DE3312962C2 - - Google Patents
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Description
Die Erfindung bezieht sich auf eine Bildaufnahmevorrichtung
gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.
Eine derartige Bildaufnahmevorrichtung, bei der Objektlicht
über Spektralfarbfilterbildelementen einer Bildaufnahmeeinheit
zugeführt wird, um eine Farbbildwiedergabe zu erzielen,
ist allgemein bekannt. Insbesondere im Zuge der zunehmenden
Verwendung von Festkörper-Bildabtastvorrichtungen
können sich wenn eine hohe Bildauflösung
gefordert wird, Probleme ergeben, die einer einwandfreien
Farbbildwiedergabe entgegenstehen.
Eine gebräuchliche Bildaufnahmevorrichtung beschreibt beispielsweise
die DE-OS 29 02 000. Diese zeigt eine Farbsignal-Verarbeitungsschaltung
für eine Farbfernsehkamera, bei
der das Objektlicht durch Streifenfilter in Farben zerlegt
und über eine Linse auf die Bildelemente einer Kameraröhre
übertragen wird. Die zwischen die Filter und die Bildaufnahmeeinheit
geschaltete Linse bringt infolge von nie ganz
auszuschließenden Übertragungsfehlern solcher optischen
Elemente die Gefahr des Übersprechens zwischen den einzelnen
Farbkanälen und durch die dabei auftretende Farbmischung
eine verminderte Qualität der Farbbilddarstellung mit sich.
Gemäß der DE-OS 30 43 671 sind auf einer Bildaufnahmeeinheit,
die aus einer Anzahl von Bildelementen besteht und
ein optisches Bild in elektrische Bildinformation umsetzt,
mehrere Farbfilter in Form von Komplementärfarbfiltern
derart aufgebracht, daß drei Filterteile der Komplementärfarbfilter,
z. B. Grün, Blau und Rot in horizontaler Richtung
exakt zwei nebeneinanderliegende Bildelemente überdecken.
Durch diese Art der Filteranordnung soll erreicht werden,
daß die Bandbreitenausnutzung des erzeugten Leuchtdichtesignals
gegenüber einer 1 : 1-Zuordnung zwischen Farbfilter
und Bildelement verbessert wird. Probleme bei der Signalerzeugung
können sich jedoch ergeben, wenn die Ausrichtung
zwischen den Farbfilterteilen und den Bildelementen nicht
sehr exakt vorgenommen wird, da dadurch eine Farbmischung
eintreten kann. Eine solche Fehlausrichtung der Filterteile
kann nicht nur bei der Herstellung, sondern auch nachträglich
beispielsweise durch Umgebungseinflüsse entstehen.
Infolge einer Farbmischung ergeben sich gestörte Farbsignale
und demzufolge Einbußen in der Qualität des erhaltenen
Farbbildes. Andererseits ist eine hohe Ausrichtgenauigkeit
zwischen Filtern und Bildelementen mit erhöhten Fertigungskosten
verbunden.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Bildaufnahmevorrichtung
gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 derart
weiterzubilden, daß bei relativ niedrigen Fertigungskosten
Farbbildsignale mit gutem Signal-Rauschverhältnis erzielbar
sind.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß mit den im kennzeichnenden
Teil des Patentanspruchs 1 angegebenen Merkmalen gelöst.
Hierdurch werden die Anforderungen an die Ausrichtgenauigkeit
gesenkt und Störeinflüsse von Umgebungsbedingungen
auf die Filtereigenschaften der Bildaufnahmevorrichtung
weitgehend unterdrückt.
Vorteilhafte Ausgestaltungen der Bildaufnahmevorrichtung
sind Gegenstand der Unteransprüche.
Die Erfindung wird nachstehend in Gegenüberstellung mit
einer herkömmlichen Anordnung anhand von Ausführungsbeispielen
unter Bezugnahme auf die Zeichnungen näher erläutert.
Fig. 1 ist eine schematische Darstellung, die die bauliche
Anordnung eines Spektralfarbfilters in Form eines
Streifenfilters einer herkömmlichen Rot-, Grün-
und Zyanblau-Ausführung zeigt.
Fig. 2(a) und 2(b) sind schematische Darstellungen, die eine
Faltungsstörung bei dem in Fig. 1 gezeigten Filter
veranschaulichen.
Fig. 3(a) und 3(b) sind Darstellungen von Spektralcharakteristiken
von Farbfiltern.
Fig. 4 zeigt als ein Beispiel die bauliche Anordnung eines
Bildaufnahmeelements, das bei der Bildaufnahmevorrichtung
verwendbar ist.
Fig. 5(a) bis 5(g) zeigen jeweils die Anordnung von Filtern
gemäß einem ersten bis siebenten Ausführungsbeispiel
der Bildaufnahmevorrichtung.
Fig. 5(h) ist ein Blockschaltbild, das ein Beispiel einer
Signalverarbeitungsschaltung zeigt.
Fig. 6 ist eine Darstellung eines Filters, das gemäß einem
achten Ausführungsbeispiel der Bildaufnahmevorrichtung
angeordnet ist.
Fig. 7(a) zeigt ein neuntes Ausführungsbeispiel der Bildaufnahmevorrichtung.
Fig. 7(b) ist ein Blockschaltbild, das ein weiteres Beispiel
einer Signalverarbeitungsschaltung zeigt.
Fig. 8(a) ist eine schematische Darstellung eines Filters,
das gemäß einem zehnten Ausführungsbeispiel der
Bildaufnahmevorrichtung angeordnet ist.
Fig. 8(b) ist eine Darstellung elektrischer Ladungen, die
in jeweiligen lichtempfindlichen Bereichen der
Bildaufnahmevorrichtung gemäß dem zehnten Ausführungsbeispiel.
Fig. 8(c) zeigt Beispiele unterschiedlicher Filterkombinationen
für die Bildaufnahmevorrichtung gemäß
dem zehnten Ausführungsbeispiel.
Fig. 9 bis 12 sind Darstellungen von Filtern, die jeweils
gemäß einem elften bis vierzehnten Ausführungsbeispiel
der Bildaufnahmevorrichtung angeordnet sind.
Zunächst soll anhand der Fig. 1 bis 4 das Problem der Farbsignalgewinnung
näher erläutert werden.
Die Fig. 1 zeigt schematisch ein Streifenfarbauszugsfilter
für Rot, Grün und Blau. Es sei angenommen, daß eine übliche
Festkörper-Bildabtastvorrichtung mit 384 Elementen in der
Horizontalrichtung und 490 Elementen in der Vertikalrichtung
in einer Einfarben-Kamera eingesetzt ist. Dies entspricht
einer Horizontalauslese-Taktfrequenz fc der Festkörper-Bildabtastvorrichtung
2fsc=7,16 MHz bei einer Farbhilfsträ
gerfrequenz fsc, die zu 3,58 MHz angenommen ist. Da ein
über ein optisches Aufnahmesystem wie ein Objektiv eintretendes
Bild eines Aufnahmeobjektes mit der Horizontalauslese-Taktfrequenz
abgetastet wird, kann eine Horizontalauflösung
bis zu einem Grad erreicht werden, der der Nyquist-Frequenz
fN=fc/2=3,58 MHz entspricht. Bei der Anordnung nach
Fig. 1 wird nun unter dieser Annahme die Abtastfrequenz
für jede Farbe in der Horizontalrichtung zu fc/3=2,4 MHz.
Damit wird die Bandbreite des Farb- bzw. Farbartsignals
ungefähr 1,2 MHz. Infolgedessen würde ein aus diesem Farbartsignal
erzieltes Leuchtdichtesignal eine Horizontalauflösung
ergeben, die ungefähr einem Drittel derjenigen einer
Einfarben-Kamera entspricht und damit eine schlechte Bildqualität
ergibt.
Nach Fig. 2(a) wird bei einem Verfahren, wie es in der
JP-OS 120 281 angegeben ist, ein Objekt geringer Farbsättigung
als einem einfarbigen Objekt ungefähr gleichartig
angesehen und dementsprechend eine Abtastfrequenz von
fc 1=10,7 MHz auch für ein Farbartsignal angenommen. Es
wird somit davon ausgegangen, daß ein Leuchtdichtesignal-Band
bis zu FN 1=fc 1/2 erzielbar ist. Dieses Verfahren hat
jedoch den Mangel, daß bei einer Farbsättigung des Objekts
eine Überlappungs- bzw. Faltungsstörung auftreten würde.
Wenn ein einfarbiges Objekt (wie beispielsweise eine rote
Blume) aufgenommen wird, wird unter der Annahme, daß die
Frequenzspektrumsverteilung eines Grundbands der durch
eine Kurve A in Fig. 2(b) dargestellten entspricht und
das Signalband durch ein Tiefpaßfilter LPF 1 gemäß der Darstellung
durch die entsprechend bezeichnete Kennlinie in
Fig. 2(a) begrenzt ist, die Abtastfrequenz fc 1/3, da sie
in diesem Fall ausschließlich von dem Rotsignal abhängt.
Daraufhin erscheint in dem Ausgangssignal einer Festkörper-Bildabtastvorrichtung
an dem Grundband-Signal (gemäß der
Kurve A) und an der Frequenz fc 1/3 ein Primär-Seitenbandsignal
B usw. Da jedoch das zum Erzielen eines Leuchtdichtesignals
verwendete Tiefpaßfilter LPF 1 gemäß der Darstellung
in der Fig. 2(b) breitbandig ist, erscheint eine durch
Multiplizieren der durch die Strichlierung in Fig. 2(b)
dargestellten Seitenbandteile mit der Kurve des Filters
LPF 1 erhaltene Komponente als eine Überlappungs- bzw. Faltungsstörung,
die die Bildqualität beträchtlich herabsetzt.
Hinsichtlich der Farbwiedergabe bei dem vorangehend beschriebenen
Verfahren besteht das folgende Problem: Gemäß
Fig. 3(a) ist die Spektralempfindlichkeits-Kennlinie bzw.
Spektralcharakteristik eines Streifenfilters, das gemäß
der Darstellung in Fig. 1 aus den Filtern FR, FG und FCy
zusammengesetzt ist, für das Rotlicht durch die Charakteristik
eines Infrarot-Sparfilters begrenzt. Die Empfindlichkeit
für das Filter für Zyanblau ist durch die Spektralempfindlichkeits-Charakteristik
der Ladungskopplungsvorrichtung
(CCD) bzw. Bildabtastvorrichtung begrenzt. Daher muß
durch Vorwahl und Einstellung der Durchlaßfaktoren jedes
Farbfilters die gesamte spektrale Empfindlichkeitsverteilung
der Bildaufnahmevorrichtung so gestaltet werden, daß sich
eine ungefähr gleichförmige Empfindlichkeitsverteilung
für alle Farben einschließlich Rot, Grün und Zyanblau ergibt.
Bei einer Bildaufnahmevorrichtung der vorangehend beschriebenen
Rot-, Grün- und Zyanblau-Ausführung wird ein Signal
SB für Blau durch Subtrahieren eines Signals SG, das dem
durch das Grünfilter FG durchgelassene Licht entspricht,
von einem Signal SCy erzielt, das dem durch das Zyanblau-Filter
FCy durchgelassenen Licht entspricht. Daher
muß die spektrale Empfindlichkeitsverteilung des Zyanblau-Filters
eine Zusammensetzung aus den Empfindlichkeitsverteilungen
des Blaufilters und des Grünfilters sein,
während sie gemäß der Darstellung in Fig. 3(b) hinsichtlich
der gesamten Empfindlichkeit für Rot und Grün gleichförmig
sein muß. Demgegenüber haben die herkömmlichen Zyanblau-Filter
eine Empfindlichkeitsverteilung gemäß der Darstellung
in Fig. 3(a). Daher wird das durch den vorstehend genannten
Zuordnungsvorgang erzielte Blausignal SB von einem Signal
verschieden, das normalerweise aus einem Blaufilter erzielt
wird. Dies ergibt eine beträchtliche Verschlechterung der
Farbwiedergabe.
Es sei nun die Genauigkeit beim Verkitten der Bildabtastvorrichtung
mit dem Farbauszugsfilter betrachtet. Es sind
verschiedenerlei Arten von Bildabtastvorrichtungen bekannt,
zu denen eine Zwischenzeilen-Ladungskopplungsvorrichtung
(IL-CCD), eine Vollbildübertragungs-Ladungskopplungsvorrich
tung (FT-CCD), ein MOS-Bildsensor usw. zählen. Für die
folgende Beschreibung wird eine Vollbildübertragungs-Ladungskopplungsvorrichtung
gewählt.
Die Fig. 4 ist eine vergrößerte Ansicht, die einen Teil
des Bildaufnahmeteils (bzw. fotoelektrischen Wandlers)
der Vollbildübertragungs-Ladungskopplungsvorrichtung zeigt.
Die Einzelheiten werden später beschrieben. In der Fig. 4
ist mit 3 eine Kanalsperre zum Verhindern des Verteilens
elektrischer Ladung zwischen Horizontalrichtungs-Elementen
bezeichnet. Auf diesen Teil wird das in Fig. 1 gezeigte
Farbauszugsfilter aufgebracht und angekittet. Eine Lichtabschirmschicht
LS dient dazu, den Durchlaß von einfallendem
Licht zu verhindern. Das Farbauszugsfilter bzw. Spektralfarbfilter
besteht aus den Filterteilen Cy, R und G, die
jeweils so ausgebildet sind, daß sie Zyanblaulicht, Rotlicht
bzw. Grünlicht durchlassen. Die Kanalsperre 3 ist normalerweise
mit einer Breite von 2 bis 3 µm ausgebildet, während
die Lichtabschirmschicht LS in gleicher Breite wie die
Kanalsperre 3 ausgebildet ist. Das Filter wird so angekittet,
daß die Kanalsperre 3 und die Lichtabschirmschicht
LS vollständig miteinander übereinstimmen bzw. in Deckung
sind. Wegen der begrenzten mechanischen Genauigkeit des
Verkittens, der Abmessungsgenauigkeit des Bildaufnahmeelements,
der Abmessungsgenauigkeit des Filters usw. ist es
jedoch außerordentlich schwierig, die Genauigkeit beim
Aufbringen des Filters zu steigern. Zusätzlich besteht
an dem Farbauszugsfilter die Neigung einer Verschiebung
infolge einer ungleichmäßigen Spannungsbelastung, die entsteht,
wenn der zum Kitten verwendete Klebstoff aushärtet.
Wenn durch einen Verkittungsfehler beispielsweise der Grünfilterteil
den Bildaufnahmeelement-Teil für das Rotfilter
überdeckt, stellt ein erzieltes Farbartsignal eine Mischfarbe
dar, wodurch die Farbwiedergabe verfälscht wird.
Dabei ist es vorzuziehen, die Breite der Lichtabschirmschicht
LS des Farbauszugsfilters so weit wie möglich zu
verringern. Dies ist deshalb der Fall, weil die Kanalsperre
3 einen bestimmten Grad an Lichtempfindlichkeit hat. Daher
soll die Gesamt-Empfindlichkeit der Kamera durch Steigern
des (Lichtempfangs-)Aperturwirkungsgrads des Bildaufnahmeelements
durch Verringerung der Breite der Lichtabschirmschicht
LS gesteigert werden.
In der Fig. 4 sind transparente Übertragungs-Elektroden
1 aus polykristallinem bzw. poly-Silicium gezeigt. Ein
Filter wird mit den Stellen der Bildelemente so ausgerichtet,
daß in der Horizontalrichtung dieser Bildaufnahmeeinheit
Lichtabschirmschichten LS über den oben bereits genannten
Kanalsperren 3 liegen. Ferner sind mit 2 virtuelle
Elektrodenteile bezeichnet, die durch eine Behandlung,
wie eine Ioneninjektion oder dergleichen, jeweils so ausgebildet
sind, daß sie ständig eine vorgeschriebene Potentialschwelle
bilden. Bildelemente 2 bestehen jeweils aus einer
transparenten Elektrode 1 und einer virtuellen Elektrode 2.
Die Fig. 5(a) bis 5(g) zeigen jeweils die Anordnung von
Spektralfiltern bzw. Farbauszugsfiltern als Filtereinrichtung
der Bildaufnahmevorrichtung gemäß einem ersten bis
siebenten Ausführungsbeispiel. Hierbei zeigen die Fig.
5(a) bis 5(e) Ausführungsbeispiele,
bei denen in der Bildaufnahmevorrichtung
Rot-, Grün- und Zyanblau-Filter angewendet werden. In
diesen Fällen wird ein Zyanblaufilter FCy aus einer Kombination
eines Blaufilters mit einem Grünfilter gebildet.
In diesen Figuren sind mit FB′ Blaufilter bezeichnet,
die als ein dritter Filterteil der Bildaufnahmevorrichtung
dienen; mit FG und FG′ sind Grünfilter bezeichnet,
die gleiche Spektralempfindlichkeit haben und als erster
bzw. zweiter Filterteil der Bildaufnahmevorrichtung dienen;
mit FR sind Rotfilter bezeichnet. Die dargestellte
Kombination hat eine gleichmäßig wiederholte Anordnung.
Das heißt, an einem zweiten Bildelement X der Bildaufnahmevorrichtung
werden anstelle eines Zyanblaufilters FCy das
Grünfilter FG′, das die gleiche Spektralcharakteristik
wie das Grünfilter FG hat, und das Blaufilter FB′, das
die in Fig. 3(a) gezeigte Empfindlichkeitsverteilung
für Blau hat, Seite an Seite aneinander angrenzend angeordnet.
Das Filter FG, das als der erste Filterteil dient,
ist für ein erstes Bildelement Y vorgesehen. Demzufolge
ist die Spektralcharakteristik des aus der Kombination
der Filter FG′ und FB′ gebildeten Filters aus der Spektralcharakteristik
des Grünfilters und derjenigen des
Blaufilters nach Fig. 3(a) im Verhältnis der Flächen der
Filter FG′ und FB′ zusammengesetzt, so daß eine ideale
Empfindlichkeitsverteilung für Zyanblau gemäß der Darstellung
in Fig. 3(b) erzielt werden kann. Für ein drittes
Bildelement Z ist das Filter FR als vierter Filterteil
vorgesehen. Wenn dieses Farbfilter bzw. Farbauszugsfilter
in der Bildaufnahmevorrichtung eingesetzt wird,
wird die Farbwiedergabe-Fähigkeit der Vorrichtung hervorragend.
Selbstverständlich besteht bei der Bildaufnahmevorrichtung
hinsichtlich der Anordnungs-Reihenfolge der
Filter FCy, FG und FR sowie der Reihenfolge der Filter
FB′ und FG′ keine Einschränkung auf die dargestellten
Reihenfolgen.
Bei Beispielen nach Fig. 5(b) bis 5(e) ist das Zyanblaufilter
durch ein Wiederholungsmuster aus vielen Grünfiltern und
Blaufiltern gebildet. Im Falle der Fig. 5(b) ist das
Filter in der Form vertikaler Streifen gebildet, im Falle
der Fig. 5(c) ist das Filter in der Form horizontaler
Streifen gebildet, im Falle der Fig. 5(d) ist das Filter
in der Form eines Mosaiks gebildet und im Falle der Fig. 5(e)
ist das Filter in der Form eines noch feiner aufgeteilten
Mosaiks gebildet. Bei dem in Fig. 5(f) gezeigten
Ausführungsbeispiel wird bei der Bildaufnahmevorrichtung
ein Mosaikfilter verwendet, das für eine Zwischenzeilen-
Ladungskopplungsvorrichtung oder dergleichen verwendbar
ist. Auch in diesem Fall ist das Zyanblaufilter durch
ein Blaufilter zusammen mit einem Grünfilter gebildet.
Bei allen vorstehend beschriebenen Ausführungsbeispielen
ist zwar das Zyanblau-Farbfilter aus einem reinen Blau-
Farbfilter und einem reinen Grün-Farbfilter zusammengestellt,
jedoch besteht bei der Bildaufnahmevorrichtung
keine Einschränkung auf diese Farben, so daß auch Filter
für irgendwelche beliebigen Komplementärfarben verwendbar
sind.
Beispielsweise kann anstelle eines transparenten Filters
eine geeignete Kombination aus einem Rotfilter, einem
Grünfilter und einem Blaufilter verwendet werden.
Die Fig. 5(g) zeigt als ein Beispiel eine Filteranordnung
mit einem derartigen transparenten Filter. In diesem Fall
ist für ein Bildelement X ein Zyanblaufilter vorgesehen,
während für ein Bildelement Y ein Grünfilter und für ein
Bildelement Z ein Weißfilter vorgesehen ist.
Wie aus den vorstehend beschriebenen Ausführungsbeispielen
ersichtlich ist, kann bei der Bildaufnahmevorrichtung
das Einstellen der Spektralcharakteristik der Komplementärfarben-
Filter auf sehr einfache Weise bewerkstelligt
werden. Daher kann bei einer Zusammensetzung der Ausgangssignale
benachbarter Bildelemente die Farbreproduzierbarkeit
bzw. Farbwiedergabe der Bildaufnahmevorrichtung in
einem hohen Grad verbessert werden. Nach Fig. 5(h), die
als ein Beispiel den Aufbau einer Schaltung zur Verarbeitung
eines mit der Filteranordnung gemäß einer der Fig. 5(a)
bis 5(e) erzielten Bildsignals zeigt, enthält die
Schaltungsanordnung eine Bildaufnahmeeinheit 4, die mit
der genannten Filteranordnung ausgestattet ist, ein Tiefpaßfilter
5, das die Hochfrequenzkomponente der Punktefolgen-
Ausgangssignale der Bildaufnahmeeinheit 4 abschneidet,
eine Korrekturschaltung 6, die für verschiedenerlei
Arten von Korrekturen wie eine Gamma-Korrektur, eine
Apertur-Korrektur und so weiter an von dem Tiefpaßfilter
5 abgegebenen falschen bzw. fehlerhaften Signalen ausgebildet
ist, Abfrage/Halteschaltungen 9 bis 11, die jeweils
Farbkomponenten SR für Rot, SG für Grün und SCy
für Zyanblau abtasten und speichern, und einen Subtrahierer
12, der als eine Verarbeitungseinrichtung der Bild
aufnahmevorrichtung dient. Der Subtrahierer 12 subtrahiert
das Ausgangssignal SG der Abfrage/Halteschaltung 10 von
dem Ausgangssignal SCy der Abfrage/Halteschaltung 11,
um dadurch ein einer Blaukomponente entsprechendes Signal
SB zu bilden. Bei der Bildaufnahmevorrichtung ist
das Zyanblaufilter aus einer Kombination des Blaufilters
und des Grünfilters gebildet, wobei gemäß den vorangehenden
Ausführungen die Spektralcharakteristik des Grünfilters
so gewählt ist, daß sie ungefähr derjenigen des
Grünfilters entspricht, das für das Bildelement für eine
Grünkomponente vorgesehen ist. Daher wird als Ausgangssignal
der Verarbeitungsschaltung bzw. des Subtrahierers
12 selten ein fehlerhaftes Signal hinsichtlich der Blau
komponente erzeugt. Die Schaltungsanordnung enthält ferner
Korrekturschaltungen 13, 14 und 15, die jeweils zur
Ausführung verschiedenartiger Korrekturen auf ungefähr die
gleiche Weise wie die Korrekturschaltung 6 ausgebildet
sind, eine Matrixschaltung 7, die aus Farb- bzw. Farbartsignalen
und einem Fehlersignal ein Signal Y und
Farbdifferenzsignale R-Y und B-Y bildet, und einen Codierer
8, der das Signal Y und die Farbdifferenzsignale
zu Fernsehnormsignalen wie NTSC-Signalen moduliert. Mit
den Filteranordnungen gemäß den Fig. 5(f) und 5(g) sind
ferner gleichfalls Fernsehnormsignale auf die gleichartige
Weise wie bei diesem Ausführungsbeispiel erzielbar.
Ein achtes Ausführungsbeispiel der Bildaufnahmevorrichtung
ist in der Fig. 6 gezeigt. Bei diesem Ausführungsbeispiel
besteht ein Farbfilter für eine vorgeschriebene Farbe aus
mehreren Farbfilterteilen einschließlich eines zweiten
und eines dritten Farbfilterteils. Der zweite Farbfilterteil
ist an dem an ein anderes Filter anschließenden Grenzbereich
des Filters bzw. in der Nähe des Rands des Farbfilters
angeordnet. Bei diesem besonderen Beispiel bezieht
sich die folgende Beschreibung des Ausführungsbeispiels
auf ein Farbauszugsfilter bzw. Spektralfarbfilter, das in Verbindung ein
Zyanblaufilter Cy, ein Gelbfilter Ye und ein Grünfilter G
enthält.
In der Fig. 6 sind mit CS 1 bis CS 4 Kanalsperren der
Ladungskopplungsvorrichtung bezeichnet, die an der Rückseite
des Filters angeordnet sind. Gemäß der Darstellung
ist ein zwischen den Kanalsperren CS 1 und CS 2 liegendes
zweites Bildelement X durch einen dritten Filterteil B
und einen zweiten Filterteil G abgedeckt. Aufgrund dieser
Anordnung ist ein Ausgangssignal erzielbar, das einem
Ausgangssignal äquivalent ist, welches durch Abdecken des
Bildelements mit einem Zyanblaufilter erzielt werden
würde. Dabei ist das Grünfilter, das als ein erster Filterteil
dient, für ein erstes Bildelement Y ausgebildet,
das zwischen den Kanalsperren CS 3 und CS 4 liegt. Nimmt
man nun das zwischen den Kanalsperren CS 1 und CS 2 liegende
Bildelement X als Beispiel, so sind die in der Horizontalrichtung
einander gegenüberliegenden Endteile des
Bildelements, nämlich die Kanalsperren CS 1 und CS 2 sowie
an die Kanalsperren angrenzende Teile P und Q durch Grünfilter
abgedeckt, die als zweite Filterteile dienen. Daher
bleibt selbst dann, wenn die Lage des Farbauszugsfilters
in den Richtungen des Doppelpfeils D abweichen würde, die
Gesamtfläche der Grünfilter über den Umfangs- bzw. Randteilen
P und Q des Bildelements unverändert. Eine gewisse
Lageabweichung, die bei dem Anbringen des Filters vor dem
Bildaufnahmeelement auftreten könnte, führt daher zu keiner
nachteiligen Auswirkung. Der Filterteil Ye für Gelb und der
Grün-Filterteil G sind gleichermaßen angeordnet und ergeben
den gleichen Vorteil.
Das heißt, das Grünfilter überdeckt die Kanalsperren CS 3 und
CS 4. Daher bleibt das Ausgangssignal des Bildelements
zwischen den Kanalsperren CS 3 und CS 4 völlig unbeeinflußt
von irgendeiner Lageabweichung des Filters. Dies
erlaubt bei dem Befestigen des Farbauszugsfilters an dem
Bildaufnahmeelement in dem Herstellungsprozeß die Verwendung
eines Klebstoffs in einer Schicht, die dicker als
die herkömmlicherweise verwendete Klebstoffschicht ist.
Darüber hinaus tritt selbst dann niemals eine Farbmischung
auf, wenn der Pupillenort eines Aufnahmeobjektivs näher
liegt.
Bisher war bei dem Ankitten eines Filters an eine Ladungs
kopplungsvorrichtung oder dergleichen mit einem Klebstoff
eine Beschränkung der Dicke der Klebstoffschicht auf einen
10 µm nicht übersteigenden Wert notwendig, da dann, wenn
die Dicke diesen Wert übersteigt, der Zwischenraum zwischen
dem Filter und der Ladungskopplungsvorrichtung
ein "Übersprechen" bzw. eine Überschneidung herbeiführen
würde, falls nicht ein Objektiv großer Blendenöffnung
verwendet wird, dessen Pupille in einem größeren Abstand
liegt. Bei dem Ausführungsbeispiel der Bildaufnahmevorrichtung
wird dieses Problem dadurch gelöst, daß die Gefahr
des Auftretens irgendeines Übersprechens
ausgeschaltet wird. Somit erlaubt das Ausführungs
beispiel den Einsatz eines kleinen Aufnahmeobjektivs.
Zusätzlich hierzu besteht ein weiterer Vorteil dieses
Ausführungsbeispiels darin, daß ein Fehler bei dem
Verkitten zwischen dem Filter und dem Bildaufnahmeelement
vernachlässigbar ist, der auf einer ungleichmäßigen
Spannungsbelastung beruht, welche während der Aushärtungszeit
des Klebstoffs entsteht.
Ferner wurde festgestellt, daß für eine verbesserte Massen
produktivität und eine verbesserte Ausbeute die Filter
verkittungsgenauigkeit, für die bisher eine Genauigkeit
von weniger als 0,5 µm erforderlich war, bis zu 3
bis 4 µm zulässig wird. Darüber hinaus verringert die bauliche
Anordnung bei dem Ausführungsbeispiel die Möglichkeit
einer Farbmischung und einer Farbausgleich-Abweichung.
Nach Fig. 7(a), die ein Farbauszugsfilter gemäß einem
neunten Ausführungsbeispiel der Bildaufnahmevorrichtung
zeigt, ist das Filter folgendermaßen ausgebildet: Die
Grenzen und Umfangsteile aller Teilfilter sind so ausgebildet,
daß sie die Farbe entweder des ersten oder des
zweiten Filterteils gemeinsam haben. Durch die Anwendung
dieser Anordnung ist es möglich, eine Lageversetzung des
Filters nicht nur in der Horizontalrichtung, sondern auch
in der Vertikalrichtung auszugleichen.
Die Fig. 7(b) zeigt als ein Beispiel eine Signalverarbeitungs
schaltung, die für die Filteranordnungen gemäß den
Fig. 6 und 7(a) geeignet ist. In dieser Fig. 7(b) sind
mit den in Fig. 5(h) gezeigten Teilen identische Teile
mit den gleichen Bezugszeichen wie in Fig. 5(h) bezeichnet.
Die Signalverarbeitungsschaltung enthält einen Subtrahierer
16, der als Verarbeitungseinrichtung der Bild
aufnahmevorrichtung dient. Der Subtrahierer 16 bildet
ein Rotsignal SR durch Subtrahieren eines Grünkomponentensignals,
das als Ausgangssignal der Abfrage/Halteschaltung
10 gewonnen wird, von einem Gelbkomponentensignal
SYe, das als Ausgangssignal einer Abfrage/Halteschaltung
17 erzielt wird.
Ein Vorteil bei diesem Ausführungsbeispiel liegt auch
darin, daß mit der Filteranordnung gemäß der Darstellung
in Fig. 6 und 7(a) selten falsche Signale erzeugt werden.
Es ist ferner selbstverständlich, daß statt des Anklebens
des Filters mittels eines Klebstoffs das Filter direkt
auf dem Bildaufnahmeelement ausgebildet werden kann,
um eine weitere Verbesserung hinsichtlich der Massen
produktivität zu erreichen.
Durch die Anordnung der Farbfilter an den Stellen der
Lichtabschirmteile auf den Kanalsperren wie im Falle
dieser Beispiele wird der Apertur-Wirkungsgrad verbessert.
Ein weiterer Vorteil liegt darin, daß die Empfindlichkeit
der Kanalsperren wirkungsvoll genutzt werden kann. Ein
nächster Vorteil besteht darin, daß durch das Anordnen
der Grünfilter als Farbfilter auf den Kanalsperren das
Verhältnis der Grünkomponente zu der gesamten Filteranordnung
gesteigert wird, woraus ein hervorragendes Auflösungsvermögen
resultiert. Weiterhin zeichnet sich das Ausführungsbeispiel
auch hinsichtlich der Farbreproduzierbarkeit
bzw. Farbwiedergabe aus.
Vorstehend wurde die Verwendung einer Vollbildübertragungs-
Ladungskopplungsvorrichtung (FT-CCD) bei der Bildaufnahmevorrichtung
beschrieben. Bei der Bildaufnahmevorrichtung
ist jedoch ohne irgendwelche Schwierigkeiten auch eine
Zwischenzeilen-Ausführung oder MOS-Ausführung anwendbar.
In der Fig. 8 ist ein zehntes Ausführungsbeispiel der
Bildaufnahmevorrichtung gezeigt. In diesem Fall sind
mehrere Farbfilter für mindestens einige Bildelemente
vorgesehen, wobei diese Farbfilter so angeordnet sind,
daß sie einander teilweise überlappen. Nach Fig. 8 wird
jede Kanalsperre CS beispielsweise dadurch hergestellt,
daß in einem P-Halbleitersubstrat eine P⁺-Zone
dispergiert wird. Mit PS ist ein fotoempfindlicher Bereich
(bzw. ein Element) bezeichnet, der zwischen den
Kanalsperren CS eingefügt ist. Das Ausführungsbeispiel
weist eine Isolierschicht IL aus SiO₂ oder dergleichen,
transparente Elektroden TE, die zum Steuern des Potentialpegels
des fotoempfindlichen Bereichs (Elemente) PS
über die Isolierschicht ausgebildet sind, und Farbfilter
F 1 und F 2 auf, die in Kombinationen gemäß der Darstellung
in Fig. 8(c) ausgebildet sind. Die Fig. 8(c) zeigt verschiedene
Kombinationen (1), (2) und (3) der Farbfilter
F 1 und F 2. Von diesen verschiedenen Kombinationen ist
in den Fig. 8(a) und 8(b) die Kombination (1) dargestellt.
Im einzelnen ist angenommen, daß die Filter F 1 und F 2
Filter für die Farben Zyanblau Cy bzw. Gelb Ye sind.
Gemäß der Darstellung in der Fig. 8(a) sind die durch die
Filteranordnung durchgelassenen Farbkomponenten in einer
wiederkehrenden Weise zu G, Cy, G, Ye, G, Cy, G, Ye usw.
angeordnet. Daher werden jeweils an den fotoempfindlichen
Bereichen C 1 bis C 6 (PS) elektrische Ladungen gespeichert,
die Farbkomponenten G, Cy + Δ G, Ye + Δ G, G, Cy + Δ G,
Ye + Δ G entsprechen. Auf diese Weise sind die Elemente
C 1 und C 4, die als ein erstes Bildelement dienen, mit
einem ersten Filterteil aus den Filtern F 1 und F 2 versehen.
Die Elemente C 2 und C 5, die als ein zweites Bildelement
dienen, sind nicht nur mit einem zweiten Filterteil, der
gleichfalls aus den Filtern F 1 und F 2 besteht, sondern
auch mit einem dritten Filterteil versehen, in welchem
allein das Filter F 1 enthalten ist.
Das Ausführungsbeispiel hat ferner ein dritten Bildelement,
das durch die Elemente C 3 und C 6 gebildet ist. Das
dritte Bildelement ist mit dem zweiten Filterteil aus
den Filtern F 1 und F 2 und einem vierten Filterteil versehen,
das allein aus dem Filter F 2 besteht. Mit dieser
Anordnung können allein durch Kombinieren zweier Farbfilter
drei Arten von Punktefolgen-Farb- bzw. Farbartsignalen
gebildet werden.
Da Filter für Komplementärfarben verwendet werden, wird
selbst bei der Überlappung dieser Filter eine ausreichende
Empfindlichkeit aufrechterhalten. Falls das Farbauszugsfilter
mit Filter für reine Farben gebildet wird,
sperren Überlappungsteile der Filter das Licht, wenn die
Umfangsteile der Filter einander überlappen. Dies würde
zu einem geringeren Apertur-Wirkungsgrad führen. Falls im
Gegensatz dazu zwischen diesen Reinfarben-Filtern eine
Lücke besteht, würde diese Lücke ein Weißsignal W ergeben,
was zu einem falschen Signal führen würde. Demgegenüber
wird gemäß dem Ausführungsbeispiel der Bildaufnahmevorrichtung
an solchen Überlappungsteilen ein ausreichender
Empfindlichkeitsgrad beibehalten. Darüber hinaus ist
bei dem Ausführungsbeispiel im Vergleich zu einem Farbauszugsfilter,
das aus Reinfarben-Filtern zusammengesetzt
ist, der Pegel des auf den jeweiligen fotoempfindlichen
Bereich fallenden Lichts höher.
Die Kombinationen (2) und (3) nach Fig. 8(c), bei welchen
die Filter F 1 und F 2 für die Farben Zyanblau Cy und
Magentarot Ma bzw. Gelb Ye und Magentarot Ma ausgebildet
sind, ergeben gleichfalls dieselbe vorteilhafte Wirkung.
Ferner kann im Falle der Filteranordnung mit der Kombination
(1) nach Fig. 8(c) die Schaltung nach Fig. 7(b) ohne
irgendeine Abwandlung dadurch verwendet werden, daß bei
dem Abfrage/Haltevorgang die Ausgangssignale der Elemente
(fotoempfindlichen Bereiche) C 1 bis C 4 der Abfrage/
Halteschaltung 10 nach Fig. 7(b) zugeführt werden und die
Ausgangssignale der Elemente C 3 und C 6 der Abfrage/
Halteschaltung 17 zugeführt werden.
In den Fig. 9 bis 12 sind ein elftes bis vierzehntes
Ausführungsbeispiel der Bildaufnahmevorrichtung gezeigt.
In diesen Fig. 9 bis 12 sind verschiedene Beispiele von
Farbfilterkombinationen dargestellt, wobei mit CS bzw. PS
jeweils Kanalsperren bzw. fotoempfindliche Bereiche bezeichnet
sind.
Im Falle der Fig. 9 wird eine Gelb-, Weiß- und Zyanblau-
Streifenfilteranordnung verwendet. Ein Weißfilter W wird
in den Randbereichen zwischen einem Farbfilter und dem
anderen Farbfilter eingesetzt. Bei dem in Fig. 10 gezeigten
Ausführungsbeispiel wird eine Blau-, Weiß-, Rot- und
Weiß-Streifenfilteranordnung verwendet, wobei an den
Randbereichen zwischen einem Farbfilter und dem nächsten
Farbfilter ein Weißfilter angeordnet ist. Im Falle der
Fig. 11 wird eine Streifenfilteranordnung mit der Farbenfolge
Gelb Ye, Weiß W, Zyanblau Cy und Weiß W oder Gelb
Ye, Grün G, Zyanblau Cy und Grün G verwendet. Die Fig. 12
stellt einen Fall dar, bei dem bei der Bildaufnahmevorrichtung
eine Streifenfilteranordnung verwendet wird, die
aus einer Kombination von Farbfiltern Ye, G und Cy, R, G
und Cy oder Ye, G und Ma besteht. Bei jedem dieser in den
Fig. 9 bis 12 gezeigten Ausführungsbeispiele sind für zumindest
einige Bildelemente mehrere Komplementärfarbenfilter
vorgesehen, um eine Verbesserung hinsichtlich der
Empfindlichkeit der Filter und der Überlappungsteile derselben
zu erreichen. Mit diesen Filteranordnungen kann
der Apertur-Wirkungsgrad verbessert werden.
Die Filteranordnung der Bildaufnahmevorrichtung ergibt
Farbsignale hoher Qualität mit praktisch unverfälschten Signalen
durch die Verwendung der Filteranordnung in Verbindung
mit der Signalverarbeitungsschaltung, die eine
Verarbeitungseinrichtung gemäß der Darstellung in Fig. 5(h)
oder Fig. 7(b) enthält.
Claims (6)
1. Bildaufnahmevorrichtung mit einer Bildaufnahmeeinheit,
die eine Anzahl von Bildelementen aufweist und ein optisches
Bild in elektrische Bildinformation umsetzt, und mit mehreren
auf der Bildaufnahmeeinheit angeordneten Spektralfarbfiltern,
die Licht auf zugeordnete Bildelemente übertragen, dadurch
gekennzeichnet, daß alle im Bereich der horizontalen Bildelement
grenzen angeordneten Filterteile der Primärfarben (R,
G, B), die für sich allein oder zusammen mit anderen Filterteilen
die vorbestimmten Spektralfarbfilter (Cy, Ye, G)
für die einzelnen Bildelemente bilden, die Grenzen (CS₁
CS₂, CS ₃) der den jeweiligen vorbestimmten Spektralfarbfiltern
zugeordneten Bildelemente zumindest in horizontaler
Richtung überlappen.
2. Bildaufnahmevorrichtung nach Anspruch 1, dadurch
gekennzeichnet, daß die Bildaufnahmeeinheit (4) eine Festkörper-
Bildabtastvorrichtung aufweist.
3. Bildaufnahmevorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch
gekennzeichnet, daß der zweite Filterteil (G) eine
Erweiterung des ersten Filterteils (G) ist.
4. Bildaufnahmevorrichtung nach einem der Ansprüche
1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der zweite Filterteil
(G) und der dritte Filterteil (B, Cy) über dem zweiten Bildelement
(X, Z) aneinandergrenzen.
5. Bildaufnahmevorrichtung nach einem der Ansprüche
1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der zweite Filterteil
(G) und der dritte Filterteil (B, Cy) an dem zweiten Bildelement
(X, Z) in einem streifenförmigen Wiederholungsmuster
angeordnet sind.
6. Bildaufnahmevorrichtung nach einem der Ansprüche
1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der zweite Filterteil
(G) und der dritte Filterteil (B, R) an dem zweiten Bildelement
(X, Z) in einem mosaikartigen Wiederholungsmuster angeordnet
sind.
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