DE102005032111A1

DE102005032111A1 - Homogenisieren eines horizontalen Verlaufs einer relativen Helligkeit eines Bildes

Info

Publication number: DE102005032111A1
Application number: DE200510032111
Authority: DE
Inventors: Udo Schauss; Norbert Dipl.-Ing. Brinker
Original assignee: Jos Schneider Optische Werke GmbH
Current assignee: Jos Schneider Optische Werke GmbH
Priority date: 2005-07-07
Filing date: 2005-07-07
Publication date: 2007-01-11

Abstract

Die Erfindung betrifft das Homogenisieren des horizontalen Verlaufs der relativen Helligkeit eines Bildes, das mit einem Objektiv und einem Sensor, beispielsweise einem Interline-Transfer-CCD-Bildsensor, aufgenommen wird. Dazu wird in das optische System zusätzlich ein Verlaufsfilter eingefügt, dessen Transmission in horizontaler Richtung mit größer werdender Entfernung von der Bildmitte zur Bildbreite hin zunimmt. Der genaue horizontale Verlauf der Transmission des Verlaufsfilters wird durch eine Optimierung des gesamten optischen Systems errechnet. Das bedeutet auch eine Angleichung des Verlaufes der relativen Helligkeit in horizontaler und vertikaler Richtung, d. h. es wird ein homogener Verlauf (1006) der relativen Helligkeit des aufgenommenen Bildes in horizontaler und vertikaler Richtung erreicht.

Description

Gebiet der Erfindung
Die Erfindung betrifft das Homogenisieren eines horizontalen Verlaufs einer relativen Helligkeit eines Bildes, das mit einem Objektiv und einem elektronischen Bildaufnehmer (Sensor) aufgenommen wird, der eine hauptstrahlwinkelabhängige Empfindlichkeit in horizontaler Richtung aufweist. In der modernen digitalen Bildaufnahmetechnik werden neben den erforderlichen optischen Komponenten zunehmend CCD-Sensoren für die Bildaufnahme eingesetzt. Ein weit verbreiteter CCD-Sensor-Typ ist dabei der vielfach in Kleinbildkameras verwendete Interline-Transfer-CCD-Bildsensor.

Problematisch ist beim Interline-Transfer-CCD-Bildsensor, dass der Verlauf der relativen Empfindlichkeit abhängig ist vom Winkel des bildseitigen Strahlenganges, insbesondere in horizontaler Richtung. Das hat seine Ursache u. a. in der unsymmetrischen Form des lichtempfindlichen Bereiches der Sensorzellen. Dabei entspricht ein großer Einfallswinkel einer geringeren relativen Beleuchtungsstärke auf dem Sensor. Dieser Effekt ist weitestgehend unabhängig von der Blendenöffnung des Objektivs. Die Einfallswinkel, die u. a. auch durch die Brennweite des Objektivs bestimmt werden, sind im Allgemeinen umso größer, je kleiner dessen Schnittweite bzw. Brennweite ist.

Diese Relationen führen zu dem Effekt, dass im horizontalen Verlauf die relative Helligkeit eines erzeugten Bildes von der Bildmitte zum Bildrand hin abnimmt. Dadurch entsteht im horizontalen Verlauf im Bereich des Bildrandes ein unerwünscht starker Helligkeitsabfall. Im Gegensatz dazu wirkt sich der bildseitige Strahlengang in vertikaler Richtung auf dem Sensor nur so geringfügig aus, dass dieser Einfluss auf die relative Helligkeit eines Bildes vernachlässigt werden kann.

Die Abhängigkeit des horizontalen Verlaufs der Empfindlichkeit des Sensors vom bildseitigen Einfallswinkel ist noch stärker bei Aufnahmesystemen, bei denen die Empfindlichkeit der Interline-Transfer-CCD-Bildsensoren durch die sogenannte „lens-on-chip-Technik", d. h. durch das Aufsetzen einer Mikrolinse auf jede einzelne Sensorzelle erhöht wurde.

Eine Einflussnahme auf den horizontalen Verlauf der Helligkeit eines über ein Aufnahmesystem mit einem Interline-Transfer-CCD-Bildsensor erzeugten Bildes kann durch eine Verlängerung der Schnittweite des Objektivs mit einer Retrofokus-Konstruktion erreicht werden. Eine solche Lösung hat aber den Nachteil, das die Objektive bei gleicher Leistung größer und teurer werden.

Aufgabe der Erfindung ist es, eine Möglichkeit anzugeben, den horizontalen Verlauf einer relativen Helligkeit eines Bildes, das mit einem Objektiv und einem elektronischen Bildaufnehmer (Sensor) aufgenommen wird, der eine hauptstrahlwinkelabhängige Empfindlichkeit in horizontaler Richtung aufweist, zu homogenisieren.

Lösung

Diese Aufgabe wird durch die Erfindungen mit den Merkmalen der unabhängigen Ansprüche gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindungen sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet. Der Wortlaut sämtlicher Ansprüche wird hiermit durch Bezugnahme zum Inhalt dieser Beschreibung gemacht.

Die Aufgabe wird u. a. durch ein Verfahren gelöst. Im Folgenden werden einzelne Schritte dieses Verfahrens näher beschrieben. Die Schritte müssen nicht notwendigerweise in der angegebenen Reihenfolge durchgeführt werden, und das zu schildernde Verfahren kann auch weitere, nicht genannte Schritte aufweisen.

Zunächst wird für das Verfahren zum Homogenisieren eines horizontalen Verlaufs einer relativen Helligkeit eines Bildes, das mit einem Objektiv und einem elektronischen Bildaufnehmer (Sensor) aufgenommen wird, der eine hauptstrahlwinkelabhängige Empfindlichkeit in horizontaler Richtung aufweist, ein Verlaufsfilter mit einem horizontalen Verlauf der Abschwächung einer Transmission von elektromagnetischer Strahlung ausgewählt.

Die horizontale Richtung verläuft dabei rechtwinklig zu den streifenförmig vertikal angeordneten Belichtungs- und Speicherbereichen des Sensors und in deren Ebene.

Als nächster Schritt erfolgt das Auswählen einer räumlichen Position des horizontalen Verlaufsfilters hinsichtlich des Objektivs. Die räumliche Position des Verlaufsfilters wird in der Regel – aber nicht notwendigerweise – so gewählt, dass der Strahlengang bei dieser Position ausreichend entkoppelt ist, d. h. dass das extreme horizontale Randstrahlbündel und das Strahlenbündel der Bildmitte auf dem Verlaufsfilter nicht überlappen. Der Filter hat die größte Wirkung dort, wo die größte Entkoppelung stattfindet.

Der Verlaufsfilter kann dabei sowohl vor dem Objektiv als auch hinter dem Objektiv positioniert werden. Bei Weitwinkelobjektiven wird der Filter beispielsweise vor dem Objektiv positioniert, wodurch eine hinreichende Entkopplung des Strahlengangs gewährleistet ist.

Weiterhin werden der Sensor, das Objektiv und der Verlaufsfilter als optisches System modelliert.

Nach diesem Schritt wird das Modell des optischen Systems dahingehend optimiert, dass ein möglichst homogener horizontaler Verlauf der relativen Helligkeit über das gesamte Bild erreicht wird. Dabei werden zur Optimierung die räumliche Position des Verlaufsfilters innerhalb des optischen Systems und der horizontale Verlauf der Abschwächung der Transmission elektromagnetischer Strahlung durch den Verlaufsfilter variiert.

Die Modellierung und Optimierung des beschriebenen optischen Systems erfolgt vorteilhafterweise mit Hilfe eines Rechners und einer entsprechenden Optik-Standardsoftware.

Die Transmission bezeichnet die Durchlässigkeit des Filters. Die Transmissionseigenschaften des Filters bestimmen, welche Verluste elektromagnetische Strahlung beim Durchlaufen des Filters durch Absorption oder teilweise oder gar vollständige Reflektion erleidet. Die Transmissionseigenschaften werden bevorzugt durch den prozentualen Transmissionsgrad des Filters charakterisiert.

Als elektromagnetische Strahlung wird bei der vorgeschlagenen Lösung vorzugsweise sichtbares Licht angenommen, aber auch jede andere elektromagnetische Strahlung, die das verwendete Aufnahmesystem nachweisen kann.

Auf der Oberfläche des Verlaufsfilters wird ein Material aufgebracht, beispielsweise wird ein Metall aufgedampft (typischerweise Aluminium), welches die Transmissionseigenschaften des Verlausfilters bzw. seine Reflexionseigenschaften variiert. Die Reflexionseigenschaften sind dabei abhängig von der Dichte der aufgebrachten Metallschicht.

Durch den Einsatz eines Verlaufsfilters verringert sich die Gesamtlichtausbeute des Systems auf ca. 80% des ursprünglichen Wertes, abhängig von den Eigenschaften des Sensors und des Objektivs.

Für das erfindungsgemäße Verfahren wird die Abschwächung der Transmission des Filters in der Regel so variiert, dass sie in horizontaler Richtung von der Bildmitte zum Bildrand hin geringer wird. Das bedeutet, dass der Filter einen von der Mitte zum Rand zunehmenden horizontalen Transmissionsgrad aufweist. Dabei nimmt die Dichte des auf den Verlaufsfilter aufgebrachten Materials im horizontalen Verlauf von der Mitte zum Rand hin ab.

Insgesamt wird der horizontale Verlauf der relativen Helligkeit eines aufgenommenen Bildes dabei durch die Eigenschaften des Sensors und durch die relative Beleuchtungsstärke des Objektivs in Abhängigkeit vom Bildwinkel sowie durch die Transmissionseigenschaften des Verlaufsfilters und seine räumliche Lage im optischen System bestimmt.

Die Aufgabe wird ferner gelöst durch ein Verfahren zum Ermitteln eines horizontalen Verlaufs der Abschwächung einer Transmission von elektromagnetischer Strahlung eines Verlaufsfilters, der zum Homogenisieren eines horizontalen Verlaufs einer relativen Helligkeit eines Bildes, das mit einem Objektiv und einem Sensor aufgenommen wird, verwendet wird. Dabei verläuft die horizontale Richtung rechtwinklig zu den streifenförmig vertikal angeordneten Belichtungs- und Speicherbereichen des Sensors und in deren Ebene.

Zunächst wird hierbei eine vorgegebene räumliche Position des horizontalen Verlaufsfilters hinsichtlich des Objektivs gewählt.

Als weiterer Schritt werden der Sensor, das Objektiv und der Verlaufsfilter als optisches System modelliert.

Als weiterer Schritt wird das Modell des optischen Systems dahingehend optimiert, dass ein möglichst homogener horizontaler Verlauf der relativen Helligkeit über das gesamte Bild erreicht wird. Bei der Optimierung wird der horizontale Verlauf der Ab schwächung der Transmission elektromagnetischer Strahlung durch den Verlaufsfilter variiert.

Auch gehört zur Lösung der Aufgabe ein Verfahren zum Gestalten eines optischen Systems zum Homogenisieren eines horizontalen Verlaufs einer relativen Helligkeit eines Bildes, das mit einem Objektiv und einem Sensor aufgenommen wird. Dabei sind das Objektiv und der Sensor Teil des optischen Systems.

Bei dem Verfahren zum Gestalten eines optischen Systems wird zunächst ein Verlaufsfilter mit einem horizontalen Verlauf der Abschwächung einer Transmission von elektromagnetischer Strahlung ausgewählt.

Als nächster Schritt wird der Verlaufsfilter gemäß dem oben beschriebenen Verfahren zum Ermitteln eines horizontalen Verlaufs der Abschwächung einer Transmission von elektromagnetischer Strahlung eines Verlaufsfilters, der zum Homogenisieren eines horizontalen Verlaufs einer relativen Helligkeit eines Bildes, das mit einem Objektiv und einem Sensor aufgenommen wird, verwendet wird, ausgebildet. Dabei wird bei der Optimierung zusätzlich die räumliche Position des Verlaufsfilters innerhalb des optischen Systems variiert.

Zur Lösung der Aufgabe gehört auch ein Verlaufsfilter, der gemäß dem bereits beschriebenen Verfahren zum Ermitteln eines horizontalen Verlaufs der Abschwächung einer Transmission von elektromagnetischer Strahlung eines Verlaufsfilters, der zum Homogenisieren eines horizontalen Verlaufs einer relativen Helligkeit eines Bildes, das mit einem Objektiv und einem Sensor aufgenommen wird, verwendet wird, ausbildbar ist.

Das bedeutet, der Filter wird vorteilhafterweise nach dem beschriebenen Verfahren ausgebildet, kann aber auch nach einem anderen Verfahren mit gleichem Ergebnis ausgebildet werden.

Zur Lösung der Aufgabe gehört auch ein optisches System zum Homogenisieren eines horizontalen Verlaufs einer relativen Helligkeit eines Bildes, das mit einem Objektiv und einem Sensor aufgenommen wird. Das optische System ist dabei gemäß dem oben beschriebenen Verfahren zum Gestalten eines optischen Systems zum Homogenisieren eines horizontalen Verlaufs einer relativen Helligkeit eines Bildes, das mit einem Objektiv und einem Sensor aufgenommen wird, ausbildbar.

Ebenso gehört zur Lösung der Aufgabe ein Verlaufsfilter zum Homogenisieren eines horizontalen Verlaufs einer relativen Helligkeit eines Bildes, das mit einem Objektiv und einem Sensor aufgenommen wird. Dabei verläuft die horizontale Richtung rechtwinklig zu den streifenförmig vertikal angeordneten Belichtungs- und Speicherbereichen des Sensors und in deren Ebene. Der Verlaufsfilter ist mittels der im Folgenden geschilderten Schritte herstellbar.

Zunächst wird eine vorgegebene räumliche Position des horizontalen Verlaufsfilters hinsichtlich des Objektivs gewählt.

In einem weiteren Schritt werden der Sensor, das Objektiv und der Verlaufsfilter als optisches System modelliert.

Als nächster Schritt wird das Modell des optischen Systems dahingehend optimiert, dass ein möglichst homogener horizontaler Verlauf der relativen Helligkeit über das gesamte Bild erreicht wird. Dabei wird zur Optimierung der horizontale Verlauf der Abschwächung der Transmission elektromagnetischer Strahlung durch den Verlaufsfilter variiert.

Der Verlaufsfilter kann mit dem beschriebenen Verfahren oder aber auch mit einem anderen Verfahren hergestellt werden.

Schließlich gehört zur Lösung der Aufgabe ein optisches System zum Homogenisieren eines horizontalen Verlaufs einer relativen Helligkeit eines Bildes, das mit einem Objektiv und einem Sensor aufgenommen wird. Dabei verläuft die horizontale Richtung rechtwinklig zu den streifenförmig vertikal angeordneten Belichtungs- und Speicherbereichen des Sensors und in deren Ebene.

Das Objektiv und der Sensor sind Teil des optischen Systems. Das optische System ist mittels folgender Schritte herstellbar.

Zunächst wird ein Verlaufsfilter mit einem horizontalen Verlauf der Abschwächung einer Transmission von elektromagnetischer Strahlung, der mittels der oben bereits beschriebenen Schritte herstellbar ist, ausgewählt.

Als nächster Schritt wird eine räumliche Position des horizontalen Verlaufsfilters hinsichtlich des Objektivs gewählt. Zur Optimierung wird in einem weiteren Schritt zusätzlich die räumliche Position des Verlaufsfilters innerhalb des optischen Systems variiert.

Weitere Einzelheiten und Merkmale ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung von bevorzugten Ausführungsbeispielen in Verbindung mit den Unteransprüchen. Hierbei können die jeweiligen Merkmale für sich allein oder zu mehreren in Kombination miteinander verwirklicht sein. Die Möglichkeiten, die Aufgabe zu lösen, sind nicht auf die Ausführungsbeispiele beschränkt.

Die Ausführungsbeispiele sind in den Figuren schematisch dargestellt. Gleiche Bezugsziffern in den einzelnen Figuren bezeichnen dabei gleiche oder funktionsgleiche bzw. hinsichtlich ihrer Funktionen einander entsprechende Elemente. Im Einzelnen zeigt:
1 eine schematische Darstellung eines Interline-Transfer-CCD-Bildsensors;
2 eine schematische Darstellung der Sensorzelle eines Interline-Transfer-CCD-Bildsensors;
3 eine schematische Darstellung eines Interline-Transfer-CCD-Bildsensors (Ausschnitt) mit aufgesetzten Mikrolinsen;
4 eine schematische Darstellung der Positionierung des horizontalen Verlaufsfilter vor einem Objektiv;
5 eine schematische Darstellung der Positionierung des horizontalen Verlaufsfilter hinter einem Objektiv;
6 die grafische Darstellung des horizontalen Verlaufs der relativen Empfindlichkeit eines Interline-Transfer-CCD-Bildsensors vom Typ Kodak-KAI-4021 in Abhängigkeit von der Größe des bildseitigen Hauptstrahlwinkels sowie die dazugehörige Wertetabelle;
7 die grafische Darstellung des horizontalen Verlaufs der relativen Beleuchtungsstärke eines Objektivs in Abhängigkeit von der Entfernung zur Bildmitte sowie die dazugehörige Wertetabelle;
8 die grafische Darstellung des horizontalen Verlaufs der Transmission eines horizontalen Verlaufsfilters in Abhängigkeit von der Entfernung zur Bildmitte sowie die dazugehörige Wertetabelle;
9 die grafische Darstellung des horizontalen Verlaufs der relativen Beleuchtungsstärke eines Objektivs mit einem horizontalen Verlaufsfilter in Abhängigkeit von der Entfernung zur Bildmitte sowie die dazugehörige Wertetabelle; und
10 die grafische Darstellung des horizontalen Verlaufs der relativen Helligkeit eines Bildes in Abhängigkeit von der Entfernung zur Bildmitte bei Aufnahme mit einem optischen System mit einem Objektiv, einem horizontalen Verlaufsfilter und einem Interline-Transfer-CCD-Bildsensor vom Typ Kodak-KAI-4021 sowie die dazugehörige Wertetabelle.
Der in 1 schematisch dargestellte Interline-Transfer-CCD-Bildsensor 100 ist in Belichtungsbereiche 102 und Speicherbereiche 104 unterteilt. Diese sind beim Interline-Transfer-CCD-Bildsensor streifenförmig angeordnet. Über die lichtempfindliche Sensorfläche 102 (Belichtungsbereich) wird die Information dem Speicherbereich 104 zugeführt. Über eine Verbindung zwischen der Sensorfläche 102 und dem vertikalen Schieberregister 106 werden die entstandenen Ladungspakete 108 innerhalb kurzer Zeit (ca. 2,5 μs) in die abgedunkelten Schieberegisterzellen 104 (Speicherbereich) parallel übernommen. Die verschobenen Ladungspakete 110 aus dem vertikalen Schieberregister 106 werden nun teilweise in das horizontale Schieberregister 112 (Ausleseregister) geschoben und von dort seriell ausgelesen. Die Richtungspfeile 114 und 116 geben die entsprechenden Schieberichtungen der vertikalen Schieberegister 106 bzw. des horizontalen Ausleseregisters 112 an.
Bei der in 2 gezeigten schematischen Darstellung einer Sensorzelle 102 eines Interline-Transfer-CCD-Bildsensors er kennt man deutlich, dass die aktive lichtempfindliche Sensorfläche 202 einer Sensorzelle 102 nur ein kleiner Teil der gesamten Sensorzelle 102 ist. Sie nimmt nur ca. 25% der Gesamtfläche einer Sensorzelle 102 ein. Gleichzeitig hat die lichtempfindliche Sensorfläche 202 eine in Bezug auf die gesamte Sensorzelle 102 nichtsymmetrische Form. Die aktive lichtempfindliche Sensorfläche 202 ist umgeben von einem sogenannten Steg 204, der kein Licht aufnehmen kann. Das Licht, das auf die „Stege" 204 fällt, wird bei herkömmlichen Interline-Transfer-CCD-Bildsensoren nicht genutzt. Diese Besonderheiten der Konstruktion von Interline-Transfer-CCD-Bildsensoren sind die Ursache für den inhomogenen horizontalen Verlauf der relativen Helligkeit eines Bildes, welches durch ein Aufnahmesystem mit einem Interline-Transfer-CCD-Bildsensor aufgenommen wird, wenn dieser Verlauf nicht durch zusätzliche Maßnahmen korrigiert wird.
In 3 wird die schematische Darstellung der Sensorzellen 102 eines Interline-Transfer-CCD-Bildsensors (Ausschnitt) mit aufgesetzten Mikrolinsen 302 gezeigt. Bei dieser Konstruktion (lens-on-chip-Technik) wird auf jede einzelne Sensorzelle 102 eine Mikrolinse 302 aufgebracht. Diese Mikrolinse 302 bündelt das Licht bei senkrechtem Einfall (bildseitiger Hauptstrahlwinkel = 0°) 306, das auf die Stege 204 fallen würde, und lenkt einen großen Anteil davon auf die aktive lichtempfindliche Sensorfläche 202. Dabei können durch diese Konstruktion Empfindlichkeitssteigerungen des Sensors um ca. 70% erzielt werden.
Gleichzeitig jedoch verstärken die Mikrolinsen 302 den negativen Effekt des inhomogenen horizontalen Verlaufs der relativen Helligkeit eines mit diesem System aufgenommenen Bildes. Der Strahlenverlauf 308 zeigt, dass mit größer werdendem bildseitigen Einfalls- bzw. Hauptstrahlwinkel die Beleuchtungsstärke auf der Oberfläche der lichtempfindlichen Sensorfläche 202 abnimmt, was durch eine teilweise Ablenkung der einfallenden Strahlen 308 von der lichtempfindlichen Sensorfläche 202 weg bedingt ist.
erstes Ausführungsbeispiel
4 zeigt eine beispielhafte Ausführung der vorgeschlagenen Lösung. In dem dargestellten optischen System 400 mit einem exemplarischen Weitwinkel-Objektiv 402, horizontalem Verlaufsfilter 404 und Sensor 406 ist der horizontale Verlaufsfilter 404 vor dem Objektiv 402, im Bereich des ausreichend entkoppelten Strahlenganges 408 positioniert. Diese Anordnung bewirkt, dass der horizontale Verlaufsfilter 404 nur durch seine Transmissionseigenschaften einen Einfluss auf den horizontalen Verlauf der relativen Helligkeit eines aufgenommen Bildes hat. Die optischen Grunddaten (Brennweite, Schnittweite, Lichtstärke, etc.) des Systems 400 werden durch den horizontalen Verlaufsfilter 404 nicht beeinflusst.
zweites Ausführungsbeispiel
5 zeigt eine weitere beispielhafte Ausführungsform der vorgeschlagenen Lösung. In dem in 5 dargestellten optischen System 500 mit einem anderen exemplarischen Objektiv 502, einem horizontalem Verlaufsfilter 504 und einem Sensor 506 ist der horizontale Verlaufsfilter 504 hinter dem Objektiv 502 positioniert, und zwar an einer Position, wo der bildseitige Strahlengang 508 entkoppelt ist. Diese Anordnung bewirkt, dass der horizontale Verlaufsfilter 504 durch seine Positionierung hinter dem Objektiv 502 einen Einfluss auf die optischen Grunddaten des Systems hat.
drittes Ausführungsbeispiel
Als Sensor wird ein Interline-Transfer-CCD-Bildsensor vom Typ Kodak-KAI-4021 verwendet. Die Brennweite des verwendeten Objektivs beträgt 28 mm. Der Abstand des Verlaufsfilters von der ersten Linse des Objektivs beträgt 25 mm.
6 zeigt für den Sensor die grafische Darstellung 600 der Abhängigkeit der relativen Empfindlichkeit des Sensors von der Größe des horizontalen bildseitigen Hauptstrahlwinkels eines auf den Sensor treffenden Strahlenbündels. Dabei ist in der Grafik 600 auf der waagerechten Achse 602 des Koordinatensystems als unabhängige Variable die Größe des horizontalen bildseitigen Hauptstrahlwinkels dargestellt, während auf der senkrechten Achse die Werte für die relativen Empfindlichkeit 604 eingetragen sind. Der grafische Verlauf der relativen Empfindlichkeit als Funktion der Größe des bildseitigen Hauptstrahlwinkels wird durch die Verlaufskurve 606 repräsentiert.
Die Wertetabelle 608 widerspiegelt zahlenmäßig die relative Empfindlichkeit des Interline-Transfer-CCD-Bildsensors vom Typ Kodak-KAI-4021 in Abhängigkeit von der Größe des horizontalen bildseitigen Hauptstrahlwinkels, der regelmäßig mit der Entfernung von der Bildmitte (siehe mittlere Spalte) zunimmt.
Die Verlaufskurve 606 und die Wertetabelle 608 zeigen, dass mit zunehmender Größe des bildseitigen Hauptstrahlwinkels die relative Empfindlichkeit des Sensors von 100 in der Bildmitte in horizontaler Richtung zum Bildrand hin bis auf 50% abnimmt.
7 zeigt für das Objektiv des in 4 dargestellten Ausführungsbeispiels die grafische Darstellung 700 der Abhängigkeit des horizontalen Verlaufs der relativen Beleuchtungsstärke, ausgehend von der Bildmitte zur Bildbreite. Die relative Beleuchtungsstärke des Objektivs kennzeichnet den Helligkeitsabfall von der Bildmitte zur Bildbreite hin. Bezug für die prozentuale Bewertung ist die Bildmitte, d. h. bei einem senkrechten Strahlenverlauf (Bildwinkel von 0 Grad).
In der Grafik 700 ist auf der waagerechten Achse 702 des Koordinatensystems als unabhängige Variable die Größe der Entfernung zur Bildmitte (Bildbreite) dargestellt, während auf der senkrechten Achse die Werte für die relative Beleuchtungsstärke 704 eingetragen sind. Der grafische Verlauf der relativen Beleuchtungsstärke als Funktion der Entfernung zur Bildmitte wird durch die Verlaufskurve 706 repräsentiert.
Die Wertetabelle 708 widerspiegelt zahlenmäßig den horizontalen Verlauf der relativen Beleuchtungsstärke des Objektivs in Abhängigkeit von der Entfernung zur Bildmitte. Dieser Entfernung kann ein Hauptstrahlwinkel zugeordnet werden.
Die Verlaufskurve 700 und die Wertetabelle 708 zeigen, dass mit zunehmender Entfernung von der Bildmitte, d. h. mit zunehmender Größe des bildseitigen Hauptstrahlwinkels die relative Beleuchtungsstärke des Objektivs von 100% in der Bildmitte in horizontaler Richtung zum Bildrand hin bis auf 87% abnimmt.
8 zeigt für den horizontalen Verlaufsfilters des in 4 dargestellten Ausführungsbeispiels die grafische Darstellung 800 der Abhängigkeit der Transmission von der Entfernung zur Bildmitte. Dabei ist in der Grafik 800 auf der waagerechten Achse 802 die Größe der Entfernung zur Bildmitte (Bildbreite) dargestellt, während auf der senkrechten Achse die Werte für die Transmission 804 eingetragen sind. Der grafische Verlauf der Transmission als Funktion der Entfernung zur Bildmitte wird durch die Verlaufskurve 806 repräsentiert.
Die Wertetabelle 808 widerspiegelt für dieses Beispiel zahlenmäßig den horizontalen Verlauf der Transmission eines horizontalen Verlaufsfilters in Abhängigkeit von der Entfernung zur Bildmitte, aber auch den Zusammenhang mit der Größe des bildseitigen Hauptstrahlwinkels.
Die Verlaufskurve 806 und die Wertetabelle 808 zeigen, dass mit zunehmender Entfernung von der Bildmitte, aber auch mit zunehmender Größe des bildseitigen Hauptstrahlwinkels die Transmission des horizontalen Verlaufsfilters von 50% in der Bildmitte in horizontalem Verlauf zum Bildrand hin bis auf 100% zunimmt.
9 zeigt für das Objektiv zusammen mit dem horizontalen Verlaufsfilter die grafische Darstellung 900 der Abhängigkeit des horizontalen Verlaufs der relativen Beleuchtungsstärke von der Entfernung zur Bildmitte. Dabei ist in der Grafik 900 auf der waagerechten Achse 902 des Koordinatensystems als unabhängige Variable die Größe der Entfernung zur Bildmitte (Bildbreite) dargestellt, während auf der senkrechten Achse die Werte für die relative Beleuchtungsstärke 904 eingetragen sind. Der grafische Verlauf der relativen Beleuchtungsstärke als Funktion der Entfernung zur Bildmitte wird durch die Verlaufskurve 906 repräsentiert.
Die Wertetabelle 908 widerspiegelt den horizontalen Verlauf der relativen Beleuchtungsstärke des Objektivs zusammen mit dem horizontalen Verlaufsfilter in Abhängigkeit von der Entfernung zur Bildmitte, aber auch den Zusammenhang mit der Größe des bildseitigen Hauptstrahlwinkels.
Die Verlaufskurve 906 und die Wertetabelle 908 zeigen, dass mit zunehmender Entfernung von der Bildmitte, aber auch mit zunehmender Größe des bildseitigen Hauptstrahlwinkels die relative Beleuchtungsstärke des Objektivs mit horizontalem Verlaufsfilters von 57,5% in der Bildmitte in horizontalem Verlauf zum Bildrand hin bis auf 100 zunimmt.
10 zeigt im oberen Abschnitt die Grafik 1000 mit dem horizontalen Verlauf 1006 der relativen Helligkeit des Bildes in Abhängigkeit von der Entfernung zur Bildmitte, wobei diesmal das Bild mit dem gesamten System des in 4 dargestellten Ausführungsbeispiels, bestehend aus Verlaufsfilter, Objektiv und Kodak-Sensor, aufgenommen wurde. Dabei ist in der Grafik 1000 auf der waagerechten Achse 1002 des Koordinatensystems als unabhängige Variable die Größe der Entfernung zur Bildmitte dargestellt, während auf der senkrechten Achse die Werte für die relative Helligkeit 1004 des aufgenommenen Bildes eingetragen sind.
Die Wertetabelle 1008 im unteren Abschnitt der 10 widerspiegelt die zugehörigen quantitativen Werte.
10 zeigt, dass die relative Helligkeit des Bildes einen verhältnismäßig homogenen Verlauf 1006 aufweist. Die Werte für die relative Helligkeit des Bildes liegen bei 93,1% in der Bildmitte, steigen im horizontalen Verlauf bis auf 100% an und nehmen bis zur Bildbreite auf 88,7% ab.
Eine solche Charakteristik des horizontalen Verlaufs der relativen Helligkeit des Bildes in einem optischen System mit In terline-Transfer-CCD-Bildsensor, Objektiv und horizontalem Verlaufsfilter entspricht dem mit der vorgeschlagenen Lösung angestrebten Ziel, einen möglichst homogenen horizontalen Verlauf der relativen Helligkeit eines aufgenommenen Bildes zu erreichen. Das bedeutet auch eine Angleichung des Verlaufes der relativen Helligkeit in horizontaler und vertikaler Richtung, d. h. es wird ein homogener Verlauf der relativen Helligkeit des aufgenommenen Bildes in horizontaler und vertikaler Richtung erreicht.

100: Interline-Transfer-CCD-Bildsensor
102: Sensorzelle/Belichtungsbereich/lichtempfindliche
: Sensorfläche
104: Speicherbereich/Schieberegisterzelle
106: vertikales Schieberegister
108: Ladungspaket
110: verschobenes Ladungspaket
112: horizontales Ausleseregister
114: Schieberichtung für vertikales Schieberegister
116: Schieberichtung für horizontales Ausleseregister
202: aktive lichtempfindliche Sensorfläche
204: Steg einer Sensorzelle
302: Mikrolinse
306: Strahlenbündel bei senkrechtem Einfall
308: Strahlenbündel bei großem bildseitigen Hauptstrahlwinkel
400: optisches System
402: Weitwinkelobjektiv
404: horizontaler Verlaufsfilter
406: Sensor
408: Strahlengang
500: optisches System
502: Objektiv
504: horizontaler Verlaufsfilter
506: Sensor
508: Strahlengang
600: grafische Darstellung der Abhängigkeit der relativen Empfindlichkeit des Sensors vom bildseitigen Hauptstrahlwinkel
602: waagerechte Achse des Koordinatensystems (bildseitiger Hauptstrahlwinkel)
604: senkrechte Achse des Koordinatensystems (relative Empfindlichkeit)
606: Verlaufskurve
608: Wertetabelle
700: grafische Darstellung der Abhängigkeit des horizontalen Verlaufs der relativen Beleuchtungsstärke des Objektivs von der Entfernung zur Bildmitte
702: waagerechte Achse des Koordinatensystems (Bildbreite/Entfernung von der Bildmitte)

704: senkrechte Achse des Koordinatensystems (relative Beleuchtungsstärke)
706: Verlaufskurve
708: Wertetabelle
800: grafische Darstellung der Abhängigkeit des horizontalen Verlaufs der Transmission des horizontalen Verlaufsfilters von der Entfernung zur Bildmitte
802: waagerechte Achse des Koordinatensystems (Bildbreite/Entfernung von der Bildmitte)
804: senkrechte Achse des Koordinatensystems (Transmission)
806: Verlaufskurve
808: Wertetabelle
900: grafische Darstellung der Abhängigkeit des horizontalen Verlaufs der relativen Beleuchtungsstärke des Objektivs zusammen mit dem horizontalen Verlaufsfilters von der Entfernung zur Bildmitte
902: waagerechte Achse des Koordinatensystems (Bildbreite/Entfernung von der Bildmitte)

904: senkrechte Achse des Koordinatensystems (relative Beleuchtungsstärke)

906: Verlaufskurve
908: Wertetabelle
1000: die grafische Darstellung der Abhängigkeit des horizontalen Verlaufs der relativen Helligkeit eines Bildes von der Entfernung zur Bildmitte bei Aufnahme mit einem optischen System mit einem Objektiv, einem horizontalen Verlaufsfilter und einem Interline-Transfer-CCD-Bildsensor vom Typ Kodak-KAI-4021
1002: waagerechte Achse des Koordinatensystems (Bildbreite/Entfernung von der Bildmitte)
1004: senkrechte Achse des Koordinatensystems (relative Helligkeit)
1006: Verlaufskurve
1008: Wertetabelle

Claims

Verfahren zum Homogenisieren eines horizontalen Verlaufs einer relativen Helligkeit eines Bildes, das mit einem Objektiv (402, 502) und einem elektronischen Bildaufnehmer (Sensor) (406, 506) aufgenommen wird, der eine hauptstrahlwinkelabhängige Empfindlichkeit in horizontaler Richtung aufweist, wobei die horizontale Richtung rechtwinklig zu streifenförmig vertikal angeordneten Belichtungs- und Speicherbereichen (102, 104) des Sensors (100) und in deren Ebene verläuft, mit folgenden Schritten: a) ein Verlaufsfilter (404, 504) mit einem horizontalen Verlauf der Abschwächung einer Transmission von elektromagnetischer Strahlung wird ausgewählt; b) eine räumliche Position des horizontalen Verlaufsfilters (404, 504) hinsichtlich des Objektivs (402, 502) wird gewählt; c) der Sensor (406, 506), das Objektiv (402, 502) und der Verlaufsfilter (404, 504) werden als optisches System (400, 500) modelliert; d) das Modell des optischen Systems (400, 500) wird dahingehend optimiert, dass ein möglichst homogener horizontaler Verlauf (1000) der relativen Helligkeit über das gesamte Bild erreicht wird; – wobei zur Optimierung die räumliche Position des Verlaufsfilters (404, 504) innerhalb des optischen Systems und der horizontale Verlauf der Abschwächung der Transmission elektromagnetischer Strahlung durch den Verlaufsfilter (404, 504) variiert werden.
Verfahren nach dem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass der Verlaufsfilter (404, 504) vor oder hinter dem Objektiv positioniert wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Verlaufsfilter (404, 504) einen von der Mitte zum Rand hin zunehmenden horizontalen Transmissionsgrad aufweist.
Verfahren zum Ermitteln eines horizontalen Verlaufs der Abschwächung einer Transmission von elektromagnetischer Strahlung eines Verlaufsfilters, der zum Homogenisieren eines horizontalen Verlaufs einer relativen Helligkeit eines Bildes verwendet wird, das mit einem Objektiv (402, 502) und einem Sensor (406, 506) aufgenommen wird, der eine hauptstrahlwinkelabhängige Empfindlichkeit in horizontaler Richtung aufweist, wobei die horizontale Richtung rechtwinklig zu streifenförmig vertikal angeordneten Belichtungs- und Speicherbereichen (102, 104) des Sensors (100) und in deren Ebene verläuft, mit folgenden Schritten: a) eine vorgegebene räumliche Position des horizontalen Verlaufsfilters (404, 504) hinsichtlich des Objektivs (402, 502) wird gewählt; b) der Sensor (406, 506), das Objektiv (402, 502) und der Verlaufsfilter (404, 504) werden als optisches System (400, 500) modelliert; c) das Modell des optischen Systems (400, 500) wird dahingehend optimiert, dass ein möglichst homogener horizontaler Verlauf der relativen Helligkeit über das gesamte Bild erreicht wird; – wobei zur Optimierung der horizontale Verlauf der Abschwächung der Transmission elektromagnetischer Strahlung durch den Verlaufsfilter (404, 504) variiert wird.
Verfahren zum Gestalten eines optischen Systems zum Homogenisieren eines horizontalen Verlaufs einer relativen Helligkeit eines Bildes, das mit einem Objektiv (402, 502) und einem Sensor (406, 506) aufgenommen wird, wobei das Objektiv (402, 502) und der Sensor (406, 506) Teil des optischen Systems sind, a) ein Verlaufsfilter (404, 504) mit einem horizontalen Verlauf der Abschwächung einer Transmission von elektromagnetischer Strahlung wird ausgewählt; b) der Verlaufsfilter (404, 504) wird gemäß dem vorhergehenden Anspruch ausbildet, – wobei zur Optimierung zusätzlich die räumliche Position des Verlaufsfilters (404, 504) innerhalb des optischen Systems (400, 500) optimiert wird.
Verlaufsfilter (404, 504), der gemäß dem Verfahren nach Anspruch 4 ausbildbar ist.
Optisches System (400, 500) zum Homogenisieren eines horizontalen Verlaufs einer relativen Helligkeit eines Bildes, das mit einem Objektiv (402, 502) und einem Sensor (406, 506) aufgenommen wird, wobei das optische System (400, 500) gemäß dem Verfahren nach Anspruch 5 ausbildbar ist.
Verlaufsfilter (404, 504) zum Homogenisieren eines horizontalen Verlaufs einer relativen Helligkeit eines Bildes, das mit einem Objektiv (402, 502) und einem Sensor (406, 506) aufgenommen wird, der eine hauptstrahlwinkelabhängige Empfindlichkeit in horizontaler Richtung aufweist, wobei die horizontale Richtung rechtwinklig zu streifenförmig vertikal angeordneten Belichtungs- und Speicherbereichen (102, 104) des Interline-Transfer-CCD-Bildsensors (100) und in deren Ebene verläuft, wobei der Verlaufsfilter (404, 504) mittels folgender Schritte herstellbar ist: a) eine vorgegebene räumliche Position des horizontalen Verlaufsfilters (404, 504) hinsichtlich des Objektivs (402, 502) wird gewählt; b) der Sensor (406, 506), das Objektiv (402, 502) und der Verlaufsfilter (404,504) werden als optisches System (400, 500) modelliert; c) das Modell des optischen Systems (400, 500) wird dahingehend optimiert, dass ein möglichst homogener horizontaler Verlauf der relativen Helligkeit über das gesamte Bild erreicht wird; – wobei zur Optimierung der horizontale Verlauf der Abschwächung der Transmission elektromagnetischer Strahlung durch den Verlaufsfilter (404, 504) variiert wird.
Optisches System (400, 500) zum Homogenisieren eines horizontalen Verlaufs einer relativen Helligkeit eines Bildes, das mit einem Objektiv (404, 502) und einem Sensor (406, 506) aufgenommen wird, der eine hauptstrahlwinkelabhängige Empfindlichkeit in horizontaler Richtung aufweist, – wobei die horizontale Richtung rechtwinklig zu streifenförmig vertikal angeordneten Belichtungs- und Speicherbereichen (102, 104) des Interline-Transfer-CCD-Bildsensors (100) und in deren Ebene verläuft, – wobei das Objektiv (402, 502) und der Sensor (406, 506) Teil des optischen Systems (400, 500) sind, wobei das optische System (400, 500) mittels folgender Schritte herstellbar ist: a) ein Verlaufsfilter (404, 504) mit einem horizontalen Verlauf der Abschwächung einer Transmission von elektromagnetischer Strahlung gemäß dem vorhergehenden Anspruch wird ausgewählt; b) eine räumliche Position des horizontalen Verlaufsfilters (404, 504) hinsichtlich des Objektivs (402, 502) wird gewählt; c) zur Optimierung wird zusätzlich die räumliche Position des Verlaufsfilters (404, 504) innerhalb des optischen Systems (400, 500) optimiert.