AT504117B1 - Flächensensor und verfahren zur überprüfung von gegenständen - Google Patents

Description

2 AT504117B1

Die Erfindung betrifft einen Flächensensor gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruches 1. Des Weiteren betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Herstellung eines Flächensensors gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruches 8.

Es ist aus vielen Gründen vorteilhaft, einen Flächensensor bzw. eine mit einem Flächensensor ausgestattete Kamera als Zeilensensor bzw. Zeilenkamera einzusetzen. Hier besteht allerdings der Nachteil, dass die Flächenbedeckung der fotosensitiven Bereiche der einzelnen Pixel eines Flächensensors nicht gut geeignet ist, den Anforderungen gerecht zu werden, die an Zeilensensoren gestellt bzw. die durch Zeilensensoren verwirklicht werden. Insbesondere bietet ein Flächensensor für die Aufnahme von Gegenständen einen nicht ausreichenden Füllungsgrad mit fotosensitiven Bereichen und zwar in der Richtung, die senkrecht zur Richtung der Relativbewegung zwischen Sensor und Gegenstand verläuft. Dies ist auch ein Grund für das Auftreten von unerwünschten Moire-Effekten. Es sind Verfahren zur Vermeidung von Moire-Effekten bekannt, die Filter verwenden, die zu einer Verschlechterung der Abbildungsqualität führen.

Ein Flächensensor der eingangs genannten Art, mit dem diese Nachteile vermieden werden, ist mit den im Kennzeichen des Anspruches 1 angeführten Merkmalen charakterisiert.

Mit dieser Ausgestaltung entspricht das Aufnahmeverhalten jeden Pixels des Flächensensors dem eines entsprechenden Pixels eines Zeilensensors. Es ist somit vorgesehen, dass sowohl der fotosensitive Bereich als auch der nicht fotosensitive Bereich die ganze Breite eines Pixels einnehmen. Zweckmäßigerweise besitzen der fotosensitive Bereich und der nicht fotosensitive Bereich jeweils angenähert oder im Wesentlichen die Gestalt eines Rechtecks. Wenn ein Flächensensor die Funktion eines Zeilensensors erfüllen soll, ist es erforderlich, dass die Zeilenbreite möglichst durchgängig fotosensitiv ist. Bei dem erfindungsgemäßen Flächensensor ist es daher von größtem Vorteil, wenn die fotosensitiven Bereiche der Pixel jeweils rechteckig ausgeformt sind und dieser fotosensitive Bereich sich über die gesamte Breite jedes Pixels in Zeilenrichtung des Flächensensors in Gebrauchsstellung erstreckt. Diese Erstreckung liegt damit senkrecht zur Richtung der Relativbewegung zwischen dem Gegenstand und dem gegenüber dem Gegenstand einjustierten Flächensensor.

Insbesondere ist die erfindungsgemäße Vorgangsweise zur Verhinderung von Moire-Effekten bei Flächensensoren bei der Aufnahme von bewegten Objekten geeignet. Bei der optischen Prüfung bzw. Visualisierung von Objekten sind Interferenzeffekte des Pixelrasters des aufnehmenden Flächensensors mit Bildstrukturen des zu prüfenden Gegenstandes störend bzw. machen eine automatische Überprüfung unter Umständen aufgrund des Moirä-Effektes sogar unmöglich.

Besonders kritisch ist das Problem bei der Prüfung von Druckwerken, insbesondere Banknoten und Wertpapieren, da diese Druckwerke oft sehr feine Linienstrukturen enthalten, die mit dem Pixelraster des Flächensensors Interferenzen ergeben. Mitunter sind diese Abbildungsprobleme sogar erwünscht, insbesondere um das Fotokopieren von Geldscheinen zu erschweren.

Mit der Erfindung wird somit auch die Aufgabe gelöst, einen Flächensensor derart auszugestalten, dass die Abbildungsqualität optimal ist und dennoch Moirä-Effekte in Zeilenrichtung vermieden werden.

Ein derartiger Flächensensor ist insbesondere zur Aufnahme von zweidimensionalen Flächenbildern bzw. Gegenstandsabbildungen ersetzbar, aber gleichzeitig auch zur Anwendung einer sukzessiven Akkumulation mehrerer Zeilen nach dem TDI-Verfahren.

Da ein idealer Flächensensor, bei dem die gesamte Fläche eines Pixels lichtsensitiv ist, nicht verwirklichbar ist, weil für Signalleitungen, Schalttransistoren, Kapazitäten und dgl. Platz benötigt wird, befinden sich auf einem Pixel ein fotosensitiver Bereich und ein nicht fotosensitiver Bereich. 3 AT 504 117 B1

Störende Interferenzeffekte entstehen bei Flächensensoren, weil der Füllfaktor, insbesondere in Zeilenrichtung, technisch bedingt deutlich kleiner als 100% ist. Typische Werte von Füllfaktoren liegen bei 30 bis 60%. Insbesondere ist der fotosensitive Bereich eines Pixels so platziert, dass sich sowohl in Zeilen- als auch in Spaltenrichtung ein Abstand zum Nachbarpixel ergibt, in dem das Pixel nicht lichtsensitiv ist. Diese "blinden" Zonen verursachen die sogenannten Interferenzprobleme.

Der Abstand zwischen den fotosensitiven Bereichen der in einer Zeile eines Flächensensors aufeinanderfolgenden Pixel wird erfindungsgemäß minimiert und die fotosensitiven Bereiche bzw. Rechtecke eines Pixels schließen mit möglichst geringem Abstand an den jeweiligen, fotosensitiven Bereich bzw. das jeweilige lichtsensitive Rechteck des Nachbarpixels an. In Richtung der Spalten, d.h. in Richtung der Relativbewegung des Gegenstandes zum Flächensensor sind die fotosensitiven Bereiche der aufeinanderfolgenden Pixel durch die nicht fotosensitiven Bereiche getrennt. Es entstehen somit zu den Zeilen parallele Streifen im Flächensensor, d.h. Streifen parallel zu den fotosensitiven Bereichen der einzelnen Pixel, die die nicht vermeidbaren sogenannten "blinden" Zonen ausbilden.

Um dem fotosensitiven Bereich eine definierte Lage innerhalb des Pixels zuzuordnen, kann vorgesehen sein, dass der fotosensitive Bereich längs einer die einander gegenüberliegenden Seitenkanten des Pixels verbindenden Seitenkante bzw. im Randbereich des Pixels verläuft bzw. unmittelbar an letztere anschließt.

Um die einzelnen Zeilen des Flächensensors bezüglich ihrer Aufnahmequalität der Zeile eines Zeilensensors anzugleichen, ist erfindungsgemäß vorgesehen, dass für die in einer Zeile nebeneinanderliegenden Pixel des Flächensensors der fotosensitive Bereich und der nicht fotosensitive Bereich der einzelnen Pixel jeweils direkt nebeneinander liegen bzw. unmittelbar aufeinanderfolgend mit möglichst wenig Zwischenraum angeordnet sind. Damit sind die Zeilen eines Flächensensors mit den zuvor charakterisierten Pixel ausgestaltet und jede Zeile hinsichtlich ihrer Formation bzw. Ausgestaltung mit einem Zeilensensor vergleichbar. Allerdings ist der Aufbau eines erfindungsgemäßen Flächensensors baulich wesentlich einfacher und wirtschaftlicher erreichbar als eine Anordnung einer Vielzahl von Zeilensensoren, deren Zahl den Zeilen eines Flächensensors entspricht. Zeilensensoren können vor allem nicht so nahe nebeneinander angeordnet werden wie die Zeilen eines Flächensensors.

In den nicht fotosensitiven Bereichen jedes Pixels sind die entsprechenden Anschlüsse an den fotosensitiven Bereich und die elektronischen Schaltungen zur Auswertung des Sensorsignals, d.h. des Signals des fotosensitiven Bereichs, angeordnet.

Mit den Merkmalen des Anspruches 5 erreicht man, dass in einer Zeile eines Flächensensors ein möglichst hoher Füllgrad mit fotosensitiven Bereichen vorliegt. Durch entsprechende Herstellungsmaßnahmen kann vorgesehen sein, dass die Grenzen der Pixel, welche diese voneinander trennen und im erfindungsgemäßen Fall auch die fotosensitiven Bereiche voneinander trennen, möglichst schmal bzw. dünn gehalten werden. Damit werden auch Moirä-Effekte weitgehend vermieden.

Ein Flächensensor ist für Aufnahmen von bewegten Gegenständen, insbesondere unter Anwendung des TDI-Verfahrens, insbesondere dann gut geeignet, wenn die Merkmale des Anspruches 6 verwirklicht sind.

Time Delay Integration (TDI) ist eine bekannte Methode, die bevorzugt zur industriellen Bildverarbeitung verwendet wird. Besonders geeignet ist diese Methode für die Erfassung schnell bewegter Objekte, die mit hoher Auflösung aufgezeichnet werden müssen. Hervorragend ersetzbar ist TDI auch bei geringen Lichtverhältnissen. Im TDI-Modus erfassen (Zeilen-) Sensoren klare Bilder sich schnell bewegender Objekte, indem die Signalladungen mehrerer Zeilen aufakkumuliert werden. Wenn sich in einem Aufnahmetakt eine Gegenstandszeile um genau eine 4 AT504117B1

Sensorzeile weiterbewegt, so kann jede Gegenstandszeile in aufeinander folgenden Aufnahmetakten mehrfach aufgenommen werden. Werden in jedem Aufnahmetakt beispielsweise 128 Zeilen aufgenommen, so wird jede Gegenstandszeile in 128 aufeinanderfolgenden Aufnahmetakten 128 mal aufgenommen und das führt zu einer etwa 128 Mal höheren Signalstärke als dies bei herkömmlichen Sensoren der Fall ist.

Gute Ergebnisse werden bei Flächensensoren erhalten, bei denen der fotosensitive Bereich 20 bis 70%, vorzugsweise 30 bis 50%, der Fläche des Pixels beträgt.

Ein Verfahren der eingangs genannten Art ist erfindungsgemäß mit den Merkmalen des Anspruches 8 charakterisiert. Dadurch, dass der fotosensitive Bereich sich nahezu durchgehend über die Fläche des Pixels zwischen zwei einander gegenüberliegenden Seitenkanten des Pixels erstreckt bzw. dadurch, dass in einer Reihe nebeneinanderliegender Pixel bzw. in den Zeilen des Flächensensors sowohl der fotosensitive Bereich als auch der nicht fotosensitive Bereich der einzelnen Pixel, jeweils in Zeilenrichtung gesehen, nebeneinander liegen bzw. unmittelbar aufeinanderfolgend mit möglichst wenig Zwischenraum angeordnet sind, kann das Auftreten von Moire-Effekten verringert werden.

In senkrechter Richtung zu den Zeilen, d.h. in Richtung der Spalten, werden Moire-Effekte vermieden, indem in dieser Richtung eine Bewegungsunschärfe bei der Belichtung bewusst zugelassen wird. Optimal hinsichtlich einer Vermeidung von Moire-Effekten in Bewegungsrichtung ist eine Bewegungsunschärfe, die dadurch bedingt wird, dass die Belichtungszeit vorzugsweise ein ganzzahliges Vielfaches der Zeit ausmacht, die eine Gegenstandszeile benötigt, um die Strecke von einer Zeile zur nächsten Zeile des Flächensensors zurückzulegen, insbesondere der Zeitspanne, die vergeht bis eine Gegenstandszeile nach der Abbildung auf eine Sensorzeile exakt auf die benachbart liegende Zeile abgebildet wird.

Geringe Abweichungen in der Belichtungszeit bzw. von der Abweichung eines ganzzahligen Vielfachen der Zeilenbewegungszeit haben nur geringfügige Moire-Effekte zur Folge.

Besonders vorteilhaft ist es, wenn bei TDI-Aufnahmen, bei denen eine Gegenstandszeile in zeitlicher Aufeinanderfolge auf eine vorgegebene Anzahl von, insbesondere nebeneinanderliegenden, Zeilen abgebildet wird, die Belichtungszeit der belichteten Zeile einem, insbesondere ganzzahligen, Vielfachen der Zeitdauer t entspricht, die eine auf eine Zeile des Flächensensors abgebildete Gegenstandszeile benötigt, um im folgenden Belichtungs- und Aufnahmeschritt auf die benachbarte Zeile abgebildet zu werden bzw. zu dieser zu gelangen. Dabei ist es von Vorteil, wenn die Belichtungszeit nach der Formel DBi = f - k -1 gewählt wird, wobei k = 1, 2, 3.... n, wobei k eine ganze Zahl ist und für den Faktor f vorteilhafterweise gilt 0,8 < f < 1,2.

Eine Verringerung oder Vergrößerung des Faktors f von einem Wert 1 in Richtung auf den Wert 0,8 oder 1,2 gibt je nach Lage der Abbildung von Gegenstandspunkten auf die Pixel einer Zeile eine gewisse Verringerung der Intensität, da es darauf ankommt, ob die Abbildung des Gegenstandspunktes während der Belichtungszeit vornehmlich auf den nicht fotosensitiven Bereich oder auf den fotosensitiven Bereich erfolgt. Wenn der Faktor f gleich dem bevorzugten Wert 1 ist, erfolgt die Abbildung einer Gegenstandszeile während der gesamten Belichtungsdauer eines Belichtungsschrittes exakt auf die für den jeweiligen Belichtungsschritt vorgesehene Zeile, und zwar auf sämtliche fotosensitiven Bereiche dieser Zeile für dieselbe Zeitdauer.

Auf diese Weise werden Moire-Effekte weitgehend vermieden, da jeder Gegenstandspunkt im Wesentlichen gleich lange an photosensitiven Bereichen vorbei bewegt und aufgenommen wird. Sämtliche Gegenstandszeilen werden somit auf die vorgegebene Anzahl von Sensorzeilen jeweils mit im Wesentlichen gleicher Belichtungsdauer abgebildet.

Anhand der Zeichnung wird die Erfindung im folgenden näher erläutert. Fig. 1 zeigt schematisch eine bekannte Anordnung von Pixel mit fotosensitiven Bereichen in den Zeilen und Spalten 5 AT 504 117 B1 eines Flächensensors. Fig. 2 zeigt schematisch die Ausführung der Pixel in einem erfindungsgemäßen Flächensensor.

In Fig. 1 ist ein Teilbereich eines Flächensensors 1 bekannten Aufbaus dargestellt. Der Flächensensor 1 umfasst eine Vielzahl von Pixel 2, die in Spalten und Zeilen nebeneinander angeordnet sind. Die fotosensitiven Bereiche 4 sind innerhalb der einzelnen Pixel 2 im Wesentlichen zentral ausgebildet und werden von einem nicht fotosensitiven Bereich 3 umgeben, in welchem Bereich 3 die Anschlüsse und allenfalls Schaltelemente gelegen sind.

Fig. 2 zeigt den Aufbau eines erfindungsgemäßen Flächensensors 1, bei dem die Pixel 3 in Zeilen und Spalten nebeneinander bzw. untereinander angeordnet sind.

Erfindungsgemäß ist nunmehr vorgesehen, dass der fotosensitive Bereich 4 eines jeden Pixels 3 sich zwischen zwei gegenüberliegenden Seiten 6 des jeweiligen Pixels erstreckt. Der fotosensitive Bereich 4 und der nicht fotosensitive Bereich 3 bilden im Wesentlichen die Form eines Rechtecks aus. Der fotosensitive Bereich 4 verläuft des weiteren längs einer weiteren Seite 6', welche die beiden anderen Seiten 6 verbindet. Wie aus Fig. 2 ersichtlich ist, bildet der fotosensitive Bereich einen am Rand des Pixels 2 gelegenen, sich über die Pixelbreite erstreckenden Bereich; gleiches gilt für den nicht fotosensitiven Bereich 3.

Die Grundform der Pixel 2 kann beliebig gewählt werden; üblicherweise ist diese Grundform quadratisch; es ist jedoch auch durchaus möglich, die Grundform der Pixel rechteckig zu wählen.

Die Pixel 2 liegen nahe nebeneinander bzw. grenzen aneinander. Die fotosensitiven Bereiche 4 der einzelnen Pixel 2 liegen ebenfalls möglichst nahe nebeneinander bzw. folgen möglichst unmittelbar aufeinander. Aufgrund der notwendigen elektrischen Trennung ist es jedoch erforderlich, Pixelgrenzen 5 auszubilden, wobei aber vorgesehen ist, dass durch die in einer Zeile nebeneinanderliegenden fotosensitiven Bereiche 4 längs jeder Zeile einen Füllgrad von zumindest 90%, vorzugsweise von zumindest 95%, ergeben. Die nicht fotosensitiven Bereiche bleiben bei dieser Ermittlung außer Betracht; der Füllungsgrad wird lediglich durch die zwischen den aufeinanderfolgenden fotosensitiven Bereichen verringert. Es wird eine wesentliche Verbesserung der Aufnahmequalität bei Flächensensoren erreicht, wenn in den Zeilen des Flächensensors 1 sowohl die fotosensitiven Bereiche 4 als auch die nicht fotosensitiven Bereiche 3 der einzelnen Pixel 2 jeweils in Richtung der Zeilen gesehen unmittelbar aufeinanderfolgend mit möglichst wenig Zwischenraum angeordnet sind.

Prinzipiell ist es möglich, den fotosensitiven Bereich 3, insbesondere in Form eines Rechtecks, von einer Seite 6 zur gegenüberliegenden Seite 6 verlaufend auszubilden, jedoch dabei nicht an eine der beiden weiteren Seiten 6' angrenzen zu lassen, sodass ein derartiger fotosensitiver Bereich 4 zu beiden Seiten von einem im wesentlichen rechteckigen nicht fotosensitiven Bereich 3 begrenzt wird. Auch mit derartigen Flächensensoren werden im Wesentlichen die erfindungsgemäßen Vorteile erreicht. Aufnahmetechnisch ist es jedoch vorzuziehen, wenn der fotosensitive Bereich bezüglich der Belichtungsrichtung der einzelnen Zeilen des Flächensensors entsprechend einem TDI-Verfahren voreilend angeordnet ist.

Von Vorteil ist es für die Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens, wenn die Gegenstände relativ zum Flächensensor annähernd gleichmäßig bewegt aufgenommen werden. Die Bewegung erfolgt dabei vorteilhafterweise in Richtung der Spalten des Flächensensors. Für die Beschreibung der Erfindung wurde vorausgesetzt, dass sich der Gegenstand relativ zum Sensor während der Aufnahmezeit in Spaltenrichtung gleichmäßig bewegt und in Zeilenrichtung in relativer Ruhe bleibt. Entsprechend erstrecken sich die fotosensitiven Bereiche der Pixel in aufeinanderfolgender Reihe in Zeilenrichtung.

Die Auswertung der Pixelsignale erfolgt entweder pixelweise oder zeilenweise, d.h. die Signale

Claims (10)

1. 6 AT504117B1 der in einer Zeile angeordneten Pixel werden in einer Weise ausgewertet, wie sie bei Zeilensensoren üblich ist, insbesondere auch in der Weise, wie sie für TDI-Verfahren gebräuchlich ist. Bei einem Flächensensor sind die Spalten und Zeilen prinzipiell austauschbar. Üblicherweise haben die Zeilen mehr Pixel als die Spalten. Patentansprüche: 1. Flächensensor, dessen, vorteilhafterweise quadratische, Pixel (2) einen fotosensitiven Bereich (4) und zumindest einen nicht fotosensitiven Bereich (3) aufweisen, dadurch gekennzeichnet, dass der fotosensitive Bereich (4) und gegebenenfalls der nicht fotosensitive Bereich (3) sich durchgehend über die Fläche des Pixels (2) zwischen zwei einander gegenüberliegenden Seiten (6) des Pixels (2) erstreckt(en).
2. 2. Flächensensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der fotosensitive Bereich (4) und der nicht fotosensitive Bereich (3) jeweils angenähert oder im wesentlichen die Gestalt eines Rechtecks aufweisen.
3. 3. Flächensensor nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der fotosensitive Bereich (4), insbesondere über seine gesamte Länge, längs einer die einander gegenüberliegenden Seiten (6) des Pixels (2) verbindenden Seite (6') verläuft bzw. an diese anschließt.
4. 4. Flächensensor nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass in einer Zeile (7) des Flächensensors (1) die fotosensitiven Bereiche (4) von nebeneinander liegenden Pixeln (2) jeweils aneinander angrenzen bzw. unmittelbar aufeinander folgend mit möglichst wenig Zwischenraum angeordnet sind.
5. 5. Flächensensor nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass durch die in einer Zeile (7) nebeneinanderliegend angeordneten fotosensitiven Bereiche (4) der gesamte fotosensitive Bereich längs dieser Zeile (7) einen Füllgrad von zumindest 90%, vorzugsweise von 95%, aufweist.
6. 6. Flächensensor nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass in den Pixeln (2) der Zeilen (7) des Flächensensors (1) bei einem für die Aufnahme von bewegten Objekten einjustierten Flächensensor (1), in der Richtung, in der die Belichtung der einzelnen Zeilen fortschreitet, der fotosensitive Bereich (4) voreilend gegenüber dem nicht fotosensitiven Bereich (3) angeordnet ist.
7. 7. Flächensensor nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass der fotosensitive Bereich 50 bis 70% der Fläche eines Pixels (2) beträgt.
8. 8. Verfahren zur Aufnahme bzw. Überprüfung von, insbesondere gleichmäßig, bewegten Gegenständen, vorzugsweise Druckwerken, Wertpapieren oder Banknoten, einem Flächensensor, dadurch gekennzeichnet, - dass, insbesondere zur Vermeidung von Moirä-Effekten, ein Flächensensor nach einem der Ansprüche 1 bis 7 zur Aufnahme der Gegenstände eingesetzt wird und - dass die, insbesondere gleichförmige, Bewegung der Gegenstände im Wesentlichen senkrecht zu dem Verlauf der jeweils in den einzelnen Zeilen (7) des Flächensensors (1) unmittelbar aufeinanderfolgend bzw. aneinander anschließend angeordneten fotosensitiven Bereiche (4) der einzelnen Pixeln (2) erfolgt.
9. 9. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass bei TDI-Aufnahmen, bei denen eine Gegenstandszeile in zeitlicher Aufeinanderfolge bzw. in einzelnen, aufeinanderfolgen- 7 AT504117B1 den Belichtungs- bzw. Abbildungsschritten auf eine vorgegebene Anzahl von, insbesondere nebeneinanderliegenden, Zeilen (7) des Flächensensors (1) abgebildet wird, die Belichtungszeit (DBi) jeder der, insbesonders gleichzeitig, belichteten Zeilen (7), einem, insbesondere ganzzahligen, Vielfachen der Zeitdauer (t) entspricht, die eine auf eine Zeile (7) des Flächensensors (1) abgebildete Gegenstandszeile benötigt, um im folgenden Belichtungs- und Aufnahmeschritt auf die benachbarte Zeile (7) abgebildet zu werden.
10. 10. Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Belichtungszeit (DBi) nach der Formel DBi = f k · t gewählt wird, wobei k eine ganze positive Zahl ist, t die Zeit ist, die eine Gegenstandszeile benötigt, um die Strecke von einer Zeile zur nächsten zur Abbildung im folgenden Belichtungsschritt vorgesehenen Zeile des Flächensensors zurückzulegen und für den Faktor f 0,5 < f < 1,5, vorzugsweise 0,8 < f < 1,2 gilt. Hiezu 1 Blatt Zeichnungen