WO2002017216A1 - Aufnahmesensor mit einer vielzahl von lichtempfindlichen zellen und verfahren zur aufnahme von bildern sowie dessen verwendung - Google Patents

Aufnahmesensor mit einer vielzahl von lichtempfindlichen zellen und verfahren zur aufnahme von bildern sowie dessen verwendung Download PDF

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WO2002017216A1
WO2002017216A1 PCT/DE2001/003060 DE0103060W WO0217216A1 WO 2002017216 A1 WO2002017216 A1 WO 2002017216A1 DE 0103060 W DE0103060 W DE 0103060W WO 0217216 A1 WO0217216 A1 WO 0217216A1
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color
cells
sensor
recording
sensitive
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PCT/DE2001/003060
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Inventor
Frank Müller
Jörg Küchen
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Gavitec Ag
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Publication date
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    • G—PHYSICS
    • G06—COMPUTING; CALCULATING OR COUNTING
    • G06K—GRAPHICAL DATA READING; PRESENTATION OF DATA; RECORD CARRIERS; HANDLING RECORD CARRIERS
    • G06K7/00—Methods or arrangements for sensing record carriers, e.g. for reading patterns
    • G06K7/10—Methods or arrangements for sensing record carriers, e.g. for reading patterns by electromagnetic radiation, e.g. optical sensing; by corpuscular radiation
    • G06K7/10544—Methods or arrangements for sensing record carriers, e.g. for reading patterns by electromagnetic radiation, e.g. optical sensing; by corpuscular radiation by scanning of the records by radiation in the optical part of the electromagnetic spectrum
    • G06K7/10821—Methods or arrangements for sensing record carriers, e.g. for reading patterns by electromagnetic radiation, e.g. optical sensing; by corpuscular radiation by scanning of the records by radiation in the optical part of the electromagnetic spectrum further details of bar or optical code scanning devices
    • G06K7/10841—Particularities of the light-sensitive elements

Definitions

  • Image sensor with a large number of light-sensitive cells and method for image acquisition and its use
  • the invention relates to a recording sensor with a plurality of light-sensitive cells (pixels), which are clearly assigned to one of at least two groups, and the groups are characterized by the spectral sensitivity of the cells belonging to them, and a method for recording images with a recording sensor and a use of a recording sensor for recording a colored image and for reading optical codes, in particular bar codes.
  • pixels light-sensitive cells
  • CCD sensors in CCD technology Charge Coupled Device
  • CMOS complementary Metal Oxide Semiconductor
  • CCD sensors represent the first generation of semiconductor image sensors and are increasingly being replaced by CMOS sensors of the second generation.
  • the main advantages of CMOS sensors compared to CCD sensors are the lower power consumption and significantly lower manufacturing costs.
  • CMOS technology was mainly used to manufacture logic circuits or memory chips. Because light-sensitive sensors can now be produced with the same technology that is used to manufacture logic circuits, it is possible to use CMOS technology to house a sensor together with logic circuits on the same chip. This possibility makes it possible, in particular, to integrate all of the logic required for controlling and reading out the sensor onto the sensor chip, which results in further cost savings.
  • CMOS complementary metal-oxide-semiconductor
  • the structure width has a major influence on the minimum size of a single light-sensitive cell, hereinafter also referred to as pixels. Since the size of the individual pixels has a significant influence on the size of the sensor, CMOS sensors can only be produced economically if the structure width in the Structure of the sensor body of the manufacturing process is not significantly higher than about 1 mm. Due to continuous improvements in the CMOS manufacturing process, much smaller structure widths such as 0.5 mm to 0.13 mm are achieved today. Among other things, this enables the production of sensors with a correspondingly smaller pixel size.
  • the light-sensitive cells of the CMOS sensor are originally not color-sensitive. Therefore, only black and white pictures can be taken without further modification.
  • the surface of the sensor is provided with a colored filter layer. With this layer, the light-sensitive sensor surface is colored in different colors.
  • Each pixel is colored with one of the three colors red, green or blue.
  • a special pattern that is regularly repeated on the sensor eg Bayer pattern
  • Applying the colored filter layer achieves a different spectral sensitivity of the individual pixels, which in turn enables the recording of colored images.
  • the pure gray value information luminance
  • the sensors For use in code reading systems, the sensors have to meet other requirements. In order to be able to read high-resolution codes securely, a resolution of 640 x 480 pixels is the minimum for area sensors, i.e. a total of over 300,000 pixels. In addition, in the current state of the art, only pure black and white sensors are used for code reading.
  • sensors that are manufactured for the use of consumer devices are generally not suitable for code reading.
  • sensors that are manufactured for the use of code readers are unsuitable for most consumer devices. This is because code readers contain line sensors with which image recording is not possible, or because they are black and white sensors that are not suitable for recording colored images.
  • a recording sensor which is equally suitable for recording colored images, in particular digital photographs or digital videos, and for the acquisition of optical codes, in particular bar codes.
  • the above object is achieved in that a recording sensor has a multiplicity of light-sensitive cells (pixels), these being clearly assigned to one of at least two groups and the groups being characterized by the spectral sensitivity of the cells belonging to them, the spectral sensitivity the photosensitive cells from at least one group have a broadband profile and the spectral sensitivity of the photosensitive cells from at least one other group has a narrowband profile.
  • the recording sensor thus produced comprises color-sensitive cell areas and "color-blind” light-sensitive cell areas.
  • the color light-sensitive areas are preferably used for image recording and the "color-blind” cell areas are preferably used for code reading of optical codes.
  • the "color-blind" light-sensitive cell areas due to the lack of a color layer can also have a positive effect on image recording, since for the determination of luminance and chrominance at the location Pixels the values of the neighboring pixels are also taken into account anyway.
  • a typical Internet camera does not have to have a higher resolution than approximately 352 x 288 pixels (CIF) or 640 x 480 pixels (VGA), since the image quality resulting from a finer resolution could not be used in most applications of such cameras anyway. This is partly due to the low data transfer rates that can be achieved via the Internet.
  • An inexpensive embodiment of an Internet camera therefore typically only has a relatively narrow-band and therefore inexpensive interface for connection to a PC.
  • the color-light-sensitive cells can simultaneously take colored images, and the "color-blind" cells can acquire optical codes, in particular barcodes. It is advantageous if the color-light-insensitive cells are designed to be smaller than the color-light-sensitive cells, so that less chip area is required for the same number of cells, and the use of the color-light-sensitive cell areas for color image recording is thereby only slightly impaired.
  • the arrangement of small cells also has the advantage that the resolution is increased compared to large cells.
  • the associated reduction in the sensitivity of the cells is compensated for by the lack of the colored filter layer.
  • the cell area of the color-insensitive cells comprises cell lines in the manner of a line sensor.
  • the line sensor can contain 3000 pixels, for example.
  • An embodiment variant provides that at least one cell line has at least two color-insensitive cell rows running in parallel.
  • a line-shaped cell area consists of several, preferably two, parallel rows of color-insensitive cells, which in turn are formed by color-blind cells arranged in a line.
  • the parallel cell rows increase, among other things, the spatial resolution of the sensor. It is particularly advantageous if cells of the cell rows are arranged offset to one another. In this case, the individual cells of the parallel cell rows described above only need to be arranged offset from one another, for example, only by a fraction of the extent of an individual cell, since such an arrangement further increases the spatial resolution along the linear region.
  • the determined values of the individual cells are preferably processed only by means of a suitable calculation, for example to compensate for the different positioning of the individual cells in relation to one another.
  • the staggered arrangement of the cells relative to one another makes it possible to resolve much finer structures along the linear region.
  • Such use of the line-shaped, color-blind areas also means that smaller and / or more finely resolved optical codes can be read significantly better.
  • the color-insensitive cells or the line-shaped regions can be arranged in different directions or intersecting. This significantly improves the omnidirectional reading of a bar code.
  • a line picked up by a line sensor is resolved approximately five times higher than a single line of a color area sensor which contains approximately a hundred times as many cells. holds. If you compare the effective resolutions, there is an even more favorable ratio in favor of the line sensor because the color layer is usually omitted from the line sensors.
  • the color light-sensitive cells are arranged on the recording sensor in a square grid, this is advantageous when taking pictures. In particular, such an arrangement has a positive effect on reducing the distortion of the color image.
  • the color-light-sensitive cells can also take over a “viewfinder function”, which has an advantageous effect on the operation of a camera.
  • the light-sensitive cells are arranged on a square grid and no filter layer is arranged on every third cell row.
  • the entire sensor area can thus be used for image recording, since the color information at the location of the color-insensitive cells can be determined by interpolation from the values of the cell row above and below. As a result, only minor changes are required in the manufacturing process of the commercially available color sensor.
  • a commercially available area sensor has a color-insensitive line sensor outside of the color light-sensitive area. Because both embodiments of photosensitive cells are attached to the same piece of silicon (acquisition sensor). are arranged, there are only small additional costs for mass production.
  • the camera is equipped with two separate lenses or a special bifocal lens.
  • a first adjustable lens for image recording which, depending on the distance between the camera and a scene to be recorded, enables the image to be focused.
  • a second fixed focus lens can then be used for barcode reading, which lens is fixed to the close range. It is thereby achieved that a bar code, which is located in the field of view of the color light-sensitive sensor due to the projection of the first lens, can be projected from the second lens onto the color-insensitive part of the sensor.
  • the cells are elongated. Due to the elongated shape and narrow width associated with this, the cell receives a higher resolution. Because the height of the cell is greater than the width of the cell, the cell's sensitivity remains relatively high. A rectangular embodiment of the color-insensitive cells is preferred.
  • a further embodiment variant provides that at least some of the color-insensitive cells are arranged outside a color-light-sensitive area, in particular outside a rectangular grid of color-sensitive cells.
  • the sensor and the light-sensitive area of the sensor typically have a rectangular shape.
  • the rectangular shape of the sensor enables good use of the wafer area.
  • the rectangular shape of the light-sensitive area enables pictures to be taken with a rectangular border. The latter is advantageous because a human viewer is used to rectangular image formats.
  • a rectangular arrangement of the colored light-sensitive areas is also advantageous, since these areas are used for image recording and dominate rectangular formats for image reproduction.
  • the color-insensitive cell lines protrude beyond the outer edge of the preferably rectangular colored light-sensitive cell area. Extending the color-insensitive cell lines beyond the color-light-sensitive area of the recording sensor has the great advantage that the area active for code reading is increased in the field of view of the sensor, which means that codes that are not completely in the rectangular color-selective area of the sensor can also be read advantageously Sensors.
  • the extended cell lines only require a very small installation space, there remains on the edge surface of the sensor, i.e. around the colored light sensitive cell area around the sensor, also a sufficiently large free area to continue to arrange logic circuits there, for example.
  • a logic circuit which is preferably used for decoding optical codes, is arranged on the recording sensor, preferably on a light-insensitive area of the recording sensor. It is particularly advantageous here that no further computing unit has to be connected downstream of the recording sensor to read the optical code, since the code is decoded directly on the recording sensor. This results in a certain amount of data compression.
  • the high data compression results, among other things, from the fact that the amount of data from the values of all light-sensitive cells that were used for code reading is significantly larger than the amount of data that consists of the characters of the decoded code. This has the advantage that the additional - real or virtual - interface required for the code reading can be produced on the recording sensor in a narrow-band manner and thus much more simply and cost-effectively.
  • the object of the invention is also achieved by a method for recording images with a recording sensor according to one of claims 1 to 13, wherein at least one light-sensitive cell of the recording sensor has a different length during image recording is exposed. Numerous attempts to increase the image quality have shown that it is advantageous to expose the light-sensitive cells to different lengths.
  • color-insensitive cells and color-sensitive cells of the recording sensor are exposed for different lengths of time during image recording.
  • the color-insensitive cells are exposed to light for a shorter time than the color-sensitive cells of the recording sensor. This results, inter alia, in an improved tolerance with regard to a too rapid relative movement between the recording sensor and a code when reading the code, so that with a corresponding exposure time there is substantially less motion blur.
  • the color-blind cells are more sensitive to light than the color-selective cells. This results in the possibility of exposing the color-blind cells to shorter times than the color-selective cells because of the higher sensitivity to light.
  • a shorter exposure time of the color-blind cells is advantageous in that it reduces, for example, the blurring caused by an unfavorable movement of the recording sensor. If, for example, the code attached to an object moves in a disadvantageous manner with respect to the recording system comprising the recording sensor during the recording, this leads to a corresponding motion blur. If the movement is too fast, this makes reading the bar code impossible.
  • the shorter exposure time enables the reading of the code in such cases due to the reduced motion blur.
  • a recording sensor for recording a colored image and for reading optical codes in particular bar codes, is proposed, in which the photosensitive cells belonging to the groups characterized by narrow-band spectral course for recording the colored images and the the group belonging to the group characterized by broadband spectral course are used for reading the optical codes.
  • an Internet camera which is equipped with the recording sensor according to the invention, is connected to a PC and used for recording images and videos.
  • the user can also use a program on the PC that receives the signals from the evaluates color-insensitive cells. If this program is a program for reading barcodes, the user can point the camera at this barcode or hold a barcode in front of the camera.
  • the image transmission function of the camera serves the user as a "viewfinder". It can thus be checked on the screen whether the barcode is in the field of view of the camera.
  • the signals supplied by the color-insensitive cells are transmitted to the PC, the barcode contained therein is decoded and displayed and / or made available at another interface for further use. If the camera contains a device for decoding bar codes, the signals supplied by the color-insensitive cells can also be decoded by this device and the decoded bar code can be transmitted to the PC.
  • the recording sensor When using the recording sensor according to the invention, it is advantageous that all cells, that is to say the color-sensitive as well as the color-insensitive cells, can be used to record colored images, since the color-insensitive cells can extract the color information from the row of pixels above and below ,
  • 1 shows a recording sensor in which color-insensitive cell areas alternate with color-sensitive cell areas
  • Figure 2 each have two adjacent color-sensitive cell areas, which alternate with a color-insensitive cell area;
  • FIG. 3 shows a commercially available area sensor with color-sensitive cells, on which an area of color-insensitive cells (line sensor) is arranged;
  • Figure 4 large and small pixels in an exemplary arrangement
  • FIG. 5 color light-sensitive pixels on a square grid
  • FIG. 6 large and small pixels in a further exemplary arrangement
  • FIG. 7 shows a line-shaped arrangement of color-insensitive pixels
  • FIG. 8 shows a detail of the color-insensitive pixels shown in FIG. 7 in a rectangular, elongated embodiment
  • FIG. 9 shows a further linear arrangement of two color-insensitive cell rows guided in parallel
  • FIG. 10 shows a detail of the cell row shown in FIG. 9;
  • FIG. 11 shows a recording sensor with color-blind cell lines which protrude beyond a color-selective cell area
  • FIG. 12 shows an alternatively designed recording sensor with color-blind cell lines, which also protrude beyond a color-selective cell area.
  • the recording sensor 2 shown in FIG. 1 consists of a silicon layer 3 and a multiplicity of photosensitive cell rows 4, 5, 6.
  • the multiplicity of photosensitive cell rows 4, 5, 6 is arranged in such a way that there is in each case a row 7 of color-sensitive cells alternate with a row 8 of color-insensitive cells in their arrangement.
  • the recording sensor 9 shown in FIG. 2 shows a variant in which two rows 10 and 11 of color light-sensitive cells are arranged side by side and alternate with one row 12 color-insensitive cells.
  • FIG. 3 shows a variant of a recording sensor 13, in which a surface 14 is designed only with color-sensitive cells 15, 16 (shown as examples). On this surface 14 there is a row 17 with colored arranged in sensitive cells. Both the color-insensitive cells and the color-sensitive cells are located on a single piece of silicon 18.
  • FIG. 4 shows in a section 19 an arrangement of large pixels 20 provided with a colored filter layer, which are arranged in a very specific pattern, such as e.g. the "Bayer pattern" shown here.
  • a very specific pattern such as e.g. the "Bayer pattern” shown here.
  • green pixels 21 (G) red pixels 22 (R) and blue pixels 23 (B) are arranged side by side.
  • Small pixels 24 are arranged in horizontal and vertical alignment between the large pixels 20.
  • the small pixels 24 are not sensitive to color.
  • the horizontal and vertical arrangement makes it easier to read barcodes that are oriented differently.
  • FIG. 5 An arrangement of a plurality of pixels is shown in a section 25 in FIG. 5, the pixels 26 themselves having a rectangular shape, but being arranged on a square grid — indicated by a multiplicity of spacing lines 27.
  • FIG. 6 shows a section 28 in which a further exemplary arrangement of pixels is shown.
  • the line-shaped arrangement 29 of small color-insensitive pixels in a horizontal position can be clearly seen. It is made clear once again that large and small pixels can be arranged on one sensor.
  • FIG. 7 shows a section 30 of a sensor, the color-insensitive pixels 31 being of rectangular shape. This elongated construction makes the Pixel 31 particularly well suited for reading optical codes.
  • the linear arrangement of the pixels 31 is particularly advantageous, similar to a line sensor.
  • FIG. 8 again illustrates the dimensions of the pixels 31 from FIG. 7. Since the width a of the pixels 31 is decisive for the quality of the resolution, a correspondingly narrow width is also chosen for these pixels 31. By selecting a correspondingly larger height b of the pixels 31, a high sensitivity is also ensured at the same time, since the sensitivity is essentially proportional to the area a * b. This gives an advantage over the square pixels.
  • the pixels are arranged in a square grid.
  • the color-insensitive pixels can be arranged between the lines of the color-sensitive pixels.
  • the color-sensitive pixels are designed to be rectangular, so that there is space for the color-insensitive pixels when arranged on a square grid. It is advantageous in the arrangement according to FIG. 2 that the entirety of the pixels is used for the color image recording.
  • the color information at the location of a color-insensitive pixel is determined from the values of the color-sensitive pixels above and below it.
  • An advantage of the embodiment of the recording sensor shown in FIG. 3 is that a commercially available color light-sensitive area sensor is expanded by a color-insensitive line sensor.
  • the color light-sensitive area sensor and the color-insensitive line sensor are arranged on the same piece of silicon during the manufacture of the sensor. This means that there are only minor additional costs for mass production.
  • the recording sensor 32 in FIG. 9 has two parallel rows of cells 33 and 34 which are insensitive to color light and which form a cell line.
  • the individual cells of the respective cell rows 33 and 34 are offset from one another by half their width.
  • the recording sensor 32 has a color-insensitive cell 35, next to which two color-insensitive cells 36 and 37 are arranged in parallel.
  • the color-insensitive cells 35 and 36 or 37 are not immediately parallel to one another at the same height, but the cell 36 only extends approximately to the middle of the cell 35, the cell 37 immediately following the cell 36 and thus also only approximately up to the Center line 38 of cell 35 is sufficient.
  • the image sensor 39 shown in FIG. 11 has a large number of light-sensitive cells which are arranged in a rectangular grid 40.
  • a multiplicity of color light-insensitive cell lines 41 and 42 protrude beyond the edge 40 A of the rectangular grid 40.
  • the pick-up sensor 43 of FIG. 12 has a polygonal shape and illustrates that a pick-up sensor 43 does not necessarily have to be rectangular. Rather, a recording sensor 43 can be designed in a variety of ways.
  • the recording sensor 43 has an area 44 with mainly color light-sensitive cells, approximately in the middle, the area 44 being crossed by a plurality of color light-insensitive cell lines 45 (here numbered only by way of example).
  • the hexagonal shape of the recording sensor 43 enables the wafer surface to be used just as well as a rectangular embodiment.
  • the polygonal shape, especially the hexagonal shape is approaching but better a circular shape than a rectangular shape, so that essentially the same color-blind cell lines 41, 42, 45 can be arranged on the recording sensor 43. This is particularly advantageous for code reading, since it makes the maximum extent of an optical code that can still be read independent of the orientation of the code in the field of view of the recording sensor.

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Abstract

Um das Einlesen eines optischen Codes bei gleichzeitiger Bildaufnahme zu ermöglichen, schlägt die Erfindung vor, dass ein Aufnahmesensor eine Vielzahl von lichtempfindlichen Zellen, die eindeutig einer von mindestens zwei Gruppen zugeordnet sind, beinhaltet und die Gruppen durch die spektrale Empfindlichkeit der zu ihnen gehörigen Zellen gekennzeichnet sind, wobei die spektrale Empfindlichkeit der lichtempfindlichen Zellen aus mindestens einer Gruppe einen breitbandigen Verlauf aufweist, und die spektrale Empfindlichkeit der lichtempfindlichen Zellen aus mindestens einer weiteren Gruppe einen schmalbandigen Verlauf aufweist.

Description

Aufnahmesensor mit einer Vielzahl von lichtempfindlichen Zellen und Verfahren zur Aufnahme von Bildern sowie dessen Verwendung
Die Erfindung betrifft einen Aufhahmesensor mit einer Vielzahl von lichtempfindlichen Zellen (Pixel), die eindeutig einer von mindestens zwei Gruppen zugeordnet sind, und die Gruppen durch die spektrale Empfindlichkeit der zu ihnen gehörigen Zellen gekennzeichnet sind und ein Verfahren zum Aufhehmen von Bildern mit einem Aufhahmesensor sowie eine Verwendung eines Aufhahmesensors zur Aufnahme eines farbigen Bildes und zur Lesung von optischen Codes, insbesondere Barcodes.
Das Hauptaufgabengebiet von Aufhahmesensoren liegt in der Bildaufnahme unterschiedlichster Motive. Dabei unterscheiden sich die Anforderungen an die Sensoren zur Bildaufhahme von den Anforderungen an Sensoren zur Lesung optischer Codes. Deshalb werden gegenwärtig für diese verschiedenen Einsatzbereiche auch verschiedene Sensoren entwi- ekelt und hergestellt. Insbesondere zur Lesung von Barcodes werden heute neben Flächensensoren auch sogenannte Zeilensensoren verwendet.
Für eine Vielzahl von Bildaufhahmesystemen, beispielsweise Videokameras, digitalen Fotoapparaten und Internet-Kameras, werden Halbleitersensoren in CCD - Technologie (Charged Coupled Device) oder in CMOS - Technologie (Complementary Metal Oxide Semiconductor) verwendet. CCD - Sensoren stellen die erste Generation von Halbleiterbildsensoren dar und werden zunehmend von CMOS - Sensoren der zweiten Generation abgelöst. Wesentliche Vorteile von CMOS - Sensoren gegenüber CCD - Sensoren bestehen in der geringeren Leistungsaufnahme und deutlich geringeren Herstellungskosten.
Ursprünglich wurde die CMOS - Technologie hauptsächlich eingesetzt, um logische Schaltkreise oder Speicherchips herzustellen. Dadurch, dass sich mit der gleichen Technologie, die zur Herstellung von Logikschalt- kreisen verwendet wird, nun auch lichtempfindliche Sensoren herstellen lassen, ist es unter Verwendung der CMOS - Technologie möglich, einen Sensor zusammen mit Logikschaltkreisen auf demselben Chip unterzubringen. Diese Möglichkeit erlaubt es insbesondere, die gesamte zur An- steuerung und Auslesung des Sensors erforderliche Logik auf den Sensor- chip zu integrieren, wodurch sich weitere Kosteneinsparungen ergeben.
Da CMOS heute die wirtschaftlich bedeutendste Halbleitertechnologie darstellt, entwickelt sich diese Technologie rasant, was sich unter anderem auch in den stetig kleiner werdenden Strukturbreiten im Aufbau der Sensoren äußert. Bei CMOS - Sensoren hat die Strukturbreite wesentli- chen Einfluss auf die minimale Größe einer einzelnen lichtempfindlichen Zelle, im Nachfolgenden auch Pixel genannt. Da die Größe der einzelnen Pixel wesentlichen Einfluss auf die Größe des Sensors hat, sind CMOS - Sensoren nur dann wirtschaftlich herstellbar, wenn die Strukturbreite im Aufbau des Sensorkörpers des Fertigungsprozesses nicht wesentlich höher ist als etwa 1 mm. Aufgrund stetiger Verbesserungen des CMOS - Herstellungsprozesses werden heute weitaus kleinere Strukturbreiten wie z.B. 0,5 mm bis 0,13 mm erzielt. Dies ermöglicht unter anderem auch die Herstellung von Sensoren mit entsprechend kleinerer Pixelgröße.
Die lichtempfindlichen Zellen des CMOS - Sensors sind ursprünglich nicht farbempfindlich. Es lassen sich daher ohne weitere Modifikation nur schwarz/weiße Bilder aufnehmen. Um auch farbige Bilder aufnehmen zu können, wird die Fläche des Sensors mit einer farbigen Filterschicht ver- sehen. Mit dieser Schicht wird die lichtempfindliche Sensorfläche verschiedenfarbig eingefärbt.
Jedes Pixel wird dabei mit einer der drei Farben rot, grün oder blau eingefärbt. Man verwendet dabei ein spezielles, sich auf dem Sensor regelmäßig wiederholendes Muster (z.B. Bayer pattern). Durch den Auftrag der farbigen Filter Schicht erreicht man eine unterschiedliche spektrale Empfindlichkeit der einzelnen Pixel, wodurch wiederum die Aufnahme von farbigen Bildern ermöglicht wird. Jedoch verringert sich dadurch die effektive Auflösung des Sensors erheblich. Das liegt daran, dass der Wert jedes Pixels nur einen Rückschluss auf die Lichtintensität einer bestimm- ten Farbe zulässt. Ist ein Pixel beispielsweise grün eingefärbt, kann mit diesem Pixel die Grünkomponente an dieser Stelle bestimmt werden. Die Blaukomponente und die Rotkomponente werden an dieser Stelle nicht gemessen und werden stattdessen aus den Werten der blau bzw. rot einge- färbten Pixel in der Umgebung des betrachteten grün eingefärbten Pixel geschätzt. Die reine Grauwertinformation (Luminanz) wird wiederum durch eine gewichtete Mittelung der drei Farbkomponenten (rot, grün, blau) bestimmt.
Für den Einsatz in Codelesesystemen müssen die Sensoren zum Teil andere Anforderungen erfüllen. Um auch hochauflösende Codes sicher lesen zu können, gilt bei Flächensensoren eine Auflösung von 640 x 480 Pixel als Minimum, insgesamt also über 300.000 Pixel. Außerdem werden bei dem heutigen Stand der Technik nur reine schwarz/weiß Sensoren zur Codelesung verwendet.
Aufgrund der geringen effektiven Auflösungen sind Sensoren, die für den Einsatz von Konsumgeräten hergestellt werden, im allgemeinen nicht ohne weiteres zur Codelesung geeignet. Andererseits sind Sensoren, die für den Einsatz von Codelesegeräten hergestellt werden, für die meisten Kon- sumgeräte ungeeignet. Dies resultiert daher, weil Codelesegeräte Zeilensensoren beinhalten, mit denen eine Bildaufhahme nicht möglich ist, oder weil es sich um schwarz/weiß Sensoren handelt, die sich nicht zur Aufnahme farbiger Bilder eignen.
Es ist somit Aufgabe vorliegender Erfindung, einen Aufhahmesensor be- reitzustellen, der sich gleichermaßen zur Aufnahme farbiger Bilder, insbesondere digitaler Fotografien oder digitaler Videos, und zur Akquisition von optischen Codes, insbesondere Barcodes eignet. Erfindungsgemäß ist die obige Aufgabe dadurch gelöst, dass ein Aufnahmesensor eine Vielzahl von lichtempfindlichen Zellen (Pixel) aufweist, wobei diese eindeutig einer von mindestens zwei Gruppen zugeordnet sind und die Gruppen durch die spektrale Empfindlichkeit der zu ihnen gehörigen Zellen gekennzeichnet sind, wobei die spektrale Empfindlichkeit der lichtempfindlichen Zellen aus mindestens einer Gruppe einen breitbandigen Verlauf aufweist und die spektrale Empfindlichkeit der lichtempfindlichen Zellen aus mindestens einer weiteren Gruppe einen schmalbandigen Verlauf aufweist.
Dies bedeutet, dass der Fertigungsprozess von lichtempfindlichen Halbleitersensoren, deren lichtempfindliche Zellen durch Aufbringen einer farbigen Filterschicht farbempfindlich gemacht werden, dergestalt geändert wird, dass manche Bereiche von der farbigen Filterschicht ausgenommen werden, oder lediglich mit einer klaren, durchsichtigen Schicht versehen werden.
Erfindungsgemäß umfasst der hergestellte Aufhahmesensor somit farblichtempfindliche Zellenbereiche und "farbblinde" lichtempfindliche Zellenbereiche. Dabei werden die farblichtempfindlichen Bereiche vorzugsweise zur Bildaufhahme verwendet und die "farbblinden" Zellenbereiche werden vorzugsweise zur Codelesung von optischen Codes verwendet. Die aufgrund der fehlenden Farbschicht "farbblinden" lichtempfindlichen Zellenbereiche können hierbei auch bei der Bildaufhahme positiv mitwirken, da für die Bestimmung von Luminanz und Chrominanz am Ort eines Pixels ohnehin die Werte der benachbarten Pixel mit herangezogen werden.
Daraus ergibt sich der Vorteil, dass in den Geräten für den Konsumentenmarkt für Aufnahmen von Bildern auch weiterhin preiswert herstellba- re Flächensensoren mit niedriger Ortsauflösung verwendet werden können.
So muss beispielsweise eine typische Internet Kamera keine höhere Auflösung als etwa 352 x 288 Pixel (CIF) oder 640 x 480 Pixel (VGA) aufweisen, da sich die durch eine feinere Auflösung ergebende Bildqualität bei den meisten Anwendungen solcher Kameras ohnehin nicht nutzen ließe. Dies liegt unter anderem an den geringen Datenübertragungsraten, die sich über das Internet erzielen lassen. Eine preiswerte Ausgestaltung einer Internet Kamera verfügt deshalb typischerweise auch nur über eine relativ schmalbandige und damit preiswerte Schnittstelle zur Verbindung mit ei- nem PC.
Der Vorteil der "farbblinden" Zellenbereiche besteht darin, dass ihre Empfindlichkeit nicht durch eine Filter Schicht verringert wird. Auch ihre ursprüngliche effektive Ortsauflösung bleibt erhalten.
Vorteilhaft ist weiterhin, dass gleichzeitig die farblichtempfindlichen Zel- len farbige Bilder aufnehmen können, und dabei die "farbblinden" Zellen optische Codes, insbesondere Barcodes, akquirieren können. Dabei ist es vorteilhaft, wenn die farblichtunempfindlichen Zellen kleiner ausgestaltet sind als die farblichtempfindlichen Zellen, so dass bei gleicher Zellenzahl weniger Chipfläche beansprucht wird, und dadurch die Verwendung der farblichtempfindlichen Zellbereiche zur Farbbildauf- nähme nur geringfügig beeinträchtigt wird.
Die Anordnung kleiner Zellen hat auch den Vorteil, dass die Auflösung gegenüber großen Zellen gesteigert wird. Die damit einhergehende Verringerung der Empfindlichkeit der Zellen wird dabei durch das Fehlen der farbigen Filterschicht ausgeglichen.
Wenn die farbblinden Zellenbereiche beispielsweise zur Akquisition von eindimensionalen Codes (z.B. Barcodes) verwendet werden, ist es vorteilhaft, wenn der Zellenbereich der farbunempfindlichen Zellen, nach Art eines Zeilensensors, Zellenlinien umfasst. Der Zeilensensor kann hierbei zum Beispiel 3000 Pixel beinhalten.
Eine Ausführungsvariante sieht vor, dass wenigstens eine Zellenlinie wenigstens zwei parallel verlaufende farbunempfindliche Zellenreihen aufweist. Ein linienförmiger Zellenbereich besteht hierbei aus mehreren, vorzugsweise zwei, parallelen Reihen von farbunempfindlichen Zellen, die ihrerseits durch linienförmig angeordnete, farbblinde Zellen gebildet sind. Durch die parallel verlaufenden Zellenreihen wird unter anderem die Ortsauflösung des Auf ahmesensors erhöht. Besonders vorteilhaft ist es, wenn Zellen der Zellenreihen versetzt zueinander angeordnet sind. Hierbei brauchen die einzelnen Zellen der vorhergehend beschriebenen parallelen Zellenreihen beispielsweise jeweils nur um einen Bruchteil der Ausdehnung einer einzelnen Zelle versetzt zuein- ander angeordnet zu sein, da eine derartige Anordnung die Ortsauflösung entlang des linienförmigen Bereiches weiter steigert. Vorzugsweise werden die ermittelten Werte der einzelnen Zellen lediglich durch eine geeignete Verrechnung bearbeitet, um beispielsweise die unterschiedliche Positionierung der einzelnen Zellen zueinander auszugleichen.
Insbesondere durch die versetzte Anordnung der Zellen zueinander werden wesentlich feinere Strukturen entlang des linienförmigen Bereiches auflösbar. Eine derartige Verwendung der linienförmigen, farbblinden Bereiche bedeutet des Weiteren, dass kleinere und/oder feiner aufgelöste optische Codes deutlich besser gelesen werden können.
Um eine Lesung der optischen Codes in unterschiedlichen Richtungen zu erleichtern, können die farbunempfindlichen Zellen bzw. die linienförmigen Bereiche in verschiedenen Richtungen bzw. sich kreuzend angeordnet sein. Hierdurch wird eine omnidirektionale Lesung eines Barcodes wesentlich verbessert.
Vorteilhaft ist es hierbei auch, dass eine von einem Zeilensensor aufgenommene Zeile ca. fünfmal höher aufgelöst wird, als eine einzelne Zeile eines Farbflächensensors, der ungefähr hundertmal so viele Zellen ent- hält. Vergleicht man die effektiven Auflösungen, ergibt sich ein noch günstigeres Verhältnis zugunsten des Zeilensensors, weil bei den Zeilensensoren die Farbschicht üblicherweise weggelassen wird.
Wenn die farblichtempfindlichen Zellen auf dem Aufhahmesensor in ei- nem quadratischen Raster angeordnet sind, ist dies vorteilhaft bei der Aufnahme von Bildern. Insbesondere wirkt sich eine derartige Anordnung positiv hinsichtlich einer Verzerrungsreduzierung des Farbbildes aus. Die farblichtempfindlichen Zellen können bei einer beabsichtigten Barcodelesung außerdem eine „ Sucher funktion" übernehmen, was sich vorteilhaft auf die Bedienung einer Kamera auswirkt.
Vorteilhaft ist es auch, wenn die lichtempfindlichen Zellen auf einem quadratischen Raster angeordnet sind, und an jeder dritten Zellen-Zeile keine Filterschicht angeordnet ist. So kann die gesamte Sensorfläche zur Bildaufhahme verwendet werden, da die Farbinformation an der Stelle der farbunempfindlichen Zellen durch Interpolation aus den Werten der darüber und darunter liegenden Zellenreihe bestimmt werden kann. Dadurch sind an dem Herstellungsprozess des marktüblichen Farbsensors nur geringe Veränderungen erforderlich.
Weiterhin ist es vorteilhaft, wenn ein marktüblicher Flächensensor außer- halb der farblichtempfindlichen Fläche einen farbunempfindlichen Zeilensensor aufweist. Dadurch, dass beide Ausführungsformen von lichtempfindlichen Zellen auf dem selben Stück Silizium (Aufnahmesensor) ange- ordnet sind, entstehen bei einer Massenfertigung nur geringe zusätzliche Kosten.
Dabei ist es vorteilhaft, wenn die Kamera mit zwei getrennten Linsen oder einer speziellen Bifokal-Linse ausgestattet ist. So ist es beispielswei- se möglich, zur Bildaufhahme eine erste verstellbare Linse einzusetzen, die in Abhängigkeit von der Entfernung zwischen der Kamera und einer aufzunehmenden Szene eine Scharfstellung des Bildes ermöglicht.
Zur Barcodelesung kann dann eine zweite Fixfokus-Linse verwendet werden, die fest auf den Nahbereich eingestellt ist. Dadurch wird erreicht, dass ein Barcode, der sich durch die Projektion der ersten Linse im Sichtfeld des farblichtempfindlichen Sensors befindet, von der zweiten Linse auf den farbunempfindlichen Teil des Sensors projizieren lässt.
Bei der Gestaltung der farbunempfindlichen Zellen ist es vorteilhaft, wenn die Zellen länglich ausgebildet sind. Durch die damit erzielte längliche Gestalt und der damit verbundenen schmalen Breite, erhält die Zelle eine höhere Auflösung. Dadurch, dass die Höhe der Zelle aber größer ist, als die Breite der Zelle, bleibt eine relativ hohe Empfindlichkeit der Zelle erhalten. Bevorzugt ist hierbei eine rechteckige Ausführungsform der farbunempfindlichen Zellen.
Es versteht sich, dass diese Vorteile auch hinsichtlich einer länglich ausgebildeten farblichtempfindlichen Zelle zutreffen. Eine weitere Ausführungsvariante sieht vor, dass wenigstens ein Teil der farbunempfindlichen Zellen außerhalb eines farblichtempfindlichen Bereiches, insbesondere außerhalb eines rechteckigen Rasters farbempfindlicher Zellen, angeordnet ist. Typischer Weise haben der Sensor wie auch der lichtempfindliche Bereich des Sensors eine rechteckige Form. Die rechteckige Form des Sensors ermöglicht hierbei eine gute Ausnutzung der Waferfläche. Die rechteckige Form des lichtempfindlichen Bereiches ermöglicht die Aufnahme von Bildern mit einer rechteckigen Berandung. Letzteres ist vorteilhaft, da ein menschlicher Betrachter an rechteckige Bildformate gewöhnt ist. Beim erfindungsgemäßen Sensor ist ebenfalls eine rechteckförmige Anordnung der farblichtempfindlichen Bereiches vorteilhaft, da diese Bereiche der Bildaufhahme dienen und für die Bildwiedergabe rechteckförmige Formate dominieren.
Besonders vorteilhaft ist es, wenn hierbei die farbunempfindlichen Zellen- linien bis über den äußeren Rand des vorzugsweise rechteckförmigen farblichtempfindlichen Zellenbereiches hinausragen. Ein Verlängern der farbunempfindlichen Zellenlinien über den farblichtempfindlichen Bereich des Aufnahmesensors hinaus, hat den großen Vorteil, dass der für die Codelesung aktive Bereich im Sichtbereich des Sensors erhöht wird, wo- durch auch Codes vorteilhaft gelesen werden können, die nicht vollständig im rechteckförmigen farbselektiven Bereich des Sensors liegen.
Da die verlängerten Zellenlinien nur einen sehr schmalen Bauraum benötigen, verbleibt an der Randfläche des Sensors, also um den farblichtemp- findlichen Zellenbereich des Sensors herum, auch weiterhin ein ausreichend großer freier Bereich, um dort beispielsweise auch weiterhin Logikschaltungen anzuordnen.
Es ist nach der Erfindung weiter vorgeschlagen, dass auf dem Aufhahme- sensor, vorzugsweise auf einem lichtunempfindlichen Bereich des Auf- nahmesensors, ein Logikschaltkreis angeordnet ist, welcher vorzugsweise zum Dekodieren von optischen Codes verwendet wird. Besonders vorteilhaft ist es hierbei, dass zur Lesung des optischen Codes dem Aufnahmesensor keine weitere Recheneinheit nachgeschaltet werden muss, da die Decodierung des Codes unmittelbar auf dem Aufhahmesensor stattfindet. Hierdurch bedingt findet eine gewisse Datenkompression statt. Die hohe Datenkompression resultiert unter anderem daraus, dass die Datenmenge aus den Werten aller lichtempfindlichen Zellen, die zur Codelesung herangezogen wurden, wesentlich größer ist als die Datenmenge, die aus den Zeichen des dekodierten Codes besteht. Hierdurch ergibt sich der Vorteil, dass die für die Verwendung zur Codelesung notwendige zusätzliche - reale oder virtuelle - Schnittstelle am Aufhahmesensor schmal- bandig und damit sehr viel einfacher und kostengünstiger hergestellt werden kann.
Die Aufgabe der Erfindung wird ebenfalls von einem Verfahren zum Aufnehmen von Bildern mit einem Aufhahmesensor nach einem der Ansprüche 1 bis 13 gelöst, wobei wenigstens eine lichtempfindliche Zelle des Aufhahmesensors während einer Bildaufhahme unterschiedlich lang belichtet wird. In zahlreichen Versuchen zur Erhöhung der Bildqualität, hat sich gezeigt, dass es vorteilhaft ist, die lichtempfindlichen Zellen unterschiedlich lang zu belichten.
Insbesondere für die Codelesung ist es unter anderem vorteilhaft, wenn farbunempfindliche Zellen und farbempfindliche Zellen des Aufiiahmesensors während der Bildaufhahme unterschiedlich lang belichtet werden.
Um die Lesesicherheit, insbesondere die Lesesicherheit beim Einlesen eines Barcodes, zu erhöhen, ist es besonders vorteilhaft, wenn die farbunempfindlichen Zellen aufgrund ihrer höheren Empfindlichkeit kürzer be- lichtet werden als die farbempfindlichen Zellen des Aufiiahmesensors. Hierdurch ergibt sich unter anderem eine verbesserte Toleranz hinsichtlich einer zu schnellen Relativbewegung zwischen dem Aufhahmesensor und einem Code bei der Codelesung, sodass bei einer entsprechenden Belichtungsdauer eine wesentlich geringere Bewegungsunschärfe vorliegt.
Die farbblinden Zellen weisen aufgrund der fehlenden Farbfilterschicht gegenüber den farbselektiven Zellen eine erhöhte Lichtempfindlichkeit auf. Hierdurch ergibt sich die Möglichkeit, die farbblinden Zellen wegen der höheren Lichtempfindlichkeit kürzer zu belichten als die farbselektiven Zellen.
Eine kürzere Belichtungszeit der farbblinden Zellen ist insofern vorteilhaft, als dass sich dadurch, beispielsweise die durch eine unvorteilhafte Bewegung des Aufiiahmesensors verursachte Unscharfe verringert. Wenn sich beispielsweise der auf einem Objekt angebrachte Code gegenüber dem den Aufnahmesensor umfassenden Aufhahmesystem während der Aufnahme unvorteilhaft bewegt, führt dies zu einer entsprechenden Be- wegungsunschärfe. Dies führt bei einer zu schnellen Bewegung dazu, dass eine Lesung des Barcodes unmöglich wird. Die verkürzte Belichtungszeit ermöglicht, in solchen Fällen aufgrund der verringerten Bewe- gungsunschärfe dennoch die Lesung des Codes.
Zur weiteren Lösung der der Erfindung zugrundeliegenden Aufgabe wird ein Aufhahmesensor zur Aufnahme eines farbigen Bildes und zur Lesung von optischen Codes, insbesondere Barcodes, vorgeschlagen, bei welchem die zu den durch schmalbandigen spektralen Verlauf gekennzeichneten Gruppen gehörenden lichtempfindlichen Zellen zur Aufnahme der farbigen Bilder und die zu der durch breitbandigen spektralen Verlauf gekennzeichneten Gruppe gehörigen lichtempfindlichen Zellen zur Lesung der optischen Codes verwendet werden.
Vorteilhaft bei dieser Verwendung ist es, dass während eine Kamera, die den erfindungsgemäßen Aufhahmesensor umfasst, ein Bild aufnimmt gleichzeitig ein darin enthaltender Barcode eingelesen werden kann.
Beispielsweise wird eine Internetkamera, die mit dem erfindungsgemäßen Aufhahmesensor ausgestattet ist, an einen PC angeschlossen und zur Aufnahme von Bildern und Videos verwendet. Gleichzeitig aber kann der Benutzer auch ein Programm auf dem PC verwenden, das die Signale der farbunempfindlichen Zellen auswertet. Wenn dieses Programm ein Programm zur Lesung von Barcodes ist, kann der Benutzer die Kamera auf eben diesen Barcode richten, oder einen Barcode vor die Kamera halten. Die Bildübertragungsfunktion der Kamera dient dabei dem Benutzer als "Sucher" . Es lässt sich somit auf dem Bildschirm überprüfen, ob sich der Barcode in dem Sichtfeld der Kamera befindet. Gleichzeitig werden die von den farbunempfindlichen Zellen gelieferten Signale zum PC übertragen, der darin enthaltene Barcode decodiert und angezeigt und/oder an einer anderen Schnittstelle zur weiteren Verwendung zur Verfügung ge- stellt. Wenn, die Kamera eine Einrichtung zur Decodierung von Barcodes enthält, können die von den farbunempfindlichen Zellen gelieferten Signale auch von dieser Einrichtung decodiert und der decodierte Barcode zum PC übertragen werden.
Vorteilhaft ist bei der Verwendung des erfindungsgemäßen Aufnahmesen- sors, dass alle Zellen, also die farbempfindlichen, wie auch die farbunempfindlichen Zellen, zur Aufnahme von farbigen Bildern verwendet werden können, da die farbunempfindlichen Zellen die Farbinformation aus der darüber und der darunter liegenden Pixelreihe entnehmen können.
Weitere Vorteile, Ziele und Eigenschaften vorliegender Erfindung werden anhand nachfolgender Erläuterung anliegender Zeichnung dargestellt, in welcher beispielhaft drei Aufhahmesensoren mit einer Vielzahl von lichtempfindlichen Zellen dargestellt sind. Es zeigt dabei:
Figur 1 einen Aufhahmesensor, bei dem sich farbunempfindliche Zellenbereiche mit farbempfindlichen Zellenbereichen abwechseln;
Figur 2 jeweils zwei nebeneinanderliegende farbempfindliche Zellenbereiche, die sich mit jeweils einen farbunempfindlichen Zellenbereich abwechseln;
Figur 3 einen marktüblichen Flächensensor mit farbempfindlichen Zellen, an dem ein Bereich von farbunempfindlichen Zellen (Zeilensensor) angeordnet ist;
Figur 4 große und kleine Pixel in einer beispielhaften Anordnung;
Figur 5 farblichtempfindliche Pixel auf einem quadratischen Gitter;
Figur 6 große und kleine Pixel in einer weiteren beispielhaften Anordnung;
Figur 7 eine linienförmige Anordnung von farbunempfindlichen Pixeln;
Figur 8 einen Detailausschnitt der in Figur 7 gezeigten farbunempfindlichen Pixel in einer rechteckigen, länglichen Ausführungsform; Figur 9 eine weitere linienförmige Anordnung zweier parallel geführter farbunempfindlicher Zellenreihen;
Figur 10 einen Detailausschnitt der in Figur 9 gezeigten Zellenreihe;
Figur 11 einen Aufhahmesensor mit farbblinden Zellenlinien, die über einen farbselektiven Zellenbereich hinausragen und
Figur 12 einen alternativ gestalteten Aufhahmesensor mit farbblinden Zellenlinien, die ebenfalls über einen farbselektiven Zellenbereich hinausragen.
Der in Figur 1 dargestellte Aufnahmesensor 2 besteht aus einer Silizium- Schicht 3 und einer Vielzahl von lichtempfindlichen Zellenreihen 4, 5, 6. Dabei ist die Vielzahl von lichtempfindlichen Zellenreihen 4, 5, 6 derart angeordnet, dass sich jeweils eine Reihe 7 von farbempfindlichen Zellen mit einer Reihe 8 von farbunempfindlichen Zellen in ihrer Anordnung abwechseln.
Der in Figur 2 gezeigte Aufhahmesensor 9 zeigt eine Variante, bei der jeweils zwei Reihen 10 und 11 von farblichtempfindlichen Zellen nebeneinander angeordnet sind und sich jeweils mit einer Reihe 12 farbunempfindlichen Zellen abwechseln.
Figur 3 zeigt dabei eine Variante eines Aufiiahmesensors 13, bei der eine Fläche 14 nur mit farbempfindlichen Zellen 15, 16 (exemplarisch dargestellt) ausgestaltet ist. An dieser Fläche 14 ist eine Reihe 17 mit farbu- nempfindlichen Zellen angeordnet. Dabei befinden sich sowohl die farbu- nempfindlichen Zellen als auch die farbempfindlichen Zellen auf einem einzigen Stück Silizium 18.
Figur 4 zeigt in einem Ausschnitt 19 eine Anordnung von großen mit ei- ner farbigen Filterschicht versehenden Pixel 20, die in einem ganz bestimmten Muster angelegt sind, wie z.B. das hier dargestellte "Bayer- Pattern". Hierbei sind beispielhaft grüne Pixel 21 (G), rote Pixel 22 (R) und blaue Pixel 23 (B) nebeneinander angeordnet. Dabei sind kleine Pixel 24 in horizontaler und vertikaler Ausrichtung zwischen den großen Pixeln 20 angeordnet. Die kleinen Pixel 24 sind hierbei farbunempfindlich. Durch die horizontale und vertikale Anordnung lassen sich Barcodes, die unterschiedlich orientiert sind, besser lesen.
In Figur 5 ist in einem Ausschnitt 25 eine Anordnung von mehreren Pixeln dargestellt, wobei die Pixel 26 selbst eine rechteckige Form aufwei- sen, jedoch auf einem quadratischen Gitter - durch eine Vielzahl von Abstandslinien 27 angedeutet - angeordnet sind.
Figur 6 zeigt einen Ausschnitt 28, in dem eine weitere beispielhafte Anordnung von Pixeln dargestellt ist. Dabei ist deutlich die linienförmige Anordnung 29 von kleinen farbunempfindlichen Pixeln in horizontaler Lage zu erkennen. Hierbei wird noch einmal verdeutlicht, dass große und kleine Pixel auf einem Sensor angeordnet sein können. Figur 7 gibt einen Ausschnitt 30 eines Sensors wieder, wobei die farbunempfindlichen Pixel 31 rechteckförmig ausgeführt sind. Durch diese längliche Bauweise eignet sich der Pixel 31 besonders gut für das Einlesen von optischen Codes. Besonders vorteilhaft ist dabei die linienförmige Anordnung der Pixel 31, ähnlich wie bei einem Zeilensensor.
Figur 8 verdeutlicht noch einmal die Maße der Pixel 31 aus Figur 7. Da die Breite a der Pixel 31 für die Qualität der Auflösung bestimmend ist, wird auch eine entsprechend schmale Breite für diese Pixel 31 gewählt. Durch die Wahl einer entsprechend größeren Höhe b der Pixel 31 wird gleichzeitig auch eine hohe Empfindlichkeit sichergestellt, da die Empfindlichkeit im Wesentlichen proportional zur Fläche a * b ist. Dadurch ergibt sich ein Vorteil gegenüber den quadratischen Pixeln.
Es versteht sich von selbst, dass auch jede andere Anordnung von farbempfindlichen und farbunempfindlichen Zellen auf einem Sensor möglich sind. Ebenso versteht es sich von selbst, dass die Form der lichtempfindlichen Zellen von der Rechteckform abweichen kann.
Zur Bildaufhahme erweist es sich als vorteilhaft, wenn die Pixel in einem quadratischen Gitter angeordnet sind. Die farbunempfindlichen Pixel können dabei zwischen den Zeilen der farbempfindlichen Pixel angeordnet werden. Dabei werden die farbempfindlichen Pixel rechteckig ausgeführt, so dass bei Anordnung auf einem quadratischen Raster Platz für die farbunempfindlichen Pixel bleibt. Vorteilhaft bei der Anordnung nach Figur 2 ist, dass die Gesamtheit der Pixel zur Farbbildaufhahme verwendet wird. Dazu wird die Farbinformation an der Stelle eines farbunempfindlichen Pixels aus den Werten der darüber und darunter liegenden farbempfindlichen Pixel bestimmt.
Besonders vorteilhaft bei den Ausführungen nach Figur 1 und Figur 2 ist es, dass gegenüber dem Herstellungsprozess eines marktüblichen Farbsensors nur geringe Änderungen erforderlich sind. Die Änderungen betreffen lediglich die farbige Filterschicht und die nachfolgende Signalverarbeitung. Der eigentliche CMOS - Prozess bleibt unberührt.
Vorteilhaft bei der Ausgestaltung des in Figur 3 dargestellten Aufiiahmesensors ist, dass hierbei ein marktüblicher farblichtempfindlicher Flächensensor um einen farbunempfindlichen Zeilensensor erweitert wird. Dabei werden bei der Herstellung des Sensors der farblichtempfindliche Flächensensor und der farbunempfindliche Zeilensensor auf dem selben Stück Silizium angeordnet. Dadurch entstehen bei einer Massenfertigung nur geringe zusätzliche Kosten.
Der Aufhahmesensor 32 der Figur 9 weist zwei parallel verlaufende, farblichtunempfindliche Zellenreihen 33 und 34 auf, die eine Zellenlinie bilden. Die einzelnen Zellen der jeweiligen Zellenreihen 33 und 34 sind in diesem Ausführungsbeispiel um jeweils die Hälfte ihrer Breite versetzt zueinander angeordnet. Der Aufiiahmesensors 32 hat eine farbunempfindliche Zelle 35, neben der zwei farbunempfindliche Zellen 36 und 37 parallel angeordnet sind. Hierbei liegen die farbunempfindlichen Zellen 35 und 36 bzw. 37 nicht unmittelbar auf gleicher Höhe parallel zueinander, sondern die Zelle 36 reicht nur etwa bis zur Mitte der Zelle 35, wobei die Zelle 37 der Zelle 36 unmittelbar folgt und somit ebenfalls nur etwa bis zu der Mittellinie 38 der Zelle 35 reicht.
Der in Figur 11 gezeigte Aufnahmesensor 39 weist eine Vielzahl von lichtempfindlichen Zellen auf, die in einem rechteckigen Raster 40 ange- ordnet sind. Über den Rand 40 A des rechteckigen Rasters 40 ragen eine Vielzahl von farblichtunempfindlichen Zellenlinien 41 und 42 (hier nur exemplarisch beziffert) hinaus.
Der Aufhahmesensor 43 der Figur 12 hat eine vieleckige Gestalt und verdeutlicht, dass ein Aufnahmesensor 43 nicht zwangsläufig rechteckig aus- geführt sein muss. Vielmehr kann ein Aufnahmesensor 43 vielfältig gestaltet sein. Der Aufnahmesensor 43 hat etwa in seiner Mitte einen Bereich 44 mit hauptsächlich farblichtempfindlichen Zellen, wobei der Bereich 44 durch eine Vielzahl von farblichtunempfindlichen Zellenlinien 45 (hier nur exemplarisch beziffert) durchzogen ist.
Die sechseckige Form des Aufiiahmesensors 43 ermöglicht eine ebenso gute Ausnutzung der Waferoberfläche wie eine rechteckige Ausführungsform. Die vieleckige Form, insbesondere die sechseckige Form, nähert sich aber besser einer Kreisform an als eine rechteckige Form, sodass im wesentlichen gleichlange farbblinde Zellenlinien 41, 42 ,45 auf dem Aufnahmesensor 43 angeordnet werden können. Dies ist zur Codelesung besonders vorteilhaft, da hierdurch die maximale Ausdehnung eines optischen Codes, der gerade noch gelesen werden kann, von der Orientierung des Codes im Sichtbereich des Aufiiahmesensors unabhängig wird.

Claims

Patentansprüche:
1. Aufnahmesensor (2; 9; 13; 32; 39; 43) mit einer Vielzahl von lichtempfindlichen Zellen (15, 16; 20 bis 24; 26; 31; 35, 36, 37) (Pixel), die eindeutig einer von mindestens zwei Gruppen zugeordnet sind und die Gruppen durch die spektrale Empfindlichkeit der zu ihnen gehörigen Zellen gekennzeichnet sind, dadurch gekennzeichnet, dass die spektrale Empfindlichkeit der lichtempfindlichen Zellen (15, 16; 20 bis 24; 26; 31; 35, 36, 37) aus mindestens einer Gruppe einen breitbandigen Verlauf aufweist (im folgendem Text auch als farbunempfindliche Zellen bezeichnet) (20; 24; 31; 35, 36,
37) und die spektrale Empfindlichkeit der lichtempfindlichen Zellen (15, 16; 20 bis 24; 26; 31; 35, 36, 37) aus mindestens einer weiteren Gruppe einen schmalbandigen Verlauf aufweist (im folgendem Text auch als farblichtempfindliche Zellen bezeichnet) (15, 16; 20, 21, 22, 23; 26).
2. Aufnahmesensor (2; 9; 13; 32; 39; 43) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die farbunempfindlichen Zellen (24; 31; 35, 36, 37) kleiner ausgestaltet sind als die farblichtempfindlichen Zellen (15, 16; 20; 21; 22; 23; 26).
3. Aufnahmesensor (2; 9; 13; 32; 39; 43) nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Zellenbereich der farbu- nempfindlichen Zellen (24; 31; 35, 36, 37) Zellenlinien (29; 41, 42; 45) umfasst.
4. Aufnahmesensor (2; 9; 13; 32; 39; 43) nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens eine Zellenlinie (29; 41, 42, 45) wenigstens zwei parallel verlaufende farbunempfindliche Zellenreihen (33, 34) aufweist.
5. Aufhahmesensor (2; 9; 13; 32; 39; 43) nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass Zellen (35, 36, 37) der Zellenreihen (33, 34) versetzt zueinander angeordnet sind.
6. Aufnahmesensor (2; 9; 13; 32; 39; 43) nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Zellenbereich der farbunempfindlichen Zellen (24; 31; 35; 36; 37) sich kreuzende Linienbereiche ( 41, 42) umfasst.
7. Aufnahmesensor (2; 9; 13; 32; 39; 43) nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die farblichtempfindlichen
Zellen (15, 16; 20 bis 23; 26) in einem quadratischen Raster angeordnet sind.
8. Aufnahmesensor (2; 9; 13; 32; 39; 43) nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die lichtempfindlichen Zellen (15, 16; 20 bis 24; 26; 31; 35, 36, 37) in einem quadratischen Ras- ter angeordnet sind, und an jeder dritten Pixelreihe (12) keine farbige Filterschicht angeordnet ist.
9. Aufnahmesensor (2; 9; 13; 32; 39; 43) nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass ein marktüblicher Flächensen- sor außerhalb der farblichtempfindlichen Fläche um einen farbunempfindlichen Zeilensensor (17) ergänzt wird.
10. Aufnahmesensor (2; 9; 13; 32; 39; 43) nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die farbunempfindlichen Zellen (24; 31; 35, 36, 37) länglich ausgebildet sind.
11. Aufnahmesensor (2; 9; 13; 32; 39; 43) nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens ein Teil der farbunempfindlichen Zellen (24; 31; 35, 37) außerhalb eines farblichtempfindlichen Bereiches (40; 44), insbesondere außerhalb eines rechteckigen Rasters farblichtempfindlicher Zellen (15, 16; 20, 21, 22, 23; 26), angeordnet sind.
12. Aufhahmesensor (2; 9; 13; 32; 39; 43) nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass die farbunempfindlichen Zellenlinien (29; 41, 42; 45) bis über den äußeren Rand (40 A) des vorzugsweise rechteckförmigen farblichtempfindlichen Zellenberei- ches (40; 44) hinausragen.
13. Aufnahmesensor (2; 9; 13; 32; 39; 43) nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass auf dem Aufnahmesensor (2; 9; 13; 32; 39; 43), vorzugsweise auf einem lichtunempfindlichen Bereich des Aufnahmesensors (2; 9; 13; 32; 39; 43), ein Lo- gikschalkreis (46) angeordnet ist, welcher vorzugsweise zum Dekodieren von optischen Codes verwendet wird.
14. Verfahren zum Aufnehmen von Bildern mit einem Aufhahmesensor (2; 9; 13; 32; 39; 43) nach einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens eine lichtempfindliche Zelle (15, 16; 20 bis 24; 26; 31; 35, 36, 37) des Aufiiahmesensors (2; 9; 13;
32; 39; 43) während einer Bildaufhahme hinsichtlich wenigstens einer weiteren lichtempfindlichen Zelle (15, 16; 20 bis 24; 26; 31; 35, 36, 37) unterschiedlich lang belichtet wird.
15. Verfahren nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass farbu- nempfindliche Zellen (24; 31; 35, 36, 37) und farblichtempfindliche
Zellen (15, 16; 20, 21, 22, 23; 26) des Aufiiahmesensors (2; 9; 13; 32; 39; 43) unterschiedlich lang belichtet werden.
16. Verfahren nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass die farbunempfindlichen Zellen (24; 31; 35, 36, 37) während der Bild- aufnähme kürzer belichtet werden als die farblichtempfindlichen
Zellen (15, 16; 20, 21, 22, 23; 26).
17. Verwendung eines Aufiiahmesensors (2; 9; 13; 32; 39; 43) nach den Ansprüchen 1 bis 13 zur Aufnahme eines farbigen Bildes und zur Lesung von optischen Codes, insbesondere Barcodes, bei welchem die zu den durch schmalbandigen spektralen Verlauf gekenn- zeichneten Gruppen gehörenden lichtempfindlichen Zellen (15, 16;
20, 21, 22, 23; 26) zur Aufnahme der farbigen Bilder und die zu der durch breitbandigen spektralen Verlauf gekennzeichneten Gruppe gehörigen lichtempfindlichen Zellen (24; 31; 35, 36, 37) zur Lesung der optischen Codes verwendet werden.
18. Verwendung eines Aufiiahmesensors (2; 9; 13; 32; 39; 43) nach den Ansprüchen 1 bis 13 zur Aufnahme eines farbigen Bildes und zur Lesung von optischen Codes, insbesondere Barcodes, bei welchem die lichtempfindlichen Zellen (15, 16; 20 bis 24; 26; 31; 35, 36, 37) aller Gruppen zur Aufnahme farbiger Bilder und die zu der durch breitbandigen spektralen Verlauf gekennzeichneten Gruppen gehörigen lichtempfindlichen Zellen (24; 31; 35, 36, 37) zur Lesung der optischen Codes verwendet werden.
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