DE3783508T2 - Festkoerper-abbildungsgeraet. - Google Patents

Description

• Die Erfindung bezieht sich auf ein Festkörper-Abbildungsgerät, welches eine ladungsgekoppelte Bildübertragungs- Bildsensoranordnung enthält.
• Bei derartigen Sensoren wird ein Bild auf einer lichtempfindlichen Fläche des Gerätes fokussiert, die als Integrationsbereich bekannt ist. Nach einer Ladungsintegrationsperiode, die vergleichbar ist mit einem Fernseh-Auslesefeld (normalerweise 16,7 oder 20 ms), wird das durch die einfallende Strahlung erzeugte Ladungsmuster körperlich in einen Speicherbereich mittels paralleler Spaltenübertragungsregister bewegt und zeilenweise über ein horizontales Ausleseregister ausgelesen. Aus dem britischen Patent GB-B-2083968 ist es bekannt, die Integrationsperiode zu variieren, um dem Gerät eine variable Empfindlichkeit zu verleihen. Gemäß einer darin beschriebenen Anordnung weist ein Bildsensor einen Aufbau zum Ladungsabziehen in Gestalt einer Signalsenke auf, die von den Spaltenregistern im Integrationsbereich des Aufbaus zugänglich ist. Während der normalen Feldintegrationsperiode wird die Ladung integriert, jedoch zu einem vorbestimmten Zeitpunkt, der von der erforderlichen Empfindlichkeit abhängt, wird das Ladungsmuster im Integrationsbereich mit hoher Geschwindigkeit aus dem Speicherbereich weg verschoben, so daß die Ladungen über die Enden der Spaltenregister überlaufen und in dem Substrat des Gerätes zwischengespeichert werden. Nachdem diese Ladung weggefallen ist, kann die Ladung eine Integration im Integrationsbereich für den Rest der Feldperiode durchführen. Das integrierte Ladungsmuster, welches während des restlichen Teils der Periode erzeugt wird, wird dann in der üblichen Weise ausgelesen. Demgemäß ist die scheinbare Empfindlichkeit der ladungsgekoppelten Einrichtung proportional zur Länge des Restes der Integrationsperiode.
• Eine Veränderung der Empfindlichkeit kann auch durch eine elektromechanische Blende erreicht werden.
• Es ist jedoch klar, daß eine typische Szene, die auf einer ladungsgekoppelten Einrichtung (CCD) fokussiert wird, einen sehr weiten dynamischen Bereich haben kann, d. h. sie kann einen weiten Bereich von Lichtpegeln umfassen. Herkömmliche Bildübertragungsvorrichtungen mit ladungsgekoppelten Einrichtungen können einen Dynamikbereich von mehr als 60 dB aufweisen, und dies ist das Verhältnis der maximalen Zahl von Ladungen, die in jedem Bildelement gespeichert werden, zu der Zahl der Rauschladungen, die in dem Gerät und dem Ausleseverstärker erzeugt werden. In der Praxis wird der ausnutzbare Bereich stark beschränkt durch ein festes Rauschmuster infolge von Veränderungen in der Empfindlichkeit und des Dunkelstromes zwischen den einzelnen Bildelementen. Dieses feste Rauschmuster begrenzt oft den ausnutzbaren Bereich auf unter 40 dB.
• Die US-A-3777061 beschreibt eine ladungsgekoppelte Einrichtung, welche einen Bildaufnahmebereich mit einem Speicherbereich aufweist, die auf beiden Seiten hiervon angeordnet sind.
• Gemäß der Erfindung ist ein Festkörper-Abbildungsgerät vorgesehen, welches einen ladungsgekoppelten Bildübertragungs-Bildsensor mit einem bildempfindlichen Integrationsbereich aufweist, um ein Ladungsmuster zu erzeugen, welches für das einfallende Bild repräsentativ ist, wobei erste und zweite Speicherbereiche den jeweils gegenüberliegenden Enden des Integrationsbereiches zugeordnet sind und Ladungsübertragungsmittel das im Integrationsbereich erzeugte Ladungsmuster nach einem ausgewählten der Speicherbereiche verschieben, wobei das Gerät außerdem Steuermittel aufweist, um eine kontinuierliche Reihe von Feldzeitperioden zu definieren, von denen jede einen langen Bereich und einen kurzen Bereich umfaßt, und die Steuermittel die Ladungsübertragungsmittel veranlassen, ein Ladungsmuster, welches während der langen Abschnitte der Feldzeitperiode erzeugt wurde, nach einem der Speicherbereiche zu verschieben, und das Ladungsmuster, welches während der kurzen Abschnitte der Feldzeitperiode erzeugt wurde, nach dem anderen Speicherbereich zu verschieben.
• Gemäß einem Ausführungsbeispiel wird während jeder Integrationsperiode die Ladung für einen Abschnitt der Periode integriert und dann nach einem der Speicherbereiche überführt, und die Ladung, die während der restlichen Dauer der Periode integriert wurde, wird nach dem anderen Bereich verschoben. Bei einem Ausführungsbeispiel, das mit einer gegebenen Fernsehfeldrate arbeitet, kann ein langes und ein kurzes Empfindlichkeitsbild für jedes Fernsehfeld erhalten werden. Statt dessen kann der Datenausgang des Gerätes rekonstruiert werden, um ein einziges Bild mit einem vergrößerten dynamischen Bereich zu liefern. Außerdem kann ein Bild mit vergrößertem dynamischem Bereich auf zwei herkömmlichen Videobandrecordern mit begrenztem dynamischem Bereich aufgezeichnet werden.
• Das Gerät weist vorzugsweise Ladungsabzugsmittel in dem bildempfindlichen Integrationsbereich, beispielsweise einen Anti-Überstrahlungsaufbau, auf, und die Steuermittel bewirken vorzugsweise, daß die Ladung, die sich während eines vorbestimmten variablen Abschnitts der Integrationsperiode angesammelt hat, in den Ladungsabzugsmitteln verlorengeht. Durch diese Anordnung wird erreicht, daß die Belichtungsperioden in jedem Fernsehfeld unabhängig gesteuert werden können.
• Nachstehend werden verschiedene Ausführungsbeispiele der Erfindung im einzelnen beschrieben, wobei auf die beiliegende Zeichnung Bezug genommen wird, in der:
• Fig. 1 ein schematisches Diagramm einer CCD- Bildübertragungs-Abbildungseinrichtung ist, die Doppelspeicherbereiche aufweist und so ausgebildet ist, daß die Konstruktion von Bildern mit weitem dynamischem Bereich möglich wird, und
• Fig. 2 ein schematisches Diagramm einer CCD- Bildübertragungs-Abbildungsvorrichtung mit einem Anti- Überstrahlungsaufbau ist.
• Zunächst wird auf Fig. 1 Bezug genommen. Das hierin dargestellte Gerät weist ein CCD-Bildübertragungs- Abbildungsgerät 10 auf, das zwei Speicherbereiche 11 und 12 über und unter dem Abbildungsbereich 13 (Ladungsintegration) aufweist. Jeder der Bereiche 11, 12 und 13 umfaßt eine Gruppe von nicht dargestellten Gatterelektroden und nicht dargestellten Kanalsperren auf, die zusammen eine rechteckige Anordnung von Bildelementen definieren. Unabhängige Drei- oder Vierphasentaktgeber (nicht dargestellt), die mit den Gatterelektroden verbunden sind, steuern oder ''takten'' die Bewegung der Bildladung zwischen den und innerhalb der drei Bereiche längs der Spalten, die durch die Kanalsperren definiert sind. Die Richtung der Ladungsbewegung kann in jedem Bereich einfach dadurch umgekehrt werden, daß die Phase des elektrischen Taktsignals umgekehrt wird. Im Betrieb wird ein Ladungsmuster eines auf dem lichtempfindlichen Integrationsbereich 13 fokussierten Bildes während weniger als der normalen 20 ms Fernsehintegrationsperiode integriert. Das Bild wird dann durch Takten in den oberen Speicherbereich 11 übertragen, und ein zweites Ladungsbild wird über den übrigen Bereich des Fernsehfeldes integriert, und dieses wird dann durch Takten in den unteren Speicherbereich 12 übertragen. Die beiden gespeicherten Bilder werden gleichzeitig zeilenweise während des folgenden Fernsehfeldes bzw. Fernsehbildes über parallel-serielle Ausleseregister 14 und 15 zur Darstellung oder Aufzeichnung ausgelesen. Die Folge von Zeilen in der Fernsehbildauslesung vom Speicher 11 wird umgekehrt; dies kann auf einer Kathodenstrahlröhren-Darstellung dadurch berichtigt werden, daß die Verbindungen der vertikalen Abtastspule umgekehrt werden. Wenn das Bild in einem Digitalbildspeicher gespeichert ist, kann statt dessen die Art der Adressierung geändert werden, um eine Anpassung an die umgekehrte Zeilenfolge zu bewirken. Bei einer abgewandelten Ausführungsform der Einrichtung wird der Ausgang bei A nach B rekonfiguriert, und das Horizontalregister 14 wird in umgekehrter Weise ausgelesen. Es können dann zwei passende Bilder körperlich invertiert auf einem Fernsehmonitor dargestellt werden.
• Bei einer speziellen Anwendung werden die beiden Bildintegrationsperioden so eingestellt, daß sich eine lange Belichtung und eine sehr kurze Belichtung ergeben. Dies ermöglicht eine Rekonstruktion von Bildern innerhalb eines sehr weiten Dynamikbereichs.
• Es ist für das Gerät wünschenswert, gute Anti- Überstrahlungsfähigkeiten zu haben, und dies bedeutet, daß bei Erzeugung überschüssiger Bildladung durch Überbelichten diese Ladung nicht überläuft und die Bildladung in benachbarten Bildelementen verdirbt.
• Um eine Technik gemäß einem bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung zu veranschaulichen, soll ein spezieller Fall angenommen werden, wobei zwei aufeinanderfolgende Belichtungen auf der ladungsgekoppelten Bildübertragungseinrichtung im Verhältnis 64:1 durchgeführt werden. Dieses Verhältnis wird dadurch erlangt, daß die Punkte in jedem 20-ms-Fernsehbild gewählt werden, bei denen eine Übertragung in die Speicher 11 und 12 erfolgt. Wenn die Zeit zur Übertragung eines kompletten Bildes in einen der Speicherbereiche 0,1 ms beträgt, dann sollten die verbleibenden 19,8 ms im Verhältnis 64:1 geteilt werden. Demgemäß wird eine Integrationsperiode von 19,5 ms in den Speicherbereich 11 übertragen, gefolgt von einer weiteren Belichtung von 0,3 ms, die in den Speicherbereich 12 übertragen wird. Das Auslesen von beiden Speichern erfolgt gleichzeitig in der üblichen aktiven 19,5-ms-Feldzeit des folgenden Fernsehbildes. Die beiden Ausgangssignale können gleichzeitig auf zwei Videobandrecordern 16, 17 aufgezeichnet werden, die dann synchron entweder kontinuierlich oder jeweils ein Bildfeld abgespielt werden. Es ist nicht möglich, ein Bild mit einem sehr weiten Dynamikbereich auf einem einzigen Kathodenstrahlröhren- Monitor darzustellen, da sowohl die Kathodenstrahlröhre als auch das Auge nicht linear und von beschränktem Dynamikbereich sind. Zum Zwecke einer wissenschaftlichen Analyse können die beiden Bilder in einem 12-Bit-Fernsehbildspeicher 20 kombiniert werden, wie dies in Fig. 1 dargestellt ist. Die Videosignale werden in zwei 6-Bit-Analog/Digital- Wandlern 18, 19 digitalisiert, und die Signale werden in dem 12-Bit-Bildspeicher 20 vereinigt, wobei sechs Datenbits von jedem Element des Speicherbereichs 12 (die kurze Belichtung) die bedeutendsten Bits stellen. In dem angegebenen Fall werden CCD-Abbildungsgerät 10 und/oder Videorecorder 16, 17 benutzt, bei denen der Dynamikbereich nur 36 dB zu betragen braucht, um ein Bild zu erzeugen, das einen Dynamikbereich von 72 dB hat.
• Wenn das Gerät mit einem Überstrahlungsschutzaufbau 21 versehen ist, wie dies in Fig. 2 abgebildet ist, können die beiden Belichtungsperioden in jedem Fernsehbild unabhängig gesteuert werden. Ein Überstrahlungsschutzaufbau dient dazu, überschüssige Ladungen abzuziehen, die von irgendeinem Ladungsintegrationsbereich ''überfließen'', so daß eine Überstrahlung des Bildes im Bereich eines hellen Bildpunktes verhindert wird. Der Aufbau kann im typischen Falle Ladungssenken aufweisen, die zwischen oder unter den Ladungsintegrationssitzen liegen. Ein Verfahren zur Veränderung der Integrationsperiode einer herkömmlichen Bildübertragungseinrichtung mit ladungsgekoppelten Einrichtungen durch Aufbereitung des Integrationsbereichs der Ladung ist in der britischen Patentschrift GB-B-2083968 beschrieben. Das Wesen des Verfahrens besteht darin, die Belichtungsperiode um einen genau gesteuerten Betrag zu kürzen, indem die Taktung der vertikalen Ladungsübertragungsregister im Integrationsbereich 13 umgekehrt wird und indem diese Ladung in eine Diffusionssenke längs des Umfangs der Einrichtung abgezogen wird. Für Einrichtungen mit einem integralen Überstrahlungsschutzaufbau 21 innerhalb des Bildladungsintegrationsbereichs 13 liegen solche Senken zwischen oder unter den Ladungsintegrationssitzen, und diese gleiche Technik kann benutzt werden, um Ladungen am Interface zwischen dem Speicherbereich und dem Integrationsbereich abzulösen. Demgemäß trifft die sich bewegende Ladung auf eine Barriere am Interface zwischen dem Speicherbereich und dem Integrationsbereich, und die Ladung wird nicht in die Speicherbereiche hineinbewegt, wenn bei dem typischen Aufbau, wie in Fig. 2 dargestellt, der ladungsgekoppelte Taktmechanismus benutzt wird, um die Bildladung entweder nach oben oder nach unten in einen der Speicherbereiche zu verschieben.
• Die Ladung fließt dann in die Überstrahlungsschutzsenken entlang des Interface, und dieser Mechanismus kann benutzt werden, um die Ladung aus dem Integrationsbereich abzuziehen, wie dies in der britischen Patentschrift GB-B-2083968 beschrieben ist.
• Gemäß einer weiteren Anwendung dieses Gerätes kann eine Festbildanalyse mit der doppelten Geschwindigkeit wie normal durch ein Fernsehsystem durchgeführt werden, ohne eine Bildfläche zu opfern. Dadurch, daß die Bildladung vom Integrationsbereich vor einer Belichtungsperiode gelöscht wird, kann sich die Ladung während einer kurzen Integrationsperiode (allgemein weniger als 0,5 ms) ansammeln, und es kann dann die Bildladung schnell auf einen Speicherbereich übertragen werden, und es kann ein Bewegungs-Festbild-Schnappschuß gewonnen werden. Der zweite ''Schnappschuß'' würde normalerweise ein halbes Fernsehbild später (10 ms) aufgenommen und in dem zweiten Speicherbereich gespeichert werden. Zwei herkömmliche Videobandrecorder würden dann die beiden Ausgangssignale aufzeichnen, um sie darauf bei der Festbildanalyse wiederzugeben.
• Die beiden Ereignisse, die in jedem Fernsehfeld aufgezeichnet sind, können auch unabhängig von einer äußeren Quelle, die auf das Ereignis bezogen ist, getriggert werden. Hierdurch wird es möglich, einen kritischen Punkt in einem Verfahren präzise zu überwachen, beispielsweise bei einer mit hoher Geschwindigkeit arbeitenden automatischen Herstellungsanlage.
• Eine dritte Anwendung für das CCD-Gerät besteht darin, die Phänomene in zwei Spektralbändern ohne die Kollimationsfehler zu beobachten, die auftreten, wenn zwei Abbildungsvorrichtungen benutzt werden. In diesem Fall wird ein Filterrad, welches zwei Spektralfilter enthält, synchron zu der Kamera mit der Fernsehbildgeschwindigkeit (d. h. 3000 u/min für die CCIR 50 Hz Bildgeschwindigkeit). Die Belichtungsperioden treten nur dann auf, wenn jedes Spektralfilter korrekt vor der Brennebene liegt. Dieses Verfahren kann auch benutzt werden, um Phänomene in zwei Polarisationsebenen zu beobachten, indem die Spektralfilter durch Polarisationsfilter ersetzt werden.

Claims (6)

1. Festkörper-Abbildungsgerät mit einem ladungsgekoppelten Bildübertragungssensor, der einen bildempfindlichen Integrationsbereich (13) besitzt, um ein Ladungsmuster zu erzeugen, das einem einfallenden Bild entspricht, mit ersten und zweiten Speicherbereichen (11, 12), die den jeweils gegenüberliegenden Enden des Integrationsbereiches zugeordnet sind, und mit Ladungsübertragungsmitteln zur selektiven Verschiebung des in dem Integrationsbereich erzeugten Ladungsmusters in die Speicherbereiche hinein,

dadurch gekennzeichnet, daß das Gerät weiter Steuermittel aufweist, um eine kontinuierliche Serie von Bildzeitperioden zu definieren, von denen jede einen langen Abschnitt und einen kurzen Abschnitt aufweist, wobei die Steuermittel die Ladungsübertragungsmittel veranlassen, ein Ladungsmuster, welches während der langen Abschnitte der Bildzeitperioden erzeugt wurde, in einen der Speicherbereiche hinein zu verschieben, und das Ladungsmuster, welches während der kurzen Abschnitte der Bildzeitperioden erzeugt wurde, in den anderen Speicherbereich hinein zu verschieben.

2. Festkörper-Abbildungsgerät nach Anspruch 1, bei welchem der Integrationsbereich (13) und die Speicherbereiche (11, 12) auf einem gemeinsamen Substrat untergebracht sind.

3. Festkörper-Abbildungsgerät nach Anspruch 1 oder 2, bei welchem die Steuermittel bewirken, daß das Ladungsmuster, welches während eines weiteren variablen Abschnitts der Bildzeitperiode erzeugt wird, verlorengeht.

4. Festkörper-Abbildungsgerät nach einem der vorhergehenden Ansprüche, welches einen Ausgangsprozessor (16 bis 20) aufweist, um Daten zu empfangen, die repräsentativ für die Ladungsmuster in jedem Speicherbereich sind, und um die Daten zu kombinieren und für jede Bildperiode Bilddarstellungsdaten mit erweitertem dynamischem Bereich zu liefern.

5. Festkörper-Abbildungsgerät nach Anspruch 4, bei welchem der Ausgangsprozessor Mittel (16, 17) aufweist, um die Daten zu digitalisieren, die für die Ladungsmuster repräsentativ sind, und Bildspeichermittel (20) vorgesehen sind, um die für das Bild mit erweitertem dynamischem Bereich repräsentativen Daten zu speichern, wobei die Daten, die repräsentativ sind für das Ladungsmuster, das während des kurzen Abschnitts erzeugt wurde, die werthöchsten Stellen der kombinierten Daten definieren und die Daten, die das Ladungsmuster repräsentieren, das während des langen Abschnitts erzeugt wurde, die niedrigstwertigen Stellen definieren.

6. Festkörper-Abbildungsgerät nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei welchem Filter vorgesehen sind, um das Bild zu filtern, welches während wenigstens eines von langen und kurzen Abschnitten auf den Integrationsbereich einfällt.