驾驶员监视系统、借助其检测驾驶员的方法和制造用于其的波长移动单元的方法与流程

本发明涉及按照独立权利要求的类属的设备或方法。

背景技术：

用于监视驾驶员头部运动和眼部运动的应用是如今每个驾驶员监视系统的主要组成部分，也叫做驾驶员监视摄像机或缩写为dmc。这些系统针对部分自动或全自动化的驾驶来说是为了分析驾驶员的反应能力所必不可少的。

具有针对dmc应用所需分辨率的对于dmc成像器可提供的和市场上可使用的单色cmos图像传感器，在为了照明所使用的近红外光中由于其作为硅基半导体的技术实现而不具有特别高的量子效率或光敏性，这会导致在电信号中针对每个像素所接收的红外光的次优的实现方式，并且会在该波长范围内引起更高的信噪比。

技术实现要素：

在该背景下利用这里介绍的方案介绍根据独立权利要求所述的一种驾驶员监视系统、一种具有驾驶员监视系统的车辆、一种借助驾驶员监视系统检测驾驶员的方法和一种制造用于驾驶员监视系统的波长移动单元（wellenlängenschiebereinheit）的方法。通过从属权利要求中列举的措施实现了独立权利要求中给出的设备的有利扩展和改进。

介绍一种用于监视车辆中的驾驶员的驾驶员监视系统，其中，该驾驶员监视系统具有下列特征：

照明单元，用于以照明波长的电磁射束来照明驾驶员；

波长移动单元，用于使电磁射束的由驾驶员反射的部分的波长朝向小于照明波长的探测波长移动；以及

探测单元，用于探测由波长移动单元传送的射束。

照明单元可以理解为例如在仪表盘或车辆内室中布置在驾驶员前面的具有一个或多个射束源、例如发光二极管的单元。例如该照明单元可以构造用于发出红外射束。波长移动单元可以例如是微透镜阵列、透镜或光学滤波器，其具有由所谓的uc颗粒制成的特殊的掺杂部或覆层部，其中，uc代表光子上转换。uc颗粒也可以例如通过掺杂或覆层而置入到探测单元的材料中。探测单元可以是光学传感器，例如cmos传感器或其它的光敏半导体构件。波长移动单元可以作为独立元件连接在探测单元前面或集成在探测单元的活性面中。

波长朝向探测波长的移动引起了探测单元的改善的量子效率。

这里介绍的方法基于如下知识，即借助于光子上转换或反斯托克斯位移，通过所谓的非线性波长移动器，可以提高dmc成像器的单色或彩色图像传感器的量子效率。为此可以例如以薄层在透镜或图像传感器本身上全表面地施加特殊材料，或者通过掺杂而置入到dmc成像器的微透镜阵列中。例如针对380和780nm之间的可见光具有良好的量子效率的市场上的传感器在红外光照明的情况下可以通过相应的改良步骤（veredelungsschritt）在其量子效率或光敏性上明显得到改善。由此可以显著简化在dmc应用中所需的图像信号处理，因为输入图像数据具有更好的对比度和更少的图像噪音，即更高的信噪比。dmc成像器的光学路径的设计也可以受益于图像传感器的提高的灵敏度，或者在这方面从成本角度进行优化。

探测单元在探测波长下具有比在电磁射束的由驾驶员反射的部分的波长下更好的量子效率。因此波长的移动是有利的。

根据一种实施方式，照明单元可以构造用于利用近红外线中的电磁射束来照明。在此波长移动单元可以构造用于使反射部分的波长朝向探测波长移动，该探测波长处于可见光的波长范围中。近红外线可以理解为电磁波谱的如下区域，该区域朝着更大波长的方向邻接到可见光上。

驾驶员监视系统可以利用直接的、例如脉动的红外线照明来工作。红外线辐射器通常位于仪表盘或车辆内室中，面向驾驶员。

可以使用具有在940nm的近红外线中的波长的红外光来用于照明，用以实现与环境光情况尽可能无关的均匀照亮，驾驶员看不到该红外光，因此不会使驾驶员目眩。为了抑制环境光，可以在驾驶员监视系统的光学路径中使用光学带通滤波器。考虑到当前头部距离、通过眼镜的反射和主要的外部环境光情况，利用红外辐射源的这种感兴趣区域照明旨在最佳地照亮驾驶员的面部或上身。在此主要任务是，这样地照明重要区域，也就是说驾驶员头部，使得头部很好地区别于背景，也就是说，可以由背景进行分割，并且所有待检查的面部特征都具有适合于图像处理的对比度。

根据另一种实施方式，波长移动单元可以具有用于引起反斯托克斯位移的荧光材料。荧光材料可以例如是稀土、镧系元素或锕系元素的离子。反斯托克斯位移可以理解为如下的波长移动，其中，存在于材料中的并且基于已知的物理关联的能量激发在光子发射时被消除，其中，出射光子的波长小于入射光子的波长。

例如所述波长移动单元可以具有作为荧光材料的镱离子和/或铒离子。由此可以尽可能高效地进行波长移动。

根据实施方式的不同，波长移动单元可以实施为微透镜阵列、透镜、光学滤波器或实施为由所述光学结构元件中的至少两种形成的组合。在此，微透镜阵列、透镜、光学滤波器可以利用荧光材料掺杂和/或覆层。附加地或替换地，波长移动单元可以通过以荧光材料来掺杂和/或覆层所述探测单元来形成。

有利的是，所述微透镜阵列和/或所述透镜和/或所述光学滤波器在面对所述探测单元的侧面上以荧光材料来掺杂和/或覆层。由此微透镜阵列、透镜、光学滤波器尽管掺杂或覆层了荧光材料仍可以保留光学特性，例如由于在引入的颗粒上的散射。

此外，这里介绍的方案提出了一种具有前述实施方式中任一项所述的驾驶员监视系统的车辆。车辆可以例如是部分自动或全自动化的车辆。驾驶员监视系统可以例如安装在仪表盘或车辆内室中。

这里介绍的方案的主题还有一种用于借助驾驶员监视系统检测驾驶员的方法，该驾驶员监视系统具有照明单元、探测单元和波长移动单元，其中，该方法包括下列步骤：

借助于照明单元以照明波长的电磁射束照明驾驶员；

借助于波长移动单元使电磁射束的由驾驶员反射的部分的波长朝向小于照明波长的探测波长移动；并且

借助于探测单元探测由波长移动单元传送的射束。

有利地可以通过波长的移动引起在探测时更好的量子效率。

最后，这里介绍的方案提出了一种用于制造用于根据前述实施方式中任一项所述的驾驶员监视系统的波长移动单元的方法，其中，该方法包括下列步骤：

以所述荧光材料对所述微透镜阵列和/或所述透镜和/或所述光学滤波器进行掺杂和/或覆层，以制造波长移动单元。

附图说明

本发明的实施例在附图中示出并在随后的描述中详细阐释。其中：

图1示出了根据一实施例的车辆的示意图；

图2示出了用于展示针对cmos传感器的与波长相关的量子效率的图表；

图3示出了来自图1的波长移动单元的各种视图；

图4示出了根据一实施例的探测单元的cmos像素的示意图；

图5示出了来自图4的cmos像素结合来自图3的微透镜阵列的微透镜的示意图；

图6示出了来自图4和5的cmos像素的结构图；

图7示出了根据一实施例的用于覆层或掺杂波长移动单元的荧光材料的颗粒示意图；

图8示出了来自图5的cmos像素的示意图，其具有被掺杂的微透镜；

图9示出了根据一实施例的驾驶员监视系统的成像器的示意图；

图10示出了根据一实施例的驾驶员监视系统的成像器的示意图；

图11示出了根据一实施例的用于检测驾驶员的方法的流程图；以及

图12示出了根据一实施例的用于制造波长移动单元的方法的流程图。

具体实施方式

在本发明的有利实施例的随后的描述中，针对在不同附图中示出的并类似起作用的元件使用相同或类似的附图标记，其中，免去了这些元件的重复描述。

图1示出了根据一实施例的车辆100的示意图。示出了用于监视车辆100中的驾驶员104的驾驶员监视系统102的示意布置方案。驾驶员监视系统102包括：照明单元106，用于以照明波长的电磁射束108、例如以红外射束来照明驾驶员104；以及探测单元110，用于探测发出的射束108的由驾驶员104反射的部分111。探测单元110的前面连接有波长移动单元112，该波长移动单元被构造用于，在反射的部分111到达探测单元110之前，使反射的部分111的波长朝向探测波长移动。在此，探测波长小于照明波长。通过这种波长移动可以提高探测单元110的光敏性和量子效率。这点是这里所描述的方案的主要优点。

图2示出了用于展示针对cmos图像传感器的与波长相关的量子效率的图表。由所示的曲线200可以看出，量子效率在900和950nm之间的近红外范围内比较低。

图3示出了来自图1的波长移动单元112的各种视图。根据该实施例，波长移动单元112被实施为与探测单元、例如cmos图像传感器像素全等的（pixelkongruentes）微透镜阵列，其具有用于波长移动的特殊的掺杂部或覆层部。微透镜阵列具有的主要功能是，扩大针对每个像素的光敏面积、也就是说针对每个像素的光敏性和由此信噪比。因此，cmos传感器上的针对每个像素的光敏表面可以在相同光量或光敏性的情况下在面积上（flächenmässig）减少，这导致在cmos芯片面积相同的情况下实现了较高的像素密度进而较高的图像分辨率。图4和5以图形示出了该事实情况。

图4示出了根据一实施例的探测单元110、例如前面根据图1所描述的探测单元的cmos像素400的示意图。探测单元110由多个形式相同的cmos像素400构成。

图5示出了来自图4的cmos像素400结合来自图3的被实现为波长移动单元的微透镜阵列的微透镜500的示意图。微透镜500与cmos图像传感器的像素面相对置。通过微透镜500转向的光束以多个箭头表示。

分别处在cmos像素400边缘上的像素面502代表用于对各个活性像素面504进行布线的光敏导体电路。借助于微透镜500使得入射光被转引到像素400的光敏区域中或被聚焦在其上。由此可以使得针对每个像素的光敏性例如以活性像素面与非活性像素面的比例被提高。视图像传感器的像素间距而定，微透镜500例如具有5至3000μm的直径。微透镜500例如是球形、柱体形或椭圆形并被成型为具有直至100μm的高度。微透镜500的制造借助于玻璃或石英中的光刻法或母版制作（mastering），尤其是通过干燥蚀刻来进行。

图6示出了来自图4和5的cmos像素400的结构图。cmos像素400包括：微透镜500；滤色器600；具有导体电路和可能的晶体管的层复合体602；阳极604；氧化硅层606；p型硅层608以及阴极610。除了微透镜500和滤色器600之外，带有驱动晶体管的导体电路和活性的像素面叠置布置地示出，该活性的像素面被实现为具有阳极604、氧化硅阻挡层606、p型掺杂的硅608和阴极610的光电二极管。视实施例而定，附加地集成抗混叠滤波器（anti-aliasingfilter）或红外阻挡滤波器。

图7示出了根据一实施例的用于覆层或掺杂波长移动单元的荧光材料的颗粒700的示意图。颗粒700也可以被称作uc颗粒或缩写ucp。示出了三个箭头702，这些箭头代表例如940nm的照明波长的射束，通过该射束来激发颗粒700，以及示出了箭头704，该箭头代表具有例如570nm的探测波长的由颗粒700发出的射束。

图8示出了来自图4至图6的cmos像素400的示意图，其具有被掺杂的微透镜500。通过掺杂被引入到微透镜500中的颗粒700通过多个点来表示。

图9示出了根据一实施例的驾驶员监视系统的成像器900的示意图。示出了形式为cmos传感器的探测单元110，连接在探测单元110前面的、这里被实施为透镜的波长移动单元112，以及连接在波长移动单元112前面的带通滤波器904。根据该实施例，波长移动单元112在面对探测单元110的侧面上具有由颗粒700制成的层。

图10示出了根据一实施例的驾驶员监视系统的成像器900的示意图。与图9不同的是，根据图10中示出的实施例的波长移动单元112以由ucp掺杂的硅酸盐玻璃制成的专用波长移动盘的形式被集成到成像器900的光学路径中。例如，波长移动单元112在此被布置在探测单元110和成像器900的独立透镜1000之间。

这是所介绍的方案尤其在使用针对dmc应用的红外照明中具有用于改善cmos图像传感器的光敏性的效率提高的目的。为此，将成像器光学装置的透镜或图像传感器上的微透镜阵列以适当的方式例如借助于掺杂、也就是移植外来原子在使用硅酸盐玻璃的情况下修改为，使得光子上转换（photon-upconversion）的物理原理引起近红外光中的具有大致940nm波长的由驾驶员反射的光到如下的波长范围内的波长移动，在该波长范围的情况下，例如在大致570nm的情况下，图像传感器具有较高的量子效率。这种被掺杂的波长移动微透镜阵列的工作方式在下面阐释。

缩写为uc的光子上转换是一种方法，其中，通过前面也称作uc颗粒700的特定荧光材料顺序吸收两个或更多个光子，导致发射具有处于激发波长λex以下的发射波长λem的光，这也被称作反斯托克斯发射（anti-stokes-emission）。一示例是从近红外光到可见光的变换。可以实现上转换的材料例如包含d区和f区元素（d-undf-block-elementen），例如稀土、镧系元素（lanthanoiden）或锕系元素（actinoiden）。例如，镱（yb³⁺）和铒（er³⁺）可以被用于掺杂硅酸盐衬底，该硅酸盐衬底在以波长λex≈950nm的红外光激发的情况下借助于上转换作为主发射来发射波长λem1≈545nm的可见绿光和波长λem2≈660nm的可见红光。它们基于通过er³⁺离子在其感应出的亚稳能量状态之间被激发的电子的水平跃迁引起的自发光子发射来产生，其中，yb³⁺借助于能量传输用于激发er³⁺离子。

图8中示出了被掺杂的微透镜阵列中的上转换。如果波长λex≈940nm的两个或更多个光子碰到掺杂到透镜中的交互起作用的一个或多个镧系离子，那么接下来借助于上转换发出小于波长λem≈570nm的光子。在此可以不将所有入射的光子借助于上转换来在波长上或能量上变换，因为有些光子不与被掺杂的离子交互起作用地经过所述透镜。这点借助于上转换的效率来描述，该效率直接与透镜500中的uc颗粒700的掺杂密度相关。

为了制造用于cmos传感器的波长移动微透镜阵列可以考虑两种实现方案。微透镜阵列例如在生产期间，在其被施加或施布到cmos图像传感器上之前或期间借助于uc材料或uc颗粒来充实。替换地，市场上可提供的cmos图像传感器的微透镜阵列在一改良步骤中借助于uc材料或uc颗粒的掺杂以适当的方式被修改。

在不存在微透镜阵列的情况下也可以掺杂例如滤色器或抗混叠滤波器那样的另外的层，这些另外的层处在图像传感器的活性面上。在此情况下可以准确检查，外来原子借助于掺杂到上置层中的置入是否会影响以及会在哪个浓度和置入深度上影响cmos传感器的半导体跃迁的工作方式。

在两种制作方法中，基于与照明波长λex和探测波长λem、也就是说在所使用的cmos图像传感器的波长上的量子效率分布相关的待实现的波长移动应当在质量比和元素配属方面精确确定待使用的uc材料。

上转换的之前介绍的作用关系以及其针对dmc应用的使用也可以直接被传递到dmc光学装置内部的实现装置（umsetzung）上，该实现装置由透镜和滤波器那样的一个或多个光学元件组成。图9和10各示出了一示例图，其包含具有大致940nm的通过范围的光学带通滤波器904，用以抑制环境光。该上转换应当在光学路径中有利地发生在带通滤波器904后面。为了实现上转换，以一透镜来替代图9中示出那样的成像器光学装置的普通透镜，该透镜例如在面对cmos传感器的透镜侧面上具有uc层。其例如借助于以上面提到的材料的掺杂来产生。

替换地，由以uc颗粒掺杂的硅酸盐玻璃制成的专用的波长移动盘被集成到驾驶员监视系统的光学路径中，就像图10中可以识别的那样。为了实现波长移动光学装置概括地说可以是四种实现方式。

dmc光学装置的透镜或光学滤波器由多个层制成，这些层中，一个层包含uc材料或uc颗粒。

dmc光学装置的透镜或光学滤波器在制作期间单侧地借助于uc材料或uc颗粒来掺杂。

dmc光学装置的市场上可提供的透镜或市场上可提供的光学滤波器在一改进步骤中通过以uc材料或uc颗粒的掺杂来修改。

由以uc颗粒掺杂的硅酸盐玻璃制成的专用的波长移动盘被集成到dmc成像器的光学路径中。

在这些制作方法中，基于与照明波长λex和探测波长λem、也就是说在所使用的cmos图像传感器的波长上的量子效率分布相关的待实现的波长移动也应当在质量比和元素配属方面精确确定待使用的uc材料。

图11示出了根据一实施例的用于检测驾驶员的方法1100的流程图。该方法1100例如可以在使用前面根据图1至10所描述的驾驶员监视系统来实施。在此，在第一步骤1110中，借助于照明单元以照明波长的电磁射束来对驾驶员进行照明。在第二步骤1120中，将电磁射束的由驾驶员反射的部分的波长借助于波长移动单元朝向探测波长移动。在第三步骤1130中，借助于探测单元来探测所述探测波长的由波长移动单元传送的射束，以便检测驾驶员。

图12示出了根据一实施例的用于制造波长移动单元的方法1200的流程图。该方法1200例如可以被实施用于制造前面根据图1至10所描述的波长移动单元。在此，在一可选步骤1210中视实施例而定地提供微透镜阵列、透镜或光学滤波器。在另一步骤1220中，将微透镜阵列、透镜或光学滤波器以也被称作uc颗粒的荧光材料来掺杂或覆层，以便制造波长移动单元。替换地或附加地，在步骤1210中提供探测单元，并在步骤1220中以荧光材料来掺杂或覆层该探测单元，以便制造波长移动单元。波长移动单元在此直接被集成到探测单元中。

如果一实施例包括第一特征和第二特征之间的“和/或”关联，那么这点被解读为，该实施例根据一实施方式不仅具有第一特征而且具有第二特征并且根据另一实施方式要么仅具有第一特征要么仅具有第二特征。