WO2008116812A1 - Optical sensor comprising an adaptive color filter - Google Patents

Optical sensor comprising an adaptive color filter Download PDF

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WO2008116812A1
WO2008116812A1 PCT/EP2008/053332 EP2008053332W WO2008116812A1 WO 2008116812 A1 WO2008116812 A1 WO 2008116812A1 EP 2008053332 W EP2008053332 W EP 2008053332W WO 2008116812 A1 WO2008116812 A1 WO 2008116812A1
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WO
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sensor
cell
color filter
color
sensor according
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Application number
PCT/EP2008/053332
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German (de)
French (fr)
Inventor
Christian Schirp
Andreas Pirchner
Original Assignee
Leopold Kostal Gmbh & Co. Kg
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.)
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Application filed by Leopold Kostal Gmbh & Co. Kg filed Critical Leopold Kostal Gmbh & Co. Kg
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    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L27/00—Devices consisting of a plurality of semiconductor or other solid-state components formed in or on a common substrate
    • H01L27/14—Devices consisting of a plurality of semiconductor or other solid-state components formed in or on a common substrate including semiconductor components sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation
    • H01L27/144—Devices controlled by radiation
    • H01L27/146—Imager structures
    • H01L27/14601—Structural or functional details thereof
    • H01L27/1462—Coatings
    • H01L27/14621—Colour filter arrangements

Definitions

  • the invention relates to a camera sensor with a sensor array composed of individual optoelectronic transducer elements (pixels) and an optical system for imaging on the photosensitive surface of the pixels of the sensor array.
  • camera sensors are used which work on a black-and-white basis and with which a grayscale image can be generated.
  • camera sensors which have a two-dimensional array of optoelectronic transducer elements as a photosensitive sensor array and an upstream optics, there is a detection of the vehicle environment, in particular looking forward in the direction of travel.
  • a dimming of the high beam is controlled when an oncoming motor vehicle is detected.
  • S / W camera sensor it is not clear whether detected points of light are assigned to headlights of an oncoming vehicle or the taillights of a preceding vehicle.
  • the invention is therefore based on the object of proposing a camera sensor, in particular for use in a driver assistance system of a motor vehicle, with the color information can be obtained with the use of an S / W camera sensor, without disadvantages in terms of resolving power or having to use two parallel systems as described in EP 1 084 051 B1.
  • an electrically switchable optical color filter is switched on in the beam path for exposing the transducer elements.
  • This is a translucent cell changing its color state as a function of the concern of an electric field.
  • Such a cell may be turned on in the beam path for exposing each transducer element of the sensor array.
  • such a cell can also extend over a plurality of pixels of the sensor array or, in particular if it is switched on directly into the optical path of the optical system, can be arranged to act on a larger area or on the entire sensor array.
  • Is such as Optically switchable color filter associated with each pixel of the sensor array it is sufficient if the cell has translucent properties.
  • the cell is switched on in the optics of the beam path of the camera sensor and thus acts on an area or the entire sensor array, the cell is made transparent.
  • Suitable for use are, for example, those cells which are designed to work by utilizing the electrical capillary effect.
  • Such cells are so-called electrowetting cells.
  • Such a cell is constructed in the manner of a condenser, wherein the space between the electrodes is filled with a hydrophobic liquid, in particular oil and with water.
  • a hydrophobic liquid in particular oil and with water.
  • One of the two electrodes is hydrophobic coated. If there is no electric field, the oil will coat the hydrophobically coated electrode as a film. On the other hand, if there is an electric field, the surface tension changes, so that the water displaces the oil film. It is essential that in such a cell, two immiscible liquids are included.
  • the oil film is colored and represents the desired color filter.
  • red colored oil will be used to provide a red filter.
  • Such cells have a very rapid reaction time, so that in a short time successively two shots, for example, the preceding vehicle environment can be made.
  • a first image of such a recording pair is made with the electric field switched on and thus without the filter, while the other image is taken without any electric field applied to the cells and then to the color filter provided by the oil film.
  • this camera sensor In contrast to a color camera sensor, this camera sensor, which in the context of a driver assistance system does not necessarily have to show video qualities as far as the image sequence is concerned, obtains the color information in a short time in succession rather than simultaneously. Electrowetting cells are fast switching and even meet the requirements of video quality, so that in the end with this camera sensor even in this regard hardly any losses have to be accepted. It is essential that is not affected by the desired and obtained color information, the resolution of such a sensor.
  • each individual cell of such a multi-color filter cell is addressed as a subcell in the context of these embodiments.
  • the subcells are expediently controllable independently of each other, so that not only color information relating to the color of the respective oil of a subcell can be obtained, but also color information corresponding to the mixed color of two or more subcarriers connected in series.
  • Electrowetting cells can also be made in such a size that they are suitable to be incorporated into the optical path of the optic itself. Similarly, such an electrically switchable color filter cell and the optics can be directly upstream or downstream. At this point too, it is possible to increase the color information to be obtained with an S / W camera sensor by using composite multicolor filter cells and by having the individual subcells color filters of different colors.
  • FIG. 1 is a schematic sectional view of a detail of a camera sensor with a color filter matrix, formed from individual electrically switchable optical color filters and
  • FIG 2 shows another camera sensor with an electrically switchable optical color filter which is switched into the beam path in the region of the optical system.
  • An S / W camera sensor 1 has a sensor array 2 constructed from a multiplicity of individual optoelectronic transducer elements (pixels) 3 arranged in a two-dimensional arrangement relative to one another.
  • FIG shows only a section of the camera sensor 1, in particular without a sensor array 2 upstream optics. Due to the necessary releases for the electrical connections of the pixels 3, the photosensitive surface of such a pixel 3 is limited to a region thereof.
  • the photosensitive surface of the pixels 3 is identified by the reference numeral 4 in FIG.
  • the sensor array 2 of the camera sensor 1 is covered with an electrode 5 in the region of its pixels 3.
  • the electrode 5 is translucent.
  • the electrode 5 is already part of a color filter matrix identified overall by the reference numeral 6 in FIG.
  • the color filter matrix 6 further comprises a layer 7 having hydrophobic properties applied to the electrode 5.
  • the layer 7 not only has hydrophobic properties, but also serves as an electrical insulator. Therefore, the layer 7 can be continuously applied to the spaced-apart electrodes 5 of the individual pixels 3.
  • a further electrode 8 is arranged complementary to the electrodes 5 of each pixel 3. These, like the electrode 5 and also the hydrophobic insulation layer 7, are transparent.
  • the electrodes 8 have a region which can be addressed as a discharged electrode surface 9. At the end, the gap between the electrodes 8 and the insulating layer 7 is closed.
  • the space between the electrodes 8 and the hydrophobic layer 7 is filled with oil 10 and water 11.
  • the oil 10 is colored, in the illustrated embodiment red.
  • the water 11 displaces that on the hydrophobic one Layer 7 adjacent oil film, since the applied electric field cancels the polarization of the dipoles in the water surface.
  • the oil 10 is then forced sideways, into the discharged electrode area 9.
  • the omitted electrode area 9 is located in the direction of the beam path above those areas which are not associated with the photosensitive area 4 of a pixel 3.
  • the pixel 3 shown on the right in FIG. 1 is therefore exposed in the switching position of the color filter shown without the color filter switched on. While the pixel 3 shown on the left in FIG. 1 shows the color filter in its on position, it is reproduced in the right pixel 3 in its off position.
  • the individual cells of the color filter matrix 6 are electrowetting cells, and thus those cells which change their color state with respect to an exposure of the sensor array 2 of the camera sensor 1 as a function of the application of an electric field.
  • the control of the individual cells of the color filter matrix 6 takes place in the illustrated embodiment individually and thus pixel dependent. Therefore, individual cells or cell groups of the color filter matrix 6 can be switched independently of other areas of the sensor array 2 in one or the other filter position. Depending on the desired information that is to be obtained by the camera sensor 1, it may be sufficient if all cells of the color filter matrix 6 are switched simultaneously and thus parallel to one another.
  • the individual addressable cells (color filters) in the color filter matrix 6 offer the possibility of an evaluation in such a way that the color information is read out only by regions of interest or even by individual pixels, but not by others. This allows in connection with a driver assistance system better distinction, for example, between taillight-related reflections on wet roads and lane markings. Likewise, this makes it possible to run a filter bar over the image in the manner of a "rolling shutter.”
  • FIG. In contrast to the camera sensor 1 of FIG. 1, in the case of this camera sensor 13, an electrically switchable color filter, designed as an electrowetting cell 12, is switched on in the beam path.
  • the electrowetting cell 12 is associated with the optics 14 of the camera sensor 13.
  • the sensor array of the camera sensor 13 is identified by the reference numeral 15 in FIG.
  • the sensor array 15 is likewise a two-dimensionally constructed black-and-white sensor array, as already described for the exemplary embodiment of FIG.
  • the electrowetting cell 12 is constructed like the cells of the color filter matrix 6 described for the embodiment of Figure 1.
  • the electrowetting cell 12 is transparent in the embodiment of Figure 2 both in its color filter position and in its other position. By the color filter 12, the entire sensor array 15 is influenced in the illustrated embodiment of Figure 2, so that from the sensor array 15 either an image with activated color filter or without switched color filter can be made.
  • the electrowetting cell 12 does not need to be overly large in the optics 14 of the camera sensor 13, or by being connected upstream or downstream, in a skilful arrangement thereof.
  • the description of the invention makes it clear that having to accept with simple means without sacrificing the resolving power of a black and white sensor array, it is also possible to obtain color information, for example those needed in connection with a driver assistance system of a motor vehicle , Therefore, in a particularly preferred embodiment, the camera sensor is part of such a driver assistance system.

Abstract

An optical sensor 1 comprises a sensor array 2 made of individual opto-electronic converter elements (pixels) 3. This camera sensor 1 further has a lens for imaging on the photosensitive surface 4 of the pixels 3 of the sensor array 2. In this camera sensor 1, at least one translucent cell that changes the color state thereof as a function of the presence of an electrical field is connected as an electrically switchable optical color filter in the optical path for exposing the photosensitive surface 4 of converter elements 3 of the sensor array 2.

Description

OPTISCHER SENSOR MIT ADAPTIVEM FARBFILTER OPTICAL SENSOR WITH ADAPTIVE COLOR FILTER
Die Erfindung betrifft einen Kamerasensor mit einem aus einzelnen optoelektronischen Wandlerelementen (Pixeln) aufgebauten Sensorarray und einer Optik zum Abbilden auf der fotosensitiven Oberfläche der Pixel des Sensorarrays.The invention relates to a camera sensor with a sensor array composed of individual optoelectronic transducer elements (pixels) and an optical system for imaging on the photosensitive surface of the pixels of the sensor array.
Zur Erhöhung der Fahrsicherheit beim Führen eines Kraftfahrzeuges werden in zunehmendem Maße Fahrer-Assistenzsysteme eingesetzt. Eingesetzt werden zu diesem Zweck vor allem aus Kostengründen Kamerasensoren, die auf Schwarzweiß-Basis arbeiten und mit denen ein Graustufen- bild erzeugbar ist. Über derartige Kamerasensoren, die eine zweidimensionale Anordnung von optoelektronischen Wandlerelementen als fotosensitives Sensorarray und eine vorgeschaltete Optik aufweisen, erfolgt eine Erfassung der Fahrzeugumgebung, insbesondere nach vorne in Fahrtrichtung blickend. Über ein solches Fahrer-Assistenzsystem wird bei- spielsweise eine Abblendung des Fernlichtes gesteuert, wenn ein entgegenkommendes Kraftfahrzeug detektiert wird. Mit einen herkömmlichen S/W-Kamerasensor ist jedoch nicht eindeutig feststellbar, ob erfasste Lichtpunkte Scheinwerfern eines entgegenkommenden Fahrzeuges oder den Rücklichtern eines voranfahrenden Fahrzeuges zuzuordnen sind. Dieses ist für den Vorgang des Abblendens von Fernlicht von Bedeutung, da bei Detektion eines entgegenkommenden Fahrzeuges sehr viel früher abgeblendet werden soll als bei der Detektion der Rücklichter eines voranfahrenden Fahrzeuges. Eine Unterscheidung weißen Lichts, das einem entgegenkommenden Fahrzeug zuzuordnen ist, von rotem Licht, das ei- nem in dieselbe Richtung voranfahrenden Fahrzeug zuzuordnen ist, wäre durch Einsatz eines Farbkamerasensors möglich. Bei derartigen Sensoren ist jedes Pixel durch drei unterschiedliche Farbkanäle und somit letztendlich durch drei einzelne Sub-Pixel gebildet. Nachteilig bei dieser Lösung ist jedoch, dass durch die notwendige Ausbildung eines Bildpunktes (Pixel) durch drei Sub-Pixel erfolgt und damit die Auflösung reduziert wird. Überdies ist der Einsatz derartiger Sensoren kostenträchtig.To increase driving safety when driving a motor vehicle driver assistance systems are increasingly used. Mainly for cost reasons, camera sensors are used which work on a black-and-white basis and with which a grayscale image can be generated. About such camera sensors, which have a two-dimensional array of optoelectronic transducer elements as a photosensitive sensor array and an upstream optics, there is a detection of the vehicle environment, in particular looking forward in the direction of travel. About such a driver assistance system, for example, a dimming of the high beam is controlled when an oncoming motor vehicle is detected. With a conventional S / W camera sensor, however, it is not clear whether detected points of light are assigned to headlights of an oncoming vehicle or the taillights of a preceding vehicle. This is for the process of dimming main beam of importance, since when detecting an oncoming vehicle much earlier be dimmed than in the detection of the taillights of a preceding vehicle. A distinction of white light attributable to an oncoming vehicle from red light attributable to a vehicle heading in the same direction would be possible by using a color camera sensor. In such sensors, each pixel is formed by three different color channels and thus ultimately by three individual sub-pixels. A disadvantage of this solution, however, is that takes place by the necessary formation of a pixel (pixel) by three sub-pixels and thus the resolution is reduced. Moreover, the use of such sensors is costly.
In EP 1 084 051 B1 ist vorgeschlagen worden, zwei parallel zueinander angeordnete optische Systeme einzusetzen, die jeweils eine unterschied- liehe Farbinformation empfangen. Zur Unterscheidung weißen Lichts von rotem Licht ist eine der beiden Abbildungseinheiten ausgelegt, vornehm- lieh rote Komponenten abzubilden, während die andere Abbildungseinheit zum Abbilden aller Farben dient. Werden helle Punkte nur mit dem rotempfindlichen Abbildungssystem detektiert, erlaubt dieses den Schluss darauf, dass dieses Licht die Rücklichter eines voranfahrenden Fahrzeu- ges sind. Lassen sich dagegen an ein oder derselben Stelle helle Flecken in beiden Abbildungssystemen detektieren, lässt dieses den Schluss zu, dass es sich bei dem empfangenen Licht um das von Scheinwerfern eines entgegenkommenden Fahrzeuges ausgestrahlte Licht handelt. Von Nachteil ist bei diesem System der doppelte apparative Aufwand und die positionsvergleichende Auswertung, durch die letztendlich das Auflösungsvermögen durch einzuhaltende Toleranzen herabsetzt wird.It has been proposed in EP 1 084 051 B1 to use two optical systems arranged parallel to one another, which each receive a different color information. To distinguish white light from red light, one of the two imaging units is designed, lend red components while the other imaging unit is for imaging all colors. If bright points are detected only with the red-sensitive imaging system, this allows the conclusion that these lights are the taillights of a preceding vehicle. On the other hand, if light spots in both imaging systems can be detected at one or the same point, this leads to the conclusion that the light received is that emitted by headlights of an oncoming vehicle. The disadvantage of this system is the double expenditure on equipment and the position-comparative evaluation, by which ultimately the resolution is reduced by tolerances to be observed.
Ausgehend von diesem diskutierten Stand der Technik liegt der Erfindung daher die Aufgabe zugrunde, einen eingangs genannten Kamerasensor, insbesondere zur Verwendung in einem Fahrer-Assistenzsystem eines Kraftfahrzeuges vorzuschlagen, mit dem bei Verwendung eines S/W- Kamerasensors auch Farbinformationen gewonnen werden können, ohne Nachteile hinsichtlich des Auflösungsvermögen hinnehmen zu müssen oder zwei parallel arbeitende Systeme, wie in EP 1 084 051 B1 beschrie- ben, verwenden zu müssen.Based on this discussed prior art, the invention is therefore based on the object of proposing a camera sensor, in particular for use in a driver assistance system of a motor vehicle, with the color information can be obtained with the use of an S / W camera sensor, without disadvantages in terms of resolving power or having to use two parallel systems as described in EP 1 084 051 B1.
Gelöst wird diese Aufgabe durch einen eingangs genannten, gattungsgemäßen Kamerasensor, bei dem zumindest eine lichtdurchlässige, ihren Farbzustand in Abhängigkeit von dem Anliegen eines elektrischen Feldes ändernde Zelle in den Strahlengang zum Belichten der fotosensitiven Oberfläche von Wandlerelementen des Sensorarrays als elektrisch schaltbarer optischer Farbfilter eingeschaltet ist.This object is achieved by an initially mentioned, generic camera sensor in which at least one translucent, their color state depending on the concern of an electric field changing cell is turned on in the beam path for exposing the photosensitive surface of transducer elements of the sensor array as an electrically switchable optical color filter.
Bei diesem Kamerasensor ist in dem Strahlengang zum Belichten der Wandlerelemente ein elektrisch schaltbarer optischer Farbfilter eingeschaltet. Bei diesem handelt es sich um eine ihren Farbzustand in Abhängigkeit von dem Anliegen eines elektrischen Feldes ändernde lichtdurchlässige Zelle. Eine solche Zelle kann in den Strahlengang zum Belichten eines jeden Wandlerelements des Sensorarrays eingeschaltet sein. Je nach Anwendungsfall kann sich eine solche Zelle auch über mehrere Pixel des Sensorarrays erstrecken oder, insbesondere wenn unmittelbar in den Strahlengang der Optik eingeschaltet, auf einen größeren Bereich oder auf das gesamte Sensorarray wirkend angeordnet sein. Ist eine solche als optisch schaltbarer Farbfilter dienende Zelle jedem Pixel des Sensorarrays zugeordnet, ist es ausreichend, wenn die Zelle durchscheinende Eigenschaften aufweist. Ist die Zelle dagegen in die Optik des Strahlengangs des Kamerasensors eingeschaltet und somit auf einen Bereich oder das gesamt Sensorarray wirkend, ist die Zelle durchsichtig gestaltet.In this camera sensor, an electrically switchable optical color filter is switched on in the beam path for exposing the transducer elements. This is a translucent cell changing its color state as a function of the concern of an electric field. Such a cell may be turned on in the beam path for exposing each transducer element of the sensor array. Depending on the application, such a cell can also extend over a plurality of pixels of the sensor array or, in particular if it is switched on directly into the optical path of the optical system, can be arranged to act on a larger area or on the entire sensor array. Is such as Optically switchable color filter associated with each pixel of the sensor array, it is sufficient if the cell has translucent properties. By contrast, if the cell is switched on in the optics of the beam path of the camera sensor and thus acts on an area or the entire sensor array, the cell is made transparent.
Zum Einsatz eignen sich beispielsweise solche Zellen, die unter Ausnutzung des elektrischen Kapillareffektes arbeitend ausgelegt sind. Bei solchen Zellen handelt es sich um so genannte Electrowetting-Zellen. Eine solche Zelle ist nach Art eines Kondensators aufgebaut, wobei der Raum zwischen den Elektroden mit einer hydrophoben Flüssigkeit, insbesondere Öl und mit Wasser gefüllt ist. Eine der beiden Elektroden ist hydrophob beschichtet. Liegt kein elektrisches Feld an, legt sich der Öl als Film über die hydrophob beschichtete Elektrode. Liegt dagegen ein elektrisches Feld an, ändert sich die Oberflächenspannung, so dass das Wasser den Ölfilm verdrängt. Wesentlich ist, dass bei einer solchen Zelle zwei nicht mischbare Flüssigkeiten enthalten sind. Der Ölfilm ist gefärbt und stellt das gewünschte Farbfilter dar. Im Zusammenhang einer Erkennung von Lichtquellen, ob diese ein als Frontscheinwerfer einem entgegenkommenden Fahrzeug oder als Rücklicht einem vorangehenden Fahrzeug zugehörig sind, wird man rot gefärbtes Öl verwenden, um auf diese Weise einen Rotfilter bereitzustellen. Derartige Zellen haben eine sehr rasche Reaktionszeit, so dass in kurzer Zeit aufeinanderfolgend zwei Aufnahmen, beispielsweise der vorausliegenden Fahrzeugumgebung gemacht werden können. Eine erste Aufnahme eines solchen Aufnahmepaars wird mit eingeschalteten elektrischen Feld an den Zellen und somit ohne Filter gemacht, während die andere Aufnahme ohne anliegendem elektrischen Feld bei den Zellen und sodann mit dem durch den Ölfilm bereitgestellten Farbfilter gemacht. Durch Subtraktion der Pixel-Information lässt sich so- dann ohne weiteres bestimmen, ob das erfasste Licht einer Lichtquelle im Falle eines Fahrer-Assistenzsystems rot oder weiß ist. Im Unterschied zu einem Farbkamerasensor wird bei diesem Kamerasensor, der im Rahmen eines Fahrer-Assistenzsystems nicht notwendigerweise Videoqualitäten, was die Bildabfolge betrifft aufweisen muss, die Farbinformation in kurzer Zeit hintereinander und nicht gleichzeitig gewonnen. Electrowetting-Zellen sind schnellschaltend und genügen sogar Ansprüchen an die Videoqualität, so dass letztendlich bei diesem Kamerasensor selbst diesbezüglich kaum Einbußen hingenommen werden müssen. Wesentlich ist, dass durch die gewünschte und gewonnene Farbinformation das Auflösungsvermögen eines solchen Sensors nicht beeinträchtigt wird.Suitable for use are, for example, those cells which are designed to work by utilizing the electrical capillary effect. Such cells are so-called electrowetting cells. Such a cell is constructed in the manner of a condenser, wherein the space between the electrodes is filled with a hydrophobic liquid, in particular oil and with water. One of the two electrodes is hydrophobic coated. If there is no electric field, the oil will coat the hydrophobically coated electrode as a film. On the other hand, if there is an electric field, the surface tension changes, so that the water displaces the oil film. It is essential that in such a cell, two immiscible liquids are included. The oil film is colored and represents the desired color filter. In the context of light source detection, whether associated with an oncoming vehicle as the headlamp or with a preceding vehicle as the tail lamp, red colored oil will be used to provide a red filter. Such cells have a very rapid reaction time, so that in a short time successively two shots, for example, the preceding vehicle environment can be made. A first image of such a recording pair is made with the electric field switched on and thus without the filter, while the other image is taken without any electric field applied to the cells and then to the color filter provided by the oil film. By subtracting the pixel information, it is then readily possible to determine whether the detected light from a light source is red or white in the case of a driver assistance system. In contrast to a color camera sensor, this camera sensor, which in the context of a driver assistance system does not necessarily have to show video qualities as far as the image sequence is concerned, obtains the color information in a short time in succession rather than simultaneously. Electrowetting cells are fast switching and even meet the requirements of video quality, so that in the end with this camera sensor even in this regard hardly any losses have to be accepted. It is essential that is not affected by the desired and obtained color information, the resolution of such a sensor.
Für den Fall, dass weitere Farbinformationen mit einem solchen S/W- Kamerasensor gewonnen werden sollen, besteht ohne weiteres die Möglichkeit, zwei oder mehrere Zellen hintereinandergeschaltet in den Strahlengang des Kamerasensors einzubauen. Diese Zellen können eine bauliche Einheit bilden. Jede einzelne Zelle einer solchen Mehrfarbenfilterzelle wird im Zusammenhang dieser Ausführungen als Subzelle angesprochen. Die Subzellen sind zweckmäßigerweise unabhängig voneinander ansteuerbar, so dass nicht nur eine Farbinformation bezogen auf die Farbe des jeweiligen Öls einer Subzelle gewonnen werden kann, sondern auch Farbinformationen, die der Mischfarbe von zwei oder mehr hintereinan- dergeschalteten Subzellen entspricht.In the event that further color information is to be obtained with such a S / W camera sensor, it is readily possible to install two or more cells in series into the beam path of the camera sensor. These cells can form a structural unit. Each individual cell of such a multi-color filter cell is addressed as a subcell in the context of these embodiments. The subcells are expediently controllable independently of each other, so that not only color information relating to the color of the respective oil of a subcell can be obtained, but also color information corresponding to the mixed color of two or more subcarriers connected in series.
Electrowetting-Zellen können auch in einer solchen Größe hergestellt werden, dass diese sich eignen, in den Strahlengang der Optik selbst eingebaut zu werden. Gleichermaßen kann eine solche elektrisch schaltbare Farbfilterzelle auch der Optik unmittelbar vor- oder nachgeschaltet sein. Auch an dieser Stelle ist es möglich, die mit einem S/W-Kamerasensor zu gewinnende Farbinformation dadurch zu erhöhen, dass zusammengesetzte Mehrfarbenfilterzellen benutzt werden und die einzelnen Subzellen Farbfilter unterschiedlicher Farbe aufweisen.Electrowetting cells can also be made in such a size that they are suitable to be incorporated into the optical path of the optic itself. Similarly, such an electrically switchable color filter cell and the optics can be directly upstream or downstream. At this point too, it is possible to increase the color information to be obtained with an S / W camera sensor by using composite multicolor filter cells and by having the individual subcells color filters of different colors.
Nachfolgend ist die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die beigefügten Figuren beschrieben. Es zeigen:The invention is described below by means of embodiments with reference to the accompanying figures. Show it:
Fig. 1 : eine schematisierte Schnittdarstellung eines Ausschnittes eines Kamerasensors mit einer Farbfiltermatrix, gebildet aus einzel- nen elektrisch schaltbaren optischen Farbfiltern und1 is a schematic sectional view of a detail of a camera sensor with a color filter matrix, formed from individual electrically switchable optical color filters and
Fig. 2: ein weiterer Kamerasensor mit einem im Bereich der Optik in den Strahlengang eingeschalteten elektrisch schaltbaren optischen Farbfilter.2 shows another camera sensor with an electrically switchable optical color filter which is switched into the beam path in the region of the optical system.
Ein S/W-Kamerasensor 1 verfügt über ein aus einer Vielzahl einzelner, in einer zweidimensionalen Anordnung zueinander angeordnete optoelektronische Wandlerelemente (Pixel) 3 aufgebautes Sensorarray 2. Figur 1 zeigt lediglich einen Ausschnitt des Kamerasensors 1 , insbesondere ohne eine dem Sensorarray 2 vorgeschaltete Optik. Aufgrund der notwendigen Freilassungen für die elektrischen Anschlüsse der Pixel 3 ist die lichtempfindliche Fläche eines solchen Pixels 3 auf einen Bereich desselben be- schränkt. Die lichtempfindliche Fläche der Pixel 3 ist in Figur 1 mit dem Bezugszeichen 4 gekennzeichnet.An S / W camera sensor 1 has a sensor array 2 constructed from a multiplicity of individual optoelectronic transducer elements (pixels) 3 arranged in a two-dimensional arrangement relative to one another. FIG shows only a section of the camera sensor 1, in particular without a sensor array 2 upstream optics. Due to the necessary releases for the electrical connections of the pixels 3, the photosensitive surface of such a pixel 3 is limited to a region thereof. The photosensitive surface of the pixels 3 is identified by the reference numeral 4 in FIG.
Das Sensorarray 2 des Kamerasensors 1 ist im Bereich seiner Pixel 3 mit einer Elektrode 5 bedeckt. Die Elektrode 5 ist lichtdurchlässig. Die Elek- trode 5 ist bereits Teil einer insgesamt mit dem Bezugszeichen 6 in Figur 1 gekennzeichneten Farbfiltermatrix. Die Farbfiltermatrix 6 umfasst des Weiteren eine auf die Elektrode 5 aufgebrachte Schicht 7 mit hydrophoben Eigenschaften. Die Schicht 7 weist nicht nur hydrophobe Eigenschaften auf, sondern dient auch als elektrischer Isolator. Daher kann die Schicht 7 durchgehend auf die voneinander beabstandeten Elektroden 5 der einzelnen Pixel 3 aufgetragen werden. Mit Abstand zu der hydrophoben Schicht 7 ist komplementär zu den Elektroden 5 eines jeden Pixels 3 eine weitere Elektrode 8 angeordnet. Auch diese ist ebenso wie die Elektrode 5 und auch die hydrophobe Isolationsschicht 7 lichtdurchlässig. Die Elektroden 8 weisen einen Bereich auf, der als ausgelassene Elektrodenfläche 9 angesprochen werden kann. Endseitig ist der Zwischenraum zwischen den Elektroden 8 und der Isolationsschicht 7 verschlossen. Gefüllt ist der Raum zwischen den Elektroden 8 und den hydrophoben Schicht 7 mit Öl 10 und Wasser 11. Das Öl 10 ist gefärbt, und zwar bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel rot.The sensor array 2 of the camera sensor 1 is covered with an electrode 5 in the region of its pixels 3. The electrode 5 is translucent. The electrode 5 is already part of a color filter matrix identified overall by the reference numeral 6 in FIG. The color filter matrix 6 further comprises a layer 7 having hydrophobic properties applied to the electrode 5. The layer 7 not only has hydrophobic properties, but also serves as an electrical insulator. Therefore, the layer 7 can be continuously applied to the spaced-apart electrodes 5 of the individual pixels 3. At a distance from the hydrophobic layer 7, a further electrode 8 is arranged complementary to the electrodes 5 of each pixel 3. These, like the electrode 5 and also the hydrophobic insulation layer 7, are transparent. The electrodes 8 have a region which can be addressed as a discharged electrode surface 9. At the end, the gap between the electrodes 8 and the insulating layer 7 is closed. The space between the electrodes 8 and the hydrophobic layer 7 is filled with oil 10 and water 11. The oil 10 is colored, in the illustrated embodiment red.
Bei dem in Figur 1 dargestellten linken Pixel 3 liegt zwischen den beiden Elektroden 5 und 8 keine Spannung an. Aufgrund der hydrophoben Eigenschaften der Isolationsschicht 7 hat sich das Öl 10 über die Schicht 7 gelegt und nicht das Wasser 11. Aufgrund der Rotfärbung des Öls 10 ist auf diese Weise ein optischer Rotfilter für das in Figur 1 gezeigte linke Pixel 3 gebildet, der somit in den Strahlengang des Kamerasensors 1 eingeschaltet ist. Der Strahlengang endet auf der Oberseite der lichtempfindlichen Fläche 4.In the case of the left-hand pixel 3 shown in FIG. 1, no voltage is present between the two electrodes 5 and 8. Due to the hydrophobic properties of the insulating layer 7, the oil 10 has settled over the layer 7 and not the water 11. Due to the red color of the oil 10 is formed in this way an optical red filter for the left pixel 3 shown in Figure 1, which thus in the beam path of the camera sensor 1 is turned on. The beam path ends on the upper side of the photosensitive surface 4.
Wird über die beiden Elektroden 5, 8 ein elektrisches Feld auf eines oder mehrere Pixel 3 angelegt, wie dieses bezüglich des rechten Pixels 3 in Figur 1 gezeigt ist, verdrängt das Wasser 11 den an der hydrophoben Schicht 7 anliegenden Ölfilm, da das anliegende elektrische Feld die Polarisation der Dipole in der Wasseroberfläche aufhebt. Das Öl 10 wird sodann seitlich weggedrängt, und zwar in den ausgelassenen Elektrodenbereich 9 hinein. Der ausgelassene Elektrodenbereich 9 befindet sich in Richtung des Strahlengangs oberhalb von denjenigen Bereichen, die nicht der lichtempfindlichen Fläche 4 eines Pixels 3 zugehörig sind. Somit be- einflusst das auf diese Weise verdrängte Öl 10 die lichtempfindliche Fläche 4 der Pixel 3 nicht. Der in Figur 1 rechts gezeigte Pixel 3 wird daher in der gezeigten Schaltstellung des Farbfilters ohne eingeschalteten Farbfil- ter belichtet. Während der in Figur 1 links gezeigte Pixel 3 den Farbfilter in seiner Ein-Stellung zeigt, ist dieser in dem rechten Pixel 3 in seiner Aus- Stellung wiedergegeben.If an electric field is applied to one or more pixels 3 via the two electrodes 5, 8, as shown with respect to the right-hand pixel 3 in FIG. 1, the water 11 displaces that on the hydrophobic one Layer 7 adjacent oil film, since the applied electric field cancels the polarization of the dipoles in the water surface. The oil 10 is then forced sideways, into the discharged electrode area 9. The omitted electrode area 9 is located in the direction of the beam path above those areas which are not associated with the photosensitive area 4 of a pixel 3. Thus, the thus displaced oil 10 does not affect the photosensitive surface 4 of the pixels 3. The pixel 3 shown on the right in FIG. 1 is therefore exposed in the switching position of the color filter shown without the color filter switched on. While the pixel 3 shown on the left in FIG. 1 shows the color filter in its on position, it is reproduced in the right pixel 3 in its off position.
Bei den einzelnen Zellen der Farbfiltermatrix 6 handelt es sich, wie die Beschreibung deutlich macht, um Electrowetting-Zellen, mithin um solche Zellen, die bezüglich einer Belichtung des Sensorarrays 2 des Kamerasensors 1 in Abhängigkeit von dem Anliegen eines elektrischen Feldes ihren Farbzustand ändern.As the description makes clear, the individual cells of the color filter matrix 6 are electrowetting cells, and thus those cells which change their color state with respect to an exposure of the sensor array 2 of the camera sensor 1 as a function of the application of an electric field.
Die Ansteuerung der einzelnen Zellen der Farbfiltermatrix 6 erfolgt bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel individuell und damit pixelabhängig. Daher können einzelne Zellen oder Zellengruppen der Farbfiltermatrix 6 unabhängig von anderen Bereichen des Sensorarrays 2 in die eine oder andere Filterstellung geschaltet werden. Je nach der gewünschten Infor- mation, die durch den Kamerasensor 1 gewonnen werden soll, kann es ausreichend sein, wenn alle Zellen der Farbfiltermatrix 6 gleichzeitig und somit parallel zueinander geschaltet werden.The control of the individual cells of the color filter matrix 6 takes place in the illustrated embodiment individually and thus pixel dependent. Therefore, individual cells or cell groups of the color filter matrix 6 can be switched independently of other areas of the sensor array 2 in one or the other filter position. Depending on the desired information that is to be obtained by the camera sensor 1, it may be sufficient if all cells of the color filter matrix 6 are switched simultaneously and thus parallel to one another.
Die einzelnen adressierbaren Zellen (Farbfilter) in der Farbfiltermatrix 6 bieten die Möglichkeit einer Auswertung dergestalt, dass nur von besonders interessant erscheinenden erfassten Regionen oder sogar von einzelnen Pixeln die Farbinformation ausgelesen wird, von anderen dagegen nicht. Dieses ermöglicht im Zusammenhang mit einem Fahrer- Assistenzsystem eine bessere Unterscheidung beispielsweise zwischen Rücklicht bedingten Reflektionen auf nasser Straße und Fahrbahnmarkierungen. Gleichfalls ermöglicht dieses, nach Art eines „Rollingshutter" einen Filterbalken über das Bild laufen zu lassen. Figur 2 zeigt in einer schematisierten Darstellung einen weiteren Kamera- sensor 13. Im Unterschied zu dem Kamerasensor 1 der Figur 1 ist bei diesem Kamerasensor 13 in den Strahlengang ein elektrisch schaltbarer Farbfilter, ausgebildet als Electrowetting-Zelle 12 eingeschaltet. Die Electrowetting-Zelle 12 ist der Optik 14 des Kamerasensors 13 zugeord- net. Das Sensorarray des Kamerasensors 13 ist in Figur 2 mit dem Bezugszeichen 15 gekennzeichnet. Bei dem Sensorarray 15 handelt es sich ebenfalls um ein zweidimensional aufgebautes Schwarz-Weiß- Sensorarray, wie dieses zu dem Ausführungsbeispiel der Figur 1 bereits beschrieben ist. Die Electrowetting-Zelle 12 ist aufgebaut wie die zu dem Ausführungsbeispiel der Figur 1 beschriebenen Zellen der Farbfiltermatrix 6. Die Electrowetting-Zelle 12 ist bei dem Ausführungsbeispiel der Figur 2 durchsichtig und zwar sowohl in seiner Farbfilterstellung als auch in seiner anderen Stellung. Durch den Farbfilter 12 ist bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel der Figur 2 das gesamte Sensorarray 15 beeinflusst, so dass von dem Sensorarray 15 entweder ein Bild mit eingeschaltetem Farbfilter oder ohne eingeschalteten Farbfilter gemacht werden kann. Die Electrowetting-Zelle 12 braucht bei einer geschickten Anordnung derselben innerhalb der Optik 14 des Kamerasensors 13 oder durch Vor- oder Nachschalten derselben nicht übermäßig groß ausgebildet zu sein.The individual addressable cells (color filters) in the color filter matrix 6 offer the possibility of an evaluation in such a way that the color information is read out only by regions of interest or even by individual pixels, but not by others. This allows in connection with a driver assistance system better distinction, for example, between taillight-related reflections on wet roads and lane markings. Likewise, this makes it possible to run a filter bar over the image in the manner of a "rolling shutter." In a schematic representation, FIG. In contrast to the camera sensor 1 of FIG. 1, in the case of this camera sensor 13, an electrically switchable color filter, designed as an electrowetting cell 12, is switched on in the beam path. The electrowetting cell 12 is associated with the optics 14 of the camera sensor 13. The sensor array of the camera sensor 13 is identified by the reference numeral 15 in FIG. The sensor array 15 is likewise a two-dimensionally constructed black-and-white sensor array, as already described for the exemplary embodiment of FIG. The electrowetting cell 12 is constructed like the cells of the color filter matrix 6 described for the embodiment of Figure 1. The electrowetting cell 12 is transparent in the embodiment of Figure 2 both in its color filter position and in its other position. By the color filter 12, the entire sensor array 15 is influenced in the illustrated embodiment of Figure 2, so that from the sensor array 15 either an image with activated color filter or without switched color filter can be made. The electrowetting cell 12 does not need to be overly large in the optics 14 of the camera sensor 13, or by being connected upstream or downstream, in a skilful arrangement thereof.
Die Beschreibung der Erfindung macht deutlich, dass es mit einfachen Mitteln ohne Einbußen in dem Auflösungsvermögen eines Schwarz-Weiß- Sensorarray hinnehmen zu müssen, möglich ist, auch Farbinformationen zu gewinnen, beispielsweise solche, die im Zusammenhang mit einem Fahrer-Assistenzsystem eines Kraftfahrzeuges benötigt werden. Daher ist in einem besonders bevorzugten Ausführungsbeispiel der Kamerasensor Teil eines solchen Fahrer-Assistenzsystems. The description of the invention makes it clear that having to accept with simple means without sacrificing the resolving power of a black and white sensor array, it is also possible to obtain color information, for example those needed in connection with a driver assistance system of a motor vehicle , Therefore, in a particularly preferred embodiment, the camera sensor is part of such a driver assistance system.
BezugszeichenlisteLIST OF REFERENCE NUMBERS
Kamerasensor Sensorarray Pixel lichtempfindliche Fläche Elektrode Farbfiltermatrix Schicht Elektrode ausgelassener Elektrodenbereich Öl Wasser Electrowetting-Zelle Kamerasensor Optik Sensorarray Camera Sensor Sensor Array Pixel Photosensitive Surface Electrode Color Filter Matrix Layer Electrode Exhausted Electrode Area Oil Water Electrowetting Cell Camera Sensor Optics Sensor Array

Claims

Patentansprüche claims
1. Optischer Sensor mit einem aus einzelnen optoelektronischen Wandlerelementen (Pixeln) (3) aufgebauten Sensorarray (2, 15) und einer Optik (14) zum Abbilden auf der fotosensitiven Oberfläche (4) der Pixel (3) des Sensorarrays (2, 15), dadurch gekennzeichnet, dass zumindest eine lichtdurchlässige, ihren Farbzustand in Abhängigkeit von dem Anliegen eines elektrischen Feldes än- dernde Zelle (12) in den Strahlengang zum Belichten der fotosensitiven Oberfläche (4) von Wandlerelementen (3) des Sensorarrays (2, 15) als elektrisch schaltbarer optischer Farbfilter eingeschaltet ist.1. An optical sensor having a sensor array (2, 15) constructed from individual optoelectronic transducer elements (pixels) (3) and an optical system (14) for imaging on the photosensitive surface (4) of the pixels (3) of the sensor array (2, 15) , characterized in that at least one translucent cell (12) changing its color state as a function of the application of an electric field into the beam path for exposing the photosensitive surface (4) of transducer elements (3) of the sensor array (2, 15) electrically switchable optical color filter is turned on.
2. Sensor nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die zumindest eine Zelle (12) unter Ausnutzung des elektrischen Kapillareffektes arbeitend (Electrowetting-Zelle) ausgelegt ist.2. Sensor according to claim 1, characterized in that the at least one cell (12) by utilizing the electrical capillary effect working (electrowetting cell) is designed.
3. Sensor nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass in den Strahlengang vor jedem Pixel (3) des Sensorarrays (2, 15) oder vor einer oder mehreren durch Zusammenfassen einzelner Pixel (3) gebildeten Pixelgruppen jeweils eine solche Zelle als Farbfilter in dem Strahlengang eingeschaltet ist.3. Sensor according to claim 1 or 2, characterized in that in the beam path in front of each pixel (3) of the sensor array (2, 15) or in front of one or more by combining individual pixels (3) formed pixel groups such a cell as a color filter in the beam path is turned on.
4. Sensor nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass alle Zellen im eingeschalteten Zustand dieselbe Färbung zeigen.4. Sensor according to one of claims 1 to 3, characterized in that all cells show the same color when switched on.
5. Sensor nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die zumindest eine solche Zelle (12) durchsichtig ist.5. Sensor according to claim 1 or 2, characterized in that the at least one such cell (12) is transparent.
6. Sensor nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass eine solche Zelle in den Strahlengang der Optik (14) des Sensors (13) eingeschaltet oder dieser vor- und/oder nachgeschaltet ist.6. Sensor according to claim 5, characterized in that such a cell in the beam path of the optics (14) of the sensor (13) is switched on or this upstream and / or downstream.
7. Sensor nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass eine Zelle aus mehreren bezüglich des Strahlengangs hintereinandergeschalteten Subzellen aufgebaut ist, wobei die Subzellen bei eingeschalteter Filterfunktion eine unterschiedliche Filterfarbe aufweisen und die Subzellen unabhängig voneinander ansteuerbar sind.7. Sensor according to one of claims 1 to 6, characterized in that a cell is constructed of a plurality of subcarriers connected in series with respect to the beam path, wherein the Subcells with activated filter function have a different filter color and the subcells are independently controllable.
8. Sensor nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Sensor (1 , 13) Teil eines Fahrer-Assistenzsystems eines Kraftfahrzeuges ist.8. Sensor according to one of claims 1 to 7, characterized in that the sensor (1, 13) is part of a driver assistance system of a motor vehicle.
9. Sensor nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeich- net, dass der Sensor ein Kamerasensor (1 , 13) ist. 9. Sensor according to one of claims 1 to 8, characterized marked, that the sensor is a camera sensor (1, 13).
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