WO2017178141A1 - Image element - Google Patents

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WO2017178141A1
WO2017178141A1 PCT/EP2017/054092 EP2017054092W WO2017178141A1 WO 2017178141 A1 WO2017178141 A1 WO 2017178141A1 EP 2017054092 W EP2017054092 W EP 2017054092W WO 2017178141 A1 WO2017178141 A1 WO 2017178141A1
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color
color filter
image
picture element
individual detectors
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PCT/EP2017/054092
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Thomas Ußmüller
Lan SHI
Christopher Söll
Andreas Bänisch
Jürgen SEILER
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Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg
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    • H04N25/134Arrangement of colour filter arrays [CFA]; Filter mosaics characterised by the spectral characteristics of the filter elements based on three different wavelength filter elements
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    • H04N2209/041Picture signal generators using solid-state devices
    • H04N2209/042Picture signal generators using solid-state devices having a single pick-up sensor
    • H04N2209/045Picture signal generators using solid-state devices having a single pick-up sensor using mosaic colour filter

Definitions

  • the invention relates to a picture element for detecting both the brightness and the color of incident light.
  • the invention further relates to an image sensor having a multiplicity of such image elements arranged side by side in a planar manner.
  • the invention relates to the technical field of digital image processing.
  • An image sensor for recording digital images is a device which converts optical information, for example from an object scene optically imaged onto the sensor, into electrical information.
  • optical information for example from an object scene optically imaged onto the sensor
  • Such an image sensor has a large number of image elements arranged side by side in a planar manner and thus forms a so-called sensor array.
  • the picture element here is the smallest unit of the image sensor and provides a sample of the image information when reading out.
  • the term "pixel" has also been used to designate a pixel, on the other hand a pixel in the digital image represents a single pixel and thus the smallest element of a digital raster graphic Pixels in the sense of a pixel of the image sensor match.
  • pixel In order to represent a digital color image, basically two types of information per pixel (here: pixel) are necessary, namely a brightness value and a color value.
  • the rasterized digital image is obtained from the brightness and color values obtained for each pixel by scanning the optical image using the pixels.
  • Image sensors for imaging in the visible spectral range known today are semiconductor-based and usually use CCD or CMOS detectors in the picture elements. Such detectors as such provide only brightness values but no color information. Nevertheless, to capture a colored image with such detectors, various techniques are used.
  • the so-called Bayer filter sensor as described for example in US Pat. No. 3,971,065 A, is constructed like a chessboard.
  • Each picture element of the sensor array contains e.g. a photodiode that receives the brightness information.
  • a color filter element above each picture element, which passes the received brightness information of this color channel and filters out other colors.
  • the complete sensor array is covered with three color filters (red, green and blue), whereby usually 50% of the color filters are green and 25% each of the color filters are red and blue.
  • Each picture element only takes on the value of a color channel, ie either red, green or blue (RGB).
  • the color information per pixel is incomplete, so that a post-processing of the image information obtained by means of the sensor array is required.
  • the information of adjacent pixels in the sensor array is used for each pixel in the digital image.
  • the information of a plurality of pixels of the sensor array is used for a color pixel in the digital image.
  • RGB filters which thus include red, green and blue color filters
  • other variants of color filter elements are known, for.
  • a CYGM filter comprising cyane, yellow, green and magenta color filters, or the RGBW filter comprising red, green, blue color filters and an area without a color filter for obtaining pure brightness information.
  • a digital camera based on Bayer filter sensors typically contains only a single image sensor (sensor array).
  • Microelectronics it is possible, in particular in the case of CMOS technology, in addition to the actual image or sensor element at the same time to integrate analog-to-digital converter and a digital signal processing on a sensor chip.
  • the CMOS process and the integration of signal processing enable the production of cost-effective products.
  • Due to the simple feasibility, the Bayer filter technology is widely used and is used today in most color image sensors. Disadvantageously, the resolution of such an image sensor is limited by the necessary to obtain the color information interpolation.
  • the real resolution of the digital image is dependent on the color channels only 25% to 50% of the number of pixels of the sensor array related information.
  • three independent individual image sensors and a dichroic prism are used.
  • This is also referred to as a so-called 3CCD sensor.
  • the dichroic prism divides the input light from the imaged object scene into three separate beams of different colors, such as red, green and blue.
  • Each of the three image sensors then receives the information of a single color at full resolution.
  • the complete color information is outputted directly each time.
  • Post-processing of the total information output by the image sensor is not necessary in contrast to a Bayer filter sensor. To obtain the digital image, the full sensor resolution is used. Post-processing is easier.
  • three single full-scale image sensors and a prism are needed.
  • a complex calibration is necessary. The costs for a 3CCD sensor are much higher in comparison to a Bayer filter sensor.
  • the sensor of another technique for obtaining the color information is based on three-layer picture elements.
  • a sensor is also known as the Foveon X3 sensor and is offered by the company Foveon, now Sigma.
  • Foveon X3 sensor is also known as the Foveon X3 sensor and is offered by the company Foveon, now Sigma.
  • the property of silicon is used that light of different wavelengths from the visible spectral range penetrates at different depths or is absorbed differently. About this depth discrimination, the color information is obtained in each pixel.
  • Such an image sensor is also designed as a one-chip solution and usually has three output channels, namely one output channel for the colors red, green and blue. Disadvantageously, such an image sensor exhibits a comparatively high noise sensitivity in the case of ringer brightness. In addition, the noise and crosstalk of the individual color channels are different.
  • US 201 1/0242351 A1 discloses an image sensor which has a multiplicity of image elements (pixels) arranged next to one another in a matrix on a photosensitive detector surface. The quadrants of each picture element form subareas which are covered by various color filters and to which separate readable individual detectors are assigned.
  • the image sensor further comprises a common readout electronics for reading the individual detectors. Further image sensors are known from US 5,148,268 A, DE 10 2012 1 10 094 A1 and US 2010/0309351 A1.
  • a night vision system which has a diaphragm with an optical filter.
  • the optical filter is designed such that the diameter of the entrance pupil of the diaphragm is wavelength-dependent.
  • the diaphragm has concentrically a translucent inner region, an almost impermeable to visible light central region with a filter layer and a translucent outer region, so that visible light is limited by a small aperture hole and near infrared light through a larger aperture hole.
  • the object of the invention is to provide a picture element with which, at comparatively low production costs, it is possible to detect both information about the brightness and information about the color of the incident light.
  • a corresponding image sensor is to be specified with such picture elements.
  • the resolution of the digital color image should correspond to the resolution specified by the image sensor.
  • a picture element for detecting both brightness information and color information which is a photosensitive detector surface, which is divided with sub-areas on at least three separately readable individual detectors, the detector surface covering color filter element associated with the sub-areas each, in the Filter characteristics distinguishing color filter comprises, and a common, with the single detectors interconnected read-out electronics for a respective readout of the individual detectors.
  • an image sensor comprising a plurality of areally arranged side by side picture elements of the type described above.
  • each pixel to be assigned at least three individual detectors, each of which has a partial area of the total photosensitive detector area.
  • Each of these photosensitive subareas is covered with a specifically associated color filter which passes the desired brightness information of a color channel defined by the color filter and filters out other colors.
  • each individual detector of the picture element respectively captures the brightness information of the color channel assigned to it.
  • the complete information about the color and brightness of the imaged image section is acquired via each picture element.
  • color channels primary colors are preferably selected, e.g. Red, green and blue.
  • An image sensor with such picture elements has many advantages. For reading out the complete color information, that is to say the brightness values in the respective color channels, only a single sensor array is required. To reconstruct the color information, no information from neighboring pixels is needed. Thus, a color reconstruction process is eliminated. The resolution of the digital image corresponds to the real sensor resolution. In addition, the color noise is reduced due to multiple color channels per pixel.
  • the image sensor or the entire sensor array can be implemented simply and inexpensively by means of CMOS technology.
  • the photosensitive detector surfaces are in particular planar. Thus, the production is relatively simple and therefore cost.
  • the partial areas of the individual detectors are nested according to the invention. In this way, for all color channels, a scan of the image detail captured by the picture element is uniformized over the detector surface.
  • the nested subareas of the individual detectors are concentric to one another and insofar have a common center of gravity with regard to their geometry. Increasing the symmetry further improves the uniform sampling of the color values for all color channels. In this case, in particular, the centroids of the partial surfaces advantageously fall in each case into the center of the pixel. Thus, the image section captured by the picture element is scanned symmetrically with respect to the color values for each color channel. Our own investigations prove that the characteristics of the picture element can be further improved with regard to the scanning of the color values if the concentric partial surfaces comprise a circle and rings surrounding the circle.
  • Each subarea of a single detector reads out the color information or the brightness value of a color channel.
  • the picture element provides the information for all of the selected color channels.
  • each subarea of a single detector is covered with a respective associated color filter.
  • the color filters differ in their filter properties and, in particular for different wavelengths, have a different degree of transmission, reflection and / or absorption.
  • the color filters assigned to the at least three individual surfaces are preferably given in the sense of an RGB filter as a red, green and blue color filter. However, other color combinations may be chosen. In particular, with four individual surfaces, the above-mentioned CYGM or RGBW filters can also be formed.
  • Each color filter covers the assigned individual area.
  • the shape of the color filter does not necessarily correspond to the shape of the individual surface in order to ensure the covering property. In a preferred embodiment, however, corresponds to the geometric shape of a color filter, optionally except for a deviation in size, each of the geometric shape of the associated sub-area. During production, care must be taken to align the color filter element or the color filters in such a way that the respective color filter covers the partial area assigned to it.
  • the photosensitive detector surface or the partial surfaces of the individual detectors are expediently designed as semiconductor components. Nevertheless, the invention also covers other electronic components which exhibit a photosensitive behavior. For example, these are photoresistors, tube elements or in general components that use an external photo effect, such as photomultipliers. Again preferred are selected as individual detectors photodetectors, which exploit as such the inner and / or the outer photo effect. Light information is converted directly into electrical information. Preferred photodetectors are photomultipliers, photodiodes, CMOS detectors and CCD detectors.
  • the readout electronics are connected to the individual detectors or the associated subareas and, in particular, designed and set up for parallel or serial readout of the individual detectors.
  • the read-out electronics comprise, for example, a controllable switching element which switches the individual detectors to a common read-out circuit or decouples them from this.
  • each individual detector is assigned an evaluation circuit.
  • the read-out electronics preferably have at least three output channels for reading out the brightness values of each of the at least three color channels.
  • the individual detectors are arranged in a known microelectronic production technology together on a substrate, in particular a semiconductor substrate (eg silicon), and fabricated thereon.
  • the read-out electronics and the individual detectors are arranged together on the substrate and, in particular, manufactured together.
  • the green color filter in the case of an RGB color filter element is associated with an outer subarea.
  • this makes it possible to form the outer, green sub-area with a larger area, which reference is made to the color sensitivity of the human eye.
  • the picture element comprises a fourth partial area which is free of a covering filter.
  • the corresponding color filter element is transparent at this point, especially in the visible spectral range, or has no color filter there. This embodiment allows simultaneous detection of only the brightness of the incident light.
  • the invention further comprises an image sensor having a multiplicity of image elements of the above-described type arranged in a planar manner next to one another.
  • image sensor having a multiplicity of image elements of the above-described type arranged in a planar manner next to one another.
  • At least two picture elements are present in the image sensor, which comprise mutually different color filter elements.
  • the differing color filter elements are advantageously distributed irregularly or ordered over the sensor surface.
  • This embodiment variant allows an increase in the recorded information content.
  • the color filter elements differ in the choice of the individual color filters.
  • a downstream reconstruction method using the different sensor areas allows higher resolution to be achieved.
  • Fig. 1 shows schematically a picture element with three concentric faces of
  • FIG. 2 shows a sensor array with a multiplicity of areally arranged picture elements according to FIG. 1, and
  • FIG. 3 shows a concrete exemplary embodiment of a picture element corresponding to FIG. 1.
  • FIG. 1 shows a picture element 1 for detecting both brightness information and color information.
  • the picture element 1 comprises a photosensitive detector surface 2 which is divided into a first partial surface 3, a second partial surface 4 and a third partial surface 5. Each subarea 3, 4, 5 forms a separately readable single detector 8, 9 and 10.
  • the individual detectors 8, 9, 10 are for example made in CMOS technology and in particular as photodiodes with a respective associated readout circuit on a substrate 12, for example made of silicon , produced.
  • the readout circuits of the individual detectors 8, 9, 10 are combined in a readout electronics 6.
  • the readout electronics 6 is in this case formed to a parallel or to a serial readout of the individual detectors 8, 9, 10.
  • the first partial surface 3 of the first single detector 8 is formed as a circle whose center of gravity coincides with the center of the pixel 1.
  • the second partial surface 4 and the third partial surface 5 are each formed as concentric rings to the circle.
  • the centers of gravity of the second partial surface 4 and the third partial surface 5 coincide with the center of gravity of the first partial surface 3 and thus with the center of the pixel 1.
  • the distances between the individual partial surfaces 3, 4, 5 are production-related.
  • the individual detectors 8, 9, 10 are separately readable.
  • the substrate 12 and the partial surfaces 3, 4, 5 of the detector surface 2 arranged thereon are covered by a color filter element 14.
  • the color filter element 14 has a first color filter 17, a second color filter 18 and a third color filter 19 which correspond in shape to the first partial area 3, the second partial area 4 and the third partial area 5, respectively.
  • the first color filter 17 is a blue color filter.
  • the second color filter 18 is a red color filter.
  • the third color filter 19 is a green color filter.
  • Each of the color filters 17, 18, 19 thus emits light of a respective primary color channel while blocking or absorbing light of the other color channels, respectively.
  • the color filter element 14 is formed as an RGB filter.
  • the choice of color filters can also be different. In addition, the selection of color filters need not be the same for each pixel.
  • An image section of an optical image acquired by the picture element 1 is scanned by means of the partial surfaces 3, 4, 5 with respect to its color values in a red, blue and green color channel.
  • the brightness values of the corresponding color channels for reading out are available via corresponding connection surfaces 20 of the read-out electronics 6 on the rear side of the picture element 1.
  • the picture element 1 is able to output the complete color information with the associated brightness values for the captured image section.
  • switches are integrated in the read-out electronics 6 of the picture element 1, via the actuation of which the corresponding picture element 1 can be addressed for readout.
  • FIG. 2 shows an image sensor 22 which comprises a multiplicity of the picture elements 1 shown in FIG. 1 in a sensor array 24.
  • the picture elements 1 are in this case arranged side by side flat in the geometry shown.
  • a digital image scanned by the image sensor 22 has a resolution which corresponds to the real resolution with respect to the number of picture elements 1.
  • Each picture element 1 provides complete information regarding the color values, that is to say the brightness values assigned to a color channel. Interpolation over several adjacent picture elements is not necessary to obtain color information.
  • FIG. 3 shows a concrete exemplary embodiment of a picture element 1 according to FIG. In this case, only the individual color filters 17, 1 8, 1 9 of the color filter element 14 are shown for simplicity.
  • the respective associated sub-areas 3, 4, 5 have the same geometry, as shown in FIG.
  • the first partial surface 3 lies in the center C of the picture element 1. It is designed as a circle with radius R s and a surface S s , and covered by the blue color filter 1 7.
  • the second subarea 4 of the second individual detector 9 is arranged around the first subarea 3 as a ring with center C and a width W m .
  • the second partial surface 4 is covered by a red color filter 18.
  • the third subarea 5 of the third single detector 10 is also referred to as a ring with center C and a width W
  • the third sub-area 5 is covered by a green color filter 1 9.
  • R ⁇ Inner radius of the second partial surface
  • WJR ⁇ width / outer radius of the second part
  • R ⁇ i R n » + G R u : inner radius of the third partial surface
  • W p R lo + G / 2; p: Half-length of the picture-theme;
  • the ratio of the partial areas may also be different.
  • is the minimum width of a partial area and ⁇ is the minimum distance between the partial areas depending on the semiconductor process.
  • results were compared using two objective image evaluation methods.
  • the results are significantly improved for the novel image element or an image sensor constructed therefrom in comparison to the results with a Bayer filter sensor.
  • a Bayer filter with bilinear interpolation has a PSNR of 19.37 dB and a FSI Mc of 0.75 feature similarity index chrominance and a PSNR of 20.09 dB with gradient-corrected linear interpolation FSIM C of 0.80
  • the image with the new picture element or image sensor has a PSNR of 21.95 dB and a FSIM C of 0.84.
  • the PSNR value measures the signal-to-noise ratio. A higher value implies a better signal or image quality.
  • the FSIMc value is the result of a mathematical image quality assessment. division with respect to a reference color image adapted to the human visual system. A description of this can be found, for example, in L.

Abstract

The invention relates to an image element (1) for determining brightness information and colour information. The image element (1) comprises, on a light-sensitive detector surface (2) divided with subsurfaces (3, 4, 5) into at least three separately readable individual detectors (8, 9, 10): a colour filter element (14) that covers the detector surface (2) and comprises colour filters (17, 18, 19) which differ in their filter properties and are associated with each of the subsurfaces (3, 4, 5); and a common electronic read-out unit (6) connected to the individual detectors (8, 9, 10) for the purpose of reading out each of said individual detectors (8, 9, 10), the subsurfaces (3, 4, 5) being connected one within another. The invention also relates to an image sensor (22) comprising a plurality of such image elements (1).

Description

Beschreibung  description
Bildelement  picture element
Die Erfindung betrifft ein Bildelement zur Erfassung sowohl der Helligkeit als auch der Farbe von auftreffendem Licht. Die Erfindung betrifft weiter einen Bildsensor mit einer Vielzahl derartiger, flächig nebeneinander angeordneter Bildelemente. Die Erfindung bezieht sich auf das technische Gebiet der digitalen Bildverarbeitung. The invention relates to a picture element for detecting both the brightness and the color of incident light. The invention further relates to an image sensor having a multiplicity of such image elements arranged side by side in a planar manner. The invention relates to the technical field of digital image processing.
Ein Bildsensor zur Aufnahme von digitalen Bildern ist eine Vorrichtung, die optische Information, beispielsweise aus einer auf den Sensor optisch abgebildeten Objektszene, in elektrische Information umwandelt. Ein solcher Bildsensor weist in der Regel eine Vielzahl von flächig nebeneinander angeordneten Bildelementen auf und bildet damit ein sogenanntes Sensorarray. Das Bildelement ist hierbei die kleinste Einheit des Bildsensors und stellt beim Auslesen einen Abtastwert der Bildinformation zur Verfügung. Im allgemeinen Sprachgebrauch hat sich zur Bezeichnung eines Bildelements auch der Begriff „Pixel" etabliert. Andererseits stellt ein Pixel im digitalen Bild einen einzelnen Bildpunkt und damit das kleinste Element einer digitalen Rastergrafik dar. Ein Pixel im Sinne des kleinsten Elements einer Rastergrafik muss nicht mit dem Pixel im Sinne eines Bildelements des Bildsensors übereinstimmen. An image sensor for recording digital images is a device which converts optical information, for example from an object scene optically imaged onto the sensor, into electrical information. As a rule, such an image sensor has a large number of image elements arranged side by side in a planar manner and thus forms a so-called sensor array. The picture element here is the smallest unit of the image sensor and provides a sample of the image information when reading out. In general parlance, the term "pixel" has also been used to designate a pixel, on the other hand a pixel in the digital image represents a single pixel and thus the smallest element of a digital raster graphic Pixels in the sense of a pixel of the image sensor match.
Um ein digitales Farbbild darzustellen, sind grundsätzlich zwei Arten von Informationen pro Pixel (hier: Bildpunkt) notwendig, nämlich ein Helligkeitswert und ein Farbwert. Aus den für jeden Pixel durch Abtastung des optischen Bildes mittels der Bildelemente gewonnenen Helligkeits- und Farbwerten wird das gerasterte digitale Bild gewonnen. Heute bekannte Bildsensoren zur Bildgebung im sichtbaren Spektralbereich sind halbleiterbasiert und verwenden in den Bildelementen üblicherweise CCD- oder CMOS-Detektoren. Derartige Detektoren liefern als solche nur Helligkeitswerte, jedoch keine Farbinformationen. Um dennoch mit derartigen Detektoren ein farbiges Bild aufzunehmen, werden verschiedene Techniken angewendet. In order to represent a digital color image, basically two types of information per pixel (here: pixel) are necessary, namely a brightness value and a color value. The rasterized digital image is obtained from the brightness and color values obtained for each pixel by scanning the optical image using the pixels. Image sensors for imaging in the visible spectral range known today are semiconductor-based and usually use CCD or CMOS detectors in the picture elements. Such detectors as such provide only brightness values but no color information. Nevertheless, to capture a colored image with such detectors, various techniques are used.
Der sogenannte Bayer-Filter-Sensor, wie er beispielsweise in der US 3,971 ,065 A beschrieben ist, ist wie ein Schachbrett aufgebaut. Jedes Bildelement des Sen- sorarrays enthält z.B. eine Photodiode, die die Helligkeitsinformation empfängt. Um Farbinformation zu erfassen, liegt über jedem Bildelement genau ein Farbfilterelement, welches die empfangene Helligkeitsinformation dieses Farbkanals passieren lässt und andere Farben herausfiltert. Das komplette Sensorarray ist mit drei Farbfiltern (rot, grün und blau) überzogen, wobei meist 50% der Farbfilter grün und jeweils 25% der Farbfilter rot und blau sind. Jedes Bildelement nimmt nur den Wert eines Farbkanals, also entweder rot, grün oder blau (RGB) auf. Die Farbinformation pro Bildelement ist unvollständig, so dass eine Nachbearbeitung der mittels des Sensorarrays gewonnenen Bildinformationen benötigt wird. Dazu wird für jeden Pixel im digitalen Bild die Information von im Sensorarray benachbarten Bildelementen herangezogen. Mit anderen Worten werden für einen Farbpixel im digitalen Bild die Informationen mehrerer Bildelemente des Sensorarrays verwendet. Neben RGB-Filtern, die also rote, grüne und blaue Farbfilter umfassen, sind weitere Varianten von Farbfilterelementen bekannt, z. B. ein CYGM- Filter, der cyane, gelbe, grüne und magenta Farbfilter umfasst, oder der RGBW- Filter, der rote, grüne, blaue Farbfilter und einen Bereich ohne Farbfilter zur Gewinnung einer reinen Helligkeitsinformation umfasst. The so-called Bayer filter sensor, as described for example in US Pat. No. 3,971,065 A, is constructed like a chessboard. Each picture element of the sensor array contains e.g. a photodiode that receives the brightness information. In order to capture color information, there is exactly one color filter element above each picture element, which passes the received brightness information of this color channel and filters out other colors. The complete sensor array is covered with three color filters (red, green and blue), whereby usually 50% of the color filters are green and 25% each of the color filters are red and blue. Each picture element only takes on the value of a color channel, ie either red, green or blue (RGB). The color information per pixel is incomplete, so that a post-processing of the image information obtained by means of the sensor array is required. For this purpose, the information of adjacent pixels in the sensor array is used for each pixel in the digital image. In other words, the information of a plurality of pixels of the sensor array is used for a color pixel in the digital image. In addition to RGB filters, which thus include red, green and blue color filters, other variants of color filter elements are known, for. A CYGM filter comprising cyane, yellow, green and magenta color filters, or the RGBW filter comprising red, green, blue color filters and an area without a color filter for obtaining pure brightness information.
Eine auf Bayer-Filter-Sensoren basierende Digitalkamera enthält typischerweise nur einen einzigen Bildsensor (Sensorarray). Mikroelektronisch ist es insbesondere im Falle der CMOS-Technik möglich, zusätzlich zum eigentlichen Bild- bzw. Sensorelement zugleich Analog-Digital-Umsetzer und eine digitale Signalverarbeitung auf einem Sensor-Chip zu integrieren. Durch den CMOS-Prozess und die Integration der Signalverarbeitung lassen sich kostengünstige Produkte herstellen. Durch die einfache Realisierbarkeit ist die Bayer-Filter-Technologie weit verbreitet und wird heute in den meisten Farb-Bildsensoren verwendet. Nachteiligerweise ist die Auflösung eines solchen Bildsensors durch die zur Gewinnung der Farbinformation notwendige Interpolation limitiert. Die reale Auflösung des digitalen Bildes beträgt abhängig von den Farbkanälen lediglich 25% bis 50% der auf die Anzahl der Bildelemente des Sensorarrays bezogenen Angaben. A digital camera based on Bayer filter sensors typically contains only a single image sensor (sensor array). Microelectronics it is possible, in particular in the case of CMOS technology, in addition to the actual image or sensor element at the same time to integrate analog-to-digital converter and a digital signal processing on a sensor chip. The CMOS process and the integration of signal processing enable the production of cost-effective products. Due to the simple feasibility, the Bayer filter technology is widely used and is used today in most color image sensors. Disadvantageously, the resolution of such an image sensor is limited by the necessary to obtain the color information interpolation. The real resolution of the digital image is dependent on the color channels only 25% to 50% of the number of pixels of the sensor array related information.
Bei einer anderen Technik, wie sie beispielsweise in der US 2009/0079834 A1 offenbart ist, werden drei unabhängige einzelne Bildsensoren sowie ein dichroiti- sches Prisma eingesetzt. Man spricht hierbei auch von einem sogenannten 3CCD-Sensor. Durch das dichroitische Prisma wird das Eingangslicht aus der abgebildeten Objektszene in drei getrennte Strahlen unterschiedlicher Farben aufgeteilt, beispielsweise in rot, grün und blau. Jeder der drei Bildsensoren erhält dann bei voller Auflösung die Information einer einzelnen Farbe. Somit wird die vollständige Farbinformation jeweils direkt ausgegeben. Eine Nachbearbeitung der vom Bildsensor insgesamt ausgegebenen Informationen ist im Unterschied zu einem Bayer-Filter-Sensor nicht notwendig. Zur Gewinnung des digitalen Bildes wird die volle Sensorauflösung genutzt. Die Nachbearbeitung gestaltet sich einfacher. Nachteiligerweise werden drei einzelne vollwertige Bildsensoren und ein Prisma benötigt. Zudem ist eine aufwändige Kalibrierung notwendig. Die Kosten für einen 3CCD-Sensor liegen im Vergleich zu einem Bayer-Filter-Sensor insofern deutlich höher. In another technique, as disclosed for example in US 2009/0079834 A1, three independent individual image sensors and a dichroic prism are used. This is also referred to as a so-called 3CCD sensor. The dichroic prism divides the input light from the imaged object scene into three separate beams of different colors, such as red, green and blue. Each of the three image sensors then receives the information of a single color at full resolution. Thus, the complete color information is outputted directly each time. Post-processing of the total information output by the image sensor is not necessary in contrast to a Bayer filter sensor. To obtain the digital image, the full sensor resolution is used. Post-processing is easier. Disadvantageously, three single full-scale image sensors and a prism are needed. In addition, a complex calibration is necessary. The costs for a 3CCD sensor are much higher in comparison to a Bayer filter sensor.
Der Sensor einer weiteren Technik zur Gewinnung der Farbinformation, wie beispielsweise aus der US 5,965,875 A bekannt ist, basiert auf dreischichtigen Bildelementen. Ein solcher Sensor ist auch als Foveon X3-Sensor bekannt und wird von dem Unternehmen Foveon, nun Sigma angeboten. Hierbei wird die Eigenschaft des Siliziums genutzt, dass Licht unterschiedlicher Wellenlängen aus dem sichtbaren Spektralbereich unterschiedlich tief eindringt bzw. unterschiedlich absorbiert wird. Über diese Tiefendiskriminierung wird die Farbinformation im jeweiligen Bildelement gewonnen. Ein solcher Bildsensor ist ebenfalls als Ein-Chip- Lösung ausgeführt und verfügt meist über drei Ausgangskanäle, nämlich jeweils einen Ausgangskanal für die Farben rot, grün und blau. Nachteiligerweise zeigt ein solcher Bildsensor eine vergleichsweise hohe Rauschempfindlichkeit bei ge- ringer Helligkeit. Zudem sind das Rauschen und das Übersprechen der einzelnen Farbkanäle unterschiedlich. The sensor of another technique for obtaining the color information, as known for example from US Pat. No. 5,965,875 A, is based on three-layer picture elements. Such a sensor is also known as the Foveon X3 sensor and is offered by the company Foveon, now Sigma. Here, the property of silicon is used that light of different wavelengths from the visible spectral range penetrates at different depths or is absorbed differently. About this depth discrimination, the color information is obtained in each pixel. Such an image sensor is also designed as a one-chip solution and usually has three output channels, namely one output channel for the colors red, green and blue. Disadvantageously, such an image sensor exhibits a comparatively high noise sensitivity in the case of ringer brightness. In addition, the noise and crosstalk of the individual color channels are different.
Aus US 201 1 /0242351 A1 ist ein Bildsensor bekannt, der auf einer lichtempfindlichen Detektorfläche eine Vielzahl von matrixförmig nebeneinander angeordneten Bildelementen (Pixeln) aufweist. Die Quadranten eines jedes Bildelements bilden Teilflächen, die durch verschiedenartige Farbfilter abgedeckt sind und denen getrennt auslesbare Einzeldetektoren zugeordnet sind. Der Bildsensor umfasst weiterhin eine gemeinsame Ausleseelektronik zum Auslesen der Einzeldetektoren. Weitere Bildsensoren sind aus US 5,148,268 A, DE 10 2012 1 10 094 A1 und US 2010/0309351 A1 bekannt. US 201 1/0242351 A1 discloses an image sensor which has a multiplicity of image elements (pixels) arranged next to one another in a matrix on a photosensitive detector surface. The quadrants of each picture element form subareas which are covered by various color filters and to which separate readable individual detectors are assigned. The image sensor further comprises a common readout electronics for reading the individual detectors. Further image sensors are known from US 5,148,268 A, DE 10 2012 1 10 094 A1 and US 2010/0309351 A1.
Aus EP 1 607 771 B1 ist ein Nachtsichtsystem bekannt, das eine Blende mit einem optischen Filter aufweist. Das optische Filter ist derart ausgelegt, dass der Durchmesser der Eintrittspupille der Blende wellenlängenabhängig ist. Die Blende weist dabei konzentrisch einen lichtdurchlässigen inneren Bereich, einen für sichtbares Licht nahezu undurchlässigen mittleren Bereich mit einer Filterschicht und einen lichtdurchlässigen äußeren Bereich auf, so dass sichtbares Licht durch ein kleines Blendenloch und Licht im nahen Infrarotbereich durch ein größeres Blendenloch begrenzt ist. From EP 1 607 771 B1 a night vision system is known, which has a diaphragm with an optical filter. The optical filter is designed such that the diameter of the entrance pupil of the diaphragm is wavelength-dependent. The diaphragm has concentrically a translucent inner region, an almost impermeable to visible light central region with a filter layer and a translucent outer region, so that visible light is limited by a small aperture hole and near infrared light through a larger aperture hole.
Aufgabe der Erfindung ist es, ein Bildelement anzugeben, mit dem bei vergleichsweise niedrigen Herstellungskosten möglich ist, sowohl Information über die Helligkeit als auch Information über die Farbe des auftreffenden Lichts zu erfassen. Weiter soll ein entsprechender Bildsensor mit derartigen Bildelementen angegeben werden. Insbesondere soll dabei die Auflösung des digitalen Farbbildes der durch den Bildsensor real vorgegebenen Auflösung entsprechen. The object of the invention is to provide a picture element with which, at comparatively low production costs, it is possible to detect both information about the brightness and information about the color of the incident light. Next, a corresponding image sensor is to be specified with such picture elements. In particular, the resolution of the digital color image should correspond to the resolution specified by the image sensor.
Die gestellte Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch ein Bildelement zur Erfassung sowohl einer Helligkeitsinformation als auch einer Farbinformation, welches eine lichtempfindliche Detektorfläche, die mit Teilflächen auf wenigstens drei getrennt auslesbare Einzeldetektoren aufgeteilt ist, ein die Detektorfläche abdeckendes Farbfilterelement, das den Teilflächen jeweils zugeordnete, sich in den Filtereigenschaften unterscheidende Farbfilter umfasst, und eine gemeinsame, mit den Einzeldetektoren verschaltete Ausleseelektronik zu einem jeweiligen Auslesen der Einzeldetektoren aufweist. The object is achieved according to the invention by a picture element for detecting both brightness information and color information, which is a photosensitive detector surface, which is divided with sub-areas on at least three separately readable individual detectors, the detector surface covering color filter element associated with the sub-areas each, in the Filter characteristics distinguishing color filter comprises, and a common, with the single detectors interconnected read-out electronics for a respective readout of the individual detectors.
Die gestellte Aufgabe wird weiter erfindungsgemäß gelöst durch einen Bildsensor, der eine Vielzahl von flächig nebeneinander angeordneten Bildelementen der vorbeschriebenen Art umfasst. The stated object is further achieved according to the invention by an image sensor comprising a plurality of areally arranged side by side picture elements of the type described above.
Die Erfindung sieht demnach vor, jedem Bildelement wenigstens drei Einzeldetektoren zuzuordnen, von denen jeder eine Teilfläche der insgesamt umfassten lichtempfindlichen Detektorfläche aufweist. Jede dieser lichtempfindlichen Teilflächen ist mit einem spezifisch zugeordneten Farbfilter abgedeckt, das die gewünschte Helligkeitsinformation eines durch das Farbfilter definierten Farbkanals passieren lässt und andere Farben herausfiltert. Somit erfasst jeder Einzeldetektor des Bildelements jeweils die Helligkeitsinformation des ihm zugeordneten Farbkanals. Über jedes Bildelement wird somit die vollständige Information über Farbe und Helligkeit des abgebildeten Bildausschnitts erfasst. Als Farbkanäle sind bevorzugt Primärfarben gewählt, also z.B. Rot, Grün und Blau. Accordingly, the invention provides for each pixel to be assigned at least three individual detectors, each of which has a partial area of the total photosensitive detector area. Each of these photosensitive subareas is covered with a specifically associated color filter which passes the desired brightness information of a color channel defined by the color filter and filters out other colors. Thus, each individual detector of the picture element respectively captures the brightness information of the color channel assigned to it. Thus, the complete information about the color and brightness of the imaged image section is acquired via each picture element. As color channels, primary colors are preferably selected, e.g. Red, green and blue.
Ein Bildsensor mit derartigen Bildelementen weist viele Vorteile auf. Zum Auslesen der vollständigen Farbinformation, also der Helligkeitswerte in den jeweiligen Farbkanälen, ist nur ein einziges Sensorarray erforderlich. Zur Rekonstruktion der Farbinformation werden keine Informationen von benachbarten Bildelementen benötigt. Mithin entfällt ein Farbrekonstruktionsprozess. Die Auflösung des digitalen Bildes entspricht der realen Sensorauflösung. Zudem ist das Farbrauschen aufgrund mehrerer Farbkanäle pro Bildelement reduziert. Der Bildsensor bzw. das gesamte Sensorarray lässt sich mittels CMOS-Technik einfach und kostengünstig realisieren. Die lichtempfindlichen Detektorflächen sind insbesondere planar. Somit ist die Produktion vergleichsweise einfach und insofern kostengünstig. An image sensor with such picture elements has many advantages. For reading out the complete color information, that is to say the brightness values in the respective color channels, only a single sensor array is required. To reconstruct the color information, no information from neighboring pixels is needed. Thus, a color reconstruction process is eliminated. The resolution of the digital image corresponds to the real sensor resolution. In addition, the color noise is reduced due to multiple color channels per pixel. The image sensor or the entire sensor array can be implemented simply and inexpensively by means of CMOS technology. The photosensitive detector surfaces are in particular planar. Thus, the production is relatively simple and therefore cost.
Um über den vom jeweiligen Bildelement erfassten Teilausschnitt des optischen Bildes möglichst gleichmäßige und vergleichbare Farbinformationen in den verschiedenen Farbkanälen zu erhalten, sind die Teilflächen der Einzeldetektoren erfindungsgemäß ineinander geschachtelt. Auf diese Weise erfolgt für alle Farbkanäle eine über die Detektorfläche vergleichmäßigte Abtastung des vom Bildelement erfassten Bildausschnitts. In order to obtain as uniform and comparable color information in the different color channels as possible over the partial section of the optical image captured by the respective picture element, the partial areas of the individual detectors are nested according to the invention. In this way, for all color channels, a scan of the image detail captured by the picture element is uniformized over the detector surface.
In einer hierzu weiter bevorzugten Ausgestaltung sind die geschachtelten Teilflächen der Einzeldetektoren zueinander konzentrisch und weisen insofern bezüglich ihrer Geometrie einen gemeinsamen Schwerpunkt auf. Durch die Erhöhung der Symmetrie wird die gleichmäßige Abtastung der Farbwerte für alle Farbkanäle weiter verbessert. Vorteilhafterweise fallen hierbei insbesondere die Schwerpunkte der Teilflächen jeweils in das Zentrum des Bildelements. Damit wird der vom Bildelement erfasste Bildausschnitt hinsichtlich der Farbwerte für jeden Farbkanal symmetrisch abgetastet. Eigene Untersuchungen belegen hierbei, dass sich die Eigenschaften des Bildelements hinsichtlich der Abtastung der Farbwerte weiter verbessern lassen, wenn die konzentrischen Teilflächen einen Kreis und den Kreis umlaufende Ringe umfassen. In a further preferred embodiment, the nested subareas of the individual detectors are concentric to one another and insofar have a common center of gravity with regard to their geometry. Increasing the symmetry further improves the uniform sampling of the color values for all color channels. In this case, in particular, the centroids of the partial surfaces advantageously fall in each case into the center of the pixel. Thus, the image section captured by the picture element is scanned symmetrically with respect to the color values for each color channel. Our own investigations prove that the characteristics of the picture element can be further improved with regard to the scanning of the color values if the concentric partial surfaces comprise a circle and rings surrounding the circle.
Die vorbeschriebenen konkreten Ausführungsvarianten der Teilflächen sind insbesondere dahingehend optimiert, dass für jeden Farbkanal aus dem vom Bildelement erfassten Bildausschnitt ein tatsächlicher Mittelwert der entsprechenden Helligkeit erfasst wird. Eine Erhöhung der Symmetrie der Teilflächen oder eine verschachtelte Anordnung der Teilflächen bietet hier die größten Vorteile. The above-described concrete embodiment variants of the partial surfaces are optimized in particular in such a way that an actual mean value of the corresponding brightness is detected for each color channel from the image detail captured by the image element. An increase in the symmetry of the partial surfaces or a nested arrangement of the partial surfaces offers the greatest advantages here.
Jede Teilfläche eines Einzeldetektors liest die Farbinformation bzw. den Helligkeitswert eines Farbkanals aus. Das Bildelement als solches liefert die Informationen für alle der gewählten Farbkanäle. Dazu ist jede Teilfläche eines Einzeldetektors mit einem jeweils zugeordneten Farbfilter abgedeckt. Die Farbfilter unterscheiden sich hierbei in ihren Filtereigenschaften und weisen insbesondere für verschiedene Wellenlängen einen unterschiedlichen Transmissions-, Reflexionsund/oder Absorptionsgrad auf. Die den wenigstens drei Einzelflächen zugewiesenen Farbfilter sind bevorzugt im Sinne eines RGB-Filters als ein rotes, grünes und blaues Farbfilter gegeben. Jedoch können auch andere Farbkombinationen gewählt sein. Insbesondere können bei vier Einzelflächen auch die eingangs genannten CYGM- oder RGBW-Filter ausgebildet werden. Jedes Farbfilter überdeckt die jeweils zugeordnete Einzelfläche. Dabei muss die Form des Farbfilters nicht zwingend der Form der Einzelfläche entsprechen, um die Bedeckungseigenschaft zu gewährleisten. In einer bevorzugten Ausgestaltung entspricht jedoch die geometrische Form eines Farbfilters, gegebenenfalls bis auf eine Abweichung in der Größe, jeweils der geometrischen Form der zugeordneten Teilfläche. Bei der Fertigung muss darauf geachtet werden, das Farbfilterelement bzw. die Farbfilter derart auszurichten, dass das jeweilige Farbfilter die ihm jeweils zugeordnete Teilfläche abdeckt. Each subarea of a single detector reads out the color information or the brightness value of a color channel. As such, the picture element provides the information for all of the selected color channels. For this purpose, each subarea of a single detector is covered with a respective associated color filter. The color filters differ in their filter properties and, in particular for different wavelengths, have a different degree of transmission, reflection and / or absorption. The color filters assigned to the at least three individual surfaces are preferably given in the sense of an RGB filter as a red, green and blue color filter. However, other color combinations may be chosen. In particular, with four individual surfaces, the above-mentioned CYGM or RGBW filters can also be formed. Each color filter covers the assigned individual area. The shape of the color filter does not necessarily correspond to the shape of the individual surface in order to ensure the covering property. In a preferred embodiment, however, corresponds to the geometric shape of a color filter, optionally except for a deviation in size, each of the geometric shape of the associated sub-area. During production, care must be taken to align the color filter element or the color filters in such a way that the respective color filter covers the partial area assigned to it.
Die lichtempfindliche Detektorfläche bzw. die Teilflächen der Einzeldetektoren sind zweckmäßigerweise als Halbleiterbauelemente ausgebildet. Gleichwohl werden von der Erfindung auch andere elektronische Bauelemente erfasst, die ein lichtempfindliches Verhalten zeigen. Beispielsweise sind dies Fotowiderstände, Röhrenelemente oder generell Bauelemente, die einen äußeren Fotoeffekt nutzen, wie beispielsweise Fotomultiplier. Wiederum bevorzugt sind als Einzeldetektoren Fotodetektoren gewählt, die als solche den inneren und/oder den äußeren Fotoeffekt ausnutzen. Lichtinformation wird dabei unmittelbar in elektrische Informationen umgewandelt. Als Fotodetektoren wiederum bevorzugt sind Fotomultiplier, Photodioden, CMOS-Detektoren und CCD-Detektoren. The photosensitive detector surface or the partial surfaces of the individual detectors are expediently designed as semiconductor components. Nevertheless, the invention also covers other electronic components which exhibit a photosensitive behavior. For example, these are photoresistors, tube elements or in general components that use an external photo effect, such as photomultipliers. Again preferred are selected as individual detectors photodetectors, which exploit as such the inner and / or the outer photo effect. Light information is converted directly into electrical information. Preferred photodetectors are photomultipliers, photodiodes, CMOS detectors and CCD detectors.
Die Ausleseelektronik ist mit den Einzeldetektoren bzw. den zugeordneten Teilflächen verschaltet und insbesondere zu einer parallelen oder einer seriellen Auslesung der Einzeldetektoren ausgebildet und eingerichtet. Im Falle der Möglichkeit einer seriellen Auslesung umfasst die Ausleseelektronik beispielsweise ein ansteuerbares Schaltelement, welches die Einzeldetektoren einem gemeinsamen Ausleseschaltkreis zuschaltet oder von diesem entkoppelt. Im Falle einer parallelen Auswertung ist jedem Einzeldetektor jeweils ein Auswerteschaltkreis zugeordnet. Unabhängig hiervon weist die Ausleseelektronik bevorzugt wenigstens drei Ausgabekanäle zum Auslesen der Helligkeitswerte jedes der wenigstens drei Farbkanäle auf. In einer zweckmäßigen Weiterbildung der Erfindung sind die Einzeldetektoren in an sich bekannter mikroelektronischer Fertigungstechnik gemeinsam auf einem Substrat, insbesondere einem Halbleitersubstrat (z.B. Silizium), angeordnet, und auf diesem gefertigt. In einer hierzu bevorzugten Weiterbildung sind die Ausleseelektronik und die Einzeldetektoren auf dem Substrat gemeinsam angeordnet und insbesondere gemeinsam gefertigt. The readout electronics are connected to the individual detectors or the associated subareas and, in particular, designed and set up for parallel or serial readout of the individual detectors. In the case of the possibility of a serial readout, the read-out electronics comprise, for example, a controllable switching element which switches the individual detectors to a common read-out circuit or decouples them from this. In the case of a parallel evaluation, each individual detector is assigned an evaluation circuit. Independently of this, the read-out electronics preferably have at least three output channels for reading out the brightness values of each of the at least three color channels. In an expedient development of the invention, the individual detectors are arranged in a known microelectronic production technology together on a substrate, in particular a semiconductor substrate (eg silicon), and fabricated thereon. In a preferred embodiment, the read-out electronics and the individual detectors are arranged together on the substrate and, in particular, manufactured together.
In einer weiteren bevorzugten Ausbildung der Erfindung ist der grüne Farbfilter im Falle eines RGB-Farbfilterelements einer äußeren Teilfläche zugeordnet. Insbesondere hierdurch wird es möglich, die äußere, grüne Teilfläche mit einer größeren Fläche auszubilden, wodurch auf die Farbempfindlichkeit des menschlichen Auges Bezug genommen ist. In a further preferred embodiment of the invention, the green color filter in the case of an RGB color filter element is associated with an outer subarea. In particular, this makes it possible to form the outer, green sub-area with a larger area, which reference is made to the color sensitivity of the human eye.
In einer weiter bevorzugten Ausgestaltung umfasst das Bildelement eine vierte Teilfläche, die frei von einem abdeckenden Filter ist. Das entsprechende Farbfilterelement ist an dieser Stelle insbesondere im sichtbaren Spektralbereich transparent oder weist dort keinen Farbfilter auf. Diese Ausführungsvariante ermöglicht eine simultane Erfassung nur der Helligkeit des auftreffenden Lichts. In a further preferred embodiment, the picture element comprises a fourth partial area which is free of a covering filter. The corresponding color filter element is transparent at this point, especially in the visible spectral range, or has no color filter there. This embodiment allows simultaneous detection of only the brightness of the incident light.
Die Erfindung umfasst weiter einen Bildsensor mit einer Vielzahl von flächig nebeneinander angeordneten Bildelementen der vorbeschriebenen Art. Dabei können die für das Bildelement und dessen Weiterbildungen genannte Vorteile sinngemäß auf den Bildsensor übertagen werden. The invention further comprises an image sensor having a multiplicity of image elements of the above-described type arranged in a planar manner next to one another. The advantages mentioned for the image element and its further developments can be transferred analogously to the image sensor.
Bevorzugt sind im Bildsensor wenigstens zwei Bildelemente vorhanden, die sich voneinander unterscheidende Farbfilterelemente umfassen. Die sich unterscheidenden Farbfilterelemente sind vorteilhaft unregelmäßig oder geordnet über die Sensorfläche verteilt. Diese Ausführungsvariante ermöglicht einen Zuwachs im erfassten Informationsgehalt. Zweckmäßigerweise unterscheiden sich die Farbfilterelemente in der Wahl der einzelnen Farbfilter. Im Falle sich auf dem Bildsensor unterscheidender Farbfilterelemente erlaubt ein nachgeschaltetes Rekonstruktionsverfahren unter Ausnutzung der unterschiedlichen Sensorflächen das Erreichen einer höheren Auflösung. Ausführungsbeispiele der Erfindung sind anhand einer Zeichnung näher erläutert. Dabei zeigen: Preferably, at least two picture elements are present in the image sensor, which comprise mutually different color filter elements. The differing color filter elements are advantageously distributed irregularly or ordered over the sensor surface. This embodiment variant allows an increase in the recorded information content. Expediently, the color filter elements differ in the choice of the individual color filters. In the case of color filter elements differing on the image sensor, a downstream reconstruction method using the different sensor areas allows higher resolution to be achieved. Embodiments of the invention are explained in more detail with reference to a drawing. Showing:
Fig. 1 schematisch ein Bildelement mit drei konzentrischen Teilflächen von Fig. 1 shows schematically a picture element with three concentric faces of
Einzeldetektoren,  Individual detectors,
Fig. 2 eine Sensorarray mit einer Vielzahl von flächig angeordneten Bildelementen entsprechend Fig. 1 , und 2 shows a sensor array with a multiplicity of areally arranged picture elements according to FIG. 1, and
Fig. 3 ein konkretes Ausführungsbeispiel zu einem Bildelement entsprechend Fig. 1 . 3 shows a concrete exemplary embodiment of a picture element corresponding to FIG. 1.
In Figur 1 ist ein Bildelement 1 zur Erfassung sowohl einer Helligkeitsinformation als auch einer Farbinformation dargestellt. Das Bildelement 1 umfasst eine lichtempfindliche Detektorfläche 2, die in eine erste Teilfläche 3, in eine zweite Teilfläche 4 und in eine dritte Teilfläche 5 aufgeteilt ist. Jede Teilfläche 3, 4, 5 bildet einen separat auslesbaren Einzeldetektor 8, 9 bzw. 10. Die Einzeldetektoren 8, 9, 10 sind beispielsweise in CMOS-Technologie gefertigt und insbesondere als Photodioden mit einem jeweils zugeordneten Ausleseschaltkreis auf einem Substrat 12, beispielsweise aus Silizium, hergestellt. Die Ausleseschaltkreise der Einzeldetektoren 8, 9, 10 sind in einer Ausleseelektronik 6 zusammengefasst. Die Ausleseelektronik 6 ist hierbei zu einer parallelen oder zu einer seriellen Auslesung der Einzeldetektoren 8, 9, 10 ausgebildet. FIG. 1 shows a picture element 1 for detecting both brightness information and color information. The picture element 1 comprises a photosensitive detector surface 2 which is divided into a first partial surface 3, a second partial surface 4 and a third partial surface 5. Each subarea 3, 4, 5 forms a separately readable single detector 8, 9 and 10. The individual detectors 8, 9, 10 are for example made in CMOS technology and in particular as photodiodes with a respective associated readout circuit on a substrate 12, for example made of silicon , produced. The readout circuits of the individual detectors 8, 9, 10 are combined in a readout electronics 6. The readout electronics 6 is in this case formed to a parallel or to a serial readout of the individual detectors 8, 9, 10.
Die erste Teilfläche 3 des ersten Einzeldetektors 8 ist als ein Kreis ausgebildet, dessen Schwerpunkt mit dem Zentrum des Bildelements 1 zusammenfällt. Die zweite Teilfläche 4 und die dritte Teilfläche 5 sind jeweils als zum Kreis konzentrische Ringe ausgebildet. Somit fallen auch die Schwerpunkte der zweiten Teilfläche 4 und der dritten Teilfläche 5 mit dem Schwerpunkt der ersten Teilfläche 3 und damit dem Zentrum des Bildelements 1 zusammen. Die Abstände zwischen den einzelnen Teilflächen 3, 4, 5 sind fertigungsbedingt. Die Einzeldetektoren 8, 9, 10 sind separat auslesbar. Das Substrat 12 und die hierauf angeordneten Teilflächen 3, 4, 5 der Detektorfläche 2 sind von einem Farbfilterelement 14 abgedeckt. Das Farbfilterelement 14 weist ein erstes Farbfilter 17, ein zweites Farbfilter 18 und ein drittes Farbfilter 19 auf, die in ihrer Form jeweils der ersten Teilfläche 3, der zweiten Teilfläche 4 bzw. der dritten Teilfläche 5 entsprechen. Das erste Farbfilter 17 ist ein blaues Farbfilter. Das zweite Farbfilter 18 ist ein rotes Farbfilter. Das dritte Farbfilter 19 ist ein grünes Farbfilter. Jedes der Farbfilter 17, 18, 19 lässt somit Licht eines jeweiligen primären Farbkanals basieren, während es Licht der jeweils anderen Farbkanäle blockiert bzw. absorbiert. Das Farbfilterelement 14 ist als ein RGB-Filter ausgebildet. Die Wahl der Farbfilter kann auch anders sein. Zudem muss die Auswahl der Farbfilter nicht für jeden Pixel gleich sein. The first partial surface 3 of the first single detector 8 is formed as a circle whose center of gravity coincides with the center of the pixel 1. The second partial surface 4 and the third partial surface 5 are each formed as concentric rings to the circle. Thus, the centers of gravity of the second partial surface 4 and the third partial surface 5 coincide with the center of gravity of the first partial surface 3 and thus with the center of the pixel 1. The distances between the individual partial surfaces 3, 4, 5 are production-related. The individual detectors 8, 9, 10 are separately readable. The substrate 12 and the partial surfaces 3, 4, 5 of the detector surface 2 arranged thereon are covered by a color filter element 14. The color filter element 14 has a first color filter 17, a second color filter 18 and a third color filter 19 which correspond in shape to the first partial area 3, the second partial area 4 and the third partial area 5, respectively. The first color filter 17 is a blue color filter. The second color filter 18 is a red color filter. The third color filter 19 is a green color filter. Each of the color filters 17, 18, 19 thus emits light of a respective primary color channel while blocking or absorbing light of the other color channels, respectively. The color filter element 14 is formed as an RGB filter. The choice of color filters can also be different. In addition, the selection of color filters need not be the same for each pixel.
Ein vom Bildelement 1 erfasster Bildausschnitt eines optischen Bildes wird mittels der Teilflächen 3, 4, 5 hinsichtlich seiner Farbwerte in einem roten, blauen und grünen Farbkanal abgetastet. Über entsprechende Anschlussflächen 20 der Ausleseelektronik 6 auf der Rückseite des Bildelements 1 stehen die Helligkeitswerte der entsprechenden Farbkanäle zum Auslesen bereit. Das Bildelement 1 ist in der Lage, für den erfassten Bildausschnitt die komplette Farbinformation mit den zugehörigen Helligkeitswerten auszugeben. In einer bevorzugten Variante sind in die Ausleseelektronik 6 des Bildelements 1 Schalter integriert, über deren Betätigung das entsprechende Bildelement 1 zum Auslesen ansprechbar ist. An image section of an optical image acquired by the picture element 1 is scanned by means of the partial surfaces 3, 4, 5 with respect to its color values in a red, blue and green color channel. The brightness values of the corresponding color channels for reading out are available via corresponding connection surfaces 20 of the read-out electronics 6 on the rear side of the picture element 1. The picture element 1 is able to output the complete color information with the associated brightness values for the captured image section. In a preferred variant, switches are integrated in the read-out electronics 6 of the picture element 1, via the actuation of which the corresponding picture element 1 can be addressed for readout.
In Figur 2 ist ein Bildsensor 22 dargestellt, der in einem Sensorarray 24 eine Vielzahl der in Figur 1 dargestellten Bildelemente 1 umfasst. Die Bildelemente 1 sind hierbei flächig nebeneinander in der gezeigten Geometrie angeordnet. Ein mittels des Bildsensors 22 abgetastetes bzw. erfasstes digitales Bild weist eine Auflösung auf, die der realen Auflösung bzgl. der Anzahl der Bildelemente 1 entspricht. Jedes Bildelement 1 liefert eine vollständige Information hinsichtlich der Farbwerte, also der einem Farbkanal zugeordneten Helligkeitswerte. Eine Interpolation über mehrere benachbarte Bildelemente ist zum Erhalt einer Farbinformation nicht notwendig. In Figur 3 ist ein konkretes Ausführungsbeispiel eines Bildelements 1 gemäß Figur 1 dargestellt. Dabei sind zur Vereinfachung lediglich die einzelnen Farbfilter 17, 1 8, 1 9 des Farbfilterelements 14 abgebildet. Die jeweils zugeordneten Teilflächen 3, 4, 5 weisen entsprechend Figur 1 die gleiche Geometrie auf. FIG. 2 shows an image sensor 22 which comprises a multiplicity of the picture elements 1 shown in FIG. 1 in a sensor array 24. The picture elements 1 are in this case arranged side by side flat in the geometry shown. A digital image scanned by the image sensor 22 has a resolution which corresponds to the real resolution with respect to the number of picture elements 1. Each picture element 1 provides complete information regarding the color values, that is to say the brightness values assigned to a color channel. Interpolation over several adjacent picture elements is not necessary to obtain color information. FIG. 3 shows a concrete exemplary embodiment of a picture element 1 according to FIG. In this case, only the individual color filters 17, 1 8, 1 9 of the color filter element 14 are shown for simplicity. The respective associated sub-areas 3, 4, 5 have the same geometry, as shown in FIG.
Die erste Teilfläche 3 liegt im Zentrum C des Bildelements 1 . Sie ist als ein Kreis mit Radius Rs und einer Fläche Ss ausgeführt, und von dem blauen Farbfilter 1 7 abgedeckt. Die zweite Teilfläche 4 des zweiten Einzeldetektors 9 ist als ein Ring mit Zentrum C und einer Breite Wm um die erste Teilfläche 3 herum angeordnet. Die zweite Teilfläche 4 ist von einem roten Farbfilter 18 abgedeckt. Die dritte Teilfläche 5 des dritten Einzeldetektors 1 0 ist ebenfalls als ein Ring mit Zentrum C und einer Breite W| um die zweite Teilfläche 4 angeordnet. Die dritte Teilfläche 5 ist von einem grünen Farbfilter 1 9 abgedeckt. Dabei gilt beispielhaft: The first partial surface 3 lies in the center C of the picture element 1. It is designed as a circle with radius R s and a surface S s , and covered by the blue color filter 1 7. The second subarea 4 of the second individual detector 9 is arranged around the first subarea 3 as a ring with center C and a width W m . The second partial surface 4 is covered by a red color filter 18. The third subarea 5 of the third single detector 10 is also referred to as a ring with center C and a width W | arranged around the second partial surface 4. The third sub-area 5 is covered by a green color filter 1 9. By way of example:
2Rs >ε, Rs : Radius von 1 . Teilfläche; 2R s > ε, R s : radius of 1. Subarea;
G >S, G : Abstand zwischen je zwei Teilflächen;  G> S, G: distance between every two faces;
R^ : Innerer Radiusder 2. Teilfläche;  R ^: Inner radius of the second partial surface;
WJR^ : Breite / Äußerer Radiusder 2. Teilfäche;WJR ^: width / outer radius of the second part;
R\i =R+ G Ru : Innerer Radiusder 3. Teilfläche; R \ i = R n » + G R u : inner radius of the third partial surface;
W Rlo : Breite / Äußerer Radiusder 3. Teilfläche;WR lo : width / outer radius of the third partial surface;
Wp = Rlo + G/2; p : Halbel_änge des Bildelemerts; W p = R lo + G / 2; p: Half-length of the picture-theme;
S{ /Sm /Ss : Fläche von 3. /2./1 . Teilfläche; S { / S m / S s : area of 3/2/1. Subarea;
Insbesondere das Verhältnis der Teilflächen kann auch anders sein. Dabei ist ε die Minimalbreite einer Teilfläche und δ ist der Minimalabstand zwischen den Teilflächen abhängig vom Halbleiterprozess. In particular, the ratio of the partial areas may also be different. Here, ε is the minimum width of a partial area and δ is the minimum distance between the partial areas depending on the semiconductor process.
Das vorbeschriebene Bildelement entsprechend den Figuren 1 und 3 sowie ein Sensorarray mit einer Architektur entsprechend Figur 2 wurden mit einem Testbild verifiziert und mit einem Bayer-Filter-Sensor gleicher Anzahl von Bildelementen verglichen. Dabei wurde ein digitales Bild mit einer Auflösung von 4.935*2.91 0 Pixel als eine reale Szene simuliert. Im Vergleich mit der simulierten realen Szene wurde die Auflösung des Sensorarrays viel kleiner, nämlich mit 154*90 Bildelementen gewählt. Deshalb kann jedes Bildelement einen Bildausschnitt mit einer Fläche von 32*32 ursprünglicher Pixel aufnehmen. Für den Bayer-Filter-Sensor wird ein Mittelwert der Helligkeit von der ganzen Fläche eines bestimmten Farbkanals als Pixelwert simuliert. Danach wurden zwei Interpolationsmethoden zur Rekonstruktion des Farbbildes in der Simulation eingesetzt. Für das vorbeschriebene neuartige Bildelement sind jeweils drei Mittelwerte aus den drei kreis- bzw. ringförmigen Teilflächen aus dem jeweiligen Farbkanal simuliert. Deshalb kann ein RGB-Farbbild direkt ausgegeben werden. Das Simulationsergebnis eines Bayer- Filter-Sensors zeigt bei bilinearer Interpolation ein durch den Interpolationsprozess sichtbar verschwommenes Bild, wobei das Farbrauschen an jeder Kante deutlich ausgeprägt ist. Das simulierte Bild eines Bayer-Filter-Sensors mittels Gradientenkorrigierter linearer Interpolation, die deutlich komplexer ist als die bilineare Interpolation, zeigt eine verbesserte Bildqualität. Dennoch treten Überzeichnungen von Kanten auf. Das Farbrauschen ist ebenfalls stark vorhanden. Für das Bild aus einer Simulation mit dem vorbeschriebenen Bildelement ist wie erwähnt kein Re- konstruktionsprozess notwendig. Die drei Farbkanäle (rot, grün und blau) werden direkt ausgelesen. Das simulierte Ausgangsbild bleibt scharf, detailreich und hoch aufgelöst. Das Farbrauschen ist deutlich geringer als in den simulierten Bildern entsprechend dem Bayer-Filter-Sensor. The above-described picture element according to FIGS. 1 and 3 as well as a sensor array with an architecture according to FIG. 2 were verified with a test image and compared with a Bayer filter sensor of the same number of picture elements. It was a digital image with a resolution of 4.935 * 2.91 0 Pixels simulated as a real scene. In comparison with the simulated real scene, the resolution of the sensor array was much smaller, namely with 154 * 90 pixels selected. Therefore, each pixel can capture an image area of 32 * 32 original pixels. For the Bayer filter sensor, an average of the brightness of the entire area of a particular color channel is simulated as a pixel value. Thereafter, two interpolation methods were used to reconstruct the color image in the simulation. For the above-described novel picture element, three average values from the three circular or annular partial areas from the respective color channel are simulated. Therefore, an RGB color image can be directly output. The simulation result of a Bayer filter sensor shows bilinear interpolation a visibly blurred image due to the interpolation process, whereby the color noise at each edge is clearly pronounced. The simulated image of a Bayer filter sensor using gradient-corrected linear interpolation, which is significantly more complex than the bilinear interpolation, shows improved image quality. Nevertheless, overdrawings of edges occur. The color noise is also strong. For the image from a simulation with the above-described picture element, as mentioned, no reconstruction process is necessary. The three color channels (red, green and blue) are read out directly. The simulated output image remains sharp, rich in detail and high resolution. The color noise is significantly lower than in the simulated images according to the Bayer filter sensor.
Alle drei Resultate wurden unter Verwendung von zwei objektiven Bildbewertungsmethoden verglichen. Die Ergebnisse sind für das neuartige Bildelement bzw. einen hieraus aufgebauten Bildsensor im Vergleich zu den Resultaten mit einem Bayer-Filter-Sensor deutlich verbessert. Während ein Bayer-Filter mit bilinearer Interpolation ein PSNR (Peak Signal to Noise Ratio) von 19,37 dB und ein FSI Mc (Feature Similarity Index chrominance) von 0,75 und mit Gradientenkorrigierter linearer Interpolation ein PSNR von 20,09 dB und ein FSIMC von 0,80 zeigt, weist das Bild mit neuartigem Bildelement bzw. neuartigem Bildsensor ein PSNR von 21 ,95 dB und ein FSIMC von 0,84 auf. Der PSNR-Wert misst den Signal/Rauschabstand. Ein höherer Wert impliziert eine bessere Signal- bzw. Bildqualität. Der FSIMc-Wert ist das Resultat einer mathematischen Bildqualitätsbeur- teilung im Bezug zu einem Referenzfarbbild, die an das menschliche visuelle System angepasst ist. Eine Beschreibung hierzu findet sich beispielsweise in L. All three results were compared using two objective image evaluation methods. The results are significantly improved for the novel image element or an image sensor constructed therefrom in comparison to the results with a Bayer filter sensor. While a Bayer filter with bilinear interpolation has a PSNR of 19.37 dB and a FSI Mc of 0.75 feature similarity index chrominance and a PSNR of 20.09 dB with gradient-corrected linear interpolation FSIM C of 0.80, the image with the new picture element or image sensor has a PSNR of 21.95 dB and a FSIM C of 0.84. The PSNR value measures the signal-to-noise ratio. A higher value implies a better signal or image quality. The FSIMc value is the result of a mathematical image quality assessment. division with respect to a reference color image adapted to the human visual system. A description of this can be found, for example, in L.
Zhang, L. Zhang, X. Mou and Z. Zhang,„FSIM: A Feature Similarity Index for Image Quality Assessment" in IEEE Transactions on Image Processing, Vol. 20, No. 8, pp. 2378-2386, Aug. 201 1 (doi: 10.1 109/TIP.201 1 .2109730). Zhang, L. Zhang, X. Mou and Z. Zhang, "FSIM: A Feature Similarity Index for Image Quality Assessment" in IEEE Transactions on Image Processing, Vol. 20, No. 8, pp. 2378-2386, Aug. 201 1 (doi: 10.1 109 / TIP.201 1 .2109730).
Bezugszeichenliste LIST OF REFERENCE NUMBERS
1 Bildelement 1 picture element
2 Detektorfläche 2 detector surface
3 erste Teilfläche3 first part surface
4 zweite Teilfläche4 second part surface
5 dritte Teilfläche5 third part surface
6 Ausleseelektronik6 readout electronics
8 erster Einzeldetektor8 first single detector
9 zweiter Einzeldetektor9 second single detector
10 dritter Einzeldetektor10 third single detector
12 Substrat 12 substrate
14 Farbfilterelement 14 color filter element
17 erstes Farbfilter17 first color filter
18 zweites Farbfilter18 second color filter
19 drittes Farbfilter19 third color filter
20 Anschlusspad 20 connection pad
22 Bildsensor  22 image sensor
24 Array  24 array

Claims

Ansprüche claims
1 . Bildelement (1 ) zur Erfassung einer Helligkeitsinformation und einer Farbinformation, mit einer lichtempfindlichen Detektorfläche (2), die mit Teilflächen (3, 4, 5) auf wenigstens drei getrennt auslesbaren Einzeldetektoren (8, 9, 10) aufgeteilt ist, mit einem die Detektorfläche (2) abdeckenden Farbfilterelement (14), das den Teilflächen (3, 4, 5) jeweils zugeordnete, sich in den Filtereigenschaften unterscheidende Farbfilter (17, 18, 19) umfasst, und mit einer gemeinsamen, mit den Einzeldetektoren (8, 9, 10) verschalteten Ausleseelektronik (6) zu einem jeweiligen Auslesen der Einzeldetektoren (8, 9, 10), wobei die Teilflächen (3, 4, 5) ineinander geschachtelt sind. 1 . Image element (1) for detecting brightness information and color information, comprising a photosensitive detector surface (2) which is divided by partial surfaces (3, 4, 5) onto at least three separate readable individual detectors (8, 9, 10), with a detector surface (2) covering the color filter element (14), which comprises the color surfaces (17, 18, 19) assigned to the partial surfaces (3, 4, 5) and differing in the filter properties, and having a common, with the individual detectors (8, 9, 10) interconnected readout electronics (6) to a respective readout of the individual detectors (8, 9, 10), wherein the partial surfaces (3, 4, 5) are nested.
2. Bildelement (1 ) nach Anspruch 1 , wobei die geschachtelten Teilflächen (3, 4, 5) zueinander konzentrisch sind, insbesondere die Schwerpunkte der Teilflächen (3, 4, 5) jeweils in das Zentrum des Bildelements (1 ) fallen. 2. picture element (1) according to claim 1, wherein the nested partial surfaces (3, 4, 5) are concentric with each other, in particular the centers of gravity of the partial surfaces (3, 4, 5) each fall into the center of the pixel (1).
3. Bildelement (1 ) nach Anspruch 2, wobei die konzentrischen Teilflächen (3, 4, 5) gegeben sind als ein Kreis und als wenigstens zwei den Kreis umlaufende Ringe. 3. picture element (1) according to claim 2, wherein the concentric partial surfaces (3, 4, 5) are given as a circle and as at least two rings encircling the circle.
4. Bildelement (1 ) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die geometrische Form eines Farbfilters (17, 18, 19) jeweils der geometrischen Form der zugeordneten Teilfläche (3, 4, 5) entspricht. 4. picture element (1) according to any one of the preceding claims, wherein the geometric shape of a color filter (17, 18, 19) respectively corresponds to the geometric shape of the associated part surface (3, 4, 5).
5. Bildelement (1 ) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Einzeldetektoren (8, 9, 10) Photodetektoren sind, insbesondere ausgewählt sind aus der Gruppe, die Photomultiplier, Photodioden, CMOS- Detektoren und CCD-Detektoren enthält. 5. Image element (1) according to one of the preceding claims, wherein the individual detectors (8, 9, 10) are photodetectors, in particular selected from the group comprising photomultipliers, photodiodes, CMOS detectors and CCD detectors.
6. Bildelement (1 ) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Ausleseelektronik (6) zu einer parallelen oder zu einer seriellen Auslesung der Einzeldetektoren (8, 9, 10) ausgebildet und eingerichtet ist. 6. picture element (1) according to any one of the preceding claims, wherein the readout electronics (6) to a parallel or to a serial readout of the individual detectors (8, 9, 10) is formed and arranged.
7. Bildelement (1 ) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Ausleseelektronik (6) und die Einzeldetektoren (8, 9, 10) auf einem gemeinsamen Substrat (12) angeordnet sind. 7. picture element (1) according to any one of the preceding claims, wherein the read-out electronics (6) and the individual detectors (8, 9, 10) on a common substrate (12) are arranged.
8. Bildelement (1 ) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Farbfilterelement (14) einen roten Farbfilter (18), einen grünen Farbfilter (19) und einen blauen Farbfilter (17) umfasst. 8. picture element (1) according to any one of the preceding claims, wherein the color filter element (14) comprises a red color filter (18), a green color filter (19) and a blue color filter (17).
9. Bildelement (1 ) nach Anspruch 8, wobei der grüne Farbfilter (19) einer äußeren Teilfläche (5) zugeordnet ist. 9. picture element (1) according to claim 8, wherein the green color filter (19) is associated with an outer partial surface (5).
10. Bildelement (1 ) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei eine vierte Teilfläche umfasst ist, die frei von einem abdeckenden Filter (17, 18, 19) ist. 10. picture element (1) according to any one of the preceding claims, wherein a fourth partial surface is covered, which is free of a covering filter (17, 18, 19).
1 1 . Bildsensor (22) mit einer Vielzahl von flächig nebeneinander angeordneten Bildelementen (1 ) nach einem der vorhergehenden Ansprüche. 1 1. Image sensor (22) having a multiplicity of image elements (1) arranged side by side in a planar manner according to one of the preceding claims.
12. Bildsensor (22) nach Anspruch 1 1 , wobei wenigstens zwei Bildelemente (1 ) sich voneinander unterscheidende Farbfilterelemente (14) umfassen. 12. image sensor (22) according to claim 1 1, wherein at least two picture elements (1) are mutually different color filter elements (14).
13. Bildsensor (22) nach Anspruch 12, wobei sich die sich unterscheidenden Farbfilterelemente (14) in der Wahl der einzelnen Farbfilter (17, 18, 19) unterscheiden. The image sensor (22) of claim 12, wherein the differing color filter elements (14) differ in the choice of the individual color filters (17, 18, 19).
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