DE3619708A1

DE3619708A1 - Farbbildaufnahmesystem

Info

Publication number: DE3619708A1
Application number: DE19863619708
Authority: DE
Inventors: Teruo Hachioji Tokio/Tokyo Eino
Original assignee: Olympus Optical Co Ltd
Current assignee: Olympus Corp
Priority date: 1985-06-13
Filing date: 1986-06-12
Publication date: 1986-12-18
Also published as: US4697208A; DE3619708C2

Description

Die Erfindung betrifft ein Farbbildaufnahmesystem und insbesondere ein Farbbildaufnahmesystem vom Ein-Röhrentyp, der ein Bildsensorelement auf Halbleiterbasis mit einem Mosaikfilter zur Trennung von Komplementärfarben verwendet, nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Beim Aufbau eines Farbabbildungssystems vom Ein-Röhrentyp mit einem Bildsensorelement auf Halbleiterbasis ist es notwendig, ein Mosaikfilter zur Trennung der Komplementärfarben vor die abbildende Oberfläche zu setzen. Dadurch wird das Ausgangssignal des Halbleiter-Bildsensorelementes in eine Mehrzahl von Farbkomponenten aufgespalten. Das Mosaikfilter besteht aus einer mosaikförmig angeordneten Gruppe von Bildelementen (Pixels) für einzelne Farbkomponenten. Das Mosaikfilter ist in ein primäres Farbfilter und ein komplementäres Farbfilter aufgeteilt. Das primäre Farbfilter ist auf der Grundlage einer Kombination der drei Primärfarben Rot (R), Grün

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(G), und Blau (B) aufgebaut. Das komplementäre Farbfilter basiert auf der Kombination der Komplementärfarben gelb (Ye; läßt R und G hindurchtreten) und Cyan (Cy; läßt B und G hindurchtreten) und weiß (W; läßt R, G und B hindurchtreten, d. h. es ist transparent) oder G. Das vorhergehende ist im Vergleich zum letztgenannten bezüglich Empfindlichkeit und Auflösungsvermögen schwächer. Dies liegt daran, das das Letztere eine hohe Lichtdurchlässigkeit hat.

J Die Farbbildaufnahmevorrichtung des Ein-Röhrentyps, die komplementäre Farbfilter verwendet, wird beschrieben von Sone et al. in "Color Image Pickup System Using the Single Plate Type CCD in Field Storage Mode", Journal of the Institute of Television Engineer of Japan, Bd. 37, Nr. 10 (1983).

Fig. 1 zeigt das Blockdiagramm dieses Farbbildaufnahmesystems vom Ein-Röhrentyp nach dem Stand der Technik. Der Feldspeichermodus ist ein Auslesemodus, in dem die Pixel-Informationen aus zwei horizontalen Zeilen des Filters als die Pixel-Information einer horizontalen Abtastzeile ausgelesen werden, und die zwei Zeilen werden, um eine Zeile vertikal verschoben, zwischen A (ungeraden) und B (geraden) Feldern dargestellt. Der Feldspeichermodus ist dem Teilbildspeichermodus insofern überlegen, als daß dieser weniger Nachbilder hat. Die Pixels des Farbtrennungsfilters sind so angeordnet, daß die Luminanzsignale in jedem Feld und jeder Zeile gleich sind und wenigstens die Informationen von zwei Arten von Farbkomponenten aus zwei horizontalen Zeilen erlangt werden können. Dies wird so bewerkstelligt, daß wenn zwei benachbarte, in vertikaler Richtung angeordnete Pixels als ein Pixel ausgelöst werden, keine Probleme entstehen. Zur Sicherung des Frequenzbandes des Luminenzsignales wird eine Pixel-Gruppe in einer horizontalen Zeile in jeder weiteren Reihe wiederholt. Folglich wird ein gemeinsames Farbtrennungs-Mosaik-

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filter als Farbtrennungsfilter verwendet.

Das Mosaikfilter ist aus einem Grundmuster von Pixeln aufgebaut, die sich vertikal und horizontal wiederholend angeordnet sind. Im Grundmuster sind Pixel für Cy, Ye, Magenta oder Fuchsin (Mg; läßt R und B hindurchtreten) und G in vier Zeilen und zwei Spalten, wie in Fig. 2 gezeigt, angeordnet.

Das optische Abbild eines aufzuzeichnenden Objektes, das von einer Abbildungslinse 6 erzeugt wird, fällt durch ein Farbmosaikfilter 8 auf die abbildende Oberfläche eines Halbleiter-Bildsensorelementes, wie z.B. ein CCD (charge covered device). Der Bildsignalausgang des CCD 10 wird an Tiefpassfilter (LPFs) 12 bzw. 14 und Bandpassfilter (BPF) 16 angelegt. Der Durchlaßbereich der Tiefpassfilter 12 und 14 reicht bis 3 bzw. 0,5 MHz. Die Mittenfrequenz des Bandpassfilters ist 3,58 MHz, seine Bandbreite näherungsweise 1 MHz.

Die Farbelemente des Farbtrennungsfilters sind wie in Fig. 2 gezeigt angeordnet. Folglich wird für jede horizontale Abtastzeile ein Luminanzsignal erzeugt, das die folgenden Farbkomponenten enthält:

(Cy + Ye) + (Mg +G) = (B + G + R + G) + (R + B + G) = 2R + 3G + 2B (1)

Die Tiefpassfilter 12 und 14 erzeugen ein breitbandiges Luminanzsignal Y und ein schmalbandiges Luminanzsignal

Y . Das Breitbandluminanzsignal Y wird über einen L H

( Y* )-Kompensationsschaltkreis 18 an einen Videoprozessor

20 zur Erzeugung des zusammengesetzten Videosignales angelegt. Das Ausgangssignal des Bandfilters 16 gelangt über einen Demodulator 22 und ein Tiefpassfilter 24 an den Eingang eines Addier/Substrahier-Schaltkreises 26. Der Demodulator 22 subtrahiert ein ungerade numeriertes Spal-

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tensignal von einem gerade numerierten und erzeugt alternierend Farbdifferenzsignale, wie unten angegeben. Die mit η bezeichnete Linie in Fig. 2 erzeugt ein Farbdifferenzsignal, welches gegeben ist durch:

(Cy + Mg) - (Ye + G) = (B + G + R + B) - (R + G + G) = 2B - G (2)

Die Linie n+1 erzeugt ein durch die folgende Formel gege— benes Farbdifferenzsignal:

(Ye + Mg) - (Cy + G) = (R + G + R + B) - (B + G + E) = 2R - G (3)

Das schmalbandige Luminanzsignal Y des Tiefpassfilters

L wird ebenfalls dem Addierer/Substrahierer 26 zugeführt.

Die für das zusammengesetzte Videosignal notwendigen Farbdifferenzsignale sind R-Y und B-Y. Der Addier/Subtrahier-Schaltkreis 26 multipliziert die Farbdifferenzsignale 2B-G und 2R-G, und die Schmalbandluminanzsignale Y mit

L geeigneten Koeffizienten und addiert bzw. subtrahiert dieseSignale zur Erzeugung der Farbdifferenzsignale R-Y und B-Y. Der Demodulator 22 erzeugt alternierend die Farbdifferenzsignale 2B-G und 2R-G bei jeder Abtastzeile.

Entsprechend erzeugt der Addierer/Substrahierer 26 ebenfalls alternierend die Farbdifferenzsignale B-Y und R-Y bei jeder Abtastzeile. Aus diesem Grund werden die Ausgangssignale der zwei Zeilen des Addier/Subtrahierschaltkreises 26 durch die Verwendung eines 1H-Verzögerungs-Schaltkreises 28 (eine horizontale Abtastperiode) und eines Zeilenauswahlschaltteiles 30 gemittelt. Das Farbdifferenzsignal jeder Zeile wird um eine 1H-Periode verzögert und zusammen mit dem Farbdifferenzsignal der nächsten Zeile vom Zeilenauswahlschaltkreis 30 ausgegeben.

Die von dem Zeilenauswahlschaltkreis 30 ausgegebenen Farbdifferenzsignale R-Y und B-Y werden zur Bildung eines

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Farbhilfsträgersignales in einem Modulator 32 (mit der Mittenfrequenz von 3_r58 MHz) moduliert.

Das Farbhilfsträgersignal wird an den Videoprozessor 20 angelegt. Der Videoprozessor 20 erzeugt unter Verwendung des Farbhilfsträgersignales, des Breitbandluminenzsignales Y ', erzeugt vom Gamma-Kompensationsschaltkreis 18, und

des Synchronisationssignales ein zusammengesetztes Videosignal.

In dem Farbbildaufnahmesystem nach dem Stand der Technik wird die Gamma-Kompensation nur für das Breitbandluminanzsignal Y ausgeführt. Da das Luminanzsignal stark mit dem G-Signal korreliert, kann man verstehen, daß die Gamma-Kompensation ausschließlich für die G-Komponente der R-, G- und B-Anteile durchgeführt wird. Aus diesem Grund ist das Farbbildaufnahmesystem mit nicht zufriedenstellender Farbreproduktion nicht in der Lage, die Farbkomponenten aller Farben wiederzugeben.

Das Farbfilter des komplementären Farbtyps, wie in Fig. 2 gezeigt, zeigt dieses Problem bei hellgrünem Licht.

Die Sättigungscharakteristik der Farbkomponenten Ye, Mg, Cy und G, die den komplementären Farbfilter bilden, sind, wie in Fig. 3A gezeigt, voneinander verschieden. Die Primärfarben des additiven Farbsystemes erhält man aus den AusgangsSignalen Ye, Mg, Cy und G der Sensor-Abbildungselemente mit dem Komplementärfarbfilter durch eine geeignete Operation. Zum Beispiel wird zur Erzeugung des R-Signales die folgende Gleichung (4) verwendet.

(Ye + Mg) - (Cy + G) = 2R - G (4)

Auflösung der obigen Gleichung ergibt:

Ye + Mg - Cy = 2R (5)

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Wie man aus Gleichung (5) erkennt, ist in dem Bereich, in dem alle Signalkomponenten von Ye, Mg, Cy und G nicht gesättigt sind, d.h. die Intensität des einfallenden Lichtes kleiner als Il ist, die Amplitude des Signales R proportional zn τ- einfallenden Lichtintensität, wie in Fig. 3B gezeigt. Wenn nur das Signal Ye gesättigt ist, verkleinert sich der Proportionalitätskoeffizient des R-Signales. Wenn das Mg-Signal in den Sättigungsbereich kommt, d.h. wenn die einfallende Lichtintensität 12 überschreitet, steigt nur die Komponente Cy, so daß das R-Signal, wie aus Gleichung (5) ersichtlich, sich verkleinert.

Wenn sich die Lichtintensität während der Abbildung desselben Objektes verändert, muß die primäre Farbkomponente, z.B. das R-Signal, proportional zur einfallenden Lichtintensität sein. Wenn jedoch, wie oben beschrieben, die einfallende Lichtintensität einen vorbestimmten Wert überschreitet, wird der proportionale Bereich verlassen, so daß das R-Signal kleiner bleibt als der geeignete Wert.

Aus diesem Grund sind die anderen Primärfarben intensiver, '"""' °~ was zur Folge hat, daß das reproduzierte Bild einen Grünstich hat. Anders ausgedrückt tritt dabei das sogenannte Heilgrün-Phänomen auf.

Zur Vermeidung dieses Phänomens wird die Differenz in der Sättigungscharakteristik der komplementären Farbkomponentensignale durch Verwendung von Verstärkern mit verschiedenen Verstärkungsfaktoren kompensiert. Ein Beispiel einer solchen angenäherten Kompensation nach dem Stand der Technik ist in Fig. 4 gezeigt. Wie zu sehen ist,wird das Ausgangssignal der CCD 10 selektiv an einen von Verstärkern 36a bis 36d vom Sättigungstyp mit verschiedenen Sättigungsgrenzen über einen Multiplexer 34 angelegt. Die CCD 10 ist mit einem Komplementär-Farbfilter des oben erwähnten Typs versehen, und verwendet die vier Farben Ye, Mg, Cy und G. Wie bekannt ist, geht ein Verstärker vom Sättigungstyp mit seinem Ausgangssignal in die Sättigung, wenn

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sein Eingangssignal einen vorbestimmten Wert überschreitet. Der Multiplexer 34 wird bei jedem Pixel geschaltet, so daß die Pixelsignale der Farbkomponenten Ye, Mg, Cy und G entsprechend an ihre Sättigungs-Verstärker 36a bis 36d gelangen. Die Eingangs/Ausgangs-Charakteristik der Verstärker 36a bis 36d für die Farbkomponenten Ye, Mg, Cy und G ist in Fig. 5 gezeigt. Wie in Fig. 3A gezeigt, ist das Ye-Signal von allen Farbkomponenten Ye, Mg, Cy und G für die geringste Intensität einfallendes Lichtes gesättigt.

Da die Sättigungsverstärker 36a bis 36d verschiedene Eingangs/Ausgangs-Charakteristiken haben, laufen die verbleibenden drei Komponenten Mg, Cy und G gleichzeitig in die Sättigung, wenn das Ye-Signal gesättigt ist. Mit anderen Worten sind die einfallenden Lichtintensitäten, bei denen die Ausgangssignale der Verstärker 36a bis 36d der verschiedenen Farbkomponenten gesättigt werden, dieselben. Die Ausgangssignale der Verstärker 36a bis 36d werden über einen Multiplexer 38 an die Tiefpässe 12 und 14 und den Bandpassfilter 16 angelegt. Die Multiplexer 34 und 38 sind synchron miteinander verkoppelt.

Für diese Vorrichtung zur Kompensation der Sättigungsdifferenz müssen teure und qualitativ hochwertige Multiplexer verwendet werden, da sie bei einer hohen Geschwindigkeit arbeiten müssen. Weiterhin wird der Verstärker für jede Farbkomponente verwendet, was komplexe Schaltungen zur Folge hat.

Für den Kamerakopf sind geringe Abmessungen erforderlich.

Dies ist besonders bei Farbbildaufnahmevorrichtungen für medizinische Instrumente wie elektronische Endoskope erforderlich. Um diese Forderungen zu erfüllen, sind z.B. der Kamerakopf mit der CCD und das Kamerasteuergerät zur Verarbeitung der aufgenommenen Bildsignale getrennt ausgeführt. Nichtsdestoweniger ist die Verringerung der Abmessungen nicht zufriedenstellend, da sich das Treiber-IC für die CCD, zusammen mit der CCD im Kamerakopf befindet.'

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Dieses IC ist ebenfalls z.B. in einem 8-pin DIP-Gehäuse enthalten, da es relativ viel Wärme entwickelt. Normalerweise ist es notwendig, ein Viel-Phasen-Treibersignal (nicht weniger als drei Phasen) an die CCD anzulegen, so daß mindestens drei ICs erforderlich sind. Dies hat eine gewisse Mindestgröße des Kamerakopfes zur Folge. Zusätzlich wird, falls die Wärme des IC zu der CCD gelangt, der Dunkelstrom der CCD vergrößert, was ein Rauschen zur Folge hat. Aus diesem Grunde muß das Treiber-IC von der CCD getrennt werden. Diese Tatsache hat ebenfalls eine gewisse Mindestgröße des Kamerakopfes zur Folge.

λ Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Farbbild- A ufnahmevorrichtung vom Ein-Röhrentyp nach dem Oberbegriff des Anspruches 1 zu schaffen, die ein Bildsensorelement auf Halbleiterbasis mit einem Komplementär-Farbtrennungsfilter verwendet, die die Gamma-Kompensation für alle Farbkomponenten gleich ausführen kann, und die die Farben originalgetreu wiedergibt.

Die Lösung dieser Aufgabe erfolgt durch die kennzeichnenden Merkmale des Anspruches 1.

Erfindungsgemäß wird eine Farbbildaufnahmeröhre geschaffen, die ein Bildsensorelement auf Halbleiterbasis mit einem Komplementär-Farbmosaikfilter enthält, einen Extraktionsschaltkreis zur Extraktion von Luminanzsignalen und ein erstes Farbdifferenzsignal aus dem Ausgangssignal des Halbleiter-Bildsensorelementes, sowie einen ersten Kompensationsschaltkreis zur Kompensation der Gamma-Charakteristik des Ausgangs-Luminanzsignales aus dem Extraktionsschaltkreis, einen ersten Addierer/Subtrahierer zur Erzeugung eines ersten Farbsignales auf der Basis des Ausgangs— Luminanzsignales des Extraktionsschaltkreises und des ersten Farbdxfferenzsignales, einen zweiten Kompensationsschaltkreis zur Kompensation der Gamma-Charakteristik des ersten Farbsignales, und einen zweiten Addierer/Subtra-

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hierer zur Erzeugung eines zweiten Farbdifferenzsignales auf der Basis des Ausgangs-Luminanzsignales des ersten Kompensationsschaltkreises und des ersten Farbsignales, ausgegeben vom zweiten Kompensationsschaltkreis enthält.

Erfindungsgemäß wird weiterhin eine Farbbildaufnahmevorrichtung geschaffen, die mit einer einfachen Konstruktion den Hellgrüneffekt vermeidet.

Schließlich wird eine Farbbildaufnahmevorrichtung von geringer Größe geschaffen, wobei der Kamerakopf und die Kamer asteuerung getrennt untergebracht sind.

Weitere Einzelheiten, Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung mehrere Ausfuhrungsformen anhand der Zeichnung.

Es zeigt:
20

Fig. 1 das Blockdiagramm einer Farbbildaufnahmevorrichtung vom Ein-Röhrentyp nach dem Stand der Technik unter Verwendung eines Komplementär-Farb-Trennungsfilters;
25

Fig. 2 eine schematische Darstellung des Farb-Trennungsfilters der Fig. 1;

Fig. 3A und 3B Diagramme zur Erklärung des Hellgrün-Phänomens, das ein Nachteil des Standes der Technik

ist;

Fig. 4 das Blockschaltbild eines Schaltkreises zur Vermeidung des Hellgrün-Phänomens nach dem Stand der Technik;

Fig. 5 ein Diagramm der Charakteristik eines in Fig. 4

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gezeigten Sättigungsverstärkers;

Fig. 6 das Blockschaltbild einer ersten Ausführungsform einer Farbbildaufnahmevorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung;

Fig. 7 die Signalform des zusammengesetzten Videosignales zur Erklärung des Effektes der Weißpegel-Impulsbegrenzung, wie sie in der ersten Auführungsform durchgeführt wird;

Fig. 8 das Blockschaltbild einer zweiten Ausführungsform einer Farbbildaufnahmevorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung;
15

Fig. 9 das Blockschaltbild einer dritten Ausführungsform einer Farbbildaufnahmevorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung;

Fig.10 das Prinzipschaltbild eines Signal-Kompensationsschaltkreises der dritten Ausführungsform;

Fig. HA bis HC Signalverläufe zur Verdeutlichung der Arbeitsweise des Signal-Kompensationsschaltkreises der Fig. 10;

Fig. 12 das Blockschaltbild einer vierten Ausführungsform einer Farbbildaufnahmevorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung;
30

Fig. 13 das Blockschaltbild einer fünften Ausführungsform einer Farbbildaufnahmevorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung; und

Fig. 14 das Blockschaltbild einer sechsten Ausführungsform einer Farbbildaufnahmevorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung.

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Fig. 6 zeigt das Blockschaltbild einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Zur Vereinfachung werden in allen Zeichnungen gleiche Bezugszeichen zur Kennzeichnung gleicher oder ähnlicher Teile verwendet. Das optische Abbild eines beobachteten Objektes fällt so, wie es durch eine Bildaufnahmelinse 6 kommt, durch ein Farbmosaikfilter auf die Sensorfläche einer CCD 10. Das Ausgangssignal der CCD 10 wird Tiefpässen 12 und 14 sowie einem Bandpassfilter 16 zugeführt.
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Die Tiefpässe 12 und 14 erzeugen ein Breitband-Luminanzsignal Y und ein Schmalband-Luminanzsignal Y . Diese Si-

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gnale Y und Y können durch 2R + 3G + 2B ausgedrückt wer-

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den. Das vom Tiefpassfilter 12 abgegebene Breitband-Lumi-

nanzsignal Y wird über einen Gamma-(V)-Kompensations-

schaltkreis 18 einem Addierer 56 zugeführt. Das Ausgangssignal des Bandpassfilters 16 gelangt über einen Demodulator 22 und ein Tiefpassfilter 24 zum Eingang eines Addier /Subtrahierschaltkreises 40. Der Demodulator 22 erzeugt abwechselnd bei jeder Abtastzeile Farbdifferenzsignale 2R-G und 2B-G. Das vom Tiefpassfilter 14 abgegebene Schmalband-Luminanzsignal Y wird ebenfalls dem Addier/ Subtrahierschaltkreis 40 zugeführt. Der Addierer/Subtrahierer 40 multipliziert die Farbdifferenzsignale 2R-G und 2B-G sowie das Schmalband-Luminanzsignal Y mit einem

L Koeffizienten, der sich von demjenigen bei einer Vorrxchtung nach dem Stand der Technik unterscheidet, und erzeugt Farbsignale R und B, und nicht die Farbdifferenzsignale.

In der Sichtbarkeitscharakteristik ist die Größe der Luminanz stark mit der von Grün korreliert. Das Transmissionsvermögen des Farbtrennungs-Mosaikfilters für jede Farbkomponente, das mit der CCD verwendet wird, wird unter Berücksichtigung der obigen Korrektur ausgewählt. Deshalb ist das Luminanzsignal Y stark mit dem Grün-Signal G korreliert. Aufgrund dieser Tatsache kann man näherungsweise rote und blaue Signale erhalten. Um dies zu erreichen,

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wird das Luminanzsignal Y anstatt des Grün-Signales G im

L
Addierer/Subtrahierer 40 verwendet, und der Term G wird aus zwei 2R-G und 2B-G eliminiert.

Jedoch erzeugt der Demodulator 22 abwechselnd Farbdifferenzsignale 2R-G und 2B-G für jede Zeile. Demgemäß enthält das Farbausgangssignal des Addier/SubtrahierSchaltkreises 40 abwechselnd die Signale R und B für jede Zeile. Deshalb ist es notwendig, das Ausgangssignal durch den 1H-Verzögerungsschaltkreis 42 um eine Zeile zu verzögern und das verzögerte und nicht verzögerte Signal getrennt von einem Leitungstrennungsschaltkreis 44 auszugeben. Die von dem Leitungstrennungsschaltkreis 44 ausgegebenen Farbsignale R und B werden über Gamma-Kompensationsschaltkreise 46 und 48 Addier/Subtrahierschaltkreisen 50 und 52 zugeführt. Das von dem Tiefpassfilter 14 abgegebene Schmalbandsignal Y

L wird ebenfalls den Addier/Subtrahierschaltkreisen 50 und 52 über einen Gamma-Kompensationsschaltkreis 54 zugeführt. Die Addier/Subtrahierschaltkreise 50 und 52 subtrahieren die Schmalband-Luminanzsignale Y ' von den Gamma-kompen-

sierten Farbsignalen R und B, wodurch Farbdifferenzsignale R-Y und B-Y entstehen. Diese Farbdifferenzsignale werden von einem Modulator 32 (Mittenfrequenz bei 3,58 MHz) moduliert, wodurch ein Farbhilfsträgersignal entsteht. 25

Das Farbhilfsträgersignal wird mit Hilfe eines Addierers 56' zu dem von einem Gamma-Kompensationsschaltkreis 18 ausgegebenen Breitband-Luminanzsignal Y ' addiert. Das

H Ausgangssignal des Addierers 56 wird über einen Weißpegelbegrenzungsschaltkreis 58 einem Addierer 60 zugeführt, wo es zu einem Synchronisationssignal addiert wird und dadurch das zusammengesetzte Videosignal entsteht.

Wie oben beschrieben, erzeugt gemäß der ersten Ausführungsform der Erfindung der Addierer/Subtrahierer 40, der arithmetisch die vom Demodulator 22 erhaltenen Farbdifferenzsignal 2R-G und 2B-G und das Schmalband-Luminanzsignal

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Y verabeitet, keine Farbdifferenzsignale R-Y und B-Y,

sondern, im Gegensatz zu einem konventionellen Schaltkreis, Farbsignale (primäre Farbsignale) R und B. Diese Farbsignale R und B werden den Gamma-Kompensationsschaltkreisen 46 bzw. 48 zugeführt. Die von den Tiefpassfiltern 12 bzw. 14 ausgefilterten Luminanzsignale Y und Y werden

H L ebenfalls den Gamma-Kompensationsschaltkreisen 18 bzw. 54 zugeführt. Aus solchen Gamma-kompensierten Farbsignalen R und B und den LuminanzSignalen erhält man die Farbdifferenzsignale R-Y und B-Y. Da die Gamma-Kompensation für alle der Farbkomponenten R, G und B durchgeführt wird, erfolgt eine zuverlässige Farbreproduktion. In dieser Hinsicht ist eine originalgetreue Farbwiedergabe sichergestellt.

Das zusammengesetzte Videosignal (das Ausgangssignal des Addierers 56), das durch Addition des Luminanzsignales und des Farbhilfsträgers entstanden ist, wird in dem Weißpegelbegrenzungsschaltkreis 58 amplitudenbegrenzt. Selbst wenn das Signal jeder Farbkomponente als Folge ansteigender Lichtintensität gesättigt ist, besteht deshalb nicht die Gefahr, daß nur grüne Lichtanteile übrig bleiben. Somit wird das Heilgrün-Phänomen erfolgreich beseitigt. Es ist deshalb im Gegensatz zu einer Vorrichtung nach dem Stand der Technik nicht notwendig, Sättigungsverstärker vorzusehen, deren Verstärkungsfaktor für die Farbkomponenten verschieden sind. Weiterhin ist ein Hochgeschwindigkeitsmultiplexer, der bei jedem Pixel geschaltet wird, überflüssig. Das Ergebnis ist, daß der Schaltkreisaufbau einfach ist und die Herstellungskosten gering bleiben.

In dieser Ausführungsform ist nicht nur das Luminanzsignal, sondern auch der Farbhilfsträger amplitudenbegrenzt. Insgesamt gesehen wird das Bildsignal nur in seiner Amplitude begrenzt und bleibt dabei weiß, ohne jede überbetonung einer bestimmten Farbe.

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Ein Beispiel eines zusammengesetzten Videosignales ist in Fig. 7 gezeigt. In der Figur ist der Farbhilfsträger der durch eine durchgezogene Linie gezeigte Wellenteil, wobei das Luminanzsignal, wie durch die gestrichelte Linie angezeigt, ansteigt. Wenn die einfallende Lichtintensität ansteigt und der Pegel des Luminanzsignales sich an den Sättigungspegel annähert (bei dem das Signal Ye in Fig. 3A gesättigt ist), verringert sich die Amplitude des Farbhilf strägers stufenweise, so daß schließlich das Luminanzsignal allein übrig bleibt. Diese Tatsache hat zur Folge, daß mit ansteigender Intensität des einfallenden Lichtes die Farben sich allmählich ins Weiße verändern. Auf dem Bildschirm erscheint ein natürliches Farbbild ohne unnatürlich konturierten Linien in den hell erleuchteten Teilen.

Fig. 8 zeigt das Blockschaltbild einer zweiten Ausführungsform einer Farbbildaufnahmevorrichtung gemäß dieser Erfindung. Die Pixelgruppe des Mosaikfilters für die Farbtrennung ist in dieser Ausführungsform im Gegensatz zu der in der ersten Ausführungsform aus W, Ye und Cy aufgebaut. Die Ausgangssignale W, Ye und Cy einer CCD 70 werden einem Demodulator 72 zugeführt. Der Demodulator 72 erzeugt ein Luminanzsignal Y, sowie Farbsignale R und B aufgrund der Eingangssignale W, Ye und Cy. Die Ausgangssignale Y, R und B des Demodulators 72 werden Gamma-Kompensationsschaltkreisen 74a, 74b und 74c zugeführt. Die Ausgangssignale der Gamma-Kompensationsschaltkreise 74a, 74b und 74c gelangen zu Subtrahierern 76 und 78, wobei Farbdifferenzsignale R-Y und B-Y entstehen. Diese Farbdifferenzsignale werden einem Modulator 82 zugeleitet, der wiederum einen Farbhilfsträger bei 3,58 MHz erzeugt. Das Luminanzsignal Y des Gamma-Kompensationsschaltkreises 74a wird in einem Addierer 80 zu dem Farbhilfsträger addiert. Das Ausgangssignal des Addierer 80 wird einem Weißpegelbegrenzungsschaltkreis 84 zur Begrenzung seiner Amplitude zugeführt. Das Ausgangssignal des Weißpegelbegrenzungsschaltkreises

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84 wird in einem Addierer 86 zur Erzeugung eines zusammengesetzten Videosignales zu einem Synchronisationssignal addiert.

Eine dritte Ausführungsform dieser Erfindung wird mit Bezug auf Fig. 9 beschrieben. Diese Ausfuhrungsform ist in einem Kamerakopf 110 untergebracht, von einem Kamerasteuergerät 112 getrennt und durch ein Kabel 114 mit diesem verbunden. Der Kamerakopf 110 enthält eine Bildaufnahmelinse 116 und Bildsensorelemente auf Halbleiterbasis, oder einer CCD 118. Die CCD 118 ist mit einem Mosaikfilter des oben erwähnten Komplementärfarbentyps versehen. Das Ausgangssignal der CCD 118 gelangt zur Basis eines Transistors 120, der als Pufferverstärker dient. Der Kollektor des Transistors 120 ist über einen Kondensator 122 mit Masse verbunden. Der Emitter des Transistors ist ebenfalls über einen Widerstand 124 mit Masse verbunden. Bei Anlegen der Versorgungsspannung an den Kollektor liefert der Transistor 120 an seinem Emitter ein Ausgangssignal.

In dem Kamerasteuergerät 112 sind Pulstreibergeneratoren 134, CCD-Treiber-ICs 128, 130 und 132 aus Verstärkern 126a bis 126f, Wellenform-Kompensationsschaltkreise 146a bis 146f, ein Videoprozessor 136 (die Schaltkreisanordnung folgt dem Ausgangsanschluß der CCD 10 in Fig. 6) und ein Versorgungsspannungsschaltkreis 138 enthalten. Ein Treiber-IC ist nur als Beispiel aus zwei Verstärkern aufgebaut. Der Pulstreibergenerator 134 erzeugt Treiberpulse mit vorbestimmter Phase zum Betrieb der CCD. Der Treiberpuls basiert auf TTL-Pegel. Die Treiberpulse werden durch die Verstärker 126a bis 126f auf einen vorbestimmten Spannungspegel verstärkt (z.B. 12 Vp-p), waszum Betrieb der CCD 118 ausreicht. Die in diesem Beispiel verwendete CCD erfordert drei Treiberpulse, von denen jeder ein Zweiphasen-Treibersystem ist. Der Pulstreibergenerator 134 erzeugt sechs Treiberpulse, die wiederum über die Verstärker 126a bis 126f, die Wellenform-Kompensations-

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Schaltkreise 146a bis 146f und abgeschirmte Leitungen 140a bis 140f zu der CCD 118 in dem Kamerakopf 110 gelangen. Die Abschirmungen der abgeschirmten Leitungen 140a bis 14Of sind innerhalb des Kamerakopfes 110 sowie des Kamera-Steuergerätes 112 mit Masse verbunden.

Der Spannungsversorgungsschaltkreis 138 versorgt die Treiber ICs 128, 130 und 132, die CCD 118 und den Kollektor des Transistors 120 mit einer stabilisierten Gleich-Spannung. Die Spannungen werden über normale, nicht abgeschirmte Leitungen geführt.

Das Bildaufnahmesignal wird über eine abgeschirmte Leitung 142 vom Emitter des Transistors 120 zum Videoprozessor in dem Kamerasteuergerät 112 geführt. Der äußere Leiter der abgeschirmten Leitung 142 ist innerhalb des Kamerakopfes 110 und des Kamerasteuergerätes 112 mit Masse verbunden. Die abgeschirmten Leitungen 140a bis 14Of und 142 bilden ein Kabel 114.

Es ist unvermeidlich, daß die Treiberpulse der Verstärker 126a bis 126f in ihrer Pulsform während der Übertragung zur CCD 118 über die abgeschirmten Leitungen 140a bis 14Of deformiert werden. Um dieser Impulsverzerrung entgegenzuwirken, verformen die Kompensationsschaltkreise 146a bis 146f die Impulsform der Treiberpulse entgegengesetzt, so daß sich diese mit der Verzerrung durch das Kabel 114 während der Übertragung zur CCD 118 aufhebt.

Ein Beispiel eines solchen Wellenform-Kompensationsschaltkreises 146a ist in Fig. 10 gezeigt. Der Ausgang des Verstärkers 126a ist über einen seriell verbundenen Kondensator 150 und einen Widerstand 152 mit der abgeschirmten Leitung 140a verbunden. Ein Kondensator 154 ist parallel zu dem Widerstand 152 geschaltet. Eine Treiberspannung wird über ein Potentiometer 158 und einen Widerstand 156 dem Knotenpunkt zwischen dem Kondensator 150 und

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dem Widerstand 152 zugeführt. Das Potentiometer 158 liegt zwischen dem Spannungsversorgungsanschluß +V und Masse.

Die Impulsform-Kompensationsschaltkreise 146a bis 146f verändern den rechteckförmigen Eingangs-Treiberpuls, wie in Fig. HA gezeigt, in der in Fig. HB gezeigten Art und Weise. Der Treiberpuls der Fig. HB wird über die abgeschirmten Leitungen 140a bis 14Of zu der CCD 118 übertragen. Wie oben beschrieben, wird die Impulsform der Treiberpulse während der Übertragung verzerrt. Deshalb wird die ursprüngliche Impulsform der Treiberpulse, nämlich Rechteckform wie in Fig. HC gezeigt, wiederhergestellt, während er über das Kabel 114 zur CCD 118 übertragen wird. Die wiederhergestellte Impulsform des Treiberpulses hat dieselbe Impulsform wie ursprünglich, lediglich die Amplitude ist etwas geringer. Zur Kompensation dieses Amplitudenabfalles werden nur diejenigen Pulssignale vom Pulstreibergenerator 134 den Impulsform-Kompensationsschaltkreisen 146a bis 146f zugeführt, deren Spannungspe- gel größer ist, als derjenige, der der CCD 118 zugeführt werden muß. Das Potentiometer 158 stellt den Gleichspannungspegel der Treiberpulse so ein, daß der "Null"-Pegel des Signales, wie in den Fig. HA bis HC durch gestrichelte Linien angedeutet, bei 0 V liegt.

Wie aus dem Vorhergehenden ersichtlich wird, sind in der dritten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung die Treiber-ICs 128, 130 und 132 zur Verstärkung der Treiberpulse der vorbestimmten Phase auf eine vorbestimmte Amplitude in dem Kamerasteuergerät 112 und nicht im Kamerakopf 110 untergebracht. Durch diese Maßnahme werden die Abmessungen des Kamerakopfes HO verringert. Weiterhin ist es möglich, das Ansteigen des Dunkelstroms der CCD 118 zu vermeiden, der proportional zu der von den Treiber-ICs 128, 130 und 132 abgegebenen Wärme ist. Weiterhin sind in der dritten Ausführungsform die Impulsverzerrungs-Kompensationsschaltkreise 146a bis 146f in den Übertragungsweg

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der Treiberpulse zu dem Kamerakopf 110 gelegt, um von vorneherein die Impulsverzerrung der Treiberpulse zu kompensieren, die auf dem Übertragungsweg von den Treiber-ICs zum Kamerakopf 110 auftreten. Diese Vorkehrung erlaubt es, den Kamerakopf 110 getrennt vom Kamerasteuergerät 112 in genügender Entfernung aufzustellen. Deshalb ist die Bildaufnahme vor richtung gemäß der dritten Ausfuhrungsform sehr gut für Endoskope geeignet, z.B. zur Untersuchung des menschlichen Körpers, oder im industriellen Bereich zur Beobachtung eines Hohlkörpers.

Eine vierte Ausführungsform einer Bildaufnahmevorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung ist in Fig. 12 gezeigt. In dieser Ausführungsform ist das Kabel 114 mit dem Kamerasteuergerät 112 nicht direkt, sondern über ein Verbindungsteil 160 (Zwischenadapter) verbunden. In diesem Fall können die Impulsverzerrungs-Kompensationsschaltkreise 146a bis 146f innerhalb des Verbindungsteils 160, anstatt innerhalb des Kamerasteuergerätes 112 untergebracht.werden.

Wie in einer fünften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung in Fig. 13 gezeigt, können auch die Verstärker 126a bis 126f, die das CCD-Treiber-IC bilden, und die Impulsverzerrungs-Kompensatoren 146a bis 146f innerhalb des Verbindungsteils 160 untergebracht werden. Zusätzlich können die Impulsverzerrungs-Kompensationsschaltkreise 146a bis 146f oder sowohl diese als auch die Verstärker 126a bis 126f in dem Kabel 114 untergebracht werden.

Eine sechste Ausführungsform der Erfindung ist in Fig. 14 gezeigt. Der Zweck dieser Ausführungsform als Modifikation und Verbesserung der dritten Ausführungsform ist es, die Anzahl der in dem Kabel 114 enthaltenen Signalleitungen zwischen Kamerakopf 110 und Kamerasteuergerät 112 zu verringern.

12.06.1986 KW&P: 16QI, 02 85.3-OJ.

Die dritte Ausführungsform benötigte insgesamt 10 Signalleitungen : 6 Signalleitungen für die Übertragung der Treiberpulse, 3 Signalleitungen für die Versorgungsspannung und eine Signalleitung für die Übertragung des BiIdaufnähmesignales. In der sechsten Ausführungsform werden die Außenleiter von drei abgeschirmten Kabeln zur Übertragung der Spannungsversorgung für die CCD 118 und den Transistor 120 verwendet. In diesem Beispiel wird die Versorgungs-Gleichspannung für die CCD 118 dem Kamerakopf 110 über die Außenleiter der abgeschirmten Leitungen 14Oe und 14Of zugeführt. Die stabilisierte Spannungsversorgung für den Kollektor des Transistors 120 wird über den Außenleiter der abgeschirmten Leitung 142 für die Übertragung des Bildaufnahmesignales dem Kamerakopf 110 zugeführt. Die Außenleiter der abgeschirmten Leitung 14Oe und 14Of sind innerhalb des Kamerakopfes 110 über Kondensatoren 164 und 166 mit Masse verbunden. Diese Kondensatoren stellen eine Wechselspannungsverbindung zwischen den abgeschirmten Leitungen 14Oe und 14Of und Masse her. Der Außenleiter der abgeschirmten Leitung 142 ist ebenfalls innerhalb des Kamerakopfes 110, zusammen mit dem Kollektor des Transistors 120 über einen Kondensator 122 mit Masse verbunden.

Die sechste Ausführungsform ist somit gegenüber der dritten Ausführungsform dazu geeignet, die Anzahl der Signalleitungen des den Kamerkopf 110 und das Kamerasteuergerät 112 verbindenden Kabels 114 zu reduzieren.

Es ist selbstverständlich, daß diese Erfindung innerhalb ihres Anwendungsbereiches verschiedentlich geändert und modifiziert werden kann. Zum Beispiel müssen die Bildsensor-Elemente auf Halbleiterbasis nicht CCD-Elemente sein. Ebenso kann eine Pixelgruppe des Mosaikfilters zur Farbtrennung geeignet modifiziert werden. Das System zum Auslösen der von der Bildsensorvorrichtung auf Halbleiterbasis gelieferten Signale ist nicht auf das oben erwähnte, d.h. den Feldspeichermodus begrenzt.

12.06-JL986 KW&P:_-16GLO2e53-.Ol ..

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Wie oben beschrieben, kann das Bildaufnahmesystem vom Ein-Röhrentyp, das ein Bildaufnahmeelement auf Halbleiterbasis mit einem Komplementär-Farb-Trennungsfilter verwendet, die Gammakompensation für alle Farbkomponenten gleich durchführen. Die Vorrichtung kann Farben naturgetreu reproduzieren. Mit einer einfachen Maßnahme kann das Hellgrün-Phänomen vermieden werden. Weiterhin sind der Kamerakopf und das Kamerasteuergerät voneinander getrennt, wodurch die Abmessungen des Kamerakopfes klein gehalten werden.

Claims

Patentansprüche

1. Farbbildaufnahmevorrichtung mit:

einem Bildsensorelement (10) auf Halbleiterbasis mit einem Komplementär-Farb-Mosaikfilter (8); sowie Vorrichtungen zur Signalverarbeitung zur Extraktion eines Luminanzsignales (Y , Y ) und zweier Farbdif-

H L
ferenzsignale (R-Y, B-Y) aus dem Ausgangssignal des Bildsensorelementes (10) auf Halbleiterbasis, dadurch gekennzeichnet, daß die signalverarbeitenden Vorrichtungen folgende Teile aufweisen:

Vorrichtungen (12, 14; 16, 22, 24) zur Extraktion eines Luminanzsignales (Y , Y ) und eines ersten

HL

Farbdifferenzsignales (2R-G, 2B-G) aus dem Ausgangssignal des Bildsensorelementes (10) auf Halbleiterbasis;

erste Kompensationsvorrichtungen (18, 54) zur Korn-

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2 361970S

pensation des Ausgangsluminanzsignales (Y , Y ) der

H L

Extraktionsvorrichtungen (12, 14) mit einer Gammachar akteristik ;

Vorrichtungen (40) zur Erzeugung eines ersten Farbsignales (R/ B) auf der Grundlage des Ausgangs-Luminanzsignales (Y ) und des ersten Farbdifferenzsigna-

les (2R-G, 2B-G), die von den Extraktionsvorrichtungen (12, 14; 16, 22, 24) ausgegeben wurden; 10

zweite Kompensationsvorrichtungen (46, 48) zur Kompensation der ersten Farbsignale (R, B) mit einer Gammacharakteristik; und

Vorrichtungen (50, 52) zur Erzeugung eines zweiten Farbdifferenzsignales (R-Y, B-Y) auf der Grundlage des von den ersten Kompensationsvorrichtungen (18,

54) ausgebenenen Luminanzsignales (Y , Y ) und des

H L von den zweiten Kompensationsvorrichtungen (46, 48)

ausgegebenen ersten Farbsignales (R, B).

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Bildsensorelement (10) auf Halbleiterbasis ein Farb-Mosaikfilter (8) enthält, das wiederum Gruppen von zwei Spalten mal vier Reihen von gepaarten Pixeln (Cy, Ye), (Mg, G), (Ye, Cy) und (Mg, G) aufweist.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch: 30

Modulationsvorrichtungen (32) zur Erzeugung eines Farbhilfsträgers auf der Basis des Ausgangssignales der das zweite Farbdifferenzsignal erzeugenden Vorrichtungen (50, 52);
35

Vorrichtungen (56) zur Addition des von den Modulationsvorrichtungen (32) abgegebenenFarbhilfsträgers

und des von den ersten Kompensationsvorrichtungen (18, 54) abgegebenen Luminanzsignales (Y ' , Y¹ );

H Xi

Weißpegelbegrenzungsvorrichtungen (58) zur Begrenzung der Amplitude des von der Addiervorrichtung (56) ausgegebenen Signales; und

Vorrichtungen (60) zur Addition eines Synchronisationssignales zur den von der Weißpegelbegrenzungsvorrichtung (58) abgegebenen Signale, um ein zusammengesetztes Videosignal zu erzeugen.

4. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Extraktionsvorrichtungen ein erstes Tiefpaßfilter (12) zur Extraktion eines Breitbandluminanzsignales, sowie ein zweites Tiefpaßfilter (14) zur Extraktion eines Schmalbandluminanzsxgnales und ein Bandpaßfilter (16) zur Extraktion des ersten Farbdifferenzsignales (2R-G, 2B-G) aufweisen.

5. Vorrichtung nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch:

einen Kamerakopf (110), der mit Bildsensorelementen (118) auf Halbleiterbasis versehen ist;

eine Steuereinheit (112) mit Vorrichtungen (134) zur Erzeugung von Treiberpulsen mit vorbestimmter Phase zum Treiben der Bildsensorelemente (118) auf Halbleiterbasis, mit Verstärkungsvorrichtungen (126a bis 126f) zur Verstärkung der Treiberpulse von den Erzeugungsvorrichtungen (134), um einen Treiberpuls mit vorbestimmter Amplitude zu erzeugen, die zum Treiben der Bildsensorelemente (118) auf Halbleiterbasis notwendig ist, und mit Vorrichtungen (146a bis 146f) zur Kompensation der Impulsform der Treiberpulse von den Verstärkungsvorrichtungen (126a bis 126f) in der Weise, daß die durch die übertragung der Treiberpulse

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3519703

verursachte Verzerrung vorher kompensiert wird und zur Übertragung der verzerrten Treiberpulse zu dem Bildsensorelement (118) auf Halbleiterbasis; und

Kabel (140) zur Verbindung des Kamerakopfes (110) und der Steuereinheit (112).

6. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Kompensationsvorrichtungen (146a bis 146f) für die Impulsform differenzierende Glieder enthalten.

7. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet/ daß das Kabel (140) abgeschirmte Leitungen (140a bis 14Of, 142) zur Übertragung der Treiberpulse aufweist.

8. Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuereinheit (112) eine Spannungsversorgung

(138) enthält, die mit dem Bildsensorelement (138) auf Halbleiterbasis über die äußeren Leiter der abgeschirmten Leitungen (14Oe, 14Of) verbunden ist.