DE3229771A1 - Festkoerperfernsehkamera mit irisregelung - Google Patents

Festkoerperfernsehkamera mit irisregelung

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exposure
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    • H04N23/00Cameras or camera modules comprising electronic image sensors; Control thereof
    • H04N23/70Circuitry for compensating brightness variation in the scene
    • H04N23/75Circuitry for compensating brightness variation in the scene by influencing optical camera components

Description

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Beschreibung
Die Erfindung betrifft eine Festkörperfernsehkamera gemaß dem Oberbegriff des Hauptanspruchs mit einer geregelten Iris.
Mit dem Fortschritt der Halbleitertechnologie wurden in jüngster Zeit in vielen Forschungsabteilungen Festkörperbildwandler entwickelt. Die Erfindung wird anhand von CCD-(Charge Coupled Device)-Bildwandlern beschrieben, die derzeit unter den verschiedenen Typen von Festkörperbildwandlern die interessantesten sind. Abhängig von der Anordnung lichtempfindlicher Elemente werden zwei Arten von CCD-Bildwandlern unterschieden. Der eine Typ arbeitet mit Bildrahmenübertragung, der andere mit Zwischenzeilenübertragung. Der erstere Typ weist einen Bildaufnahmeteil auf, der eine Mehrzahl von lichtempfindlichen Elementen enthält, die in horizontaler und vertikaler Richtung angeordnet sind. Eine Speicheranordnung mit einer der Zahl der lichtempfindlichen Elemente entsprechenden Zahl von Elementen dient zum Speichern und Obertragen der Ladungen, die in den lichtempfindlichen Elementen angesammelt worden sind. Ein Schieberegister dient schließlieh dazu, schrittweise die Ladungen aus dem Speicherteil zu übernehmen und ein Signal zu erzeugen, das dem Bild entspricht.
Bei einem solchen CCD-Bildwandler wird während des tlbertragens von den lichtempfindlichen Elementen zu den Speicherelementen der übertragenen Ladung, die das Bild darstellt, eine unerwünschte Ladung zugemischt, da auch während des Übertragungsvorgangs der Bildaufnahmeteil nach wie vor belichtet wird. Wegen dieser unerwünschten Ladung enthält das Ausgangssignal des CCD-Bildwandlers
TER MEER · MÜLLER · STEINMEISXER ' -""-·" "gbliy""Corp. - S82P190
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ein sogenanntes Untergrund- oder Nachbelichtungssignal (smear signal), das dazu führt, daß ein dunkler Hintergrund des Bilds aufgehellt wird, was vor allem dann der Fall ist, wenn das Bild hohen Kontrast aufweist, wie z.B. bei Außenaufnahmen.
Auch CCD-Bildwandler mit Zwischenzeilenübertragung erzeugen ein Nachbelichtungssignal, wobei jedoch der Grund für die Erzeugung dieses Signals von dem Grund beim CCD-BiIdwandler nach dem Rahmenübertragungsverfahren wegen der unterschiedlichen Anordnung der Elemente unterschiedlich ist. Das Auftreten eines Untergrund- oder Nachbelichtungssignals ist jedoch bei Festkörperbildwandlern unvermeidbar. Es erzeugt eine Verschlechterung des Bildsignals.
Eine Fernsehkamera weist in der Regel eine Iris in einem optischen System vor dem Lichtaufnahmeteil auf. Die Iris regelt den Lichtanteil, der auf das lichtempfindliche Teil fällt, so daß das Ausgangssignal einen gewünschten Pegel aufweist. Viele Fernsehkameras der letzten Zeit führen eine automatische Irisregelung aufgrund des Durchschnittspegels des Ausgangssignals vom lichtempfindlichen Teil durch. Wenn bei diesem bekannten Irisregelungssystem das aufgenommene Bild einen kleinen hellen Punkt vor dunklern Hintergrund aufweist, ist der Durchschnittswert des Ausgangssignals verhältnismäßig klein und die Iris wird daher aufgesteuert, so daß noch mehr Licht in den Bildaufnahmeteil treten soll. Dadurch wird der helle Punkt noch leuchtender, was dazu führt, daß das unerwünschte Nachbelichtungssignal sehr groß wird, so daß das wiedergegebene Bild verrauscht wird. Darüber hinaus benötigt die erforderliche Mittelwertschaltung einen komplizierten Aufbau, weil das aufgenommene Signal ein Digitalsignal ist und daher ein Feld-oder Rahmenspeicher benötigt wird, um das gesamte Signal während eines Rahmens zu mit-
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teln. Schließlich weisen Festkörperbildaufnahmevorrichtungen, wie z. B. CCD-Bildwandler, eine Begrenzung der übertragbaren Ladung auf. Ladungen über einen vorgegebenen Pegel werden z. B. in einem auf einem Chip ausgebildeten Überlaufkanal abgeführt. Das Signal vom Bildwandler wird also auf einen vorgegebenen Überlaufpegel abgeschnitten, wenn das aufgenommene Bild sehr hell wird. Daher stellt das wiedergegebene Bild nicht immer die tatsächlich einfallende Lichtmenge dar, so daß die Irisregelung aufgrund des gemittelten Signals der Regeltreue entbehrt. Außerdem vermindert die bekannte Irisregelung nicht den Pegel des Nachbelichtungssignals, der proportional zum eingefallenen Licht sich verändert.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Festkörperfernsehkamera gemäß dem Oberbegriff des Hauptanspruchs anzugeben, die verbesserte Regeltreue aufweist.
Die Lösung dieser Aufgabe ist im Kennzeichen des Hauptanspruchs angegeben. Sie besteht darin, daß die Iris der Kamera oberhalb eines Schwellwerts des Scheitelwerts des Nachbelichtungssignals auch durch den Scheitelwert des Nachbelichtungssignals geregelt wird. Dadurch wird die Iris auch dann noch geregelt, wenn die einfallende Lichtmenge schon so groß ist, daß das Lichtsignal den Überlauf-Spannungswert erreicht hat und daher keine Änderung des Videosignals mehr stattfindet.
Bei bevorzugten Ausführungsformen der Erfindung wird der Mittelwert des Videosignals zur Irisregelung überhaupt nicht mehr verwendet. Dadurch ergeben sich erheblich vereinfachte Regelschaltungen, da auf Speicher, in denen alle digitalen Videosignal des gesamten Bildrahmens gespeichert werden müssen, verzichtet werden kann. Da das Nachbelichtungssignal einem in vertikaler Richtung inte-
TER MEER -MÜLLER . STEINMSISXER ">-""- Sbriy""Corp. -S82P190
grierten Signal des Bildes proportional ist, kann die Regelung aufgrund des Mittelwerts des Videosignals durch eine Regelung durch den Mittelwert des Nachbelichtungssignals ersetzt werden. Es genügt dabei, das Nachbelichtungssignal einer einzigen Zeile während der vertikalen Austastlücke zu verwenden, so daß nicht mehr aus einem gesamten Rahmen ein Mittelwert gebildet werden muß.
Die Erfindung sowie vorteilhafte Ausführungsformen und Weiterbildungen derselben werden im folgenden anhand von Figuren näher erläutert. Es zeigen:
Fig. 1 eine Draufsicht auf einen CCD-Bildwandler für
Bildrahmenübertragung;
15
Fig. 2 ein Diagramm, das den Verlauf des Videosignals und des Nachbelichtungssignals in Abhängigkeit vom Pegel des einfallenden Lichts zeigt;
Fig. 3 ein Blockdiagramm einer Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Irisregelung;
Fig. 4 ein Diagramm des Ausgangssignals eines Festkörperbildwandlers ;
25
Fig. 5 ein Blockdiagramm einer anderen erfindungsegmäßen Ausführungsform einer Irisregelung;
Fig. 6 ein Blockdiagramm einer Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Irisregelung bei einer Fest
körperfernsehkamera mit drei CCD-Chips.
Der CCD-Bildwandler 5 für Rahmenübertragung gemäß Fig. 1 weist einen Bildaufnahmeteil 1 mit einer Mehrzahl lichtempfindlicher Elemente in horizontaler und vertikaler
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Richtung, einen Speicherteil 2 und ein horizontales Schieberegister 3 zum zeilenweisen Erzeugen eines Videosignals auf. Es ist weiterhin ein Synchronisiersignalgenerator 6 zum Erzeugen eines horizontalen und eines vertikalen Synchronisiersignals und ein Taktgenerator 7 vorhanden, der mit den horizontalen und vertikalen Synchronisiersignalen versorgt wird, und der verschiedene Arten von Taktsignalen zum Steuern des Bildaufnahmeteils, des Speicherteils und des Schieberegisters erzeugt. Die Bildladungen, die im Bildaufnahmeteil 1 erzeugt werden, werden vertikal in den Speicherteil 2 übertragen. Von dort werden die Ladungen Zeile für Zeile durch das horizontale Schieberegister 3 ausgeladen. Während die Bildladungen vom Bildaufnahmeteil 1 in den Speicherteil 2 übertragen werden, strahlt nach wie vor Licht auf den Bildaufnahmeteil 1, so daß während des Übertrags eine unerwünschte Ladung durch das auffallende Licht erzeugt wird, wodurch ein Untergrundoder Nachbelichtungssignal im ausgelesenen Videosignal erzeugt wird. Der CCD-Bildwandler von Fig. 1 weist unter Umständen auch einen {nicht dargestellten) Überlaufkanal im CCD-Chip auf, durch den die übertragbare Ladung auf einen vorgegebenen Pegel begrenzt wird. Daher wird die Videosigna lausgangsspannung vom CCD-Bildwandler 5 auf einen Überlaufpegel abgeschnitten, auch wenn so viel Licht einfällt, daß das Signal eigentlich höher sein müßte.
Diese Tatsache ist auch durch den gestrichelt gezeichneten Verlauf des Videosignals in Fig. 2 ersichtlich. Der Pegel des Nachbelichtungssignals nimmt dagegen proportional zur eingefallenen Lichtmenge zu und wird nicht durch den Überlaufpegel begrenzt. Dies ist durch den mit ausgezogener Linie dargestellten Verlauf des Nachbelichtungssignals in Fig. 2 dargestellt. Bei bekannten Irisregelsystemen, die die Iris durch den Mittelwert des Videosignals regeln, wird daher das Nachbelichtungssignal bei hohen Lichtstärken nicht begrenzt, so daß keine Irisrege-
TER MEER · MÜLLER ■ STEINMEiSTÄR "--"*--' Sony
lung mit guter Regeltreue vorhanden ist.
Eine erfindungsgemäße Festkörperkamera weist z. B. einen Schaltungsteil auf, wie er in Fig. 3 dargestellt ist. Das Ausgangssignal von einem CCD-Bildwandler 5 wird einem beweglichen Abgriff eines Auswahlschalters 13 über einen Pufferverstärker 12 zugeführt. Ein erster fester Anschluß des Schalters 13 ist mit einem Mittelwertdetektor 15 und ein zweiter fester Anschluß mit einem Scheitelwertdetektor 16 verbunden. Der Auswahlschalter 13 wird durch ein Steuersignal vom Synchronisiersignalgenerator 6 gemäß Fig. 1 gesteuert. Der bewegliche Abgriff des Schalters 13 wird dadurch während des vertikalen Abtastdauer T , wie in Fig. 4 dargestellt, mit dem ersten Anschluß verbunden, so daß das während dieser Periode erzeugte Videosignal dem Mittelwertdetektor 15 zugeführt wird. Während der vertikalen Austastlücke T0, wie in Fig. 4 dargestellt, wird der bewegliche Abgriff des Schalters 13 dagegen mit dem zweiten Anschluß verbunden. Das Ausgangssignal vom CCD-Bildwandler enthält während der vertikalen Austastlücke Tn theoretischerweise keine Anteil mehr, der einem Bild zugehörig wäre, sondern nur noch das Nachbelichtungssignal. Dieses Nachbelichtungssignal während der vertikalen Austastlücke Tn wird dem Scheiteldetektor 16 über einen Verstärker 14 zugeführt, der dazu dient, das im Vergleich zum Videosignal verhältnismäßig schwache Nachbelichtungssignal auf einen mit dem Videosignal vergleichbaren Pegel zu verstärken.
Die Ausgangssignale der Detektoren 15 und 16 werden einer Mischstufe 17 zum Erzeugen eines Regelsignals für einen Iristreiber 18 für eine Iris 19, die vor dem CCD-Bildwandler 5 angeordnet ist, zugeführt. Die Mischstufe weist einen Vergleicher 17a zum Vergleichen der Ausgangsspannung des Scheiteldetektors 17 mit einem Referenzpegel
TER MEER · MÖLLER · STEINMEfSTER
Sony*Corp. - SB2vT§0
der einen Schwellwert bildet, auf. Eine Torschaltung 17b, die von der Ausgangsspannung des Vergleichers 17a geregelt wird, läßt die Ausgangsspannung, des Detektors 16 durch, wenn der Pegel des Scheitelwerts höher ist als der Schwellwert. In einem Addierer 17c werden die Ausgangsspannungen des Mittelwertdetektors 15 und der Torschaltung 17b mit angemessenem Verhältnis addiert. Die Iris 19 wird daher nur durch den Mittelwert des Videosignals geregelt, wenn der Pegel des Nachbelichtungssignals verhältnismäßig gering ist und das Nachbelichtungssignal das Videosignal, das das Bild darstellt, nicht wesentlich stört. Wenn aber der Pegel des Nachbelichtungssignals höher als der Schwellwert ist und das Nachbelichtungssignal daher einen schlechten Einfluß auf das Video- signal ausübt, wird die Iris 19 durch die zusammengesetzten Ausgangsspannungen vom Mittelwertdetektor 15 und vom Scheitelwertdetektor 16 geregelt.
Das Nachbelichtungssignal einer horizontalen Periode in der vertikalen Austastlücke Tß ist proportional zu einem in vertikaler Richtung im CCD-Bildwandler integrierten Videosignal. Da die Signale in den horizontalen Perioden der vertikalen Austastlücke Tn einander sehr ähnlich sind, kann davon ausgegangen werden, daß das Nachbelichtungssignal während einer der horizontalen Perioden die gesamte Information über das während eines Rahmens eingefallene Licht enthält. Daher kann der Scheitelwertdetektor 16 so ausgebildet werden, daß er den Scheitelwert von nur einem Signalverlauf während einer horizontalen Periode während der vertikalen Austastlücke Tn ermittelt. Wie im Vorstehenden erläutert ist, kann mit einer Ausführungsform gemäß der Fig. 3 die Iris so geregelt werden, daß sie den Pegel des Nachbelichtungssignals dann verringert, wenn dieses besonders groß ist. Dies erfolgt dadurch, daß sowohl der Mittelwert des Videosi-
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gnals wie auch der Scheitelwert des Nachbelichtungssignals zur Regelung der Iris 19 verwendet werden.
Bei der Ausführungsform gemäß Fig. 5 wird nur das Nachbelichtungssignal sowohl einem Scheitelwert- wie auch einem Mittelwertdetektor zugeführt# die parallel geschaltet sind. Die Regelung der Iris 19 erfolgt also hur durch das Nachbelichtungssignal und nicht mehr durch das Nachbelichtungssignal und das Videosignal, wie bei der Ausführungsform gemäß Fig. 3. Bei der Ausführungsform gemäß Fig. 5 wird das Ausgangssignal des Pufferverstärkers 12 einem Nachbelichtungssignal-Torschalter 23 zugeführt, der während einer horizontalen Periode der vertikalen Austastlücke Tn eingeschaltet wird. Das Nachbelichtungssignal während dieser Periode wird durchgelassen und sowohl einem Mittelwertdetektor 25 wie auch dem Scheitelwertdetektor 16 zugeführt. Die Ausgangsspannungen dieser Detektoren werden durch die Mischstufe 17 gemischt, die genau so wie die gemäß Fig. 3 ausgebildet sein kann. Die Ausgangsspannung der Mischstufe 17 regelt den Iristreiber 18 für die Iris 19. Da, wie oben ausgeführt, das Nachbelichtungssignal während einer horizontalen Periode der vertikalen Austastlücke alle Information über während einer Feldperiode eingefallenes Licht enthält, tritt der gleiche Regeleffekt wie bei der Ausführungsform gemäß Fig. 3 auf, bei der der Mittelwert des Videosignals während eines Feldes gebildet wurde. Der Mittelwertdetektor 25 bei der Ausführungsform gemäß Fig. 5 ist jedoch erheblich einfacher als der Mittelwertdetektor 15 gemäß Fig. 3, bei dem ein Feldspeicher zum Speichern der digitalen Videoinformation eines Feldes benötigt wird, um den Mittelwert des Videosignals zu bilden.
Bei der Ausführungsform gemäß Fig. 6 liegt eine Farbfernsehkamera mit drei Chips von Festkörperbildwandlern zur
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Aufnahme von Primärfarben vor. Der Chip HG dient dabei zur Aufnahme grünen Lichts, der Chip HR für rotes und der Chip HB für blaues Lieht. Die den drei Primärfarben entsprechenden Signale werden über Verstärker 12G, 12R und 12B Ausgängen 20Gf 2OR und 2OB zugeführt. Über die Verstärker 12R und 12B kann dabei ein Weißausgleich durchgeführt werden. Die Iris 19, die allen drei Festkörperbildwandlern gemeinsam ist, wird wiederum durch den Pegel des Nachbelichtsignals einer horizontalen Periode während der vertikalen Austastlücke Tn geregelt. Dazu werden die Ausgangssignale der Verstärker 12G, 12R und 12B einem Nichtaddiermischer 30 zugeführt, der ein Ausgangssignal erzeugt, das dem höchsten Pegel der Eingangssignale entspricht. Der Mischer 30 dient also als Signal- auswähler für das Signal mit dem höchsten Pegel. Das vom Nichtaddiermischer 30 durchgelassene Nachbelichtungssignal einer horizontalen Periode während der vertikalen Austastlücke Tß wird durch einen Torschalter 23 einer Schaltung mit einem Mittelwertdetektor 25, einem Scheitelwertdetektor 16 und einer Mischstufe 17 gemäß Fig. 5 zugeführt. Die Ausgangsspannung der Mischstufe 17 steuert wiederum den Iristreiber für die Iris 19.
Wie aus Vorstehendem ersichtlich ist, kann eine Verschlechterung in der Bildqualität dadurch verringert werden und die Regelung der Iris kann dadurch mit größerer Güte durchgeführt werden, daß erfindungsgemäß die Regelung der Iris über den Pegel des Nachbelichtungssignals durchgeführt wird, wie es während der vertikalen Austastlücke vom Festkörperbildwandler erhalten wird.

Claims (5)

  1. PATENTANWÄLTE
    TER MEER-MÜLLER-STEINMEISTER
    Beim Europäischen Patentamt zugdaMtn· Vertreter — Proleiilonal RepreienUtlvei befor· the European Patani Otllc· Mandalalrea agrtaa prea l'OHIce european dt> brevets
    Dipl.-Ghem. Dr. N. ter Meer Dipl.-Ing. H. Steinmeister ÄSsei "er Artur-LadebecK-Strasse 51
    D-8OOO MÜNCHEN 22 D-48OO BIELEFELD 1
    Mü/cb 10. August 1982
    S82P190
    SONY CORPORATION 7-35, Kitashinagawa 6-chome Shinagawa-ku, Tokyo/Japan
    Festkörperfernsehkamera mit Irisregelung
    Priorität: 10. August 1981, Japan, Nr. 125062/81
    Patentansprüche
    Festkörperfernsehkamera mit einem durch eine Iris (19) hindurch beleuchteten Festkörperbildaufnahmeteil# (1) mit in horizontaler Zeilenrichtung und vertikaler Spaltenrichtung angeordneten lichtempfindlichen Elementen, in denen während einer Bildaufnahmezeit einer örtlichen Bildintensität entsprechende Bildladungen und während einer Übertragungszeit zusätzlich Nachbelichtungsladungen gespeichert werden, so daß sich für jede Bildzeile ein von einem Nachbelichtungssignal überlagertes
    TER MEER - MÜLLER · STEINMtSiSTER ·' Sony Corp. - Si
    Videosignal ergibt, und mit einem Iristreiber (18), der die Iris abhängig von einem Signalmittelwert verstellt, dadurch gekennzeichnet, daß die Kamera eine Scheitelwert-Abtastschaltung (16) zum Ermitteln des Scheitelwerts des Nachbelichtungssignals und einen Mischer (17) aufweist, die oberhalb eines Schwellwerts den Scheitelwert zu dem den Treiber (18) ansteuernden Signalmittelwert addiert.
  2. 2. Festkörperfernsehkamera nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß sie eine Auswahlschaltung (13, 23) aufweist/ die das Signal einer vorgegebenen Zeile während der vertikalen Austastlücke als Nachbelichtungssignal auswählt.
  3. 3. Festkörperfernsehkamera nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß sie eine Videosignal-Mittelwertschaltung (15) aufweist, die den den Treiber (18) ansteuernden Signalmittelwert bildet (Fig. 3).
  4. 4. Festkörperfernsehkamera nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß sie eine Nachbelichtungssignal-Mittelwertschaltung (15) aufweist, die den den Treiber (18) ansteuernden Signalmittelwert bildet (Fig. 5).
  5. 5. Festkörperfernsehkamera nach den Ansprüchen 2 oder 2 und 4, dadurch gekennzeichnet, daß sie drei Bildaufnahmeteile für drei Primärfarben aufweist, deren Signalausgänge einem nichtaddierenden Mischer (30) zuführbar sind, der den jeweiligen höchsten Wert durchläßt, und daß der Ausgang dieses Mischers mit der Auswahlschaltung (23) verbunden ist.
DE19823229771 1981-08-10 1982-08-10 Festkoerperfernsehkamera mit irisregelung Granted DE3229771A1 (de)

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