DE3230552C2

DE3230552C2 - Festkörper-Farbbildaufnahmesystem

Info

Publication number: DE3230552C2
Application number: DE3230552A
Authority: DE
Inventors: Shusaku Hachioji Nagahara; Shigeki Kodaira Nishizawa; Naoki Kokubunji Ozawa
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 1981-08-19
Filing date: 1982-08-17
Publication date: 1985-07-04
Also published as: JPS5831688A; FR2511829A1; DE3230552A1; US4516154A; FR2511829B1

Abstract

In einem Festkörper-Farbbildaufnahmesystem mit einer zweidimensionalen Anordnung von photoelektrischen Einrichtungen ist die photoelektrische Einrichtung in einer von zwei benachbarten Zeilen bezüglich denen der anderen Zeile in Horizontalrichtung um eine halbe Teilung versetzt, und die jeweilige Farbfilterelemente, die drei in zwei Zeilen einander benachbarten photoelektrischen Einrichtungen zugeordnet sind, weisen derartige spektrale Eigenschaften auf, daß die Summe der Ausgangssignale dieser drei photoelektrischen Einrichtungen im wesentlichen einen Leuchtdichtesignal entspricht. Auf diese Weise lassen sich Moire-Effekte unterdrücken und Farbbilder hoher Qualität erzielen.

Description

Die Erfindung bezieht sich 3"^f ein Festkörper-Farbbildaufnahmesystem nach dem Oberbegriff des Patentanspruches t, wie es aus der DE-AS 21 64 211 bekannt ist.

Herkömmlicherweise benutzt man zur Umwandlung von Licht eines Gegenstandes in Videosignale eine Bildaufnahme- oder Kameraröhre; in den letzten Jahren werden auf diesem Gebiet jedoch auch Festkörper-Bildsensoren eingesetzt. Es sind verschiedene Typen derartiger Festkörper-Bildsensoren bekannt. Gewöhnlich ist in einem lichtempfindlichen Bereich eine Anzahl von photoelektrischen Bauelementen wie etwa Photodioden in zweidimensionaler Form angeordnet, wobei die in den photoelektrischen Bauelementen gespeicherter. Signalladungen sequentiell ausgelesen werden. Als photoelektrische Bauelemente können Ladungsübi· iragungs- oder ladungsgekoppelte Einrichtungen verwendet werden. Im allgemeinen werden die in den photoelektrischen Bauelementen in einer gegebenen horizontalen Tastleitung (bzw. in einer gegebenen Zeile) über eine mit vertikalen Tastleitungen verbundene Signalausganjjsleitung sequentiell ausgelesen. Alternativ kann mit den

vertikalen Tastleitungen eine Ladungsübertragungs- oder ladungsgekoppelte Einrichtung verbunden sein, um

die Signalladungen auszulesen und an ihren Ausgang zu übertragen. Aufbau und Arbeitsweise der obigen

45 Anordnungen sind bekannt und bedürfen daher keiner weiteren Erläuterung.

Im Gegensatz zur Bildaufnahmeröhre arbeitet der Festkörper-Bildsensor nicht mit Ablenkspulen oder Platten zur Ablenkung eines Elektronenstrahls, d. h. mit einer analogen Abtastung, sondern mit Taktimpulsen zur digitalen Abtastung. Daraus ergibt sich eine hervorragende Linearität der Abtastung, und die Adressen der abgetasteten photoelektrischen Ebene des Bildsensors lassen sich ohne weiteres zu den elektrischen Ausgangssignalen in Beziehung setzen.

Beim Aufbau eines Farbbildaufnahmesystems unter Verwendung eines derartigen Festkörper-Bildsensors wird das optische Bild mittels eines optischen Farbtrenns>sterns (das Prismen oder dichroitische Spiegel aufweist) in drei Farbbilder zerlegt, für die drei Bildsensoren mit jeweils einer Anzahl von photoelektrischen Bauelementen vorgesehen sind. In diesem Fall ist das verwendete optische Farbtrennsystem kompliziert, in seinen Ausmaßen groß und teuer, was dazu führt, daß der auf der Verwendung des Festkörper-Bildsensors beruhende Vorteil verringert wird. Ein weiterer Nachteil besteht darin, daß das optische Farbtrennsystem sehr strenge Maßstäbe bezüglich Dimensionsgenauigkeit und Aberration erfüllen muß. da die Linearität und Abtastbreite bei der digitalen Abtastung fest sind.

Aus diesem Grund ist eine Farbfilter-Streifenanordnung zum räumlichen Abtasten von Licht eines Gcgen-Standes vorgeschlagen worden, um das Farbtrennsystem ?u vereinfachen und das gesamte System mit einem einzelnen Bildsensor aufbauen zu können.

Insbesondere ist vorgeschlagen worden, ein Farbstreifenfilter !,das gemäß Fig. 1 aus Filterelementen \R, \G und Iß für die rote, die grüne und die blaue Farbe aufgebaut ist, mit drei Gruppen von (nicht gezeigten) photoelektrischen Bauelementen zu kombinieren. Bei einem derartigen Farbstreifenfilter erzeugt jedoch beim Abbilden beispielsweise einer Szene, in der viele Leitungsmasten oder Kamine vorhanden sind, dieses Profil Interferenzen mit dem Farbstreifenfilter unter Bildung eines Moire-Effektes, so daß die Bildqualität ganz erheblich abnimmt.
Aus der DE-AS 21 64 211 ist eine Farbfernsehkamera bekannt, bei der die Farbfilterelemente rot, grün, blau in

horizontalen Zeilen mit regelmäßiger Folge so angeordnet sind, daß die von drei Farbfüterelementen gebildeten Tripel zweier benachbarter Zeilen um die halbe Gesamtbreite eines solchen Tripeis versetzt sind, so daß bei benachbarten Zeilen die Elemente gleicher Farbe voneinander den maximalen Abstand haben. Drei einander benachbarte Farbfilterelemente liefern bei dieser Anordnung immer das Leuchtdichtesignal Y.

Aus der DE-OS 30 43 671 ist ein Festkörper-Farbbildaufnahmesystem bekannt, das mit einem Farbfilter in den Farben cyan, gelb und grün versehen ist. Bei dieser Bildaufnahmekamera sind jedoch die Farbfilterelemente benachbarter Zeilen senkrecht untereinander angeordnet, so daß ein Moire-Effekt auftreten kann.

Aus der DE-OS 29 04 813 ist eine Farbbildaufnahmeröhre bekannt, bei der das Farbfilterelement Farben Ye, Cy, W und G aufweist, wobei die Farbfilterelemente benachbarter Zeilen senkrecht untereinander angeordnet sind. Bei dieser Farbbildaufnahmeröhre werden Signale bestimmter Ausgangsleitungen verzögert und von unverzögerten Signalen subtrahiert, so daß man ein (B — R)- und ein (B + R)-Signal erhält. Hieraus wird dann das B-Signal sowie das R-Ssgnal gebildet

Aufgabe der Erfindung ist, ein Festkörper-Farbbildaufnahmesystem, bei dem die Farbfilterelemente von einander benachbarten Zeilen so gegeneinander versetzt sind, daß die Farbfilterelemente gleicher Farbe voneinander maximalen Abstand haben und Elemente einander benachbarter Zeilen gegeneinander um ihre halbe horizontale Gesamtbreite versetzt sind, so auszugestalten, daß die in die photoelektrischen Elemente gelangende Lichtmenge hoch und damit die Empfindlichkeit groß wird, wobei insbesondere die Anordnung so getroffen werden soll, daß Störungen aufgrund von Seitenbandeinflüssen der Abtastfrequenz niedrig sind.

Diese Aufgabe wird mit einem Festkörper-Farbbildaufnahmesystem nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 gelöst, das erfindungsgemäß die im kennzeichnenden Teil dieses Anspruchs angegebf ^rsn Merkmale aufweist.

Eine bevorzugte Ausgestaltung der Erfindung ist im Unteranspruch angegeben und bezieht sich auf die besondere Art des Auslesens des Bildaufnahmesensors sowie die Art der Bildung des Leuchtdichtesignals und der Farbsignale aus den ausgelesenen Signalen.

Das Festkörper-Farbbildaufnahmesystem mit der oben beschriebenen Anordnung von Farbfüterelementen und photoelektrischen Einrichtungen ist in der Lage, die Entstehung von Moire-Mustern zu unterdrücken und Videosignale hoher Auflösung zu erzeugen und gewährleistet daher Farbbilder hoher Qualität.

Bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung werden nachstehend anhand der Zeichnungen näher erläutert In den Zeichnungen zeigt

F i g. 1 eine schematische Darstellung eines Farbstreifenfilters nach einem Stand der Technik, bei dem die Farbfilterelemente benachbarter Zeilen in Spaltenrichtung aufeinander ausgerichtet sind,

F i g. 2 eine schematische Darstellung eines Farbfilters zur Verwendung bei dem hier beschriebenen Festkörper-Farbbildaufnahmesystem,

F i g. 3 ein Blockschaltbild der Anordnung von photoelektrischen Einrichtungen in dem hier beschriebenen Festkörper- Bildaufnahmesystem,

Fig.4 und 5 Blockschaltbiider zur Veranschaulichung von Beispielen einer Signalverarbeitungsschaltung in dem hier beschriebenen Festkörper-Bildaufnahmesystem und

F i g. 6 ein Impulsdiagramm zur Darstellung der an verschiedenen Punkten der Schaltung nach F i g. \ auffetenden Impulsformen.

Die auf der Interferenz eines Profils des aufzunehmenden Gegenstandes mit dem Farbfilter beruhende Erzeugung von Moire-Strukturen ist dann merklich, wenn dk räumlichen Frequenzen dieses Profils und des Farbfilters im wesentlichen identisch sind. Daher lassen sich diese Moire-Muster dadurch unterdrücken, daß die räumliche Frequenz des Farbfilters erhöht wird. Zu diesem Zweck ist eine Anordnung zur Kompensation der Information zwischen zwei Spalten (oder vertikalen Linien oder Leitungen) erwünscht. Andererseits sind Gruppen von Farbfüterelementen für mindestens drei Farben erforderlich, um die zur Farbwiedei gäbe erforderlichen Signale zu erhalten. Ersichtlich lassen sich daher die Bildung von Moire-Mustern verringern und Videosignale hoher Auflösung erzeugen, wenn einer Gruppe von phütoelektrischen Einrichtungen, die so angeordnet sind, daß die Information zwischen zwei Spalten kompensiert wird, komplementäre Farbfilterelemente zugeordnet sind, die in der Lage sind, eine Signaländerung zwischen benachbarten Bildelementen zu verringern.

In F 1 g. 2 ist beispielsweise eine Anordnung zur Kompensation der Information zwischen zwei Spalten veranschaulicht, die die Form komplementärer Filterelemente der Farben Cyan {Cy). Gelb (Ye) und Weiß (W) hat. Nimn.t man beispielsweise photoelektrische E'emente des MOS-Typs. so verhalten sich deren Empfindlichkeiten für Spektren der roten, grünen und blauen Primärfarben R. G und B wie R : G ·. ß=4 : 5 :1, so daß die Summe der hei gleichzeitigem Auslesen aus zwei Zeilen der photoleitenden Elemente erzeugten Signale der den Cy-. Ve-und W-Filierelementen 2Cy,2Keund 2iyzugeordneten photoelektrisc^en Elemente direkt zur Wiedergäbe eines Leuchtdichtesignals V = 0.32/? + 0.6C + 0.08B verwendet werden kann, was näherungsweise dem beim NTSC-System verwendeten Leuchtdichtesignal entspricht. Im einzelnen erzeugt dabei das W-Filterelement ein Signal 0.3/? + 0.3C + 0,3ß. dar. Ke-Filterelement ein Signal 0.3/? + 0,3C und das Cy-Filterelement ein Signal 0.3G + OJS. Die Kombination davon ergibt daher R : G : B = 0,6 : 0,9 : 0.6 = 2 : 3 : 2. Die Empfindlichkeiten des photoelektrischen Bauelements verhalten sich andererseits, wie oben dargelegt, wie /?:G:ß = 4:5:1. Das sich ergebende Verhältnisvon R : G:Sbeträgtdaher

2x-j^-:3x-j^-:2x-jlj- = 8:15:2 = 032:0,6:0,08.

Das von jeder Dreiergruppe aus drei Farbfüterelementen
\2W(\.\),2Cy{2.\),2Ye{22)\,

{2W(\.\),2Cy(\.2).2Ye(2.2)\. {2W(2.3).2Cy(\.2),2Ye(2.2)}...

tritt mit einer Periode einer halben Teilung zwischen horizontal benachbarten Bildelementen auf. Auf diese Weise lassen sich unter Verwendung einer geeignet gewählten Abtastfrequenz Videosignale hoher Auflösung erzielen.

Anstelle des Vy-Filterelements kann auch ein grünes (G-)Filtcrelcmcnt verwendet werden. In diesem Fall kann die Summe der beim gleichzeitigen Auslesen zweier Zeilen erzeugten Signale der den Cy-, Ye- und G-Filterelementcn zugeordneten photoelektrischen Elemente direkt zur Wiedergabe eines Lcuchtdichtesignals ro Y = 0,2/? + 0.75G + 0,055 verwendet werden, was ebenfalls näherungsweise dem im NTSC-System verwendeten Leuchtdichtesignal entspricht.

Im folgenden soll die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen erläutert werden.

F ι g. 2 zeigt ein Farbfilter zur Verwendung in dem hier beschriebenen Festkörper-Farbbildaufnahmesystem. Das Farbfilter ist generell mit 2 bezeichnet und weist kleinflächige Farbfilterelemente 2Cy. 2 Ye und 2 W für die Farben Cyan. Gelb und Weiß auf. Dabei ist jedes dieser drei Farbfilterelemente 2Cy 2Ye und 2lVden anderen beiden Elementen in zwei nebeneinanderliegenden Zeilen benachbart. Fig. 3 zeigt eine Anordnung von die Bildebene eines Festkörper-Bildaufnahniesystems aufbauenden photoelektrischen Einrichtungen 3, die jeweils den betreffenden Farbfilterelementen 2Cy. 2 Ye und 2 ^zugeordnet sind. Zur Erzeugung von Fernsehsignalen in zeitlicher Folge aus den photoelektrischen Einrichtungen 3 sind ferner eine Horizontalabtaststufe 4, eine Vertikalabtaststufe 5 und eine Verschachtelungs-Abtaststufe 6 vorgesehen. Diese Abtaststufen können herkömmlicher Bauart sein. In einigen Fällen ist die Verschachtelungs-Abtaststuie 6 nicht erforderlich.

In Fig. 3 sind die horizontalen Signalleitungen mit 21 und die vertikalen Signalleitungen mit 22 bezeichnet. Gemäß F ι g. 3 enthält jede photoelektrische Einrichtung 3 zwei mit MOS-Transistorschaltern 41 und 42 verbundene Photodioden 31 und 32. Diese Anordnung aus zwei Photodioden und zwei Schaltern wird im Hinblick auf eine geeignete Bestückung der vertikalen Signalleitung 22 verwendet. Im Prinzip kann die photoelektrische Einrichtung 3 auch aus einer Photodiode mit einem MOS-Transbtorschalter aufgebaut sein. Zum Ansteuern der photoelektrischen Einrichtung 3 und Übertragung der Ladungssipnale aus dieser sind die Gate-Elektroden der MOS-Transistorschalter 41 und 42 gemeinsam an die horizontalt Signalleitung 21 angeschlossen, während die Drain-Elektroden der Transistorschalter gemeinsam mit der vertikalen Signalleitung 22 verbunden sind. Zum Ansteuern zwei«.' nebeneinander verlaufender vertikaler Signalleitungen 22 und zur Übertragung der auf diese überführten Ladungssignale auf zwei Signalausgangsleitungen Sl und 52 dienen MOS-Transistorschalter 51 und 52. deren Gate-Elektroden gemeinsam an die Horizontal-Abtaststufe 4 angeschlossen sind. Da Aufbau und Arbeitsweise des in Fig. 3 gezeigten Bildsensors mit Ausnahme der speziellen Anordnung der photoelektrischen Einrichtung 3 (und somit auch der Farbfilterelemente) bekannt sind, wird auf eine weitere Erläuterung verzichtet Im Gegensatz zu den mit dem Farbstreifenfilter nach Fig. 1 erzeugten Spektren, die nur in der horizontalen Abtastrichtung intensiv sind, sind bei dem oben beschriebenen Aufbau des Farbfilters 2 die Spektren in nach rechts und iinks schräg verlaufenden Richtungen verstreut, so daß die Entstehung von Moire-Effekten unterdrückt und Bilder hoher Qualität erzeugt werden können.

In F ig.4 ist ein Beispiel einer Schaltung zur Verarbeitung der Videosignale von dem Festkörper-Bildsensor gezeigt. Wegen des gleichzeitigen Auslesens aus zwei Zeilen von photoelektrischen Einrichtungen entsprechen die von den photoelektrischen Einrichtungen über die Signal-Ausgangsleitungen Sl und S 2 abgenommenen Signalzuge nicht der räumlichen Anordnung der photoelektrischen Einrichtungen. Daher wird von den in Vorverstärkern 7 verstärkten Signalzügen Sl' und S2' das Signal S2' in einer Verzögerungsstufe 8 um ^l/2fcp verzogen, wobei fco die Taktimpulsfrequenz aus der Horizontal-Abtaststufe 4 ist. Daraus ergibt sich, daß die Kombination der so erhaltenen Signalzüge Sl' und S2" eine Anordnung aufweist, die der räumlichen Anordnung der photoelektrischen Einrichtungen 3 entspricht. Die einzelnen Signalzüge Sl' und S2" werden sodann Abtast-Torschaltungen 10 zur Auftrennung in Cyan-, Gelb- und Weiß-Signalen zugeführt. Mit 9 ist ein Impulsgenerator bezeichnet, der die Torschaltungen 10 mit Abtastimpulsen Pl bis P6 versorgt Die so aufgetrennten Cyan-. Gelb- und Weiß-Farbsignale aus den Torschaltungen 10 werden weiterhin zur Erzeugung von Chromiso nanzsignalen für die rote Farbe (R-W- Cy) und die blaue Farbe (B-W- Ye) Subtraktionsgliedern ⁴'*A zugeführt. Um das Leuchtdichtesignal Yzu erhalten, werden die Signalzüge Sl'und S2" einem Addiergüed 12 zugeführt und danach durch ein Tiefpaßfilter 13 geleitet Die an den verschiedenen Punkten der Schaltung nach F i g. 4 auftretenden impulsformen sind in F i g. 6 veranschaulicht.

In F i g. 5 ist ein weiteres Ausführungsbeispiel für eine Schaltung zur Verarbeitung der Fernsehsignale aus dem Festkörper-Bildsensor gezeigt. Dort werden die von den Vorverstärkern 7 abgegebenen Signale, von denen eines in dem Verzögerungsglied 8 verzögert wird, zur Auswahl der Frequenzkomponenten der I¹/-, Cy- und ye-Signale über Tiefpaßfilter 14 geleitet und sodann in drei Farbsignale Cyan, Gelb und Weiß in Detektoren 15 zur Synchrondemodulation mit den Phasen dieser Farbsignale aufgetrennt. Die so getrennten Signale werden Subtraktionsgliedern llö zur Erzeugung von Chrominanzsignalen der roten Farbe (R = W — Cy) und der blauen Farbe (B - W- Ye) zugeführt

Wird das W-Filierelement durch ein G-Filterelement ersetzt, so muß das Subtraktionsglied WA bzw. 115in den Ausführungsbeispielen nach Fig.4 und 5 die Subtraktion R= Ye-G bzw. B = Cy — C durchführen können, um das Chrominanzsignal für die rote bzw. die blaue Farbe zu erzeugen. In den obigen Ausführungsbeispielen werden zwar zwei Signalausgangsleitungen Sl und S 2 verwendet Zur Ableitung der Ye-. Cy- und

bi Vv'-Signaie bzw. der Ye-. Cy- und G-Signale können jedoch auch drei Signaiausgangsieitungen vorgesehen sein.

Hierzu 3 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Festkörper-Farbbildaufnahmesystem mit einer Anzahl von zweidimensional regelmäßig angeordneten photoelektrischen Einrichtungen (3), Horizontal- und Vertikal-Abtaststufen (4,5) zur Steuerung des sequentiellen Auslesens von die optische Bildinformation darstellenden Ladungssignalen aus den photoelektrischen Einrichtungen (3) auf eine Signalausgangseinrichtung (51, 52), und mit einem Farbfilter (2), welches drei Arten von Farbfilterelementen aufweist, denen jeweils eine photoelektrische Einrichtung zugeordnet ist, wobei die Farbfilterelemente in horizontalen Zeilen mit sich regelmäßig wiederholender Folge angeordnet sind und die Farbfilterelemente von einander benachbarten Zeilen so gegeneinander versetzt sind, daß die

ig FarbFiIterelemente gleicher Farbe voneinander maximalen Abstand haben, und wobei die photoelektrischen Einrichtungen (3) von einander benachbarten Zeilen gegeneinander um ihre halbe horizontale Gesamtbreite versetzt sind, dadurch gekennzeichnet, daß die drei Farbfilterelemente, die jeweils drei photoelektrischen Einrichtungen (3) zugeordnet und in zwei Zeilen aneinander angrenzend angeordnet sind, solche Spektraleigenschaften haben, daß jeweils ein erste- Fai brüterelement (2Cy) für cyanfarbenes Licht, ein zweites Farbfilterelement (2 Ye) für gelbes und ein drittes Farbfilterelement (2 W) für weißes oder für grünes Licht durchlässig ist.

2. Festkörper-Farbbildaufnahmesystem nach Anspruch 1. dadurch gekennzeichnet, daß die Ladungssigna-Ie der photoelektrischen Einrichtungen (3) in einer von zwei in Vertikalrichtung benachbarten Zeilen von photoelektrischen Einrichtungen sowie die Ladungssignale der photoelektrischen Einrichtungen in der jeweils anderen Zeile sequentiell und gleichzeitig auf eine erste und eine zweite Signalausgangsleitung (51.52) ausgelesen werden und daß die auf den beiden Signalausg&ngsieitungen (S i. S2) gleichzeitig ausgeiesenen Ladungssignale einer Signalverarbeitungsschaltung (9,10,1IA, 12,13; 14,15,11B, 12,13) zugeführt werden, die diese Signale zur Erzeugung eines Leuchtdichtesignals (Y) und zweier zur Farbwiedergabe erforderlicher Farbsignale (R, B) kombiniert, wobei die Ladungssignale auf der zweiten Signalausgangsleitung (52) der Signalverarbeitungsstufe über ein Verzögerungsglied (8) zugeführt werden, das die Ladungssignale um eine der halben horizontalen Teilung der photoelektrischen Einrichtungen (3) entsprechende AbU-stzeit verzögert.