DE102016206330B3

DE102016206330B3 - Bildelement

Info

Publication number: DE102016206330B3
Application number: DE102016206330.8A
Authority: DE
Inventors: Thomas Ußmüller; Lan Shi; Christopher Söll; Andreas Bänisch; Jürgen Seiler
Original assignee: Friedrich Alexander Univeritaet Erlangen Nuernberg FAU
Current assignee: Friedrich Alexander Univeritaet Erlangen Nuernberg FAU
Priority date: 2016-04-14
Filing date: 2016-04-14
Publication date: 2017-06-29
Anticipated expiration: 2036-04-15
Also published as: WO2017178141A1

Abstract

Es wird ein Bildelement (1) zur Erfassung einer Helligkeitsinformation und einer Farbinformation angegeben. Das Bildelement (1) weist auf eine lichtempfindliche Detektorfläche (2), die mit Teilflächen (3, 4, 5) auf wenigstens drei getrennt auslesbaren Einzeldetektoren (8, 9, 10) aufgeteilt ist, ein die Detektorfläche (2) abdeckendes Farbfilterelement (14), das den Teilflächen (3, 4, 5) jeweils zugeordnete, sich in den Filtereigenschaften unterscheidende Farbfilter (17, 18, 19) umfasst, und eine gemeinsame, mit den Einzeldetektoren (8, 9, 10) verschaltete Ausleseelektronik (6) zu einem jeweiligen Auslesen der Einzeldetektoren (8, 9, 10). Weiter wird ein Bildsensor (22) mit einer Vielzahl derartiger Bildelemente (1) angegeben.

Description

Die Erfindung betrifft ein Bildelement zur Erfassung sowohl der Helligkeit als auch der Farbe von auftreffendem Licht. Die Erfindung betrifft weiter einen Bildsensor mit einer Vielzahl derartiger, flächig nebeneinander angeordneter Bildelemente. Die Erfindung bezieht sich auf das technische Gebiet der digitalen Bildverarbeitung.
Ein Bildsensor zur Aufnahme von digitalen Bildern ist eine Vorrichtung, die optische Information, beispielsweise aus einer auf den Sensor optisch abgebildeten Objektszene, in elektrische Information umwandelt. Ein solcher Bildsensor weist in der Regel eine Vielzahl von flächig nebeneinander angeordneten Bildelementen auf und bildet damit ein sogenanntes Sensorarray. Das Bildelement ist hierbei die kleinste Einheit des Bildsensors und stellt beim Auslesen einen Abtastwert der Bildinformation zur Verfügung. Im allgemeinen Sprachgebrauch hat sich zur Bezeichnung eines Bildelements auch der Begriff „Pixel” etabliert. Andererseits stellt ein Pixel im digitalen Bild einen einzelnen Bildpunkt und damit das kleinste Element einer digitalen Rastergrafik dar. Ein Pixel im Sinne des kleinsten Elements einer Rastergrafik muss nicht mit dem Pixel im Sinne eines Bildelements des Bildsensors übereinstimmen.
Um ein digitales Farbbild darzustellen, sind grundsätzlich zwei Arten von Informationen pro Pixel (hier: Bildpunkt) notwendig, nämlich ein Helligkeitswert und ein Farbwert. Aus den für jeden Pixel durch Abtastung des optischen Bildes mittels der Bildelemente gewonnenen Helligkeits- und Farbwerten wird das gerasterte digitale Bild gewonnen.
Heute bekannte Bildsensoren zur Bildgebung im sichtbaren Spektralbereich sind halbleiterbasiert und verwenden in den Bildelementen üblicherweise CCD- oder CMOS-Detektoren. Derartige Detektoren liefern als solche nur Helligkeitswerte, jedoch keine Farbinformationen. Um dennoch mit derartigen Detektoren ein farbiges Bild aufzunehmen, werden verschiedene Techniken angewendet.
Der sogenannte Bayer-Filter-Sensor, wie er beispielsweise in der US 3 971 065 A beschrieben ist, ist wie ein Schachbrett aufgebaut. Jedes Bildelement des Sensorarrays enthält z. B. eine Photodiode, die die Helligkeitsinformation empfängt. Um Farbinformation zu erfassen, liegt über jedem Bildelement genau ein Farbfilterelement, welches die empfangene Helligkeitsinformation dieses Farbkanals passieren lässt und andere Farben herausfiltert. Das komplette Sensorarray ist mit drei Farbfiltern (rot, grün und blau) überzogen, wobei meist 50% der Farbfilter grün und jeweils 25% der Farbfilter rot und blau sind. Jedes Bildelement nimmt nur den Wert eines Farbkanals, also entweder rot, grün oder blau (RGB) auf. Die Farbinformation pro Bildelement ist unvollständig, so dass eine Nachbearbeitung der mittels des Sensorarrays gewonnenen Bildinformationen benötigt wird. Dazu wird für jeden Pixel im digitalen Bild die Information von im Sensorarray benachbarten Bildelementen herangezogen. Mit anderen Worten werden für einen Farbpixel im digitalen Bild die Informationen mehrerer Bildelemente des Sensorarrays verwendet. Neben RGB-Filtern, die also rote, grüne und blaue Farbfilter umfassen, sind weitere Varianten von Farbfilterelementen bekannt, z. B. ein CYGM-Filter, der cyane, gelbe, grüne und magenta Farbfilter umfasst, oder der RGBW-Filter, der rote, grüne, blaue Farbfilter und einen Bereich ohne Farbfilter zur Gewinnung einer reinen Helligkeitsinformation umfasst.
Eine auf Bayer-Filter-Sensoren basierende Digitalkamera enthält typischerweise nur einen einzigen Bildsensor (Sensorarray). Mikroelektronisch ist es insbesondere im Falle der CMOS-Technik möglich, zusätzlich zum eigentlichen Bild- bzw. Sensorelement zugleich Analog-Digital-Umsetzer und eine digitale Signalverarbeitung auf einem Sensor-Chip zu integrieren. Durch den CMOS-Prozess und die Integration der Signalverarbeitung lassen sich kostengünstige Produkte herstellen. Durch die einfache Realisierbarkeit ist die Bayer-Filter-Technologie weit verbreitet und wird heute in den meisten Farb-Bildsensoren verwendet. Nachteiligerweise ist die Auflösung eines solchen Bildsensors durch die zur Gewinnung der Farbinformation notwendige Interpolation limitiert. Die reale Auflösung des digitalen Bildes beträgt abhängig von den Farbkanälen lediglich 25% bis 50% der auf die Anzahl der Bildelemente des Sensorarrays bezogenen Angaben.
Bei einer anderen Technik, wie sie beispielsweise in der US 2009/0079834 A1 offenbart ist, werden drei unabhängige einzelne Bildsensoren sowie ein dichroitisches Prisma eingesetzt. Man spricht hierbei auch von einem sogenannten 3CCD-Sensor. Durch das dichroitische Prisma wird das Eingangslicht aus der abgebildeten Objektszene in drei getrennte Strahlen unterschiedlicher Farben aufgeteilt, beispielsweise in rot, grün und blau. Jeder der drei Bildsensoren erhält dann bei voller Auflösung die Information einer einzelnen Farbe. Somit wird die vollständige Farbinformation jeweils direkt ausgegeben. Eine Nachbearbeitung der vom Bildsensor insgesamt ausgegebenen Informationen ist im Unterschied zu einem Bayer-Filter-Sensor nicht notwendig. Zur Gewinnung des digitalen Bildes wird die volle Sensorauflösung genutzt. Die Nachbearbeitung gestaltet sich einfacher. Nachteiligerweise werden drei einzelne vollwertige Bildsensoren und ein Prisma benötigt. Zudem ist eine aufwändige Kalibrierung notwendig. Die Kosten für einen 3CCD-Sensor liegen im Vergleich zu einem Bayer-Filter-Sensor insofern deutlich höher.
Der Sensor einer weiteren Technik zur Gewinnung der Farbinformation, wie beispielsweise aus der US 5 965 875 A bekannt ist, basiert auf dreischichtigen Bild- elementen. Ein solcher Sensor ist auch als Foveon X3-Sensor bekannt und wird von dem Unternehmen Foveon, nun Sigma angeboten. Hierbei wird die Eigenschaft des Siliziums genutzt, dass Licht unterschiedlicher Wellenlängen aus dem sichtbaren Spektralbereich unterschiedlich tief eindringt bzw. unterschiedlich absorbiert wird. Über diese Tiefendiskriminierung wird die Farbinformation im jeweiligen Bildelement gewonnen. Ein solcher Bildsensor ist ebenfalls als Ein-Chip-Lösung ausgeführt und verfügt meist über drei Ausgangskanäle, nämlich jeweils einen Ausgangskanal für die Farben rot, grün und blau. Nachteiligerweise zeigt ein solcher Bildsensor eine vergleichsweise hohe Rauschempfindlichkeit bei geringer Helligkeit. Zudem sind das Rauschen und das Übersprechen der einzelnen Farbkanäle unterschiedlich.
Aus US 2011/0242351 A1 ist ein Bildsensor bekannt, der auf einer lichtempfindlichen Detektorfläche eine Vielzahl von matrixförmig nebeneinander angeordneten Bildelementen (Pixeln) aufweist. Die Quadranten eines jedes Bildelements bilden Teilflächen, die durch verschiedenartige Farbfilter abgedeckt sind und denen getrennt auslesbare Einzeldetektoren zugeordnet sind. Der Bildsensor umfasst weiterhin eine gemeinsame Ausleseelektronik zum Auslesen der Einzeldetektoren. Weitere Bildsensoren sind aus US 5 148 268 A , DE 10 2012 110 094 A1 und US 2010/0309351 A1 bekannt.
Aus EP 1 607 771 B1 ist ein Nachtsichtsystem bekannt, das eine Blende mit einem optischen Filter aufweist. Das optische Filter ist derart ausgelegt, dass der Durchmesser der Eintrittspupille der Blende wellenlängenabhängig ist. Die Blende weist dabei konzentrisch einen lichtdurchlässigen inneren Bereich, einen für sichtbares Licht nahezu undurchlässigen mittleren Bereich mit einer Filterschicht und einen lichtdurchlässigen äußeren Bereich auf, so dass sichtbares Licht durch ein kleines Blendenloch und Licht im nahen Infrarotbereich durch ein größeres Blendenloch begrenzt ist.
Aufgabe der Erfindung ist es, ein Bildelement anzugeben, mit dem bei vergleichsweise niedrigen Herstellungskosten möglich ist, sowohl Information über die Helligkeit als auch Information über die Farbe des auftreffenden Lichts zu erfassen. Weiter soll ein entsprechender Bildsensor mit derartigen Bildelementen angegeben werden. Insbesondere soll dabei die Auflösung des digitalen Farbbildes der durch den Bildsensor real vorgegebenen Auflösung entsprechen.
Die gestellte Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch ein Bildelement zur Erfassung sowohl einer Helligkeitsinformation als auch einer Farbinformation, welches eine lichtempfindliche Detektorfläche, die mit Teilflächen auf wenigstens drei getrennt auslesbare Einzeldetektoren aufgeteilt ist, ein die Detektorfläche abdeckendes Farbfilterelement, das den Teilflächen jeweils zugeordnete, sich in den Filtereigenschaften unterscheidende Farbfilter umfasst, und eine gemeinsame, mit den Einzeldetektoren verschaltete Ausleseelektronik zu einem jeweiligen Auslesen der Einzeldetektoren aufweist.
Die gestellte Aufgabe wird weiter erfindungsgemäß gelöst durch einen Bildsensor, der eine Vielzahl von flächig nebeneinander angeordneten Bildelementen der vorbeschriebenen Art umfasst.
Die Erfindung sieht demnach vor, jedem Bildelement wenigstens drei Einzeldetektoren zuzuordnen, von denen jeder eine Teilfläche der insgesamt umfassten lichtempfindlichen Detektorfläche aufweist. Jede dieser lichtempfindlichen Teilflächen ist mit einem spezifisch zugeordneten Farbfilter abgedeckt, das die gewünschte Helligkeitsinformation eines durch das Farbfilter definierten Farbkanals passieren lässt und andere Farben herausfiltert. Somit erfasst jeder Einzeldetektor des Bildelements jeweils die Helligkeitsinformation des ihm zugeordneten Farbkanals. Über jedes Bildelement wird somit die vollständige Information über Farbe und Helligkeit des abgebildeten Bildausschnitts erfasst. Als Farbkanäle sind bevorzugt Primärfarben gewählt, also z. B. Rot, Grün und Blau.
Ein Bildsensor mit derartigen Bildelementen weist viele Vorteile auf. Zum Auslesen der vollständigen Farbinformation, also der Helligkeitswerte in den jeweiligen Farbkanälen, ist nur ein einziges Sensorarray erforderlich. Zur Rekonstruktion der Farbinformation werden keine Informationen von benachbarten Bildelementen benötigt. Mithin entfällt ein Farbrekonstruktionsprozess. Die Auflösung des digitalen Bildes entspricht der realen Sensorauflösung. Zudem ist das Farbrauschen aufgrund mehrerer Farbkanäle pro Bildelement reduziert. Der Bildsensor bzw. das gesamte Sensorarray lässt sich mittels CMOS-Technik einfach und kostengünstig realisieren. Die lichtempfindlichen Detektorflächen sind insbesondere planar. Somit ist die Produktion vergleichsweise einfach und insofern kostengünstig.
Um über den vom jeweiligen Bildelement erfassten Teilausschnitt des optischen Bildes möglichst gleichmäßige und vergleichbare Farbinformationen in den verschiedenen Farbkanälen zu erhalten, sind die Teilflächen der Einzeldetektoren erfindungsgemäß ineinander geschachtelt. Auf diese Weise erfolgt für alle Farbkanäle eine über die Detektorfläche vergleichmäßigte Abtastung des vom Bildelement erfassten Bildausschnitts.
In einer hierzu weiter bevorzugten Ausgestaltung sind die geschachtelten Teilflächen der Einzeldetektoren zueinander konzentrisch und weisen insofern bezüglich ihrer Geometrie einen gemeinsamen Schwerpunkt auf. Durch die Erhöhung der Symmetrie wird die gleichmäßige Abtastung der Farbwerte für alle Farbkanäle weiter verbessert. Vorteilhafterweise fallen hierbei insbesondere die Schwerpunkte der Teilflächen jeweils in das Zentrum des Bildelements. Damit wird der vom Bildelement erfasste Bildausschnitt hinsichtlich der Farbwerte für jeden Farbkanal symmetrisch abgetastet. Eigene Untersuchungen belegen hierbei, dass sich die Eigenschaften des Bildelements hinsichtlich der Abtastung der Farbwerte weiter verbessern lassen, wenn die konzentrischen Teilflächen einen Kreis und den Kreis umlaufende Ringe umfassen.
Die vorbeschriebenen konkreten Ausführungsvarianten der Teilflächen sind insbesondere dahingehend optimiert, dass für jeden Farbkanal aus dem vom Bildelement erfassten Bildausschnitt ein tatsächlicher Mittelwert der entsprechenden Helligkeit erfasst wird. Eine Erhöhung der Symmetrie der Teilflächen oder eine verschachtelte Anordnung der Teilflächen bietet hier die größten Vorteile.
Jede Teilfläche eines Einzeldetektors liest die Farbinformation bzw. den Helligkeitswert eines Farbkanals aus. Das Bildelement als solches liefert die Informationen für alle der gewählten Farbkanäle. Dazu ist jede Teilfläche eines Einzeldetektors mit einem jeweils zugeordneten Farbfilter abgedeckt. Die Farbfilter unterscheiden sich hierbei in ihren Filtereigenschaften und weisen insbesondere für verschiedene Wellenlängen einen unterschiedlichen Transmissions-, Reflexions- und/oder Absorptionsgrad auf. Die den wenigstens drei Einzelflächen zugewiesenen Farbfilter sind bevorzugt im Sinne eines RGB-Filters als ein rotes, grünes und blaues Farbfilter gegeben. Jedoch können auch andere Farbkombinationen gewählt sein. Insbesondere können bei vier Einzelflächen auch die eingangs genannten CYGM- oder RGBW-Filter ausgebildet werden.
Jedes Farbfilter überdeckt die jeweils zugeordnete Einzelfläche. Dabei muss die Form des Farbfilters nicht zwingend der Form der Einzelfläche entsprechen, um die Bedeckungseigenschaft zu gewährleisten. In einer bevorzugten Ausgestaltung entspricht jedoch die geometrische Form eines Farbfilters, gegebenenfalls bis auf eine Abweichung in der Größe, jeweils der geometrischen Form der zugeordneten Teilfläche. Bei der Fertigung muss darauf geachtet werden, das Farbfilterelement bzw. die Farbfilter derart auszurichten, dass das jeweilige Farbfilter die ihm jeweils zugeordnete Teilfläche abdeckt.
Die lichtempfindliche Detektorfläche bzw. die Teilflächen der Einzeldetektoren sind zweckmäßigerweise als Halbleiterbauelemente ausgebildet. Gleichwohl werden von der Erfindung auch andere elektronische Bauelemente erfasst, die ein lichtempfindliches Verhalten zeigen. Beispielsweise sind dies Fotowiderstände, Röhrenelemente oder generell Bauelemente, die einen äußeren Fotoeffekt nutzen, wie beispielsweise Fotomultiplier. Wiederum bevorzugt sind als Einzeldetektoren Fotodetektoren gewählt, die als solche den inneren und/oder den äußeren Fotoeffekt ausnutzen. Lichtinformation wird dabei unmittelbar in elektrische Informationen umgewandelt. Als Fotodetektoren wiederum bevorzugt sind Fotomultiplier, Photodioden, CMOS-Detektoren und CCD-Detektoren.
Die Ausleseelektronik ist mit den Einzeldetektoren bzw. den zugeordneten Teilflächen verschaltet und insbesondere zu einer parallelen oder einer seriellen Auslesung der Einzeldetektoren ausgebildet und eingerichtet. Im Falle der Möglichkeit einer seriellen Auslesung umfasst die Ausleseelektronik beispielsweise ein ansteuerbares Schaltelement, welches die Einzeldetektoren einem gemeinsamen Ausleseschaltkreis zuschaltet oder von diesem entkoppelt. Im Falle einer parallelen Auswertung ist jedem Einzeldetektor jeweils ein Auswerteschaltkreis zugeordnet. Unabhängig hiervon weist die Ausleseelektronik bevorzugt wenigstens drei Ausgabekanäle zum Auslesen der Helligkeitswerte jedes der wenigstens drei Farbkanäle auf.
In einer zweckmäßigen Weiterbildung der Erfindung sind die Einzeldetektoren in an sich bekannter mikroelektronischer Fertigungstechnik gemeinsam auf einem Substrat, insbesondere einem Halbleitersubstrat (z. B. Silizium), angeordnet, und auf diesem gefertigt. In einer hierzu bevorzugten Weiterbildung sind die Ausleseelektronik und die Einzeldetektoren auf dem Substrat gemeinsam angeordnet und insbesondere gemeinsam gefertigt.
In einer weiteren bevorzugten Ausbildung der Erfindung ist der grüne Farbfilter im Falle eines RGB-Farbfilterelements einer äußeren Teilfläche zugeordnet. Insbesondere hierdurch wird es möglich, die äußere, grüne Teilfläche mit einer größeren Fläche auszubilden, wodurch auf die Farbempfindlichkeit des menschlichen Auges Bezug genommen ist.
In einer weiter bevorzugten Ausgestaltung umfasst das Bildelement eine vierte Teilfläche, die frei von einem abdeckenden Filter ist. Das entsprechende Farbfilterelement ist an dieser Stelle insbesondere im sichtbaren Spektralbereich transparent oder weist dort keinen Farbfilter auf. Diese Ausführungsvariante ermöglicht eine simultane Erfassung nur der Helligkeit des auftreffenden Lichts.
Die Erfindung umfasst weiter einen Bildsensor mit einer Vielzahl von flächig nebeneinander angeordneten Bildelementen der vorbeschriebenen Art. Dabei können die für das Bildelement und dessen Weiterbildungen genannte Vorteile sinngemäß auf den Bildsensor übertagen werden.
Bevorzugt sind im Bildsensor wenigstens zwei Bildelemente vorhanden, die sich voneinander unterscheidende Farbfilterelemente umfassen. Die sich unterscheidenden Farbfilterelemente sind vorteilhaft unregelmäßig oder geordnet über die Sensorfläche verteilt. Diese Ausführungsvariante ermöglicht einen Zuwachs im erfassten Informationsgehalt. Zweckmäßigerweise unterscheiden sich die Farbfilterelemente in der Wahl der einzelnen Farbfilter. Im Falle sich auf dem Bildsensor unterscheidender Farbfilterelemente erlaubt ein nachgeschaltetes Rekonstruktionsverfahren unter Ausnutzung der unterschiedlichen Sensorflächen das Erreichen einer höheren Auflösung.
Ausführungsbeispiele der Erfindung sind anhand einer Zeichnung näher erläutert. Dabei zeigen:
1 schematisch ein Bildelement mit drei konzentrischen Teilflächen von Einzeldetektoren,
2 eine Sensorarray mit einer Vielzahl von flächig angeordneten Bildelementen entsprechend 1, und
3 ein konkretes Ausführungsbeispiel zu einem Bildelement entsprechend 1.
In 1 ist ein Bildelement 1 zur Erfassung sowohl einer Helligkeitsinformation als auch einer Farbinformation dargestellt. Das Bildelement 1 umfasst eine lichtempfindliche Detektorfläche 2, die in eine erste Teilfläche 3, in eine zweite Teilfläche 4 und in eine dritte Teilfläche 5 aufgeteilt ist. Jede Teilfläche 3, 4, 5 bildet einen separat auslesbaren Einzeldetektor 8, 9 bzw. 10. Die Einzeldetektoren 8, 9, 10 sind beispielsweise in CMOS-Technologie gefertigt und insbesondere als Photodioden mit einem jeweils zugeordneten Ausleseschaltkreis auf einem Substrat 12, beispielsweise aus Silizium, hergestellt. Die Ausleseschaltkreise der Einzeldetektoren 8, 9, 10 sind in einer Ausleseelektronik 6 zusammengefasst. Die Ausleseelektronik 6 ist hierbei zu einer parallelen oder zu einer seriellen Auslesung der Einzeldetektoren 8, 9, 10 ausgebildet.
Die erste Teilfläche 3 des ersten Einzeldetektors 8 ist als ein Kreis ausgebildet, dessen Schwerpunkt mit dem Zentrum des Bildelements 1 zusammenfällt. Die zweite Teilfläche 4 und die dritte Teilfläche 5 sind jeweils als zum Kreis konzentrische Ringe ausgebildet. Somit fallen auch die Schwerpunkte der zweiten Teilfläche 4 und der dritten Teilfläche 5 mit dem Schwerpunkt der ersten Teilfläche 3 und damit dem Zentrum des Bildelements 1 zusammen. Die Abstände zwischen den einzelnen Teilflächen 3, 4, 5 sind fertigungsbedingt. Die Einzeldetektoren 8, 9, 10 sind separat auslesbar.
Das Substrat 12 und die hierauf angeordneten Teilflächen 3, 4, 5 der Detektorfläche 2 sind von einem Farbfilterelement 14 abgedeckt. Das Farbfilterelement 14 weist ein erstes Farbfilter 17, ein zweites Farbfilter 18 und ein drittes Farbfilter 19 auf, die in ihrer Form jeweils der ersten Teilfläche 3, der zweiten Teilfläche 4 bzw. der dritten Teilfläche 5 entsprechen. Das erste Farbfilter 17 ist ein blaues Farbfilter. Das zweite Farbfilter 18 ist ein rotes Farbfilter. Das dritte Farbfilter 19 ist ein grünes Farbfilter. Jedes der Farbfilter 17, 18, 19 lässt somit Licht eines jeweiligen primären Farbkanals basieren, während es Licht der jeweils anderen Farbkanäle blockiert bzw. absorbiert. Das Farbfilterelement 14 ist als ein RGB-Filter ausgebildet. Die Wahl der Farbfilter kann auch anders sein. Zudem muss die Auswahl der Farbfilter nicht für jeden Pixel gleich sein.
Ein vom Bildelement 1 erfasster Bildausschnitt eines optischen Bildes wird mittels der Teilflächen 3, 4, 5 hinsichtlich seiner Farbwerte in einem roten, blauen und grünen Farbkanal abgetastet. Über entsprechende Anschlussflächen 20 der Ausleseelektronik 6 auf der Rückseite des Bildelements 1 stehen die Helligkeitswerte der entsprechenden Farbkanäle zum Auslesen bereit. Das Bildelement 1 ist in der Lage, für den erfassten Bildausschnitt die komplette Farbinformation mit den zugehörigen Helligkeitswerten auszugeben. In einer bevorzugten Variante sind in die Ausleseelektronik 6 des Bildelements 1 Schalter integriert, über deren Betätigung das entsprechende Bildelement 1 zum Auslesen ansprechbar ist.
In 2 ist ein Bildsensor 22 dargestellt, der in einem Sensorarray 24 eine Vielzahl der in 1 dargestellten Bildelemente 1 umfasst. Die Bildelemente 1 sind hierbei flächig nebeneinander in der gezeigten Geometrie angeordnet. Ein mittels des Bildsensors 22 abgetastetes bzw. erfasstes digitales Bild weist eine Auflösung auf, die der realen Auflösung bzgl. der Anzahl der Bildelemente 1 entspricht. Jedes Bildelement 1 liefert eine vollständige Information hinsichtlich der Farbwerte, also der einem Farbkanal zugeordneten Helligkeitswerte. Eine Interpolation über mehrere benachbarte Bildelemente ist zum Erhalt einer Farbinformation nicht notwendig.
In 3 ist ein konkretes Ausführungsbeispiel eines Bildelements 1 gemäß 1 dargestellt. Dabei sind zur Vereinfachung lediglich die einzelnen Farbfilter 17, 18, 19 des Farbfilterelements 14 abgebildet. Die jeweils zugeordneten Teilflächen 3, 4, 5 weisen entsprechend 1 die gleiche Geometrie auf.

Die erste Teilfläche 3 liegt im Zentrum C des Bildelements 1. Sie ist als ein Kreis mit Radius R_s und einer Fläche S_s ausgeführt, und von dem blauen Farbfilter 17 abgedeckt. Die zweite Teilfläche 4 des zweiten Einzeldetektors 9 ist als ein Ring mit Zentrum C und einer Breite W_m um die erste Teilfläche 3 herum angeordnet. Die zweite Teilfläche 4 ist von einem roten Farbfilter 18 abgedeckt. Die dritte Teilfläche 5 des dritten Einzeldetektors 10 ist ebenfalls als ein Ring mit Zentrum C und einer Breite W_l um die zweite Teilfläche 4 angeordnet. Die dritte Teilfläche 5 ist von einem grünen Farbfilter 19 abgedeckt. Dabei gilt beispielhaft:

2R_s ≥ ε,	R_s: Radius von 1. Teilfläche;
G ≥ δ,	G: Abstand zwischen je zwei Teilflächen;
R_mi = R_s + G,	R_mi: Innerer Radius der 2. Teilfläche;
W_m = R_mo – R_mi ≥ ε,	W_m/R_mo: Breite/Äußerer Radius der 2. Teilfäche;
R_li = R_mo + G;	R_li: Innerer Radius der 3. Teilfläche;
W_l = R_lo – R_1i ≥ ε,	W_l/R_lo: Breite/Äußerer Radius der 3. Teilfläche;
W_p = R_lo + G/2;	W_p: Halbe Länge des Bildelements;
S_l = 2S_m = 2S_s,	S_l/S_m/S_s: Fläche von 3./2./1. Teilfläche;

Insbesondere das Verhältnis der Teilflächen kann auch anders sein. Dabei ist ε die Minimalbreite einer Teilfläche und δ ist der Minimalabstand zwischen den Teilflächen abhängig vom Halbleiterprozess.
Das vorbeschriebene Bildelement entsprechend den 1 und 3 sowie ein Sensorarray mit einer Architektur entsprechend 2 wurden mit einem Testbild verifiziert und mit einem Bayer-Filter-Sensor gleicher Anzahl von Bildelementen verglichen. Dabei wurde ein digitales Bild mit einer Auflösung von 4.935·2.910 Pixel als eine reale Szene simuliert. Im Vergleich mit der simulierten realen Szene wurde die Auflösung des Sensorarrays viel kleiner, nämlich mit 154·90 Bildelementen gewählt. Deshalb kann jedes Bildelement einen Bildausschnitt mit einer Fläche von 32·32 ursprünglicher Pixel aufnehmen. Für den Bayer-Filter-Sensor wird ein Mittelwert der Helligkeit von der ganzen Fläche eines bestimmten Farbkanals als Pixelwert simuliert. Danach wurden zwei Interpolationsmethoden zur Rekonstruktion des Farbbildes in der Simulation eingesetzt. Für das vorbeschriebene neuartige Bildelement sind jeweils drei Mittelwerte aus den drei kreis- bzw. ringförmigen Teilflächen aus dem jeweiligen Farbkanal simuliert. Deshalb kann ein RGB-Farbbild direkt ausgegeben werden. Das Simulationsergebnis eines Bayer-Filter-Sensors zeigt bei bilinearer Interpolation ein durch den Interpolationsprozess sichtbar verschwommenes Bild, wobei das Farbrauschen an jeder Kante deutlich ausgeprägt ist. Das simulierte Bild eines Bayer-Filter-Sensors mittels Gradientenkorrigierter linearer Interpolation, die deutlich komplexer ist als die bilineare Interpolation, zeigt eine verbesserte Bildqualität. Dennoch treten Überzeichnungen von Kanten auf. Das Farbrauschen ist ebenfalls stark vorhanden. Für das Bild aus einer Simulation mit dem vorbeschriebenen Bildelement ist wie erwähnt kein Rekonstruktionsprozess notwendig. Die drei Farbkanäle (rot, grün und blau) werden direkt ausgelesen. Das simulierte Ausgangsbild bleibt scharf, detailreich und hoch aufgelöst. Das Farbrauschen ist deutlich geringer als in den simulierten Bildern entsprechend dem Bayer-Filter-Sensor.
Alle drei Resultate wurden unter Verwendung von zwei objektiven Bildbewertungsmethoden verglichen. Die Ergebnisse sind für das neuartige Bildelement bzw. einen hieraus aufgebauten Bildsensor im Vergleich zu den Resultaten mit einem Bayer-Filter-Sensor deutlich verbessert. Während ein Bayer-Filter mit bilinearer Interpolation ein PSNR (Peak Signal to Noise Ratio) von 19,37 dB und ein FSIM_c (Feature Similarity Index chrominance) von 0,75 und mit Gradientenkorrigierter linearer Interpolation ein PSNR von 20,09 dB und ein FSIM_c von 0,80 zeigt, weist das Bild mit neuartigem Bildelement bzw. neuartigem Bildsensor ein PSNR von 21,95 dB und ein FSIM_c von 0,84 auf. Der PSNR-Wert misst den Signal/Rauschabstand. Ein höherer Wert impliziert eine bessere Signal- bzw. Bildqualität. Der FSIM_c-Wert ist das Resultat einer mathematischen Bildqualitätsbeurteilung im Bezug zu einem Referenzfarbbild, die an das menschliche visuelle System angepasst ist. Eine Beschreibung hierzu findet sich beispielsweise in L. Zhang, L. Zhang, X. Mou and Z. Zhang, „FSIM: A Feature Similarity Index for Image Quality Assessment” in IEEE Transactions an Image Processing, Vol. 20, No. 8, pp. 2378–2386, Aug. 2011 (doi: 10.1109/TIP.2011.2109730).
Bezugszeichenliste

1: Bildelement
2: Detektorfläche
3: erste Teilfläche
4: zweite Teilfläche
5: dritte Teilfläche
6: Ausleseelektronik
8: erster Einzeldetektor
9: zweiter Einzeldetektor
10: dritter Einzeldetektor
12: Substrat
14: Farbfilterelement
17: erstes Farbfilter
18: zweites Farbfilter
19: drittes Farbfilter
20: Anschlusspad
22: Bildsensor
24: Array

Claims

Bildelement (1) zur Erfassung einer Helligkeitsinformation und einer Farbinformation, mit einer lichtempfindlichen Detektorfläche (2), die mit Teilflächen (3, 4, 5) auf wenigstens drei getrennt auslesbaren Einzeldetektoren (8, 9, 10) aufgeteilt ist, mit einem die Detektorfläche (2) abdeckenden Farbfilterelement (14), das den Teilflächen (3, 4, 5) jeweils zugeordnete, sich in den Filtereigenschaften unterscheidende Farbfilter (17, 18, 19) umfasst, und mit einer gemeinsamen, mit den Einzeldetektoren (8, 9, 10) verschalteten Ausleseelektronik (6) zu einem jeweiligen Auslesen der Einzeldetektoren (8, 9, 10), wobei die Teilflächen (3, 4, 5) ineinander geschachtelt sind.
Bildelement (1) nach Anspruch 1, wobei die geschachtelten Teilflächen (3, 4, 5) zueinander konzentrisch sind, insbesondere die Schwerpunkte der Teilflächen (3, 4, 5) jeweils in das Zentrum des Bildelements (1) fallen.
Bildelement (1) nach Anspruch 2, wobei die konzentrischen Teilflächen (3, 4, 5) gegeben sind als ein Kreis und als wenigstens zwei den Kreis umlaufende Ringe.
Bildelement (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die geometrische Form eines Farbfilters (17, 18, 19) jeweils der geometrischen Form der zugeordneten Teilfläche (3, 4, 5) entspricht.
Bildelement (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Einzeldetektoren (8, 9, 10) Photodetektoren sind, insbesondere ausgewählt sind aus der Gruppe, die Photomultiplier, Photodioden, CMOS-Detektoren und CCD-Detektoren enthält.
Bildelement (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Ausleseelektronik (6) zu einer parallelen oder zu einer seriellen Auslesung der Einzeldetektoren (8, 9, 10) ausgebildet und eingerichtet ist.
Bildelement (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Ausleseelektronik (6) und die Einzeldetektoren (8, 9, 10) auf einem gemeinsamen Substrat (12) angeordnet sind.
Bildelement (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Farbfilterelement (14) einen roten Farbfilter (18), einen grünen Farbfilter (19) und einen blauen Farbfilter (17) umfasst.
Bildelement (1) nach Anspruch 8, wobei der grüne Farbfilter (19) einer äußeren Teilfläche (5) zugeordnet ist.
Bildelement (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei eine vierte Teilfläche umfasst ist, die frei von einem abdeckenden Filter (17, 18, 19) ist.
Bildsensor (22) mit einer Vielzahl von flächig nebeneinander angeordneten Bildelementen (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche.
Bildsensor (22) nach Anspruch 11, wobei wenigstens zwei Bildelemente (1) sich voneinander unterscheidende Farbfilterelemente (14) umfassen.
Bildsensor (22) nach Anspruch 12, wobei sich die sich unterscheidenden Farbfilterelemente (14) in der Wahl der einzelnen Farbfilter (17, 18, 19) unterscheiden.