DE3828867C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Festkörper-Bildsensor­ vorrichtung nach dem Oberbegriff des Patentan­ spruchs 1.

Zum Aufnehmen einer Szene mit einer Festkörper- Bildsensorvorrichtung werden mittels der letzteren mehrere Farbbilder der Szene aufgenommen und damit mehrere Bildsignale entsprechend den Farbbildern er­ zeugt. Die Bildsignale werden dann zu einem Fernseh- Farbbildsignal zusammengesetzt. Bei Belichtung mit einem optischen Bild über Farbfilter, z.B. der drei Grundfarben Rot (R), Grün (G) und Blau (B), wandelt die Festkörper-Bildsensorvorrichtung das optische Bild in drei Bildsignale entsprechend R, G und B um. Diese Bildsignale werden zusammengesetzt und einem Farbfernsehmonitor eingespeist, um damit ein Farb­ bild der Szene wiederzugeben.

Bei herkömmlichen Festkörper-Bildsensorvorrichtungen sind mehrere photoelektrische Wandlereinheiten, je­ weils bestehend aus einer großen Zahl von lotrecht angeordneten photoelektrischen Elementen, parallel zueinander in waagerechter Richtung (Horizontal­ richtung) angeordnet, wobei Vertikal-Register (Über­ tragungseinheiten) neben den betreffenden photo­ elektrischen Wandlereinheiten und parallel zu ihnen angeordnet sind. Die photoelektrischen Wandlerein­ heiten wandeln jeweils ein einfallendes oder auf­ treffendes optisches Bild in ein elektrisches Si­ gnal um, während die Vertikal-Register jeweils photoelektrische Signale von einer betreffenden zugeordneten photoelektrischen Wandlereinheit speichern und diese photoelektrischen Signale se­ quentiell in Vertikalrichtung übertragen. Unter den Vertikal-Registern ist ein Horizontal-Register zum Speichern der von den Vertikal-Registern übertragenen photoelektrischen Signale und zum sequentiellen Übertragen der letzteren in waagerechter Richtung vorgesehen.

Bei herkömmlichen Festkörper-Bildsensorvorrichtungen sind drei Farbfilter für R, G und B jeweils an drei aufeinanderfolgenden photoelektrischen Wandlereinhei­ ten angebracht, wobei photoelektrische Signale von den drei photoelektrischen Wandlereinheiten zur Bil­ dung eines Farbbildsignals zusammengesetzt werden. Die photoelektrischen Wandlereinheiten werden mithin für die Gewinnung eines Bilds für eine vertikale Spalte benötigt, wodurch die Auflösung des mittels des Festkörper-Bildsensorvorrichtung gewonnenen Ge­ samtbilds vermindert wird.

Als Alternative zur beschriebenen Vorrichtung ist eine plansequentielle Vorrichtung bekannt. Dabei wird eine Lichtquelle, die Licht der Farben Rot, Grün und Blau (R, G bzw. B) zu emittieren vermag, umgeschal­ tet, um sequentiell das R-, G- und B-Licht für die Beleuchtung einer Szene zu emittieren, wobei drei sequentiell vom Festkörper-Bildsensorvorrichtung ausgegebene photoelektrische Farbsignale bzw. Dreifarbsignale zu einem Farbbild zusammengesetzt werden.

Da bei dieser Vorrichtung eine photoelektrische Wandlereinheit ein Farbbildsignal entsprechend einer vertikalen Spalte erzeugen kann, wird die Auflösung beeinträchtigt. Da jedoch bei dieser Vorrichtung drei Bilder von R, G und B zur Ge­ winnung eines Farbbilds sequentiell aufgenommen werden, können im resultierenden Bild Farbver­ schiebungen auftreten. Wenn es sich beim Aufnah­ meobjekt um ein sich schnell bewegendes Objekt handelt, sind die Bilder für R, G und B gegen­ einander versetzt oder verschoben.

Aus der US 45 84 606 ist eine Bildaufnahmevorrich­ tung bekannt, die eine Einrichtung zum logarithmi­ schen Umsetzen einfallender Lichtstärke hat. Bei dieser Bildaufnahmevorrichtung wird die ausgestrahl­ te Lichtstärke mittels Fühlerelemente gesteuert, indem mittels einer Addiereinrichtung elektrische Signale mit erweitertem dynamischem Bereich gelie­ fert werden. Auf diese Weise soll bei einer Bild­ aufnahmevorrichtung der dynamische Bereich der Lichtstrahlen, die in elektrische Signale umzuwan­ deln sind, erweitert werden.

In der DE-OS 26 33 742 ist ein Endoskop beschrie­ ben, bei dem in einer Mantelhülle hinter einer Aufnahmeoptik ein Festkörper-Bildaufnahmeelement angeordnet ist, das über eine Verbindungsleitung von einer äußeren Schaltung ein Betriebssignal er­ hält und dessen Videosignal über eine weitere Ver­ bindungsleitung in der Mantelhülle zu einer äußeren Schaltung abgegeben wird. Eine Lichtquelle ist mit einem Dreifarbenfilter versehen, das gleichmäßig in drei Segmente unterteilt ist. Die verschiedenen Segmente dienen für blaues Licht, grünes Licht und rotes Licht. Dadurch wechselt von einer Endfläche in einen Lichtleiterkörper einfallendes Licht seine Farbe fortlaufend in der Reihenfolge von Blau, Grün und Rot mit einer bestimmten Periode.

In "Fernseh- und Kino-Technik", 40. Jahrgang, Nr. 10, 1986, Seiten 463 bis 468, wird ein Ver­ gleich von Halbleiterbildaufnehmern gegeben, wobei u. a. Sensorkonzepte für Interline-Bildaufnehmer und XY-adressierte MOS-Sensoren vorgestellt werden. Be­ züglich der Interline-Bildaufnehmer ist erläutert, daß diese spaltenförmig angeordnete lichtempfindliche Sensorelemente aufweisen, die zugleich als Integrationselemente für die durch Licht erzeugte Ladungen dienen, wobei jede dieser Spalten über ein Trans­ fergate aus Polysilizium mit einem Vertikal-CCD- Transportregister verbunden ist. Dieses Transport­ register arbeitet mit zwei Transportspalten, und die Anzahl der CCD-Zellen in jeder Transportspalte ist jeweils gleich der Zeilenzahl in einem Halbbild und damit halb so groß wie die in einer Spalte vor­ handene Anzahl an Sensorelementen.

Schließlich ist in "Bild und Ton", Heft 5, 3. Jahr­ gang, 1950, Seiten 146 und 147, das Zweifarbenver­ fahren als Alternative zum Dreifarbenbild disku­ tiert, wobei auf die begrenzten Möglichkeiten hinge­ wiesen wird, die durch die größere technische Ein­ fachheit bedingt sind.

Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Festkörper-Bildsensorvorrichtung für ein Endoskop zu schaffen, mit welcher Beeinträchtigungen der Auflösung wiedergegebener Bilder, die Herab­ setzung der Bildgüte und die Farbverschiebungen in den wiedergegebenen Bildern weitgehend vermieden werden.

Diese Aufgabe wird bei einer Festkörper-Bildsen­ sorvorrichtung nach dem Oberbegriff des Patentan­ spruchs 1 erfindungsgemäß durch die in dessen kenn­ zeichnendem Teil enthaltenen Merkmale gelöst.

Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den Patentansprüchen 2 bis 6.

Es ist also eine mit einer photoelektrischen Wandler­ einheit gekoppelte Vertikal-Registeranordnung aus einer Vielzahl von jeweils der Anzahl von Farbsignalen ent­ sprechenden Vertikal-Registern gebildet, die sequen­ tiell zum Speichern der betreffenden Farbsignale ange­ steuert werden. Die in den Vertikal-Registern gespei­ cherten Farbsignale werden sequentiell oder gleichzeitig übertragen.

Insbesondere sind drei Vertikal-Register für die drei Primärfarben R, G und B (Rot, Grün bzw. Blau) vorgesehen, und sie werden jedesmal dann umgeschaltet, wenn ein Farbsignal für R, G und B von der photoelektrischen Wandlereinheit empfangen wird. Die von letzterer gelie­ ferten R-, G- und B-Farbsignale können daher innerhalb kurzer Zeit in entsprechenden Vertikal-Register ge­ speichert werden. Die in letzteren gespeicherten Farb­ signale können sequentiell oder gleichzeitig zu einem Horizontal-Register übertragen werden.

Im folgenden ist eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung anhand der Zeichnung näher erläutert. Es zeigt

Fig. 1 eine schematische Darstellung der Anordnung ei­ ner Festkörper-Bildsensorvorrichtung gemäß der Erfindung,

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 bestehen und ein einfallendes 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 Vertikal-Registern 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 Wandlerelemente einer betreffenden photoelektrischen Wandlereinheit angeschlossen sind.

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

Bei der beschriebenen Festkörper-Bildsensorvorrichtung sind somit drei Übertragungsleitungen für jede der photoelektrischen Wandlereinheiten 1 vorge­ sehen. Genauer gesagt: ein erstes Übertragungssystem umfaßt das Vertikal-Register 21, das Horizontal-Register 31 und den Verstärker 41; ein zweites Über­ tragungssystem umfaßt das Vertikal-Register 22, das Horizontal-Register 32 und den Verstärker 42; ein drittes Übertragungssystem umfaßt das Vertikal- Register 23, das Horizontal-Register 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 Vertikal-Register 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 Vertikal-Register 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 Vertikal-Register 23 gespeichert.

Die in den Vertikal-Registern 21, 22 und 23 ge­ speicherten R-, G- bzw. B-Bildsignale werden zu den Hori­ zontal-Registern 31, 32 bzw. 33 übertragen und in diesen gespeichert. Die Horizontal-Register 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 Vertikal-Registern 21, 22, 23 zu den Horizontal-Registern 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 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 Vertikal-Register 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 Vertikal-Register 22 gewählt bzw. auf dieses umgeschaltet, so daß das G-Bildsignal im Verti­ kal-Register 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 Vertikal-Register 23 gespeichert wird, welches nach Maßgabe eines Signals von der Steuerschaltung 11 gewählt wird.

Nach der Speicherung in den betreffenden Vertikal-Registern 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 Horizontal-Registern 31, 32 bzw. 33 übertragen. Die zu den Horizontal-Registern 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 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 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 (6)

1. Festkörper-Bildsensorvorrichtung, (10) für ein Endoskop (13) mit einer Lichtquelle (12) zum sequentiellen, zyklischen Einstrahlen von Be­ leuchtungslicht verschiedener Grundfarben und mit einer Vielzahl photoelektrischer Wandlerein­ heiten (1), die parallel zueinander angeordnet sind, dadurch gekennzeichnet, daß mit jeder der pho­ toelektrischen Wandlereinheiten (1) eine der Anzahl der Grundfarben entsprechende Anzahl von Vertikal- Registern (21; 22; 23) verbunden ist, welche die von den photoelektrischen Wandlereinheiten gelieferten Bildsignale entsprechend den Grundfarben speichern und übertragen, und daß mehrere Horizon­ tal-Register (31; 32; 33) mit einer Vielzahl von Vertikal-Registern (u. a. 21; 22; 23) verbunden sind zum Speichern der Bildsignale von den Vertikal- Registern und zum Übertragen der gespeicherten Bild­ signale in waagerechter Richtung.

2. Festkörper-Bildsensorvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Lichtquelle (12) Rot-(R-), Grün-(G-) und Blau-(B-) Lichtstrahlen emittiert, daß jede der photoelektrischen Wandler­ einheiten einen photoelektrischen Bildsensor um­ faßt, um sequentiell Rot-(R-), Grün-(G-) und Blau-(B-) Bildsignale entsprechend den Rot-(R-), Grün-(G-) und Blau-(B-) Lichtstrahlen zu erhalten, und daß die Vertikal- und die Horizontal-Re­ gister die Rot-(R-), Grün-(G-) und Blau-(B-) Bildsignale übertragen.

3. Festkörper-Bildsensorvorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Vertikal-Register (21; 22; 23) die Rot-(R-), Grün-(G-) und Blau-(B-) Bildsignale gleichzeitig übertragen.

4. Festkörper-Bildsensorvorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Vertikal-Register (21; 22; 23) die Rot-(R-), Grün-(G-) und Blau-(B-) Bildsignale in der Reihenfolge ihres Empfangs über­ tragen.

5. Festkörper-Bildsensorvorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß drei Horizontal-Re­ gister (31; 32; 33) und jeweils drei Vertikal-Re­ gister (21; 22; 23) vorgesehen sind.

6. Festkörper-Bildsensorvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß jedes der Vertikal-Register (21; 22; 23) an die jeweili­ gen photoelektrischen Elemente der photoelektrischen Bildsensorvorrichtung angeschlossenen Ladungsspei­ cherelemente aufweist.