DE3412861C2 - - Google Patents

Description

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

Die Erfindung sei beispielsweise mit Bezug auf CCD-Bild­ wandler vom Halbbildübertragungstyp beschrieben, die ein Bildregister (A-Register), ein Speicherregister (B- Register) und ein Ausleseregister (C-Register) aufweisen. Das A-Register enthält eine Matrix aus lichtempfindlichen Elementen, welche Strahlungs-Photonenenergie erhalten, also Licht von einer Aufnahmeszene. Proportional zur In­ tensität der Strahlungsenergie werden Ladungen erzeugt, und die akkumulierte Ladung wird für einen gewissen Zeit­ raum gespeichert, der im Falle eines Fernsehsignals kür­ zer als ein Halbbild ist. Während des Vertikalaustast­ intervalls wird die akkumulierte Ladung unter Steuerung durch Taktsignale spaltenweise vom A-Register in B- Register überführt. Während des Horizontalaustastinter­ valls wird eine Horizontal-Ladungszeile unter Steuerung durch ein Taktsignal parallel in das C-Register verscho­ ben. Während des aktiven Teils einer horizontalen Fernseh­ zeile werden die Ladungspakete unter Steuerung durch ein Taktsignal seriell aus dem C-Register ausgelesen. Während des nächsten Horizontalaustastintervalls 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 ver­ schoben und aus diesem ausgelesen. Nach dem Auslesen eines Halbbildes aus dem B-Register ist dieses zur Auf­ nahme eines weiteren Halbbildes aus akkumulierten Ladun­ gen aus dem A-Register bereit. Die hier beschriebene Er­ findung ist jedoch nicht auf Bildwandler vom Ladungs­ übertragungstyp begrenzt, sondern ist auch auf andere Einrichtungen anwendbar, beispielsweise Bildwandler vom Zwischenzeilenübertragungstyp.

Das Ausgangssignal des C-Registers kann mit Hilfe eines potentialfreien Diffusionsgebietes (floating diffusion) eines auf einem Halbleiterchip aufgebauten Ladungs/Span­ nungs-Konverters abgefühlt werden. Das von diesem poten­ tialfreien Diffusionsgebiet abgeleitete Ausgangssignal wird mittels eines MOSFET-Verstärkers gepuffert, der im Sinne einer niedrigen Eingangskapazität auf demselben Halbleiterchip wie der Bildwandler ausgebildet ist. Sol­ che 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 sicht­ bar in Erscheinung tritt.

Weiterhin treten bei CCD-Bildwandlern, deren Ausgangs­ stufen potentialfreie Diffusionsgebiete haben, Rücksetz­ störungen auf (reset noise). Nachdem ein akkumuliertes Ladungspaket abgefühlt worden ist, wird das potentialfreie Diffusionsgebiet zurückgesetzt, um die Ladungszuführung während des nächsten Taktimpulses vorzubereiten. Diese Rücksetzstörungen resultieren aus dem Rücksetzen des potentialfreien Diffusionsgebietes zur Rücksetz-Drainzone durch einen mit thermischem Rauschen modulierten leiten­ den Kanal.

Die bekannte Verwendung einer korrelierten Doppelabtastung (CDS) in Verbindung mit CCD-Bildwandlern, welche Ausgangs­ stufen mit potentialfreien Diffusionsgebieten aufweisen, werden die Störungen beim Rücksetzen der potentialfreien Diffusionsgebiete stark verringert und niederfrequentes Verstärkerrauschen unterbunden. CCD-Schaltungen zur Ver­ wendung bei mit sichtbarem Licht arbeitenden CCD-Bildwand­ lern sind gebaut worden und ergeben erhebliche Verbesse­ rungen bei schwachem Licht. Jedoch kann das auftretende Hochfrequenzrauschen, welches den Schwarzbezugswert modu­ liert, 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 Videosignal­ erzeugungseinrichtung mit

• a) einem zeilenweise abgetasteten Bildwandler, der an einer Ausgangsstufe ein Videosignal liefert, welches aus Signalen besteht, die Lichtwerten in aufeinander­ folgenden Bildelementen (Pixels) während mit Pixel­ intervallen abwechselnden Rücksetz-Intervallen dar­ stellen,
• 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 Ablenkzeilen­ intervalls des Videosignals auf einen Bezugspegel klemmt, wobei dieser Zeilenteil außerhalb des aktiven Videoteils der Zeile liegt,
• d) und mit einer Wechselspannungskopplung zwischen den Klemmschaltungen.

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

Gemäß der Erfindung ist zur Verringerung dieses Effekts zwischen der ersten Klemmschaltung und der Wechselspan­ nungskopplung eine Schalteranordnung enthalten, welche der Wechselspannungskopplung abwechselnd zuführt

• I. das geklemmte Videosignal von der ersten Klemmschaltung während des aktiven Videoteils eines Ablenkzeileninter­ valls und
• II. ein Bezugspotential während eines außerhalb des akti­ ven 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 niedrigfrequen­ ten Störkomponente und damit der horizontalen Streifen, herabgesetzt.

In den beiliegenden Zeichnungen zeigen:

Fig. 1 teilweise als Blockschaltbild, eine Ausgangs­ stufe 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 Signalverarbeitungsschaltung 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-Photo­ graphien.

Gemäß Fig. 1 kann das C-Register 1 nach bekannten Verfah­ ren als Dreifach-Pegel-Polysilizium-CCD-Element ausgebil­ det sein. Ein P-leitendes Siliziumsubstrat 3 in einem CCD-Bildwandler mit eingebettetem (vergrabenem) Kanal wird so dotiert, daß es einen Kanal aus N-leitendem Ma­ terial 5 hat, welcher den eingebetteten Kanal definiert, innerhalb dessen Ladungspakete übertragen werden. Einer Mehrzahl von Elektroden 7, 9, 11 werden Phasentaktsignale Φ₁, Φ₂, Φ₃, 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 Veranschau­ lichung der einzelnen Elektroden gezeichnet. Es sei be­ merkt, 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 Φ₁ einen niedrigen oder negativen Pegel annimmt, dann wird das darunter befind­ liche Ladungspaket fast augenblicklich unter die Elek­ trode 9 verschoben. Beim nächsten Zyklus nimmt Φ₂ einen niedrigen Pegel an, und das Ladungspaket wird fast augen­ blicklich unter die Elektrode 11 verschoben, usw. Genaue­ re 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 beauf­ schlagten Elektrode 15 vorbei in einen potentialfreien oder potentialmäßig schwebenden Diffusionsbereich 19 im Ausgangsabschnitt des CCD-Elementes verschoben. Dieser potentialmäßig schwebende oder schwimmende Diffusions­ bereich 19 dient als Sourceelektrode eines Feldeffekt­ elementes mit einem Rückstellgate 21, Gleichspannungs­ gates 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_R zugeführt, das Gate 15 erhält eine Gleichvorspannung zur Abschirmung des Diffu­ sionsbereiches 19 gegenüber den an den Elektroden 7, 9 und 11 auftretenden Taktsignalen. Ähnlich verhindern die Gates 17 und 25, daß das Rücksetz-Taktsignal zum schwim­ menden Diffusionsbereich 19 bzw. zur Rücksetz-Drainelek­ trode 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 Aus­ gangsspannung erhält. Daher umfaßt der Ausgangsabschnitt 29 einen MOSFET-Pufferverstärker mit auf dem Chip befind­ lichen MOSFET′s 31, 33 und 35. Der schwimmende Diffusions­ bereich 19 ist mit dem Gate des MOSFET′s 31 verbunden, welcher mit dem als Stromquelle geschalteten MOSFET 33 im Sinne niedriger Verzerrungen und hoher Eingangsimpe­ danz als Sourcefolger geschaltet ist. Der erste Source­ 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 MOSFET′s 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 Wider­ stand 37 nicht zu klein sein. Ein Problem bei dem MOSFET- Pufferverstärker besteht darin, daß er ein erhebliches 1/f-Rauschen aufweist, obwohl die niedrige Kapazität des Diffusionsbereichs 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 schwim­ menden Diffusionsbereichs 19 auf die Rückstell-Drainzone 27 durch den von thermischem Rauschen modulierten leiten­ den 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 Gleichspan­ nungswert jedes Pixels während der Zeit auf Massepoten­ tial zu bringen, wo die Rücksetzstörungen oder das Rück­ setzrauschen am schwimmenden Diffusionsbereich vorhanden sind, jedoch ehe die Signalladung eingetroffen ist. Da­ durch wird allgemein das Rücksetzrauschen vom Bildelement oder Pixel relativ zu der nachfolgend übertragenen Signal­ ladung 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 Diffu­ sionsbereich 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 Emit­ terfolger zur Impedanzanpassung an den Kondensator C3 und einen Transistor Q3 enthalten kann. C3 und Q3 bilden eine Klemmschaltung, die für die zeilenweise Schwarzpegel­ klemmung während des Horizontalaustastintervalls verwen­ det wird. Der Kondensator C3 und der Transistor Q3 sind ein Teil der nachfolgenden Videosignalverarbeitungsschal­ tung, die zur Dynamikbereicheinstellung, Schwarzpegel­ wiedergewinnung 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 Φ₁, Φ₂ und Φ₃ (mit einem etwas größeren Tast­ verhältnis als 1/3), welche jeder dritten Elektrode des CCD-C-Registers, also den Elektroden 7, 9 bzw. 11 zuge­ führt werden. Die Signalform d veranschaulicht das Rück­ setzsignal Φ_R, das zum Zurücksetzen des schwimmenden Diffusionsbereichs nach dem Auslesen der Signalladung benutzt wird. Das Videosignal am Ausgang des Halbleiter­ chips, 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 t₁ (Fig. 2) hat das Signal Φ₁ einen hohen Pegel und das Ladungspaket ist unter der Elektrode 7 gespeichert. Es sei darauf hin­ gewiesen, daß dieser Zyklus verallgemeinert werden kann, um die Ladungsübertragung längs des C-Registers zu be­ schreiben: Beispielsweise sind zum Zeitpunkt t₁ die im C-Register vorhandenen Signalladungspakete unter den Φ₁ Gateelektroden gespeichert. Zum Zeitpunkt t₂ haben die Signale Φ₁ und Φ₂ einen hohen und das Signal Φ₃ einen niedrigen Pegel, so daß das Ladungspaket unter den Elek­ troden 7 und 9 sitzt. Bei t₃ hat das Signal Φ₂ einen hohen Wert und die Signale Φ₁ und Φ₂ 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 t₄ und t₅ dargestellt wird, wird das La­ dungspaket unter die Elektrode 11 verschoben. Bei t₆ ist das Ladungspaket unter der Elektrode 11 und dem schwimmen­ den Diffusionsgebiet 19 aufgeteilt. Nimmt das Signal Φ₁ einen hohen Wert an, dann wird die Hälfte des Ladungs­ pakets unter der Elektrode 15 vorbei in das schwimmende Diffusionsgebiet 19 verschoben. Wenn das Signal Φ₁ bei t₇ einen hohen Wert hat und die Signale Φ₂ und Φ₃ niedri­ ge Werte haben, dann wird der Rest des Ladungspakets an der Elektrode 15 vorbei verschoben und das gesamte La­ dungspaket wird unter dem schwimmenden Diffusionsgebiet gespeichert. Vor der Ladungsübertragung von der Elektrode 11 wird das schwimmende Diffusionsgebiet 19 durch den als Signalform d veranschaulichten Rücksetzimpuls 56 zurück­ gesetzt. Das durch die Signalform e dargestellte Video­ signal am schwimmenden Diffusionsgebiet 19 wird durch den Rücksetzimpuls 56 zurückgesetzt. Während der Rücksetz­ intervalle, wo die Impulse 56 des Signals Φ_R vorhanden sind, befindet sich das Videoausgangssignal auf dem Rück­ setzpotential. 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 über­ tragen wird. Wenn das Taktsignal Φ₃ negativ abfällt (54), dann wird das unter dem Gate 11 gespeicherte Signalladungs­ paket über das Gleichspannungsbarrierepotential unter dem Gate 15 zum schwimmenden Diffusionsgebiet 19 gedrückt. Die entsprechende Übertragung zum Diffusionsgebiet 19 verursacht eine Entladung dieses schwimmenden Diffusions­ gebiets 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 Anwen­ dung der korrelierten Doppelabtastung. Nach Zuführung des Rücksetzimpulses wird der Klemmschalter Q1 durch den Impuls 64 (Signalform f) eingeschaltet. Die Wirkung die­ ses Klemmimpulses besteht in einer Wiederherstellung je­ des Pixels auf Massepotential während der Zeit, wo die Rücksetzstörungen im schwimmenden Diffusionsgebiet vor­ handen 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 Helligkeits­ werte bei Festkörperbildwandlern niedrigfrequente Strei­ fenstörungen zum Wiedergabebild hinzugefügt (wobei zu bemerken ist, daß diese niedrigfrequenten Streifenstörun­ gen auch bei Bildaufnahmeröhren auftreten), weil die den Schwarzpegel modulierenden Hochfrequenzstörungen während des Zeilenintervalls von der Klemmschaltung C3, Q3 ge­ halten werden, was zu einer Umwandlung hochfrequenter Störungen in niedrigfrequente Streifen führen kann. Die­ ser Effekt läßt sich reduzieren durch Erhöhung der Klemm­ zeitkonstante. 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 Klemmzeitkon­ stante führt zu kolorimetrischen Fehlern in Farbkameras.

Die CCD-Bildwandler und andere Formen von Festkörperbild­ wandlern bieten eine einzigartige Möglichkeit zur Lösung dieses niederfrequenten Klemmstörungsproblems, 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 Schwarzpegelklemmung. 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 Schwarz­ bezugspegel 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 Bild­ elementklemmung ohne anschließende korrelierte zweite Bildelementabtastung arbeiten. Die Bildelementklemmung liefert einen Schwarzpegelbezug, der für jedes Bildele­ ment verfügbar ist.

Gemäß Fig. 3 hat ein Videosignal, ein aktives Fernseh­ zeilenintervall A, welches hier ein dunkles Halbbild dar­ stellt. 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 wer­ den, um ein Wiedergabebild zu ergeben, das frei von sicht­ baren Niederfrequenzstörungen ist.

Fig. 4 zeigt ein detailliertes Schaltbild einer Schaltung für korrelierte Doppelabtastung und zeilenfrequente Klem­ mung. Die Bezugsziffern sind entsprechend den in den übri­ gen Figuren verwendeten Bezugsziffern gewählt. Das Aus­ gangssignal der CCD-Schaltung wird über ein Potentiometer 100 zum nichtinvertierenden Eingang eines Operationsver­ stärkers 102 geführt. Bei dem hier beschriebenen Video­ system wird das Videosignal mit umgekehrter Polarität verarbeitet und dann am Ausgang invertiert. Der Opera­ tionsverstärker 102 kann beispielsweise ein Breitband­ operationsverstärker 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 Source­ folgers Q4 zugeführt, der mit einem Emitterfolger Q5 ge­ koppelt 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 Ausgangs­ signal 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 Schal­ tungsteile. Es seien hier nur diejenigen Teile der Schal­ tung nach Fig. 5 im einzelnen erklärt, die unterschied­ lich zur Fig. 4 sind. Die hier nicht nochmals erläuter­ ten Schaltungsteile stimmen mit Fig. 4 überein. Die zu­ sätzlichen Teile in Fig. 5 sind durch gestrichelte Linien umrandet. Die beiden hinzugefügten Schaltungsteile enthal­ ten die Schalteranordnung 104 und die veränderbare Klemm­ pegelschaltung 106.

Am Ausgang des Emitterfolgers Q6 sind zwei Analogschalter Q6 und Q9 hinzugefügt worden, die durch Horizontalaustast­ impulse H gesteuert werden, wobei Q8 durch den Horizontal­ austastimpuls unmittelbar und Q9 durch den invertierten Horizontalaustastimpuls (nach Durchlauf des Inverters 108) 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 geschal­ tet 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 Video­ signal vom Emitter des Emitterfolgers Q6 über den Emitter­ folger Q10 zur zeilenfrequent arbeitenden Klemmschaltung C3, Q3 gelangen. Die Transistoren Q8 und Q9 können bei­ spielsweise FET′s SD211 und der Transistor Q10 ein bi­ polarer 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 Drainelek­ trode von Q9 justiert werden, um an beiden Punkten ein effektives Bezugspotential einzustellen. Im Betrieb sind die Dioden D1 und D2 so eingestellt, daß die Transisto­ ren 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 Transi­ stor einzuschalten, wenn die Eingangsamplitude den ande­ ren 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-Emitter- Übergängen. Bei jedem von 0 verschiedenen Eingangspegel führt nur einer der beiden Transistoren Strom, und die­ ser ist praktisch ein Emitterfolger, der durch den ge­ sperrten Transistor belastet ist. Leitet der NPN-Transi­ stor Q11, dann ist der PNP-Transistor Q12 gesperrt und umgekehrt. Auf diese Weise kann der aktive Zeilensockel­ wert durch die Bildelement-Klemmschaltung eingestellt werden.

Die einstellbare Spannungsquelle an der Bildelement- Klemmschaltung kann durch andere bekannte Schaltungen ge­ bildet werden, wie etwa einen als Spannungsfolger ge­ schalteten Operationsverstärker, dessen Ausgang mit der Drainelektrode von Q1 und dessen nichtinvertierender Ein­ gang 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 niederfre­ quente Störungen hinzuaddiert würden. Es ist darauf hinzu­ weisen, daß der Knotenpunkt X an der Drainzone von Q1 und der Knotenpunkt Y an der Basis von Q10 gleichspannungs­ gekoppelt sind. Das von dieser Schaltung erhaltene Video­ ausgangssignal zeigt Fig. 6: Man sieht, daß während des Horizontalaustastintervalls D das Signal virtuell stö­ rungsfrei ist, wenn man einen Vergleich mit Fig. 3 heran­ zieht, wo das Austastintervall Störungen enthält. Dieses Verfahren der Videoverarbeitung ergibt ein Bild, das all­ gemein 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 Auslesetaktrate von 8 MHz, welche von einer Kamera geliefert wurden, die an einem Oszillographen montiert war.

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 Schwin­ gungsform b erhalten werden. Der Sockel ist mit der Bezugs­ ziffer 60 bezeichnet. Das Videosignal zeigt zwei Pegel, nämlich einen durch die Linie 62a veranschaulichten Weiß­ signalpegel und einen durch die Linie 62b veranschaulich­ ten Schwarzsignalpegel. Die Signalform c zeigt einen Impuls 54 des Taktsignals Φ₃. 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 Erfindungs­ gedankens möglich. Beispielsweise kann die anhand von Fig. 5 veranschaulichte Schaltung 106 für die Sockelwert­ einstellung in anderer Weise als mit einem einfachen Span­ nungsteiler 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 Source­ elektrode von Q9 angeschlossen werden. Die Prinzipien der hier beschriebenen Erfindung lassen sich auch auf andere Elemente als Dreiphasen-CCD-Bildwandler anwenden, beispiels­ weise auf Zwei- oder Vierphasen-Bildwandler oder auf ande­ re Festkörper-Bildwandler.

Claims (9)

1. Videosignalerzeugungseinrichtung mit

• a) einem Bildwandler (1), der ein zeilenweises Videosignal liefert, welches in einem aktiven Teil jeder Zeile Lichtpegel in aufeinanderfolgenden Bildelementen während mit Rücksetzintervallen abwechselnden Bildelementintervallen darstellt;
• b) einer ersten Klemmstufe (27 oder Q1), die während der Rücksetzintervalle ein Bezugspotential für das Videosignal erzeugt;
• c) einer zweiten Klemmstufe (Q3), welche das Videosignal während eines außerhalb des aktiven Videoabschnittes der Zelle liegenden Abschnittes seines Zeilenintervalles auf ein Bezugspotential klemmt, und
• d) mit einer Wechselspannungskopplung (C3) zwischen den Klemmstufen,

dadurch gekennzeichnet, daß zwischen die erste Klemmstufe (Q1) und die Wechselspannungskopplung (C3) eine Schalteranordnung (Q8, Q9) eingefügt ist, welche der Wechselspannungskopplung abwechselnd

• I) während der aktiven Abschnitte eines Zeilenintervalles das geklemmte Videosignal von der ersten Klemmstufe (Q1) und
• II) während eines außerhalb des aktiven Videoabschnittes liegenden Zeilenabschnittes (H) ein Bezugspotential zuführt,

und daß die zweite Klemmstufe (Q3) während des letztgenannten Zeilenabschnittes (H) - und damit während einer Zeit verringerter Störungen - im Betrieb ist.

2. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Schalteranordnung (Q8, Q9) auf eine Bildelement-Abtast- und -Halteschaltung (Q2, C2) folgt, die zwischen sie und die erste Klemmstufe (Q1) geschaltet ist.

3. Einrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Wechselspannungskopplung einen Reihenkondensator (C3) aufweist, und daß die zweite Klemmstufe einen zwischen die Ausgangsseite dieses Kondensators (C3) und die Bezugspotentialquelle für die zweite Klemmschaltung geschalteten Schalter (Q3) enthält.

4. Einrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Schalter (Q3) während eines einer Überabtastung des Bildwandlers entsprechenden Abschnitts des Zeilenintervalls leitend gemacht wird.

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 Klemmstufe (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.

6. Einrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch eine einstellbare Bezugspotentialquelle (106 übertragen zu Q9) für die Schalteranordnung.

7. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß für die erste Klemmstufe (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.