DE3412861A1 - Rauscharme schwarzpegelbezugsschaltung fuer bildaufnahmeeinrichtungen - Google Patents

Description

RCA 79555 Sch/Vu
U.S. Ser. No. 482,855
vom 7. April 1983

RCA Corporation, New York, N.Y. (V.St.A.)

Rauscharme Schwarzpegelbezugsschaltung für

Bildaufnahmeeinrichtungen

Die Erfindung betrifft eine Verarbeitungsschaltung für Ausgangssignale von Bildaufnahmeeinrichtungen, wie sie in Fernsehkameras verwendet werden, und bezieht sich insbesondere auf eine Signalverarbeitungsschaltung zur Verringerung niedrigfrequenten Rauschens, welches in einem Wiedergabebild eines Festkörperbildwandlers, wie etwa einem CCD-Bildwandler, auftreten kann.

Die Erfindung sei beispielsweise mit Bezug auf CCD-Bildwandler vom Halbbildübertragungstyp beschrieben, die ein Bildregister (A-Register), ein Speicherregister (B-Register) und ein Ausleseregister (C-Register) aufweisen. Das Α-Register enthält eine Matrix aus lichtempfindlichen Elementen, welche Strahlungs-Photonenenergie erhalten, also Licht von einer Aufnähmeszene. Proportional zur Intensität der Strahlungsenergie werden Ladungen erzeugt, und die akkumulierte Ladung wird für einen gewissen Zeitraum gespeichert, der im Falle eines Fernsehsignals kürzer als ein Halbbild ist. Während des Vertikalaustastintervalls wird die akkumulierte Ladung unter Steuerung durch Taktsignale spaltenweise vom Α-Register in B-Register überführt. Während des Horizontalaustastintervalls wird eine Horizontal-Ladungszeile unter Steuerung durch ein Taktsignal parallel in das C-Register verschoben. Während des aktiven Teils einer horizontalen Fernseh-

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zeile werden die Ladungspakete unter Steuerung durch ein Taktsignal seriell aus dem C-Register ausgelesen. Während des nächsten Horxzontalaustastxntervalls wird die nächste Horizontalzeile vom B-Register parallel in das C-Register verschoben. Auf diese Weise werden alle im B-Register gespeicherten Zeilen in das C-Register verschoben und aus diesem ausgelesen. Nach dem Auslesen eines Halbbildes aus dem B-Register ist dieses zur Aufnahme eines weiteren Halbbildes aus akkumulierten Ladun- gen aus dem Α-Register bereit. Die hier beschriebene Erfindung ist jedoch nicht auf Bildwandler vom Ladungsübertragungstyp begrenzt, sondern ist auch auf andere Einrichtungen anwendbar, beispielsweise Bildwandler vom Zwischenzexlenübertragungstyp.

Das Ausgangssignal des C-Registers kann mit Hilfe eines potentialfreien Diffusionsgebietes (floating diffusion) eines auf einem Halbleiterchip aufgebauten Ladungs/Spannungs-Konverters abgefühlt werden. Das von diesem potentialfreien Diffusionsgebiet abgeleitete Ausgangssignal wird mittels eines MOSFET-Verstärkers gepuffert, der im Sinne einer niedrigen Eingangskapazität auf demselben Halbleiterchip wie der Bildwandler ausgebildet ist. Solche mit CCD-Herstellungsverfahren kompatible Transistoren weisen jedoch eine starke Rauschabhängigkeit mit 1/f auf, das heißt, daß die Rauschenergie pro Bandbreiteneinheit mit abnehmender Frequenz zunimmt. Speziell ist dieses Rauschen im Bereich von Gleichstrom bis 100 kHz lästig und führt zu zufälligen Horizontalstreifen und Flackern des Wiedergabebildes, was bei schwacher Beleuchtung sichtbar in Erscheinung tritt.

Weiterhin treten bei CCD-Bildwandlern, deren Ausgangsstufen potentialfreie Diffusionsgebiete haben, Rücksetzstörungen auf (reset noise). Nachdem ein akkumuliertes Ladungspaket abgefühlt worden ist, wird das potentialfreie Diffusionsgebiet zurückgesetzt, um die Ladungszuführung

während des nächsten Taktimpulses vorzubereiten. Diese RücksetζStörungen resultieren aus dem Rücksetzen des potentialfreien Diffusionsgebietes zur Rücksetz-Drainzone durch einen mit thermischem Rauschen modulierten leitenden Kanal.

Die bekannte Verwendung einer korrelierten Doppelabtastung (CDS) in Verbindung mit CCD-Bildwandlern, welche Ausgangsstufen mit potentialfreien Diffusionsgebieten aufweisen, werden die Störungen beim Rücksetzen der potentialfreien Diffusionsgebiete stark verringert und niederfrequentes Verstärkerrauschen unterbunden. CCD-Schaltungen zur Verwendung bei mit sichtbarem Licht arbeitenden CCD-Bildwandlern sind gebaut worden und ergeben erhebliche Verbesserungen bei schwachem Licht. Jedoch kann das auftretende Hochfrequenzrauschen, welches den Schwarzbezugswert moduliert, bei einigen Systemen in niederfrequentes Rauschen umgewandelt werden. Gemäß der Erfindung läßt sich eine weitere Reduzierung des niederfrequenten Rauschens eines CCD-Bildwandlersystems erreichen.

Die Erfindung betrifft somit allgemein eine Videosignalerzeugungseinrichtung mit

(a) einem zeilenweise abgetasteten Bildwandler, der an 5 einer Ausgangsstufe ein Videosignal liefert, welches aus Signalen besteht, die Lichtwerten in aufeinanderfolgenden Bildelementen (Pixels) während mit Pixelintervallen abwechselnden Rücksetz-Intervallen darstellen,
(b) einer ersten Klemmschaltung, welche das Videosignal

zwischen den Pixelintervallen auf ein Bezugspotential klemmt, um Rücksetz-Störungen zu entfernen, die in der Ausgangsstufe des Bildwandlers auftreten, (c) einer zweiten Klemmschaltung, die das Videosignal während mindestens einem Teil eines Ablenkzeilenintervalls des Videosignals auf einen Bezugspegel klemmt, wobei dieser Zeilenteil außerhalb des aktiven

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Videoteils der Zeile liegt,

(d) und mit einer Wechselspannungskopplung zwischen den Klemmschaltungen.

Wenn Störungen oder Rauschen, welches während des außerhalb des aktiven Teils liegenden Teils jeder Zeile auftritt, vom mittleren Schwarzpegel abweicht, dann besteht die Neigung, daß die zweite Klemmschaltung die Wechselstromkopplung auf einen atypischen Schwarzpegel auflädt und so eine niederfrequente Rausch- oder Störkomponente zu dem zweimal geklemmten Signal hinzuaddiert. Das verbreiterte niederfrequente Rauschen erscheint auf dem
Bildschirm als horizontale Streifen.

Gemäß der Erfindung ist zur Verringerung dieses Effekts zwischen der ersten Klemmschaltung und der Wechselspannungskopplung eine Schalteranordnung enthalten, welche
der Wechselspannungskopplung abwechselnd zuführt
I. das geklemmte Videosignal von der ersten Klemmschaltung während des aktiven Videoteils eines Ablenkzeilenintervalls und

II. ein Bezugspotential während eines außerhalb des aktiven Videoteils liegenden Zeilenintervalls.

Wenn die zweite Klemmschaltung also während des zuletzt erwähnten Zeilenabschnittes arbeitet, dann tut sie dies während einer Zeit verringerter Störungen aufgrund der
Zuführung des zuletzt erwähnten Bezugspotentials zur
Wechselstromkopplung während dieses Zeilenabschnittes.

Auf diese Weise wird die Erzeugung einer niedrigfrequenten Störkomponente und damit der horizontalen Streifen, herabgesetzt.

In den beiliegenden Zeichnungen zeigen:
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Fig. 1 , teilweise als Blockschaltbild, eine Ausgangsstufe des C-Registers eines CCD-Bildwandlers und

eine damit gekoppelte CDS-Schaltung (correlated

double sampling);
Fig. 2 ein allgemeines Zeitdiagramm zur Erläuterung der Datenübertragung im Bildwandler und der Schaltung nach Fig. 1;

Fig. 3 und 6 Teile eines Fernsehsignals zur Erläuterung

der Erfindung;
Fig. 4 ein Schaltbild eines Teils der Anordnung gemäß

Fig. 1;

Fig. 5 ein Schaltbild einer Sxgnalverarbeitungsschaltung zur Gewinnung von Signalen vom CCD-Bildwandler gemäß den Prinzipien der Erfindung und Fig. 7 detaillierte Zeitdiagramme nach Signalen eines CCD-Bildwandlers aufgrund von Oszillogramm-Photographien.

Gemäß Fig. 1 kann das C-Register 1 nach bekannten Verfahren als Dreifach-Pegel-Polysilizium-CCD-Element ausgebildet sein. Ein P-leitendes Siliziumsubstrat 3 in einem CCD-Bildwandler mit eingebettetem (vergrabenem) Kanal wird so dotiert, daß es einen Kanal aus N-leitendem Material 5 hat, welcher den eingebetteten Kanal definiert, innerhalb dessen Ladungspakete übertragen werden. Einer Mehrzahl von Elektroden 7, 9, 11 werden Phasentaktsignale φ , φ«, φ , zugeführt. Die Anzahl der Elektroden setzt sich nach links über im wesentlichen die gesamte Länge des Substrats 3 fort. Die Details jeder Elektrode sind nicht gezeigt, vielmehr ist ein Block 13 zur Veranschaulichung der einzelnen Elektroden gezeichnet. Es sei bemerkt, daß die einzelnen Elektroden (beispielsweise 7, 9 und 11) nicht überlappend dargestellt sind, während sie jedoch bei einem Dreifach-Pegel-Poly-Element benachbarte Elektroden überlappen. Unter Steuerung der Taktsignale werden die (nicht dargestellten) Ladungspakete nach rechts verschoben. Wenn beispielsweise φ. einen niedrigen oder negativen Pegel annimmt, dann wird das darunter befindliche Ladungspaket fast augenblicklich unter die Elek-

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—ΟΙ trode 9 verschoben. Beim nächsten Zyklus nimmt φ~ einen niedrigen Pegel an, und das Ladungspaket wird fast augenblicklich unter die Elektrode 11 verschoben, usw. Genauere Details der Taktung und Bewegung von Ladungspaketen werden bei der Beschreibung der Fig. 2 gegeben. Wenn die Elektrode 11 ein negatives Potential annimmt, dann wird das Ladungspaket an der mit Gleichvorspannung beaufschlagten Elektrode 15 vorbei in einen potentialfreien oder potentialmäßig schwebenden Diffusionsbereich 19 im Ausgangsabschnitt des CCD-Elementes verschoben. Dieser potentialmäßig schwebende oder schwimmende Diffusionsbereich 19 dient als Sourceelektrode eines Feldeffektelementes mit einem Rückstellgate 21, Gleichspannungsgates 17 und 25 und einer Rückstell-Drainzone 27.

Letztere ist mit einer (nicht dargestellten) positiven Potentialquelle verbunden, um das FET-Element nach jeder Ladungs/Spannungs-Umwandlung zurückzustellen. Dem Gate 21 wird ein Rückstellsignal φ_η zugeführt, das Gate 15 erhält eine Gleichvorspannung zur Abschirmung des Diffusionsbereiches 19 gegenüber den an den Elektroden 7, 9 und 11 auftretenden Taktsignalen. Ähnlich verhindern die Gates 17 und 25, daß das Rücksetz-Taktsignal zum schwimmenden Diffusionsbereich 19 bzw. zur Rücksetz-Drainelektrode 27 gekoppelt werden. Weiterhin verhindern die Gates 15, 17 und 25 im wesentlichen eine Kopplung zufälliger Störsignale in den Takt- und Rücksetzsignalen je nachdem zum Diffusionsbereich 19 oder zur Drainzone 27.

Die Kapazität des Diffusionsbereichs 19 muß klein sein, damit man bei niedrigen Lichtwerten eine brauchbare Ausgangsspannung erhält. Daher umfaßt der Ausgangsabschnitt 29 einen MOSFET-Pufferverstärker mit auf dem Chip befindlichen MOSFET's 31, 33 und 35. Der schwimmende Diffusionsbereich 19 ist mit dem Gate des MOSFET's 31 verbunden, welcher mit dem als Stromquelle geschalteten MOSFET 33 im Sinne niedriger Verzerrungen und hoher Eingangsimpedanz als Sourcefolger geschaltet ist. Der erste Source-

-ιοί folgerausgang ist mit dem Gate des MOSFET 35 gekoppelt, der mit einer außerhalb des Chip befindlichen passiven Last 37 ebenfalls als Sourcefolger geschaltet ist. Die Drainelektroden der MOSFET¹s 31 und 35 sind mit einer Quelle positiver Spannung V_DD verbunden, während Source und Gate des MOSFET 33 an Masse geführt sind. Der Ausgang des MOSFET-Pufferspeichers ist über einen Widerstand 37

mit dem Eingang eines Vorverstärkers A1 verbunden. Generell soll der Widerstand 37 im Sinne großer Bandbreite klein sein, da er einen Spannungsteiler mit dem Innenwiderstand des MOSFET-Pufferverstärkers bildet, der wiederum die Ausgangsspannung herabsetzt. Andererseits soll der Widerstand 37 nicht zu klein sein. Ein Problem bei dem MOSFET-Puff erver stärker besteht darin, daß er ein erhebliches 1/f-Rauschen aufweist, obwohl die niedrige Kapazität des Diffusionsberexchs 19 bei hohen Frequenzen ein hohes Signal/Rausch-Verhältnis ergibt. Ein weiteres Problem bei der Ausgangsstufe des CCD-Elementes besteht in den Rücksetzstörungen, die durch das Zurücksetzen des schwimmenden Diffusionsbereichs 19 auf die Rückstell-Drainzone 27 durch den von thermischem Rauschen modulierten leitenden Kanal 5 entstehen.

Das Ausgangssignal des auf dem Chip befindlichen MOSFET-Pufferverstärkers 29 wird dem Eingang des Vorverstärkers A1 zugeführt, der einen Verstärkungsgrad von über 10 hat. Der Kondensator C1 und der Transistor Q1 bilden eine Klemmschaltung, welche benutzt wird, um den Gleichspannungswert jedes Pixels während der Zeit auf Massepotential zu bringen, wo die Rücksetzstörungen oder das Rücksetzrauschen am schwimmenden Diffusionsbereich vorhanden sind, jedoch ehe die Signalladung eingetroffen ist. Dadurch wird allgemein das Rücksetzrauschen vom Bildelement oder Pixel relativ zu der nachfolgend übertragenen Signalladung entfernt. Das geklemmte Signal wird dem Verstärker A2 zugeführt, welcher allgemein eine hohe Eingangsimpedanz hat und zur Impedanzanpassung als Emitterfolger ausgebil-

det ist. Nachdem die Signalladung zum schwimmenden Diffusionsbereich 19 übertragen ist, wird der Transistor Q2 eingeschaltet, um das Signal abzutasten, welches dann auf dem Kondensator C2 gespeichert wird: Q2 und C2 bilden eine Abtast- und Halteschaltung. Der Zyklus des Klemmens sowie Abtastens und Haltens wird für jedes Bildelemente ausgeführt. Nach der CDS-Verarbeitung wird das Signal einem Verstärker A3 zugeführt, der ebenfalls einen Emitterfolger zur Impedanzanpassung an den Kondensator C3 und einen Transistor Q3 enthalten kann. C3 und Q3 bilden eine Klemmschaltung, die für die zeilenweise Schwarzpegelklemmung während des Horizontalaustastintervalls verwendet wird. Der Kondensator C3 und der Transistor Q3 sind ein Teil der nächfolgenden Videosignalverarbeitungsschaltung, die zur Dynamikbereicheinstellung, Schwarzpegelwiedergewinnung usw. dient. In einem Videosystem mit Wechselspannungskopplung des Videoausgangssignals können mehrere Schwarzpegelklemmschaltungen zum zeilenweisen Klemmen des Schwarzpegels verwendet werden. Die späteren Stufen des Videosignalverarbeitungsverstärkers sind nicht gezeigt.

Eine detailliertere Erläuterung der Ladungsübertragung bei einer CCD- und CDS-Signalverarbeitung sei anhand von Fig. 2 gegeben. Fig. 2 zeigt die Formen verschiedener Signale, wie sie bei einer Dreiphasen-CCD-Fernsehkamera auftreten. Die Signalformen a, b und c veranschaulichen die Signale φ.., Φ₂ und φ_ (mit einem etwas größeren Tastverhältnis als 1/3) , welche jeder dritten Elektrode des CCD-C-Registers, also den Elektroden 7, 9 bzw. 11 zugeführt werden. Die Signalform d veranschaulicht das Rücksetzsignal φ_., das zum Zurücksetzen des schwimmenden Diffusionsbereichs nach dem Auslesen der Signalladung benutzt wird. Das Videosignal am Ausgang des Halbleiterchips, also die Spannung am Sourcebereich des auf dem Chip befindlichen Pufferspeicher-MOSFET 29, wird durch die Signalform e dargestellt. Die Pixel-Klemm- sowie Ab-

tast- und Haltesignale werden durch die Signalformen f und g veranschaulicht.

Nimmt man an, daß ein (nicht dargestelltes) Ladungspaket unter der Elektrode 7 in Fig. 1 gespeichert ist, welches einen bestimmten Signalpegel darstellt, dann wird es in folgender Weise übertragen. Zu einem Zeitpunkt t.. (Fig.2) hat das Signal Φ₁ einen hohen Pegel und das Ladungspaket ist unter der Elektrode 7 gespeichert. Es sei darauf hingewiesen, daß dieser Zyklus verallgemeinert werden kann, um die Ladungsübertragung längs des C-Registers zu beschreiben: Beispielsweise sind zum Zeitpunkt t₁ die im C-Register vorhandenen Signalladungspakete unter den φ.. Gateelektroden gespeichert. Zum Zeitpunkt t~ haben die Signale Φ₁ und φ_ einen hohen und das Signal φ~ einen niedrigen Pegel, so daß das Ladungspaket unter den Elektroden 7 und 9 sitzt. Bei t_ hat das Signal φ~ einen hohen Wert und die Signale φ. und φ haben niedrige Werte, so daß die verbleibende Ladung, die unter der Elektrode 7 gespeichert war, verschoben wird und dann nur unter der Elektrode 9 sitzt. Während des nächsten Zyklus, der durch die Zeitpunkte t. und t,- dargestellt wird, wird das Ladungspaket unter die Elektrode 11 verschoben. Bei t_fi ist das Ladungspaket unter der Elektrode 11 und dem schwimmen-5 den Diffusionsgebiet 19 aufgeteilt. Nimmt das Signal φ« einen hohen Wert an, dann wird die Hälfte des Ladungspakets unter der Elektrode 15 vorbei in das schwimmende Diffusionsgebiet 19 verschoben. Wenn das Signal φ., bei t₇ einen hohen Wert hat und die Signale φ₂ und φ_ niedrige Werte haben, dann wird der Rest des Ladungspakets an der Elektrode 15 vorbei verschoben und das gesamte Ladungspaket wird unter dem schwimmenden Diffusionsgebiet gespeichert. Vor der Ladungsübertragung von der Elektrode 11 wird das schwimmende Diffusionsgebiet 19 durch den als 5 Signalform d veranschaulichten Rücksetzimpuls 56 zurückgesetzt. Das durch die Signalform e dargestellte Videosignal am schwimmenden Diffusionsgebiet 19 wird durch den

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Rücksetzimpuls 56 zurückgesetzt. Während der Rücksetzintervalle, wo die Impulse 56 des Signals φ vorhanden

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sind, befindet sich das Videoausgangssignal auf dem Rücksetzpotential. Nach dem Verschwinden des Rücksetzimpulses wird das schwimmende Diffusionsgebiet kapazitiv auf einen Sockelwert 60 gebracht. Durch dieses Rücksetzen wird das Potential des schwimmenden Diffusionsgebietes 19 wieder hergestellt, ehe ein neues Ladungspaket dort hin übertragen wird. Wenn das Taktsignal Φ₃ negativ abfällt (54), dann wird das unter dem Gate 11 gespeicherte Signalladungspaket über das Gleichspannungsbarrierepotential unter dem Gate 15 zum schwimmenden Diffusionsgebiet 19 gedrückt. Die entsprechende Übertragung zum Diffusionsgebiet 19 verursacht eine Entladung dieses schwimmenden Diffusionsgebiets auf eine Spannung relativ zum Sockelwert 60. Durch das Rücksetzen des MOSFET's, wobei das Potential des schwimmenden Diffusionsgebiets wieder hergestellt wird, wird ein gewisser Betrag von Rücksetzstörungen auf den Sockelwert 60 der Signalform e aufgesetzt. Diese Rück-Setzstörungen lassen sich wirksam entfernen durch Anwendung der korrelierten Doppelabtastung. Nach Zuführung des Rücksetzimpulses wird der Klemmschalter Q1 durch den Impuls 64 (Signalform f) eingeschaltet. Die Wirkung dieses Klemmimpulses besteht in einer Wiederherstellung jedes Pixels auf Massepotential während der Zeit, wo die Rücksetzstörungen im schwimmenden Diffusionsgebiet vorhanden sind, jedoch ehe die Signalladung erhalten ist. Nach der Übertragung der Signalladung zum schwimmenden Diffusionsgebiet 19 wird der Transistor Q2 eingeschaltet, wie dies die Signalform g der Abtast- und Halteimpulse 66 zeigt, um das Signal abzutasten, das dann im Kondensator C2 gespeichert ist.

Da Fernsehsysteme Wechselspannungskopplung verwenden, er" hält man einen Schwarzbezugswert für CCD-Bildwandler beim Überabtasten des Horizontalausgangsregisters (C-Register) in das Horizontalaustastintervall. Durch ein Klemmen auf

diesen Schwarzbezugswert werden für niedrige Helligkeitswerte bei Festkörperbildwandlern niedrigfrequente Streifenstörungen zum Wiedergabebild hinzugefügt (wobei zu bemerken ist, daß diese niedrigfrequenten Streifenstörungen auch bei Bildaufnahmeröhren auftreten), weil die den Schwarzpegel modulierenden Hochfrequenzstörungen während des Zeilenintervalls von der Klemmschaltung C3, Q3 gehalten werden, was zu einer Umwandlung hochfrequenter Störungen in niedrigfrequente Streifen führen kann. Dieser Effekt läßt sich reduzieren durch Erhöhung der Klemmzeitkonstante . Typischerweise wird eine Zeitkonstante von etwa 10 Zeilen benutzt, welche die hochfrequenten Störungen in Streifenbänder von etwa 10 Zeilen Breite umwandeln. Eine weitere Vergrößerung der Klemmzeitkonstante führt zu kolor!metrischen Fehlern in Farbkameras.

Die CCD-Bildwandler und andere Formen von Festkörperbildwandlern bieten eine einzigartige Möglichkeit zur Lösung dieses niederfrequenten Klemmstorungsproblems, weil bei diesen Bildwandlern ein Schwarzpegelbezug für jedes Bildelement, also während jedes Pixelklemmintervalls, verfügbar ist. Das Klemmen auf das Bezugspotential ist bei einer CDS-Schaltung bereits erfolgt und bietet auch für den weiteren Signalweg Vorteile für die zeilenweise Schwärzpegelklemmung. Eine bildelementweise Klemmung im späteren Signalweg kann unpraktikabel sein wegen der Bandbreitenbegrenzung typischer Videoverstärker. Dieser Bandbegrenzungseffekt führt zu Detailverlusten innerhalb der Bildelemente, wodurch es unmöglich wird, den Schwärzbezugspegel 60, der in Fig. 2e gezeigt ist, festzustellen. Weiter ist darauf hinzuweisen, daß die hier beschriebene Technik auch auf Systeme anwendbar ist, die nur mit Bildelement klemmung ohne anschließende korrelierte zweite Bildelementabtastung arbeiten. Die Bildelementklemmung liefert einen Schwarzpegelbezug, der für jedes Bildelement verfügbar ist.

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Gemäß Fig. 3 hat ein Videosignal, ein aktives Fernsehzeilenintervall A, welches hier ein dunkles Halbbild darstellt. Der Dunkelstrom beträgt etwa 2% des normalen Signals bei Zimmertemperatur. Das Videosignal im Intervall A wird ausgelesen, und anschließend fällt es während des überabtastintervalls, welches hier mit B dargestellt ist, auf den echten Schwarzwert. Der Schwarzbezug während des überabtastintervalls enthält hochfrequentes Rauschen, das durch die Zeilenklemmung auseinandergezogen wird und im Wiedergabebild zu Streifenstörungen führt, wie oben bereits gesagt wurde. Der durch C veranschaulichte Amplitudenunterschied stellt den Dunkelstrom dar, welcher von den Bild- und Speicherregistern zusammenkommt. Gemäß der Erfindung wird ein neuer Schwarzbezug am Ausgang der Schaltung für die korrelierte Doppelabtastung erzeugt. Dieser neue Schwarzbezug enthält wesentlich weniger Rauschen und kann in den nachfolgenden Schaltungen für die Zeilenweise Gleichstromwiederherstellung benutzt werden, um ein Wiedergabebild zu ergeben, das frei von siehtbaren Niederfrequenzstörungen ist.

Fig. 4 zeigt ein detailliertes Schaltbild einer Schaltung für korrelierte Doppelabtastung und zeilenfrequente Klemmung. Die Bezugsziffern sind entsprechend den in den übrigen Figuren verwendeten Bezugsziffern gewählt. Das Ausgangssignal der CCD-Schaltung wird über ein Potentiometer 100 zum nichtinvertierenden Eingang eines Operationsverstärkers 102 geführt. Bei dem hier beschriebenen Videosystem wird das Videosignal mit umgekehrter Polarität verarbeitet und dann am Ausgang invertiert. Der Operationsverstärker 102 kann beispielsweise ein Breitbandoperationsverstärker sein, wie der von der Signetics Corporation erhältliche Typ NE5539. Bei der in Fig. 4 gezeigten Schaltung hat der Operationsverstärker 12 eine Spannungsverstärkung von etwa 10. Sein Ausgangssignal wird der Klemmschaltung mit dem Kondensator C1 und dem Transistor Q1 zugeführt. Beispielsweise kann der Tran-

sistor Q1 ein Feldeffekttransistor vom Typ SD211 sein. Das geklemmte Signal wird der Eingangsseite eines Sourcefolgers Q4 zugeführt, der mit einem Emitterfolger Q5 gekoppelt ist. Die Transistoren für den Sourcefolger Q4 bzw. den Emitterfolger Q5 können ein Feldeffekttransistor vom Typ 3N154 bzw. ein bipolarer NPN-Transistor vom Typ 2N4124 sein. Das Ausgangssignal des Emitterfolgers Q5 wird der Abtast- und Halteschaltung zugeführt, welche Transistoren Q2 und C2 enthält. Die Kapazität am Gatepunkt des Transistors C2 wirkt als Speicherkapazität der Abtast- und Halteschaltung. Der Transistor Q2 kann beispielsweise ein FET SD211 und der Transistor C2 ein FET 3N154 sein. Das Ausgangssignal der Abtast- und Halteschaltung wird einem Emitterfolger Q6 zugeführt, der beispielsweise ein bipolarer NPN-Transistor 2N4124 sein kann. Das Ausgangssignal des Emitterfolgers Q6 wird einer zeilenfrequent arbeitenden Klemmschaltung mit einem Kondensator C3 und einem Transistor Q3 zugeführt.

Die Betriebsweise der Schaltung nach Fig. 4 ist bereits im Zusammenhang mit Fig. 1 beschrieben worden und braucht daher hier nicht im einzelnen wiederholt zu werden. Fig.5 zeigt Einzelheiten der erfindungsgemäß zusätzlichen Schaltungsteile. Es seien hier nur diejenigen Teile der Schaltung nach Fig. 5 im einzelnen erklärt, die unterschiedlich zur Fig. 4 sind. Die hier nicht nochmals erläuterten Schaltungsteile stimmen mit Fig. 4 überein. Die zusätzlichen Teile in Fig. 5 sind durch gestrichelte Linien umrandet. Die beiden hinzugefügten Schaltungsteile enthalten die Schalteranordnung 104 und die veränderbare Klemmpegelschaltung 106.

Am Ausgang des Emitterfolgers Q6 sind zwei Analogschalter Q8 und Q9 hinzugefügt worden, die durch Horizontalaustastimpulse H gesteuert werden, wobei Q8 durch den Horizontalaustastimpuls unmittelbar und Q9 durch den invertierten Horizontalaustastimpuls (nach Durchlauf des Inverters 108)

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gesteuert wird. Während des Horizontalaustastintervalls wird der Transistor Q8 in Sperrichtung und der Transistor Q9 in Durchlaßrichtung vorgespannt, so daß die Basis des Ausgangstransistors Q10, der als Emitterfolger geschaltet ist, auf Masse gebracht wird. Während der aktiven Horizontalzeile liegen die komplementären Verhältnisse vor, also Q8 leitet und Q9 ist gesperrt. Somit leitet Q8 während der aktiven Horizontalzeile und läßt das Videosignal vom Emitter des Emitterfolgers Q6 über den Emitterfolger Q10 zur zeilenfreguent arbeitenden Klemmschaltung C3, Q3 gelangen. Die Transistoren Q8 und Q9 können beispielsweise FET's SD211 und der Transistor Q10 ein bipolarer NPN-Transistor 2N4124 sein.

Außer dem Schalter 104 ist die Klemmpegelschaltung 106 hinzugefügt worden. Die Spannung an der Sourceelektrode des Bildelementklemmtransistors Q1 kann unter Verwendung des niederohmigen Komplementärtransistorpaares Q11 und Q12 der Schaltung 16 eingestellt werden. Auf diese Weise kann die Offset-Spannung zwischen dem Punkt X an der Drainelektrode von Q1 und dem Punkt Y an der Drainelektrode von Q9 justiert werden, um an beiden Punkten ein effektives Bezugspotential einzustellen. Im Betrieb sind die Dioden D1 und D2 so eingestellt, daß die Transistoren Q11 und Q12 leicht leiten, wenn das Eingangssignal 0 ist, also wenn das Ausgangssignal des Potentiometers R1 etwa 0 ist. Bei dieser Vorspannung beginnt ein Transistor einzuschalten, wenn die Eingangsamplitude den anderen Transistor nahe an seinen Sperrpunkt bringt. Der Ruhestrom durch die Schaltung wird bestimmt durch den Diodenvorspannungsstrom, die relativen Spannungsabfälle an den Dioden- und Ausgangstransistor-Basis-Emitterübergängen. Bei jedem von 0 verschiedenen Eingangspegel führt nur einer der beiden Transistoren Strom, und dieser ist praktisch ein Emitterfolger, der durch den gesperrten Transistor belastet ist. Leitet der NPN-Transistor Q11, dann ist der PNP-Transistor Q12 gesperrt und

umgekehrt. Auf diese Weise kann der aktive Zeilensockelwert durch die Bildelement-Klemmschaltung eingestellt werden.

Die einstellbare Spannungsquelle an der Bildelement-Klemmschaltung kann durch andere bekannte Schaltungen gebildet werden/ wie etwa einen als Spannungsfolger geschalteten Operationsverstärker, dessen Ausgang mit der Drainelektrode von Q1 und dessen nichtinvertierender Eingang mit dem Abgriff des Potentiometers R1 verbunden ist.

Entsprechend den zusätzlichen Teilen in.Fig. 5 ist das Videoausgangssignal während der Austastzeit ein echter Schwarzbezug und virtuell störungsfrei. Daher kann nach diesem Punkt eine Wechselspannungskopplung in Verbindung mit einer zeilenweisen Gleichspannungswiederherstellung vorgenommen werden, ohne daß dem Wiedergabebild niederfrequente Störungen hinzuaddiert würden. Es ist darauf hinzuweisen, daß der Knotenpunkt X an der Drainzone von Q1 und der Knotenpunkt Y an der Basis von Q10 gleichspannungsgekoppelt sind. Das von dieser Schaltung erhaltene Videoausgangssignal zeigt Fig. 6: Man sieht, daß während des Horizontalaustastintervalls D das Signal virtuell störungsfrei ist, wenn man einen Vergleich mit Fig. 3 heranzieht, wo das Austastintervall Störungen enthält. Dieses Verfahren der Videoverarbeitung ergibt ein Bild, das allgemein frei ist von niederfrequenten Störungen und von auseinandergezogenen Schwarzpegelintervallstörungen. Diese Anordnung eignet sich für jeden Bildwandler, bei dem ein bildelementweiser Schwarzpegelbezug erfolgt.

Die Signalformen nach Fig. 2 sind idealisiert, und man soll daran denken, daß die tatsächlichen Signalformen in einem CCD-Bildwandler weniger gut definiert sind. Fig. 7 zeigt tatsächliche Signalformen eines CCD-Bildwandlers für eine AusIesetaktrate von 8 MHz, welche von einer Kamera geliefert wurden, die an einem Oszillographen montiert war.

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Das oberste Signal stellt das Videosignal am Ausgang des auf dem Halbleiterchip befindlichen Pufferverstärkers mit schwimmendem Diffusionsgebiet dar. Die Spitzen 58 treten zu Zeitpunkten auf, wo die Rücksetzimpulse gemäß der Schwingungsform b erhalten werden. Der Sockel ist mit der Bezugsziffer 60 bezeichnet. Das Videosignal zeigt zwei Pegel, nämlich einen durch die Linie 62a veranschaulichten Weißsignalpegel und einen durch die Linie 62b veranschaulichten Schwarzsignalpegel. Die Signalform c zeigt einen Impuls 54 des Taktsignals φ.,. Die Signalform d zeigt die Abtast- und Halteimpulse 66, und die Signalform e zeigt die Bildelement-Klemmimpulse 64.

Es versteht sich für den Fachmann, daß zur Erzeugung eines Farbbildsignals zwei oder drei Bildwandler benötigt werden können. Gemäß einer Technik werden die Rot-, Grün- und Blaukomponenten des auffallenden Lichtes durch optische Prismen oder andere Lichtteiler voneinander getrennt und auf drei getrennten Bildwandlern, je einer für Rot, Grün und Blau, abgebildet.

Weiterhin sind viele Abwandlungen innerhalb des Erfindungsgedankens möglich. Beispielsweise kann die anhand von Fig. 5 veranschaulichte Schaltung 106 für die Sockelwerteinstellung in anderer Weise als mit einem einfachen Spannungsteiler realisiert werden. Die Schalter Q8 und Q9 aus Fig. 5 können gleichermaßen durch andere Elemente ersetzt werden, beispielsweise kann der Schalter Q8 durch einen Widerstand geeigneten Wertes oder alternativ der Schalter Q9 durch einen Widerstand ersetzt werden. Auch kann die Sourceelektrode von Q1 geerdet werden, und die Schaltung 106 für die Sockelwerteinstellung kann an die Sourceelektrode von Q9 angeschlossen werden. Die Prinzipien der hier beschriebenen Erfindung lassen sich auch auf andere Elemente als Dreiphasen-CCD-Bildwandler anwenden, beispielsweise auf Zwei- oder Vierphasen-Bildwandler oder auf andere Festkörper-Bildwandler.

Claims (7)

1. ZoD

   DR. DIETER V, 6EZOLD.^: DIPL. ING. PETER SCHÜTZ DIPL. JNG. WOLFGANG HEUSLER PATENTANWÄLTE

   MARIA-THERESIA-STRASSE 22
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   D-8OOO MUENCHEN 86

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   TELEFON (089) 4706006

   TELEX 522 638

   TELEGRAMM SOMBEZ

   FAX CR II + Ul (089) 27I6O63

   RCA 79555 Sch/Vu
   U.S. Ser. No. 482,855
   vom 7.April 1983

   RCA Corporation, New York, N.Y. (V.St.A.)

   Rauscharme Schwarzpegelbezugsschaltung für Bildaufnahmeeinrichtungen

   Patentansprüche

   \ 1) /Videosignalerzeugungseinrichtung mit

   a) einem Bildwandler (1), der an seiner Ausgangsstufe (29) ein zeilenweises Videosignal liefert, welches Signale

   aufweist, die Lichtpegel in aufeinanderfolgenden Bildelementen während mit Rücksetzintervallen abwechselnden Bildelementintervallen darstellen;

   b) einer ersten Klemmschaltung (QD, die das Videosignal zwischen den Bildelementintervallen auf ein Bezugspotential klemmt und dabei in der Ausgangsstufe des Bildwandlers auftretende Rücksetzstörungen entfernt;

   c) einer zweiten Klemmschaltung (Q3), welche das Videosignal während mindestens eines Abschnittes seines Zeilenintervalls auf ein Bezugspotential klemmt, wobei dieser Zeilenabschnitt außerhalb des aktiven Videoabschnittes der Zeile liegt; und

   »OSTSCHECK MÖNCHEN NR. 09148-800

   BANKKONTO HYPOBANK MÜNCHEN (BLZ 700 200 40) KTO. 60 60 2S7 378 SWIFT HYPO DE

   d) mit einer Wechselspannungskopplung (C3) zwischen den Klemmschaltungen,

   dadurch gekennzeichnet, daß zwischen die erste Klemmschaltung (QD und die Wechselspannungskopplung (C3) eine Schalteranordnung (Q8,Q9) eingefügt ist, welche letzterer abwechselnd

   I) während der aktiven Abschnitte eines Zeilenintervalls das geklemmte Videosignal von der ersten Klemmschaltung (Q1) und

   II)während eines außerhalb des aktiven Videoabschnitts liegenden Zeilenabschnittes (H) ein Bezugspotential zuführt,

   und daß die zweite Klemmschaltung (Q3) während des letztgenannten Zeilenabschnittes (H) - und damit während einer Zeit verringerter Störungen - im Betrieb ist.
2. 2) Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Schalteranordnung (Q8,Q9) auf eine Bildelement-Abtast- und -Halteschaltung (Q2,C2) folgt, die zwisehen sie und die erste Klemmschaltung (Q1) geschaltet ist.
3. 3) Einrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Wechselspannungskopplung einen Reihenkondensator (C3) aufweist, und daß die zweite Klemmschaltung einen zwischen die Ausgangsseite dieses Kondensators (C3) und die Bezugspotentialquelle für die zweite Klemmschaltung geschalteten Schalter (Q3) enthält.
4. 4) Einrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Schalter (Q3) während eines einer Überabtastung des Bildwandlers entsprechenden Abschnitts des Zeilenintervalls leitend gemacht wird.

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5. 5) Einrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Schalteranordnung einen ersten Transistor (Q8), der während des aktiven Videozeilenabschnittes leitend gemacht wird, um das Videosignal von der ersten Klemmschaltung (Q1) zur Wechselspannungskopplung (Q3) zu koppeln, und einen zweiten Transistor (Q9), der leitend gemacht wird, wenn der erste Transistor (Q8) während des Restes (H) einer Zeile gesperrt ist, aufweist.
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6. 6) Einrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch eine einstellbare Bezugspotentialquelle (106 übertragen zu Q9) für die Schalteranordnung.
7. 7) Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß für die erste Klemmschaltung (Q1) eine einstellbare Bezugspotentialquelle (106) vorgesehen ist, welche mit der Schalteranordnung (Q8) - und damit während des aktiven Videoabschnitts einer Zeile mit der Eingangsseite der Wechselspannungskopplung (C3) gleichspannungsgekoppelt ist.