DE2720989A1 - Farb-bildabtastanordnung - Google Patents
Farb-bildabtastanordnungInfo
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- H04N25/13—Arrangement of colour filter arrays [CFA]; Filter mosaics characterised by the spectral characteristics of the filter elements
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Description
PATENTANWÄLTE
Dr.-lng. Wolff t H. Bartels
2720989 DipL-Chem. Dr. Brandes·
Dr.-lng. Held Dipl.-Phys. Woiff
D - 7 Stuttgart 1, Lange Straße
Tel. (07 11) 29 6310 u. 29 72
Telex 07 22312 (patwo d)
Telegrammadresse:
tlx 07 22312 wolff Stuttgart
PA Or. Brandes: Sitz München
Postscheckkto, Stuttgart 7211-700 BLZ 60010070
Deutsche Bank AG, 14/28630 BLZ 60070070
Bürozeit:
9-11.30 Uhr. 13.30-16 Uhr
außer samstags
5. Mai 1977 Unsere Ref.: 125 280/487333 kdk
Eastman Kodak Company, Rochester, Staat New York,
Vereinigte Staaten von Amerika
Vereinigte Staaten von Amerika
Farb-Bildabtastanordnung, Zusatz zu Patent
(Patentanmeldung P 26 08 998.5)
(Patentanmeldung P 26 08 998.5)
Telefonische Auskünfte und Aufträge sind nur nach schriftlicher
nutuayizamu nur nauii s
709847/1008 Bestätigung verbindlich
Die Erfindung betrifft eine Farb-Bildabtastanordnung mit einer
Bildsensoranordnung, die Sensorelemente einer ersten Art, einer
zweiten Art und einer dritten Art aufweist, die auf Strahlung in einem ersten Spektralbereich bzw. einem zweiten Spektralbereich
bzw. einem dritten Spektralbereich empfindlich sind, bei der die drei Arten von Sensorelementen in sich wiederholendem
Muster über die Fläche der Sensoranordnung verteilt sind und bei der die Sensorelemente der ersten Art in größerer
Anzahl vorhanden sind als die Sensorelemente sowohl der zweiten als auch der dritten Art, wobei, in zwei zueinander senkrechten
Richtungen über die Fläche der Sensoranordnung fortschreitend, jedes zweite der Sensorelemente ein Sensorelement der ersten
Art ist, nach Patentanmeldung P 26 08 998.5.
Es ist bekannt, die Umwandlung eines Farbbildes in eine Folge elektrischer Signale durch photoelektrische Einrichtungen vorzunehmen,
die Bildinformationen in Form von Farbauszügen in zumindest drei Grundfarben darstellen. Wenn Festkörper-Bildabtasteinrichtungen,
beispielsweise Reihen von CCD-Bauteilen, verwendet werden, um die die Bildinformationen kennzeichnenden
Signale zu gewinnen, dann hängen Herstellungskosten der Bildsensoranordnung und auch der Schwierigkeitsgrad der Herstellung
von der Anzahl der in der Bildsensoranordnung enthaltenen Sensorelemente
ab. Nach dem derzeitigen Stand der Technik lassen sich in einer einzigen Festkörper-Bildsensoranordnung nur
wenig mehr Sensorelemente unterbringen als für eine monochrome Bildabtastung zum Erreichen einer hohen Bildgüte
erforderlich sind. Wenn man daher mit einer einzigen Bildsensoranordnung eine Farbbildabtastung in einer einzigen Bildfläche
durchführen will, was aus Gründen der Wirtschaftlichkeit und aus dem Grunde wünschenswert ist, um Ausrichtprobleme
der einzelnen Farbauszüge zu vermeiden, dann ist man dementsprechend gezwungen, die begrenzte Anzahl vorhandener
Sensorelemente auf sämtliche der drei Grundfarben zu verteilen. Daher ist es wichtig, die zur Verfügung stehenden Sensorele-
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-A-
mente so effektiv wie möglich zum Einsatz zu bringen.
Zu diesem Zwecke ist es (vgl. US-PS 2 892 883) bereits bekannt, in horizontal verlaufenden Reihen von Sensorelementen
der Bildsensoranordnung jedes zweite Sensorelement als grünempfindliches Sensorelement auszubilden. Diese Art der Anordnung
ergibt eine sehr gute horizontale Auflösung. Bei dieser bekannten Bildabtastanordnung tritt jedoch der Nachteil
auf, daß die vertikale Auflösung schlecht ist.
Dieser Nachteil der erwähntenf bekannten Bildabtastanordnung
wird durch das Hauptpatent dadurch behoben, daß die Sensorelemente der ersten Art, bei denen es sich um die grünerapfindlichen
und für die Luminanz des betreffenden Bereichs kennzeichnenden Sensorelemente handelt, so angeordnet sind, daß
nicht nur in horizontalen Reihen, sondern in zwei zueinander senkrechten Richtungen über die Fläche der Sensoranordnung
fortschreitend, jedes zweite der Sensorelemente ein Sensorelement der ersten Art ist.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine weitere Ausgestaltung
der im Hauptpatent aufgezeigten Lehre anzugeben.
Bei einer Farb-Bildabtastanordnung nach Art des Hauptpatents
ist diese Aufgabe erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die Sensorelemente in Reihen aus Gruppen von je vier in Richtung
einer der Hauptausdehnungen der Abtastanordnungen aneinandergereihten Sensorelementen angeordnet
sind, daß jede dieser Vierergruppen zwei luminanzempfindliche Sensorelemente der ersten Art und je ein Sensoreleinent
der zweiten und der dritten Art enthält und daß die Vierergruppen von einander unmittelbar benachbarten Reihen
gegeneinander um ein Sensorelement verschoben sind. Im Gegensatz zu der aus der US-PS 2 892 883 bekannten, oben erwähnten
Bildabtastanordnung wird dadurch nicht nur eine gute Auflösung in einer einzigen Richtung erreicht, sondern die Bildabtastung
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erfolgt in optimaler, auf die Wahrnehmungsfähigkeit des
menschlichen Sehapparats abgestimmter Weise, wobei das verwirrende oder sogar Übelkeit hervorrufende Farbflimmern,
wie es bei zusammengesetzten Farb-Rastermustern ansonsten auftreten kann, vollständig ausgeschlossen ist.
Bei Ausführungsbeispielen der Bildsensoranordnung bilden
Vierergruppen (vier in einer Richtung Seite an Seite aneinandergereihte Sensorelemente) die Grundbausteine, in denen
luminanzempfindliche Elemente doppelt so häufig wie die für jede der beiden anderen Farben empfindliche!Sensorelemente vorhanden
sind und wobei sich zwischen benachbarten luminanzempf indlichen Elementen je ein Sensorelement der anderen
Art befindat, wobei diese Elemente der zweiten und dritten Art sich dabei abwechseln. Es handelt sich also um
"luminanzbeherrsehte Vierergruppen". Diese Vierergruppen sind
längs einer Linie aneinandergereiht, wobei diese Linie in Richtung einer Bildzeile oder in Richtung einer senkrecht
verlaufenden Spalte angeordnet sein kann. Dadurch, daß
die Vierergruppen unmittelbar benachbarter Reihen um ein Sensorelement gegeneinander verschoben sind, werden in beiden
Felddimensionen der Bildsensoranordnung sich geschlossen wiederholende Abtastmuster für alle drei Grundfarben gebildet.
Die einzelnen; nicht für die Luminanz kennzeichnenden Farben
erscheinen jeweils in regelmäßigen Intervallen innerhalb £ron vier Sensorelementen und erscheinen jeweils bei benachbarten
Reihen in verschiedenen Rastarfeldern. Bei zeilenweiser Anordnung der Reihen ergibt sich dieser Umstand dadurch,
daß die Vierergruppen sich in jeder Zeile wiederholen, so daß jede Farbe sich in regelmäßigen Intervallen (Intervalle
von 4 Elementen für nicht luminanzkennzeichnende Farben und Intervalle von 2 Elementen für die luminanzkennzeichnende
Farbe) wiederholt, ungeachtet dessen, ob es sich um eine ungeradzahlige oder eine geradzahlige Zeile handelt. Bei
spaltenweiser Anordnung der Reihen ergibt die Verschiebung der
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Vierergruppen um ein Sensorelement bei einander unmittelbar
benachbarten Spalten ein gleichmäßig verteiltes Auftreten der nicht für die Luminanz kennzeichnenden Farben in verschiedenen
Rasterfeldern bei benachbarten Spalten. Dieser Wechsel der Rasterfelder bei spaltenweiser Anordnung der Vierergruppen
ergibt sich zwangsläufig durch die gegenseitige Verschiebung der Vierergruppen benachbarter Spalten um je ein Sensorelement.
Wie oben angegeben, können die Vierergruppen entweder zeilenweise oder spaltenweise (wobei unter "zeilenweiser
Anordnung" die Aneinanderreihung in Richtung der kontinuierlichen Abtastbewegung gemeint ist) aneinandergereiht
sein. Die zeilenweise, also in Abtastrichtung erfolgende Aneinanderreihung t ist vorzuziehen, weil dabei drei im wesentlichen
kontinuierliche Farbsignale während des Abfragens einer Reihe aufrechterhalten werden können, ohne daß es erforderlich
wäre, daß Informationen von einer Reihe zur anderen oder über mehr als vier Ab-
frage-zyklen gespeichert werden müßten. Außerdem muß bei solcher
Anordnung immer nur ein Datenwort der Farb.information pro Farbe gespeichert werden. Bei bestimmten Ausführungsformen
spaltenweiser Aneinanderreihung von Viarergruppen mit in Richtung der Spalten aneinandergereihten Sensorelementen gestaltet
sich die Signalverarbeitung im Gegensatz dazu nicht so einfach, weil bei spaltenweiser Anordnung Bildzeilen, die nur
Sensorelemente für zwei der drei Grundfarben enthalten, vorkommen können.
Bei derartigen spaltenweisen Anordnungen ist es erforderlich,
einen nicht unbeträchtlichen Teil (im allgemeinen 25 %) der Information jeder Zeile zu halten, um drei verwertbare Farbsignale
zur Verfugung stellen zu können.
Es sei bemerkt, daß bei der erfindungsgemäß vorgesehenen Verschiebung
der Vierergruppen benachbarter Reihen die verschieden-
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sten Verschiebungsfolgen angewendet werden können, wie es unten
ausführlicher erläutert werden wirdf und daß vorzugsweise Verschiebungsfolgen,bei
denen sich innerhalb von vier Zeilen eine Wiederholung ergibt, im Hinblick auf die Erzielung enger Farbmuster
in zwei Dimensionen vorzuziehen sind. Durch derartig enge Abtastmuster wird erreicht, daß durch die Abtastung erzeugte
Artefakte so wenig wie möglich sichtbar in Erscheinung treten.
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Die Erfindung wird nachfolgend anhand der Zeichnung im einzelnen erläutert.
Es zeigen:
Fig. la und Ib schematisiert gezeichnete Darstellungen
der Anordnung luminanzbeherrschter Vierergruppen von Sensorelementen einer Bildsensoranordnung;
Fig. 2 eine Darstellung der Verschiebungsmöglichkeiten der Vierergruppen bei der erfindungsgemäßen
Bildabtastanordnung;
Fig. 3a bis 3d schematisierte Darstellungen des Aufbaus eines Ausführungsbeispiels der
Bildsensoranordnung der erfindungsgemäßen Bildabtastanordnung und
Fig. 4a bis 4d und 5a bis 5d den Fig. 3a bis 3d
entsprechende Darstellungen eines zweiten bzw. dritten Ausführungsbeispiels der
Bildsensoranordnung.
Bei der vorliegenden Erfindung wird dem Umstand, daß der menschliche Sehapparat für Luminanz-Bilddetails
ein erhöhtes Auflösungsvermögen hat, dadurch
Rechnung getragen, daß man zweidimensionale Abtastanordnungen in Form von speziell sensibilisierten Reihen von
Bildsensoren ausbildet, wobei die Reihen aus in Vierergruppen angeordneten Sensoren gebildet sind, bei welchen Vierergruppen
die luminanzempfindlichen Sensoren prädominant sind. D.h., daß bei der Erfindung die Reihen aus Gruppen von je vier
Sensorelementen gebildet sind, von denen zwei im wesentlichen luminanzempfindlieh sind, wohingegen die zwei übrigen Elemente
auf zwei weitere Grundfarben ansprechen (diese beiden
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Grundfarben bilden zusammen mit der den luminanzempfindUchen
Sensoren zugeordneten dritten Grundfarbe ein vorgewähltes Dreifarben-System). Fig. la zeigt die vier Möglichkeiten für
die Ausbildung von Vierergruppen, die aus zwei luminanzempf indlichen Sensorelementen (die im wesentlichen im grünen
Spektralbereich empfindlich sind), einem rotempfindlichen
Ssnsorelement und einem blauempfindlichen Sensorelement gebildet
sind. Bei der erfindungsgemäßen Anordnung wiederholen sich die Vierergruppen in ihrer Folgerichtung, so daß eine
Linie aus Sensorelementen gebildet wird,die luninanzbeherrscht ist (d.h. mehr luminanzempfindliche Elemente als
für jeweils eine der übrigen Farben empfindliche Elemente enthält) und die Elemente für sämtliche drei Farben in regelmäßigen
Abständen aufweist. Fig. Ib dient dazuf um zu zeigen,
daß bei derartiger Wiederholung die Unterschiede des Aufbaus der Vierergruppen, wie sie in Fig. la gezeigt sind, ohne
Auswirkung auf die Gesamt-Abtastordnung sind, so daß man diese Unterschiedlichkeiten zweckmäßiger als einfache seitliche
Verschiebungen des sich wiederholenden Musters ansieht.
Um eine zweidimensionale Abtastanordnung aus Sensorelementen
zu entwickeln, werden erfindungsgemäß die Muster benachbarter Linien (Zeilen oder Spalten) gegeneinander um ein Element
verschoben. Bei derartiger Verschiebung ergibt sich zwangsläufig, daß die luminanzempfindlichen Elemente, die in
den Vierergruppen jeweils mit einem anderen Element alternierend auftreten, in einem äußerst wirksamen Schachbrettmuster
auftreten, bei dem sich für alle drei Farben in beiden Feldern der Sensoranordnung Muster mit engem Abstand ergeben.
Fig. 2 dient dazu, um, ausgehend von einem einzigen Element, die möglichen Reihenfolgen der Verschiebung aufzuzeigen,
die bei der erfindungsgemäßen Art der Verschiebung um je ein Element auftreten können.
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Wie bei der Betrachtung eines bevorzugten Ausführungsbeispiels ersichtlich werden wird, bewirkt ein kontinuierliches
Verschieben von Linie zu Linie in einer einheitlichen Richtung, daß, vom Standpunkt des Farbmusters aus gesehen, sich
jede Linie in einem vier Linien betragenden Intervall wiederholt. Diese Wiederholung ergibt sich deshalb, weil die
Vierergruppen sich selbst in jeder Linie wiederholen und weil eine in Richtung der Linien verlaufende Verschiebung
um vier Elemente einer Verschiebung um eine Vierergruppe in wiederholter Folge ähnlicher Vierergruppen entspricht.
Es ist ersichtlich, daß eine solche regelmäßige und geschlossene Wiederholung in zwei Richtungen(Farben,die nicht luminanzkennzeichnend
sind, wiederholen sich sowohl längs der Reihen als auch längs der Spalten über je vier Elemente) sowohl
vom Standpunkt der Bildabtastung als auch vom Standpunkt der einfachen Signalverarbeitung wünschenswert ist.
um spezielle, zweidimensionale Abtastanordnungen aus farbsensitiven
Sensorelementen zu beschreiben, kann eine Folge (siehe Fig. 3a) verwendet werden, die die Verschiebungen
gegenüber einer senkrecht zur Folgerichtung der Vierergruppen verlaufenden Bezugslinie darstellt. Unter den für die Verschiebung
bei der Erfindung festgelegten Bedingungen kann die Folge nur die Verschiebungen 1 und -1 enthalten, d.h.
Verschiebungen eines Sensorelements um einen Schritt in einer positiven oder einer negativen Richtung.
Fig. 3a bis 3b zeigen die Entwicklung einer zweidimensionalen Abtastanordnung gemäß der Erfindung. Als erstes ist eine Verschiebungsfolge
definiert, bei der lediglich die Verschiebungen 1 und/oder -l vorkommen. Diese Folge definiert den Verschiebungsverlauf
(siehe Fig. 3b) für die Linien der sich wiederholenden Vierergruppen (Spalten oder Zeilen).
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Durch Verschieben benachbarter Linien in Übereinstimmung
mit dem Verschiebungsverlauf erhält man ein endgültiges Muster (Fig. 3c). Derartige zweidimensionale Abtastmuster
zeigen bei den speziellen, erfindungsgemäß eingehaltenen Bedingungen (nämlich wiederholte Vierergruppen und Verschiebung
um je ein Element) notwendigerweise eine Prädominanz luminanzempfindlicher Elemente, wie es oben erwähnt wurde,
wobei sich die luminanzempfindlichen Elenente mit regelmäßiger
Abtastfrequenz in zwei zueinander orthogonalen Richtungen wiederholen. Außerdem treten, wie aus Fig. 3d zu
ersehen ist, sämtliche drei der ausgewählten Grundfarben in jedem Feld einer zusammengesetzten Abtastanordnung in sich
wiederholenden engen Mustern auf. Um sicherzustellen,daß in
enger Wiederholung regelmäßig auftretende Muster gebildet werden, ist es von Vorteil, eine Verschiebungsfolge zu benutzen,
die sich selbst in vier oder weniger Linien wiederholt. Diese" Eigenschaft wird erreicht, wenn sich die Folge
(Fig. 3a) innerhalb (inklusive) vier Linien wiederholt zu Null summiert oder sich in vier Linien (wie es bei der Konfiguration
von Fig. 3c der Fall ist) wiederholt und zu +4 oder-4 summiert. In dieser Hinsicht sollte bemerkt werden,
daß eine Linienverschiebung um vier Schritte in positiver oder negativer Richtung eine Wiederholung der Linie
darstellt, da die Vierergruppen sich in einer Linie mit einer Frequenz von vier Elementen wiederholen.
Das Muster von Fig. 3c stellt ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel dar, weil man für alle drei Farben eine feste, zugeordnete
Abtastgeschwindigkeit (Fig. 3d) für alle Reihen und Spalten erhält (das gleiche Muster mit negativen Verschiebungen
von Linie zu Linie ist,vom Standpunkt der Abtastung
gesehen, im wesentlichen entsprechend).
Ein abgewandeltes Muster ist in seiner Entwicklung in Fig. 4a bis 4d aufgezeigt. Bei diesem Muster ergibt sich zwar
nicht die Gleichförmigkeit der Abtastung wie bei dem vor-
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stehend erwähnten, bevorzugten Ausführungsbeispiel, dafür ergibt sich aber vom Standpunkt der Signalverarbeitung
der Vorteil, daß lediglich zwei Arten von Reihen auftreten, und zwar eine Art in jedem Feld. Wenn jedem Feld eine zugehörige
spezielle Ordnung,in der die Farbinformation angeordnet ist, zu eigen ist, dann gestaltet sich, wie auf der
Hand liegt, das Demultiplexen der Ausgangssignale der Abtastanordnung
etwas einfacher.
In den Fig. 5a bis 5b ist eine Abtastanordnung entwickelt, bei der die Vierergruppen spaltenweise angeordnet (d.h.
senkrecht zur Zeilenabtastung der Sensoranordnung) und
spaltenweise gegeneinander verschoben sind,und zwar abwechselnd um +1 und um -1. Bei Einhaltung der genannten Bedingungen
ergibt sich eine Konfiguration, bei der in jeder Zeile eine der nicht luitiinanzkennzeichnenden Farben fehlt.
Daher muß, um während der Abtastung jeder einzelnen Zeile drei Farbsignale erzeugen zu können, die Information von
einer Reihe zur anderen gespeichert werden. Dies zeigt, daß die Anordnung der Vierergruppen in Zeilen (also nicht
wie bei Fig. 5a bis 5d in Spalten) von Vorteil ist, da die luminanzkennzeichnende Farbe sich regelmäßig bei jedem
übernächsten Element jeder Reihe (Abtastzeile) wiederholt und die anderen Farben sich regelmäßig einmal in jeder
Vierergruppe wiederholen. Nichtsdestoweniger ist jedoch ersichtlich, daß bei Einhaltung der hier genannten Bedingungen
auch bei spaltenweiser Anordnung der Vierergruppen eine Konfiguration erreicht wird,bei der die luminanzkennzeichnenden
Elemente mit verhältnismäßig hoher Raumfrequenz in zwei Richtungen abgetastet werden und bei der drei Farben in sich
wiederholendem engem Muster in beiden Feldern der Abtastanordnung enthalten sind.
Die Erfindung wurde unter besonderem Bezug auf spezielle bevorzugte
Ausführungsbeispiele beschrieben. Es versteht sich jedoch, daß die verschiedensten Abwandlungen und Weiterbll-
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düngen möglich sind, ohne den Rahmen der Erfindung zu verlassen.
Beispielsweise könnten verschiedene Arten von orthogonalen bildabtastenden Sensorreihen vorgesehen sein, beispielsweise
Reihen aus Bauteilen vom Ladungs-Injektortyp.
Derartige Reihen könnten von der Vorderseite oder von der Rückseite her beleuchtet werden. Es könnte auch auf verschiedenste
Art und Weise eine selektive Steuerung der Empfindlichkeit der einzelnen Sensorelemente der Reihen
vorgenommen werden, beispielsweise könnten linsenförmige Filter dazu benutzt werden, um abhängig von den jeweils
zugeordneten Farben, das Licht selektiv zu modulieren, bevor es auf die Sensorreihe trifft.
7O9847/1OOP
Claims (3)
- Patentansprüche.j Farb-Bildabtastanordnung mit einer Bildsensoranordnung, die Sensorelemente einer ersten Art, einer zweiten Art und einer dritten Art aufweist, die auf Strahlung in einem ersten Spektralbereich bzw. einem zweiten Spektralbereich bzw. einem dritten Spektralbereich empfindlich sind, bei der die drei Arten von Sensorelementen in sich wiederholendem Muster über die Fläche der Sensoranordnung verteilt sind und bei der die Sensorelemente der ersten Art in größerer Anzahl vorhanden sind als die Sensorelemente sowohl der zweiten als auch der dritten Art, wobei, in zwei zueinander senkrechten Richtungen über die Fläche der Sensoranordnung fortschreitend, jedes zweite der Sensorelemente ein Sensorelemsnt der ersten Art ist, nach Patentanmeldung P 26 08 998.5, dadurch gekennzeichnet, daß die Sensorelemente in Reihen aus Gruppen von je vier in Richtung einer der Hauptausdehnungen der Abtastanordnung aneinandergereihten Sensorelementen angeordnet sind, daß jede dieser Vierergruppen zv/ei luminanzempfindliehe Sensorelemente der ersten Art und je ein Sensorelement der zweiten und der dritten Art enthält und daß die Vierergruppen von einander unmittelbar benachbarten Reihen gegeneinander um ein Sensorelement verschoben sind.
- 2. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daßdie Sensorelemente in den Vierergruppen in jeweils gleicher Reihenfolge aneinandergereiht sind.
- 3. Anordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Vierergruppen in Richtung der Bildzeilen der Abtastanordnung aneinandergereiht sind und daß, von der ersten Bildzeile ausgehend bis zur letzten Bildzeile, die Vierergruppen der einander unmittelbar benachbarten Reihen je um ein Sensorelement in der Abtastrichtung gegeneinander verschoben sind.709847/100?
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