DE2621063A1

DE2621063A1 - Halbleiter-fernsehkamera

Info

Publication number: DE2621063A1
Application number: DE19762621063
Authority: DE
Inventors: Seisuke Yamanaka
Original assignee: Sony Corp
Current assignee: Sony Corp
Priority date: 1975-05-13
Filing date: 1976-05-12
Publication date: 1976-12-02
Also published as: CA1056041A; AT361552B; JPS5519553B2; GB1545303A; AU509046B2; DE2621063C2; IT1060611B; FR2311464B1; NL188322B; NL188322C; FR2311464A1; USRE30800E; US4069501A; ATA338976A; JPS51132719A; AU1381676A; NL7605137A

Description

It 3625

SONY CORPORATION Tokyo / Japan

Halbleiter-Fernsehkamera

Die Erfindung bezieht sich auf Halbleiter-Fernsehkameras und insbesondere solche mit mehreren Halbleiter-Bildsensorelementen.

Bei Verwendung eines Halbleitersensors wie einer ladungsgekoppelten Vorrichtung (im folgenden als CCD bezeichnet) als Bildaufnahmevorrichtung für eine Fernsehkamera werden Eingangslichtinformationen entsprechend <Sem Bild eines Objekts in elektrische Signale in Abhängigkeit von der Abtastung an jedem Bildelement umgewandelt. Somit werden im Gegensatz zu den bekannten Videkons Ausgangssignale in einer CCD an jedem Bildelement abgetastet. Wenn angenommen wird, daß die Abtastfrequenz f ist, ist der Fluchtungsabstand t„ der Bildelemente in der horizon-

Ii

talen Richtung 1/f . Diese elektrischen Ladungen, die in den jeweiligen Bildelementen gespeichert sind, werden schließlich zu einem Ausgangsanschluß mit einer Geschwindigkeit übertragen, die von einer Taktimpulsfrequenz bestimmt wird, und die Fernsehinformation wird in Serienform abgegeben. Das sich ergebende Fernsehsignal enthält Gleich-

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Spannungskomponenten und Seitenbandkomponenten der Abtastfrequenz f , moduliert mit den Gleichspannungskomponenten.

Die Seitenbandkomponente ist bezüglich der Abtastfrequenz f oberhalb und unterhalb verteilt, die deren Mitte ist. Wenn das Frequenzband der Gleichspannungskomponente ausreichend breit gewählt wird, um die Auflösung zu erhöhen, wird eine höhere Bandkomponente der Gleichspannungskomponente der Seitenbandkomponente überlagert; damit erzeugt ein bestimmter Teil hiervon einen Abtastfehler. Wenn aus einem solchen Fernsehsignal ein Bild wiedergegeben wird, tritt in dem sich ergebenden Bild ein Flimmern auf.

Da dieses Flimmern durch den Abtastfehler verursacht wird, kann der Abtastfehler und damit das Flimmern dadurch vermieden werden, daß das Frequenzband der Gleichspannungskomponente auf weniger als die halbe Abtastfrequenz f begrenzt wird. Wenn jedoch das Frequenzband der Gleichspannungskomponente wie zuvor begrenzt wird, wird die Auflösung verschlechtert. Um das Frequenzband der Gleichspannungskomponente ohne Verschlechterung der Auflösung etwa 3,5 MHz groß zu machen, kann die Abtastfrequenz f ausreichend hoch gemacht werden. Die Abtastfrequenz f wird durch das Produkt h f„ (f = η f„) erhalten, wobei

nC η

η die Anzahl der Bildelemente in der horizontalen Richtung der CCD und f„ die Horizontalfrequenz des Fernsehsignals (praktisch eine effektive Abtastperiode in der horizontalen Richtung) ist. Wenn die Abtastfrequenz f so hoch gemacht wird, um den Abtastfehler zu beseitigen, muß die Anzahl η der Bildelemente entsprechend erhöht werden, was dann bei der Herstellung der CCD zu Schwierigkeiten führt.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Halbleiter-Fernsehkamera unter Verwendung einer ladungsgekoppelten Vorrichtung zu schaffen, die die zuvor erwähnten Bedingungen erfüllt, die bei den beiden vorherigen Methoden notwendig

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sind, bzw. bei .der, selbst wenn das Frequenzband der Gleichspannungskomponente ausreichend breit gewählt wird, kein Abtastfehler auftritt. .

Außerdem soll die Halbleiter-Fernsehkamera der Erfindung eine Einrichtung haben, um die jeweiligen Ausgangssignale mischen und ein Ausgangs-Fernsehsignal von der Mischeinrichtung abnehmen zu können.

Eine wesentliche Eigenschaft der Halbleiter-Fernsehkamera der Erfindung soll es sein, daß sie mehrere gleichzeitig verwendbare Bildabtasteinrichtungen hat.

Die Erfindung schafft eine Halbleiter-Fernsehkamera-mit drei ladungsgekoppelten Einrichtungen in jeder von denen der Fluchtungsabstand der Bildelemente zu Έ"_ gewählt ist, wobei tr der Reziprokwert der Abtastfrequenz ist. Bei dieser Halbleiter-Fernsehkamera wird ein Lichtbild des gleichen Objekts auf die drei ladungsgekoppelten Vorrichtungen projiziert. Wenn angenommen wird, daß die relative Lagebeziehung unter den Lichtbildern, die auf die jeweiligen ladungsgekoppelten Vorrichtungen projiziert werden, so gewählt ist, daß der relative Verschiebungsabstand der horizontalen Abtastrichtung zwischen dem auf die erste ladungsgekoppelte Vorrichtung und dem auf die zweite projizierten Lichtbild f-|₂ und der relative Verschiebungsabstand in der horizontalen Abtastrichtung zwischen dem auf die erste ladungsgekoppelte Vorrichtung und dem auf die dritte projizierten Lichtbild "^₁₃ ist, sind die relativen Verschiebungsstrecken ^₁₂ ^un<^ ^-"13 ^so gewählt, daß sie die folgenden Gleichungen erfüllen:

2 - L/ - L

_τ „
^τ13 2

,609849/0676

wobei L₁, L_ und L₃ die jeweiligen Pegel der Signale sind, die das Leuchtdichtesignal bilden, das sich auf die jeweiligen ladungsgekoppelten Vorrichtungen bezieht.

Die Erfindung wird nachstehend anhand der Figuren 1 bis beispielsweise erläutert. Es zeigt:

Figur 1 Halbleiter-Bildsensoren, die bei der Erfindung : verwendet sind,

Figur 2 eine vergrößerte Darstellung eines Teils der Halbleiter-Bildsensoren in Fig. 1,

Figur 3A einen Schnitt längs der Linie I-I in Fig. 2, Figur 3B einen Schnitt längs der Linie II-II in Fig. 2,

Figur 4 in einem Diagramm das Frequenzspektrum des Ausgangssignals der Halbleiter-Bildsensoren in Fig. 1 ,

Figur 5 einen Teil eines Halbleiter-Bildsensors zur Erläuterung der Lagebeziehung unter den darauf projizierten Lichtbildern,

Figur 6, 7 und 12 Vektordiagramme zur Erläuterung der Phasenbeziehung unter den Ausgangsfernsehsignalen,

Figur 8 eine schematische Darstellung eines Beispiels der Halbleiterfernsehkamera gemäß der Erfindung,

Figur 9 eine schematische Darstellung, aus der die Art hervorgeht, in der die Fernsehsignale des Beispiels in Fig. 8 zusammengesetzt werden,

Figur 10 eine schematische Darstellung eines weiteren Beispiels der Erfindung, und

Figur 11 einen Teil eines der bei dem Beispiel in Fig. verwendeten Halbleiter-Bildsensoren.

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Die Erfindung wird im folgenden anhand der Zeichnungen beschrieben, in denen z.B. dreiphasige ladungsgekoppelte Vorrichtungen als Festkörper bzw. Halbleitersensoren verwendet sind.

In Fig. 1 besteht eine ladungsgekoppelte Vorrichtung 1OA aus einer fotoelektrischen Anordnung 2OA, auf die ein Bild eines Objekts (in Fig. 1 nicht gezeigt) projiziert wird, einer Zwischenspeicheranordnung 3OA, die elektrische Ladungen entsprechend einer Eingangslichtinformation des Bildes von der lichtelektrischen Anordnung 20A her speichern kann, und einem Leseregister 40A zum Lesen eines Bildsignals. Die fotoelektrische Anordnung 20A enthält eine bestimmte Anzahl von Bildelementen 1-._-i» ¹I-?' ··*' ^ - ' ^^{ie in} horizontalen und vertikalen Richtung mit einem bestimmten Fluchtungsabstand r_H in der horizontalen Richtung angeordnet sind, wobei η und m positive ganze Zahlen und "cT„ der Reziprokwert der Abtastfrequenz ist. Jedes der Bildelemente I₁ _Λ, 1 „, ..., 1 hat drei fotoelektrische Elemente 2, die mit drei Elektroden 0-, 0_ und 0₃ verbunden sind, um die fotoelektrische Anordnung 20A der dreiphasiaen ladungsgekoppelten Vorrichtung zu bilden.

Die Fig. 2, 3A und 3B zeigen ein praktisches Beispiel der fotoelektrischen Anordnung 2OA mit den Bildelementen I_1-1/ ^Ί1-2' ··" Vn*

In Fig. 3A und 3B ist ein Halbleitersubstrat 3 aus z.B. P-leitendem Material gezeigt. Zonen 4a, 4b, ... sind aus Material mit der gleichen Leitfähigkeit wie die des Halbleitersubstrats 3, jedoch mit-verschiedener Verunreinigungskonzentration, mit dem Fluchtungsabstand "C„ als Kanal-

ri

begrenzer gebildet. Sie werden durch das Diffusionsverfahren von einer Hauptfläche bzw. der oberen Fläche 3a des Halbleitersubstrats 3 aus gebildet. In den P-leitenden Zonen 4a, 4b, ... sind durch das Diffusionsverfahren überlauf zonen 5a, 5b, ... gebildet, um die überschüssigen

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Elektronen zu entladen, die in dem Substrat 3 gebildet werden können, das von den P-leitenden Zonen 4a, 4b, ... umgeben ist. Der Leitfähigkeitstyp der Zonen 5a, 5b ist von dem des Substrats 3 verschieden bzw. ist bei dem gezeigten Beispiel vom N-Typ. In den Fig. 3A und 3B ist eine Isolierschicht 6 aus SiO oder dergleichen auf der oberen Fläche 3a gebildet und wird bei dem zuvor erwähnten Diffusionsverfahren verwendet.

Eine leitende Schicht 7 z.B. aus Aluminium dient als Elektrode an der Isolierschicht 6, d.h., eine erste leitende Schicht 7a, die die Kanalbegrenzer 4a rechtwinklig schneidet und eine bestimmte Breite in der horizontalen Ebene hat, ist auf der Isolierschicht 6 gebildet, und eine zweite leitende Schicht 7b, die die gleiche Breite hat wie die erste leitende Schicht 7a, ist ebenfalls auf der Isolierschicht 6 parallel zu der ersten leitenden Schicht 7a mit einem bestimmten Abstand von dieser gebildet. In gleicher Weise sind mehrere leitende Schichten 7c, 7d, ... auf der Isolierschicht 6 aufeinanderfolgend und wiederholt bezüglich der vertikalen Richtung der fotoelektrischen Anordnung 2OA gebildet. Dabei ist die Gesamtanzahl der leitenden Schichten 7 (7a, 7b, 7c, 7d, ...) dreimal so groß wie die Anzahl der Bildelemente gebildet, was aus der Tatsache leicht verständlich ist, daß die CCD (ladungsgekoppelte Vorrichtung) 1OA dreiphasig ist. Die Gruppen jeder dritten leitenden Schicht (7a, 7d . ..) , (7b, 7e, ...), ... sind elektrisch verbunden und die Elektroden 0₁, 0~ und 0_ sind von den verbundenen Gruppen der leitenden Schichten herausgeführt, wie Fig. 1 zeigt.

Eine Metallschicht 9 z.B. aus Aluminium dient als lichtundurchlässiger Körper und ist durch eine Isolierschicht 8 aus SiO₂ oder dergleichen auf der leitenden Schicht 7 gebildet. Dabei besteht die Metallschicht 9 aus mehreren bandförmigen Streifen 9a, 9b, ..., von denen jedereine bestimmte Breite W hat, sich in der vertikalen Richtung erstreckt, um wenigstens jeden der Kanalbegrenzer 4a,

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4b, ... zu bedecken, nicht jedoch die Kanalbegrenzer, die zu den anderen Kanälen gehören, wie Fig. 2 zeigt. Die schraffierten Teile in Fig. 2 wirken als fotoelektrische Einheiten der jeweiligen Bildelemente 1-i_-i» ^1-2' ···»

1 _ . Wie Fig. 3B zeigt, ist in der fotoelektrischen Einheit

2 keine leitende Schicht 7 (7a, 7b, ...) vorhanden, die die obere Fläche 3a des HalbleiterSubstrats 3 blockiert.

Wenn die fotoelektrische Anordnung 2OA in der obigen Weise aufgebaut ist, bewirkt die Lichtinformation des Bildes des Objekts die Induktion einer elektrischen Ladung in dem Halbleitersubstrat 3 entsprechend der fotoelektrischen Einheit 2, die zu irgendeiner der Elektroden 0₁, 0„ und

0₃ gehört, die mit einer Bildabtastvorspannung beaufschlagt wird, die eine bestimmte Potentialbeziehung zu der Eingangslichtinformation hat. Wenn somit ein bekannter Übertragungstaktimpuls auf die Elektroden 0₁ bis 0~ gegeben wird, kann die elektrische Ladung, die in jedem der Bildelemente I_1-1/ I_1-2, ...., I_1-11, I_2-1, ... 1_2-n, ... I_1n-1, ... 1_m__n in den horizontalen Abtastzeilen induziert wird, in der Zwischenspei ehe ran Ordnung 3OA während der Vertikalaustastzeit in ihren entsprechenden horizontalen Abtaststellen gespeichert werden. Zu diesem Zweck ist die Zwischenspeicheranordnung 3OA im wesentlichen in der gleichen Weise wie die fotoelektrische Anordnung 2OA aufgebaut, es ist jedoch selbstverständlich notwendig, daß die gesamte Zwischenspeicheranordnung 30A gegen Licht abgeschirmt ist, weshalb die Teile der Zwischenspeicheranordnung 30A, die denjenigen der fotoelektrischen Anordnung 2OA entsprechen, mit den gleichen Bezugsziffern, versehen mit einem Strich " ' " bezeichnet sind.

Die in der Zwischenspeicheranordnung 30A gespeicherten Ladungen werden aufeinanderfolgend mit dem Takt- bzw. Abtastimpuls ausgelesen, der auf das Leseregister 40A gegeben wird, und dann von einem Anschluß 11 (Fig. 1) als Fernsehsignal Sy abgenommen. Wie Fig. 1 zeigt, besteht das Les-efegister 4OA nur aus ■ Leseelementen 12*, 12_, ... 12

ι λ» η

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entsprechend der Anzahl der horizontalen Bildelemente. Dabei wird das Lesen mit Abtastimpulsen 0 , 0 und 0 in drei Phasen durchgeführt, so daß die Leseelemente 12.,, 12_, ... 12 drei Leseeinheiten 13. bis 13. , 13. bis

^ Il I"—el i — C ^—3

13_O . ,13 ^ bis 13 haben. Von der CCD 1OA, die

z. — C XI¹*™ S Il~ C

wie oben aufgebaut ist, wird ein Fernsehsignal S erhalten, das Signalkomponenten wie in Fig. 4 hat. In Fig. 4 bezeichnet S__ eine Gleichspannungskomponente und S eine Seitenbandkomponen te .

Es werden wenigstens zwei CCDs 1OA verwendet, die wie oben aufgebaut sind. Es können auch andere Arten von Halbleitersensoren wie eine Fotodiodenanordnung anstelle der CCDs verwendet werden.

Fig. 4 zeigt, daß, wenn die Äbtastfrequenz f ist, das sich ergebende Fernsehsignal S , das durch Abtasten jedes Bildelements in jeder Horizontalperiode erhalten werden kann, Gleichspannungskomponenten S-, und die Seitenbandkomponen— te S„_B (Wechselspannungskomponente) enthält, in der die Abtastfrequenz f mit der Gleichspannungskomponente S _c moduliert ist. Fig. 4 zeigt jedoch nur deren Grundwelle .

Dabei hat die Wechselspannungs- bzw. Seitenbandkomponente S_qB obere und untere Seitenbandkomponenten mit der Abtastfrequenz f als ihre Mitte, so daß, wenn das Frequenzband der Gleichspannungskomponente S_nr, breit genug gewählt wird, um die Beeinträchtigung der Auflösung zu vermeiden, der Seitenbandkomponente S_n durch die Abtastfrequenz f mit

ob ~* C

einer höheren Bandkomponente S „ der Gleichspannungskomponente S_n- überlagert wird, wie Fig. 4 zeigt, und der in Fig. 4 schraffierte Teil ein Abtastfehler wird. Wenn ein Bild von einem Videosignal mit dem Abtastfehler wiedergegeben wird, wird ein Flimmern in dem wiedergegebenen Bild verursacht, wie zuvor erwähnt wurde.

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— Q —

Bei der Halbleiterkamera der Erfindung wird die relative Lagebeziehung unter den Lichtbildern eines auf die Halbleiterbildsensoren projizierten Objekts so gewählt, daß sie Bedingungen erfüllt, die später beschrieben werden. Da jedoch die Lagebeziehung relativ ist, kann es möglich sein, daß die Lagebeziehung unter den Lichtbildern selbst, die auf die jeweiligen Halbleitersensoren bzw. CCD's projiziert werden, oder die Lagebeziehung unter den CCDs selbst berücksichtigt wird. In der folgenden Beschreibung wird als Beispiel der letztere Fall erläutert.

Bei einem Beispiel der Erfindung werden drei bzw. die erste bis dritte CCD 1OR, 1OG und 1OB, von denen jede gleich der CCD 1OA in Fig. 1 ist, verwendet, wie Fig. 5 zeigt. Wenn in diesem Falle die erste CCD 10R als -bezugsnormal genommen wird, ist die zweite CCD 10G gegenüber der ersten CCD 10R um TT₁₂ ⁱⁿ ^^er horizontalen Abtastrichtung verschoben und die dritte CCD 10B ist gegenüber der ersten CCD 1OR um "f., ₃ in der horizontalen Abtastrichtung verschoben. Die Verschiebungsstrecken "C₁? und "^ ₁., sind so gewählt, daß sie die folgenden Gleichungen (1) und (2) erfüllen:

I,²-L²

(wobeiT„ den Fluchtungsabstand des Bildelements in der horizontalen Abtastrichtung und L₁, L_# L₃ die Pegel der Ausgangs-Fernsehsignale der jeweiligen CCD 1OR bis 1OB darstellen, die das Leuchtdichtesignal bilden. Demgemäß kann, wie später beschrieben wird, angenommen werden, daß die Pegel L₁ bis L_ die Lichtenergien selbst sind, die auf die jeweiligen CCDs 10R bis 1OB bzw. Pegel unmittelbar vor der Bildung des Leuchtdichtesignals sind. Bei diesem Bei-

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spiel wird der letztere Fall beschrieben.)

Dies bedeutet, daß der zu verarbeitende Signalpegel zuvor bestimmt wird, und wenn unter dieser Bedingung die jeweiligen Verschiebungsstrecken ^₁₂ ^un^ "^i3 ^so 9^ewählt werden, daß sie die obigen Gleichungen (1) und (2) erfüllen, kann der Abtastfehler durch geeignete Signalverarbeitung vermieden werden.

Der Grund hierfür wird nun auf der Grundlage der Gleichungen (1) und (2) beschrieben.

Wenn angenommen wird, daß die erste bis dritte CCD 1OR bis 10B in der Lagebeziehung wie in Fig. 5 angeordnet sind, ist die Phasenbeziehung unter den Grundwellen der Träger der Fernsehsignale S , S„ und S_n, die von den jeweiligen CCDs 1OR bis 1OB abgegeben werden, wie in Fig. 6. In Fig. ist θ^2 die Phasendifferenz entsprechend dem Abstand T_1? mit dem Fernsehsignal S_., das von der CCD 1OR abgegeben

wird, als bezugsnormal. In gleicher Weise entspricht O₁ -, dem Abstand T^ ^. Demgemäß können die Phasendifferenzen

folgt ausgedrückt werden:

O₁ = 2Ti -^=- ... (3)

^ΧΔ Η

θ₁₃ = 2V i-£- ... (4)

Die Tatsache, daß der Abtastfehler erzeugt wird, bedeutet, daß die Seitenbandkomponente S_cn mit der Abtastfrequenz f

oü C

als Mitte vorhanden ist, wie Fig. 4 zeigt. Wenn daher die Seitenbandkomponente S„_, verschwindet, verschwindet selbst-

DD

verständlich der Abtastfehler.

Da Fig. 4 die Phasen- und Pegelbeziehung der Grundwellen der Träger der Fernsehsignale S_ bis S_ untereinander

K D

zeigt, sind die oben erwähnten Grundwellenkomponenten und die Gleichspannungskomponente gleich. Wenn daher die Summe

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der jeweiligen Signalpegel bzw. die Summe der Pegel L₁ bis L-. der Fernsensignale, die von den CCDs 1OR bis 1OB abgegeben werden, die in Fig. 6 gezeigt sind, Null werden, wird aufgrund des oben erwähnten Grundes kein Abtastfehler verursacht. Die Bedingung, um die Summe der Pegel L₁ bis L_ in Fig. 6 Null zu machen, ist diejenige, daß, wenn die Pegel in x- und y-Achsenkomponenten zerlegt werden, die Summen der jeweiligen Achsenkomponenten Null werden. Deshalb werden die folgenden Gleichungen (5) und (6) aufgestellt.

Für die y—Äcltsenkomponente:

L·- + L₂ cos O₁₂ + L₃ cos θ₁₃ = 0 ... (5}

Für die x—Acnsenkomponente:

IL₂ sin ©₁₂ + L₃ sin θ^₃ = O ' ... (6)

Da in der Gleichung C6) L~ ^. 0 und L_ ^ 0 ist, sind die Faktoren sinus θ..₂ und sinus θ..-. im Vorzeichen verschieden. Wenn sinus θ..- V 0 angenommen wird, wird sinus Q₁₃ ^ O gebildet. Datier werden die Phasenwinkel ©₁₂ und Q₁₃ wie folgt aus gedrückt::

Wenn der Phasenwinkel Q₁- wie folgt ausgedrückt wird:

^G13 ^{= Θ}13* ⁺ ""*■ *""

wird die folgende Bedingung (9) aus der Gleichung (7) er halten:

O Ce₁₃ ¹^TT ... (9)

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Wenn daher die Gleichung (8) in die Gleichungen (5) und (6) eingesetzt und diese neu geschrieben werden, können die Gleichungen (5) und (6) als die folgenden Gleichungen (10) und (11) ausgedrückt werden:

L₂ ² cos² θ₁₂ = L₃ ² cos² θ₁₃' - 2L₁L₃ cos θ^¹ + L.,² ...(10) L₂ ² sin² S₁₂ = L₃ ² sin² Q₁₃ ¹ ...(11)

Aus den Gleichungen (10) und (11) können die folgenden Gleichungen (12) und (13) abgeleitet werden:

2 2 _ 2
^S' ° ⁽¹²⁾

222

2——J L-

Z Li ..Ij „

Wenn die Gleichungen (13) und (12) die Gleichungen (3) und (4) unter Berücksichtigung der Gleichungen (7) bis (9) eingesetzt und dann neu geordnet werden, ergeben sich die folgenden Gleichungen (14) und (15):

^τ!2⁼ 2π ^ei2

τ , L.^Z-L,^Z-L,^Z

Es wird jedoch die folgende Bedingung (16) erfüllt: τ 2 _T 2 ,2

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Wenn die Verschiebungsstrecken ^c ₁₂ ^un^ ^ci3 ^er ^CCDs bis¹ 1OB so gewählt werden, daß sie die Gleichungen (14) und (15) erfüllen, werden die Ausgangspegel L₁ bis L_ bei Wiedergabe eines Schwarz-weiß-Bildes ausgeglichen und damit kann die Seitenbandkomponente S„_B Null gemacht werden. Dadurch kann der Abtastfehler, der durch die Seitenbandkomponente S__ verursacht wird, vollständig beseitigt werden, und das Band des Leuchtdichtesignals kann durch eine kleine Anzahl von Bildelementen ausreichend breit gemacht werden.

Wenn die Verschiebungsstrecken T₁₂ ^un<^ ^13 eines Bildelements in der horizontalen Richtung überschreiten, können die Gleichungen (14) und (15) grundsätzlich ohne Änderung aufgestellt werden. Wenn z.B. die zweite CCD 1OG gegenüber der ersten CCD 1OR um die Länge eines Bildelements in der horizontalen Richtung (= ein Fluchtungsabstand) versetzt ist, sind die ersten Bildelemente I_1-^

... 1 _Λ der zweiten CCD 10G nicht vorhanden und die m—ι

zweiten Bildelemente 1 _Λ ,,, ... 1 _n werden die ersten

1-2 m-2

effektiven Bildelemente in der horizontalen Abtastrichtung. Daher wird in diesem Falle die Breite des effektiven Bildschirms der zweiten CCD 1OG in der horizontalen Richtung schmal, jedoch werden die anderen Bedingungen nicht geändert.

Es werden nun die praktischen Beispiele der Gleichungen (14) und (15) beschrieben.

Es wird zunächst der Fall beschrieben, wenn ein Schwarzweiß-Fernsehsignal erhalten wird. Wenn das Schwarz-weiß-Fernsehsignal erzeugt wird, kann ohne Schwierigkeit angenommen werden, daß die Pegel der Lichtbilder eines Objekts, das auf die drei CCDs 1OR bis 1OB projiziert wird, einander gleich sind. Aus diesem Grund sind die Pegel der Fernsehsignale, die von den jeweiligen CCDs 10R bis 1OB abgegeben

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werden, gleich, so daß angenommen werden kann, daß die Pegel der Videosignale, die das Leuchtdichtesignal bilden, gleich sind. Dies bedeutet, daß die Bedingung L₁ = L₃ = L₃ aufgestellt wird. Wenn diese Bedingung in die Gleichungen (12) und (13) eingesetzt wird, kann die folgende Gleichung (17) erhalten werden:

COSO₁₃ ¹ = -j- θ₁₃ = -j-TT ... (17)

cos Θ_Λ7 = γ-

12 2 θ₁₂

wobei das Vorzeichen "-" die Gegenuhrzeigerrichtung bedeutet.

Wenn die Gleichung (17) in die Gleichungen (14) und (15) eingesetzt wird, kann die folgende Gleichung (18) erhalten werden:

r =JL_r

¹² _j_ ^H ... (18)

^13 3~ ^ H

Die durch die Gleichung (18) dargestellte Bedingung ist die relative Lagebeziehung der CCDs 10R bis 10B untereinander unter der Bedingung L₁ = L₃ = L₃. Fig. 5 zeigt die CCDs 1OR bis 1OB, angeordnet in der relativen Lagebeziehung, die durch die Gleichung (18) dargestellt wird. Wenn daher die Verschxebestrecken ¹^₁₂ ^un(^ ^n ^so 9^ewählt werden, daß die Gleichung (18) erfüllt wird, haben die Pegel L₁ bis L₃ der Fernsehsignale der CCDs 1OR bis 10B eine Phasendifferenz von 120° zwischen benachbarten. Daher werden die x- und y-Achsenkomponenten -der Pegel L₁ bis L₃ Null und der Abtastfehler kann bei Aufnahme des Schwarz-weiß-Bildes vollkommen beseitigt werden.

Ein Beispiel der Halbleiterkamera der Erfindung, die das Fernsehsignal ohne die zuvor erwähnten Abtastfehler erzeugt, wird nun anhand der Fig. 8 erläutert.

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In Fig. 8 bezeichnet T allgemein die Halbleiterkamera der Erfindung. Das Lichtbild eines Objekts 14 wird längs einer optischen Bahn 1 durch ein optisches Linsensystem 15, Halbspiegel 16a, 16g und Spiegel 17r, 17b auf die CCDs 1OR, 1OG und 1OB projiziert. Dabei sind die CCDs 10R bis 10B um -4—f.. gegeneinander versetzt, um die Lichtbilder des Objekts 14, die auf die CCDs 10R bis 10B projiziert werden, um —3—fjr gegeneinander zu versetzen.

Die Lichtbilder des Objekts 14, die auf die CCDs 1OR bis 10B projiziert werden, die um die Strecke ~3~^_H versetzt sind, werden in die entsprechenden elektrischen Ladungen umgewandelt und dann an den Ausgangsanschlüssen 11R, 11G und 11B als die elektrischen Signale, die der Intensität der Lichtbilder entsprechen, mittels der Abtastimpulse 0_Ä, 0„ und 0„ abgegeben. Danach werden diese elektrischen Signale einem Addierkreis 18 zur Zusammensetzung zugeführt. Beim Lesen der elektrischen Signale der jeweiligen CCDs 10R bis 10B werden sie um 120° in der Phase gegeneinander verschoben und dann als die Fernsehsignale S₇,, S-. und S_,

K Lj ο

aufeinanderfolgend und abwechselnd abgegeben.

Wenn die jeweiligen Femsehsignale S_ bis S„ nicht mit der Phasendifferenz räumlich und zeitlich entsprechend der Verschiebungsstrecke -y^₁₁ ausgelesen werden, werden sie zeitlich nicht in der gleichen Phase ausgelesen, wobei der Grund hierfür nicht beschrieben wird. Dieser Grund ist in der US-Anmeldung 561 945 vom 25. März 1975 beschrieben.

Anhand der Fig. 9 wird nun ein Beispiel beschrieben, bei dem die Fernsehsignale' S_. bis S-, aufeinanderfolgend und

ti D

abwechselnd mit den gleichen Abtastimpulsen 0 bis 0_p ausgelesen werden. Wie Fig. 9 zeigt, werden die Abtastimpulse 0_Δ bis 0-, den Leseregistern 40R bis 4OB der CCDs 1OR bis 1OB zugeführt. Die Leseelemente 12^, 12₂, ... 12_R der jeweiligen Leseregister 4OR bis 4OB entsprechen den Bildelementen der CCDs 10R bis 1OB in der horizontalen Abtast-

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richtung in der Anzahl. Jedes der Bildelemente 12., ... ist in drei Leseeinheiten 1S₁ ,13, 13 ,... unter-

ι — a ι —jd ι —c

teilt wie zuvor beschrieben wurde, so daß, um die Phasendifferenz von 120° unter den Leseregistern 4OR bis 4OB mit den gleichen Abtastimpulsen 0 bis 0_n zu erhalten, die den entsprechenden Leseeinheiten 13., , 13.,, , ... der jeweiligen Leseregister 4OR bis 4OB zugeführt werden, es genügt, daß die Abtastimpulse 0 bis 0 zugeführt werden, wobei die Einheiten um eine verschoben sind, wie,Fig. 9 zeigt.

Wenn bei diesem Aufbau die elektrischen Ladungen entsprechend einer horizontalen Periode von den Zwischenspeicheranordnungen 3OR bis 3OB zu den entsprechenden Leseregistern 4OR bis 4OB übertragen werden, werden die Ladungen in den Leseeinheiten, die in Fig. 9 schraffiert sind, durch den Abtastimpuls 0_A ohne Fehler gelesen. Wenn daher die Ladungen unter solch einer Bedingung gelesen werden, wird die Phasenbeziehung, beim Lesen 120° und die Signale können aufeinanderfolgend und abwechselnd mit der Phasendifferenz von 120° gelesen werden. Daher haben die zusammengesetzten Fernsehsignale S_ bis S_ eine Phasendifferenz von 120 untereinander.

Wenn die in Fig. 7 gezeigte Phasenbeziehung in den Videosignalen S bis S beibehalten wird, sind ihre Ausgangspegel L₁ bis L₃ gleich. Wenn daher die Fernsehsignale S_R bis S addiert werden, werden die Seitenbandkomponenten S-,« unterdrückt und damit kann der Abtastfehler wirksam beseitigt werden. Daher wird das Flimmern auf dem Bildschirm eines Fernsehempfängers beseitigt und die Auflösung in der horizontalen Richtung kann ohne Erhöhung der Anzahl der Bildelemente in der horizontalen Abtastrichtung verbessert werden.

Wenn beim Stand der Technik die beabsichtigte Auflösung verwirklicht wird, ist es notwendig, die Anzahl der BiId-

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elemente in der horizontalen Abtastrichtung zu erhöhen und daher tritt bei der Herstellung der CCD das zuvor beschriebene Problem auf. Wenn z.B. das Band der Gleichspannungskomponente S_QC zu etwa 3,5 MHz gewählt wird, muß die Abtastfrequenz f zu etwa 7,0 MHz gewählt werden, um das Fernsehsignal ohne Abtastfehler zu erzeugen. Daher sind beim Stand der Technik mehr als 400 Bildelemente in der horizontalen Abtastrichtung erforderlich.

Bei der Erfindung dagegen kann der Abtastfehler vollständig beseitigt werden, so daß die Abtastfrequenz f auf etwa 4,0 MHz verringert werden kann und daher etwa 250 Bildelemente in der horizontalen Abtastrichtung genügen. Die CCD selbst kann daher im Vergleich zum Stand der Technik leichter hergestellt werden. Selbst wenn etwa 250 horizontale Bildelemente verwendet werden, werden drei CCDs verwendet und die Lichtinformation zu einem Bildelement wird von den drei CCDs 1OR bis 10B abgenommen, so daß die horizontale Auflösung ohne Erhöhung der Anzahl der horizontalen Bildelemente verbessert werden kann. Wenn somit die gleiche Auflösung wie beim Stand der Technik erwünscht ist, kann die Anzahl der horizontalen Bildelemente im Vergleich zum Stand der Technik weiter verringert werden. Daher kann die CCD kompakt gemacht werden und ihre Herstellung wird einfach.

Die zuvor beschriebenen Verschiebungsstrecken "^_{12 1} sind für den Fall vorgesehen, daß ein Schwarz-weiß-Signal erhalten wird. Es wird nun der Fall beschrieben, daß ein Farbfernsehsignal erhalten wird, bei dem ein Leuchtdichtesignal etwa gleich dem des NTSC-Systems erhalten werden soll.

Ein Beispiel einer Halbleiter-Farbkamera der Erfindung, die den soeben zuvor erwähnten Zweck erfüllt, wird nun anhand der Fig. 10 beschrieben, in der die Teile, die denjenigen der Fig. 8 entsprechen, mit den entsprechenden

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Ziffern versehen sind, jedoch nicht beschrieben werden. Da bei dem Beispiel der Fig. 10 drei CCDs 1OR, 1OG und 10B verwendet sind und ein Farbvideosignal erhalten wird, sind vor den CCDs 10R, 10G und 10B in der Farbe verschiedene monochromatische Filter 21R, 21G und 21B angeordnet. Es wird angenommen, daß das rote Filter 21R vor der CCD 10R, das grüne Filter 21G vor der CCD 1OG und das blaue Filter 21B vor der CCD 1OB angeordnet ist.

Die Pegel L- bis .L₃ der Fernsehsignale sind dabei Null oder größer als Null und auch die Bedingungen -1 ^ cos Θ₁₂^.1 und -1 ^ cos θ _ ^ 1 werden erfüllt, so daß, wenn die Bedingung L₁ ^ L„ ^. L erfüllt wird, die folgende Gleichung (19) aufgestellt werden kann:

L₂ 4 L₁ + L₃

L₃ -^. L₁ + L₂ ... (19)

L₁ < L₁ + L

Wenn daher die Leuchtdichtekomponente E in dem NTSC-System betrachtet wird, können, da E = 1, die Pegel L₁ bis L der Fernsehsignale nicht größer als 0,5 sein, wenn die Summe (L₁ + L₂ + L_) der Pegel L₁ bis L₃ zu 1 angenommen wird. Dies bedeutet, daß die Bedingung L_ ^ L₃ ^. L₁ ^ 0,5 aufgestellt wird.

Bekanntlich gilt für die Leuchtdichtekomponente Ε_γ im NTSC-System:

E_y = 0,3OR + 5,59G + O,11B

Da die Bedingung L_ < L_ < L₁ / 0,5 gilt, kann das Verhältnis der Komponenten im NTSC-System bei diesem Beispiel nicht angewandt werden. Es kann jedoch der angenäherte Wert hiervon angewandt werden'und z.B. kann eine Leuchtdichtekomponente E ' wie in der folgenden Gleichung (20) verwendet werden:

E_y' = O,33R + 0,5OG + 0,17B ... (20)

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^L1	= o,	33
^L2	= O,	50
^L3	= o,	17

Der Grund, weshalb das Verhältnis der Gleichung (20) gewählt wird, wird nicht näher beschrieben, da er keine direkte Beziehung zur Erfindung hat.

In der Gleichung (20) stellen die jeweiligen Faktoren R, G und B die Pegel der Farbkomponenten der Fernsehsignale dar, die von den CCDs 1OR bis 10B abgegeben werden, so daß die Pegelverhältnisse unter den Pegeln der Fernsehsignale untereinander so eingestellt sind, daß sie die folgende Gleichung (21) erfüllen:

Wenn die Pegel L₁ bis L_ in der obigen Weise eingestellt werden, sind die Gleichungen cos Θ..₂ = -1 und cos ©₁₃ = 1 als Bedingung erforderlich, um den zusammengesetzten Vektor der Komponenten der Pegel L₁ bis L₃ Null zu machen und den Abtastfehler zu unterdrücken. Selbstverständlich wird die folgende Gleichung (22) erhalten:

⁽²²⁾

Dies bedeutet, daß, wenn die Pegel L₁ bis L₃ so eingestellt werden, daß sie die Gleichung (21) erfüllen, die CCDs 1OR bis 1OB in den Abständen "^₁₂ ^und "¹M 3' ^die ^urch ^die Gleichung (22) ausgedrückt werden, angeordnet sind (Fig. 11).

Wenn die CCDs 1OR bis 10B in den Abständen angeordnet sind, die die Gleichung (22) erfüllen, und die Abtastimpulse 0 bis 0-, ihnen in der anhand der Fig. 9 erläuterten Weise zugeführt werden, d.h., daß die Fernsehsignale S_ und S„

G ο

aus den CCDs 1OG und 10B zu dem Zeitpunkt ausgelesen werden, der —0—*C"_U entspricht, nachdem das Videosignal S_ aus der CCD 1OR ausgelesen wurde, wird die Phasenbeziehung unter den Videosignalen S_R bis S_ß in Fig. 12. Wenn daher die

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Videosignale S_ bis S_n zusammengesetzt werden, heben sich ihre Seitenbandkomponenten S_gB gegenseitig auf und es tritt kein Abtastfehler auf.

Wenn daher die Videosignale S_ bis S„ aus den CCDs 1OR bis 1OB einer Matrixschaltung 22 wie in Fig. 10 zugeführt werden, wird ein Leuchtdichtesignal Y gleich dem des NTSC-Systems aus der Matrixschaltung 22 erhalten.

Das Beispiel der Fig. 10 ist eine Farbkamera, so daß eine Matrixschaltung 23 vorgesehen ist, der das Leuchtdichtesignal Y der Matrixschaltung 22 und das Fernsehsignal S_G der CCD 1OG zugeführt wird, um ein Farbdifferenzsignal (G-Y) zu erzeugen. Eine Matrixschaltung 24 ist vorgesehen, der das Leuchtdichtesignal Y der Matrixschaltung 22 und das Fernsehsignal S₁, der CCD 1OB zugeführt wird, um das Farbdiffereazsignal (B-Y) zu erzeugen. Das Farbdifferenzsignal (B-Y) wird über ein Tiefpaßfilter 25 an einen Ausgangsanschluß 2Ög abgegeben, das Farbdifferenzsignal (G-Y) wird über ein Tiefpaßfilter 26 einem Ausgangsanschluß 28b zugeführt, und das Leuchtdichtesignal Y wird an einen Ausgangsanschluß 28r über eine Verzögerungsschaltung 27 abgegeben, die die Verzögerung kompensiert, die durch die Tiefpaßfilter 25 und 26 verursacht werden.

Wie zuvor beschrieben wurde, kann, wenn die CCDs 1OR bis 1OB in dem Verschiebungsabstand entsprechend der Gleichung (22) angeordnet sind, die Erzeugung des Abtastfehlers vermieden und auch das Leuchtdichtesignal angenähert dem des NTSC-Systems erhalten werden.

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Claims

Ansprüche

Halbleiter-Fernsehkamera, gekennzeichnet durch:

a) einen ersten, einen zweiten und einen dritten Bildsensor, von denen jeder mehrere Bildabtasteinheiten hat, die um einen Fluchtungsabstand ZT _R versetzt sind, wobei "C„ der Reziprokwert der Bildabtastfrequenz ist,

b) eine Projektionseinrichtung um ein Bild gleichzeitig auf jeden der Bildsensoren zu projizieren,

c) eine Verschiebungseinrichtung, um das auf die jeweiligen Sensoren projizierte Bild, um TT₁₂ und ^₁₃ in einer bestimmten Richtung bezüglich wenigstens eines Bildsensors zu verschieben, wobei die folgenden Gleichungen gelten:

^TH ^τΗ

^τΐ3 ■ -T- ⁺ -R

in denen

^. 2 ^^-^e Verschiebungsstrecke zwischen den auf den ersten und den zweiten Sensor in der bestimmten Richtung projizierten Bildern ist, TT₁ ο die Verschiebungsstrecke zwischen den auf den ersten und den dritten Sensor in der bestimmten Richtung projizierten Bildemist, und L-, L_ und L₃ Ausgangssignalpegel des ersten, zweiten und dritten Sensors sind, deren Verhältnis derart ist, daß sie zusammengesetzt das Leuchtdichtesignal der Kamera ergeben,

d) eine mit den Bildabtasteinheiten verbundene Leseeinrichtung, um die jeweiligen Bilder sequentiell in der

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bestimmten Richtung zu lesen,

e) eine der Leseeinrichtung zugeordnete Verschiebungseinrichtung, um deren Lesezeit um die Lesefrequenz zu verschieben, die den Verschiebungsstrecken <T₁₂ und *tT\ entspricht,

f) eine mit der Leseeinrichtung verbundene Mischeinrichtung, um deren Ausgangspegel zu mischen, und

g) eine Einrichtung, um von der Mischeinrichtung ein Ausgangssignal abzuleiten.
2. Halbleiter-Fernsehkamera nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Bildsensoren aus einer ladungsgekoppelten Vorrichtung mit Übertragungselektroden und einem Halbleitersubstrat bestehen.
3. Halbleiter-Fernsehkamera nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Projektionseinrichtung zur gleichzeitigen Projektion des Bildes auf die Bildsensoren verschiedene Farbfilter zur Projektion des Bildes auf jeden der Sensoren aufweist.
4. Halbleiter-Fernsehkamera nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß "C₁₂ ^un<^ Ί^λ3 ^w^^e folgt gewählt sind:

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