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Die
vorliegende Erfindung betrifft eine verbesserte Anordnung von Bildsensorelementen
in CMOS-Technologie.
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Zur
Aufnahme von Stand- oder Bewegtbildern in der Videotechnik haben
sich in den letzten Jahren im wesentlichen zwei Techniken etabliert,
die Photodiodenarrays und die CCD-Sensoren. Zur Zeit sind über 90%
aller verwendeten Sensoren in CCD-Technik realisiert.
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Das
Photodiodenarray ist die ältere
Technik, hat aber in seiner ursprünglichen Form einige technologisch
bedingte Nachteile, die zu geringerer Empfindlichkeit, höherem Rauschen,
niedrigerer Geschwindigkeit etc. führten, weshalb es von den CCD-Sensoren weitgehend
verdrängt
worden ist.
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CCD-Sensoren
haben hingegen den Nachteil, daß sie
aufgrund der zusätzlichen
Komplexität des
Herstellungsverfahrens und der erhöhten Herstellungskosten nicht
leicht mit CMOS-Schaltkreisen integriert werden können. Auch
sind CCD-Sensoren Vorrichtungen mit einer hohen Kapazität, so daß eine on-chip
CMOS-Ansteuerelektronik
für Anordnungen mit
großer
Fläche
eine sehr hohe Leistung verbrauchen würde (2 bis 3 W). Darüber hinaus
sind für CCD-Sensoren
viele verschiedene Spannungsniveaus notwendig, um eine hohe Effizienz
der Ladungsübertragung
sicherzustellen.
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Dagegen
haben die Fortschritte in der Siliziumtechnologie es ermöglicht,
bei einem Photodiodenarray jedem Bildaufnahmeelement eine eigene
aktive Verarbeitungseinheit (z.B. Verstärker etc.) hinzuzufügen und
so die bestehenden Nachteile der Photodiodenarrays zu beseitigen
und insbesondere sogar neue Möglichkeiten
der Bildaufnahme zu schaffen. Diese Technik ist unter dem Begriff „APS" („Active
Pixel Sensor") bekannt.
Die APS-Technik wird derzeit als für die Zukunft technologisch
sehr bedeutsam angesehen.
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Verbesserungen
der bekannten Systeme sind gemacht worden, um die Bildschärfe und
die Auflösung
zu erhöhen,
damit ein scharfes, gut aufgelöstes
und kontrastreiches Bild bei einer vorgegebenen Anzahl von Bildelementen
dargestellt werden kann. In diesem Zusammenhang ist beispielsweise festgestellt
worden, daß eine
hexagonale Anordnung sechseckiger Elemente, wie sie auch in der
Retina von Mensch und Tier vorhanden ist, sehr vorteilhaft ist.
Mit einer solchen Anordnung ist aber das Problem verbunden, daß eine numerische
Bildverarbeitung deutlich erschwert ist, da die einzelnen Bildsensorelemente
nicht in einer Anordnung von Spalten und Reihen angeordnet sind.
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In
Hinblick auf eine Optimierung der Anordnung von Bildsensorelementen
haben die bekannten CCD-Sensoren jedoch den Nachteil, daß die CCD-Technik
hinsichtlich der Formgebung und Anordnung der Bildpunkte wenig Freiheitsgrade
bietet. In der Praxis sind nur rechteckige Formen von Bildsensorelementen,
die zu einer regulären
kartesischen Matrix zusammengefügt
werden, von Bedeutung.
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In
der US-Patentschrift Nr. 3 971 065 wird ein Bildsensor beschrieben,
bei dem drei verschiedene Typen von Bildsensorelementen, die jeweils
aus CCD-Sensoren bestehen, dergestalt angeordnet sind, daß gleiche
Typen von Bildsensorelementen jeweils in der Form von Gittern angeordnet
sind. Genauer gesagt stellen die verschiedenen Typen von Bildsensorelementen
jeweils eine erste Farbe, beispielsweise grün, eine zweite Farbe, beispielsweise rot,
sowie die allgemeine Helligkeit dar. Die Bildsensorelemente für die allgemeine
Helligkeit sind dabei in der Form eines Schachbrettmusters angeordnet, während die
Bildsensorelemente für
die erste Farbe die Zwischenräume
in einer ersten Schachbrettmusterreihe, die Bildsensorelemente für die zweite
Farbe die Zwischenräume
in der zweiten Schachbrettmusterreihe und so weiter auffüllen. Dadurch
sollen einerseits die hohe Komplexität der optischen Konstruktion
und andererseits die mit den herkömmlichen Verfahren verbundenen
Probleme der Bild-Lagegenauigkeit bei hintereinander angeordneten
Filtern für
verschiedene Farben vermieden werden.
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Im
Vergleich zu den CCD-Sensoren ist bei APS-CMOS-Sensoren dagegen
prinzipiell fast jede beliebige Form mit beliebiger Gesamtanordnung
realisierbar.
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Bei
einem bekannten AP-Sensor, wie er beispielsweise aus „CMOS Active
Pixel Image Sensors for Highly Integrated Imaging Systems", Sunetra K. Mendis
et al., IEEE Journal of Solid-State Circuits, Vol. 32, No. 2, February
1997, oder „Smar
Image Sensors for Optical Microsystems", Peter Seitz et al., Laser und Optoelektronik
28(6)/1996, bekannt ist, besteht ein einzelnes Sensorelement im
wesentlichen aus drei Komponenten, die wie in 4a gezeigt angeordnet sind:
- 1. aus einer lichtempfindlichen Fläche 101 in Form einer
Photodiode oder eines Phototransistors;
- 2. aus einem Schaltungsteil 100, der beispielsweise
mehrere CMOS-Transistoren umfaßt
und im allgemeinen für
den Lichtnachweis nicht verwendbar ist, zum Erzeugen eines dem einfallenden Licht
entsprechenden Signals und Verarbeiten des Signals;
- 3. aus einem Verdrahtungteil 102, der die einzelnen
Sensorbildelemente zu einem Gesamtsensor verbindet.
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Die
Anordnung der Komponenten der einzelnen Sensorelemente erfolgt nach
schaltungs- und layouttechnischer Notwendigkeit und ist für eine spätere Weiterverarbeitung
der Bildinformation nicht unbedingt optimal. Die Sensorelemente
werden dann gemäß 4b zu einer Matrix oder
zu anderen Strukturen angeordnet.
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Bei
der Optimierung der bekannten Bildsensorelemente und Bildsensoren
findet sich der Fachmann im Spannungsfeld der folgenden gegenläufigen Tendenzen
wieder.
- 1. Einerseits lassen sich Bildschärfe und
Auflösung
erhöhen,
indem man die Anzahl der Bildsensoren erhöht und das Verhältnis lichtempfindliche Fläche zu Bildsensoroberfläche vergrößert.
- 2. Andererseits hängen
Kosten und Schnelligkeit des sich ergebenden Bildsensors von der
Anzahl der Sensorelemente ab. D. h. je mehr Sensorelemente, desto
langsamer und teurer wird der sich ergebende Bildsensor.
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In
der
DE 33 45 147 A1 wird
ein Festkörper-Bildaufnahmewandler
beschrieben, der einen SIT („static
induction transistor")
verwendet. Dieser Festkörper-Bildaufnahmewandler
besteht aus einer Vielzahl von Festkörper-Bildaufnahmeelementen,
die in einer Matrix angeordnet sind. Ein Großteil der Oberfläche des
Festkörper-Bildaufnahmewandlers ist
dabei allerdings mit Schaltungs- und Verdrahtungsteilen belegt.
Diese Oberflächenbereiche
stehen daher nicht für
den Lichtnachweis zur Verfügung.
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Die
US 4 242 700 befasst sich
mit dem spaltenweisen Auslesen von Daten aus den Bildsensorelementen
eines CCD-Bildsensors, wobei mehrere Bildsensorelemente gleichzeitig
ausgelesen werden können.
Bei Bildsensoren in CCD-Technologie handelt es sich gegenüber Bildsensorelementen
in CMOS-Technologie jedoch um eine vollkommen andere Technologie.
CCD-Bildsensoren weisen andere elektronische Eigenschaften auf und
bedingen andere Herstellungsverfahren und -kosten. Insbesondere besteht
bei CCD-Bildsensoren nicht das vorliegende Problem der Belegung
eines Teils der Oberfläche
mit Schaltungs- und Verdrahtungselementen.
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In
der
EP 0788167 A2 wird
der Aufbau eines Sensors beschrieben, der qualitativ hochwertige Kondensatoren
für die
Datenauslesung beinhalten und gleichzeitig über einen einfachen Aufbau
verfügen
soll. Auf die Anordnung der verschiedenen Bildsensorelemente wird
nur am Rande eingegangen. Die Bildsensorelemente sind auch hier
nicht in CMOS-Technologie realisiert. Die Druckschrift zeigt auch
eine Anordnung von versetzt zueinander angeordneten Bildsensorelementen,
bei der die Elemente allerdings entweder nur in Spalten-Richtung
oder nur in Zeilen-Richtung ausgelesen werden.
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Der
vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die bekannte
Anordnung von Bildsensorelementen in CMOS-Technologie dahingehend
zu verbessern, dass die Kosten des sich aus den Bildsensorelementen
ergebenden Bildsensors verringert werden, seine Schnelligkeit erhöht wird
und dass gleichzeitig die Bildschärfe und Auflösung des Bildsensors
nicht beeinträchtigt
werden.
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Gemäß der vorliegenden
Erfindung wir die Aufgabe durch die Merkmale von Patentanspruch
1 gelöst.
Gemäß der vorliegenden
Erfindung wird darüber
hinaus auch noch ein Bildsensor nach Anspruch 7 sowie dessen Verwendung
nach Anspruch 8 bereitgestellt.
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Die
vorliegende Erfindung beruht im Wesentlichen auf der Erkenntnis,
dass die Leistungsfähigkeit eines
Bildsensors dadurch erhöht
werden kann, dass sich die lichtempfindlichen Flächen in einer Dimension über das
gesamte Bildsensorelement erstrecken und derart angeordnet sind,
dass sich ein schachbrettartiges Muster aus den lichtempfindlichen
Flächen
und den Schaltungsteilen ergibt. Die Bildinformation der zwischen
den lichtempfindlichen Flächen liegenden
Bereiche der jeweiligen Bildsensorelemente kann dann durch bekannte
Interpolationsverfahren, wie sie beispielsweise aus dem Beitrag
von Kris S. Balch „Replacing
16 mm Film Calmeras with High Definition Digital Cameras" in „Ultrahigh-
and High-Speed Photography, Videography, and Photonics '94", Proceedings of
SPIE – The
International Society for Optcial Engineering, 27–28 July
1994, Vol. 2273, bekannt sind, gewonnen werden.
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Somit
wird die Tatsache, daß bei
einem bekannten CMOS-Sensor in APS-Technik nur ein Teil der Sensorfläche für den Lichtnachweis
zur Verfügung
steht, gemäß der vorliegenden
Erfindung gezielt ausgenutzt, indem lichtempfindliche und nichtlichtempfindliche
Teile so angeordnet werden, daß mit
Hilfe von Interpolationsverfahren ein Bild rekonstruiert werden
kann, das qualitativ hochwertiger als ein Bild mit gleicher Anzahl
von Bildsensorelementen aber anderer Form und Anordnung der Bildsensorelemente
ist. Gemäß der vorliegenden
Erfindung können
für die
Interpolation bekannte Interpolationsverfahren verwendet werden.
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Das
Interpolationsverfahren kann direkt in die Hardware implementiert
werden, so daß das
Interpolationsverfahren nicht zeitkritisch ist, d.h. zu einer Verzögerung des
Bildaufnahmeverfahrens führt. Darüber hinaus
kann das Interpolationsverfahren zeitlich nach hinten verschoben
werden, so daß es nicht
während
der Bildaufnahme sondern erst während
der Bildverarbeitung abläuft.
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Die
Recheneinheit zur Interpolation der gewonnenen Daten kann auch in
dem Schaltungsteil von jedem einzelnen Bildsensorelement enthalten sein.
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Gemäß der vorliegenden
Erfindung werden die folgenden Vorteile erzielt:
- 1.
Die technologische Randbedingung, daß nicht die ganze Bildsensorelementoberfläche für die lichtempfindlichen
Elemente bzw. Flächen
zur Verfügung
stehen (Füllfaktor << 100%, da die Schaltung in jedem Bildsensorelement Platz
benötigt),
wird gezielt ausgenutzt. Es werden Strukturen realisiert, welche
die Anwendung einfacher, sehr wirkungsvoller Interpolationsverfahren
ermöglichen.
Die Effektivität
dieser Interpolationsverfahren beruht darauf, daß nicht die vollständige Sensorfläche bzw.
Bildsensorelementfläche mit
lichtempfindlichen Elementen belegt ist, sondern lichtempfindliche
und lichtunempfindliche Regionen entsprechend angeordnet sind.
- 2. Einfachste Umrechnung der gewonnenen Bildpunkte in ein Bildformat
in Form einer regulären kartesischen
Matrix zur Weiterverwendung in der Bildverarbeitung. Die „blinden
Felder" der Schachbrettstruktur
können
leicht durch Interpolation gewonnen werden, und man erhält somit ein
Bild mit quadratischen Bildpunkten.
- 3. Da für
ein qualitativ gleichwertiges Bild durch die erfindungsgemäße Vorrichtung
effektiv weniger Bildpunkte im Bildsensor erforderlich sind, können schnellere
und kostengünstigere
Kameras realisiert werden.
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Die
vorliegende Erfindung wird nun unter Bezugnahme auf die begleitenden
Zeichnungen detaillierter beschrieben.
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1 zeigt eine beispielhafte Ausführungsform
eines erfindungsgemäßen Bildsensorelements.
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2 zeigt
eine beispielhafte Anordnung von erfindungsgemäßen Bildsensorelementen, wie sie
beispielsweise in 1 gezeigt sind.
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3 zeigt
einen erfindungsgemäßen Bildsensor
mit der in 2 gezeigten Anordnung von Bildsensorelementen.
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4a zeigt
ein herkömmliches
Bildsensorelement, und 4b zeigt einen herkömmlichen Bildsensor.
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5 zeigt
eine beispielhafte Anordnung der Schwerpunkte der lichtempfindlichen
Flächen
der einzelnen Bildsensorelemente.
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Ein
wie in 1a gezeigtes Bildsensorelement
gemäß der vorliegenden
Erfindung ist rechteckig ausgebildet und weist eine vorbestimmte
Länge und
eine vorbestimmte Breite auf. Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform
beträgt
das Verhältnis zwischen
Länge und
Breite 2 zu 1, aber es sind auch andere geeignet ausgewählte Verhältnisse
denkbar. Ein Teil (201) des Bildsensorelements ist dabei
für das
lichtempfindliche Element, beispielsweise eine Photodiode oder einen
Phototransistor vorgesehen, während
ein weiterer Teil (200) für den lichtunempfindlichen
Schaltungsteil vorgesehen ist.
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Wie
in 1b gezeigt, wird gemäß der vorliegenden Erfindung
vorzugsweise die lichtempfindliche quadratische Fläche an den
Ecken beschnitten, um Platz für
die Verdrahtung zu schaffen. Dadurch entsteht eine achteckige Form
der Photodiode bzw. des Phototransistors 202. Somit ist,
wie in 1b gezeigt, das lichtempfindliche
Element so angeordnet, daß die
lichtempfindliche Fläche
einen Abschnitt des Bildsensorelements im wesentlichen auf seiner
ganzen Breite bedeckt. Dabei kann jedoch gemäß der vorliegenden Erfindung
die lichtempfindliche Fläche jede
beliebige Form aufweisen, beispielsweise eine sechseckige, viereckige
oder Kreisform oder aber auch eine beliebige unregelmäßige Form.
Für die vorliegende
Erfindung ist lediglich wichtig, daß sie einen Abschnitt des Bildsensorelements
im wesentlichen auf seiner ganzen Breite bedeckt. Dabei heißt „im wesentlichen
auf seiner ganzen Breite" vollständig bis
auf kleinere Bereiche, die zum Bereitstellen von Verdrahtungsteilen
ausgespart worden sind.
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Gemäß der vorliegenden
Erfindung werden die bekannten oder erfindungsgemäßen Bildsensorelemente
so angeordnet, dass die Schwerpunkte der lichtempfindlichen Flächen der
einzelnen Bildsensorelemente in Form von zwei oder mehr zueinander versetzt
angeordneten quadratischen Gittern angeordnet sind, wobei die Gitterlinien
jeweils parallel zu den Zeilen bzw. Spalten des aufzunehmenden Bildes sind.
Das heißt,
je nachdem, in welcher Orientierung man den Bildsensor betrachtet,
stellen die einzelnen Gitterlinien entweder die Reihen oder die
Spalten des aufzunehmenden Bildes dar.
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Dabei
sind die Schwerpunkte der lichtempfindlichen Flächen der einzelnen Bildsensorelemente in
einer Gitterlinie vorzugsweise derart angeordnet, dass sie auf die
Hälfte
des Abstands zwischen zwei Schwerpunkten von lichtempfindlichen
Flächen
der einzelnen Bildsensorelementen der vorangehenden Gittelinie fallen,
wie in 5 gezeigt. Die Anordnung der Bildsensorelemente
gemäß der vorliegenden
Erfindung ergibt eine Art Schachbrettmuster, wie dies in 2 beispielhaft
gezeigt ist.
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Die
Verdrahtung der Bildsensorelemente erfolgt dabei gemäß 3.
Die Größe der abgeschnittenen
Ecken wird dabei gerade so groß gewählt, wie es
für die
Verdrahtung (400) erforderlich ist.
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Bei
Betrieb des Bildsensors wird in den lichtempfindlichen Flächen der
einzelnen Bildsensorelementen durch das einfallende Licht ein Photostrom erzeugt,
der räumlich über die
Größe des Bildsensorelements
und zeitlich über
die Belichtungszeit in einer nicht gezeigten Verarbeitungseinrichtung
aufintegriert wird, so daß sich
ein der jeweiligen Graustufe ergebendes Bildsignal ergibt. Die Bildsignale
der lichtunempfindlichen Teile der Bildsensorelemente werden in
der nicht gezeigten Recheneinheit durch bekannte Interpolationsverfahren
gewonnen. Durch diese Technik läßt sich
bei einer festliegenden Anzahl von Bildsensorelementen die Auflösung erhöhen, d.h.
wenn die lichtempfindliche Fläche
jeweils die Hälfte
des Bildsensorelements einnimmt, verdoppeln, beziehungsweise bei
einer festgelegten Auflösung
die Anzahl an Bildsensorelementen verringern, d.h. wenn die lichtempfindliche
Fläche
jeweils die Hälfte
des Bildsensorelements einnimmt, halbieren, wodurch die Kosten verringert
und die Schnelligkeit des Bildsensors erhöht wird.
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Das
erfindungsgemäße Bildsensorelement kann
auch ein Längen-Breiten-Verhältnis von
3:1 oder mehr aufweisen, wobei die lichtempfindliche Fläche auf
einem Drittel oder weniger des Bildsensorelements angeordnet ist.
Ebenso ist denkbar, daß das
erfindungsgemäße Bildsensorelement
ein Längen-Breiten-Verhältnis von
4:1 aufweist, wobei die lichtempfindliche Fläche die Hälfte des Bildsensorelements
ausfüllt
und mittig auf dem Bildsensorelement angeordnet ist.
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Der
erfindungsgemäße Bildsensor
kann aufgrund seiner erhöhten
Schnelligkeit vorteilhafterweise in Hochgeschwindigkeitskameras,
beispielsweise für
Hochgeschwindigkeitsvideoaufnahmen, verwendet werden. Beispielsweise
kann für
eine Kamera mit 1000 Bildern/Sekunde ein Bildsensor mit 5122 herkömmlichen
Sensorelementen verwendet werden. Gemäß der vorliegenden Erfindung
liefert ein Bildsensor mit 256 × 512
erfindungsgemäßen Sensorelementen
5122 Bildpunkte bei vergleichbarer Bildqualität in einer
Kamera mit 2000 Bildern/Sekunde.