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Hintergrund der Erfindung
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Gebiet der Erfindung
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Die
Erfindung bezieht sich auf eine photoelektrische Umwandlungsvorrichtung
zum photoelektrischen umwandeln von Licht, das durch ein optisches
System, wie etwa eine Linse bzw. ein Objektiv einfällt, und
eine Bildaufnahmevorrichtung und eine Autofokuskamera, die diese
verwendet, einschließlich
z.B. des optischen Systems.
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Zugehöriger Stand
der Technik
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Eine
herkömmliche
photoelektrische Umwandlungsvorrichtung mit zweidimensional angeordneten
photoelektrischen Umwandlungselementen hat eine Anordnung, wie sie
in 1 gezeigt ist. Bezug nehmend auf 1 weist
die Vorrichtung Bildpunkte 1 als photoelektrische Umwandlungselemente,
Ausgabeleitungen 2, lichtabschirmende Filme 3, Aperturbereiche 4,
eine Abtastschaltung 5 und eine Signalübertragungsschaltung 6 auf.
Die Bildpunkte 1 sind zweidimensional mit einem vorbestimmten
Abstand angeordnet. Jede Apertur 4 hat die gleiche Form
und dieselbe Fläche
wie diejenigen des entsprechenden Bildpunkts 1, und ist
an derselben Position wie die des Bildpunkts 1 ausgebildet.
Die Abtastschaltung 5 tastet die zweidimensional angeordneten Bildpunkte 1 in
der horizontalen und der vertikalen Richtung ab und gibt Signale
an die Signalübertragungsschaltung 6 aus.
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Bei
der herkömmlichen
photoelektrischen Umwandlungsvorrichtung werden zweidimensional photoelektrisch
umgewandelte Signale zeitseriell aus der Signalübertragungsschaltung 6 ausgegeben, entsprechend
eines Standards wie NTSC oder HDTV verarbeitet, und an eine externe
Vorrichtung ausgegeben. Danach werden die Signale von einer externen
Signalverarbeitungsschaltung verarbeitet und auf einem Fernsehgerät oder Monitor
reproduziert. In diesem Fall kann das Bild, das auf der photoelektrischen
Umwandlungsvorrichtung ausgebildet wird, in einer Eins-zu-Eins-Übereinstimmung
auf einem Fernsehbildschirm reproduziert werden. Sofern die Bildaufnahmelinse
keinerlei Abbildungsfehler aufweist, kann ein exaktes Bild reproduziert
werden.
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Allerdings
ergeben sich beim Stand der Technik, wenn das optische System Abbildungsfehler aufweist,
und diese Vorrichtung für
den Autofokus-(AF) Sensor einer Kamera verwendet wird, die folgenden
Probleme.
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Das
Lichtabbild eines zu fotografierenden Objektes wird als AF-Lichtstahl
eingegeben. Der Lichtstrahl wird von einer Objektivlinse fokussiert, und
dann an die photoelektrische Umwandlungsvorrichtung gesendet, während die
Richtung des Strahls von einer Vielzahl von Reflexionsspiegeln verändert wird,
wodurch die Objektivlinse auf das Objekt fokussiert wird. In dem
Prozess, in dem der Lichtstrahl von jedem Reflexionsspiegel reflektiert
und fokussiert wird, wird er aufgrund von Abbildungsfehlern der Spiegel
und der Objektivlinse verzerrt. Wenn zum Beispiel das zu fotografierende
Objekt eine rechteckige Struktur aufweist, wird der Lichtstrahl
gekrümmt
und auf die photoelektrische Umwandlungsvorrichtung als ein AF-Sensor
fokussiert. Diese Verzerrung wird in herkömmlicher Weise unter Verwendung
einer nach der Signalübertragungsschaltung eingefügten Bildsignalverarbeitungsschaltung
oder durch eine Signalverarbeitungssoftware korrigiert. Allerdings
ist die Korrektur ungenügend.
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Wenn
ein Bild durch den herkömmlichen Sensor
reproduziert wird, wird ein Bild, das in einer rechteckigen Form
zu reproduzieren ist, gekrümmt. Dies
führt zu
Nachteilen bei einer nachfolgenden Signalverarbeitung und erschwert
es, eine exakte AF-Funktion durchzuführen.
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Kurzfassung
der Erfindung
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Es
ist das erste Anliegen der Erfindung, auf einer photoelektrischen
Umwandlungsvorrichtung Abbildungsfehler zu korrigieren, die im optischen System
einer Bildaufnahmevorrichtung entstanden sind.
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Es
ist das zweite Anliegen der Erfindung, auf einer photoelektrischen
Umwandlungsvorrichtung die Ungleichmäßigkeit einer Lichtmenge in
einem optischen System, wie etwa eine Verringerung einer Randlichtmenge
einer Linse, zu korrigieren.
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Die
US-Patentschrift Nr. US-A-5489940 offenbart einen Bilderzeugungssensor
zum Empfangen/Aufnehmen von Bildern über eine Weitwinkellinse. Der
Bilderzeugungssensor umfasst eine Vielzahl von Bilderzeugungselementen,
die eine Aufteilung auf der Oberfläche des Sensors haben, die
durch eine nichtlineare Funktion darstellbar sind, um eine Dispersion
in dem Bild, die durch die Weitwinkellinse ausgebildet wird, zu
korrigieren.
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Die
Patentzusammenfassung der japanischen Patentschrift JP-A-1119178
offenbart das Korrigieren optischer Abbildungsfehler durch Steuerung des
Abstands jedes Fotodetektors einer Fotodetektoranordnung, so dass
der Abstand dem verzerrenden Abbildungsfehler des bilderzeugenden
optischen Systems entspricht.
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Gemäß einem
Aspekt der Erfindung wird eine photoelektrische Umwandlungsvorrichtung
geschaffen, wie sie in Anspruch 1 dargelegt ist.
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Ein
weiterer Aspekt der Erfindung schafft, eine Kamera, in welcher eine
photoelektrische Umwandlungsvorrichtung gemäß der Erfindung eingebaut ist.
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Weil
jede Apertur der photoelektrischen Umwandlungsvorrichtung in Übereinstimmung
mit einem tatsächlichen
Abbildungsfehler im optischen System angeordnet ist, werden in der
obigen Anordnung Abbildungsfehler eines Bildes infolge des optischen Systems
auf der photoelektrischen Umwandlungsvorrichtung korrigiert. Zusätzlich kann,
indem das Aperturverhältnis
jeder Apertur in Übereinstimmung mit
der Lichtmenge im optischen System eingestellt wird, derselbe Ausgabepegel
erhalten werden, indem Licht mit der gleichen Menge ausgestrahlt
wird.
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Weitere
Merkmale und Vorteile der Erfindung werden aus der folgenden Beschreibung
und begleitenden Zeichnungen ersichtlich.
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Kurze Beschreibung
der Zeichnungen
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1 ist
eine Draufsicht einer herkömmlichen
photoelektrischen Umwandlungsvorrichtung;
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2 ist
eine schematische Darstellung des ersten Ausführungsbeispiels der Erfindung;
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3 ist
eine schematische Darstellung, die ein optisches Autofokus-System
zeigt, das bei der Erfindung verwendet wird;
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4 ist
eine Darstellung, die ein Beispiel einer Bilderzeugung als eine
Lösung
des durch die Erfindung behandelten Problems darstellt;
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5 ist
eine Darstellung, die das Konzept der Erfindung zeigt;
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6 ist
eine schematische Darstellung eines Ausführungsbeispiels, das zum Verständnis der Erfindung
hilfreich ist;
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7A und 7B sind
schematische Darstellungen des anderen Ausführungsbeispiels, das zum Verständnis der
Erfindung hilfreich ist; und
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8 zeigt
eine Bildaufnahmevorrichtung, welche die photoelektrische Umwandlungsvorrichtung
des ersten Ausführungsbeispiels
der Erfindung verwendet.
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Beschreibung der bevorzugten
Ausführungsbeispiele
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Das
erste Ausführungsbeispiel
der Erfindung wird detailliert unter Bezugnahme auf die begleitenden
Zeichnungen beschrieben. 2 ist eine Draufsicht einer
photoelektrischen Umwandlungsvorrichtung, welche das charakteristischste
Merkmal der Erfindung darstellt. Mit Bezug auf 2 weist
die Vorrichtung Bildpunkte 1 als photoelektrische Umwandlungselemente,
AL-Ausgangsverbindungen 2 als Ausgabeleitungen,
AL2-Verbindungen 3 als
lichtabschirmende Filme, Aperturbereiche 4 als Bereiche,
in denen Licht einfällt,
eine Abtastschaltung 5, zum Ansteuern der photoelektrischen
Umwandlungselemente und eine Signalübertragungsschaltung 6,
zum Angeben der Signale von den Bildpunkten 1 an eine externe
Vorrichtung auf. Die Bildpunkte 1, als photoelektrische
Umwandlungselemente, sind zweidimensional in einer m x n Matrix
angeordnet, um eine zweidimensionale Bildaufnahme zu ermöglichen.
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3 zeigt
das einfache optische System einer Einzellinsen-Spiegelreflexkamera,
welche die oben beschriebene photoelektrische Umwandlungsvorrichtung
verwendet. Unter Bezugnahme auf 3 weist
das optische System eine Linse 7 zum Fokussieren eines
Bildes, einen Schnellrücksetzspiegel 8 zum
Reflektieren von Licht zu einem Sucher 15, einen Nebenspiegel 9 zum
Reflektieren von Licht zu einem Autofokus-(AF)-System, einen AF-Sensor 10 als
die photoelektrische Umwandlungsvorrichtung, eine Okularlinse 11,
einen Spiegel 12 zum Führen von
Licht zu dem AF-Sensor 10, einen Brennebenenverschluss 13,
eine optische Achse 14 eines Lichtstrahls und eine Steuervorrichtung 16 zum
Anpassen der Linse 7, basierend auf einem Signal von der
photoelektrischen Umwandlungsvorrichtung 10, auf.
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Bei
diesem Ausführungsbeispiel
krümmt
sich ein tatsächlich
auf dem AF-Sensor 10 ausgebildetes Bild in Übereinstimmung
mit dem rechteckigen realen Bild als Objekt, wie es in 4 gezeigt
ist. Als das charakteristischste Merkmal dieses Ausführungsbeispiels
sind die Aperturen, wie in 2 gezeigt,
in einer gekrümmten
Struktur ausgebildet, um die Verzerrung zu korrigieren.
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Unter
Bezugnahme auf 2, um einen konkaven Abbildungsfehler
in der Y-Richtung zu korrigieren, ist jede Bildpunktreihe in der
Y-Richtung in Bezug auf eine benachbarte Bildpunktreihe um 0,5 bis 1,0
Bildpunkte versetzt. Zusätzlich
sind die lichtabschirmenden Bereiche 3 so ausgebildet,
dass sie sich abwärts
ausbreiten, um die abwärtigen
Abbildungsfehler in der X-Richtung zu korrigieren. Weil die Aperturbereiche
an Positionen ausgebildet sind, die geeignet sind, die Abbildungsfehler
des optischen Systems in X- und Y-Richtung zu korrigieren, wie in 4 gezeigt
ist, können
Abbildungsfehler im optischen System auf der photoelektrischen Umwandlungsvorrichtung
korrigiert werden. Bei diesem Ausführungsbeispiel können auch
Austrittsabschattungen reduziert werden, weil die Aperturverhältnisse der
Bildpunkte 1 in Richtung des äußeren Teilbereichs in Übereinstimmung
mit dem tatsächlichen
optischen System erhöht
werden.
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Gemäß diesem
Ausbildungsbeispiel kann eine zweidimensionale photoelektrische
Umwandlungsvorrichtung realisiert werden, die zur Korrektur von
Abbildungsfehlern einer Bilderzeugungsposition und einer Lichtmengenungleichmäßigkeit
des optischen Systems auf der photoelektrischen Umwandlungsvorrichtung
geeignet ist, wodurch die AF-Genauigkeit verbessert werden kann, die
Signalverarbeitungsschaltung vereinfacht werden kann, und die Kosten
des optischen Systems reduziert werden können.
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Bei
diesem Ausführungsbeispiel
hat jeder Bildpunkt eine rechteckige Form. Allerdings kann der gleiche
Effekt, wie er oben beschrieben ist, auch dann erhalten werden,
wenn jeder Bildpunkt irgendeine andere Form hat, wie etwa eine quadratische
Form. Die photoelektrischen Umwandlungselemente können mit
Sensoren jeden Typs zum Einsatz kommen, einschließlich einem
CMOS-Sensor, CCD, BASIS, CMD und SIT.
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Bei
diesem Ausführungsbeispiel
wird als Anwendungsbeispiel die photoelektrische Umwandlungsvorrichtung
als ein AF-Sensor benutzt. Dieses Ausführungsbeispiel zielt darauf
ab, mit Hilfe der Bildpunktanordnung des Sensors die Verzerrung
im optischen System zu korrigieren. Deshalb kann die photoelektrische
Umwandlungsvorrichtung entsprechend in einer Videokamera oder Digitalkamera
angewendet werden, so lange sie das Bild eines Objekts mit Hilfe
einer Linse einliest.
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6 zeigt
ein Ausführungsbeispiel,
das zum Verständnis
der Erfindung hilfreich ist. Als das charakteristischste Merkmal
dieses Ausführungsbeispiels
sind Bildpunkte 1 in einem Rechteck angeordnet und sind
die Aperturbereiche 4 so ausgebildet, dass sie sich nur
krümmen,
indem die Struktur von jeder lichtabschirmenden Schicht 3 verändert wird.
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Bei
diesem Ausführungsbeispiel
muss, wenn sich der Bereich und die Bildpunktempfindlichkeit von jedem
Aperturbereich 4 nicht verändern, die Größe der Bildpunkte
größer gemacht
werden als die im ersten Ausführungsbeispiel.
Dennoch können
die Aperturpositionen nur durch die Struktur jeder lichtabschirmenden
Schicht 3 verändert
werden, wodurch ein Sensor nur durch Veränderung der lichtabschirmenden
Schichten 3 verwirklicht werden kann, der mit verschiedenen
optischen Systemen kompatibel ist.
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Zum
Beispiel sind in jedem rechteckigen Bildpunkt 1, wie in 6 gezeigt,
Aperturbereiche 4 an Positionen auf der oberen, unteren,
linken oder rechten Seite ausgebildet, um eine Verzerrung im optischen
System zu korrigieren. Die lichtabschirmende Schicht 3 ist
in anderen Teilbereichen ausgebildet als die Aperturbereiche. Die
Verzerrung kann infolge der Ortsabhängigkeit nicht vollständig korrigiert
werden. Dennoch kann, da eine Erzeugung von einer Verzerrung im
optischen System mit optischen Mitteln bis zu einem bestimmten Ausmaß verhindert
werden, die Kompensierung mittels einer Bildverarbeitungsschaltung
nach Einlesen des Bildes durch dieses Ausführungsbeispiel gemindert werden,
und die Kosten können
ebenfalls reduziert werden.
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7A und 7B zeigen
ein anderes zum Verständnis
der Erfindung hilfreiches Ausführungsbeispiel.
Bezugnehmend auf die 7A und 7B hat
ein Bildpunkt 1 als protoelektrisches Umwandlungselement
eine lichtabschirmende Schicht 3 und einen Aperturbereich 4.
Ein (nicht gezeigter) Abtastzeilenbereich ist teilweise unter der
lichtabschirmenden Schicht 3 ausgebildet. Eine Ansteuerschaltung oder
Bildeinleseschaltung für
einen Betrieb sind um die Bildpunkte herum angebracht.
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Bei
diesem Ausführungsbeispiel
wird die photoelektrische Umwandlungsvorrichtung für eine Videokamera,
SV-(„still video": unbewegtes Video) Kamera
oder dergleichen verwendet. Normalerweise werden, wenn ein billiges
optisches System verwendet wird, tonnen- oder kissenförmige Abbildungsfehler
generiert. Wenn das Bild reproduziert wird, ohne korrigiert zu werden,
erscheint der Abbildungsfehler im reproduzierten Bild, was in einer
schlechten Bildqualität
resultiert.
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Bei
diesem Ausführungsbeispiel
wird durch Ausbildung der Aperturen unter Berücksichtigung der erwarteten
Abbildungsfehler die Korrektur auf der photoelektrischen Umwandlungsvorrichtung
durchgeführt,
und die Eigenschaften des reproduzierten Bildes können verbessert
werden.
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7A zeigt
eine Anordnung zur Korrektur von einem tonnenförmigen Abbildungsfehler. 7B zeigt
eine Anordnung zur Korrektur von kissenförmigem Abbildungsfehler. Um
einen tonnenförmigen
Abbildungsfehler zu korrigieren, sind Aperturbereiche 4, welche
die gleiche Fläche
haben in Übereinstimmung
mit dem tonnenförmigen
Abbildungsfehler, ausgebildet, und sind lichtabschirmende Schichten 3 in
anderen Teilbereichen als die Aperturbereiche ausgebildet.
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Um
einen kissenförmigen
Abbildungsfehler zu korrigieren, sind Aperturbereiche 4,
welche die gleiche Fläche
haben in Übereinstimmung
mit dem kissenförmigen
Abbildungsfehler, ausgebildet, und sind lichtabschirmende Schichten 3 in
anderen Teilbereichen als die Aperturbereiche ausgebildet. In diesem
Ausführungsbeispiel
wird die Aperturposition verändert,
indem die lichtabschirmende Struktur verändert wird. Dennoch kann, selbst
wenn die Bildpunktanordnung selbst verändert wird, der gleiche Effekt,
wie oben beschrieben, erhalten werden.
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Bei
diesem Ausführungsbeispiel
kann, selbst wenn ein billiges Bildaufnahmesystem verwendet wird,
ein abgetastetes Bild mit einem Minimum an Abbildungsfehlern erhalten
werden.
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Bei
den obigen Ausführungsbeispielen
wurde hauptsächlich
die Anordnung von photoelektrischen Umwandlungselementen oder eine
Struktur der lichtabschirmenden Schicht beschrieben. Die photoelektrische
Umwandlungsvorrichtung und, genauer gesagt, jeder Bildpunkt kann
einfach mit einer Halbleiterherstellungstechnologie hergestellt
werden, bei der die Struktur eines Aperturbereichs und einer lichtabschirmenden
Schicht exakt mittels Photolithographie ausgebildet wird, die eine
Maske verwendet, so dass Abbildungsfehler, wie sphärische Abbildungsfehler,
Astigmatismus, Bildfeldwölbung, Koma
und Verzerrung im optischen System einschließlich der Linse und des Spiegels
korrigiert werden, und die Objektform selbst direkt auf einer Anzeige
wiedergegeben werden kann.
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8 zeigt,
als das vierte Ausführungsbeispiel,
eine Bildaufnahmevorrichtung, die eine der photoelektrischen Umwandlungsvorrichtungen,
die im ersten Ausführungsbeispiel
beschrieben ist, verwendet. Wie in 8 gezeigt
fällt das
Bild von Licht, das durch ein optisches System 7, und eine
Blende 26 einfällt,
auf einer photoelektrischen Umwandlungsvorrichtung 10 ausgebildet.
Die Lichtinformation wird von einer Anordnung von Bildpunkten auf
der photoelektrischen Umwandlungsvorrichtung 10 in ein elektrisches
Signal umgewandelt und ausgegeben. Das Ausgangssignal wird von einer
Signalverarbeitungsschaltung 21 auf Basis eines vorbestimmten Modells
bzw. Schemas konvertiert und ausgegeben. Das verarbeitete Signal
wird von einer Informationsaufnahmevorrichtung in einem Aufnahmesystem/Kommunikationssystem 22 aufgezeichnet
oder übertragen.
Das aufgezeichnete oder übertragene Signal
wird von einem Reproduktionssystem 25 reproduziert. Die
Blende 26, die photoelektrische Umwandlungsvorrichtung 10 und
die Signalverarbeitungsschaltung 21 werden von einer Zeitsteuerschaltung 23 gesteuert.
Das optische System 7, die Zeitsteuerschaltung 23,
das Aufnahmesystem/Kommunikationssystem 22 und das Reproduktionssystem 25 werden
von einer Systemsteuerschaltung 24 gesteuert.
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Wie
vorstehend beschrieben wurde, kann ein Abbildungsfehler im optischen
System gemäß dem ersten
Ausführungsbeispiel
auf der photoelektrischen Umwandlungsvorrichtung korrigiert werden, wodurch
das optische System und die Signalverarbeitungsschaltung oder -software
vereinfacht werden, und kann die Genauigkeit der Bildreproduktion verbessert
werden.
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Daher
kann eine Festkörper-Bildaufnahmevorrichtung
realisiert werden, die im Stande ist, ein Bild im Vergleich zum
Stand der Technik mit hoher Genauigkeit und niedrigen Kosten zu
verarbeiten.
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Es
können
zahlreiche, weitgehend unterschiedliche Ausführungsbeispiele der Erfindung
entwickelt werden, ohne von dem Umfang der Erfindung abzuweichen.
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Es
sollte selbstverständlich
sein, dass die Erfindung abgesehen davon, was in den zugehörigen Ansprüchen definiert
ist, nicht auf die spezifischen Ausführungsbeispiele wie sie in
der Beschreibung beschrieben sind beschränkt ist.