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Dokumentenidentifikation WO0217216 07.08.2003
Titel Aufnahmesensor mit einer Vielzahl von lichtempfindlichen Zellen und Verfahren zur Aufnahme von Bildern sowie dessen Verwendung
Anmelder Gavitec AG, 52146 Würselen, DE
Erfinder Müller, Frank, 52074 Aachen, DE;
Küchen, Jörg, 52146 Würselen, DE
Vertreter Castell, K., Dipl.-Ing. Univ. Dr.-Ing.; Reuther, M., Dipl.-Phys., Pat.-Anw., 52349 Düren
DE-Aktenzeichen 10193558
Vertragsstaaten AE, AG, AL, AM, AT, AU, AZ, BA, BB, BG, BR, BY, BZ, CA, CH, CN, CO, CR, CU, CZ, DE, DK, DM, DZ, EC, EE, ES, FI, GB, GD, GE, GH, GM, HR, HU, ID, IL, IN, IS, JP, KE, KG, KP, KR, KZ, LC, LK, LR, LS, LT, LU, LV, MA, MD, MG, MK, MN, MW, MX, MZ, NO, NZ, PH, PL, PT, RO, RU, SD, SE, SG, SI, SK, SL, TJ, TM, TR, TT, TZ, UA, UG, US, UZ, VN, YU, ZA, ZW, AP, EA, EP, OA
Sprache des Dokument DE
WO-Anmeldetag 17.08.2001
PCT-Aktenzeichen PCT/DE01/03060
WO-Veröffentlichungsnummer 0000217216
WO-Veröffentlichungsdatum 28.02.2002
Veröffentlichungstag im Patentblatt 07.08.2003
IPC-Hauptklasse G06K 7/10

Beschreibung[de]

Aufnahmesensor mit einer Vielzahl von lichtempfindlichen Zellen und Verfahren zur Aufnahme von Bildern sowie dessen Verwendung

Die Erfindung betrifft einen Aufnahmesensor mit einer Vielzahl von lichtempfindlichen Zellen (Pixel), die eindeutig einer von mindestens zwei Gruppen zugeordnet sind, und die Gruppen durch die spektrale Empfindlichkeit der zu ihnen gehörigen Zellen gekennzeichnet sind und ein Verfahren zum Aufnehmen von Bildern mit einem Aufnahmesensor sowie eine Verwendung eines Aufnahmesensors zur Aufnahme eines farbigen Bildes und zur Lesung von optischen Codes, insbesondere Barcodes.

Das Hauptaufgabengebiet von Aufnahmesensoren liegt in der Bildaufnahme unterschiedlichster Motive. Dabei unterscheiden sich die Anforderungen an die Sensoren zur Bildaufnahme von den Anforderungen an Sensoren zur Lesung optischer Codes. Deshalb werden gegenwärtig für diese verschiedenen Einsatzbereiche auch verschiedene Sensoren entwickelt und hergestellt. Insbesondere zur Lesung von Barcodes werden heute neben Flächensensoren auch sogenannte Zeilensensoren verwendet.

Für eine Vielzahl von Bildaufnahmesystemen, beispielsweise Videokameras, digitalen Fotoapparaten und Internet-Kameras, werden Halbleitersensoren in CCI) - Technologie (Charged Coupled Device) oder in CMOS - Technologie (Complementary Metal Oxide Serniconductor) verwendet. CCD - Sensoren stellen die erste Generation von Halbleiterbildsensoren dar und werden zunehmend von CMOS - Sensoren der zweiten Generation abgelöst. Wesentliche Vorteile von CMOS - Sensoren gegenüber CCD - Sensoren bestehen in der geringeren Leistungsaufnahme und deutlich geringeren Herstellungskosten.

Ursprünglich wurde die CMOS - Technologie hauptsächlich eingesetzt, um logische Schaltkreise oder Speicherchips herzustellen. Dadurch, dass sich mit der gleichen Technologie, die zur Herstellung von Logikschaltkreisen verwendet wird, nun auch lichtempfindliche Sensoren herstellen lassen, ist es unter Verwendung der CMOS - Technologie möglich, einen Sensor zusammen mit Logikschaltkreisen auf demselben Chip unterzubringen. Diese Möglichkeit erlaubt es insbesondere, die gesamte zur Ansteuerung und Auslesung des Sensors erforderliche Logik auf den Sensorchip zu integrieren, wodurch sich weitere Kosteneinsparungen ergeben.

Da CMOS heute die wirtschaftlich bedeutendste Halbleitertechnologie darstellt, entwickelt sich diese Technologie rasant, was sich unter anderem auch in den stetig kleiner werdenden Strukturbreiten im Aufbau der Sensoren äußert. Bei CMOS - Sensoren hat die Strukturbreite wesentlichen Einfluss auf die minimale Größe einer einzelnen lichtempfindlichen Zelle, im Nachfolgenden auch Pixel genannt. Da die Größe der einzelnen Pixel wesentlichen Einfluss auf die Größe des Sensors hat, sind CMOS Sensoren nur dann wirtschaftlich herstellbar, wenn die Strukturbreite im Aufbau des Sensorkörpers des Fertigungsprozesses nicht wesentlich höher ist als etwa 1 mm. Aufgrund stetiger Verbesserungen des CMOS - Herstellungsprozesses werden heute weitaus kleinere Strukturbreiten wie z. B. 0,5 mm bis 0, 13 mm erzielt. Dies ermöglicht unter anderem auch die 5 Herstellung von Sensoren mit entsprechend kleinerer Pixelgröße.

Die lichtempfindlichen Zellen des CMOS - Sensors sind ursprünglich nicht farbempfindlich. Es lassen sich daher ohne weitere Modifikation nur schwarz/weiße Bilder aufnehmen. Um auch farbige Bilder aufnehmen zu können, wird die Fläche des Sensors mit einer farbigen Filterschicht versehen. Mit dieser Schicht wird die lichtempfindliche Sensorfläche verschiedenfarbig eingefärbt.

Jedes Pixel wird dabei mit einer der drei Farben rot, grün oder blau eingefärbt. Man verwendet dabei ein spezielles, sich auf dem Sensor regelmäßig wiederholendes Muster (z.B. Bayer pattern). Durch den Auftrag der farbigen Filterschicht erreicht man eine unterschiedliche spektrale Empfindlichkeit der einzelnen Pixel, wodurch wiederum die Aufnahme von farbigen Bildern ermöglicht wird. Jedoch verringert sich dadurch die effektive Auflösung des Sensors erheblich. Das liegt daran, dass der Wert jedes Pixels nur einen Rückschluss auf die Lichtintensität einer bestimmten Farbe zulässt. Ist ein Pixel beispielsweise grün eingefärbt, kann mit diesem Pixel die Grünkomponente an dieser Stelle bestimmt werden. Die Blaukomponente und die Rotkomponente werden an dieser Stelle nicht gemessen und werden stattdessen aus den Werten der blau bzw. rot eingefärbten Pixel in der Umgebung des betrachteten grün eingefärbten Pixel geschätzt. Die reine Grauwertinformation (Luminanz) wird wiederum durch eine gewichtete Mittelung der drei Farbkomponenten (rot, grün, blau) bestimmt.

Für den Einsatz in Codelesesystemen müssen die Sensoren zum Teil andere Anforderungen erfüllen. Um auch hochauflösende Codes sicher lesen zu können, gilt bei Flächensensoren eine Auflösung von 640. x 480 Pixel als Minimum, insgesamt also über 300.000 Pixel. Außerdem werden bei dem heutigen Stand der Technik nur reine schwarz/weißSensoren zur Codelesung verwendet.

Aufgrund der geringen effektiven Auflösungen sind Sensoren, die für den Einsatz von Konsumgeräten hergestellt werden, im allgemeinen nicht ohne weiteres zur Codelesung geeignet. Andererseits sind Sensoren, die für den Einsatz von Codelesegeräten hergestellt werden, für die meisten Konsumgeräte ungeeignet. Dies resultiert daher, weil Codelesegeräte Zeilensensoren beinhalten, mit denen eine Bildaufnahme nicht möglich ist, oder weil es sich um schwarz/weißSensoren handelt, die sich nicht zur Aufnahme farbiger Bilder eignen.

Es ist somit Aufgabe vorliegender Erfindung, einen Aufnahmesensor bereitzustellen, der sich gleichermaßen zur Aufnahme farbiger Bilder, insbesondere digitaler Fotografien oder digitaler Videos, und zur Akquisition von optischen Codes, insbesondere Barcodes eignet.

Erfindungsgemäßist die obige Aufgabe dadurch gelöst, dass ein Aufnahmesensor eine Vielzahl von lichtempfindlichen Zellen (Pixel) aufweist, wobei diese eindeutig einer von mindestens zwei Gruppen zugeordnet sind und die Gruppen durch die spektrale Empfindlichkeit der zu ihnen gehörigen Zellen gekennzeichnet sind, wobei die spektrale Empfindlichkeit der lichtempfindlichen Zellen aus mindestens einer Gruppe einen breitbandigen Verlauf aufweist und die spektrale Empfindlichkeit der lichtempfindlichen Zellen aus mindestens einer weiteren Gruppe einen schmalbandigen Verlauf aufweist.

Dies bedeutet, dass der Fertigungsprozess von lichtempfindlichen Halbleitersensoren, deren lichtempfindliche Zellen durch Aufbringen einer farbigen Filterschicht farbempfindlich gemacht werden, dergestalt geändert wird, dass manche Bereiche von der farbigen Filterschicht ausgenommen werden, oder lediglich mit einer klaren, durchsichtigen Schicht versehen 15 werden.

Erfindungsgemäßumfasst der hergestellte Aufnahmesensor somit farblichtempfindliche Zellenbereiche und "farbblinde" lichtempfindliche Zellenbereiche. Dabei werden die farblichtempfindlichen Bereiche vorzugsweise zur Bildaufnahme verwendet und die "farbblinden" Zellenbereiche 20 werden vorzugsweise zur Codelesung von optischen Codes verwendet. Die aufgrund der fehlenden Farbschicht "farbblinden" lichtempfindlichen Zellenbereiche können hierbei auch bei der Bildaufnahme positiv mitwirken, da für die Bestimmung von Luminanz und Chrominanz am Ort eines Pixels ohnehin die Werte der benachbarten Pixel mit herangezogen werden.

Daraus ergibt sich der Vorteil, dass in den Geräten für den Konsumenternnarkt für Aufnahmen von Bildern auch weiterhin preiswert herstellbare Flächensensoren mit niedriger Ortsauflösung verwendet werden können.

So muss beispielsweise eine typische Internet Kamera keine höhere Auflösung als etwa 352 x 288 Pixel (CIF) oder 640 x 480 Pixel (VGA) aufweisen, da sich die durch eine feinere Auflösung ergebende Bildqualität bei den meisten Anwendungen solcher Kameras ohnehin nicht nutzen ließe. Dies liegt unter anderem an den geringen Datenübertragungsraten, die sich über das Internet erzielen lassen. Eine preiswerte Ausgestaltung einer Internet Kamera verfügt deshalb typischerweise auch nur über eine relativ schmalbandige und damit preiswerte Schnittstelle zur Verbindung mit einem PC.

Der Vorteil der "farbblinden" Zellenbereiche besteht darin, dass ihre Empfindlichkeit nicht durch eine Filterschicht verringert wird. Auch ihre ursprüngliche effektive Ortsauflösung bleibt erhalten.

Vorteilhaft ist weiterhin, dass gleichzeitig die farblichtempfindlichen Zellen farbige Bilder aufnehmen können, und dabei die "farbblinden" Zellen optische Codes, insbesondere Barcodes, akquirieren können.

Dabei ist es vorteilhaft, wenn die farblichtunempfindlichen Zellen kleiner ausgestaltet sind als die farblichtempfindlichen Zellen, so dass bei gleicher Zellenzahl weniger Chipfläche beansprucht wird, und dadurch die Verwendung - der farblichtempfindlichen Zellbereiche zur Farbbildauf5 nahme nur geringfügig beeinträchtigt wird.

Die Anordnung kleiner Zellen hat auch den Vorteil, dass die Auflösung gegenüber großen Zellen gesteigert wird. Die damit einhergehende Verringerung der Empfindlichkeit der Zellen wird dabei durch das Fehlen der farbigen Filterschicht ausgeglichen.

Wenn die farbblinden Zellenbereiche beispielsweise zur Akquisition von eindimensionalen Codes (z.B. Barcodes) verwendet werden, ist es vorteilhaft, wenn der Zellenbereich der farbunempfindlichen. Zellen, nach Art eines Zeilensensors, Zellenlinien umfasst. Der Zeilensensor kann hierbei zum Beispiel 3000 Pixel beinhalten.

Eine Ausführungsvariante sieht vor, dass wenigstens eine Zellenlinie wenigstens zwei parallel verlaufende farbunempfindliche Zellenreihen aufweist. Ein linienförmiger Zellenbereich besteht hierbei aus mehreren, vorzugsweise zwei, parallelen Reihen von farbunempfindlichen Zellen, die ihrerseits durch linienförmig angeordnete, farbblinde Zellen gebildet sind. Durch die parallel verlaufenden Zellenreihen wird unter anderem die Ortsauflösung des Aufnahmesensors erhöht.

Besonders vorteilhaft ist es, wenn Zellen der Zellenreihen versetzt zueinander angeordnet sind. Hierbei brauchen die einzelnen Zellen der vorhergehend beschriebenen parallelen Zellenreihen beispielsweise jeweils nur um einen Bruchteil der Ausdehnung einer einzelnen Zelle versetzt zueinander angeordnet zu sein, da eine derartige Anordnung die Ortsauflösung entlang des linienförmigen Bereiches weiter steigert. Vorzugsweise werden die ermittelten Werte der einzelnen Zellen lediglich durch eine geeignete Verrechnung bearbeitet, um beispielsweise die unterschiedliche Positionierung der einzelnen Zellen zueinander auszugleichen.

Insbesondere durch die versetzte Anordnung der Zellen zueinander werden wesentlich feinere Strukturen entlang des linienförmigen Bereiches auflösbar. Eine derartige Verwendung der linienförmigen, farbblinden Bereiche bedeutet des Weiteren, dass kleinere und/oder feiner aufgelöste optische Codes deutlich besser gelesen werden können.

Um eine Lesung der optischen Codes in unterschiedlichen Richtungen zu erleichtern, können die farbunempfindlichen Zellen bzw. die linienförmigen Bereiche in verschiedenen Richtungen bzw. sich kreuzend angeordnet sein. Hierdurch wird eine omnidirektionale Lesung eines Barcodes wesentlich verbessert.

Vorteilhaft ist es hierbei auch, dass eine von einem Zeilensensor aufgenommene Zeile ca. fünfmal höher aufgelöst wird, als eine einzelne Zeile eines Farbflächensensors, der ungefähr hundertmal so viele Zellen enthält. Vergleicht man die effektiven Auflösungen, ergibt sich ein noch günstigeres Verhältnis zugunsten des Zeilensensors, weil bei den Zeilensensoren die Farbschicht üblicherweise weggelassen wird.

Wenn die farblichtempfindlichen Zellen auf dem Aufnahmesensor in ei5 nem quadratischen Raster angeordnet sind, ist dies vorteilhaft bei der Aufnahme von Bildern. Insbesondere wirkt sich eine derartige Anordnung positiv hinsichtlich einer Verzerrungsreduzierung des Farbbildes aus. Die farblichtempfindlichen Zellen können bei einer beabsichtigten Barcodelesung außerdem eine "Sucherfanktion" übernehmen, was sich vorteilhaft auf die Bedienung einer Kamera auswirkt.

Vorteilhaft ist es auch, wenn die lichtempfindlichen Zellen auf einem quadratischen Raster angeordnet sind, und an jeder dritten Zellen-Zeile keine Filterschicht angeordnet ist. So kann die gesamte Sensorfläche zur Bildaufnahme verwendet werden, da die Farbinformation an der Stelle der farbunempfindlichen Zellen durch Interpolation aus den Werten der darüber und darunter liegenden2ellenreihe bestimmt werden kann. Dadurch sind an dem Herstellungsprozess des marktüblichen Farbsensors nur geringe Veränderungen erforderlich.

Weiterhin ist es vorteilhaft, wenn ein marktüblicher Flächensensor außer20 halb der farblichtempfindlichen Fläche einen farbunempfindlichen Zeilensensor aufweist. Dadurch, dass beide Ausführungsformen von lichtempfindlichen Zellen auf dem selben Stück Silizium (Aufnahmesensor) angeordnet sind, entstehen bei einer Massenfertigung nur geringe zusätzliche Kosten, Dabei ist es vorteilhaft, wenn die Kamera mit zwei getrennten Linsen oder einer speziellen Bifokal-Linse ausgestattet ist. So ist es beispielsweise möglich, zur Bildaufnahme eine erste verstellbare Linse einzusetzen, die in Abhängigkeit von der Entfernung zwischen der Kamera und einer aufzunehmenden Szene eine Scharfstellung des Bildes ermöglicht.

Zur Barcodelesung kann dann eine zweite Fixfokus-Linse verwendet werden, die fest auf den Nahbereich eingestellt ist. Dadurch wird erreicht, dass ein Barcode, der sich durch die Projektion der ersten Linse im Sichtfeld des farblichtempfindlichen Sensors befindet, von der zweiten Linse auf den farbunempfindlichen Teil des Sensors projizieren lässt.

Bei der Gestaltung der farbunempfindlichen Zellen ist es vorteilhaft, wenn die Zellen länglich ausgebildet sind. Durch die damit erzielte längliche Gestalt und der damit verbundenen schmalen Breite, erhält die Zelle eine höhere Auflösung. Dadurch, dass die Höhe der Zelle aber größer ist, als die Breite der Zelle, bleibt eine relativ hohe Empfindlichkeit der Zelle erhalten. Bevorzugt ist hierbei eine rechteckige Ausführungsform der farbunempfindlichen Zellen.

Es versteht sich, dass diese Vorteile auch hinsichtlich einer länglich ausgebildeten farblichtempfindlichen Zelle zutreffen.

Eine weitere Ausführungsvariante sieht vor, dass wenigstens ein Teil der farbunempfindlichen Zellen außerhalb eines farblichtempfindlichen Bereiches, insbesondere außerhalb eines rechteckigen Rasters farbempfindlicher Zellen, angeordnet ist. Typischer Weise haben der Sensor wie auch der lichtempfindliche Bereich des Sensors eine rechteckige Form. Die rechteckige Form des Sensors ermöglicht hierbei eine gute Ausnutzung der Waferfläche. Die rechteckige Form des lichtempfindlichen Bereiches ermöglicht die Aufnahme von Bildern mit einer rechteckigen Berandung. Letzteres ist vorteilhaft, da ein menschlicher Betrachter an rechteckige Bildformate gewöhnt ist. Beim erfindungsgemäßen Sensor ist ebenfalls eine rechteckförmige Anordnung der farblichtempfindlichen Bereiches vorteilhaft, da diese Bereiche der Bildaufnahme dienen und für die Bildwiedergabe rechteckförmige Formate dominieren.

Besonders vorteilhaft ist es, wenn hierbei die farbunempfindlichen Zellen15 linien bis über den äußeren Rand des vorzugsweise rechteckförmigen farblichtempfindlichen Zellenbereiches hinausragen. Ein Verlängern der farbunempfindlichen Zellenlinien über den farblichtempfindlichen Bereich des Aufnahmesensors hinaus, hat den großen Vorteil, dass der für die Codelesung aktive Bereich im Sichtbereich des Sensors erhöht wird, wodurch auch Codes vorteilhaft gelesen werden können, die nicht vollständig im rechteckförmigen farbselektiven Bereich des Sensors liegen.

Da die verlängerten Zellenlinien nur einen sehr schmalen Bauraum benötigen, verbleibt an der Randfläche des Sensors, also um den farblichtempfindlichen Zellenbereich des Sensors herum, auch weiterhin ein ausreichend großer freier Bereich, um dort beispielsweise auch weiterhin Logikschaltungen anzuordnen.

Es ist nach der Erfindung weiter vorgeschlagen, dass auf dem Aufnahme5 sensor, vorzugsweise auf einem lichtunempfindlichen Bereich des Aufnahmesensors, ein Logikschaltkreis angeordnet ist, welcher vorzugsweise zum Dekodieren von optischen Codes verwendet wird. Besonders vorteilhaft ist es hierbei, dass zur Lesung des optischen Codes dem Aufnahmesensor keine weitere Recheneinheit nachgeschaltet werden muss, da die Decodierung des Codes unmittelbar auf dem Aufnahmesensor stattfindet. Hierdurch bedingt findet eine gewisse Datenkompression statt. Die hohe Datenkompression resultiert unter anderem daraus, dass die Datenmenge aus den Werten aller lichtempfindlichen Zellen, die zur Codelesung herangezogen wurden, wesentlich größer ist als die Datenmenge, die aus den Zeichen des dekodierten Codes besteht. Hierdurch ergibt sich der Vorteil, dass die für die Verwendung zur Codelesung notwendige zusätzliche - reale oder virtuelle - Schnittstelle am Aufnahmesensor schmalbandig und damit sehr viel einfacher und kostengünstiger hergestellt werden kann.

Die Aufgabe der Erfindung wird ebenfalls von einem Verfahren zum Aufnehmen von Bildern mit einem Aufnahmesensor nach einem der Ansprüche 1 bis 13 gelöst, wobei wenigstens eine lichtempfindliche Zelle des Aufnahmesensors während einer Bildaufnahme unterschiedlich lang belichtet wird. In zahlreichen Versuchen zur Erhöhung der Bildqualität, hat sich gezeigt, dass es vorteilhaft ist, die lichtempfindlichen Zellen unterschiedlich lang zu belichten.

Insbesondere für die Codelesung ist es unter anderem vorteilhaft, wenn 5 farbunempfindliche Zellen und farbempfindliche Zellen des Aufnahmesensors während der Bildaufnahme unterschiedlich lang belichtet werden.

Um die Lesesicherheit, insbesondere die Lesesicherheit beim Einlesen eines Barcodes, zu erhöhen, ist es besonders vorteilhaft, wenn die farbunempfindlichen Zellen aufgrund ihrer höheren Empfindlichkeit kürzer be10 lichtet werden als die farbempfindlichen Zellen des Aufnahmesensors. Hierdurch ergibt sich unter anderem eine verbesserte Toleranz hinsichtlich einer zu schnellen Relativbewegung zwischen dem Aufnahmesensor und einem Code bei der Codelesung, sodass bei einer entsprechenden Belichtungsdauer eine wesentlich geringere Bewegungsunschärfe vorliegt.

Die farbblinden Zellen weisen aufgrund der fehlenden Farbfilterschicht gegenüber den farbselektiven Zellen eine erhöhte Lichtempfindlichkeit auf.

Hierdurch ergibt sich die Möglichkeit, die farbblinden Zellen wegen der höheren Lichtempfindlichkeit kürzer zu belichten als die farbselektiven Zellen.

Eine kürzere Belichtungszeit der farbblinden Zellen ist insofern vorteilhaft, als dass sich dadurch, beispielsweise die durch eine unvorteilhafte Bewegung des Aufnahmesensors verursachte Unschärfe verringert. Wenn sich beispielsweise der auf einem Objekt angebrachte Code gegenüber dem den Aufnahmesensor umfassenden Aufnahmesystem während der Aufnahme unvorteilhaft bewegt, führt dies zu einer entsprechenden Bewegungsunschärfe. Dies führt bei einer zu schnellen Bewegung dazu, dass eine Lesung des Bareodes unmöglich wird. Die verkürzte Belichtungszeit ermöglicht, in solchen Fällen aufgrund der verringerten Bewegungsunschärfe dennoch die Lesung des Codes.

Zur weiteren Lösung der der Erfindung zugrundeliegenden Aufgabe wird ein Aufnahmesensor zur Aufnahme eines farbigen Bildes und zur Lesung von optischen Codes, insbesondere Barcodes, vorgeschlagen, bei welchem die zu den durch schmalbandigen spektralen Verlauf gekennzeichneten Gruppen gehörenden lichtempfindlichen Zellen zur Aufnahme der farbigen Bilder und die zu der durch breitbandigen spektralen Verlauf gekennzeichneten Gruppe gehörigen lichtempfindlichen Zellen zur Lesung der optischen Codes verwendet werden.

Vorteilhaft bei dieser Verwendung ist es, dass während eine Kamera, die den erfindungsgemäßen Aufnahmesensor umfasst, ein Bild aufnimmt gleichzeitig ein darin enthaltender Barcode eingelesen werden kann.

Beispielsweise wird eine Internetka'mera, die mit dem erfindungsgemäßen Aufnahmesensor ausgestattet ist, an einen PC angeschlossen und zur Aufnahme von Bildern und Videos verwendet. Gleichzeitig aber kann der Benutzer auch ein Programm auf dem PC verwenden, das die Signale der farbunempfindlichen Zellen auswertet. Wenn dieses Programm ein Programm zur Lesung von Bareodes ist, kann der Benutzer die Kamera auf eben diesen Barcode richten, oder einen Barcode vor die Kamera halten. Die Bildübertragungsfunktion der Kamera dient dabei dem Benutzer als "Sucher".

Es lässt sich somit auf dem Bildschirm überprüfen, ob sich der Barcode in dem Sichtfeld der Kamera befindet. Gleichzeitig werden die von den farbunempfindlichen Zellen gelieferten Signale zum PC übertragen, der darin enthaltene Barcode decodiert und angezeigt und/oder an einer anderen Schnittstelle zur weiteren Verwendung zur Verfügung gestellt. Wenn die Kamera eine Einrichtung zur Decodierung von Barcodes enthält, können die von den farbunempfindlichen Zellen gelieferten Signale auch von dieser Einrichtung decodiert und der decodierte Barcode zum PC übertragen werden.

Vorteilhaft ist bei der Verwendung des erfindungsgemäßen Aufnahmesen15 sors, dass alle Zellen, also die farbempfindlichen, wie auch die farbunempfindlichen Zellen, zur Aufnahme von farbigen Bildern verwendet werden können, da die farbunempfindlichen Zellen die Farbinformation aus der darüber und der darunter liegenden Pixelreihe entnehmen können.

Weitere Vorteile, Ziele und Eigenschaften vorliegender Erfindung werden 20 anhand nachfolgender Erläuterung anliegender Zeichnung dargestellt, in welcher beispielhaft drei Aufnahmesensoren mit einer Vielzahl von lichtempfindlichen Zellen dargestellt sind.

Es zeigt dabei:

Figur 1 einen Aufnahmesensor, bei dem sich farbunempfindliche Zellenbereiche mit farbempfindlichen Zellenbereichen abwechseln; Figur 2 jeweils zwei nebeneinanderliegende farbempfindliche Zellenbereiche, die sich mit jeweils einen farbunempfindlichen Zellenbereich abwechseln; Figur 3 einen marktüblichen Flächensensor mit farbempfindlichen Zellen, an dem ein Bereich von farbunempfindlichen Zellen (Zeilensensor) angeordnet ist; Figur 4 große und kleine Pixel in einer beispielhaften Anordnung; Figur 5 farblichtempfindliche Pixel auf einem quadratischen Gitter; Figur 6 große und kleine Pixel in einer weiteren beispielhaften Anordnung; Figur 7 eine linienförmige Anordnung von farbunempfindlichen Pixeln; Figur 8 einen Detailausschnitt der in Figur 7 gezeigten farbunempfindlichen Pixel in einer rechteckigen, länglichen Ausführungsform; Figur 9 eine weitere linienförmige Anordnung zweier parallel geführter farbunempfindlicher Zellenreihen; Figur 10 einen Detailaussehnitt der in Figur 9 gezeigten Zellenreihe; Figur 11 einen Aufnahmesensor mit farbblinden Zellenlinien, die über einen farbselektiven Zellenbereich hinausragen und Figur 12 einen alternativ gestalteten Aufnahmesensor mit farbblinden Zellenlinien, die ebenfalls über einen farbselektiven Zellenbereich hinausragen.

Der in Figur 1 dargestellte Aufnahmesensor 2 besteht aus einer Siliziumschicht 3 und einer Vielzahl von lichtempfindlichen Zellenreihen 4, 5, 6. Dabei ist die Vielzahl von lichtempfindlichen Zellenreihen 4, 5, 6. derart angeordnet, dass sich jeweils eine Reihe 7 von farbempfindlichen Zellen mit einer Reihe 8 von farbunempfindlichen Zellen in ihrer Anordnung abwechseln.

Der in Figur 2 gezeigte Aufnahmesensor 9 zeigt eine Variante, bei der jeweils zwei Reihen 10 und 11 von farblichtempfindlichen Zellen nebeneinander angeordnet sind und sich jeweils mit einer Reihe 12 farbunempfindlichen Zellen abwechseln.

Figur 3 zeigt dabei eine Variante eines Aufnahmesensors 13, bei der eine Fläche 14 nur mit farbempfindlichen Zellen 15, 16 (exemplarisch dargestellt) ausgestaltet ist. An dieser Fläche 14 ist eine Reihe 17 mit farbunempfindlichen Zellen angeordnet. Dabei befinden sich sowohl die farbunempfindlichen Zellen als auch die farbempfindlichen Zellen auf einem einzigen Stück Silizium 18.

Figur 4 zeigt in einem Ausschnitt 19 eine Anordnung von großen mit einer farbigen Filterschicht versehenden Pixel 20, die in einem ganz bestimmten Muster angelegt sind, wie z.B. das hier dargestellte "BayerPattern". Hierbei sind beispielhaft grüne Pixel 21 (G), rote Pixel 22 (R) und blaue Pixel 23 (B) nebeneinander angeordnet. Dabei sind kleine Pixel 24 in horizontaler und vertikaler Ausrichtung zwischen den großen Pixeln 20 angeordnet. Die kleinen Pixel 24 sind hierbei farbunempfindlich. Durch die horizontale und vertikale Anordnung lassen sich Barcodes, die unterschiedlich orientiert sind, besser lesen.

In Figur 5 ist in einem Ausschnitt 25 eine Anordnung von mehreren Pixeln dargestellt, wobei die Pixel 26 selbst eine rechteckige Form aufweisen, jedoch auf einem quadratischen Gitter - durch eine Vielzahl von Abstandslinien 27 angedeutet - angeordnet sind.

Figur 6 zeigt einen Ausschnitt 28, in dem eine weitere beispielhafte Anordnung von Pixeln dargestellt ist. Dabei ist deutlich die linienförmige Anordnung 29 von kleinen farbunempfindlichen Pixeln in horizontaler Lage zu erkennen. Hierbei wird noch einmal verdeutlicht, dass große und kleine Pixel auf einem Sensor angeordnet sein können.

Figur 7 gibt einen Ausschnitt 30 eines Sensors wieder, wobei die farbunempfindlichen Pixel 31 rechteckförmig ausgeführt sind. Durch diese längliche Bauweise eignet sich der Pixel 31 besonders gut für das Einlesen von optischen Codes. Besonders vorteilhaft ist dabei die linienförmige 5 Anordnung der Pixel 3 1, ähnlich wie bei einem Zeilensensor.

Figur 8 verdeutlicht noch einmal die Maße der Pixel 31 aus Figur 7. Da die Breite a der Pixel 31 für die Qualität der Auflösung bestimmend ist, wird auch eine entsprechend schmale Breite für diese Pixel 31 gewählt. Durch die Wahl einer entsprechend größeren Höhe b der Pixel 31 wird gleichzeitig auch eine hohe Empfindlichkeit sichergestellt, da die Empfindlichkeit im Wesentlichen proportional zur Fläche a b ist. Dadurch ergibt sich ein Vorteil gegenüber den quadratischen Pixeln.

Es versteht sich von selbst, dass auch jede andere Anordnung von farbempfindlichen und farbunempfindlichen Zellen auf einem Sensor möglich sind. Ebenso versteht es sich von selbst, dass die Form der lichtempfindlichen Zellen von der Rechteckform abweichen kann.

Zur Bildaufnahme erweist es sich als vorteilhaft, wenn die Pixel in einem quadratischen Gitter angeordnet sind. Die farbunempfindlichen Pixel können dabei zwischen den Zeilen der farbempfindlichen Pixel angeordnet werden. Dabei werden die farbempfindlichen Pixel rechteckig ausgeführt, so dass bei Anordnung auf einem quadratischen Raster Platz für die farbunempfindlichen Pixel bleibt.

2U Vorteilhaft bei der Anordnung nach Figur 2 ist, dass die Gesamtheit der Pixel zur Farbbildaufnahme verwendet wird. Dazu wird die Farbinformation an der Stelle eines farbunempfindlichen Pixels aus den Werten der darüber und darunter liegenden farbempfindlichen Pixel bestimmt.

Besonders vorteilhaft bei den Ausführungen nach Figur 1 und Figur 2 ist es, dass gegenüber dem Herstellungsprozess eines marktüblichen Farbsensors nur geringe Änderungen erforderlich sind. Die Änderungen betreffen lediglich die farbige Filterschicht und die nachfolgende Signalverarbeitung. Der eigentliche CMOS - Prozess bleibt unberührt.

Vorteilhaft bei der Ausgestaltung des in Figur 3 dargestellten Aufnahmesensors ist, dass hierbei ein marktüblicher farblichtempfindlicher Flächensensor um einen farbunempfindlichen Zeilensensor erweitert wird. Dabei werden bei der Herstellung des Sensors der farblichtempfindliche Flächensensor und der farbunempfindliche Zeilensensor auf dem selben Stück Silizium angeordnet. Dadurch entstehen bei einer Massenfertigung nur geringe zusätzliche Kosten.

Der Aufnahmesensor 32 der Figur 9 weist zwei parallel verlaufende, farblichtunempfindliche Zellenreihen 33 und 34 auf, die eine Zellenlinie bilden. Die einzelnen Zellen der jeweiligen Zellenreihen 33 und 34 sind in diesem Ausführungsbeispiel um jeweils die Hälfte ihrer Breite versetzt zueinander angeordnet.

Der Aufnahmesensors 32 hat eine farbunempfindliche Zelle 35, neben der zwei farbunempfindliche Zellen 36 und 37 parallel angeordnet sind. Hier bei liegen die farbunempfindlichen Zellen 35 und 36 bzw. 37 nicht unmit telbar auf gleicher Höhe parallel zueinander, sondern die Zelle 36 reicht nur etwa bis zur Mitte der Zelle 35, wobei die Zelle 37 der Zelle 36 un mittelbar folgt und somit ebenfalls nur etwa bis zu der Mittellinie 38 der Zelle 35 reicht.

Der in Figur 11 gezeigte Aufnahmesensor 39 weist eine Vielzahl von lichtempfindlichen Zellen auf, die in einem rechteckigen Raster 40 ange ordnet sind. Über den Rand 40 A des rechteckigen Rasters 40 ragen eine Vielzahl von farblichtunempfindlichen Zellenlinien 41 und 42 (hier nur exemplarisch beziffert) hinaus.

Der Aufnahmesensor 43 der Figur 12 hat eine vieleckige Gestalt und ver deutlicht, dass ein Aufnahmesensor 43 nicht zwangsläufig rechteckig aus geführt sein muss. Vielmehr kann ein Aufnahmesensor 43 vielfältig ges taltet sein. Der Aufnahmesensor 43 hat etwa in seiner Mitte einen Bereich 44 mit hauptsächlich farblichtempfindlichen Zellen, wobei der Bereich 44 durch eine Vielzahl von farblichtunempfindlichen Zellenlinien 45 (hier nur exemplarisch beziffert) durchzogen ist.

Die sechseckige Form des Aufnahmesensors 43 ermöglicht eine ebenso gute Ausnutzung der Waferoberfläche wie eine rechteckige Ausführungs form. Die vieleckige Form, insbesondere die sechseckige Form, nähert sich aber besser einer Kreisform an als eine rechteckige Form, sodass im wesentlichen gleichlange farbblinde Zellenlinien 41, 42 45 auf dem Aufnahmesensor 43 angeordnet werden können. Dies ist zur Codelesung besonders vorteilhaft, da hierdurch die maximale Ausdehnung eines optischen Codes, der gerade noch gelesen werden kann, von der Orientierung des Codes im Sichtbereich des Aufnahmesensors unabhängig wird.

Patentansprüche:


Anspruch[de]
  1. 1. Aufnahmesensor (2; 9; 13; 32; 39; 43) mit einer Vielzahl von licht empfindlichen Zellen (15, 16; 20 bis 24; 26; 31; 35, 36, 37) (Pi xel), die eindeutig einer von mindestens zwei Gruppen zugeordnet sind und die Gruppen durch die spektrale Empfindlichkeit der zu ihnen gehörigen Zellen gekennzeichnet sind, dadurch gekennzeich net, dass die spektrale Empfindlichkeit der lichtempfindlichen Zel len (15, 16; 20 bis 24; 26; 31;

    35, 36, 37) aus mindestens einer Gruppe einen breitbandigen Verlauf aufweist (-im folgendem Text auch als farbunempfindliche Zellen bezeichnet) (20; 24; 31; 35, 36, 37) und die spektrale Empfindlichkeit der lichtempfindlichen Zellen (15, 16; 20 bis 24; 26; 31; 35, 36, 37) aus mindestens einer weite ren Gruppe einen schmalbandigen Verlauf aufweist (im folgendem Text auch als farblichtempfindliche Zellen bezeichnet) (15, 16; 20, 21, 22e 23; 26).
  2. 2. Aufnahmesensor (2; 9; 13; 32; 39; 43) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die farbunempfindlichen Zellen (24; 31; 35, 36, 37) kleiner ausgestaltet sind als die farblichtempfindlichen Zel len (15, 16; 20; 21; 22; 23; 26).
  3. 3. Aufnahmesensor (2; 9; 13; 32; 39; 43) nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Zellenbereich der farbunempfindlichen Zellen (24; 31; 35, 36, 37) Zellenlinien (29; 41, 42; 45) umfasst.
  4. 4. Aufnahmesensor (2; 9;, 13; 32; 39; 43) nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens eine Zellenlinie (29; 41, 42, 45) wenigstens zwei parallel verlaufende farbunempfindliche Zellenrei hen (33,
  5. 34) aufweist.
  6. 5. Aufnahmesensor (2; 9; 13; 32; 39; 43) nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass Zellen (35, 36, 37) der Zellenreihen (33, 34) versetzt zueinander angeordnet sind.
  7. 6. Aufnahmesensor (2; 9; 13; 32; 39; 43) nach einem der Ansprüche 1 bis 5,

    dadurch gekennzeichnet, dass der Zellenbereich der farbu nempfindlichen Zellen (24; 31; 35; 36; 37) sich kreuzende Linien bereiche ( 41, 42) umfasst.
  8. 7. Aufnahmesensor (2; 9; 13; 32; 39; 43) nach einem der Ansprüche 1 bis 6,

    dadurch gekennzeichnet, dass die farblichtempfindlichen Zellen (15, 16; 20 bis 23; 26) in einem quadratischen Raster ange ordnet sind.
  9. 8. Aufnahmesensor (2; 9; 13; 32; 39; 43) nach einem der Ansprüche 1 bis 7,

    dadurch gekennzeichnet, dass die lichtempfindlichen Zellen (15, 16; 20 bis 24; 26; 31; 35, 36, 37) in einem quadratischen Raster angeordnet sind, und an jeder dritten Pixelreihe (12) keine farbige Filterschicht angeordnet ist.
  10. 9. Aufnahmesensor (2; 9; 13; 32; 39; 43) nach einem der Ansprüche 1 bis 8,

    dadurch gekennzeichnet, dass ein marktüblicher Flächensen sor außerhalb der farblichtempfindlichen Fläche um einen farbu nempfindlichen Zeilensensor (17) ergänzt wird.
  11. 10. Aufnahmesensor (2; 9; 13; 32; 39; 43) nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die farbunempfindlichen Zel len (24; 31; 35, 36, 37) länglich ausgebildet sind.
  12. 11. Aufnahmesensor (2; 9; 13; 32; 39; 43) nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens ein Teil der far bunempfindlichen Zellen (24; 31; 35, 37) außerhalb eines farblicht empfindlichen Bereiches (40; 44), insbesondere außerhalb eines rechteckigen Rasters farblichtempfindlicher Zellen (15, 16; 20, 21, 22, 23; 26), angeordnet sind.
  13. 12. Aufnahmesensor (2; 9; 13; 32; 39; 43) nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass die farbunempfindlichen Zel lenlinien (29; 41, 42; 45) bis über den äußeren Rand (40 A) des vorzugsweise rechteckförmigen farblichtempfindlichen Zellenberei ches (40; 44) hinausragen.
  14. 13. Aufnahmesensor (2; 9; 13; 32; 39; 43) nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass auf dem Aufnahmesensor (2; 9; 13; 32; 39;

    43), vorzugsweise auf einem lichtunempfindli chen Bereich des Aufnahmesensors (2; 9; 13; 32; 39; 43), ein Lo gikschalkreis (46) angeordnet ist, welcher vorzugsweise zum De kodieren von optischen Codes verwendet wird.
  15. 14. Verfahren zum Aufnehmen von Bildern mit einem Aufnahmesensor (2; 9; 13; 32; 39; 43) nach einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet,

    dass wenigstens eine lichtempfindliche Zelle (15, 16; 20 bis 24; 26; 31; 35, 36, 37) des Aufnahmesensors (2; 9; 13; 32; 39; 43) während einer Bildaufnahme hinsichtlich wenigstens ei ner weiteren lichtempfindlichen Zelle (15, 16; 20 bis 24; 26; 31; 35, 36, 37) unterschiedlich lang belichtet wird.
  16. 15. Verfahren nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass farbu nempfindliche Zellen (24; 31; 35, 36, 37) und farblichtempfindliche Zellen (15, 16; 20, 21, 22, 23; 26) des Aufnahmesensors (2; 9; 13; 32; 39; 43) unterschiedlich lang belichtet werden.
  17. 16. Verfahren nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass die farbunempfindlichen Zellen (24; 31; 35, 36, 37) während der Bild aufnahme kürzer belichtet werden als die farblichtempfindlichen Zellen (15, 16; 20,

    21, 22, 23; 26).
  18. 17. Verwendung eines Aufnahmesensors (2; 9; 13; 32; 39; 43) nach den Ansprüchen 1 bis 13 zur Aufnahme eines farbigen Bildes und zur Lesung von optischen Codes, insbesondere Barcodes, bei wel chem die zu'den durch schmalbandigen spektralen Verlauf gekenn zeichneten Gruppen gehörenden lichtempfindlichen Zellen (15, 16; 20, 21, 221 23; 26) zur Aufnahme der farbigen Bilder und die zu der durch breitbandigen spektralen Verlauf gekennzeichneten Gruppe gehörigen lichtempfindlichen Zellen (24; 31; 35, 36, 37) zur Lesung der optischen Codes verwendet werden.
  19. 18. Verwendung eines Aufnahmesensors (2; 9; 13; 32; 39; 43) nach den Ansprüchen 1 bis 13 zur Aufnahme eines farbigen Bildes und zur Lesung von optischen Codes, insbesondere Barcodes, bei wel chem die lichtempfindlichen Zellen (15, 16; 20 bis 24; 26; 31; 35, 36, 37) aller Gruppen zur Aufnahme farbiger Bilder und die zu der durch breitbandigen spektralen Verlauf gekennzeichneten Gruppen gehörigen lichtempfindlichen Zellen (24; 31; 35, 36, 37) zur Le sung der optischen Codes verwendet werden.






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