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Die Erfindung bezieht sich auf das
Gebiet Bildabtastung, insbesondere eine Anordnung zur Erzeugung
von elektrischen Bildsignalen von einer Bildvorlage. Die Anordnung
kann insbesondere auf einen Filmscanner mit CCD-Bildsensoren angewendet werden. Der
Bildsensor kann als Flächensensor oder
als Zeilensensor ausgeführt
sein. Die Anordnung ist insbesondere für einen hochauflösenden Filmscanner
mit umschaltbarer Auflösung
geeignet.
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Filmabtaster werden verwendet, um
Videosignale oder Daten von fotographischen Filmvorlagen zu generieren.
Dabei sind drei Grundverfahren bekannt: Ein Verfahren benutzt einen
Flächensensor (elektronische
Kamera), auf den das Bild projiziert und in elektrische Signale
umgewandelt wird. Ein weiteres Verfahren benutzt einen sogenannten "Flying Spot"-Scanner, bei dem mit einem Elektronenstrahl
ein Raster auf die Oberfläche
einer Kathodenstrahlröhre
geschrieben wird. Dieses Raster wird auf den abzutastenden Film
abgebildet und über Photomultiplier-Röhren oder
Halbleiter, wie zum Beispiel Photodioden, in elektrische Signale
gewandelt.
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Bei einem dritten Verfahren werden CCD-Zeilensensoren
verwendet, welche am Ausgang einen seriellen Pixeldatenstrom liefern.
Der abzutastende Film bewegt sich dabei kontinuierlich zwischen
einer Beleuchtungsvorrichtung und den CCD-Sensoren, wobei das Filmbild über eine
Abbildungsoptik auf die CCD-Sensoren fokussiert wird. Häufig werden
drei CCD-Sensoren für
die Farbauszüge
Rot, Grün
und Blau verwendet, wobei die spektrale Aufteilung der Farbauszüge über einen dichroiden
Lichtteiler vorgenommen wird (US Patent 4,205,337).
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Der Scanner zur Umwandlung der optischen Information
eines Filmbildes in elektrische Signale zur Weiterverarbeitung ist
eine der wichtigsten Einheiten in einem Filmabtaster. Die optische
und elektrische Qualität
dieses Scanners bestimmt die maximal erreichbare Qualität des Ausgangs,
welcher analog oder digital, als Fernsehstandard oder in einem Datenformat
ausgeführt
sein kann.
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Hinsichtlich der erreichbaren Geschwindigkeit,
mit der solche CCD-Sensoren mit hoher Signalqualität ausgelesen
werden können,
gibt es jedoch Grenzen. Diese hängen
zum Beispiel von der verwendeten Halbleitertechnologie sowie von
den verfügbaren
Takttreibern für
die Ladungsschiebeschaltung ab. Eine hohe Auslesegeschwindigkeit
wird aber benötigt,
wenn man die Auflösung
und damit die Anzahl der Pixel erhöht, ohne die Scanrate (Abtastgeschwindigkeit
in Bildern pro Sekunde) zu verlangsamen.
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Um die Anforderung einer hohen Auflösung und
einer hohen Abtastgeschwindigkeit (zum Beispiel 30 Bilder pro Sekunde)
gleichzeitig zu erfüllen, werden
die Sensoren mit mehreren Schieberegisterkanälen und Ausgangsstufen ausgeführt (Kanalmultiplex).
Bei einem bekannten Filmabtaster werden zum Beispiel CCD-Sensoren
verwendet, welche über vier
Schieberegister und vier Ausgangsstufen verfügen. Die Art der Aufteilung
der Pixel auf mehrere Kanäle
ist von der CCD Architektur abhängig.
Beispiele sind Sensoren mit vier getrennten Bildsegmenten oder Aufteilungen
in geradzahlige und ungeradzahlige Pixel. Die unterschiedlichen
Kanäle
werden in der nachfolgenden Signalverarbeitung wieder zu einem Gesamtbild
zusammengesetzt. In einem Scanner nach diesem Verfahren werden die
ersten Signalverarbeitungsstufen, meist bis zur Analog-Digitalwandlung,
daher in einem Kanalmultiplex ausgeführt.
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An die Qualität der abgetasteten Bilder werden
im Bereich der Filmnachbearbeitung (für zum Beispiel Kinofilme, Werbung)
hohe Anforderungen gestellt. Ziel ist es, den hohen Kontrastumfang
von mehreren Blendenstufen eines Negativ-Filmmaterials möglichst getreu der Gradation
des Filmes in eine digitale Kopie umzuwandeln. Das bekannte Verfahren
der korrelierten Doppelabtastung korrigiert den Schwarzwert der
einzelnen Kanäle
durch eine Pixelklemmung („Correlated
Double Sampling")
und eine Zeilenklemmung, während
der Weißwert
durch Abgleich der Verstärkung
einzelner Kanäle
sowie eine sogenannte FPN-Korrektur (FPN: "Fixed Pattern Noise") erfolgt. Mit dieser FPN-Korrektur
werden Pegelfehler einzelner Pixel des ausgeleuchteten CCD-Sensors
durch Ermittlung der Fehler und anschließende Korrektur in einem Multiplizierer
eliminiert. Damit werden zwei Punkte der Übertragungskennlinie – Schwarzwert
und Weißwert – mit hinreichender
Genauigkeit korrigiert.
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Eine der wichtigsten Eigenschaften
ist die örtliche
Auflösung
des Scanners. Hochauflösende Scanner
spielen in der Nachbearbeitung eine immer wichtigere Rolle, um zum
Beispiel Bildmanipulationen, Archivierung oder Rückbelichtung auf Film aliasfrei
und möglichst
ohne Auflösungsverluste
durchführen
zu können.
Eine wesentliche Begrenzung heute verfügbarer Scanner ist die erzielbare
Auflösung
bei einer vorgegebenen Abtastgeschwindigkeit. Ein guter Kompromiss
ist zum Beispiel der „SPIRIT DataCine" Filmscanner von
Thomson, welcher 960 Farbpixel in Kombination mit 1920 Weißpixel abtastet.
Dieser Ansatz liefert hochauflösende
Bilder und kann bis 30 Bilder pro Sekunde benutzt werden. Für viele
Anwendungen reicht aber diese Farbauflösung nicht mehr aus. Es werden
höherwertige
Systeme mit 2k- oder sogar 4k-Farbauflösung (2048 bzw. 4096 Pixel)
gewünscht.
In einer früheren
Patentanmeldung (
DE 19637137 )
wurde bereits ein Filmscanner vorgeschlagen, welcher eine CCD mit
umschaltbarer Auflösung
durch Zusammenschalten mehrerer Pixel vorschlägt (Ladungssummation). Ein
solcher Filmscanner erfordert einen CCD-Sensor, dessen Halbleiterstruktur
klein genug ist, um die 2k-4k-Pixelumschaltung auf einem Chip zu
erreichen. Zwar sind solche Sensoren grundsätzlich realisierbar, sie können aber noch
nicht mit einer Zuverlässigkeit
hergestellt werden, die für
kommerzielle Anwendungen ausreicht.
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Daher wurden alternative Lösungen vorgeschlagen,
bei denen getrennte Sensoren für
unterschiedliche Bildauflösungen
verwendet werden. Für die
voneinander unabhängigen
Sensoren steigt jedoch der Aufwand sowohl zur Ansteuerung der Sensoren
als auch der nachgeschalteten Signalverarbeitung erheblich an, was
durch die folgenden Überlegungen
deutlich wird. Die Datenrate der Sensor-Ausgänge
ist sowohl durch die Taktansteuerung als auch durch die nachfolgenden
analogen Schaltungen mit korrelierter Doppelabtastung nach oben
begrenzt. Dies hat zur Folge, dass aus einem CCD-Sensor mehrere
Ausgänge
parallel verarbeitet werden müssen,
um die gewünschte
Anzahl von Bildpunkten schnell zu verarbeiten. Nimmt man zum Beispiel
vier Kanäle
für jede
der drei Grundfarben Rot, Grün
und Blau an, so sind insgesamt zwölf Verarbeitungskanäle erforderlich.
Für jeden
dieser zwölf
Kanäle
werden Schaltungen zur Korrektur von FPN, Schwarzwert und Linearität benötigt.
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Hiervon ausgehend ist es eine Aufgabe
der vorliegenden Erfindung, eine Anordnung zur Erzeugung von elektrischen
Bildsignalen von einer Bildvorlage zu schaffen, die zwischen Betriebsarten
mit unterschiedlicher Auflösung
umschaltbar ist und bei der in beiden Betriebsarten dieselben Schaltungen
zur Signalverarbeitung zum Einsatz kommen.
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Diese Aufgabe wird durch eine Anordnung nach
Anspruch 1 gelöst.
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Die erfindungsgemäße Anordnung zur Erzeugung
von elektrischen Bildsignalen von einer Bildvorlage umfasst eine
Beleuchtungseinrichtung zur Be- bzw. Durchleuchtung eines Bildes
und einen lichtempfindlichen Sensor, um optische Signale in elektrische
Signale umzuwandeln. Der Sensor weist mehrere Sensorzeilen auf,
die aus jeweils einer Zeile von Sensorpixeln gebildet sind, um das
Bild zeilenweise abtasten. Weiterhin ist die Anordnung wahlweise
zwischen mehreren Betriebsarten mit unterschiedlichen Bildauflösungen umschaltbar.
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Die erfindungsgemäße Anordnung hat den Vorteil,
dass der apparative Aufwand gegenüber bekannten Lösungen mit
umschaltbaren Bildauflösungen
kleiner ist.
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Bei einer Weiterbildung der Erfindung
erzeugt jeder Sensorpixel ein elektrisches Signal, welches dessen
jeweiliger Beleuchtung entspricht. Es sind darüber hinaus Überlagerungsmittel vorgesehen,
um die elektrischen Ausgangssignale benachbarter Sensorpixel zu
einem Gesamtsignal zu überlagern.
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Dabei kann der Sensor so ausgebildet
sein, dass die Überlagerung
benachbarter Sensorpixel sowohl entlang der Sensorzeilen als auch
zwischen den Sensorzeilen ermöglicht
ist.
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Der Sensor kann ein CCD-Flächensensor mit
mehreren Spalten und mehreren Zeilen sein, kann aber auch aus mehreren
CCD-Zeilensensoren gebildet sein.
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Bei einem Ausführungsbeispiel der Erfindung
ist der Sensor aus zwei CCD-Zeilensensoren aufgebaut, die zueinander
parallel und in einem Abstand voneinander angeordnet sind. Der Abstand entspricht
einer ungeraden Anzahl von Zeilenbreiten.
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Zweckmäßigerweise sind die Überlagerungsmittel
so ausgebildet, dass innerhalb eines CCD-Zeilensensors die elektrischen
Ausgangssignale benachbarter Sensorpixel zu einem Gesamtsignal überlagerbar
sind. In diesem Fall ist es vorteilhaft, wenn die Integrationszeit
der CCD-Zeilensensoren einstellbar
ist, weil dann durch entsprechende Ansteuerung der Sensoren die
Bildauflösung
der Anordnung zwischen unterschiedlichen Betriebsarten umschaltbar
ist.
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Die Überlagerungsmittel im Signalweg
können
zwischen den Sensorpixeln und einem oder mehrerer Analog/Digital-Wandlern angeordnet
sein.
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In einem konkreten Ausführungsbeispiel
sind die Überlagerungsmittel
so eingerichtet, dass die elektrischen Ausgangssignale benachbarter
Sensorpixel addiert werden.
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Die Bildvorlage kann ein fotographischer Film
sein. Grundsätzlich
kommen für
die erfindungsgemäße Anordnung
aber auch alle anderen Medien in Betracht, aus denen Bildsignale
durch optische Abtastung auslesbar sind.
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Eine zweite Aufgabe der Erfindung
ist es, einen Filmabtaster zu schaffen, der zwischen Betriebsarten
mit unterschiedlicher Bildauflösung
umschaltbar ist.
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Diese Aufgabe wird durch einen Filmabtaster nach
Anspruch 12 gelöst,
der mit einer Anordnung zur Erzeugung von elektrischen Bildsignalen
von einer Bildvorlage ausgerüstet
ist.
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In der Zeichnung ist ein Ausführungsbeispiel der
Erfindung schematisch dargestellt, wobei zur besseren Verständlichkeit
für gleiche
oder ähnliche Elemente
dieselben Bezugszeichen in den unterschiedlichen Figuren verwendet
werden. Es zeigen:
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1 eine
schematische Darstellung eines Filmabtasters;
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2 eine
parallele Anordnung von zwei CCD-Zeilensensoren.
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3a einen
CCD-Zeilensensor wie er in dem Filmabtaster aus 1 verwendet ist; und
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3b einen
Ausschnitt aus 3a.
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In 1 ist
schematisch ein erfindungsgemäßer Filmabtaster
dargestellt, der als Ganzes mit dem Bezugszeichen 1 bezeichnet
ist. In dem Filmabtaster 1 wird mittels einer Filmtransporteinrichtung 2 ein
Film an einem sogenannten Filmgate 3 vorbei transportiert.
Der Film ist in einer Filmführung 4 geführt und
daher nur im Bereich von Umlenkrollen 6 sichtbar. Eine
Beleuchtungseinrichtung 7 erzeugt Licht, das aus einem
Beleuchtungsspalt des Filmgates 3 austritt und den Film
beleuchtet. Bei dem vorliegenden Ausführungsbeispiel handelt es sich
um eine Durchleuchtung des Films, aber grundsätzlich ist die Erfindung auch
auf Einrichtungen anwendbar, bei denen das abzutastende Bild reflektiv
beleuchtet wird. Darüber
hinaus ist die Erfindung vollkommen unabhängig davon, ob es sich bei
dem Film um einen Positivfilm oder Negativfilm handelt.
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Die Beleuchtungseinrichtung 7 weist
ein Leuchtmittel auf dessen Licht durch optische Mittel auf den
Beleuchtungsspalt des Filmgates 3 abgebildet und dabei
mit Integrationsmitteln integriert wird. Bei der Integration wird
das Licht möglichst
isotrop gemacht. Die optischen Mittel und die Integrationsmittel,
zum Beispiel ein Integrationsstab oder Integrationszylinder, sind
der Übersichtlichkeit
halber in 1 nicht dargestellt.
Der Beleuchtungsspalt des Filmgates 3 wird mit einem Objektiv 8 auf
einen Strahlteiler 9 abgebildet. Der Strahlteiler 9 zerlegt
das einfallende Licht in an sich bekannter Weise in die Grundfarben
Rot, Grün
und Blau, die jeweils von einem zugeordneten Sensor 11R, 11G, 11B erfasst werden.
In dem Strahlengang der Lichtbündel
ist hinter dem Strahlteiler 9 weiterhin jeweils ein Farbfilter 12R, 12G, 12B angeordnet.
Die elektrischen Ausgangssignale der Sensoren 11R, 11G, 11B werden von
zugeordneten Ausleseschaltungen 13R, 13G, 13B ausgelesen,
in digitale Signale umgewandelt und einer Videosignalverarbeitungsschaltung 14 zugeführt. Die
Videosignalverarbeitungsschaltung 14 ist in der Lage, Videosignale
gemäß unterschiedlicher
Fernsehstandards und Formate an einem Ausgang 16 abzugeben.
Die Videosignale liegen sowohl als analoge als auch als digitale
Signale vor.
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In der folgenden Beschreibung wird
der Übersichtlichkeit
halber nur auf einen der Sensoren 11R, 11G, 11B stellvertretend
für alle
Sensoren Bezug genommen. Denn der Aufbau der Sensoren sowie die
nachgeordnete Signalverarbeitung sind für alle drei Sensoren gleich.
Der stellvertretende Sensor wird daher im folgenden auch nur mit
dem Bezugszeichen 11 bezeichnet.
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Der Sensor 11 ist bei dem
vorliegenden Ausführungsbeispiel
der Erfindung aus voneinander beabstandeten Sensorzeilen 21 aufgebaut,
wie es in 2 gezeigt
ist. Jede Sensorzeile 21 ist aus einer Zeile von nebeneinander
angeordneten Sensorpixeln gebildet, die individuell mittels Schieberegistern 22 auslesbar
sind. Für
die Erfindung spielt es hierbei keine Rolle, ob es sich bei den
Zeilensensoren um CCD-Sensoren oder um Sensoren in CMOS-Technologie handelt.
Um die Verständlichkeit
zu verbessern, wird jedoch die Erfindung nur anhand des Beispiels von
CCD-Sensoren beschrieben.
Die nachfolgende Beschreibung ist jedoch zumindest in den für die Erfindung
wesentlichen Gesichtspunkten auch auf Sensoren in CMOS-Technologie übertragbar.
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Die folgende Beschreibung bezieht
sich auf ein System, das zwischen 2k- (2048 Pixel) oder 4k- (4096
Pixel) Bildauflösung
umschaltbar ist. Das erfindungsgemäße Prinzip kann aber auf beliebige
umschaltbare Bildauflösungen
angewendet werden. Die CCD-Architektur besteht aus zwei hochauflösenden Zeilensensoren,
welche in einem Abstand D voneinander angeordnet sind (2). Beide Sensoren sind identisch
aufgebaut und bestehen aus jeweils 4096 Pixel.
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Die Struktur der einzelnen Sensorzeile 21 ist in 3a in größerer Einzelheit dargestellt.
Die Sensorzeile 21 ist in einen Abschnitt A und einen Abschnitt
B gegliedert, die durch eine gedachte Linie 23 voneinander
getrennt sind. Die Ladungen des ersten Abschnittes A der Sensorzeile
(Pixel 1 bis 2048) werden nach links zu einer ersten Ausgangsstufe
transportiert, während
die Ladungen des zweiten Abschnittes der Sensorzeile (Pixel 2049
bis 4096) nach rechts zu einer zweiten Ausgangsstufe transportiert werden.
Jede Hälfte
des Sensors enthält
Schieberegisterkanäle
für die
geradzahligen und die ungeradzahligen Pixelladungen, welche am Ende
der beiden Sensorhälften
in eine Spannung umgewandelt am Ausgang zur Verfügung stehen. Der beschriebene Aufbau
des Zeilensensors 21 ist in 3b,
die einen Ausschnitt aus 3a zeigt,
in größerer Einzelheit dargestellt.
Durch eine entsprechende Ansteuerung der Ladungsschieberegister 22 kann
erreicht werden, dass Ladungen aus zwei Nachbarpixeln am Ende der
beiden Schieberegister addiert werden, bevor sie in eine Spannung
gewandelt am Ausgang verfügbar
sind. Hierdurch wird erreicht, dass Nachbarpixel in horizontaler
Richtung bereits vor der eigentlichen Signalverarbeitung addiert
werden. Diese Technik ist als "Pixel
Binning" bekannt
und u.a. im Datenbuch von DALSA, Ausgabe 1996 – 1997 nachzulesen. Die erwähnte Ladungssummation
ist in 3a schematisch
durch Additionsstufen 24A, 24B dargestellt. Bei
einer konkreten Realisierung der Sensorzeile kann die Ladungssummation
aber auch in anderer Weise erfolgen.
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Wird eine Sensorzeile 21 in
der Betriebsart mit halber horizontaler Auflösung betrieben (d.h. 2k Bildauflösung), dann
stehen nur zwei Ausgangskanäle 25A, 25B zur
Verfügung.
Für eine
Filmabtastung mit 2k Bildpunkten pro Zeile, mit korrelierter Doppelabtastung,
1600 Zeilen pro Bild und 30 Bildern pro Sekunde ist die daraus resultierende
Datenrate pro Kanal jedoch zu hoch, um mit den zur Verfügung stehenden
Schaltungen verarbeitet werden zu können.
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Durch die insoweit beschriebenen
Maßnahmen
ist die Auflösung
in horizontaler Richtung auf die Hälfte reduziert, weil die effektive
Pixelgröße in horizontaler
Richtung durch Ladungssummation verdoppelt ist. Hingegen ist die
Pixelgröße in vertikaler
Richtung unverändert
und demzufolge auch die Auflösung
in vertikaler Richtung. Um die effektive Pixelgröße auch in vertikaler Richtung zu verdoppeln, wird
die Integrationszeit in der 2k-Betriebsart verdoppelt. Die Verdoppelung
der Integrationszeit hat jedoch auch zur Folge, dass eine Sensorzeile
nur noch die halbe Anzahl von Bildzeilen abtastet. Um wieder die
ursprüngliche
Anzahl von Bildzeilen zu erzielen, wird eine zweite Sensorzeile
eingesetzt, welche die Bildzeilen abtastet, die zwischen den Bildzeilen
liegen, die von der ersten Sensorzeile abgetastet werden. Der Abstand
D zwischen den beiden Sensorzeilen ist so gewählt, dass jeweils eine Sensorzeile
die geraden und die andere Sensorzeile die ungeraden Bildzeilen
abtastet. Auf 2k-Betriebsart bezogen beträgt der Abstand D daher N(N
= 2n + 1) Zeilen. Die beiden Sensorzeilen 21 bilden gemeinsam
den Sensor 11. Zweckmäßigerweise
werden die Sensorzeilen auf einem einzigen Chip hergestellt.
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Wenn der Sensor 11 in der
4k-Betriebsart betrieben wird, wird auf die Ladungsaddition zweier Nachbarpixel
am Ende der Schieberegister 22 verzichtet. Es werden nun
alternierend geradzahlige und ungeradzahlige Pixel an den Ausgängen 26A, 27A bzw. 26B, 27B ausgelesen.
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Prinzipiell ist es ausreichend, nur
eine der beiden Sensorzeilen für
die 4k-Abtastung zu verwenden, denn die Bilddaten der Sensorzeile
verteilen sich auf vier Ausgangskanäle, so dass die daraus resultierende
Datenrate pro Ausgangskanal so weit vermindert ist, dass die Verarbeitung
der Daten in zur Verfügung
stehenden Verarbeitungsschaltungen keine Schwierigkeiten bereitet.
Behält
man das Prinzip der geradzahligen und ungeradzahligen Zeilenabtastung
mit zwei Sensorzeilen dennoch bei, kann die Geschwindigkeit der
Abtastung verdoppelt werden.
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Bei einer Abwandlung der Erfindung
sind die Sensorzeilen als Doppelzeilen ausgeführt, die wieder in einem Abstand
einer ungeraden Anzahl von Bildzeilen angeordnet sind. Die Doppelzeilen
gestatten es, sowohl in horizontaler als auch in vertikaler Richtung
Ladungssummationen auszuführen.
Das bedeutet, dass durch Pixel Binning die Auflösung in horizontaler und vertikaler
Richtung halbiert werden kann.