DE102011107093A1 - Holographic low-pass filter for suppressing aliasing errors in electronic color camera, has two phase holograms superposed on each other, where one of phase holograms suppresses diffractions of second order and higher order - Google Patents
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Abstract
Description
Die Erfindung betrifft einen Tiefpassfilter zum Unterdrücken von Alias-Fehlern, insbesondere für eine elektronische Kamera.The invention relates to a low-pass filter for suppressing alias errors, in particular for an electronic camera.
Elektronische Kameras werden beispielsweise verwendet, um Bildsequenzen aufzunehmen, die später in Kinos vorgeführt werden. Hierbei ist es wichtig, dass die aufgenommenen Bildsequenzen eine hohe Bildqualität aufweisen, da bei der Projektion auf eine große Leinwand Bildfehler leicht erkennbar sind.For example, electronic cameras are used to capture image sequences that will later be shown in cinemas. Here it is important that the recorded image sequences have a high image quality, as when projecting on a large screen artifacts are easily recognizable.
Elektronische Kameras umfassen einen optoelektronischen Bildsensor, der das durch das Kameraobjektiv einfallende Licht in elektrische Signale umwandelt. Der Bildsensor besitzt eine Vielzahl von lichtempfindlichen Sensorelementen (sogenannte Pixel), die nach Art einer Matrix in einer zweidimensionalen regelmäßigen Anordnung vorgesehen sind. Hierbei kann es sich beispielsweise um CCD-Sensorelemente oder CMOS-Sensorelemente handeln. Beim Auslesen eines Bildes werden die elektrischen Signale der einzelnen Sensorelemente zum Ausgang des Sensors geleitet und digitalisiert.Electronic cameras include an optoelectronic image sensor that converts the light incident through the camera lens into electrical signals. The image sensor has a plurality of photosensitive sensor elements (so-called pixels), which are provided in the manner of a matrix in a two-dimensional array. These may be, for example, CCD sensor elements or CMOS sensor elements. When reading an image, the electrical signals of the individual sensor elements are conducted to the output of the sensor and digitized.
Das Objektiv der Kamera projiziert auf den Bildsensor ein kontinuierliches Bild, das sehr feine Strukturen enthalten kann. Diese Strukturen können feiner sein als die Ortsauflösung des Bildsensors, welche durch die Größe und den Abstand der Sensorelemente vorgegeben ist. Bei der diskreten Abtastung des kontinuierlichen Bildes mittels der Sensorelemente kann ein sogenannter Alias-Fehler entstehen: Die hohen Ortsfrequenzen in dem aufgenommenen Bild können nicht aufgelöst werden und erscheinen als hochfrequentes Rauschen im Bild.The lens of the camera projects onto the image sensor a continuous image that can contain very fine structures. These structures can be finer than the spatial resolution of the image sensor, which is predetermined by the size and the distance of the sensor elements. In the case of the discrete scanning of the continuous image by means of the sensor elements, a so-called aliasing error can arise: the high spatial frequencies in the recorded image can not be resolved and appear as high-frequency noise in the image.
Ein derartiger Alias-Fehler kann insbesondere bei einer Kamera auftreten, die einen Farbfilter mit dem sogenannten Bayer-Muster verwendet. Durch einen derartigen Farbfilter ist es möglich, dass die Kamera mittels eines einzigen Bildsensors Farbbilder aufnimmt. In diesem Fall ist der Sensor in gleichartige Blöcke von 2 × 2 Sensorelementen aufgeteilt, wobei in jedem Block zwei einander diagonal gegenüberliegende Sensorelemente für grünes Licht empfindlich sind, ein drittes Sensorelement für rotes Licht empfindlich ist und ein viertes Sensorelement für blaues Licht empfindlich ist. Eine derartige Bayer-Farbfilteranordnung ist in der Patentschrift
Zur Unterdrückung des Alias-Fehlers ist es bekannt, einen kristalloptischen Tiefpassfilter zu verwenden, der typischerweise aus doppelt brechendem Material hergestellt ist, wie dies beispielsweise in der Offenlegungsschrift
Es ist eine Aufgabe der Erfindung, einen Tiefpassfilter für eine elektronische Kamera zu schaffen, der kostengünstig herstellbar ist und eine optimale Realisierung der benötigten Filterfunktionen gestattet, um Alias-Fehler zu unterdrücken.It is an object of the invention to provide a low-pass filter for an electronic camera which is inexpensive to produce and allows optimal implementation of the required filter functions to suppress aliasing errors.
Diese Aufgabe wird durch einen holographischen Tiefpassfilter gelöst, der wenigstens ein Phasenhologramm aufweist.This object is achieved by a holographic low-pass filter having at least one phase hologram.
Ein holographischer Tiefpassfilter, dessen Filterwirkung durch ein Phasenhologramm erzeugt wird, zeichnet sich durch Oberflächenstrukturen aus, deren Abmessungen im Bereich der Wellenlänge des sichtbaren Lichts liegen. Diese holographischen Oberflächenstrukturen funktionieren ähnlich wie eine Fresnel-Linse, nämlich indem sie große notwendige Dickenunterschiede aufteilen in mehrere kleine Sprünge. Bei vergrößerter Betrachtung des Tiefpassfilters mit dem menschlichen Auge erscheinen die Oberflächenstrukturen wie eine willkürliche Gebirgeform, d. h. wie Rauschen, und nicht einmal das nachstehend noch erläuterte optionale Wiederholungsmuster lässt sich ohne weiteres erkennen. Tatsächlich können die holographischen Oberflächenstrukturen jedoch derart gewählt und ausgebildet werden, dass sich zumindest für monochromatisches Licht nahezu beliebige optische Funktionen realisieren lassen. Die Berechnung der jeweiligen Hologrammform mit der erwünschten Tiefpasswirkung muss rechnergestützt geschehen und kann insbesondere durch kommerziell verfügbare Computerprogramme erfolgen (zum Beispiel PLUTO Phase Modulator Software der HOLOEYE Photonics AG, Berlin).A holographic low-pass filter whose filtering effect is produced by a phase hologram is characterized by surface structures whose dimensions are in the range of the wavelength of visible light. These holographic surface structures work much like a Fresnel lens, splitting large necessary differences in thickness into several small jumps. When viewing the low-pass filter with the human eye, the surface structures appear like an arbitrary mountain shape, i. H. such as noise, and not even the optional repeat pattern explained below can be easily recognized. In fact, however, the holographic surface structures can be selected and configured in such a way that almost any optical functions can be realized, at least for monochromatic light. The calculation of the respective hologram shape with the desired low-pass effect must be done computer-aided and can be done in particular by commercially available computer programs (for example, PLUTO phase modulator software of HOLOEYE Photonics AG, Berlin).
Somit kann durch Verwendung eines holographischen Tiefpassfilters eine Tiefpasswirkung erzielt werden, die für einen oder sogar mehrere Spektralbereiche optimiert ist. Im Unterschied zu herkömmlichen Beugungsgittern können bei Verwendung eines Phasenhologramms als Tiefpassfilter Beugungen höherer Ordnung (2. Ordnung und höher) weitestgehend vermieden werden, da durch die holographischen Oberflächenstrukturen unerwünscht starke Ablenkungen des transmittierten Lichts unterdrückt werden können. Im Gegensatz zu einem holographischen Farbfilter bewirkt der erfindungsgemäße Tiefpassfilter mit Phasenhologramm nicht notwendigerweise eine Farbfilterung, sondern eine Filterung von Ortsfrequenzen zum Zwecke der Unterdrückung der genannten Alias-Fehler.Thus, by using a holographic low pass filter, a low pass effect optimized for one or even more spectral regions can be achieved. In contrast to conventional diffraction gratings, when using a phase hologram as a low-pass filter, higher-order diffractions (2nd order and higher) can be largely avoided since undesired strong deflections of the transmitted light can be suppressed by the holographic surface structures. In contrast to a holographic color filter, the phase hologram low-pass filter according to the invention does not necessarily cause color filtering, but instead filters spatial frequencies for the purpose of suppressing said alias errors.
Die Herstellung eines derartigen holographischen Tiefpassfilters ist kostengünstig und eignet sich auch für eine Massenproduktion. Beispielsweise können die Phasenhologramme auf einen Master aufbelichtet werden, welcher auf ein Substrat abgeformt wird. The production of such a holographic low-pass filter is inexpensive and is also suitable for mass production. For example, the phase holograms can be imprinted on a master, which is molded onto a substrate.
Gemäß einer vorteilhaften Ausführungsform kann der Tiefpassfilter eine transparente ebene Platte aufweisen, wobei das oder die Phasenhologramme in der Oberfläche der Platte Strukturen bilden, deren Abmessungen im Bereich der Wellenlänge des sichtbaren Lichts liegen. Hierdurch ist eine besonders einfache und kostengünstige Realisierung des holographischen Tiefpassfilters möglich.According to an advantageous embodiment, the low-pass filter may comprise a transparent planar plate, wherein the phase hologram or phases in the surface of the plate form structures whose dimensions are in the range of the wavelength of the visible light. As a result, a particularly simple and cost-effective implementation of the holographic low-pass filter is possible.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform ist der Tiefpassfilter für einen ersten Spektralbereich und für einen hiervon verschiedenen zweiten Spektralbereich unterschiedlich wirksam. Bei dieser Ausführungsform besteht im Falle der Verwendung des Tiefpassfilters für eine elektronische Farbkamera ein besonderer Vorteil in der Anpassbarkeit der jeweiligen optischen Funktion an die verschiedenen Spektralbereiche. Bei der Verwendung einer Bayer-Farbfilteranordnung für den Bildsensor sind für den grünen Spektralbereich doppelt so viele Sensorelemente vorgesehen wie für den roten und den blauen Spektralbereich. Daher ist es für einen Bildsensor mit Bayer-Farbfilteranordnung wünschenswert, wenn der Tiefpassfilter für das rote und das blaue Licht eine stärkere Tiefpasswirkung besitzt als für das grüne Licht.According to a preferred embodiment, the low-pass filter is differently effective for a first spectral range and for a second spectral range different therefrom. In this embodiment, in the case of using the low-pass filter for an electronic color camera, there is a particular advantage in the adaptability of the respective optical function to the different spectral ranges. When using a Bayer color filter arrangement for the image sensor twice as many sensor elements are provided for the green spectral region as for the red and the blue spectral range. Therefore, it is desirable for a Bayer color filter array image sensor to have the low-pass filter for the red and blue lights having a greater low-pass effect than the green light.
Diese Funktion wird für den holographischen Tiefpassfilter dadurch erfüllt, dass spektral unterschiedliche Tiefpasswirkungen einander überlagert sind. Somit kann die jeweilige Tiefpasswirkung optimal an die unterschiedliche spektrale Empfindlichkeit der verschiedenen Sensorelemente angepasst sein. Mit anderen Worten können verschiedene Tiefpasswirkungen für die verschiedenen Farbkanäle der Kamera und deren unterschiedliche Ortsfunktionen realisiert werden. Hierdurch wird vermieden, dass die Tiefpasswirkung einheitlich an den roten und den blauen Farbkanal (mit der niedrigeren Ortsauflösung) angepasst werden muss, um Alias-Fehler zu unterdrücken, wodurch Bildinformation in dem grünen Farbkanal (mit der höheren Ortsauflösung) verloren ginge.This function is fulfilled for the holographic low-pass filter in that spectrally different low-pass effects are superimposed on one another. Thus, the respective low-pass effect can be optimally adapted to the different spectral sensitivity of the different sensor elements. In other words, different low-pass effects for the different color channels of the camera and their different spatial functions can be realized. This avoids having to uniformly match the low-pass effect to the red and blue color channels (with the lower spatial resolution) to suppress aliasing errors, thus losing image information in the green color channel (with the higher spatial resolution).
Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung weist der Tiefpassfilter ein erstes Phasenhologramm auf, das für den Spektralbereich wirksam ist, und wenigstens ein zweites Phasenhologramm, das für den anderen, zweiten Spektralbereich wirksam ist, wobei das erste Phasenhologramm und das zweite Phasenhologramm einander überlagert sind. Somit umfasst der Tiefpassfilter wenigstens zwei Phasenhologramme, die spektral unterschiedliche Tiefpasswirkungen besitzen, und die einander überlagert sind. Hierdurch kann sich die Berechnung der im Ergebnis erforderlichen holographischen Oberflächenstrukturen vereinfachen.According to an advantageous development, the low-pass filter has a first phase hologram which is effective for the spectral range and at least a second phase hologram which is effective for the other, second spectral range, wherein the first phase hologram and the second phase hologram are superimposed on one another. Thus, the low-pass filter comprises at least two phase holograms which have spectrally different low-pass effects and which are superimposed on one another. This can simplify the calculation of the holographic surface structures required in the result.
Vorzugsweise umfasst der genannte erste Spektralbereich grünes Licht, während der genannte zweite Spektralbereich rotes Licht und/oder blaues Licht umfasst. Somit können zwei Phasenhologramme mit jeweiliger Tiefpasswirkung vorgesehen sein, die der unterschiedlichen Ortsauflösung der für grünes Licht bzw. für rotes oder blaues Licht empfindlichen Sensorelemente entsprechen.Preferably, said first spectral region comprises green light, while said second spectral region comprises red light and / or blue light. Thus, two phase holograms with a respective low-pass effect can be provided which correspond to the different spatial resolution of the sensor elements sensitive to green light or to red or blue light.
Weiterhin ist es bevorzugt, wenn der Tiefpassfilter für rotes Licht und/oder blaues Licht eine tiefere Grenzfrequenz besitzt als für grünes Licht. Hierdurch wird für die beiden verschiedenen Spektralbereiche eine unterschiedliche Tiefpasswirkung erzielt.Furthermore, it is preferred if the low-pass filter for red light and / or blue light has a lower cutoff frequency than for green light. As a result, a different low-pass effect is achieved for the two different spectral ranges.
Gemäß einer vorteilhaften Ausführungsform kann der Tiefpassfilter wenigstens ein zweidimensionales regelmäßiges Muster von holographischen Strukturen aufweisen, um das wenigstens eine Phasenhologramm zu bilden. Das Wiederholungsintervall dieses regelmäßigen Musters (z. B. 50 bis 100 Mikrometer) entspricht nicht notwendigerweise dem Wiederholungsintervall (d. h. dem gegenseitigen Abstand) der regelmäßigen Anordnung der Sensorelemente des zugeordneten Bildsensors, sondern dient lediglich zur Erleichterung der Berechnung geeigneter holographischer Oberflächenstrukturen. Es können auch zwei derartige regelmäßige Muster von holographischen Strukturen vorgesehen sein, wobei das eine Muster einen Tiefpassfilter für den genannten ersten Spektralbereich und das andere Muster einen Tiefpassfilter für den genannten zweiten Spektralbereich bildet, und wobei die beiden Muster einander überlagert sind.According to an advantageous embodiment, the low-pass filter may comprise at least one two-dimensional regular pattern of holographic structures to form the at least one phase hologram. The repetition interval of this regular pattern (eg, 50 to 100 microns) does not necessarily correspond to the repetition interval (i.e., the mutual distance) of the array of sensor elements of the associated image sensor, but merely serves to facilitate the calculation of suitable holographic surface structures. Two such regular patterns of holographic structures can also be provided, one pattern forming a low-pass filter for said first spectral range and the other pattern forming a low-pass filter for said second spectral range, and wherein the two patterns are superimposed.
Weiterhin ist es bevorzugt, wenn der Tiefpassfilter (oder eine den Tiefpassfilter tragende Trägereinrichtung) entspiegelt ist. Alternativ oder zusätzlich kann der Tiefpassfilter (oder eine den Tiefpassfilter tragende Trägereinrichtung) mit einem Infrarotsperrfilter und/oder mit einem Ultraviolett-Sperrfilter versehen sein. Somit können mehrere verschiedene optische Funktionen in einer Baueinheit realisiert sein.Furthermore, it is preferred if the low-pass filter (or a carrier device carrying the low-pass filter) is non-reflective. Alternatively or additionally, the low-pass filter (or a carrier device carrying the low-pass filter) may be provided with an infrared cut filter and / or with an ultraviolet cut filter. Thus, several different optical functions can be realized in one structural unit.
Die Erfindung bezieht sich auch auf eine elektronische Kamera mit einem holographischen Tiefpassfilter, der in der erläuterten Art zumindest für einen ersten Spektralbereich und einen zweiten Spektralbereich unterschiedlich wirksam ist, und mit einem Bildsensor, der eine zweidimensionale regelmäßige Anordnung von Sensorelementen aufweist, die gemäß einem Muster für rotes, grünes oder blaues Licht empfindlich sind. Beispielsweise kann der Bildsensor mit einer Bayer-Farbfilteranordnung versehen sein, oder die Sensorelemente sind inhärent unterschiedlich spektral empfindlich. Die Grenzfrequenz des Tiefpassfilters für den ersten Spektralbereich ist an den gegenseitigen Abstand der für grünes Licht empfindlichen Sensorelemente angepasst, und die Grenzfrequenz des Tiefpassfilters für den zweiten Spektralbereich ist an den gegenseitigen Abstand der für rotes Licht empfindlichen Sensorelemente oder der für blaues Licht empfindlichen Sensorelemente angepasst. Mit anderen Worten entspricht die jeweilige Grenzfrequenz der Ortsfrequenz der Anordnung der zugeordneten Sensorelemente (grün bzw. rot/blau).The invention also relates to an electronic camera with a holographic low-pass filter, which is different in effect in the manner explained at least for a first spectral range and a second spectral range, and with an image sensor having a two-dimensional array of sensor elements arranged according to a pattern are sensitive to red, green or blue light. For example, the image sensor be provided with a Bayer color filter array, or the sensor elements are inherently different spectrally sensitive. The cutoff frequency of the low pass filter for the first spectral range is matched to the mutual distance of the green light sensitive sensor elements, and the cutoff frequency of the low pass filter for the second spectral range is adapted to the mutual distance of the red light sensitive sensor elements or the blue light sensitive sensor elements. In other words, the respective cutoff frequency corresponds to the spatial frequency of the arrangement of the associated sensor elements (green or red / blue).
Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung ist bei einer derartigen elektronischen Kamera der Tiefpassfilter bezüglich der Lichteinfallsrichtung vor dem Bildsensor angeordnet, wobei die mit dem wenigstens einen Phasenhologramm versehene Oberfläche des Tiefpassfilters dem Bildsensor zugewandt ist. Somit bildet der Tiefpassfilter (oder eine den Tiefpassfilter tragende Trägereinrichtung) zugleich ein Abschlussfenster zum Schutz des Bildsensors der Kamera vor Verschmutzung und Beschädigung. Da die mit den Phasenhologrammen versehene Seite des Tiefpassfilters dem Bildsensor zugewandt ist, sind die Phasenhologramme ebenfalls vor Verschmutzung und Beschädigung geschützt.According to an advantageous development of such an electronic camera, the low-pass filter is arranged in front of the image sensor with respect to the light incident direction, the surface of the low-pass filter provided with the at least one phase hologram facing the image sensor. Thus, the low-pass filter (or a carrier device carrying the low-pass filter) simultaneously forms a closure window for protecting the image sensor of the camera from dirt and damage. Since the side of the low-pass filter provided with the phase holograms faces the image sensor, the phase holograms are also protected against contamination and damage.
Die Erfindung bezieht sich schließlich auch auf ein Verfahren zur Herstellung eines holographischen Tiefpassfilters der genannten Art, bei dem das wenigstens eine Phasenhologramm auf einem Master durch Photolithographie erzeugt wird und der Master auf ein Substrat abgeformt wird. Hierdurch kann ähnlich der Herstellung einer Compact Disk ein Master zum kostengünstigen Herstellen einer Vielzahl von holographischen Tiefpassfiltern verwendet werden.Finally, the invention also relates to a method for producing a holographic low-pass filter of the type mentioned, in which the at least one phase hologram is produced on a master by photolithography and the master is molded onto a substrate. As a result, similar to the manufacture of a compact disk, a master can be used for the cost-effective production of a multiplicity of holographic low-pass filters.
Die Erzeugung des oder der Phasenhologramme am Master kann insbesondere folgendermaßen durch Photolithographie erfolgen: Beispielsweise kann ein Quarzglas-Master mit einer Photolackschicht versehen werden, die mittels eines intensitätsmodulierten Laserstrahls entsprechend dem erwünschten (und gegebenenfalls zuvor berechneten) Phasenhologramm belichtet wird. Durch nachfolgendes Entwickeln der Photolackschicht werden in der Photolackschicht Oberflächenstrukturen gebildet, die dem Negativ der erwünschten holographischen Oberflächenstrukturen des Tiefpassfilters entsprechen. Durch senkrechtes Plasma-Ätzen wird erreicht, dass ausgehend von den in der Photolackschicht gebildeten Oberflächenstrukturen auch in dem Master entsprechende (negative) Oberflächenstrukturen gebildet werden. Der Master bildet somit eine Matrize. Der Master kann anschließend noch mit einer dünnen Antihaft-Beschichtung versehen werden (z. B. monomolekulare Fluoridschicht).The generation of the phase hologram (s) on the master can in particular be effected by photolithography as follows: For example, a quartz glass master can be provided with a photoresist layer which is exposed by means of an intensity-modulated laser beam in accordance with the desired (and possibly previously calculated) phase hologram. By subsequently developing the photoresist layer, surface structures are formed in the photoresist layer which correspond to the negative of the desired holographic surface structures of the low-pass filter. By means of perpendicular plasma etching it is achieved that corresponding (negative) surface structures are also formed in the master, starting from the surface structures formed in the photoresist layer. The master thus forms a matrix. The master can then be provided with a thin non-stick coating (eg monomolecular fluoride layer).
Die Abformung des somit hergestellten Quarzglas-Masters geschieht beispielsweise durch Aufbringen eines flüssigen Kunststoffs mit geringer Viskosität auf die strukturierte Oberfläche des Masters. Dieser Kunststoff ist transparent und UV-härtbar (z. B. Acrylat, Epoxid). Der Kunststoff wird von der Rückseite des UV-transparenten Quarzglas-Masters mit ultravioletter Strahlung (UV-Strahlung) belichtet und hierdurch ausgehärtet. Durch Ablösen des ausgehärteten Kunststoffs ist ein plattenförmiger Tiefpassfilter hergestellt. Es kann nun eine weitere Abformung erfolgen.The impression of the quartz glass master thus produced is done, for example, by applying a liquid plastic with low viscosity to the structured surface of the master. This plastic is transparent and UV-curable (eg acrylate, epoxy). The plastic is exposed from the back of the UV-transparent quartz glass master with ultraviolet radiation (UV radiation) and thereby cured. By detachment of the cured plastic, a plate-shaped low-pass filter is produced. It can now take another impression.
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Zitierte PatentliteraturCited patent literature
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- DE 19826962 A1 [0006] DE 19826962 A1 [0006]
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