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Bildwandlersystem mit Halbleiter-Flächensensor
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Die Erfindung betrifft eine Anordnung zur elektrischen Bildwandlung
mit Halbleiter-Flächensensoren z.B. für den Einsatz in Videokameras, bei der ein
Bild durch ein geeignetes Objektiv auf die Sensorfläche projiziert wird und die
photoempfindliche Fläche des Halbleitersensors aus einzelnen Haibleiterzeilen und
die Zeilen aus einzelnen Halbleiterpunkten bestehen und das Auslesen der Bildinformation
durch Frame-, gegebenenfalls auch durch Interline-oder Punkttransfer erfolgt.
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Halbleiter-Flächensensoren für Bildwandler mit einer vergleichbaren
Auflösung gegenüber herkömmlichen Röhrenkameras sind nicht verfügbar. Der Aufwand
für die Herstellung von Halbleiter-Flächensensoren hoher Bildpunktezahl ist groß
und die Produktionsausbeute bei der Herstellung gering. In der Fachzeitschrift "Fernseh-
und Kino-Technik" Jg. 37, 1983, Heft 5, Seite 140-142, sind der Stand der Technik
und neuere Entwicklungen bei Kameraröhren und -;albleitersensoren für Fernsehkameras
dargestellt. Halbleitersensoren sind den Röhrenwandlern hinsichtlich Geometrieverzerrungen,
Trägheit, Abgleich, Konvergenzfehler, Nachziehen und zum Teil auch Störabstand überlegen.
Die schlechte Bildauflösung und der hohe Preis verhinderten bis heute den Einsatz
von Halbleiter-Flächensensoren in Fernsehkameras für allgemeine Anwendungen (Reportage-
und Heimkameras). Eine Verbesserung der Bildauflösung, wie aus dem Bericht in "Markt
und Technik?, 1983, Nr.17, Seite 15-17, von der International Solid State Circuit
Conference (ISSCC) zu entnehmen ist, wird gegenwärtig nur durch eine weitere Erhöhung
der Bildpunktezahl des Halbleitersensors erreicht.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, das AuSlösungsvermögen von
Videokameras mit Halbleiter-Flächensensoren durch eine mechanisch-optische Anordnung
wesentlich zu verbessern und damit den Anforderungen der Praxis zu entsprechen0
Mit Hilfe eines geeigneten Objektivs wird wie bei bekanntten Bildwandlerelementen
in Videokameras zunächst durch Variation der Bildweite ein scharfes Bild in einer
Bildebene erzeugt, in der die photoempfindliche Oberfläche eines Halbleiter-Flächensensors
liegt. Durch Einbringen einer dünnen planparallelen optischen Platte in den Strahlengang
zwischen Objektiv und Bildebene erfolgt erfindungsgemäß durch Einstellen eines bestimmten
Drehwinkels um eine senkrecht zum Meridionalschnitt stehende Achse eine definierte
Bildversetzung (Fig.1), die eine Funktion des Winkels « und der Dicke d der planparallelen
optischen Platte ist. Durch zwei- oder mehrmalige Bildversetzung synchron zur gewählten
Bildauslesefrequenz eines niedrig auflösenden Halbleitersensors in vertikaler und/oder
horizontaler Richtung erhält man eine entsprechend erhöhte Auflösung des auf die
Halbleiterfläche projizierten Bildes, die sich im einfachsten Fall bereits verdoppelt.
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Die Größe der Bildversetzung beträgt dabei je nach Auf lösungsvervielfachung
ganzzahlige Bruchteile des Abstandes der Halbleiter-Zeilen bzw. -Spalten. Dabei
wird die hohe Bildpunktfokus si erung in einem Halbleiter-Flächensensor ausgenutzt.
Das Verhältnis von Bildpunkteabstand zu Bildpunktedurchmesser bestimmt den maximal
möglichen Auflösungsgewinn, Fig.1 zeigt die prinzipielle optisch-mechanische Anordnung
ohne Antrieb z.B. für die Verwendung nach dem Zeilensprungverfahren, ohne daß eine
Signalzwischenspeicherung erforderlich ist. Die Empfindlichkeit der mechanischoptischen
Anordnung bleibt gegenüber Fertigungs-, Lagertoleranzen und Vibration gering. Dies
zeigen die partiellen Ableitungen (2) und (3) für das System optische Platte und
Bildsensor0
n,n - Brechungsindex des optischen Materials - - Einfallswinkel zur Flächennormalen
d - Plattendicke v - Versetzung Eine weitere Möglichkeit der Bildversetzung kann
durch Anwendung des bekannten longitudinalen Effekts in einem anisotropen Stoff
(Kristall) erreicht werden. Fig.2 zeigt die prinzipielle Anordnung. Die Dicke des
Kristalls 6 wird so gewählt, daß die Phasendifferenz zwischen den Teilwellen t ist.
Beim Anlegen der Spannung wird die Schwingungsebene um 90° umgeschaltet. Die Kombination
dieses elektrooptischen Schalters mit einer planparallelen Kristallplatte 7 ermöglicht
das Ansteuern unterschiedlicher Positionen und somit eine durch die angelegte Spanrung
X verursachte Bildversetzung. Diese Anordnung setzt polarisiertes Eingangslicht
voraus; sie hat jedoch den Vorteil, daß keine mechanisch bewegten Teile vorhanden
sind.
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Für die technische Ausführung eines hochzeilen Rernsehsystems, das
kompatibel zum eingeführten Fernsehsystem ist und bei der ein niedrig auflösender
Halbleitersensor verwendet wird, ergibt sich eine einfache technische Realisierungsmöglichkeit,
wie sie in der Ausführung III beschrieben ist.
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Beschreibung von Ausführungsbeispielen I. Frametransfer (COD-System)
Bildsensoren auf CCD-Basis (Charge Coupled Devices) besitzen einen internen Zwischenspeicher.
Der Bildzwischenspeicher dient dabei zur Aufnahme des vollständigen Ladungsmusters
durch Ladungsverschiebung, die innerhalb eines Bruchteils der für die Belichtung
der photoempfindlichen Halbleiterfläche erforderlichen Zeit erfolgt. Durch eine
definierte Bildversetzung nach dem beschriebenen Verfahren synchron zur Bildauslesefrequenz
werden die zwischen den Haibleiterzeilen liegenden Bildpunkte in der nächsten Bildphase
ausgelesen. Die gewandelte Bildpunktezahl ist bereits bei einmaliger Bildversetzung
doppelt so groß wie die Bildpunktezahl des Halbleitersensors. Für die Anwendung
nach dem Zeilensprungverfahren stehen 18,4 ms für die Integrationsphase und 1,6
ms für die Ladungsverschiebung und Plattenumschaltung zur Verfügung. Eine Anordnung
nach Figo 3 mit der Optik 4 und dem Halbleitersensor 3 kann verwendet werden. Dabei
wird die optische Platte 1 als Kreisscheibe mit Massenausgleich 5 nach Fig.4 ausgeführt
und durch einen Motor 2 angetrieben. Gegenüber einer schwingenden Platte ergeben
sich die Vorteile: - keine mechanische Wechselbeanspruchung - keine Geräuschentwicklung
geringes Drehmoment (nur Reibungsverluste) - einfacher Aufbau.
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Die Synchronisation der Drehzahl (Frequenz und Phase) des Motors ist
mit lieferbaren integrierten Schaltkreisen durchführbar. Als Meßwertgeber für die
Synchronisation kann z.B.
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eine fadenförmige Markierung in der Kreisscheibe dienen, die durch
ein externes Photoelement oder durch die im Halbleitersensor vorhandenen Photoelemente
abgetastet wird.
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Umgekehrt könnte auch die stabilisierte Drehzahl des Motors den Bildauslesetakt
bestimmen. Für eine weitere Vervielfachung der Auflösung kann die Scheibe in entsprechende
Segmente eingeteilt werden. Die einzelnen Segmente unterscheiden sich durch die
Plattendicke und/oder durch ihren Winkel oC voneinander.
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Eine Schärfeverbesserung durch eine geringere Schnittweitenänderung,
insbesondere in einem extrem nichtparaxialen Strahlengang, kann durch Verwendung
eines Collimanars erreicht werden.
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II. Interlinetransfer (CID-System) Bildsensoren auf CID-Basis (Charge
Injektion Device) besitzen einen internen Zeilenspeicher. Das Bildsignal kann direkt
durch entsprechende Adressierung der Bildzeilen (auch Bildpunkte) abgefragt werden.
Wegen der erforderlichen Integrationszeit wird die Zeile kurz vor dem Plattenumschaltpunkt
ausgelesen. Die synchrone Steuerung erfolgt durch Markierung in der optischen Platte.
Ein Sensor, der auf der Bild-Halbleiterfläche mit integriert sein kann, erkennt
dabei den Plattenwechselpunkt und adressiert die auszulesende Zeile. Als optische
Platte kann eine segmentierte Kreisscheibe oder ein umlaufendes Plattenband verwendet
werden.
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III. Kompatibles HDTV-System Eine erhöhte Auflösung und Kompatibilität
zum jetzigen Fernsehsystem erhält man unter Verwendung des beschriebenen Verfahrens
durch Teilung des Vollbildes in vier Teilbilder.
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Die Bildfolgefrequenz für eine erhöhte Auflösung beträgt dabei 12,5
Hz. Eine Bandbreitenerhöhung ist daher nicht erforderlich und die ualitat des jetzigem
Systems wird unwesentlich beeinträchtigt. Bei Benutzung eines SmpfGngers mit doppelter
Zeilenzahl (1250) wird die zusätzliche Bildinformation voll ausgewertet. Ein Fernsehempfänger
mit der einfachen Zeilenzahl (625) nach dem eingeführten System gibt das 3. Teilbild
als 1. Teilbild und das 4. Teilbild als 2. Teilbild des nächsten Vollbildes wieder.
Der zu verwendende Halbleiter-Flächensensor benötigt nur 1/4 der Zeilenzahl gegenüber
bekannten Verfahren.
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