DE2720989C2

DE2720989C2 - Farb-Bildabtastanordnung

Info

Publication number: DE2720989C2
Application number: DE2720989A
Authority: DE
Inventors: Peter Lewis Presnall Pittsford N.Y. Dillon
Original assignee: Eastman Kodak Co
Current assignee: Eastman Kodak Co
Priority date: 1976-05-12
Filing date: 1977-05-10
Publication date: 1987-01-15
Also published as: CH616035A5; AU505070B2; US4148059A; SE423959B; AU2514277A; SE7705485L; JPS52137925A; IT1113576B; CA1074896A; US4047203A; DE2720989A1; FR2351493B2; GB1575240A; BE854564R; NL7704947A; FR2351493A2

Description

Die Erfindung betrifft eine Farb-Bildabtastanordnung mit einer Bildsensoranordnung, die Sensorelemente einer ersten Art, einer zweiten Art und einer dritten Art aufweist, die auf Strahlung in einem ersten Spektralbereich bzw. einem zweiten Spektralbereich bzw. einem dritten Spektralbereich empfindlich sind, bei der die drei Arten von Sensorelementen in sich wiederholendem Muster über die Fläche der Sensoranordnung verteilt sind und bei der die Sensorelemente der ersten Art in größerer Anzahl vorhanden sind als die Sensorelemente sowohl der zweiten als auch der dritten Art, wobei, in zwei zueinander senkrechten Richtungen über die Fläche der Sensoranordnung fortschreitend, jedes zweite der Sensorelemente ein Sensorelement der ersten Art ist, nach Patent 26 08 998.
Es ist bekannt, die Umwandlung eines Farbbildes in eine Folge elektrischer Signale durch photoelektrische Einrichtungen vorzunehmen, die Bildinformationen in Form von Farbauszügen in zumindest drei Grundfarben darstellen. Wenn Festkörper-Bildabtasteinrichtungen, beispielsweise von CCD-Bauteilen, verwendet werden, um die die Bildinformationen kennzeichnenden Signale zu gewinnen, dann hängen Herstellungskosten der Bildsensoranordnung und auch der Schwierigkeitsgrad der Herstellung von der Anzahl der in der Bildsensoranordnung enthaltenen Sensorelemente ab. Nach dem derzeitigen Stand der Technik lassen sich in einer einzigen Festkörper-Bildsensoranordnung nur wenig mehr Sensorelemente unterbringen als für eine monochrome Bildabtastung zum Erreichen einer hohen Bildgüte erforderlich sind. Wenn man daher mit einer einzigen Bildsensoranordnung eine Farbbildabtastung in einer einzigen Bildfläche durchführen will, was aus Gründen der Wirtschaftlichkeit und aus dem Grunde wünschenswert ist, um Ausrichtprobleme der einzelnen Farbauszüge zu vermeiden, dann ist man dementsprechend gezwungen, die begrenzte Anzahl vorhandener Sensorelemente auf sämtliche der drei Grundfarben zu verteilen. Daher ist es wichtig, die zur Verfügung stehenden Sensorelemente so effektiv wie möglich zum Einsatz zu bringen.
Zu diesem Zwecke ist es (vgl. US-PS 28 92 883) bereits bekannt, in horizontal verlaufenden Reihen von Sensorelementen der Bildsensoranordnung jedes zweite Sensorelement als grünempfindliches Sensorelement auszubilden. Diese Art der Anordnung ergibt eine sehr gute horizontale Auflösung. Bei dieser bekannten Bildabtastanordnung tritt jedoch der Nachteil auf, daß die vertikale Auflösung schlecht ist.
Dieser Nachteil der erwähnten, bekannten Bildabtastanordnung wird durch das Hauptpatent dadurch behoben, daß die Sensorelemente der ersten Art, bei denen es sich um die grünempfindlichen und für die Luminanz des betreffenden Bereichs kenzeichnenden Sensorelemente handelt, so angeordnet sind, daß nicht nur in horizontalen Reihen, sondern in zwei zueinander senkrechten Richtungen über die Fläche der Sensoranordnung fortschreitend, jedes zweite der Sensorelemente ein Sensorelement der ersten Art ist.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine weitere Ausgestaltung der im Hauptpatent aufgezeigten Lehre anzugeben.
Bei einer Farb-Bildabtastanordnung nach Art des Hauptpatents ist diese Aufgabe erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die Sensorelemente in Reihen aus Gruppen von je vier in Richtung einer der Hauptausdehnungen der Abtastanordnungen aneinandergereihten Sensorelementen angeordnet sind, daß jede dieser Vierergruppen zwei luminanzempfindliche Sensorelemente der ersten Art und je ein Sensorelement der zweiten und der dritten Art enthält und daß die Vierergruppen von einander unmittelbar benachbarten Reihen gegeneinander um ein Sensorelement verschoben sind. Im Gegensatz zu der aus der US-PS 28 82 883 bekannten, oben erwähnten Bildabtastanordnung wird dadurch nicht nur eine gute Auflösung in einer einzigen Richtung erreicht, sondern die Bildabtastung erfolgt in optimaler, auf die Wahrnehmungsfähigkeit des menschlichen Sehapparates abgestimmter Weise, wobei das verwirrende oder sogar Übelkeit hervorrufende Farbflimmern, wie es bei zusammengesetzten Farb-Rastermustern ansonsten auftreten kann, vollständig ausgeschlossen ist.
Durch die US-PS 36 47 947 ist es zwar bereits an sich bekannt, einen mosaikartig ausgebildeten Farbfilter aus Farbfilterelementen aufzubauen, welche Reihen aus Dreiergruppen bilden. Dabei sind die Dreiergruppen unmittelbar benachbarter Reihen gegeneinander um ein Filterelement versetzt. Diese bekannte Mosaikanordnung bezieht sich jedoch weder auf Vierergruppen mit je zwei luminanzempfindlichen Elementen, noch handelt es sich um eine Festkörper-Bildsensoranordnung. Das bekannte Farbfilter ist vielmehr für eine Verwendung bei einer Einröhren-Farbkamera vorgesehen.
Bei Ausführungsbeispielen der Bildsensoranordnung bilden Vierergruppen (vier in einer Richtung Seite an Seite aneinandergereihte Sensorelemente) die Grundbausteine, in denen luminanzempfindliche Elemente doppelt so häufig wie die für jede der beiden anderen Farben empfindlichen Sensorelemente vorhanden sind und wobei sich zwischen benachbarten luminanzempfindlichen Elementen je ein Sensorelement der anderen Art befindet, wobei diese Elemente der zweiten und dritten Art sich dabei abwechseln. Es handelt sich also um "luminanzbeherrschte Vierergruppen". Diese Vierergruppen sind längs einer Linie aneinandergereiht, wobei diese Linie in Richtung einer Bildzeile oder in Richtung einer senkrecht verlaufenden Spalte angeordnet sein kann. Dadurch, daß die Vierergruppen unmittelbar benachbarter Reihen um ein Sensorelement gegeneinander verschoben sind, werden in beiden Felddimensionen der Bildsensoranordnung sich geschlossen wiederholende Abtastmuster für alle drei Grundfarben gebildet. Die einzelnen, nicht für die Luminanz kennzeichnenden Farben erscheinen jeweils in regelmäßigen Intervallen innerhalb von vier Sensorelementen und erscheinen jeweils bei benachbarten Reihen in verschiedenen Rasterfeldern. Bei zeilenweiser Anordnung der Reihen ergibt sich dieser Umstand dadurch, daß die Vierergruppen sich in jeder Zeile wiederholen, so daß jede Farbe sich in regelmäßigen Intervallen ( Intervalle von 4 Elementen für nicht luminanzkennzeichnende Farben und Intervalle von 2 Elementen für die luminanzkennzeichnende Farbe) wiederholt, ungeachtet dessen, ob es sich um eine ungeradzahlige oder eine geradzahlige Zeile handelt. Bei spaltenweiser Anordnung der Reihen ergibt die Verschiebung der Vierergruppen um ein Sensorelement bei einander unmittelbar benachbarten Spalten ein gleichmäßig verteiltes Auftreten der nicht für die Luminanz kennzeichnenden Farben in verschiedenen Rasterfeldern bei benachbarten Spalten. Dieser Wechsel der Rasterfelder bei spaltenweiser Anordnung der Vierergruppen ergibt sich zwangsläufig durch die gegenseitige Verschiebung der Vierergruppen benachbarter Spalten um je ein Sensorelement.
Wie oben angegeben, können die Vierergruppen entweder zeilenweise oder spaltenweise (wobei unter " zeilenweiser Anordnung" die Aneinanderreihung in Richtung der kontinuierlichen Abtastbewegung gemeint ist) aneinandergereiht sein. Die zeilenweise, also in Abtastrichtung erfolgende Aneinanderreihung, ist vorzuziehen, weil dabei drei im wesentlichen kontinuierliche Farbsignale während des Abfragens einer Reihe aufrechterhalten werden können, ohne daß es erforderlich wäre, daß Informationen von einer Reihe zur anderen oder über mehr als vier Abfrage-Zyklen gespeichert werden müßten. Außerdem muß bei solcher Anordnung immer nur ein Datenwort der Farbinformation pro Farbe gespeichert werden. Bei bestimmten Ausführungsformen spaltenweiser Aneinanderreihung von Vierergruppen mit in Richtung der Spalten aneinandergereihten Sensorelementen gestaltet sich die Signalverarbeitung im Gegensatz dazu nicht so einfach, weil bei spaltenweiser Anordnung Bildzeilen, die nur Sensorelemente für zwei der drei Grundfarben enthalten, vorkommen können.
Bei derartigen spaltenweisen Anordnungen ist es erforderlich, einen nicht unbeträchtlichen Teil (im allgemeinen 25%) der Information jeder Zeile zu halten, um drei verwertbare Farbsignale zur Verfügung stellen zu können.
Es sei bemerkt, daß bei der erfindungsgemäß vorgesehenen Verschiebung der Vierergruppen benachbarter Reihen die verschiedensten Verschiebungsfolgen angewendet werden können, wie es unten ausführlicher erläutert werden wird, und daß vorzugsweise Verschiebungsfolgen, bei denen sich innerhalb von vier Zeilen eine Wiederholung ergibt, im Hinblick auf die Erzielung enger Farbmuster in zwei Dimensionen vorzuziehen sind. Durch derartig enge Abtastmuster wird erreicht, daß durch die Abtastung erzeugte Artefakte so wenig wie möglich sichtbar in Erscheinung treten.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand der Zeichnung im einzelnen erläutert.
Es zeigt
Fig. 1a und 1b schematisiert gezeichnete Darstellungen der Anordnung luminanzbeherrschter Vierergruppen von Sensorelementen einer Bildsensoranordnung;
Fig. 2 eine Darstellung der Verschiebungsmöglichkeiten der Vierergruppen bei der erfindungsgemäßen Bildabtastanordnung;
Fig. 3a bid 3d schematisierte Darstellungen des Aufbaus eines Ausführungsbeispiels der Bildsensoranordnung der erfindungsgemäßen Bildabtastanordnung und
Fig. 4a bis 4d und 5a bis 5d den Fig. 3a bis 3d entsprechende Darstellungen eines zweiten bzw. dritten Ausführungsbeispiels der Bildsensoranordnung.
Bei der vorliegenden Erfindung wird dem Umstand, daß der menschliche Sehapparat für Luminanz-Bilddetails ein erhöhtes Auflösungsvermögen hat, dadurch Rechnung getragen, daß man zweidimensionale Abtastanordnungen in Form von speziell sensibilisierten Reihen von Bildsensoren ausbildet, wobei die Reihen aus in Vierergruppen angeordneten Sensoren gebildet sind, bei welchen Vierergruppen die luminanzempfindlichen Sensoren prädominant sind. Das heißt, daß bei der Erfindung die Reihen aus Gruppen von je vier Sensorelementen gebildet sind, von denen zwei im wesentlichen luminanzempfindlich sind, wohingegen die zwei übrigen Elemente auf zwei weitere Grundfarben ansprechen (diese beiden Grundfarben bilden zusammen mit der den luminanzempfindlichen Sensoren zugeordneten dritten Grundfarbe ein vorgewähltes Dreifarben-System). Fig. 1a zeigt die vier Möglichkeiten für die Ausbildung von Vierergruppen, die aus zwei luminanzempfindlichen Sensorelementen (die im wesentlichen im grünen Spektralbereich empfindlich sind), einem rotempfindlichen Sensorelement und einem blauempfindlichen Sensorelement gebildet sind. Bei der erfindungsgemäßen Anordnung wiederholen sich die Vierergruppen in ihrer Folgerichtung, so daß eine Linie aus Sensorelementen gebildet wird, die luminanzbeherrscht ist (d. h. mehr luminanzempfindliche Elemente als für jeweils eine der übrigen Farben empfindliche Elemente enthält) und die Elemente für sämtliche drei Farben in regelmäßigen Abständen aufweist. Fig. 1b dient dazu, um zu zeigen, daß bei derartiger Wiederholung die Unterschiede des Aufbaus der Vierergruppen, wie sie in Fig. 1a gezeigt sind, ohne Auswirkung auf die Gesamt-Abtastordnung sind, so daß man diese Unterschiedlichkeiten zweckmäßiger als einfache seitliche Verschiebungen des sich wiederholenden Musters ansieht.
Um eine zweidimensionale Abtastanordnung aus Sensorelementen zu entwickeln, werden erfindungsgemäß die Muster benachbarter Linien (Zeilen oder Spalten) gegeneinander um ein Element verschoben. Bei derartiger Verschiebung ergibt sich zwangsläufig, daß die luminanzempfindlichen Elemente, die in den Vierergruppen jeweils mit einem anderen Element alternierend auftreten, in einem äußerst wirksamen Schachbrettmuster auftreten, bei dem sich für alle drei Farben in beiden Feldern der Sensoranordnung Muster mit engem Abstand ergeben. Fig. 2 dient dazu, um, ausgehend von einem einzigen Element, die möglichen Reihenfolgen der Verschiebung aufzuzeigen, die bei der erfindungsgemäßen Art der Verschiebung um je ein Element auftreten können.
Wie bei der Betrachtung eines bevorzugten Ausführungsbeispiels ersichtlich werden wird, bewirkt ein kontinuierliches Verschieben von Linie zu Linie in einer einheitlichen Richtung, daß, vom Standpunkt des Farbmusters aus gesehen, sich jede Linie in einem vier Linien betragenden Intervall wiederholt. Diese Wiederholung ergibt sich deshalb, weil die Vierergruppen sich selbst in jeder Linie wiederholen und weil eine in Richtung der Linien verlaufende Verschiebung um vier Elemente einer Verschiebung um eine Vierergruppe in wiederholter Folge ähnlicher Vierergruppen entspricht.
Es ist ersichtlich, daß eine solche regelmäßige und geschlossene Wiederholung in zwei Richtungen (Farben, die nicht luminanzkennzeichnend sind, wiederholen sich sowohl längs der Reihen als auch längs der Spalten über je vier Elemente) sowohl vom Standpunkt der Bildabtastung als auch vom Standpunkt der einfachen Signalverarbeitung wünschenswert ist.
Um spezielle, zweidimensionale Abtastanordnungen aus farbsensitiven Sensorelementen zu beschreiben, kann eine Folge (siehe Fig. 3a) verwendet werden, die die Verschiebungen gegenüber einer senkrecht zur Folgerichtung der Vierergruppen verlaufenden Bezugslinie darstellt. Unter den für die Verschiebung bei der Erfindung festgelegten Bedingungen kann die Folge nur die Verschiebungen 1 und - 1 enthalten, d. h. Verschiebungen eines Sensorelementes um einen Schritt in einer positiven oder einer negativen Richtung
Fig. 3a bis 3b zeigen die Entwicklung einer zweidimensionalen Abtastanordnung gemäß der Erfindung. Als erstes ist eine Verschiebungsfolge definiert, bei der lediglich die Verschiebungen 1 und/oder -1 vorkommen. Diese Folge definiert den Verschiebungsverlauf (siehe Fig. 3b) für die Linien der sich wiederholenden Vierergruppen (Spalten oder Zeilen).
Durch Verschieben benachbarter Linien in Übereinstimmung mit dem Verschiebungsverlauf erhält man ein endgültiges Muster (Fig. 3c). Derartige zweidimensionale Abtastmuster zeigen bei den speziellen, erfindungsgemäß eingehaltenen Bedingungen (nämlich wiederholte Vierergruppen und Verschiebung um je ein Element) notwendigerweise eine Prädominanz luminanzempfindlicher Elemente, wie es oben erwähnt wurde, wobei sich die luminanzempfindlichen Elemente mit regelmäßiger Abtastfrequenz in zwei zueinander orthogonalen Richtungen wiederholen. Außerdem treten, wie aus Fig. 3d zu ersehen ist, sämtliche drei der ausgewählten Grundfarben in jedem Feld einer zusammengesetzten Abtastanordnung in sich wiederholenden engen Mustern auf. Um sicherzustellen, daß in enger Wiederholung regelmäßig auftretende Muster gebildet werden, ist es von Vorteil, eine Verschiebungsfolge zu benutzen, die sich selbst in vier oder weniger Linien wiederholt. Diese Eigenschaft wird erreicht, wenn sich die Folge (Fig. 3a) innerhalb (inklusive) vier Linien wiederholt zu Null summiert oder sich in vier Linien (wie es bei der Konfiguration von Fig. 3c der Fall ist) wiederholt und zu +4 oder -4 summiert. In dieser Hinsicht sollte bemerkt werden, daß eine Linienverschiebung um vier Schritte in positiver oder negativer Richtung eine Wiederholung der Linie darstellt, da die Vierergruppen sich in einer Linie mit einer Frequenz von vier Elementen wiederholen.
Das Muster von Fig. 3c stellt ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel dar, weil man für alle drei Farben eine feste, zugeordnete Abtastgeschwindigkeit (Fig. 3d) für alle Reihen und Spalten erhält (das gleiche Muster mit negativer Verschiebungen von Linie zu Linie ist, vom Standpunkt der Abtastung gesehen, im wesentlichen entsprechend).
Ein abgewandeltes Muster ist in seiner Entwicklung in Fig. 4a bis 4d aufgezeigt. Bei diesem Muster ergibt sich zwar nicht die Gleichförmigkeit der Abtastung wie bei dem vorstehend erwähnten, bevorzugten Ausführungsbeispiel, dafür ergibt sich aber vom Standpunkt der Signalverarbeitung der Vorteil, daß lediglich zwei Arten von Reihen auftreten, und zwar eine Art in jedem Feld. Wenn jedem Feld eine zugehörige spezielle Ordnung, in der die Farbinformation angeordnet ist, zu eigen ist, dann gestaltet sich, wie auf der Hand liegt, das Demultiplexen der Ausgangssignale der Abtastanordnung etwas einfacher.
In den Fig. 5a bis 5b ist eine Abtastanordnung entwickelt, bei der die Vierergruppen spaltenweise angeordnet (d. h. senkrecht zur Zeilenabtastung der Sensoranordnung) und spaltenweise gegeneinander verschoben sind, und zwar abwechselnd um +1 und um -1. Bei Einhaltung der genannten Bedingungen ergibt sich eine Konfiguration, bei der in jeder Zeile eine der nicht luminanzkennzeichnenden Farben fehlt. Daher muß, um während der Abtastung jeder einzelnen Zeile drei Farbsignale erzeugen zu können, die Information von einer Reihe zur anderen gespeichert werden. Dies zeigt, daß die Anordnung der Vierergruppen in Zeilen (also nicht wie bei Fig. 5a bis 5d in Spalten) von Vorteil ist, da die luminanzkennzeichnende Farbe sich regelmäßig bei jedem übernächsten Element jeder Reihe (Abtastzeile) wiederholt und die anderen Farben sich regelmäßig einmal in jeder Vierergruppe wiederholen. Nichtsdestoweniger ist jedoch ersichtlich, daß bei Einhaltung der hier genannten Bedingungen auch bei spaltenweiser Anordnung der Vierergruppen eine Konfiguration erreicht wird, bei der die luminanzkennzeichnenden Elemente mit verhältnismäßig hoher Raumfrequenz in zwei Richtungen abgetastet werden und bei der drei Farben in sich wiederholendem engem Muster in beiden Feldern der Abtastanordnung enthalten sind.
Die Erfindung wurde unter besonderem Bezug auf spezielle bevorzugte Ausführungsbeispiele beschrieben. Es versteht sich jedoch, daß die verschiedensten Abwandlungen und Weiterbildungen möglich sind, ohne den Rahmen der Erfindung zu verlassen. Beispielsweise könnten verschiedene Arten von orthogonalen bildabtastenden Sensorreihen vorgesehen sein, beispielsweise Reihen aus Bauteilen vom Ladungs-Injektortyp. Derartige Reihen könnten von der Vorderseite oder von der Rückseite her beleuchtet werden. Es könnte auch auf verschiedenste Art und Weise eine selektive Steuerung der Empfindlichkeit der einzelnen Sensorelemente der Reihen vorgenommen werden, beispielsweise könnten linsenförmige Filter dazu benutzt werden, um abhängig von den jeweils zugeordneten Farben, das Licht selektiv zu modulieren, bevor es auf die Sensorreihe trifft.

Claims

1. Farb-Bildabtastanordnung mit einer Bildsensoranordnung, die Sensorelemente einer ersten Art, einer zweiten Art und einer dritten Art aufweist, die auf Strahlung in einem ersten Spektralbereich bzw. einem zweiten Spektralbereich bzw. einem dritten Spektralbereich empfindlich sind, bei der die drei Arten von Sensorelementen in sich wiederholendem Muster über die Fläche der Sensoranordnung verteilt sind und bei der die Sensorelemente der ersten Art in größerer Anzahl vorhanden sind als die Sensorelemente sowohl der zweiten als auch der dritten Art, wobei, in zwei zueinander senkrechten Richtungen über die Fläche der Sensoranordnung fortschreitend, jedes zweite der Sensorelemente ein Sensorelement der ersten Art ist, nach Patent 26 08 998, dadurch gekennzeichnet, daß die Sensorelemente in Reihen aus Gruppen von je vier in Richtung einer der Hauptausdehnungen der Abtastanordnung aneinandergereihten Sensorelementen angeordnet sind, daß jede dieser Vierergruppen zwei luminanzempfindliche Sensorelemente der ersten Art und je ein Sensorelement der zweiten und der dritten Art enthält und daß die Vierergruppen von einander unmittelbar benachbarten Reihen gegeneinander um ein Sensorelement verschoben sind.

2. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Sensorelemente in den Vierergruppen in jeweils gleicher Reihenfolge aneinandergereiht sind.

3. Anordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Vierergruppen in Richtung der Bildzeilen der Abtastanordnung aneinandergereiht sind und daß, von der ersten Bildzeile ausgehend bis zur letzten Bildzeile, die Vierergruppen der einander unmittelbar benachbarten Reihen je um ein Sensorelement in der Abtastrichtung gegeneinander verschoben sind.