DE2938499C2

DE2938499C2 - Festkörper-Bildaufnahmevorrichtung

Info

Publication number: DE2938499C2
Application number: DE2938499A
Authority: DE
Inventors: Toshiyuki Kokubunji Tokyo Akiyama; Morishi Inagi Tokyo Izumita; Shusaku Hachiouji Tokyo Nagahara; Kazuhiro Tokyo Sato; Kenji Kodaira Tokyo Takahashi; Masuo Umemoto
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 1978-09-25
Filing date: 1979-09-24
Publication date: 1983-08-04
Also published as: GB2035746A; FR2466154B1; FR2466154A1; GB2035746B; DE2938499A1; JPS5544226A; JPS5822900B2; NL7907099A; CA1128631A; US4283742A

Description

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Die Erfindung betrifft eine Festkörper-Bildaufnahmeeinrichtung der im Oberbegriff des Patentanspruchs 1 angegebenen Gattung.

Eine Festkörper-Bildaufnahmevorrichtung ist einer Bildaufnahmeröhre hinsichtlich der hohen Stabilität, der langen Lebensdauer, des niedrigen Energieverbrauchs, der leichten Handhabung usw. überlegen, und beispielsweise zur Verwendung in kleinen Fernsehkameras geeignet. Üblicherweise sind Festkörper-Bildaufnahmevorrichtungen mit füloelektrischen Elementen, die in zwei Dimensionen angeordnet sind und die eine Bildaufnahme-Bildelementmatrix bilden, mit Schaltelementen, die zur Auswahl der den fotoelektrischen Elementen entsprechenden (x, //Koordinaten dienen, und mit einem horizontalen oder x-Abtaster sowie einem vertikalen oder /-Abtaster ausgerüstet, welche die Sahaltelemente einschalten bzw. ausschalten. Hier soll die Wirkungsweise der Festkörper-Abbildungsvorrichtung unter Bezugnahme auf F i g. 1 erläutert werden, die eine schematische Anordnung zeigt.

Bei der Anordnung gemäß F i g. 1 werden folgende Bauelemente verwendet: Das Bezugszeichen 1 bezeichnet einen Horizontalabtaster zur Ar-Adressierung, das Bezugszeichen 2 bezeichnet einen Vertikalabtaster zur /-Adressierung, das Bezugszeichen 3 bezeichnet einen MOS-Transistor als Vertikalschalter, der mit einem Abtastimpuls vom Vertikalabtaster 2 eingeschaltet oder ausgeschaltet und nachstehend kurz als Vertikalschalter bezeichnet wird; das Bezugszeichen 4 bezeichnet eine Fotodiode oder ein fotoelektrisches Element, das den Source-Anschluß des MOS-Transistors 3 ausnutzt; das Bezugszeichen 5 bezeichnet eine Vertikalsignal-AusgangsJeitung, an das die Drain-Anschlüsse der MOS-Transistoren 3 gemeinsam angeschlossen sind; und das Bezugszeichen 6 bezeichnet einen MOS-Trans'stor als horizontalen Schalter, der mit einem Abtastimpuls vom Horizontalabtaster 1 eingeschaltet bzw. ausgeschaltet wird und nachstehend kurz als Horizontalschalter bezeichnet wird; bei diesen MOS-Transistoren sind der Drain-Anschluß an eine Horizontalsignal-Ausgangsleiiung 7 und die Source-Anschlüsse an die Vertikalsignal-Ausgangsleitung 5 angeschlossen. Bei 8 erkennt man eine Referenz-Spannungsquelle, an welche die Horizontalsignal-Ausgangsleitung 7 über einen Widerstand 9 angeschlossen ist. Ein bei Festkörper-Bildaufnahmevorrichtungen übliches Merkmal besteht darin, daß die Bildelemente einzeln angeordnet sind und mit Taktimpulsen abgetastet werden, die dem Horizontalabtaster und dem Vertikalabtaster extern zugeführt werden, so daß das Bildelement, dessen Signal gerade ausgelesen wird, ohne weiteres unterschieden werden kann.

Nachstehend soll ein Verfahren zum Auslesen von Signalen aus der ^estkörper-Abbildungsvorrichtung gemäß Fig. 1 anhand der Fig.2 näher erläutert werden. Diese Figur zeigt in schematischer Form ein Ersatzschaltbild, das ein einzelnes Bildelement oder eine Fotodiode, die Horizontal- und Vertikalschalter sowie die Referenz-Spannungsquelle enthält.

Wenn kein Licht eintritt, wird eine vorgegebene Ladungsmenge Qo in Abhängigkeit von der an das Bildelement angelegten Spannung der Referenz-Spannungsquelle 8 in der parasitären oder Streukapazität Co der Fotodiode 4 gespeichert. Beim Einfall von Licht werden Ladungen proportional zur Menge des einfallenden Lichtes durch die Fotodiode 4 entladen. Wenn der Vertikalschalter durch das Signal des Vertikalabtasters, eingeleitet durch eine Klemm? 3-1, eingeschaltet wird, und der Horizontalschalter 6 durch das Signal des Horizontalabtasters, eingeleitet durch eine Klemme 6-1, eingeschaltet wird, so fließt ein Strom von der Referenz-Spannungsquelle 8, um die der entladenen Komponente entsprechenden Ladungen zu liefern, und die Streukapazität Coder Fotodiode 4 wird wieder bis zur Ladungsmenge Q₀ geladen. Das Signal wird durch das Abtasten des übur den Ladewiderstand 9 einfließenden Stromes ausgelesen.

Die Bezeichnungen Q und Ci bezeichnen parasitäre oder Streukapazitäten, die aufgrund der Struktur der Anordnung vorhanden sind. Das Signal wird mit einer Zeitkonstante ausgelesen, die durch die Kapazitäten und den Einschalt-Widerstand des Horizontalschalters 6 sowie den Ladewiderstand 9 bestimmt ist. F i g. 3 zeigt das Ausgangssignal B des Horizontalabtasters und das Ausgangssignal A. Das Ausgangssignal A wird ein Signal, bei dem eine Differentialwellenform oder ein kurzzeitiges Rauschen, wie in der Figur dargestellt, von einem durch schraffierte Linien angedeuteten Fötosignal DS überlagert wird, und zwar aufgrund von Streukapazitäten Cp zwischen dem Gate- und Source-Anschluß und zwischen dem Gate- und Drain-Anschluß des Horizontalschalters 6. Da die Wellenform des überlagerten kurzzeitigen Rauschens in Abhängigkeit vom Ort des Bildelementes schwankt, wird es zu einem festen Streifenrauschen oder zu periodischen StörsDan-

nungen mit Streifenbildung, was auch als festes Bildmusterrauschen bezeichnet wird und zu dem Problem führt, daß die Bildqualität verschlechtert wird. Mit 7Ό ist in Fig.3B die Einschaltzeit des Horizontalschalters 6 bezeichnet.

Eine Festkörper-Bildaufnahmevorrichtung der eingangs bezeichneten Gattung ist aus der deutschen A-uslegeschrift 26 06 292 bekannt. Dort sind zwei Ausgangsleitungen vorgesehen, von denen die eine mit den Ausgängen der Horizontalschalter und die andere mit jeweils einer Klemme von Kondensatoren verbunden ist. Die jeweils anderen Klemmen dieser Kondensatoren sind ebenso wie die Steueranschlüsse der Horizontalschalter mit der Horizontaltaststufe derart verbunden, daß jeder Tastimpuls nicht nur dem betreffenden Horizontalscfialter, sondern gleichzeitig auch dem zugehörigen Kondensator zugeführt wird. Die beiden Ausgangsleitungen liegen an den Eingängen einer Subtrahierstufe, deren Ausgangssignal das vom Rauschsignal bereinigte Bildsignal darstellt.

Um bei der bekannten Schaltung eine Kompensation des Rauschsignals zu bewirken, ist es erforderlich, daß der Kondensator die gleiche Kapazität aufweist wie sie als Streukapazität in dem zugehörigen Horizon ölschalter vorliegt. Dies ist jedoch in der Praxis nicht möglich, da sowohl die einzelnen Horizontalschalter als auch die zur Kompensation jeweils zugeordneten Kondensatoren in ihren Kapazitäten schwanken.

Aus »IEEE International Solid-State Circuits Conference« 1972, Seiten 30 und 31, sowie 1973, Seiten 138 und 139 sind weitere Schaltungen bekannt, um das im Ausgangssignal einer Bildaufnahmeeinrichtung enthaltene Rauschsignal zu kompensieren. Bei diesen Schaltungen wird das Ausgangssignal integriert, die aus der Integration ermittelte. Spannung abgegriffen und anschließend zurückgesetzt· Die für diese Auswertung erforderlichen Schaltkreise sind aufwendig und bedingen insofern eine Verzögerung, als das Abklingen der Rückflanke des durch die Schalterbetätigung verursachten Rauschimpulses abgewertet werden muß, bevor der Integrationswert abgegriffen werden kann.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Festkörper-Bildaufnahmevorrichtung der eingangs bezeichneter. Gattung anzugeben, die eine möglichst vollständige Unterdrückung des genannten Bildmusterrauschens mittels einer möglichst unaufwendigen und rasch ansprechenden Schaltung gestattet.

Die erfincrungsgemaße Lösung dieser Aufgabe ist im Kennzeichenteil des Patentanspruchs 1 angegeben. Danach wird die Kompensation durch Abtasten des Ausgangssignals zu zwei Zeitpunkten durchgeführt, zu denen die in diesem Ausgangssignal enthaltene Rauschkomponente gleiche absolute Größe aufweist. Dabei wird die Tatsache ausgenützt, daß die Rauschsignale mit im wesentlichen gleicher Größe und entgegengesetzter Phase zu Anstieg und Abfall der die Horizontalschalter steuernden Schaltimpuls auftreten, oder die Tatsache, daß die einzelnen positiven oder negativen Spitzen dieser Rauschsignale in sich im wesentlichen symmetrische Form haben. Die erfindungsgemäße Vorrichtung vermeidet zusätzliche Kondensatoren oder sonstige Schaltungselemente in der Matrix selbst. Da jedes einzelne Ausgangssignal für sich verarbeitet wird, ist eine genaue Kompensation möglich. Da nur einzelne Momentanwerte abgegriffen werden, ist es ferner nicht erforderlich, das Abklingen einzelner Impulse abzuwarten, weshalb die erfindungsgemäße Vorrichtung schnell arbeitet. Die angewendete Substraktionsfunktion erfordert nur eine verhältnismäßig einfache Schaltung.

Aus der deutschen Offenlegungsschrift 27 19 208 ist eine weitere Festkörper-Bildaufnahmevorrichtung bekannt die mit einem ladungsgekoppelten Speicher arbeitet und deren Ausgang mit einer Rauschkompensationsschaltung verbunden ist die unter anderem ein Verzögerungsglied und eine Tastspeicherstufe aufweist Kompensiert werden sollen dabei durch örtliche κι Unregelmäßigkeiten bedingte Störungen im Videosignal dreier Farbkanäle. Bei den berücksichtigten Unregelmäßigkeiten handelt es sich jedoch um lokale Kristallfehler eines gemeinsamen, die Matrix tragenden Halbleitersubstrats, wobei diese Fehler bewirken, daß ι ·-> an nicht beleuchteten Stellen ein unnormal hoher Strom auftritt Bei dieser bekannten Vorrichtung werden sämtliche Signale, die einen vorgegebenen Pegel überschreiten, als Fehlersignale gewertet und ausgeblendet Eine derartige Schaltung wäre: zur Unterdrük-2(i kung des genannten Bildmusterrauschens unbrauchbar, da dieses das Nutzsignal überlagert und regelmäßig größer ist als das Nutzsignal.

Die Erfindung wird nachstehend anhand der Beschreibung von Ausführungsbeispielen und unter Bezugnahme auf die Zeichnungen näher erläutert In den Zeichnungen zeigt

F i g. 1 eine schematische Darstellung zur Erläuterung des Aufbaus einer herkömmlichen Festkörper-Bildaufnahmevorrichtung;

in F i g. 2 ein Ersatzschaltbild einer Signal-Ausleseschaltung der Anordnung gemäß F i g. 1;

F i g. 3 ein Wellenformdiagramm zur Erläuterung der periodischen Störspannungen mit Streifenbildung;

F i g. 4 eine schematische Darstellung zur Erläuterung r> des Aufbaus einer erfindungsgemäßen Ausführungsform;

F i g. 5 ein Wellenformdiagramm zur Erläuterung der Wirkungsweise der Ausführungsform gemäß F i g. 4;

F i g. 6 eine schematische Darstellung zur Erläuterung 4Ii des Aufbaus einer anderen erfindungsgemäßen Ausführungsform gemäß F i g. 4;

F i g. 7 ein Wellenformdiagramm zur Erläuterung der Wirki ngsweise der Ausführungsform gemäß F i g. 6;

F i g. 8 eine schematische Darstellung zur Erläuterung 4-, des Aufbaus einer weiteren Ausführungsform; und in

F i g. 9 ein Wellenformdiagramm zur Erläuterung der Wirkungsweise der Ausführungsform gemäß F i g. 7.

Fig.4 zeigt ein Blockschaltbild einer Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Signalverarbeitungsv schaltung, während Fig. 5 ein dieser Ausführungsform entsprechendes Signalwellenformdiagramm zeigt. In F i g. 5 sind die Fotosignalkomponenten durch gestrichelte Linien angedeutet. In Fig.4 bezeichnet das Bezugszeichen 11 eine Festkörper-Bildaumahmevor-•-,j richtung, wie sie in Fig. 1 dargestellt ist. Ein Ausgangssignal, das in F i g. 5 bei A angedeutet ist, von der Bildaufnahmevorrichtung 11 wird über einen Vorverstärker 12 an zwei Tastspeicherstufen 13 und 14, die kurz mit S/H bezeichnet werden, angelegt, und die resultierenden Ausgangssignale werden durch Abtastimpulse, die bei B i.id C in Fig.5 angegeben sind, in Form von Signalen D bzw. E in F i g. 5 abgetastet und gehalten. Das Signal D wird um die Einschaltzeit To des Horizontalschalters 6 durch einen Verzö^erungskreis 15 verzögert und wird zu einem Signal F, das in einer Addierschaltung 16 mit dem Signal E zu einem Endausgangssignal G addiert wird. Da das kurzzeitige Rauschen Wellenformen besitzt, die im wesentlichen

symmetrisch bezüglich eines durchschnittlichen Pegels sind, ist das Ausgangssignal G ein Signal, das kaum kurzzeitiges Rauschen enthält und somit stark reduzierte feste periodische Störspannungen besitzt. Die Abtastimpulse der Tastspeicherstufen 13 und 14 können ohne weiteres von monostabilen Multivibratoren 18. 19 und 20 bezüglich eines horizontalen Taktimpulses 21 gebildet werden, der die Horizontaltaststufe der Bildaufnahmevorrichtung 11 treibt.

Eine andere erfindungsgemäße Ausführungsform ist in F i g. 6 und 7 dargestellt. F i g. 6 zeigt ein Blockschaltbild einer erfindungsgemäßen Signalverarbeitungsschaltung, während Fig. 7 ein Wellenformdiagramm zur Erläuterung der Wirkungsweise der Ausführungsform zeigt.

Bei dieser Ausführungsform wird ein von kurzzeitigem Rauschen freies Signal in der Weise erhalten, daß ein Punkt ρ eines bei (A) in Fig. 7 angegebenen Ausgangssignals von der Abbildungsvorrichtung sowie ein Punkt g bei dem das kurzzeitige Rauschen im wesentlichen in der gleichen Größenordnung wie im Punkt ρ ist, abgetastet und gehalten werden, daß das im Punkt # abgetastete und gehaltene Signal bis zum Punkt ρ verzögert wird und daß die Differenz zwischen dem verzögerten Signal und dem Signal im Punkt ρ erhalten wird. Das bei (A)\n Fig. 7 dargestellte Ausgangssignal der Bildaufnahmevorrichtung 11 wird an die Tastspeicherstufen 13 und 14 angelegt, und die resultierenden Ausgangssignale werden durch die bei (C) bzw. (B) in F i g. 7 dargestellten Impulse abgetastet und gehalten, Das vom Impuls (C) abgetastete und gehaltene Ausgangssignal der Tastspeicherstufe 13 wird an eine weitere Tastspeicherstufe 22 angelegt, deren Ausgang wiederum durch den Impuls (B) abgetastet und gehalten wird. Somit wird das Signal um die Zeitdifferenz zwischen den Impulsen (C) und (B) verzögert. Wenn daher die Ausgangssignale der Tastspeicherstufen 22 und 14 an eine Subtraktionsschaltung 17 angelegt werden, um das Ausgangssignai der Tastspeicherstufe 22 von dem der Tastspeicherstufe 14 zu subtrahieren, so ergibt sich ein von kurzzeitigem oder zackenartigem Rauschen freies Signal, wie es hei (D) in F i g. 7 dargestellt ist, und die festen periodischen Störspannungen können drastisch reduziert werden. Die Abtastimpulse (B) und (C) können ohne weiteres von monostabilen Multivibrator 18 und einer Impulsverzögerungsleitung 23 unter Bezugnahme auf den horizontalen Taktimpuls 21 gebildet werden.

Fig.8 zeigt ein Blockschaltbild einer dritten Ausführungsform, bei der das erfindungsgemäße Konzept auf eine Festkörper-Farbbildaufnahmevorrichtung Anwendung findet In F i g. 8 erkennt man folgende Baugruppen: Das Bezugszeichen 30 bezeichnet eine Festkörper-Farbbildaufnahmevorrichtung in Einzelplattenbauweise, die einen solchen Aufbau besitzt, daß sie ein Signal für grün und abwechselnde Signale für rot und für blau an ihren beiden Ausgangsklemmen lieferL Es wird nun angenommen, daß die Zweiphasen-Taktimpulse der Horizontaltaststufe der Bildaufnahmevorrichtung 30

jeweils bei 3,58 MHz liegen und daß die horizontalen Abtastimpulse bei 7,16 MHz liegen. Das rote oder blaue Signal und das grüne Signal, die durch die Verstärker 31 und 32 hindurchgegangen sind, werden an Tiefpaßfilter 33 bzw. 34 angelegt. Die Tiefpaßfilter 33 und 34 ermöglichen den Durchgang von Signalkomponenten, die nicht höher als 7 MHz sind. Somit werden die höheren harmonischen Komponenten von 7,16MHz abgeschnitten, urn den Rauschabstand zu verbessern. Die Bezugszeichen 35, 36, 37, 38, 39 und 40 bezeichnen jeweils Tastspeicherstufen, welche die gewünschten Signale mit der entsprechenden Zeiteinteilung abtasten. Die Bezugszeichen 41, 42 und 43 bezeichnen jeweils Verzögerungskreiie. Die Bezugszeichen 44, 45 und 46 bezeichnen Addierkreise, welche das rote Signal, das blaue Signal und das grüne Signal frei von festen periodischen Störspannungen mit Streifenbildung liefern. Bei 47 ist ein Steuerimpulsgenerator dargestellt. F i g. 9 zeigt die Wellenformen der verschiedenen Teile der Ausführungsform gemäß F i g. 8. (a)und (b)\n F i g. 9 zeigen die Zweiphasen-Taktimpulse der Horizontaltaststufe der Bildaufnahmevorrichtung 30. (c) in F i g. 9 zeigt die horizontalen Abtastimpulse, mit anderen Worten die Schaltimpulse für die Horizontalschalter, (d) in Fig. 9 zeigt die Ausgangssignalwellenform der Bildaufnahmevorrichtung 30, bei der ein schraffierter Teil einen Fotosignalanteil darstellt, (e) in F i g. 9 zeigt die Ausgangjsignalwellenformen der Tiefpaßfilter 33 und 34, wob»»i der schraffierte Teil sich auf einen Fotosignalanteil bezieht. In (I) in F i g. 9 bezeichnen I₁ den Abtastimpuls der Tastspeicherstufen 36 und 40 und I₂ den Abtastimpuls der Tastspeicherstufen 38 und 40. In (g) der Fig.9 bezeichnen g\ der· Abtastimpuls der Tastspeicherstufen 35 und 39 und gi den Abtastimpuls der Tastspeicherstufen 37 und 39. Wie sich aus dem Vergleich von (d) und (e) in Fig.9 ergibt, ist die Phasenbeziehung der Abtastimpulse anders als im Falle der Anordnung gemäß F i g. 5, da die Fotosignalanteile von den Tiefpaßfiltern verzögert werden.

Bei den oben angegebenen Ausführungsformen ist der Fall beschrieben worden, wo der Zeitpunkt der ersten Abtastung an der Position liegt, bei der das Signal maximal wird, und wo die zweite Abtastung bei der Position durchgeführt wird, bei der das kurzzeitige oder zackenförmige Rauschen, in Phase oder in Gegenphase, die gleiche Größenordnung wie bei der Position der zweiten Abtastung besitzt Auch wenn jedoch die Position der zweiten Abtastung mehr oder weniger schwankt, so können Einstellungen vorgenommen werden, um die festen periodischen Störspannungen auf einen minimalen Wert zu bringen, indem man das Verhältnis der Addition oder Subtraktion ändert

Unter Verwendung der oben im einzelnen beschriebenen Ausführungsformen ist es möglich, die festen periodischen Störspannungen mit Streifenbildung auf einen Wert zu bringen, der nicht einmal halb so groß wie beim Stande der Technik ist und Festkörper-Bildaufnahmevorrichtungen in der Praxis einzusetzen.

Hierzu 6 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Festkörper-Bildaufnahmevorrichtung mit einer Matrix aus fotoelektrischen Elementen (4), von einer Vertikaltaststufe (2) gesteuerten Vertikalschaltern (3), die eingangsseitig an die fotoelektrischen Elemente (4) angeschlossen sind, sowie von einer Horizontaltaststufe (1) gesteuerten Horizontalschaltern (6), die eingangsseitig mit den Vertikalschaltern (3) und ausgangsseitig mit einer !Compensationsschaltung (12 ... 23) verbunden sind, wobei die Kompensationsschaltung eine erste Größe, die dem am Ausgang der Horizontalschalter (6) auftretenden Summensignal aus dem Bildsignal und einem überlagerten Rauschsignal entspricht, und eine dem Rauschsignal allein entsprechende zweite Größe erzeugt und ein Verknüpfungsglied (16; 17) aufweist, das durch Abziehen der zweiten von der ersten Größe das Bildsignal bereitstellt, dadurch gekennzeichnet, daß die Kompensationsschaltung (12 ... 23) zwei mit dem Summensignal beaufschlagte Tastspeicherstufen (13,14) enthält, die nacheinander zu Zeitpunkten ansteuerbar sind, zu denen das Rauschsignal gleiche Absolutwerte hat, und deren Ausgänge mit den Eingängen des Verknüpfungsgliedes (16; 17) verbunden sind, und daß in die Verbindung zwischen dem Ausgang der zum ersten Zeitpunkt angesteuerten Tastspeicherstufe (13) und dem Verknüpfungsglied (16) eine Verzögerungseinrichtung (15; 22) eingeschaltet ist, deren Laufzeit gleich ist dem Intervall zwischen den Ansteuerungszeitpunkten der beiden Tastspeicherstufen (13,14).

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Verzögerun; seinrichtung eine dritte Tastspeicherstufe (22) aufweist, die gleichzeitig mit der zum zweiten Zeitpunkt angesteuerten Tastspeicherstufe (14) ansteuerbar ist.