DE3922451A1 - Fernsehkamera - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Fernsehkamera mit einem Halbleiterbildwandler, einer Steuerelektronik und einem Hochgeschwindigkeitsverschluß, die an ein medizini­ sches Gerät, z.B. an ein Endoskop, anflanschbar ist.

In der Medizintechnik haben sich solche Kameras durchge­ setzt, weil der Ersatz der Bildwandlerröhre durch einen Halbleiterbildwandler eine Reihe von Vorteilen ergibt. Die Filmkamera kann wesentlich kleiner gebaut werden, wodurch sich eine leichtere Handhabung ergibt.

Darüberhinaus sind Halbleiterbildwandler wesentlich lang­ lebiger und unempfindlich gegenüber Zerstörung durch me­ chanische Belastung und starkem Lichteinfall.

Üblicherweise wird bei einer bekannten Fernsehkamera in ein 1/50 Sekunde das auf den Halbleiterbildwandler auf­ treffende Licht in ein Bildsignal umgewandelt und ausgele­ sen. Bei sehr schnellen Bewegungen treffen in diesen Zeit­ raum Informationen auf den Bildwandler, die verschiedenen Bewegungszuständen entsprechen, die Bewegung erscheint verschwommen.

Deshalb weisen moderne Fernsehkameras zur Aufnahme schnel­ ler Bewegungen einen Hochgeschwindigkeitsverschluß auf, der die Zeitdauer des Lichteinfalls auf den Halbleiter­ bildwandler pro Bild auf 1/125, 1/250, 1/500 usw. Sekunde begrenzt. Die Verschlußzeit wird durch eine Schalterstel­ lung vorgewählt.

In der Medizintechnik sind miniaturisierte Fernsehkameras bekannt, die an ein Endoskop anflanschbar sind. Das Endos­ kop enthält sowohl einen Teil der Kameraoptik als auch einen Lichtleiter, der das Beleuchtungslicht an den aufzu­ nehmenden Gegenstand führt. Wegen der miniaturisierten Bauweise ist es nicht möglich, in das optische System eine mechanische Blende einzubringen, die die Intensität des in die Kamera einfallenden Lichtes regelt.

Bei der Verwendung einer solchen Kamera muß deshalb die Helligkeit des Beleuchtungslichtes geregelt werden. Hierzu sind aufwendige und teure Beleuchtungseinrichtungen erfor­ derlich. Die Regelung des Lampenstromes hat zur Folge, daß sich die Lebensdauer der Lampen verkürzt.

Bei unterschiedlicher Helligkeit emittiert die Beleuch­ tungslichtquelle Licht mit unterschiedlicher Farbtempera­ tur. Da die Filmkamera sehr deutlich auf Schwankungen der Farbtemperatur reagiert, wirken sich die Änderungen der Helligkeit störend auf die Farbe des aufgenommenen Bildes aus.

Darüberhinaus ist die Zeitkonstante der Helligkeit-Rege­ lung so groß, daß kurzfristige Überstrahlungen auftreten, während welcher die Bedienungsperson den zu betrachtenden Gegenstand nicht mehr wahrnehmen kann und bspw. eine Ope­ ration unterbrechen muß.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Filmkamera mit einem optischen System ohne mechanischer Blende so weiterzubilden, daß ein Überstrahlen des Bildes sicher verhindert wird.

Eine erfindungsgemäße Lösung dieser Aufgabe ist mit ihren Weiterbildungen in den Patentansprüchen gekennzeichnet.

Die Erfindung zeichnet sich gemäß Anspruch 1 dadurch aus, daß eine Steuerelektronik den an sich für die Aufnahme schneller Bewegungsabläufe vorgesehenen Hochgeschwindig­ keitsverschluß derart steuert, daß die Intensität des in die Kamera einfallenden Lichtes einen vorgebbaren Wert nicht überschreitet. Dadurch wird verhindert, daß die lichtempfindlichen Elemente des Halbleiterbildwandlers übersteuert werden und ein überstrahltes, als weiße Fläche erscheinendes Bild ergeben.

Die in einer bekannten Fernsehkamera vorhandene Steuer­ elektronik weist erfindungsgemäß zusätzliche Vorrichtungen auf, die den Hochgeschwindigkeitsverschluß in Abhängigkeit des Videosignals steuert. Gemäß Anspruch 2 ist eine Vor­ richtung vorgesehen, die die Amplitude des aus dem Halb­ leiterbildwandler ausgelesenen Videosignals mißt und mit zwei einstellbaren Schwellwerten vergleicht. Überschreitet die Amplitude den oberen Schwellwert, wird die Verschluß­ zeit um eine Stufe erniedrigt, bspw. von 1/250 s auf 1/500 s. Dadurch trifft weniger Licht auf den Halbleiterbild­ wandler. Unterschreitet die Amplitude des Videosignals des unteren Schwellwert, wird die Verschlußzeit um eine Stufe erhöht.

Eine vorteilhafte Weiterbildung der Erfindung wertet nach Anspruch 3 zwei in der Fernsehkamera ohnehin zur Verfügung stehende Signale aus. Um die Überstrahlung zu verhindern, wird das Chroma-Clip-Signal ausgewertet. Dieses Signal ist ein Analog-Signal dessen Amplitude mit zunehmender Be­ leuchtungsstärke ansteigt. Es läßt zeilenförmig eine Über­ strahlungsauswertung anhand der Momentananplitude zu. Um bei unzureichender Beleuchtungsstärke den Hochgeschwindig­ keitsverschluß zurückzusetzen, wird das Low-Light-Signal ausgewertet. Dieses Signal ist ebenfalls ein Analogsignal, daß jedoch bei Abnahme der Beleuchtungsstärke ansteigt. Wenn dieses Signal einen bestimmten Schwellwert über­ steigt, muß die Verschlußzeit um eine Stufe erhöht werden, bspw. von 1/500 auf 1/250 s.

Nach Anspruch 4 werden die beiden Analogsignale jeweils mit einem Schwellwertschalter digitalisiert und anschlie­ ßend mit einem Monomultivibrator impulsgeformt. Die im­ pulsgeformten Signale werden auf die Eingänge eines Zäh­ lers geführt. Wenn die Amplitude des Chroma-Clip-Signals bei Zunahme der Beleuchtungsstärke den im Schwellwert­ schalter eingestellten Schwellwert übersteigt, liegt am Aufwärtszähleingang des Zählers ein Impuls an, der den Zähler um eine Stufe höher setzt. Am Ausgang des Zählers entsteht dann, ein codiertes Signal, das den Hochgeschwin­ digkeitsverschluß um eine Stufe auf eine kürzere Ver­ schlußzeit schaltet. Die Lichtmenge, die auf den Halblei­ terbildwandler trifft, nimmt ab. Bei erneutem Überschrei­ ten des Schwellwertes entsteht wieder ein Zählimpuls und der Verschluß wird um eine weitere Stufe geschaltet.

Wenn die Amplitude des Low-Light-Signals bei Rückgang der Beleuchtungsstärke den im entsprechenden Schwellwertschal­ ter eingestellten Wert überschreitet, formt der Monomulti­ vibrator einen Impuls, der an den Abwärtszähleingang des Zählers geführt wird, und den Zähler um eine Stufe zurück­ setzt. Am Zählerausgang entsteht ein codiertes Signal, das die Verschlußzeit un eine Stufe erhöht. Die Lichtmenge, die auf den Halbleiterbildwandler trifft, nimmt zu.

Nach Anspruch 5 ist der Zähler mit einer Reset-Schaltung verbunden, die den Zähler beim Einschalten der Fernseh­ kamera auf 0 setzt.

Im Anspruch 6 ist eine besonders vorteilhafte Weiterbil­ dung der Erfindung gekennzeichnet. Danach werden nur sol­ che Signale zur Steuerung des Hochgeschwindigkeitsver­ schlusses herangezogen, die dem zentralen Bereich des aufgenommenen Bildes entsprechen. Eine Überstrahlung des Randbereiches des Bildes führt nicht zur Verringerung des einfallenden Lichtes. Diese Weiterbildung bietet vor allem Vorteile in der Endoskopie. Beim Weg durch enge Kanäle reflektieren die nahe gelegenen Seitenwände das Beleuch­ tungslicht stärker als die entfernter liegenden. Würde die Lichtstärke des gesamten Bildquerschnittes zur Steuerung des Hochgeschwindigkeitsverschlusses herangezogen werden, blieben die weiter entfernt liegenden Bereiche unterbe­ lichtet. Durch die Beschränkung auf die Bildmittensignale wird eine größere Tiefenwirkung erreicht.

Die Steuerelektronik weist nach Anspruch 7 eine Vorrich­ tung auf, die einen Impuls aussendet, wenn gerade diejeni­ gen Signale aus dem Halbleiterbildwandler ausgelesen wer­ den, die dem zentralen Bereich des aufgenommenen Bildes entsprechen. Gemäß Anspruch 8 wird dieser Bildmittenimpuls aus zwei in einer üblichen Fernsehkamera verfügbaren Im­ pulsen erzeugt. Zum Auslesen der Bilder erzeugt der Sig­ nalgenerator einen Horziontalimpuls zum Auslesen der ein­ zelnen Bildzeilen und einen Vertikalimpuls zum zeilenwei­ sen Auslesen. Sowohl der Horizontal- als auch der Verti­ kalimpuls wird an zwei hintereinander geschaltete Monomul­ tivibratoren gelegt, die jeweils einen definiert verzöger­ ten Impuls mit definierter Impulsbreite generieren. Über ein UND-Gatter werden die erzeugten Impulse verknüpft und nach Anspruch 9 an zwei Analog-Schalter gelegt, die je­ weils zwischen den Ausgängen des Chroma-Clip-Signals und des Low-Light-Signals der Kamera und den entsprechenden Schwellwertschaltern angeordnet sind. Die einstellbare Form des Bildmittenimpulses gewährleistet, daß die Analog- Schalter genau dann geöffnet sind, wenn die Signale ausge­ lesen werden, die dem zentralen Bereich des Bildes ent­ sprechen.

Die mit der Erfindung erzielten Vorteile liegen insbeson­ dere darin, daß ein Überstrahlen des Bildes sicher verhin­ dert wird. Dadurch wird erreicht, daß das Bild zu keiner Zeit überbelichtet sogar unsichtbar ist. Ein Operateur kann seine Arbeit ohne Unterbrechen durchführen.

Eine Regelung der externen Beleuchtungseinrichtung ist überflüssig, weshalb billige Beleuchtungseinrichtungen verwendet und unter konstanten Bedingungen betrieben wer­ den können. Die Lebensdauer gleichmäßig betriebener Licht­ quellen ist höher als die von geregelten und das emit­ tierte Licht weist eine gleichbleibende Farbtemperatur auf. Es genügt deshalb einmal vor dem Betrieb der Fern­ sehkamera einen Weißabgleich durchzuführen.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand eines Ausführungs­ beispiels unter Bezugnahme auf die Zeichnung näher be­ schrieben. Die Zeichnung zeigt das Blockschaltbild der Fernsehkamera mit der elektronischen Schaltung zur Steue­ rung des Hochgeschwindigkeitsverschlusses.

Die Fernsehkamera 1 ist eine an sich bekannte CCD-Kamera (Charge-coupled-device). Die Kontaktstellen zum Abgreifen der in der Kamera vorhandenen Signale sowie der Kontakt zur Betätigung des Hochgeschwindigkeitsverschlusses, sind durch kleine Kreise dargestellt. Die Kontakte 2 und 3, an denen die Impulse zum Auslesen des Bildes in vertikaler (2) bzw. horizontaler (3) Richtung abgegriffen werden, sind mit den Monomultivibratoren 4 und 5 bzw. 6 und 7 verbunden.

Mit Hilfe von jeweils 2 Monomultivibratoren wird aus dem abgegriffenen Impuls ein Impuls geeigneter Breite und geeigneter Verzögerung erzeugt. Die beiden Impulse werden auf die Eingänge des UND-Gatters 8 geleitet. Am Ausgang des UND-Gatters liegt nach der Verarbeitung des Vertikal­ und des Horizontal-Impulses der Bildmittenimpuls an, der dazu dient, die nachgeschalteten Analog-Schalter 9 und 10 genau dann zu Öffnen, wenn das Bildsignal ausgelesen wird, das dem zentralen Bereich des Bildes entspricht.

Wenn der Analog-Schalter 10 geöffnet ist, gelangt das Chroma-Clip-Signal, das am Kontaktpunkt 11 abgegriffen wird, zum Schwellwertschalter 12. Dieser Schalter öffnet, sobald das Chroma-Clip-Signal einen einstellbaren Schwell­ wert übersteigt. Bei geöffnetem Schwellwertschalter 12 wird im Monomultivibrator 13 ein Impuls geformt, der den Zähler 14 um eine Stufe höher setzt.

Gleichzeitig mit dem Analog-Schalter 10 wird der Analog- Schalter 9 geöffnet, so daß das an Kontaktpunkt 15 abge­ griffene Low-Light-Signal am Schwellwertschalter 16 an­ liegt. Wenn das Low-Light-Signal einen einstellbaren Schwellwert übersteigt, öffnet der Schwellwertschalter 16 und in Monomultivibrator 17 wird ein Impuls erzeugt, der den Zähler 14 um eine Stufe zurücksetzt. Der Zähler hat n-Ausgänge (in der vorliegenden Ausgestaltung 4 bit), die mit dem Kontakt 18 des Hochgeschwindigkeitsverschlusses verbunden sind. Der Zähler gibt über seine Ausgänge ein von seinem Schaltungszustand abhängiges, codiertes Signal ab, das die entsprechende Verschlußzeit des Hochgeschwin­ digkeitsverschlusses einstellt.

Die Reset-Schaltung 19 setzt beim Einschalten der Fern­ sehkamera den Zähler 14 auf 0.

Claims (9)

1. Fernsehkamera mit einem Halbleiterbildwandler, einer Steuerelektronik und einem Hochgeschwindigkeitsverschluß, die an ein medizinisches Gerät, z.B. an ein Endoskop an­ flanschbar ist, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuerelektronik den Hoch­ geschwindigkeitsverschluß derart steuert, daß die Intensi­ tät des in die Kamera einfallenden Lichtes einen vorgeb­ baren Wert nicht überschreitet.

2. Fernsehkamera nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß in der Steuerelektronik eine Vorrichtung vorgesehen ist, die die Amplitude des Video­ signals mißt und mit zwei einstellbaren Schwellwerten vergleicht, und daß bei Überschreiten des oberen Schwell­ wertes die Verschlußzeit (Öffnungsdauer) des Hochgeschwin­ digkeitsverschlusses um eine Stufe erniedrigt, und bei Unterschreiten des unteren Schwellwertes die Verschlußzeit um eine Stufe erhöht wird.

3. Fernsehkamera nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß zur Steuerung des Hochge­ schwindigkeitsverschlusses zwei in der Kamera verfügbare elektrische Signale, nämlich das Chroma-Clip-Signal und das Low-Light-Signal ausgewertet werden, wobei das Chroma- Clip-Signal bei Überschreiten eines Schwellwertes eine Erniedrigung der Verschlußzeit und das Low-Light-Signal bei Überschreiten eines Schwellwertes eine Erhöhung der Verschlußzeit des Hochgeschwindigkeitsverschlusses be­ wirkt.

4. Fernsehkamera nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuerelektronik einen Zähler aufweist und die Vorrichtung zur Auswertung des Chroma-Clip-Signals aus einem Schwellwertschalter und einem nachgeschalteten Monomultivibrator besteht, der mit dem Eingang zun Aufwärtszählen des Zählers verbunden ist und die Vorrichtung zum Auswerten des Low-Light-Signals aus einem Schwellwertschalter und einem nachgeschalteten Monomultivibrator besteht, der mit dem Eingang zum Ab­ wärtszählen des Zählers verbunden ist, und daß die Aus­ gänge des Zählers mit dem Hochgeschwindigkeitsverschluß verbunden sind.

5. Fernsehkanera nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Zähler mit einer Reset- Schaltung verbunden ist.

6. Fernsehkamera nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß zur Steuerung des Hochge­ schwindigkeitsverschlusses ausschließlich die dem zentra­ len Bereich des aufgenommenen Bildes entsprechenden Antei­ le des Chroma-Clip-Signals bzw. des Low-Light-Signals ausgewertet werden.

7. Fernsehkamera nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuerelektronik eine Vorrichtung zur Erzeugung eines Bildmittenimpulses ent­ hält, die einen Impuls aussendet, wenn beim Auslesen des Bildes aus dem Halbleiterbildwandler diejenigen Signale ausgelesen werden, die dem zentralen Bereich des aufgenom­ menen Bildes entsprechen.

8. Fernsehkamera nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Vorrichtung zur Erzeugung eines Bildmittenimpulses aus jeweils zwei hintereinander geschalteten Monomultivibratoren besteht, die über ein UND-Gatter verknüpft sind, und an deren Eingänge die durch den Signalgenerator des Halbleiterbildwandlers er­ zeugten Impulse für das Auslesen des Bildes im horizonta­ ler bzw. vertikaler Richtung anliegen.

9. Fernsehkamera nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuerelektronik zwei Analog-Schalter aufweist, die jeweils zwischen den Ausgän­ gen des Chroma-Clip-Signals und des Low-Light-Signals der Kamera und den entsprechenden Schwellwertschaltern ge­ schaltet sind, und die mit dem Ausgang des UND-Gatters, an welchem der Bildmittenimpuls anliegt, verbunden sind.