包含耦合至微透鏡矩陣的光探測器矩陣的多功能光傳感器的製作方法
2024-02-29 21:56:15
專利名稱：包含耦合至微透鏡矩陣的光探測器矩陣的多功能光傳感器的製作方法
技術領域：
本發明涉及多功能光學傳感器，特別是用於汽車的多功能光學傳感器，所述多功能光學傳感器包含具有被分成子區域的敏感區域的CCD或CMOS類型的光電探測器矩陣，所述子區域單獨地或組合之後被指定了監控場景或測量環境參數的特定功能。
背景技術：
場景監控功能包括監控汽車前方、後方或側面的場景。前方監控探測比如從對面方向開來的汽車的存在、朝向車道的縱向分界線的汽車移動或彎道的存在。監控汽車的後方比如可幫助停車操縱。側面監控探測比如側面駛來的汽車以及利用外部後視鏡看不到的汽車，因為它們處於所謂的「盲角」範圍內。
環境參數的測量包含比如霧、雨、窗戶起霧、照明和太陽輻射狀況的測量。
同一申請人的文獻EP-A-1 418 089和EP-A-1 521 226描述了多功能光學傳感器，但是提到了藉助於位於傳感器的光學窗口前面的單孔徑光學部件或透鏡矩陣在CCD或CMOS類型的光電探測器矩陣上的多功能集成解決方案。在文獻EP-A-1 521 226中，每種功能與單個透鏡(或與位於不同矩陣上的多個透鏡)相關聯並且所述透鏡與光電探測器的小組相關聯。
圖1示出了按照文獻EP-A-1 418 089的發明的傳感器實施例的透視圖。單孔徑光學部件的使用整體上限制了減小光學-機械系統尺寸的可能性。此外，用於系統的結構和組裝過程的複雜性不允許顯著地、大量地降低傳感器的成本。
發明內容
本發明的目的是提供如上所定義的類型的光學傳感器，其能夠
-優化矩陣的分區在定義與每種功能相關聯的光電探測器矩陣的子區域的形狀(矩形、梯形、線性)和坐標方面存在有更大的自由度，減少或者除去了單獨用於子區域分隔的光電探測器，整個敏感區域被使用並且能夠將不同的方向和視場分配給屬於相同子區域/功能的光電探測器(如將在下面進行說明的)；-從光學部件和晶片的觀點來使傳感器小型化使用微透鏡矩陣，除去了單孔徑光學系統的典型尺寸，通過優化矩陣的分區，其格式被減少；高度小型化簡化了汽車上的集成，使得能夠在後視鏡、車頂部附近、吊燈等之中插入光學傳感器；-簡化圖像處理每一個光電探測器或光電探測器組具有以便取得一種光學「預處理」的方式被優化的自己的視場和方向；-由於矩陣的優化格式、低成本微透鏡製作過程、幹涉濾光片在鄰近光電探測器的微透鏡矩陣表面上的沉積而減少成本。
按照本發明，所述目的通過具有權利要求1所述的特徵的多功能光學傳感器而達到。
現在將參考純粹為了非限制性實例而提供的附圖對本發明進行詳細地描述，其中-圖1示出了按照文獻EP-A-1 418 089的發明的傳感器實施例的透視圖，-圖2是表示利用單孔徑的光學解決方案的工作原理的示意圖，-圖3是表示基於微透鏡矩陣的光學解決方案的工作原理的示意圖，-圖4是表示基於構成現有技術的微透鏡矩陣的光學系統的工作原理的示意圖，-圖5是表示按照第一實施例的本發明光學系統的工作原理的示意圖，-圖6是表示按照第二實施例的本發明光學系統的工作原理的示意圖，-圖7和8是說明圖6的光學系統的兩種變體的工作原理的示意圖，-圖9是表示按照第三實施例的本發明光學系統的工作原理的示意圖，-圖10示出了具有高解析度、未藉助於光闌操作的微透鏡矩陣的工作原理，-圖11是表示物的間隔和由單孔徑光學部件(圖11a)以及2D微透鏡矩陣(圖11b)構成的兩個光學系統的圖像間隔的示意圖，所述光學系統被耦合至具有相同格式的2D光電探測器矩陣，-圖12是圖11b的一種變體，-圖13是表示物的間隔和由1D微透鏡矩陣構成的光學系統的圖像間隔的示意圖，-圖14是圖11b的另一種變體，-圖15示出了具有光電探測器矩陣和微透鏡的光學傳感器的實例，所述光電探測器矩陣具有恆定的尺寸或間距，所述微透鏡具有涉及路況的不同視場，-圖16是涉及路況的圖15的光學傳感器的應用實例，-圖17是構成相同部分場景或不同部分場景的光電探測器小組的矩陣的實例，-圖18是用於光學預處理功能的圖17的光闌的使用的變體，-圖19和20示出了由同一申請人在文獻EP-A-1 418 089中描述的光電探測器矩陣的敏感區域的子區域中的分區的兩個實例，-圖21示意性示出了基於具有不同焦距的微透鏡矩陣探測下雨的光學解決方案，-圖22示出了耦合至光電探測器矩陣以此實施監控汽車乘員功能的光波導的實例，-圖23示出了按照本發明的優選特徵的光電探測器矩陣的敏感區域分區為子區域的實例，
-圖24示出了用於按照本發明的「盲角」功能的多功能傳感器的汽車上的可能定位。
具體實施例方式
本發明涉及包含CCD或CMOS類型的光電探測器矩陣和微透鏡矩陣的多功能光學傳感器，其中每個微透鏡耦合至光電探測器(像素)的小組(群)或耦合至單個光電探測器。微透鏡被分組為小組，其中每個小組單獨地或與其他組合起來被專用於監控場景或測量環境參數的特定功能。
尤其是，本發明的目的在於上述類型的多功能光學傳感器在機動車上的應用，所述多功能光學傳感器可定位於比如-靠近擋風玻璃，如在內部後視鏡中，以此實施比如下列功能環境照明或進入地下通道的測量、太陽輻射的測量、出現於擋風玻璃上的雨點的探測、擋風玻璃的內部或外部起霧狀況的探測、出現冰的探測、霧狀況的探測以及監控汽車前方的場景(會車)；可另外或可選地集成於會車功能的附加功能是水準測量、彎道或車道探測(用於命令自適應的前燈或用於車道警告)、夜視(在近紅外或NIR下察看場景)、直立的道路標誌的探測、行人的探測、黑匣子(將與前方監控有關的圖像存進循環存儲緩衝器，其可用於發生事故的情形)；-後窗附近，以此實施下列功能環境照明、下雨/起霧(內部和外部)、冰、霧、後方監控(停車)的測量；可另外或可選地集成於後方監控的附加功能是盲角監控、水準測量、車道探測、黑匣子；-側鏡中，以此實現下列功能環境照明、霧、後方監控(盲角)的測量；可另外或可選地集成於盲角監控的附加功能是停車、水準測量、車道探測、黑匣子；-擋風玻璃的直立部分上，用於以下功能用戶識別、用於氣囊系統的乘員監控。
按照本發明的光學傳感器還可用於其他應用，如道路基礎設施、機器人技術、休閒(domotics)、農業等。
現在將參考光學系統的工作原理對本發明進行詳細的描述。
圖2示出了文獻EP-A-1 418 089和EP-A-1 521 226基於其上的單孔徑光學解決方案透鏡8具有視場FOV＝a·arctan(d/2f)，其中d＝n·dpixel是光電探測器矩陣12的總尺寸，dpixel是光電探測器12的尺寸或間距，以及f是光學系統的焦距。
通常，為了減小光學系統的尺寸並且特別是為了將焦距f減少到原來的1/n，可使用微透鏡14，每個微透鏡14耦合至光電探測器12，具有d/n＝dpixel的線性尺寸和f1＝f/n的焦距(圖3)。在這種情形中，每個微透鏡14具有與全局視場一致的視場，FOV1＝FOV＝2·arctan(dpixel/2f1)。
為了具有作為每個微透鏡14的單獨視場的結果的全局視場FOV，有必要減小光電探測器12的有效面積的大小，以這樣的一種方式即使得它們的尺寸為dpixel/n或者等效地將具有尺寸為dpixel/n的孔徑的光闌18放置於光電探測器12的前方。
如果光闌18的中心之間的距離不同於微透鏡14的尺寸，如構成先有技術的圖4所示，在光電探測器矩陣12的前方被定位的是光闌18的矩陣以使任何的微透鏡14具有IFOV16，所述IFOV16具有中心方向20以及中心方向20之間的恆定角距αi(α1＝α2＝α3＝α4)。單獨IFOV16的和確定全局視場FOV。還可通過「擋板」18′使每個微透鏡14和相鄰的微透鏡分離，所述「擋板」18′的功能是阻止來自相鄰微透鏡的輻射到達非對應的光電探測器。
如果中心方向20之間的角距αi不是恆定的，如包含在權利要求1以及圖5所示的那樣，有必要改變光闌中心之間的距離。圖5示意性示出了光學傳感器10[pl]的一部分的側視圖，其包含了光電探測器矩陣12和微透鏡矩陣14，其中光闌18的中心之間的距離不同於微透鏡14的中心之間的距離。每個微透鏡14與一群光電探測器12相關聯或者與單個光電探測器相關聯。在圖5的實例中，微透鏡14彼此相同。每個微透鏡14被設置成可使來自立體角IFOV16的一部分的輻射聚焦在與微透鏡14相關聯的一群光電探測器12上或者單個光電探測器12上。圖5示出了位於光電探測器矩陣12和微透鏡矩陣14之間的光闌18的矩陣。光闌矩陣18能夠為各光電探測器12或一群光電探測器12選擇立體角IFOV16的一部分。
相對於圖4情形的差異是微透鏡14對著的立體角16的若干部分的中心方向20之間的角距αi不是恆定的。在圖5的實例中，中心方向20之間的角被指定為α1、α2、α3，並且它們是α1≠α2≠α3。其原因是光闌18的中心之間的距離不是恆定的。另一個差異是總FOV不是IFOV16之和並且因此FOV可以被二次取樣。為了阻止來自相鄰微透鏡14的輻射到達非對應的光電探測器12，每個微透鏡14可以通過「擋板」18′與相鄰的微透鏡14分離。
如果中心方向20之間的角距αi不是恆定的，但是光闌18之間的距離等於微透鏡14的尺寸，如圖6所示，必須計算添加稜鏡部件至球面部件的微透鏡，以便於使得微透鏡利用光軸操作而不是與它們的對稱軸一致(離軸)。每個微透鏡的IFOV16將具有這樣的中心方向20，即α1≠α2≠α3。正如圖6所示的情形中，總FOV可以被二次取樣。
為了覆蓋比可能利用如上所述的折射光學解決方案的視場更大的視場，可以考慮利用具有全內反射的類型的微透鏡的解決方案、反射解決方案和混合方案。例如，圖7示出了通過與折射離軸微透鏡14相關聯的全內反射操作的微透鏡22。圖8示出了具有與折射離軸微透鏡14相關聯的反射透鏡24的光學傳感器。
如圖9所示，獲得中心方向20之間的非恆定角距αi的另外的可能性是使用顯微物鏡矩陣。顯微物鏡15通過至少兩個疊加的顯微物鏡組成。雙合透鏡光學解決方案允許改變有效的焦距(e.f.l.)以維持對所有顯微物鏡來說相等的後焦距(b.f.l.)。這樣，光電探測器矩陣12和顯微物鏡矩陣15之間的距離是恆定的(b.f.l)，同時改變e f.l.的可能性允許具有中心方向20之間非恆定的距離，即α1≠α2≠α3。在這種情形下，IFOV同時被改變。
對於上述的光學系統，使用光闌18的可能的選擇包括使用具有比光闌18更小尺寸的光電探測器12的矩陣。最後，對於光電探測器矩陣12的敏感區域的相等尺寸，能夠具有高解析度光電探測器矩陣12或更大尺寸以及因此更小解析度的光電探測器矩陣12。如圖10a所示，使用低解析度光電探測器矩陣12，光闌矩陣18被用來改變與每個微透鏡14相關聯的中心方向20(在前面的光學解決方案中描述的情形)。而使用高解析度光電探測器矩陣12，如圖10b所示，只有某些對應於要獲得的微透鏡14的中心方向20的光電探測器12被起動，並且其他的光電探測器變為無效，而無需使用光闌矩陣18。使用高解析度矩陣的優點包括除去光闌18以及能夠重新配置(同時還獲得來自矩陣的圖像)有效的光電探測器，以這樣的一種方式即以便改變視場的中心方向20。缺點是由於下列事實造成的通過不連續的步驟(最小間距等於光電探測器12的尺寸)，中心方向20的移動發生並且如在使用光闌18時那樣不連續，以及為了顯現圖像，需要尋址有效的光電探測器的預處理。
按照本發明的光學傳感器的微透鏡可由GRIN(梯度折射率)材料構成。在某些微透鏡的底面或在微透鏡的某些小組的底面上可沉積作為濾光片來操作的選擇性幹涉塗層，以此僅傳輸所關注的波長。針對某些功能，例如可使用NIR(近紅外)LED照明器，不得不相對於背景選擇有關的光譜帶。
光電探測器矩陣是CCD或CMOS技術、標準或並聯結構(光電探測器層的預處理)。
按照權利要求1，多重功能在耦合至微透鏡矩陣的光電探測器矩陣上的集成依照下列規則-每種功能與單個微透鏡或不是彼此相鄰的多個微透鏡、或彼此相鄰的微透鏡的一個小組或不是彼此相鄰的微透鏡的若干小組相關聯。
-每個微透鏡與單個光電探測器或光電探測器的小組(群)相關聯；
-能夠與功能相關聯的相鄰的光電探測器定義了子區域(ROI或所關注的區域)；-某些光電探測器可僅僅用於分離子區域；-與若干光電探測器或成群的鄰近光電探測器有關的視場(IFOV)的中心方向之間的角距在矩陣內不是恆定的。
據此與鄰近的若干光電探測器或成群的光電探測器有關的視場(IFOV)的中心方向之間的角距在矩陣內不是恆定的狀況在下列情形中發生-存在有專用於許多功能的鄰近子區域，其中子區域的視場是不同的；-在光電探測器矩陣上集成的至少其中一種功能與對著立體角FOV的微透鏡的單個小組相關聯，但是由於可以獨立建立每個單獨微透鏡的視場IFOV的中心方向的事實，與微透鏡的小組相關聯的相鄰的若干光電探測器或成群的光電探測器不會總是具有彼此鄰近的IFOV(在後面的段落「矩陣形狀」中將對這種情形進行更詳盡的描述和說明)；-微透鏡的至少一個小組具有不同的以及彼此相鄰的視場，以這樣的一種方式即以便在所述小組的全局視場內部獲得不同的解析度(在段落「前方監控」中將對這種情形進行更詳盡的描述和說明)；-微透鏡的至少一個小組具有相等的但是不是彼此相鄰的視場，以這樣的一種方式即以便以非連續的方式對微透鏡的所述小組的全局視場進行取樣，並且因此在微透鏡的所述小組的全局視場內部獲得不同的解析度(在段落「前方監控」中將對這種情形進行更詳盡的描述和說明)；可獲得與若干光電探測器或成群的光電探測器有關的視場的中心方向之間的角距中的變化-修改位於光電探測器或一群光電探測器前方的光闌中心之間的距離(圖5)；-在離軸微透鏡矩陣的情形下修改稜鏡部件(圖6)；
可獲得單獨的微透鏡的視場中的變化-修改位於光電探測器或一群光電探測器前方的光闌的直徑；-利用具有顯微物鏡的解決方案(圖9)。
基於上述規則，可識別另外的創新元件，在下文中將對其單獨描述，其涉及1.矩陣形狀2.前方監控3.變焦4.光學預處理5.矩陣分區矩陣形狀圖11是表示兩個光學系統的物平面和像平面的示意圖，第一個由單孔徑光學部件8構成(圖11a)，第二個由微透鏡14的2D矩陣構成(圖11b)，所述光學系統耦合至光電探測器的2D矩陣，所述矩陣具有相同的格式mxn。
在圖11a中，按照應用於透鏡8的幾何光學定律，光電探測器12對著IFOV在像平面中，彼此相鄰的光電探測器12對著物平面的相鄰部分。
在構成如前面圖11a的現有技術的圖11b中，微透鏡矩陣14替代單孔徑透鏡並且前面所考慮的因素繼續適用在像平面中，彼此相鄰的光電探測器12對著物平面的鄰近部分。
然而，可獨立建立每個單獨微透鏡14的視場IFOV的中心方向20。因此，在圖12中，微透鏡14被定位成以使前面的規則不再適用並且因此與鄰近的光電探測器有關的視場的中心方向20之間的角距在矩陣內不是恆定的。然而，在這種情形中，用於尋址光電探測器的預處理是必要的以便於顯現圖像。
前面的實例可以被認為是特定情形的概括，下面對其中的兩個進行說明。
具有單孔徑透鏡8並且所述單孔徑透鏡8具有水平度數為x以及垂直度數為y的視場(圖11a)的mxn光電探測器12的2D矩陣可以被重新設計成mxn光電探測器12的1D線性矩陣，以這樣的一種方式即使得與相應的光電探測器12相關聯的每個微透鏡14具有水平度數為x/m、垂直度數為y/n以及中心方向20的視場以便覆蓋水平度數為x以及垂直度數為y的全局視場的一部分(圖13)。
例如，在有必要實施場景的2D監控並且用於集成傳感器的可用表面僅對於mxn光電探測器的1D線性矩陣來說是足夠而對於mxn光電探測器的2D矩陣來說不足時，這可能是有用的。
每個單獨的微透鏡14的視場IFOV的中心方向20可以被獨立建立的事實還可用來優化將光電探測器矩陣分區為專用於特定功能的子區域，並且尤其可用來利用矩陣的整個敏感區域。
圖14通過舉例的方式示出了其中存在有需要察看具有水平度數為x以及垂直度數為y的視場的場景的一部分的情形，其中x＝y，並且由光電探測器12的2D矩陣構成的傳感器10上可有的子區域是矩形的如果不得不沿著物平面的兩個軸x和y維持相同的解析度並且因此不得不為每個微透鏡12維持相同的視場，則如圖14所示，可將微透鏡定位於矩形子區域。
前方監控在具有用於監控汽車前方的場景的單孔徑透鏡的系統中使用的TV攝像機的格式主要依賴於兩個參數在其中某些物不得不利用更高精度進行辨別的場景區域(如路面上的水平標誌)所需要的視場FOV和解析度R。這意味著在其中不存在所關注物的場景的其他區域中，前面的解析度R是完全多餘的。
對於大多數前方監控功能，攝像機的格式必須至少是CIF(320×256像素)或VGA(640×480像素)。
這些格式不與上面提出的基於顯微光學矩陣的光學解決方案兼容，其中光電探測器的尺寸為幾十微米的數量級，即遠遠大於今天消費者或汽車應用所使用的標準矩陣的光電探測器的數量級(小於10微米)。具有尺度為幾十微米數量級的光電探測器的使用結合高解析度意味著過分擴張的晶片總面積以及因此增加的製造成本。
在基於顯微光學矩陣的光學解決方案的情形中，有必要設計專用於前方監控功能的微透鏡小組，以使彼此相鄰的單獨的光電探測器(或成群的光電探測器)的視場IFOV不為微透鏡小組的整個視場FOV保持恆定，但是如圖15所示，以場景的不同區域內實際需要的解析度為基礎對它們進行限定。因此，單獨的彼此相鄰的光電探測器(或成群的光電探測器)的視場IFOV的中心方向之間的角距不是恆定的。
如圖16所示，這種方法使得能夠相對於外圍區域的點在圖像的逸出點上定義更高的解析度。從逸出點開始到矩陣的外部邊緣，單獨的光電探測器(或成群的光電探測器)的視場IFOV以及IFOV的中心方向之間的角距兩者都增加，否則只有IFOV的中心方向之間的角距增加，同時IFOV反而維持恆定，以便於對需要較低解析度的場景的部分進行不連續地取樣。
變焦前方場景監控功能是多種形式的(會車、車道警告、彎道探測、直立標誌探測、行人監控等)。
為了將所有這些功能集成於與單孔徑透鏡耦合的同一光電探測器矩陣上，首先有必要評估視場、最小和最大範圍、最大距離處的基準障礙物的解析度方面的功能規格。組合這些規格使得能夠定義矩陣的格式，其對於某些功能來說明顯是足夠的而對其他功能來說是多餘的。利用這種方法，攝像機的格式無疑將大於VGA。
減小TV攝像機的格式的備選方案必需使用光學變焦。然而，光學變焦的尺寸和複雜度使得難以將其與專用於環境參數測量功能的其他光學系統集成(注意按照文獻EP-A-1 418 089的發明的如圖1所示的傳感器的複雜度)。此外，光學變焦增加了傳感器的製造成本。
如果使用的是微透鏡矩陣而不是單孔徑光學系統，可優化專用於前方場景監控的子區域，增加其中細節需要被辨別的區域內的解析度(水平標誌、障礙物識別等)並減小其中必要的信息更定性的區域內(路沿、地平線等)的解析度。當利用光學變焦使其成為可能時，這等效於處理具有最佳解析度的圖像。
在前面的段落「前方監控」中已經討論過用於改變解析度的解決方案。
光學預處理設計定義每個微透鏡的視場的方向和幅度的微透鏡矩陣的能力允許簡化圖像處理。
可能的光學預處理功能包括應用濾光片以便於預變換圖像用於後面的處理。利用單孔徑光學部件，甚至在不顯著的區域要求高解析度以便於具有足夠的解析度來識別圖像的某些區域。而使用每個微透鏡或微透鏡小組的不同視場，能夠以適當的解析度和視場定義矩陣的子區域，以便於簡化圖像處理操作。
參考圖17，另外的可能性包括在矩陣的敏感區域上定義j個光電探測器的k組，每個光電探測器能夠產生(藉助於單個微透鏡或j個微透鏡的矩陣)場景的相同部分的圖像或場景的不同部分的圖像。在每一組j個光電探測器上安置的是具有不同形狀的光闌。在一組光電探測器構成與光闌的形狀匹配的場景的一部分時，信號是最高的。如圖17所示，這種方法可用於比如車道警告功能，其中有j個光電探測器的k/2組察看路況的左邊部分(所關注的類型1區)而有j個光電探測器的k/2組察看路況的右邊部分(所關注的類型2區)。
現在可以根據不同的觀點來分析圖12中示出的實例。正如上面所解釋的，微透鏡14被定位以使在圖像平面內彼此相鄰的光電探測器12沒有對著物平面的鄰近部分，並且因此與鄰近的光電探測器12有關的視場的中心方向20之間的角距在矩陣內不是恆定的。基於這個一般的實例，能夠設計具有這樣的視場的微透鏡的k個小組以便察看與圖17的光闌形狀精確匹配的場景的k個部分，從而選擇水平分界線的k個位置。然而，所述微透鏡的k個小組被水平定位於光電探測器矩陣上第一小組從矩陣的左上角開始並且向右走，第二小組從第一小組的結尾開始並且向右走等等；到達矩陣的右邊緣時，後面的行開始。
圖18a示出了與ROI有關的光電探測器小組和實際暴露於通過光闌的輻射中的若干光電探測器的放大圖。圖18b示出了如上所述的微透鏡的第k小組的定位。
正如圖12的實例中提到的，這種解決方案的優點是除去圖17的光闌，使用具有更小格式的矩陣，消除了用於尋址光電探測器的任何形式的預處理。
矩陣分區按照集成功能的任何類型和數目，光電探測器矩陣的敏感區域的分區可具有不同的配置。
圖19僅僅通過舉例的方式示出了、已經在文獻EP-A-1 418 089中由同一申請人提到的光電探測器矩陣的敏感區域的第一可能分區。按照本專利申請的發明元件，相同功能可以被有不同地集成。
所謂「微光」功能由不得不測量環境照明的矩陣的子區域來實施。甚至可以將專用於該功能的光電探測器的數目減少到剛好為一，並且在定位於矩陣的敏感區域方面沒有約束。按照優選的特徵，中心光電探測器(或少數光電探測器)被具有不同視場的八個或更多光電探測器所包圍，中心的更大而側面的更小，以便於具有關於環境照明的強度(中心光電探測器)以及關於太陽輻射的強度和方向(側面光電探測器)的信息。關於環境照明的信息使得能夠在不良照明狀況下自動打開/關閉汽車前燈。關於太陽照明方向的信息使得能夠優化汽車的空調系統，如用於起動和調節多區域空調系統的氣流。按照另外的優選特徵，某些光電探測器的取向朝著汽車的儀錶盤以此測量投射其上的輻射(光電探測器上的漫射輻射)。專用於照明和太陽輻射功能的光電探測器可以被互相分離地定位於非相鄰的位置。
關於霧探測功能(基於有源技術)，甚至可以將光電探測器的數目減少到剛好為一個，並且在定位於矩陣的敏感區域方面沒有約束。
對於隧道功能，甚至可以將光電探測器的數目減少到剛好為一個，並且在定位於矩陣的敏感區域方面沒有約束。按照優選的特徵，光電探測器(少數光電探測器)具有大約為20°的前方視場，而第二光電探測器(少數光電探測器)具有大約為10°的更小的前方視場。
標以「前方監控」的敏感矩陣的子區域實施所謂的「車道警告」功能。優選地，所關注的區域(即有效地用於圖像處理的區域)是梯形的，並且因此專用於該功能的光電探測器的數目根據文獻EP-A-1418 089中由同一申請人所描述的來減少。優選地，光電探測器的視場在其中車道分界線可被定位的圖像區域內更小(更高的解析度)。這使得能夠減少專用於該功能的光電探測器的數目。
稱為「前方監控」的區域可選地或另外的「車道警告」功能可專用於會車探測功能。按照優選的特徵，所關注的區域(即有效地用於圖像處理的區域)是梯形的，並且因此專用於該功能的光電探測器的數目根據文獻EP-A-1 418 089中由同一申請人所描述的來減少。光電探測器的視場在其中會車的汽車的前燈出現的潛在指示物或在基準汽車(其上安裝有傳感器的汽車)之前的汽車尾燈出現的潛在指示物可被定位的圖像區域內更小(更高的解析度)。按照優選的特徵，光電探測器的兩個小組被設置以實施這種功能第一小組的光電探測器具有確保遠距離監控場景的視場以此探測來自對面車道的汽車，以及第二小組的光電探測器具有確保短距離監控場景的視場以此探測在基準汽車之前的汽車。
按照優選的特徵，位於前方監控功能的子區域的未使用區域中的一組光電探測器可專用於側面監控，即專用於彎道出現的探測用來指揮汽車的自適應前燈。
稱為「前方監控」的敏感區域的部分可用於多種功能的組合，即車道警告、會車、彎道探測等。專用於這樣的功能的子區域優選地由其微透鏡具有優化的方向和視場的光電探測器構成只在其中用於處理算法的所關注的物可被定位的區域內為高解析度，在非關注區域(如地平線)內為低解析度。該結果可與利用光學變焦獲得的結果相比擬。
圖20示出了已經在文獻EP-A-1 418 089中由同一申請人描述的、光電探測器矩陣的敏感區域的分區的第二實例。按照本專利申請的發明元件，相同功能可以被集成。
對於下雨/起霧功能，在定位於矩陣的敏感區域方面沒有約束。在文獻EP-A-1 418 089描述的解決方案中，為了使雨點落在相同的圖像平面上，光軸不得不垂直於擋風玻璃。按照本發明，微透鏡的使用使得微透鏡矩陣的光軸保持與路面平行。如圖21的示意圖所示的，通過設計具有不同焦距的微透鏡，能夠補償光電探測器矩陣和雨點位於其上的擋風玻璃之間的不同距離。在該圖中，汽車的擋風玻璃用數字30表示。數字32示意性表示了在擋風玻璃的外部表面上沉積的水滴。附圖標記14′、14″、14表示具有不同焦距的、被定位的微透鏡，以這樣的一種方式定位微透鏡，使得各自對應的焦距調整點相對於擋風玻璃落在了獨立於微透鏡的不同距離的光電探測器的平面上。
參考圖22，數字36表示能夠實施監控汽車乘員功能的裝置。由附圖標記38表示的光電探測器矩陣的取向朝著汽車的前方。某些光電探測器40(比如位於矩陣38的左下和右下角)被用來確定乘員駕駛員的位置以及乘客的存在、類型和位置。因為該功能不需要能夠產生整個汽車圖像的光學部件，而是僅僅能夠監控和識別乘客存在，所以顯示了許多的(比如等於9個的)光電探測器。因為汽車內部被定位於光電探測器矩陣38的有效側的後部，為了察看場景，使用光學系統42，能夠接收位於光電探測器矩陣後部的圖像。例如，光學系統42可以是如圖22所示的波導元件。另一方面，光學系統42可包含稜鏡元件(圖中未示出)。光學系統的視場由附圖標記44表示。
圖23示出了光電探測器的有用表面的分區的另外的可能性。這種分區使得能夠將更多的功能集成在具有減小的格式(如CIF)的矩陣上。
圖24示出了按照本發明的、用於實施察看盲角功能的傳感器10的可能布置。按照本發明的優選特徵，為了實施該功能，每個傳感器10可具有兩種不同視場以覆蓋不同的方向和距離，以使駛來的汽車在不同時間橫穿兩個輻射束，產生可用來發信號通知危險物的階躍信號。
權利要求
1.一種多功能光學傳感器，包含CCD或CMOS類型的光電探測器(12)的矩陣，具有被分成子區域的敏感區域，所述子區域的每一個單獨地或與其他組合之後專用於監控場景或測量環境參數的特定功能，其特徵在於，-所述光學傳感器包含微透鏡(14)的矩陣，每個微透鏡被設置以此使來自立體角(16)的一部分的輻射在相關聯的光電探測器(12)或一群彼此相鄰的光電探測器(12)上聚焦，-每種功能與單個微透鏡或彼此相鄰的微透鏡的單個小組、或者多個非彼此相鄰的微透鏡或微透鏡的非彼此相鄰的若干小組相關聯，-能夠與功能相關聯的所述相鄰的光電探測器定義了子區域(所關注的區域或ROI)，-鄰近的光電探測器或鄰近的成群的光電探測器所對著的立體角(16)的若干部分的中心方向之間的角距在所述矩陣內不是恆定的。
2.如權利要求1所述的光學傳感器，其特徵在於，所述微透鏡(14)是彼此相同的並且被定位在每個光電探測器(12)或一群光電探測器(12)處，並且因為設置有光闌(18)且位於所述光電探測器矩陣(12)和所述微透鏡矩陣(14)之間，所述光闌(18)使得能夠為每個光電探測器(12)或一群光電探測器選擇每個微透鏡所對著的所述立體角的一部分。
3.如權利要求1所述的光學傳感器，其特徵在於，所述微透鏡矩陣(14)是離軸的並且它們中的每一個被集中在各自對應的光電探測器(12)或一群光電探測器上，每個微透鏡(14)以這樣的一種方式被設計，即以便為每個光電探測器(12)或一群光電探測器選擇每個微透鏡所對著的所述立體角的一部分。
4.如權利要求1所述的光學傳感器，其特徵在於，所述傳感器包含顯微物鏡(15)的矩陣，其中的每一個由至少兩個微透鏡構成，所述顯微物鏡(15)的每一個與各自對應的光電探測器(12)或一組光電探測器(12)以及有關的光闌相關聯。
5.如權利要求2和4所述的光學傳感器，其特徵在於，所述光闌被具有與所述光闌相等或比其尺寸更小的光電探測器的小組所替代，以便於選擇所述微透鏡所對著的視場的中心方向。
6.如權利要求2、3和4所述的光學傳感器，其特徵在於，分離擋板存在於相鄰的微透鏡之間.
7.如權利要求3所述的光學傳感器，其特徵在於，存在有位於所述微透鏡矩陣和與各自對應的微透鏡相關聯的所述光電探測器或一群光電探測器(12)之間的光闌(18)。
8.如權利要求3所述的光學傳感器，其特徵在於，利用折射類型、全內反射、反射或上述的組合的光學解決方案設計所述微透鏡(14、22、24)。
9.如權利要求1所述的光學傳感器，其特徵在於，存在有專用於許多功能的鄰近子區域，其中所述子區域的視場是不同的。
10.如權利要求1所述的光學傳感器，其特徵在於，在所述光電探測器矩陣上集成的功能的至少其中之一與單個微透鏡小組相關聯，其對著立體角FOV，以及相鄰光電探測器或光電探測器群，與所述微透鏡小組相關聯，其不會總是具有彼此鄰近的IFOV。
11.如權利要求1所述的光學傳感器，其特徵在於，至少一個小組的所述微透鏡具有不同的以及彼此相鄰的視場，以這樣的一種方式即以便在所述小組的全局視場內部獲得不同的解析度。
12.如權利要求1所述的光學傳感器，其特徵在於，至少一個小組的所述微透鏡具有相等的但是不相鄰的視場，以這樣的一種方式即以便以非連續的方式對所述微透鏡小組的所述全局視場進行取樣。
13.如權利要求1所述的光學傳感器，其特徵在於，存在有單獨用來分離所述光電探測器矩陣的敏感區域的鄰近子區域的光電探測器。
14.如權利要求1所述的光學傳感器，其特徵在於，所述微透鏡(14)由梯度折射率(GRIN)材料構成。
15.如權利要求1所述的光學傳感器，其特徵在於，至少一個小組的所述微透鏡在其取向朝著所述光電探測器矩陣(12)的表面上使選擇性幹涉光學塗層作為濾光片來操作，以此僅傳輸所關注的波長。
16.如權利要求1所述的光學傳感器，其特徵在於，所述光電探測器矩陣(12)是CCD或CMOS技術、標準或利用所述光電探測器級(12)的預處理設置的並聯結構。
17.如權利要求1所述的光學傳感器，其特徵在於，具有mxn光電探測器的矩陣的至少一個子區域耦合至微透鏡的一個小組，以這樣的一種方式即使得在圖像平面內彼此不相鄰的光電探測器12對著物平面的鄰近部分。
18.如權利要求1所述的光學傳感器，其特徵在於，對著水平度數為x以及垂直度數為y的視場的、具有mxn＝t光電探測器的子區域可在所述矩陣上被重新映射為子區域pxq＝t光電探測器，以使每個光電探測器具有水平度數為x/m、垂直度數為y/n以及中心方向20的視場，以便覆蓋水平度數為x以及垂直度數為y的全局視場的一部分。
19.如權利要求1所述的光學傳感器，其特徵在於，它包含專用於前方場景監控功能的至少一個微透鏡(14)的小組，其中在屬於所述小組的微透鏡中，所述鄰近微透鏡對著的所述中心方向之間的角距不是恆定的，並且所述若干微透鏡對著的單獨視場不是恆定的，以這樣的一種方式即以便改變所關注場景的特定區域內的解析度。
20.如權利要求1所述的光學傳感器，其特徵在於，它包含專用於前方場景監控功能的至少一個微透鏡(14)的小組，其中在屬於所述小組的微透鏡中，所述鄰近微透鏡對著的所述中心方向之間的角距不是恆定的，並且所述微透鏡對著的單獨視場是恆定的，以這樣的一種方式即以便以非連續的方式對為此需要更低解析度的所述場景的部分進行取樣。
21.如權利要求1所述的光學傳感器，其特徵在於，與每個光電探測器或光電探測器小組相關聯的所述微透鏡(14)的參數以這樣的一種方式被優化，以便獲得光學預處理。
22.如權利要求1所述的光學傳感器，其特徵在於，在前述的光電探測器矩陣(12)中定義了j個光電探測器的k個組，每個組能夠在安置了具有不同形狀的光闌的所述組上產生場景的相同部分的圖像或場景的不同部分的圖像，以使在一組產生與所述光闌的形狀匹配的場景部分的圖像時，信號是最強的。
23.如權利要求1所述的光學傳感器，其特徵在於，在前述的光電探測器矩陣(12)中定義了水平定位的光電探測器的k個組，所述組與能夠產生所述場景的k個不同部分的圖像的各自對應的微透鏡相耦合，以這樣的一種方式即以便獲得光學預處理。
24.如權利要求1所述的光學傳感器，其特徵在於，它包含位於所述光電探測器矩陣的敏感區域的任何點上的、充當測量環境照明功能的至少一個光電探測器，所述至少一個光電探測器與被一定數量的微透鏡所包圍的中心微透鏡相關聯，以這樣的一種方式即以便藉助於所述中心微透鏡獲得關於環境照明強度的信息，以及藉助於所述側面微透鏡獲得關於太陽輻射強度和方向的信息。
25.如權利要求24所述的光學傳感器，其特徵在於，至少一個所述側面微透鏡的取向朝著汽車的儀錶盤，以此測量投射其上的太陽輻射。
26.如權利要求1所述的光學傳感器，其特徵在於，肯定會實施前方監控功能的所述光電探測器矩陣的子區域具有梯形形狀。
27.如權利要求1所述的光學傳感器，其特徵在於，對於下雨功能，所述微透鏡具有平行於路面的它們的光軸並且這樣的焦距便於補償擋風玻璃的彎曲。
28.如權利要求1所述的光學傳感器，其特徵在於，在所述光電探測器矩陣中的乘員監控功能專用於耦合到能夠接收位於所述光電探測器矩陣的後部的圖像的稜鏡或波導系統的一個或多個像素。
29.如權利要求1所述的光學傳感器，其特徵在於，在所述光電探測器矩陣中的盲角監控功能專用於一個或多個光電探測器的小組，所述光電探測器的小組具有不同的視場以便於以不同的解析度覆蓋不同的方向。
全文摘要
一種多功能光學傳感器包含CCD或CMOS類型的光電探測器(12)矩陣，具有被分成子區域的敏感區域，其中的每一個單獨地或與其他組合之後專用於監控場景或測量環境參數的特定功能。該光學傳感器包含微透鏡(14)矩陣，其中的每個被設置以此使來自立體角(16)的一部分的輻射在相關聯的光電探測器(12)或一群彼此相鄰的光電探測器(12)上聚焦。每種功能與單個微透鏡或者彼此相鄰的微透鏡的單個小組、或者多個非彼此相鄰的微透鏡或者多個非彼此相鄰的微透鏡的小組相關聯。鄰近的光電探測器或鄰近的成群光電探測器所對著的立體角(16)的若干部分的中心方向之間的角距在矩陣內不是恆定的。
文檔編號G02B3/00GK1937236SQ20061013988
公開日2007年3月28日 申請日期2006年9月19日 優先權日2005年9月19日
發明者N·帕拉羅, D·卡佩洛, P·雷佩託, R·菲尼茲奧, C·卡維內斯, L·利奧蒂 申請人:C.R.F.阿西安尼顧問公司