DE3226680A1

DE3226680A1 - Festkoerper-bildaufnahmeeinrichtung

Info

Publication number: DE3226680A1
Application number: DE19823226680
Authority: DE
Inventors: Kenji Tachikawa Tokyo Kimura
Original assignee: Olympus Optical Co Ltd
Current assignee: Olympus Corp
Priority date: 1981-07-22
Filing date: 1982-07-16
Publication date: 1983-02-24
Also published as: US4489350A; DE3226680C2; JPH03832B2; JPS5815375A

Description

4 3-2, 2-chome Telefon: (05 31)800

Hatagaya, Shibuya-ku * " Telex: 09 52

Tokyo / JAPAN

Anwaltsakte 84 3-44 DE-I Datum 14.0 7.82

"Festkörper-Bildaufnahmeeinrichtung"

Die Erfindung betrifft eine Festkörper-Bildaufnahmeeinrichtung mit einem Bildsensor mit einer Mehrzahl von fotoelektrischen
Wandlerzellen auf seiner lichtempfindlichen Oberfläche.

Derartige Festkörper-Bildaufnahmeeinrichtungen werden derzeit häufiger benutzt als die herkömmlichen Bildaufnahmeröhren.

Eine Festkörper-Kamera besteht allgemein aus einer Matrix von integrierten fotoelektrischen Halbleiter-Wandlerzellen. Daher sind die Festkörper-Kameras leicht, kompakt, vibrationsunempfindlich und zuverlässig und verbrauchen wenig Energie. Die
Anordnung der fotoelektrischen Wandlerzellen, also die Anordnung der Bildelemente der lichtempfindlichen Oberfläche ist
fest, und die Taktimpulse für das Auslesen der einzelnen Zellen sind definiert. Ohne Berücksichtigung einer durch das optische System hervorgerufenen Verzerrung ist die optische Verzerrung des resultierenden Bildes sehr klein.

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Wenn ein solcher Festkörper-Bildsensor als Fernsehkamera verwendet wird, ist die Lesegeschwindigkeit der Bilddaten für ein (Halb-) Bild auf 1/30 bzw. 1/25 s festgelegt. Die auf die Wandlerzellen des Bildsensors fallende Lichtmenge wird so eingestellt, daß sie einen Zwischenwert zwischen der Sättigung und dem Dunkelstrom der fotoelektrischen Wandlerzellen einnimmt. Wenn die Leseperiode der Bilddaten relativ kurz und konstant ist, kann sich die auf den Sensor einfallende Lichtmenge in diesen Grenzen halten. Wenn sich jedoch die Lesefrequenz unregelmäßig verändert, wie dies bei einer Belichtungssteuerung durch Einstellung der Belichtungszeit der Fall ist, muß sich die auf den Sensor fallende Lichtmenge entsprechend der unregelmäßigen Änderung verändern. Wenn die Leseperiode der Bilddaten sehr lang ist, muß die auf den Sensor einfallende Lichtintensität extrem klein sein. In diesem Fall ändert sich die Belichtung bzw. der Integralwert der Menge der eingefallenen Lichtstrahlen als Funktion der Zeit beim Auslesen. Demzufolge unterscheidet sich der Wandlerfaktor der ersten Wandlerzelle wesentlich von dem der letzten Wandlerzelle. Daher kann eine gleichmäßige fotoelektrische Wandlerempfindlichkeit nicht über die gesamte Oberfläche des Bildsensors erzielt werden.

Der Erfindung liegt demgegenüber die Aufgabe zugrunde, eine Festkörper-Bildaufnahmeeinrichtung der eingangs erwähnten Art zu erstellen, bei der eine gleichförmige Empfindlichkeit über die gesamte Oberfläche des Bildsensors unabhängig von der Leseperiode oder der Lesefrequenz für die Daten erzielt wird.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß mit

wenigstens einer der fotoelektrischen Wandlerzellen des Bildsensors eine Meßeinrichtung verbunden ist, die die auf die Wandlerzelle gefallene Lichtmenge mißt und ein Steuersignal erzeugt, wenn die gemessene Lichtmenge einen vorbestimmten Referenzwert übersteigt, daß in Abhängigkeit von dem Steuersignal ein Lichtunterbrecher den Lichteinfall auf die Oberfläche des Bildsensors unterbricht und daß der vorbestimmte Referenzwert so gewählt ist, daß der Lichteinfall unterbrochen wird, bevor die Sättigung der fotoelektrischen Wandlerzellen erreicht ist.

Bei der erfindungsgemäßen Festkörper-Bildaufnahmeeinrichtung ändern sich die Bilddaten in den fotoelektrischen Wandlerzellen während-des Lesens dieser Daten selbst dann nicht, wenn die Lesefrequenz sehr niedrig liegt. Daher wird eine gleichmäßige Empfindlichkeit über die gesamte Oberfläche des Bild-Aufnahmeschirms erreicht. Da die Lichtunterbrechung durchgeführt wird, bevor die fotoelektrischen Zellen gesättigt sind, wird eine Überbelichtung oder ein unausgewogener Bildkontrast vermieden .

Bei der erfindungsgemäßen Einrichtung kann der Bildsensor an einem Arbeitspunkt arbeiten, an dem die fotoelektrische Wandlerempfindlichkeit optimal ist. Dies ist unmittelbar unterhalb des Sättigungswertes der Fall. Mit der Erfindung ist es möglich, die Lichtunterbrechung so durchzuführen, daß die fotoelektrischen Wandlerzellen nicht gesättigt werden, daß aber ein maximales Ausgangssignal erzielt wird.

Die für die Lichtunterbrechung ausgenutzten fotoelektrischen Wandlerzellen befinden sich vorzugsweise in der Mitte der lichtempfindlichen Oberfläche. Das abgebildete Objekt hat üblicherweise in der Mitte der lichtempfindlichen Oberfläche eine optimale Helligkeit. Wenn der Zeitpunkt der Lichtunterbrechung in Abhängigkeit des Mittelwerts der Ausgangswerte einer Mehrzahl von Wandlerzellen ermittelt wird, sollte die mittlere auf die Mittelregion der lichtempfindlichen Oberfläche einfallende Lichtmenge knapp unter dem Wert liegen, bei dem die fotoelektrische Wandlerzelle gesättigt ist.

Die Zeitspanne für die Lichtunterbrechung kann langer sein als für das Auslesen der Bilddaten eines (Halb-) Bildes benötigt wird. Um jedoch eine kontinuierliche Bildaufnahme zu erreichen, ist es vorteilhaft, die Lichtunterbrechung für die Zeitspanne des Lesens der Bilddaten durchzuführen.

Die Erfindung soll im folgenden anhand eines in der Zeichung dargestelten Ausführungsbeispiels näher erläutert werden. Es zeigen:

Figur 1: ein Blockschaltbild einer erfindungs

gemäßen Festkörper-Bildaufnahmeeinrichtung;

Figur 2: über die Zeit aufgezeichnete Kurvenver

läufe zur Erläuterung der Funktionsweise der Einrichtung gemäß Figur 1.

Figur 1 läßt erkennen, daß ein Objekt 10 mit Hilfe eines Linsensystems 12 und eines Verschlußmechanismus 14 auf der lichtempfindlichen Oberfläche eines Festkörper-Bildsensors 16 abgebildet ist. Der Bildsensor 16 weist eine Mehrzahl von fotoelektrischen Wandlerzellen Eij, die in Form einer Matrix , verteilt sind, ladungsgekoppelte (CCD) vertikale Schieberegister Cj zur Durchführung einer Ladungsübertragung in Richtung der Reihen (i) und ladungsgesteuerte (CCD) horizontale Schieberegister R auf, die die durch die vertikalen Schieberegister Cj gelesene Ladung in Richtung der Spalten (j) verschieben. Die Anzahl der Wandlerzellen Eij kann in Abhängigkeit vom Anwendungsfall gewählt werden. Wenn beispielsweise eine besonders hohe Auflesung nicht erforderlich ist, kann ein CCD-Bildsensor mit 200 χ 200 Zellen (Bildelementen) als Bildsensor 16 dienen. In Figur 1 ist aus Gründen der Übersichtlichkeit ein Bildsensor mit 8x8 Zellen dargestellt.

Eine der einfallenden Lichtmenge proportionale Ladungsmenge

wird in jeder Zelle Eij gespeichert. Demzufolge wird über alle Zellen Eij eine Ladungsverteilung erzeugt, die dem Bild des Objekts 10 entspricht. Die Ladung (Bilddaten), die in den jeweiligen Zellen Eij gespeichert ist, wird durch die vertikalen CCD-Schieberegister Cj und das horizontale CCD-Schieberegister R in Abhängigkeit von Taktimpulsen mit einer konstanten Frequenz ausgelesen. Wenn ein Taktimpuls CK für die horizontale/ vertikale Ladungsübertragung auf das Schieberegister R über eine Torschaltung 26 gelangt, werden Bilddaten Vl aus dem Schieberegister R in Form von zeitlich nacheinander folgenden Daten erhalten.

Vor dem Lesen der Bilddaten VI wird eine Information über die in den in der Mitte des Bildsensors16 angeordneten Zellen enthaltenen Ladungsmenge entnommen. Die Informationen der Ladungsmengen der Zellen E64, E66, E55, E44 und E46 gelangen auf eine analoge Summierstufe 18 über eine Pufferschaltung 17, die fünf unabhängige Kanäle aufweist. Ein Ausgangssignal S18 der analogen Summierstufe 18 gelangt auf einen Integrator 20, der ein Integrationssignal S20 liefert, das der mittleren Ladungsmenge der fünf, mit der Summierstufe 18 verbundenen Wandlerzellen entspricht. Das integrierte Ausgangssignal S20 repräsentiert die mittlere Lichtmenge im Mittelbereich der lichtempfindlichen Oberfläche des Bildsensors 16. Das Signal S20 gelangt auf einen Komparator 22, der ein Zeit-Steuersignal S22 liefert, wenn der Pegel des Signals S20 einen vorbestimmten Referenzwert Vref überschreitet.

Die Referenzspannung Vref wird experimentell in der Weise bestimmt, daß er einem Wert entspricht, der unmittelbar vor dem

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Sättigungswert des Bildsensors 16 liegt. Die Referenzspannung Vref entspricht daher dem maximalen Wert in dem Bereich, in dem die Lichteinfall-Ausgangssignal-Charakteristik der Zellen Eij des Bildsensors 16 nicht gesättigt ist.

Die beschriebenen Teile 18, 20 und 22 sind mit wenigstens einem der fotoelektrischen Wandlerzellen Eij des Bildsensors 16 verbunden und bilden daher eine Meßeinrichtung 18,20,22 zur Bildung eines Zeit-Steuersignals S22, wenn der Pegel des Ausgangssignals der fotoelektrischen Wandlerzellen den Referenzpegel Vref erreicht.

Das Zeit-Steuersignal S22 wird auf einen Verschlußantrieb 24 und auf eine Torschaltung 26 geleitet. Beim Auftreten eines Verschlußöffnungssignals S23 öffnet der Verschlußantrieb 24 den Verschlußmechanismus 14. Beim Auftreten des Zeit-Steuersignals S 22 schließt der Verschlußantrieb 24 den Verschlußmechanismus 14. Durch das Zeit-Steuersignal S 22 wird die Torschaltung 26 durchgeschaltet und liefert Taktimpulse CK auf die Schieberegister Cj und R während eines Zeitintervalls vom Empfang des Zeit-Steuersignals S22 bis zur Beendigung des Auslesens der Ladung aller Zellen Eij des Bildsensors 16.

Die Teile 14,24,26, Cj und R sind mit der Meßeinrichtung 18, 20,22 verbunden und bilden eine Einrichtung zur optischen Abschirmung der lichtempfindlichen Oberfläche des Bildsensors 16 und zur Auslesung der Bilddaten aus den Zellen Eij.

Die Funktion der in Figur 1 dargestellten Vorrichtung soll im folgenden erläutert werden, wobei der Fall einer Standbild-

aufnahme betrachtet werden soll.

Es sei angenommen, daß vor dem Zeitpunkt tlO in Figur 2 keine Ladung in irgendeiner Zelle Eij des Bildsensors 16 gespeichert ist. Wenn das Verschlußöffnungssignal S23 (Figur 2c) auf den Verschlußantrieb 24 zum Zeitpunkt tlO gelangt, wird der Verschlußmechanismus geöffnet (Figur 2d). Dann wird in jeder Zelle Eij des Bildsensors 16 eine Ladung gespeichert, die der
Helligkeitsverteilung des abgebildeten Objekts 10 entspricht, bis die Ausgangssignale (akkumulierte Ladung) der Zellen Eij gesättigt sind (Figur 2a). Im allgemeinen ist der mittlere Bereich der lichtempfindlichen Oberfläche des Sensors 16 am
hellsten. Demzufolge wird die der Mitte angeordnete Wandlerzelle als erste gesättigt. Wenn daher das integrierte Ausgangssignal S20 von der Mittelzelle bei einem kritischen Wert nur wenig unter der Sättigungsschwelle gewählt wird, werden die übrigen Zellen nicht gesättigt werden. Dieser kritische Wert wird mit der Referenzspannung Vref bestimmt. Demzufolge wird der Referenzwert Vref auf einen Pegel gewählt, der nur geringfügig geringer ist als der Sättigungspegel des integrierten Ausgangssignals S20 (Figur 2a).

Wenn das integrierte Ausgangssignal S20 die Referenzspannung Vref zum Zeitpunkt tl2 überschreitet, verändert sich das Zeit-Steuersignal S22 vom Signal logisch O auf das Signal logisch (Figur 2b). Wenn das Zeit-Steuersignal S22 mit dem Pegel
logisch 1 auf den Verschlußantrieb 24 gelangt, schließt dieser den Verschlußmechanismus 14 (Figur 2d). Dadurch wird die Ladungsspeicherung in jeder Zelle Eij des Bildsensors 16 unterbrochen. Durch den Übergang des Zeit-Steuersignals S22 auf logisch 1 wird die Torschaltung 26 durchgeschaltet. Dadurch werden Taktimpulse CK (Figur 2e) auf die Schieberegister Cj

geleitet, und das Schieberegister R liefert die Bilddaten VI. Der Verschlußmechanismus 14 bleibt geschlossen, während die Bilddaten VI für ein (Halb-)Bild ausgelesen werden. Das ist der Grund, warum sich die Ladung in jeder Zelle Eij während des Auslesens der Bilddaten VI nicht ändert. Wenn das Auslesen der Bilddaten VI beendet ist, wird der Ausgangszustand vor dem Zeitpunkt tlO wiederhergestellt.

Durch Wiederholung des beschriebenen Vorgangs wird eine kontinuierliche Standbildaufnahme oder Bewegungsaufnahme erhalten. Selbst wenn die Wiederholfrequenz für den beschriebenen Funktionszyklus zufällig ist, werden die Bilddaten VI aus den Zellen Eij ausgelesen, nachdem diese bis auf einen.Pegel eben unter dem Sättigungspegel belichtet worden sind. Daher kann eine Festkörper-Bildaufnahmeeinrichtung mit hoher Empfindlichkeit und einem guten Signal-Rausch-Verhältnis hergestellt werden. Da die Auslesefrequenz (Periode) für die Bilddaten VI willkürlich gewählt werden kann, ohne die hohe Empfindlichkeit zu beinträchtigen, können bisher nicht mögliche Vorteile erzielt werden. Wenn beispielsweise die ausgelesenen Bilddaten VI in einem IC-Speicherkreis gespeichert werden sollen, kann ein billiger. IC-Speicher benutzt werden, da die Einspeicherungsgeschwindigkeit nicht zu groß sein muß. Demzufolge können die Herstellkosten der Gesamteinrichtung auf ein Minimum reduziert werden. Das beschriebene Ausführungsbeispiel kann iin Rahmen der Erfindung in verschiedener Weise abgewandelt werden. So ist es beispielsweise nicht erforderlich, daß die fotoelektrischen Wandlerzellen des Festkörper-Bildsensors 16 in Form einer Matrix angeordnet sind. Wenn das Objekt 10 eindimensional ist, kann auch ein eindimensionaler Bildsensor 16 verwendet werden.

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Statt eines CCD-Bildsensors kann auch ein MOS-Bildsensor oder ein Eimerketten-(BBD) Bildsensor verwendet werden, der fotoelektrische Wandlerzellen mit MOS-Transistoren oder -Fotodioden aufweist.

Die Abbildung auf der lichtempfindlichen Oberfläche des Sensors 16 muß nicht mit Hilfe eines Linsensystems 12 erfolgen. Vielmehr ist jedes beliebige optische System verwendbar, z. B. wie es in einem Endoskop oder ähnlichem verwendet wird, solange es das gewünschte Bild auf dem Bildsensor 16 erzeugen kann.

Die ausgewählten fotoelektrischen Wandlerzellen, mit denen das Zeit-Steuersignal S22 gebildet wird, müssen nicht in der Mitte der lichtempfindlichen Oberfläche des Bildsensors 16 angeordnet sein. Die Anordnung richtet sich nach der Art des aufzunehmenden Bildes. Wenn die Abbildung eines Objekts über die gesamte lichtempfindliche Oberfläche von gleichmäßiger Helligkeit ist, kann sogar eine Zelle in irgendeiner Ecke der lichtempfindlichen Oberfläche ausgewählt werden. Auch die Anzahl der ausgewählten Zellen ist frei wählbar. So kann das Zeit-Steuersignal S22 aus einer einzigen Zelle E55 im Mittelpunkt oder auch von allen Zellen Eil bis E88 ermittelt werden.

Für die optische Abschirmung des Bildsensors 16 muß nicht unbedingt ein Verschlußmechanismus 14 vorgesehen sein. Beispielsweise kann auch ein Drehspiegel oder ähnliches verwendet werden, um den optischen Strahlengang des abgebildeten Objekts 10 von der lichtempfindlichen Oberfläche des Bildsensors 16 abzulenken oder zu verschieben. Wenn das Objekt 10 in einer dunklen Umgebung angeordnet ist, kann die Beleuchtung des

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Objektes abgeschaltet werden. Eine derartige Technik ist in der japanischen Patentanmeldung 55-61347 der Anmelderin beschrieben. Das Ein- und Ausschalten der Lichtquelle der dort beschriebenen Anordnung entspricht dem Öffnen und Schließen der Verschlußeinrichtung 14. Diesbezüglich wird auf den Inhalt der genannten japanischen Patentanmeldung verwiesen. Wenn die fotoempfindliche Funktion (Ladungsansammlung) des Bildsensors 16 elektrisch gesteuert werden kann, kann diese Funktion durch das Ausgangssignal des Verschlußantriebs 24 unterbrochen werden. ,

Anstelle der anhand der Figur 1 beschriebenen Ladungsübertragungsmethode kann die X-Y-Adressen-Methode für das Auslesen der Bilddaten aus jeder Zelle Eij des Bildsensors 16 verwendet werden. Beispielsweise kpnnen ein X- (horizontales) Schieberegister und ein Y- (vertikales) Schieberegister in Richtung der Reihen und Spalten der MOS-Bildsensor-Matrix vorgesehen werden. Die Bilddaten können durch sequentiellen Zugriff zu den Adressen jeder Zelle mit Hilfe dieser X- und Y-Register ausgelesen werden.

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Claims

Patentansprüche:

(Ϊ). Festkörper-Bildaufnahmeeinrichtung mit einem Bildsensor (16) mit einer Mehrzahl von fotoelektrischen Wandlerzellen (Eij) auf seiner lichtempfindlichen Oberfläche, dadurch gekennzeichnet, daß mit wenigstens einer der fotoelektrischen Wandlerzellen (Eij) des Bildsensors (16) eine Meßeinrichtung (18,20,22) verbunden ist, die die auf die Wandlerzelle (Eij) gefallene Lichtmenge mißt und ein Steuersignal erzeugt, wenn die gemessene Lichtmenge einen vorbestimmten Referenzwert (Vref) übersteigt, daß in Abhängigkeit von dem Steuersignal ein Lichtunterbrecher (14) den Lichteinfall auf die Oberfläche des Bildsensors (16) unterbricht

und daß der vorbestimmte Referenzwert (Vref) so gewählt ist, daß der Lichteinfall unterbrochen wird, bevor die Sättigung der fotoelektrischen Wandlerzellen (Eij) erreicht ist.
2. Festkörper-Bildaufnahmeeinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der vorbestimmte Referenzwert (Vref) der Meßeinrichtung (18 bis 22) dem maximalen Wert entspricht, an dem die Lichteinfall-/Ausgangs-Kurve der fotoelektrischen Wandlerzellen (Eij) noch nicht die Sättigung erreicht hat.
3. Festkörper-Bildaufnahmeeinrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß wenigstens eine der mit der Meßeinrichtung (18 bis 22) verbundenen fotoelektrischen Wandlerzellen (Eij) in der Mitte der lichtempfindlichen Oberfläche des Bildsensojrs (16) angeordnet ist.
4. FestkÖrper-Bildaufnahmeeinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß mit der Meßeinrichtung eine Mehrzahl von fotoelektrischen Wandlerzellen (E64, E66, E55, E44, E46) verbunden sind und daß in der Meßeinrichtung (18 bis 22) ein Vergleich der gemittelten Ausgangswerte der fotoelektrischen Wandlerzellen mit dem vorbestimmten Referenzwert (Vref) ausgeführt und das Steuersignal erzeugt wird, wenn der gemittelte Ausgangswert den vorbestimmten Referenzwert (Vref) überschreitet.
5. Festkörper-Bildaufnahmeeinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die auf der lichtempfindlichen Oberfläche aufgenommenen Bilddaten (VI·) nach der Unterbrechung des Lichteinfalls auf die lichtempfindliche Oberfläche des Bildsensors (16) ausgelesen werden.
6. Festkörper-Bildaufnahmeeinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Lichtunterbrecher (14, 24) einen Verschluß (14) zur optischen Abschirmung

der lichtempfindlichen Oberfläche des Bildsensors (16) aufweist, der in Abhängigkeit von dem Steuersignal (S22) schließbar ist.
7. Festkörper-Bildaufnahmeeinrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß das Steuersignal (S22) das Auslesen der Bilddaten (VI) steuert.

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