WO2006015906A1 - Optisches modul für ein fahrerassistenzsystem - Google Patents

Optisches modul für ein fahrerassistenzsystem Download PDF

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WO2006015906A1 PCT/EP2005/052957 EP2005052957W WO2006015906A1 WO 2006015906 A1 WO2006015906 A1 WO 2006015906A1 EP 2005052957 W EP2005052957 W EP 2005052957W WO 2006015906 A1 WO2006015906 A1 WO 2006015906A1
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vis
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circuit carrier
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    • G01S7/481—Constructional features, e.g. arrangements of optical elements

Definitions

  • the invention relates to an optical module of the outside anteroom in the direction of travel of a motor vehicle detecting assistance system, with at least one first GmbHungsträ ⁇ ger; at least one first semiconductor element arranged on the first circuit carrier; and a lens unit for projecting electromagnetic radiation onto a sensitive surface of the first semiconductor element.
  • Sensor systems directed at the driving environment of a motor vehicle are increasingly being used in the motor vehicle of the near future.
  • assistive systems are conceivable which offer the driver assistance. Examples include: lane detection or monitoring applications, night vision applications, obstacle warning, pre-crash sensing, automatic speed adaptation, congestion assist, pedestrian and cyclist protection, traffic sign recognition, parking assistance, and the like.
  • a distance measuring system is helpful, especially based on radar or Lidar technologies.
  • a high-resolution 2D camera with, for example, 300 k pixels, which recognizes, for example, lanes and / or records and classifies objects.
  • CMOS complementary metal-oxide-semiconductor
  • TOF time of flight
  • CMOS array known for example from EP 1 159 636 B1 or DE 101 38 531 A1
  • CMOS array can generate a depth image of a scene with many sampling points with the aid of pulsed illumination.
  • a grayscale image can also be evaluated.
  • this is limited to a small number of e.g. 1 to 3000 (3k) pixels, since the emitted amount of light can not be arbitrarily increased and a compromise between the amount of light, number of pixels, distance range and cost must be found.
  • this CMOS pixel matrix measuring a distance for a high-resolution 2D image as well.
  • the invention is based on generic optical modules in that the sensitive surface of the first semiconductor element is a high-resolution 2D image sensor; and that a second semiconductor element is provided, the sensitive surface of which is designed as a 3D transit time sensor.
  • Both the first and the second semiconductor element may be arranged on the first circuit carrier.
  • first and second semiconductor elements are on different circuit carriers.
  • a beam splitter or mirror is preferably arranged in the beam path (Vis + IR) of the optical module, which distributes electromagnetic radiation wavelength-specific (Vis, IR) to the sensitive surfaces of the first or the second semiconductor element.
  • the beam splitter or mirror is arranged below 30 ° to 60 °, preferably below 45 °, in the beam path (Vis + IR) of the optical module.
  • hot-cold mirrors 1 have proved to be beam splitters or mirrors which split electromagnetic radiation (Vis + IR) into two components, namely in ei ⁇ ne, which the visible light (Vis) and into one that covers longer wavelengths such as near infrared (IR).
  • the visible light (Vis) on the sensitive surface of the first semiconductor element and longer wavelengths such as the near infrared (IR) are guided on the sensitive surface of the second semiconductor element.
  • the used beam splitter or mirror thus advantageously has a kind of filter function in that it only supplies the respective semiconductor element with the appropriate wavelength or light components, which are also used.
  • the infrared light component originates from at least one infrared light source assigned to the optical module.
  • the resolution of the lens unit for projecting electromagnetic radiation is essentially matched by the spectral range to the high-resolution 2D sensor, because the much smaller number of pixels and the pixels of the 3D sensor, which are more sensitive for sensitivity reasons, are much lower resolution and sharpness (MTF) necessary.
  • the present invention allows for the first time the cost-effective construction of only one optical module with a closed 2D / 3D unit.
  • these units of the optical module can already be matched to each other during manufacture or calibrated to each other, so that expensive
  • the single FIGURE shows in a schematic diagram an embodiment of an optical module 1.
  • one component (Vis or IR) is reflected and the other is transmitted or vice versa.
  • Another relevant criterion is the angle at which the mirror 28 is arranged in the beam path (Vis + IR).
  • the mirror 28 is - as shown - ge introduced, for example, at an angle of 45 degrees in the beam path (Vis + IR). He can thus lead the signal wavelength specific to two different detectors 34 and 35. Shown is a so-called "hot-mirror ⁇ " 28, which is transparent for short-wave (“cold") wavelengths, ie for visible light (Vis), and long-wavelength (“hot”) wavelengths, in particular IR rays, upwards reflects or reflects.
  • the detectors are preferably sensitive surfaces 34; 35 of two semiconductor elements 12; 13, which are each arranged in the exemplary embodiment on its own circuit carrier 10, 11, which advantageously increases the design freedom of the optical module 1 er ⁇ .
  • the visible light detector is a high-resolution 2D image sensor 34, for example for detecting driving lanes and / or objects in the outer vestibule 50 of a motor vehicle.
  • the detector for the infra red light is a 3D transit time sensor 35, which without exception works preferably only with its own infrared light source (not shown) of the optical module 1 - thus only the infrared light component for the 35 (IR) is relevant.
  • optical module 1 lies in its costs, it is only an optical unit 14; 16, 18 are constructed, and the module 1 comprises a iste ⁇ NEN 2D / 3D unit 12, 34; 13, 35. Another advantage is that the sensor units 12, 34 and 13, 35 are already matched during production, the 2D and 3D data can thus be calibrated to each other.
  • the used beam splitter or mirror 28 already has a filter function for the corresponding wavelengths. He 28 leads the respective sensor 34; 35 only the light components, which are also used.
  • the present invention allows for the first time the inexpensive construction of only one optical module with a closed 2D / 3D unit, which in particular for the outer vestibule 50 in the direction of travel of a motor vehicle detecting assistance systems such as lane detection or - monitoring applications, night vision applications, obstacle warning , Pre-crash sensing, automatic speed adaptation, congestion assist, pedestrian and cyclist protection, traffic sign recognition, and the like.
  • a motor vehicle detecting assistance systems such as lane detection or - monitoring applications, night vision applications, obstacle warning , Pre-crash sensing, automatic speed adaptation, congestion assist, pedestrian and cyclist protection, traffic sign recognition, and the like.

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Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft ein optisches Modul (1) eines den Außenvorraum (50) in Fahrtrichtung eines Kraftfahr- zeuges erfassenden Assistenzsystems, mit wenigstens einem ersten Schaltungsträger (10); wenigstens einem auf dem ersten Schaltungsträger (10) angeordneten ersten Halbleiterelement (12); und einer Linseneinheit (14; 16, 18) zum Projizieren von elektromagnetischer Strahlung auf eine sensitive Fläche (34) des ersten Halbleiterelements (12). Sie zeichnet sich dadurch aus, dass die sensitive Fläche (34) des ersten Halbleiterelement (12) ein hoch auflösender 2D- Bildsensor (34) ist; und dass ein zweites Halbleiterelement (13) vorgesehen ist, dessen sensitive Fläche (35) als 3D- Laufzeitsensor (35) ausgebildet ist. Die vorliegende Erfindung gestattet erstmals den preisgünsti- gen Aufbau nur eines optischen Moduls (1) mit einer abge- schlossenen 2D/3D Einheit (12, 34; 13, 35). Darüber hinaus können diese Einheiten (12, 34; 13, 35) des optischen Moduls (1) bereits bei der Fertigung aufeinander abgestimmt bzw. zu- einander kalibriert werden, so dass aufwendige Vernetzungsar- beiten - wie im Stand der Technik notwendig - vorteilhaft entfallen.

Description

OPTISCHES MODUL FÜR EIN FAHRERASSISTENZSYSTEM
Die Erfindung betrifft ein Optisches Modul eines den Außen- vorraum in Fahrtrichtung eines Kraftfahrzeuges erfassenden Assistenzsystems, mit wenigstens einem ersten Schaltungsträ¬ ger; wenigstens einem auf dem ersten Schaltungsträger ange- ordneten ersten Halbleiterelement; und einer Linseneinheit zum Projizieren von elektromagnetischer Strahlung auf eine sensitive Fläche des ersten Halbleiterelements.
Auf die Fahrumgebung eines Kraftfahrzeuges gerichtete Sensor— Systeme finden immer mehr Anwendung im Kraftfahrzeug der nä¬ heren Zukunft. Dabei sind verschiedentlich assistierende Sys¬ teme vorstellbar, welche dem Fahrer Unterstützung bieten. Als Beispiele können genannt werden: Spurerkennungs— oder — überwachungs—Anwendungen, Nachtsieht-Anwendungen, Hindernis— warnung, Pre—Crash—Sensierung, Automatische Geschwindigkeits— adaption, Stauassistent, Fußgänger- und Fahrradfahrerschutz, Verkehrszeichenerkennung, Einparkhilfe und dergleichen mehr.
Die Anforderungen an derartige Assistenzsysteme sind zum Teil sehr verschieden. Gemein ist ihnen die Anforderung, eine mög- -S- lichst realistische Repräsentation der Umwelt zu generieren. Um beispielsweise Fahrspuren vor dem Fahrzeug auch in großen Abständen noch zu erkennen, wird eine Kamera mit einem rela¬ tiv hoch auflösenden optischen Modul benötig.
Um Objekte wie andere Kraftfahrzeuge, Fahrradfahrer und/oder auch Fußgänger zu erkennen, ist neben einem Kamerabild auch ein den Abstand messendes System hilfreich, insbesondere auf Radar— oder Lidar—Technologien basierend. Für eine Erfassung des Außenvorraums in Fahrtrichtung eines Kraftfahrzeuges ist bekannt, beispielsweise eine hoch auflö¬ sende 2D Kamera mit beispielsweise 300k Pixel zu verwenden, welche z.B. Fahrspuren erkennt und/oder Objekte erfasst und klassifiziert.
Es ist auch bekannt, für Abstand messende Systeme einen auf Lichtlaufzeit basierenden Lidar Sensor zu verwenden. Derarti- ge Lidar Sensoren existieren auch in Form einer Pixelmatrix, welche in CMOS Technologie implementiert ist. Ein derartiges, beispielsweise aus der EP 1 159 636 Bl oder DE 101 38 531 Al bekanntes sog. TOF (Time of Flight) CMOS-Array kann mit Hilfe einer gepulsten Beleuchtung ein Tiefenbild einer Szene mit vielen Abtastpunkten generieren. Neben dem Tiefenbild kann zusätzlich ein Grauwertbild ausgewertet werden. Allerdings ist dies auf eine kleine Anzahl von z.B. 1 bis 3000 (3k) Bildpunkte beschränkt, da die ausgesendete Lichtmenge nicht beliebig vergrößert werden kann und ein Kompromiss zwischen Lichtmenge, Pixelanzahl, Abstandsbereich und Kosten gefunden werden muss. Somit ist es nicht möglich, diese, einen Abstand messende CMOS Pixelmatrix auch für ein hoch auflösendes 2D Bild mit zu verwenden.
In einem Kraftfahrzeug müssen daher""bislang jeweils ein ge¬ trenntes System für die 2D Erfassung und eins für die 3D Er¬ fassung implementiert werden, womit schon deshalb erhebliche Kosten einhergehen. Darüber hinaus müssen die nur einzeln verfügbaren Systeme vernetzt werden, will man ein möglichst vollständiges Bild der Fahrumgebung erfassen und damit ent¬ sprechend sicheres System aufbauen. Weil zudem der Bauraum in einem Kraftfahrzeug oft sehr begrenzt ist, ist es häufig schwierig, zwei verschiedene Systeme gleichzeitig unterzu¬ bringen. Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, die aus dem stand der Technik bekannten Nachteile zu vermieden.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Merkmale der un¬ abhängigen Patentansprüche gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltun¬ gen und Weiterbildungen, welche einzeln oder in Kombination miteinander eingesetzt werden können, sind Gegenstand der je¬ weils abhängigen Ansprüche.
Die Erfindung baut auf gattungsgemäßen optischen Moduln da¬ durch auf, dass die sensitive Fläche des ersten Halbleiter¬ element ein hoch auflösender 2D-Bildsensor ist; und dass ein zweites Halbleiterelement vorgesehen ist, dessen sensitive Fläche als 3D-Laufzeitsensor ausgebildet ist.
Auf dem ersten Schaltungsträger können sowohl das erste als auch das zweite Halbleiterelement angeordnet sein.
Zwecks Erhöhung konstruktiver Freiheitsgrade wird vorgeschla¬ gen, erstes und zweites Haltleiterelement auf verschiedenen Schaltungsträgern anzuordnen.
Erfindungsgemäß bevorzugt ist im Strahlengang (Vis + IR) des optischen»-Moduls ein Strahlenteiler oder Spiegel angeordnet ist, welcher elektromagnetische Strahlung wellenlängenspezi¬ fisch (Vis; IR) auf die sensitiven Flächen des ersten bzw. des zweiten Haltleiterelements verteilt.
Je nach konstruktiver Ausgestaltung des optischen Moduls ist der Strahlenteiler bzw. Spiegel unter 30° bis 60°, vorzugs¬ weise unter 45° im Strahlengang (Vis + IR) des optischen Mo¬ duls angeordnet.
Insbesondere haben sich sog. „hot-cold-mirrors1" als Strahlen¬ teiler bzw. Spiegel bewährt, welche elektromagnetische Strah¬ lung (Vis + IR) in zwei Komponenten aufteilen, nämlich in ei¬ ne, welche das sichtbare Licht (Vis) einschließt und in eine, welche längere Wellenlängen wie das Nahe Infrarot (IR) um— fasst.
Vorzugsweise werden das sichtbare Licht (Vis) auf die sensi¬ tive Fläche des ersten Haltleiterelements und längere Wellen- längen wie das Nahe Infrarot (IR) auf die sensitive Fläche des zweiten Haltleiterelements geführt.
Der eingesetzte Strahlenteiler bzw. Spiegel besitzt damit vorteilhaft eine Art Filterfunktion, indem er dem jeweiligen Halbleiterelement nur die entsprechende Wellenlänge bzw. Lichtanteile zuführt, welche auch genutzt werden.
Zweckmäßiger Weise stammt der infrarote Lichtanteil (IR) von wenigstens einer dem optischen Modul zugeordneten Infrarot- lichtquelle.
Die Auflösung der Linseneinheit zum Projizieren von elektro¬ magnetischer Strahlung schließlich ist vom Spektralbereich im wesentlichen auf den hoch auflösenden 2D Sensor abgestimmt, denn für die viel geringere Pixeiranzahl und die aus Empfind¬ lichkeitsgründen eher größeren Pixel des 3D Sensors ist eine viel geringere Auflösung und Schärfe (MTF) notwendig.
Die vorliegende Erfindung gestattet erstmals den preisgünsti- gen Aufbau nur eines optischen Moduls mit einer abgeschlosse¬ nen 2D/3D Einheit. Darüber hinaus können diese Einheiten des optischen Moduls bereits bei der Fertigung aufeinander abge¬ stimmt bzw. zueinander kalibriert werden, so dass aufwendige
Vernetzungsarbeiten - wie im Stand der Technik notwendig - vorteilhaft entfallen.
Zusätzliche Einzelheiten und weitere Vorteile der Erfindung werden nachfolgend an Hand bevorzugter Ausführungsbeispiele in Verbindung mit der beigefügten Zeichnung beschrieben.
Die einzige Fig. zeigt in einer Prinzipskizze ein Ausfüh¬ rungsbeispiel eines optischen Moduls 1.
Diesem liegt der Grundgedanke zugrunde, eine optische Erfas¬ sungseinheit 1 aufzubauen, welche Licht im kompletten Spekt¬ ralbereich von sichtbar (Vis) bis Nahes Infrarot (IR) auf¬ nimmt. Auf dem Markt sind so genannte "Hot/Cold—Mirrors" oder auch "Cold/Hot-Mirrors" 28 erhältlich, welche es ermöglichen den Wellenlängenbereich des Lichts in zwei Komponenten aufzu¬ teilen, nämlich in eine, welche das sichtbare Licht (Vis) einschließt und in eine, welche längere Wellenlängen wie das Nahe Infrarot (IR) umfasst.
Je nach Variante des Spiegels 28, wird eine Komponente (Vis oder IR) reflektiert und die andere transmittiert oder umge¬ kehrt. Ein anderes diesbezügliches Kriterium ist der Winkel, unter welchem der Spiegel 28 im Strahlengang (Vis + IR) ange- ordne't ist.
Der Spiegel 28 ist — wie dargestellt — beispielsweise unter einem Winkel von 45 Grad in den Strahlengang (Vis + IR) ge¬ bracht. Er kann somit das Signal wellenlängenspezifisch auf zwei verschiedene Detektoren 34 und 35 führen. Dargestellt ist ein sog. ,,Hot-mirrorλΛ 28, welcher für kurzwelligere („kalte") Wellenlängen, also für sichtbares Licht (Vis) durchlässig ist und langwellige („heiße") Wellenlängen, insb. IR-Strahlen, nach oben hin reflektiert bzw. spiegelt. Die Detektoren sind bevorzugt sensitive Flächen 34; 35 zweier Halbleiterelemente 12; 13, welche im Ausführungsbeispiel je auf einem eigenen Schaltungsträger 10, 11 angeordnet sind, was vorteilhaft die Designfreiheit des optischen Moduls 1 er¬ höht.
In dem konkret dargestellten Fall handelt es sich bei dem De¬ tektor für das sichtbare Licht (Vis) um einen hoch auflösen- den 2D Bildsensor 34 beispielsweise zur Erkennung von Fahr¬ spuren und/oder Objekten im Außenvorraum 50 eines Kraftfahr¬ zeuges•
Demgegenüber handelt es sich bei dem Detektor für das infra- rote Licht (IR) um einen 3D Laufzeitsensor 35, welcher ohne¬ hin vorzugsweise nur mit einer eigenen Infrarotlichtquelle (nicht dargestellt) des optischen Moduls 1 arbeitet - für den 35 somit nur der infrarote Lichtanteil (IR) relevant ist.
Der Vorteil eines derartigen optischen Moduls 1 liegt zu ei¬ nen bei den Kosten, es muss nur eine Optikeinheit 14; 16, 18 aufgebaut werden, und das Modul 1 umfasst eine abgeschlosse¬ nen 2D/3D Einheit 12, 34; 13, 35. Ein weiterer Vorteil ist, dass die Sensoreinheiten 12, 34 und 13, 35 bereits bei der Fertigung aufeinander abgestimmt, die 2D und 3D Daten also zueinander kalibriert werden können.
Darüber hinaus besitzt der eingesetzte Strahlenteiler bzw. Spiegel 28 bereits eine Filterfunktion für die entsprechenden Wellenlängen. Er 28 führt dem jeweiligen Sensor 34; 35 nur die Lichtanteile zu, welche auch genutzt werden.
Die Auflösung der Optik 14; 16, 18, umfassend einen Linsen¬ halter 14 sowie z.B. eine erste 16 und zweite 18 Linse, braucht vom Spektralbereich im Wesentlichen nur auf den hoch auflösenden Sensor 34 optimiert werden, da für die viel ge¬ ringere Pixelanzahl und die aus Empfindlichkeitsgründen so¬ wieso eher größeren Pixel des 3D Sensors 35 eine viel gerin- gere Auflösung und Schärfe (MTF) notwendig ist.
Insoweit gestattet die vorliegende Erfindung erstmals den preisgünstigen Aufbau nur eines optischen Moduls mit einer abgeschlossenen 2D/3D Einheit, welche sich insbesondere für den Außenvorraum 50 in Fahrtrichtung eines Kraftfahrzeuges erfassende Assistenzsysteme wie Spurerkennungs- oder - überwachungs—Anwendungen, Nachtsieht—Anwendungen, Hindernis¬ warnung, Pre-Crash—Sensierung, Automatische Geschwindigkeits- adaption, Stauassistent, Fußgänger— und Fahrradfahrerschutz, Verkehrszeichenerkennung und dergleichen mehr eignet-

Claims

Patentansprüche
1. Optisches Modul (1) eines den Außenvorraum (50) in Fahrtrichtung eines Kraftfahrzeuges erfassenden Assis- tenzsystems, mit wenigstens einem ersten Schaltungsträger (10); wenigstens einem auf dem ersten Schaltungsträger (10) angeordneten ersten Halbleiterelement (12); und - wenigstens einer Linseneinheit (14; 16, 18) zum
Projizieren von elektromagnetischer Strahlung auf eine sensitive Fläche (34) des ersten Halbleiter¬ elements (12) ; d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, - dass die sensitive Fläche (34) des ersten Halblei¬ terelement (12) ein hoch auflösender 2D-Bildsensor (34) ist? und dass ein zweites Halbleiterelement (13) vorgesehen ist, dessen sensitive Fläche (35) als 3D- Laufzeitsensor (35) ausgebildet ist.
2. Optisches Modul (1) nach Anspruch 1, dadurch gekenn¬ zeichnet, dass auf dem ersten Schaltungsträger (10) so¬ wohl das erste (12) als auch das zweite (13) Halbleiter— element angeordnet sind/"'
3. Optisches Modul (1) nach Anspruch 1, dadurch gekenn¬ zeichnet, dass das zweite Haltleiterelement (13) auf ei¬ nem eigenen, zweiten Schaltungsträger (11) angeordnet ist,
4. Optisches Modul (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass im Strahlengang (Vis + IR) des optischen Moduls (1) ein Strahlenteiler oder Spiegel (28) angeordnet ist, welcher elektromagnetische Strah¬ lung wellenlängenspezifisch (Vis; IR) auf die sensitiven Flächen (34; 35) des ersten (12) und des zweiten (13) Haltleiterelements verteilt.
5. Optisches Modul (1) nach Anspruch 4, dadurch gekenn¬ zeichnet, dass der Strahlenteiler bzw. Spiegel (28) un¬ ter 30° bis 60°, vorzugsweise unter 45° im Strahlengang
(Vis + IR) des optischen Moduls (1) angeordnet ist.
6. Optisches Modul (1) nach Anspruch 4 oder 5, dadurch ge¬ kennzeichnet, dass der Strahlenteiler bzw. Spiegel (28) ein sog. „hot—cold-mirror1' ist, welcher die elektromag¬ netische Strahlung (Vis + IR) in zwei Komponenten auf— teilt, nämlich in eine, welche das sichtbare Licht (Vis) einschließt und in eine, welche längere Wellenlängen wie das Nahe Infrarot (IR) umfasst.
7. Optisches Modul (1) nach einem der Ansprüche 4 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass das sichtbare licht (Vis) auf die sensitive Fläche (34) des ersten Haltleiterele¬ ments (12) und längere Wellenlängen wie das Nahe Infra¬ rot (IR) auf die sensitive Fläche (35) des zweiten Halt— leiterelements (13) geführt wird.
8. Optisches Modul (1) nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der infrarote Lichtanteil
(IR) von einer dem optischen Modul (1) zugeordneten Inf¬ rarotlichtquelle stammt.
9. Optisches Modul (1) nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Auflösung der Linsen¬ einheit (14; 16, 18) zum Projizieren von elektromagneti- scher Strahlung vom Spektralbereich im Wesentlichen auf den hoch auflösenden 2D Sensor (34) abgestimmt ist.
PCT/EP2005/052957 2004-08-04 2005-06-24 Optisches modul für ein fahrerassistenzsystem WO2006015906A1 (de)

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