DE60011294T2

DE60011294T2 - Vorrichtung und verfahren zur verminderung von moire

Info

Publication number: DE60011294T2
Application number: DE60011294T
Authority: DE
Inventors: V. Niels KNUDSEN
Original assignee: Phase One AS
Current assignee: Phase One AS
Priority date: 1999-12-06
Filing date: 2000-12-06
Publication date: 2005-06-23
Anticipated expiration: 2020-12-07
Also published as: EP1238533B1; WO2001043426A1; EP1238533A1; AU1850901A; DE60011294D1; ATE268531T1

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren zum Aufzeichnen von Bildern. Die Erfindung betrifft insbesondere eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Aufzeichnung von Bildern durch Erzeugung eines Bildes eines Objektes auf einer Gruppe von lichtempfindlichen Sensorelementen. Die Erfindung sieht ein Verfahren zur Reduzierung der Moirè-Effekte im aufgezeichneten Bild mit minimalen Auflösungsverlusten vor.
Es ist bekannt, ein Bild durch Aufteilung in eine große Anzahl von Segmenten, als Pixel bezeichnet, und Zuordnung von digitalen Werten (als Pixelwerte bezeichnet) zu jedem Pixel digital darzustellen. Typischerweise wird das Bild in eine Matrix von Pixelreihen und -spalten unterteilt, und die Größe eines digitalen Bildes wird dann durch die Anzahl von Pixeln in einer Reihe und die Anzahl von Pixeln in einer Spalte angegeben. Die Pixelwerte werden typischerweise in einem Feld in einem digitalen Speicher gespeichert.
Beispielsweise kann ein Grautonbild durch ein digitales Bild, von dessen Pixeln jedes einen Pixelwert hat, der den Grauton des entsprechenden Pixels repräsentiert, digital dargestellt werden. In ähnlicher Weise kann ein Farbbild durch ein digitales Bild dargestellt werden, von dessen Pixeln jedes drei Pixelwerte hat, und zwar einen für jede der Farben rot, grün und blau.
Typischerweise wird ein digitales Bild durch Bestrahlung von Licht auf ein Objekt und Erfassung von Licht, das vom Objekt reflektiert oder durch dieses hindurchgeleitet wird, mit Hilfe einer elektronischen Kamera erzeugt. Dennoch kann im Allgemeinen ein digitales Bild durch Bestrahlung von jeder Art von abgestrahlter Energie wie z.B. elektromagnetischer Bestrahlung wie sichtbares Licht, Infrarotbestrahlung, Ultraviolettbestrahlung, Röntgenstrahlen, Radiowellen etc., Ultraschallenergie, Partikelenergie wie Elektronen, Neutronen etc., etc. auf ein Objekt zur Interaktion mit dem Objekt und durch Erfassung der Energie, die vom Objekt wie beispielsweise durch Reflektion, Refraktion, Absorption etc. beeinflusst worden ist, gebildet werden.
Ein digitales Bild kann durch jedes bilderzeugende System wie z.B. Radiometersysteme, Infrarotsysteme, Radarsysteme, Ultraschallsysteme, Röntgensysteme, elektronische Kameras, digitale Scanner etc. gebildet werden, welches dazu ausgelegt ist, die fragliche Energieart zu erfassen und auf der Grundlage der Energieerfassung ein digitales Bild zu erzeugen.
Die benötigte Energiemenge zur Aufzeichnung eines digitalen Bildes mit einem gewünschten Signal-Rausch-Verhältnis, d.h. die Empfindlichkeit des Bilderzeugungssystems, wird vom Rauschpegel im Bilderzeugungssystem bestimmt. Energiesensoren jeder Art erzeugen ein Rauschen, das dem aufzuzeichnenden Signal hinzugefügt wird. Vom Signal-Rausch-Pegel eines digitalen Bildes wird typischerweise verlangt, dass er für eine anschließende Wiedergabe in professionellen Publikationen vergleichbar mit dem, wenn nicht besser als der Signal-Rausch-Pegel eines auf einem fotographischen Film aufgezeichneten Bildes ist.
Typischerweise verwendet ein im sichtbaren Lichtbereich der elektromagnetischen Strahlung arbeitendes Bildaufzeichnungssystem wie z.B. eine elektronische Kamera, eine Digitalkamera, ein elektronischer Scanner, ein digitaler Scanner etc. eine Festkörperbildaufzeichnungsvorrichtung, typischerweise ein Charge-Coupled-Device (CCD), zur Aufzeichnung eines Bildes.
Beim CCD handelt es sich um eine Gruppe einer großen Anzahl von lichtempfindlichen Sensoren, die miteinander als analoges Schieberegister verbunden sind. In jedem Sensor des CCD wird eine Ladung gebildet, die proportional zur Lichtenergie ist, die auf den Sensor während einer Integrationsperiode auftrifft. Die analoge Ladung jedes Sensors wird der Reihe nach aus dem CCD herausgeschoben und typischerweise in einen Digitalwert gewandelt, wodurch eine digitale Darstellung des aufgezeichneten Bildes gebildet wird. Jeder Pixelwert des Digitalbildes ist gleich der digitalisierten Ladung des korrespondierenden CCD-Sensors. Die Pixelwerte können an einen externen Computer durch ein Computerinterface übertragen oder auf einer Speicherkarte oder einem rotierenden magnetischen Speichermedium gespeichert werden.
Im vorliegenden Kontext ist der Begriff Belichtung in weitem Sinne als die Zeitdauer zu verstehen, während der ein Energiesensor augenblicklich die Energie misst. Beispielsweise kann ein fotographischer Film Licht ausgesetzt werden, wann immer Licht darauf fällt, während ein CCD Licht ausgesetzt wird, wenn die Pixelelemente des CCD darauf auftreffendes Licht integrieren können. Der CCD wird nicht belichtet, wenn seine Lichterfassungspixelelemente kurzgeschlossen sind, obwohl Licht darauf fallen kann.
Im Stand der Technik ist es bekannt, lineare CCDs in einem Bildaufzeichnungssystem zu verwenden, in welchem die linearen CCD-Lichtsensoren in einer einzigen Linie angeordnet sind. Typischerweise wird die Gruppe über das Bild bewegt, wobei gleichzeitig eine Zeile abgetastet wird. Für Farbbilder können Filter vor der Gruppe angeordnet werden, welche dann dreimal über das Bild während der Bildaufzeichnung geführt wird.
Einen guten Kompromiss zwischen Bildauflösung (hohe Pixelanzahl) und Kosten in einem Bildaufzeichnungssystem bildet das dreizeilige CCD-Array mit drei nebeneinander angeordneten linearen CCDs. Jede Zeile ist von ihrem eigenen Farbfilter bedeckt. Das Array wird einmal über das Bild geführt, und jedes lineare CCD zeichnet eine Zeile gleichzeitig auf.
Bei höheren Kosten kann ein zweidimensionales CCD-Array das gesamte Bild in sehr kurzer Zeit aufnehmen. Drei separate Belichtungen mit drei Farbfiltern kann verwendet werden, um eine Farbdarstellung zu erzeugen. Beispielsweise können die Farbfilter in einer Drehscheibe angeordnet sein, die nacheinander jeden Farbfilter in den optischen Pfad zwischen der das Bild bildenden Optik des Bildaufzeichnungssystems und dem zweidimensionalen CCD-Array einfügt.
Alternativ kann eine Farbfiltermaske über dem CCD-Array angeordnet sein, wodurch jedes lichtempfindliche Pixelelement im CCD-Array mit einem Farbfilter bedeckt ist, um die durchlaufende Strahlung innerhalb eines spezifischen Spektralbereiches entsprechend einer spezifischen Primärfarbe aufzunehmen, wie in 1 gezeigt (rot R, grün G, blau B). Durch die Farbfiltermaske kann ein Farbbild in einer einzigen Belichtung auf Kosten der Auflösung aufgezeichnet werden.
Für eine Verwendung eines CCD mit einer Farbfiltermaske existieren verschiedene Verfahren zur Aufzeichnung eines hochauflösenden Bildes:

– Das CCD-Array mit der Farbfiltermaske kann seitlich (um eine ganze Anzahl von Pixeln) gegenüber dem Bild verschoben werden, um eine Farbinformation in Bezug auf drei Primärfarben bei jedem Pixel des Bildes aufzuzeichnen (US-A-5 877 807). Wie erwähnt, benötigt dieses Verfahren drei Belichtungen, und zwar eine für jede Position des CCD-Array.
– Eine Farbe, die bei einem spezifischen Pixel nicht aufgezeichnet wird, kann unter Verwendung verschiedener Interpolationssalgorithmen geschätzt werden. Ein Beispiel für ein solches Farbinterpolationsverfahren ist in der US-A-5 373 233 angegeben.

Es ist bekannt, dass Digitalbilder von Objekten mit wiederholten regelmäßigen Strukturen aufgrund von Moirè-Effekten beschädigt werden können.
Der Moirè-Effekt tritt durch Interferenz zwischen zwei oder mehreren regelmäßigen Strukturen auf, und zwar z.B. bei unterschiedlichen Ortsfrequenzen, wie in 2 gezeigt ist. Zwei lineare Muster 1 und 2 mit unterschiedlichen Ortsfrequenzen sind dargestellt, und bei überlagerter Frequenzschwebung wird 1+2 erzeugt. In ähnlicher Weise kann ein Moirè-Effekt entstehen, wenn zwei Muster gegeneinander gedreht oder verschoben werden, wie in 3 gezeigt ist. Muster in Farbe können Farbfrequenzüberlagerungen erzeugen.
Ein intuitiver Ausdruck für die Moirè-Überlagerungsfrequenz ist gegeben durch vbeat = ABS [v1 – v2] (1)wobei v_beat die Moire-Überlagerungsfrequenz und v_1,2 die Frequenz der Muster 1 und 2 ist. Alternativ können die Variablen v Auflösungen, z.B. in dpi, anstelle von Frequenzen bezeichnen.
Bei der Aufzeichnung von Bildern unter Verwendung eines Bildaufzeichnungssystems, das ein Objekt auf einem zweidimensionalen Sensor-Array, z.B. einem CCD-Array, abbildet, ist ein erstes Muster im Aufzeichnungssystem inhärent, da die Matrix der Sensorelemente ein solches Muster bildet. Deshalb kann durch Aufzeichnung eines digitalen Bildes eines Objektes mit wiederholter Struktur ein Bild entstehen, das Moirè-Effekte zeigt.
Verschiedene Verfahren zur Reduzierung von Moirè-Effekten sind bekannt:

1. Verwendung eines CCD mit quasi periodischem Muster, bei welchem die Pixelelemente nicht eine reguläre Matrix, sondern ein irreguläres Muster von Elementen mit variierenden Abständen zwischen diesen bilden. Die irreguläre Matrix hat keine eindeutige Ortsfrequenz, und somit kann keine Interferenz mit einer Ortsfrequenz im Bild auftreten (US-A-4 894 726).
2. Bildung einer optischen Unschärfe zur Verzeichnung eines Objektmusters im erzeugten Bild, z.B. durch Einsetzen von mattem Glas vor dem Bild. Der Gedanke, die Bildauflösung zu verschlechtern, um die Ortsfrequenz, die Moirè-Effekte erzeugt, zu verfälschen, wird ebenfalls in den nächsten beiden Verfahren verwendet.
3. Durch optische Tiefpassfilter kann einfallendes Licht entlang unterschiedlicher Wege für verschiedene Farben geleitet werden. Dadurch findet im erzeugten Bild eine „farben-getrennte" Erzeugung des Musters statt, so dass die Farbauflösung verringert wird, was wiederum zu einer Verringerung der Moirè-Effekte führt (US-A-5 237 446).
4. Durch optische Verfahren, die in den US-A-5 969 757, US-A-4 607 287 oder US-A-4 998 164 offenbart sind, wird die Ortsfrequenz der Aufzeichnungsvorrichtung durch Schwenk- oder Taumelbewegung des CCD-Array verfälscht.

Es ist ein Nachteil von Verfahren 2, 3 und 4 zur Unterdrückung von Moirè-Effekten, dass die Auflösung des aufgezeichneten Bildes herabgesetzt wird.
Es ist ein weiterer Nachteil von Verfahren 2 und 3, dass ein zusätzliches optisches Element in den Strahlenweg eingefügt wird, um die Ortfrequenz im Bild, die eine Schwächung der aufgezeichneten Lichtintensität verursacht, zu verfälschen oder zu filtern.
Es ist ein weiterer Nachteil von Verfahren 1, dass kostenintensive, nicht standardisierte CCD-Arrays mit irregulär geformten Sensorelementen benötigt werden.
Es ist ein weiterer Nachteil von Verfahren 4, dass die Anordnung eindimensional ist, so dass nur eine von zwei Ortsfrequenzen des CCD-Array wirksam beseitigt werden.
Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Bildaufzeichnungssystem mit einer treibenden Sensorvorrichtung zur Reduzierung von Moirè-Effekten und Standard-Farbfiltermasken-CCD-Arrays zu schaffen.
Es ist eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Bildaufzeichnungssystem mit einer treibenden Sensorvorrichtung zur Reduzierung von Moirè-Effekten mit einer minimalen Reduzierung der Auflösung zu schaffen.
Gemäß einem ersten Aspekt der vorliegenden Erfindung werden die zuvor erwähnten Aufgaben gelöst durch eine Vorrichtung zur Aufzeichnung eines Bildes eines Objektes, wie in Anspruch 1 angegeben.
Gemäß einem zweiten Aspekt der vorliegenden Erfindung werden die zuvor erwähnten Aufgaben gelöst durch ein Verfahren zur Aufzeichnung eines Bildes eines Objektes, wie in Anspruch 13 angegeben.
Typischerweise wird die Vorrichtung im sichtbaren Lichtbereich der elektromagnetischen Strahlung betrieben und kann eine elektronische Kamera, eine Digitalkamera, ein elektronischer Scanner, ein Digitalscanner etc. sein.
Der Bildsensor ist vorzugsweise ein Festkörperabbildungsgerät wie z.B. ein Charge-Coupled-Device (CCD), ein CMOS-basiertes Bildsensor-Array etc.
Die Bewegung des Bildsensors gegenüber dem Bild kann dadurch durchgeführt werden, dass das Bild in einer festen Position belassen und der Bildsensor be wegt oder der Bildsensor in einer festen Position belassen und das Bild bewegt wird, oder durch kombinierte Bewegung des Bildes und des Bildsensors.
Das Bild kann bewegt werden durch Bewegung des optischen Weges des das Bild erzeugenden Lichtes. Z.B. weist die Bilderzeugungseinrichtung gewöhnlich eine Linse auf. Die Bewegungseinrichtung kann ausgebildet sein, um die Linse zu neigen, wodurch die optische Achse und das von der Linse erzeugte Bild bewegt wird. Alternativ kann der Lichtweg der Bilderzeugungseinrichtung durch einen Spiegel umgelenkt und die Bewegungseinrichtung ausgeführt werden, um den Spiegel zu drehen, wodurch der Lichtweg der Bilderzeugungseinrichtung bewegt wird.
Die Bewegungseinrichtung kann verschiedene Arten von Betätigungselementen aufweisen, und zwar z.B. piezoelektrische Quarze, deren Verschiebung durch Anlegen einer bestimmten elektrischen Spannung an deren Elektroden gesteuert wird, Elektromotoren, die lineare Verschiebungen oder Drehverschiebungen erzeugen, Galvanometer, magnetisch aktivierte oder gesteuerte Betätigungselemente, pneumatische Betätigungselemente, hydraulische Betätigungselemente etc.
Aus Gründen der Einfachheit wird die Bewegung nachfolgend für eine Ausführung der Erfindung beschrieben, bei der das Bild in einer festen Stellung belassen und der Bildsensor bewegt wird. Dennoch ist es offenkundig, dass es zur Unterdrückung von Moirè-Effekten nicht darauf ankommt, ob sich das Bild oder der Bildsensor bewegt oder beide bewegen. Es ist ebenfalls offenkundig, dass eine Bewegung des Bildsensors gegenüber dem Bild auch als Bewegung des Bildsensors gegenüber einem feststehenden Bild interpretiert werden kann.
Jede Bewegung eines Festkörpers kann in eine translatorische Bewegung, bei welcher jeder Punkt des sich bewegenden Objektes gleichzeitig dieselbe Geschwindigkeit und Bewegungsrichtung hat, und eine Drehbewegung aufgegliedert werden. Die translatorische Bewegung kann dreidimensional sein und die Drehbewegung kann überlagert werden durch Rotationen um drei unterschiedliche Drehachsen, z.B. drei Achsen, die orthogonal zueinander liegen. Somit kann jede Bewegung des Bildsensors durch drei eine dreidimensionale translatorische Bewegung definierende Bewegungskomponenten und drei eine Rotation um drei Drehachsen definierende Bewegungskomponenten definiert werden.
Beispielsweise kann ein Benutzer der Vorrichtung eine Bewegung wählen, die aus einer Kombination der sechs zuvor beschriebenen Bewegungskomponenten zusammenzusetzen ist. Die Bewegung kann eine oszilierende Bewegung sein, d.h. Verschiebewerte einer speziellen Bewegungskomponente variieren als periodische Funktion der Zeit. Der Benutzer kann verschiedene Parameter der periodischen Zeitfunktion auswählen, und zwar wie z. B. eine Kurvenform der periodischen Zeitfunktion, eine Amplitude der periodischen Funktion, eine Frequenz der periodischen Funktion, eine Phasendifferenz zwischen zwei periodischen Funktionen etc.
Beispielsweise kann der Bildsensor auf einem Betätigungselement so befestigt sein, dass er eindimensional bewegbar ist, und die Bewegungseinrichtung kann so ausgebildet sein, den Bildsensor vor und zurück in einer reziproken Bewegung mit einer festen Frequenz zu bewegen. Die Bewegungsamplitude wird durch den Nutzer der Vorrichtung eingestellt. Typischerweise wird ein Bild aufgezeichnet, wenn die Amplitude auf 0 gesetzt ist. Falls das aufgezeichnete Bild nur Moirè-Effekte aufweist, hebt der Benutzer allmählich die Amplitude an, bis die Moirè-Effekte verschwinden. Auf diese Weise könne Moirè-Effekte bei einer minimalen Herabsetzung der örtlichen Auflösung des Bildes unterdrückt werden.
Außerdem kann die Bewegung aus Bewegungskomponenten zusammengesetzt sein, die zur Unterdrückung von Moirè-Effekten mit einer minimalen Amplitude führen. Falls beispielsweise Moirè-Effekte ein lineares Moirè-Muster im aufgezeichneten Bild erzeugen, sollte vorzugsweise der Bildsensor gegenüber dem Bild translierend rechtwinkelig zu den Linien des Moirè-Musters bewegt werden. Außerdem kann eine Drehbewegung gewählt werden, um im Wesentlichen die linearen Moirè-Muster zu unterdrücken, und eine translierende Bewegung kann gewählt werden, um im Wesentlichen kreisförmige Moirè-Muster zu unterdrücken.
Die Bewegungseinrichtung kann mit einer Benutzerinterfaceeinrichtung verbunden sein, wodurch der Benutzer der Vorrichtung die zuvor erwähnte Auswahl in einer Weise treffen kann, die im Bereich von computerisierter Ausrüstung bekannt ist. Außerdem kann die Bewegungseinrichtung an die Bildverarbeitungseinrichtung angeschlossen sein, die ausgeführt ist, um das aufgezeichnete Bild zu analysieren und Moirè-Effekte zu erfassen. In Abhängigkeit von der Erfassung von Moirè-Effekten kann die Steuerungseinrichtung die Bewegung beeinflussen, z.B. eine Verschiebungsamplitude einer speziellen Bewegungskomponente erhöhen, für die Aufzeichnung eines neuen Bildes. Die Steuerungseinrichtung erzeugt Steuerungssignale, die erforderlich sind, um die Bewegungseinrichtung als Reaktion auf die manuelle und automatische Bewegungskomponentenauswahl zu steuern. Wenn beispielsweise die Bewegungseinrichtung einen piezoelektrischen Quarz aufweist, erzeugt die Steuerungseinrichtung die an die Elektroden des Quarz angelegte Spannung. Dadurch können die charakteristischen Parameter der Bewegungskomponente entsprechend dem piezoelektrischen Quarz durch Steuerung des Spannungssignals am Quarz gesteuert werden. Eine Veränderung z.B. der Phasenverschiebung zwischen den an zwei piezoelektrischen Betätigungselementen angelegten Spannungssignalen bewirkt eine Änderung der Phasenverschiebung zwischen den von diesen Betätigungselementen gesteuerten Bewegungskomponenten.
1 zeigt ein CCD-Array mit einer Farbfiltermaske des Typs Bayer 2G. Jede Zelle im Array repräsentiert ein Pixel auf dem m × n-Array-CCD, wobei m die Anzahl der Pixel in jeder Reihe auf dem CCD und n die Anzahl von Reihen auf dem CCD ist. R bezeichnet die mit roten Filtern bedeckten Pixel (als rote Pixel bezeichnet), G bezeichnet mit grünem Filtermaterial bedeckte Pixel (grüne Pixel), und B bezeichnet mit blauem Filtermaterial bedeckte Pixel (blaue Pixel).
2 zeigte in Muster 1 und ein Muster 2, die einander überlagert sind, um ein Muster 1+2 zu ergeben, das Moirè-Effekte zeigt.
3 zeigt in Analogie zu 2 zwei Muster, die einander überlagert sind, um Moirè-Effekte zu zeigen.
4 ist ein Plot von zwei bevorzugten Verschiebungskomponenten der Bewegung des Bildes gegenüber dem Bildsensor.
5 zeigt verschiedene Bewegungen des Bildes gegenüber dem Bildsensor, wobei jede Bewegung durch die Richtung, Amplitude, Frequenz und Phasenverschiebung der Bewegungskomponentenfunktionen von 4 definiert ist.
6 zeigt schematisch eine Ausführung der Erfindung mit einem an zwei Betätigungselementen befestigten CCD-Array.
7 zeigt schematisch eine andere Ausführung der Erfindung mit einem an einem Betätigungselement befestigten CCD-Array.
8 zeigt schematisch eine elektrische Schaltung des CCD-Treibers, der in den in den 6 und 7 gezeigten Ausführungen verwendet wird.
9 zeigt Steuersignale einer Ausführung der Erfindung.
10 zeigt ein Bilderzeugungssystem.
Die vorliegende Erfindung stellt ein Bildaufzeichnungssystem mit Mitteln zur Reduzierung von Moirè-Effekten zur Verfügung. Das System weist eine Einrichtung zur Erzeugung eines Bildes des Objektes, wie z.B. eine Kameralinse, auf einem Bildsensor-Array für die Aufzeichnung des Bildes auf. Beim Bildsensor-Array handelt es sich um eine Gruppe von lichtempfindlichen Elementen.
Die Mittel zur Reduzierung von Moirè-Effekten umfassen eine Einrichtung zur Bewegung des erzeugten Bildes gegenüber dem Bildsensor. Diese Bewegung ist vorzugsweise oszillierend. Die Wirkung der Bewegungen besteht darin, unterschiedliche Photonen, die von einem speziellen Punkt im Bild ausgestrahlt werden, in unterschiedliche lichtempfindliche Elemente des Bildsensors zu verteilen. Dadurch werden Moirè-Effekte, die durch eine Interferenz zwischen einer Struktur in dem Objekt und dem Bildsensor-Array erzeugt werden, reduziert, da der Ortsfrequenzinhalt des Bildsensor-Array breiter wird.
Das Verfahren zur oszillierenden Bewegung des Bildes gegenüber dem Bildsensor ist gegenintuitiv, da die Konstruktion des Bildaufzeichnungssystems gewöhn lich Maßnahmen zur Stabilisierung des Bildsensors gegen Vibrationen und Stöße aufweist.
Wie bereits erwähnt, kann die Bewegung durch Justierung der kennzeichnenden Parameter eingestellt werden. Gemäß der vorliegenden Erfindung ist mindestens einer der kennzeichnenden Parameter mindestens einer Bewegungskomponente steuerbar, so dass die Bewegung eingestellt werden kann. Vorzugsweise sind mehrere charakterisierende Parameter von mehreren Bewegungskomponenten steuerbar.
4 zeigt die zeitliche Abhängigkeit von zwei translierenden Komponenten. Diese zwei Komponenten definieren ein mögliches Bewegungsmuster des Bildes gegenüber dem Bildsensor. Die obere Funktion stellt die Translationsbewegung in x-Richtung (d.h. die Richtung parallel zur Breite des Bildsensor-Array) als Funktion der Zeit dar, die untere Funktion stellt die Translationsbewegung in y-Richtung (d.h. die Richtung parallel zur Höhe des Bildsensor-Array) dar. Beide Funktionen sind Sinus-Funktionen und besitzen eine Periode T in Abhängigkeit von einer Frequenz f = 1/T. In diesem Beispiel ist die Frequenz dieselbe für die zwei Komponenten. Die zwei Funktionen sind außerdem durch ihre relative Phasenverschiebung d und ihre Amplituden in x-bzw. y-Richtung, als x und y bezeichnet, gekennzeichnet. Wie nun 5 erkennen lässt, werden die relativen Amplituden und die Phasenverschiebung benutzt, um eine Bewegung des Bildes gegenüber dem Bildsensor zu beschreiben. Es ist anzumerken, dass unterschiedliche Kombinationen von Phasenverschiebung und Amplituden eine große Vielzahl von Bewegungsmustern erlaubt. Die dargestellten Muster bilden eine geringe Auswahl aus zahlreichen möglichen Bewegungen und geben nicht irgendeine bevorzugte Bewegung gemäß der vorliegenden Erfindung an.
In Abhängigkeit von dem Moirè-Effekte verursachenden Merkmal im aufzuzeichnenden Objekt sowie von der Form und Größe der Bildsensorelemente können einige Bewegungen eher geeignet sein als andere, um Moirè-Effekte bei einer minimalen Herabsetzung der Auflösung zu reduzieren.
In einigen Fällen werden nur geringe Bewegungen benötigt, um Moirè-Effekte zu reduzieren. Sogar sehr geringe Bewegungen in einem speziellen Muster können Effekte beseitigen, welche ansonsten große Amplitudenverschiebungen bei Durchführung entlang einer gegebenen Richtung benötigen. In bekannten Systemen kann die Bewegung nicht eingestellt werden, und dies kann zu einer unnötigen Reduktion der Bildauflösung führen. Gemäß der vorliegenden Erfindung kann eine optimale Bewegung, die Moirè-Effekte mit einer minimalen Herabsetzung der Auflösung reduziert, entweder automatisch oder durch den Benutzer ausgewählt werden. Außerdem kann bei Einstellung der Bewegung die Herabsetzung der Auflösung quantitativ gesteuert werden. Dies ermöglicht ebenfalls dem Benutzer, einen Kompromiss zwischen Reduktion der Auflösung und der Moirè-Effekte zu realisieren.
Es ist wichtig anzumerken, dass eine einzige Translationsbewegung oder Rotation während der Aufzeichnung des Bildes ausreichend sein kann, um Moirè-Effekte zu reduzieren, jedoch hängt die optimale Bewegung von der speziellen Aufzeichnungssituation, dem speziellen Gegenstand, dem speziellen Bildsensor-Array etc. ab.
Bei Auswahl der Bewegung des Bildes gegenüber dem Bildsensor ist es gewöhnlich wichtig, dass die Bewegung nicht parallel zu Richtungen ausgeführt wird, die durch eine Struktur des Bildsensor-Array definiert sind.
Falls die Amplitude einer Translationskomponente viel geringer als eine Breite eines Bildsensorelementes ist, werden die durch einen Teil der Bildpunkte abgestrahlten Photonen in verschiedene Elemente verteilt, wodurch die Herabsetzung der Auflösung in dem resultierenden aufgezeichneten Bild unbedeutend wird. Eine Anhebung der Amplitude führt zu einer Erhöhung des Teils der Bildpunkte, aus denen Photonen in verschiedene Elemente verteilt werden, und ebenfalls zu einem Verlust der Auflösung. Die Amplitude kann angehoben werden, bis sämtliche Photonen von allen Bildpunkten in mindestens zwei unterschiedliche Elemente verteilt werden. Dies findet statt, wenn die Amplitude der Translationskomponente gleich der Hälfte der Breite der Elemente entlang der Richtung der Bewegungskomponente ist.
Ähnliche Erwägungen können in Bezug auf die Amplitude der Drehbewegungskomponenten gemacht werden, jedoch sind diese komplizierter, da die Verschiebung eines Elementes von seinem Abstand von der Drehachse abhängt.
Die Bewegung des Bildes gegenüber dem Bildsensor kann auf verschiedene Weise durchgeführt werden. Drei bevorzugte Möglichkeiten sind nachfolgend angegeben:

– translatorische und/oder rotatorische Bewegung der Bildsensor-Array,
– translatorische und/oder rotatorische Bewegung der Bilderzeugungseinrichtung wie z.B. einer Linse,
– translatorische und/oder rotatorische Bewegung einer Reflektionsanordnung wie z.B. eines Spiegels, welche das erzeugte Bild auf den Bildsensor reflektiert.

Die Bewegungen können unter Verwendung von einem oder mehreren Betätigungselementen in Kontakt mit der Komponente (wie z.B. dem Bildsensor, einer Linse oder einem Spiegel) durchgeführt werden, um eine Bewegung in der zuvor beschriebenen Weise auszuführen.
In einigen nachfolgend zu beschreibenden bevorzugten Ausführungen ist es der Bildsensor, der gegenüber dem erzeugten Bild und einem Gehäuse translatorisch bewegt wird. Bei dieser Ausführung bildet das Betätigungselement ein piezoelektrisches Element in Kontakt mit dem Bildsensor und dem Gehäuse. Piezoelektrische Elemente können gestapelt angeordnet sein, um eine größere Maximalamplitude der Translation zu erzeugen (siehe 13 in 8). Die Beschreibung dieses Ausführungsbeispiels deckt die in anderen Ausführungen benutzten Prinzipien und Techniken ab, wo die Bilderzeugungseinrichtung oder ein Ablenkungselement translatorisch bewegt oder gedreht wird oder wo das Betätigungselement einen Elektromotor aufweist. Beim Bildsensor kann es sich um ein CCD-Array oder ein CMOS-basiertes Bildsensor-Array handeln, und zwar vorzugsweise mit einer Farbfiltermaske, wie sie in 1 gezeigt ist (jedes Element im Array repräsentiert ein Sensorelement des CCD-Array, die Buchstaben R, G und B geben an, dass ein Sensorelement mit einem Farbfiltermaterial entsprechend den Farben rot, grün bzw. blau bedeckt ist).
Die Einrichtung zur Erzeugung des Bildes ist gewöhnlich in einem Gehäuse befestigt. Bei einer typischen Konfiguration wird das Bild in einer Bildebene parallel zum CCD-Array erzeugt. Wahlweise ist ein Spiegel zwischen der Bilderzeugungseinrichtung und dem CCD-Array angeordnet, so dass er das projizierte Bild auf das CCD-Array reflektiert.
Wie in 10 gezeigt ist, ist typischerweise ein Bilderzeugungssystem 50 in einem Gehäuse 44 befestigt. Das Bilderzeugungssystem 50 kann von jeder beliebigen Konfiguration sein. Das in 10 gezeigte Bilderzeugungssystem weist eine Linse 46 und ein Ablenkungselement wie z.B. einen Spiegel 48 auf. Das Bilderzeugungssystem 50 empfängt von einer Quelle 40 abgegebene Strahlung, die mit einem Objekt 42 in Wechselwirkung gestanden hat. Die exakte Anordnung der Quelle 40, des Objektes 42 und des Bilderzeugungssystems 50 hängt von der verwendeten Quelle, der Art der Wechselwirkung mit dem abzubildenden Objekt und der exakten Konfiguration des Bilderzeugungssystems 50 ab. In einer typischen Konfiguration wird das Bild in einer Bildebene parallel zum CCD-Array 10 erzeugt, so dass nur die Verwendung der Linse 46 erforderlich ist. Wahlweise ist ein Spiegel 48 zwischen dem Objekt 42 und dem CCD-Array 10 angeordnet, um das projizierte Bild auf das CCD-Array 10 abzulenken.
Bei einer in 6 gezeigten ersten Ausführung ist das CCD-Array in einem Gehäuse 16 mit zwei piezoelektrischen Elementen 12 und 14 angeordnet, die einen Kontakt zwischen dem Gehäuse und dem CCD-Array herstellen. Das eine Element 12 ist ausgeführt, um Bewegungen in der vertikalen y-Richtung zu induzieren und das andere Element 14 ist ausgelegt, um Bewegungen in der horizontalen x-Richtung zu induzieren. Beide Elemente sind über Leitungen 20 an einen Gerätetreiber 17 und eine Steuereinheit 18 angeschlossen. Die Steuereinheit 18 steuert die kennzeichnenden Parameter wie z.B. Start/Stop-Zeit und Amplitude, Frequenz und Phasenverschiebung von jeder der Translationskomponenten. Bei Anlegen einer Wechselspannung an die piezoelektrischen Elemente führt das CCD-Array ein Bewegungsmuster in der Bildebene aus, wie anhand der Beispiele in den 4 und 5 dargestellt ist. Der Gerätetreiber besteht aus elektroni schen Schaltungen zur Versorgung der Betätigungselemente mit Spannung, bei der Steuereinheit handelt es sich vorzugsweise um einen Mikroprozessor, kann aber auch eine Spannungsversorgungseinheit sein.
Bei der in 7 dargestellten zweiten Ausführung ist das CCD-Array 10 in einem Gehäuse 16 mit einem einzigen piezoelektrischen Element 15 angeordnet, das einen Kontakt zwischen dem Gehäuse und dem CCD-Array herstellt. Das Element 15 ist angeordnet, um Bewegungen des CCD-Array in einer Richtung zu induzieren, die in einem Winkel 22 gegenüber der x-Richtung verläuft. Wiederum ist das Element mit einem Gerätetreiber 17 und einer Steuereinheit 18, typischerweise einem Mikroprozessor, verdrahtet.
8 zeigt eine mögliche Implementierung des Gerätetreibers 17 in einem Stapel 13 von Piezoelementen. Bei Anlegen einer ersten Spannung an den Piezostapel 13 von Seiten der Steuereinheit 18 ermittelt ein Farbmesselement 30 die Bewegung des Piezostapels und steuert die Amplitude durch die Rückkopplungssteuerung 32 und den Operationsverstärker 26. Das Farbmesselement kann ebenfalls die Bewegung der Aufzeichnungsvorrichtung erfassen.
Einige Schritte in einem typischen Aufzeichnungsverfahren sind in 9 dargestellt. Der Benutzer aktiviert die Aufzeichnungsvorrichtung, wodurch z.B. ein elektrischer Impuls die Steuereinheit 18 unterrichtet. In Reaktion hierauf startet die Steuereinrichtung die Bewegung des CCD durch Anlegen einer variablen Spannung an den Piezostapel 13. Nachdem die Bewegung des CCD eingesetzt hat, wird die Aufzeichnung gestartet. Die Aufzeichnung wird beendet, während sich das CCD noch bewegt. Die Bewegung findet während der Aufzeichnung statt, jedoch braucht die temporäre Überlappung nicht abgeschlossen zu sein wie in 9.
Das Aufzeichnungssystem nach der vorliegenden Erfindung kann in einer Vielzahl von Anwendung, wie z.B. Digitalkameras, digitale Filmkameras wie digitale Videokameras, digitale Standbildkameras und Kameras oder Messvorrichtungen im Allgemeinen benutzt werden.

Claims

Vorrichtung zur Aufzeichnung eines Bildes eines Objektes, mit – einem Bildsensor (10) mit einer Gruppe von lichtempfindlichen Elementen, – einer Bilderzeugungseinrichtung (50) zur Bildung des Bildes am Bildsensor (10), – einer Bewegungseinrichtung (12, 14, 15) zur Bewegung des Bildsensors (10) gegenüber dem Bild während der Aufzeichnung des Bildes, und – einer Steuerungseinrichtung (17) zur selektiven Steuerung der Bewegung des Bildsensors (10) gegenüber dem Bild, wobei die Bewegung aus einer Mehrzahl von unterschiedlichen Bewegungen in Abhängigkeit von einem Moirè verursachenden Merkmal im abzubildenden Objekt ausgewählt ist.
Vorrichtung nach Anspruch 1, bei welcher die Steuerungseinrichtung (17) Mittel zur Steuerung einer Amplitude der Bewegung aufweist.
Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, bei welcher die Steuerungseinrichtung (17) Mittel zur Steuerung einer Frequenz der Bewegung aufweist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, bei welcher die Bewegung eine eindimensionale Bewegung ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, bei welche die Bewegung eine zweidimensionale Bewegung ist.
Vorrichtung nach einem der vorangegangenen Ansprüche, bei welcher die Bilderzeugungseinrichtung (50) ein bewegliches Teil (46, 48) zur Erzeugung der Bewegung aufweist.
Vorrichtung nach Anspruch 6, bei welcher die Bilderzeugungseinrichtung (50) ein piezoelektrisches Betätigungselement zur Bewegung des beweglichen Teils aufweist.
Vorrichtung nach Anspruch 6 oder 7, bei welcher das bewegliche Teil ein Ablenkelement (48) zur Ablenkung von das Bild erzeugendem Licht ist.
Vorrichtung nach einem der vorangegangenen Ansprüche, bei welcher der Bildsensor (10) lichtempfindliche Elemente aufweist, die in einer zweidimensionalen Matrix angeordnet sind.
Vorrichtung nach Anspruch 9, bei welcher die lichtempfindlichen Elemente des Bildsensors (10) mindestens teilweise von einer Farbfiltermaske bedeckt sind.
Vorrichtung nach einem der vorangegangenen Ansprüche, bei welcher der Bildsensor (10) beweglich ist.
Vorrichtung nach Anspruch 11, bei welcher die Bewegung des Bildsensors parallel zur Bildebene des Objektes stattfindet.
Verfahren zur Aufzeichnung eines Bildes eines Objektes, mit den Schritten, – das Bild auf einem Bildsensor (10), der eine Gruppe von lichtempfindlichen Elementen aufweist, mit einer Bilderzeugungseinrichtung zu bilden, – den Bildsensor gegenüber dem Bild während der Aufzeichnung des Bildes zu bewegen, – eine gewünschte Bewegung aus einer Vielzahl von unterschiedlichen Bewegungen in Abhängigkeit von einem Moirè verursachenden Merkmal im abzubildenden Objekt auszuwählen, und – die Bewegung des Bildsensors gegenüber dem Bild gemäß der Auswahl zu steuern.
Verfahren nach Anspruch 13, bei welchem der Auswahlschritt den Schritt aufweist, eine gewünschte Amplitude der Bewegung auszuwählen.
Verfahren nach Anspruch 13 oder 14, bei welchem der Auswahlschritt den Schritt aufweist, eine gewünschte Frequenz der Bewegung auszuwählen.
Verfahren nach einem der Ansprüche 13 bis 15, bei welchem die Bewegung eine eindimensionale Bewegung ist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 13 bis 15, bei welchem die Bewegung eine zweidimensionale Bewegung ist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 13 bis 17, bei welchem der Bewegungsschritt den Schritt aufweist, ein bewegliches Teil (46, 48) der Bilderzeugungseinrichtung (50) zu bewegen.
Verfahren nach einem der Ansprüche 13 bis 17, bei welchem der Bewegungsschritt den Schritt aufweist, den Bildsensor (10) zu bewegen.