DE3432229C2

DE3432229C2 - Bildaufnahmevorrichtung

Info

Publication number: DE3432229C2
Application number: DE3432229A
Authority: DE
Inventors: Tatsuo Musashino Tokio/Tokyo Nagasaki
Original assignee: Olympus Optical Co Ltd
Current assignee: Olympus Corp
Priority date: 1983-09-01
Filing date: 1984-09-01
Publication date: 1986-12-11
Also published as: US4584606A; DE3432229A1

Abstract

Aufnahmevorrichtung, in der ein von einem Objekt aufzunehmendes optisches Bild zur Erzeugung von Videosignalen aufgenommen wird, die eine Steuervorrichtung zur logarithmischen Umformung der einfallenden Lichtintensität des optischen Bildes und zur Steuerung der Lichtintensität auf mehrere verschiedene ausgesandte Intensitäten aufweist, und die elektronisch eine Einstellung bzw. Regelung der Lichtintensitätsdrosselung und des Aussteuerungsbereiches ausführt, indem das Licht aus der Steuervorrichtung von Aufnahmeelementen aufgenommen wird, und die in diesen Elementen durch Umwandeln der auftreffenden Lichtintensitäten erzeugten zur Lichtintensität proportionalen elektrischen Signale in einer Addiervorrichtung summiert werden, um elektrische Signale mit einem vergrößerten Aussteuerungsbereich zu erhalten, die durch nachfolgende Schaltungen verarbeitet werden. förmigen Reihe der hochtonerdehaltigen Steine (2) so angeordnet sind, daß sie d

Description

Beschreibung

Die Erfindung geht aus von einer Bildaufnahmevorrichtung zur Erzeugung von Video-Ausgangssignalen, indem eine Abbildung von Licht eines darzustellenden Objekts von einer Bildaufnahmeanordnung empfangen wird und dieses Bild in elektrische Signale umgewandelt

wird, wie sie aus dem japanischen Gebrauchsmuster 14 466/1982 bekannt ist Insbesondere betrifft die Erfindung Bildaufnahmevorrichtungen für Fernsehkameras und Elektronenkameras usw., die ein Ladungsverschiebeelement (im folgenden mit CCD bezeichnet) aufweisen und beispielsweise in Endoskopen verwendet werden.

In letzter Zeit sind bereits Vorrichtungen, die CCD's als Aufnahmeelemente in Fernsehkameras, Elektronenkameras usw. verwenden, entwickelt worden.

Wie allgemein bekannt ist, speichert das CCD elektrische Ladung in einer Potentialmulde, die in einem Halbleiter vorgesehen ist und transportiert die gespeicherte Ladung entlang der Halbleiteroberfläche durch aufeinanderfolgendes Verschieben des Potentialminimums bei Anlegen einer Verschiebungsspannung einer externen Spsnnungsquelle. Das CCD ist ein Operationselement, das die Funktion besitzt, Signale in Kombination mit einer abtastenden Funktion zu speichern. Wenn das CCD als Aufnahmeelement verwendet wird, wird elektrische Ladung proportional zu einer auf die Empfangsfläche einfallenden Lichtintensität in jeder Potentialmulde als Lichtsignal gespeichert.

Fig. 1 gibt die Beziehung zwischen der CCD-Ausgangsspannung, die gegen die einfallende Lichtintensitat aufgetragen ist, und dieser Intensität wieder, die in logarithmischem Maßstab dargestellt ist, wobei die CCD-Ausgangsspannung linear mit logarithmisch wachsender Lichtintensität bis zu einem konstanten Sättigungswert zunimmt. Der in Fig. 1 dargestellte Bereich von einem Rauschpegel N bis zu dem Sättigungswert 5 wird als Aussteuerungsbereich des CCD's bezeichnet und mit D abgekürzt Der Aussteuerungsbereich beträgt üblicherweise ungefähr 30 dB.

Andererseits erfordern Bildaufnahmevorrichtungen gewöhnlich einen Aussteuerungsbereich bzw. Arbeitsbereich von 60 bis 90 dB, so daß sich die Schwierigkeit ergibt, daß die einfallende Lichtintensität durch eine Drosselung der von der Lichtquelle einfallenden Lichtintensität auf den erforderlichen Intensitätsbereich geregelt werden müßte, um den erwähnten Aussteuerungsbereich von 30 dB einzustellen.

Es sind bereits selbstabtastende Festkörper-Bildaufnahmecinrichtungen (DE-OS 32 26 680) bekannt, die einen Bildsensor mit einer größeren Anzahl von fotoelekirischen Wandlerzellen aufweisen und die den Lichteinfall auf den Bildsensor in Abhängigkeit einer in ausgewählten Zellen gespeicherten und addierten mittleren Ladungsmenge einstellen. Auf diese Weise kann zwar der Lichteinfall vor Erreichen der Sättigung der Zellen unterbrochen werden und eine gleichmäßige Empfindlichkeit über die lichtempfindliche Oberfläche erzielt werden, jedoch ergibt sich aus diesen Merkmalen kein Lösungsweg zur Beseitigung der Diskrepanz zwischen dem möglichen Aussteuerungsbereich der obigen CCD-Festkörperaufnahmeeinrichtung und dem für die Bildaufnahmevorrichtung erforderlichen Aussteuerungsbereich. D. h., einerseits ist es wünschenswert, den Aussteuerungsbereich der Lichtsignale nicht zu drosseln; bereichs der elektrischen Signale mit geringem elektronischen Aufwand ermöglicht

Diese Aufgabe wird durch den Gegenstand des Anspruchs 1 und den des Anspruchs 2 gelöst.

Gemäß Anspruch 1 werden mehrere Bildaufnahmeeinrichtungen benutzt, deren elektrische Signale summiert einen vergrößerten Aussteuerungsbereich besitzen. Gemäß Anspruch 2 ist nur eine Lichtempfangsfläche vorgesehen, die an unterschiedlichen Stellen Licht unterschiedlicher Intensitäten empfängt, wobei Signalhaltevorrichtungen vorgesehen sind, um so mehrere auf der einen Lichtempfangsfläche gebildete elektrische Signale entsprechend für die verschiedenen Lichtintensitäten aufzunehmen und zu speichern. Nach Speicherung entsprechend der unterschiedlichen umgewandelten Lichtmengen liefert eine nachfolgende Addition der so gespeicherten Werte den erweiterten Aussteuerungsbereich von beispielsweise 120 dB.

Sowohl die Merkmale des Anspruchs 1 als auch die des Anspruchs 2 ermöglichen eine Vergrößerung des Aussteuerungsbereichs der einfallenden Lichtmenge durch deren Logarithmierung, wobei durch die beiden Lösungswege der Aussteuerungsbereich der Bildaufnahmevorrichtung entweder durch Erhöhung der Anzahl der einzelnen Bildaufnahmeeinrichtungen (Anspruch 1) oder der Anzahl der unterschiedlichen Stellen der Lichtempfangsfläche und der Anzahl der Haltevorrichtungen (Anspruch 2) weiter vergrößert werden kann. Die Ausgangssignale der sämtliche Bildelementdaten summierenden Addiervorrichtung können darüber hinaus in besonders einfacher Weise durch eine mit der Addiervorrichtung kombinierte Regelschaltung gedrosselt oder verstärkt werden, so daß ein mit einer Monitorvorrichtung kompatibles Video-Ausgangssignal gewonnen werden kann.

Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.

Danach sind eine Reihe bevorzugter Ausführungsformen für die erfindungsgemäße Lichtintensitätssteuervorrichtung angegeben.

Als Signalhaltevorrichtungen eignen sich Halbbildspeicher, die beispielsweise synchron mit dem Umschalten einer Lichtquellenanordnung der Lichtintensitätssteuerungsvorrichtung arbeiten.

Im folgenden wird die erfindungsgemäße Bildaufnahmevorrichtung oder kurz Aufnahmevorrichtung an Hand der Zeichnungen näher erläutert. Dabei zeigt

Fig. 1 eine Kennlinie, die die Beziehung zwischen der Lichtintensität auf eine Aufnahmevorrichtung und ihrem CCD-Ausgangssignal zeigt;

Fig. 2 eine schematische Ansicht, die die grundlegende Idee der erfindungsgemäßen Aufnahmevorrichtung zeigt;

Fig. 3 ein Blockschaltbild eines ersten Ausführungsbeispiels der erfindungsgemäßen Aufnahmevorrichtung;

Fig. 4 Kennlinien, die die Beziehung zwischen der Lichtintensität und der CCD-Ausgangssignale für jedes CCD der Vorrichtung aus Fig. 3 wiedergeben;

uiiucrerbciiü buiilc iiüCi'i vjmwaiiuiüfig uci" i_iCfii$igimic in elektrische Signale eine einfache Regelung der Drosselung und des Aussteuerungsbereichs der elektrischen Signale ermöglicht werden.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Bildaufnahmevorrichtung gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 oder 2 anzugeben, die eine Ausweitung des Aussteuerungsbereichs der Lichtsignale gestattet und eine Regelung der Drosselung und des Aussteuerungs- rig. yj cmc nciiiiuiiiG, uic uic >~»G5äiiiiu€Zi€iiürig ZWi-

schen der Lichtintensität und des summierten CCD-Ausgangssignals der in Fig. 3 gezeigten Vorrichtung wiedergibt;

Fig. 6 ein Blockschaltbild eines zweiten Ausführungsbeispiels der erfindungsgemäßen Aufnahmevorrichtung;

Fig. 7 eine vergrößerte Ansicht von vorn auf einen Teil eines optischen Filters, wie es in der Vorrichtung

aus Fig. 6 verwendet ist;

Fig. 8 Kennlinien, die die Beziehung zwischen der Lichtintensität und dem CCD-Ausgangssignal bezüglich jedes Filterelements wiedergeben;

Fig. 9 eine Kennlinie, die die Gesamtbeziehung zwisehen der Lichtintensität und dem summierten CCD-Ausgangssignal der in Fig. 6 gezeigten Vorrichtung wiedergibt;

Fig. 10 ein Blockschaltbild eines dritten Ausführungsbeispiels der erfindungsgemäßen Aufnahmevorrich- tung;

Fig. 11 eine Kennlinie der Lichtintensität, die durch die in der Fig. 10 gezeigten Lichtquellenanordnung gesteuert wird;

Fig. Ί2 eine Kennlinie, die die Gesamtbeziehung zwisehen der Lichtintensität und dem summierten CCD-Ausgangssignal der in Fig. 10 gezeigten Vorrichtung wiedergibt;

Fig. 13 ein Blockschaltbild eines Ausführungsbeispiels für die in der Fig. 10 gezeigte Umschaltvorrichtung;

Fig. 14 ein Blockschaltbild eines vierten Ausführungsbeispiels der erfindungsgemäßen Aufnahmevorrichtung;

Fig. 15 eine Ansicht von vorn auf das in der Fig. 14 gezeigte Drehfilter;

Fig. 16 ein Blockschaltbild eines fünften Ausführungsbeispiels der erfindungsgemäßen Aufnahmevorrichtung;

Fig. 17 eine Ansicht von vorn auf das in der Fig. 16 gezeigte Drehfilter;

Rg. 18 eine schematische Darstellung des Steuerungsprinzips für die Drosselung in den in den Fig. 3, 6 oder 10 gezeigten Aufnahmevorrichtungen;

Fig. 19 eine schematische Darstellung des Prinzips für die Steuerung des Aussteuerungsbereichs in den in den Fig. 3,6 oder 10 gezeigten Vorrichtungen;

Fig. 20 eine schematische Darstellung des Prinzips der Drosselung und Steuerung des Aussteuerungsbereichs und der Darstellung auf einem Bildschirm der in den Fig. 3,6 oder 10 gezeigten Vorrichtungen;

Fig. 21 ein Gesamt-Blockschahbild einer Aufnahmevorrichtung, die nach der Grundlage des in der Flg. 15 dargestellten Prinzips aufgebaut ist; und

Fig. 22 eine schematische Darstellung der in der Fig. 16 gezeigten Vorrichtung, die eine zusätzliche Regelvorrichtung für eine automatische Drosselung aufweist.

In der Fig. 2 bezeichnet das Bezugszeichen 1 ein nichtlineares Filter mit einer Kennlinie für die Lichtdurchlässigkeit, die die Intensität χ des einfallenden Lichts L auf eine Intensität log (x + 1) des durchgelassenen Lichts wandelt. Durch Anordnen des Filters 1 auf der Lichtempfangsfläche eines CCD's 2 erzielt man elektrische Signale mit einem größeren Aussteuerungsbereich als von dem CCD 2 ohne dieses Filter.

Fig. 3 zeigt ein erstes Ausführungsbeispiel der Erfindung und stellt ein Blockschaltbild mit 3 CCD's und zwei halbdurchlässigen Spiegeln dar. Die halbdurchlässigen Spiegel 4 und 5, die unter einem Winkel von 45° gegen die Richtung des einfallenden Lichts L geneigt sind, sind in einem vorbestimmten Abstand zueinander auf derselben Geraden angeordnet, auf der sich auch am rückwärtigen Ende eines das einfallende Licht L empfangene Aufnahmelinse 3 befindet Die halbdurchlässigen Spiegel 4 und 5 haben jeweils eine Durchlaßcharakteristik, die eine Differenz des reflektierten und durchgelassenen Lichtanteils von ungefähr —30dB aufweist Ein CCD 2a ist in Verbindung mit dem halbdurchlässigen Spiegel 4 in einer Richtung senkrecht zum einfallenden Licht L angeordnet und ein CCD 2b ist in Verbindung mit dem halbdurchlässigen Spiegel 5 ebenfalls in einer Richtung senkrecht zum einfallenden Licht angeordnet, wohingegen ein CCD 2c auf der rückwärtigen Seite des halbdurchlässigen Spiegels 5 in Richtung des einfallenden Lichts L angeordnet ist. Jedes der CCD's 2a, 2b und 2c hat einen Aussteuerungsbereich von 30 dB. Die Ausgangssignale der CCD's 2a, 2b und 2c werden einem Addierer 6 zugeführt, so daß an einer Ausgangsklemme 7 ein Summensignal vorliegt. Das Summensignal wird dann in der jeweils verlangten Weise verarbeitet und auf einem nicht gezeigten Bildschirm dargestellt.

Durch einen derartigen Aufbau tritt das einfallende Licht L durch die Aufnahmelinse 3 und wird am halbdurchlässigen Spiegel 4 teilweise reflektiert und teilweise hindurchgelassen. Das vom halbdurchlässigen Spiegel 4 reflektierte Licht wird vom CCD 2a empfangen und das durch den Spiegel 4 hindurchgelassene Licht trifft auf den halbdurchlässigen Spiegel 5. Das vom halbdurchlässigen Spiegel 5 reflektierte Licht wird vom CCD 2b empfangen und das durch diesen Spiegel hindurchgehende Licht wird vom CCD 2c empfangen. Beträgt der vom halbdurchlässigen Spiegel 4 reflektierte Lichtanteil 0 dB, so ist der hindurchgelassene Lichtanteil auf —30 dB gedämpft. Der durch den halbdurchlässigen Spiegel 5 hindurchgelassene Lichtanteil wird entsprechend auf —60dB gedämpft und die von den 3 CCD's 2a, 2b und 2c empfangenen Lichtintensitäten betragen 0 dB, — 30 dB und —60 dB und diese von den CCD's 2s, 2b und 2c jeweils aufgenommenen Signale von 0 dB, —30 dB und —60 dB werden dem Addierer 6 zur Summenbildung zugeführt. Die Kennlinien, die die Beziehung zwischen dem einfallenden Licht L der Intensität χ und den Ausgangssignalen jedes CCD's 2a, 2b und 2c zeigt, sind in der Fig. 4 dargestellt, wobei die einfallende Intensität χ auf der Abszisse in logarithmischem Maßstab dargestellt ist und die durchgezogene Linie die Beziehung für das CCD 2a, die strichpunktierte Linie für CCD 2b und die gestrichelte Linie für das CCD 2c zeigen. Entsprechend ergibt sich, wie in der Fig. 5 gezeigt ist, daß das Summensignal der Ausgangsklemme 7 eine logarithmische Kennlinie der Funktion log(x + 1) bezüglich der im logarithmischen Maßstab dargestellten einfallenden Lichtintensität χ aufweist und einen Arbeitsbereich bzw. Aussteuerungsbereich von 90 dB besitzt In einer solchen Vorrichtung kann der Arbeitsbereich durch Erhöhung der Anzahl der CCD's und der Anzahl der Spiegel erweitert werden oder durch Aufbau einer Anordnung, die die Empfindlichkeit der CCD's auf -3OdB und —60dB reduziert, um so das CCD-Rauschen zu verringern anstatt die Anzahl der CCD's und halbdurchlässigen Spiegel zu erhöhen.

Fig. 6 zeigt ein zweites Ausführungsbeispiel, bei dem ein CCD und ein optisches Filter verwendet sind. Fig. 7 zeigt den Aufbau eines derartigen optischen Filters F. Es ist in der Fig. 7 ein Teil dargestellt, der zwei horizontal angeordnete Reihen von vier Filterelementen 8—11 aufweist, die jeweils einen zueinander um 3OdB verschiedenen Dämpfungsfaktor haben. Yn dem tatsächlich angewandten Filter sind derartig horizontal angeordnete Reihen in vertikaler Richtung in einer Ebene angeordnet Das Bezugszeichen 8 bezeichnet Filterelemente mit einem Dämpfungsfaktor von 0 dB und die Bezugszeichen 9,10 und 11 bezeichnen entsprechend Filterelemente mit Dämpfungsfaktoren von -3OdB, -6OdB und —90 dB. Die Filterelemente 8 und 9 sind abwech-

selnd auf einer Geraden angeordnet und die Filterelemente 10 und 11 abwechselnd auf einer Geraden, die parallel und benachbart zu der Geraden der Filterelemente 8 und 9 verläuft. Außerdem ist, wie in der Fig. 6 gezeigt ist, das aus diesen Filterelementen aufgebaute optische Filter Fmit der Empfangsfläche eines CCD'sl verbunden, ein Ausgangssignal a wird an den Stellen vom CCD 2 abgenommen, die den Reihen der Elemente 8 und 9 entsprechen, und ein Ausgangssignai b wird an den Stellen des CCD's 2 abgenommen, die den Reihen der Elemente 10 und 11 entsprechen. Dabei besitzt das CCD 2 einen Arbeitsbereich von 30 dB. Das Ausgangssignal a des CCD's 2 wird Abtast- und Halteschaltungen 12 und 13 zugeführt und das Ausgangssignai b des CCD's 2 wird Ablast- und Halteschaltungen 14 und 15 zugeführt. Den Abtast- und Halteschaltungen 12 und 14 werden Abtastimpulse P\ zugeführt und den Abtast- und Halteschaltungen 13 und 15 werden Abtastimpulse P₂ zugeführt. Der Abtastimpuls P\ wird zugeführt zum Abtasten und Halten des CCü-Ausgangssignals, welches dem auf die Filterelemente 8 und 10 einfallenden Licht entspricht, und der Abtastimpuls Pi ist ein Impuls derselben Dauer wie der von Pi, aber besitzt diesem gegenüber eine Phasennacheilung vom eineinhalbfachen dieser Impulsdauer. Die Ausgangssignale der Abtasi- und Halteschaltungen 12 bis 15 werden entsprechenden Begrenzungsverstärkern 16—19 zugeführt, um so auf einen konstanten Amplitudenwert umgesetzt zu werden und werden nachfolgend einem Addierer 6 zur Addition zugeführt. Das Addierer-Ausgangssignal c wird einer nicht dargestellten Video-Verarbeitungsschaltung zugeführt, um zu Videosignalen verarbeitet zu werden und dann auf einem nicht gezeigten Bildschirm dargestellt zu werden.

Durch eine derartige Anordnung werden die den Lichtintensitäten entsprechenden Ausgangssignale durch die Abtast- und Halteschaltungen 12—15 abgetastet und gehalten, wobei diese Abtast- und Halteschaltungen 12—15 die entsprechenden Ausgangssignale a\, 3₂. b\ und b₂ halten, die den Lichtanteilen 0 dB, —30 dB, —60 dB und —90 dB entsprechen, die jeweils durch die Filterelemente 8—11 hindurchgelassen werden. Daher ergibt sich eine Beziehung zwischen den Ausgangssignalen a_u a₂, 61 und O₂ des CCD's 2 und der durch das optische Filter F hindurchgehenden Lichtintensität χ wie sie in der Fig. 8 dargestellt ist, wobei die einfallende Lichtintensität χ in logarithmischem Maßstab auf der Abszisse dargestellt ist und die durchgezogene Linie, die einfach-punktiert-gestrichelte Linie, die zweifach-punktiert-gestrichelte Linie und die gestrichelte Linie jeweils die Eingangs/Ausgangskennlinie der entsprechenden Filterelemente 8, 9, 10 und 11 wiedergeben. Folglich weist, wie in Fig. 9 dargestellt ist, das Summensignal c eine logarithmische Kennlinie der Funktion log (x + 1) bezüglich eines Ausgangssignals log χ auf und hat folglieh einen Arbeitsbereich von 120 dB. Weiterhin ist es auch möglich, die in der Fig. 7 gezeigte Anordnung dahingehend abzuändern, daß mindestens vier Filterelemente mit unterschiedlichen Dämpfungsfaktoren vorgesehen sind, daß abwechselnd mindestens zwei Reihen angeordnet werden, die jeweils eine Anordnung von mindestens zwei Filterelementen mit nahe beieinanderliegenden Dämpfungsfaktoren und abwechselnd auf einer Geraden angeordnet, aufweisen, und daß mindestens zwei Abtast- und Halteschaltungen, wie es in der Fig. 6 gezeigt ist, vorgesehen sind und mindestens zwei Abtastimpulse mit unterschiedlicher Phase zum Addieren der Ausgangssignale der Abtast- und Halteschaltungen zugeführt werden.

Fig. 10 zeigt ein drittes Ausführungsbeispiel mit einem CCD und einer Steuervorrichtung für die Beleuchtungsstärke. In cMesem Ausführungsbeispiel ist eine Lichtquellenanordnung 20 enthalten, die als Steuervorrichtung ermöglicht, die einfallende Lichtstärke durch Umschalten zu steuern. Die Lichtquellenanordnung 20 besteht aus einer mit einem Reflektor ausgestatteten Lichtquelle 21, einer Umschal(Vorrichtung 22 zum stufenweisen Umschalten des Lichts auf logarithmisch variierte Lichtintensitäten, wie z. B. auf vier Lichtintensitätsstufen, die jeweils um 30 dB Transmission gedämpft sind, und aus einem Lichtweg 24, wobei außerdem eine Linse 23 zur Führung des von der Umschaltvorrichtung 22 hindurchgelassenen Lichts, Glasfaserbündel usw. vorgesehen sind. Das durch den optischen Weg 24 hindurchgehende Licht wird durch eine Aufnahmelinse 25 auf ein darzustellendes (nicht gezeigtes) Objekt gestrahlt. Das von diesem Objekt reflektierte Licht wird von einem CCD 2 durch eine Aufnahmelinse 26 aufgenommen, um so zu einem elektrischen Signal umgewandelt zu werden, dessen Wert der einfallenden Lichtintensität L entspricht, und welches einem Umschaltkreis 27 zugeführt wird. Der Umschaltkreis 27 weist eine Anzahl von Ausgängen auf, die der Anzahl der Umschaltstufen für die Lichtintensität der Umschaltvorrichtung 22 in der Lichtquellenanordnung 20 entspricht, und ist so ausgelegt, daß er in der Halbbildaustastperiode synchron mit der Umschaltvorrichtung 22 umgeschaltet wird, indem für beide Umschaltvorgänge dasselbe Umschaltsignal /benutzt wird. Wenn die Lichtintensität in vier Stufen umgeschaltet wird, wird jeder Ausgang des Umschaltkreises 27 mit entsprechenden Halbbildspeichern 28—31 verbunden, wobei die Ausgangssignale von jedem dieser Speicher zur Summenbildung auf einen Addierer 6 gegeben werden. Das Summensignal wird durch eine nicht dargestellte Videosignalverarbeitungsschaltung in ein Videosignal umgeformt und auf einem nicht gezeigten Bildschirm dargestellt.

Durch die beschriebene Anordnung wird die Beleuchtungsstärke des von der Lichtquellenanordnung 20 emittierten Lichts in jeder Halbbildaustastperiode, wie in Fig. 11 gezeigt ist, um 30 dB gedämpft und wird vom CCD 2 aufgenommen. Das Ausgangssignal des CCD's 2 wird in jeder Halbbildaustastperiode durch den Umschaltkreis 27 umgeschaltet, um dann in den jeweiligen Halbbildspeichern 28—31 gespeichert zu werden, deren Ausgangssignale im Addierer 6 summiert werden. Wie anhand der Fig. 12 zu sehen ist, ergibt sich auf diese Weise eine konstante Beziehung zwischen dem Summensignal des Addierers 6 und der vom Objekt ausgehenden, einfallenden Lichtintensität und der Aussteuerungsbereich dieser Aufnahmevorrichtung ist auf 120 dB ausgedehnt In der Anordnung der Fig. 10 kann der Arbeitsbereich durch Erhöhung der Lichtumschaltstufen in der Lichtquellenanordnung 20 vergrößert werden, wobei der Umschaltkreis und die den Umschaltstufen entsprechende Anzahl der Halbbildspeicher entsprechend erweitert werden.

Fig. 13 zeigt ein Ausführungsbeispiel für eine Umschaltvorrichtung 22, wie sie in der Fig. 10 gezeigt ist In diesem Ausführungsbeispiel enthält die Umschaltvorrichtung 22 eine Umschalteinrichtung, so daß der Antriebsstrom für die Lichtquelle 21 durch ein Umschaltsignal /, das vom Ausgang einer Torimpulsgeneratorvorrichtung zum Umschalten 32 geliefert wird, umgeschaltet wird. Eine Halogen- oder Xenonlampe wird als Lichtquelle 21 verwendet und die Umschalteinrichtung

kann mit vier Widerständen R\—Ra von einer Gleichspannungsquelle Eüber einen Schalter SW verbunden werden, um der Lichtquelle 21 den Antriebsstrom in vier Stufen nacheinander über jeden einzelnen Widerstand mit Hilfe des Umschaltsignals / zuzuführen. Die Umschaltvorrichtung 22 kann auch einfach aus einer Transistorschaltung durch Verwendung von Transistoren als Schalter realisiert werden.

Fig. 14 zeigt ein viertes Ausführungsbeispiel, bei dem ein CCD 2 an einem Farbmosaikfilter Fi befestigt ist und ein Drehfilter 33 an der Vorderseite einer Lichtquelle 21 als Steuervorrichtung für die Lichtintensität bei Farbaufnahme angeordnet ist. In einem solchen Fall besteht das Drehfilter 33 aus einer kreisrunden Blendenscheibe 34, in der natürliche Dichtefilter (ND) 35,36, 37 und 38 zum Umschalten der Lichtintensität ringförmig zwischen Kreisausschnitts-Blenden angeordnet sind, wie es in der Fig. 15 dargestellt ist. Das ND-Filter ist ein Graufilter und kann die Lichtintensität unter Beibehaltung des Farbausgleichs reduzieren. Die vier Filter 35-38 können die Lichtintensität auf V₁, V₂, V₄ und V₈ der Reihe nach von Filter 35 bis Filter 38 reduzieren. Das Drehfilter 33 weist öffnungen 39,40,41 und 42 auf, um die Drehlage festzustellen, die auf demselben Kreis und benachbart zum äußeren Umkreis der Kreisausschnitte der Blenden angeordnet sind. Außerdem ist das Drehfilter 33 mit einer Anfangsimpuls-Feststellöffnung H₅ versehen, die eine Filterdrehung feststellt. Wie anhand der Fig. 14 zu sehen ist, wird das Drehfilter 33 mit konstanter Geschwindigkeit durch einen Antriebsmotor 43 gedreht und das konvergente Licht der Lichtquelle 21 durch die Linse 23 kann durch Drehen des Drehfilters 33 durch die ND-Filter 35—38 hindurchtreten. Ein photoelektrischer Unterbrecher 44 ist benachbart zum äußeren Rand des Drehfilters 33 angeordnet, um die Kreisausschnitts-Blenden zwischen den ND-Filtern zu erfassen und ein Drehung des Drehfilters 33 festzustellen durch Erfassen der Öffnungen 39—42 zum Feststellen der Filterlage und der Anfangsimpuls-Feststellöffnung H_s. Ein optoelektronischer Koppler wird als photoelektrischer Unterbrecher 44 angewandt, der zusammen mit dem Verstärker 45, der mit dem photoelektrischen Unterbrecher 44 verbunden ist, eine Drehlage-Feststeilvorrichtung bildet. Die Signale von den Öffnungen 39—42 und der öffnung H_s, die durch den elektronischen Unterbrecher 44 aufgenommen werden, werden im Verstärker 45 verstärkt und der Torimpulsgeneratorvorrichtung zum Umschalten 46 zugeführt, die ein Halbbild-Umschaltsignal /in Obereinstimmung mit dem so festgestellten Signal der öffnungen liefert. Andererseits ist das Mosaikfilter Fi aus roten (R), grünen (G) und blauen (B) Punkten auf der Lichtempfangsfläche des CCD's angeordnet. Das Licht, welches logarithmisch veränderte Intensitäten aufweist und nach Durchgang durch das Drehfilter 33 ausgestrahlt wird, wird nachfolgend durch das Filter Fi aufgenommen und das umgewandelte elektrische Signal wird dem Umschaltkreis 27 zugeführt Der Umschaltkreis 27 wird durch das Halbbild-Umschaltsignal / von der Torimpulsgeneratorvorrichtung zum Umschalten 46 umgeschaltet und die elektrischen Signale vom CCD 2 werden in den Halbbildspeichern 28, 29, 30 und 31 in einer Halbbildaustastperiode gespeichert, entsprechend dem Umschalten der Lichtintensität durch das Drehfilter 33. Die Ausgangssignale der Speicher 28,29,30 und 31 werden gleichzeitig zeilenweise ausgelesen und dem Addierer 6 zum Summieren zugeführt und der Addierer 6 liefert elektrische Signale mit vergrößertem Aussteuerungsbereich. Das Summensignal wird durch eine nicht dargestellte Videosignalverarbeitungsschaltung in R-, G- und B-Signale aufgespalten, um diese entsprechenden R-, G- und B-Anschlüsse eines nicht gezeigten Farbbildschirms zuzuführen, um das Objekt als Farbbild darzustellen.

Fig. 16 zeigt ein fünftes Ausführungsbeispiel, welches ein CCD 2 zum Empfang für einfarbiges Licht aufweist und wobei ein Drehfilter 33a, welches R-, G- und B-Licht steuerbarer Intensität durchläßt, an der Vorderseite der Lichtquelle angebracht ist, um eine Farbaufnahme zu gewährleisten. Der sonstige Aufbau dieser Anordnung entspricht dem Aufbau, wie er in der Fig. 14 dargestellt ist. Der Aufbau des Drehfilters 33a ist in Fig. 17 dargestellt. Das Drehfilter 33a besteht aus einer kreisrunden Blendenscheibe 34a, in der vier Sätze von R-, G- und B-Kreisausschnittsfiltern (/?i, G_u Si), (Ri, G₂, B₂), (R3, Ch, B3) und (R*, Ga, Ät) so angeordnet sind, daß jeder Satz eine logarithmisch variierte Lichtdurchlässigkeit aufweist. Die R-, G- und B-Filter jedes Satzes haben dieselbe Lichttransmission und z. B. liefern die Filter R\, G\, B\ eine andere Lichtintensität als die Filter R₂, G₂, B₂. Die zwölf R-, G- und B-Filter sind jeweils zwischen Kreisausschnitts-Blenden angeordnet. Das Drehfilter 33a weist öffnungen 47—58 zum Erfassen der Drehlage auf, die auf demselben Kreis und benachbart zum äußeren Kreisumfang der Kreisausschnitts-Blenden vorgesehen sind. Außerdem weist das Drehfilter 33a eine Anfangsimpuls-Feststellöffnung Hs auf, die eine Filterdrehung feststellt. Wie anhand der Fig. 16 zu sehen ist, wird das Drehfilter 33a mit konstanter Geschwindigkeit durch einen Antriebsmotor 43 gedreht und konvergentes Licht der Lichtquelle 21, das durch die Linse 23 hindurchtritt, kann durch die zwölf R-, G- und B-Kreisausschnittsfilter hindurchgehen. Ein photoelektrischer Unterbrecher 44 ist benachbart zum äußeren Rand des Drehfilters 33a angeordnet, um die Kreisausschnitts-Blenden zwischen den R-, G- und B-Filtern zu erfassen und eine Drehung des Drehfilters festzustellen, durch Erfassen der Drehlage der öffnungen 47—58 und der Anfangsimpuls-Feststellöffnung. Ein photoelektrischer Koppler wird als photoelektrischer Unterbrecher 44 angewandt, der zusammen mit einem mit dem photoelektrischen Unterbrecher verbundenen Verstärker 45 eine Drehlage-Feststelivorrichtung bildet Die Signale von

den Öffnungen 47—58 und der öffnung H_x, die durch den photoelektrischen Unterbrecher 44 aufgenommen werden, werden im Verstärker 45 verstärkt und der Torimpulsgeneratorvorrichtung zum Umschalten 46 zugeführt, die ein Halbbild-Umschaltsignal /in Übereinstim-

mung mit dem so festgestellten Signal der Öffnungen liefert Auf der anderen Seite empfängt die Fläche des CCD's aufeinanderfolgend R-, G- und B-Lichi mit logarithmisch variierter Intensität, welches vom Drehfilter 33a in der Reihenfolge R, G und B ausgestrahlt wird, und umgewandelte elektrische Signale werden Halbbildspeichern 28a —28c, 29a —29c, 30a —30c und 31a —31c jeweils durch einen Umschaltkreis 27a in der Reihenfolge R, G und B zugeführt Es sind zwölf Halbbildspeicher entsprechend den 12 R-, G- und B-Filtern vorgesehen, wie in der Fig. 17 gezeigt ist Der Umschaltkreis 27a wird durch das Halbbild-Umschaltsignal /von der Torimpulsgeneratorvorrichtung zum Umschalten 46 umgeschaltet und die elektrischen Signale vom CCD 2 werden direkt in den Halbbildspeichern 28a —31c in den Halbbildaustastperioden, entsprechend der Anzahl der Filter in dem Drehfilter 33a, gespeichert Die Ausgangssignale der Halbbildspeicher 28a —31c werden gleichzeitig zeilenweise ausgelesen und entsprechend

im Addierer 6 summiert. Folglich liefert der Addierer 6 elektrische Signale mit vergrößertem Ausstcuerungsbcreich. Die Summensignale werden jeweils in R-, G- und B-Farbsignale in einer nicht dargestellten Videosignalvcrarbeitungsschaltung zerlegt und den R-, G- und B-Anschlüssen eines nicht gezeigten Farbbildschirms zugeführt, um ein Farbbild des Objekts darzustellen.

Fig. 17 zeigt eine einzige Scheibe zur Transmission von farbigem Licht durch eine Anzahl von R-, G- und B-Filtersätzen unterschiedlicher Lichtdurchlässigkeit. Eine derartige Anordnung kann jedoch durch eine Kombination von Farbfiltern derselben Lichtdurchlässigkeit mit ND-Filtern unterschiedlicher Dämpfungsfaktoren ersetzt werden.

Im folgenden wird erläutert, wie die Ausgangssignale mit vergrößertem Aussteuerungsbereich auf nachfolgende Schaltungen gegeben werden, um elektronisch Drosselung oder Verstärkung und den Aussteuerungsbereich zu regeln.

In einem derartigen Fall bedeutet die Regelung der Drosselung eine entsprechende Änderung der Lichtintensität χ des einfallenden Lichts L. Aus der logarithmischen Beziehung

log(x + 1) — log/l = log-

χ + 1

in welcher χ die einfallende Lichtintensität und A die Verstärkung bezeichnen, kann die Drosselung durch Addition oder durch Subtraktion einer Gleichspannung vom Wert log A elektronisch durchgeführt werden. Das bedeutet, wie in Fig. 18 gezeigt ist, ein Verschieben der Kurve, die die Beziehung iog(x + 1) wiedergibt, in einem Diagramm der Lichtintensität und des Summensignals y in Richtung der/-Achse und die Aufnahme eines Ausgangssignals, welches größer als der 0-Pegel ist, durch Erfassen und Ändern des Ausgangssignals. In der Fig. 18 zeigt das Segment yi den Anteil des Ausgangssignals, der durch die Erfassung beseitigt werden muß. Der Aussteuerungsbereich kann dadurch geregelt werden, daß die Steigung der Kurve log(x + 1) mit dem Faktor B multipliziert wird, um S.log(x + 1) zu erhalten, um einen mit dem Aussteuerungsbereich der Bildschirmvorrichtung kompatiblen Aussteuerungsbereich einzustellen, wie es in der Fig. 19 dargestellt ist

Es ist auf diese Weise möglich, die Drosselung und den Aussteuerungsbereich durch Änderung der Steigung der Kennlinienkurve /, (Fig. 20) im Diagramm Ausgangssignal/einfallende Lichtintensität, die bei Änderung des Aussteuerungsbereichs logarithmisch umgeformt wird, zu steuern, wobei die Steigung der Kurve /) zur Steigung der Kurve I₂ abgeändert wird und die Kurve h durch Änderung der Drosselung durch eine Parallelverschiebung in die Kurve /3 überführt wird, wie anhand der Fig. 20 zu sehen ist Die Drosselung und der Aussteuerungsbereich werden auf diese Weise dahingehend gesteuert, daß das Ausgangssignal y innerhalb eines darstellbaren Bereichs Y der Monitorvorrichtung verbleibt und das Eingangssignal Aden Eingangsbereich X nicht verläßt

In der Fig. 21 sind entsprechende Schaltungen zur Steuerung der Drosselung und des Aussteuerungsbereichs dargestellt

Dabei wird die Drosselung durch Steuerung der Verstärkung des Addierers 6 eingestellt, wenn das einfallende, durch eine CCD-Vorrichtung 59 hindurchgehende Licht L mit einer Eingangsspannung logarithmischer Kennlinie auf den Eingang des Addierers gegeben wird, indem die Steuerspannung geändert wird durch Teilung einer negativen Teilspannung -V, die durch eine Steuereinrichtung 60 geliefert wird. Der Aussteuerungsbereich wird durch Festsieilen des Summensignals durch eine Feststellvorrichtung 61 (einen Diodengleichrichter), durch nachfolgendes Belasten einer Aussteuerungsbereichs-Steuervorrichtung 62 mit dem Summensignal und durch Änderung des Dämpfungsfaktors (d. h. durch Änderung eines Potentiometerabgriffes) ausgeführt, um so ein mit dem Aussteuerungsbereich des Eingangs einer Monitorvorrichtung 63 kompatibles Ausgangssignal zu erreichen.

Eine automatische Drosselungsregelung wird durch Kombination einer automatischen Amplitudenregelung oder Verstärkungsregelung (AGC) mit der in Fig. 21 gezeigten Schaltung erzielt, wie es in der Fig. 22 dargestellt ist.

In der Fig. 22 wird die Ausgangsspannung der Feststellvorrichtung 61 aus Fig. 21 durch ein Tiefpaßfilter 64 geführt, um hohe Frequenzkomponenten herauszufiltern und Frequenzkomponenten tiefer Frequenzen zu erhalten, die durch eine Verstärkungsvorrichtung 65 verstärkt werden und einer automatischen Verstärkungsregelungsvorrichtung 66 zugeführt werden, um eine Regelspannung (AGC-Spannung) zu erzeugen. Mit der AGC-Spannung wird der Addierer 6 gegengekoppelt. Die AGC-Spannung kann durch Änderung der Gegenkopplung variiert werden und die Regelgeschwindigkeit der Verstärkungsregelung kann durch Änderung der Grenzfrequenz und Filtercharakteristik des Tiefpaßfilters 64 variiert werden.

Darüber hinaus können diese Regelungen, da die Verstärkungssteuerung, die Verstärkungsregelung und die Regelung des Aussteuerungsbereichs während der Rückgewinnung von aufgenommenen Daten ausgeführt werden kann, im Empfangsteil einer Fernsehkamera und im Empfangsteil oder in der Rückgewinnung einer Elektronenkamera während der Beobachtung des dargestellten Bildes erfolgen.

Ohne von der Erfindungsidee abzuweichen oder den Schutzumfang der Erfindung zu verlassen, sind zahlreiche Ausführungsbeispiele auf der Grundlage der Erfindungsidee denkbar, so daß die Erfindung nicht auf bestimmte Ausführungsbeispiele beschränkt ist.

Hierzu 10 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche

1. Bildaufnahmevorrichtung zur Erzeugung von Video-Ausgangssignalen, indem eine Abbildung vom Licht eines darzustellenden Objekts von einer Bildaufnahmeanordnung empfangen wird und dieses Bild in elektrische Signale umgewandelt wird, ge kennzeichnet durch eine Lichtintensitätssteuervorrichtung (4,5), die die Intensität (x) einer einfallenden Lichtmenge logarithmiert, um simultan mehrere Lichtmengen unterschiedlicher Jntensitäten zu erzeugen, wobei die Bildaufnahmeanordnung mehrere Bildaufnahmeeinrichtungen (2a, 2b, 2c) aufweist, die entsprechend die mehreren simultan von der Lichtintensitätssteuervorrichtung ausgegebenen Lichtmengen unterschiedlicher Intensitäten empfängt und diese simultan in mehrere den Lichtintensitäten entsprechende elektrische Signale umformt, und eine Addiervorrichtung (6), die die elektrischen Signale jeweils für gleiche Stellen, die den jeweiligen Lichtempfangsflächen der mehreren Lichtempfangseinrichtungen zugeordnet sind, addiert, um die Ausgangssignale der Addiervorrichtung als die Video-Ausgangssignale bereitzustellen.

2. Bildaufnahmevorrichtung zur Erzeugung von Video-Ausgangssignalen, indem eine Abbildung vom Licht eines darzustellenden Objekts von einer Bildaufnahmeanordnung empfangen wird und dieses Bild in elektrische Signale umgewandelt wird, gekennzeichnet durch eine Lichtintensitätssteuervorrichtung (F), die die Intensität (x) einer einfallenden Lichtmenge logarithmiert, um simultan mehrere Lichimengen unterschiedlicher Intensitäten zu erzeugen, wobei die Bildaufnahmeanordnung (2, F, 59) an unterschiedlichen Stellen einer Lichtempfangsfläche diese mehreren Lichtmengen unterschiedlicher Intensitäten, die simultan von der Lichtintensitätssteuervorrichtung ausgegeben werden, empfängt und diese Lichtmengen simultan in mehrere den Lichtintensitäten entsprechende elektrische Signale umwandelt, mehrere Signalhaltevorrichtungen (12 bis 15), die die mehreren elektrischen Signale aus der Bildaufnahmeanordnung entsprechend der mehreren Lichtmengen verschiedener Intensitäten aufnehmen, diese speichern und gleichzeitig ausgeben, und eine Addiervorrichtung (6). die elektrische Signale, die mehreren benachbarten Bildelementen der Bildaufnahmeanordnung zugeordnet sind, addiert, indem sie die Ausgangssignale der mehreren Signalhaltevorrichtungen addiert, um die Ausgangssignale der Addiervorrichtung als die Video-Ausgangssignale bereitzustellen.

3. Bildaufnahmevorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Lichtintensitätssteuervorrichtung mehrere halbdurchlässige Spiegel (4, 5), auf derselben Geraden in Richtung des einfallenden Lichts und mit vorbestimmten Abständen zueinander beabstandet angeordnet, aufweist, so daß durch das auf die halbdurchlässigen Spiegel auf treffende und durch die Spiegel hindurchgehende Licht simultan die mehreren Lichtmengen unterschiedlicher Intensitäten gewonnen werden, die auf die mehreren Bildaufnahmeeinrichtungen (2a, 2b, 2c) zu geben sind.

4. Bildaufnahmevorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Lichtintensitätssteuervorrichtung (F) mehrere Filterelemente (8, 9, 10, 111 aufweist, die die Intensität des einfallenden Lichts logarithmisch auf mehrere verschiedene Dämpfungsfaktoren herabdämpfen, und daß zwei Filterelemente mit nahe beieinanderliegenden Dämpfungsfaktoren abwechselnd auf einer Geraden und in einer Ebene auf der Lichtempfangsfläche der Bildaufnahmeanordnung angeordnet sind.

5. Bildaufnahmevorrichtung nach Anspruch 2 oder

4, dadurch gekennzeichnet, daß die Signalhaltevorrichtungen mehrere Abtast- und Halteschaltungen

ίο (12 bis 15) aufweisen zum Halten der Ausgangssignale der Bildaufnahmeanordnung in einer Folge von Abtastimpulsen (Pi, P₂).

6. Bildaufnahmevorrichtung nach Anspruch 2 oder

5, dadurch gekennzeichnet, daß die Lichtintensitätssteuervorrichtung eine Lichtquellenanordnung

(20) aufweist, die es ermöglicht, die Lichtintensitäten zur Ausleuchtung des Objekts aufeinanderfolgend und logarithmisch in einem vorbestimmten Zeitintervall synchron mit dem Umschalten des Eingangssignals der Signalhaltevorrichtungen (12—15; 28—31) umzuschalten.

7. Bikteufnahmevorrichtung nach Anspruch b, dadurch gekennzeichnet, daß die Lichtquellenanordnung (20) so aufgebaut ist, daß der Antriebsslrom für die Beleuchtungsquelle steuerbar ist

8. Bildaufnahmevorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Lichtquellenanordnung (20) ein Drehfilter (33) aufweist, in dem mehrere lichtdurchlässige Kreisausschnittsfilter zur logarithmischen Dämpfung des Beleuchtungslichts der Lichtquelle mit mehreren verschiedenen Dämpfungsfaktoren zwischen zwei konzentrischen Kreisen angeordnet sind, um Umschallsignale (I) für die Signalhaltevorrichtungen zu erzeugen, indem die Drehlage des Filters bezüglich der lichtdurchlässigen Filter für jeden Dämpfungsfaktor festgestellt wird.

9. Bildaufnahmevorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Lichtquellenanordnung (20) aus einem Drehfilter {33a) besteht, das aufeinanderfolgend rotes, grünes und blaues Licht von dem Beleuchtungslicht der Lichtquelle hindurchläßt und daß mehrere Sätze von farbdurchlässigen Kreisausschnittfiltern (Ru G\, B\\ R₂, G₂, B₂; R3, Gi, By, Ra, Ga, Ba) zum logarithmischen Dämpfen jedes Satzes roten, grünen und blauen Lichts (R, G, B) mit mehreren verschiedenen Dämpfungsfaktoren zwischen zwei konzentrischen Kreisen angeordnet sind, um Umschaltsignale (f) für die Signalhaltevorrichtungen (28—31) zu erzeugen, indem die Drehlage des Filters bezüglich der farbdurchlässigen Filter festgestellt wird.

10. Bildaufnahmevorrichtung nach den Ansprüchen 5 oder 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Signalhaltevorrichtungen (12—15; 28—31) mehrere Halbbildspeicher (28—31) zum aufeinanderfolgenden Umschalten der Ausgangssignale der Bildaufnahmeanordnung synchron mit dem Umschalten der Lichtintensität der Lichtquellenanordnung (20) aufweist.