DE102008003756A1

DE102008003756A1 - Flächensensor sowie Verfahren zur Herstellung eines Flächensensors

Info

Publication number: DE102008003756A1
Application number: DE200810003756
Authority: DE
Inventors: Dorothea Dipl.-Ing. Heiss
Original assignee: Austrian Research Centers GmbH ARC
Current assignee: AIT Austrian Institute of Technology GmbH
Priority date: 2007-01-15
Filing date: 2008-01-10
Publication date: 2008-07-17
Also published as: AT504118B1; AT504118A4

Abstract

Die Erfindung betrifft einen Flächensensor mit in Zeilen nebeneinander und in Spalten untereinander angeordneten Pixel (2), die jeweils einen fotosensitiven Bereich (3) und einen nicht fotosensitiven Bereich (4) aufweisen sowie ein Verfahren zu dessen Herstellung. Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass die fotosensitiven Bereiche (3) in einer vorgegebenen oder stochastisch ermittelten Anzahl von Pixel (2), insbesondere in allen Pixel, insbesondere in einer vorgegebenen oder stochastisch ermittelten Anzahl von Zeilen (5), insbesondere in allen Zeilen, und/oder in einer vorgegebenen oder stochastisch ermittelten Anzahl von Spalten (6), insbesondere in allen Spalten, im Vergleich miteinander eine unterschiedliche bzw. voneinander abweichende Form und/oder Größe und/oder Position und/oder Ausrichtung innerhalb des jeweiligen Pixel aufweisen.

Description

Die Erfindung betrifft einen Flächensensor gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruches 1. Des Weiteren betrifft die Erfindung ein Verfahren gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruches 9.
Bei der optischen Prüfung bzw. Visualisierung von Objekten und Gegenständen sind Interferenzeffekte des Pixelrasters des aufnehmenden Sensors mit Bildstrukturen des zu prüfenden Objektes störend bzw. machen eine automatische Überprüfung unter Umständen sogar unmöglich. Diese Effekte sind als Moiré-Effekte bekannt. Besonders kritisch ist dieses Problem bei der Prüfung von Druckwerken, insbesondere von Banknoten und Wertpapieren, da diese Druckwerke sehr feine Linienstrukturen enthalten, die mit dem Pixelraster des Sensors Interferenzen ergeben. Bisweilen sind diese Probleme sogar erwünscht, um das Fotokopieren von derartigen Druckwerken zu erschweren.
Es sind optische Vorschaltfilter bekannt, die Moiré-Effekte vermeiden. Derartige Maßnahmen führen jedoch zu einer Verschlechterung der Bildqualität.
Ziel der Erfindung ist es, einen Flächensensor zu erstellen, mit dem die Abbildungsqualität optimal ist und dennoch Moiré-Effekte in Zeilen- und/oder Spaltenrichtung herabgesetzt, insbesondere vermieden werden.
Ein derartiger Flächensensor soll zur Aufnahme von zweidimensionalen Flächenbildern und auch zur Anwendung einer sukzessiven Akkumulation der Signale mehrerer Zeilen nach dem TDI-Verfahren einsetzbar sein.
Des Weiteren ist zu berücksichtigen, dass bei einem idealen Flächensensor die gesamte Fläche jedes einzelnen Pixel fotosensitiv ist. Diese Pixel sind üblicherweise quadratisch, können prinzipiell aber auch rechteckige oder andere Form besitzen. Bei einem realen Pixel sind jedoch nicht fotosensitive Bereiche vorhanden, welche für Signalleitungen, Schalttransistoren, Kapazitäten und dgl. Bauelemente benötigt werden.
Das angegebene Ziel wird bei einem Flächensensor der eingangs genannten Art mit den im Kennzeichen des Anspruches 1 angeführten Merkmalen erreicht.
Besonders vorteilhaft ist es, wenn die Position und/oder Ausrichtung des fotosensitiven Bereiches innerhalb der einzelnen Pixel nach stochastischen Kriterien festgelegt bzw. vorgegeben ist und/oder wenn die Form bzw. Größe des fotosensitiven Bereichs innerhalb der einzelnen Pixel nach stochastischen Kriterien festgelegt bzw. vorgegeben ist.
Bei einem derartigen Aufbau des Flächensensors werden Moiré-Effekte vermieden, ohne die Herstellung und den Aufbau des Flächensensors nachteilig zu beeinflussen. Auch TDI-Abbildungsverfahren sind problemlos durchführbar.
Von Vorteil können die Merkmale des Anspruches 4 sein, da dabei der Aufwand zur Bestimmung bzw. Festlegung von Form und/oder Größe und/oder Position für jedes einzelne Pixel entfallen kann und es nur erforderlich ist, eine bestimmte Anzahl von Gruppen von Pixel mit unterschiedlich ausgebildeten fotosensitiven Bereichen festzulegen, für die die Parameter für die auszubildende Form und/oder Größe und/oder Position und/oder Ausrichtung des fotosensitiven Bereiches im jeweiligen am Flächensensor ausgebildeten Pixel stochastisch ausgewählt sind.
Ein einfacher Aufbau des Flächensensors ergibt sich auch mit den Merkmalen des Anspruches 5 oder des Anspruches 7.
Bei einem Flächensensor mit einer Farbfiltermatrix sind die Merkmale des Anspruches 8 von Vorteil, um aufgrund der vorgesehenen Filterelemente Moiré-Muster zu vermeiden.
Ein Verfahren zur Herstellung eines Flächensensors der eingangs genannten Art ist erfindungsgemäß mit den Merkmalen des Anspruches 9 charakterisiert. Bei dieser Vorgangsweise können in wirtschaftlich einfacher, jedoch exakter Weise die Form bzw. die Größe und/oder Position und/oder Ausrichtung des fotosensitiven Bereiches der einzelnen Pixel vorgegeben und ausgebildet werden.
Vereinfacht wird diese Vorgangsweise, wenn die Merkmale des Anspruches 10 vorgesehen werden.
Eine Möglichkeit, einfach und mit geringem Aufwand Moiré-Effekte zu vermeidenden, wird mit den Merkmalen des Anspruches 11 erreicht.
Auch eine Vorgangsweise mit den Merkmalen des Anspruches 12 ist von Vorteil, da der Aufwand zur Ausrichtung bzw. zur Auswahl der Position der fotosensitiven Bereiche verringert wird.
Im Folgenden wird die Erfindung anhand der Zeichnungen näher erläutert. 1 zeigt die Anordnung der fotosensitiven Bereiche in den Pixel eines herkömmlichen Flächensensors. 2 zeigt eine mögliche Anordnung der fotosensitiven Bereiche in einem erfindungsgemäßen Flächensensor.
Moiré-Effekte entstehen durch die Überlagerung bzw. Interferenz zweier Frequenzen. Bei der Aufnahme von Gegenständen mittels entsprechender Sensoren entstehen sie insbesondere dann, wenn regelmäßige Strukturen und Linienmuster mit einem regelmäßigen Pixel-Raster aufgenommen werden. Besonders erschwert wird diese Situation dadurch, dass aus technischen Gründen nur ein Teil der Pixelfläche fotosensitiv ist. Dadurch gehen Teile des Originalmusters verloren. Die aufgenommenen Teile bilden ein regelmäßiges Raster, das mit regelmäßigen Mustern des aufzunehmenden Gegenstandes interferiert. Diese Effekte sind beispielsweise aus dem Fernsehen bei der Aufnahme von gestreiften oder karierten Objekten bekannt.
In 1 ist ein Bildsensor bzw. ein Flächensensor 1 dargestellt, dessen einzelne Pixel 2 einen fotosensitiven Bereich 3 und einen nicht fotosensitiven Bereich 4 aufweisen.
Die Pixel 2 sowie die fotosensitiven Bereiche 3 sind in einem Raster in Zeilen 5 und Spalten 6 regelmäßig angeordnet. Insbesondere besitzt der fotosensitive Bereich 3 in jedem Pixel dieselbe Form und Größe und ist jeweils an derselben Stelle positioniert bzw. gleich ausgerichtet.
Erfindungsgemäß ist nunmehr vorgesehen, dass die fotosensitiven Bereiche 3 in einer vorgegebenen oder stochastisch ermittelten Anzahl von Pixel 2, insbesondere in allen Pixel, insbesondere in einer vorgegebenen oder stochastisch ermittelten Anzahl von Zeilen 5, insbesondere in allen Zeilen, und/oder in einer vorgegebenen oder stochastisch ermittelten Anzahl von Spalten 6, insbesondere in allen Spalten, vorgegebene, insbesondere untereinander unterschiedliche bzw. voneinander abweichende Formen bzw. Größen und/oder Positionen und/oder Ausrichtungen innerhalb der Pixel des Flächensensors aufweisen. Damit besitzt der fotosensitive Bereich 3 in einer Anzahl von Pixel, vorteilhafterweise in allen Pixel, des Flächensensors 1, eine andere zufällig gewählte Position und/oder besitzt eine zufällig gewählte unterschiedliche Ausrichtung und/oder Form und/oder Größe.
Die fotosensitiven Bereiche 3 bilden damit kein regelmäßiges Raster aus und Interferenzerscheinungen bzw. Moiré-Effekte werden vermieden.
In 2 ist eine spezielle Ausbildung eines erfindungsgemäßen Flächensensors 1 dargestellt, nämlich die Form und Größe des fotosensitiven Bereiches 3 ist in jedem Pixel 2 gleich gewählt. Die Position und die Ausrichtung werden jedoch stochastisch vorgegeben. in dem Flächensensor 1 gemäß 2 ist die Form aller fotosensitiven Bereiche 3 im wesentlichen kongruent rechteckig gewählt; ihre Ausrichtung erfolgt jedoch nach stochastischen Vorgaben jeweils um 90° verdreht und die Position des fotosensitiven Bereichs 3 innerhalb des jeweiligen Pixels 2 ist stochastisch vorgegeben.
Es wird jedoch nochmals bemerkt, dass nicht nur die Position und/oder die Ausrichtung sondern auch die Länge und/oder die Breite, d. h. die Größe und auch die Form, z. B. Rechteck, Quadrat, Ellipse, Kreis usw., des jeweiligen fotosensitiven Bereiches 3 innerhalb jedes Pixel 2 stochastisch bzw. zufällig gewählt sein kann. Die Form des fotosensitiven Bereiches muss nicht zwingenderweise ein Rechteck sein, sondern kann innerhalb herstellungsbedingter Grenzen beliebig gewählt werden. Voraussetzung für die Wahl der Parameter des fotosensitiven Bereiches 3 ist jedoch, dass das Pixel mit dem derart gestalteten fotosensitiven Bereich 3 ordnungsgemäß funktionieren muss, d. h. der fotosensitive Bereich muss eine entsprechende Größe haben, um entsprechende Lichtmengen aufnehmen und entsprechende Signale abgeben zu können. Des Weiteren muss genügend Platz im jeweiligen Pixel 2 für die notwendigen Schaltelemente und sonstigen erforderlichen Baueinheiten vorhanden sein.
Mit Hilfe von stochastischen Algorithmen können die Parameter für die fotosensitiven Bereiche 3 bestimmt werden, die in den einzelnen Pixel 2 ausgebildet werden. Dabei werden allerdings Parameterkombinationen verworfen, die zu technisch nicht ordnungsgemäß funktionierenden Pixel führen würden.
Eine vereinfachte Vorgangsweise ergibt sich, wenn eine Anzahl von Gruppen von Pixel 2 bzw. fotosensitiven Bereichen 3 vorgegeben wird, wobei innerhalb jeder Gruppe jeweils die Form bzw. Größe des fotosensitiven Bereiches 3 und/oder die Position und/oder die Ausrichtung des fotosensitiven Bereichs 3 innerhalb eines Pixels 2 gleich, aber für Pixel unterschiedlicher Gruppen unterschiedlich gewählt wird. Zur Ausbildung der Pixel 2 aus fotosensitivem Material auf dem Basismaterial des Flächensensors 1 werden Pixel bzw. fotosensitive Bereiche 3, insbesondere aus allen Gruppen, stochastisch ausgewählt und in der ausgewählten Form zumindest in Teilbereichen, insbesondere in allen Zeilen 5 und/oder Spalten 6, des Flächensensors 1 ausgebildet.
Es besteht ferner die Möglichkeit, aus einer Gruppe von vorgegebenen Pixelformen, in denen die fotosensitiven Bereiche 3 an unterschiedlichen Positionen gelegen und/oder unterschiedlich ausgerichtet sind, stochastisch der Reihe nach Pixelformen auszuwählen und die fotosensitiven Bereiche 3 auf dem Basismaterial des Flächensensors 1 entsprechend den gewählten Pixelformen auszubilden. Damit kann mit einer relativ kleinen Anzahl von optimierten Pixeltypen bzw. Pixel 2 mit optimierten fotosensitiven Bereichen 3 ein Raster eines Flächensensors 1 entworfen bzw. erstellt werden, indem für jedes Pixel 2 dieses zu erstellenden Flächensensors aus dieser Anzahl von optimierten Pixeltypen stochastisch die Auswahl der Parameter des auszubildenden fotosensitiven Bereiches 3 getroffen wird.
Die Auswertung der Pixelsignale erfolgt entweder pixelweise, wie es bei Flächensensoren üblich ist, oder zeilenweise, d. h., die Signale der in einer Zeile angeordneten Pixel werden in einer Weise ausgewertet, wie sie bei Zeilensensoren üblich ist, insbesondere auch in der Weise, wie sie bei TDI-Verfahren gebräuchlich ist.
Um Moiré-Effekte bei einem mit einer Farbfiltermatrix versehenen Flächensensor zu verringern, ist vorgesehen, dass jeder einzelnen Filterfarbe, z. B. Rot, Grün, Blau, eine eigene Gruppe von Pixel 2 zugeordnet ist. Innerhalb jeder Gruppe soll zumindest eine Anzahl der Pixel in Bezug auf Form und/oder Größe und/oder Position und/oder Ausrichtung des fotosensitiven Bereiches 3 untereinander unterschiedlich sein, damit keine Moiré-Effekte innerhalb einer Filterfarb-Gruppe entstehen. Um die Herstellung des Flächensensors zu vereinfachen, können jedoch die Pixel, die verschiedenen Filterfarb-Gruppen zugeordnet sind, einander ähnlich sein.

Claims

Flächensensor mit in Zeilen nebeneinander und in Spalten untereinander angeordneten Pixel (2), die jeweils einen fotosensitiven Bereich (3) und einen nicht fotosensitiven Bereich (4) aufweisen, dadurch gekennzeichnet, dass die fotosensitiven Bereiche (3) in einer vorgegebenen oder stochastisch ermittelten Anzahl von Pixel (2), insbesondere in allen Pixel, insbesondere in einer vorgegebenen oder stochastisch ermittelten Anzahl von Zeilen (5), insbesondere in allen Zeilen, und/oder in einer vorgegebenen oder stochastisch ermittelten Anzahl von Spalten (6), insbesondere in allen Spalten, im Vergleich miteinander eine unterschiedliche bzw. voneinander abweichende Form und/oder Größe und/oder Position und/oder Ausrichtung innerhalb des jeweiligen Pixel aufweisen.
Flächensensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Position und/oder Ausrichtung des fotosensitiven Bereiches (3) innerhalb der einzelnen Pixel (2) nach stochastischen Kriterien festgelegt bzw. vorgegeben ist.
Flächensensor nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Form bzw. Größe des fotosensitiven Bereichs (3) innerhalb der einzelnen Pixel (2) nach stochastischen Kriterien festgelegt bzw. vorgegeben ist.
Flächensensor nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass im Flächensensor (1) eine vorgegebene Anzahl von Gruppen von Pixel (2) mit vorgegebenen fotosensitiven Bereichen (3) vorliegt, wobei für jede Gruppe jeweils die Form und/oder Größe und/oder Position und/oder Ausrichtung des fotosensitiven Bereichs (3) innerhalb des Pixels (2) gleich aber für Pixel (2) unterschiedlicher Gruppen unterschiedlich ist, und dass zumindest in Teilbereichen des Flächensensors (1), insbesondere in allen Zeilen (5) und/oder Spalten (6) des Flächensensors (1), Pixel (2) mit aus allen diesen Gruppen stochastisch ausgewählten fotosensitiven Bereichen (3) ausgebildet sind.
Flächensensor nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die fotosensitiven Bereiche (3) in einer vorgegebenen Anzahl von Pixel (2), insbesondere in jedem Pixel (2), gleiche Form, aber unterschiedliche Position und/oder Ausrichtung besitzen.
Flächensensor nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass 30 bis 70%, vorzugsweise 40 bis 60%, der Fläche eines Pixels (2) vom fotosensitiven Bereich (3) eingenommen ist.
Flächensensor nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die fotosensitiven Bereiche (3) eine angenähert rechteckförmige Form besitzen und die Ausrichtung des Rechtecks und/oder seine Position innerhalb des jeweiligen Pixels (2) stochastisch vorgegeben sind.
Flächensensor nach einem der Ansprüche 1 bis 7 mit einer vor den Pixel angeordnetem Farbfiltermatrix, z. B. Bayer-Matrix, dadurch gekennzeichnet, dass jeder einzelnen Filterfarbe, z. B. Rot, Grün, Blau, eine eigene Gruppe von Pixel (2) zugeordnet ist, und dass zumindest eine Anzahl, vorzugsweise alle einzelnen Pixel (2) der jeweiligen Gruppe gegenüber den Pixel (2) der eigenen Gruppe in Bezug auf Form und/oder Größe und/oder Position und/oder Ausrichtung des fotosensitiven Bereiches (3) unterschiedlich sind, gegenüber den Pixel (2) der einer anderen Filterfarbe zugeordneten Gruppe jedoch gleich sein können.
Verfahren zur Herstellung eines Flächensensors mit in Zeilen (5) nebeneinander und in Spalten (6) untereinander angeordneten Pixel (2), die jeweils einen fotosensitiven Bereich (3) und einen nicht fotosensitiven Bereich (4) aufweisen, insbesondere gemäß einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass bei der Ausbildung der fotosensitiven Bereiche (3) auf dem Basismaterial des Flächensensors (1) die foto sensitiven Bereiche (3) in einer vorgegebenen oder stochastisch ermittelten Anzahl von Pixel (2), insbesondere in allen Pixel, nach stochastischen Vorgaben positioniert und/oder ausgerichtet und/oder in ihrer Form bzw. Größe nach stochastischen Vorgaben ausgebildet werden.
Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass für den fotosensitiven Bereich (3) eine Soll-Position und/oder Soll-Ausrichtung und/oder Soll-Form bzw. Soll-Größe innerhalb des jeweiligen Pixels (2) vorgegeben wird und die tatsächliche Position und/oder Ausrichtung und/oder tatsächliche Form bzw. Größe des fotosensitiven Bereiches (3) durch Vorgabe einer stochastisch ermittelten Abweichung von der vorgegebenen Soll-Position und/oder Soll-Ausrichtung und/oder vorgegebene Soll-Form bzw. Soll-Größe ermittelt bzw. bestimmt wird.
Verfahren nach Anspruch 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, dass eine Anzahl von Gruppen von Pixelformen vorgegeben wird, wobei innerhalb jeder Gruppe jeweils die Form und/oder Größe und/oder Position und/oder Ausrichtung des fotosensitiven Bereichs (3) innerhalb eines Pixels gleich, aber für Pixel unterschiedlicher Gruppen unterschiedlich gewählt wird und dass zur Ausbildung der fotosensitiven Bereiche (3) aus fotosensitivem Material auf dem Basismaterial des Flächensensors (1) Pixel bzw. fotosensitive Bereiche (3), insbesondere aus allen Gruppen, stochastisch ausgewählt und zumindest in Teilbereichen, insbesondere in allen Zeilen (5) und/oder Spalten (6), des Flächensensors (1) ausgebildet werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 9 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass aus einer Anzahl von vorgegebenen Pixelformen, in denen die fotosensitiven Bereiche (3) an unterschiedlichen Positionen gelegen und/oder unterschiedlich ausgerichtet sind, stochastisch der Reihe nach Pixelformen ausgewählt werden und die fotosensitiven Bereiche entsprechend diesen Pixelformen auf dem Basismaterial des Flächensensors (1) entsprechend dieser Pixelform ausgebildet werden.