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HINTERGRUND DER ERFINDUNG
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Gebiet der Erfindung
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Die vorliegende Erfindung betrifft
ein Halbleiter-Bildaufnahmegerät mit einer
photoelektrischen Umwandlungseinheit und insbesondere ein Halbleiter-Bildaufnahmegerät, das geeignet
ist, einen optionalen Bereich der photoelektrischen Umwandlungseinheit
in einer Pixellesebetriebsart, wie z. B. einer Blocklesebetriebsart
und einer Übersprunglesebetriebsart,
zu lesen, und ein Bildaufnahmesystem unter Verwendung eines derartigen
Halbleiter-Bildaufnahmegeräts.
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Verwandter
Stand der Technik
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Bildinformationen werden heutzutage
in weitem Umfang verwendet und eine Vielfalt von Bilddatenanzeigeverfahren
wird verwendet, um verschiedene Multimedia-Bilddatenformate passend
zu machen.
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Hochauflösende Bildaufnahmevorrichtungen sind
bekannt, welche CCD's
verwenden, um eine Auflösung,
die über
die eines Hochauflösungsfernsehens
(zwei Millionen Pixel) hinausgeht, bereitzustellen. Die meisten
dieser Bildaufnahmevorrichtungen befassen sich im wesentlichen nur
mit ruhenden Bildern bzw. Festbildern bzw. Standbildern und es beansprucht
einige Sekunden, um ein Bild eines Frames bzw. Einzelbilds bzw.
Rahmens einzufangen. Beispielsweise weist eine Festbild-Digitalkamera, die eine
derartige Hochauflösungsbildaufnahmevorrichtung
verwendet, den Mangel auf, daß die
Einzelbild- Erstellung
und Fokussierung, was wesentlich für die Funktion einer Kamera
ist, nicht in Echtzeit ausführbar
ist. Zusätzlich
ist, da eine Frame-Rate bzw. Abspielgeschwindigkeit der Einzelbilder
langsam ist, eine Signalakkumulierungszeit lang, was ein Problem
einer verschlechterten Bildqualität darstellt, was durch Dunkelladungen,
die zusammen mit Signalladungen akkumuliert werden, verursacht wird.
Obgleich ein Verfahren zum Kühlen
einer Bildaufnahmevorrichtung inkorporiert ist, um die Erzeugung
von Dunkelladungen zu unterdrücken,
ist dieses Verfahren mit einem Problem eines erhöhten Gesamtstromverbrauchs
verknüpft.
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Ein Bericht, welcher die vorstehenden
Probleme lösen
kann, ist beispielsweise offenbart in „Four Million Pixels CMD Image
Sensor", The Institute
of Image Information and Television Engineers, ITE Technical Report,
Vol. 21, Nr. 21, pp. 37–42,
IPU 97-15, ce'97–7 (Mar.
1997). In diesem Bericht werden drei Anschlüsse außer dem Gate-Anschluß eines
CMD-Elements eines
Vierpol-CMOS-Bauelements mit DC-Vorspannungen versorgt und ein Ausgangssignal
eines CMD-Elements, das ein Source-Strom ist, wird durch Ändern des
Gate-Potentials gesteuert. Von einer vollen Lesebetriebsart, einer Übersprunglesebetriebsart
und einer Blocklesebetriebsart liest die Blocklesebetriebsart die
Bildinformation von allen Pixeln in einem optional bezeichneten
Blockbereich. Die Blocklesebetriebsart wird durch zwei Prozesse
realisiert, nämlich
einen Prozeß der
Einstellung einer Lesestartposition und einen Prozeß des Auslesens
eines optional bezeichneten Blockbereichs. CMD-Elemente, die in
einer Matrix angeordnet sind, werden durch sequentielles Ein- und
Ausschalten eines Abtast-Schieberegisters
gelesen.
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Obgleich der Bericht das Blocklesen
von CMD-Elementen des CMOS-Bauelements beschreibt, beschreibt er
jedoch nicht, wie das Rauschen der CMD-Elemente gelesen wird. Da
ein mittels CMOS-Prozesse gefertigter CMOS-Sensor ein S/N-Verhältnis aufweist,
das kleiner als das eines CCD-Sensors ist, ist es erwünscht, ein
S/N-Verhältnis
ebenso in der Blocklesebetriebsart zu verbessern.
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Rauschen, das in einer Halbleiter-Bildaufnahmevorrichtung
vom CMOS-Typ erzeugt wird, umfaßt
statistisches bzw. weißes
Rauschen und feststehendes periodisches Rauschen. Statistisches
Rauschen kann reduziert werden, indem ein Verstärker mit jedem Pixel einer
Halbleiter-Bildaufnahmevorrichtung vom CMOS-Typ vorgesehen wird, und feststehendes
periodisches Rauschen kann reduziert werden, indem Rauschdaten von
aufgenommenen Bilddaten subtrahiert werden. Obgleich diese Techniken
allgemein bekannt sind, sind besondere Verfahren, die für die Praxis
geeignet sind, nicht bekannt.
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EP-A-0282993 beschreibt eine Vorrichtung, die
eine Photodetektoranordnung mit einer Vielzahl von Transistoren
auf jeder Zeile bzw. Leitung zur Bereitstellung eines optischen
Schwarzwertreferenzsignals aufweist. Mittel sind vorgesehen, um
einen Block von Pixeln zum Auslesen auszuwählen, wobei der Block kleiner
als die volle Photodetektoranordnung ist.
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US-A-4691253 beschreibt eine CCD-Bildkamera,
die geeignet ist, entweder kontinuierlich laufende Videobilder im
Analogformat oder hochauflösende
Standbilder im Digitalformat aufzuzeichnen. Das Gerät umfaßt Mittel
zum Klemmen bzw. Pegelhalten einer Dunkelstromreferenzspannung.
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JP-A-9247689 beschreibt ein Abbildungsgerät, das auf
eine Weise betätigbar
ist, welche ein Auslesen einer Untermenge von Pixeln erlaubt.
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EP-A-0596748 beschreibt eine CCD-Abbildungsvorrichtung,
die geeignet ist, Bilder von unterschiedlichen Bildseitenverhältnissen
zu erfassen, indem zwei horizontale CCD-Ausleseschaltungen verwendet werden,
die miteinander gekoppelt sein können.
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ZUSAMMENFASSUNG
DER ERFINDUNG
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Die vorliegende Erfindung sieht ein
Halbleiter-Bildaufnahmegerät vor, umfassend:
eine
Vielzahl von ersten photoelektrischen Umwandlungselementen, welche
in einer ersten Richtung angeordnet und lichtgeschützt sind;
eine
Vielzahl von zweiten photoelektrischen Umwandlungselementen, welche
in der ersten Richtung angeordnet sind und nicht lichtgeschützt sind;
eine
Abtastungseinrichtung, um eine Abtastung durchzuführen, so
daß Signale
von der Vielzahl der ersten photoelektrischen Umwandlungselemente
sequentiell ausgelesen werden; und
eine Subtraktionseinrichtung,
um von jedem Signal, das von den zweiten photoelektrischen Umwandlungselementen
ausgelesen wird, eine Signalspannung, die als ein Durchschnittswert
aus den Signalen gebildet wird, welche sequentiell von der Vielzahl
der ersten photoelektrischen Umwandlungselemente ausgelesen werden,
zu subtrahieren,
dadurch gekennzeichnet, daß:
die Abtastungseinrichtung
angeordnet ist, um eine Abtastung durchzuführen, so daß Signale von der Vielzahl
der zweiten photoelektrischen Umwandlungselemente aus jedem zweiten
photoelektrischen Umwandlungselement gelesen werden.
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Andere Ziele und Merkmale der vorliegenden
Erfindung werden ersichtlich anhand der folgenden detaillierten
Beschreibung der Ausführungsformen,
wenn sie in Verbindung mit den beigefügten Zeichnungen gelesen wird.
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KURZE BESCHREIBUNG
DER ZEICHNUNGEN
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1 ist
ein Blockschaltungsdiagramm eines Halbleiter-Bildaufnahmegeräts.
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2A, 2B und 2C sind Konzeptdiagramme, die jede Lesebetriebsart
des Halbleiter-Bildaufnahmegeräts
veranschaulichen.
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3 ist
ein Zeitablaufdiagramm, das eine volle Lesebetriebsart veranschaulicht.
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4 ist
ein Zeitablaufdiagramm, das eine Blocklesebetriebsart veranschaulicht.
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5 ist
ein Zeitablaufdiagramm, das eine erfindungsgemäße Übersprunglesebetriebsart veranschaulicht.
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6 ist
ein Zeitablaufdiagramm, das die volle Lesebetriebsart veranschaulicht.
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7A und 7B sind Blockdiagramme einer Signalverarbeitungsschaltung,
die in jeder Lesebetriebsart verwendet wird.
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8A und 8B sind ein Schaltungsdiagramm
einer Auswahlschaltung und eine deren Betrieb veranschaulichende
Tafel.
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9A, 9B und 9C sind ein Schaltungsdiagramm der Auswahlschaltung
und deren Betrieb veranschaulichende Zeitablaufdiagramme.
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10 ist
ein Blockdiagramm, das ein Bildaufnahmesystem zeigt.
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Ausführungsformen der Erfindung
und vergleichende Beispiele werden im einzelnen unter Bezugnahme
auf die beigefügten
Zeichnungen erläutert werden.
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(Erste Ausführungsform)
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1 ist
ein Schaltplan eines Treibers zum Treiben eines CMOS-Sensors, der
aus photoelektrischen Umwandlungselementen gebildet ist, wobei jedes
zwei Elemente aufweist. Jedes photoelektrische Umwandlungselement
wird gebildet von einer der PN-Übergangs-Photodioden
PD11 bis PD22, ... und von einem korrespondierenden Transfer-Transistor aus
den Transfer-Transistoren
ST11 bis ST22, ..., die mit den Anoden der Photodioden verbunden
sind. Eine vertikale Auswahlschaltung VSR gibt sequentiell Hochpegelausgänge V1 bis
V8 aus, um sequentiell vertikale Auswahlleitungen HL1, HL2, ...,
zu aktivieren, und eine horizontale Auswahlschaltung HSR gibt sequentiell
Hochpegelausgänge
H1 bis H8 aus, um sequentiell horizontale Transfer-MOS-Transistoren
HT1 bis HT8 einzuschalten. Demgemäß werden in jeweiligen Pixeln
akkumulierte Bildladungen zeitlich sequentiell von den jeweiligen
vertikalen Ausgangsleitungen HV1 bis HV8 an eine Ausgangsleitung
HOL gelesen und über
einen Verstärker
AMP ausgegeben.
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Ein Reset- bzw. Rückstell-MOS-Transistor RES
schaltet die Ausgangsleitung HOL an, um die Ausgangsleitung HOL
jedesmal zurückzustellen, wenn
die Pixelladungen ausgegeben werden.
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Von den Photodioden PD11 bis PD22,
..., sind die Anoden der Photodioden PD11, PD12, PD21, PD22, PD31,
..., abgeschirmt, um Dunkelladungen aufzunehmen.
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In diesem CMOS-Sensor werden, wenn Photonen
auf einen PN-Übergang
von jedem photoelektrischen Umwandlungselement, das ein Pixel bildet,
auftreffen, Paare von Elektronen und Löchern erzeugt und in der Verarmungszone
akkumuliert und der Transfer-MOS-Transistor ST11, ..., liest die
Elektronen oder Löcher.
Der CMOS-Sensor einschließlich
der horizontalen und vertikalen Auswahlschaltungen wird mittels
CMOS-Prozesse gefertigt und wird folglich als ein CMOS-Sensor bezeichnet.
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In dieser Ausführungsform kann, obgleich ein
MOS-Sensor passiven Typs verwendet wird, ein Verstärkungstyp
AMI (amplification type MOS sensor: Verstärkungtyp MOS-Sensor), ein CMD
(„charge modulation
type CMOS sensor":
Ladungsmodulationstyp CMOS-Sensor), oder ein APS („active
pixel type sensor":
aktiver Pixeltyp Sensor) ebenso verwendet werden.
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2C veranschaulicht
ein Beispiel einer Übersprunglesebetriebsart.
In dieser Betriebsart werden Standardsignale von Dunkelladungen
aus der lichtgeschützten
photoelektrischen Umwandlungselement-Gruppe in den linken zwei Spalten
gelesen, während
effektive Signale von Photoladungen aus der photoelektrischen Umwandlungselement-Gruppe,
die ein effektives Signale ausgibt, gelesen werden, indem jedes
zweite Pixel übersprungen
wird.
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5 ist
ein Zeitablaufdiagramm, das eine Übersprunglesebetriebsart des
in 2C dargestellten
Halbleiter-Bildaufnahmegeräts veranschaulicht. In
dieser Übersprunglesebetriebsart
werden die jeweils zweiten Pixel in den horizontalen und vertikalen Richtungen
in dem Pixelbereich zum Lesen von effektiven Signalen gelesen.
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Die vertikale Auswahlschaltung VSR
gibt zunächst
einen Hochpegelausgang V1 aus, um die vertikale Auswahlleitung HL1
zu aktivieren, und die horizontale Auswahlschaltung HSR gibt sequentiell Hochpegelausgänge H1,
H2, H3, H5, H7, ... aus, um sequentiell die horizontalen Transfer-MOS-Transistoren
HT1, HT2, HT3, HT5, HT7, ... einzuschalten. Demgemäß werden
in jeweiligen Pixeln akkumulierte Bildladungen zeitlich sequentiell
von den jeweiligen vertikalen Ausgangsleitungen HV1, HV2, HV3, HV5, HV7,
... in die Ausgangsleitung HOL gelesen und über den Verstärker AMP
ausgegeben.
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Während
die horizontale Auswahlschaltung HSR sequentiell die Hochpegelausgänge H1,
H2, H3, H5, H7, ... ausgibt, wird der Rückstell-MOS-Transistor RES
eingeschaltet, um die Ausgangsleitung HOL und ein korrespondierendes
photoelektrisches Umwandlungselement jedesmal zurückzustellen, wenn
die Pixelladungen ausgelesen werden, um dabei den Einfluß der benachbarten
Pixel zu eliminieren. Wie in 5 dargestellt
ist, nimmt eine Ausgabe des Verstärkers AMP einen niedrigen Potentialpegel ein,
der den Pixelladungen der Pixel-Photodioden PD11 und PD12 der das
Standardsignal ausgebenden photoelektrischen Umwandlungselement-Gruppe
und der Pixel-Photodioden PD13, PD15 und PD17 der das erste effektive
Signal ausgebenden photoelektrischen Umwandlungselement-Gruppe entspricht.
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Als nächstes wird eine Bildsignalverarbeitungsschaltung
zum Verarbeiten eines Bildsignals, wie in 3 bis 6 veranschaulicht
ist, beschrieben werden unter Bezugnahme auf 7A und 7B.
Unter Bezugnahme auf 7A aktiviert
eine vertikale Auswahlschaltung VSR11 jede horizontale Leitung einer photoelektrischen
Umwandlungseinheit 10, welche in einer Matrix angeordnete
photoelektrische Umwandlungselemente auf weist, und eine horizontale
Auswahlschaltung HSR12 bewirkt, daß von einem Verstärker AMP
Bildsignale sequentiell ausgegeben werden, die von der das Standardsignal
ausgebenden photoelektrischen Umwandlungselement-Gruppe und von
der das effektive Signal ausgebenden photoelektrischen Umwandlungselement-Gruppe gelesen werden.
Eine Ausgabe des photoelektrischen Umwandlungsgeräts wird
an eine Standardspannungserzeugungsvorrichtung 14 während einer Ausgabeperiode
der das Standardsignal ausgebenden photoelektrischen Umwandlungselement-Gruppe
eingegeben, wobei die Standardspannungserzeugungsvorrichtung 14 eine
Standardspannung erzeugt. Falls die das Standardsignal ausgebende
photoelektrische Umwandlungselement-Gruppe zwei Pixel enthält, erzeugt
die Standardspannungserzeugungsvorrichtung 14 die Standardspannung,
welche beispielsweise ein Mittelwert von zwei Standardsignalen ist.
Während
einer Ausgabeperiode der das effektive Signal ausgebenden photoelektrischen
Umwandlungselement-Gruppe wird eine Ausgabe des Halbleiter-Bildaufnahmegeräts an eine
Klemm- bzw. Pegelhaltungsverstärkerschaltung 13 eingegeben und
auf die Standardspannung geklemmt, die von der Standardspannungserzeugungsvorrichtung 14 zugeführt wird.
Ein Bildsignal, das von der das effektive Signal ausgebenden photoelektrischen
Umwandlungselement-Gruppe aufgenommen wird, wird um die Standardspannung
subtrahiert, welche den Dunkelladungen auf der horizontalen Leitung
entspricht, um dabei ein korrektes Bildsignal, das nur Bildladungen
entspricht, zu erhalten. Die Standardspannung, die von der Standardspannungserzeugungsvorrichtung 14 erzeugt
wird, wird zurückgesetzt,
nachdem eine horizontale Leitung gelesen ist. Die Standardspannungserzeugungsvorrichtung 14 erzeugt
erneut eine Standardspannung aus Standardsignalen, die von der das
Standardsignal ausgebenden photoelektrischen Umwandlungselement-Gruppe
auf der nächsten
horizontalen Leitung gelesen werden. Das Bildsignal, das von der
das effektive Signal ausgebenden photoelektrischen Um wandlungselement-Gruppe
auf der nächsten
horizontalen Leitung gelesen wird, wird um die neue Standardspannung
subtrahiert.
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Eine Ausgabe der Klemmschaltung 13 wird in
ein digitales Bildsignal von einem A/D-Wandler 15 umgewandelt.
Das digitale. Signal wird von einer nicht dargestellten Signalverarbeitungsschaltung
zur Schattenkorrektur, Gammakorrektur und dergleichen verarbeitet.
In dieser Ausführungsform
enthält
die das Standardsignal ausgebende photoelektrische Umwandlungselement-Gruppe
zwei Pixel in jeder Leitung. Die Anzahl der Pixel ist nicht ausschließlich auf
zwei beschränkt,
sondern eine gewünschte
Anzahl von Pixeln kann so lange verwendet werden, wie eine optimale
Klemmung möglich
ist.
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7B ist
ein Blockdiagramm einer anderen Signalverarbeitungsschaltung. Ein
Bildsignal von einem Verstärker
AMP wird über
eine Abtast/Halte-Schaltung einer A/D-Wandlerschaltung 16 zugeführt, worauf
es in ein digitales Bildsignal umgewandelt wird. Das digitale Bildsignal
wird einer digitalen Signalverarbeitungsschaltung 17 zugeführt. Die
digitale Signalverarbeitungsschaltung 17 berechnet einen
Mittelwert bzw. Durchschnittswert aus Standardsignalen, die repräsentativ
sind für
Dunkelladungen, die während
der Ausgabeperiode der das Standardsignal ausgebenden photoelektrischen
Umwandlungselement-Gruppe ausgegeben werden, und verwendet den Mittelwert
als die Standardspannung. Jedes Bildsignal derselben horizontalen
Leitung, das während
der Ausgabeperiode der das effektive Signal ausgebenden photoelektrischen
Umwandlungselement-Gruppe
ausgegeben wird, wird um die Standardspannung subtrahiert, um dabei
Rauschkomponenten in dem effektiven Signalpixel zu eliminieren. Das
effektive Bildsignal mit eliminierten Rauschkomponenten wird danach
zur Schattenkorrektur, Gammakorrektur und dergleichen verarbeitet.
Diese Signalverarbeitungsschaltung kann auf dem gleichen Chip wie
die durch CMOS-Prozesse gefertigten photoelektrische Umwandlungseinheit
hergestellt werden, so daß das
Halbleiter-Bildaufnahmegerät einschließlich der
Signalverarbeitungsschaltung gefertigt werden kann.
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(Vergleichende Beispiele,
die nicht innerhalb des Umfangs der beanspruchten Erfindung fallen)
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2A bis 2C sind Konzept-Diagramme
zur Veranschaulichung von Leseverfahren des Halbleiter-Bildaufnahmegeräts unter
Verwendung eines Bereichs- bzw. Flächensensors gemäß vorstehender Beschreibung. 2A veranschaulicht ein Beispiel einer
vollen Lesebetriebsart. In dieser Betriebsart werden Standardsignale
von Dunkelladungen von einer lichtgeschützten das Standardsignal ausgebenden
photoelektrischen Umwandlungselement-Gruppe in den linken zwei Spalten
gemäß Ansicht
in 2A gelesen, wohingegen
effektive Signale von Photoladungen von einer das effektive Signal
ausgebenden photoelektrischen Umwandlungselement-Gruppe in einem
effektiven Lesebereich gelesen werden. 2B veranschaulicht ein Beispiel einer
Blocklesebetriebsart. In dieser Betriebsart werden Standardsignale
von Dunkelladungen von der lichtgeschützten photoelektrischen Umwandlungselement-Gruppe
in den linken zwei Spalten gelesen, wohingegen effektive Signale
von Photoladungen von der das effektive Signal ausgebenden photoelektrischen
Umwandlungselement-Gruppe nur in einem bezeichneten bzw. spezifizierten
Blockbereich, ohne andere Bereiche zu lesen, gelesen werden, in
diesem Beispiel nur von zwei Pixeln auf einer Leitung bzw. Zeile.
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Der Betrieb der vollen Lesebetriebsart
wird unter Bezugnahme auf das in 3 dargestellte
Zeitablaufdiagramm beschrieben werden. Die vertikale Auswahlschaltung
VSR gibt zunächst
einen Hochpegelausgang V1 aus, um die vertikale Auswahlleitung HL1
zu aktivieren, und die horizontale Auswahlschaltung HSR gibt sequentiell
Hochpegelausgänge
H1 bis H8 aus, um sequentiell die horizontalen Transfer-MOS-Transistoren
HT1 bis HT8 einzuschalten. Demgemäß werden in jeweiligen Pixeln
akkumulierte Bildladungen zeitlich sequentiell von den jeweiligen Ausgangsleitungen
HV1 bis HV8 an die Ausgangsleitung HOL gelesen und über den
Verstärker
AMP ausgegeben. Während
die horizontale Auswahlschaltung HSR sequentiell die Hochpegelausgänge H1 bis H8
ausgibt, wird der Rückstell-MOS-Transistor
RES eingeschaltet, um die Ausgangsleitung HOL und ein korrespondierendes
photoelektrisches Umwandlungselement jedesmal zurückzustellen,
wenn die Pixelladungen gelesen werden, um dabei den Einfluß benachbarter
Pixel zu eliminieren. Wie in 3 dargestellt
ist, nimmt eine Ausgabe des Verstärkers AMP einen niedrigen Potentialpegel
ein, der Pixelladungen der Pixelphotodioden PD11 bis PD18 entspricht.
Danach gibt die vertikale Auswahlschaltung VSR einen Hochpegelausgang
V2 aus, um die obigen Vorgänge
zu wiederholen.
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Die lichtgeschützten Pixelphotodioden PD11 und
PD12 der das Standardsignal ausgebenden photoelektrischen Umwandlungselement-Gruppe
geben Standardsignale aus, die Dunkelladungen darstellen. Ein Paar
von ersten effektiven Signalen wird von den Pixel-Photodioden PD13
und PD14 ausgegeben, ein Paar von zweiten effektiven Signalen wird
von den Pixel-Photodioden PD15 und PD16 ausgegeben und ein Paar
von dritten effektiven Signalen wird von den Pixel-Photodioden PD17
und PD18 ausgegeben. Als nächstes
geben die lichtgeschützten
Pixel-Photodioden
PD21 und PD22 der das Standardsignal ausgebenden photoelektrischen
Umwandlungselement-Gruppe Standardsignale aus, die für Dunkelladungen
repräsentativ
sind, wobei Vorgänge,
die den oben beschriebenen Vorgängen ähnlich sind,
wiederholt werden. Auf diese Weise werden alle Pixel, die in ei ner
Matrix angeordnet sind, gelesen.
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4 ist
ein Zeitablaufdiagramm, welches eine Blocklesebetriebsart des in 2B dargestellten Halbleiter-Bildaufnahmegeräts veranschaulicht. Es
wird angenommen, daß der
bezeichnete Block die Pixel-Photodioden PD15 und PD16 enthält.
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Die vertikale Auswahlschaltung VSR
gibt zunächst
einen Hochpegelausgang V1 aus, um die vertikale Auswahlleitung HL1
zu aktivieren, und die horizontale Auswahlschaltung HSR gibt Hochpegelausgänge H1,
H2, H5 und H6 aus, um die horizontalen Transfer-MOS-Transistoren
HT1, HT2, HT5 und HT6 sequentiell einzuschalten. Demgemäß werden
in jeweiligen Pixeln akkumulierte Bildladungen zeitlich sequentiell
aus den jeweiligen vertikalen Ausgangsleitungen HV1, HV2, HV5 und
HV6 an die Ausgangsleitung HOL sequentiell gelesen und über den
Verstärker
AMP ausgegeben.
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Während
die horizontale Auswahlschaltung HSR die Hochpegelausgänge H1,
H2, H5 und H6 sequentiell ausgibt, wird der Rückstell-MOS-Transistor RES
eingeschaltet, um die Ausgangsleitung HOL und ein korrespondierendes
photoelektrisches Umwandlungselement jedesmal zurückzustellen,
wenn die Pixelladungen gelesen werden, um dabei den Einfluß benachbarter
Pixel zu eliminieren. Wie in 4 dargestellt
ist, nimmt eine Ausgabe des Verstärkers AMP einen niedrigen Potentialzustand
ein, der Pixelladungen der Pixel-Photodioden PD11 und PD12 der das
Standardsignal ausgebenden photoelektrischen Umwandlungselement-Gruppe
und der Pixel-Photodioden PD15 und PD16 der das erste effektive
Signal ausgebenden photoelektrischen Umwandlungselement-Gruppe entspricht.
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6 ist
ein Zeitablaufdiagramm, das eine andere volle Lesebetriebsart veranschaulicht.
Im Unterschied zu der in 3 dargestellten
vollen Lesebetriebsart werden ungeradzahlige Pixel-Photodioden PD13,
PD15 und PD17 der das erste effektive Signal ausgebenden photoelektrischen
Umwandlungselement-Gruppe
zum Lesen erster effektiver Signale verwendet und geradzahlige Pixel-Photodioden PD14,
PD16 und PD18 der das zweite effektive Signal ausgebenden photoelektrischen
Umwandlungselement-Gruppe werden zum Lesen von zweiten effektiven
Signalen verwendet. In diesem Fall operieren sowohl die horizontale
als auch die vertikale Auswahlschaltung HSR und VSR in einer ähnlichen
Weise.
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(Dekoder)
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8A und 8B sind ein Schaltungsdiagramm
einer Dekoderschaltung, welche die horizontale Auswahlschaltung
HSR, die in 1 dargestellt ist,
bildet und eine Tafel, welche deren Betrieb veranschaulicht. Die
horizontale Schaltung HSR wird in einer Pixellesebetriebsart benötigt, typischerweise
in der vollen Lesebetriebsart, um die horizontalen Transfer-MOS-Schalter HT1
bis HT8 einzuschalten und die Hochpegelausgänge H1 bis H8 sequentiell auszugeben,
um Pixelladungen von den vertikalen Ausgangsleitungen H1 bis H8
aufzunehmen. Zu diesem Zweck wird der Betrieb der in 8B dargestellten Logiktafel
durchgeführt.
Konkret werden Impulssignale S1 bis S3 und invertierte Impulssignale
S1 bis S3, die von den Invertern IN9 bis IN11 erzielt werden, selektiv
jedem der logischen Produktgatter NAND1 bis NAND8 zugeführt. Mit
NAND1 bis NAND8 verbundene Inverter IN1 bis IN8 geben sequentiell Hochpegelausgänge H1 bis
H8 aus. Dieser Vorgang wird wiederholt, um die ganze Matrix des
Flächen- bzw.
Bereichssensors zu scannen bzw. abzutasten. Dieser Vorgang wird
ebenso auf die vertikale Auswahlschaltung VSR angewendet, um sequentiell
die Hochpegelausgänge
HL1 bis HL8 auszugeben, obgleich eine niedrigere Wiederholungsfrequenz
in diesem Fall verwendet wird.
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In dieser Blocklesebetriebsart, welche
diese horizontale Auswahlschaltung HSR verwendet, werden Impulssignale
S1 bis S3, die sequentiell Hochpegelausgänge H1, H2, H5 und H6 ausgeben,
zugeführt,
wie in 4 dargestellt
ist. In der Übersprunglesebetriebsart
werden Impulssignale S1 bis S3, welche Hochpegelausgänge H1,
H2, H3, H5 ... auf der ersten horizontalen Leitung bzw. Zeile und
H1, H2, H3, H5, ... auf der nächsten
horizontalen Leitung bzw. Zeile sequentiell ausgeben, zugeführt, wie
in 5 dargestellt ist.
Diese Vorgänge
werden ebenso auf die vertikale Auswahlschaltung angewendet.
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Diese horizontale Auswahlschaltung
HSR kann auf demselben Chip wie die photoelektrische Umwandlungseinheit
gebildet werden, um eine kleinere Fläche und ein kleineres Volumen
durch CMOS-Prozesse aufzuweisen. Im Vergleich zu einem CCD-Sensor kann die Zahl
der Fertigungsprozesse beträchtlich
reduziert werden.
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Als nächstes wird die horizontale
Auswahlschaltung HSR, die aus einem Schieberegister gebildet ist,
unter Bezugnahme auf 9A bis 9C beschrieben werden. Unter
Bezugnahme auf 9A werden
die Takte PH1B und BLKB der invertierten Takte PH1 und BLK in die
horizontale Auswahlschaltung HSR eingegeben. Der Betrieb in der
vollen Lesebetriebsart wird unter Bezugnahme auf das in 9B dargestellte Zeitablaufdiagramm
beschrieben werden. In 9B sind
die Takte PH1B und BLKB weggelassen.
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Wenn ein Hochpegelstartimpuls PHST
eingegeben wird, wird er von der erststufigen Flip-Flop-Schaltung
zwischengespeichert bzw. gelatcht und ein Schiebeimpuls wird von
OUT1 als der Hochpegelausgang H1 bei einem Timing bzw. Zeitablauf,
was in 9B dargestellt
ist, ausgegeben. Der zwischengespeicherte Hochpegelimpuls wird sequentiell
an die Flip-Flop-Schaltungen bei nachfolgenden Stufen als Antwort
bzw. Reaktion auf die Taktimpulse PH1 und PH2 übertragen bzw. transferiert. Auf
diese Weise werden Schiebeimpulse von OUT2, OUT3, ... als die Hochpegelausgänge H2,
H3, ... sequentiell ausgegeben.
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Der Betrieb der Blocklesebetriebsart
und Übersprunglesebetriebsart
wird unter Bezugnahme auf das in 9C dargestellte
Zeitablaufdiagramm beschrieben werden. In der Block- oder Übersprunglesebetriebsart
wird der Takt BLK auf den Hochpegel gesetzt, so daß der Hochpegelstartimpuls
PHST sequentiell an die Flip-Flop-Schaltungen bei nachfolgenden
Stufen transferiert werden kann, indem die Flip-Flop-Schaltung mit
OUT2 übersprungen
wird. Auf diese Weise können
Ausgabeimpulse, die in 4 und 5 dargestellt sind, erzielt
werden.
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Wie oben beschrieben wurde, wird
ein Bildsignal, das während
der Ausgabeperiode der das effektive Signal ausgebenden photoelektrischen
Umwandlungselement-Gruppe aufgenommen wird, um eine Standardspannung
subtrahiert, die für
Dunkelladungen repräsentativ
ist. Demgemäß kann ein
Bildsignal in einem gewünschten
Pixelflächenbereich
mit einem guten S/N-Verhältnis
und einer guten Bildqualität
erzielt werden. Ein zuverlässiger
Betrieb der Autofokussierung und Autobelichtung für ein Bild
in einer dunklen Szene kann sichergestellt werden.
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Wie vorstehend beschrieben wurde,
wird ein Standardbildsignal, das für Dunkelladungen repräsentativ
ist, von der das Standardsignal ausgebenden photosensitiven Umwandlungselement-Gruppe gelesen,
bevor ein effektives Bildsignal von der das effektive Signal ausgebenden
photosensitiven Umwandlungselement-Gruppe gelesen wird. Das Standardbildsignal
kann von der das Standardsignal ausgebenden photoelektrischen Umwandlungselement-Gruppe
gelesen werden, nachdem das effektive Bildsignal von der das effektive
Signal ausgebenden photoelektrischen Umwandlungselement-Gruppe gelesen
wird, bei einem ähnlichen
Betrieb wie oben und einem hohen S/N-Verhältnis wie oben. In diesem Fall
wird der in 2A bis 2C dargestellte lichtgeschützte Bereich,
von welchem Dunkelladungen gelesen werden, auf der rechten Seite
in jeder der 2A bis 2C angeordnet und die Klemmschaltung
wird mit einem Speicher von der Kapazität einer Zeile bzw. Leitung
versehen. Nachdem die Standardspannungserzeugungsvorrichtung die
Standardspannung erzeugt, klemmt die Klemmschaltung die Bildsignale.
Der Betrieb der horizontalen Auswahlschaltung ist derselbe wie jener,
der vorstehend beschrieben wurde.
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Die Standardbildsignale können von
der das Standardsignal ausgebenden photoelektrischen Umwandlungselement-Gruppe
gelesen werden, bevor und nachdem die effektiven Bildsignale von
der das effektive Signal ausgebenden photoelektrischen Umwandlungselement-Gruppe
gelesen werden, bei ähnlichen
Vorteilen wie oben beschrieben wurde. Ebenso wird in diesem Fall
ein Bereich, von welchem Dunkelladungen gelesen werden, nahe dem
zentralen Bereich von jeder Leitung bzw. Zeile eines Flächen- bzw.
Bereichssensors angeordnet. Die Standardbildsignale, die für Dunkelladungen
repräsentativ
sind, werden bei Timings bzw. Zeitabläufen aufgenommen, wenn die
Standardsignalerzeugungsvorrichtung die Standardspannung erzeugt.
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(Andere Funktionen)
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Verschiedene Funktionen können erzielt werden,
indem der Pixelbereich in den Block- und Übersprunglesebetriebsarten
eines Mehrfach- bzw. Vielfachpixelsensors (insbesondere ein Flächen- bzw.
Bereichssensor) selektiv gelesen wird.
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(1) Autofokussierungssensor
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Ein scharf-eingestellter bzw. scharf-fokussierter
Zustand wird von einem Bild mit einem besten Kontrast unter einer
Vielzahl von Bildern bestimmt, die zeitlich sequentiell aufgenommen
wurden, indem die Brennweite des Objektivs geändert wird. Beim Bestimmen
des scharf-fokussierten Zustands ist es nicht notwendig, Bildsignale
von allen Pixeln zu verwenden, jedoch können nur jene Signale von einem Bereich
nahe einem zu fokussierenden Gegenstand verwendet werden. Indem
selektiv Bildsignale von einem derartigen Bereich ausgegeben werden,
ist eine Hochgeschwindigkeitsautofokussierung möglich.
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Noch spezifischer wird die Blocklesebetriebsart
verwendet. In der Blocklesebetriebsart wird ein zu fokussierender
Gegenstand in dem Zentrum des Flächen-
bzw. Bereichssensors positioniert und der Block um dieses Zentrum
wird bestimmt bzw. spezifiziert. Unter diesen Bedingungen werden
die Bildsignale der photoelektrischen Umwandlungselemente in dem
Block und die Bildsignale, die für
Dunkelladungen repräsentativ
sind, in der das Standardsignal ausgebenden photoelektrischen Umwandlungselement-Gruppe
auf den Zentralleitungen gelesen. Die Rauschsignale werden von den
Bildsignalen der photoelektrischen Umwandlungselemente in dem Block
subtrahiert, um korrekte Bildsignale zu erhalten. Korrekte Bildsignale
werden vielfach aufgenommen, indem die Brennweite geändert wird.
Beispielsweise wird, falls das Bildsignal eine klare Kontur aufweist,
es als ein scharf-eingestellter bzw. scharf-fokussierter Zustand bewertet. An diesem Punkt
wird der Autofokussierungsvorgang beendet und der Gegenstand wird
photographiert. Da ein vorbestimmter enger Bereich des Blocks gelesen
wird, kann die Autofokussierung bei hoher Geschwindig keit und in
kurzer Zeit durchgeführt
werden.
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(2) Automatischer Belichtungs-
(AE) Sensor
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Ein Bild eines Gegenstands wird aufgenommen,
indem eine Belichtungszeit geändert
wird. In Übereinstimmung
mit den aufgenommenen Bildsignalen wird die Belichtungszeit für aktuelles
Photographieren bestimmt. Ähnlich
wie bei einem Autofokussierungssensor ist es nicht erforderlich,
Bildsignale von allen Pixeln zu verwenden, jedoch können nur jene
Signale in einer Fläche
bzw. einem Bereich nahe dem Gegenstand, dessen Belichtung justiert
bzw. eingestellt wird, verwendet werden. Indem selektiv nur die
Bildsignale in dem Bereich nahe dem Gegenstand ausgegeben werden,
kann AE bei hoher Geschwindigkeit durchgeführt werden.
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Eine Belichtungszeit einer Stehbildkamera wird
in Übereinstimmung
mit einer Lichtmenge in einem zentralen Bereich eines Sichtwinkels
bestimmt. Demgemäß wird ähnlich zur
Autofokussierung dieser zentrale Bereich als ein Block in der Blocklesebetriebsart
verwendet. Indem Rauschkomponenten subtrahiert werden, kann eine
korrekte Belichtungszeit bei hoher Geschwindigkeit bestimmt werden. Ebenso
wird in einer Videokamera, welche ein laufendes Bild bzw. Laufbild
photographiert, eine sich kontinuierlich ändernde Lichtmenge eines Gegenstands
bei hoher Geschwindigkeit in dem Blocklesebetrieb detektiert. In Übereinstimmung
mit einem Bildausgabepegel in dem Blocklesebetrieb wird ein Abblendgrad
einer Apertur bzw. Blendenöffnung, was
einer optimalen Belichtungszeit entspricht, bestimmt. In Übereinstimmung
mit dem Abblendgrad wird die Lichtmenge des Belichtungspunkts, welche auf
den Flächen-
bzw. Bereichssensor einfällt,
geregelt, um dabei eine Lichtmenge einzustellen, die lineare Charakteristiken
bzw. Kennlinien liefert. Auf diese Weise kann ein Bildsignal von hoher
Empfindlichkeit erzielt werden.
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(3) Trimmen
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Ein elektronisches Zoomen bzw. Brennweitenverstellen
ist mög-
lich, indem nur ein Teilbereich bzw. eine Teilfläche eines Bilds ausgeschnitten
und aufgenommen wird. In einer digitalen Kamera kann eine hochpräzise Bildausgabe
mit einer großen
Datenmenge oder eine Bildausgabe minderer Qualität mit einer kleinen Datenmenge
selektiv durch Bildverdünnen
bzw. Bildverkleinern erzielt werden.
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(4) Umschalten zwischen
Stehbildern und laufenden Bildern
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Ein stehendes Bild bzw. Stehbild
wird mit einem Sensor aufgenommen, welcher eine Million und vierhundert
Pixel aufweist, wohingegen ein laufendes Bild gemäß NTSC ausgegeben
wird, indem Bildsignale von einem Viertel von 1400 Tausend Pixeln
oder 350 Tausend Pixel gelesen werden. Ein Bild von 1400 Tausend
Pixeln weist eine zu schnelle Datenrate bzw. Übertragungsgeschwindigkeit
auf und ist nicht auf eine Auflösung
gemäß NTSC-Spezifika-tionen,
z. B. 525 × 460
Pixel, abgestimmt. Beim Lesen eines stehenden Bilds wird demgemäß die volle
Lesebetriebsart verwendet und eine für Dunkelladungen auf jeder
Leitung bzw. Zeile repräsentative
Standardspannung von der das Standardsignal ausgebenden photoelektrischen
Umwandlungselement-Gruppe wird von dem effektiven Bildsignal subtrahiert,
um dabei ein hohes S/N-Bildsignal zu erhalten. Beim Lesen eines
laufenden Bilds gemäß NTSC wird
ungefähr
ein Viertel der Pixel gelesen, so daß ein laufendes Bildsignal
bei hoher Geschwindigkeit in der Übersprung- oder Blocklesebetriebsart
gelesen werden kann. Indem selektiv die volle Lesebetriebsart und
die Übersprung-
oder Blocklesebetriebsart verwendet wird, kann ein gutes S/N-Bildsignal
erzielt werden.
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Als nächstes wird ein Bildaufnahmesystem mit
den oben beschriebenen Funktionen (1) bis (4) unter Bezugnahme auf 10 beschrieben werden.
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Unter Bezugnahme auf 10 stellen die Bezugszeichen 11 bis 15 dieselben
Komponenten dar wie jene, die in 7A dargestellt
sind. Ein Bezugszeichen 50 stellt eine Signalverarbeitungsschaltung
zum Verarbeiten eines A/D-gewandelten Signals wie z. B. zur Farbverarbeitung
dar. Ein Bezugszeichen 51 stellt eine AF-Detektorschaltung
(AF detektierende Phasenschaltung) zum Detektieren eines Signals
für AF
von der Signalverarbeitungsschaltung dar. Ein Bezugszeichen 52 stellt
eine AE-Detektorschaltung (AE detektierende Phasenschaltung) zum Detektieren
eines Signals für
AE dar. Ein Bezugszeichen 53 stellt eine Steuerungsschaltung
zum Steuern der Gesamtheit des Bildaufnahmesystems dar. Ein Bezugszeichen 54 stellt
eine Auswahlschaltung-Treiberschaltung (Auswahleinheit-Treiberschaltung)
zum Treiben der horizontalen Auswahlschaltung 12 und der
vertikalen Auswahlschaltung 11 dar. Ein Bezugszeichen 55 stellt
eine Verschlusstreiberschaltung zum Antreiben eines Verschlusses 58 dar. Ein
Bezugszeichen 56 stellt eine Objektivtreiberschaltung zum
Antreiben eines Objektivs bzw. Linse 57 dar. Ein Bezugszeichen 59 stellt
einen Schaltkreis zum Umschalten zwischen einer Stehbildbetriebsart und
einer Laufbildbetriebsart dar.
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Zunächst werden die Vorgänge gemäß AF und
AE beschrieben werden.
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Für
die AF- und AE-Vorgänge
steuert die Steuerungsschaltung 53 über die Auswahlschaltung-Treiberschaltung 54 die
horizontalen und vertikalen Auswahlschaltungen 12 und 11,
um Signale von den photoelektrischen Umwandlungselementen in einem
notwendigen Flächenbereich
der photoelektrischen Umwandlungseinheit 10 auszugeben.
Ausgangssignale, die von den horizontalen und vertikalen Auswahlschaltungen 12 und 11 ausgewählt werden,
werden der Klemmschaltung zugeführt,
wobei Rauschen eliminiert wird, und werden über den A/D-Wandler 15 der
Signalverarbeitungsschaltung 50 zugeführt. Signale für AF und
AE, die von der Signalverarbeitungsschaltung verarbeitet werden,
werden in die AF- und AE-Detektorschaltungen 51 und 52 eingegeben.
In Übereinstimmung
mit diesen Signalen für
AF und AE steuert die Steuerungsschaltung 53 über die
Verschluß-
und Objektivtreiberschaltungen 55 und 56 den Verschluß und das
Objektiv, um dabei AF- und AE-Vorgänge durchzuführen.
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Als nächstes wird ein Umschaltvorgang
zwischen Stehbildern und laufenden Bildern beschrieben werden.
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Wenn ein Stehbild bzw, stehendes
Bild durch den Schaltkreis 57 eingestellt wird, steuert
die Steuerungsschaltung 53 über die Auswahlschaltung-Treiberschaltung 54 die
horizontalen und vertikalen Auswahlschaltungen 12 und 11,
um Signale von allen photoelektrischen Umwandlungselementen in der photoelektrischen
Umwandlungseinheit auszugeben. Rauschen in den Ausgangssignalen
von den photoelektrischen Umwandlungselementen wird mittels der
Klemmschaltung 13 entfernt und die Ausgangssignale mit
dem entfernten Rauschen werden über
die A/D-Wandler-schaltung
in die Signalverarbeitungsschaltung 50 eingegeben. Die
Signalverarbeitungsschaltung 50 führt eine Farbverarbeitung und
dergleichen durch, um ein Stehbildsignal auszugeben.
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Wenn eine laufende Bildbetriebsart
durch den Schaltkreis 59 eingestellt wird, führt die
Steuerungsschaltung 52 den Übersprunglesevorgang durch,
indem die horizontalen und vertika len Auswahlschaltungen 12 und 11 gesteuert
werden oder der Blocklesevorgang kann durchgeführt werden, indem Licht auf
einen Flächenbereich
nahe dem zentralen Bereich der photoelektrischen Umwandlungseinheit
fokussiert wird mittels Steuerung des Objektivs.
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Rauschen in jeder Signalausgabe von
dem photoelektrischen Umwandlungselement wird durch die Klemmschaltung 13 eliminiert.
Das Bildsignal mit dem entfernten Rauschen wird über die A/D-Wandlerschaltung 15 in die
Signalverarbeitungsschaltung 50 eingegeben. Die Signalverarbeitungsschaltung 50 führt eine
Farbverarbeitung und dergleichen durch, um sequentiell laufende
Bildsignale auszugeben.
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Rauschen kann durch die Signalverarbeitungsschaltung,
wie in Verbindung mit 7B beschrieben
wurde, entfernt werden, nicht durch die oben beschriebene Klemmschaltung 13.