DE3442647A1 - Ccd-bildwandler - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen Bildwandler, der CCD-Elemente (charge-coupled device) verwendet und speziell eine Verbesserung beim Reduzieren des Verschmierens eines reproduzierten Bildes.

Kürzlich wurden viele Verbesserungen von Bildwandlern für die Benutzung z.B. in einer Fernsehkamera erzielt und eine dieser ist die Verwendung eines Festkörper-CCD anstelle einer Bildröhre, was in einer kompakten Größe der Kamera resultiert. Solch ein Festkörper-Bildwandler wird durch eine Vielzahl von fotoelektrischen Wandlern bestimmt, die . in zwei Richtungen rechtwinkelig zueinander angeordnet sind. Wenn ein Bild auf dem Festkörper-Bildwandler ausgebildet wird, speichert jeder fotoelektrische Wandler eine

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Ladung, die im Verhältnis zur Intensität des auffallenden Lichtes steht, wodurch ein Ladungsmuster eines Feldes ausgebildet wird. Das Ladungsmuster wird in ein Register übertragen, von welchem ein Ladungssignal seriell ausgelesen wird. Wenn das auf dem Festkörper-Bildwandler ausgebildete Bild einen hellen Teil hat, wie z.B. einen hellen Lichtpunkt, wird während der Übertragung des Ladungsmusters eine Zusatzladung zu den fotoelektrischen Wandlern addiert, auf welchen der helle Lichtpunkt abgetastet wird. Diese Zusatzladung resultiert in einem unerwünschten Verschmieren im reproduzierten Bild.

Herkömmlich wurde eine Anzahl von Anordnungen vorgeschlagen, die diese ^Le rschmie rung reduzieren können. Eine derartige Anordnung ist z.B. in US-PS 40 10 319 von Peter Alan Levine offenbart oder in der offengelegten japanischen Patentanmeldung Nr. 57-17276 von Michio Masuda und anderen.

Eine Anordnung gemäß dem herkömmlichen CCD-Bildwandler ist in Fig. 1 gezeigt, welche ein Rahmen-Übertragungs-CCD-Element 1 aufweist, mit einem ersten Register 11, einem zweiten Register 12 und einem Ausleseregister 13. Im ersten Register 11, welches eine Bildfläche definiert, sind die fotoelektrischen Wandler P¹ in der untersten Zeile maskiert und die anderen fotoelektrischen Wandler P so angeordnet, daß sie ein Lichtbild empfangen. Das zweite Register 12,

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welches ein Speicherfeld bildet und das Ausleseregister 13 ; sind ebenso maskiert. Wenn ein Taktimpuls an den CCD 1 an- ^: gelegt wird, werden alternierend eine Bildsammeiperiode (z.B. 16,1 msec) und eine Bildübertragungsperiode (z.B. 0,5 msec) wiederholt. Es wird angenommen, daß eine Szene mit einem hellen kreisförmigen Punkt auf das erste Regi- ! ster 11 projiziert wird. ;

Bevor der erste Aufnahmezyklus (Indigrationszyklus) an- :

fängt erscheint ein "Feld" ohne Bildinformation im ersten Register 11, als ob ein "Feld" durch das erste Register 11 in einer Blind-Herabzieh-Weise herabgezogen wird. Das erste \ Register 11 empfängt Licht auch während das "Feld" herab- \ gezogen wird. Entsprechend tragen die fotoelektrischen Wandler P^! in der letzten Zeile H¹ ein Signal, das durch ; i das schnelle vertikale Abtasten des neuen Feldes über das lichtempfangende Feld erhalten wird. Wenn das auf dem Feld ausgebildete Bild keinen hervorstechenden hellen Teil hat, \ ist das Signal in der letzten Zeile H¹ so klein, daß es vernachlässigt werden kann. Im Gegensatz dazu, wenn das Bild im Feld einen hellen Teil hat, wie z.B. einen hellen Punkt, wird der fotoelektrische Wandler in geringem Maße integriert auch während das Feld über dem hellen Punkt abgetastet wird, so hat in diesem Fall die Ladungsverteilung entlang der Linie LM von Fig. 3a, welche sich durch die maskierte letzte Zeile H' erstreckt, eine kleine Spitze,

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wie durch den Graphen G_LM angedeutet. Da diese kleine Spitze in jeder horizontalen Zeile auftaucht und dazuaddiert wird, erscheint in diesem Feld eine vertikale Verschmierung. Deshalb wird das in G_LM gezeigte Signal als Schmiersignal bezeichnet.

Während des ersten Aufnahmezyklus, werden die fotoelektrischen Wandler P integriert, welche jeder auf einem Pegel geladen sind, der der Helligkeit des empfangenen Lichtes I entspricht. Entsprechend wird das empfangene Bild in ein ! Ladungsmuster auf den fotoelektrischen Wandlern P umgewandelt. Die Ladungsverteilung entlang der Zeile Ll von Fig. 3a, welche das Punktbild schneidet, ist als G,- angedeutet. *,

Dann werden im ersten Übertragungszyklus, welcher der vertikalen Austastperiode eines kommerziellen Fernsehsystems entspricht , die Ladungssignale, die im "Feld" gesammelt wurden, parallel in Spaltenrichtung vom Register 11 {

zum Register 12 übertragen , so daß die Ladung in den fo- j toeleketrischen Wandlern P in der ersten Zeile von oben übertragen werden in die in der zweiten Zeile usw. Während des Übertragungszyklus erscheint ein neues Feld im ersten Register 11 in der gleichen Weise, wie sie oben in der Blind-Herabzieh-Weise (blind pull down manner) beschrieben

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wurde.

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Dann wird während des zweiten Aufnahmezyklus das Ladungsmuster in der oben beschriebenen Weise ausgebildet und gleichzeitig werden die im zweiten Register 12 gespeicherten Signale über das Ausleseregister 13 seriell ausgelesen, so daß das erste Auslesezeilensignal, welches das "Schmiersignal in den fotoelektrischen Wandlern P¹ in der letzen Zeile H¹ ist, in dem Zeilenspeicher 2 übertragen und darin gespeichert wird. Nach der Auslese des Schmiersignals ändert der Schalter S seine Verbindung, wie sie in Fig. 1 ge-

.0 zeigt ist, so daß der Anschluß Ta mit dem Anschluß Tc und der Anschluß Td mit dem Anschluß Tf verbunden werden. Folglich werden das Auslesesignal über die Anschlüsse Ta und Tc und das Schmiersignal aus dem Zeilenspeicher 2 gleichzeitig zum Subtrahierwerk 3 übertragen, in welchem das

.5 Schmiersignal vom Auslesesignal abgezogen wird. Das Subtraktionsergebnis, wie angezeigt im Graphen G,. . , wird vom Subtrahierwerk 3 abgezogen. Wenn die Subtraktion für jedes horizontale Zeilensignal durchgeführt wird, kann ein Bild ohne Verschmierung erzeugt werden, wie in Fig. 3b

!0 gezeigt.

Bei dem oben beschriebenen bekannten CCD-Bildwandler tritt ein Problem auf, wenn der Bildwandler mit einem Überlauf-drain-Bus für die Verringerung von Überstrahleffekten (blooming) versehen ist. Fig. 2 zeigt schematisch eine An-

!5 Ordnung einer Überlaufsenke 14, die zwischen den fluchten-

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den fotoelektrischen Wandlern P liegt. Wenn ein sehr hei- : les Bild auffällt, erzeugen die fotoelektrischen Wandler i erheblich mehr Ladungssignal als an dieser Stelle gespeichert werden kann. Die Überschußladung neigt dazu in die anliegenden Stellen auszustreuen entlang des ladungsgekoppelten Kanals, was ein "Überstrahlen" des Bildes zur Folge hat. Wenn aber die Überlaufsenke 14 vorgesehen ist, fließt die Überschußladung, die oberhalb eines vorbestimmten Pegels Vmax liegt, durch die Überflußsenke 14 ab, wodurch das unerwünschte Überstrahlen vermieden wird.

Im Falle, wenn eine Überlaufsenke 14 od.dgl. Anordnung zum Reduzieren des Überstrahlens zusammen mit der oben be- j schriebenen Verschmierungsreduzierungsvorrichtung verwendet wird, tritt das unten beschriebene Problem auf.

Wenn ein sehr helles Bild, wie z.B. ein sehr heller Lichtpunkt, wie in Fig. 4a gezeigt, auf das CCD-Feld auffällt, hat die Ladungsverteilung entlang der Zeile 1 eine flache Spitze, wobei die Maximalspannung auf Vmax beschränkt ist, wie im Graphen G_Tn gezeigt. Wenn das Schmiersignal

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G_{T M} vom Zeilensignal entlang der Zeile Ll abgezogen wird, ' wird die flache Spitze erniedrigt, wie in G_{T1 T} gezeigt,

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was einen dunklen Teil im Zentrum des Lichtpunktes erzeugt, wie in Fig. 4b gezeigt.

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Die vorliegende Erfindung wurde entwickelt mit Blick auf die Lösung des oben beschriebenen Problems, so daß es die wesentliche Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist, einen verbesserten CCD-Bildwandler zu schaffen, bei welchem das Verschmieren reduziert wird und gleichzeitig ei*n Überstrahlen um helle Bildpunkte herum reduziert wird, ohne daß dunkle Teile im Zentrum des hellen Bildes erzeugt werden.

Eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist die Schaffung eines CCD-Bildwandlers von einfacher Konstruktion.

Zur Lösung dieser Aufgabe weist der erfindungsgemäße CCD-Bildwandler ein CCD-Element mit einer Vielzahl von

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fotoelektrischen Wandlern auf, die vertikal und horizontal zueinander fluchten, wobei mindestens eine horizontale Zeile maskiert ist. Der CCD erzeugt unmaskierte horizontale Zeilensignale, die von den unmaskierten horizontalen Zeilen abgezogen werden, und ein maskiertes horizontales Zeilensignal, das von der maskierten horizontalen Zeile abgezogen wird. Ein Zeilenspeicher, der mit dem CCD verbunden ist, speichert das maskierte horizontale Zeilensignal ^: und erzeugt wiederholt und seriell das maskierte'horizontale Zeilensignal. Ein Subtrahierwerk ist mit dem Zeilenspeicher verbunden zum Subtrahieren des maskierten hori-

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zontalen Zeilensignals von jedem der unmaskierten horizontalen Zeilensignale und zum Erzeugen eines subtrahierten Signals. Ein Komparator ist vorgesehen, zum Vergleichen des unmaskierten horizontalen Zeilensignals mit einer Schwellenspannung, die von einer Konstantspannungsquelle erhalten wird, und zum Erzeugen eines ersten Signals, wenn das unmaskierte horizontale Zeilensignal unterhalb der Schwel- j

i lenspannung liegt und eines zweiten Signals, wenn es ober- j halb der Schwellenspannung liegt. Eine Schaltervorrichtung ist mit dem Komparator verbunden zum Durchlassen des subtrahierten Signales, wenn das erste Signal erzeugt wird, und des unmaskierten horizontalen Zeilensignals, wenn das zweite Signal erzeugt wird.

Im folgenden wird eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung unter Bezugnahme auf die Figuren genauer beschrieben. Es zeigen:

Fig. 1, ein Schaltkreisdiagramm eines herkömmlichen CCD-Bildwandlers;

Fig. 2, ein schematisches Bild eines Feldes von fotoelektrischen Wandlern in CCD mit einer Überlaufsenke;

Fig. 3a,eine schematische Ansicht, die eine vertikale Verschmierung zeigt, die auf dem reproduzierten Bild eines

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hellen Punktes erscheint; und Graphen der Ladungsverteilung entlang spezieller Zeilen Ll und LM, und ein erzeugtes Videosignal;

Fig. 3b, eine schematische Ansicht, die ein reproduziertes Bild zeigt, bei dem die Verschmierung entfernt ist;

Fig. 4a, eine schematische Ansicht,die eine vertikale Verschmierung zeigt, die auf dem reproduzierten Bild eines sehr hellen Punktes erscheint, und Graphen der Ladungsverteilung entlang spezieller Zeilen Ll und LM, und ein erzeugtes Videosignal;

Fig. 4b, eine schematische Ansicht des erzeugten Bildes, bei welchem die Verschmierung entfernt ist, die aber eine unerwünschte dunkle Stelle im hellen Teil hat.

Fig. 5, eine Schaltkreisanordnung des erfindungsgemäßen CCD-Bildwandlers;

Fig. 6, eine Schaltkreisanordnung einer Schalteranordnung von Fig. 5;

Fig. 7a, eine schematische Ansicht, die die vertikale Verschmierung zeigt, die.im reproduzierten Bild eines sehr hellen Punktes auftaucht,und Graphen der Ladungsverteilung

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entlang spezieller Zeilen Ll, L2 und LM und ein erzeugtes j

Videosignal; und ^;

Fig. 7b, eine schematische Ansicht, die das reproduzierte Bild mit entfernter Verschmierung zeigt ohne jeden ungewünschten dunklen Teil innerhalb des hellen Teils. j

Fig. 5 zeigt einen CCD-Bildwandler gemäß der Erfindung. Verglichen mit dem bekannten CCD-Bildwandler von Fig. 1 enthält der erfindungsgemäße zusätzlich einen Komparator 4, der mit einer Konstantspannungsquelle 5 und einem Schalter S2 verbunden ist. Der CCD-Bildwandler von Fig. 5 hat eine Überlaufsenke 14, wie z.B. die von Fig. 2 od.dgl., welche ein Überstrahlen verhindert.

Der Schalter S2 hat Anschlüsse Tg, Th und Ti von denen Th mit dem.Anschluß Tc des Schalters Sl, Ti mit dem Subtrahierwerk 3 verbunden ist und Tg ein Ausgangsanschluß ist, der entweder mit dem Anschluß Th oder Ti verbunden ist. Der Schalter S2 wird durch das Ausgangssignal vom Komparator 4 gesteuert.

Der Komparator 4 ist an seinem Eingang verbunden mit dem Anschluß Tc des Schalters Sl um ein Auslesesignal vom CCD 1 zu empfangen, wenn, der Schalter Sl seine Anschlüsse

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Ta und Tc verbindet. Ein"weiterer Eingang des Komparators 4 ist mit einer Konstantspannungsquelle 5 verbunden, um eine Schwellenspannung Vm₁. zu empfangen, die ein wenig

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unterhalb der Spannung Vmax der Überlaufsenke 14 liegt. Der Ausgang des Komparators 4 ist mit dem Schalter S2 verbunden. ·

Der Betriebb des CCD-Bildwandlers gemäß der Erfindung wird weiter unten beschrieben unter der Annahme, daß j der Bild-CCD 1 zwei helle kreisförmige Punkte aufweist, : wie in Fig. 7a gezeigt.

Wenn das Auslesesignal vom CCD 1, welches vom Anschluß Tc erhalten wird, kleiner als der Schwellenpegel V~„ ist, d.h. wenn das diesem Signal entsprechende Bild eine HeI- j ligkeit unterhalb eines bestimmten Pegels hat, wie das ■ durch die gerundeten Spitzen in den Graphen G_T - und G_{T o} von Fig. 7a gezeigt ist, erzeugt der Komparator 4 ein Sig- J

I nal zum Bewirken, daß der Schalter S2 seinen Anschluß Ti 1

ι mit dem Anschluß Tg verbindet, wodurch ein subtrahiertes Videosignal am Ausgangsanschluß Tg erzeugt wird. Folglich wird ein Videosignal ohne Verschmierung am Anschluß TG abgezogen.

Auf der anderen Seite,· wenn das Auslesesignal vom CCD 1,

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wie es vom Anschluß Tc erhalten wird, größer als der Schwellenpegel V„„ ist, d.h. wenn das diesem Signal entsprechende Bild eine Helligkeit oberhalb eines bestimmten Pegels hat, wie durch die abgeflachten Spitzen in den Graphen G_{T 1} und G_To in Fig. 7a gezeigt, erzeugt der Komparator 4 ein Signal, welches bewirkt, daß der Schalter seinen Anschluß Th mit dem Anschluß Tg verbindet, wodurch ein Videosignal ohne Subtraktion am Ausgangsanschluß Tg erzeugt wird. Entsprechend kann ein Bild erzeugt werden, welches keine unerwünschten dunklen Flecken im hellen Feld hat.

In Fig. 7a zeigen die Graphen G_L1, G-₂ und G _M, Videosignale, die entlang" der Spalten Ll, L2 bzw. LM erhalten werden, bevor die ungewünschten Schmiersignale entfernt werden. Wenn das im Graph G_T- gezeigte Signal verarbei-

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tet wird im Schaltkreis von Fig. 5, wird es in das Signal umgewandelt, welches durch den Graph G_T .. gezeigt wird, bei welchem die abgerundeten Spitzen eliminiert sind, aber ohne Änderung in den abgeflachten Spitzen. Eine ähnliche Änderung ist im Signal von Graph G_To zu sehen. Durch die

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Benutzung der Signale gemäß den Graphen G,- und G.p hat somit das reproduzierte Bild keine Verschmierung und kei-. nen dunklen Punkt innerhalb der hellen Flächen, wie in Fig. 7b gezeigt.

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Fig. 6 zeigt eine bevorzugte Aus führungs form des Schal- ^1: ters S2, welcher durch eine logische Schaltung gebildet ist. Der Anschluß Ti ist mit dem analogen Schalter ASl verbunden. In ähnlicher Weise ist der Anschluß Th mit dem analogen Schalter AS2 verbunden. Die Ausgänge der analogen j

Schalter ASl und AS2 sind miteinander verbunden und außer- |

dem mit dem Ausgangsanschluß Tg. Eine Leitung vom Komparator 4 ist mit dem Inverter INI verbunden, der mit einem weiteren Inverter IN2 verbunden ist und ebenso mit einem Steueranschluß des analogen Schalters AS2. Der Ausgang des Inverters IN2 ist verbunden mit einem Steueranschluß des analogen Schalters ÄS1.

Der Komperator 4 in Verbindung mit dem Schalter S2 von _t Fig. 6 arbeitet so, daß, wenn das Auslesesignal vom CCD vom Anschluß Tc kleiner als der Schwellenpegel V₁₃, ist, d. h. wenn das.dem Signal entsprechende Bild eine Helligkeit unterhalb eines bestimmten Pegels hat, der Komparator 4 ein HOCH-Signal erzeugt. So erzeugt- der Inverter INI ein TIEF-Signal, um den Analogschalter AS2 zu unterbrechen, und der Inverter IN2 ein HOCH-Signal, um den Analogschalter ASl anzuschalten. Auf diese Weise wird das subtrahierte Videosignal über den Anschluß Ti, den Analogschalter ASl zum Ausgangsanschluß Tg übertragen.

Auf der anderen Seite, wenn das Auslesesignal vom CCD

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vom Anschluß Tc größer ist als der Schwellenpegel V_ , d.h. wenn das dem Signal entsprechende Bild eine Helligkeit ober- ! halb eines bestimmten Pegels hat, erzeugt der Komparator 4 ein TIEF-Signal. So erzeugt der Inverter INI ein HOCH-Sig- -■· nal, um den Analogschalter AS2 anzuschalten, und der Inverter IN2 erzeugt ein TIEF-Signal_ um den Analogschalter ASl :

auszuschalten. So wird ein Videosignal ohne Subtraktion

am Ausgangsanschluß Tg erzeugt. \

Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung können die den Schaltkreisen 2,3, 4 und 5 von Fig. 5 zugeführten Signale in digitaler Form verarbeitet werden. In so einem Falle ist ein Analog-Digital-Konverter 20 zwischen dem CCD 1 und dem Schalter Sl geschaltet, und ein Digital-Analog-Konverter 21 hinter dem Ausgangsanschluß Tg geschaltet, wie in Fig. 5 gezeigt.

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Claims (1)

1. Patentanspruch

   U CCD-Bildwandler gekennzeichnet durch:

   ein CCD-Element (1) mit einer Vielzahl von fotoelektrischen Wandlern (P), die vertikal und horizontal zueinander fluchten, wobei mindestens eine horizontale Zeile (H¹) maskiert ist, und wobei das CCD-Element unmaskierte horizontale Zeilensignale, die von den unmaskierten horizontalen Zeilen abgezogen werden, und ein maskiertes horizontales Zeilensignal, das von der maskierten horizontalen Zeile (H¹) abgezogen wird, erzeugt;

   einen Zeilenspeicher (2) zum Abspeichern des maskierten horizontalen Zeilensignals und zum wiederholten seriellen Reproduzieren des maskierten horizontalen Zeilensignals;

   ein-Subtrahierwerk (3) zum Subtrahieren des maskierten horizontalen Zeilensignals von jedem der unmaskierten horizontalen Zeilensignale und zum Erzeugen eines subtrahierten Signals;

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   eine Konstantspannungsquelle (5) zum Erzeugen einer Schw lenspannung (V_TH);

   einen Komperator (4) zum Vergleichen des unmaskierten
   horizontalen Zeilensignals mit der Schwellenspannung und zu; Erzeugen eines ersten Signals, wenn das unmaskierte horizon tale Zeilensignal unterhalb der Schwellenspannung liegt, un eines zweiten Signals, wenn es oberhalb der Schwellenspannu: liegt; und

   eine Schaltervorrichtung (S), die mit dem Komperator (4) verbunden ist, zum Durchlassen des subtrahierten Signals,
   wenn das erste Signal erzeugt wird, und des unmaskierten ho zontalen Zeilensignals, wenn das zweite Signal erzeugt wird

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