DE102015209551A1

DE102015209551A1 - COLOR FILTER AND COLOR IMAGE SENSOR

Info

Publication number: DE102015209551A1
Application number: DE102015209551.7A
Authority: DE
Inventors: Boris Werthessen
Original assignee: Conti Temic Microelectronic GmbH
Current assignee: Conti Temic Microelectronic GmbH
Priority date: 2015-05-26
Filing date: 2015-05-26
Publication date: 2016-12-01

Abstract

Die vorliegende Erfindung schafft einen Farbfilter für einen Farbbildsensor, sowie einen Farbbildsensor mit einem Farbfilter, wobei durch nur zwei unterschiedliche Filterfarben eine eineindeutige Zuordnung über ein abzutastendes Farbspektrum erfolgen kann. Hierzu weisen die beiden Filterfarben über den abzutastenden Spektralbereich komplementäre Filtereigenschaften auf, wobei für eine Filterfarbe die Transmissionseigenschaften über den Spektralbereich stetig ansteigen und für die komplementäre Filterfarbe die Transmissionseigenschaften stetig abfallen. Somit kann durch Quotientenbildung der Ausgangssignale von Sensorelementen hinter einem solchen Farbfilter eine eindeutige Zuordnung zu einer bestimmten Wellenlänge erfolgen.The present invention provides a color filter for a color image sensor, as well as a color image sensor with a color filter, wherein by only two different filter colors a one-to-one assignment can be made via a color spectrum to be scanned. For this purpose, the two filter colors have complementary filter properties over the spectral range to be scanned, the transmission properties for the filter color increasing steadily over the spectral range, and the transmission characteristics decreasing steadily for the complementary filter color. Thus, by quotient formation of the output signals of sensor elements behind such a color filter, an unambiguous assignment to a specific wavelength can take place.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft einen Farbfilter für einen Farbbildsensor sowie einen Farbbildsensor. Insbesondere betrifft die vorliegende Erfindung einen Farbfilter für einen Farbbildsensor, der mit nur zwei unterschiedlichen Farbfilterelementen eine eindeutige Ermittlung eines Farbwerts ermöglicht.The present invention relates to a color filter for a color image sensor and a color image sensor. In particular, the present invention relates to a color filter for a color image sensor, which allows a unique determination of a color value with only two different color filter elements.

Die deutsche Patentanmeldung DE 2608998 A offenbart eine Farbbild-Abtastanordnung mit einer Bildsensoranordnung, die Sensorelemente einer ersten Art, einer zweiten Art und einer dritten Art aufweist. Die Sensorelemente sind auf Strahlung in einem ersten Spektralbereich bzw. einem zweiten Spektralbereich bzw. einem dritten Spektralbereich empfindlich. Die drei Arten von Sensorelementen sind in einem sich wiederholenden Muster über die Fläche der Sensoranordnung verteilt.The German patent application DE 2608998 A discloses a color image sensing arrangement including an image sensor array having sensor elements of a first type, a second type, and a third type. The sensor elements are sensitive to radiation in a first spectral range or a second spectral range or a third spectral range. The three types of sensor elements are distributed in a repeating pattern over the surface of the sensor array.

Gängige Farbbildsensoren basieren auf einer Farbrekonstruktion auf Basis von drei unterschiedlichen Farben. Beispielsweise können konventionelle Farbbildsensoren auf Basis von Rot, Grün und Blau (RGB) oder Cyan, Magenta und Yellow (CMY) basieren. Dabei sind nicht alle Farben über den gesamten Spektralbereich zueinander eineindeutig in Bezug auf ihre Farbverhältnisse. Meist werden für eine Farbrekonstruktion die entsprechenden Farbfilter in wiederkehrenden 2×2 Mustern auf die Pixel aufgebracht. 5 zeigt zum Beispiel das Muster eines sogenannten Bayer-Patterns, in welchem die Farbe Grün (G) zweimal vorkommt. Die Farben Rot und Blau dagegen sind in jedem dieser 2×2 Muster nur einmal vertreten. Somit erhält man für die Farbe Grün die halbe mögliche Auflösung, während die Auflösung der anderen beiden Farben Blau und Rot jeweils einem Viertel der Gesamtauflösung des Sensors entsprechen. Ferner kann durch ein solches Farbfilter bis zu zwei Drittel des einfallenden (weißen) Lichts absorbiert werden, das dann zur Erzeugung eines Signals dann nicht mehr zur Verfügung steht. Common color image sensors are based on a color reconstruction based on three different colors. For example, conventional color image sensors based on red, green and blue (RGB) or cyan, magenta and yellow (CMY) based. Not all colors over the entire spectral range are unambiguous with regard to their color ratios. In most cases, the corresponding color filters are applied to the pixels in recurrent 2 × 2 patterns for a color reconstruction. 5 shows, for example, the pattern of a so-called Bayer pattern, in which the color green (G) occurs twice. The colors red and blue, however, are represented only once in each of these 2 × 2 patterns. Thus, one obtains half the possible resolution for the color green, while the resolution of the other two colors blue and red in each case correspond to a quarter of the total resolution of the sensor. Furthermore, such a color filter can absorb up to two thirds of the incident (white) light, which is then no longer available for generating a signal.

Es besteht daher ein Bedarf nach einem Farbbildsensor sowie einem Farbfilter für einen Farbbildsensor, die über den gesamten Arbeitsbereich eine eineindeutige Zuordnung der Farbverhältnisse ermöglichen. Darüber hinaus besteht ein Bedarf nach einem Farbbildsensor und einem Farbfilter für einen solchen Farbbildsensor, die eine hohe räumliche Auflösung ermöglichen. Weiterhin besteht ein Bedarf nach einem Farbbildsensor sowie einem Farbfilter für einen Farbbildsensor mit einer hohen Effizienz in Bezug auf die einfallende Lichtmenge.There is therefore a need for a color image sensor and a color filter for a color image sensor, which allow a unambiguous assignment of color ratios over the entire work area. In addition, there is a need for a color image sensor and a color filter for such a color image sensor that enable high spatial resolution. Further, there is a need for a color image sensor and a color filter for a color image sensor with a high efficiency with respect to the amount of incident light.

Offenbarung der ErfindungDisclosure of the invention

Hierzu schafft die vorliegende Erfindung gemäß einem ersten Aspekt ein Farbfilter für einen Farbbildsensor mit den Merkmalen des unabhängigen Patentanspruchs 1.For this purpose, the present invention according to a first aspect provides a color filter for a color image sensor with the features of independent claim 1.

Demgemäß schafft die vorliegende Erfindung einen Farbfilter für einen Farbbildsensor mit einer ersten Gruppe von Filterelementen und einer zweiten Gruppe von Filterelementen. Die erste Gruppe von Filterelementen weist dabei über einen abzutastenden Spektralbereich stetig ansteigende spektrale Transmissionseigenschaften auf. Die zweite Gruppe von Filterelementen weist über den abzutastenden Spektralbereich stetig abfallende spektrale Transmissionseigenschaften auf.Accordingly, the present invention provides a color filter for a color image sensor having a first group of filter elements and a second group of filter elements. The first group of filter elements in this case has over a spectral range to be scanned steadily increasing spectral transmission properties. The second group of filter elements has steadily decreasing spectral transmission properties over the spectral range to be scanned.

Der vorliegenden Erfindung liegt die Idee zugrunde, eine eineindeutige Farbzuordnung in einem Farbbildsensor mit nur zwei unterschiedlichen Filterfarben durchführen zu können. Hierzu müssen an die beiden Filterfarben eines solchen Farbfilters besondere Anforderungen gestellt werden. Eine erste Filterfarbe weist hierzu über den von einem Farbbildsensor zu erfassenden Spektralbereich stetig ansteigende Transmissionseigenschaften auf. Mit anderen Worten, über den abzutastenden Spektralbereich, das heißt mit zunehmender Wellenlänge des abzutastenden Lichts, steigt die durch die entsprechende Filterfarbe hindurchtransmittierende Lichtmenge. Entsprechend sinkt der von der entsprechenden Filterfarbe absorbierte Anteil des Lichts mit zunehmender Wellenlänge. Die zweite Filterfarbe eines solchen Farbfilters weist dabei entsprechend umgekehrte Transmissions- bzw. Absorptionseigenschaften auf. Über den abzutastenden Spektralbereich sinkt dabei mit zunehmender Wellenlänge der Anteil des Lichts, das durch ein Filterelement mit der zweiten Filterfarbe hindurchtransmittiert. Analog wird mit steigender Wellenlänge über den abzutastenden Spektralbereich ein zunehmender Anteil des Lichts absorbiert. Für eine eineindeutige Zuordnung eines Farbwerts sollte dabei über den gesamten abzutastenden Spektralbereich der Lichtanteil, der durch die erste Filterfarbe hindurchtransmittiert, kontinuierlich ansteigen und analog der Lichtanteil, der durch die zweite Filterfarbe hindurchtransmittiert, kontinuierlich abfallen. Auf diese Weise kann mit nur zwei unterschiedlichen Signalen eine eineindeutige Zuordnung zu einem Farbwert über den gesamten abzutastenden Spektralbereich erfolgen. Für die Farbwertbestimmung sind somit also nur zwei Filterfarben erforderlich.The present invention is based on the idea of being able to carry out a one-to-one color assignment in a color image sensor with only two different filter colors. For this purpose, special requirements must be placed on the two filter colors of such a color filter. For this purpose, a first filter ink has continuously increasing transmission properties over the spectral range to be detected by a color image sensor. In other words, over the spectral range to be scanned, that is to say as the wavelength of the light to be scanned increases, the quantity of light transmitted through the corresponding filter color increases. Accordingly, the portion of the light absorbed by the corresponding filter color decreases with increasing wavelength. The second filter color of such a color filter has correspondingly inverse transmission or absorption properties. As the wavelength increases, the proportion of light passing through a filter element with the second filter color decreases over the spectral range to be scanned. Analogously, an increasing portion of the light is absorbed with increasing wavelength over the spectral range to be scanned. For a one-to-one assignment of a color value, the proportion of light transmitted through the first filter color should rise continuously over the entire spectral range to be scanned and, analogously, the proportion of light transmitted through the second filter color should decrease continuously. In this way, with only two different signals, a one-to-one assignment to a color value over the entire spectral range to be scanned can take place. Thus, only two filter colors are required for the color value determination.

Handelt es sich bei dem abzutastenden Spektralbereich beispielsweise um den Spektralbereich von sichtbarem Licht zwischen 400 und 750 Nanometer, so entspricht die erste Filterfarbe beispielsweise einem „Orange“. Die zweite Filterfarbe entspricht in etwa einem Blauton. Da sich dieser Blauton jedoch von dem in konventionellen RGB-Farbfiltern (wie z.B. in Bayern-Pattern) verwendeten Blau unterscheidet, wird dieses Blau im Folgenden als „Bri“ (Bri = Bayer-Blue replacing ink) bezeichnet. Die beiden Filterfarben liegen in ihrer spektralen Breite in etwa zwischen Blau und Cyan bzw. Rot und Yellow.If the spectral range to be scanned is, for example, the spectral range of visible light between 400 and 750 nanometers, the first filter color corresponds, for example, to an "orange". The second filter color corresponds approximately to a blue tone. However, since this blue tone differs from the blue used in conventional RGB color filters (such as in Bavaria pattern), this blue is hereinafter referred to as "Bri" (Bri = Bayer blue replacing ink). The two filter colors lie in their spectral width approximately between blue and cyan or red and yellow.

Durch die Verwendung von nur zwei Filterfarben für ein Farbfilter kann somit im Vergleich zu konventionellen Farbfiltern mit drei Filterfarben und einem 2×2 Muster eine höhere räumliche Auflösung erreicht werden.By using only two filter colors for a color filter, a higher spatial resolution can thus be achieved compared to conventional color filters with three filter colors and a 2 × 2 pattern.

Ferner steht bei dem erfindungsgemäßen Farbfilter an dem Bildsensor eine höhere Lichtmenge zur Verfügung, die zur Erzeugung eines Signals genutzt werden kann.Furthermore, in the color filter according to the invention on the image sensor, a higher amount of light is available, which can be used to generate a signal.

Gemäß einer Ausführungsform ist die Summe des durch ein Filterelement der ersten Gruppe von Filterelementen transmittierten Lichts und des durch ein Filterelement der zweiten Gruppe von Filterelementen transmittierten Lichts über den abzutastenden Spektralbereich konstant oder zumindest annähernd konstant. Auf diese Weise kann die von dem Farbfilter absorbierte Lichtmenge ebenfalls über den gesamten Spektralbereich ausbalanciert werden. Dies ermöglicht eine deutliche Vereinfachung bei der Bildung eines Grauwertbildes. According to one embodiment, the sum of the light transmitted through a filter element of the first group of filter elements and of the light transmitted through a filter element of the second group of filter elements is constant or at least approximately constant over the spectral range to be scanned. In this way, the amount of light absorbed by the color filter can also be balanced over the entire spectral range. This allows a significant simplification in the formation of a gray value image.

Gemäß einer Ausführungsform umfasst der abzutastende Spektralbereich einen Spektralbereich mit einer Wellenlänge zwischen 400 Nanometer und 750 Nanometer. Alternativ kann der abzutastende Spektralbereich auch eine Wellenlänge zwischen 400 Nanometer und 800 Nanometer umfassen. Aber auch andere abzutastende Spektralbereiche sind darüber hinaus ebenso möglich. Insbesondere kann der abzutastende Spektralbereich auch nur einen Teil des sichtbaren Lichts umfassen. Zusätzlich oder alternativ ist es auch möglich, das Farbfilter für infrarotes und/oder ultraviolettes Licht auszugestalten. According to one embodiment, the spectral range to be scanned comprises a spectral range with a wavelength between 400 nanometers and 750 nanometers. Alternatively, the spectral range to be scanned may also include a wavelength between 400 nanometers and 800 nanometers. But also other spectral ranges to be scanned are also possible. In particular, the spectral range to be scanned may also comprise only a part of the visible light. Additionally or alternatively, it is also possible to design the color filter for infrared and / or ultraviolet light.

Gemäß einer weiteren Ausführungsform sind jeweils ein Filterelement der ersten Gruppe von Filterelementen und ein Filterelement der zweiten Gruppe von Filterelementen abwechselnd nebeneinander angeordnet. Insbesondere können die Filterelemente der ersten bzw. zweiten Gruppen von Filterelementen schachbrettartig angeordnet sein. Dies ermöglicht eine ausgewogene und gleichmäßige Verteilung der Filterelemente der beiden verwendeten Filterfarben.According to a further embodiment, in each case one filter element of the first group of filter elements and one filter element of the second group of filter elements are arranged alternately next to one another. In particular, the filter elements of the first and second groups of filter elements can be arranged like a checkerboard. This allows a balanced and even distribution of the filter elements of the two filter colors used.

Gemäß einer weiteren Ausführungsform umfasst der Farbfilter ferner eine dritte Gruppe von Filterelementen. Auf diese Weise sind zusätzliche Filterelemente möglich, die neben einer eindeutigen Farbzuordnung innerhalb des Spektralbereichs für die Bestimmung weiterer Parameter oder als Filter für einen anderen Spektralbereich geeignet sein können.According to a further embodiment, the color filter further comprises a third group of filter elements. In this way, additional filter elements are possible which, in addition to a clear color assignment within the spectral range, may be suitable for the determination of further parameters or as filters for another spectral range.

Gemäß einer Ausführungsform sind die Transmissionseigenschaften der Filterelemente der dritten Gruppe von Filterelementen über den abzutastenden Spektralbereich konstant. Bei solchen Filterelementen kann es sich beispielsweise um „weiße“ Filterelemente handeln, die gegebenenfalls das Licht in dem abzutastenden Spektralbereich nahezu vollständig transmittieren lassen. Dies ermöglicht beispielsweise eine gute Bestimmung des Helligkeitswerts.According to one embodiment, the transmission properties of the filter elements of the third group of filter elements over the spectral range to be scanned are constant. Such filter elements may be, for example, "white" filter elements which, if appropriate, allow the light to be transmitted almost completely in the spectral range to be scanned. This allows, for example, a good determination of the brightness value.

Gemäß einem weiteren Aspekt wird ein Farbbildsensor mit den Merkmalen des Patentanspruchs 7 geschaffen.According to a further aspect, a color image sensor with the features of claim 7 is provided.

Demgemäß wird ein Farbbildsensor geschaffen, der einen optischen Sensor und einen erfindungsgemäßen Farbfilter umfasst. Accordingly, there is provided a color image sensor comprising an optical sensor and a color filter according to the present invention.

Der optische Sensor kann dabei eine Mehrzahl von Sensorelementen umfassen. Insbesondere kann jedem Filterelement des Farbfilters ein Sensorelement des optischen Sensors zugeordnet sein.The optical sensor may comprise a plurality of sensor elements. In particular, each filter element of the color filter can be assigned a sensor element of the optical sensor.

Gemäß einer Ausführungsform sind die Abmessung eines Filterelements der ersten Gruppe von Filterelementen und/oder die Abmessung eines Filterelements der zweiten Gruppe von Filterelementen halb so groß wie eine von dem optischen Sensor zu erzielende Auflösung. Somit kann ein Farbbildsensor geschaffen werden, dessen Auflösung im Vergleich zu konventionellen Farbbildsensoren mit 2×2 Filterelementen gesteigert werden kann.According to one embodiment, the dimension of a filter element of the first group of filter elements and / or the dimension of a filter element of the second group of filter elements are half the resolution to be achieved by the optical sensor. Thus, a color image sensor can be provided, the resolution of which can be increased in comparison with conventional color image sensors with 2 × 2 filter elements.

Gemäß einer Ausführungsform ist eine Quanteneffizienz eines Sensorelements, das einem Filterelement der ersten Gruppe von Filterelementen zugeordnet ist, über den abzutastenden Spektralbereich stetig ansteigend. Analog kann die Quanteneffizienz eines Sensorelements, das einem Filterelement der zweiten Gruppe von Filterelementen zugeordnet ist, über den abzutastenden Spektralbereich stetig abfallend sein. Auf diese Weise ist eine eineindeutige Farbzuordnung durch einen Farbbildsensor möglich, der nur mit den Ausgangssignalen der Sensorelemente benötigt, die Filterelementen der ersten bzw. zweiten Gruppe von Filterelementen zugeordnet sind.According to one embodiment, a quantum efficiency of a sensor element which is assigned to a filter element of the first group of filter elements increases continuously over the spectral range to be scanned. Similarly, the quantum efficiency of a sensor element associated with a filter element of the second group of filter elements may be steadily decreasing over the spectral range to be sampled. In this way, a one-to-one color assignment by a color image sensor is possible, which only requires the output signals of the sensor elements associated with filter elements of the first and second group of filter elements.

Gemäß einer Ausführungsform umfasst der Farbbildsensor ferner eine Auswertevorrichtung, die dazu ausgelegt ist, aus einem Verhältnis eines ersten Ausgangssignals von einem Sensorelement, das einem Filterelement der ersten Gruppe von Filterelementen zugeordnet ist, und einem zweiten Ausgangssignal von einem Sensorelement, das einem Filterelement der zweiten Gruppe von Filterelementen zugeordnet ist, einen Farbwert zu berechnen. Durch Bildung des Verhältnisses der Ausgangssignale von Sensorelementen, die jeweils unterschiedlichen Gruppen von Filterelementen zugeordnet sind, kann eine eindeutige Farbzuordnung auf einfache Weise erfolgen.According to one embodiment, the color image sensor further comprises an evaluation device, which is designed, from a ratio of a first output signal from a sensor element which is assigned to a filter element of the first group of filter elements, and a second output signal from a sensor element which is a filter element of the second group of filter elements is assigned to calculate a color value. By forming the ratio of the output signals from sensor elements, respectively assigned to different groups of filter elements, a unique color assignment can be done easily.

Weitere Ausführungsformen und Vorteile der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung unter Bezug auf die beigefügten Zeichnungen.Further embodiments and advantages of the present invention will become apparent from the following description with reference to the accompanying drawings.

Kurze Beschreibung der FigurenBrief description of the figures

Dabei zeigen:Showing:

1: eine schematische Darstellung eines Abbildungssystems mit einem Farbbildsensor gemäß einer Ausführungsform; 1 FIG. 2 is a schematic illustration of an imaging system having a color image sensor according to an embodiment; FIG.

2: eine schematische Darstellung des Verlaufs von Transmissionseigenschaften der Filterelemente eines Farbfilters gemäß einer Ausführungsform; 2 FIG. 2: a schematic illustration of the profile of transmission properties of the filter elements of a color filter according to an embodiment; FIG.

3: eine schematische Darstellung eines Verhältnisses der Ausgangssignale eines Farbbildsensors gemäß einer Ausführungsform; 3 FIG. 2 is a schematic representation of a ratio of the output signals of a color image sensor according to an embodiment; FIG.

4A–C: schematische Darstellungen von Anordnungen von Filterelementen in Farbfiltern gemäß mehrerer Ausführungsformen; und 4A C: Schematic diagrams of arrangements of filter elements in color filters according to several embodiments; and

5: eine schematische Darstellung eines konventionellen Farbfilters. 5 : a schematic representation of a conventional color filter.

Beschreibung von AusführungsformenDescription of embodiments

1 zeigt eine schematische Darstellung eines Bilderfassungssystems mit einem Farbbildsensor 1. Der Farbbildsensor 1 umfasst einen optischen Sensor 20 mit einer Mehrzahl von Sensorelementen 21. Vor dem optischen Sensor 20 ist ein Farbfilter 10 angeordnet. Der Farbfilter 10 umfasst dabei erste Filterelemente 11 einer ersten Gruppe und zweite Filterelemente 12 einer zweiten Gruppe. Der Farbfilter 10 kann dabei unmittelbar vor dem optischen Sensor 20 angeordnet sein, oder auch von dem optischen Sensor 20 beabstandet sein. Bei dem optischen Sensor 20 kann es sich um einen CCD oder einen CMOS-Bildsensor handeln. Aber auch andere geeignete optische Sensoren sind ebenso möglich. 1 shows a schematic representation of an image acquisition system with a color image sensor 1 , The color image sensor 1 includes an optical sensor 20 with a plurality of sensor elements 21 , In front of the optical sensor 20 is a color filter 10 arranged. The color filter 10 includes first filter elements 11 a first group and second filter elements 12 a second group. The color filter 10 can be just before the optical sensor 20 be arranged, or from the optical sensor 20 be spaced. In the optical sensor 20 it can be a CCD or a CMOS image sensor. But other suitable optical sensors are also possible.

Das Licht eines abzubildenden Gegenstands kann somit über eine Optik 40 mit einer oder mehreren Linsen auf den Farbfilter 10 und auf den dahinter angeordneten optischen Sensor 20 projiziert werden. Die einzelnen Sensorelemente 21 des optischen Sensors 20 erzeugen ein zu der Intensität des einfallenden Lichts korrespondierendes Ausgangssignal. Dieses Ausgangssignal der einzelnen Sensorelemente 21 des optischen Sensors 20 kann von einer Auswertevorrichtung 30 erfasst und ausgewertet werden. The light of an object to be imaged can thus have an appearance 40 with one or more lenses on the color filter 10 and on the optical sensor located behind 20 be projected. The individual sensor elements 21 of the optical sensor 20 generate an output signal corresponding to the intensity of the incident light. This output signal of the individual sensor elements 21 of the optical sensor 20 can be from an evaluation device 30 recorded and evaluated.

Die Auswertevorrichtung 30 kann die Ausgangssignale mehrerer Sensorelemente 21 miteinander vergleichen und daraus einen Farbwert bestimmen, das heißt die Wellenlänge bzw. die Wellenlängen des einfallenden Lichts bestimmen. Werden zur Ermittlung der spektralen Zusammensetzung, das heißt zur Bestimmung eines Farbwerts des einfallenden Lichts mehrere Sensorelemente 21 verwendet, so ergibt sich die Auflösung des optischen Sensors 20 aus der Summe aller verwendeten Sensorelemente 21. Mit anderen Worten, die zu erzielende Auflösung des optischen Sensors 20 ergibt sich aus der Summe der Abmessungen der einzelnen Sensorelemente 21. Da die einfallenden Lichtstrahlen zwischen Optik 40 und optischem Sensor 20 in der Regel zumindest annähernd parallel verlaufen, sind dabei auch die einzelnen Filterelemente 11 und 12 des Farbfilters 10 zumindest annähernd genauso groß wie die einzelnen Sensorelemente 21. Werden für die Bestimmung der spektralen Zusammensetzung des einfallenden Lichts und somit zur Bestimmung der Farbe des einfallenden Lichts zwei verschiedene Filterelemente 11 und 12 des Farbfilters 10 verwendet, so muss jedes der Filterelemente 11 und 12 des Farbfilters 10 halb so groß sein wie die zu erzielende Auflösung auf dem optischen Sensor 20.The evaluation device 30 can be the output signals of multiple sensor elements 21 compare with each other and determine therefrom a color value, that is, determine the wavelength or the wavelengths of the incident light. Be used to determine the spectral composition, that is, to determine a color value of the incident light multiple sensor elements 21 used, the resolution of the optical sensor results 20 from the sum of all sensor elements used 21 , In other words, the resolution of the optical sensor to be achieved 20 results from the sum of the dimensions of the individual sensor elements 21 , As the incident light rays between optics 40 and optical sensor 20 usually run at least approximately parallel, are also the individual filter elements 11 and 12 of the color filter 10 at least approximately the same size as the individual sensor elements 21 , Be used to determine the spectral composition of the incident light and thus to determine the color of the incident light, two different filter elements 11 and 12 of the color filter 10 used, so must each of the filter elements 11 and 12 of the color filter 10 be half as large as the resolution to be achieved on the optical sensor 20 ,

Gemäß einer Ausführungsform weist der Farbfilter 10 des Farbbildsensors 1 genau zwei Gruppen von Filterelementen 11 und 12 auf. Die Transmissions- bzw. Absorptionseigenschaften der beiden Gruppen von Filterelementen 11 und 12 des Farbfilters 10 sind dabei so gewählt, dass basierend auf den Ausgangssignalen der Sensorelemente 21 des optischen Sensors 20 hinter diesen Filterelementen 11 und 12 eine eineindeutige Bestimmung des Lichtes, das heißt der spektralen Zusammensetzung des einfallenden Lichts möglich ist.According to one embodiment, the color filter 10 of the color image sensor 1 exactly two groups of filter elements 11 and 12 on. The transmission or absorption properties of the two groups of filter elements 11 and 12 of the color filter 10 are chosen so that based on the output signals of the sensor elements 21 of the optical sensor 20 behind these filter elements 11 and 12 a one-to-one determination of the light, that is the spectral composition of the incident light is possible.

2 zeigt einen schematischen Verlauf der Transmissionseigenschaften der Filterelemente 11 und 12 über einen abzutastenden Spektralbereich. Die Transmissionseigenschaften der ersten Gruppe von Filterelementen 11 sind dabei durch den Kurvenverlauf I dargestellt. Die Transmissionseigenschaften der zweiten Gruppe von Filterelementen 12 sind durch den Kurvenverlauf II dargestellt. Wie aus 2 zu erkennen ist, weisen die Filterelemente 11 der ersten Gruppe über den gesamten abzutastenden Spektralbereich kontinuierlich abnehmende Transmissionseigenschaften auf. Mit anderen Worten, mit zunehmender Wellenlänge wird durch die Filterelemente 11 ein kontinuierlich ansteigender Anteil des einfallenden Lichts absorbiert. Die Filterelemente 12 der zweiten Gruppe von Filterelementen des Farbfilters 10 weisen komplementäre Transmissionseigenschaften auf. Das heißt, mit steigender Wellenlänge wird durch ein Filterelement 12 der zweiten Gruppe von Filterelementen ein kontinuierlich ansteigender Anteil des einfallenden Lichts transmittiert. Mit anderen Worten, die Absorption des einfallenden Lichts sinkt kontinuierlich mit steigender Wellenlänge. 2 shows a schematic course of the transmission properties of the filter elements 11 and 12 over a spectral range to be scanned. The transmission properties of the first group of filter elements 11 are there by the curve I shown. The transmission properties of the second group of filter elements 12 are through the curve II shown. How out 2 can be seen, have the filter elements 11 the first group over the entire spectral range to be scanned continuously decreasing transmission properties. In other words, as the wavelength increases, so does the filter elements 11 absorbs a continuously increasing portion of the incident light. The filter elements 12 the second group of filter elements of the color filter 10 have complementary transmission properties. That is, with increasing wavelength is through a filter element 12 the second group of filter elements transmits a continuously increasing portion of the incident light. In other words, the absorption of the incident light decreases continuously with increasing wavelength.

In einer Ausführungsform können die Transmissionseigenschaften der Filterelemente 11 der ersten Gruppe und der Filterelemente 12 der zweiten Gruppe dabei so gewählt werden, dass über den abzutastenden Spektralbereich für jede Wellenlänge die Summe des durch ein Filterelement 11 der ersten Gruppe transmittierten Lichts und des durch ein Filterelement 12 der zweiten Gruppe transmittierten Lichts genau oder zumindest annähert konstant ist.In one embodiment, the transmission properties of the filter elements 11 the first group and the filter elements 12 the second group are chosen so that over the scanned spectral range for each wavelength, the sum of the through a filter element 11 the first group of transmitted light and that through a filter element 12 the second group of transmitted light is exactly or at least approximately constant.

Bei dem in 2 dargestellten Spektralbereich handelt es sich um einen Spektralbereich des für einen Menschen sichtbaren Wellenlängenbereichs zwischen 400 und 750 Nanometer. Je nach Anwendungsfall sind jedoch auch beliebige andere Spektralbereiche möglich. Dabei kann es sich beispielsweise auch nur um einen Teil des für den Menschen sichtbaren Wellenlängenbereichs handeln. Aber auch Spektralbereiche außerhalb des für den Menschen sichtbaren Wellenlängenbereichs im infraroten oder ultravioletten Wellenlängenbereich sind möglich. Handelt es sich bei dem abzutastenden Wellenlängenbereich jedoch um einen für den Menschen sichtbaren Wellenlängenbereich zwischen etwa 400 und 750 Nanometer, so ergibt sich für ein Farbfilter mit stetig ansteigenden Transmissionseigenschaften, wie dem Kurvenverlauf II in 2 ein annähernd orangefarbener Eindruck. Für das komplementäre Farbfilter mit stetig abfallenden Transmissionseigenschaften ergibt sich ein etwa blau bis türkisblauer Farbeindruck. Dieses Blau unterscheidet sich von dem konventionellen Blau eines herkömmlichen RGB-Farbfilters, wie es beispielsweise in einem Bayer-Farbfilter eingesetzt wird.At the in 2 Spectral range shown is a spectral range of visible to a human wavelength range between 400 and 750 nanometers. Depending on the application, however, any other spectral ranges are possible. This may, for example, only be part of the wavelength range visible to humans. But also spectral ranges outside of the human visible wavelength range in the infrared or ultraviolet wavelength range are possible. However, if the wavelength range to be scanned is a wavelength range which is visible to humans between approximately 400 and 750 nanometers, the result is a color filter with continuously increasing transmission properties, such as the curve shape II in 2 an almost orange impression. For the complementary color filter with steadily decreasing transmission properties, the result is an approximately blue to turquoise-blue color impression. This blue differs from the conventional blue of a conventional RGB color filter, such as that used in a Bayer color filter.

Neben der reinen Anpassung der Transmissionseigenschaften der Filterelemente 11 und 12 des Farbfilters 10 können die Transmissions- bzw. Absorptionseigenschaften der Filterelemente 11 und 12 des Farbfilters 10 auch auf die spezifischen Eigenschaften des optischen Sensors 10 angepasst sein. Somit können gegebenenfalls Schwankungen in der Effizienz der Sensorelemente 21 des optischen Sensors 20 durch Anpassung der Transmissions- bzw. Absorptionseigenschaften der Filterelemente 11 und 12 des Farbfilters 10 kompensiert bzw. angepasst werden. Auf diese Weise kann der Farbfilter 10 vor dem optischen Sensor 20 jeweils individuell auf die einzelnen Sensorelemente 21 des optischen Sensors 20 angepasst werden. In addition to the pure adaptation of the transmission properties of the filter elements 11 and 12 of the color filter 10 can the transmission or absorption properties of the filter elements 11 and 12 of the color filter 10 also on the specific properties of the optical sensor 10 be adjusted. Thus, if necessary, fluctuations in the efficiency of the sensor elements 21 of the optical sensor 20 by adaptation of the transmission or absorption properties of the filter elements 11 and 12 of the color filter 10 be compensated or adjusted. In this way, the color filter 10 in front of the optical sensor 20 each individually on the individual sensor elements 21 of the optical sensor 20 be adjusted.

Basierend auf den Ausgangssignalen der Sensorelemente 21 des optischen Sensors 20 kann daraufhin auf die Wellenlänge bzw. die Wellenlängen des einfallenden Lichts geschlossen werden. Hierzu kann beispielsweise der Quotient bzw. das Verhältnis von zwei benachbarten Sensorelementen 21 des optischen Sensors 20 mit unterschiedlichen Filterelementen 11 bzw. 12 des Farbfilters 10 berechnet werden. Basierend auf diesem Quotient bzw. Verhältnis kann aufgrund der kontinuierlich ansteigenden bzw. abfallenden Transmissionseigenschaften der Filterelemente 11 bzw. 12 eineindeutig auf die jeweilige Farbe des einfallenden Lichts geschlossen werden.Based on the output signals of the sensor elements 21 of the optical sensor 20 can then be closed to the wavelength or the wavelengths of the incident light. For this purpose, for example, the quotient or the ratio of two adjacent sensor elements 21 of the optical sensor 20 with different filter elements 11 respectively. 12 of the color filter 10 be calculated. Based on this quotient or ratio can be due to the continuously increasing or decreasing transmission properties of the filter elements 11 respectively. 12 be uniquely closed to the particular color of the incident light.

3 zeigt beispielhaft eine schematische Darstellung eines Verlaufs des Quotienten Q der Ausgangssignale von Sensorelementen 21 des optischen Sensors 20 mit jeweils unterschiedlichen Filterelementen 11 bzw. 12. Wie aus 3 deutlich zu erkennen ist, ergibt sich ein kontinuierlich abfallender Kurvenverlauf. Somit kann aus einem bestimmten Wert des Quotienten Q der beiden Ausgangssignale eindeutig auf eine Wellenlänge des einfallenden Lichts geschlossen werden. 3 shows by way of example a schematic representation of a curve of the quotient Q of the output signals of sensor elements 21 of the optical sensor 20 each with different filter elements 11 respectively. 12 , How out 3 can be clearly seen, results in a continuously sloping curve. Thus, from a certain value of the quotient Q of the two output signals can be uniquely concluded to a wavelength of the incident light.

Die 4A und 4B zeigen schematische Darstellungen für die Anordnung einzelner Filterelemente 11 und 12 in einem Farbfilter 10 gemäß zweier Ausführungsformen. Die hier dargestellte Anzahl von Filterelementen dient dabei lediglich dem besseren Verständnis und stellt keine Beschränkung des Farbfilters 10 dar. Auch sind neben den hier dargestellten beispielhaften Anordnungen von Filterelementen 11 und 12 in einem Farbfilter 10 beliebige weitere Anordnungen der Filterelemente 11 und 12 möglich, die auf die jeweiligen Anwendungsfälle hin angepasst und optimiert werden können. The 4A and 4B show schematic representations for the arrangement of individual filter elements 11 and 12 in a color filter 10 according to two embodiments. The number of filter elements shown here only serves for better understanding and does not limit the color filter 10 Also, in addition to the exemplary arrangements of filter elements shown herein 11 and 12 in a color filter 10 any further arrangements of the filter elements 11 and 12 possible, which can be adapted to the respective application and optimized.

4A zeigt eine beispielhafte Anordnung der Filterelemente 11 und 12 in einem Farbfilter 10, bei der in eine erste Richtung x jeweils abwechselnd ein Filterelement 11 der ersten Gruppe von Filterelementen und ein Filterelement 12 der zweiten Gruppe von Filterelementen angeordnet ist. In eine zweite Richtung y, die senkrecht zu der ersten Richtung x steht, sind jeweils gleichartige Filterelemente 11 und 12 der gleichen Gruppe nebeneinander angeordnet. Somit ergibt sich ein streifenförmiger Verlauf der Filterelemente 11 und 12 in einem Farbfilter 10. 4A shows an exemplary arrangement of the filter elements 11 and 12 in a color filter 10 in which in a first direction x in each case alternately a filter element 11 the first group of filter elements and a filter element 12 the second group of filter elements is arranged. In a second direction y, which is perpendicular to the first direction x, are each similar filter elements 11 and 12 the same group arranged side by side. This results in a strip-shaped course of the filter elements 11 and 12 in a color filter 10 ,

4B zeigt eine alternative Anordnung der Filterelemente 11 und 12 in einem Farbfilter 10. Dabei sind sowohl in der ersten Richtung x als auch in der zu der ersten Richtung x senkrecht stehenden Richtung y die Filterelemente 11 und 12 der ersten und zweiten Gruppe jeweils abwechselnd angeordnet. Auf diese Weise ergibt sich ein schachbrettartiges Muster. 4B shows an alternative arrangement of the filter elements 11 and 12 in a color filter 10 , In this case, the filter elements are both in the first direction x and in the direction perpendicular to the first direction x y 11 and 12 the first and second groups are arranged alternately. In this way, a checkered pattern results.

Neben der Verwendung von Filterelementen 11 und 12 der oben beschriebenen beiden Gruppen von Farbfilterelementen können darüber hinaus noch weitere Filterelemente in einem Farbfilter 10 vorgesehen sein. Da bereits durch die zuvor beschriebenen Filterelemente 11 und 12 eine eindeutige Zuordnung einer Wellenlänge möglich ist, können die weiteren Filterelemente für zusätzliche Anwendungsgebiete hin angepasst sein. Beispielsweise ist es möglich, dass diese weiteren Filterelemente für ein alternatives sichtbares und/oder unsichtbares Lichtspektrum hin angepasst sind. So ist es beispielsweise möglich, durch die zuvor beschriebenen Filterelemente 11 und 12 der ersten bzw. zweiten Gruppe eine eineindeutige Zuordnung der Wellenlänge des einfallenden Lichts im sichtbaren Spektralbereich durchzuführen. Durch weitere Filterelemente kann darüber hinaus auch eine Erfassung von einfallendem Licht im infraroten und/oder ultravioletten Spektralbereich erfolgen. Ferner ist es möglich, dass die zusätzlichen Filterelemente auch vorbestimmte Transmissions- bzw. Absorptionseigenschaften im sichtbaren Wellenlängenbereich aufweisen. Insbesondere ist es möglich, dass diese zusätzlichen Filterelemente über einen vorgegebenen Spektralbereich ganz oder zumindest annähernd konstante Transmissions- bzw. Absorptionseigenschaften aufweisen. Somit ist durch Sensorelemente 21 hinter diesen zusätzlichen Filterelementen beispielsweise eine Bestimmung der Intensität des einfallenden Lichts möglich. In addition to the use of filter elements 11 and 12 In addition, the above-described two groups of color filter elements may have further filter elements in a color filter 10 be provided. Since already by the previously described filter elements 11 and 12 an unambiguous assignment of a wavelength is possible, the further filter elements can be adapted for additional fields of application. For example, it is possible that these further filter elements are adapted for an alternative visible and / or invisible light spectrum. So it is possible, for example, by the filter elements described above 11 and 12 the first and second group to perform a one-to-one allocation of the wavelength of the incident light in the visible spectral range. In addition, by means of further filter elements, detection of incident light in the infrared and / or ultraviolet spectral range can take place. Furthermore, it is possible that the additional filter elements also have predetermined transmission or absorption properties in the visible wavelength range. In particular, it is possible for these additional filter elements to have wholly or at least approximately constant transmission or absorption properties over a given spectral range. Thus, by sensor elements 21 For example, a determination of the intensity of the incident light is possible behind these additional filter elements.

Aber auch Filterelemente für beliebige andere Anwendungsfälle sind darüber hinaus möglich.But filter elements for any other applications are also possible.

4C zeigt exemplarisch eine mögliche Ausführungsform für ein Farbfilter 10 mit Filterelementen 11 und 12 der ersten bzw. zweiten Gruppe von Filterelementen sowie zusätzlichen Filterelementen 13. Dabei können, wie hier dargestellt, beispielsweise ein Filterelement 11 der ersten Gruppe und ein Filterelement 12 der zweiten Gruppe in einer 2×2 Matrix diagonal gegenüberliegend angeordnet sein. Die beiden anderen, ebenfalls diagonal gegenüberliegenden Filterelemente können dabei beispielsweise Filterelemente 13 der weiteren Gruppe von Filterelementen sein. Aber auch beliebige, auf entsprechende Anwendungsfälle angepasste weitere Anordnungen mit zusätzlichen Filterelementen 13 sind darüber hinaus ebenso möglich. 4C shows an example of a possible embodiment for a color filter 10 with filter elements 11 and 12 the first and second group of filter elements and additional filter elements 13 , In this case, as shown here, for example, a filter element 11 the first group and a filter element 12 of the second group may be arranged diagonally opposite each other in a 2 × 2 matrix. The other two, also diagonally opposite filter elements can, for example, filter elements 13 the other group of filter elements. But also arbitrary, adapted to appropriate applications further arrangements with additional filter elements 13 are also possible.

Zusammenfassend betrifft die vorliegende Erfindung ein Farbfilter für einen Farbbildsensor, sowie einen Farbbildsensor mit einem Farbfilter, wobei durch nur zwei unterschiedliche Filterfarben eine eineindeutige Zuordnung über ein abzutastendes Farbspektrum erfolgen kann. Hierzu weisen die beiden Filterfarben über den abzutastenden Spektralbereich komplementäre Filtereigenschaften auf, wobei für eine Filterfarbe die Transmissionseigenschaften über den Spektralbereich stetig ansteigen und für die komplementäre Filterfarbe die Transmissionseigenschaften stetig abfallen. Somit kann durch Quotientenbildung der Ausgangssignale von Sensorelementen hinter einem solchen Farbfilter eine eindeutige Zuordnung zu einer bestimmten Wellenlänge erfolgen. In summary, the present invention relates to a color filter for a color image sensor, as well as a color image sensor with a color filter, which can be done by only two different filter colors a one-to-one assignment via a color spectrum to be scanned. For this purpose, the two filter colors have complementary filter properties over the spectral range to be scanned, the transmission properties for the filter color increasing steadily over the spectral range, and the transmission characteristics decreasing steadily for the complementary filter color. Thus, by quotient formation of the output signals of sensor elements behind such a color filter, an unambiguous assignment to a specific wavelength can take place.

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION

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Zitierte PatentliteraturCited patent literature

DE 2608998 A [0002]

Claims

Color filter ( 10 ) for a color image sensor ( 1 ), comprising: a first plurality of filter elements ( 11 ) whose spectral transmission properties increase steadily over a spectral range to be scanned; and a second plurality of filter elements ( 12 ) whose spectral transmission properties steadily decrease over the spectral range to be scanned.

Color filter ( 10 ) according to claim 1, wherein the sum of the through a filter element ( 11 ) of the first plurality of filter elements of transmitted light and that through a filter element ( 12 ) of the second plurality of filter elements of transmitted light is at least approximately constant over the spectral range to be scanned.

Color filter ( 10 ) according to claim 1 or 2, wherein the spectral range to be scanned comprises a spectral range having a wavelength between 400 nanometers and 750 nanometers.

Color filter ( 10 ) according to one of claims 1 to 3, wherein in each case a filter element ( 11 ) of the first plurality of filter elements and a filter element ( 12 ) of the second plurality of filter elements are arranged alternately side by side.

Color filter ( 10 ) according to one of claims 1 to 4, wherein the color filter ( 10 ) a third plurality of filter elements ( 13 ).

Color filter ( 10 ) according to claim 5, wherein the transmission properties of the filter elements ( 13 ) of the plurality of filter elements are constant over the spectral range to be scanned.

Color image sensor ( 1 ), with: an optical sensor ( 20 ) comprising a plurality of sensor elements ( 21 ); and a color filter ( 10 ) according to one of claims 1 to 6, wherein each filter element ( 11 . 12 . 13 ) of the color filter ( 10 ) a sensor element ( 21 ) of the optical sensor ( 20 ) assigned.

Color image sensor ( 1 ) according to claim 7, wherein the dimensions of a filter element ( 11 ) of the first plurality of filter elements and / or the dimensions of a filter element ( 12 ) of the second plurality of filter elements is half as large as one of the optical sensor ( 20 ) resolution to be achieved.

Color image sensor ( 1 ) according to claim 7 or 8, wherein a quantum efficiency of a sensor element ( 21 ), which is a filter element ( 11 ) is assigned to the first plurality of filter elements, steadily increases over the spectral range to be scanned, and the quantum efficiency of a sensor element ( 21 ), which is a filter element ( 12 ) is assigned to the second plurality of filter elements, drops steadily over the spectral range to be scanned.

Color image sensor ( 1 ) according to one of claims 7 to 9, further comprising an evaluation device ( 30 ), which is adapted to a ratio of a first output signal from a sensor element ( 21 ), which is a filter element ( 11 ) of the first plurality of filter elements, and a second output signal from a sensor element ( 21 ) arranged to a filter element of the second plurality of filter elements to calculate a color value.