DE3828867A1 - Festkoerper-bildsensorvorrichtung - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Festkörper-Bildsensorvorrich­ tung.

Zum Aufnehmen einer Szene oder eines Motivs mittels eines Festkörper-Bildsensors werden mittels des letzteren mehrere Farbbilder der Szene aufgenommen und damit mehrere Bild­ signale entsprechend den Farbbildern erzeugt. Die Bildsi­ gnale werden dann zu einem Fernseh-Farbbildsignal zusammen­ gesetzt. Bei Belichtung mit einem optischen Bild über Farb­ filter z.B. der drei Grundfarben Rot (R), Grün (G) und Blau (B) wandelt der Festkörper-Bildsensor das optische Bild in drei Bildsignale entsprechend R, G und B um. Diese Bild­ signale werden zusammengesetzt und einem Farbfernsehmonitor eingespeist, um damit ein Farbbild der Szene bzw. des Auf­ nahmemotivs wiederzugeben.

Bei herkömmlichen Festkörper-Bildsensoren sind mehrere photoelektrische Wandlereinheiten, jeweils bestehend aus einer großen Zahl von lotrecht angeordneten photoelektri­ schen Elementen, parallel zueinander in waagerechter Rich­ tung (Horizontalrichtung) angeordnet, wobei vertikale bzw. lotrechte Übertragungseinheiten (transfer members) neben den betreffenden photoelektrischen Wandlereinheiten und parallel zu ihnen angeordnet sind. Die photoelektrischen Wandlereinheiten wandeln jeweils ein einfallendes oder auf­ treffendes optisches Bild in ein elektrisches Signal um, während die vertikalen Übertragungseinheiten jeweils photo­ elektrische Signale von einer betreffenden (zugeordneten) photoelektrischen Wandlereinheit speichern und diese photo­ elektrischen Signale sequentiell in lotrechter Richtung (Vertikalrichtung) übertragen. Unter dem Array aus den ver­ tikalen Übertragungseinheiten ist eine horizontale bzw. waagerechte Übertragungseinheit zum Speichern der von den vertikalen Übertragungseinheiten übertragenen photoelektri­ schen Signale und zum sequentiellen Übertragen der letzte­ ren in waagerechter Richtung vorgesehen.

Bei herkömmlichen Festkörper-Farbbildsensoren sind drei Farbfilter für R, G und B jeweils an drei aufeinanderfol­ genden photoelektrischen Wandlereinheiten angebracht, wobei photoelektrische Signale von den drei photoelektrischen Wandlereinheiten zur Bildung eines Farbbildsignals zusammen­ gesetzt (synthesized) werden. Die photoelektrischen Wand­ lereinheiten werden mithin für die Gewinnung eines Bilds für eine vertikale Spalte benötigt, wodurch die Auflösung des mittels des Festkörper-Bildsensors gewonnenen Gesamt­ bilds vermindert wird.

Als Alternative zum beschriebenen System ist ein plansequen­ tielles System bekannt. Dabei wird eine Lichtquelle, die Licht der Farben Rot, Grün und Blau (R, G bzw. B) zu emittie­ ren vermag, umgeschaltet, um sequentiell das R-, G- und B-Licht für die Beleuchtung einer Szene zu emittieren, wo­ bei drei sequentiell vom Festkörper-Bildsensor ausgegebene oder gelieferte photoelektrische Farbsignale oder photo­ elektrische Dreifarbsignale zu einem Farbbild zusammenge­ setzt werden. Da bei diesem System eine photoelektrische Wandlereinheit ein Farbbildsignal entsprechend einer verti­ kalen Spalte erzeugen kann, wird die Auflösung beeinträchtigt. Da jedoch bei diesem System drei Bil­ der von R, G und B zur Gewinnung eines Farbbilds sequentiell aufgenommen werden, können im resultierenden Bild Farbver­ schiebungen auftreten. Wenn es sich beim Aufnahmeobjekt um ein sich schnell bewegendes Objekt handelt, sind die Bilder für R, G und B gegeneinander versetzt oder verscho­ ben.

Aufgabe der Erfindung ist damit die Schaffung einer Fest­ körper-Bildsensorvorrichtung, mit welcher die Beeinträchti­ gung der Auflösung der wiedergegebenen (reproduzierten) Bilder, die Herabsetzung der Bildgüte und die Farbverschie­ bungen in den Wiedergabebildern weitgehend vermieden wer­ den.

Diese Aufgabe wird durch die im Patentanspruch 1 gekenn­ zeichneten Merkmale gelöst.

Erfindungsgemäß ist eine mit einer photoelektrischen Wand­ lereinheit gekoppelte vertikale Übertragungseinheit aus einer Vielzahl von jeweils einer Anzahl von Farbsignalen zugewiesenen Übertragungsfeldern oder -arrays gebildet, die sequentiell zum Speichern der betreffenden Farbsignale gewählt bzw. angesteuert werden. Die in den Übertragungs­ arrays gespeicherten Farbsignale werden sequentiell oder gleichzeitig übertragen.

Insbesondere sind erfindungsgemäß drei vertikale Übertra­ gungsarrays für die drei Primärfarben R, G und B (Rot, Grün bzw. Blau) vorgesehen, und sie werden jedesmal dann (um)ge­ schaltet, wenn ein Farbsignal für R, G und B von der photo­ elektrischen Wandlereinheit empfangen wird. Die von letzte­ rer ausgegebenen bzw. gelieferten R-, G- und B-Farbsignale können daher innerhalb kurzer Zeit in entsprechenden verti­ kalen Übertragungsarrays gespeichert werden. Die in letzte­ ren gespeicherten Farbsignale können sequentiell oder gleich­ zeitig zu einer horizontalen Übertragungseinheit übertra­ gen werden.

Im folgenden ist eine bevorzugte Ausführungsform der Erfin­ dung anhand der Zeichnung näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 eine schematische Darstellung der Anordnung einer Festkörper-Bildsensorvorrichtung gemäß der Erfin­ dung,

Fig. 2 ein Blockschaltbild einer Vorrichtung, bei welcher die erfindungsgemäße Festkörper-Bildsensorvorrich­ tung auf ein Endoskop angewandt ist,

Fig. 3 ein Zeitsteuerdiagramm für die Vorrichtung nach Fig. 2 und

Fig. 4 ein weiteres Zeitsteuerdiagramm für die Vorrichtung nach Fig. 2.

Gemäß Fig. 1 umfaßt eine Festkörper-Bildsensorvorrichtung eine Vielzahl von photoelektrischen Wandlereinheiten 1, die parallel zueinander angeordnet sind und jeweils aus einer großen Zahl von lotrecht angeordneten photoelektri­ schen Wandlerelementen bzw. einem Array photoelektrischer Elemente bestehen und ein einfallendes oder auftreffendes optisches Bild in photoelektrische Signale umwandeln. Eine vertikale Übertragungseinheit 2 ist zum Speichern und Über­ tragen der photoelektrischen Signale dicht neben jeder photo­ elektrischen Wandlereinheit 1 parallel dazu angeordnet. Die vertikale Übertragungseinheit 2 besteht z.B. aus drei parallelen vertikalen Übertragungsarrays 21, 22, 23, die jeweils durch eine Ladungsübertragungsvorrichtung, z.B. ein Ladungsverschiebeelement (CCD), gebildet sind. Jede Ladungsübertragungsvorrichtung besteht aus einem Array aus einer großen Zahl von Elementen, die an die jeweiligen photo­ elektrischen Elemente einer betreffenden photoelektrischen Wandlereinheit angeschlossen sind.

Die Ausgänge der vertikalen Übertragungseinheiten 2 sind an eine horizontale Übertragungseinheit 3 aus drei horizon­ talen Übertragungsarrays 31, 32 und 33 angeschlossen, welche den vertikalen Übertragungsarrays 21, 22 bzw. 23 entsprechen. Jedes der horizontalen Übertragungsarrays ist durch eine Ladungsübertragungsvorrichtung, z.B. eine CCD-Vorrichtung, gebildet, deren Elemente jeweils an die Ausgänge entsprechen­ der vertikaler Übertragungsarrays angeschlossen sind. Die Ausgänge der horizontalen Übertragungsarrays 31, 32 und 33 sind mit Verstärkern 41, 42 bzw. 43 in einem Verstärker­ teil 4 verbunden.

Bei der beschriebenen Festkörper-Bildsensorvorrichtung ge­ mäß der Erfindung sind somit drei Übertragungsleitungen für jede der photoelektrischen Wandlereinheiten 1 vorge­ sehen. Genauer gesagt: ein erstes Übertragungssystem umfaßt das vertikale Übertragungsarray 21, das horizontale Über­ tragungsarray 31 und den Verstärker 41; ein zweites Über­ tragungssystem umfaßt das vertikale Übertragungsarray 22, das horizontale Übertragungsarray 32 und den Verstärker 42; ein drittes Übertragungssystem umfaßt das vertikale Übertragungsarray 23, das horizontale Übertragungsarray 33 und den Verstärker 43.

Im folgenden ist die Arbeitsweise der Festkörper-Bildsensor­ vorrichtung erläutert.

Es wird eine Lichtquelle vorgesehen, die Licht der Primär­ farben R, G und B (Rot, Grün bzw. Blau) zu emittieren ver­ mag. Die drei Übertragungssysteme werden jeweils R, G bzw. B zugewiesen. Ein Aufnahmeobjekt wird mittels der Licht­ quelle in kurzen Zeitabständen in der Reihenfolge R, G und B beleuchtet. Dies bedeutet, daß das Aufnahmeobjekt zunächst während einer kurzen Zeit mit Rotlicht beleuchtet wird, so daß ein rotes Bild oder Rotbild des Aufnahmeobjekts auf der Oberfläche der photoelektrischen Wandlereinheit 1 fokus­ siert wird. Zu diesem Zeitpunkt wird das erste Übertragungs­ system (R-System) gewählt, mit dem Ergebnis, daß ein von der photoelektrischen Wandlereinheit 1 ausgegebenes oder geliefertes R-Bildsignal im vertikalen Übertragungsarray 21 gespeichert wird. Anschließend wird das Aufnahmeobjekt während einer kurzen Zeitspanne mit Grünlicht beleuchtet, um ein grünes Bild oder Grünbild des Aufnahmeobjekts auf die Oberfläche der photoelektrischen Wandlereinheit 1 zu fokussieren. Zu diesem Zeitpunkt wird das zweite Übertra­ gungssystem (G-System) gewählt, so daß ein von der photo­ elektrischen Wandlereinheit 1 geliefertes G-Bildsignal im vertikalen Übertragungsarray 22 gespeichert wird. Schließ­ lich wird das Aufnahmeobjekt während einer kurzen Zeit mit Blaulicht beleuchtet; dabei wird ein blaues Bild oder Blau­ bild des Aufnahmeobjekts auf die Oberfläche der photoelek­ trischen Wandlereinheit 1 fokussiert. Da hierbei das dritte Übertragungssystem (B-System) gewählt ist, wird ein von der photoelektrischen Wandlereinheit 1 ausgegebenes B-Bild­ signal im vertikalen Übertragungsarray 23 gespeichert.

Die in den vertikalen Übertragungsarrays 21, 22 und 23 ge­ speicherten R-, G- bzw. B-Bildsignale werden zu den hori­ zontalen Übertragungsarrays 31, 32 bzw. 33 übertragen und in diesen gespeichert. Die horizontalen Übertragungsarrays 31, 32, 33 übertragen sodann die gespeicherten R-, G- und B-Bildsignale für jeweils eine Abtastzeile zu den Verstär­ kern 41, 42 bzw. 43. Die Verstärker 41, 42, 43 verstärken jeweils ein eingespeistes Bildsignal und liefern ein ver­ stärktes Bildsignal zu einem externen Bildprozessor. Letzte­ rer setzt die R-, G- und B-Bildsignale zu einem Farbfern­ sehsignal zusammen. Das Farbfernsehsignal wird für die Wie­ dergabe eines Farbbilds des Aufnahmeobjekts einem Fernseh- Monitor eingespeist.

Bei dem vorstehend beschriebenen Bildsignal-Übertragungs­ schema brauchen die R-, G- und B-Signale nicht gleichzei­ tig übertragen zu werden, wenn die R-, G- und B-Signale von den vertikalen Übertragungsarrays 21, 22, 23 zu den horizontalen Übertragungsarrays 31, 32, 33 und von letzte­ ren zu den Verstärkern 41, 42, 43 übertragen werden. Bei­ spielsweise kann die Übertragung des R-Bildsignals einge­ leitet werden, wenn das nächste G-Bild aufgenommen wird. Wahlweise können die R-, G- und B-Bildsignale sequentiell übertragen werden, nachdem alle R-, G- und B-Bilder aufge­ nommen worden sind.

Fig. 2 veranschaulicht eine elektronische Endoskopvorrich­ tung unter Verwendung der erfindungsgemäßen Festkörper-Bild­ sensorvorrichtung. Bei dieser Endoskopvorrichtung ist eine Festkörper-Bildsensorvorrichtung 10 am Spitzenabschnitt eines Endoskops 13 angebracht. Eine Beleuchtungs-Lichtquelle 12 ist ausgelegt zum sequentiellen Emittieren von Rot-, Grün- und Blaulicht (R-, G- und B-Licht). Die Lichtquelle 12 ist mit einem nicht dargestellten, in das Endoskop 13 eingebauten Lichtleitfaserstrang verbunden. Mittels des Lichtleitfaserstrangs wird das Beleuchtungslicht der Far­ ben R, G und B sequentiell in das Innere einer Körperhöhle für deren Beleuchtung gerichtet. Die Festkörper-Bildsensor­ vorrichtung 10 ist mit R-, G- und B-Eingängen eines Analog/ Digital- bzw. A/D-Wandlers 14 über Signalleitungen verbun­ den, die in das Endoskop 13 eingebaut und an Verstärker 41, 42, 43 angeschlossen sind. Die Ausgänge des A/D-Wand­ lers 14 sind an einen Bildspeicher 15 angeschlossen. Aus­ lese- oder Anzeigeausgänge des Bildspeichers 15 sind mit den Eingängen eines Digital/Analog- bzw. D/A-Wandlers 16 verbunden, dessen Ausgang an einen Farbfernseh-Monitor 17 angeschlossen ist.

Die Lichtquelle 12, der A/D-Wandler 14, der Bildspeicher 15 und der D/A-Wandler 16 sind an eine Steuerschaltung 11 angeschlossen, die aus einer Zentraleinheit (CPU) und dergl. besteht. Die Steuerschaltung 11 liefert Zeit- oder Schrit­ taktsignale zum Umschalten des R-, G- und B-Lichts sowie Zeit- oder Schrittaktsignale zur Bestimmung des Zeitpunkts (timing) für die Aufnahme der R-, G- und B-Bilder.

Im Betrieb der Endoskopvorrichtung gemäß Fig. 2 führt die Lichtquelle 12 sequentiell und periodisch das R-, G- und B-Licht in den Lichtleitfaserstrang im Endoskop ein, um das Innere einer Körperhöhle mit dem R-, G- und B-Beleuch­ tungslicht zu beleuchten. Die R-, G- und B-Bilder werden durch die Festkörper-Bildsensorvorrichtung 10 in Abhängig­ keit von durch die Steuerschaltung 11 gelieferten Ansteuer­ signalen nach Maßgabe des Schrittakts gemäß Fig. 3 aufge­ nommen. Dies bedeutet, daß das R-Bild zunächst innerhalb einer kurzen Zeit durch die photoelektrische Wandlerein­ heit 1 in ein R-Bildsignal umgewandelt und nach Maßgabe eines Signals von der Steuerschaltung 11 im vertikalen Über­ tragungsarray 21 gespeichert wird. Anschließend wird das G-Bild aufgenommen und in ein G-Bildsignal umgewandelt. In Abhängigkeit von einem Signal von der Steuerschaltung 11 wird das vertikale Übertragungsarray 22 gewählt bzw. auf dieses umgeschaltet, so daß das G-Bildsignal im verti­ kalen Übertragungsarray 22 gespeichert wird. Auf ähnliche Weise wird das B-Bild aufgenommen und durch die photoelek­ trische Wandlereinheit 1 in ein B-Bildsignal umgewandelt, das im vertikalen Übertragungsarray 23 gespeichert wird, welches nach Maßgabe eines Signals von der Steuerschaltung 11 gewählt wird.

Nach der Speicherung in den betreffenden vertikalen Über­ tragungsarrays werden die R-, G- und B-Bildsignale nach Maßgabe von Übertragungssignalen von der Steuerschaltung 11 in Übereinstimmung mit dem Zeittakt gemäß Fig. 3 zu den horizontalen Übertragungsarrays 31, 32 bzw. 33 übertragen. Die zu den horizontalen Übertragungsarrays 31, 32, 33 über­ tragenen R-, G- und B-Bildsignale für (jeweils) eine Abtast­ zeile werden durch die Verstärker 41, 42 bzw. 43 verstärkt und dann über die Signalleitungen im Endoskop dem A/D-Wand­ ler 14 eingespeist. Nach der Umwandlung in Digitalsignale durch den A/D-Wandler 14 werden die R-, G- und B-Bildsignale jeweils in R-, G- bzw. B-Einzelbildspeichern (frame memories) im Bildspeicher 15 abgespeichert.

Die den drei Grundfarben entsprechenden Bildsignale können in Übereinstimmung mit den Zeitsteuerdiagrammen gemäß Fig. 4 übertragen werden.

Die R-, G- und B-Bildsignale werden aus dem Bildspeicher 15 ausgelesen und sodann dem D/A-Wandler 16 eingespeist, welcher die R-, G- und B-Bildsignale zusammensetzt und ein zusammengesetztes oder synthetisiertes Signal in ein ana­ loges Farbfernsehsignal umwandelt. Letzteres wird dem Fern­ seh-Monitor 17 eingespeist, welcher die Farbfernsehsignale als sichtbares Farbbild wiedergibt.

Bei der vorstehend beschriebenen Erfindung sind mehrere Bildsignalübertragungssysteme jeweils den einzelnen photo­ elektrischen Wandlereinheiten zugewiesen und außerdem Bild­ signalen für die in einem Farbbild zu verwendenden Grund­ farben zugeordnet. Die Übertragungssysteme speichern und übertragen entsprechende Grundfarb-Bildsignale, die sequen­ tiell innerhalb einer kurzen Zeitspanne geliefert werden. Dementsprechend ist die Zeitdifferenz zwischen den R-, G- und B-Bildsignalen sehr klein, wobei Farbverschiebungen aufgrund des Zusammensetzens der R-, G- und B-Bildsignale kaum in Erscheinung treten. Da weiterhin alle photoelektri­ schen Elemente in der Festkörper-Bildsensorvorrichtung für die Erzeugung eines Einzelbilds (frame) des Wiedergabebilds benutzt werden, werden Auflösung und Bildgüte nicht beein­ trächtigt.

Bei der beschriebenen Ausführungsform wird eine Kombination von drei Bezugsfarben, nämlich R, G und B (Rot, Grün bzw. Blau), für die Wiedergabe von Farbbildern benutzt. Wahl­ weise kann auch eine Kombination aus Cyan (Cy) und Gelb (Ye) oder eine Kombination von Cy, Ye und G benutzt werden.

Claims (8)

1. Festkörper-Bildsensorvorrichtung, gekennzeichnet durch
eine Vielzahl von parallel zueinander angeordneten photo­ elektrischen Wandlereinheiten (1) zum Umwandeln von ein­ fallenden oder auftreffenden optischen Bildern in Bild­ signale und
eine Vielzahl von für jede der photoelektrischen Wandler­ einheiten in Übereinstimmung mit einer Anzahl von Grund­ farben vorgesehenen Übertragungseinheiten (21, 22, 23), welche die von den photoelektrischen Wandlereinheiten gelieferten Bildsignale entsprechend den Grundfarben speichern und übertragen.

2. Festkörper-Bildsensorvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß jede der photoelektrischen Wandlereinheiten (1) einen photoelektrischen Bildsensor für die sequentielle Lieferung von Rot-, Grün- und Blau- bzw. R-, G- und B-Bildsignalen aufweist und die Übertra­ gungseinheiten eine Vielzahl von für jeden der photo­ elektrischen Bildsensoren vorgesehenen vertikalen Über­ tragungsarrays (21, 22, 23) zum Speichern der R-, G- bzw. B-Bildsignale, die sequentiell von einem betreffen­ den photoelektrischen Bildsensor ausgegeben werden, und zum Übertragen der gespeicherten Bildsignale in lotrech­ ter Richtung bzw. Vertikalrichtung sowie eine Vielzahl von jeweils mit der Vielzahl von vertikalen Übertragungs­ arrays verbundenen horizontalen Übertragungsarrays (31, 32, 33) zum Speichern der Bildsignale von den vertikalen Übertragungsarrays und zum Übertragen der gespeicherten Bildsignale in waagerechter Richtung bzw. Horizontal­ richtung umfassen.

3. Festkörper-Bildsensorvorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die vertikalen Übertragungs­ arrays (21, 22, 23) die R-, G- und B-Bildsignale gleich­ zeitig übertragen.

4. Festkörper-Bildsensorvorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die vertikalen Übertragungs­ arrays (21, 22, 23) die R-, G- und B-Bildsignale in der Reihenfolge ihres Empfangs oder Eingangs übertragen.

5. Festkörper-Bildsensorvorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der photoelektrische Bild­ sensor (1) ein Array aus einer großen Zahl photoelektri­ scher Elemente aufweist und daß jedes der vertikalen Übertragungsarrays (21, 22, 23) an die jeweiligen photo­ elektrischen Elemente des photoelektrischen Bildsensors angeschlossene Ladungsspeicherelemente aufweist.

6. Festkörper-Bildsensorvorrichtung, gekennzeichnet durch
eine Vielzahl von parallel zueinander angeordneten photoelektrischen Wandlereinheiten (1) zum Umwandeln von einfallenden oder auftreffenden optischen Bildern in Bildsignale,
eine Vielzahl von vertikalen Übertragungseinheiten (21, 22, 23) zum Speichern von Bildsignalen, die von entsprechenden photoelektrischen Wandlereinheiten aus­ gegeben werden, und zum Übertragen der gespeicherten Bildsignale in Vertikalrichtung sowie
eine Vielzahl von an die vertikalen Übertragungsein­ heiten angeschlossenen horizontalen Übertragungseinhei­ ten (31, 32, 33) zum Speichern der von den vertikalen Übertragungseinheiten übertragenen Bildsignale und zum Übertragen der gespeicherten Bildsignale in Horizontal­ richtung für jede (einzelne) Abtastzeile.

7. Festkörper-Bildsensorvorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß jede der photoelektrischen Wandlereinheiten (1) einen photoelektrischen Bildsensor zum periodischen und sequentiellen Liefern von R-, G- und B-Signalen aufweist, jede der vertikalen Übertragungs­ einheiten (21, 22, 23) drei vertikale Übertragungsarrays zum Speichern der sequentiell von einem betreffenden photoelektrischen Bildsensor ausgegebenen oder geliefer­ ten R-, G- bzw. B-Bildsignale und zum Übertragen der gespeicherten Bildsignale in Vertikalrichtung umfaßt und die horizontalen Übertragungseinheiten (31, 32, 33) drei horizontale Übertragungsarrays zum Speichern der von den entsprechenden vertikalen Übertragungsarrays übertragenen R-, G- bzw. B-Bildsignale und zum Übertra­ gen der gespeicherten Bildsignale in Horizontalrichtung aufweisen.

8. Festkörper-Bildsensorvorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß der photoelektrische Bild­ sensor (1) ein Array aus einer großen Zahl photoelektri­ scher Elemente aufweist und daß jedes der vertikalen Übertragungsarrays (21, 22, 23) an die jeweiligen photo­ elektrischen Elemente des photoelektrischen Bildsensors angeschlossene Ladungsspeicherelemente aufweist.