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HINTERGRUND DER ERFINDUNG
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Die
vorliegende Erfindung bezieht sich allgemein auf die Erzeugung eines
elektronischen Bildes und betrifft insbesondere die Erzeugung eines
Bildes eines sich bewegenden Objekts, wobei von einer Rollblende
Gebrauch gemacht wird.
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Zwei
bekannte Typen von elektronischen Bildsensoren sind CMOS-Sensoren
und ladungskoppelte Vorrichtungen (CCDs). CMOS-Sensoren stellen
allgemein die Option mit den geringeren Kosten dar und haben eine
Anzahl von anderen Vorteilen. Beispielsweise enthalten CMOS-Herstellungstechnologien
den Einschluss von Taktschaltungen, Analog/Digital-Wandlern und
anderen Funktionsblöcken innerhalb
eines Bereichs des Bildsensors. CCD-Sensoren müssen andererseits durch ge trennte
Schaltungen, die derartige Funktionen liefern, begleitet sein.
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CCD-Sensoren
haben den Vorteil, dass sie einen elektronischen Blendenmechanismus,
der als eine Globalblende bekannt ist, enthalten. Bei Abbildungsvorrichtungen
dieses Typs wird die gesamte Vorrichtung vor der Integration (Sammlung
von Licht) zurückgesetzt,
um jedes Restsignal in den Sensorwannen (Pixelbestimmungselemente)
einer Abbildungsvorrichtung zu entfernen. Die Pixel akkumulieren
dann eine Ladung für
eine vorbestimmte Integrationsperiode, wobei der Lichtsammelvorgang
gleichzeitig für
alle Pixel beginnt und endet. Am Ende der Integrationsperiode werden
alle Ladungen gleichzeitig zu lichtabgeschirmten Bereichen des Sensors übertragen,
um eine weitere Ansammlung von Ladung während des Auslesevorgangs zu
verhindern. Die Ladungen werden dann aus den lichtabgeschirmten
Bereichen des Sensors herausgeschoben und ausgelesen. Als eine Folge
wird bei einem Globalblendensensor ein Bild eines sich bewegenden Objekts
zeitlich ”eingefroren”, vorausgesetzt,
dass die Integrationszeit ausreichend kurz ist, um ein Verschwimmen
der Bewegung zu vermeiden. Es ist bekannt, dass mit einer Globalblende
eine Bewegungsverschwimmung verringert oder vermieden werden kann
durch Verwendung eines Beleuchtungsblitzes kurzer Dauer, wie wenn
eine Blitzlichtfotografie aufgenommen wird.
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CMOS-Bildsensoren
verwenden eine Rollblende, die dadurch unterschiedlich arbeitet,
dass die Fotodioden (Pixel) nicht zur selben Zeit Licht sammeln.
Alle Pixel in einer Reihe der Abbildungsvorrichtung sammeln Licht
während
genau derselben Zeitperiode, aber die Zeit, zu der die Lichtsammlung
beginnt und endet ist für
jede Reihe leicht unterschiedlich, wobei die o berste Reihe der Abbildungsvorrichtung
die erste ist, die mit dem Sammeln des Lichts beginnt, und die erste,
die das Sammeln beendet. Der Beginn und das Ende der Lichtsammlung
für folgende
Reihen ist geringfügig,
obgleich zunehmen, verzögert.
Die gesamte Lichtsammlungszeit für
jede Reihe kann genau dieselbe sein; und die Verzögerung zwischen
Reihen kann konstant sein. Die Zeitverzögerung zwischen einer Reihe,
die zurückgesetzt
wird, und einer Reihe, die gelesen wird, ist die Integrationszeit.
Durch Verändern
der Zeitdauer zwischen dem Überstreichen
einer Reihe beim Zurücksetzen
und dem Auslesen der Reihe kann die Integrationszeit gesteuert werden.
Da sich der Integrationsvorgang über
eine gewisse Zeitdauer über
das Bild bewegt, kann eine gewisse Bewegungsverschwimmung augenscheinlich
sein, selbst bei einem sich relativ langsam bewegenden Objekt. Eine
gewisse Verringerung der Bewegungsverschwimmung kann durch Blitzbeleuchtung
erreicht werden, aber ein sehr heller Blitz ist erforderlich, um
zu ermöglichen,
dass eine ausreichende Lichtmenge durch die letzte Reihe der Abbildungsvorrichtung
gesammelt wird, aber die erhöhten
Kosten für
eine helle Blitzvorrichtung und der verschwenderische Energieverbrauch
sind unerwünscht.
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Ein
Typ von Abbildungsgerät,
das häufig
eine CMOS-Abbildungsvorrichtung
verwendet, ist ein Strichcodeleser. Das Abtasten von Strichcodes
auf Objekten auf einem sich bewegenden Fördergurt kann eine besonders
hohe Anforderung darstellen. Die Strichcodes sind nicht nur relativ
klein, sondern die Codeelemente haben einen sehr geringen Abstand.
Der Strichcode muss für
eine ordnungsgemäße Decodierung
genau abgebildet werden, und eine Bildverschwimmung kann diesen
Vorgang beeinträchtigen.
Selbst ein sich relativ langsam bewegender Strichcode kann daher
das Äquivalent
eines sich schnell bewegenden Objekts sein, unter dem Gesichtspunkt
der Qualität
des zu bildenden Bildes. Es ist augenscheinlich, dass die Schwierigkeit
mit Strichcodes erheblich vergrößert wird,
wenn ein zweidimensionaler Strichcode verwendet wird. Es ist wünschenswert,
in der Lage zu sein, einen sich bewegenden Strichcode abzubilden,
ohne auf die Verwendung von intensivem Blitzlicht zurückzugreifen.
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ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
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Gemäß der vorliegenden
Erfindung kann ein sich relativ schnell bewegendes Objekt mit einem Sensor,
der eine elektronische Rollblende enthält, abgebildet werden, während eine
Blitzbeleuchtung verwendet wird, die vergleichbar ist mit oder dunkler als
Umgebungslicht. Dies wird erreicht durch Verwendung einer körperlichen
Blende zwischen dem Objekt und dem Sensor, die mit dem Blitz synchronisiert
ist. Vorzugsweise wird die körperliche
Blende auch so betätigt,
dass sie während
eines Zeitintervalls geöffnet
ist, das gleichzeitig mit der Anwesenheit des Blitzes auftritt.
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Bei
einem bevorzugten Ausführungsbeispiel kann
ein optischer Mechanismus zwischen dem Objekt und dem Sensor vorgesehen
sein, der bewirkt, dass das Bild fokussiert wird, wenn der Lichtblitz
auftritt, und ansonsten verschwommen ist.
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Bei
einem bevorzugten Ausführungsbeispiel ist
ein optisches Filter zwischen dem Objekt und dem Sensor positioniert,
und dieses Filter ist so ausgebildet, dass es Licht mit der Wellenlänge des
Blitzlichts zu dem CMOS-Sensor überträgt, aber
Umgebungslicht dämpft.
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Während der
Zeit, während
der die Blende geöffnet
ist, werden das Umgebungslicht und die Blitzlichtquelle kombiniert,
um eine ausreichende Energie für
die Abbildung zu erhalten. Jedoch kann, da das Umgebungslicht kombiniert
mit der Blitzlichtquelle verwendet wird, die Belichtungszeit minimiert
werden. Durch die kurze Belichtungszeit werden Verzerrungen und
ein Verschwimmen minimiert, aber Umgebungslicht und eine Blitzlichtquelle
werden kombiniert, um zu bewirken, dass die auftreffende Energie ausreichend
zum Abbilden des gewünschten
Objekts ist.
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KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
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Die
vorstehende kurze Beschreibung und weitere Aufgaben, Merkmale und
Vorteile der vorliegenden Erfindung werden vollständiger verstanden anhand
der folgenden detaillierten Beschreibung von gegenwärtig bevorzugten,
jedoch nichts desto weniger veranschaulichenden Ausführungsbeispielen
gemäß der vorliegenden
Erfindung unter Bezugnahme auf die begleitenden Zeichnungen, in
denen:
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1(A) und 1(B) sind
Zeitdiagramme, die die Arbeitsweise einer CMOS(Rollblende)- bzw.
einer CCD(Globalblende)-Abbildungsvorrichtung illustrieren;
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2(A) und 2(B) sind
Zeitdiagramme, die die Arbeitsweise einer CMOS(Rollblende)- bzw.
einer CCD(Globalblende)-Abbildungsvorrichtung mit Blitzbeleuchtung
illustrieren;
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3 ist
ein Zeitdiagramm, das die Arbeitsweise einer CMOS(Rollblende)-Abbildungsvorrichtung
mit zusätzlicher
körperlicher
Blende illustriert;
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4 ist
ein Funktionslockdiagramm, das ein erstes Ausführungsbeispiel 30 eines
die vorliegende Erfindung verkörpernden
Abbildungssystems illustriert;
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5 ist
ein Funktionsblockdiagramm, das ein zweites Ausführungsbeispiel 30' eines die vorliegende
Erfindung verkörpernden
Abbildungssystems illustriert; und
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6 ist
ein Funktionsblockdiagramm, das ein drittes Ausführungsbeispiel 30'' eines die vorliegende Erfindung
verkörpernden
Abbildungssystems illustriert.
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DETAILLIERTE BESCHREIBUNG
DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSBEIPSIELE
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Es
wird nun auf die Zeichnungen, Bezug genommen, in denen die 1(A) und 1(B) Zeitdiagramme
sind, die die Arbeitsweise einer CMOS(Rollblende)- bzw. einer CCD(Globalblende)-Abbildungsvorrichtung
illustrieren. In jedem Fall hat die Abbildungsvorrichtung N Zeilen,
von denen jede mehrere Sensoren enthält. Ein CMOS-Sensor wird einfach
als Fotodioden PD dargestellt und ein CCD-Sensor als eine Fotodiode
PD. In der CCD-Abbildungsvorrichtung
nach 1(B) wird den Sensoren ermöglicht, Lichtenergie
anzunehmen, nachdem sie bei 14 zurückgesetzt wurden, während einer
Integrationszeit Tint, nach deren Beendigung
alle Tore gleichzeitig bei 16 freigegeben werden, wodurch
bewirkt wird, dass alle Zellen der Abbildungsvorrichtung gleichzeitig ausgelesen
werden. Somit beendet jede Zeile die Annahme von Licht in genau
demselben Augenblick, was die Wirkung eines Stoppvorgangs hat.
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Demgegenüber beginnen
bei der CMOS-Abbildungsvorrichtung nach 1(A) die
Zellen der Zeile 0 mit dem Empfang von Lichtenergie bei 10, und
die gesamte Zeile wird nach einer Integrationszeit Tint bei 12 ausgelesen.
In gleicher Weise erfährt jede
der nachfolgenden Zeilen eine Integrationszeit Tint,
aber beginnt nicht mit dem Empfang von Licht bis zu einer Verzögerung nach
dem Start der vorhergehenden Zeile. Bei einem stationären Objekt
bedeutet dies keinen Unterschied, aber bei einem Objekt, das sich
mit ausreichender Geschwindigkeit bewegt, wird jede Zeile eingefangen,
nachdem sich das Objekt seit der vorhergehenden Zeile in gewissem
Maße bewegt hat.
Als eine Folge zeigt die CMOS-Abbildungsvorrichtung eine trapezförmige Verzerrung,
eine Bildverschwimmung.
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D.
h., ein aufrechtes rechteckiges Objekt nimmt eine geneigte Trapezform
an, wobei es scheint, dass es von der Bewegungsrichtung weg geneigt
ist, da sich das Objekt ein bisschen zwischen jeder abgebildeten
Zeile bewegt hat. Dies macht das Lesen eines zweidimensionalen Strichcodes
problematisch. Auch ist das Bild verschwommen, da sich das Objekt
während
der Abbildungszeit bewegt. Das Verschwimmen des Bildes ist sogar
noch schwieriger zu korrigieren.
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Die 2(A) und 2(B) sind
Zeitdiagramme, die die Arbeitsweise einer CMOS(Rollblende)- und bzw.
einer CCD(Globalblende)-Abbildungsvorrichtung mit Blitzbeleuchtung
illustrieren. Es ist in der Fotografie bekannt, dass eine Blitzbeleuchtung
die ”Bewegung
an halten” kann,
was fixierte Bilder von sich bewegenden Objekten ermöglicht.
Da alle Zellen in einer CCD-Abbildungsvorrichtung gleichzeitig ausgelesen
werden, ist die Verwendung einer Blitzlichtbeleuchtung eine natürliche Verlängerung.
Wie in 2(B) gezeigt ist, ist es nur
ein Fall der Sicherstellung, dass die Zellen während Tint eine
ausreichende Beleuchtung erfahren.
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Wenn
auf 2(A) Bezug genommen wird, ist
jedoch ersichtlich, dass jede Zeile der CMOS-Abbildungsvorrichtung
eine unterschiedliche Beleuchtungsmenge empfängt, bevor der Blitz bei 18 auftritt. Eine
ordnungsgemäße Belichtung
kann nur sichergestellt werden, wenn der blitz die von der Abbildungsvorrichtung
empfangene Lichtmenge steuert. Demgemäß wird es erforderlich, einen
Blitz zu verwenden, der viel heller als Umgebungslicht ist. Somit ist
man nicht geneigt, eine Blitzbeleuchtung bei einer CMOS-Abbildungsvorrichtung
zu verwenden, wenn nicht beabsichtigt war, einen sehr hellen Blitz
zu verwenden, der typischerweise 1000 mal so intensiv wie Umgebungslicht
ist.
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3 ist
ein Zeitdiagramm, das die Arbeitsweise eines CMOS (Rollblende) mit
einer zusätzlichen
körperlichen
Blende illustriert. Gemäß einem Aspekt
der vorliegenden Erfindung ist eine körperliche Blende (nicht notwendigerweise
mechanisch, wie illustriert ist) so synchronisiert, dass sie am
Beginn der Blitzbeleuchtung öffnet,
vorzugsweise zu einer Zeit nach dem Rücksetzen der letzten Zeile
und vor dem Auslesen der ersten Zeile, wie bei 20 in 3 gezeigt
ist. Vorzugsweise ist die Blende während der gesamten Dauer des
Blitzes geöffnet.
Dies ermöglicht
die Verwendung von nur der Beleuchtungsmenge, die zum Erzeugen der
erforderlichen Belichtung nötig
ist, da jede Zei le auch dieselbe Menge von Umgebungslicht empfängt, empfängt sie
dieselbe Gesamtbelichtungsmenge wie jede andere Zeile. Als eine
Folge wird es möglich,
eine Blitzbeleuchtung zu verwenden, die in der Intensität vergleichbar
ist oder weniger als Umgebungslicht.
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Ein
beispielhafter Weg, wie die körperliche Blende
zu implementieren ist, besteht in der Verwendung einer sich drehenden
Scheibe oder eines ähnlichen
Teils mit Öffnungen
derart, dass periodisch eine Öffnung
für das
Licht zum Auftreffen auf den Sensor vorhanden ist. Bei einer derartigen
Anordnung müssen
die Blitzbeleuchtung und der Bildsensor synchronisiert werden, um
das Licht aufzufangen, das während
der Zeit, in der jede Öffnung
der körperlichen Blende
den Durchgang von Licht ermöglicht,
reflektiert wird.
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4 ist
ein Funktionsblockdiagramm, das ein erstes Ausführungsbeispiel 30 eines
die vorliegende Erfindung verkörpernden
Abbildungssystems illustriert. Das System bildet ein Objekt O ab,
das sich wie durch den Pfeil A angezeigt bewegt. Das Objekt O enthält einen
Code wie einen zweidimensionalen Strichcode, der in 4 nach
rechts gewandt ist und auf einer Abbildungsvorrichtung oder Sensoranordnung 32 abzubilden
ist. Vorzugsweise ist die Abbildungsvorrichtung 32 eine
CMOS-Abbildungsvorrichtung. Das Bild wird durch eine Linse 34 auf
der Abbildungsvorrichtung 32 gebildet, und eine körperliche Blende 36 wie
eine elektronische oder mechanische Blende ist zwischen der Linse 34 und
dem Objekt O angeordnet. Das Objekt O wurde durch eine Blitzlichtvorrichtung 38 beleuchtet,
die die Blitzlichtbeleuchtung F liefert. Eine Steuervorrichtung 40 steuert die
Blitzlichtvorrichtung 38 und die Blende 36 derart, dass
die Blende übereinstimmend
mit der Initiierung der Blitzlichtbeleuchtung F ge öffnet wird.
Vorzugsweise hält
die Steuervorrichtung 40 die Blende 36 während der
gesamten Dauer der Blitzlichtbeleuchtung F geöffnet. Auf diese Weise wird
die in 3 illustrierte Operation erzielt.
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5 ist
ein Funktionsblockdiagramm, das ein zweites Ausführungsbeispiel 30' eines die vorliegende
Erfindung verkörpernden
Abbildungssystems illustriert. Das System 30' ist identisch mit dem System 30 nach 4,
mit der Ausnahme, dass die Linse 36 durch einen optischen
Mechanismus 36' ersetzt
ist. Der Mechanismus 36' wird
so durch die Steuervorrichtung 40 gesteuert, dass das Bild
des Objekts O während
des Blitzes F fokussiert wird, aber bei Abwesenheit des Blitzes
F verschwommen fokussiert wird. Der Mechanismus 36' kann beispielsweise eine
elektronisch steuerbare Flüssigkristalllinse
sein. Wieder erzielt das Ausführungsbeispiel 30 primär die in 3 illustrierte
Operation. Es ist darauf hinzuweisen, dass sowohl die Blende 36 als
auch ein einstellbarer Fokussiermechanismus 36' in demselben
System vorgesehen sein können.
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6 ist
ein Funktionsblockdiagramm, das ein drittes Ausführungsbeispiel 30'' eines die vorliegende Erfindung
verkörpernden
Abbildungssystems illustriert. Bei diesem Ausführungsbeispiel ist die Blende 36 oder
der optische Mechanismus 36' durch eine
Linse 36'' ersetzt. Bei
diesem Ausführungsbeispiel
wird eine Blitzlichtvorrichtung 38'' verwendet, die
Licht mit einer vorbestimmten Frequenz, die gegenüber Umgebungslicht
wesentlich unterschiedlich ist, liefert. Die Linse 36'' ist so ausgebildet, dass sie die
Frequenz der Blitzlichtvorrichtung 38'' durchlässt und
die im Umgebungslicht enthaltenen Frequenzen blockiert. Als eine
Folge empfängt
die Abbildungsvor richtung 32 nur das durch das Blitzlicht
F beleuchtete Bild.
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Es
ist auch zu bemerken, dass, wenn das Umgebungslicht hell genug ist,
die Blitzlichtbeleuchtung nicht erforderlich sein kann. Die effektive
Integrationszeit kann somit eingestellt werden durch Ändern der
Impulsbreite des auftreffenden Lichts, wenn der Blitz verwendet
wird, oder durch Ändern
der Periode der elektronischen Blende der Sensoranordnung. Der Systemkonstrukteur
kann eines auswählen,
oder das System kann einen Lichtsensor enthalten, der in Abhängigkeit
davon, ob das Umgebungslicht oberhalb einer vorbestimmten Schwelle
ist oder nicht, die Art auswählt,
in der die effektive Integrationszeit des CMOS oder anderen Sensors
gesteuert wird.
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Obgleich
bevorzugte Ausführungsbeispiele der
Erfindung für
Veranschaulichungszwecke offenbart wurden, ist für den Fachmann verständlich,
dass viele Hinzufügungen,
Modifikationen und Substitutionen möglich sind, ohne den Bereich
und den Geist der Erfindung, so wie sie durch die begleitenden Ansprüche definiert
ist, zu verlassen.
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Zusammenfassung:
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Ein
sich relativ schnell bewegendes Objekt wird mit einem eine elektronische
Rollblende enthaltenden Sensor abgebildet, während eine Blitzlichtbeleuchtung
verwendet wird, die vergleichbar mit oder dunkler als Umgebungslicht
ist. Dies wird erreicht durch Verwendung einer körperlichen Blende zwischen
dem Objekt und dem Sensor, die mit dem Blitzlicht synchronisiert
ist. Vorzugsweise wird die körperliche
Blende auch so betätigt,
dass sie während
eines Zeitintervalls, das mit der Anwesenheit des Blitzlichts übereinstimmt,
geöffnet
ist. Vorzugsweise ist ein optischer Mechanismus zwischen dem Objekt
und dem Sensor vorgesehen, der bewirkt, dass das Bild fokussiert
wird, wenn das Blitzlicht auftritt, und ansonsten verschwommen ist.
Vorzugsweise ist ein optischer Filter zwischen dem Objekt und dem
Sensor angeordnet, und dieser Filter ist so ausgebildet, dass er Licht
mit der Wellenlänge
der Blitzlichtquelle zu dem CMOS-Sensor, aber Umgebungslicht dämpft.