DE69127877T2

DE69127877T2 - Bildaufnahmevorrichtung

Info

Publication number: DE69127877T2
Application number: DE69127877T
Authority: DE
Inventors: Seiji Hashimoto
Original assignee: Canon Inc
Current assignee: Canon Inc
Priority date: 1990-11-22
Filing date: 1991-11-20
Publication date: 1998-03-05
Anticipated expiration: 2011-11-21
Also published as: EP0487332B1; EP0487332A2; CA2055867C; EP0487332A3; US5694167A; CA2055867A1; DE69127877D1

Description

Die Erfindung betrifft eine Bildaufnahmevorrichtung mit einer Vielzahl von Reihen von Lichtempfangselementen zur Umwandlung eines optischen Bilds in ein elektrisches Signal.
Bekannte Videokameras erzeugen Bilder mit einem schmaleren Dynamikbereich als herkömmliche fotografische Silber-Halogenid- Filme. In derartigen Kameras besteht daher eine Tendenz für extrem helle Teile und extrem dunkle Teile eines Bilds, daß diese jeweils rein weiß oder rein schwarz werden. In bekannten Videokameras werden technische Maßnahmen ergriffen zur Kompensation dieses Phänomens durch Anpassung der Irisblende.
Es können jedoch Probleme dahingehend auftreten, daß nicht das gesamte Bild an einen angemessenen Pegel infolge des begrenzten Dynamikbereichs angepaßt werden kann.
Dieses Problem kann beispielsweise gelöst werden durch das Synthetisieren zweier Bilder, von denen eines eine Belichtungsperiode von 1/60 sec aufweist, während das andere eine Belichtungsperiode von 1/1000 sec aufweist. Bei diesem Verfahren umfassen die beiden Bilder eine Belichtungsperiode, die sich um den Faktor 16 unterscheiden, so daß der Dynamikbereich um etwa das 16- fache erweitert werden kann, wodurch er so weit wie bei der Fotografie ist. Dieses Verfahren ist beispielsweise in der Japanischen Patentschrift JP-A-1-176173 und der Japanischen Patentschrift JP-A-63-306779 und dergleichen offenbart.
Die Druckschrift JP-A-1-176173 umfaßt eine Ladungskopplungseinheit CCD vom Interline-Transfertyp, die eine Vielzahl von Paaren von Transfer-CCD-Elementen aufweist, die benachbart zueinander auf beiden Seiten jeder vertikalen Reihe von Lichtempfangselementen angeordnet sind. Jede vertikale Transfer- Ladungskopplungseinheit CCD speichert jeweilige Bildsignale, die durch eine vorbestimmte Belichtung mit unterschiedlichen Perioden von der Periode eines anderen Bildsignals gebildet werden. Gemäß der Offenbarung umfaßt jede vertikale Spalte der Lichtempfangszelle zwei vertikale Transfer-CCD-Einheiten, so daß jedes Lichtempfangselement lediglich eine kleine begrenzte Lichtempfangsfläche und daher eine geringe Empfindlichkeit aufweist.
In der JP-A-63-306779 wird eine normale Bildaufnahmeeinrichtung verwendet, und es wird die Belichtungsperiode (Belichtungsdauer) Halbbild für Halbbild geändert, und es werden die beiden aufeinanderfolgenden Halbbilder synthetisiert, so daß das synthetisierte Bild eine nicht ausreichende Darstellung bietet, falls sich ein Objekt bewegt.
Die Europäische Patentanmeldung EP-A-O 224 230 zeigt ferner eine Aufnahmeeinrichtung mit einer Vielzahl von Reihen von Lichtempfangselementen, einer Vielzahl von Transferregistern und einer Steuerungsschaltung.
Es ist ein Anliegen der vorliegenden Erfindung, eine verbesserte Bildaufnahmeeinrichtung bereitzustellen. Ein weiteres Anliegen ist die Bereitstellung einer verbesserten Videokamera.
Gemäß der vorliegenden Erfindung wird eine Bildaufnahmeeinrichtung gemäß den Angaben in Patenanspruch 1 bereitgestellt.
Die Erfindung bietet den Vorteil eines vergrößerten Dynamikbereichs ohne Verminderung der effektiven Lichtempfangsfläche.
Weitere Merkmale, Gesichtspunkte und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden in Verbindung mit der folgenden Beschreibung eines bevorzugten Ausführungsbeispiels verständlich, das nicht einschränkend zu verstehend ist.

KURZBESCHREIBUNG DER FIGUREN

Fig. 1 veranschaulicht eine Draufsicht auf eine Bildaufnahmeeinrichtung gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel,
Fig. 2 veranschaulicht ein Zeitdiagramm des ersten Ausführungsbeispiels,
Fig. 3 veranschaulicht eine Draufsicht auf ein zweites Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung,
Fig. 4 veranschaulicht eine schematische Schaltungsanordnung der vorliegenden Erfindung,
Fig. 5 veranschaulicht ein Zeitdiagramm von Abtastpulsen zur Verwendung in der in Fig. 4 gezeigten Schaltung,
Fig. 6 veranschaulicht die Beziehung zwischen einer Lichtmenge und einem Signalpegel,
Fig. 7 veranschaulicht eine schematische Schaltungsanordnung eines dritten Ausführungsbeispiels,
Fig. 8 veranschaulicht einen weiteren Typ einer Bildaufnahmeeinrichtung, die beim dritten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung verwendbar ist,
Fig. 9 veranschaulicht eine Schnittansicht der in Fig. 8 gezeigten Bildaufnahmeeinrichtung,
Fig. 10 veranschaulicht ein Zeitdiagramm des dritten Ausführungsbeispiels der vorliegenden Erfindung,
Fig. 11 veranschaulicht einen weiteren Teil des Zeitdiagramms des dritten Ausführungsbeispiels,
Fig. 12 veranschaulicht eine schematische Schaltungsanordnung des dritten Ausführungsbeispiels.

DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER AUSFÜHRUNGSBEISPIELE

In Fig. 1 bezeichnet Bezugszeichen 10 einen Bildbereich, Bezugszeichen 20 einen Speicherbereich, Bezugszeichen 30 einen Drainanschluß, und Bezugszeichen 40 und 50 bezeichnen horizontale Transfer-CCD-Einrichtungen.
Der Bildbereich 10 besteht aus Fotodioden 11 und einer Vielzahl von vertikalen Transfer-CCD-Einrichtungen 12 zum Speichern von in den Fotodioden 11 erzeugten Ladungssignalen nach einem Fotoumwandlungsprozeß. Die vertikale Reihe der Fotodioden 11 und der vertikalen Transfer-CCD-Einrichtungen ist Reihe für Reihe in vertikaler Richtung angeordnet. Die vertikalen Transfer-CCD- Einrichtungen 12 werden vom Licht abgeschirmt und das gespeicherte Ladungssignal wird zum Speicherbereich 20 mittels eines vertikalen Transferpulses I übertragen.
Der Drainanschluß 30 befindet sich am oberen Ende des Bildbereichs 10 zur Entfernung von im Bildbereich 10 erzeugter unnötiger Ladungen.
Der Speicherbereich 20 wird ebenfalls vom Licht abgeschirmt und besteht aus einer Vielzahl von vertikalen Transfer-CCD- Einrichtungen 21 zum Speichern vertikal übertragener Ladungen (vertikale Transferladungen) vom Bildbereich 10. Die horizontale Transfer-CCD-Einrichtung 40 ist zwischen dem Bildbereich 10 und dem Speicherbereich 20 angeordnet, während die horizontale Transfer-CCD-Einrichtung 50 unterhalb des Speicherbereichs 20 angeordnet ist. Die horizontale Transfer-CCD-Einrichtung 40 und die horizontale Transfer-CCD-Einrichtung 50 übertragen jeweilige Ladungssignale über die vertikale Transfer-CCD-Einrichtungen 12 und 21 zu einem Ausgangsverstärker.
Die Wirkungsweise der vorstehend angegebenen Bildaufnahmevorrichtung wird nun unter Bezugnahme auf Fig. 2 beschrieben. Die Fotodioden 11 werden zweimal innerhalb einer Halbbildperiode belichtet; T1 bezeichnet eine erste Belichtungsperiode und T2 bezeichnet eine zweite Belichtungsperiode. T1 ist größer als T2.
Am Ende der ersten Belichtungsperiode T1 wird ein als A in der Figur angegebener Transferpuls I der vertikalen Transfer-CCD- Einrichtung 12 zugeführt zum Übertragen unnötiger, in der Drainanschluß 30. Danach wird ein in der Figur als B angegebener vertikalen Transfer-CCD-Einrichtung 12 verbliebener Ladungen zum Transferpuls I der vertikalen Transfer-CCD-Einrichtung 12 zugeführt zu Übertragung von in den Fotodioden 11 erzeugten Ladungen zur vertikalen Transfer-CCD-Einrichtung 12. Ferner werden Transferpulse I als C bezeichnet und Transferpulse S, verdoppelt als C' bezeichnet, der Bildaufnahmevorrichtung zugeführt zur Übertragung von Ladungen der vertikalen Transfer-CCD- Einrichtung 12 zum Speicherbereich 20, wobei sich die Fotodioden 11 in der zweiten Belichtungsperiode T2 nach dem Puls B befinden.
Danach werden Transferpulse I, die als D bezeichnet werden, der Bildaufnahmevorrichtung zugeführt zur Übertragung von in der zweiten Belichtungsperiode T2 erzeugten Ladungen zur vertikalen Transfer-CCD-Einrichtung 12.
In dieser Phase in der vertikalen Transfer-CCD-Einrichtung 21 werden in der ersten Belichtungsperiode T1 erzeugte Ladungssignale gespeichert, während in der zweiten Belichtungsperiode gespeicherte Ladungssignale in der vertikalen Transfer-CCD- Einrichtung 12 gespeichert werden.
Nach Vollendung der vertikalen Austastperiode wird ein Transferpuls I (hierbei als E bezeichnet) und ein Transferpuls S (als E bezeichnet) der Bildaufnahmevorrichtung zugeführt für jede horizontale Austastperiode jeder horizontalen Periode Tn in der Videobildperiode. Daher wird das Ladungssignal in der vertikalen Transfer-CCD-Einrichtung 12 und das Ladungssignal in der vertikalen Transfer-CCD-Einrichtung 21 jeweils zur horizontalen Transfer-CCD-Einrichtung 40 und zur horizontalen Transfer-CCD- Einrichtung 50 übertragen.
Während einer Videoabtastperiode jeder horizontalen Periode werden die Ladungen mittels Ausgangsverstärkern in Abhängigkeit vom horizontalen Transferpuls H verstärkt. Hierbei wird ein Ausgangssignal der horizontalen Transfer-CCD-Einrichtung 40 mit S2 bezeichnet, und ein Ausgangssignal der horizontalen Transfer- CCD-Einrichtung 50 wird als S1 bezeichnet.
Fig. 3 veranschaulicht eine Draufsicht auf das zweite Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung, in welchem gleichartige oder entsprechende Bauelemente in unterschiedlichen Bereichen mit den gleichen Bezugszeichen bezeichnet sind.
Bei diesem Ausführungsbeispiel ist die horizontale Transfer-CCD- Einrichtung 40 weggelassen und es werden das erste und zweite Bild jeweils in dem Speicherbereich 20 und der vertikalen Transfer-CCD-Einrichtung 12 in gleicher Weise wie beim ersten Ausführungsbeispiel vor dem Auslesevorgang gespeichert. Dabei werden jedoch die beiden Bilder mittels der horizontalen Transfer-CCD- Einrichtung 50 sequentiell ausgelesen.
Das ausgelesene und bei der ersten Belichtung erzeugte Ladungssignal wird in einenspeicher 60 gespeichert und wird zum gleichen Zeitpunkt ausgelesen, bei dem das Signal S2 durch die zweite Belichtung erzeugt wird und das durch die horizontale Transfer-CCD-Einrichtung 50 ausgelesen wird.
Beim ersten und zweiten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung werden die Signale S1 und S2 zum gleichen Zeitpunkt erhalten, so daß eine nachfolgende Verarbeitungsschaltung zum synthetisieren der Signale vereinfacht werden kann. Im Vergleich zum Stand der Technik, wie er der Japanischen Patentschrift JP 1-176173 zu entnehmen ist, weist die vorliegende Erfindung eine höhere Empfindlichkeit auf, da die effektive (wirksame) Lichtempfangsfläche nicht begrenzt wird und der erste und zweite Belichtungsvorgang kontinuierlich durchgeführt wird, so daß eine höhere Auflösung im Vergleich zu dem Stand der Technik gemäß der Japanischen Patentschrift JP 63-306779 erzielt wird, auch wenn sich das Objekt bewegt.
Nachstehend wird eine für die beschriebene Bildaufnahmevorrichtung geeignete Kamera unter Bezugnahme auf die Fig. 4, 5 und 6 beschrieben, wobei Fig. 4 eine schematische Darstellung der Videokamera zeigt, Fig. 5 einen Zeitverlauf von Abtasthaltepulsen zum synthetisieren der Signale S1 und S2, und Fig. 6 die Beziehung zwischen einer Lichtmenge und einem Signalpegel in der Videokamera veranschaulicht.
Die Videokamera umfaßt ein optisches System 100, ein Kamerasignalverarbeitungssystem 200 und ein Aufzeichnungssystem 300, wie es in Fig. 4 dargestellt ist. Im optischen System 100 wird eine ein Objektiv 101 durchlaufende Lichtmenge mittels einer Irisblende 102 begrenzt, bevor eine Fokussierung auf einem Sensor 103 erfolgt. Der Sensor 103 wird mittels einer Sensoransteuerungsschaltung 105 angesteuert und die Irisblende 102 wird mittels einer Irisblendenansteuerungsschaltung 106 angesteuert.
Zur Vergrößerung des Dynamikbereichs werden die Signale S1 und S2 im Kamerasignalverarbeitungssystem 200 verarbeitet.
Das Signal S1, d. h. das Signal a des Sensors 103 wird bei einem Pegel Vsat (Fig. 6) gesättigt, wenn eine große einfallende Lichtmenge den Sensor 103 erreicht. Das Signal S1, d. h. ein Ausgangssignal a wird auf den Pegel seines Schwarzbereichs mittels einer Klemmschaltung 221 festgeklemmt, wobei Vc eine Klemmspannung bezeichnet.
Ein sich über einen Signalpegel Vth1 + Vc des Signals S1, das auf die Spannung Vc geklemmt wurde, erstreckender Signalanteil, der mit a bezeichnet wird, wird mittels einer Weißbegrenzungsschaltung 222 abgeschnitten (begrenzt), so daß gemäß der Darstellung in Fig. 6 eine Kurve a - in gefalteter Weise gebildet wird. Die Weißbegrenzungsoperation wird durchgeführt zum Eliminieren von durch den Sensor erzeugtem Rauschen. Dabei steigt der Rauschpegel des Sensors im einzelnen in der Nähe des Sättigungs pegels an.
Ein Pegeldetektor 223 ist mit einem Ausgangsanschluß des Sensors 103 für das Signal 51 verbunden, zur Erfassung, ob der Signalpegel gesättigt ist oder nicht. Beim vorliegenden Ausführungsbeispiel ist der Erfassungsschwellenpegel auf den gleichen Pegel wie der Weißbegrenzungspegel Vth1 eingestellt.
Ein Pegeldetektor 223 ist mit einer Steuerungsschaltung 225 verbunden, wobei die Steuerungsschaltung 225 veranlaßt wird, Abtasthaltepulse SH1 und SH2 zu bilden, die zum jeweiligen Steuern der Abtasthalteschalter 216 und 226 dienen, wobei die Pulse in Fig. 5 gezeigt sind. Die Steuerungsschaltung 225 steuert eine Irisblendenansteuerungsschaltung 106 zur genauen Anpassung der Irisblende 102 in Abhängigkeit von einer statistischen Pegelverteilung des Signals S1, das mittels der Pegeldetektoren 223 und 224 ermittelt wird. Hierbei ist der Erfassungspegel des Pegeldetektors 223 Vth1, und der Erfassungspegel des Pegeldetektors 224 ist Vth2.
Das Signalverarbeitungsverfahren für das Signal S2 des Sensors 103 wird nachstehend beschrieben. Da der Signalpegel des Signals S2 etwa 1/16 des Pegels des Signals S1 beträgt und die Verstärkung des Verstärkers 213 einheitlich eingestellt ist, wird das einem Ausgangssignal b entsprechende Signal S2 einer Klemmschaltung 214 über den Verstärker 213 als ein Signal b zugeführt.
Das Signal S1 (als Kennlinie a in Fig. 6 gezeigt) wird dem Pegeldetektor 223 zugeführt, und liegt der Pegel des Signals S1 über dem Pegel Vth1, dann wird dies mittels des Pegeldetektors 223 ermittelt und das Signal S1 wird mittels der Weißbegrenzungsschaltung 222 festgeklemmt und begrenzt (abgeschnitten, siehe Kennlinie a'' in Fig. 6)0 Ein Signal über dem Pegel Vth1 + Vc des Signals S1 sollte daher durch das Signal S2 ersetzt werden.
Der Signalpegel des signais S2 (ein Ausgangssignal b) entsprechend dem Signalpegel Vth1 des Signals S1 (ein Ausgangssignal a) wird als VLS1 bezeichnet und der Pegel von VLS1 wird gemäß der nachfolgenden Gleichung definiert:
VLS1 = Vth1 x T2/T1 = Vth1/16
Hierbei sollte ein Signalanteil des Signals S2 (in Fig. 6 als gerade Linie b bezeichnet), der über dem Pegel VLS1 liegt, zu einem Signalanteil des Signais S1 (in Fig. 6 als Kennlinie a'' dargestellt), der über dem Signalpegel Vth1 + VC liegt, addiert werden. Die Klemmspannung VC der Klemmschaltung 214 sollte auf die Spannung eingestellt werden, die um Vth1 - VLS1 höher als die Klemmspannung VC der Klemmschaltung 221 ist.
Das die Klemmschaltung 214 durchlaufende Signal wird dem Eingang eines Abtasthalteschalters 216 zugeführt, der mittels eines Abtasthaltepulses SH1 der Steuerungsschaltung 225 betätigt wird, wenn das Signal S1 gesättigt ist. Daher wird das Signal S1 (ein Ausgangssignal der Weißbegrenzungsschaltung 222, in Fig. 6 als Kennlinie a' dargestellt) abgetastet und in einem Haltekondensator CH gehalten, wenn sich das Signal S1 nicht in der Sättigung befindet, und das Signal S2 (ein Ausgangssignal der Klemmschaltung 214) wird abgetastet und gehalten, wenn sich das Signal S1 in der Sättigung befindet. Auf diese Weise werden die Signale 51 und S2 gemäß der Kennlinie c in Fig. 6 synthetisiert. Ein Hochpegelbereich wird sodann mittels einer Knieschaltung 231 unterdrückt.
Beim vorliegenden Ausführungsbeispiel unterdrückt die Knieschaltung 231 den Hochpegelsignalanteil durch Verminderung auf ¼ des Eingangssignals. Das mittels der Knieschaltung verarbeitete Signal d wird ferner in der Kameraverarbeitungsschaltung 232 zur Durchführung einer Gammakompensation und dergleichen verarbeitet.
Ein Ausgangssignal der Kameraverarbeitungsschaltung 232 wird der Aufzeichnungseinrichtung 301, beispielsweise in Form eines Videobands oder einer Floppydisk zugeführt.
Falls das auf den Sensor 103 eintreffende Licht nicht besonders stark ist, ist es nicht erforderlich, daß der Dynamikbereich so groß wie im vorherigen Beispiel ist. Nachstehend wird nun ein Beispiel beschrieben, in welchen der Dynamikbereich um einen Faktor Acht vergrößert wird.
Ein Pegeldetektor 210 erfaßt die statistische Frequenz, mit der ein Signalpegel über dem Pegel Vth1 (ungefähr gleich Vth1/1/6) liegt, während der Pegeldetektor 211 die statistische Frequenz des Signalpegels ermittelt, der über dem Pegel Vth2'(ungefähr gleich Vth2/1/6) liegt.
Das zweifach verstärkte Signal v wird der Klemmschaltung 214 zugeführt und die Klemmspannung VC wird gemäß der nachfolgenden Gleichung definiert.
VC' = VC + Vth1 - Vth1/8
Daher wird ein Ausgangssignal der Klemmschaltung 214 zum Signal c', wobei das Signal c mittels der Knieschaltung 231 in ein Signal d umgewandelt wird. Daher wird in Abhängigkeit von der Stärke des einfallenden Lichts die Kennlinie eines Ausgangssignals der Knieschaltung 231 optimiert, und ein Eingangssignalpegel zu einer Kameraverarbeitungsschaltung 232 wird ebenfalls optimiert.
Fig. 7 veranschaulicht ein teuweises Blockschaltbild des Ausführungsbeispiels der Videokamera, das zeigt, daß die Eingangssignalpegelanpassung für die Kameraverarbeitungsschaltung 232 mittels der Knieschaltung 231 durchgeführt wird.
Die Steuerungsschaltung 212 steuert eine Kniekennlinie der Knieschaltung 231 in Abhängigkeit vom Ausgangssignal der Pegeldetektoren 210 und 211, d. h. in Abhängigkeit von der statistischen Frequenz des Signalpegels, wobei die Neigung einer Knieschaltung in Fig. 7 beispielsweise auf ¼ oder ½ und dergleichen eingestellt wird.
Das Lichtsignal mit einer längeren Belichtung und das Lichtsignal mit einer kürzeren Belichtung können gleichzeitig ausgelesen werden, wobei eine Verschlechterung der Auflösung oder der Empfindlichkeit vermieden und ein weiter Dynamikbereich erhalten werden kann.
Infolge des vorstehend angegebenen gleichzeitigen Lesens kann ferner die nachfolgende Kamerasignalverarbeitungsschaltung vereinfacht werden.
Ein weiteres Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung wird nachstehend unter Bezugnahme auf Fig. 8 beschrieben, die eine Bildaufnahmevorrichtung veranschaulicht, und unter Bezugnahme auf Fig. 9, die eine Schnittansicht der in Fig. 8 gezeigten Bildaufnahmevorrichtung zeigt.
In Fig. 8 bezeichnet Bezugszeichen 430a einen Bildbereich bestehend aus einer Reihe von Fotodioden 430c und vertikalen Transfer-CCD-Einrichtungen 430b, zum Speichern vön durch die Fotodioden 430c nach einem Fotoumwandlungsvorgang erzeugten Ladungssignalen. Die Reihen der Fotodioden 430c und der vertikalen Transfer-CCD-Einrichtungen 430b sind alternierend im Bildbereich 430a angeordnet.
Jede vertikale Transfer-CCD-Einrichtung 430b wird vom Licht abgeschirmt, und von den Fotodioden 430c übertragene Ladungssignale werden ferner zu einer horizontalen Transfer-CCD-Einrichtung 430d durch jeden vertikalen Transferpuls &epsi;I übertragen, der in jeder horizontalen Austastperiode jeder horizontalen Periode zugeführt wird. Die vertikale Transfer-CCD-Einrichtung 430b und die horizontale Transfer-CCD-Einrichtung 430d bilden die Transfereinrichtung.
Bei dem vorliegenden Ausführungsbeispiel ist die Aufnahmevorrichtung nicht auf die in den Fig. 8 und 9 gezeigte Vorrichtung beschränkt, da beispielsweise auch Bildaufnahmevorrichtungen bei diesem Ausführungsbeispiel verwendet werden können, wie sie in den Fig. 1 oder 3 gezeigt sind.
Das in der horizontalen Transfer-CCD-Einrichtung 430d gespeicherte Ladungssignal wird mittels des horizontalen Transferpulses H zum Ausgangsverstärker 430e übertragen und wird sodann zur Bildung eines Ausgangssignals in ein Spannungssignal umgewandelt.
Unnötige gespeicherte Ladungen in den Fotodioden 430c werden zu dem CCD-Substrat (ein N-Typhalbleitersubstrat 401 in Fig. 9) durch Zuführen des Pulses SH beseitigt.
Gemäß der Darstellung in Fig. 9 wird auf dem N- Halbleitersubstrat 401 über einem P-Halbleitersubstrat eine erste Wanne 402 ausgebildet, und ein N-Halbleiterbereich 403 wird in der ersten Wanne 402 zur Bildung einer Fotodiode 430c ausgebildet. Eine zweite Wanne 404 eines P-Halbleiters und eines N- Halbleiterbereichs 405 sind in der ersten Wanne 402 zur Bildung der vertikalen Transfer-CCD-Einrichtung 430b ausgebildet. Ein polykristalliner Bereich 406 ist als Transfergate über der ersten Wanne 402 des P-Typs vorgesehen und bildet einen N- Halbleiterbereich 403 und den N-Halbleiterbereich 405 über dem N-Halbleiterbereich 5. Über dem polykristallinen Bereich 6 ist eine Aluminiumschicht 407 zur Lichtabschirmung angeordnet. Zwischen Sensorbereichen, bestehend aus einer Fotodiode 430c und einer vertikalen Transfer-CCD-Einrichtung 430b, wird ein Kanalstoppbereich mittels eines P-Halbleiterbereichs 408 ausgebildet.
Hierbei entsprechen jeweils der N-Halbleiterbereich 403 und der N-Halbleiterbereich 405 einem Drainbereich und einem Sourcebereich eines N-Kanal-Insulated Gate-Transistors. Im N- Halbleiterbereich 403 angesammelte Ladungen werden zum N- Halbleiterbereich 405 übertragen, wenn an den polykristallinen Bereich 406 des Gates eine positive Spannung I angelegt wird.
Durch Anlegen einer negativen Spannung el an den polykristallinen Bereich 406 wird durch die vertikale Transfer-CCD- Einrichtung 439b ein vertikaler Transfervorgang durchgeführt.
In den Fig. 8 und 9 bezeichnet Xa einen Ableitkanal für unnötige Ladungen in den Fotodioden 430c. Xb bezeichnet einen Transferkanal von Fotoladungen von der Fotodiode 430c zur vertikalen Transfer-CCD-Einrichtung 439b. Xc bezeichnet einen Transferkanal für Signalladungen von der vertikalen Transfer-CCD-Einrichtung 439b zur horizontalen Transfer-CCD-Einrichtung 430d. Ein Transferkanal für Signalladungen in der horizontalen Transfer-CCD- Einrichtung 430d ist mit Xd bezeichnet.
Die Wirkungsweise dieses Ausführungsbeispiels wird nachstehend unter Bezugnahme auf Fig. 10 beschrieben, die ein Zeitdiagramm (Signalzeitverläufe) zeigt.
TS1 bezeichnet eine Periode einer ersten Belichtung mit einem kurzen Belichtungsvorgang und TS2 bezeichnet eine Periode einer zweiten Belichtung mit einem langen Belichtungsvorgang.
TS1' bezeichnet eine Periode für Übertragung eines während der ersten Belichtung erzeügten Signals, und TS2' bezeichnet eine Periode zur Übertragung eines während der zweiten Belichtung erzeugten Signals.
Ein Merkmal des vorliegenden Ausführungsbeispiels besteht darin, daß die erste und zweite Belichtung im wesentlichen kontinuierlich ausgeführt werden.
Gemäß der Darstellung in Fig. 10 werden Ladungen in den Fotodioden 430c abgeleitet durch Anlegen eines Verschlußpulses (Abschimpulses) SH (Pa in Fig. 10) an das CCD-Substrat (N- Halbleitersübstrat 401), so daß hiermit ein Fotoumwandlungsvorgang eingeleitet wird.
Durch Anlegen eines Pulses I (Pb in Fig. 10) wird in der Fotodiode 430c befindliche Fotoladung zur vertikalen Transfer-CCD- Einrichtung 439b übertragen und die erste Belichtungsperiode ist beendet. Bei diesem Ausführungsbeispiel wird dieser Vorgang als CCD-Verschluß-Vorgang bezeichnet.
Der zweite Belichtungsvorgang wird nachstehend beschrieben. Nach dem ersten Belichtungsvorgang startet die Fotodiode 430c nachfolgend den zweiten Belichtungsvorgang entsprechend der Periodendauer des langen Belichtungsvorgangs. Dieser zweite Belichtungsvorgang kann beendet werden, nachdem die durch den ersten Belichtungsvorgang erzeugte Fotoladung vollständig zur vertikalen Transfer-CCD-Einrichtung 439b übertragen wurde. Während dieser Periode wird die durch die erste Belichtung erzeugte Fotoladung aus dem Bildsensor ausgelesen; die Periode TS1' liegt dabei innerhalb der Periode TS2. In jeder horizontalen Austastperiode wird die Signalladung in der vertikalen Transfer-CCD-Einrichtung 439b zur horizontalen Transfer-CCD-Einrichtung 430d mittels des Pulses I (Pc in Fig. 10) übertragen und wird durch den Bildsensor über den Ausgangsverstärker 430e durch Zuführen des Pulses H (Pd in Fig. 10) in der horizontalen wirksamen Periode ausgegeben.
Nach dem Übertragungsvorgang (Transfervorgang) des im ersten Belichtungsvorgang erzeugten Signals durch Zuführen eines Pulses 2 (Pb' in Fig. 10) wird die im zweiten Belichtungsvorgang erzeugte Fotoladung zur vertikalen Transfer-CCD-Einrichtung 439b der Fotodiode 430c übertragen, wodurch der zweite Belichtungsvorgang beendet wird.
Nach dem zweiten Belichtungsvorgang wird die während des zweiten Belichtungsvorgangs erzeugte Fotoladung vom Bildsensor in der gleichen Weise wie bei dem im ersten Belichtungsvorgang erzeugten Signal ausgegeben, wobei die Pulse 2 (Pc in Fig. 10) und die Pulse H (Pd' in Fig. 10) zugeführt werden.
Somit können gemäß dem vorliegenden Ausführungsbeispiel unter lediglicher Verwendung einer kostengünstigen CCD-Einrichtung der kurze Belichtungsvorgang und der lange Belichtungsvorgang mit minimaler Zeitverzögerung durchgeführt werden. Ferner kann durch Synthetisieren beider Signale ein vergrößerter Dynamikbereich erhalten werden.
Fig. 4 zeigt ein Zeitdiagramm (Signalzeitverläufe) eines vierten Ausführungsbeispiels der vorliegenden Erfindung, wobei der Unterschied zu dem in Fig. 10 gezeigten Ausführungsbeispiel darin liegt, daß die Beendigung des zweiten Belichtungsvorgangs mittels eines Verschlußteils gesteuert wird.
Der Verschluß umfaßt einen mechanischen Verschluß (Verschlußvorhang) oder einen optischen Verschluß, der beispielsweise aus einem Material wie Flüssigkristalle besteht. Der Verschluß ist normalerweise geöffnet, und im geöffneten Zustand wird der erste Belichtungsvorgang in der gleichen Weise wie bei dem vorstehend angegebenen CCD-Verschlußvorgang durchgeführt. Beim dritten Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 10 sollte die zweite Belichtungsperiode TS2 länger als die Transferperiode TS1' für das während der ersten Belichtungsperiode erzeugte Signal sein, da das während der zweiten Belichtungsperiode erzeugte Signal nicht zur vertikalen Transfer-CCD-Einrichtung übertragen werden kann, bis der Transfervorgang (Übertragungsvorgang) des während der ersten Belichtungsperiode erzeugten Signals beendet ist. Im Gegensatz zum dritten Ausführungsbeispiel kann die zweite Belichtungsperiode durch Ausbildung eines anderen Verschlußteils (Verschlußeinrichtung) bei diesem Ausführungsbeispiel vor der Vollendung des Transfervorgangs des in der ersten Belichtungsperiode erzeugten Signals beendet werden.
Die vorstehenden Ausführungsbeispiele können nicht nur bei einer Videokamera sondern auch bei einer Stehbild-Videokamera angewendet werden. Beim dritten Ausführungsbeispiel kann beispielsweise das während des kurzen Belichtungsvorgangs und das während des langen Belichtungsvorgangs erzeugte Signal im Wechsel (alternierend) Halbbild für Halbbild erhalten werden, so daß diese Signale wie ein normales Videobildsignal meiner Videokamera verarbeitet werden können. Ferner kann durch Auswählen eines der Signale eine Aufzeichnung in einem Stehbild- Videokamerasystem durchgeführt werden.
Beim vierten Ausführungsbeispiel gemäß der Darstellung in Fig. 11 kann das während des kurzen Belichtungsvorgangs erzeugte Signal und das während des langen Belichtungsvorgangs erzeugte Signal in geeigneter Weise für eine Videokamera Halbbild für Halbbild erhalten werden, falls es sich bei dem Verschlußteil um ein drehbares Verschlußteil handelt. Wird ferner der Verschlußteil mittels eines Irisblendenverschlusses, eines Flüssigkristallverschlusses oder eines Brennebenenverschlusses gebildet, dann entspricht eines der Halbbildsignale dem während des kurzen Belichtungsvorgangs erzeugten Signals, und das während des langen Belichtungsvorgangs erzeugte Signal kann für die Stehbild- Videokamera ausgewählt werden.
Bei dem in Fig. 11 gezeigten vierten Ausführungsbeispiel kann der lange Belichtungsvorgang im voraus vor dem kurzen Belichtungsvorgang durchgeführt werden. In diesem Fall können genauere Belichtungsvorgänge durchgeführt werden, da der CCD- Verschlußbetrieb genauer als der mechanische Verschlußteil ist und das während des langen Belichtungsvorgangs erzeugte Signal im synthetisierten Signal wichtiger als das während des kurzen Belichtungsvorgangs erzeugte Signal ist&sub9;
Fig. 12 veranschaulicht ein Blockschaltbild eines weiteren Ausführungsbeispiels der Videokamera.
In der Figur wird ein optisches Bild mittels eines Objektivs 410 und einer Irisblende 420 auf einem Sensor 430 fokussiert (scharfgestellt). Der Sensor 430 wird mittels einer Sensoransteuerungsschaltung 440 angetrieben und mittels einer Steuerungsschaltung 470 gesteuert. Die Irisblende 420 wird mittels einer Belichtungsteil-Ansteuerungsschaltung 450 gesteuert, die ihrerseits auf der Basis eines vom Sensor 430 ausgegebenen Signals mittels der Steuerungsschaltung 470 gesteuert wird. Handelt es sich bei der in Fig. 12 gezeigten Kamera um eine Stehbild-Videokamera, wie es vorstehend angegeben ist, dann wird die Irisblende nach dem zweiten Belichtungsvorgang geschlossen.
Eine Kamerasignalverarbeitungsschaltung 460 führt einen bekannten Knieunterdrückungsvorgang oder Gammaumwandlungsvorgang durch. Die Schaltung 460 führt ebenfalls eine digitale Umwandlung mittels eines A/D-Wandlers 480 durch, so daß beim vorliegenden Ausführungsbeispiel das beim ersten Belichtungsvorgang erzeugte Signal in ein digitales Signal umgewandelt und sodann in einem Speicher 490 gespeichert wird.
In einer Verarbeitungsschaltung 100 wird der Synthetisiervorgang durchgeführt durch Kombinieren des aus dem Speicher 490 ausgelesenen und beim ersten Belichtungsvorgang erzeugten Signals und des vom A/D-Wandler 480 ausgegebenen und beim zweiten Belichtungsvorgang erzeugten Signals, wobei der Dynamikbereich erweitert wird. Mittels der Steuerungsschaltung 470 wird ein Steuerungssignal für diesen Synthetisiervorgang erzeugt, und durch Erfassen der Sättigung des beim zweiten Belichtungsvorgang (dem langen Belichtungsvorgang) erzeugten Signals, wird das erfaßte gesättigte Signal durch das während des ersten Belichtungsvorgangs, d. h. dem kurzen Belichtungsvorgang, erzeugte Signal ersetzt.
Das synthetisierte Signal der Verarbeitungsschaltung 100 wird in ein analoges Signal mittels eines D/A-Wandlers 110 umgewandelt und sodann einem Aufzeichnungssystem zugeführt.
Gemäß der vorstehenden Beschreibung bezüglich des vierten Ausführungsbeispiels kann der zweite Belichtungsvorgang mittels eines weiteren Verschlußteils wie eines mechanischen oder elektronischen Verschlusses gesteuert werden, so daß die Periode (Dauer) der zweiten Belichtung bis zu einem gewissen Grad frei eingestellt werden kann. Somit kann auch ein sich schnell bewegendes Objekt mit großer Auflösung und mittels des erweiterten Dynamikbereichs aufgenommen werden.

Claims

1. Bildaufnahmevorrichtung, mit

einer Vielzahl von Spalten von Lichtempfangszellen (11) zum Umwandeln eines optischen Bilds in ein elektrisches Signal,

einer Vielzahl von gegenüber dem Licht abgeschirmten Transferregistern (12), die jeweils benachbart zu einer. entsprechenden Spalte von Lichtempfangszellen angeordnet sind, wobei die Register vorgesehen sind zum Empfangen eines Ladungssignals von den zugehörigen Spalten der Lichtempfangszellen und zum seriellen Übertragen des Ladungssignals,

einer Steuerungsschaltung (105, 225) zur Ansteuerung der Lichtempfangszellen und der Transferregister zur Ableitung eines Bildsignals,

der Steuerungsschaltung zum Übertragen von in den Lichtempfangszellen erzeugten Ladungssignalen zu den Transferregistern nach einer ersten Belichtung, zum Durchführen einer zweiten Belichtung während einer zweiten Belichtungsperiode, die zur ersten Belichtungsperiode unterschiedlich ist&sub1; zur Erzeugung von getrennten ersten und zweiten Bildsignalen in der Bildaufnahmevorrichtung, und

einer Synthetisierungseinrichtung (216, 226, 231) zur Bildung eines synthetisierten Bildsignals mit einem erweiterten Dynamikbereich durch Kombinieren der ersten und zweiten Bildsignale, und dadurch gekennzeichnet, daß eine Erfassungseinrichtung (210) vorgesehen ist zur Erfassung der statistischen Frequenz, mit der eines der ersten und zweiten Bildsignale eine Schwelle überschreitet, und daß die Synthetisierungseinrichtung eine Knieschaltung (231) umfaßt, deren Kennlinie in Abhängigkeit von der erfaßten statistischen Frequenz veränderlich ist zum Unterdrücken des synthetisierten Signals in einer nichtlinearen Weise.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, bei der die Synthetisierungseinrichtung ein Paar von Abtast-/ Halteschaltern (216, 226) umfaßt, die mittels der Steuerungsschaltung gesteuert werden, wobei ein Schalter (226) mit seinem Eingang mit dem ersten Signal (S1) und der andere Schalter (216) mit seinem Eingang mit dem zweiten Signal (S2) verbunden ist, so daß jeder der Schalter mit der Unterdrückungseinrichtung verbunden werden kann.

3. Vorrichtung nach Anspruch 2, wobei das zweite Signal mit einem Verstärker (213) verbunden ist, dessen Ausgang mit einer Klemmschaltung (214) verbunden ist, deren Ausgang das Ausgangssignal für den anderen Schalter zur Verfügung stellt, und wobei die Erfassungseinrichtung vorgesehen ist zur Steuerung der Verstärkung des Verstärkers.

4. Vorrichtung nach Anspruch 3, wobei das erste Signal mit einer Klemmschaltung (221) verbunden ist, deren Ausgang mit einer Begrenzungsschaltung (222) verbunden ist, wobei der Ausgang der Begrenzungsschaltung das dem ersten Schalter zugeführte Signal bereitstellt.

5. Vorrichtung nach Anspruch 4, wobei das erste Signal mit einem ersten Pegeldetektor (223) zur Erfassung, ob der Pegel des ersten Signals gesättigt ist oder nicht, verbunden ist, wobei der erste Pegeldetektor ein Ausgangssignal für die Steuerungsschaltung bereitstellt, so daß das erste Signal der Unterdrückungseinrichtung durch den ersten Schalter zugeführt wird, wenn das erste Signal nicht gesättigt ist, und das zweite Signal der Unterdrückungseinrichtung zugeführt wird, wenn das erste Signal gesättigt ist.