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WO2021048029A1 - Optischer sensor - Google Patents

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WO2021048029A1
WO2021048029A1 PCT/EP2020/074837 EP2020074837W WO2021048029A1 WO 2021048029 A1 WO2021048029 A1 WO 2021048029A1 EP 2020074837 W EP2020074837 W EP 2020074837W WO 2021048029 A1 WO2021048029 A1 WO 2021048029A1
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WO
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light detector
light
optical sensor
detector
transfer register
Prior art date
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Ceased
Application number
PCT/EP2020/074837
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English (en)
French (fr)
Inventor
Nico Heussner
Mustafa Kamil
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Robert Bosch GmbH
Original Assignee
Robert Bosch GmbH
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Robert Bosch GmbH filed Critical Robert Bosch GmbH
Priority to US17/640,229 priority Critical patent/US12386072B2/en
Priority to CN202080063847.8A priority patent/CN114402226B/zh
Publication of WO2021048029A1 publication Critical patent/WO2021048029A1/de
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    • H10F39/80—Constructional details of image sensors
    • H10F39/803—Pixels having integrated switching, control, storage or amplification elements

Definitions

  • the present invention relates to an optical sensor and in particular to an optical sensor based on CCD technology.
  • Optical sensors based on different technologies are known from the prior art, such as CCD, CMOS, SPAD detectors, etc., which can be used to detect electromagnetic radiation. While CCD and CMOS detectors are mostly used for RGB image acquisition in camera systems, SPAD detectors are often used in connection with LIDAR sensors. Furthermore, means of locomotion are known from the prior art, which carry out an environment detection on the basis of cameras and / or on the basis of LIDAR systems.
  • DE102009060392A1 describes a sensor device for arrangement on the inside of a window of a motor vehicle with at least one sensor for receiving and / or transmitting electromagnetic radiation, comprising a first housing module for receiving a computing unit and a second housing module for receiving the at least one sensor.
  • a lidar sensor consisting of a laser transmitter and a laser receiver and a camera are arranged in the second housing module.
  • the laser transmitter can preferably be a pulsed laser which is composed of a predetermined number of laser diodes which are connected to one another to form a stack.
  • W0002001017838A1 describes a method for monitoring a danger area for endangered and / or dangerous objects by means of an image recording device, with an image recording for increasing a Reliability and a meaningfulness based on several sensors takes place.
  • a shown exemplary embodiment of the invention is based on a combination of advantages of an automatic stereoscopic evaluation of a stereoscopic image pair and spatial data acquisition by means of three-dimensional laser measurement technology.
  • US2016240579A1 describes an optical sensor comprising a pixel array which is composed of a plurality of pixels for the detection of visible light and a plurality of pixels for the detection of infrared light, the pixels for infrared light detection in particular TOF (Time of Flight) information from a transmitted Detect infrared light.
  • the respective sensor pixels are nested on a single die and have separate lines for reading out the respective sensor information.
  • the present invention proposes an optical sensor comprising a first light detector, a second light detector, an optical path and an evaluation unit.
  • the first light detector is set up to detect light in the infrared wavelength range.
  • the light in the infrared wavelength range can preferably be generated by means of an infrared laser source of the optical sensor and emitted into an environment of the optical sensor. Components of the infrared laser light reflected and / or scattered by the environment to the first light detector can thus be used for an active measurement by the first light detector.
  • the light in the infrared wavelength range detected by the first light detector and / or by the second light detector can further preferably be a pulsed and / or a “continuous wave” laser light.
  • the first light detector and the second light detector are each CCD ("charge-coupled device") sensors, whereby the light sensitivity of the CCD Sensor of the first light detector differs from a light sensitivity of the CCD sensor of the second light detector with respect to a predefined wavelength range.
  • both the first light detector and the second light detector are designed for an essentially identical wavelength range (e.g. both as infrared light detectors)
  • one of the two light detectors according to the invention thus has a lower sensitivity in this wavelength range.
  • the first light detector and the second light detector are designed for different wavelength ranges (e.g.
  • the first light detector according to the invention has a lower (or no) light sensitivity for the wavelength range of the second light detector and vice versa.
  • the first light detector and the second light detector each comprise pixels arranged in the form of columns, which are arranged adjacent to one another in such a way that a first longitudinal side of the first light detector adjoins a first longitudinal side of the second light detector.
  • Respective pixel columns of the first light detector and of the second light detector can each comprise one- or two-dimensional arrangements of pixels. Due to the local proximity of the pixel columns of the first light detector and the second light detector, the two light detectors are set up to receive light from the surroundings of the optical sensor simultaneously via the shared optical path.
  • the optical sensor is set up in connection with the first light detector to generate first measurement signals from electrical charges that are generated when light falls on the first light detector and, in connection with the second light detector, from electrical charges that are generated when light falls on the second light detector are generated to generate second measurement signals.
  • the evaluation unit which can be designed as an ASIC, FPGA, processor, digital signal processor, microcontroller, or the like, is set up to receive the first measurement signals with a first sampling frequency and the second measurement signals with a second sampling frequency and convert them to an output signal to merge.
  • the output signal can preferably be an overall signal generated from the first measurement signal and the second measurement signal. Alternatively or additionally, the output signal can also include the first measurement signal and the second measurement signal as separate measurement signals. Furthermore, the first sampling frequency and the second Sampling frequency can be identical or different frequencies.
  • An IT connection of the evaluation unit according to the invention to the optical sensor can preferably take place via an A / D converter which is set up to convert the charge quantities generated by the first light detector and the second light detector into corresponding digital signals.
  • a / D converter shared by the first and second light detectors or by respective separate A / D converters for the respective light detectors.
  • the A / D converter can be a component of the optical sensor itself or a component of the evaluation unit.
  • evaluation unit can be part of the optical sensor.
  • a signal amplifier can also advantageously be connected upstream of a respective A / D converter.
  • the optical path can be understood as a light entry path between an entry opening (for example in a housing) of the optical sensor and the respective sensor pixels of the first and second light detectors.
  • optical elements such as lenses, lens systems, mirrors, etc. can preferably be located for optimal adaptation (e.g. bundling, deflection,
  • the optical sensor is a rotation scanner and / or the evaluation unit is set up, from a plurality of first measurement signals and a plurality of second measurement signals of a respective scanning process, respective light detector-related overall images and / or a sensor-related overall image of an area around the optical sensor to be generated and output in the form of the output signal.
  • the optical sensor according to the invention is set up to scan the surroundings of the optical sensor sequentially.
  • the evaluation unit can be set up, for example, on the basis of a computer program executed by the evaluation unit, to combine respective column-shaped individual images to form an overall image of the surroundings.
  • the optical sensor additionally comprises a first transfer register and / or a second Transfer register, the first transfer register and / or the second transfer register each comprising at least one pixel column which adjoins a second longitudinal side of the first light detector and / or a second longitudinal side of the second light detector.
  • the first transfer register and the second transfer register are set up to temporarily store electrical charges generated by the first light detector and / or by the second light detector and to output them to the evaluation unit in a sequentially clocked manner.
  • the respective transfer registers are located in a light-protected area of the optical sensor, so that light incident through the optical path has no effect on the transfer registers.
  • the first transfer register and the second transfer register have an identical or a different number of pixel columns.
  • the number of respective pixel columns of the first transfer register and / or of the second transfer register is preferably based on an expression of a respective light to be detected and / or on a respective scanning frequency of the respective light detectors. If pulsed laser light is used to illuminate the surroundings of the optical sensor, a number of pixel columns for a transfer register affected by infrared light reception can preferably be selected such that at least one pulse width of the pulsed laser light can be completely reserved in the respective transfer register.
  • the second light detector is set up to detect light in the visible wavelength range and the evaluation unit is also set up to generate an output signal based on the first measurement signal and on the basis of the second measurement signal, which contains both depth information and a Includes color information about the environment detected by the optical sensor.
  • the measurement of the visible light by the second light detector is a passive measurement, but it is also conceivable to additionally illuminate the surroundings by using a light source for the visible wavelength range, whereby an active measurement can also be made possible by the second light detector.
  • the second light detector is set up to detect light in the infrared wavelength range and the evaluation unit is also set up to generate an output signal based on the first measurement signal and the second measurement signal, which has an expanded dynamic range with respect to the first measurement signal or with respect to of the second measurement signal.
  • the evaluation unit can use, for example, less exposed areas of the environment from the respective measurement signal of the light-sensitive light detector, while it can use more exposed areas of the environment from the respective measurement signal of the less light-sensitive light detector.
  • a suitable algorithm for combining the two measurement signals can, for example, be based on an algorithm known from the prior art for generating so-called HDR (“High Dynamic Range”) images.
  • the first light detector and the second light detector each have identical or different semiconductor materials and / or exposure times and / or alignments with regard to the optical path and / or attenuation filter (e.g. gray filter) and / or sampling frequencies and / or Resolutions and / or pixel sizes.
  • attenuation filter e.g. gray filter
  • suitable extensions of the dynamic range can be achieved when using two infrared light detectors.
  • Different technical properties between the two light detectors can also be used to design the above-described combination of an infrared light detector and an RGB light detector in an application-specific, advantageous manner.
  • the first light detector ie the infrared light detector
  • the optical path align ie perpendicular to the optical path
  • the RGB light detector can have an associated slight deviation from the optimal alignment to the optical path.
  • the first light detector and the second light detector can be formed together on one and the same substrate or on separate substrates. Furthermore, the first light detector and / or the second light detector can each be produced on the basis of silicon or indium phosphide or gallium arsenide. In the case of an embodiment of the first light detector and the second light detector based on the same semiconductor material, silicon in particular can be used, since this is suitable both for detection in the infrared wavelength range and in the visible wavelength range. By using one and the same semiconductor material, manufacturing steps associated therewith manufacturing costs can be reduced. In addition, a higher level of integration and thus a reduction in the size of the optical sensor can thereby also be made possible.
  • FIG. 1 shows a schematic overview of an optical sensor according to the invention
  • FIG. 2 shows a first embodiment of a light detector unit of an optical sensor according to the invention
  • FIG. 3 shows a second embodiment of a light detector unit of an optical sensor according to the invention
  • FIG. 4 shows a third embodiment of a light detector unit of an optical sensor according to the invention.
  • FIG. 1 shows a schematic overview of an optical sensor 25 according to the invention, which here is a rotary scanner.
  • the optical sensor 25 comprises a light detector unit 45 which comprises a first light detector 30 and a second light detector 35.
  • the first light detector 30 is here a light detector for the infrared wavelength range
  • the second light detector 35 is here a light detector for the visible wavelength range.
  • the first light detector 30 and the second light detector 35 each include a one-dimensional pixel column 55, which is each composed of a plurality of detector pixels 50.
  • the pixel column 55 of the first light detector 30 is aligned with respect to an optical path 40 (light entry path) of the optical sensor 25 such that the surface normal of the pixel column 55 of the first light detector 30 runs parallel to the optical path 40.
  • the optical path 40 here comprises a lens system 70 which focuses the light entering the optical sensor 25.
  • Adjacent to the respective light detectors 30, 35 are a first transfer register 60 and a second transfer register 65, which are set up to transport charges generated by the light detectors 30, 35 when incident light from a light-sensitive area of the light detectors 30, 35 to the outside. Image information represented by the charges is transported in this way from a central region of the light detector unit 45 to the respective sides of the light detector unit 45.
  • the charge quantities are converted into first and second digital measurement signals via a combination of respective signal amplifiers and A / D converters (not shown) and transmitted to an evaluation unit 10 according to the invention, which is connected to the A / D converters for information purposes.
  • the evaluation unit 10 stores the received measurement signals in a storage unit 20 connected to the evaluation unit 10 for information technology. After a complete scanning of an area around the optical sensor 25, the evaluation unit 10 calculates on the basis of the Storage unit 20 stored measurement signals an overall image of the environment in the form of a 3D color image.
  • FIG. 2 shows a first embodiment of a light detector unit 45 of an optical sensor according to the invention in the form of a rotation scanner.
  • the detector unit 45 comprises a first light detector 30 for detecting light in the infrared wavelength range, which is a lidar sensor here, and a second light detector 35 (RGB sensor) for detecting light in the visible wavelength range.
  • a first light detector 30 for detecting light in the infrared wavelength range
  • a second light detector 35 RGB sensor
  • an overall image of the surroundings of the optical sensor is also created here by rotating respective pixel columns 55 and by joining respective detected column images.
  • the electrons generated by the incident light migrate away to the left in the case of the lidar sensor via the first transfer register 60 (first transfer direction 62).
  • FIG. 1 shows an embodiment with different pixel sizes between the first light detector 30 and the second light detector 35. Complete color information can thus be made available for each “lidar pixel” 50.
  • FIG. 3 shows a second embodiment of a light detector unit 45 of an optical sensor according to the invention in the form of a rotary scanner.
  • the detector unit 45 comprises a first light detector 30 and a second light detector 35, which are each set up to detect light in the infrared wavelength range.
  • the second embodiment provides identical pixel sizes of the respective detector pixels 50 in the respective pixel columns 55 of the first light detector 30 and of the second light detector 35, but the respective light detectors 30, 35 are operated here with different scanning frequencies. This results in integration times of different lengths within the detector pixels 50 of the respective light detectors 30, 35, which lead to different sensitivities the respective light detectors 30, 35 lead.
  • the electrons released by the incidence of light in the light detectors 30, 35 are passed via a first transfer register 60 in a first transfer direction 62 and via a second transfer register 65 in a second transfer direction 67 in a respective light detector-specific clock to an A / D converter 80, which then a first digital measurement signal for the first light detector 30 and a second digital measurement signal for the second light detector 35 are generated.
  • an evaluation unit according to the invention (not shown) can then calculate an overall image of the surroundings of the optical sensor 25 with an expanded dynamic range.
  • FIG. 4 shows a third embodiment of a detector unit 45 of an optical sensor according to the invention in the form of a rotary scanner.
  • the detector unit 45 comprises a first light detector 30 and a second light detector 35, which are each set up to detect light in the infrared wavelength range.
  • the second light detector 35 has a four times higher number of the detector pixels 50 than the first light detector 30 in the pixel columns 55.
  • the number of pixels of the respective corresponding transfer registers 60, 65 which transport charges generated by incidence of light in the first light detector 30 and in the second light detector 35 in the direction of the corresponding transfer directions 62, 67 to the outside, is different.

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Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft einen optischen Sensor (25) umfassend einen ersten Lichtdetektor (30), einen zweiten Lichtdetektor (35), einen optischen Pfad (40) und eine Auswerteeinheit (10), wobei der erste Lichtdetektor (30) eingerichtet ist, Licht im infraroten Wellenlängenbereich zu erfassen. Der erste Lichtdetektor (30) und der zweite Lichtdetektor (35) sind jeweils CCD-Sensoren, wobei sich eine Lichtempfindlichkeit des CCD-Sensors des ersten Lichtdetektors (30) von einer Lichtempfindlichkeit des CCD-Sensors des zweiten Lichtdetektors (35) bezüglich eines vordefinierten Wellenlängenbereichs unterscheidet. Der erste Lichtdetektor (30) und der zweite Lichtdetektor (35) weisen ferner spaltenförmig angeordnete Pixel (50) auf, welche derart benachbart zueinander angeordnet sind, dass eine erste Längsseite des ersten Lichtdetektors (30) an eine erste Längsseite des zweiten Lichtdetektors (35) angrenzt und erste Lichtdetektor (30) und der zweite Lichtdetektor sind zusätzlich eingerichtet, Licht über den optischen Pfad (40) zu empfangen. Der erste Lichtdetektor (30) ist weiter eingerichtet, aus elektrischen Ladungen erste Messsignale zu erzeugen und der zweite Lichtdetektor (35) ist weiter eingerichtet, aus elektrischen Ladungen zweite Messsignale zu erzeugen. Die Auswerteeinheit (10) ist eingerichtet, die ersten Messsignale mit einer ersten Abtastfrequenz und die zweiten Messsignale mit einer zweiten Abtastfrequenz zu empfangen und diese zu einem Ausgangssignal zusammenzuführen.

Description

Beschreibung
Titel
Optischer Sensor
Stand der Technik
Die vorliegende Erfindung betrifft einen optischen Sensor und insbesondere einen optischen Sensor auf Basis einer CCD-Technologie.
Aus dem Stand der Technik sind optische Sensoren auf Basis unterschiedlicher Technologien bekannt, wie zum Beispiel CCD-, CMOS-, SPAD-Detektoren usw., welche zur Erfassung elektromagnetischer Strahlung eingesetzt werden können. Während CCD- und CMOS-Detektoren meist für eine RGB-Bilderfassung in Kamerasystemen eingesetzt werden, werden SPAD-Detektoren häufig im Zusammenhang mit LIDAR-Sensoren eingesetzt. Ferner sind aus dem Stand der Technik Fortbewegungsmittel bekannt, welche eine Umfelderfassung auf Basis von Kamera und/oder auf Basis von LIDAR-Systemen durchführen.
DE102009060392A1 beschreibt eine Sensoreinrichtung zur Anordnung an einer Innenseite einer Scheibe eines Kraftfahrzeugs mit mindestens einem Sensor zum Empfangen und/oder Senden elektromagnetischer Strahlung, umfassend ein erstes Gehäusemodul zur Aufnahme einer Recheneinheit und ein zweites Gehäusemodul zur Aufnahme des mindestens einen Sensors. In einer bevorzugten Ausführungsform sind im zweiten Gehäusemodul ein Lidar-Sensor bestehend aus einem Lasersender und einem Laserempfänger, sowie eine Kamera angeordnet. Der Lasersender kann vorzugsweise ein gepulster Laser sein, der aus einer vorgegebenen Anzahl von Laserdioden zusammengesetzt ist, die miteinander zu einem Stack verbunden sind.
W0002001017838A1 beschreibt ein Verfahren zur Überwachung eines Gefahrenbereiches auf gefährdete und/oder gefährliche Gegenstände mittels eines Bildaufnahmegerätes, wobei eine Bildaufnahme zur Erhöhung einer Zuverlässigkeit und einer Aussagefähigkeit auf Basis mehrerer Sensoren erfolgt. Ein gezeigtes Ausführungsbeispiel der Erfindung basiert auf einer Kombination von Vorteilen einer automatischen stereoskopischen Auswertung eines stereoskopischen Bildpaares und einer räumlichen Datengewinnung mittels dreidimensionaler Lasermesstechnik.
US2016240579A1 beschreibt einen optischen Sensor umfassend ein Pixel-Array, welches sich aus einer Mehrzahl von Pixeln zur Erfassung von sichtbarem Licht und einer Mehrzahl von Pixeln zur Erfassung von Infrarotlicht zusammensetzt, wobei die Pixel zur Infrarotlichterfassung insbesondere TOF- (Time of Flight) Informationen eines ausgesendeten Infrarotlichtes erfassen. In einer bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Sensors sind die jeweiligen Sensorpixel verschachtelt auf einem einzelnen Die angeordnet und verfügen über separate Leitungen zum Auslesen der jeweiligen Sensorinformationen.
Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung einen optischen Sensor bereitzustellen, weicher eingerichtet, eine LI DAR-basierte Tiefenerfassung und eine RGB-basierte Farberfassung auf Basis kombinierter CCD-Sensoren zu ermöglichen.
Offenbarung der Erfindung
Die vorliegende Erfindung schlägt einen optischen Sensor umfassend einen ersten Lichtdetektor, einen zweiten Lichtdetektor, einen optischen Pfad und eine Auswerteeinheit vor. Der erste Lichtdetektor ist eingerichtet, Licht im infraroten Wellenlängenbereich zu erfassen. Das Licht im infraroten Wellenlängenbereich kann bevorzugt mittels einer Infrarotlaserquelle des optischen Sensors erzeugt und in ein Umfeld des optischen Sensors abgestrahlt werden. Durch das Umfeld zum ersten Lichtdetektor reflektierte und/oder gestreute Anteile des infraroten Laserlichtes können somit für eine aktive Messung durch den ersten Lichtdetektor verwendet werden. Das durch den ersten Lichtdetektor und/oder durch den zweiten Lichtdetektor erfasste Licht im infraroten Wellenlängenbereich kann weiter bevorzugt ein gepulstes und/oder ein „continuous-wave“-Laserlicht sein.
Der erste Lichtdetektor und der zweite Lichtdetektor sind jeweils CCD- („charge- coupled device“) Sensoren, wobei sich eine Lichtempfindlichkeit des CCD- Sensors des ersten Lichtdetektors von einer Lichtempfindlichkeit des CCD- Sensors des zweiten Lichtdetektors bezüglich eines vordefinierten Wellenlängenbereich unterscheidet. Für den Fall, dass sowohl der erste Lichtdetektor, als auch der zweite Lichtdetektor für einen im Wesentlichen identischen Wellenlängenbereich ausgelegt sind (z. B. beide als Infrarotlichtdetektoren) weist somit einer der beiden Lichtdetektoren erfindungsgemäß eine geringere Empfindlichkeit in diesem Wellenlängenbereich auf. Für den Fall, dass der erste Lichtdetektor und der zweite Lichtdetektor für unterschiedliche Wellenlängenbereiche ausgelegt sind (z. B. ein Infrarotlichtdetektor und ein RGB-Lichtdetektor für sichtbares Licht), weist der erste Lichtdetektor erfindungsgemäß eine geringere (oder auch keine) Lichtempfindlichkeit für den Wellenlängenbereich des zweiten Lichtdetektors auf und umgekehrt. Ferner umfassen der erste Lichtdetektor und der zweite Lichtdetektor jeweils spaltenförmig angeordnete Pixel, welche derart benachbart zueinander angeordnet sind, dass eine erste Längsseite des ersten Lichtdetektors an eine erste Längsseite des zweiten Lichtdetektors angrenzt. Jeweilige Pixelspalten des ersten Lichtdetektors und des zweiten Lichtdetektors können jeweils ein- oder zweidimensionale Anordnungen von Pixeln umfassen. Durch die örtliche Nähe der Pixelspalten des ersten Lichtdetektors und des zweiten Lichtdetektors sind die beiden Lichtdetektoren eingerichtet, Licht aus dem Umfeld des optischen Sensors gleichzeitig über den gemeinsam genutzten optischen Pfad zu empfangen. Der optische Sensor ist in Verbindung mit dem ersten Lichtdetektor eingerichtet, aus elektrischen Ladungen, welche bei einem Lichteinfall auf den ersten Lichtdetektor erzeugt werden, erste Messsignale zu erzeugen und in Verbindung mit dem zweiten Lichtdetektor aus elektrischen Ladungen, welche bei einem Lichteinfall auf den zweiten Lichtdetektor erzeugt werden, zweite Messsignale zu erzeugen.
Die Auswerteeinheit, welche beispielsweise als ASIC, FPGA, Prozessor, digitaler Signalprozessor, Mikrocontroller, o. ä. ausgestaltet sein kann, ist eingerichtet, die ersten Messsignale mit einer ersten Abtastfrequenz und die zweiten Messsignale mit einer zweiten Abtastfrequenz zu empfangen und diese zu einem Ausgangssignal zusammenzuführen. Das Ausgangssignal kann bevorzugt ein aus dem ersten Messsignal und dem zweiten Messsignal erzeugtes Gesamtsignal sein. Alternativ oder zusätzlich kann das Ausgangssignal auch das erste Messsignal und das zweite Messsignal als separate Messsignale umfassen. Ferner können die erste Abtastfrequenz und die zweite Abtastfrequenz identische oder unterschiedliche Frequenzen sein. Eine informationstechnische Anbindung der erfindungsgemäßen Auswerteeinheit an den optischen Sensor kann bevorzugt über einen A/D-Wandler erfolgen, welcher eingerichtet ist, die durch den ersten Lichtdetektor und den zweiten Lichtdetektor erzeugten Ladungsmengen in korrespondierende digitale Signale umzuwandeln.
Dies kann durch einen durch den ersten und zweiten Lichtdetektor gemeinsam genutzten A/D-Wandler oder durch jeweilige separate A/D-Wandler für die jeweiligen Lichtdetektoren erfolgen. Ferner kann der A/D-Wandler ein Bestandteil des optischen Sensors selbst oder ein Bestandteil der Auswerteeinheit sein.
Darüber hinaus kann die Auswerteeinheit ein Bestandteil des optischen Sensors sein. Vorteilhaft kann einem jeweiligen A/D-Wandler zudem ein Signalverstärker vorgeschaltet sein.
Der optische Pfad kann als ein Lichteintrittspfad zwischen einer Eintrittsöffnung (z. B. in einem Gehäuse) des optischen Sensors zu jeweiligen Sensorpixeln des ersten und zweiten Lichtdetektors verstanden werden. Innerhalb des optischen Pfades können sich bevorzugt optische Elemente wie Linsen, Linsensysteme, Spiegel usw. zur optimalen Anpassung (z. B. Bündelung, Umlenkung,
Aufspaltung, usw.) des in den optischen Sensor eintretenden Lichtes befinden.
Die Unteransprüche zeigen bevorzugte Weiterbildungen der Erfindung.
In einer vorteilhaften Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung ist der optische Sensor ein Rotationsscanner und/oder ist die Auswerteeinheit eingerichtet, aus einer Mehrzahl erster Messsignale und einer Mehrzahl zweiter Messsignale eines jeweiligen Scan-Vorganges jeweilige lichtdetektorbezogene Gesamtbilder und/oder ein sensorbezogenes Gesamtbild eines Umfeldes des optischen Sensors zu erzeugen und in Form des Ausgangssignals auszugeben. Mittels einer aus dem Stand der Technik bekannten rotierenden Scanbewegung des Rotationsscanners ist der erfindungsgemäße optische Sensor eingerichtet, das Umfeld des optischen Sensors sequenziell abzutasten. Die Auswerteeinheit kann beispielsweise auf Basis eines durch die Auswerteeinheit ausgeführten Computerprogramms eingerichtet sein, jeweilige spaltenförmig ausgebildete Einzelbilder zu einem Gesamtbild des Umfeldes zu kombinieren.
In einerweiteren vorteilhaften Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung umfasst der optische Sensor zusätzlich ein erstes Transferregister und/oder ein zweites Transferregister, wobei das erste Transferregister und/oder das zweite Transferregister jeweils mindestens eine Pixelspalte umfassen, welche an eine zweite Längsseite des ersten Lichtdetektors und/oder an eine zweite Längsseite des zweiten Lichtdetektors angrenzt. Des Weiteren sind das erste Transferregister und das zweite Transferregister eingerichtet, durch den ersten Lichtdetektor und/oder durch den zweiten Lichtdetektor erzeugte elektrische Ladungen zwischen zu speichern und sequenziell getaktet an die Auswerteeinheit auszugeben. Dem CCD-Sensorprinzip aus dem Stand der Technik folgend, liegen die jeweiligen Transferregister in einem lichtgeschützten Bereich des optischen Sensors, so dass durch den optischen Pfad einfallendes Licht keinerlei Auswirkungen auf die Transferregister hat. In Abhängigkeit einer jeweiligen Anwendung des erfindungsgemäßen optischen Sensors kann es vorteilhaft sein, nur das erste oder nur das zweite Transferregister oder entsprechend beide Transferregister vorzusehen, um die durch die Lichtdetektoren erzeugten Ladungen aus dem Bereich der jeweiligen Lichtdetektorflächen für einen nachgelagerten Auslesevorgang nach außen zu transportieren.
In einerweiteren vorteilhaften Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung weisen das erste Transferregister und das zweite Transferregister eine identische oder eine voneinander abweichende Anzahl von Pixelspalten auf. Die Anzahl jeweiliger Pixelspalten des ersten Transferregisters und/oder des zweiten Transferregisters orientiert sich bevorzugt an einer Ausprägung eines jeweils zu erfassenden Lichtes und/oder an einer jeweiligen Abtastfrequenz der jeweiligen Lichtdetektoren. Im Falle einer Verwendung eines gepulsten Laserlichtes zur Beleuchtung des Umfeldes des optischen Sensors, kann eine Anzahl von Pixelspalten für ein jeweils vom infraroten Lichtempfang betroffenes Transferregister bevorzugt derart gewählt werden, dass mindestens eine Pulsbreite des gepulsten Laserlichtes vollständig im jeweiligen Transferregister vorgehalten werden kann.
In einerweiteren vorteilhaften Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung ist der zweite Lichtdetektor eingerichtet, Licht im sichtbaren Wellenlängenbereich zu erfassen und die Auswerteeinheit ist zusätzlich eingerichtet, auf Basis des ersten Messsignals und auf Basis des zweiten Messsignals ein Ausgangssignal zu erzeugen, welches sowohl eine Tiefeninformation, als auch eine Farbinformation über das durch den optischen Sensor erfasste Umfeld umfasst. Bevorzugt stellt die Messung des sichtbaren Lichts durch den zweiten Lichtdetektor eine passive Messung dar, es ist aber auch denkbar, das Umfeld durch Verwendung einer Lichtquelle für den sichtbaren Wellenlängenbereich zusätzlich zu beleuchten, wodurch auch durch den zweiten Lichtdetektor eine aktive Messung ermöglicht werden kann.
In einerweiteren vorteilhaften Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung ist der zweite Lichtdetektor eingerichtet, Licht im infraroten Wellenlängenbereich zu erfassen und die Auswerteeinheit ist zusätzlich eingerichtet, auf Basis des ersten Messsignals und des zweiten Messsignals ein Ausgangssignal zu erzeugen, welches einen erweiterten Dynamikumfang bezüglich des ersten Messsignals oder bezüglich des zweiten Messsignals umfasst. Aufgrund der erfindungsgemäßen unterschiedlichen Empfindlichkeiten des ersten Lichtdetektors und des zweiten Lichtdetektors kann die Auswerteeinheit beispielsweise schwächer belichtete Bereiche des Umfeldes aus dem jeweiligen Messsignal des lichtempfindlicheren Lichtdetektors verwenden, während sie stärker belichtete Bereiche des Umfeldes aus dem jeweiligen Messsignal des weniger lichtempfindlichen Lichtdetektors verwenden kann. Ein geeigneter Algorithmus zur Zusammenführung der beiden Messsignale kann sich beispielsweise an einem aus dem Stand der Technik bekannten Algorithmus zur Erzeugung sogenannter HDR- („High Dynamic Range“) Bilder orientieren.
In einerweiteren vorteilhaften Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung weisen der erste Lichtdetektor und der zweite Lichtdetektor jeweils identische oder unterschiedliche Halbleitermaterialien und/oder Belichtungszeiten und/oder Ausrichtungen bezüglich des optischen Pfades und/oder Dämpfungsfilter (z. B. Graufilter) und/oder Abtastfrequenzen und/oder Auflösungen und/oder Pixelgrößen auf. Insbesondere durch Abweichungen zwischen einem oder mehreren der vorstehend genannten technischen Eigenschaften der jeweiligen Lichtdetektoren können geeignete Erweiterungen des Dynamikumfangs bei einer Verwendung zweier Infrarotlichtdetektoren erzielt werden. Unterschiedliche technische Eigenschaften zwischen den beiden Lichtdetektoren können darüber hinaus auch genutzt werden, um die oben beschriebene Kombination eines Infrarotlichtdetektors und eines RGB-Lichtdetektors anwendungsspezifisch vorteilhaft auszugestalten. Im Falle einer Infrarot- / RGB- Lichtdetektorkombination kann es besonders vorteilhaft sein, den ersten Lichtdetektor (d. h. den Infrarotlichtdetektor) optimal auf den optischen Pfad auszurichten (d. h. senkrecht zum optischen Pfad), um eine maximale Lichtausbeute für diesen Lichtdetektor zu ermöglichen, während der RGB- Lichtdetektor eine damit einhergehende geringe Abweichung zur optimalen Ausrichtung zum optischen Pfad aufweisen kann.
In einerweiteren vorteilhaften Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung können der erste Lichtdetektor und der zweite Lichtdetektor gemeinsam auf ein und demselben Substrat oder auf separaten Substraten ausgebildet werden. Ferner können der erste Lichtdetektor und/oder der zweite Lichtdetektor jeweils auf Basis von Silicium oder Indiumphosphid oder Galliumarsenid hergestellt sein. Im Falle einer Ausgestaltung des ersten Lichtdetektors und des zweiten Lichtdetektors auf Basis desselben Halbleitermaterials kann insbesondere Silicium zur Anwendung kommen, da dieses sowohl für eine Erfassung im infraroten Wellenlängenbereich, als auch im sichtbaren Wellenlängenbereich geeignet ist. Durch eine Verwendung ein und desselben Halbleitermaterials können Fertigungsschritte damit einhergehende Herstellungskosten reduziert werden. Darüber hinaus kann dadurch auch eine höhere Integration und somit eine Verringerung der Größe des optischen Sensors ermöglicht werden.
Durch die hier vorgeschlagene gleichzeitige RGB-Bilderfassung und Abstandsmessung auf Basis eines CCD-Lidar-Systems kann unter anderem eine optimale zeitliche Synchronisation von Färb- und Tiefeninformationen erreicht werden. Darüber hinaus können Justage- und Kalibrierungsaufwände für die unterschiedlichen Lichtdetektoren entfallen, da diese zu erfassendes Licht über ein und denselben optischen Pfad empfangen können.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Nachfolgend werden Ausführungsbeispiele der Erfindung unter Bezugnahme auf die begleitende Zeichnung im Detail beschrieben. Dabei zeigen:
Figur 1 eine schematische Übersicht eines erfindungsgemäßen optischen Sensors;
Figur 2 eine erste Ausführungsform einer Lichtdetektoreinheit eines erfindungsgemäßen optischen Sensors; Figur 3 eine zweite Ausführungsform einer Lichtdetektoreinheit eines erfindungsgemäßen optischen Sensors; und
Figur 4 eine dritte Ausführungsform einer Lichtdetektoreinheit eines erfindungsgemäßen optischen Sensors.
Ausführungsformen der Erfindung
Figur 1 zeigt eine schematische Übersicht eines erfindungsgemäßen optischen Sensors 25, welcher hier ein Rotationsscanner ist. Der optische Sensor 25 umfasst eine Lichtdetektoreinheit 45, welche einen ersten Lichtdetektor 30 und einen zweiten Lichtdetektor 35 umfasst. Der erste Lichtdetektor 30 ist hier ein Lichtdetektor für den infraroten Wellenlängenbereich, während der zweite Lichtdetektor 35 hier ein Lichtdetektor für den sichtbaren Wellenlängenbereich ist. Der erste Lichtdetektor 30 und der zweite Lichtdetektor 35 umfassen jeweils eine eindimensionale Pixelspalte 55, welche sich jeweils aus einer Mehrzahl von Detektorpixein 50 zusammensetzt. Die Pixelspalte 55 des ersten Lichtdetektors 30 ist derart bezüglich eines optischen Pfades 40 (Lichteintrittspfad) des optischen Sensors 25 ausgerichtet, dass die Flächennormale der Pixelspalte 55 des ersten Lichtdetektors 30 parallel zum optischen Pfad 40 verläuft. Der optische Pfad 40 umfasst hier ein Linsensystem 70, welches eine Fokussierung des in den optischen Sensor 25 eintretenden Lichtes vornimmt. Angrenzend an die jeweiligen Lichtdetektoren 30, 35 sind ein erstes Transferregister 60 und ein zweites Transferregister 65 angeordnet, welche eingerichtet sind, durch die Lichtdetektoren 30, 35 bei Lichteinfall erzeugte Ladungen aus einem lichtempfindlichen Bereich der Lichtdetektoren 30, 35 nach außen zu transportieren. Durch die Ladungen repräsentierte Bildinformationen werden auf diese Weise von einem mittleren Bereich der Lichtdetektoreinheit 45 zu den jeweiligen Seiten der Lichtdetektoreinheit 45 transportiert. Dort werden die Ladungsmengen über eine Kombination aus jeweiligen (nicht gezeigten) Signalverstärkern und A/D-Wandlern in erste und zweite digitale Messsignale gewandelt und an eine erfindungsgemäße Auswerteeinheit 10 übertragen, welche informationstechnisch mit den A/D-Wandlern verbunden ist. Die Auswerteeinheit 10 speichert die empfangenen Messsignale in einer informationstechnisch an die Auswerteeinheit 10 angebundenen Speichereinheit 20 ab. Nach einer vollständigen Abtastung eines Umfeldes des optischen Sensors 25 berechnet die Auswerteeinheit 10 auf Basis der in der Speichereinheit 20 abgelegten Messsignale ein Gesamtbild des Umfeldes in Form eines 3D-Farbbildes.
Figur 2 zeigt eine erste Ausführungsform einer Lichtdetektoreinheit 45 eines erfindungsgemäßen optischen Sensors in Form eines Rotationsscanners. Die Detektoreinheit 45 umfasst einen ersten Lichtdetektor 30 zur Erfassung von Licht im infraroten Wellenlängenbereich, welcher hier ein Lidar-Sensor ist und einen zweiten Lichtdetektor 35 (RGB-Sensor) zu Erfassung von Licht im sichtbaren Wellenlängenbereich. Wie in Figur 1 entsteht auch hier ein Gesamtbild eines Umfeldes des optischen Sensors durch Rotation jeweiliger Pixelspalten 55 und durch das Zusammenfügen jeweiliger detektierter Spaltenbilder. Um die unterschiedlichen Laufzeiten zu berücksichtigen, welche für die unterschiedlichen Messungen nötig sind, wandern die durch das einfallende Licht erzeugten Elektronen im Falle des Lidar-Sensors über das erste Transferregister 60 nach links weg (erste Transferrichtung 62). Dies ermöglicht eine entsprechend hohe Abttastfrequenz, wie sie zur Abtastung eines Lidar-Pulses im Falle eines TOF- („Time of Flight“) Messprinzips nötig ist. Für den RGB-Sensor ist aufgrund des integrationsbasierten Messprinzips (Imager-Prinzip) eine vergleichsweise längere Integrationszeit innerhalb der einzelnen Pixel 50 und damit eine niedrigere Abtastfrequenz erforderlich. Im Falle des RGB-Sensors wandern die durch das einfallende Licht erzeugten Elektronen über das zweite Transferregister 65 nach rechts weg (zweite Transferrichtung 67). In Abbildung 1 ist eine Ausführungsform mit unterschiedlichen Pixelgrößen zwischen dem ersten Lichtdetektor 30 und dem zweiten Lichtdetektor 35 gezeigt. Somit kann für jedes „Lidar-Pixel“ 50 eine vollständige Farbinformation zur Verfügung gestellt werden.
Figur 3 zeigt eine zweite Ausführungsform einer Lichtdetektoreinheit 45 eines erfindungsgemäßen optischen Sensors in Form eines Rotationsscanners. Die Detektoreinheit 45 umfasst einen ersten Lichtdetektor 30 und einen zweiten Lichtdetektor 35, welche jeweils eingerichtet sind, Licht im infraroten Wellenlängenbereich zu erfassen. Die zweite Ausführungsform sieht zwar identische Pixelgrößen der jeweiligen Detektorpixel 50 in den jeweiligen Pixelspalten 55 des ersten Lichtdetektors 30 und des zweiten Lichtdetektors 35 vor, allerdings werden die jeweiligen Lichtdetektoren 30, 35 hier mit unterschiedlichen Abtastfrequenzen betrieben. Dadurch ergeben sich unterschiedlich lange Integrationszeiten innerhalb der Detektorpixel 50 der jeweiligen Lichtdetektoren 30, 35, welche zu unterschiedlichen Empfindlichkeiten der jeweiligen Lichtdetektoren 30, 35 führen. Die durch den Lichteinfall in den Lichtdetektoren 30, 35 freigesetzten Elektronen werden über ein erstes Transferregister 60 in einer ersten Transferrichtung 62 und über ein zweites Transferregister 65 in einer zweiten Transferrichtung 67 in einer jeweiligen lichtdetektorspezifischen Taktung zu einem A/D-Wandler 80 geführt, welcher anschließend ein erstes digitales Messsignal für den ersten Lichtdetektor 30 und ein zweites digitales Messsignal für den zweiten Lichtdetektor 35 erzeugt. Auf Basis der beiden Messsignale kann eine erfindungsgemäße (nicht gezeigte) Auswerteeinheit anschließend ein Gesamtbild des Umfeldes des optischen Sensors 25 mit einem erweiterten Dynamikumfang berechnen.
Figur 4 zeigt eine dritte Ausführungsform einer Detektoreinheit 45 eines erfindungsgemäßen optischen Sensors in Form eines Rotationsscanners. Die Detektoreinheit 45 umfasst einen ersten Lichtdetektor 30 und einen zweiten Lichtdetektor 35, welche jeweils eingerichtet sind, Licht im infraroten Wellenlängenbereich zu erfassen. Im Unterschied zu Figur 2 weist der zweite Lichtdetektor 35 im Vergleich zum ersten Lichtdetektor 30 in den Pixelspalten 55 eine vierfach höhere Pixelanzahl der Detektorpixel 50 auf. Entsprechend ist auch die Pixelanzahl der jeweils korrespondierenden Transferregister 60, 65, welche durch Lichteinfall erzeugte Ladungen im ersten Lichtdetektor 30 und im zweiten Lichtdetektor 35 in Richtung der korrespondierenden Transferrichtungen 62, 67 nach außen transportieren, unterschiedlich. Auch auf diese Weise lassen sich unterschiedliche Empfindlichkeiten der jeweiligen Lichtdetektoren 30, 35 erzeugen, da durch die unterschiedlichen Flächen der Detektorpixel 50 im gleichen Zeitraum mehr (größere Pixel) oder weniger (kleinere Pixel) Photonen empfangen werden, womit eines der daraus resultierenden Messsignale für eine Erfassung lichtstarker und ein jeweils anderes der daraus resultierenden Messsignale für eine Erfassung lichtschwacher Objekte geeignet ist. Eine (nicht gezeigte) erfindungsgemäße Auswerteeinheit verrechnet die beiden Messsignale anschließend zu einem Gesamtbild mit einem erhöhten Dynamikumfang.

Claims

Ansprüche
1. Optischer Sensor (25) umfassend:
• einen ersten Lichtdetektor (30),
• einen zweiten Lichtdetektor (35),
• einen optischen Pfad (40), und
• eine Auswerteeinheit (10), wobei
• der erste Lichtdetektor (30) eingerichtet ist, Licht im infraroten Wellenlängenbereich zu erfassen,
• der erste Lichtdetektor (30) und der zweite Lichtdetektor (35) jeweils o CCD-Sensoren sind, wobei sich eine Lichtempfindlichkeit des CCD-Sensors des ersten Lichtdetektors (30) von einer Lichtempfindlichkeit des CCD-Sensors des zweiten Lichtdetektors (35) bezüglich eines vordefinierten Wellenlängenbereichs unterscheidet, o spaltenförmig angeordnete Pixel (50) aufweisen, welche derart benachbart zueinander angeordnet sind, dass eine erste Längsseite des ersten Lichtdetektors (30) an eine erste Längsseite des zweiten Lichtdetektors (35) angrenzt, und o eingerichtet sind, Licht über den optischen Pfad (40) zu empfangen,
• wobei der optische Sensor in Verbindung mit dem ersten Lichtdetektor (30) eingerichtet ist, aus elektrischen Ladungen erste Messsignale zu erzeugen und in Verbindung mit dem zweiten Lichtdetektor (35) aus elektrischen Ladungen zweite Messsignale zu erzeugen, und
• die Auswerteeinheit (10) eingerichtet ist, die ersten Messsignale mit einer ersten Abtastfrequenz und die zweiten Messsignale mit einer zweiten Abtastfrequenz zu empfangen und diese zu einem Ausgangssignal zusammenzuführen.
2. Optischer Sensor (25) nach Anspruch 1 wobei
• der optische Sensor (25) ein Rotationsscanner ist, und/oder • die Auswerteeinheit (10) eingerichtet ist, aus einer Mehrzahl erster Messsignale und einer Mehrzahl zweiter Messsignale eines jeweiligen Scan-Vorganges o jeweilige lichtdetektorbezogene Gesamtbilder, und/oder o ein sensorbezogenes Gesamtbild eines Umfeldes des optischen Sensors (25) zu erzeugen und in Form des Ausgangssignals auszugeben.
3. Optischer Sensor (25) nach einem der vorstehenden Ansprüche weiter umfassend:
• ein erstes Transferregister (60), und/oder
• ein zweites Transferregister (65), wobei das erste Transferregister (60) und/oder das zweite
Transferregister (65)
• jeweils mindestens eine Pixelspalte (55) umfassen, welche an eine zweite Längsseite des ersten Lichtdetektors (30) und/oder an eine zweite Längsseite des zweiten Lichtdetektors (35) angrenzt, und
• eingerichtet sind, durch den ersten Lichtdetektor (30) und/oder den zweiten Lichtdetektor (35) erzeugte elektrische Ladungen zwischen zu speichern und sequentiell getaktet an die Auswerteeinheit (10) auszugeben.
4. Optischer Sensor (25) nach Anspruch 3, wobei
• das erste Transferregister (60) und das zweite Transferregister (65) eine identische oder eine voneinander abweichende Anzahl von Pixelspalten (55) aufweisen, und/oder
• sich eine Anzahl jeweiliger Pixelspalten (55) des ersten Transferregisters (60) und/oder des zweiten Transferregisters (65) an o einer Ausprägung eines jeweils zu erfassenden Lichtes, und/oder o einer jeweiligen Abtastfrequenz des jeweiligen Lichtdetektors (30, 35) orientiert.
5. Optischer Sensor (25) nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei
• der zweite Lichtdetektor (35) eingerichtet ist, Licht im sichtbaren Wellenlängenbereich zu erfassen, und • die Auswerteeinheit (10) eingerichtet ist, auf Basis des ersten Messsignals und des zweiten Messsignals ein Ausgangssignal zu erzeugen, welches sowohl eine Tiefeninformation, als auch eine Farbinformation über ein durch den optischen Sensor (25) erfasstes Umfeld umfasst.
6. Optischer Sensor (25) nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei
• der zweite Lichtdetektor (35) eingerichtet ist, Licht im infraroten Wellenlängenbereich zu erfassen, und
• die Auswerteeinheit (10) eingerichtet ist, auf Basis des ersten Messsignals und des zweiten Messsignals ein Ausgangssignal zu erzeugen, welches einen erweiterten Dynamikumfang bezüglich des ersten Messsignals oder bezüglich des zweiten Messsignals umfasst.
7. Optischer Sensor (25) nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei der erste Lichtdetektor (30) und der zweite Lichtdetektor (35) jeweils identische oder unterschiedliche
• Halbleitermaterialien, und/oder
• Belichtungszeiten, und/oder
• Ausrichtungen bezüglich des optischen Pfads (40), und/oder
• Dämpfungsfilter, und/oder
• Abtastfrequenzen, und/oder
• Auflösungen, und/oder
• Pixelgrößen aufweisen.
8. Optischer Sensor (25) nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei das durch den ersten Lichtdetektor (30) und/oder zweiten Lichtdetektor (35) erfasste Licht im infraroten Wellenlängenbereich ein durch den optischen Sensor (25) in ein Umfeld des optischen Sensors (25) ausgesendetes
• gepulstes, und/oder
• continuous-wave Laserlicht ist.
9. Optischer Sensor (25) nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei der erste Lichtdetektor (30) und der zweite Lichtdetektor (35) • gemeinsam auf ein und demselben Substrat, oder
• auf separaten Substraten ausgebildet sind.
10. Optischer Sensor (25) nach einem der vorstehenden Ansprüchen, wobei der erste Lichtdetektor (30) und/oder der zweite Lichtdetektor (35) jeweils auf Basis von
• Silizium, oder
• Indiumphosphid, oder · Galliumarsenid hergestellt sind.
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Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE102021214433A1 (de) 2021-12-15 2023-06-15 Robert Bosch Gesellschaft mit beschränkter Haftung LIDAR-Vorrichtung mit verbessertem Dynamikbereich

Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2001017838A1 (de) 1999-09-09 2001-03-15 Tiefenbach Gmbh Verfahren zur überwachung eines gefahrenbereichs
DE102009060392A1 (de) 2009-12-22 2011-06-30 Volkswagen AG, 38440 Sensoreinrichtung für ein Kraftfahrzeug
DE102010063960A1 (de) * 2010-12-22 2012-06-28 Carl Zeiss Microlmaging Gmbh Kamera mit einem Farbbildsensor sowie Aufnahmeverfahren mit einer solchen Kamera
US20160240579A1 (en) 2015-02-17 2016-08-18 Omnivision Technologies, Inc. Stacked embedded spad image sensor for attached 3d information
US20180120436A1 (en) * 2016-10-31 2018-05-03 Gerard Dirk Smits Fast scanning lidar with dynamic voxel probing

Family Cites Families (9)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
FR2740558B1 (fr) * 1995-10-27 1997-11-28 Thomson Csf Procede de detection par designation laser et dispositif d'ecartometrie a detecteur matriciel correspondant
GB2349766B (en) 1999-02-11 2003-07-16 Fujifilm Electronic Imaging Scanning method
TW475330B (en) 1999-10-29 2002-02-01 Hewlett Packard Co Photosensor array with multiple different sensor areas
DE10048656A1 (de) 2000-09-26 2002-04-11 Kaya Turgut Kamerascanner
US6961157B2 (en) 2001-05-29 2005-11-01 Xerox Corporation Imaging apparatus having multiple linear photosensor arrays with different spatial resolutions
US7358997B2 (en) 2004-12-30 2008-04-15 Lexmark International, Inc. Multiple resolution optical imager using single size image elements
JP4949806B2 (ja) * 2006-11-10 2012-06-13 オンセミコンダクター・トレーディング・リミテッド 撮像装置及び画像信号処理装置
CN101562693B (zh) 2009-06-01 2011-05-25 中国兵器工业第二〇五研究所 双ccd图像拼接探测器的光学成像拼接装置
US20160309135A1 (en) 2015-04-20 2016-10-20 Ilia Ovsiannikov Concurrent rgbz sensor and system

Patent Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2001017838A1 (de) 1999-09-09 2001-03-15 Tiefenbach Gmbh Verfahren zur überwachung eines gefahrenbereichs
DE102009060392A1 (de) 2009-12-22 2011-06-30 Volkswagen AG, 38440 Sensoreinrichtung für ein Kraftfahrzeug
DE102010063960A1 (de) * 2010-12-22 2012-06-28 Carl Zeiss Microlmaging Gmbh Kamera mit einem Farbbildsensor sowie Aufnahmeverfahren mit einer solchen Kamera
US20160240579A1 (en) 2015-02-17 2016-08-18 Omnivision Technologies, Inc. Stacked embedded spad image sensor for attached 3d information
US20180120436A1 (en) * 2016-10-31 2018-05-03 Gerard Dirk Smits Fast scanning lidar with dynamic voxel probing

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE102021214433A1 (de) 2021-12-15 2023-06-15 Robert Bosch Gesellschaft mit beschränkter Haftung LIDAR-Vorrichtung mit verbessertem Dynamikbereich

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