DE102009054578A1

DE102009054578A1 - Bildaufnahmeeinheit und Verfahren zur Steuerung einer Bildaufnahmeeinheit

Info

Publication number: DE102009054578A1
Application number: DE102009054578A
Authority: DE
Inventors: Gregory Remington
Original assignee: Carl Zeiss Imaging Solutions GmbH
Current assignee: Carl Zeiss Microscopy GmbH
Priority date: 2009-12-11
Filing date: 2009-12-11
Publication date: 2011-06-16
Also published as: WO2011069816A1

Abstract

Es wird bereitgestellt eine Bildaufnahmeeinheit (10) mit
einem Bildsensor der
einem Aufnahmebereich (3), der eine Mehrzahl von lichtempfindlichen Pixeln (2) aufweist, die jeweils während einer Belichtungsperiode durch auftreffendes Licht erzeugte Ladungsträger sammeln, und
einen nicht lichtempfindlichen Auslesebereich (4), in den während einer Verschiebeperiode die gesammelten Ladungsträger geschoben und aus dem danach die Ladungsträger während einer Ausleseperiode zur Bilddatenerzeugung ausgelesen werden, aufweist,
sowie mit einem Steuermodul (9), dem die Dauer der Belichtungsperiode vorgegeben ist und das die zeitliche Abfolge der Belichtungs-, Verschiebe- und Ausleseperiode so steuert, daß nach der Verschiebeperiode und noch während der Ausleseperiode eine neue Belichtungsperiode begonnen und, wenn die vorgegebene Dauer der Belichtungsperiode kürzer ist als die Ausleseperiode, am Ende der neuen Belichtungsperiode ein Belichtungsendsignal (F3) ausgegeben wird.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Bildaufnahmeeinheit mit einem Bildsensor sowie ein Verfahren zur Steuerung einer solchen Bildaufnahmeeinheit.
Insbesondere betrifft sie eine Bildaufnahmeeinheit mit einem sogenannten Frame-Transfer-Bildsensor, bei dem die in den lichtempfindlichen Pixeln enthaltenen Bildinformation nach der Belichtung rasch in einen abgedunkelten bzw. nicht lichtempfindlichen Bereich des Sensors verschoben werden, aus dem sie dann zur Bilddatenerzeugung ausgelesen werden können.
Solche Bildaufnahmeeinheiten können in einem sogenannten Überlappungs-Modus betrieben werden, in dem während der Zeit des Auslesens der Bildinformation bereits eine weitere Belichtung mittels der Pixel durchgeführt wird. Dabei wird häufig von der Bildaufnahmeeinheit ein Belichtungssignal ausgegeben, das die Belichtung anzeigt, wobei das Belichtungssignal während der Belichtung und zumindest während der Dauer des Auslesens seinen Ein-Wert aufweist. Dies führt zu der Schwierigkeit, daß bei einer Belichtungsdauer, die kürzer ist als die Auslesedauer, das Belichtungssignal länger den Ein-Wert aufweist als die Belichtungsdauer ist. Nachdem das Belichtungssignal häufig zur Synchronisation mit externen Geräten benutzt wird, um z. B. einen externen Shutter oder eine Lichtquelle zu steuern, ist eine solche kurze Belichtungsdauer im Überlappungs-Modus unter Umständen nicht möglich. So würde der Shutter zu spät eine Abschattung der Pixel bewirken, so daß die tatsächliche Belichtungszeit länger wäre als die gewünschte. Auch würde die Lichtquelle das aufzunehmende Objekt zu lange beleuchten. Gerade bei starken Lichtquellen (wie z. B. bei Lasern) und bei Proben, die schnell ausbleichen, ist es jedoch wichtig, daß die Beleuchtungsdauer möglichst minimiert wird.
Ausgehend hiervon ist es Aufgabe der Erfindung, eine Bildaufnahmeeinheit mit einem Bildsensor bereitzustellen, mit der im Überlappungs-Modus die eingangs beschriebenen Schwierigkeiten überwunden werden können. Ferner soll ein entsprechendes Verfahren zur Steuerung einer Bildaufnahmeeinheit bereitgestellt werden.
Erfindungsgemäß wird die Aufgabe gelöst durch eine Bildaufnahmeeinheit mit einem Bildsensor, der einen Aufnahmebereich, der eine Mehrzahl von lichtempfindlichen Pixeln aufweist, die jeweils während einer Belichtungsperiode durch auftreffendes Licht erzeugte Ladungsträger sammeln, und einen nicht lichtempfindlichen Auslesebereich, in den während einer Verschiebeperiode die gesammelten Ladungsträger geschoben und aus dem danach die Ladungsträger während einer Ausleseperiode zur Bilddatenerzeugung ausgelesen werden, aufweist, sowie mit einem Steuermodul, dem die Dauer der Belichtungsperiode vorgegeben ist und das die zeitliche Abfolge der Belichtungs-, Verschiebe- und Ausleseperiode so steuert, daß nach der Verschiebeperiode und noch während der Ausleseperiode eine neue Belichtungsperiode begonnen und, wenn die vorgegebene Dauer der Belichtungsperiode kürzer ist als die Ausleseperiode, am Ende der neuen Belichtungsperiode ein Belichtungsendsignal ausgegeben wird
Mit einer solchen Bildaufnahmeeinheit, die am Ende der neuen Belichtungsperiode ein Belichtungsendsignal ausgibt, können die eingangs beschriebenen Schwierigkeiten vermieden werden. Das Belichtungsendsignal kann z. B. zur Steuerung eines externen Shutters und/oder einer Lichtquelle eingesetzt werden. Damit ist es somit möglich, auch sehr kurze Belichtungszeiten zu realisieren, die kürzer sind als die Dauer der Ausleseperiode.
So kann die Dauer der Ausleseperiode zusammen mit der Dauer der Verschiebeperiode durchaus 30 ms betragen. Trotz dieser Dauer von 30 ms sind Belichtungsperioden von z. B. 3 ms im Überlappungs-Modus problemlos möglich. Diese kurzen Belichtungsperioden sind darüber hinaus mit einer sehr hohen Aufnahmerate kombinierbar. So kann alle 30 ms ein neues Bild aufgenommen werden.
Bei der erfindungsgemäßen Bildaufnahmeeinheit kann das Steuermodul die zeitliche Abfolge der Belichtungs-, Verschiebe- und Ausleseperiode so steuern, daß das Ende der Verschiebeperiode mit dem Beginn der Ausleseperiode zusammenfällt. Damit kann die Zeitdauer, die benötigt wird, um die gesammelten Ladungsträger in den Auslesebereich zu verschieben und aus dem Auslesebereich auszulesen, minimiert werden.
Ferner kann das Steuermodul die zeitliche Abfolge der Belichtungs-, Verschiebe- und Ausleseperiode so steuern, daß der Beginn einer neuen Belichtungsperiode mit dem Ende der Verschiebeperiode für die Ladungsträger der vorhergehenden Belichtungsperiode zusammenfällt.
Der Bildsensor kann insbesondere als CCD-Sensor und/oder Frame-Transfer-Sensor ausgebildet sein.
Bevorzugt ist der Bildsensor für Licht aus dem sichtbaren Spektrum ausgelegt. Er kann jedoch auch für andere Wellenlängenbereiche ausgelegt sein, wie z. B. den Infrarotbereich oder den UV-Bereich.
Ferner kann die Bildaufnahmeeinheit einen Shutter aufweisen. Dieser kann als integraler Bestandteil des Bildsensors ausgebildet sein. Es ist jedoch auch möglich, daß der Shutter als externer Shutter ausgebildet ist. Das Belichtungsendsignal wird dann bevorzugt zur Ansteuerung des Shutters eingesetzt.
Ferner kann das Belichtungsendsignal zur Steuerung einer Lichtquelle zur Beleuchtung eines mit dem Bildsensor aufzunehmenden Objektes dienen. Die Lichtquelle kann so angesteuert werden, daß das Objekt stets nur während der Belichtungsperiode beleuchtet wird.
Die Bildaufnahmeeinheit in Kombination mit dem Shutter und/oder der Lichtquelle bildet ein erfindungsgemäßes Aufnahmesystem. Das Aufnahmesystem kann insbesondere als Mikroskop ausgebildet sein.
Ferner wird bereitgestellt ein Verfahren zur Steuerung einer Bildaufnahmeeinheit mit einem Bildsensor, der einen Aufnahmebereich, der eine Mehrzahl von lichtempfindlichen Pixeln umfaßt, die jeweils während einer Belichtungsperiode durch auftreffendes Licht erzeugte Ladungsträger sammeln, und einen nicht lichtempfindlichen Auslesebereich, in den während einer Verschiebeperiode die gesammelten Ladungsträger geschoben und aus dem danach die Ladungsträger während einer Ausleseperiode zur Bilddatenerzeugung ausgelesen werden, aufweist, wobei bei dem Verfahren die zeitliche Abfolge der Belichtungs-, Verschiebe- und Ausleseperiode so gesteuert wird, daß nach der Verschiebeperiode und noch während der Ausleseperiode eine neue Belichtungsperiode begonnen und, wenn die vorbestimmte Dauer der Belichtungsperiode kürzer ist als die Ausleseperiode, am Ende der neuen Belichtungsperiode ein Belichtungsendsignal ausgegeben wird.
Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren ist es möglich, Belichtungsperioden zu realisieren, die kürzer sind als die Ausleseperiode des Bildsensors, und dabei die eingangs beschriebenen Schwierigkeiten zu vermeiden.
Weiterbildungen des erfindungsgemäßen Verfahrens sind in den abhängigen Verfahrensansprüchen angegeben.
Es versteht sich, daß die vorstehend genannten und die nachstehend noch zu erläuternden Merkmale nicht nur in den angegebenen Kombinationen, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung einsetzbar sind, ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen.
Nachfolgend wird die Erfindung beispielsweise anhand der beigefügten Zeichnungen, die auch erfindungswesentliche Merkmale offenbaren, noch näher erläutert. Es zeigen:
1 eine schematische Ansicht einer Ausführungsform der erfindungsgemäßen Bildaufnahmeeinheit, und
2 eine Ansicht zur Erläuterung der mittels dem Steuermodul 9 erzeugten Steuersignale.
Bei der in 1 gezeigten Ausführungsform umfaßt die erfindungsgemäße Bildaufnahmeeinheit 10 einen Bildsensor 1 mit einer Vielzahl von in Zeilen und Spalten angeordneten lichtempfindlichen Pixeln 2, die zusammen einen Aufnahmebereich 3 des Bildsensors 1 bilden. Zur Vereinfachung der Darstellung, die nicht maßstabstreu ist, sind lediglich drei Pixelspalten mit jeweils sieben Pixeln 2 (also sieben Zeilen) dargestellt.
Der Bildsensor 1 umfaßt ferner einen nicht lichtempfindlichen Auslesebereich 4, der für jedes Pixel 2 einen Pixelspeicher 5 umfaßt. Ferner enthält der Auslesebereich 4 noch ein Ausleseschieberegister 6, dessen Ausgangssignal über einen schematisch dargestellten Verstärker 7 an einen Bildspeicher 8 angelegt wird.
Die Bildaufnahmeeinheit 10 umfaßt weiterhin ein Steuermodul 9, das, wie nachfolgend noch im Detail beschrieben wird, zur Steuerung des Auslesebereiches 4 dient. Das Steuermodul 9 kann als separates Bauteil oder als integraler Bestandteil des Bildsensors 1 ausgebildet sein.
Der Bildsensor 1 entspricht in seinem Aufbau mit Ausnahme des Steuermoduls 9 einem herkömmlichen Frame-Transfer-CCD-Sensor.
Das Steuermodul 9 ist erfindungsgemäß so ausgebildet, daß im sogenannten Überlappungsmodus Aufnahmen mit Aufnahmezeiten möglich sind, die kürzer sind als die Zeit zum Auslesen der Pixel 2.
Um ein Bild aufzunehmen, werden von den lichtempfindlichen Pixeln 2 während einer Belichtungsperiode durch Auftreffen des Lichts erzeugte Ladungsträger (z. B. Elektronen) gesammelt. Die gesammelten Ladungsträger werden dann während einer Verschiebeperiode von den Pixeln 2 in die zugeordneten Pixelspeicher 5 verschoben, wie durch die Pfeile zwischen den Pixeln 2 und dem Pixelspeicher 5 in 1 angedeutet ist. Die in die Pixelspeicher 5 geschobenen Ladungsträger werden dann über das Ausleseschieberegister 6 nacheinander ausgelesen, wofür eine vorbestimmte Ausleseperiode benötigt wird.
Eine minimale Ausleseperiode sowie eine minimale Verschiebeperiode sind im wesentlichen durch den konkreten Aufbau des Bildsensors 1 selbst vorgegeben.
In dem Überlappungs-Modus werden die Pixel 2 nach Ende der Verschiebeperiode und während der Ausleseperiode für die Aufnahme eines weiteren Bildes eingesetzt. Es werden also durch auftreffendes Licht erzeugte Ladungsträger in den Pixeln 2 gesammelt, während noch die von der vorherigen Belichtungsperiode gesammelten Ladungsträger mittels dem Ausleseschieberegister 6, dem Verstärker 7 und dem Speicher 8 ausgelesen werden. Die Länge der Belichtungsperiode kann dem Steuermodul 9 vorgegeben werden. Man kann somit die gewünschte Dauer einstellen.
Um die Belichtungs-, Verschiebe- und Ausleseperiode zeitlich aufeinander abzustimmen, werden vom Steuermodul 9 die in 2 gezeigten Signale S1, S2 und S3 erzeugt. Damit eine möglichst hohe Bildaufnahmerate erreicht wird, beginnt die jeweils nächste Ausleseperiode bevorzugt unmittelbar nach Ende der vorhergehenden Verschiebeperiode, wie anhand der Signalverläufe der Signale S2 und S3 in 2 (z. B. zum Zeitpunkt t1) ersichtlich ist.
Die Belichtungsperiode beginnt bevorzugt unmittelbar nach Ende der Verschiebeperiode (steigende Flanke F1 des Signals S1 fällt mit der fallenden Flanke F2 des Signals S2 zusammen, z. B. zum Zeitpunkt t1) und ist hier kürzer als die Dauer der Ausleseperiode (Signal S3). Das Belichtungssignal S1 wird daher mittels dem Steuermodul 9 so erzeugt, daß es am Ende der Belichtungsperiode eine abfallende Flanke F3 aufweist. Dieses Signal S1 wird von dem Steuermodul 9 ausgegeben und kann z. B. zur Ansteuerung eines Shutters (nicht gezeigt) für den oder des Bildsensors 1 und/oder einer Lichtquelle (nicht gezeigt) zur Beleuchtung der aufzunehmenden Probe dienen. Somit ist es möglich, Belichtungszeiten vorzugeben, die kürzer sind als die Zeit der Ausleseperiode, wenn der Bildsensor 1 im Überlappungs-Modus betrieben wird. Bisher war es nämlich üblich, das Belichtungssignal S1 zumindest solange hoch zu halten, bis die Verschiebeperiode beginnt (die abfallende Flanke des Belichtungssignals S1', das ein bisher übliche Belichtungssignal zeigt, würde bei der hier vorgegebenen Belichtungsdauer mit der steigenden Flanke des Verschiebesignals S2 zusammenfallen. In diesem Fall hätte man aber keine Möglichkeit, einen Shutter und/oder eine Lichtquelle so anzusteuern, daß Belichtungszeiten möglich sind, die kürzer sind als die Dauer der Ausleseperiode). Erfindungsgemäß ist dies jedoch möglich, da das Signal S1 zur Ansteuerung eines Shutters und/oder einer Lichtquelle genutzt werden kann.
Die Bildaufnahmeeinheit 10 ist insbesondere so ausgebildet, daß er auch in dem Nicht-Überlappungs-Modus betrieben werden kann. In diesem Modus beginnt eine Aufnahme eine neue Belichtungsperiode stets immer erst nach Abschluß der Ausleseperiode S3.

Claims

Bildaufnahmeeinheit mit einem Bildsensor (1), der einen Aufnahmebereich (3), der eine Mehrzahl von lichtempfindlichen Pixeln (2) aufweist, die jeweils während einer Belichtungsperiode durch auftreffendes Licht erzeugte Ladungsträger sammeln, und einen nicht lichtempfindlichen Auslesebereich (4), in den während einer Verschiebeperiode die gesammelten Ladungsträger geschoben und aus dem danach die Ladungsträger während einer Ausleseperiode zur Bilddatenerzeugung ausgelesen werden, umfaßt, sowie mit einem Steuermodul (9), dem die Dauer der Belichtungsperiode vorgegeben ist und das die zeitliche Abfolge der Belichtungs-, Verschiebe- und Ausleseperiode so steuert, daß nach der Verschiebeperiode und noch während der Ausleseperiode eine neue Belichtungsperiode begonnen und, wenn die vorgegebene Dauer der Belichtungsperiode kürzer ist als die Ausleseperiode, am Ende der neuen Belichtungsperiode ein Belichtungsendsignal (F3) ausgegeben wird.
Bildaufnahmeeinheit nach Anspruch 1, bei dem das Steuermodul (9) die zeitliche Abfolge der Belichtungs-, Verschiebe- und Ausleseperiode so steuert, daß das Ende der Verschiebeperiode mit dem Beginn der Ausleseperiode zusammenfällt.
Bildaufnahmeeinheit nach Anspruch 1 oder 2, bei dem das Steuermodul (9) die zeitliche Abfolge der Belichtung-, Verschiebe- und Ausleseperiode so steuert, daß der Beginn der neuen Belichtungsperiode mit dem Ende der Verschiebeperiode für die Ladungsträger der vorhergehenden Belichtungsperiode zusammenfällt.
Bildaufnahmeeinheit nach einem der obigen Ansprüche, bei dem der Bildsensor (1) als Frame-Transfer-CCD-Sensor ausgebildet ist.
Verfahren zur Steuerung einer Bildaufnahmeeinheit mit einem Bildsensor, der einen Aufnahmebereich, der eine Mehrzahl von lichtempfindlichen Pixeln umfaßt, die jeweils während einer Belichtungsperiode durch auftreffendes Licht erzeugte Ladungsträger sammeln, und einen nicht lichtempfindlichen Auslesebereich, in den während einer Verschiebeperiode die gesammelten Ladungsträger geschoben und aus dem danach die Ladungsträger während einer Ausleseperiode zur Bilddatenerzeugung ausgelesen werden, aufweist, wobei bei dem Verfahren die zeitliche Abfolge der Belichtungs-, Verschiebe- und Ausleseperiode so gesteuert wird, daß nach der Verschiebeperiode und noch während der Ausleseperiode eine neue Belichtungsperiode begonnen und, wenn die vorbestimmte Dauer der Belichtungsperiode kürzer ist als die Ausleseperiode, am Ende der neuen Belichtungsperiode ein Belichtungsendsignal ausgegeben wird.
Verfahren nach Anspruch 5, bei dem die zeitliche Abfolge der Belichtungs-, Verschiebe- und Ausleseperiode so gesteuert wird, daß das Ende der Verschiebeperiode mit dem Beginn der Ausleseperiode zusammenfällt.
Verfahren nach Anspruch 5 oder 6, bei dem die zeitliche Abfolge der Belichtungs-, Verschiebe- und Ausleseperiode so gesteuert wird, daß der Beginn der neuen Belichtungsperiode mit dem Ende der Verschiebeperiode für die Ladungsträger der vorhergehenden Belichtungsperiode zusammenfällt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 5 bis 7, bei dem das Belichtungsendsignal zur Steuerung eines Shutters für den Bildsensor und/oder einer Lichtquelle zur Beleuchtung eines mit dem Bildsensor aufzunehmenden Objektes eingesetzt wird.