
  • the invention provides an image sensor device for detecting light.
  • the image sensor device can in particular be an image sensor device for a camera for color-dependent detection of light.
  • the image sensor device comprises at least a first and a second sensor element, which are designed to generate a respective intensity signal from detected light, a carrier medium which is arranged in front of the first and second sensor element, the carrier medium being designed as a light guide and at least has a first and a second coupling-in area and at least a first and a second coupling-out area.
  • the first coupling-in area has a first deflection structure which is designed to couple light with a first predetermined wavelength, which falls from an environment onto the first coupling-in area, into the carrier medium in the direction of the first coupling-out area, the second coupling-in area having a second deflection structure, which is designed to couple light with a second predetermined wavelength, which falls from the environment onto the second coupling area, into the carrier medium in the direction of the second coupling area.
  • the carrier medium is also designed to transmit the light coupled in via the coupling-in regions to the coupling-out regions by means of internal reflection, the first coupling-out region being arranged in front of the first sensor element and the second coupling-out region being arranged in front of the second sensor element, and wherein the first coupling-out region is a first coupling-out region Deflection structure which is designed to decouple the transmitted light with the first predetermined wavelength that falls on the first decoupling area from the carrier medium onto the first sensor element, and wherein the second decoupling area has a second outcoupling deflection structure which is designed that Transmitted light with the second predetermined wavelength, which falls on the second coupling-out area, is coupled out of the carrier medium onto the second sensor element.
  • first and second sensor elements can be arranged next to one another and preferably be part of a sensor element arrangement. This means that the first and second sensor elements are sensors of an image sensor of the camera. In particular, the sensor elements can be photodiodes.
  • the first and second coupling areas can preferably have a larger area than a sensor element, so that more light can be collected for detection.
  • the respective coupling area can be arranged, for example, above the respective other sensor element and collect the predetermined wavelength in order to direct it to the appropriate sensor element.
  • the predetermined first wavelength that would hit the second sensor element is coupled into the carrier medium from the first coupling area via the first deflection structure and is guided to the first Auskoppelbe rich by internal reflection, where it is directed to the predetermined first wavelength provided first sensor element hits.
  • only the second coupling area or the first and second coupling area can be arranged above the first sensor element.
  • neither of the two coupling areas is arranged above the first sensor element, so that the light is guided from another area of the carrier medium to the first sensor element. The same applies to the second sensor element and an arrangement of the first and / or the second coupling area in front of this sensor element.
  • the carrier medium or light-conducting medium can, for example, comprise a glass plate or glass pane which is designed as a light guide. That is, the carrier medium can transmit light by means of internal reflection, in particular by means of total reflection, in particular similar to a fiber optic cable.
  • the coupling-in area and a coupling-out area are arranged on the carrier medium.
  • the carrier medium carries, so to speak, the coupling-in area and the coupling-out area.
  • the coupling area has the aforementioned deflection structure.
  • This can be designed, for example, in the form of an optical grating, also called a diffraction grating.
  • the deflection structure is designed to couple light that falls from the environment onto the coupling area into the carrier medium. Coupling in this context means that the deflecting structure deflects or deflects the light from the environment in such a way that it penetrates a volume of the carrier medium and is internally reflected there at at least one interface of the carrier medium.
  • the carrier medium is designed to transmit the light coupled in via the coupling-in area to the coupling-out area by means of the internal reflection.
  • the outcoupling deflection structure of the coupling-out area can finally couple the transmitted light out of the carrier medium.
  • the outcoupling deflection structure can deflect or redirect the transmitted or forwarded light in particular in such a way that the light no longer reflects at the interface of the carrier medium when it hits the deflection structure, but instead is decoupled from the carrier medium and thus from the carrier medium can emerge.
  • the light of the respective predetermined wavelength runs parallel to the sensor elements after coupling.
  • the respective deflection structures can be designed as a diffraction structure or refraction structure, as an interference structure, grating structure, as a lens system or mirror.
  • the deflection structures can each be used as a holographic-optical element (HOE) (or, for short, holographic phical element) be formed, which can deflect light with a predetermined wave length in a predetermined angle.
  • HOE holographic-optical element
  • the image sensor device can preferably also comprise a computing device which is designed to generate an image, in particular a color image, from the respective intensity signal of the detected light.
  • the invention has the advantage that more light can be made available to each sensor element, since light can be collected from an enlarged area and directed to the respective sensor element. In this way, for example, a resolution of the image sensor device can be increased without increasing image noise.
  • the invention also includes embodiments which result in additional advantages.
  • the respective deflection structures are designed as a holographic element with at least one optical grating, in particular a holographic volume grating or a holographic surface grating.
  • an optical grating also called a diffraction grating, and its method of operation and manufacturing process is well known.
  • an optical grating can be designed as at least partially periodic structures, so-called grating structures, in a substrate.
  • an optical grating can bring about a direction of light through the physical effect of diffraction, as is known, for example, from mirrors, lenses or prisms. If light falls, that is, light rays fall on the optical grating, the incident light rays in particular fulfilling the Bragg equation, the light rays are bent or deflected by the optical grating. The light can thus be directed in particular by interference phenomena of the light beams diffracted by the optical grating.
  • the deflection structure of the coupling area or outcoupling area can accordingly also be referred to as a diffraction structure.
  • An optical grating can preferably be designed to be direction-selective or angle-selective with respect to the incident light.
  • only light in particular a portion of the light that falls onto an optical grating from a predetermined direction of incidence, for example at a predetermined angle, can be deflected.
  • Light in particular a portion of the light that falls onto the optical grating from a different direction, is preferably not deflected or the less, the greater the difference from the predetermined direction of incidence.
  • the portion of light which deviates from the predetermined direction of incidence or optimal direction of incidence can consequently preferably propagate unhindered through the substrate with the optical grating.
  • an optical grating can also be designed to be wavelength-selective or frequency-selective.
  • only light in particular a first portion of the light with a predetermined wavelength, can be deflected or diffracted by the optical grating at a specific diffraction angle.
  • Light in particular a second portion of the light with a wavelength other than the predetermined wavelength, is preferably not deflected, or the less the greater the difference from the predetermined wavelength.
  • the second light component which differs from the predetermined wavelength or optimum wavelength, can consequently preferably propagate unhindered through the substrate with the optical grating. In this way, for example, at least one monochromatic light component can be split off from polychromatic light which strikes the optical grating.
  • the deflection effect for the optimum wavelength is advantageously at a maximum and decreases towards longer and shorter wavelengths, for example according to a Gaussian bell, or becomes weaker.
  • the deflection effect only acts on a fraction of the visible light spectrum and / or in an angular range smaller than 90 degrees.
  • a production of an optical grating can in particular by means of exposure of a substrate, so for example photolithographically or holographically, take place.
  • the optical grating can then also be referred to as a holographic or holographic-optical grating.
  • Two types of holographic-optical gratings are known: holographic surface gratings (surface holografic gratings, short: SHG) and holographic volume gratings (volume holografic gratings, short: VHG).
  • the grating structure can be generated by optically deforming a surface structure of the substrate. Due to the modified surface structure, incident light can be deflected, for example reflected.
  • holographic surface gratings are so-called sawtooth or blaze gratings.
  • the grating structure can be incorporated into the entire volume or part of the volume of the substrate.
  • Holographic surface gratings and holographic volume gratings are usually frequency-selective.
  • a particularly suitable material for said substrate for incorporating an optical grating is glass, for example quartz glass, in particular a photosensitive glass.
  • a polymer, in particular a photopolymer, or a film, in particular a photosensitive film, for example made of plastic or organic materials can be used.
  • the material, in particular in substrate form has optical waveguide properties.
  • Substrates that have a deflection structure for diffracting light, for example in the form of an optical grating can also be referred to as holographic-optical elements. With such holographic-optical elements, in particular the properties of conventional lenses, mirrors and prisms can be simulated. Advantages of holographic-optical elements are that, in contrast to conventional optical elements made of glass or plastic, they can be made lighter, because of the unnecessary curvature, substantially flatter and at the same time transparent.
  • the image sensor device can have at least three sensor elements, that is to say three pixels, each sensor element being responsible for a predetermined wavelength.
  • these predetermined wavelengths can be collected from the ambient light over a large area and passed on to the appropriate sensor element.
  • the three sensor elements can in particular be part of an image sensor which is constructed from a periodic stringing together of these three sensor elements. It can also be provided, for example, that a first sensor element, two second sensor elements and a third sensor element are arranged in a 2x2 matrix of sensor elements that form part of an image sensor of the image sensor device, this matrix being able to repeat itself periodically so that the entire Image sensor results.
  • the first predetermined wavelength is in a red color spectrum
  • the second predetermined wavelength is in a green color spectrum
  • the third predetermined wavelength is in a blue color spectrum, i.e. the three primary colors red, green and blue can be reproduced so that the image sensor device can generate a color image.
  • the first predetermined wavelength can be in a wavelength range from 650 nanometers to 800 nanometers, in particular 700 nanometers
  • the green wavelength in a wavelength range between 500 nanometers and 570 nanometers, in particular 546 nanometers
  • the third predetermined wavelength in one Wavelength range between 420 nanometers and 500 nanometers, especially at 436 nanometers.
  • This embodiment has the advantage that the image sensor device uses the basic colors Color image can be generated, with the carrier medium and the coupling-in and coupling-out areas being able to collect enough light with the specified wavelength for the respective sensor element, so that image noise can be suppressed and an image can be improved. An improved color-dependent detection of light can thus be provided.
  • At least two coupling areas are formed as a cohesive coupling area, the deflection structures belonging to the at least two coupling areas being provided in the associated coupling area as individual elements or being formed as a single multiplex deflection structure.
  • at least two coupling areas can coincide in one area of the carrier medium, for example the first and second coupling areas, the first and third coupling areas or the second and third coupling areas.
  • all three coupling areas can be arranged in the associated coupling area.
  • the provision of the deflection structures in the associated coupling-in area as individual elements means that they can be incorporated into the carrier medium at different positions, for example, within the associated coupling-in area.
  • the deflection structures can be frequency-selective, for example the first predetermined wavelength can be deflected by the first deflection structure, which can be located on a surface in the carrier medium, and the second predetermined wavelength can pass through the first deflection structure, since the deflection structures are frequency-selective are. Subsequently, the second predetermined wavelength can be deflected by the second deflection structure, which can be located in a direction of incidence of light behind the first deflection structure.
  • multiplex deflection structure optical gratings, in particular holographic gratings, which can diffract polychromatic light, though optical gratings are usually frequency selective.
  • holographic volume holographic gratings MVHG for short
  • This embodiment has the advantage that even more areas of the carrier medium can be used to collect the predetermined wavelengths and thus more light can be provided to each sensor element for generating the intensity signal.
  • the respective deflecting structures are frequency-selective and thus the first deflecting structure only deflects light of the first predetermined wavelength and the second deflecting structure only deflects light of the second predetermined wavelength.
  • the third deflection structure can only deflect light of the third predetermined wavelength. This means that the respective deflection structure only deflects light of a predetermined wavelength so that it is coupled into the carrier medium.
  • Such a frequency selectivity or wavelength selectivity is a typical property of holographic-optical elements which use optical gratings as deflection structures for directing light. If, for example, white light from the environment falls on one of the respective coupling areas, only the light portion of the light, i.e.
  • a first portion of the light, with the predetermined wavelength can be deflected or bent by the respective deflection structure at a certain diffraction angle through the respective deflection structure .
  • Remaining portions or a second portion of the light with a wavelength other than the predetermined wavelength are preferably not deflected, or the less the greater the difference from the predetermined wavelength.
  • Other components of the light that deviate from the predetermined wavelength or optimum wavelength can consequently propagie in particular unhindered through the carrier medium be split off.
  • the deflection effect for the optimum wavelength is advantageously at a maximum and falls towards longer and shorter wavelengths, for example according to a Gaussian curve, or becomes weaker.
  • the predetermined wavelengths which the respective deflecting structures deflect differ from one another.
  • each of the deflection structures deflects light of a different wavelength.
  • a first of the different coupling areas can be designed as a red filter, for example, and only deflect red light.
  • a second of the different coupling areas can be designed as a blue filter, for example, and thus only deflect blue light.
  • a third of the different coupling areas can be designed as a green filter, for example, and thus only deflect green light.
  • the deflection structures can act as color filters that can divide the light onto the appropriate sensor elements. Since the deflection structures are not only arranged in front of the matching sensor elements, but can also be arranged on an entire surface of an image sensor, more light with the predetermined wavelength can, however, be collected, whereby a resolution can be improved.
  • a first color filter is arranged in front of the first sensor element and a second color filter is arranged in front of the second sensor element, the first color filter being designed to only allow light with the first predetermined wavelength to pass through, and the second color filter being designed to do so to let through only light with the second specified wavelength.
  • a third color filter can be provided in front of the third sensor element, which is designed to only allow light with the third predetermined wavelength to pass through.
  • the respective color filters can transmit red, green or blue light.
  • the sensor elements can preferably be arranged in a matrix and the color filters can be arranged in front of the sensor elements according to a Bayer pattern.
  • a respective color filter is frequency-selective, that is, only light of a predetermined wavelength can be transmitted to the respective sensor element via each color filter.
  • the color filters can be divided into categories, with a first category only permeable to red light, a second category only permeable to blue light and a third category only permeable to green light.
  • Farbfil ter can be made of colored glass, plastic or gelatine foils, for example. This embodiment has the advantage that wavelength components of white light that have not already been deflected by one of the deflection structures do not strike the respective sensor element that is intended for a predetermined wavelength. Thus, incorrect detection of undesired wavelengths can be avoided, whereby an image signal of the image sensor device can be improved.
  • the first coupling area is not arranged in front of the first sensor element and the second coupling area is not arranged in front of the second sensor element.
  • the third coupling area cannot be arranged in front of the third sensor element.
  • the first coupling area can be arranged in front of the second sensor element and the second coupling area can be arranged in front of the first sensor element.
  • This embodiment has the advantage that, for example, light with the specified first wavelength, which would strike the first sensor element anyway, is not deflected by the first deflection structure, but the light of the specified first wavelength that would strike the second sensor element , can be diverted to the first sensor element via the first coupling and decoupling structure.
  • this embodiment is preferably used with the color filters mentioned above.
  • This embodiment has the advantage that material can be saved in the production of deflection structures, as a result of which costs can be saved in the production of the image sensor device.
  • the coupling-in regions and the coupling-out regions are formed in one piece with the carrier medium or the carrier medium is formed as a separate element from the coupling-in regions and the coupling-out regions.
  • the coupling area and the decoupling area can thus for example be incorporated directly into a surface structure of the carrier medium.
  • the carrier medium itself can be designed as a holographic-optical element, for example it can be etched or lasered.
  • the carrier medium can be formed separately from the coupling-in area and the coupling-out area.
  • the coupling-in area and the coupling-out area can each form an element, for example, and the carrier medium can form another element which rests against the respective elements.
  • the coupling-in region and the coupling-out region can thus be formed in at least one holographic-optical element.
  • the coupling-in area and the coupling-out area can be formed in different sections of a holographic film or plate.
  • the film or plate can be glued to the carrier medium.
  • the holographic film can also be designed as an adhesive film and adhere directly, that is to say without adhesive, to the surface of the carrier medium by means of molecular forces.
  • the respective outcoupling area has a smaller dimension than the respective infeed area has a larger dimension than the respective outcoupling area
  • a respective deflection structure has a bundling grating structure which is designed to differentiate light rays of the light depending on the point of incidence strongly deflect, so that the deflection structure bundles the light beams on the respective outcoupling deflection structure.
  • the respective outcoupling deflection structure can have a diffusion grating structure or a bundling grating structure which is designed to deflect light rays to different degrees depending on the location of incidence and to parallelize or focus them on the respective sensor element for decoupling from the carrier medium.
  • a large coupling-in area can be provided which has a large entry surface for light, this light being bundled onto a small coupling-out area and thus suitably for the respective sensor element.
  • the diffraction grating structure can have an inhomogeneous diffraction structure which, for example, can diffract light rays from an edge of the diffraction structure more than light rays from a center of the diffraction structure, as a result of which the light rays can be fanned out.
  • a focusing grating structure can have a grating structure in which light beams can be focused depending on the position impinging on them.
  • the bundling grating structure and the diverging grating structure and the corresponding distances between the two structures are preferably selected so that the light beams diverge from the diverging grating structure to the bundling grating structure and are again parallelized by the bundling grating structure.
  • This arrangement is comparable to a Galilean telescope in which a converging lens and a diverging lens are arranged one behind the other in such a way that the focal lengths of the two lenses coincide at one point behind the diverging lens.
  • This embodiment has the advantage that more light of the predetermined wavelength can be collected from a larger area and thus an intensity signal of the image sensor device can be improved.
  • the invention also includes the combinations of the features of the described embodiments enclosed.
  • FIG. 1 shows a schematic illustration of an image sensor device according to an exemplary embodiment
  • FIG. 2 shows a perspective illustration of an image sensor device according to an exemplary embodiment
  • FIG. 3 is a perspective illustration of an image sensor device according to a further exemplary embodiment
  • 4 shows a schematic representation of a light guide within a carrier medium according to an exemplary embodiment
  • FIG. 5 shows a schematic illustration of a light guide within a carrier medium according to a further exemplary embodiment.
  • an image sensor device 10 for detecting light can have a first sensor element 12 and a second sensor element 14, which are each designed to generate an intensity signal when light is detected.
  • the first and second sensor elements can comprise a photodiode.
  • the first and second sensor elements 12, 14 can be arranged on a surface as part of an image sensor of the image sensor device 10.
  • the image sensor can, for example, be part of a camera that is designed to generate an image, in particular a color image.
  • the first sensor element 12 and the second sensor element 14 are shown spaced apart from one another, but these can also be shaped be arranged coherently next to each other.
  • a flat, three-dimensional arrangement, that is to say in a plane with a plurality of sensor elements, can also be provided. To explain the functioning of the Schmsensorvor device 10, however, only the two Senso relements 12, 14 are shown in this embodiment.
  • the image sensor device 10 comprises a carrier medium 16 which is designed as a light guide and is arranged on a detector surface of the sensor elements 12, 14.
  • the carrier medium 16 is arranged at a distance from the sensor elements 12, 14, but the sensor elements 12, 14 can also rest against the carrier medium 16 in a form-fitting manner.
  • the carrier medium 16 can have a first coupling-in area 18 and a second coupling-in area 20. Furthermore, the carrier medium 16 can have a first coupling-out region 22 and a second coupling-out region 24.
  • the first coupling-in area 18 can have a first deflection structure 26 which is designed to couple light with a first predetermined wavelength that falls onto the first coupling-in area 18 from an environment into the carrier medium 16 in the direction of the first coupling-out area 22.
  • the second coupling-in region 20 can have a second deflection structure 28 which is designed to couple light with a predetermined second wavelength into the carrier medium 16 in the direction of the second coupling-out region 24.
  • the coupled-in light can then be passed on to the respective coupling-out regions 22, 24 by means of internal reflection. This means that the carrier medium 16 can guide the light parallel to a detector surface of the sensor elements 12, 14 from the coupling areas to the respective decoupling areas.
  • the first coupling-out region 22, which is preferably arranged in front of the first sensor element 12, can have a first coupling-out deflection structure 30 which is designed to couple the light of the first predetermined wavelength transmitted in the carrier medium 16 from the carrier medium onto the first sensor element 12.
  • the second decoupling area 24 can have a second decoupling deflection structure 32, which is designed to take the transmitted light with the second predetermined wavelength that falls on the second decoupling area, in particular on the second decoupling deflection structure 32, from the carrier medium 16 to the second Disengage sensor element 14.
  • the respective deflection structures 26, 28, 30, 32 can be designed as an optical grating, for example by means of a holographic element, in particular as a holographic volume grating or holographic surface grating.
  • the carrier medium 16 can be formed, for example, by means of a layered construction, with light-conducting elements, such as glass or plastic plates, forming cover layers for a holographic-optical element, i.e. for the deflection structures 26, 28, 30, 32.
  • the holographic-optical element can be produced by stacking several holographic-optical elements.
  • the deflection structures as holographic-optical elements can, for example, be formed by means of a photopolymer film or a glass that is introduced between cover layers of the carrier medium 16, preferably glued on.
  • the holographic-optical element can be formed by holographic exposure methods in such a way that the deflection structures 26, 28, 30, 32 are formed, such as, for example, the holographic volume grating or the holographic surface grating.
  • the mode of operation of the image sensor device 10 will be described below.
  • light 34 from an environment can impinge on the image sensor device 10, in particular on the first coupling area 18, which is shown by means of a dashed line.
  • the light 34 can, for example, have the first predetermined wavelength, such as a red wavelength component which strikes the first deflection structure 26.
  • the first deflection structure 26 can be designed as a holographic surface grating, this being frequency-selective and thus only able to deflect the first predetermined wavelength portion in order to couple it into the carrier medium 16 in the direction of the first decoupling region 22.
  • the direction of the coupling-out area here means a macroscopic direction from the coupling-in area along the carrier medium 16 to the coupling-out area, or a direction vector in the direction of propagation of the light by means of internal reflections. Forwarding by means of internal reflection means that the coupled-in light beams meet a critical angle condition of total reflection. A light path can of course have a zigzag course due to the internal reflection.
  • the first decoupling deflection structure 30 can also be designed as a holographic surface grating which deflects the first predetermined wavelength in a frequency-selective manner.
  • a holographic grating, like the first outcoupling deflection structure 30, can preferably also be angle-selective, that is, only the light of the first predetermined wavelength that comes within the carrier medium 16 from the direction of the first infeed area is deflected.
  • the light 36 which can be white light, for example, can have other wavelengths in addition to the first and second predetermined wavelengths. show shares.
  • the first sensor element 12 can therefore preferably have a first color filter 38, which only lets through the light with the first predetermined wavelength and absorbs other wavelength components. The first sensor element 12 can thus generate an intensity signal which originates only from the first predetermined wavelength.
  • the second sensor element 14 can have a second color filter 40 which only allows light with the second predetermined wavelength to pass.
  • the respective coupling-in areas 18, 20 can have a larger dimension than the respective decoupling areas 22, 24. That means that an area on which the light can strike can be larger than the respective decoupling area and thus the respective sensor element, whereby more Light can be collected for detection.
  • the respective deflection structure 26, 28 can have a bundling grating structure which is designed to deflect the light beams of the respective predetermined wavelength to different degrees depending on the location of incidence, so that after passing through the carrier medium 16, the light beams onto the outcoupling deflection structure 30, 32 can be focused. A higher proportion of light is thus available for detection, which can improve an intensity signal.
  • Fig. 2 is a perspective view of an exemplary Situationsensorvor device 10 is shown according to an exemplary embodiment.
  • the first sensor element 12 can be designed to detect red light as the first predetermined wavelength.
  • the second sensor element 14 can be designed to detect the second predetermined wavelength, in this exemplary embodiment green light, it being possible for two second sensor elements 14 to be provided.
  • a third sensor element 42 can be provided which is designed to detect a third predetermined wavelength, in this case blue light.
  • the sensor elements can be arranged rectangularly as part of an image sensor in a 2x2 matrix, wherein the 2x2 matrix can only represent a section of the image sensor.
  • the Sensor elements can be arranged according to a Bayer pattern, so that a color image can be reconstructed from the detected wavelengths.
  • an associated coupling-in area 44 can extend over an entire surface of the carrier medium 16, wherein a plurality of coupling-in areas can be combined in the associated coupling-in area 44.
  • the first coupling-in area 18, the second coupling-in area 20 and a third coupling-in area can coincide in the associated coupling-in area, with deflection structures of the respective coupling-in areas being arranged one behind the other in the carrier medium 16.
  • the deflection structures belonging to the respective coupling area can preferably also be designed as a single multiplex deflection structure. This means that by changing the periodicity of the grating structure, several optical gratings can be interlaced and thus only those predetermined wavelength components are coupled into the carrier medium 16 which correspond to the wavelength specified by the grating planes.
  • light 34 which comprises, for example, red light as the first predetermined wavelength and which falls on the associated coupling-in area 44
  • the first decoupling deflection structure 30 can emit the portion of the red light onto the first sensor element 12. That is to say that the coupling-in area 44 that belongs together acts as a first deflection structure for red light.
  • the previously described bundling grating structure can also be used to bundle the light onto the first decoupling area 22, which is smaller in comparison to the associated coupling-in area 44.
  • green and blue wavelength components can also be deflected onto the corresponding sensor elements 14, 42.
  • a further exemplary embodiment of the Schmsensorvor device 10 is shown in perspective.
  • the sensor elements as part of an image sensor can be the same as in Fig. 2 angeord net in this embodiment.
  • a surface of the carrier medium 16 can include the first coupling region 18.
  • the first coupling-in area 18, according to the aforementioned embodiments can deflect the light 34 that falls on the first coupling-in area 18 onto the first coupling-out area 22 via the carrier medium 16 so that the red wavelength component can be coupled out onto the first sensor element 12.
  • the carrier medium 16 in front of the first sensor element 12 does not have a first coupling area with the first deflection structure.
  • light 36 that strikes this area can reach the first sensor element 12 directly through the carrier medium 16.
  • the deflecting structures for the second and third coupling areas are provided (not shown).
  • the deflection structures are preferably designed as a holographic grating, the deflection structures are frequency-selective, which means that the predetermined first wavelength, i.e. the red light, is not deflected and can pass directly to the sensor element 12.
  • the holographic gratings can be angle-selective, as a result of which the first outcoupling deflection structure of the first outcoupling region 22 does not deflect the red wavelength portion of the light 36 from the direct path into the first sensor element 12. It can thus be achieved that the respective wavelength components reach the sensor element intended for them.
  • FIGS. 4 and 5 show, for example, how light conduction can be achieved by means of internal reflection within the carrier medium 16 for a previously shown image matrix made up of sensor elements for red, green and blue wavelengths.
  • the light guide according to FIG. 4 can be provided. This means that light that falls into a respective coupling area on the surface of the carrier medium 16 can be directed diagonally into the corresponding field of the decoupling area, from where it is coupled out from the carrier medium 16 to the corresponding sensor element for red or blue light can.
  • a coupling area with the deflection structure for green light can be provided twice on one surface of the carrier medium 16, with the carrier medium 16 the green light can then be directed parallel and opposite to one another in the respective coupling-in areas to the coupling-out areas for green light by means of internal reflection, which is illustrated, for example, in FIG. 5.
  • one aspect is that a light guide (carrier medium 16) with a holographic-optical element (the deflection structures) is placed over a color filter pattern of sensor elements, which, depending on the desired wavelengths, otherwise unused red, green or collects blue light and directs it onto the individual pixels (the sensor elements).
  • the light guide can contain, for example, several individual holographic optical elements, for example three pieces for red, yellow and blue, or a holographic optical element with multiple exposure (multiplexing).
  • the holographic-optical element can have at least one coupling-in and one coupling-out deflection structure.
  • each pixel can receive light from an entire pixel area.
  • an “active” area increases by a factor of 2 for green, and by a factor of 4 for red and blue.
  • an image sensor device 10 for example a camera sensor
  • mxn pixels with mxn color filters lying on the pixels, preferably red, green and blue color filters according to a Bayer pattern.
  • a transparent light guide (carrier medium 16) with at least one holographic-optical element and at least two exposures can be provided, one for coupling in and one for coupling out.
  • At least three holographic-optical elements or three exposures can be provided in at least one holographic-optical element for coupling red, green and blue light. It can also be provided that cutouts are provided in the coupling-in holographic optical element for the pixel to be coupled out.

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Abstract

Die Erfindung betrifft eine Bildsensorvorrichtung (10) einer Kamera zur Detektion von Licht. Die Bildsensorvorrichtung (10) umfasst zumindest ein erstes und ein zweites Sensorelement (12, 14) und ein Trägermedium (16), wobei das Trägermedium (16) einen ersten und zweiten Einkoppelbereich (18, 20) und einen ersten und zweiten Auskoppelbereich (22, 24) aufweist, wobei der erste Einkoppelbereich (18) eine erste Ablenkstruktur (26) aufweist, die Licht einer ersten vorgegebenen Wellenlänge in das Trägermedium (16) in Richtung des ersten Auskoppelbereichs (22) einkoppelt, wobei der zweite Einkoppelbereich (20) eine zweite Ablenkstruktur (28) aufweist, die Licht einer zweiten vorgegebenen Wellenlänge in das Trägermedium (16) in Richtung des zweiten Auskoppelbereichs (24) einkoppelt, wobei der erste Auskoppelbereich (22) eine erste auskoppelnde Ablenkstruktur (30) aufweist, die das übertragene Licht aus dem Trägermedium (16) auf das erste Sensorelement (12) auskoppelt und wobei der zweite Auskoppelbereich (24) eine zweite auskoppelnde Ablenkstruktur (32) aufweist, die das Licht auf das zweite Sensorelement (14) auskoppelt.

Description

Bildsensorvorrichtung einer Kamera zur Detektion von Licht
BESCHREIBUNG: Die Erfindung betrifft eine Bildsensorvorrichtung einer Kamera zur Detektion von Licht, insbesondere von Licht im sichtbaren und infraroten Spektralbe reich.
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.
Die einzelnen Sensorelemente (Bildpunkte, Pixel) können an sich nur Inten- sitätssignale, keine Farben aufzeichnen. Deshalb werden für Farbaufnahmen über Pixel Farbfilter gelegt, welche nur jeweils eine bestimmte Farbe durch lassen, zum Beispiel Rot, Grün und Blau, wodurch dieser Farbe dann ein bestimmter Helligkeitswert zugeordnet werden kann. Da jedem Sensorele ment, 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 gebräuch lichste Methode zur Verteilung der Rot-, Grün- und Blaufarbfilter ist das so genannte 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. Möchte man mehr Bildinformationen, das heißt eine höhere Auflösung, ha ben, muss die Pixelanzahl beziehungsweise die Anzahl der Sensorelemente, der Bildsensorvorrichtung steigen. Hierfür muss entweder die Bildsensorvor richtung flächenmäßig größer werden, oder aber bei gleichbleibender Fläche die einzelnen Pixel kleiner werden.
Die vorliegenden Bildinformationen spielen heute, zum Beispiel für die Bild verarbeitung, eine immer größere Rolle. Für immer präzisere und an spruchsvollere Anwendungen werden immer mehr Bildinformationen benö tigt. Dies gilt für Standbilder, das heißt Fotos, wie auch Bewegtbilder, das heißt Videos.
Da die Sensorgrößen in der Regel festgelegt sind, beispielsweise wegen vorhandener Objektivnormen, ist eine Vergrößerung der Bildsensorvorrich tung oft keine Option. Stattdessen werden immer mehr Pixel auf gleichblei bender 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 Bildrau schen.
Aus der WO 2008/091534 A1 sind ein Verfahren, ein Apparat und ein Sys tem bereitgestellt, die eine holografische Schicht als Mikrolinsen und Farbfil teranordnung in einem Bildsensor bereitstellen.
Aus der US 5764389 A sind holografische Farbfilter für Anzeigeanwendun gen bekannt.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine verbesserte Bildsensorvor richtung bereitzustellen, in der mehr Licht für Sensorelemente bereitgestellt werden kann.
Die Aufgabe wird durch die Gegenstände der unabhängigen Patentansprü che gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind durch die abhän- gigen Patentansprüche, die folgende Beschreibung sowie die Figuren offen bart.
Durch die Erfindung ist eine Bildsensorvorrichtung zur Detektion von Licht bereitgestellt. Die Bildsensorvorrichtung kann insbesondere eine Bildsensor vorrichtung für eine Kamera zur farbabhängigen Detektion von Licht sein. Die Bildsensorvorrichtung umfasst zumindest ein erstes und ein zweites Senso relement, die ausgebildet sind, ein jeweiliges Intensitätssignal aus detektier- tem Licht zu erzeugen, ein Trägermedium, das vor dem ersten und zweiten Sensorelement angeordnet ist, wobei das Trägermedium als Lichtleiter aus gebildet 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 Umge bung auf den zweiten Einkoppelbereich fällt, in das Trägermedium in Rich tung des zweiten Einkoppelbereichs einzukoppeln. Das Trägermedium ist ferner ausgebildet, das über die Einkoppelbereiche eingekoppelte Licht mit tels interner Reflexion an die Auskoppelbereiche zu übertragen, wobei der erste Auskoppelbereich vor dem ersten Sensorelement und der zweite Aus koppelbereich vor dem zweiten Sensorelement angeordnet ist, und wobei der erste Auskoppelbereich eine erste auskoppelnde Ablenkstruktur auf weist, die ausgebildet ist, das übertragene Licht mit der ersten vorgegebenen Wellenlänge, das auf den ersten Auskoppelbereich fällt, aus dem Trägerme dium 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 Wellen länge, das auf den zweiten Auskoppelbereich fällt, aus dem Trägermedium auf das zweite Sensorelement auszukoppeln. Mit anderen Worten wird Licht mit einer vorgegebenen Wellenlänge über einen jeweiligen Einkoppelbereich eines Trägermediums zu dem Sensorele ment 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 grö ßere Fläche aufweisen als ein Sensorelement, sodass mehr Licht zur Detek tion eingesammelt werden kann. Der jeweilige Einkoppelbereich kann bei spielsweise 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 Auskoppelbe reich geleitet wird, wo es auf das für die vorgegebene erste Wellenlänge bereitgestellte erste Sensorelement trifft. Insbesondere kann über dem ers ten Sensorelement nur der zweite Einkoppelbereich oder der erste und zwei te Einkoppelbereich angeordnet sein. Alternativ ist über dem ersten Senso relement keiner der beiden Einkoppelbereiche angeordnet, so dass das Licht von einem anderen Bereich des Trägermediums zu dem ersten Sensorele ment geleitet wird. Gleiches gilt für das zweite Sensorelement und einer Anordnung des ersten und/oder des zweiten Einkoppelbereichs vor diesem Sensorelement.
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 vorgege bene Wellenlänge an der durch den Auskoppelbereich festgelegten Stelle auskoppeln zu können. 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 mit tels 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.
Zum Einkoppeln des Lichts weist der Einkoppelbereich die genannte Ab lenkstruktur 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 Zusam menhang, dass die Ablenkstruktur das Licht aus der Umgebung derart ab lenkt oder umlenkt, dass es in ein Volumen des Trägermediums eindringt und dort an zumindest einer Grenzfläche des Trägermediums intern reflek tiert 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 übertra gene Licht schließlich aus dem Trägermedium auskoppeln. Das heißt, die auskoppelnde Ablenkstruktur kann das übertragene oder weitergeleitete Licht insbesondere derart ablenken oder um lenken, dass das Licht beim Auftreffen auf die Ablenkstruktur nicht länger an der Grenzfläche des Trä germediums reflektiert, sondern stattdessen aus dem Trägermedium ausge koppelt wird und somit aus dem Trägermedium austreten kann. Vorzugswei se verläuft das Licht der jeweiligen vorgegebenen Wellenlänge nach Ein kopplung parallel zu den Sensorelementen.
Die jeweiligen Ablenkstrukturen können als Beugungsstruktur oder Bre chungsstruktur, als eine Interferenzstruktur, Gitterstruktur, als Linsensystem oder Spiegel ausgebildet sein. Insbesondere können die Ablenkstrukturen jeweils als holographisch-optisches Element (HOE) (oder abgekürzt hologra- phisches Element) ausgebildet sein, das Licht mit einer vorgegebenen Wel lenlänge in einen vorgegebenen Winkel ablenken kann.
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.
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 Bildsensorvorrich tung erhöht werden, ohne ein Bildrauschen zu verstärken.
Zu der Erfindung gehören auch Ausführungsformen, durch die sich zusätzli che Vorteile ergeben.
Eine Ausführungsform sieht vor, dass die jeweiligen Ablenkstrukturen als ein holografisches Element mit zumindest einem optischen Gitter ausgebildet sind, insbesondere ein holografisches Volumengitter oder ein holografisches Oberflächengitter.
Ein Optisches Gitter, auch Beugungsgitter genannt, sowie dessen Wir kungsweise und Herstellungsverfahren ist allgemein bekannt. Grundsätzlich kann ein optisches Gitter als zumindest abschnittsweise periodische Struktu ren, 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 Licht strahlen auf das optische Gitter, wobei die einfallenden Lichtstrahlen insbe sondere die Bragg-Gleichung erfüllen, werden die Lichtstrahlen durch das optische Gitter gebeugt oder abgelenkt. Die Lichtlenkung kann somit insbe sondere durch Interferenzerscheinungen der durch das optische Gitter ge beugten Lichtstrahlen erfolgen. Die Ablenkstruktur des Einkoppelbereichs oder Auskoppelbereichs kann dementsprechend auch als Beugungsstruktur bezeichnet werden.
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 Einfallsrich tung, 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 Einfalls richtung oder Optimaleinfallsrichtung abweicht, kann folglich vorzugsweise ungehindert durch das Substrat mit dem optischen Gitter propagieren.
Zusätzlich oder alternativ kann ein optisches Gitter noch wellenlängenselek tiv oder frequenzselektiv ausgebildet sein. Somit kann nur Licht, insbesonde re ein erster Anteil des Lichts mit einer vorbestimmten Wellenlänge von dem optischen Gitter in einem bestimmten Beugungswinkel abgelenkt oder ge beugt werden. Licht, insbesondere ein zweiter Anteil des Lichts mit einer anderen als der vorbestimmten Wellenlänge wird vorzugsweise nicht abge lenkt, oder umso weniger je größer der Unterschied zur vorbestimmten Wel lenlänge ist. Der zweite Lichtanteil, welcher von der vorbestimmten Wellen länge oder Optimalwellenlänge abweicht, kann folglich vorzugsweise unge hindert 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 wer den. 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.
Eine Herstellung eines optischen Gitters kann insbesondere mittels Belich tung 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 Ober flächengitter (surface holografic gratings, kurz: SHG) und holografische Vo lumengitter (volume holografic gratings, kurz: VHG). Bei einem holografi schen Oberflächengitter kann die Gitterstruktur durch optisches Verformen einer Oberflächenstruktur des Substrats erzeugt werden. Durch die verän derte Oberflächenstruktur kann auftreffendes Licht abgelenkt, zum Beispiel reflektiert werden. Beispiele für holografische Oberflächengitter sind soge nannte Sägezahn- oder Blazegitter. Im Gegensatz dazu kann die Gitterstruk tur 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 fre quenzselektiv.
Als Material für das besagte Substrat zum Einarbeiten eines optischen Git ters 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 zusätz lich 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 auf weisen, 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 opti schen Elementen leichter, wegen der nicht notwendigen Krümmung wesent lich flacher und zugleich transparent ausgebildet sein können.
Eine weitere Ausführungsform sieht vor, dass zumindest ein drittes Senso relement 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 Auskoppelbe reichs einzukoppeln, wobei der dritte Auskoppelbereich eine dritte auskop pelnde 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 angeord net ist. Mit anderen Worten kann die Bildsensorvorrichtung zumindest drei Sensorelemente, das heißt drei Pixel, aufweisen, wobei jedes Sensorele ment für eine vorgegebene Wellenlänge zuständig ist. Durch die drei Ein koppelbereiche können diese vorgegebenen Wellenlängen über einen groß flächigen Bereich aus dem Umgebungslicht eingesammelt und an das pas sende Sensorelement weitergeleitet werden. Die drei Sensorelemente kön nen 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 Sen sorelementen angeordnet sind, die einen Teil eines Bildsensors der Bildsensorvorrichtung bilden, wobei sich diese Matrix periodisch wiederholen kann, sodass sich der gesamte Bildsensor ergibt.
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 Wellen länge 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, insbe sondere 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 Wellen länge für das jeweilige Sensorelement eingesammelt werden kann, sodass ein Bildrauschen unterdrückt werden kann und wodurch sich ein Bild verbes sern kann. Somit kann eine verbesserte farbabhängige Detektion von Licht bereitgestellt werden.
Vorzugsweise ist vorgesehen, dass zumindest jeweils zwei Einkoppelberei che 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 Einkop pelbereiche in dem zusammengehörigen Einkoppelbereich angeordnet sein. Mit der Bereitstellung der Ablenkstrukturen in dem zusammengehörigen Einkoppelbereich als jeweils einzelne Elemente ist gemeint, dass diese bei spielsweise innerhalb des zusammengehörigen Einkoppelbereichs an unter schiedlichen Positionen in das Trägermedium eingearbeitet sein können. Vorzugsweise können diese hintereinander, das heißt von einer Lichteinfalls richtung aus gesehen hintereinander, angeordnet sein. Da die Ablenkstruktu ren frequenzselektiv sein können, kann so beispielsweise die erste vorgege bene Wellenlänge von der ersten Ablenkstruktur abgelenkt werden, die sich im Trägermedium an einer Oberfläche befinden kann, und die zweite vorge gebene Wellenlänge kann durch die erste Ablenkstruktur passieren, da die Ablenkstrukturen frequenzselektiv sind. Anschließend kann die zweite vor gegebene Wellenlänge von der zweiten Ablenkstruktur, die sich in einer Lichteinfallsrichtung hinter der ersten Ablenkstruktur befinden kann, abge lenkt werden.
Mit Multiplex-Ablenkstruktur sind optische Gitter, insbesondere holographi sche Gitter, gemeint, die polychromatisches Licht beugen können, obwohl optische Gitter in der Regel frequenzselektiv sind. Diese werden als hologra fische Mehrfachvolumengitter (multiplexed volume holografic gratings, kurz: MVHG) bezeichnet und können beispielsweise durch Verändern der Periodi zität der Gitterstruktur eines optischen Gitters oder Erhöhen einer Anzahl an Gitterebenen des optischen Gitters oder durch Anordnen mehrerer holografi sches Volumengitter hintereinander bereitgestellt werden.
Durch diese Ausführungsform ergibt sich der Vorteil, dass noch mehr Flä chen des Trägermediums zum Einsammeln der vorgegebenen Wellenlängen verwendet werden können und somit jedem Sensorelement mehr Licht zur Erzeugung des Intensitätssignals bereitgestellt werden kann.
Eine Ausführungsform sieht vor, dass die jeweiligen Ablenkstrukturen fre quenzselektiv 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 Wellenlän ge ablenken. Das heißt, die jeweilige Ablenkstruktur lenkt nur Licht einer vorbestimmten Wellenlänge ab, sodass es in das Trägermedium eingekop pelt 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 Lichtan teil des Lichts, also ein erster Anteil des Lichts, mit der vorbestimmten Wel lenlänge von der jeweiligen Ablenkstruktur in einem bestimmten Beugungs winkel 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, kön nen folglich insbesondere ungehindert durch das Trägermedium propagie ren. Dadurch kann von dem polychromatischen Licht, welches auf die jewei lige Ablenkstruktur trifft, insbesondere ein monochromatischer Lichtanteil abgespaltet werden. In vorteilhafterweise ist der Ablenkeffekt für die Opti malwellenlänge maximal und fällt zu längeren und kürzeren Wellenlängen hin, beispielsweise gemäß einer Gaußkurve ab, oder wird schwächer. Die vorbestimmten Wellenlängen, welche die jeweiligen Ablenkstrukturen ablen ken, unterscheiden sich dabei voneinander. Das heißt, jede der Ablenkstruk turen 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 ausge bildet sein, und somit nur blaues Licht ablenken. Schließlich kann ein dritter der unterschiedlichen Einkoppelbereiche beispielsweise als Grünfilter aus gebildet sein und somit nur grünes Licht ablenken. Durch diese Ausführungs form 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 an geordnet sein können, kann jedoch mehr Licht mit der vorgegebenen Wellen länge eingesammelt werden, wodurch eine Auflösung verbessert werden kann.
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 Wel lenlänge 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 Sensorele menten angeordnet sein. Ein jeweiliger Farbfilter ist dabei frequenzselektiv, das heißt über jeden Farbfilter kann nur Licht einer vorbestimmten Wellen länge 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 durch lässig ist und eine dritte Kategorie nur für grünes Licht durchlässig ist. Farbfil ter können beispielsweise aus eingefärbtem Glas, Kunststoff oder Gelatine folien 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.
Eine weitere Ausführungsform sieht vor, dass der erste Einkoppelbereich nicht vor dem ersten Sensorelement angeordnet ist und der zweite Einkop pelbereich nicht vor dem zweiten Sensorelement angeordnet ist. Insbeson dere kann der dritte Einkoppelbereich nicht vor dem dritten Sensorelement angeordnet sein. Mit anderen Worten können zum Beispiel der erste Einkop pelbereich vor dem zweiten Sensorelement und der zweite Einkoppelbereich vor dem ersten Sensorelement angeordnet sein. Durch diese Ausführungs form 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 Sensorele ment umgelenkt werden kann. Dies gilt auch für das zweite und dritte Senso relement. 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.
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 Ein- koppelbereich 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 Auskoppelbe reich ausgebildet sein. Dabei können der Einkoppelbereich und der Auskop pelbereich 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 ausge bildet 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 Träger mediums haften.
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 jeweili ge Ablenkstruktur eine Bündelungsgitterstruktur aufweist, die dazu ausgebil det ist, Lichtstrahlen des Lichts in Abhängigkeit des Einfallsortes unterschied lich stark abzulenken, so dass die Ablenkstruktur die Lichtstrahlen auf die jeweilige auskoppelnde Ablenkstruktur bündelt. Entsprechend kann die je weilige auskoppelnde Ablenkstruktur eine Zerstreuungsgitterstruktur oder eine Bündelungsgitterstruktur aufweisen, die dazu ausgebildet ist, Lichtstrah len des Lichts in Abhängigkeit des Einfallsortes unterschiedlich stark abzu lenken und zum Auskoppeln aus dem Trägermedium auf das jeweilige Sen sorelement 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 aufwei sen, 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. Vor zugsweise sind in dieser Ausführungsform die Bündelungsgitterstruktur und die Zerstreuungsgitterstruktur und die entsprechenden Abstände der beiden Strukturen so gewählt, dass die Lichtstrahlen von der Zerstreuungsgit- terstruktur 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 Brennwei ten der beiden Linsen hinter der Zerstreuungslinse in einem Punkt zusam- menfallen. Durch diese Ausführungsform ergibt sich der Vorteil, dass mehr Licht der vorgegebenen Wellenlänge aus einem größeren Bereich einge sammelt werden kann und somit ein Intensitätssignal der Bildsensorvorrich tung verbessert werden kann. Die Erfindung umfasst auch die Kombinationen der Merkmale der beschrie benen Ausführungsformen.
Im Folgenden sind Ausführungsbeispiele der Erfindung beschrieben. Hierzu zeigt:
Fig. 1 eine schematische Darstellung einer Bildsensorvorrichtung gemäß einer beispielshaften Ausführungsform;
Fig. 2 eine perspektivische Darstellung einer Bildsensorvorrichtung gemäß einer beispielhaften Ausführungsform;
Fig. 3 eine perspektivische Darstellung einer Bildsensorvorrichtung gemäß einerweiteren beispielhaften Ausführungsform; Fig. 4 eine schematische Darstellung einer Lichtleitung innerhalb eines Trägermediums gemäß einer beispielhaften Ausführungs form;
Fig. 5 eine schematische Darstellung einer Lichtleitung innerhalb eines Trägermediums gemäß einer weiteren beispielhaften Ausführungsform.
Bei den im Folgenden erläuterten Ausführungsbeispielen handelt es sich um bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung. Bei den Ausführungsbeispie len 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 beschrie benen Merkmale der Erfindung ergänzbar.
In den Figuren bezeichnen gleiche Bezugszeichen jeweils funktionsgleiche Elemente.
In Fig. 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 Detekti on von Licht ein Intensitätssignal zu erzeugen. Beispielsweise kann das erste und zweite Sensorelement eine Photodiode umfassen.
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 ausge bildet ist, ein Bild zu erzeugen, insbesondere ein Farbbild. In diesem Ausfüh rungsbeispiel ist das erste Sensorelement 12 und das zweite Sensorelement 14 beabstandet voneinander dargestellt, diese können jedoch auch form- schlüssig nebeneinander angeordnet sein. Auch eine flächige, dreidimensio nale Anordnung, das heißt in einer Ebene mit mehreren Sensorelementen, kann vorgesehen sein. Zur Erklärung der Funktionsweise der Bildsensorvor richtung 10 sind in diesem Ausführungsbeispiel jedoch nur die beiden Senso relemente 12, 14 dargestellt.
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 Sensorele mente 12, 14 können jedoch auch formschlüssig an dem Trägermedium 16 anliegen.
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.
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 einzukop peln. In ähnlicher Weise kann der zweite Einkoppelbereich 20 eine zweite Ablenkstruktur 28 aufweisen, die dazu ausgebildet ist, Licht mit einer vorge gebenen 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 Senso relemente 12, 14 von den Einkoppelbereichen zu den jeweiligen Auskoppel bereichen leiten kann.
Der erste Auskoppelbereich 22, der vorzugsweise vor dem ersten Sensorel ement 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 Aus koppelbereich 24 eine zweite auskoppelnde Ablenkstruktur 32 aufweisen, die ausgebildet ist, das übertragene Licht mit der zweiten vorgegebenen Wellen länge, das auf den zweiten Auskoppelbereich fällt, insbesondere auf die zweite auskoppelnde Ablenkstruktur 32, aus dem Trägermedium 16 auf das zweite Sensorelement 14 auszukoppeln.
Die jeweiligen Ablenkstrukturen 26, 28, 30, 32 können beispielsweise mittels eines holografischen Elements als optisches Gitter ausgebildet sein, insbe sondere als holografisches Volumengitter oder holografisches Oberflächen gitter.
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 zusätz lich kann das holografisch-optische Element durch eine Stapelung mehrerer holografisch-optischer Elemente erzeugt werden.
Die Ablenkstrukturen als holografisch-optische Elemente können beispiels weise mittels einer Fotopolymerfolie oder ein Glas ausgebildet sein, das zwischen Deckschichten des Trägermediums 16 eingebracht ist, vorzugs weise 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.
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 Einkoppel bereich 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 Oberflächengit ter 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 einzukop peln. In Richtung des Auskoppelbereichs bedeutet hier eine makroskopische Richtung vom Einkoppelbereich entlang des Trägermediums 16 zu dem Auskoppelbereich, beziehungsweise ein Richtungsvektor in die Ausbrei tungsrichtung 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 auf weisen.
Trifft das eingekoppelte Licht mit der ersten vorgegebenen Wellenlänge auf die erste auskoppelnde Ablenkstruktur 30, kann diese das Licht mit der ers ten 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 vorgege bene 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 inner halb 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 abge lenkt wird. Da das Licht 36 in dem zweiten Einkoppelbereich 20 auf die zwei te 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.
Jedoch kann das Licht 36, das zum Beispiel Weißlicht sein kann, neben der ersten und zweiten vorgegebenen Wellenlänge noch weitere Wellenlängen- anteile aufweisen. Vorzugsweise kann daher das erste Sensorelement 12 einen ersten Farbfilter 38 aufweisen, der nur das Licht mit der ersten vorge gebenen 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 auf weisen, der nur Licht mit der zweiten vorgegebenen Wellenlänge passieren lässt.
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 auf weisen, die dazu ausgebildet ist, die Lichtstrahlen der jeweiligen vorgegebe nen Wellenlänge in Abhängigkeit des Einfallsortes unterschiedlich stark ab zulenken, 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.
In Fig. 2 ist eine perspektivische Ansicht einer beispielhaften Bildsensorvor richtung 10 gemäß einer beispielhaften Ausführungsform dargestellt. In die ser Ausführungsform kann das erste Sensorelement 12 dazu ausgebildet sein, als erste vorgegebene Wellenlänge rotes Licht zu detektieren. Zusätz lich 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 die sem 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, so- dass aus den detektierten Wellenlängen ein Farbbild rekonstruiert werden kann.
In dieser Ausführungsform kann ein zusammengehöriger Einkoppelbereich 44 über eine gesamte Fläche des Trägermediums 16 reichen, wobei bei dem zusammengehörigen Einkoppelbereich 44 jeweils mehrere Einkoppelberei che zusammengefasst sein können. Flierzu können beispielsweise der erste Einkoppelbereich 18, der zweite Einkoppelbereich 20 und ein dritter Einkop pelbereich in den zusammengehörigen Einkoppelbereich zusammenfallen, wobei Ablenkstrukturen der jeweiligen Einkoppelbereiche beispielsweise hintereinander in dem Trägermedium 16 angeordnet sind. Die zu dem jewei ligen 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 vorgege benen Wellenlängenanteile in das Trägermedium 16 eingekoppelt werden, die der durch die Gitterebenen vorgegebenen Wellenlänge entsprechen.
Beispielsweise kann Licht 34, das als erste vorgegebene Wellenlänge zum Beispiel rotes Licht umfasst und das auf den zusammengehörigen Einkop pelbereich 44 fällt, entsprechend der durch die Multiplex-Ablenkstruktur vor gegebene 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 Bün delungsgitterstruktur verwendet werden, um das Licht auf den im Vergleich zum zusammengehörigen Einkoppelbereich 44 kleineren ersten Auskoppel bereich 22 zu bündeln. Ferner können beispielsweise auch grüne und blaue Wellenlängenanteile (nicht gezeigt) auf die entsprechenden Sensorelemente 14, 42 abgelenkt werden. In Fig. 3 ist eine weitere beispielhafte Ausführungsform der Bildsensorvor richtung 10 perspektivisch dargestellt. Die Sensorelemente als Teil eines Bildsensors können in dieser Ausführungsform gleich wie in Fig. 2 angeord net sein. In dieser Ausführungsform kann eine Oberfläche des Trägermedi ums 16 den ersten Einkoppelbereich 18 umfassen. Insbesondere kann der erste Einkoppelbereich 18 entsprechend den zuvor genannten Ausführungs beispielen 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.
In diesem Ausführungsbeispiel kann jedoch vorgesehen sein, dass das Trä germedium 16 vor dem ersten Sensorelement 12 keinen ersten Einkoppelbe reich 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 Einkop pelbereich ist, die Ablenkstrukturen für den zweiten und dritten Einkoppelbe reich vorgesehen sind (nicht gezeigt). Da die Ablenkstrukturen jedoch vor zugsweise als holografisches Gitter ausgebildet sind, sind die Ablenkstruktu ren frequenzselektiv, das heißt, dass die vorgegebene erste Wellenlänge, das bedeutet das rote Licht, nicht abgelenkt wird und direkt auf das Senso relement 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.
In Fig. 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 vor- gesehen sein kann, die Lichtleitung gemäß Fig. 4 bereitgestellt werden. Das heißt, dass Licht, das in einen jeweiligen Einkoppelbereich auf der Oberflä che 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 ausge koppelt werden kann.
Da in dem Bayer-Pattern für die Detektion von grünem Licht jeweils zwei Sensorelemente in der 2x2-Matrix vorgesehen sein können, kann ein Ein koppelbereich mit der Ablenkstruktur für grünes Licht zweimal an einer Ober fläche 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 Fig. 5 darge stellt ist.
In einer anderen beispielhaften Ausführungsform besteht ein Aspekt darin, dass über ein Farbfilter-Pattern von Sensorelementen ein Lichtleiter (Trä germedium 16) mit einem holografisch-optischen Element (den Ablenkstruk turen) gelegt wird, welcher in Abhängigkeit der gewünschten Wellenlängen sonst unbenutztes rotes, grünes oder blaues Licht einsammelt und auf die einzelnen Pixel (die Sensorelemente) lenkt.
Der Lichtleiter kann hierfür zum Beispiel mehrere einzelne holografisch optische Elemente, beispielsweise drei Stück für Rot, Gelb und Blau, bein halten, oder ein holografisch-optisches Element mit einer Mehrfachbelichtung (Multiplexing). Außerdem kann das holografisch-optische Element mindes tens je eine einkoppelnde sowie auskoppelnde Ablenkstruktur aufweisen.
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. Dies kann erreicht werden, indem eine Bildsensorvorrichtung 10, beispiels weise ein Kamerasensor, mit mxn Pixeln vorgesehen ist, wobei mxn Farbfil ter auf den Pixeln liegen, vorzugsweise rote, grüne und blaue Farbfilter ge mäß einem Bayer-Pattern. Ferner kann ein transparenter Lichtleiter (Träger- medium 16) mit mindestens einem holografisch-optischen Element und min destens zwei Belichtungen vorgesehen sein, eine für eine Einkopplung und eine für eine Auskopplung. Vorzugsweise können aber mindestens drei ho lografisch-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.
Insgesamt zeigen die Beispiele, wie durch die Erfindung ein Kamerasensor mit einem holografisch-optischen Element zur Erhöhung einer aktiven Pixel fläche bereitgestellt werden kann.

Claims

PATENTANSPRÜCHE:
Bildsensorvorrichtung (10) einer Kamera zur Detektion von Licht um fassend
- zumindest ein erstes und ein zweites Sensorelement (12, 14), die ausgebildet sind, ein jeweiliges Intensitätssignal aus detektiertem Licht zu erzeugen;
- ein Trägermedium (16), das vor dem ersten und zweiten Sensorel ement (12, 14) angeordnet ist;
- wobei das Trägermedium (16) als Lichtleiter ausgebildet ist und zumindest einen ersten und einen zweiten Einkoppelbereich (18, 20) und zumindest einen ersten und einen zweiten Auskoppelbe reich (22, 24) aufweist;
- wobei der erste Einkoppelbereich (18) eine erste Ablenkstruktur (26) aufweist, die dazu ausgebildet ist, Licht mit einer ersten vor gegebenen Wellenlänge, das aus einer Umgebung auf den ersten Einkoppelbereich (18) fällt, in das Trägermedium (16) in Richtung des ersten Auskoppelbereichs (22) einzukoppeln;
- wobei der zweite Einkoppelbereich (20) eine zweite Ablenkstruktur (28) aufweist, die dazu ausgebildet ist, Licht mit einer zweiten vor gegebenen Wellenlänge, das aus der Umgebung auf den zweiten Einkoppelbereich (20) fällt, in das Trägermedium (16) in Richtung des zweiten Auskoppelbereichs (24) einzukoppeln;
- wobei das Trägermedium (16) ausgebildet ist, das über die Ein koppelbereiche (18, 20) eingekoppelte Licht mittels interner Refle xion an die Auskoppelbereiche (22, 24) zu übertragen;
- wobei der erste Auskoppelbereich (22) vor dem ersten Sensorele ment (12) und der zweite Auskoppelbereich (24) vor dem zweiten Sensorelement (14) angeordnet ist;
- wobei der erste Auskoppelbereich (22) eine erste auskoppelnde Ablenkstruktur (30) aufweist, die ausgebildet ist, das übertragene Licht mit der ersten vorgegebenen Wellenlänge, das auf den ers ten Auskoppelbereich (22) fällt, aus dem Trägermedium (16) auf das erste Sensorelement (12) auszukoppeln; und - wobei der zweite Auskoppelbereich (24) eine zweite auskoppelnde Ablenkstruktur (32) aufweist, die ausgebildet ist, das übertragene Licht mit der zweiten vorgegebenen Wellenlänge, das auf den zweiten Auskoppelbereich (24) fällt, aus dem Trägermedium (16) auf das zweite Sensorelement (14) auszukoppeln.
Bildsensorvorrichtung (10) nach Anspruch 1, wobei die jeweiligen Ab lenkstrukturen (26, 28, 30, 32) als ein holographisches Element mit zu mindest einem optischen Gitter ausgebildet sind, insbesondere ein ho lographisches Volumengitter oder ein holographisches Oberflächengit ter.
Bildsensorvorrichtung (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei zumindest ein drittes Sensorelement (42) und ein dritter Einkop pelbereich mit einer dritten Ablenkstruktur bereitgestellt ist, die ausge bildet ist, Licht mit einer dritten vorgegebenen Wellenlänge in das Trä germedium (16) in Richtung eines dritten Auskoppelbereichs einzukop peln, wobei der dritte Auskoppelbereich eine dritte auskoppelnde Ab lenkstruktur aufweist, die ausgebildet ist, das übertragene Licht mit der dritten vorgegebenen Wellenlänge, das auf den dritten Auskoppelbe reich fällt, aus dem Trägermedium (16) auf das dritte Sensorelement auszukoppeln, wobei der dritte Auskoppelbereich vor dem dritten Sen sorelement (42) angeordnet ist.
Bildsensorvorrichtung (10) nach Anspruch 3, wobei die erste vorgege bene Wellenlänge in einem roten Farbspektrum, die zweite vorgegebe ne Wellenlänge in einem grünen Farbspektrum und die dritte vorgege bene Wellenlänge in einem blauen Farbspektrum liegt.
Bildsensorvorrichtung (10) nach einem der Ansprüche 3 oder 4, wobei zumindest jeweils zwei Einkoppelbereiche als ein zusammengehöriger Einkoppelbereich (44) ausgebildet sind, wobei die zu den zumindest zwei Einkoppelbereichen gehörigen Ablenkstrukturen in dem zusam mengehörigen Einkoppelbereich (44) als jeweils einzelne Elemente be- reitgestellt sind oder als eine einzige Multiplex-Ablenkstruktur ausgebil det sind.
6. Bildsensorvorrichtung (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die jeweiligen Ablenkstrukturen (26, 28, 30, 32) frequenzselektiv ausgebildet sind, und somit die erste Ablenkstruktur (26) nur Licht der ersten vorgegebenen Wellenlänge ablenkt und die zweite Ablenkstruk tur (28) nur Licht der zweiten vorgegebenen Wellenlänge ablenkt.
7. Bildsensorvorrichtung (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei vor dem ersten Sensorelement (12) ein erster Farbfilter (38) und vor dem zweiten Sensorelement (14) ein zweiter Farbfilter (40) ange ordnet ist, wobei der erste Farbfilter (38) dazu ausgebildet ist, nur Licht mit der ersten vorgegebenen Wellenlänge durchzulassen, und wobei der zweite Farbfilter (40) dazu ausgebildet ist, nur Licht mit der zweiten vorgegebenen Wellenlänge durchzulassen.
8. Bildsensorvorrichtung (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der erste Einkoppelbereich (18) nicht vor dem ersten Sensorele ment (12) angeordnet ist und der zweite Einkoppelbereich (20) nicht vor dem zweiten Sensorelement (14) angeordnet ist.
9. Bildsensorvorrichtung (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Einkoppelbereiche (18, 20) und die Auskoppelbereiche (22, 24) einstückig mit dem Trägermedium (16) ausgebildet sind oder wobei das Trägermedium (16) als separates Element zu den Einkoppelberei chen (18, 20) und den Auskoppelbereichen (22, 24) ausgebildet ist.
10. Bildsensorvorrichtung (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der jeweilige Einkoppelbereich (18, 20) eine größere Abmessung als der jeweilige Auskoppelbereich (22, 24) aufweist, wobei eine jewei lige Ablenkstruktur (26, 28) eine Bündelungsgitterstruktur aufweist, die dazu ausgebildet ist, Lichtstrahlen des Lichts in Abhängigkeit des Ein fallsortes unterschiedlich stark abzulenken, so dass die Ablenkstruktur (26, 28) die Lichtstrahlen auf die jeweilige auskoppelnde Ablenkstruktur (30, 32) bündelt.
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