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Stand der Technik
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Die Erfindung geht aus von einer Vorrichtung oder einem Verfahren nach Gattung der unabhängigen Ansprüche. Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist auch ein Computerprogramm.
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Moderne Bildsensoren können beispielsweise ein orthogonales Gitter aus Einzelsensorzellen aufweisen. Die Einzelsensorzellen können je nach Anwendung mit oder ohne Farbfilter realisiert sein.
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Offenbarung der Erfindung
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Vor diesem Hintergrund werden mit dem hier vorgestellten Ansatz ein Sensormodul, ein Verfahren zum Ermitteln einer Helligkeit und/oder einer Farbe einer elektromagnetischen Strahlung unter Verwendung eines Sensormoduls, ein Verfahren zum Herstellen eines Sensormoduls sowie eine Vorrichtung, die diese Verfahren verwendet, gemäß den Hauptansprüchen vorgestellt. Durch die in den abhängigen Ansprüchen aufgeführten Maßnahmen sind vorteilhafte Weiterbildungen und Verbesserungen der im unabhängigen Anspruch angegebenen Vorrichtung möglich.
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Es wird ein Sensormodul mit folgenden Merkmalen vorgestellt:
zumindest einem Helligkeitssensorelement zum Erfassen einer Helligkeit einer breitbandigen elektromagnetischen Strahlung; und
zumindest einem Farbsensorfeld, das zumindest ein Farbsensorelement zum Erfassen einer Farbe der elektromagnetischen Strahlung aufweist, wobei das Helligkeitssensorelement eine größere Sensorfläche als das Farbsensorfeld aufweist.
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Bei dem Sensormodul kann es sich beispielsweise um einen Bildsensor für eine Fahrzeugkamera handeln. Unter einem Helligkeitssensorelement kann ein lichtempfindliches Pixel zum Erfassen einer Intensität der elektromagnetischen Strahlung verstanden werden. Beispielsweise kann es sich bei dem Helligkeitssensorelement um ein breitbandiges Monochromsensorelement handeln. Unter einem Farbsensorfeld kann eine flächige Anordnung aus zumindest einem Farbsensorelement verstanden werden. Beispielsweise kann es sich bei dem Farbsensorfeld um ein Cluster oder ein Array aus zumindest zwei Pixeln als Farbsensorelementen handeln. Die Farbsensorelemente können beispielsweise eine Bayer-Matrix bilden und in einem orthogonalen Gitter angeordnet sein. Hierbei kann das Farbsensorfeld mit einem Farbfilter zum Filtern bestimmter Farben aus einem Spektrum der elektromagnetischen Strahlung überzogen sein. Bei der elektromagnetischen Strahlung kann es sich insbesondere um sichtbares Licht oder Licht im Nahinfrarotbereich handeln. Unter einer Sensorfläche kann eine lichtempfindliche Fläche des Helligkeitssensorelements oder des Farbsensorfelds verstanden werden. Beispielsweise kann das Helligkeitssensorelement eine zumindest doppelt so große Sensorfläche wie das Farbsensorfeld aufweisen.
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Das Helligkeitssensorelement kann beispielsweise als Viereck oder Vieleck ausgeformt sein. Insbesondere kann das Helligkeitssensorelement als unregelmäßiges Zwölfeck in Kreuzform ausgestaltet sein.
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Das Farbsensorfeld kann zumindest viereckig, insbesondere rechteckig oder quadratisch, ausgeformt sein. Ebenso kann auch das Farbsensorelement zumindest viereckig, insbesondere rechteckig oder quadratisch, ausgeformt sein.
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Der hier vorgestellte Ansatz beruht auf der Erkenntnis, dass durch eine geeignete Anordnung unterschiedlich großer Sensorzellen für eine Helligkeits- und Farbdetektion in einem Sensormodul eine hohe Lichtempfindlichkeit bei gleichzeitig hoher räumlicher Auflösung erreicht werden kann. Insbesondere kann dadurch ein annähernd Aliasing-freies Abtasten entsprechender Farb- und Monochromsensorelemente bei gleicher optischer Ortsauflösung für einen Luminanz- und Farbkanal erreicht werden. Eine derartige Sensorarrayanordnung eignet sich beispielsweise für maschinelles Sehen und bietet den Vorteil eines guten Kompromisses zwischen Lichtempfindlichkeit, räumlicher Auflösung, Farbtreue und Herstellungskosten.
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Gemäß einer Ausführungsform kann das Helligkeitssensorelement eine zumindest doppelt so große Sensorfläche wie das Farbsensorfeld aufweisen. Dadurch kann eine besonders hohe Lichtempfindlichkeit des Sensormoduls gewährleistet werden.
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Gemäß einer weiteren Ausführungsform kann das Sensormodul eine größere Anzahl an Farbsensorfeldern und/oder Farbsensorelementen als an Helligkeitssensorelementen aufweisen. Beispielsweise kann das Sensormodul zumindest viermal so viele Farbsensorelemente wie Helligkeitssensorelemente aufweisen. Dadurch kann eine räumliche Auflösung des Sensormoduls ohne Vergrößerung einer Gesamtsensorfläche des Sensormoduls erhöht werden.
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Es ist vorteilhaft, wenn das Farbsensorfeld zumindest ein zusätzliches Farbsensorelement zum Erfassen einer zusätzlichen Farbe der elektromagnetischen Strahlung aufweist. Dadurch können unterschiedliche Farben durch das Farbsensorfeld erfasst werden.
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Des Weiteren kann das Helligkeitssensorelement zumindest eine Einbuchtung aufweisen. Das Farbsensorfeld kann zumindest teilweise in der Einbuchtung angeordnet sein. Bei der Einbuchtung kann es sich beispielsweise um eine rechteckige oder quadratische Aussparung in einem Randbereich des Helligkeitssensorelements handeln. Insbesondere kann die Einbuchtung in einem Eckbereich des Helligkeitssensorelements ausgebildet sein. Das Farbsensorfeld kann derart in der Einbuchtung angeordnet sein, dass die Einbuchtung zumindest größtenteils durch das Farbsensorelement ausgefüllt ist. Beispielsweise kann das Helligkeitssensorelement im Wesentlichen als Kreuz ausgeformt sein. Hierbei kann das Farbsensorelement zumindest teilweise in einer durch zwei Balken des Kreuzes begrenzten Einbuchtung angeordnet sein. Das Kreuz kann beispielsweise vier punktsymmetrisch angeordnete Einbuchtungen aufweisen. Diese Ausführungsform ermöglicht eine besonders kompakte Bauform des Sensormoduls.
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Gemäß einer weiteren Ausführungsform kann das Helligkeitssensorelement in einem Verfahren der Festkörper-Halbleitertechnik, der organischen Halbleiter oder der hybriden Fertigungstechnik hergestellt sein. Zusätzlich oder alternativ kann auch das Farbsensorfeld in dem Verfahren der Halbleitertechnik hergestellt sein. Dadurch kann das Sensormodul effizient und kostengünstig in großen Stückzahlen hergestellt werden.
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Es ist ferner von Vorteil, wenn das Sensormodul zumindest ein weiteres Helligkeitssensorelement zum Erfassen der Helligkeit der elektromagnetischen Strahlung und, zusätzlich oder alternativ, zumindest ein weiteres Farbsensorfeld, das zumindest ein weiteres Farbsensorelement zum Erfassen der Farbe der elektromagnetischen Strahlung aufweist, umfasst. Hierbei kann das weitere Helligkeitssensorelement eine größere Sensorfläche als das Farbsensorfeld oder das weitere Farbsensorfeld aufweisen. Beispielsweise kann das Sensormodul mit einer Mehrzahl von Helligkeitssensorelementen und einer Mehrzahl von Farbsensorfeldern realisiert sein. Durch diese Ausführungsform können die Lichtempfindlichkeit und die räumliche Auflösung des Sensormoduls deutlich erhöht werden.
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Hierbei können das Farbsensorfeld und das weitere Farbsensorfeld relativ zum Helligkeitssensorelement im Wesentlichen punktsymmetrisch zueinander angeordnet sein. Dadurch wird eine platzsparende, symmetrische Ausrichtung zwischen Farbsensorfeldern und Helligkeitssensorelementen ermöglicht.
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Gemäß einer weiteren Ausführungsform kann das Farbsensorfeld oder, zusätzlich oder alternativ, das weitere Farbsensorfeld zumindest teilweise innerhalb eines Umkreises um einen Mittelpunkt des Helligkeitssensorelements angeordnet sein. Hierbei kann ein Durchmesser des Umkreises maximal einem doppelten Abstand zwischen dem Mittelpunkt des Helligkeitssensorelements und einem Mittelpunkt des weiteren Helligkeitssensorelements entsprechen. Dadurch kann auch in stark unterschiedlich ausgeleuchteten Szenen eine hohe Sensitivität für eine grauwertbasierte Objekterkennung gewährleistet werden.
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Von Vorteil ist auch, wenn das Helligkeitssensorelement und das weitere Helligkeitssensorelement im Wesentlichen gleich groß sind. Zusätzlich oder alternativ können auch das Farbsensorfeld und das weitere Farbsensorfeld im Wesentlichen gleich groß sein. Dadurch kann die Herstellung des Sensormoduls vereinfacht werden. Zudem wird dadurch eine gleichmäßige Anordnung der Helligkeitssensorelemente und der Farbsensorfelder ermöglicht.
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Der hier beschriebene Ansatz schafft zudem ein Verfahren zum Ermitteln einer Helligkeit und/oder einer Farbe einer elektromagnetischen Strahlung unter Verwendung eines Sensormoduls gemäß einer der vorstehenden Ausführungsformen, wobei das Verfahren folgende Schritte umfasst:
Einlesen eines Helligkeitswerts, der eine durch das Helligkeitssensorelement erfasste Helligkeit repräsentiert, und/oder eines Farbwerts, der eine durch das Farbsensorelement erfasste Farbe repräsentiert; und
Verarbeiten des Helligkeitswerts und/oder des Farbwerts, um die Helligkeit und/oder die Farbe der elektromagnetischen Strahlung zu ermitteln.
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Des Weiteren schafft der hier beschriebene Ansatz ein Verfahren zum Herstellen eines Sensormoduls, wobei das Verfahren folgenden Schritt umfasst:
Bearbeiten eines Substrats, um zumindest ein Helligkeitssensorelement zum Erfassen einer Helligkeit einer elektromagnetischen Strahlung und zumindest ein Farbsensorfeld, das zumindest ein Farbsensorelement zum Erfassen einer Farbe der elektromagnetischen Strahlung aufweist, zu bilden, wobei das Substrat derart bearbeitet wird, dass das Helligkeitssensorelement eine größere Sensorfläche als das Farbsensorfeld aufweist.
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Bei dem Substrat kann es sich etwa um ein Halbleitermaterial, insbesondere um ein siliziumhaltiges Material, handeln. Beispielsweise kann das Sensormodul im Schritt des Bearbeitens in einem Verfahren der Halbleitertechnik hergestellt werden.
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Zur Herstellung des Sensors kann ein standardmäßiges CMOS-Sensor-Herstellungsverfahren eingesetzt werden, wobei die Anordnung der Pixel zueinander und die Form der Luminanz-Zellen gemäß dem hier beschriebenen Ansatz gewählt wird.
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Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigt:
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1 eine schematische Darstellung eines Sensorarrays gemäß einem Ausführungsbeispiel;
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2 eine schematische Darstellung eines Farbsensorfelds gemäß einem Ausführungsbeispiel mit einem 3-Kanal Farbfilter;
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3 eine schematische Darstellung eines Farbsensorfelds gemäß einem Ausführungsbeispiel mit einem 4-Kanal Farbfilter;
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4 eine schematische Darstellung einer Vorrichtung gemäß einem Ausführungsbeispiel;
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5 ein Ablaufdiagramm eines Verfahrens zum Ermitteln einer Helligkeit und/oder einer Farbe einer elektromagnetischen Strahlung unter Verwendung eines Sensormoduls gemäß einem Ausführungsbeispiel; und
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6 ein Ablaufdiagramm eines Verfahrens zum Herstellen eines Sensormoduls gemäß einem Ausführungsbeispiel.
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In der nachfolgenden Beschreibung günstiger Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung werden für die in den verschiedenen Figuren dargestellten und ähnlich wirkenden Elemente gleiche oder ähnliche Bezugszeichen verwendet, wobei auf eine wiederholte Beschreibung dieser Elemente verzichtet wird.
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1 zeigt eine schematische Darstellung eines Sensormoduls 100 in Form eines Sensorarrays gemäß einem Ausführungsbeispiel. Das Sensormodul 100 umfasst ein Helligkeitssensorelement 102 zum Erfassen einer Helligkeit einer elektromagnetischen Strahlung sowie ein Farbsensorfeld 104 mit einem Farbsensorelement 106. Das Farbsensorelement 106 besteht aus vier einzelnen adressierbaren Zellen mit unterschiedlichen Farbfiltern und ist ausgebildet, um eine Farbe der elektromagnetischen Strahlung zu erfassen. Das Helligkeitssensorelement 102 ist mit einer deutlich größeren Sensorfläche als das Farbsensorfeld 104 realisiert. Je nach Ausführungsbeispiel ist eine Sensorfläche des Helligkeitssensorelements 102 mindestens doppelt so groß wie eine Sensorfläche des Farbsensorfelds 104.
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Gemäß diesem Ausführungsbeispiel umfasst das Farbsensorfeld 104 neben dem Farbsensorelement 106 beispielhaft ein erstes zusätzliches Farbsensorelement 108, ein zweites zusätzliches Farbsensorelement 110 und ein drittes zusätzliches Farbsensorelement 112. Die vier Farbsensorelemente 106, 108, 110, 112 sind je für einen anderen Wellenlängenbereich der elektromagnetischen Strahlung empfindlich. Beispielsweise ist das Farbsensorelement 106 für die Farbe Blau, das erste zusätzliche Farbsensorelement 108 für die Farbe Grün, das zweite zusätzliche Farbsensorelement 110 für die Farbe Rot und das dritte zusätzliche Farbsensorelement 112 für nahes Infrarot empfindlich. Die vier Farbsensorelemente sind jeweils im Wesentlichen quadratisch ausgeformt und derart zueinander angeordnet, dass auch das Farbsensorfeld 104 eine im Wesentlichen quadratische Form aufweist. Die vier Farbsensorelemente 106, 108, 110, 112 können im Wesentlichen gleich groß sein. Jedes der Farbsensorelemente 106, 108, 110, 112 sowie das Helligkeitssensorelement 102 stellen Lichtsensorelemente, des Sensormoduls 100 dar.
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Das Helligkeitssensorelement 102 weist die Form eines Kreuzes mit vier Einbuchtungen 114 auf, wobei jede der vier Einbuchtungen 114 durch zwei Balken des Kreuzes begrenzt ist. In einer der Einbuchtungen 114 ist ein Abschnitt des Farbsensorfelds 104 angeordnet. Das Farbsensorfeld 104 ist derart in der Einbuchtung 114 platziert, dass das Farbsensorelement 106 die Einbuchtung 114 vollständig ausfüllt, d. h., eine Größe der Einbuchtung 114 entspricht im Wesentlichen einer Größe des Farbsensorelements 106.
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Gemäß dem in 1 gezeigten Ausführungsbeispiel ist das Sensormodul 100 zusätzlich zum Farbsensorfeld 104 mit einer Mehrzahl weiterer Farbsensorfelder 116 realisiert, die analog zum Farbsensorfeld 104 jeweils vier im Wesentlichen gleich große weitere Farbsensorelemente 118 aufweisen. Die vier weiteren Farbsensorelemente 118 eines jeden weiteren Farbsensorfelds 116 sind beispielsweise ebenfalls für je einen anderen Wellenlängenbereich der elektromagnetischen Strahlung empfindlich, etwa für die Farben Rot, Grün, Blau und nahes Infrarot. Hierbei ist in jeder der drei übrigen Einbuchtungen 114 des Helligkeitssensorelements 102 je ein weiteres Farbsensorfeld 116 derart angeordnet, dass die drei übrigen Einbuchtungen 114 ebenfalls vollständig durch je ein weiteres Farbsensorelement 118 ausgefüllt sind. Die in den Einbuchtungen 114 angeordneten weiteren Farbsensorelemente 118 sind beispielsweise für je einen anderen Wellenlängenbereich der elektromagnetischen Strahlung empfindlich, in 1 beispielsweise für die Farben Grün, Rot und nahes Infrarot.
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Das Farbsensorfeld 104 und die weiteren Farbsensorfelder 116 können im Wesentlichen dieselbe Größe aufweisen.
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Zusätzlich zum Helligkeitssensorelement 102 ist das Sensormodul 100 optional mit einer Mehrzahl weiterer Helligkeitssensorelemente 120 realisiert, die im Wesentlichen die gleiche Größe und die gleiche Form wie das Helligkeitssensorelement 102 aufweisen. So ist auch jedes der weiteren Helligkeitssensorelemente 120 mit vier Einbuchtungen 114 realisiert. Wie in 1 zu erkennen, sind die drei zusätzlichen Farbsensorelemente 108, 110, 112 des Farbsensorfelds 104 je in einer Einbuchtung 114 eines benachbart zu dem Helligkeitssensorelement 102 angeordneten weiteren Helligkeitssensorelements 120 angeordnet.
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Gemäß einem Ausführungsbeispiel ist das Farbsensorfeld 104 teilweise innerhalb eines Umkreises 122 um einen Mittelpunkt des Helligkeitssensorelements 102 angeordnet. Der Umkreis 122 weist einen Durchmesser d auf, der maximal einem doppelten Abstand r zwischen zwei Helligkeitssensorelementen entspricht. Beispielsweise repräsentiert der Abstand r einen Abstand zwischen den jeweiligen Mittelpunkten zweier benachbarter Helligkeitssensorelemente. In 1 entspricht der Durchmesser d beispielsweise dem 1,5-fachen Abstand r.
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Wird eine Optik mit einem Unschärfekreis entsprechend 1,5r eingesetzt, so kann die Farbe einer Punktlichtquelle noch eindeutig erkannt werden indem z.B. das L-Sensorelemente 102 und die angrenzenden R, G, B-NIR-Sensorelemente 114 (NIR = nahes Infrarot) mittels geeignetem Algorithmus zu einem Pixel mit einem Luminanzwert und einer Chrominanz-Koordinate berechnet wird.
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Mit einem geeigneten anderen Algorithmus kann aus jeweils vier Farb-Sensorelementen z.B. den Sensorelementen 106, 108, 110, 112 ebenfalls ein Pixel mit einem Luminanzwert und einer Chrominanz-Koordinate berechnet werden.
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Es stehen damit jeweils ein Luminanzwert und Chrominanz-Koordinaten je L-Sensorzelle, z.B. der Sensorzelle 102, und Luminanzwert und Chrominanzwert je Farbcluster, z.B. Farbcluster 104, für die Weiterverarbeitung zur Verfügung, wodurch die noch sinnvoll darstellbare Ortsfrequenz 1 LP / d sowohl für Farbe als auch für Luminanz beträgt. Zeitgleich steht für das vergleichsweise große L-Sensorelement ein besonders lichtstarkes Luminanzsignal mit halber Auflösung zur Verfügung.
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Bei der Auslegung eines Sensors gilt es, einen guten Kompromiss zwischen Lichtempfindlichkeit, räumlicher Auflösung, Farbtreue und Kosten zu finden. Eine hohe Lichtempfindlichkeit kann bei einem gegebenen Prozess beispielsweise durch größere L-Sensorzellen erreicht werden. Die räumliche Auflösung kann durch vergrößerte Arrays, d. h. durch eine größere Anzahl an Sensorzellen, erhöht werden. Die Farbtreue kann durch eine möglichst feine, gut auf die menschliche Wahrnehmung abgestimmte spektrale Zerlegung und Rekonstruktion der Farben verbessert werden. Die Kosten werden hierbei maßgeblich durch eine Gesamtfläche des Sensors beeinflusst.
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Vor diesem Hintergrund werden im Folgenden verschiedene Ausführungsbeispiele des Sensormoduls 100 vorgestellt, die eine wirtschaftliche und effektive Lösung für Systeme für maschinelles Sehen im Automobilbereich darstellen.
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Als Referenzsensor dient beispielsweise ein HDR-Sensor (High Dynamic Range-Sensor) mit RGGB-Pattern. Der HDR-Sensor kann folgende Merkmale aufweisen:
- – Arraygröße: 2 Megapixel (1920 × 1180) Sensorzellen
- – Orthogonale Anordnung auf Gitter mit 3 μm Pixelabstand
- – Theoretisch minimale auflösbare Ortsfrequenz ohne Luminanzaliasing: ca. 80lp/mm; 4 Pixel pro Linienpaar oder 2 Pixel pro Linie
- – Theoretisch minimale auflösbare Ortsfrequenz ohne Farbaliasing: ca. 55 lp/mm; 6 Pixel pro Linienpaar oder 3 Pixel pro Linie
- – Signal-Rausch-Verhältnis 1 im Luminanzkanal bei 3 Lux
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Das Sensormodul 100 weist im Vergleich zum Referenzsensor eine höhere Zahl von Einzelsensoren auf (5-mal so viele), belegt aber die gleiche Fläche wie der Referenzsensor. Eine Ortsfrequenzauflösung für Kontrast und Farbe beträgt beim Sensormodul 100 beispielsweise ca. 80 lp/mm. Das Signal-Rausch-Verhältnis ist beispielsweise 1 im Luminanzkanal bei deutlich weniger als 3 Lux.
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Ein im Folgenden beschriebenes Sensormodul erlaubt es, ein hoch aufgelöstes Intensitäts- oder Grauwertbild mit einer ebenso hoch aufgelösten Farbmessung zu vereinen.
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Um dies bei einer dedizierten optischen Auflösung und einem sich aus einem Design einer Optik ergebenden Unschärfekreis zu erreichen, sollten die Sensorzellen, die das Grauwertbild erzeugen, vorangehend auch Helligkeitssensorelemente genannt, deutlich größer als die Zellen zur Erfassung der Farbe, vorangehend auch Farbsensorelemente genannt, sein.
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Dazu sollten die Sensorzellen so angeordnet sein, dass im Umkreis von maximal zweimal dem Abstand r zwischen zwei Helligkeitssensorelementen hinreichend viele Farbsensorelemente liegen, die für eine Farbortsbestimmung geeignet sind. Beispielsweise können die Farbsensorelemente symmetrisch zu den Helligkeitssensorelementen angeordnet sein. Bei den Helligkeitssensorelementen kann es sich beispielsweise um breitbandige Luminanzzellen handeln.
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Für ein optimiertes System zur Erfassung von Objekten in stark unterschiedlich ausgeleuchteten Szenen, wie dies etwa im Automobilbereich der Fall ist, kann die erforderliche hohe Sensitivität für eine grauwertbasierte Objekterkennung durch ein dichtes Gitter von Helligkeitssensorelementen, etwa breitbandig empfindlichen Lichtsensoren ohne Farbmaske, erreicht werden. Die Helligkeitssensorelemente sollten auch bei geringer Beleuchtung eine gute Kontrastseparation ermöglichen. Beispielsweise sind die Helligkeitssensorelemente als logarithmische oder quasilogarithmische Sensoren ausgebildet. Die Farbsensorelemente können eine lineare Kennlinie aufweisen, da die Farbsignalrekonstruktion standardmäßig und daher kostengünstig auf einem linearen Signal erfolgen kann. Die Farbrekonstruktion sollte erst ab einer mittleren Helligkeit verfügbar sein, da die zu klassifizierenden Objekte zumeist selbstleuchtend, wie etwa Autoscheinwerfer, Rückleuchten oder selbstleuchtende Verkehrszeichen, oder gut ausgeleuchtet sind, wie etwa Straßenschilder oder Markierungen bei Tag oder im Scheinwerferlicht.
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Ein derartiges Sensormodul bietet eine Reihe von Vorteilen.
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So kann die Detektion eines Helligkeitssignals über einen Luminanz- oder Grauwertkanal unabhängig von einer Farbmessung mit einem breitbandigen, hochempfindlichen Sensor erfolgen, der auch bei geringer Beleuchtung ein gutes Signal-Rausch-Verhältnis erlaubt. Das Intensitätssignal sollte nicht aus verteilt gemessenen, unter Umständen rauschlimitierten Signalen rekonstruiert, sondern direkt gemessen werden. Die Signalqualität, die durch das Signal-Rausch-Verhältnis definiert ist, kann so beispielsweise 30 Prozent über der eines rekonstruierten Signals liegen.
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Die Detektion des Farborts kann symmetrisch zum Intensitätssignal gemessen werden. Der Farbort kann beispielsweise als UV-Komponente einem zentralen Intensitätswert zugeordnet werden.
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Ein vierter Farbkanal, der eine Separation eines Infrarotanteils der empfangenen Strahlung ermöglicht, reduziert die Luminanzauflösung des Sensormoduls nicht, erlaubt jedoch den Einsatz einer breitbandigen, bis in den Nahinfrarotbereich von über 650 nm offenen Optik, da die zu Metamerie führenden NIR-Signalanteile getrennt erfasst und gewichtet von den RGB-Kanälen abgezogen werden können, um den störenden Einfluss aus der Farbberechnung zu entfernen.
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Symmetrisch zu einem Intensitätspixel in Form des Helligkeitssensorelements werden vier Farbsamples an jeder Ecke des Intensitätspixels gemessen und beispielsweise zur Plausibilisierung oder Korrektur eines Farbwerts für den zentralen Intensitätspixel verwendet. Farbaliasing kann wirkungsvoll unterdrückt werden, wenn die Auflösungsgrenze der Optik beim 1,5-Fachen eines Intensitätspixelrasters liegt.
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Die Trennung der Intensitäts- und Farbmesskanäle erlaubt den Einsatz unterschiedlicher, jeweils optimal angepasster Sensorauslesestrukturen und Transferkennlinien, etwa kontrasterhaltend logarithmisch für den Intensitätskanal und linear für eine einfache Farbrekonstruktion in den Farbkanälen.
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Das Sensormodul 100 lässt sich beispielsweise folgendermaßen charakterisieren.
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Zum einen weist das Sensormodul 100 getrennte Sensorelemente für eine breitbandige Intensitätsdetektion und eine Farbdetektion auf. Die Intensitätsdetektion erfolgt beispielsweise mithilfe von Luminanzsensoren. Die Farbdetektion erfolgt beispielsweise mithilfe von RGBNIR-Sensoren.
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Hierbei sind die Farbsensorelemente deutlich kleiner als die Helligkeitssensorelemente. Die Helligkeitssensorelemente sind beispielsweise zehnmal so groß wie die Farbsensorelemente. Hierbei können die Farbsensorelemente in Clustern, insbesondere in RGBNIR-Clustern, zwischen den Helligkeitssensorelementen angeordnet sein.
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Das Sensormodul 100 weist zahlenmäßig deutlich mehr Farbsensorelemente als Helligkeitssensorelemente auf, wobei die Farbsensorelemente flächenmäßig kleiner als die Helligkeitssensorelemente sind. Dennoch bedecken die Helligkeitssensorelemente einen Großteil einer Sensorfläche des Sensormoduls 100, beispielsweise etwa 75 Prozent der Sensorfläche.
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Bei den Helligkeitssensorelementen handelt es sich um hochdynamische Sensorzellen, die eine logarithmische oder abschnittsweise lineare Charakteristik aufweisen, um bei starker Bestrahlung nicht in Sättigung zu gehen und bei geringer Bestrahlung hinreichend viele Photonen detektieren zu können. Dadurch kann ein rauscharmes Signal generiert werden.
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Die Farbsensorelemente sind symmetrisch zu den Helligkeitssensorelementen ausgerichtet.
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Gemäß einem Ausführungsbeispiel ist das Sensormodul 100 als ein Bildsensorarray mit einer Vielzahl von Einzelsensorelementen realisiert, wobei sich die Einzelsensorelemente in ihrer Größe erheblich voneinander unterscheiden, beispielsweise zumindest um den Faktor drei.
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Beispielsweise weist das Sensormodul 100 mindestens viermal so viele kleine Sensorelemente wie große Sensorelemente auf.
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Hierbei können die kleinen Sensorelemente in Clustern, beispielsweise in Zweimal-zwei-Clustern, zwischen den großen Sensorelementen eingebettet sein.
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Die großen Sensorelemente können insgesamt zumindest zwei Drittel einer Sensorarrayfläche repräsentieren, wobei die kleinen Sensorelemente insgesamt höchstens ein Drittel der Sensorarrayfläche repräsentieren können.
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Die großen Sensorelemente sind als Helligkeitssensorelemente, etwa als Intensitätssensoren ohne oder mit breitbandigem Spektralfilter, ausgebildet. Bei den kleinen Sensorelementen handelt es sich um Farbsensorelemente, die mit einer Farbfilterschicht bedeckt sein können.
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Die Farbsensorelemente können punktsymmetrisch zu einem Helligkeitssensorelement angeordnet sein.
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Die Helligkeitssensorelemente und die Farbsensorelemente können sich hinsichtlich einer Pixel-Transfer-Charakteristik voneinander unterscheiden. Beispielsweise weisen die Helligkeitssensorelemente eine logarithmische oder quasilogarithmische Charakteristik auf, während die Farbsensorelemente eine lineare Charakteristik aufweisen können.
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Das Sensormodul 100 kann beispielsweise auf einer Siliziumfläche realisiert sein.
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2 zeigt eine schematische Darstellung eines Farbsensorfelds 104 mit einem 3-Kanal Farbfilter gemäß einem Ausführungsbeispiel. Das Farbsensorfeld 104 entspricht im Wesentlichen dem anhand von 1 beschriebenen Farbsensorfeld, mit dem Unterschied, dass das dritte zusätzliche Farbsensorelement 112 ebenso wie das erste zusätzliche Farbsensorelement 108 für die Farbe Grün empfindlich ist. Ein Farbpattern des Farbsensorfelds 104 entspricht beispielsweise einem typischen RGGB-Bayer-Pattern.
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3 zeigt eine schematische Darstellung eines Farbsensorfelds 104 mit einem 4-Kanal Farbfilter gemäß einem Ausführungsbeispiel. Das Farbsensorfeld 104 entspricht im Wesentlichen dem anhand von 1 beschriebenen Farbsensorfeld, mit dem Unterschied, dass das erste zusätzliche Farbsensorelement 108 mit einem breitbandig offenen Filter belegt ist, in 3 mit dem Buchstaben C gekennzeichnet. Ferner ist das Farbsensorelement 106 gemäß 3 für die Farbe Grün empfindlich. Das Farbsensorfeld 104 ist gemäß diesem Ausführungsbeispiel mit einem hochtransparenten Pattern realisiert. Hierbei fungiert das dritte zusätzliche Farbsensorelement 112 als NIR-Passfilter mit einer Durchlässigkeit für Wellenlängen ab 650 nm.
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4 zeigt eine schematische Darstellung einer Vorrichtung 400 gemäß einem Ausführungsbeispiel. Die Vorrichtung 400 dient zum Ermitteln einer Helligkeit oder einer Farbe einer elektromagnetischen Strahlung, etwa unter Verwendung eines Sensormoduls, wie es vorangehend anhand der 1 bis 3 beschrieben ist. Hierzu umfasst die Vorrichtung 400 eine Einleseeinheit 410, die ausgebildet ist, um über eine Schnittstelle zum Sensormodul einen Helligkeitswert 415, der eine durch das Helligkeitssensorelement erfasste Helligkeit repräsentiert, einzulesen. Zusätzlich oder alternativ ist die Einleseeinheit 410 ausgebildet, um über die Schnittstelle einen Farbwert 417, der eine durch das Farbsensorelement des Farbsensorfelds erfasste Farbe repräsentiert, einzulesen. Je nach Ausführungsbeispiel leitet die Einleseeinheit 410 den Helligkeitswert 415 oder den Farbwert 417 oder beide Werte an eine Verarbeitungseinheit 420 weiter, die ausgebildet ist, um unter Verwendung zumindest einer der beiden Werte 415, 417 die Helligkeit oder die Farbe der elektromagnetischen Strahlung zu ermitteln und einen die ermittelte Helligkeit oder Farbe repräsentierenden Ergebniswert 427 auszugeben.
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5 zeigt ein Ablaufdiagramm eines Verfahrens 500 zum Ermitteln einer Helligkeit und/oder einer Farbe einer elektromagnetischen Strahlung unter Verwendung eines Sensormoduls gemäß einem Ausführungsbeispiel. Das Verfahren 500 kann beispielsweise im Zusammenhang mit einer vorangehend anhand von 4 beschriebenen Vorrichtung durchgeführt werden. Hierbei wird in einem Schritt 510 der Helligkeitswert eingelesen. Zusätzlich oder alternativ wird im Schritt 510 der Farbwert eingelesen. In einem Schritt 520 wird der Helligkeitswert bzw. der Farbwert verarbeitet, um die Helligkeit bzw. die Farbe der elektromagnetischen Strahlung zu ermitteln.
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6 zeigt ein Ablaufdiagramm eines Verfahrens 600 zum Herstellen eines Sensormoduls gemäß einem Ausführungsbeispiel. Das Verfahren 600 kann beispielsweise zum Herstellen eines Sensormoduls, wie es vorangehend anhand der 1 bis 5 beschrieben ist, durchgeführt werden. Das Verfahren 600 umfasst einen optionalen Schritt 610, in dem ein Substrat, etwa ein Siliziumträger, bereitgestellt wird. In einem Schritt 620 wird das Substrat, etwa in einem geeigneten Verfahren der Halbleitertechnik, bearbeitet, um zumindest ein Helligkeitssensorelement zum Erfassen einer Helligkeit einer elektromagnetischen Strahlung und zumindest ein Farbsensorfeld, das zumindest ein Farbsensorelement zum Erfassen einer Farbe der elektromagnetischen Strahlung aufweist, zu bilden. Die Bearbeitung des Substrats erfolgt derart, dass eine Sensorfläche des Helligkeitssensorelements deutlich größer als eine Sensorfläche des Farbsensorfeldes ist.
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Umfasst ein Ausführungsbeispiel eine „und/oder“-Verknüpfung zwischen einem ersten Merkmal und einem zweiten Merkmal, so ist dies so zu lesen, dass das Ausführungsbeispiel gemäß einer Ausführungsform sowohl das erste Merkmal als auch das zweite Merkmal und gemäß einer weiteren Ausführungsform entweder nur das erste Merkmal oder nur das zweite Merkmal aufweist.