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Stand der Technik
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Die Erfindung geht von einer Einrichtung und einem Verfahren zur Aufnahme eines Bildes von einem Objekt nach der Gattung der unabhängigen Patentansprüche aus.
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Die Digitalfotografie hat im letzten Jahrzehnt die analoge, filmbasierte Fotografie weitgehend verdrängt. In der Digitalfotographie werden zur Aufnahme von Bildern von Objekten Sensormodule verwendet, die eine Mehrzahl von lichtempfindlichen, in der Regel in einer Matrix in einer Ebene angeordneten Sensoren, aufweisen. Üblich sind CCD- oder CMOS-basierte Sensoren. Diese Sensoren sind in der Regel empfindlich für eine Lichtintensität oder Lichtstärke, weniger aber für die Wellenlänge oder Farbe des einfallenden Lichtes. Es handelt sich demnach im Wesentlichen um Schwarz-Weiss-Sensoren. Um die Farbinformation korrekt zu erfassen wird direkt vor jeden einzelnen Sensor, auch als Sensorpixel bezeichnet, ein Farbfilter gesetzt. Auf diese Weise wird erreicht, dass ein einzelner Pixel zum Beispiel nur den Rotanteil des Bildes wiedergibt. In der Kombination mit weiteren farbgefilterten Pixeln, z.B. Grün oder Blau, kann das gesamte Farbspektrum abgebildet werden. Da in der Natur, die Farbe Grün dominant ist, wird deren Sensitivität durch eine Verdoppelung der eingesetzten grünen Pixel erhöht. Damit ergibt sich ein Sensorcluster von 4 Pixeln für einen Farbpixel, nämlich einem für die Farbe rot, einem für die Farbe blau und zweien für die Farbe grün. Diese Art von Farbfilter wird als man Bayer-Filter bezeichnet. Das Sensormodul, auch als Sensorchip bezeichnet, ergibt sich aus einer Anordnung dieser Cluster zu einem Array bzw. einer Matrix, wobei sich die Auflösung durch die Anzahl der eingesetzten Farbcluster ergibt. Durch Interpolationsalgorithmen wird in der Realität eine Auflösung erreicht, welche größer ist als die Anzahl der Cluster aber kleiner als die Anzahl der Sensorpixel.
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Der eingesetzte Sensorchip alleine ergibt jedoch noch kein sinnvolles Bild. Es sind weitere optische Elemente notwendig, um ein ausreichendes Bildfeld, ein Aufspannen des Bildes, eine Fokussierung und gegebenenfalls eine Veränderung der Brennweite und damit des Bildwinkels zu ermöglichen. Dies wird hauptsächlich durch den Einsatz von Linsen erreicht. Die verwendeten Linsen-Materialien, überwiegend Gläser oder Kunststoffe, verfügen regelmäßig über wellenlängenabhängige Brechungsindizes. Dies führt zu unterschiedlichen Fokuspunkten für verschiedene Wellenlängen. Der resultierende Bildfehler wird chromatische Aberration genannt. Wird dieser Fehler nicht behoben, so führt dies in direkter Konsequenz zu Unschärfen der Abbildung und damit zu einer Minderung der Bildqualität. Eine Kompensation der chromatischen Aberrationen wird gewöhnlich durch zusätzliche Linsen erreicht. Für nichtstatische optische Systeme, wie variabler Fokus oder sogar Zoom, kann mit diesen zusätzlichen Linsen nur ein Kompromiss erreicht werden, der eine Optimierung auf einen einzigen fixen Zustand darstellt. Zudem stellen zusätzliche Linsen regelmäßig zusätzliche Störquellen im Strahlengang dar.
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Vorteile der Erfindung
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Die Erfindung mit den Merkmalen der unabhängigen Patentansprüche hat den Vorteil, die Bildqualität digital aufgenommener Bilder von Objekten mit geringem Aufwand zu verbessern. Weiter kann ein Aufwand, der mit dem Einsatz von Korrekturlinsen zur Korrektur der chromatischen Aberration einher geht, verringert werden. Dies wirkt sich kosten- und gewichtsmindernd auf das Erzeugnis, also insbesondere beispielsweise eine Digital-Foto- oder Videokamera, in der die Erfindung vorteilhaft genutzt wird, aus. Weiter kann eine Beeinträchtigung der Bildqualität, die mit zusätzlichen Korrekturlinsen im Strahlengang infolge Teilreflexion und/oder -absorption des eintreffenden Lichts regelmäßig einhergeht, vermieden werden.
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Dazu wird eine Einrichtung zur Aufnahme eines Bildes von einem Objekt vorgeschlagen, welche ein eine Mehrzahl von lichtempfindlichen Sensorelementen umfassendes Sensormodul und mindestens ein in einem Strahlengang zwischen aufzunehmendem Objekt und Sensormodul angeordnetes Farbfilter aufweist, wobei weiterhin eine Steuerung vorgesehen ist, die dazu eingerichtet ist, aufeinanderfolgend verschiedenfarbige Farbfilter in dem Strahlengang anzuordnen, die Aufnahme eines Teilbildes für jedes der verschiedenfarbigen Farbfilter zu steuern und das Bild aus den mit den verschiedenfarbigen Farbfiltern aufgenommenen Teilbildern zusammenzusetzen.
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Der Kern der vorliegenden Erfindung kann mithin darin gesehen werden, dass aufeinanderfolgend jeweils nur ein Farbfilter einer bestimmten Farbe, also beispielsweise rot, blau und grün, in den Strahlengang zwischen aufzunehmendem Objekt und Sensormodul eingebracht wird und somit nacheinander einzelne Teil-Farbbilder, nämlich rot, blau und grün, aufgenommen und anschließend zu einem resultierenden Gesamt-Farbbild vereinigt werden. Mithin entfallen die den einzelnen Sensorpixeln, auch Sensorelementen oder kurz Sensoren, jeweils fest zugeordneten Farbfilter. Stattdessen wird das gesamte Sensormodul, auch Sensormatrix oder Sensorchip, aufeinanderfolgend mit jeweils farblich unterschiedlich gefiltertem Licht belichtet. Dabei kann für jedes einzelne Farbbild chromatische Aberration vermieden werden indem die Fokussieren für jedes einzelne Farb-Teilbild nachregelt wird. Damit kann der Aufwand zur Vermeidung chromatischer Aberration stark reduziert werden. Die Nachregelung der Fokussierung für die verschiedenfarbigen Teilbilder kann dabei in an sich bekannter Weise mit einer Autofokus-Einrichtung durch entsprechende Verstellung von Linsenelementen eines im Strahlengang angeordneten Objektivs zueinander und/oder zum Sensormodul erfolgen.
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Weiterhin kann die gemäß dem Stand der Technik benötigte Fläche auf dem Sensormodul für einen einzelnen Bildpunkt in der Größe eines Sensorclusters, also beispielsweise von vier nunmehr Sensoren für zwei grüne, ein rotes und ein blaues Bildpixel nunmehr für vier einzelne und voneinander unabhängige Bildpunkte erzeugende Sensoren oder für einen entsprechend größeren und damit lichtempfindlicheren Sensor genutzt werden. Die zweitgenannte Alternative bewirkt ein reduziertes Bildrauschen bei geringer Helligkeit aufgenommenen Motiven und damit eine erhöhte Bildqualität.
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Zeichnungen
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Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Figur dargestellt und werden nachfolgend näher erläutert.
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Die Figur zeigt in schematischer Darstellung den erfindungswesentlichen Teil einer erfindungsgemäßen Bildaufnahme-Einrichtung oder einer Digitalkamera, in der die Erfindung umgesetzt ist.
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Beschreibung der Ausführungsbeispiele
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In der Figur ist ein möglicher Aufbau einer erfindungsgemäßen Einrichtung 10 zur Aufnahme eines Bildes von einem Objekt 1 skizziert.
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Die erfindungsgemäße Einrichtung zur Aufnahme eines Bildes kann beispielsweise in einer Digital-Fotokamera oder einer Digital-Videokamera zum Einsatz kommen oder eine solche sein.
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Die Einrichtung 10 umfasst ein an sich bekanntes Sensormodul 12, welches eine Vielzahl von in Zeilen und Spalten, also matrixförmig angeordneten lichtempfindlichen Sensoren 120 umfasst. In der Figur umfasst das Sensormodul 12 zur Veranschaulichung 8 × 8 Sensoren, in einer praktischen Umsetzung sind nach heutigem Stand der Technik Sensormodule von beispielsweise 5 bis 36 Mio. Sensoren je nach Anwendung und Fläche des Sensormoduls üblich und praxisgerecht. Die Sensoren sind beispielsweise in an sich bekannter Weise als CCD- oder CMOS-Sensoren ausgebildet und geben jeweils elektrische Signale in Abhängigkeit der Lichtstärke des auf sie auftreffenden Lichts aus. Diese Signale 122 sind einer Steuereinrichtung 18 zugeführt, die aus den elektrischen Signalen der einzelnen Sensoren ein Bild zusammensetzt.
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Ein von einem zu fotografierenden Objekt 1 ausgehender Lichtstrahl 14 durchläuft vor Eintreffen auf dem Sensormodul 12 ein im Strahlengang 14 angeordnetes Farbfilter 161 und? ein Objektiv 20. Das Objektiv 20 ist in an sich bekannter Weise dazu ausgebildet, ein von einem Objektpunkt ausgehendes Strahlenbündel auf der Oberfläche des Sensormoduls 12 zu fokussieren, so dass ein Objektpunkt auf dem Sensormodul 12 ein Bildpunkt dargestellt wird. Das Objektiv 20 ist in vorteilhafter Weise ferner dazu ausgebildet, den Bildwinkel bzw. die Brennweite des Objektivs an die Gegebenheiten des aufzunehmenden Objekts sowie die Vorstellungen des Fotografen anzupassen und verfügt dazu über eine sogenannte Zoom-Funktion. Zum Zweck des Fokussierens und/oder zur Einstellung des Bildwinkels verfügt das Objektiv 20 über zueinander und/oder relativ zum Sensormodul 12 verstellbare Linsenelemente 201 und 202. Die Verstellung der Linsenelemente 201 und 202 wird beispielsweise mittels Stellmotoren 185 und 186 bewerkstelligt, die dazu von der Steuerung 18 angesteuert werden.
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Über einen weiteren Steller 181 steuert die Steuerung 18 ein Filtermodul 16 an, welches neben dem im Strahlengang 14 befindlichen Farbfilter 161, beispielsweise in roter Farbe, weitere Farbfilter 162 in blauer Farbe und 163 in grüner Farbe aufweist. Die drei Farbfilter können in einem Revolver gehalten werden, so dass durch Drehen des Revolvers mittels des Stellers 181 die drei verschiedenfarbigen Farbfilter 161 (rot), 162 (blau) und 163 (grün) in den Strahlengang 14 geschwenkt werden können.
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Die Steuerung 18 ist dazu ausgebildet, die Aufnahme von Bildern, das heißt die Belichtung des Sensormoduls mit dem vom Objekt 1 einfallenden Licht 14 mit der Anordnung der verschiedenfarbigen Farbfilter 161, 162 und 163 im Strahlengang zu synchronisieren und für jede Filterfarbe ein Teilbild desselben Objekts 1 aufzunehmen. Weiter ist die Steuerung 18 vorzugsweise dazu ausgebildet, für jeden Belichtungsvorgang eine neue Fokussierung durch geeignete Ansteuerung der Linsenelemente 201 und 202 des Objektivs 20 einzustellen, so dass für jede Filterfarbe ein scharfes Teilbild aufgenommen wird.
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Bei einer für eine aktuelle Beleuchtungssituation und Objektivöffnung angemessenen Gesamtbelichtungszeit von beispielsweise 1/125 Sekunde bewirkt die Steuerung 18 zunächst ein Einschwenken des roten Farbfilters 161 in den Strahlengang 14. Im Anschluss wird mittels einer an sich bekannten Autofokuseinrichtung, die Bestandteil der Steuerung 18 ist, das Bild des Objekts 1 auf dem Sensormodul 12 scharf gestellt. Anschließend erfolgt eine erste Teilbelichtung mit einer Belichtungszeit von 1/500 Sekunde. Es entsteht ein erstes, rotes Teilbild des Objekts. Dieser Vorgang wird analog für das blaue Farbfilter 162 wiederholt, es entsteht ein zweites, blaues Teilbild des Objekts 1. Schließlich wird der Vorgang für das dritte, grüne Filter 163 wiederholt mit dem Unterschied, dass die Belichtungszeit auf 1/250 Sekunde erhöht wird. Im Anschluss an die Aufnahme der Teilbilder erzeugt die Steuerung 18 durch Überlagerung der Teilbilder ein farbiges Gesamtbild des Objekts 1.
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Bei der Überlagerung der Teilbilder zu einem Gesamtbild können im Wesentlichen die gleichen Mechanismen und Algorithmen zur Anwendung kommen, wie diese von herkömmlichen Digitalkameras gemäß dem Stand der Technik bekannt sind, bei denen ebenfalls rote, blaue und grüne Teilbilder infolge der den Cluster-Sensoren jeweils zugeordneten Farbfilter aufgenommen werden.
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Durch das jeweilige Neu-Fokussieren für jede Teilbildaufnahme kann bei der erfindungsgemäßen Einrichtung die bei bekannten Ansätzen gemäß dem Stand der Technik vorhandene chromatische Aberration mit geringem Aufwand zumindest weitgehend vermieden werden.
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Die Erfindung ermöglicht weiterhin eine individuelle Anpassung der Farbverteilung an das Motiv und eine Anpassung des Farbhistogramms. Da die einzelnen Sensoren, Pixel, nicht mehr jeweils einer Farbe zugewiesen sind, nehmen alle Pixel gleichberechtigt an der Bilderstellung teil. Damit ist es möglich über eine Anpassung der Belichtungszeiten der einzelnen Farbbilder eine Gewichtung der einzelnen Farbanteile individuell vorzunehmen. Die bisher verwendeten Systeme haben eine fixe Verteilung 25% Rot, 25% Blau, 50% Grün, wie auch im oben beschriebenen Beispiel angenommen. Dies kann sich in unterschiedlichen Einstellungsmodi der Kamera wie z.B. Indoorfotografie, Outdoor, Landschaft wiederspiegeln.
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Die Erfindung ermöglicht auch eine Erhöhung der Lichtempfindlichkeit oder Lichtstärke des Systems. Neben der Reduktion der Linsenanzahl und damit verbundene Absorption durch die Linsen, hilft die individuelle Anpassung der Farbverteilung an das Motiv die notwendige Belichtungszeit zu reduzieren. Im Vergleich zu bisher verwendeten Systemen kann auf eine 4x größere Anzahl von aktiven Pixeln zurückgegriffen werden, damit lässt sich 4 mal mehr Licht einfangen. Dies kompensiert sich in gewissen Grenzen mit der längeren gesamten addierten Belichtungzeit der 3 Teilbilder. Diese jedoch sind durch die Anpassung an die Farbverteilung in der gesamten Belichtungzeit reduziert und damit steht über eine feste Belichtungszeit dem Sensor mehr Licht zur Verfügung als bisher.
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Die Erfindung ermöglicht auch eine Vergrößerung der Funktionalität des digitalen Zooms. Bisher stehen beispielsweise in Mobiltelefonen oder sehr kompakt bauenden Digitalkameras nur sogenannte digitale Zooms zur Verfügung. Dabei wird ein Ausschnitt des Sensorchips auf das gesamte Bild aufgezogen. Damit stehen der gezoomten Bildinformation nur noch ein Teil der gesamt verfügbaren Pixel zur Verfügung. Dadurch dass erfindungsgemäß bei gleicher Sensormodulfläche ohne Einbuße an Lichtempfindlichkeit der einzelnen Sensoren 4 mal mehr Pixel vorhanden sein können, kann der digitale Zoom noch in größerem Maßstab verwendet werden, bevor das Bild bei der Vergrößerung verpixelt.
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Im Gegensatz zum bisherigen System ist der Kompromiss zur chromatischen Aberration nicht mehr auf einen fixen Zustand des Systems beschränkt. Durch die aktive Fokusregelung der einzelnen Farben ist die chromatische Aberration relativ unabhängig vom Fokuspunkt und damit. von der Vergrößerung. Hierdurch ergibt sich eine bessere chromatische Bildqualität über den gesamten Fokusbereich, bzw. Vergrößerungsbereich.
