DE3922451C2 - Fernsehkamera - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Fernsehkamera mit einem Halbleiterbildwandler, einer Steuerelektronik und einem Hochgeschwindigkeitsverschluß, die an ein medizini­ sches Gerät, z. B. an ein Endoskop, anflanschbar ist.

In der Medizintechnik haben sich solche Kameras durchge­ setzt, weil der Ersatz der Bildwandlerröhre durch einen Halbleiterbildwandler eine Reihe von Vorteilen ergibt. Die Filmkamera kann wesentlich kleiner gebaut werden, wodurch sich eine leichtere Handhabung ergibt.

Darüberhinaus sind Halbleiterbildwandler wesentlich lang­ lebiger und unempfindlich gegenüber Zerstörung durch me­ chanische Belastung und starkem Lichteinfall.

Üblicherweise wird bei einer bekannten Fernsehkamera in ein 1/50 Sekunde das auf den Halbleiterbildwandler auf­ treffende Licht in ein Bildsignal umgewandelt und ausgele­ sen. Bei sehr schnellen Bewegungen treffen in diesen Zeit­ raum Informationen auf den Bildwandler, die verschiedenen Bewegungszuständen entsprechen, die Bewegung erscheint verschwommen.

Deshalb weisen moderne Fernsehkameras zur Aufnahme schnel­ ler Bewegungen einen Hochgeschwindigkeitsverschluß auf, der die Zeitdauer des Lichteinfalls auf den Halbleiter­ bildwandler pro Bild auf 1/125, 1/250, 1/500 usw. Sekunde begrenzt. Die Verschlußzeit wird durch eine Schalterstel­ lung vorgewählt.

In der Medizintechnik sind miniaturisierte Fernsehkameras bekannt, die an ein Endoskop anflanschbar sind. Das Endos­ kop enthält sowohl einen Teil der Kameraoptik als auch einen Lichtleiter, der das Beleuchtungslicht an den auf zu­ nehmenden Gegenstand führt. Wegen der miniaturisierten Bauweise ist es nicht möglich, in das optische System eine mechanische Blende einzubringen, die die Intensität des in die Kamera einfallenden Lichtes regelt.

Bei der Verwendung einer solchen Kamera muß deshalb die Helligkeit des Beleuchtungslichtes geregelt werden. Hierzu sind aufwendige und teure Beleuchtungseinrichtungen erfor­ derlich. Die Regelung des Lampenstromes hat zur Folge, daß sich die Lebensdauer der Lampen verkürzt.

Bei unterschiedlicher Helligkeit emittiert die Beleuch­ tungslichtquelle Licht mit unterschiedlicher Farbtempera­ tur. Da die Filmkamera sehr deutlich auf Schwankungen der Farbtemperatur reagiert, wirken sich die Änderungen der Helligkeit störend auf die Farbe des aufgenommenen Bildes aus.

Darüberhinaus ist die Zeitkonstante der Helligkeit-Rege­ lung so groß, daß kurzfristige Überstrahlungen auftreten, während welcher die Bedienungsperson den zu betrachtenden Gegenstand nicht mehr wahrnehmen kann und bspw. eine Ope­ ration unterbrechen muß.

Aus der OS-DE 31 10 802 geht eine Lichtmeß- und Steuer­ vorrichtung hervor, die an ihrem optischen Eingang ein Belichtungssignal empfängt und an ihrem Ausgang mit einer Schwellwertschaltung verbunden ist, die in Abhängigkeit eines mittleren Belichtungswertes einer aufgenommenen Bildzone ein Signal liefert, das durch eine nachge­ schaltete Vergleichsschaltung geleitet wird, um so eine Blendenkorrektur oder Belichtungsdauer-Korrektur zu er­ möglichen, die eine Überbelichtung des ausgenommenen Ob­ jektes vermeidet.

Ebenso ist aus der DE-OS 34 33 564 eine elektronische Schaltung zur Belichtungsmessung und Verschlußsteuerung bei photographischen Kameras bekannt, die nach dem Prinzip der Schwellwertbildung arbeitet. Dabei wird ein Konden­ sator entsprechend der Objektleuchtdichte bis zu einem Schwellwert aufgeladen, dessen Erreichen zugleich den Meßvorgang beendet. Eine unmittelbare Einflußnahme auf dynamisch sich ändernde Belichtungsverhältnisse sieht diese Schaltung jedoch nicht vor.

Darüberhinaus geht aus der DE-OS 35 05 306 eine automati­ sche Belichtungskamera hervor, bei der bei einem festge­ legten Blendenwert die Belichtungszeit, d. h. die Öffnungs­ zeit des Verschlusses so gesteuert wird, daß die Intensi­ tät des in die Kamera einfallenden Lichtes einen vorgeb­ baren Wert (der z. B. von der Filmempfindlichkeit abhängt) nicht überschreitet. Auch in diesem Fall sieht die Automa­ tik keine dynamische Anpassung an die während der Aufnahme sich ändernden Lichtverhältnisse im Objektbereich vor.

Im Gegensatz dazu ist aus der DE-PS 29 52 947 eine Fern­ sehkamera mit automatischer Lichtregeleinrichtung bekannt, die in Abhängigkeit der aktuellen Strahlungsverhältnisse einen elektronisch ansteuerbaren Flüssigkeitskristallfil­ ter in der Aufnahmeoptik vorsieht, der für eine weitgehend konstante Beleuchtungsstärke während der Aufnahme zeit sorgt.

Den vorgenannten, bekannten Vorrichtung liegt der Nachteil zugrunde, daß Direktionszeiten auf veränderte Lichtver­ hältnisse während der Aufnahme relativ lang sind, so daß eine Überstrahlung des Bildes nicht hundertprozentig aus­ geschlossen werden kann. So besitzt beispielsweise ein transmissionsändernder Flüssigkeitskristall, der elek­ trisch ansteuerbar ist eine Mindestreaktionszeit, zur Änderung des Transmissionsverhaltens, die den oftmals schnell veränderlichen Lichtwechselverhältnissen nicht schnell genug hinterher kommen.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Filmkamera mit einem optischen System ohne mechanischer Blende so weiterzubilden, daß ein Überstrahlen des Bildes sicher verhindert wird.

Eine erfindungsgemäße Lösung dieser Aufgabe ist mit ihren Weiterbildungen in den Patentansprüchen gekennzeichnet.

Die Erfindung zeichnet sich gemäß Anspruch 1 dadurch aus, daß eine Vorrichtung vorgesehen ist, die die Amplitude des Videosignals mißt und mit zwei einstellbaren Schwellwerten vergleicht, und daß bei Überschreiten eines oberen Schwell­ wertes die Verschlußzeit der Hochgeschwindigkeitsver­ schlußeinrichtung um eine Stufe erniedrigt, und bei Unter­ schreiten des unteren Schwellwertes die Verschlußzeit um eine Stufe erhöht wird. Desweiteren ist ein Zähler mit Eingängen zum Auf- und Abwärtszählen von Signalwerten vorgesehen, die mit der Hochgeschwindigkeitsverschlußein­ richtung verbunden sind, so daß zur Steuerung der Hochge­ schwindigkeitsverschlußeinrichtung in der Kamera verfügbare elektrische Signale, nämlich das sogenannte Chroma-Clip-Signal und das Low-Light-Signal ausgewertet werden, wobei das Chroma-Clip-Signal bei Überschreiten eines Schwellwertes eine Erniedrigung der Verschlußzeit und das Low-Light-Signal bei Überschreiten eines Schwellwertes eine Erhöhung der Verschlußzeit der Hochge­ schwindigkeitsverschlußeinrichtung bewirkt.

Um die Überstrahlung zu verhindern, wird das vorstehend genannte Chroma-Clip-Signal ausgewertet. Dieses Signal ist ein Analog-Signal dessen Amplitude mit zunehmender Be­ leuchtungsstärke ansteigt. Es läßt zeilenförmig eine Über­ strahlungsauswertung anhand der Momentanamplitude zu. Um bei unzureichender Beleuchtungsstärke den Hochgeschwindig­ keitsverschluß zurückzusetzen, wird hingegen das Low- Light-Signal ausgewertet. Dieses Signal ist ebenfalls ein Analogsignal, das jedoch bei Abnahme der Beleuchtungs­ stärke ansteigt. Wenn dieses Signal einen bestimmten Schwellwert übersteigt, muß die Verschlußzeit um eine Stufe erhöht werden, bspw. von 1/500 auf 1/250 s.

Desweiteren werden die beiden Analogsignale er­ findungsgemäß jeweils mit einem Schwellwertschalter digitalisiert und anschließend mit einem Monomultivibrator impulsgeformt. Die impulsgeformten Signale werden auf die Eingänge eines Zählers geführt. Wenn die Amplitude des Chroma-Clip-Signals bei Zunahme der Beleuchtungsstärke den im Schwellwertschalter eingestellten Schwellwert übersteigt, liegt am Aufwärtszähleingang des Zählers ein Impuls an, der den Zähler um eine Stufe höher setzt. Am Ausgang des Zählers entsteht dann, ein codiertes Signal, das den Hochgeschwindigkeitsverschluß um eine Stufe auf eine kürzere Verschlußzeit schaltet. Die Lichtmenge, die auf den Halbleiterbildwandler trifft, nimmt ab. Bei erneutem Überschreiten des Schwellwertes entsteht wieder ein Zählimpuls und der Verschluß wird um eine weitere Stufe geschaltet.

Wenn die Amplitude des Low-Light-Signals bei Rückgang der Beleuchtungsstärke den im entsprechenden Schwellwertschal­ ter eingestellten Wert überschreitet, formt der Monomulti­ vibrator einen Impuls, der an den Abwärtszähleingang des Zählers geführt wird, und den Zähler um eine Stufe zurück­ setzt. Am Zählerausgang entsteht ein codiertes Signal, das die Verschlußzeit um eine Stufe erhöht. Die Lichtmenge, die auf den Halbleiterbildwandler trifft, nimmt zu.

Nach Anspruch 2 ist der Zähler mit einer Reset-Schaltung verbunden, die den Zähler beim Einschalten der Fernseh­ kamera auf 0 setzt.

Im Anspruch 3 ist eine besonders vorteilhafte Weiterbil­ dung der Erfindung gekennzeichnet. Danach werden nur sol­ che Signale zur Steuerung des Hochgeschwindigkeitsver­ schlusses herangezogen, die dem zentralen Bereich des aufgenommenen Bildes entsprechen. Eine Überstrahlung des Randbereiches des Bildes führt nicht zur Verringerung des einfallenden Lichtes. Diese Weiterbildung bietet vor allem Vorteile in der Endoskopie. Beim Weg durch enge Kanäle reflektieren die nahe gelegenen Seitenwände das Beleuch­ tungslicht stärker als die entfernter liegenden. Würde die Lichtstärke des gesamten Bildquerschnittes zur Steuerung des Hochgeschwindigkeitsverschlusses herangezogen werden, blieben die weiter entfernt liegenden Bereich unterbe­ lichtet. Durch die Beschränkung auf die Bildmittensignale wird eine größere Tiefenwirkung erreicht.

Die Steuerelektronik weist nach Anspruch 4 eine Vorrich­ tung auf, die einen Impuls aussendet, wenn gerade diejeni­ gen Signale aus dem Halbleiterbildwandler ausgelesen wer­ den, die dem zentralen Bereich des aufgenommenen Bildes entsprechen. Gemäß Anspruch 5 wird dieser Bildmittenimpuls aus zwei in einer üblichen Fernsehkamera verfügbaren Im­ pulsen erzeugt. Zum Auslesen der Bilder erzeugt der Sig­ nalgenerator einen Horziontalimpuls zum Auslesen der ein­ zelnen Bildzeilen und einen Vertikalimpuls zum zeilenwei­ den Auslesen. Sowohl der Horizontal- als auch der Verti­ kalimpuls wird an zwei hintereinander geschaltete Monomul­ tivibratoren gelegt, die jeweils einen definiert verzöger­ ten Impuls mit definierter Impulsbreite generieren. Über ein UND-Gatter werden die erzeugten Impulse verknüpft und nach Anspruch 6 an zwei Analog-Schalter gelegt, die je­ weils zwischen den Ausgängen des Chroma-Clip-Signals und des Low-Light-Signals der Kamera und den entsprechenden Schwellwertschaltern angeordnet sind. Die einstellbare Form des Bildmittenimpulses gewährleistet, daß die Analog- Schalter genau dann geöffnet sind, wenn die Signale ausge­ lesen werden, die dem zentralen Bereich des Bildes ent­ sprechen.

Die mit der Erfindung erzielten Vorteile liegen insbeson­ dere darin, daß ein Überstrahlen des Bildes sicher verhin­ dert wird. Dadurch wird erreicht, daß das Bild zu keiner Zeit überbelichtet sogar unsichtbar ist. Ein Operateur kann seine Arbeit ohne Unterbrechen durchführen.

Eine Regelung der externen Beleuchtungseinrichtung ist überflüssig, weshalb billige Beleuchtungseinrichtungen verwendet und unter konstanten Bedingungen betrieben wer­ den können. Die Lebensdauer gleichmäßig betriebener Licht­ quellen ist höher als die von geregelten und das emit­ tierte Licht weist eine gleichbleibende Farbtemperatur auf. Es genügt deshalb einmal vor dem Betrieb der Fern­ sehkamera einen Weißabgleich durchzuführen.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand eines Ausführungs­ beispiels unter Bezugnahme auf die Zeichnung näher be­ schrieben. Die Zeichnung zeigt das Blockschaltbild der Fernsehkamera mit der elektronischen Schaltung zur Steue­ rung des Hochgeschwindigkeitsverschlusses.

Die Fernsehkamera 1 ist eine an sich bekannte CCD-Kamera (Charge-coupled-device). Die Kontaktstellen zum Abgreifen der in der Kamera vorhandenen Signale sowie der Kontakt zur Betätigung des Hochgeschwindigkeitsverschlusses, sind durch kleine Kreise dargestellt. Die Kontakte 2 und 3, an denen die Impulse zum Auslesen des Bildes in vertikaler (2) bzw. horizontaler (3) Richtung abgegriffen werden, sind mit den Monomultivibratoren 4 und 5 bzw. 6 und 7 verbunden.

Mit Hilfe von jeweils 2 Monomultivibratoren wird aus dem abgegriffenen Impuls ein Impuls geeigneter Breite und geeigneter Verzögerung erzeugt. Die beiden Impulse werden auf die Eingänge des UND-Gatters 8 geleitet. Am Ausgang des UND-Gatters liegt nach der Verarbeitung des Vertikal- und des Horizontal-Impulses der Bildmittenimpuls an, der dazu dient, die nachgeschalteten Analog-Schalter 9 und 10 genau dann zu öffnen, wenn das Bildsignal ausgelesen wird, das dem zentralen Bereich des Bildes entspricht.

Wenn der Analog-Schalter 10 geöffnet ist, gelangt das Chroma-Clip-Signal, das am Kontaktpunkt 11 abgegriffen wird, zum Schwellwertschalter 12. Dieser Schalter öffnet, sobald das Chroma-Clip-Signal einen einstellbaren Schwell­ wert übersteigt. Bei geöffneten Schwellwertschalter 12 wird im Monomultivibrator 13 ein Impuls geformt, der den Zähler 14 um eine Stufe höher setzt.

Gleichzeitig mit dem Analog-Schalter 10 wird der Analog- Schalter 9 geöffnet, so daß das am Kontaktpunkt 15 abge­ griffene Low-Light-Signal am Schwellwertschalter 16 an­ liegt. Wenn das Low-Light-Signal einen einstellbaren Schwellwert übersteigt, öffnet der Schwellwertschalter 16 und in Monomultivibrator 17 wird ein Impuls erzeugt, der den Zähler 14 um eine Stufe zurücksetzt. Der Zähler hat n-Ausgänge (in der vorliegenden Ausgestaltung 4 bit), die mit dem Kontakt 18 des Hochgeschwindigkeitsverschlusses verbunden sind. Der Zähler gibt über seine Ausgänge ein von seinem Schaltungszustand abhängiges, codiertes Signal ab, das die entsprechende Verschlußzeit des Hochgeschwin­ digkeitsverschlusses einstellt.

Die Reset-Schaltung 19 setzt beim Einschalten der Fern­ sehkamera den Zähler 14 auf 0.

Claims (6)

1. Fernsehkamera mit einem Halbleiterbildwandler, einer Steuerelektronik und einer Hochgeschwindigkeitsverschluß­ einrichtung, die an ein medizinisches Gerät, z. B. an ein Endoskop anflanschbar ist, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuerelektronik derart ausgebildet ist,

• - daß eine Vorrichtung vorgesehen ist, die die Amplitude des Videosignals mißt und mit zwei einstellbaren Schwellwerten vergleicht, und daß bei Überschreiten des oberen Schwellwertes die Verschlußzeit der Hochge­ schwindigkeitsverschlußeinrichtung um eine Stufe er­ niedrigt, und bei Unterschreiten des unteren Schwellwertes die Verschlußzeit um eine Stufe erhöht wird,
• - daß ein Zähler mit Eingängen zum Auf- und Abwärtszählen von Signalwerten vorgesehen ist, die mit der Hochge­ schwindigkeitsverschlußeinrichtung verbunden sind, so daß zur Steuerung der Hochgeschwindigkeitsverschlußeinrichtung zwei in der Kamera verfügbare elektrische Signale, nämlich das Chroma-Clip-Signal und das Low-Light-Signal ausge­ wertet werden, wobei das Chroma-Clip-Signal bei Über­ schreiten eines Schwellwertes eine Erniedrigung der Ver­ schlußzeit und das Low-Light-Signal bei Überschreiten eines Schwellwertes eine Erhöhung der Verschlußzeit der Hochgeschwindigkeitsverschlußeinrichtung bewirkt und
• - daß die Vorrichtung zur Auswertung des Chroma-Clip- Signals aus einem Schwellwertschalter und einem nachge­ schalteten Monomultivibrator besteht, der mit dem Eingang zum Aufwärtszählen des Zählers verbunden ist und die Vor­ richtung zum Auswerten des Low-Light-Signals aus einem Schwellwertschalter und einem nachgeschalteten Monomultivibrator besteht, der mit dem Eingang zum Ab­ wärtszählen des Zählers verbunden ist.

2. Fernsehkamera nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Zähler mit einer Reset- Schaltung verbunden ist.

3. Fernsehkamera nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß zur Steuerung der Hochge­ schwindigkeitsverschlußeinrichtung ausschließlich die dem zentralen Bereich des aufgenommenen Bildes entsprechenden Anteile des Chroma-Clip-Signals bzw. des Low-Light-Signals ausgewertet werden.

4. Fernsehkamera nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuerelektronik eine Vorrichtung zur Erzeugung eines Bildmittenimpulses ent­ hält, die einen Impuls aussendet, wenn beim Auslesen des Bildes aus dem Halbleiterbildwandler diejenigen Signale ausgelesen werden, die dem zentralen Bereich des aufgenom­ menen Bildes entsprechen.

5. Fernsehkamera nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Vorrichtung zur Erzeugung eines Bildmittenimpulses aus jeweils zwei hintereinander geschalteten Monomultivibratoren besteht, die über ein UND-Gatter verknüpft sind, und an deren Eingänge die durch den Signalgenerator des Halbleiterbildwandlers er­ zeugten Impulse für das Auslesen des Bildes im horizonta­ ler bzw. vertikaler Richtung anliegen.

6. Fernsehkamera nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuerelektronik zwei Analog-Schalter aufweist, die jeweils zwischen den Ausgän­ gen des Chroma-Clip-Signals und des Low-Light-Signals der Kamera und den entsprechenden Schwellwertschaltern ge­ schaltet sind, und die mit dem Ausgang des UND-Gatters, an welchem der Bildmittenimpuls anliegt, verbunden sind.