Üblicherweise werden CCD-Flächensensoren in Videokameras verwen- det, man kann mit ihnen jedoch auch Einzelbilder erzeugen. Zur Her- stellung von Farbbildern, die die vollständige Farbinformation eines Objektbildes beinhalten, verwendet man einen Farbbildwandler mit einem Satz von drei CCD-Flächensensoren mit zugehörigen Farbfilter- masken, so daß die einzelnen Flächensensoren jeweils eine Farbe er- fassen, beispielsweise die Grundfarben Rot (R), Blau (B) und Grün (G).

Die lichtempfindlichen Sensorelemente eines Interline-Transfer-CCD- Flächensensors haben baulich bedingt eine Flächengröße, die etwa nur halb so groß ist wie der Rasterabstand, das heißt, zwischen den einzel- nen Sensorelementen befinden sich lichtunempfindliche Bereiche. Hier- durch geht natürlich ein Teil der Bildinformation verloren.

Um den Preis eines Farbbildwandlers zu senken, wurde bereits vorge- schlagen, anstelle dreier CCD-Flächensensoren nur einen solchen Sensor zu verwenden, wobei sich auf dem Flächensensor ein Farbmosaikfilter für drei Farbauszüge befindet. Dabei bilden drei einander benachbarte Sensorelemente dann ein Farb-Auflösungselement. Die örtliche Auf- lösung bei solchen Farbbildwandlern ist natürlich relativ gering, ver- glichen beispielsweise mit einem monochromen Bildwandler mit einem CCD-Flächensensor.

Von dem Erfinder wurde ein demgegenüber stark verbesserter Farb- bildwandler vorgeschlagen, der nur einen CCD-Flächensensor mit einem Farbmosaikfilter mit drei Farbauszügen enthält. Die Aufnahme erfolgt in drei Schritten, jeweils ein Schritt für ein Teilbild, wobei in einem Zyklus von drei Schritten der CCD-Flächensensor relativ zu dem Ob- jektbild mit Hilfe von piezoelektrischen Stellgliedern derart bewegt wird, daß nacheinander jeder Bildpunkt auf eines von drei Bildsensorelementen für die drei Farbauszüge fallt. (EP-A-0 396 687).

Dieses Prinzip der zeitlich gestaffelten Aufnahme von Teilbildern mit anschließendem Zusammensetzen der Teilinformationen zu einem ein- heitlichen Farbbild hat sich bewährt. Allerdings eignet sich dieser be- kannte Farbbildwandler nur zur Aufnahme ruhender Objekte. Dies ist aufgrund der Bauweise der CCD-Flächensensoren als unvermeidbar angesehen worden ; denn an die bei üblichen CCD-Flächensensoren 20 msec (Fernsehnorm) bzw. 100 ms (hochauflösende Sensoren) betragende Aufladezeit, in der in jedem einzelnen Bildsensorelement Photonen aufgefangen werden, schließt sich ein Schritt des Auslesens der Ladun- gen an. Das Auslesen der Bildinformation aus dem Sensor dauert etwa so lange wie das in der jeweils vorausgehenden Zeitspanne erfolgende Ansammeln der Ladungen und läßt sich praktisch nicht beschleunigen.

Will man drei Teilbilder mit einem solchen CCD-Flächensensor auf- nehmen, so benötigt man also mindestens einen Zeitraum, der etwa vier Zeitintervallen zum Ansammeln von Ladungen oder Auslesen der La- dungsinformation entspricht, nämlich drei Ladungsansammel-Zeitspannen und-um eine Zeitspanne versetzt-drei Auslese-Zeitspannen. Dazu kommt noch die Zeit zum (mechanischen) Verlagern des CCD-Flächen- sensors relativ zu dem Objektbild. Dieses Verlagern des Sensors muß zwischen den einzelnen Teilbildaufnahmen erfolgen.

Bei ruhenden Objekten spielt die relativ lange Zeit für die oben geschil- derten Abläufe keine Rolle. Bei sich bewegenden Objekten geht aber wesentliche Bildinformation zwischen den Aufnahmen der einzelnen Teilbilder verloren. Betrachtet man einen einzelnen Bildpunkt, von dem

nacheinander drei Aufnahmen entsprechend den drei Farbauszügen ge- macht werden, so befindet sich ein gedachter Punkt eines sich be- wegenden Objekts bei der Aufnahme des zweiten Teilbildes schon nicht mehr exakt an der Stelle, an der er sich bei der Aufnahme des ersten Teilbildes befunden hat, und bei Aufnahme des dritten Teilbildes schließlich befindet sich der Objektpunkt höchstwahrscheinlich an einer ganz anderen Stelle. Werden die Informationen der drei Farbauszüge dann zusammengesetzt, so werden Informationen von verschiedenen Objektpunkten zusammengesetzt, was sich durch unerwünschte Farb- störungen bemerkbar macht.

Natürlich kann man zum Photographieren sich bewegender Objekte ("Schnappschuß") einen Farbbildwandler mit drei separaten CCD- Flächensensoren vorsehen, jedoch würde ein derartiger Farbbildwandler aufgrund seines sehr hohen Preises kaum kommerziell nutzbar sein.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine digitale Farbkamera anzugeben, die einerseits nur einen einzigen CCD-Flächensensor be- nötigt und andererseits auch die Aufnahme bewegter Objekte in guter Qualitätermöglicht.

Gelöst wird diese Aufgabe erfindungsgemäß dadurch, daß zur Aufnahme eines Farbbildes zwei Teilbilder in einem zeitlichen Abstand aufgenom- men werden, der kürzer ist als die zweite Zeitspanne, die zum Auslesen eines Teilbildes aus dem Sensor benötigt wird, und daß zwischen den beiden Aufnahmen die spektrale Charakteristik zumindest für einen Teil der Bildpunkte des zu erzeugenden Farbbildes umschaltbar ist.

Das letztgenannte Merkmal ist im Prinzip bereits aus der vorerwähnten EP-A-0 396 687 bekannt : von ein und demselben Bildpunkt werden nacheinander durch verschieden eingefärbte Sensorelemente verschiede- ne Farbauszüge gewonnen. Das Ändern der spektralen Charakteristik kann in der unten noch näher erläuterten Weise auf verschiedenen We- gen erfolgen, beispielsweise durch Verschieben des CCD-Flächensensors

gegenüber dem Objektbild in eine bestimmte Richtung und um einen bestimmten Betrag.

Das weitere erfindungsgemäBe Merkmal betrifft den zeitlichen Abstand zwischen zwei aufeinanderfolgenden Aufnahmen für die einzelnen Teil- bilder. Zunächst einmal muß der zeitliche Abstand zwischen den Auf- nahmen der beiden Teilbilder klein genug sein, damit ein sich bewegen- des Objekt und dementsprechend das dazugehörige Objektbild sich in Bezug auf den CCD-Flächensensor nicht wesentlich verlagern kann.

Auch bei relativ schnell bewegten Objekten soll noch eine scharfe Auf- nahme mit im wesentlichen korrekter Farbinformation möglich sein.

Die Zeitspanne zwischen zwei aufeinanderfolgenden Teilaufnahmen kann aber auch nicht extrem stark verkürzt werden ; denn für beide Teilauf- nahmen benötigen die einzelnen Sensorelemente eine gewisse Zeit, um Photonen in einer Menge einfangen zu können, die eine signifikante Information darstellt. Ferner wird zwischen den zwei Teilaufnahmen noch eine zeitliche Lücke benötigt, in welcher die spektrale Charakte- ristik für die einzelnen Bildpunkte geändert wird.

Versuche mit Ausführungsbeispielen der Erfindung haben gezeigt, daß mit dem erfindungsgemäBen Farbbildwandler scharfe Farbbilder herge- stellt werden können, die praktisch frei von Farbaliasstörungen sind.

Wurde bislang davon ausgegangen, daß für solche qualitativ hochstehen- den Farbbilder drei Farbauszüge unerläßlich sind, so hat der Erfinder erkannt, daß es nicht unbedingt notwendig ist, an jedem Bildort die Information von drei Auszügen zur Verfügung zu haben. Stehen pro Bildelement zwei Farbauszüge zur Verfügung und in unmittelbarer Nachbarschaft der fehlende dritte Farbauszug, so läßt sich durch ein- fache Rechnung der Wert für den dritten Farbauszug an dem jeweiligen Bildelement ermitteln. Betrachtet man beispielsweise drei nebeneinander- liegende Bildpunkte mit den Indizes"1","2"und"3", an denen jeweils die Farbinformation für Grün (Gl, G2, G3) und teilweise für Blau und

Rot (B1, R2, B3) vorliegt, so läßt sich zum Beispiel für den mittleren Punkt der Wert von Blau nach der Formel berechnen : B2 = G2 x (Bl + B3) G1 + G3 Der für je einen Bildpunkt noch fehlende Farbauszug läßt sich in der oben angegebenen oder in anderer Weise durch Rechnen gewinnen.

Neben der Erkenntnis, daß bereits zwei Farbauszüge für die einzelnen Bildpunkt genügen, um ein qualitativ hochstehendes Farbbild zu erzeu- gen, ist auch die Erkenntnis wichtig, daß auch bei bewegten Objekten nicht unbedingt eine"gleichzeitige"Aufnahme für sämtliche Bildpunkte stattfinden muß, sondern daß es ausreicht, wenn die Teilbilder in einem relativ kurzen zeitlichen Abstand nacheinander aufgenommen werden.

Das Aufnehmen von Bildern nacheinander in kurzem zeitlichen Abstand ist an sich bereits bekannt, und zwar für Darstellungen eines Bewe- gungsablaufs. Während es hierbei speziell darum geht, durch zwei kurz nacheinander aufgenommene Bilder unterschiedliche Bewegungsphasen zu ermitteln, geht es bei der Erfindung im Gegenteil darum, trotz zeit- lichen Abstands zwischen zwei Aufnahmen ein Bild zu erzeugen, wel- ches scheinbar nur einem einzigen Zeitpunkt entspricht.

Erfindungsgemäß spielt die Funktionsweise der üblichen CCD-Flächen- sensoren eine beträchtliche Rolle. Wie erwähnt, sind zur Aufnahme eines Bildes bei solchen CCD-Flächensensoren zwei Zeitintervalle not- wendig, das erste Zeitintervall dient zum Ansammeln von Ladungen in dem jeweiligen Bildsensorelement, das zweite Intervall dient zum Aus- lesen dieser Ladungen. Allerdings erfolgt die dem Auslesen vorangehen- de Übertragung der Ladungen aus den Sensorelementen in die vertikalen Eimerketten z. B. eines Interline-Transfer-CDD-Sensors in weniger als 1 , us, so daß anschließend das Photoelement wieder bereit ist zum An- sammeln neuer Ladungen. Während dann das"zweite"Teilbild auf- genommen wird, werden die zu dem"ersten"Teilbild gehörigen La- dungen in an sich bekannter Weise aus diesen vertikalen Eimerketten

ausgelesen. Die vollständige Zeit zum Auslesen eines Bildes bei solchen CCD-Flächensensoren gibt bei Fernsehbildsequenzen die mittlere Bild- rate vor, so daß diese mittlere Bildrate sich nicht über die durch das Auslesen des Bildes vorgegebene Grenze hinaus steigern läBt. Erfin- dungsgemäß jedoch erfolgt eine Verkürzung des zeitlichen Abstandes zwischen zwei Teilaufnahmen. Dies ist nur deshalb möglich, weil eine Beschränkung auf nur zwei Teilbilder erfolgt. Die erste Zeitspanne, in der Ladungen in den einzelnen Sensorelementen angesammelt werden, wird beispielsweise halbiert. Nach Beendigung des verkürzten Ladungs- ansammel-Zeitraums wird die Belichtung der Sensorelemente unterbun- den, es erfolgt der kurze Ladungstransfer aus dem Photoelement des jeweiligen Bildsensorelements in die zugehörige Ladungseimerkette, und dann wird mit dem Auslesen des"ersten"Teilbildes begonnen. Nachdem die spektrale Charakteristik für den betreffenden Bildpunkt geändert ist, wird mit dem Aufnehmen des"zweiten"Teilbildes begonnen. Mit Hilfe dieser für einen üblichen CCD-Flächensensor völlig untypischen Arbeits- weise wird erfindungsgemäß die Möglichkeit geschaffen, mit nur einem Sensor von Farb-Alias praktisch völlig freie Farbbilder von sich bewe- genden Objekten zu erzeugen.

Die obigen Betrachtungen betreffen vornehmlich sogenannte Progressiv- Scan-Interline-Transfer-Sensoren, bei denen in den Eimerketten Platz für das vollständige Bild ist, und die sich daher ideal für eine digitale Ka- mera eignen. Die Erfindung ist aber auch mit sogenannten Fernsehbild- Interline-Transfer-und Frame-Interline-Sensoren ausführbar. Bei diesen kann zwar nur die Hälfte der Sensorelemente ausgewertet werden, dafür sind sie aber wegen ihres geringen Preises für Kameras gemäß der Erfindung interessant. Der Frame-Interline-Sensor verfügt über eine Speicherzone neben dem Bildfeld und kann drei voneinander unabhän- gige Bilder in einem sehr kurzen Zeitraum liefern. Zusätzlich zu den zwei in der oben erläuterten Weise aufgenommenen Teilbildern kann also noch ein drittes Bild aufgenommen werden, so daß für jeden Bildort sämtliche drei Farbauszüge quasi simultan gewonnen werden können.

Farb-Alias-Artefakte können damit vollständig vermieden werden.

In einer speziellen Ausgestaltung kann-wie bereits erwähnt-die Ver- änderung der spektralen Charakteristik zwischen den beiden Teilbildern durch Relativverschiebung zwischen dem Objektbild und dem Flächen- sensor erfolgen. Betrachtet man einen einzigen Bildpunkt des zu erzeu- genden Farbbildes, so wird beim ersten Teilbild dieser Bildpunkt zum Beispiel mit einem für Rot empfindlichen Sensorelement aufgenommen, und beim zweiten Teilbild mit einem zum Beispiel für Grün empfind- lichen Sensorelement. Damit wird dieser Bildpunkt also mit zwei ver- schiedenen spektralen Charakteristika erfaßt. Dies gilt auch für die übrigen Bildpunkte.

Das Farbmosaikfilter ist so beschaffen, daß es drei Farbauszügen ent- spricht. Bei einem solchen Farbmosaikfilter kann beispielsweise ent- sprechend den hellen Feldern eines Schachbretts jedes zweite Sensor- element der Matrix des Flächensensors für Grün empfindlich sein, wobei die verbleibende Hälfte der Sensorelemente abwechselnd für Rot und für Blau empfindlich ist.

Die Relativverschiebung kann einem ganzzahligen Vielfachen eines Pixelabstands entsprechen, und zwar in horizontaler oder in vertikaler Richtung. Am günstigsten ist es, den Flächensensor zwischen der Auf- nahme des ersten und des zweiten Teilbildes vertikal, d. h. in y-Richtung zu bewegen, weil dann der Umstand ausgenutzt wird, daß in dieser Richtung die Ausdehnung der lichtempfindlichen Fläche der Sensorele- mente größer als in x-Richtung ist, Positionierfehler also weniger Aus- wirkung haben.

Alternativ kann die Veränderung der spektralen Charakteristik zwischen den beiden Teilbildern auch durch eine Relativverschiebung in dia- gonaler Richtung erfolgen, wobei jeweils um ein halbes Pixel in X- Richtung und um ein halbes Pixel in Y-Richtung verschoben wird. In diesem Fall wird vorzugsweise ein Farbmosaikfilter für drei Farbauszüge verwendet. Durch diese Verschiebung des Flächensensors wird das

zweite Teilbild an solchen Bildorten aufgenommen, die in den Zwischen- räumen zwischen den Bildorten des ersten Teilbildes liegen.

Bei einem üblichen Interline-Transfer-CCD-Flächensensor, bei dem die Abmessungen der wirksamen Lichteintrittsfläche eines Sensorelements etwa dem halben Rasterabstand zwischen benachbarten Sensorelementen entspricht, wird bei der Aufnahme eines Teilbildes immer nur etwa ein Viertel der gesamten Bildinformation aufgenommen. Durch das Di- agonalverschieben wird ein weiteres Viertel der Bildinformation aufge- nommen (doppelte Auflösung). Allerdings liegt dann für jeden aufge- nommenen Bildpunkt nur Farbinformation entsprechend einem einzigen Farbauszug vor. Wegen der geringeren Information für die Farbe ist diese Ausführungsform weniger günstig als die oben beschriebene Aus- führungsform mit Verschiebung um volle Rasterabstände.

Auch hier handelt es sich um eine Änderung der spektralen Charak- teristik. Man kann sich das entstehende Bild mit einer vierfachen Anzahl von Bildpunkten, also jeweils der doppelten Anzahl in x-und y-Richtung vorstellen. Es werden nun einige Bildpunkte, die beim ersten Teilbild überhaupt nicht erfaßt wurden (spektrale Null-Charakteristik), beim zweiten Teilbild mit einem farbigen Sensorelement erfaßt, während andererseits alle Bildpunkte, die beim ersten Teilbild mit einem farbigen Sensorelement erfaßt wurden, beim zweiten Teilbild überhaupt nicht (mit spektraler Null-Charakteristik) erfaßt werden. Die Hälfte aller Bild- punkte des gedachten entstehenden Bildes vierfacher Anzahl von Bild- punkten wird weder vom ersten noch vom zweiten Teilbild erfaßt. Der Wechsel zwischen Nichterfassen (Null-Charakteristik) und Erfassen (mit Farbfilter) eines Bildpunktes bedeutet ebenfalls eine Änderung der spek- tralen Charakteristik im Sinne der Erfindung.

Der Flächensensor läßt sich in der Bildebene vertikal und/oder horizon- tal verschieben, wozu vorzugsweise von Piezostellgliedern Gebrauch gemacht wird. In Frage kommen allerdings auch magnetostriktive, elek- trodynamische oder andere Stellglieder.

Die Relativverschiebung zwischen dem Flächensensor und dem Objekt- bild kann auch durch optische Maßnahmen erfolgen, beispielsweise durch Verschwenken eines im Strahlengang befindlichen Prismas, mit Hilfe einer Kerr-Zelle oder durch Verändern der Polarisation in Zusam- menwirkung mit doppelbrechenden Materialien.

Das Ändern der spektralen Charakteristik zwischen den Aufnahmen der beiden Teilbilder kann auch durch Ändern der effektiven spektralen Empfindlichkeitsverläufe der lichtempfindlichen Sensorelemente mit Hilfe eines Farbfilters erfolgen, welches selektiv in den Strahlengang einbringbar ist oder welches sich dauernd im Strahlengang befindet und die Möglichkeit bietet, seine Durchlässigkeit zu ändern. Beispielsweise kann man als permanent im Strahlengang befindliches Farbfilter ein Flüssigkristallbauelement vorsehen. Eine weitere Möglichkeit zum An- dern der spektralen Charakteristik besteht darin, durch Anlegen ver- änderlicher elektrischer Spannungen an den CCD-Flächensensor den spektralen Empfindlichkeitsverlauf der Photodioden des Sensors zu variieren. Es ist dann keine Relativverschiebung zwischen Objektbild und Flächensensor erforderlich.

Zwischen den Aufnahmen der beiden Teilbilder wird der Betrieb der Sensorelemente, das heißt das Ansammeln von Ladungen in den einzel- nen Sensorelementen unterbunden. Dies kann in verschiedener Weise erfolgen, wie es nachstehend erläutert wird. Eine Möglichkeit, dies zu erreichen, besteht darin, daß man das Objekt in der Übergangsphase beim Ändern der spektralen Charakteristik dunkel hält, also verhindert, daß Licht auf den Flächensensor fällt. Hierzu kann man zum Beispiel das Objekt für jede Teilbildaufnahme mit einem Blitz beleuchten. Um gleichzeitig eine Änderung der spektralen Charakteristik zu erreichen, kann man bei der Aufnahme des ersten Teilbildes mit einem farblosen Blitz und bei der Aufnahme des zweiten Teilbildes mit beispielsweise einem grünen Blitz photographieren. Zwei verschiedenfarbige Blitze sind allerdings nur dann sinnvoll, wenn der Farbsensor ein Farbmosaikfilter

mit nur zwei verschiedenen Farben aufweist und somit zur Gewinnung des mindestens erforderlichen dritten Farbauszugs die spektrale Charak- teristik global verändert werden soll.

Die oben erwähnten zwei aufeinanderfolgenden Blitze können durch ein einziges Blitzlichtgerät erzeugt werden, oder mit Hilfe eines Geräts mit zwei Blitzlampen. Diese Maßnahmen haben den Zweck, ein Verwischen des Bildes (Bewegungsverwischung, spektrale Verwischung) zu unter- binden. Zu diesem Zweck kann man auch daran denken, die während des Umschaltens der spektralen Charakteristik erzeugte Ladung in den Bildsensorelementen elektrisch zu löschen.

Um den zeitlichen Abstand der Aufnahme der zwei Teilbilder zu ver- kürzen, kann man einen optischen/mechanischen Verschluß verwenden.

Mit dessen Hilfe lassen sich die effektiven Belichtungszeitpunkte, das sind hier definitionsgemäß die Mitten der jeweiligen ersten Zeitspannen, in denen normalerweise Ladungen in den einzelnen Sensorelementen angesammelt werden, genau einstellen. Diese effektiven Belichtungs- zeitpunkte können auch durch"aktive Beleuchtung"erreicht werden, das heißt man kann das zu photographierende Objekt mit entsprechend zeit- lich abgestimmten Blitzen photographieren.

Wie oben erläutert, werden zum Erzeugen von qualitativ hochstehenden Farbbildern in zwei kurz aufeinanderfolgenden Zeitspannen Teilbilder erzeugt, wobei durch zwischen den Aufnahmen der Teilbilder erfolgende Umschaltung der spektralen Charakteristik für zumindest einen Teil der Bildpunkte Teil-Farbinformationen erhalten werden. Um aus diesen Teilinformationen weitere Farbinformation zu berechnen, werden die vom CCD-Sensor kommenden analogen Bilddaten mit Hilfe eines Ana- log/Digital-Wandlers digitalisiert, so daß sie in einer Recheneinheit verarbeitet werden können. Man kann die Farbinformation bezüglich der einzelnen Teilbilder innerhalb der den erfindungsgemäßen Farbbildwand- ler aufnehmenden Kamera verarbeiten, man kann die Bildinformation aber auch so, wie sie nach der Analog/Digital-Umwandlung vorliegt,

zwischenspeichern, um die Verarbeitung zu einem späteren Zeitpunkt vorzunehmen.

Die Erfindung bietet eine Reihe von speziellen Vorteilen, die gleichsam als Nebenprodukte der erfindungsgemäßen Maßnahmen anfallen : wenn man den CCD-Sensor mit Hilfe eines piezoelektrischen Stellglieds zwischen den Aufnahmen der Teilbilder verschiebt, besteht grundsätzlich auch die Möglichkeit, durch Wackelnlassen des Sensors Informationen für eine automatische Kalibrierung und zur Fokussierung zu gewinnen.

Durch Vergleich der beiden Teilbilder kann man Information darüber gewinnen, ob das Objekt sich gegebenenfalls zu schnell bewegt, um eine scharfe Aufnahme zu erhalten. Gegebenenfalls kann für den Benutzer ein Warnsignal erzeugt werden.

Im folgenden werden Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand der Zeichnung näher erläutert. Es zeigen : Fig. 1 ein Blockschaltbild einer Ausführungsform einer erfindungsge- mäßen digitalen Farbkamera ; Fig. 2 eine schematische Darstellung eines horizontal und vertikal ver- schieblich gelagerten CCD-Flächensensors ; Fig. 3 einen Ausschnitt der Oberfläche des Sensors nach Fig. 2 ; Fig. 4 einen Ausschnitt ähnlich wie Fig. 3, wobei eine Verschiebungs- richtung des CCD-Flächensensors angegeben ist ; Fig. 5 eine ähnliche Ansicht wie Fig. 4, jedoch nach erfolgter Verschie- bung vertikal nach unten, wobei die aus beiden Teilbildern gewonnene Farbinformation dargestellt ist ;

Fig. 6 einen ähnlichen Ausschnitt der Oberfläche eines CCD-Sensors mit einem Verschiebungsvektor entsprechend einer zweiten Ausführungsform der Erfindung ; Fig. 7 den Ausschnitt des CCD-Sensors nach Fig. 6 nach erfolgter Verschiebung, wobei sämtliche von beiden Teilbildern erfaßten Bild- punkte dargestellt sind ; Fig. 8 ein Impulsdiagramm, welches die Arbeitsweise der erfindungs- gemäßen Farbkamera verdeutlicht ; Fig. 9 und 10 schematische Darstellungen eines Progressive-Scan-Inter- line-Transfer-CCD-Flächensensors (Fig. 9) bzw. eines Progressiv-Scan- Frame-Interline-Transfer-CCD-Flächensensors (Fig. 10) ; Fig. 11 einen Ausschnitt aus der Oberfläche eines CCD-Flächensensors für eine dritte Ausführungsform der Erfindung ; und Fig. 12 die effektive Lichtempfindlichkeit der Sensorelemente eines Sensors mit Farbfiltermuster gemäß Fig. 11, wenn die spektrale Em- pfindlichkeitscharakteristik z. B. durch das Einfügen eines nur für Grün durchlässigen Filters verändert wird.

Fig. 1 zeigt schematisch eine digitale Farbkamera, die ähnlich aufgebaut ist wie eine übliche Kamera, mit der beispielsweise 35-mm-Filme belich- tet werden. Anstelle der Einzelbildebene eines herkömmlichen Films befindet sich an der betreffenden Stelle in der erfindungsgemäßen Farb- kamera ein CCD-Flächensensor 1, der mit Hilfe von Piezostellgliedern 3 an einer Halterung 2 gelagert ist. Von einem Objekt 78 wird ein Ob- jektbild mit Hilfe eines Objektivs 16 auf den CCD-Flächensensor proji- ziert. Im Strahlengang, also vor, im oder hinter dem Objektiv 16 befin- den sich ein Verschluß 17 und eine Blende 76. Der CCD-Flächensensor ist je nach speziellem Ausführungsbeispiel ein Progressiv-Scan-Interline- Transfer-CCD-Flächensensor, oder-alternativ-ein normaler Interline-

Transfer-CCD-Flächensensor für das Fernseh-Halbbild-Verfahren, ein Frame-Interline-Transfer-CCD-Flächensensor für das Fernseh-Halbbild- Verfahren mit zusätzlicher Speicherzone, ein Progressive-Scan-Frame- Interline-Transfer-CCD-Flächensensor mit zusätzlicher Speicherzone und Vollbild-Verfahren oder ein Frame-Transfer-CCD-Flächensensor. Bevor- zugt wird ein Progressive-Scan-Interline-Transfer-CCD-Flächensensor für den Vollbildbetrieb, da bei Sensoren mit Halbbildbetrieb die erziel- bare vertikale Auflösung bei der erfindungsgemäßen Kamera auf die Hälfte sinkt. Dennoch ist der Einsatz solcher Sensoren trotz des genann- ten Nachteiles durchaus interessant, da sie in großen Stückzahlen für Videokameras produziert werden und deshalb sehr billig sind.

Der Betrieb der Kamera wird gesteuert von einer Zentraleinheit (CPU) 5, die Steuersignale auf einen Treiber 7 für die Piezostellglieder 3, auf einen CCD-Treiber 8, eine Verschlußsteuerung 9 und eine Blitzsteuerung 10 gibt. Die von dem CCD-Flächensensor 1 kommenden analogen Bild- signale werden von einem Analog/Digital-Wandler 6 umgesetzt und in die CPU 5 zur Speicherung und/oder Bildverarbeitung eingegeben. Über Schnittstellen 12 und 14 ist die Zentraleinheit 5 mit einem externen Rechner 13 bzw. mit einem externen Bildspeicher 15 verbindbar. Das Gehäuse der Kamera ist durch den Block 77 angedeutet.

An das Kameragehäuse 77 ansetzbar ist ein Blitzlichtgerät 18 mit einem Reflektor und ein oder zwei Blitzlampen 19, deren Arbeitsweise weiter unten erläutert wird.

Wie in Fig. 2 dargestellt ist, läßt sich der CCD-Flächensensor 1 auf- grund der piezoelektrischen Stellglieder 3 in horizontaler Richtung (X- Richtung) und vertikaler Richtung (Y-Richtung) in Bezug auf den äußeren Rahmen der Halterung 2 verschieben. Die zum Verschieben des CCD-Sensors 1 anzulegenden variablen Spannungen werden von der Zentraleinheit 5 über den Piezo-Treiber 7 angelegt.

Fig. 3 zeigt einen Ausschnitt der Oberfläche des CCD-Sensors 1. Man erkennt die einzelnen Sensorelemente 20 und das Farbmosaikfilter 21 für die einzelnen Sensorelemente. G bedeutet, daß das betreffende Sensor- element empfindlich für die Farbe Grün (G) ist. Gemäß Fig. 3 ist so- wohl in vertikaler als auch in horizontaler Richtung jedes zweite Sensor- element 20 empfindlich für Grün (G). In jeder zweiten Reihe und jeder zweiten Spalte ist jedes zweite Sensorelement empfindlich für Blau (B) bzw. Rot (R).

Fig. 4 zeigt die gleiche Anordnung wie Fig. 3, wobei jedoch einige zusätzliche Information in Fig. 4 enthalten ist. Beispielsweise ist durch einen Vektor Vv angegeben, in welcher Richtung der CCD-Sensor 1 nach der Aufnahme eines ersten Teilbildes (Fig. 3) verschoben wird, um in der zweiten Stellung ein zweites Teilbild aufzunehmen.

Gemäß Fig. 4 besitzen die einzelnen Bildsensoren 20 einen Rasterab- stand dhund dv in horizontaler bzw. vertikaler Richtung. Die Größe der einzelnen Sensorelemente 20 entspricht etwa dem halben Rasterabstand.

Zwischen den Aufnahmen zweier Teilbilder wird der CCD-Sensor in Richtung des Pfeils Vv um einen Rasterabstand bewegt, so daß ein ima- ginärer Punkt A des Sensors sich bei der Aufnahme des zweiten Teilbil- des an der Stelle B befindet.

Während der Aufnahme des ersten Teilbildes gemäß Fig. 3 empfangen die vier Sensorelemente in der ganz rechts dargestellten Spalte Farb- information für die Farben B, G, B bzw. G der betreffenden Bildpunkte, die Sensorelemente in der zweiten Spalte von rechts empfangen Informa- tion betreffend die Farben G, R, G bzw. R für die diesen Sensorelemen- ten entsprechenden Bildpunkte, etc.

Rechts in Fig. 4 sind drei übereinander liegende Bildpunkte Pyi, Pyi+ 1 und Pyi+2 dargestellt. Der von dem Ausschnitt des CCD-Sensors 1 in beiden Teilbildern überdeckte Bereich ist durch ein"Objektbild"I ge- strichelt angedeutet.

Nach der Aufnahme des ersten Teilbildes gemäß Fig. 3 wird durch Anlegen von entsprechenden Spannungen an die piezoelektrischen Stell- glieder 3 der CCD-Sensor um die Strecke Vv entsprechend einem ver- tikalen Rasterabstand dv verschoben, bevor die zweite Teilaufnahme erfolgt. Rechts in Fig. 5 sind wieder die drei Bildpunkte Pyi bis Pyi+2 dargestellt. Man sieht, daß nach der Aufnahme des zweiten Teilbildes für diese drei Bildpunkte oder Bildorte Pyi bis Pyi+2 jeweils zwei Farbauszüge zur Verfügung stehen, nämlich GA, B,, GA vom ersten Teil- bild und BB, GB, BB vom zweiten Teilbild (für die unterste Zeile von Bildpunkten stehen nur die beim zweiten Teilbild gewonnenen Farb- auszüge, für die oberste Zeile von Bildpunkten nur die beim ersten Teilbild gewonnenen Farbinformationen zur Verfügung, weshalb diese Zeilen in Fig. 5 in Klammern gesetzt sind).

In der zweiten Spalte von rechts in Fig. 5 ist zu erkennen, daß dort für jeden Bildpunkt die Farbauszüge G und R verfügbar sind. Man kann nun nach relativ einfachen Rechenregeln aus all diesen Farbinformationen den jeweils dritten Farbauszug für jeden Bildpunkt berechnen, beispiels- weise nach der eingangs angegebenen Formel.

Nach dem Berechnen des jeweils dritten Farbauszugs können von den insgesamt dann zur Verfügung stehenden Bildinformationen Farbbilder erzeugt werden, beispielsweise ausgedruckt werden. Hierzu wird die in Fig. 1 als Block dargestellte Kamera an einen Speicher oder einen exter- nen Rechner angeschlossen, um die Daten der Farbbilder zur Weiterver- arbeitung zu übertragen. Das Errechnen der Information für den jeweils dritten Farbauszug kann intern in der Kamera selbst erfolgen, jedoch alternativ auch extern in dem in Fig. 1 rechts unten dargestellten Rech- ner 13.

Fig. 6 und 7 zeigen eine zweite Ausführungsform der Erfindung. Bei dieser Ausführungsform werden für jeweils einen Bildpunkt nicht zwei Farbauszüge aufgenommen, sondern es wird für ein entstehendes Bild

mit doppelter Auflösung in x-und y-Richtung nur jeweils ein Farbaus- zug aufgenommen, und zwar für jeden zweiten Bildpunkt des entstehen- den Bildes. Fig. 6 zeigt die Verschiebungsrichtung und den Verschie- bungsbetrag VD für die Verschiebung des CCD-Sensors 1 zwischen der Aufnahme des ersten und des zweiten Teilbildes.

Wie in Fig. 7 zu sehen ist, liegt nach der Aufnahme des zweiten Teilbil- des Information für eine Anzahl von Bildpunkten vor, die doppelt so groß ist wie die Anzahl der Sensorelemente des CCD-Sensors 1.

Aufgrund der diagonalen Verschiebung um jeweils einen halben Sensor- element-Rasterabstand wird die effektive Auflösung in beiden Achsrich- tungen verdoppelt. Allerdings steht für jeden erfaßten Bildpunkt nur noch 1/3 der vollständigen Farbinformation, nämlich jeweils nur ein Farbauszug, zur Verfügung. Da aber die Hälfte der Bildpunkte des entstehenden Bildes doppelter Auflösung überhaupt nicht erfaßt wird, steht sogar im Mittel nur 1/6 der vollständigen Farbinformation zur Verfügung. Diese Ausführungsform ist daher bezüglich der Farbwieder- gabequalität etwas ungünstiger als die Ausführungsform, die oben in Verbindung mit den Figuren 4 bis 5 erläutert wurde, da die Aus- führungsform nach den Figuren 6 und 7 anfälliger gegenüber Farb-Alias- Störungen ist. Für Vorlagen, von denen bekannt ist, daß sie unbunt sind, zum Beispiel schwarzer Text auf weißem Hintergrund, kann unter Kenntnis dieses Vorwissens die zweite Ausführungsform der Erfindung sehr vorteilhaft genutzt werden.

Für die Schwarz/Weiß-Aufnahme von bunten Vorlagen kann die zweite Ausführungsform in Verbindung mit einem Schwarz/Weiß-Sensor, d. h. einem Sensor ohne Farbmosaikfilter, zur praktisch artefaktfreien Ver- dopplung der Auflösung des Sensors eingesetzt werden, wobei auch hier die Aufnahme bewegter Objekte möglich ist.

Fig. 8 zeigt in Form eines Impulsdiagramms die zeitliche Folge des Ablaufs an verschiedenen Teilen des Farbbildwandlers nach Fig. 1.

Fig. 8a) zeigt die horizontale Zeitachse in Einheiten von Millisekunden.

In Fig. 8b) ist schematisch der periodische Normalbetrieb eines Progres- siv-Scan-Interline-Transfer-CCD-Sensors 1 dargestellt. Die durch Ein- fangen von Photonen entstehenden Elektronen werden innerhalb einer Belichtungszeitspanne 35, deren Dauer T, beträgt, angesammelt. Auf der Ordinate in Fig. 8b) ist die bei konstantem Lichteinfall mit der Zeit linear wachsende Ladung eines hier betrachteten einzelnen Sensor- elements des CCD-Sensors 1 dargestellt. Die Mitte jeder Belichtungszeit- spanne 35 ist mit 41 bezeichnet und wird hier als"effektiver Be- lichtungszeitpunkt"bezeichnet. Zwei benachbarte"effektive Belichtungs- zeitpunkte"41 haben einen zeitlichen Abstand T, voneinander.

Am Ende der Belichtungszeit wird mit einem Übertragungsimpuls 43 oder 75 das bis dahin angesammelte Ladungspaket aus dem betrachteten Sensorelement in die dazugehörige vertikale Eimerkette übertragen.

Nach dieser Übertragung kann der nächste Belichtungsvorgang beginnen.

In Fig. 8b) sind vier aufeinanderfolgende Belichtungsvorgänge 37,38, 39 und 40 dargestellt.

Nach dem Übertragen des Ladungspakets aus dem betrachteten Sensor- element in die zugehörige Eimerkette aufgrund des Impulses 43 oder 75 erfolgt das Auslesen, Fig. 8d) zeigt die Ausleseintervalle 32 für den je- weils vorausgehenden Belichtungsvorgang 36,37,38, bzw. 39. Die Zeitspanne für das Belichten mit der Dauer T, wird hier auch als"erste Zeitspanne"bezeichnet, die Zeitspanne für das Auslesen entsprechend dem Ausleseintervall 32 wird hier auch als"zweite Zeitspanne"bezeich- net.

In Fig. 8e) ist der Lichtdurchlässigkeitsverlauf des Verschlusses 17 (siehe Fig. 1) dargestellt. Zu einem Zeitpunkt 46 wird der Verschluß geöffnet, und es beginnt ein Zeitintervall T2, zu dessen Ende die Be- lichtung für ein erstes Teilbild beendet wird aufgrund des Übertragungs- impulses 75 (Fig. 8c). Die Mitte des Zeitintervalls T2 ist mit 48 be- zeichnet und bedeutet ähnlich wie die Zeitpunkte 41 in Fig. 8b) den

"effektiven Belichtungszeitpunkt"für das erste Teilbild. Nach Ablauf der ersten Zeitspanne T2, also nach Beendigung des Belichtungsvorgangs für das erste Teilbild, wird der CCD-Flächensensor 1 gemma3 Fig. 4 und 5 vertikal nach unten um einen Rasterabstand bewegt, so daß die einzelnen Sensorelemente dann um einen Bildpunkt nach unten verrückt sind.

Fig. 8h) zeigt die zeitlich zunehmende, angesammelte Ladung in dem hier betrachteten einzelnen Bildsensorelement. Der Anstieg der Ladung beginnt naturgemäß erst, nachdem durch Öffnen des Verschlusses Licht auf den Sensor fallen kann, und endet, wenn der VerschluB geschlossen wird. Nachdem die Ladung bei 53 einen gewissen Wert erreicht hat, erfolgt die Übertragung von dem Sensorelement in die zugehörige Eimerkette, und durch in Fig. 8g) dargestellte Löschimpulse 60 werden während dieser Impulszeit der Impulse 60 Ladungen gelöscht, die in dem Sensorelement durch Lichteinfall entstehen.

Wie in Fig. 8i) zu sehen ist, beginnt kurz nach Beendigung der bei 53 gezeigten Belichtung das Ausleseintervall 32 (53). Die Dauer dieses Vorgangs läBt sich nicht verkürzen und entspricht dem"Normalbetrieb" des CCD-Sensors.

Nach den Löschimpulsen beginnt der Belichtungsvorgang bei 54 für das zweite Teilbild, nachdem gemäß Fig. 8f) der verschobene CCD-Sensor in seiner zweiten Position angekommen ist. Es schließt sich wieder eine Zeitspanne T2 mit dem"effektiven Belichtungszeitpunkt"48 an. Der zeitliche Abstand 49 zwischen den beiden effektiven Belichtungszeit- punkten 48 ist kleiner als der normale zeitliche Abstand T, zwischen zwei effektiven Belichtungszeitpunkten in Fig. 8b).

Nach Ende der zweiten Zeitspanne T2 wird der Verschluß gemma3 Fig.

8e) geschlossen, so daB sich keine weiteren Ladungen mehr ansammeln, was durch den horizontalen Endabschnitt des Ladungsverlaufs 54 in Fig.

8h) dargestellt ist. Nach Ende des Auslesens des ersten Teilbildes wird das entsprechende Ladungspaket 54 in die zugehörige Eimerkette des

Sensorelements übertragen, anschließend erfolgt das Auslesen der Infor- mation in dem Ausleseintervall 32 (54) in Fig. 8i). Nach Ende des Intervalls 32 (54) steht die gesamte Information der beiden Teilbilder zur Verfügung. Die aus dem CCD-Sensor 1 kommende analoge Bildinforma- tion wird von dem Analog/Digital-Wandler 6 in Digitalwerte umgesetzt und an die Zentraleinheit 5 gegeben. In dieser Zentraleinheit 5 oder in einem externen Rechner 13 erfolgt dann die Weiterverarbeitung der Bildinformation, um die noch fehlende Information für den dritten Farb- auszug zu errechnen.

Der oben geschilderte Ablauf kann in der gleichen Weise stattfinden, wenn von der zweiten Ausfuhrungsform nach den Fig. 6 bis 7 Gebrauch gemacht wird, nur daß in diesem Fall eine etwas modifizierte Berech- nung der fehlenden Farbauszugsinformation erfolgt.

Fig. 8j) zeigt schematisch die von einer Blitzlampe 19 dargestellte Licht- leistung 61 dar. Wenn der Verlauf der Kurve in Fig. 8j) prinzipiell bekannt ist, läßt sich der Anfangszeitpunkt für den Blitz so einstellen, daß für das erste und das zweite Teilbild jeweils eine gleich große Licht- menge verfügbar ist.

Fig. 8k) zeigt die Ladungsmenge in dem betrachteten Bildsensorelement bei Verwendung des Blitzlichts gemäß Fig. 8j).

Fig. 81) zeigt die Lichtleistung für einen Doppelblitz, der anstelle des Blitzes mit der Lichtleistung gemäß Fig. 8j) verwendet werden kann.

Fig. 8m) zeigt die Ladungsansammlung (Signalverläufe 53 und 54) für die beiden Teilbilder entsprechend den Doppelblitzen 63 in Fig. 81). Fig.

8n) zeigt Lösch-Impuls-Bursts 66 mit dazwischen liegenden Impulspau- sen 47, wonach ein Dauerauslesebetrieb des CCD-Sensors 1 bei ge- öffnetem Verschluß 17 stattfindet, so daß der Benutzer das Gerät ein- stellen (fokussieren etc.) kann, wobei die Dauer des Impuls-Bursts 66 so

gewählt ist, daß die wirksame Belichtungszeit für das betreffende Bild- sensorelement etwa der Zeitspanne T, in Fig. 8e) entspricht.

Fig. 9 zeigt schematisch einen Progressiv-Scan-Interline-Transfer-CCD- Flächensensor 1 in Schwarz/Weiß-Version mit den bereits erwähnten Sensorelementen 20, den vertikalen CCD-Eimerketten 70 in Dreiphasen- Ausführung, die eine Speicherzone bilden und den Progressiv-Scan- Betriebsmodus erlauben (im Gegensatz zu dem in der Fernsehtechnik üblichen Zeilensprungverfahren). An die vertikalen Eimerketten schließt sich eine horizontale CCD-Eimerkette 71 und an diese ein Ausgangsver- stärker 72 an.

Die CCD-Sensor-Ausschnitte nach den Fig. 3 bis 7 entsprechen der Darstellung nach Fig. 9, wobei in den Fig. 3 bis 7 jedoch die CCD- Eimerketten 70 und 71 und der Ausgangsverstärker 72 fortgelassen sind.

Fig. 10 zeigt schematisch einen Progressiv-Scan-Frame-Interline-Trans- fer-CCD-Flächensensor 1 in Schwarz/Weiß-Version mit einer zusätz- lichen, optisch abgedeckten Speicherzone 73. Ein solcher Sensor er- möglicht die rasch aufeinanderfolgende Aufnahme von drei Teilbildern und damit die völlige Vermeidung von Farb-Alias-Störungen ; denn der Transfer aus den vertikalen Eimerketten 70 in die Speicherzone 73 kann mit 1/1000 sec auch noch schnell genug für die Aufnahme bewegter Objekte erfolgen, wie auch der Transfer von Ladungen aus den lichtem- pfindlichen Elementen 20 in die vertikalen Eimerketten 70.

Bei einem Farbbildwandler mit dem in Fig. 10 dargestellten CCD-Sen- sor müßte die spektrale Charakteristik, bezogen auf einen Bildpunkt des entstehenden Bildes, zweimal geändert werden, also jeweils zwischen dem ersten und dem zweiten und dem dritten Teilbild. Dies könnte durch zweimaliges Verschieben des CCD-Sensors geschehen. Dabei wird natürlich immer noch Gebrauch gemacht einerseits von dem erfindungs- gemäBen Merkmale des Umschaltens der spektralen Charakteristik zwischen zwei aufeinanderfolgenden Teilbildern und andererseits von

dem Merkmal, daß zwei Teilbilder in einem verkürzten zeitlichen Ab- stand bezüglich der"zweiten Zeitspanne"aufgenommen werden.

Fig. 11 zeigt schematisch den Ausschnitt eines CCD-Bildsensors mit einem Farbmosaikfilter 74, der die einzelnen Sensorelemente 20 em- pfindlich für Gelb (Y) und Cyan (C) macht. Der CCD-Sensor 1 bleibt während der Aufnahme des ersten und des zweiten Teilbildes an seiner Stelle stehen. Zwischen den Aufnahmen für die beiden Teilbilder wird mechanisch oder optisch (zum Beispiel mit Hilfe eines Flüssigkristall- bauelements) ein Filter vor den CCD-Sensor gebracht, im vorliegenden Fall ein Grünfilter. Beim ersten Teilbild nehmen die für Cyan (C) empfindlichen Sensorelemente dann die Information entsprechend der Summe der Farben Blau und Grün auf, die anderen Sensorelemente für Gelb (Y) nehmen Farbinformation für Grün plus Rot auf. Bei der Auf- nahme des zweiten Teilbildes wird also durch das Grünfilter im Strah- lengang nur der jeweilige Grün-Anteil zu den Sensorelementen durch- gelassen, so daß sowohl die für Cyan (C) als auch die für Gelb (Y) em- pfindlichen Sensorelemente nur noch die Farbinformation für Grün empfangen, wie in Fig. 12 dargestellt. Damit stehen auch bei dieser Ausführungsform zwei Farbauszüge für jedes Sensorelement zur Ver- fügung, woraus sich die Information für den dritten Farbauszug er- rechnen läßt. Auch bei dieser Ausführungsform wird also erfindungs- gemäß zwischen den Aufnahmen für zwei in kurzer Folge aufgenom- mene Teilbilder die spektrale Charakteristik für die Bildpunkte umge- schaltet.