DE102012112118A1

DE102012112118A1 - Verwendung eines Bildsensors zur Aufzeichnung schnell aufeinander folgender Bilder

Info

Publication number: DE102012112118A1
Application number: DE102012112118.4A
Authority: DE
Inventors: Reinhard Geisler
Original assignee: Deutsches Zentrum fuer Luft und Raumfahrt eV
Current assignee: Deutsches Zentrum fuer Luft und Raumfahrt eV
Priority date: 2012-12-11
Filing date: 2012-12-11
Publication date: 2014-06-26
Anticipated expiration: 2032-12-12
Also published as: US9282266B2; DE102012112118B4; US20140160330A1

Abstract

Bei der Verwendung eines Bildsensors (2) mit mindestens einer Reihe von Lichtsensoren (3), in denen während einer Belichtungszeit einfallendes Licht in Form eines elektrischen Signals registriert wird, und mit mindestens einem Register (4), das für jeden Lichtsensor (3) der mindestens einen Reihe (1) einen ersten Registerplatz (5) und einen zweiten Registerplatz (6) aufweist, werden die Signale von den Lichtsensoren (3) nach jeder Belichtungszeit auf den jeweils zugehörigen ersten Registerplatz (5) überführt und von den ersten Registerplätzen (5) auf die zweiten Registerplätze (6) und von dort auf die ersten Registerplätze (5) benachbarter Lichtsensoren (3) vorgeschoben, um die Signale aus dem Register auszulesen. Dabei werden nach einer ersten Belichtungszeit die Signale von jeweils mindestens zwei in der mindestens einen Reihe (1) benachbarten Lichtsensoren (3) auf einem Registerplatz (5, 6) addiert; und nach einer zweiten Belichtungszeit werden die Signale von jeweils mindestens zwei in der mindestens einen Reihe (1) benachbarten Lichtsensoren (3) auf einem Registerplatz (5, 6) addiert, der zwischen zwei Registerplätzen (5, 6) liegt, auf welchen nach der ersten Belichtungszeit addierte Signale vorliegen.

Description

TECHNISCHES GEBIET DER ERFINDUNG
Die Erfindung bezieht sich auf die Verwendung eines Bildsensors mit mindestens einer Reihe von Lichtsensoren, in denen während einer Belichtungszeit einfallendes Licht in Form eines elektrischen Signals registriert wird, und mit mindestens einem Register, das für jeden Lichtsensor der mindestens einen Reihe einen ersten Registerplatz und einen zweiten Registerplatz aufweist, wobei das Verfahren die Merkmale des Oberbegriffs des unabhängigen Patentanspruchs 1 aufweist. Weiterhin bezieht sich die Erfindung auf eine Kamera, die neben einem solchen Bildsensor eine die Verwendung des Bildsensors umsetzende Steuerung aufweist.
Mit "Lichtsensor" wird hier im Gegensatz zu einem Bildsensor das bezeichnet, was häufig auch "Pixel" eines Bildsensors genannt wird, nämlich ein einzelnes lichtempfindliches Element des Bildsensors.
Die hier angesprochenen Reihen von Lichtsensoren werden wegen ihrer typischen vertikalen Anordnung häufig als "Spalten" und die Register entsprechend als "Vertikalregister" des jeweiligen Bildsensors bezeichnet.
STAND DER TECHNIK
Bestimmte Messverfahren, wie beispielsweise die Partikel Image Velocimetry (PIV), basieren auf der Aufnahme von zwei kurzzeitig belichteten Bildern in schneller Folge. Die mit den Bildern zu erfassenden Objekte – im Fall von PIV handelt es sich um von einer Strömung mitgeführte Partikel – werden dabei nacheinander mit zwei Lichtblitzen von einer oder zwei gepulsten Lichtquellen, beispielsweise von Pulslasern, beleuchtet. Jeder der beiden Lichtblitze definiert dabei die effektive Belichtungszeit eines der beiden Bilder. Bekanntermaßen werden für derartige Doppelbildaufnahmen häufig sogenannte "Double Shutter"-Kameras verwendet, die das erste Bild mit einer kurzen, das zweite Bild jedoch mit einer langen Belichtungszeit aufnehmen. Der Bildsensor einer solchen Kamera wird daher für das zweite Bild nicht nur von dem zweiten Lichtblitz, sondern für längere Zeit von Umgebungslicht belichtet. Dadurch ist der Einsatz einer Double Shutter-Kamera bei intensivem Umgebungslicht erschwert oder sogar vollständig unmöglich. Dies gilt beispielsweise für sogenannte In-Flight-Messtechnik bei Tageslicht.
Eine Double Shutter-Kamera weist einen Bildsensor auf, wie er eingangs beschrieben wurde und der in herkömmlicher Weise so verwendet wird, dass die Signale von den Lichtsensoren nach jeder Belichtungszeit auf den jeweils zugehörigen ersten Registerplatz überführt werden und dass die Signale von den ersten auf die zweiten Registerplätze und von dort auf die ersten Registerplätze benachbarter Lichtsensoren verschoben werden, um die Signale aus dem Register auszulesen. Dabei werden die Signale von der ersten Belichtungszeit ganz aus dem Register ausgelesen, bevor die Signale von der zweiten Belichtungszeit von den Lichtsensoren auf die zugehörigen ersten Registerplätze überführt werden. So kann die zweite Belichtungszeit zwar unmittelbar an das Auslesen der Signale nach der ersten Belichtungszeit anschließen. Sie kann aber erst enden, wenn die Signale von der ersten Belichtungszeit vollständig ausgelesen sind.
Soweit störendes Umgebungslicht zeitlich vor dem ersten Lichtblitz auftritt, kann es unterdrückt werden, indem die einzelnen Lichtsensoren vor dem gewünschten Beginn der ersten bzw. zweiten Belichtungszeit gelöscht werden. Damit kann der Beginn der ersten Belichtungszeit frei gewählt werden. Das Ende der zweiten Belichtungszeit, das durch das Überführen der Signale von den einzelnen Lichtsensoren auf die zugehörigen ersten Registerplätze eintritt, kann aber erst dann erfolgen, wenn das Register nach dem Auslesen der Signale von der ersten Belichtungszeit vollständig geleert ist.
Während der zweiten Belichtungszeit nach dem zweiten Lichtblitz auftretendes Umgebungslicht kann mit schnellen Verschlüssen, die dem Bildsensor der Kamera und damit ihrem elektronischen Shutter vorgeschaltet sind, unterdrückt werden. Mechanische Verschlüsse sind hierfür wegen ihrer Trägheit und Baugröße ungeeignet. Elektronische Verschlüsse, beispielsweise des Bautyps Micro Channel Plate (MCP) oder Photo Multiplier, sind zwar schnell genug, verschlechtern aber die Bildqualität und erfordern einen hohen konstruktiven Aufwand.
Unter den Stichworten "High Speed Imaging Device", "Time-of-Flight Sensor" und aus der US 6,972,795 B1 sind spezielle Bildsensoren für die Aufnahme von zwei kurzzeitig belichteten Bildern nacheinander bekannt. Hierbei handelt es sich jedoch um spezielle, für einen einzigen Zweck konstruierte Bildsensoren, d. h. nicht um Standardkomponenten, die auch an vielen anderen Stellen Verwendung finden und entsprechend kostengünstig verfügbar sind.
Konkret ist bei dem aus der US 6,972,795 B1 bekannten Bildsensor für jeden Lichtsensor ein angrenzender Registerplatz und von dort eine direkt nach außen führende Signalübertragungsleitung vorgesehen. Dieser Aufbau des Bildsensors führt zu einer reduzierten Auflösung und einem reduzierten Füllfaktor, wodurch sich die Auswertequalität bei Verwendung dieses Bildsensors beispielsweise in der PIV verschlechtert.
Zur Aufnahme zweier kurz belichteter Bilder mit einem herkömmlichen Bildsensor hintereinander ist es auch bekannt, den Bildsensor zeilenweise zu unterteilen und das erste Bild mit den Zeilen mit geraden Zeilennummern und das zweite Bild mit Zeilen mit ungeraden Zeilennummern aufzunehmen. Hierdurch wird jedoch für jedes Bild nur die Hälfte der verfügbaren Lichtintensität genutzt, und die beiden bei diesem sogenannten Zeilensprungverfahren aufgenommenen Bilder sind nicht deckungsgleich, sondern um einen Zeilenabstand gegeneinander versetzt.
AUFGABE DER ERFINDUNG
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die Verwendung eines herkömmlichen Bildsensors aufzuzeigen, die dennoch die Aufnahme mehrerer nur kurz belichteter Bilder schnell hintereinander ermöglicht. Weiterhin soll eine Kamera aufgezeigt werden, die diese Verwendung eines herkömmlichen Bildsensors implementiert.
LÖSUNG
Die Aufgabe der Erfindung wird durch eine Verwendung eines Bildsensors mit den Merkmalen des unabhängigen Patentanspruchs 1 gelöst. Die abhängigen Patentansprüche 2 bis 9 betreffen bevorzugte Ausführungsformen dieser Verwendung. Die Patentansprüche 10 bis 12 sind auf eine Kamera zur Umsetzung dieser Verwendung eines Bildsensors gerichtet.
BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
Bei der erfindungsgemäßen Verwendung eines herkömmlichen Bildsensors, also eines Bildsensors mit mindestens einer Reihe von Lichtsensoren, in denen während einer Belichtungszeit einfallendes Licht in Form eines elektrischen Signals registriert wird, und mit mindestens einem Register, das für jeden Lichtsensor der mindestens einen Reihe einen ersten Registerplatz und einen zweiten Registerplatz aufweist, werden die Signale von den Lichtsensoren wie üblich nach jeder Belichtungszeit auf den jeweils zugehörigen ersten Registerplatz überführt und dann von den ersten auf die zweiten Registerplätze und von dort auf die ersten Registerplätze benachbarter Lichtsensoren verschoben, um die Signale aus dem Register auszulesen. Abweichend von der üblichen Verwendung eines herkömmlichen Bildsensors werden jedoch nach einer ersten Belichtungszeit die Signale von jeweils mindestens zwei in der mindestens einen Reihe benachbarten Lichtsensoren auf einem Registerplatz addiert, und nach der zweiten Belichtungszeit werden die Signale von ebenfalls jeweils mindestens zwei in der mindestens einen Reihe benachbarten Lichtsensoren auf einem Registerplatz addiert, der zwischen zwei Registerplätzen liegt, auf welchem nach der ersten Belichtungszeit addierte Signale vorliegen. Dabei ist es nicht so, dass die Addition der Signale von der ersten Belichtungszeit bis zum Ende der zweiten Belichtungszeit abgeschlossen sein muss. Vielmehr kann die Addition ganz oder teilweise erst am Ende oder gar nach der zweiten Belichtungszeit erfolgen. Sie erfolgt jedoch zumindest teilweise vor dem Addieren der Signale von der zweiten Belichtungszeit.
Die bei der erfindungsgemäßen Verwendung aufgenommenen Bilder weisen aufgrund des Addierens der Signale von jeweils mindestens zwei in der jeweiligen Reihe benachbarten Lichtsensoren nur maximal halb so viele Bildpunkte auf, wie Lichtsensoren bei dem Bildsensor vorhanden sind. Es wird aber für jedes Bild die mit allen Lichtsensoren akkumulierte Lichtintensität genutzt, und die Informationen der einzelnen Bildpunkte stammen bei den aufeinander folgenden Bildern von jeweils denselben Lichtsensoren, d. h. die Bilder sind völlig deckungsgleich. Der zeitliche Abstand zwischen dem Ende der ersten Belichtungszeit und dem Ende der zweiten Belichtungszeit wird bei der erfindungsgemäßen Verwendung nicht durch das vollständige Auslesen der Signale von der ersten Belichtung bestimmt, sondern nur von dem Addieren und lokalen Verschieben der Signale von der ersten Belichtungszeit, bis die ersten Registerplätze die Signale von der zweiten Belichtungszeit zwischen den von den addierten Signalen von der ersten Belichtungszeit besetzten Registerplätzen aufnehmen können. Der Vorteil, dass das Ende der zweiten Belichtungszeit nicht erst erfolgen kann, wenn die Signale von der ersten Belichtungszeit vollständig aus den Registern ausgelesen sind, macht sich besonders stark bei Bildsensoren mit großer Pixelzahl und entsprechend langen Registern bemerkbar, wie sie zum Erreichen einer hohen räumlichen Auflösung benötigt werden.
Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren werden vorzugsweise alle Signale von den Lichtsensoren nach der ersten Belichtungszeit zugleich auf den jeweils zugehörigen ersten Registerplatz überführt. Danach können die Signale von den jeweils mindestens zwei in der Reihe benachbarten Lichtsensoren auf dem jeweils am weitesten vorne in dem Register liegenden ersten Registerplatz addiert werden, indem zunächst nur die auf die jeweils weiter hinten in dem Register liegenden ersten Registerplätze überführten Signale soweit vorgeschoben werden. Dann können die jeweils auf dem am weitesten vorne liegenden ersten Registerplatz addierten Signale auf den benachbarten zweiten Registerplatz vorgeschoben werden. Alternativ hierzu können die Signale von der ersten Belichtungszeit direkt auf diesem zweiten Registerplatz addiert werden. Soweit der Bildsensor Signale auf benachbarten ersten und zweiten Registerplätzen seines Registers getrennt hält, können nach diesem Anordnen der addierten mindestens zwei Signale von der ersten Belichtungszeit auf diesem zweiten Registerplatz alle Signale von der zweiten Belichtungszeit von den Lichtsensoren zugleich auf den jeweils zugehörigen ersten Registerplatz überführt werden, da diese ersten Registerplätze sämtlich frei sind.
Alternativ können nach der zweiten Belichtungszeit zunächst nur die Signale von dem jeweils am weitesten hinten in der Reihe liegenden der mindestens zwei Lichtsensoren auf den zugehörigen ersten Registerplatz überführt werden. Diese Signale können dann zusammen mit den addierten Signalen von der ersten Belichtungszeit jeweils um zwei Registerplätze auf den nächsten ersten Registerplatz vorgeschoben werden. Die Signale von den nächsten der jeweils mindestens zwei Lichtsensoren können dann durch Überführen auf den zugehörigen nächsten ersten Registerplatz zu den dort schon befindlichen Signalen von der zweiten Belichtungszeit addiert werden. Bei dieser Vorgehensweise ergeben sich leicht unterschiedliche Belichtungszeiten für die einzelnen Lichtsensoren. Wenn jedoch die eigentlich gewünschte oder effektive Belichtungszeit durch einen externen Lichtblitz vorgegeben wird, bedeutet dies nur, dass in einzelnen der Lichtsensoren am Ende der zweiten Belichtungszeit ein wenig mehr Umgebungslicht akkumuliert wird, bevor sie ausgelesen werden. Dieses Umgebungslicht ist aber immer noch um Größenordnungen geringer als das Umgebungslicht, das sich akkumuliert, bis ein ganzes erstes Bild aus den Registern ausgelesen ist, bevor die Signale von der zweiten Belichtungszeit von den Lichtsensoren in das Register überführt werden können.
Grundsätzlich kann die erfindungsgemäße Verwendung des Bildsensors auch so erfolgen, dass nach der ersten Belichtungszeit zunächst nur die Signale von dem jeweils am weitesten hinten in der Reihe liegenden der mindestens zwei Lichtsensoren auf den zugehörigen ersten Registerplatz überführt werden, dass diese Signale dann jeweils um zwei Registerplätze auf den nächsten ersten Registerplatz vorgeschoben werden und dass die Signale von den nächsten der jeweils mindestens zwei Lichtsensoren dann durch Überführen auf den zugehörigen nächsten ersten Registerplatz addiert werden. Auf diese Weise wird zwar auch etwas mehr Umgebungslicht außerhalb der eigentlich gewünschten Belichtungszeit bei dem ersten Bild registriert, weil nicht alle Lichtsensoren zugleich in das Register ausgelesen werden, und darüber hinaus wird die Mindestzeit zwischen den zwei Belichtungen erhöht. Dafür ist aber die Vorgehensweise bei den aufeinander folgenden Bildern völlig identisch.
Nach dem Addieren der Signale von den mindestens zwei Lichtsensoren nach den mindestens zwei Belichtungszeiten wird bei der erfindungsgemäßen Verwendung das Register seriell ausgelesen. Die bei der erfindungsgemäßen Verwendung aufgenommenen Bilder sind ineinander verschachtelt, d. h. die Signale von jeder Reihe von Lichtsensoren umfassen in periodischer Abfolge die über die jeweils mindestens zwei Lichtsensoren addierten Signale von den einzelnen Belichtungen. Die Trennung der beiden Bilder kann aber einfach dadurch erreicht werden, dass die addierten Signale von jedem Register wechselweise verschiedenen Ausleseelektroniken zugeführt werden. Alternativ kann die Trennung von zunächst vollständig gemeinsam ausgelesenen Bildern später durch Software erfolgen.
Bei der erfindungsgemäßen Verwendung kann die Anzahl der schnell aufeinander folgend aufgenommenen Bilder auch größer als zwei sein. Mit steigender Anzahl der Bilder nimmt jedoch die Auflösung jedes einzelnen Bilds ab, da bei n Bildern jeweils die Signale von n Lichtsensoren nach jeder Belichtungszeit aufaddiert werden. Außerdem besteht nur bei zwei Bildern die Möglichkeit, alle Lichtsensoren nach jeder Belichtungszeit zugleich auszulesen. Bei mehr Bildern ist nur ein sukzessives Auslesen zumindest für das dritte und jedes folgende Bild möglich, so dass sich zunehmend Umgebungslicht in den für diese Bilder aufaddierten Signalen findet. Dieses Umgebungslicht bleibt aber in jedem Fall weit hinter dem Umgebungslicht zurück, was bei der herkömmlichen Verwendung eines Bildsensors für das zweite Bild akkumuliert wird.
Bei der erfindungsgemäßen Verwendung kann der Bildsensor auch zur Aufnahme eines zusätzlichen Bilds mit voller räumlicher Auflösung des Bildsensors, aber verzögertem Ende der tatsächlichen Belichtungszeit genutzt werden, indem nach den mindestens zwei Belichtungszeiten eine weitere Belichtungszeit erfolgt, nach der die elektrischen Signale von den Lichtsensoren auf die ersten Registerplätze erst in das seriell vollständig ausgelesene Register überführt werden. Das so aufgenommene zusätzliche Bild entspricht dem zweiten Bild, das mit einer Double Shutter-Kamera nach dem Stand der Technik aufgenommen wird.
Wie bereits mehrfach angedeutet wurde, ist es auch bei dem erfindungsgemäßen Verfahren zur Definition der gewollten Belichtungszeit sinnvoll, Lichtblitze zu verwenden. Dazu können Lichtblitze von einer oder mehreren gepulsten Lichtquellen mit den Belichtungszeiten synchronisiert werden. Das heißt, die Belichtungszeiten werden möglichst so gewählt, dass sie jeweils möglichst direkt nach einem Lichtblitz enden. Umgekehrt sollten die Belichtungszeiten erst direkt vor dem jeweiligen Lichtblitz beginnen. Dies kann dadurch erreicht werden, dass die Lichtsensoren vor jeder Belichtungszeit in einem Zustand gehalten werden, in dem sie einfallendes Licht nicht in Form eines ansteigenden elektrischen Signals registrieren oder dadurch, dass das elektrische Signal von den Lichtsensoren vor der Belichtung gezielt gelöscht wird. Dazu werden die akkumulierten Ladungen auf den Lichtsensoren eines Charge-Coupled Device (CCD) Bildsensors zum Beispiel vor Beginn der jeweiligen Belichtungszeit über einen elektrischen Impuls auf das Substrat abgeleitet. Diese Löschung kann vor jeder der mindestens zwei Belichtungen erfolgen und damit die jeweilige Belichtungszeit festlegen.
Eine erfindungsgemäße Kamera weist neben einem herkömmlichen Bildsensor eine Steuerung auf, die die Verwendung des Bildsensors erfindungsgemäß umsetzt.
Zusätzlich kann eine erfindungsgemäße Kamera jeweils eine separate Ausleseelektronik für die mindestens zwei Belichtungszeiten aufweisen, auf die die zugehörigen addierten Signale verzweigt werden. Jede Ausleseelektronik verarbeitet dann nur die Signale für ein Bild.
Weiterhin kann eine erfindungsgemäße Kamera mindestens eine mit den Belichtungszeiten des Bildsensors synchronisierte gepulste Lichtquelle aufweisen.
Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den Patentansprüchen, der Beschreibung und den Zeichnungen. Die in der Beschreibung genannten Vorteile von Merkmalen und von Kombinationen mehrerer Merkmale sind lediglich beispielhaft und können alternativ oder kumulativ zur Wirkung kommen, ohne dass die Vorteile zwingend von erfindungsgemäßen Ausführungsformen erzielt werden müssen. Ohne dass hierdurch der Gegenstand der beigefügten Patentansprüche verändert wird, gilt hinsichtlich des Offenbarungsgehalts der ursprünglichen Anmeldungsunterlagen und des Patents Folgendes: weitere Merkmale sind den Zeichnungen zu entnehmen. Die Kombination von Merkmalen unterschiedlicher Ausführungsformen der Erfindung oder von Merkmalen unterschiedlicher Patentansprüche ist ebenfalls abweichend von den gewählten Rückbeziehungen der Patentansprüche möglich und wird hiermit angeregt. Dies betrifft auch solche Merkmale, die in separaten Zeichnungen dargestellt sind oder bei deren Beschreibung genannt werden. Diese Merkmale können auch mit Merkmalen unterschiedlicher Patentansprüche kombiniert werden. Ebenso können in den Patentansprüchen aufgeführte Merkmale für weitere Ausführungsformen der Erfindung entfallen.
Die in den Patentansprüchen und der Beschreibung genannten Merkmale sind bezüglich ihrer Anzahl so zu verstehen, dass genau diese Anzahl oder eine größere Anzahl als die genannte Anzahl vorhanden ist, ohne dass es einer expliziten Verwendung des Adverbs "mindestens" bedarf. Wenn also beispielsweise von einem Element die Rede ist, ist dies so zu verstehen, dass genau ein Element, zwei Elemente oder mehr Elemente vorhanden sind. Diese Merkmale können durch andere Merkmale ergänzt werden oder die einzigen Merkmale sein, aus denen das jeweilige Erzeugnis besteht.
Die in den Patentansprüchen enthaltenen Bezugszeichen stellen keine Beschränkung des Umfangs der durch die Patentansprüche geschützten Gegenstände dar. Sie dienen lediglich dem Zweck, die Patentansprüche leichter verständlich zu machen.
KURZBESCHREIBUNG DER FIGUREN
Im Folgenden wird die Erfindung anhand in den Figuren dargestellter bevorzugter Ausführungsbeispiele weiter erläutert und beschrieben.
1 illustriert das Überführen in ein Register und das Addieren von Signalen von einer Reihe von Lichtsensoren eines Bildsensors nach einer ersten von zwei Belichtungszeiten in einer ersten Ausführungsform.
2 illustriert das Überführen in das Register und das Addieren von Signalen von der Reihe der Lichtsensoren nach einer zweiten der zwei Belichtungszeiten in einer ersten Ausführungsform.
3 illustriert das Überführen in das Register und das Addieren der Signale von der Reihe der Lichtsensoren nach der ersten der zwei Belichtungszeiten in einer zweiten Ausführungsform. Diese Ausführungsform kann auch dem in 2 dargestellten Schritten vorausgehen.
4 illustriert das Überführen in das Register und das Addieren der Signale von der Reihe der Lichtsensoren nach der zweiten der zwei Belichtungszeiten in einer zweiten Ausführungsform. Diese Schritte können auch auf die Schritte gemäß 1 folgen.
5 illustriert eine erste Ausführungsform des Überführens in das Register und des Addierens von Signalen von der Reihe der Lichtsensoren nach einer ersten von drei Belichtungszeiten.
6 illustriert eine zweite Ausführungsform des Überführens in das Register und des Addierens der Signale von der Reihe der Lichtsensoren nach der ersten der Belichtungszeiten.
7 illustriert eine erste Ausführungsform des Überführens in das Register und des Addierens von Signalen von der Reihe der Lichtsensoren nach einer zweiten der drei Belichtungszeiten.
8 illustriert eine zweite Ausführungsform des Überführens in das Register und des Addierens der Signale von der Reihe der Lichtsensoren nach der zweiten der drei Belichtungszeiten.
9 illustriert eine erste Ausführungsform des Überführens in das Register und des Addierens von Signalen von der Reihe der Lichtsensoren nach einer dritten der drei Belichtungszeiten.
10 illustriert eine zweite Ausführungsform des Überführens in das Register und des Addierens der Signale von der Reihe der Lichtsensoren nach der dritten der drei Belichtungszeiten.
11 illustriert das Überführen in das Register und das Addieren von Signalen von der Reihe der Lichtsensoren nach einer weiteren Belichtungszeit nach den beiden Belichtungszeiten gemäß den 1 oder 3 und 2 oder 4.
12 illustriert Signale zur Ansteuerung eines Bildsensors zwecks Umsetzung seiner Verwendung gemäß den 1 und 4.
13 illustriert schematisch eine Kamera mit einem Bildsensor, der gemäß den 1 oder 3 und 2 oder 4 verwendet wird.
FIGURENBESCHREIBUNG
In 1 ist schematisch eine Spalte 1 eines Bildsensors 2 wiedergegeben. Die Spalte 1 umfasst eine Reihe von Lichtsensoren 3. Ein Register 4, hier ein Vertikalregister, umfasst für jeden der Lichtsensoren 3 einen ersten Registerplatz 5 und einen zweiten Registerplatz 6. In der 1(a) ist dargestellt, dass während einer ersten Belichtungszeit in jedem Lichtsensor 3 mit einfallenden Lichtmengen ein durch ein "x" symbolisiertes Signal anwächst. Im Falle eines CCD-Bildsensors handelt es sich bei dem Signal um eine elektrische Ladung. Gemäß 1(b) wird die Belichtungszeit beendet, indem das Signal von den Lichtsensoren 3 auf die zugehörigen ersten Registerplätze 5 überführt wird. Gemäß 1(c) wird das Signal auf jedem zweiten ersten Registerplatz 5, d. h. von jedem zweiten Lichtsensor 3 der Reihe, auf den in einer selben Richtung benachbarten zweiten Registerplatz 6 vorgeschoben. Dieses Vorschieben wird gemäß 1(d) wiederholt, so dass jetzt auf jedem zweiten ersten Registerplatz 5 die addierten Signale von zwei benachbarten Lichtsensoren 3 vorliegen. Diese addierten Signale sind durch ein doppeltes "x" symbolisiert. Dies gilt auch für die folgenden Figuren.
2 zeigt in Teilfigur (a), dass die zunächst auf ersten Registerplätzen 5 addierten Signale von der ersten Belichtungszeit auf zweite Registerplätze 6 vorgeschoben werden und dass während einer zweiten Belichtungszeit in den Lichtsensoren 3 dem einfallenden Licht entsprechende Signale anwachsen, die hier durch Kreuze wiedergegeben sind. In der 2(b) ist gezeigt, dass diese Signale alle zugleich von den Lichtsensoren 3 auf die zugehörigen ersten Registerplätze 5 überführt werden. Anschließend werden die Signale von den jeweils oben bzw. hinten in dem Register 4 ersten Registerplätzen 5 auf die davor liegenden zweiten Registerplätze 6 (2(c)) und dann auf die unten bzw. vorne in dem Register 4 liegenden ersten Registerplätzen 5 zu den dorthin überführten Signalen hinzuaddiert (siehe 2(d), wo die addierten Signale von der zweiten Belichtungszeit wie auch im Folgenden durch Doppelkreuze symbolisiert sind). In einem weiteren Teilschritt werden auch die addierten Signale von der ersten Belichtungszeit um einen Registerplatz vorgeschoben, so dass die zueinander addierten Signale von der ersten und der zweiten Belichtungszeit mit dazwischen liegenden freien Registerplätzen in dem Register 4 vorliegen. Anschließend wird das Register 4 durch schrittweises gleichzeitiges Vorschieben aller addierten Signale um jeweils einen Registerplatz ausgelesen.
3 zeigt eine Alternative zum Überführen der Signale von der ersten Belichtungszeit von den Lichtsensoren 3 in das Register 4. Dabei wird zunächst nur von jedem zweiten Lichtsensor 3 das Signal auf den zugehörigen ersten Registerplatz 5 überführt (siehe 3(b)). Dann werden diese Signale in dem Register 4 vorgeschoben (siehe 3(c) und (d)). Sobald die Signale auf dem nächsten ersten Registerplätzen 5 angekommen sind, werden die in den zugehörigen Lichtsensoren 3 noch vorliegenden Signale hinzuaddiert (3(e)).
Hieran kann sich grundsätzlich dasselbe Vorgehen anschließen, wie es in 2 illustriert ist. Hingegen zeigt 4 ein dem Vorgehen gemäß 3 entsprechendes Vorgehen bezüglich der Lichtintensitäten von der zweiten Belichtungszeit. Hier wird nach der zweiten Belichtungszeit gemäß 4(a) das Signal von der Hälfte der Lichtsensoren 3 auf die zugehörigen ersten Registerplätze 5 überführt (4(b)). Anschließend werden diese Signale von der zweiten Belichtungszeit zusammen mit den bereits aufaddierten Signalen von der ersten Belichtungszeit gemäß 4 c) und (d) vorgeschoben, bis die bereits überführten Signale von der zweiten Belichtungszeit hinter den Lichtsensoren 3 mit den noch nicht überführten Signalen liegen. Gemäß Teilfigur (e) werden die Signale von der zweiten Belichtungszeit paarweise aufaddiert, wonach sich dieselbe Situation wie in 2(d) ergibt. Während jedoch gemäß 1 und 2 alle Signale direkt nach der jeweiligen Belichtungszeit aus den Lichtsensoren 3 in das Register 4 überführt wurden, weisen alle gemäß 3 und 4 addierten Signale gemäß 4 einen Anteil, d. h. ein Signal, auf, das erst mit leichter Verzögerung aus dem jeweiligen Lichtsensor 3 auf den zugehörigen ersten Registerplatz 5 überführt wurde und von daher etwas mehr Umgebungslicht oder Untergrund aufweisen kann.
Die Vorgehensweise, die anhand der 3 und 4 für zwei schnell aufeinander folgende Belichtungszeiten illustriert ist, kann auch auf drei oder mehr Belichtungszeiten ausgeweitet werden. Für drei Belichtungszeiten ist dies in den 6, 8 und 9 (jeweils für die erste, zweite und dritte Belichtungszeit) illustriert, wobei die Signale von der dritten Belichtungszeit durch Kreise dargestellt sind.
5 zeigt demgegenüber, dass auch bei drei schnell aufeinander folgenden Belichtungszeiten die Signale von der ersten Belichtungszeit zugleich von allen Lichtsensoren 3 in das Register 4 überführt und dort für jeweils drei benachbarte Lichtsensoren 3 aufaddiert werden können. 7 illustriert hingegen, wie nach der zweiten von drei Belichtungszeiten zumindest die Signale von jeweils zwei von drei aufeinander folgenden Lichtsensoren 3 direkt nach der Belichtungszeit gemäß 7(a) auf die zugehörigen ersten Registerplätze 5 überführt werden können (7(b)). Hierdurch kann das vollständige Überführen der Signale von der zweiten Belichtungszeit in das Register 4 zumindest etwas beschleunigt werden.
An die Vorgehensweise gemäß 7 kann sich die Vorgehensweise für die Signale von der dritten Belichtungszeit gemäß 10 anschließen, bei der dann ebenfalls die Signale von zwei Lichtsensoren 3 sofort und nur von dem dritten Lichtsensor 3 einer Dreiergruppe etwas verzögert in das Register 4 überführt werden. Weitere Variationen und Kombinationen der dargestellten Vorgehensweisen sind möglich.
11 illustriert, wie im Anschluss an die Vorgehensweise nach 1 oder 3 bezüglich der Signale von der ersten Belichtungszeit und 2 oder 4 bezüglich der zweiten Belichtungszeit ein drittes Bild in einer weiteren Belichtungszeit aufgenommen werden kann, das aber erst dann aus den Lichtsensoren 3 ausgelesen wird, wenn die Signale von den beiden vorherigen Belichtungszeiten vorher vollständig aus dem Register 4 ausgelesen wurden. Ein solches weiteres Bild weist dann bezogen auf die Empfindlichkeit der Lichtsensoren 3 eine längere Belichtungszeit auf und umfasst entsprechend mehr Hintergrundintensität verglichen mit einer durch einen Lichtblitz definierten gewünschten Belichtungszeit.
Die Erfindung wurde an dem Bildsensor Kodak KAI0330, einem progressiv auslesbaren Interline-Transfer-CCD-Sensor mit gerade/ungerade adressierbaren Zeilen erprobt. Die Ansteuerung des Bildsensors kann – vom elektronischen Verschluss bis hin zum Auslesen des Registers – einem normalen progressiven Betriebsverfahren des Bildsensors entsprechen. Die erfindungsgemäße Verwendung kann sich damit auf den Zeitbereich der Übertragung aus den Photodioden, d. h. den Lichtsensoren, in das Register, d. h. die Zeit zwischen dem Auslesen zweier Bilder, konzentrieren. 12 zeigt den Ablauf verschiedener hierzu bei dem Bildsensor Kodak KAI0330 zu verwendender Steuersignale. Dies sind:

– ein Steuersignal VES, das die Lichtsensoren aller Zeilen über einen positiven Pulsentlädt und nach dessen abfallender Flanke die Belichtungszeit beginnt;
– ein Steuersignal V1o an jeweils eine von zwei aufeinander folgenden Zeilen,
– bei dem ein positives Potential die Signale (Ladungen) aus den Bildsensoren dieser Zeilen auf den zugehörigen ersten Registerplatz überträgt und
– bei dem die abfallende Flanke eines negativen Pulses das Vorschieben der Signale von den ersten Registerplätzen auf die zweiten Registerplätze dieser Zeilen auslöst;
– ein Steuersignal V2o an die jeweils eine der zwei aufeinander folgenden Zeilen,
– bei dem die abfallende Flanke eines zu V1o gegenphasigen negativen Pulses das Vorschieben der Signale von den zweiten Registerplätzen dieser Zeilen auf den ersten Registerplatz der jeweils nächsten Zeile auslöst und
– ein Steuersignal V1e an die jeweils andere der zwei aufeinander folgenden Zeilen, das dem Steuersignal V1o an die jeweils eine der zwei aufeinander folgenden Zeilen entspricht; und
– ein Steuersignal V2e an die jeweils andere der zwei aufeinander folgenden Zeilen, das dem Steuersignal V2o an die jeweils eine der zwei aufeinander folgenden Zeilen entspricht.

Die jeweilige Belichtungszeit beginnt mit dem Ende eines positiven Pulses des Steuersignals VES. Die positiven Pulse der Steuersignale V1o und V1e übertragen die Ladung der Photodioden, d. h. das Signal von den Bildsensoren, in das Register 4 gemäß 1(b). Damit ist die erste Belichtungszeit t1 beendet. Mit den Steuersignalen V1o und V2o werden die Ladungen von jedem zweiten der ersten Registerplätze vorgeschoben, bis sie auf den nächsten Registerplatz zu der dort befindlichen Ladung aufaddiert sind. Dies entspricht den 1(c) und (d).
Unmittelbar nach dem Überführen der Ladungen von der ersten Belichtungszeit in das Register beginnt die zweite Belichtungszeit. Diese endet für die eine Hälfte der Lichtsensoren 3 mit dem Überführen der Ladungen auf die zugehörigen ersten Registerplätze durch den zweiten positiven Puls des Steuersignals V1o (vgl. 4(b)). Mit den Steuersignalen V1o, V2o, V1e und V2e werden alle Ladungen in dem Register um zwei Registerplätze vorgeschoben (siehe 4(c) und (d)). Dann werden mit dem Steuersignal V1e auch die restlichen Ladungen von der zweiten Belichtungszeit auf die zugehörigen ersten Registerplätze überführt und dabei zu den schon in dem Register befindlichen Ladungen von der zweiten Belichtungszeit addiert (siehe 4(e)). Dabei verlängert sich für die Hälfte der Lichtsensoren die zweite Belichtungszeit von t2 auf t2 + t2a. Anschließend wird das Register 4 mit den Steuersignalen V1o, V2o, V1e und V2e seriell ausgelesen.
Realistisch können auf diese Weise auch für die zweite um t2a verlängerte Belichtungszeit Werte unter 1/32000 s erreicht werden.
13 skizziert eine Kamera 7 mit einem Bildsensor 2 hinter einem Objektiv 8 und mit einer Steuerung 9 zur Ansteuerung des Bildsensors 2. Die Steuerung 9 steuert zudem zwei gepulste Lichtquellen 10 an, mit denen Lichtblitze ausgesandt werden können, um ein interessierendes Objekt kurzzeitig stark zu beleuchten. Mit Hilfe der Steuerung 9 wird der Bildsensor 2 über eine Weiche 11 in zwei getrennte Ausleseelektroniken 12 ausgelesen, wobei aus jedem Register die ineinander verschachtelten addierten Signale von zwei nacheinander aufgenommenen Bildern wechselweise den beiden Ausleselektroniken 12 zugeordnet werden. Die Steuerung 9 ist hier insbesondere zur Verwendung des Bildsensors 2 gemäß 1 oder 3 und 2 oder 4 vorgesehen, d. h. für die schnelle Aufnahme von zwei kurz belichteten Bildern hintereinander.
Bezugszeichenliste

1: Spalte
2: Bildsensor
3: Lichtsensor
4: Register
5: erster Registerplatz
6: zweiter Registerplatz
7: Kamera
8: Objektiv
9: Steuerung
10: Lichtquelle
11: Signalweiche
12: Ausleseelektronik

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

US 6972795 B1 [0008, 0009]

Claims

Verwendung eines Bildsensors (2) mit mindestens einer Reihe von Lichtsensoren (3), in denen während einer Belichtungszeit einfallendes Licht in Form eines elektrischen Signals registriert wird, und mit mindestens einem Register (4), das für jeden Lichtsensor (3) der mindestens einen Reihe einen ersten Registerplatz (5) und einen zweiten Registerplatz (6) aufweist, – wobei die Signale von den Lichtsensoren (3) nach jeder Belichtungszeit auf den jeweils zugehörigen ersten Registerplatz (5) überführt werden und – wobei die Signale von den ersten Registerplätzen (5) auf die zweiten Registerplätze (6) und von dort auf die ersten Registerplätze (5) benachbarter Lichtsensoren (3) vorgeschoben werden, um die Signale aus dem Register (4) auszulesen, dadurch gekennzeichnet, – dass nach einer ersten Belichtungszeit die Signale von jeweils mindestens zwei in der mindestens einen Reihe benachbarten Lichtsensoren (3) auf einem Registerplatz (5, 6) addiert werden und – dass nach einer zweiten Belichtungszeit die Signale von jeweils mindestens zwei in der mindestens einen Reihe benachbarten Lichtsensoren (3) auf einem Registerplatz (5, 6) addiert werden, der zwischen zwei Registerplätzen (5, 6) liegt, auf welchen nach der ersten Belichtungszeit addierte Signale vorliegen.
Verwendung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass nach der ersten Belichtungszeit die Signale von den Lichtsensoren (3) zugleich auf den jeweils zugehörigen ersten Registerplatz (5) überführt werden und dass danach die Signale von den jeweils mindestens zwei in der mindestens einen Reihe benachbarten Lichtsensoren (3) auf dem jeweils am weitesten vorne in dem Register (4) liegenden ersten Registerplatz (5) addiert werden, indem zunächst nur die auf die jeweils weiter hinten in dem Register (4) liegenden ersten Registerplätze (5) überführten Signale soweit vorgeschoben werden.
Verwendung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass nach der ersten Belichtungszeit zunächst nur die Signale von dem jeweils am weitesten hinten in der mindestens einen Reihe liegenden der mindestens zwei Lichtsensoren (3) auf den zugehörigen ersten Registerplatz (5) überführt werden, dass diese Signale dann jeweils um zwei Registerplätze (5, 6) auf den nächsten ersten Registerplatz (5) vorgeschoben werden und dass die Signale von dem nächsten der jeweils mindestens zwei Lichtsensoren (3) dann durch Überführen auf den zugehörigen nächsten ersten Registerplatz (5) addiert werden.
Verwendung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die jeweils auf dem am weitesten vorne liegenden ersten Registerplatz (5) addierten Signale auf den benachbarten zweiten Registerplatz (6) vorgeschoben werden und dass dann nach der zweiten Belichtungszeit die Signale von den Lichtsensoren (3) zugleich auf den jeweils zugehörigen ersten Registerplatz (5) überführt werden.
Verwendung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass nach der zweiten Belichtungszeit zunächst nur die Signale von dem jeweils am weitesten hinten in der mindestens einen Reihe (1) liegenden der mindestens zwei Lichtsensoren (3) auf den zugehörigen ersten Registerplatz (5) überführt werden, dass diese Signale zusammen mit den addierten Signalen von der ersten Belichtungszeit dann jeweils um zwei Registerplätze (5, 6) auf den nächsten ersten Registerplatz (5) vorgeschoben werden und dass die Signale von den nächsten der jeweils mindestens zwei Lichtsensoren (3) dann durch Überführen auf den zugehörigen nächsten ersten Registerplatz (5) addiert werden.
Verwendung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass nach dem Addieren der Signale von den mindestens zwei Lichtsensoren (3) nach den mindestens zwei Belichtungszeiten das Register seriell ausgelesen wird.
Verwendung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die addierten Signale von den einzelnen Belichtungszeiten beim seriellen Auslesen separaten Auswerteelektroniken zugeführt werden.
Verwendung nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass auf die mindestens zwei Belichtungszeiten eine weitere Belichtungszeit folgt, nach der die elektrischen Signale von den Lichtsensoren (3) auf die ersten Registerplätze (5) in das bereits seriell ausgelesene Register überführt werden.
Verwendung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass Lichtblitze von mindestens einer gepulsten Lichtquelle (10) mit den Belichtungszeiten synchronisiert werden.
Verwendung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Signale in den Lichtsensoren (3) vor jeder Belichtungszeit gelöscht werden.
Kamera (7), die einen Bildsensor (2) mit mindestens einer Reihe von Lichtsensoren (3), in denen während einer Belichtungszeit einfallendes Licht in Form eines elektrischen Signals registriert wird, und mit mindestens einem Register (4), das für jeden Lichtsensor (3) der mindestens einen Reihe einen ersten Registerplatz (5) und einen zweiten Registerplatz (6) aufweist und eine Steuerung (9) umfasst, die die Verwendung des Bildsensors (2) nach einem der vorhergehenden Ansprüche umsetzt.
Kamera (7) nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass für jede der mindestens zwei Belichtungszeiten eine Ausleseelektronik (12) vorgesehen ist, auf die die zugehörigen addierten Signale verzweigt werden.
Kamera (7) nach Anspruch 11 oder 12, dadurch gekennzeichnet, dass eine mit den Belichtungszeiten des Bildsensors (2) synchronisierte gepulste Lichtquelle (10) vorgesehen ist.