DE3328737C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen Festkörper-Bildabtaster mit photosensitiven Elementen, die matrixförmig angeordnet sind und über vertikale Schieberegister und ein horizontales Schieberegister ausgelesen werden. Derartige Festkörper- Bildabtaster sind in der Regel als CCDs ausgebildet.

Ein Festkörper-Bildabtaster gemäß dem Oberbegriff von Anspruch 1 ist aus der Offenlegungsschrift DE 29 16 334 A1 bekannt. Mit ihm werden die beiden aufeinanderfolgenden Halbbilder eines Fernsehbildes aufeinanderfolgend durch jeweils dieselben photosensitiven Elemente aufgenommen. Bewegt sich die aufgenommene Szene vom ersten zum zweiten Halbbild, tritt im wiedergegebenen Bild ein Flackern auf. Dieses Flackern wird im folgenden als Flackern zweier Art bezeichnet.

Bei einem Festkörper-Bildabtaster der vorstehend genannten Art wird die Bildhelligkeit über die Belichtungszeit gesteuert. Aus der Patentschrift DE 29 30 402 C2 ist es bekannt, daß die Belichtungszeit mehrere Vollbildperioden betragen kann. Dies kann jedoch zu einem außerordentlich starken Flackern zweiter Art führen, wenn die beiden Halbbilder eines Fernsehbildes nach üblicher Norm jeweils mit einer Belichtungsdauer von mehreren Vollbildperioden aufgenommen werden.

Es sind auch Festkörper-Bildabtaster bekannt, die einen Verschluß zum Einstellen der Belichtungsmenge verwenden. Bei derartigen Bildabtastern besteht ein Problem dahingehend, daß sogenannte Dunkelladungen wegen thermischer Anregung der Elektronen im Siliziumsubstrat des CCD auch bei geschlossenem Verschluß in den photosensitiven Elementen angesammelt werden. Werden zwei Halbbilder aufeinanderfolgend aufgenommen und sind dabei zwar die Öffnungszeiten des Verschlusses gleich, liegen jedoch unterschiedliche Ladungszeiten bei geschlossenem Verschluß vor, sind die beiden Halbbilder wegen der unterschiedlichen Dunkelladungen unterschiedlich hell. Es erscheint dann ein Flackern, das im folgenden als Flackern erster Art bezeichnet wird.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Festkörper- Bildabtaster zum Aufnehmen zweier Halbbilder anzugeben, der so ausgebildet ist, daß es weder zu Flackern erster noch zu solchem zweiter Art kommt.

Der erfindungsgemäße Festkörper-Bildabtaster ist durch die Merkmale von Anspruch 1 gegeben. Flackern erster Art wird bei ihm dadurch verhindert, daß jeweils gleiche Ladeintervalle von mindestens zwei Vollbildperioden verwendet werden. Die Startzeiten für die Ladeintervalle sind um ein vorgegebenes Intervall gegeneinander verschoben, und demgemäß sind die Auslesezeitpunkte nach dem Schließen des Verschlusses entsprechend gegeneinander verschoben. Flackern zweiter Art wird dadurch verhindert, daß für das ungeradzahlige und das geradzahlige Halbbild jeweils unterschiedliche photosensitive Elemente verwendet werden, die gemeinsam gleichzeitig durch den geöffneten Verschluß hindurch belichtet werden, wobei der Verschluß frühestens zur späteren der Startzeiten für die Ladeintervalle geöffnet wird. Da beide Halbbilder gleichzeitig während der Ladeintervalle für die ersten und die zweiten photosensitiven Elemente aufgenommen werden, werden beide Halbbilder durch eine Bewegung der aufgenommenen Szene in gleicher Weise beeinflußt, wodurch in dieser Hinsicht kein Unterschied zwischen den beiden Halbbildern besteht, so daß Flackern zweiter Art verhindert ist.

Vorzugsweise werden die Videosignale ausgelesen, nachdem ungewünschte Restelektronen aus den vertikalen Schieberegistern ausgeschwemmt sind, so daß auch ein Verschmieren verhindert ist.

Die Erfindung wird im folgenden anhand von Figuren näher veranschaulicht. Es zeigt

Fig. 1 ein schematisches Diagramm des allgemeinen Aufbaus und der allgemeinen Schaltungsanordnung einer Videokamera,

Fig. 2 eine Draufsicht auf einen Festkörper-Bildabtastsensor, wie er in der Kamera von Fig. 1 verwendet wird, und

Fig. 3A bis 3H Zeitdiagramme zum Erläutern der Funktion der Kamera gemäß Fig. 1.

Die Kamera gemäß Fig. 1 weist ein CCD 1 für Zwischenzeilenübertragung auf. Von diesem CCD wird ein Stehbild-Videosignal in der unten beschriebenen Weise gewonnen. Eine Videosignal-Aufzeichnungs- und -Wiedergabestation 3 zeichnet das aufgenommene Videosignal auf einer sich drehenden Magnetscheibe 2 aus einem Folienmaterial auf und spielt das Videosignal, das auf der Magnetplatte 2 aufgezeichnet ist auch wieder ab, um es auf einem (nicht dargestellten) Fernsehempfänger wiederzugeben. Eine Steuerung 23 steuert die Funktion der Kamera einschließlich des CCD 1.

Wie in Fig. 2 dargestellt, weist das CCD 1 erste photosensititve Elemente SO und zweite photosensitive Elemente SE auf, die abwechselnd in einer Matrix angeordnet sind. Die photosensitiven Elemente SO sind ungeradzahligen Halbbildern und die photosensitiven Elemente SE sind geradzahligen Halbbildern zugeordnet. Die photosensitiven Elemente SO und SE sind horizontal angeordnet. Das CCD 1 weist auch mehrere zweiseitige vertikale Schieberegister 4 auf, die in in vertikaler Richtung verlaufenden Spalten zwischen benachbarten photosensitiven Elementen SO und SE angeordnet sind. Zwischen einem photosensitiven Element SO und einem benachbarten vertikalen Schieberegister 4 liegt ein Übertragtor 4a und zwischen den zweiten Elementen SE und jeweils einem Schieberegister liegen Übertragtore 4b. Über die Übertragtore 4a und 4b werden Ladungen von den ersten bzw. zweiten photosensitiven Elementen in die vertikalen Schieberegister übertragen. Das CCD 1 weist auch ein horizontales Ausgabe- Schieberegister 5 auf, das am einen Ende der vertikalen Schieberegister 4 verläuft.

Die Funktion des CCD 1 wird nun unter Bezugsnahme auf Fig. 1 und die Zeitabläufe gemäß Fig. 3 erläutert. Die Intervalle, die maximal zum Laden der ersten und der zweiten photosensitiven Elemente SO bzw. SE zur Verfügung stehen, werden auf dieselbe Dauer festgesetzt, zum Beispiel auf zwei Vollbildperioden. Die in den Sensorbereichen gespeicherte Ladungsmenge am Ende eines Ladungsintervalles entspricht der Intensität des eingefallenen Lichtes und ist proportional zur Lichtmenge, die in jeden Sensorbereich während der zwei Vollbildperioden eingestrahlt worden ist. Die Ladungen in den ersten und zweiten photosensitiven Elementen SO bzw. SE werden in die vertikalen Schieberegister 4 über die Übertragtore 4a bzw. 4b verschoben. Die ausgezogen bzw. gestrichelt dargestellten Pfeile in Fig. 2 stellen den Fluß von Elektronen aus den Sensorbereichen während dem Übertragen eines ungeradzahligen Halbbildes bzw. eines geradzahligen Halbbildes dar.

Die Durchlaßfunktion der Übertragtore 4a und 4b wird durch Torsignale Φ_S, die von einem Torsignalgenerator 6 erzeugt werden, gesteuert. Nach der Durchlaß- und Übertragfunktion werden die Ladungen in einem vertikalen Schieberegister 4 Schritt für Schritt in das horizontale Schieberegister 5 durch Steuerung über ein Signal Φ_V verschoben, das durch einen Vertikaltreibersignal-Generator 7b erzeugt wird. Die Ladungen im horizontalen Ausgabe-Schieberegister 5 werden dann als Ausgangs-Videosignal durch ein Signal Φ_H gesteuert ausgegeben, das durch einen Horizontaltreibersignal-Generator 7a erzeugt wird. Diese Treiberfunktionen der Schieberegister 4 und 5 werden synchron mit den Vertikalsynchronisiersignalen eines Standard-Fernsehsignales durchgeführt, wie zum Beispiel einem NTSC-, PAL- oder SECAM-Signal. Diese Vertikalsynchronisiersignale bilden ein Bezugsignal, das in Fig. 3A dargestellt ist. Der Zyklus entspricht einer Vollbildperiode.

Die durch den Torsignalgenerator 6 erzeugten Torsignale Φ_S weisen zwei Impulszüge auf, die abwechselnd Halbbild für Halbbild erzeugt werden, um den Übertragtoren 4a und 4b während den ungeradzahligen bzw. geradzahligen Feldern in jedem Rahmen zugeführt zu werden. Für die ersten photoempfindlichen Elemente SO, die dem ungeradzahligen Halbbild zugeordnet sind, ist das maximal zur Verfügung stehende Ladungsintervall TSOA (Fig. 3B) von zwei Vollbildperioden festgelegt. Für die zweiten photosensitiven Elemente SE, die dem geradzahligen Feld zugeordnet sind, ist die maximal zur Verfügung stehende Ladungszeit TSEA von derselben Dauer, also auch von zwei Vollbildperioden. Sie beginnt jedoch erst nach einer halben Vollbildperiode, also einer Halbbildperiode, wie dies in Fig. 3C dargestellt ist. Ein Vergleich zwischen den Zeitabläufen gemäß Fig. 3B und gemäß Fig. 3C zeigt, daß die maximal zur Verfügung stehende Ladungsperiode für die ersten photoempfindlichen Elemente SO zur Zeit t₀ beginnt und die maximal zur Verfügung stehende Ladungszeit für die zweiten photoempfindlichen Elemente SE eine Halbbildperiode später zur Zeit t_E beginnt.

Die Übertragtore 4a und 4b werden periodisch für kurze Intervalle TTO bzw. TTE geöffnet, wie dies in den Fig. 3B und 3C dargestellt ist. Während diesen kurzen Intervallen werden die Ladungen aus den photosensitiven Elementen SO und SE in die vertikalen Schieberegister 4 verschoben.

Es wird darauf hingewiesen, daß die Intervalle TSOA und TSEA die theoretisch maximal zur Verfügung stehenden Ladungsintervalle sind und daß die tatsächlichen Ladungsintervalle durch den Verschluß 9 gemäß Fig. 1 gesteuert werden. Der Verschluß 9 ist zusammen mit einer Iris 8 im Lichtweg zum CCD 1 angeordnet und wird abhängig vom einfallenden Licht gesteuert, um eine passende Ladungsperiode für die Sensorbereiche des CCD 1 zur Verfügung zu stellen. Die Funktion des Verschlusses 9 wird durch die Steuerung 23 über eine Verschlußtreiberschaltung 10 gesteuert. Die Iris 8 wird entsprechend durch die Steuerung 23 durch eine Iristreiberschaltung 11 gesteuert.

Die Iris 8 wird normalerweise voll offen gehalten und auch der Verschluß 9 ist normalerweise offen, so daß das einfallende Licht hindurchdringen kann und dadurch dessen Intensität ermittelt wird. Durch die Steuerung 23 wird der Verschluß 9 geschlossen und die Iris 8 auf einen erforderlichen Wert eingestellt. Die Steuerung 23 wird wiederum durch einen Verschluß-Triggerpuls p gesteuert, der beim Schließen eines Verschlußschalters 22 abgegeben wird. Wenn der Triggerpuls p der Steuerung 23 zur Zeit t_S zugeführt wird, wie dies in Fig. 3D dargestellt ist, wird die Steuerung 23 aktiviert, so daß gerade nach der Zeit t₀ synchronisiert mit dem Bezugssignal für das ungerade Feld (Fig. 3A), also die erste Rahmenstartzeit nach der Zeit t_S, die Prozeßsteuerung in Gang gesetzt wird, um die zwei Feld-Stehbild-Videosignale VO und VE innerhalb der Drei-Rahmen-Periode TFS (Fig. 3H und Fig. 3A) abzuleiten. Eine Drei-Rahmen-Periode ist auf Grund der Versetzung zwischen den Startzeiten t₀ und T_E und der zum Auslesen nötigen Zeit erforderlich. Die Zwei-Rahmenperioden, innerhalb der das Aufladen der photosensitiven Elemente SO und SE erfolgt, sind dadurch festgelegt, daß die normale Übertragfunktion der Übertragrohre 4a und 4b bis zum Ende dieser Perioden verhindert ist.

Der Verschluß 9 wird zur Zeit t₀ synchron mit der ersten ansteigenden Flanke eines ungeradzahligen Feldintervalls nach dem Triggerpuls p geschlossen, und er wird mit der abfallenden Flanke des genannten ungeradzahligen Feldintervalls geöffnet, um die Belichtung ab der Zeit t_E zu erlauben. Das heißt, daß das Verschlußintervall TCL des Verschlusses 9 dem Intervall zwischen dem Anfang des Aufladens für ein ungeradzahliges Feld und dem Anfang zum Aufladen eines geradzahligen Feldes der photosensitiven Bereiche SO bzw. SE entspricht. Der Verschluß 9 wird dann nicht später als eine Halbbildperiode vor dem Ende des Aufladeintervalles TSOA für das ungeradzahlige Feld geschlossen. Dadurch ist die tatsächliche Belichtungszeit TSA von im wesentlichen null bis zu einem Maximum von 2 Halbbildperioden änderbar, was in einem Fernsehsystem mit 60 Halbbildern pro Sekunde 1/30 Sekunde entspricht. Die tatsächliche Belichtungszeit TSA ist also in Abhängigkeit vom einfallenden Licht varibel, wie dies durch einen Pfeil g in Fig. 3E dargestellt ist.

Auf Grund der oben beschriebenen Funktion des Verschlusses 9 und dessen zeitlicher Steuerung, zusammen mit der Steuerung der Iris 8, wird eine geeignete Menge einfallenden Lichtes auf das CCD 1 gestrahlt. Darüber hinaus wird das einfallende Licht gleichzeitig auf die ersten und zweiten photosensitiven Elemente SO und SE gestrahlt. Daher weist jedes Halbbild dasselbe Bildsignal auf, wobei jedoch eine gegenseitige Verschiebung um eine Zeile auf Grund der verschachtelten Beziehung im Fernsehsignal vorhanden ist. Da die Belichtung gleichzeitig erfolgt, tritt Flackern der ersten Art nicht auf. Da darüber hinaus die maximal möglichen Aufladungsperioden TSOA und TSEA für die ersten photosensitiven Elemente SO bzw. die zweiten photosensitiven Elemente SE dieselben sind, die jeweils der Dauer von zwei Vollbildperioden entsprechen, sind die auf Grund von Dunkelströmen in jedem der photosensitiven Elemente SO und SE gesammelten Ladungen gleich, obwohl das einfallende Licht auf die ersten und zweiten photosensitiven Elemente SO und SE nicht für die gesamte Zeit eingestrahlt ist. Daher ist auch Flackern der zweiten Art ausgeschaltet. Daher nehmen, wie in den Fig. 3F und 3G dargestellt, die Dunkelstromladungen DO bzw. DE im wesentlichen linear mit der Zeit während der maximal zur Verfügung stehenden Ladungsperioden zu. Diese Dunkelstromladungen DO und DE werden mit den tatsächlichen Bildsignalladungen so und se kombiniert, die in den photosensitiven Elementen SO und SE während der tatsächlichen Belichtungszeit TSA angesammelt sind. Dann werden die kombinierten Bildsignale als Ausgangs-Videosignale VO und VE nach einem gewissen Zeitintervall TSM ausgelesen, das so gewählt ist, daß Rauschen auf Grund eines Verschmiereffektes verhindert ist. Infolgedessen werden die Gesamtladungen für jedes Feld im wesentlichen dieselben, da:

SO + DO = SE + DE.

Es ist festzuhalten, daß die Ausgangs-Videosignale VO und VE ausgelesen werden, während der Verschluß 9 geschlossen ist. Darüber hinaus werden die Ausgangs-Videosignale VO und VE mindestens eine Halbbildperiode TSM nach dem Ende der Belichtungszeit ausgelesen. Während dieser Periode werden unerwünschte Ladungen, das heißt zum Beispiel Verschmierungsladungen, die in den vertikalen Schieberegistern 4 gespeichert sind, ausgeschwemmt, während die Übertragtore 4a und 4b verschlossen gehalten werden.

Die ausgelesenen Videosignale VO und VE werden einer Abtast- und Halteschaltung 13 über einen Verstärker 12 zugeführt, so daß die Ausgangs-Videosignale VO und VE abgetastet und geglättet werden. Die geglätteten Signale werden über einen die Gleichspannungskomponente entfernenden Kondensator 14 auf eine Klemmschaltung 15 gegeben, wo sie auf einen geeigneten Pegel eingestellt werden. Wie in Fig. 2 dargestellt, weist das CCD 1 einen abgeschirmten Teil auf, so daß zumindest ein photosensitives Element S′ in jeder horizontalen Zeile vom einfallenden Licht abgeschirmt ist. Dadurch ist es möglich, zusammen mit dem Bildsignal ein Bezugs-Schwarzsignal zu gewinnen, das dazu dient, die Ausgangs-Videosignale VO und VE einzuregeln. Die Ausgangs-Videosignale VO und VE werden in der Klemmschaltung 15 mit Hilfe dieses Bezugssignales fest eingestellt. Daher werden die Schwarzpegel der Ausgangs-Videosignale VO und VE auf einem erforderlichen vorgegebenen Pegel gehalten, und die Schwarzpegel ändern sich nicht unerwünscht abhängig von den Lichtverhältnissen des aufgenommenen Bildes oder von Änderungen der Kamera. Die Ausgangssignale von der Klemmschaltung 15 werden dann einer Verarbeitungsschaltung 16 zugeführt, in der eine Gamma-Korrektur erfolgt, und in der eine Weißkorrektur durchgeführt wird, falls das Eingangssignal ein Farbsignal ist. Das verarbeitete Videosignal wird zum Aufzeichnen auf der Magnetplatte 2 in einer Kodierschaltung 17 auf ein geeignetes Signalformat kodiert und wird dann über eine Aufzeichnungsschaltung 18, die zum Beispiel ein Verstärker sein kann, einem Video-Aufzeichnungskopf 19 zugeführt. Wenn das Videosignal ein Farb-Videosignal ist, kann die Kodierschaltung 17 Farbdifferenzsignale R-Y und B-Y Zeile für Zeile zusammen mit einem Luminanzsignal X ableiten und zur Verfügung stellen.

Bei einem Fernsehsystem mit 60 Halbbildern pro Sekunde wird die Magnetscheibe 2 mit 60 Umdrehungen pro Sekunde durch einen Motor 20 unter Steuerung durch eine Motortreiberschaltung 21 angesteuert ist, so daß eine genaue Synchronisation mit dem vertikalen Schiebesignal Φ_V vom Vertikal-Treibersignal-Generator 7b erfolgt.

Wie oben beschrieben, kann in einem Fernsehsystem mit 60 Halbbildern pro Sekunde der Verschluß 9 für 1/30 Sekunde geöffnet sein. Ist dieses Intervall nicht ausreichend, können auch längere Belichtungszeiten dadurch ermöglicht werden, daß das gesamte Verarbeitungsintervall TFS (Fig. 3A) von einer Drei-Vollbild-Periode auf ein längeres Intervall, zum Beispiel eine Vier-Vollbild-Periode, eingestellt wird. In diesem Fall wird das Auslesen der Ausgangs-Videosignale VO und VE natürlich verschoben, so daß es eine Vollbildperiode später liegt als in Fig. 3H.

Claims (5)

1. Festkörper-Bildabtaster mit

• - photosensitiven Elementen (SO, SE), die in einer Matrix angeordnet sind;
• - mehreren vertikalen Schieberegistern (4), die parallel zueinander zum Verschieben der Ladungen aus den photosensitiven Elementen angeordnet sind;
• - je einem Übertragungstor (4a, 4b) zwischen jedem photosensitiven Element und dem zugehörigen vertikalen Schieberegister zum Übertragen von Ladungen aus den photosensitiven Elementen in die vertikalen Schieberegister;
• - einem horizontalen Schieberegister (5), das am einen Ende der vertikalen Schieberegister angeordnet ist; und
• - einer Steuereinrichtung (23, 6, 7a, 7b) zum Steuern der Übertragtore, der vertikalen Schieberegister und des horizontalen Schieberegisters;

dadurch gekennzeichnet, daß

• - als photosensitive Elemente erste photosensitive Elemente (SO) und zweite photosensitive Elemente (SE) vorhanden sind, die abwechselnd in jeder Spalte der Matrix angeordnet sind und dem ungeradzahligen bzw. geradzahligen Halbbild eines Fernsehbildes zugeordnet sind;
• - ein Verschluß (9) vorhanden ist, über den die auf die photosensitiven Elemente einfallende Lichtmenge gesteuert wird;
• - die Steuereinrichtung (23, 6, 7a, 7b) so ausgebildet ist, daß sie die Übertragtore, die vertikalen Schieberegister und das horizontale Schieberegister so ansteuert, daß für die ersten und für die zweiten photosensitiven Elemente das maximale Intervall zum Laden derselben jeweils gleich ist und eine Dauer von mindestens zwei Vollbildperioden aufweist, wobei die Startzeiten für die Ladeintervalle für die ersten bzw. die zweiten photosensitiven Elemente um ein vorgegebenes Intervall gegeneinander verschoben sind und die Ladungen aus den ersten bzw. den zweiten photosensitiven Elementen aufeinanderfolgend nach dem Schließen des Verschlusses nach Ablauf des jeweils gleichen Ladeintervalls ausgelesen werden; und
• - eine Verschluß-Steuereinrichtung (23, 10) vorhanden ist, zum Steuern des Verschlusses so, daß die ersten und die zweiten photosensitiven Elemente gleichzeitig auftreffendem Licht ausgesetzt sind, wobei der Verschluß frühestens zur späteren der Startzeiten für die Ladeintervalle geöffnet wird.

2. Bildabtaster nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuereinrichtung (23) veranlaßt, daß Restladungen in den vertikalen Schieberegistern während einem Intervall ausgeschwemmt werden, das zwischen dem Schließen des Verschlusses (9) und dem Auslesen der Ladungen liegt.

3. Bildabtaster nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Dauer des Intervalles einer Handbild-Periode entspricht.

4. Bildabtaster nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das vorbestimmte Intervall, um das die Startzeiten für die Ladeintervalle gegeneinander verschoben sind, eine Halbbild-Periode ist.