WO2011015196A1 - Bildgebender lidarsensor - Google Patents

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WO2011015196A1
WO2011015196A1 PCT/DE2010/000925 DE2010000925W WO2011015196A1 WO 2011015196 A1 WO2011015196 A1 WO 2011015196A1 DE 2010000925 W DE2010000925 W DE 2010000925W WO 2011015196 A1 WO2011015196 A1 WO 2011015196A1
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lidar sensor
wavelength
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Inventor
Lutz KÜHNKE
Wolfgang Fey
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Conti Temic Microelectonic Gmbh
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    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01S—RADIO DIRECTION-FINDING; RADIO NAVIGATION; DETERMINING DISTANCE OR VELOCITY BY USE OF RADIO WAVES; LOCATING OR PRESENCE-DETECTING BY USE OF THE REFLECTION OR RERADIATION OF RADIO WAVES; ANALOGOUS ARRANGEMENTS USING OTHER WAVES
    • G01S7/00—Details of systems according to groups G01S13/00, G01S15/00, G01S17/00
    • G01S7/48—Details of systems according to groups G01S13/00, G01S15/00, G01S17/00 of systems according to group G01S17/00
    • G01S7/481—Constructional features, e.g. arrangements of optical elements
    • G01S7/4816—Constructional features, e.g. arrangements of optical elements of receivers alone
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01S—RADIO DIRECTION-FINDING; RADIO NAVIGATION; DETERMINING DISTANCE OR VELOCITY BY USE OF RADIO WAVES; LOCATING OR PRESENCE-DETECTING BY USE OF THE REFLECTION OR RERADIATION OF RADIO WAVES; ANALOGOUS ARRANGEMENTS USING OTHER WAVES
    • G01S17/00—Systems using the reflection or reradiation of electromagnetic waves other than radio waves, e.g. lidar systems
    • G01S17/88—Lidar systems specially adapted for specific applications
    • G01S17/93—Lidar systems specially adapted for specific applications for anti-collision purposes
    • G01S17/931—Lidar systems specially adapted for specific applications for anti-collision purposes of land vehicles

Definitions

  • the invention relates to an optical sensor according to the preamble of patent claim 1.
  • Lidar sensors as active optical sensors e.g. for distance and speed measurement are state of the art.
  • DE 101 35 457 A1 shows an optical sensor arrangement which comprises a transmitting-receiving device with a transmitting part for emitting light into an observation space and a receiving part for detecting the light reflected in the observation space.
  • semiconductor-based image sensors are used, which have an active image sensor surface with a large number of individual light-sensitive elements, the so-called pixels. According to the existing number of pixels and the built - up optics, this results in an environmental image with a certain resolution and number of individual pixels to be evaluated.
  • the pixels are sensitive over a certain electromagnetic wavelength range, often in the visible light range up to the near infrared range of about 950 nm.
  • Newer image sensor solutions In addition, based on innovative semiconductor technologies already show a broadband capability into the far-infrared range of> 1500nm.
  • the sensitive surface of the imager is usually equipped with a filter mask, the so-called color filter array.
  • a filter mask the so-called color filter array.
  • Common color filter arrays in use are RGB (red green blue) and RGBC (red green blue clear).
  • EP 1758783 Bl shows a monitoring unit for the exterior in the direction of travel of a motor vehicle, at least comprising a camera system with an image sensor.
  • the camera system comprises an image acquisition sensor, which has color codings (R, G, B, Y%) In partial areas and otherwise has monochrome codings (S / W).
  • This invention has the general object to extend the functionality and the possible range of functions of optical sensors, while minimizing space requirements, external connections and costs.
  • a basic idea of the invention is to use an image sensor at the same time as a camera sensor for at least one (camera-based) driver assistance function and as a reception unit for an active optical sensor (lidar sensor).
  • the two task areas are separated by optical filter elements arranged on the image sensor according to the different wavelength ranges (visible and infrared).
  • the invention relates to a lidar sensor, which provides as an image sensor for a driver assistance system as a receiver.
  • the image sensor is sensitive to electromagnetic radiation in the visible and infrared wavelengths.
  • filter elements arranged on the image sensor for light in the visible and infrared wavelength range, light of the corresponding wavelength is selected for different pixels or regions of the image sensor.
  • a pixel disposed behind an infrared filter element infrared light, which is transmitted through the infrared filter.
  • a lidar sensor according to the invention also has, as a receiving unit, a camera sensor functionality in the visible wavelength range.
  • a camera sensor functionality in the visible wavelength range.
  • the transmission range of the infrared filter element preferably corresponds to the wavelength range of the electromagnetic radiation emitted by the transmission unit of the lidar sensor.
  • the lidar sensor thus comprises an active infrared illumination, at the wavelength of which the infrared filter elements are tuned.
  • a filter mask for the image sensor of the lidar sensor comprises filter elements red, green, blue and infrared. These can be arranged in particular in a 2x2 matrix (RGB-IR).
  • the filter mask comprises one or more extended regions with infrared filter elements, in particular horizontally or vertically arranged zones, which extend over one or more pixel row (s) or column (s).
  • the infrared filter elements can preferably pass light of the wavelength of 800 nm to 1000 nm.
  • the infrared filter elements can pass light of wavelength 900 nm or 905 nm.
  • the infrared filter elements allow light of wavelength greater than 1000 nm to pass, and thus in particular also in the far infrared range.
  • two different visibility regions are projected onto two different regions of the image sensor via an optical element, and the arrangement of the infrared filter elements corresponds to one of these two regions.
  • Fig. 3 Filter mask with an RGB FIR area and a
  • a camera sensor is provided with an active near-infrared optical sensor (lidar sensor) at e.g. 800-1000nm, especially 900nm, integrated in one device.
  • lidar sensor active near-infrared optical sensor
  • a multi-channel receiver module can be realized in this way, which has a high-resolution image over the field of view.
  • the imager of the camera sensor has a suitable co- Lor filter array is applied, which makes for certain pixels a preferred selection in the range of the infrared wavelength used, (eg between 800 and 1000 nm, in particular 900 or 905nm). So z.
  • this object can be achieved in that a suitable color filter array is applied to the imager of the camera sensor, which in certain surface areas of the active pixel area a preferred selection in the range of infrared wavelength used, for example between 800 and 1000 nm, in particular 900 or 905nm.
  • This can z. Horizontally or vertically arranged zones, each one or many rows or columns of pixels wide.
  • a filter mask is shown, the upper part is filled with RGB filter elements and the lower part consists of an extended area with infrared filter elements, in the illustrated case of a single-line strip.
  • This embodiment has the advantage that in the upper range no loss in the color resolution must be taken into account and in the IR range, the full lateral resolution of the image sensor can be used.
  • the advantage of both exemplified implementations is that you get an additional infrared image parallel to the RGB image.
  • a lidar sensor can temporarily be operated without active transmitting unit by the additional infrared transmitter with one of the above-described filter arrangement for a driver assistance system.
  • Many modern headlamps also have infrared components in the radiated wavelength spectrum, thereby forming light-reflecting objects, e.g. Traffic signs or lane markings are reliably detected by the image sensor since they are illuminated by the headlight of the own vehicle.
  • another possible embodiment of the invention is the use of a corresponding color filter array, which makes a preferred selection in the area of the wavelength used for the illumination of the rain sensor in certain areas of the active pixel area.
  • One possibility here is the use of infrared illumination, so that the said pixel area is matched with the color filter array to the infrared wavelength. This also makes it possible to achieve a better decoupling of this function from the other camera functions.
  • far-infrared (FI) and near-infrared (NI) filter elements as well as R, G, B filter elements are used.
  • the lower part of the filter mask is a pure NI region and serves as a receiver for the lidar sensor with high lateral resolution.
  • In the upper part of the filter mask is filled with an RGB-FI matrix.
  • RGB-FI matrix Here can be determined by the far-infrared filter elements, a passive night vision image parallel to the color image through the R, G, B filter elements.

Abstract

Gegenstand der Erfindung ist Lidarsensor, der als Empfänger einen Bildsensor für ein Fahrerassistenzsystem vorsieht, wobei der Bildsensor empfindlich ist im sichtbaren und im infraroten Wellenlängenbereich und auf dem mittels sichtbaren (R, G, B) und infraroten (IR; NI; FI) Filterelementen für unterschiedliche Pixel oder Bereiche des Bildsensors Licht der entsprechenden Wellenlänge selektiert wird.

Description

Bildgebender Lidarsensor
Die Erfindung betrifft einen optischen Sensor nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.
Lidarsensoren als aktive optische Sensoren z.B. zur Ent- fernungs- und Geschwindigkeitsmessung sind Stand der Technik. So zeigt beispielsweise die DE 101 35 457 Al eine optische Sensoranordnung, die eine Sende-Empfangs- Einrichtung umfasst mit einem Sendeteil zur Emission von Licht in einen Beobachtungsraum und einem Empfangsteil zur Detektion des im Beobachtungsraums reflektierten Lichts.
In modernen Kamera-Sensoren für automobile Anwendungen kommen halbleiterbasierte Bildsensoren zum Einsatz, die über eine aktive Bildaufnehmer-Fläche mit einer Vielzahl von einzelnen lichtempfindlichen Elementen, den sogenannten Pixeln, verfügen. Entsprechend der vorhandenen Pixel - zahl und der aufgebauten Optik ergibt sich so ein Umgebungsbild mit einer bestimmten Auflösung und Anzahl von einzelnen, auszuwertenden Bildpunkten. Je nach verwendeter Halbleitertechnologie sind dabei die Pixel empfindlich über einen gewissen elektromagnetischen Wellenlängenbereich, häufig im sichtbaren Lichtbereich bis in den Nah- Infrarotbereich von etwa 950nm. Neuere Bildsensor-Lösungen basierend auf innovativen Halbleitertechnologien zeigen darüber hinaus bereits eine Breitband-Fähigkeit bis in den Fern-Infrarotbereich von >1500nm.
Zur geeigneten Vorkonditionierung des Bildes und zielgerichtete Auswertung, z. B. einfache Farben-Detektion, ist die empfindliche Fläche des Imagers üblicherweise mit einer Filtermaske, dem sogenannten Color Filter Array, ausgestattet. Übliche im Einsatz befindliche Color Filter Ar- rays sind RGB (red green blue) und RGBC (red green blue clear) .
Die EP 1758783 Bl zeigt eine Überwachungseinheit für den Außenraum in Fahrtrichtung eines Kraftfahrzeuges wenigstens umfassend ein Kamerasystem mit einem Bildaufnahmesensor. Das Kamerasystem umfasst einen Bildaufnahmesensor, welcher in partiellen Bereichen Farbcodierungen (R, G, B, Y ... ) besitzt und ansonsten monochrome Codierungen (S/W) aufweist .
Mit dem Trend steigender Anforderungen an Umfeldsensoren im Automobil müssen die Leistungsfähigkeit und der Funktionsumfang des einzelnen Sensors immer weiter gesteigert werden .
Dieser Erfindung liegt die allgemeine Aufgabe zugrunde, die Funktionsfähigkeit und den möglichen Funktionsumfang von optischen Sensoren zu erweitern, und dabei Platzbedarf, externe Anschlüsse und die Kosten zu minimieren. Ein Grundgedanke der Erfindung ist es, einen Bildsensor zugleich als Kamerasensor für zumindest eine (kamerabasierte) Fahrerassistenzfunktion und als Empfangseinheit für einen aktiven optischen Sensor (Lidarsensor) einzusetzen. Die beiden Aufgabenbereiche werden durch auf dem Bildsensor angeordnete optische Filterelemente nach den unterschiedlichen Wellenlängenbereichen (sichtbar und infrarot) voneinander getrennt.
Gegenstand der Erfindung ist ein Lidarsensor, der als Empfänger einen Bildsensor für ein Fahrerassistenzsystem vorsieht. Der Bildsensor ist empfindlich für elektromagnetische Strahlung im sichtbaren und im infraroten Wellenlängenbereich. Mittels auf dem Bildsensor angeordneter Filterelemente für Licht im sichtbaren und infraroten Wellenlängenbereich wird für unterschiedliche Pixel oder Bereiche des Bildsensors Licht der entsprechenden Wellenlänge selektiert wird. So detektiert z.B. ein hinter einem infraroten Filterelement angeordneter Pixel infrarotes Licht, das durch den infraroten Filter transmittiert wird.
Damit verfügt ein erfindungsgemäßer Lidarsensor mit als Empfangseinheit zusätzlich über eine Kamerasensorfunktio- nalität im sichtbaren Wellenlängenbereich. Dies bietet den Vorteil, dass die Funktionalität eines aktiven und eines passiven optischen Sensors durch ein einziges kombiniertes Empfangs- und Bildaufnahmeelement realisiert wird. Dies bietet wesentliche Kosten-, Bauraum- und Energiebedarfs- vorteile . Bevorzugt entspricht der Transmissionsbereich des infraroten Filterelements dem Wellenlängenbereich der von der Sendeeinheit des Lidarsensors emittierten elektromagnetischen Strahlung. Der Lidarsensor umfasst somit eine aktive Infrarot-Beleuchtung, auf deren Wellenlänge die infraroten Filterelemente abgestimmt sind.
In einer bevorzugten Ausführungsform umfasst eine Filtermaske für den Bildsensor des Lidarsensors als Filterelemente rot, grün, blau und infrarot. Diese können insbesondere in einer 2x2 -Matrix angeordnet sein (RGB-IR) .
Bevorzugt umfasst die Filtermaske einen oder mehrere ausgedehnte Bereiche mit infraroten Filterelementen, insbesondere horizontal oder vertikal angeordnete Zonen, die sich über eine oder mehrere Pixelzeile (n) bzw. -spalte (n) erstrecken.
Die infraroten Filterelemente lassen bevorzugt Licht der Wellenlänge von 800 nm bis 1000 nm passieren.
Besonders bevorzugt lassen die infraroten Filterelemente Licht der Wellenlänge 900 nm oder 905 nm passieren.
In einer alternativen bevorzugten Ausführungsform lassen die infraroten Filterelemente Licht der Wellenlänge größer 1000 nm passieren, und damit insbesondere auch im infraroten Fernbereich. In einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung werden über ein optisches Element zwei unterschiedliche Sichtweitenbereiche auf zwei unterschiedliche Bereiche des Bildsensors projiziert und die Anordnung der infraroten Filterelemente entspricht einem dieser beiden Bereiche.
Nachfolgend wird die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen und Figuren erläutert .
Fig. 1: Matrix für eine RGB-IR-FiItermaske
Fig. 2: Filtermaske mit einem RGB-Bereich und einem IR-
Bereich
Fig. 3: Filtermaske mit einem RGB-FIR-Bereich und einem
NIR-Bereich
Ausführungsbeispiel 1 :
Ein Kamera-Sensor ist mit einem aktiven optischen Sensor im Nah-Infrarotbereich (Lidar-Sensor) bei z.B. 800-1000nm, insbesondere 900nm, in einem Gerät integriert. Zur Erreichung eines möglichst kosteneffizienten und gleichzeitig hochperformanden Gesamtsystems ist es von Vorteil, den Empfangsteil des Lidarsensors ebenfalls mit einem geeigneten Bildsensor auszustatten. Gegenüber der heute üblichen Lösung über diskrete Empfangszweige mit einzelnen Dioden ist auf diesem Wege ein Vielkanal-Empfangsmodul realisierbar, der eine hochauflösende Abbildung über dem Sichtbereich aufweist.
Diese Aufgabe kann erfindungsgemäß dadurch gelöst werden, dass auf den Imager des Kamera-Sensors ein geeignetes Co- lor Filter Array appliziert wird, welches für bestimmte Pixel eine bevorzugte Selektion im Bereich der verwendeten Infrarot-Wellenlänge, (z.B. zwischen 800 und 1000 nm, insbesondere 900 oder 905nm) vornimmt. So ergibt sich z. B. ein RGB IR (Rot Grün Blau InfraRot) Color Filter Array wie in Fig. 1 dargestellt. Mit dieser RGB-IR-Filtermatrix wird bevorzugt die gesamte Filtermaske des Bildsensors gefüllt. Diese Ausführungsform bietet den Vorteil, dass eine hohe Auflösung an IR-sensitiven Pixeln in vertikaler und horizontaler Richtung des Bildsensors erzielt wird.
Alternativ kann diese Aufgabe dadurch gelöst werden, dass auf den Imager des Kamera-Sensors ein geeignetes Color Filter Array appliziert wird, welches in bestimmten Flächenbereichen der aktiven Pixelfläche eine bevorzugte Selektion im Bereich der verwendeten Infrarot-Wellenlänge, z.B. zwischen 800 und 1000 nm, insbesondere 900 oder 905nm, vornimmt. Dies können z. B. horizontal oder vertikal angeordnete Zonen sein, die jeweils eine oder viele Zeilen oder Spalten von Pixeln breit sind. In Fig. 2 ist eine Filtermaske dargestellt, deren oberer Teil mit RGB- Filterelementen ausgefüllt ist und deren unterer Teil aus einem ausgedehnten Bereich mit infraroten Filterelementen besteht, im dargestellten Fall aus einem einzeiligen Streifen. Diese Ausführungsform bietet den Vorteil, dass im oberen Bereich keine Einbußen bei der Farbauflösung in Kauf genommen werden müssen und im IR-Bereich die volle laterale Auflösung des Bildsensors genutzt werden kann. Der Vorteil von beiden, exemplarisch beschriebenen Umsetzungen ist, dass man parallel zum RGB Bild ein zusätzliches Infrarotbild erhält.
Ausführungsbeispiel 2
Ein Lidarsensor kann zeitweise ohne aktive Sendeeinheit durch den zusätzlichen Infrarot-Sender mit einer der oben beschrieben Filter-Anordnung für ein Fahrerassistenzsystem betrieben werden. Viele moderne Scheinwerfer besitzen auch Infrarot-Anteile im abgestrahlten Wellenlängen-Spektrum, dadurch werden lichtreflektierende Objekte wie z.B. Verkehrszeichen oder Fahrspurmarkierungen von dem Bildsensor sicher erkannt, da sie vom Scheinwerfer des eigenen Fahrzeugs angestrahlt werden.
Dadurch wird eine Verbesserung der Standard-Kamera- Funktionen wie Verkehrzeichenerkennung und Spurerkennung erzielt. Diese können bei einer erfindungsgemäßen Ausgestaltung des Bildsensors des Lidarsensors wie oben beschrieben dediziert vorteilhaft ausgenutzt werden.
Ein alternatives Beispiel für die zukünftige Funktionserweiterung von Kamerasensoren ist die zusätzliche Realisierung der im Automobil bereits etablierten Regensensorik. Diese Funktionalität kann z.B. mittels eines zusätzlichen optischen Elements in einem Kamerasensor umgesetzt werden. Dazu wird ein Teil der aktiven Pixelfläche zur Detektion der Regentropfen auf der Windschutzscheibe verwendet. Zur verlässlichen Detektion des Regens unter allen Beleuch- tungssituationen (z.B. Nacht) ist dazu eine geeignete aktive Beleuchtung, idealerweise im für den Menschen nicht sichtbaren Wellenlängenbereich notwendig.
Damit ist eine weitere mögliche Ausgestaltung der Erfindung die Verwendung eines entsprechenden Color Filter Ar- rays, welches in bestimmten Flächenbereichen der aktiven Pixelfläche eine bevorzugte Selektion im Bereich der für die Beleuchtung des Regensensors verwendeten Wellenlänge vornimmt. Eine Möglichkeit ist dabei auch hier die Verwendung einer Infrarot-Beleuchtung, so dass der genannte Pixelbereich mit dem Color Filter Array auf die Infrarot- Wellenlänge abgestimmt wird. Damit lässt sich auch eine besserer Entkopplung dieser Funktion von den anderen Kamerafunktionen erzielen.
Weitere erfindungsgemäße Umsetzungen liegen in der Applizierung der oben erläuterten, verschiedenen Lösungen auf einen neuartigen Breitband-Bildsensor. Dabei können wiederum durch geeignete Ausgestaltung über der aktiven Pixel - fläche des Bildsensors verteilt oder sektorisiert zwei oder mehrere Funktions- bzw. Nutzungsbereiche realisiert werden, mögliche Funktionen sind Kamerafunktionen, Regensensorik, aktive IR-Sensorik (Nah-Infrarot) , passive IR-Sensorik (Fern- Infrarot z.B. für passive Night Vision) u.s.w.. Die möglichen Ausgestaltungen sind dabei wie oben beschrieben und man erhält auch hier für die unterschiedlichen Funktions- bzw. Nutzungsbereiche parallele Bilder zur Auswertung und so ein sehr kosteneffizientes, multi- funktionales Gesamtsystem. Eine Ausführungsform einer entsprechenden Filtermaske zeigt Fig. 3. Hier werden ferninfrarot (FI) und nahinfrarot (NI) -Filterelemente sowie R, G, B-Filterelemente eingesetzt. Der untere Teil der Filtermaske ist ein reiner NI -Bereich und dient als Empfänger für den Lidarsensor mit hoher lateraler Auflösung. Im oberen Teil der Filtermaske ist mit einer RGB-FI -Matrix ausgefüllt. Hier kann durch die ferninfraroten Filterelemente ein passives Nachtsichtbild ermittelt werden parallel zu dem Farbbild durch die R, G, B-Filterelemente.

Claims

Patentansprüche
1. Lidarsensor, der als Empfänger einen Bildsensor für ein Fahrerassistenzsystem vorsieht, wobei der Bildsensor empfindlich ist im sichtbaren und im infraroten Wellenlängenbereich und auf dem mittels sichtbaren (R, G, B) und infraroten (IR; NI; FI) Filterelementen für unterschiedliche Pixel oder Bereiche des Bildsensors Licht der entsprechenden Wellenlänge selektiert wird.
2. Lidarsensor nach Anspruch 1, wobei der Transmissionsbereich der infraroten (IR; NI; FI) Filterelemente dem Wellenlängenbereich der von der Sendeeinheit des Lidarsensors emittierten elektromagnetischen Strahlung entspricht.
3. Lidarsensor nach Anspruch 1 oder 2, wobei eine Filtermaske des Bildsensors als Filterelemente rot, grün, blau
(R, G, B) und infrarot (IR; NI; FI) umfasst .
4. Lidarsensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Filtermaske einen oder mehrere ausgedehnte Bereiche mit infraroten (IR; NI; FI) Filterelementen um- fasst .
5. Lidarsensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die infraroten (IR; NI) Filterelemente Licht der Wellenlänge von 800 nm bis 1000 nm passieren lassen.
6. Lidarsensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die infraroten (IR; NI) Filterelemente Licht der Wellenlänge 900 nm oder 905 nm passieren lassen.
7. Lidarsensor nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei die infraroten (IR; FI) Filterelemente Licht der Wellenlänge größer 1000 nm passieren lassen.
8. Lidarsensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei über ein optisches Element zwei unterschiedliche Sichtweitenbereiche auf zwei unterschiedliche Bereiche des Bildsensors projiziert werden und die Anordnung der infraroten (IR; NI; FI) Filterelemente einem dieser beiden Bereiche entspricht.
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