DE3733074A1 - Schaltungsanordnung fuer eine pixelweise korrektur der bildsignale eines aus mehreren fotoelementen bestehenden bildsensors - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Schaltungsanordnung für einen elektro-optischen Bildsensor nach den Merkmalen des Ober­ begriffs des Anspruchs 1.

Für die Abtastung von Bildern, bei der einzelne Bildpunkte in elektrische Signale umgesetzt werden, gibt es viele be­ kannte Lösungen. Bekanntestes Beispiel sind Fernsehkameras, deren Übertragungsverhalten für die Bewertung durch das menschliche Auge optimiert ist. Der abzutastende Gegenstand braucht nur so weit "richtig" wiedergegeben zu werden, daß dem Auge praktisch keine Fehler auffallen. So können verhält­ nismäßig große Unterschiede zwischen der Helligkeitswieder­ gabe von randliegenden und von zentrischliegenden Bilddetails ohne weiteres erlaubt werden. Nur der Übergang vom Rand zur Mitte muß gleichmäßig sein.

Anders sind die Anforderungen, wenn aus den elektrischen Bild­ signalen automatisch Meßwerte abgeleitet werden sollen, die quantitative Aussagen über den abgebildeten Gegenstand erlau­ ben. Solche Meßwerte können entweder die geometrischen Abmes­ sungen bestimmter Bilddetails betreffen oder deren Reflexions­ verhalten, deren Farbwerte oder deren Strahlungsintensität. Moderne Halbleiter-Bildsensoren enthalten viele lichtempfind­ liche Teilflächen genau definierter Abmessungen in einem genau definierten Raster. Zusammen mit verzeichnungsfreien Objektiven sind daher genaue Geometrie-Aussagen über den abgebildeten Gegenstand relativ leicht erreichbar.

Größere Probleme ergeben sich dagegen bei Intensitätsmessungen (zum Beispiel für Pyrometer) und bei intensitätsbezogenen Meßgrößen wie Reflexionsfaktor (zum Beispiel für Druckkontrast­ messungen) und Farbwert (zum Beispiel für die Lackproduktion und auch für Pyrometer). Hier sind unter anderem folgende "Gleichmäßigkeits"-Forderungen zu erfüllen:

• - Das Objektiv muß vom Zentrum bis zum Bildrand hin gleich­ mäßig hell zeichnen,
• - die Objektivergütung muß für alle relevanten Lichtwellen­ längen und bei allen in Frage kommenden Bildstrahlwinkeln gleichmäßig wirksam sein,
• - die zu den einzelnen Bildelementen ("Pixels") gehörenden Pixel-Fotodioden müssen in bezug auf Dunkelsignal und Empfindlichkeit untereinander gleichmäßig sein,
• - bei der Messung von Reflexionsfaktor oder Körperfarbe kommt hinzu, daß die Beleuchtung über das Gegenstandsfeld hinweg gleichmäßig sein muß.

Angesichts dieser hohen Anforderungen sind Kompromisse inso­ fern einzugehen, als man dem Bildsensor möglichst viel "Un­ gleichmäßigkeit" zugesteht mit der Folge, daß die Abtastsi­ gnale durch Unterschiede in der Elektronenausbeute der ein­ zelnen Fotodioden, in den lichtempfindlichen Flächen der Foto­ dioden, durch Inhomogenitäten der Beleuchtung und andere systematische Fehler verfälscht werden. In der Fig. 1 sind am Beispiel zweier Fotodioden FD 1, FD 2 die aufgrund der erwähnten Ungleichmäßigkeiten entsprechend unterschiedlichen Kennlinien dargestellt. Die beiden Kennlinien mit Fotostrom in Abhängigkeit von der Lichtintensität unterscheiden sich zum einen durch eine unterschiedliche mittlere Steilheit, was durch die entsprechend unterschiedlichen Winkel α1 und α2 symbo­ lisiert ist, zum anderen durch unterschiedliche Dunkelstrom-An­ teile I 01 bzw. I 02, und drittens durch Linearitätsfehler Δ I, deren Wert von der Lichtintensität abhängt. Vor einer weiteren Verarbeitung der mit derart unterschiedlichen Fotodioden abge­ tasteten Signale ist daher eine entsprechende Korrektur unver­ zichtbar. Diese Korrektur betrifft sowohl die empfindlichkeits­ artigen, ortsabhängigen Fehler (Photo-Response Non Uniformity PRNUtanα1-tanα2) als auch sogenannte "Dunkelstrom"­ artige Fehler (Dark Signal Non Uniformity DSNUI 01-I 02).

Im ersten Fall erfolgt die Korrektur durch eine Multiplikation mit einem Koeffizienten, während im zweiten Fall eine Addi­ tion von Summanden durchgeführt wird.

Eine derartige Korrektur, wie sie beispielsweise mit der aus der DE-PS 25 34 235 bekannten Schaltung realisierbar ist, kann nur teilweise befriedigen, weil für jede Fotodiode nur ein einziger Koeffizient zur Verfügung steht, so daß die durch die mehr oder weniger krummen oder zackigen Kennlinien­ verläufe symbolisierten Empfindlichkeitsschwankungen bei der Korrektur völlig unberücksichtigt bleiben. Außerdem hat die bekannte Schaltung den Nachteil, daß für jedes zu korri­ gierende Signal ein aufwendiger Multipliziervorgang notwendig ist.

Der vorliegenden Erfindung liegt nun die Aufgabe zugrunde, eine Schaltungsanordnung zur Korrektur von Signalen eines aus einer Vielzahl von Fotosensoren bestehenden Bildsensors einer­ seits schaltungstechnisch möglichst einfach zu gestalten und andererseits so weiterzubilden, daß bei der Korrektur die unterschiedliche Empfindlichkeit der einzelnen Fotosensoren bei verschiedenen Rohhelligkeitswerten mitberücksichtigt werden kann.

Die Lösung dieser Aufgabe ergibt sich erfindungsgemäß durch die kennzeichnenden Merkmale des Anspruchs 1. Diese im Auf­ bau sehr einfache Korrekturschaltung hat den Vorteil, daß die korrigierten Werte ohne Multiplikation lediglich durch einen einfachen Speicherzugriff auf tabellarisch hinterlegte Werte unmittelbar zur Verfügung stehen, wobei pro Pixel nicht nur ein einziger Korrekturwert sondern ent­ sprechend der jeweiligen Pixelintensität mehrere unterschied­ liche Korrekturwerte vorhanden sind.

Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unter­ ansprüchen angegeben.

Im folgenden wird ein Ausführungsbeispiel der Erfindung anhand der Zeichnung in Fig. 2 näher erläutert. Diese Fig. 2 zeigt einen Bildsensor BS mit zum Beispiel 16×64=1024 matrix­ artig angeordneten Fotosensoren bzw. Pixeldioden, der ausgangs­ seitig mit einem programmierbaren Festwertspeicher PROM ver­ bunden ist. In diesen programmierbaren Festwertspeicher PROM ist für jedes Pixel eine individuelle Korrekturtabelle ent­ halten. Der Ausgang des programmierbaren Festwertspeichers PROM ist schließlich mit dem Eingang einer Bildverarbeitungs­ einheit BVE verbunden, die unter anderem einen Taktgeber TG und einen Zähler Z enthält. Der Taktgeber TG liefert einen Takt an den Bildsensor BS und veranlaßt diesen, für die einzelnen Pixeldioden nacheinander je einen n-Bit codierten Grauwert bzw. Rohhelligkeitswert an den programmierbaren Festwertspeicher PROM zu liefern. Bei zum Beispiel n=6 Bit bedeutet dies jeweils einen von insgesamt 2 ⁿ=64 Grauwerten. Mit dem Zähler Z wird jeweils eine m-Bit breite Pixelnummer an erste Adreßeingänge des programmierbaren Festwertspeichers PROM übertragen, so daß einerseits mit den m Bits der je­ weiligen Pixelnummer (zum Beispiel 10 Bits für 1024 Pixel­ dioden) und mit dem jeweils zugehörigen n-Bit breiten Grau­ wert des entsprechenden Pixels, der an zweite Adreßeingänge geführt wird, der dem Pixel und dessen Pixelintensität ent­ sprechend korrigierte Wert aus der Korrekturtabelle ausgewählt werden kann. Dieser ausgewählte korrigierte Pixelintensitäts­ wert KPI wird schließlich an die Bildverarbeitungseinheit BVE zur weiteren Aufbereitung übertragen. Die in der Korrek­ turtabelle gespeicherten Korrekturwerte sind so gewählt, daß sich letztlich für alle Fotosensoren bzw. Pixeldioden FD eine Schar identischer Kennlinien KFD (siehe Fig. 1) ergibt, bei denen zusätzlich der Dunkelstrom-Anteil kompensiert und damit gegen Null korrigiert ist. Die Kennlinien KFD sind vor­ zugsweise vom Nullpunkt ausgehende Geraden. Es sind aber auch andere Kennlinienverläufe, z.B. logarithmische Kennlinien realisierbar.

Claims (5)

1. Schaltungsanordnung für einen elektro-optischen Bildsensor zur Korrektur der aus einer Vielzahl von Fotosensoren gewon­ nenen, jeweils einzelnen Bildelementen (Pixeln) zugeordneten Bildsignale und unterschiedlichen Grauwerts, bzw. unterschied­ licher Rohhelligkeit, unter Verwendung eines Korrekturwerte- Speichers, in welchem pro Fotosensor wenigstens ein Korrektur­ wert hinterlegt ist, dadurch gekennzeichnet, daß im Korrek­ turwerte-Speicher pro Fotosensor mehrere, unterschiedlichen Grauwerten bzw. Rohhelligkeitswerten zugeordnete Korrektur- Helligkeitswerte gespeichert sind und daß diese Korrektur- Helligkeitswerte so gewählt sind, daß sich für alle Fotosen­ soren für die Beziehung zwischen Fotostrom und Lichtintensi­ tät eine Schar identischer Kennlinien ergibt.

2. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Korrek­ tur-Helligkeitswerte so gewählt sind, daß sich Kennlinien gemäß der Funktion I=I 0+a × L ergeben, wobei I den Fotostrom, Io den Dunkelstrom, L die Lichtintensität und a eine Konstante bedeuten.

3. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Korrekturhelligkeitswerte so gewählt sind, daß sich logarith­ mische Kennlinien ergeben.

4. Schaltungsanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Kor­ rektur-Helligkeitswerte so gewählt sind, daß der Dunkelstrom­ anteil (I 0) gegen Null korrigiert wird.

5. Schaltungsanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Korrek­ turwerte-Speicher als programmierbarer Festwertspeicher (PROM) ausgebildet ist, dessen Adreßeingänge in n Eingänge für 2 ⁿ Grauwerte (GW) bzw. Rohhelligkeitswerte einerseits und m Eingänge für 2 ^m Fotosensoren andererseits aufgeteilt sind.