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CN114402226B - 光学传感器 - Google Patents

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CN114402226B CN202080063847.8A CN202080063847A CN114402226B CN 114402226 B CN114402226 B CN 114402226B CN 202080063847 A CN202080063847 A CN 202080063847A CN 114402226 B CN114402226 B CN 114402226B
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Abstract

本发明涉及一种光学传感器(25)，所述光学传感器包括第一光探测器(30)、第二光探测器(35)、光学路径(40)和分析处理单元(10)，其中，所述第一光探测器(30)设置用于检测在红外波长范围中的光。所述第一光探测器(30)和所述第二光探测器(35)分别是CCD传感器，其中，所述第一光探测器(30)的CCD传感器的光敏度与所述第二光探测器(35)的CCD传感器的光敏度在预定义的波长范围方面不同。所述第一光探测器(30)和所述第二光探测器(35)此外具有列状布置的像素(50)，所述像素这样彼此相邻地布置，使得所述第一光探测器(30)的第一纵向侧与所述第二光探测器(35)的第一纵向侧邻接，并且第一光探测器(30)和所述第二光探测器附加地设置用于通过所述光学路径(40)接收光。所述第一光探测器(30)进一步设置用于由电荷产生第一测量信号，所述第二光探测器(35)进一步设置用于由电荷产生第二测量信号。所述分析处理单元(10)设置用于接收具有第一采样频率的所述第一测量信号并且接收具有第二采样频率的所述第二测量信号，并且将所述第一测量信号和所述第二测量信号合并成输出信号。

Description

光学传感器
技术领域
本发明涉及一种光学传感器并且尤其涉及一种基于CCD技术的光学传感器。
背景技术
由现有技术已知基于不同技术的光学传感器，例如CCD探测器、CMOS探测器、SPAD探测器等等，所述光学传感器能够用于检测电磁辐射。CCD探测器和CMOS探测器通常用于摄像机系统中的RGB图像检测，而SPAD探测器通常结合激光雷达传感器使用。此外，由现有技术已知运输工具，所述运输工具基于摄像机和/或基于激光雷达系统执行环境检测。
DE102009060392A1描述一种用于布置在机动车玻璃片内侧上的传感器装置，该传感器装置具有至少一个用于接收和/或发送电磁辐射的传感器，所述传感器装置包括用于容纳计算单元的第一壳体模块和用于容纳至少一个传感器的第二壳体模块。在一种优选的实施方式中，在第二壳体模块中布置有激光雷达传感器和摄像机，该激光雷达传感器由激光发射器和激光接收器组成。该激光发射器优选能够是脉冲式激光器，该激光器由预给定数量的激光二极管组成，所述激光二极管相互连接成堆(Stack)。
WO002001017838A1描述一种用于借助图像拍摄设备监控危险区域的危险的和/或有危害的物品的方法，其中，基于多个传感器进行图像拍摄，以便提高可靠性和说服力。本发明的示出的一个实施例基于对立体图像对的自动立体分析处理和借助三维激光测量技术的空间数据获取的优点的组合。
US2016240579A1描述一种光学传感器，该光学传感器包括像素阵列，该像素阵列由多个用于检测可见光的像素和多个用于检测红外光的像素组成，其中，用于红外光检测的像素尤其检测所发出的红外光的TOF(飞行时间，英语：Time of Flight)信息。在根据本发明的传感器的一种优选的实施方式中，相应的传感器像素交织地布置在单个的晶片(Die)上，并且具有分离的线路，用以读出相应的传感器信息。
本发明的任务在于提供一种光学传感器，该光学传感器设置用于能够基于组合式CCD传感器实现基于激光雷达的深度检测和基于RGB的颜色检测。
发明内容
本发明提出一种光学传感器，该光学传感器包括第一光探测器、第二光探测器、光学路径和分析处理单元。第一光探测器设置用于检测在红外波长范围中的光。红外波长范围中的光优选能够借助光学传感器的红外激光源产生并且辐射到光学传感器的环境中。因此，红外激光的通过环境反射和/或散射至第一光探测器的部分能够用于通过第一光探测器进行的主动测量。通过第一光探测器和/或通过第二光探测器检测的、在红外波长范围中的光能够进一步优选地是脉冲式激光和/或“连续波式”激光。
第一光探测器和第二光探测器分别是CCD(“电荷耦合装置”，英语：charge-coupled device)传感器，其中，第一光探测器的CCD传感器的光敏度与第二光探测器的CCD传感器的光敏度在预定义的波长范围方面不同。因此，对于第一光探测器和第二光探测器都设计用于基本上相同的波长范围(例如二者都设计为红外光探测器)的情况，则根据本发明，两个光探测器中的一个光探测器在该波长范围中具有较低的灵敏度。对于第一光探测器和第二光探测器设计用于不同的波长范围(例如红外光探测器和用于可见光的RGB光探测器)的情况，则根据本发明，第一光探测器对于第二光探测器的波长范围具有更低的光灵敏度(或者甚至不具有光灵敏度)，反之亦然。此外，第一光探测器和第二光探测器分别包括列状布置的像素，所述像素这样彼此相邻地布置，使得第一光探测器的第一纵向侧与第二光探测器的第一纵向侧邻接。第一光探测器和第二光探测器的相应的像素列能够分别包括像素的一维的或者二维的布置。由于第一光探测器和第二光探测器的像素列的局部接近，两个光探测器设置用于同时通过共同使用的光学路径接收来自光学传感器的环境中的光。光学传感器结合第一光探测器设置用于由在光入射到第一光探测器上的情况下产生的电荷产生第一测量信号，并且结合第二光探测器设置用于由在光入射到第二光探测器上的情况下产生的电荷产生第二测量信号。
分析处理单元设置用于接收具有第一采样频率的第一测量信号并且接收具有第二采样频率的第二测量信号，并且将所述第一测量信号和所述第二测量信号合并成输出信号，该分析处理单元例如能够构型为ASIC、FPGA、处理器、数字信号处理器、微控制器或者类似物。输出信号优选能够是由第一测量信号和第二测量信号产生的总信号。替代地或者附加地，输出信号也能够包括作为分离的测量信号的第一测量信号和第二测量信号。此外，第一采样频率和第二采样频率能够是相同的或者不同的频率。优选能够通过A/D转换器将根据本发明的分析处理单元信息技术地连接到光学传感器上，该A/D转换器设置用于将通过第一光探测器和第二光探测器产生的电荷量转换为相对应的数字信号。这能够通过由第一和第二光探测器共同使用的A/D转换器或者通过相应的分离的用于相应的光探测器的A/D转换器来进行。此外，A/D转换器能够是光学传感器本身的组成部分或者分析处理单元的组成部分。除此之外，分析处理单元能够是光学传感器的组成部分。有利地，相应的A/D转换器此外还能够连接在信号放大器的上游。
光学路径能够理解为光学传感器的通向第一和第二光探测器的相应的传感器像素的(例如在壳体中的)进入开口之间的光进入路径。优选地，在光学路径内例如可以存在用于优化地匹配(例如聚束、转向、分离等等)进入到光学传感器中的光的光学元件，所述光学元件例如是透镜、透镜系统、镜子等等。
从属权利要求示出本发明的优选的扩展方案。
在本发明的一种有利的构型中，光学传感器是转动扫描器，和/或分析处理单元设置用于由相应的扫描过程的多个第一测量信号和多个第二测量信号产生光学传感器的环境的相应的与光探测器相关的总图像和/或光学传感器的环境的与传感器相关的总图像(Gesamtbilder)，并且将其以输出信号的形式输出。根据本发明的光学传感器借助转动扫描器的由现有技术已知的转动扫描运动设置用于对光学传感器的环境顺序地采样。分析处理单元能够例如基于通过分析处理单元实施的计算机程序设置用于将相应的构造为列状的单个图像组合成环境的总图像。
在本发明的另一有利的构型中，光学传感器附加地包括第一转移寄存器和/或第二转移寄存器，其中，第一转移寄存器和/或第二转移寄存器分别包括至少一个像素列，该像素列与第一光探测器的第二纵向侧邻接和/或与第二光探测器的第二纵向侧邻接。另外，第一转移寄存器和第二转移寄存器设置用于缓存通过第一光探测器和/或第二光探测器产生的电荷并且顺序地以时钟驱动地分析处理单元输出所述电荷。按照现有技术中的CCD传感器原理，相应的转移寄存器位于光学传感器的防光区域中，使得通过光学路径入射的光对转移寄存器丝毫没有影响。与根据本发明的光学传感器的相应的应用相关地，能够有利的是，仅设置第一或者仅设置第二转移寄存器或者相应地设置两个转移寄存器，以便从相应的光探测器面的区域中向外输送通过光学传感器产生的电荷用于下游的读出过程。
在本发明的另一有利的构型中，第一转移寄存器和第二转移寄存器具有相同或者彼此不同数量的像素列。第一转移寄存器和/或第二转移寄存器的像素列的数量优选以相应待检测的光的突出特征和/或相应的光探测器的相应的采样频率为导向(sichorientieren an)。在使用脉冲式激光来照亮光学传感器的环境的情况下，能够优选这样选择用于分别与红外光接收相关的转移寄存器的像素列的数量，使得脉冲式激光的至少一个脉冲宽度能够完整地保留在相应的转移寄存器中。
在本发明的另一有利的构型中，第二光探测器设置用于检测在可见波长范围中的光，并且分析处理单元附加地设置用于基于第一测量信号并且基于第二测量信号产生输出信号，该输出信号不仅包括关于通过光学传感器检测的环境的深度信息、还包括关于通过光学传感器检测的环境的颜色信息。优选地，通过第二光探测器进行的对可见光的测量是被动测量，但是也能够考虑，通过使用用于可见波长范围的光源附加地照亮该环境，由此也能够通过第二光探测器实现主动测量。
在本发明的另一有利的构型中，第二光探测器设置用于检测在红外波长范围中的光，并且分析处理单元附加地设置用于基于第一测量信号和第二测量信号产生输出信号，该输出信号包括关于第一测量信号的或者关于第二测量信号的扩展的动态范围。由于第一光探测器的和第二光探测器的根据本发明的不同灵敏度，分析处理单元例如能够使用来自对光较灵敏的光探测器的相应的测量信号的环境的曝光较弱的区域，而该分析处理单元能够使用对光较低敏感的光探测器的相应的测量信号的环境的曝光较强的区域。适合的用于合并两个测量信号的算法例如能够以由现有技术已知的、用于产生所谓的HDR(“高动态范围”，英语：High Dynamic Range)图像的算法为导向。
在本发明的另一有利的构型中，第一光探测器和第二光探测器分别具有相同的或者不同的半导体材料和/或曝光时间和/或关于光学路径的定向和/或衰减滤波器(例如灰色滤波器)和/或采样频率和/或分辨率和/或像素尺寸。尤其由于相应的光探测器的上述技术特性中的一个或者多个技术特性之间的偏差，在使用两个红外光探测器的情况下能够实现动态范围的适合的扩展。除此之外，能够利用两个光探测器之间的不同的技术特性，以便特定于应用地有利地构型红外光探测器和RGB光探测器的上述组合。在红外/RGB光探测器组合的情况下，能够特别有利的是，将第一光探测器(即红外光探测器)优化地定向到光学路径上(即与光学路径垂直)，以便能够实现用于该光探测器的最大光效率，而RGB光探测器能够与相对于光学路径的优化定向具有与此相关的小偏差。
在本发明的另一有利的构型中，第一光探测器和第二光探测器能够共同构造在同一衬底上或者能够构造在分离的衬底上。此外，第一光探测器和/第二光探测器能够分别基于硅或者磷化铟或者砷化镓制造。在基于同一半导体材料构型第一光探测器和第二光探测器的情况下，尤其能够使用硅，因为硅不仅适合用于红外波长范围中的检测，还适合用于可见波长范围中的检测。通过使用同一半导体材料，能够减小生产步骤和与此相关的制造成本。除此之外，由此还能够实现更高的集成化，并且因此能够实现光学传感器的尺寸的减小。
通过在此提出的、基于CCD激光雷达系统的、同时的RGB图像检测和间距测量，主要能够实现颜色信息和深度信息的优化的时间同步。除此之外，能够省去用于不同的光探测器的调整花费和校准花费，因为该待检测的光能够通过同一光学路径接收。
附图说明
以下参考所附附图详细描述本发明的实施例。在此示出：
图1示出根据本发明的光学传感器的示意性概貌；
图2示出根据本发明的光学传感器的光探测器单元的第一实施方式；
图3示出根据本发明的光学传感器的光探测器单元的第二实施方式；
图4示出根据本发明的光学传感器的光探测器单元的第三实施方式。
具体实施方式
图1示出根据本发明的光学传感器25的示意性概貌，该光学传感器在此是转动扫描器。光学传感器25包括光探测器单元45，该光探测器单元包括第一光探测器30和第二光探测器35。第一光探测器30在此是用于红外波长范围的光探测器，而第二光探测器35在此是用于可见波长范围的光探测器。第一光探测器30和第二光探测器35分别包括一维的像素列55，该像素列分别由多个探测器像素50组成。第一光探测器30的像素列55这样关于光学传感器25的光学路径40(光进入路径)定向，使得第一光探测器30的像素板55的面法线与光学路径40平行地伸展。光学路径40在此包括透镜系统70，该透镜系统对进入到光学传感器25中的光进行聚焦。与相应的光探测器30、35邻接地布置有第一转移寄存器60和第二转移寄存器65，所述第一转移寄存器和所述第二转移寄存器设置用于，从光探测器30、35的光敏区域中向外输送通过光探测器30、35在光入射时产生的电荷。通过电荷表示的图像信息通过这种方式从光探测器单元45的中间区域输送至光探测器单元45的相应侧。在那里，电荷量通过由相应的(未示出的)信号放大器和A/D转换器组成的组合转换到第一和第二数字测量信号并且传输给根据本发明的分析处理单元10，该分析处理单元与A/D转换器信息技术地连接。分析处理单元10将接收到的测量信号储存在存储器单元20中，该存储器单元信息技术地连接到分析处理单元10上。在对光学传感器25的环境进行完整采样之后，分析处理单元10基于保存在存储器单元20中的测量信号来计算环境的呈3D彩色图像形式的总图像。
图2示出根据本发明的呈转动扫描器形式的光学传感器的光探测器单元45的第一实施方式。探测器单元45包括第一光探测器30和第二光探测器35(RGB传感器)，第一光探测器用于检测在红外波长范围中的光，该第一光探测器在此是激光雷达传感器，第二光探测器用于检测在可见波长范围中的光。与在图1中一样，通过相应的像素列55的转动并且通过相应的探测到的列图像的组合，在此也产生光学传感器的环境的总图像。为了考虑不同测量所需要的不同的飞行时间，在激光雷达传感器的情况下，通过入射光产生的电子通过第一转移寄存器60向左移动离开(第一转移方向62)。这能够实现相应高的采样频率，如在TOF(“飞行时间”，英语：Time of Flight)测量原理的情况下对激光雷达脉冲进行采样所需要的采样频率那样。对于RGB传感器，由于基于积分的测量原理(成像器原理)，在单个像素50内需要相对较长的积分时间，因此需要较低的采样频率。在RGB传感器的情况下，通过入射光产生的电子通过第二转移寄存器65向右移动离开(第二转移方向67)。在图1中示出第一光探测器30与第二光探测器35之间具有不同像素尺寸的一种实施方式。因此，能够为每个“激光雷达像素”50提供完整的颜色信息。
图3示出根据本发明的呈转动扫描器形式的光学传感器的探测器单元45的第二实施方式。探测器单元45包括第一光探测器30和第二光探测器35，第一光探测器和第二光探测器分别设置用于检测在红外波长范围中的光。虽然第二实施方式在第一光探测器30和第二光探测器35的相应的像素列55中设置相应的探测器像素50的相同的像素尺寸，但是在此以不同的采样频率运行相应的光探测器30、35。由此，在相应的光探测器30、35的探测器像素50内产生不同长度的积分时间，所述不同长度的积分时间导致相应的光探测器30、35的不同的灵敏度。通过光入射在光探测器30、35中释放的电子通过第一转移寄存器60在第一转移方向62上并且通过第二转移寄存器65在第二转移方向67上以相应的特定于光探测器的时钟被引导至A/D转换器80，该A/D转换器随后产生用于第一光探测器30的第一数字测量信号和用于第二光探测器35的第二数字测量信号。基于所述两个测量信号，根据本发明的(未示出的)分析处理单元随后能够计算光学传感器25的环境的、具有扩展的动态范围的总图像。
图3示出根据本发明的呈转动扫描器形式的光学传感器的探测器单元45的第三实施方式。探测器单元45包括第一光探测器30和第二光探测器35，第一光探测器和第二光探测器分别设置用于检测在红外波长范围中的光。与图2不同，第二光探测器35在像素列55中具有的探测器像素50的像素数量是第一光探测器30的像素数量四倍。相应地，分别相对应的转移寄存器60、65的像素数量也是不同的，所述转移寄存器将在第一光探测器30和第二光探测器35中的、通过光入射产生的电荷在相对应的转移方向62、67的方向上向外输送。通过这种方式还能够产生相应的光探测器30、35的不同的灵敏度，因为由于探测器像素50的不同的面积在相同的时间段中接收更多的(更大的像素)或者更少的(更小的像素)光子，因此，由此产生的测量信号中的一个测量信号适合用于检测光线强的对象，由此产生的测量信号中的相应的另一个测量信号适合用于检测光线弱的对象。(未示出的)根据本发明的分析处理单元随后将所述两个测量信号计算(verrechnen)成具有增加的动态范围的总图像。

Claims (9)

1.一种光学传感器(25)，所述光学传感器包括：
第一光探测器(30)，
第二光探测器(35)，
光学路径(40)，和
分析处理单元(10)，
其中，
所述第一光探测器(30)设置用于检测在红外波长范围中的光，所述第一光探测器(30)和所述第二光探测器(35)
分别是CCD传感器，其中，所述第一光探测器(30)的CCD传感器的光敏度与所述第二光探测器(35)的CCD传感器的光敏度在预定义的波长范围方面不同，
分别具有列状布置的像素(50)，所述像素如此彼此相邻地布置，使得所述第一光探测器(30)的第一纵向侧与所述第二光探测器(35)的第一纵向侧邻接，
分别设置用于通过所述光学路径(40)接收光，
其中，所述光学传感器结合所述第一光探测器(30)设置用于由电荷产生第一测量信号，并且结合所述第二光探测器(35)设置用于由电荷产生第二测量信号，
所述分析处理单元(10)设置用于接收具有第一采样频率的所述第一测量信号并且接收具有第二采样频率的所述第二测量信号，并将所述第一测量信号和所述第二测量信号合并成输出信号，
其中，所述光学传感器进一步包括：
第一转移寄存器(60)，和/或
第二转移寄存器(65)，
其中，所述第一转移寄存器(60)和/或所述第二转移寄存器(65)分别包括至少一个像素列(55)，所述像素列与所述第一光探测器(30)的第二纵向侧邻接和/或与所述第二光探测器(35)的第二纵向侧邻接，
设置为用于缓存通过所述第一光探测器(30)和/或所述第二光探测器(35)产生的电荷并且顺序地以时钟驱动地向所述分析处理单元(10)输出所述电荷。
2.根据权利要求1所述的光学传感器(25)，其中，
所述光学传感器(25)是转动扫描器，和/或
所述分析处理单元(10)设置用于由相应的扫描过程的多个第一测量信号和多个第二测量信号产生所述光学传感器(25)的环境的相应的与光探测器相关的总图像，和/或
与传感器相关的总图像，
并且将所述相应的与光探测器相关的总图像和/或与传感器相关的总图像以所述输出信号的形式输出。
3.根据权利要求1所述的光学传感器(25)，其中，
所述第一转移寄存器(60)和所述第二转移寄存器(65)具有相同或彼此不同数量的像素列(55)，
所述第一转移寄存器(60)和/或所述第二转移寄存器(65)的相应的像素列(55)的数量以
相应待检测的光的突出特征，和/或
相应的光探测器(30、35)的相应的采样频率
为导向。
4.根据权利要求1至3中任一项所述的光学传感器(25)，其中，所述第二光探测器(35)设置用于检测在可见波长范围中的光，所述分析处理单元(10)设置用于基于所述第一测量信号和所述第二测量信号产生输出信号，所述输出信号不仅包括关于通过所述光学传感器(25)检测的环境的深度信息、还包括关于所述通过所述光学传感器(25)检测的环境的颜色信息。
5.根据权利要求1至3中任一项所述的光学传感器(25)，其中，所述第二光探测器(35)设置用于检测在红外波长范围中的光，所述分析处理单元(10)设置用于基于所述第一测量信号和所述第二测量信号产生输出信号，所述输出信号包括关于所述第一测量信号的或关于所述第二测量信号的经扩展的动态范围。
6.根据权利要求1至3中任一项所述的光学传感器(25)，其中，所述第一光探测器(30)和所述第二光探测器(35)分别具有相同的或不同的半导体材料，和/或
曝光时间，和/或
关于所述光学路径(40)的定向，和/或
衰减滤波器，和/或
采样频率，和/或
分辨率，和/或
像素尺寸。
7.根据权利要求1至3中任一项所述的光学传感器(25)，其中，通过所述第一光探测器(30)和/或第二光探测器(35)检测的、在红外波长范围中的光是通过所述光学传感器(25)发射到所述光学传感器(25)的环境中的、
脉冲式的，和/或
连续波式的
激光。
8.根据权利要求1至3中任一项所述的光学传感器(25)，其中，所述第一光探测器(30)和所述第二光探测器(35)
共同构造在同一衬底上，或
构造在分离的衬底上。
9.根据权利要求1至3中任一项所述的光学传感器(25)，其中，所述第一光探测器(30)和/所述第二光探测器(35)分别基于
硅，或
磷化铟，或砷化镓制造。
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