DE102008027188A1

DE102008027188A1 - Bildaufnahmevorrichtung

Info

Publication number: DE102008027188A1
Application number: DE102008027188A
Authority: DE
Inventors: Jörg Dr. Hilgenstock
Original assignee: Volkswagen AG
Current assignee: Volkswagen AG
Priority date: 2008-06-06
Filing date: 2008-06-06
Publication date: 2009-12-10

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Bildaufnahmevorrichtung (1) zum Erfassen von Helligkeits- und Farbinformationen, mit einer Vielzahl von matrixförmig angeordneten Lichtsensoren (2), wobei ein Teil der Lichtsensoren (2) Helligkeitssensoren (3) und der andere Teil Farbsensoren (R, G, B) sind. Um eine Bildaufnahmevorrichtung (1) zum Erfassen von Helligkeits- und Farbinformationen bereitzustellen, welche eine hohe Helligkeitsempfindlichkeit aufweist und zudem kostengünstig herstellbar ist, wird mit der Erfindung vorgeschlagen, dass die Anzahl der Helligkeitssensoren (3) größer als die Anzahl der Farbsensoren (R, G, B) ist.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Bildaufnahmevorrichtung zum Erfassen von Helligkeits- und Farbinformationen, mit einer Vielzahl von matrixförmig angeordneten Lichtsensoren, wobei ein Teil der Lichtsensoren Helligkeitssensoren und der andere Teil Farbsensoren sind. Des Weiteren betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Belichten einer solchen Bildaufnahmevorrichtung.
Gattungsgemäße Bildaufnahmevorrichtungen, auch Bildsensoren genannt, weisen eine Vielzahl von Lichtsensoren auf, wobei das Auflösungsvermögen mit wachsender Anzahl von Lichtsensoren pro Flächeneinheit zunimmt. Bekannt ist die Ausbildung als Bayer-Sensor, bei dem die Lichtsensoren in Form einer Bayer-Matrix angeordnet sind. Mittels eines solchen Bayer-Sensors werden Farbinformationen erfasst. Dazu sind die Lichtsensoren des Bayer-Sensors als Farbsensoren ausgebildet. Bei den Farbsensoren handelt es sich im Wesentlichen um Helligkeitssensoren, auch Schwarz-Weiß-Bildsensoren genannt, die jeweils mit einem Farbfilter versehen sind. Bei dem bekannten Bayer-Sensor werden grüne, rote und blaue Farbfilter verwendet. Zur Optimierung der Lichtempfindlichkeit solcher Sensoren weist die Hälfte der vorhandenen Lichtsensoren bzw. Farbsensoren ein grünes Farbfilter auf, während die übrigen Farbsensoren zur einen Hälfte mit einem blauen und zur anderen Hälfte mit einem roten Farbfilter versehen sind. Die mittels eines solchen Sensors erfassbaren Bildinformationen können nach Gamma-Korrektur und Berücksichtigung entsprechender Empfindlichkeitsfaktoren zur Erzeugung eines Farbbildes in RGB-Darstellung verwendet werden. Fehlende Farbkomponenten können auf den einzelnen Lichtsensorpositionen durch örtliche Interpolation von den benachbart angeordneten Lichtsensoren erzeugt werden. Die neben der Farbinformation erfassbare Helligkeitsinformation Y kann aus der Rot-, Grün- und Blaukomponente wie folgt berechnet werden: Y = 0,299·R + 0,587·G + 0,114·B
Die Zahlenwerte sind als Gewichtungsfaktoren zu verstehen und können je nach Farbdarstellung variieren, wobei jedoch deutlich wird, dass die Helligkeitsinformation Y ihren wesentlichen Anteil über die Grünkomponente erhält. Nachteilig ist jedoch bei derartigen Sensoren bzw. Bildaufnahmevorrichtungen, dass diese aufgrund der Verwendung der Farbfilter gegenüber den Schwarz-Weiß-Sensoren eine verminderte Lichtempfindlichkeit aufweisen. Daher wird bei spielsweise in der US 3 971 065 sowie in der US 5 914 749 vorgeschlagen, statt der Farbsensoren mit grünem Farbfilter Schwarz-Weiß-Sensoren zu verwenden, so dass eine entsprechende Bildaufnahmevorrichtung eine deutlich höhere Helligkeitsempfindlichkeit aufweist. Diese Lichtsensoren ohne Farbfilter sind somit Helligkeitssensoren, welche direkt die Helligkeitsinformation Y erfassen. Finden zudem rote und blaue Farbfilter Verwendung, kann aus den so gewonnenen Schwarz-Weiß-, Rot- und Blauinformationen ein vollständiges Farbbild berechnet werden. Die fehlende Grünkomponente lässt sich nach obiger Formel wie folgt berechnen:
Die Entwicklung gattungsgemäßer Bildaufnahmevorrichtungen war bisher vor allem darauf gerichtet, dass ein aufgenommenes Bild eine für den Menschen gute Darstellung aufweist. Ansprüche, die eine automatische Bildverarbeitung, beispielsweise im automobilen Bereich, an die aufgenommenen Bilder stellt, können hiervon deutlich abweichen. Die zur automatischen Bildverarbeitung eingesetzten Algorithmen basieren meist auf Schwarz-Weiß-Bildern, wobei jedoch die Berücksichtigung von Farbinformationen zunehmend an Bedeutung gewinnt. Die Erfassung von Farbinformationen mit den bekannten Bildaufnahmevorrichtungen ist im Hinblick auf eine automatische Bildverarbeitung jedoch wenig zufrieden stellend, da die große Anzahl von Farbsensoren bzw. Farbfiltern die Helligkeitsempfindlichkeit sehr stark einschränkt. Zudem ist es für die meisten Anwendungen nicht erforderlich, dass die Farbinformationen die gleiche Ortsauflösung aufweisen wie die erfassten Helligkeitsinformationen. Bei den bekannten Bildaufnahmevorrichtungen ist aber stets die Ortsauflösung bezüglich der Farbinformationen ähnlich der Ortsauflösung bezüglich der Helligkeitsinformationen.
Ausgehend von diesem Stand der Technik ist es die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Bildaufnahmevorrichtung zum Erfassen von Helligkeits- und Farbinformationen bereitzustellen, welche eine hohe Helligkeitsempfindlichkeit aufweist und zudem kostengünstig herstellbar ist.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch eine Bildaufnahmevorrichtung nach Anspruch 1 gelöst, bei der die Anzahl der Helligkeitssensoren größer ist als die Anzahl der Farbsensoren. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen offenbart.
Erfindungsgemäß wird somit eine Bildaufnahmevorrichtung vorgeschlagen, welche durch die Verwendung einer großen Anzahl von Helligkeitssensoren und einer geringen Anzahl von Farb sensoren eine hohe Helligkeitsempfindlichkeit aufweist und zudem in der Lage ist, Farbinformationen mit ausreichender Ortsauflösung zu erfassen. Ein weiterer Vorteil der erfindungsgemäßen Bildaufnahmevorrichtung ist, dass nur eine im Vergleich zum Stand der Technik relativ geringe Anzahl von Farbsensoren bzw. Farbfiltern verwendet werden muss, so dass hierdurch die Herstellungskosten geringer sind.
Die durch Farbsensoren gebildeten Farbmesspunkte der Bildaufnahmevorrichtung können beispielsweise nur vereinzelt in die Vielzahl von matrixförmig angeordneten Lichtsensoren eingestreut sein, wobei die verwendete Anzahl an Farbsensoren an die jeweiligen Anforderungen (z. B. der Bildverarbeitung) angepasst werden kann.
Durch die erfindungsgemäße Ausgestaltung der Bildaufnahmevorrichtung weist diese weiterhin eine größere Dynamik auf, da die Lichtsensoren ohne Farbfilter, d. h. die Helligkeitssensoren, einen anderen Helligkeitsbereich abdecken als die Farbsensoren. Dies ist insbesondere dann von Vorteil, wenn beispielsweise die Helligkeitssensoren in einer sehr hellen Szene übersteuert sind, da sich dann mit den Farbsensoren immer noch eine Art Not-Wahrnehmung in geringerer Ortsauflösung realisieren lässt. Insgesamt ist die erfindungsgemäße Bildaufnahmevorrichtung bezüglich der jeweiligen Anwendung sehr flexibel einsetzbar, weist eine hohe Helligkeitsempfindlichkeit auf und ist gleichzeitig kostengünstig herstellbar.
Nach einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung weisen die Farbsensoren eine sensorisch wirksame Oberfläche auf, die durch ein Farbfilter zumindest teilweise abgedeckt ist. Im Gegensatz zu einer vollständigen Abdeckung der sensorisch wirksamen Oberfläche der Farbsensoren, wie es aus dem Stand der Technik bekannt ist, ist eine lediglich teilweise Abdeckung der sensorisch wirksamen Oberfläche sehr vorteilhaft, da Farbinformationen mit höherer Ortsauflösung erfasst werden können, ohne jedoch die Helligkeitsempfindlichkeit der Aufnahmevorrichtung zu stark einzuschränken. Wie groß der Bereich der sensorisch wirksamen Oberfläche ist, der mit einem Farbfilter abgedeckt wird, hängt von den jeweiligen Anforderungen ab. Ebenso kann die bekannte vollständige Abdeckung der sensorisch wirksamen Oberflächen der Farbsensoren gewählt werden, wenn es die jeweiligen Gegebenheiten erfordern.
Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, dass weniger als 50%, vorzugsweise weniger als 30%, besonders bevorzugt weniger als 10%, insbesondere weniger als 5% der Lichtsensoren Farbsensoren sind. Welche dieser Ausgestaltungen für eine Bildaufnahmevorrichtung gewählt wird, hängt von den jeweiligen Anforderungen ab. Die erfindungsgemäße Bildaufnahmevorrichtung ist somit sehr vielseitig ausgestaltbar und einsetzbar.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung sind die Lichtsensoren CCD- und/oder CMOS-Lichtsensoren. Beide dieser Ausgestaltungen für Lichtsensoren haben ihre speziellen Vorteile und können unter Berücksichtigung der jeweiligen Anforderungen verwendet werden.
Um eine Bildaufnahmevorrichtung mit hoher Helligkeitsempfindlichkeit bereitzustellen, mit der zudem Farbinformationen mit hoher Ortsauflösung erfassbar sind, wird nach einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung vorgeschlagen, dass die Farbsensoren jeweils ein blasses Farbfilter aufweisen. Ein solches Farbfilter ist nur beschränkt spektral selektiv. Das bedeutet, dass im Wesentlichen das gesamte Spektrum des auftreffenden Lichtes das Filter passieren kann, wobei das Licht eines ausgewählten Spektralbereichs das Filter mit höherer Intensität passieren kann als das Licht der übrigen Spektralbereiche. Möglich ist auch der Einsatz von blassen Farbfiltern, welche die sensorisch wirksamen Oberflächen der einzelnen Farbsensoren nicht vollständig, sondern nur in einem geeigneten Teil abdecken.
Die vorgenannten Ausgestaltungen der erfindungsgemäßen Bildaufnahmevorrichtung können separat oder in beliebiger Kombination verwendet werden, um eine an den jeweiligen Einsatzzweck optimal angepasste Bildaufnahmevorrichtung bereitzustellen.
Mit der Erfindung wird weiterhin ein Verfahren zum Belichten der vorbeschriebenen Bildaufnahmevorrichtung vorgeschlagen. Es soll bei hoher Helligkeitsempfindlichkeit ein sehr großer Dynamikumfang bezüglich der erfassbaren Helligkeits- und Farbinformationen erzielt werden. Um dies zu realisieren, wird erfindungsgemäß vorgeschlagen, dass die Helligkeitssensoren für eine kürzere Zeit als die Farbsensoren belichtet werden. Hierdurch wird ein Übersteuern der Helligkeitssensoren vermieden, so dass mittels der Bildaufnahmevorrichtung Bildinformationen höchster Qualität unabhängig von den jeweiligen Bedingungen erfasst werden können.
Weiter wird als vorteilhaft erachtet, wenn die Lichtsensoren über Leseverstärker ausgelesen werden, wobei die für die Farbsensoren verwendeten Leseverstärker einen höheren Verstärkungsfaktor aufweisen als die für die Helligkeitssensoren verwendeten Leseverstärker. Diese Ausgestaltung dient ebenfalls der Steigerung des Dynamikumfangs der Bildaufnahmevorrichtung.
Weitere Vorteile und Merkmale werden im Folgenden anhand der in den Figuren gezeigten Ausführungsbeispiele beschrieben. Dabei zeigen:
1 einen Ausschnitt eines Ausführungsbeispiels für die erfindungsgemäße Bildaufnahmevorrichtung,
2 einen Ausschnitt eines weiteren Ausführungsbeispiels für die erfindungsgemäße Bildaufnahmevorrichtung,
3 einen Ausschnitt eines weiteren Ausführungsbeispiels für die erfindungsgemäße Bildaufnahmevorrichtung und
4 einen Ausschnitt eines weiteren Ausführungsbeispiels für die erfindungsgemäße Bildaufnahmevorrichtung.
In 1 ist ein erstes Ausführungsbeispiel für die erfindungsgemäße Bildaufnahmevorrichtung 1 dargestellt. Die 1 zeigt schematisch einen Ausschnitt aus der sensorisch aktiven Fläche der Bildaufnahmevorrichtung 1. Die Bildaufnahmevorrichtung 1 weist eine Vielzahl von matrixförmig angeordneten Lichtsensoren 2 auf, wobei ein Teil der Lichtsensoren 2 Helligkeitssensoren 3 und der andere Teil Farbsensoren R (rot) und B (blau) sind. Deutlich ist der 1 zu entnehmen, dass die Bildaufnahmevorrichtung 1 mehr Helligkeitssensoren 2 als Farbsensoren R und B aufweist, so dass die zur Erfassung von Helligkeits- und Farbinformationen ausgebildete Bildaufnahmevorrichtung 1 sehr helligkeitsempfindlich ist. Die Farbinformationen wird mit einer im Vergleich zu den Helligkeitsinformationen geringeren Ortsauflösung erfasst.
2 zeigt einen Ausschnitt eines weiteren Ausführungsbeispiels für die erfindungsgemäße Bildaufnahmevorrichtung 1, welche ebenso eine Vielzahl von matrixförmig angeordneten Lichtsensoren 2 aufweist. Ein Teil der Lichtsensoren 2 sind Helligkeitssensoren 3 und der andere Teil Farbsensoren R, G (grün) und B. Diese Ausgestaltung kann alternativ zu der in 1 gezeigten gewählt werden, wodurch eine Berechnung der fehlenden Farbinformation entfallen kann.
3 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel für die erfindungsgemäße Bildaufnahmevorrichtung 1. Bei dieser Ausgestaltung findet eine größere Anzahl von Farbsensoren R und B Anwendung. Die 3 zeigt einen Ausschnitt aus der sensorisch wirksamen Oberfläche der Bildaufnahmevorrichtung 1. Es sind jeweils weniger Farbsensoren R und B als Helligkeitssensoren 3 vorgesehen. Die Farbsensoren R und B sind hier als Helligkeitssensoren 3 ausgebildet, an denen jeweils ein Farbfilter mit entsprechender Pigmentierung angeordnet ist. Die für die Farbsensoren R und B verwendeten Farbfilter sind blass, so dass sie nur eingeschränkt spektral selektiv sind und einen Großteil des auf sie auftreffenden Lichts passieren lassen. Bei dieser Ausgestaltung kann die Farbinformationen mit hoher Ortsauflösung erfasst werden, ohne dass, wie bei den herkömmlichen Bildsensoren, die Helligkeitsinformation zu gering ist.
In 4 ist ein Ausschnitt eines weiteren Ausführungsbeispiels für die erfindungsgemäße Bildaufnahmevorrichtung 1 gezeigt, bei dem ein Teil der Lichtsensoren 2 Helligkeitssensoren 3 und der andere Teil Farbsensoren R und B sind. In dieser Ausgestaltung sind die Farbfilter kleiner ausgebildet und decken die sensorisch wirksamen Oberflächen der Farbsensoren R und B nur teilweise ab. Hierdurch wird eine Bildaufnahmevorrichtung 1 mit hoher Helligkeitsempfindlichkeit bereitgestellt, welche zudem die Erfassung von Farbinformationen mit hoher Ortsauflösung ermöglicht.
Die anhand der Figuren beschriebenen Ausführungsbeispiele dienen der Erläuterung und sind nicht beschränkend.

1: Bildaufnahmevorrichtung
2: Lichtsensor
3: Helligkeitssensor
R: Farbsensor
G: Farbsensor
B: Farbsensor

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

- US 3971065 [0003]
- US 5914749 [0003]

Claims

Bildaufnahmevorrichtung (1) zum Erfassen von Helligkeits- und Farbinformationen, mit einer Vielzahl von matrixförmig angeordneten Lichtsensoren (2), wobei ein Teil der Lichtsensoren (2) Helligkeitssensoren (3) und der andere Teil Farbsensoren (R, G, B) sind, dadurch gekennzeichnet, dass die Anzahl der Helligkeitssensoren (3) größer ist als die Anzahl der Farbsensoren (R, G, B).
Bildaufnahmevorrichtung (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Farbsensoren (R, G, B) jeweils eine sensorisch wirksame Oberfläche aufweisen, die durch ein Farbfilter teilweise abgedeckt ist.
Bildaufnahmevorrichtung (1) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass weniger als 50%, vorzugsweise weniger als 30%, besonders bevorzugt weniger als 10%, insbesondere weniger als 5% der Lichtsensoren (2) Farbsensoren (R, G, B) sind.
Bildaufnahmevorrichtung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Lichtsensoren (2) CCD- und/oder CMOS-Lichtsensoren sind.
Bildaufnahmevorrichtung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Farbsensoren (R, G, B) jeweils ein blasses Farbfilter aufweisen.
Verfahren zum Belichten einer Bildaufnahmevorrichtung (1), die zur Erfassung von Helligkeits- und Farbinformationen eine Vielzahl von matrixförmig angeordneten Lichtsensoren (2) aufweist, wobei ein Teil der Lichtsensoren (2) Helligkeitssensoren (3) und der andere Teil Farbsensoren (R, G, B) sind, dadurch gekennzeichnet, dass die Helligkeitssensoren (3) für eine kürzere Zeit als die Farbsensoren (R, G, B) belichtet werden.
Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Lichtsensoren (2) über Leseverstärker ausgelesen werden, wobei die für die Farbsensoren (R, G, B) verwendeten Leseverstärker einen höheren Verstärkungsfaktor aufweisen als die für die Helligkeitssensoren (3) verwendeten Leseverstärker.