DE3229771C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Festkörperfernsehkamera ge­ mäß dem Oberbegriff des Hauptanspruchs mit einer gere­ gelten Iris.

Mit dem Fortschritt der Halbleitertechnologie wurden in jüngster Zeit in vielen Forschungsabteilungen Festkörper­ bildwandler entwickelt. Die Erfindung wird anhand von CCD-(Charge Coupled Device)-Bildwandlern beschrieben, die derzeit unter den verschiedenen Typen von Festkörperbild­ wandlern die interessantesten sind. Abhängig von der An­ ordnung lichtempfindlicher Elemente werden zwei Arten von CCD-Bildwandlern unterschieden. Der eine Typ arbei­ tet mit Bildrahmenübertragung, der andere mit Zwischen­ zeilenübertragung. Der erstere Typ weist einen Bildauf­ nahmeteil auf, der eine Mehrzahl von lichtempfindlichen Elementen enthält, die in horizontaler und vertikaler Richtung angeordnet sind. Eine Speicheranordnung mit ei­ ner der Zahl der lichtempfindlichen Elemente entsprechen­ den Zahl von Elementen dient zum Speichern und Übertragen der Ladungen, die in den lichtempfindlichen Elementen an­ gesammelt worden sind. Ein Schieberegister dient schließ­ lich dazu, schrittweise die Ladungen aus dem Speicherteil zu übernehmen und ein Signal zu erzeugen, das dem Bild entspricht.

Bei einem solchen CCD-Bildwandler wird während des Über­ tragens von den lichtempfindlichen Elementen zu den Spei­ cherelementen der übertragenen Ladung, die das Bild dar­ stellt, eine unerwünschte Ladung zugemischt, da auch während des Übertragungsvorgangs der Bildaufnahmeteil nach wie vor belichtet wird. Wegen dieser unerwünschten Ladung enthält das Ausgangssignal des CCD-Bildwandlers ein sogenanntes Untergrund- oder Nachbelichtungssignal (smear signal), das dazu führt, daß ein dunkler Hinter­ grund des Bilds aufgehellt wird, was vor allem dann der Fall ist, wenn das Bild hohen Kontrast aufweist, wie z. B. bei Außenaufnahmen.

Auch CCD-Bildwandler mit Zwischenzeilenübertragung erzeu­ gen ein Nachbelichtungssignal, wobei jedoch der Grund für die Erzeugung dieses Signals von dem Grund beim CCD-Bild­ wandler nach dem Rahmenübertragungsverfahren wegen der un­ terschiedlichen Anordnung der Elemente unterschiedlich ist. Das Auftreten eines Untergrund- oder Nachbelichtungs­ signals ist jedoch bei Festkörperbildwandlern unvermeid­ bar. Es erzeugt eine Verschlechterung des Bildsignals.

Eine Fernsehkamera weist in der Regel eine Iris in ei­ nem optischen System vor dem Lichtaufnahmeteil auf. Die Iris regelt den Lichtanteil, der auf das lichtempfindli­ che Teil fällt, so daß das Ausgangssignal einen gewünsch­ ten Pegel aufweist. Viele Fernsehkameras der letzten Zeit führen eine automatische Irisregelung aufgrund des Durch­ schnittspegels des Ausgangssignals vom lichtempfindlichen Teil durch. Wenn bei diesem bekannten Irisregelungssystem das aufgenommene Bild einen kleinen hellen Punkt vor dunk­ lem Hintergrund aufweist, ist der Durchschnittswert des Ausgangssignals verhältnismäßig klein und die Iris wird daher aufgesteuert, so daß noch mehr Licht in den Bild­ aufnahmeteil treten soll. Dadurch wird der helle Punkt noch leuchtender, was dazu führt, daß das unterwünschte Nachbelichtungssignal sehr groß wird, so daß das wieder­ gegebene Bild verrauscht wird. Darüber hinaus benötigt die erforderliche Mittelwertschaltung einen komplizier­ ten Aufbau, weil das aufgenommene Signal ein Digitalsi­ gnal ist und daher ein Feld- oder Rahmenspeicher benötigt wird, um das gesamte Signal während eines Rahmens zu mit­ teln. Schließlich weisen Festkörperbildaufnahmevorrich­ tungen, wie z. B. CCD-Bildwandler, eine Begrenzung der übertragbaren Ladung auf. Ladungen über einen vorgegebe­ nen Pegel werden z. B. in einem auf einem Chip ausgebil­ deten Überlaufkanal abgeführt. Das Signal vom Bildwand­ ler wird also auf einen vorgegebenen Überlaufpegel ab­ geschnitten, wenn das aufgenommene Bild sehr hell wird. Daher stellt das wiedergegebene Bild nicht immer die tat­ sächlich einfallende Lichtmenge dar, so daß die Irisrege­ lung aufgrund des gemittelten Signals der Regeltreue ent­ behrt. Außerdem vermindert die bekannte Irisregelung nicht den Pegel des Nachbelichtungssignals, der proportional zum einfallenden Licht sich verändert.

Aus der DE 29 16 334 A1 ist ein Bildaufzeichnungssystem mit einem Festkörperbildwandler der gattungsgemäßen Art bekannt. Bei diesem System wird die Bildsignalspeicherzeit verändert. Dabei speichert eine Belichtungssteuerungs-Rechenschaltung das Aus­ gangssignal eines Lichtelements und berechnet einen Blendenwert und einen Wert für die Speicherungszeit. Der vorgewählte Wert eines primären Belichtungsfaktors wird dann geändert, wenn der errechnete Wert eines sekundären Belichtungsfaktors eine der Grenzen eines Dynamikbereichs für die Belichtungssteuerung über­ schreitet. Auch bei diesem System kann es vorkommen, daß das wiedergegebene Bild nicht immer die tatsächliche einfallende Lichtmenge darstellt, so daß unter Umständen Fehler bei der Re­ gelung der Iris bzw. der Blende auftreten können.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Festkör­ perfernsehkamera gemäß dem Oberbegriff des Hauptanspruchs anzugeben, die verbesserte Regeltreue aufweist.

Die Lösung dieser Aufgabe ist im Kennzeichen des Haupt­ anspruchs angegeben. Sie besteht darin, daß die Iris der Kamera oberhalb eines Schwellwerts des Scheitel­ werts des Nachbelichtungssignals auch durch den Schei­ telwert des Nachbelichtungssignals geregelt wird. Da­ durch wird die Iris auch dann noch geregelt, wenn die einfallende Lichtmenge schon so groß ist, daß das Licht­ signal den Überlauf-Spannungswert erreicht hat und daher keine Änderung des Videosignals mehr stattfindet.

Bei bevorzugten Ausführungsformen der Erfindung wird der Mittelwert des Videosignals zur Irisregelung überhaupt nicht mehr verwendet. Dadurch ergeben sich erheblich ver­ einfachte Regelschaltungen, da auf Speicher, in denen alle digitalen Videosignal des gesamten Bildrahmens ge­ speichert werden müssen, verzichtet werden kann. Da das Nachbelichtungssignal einem in vertikaler Richtung inte­ grierten Signal des Bildes proportional ist, kann die Regelung aufgrund des Mittelwerts des Videosignals durch eine Regelung durch den Mittelwert des Nachbelichtungs­ signals ersetzt werden. Es genügt dabei, daß Nachbelich­ tungssignal einer einzigen Zeile während der vertikalen Austastlücke zu verwenden, so daß nicht mehr aus einem gesamten Rahmen ein Mittelwert gebildet werden muß.

Die Erfindung sowie vorteilhafte Ausführungsformen und Weiterbildungen derselben werden im folgenden anhand von Figuren näher erläutert. Es zeigt

Fig. 1 eine Draufsicht auf einen CCD-Bildwandler für Bildrahmenübertragung;

Fig. 2 ein Diagramm, das den Verlauf des Videosignals und des Nachbelichtungssignals in Abhängigkeit vom Pegel des einfallenden Lichts zeigt;

Fig. 3 ein Blockdiagramm einer Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Irisregelung;

Fig. 4 ein Diagramm des Ausgangssignals eines Fest­ körperbildwandlers;

Fig. 5 ein Blockdiagramm einer anderen erfindungsgemä­ ßen Ausführungsform einer Irisregelung;

Fig. 6 ein Blockdiagramm einer Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Irisregelung bei einer Fest­ körperfernsehkamera mit drei CCD-Chips.

Der CCD-Bildwandler 5 für Rahmenübertragung gemäß Fig. 1 weist einen Bildaufnahmeteil 1 mit einer Mehrzahl licht­ empfindlicher Elemente in horizontaler und vertikaler Richtung, einen Speicherteil 2 und ein horizontales Schie­ beregister 3 zum zeilenweisen Erzeugen eines Videosignals auf. Es ist weiterhin ein Synchronisiersignalgenerator 6 zum Erzeugen eines horizontalen und eines vertikalen Syn­ chronisiersignals und ein Taktgenerator 7 vorhanden, der mit den horizontalen und vertikalen Synchronisiersignalen versorgt wird, und der verschiedene Arten von Taktsigna­ len zum Steuern des Bildaufnahmeteils, des Speicherteils und des Schieberegisters erzeugt. Die Bildladungen, die im Bildaufnahmeteil 1 erzeugt werden, werden vertikal in den Speicherteil 2 übertragen. Von dort werden die Ladun­ gen Zeile für Zeile durch das horizontale Schieberegister 3 ausgeladen. Während die Bildladungen vom Bildaufnahme­ teil 1 in den Speicherteil 2 übertragen werden, strahlt nach wie vor Licht auf den Bildaufnahmeteil 1, so daß während des Übertrags eine unerwünschte Ladung durch das auffallende Licht erzeugt wird, wodurch ein Untergrund- oder Nachbelichtungssignal im ausgelesenen Videosignal er­ zeugt wird. Der CCD-Bildwandler von Fig. 1 weist unter Um­ ständen auch einen (nicht dargestellten) Überlaufkanal im CCD-Chip auf, durch den die übertragbare Ladung auf ei­ nen vorgegebenen Pegel begrenzt wird. Daher wird die Vi­ deosignalausgangsspannung vom CCD-Bildwandler 5 auf ei­ nen Überlaufpegel abgeschnitten, auch wenn so viel Licht einfällt, daß das Signal eigentlich höher sein müßte. Diese Tatsache ist auch durch den gestrichelt gezeichne­ ten Verlauf des Videosignals in Fig. 2 ersichtlich. Der Pegel des Nachbelichtungssignals nimmt dagegen proportio­ nal zur eingefallenen Lichtmenge zu und wird nicht durch den Überlaufpegel begrenzt. Dies ist durch den mit ausge­ zogener Linie dargestellten Verlauf des Nachbelichtungs­ signals in Fig. 2 dargestellt. Bei bekannten Irisregel­ systemen, die die Iris durch den Mittelwert des Videosi­ gnals regeln, wird daher das Nachbelichtungssignal bei hohen Lichtstärken nicht begrenzt, so daß keine Irisrege­ lung mit guter Regeltreue vorhanden ist.

Eine erfindungsgemäße Festkörperkamera weist z. B. einen Schaltungsteil auf, wie er in Fig. 3 dargestellt ist. Das Ausgangssignal von einem CCD-Bildwandler 5 wird einem be­ weglichen Abgriff eines Auswahlschalters 13 über einen Pufferverstärker 12 zugeführt. Ein erster fester Anschluß des Schalters 13 ist mit einem Mittelwertdetektor 15 und ein zweiter fester Anschluß mit einem Scheitelwertdetek­ tor 16 verbunden. Der Auswahlschalter 13 wird durch ein Steuersignal vom Synchronisiersignalgenerator 6 gemäß Fig. 1 gesteuert. Der bewegliche Abgriff des Schalters 13 wird dadurch während der vertikalen Abtastdauer T_V, wie in Fig. 4 dargestellt, mit dem ersten Anschluß ver­ bunden, so daß das während dieser Periode erzeugte Video­ signal dem Mittelwertdetektor 15 zugeführt wird. Während der vertikalen Austastlücke T_B, wie in Fig. 4 darge­ stellt, wird der bewegliche Abgriff des Schalters 13 da­ gegen mit dem zweiten Anschluß verbunden. Das Ausgangs­ signal vom CCD-Bildwandler enthält während der vertika­ len Austastlücke T_B theoretischerweise keinen Anteil mehr, der einem Bild zugehörig wäre, sondern nur noch das Nach­ belichtungssignal. Dieses Nachbelichtungssignal während der vertikalen Austastlücke T_B wird dem Scheiteldetektor 16 über einen Verstärker 14 zugeführt, der dazu dient, das im Vergleich zum Videosignal verhältnismäßig schwa­ che Nachbelichtungssignal auf einem mit dem Videosignal vergleichbaren Pegel zu verstärken.

Die Ausgangssignale der Detektoren 15 und 16 werden ei­ ner Mischstufe 17 zum Erzeugen eines Regelsignals für einen Iristreiber 18 für eine Iris 19, die vor dem CCD- Bildwandler 5 angeordnet ist, zugeführt. Die Mischstufe weist einen Vergleicher 17a zum Vergleichen der Ausgangs­ spannung des Scheiteldetektors 17 mit einem Refefenzpegel der einen Schwellwert bildet, auf. Eine Torschaltung 17b, die von der Ausgangsspannung des Vergleichers 17a gere­ gelt wird, läßt die Ausgangsspannung des Detektors 16 durch, wenn der Pegel des Scheitelwerts höher ist als der Schwellwert. In einem Addierer 17c werden die Aus­ gangsspannungen des Mittelwertdetektors 15 und der Tor­ schaltung 17 mit angemessenem Verhältnis addiert. Die Iris 19 wird daher nur durch den Mittelwert des Videosi­ gnals geregelt, wenn der Pegel des Nachbelichtungssignals verhältnismäßig gering ist und das Nachbelichtungssignal das Videosignal, das das Bild darstellt, nicht wesent­ lich stört. Wenn aber der Pegel des Nachbelichtungssi­ gnals höher als der Schwellwert ist und das Nachbelich­ tungssignal daher einen schlechten Einfluß auf das Video­ signal ausübt, wird die Iris 19 durch die zusammengesetz­ ten Ausgangsspannungen vom Mittelwertdetektor 15 und vom Scheitelwertdetektor 16 geregelt.

Das Nachbelichtungssignal einer horizontalen Periode in der vertikalen Austastlücke T_B ist proportional zu einem in vertikaler Richtung im CCD-Bildwandler integrierten Videosignal. Da die Signale in den horizontalen Perio­ den der vertikalen Austastlücke T_B einander sehr ähnlich sind, kann davon ausgegangen werden, daß das Nachbelich­ tungssignal während einer der horizontalen Perioden die gesamte Information über das während eines Rahmens ein­ gefallene Licht enthält. Daher kann der Scheitelwertde­ tektor 16 so ausgebildet werden, daß er den Scheitelwert von nur einem Signalverlauf während einer horizontalen Periode während der vertikalen Austastlücke T_B ermit­ telt. Wie im Vorstehenden erläutert ist, kann mit einer Ausführungsform gemäß der Fig. 3 die Iris so geregelt werden, daß sie den Pegel des Nachbelichtungssignals dann verringert, wenn dieses besonders groß ist. Dies erfolgt dadurch, daß sowohl der Mittelwert des Videosi­ gnals wie auch der Scheitelwert des Nachbelichtungssi­ gnals zur Regelung der Iris 19 verwendet werden.

Bei der Ausführungsform gemäß Fig. 5 wird nur das Nachbe­ lichtungssignal sowohl einem Scheitelwert- wie auch einem Mittelwertdetektor zugeführt, die parallel geschaltet sind. Die Regelung der Iris 19 erfolgt also nur durch das Nachbelichtungssignal und nicht mehr durch das Nachbelich­ tungssignal und das Videosignal, wie bei der Ausführungs­ form gemäß Fig. 3. Bei der Ausführungsform genäß Fig. 5 wird das Ausgangssignal des Pufferverstärkers 12 einem Nachbelichtungssignal-Torschalter 23 zugeführt, der wäh­ rend einer horizontalen Periode der vertikalen Austast­ lücke T_B eingeschaltet wird. Das Nachbelichtungssignal während dieser Periode wird durchgelassen und sowohl ei­ nem Mittelwertdetektor 25 wie auch dem Scheitelwertdetek­ tor 16 zugeführt. Die Ausgangsspannungen dieser Detektoren werden durch die Mischstufe 17 gemischt, die genau so wie die gemäß Fig. 3 ausgebildet sein kann. Die Ausgangsspan­ nung der Mischstufe 17 regelt den Iristreiber 18 für die Iris 19. Da, wie oben ausgeführt, das Nachbelichtungssi­ gnal während einer horizontalen Periode der vertikalen Austastlücke alle Information über während einer Feld­ periode eingefallenes Licht enthält, tritt der gleiche Regeleffekt wie bei der Ausführungsform gemäß Fig. 3 auf, bei der der Mittelwert des Videosignals während eines Feldes gebildet wurde. Der Mittelwertdetektor 25 bei der Ausführungsform gemäß Fig. 5 ist jedoch erheblich einfa­ cher als der Mittelwertdetektor 15 gemäß Fig. 3, bei dem ein Feldspeicher zum Speichern der digitalen Videoinfor­ mation eines Feldes benötigt wird, um den Mittelwert des Videosignals zu bilden.

Bei der Ausführungsform gemäß Fig. 6 liegt eine Farbfern­ sehkamera mit drei Chips von Festkörperbildwandlern zur Aufnahme von Primärfarben vor. Der Chip 11G dient dabei zur Aufnahme grünen Lichts, der Chip 11R für rotes und der Chip 11B für blaues Licht. Die den drei Primärfarben entsprechenden Signale werden über Verstärker 12G, 12R und 12B Ausgängen 20G, 20R und 20B zugeführt. Über die Verstärker 12R und 12B kann dabei ein Weißausgleich durchgeführt werden. Die Iris 19, die allen drei Fest­ körperbildwandlern gemeinsam ist, wird wiederum durch den Pegel des Nachbelichtungssignals einer horizontalen Perio­ de während der vertikalen Austastlücke T_B geregelt. Dazu werden die Ausgangssignale der Verstärker 12G, 12R und 12B einem Nichtaddiermischer 30 zugeführt, der ein Aus­ gangssignal erzeugt, das dem höchsten Pegel der Eingangs­ signale entspricht. Der Mischer 30 dient also als Signal­ auswähler für das Signal mit dem höchsten Pegel. Das vom Nichtaddiermischer 30 durchgelassene Nachbelichtungssi­ gnal einer horizontalen Periode während der vertikalen Austastlücke T_B wird durch einen Torschalter 23 einer Schaltung mit einem Mittelwertdetektor 25, einem Schei­ telwertdetektor 16 und einer Mischstufe 17 gemäß Fig. 5 zugeführt. Die Ausgangsspannung der Mischstufe 17 steuert wiederum den Iristreiber für die Iris 19.

Wie aus Vorstehendem ersichtlich, kann eine Ver­ schlechterung in der Bildqualität dadurch verringert wer­ den und die Regelung der Iris kann dadurch mit größerer Güte durchgeführt werden, daß erfindungsgemäß die Rege­ lung der Iris über den Pegel des Nachbelichtungssignals durchgeführt wird, wie es während der vertikalen Austast­ lücke vom Festkörperbildwandler erhalten wird.

Claims (5)

1. Festkörperfernsehkamera mit einem durch eine Iris (19) hin­ durch beleuchteten Festkörperbildaufnahmeteil (1), mit in ho­ rizontaler Zeilenrichtung und vertikaler Spaltenrichtung an­ geordneten lichtempfindlichen Elemente, in denen während einer Bildaufnahmezeit einer örtlichen Bildintensität ent­ sprechende Bildladungen und während einer Übertragungszeit zusätzlich Nachbelichtungsladungen gespeichert werden, so daß sich für jede Bildzeile ein von einem Nachbelichtungssignal überlagertes Videosignal ergibt, und mit einem Iristreiber (18), der die Iris abhängig von einem Signalmittelwert ver­ stellt, dadurch gekennzeichnet, daß die Kamera eine Scheitelwert-Abtastschaltung (10) zum Ermit­ teln des Scheitelwerts des Nachbelichtungssignals und einen Mischer (17) aufweist, der den Scheitelwert oberhalb eines Schwellwert desselben zu dem den Treiber (18) ansteuernden Signalmittelwert addiert.

2. Festkörperfernsehkamera nach Anspruch 1, da­ durch gekennzeichnet, daß sie eine Auswahlschaltung (13, 23) aufweist, die das Signal ei­ ner vorgegebenen Zeile während der vertikalen Austast­ lücke als Nachbelichtungssignal auswählt.

3. Festkörperfernsehkamera nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß sie eine Videosignal-Mittelwertschaltung (15) aufweist, die den den Treiber (18) ansteuernden Signalmittelwert bil­ det (Fig. 3).

4. Festkörperfernsehkamera nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß sie eine Nachbelichtungssignal-Mittelwertschaltung (15) auf­ weist, die den den Treiber (18) ansteuernden Signalmit­ telwert bildet (Fig. 5).

5. Festkörperfernsehkamera nach den Ansprüchen 2 oder 2 und 4, dadurch gekennzeichnet, daß sie drei Bildaufnahmeteile für drei Primärfarben aufweist, deren Signalausgänge einem nichtaddierenden Mischer (30) zuführbar sind, der den jeweiligen höch­ sten Wert durchläßt, und daß der Ausgang dieses Mischers mit der Auswahlschaltung (23) verbunden ist.