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Die Erfindung betrifft einen Bildprozessor, und
insbesondere eine Rauschunterdrückungsschaltung, die zusammen mit
einer ladungsgekoppelten Vorrichtung vorgesehen ist.
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Eine ladungsgekoppelte Vorrichtung ist als Konverter zum
Wandeln eines optischen Bildes in eine Reihe elektrischer
Bildsignale allgemein bekannt. Die ladungsgekoppelte
Vorrichtung ist hinsichtlich Größe, Gewicht, Stromverbrauch
und Zuverlässigkeit den Bildkameraröhren überlegen und kann
elektrische Bildsignale erzeugen, die weniger dem Einfluß
einer Bildverzerrung und eines Bilddruckphänomens
unterliegen. Aus diesen Gründen übertrifft die ladungsgekoppelte
Vorrichtung die Bildkameraröhre im Feld der
Videobandrekorder, Camcorder sowie industrieller Kameras. Da desweiteren
die ladungsgekoppelte Vorrichtung hinsichtlich der
Bildauflösungsfähigkeit abhängig von der Entwicklung in den
Halbleiterherstellungstechniken verbessert ist, wird die
ladungsgekoppelte Vorrichtung heutzutage als Bildsensor in
einer hochauflösenden Fernsehkamera verwendet.
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Die Entwicklung der Halbleiterherstellungstechniken führt
zu einer Miniaturisierung der Vorrichtungsgröße und zu
einer hochdichten Integration, was in einem hochauflösenden
Bildsensor resultiert. Je geringer die Elementgröße, desto
geringer ist jedoch auch der Betrag der elektrischen
Ladungen für jedes Bildsignal. Wenn die elektrischen Ladungen
für das Bildsignal reduziert sind, ist es erforderlich, den
Anteil der elektrischen Ladungen aufgrund von Rauschen zu
reduzieren, um die Empfindlichkeit und den dynamischen
Bereich aufrechtzuerhalten. Aus diesem Grund wurden
Forschungs- und Entwicklungsarbeiten hinsichtlich einer
Rauschunterdrückungsschaltung geleistet, die in der Lage ist,
das Signal-Rausch-Verhältnis für hochempfindliche
Bildprozessoren zu verbessern.
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Diese Anstrengungen resultierten in verschiedenen
Rauschunterdrückungstechniken, von denen eine als Verzögerungs- und
Differenzrausch-Unterdrückungstechnik bekannt ist, die von
Nishida et al von NHK Science and Technical Research
Laboratories vorgeschlagen wurde. Fig. 1 zeigt den
Bildprozessor, der mit der Rauschunterdrückungsschaltung unter
Verwendung der Verzögerungs- und
Differenzrauschunterdrückungstechnik versehen ist (vgl. "Noise in a CCD Image
Sensor and the new Low-noise Read-out Method", Proceedings of
the Society of Television, Ausgabe 39, Nr. 12, 1985, Seiten
1176 - 1181). Der Bildprozessor umfaßt im wesentlichen eine
ladungsgekoppelte Vorrichtung 1 und eine
Rauschunterdrückungsschaltung 2. Die ladungsgekoppelte Vorrichtung 1 hat
einen fotoelektrischen Wandlerabschnitt 3, eine
Treiberschaltung 4, die mit dem Übertragungsanschluß des
fotoelektrischen Wandlerabschnittes 3 gekoppelt ist, und eine
Pufferschaltung 5, die mit dem Ausgangsknoten des
fotoelektrischen Wandlerabschnittes 3 gekoppelt ist, und,
andererseits, umfaßt die Rauschunterdrückungsschaltung 2 eine
Differenzverstärkerschaltung 6, einen Pegeleinstellwiderstand
7 mit relativ geringem Widerstand, der zwischen dem
invertierenden Knoten des Differenzverstärkers 6 und der
Pufferschaltung 5 geschaltet ist, eine Verzögerungsleitung 8 mit
einem relativ großen Widerstand, die zwischen den
nichtinvertierenden Knoten des Differenzverstärkers 6 und die
Pufterschaltung 5 geschaltet ist, einen
Rückkoppelungswiderstand 9, der zwischen den invertierenden Knoten und den
Ausgangsknoten des Differenzverstärkers 6 geschaltet ist,
eine Torschaltung 10, die mit ihrem Eingangsknoten mit dem
Ausgangsknoten des Differenzverstärkers 6 verbunden ist,
und eine Pulserzeugerschaltung 11, die mit dem Steuerknoten
der Torschaltung 10 verbunden ist. Die so aufgebaute
ladungsgekoppelte Vorrichtung erzeugt eine Folge von
elektrischen Bildsignalen, wenn ein optisches Bild auf den
fotoelektrischen Wandlerabschnitt 3 fällt. Mit
Treiberpulssignalen, die von der Treiberschaltung 4 zugeführt werden,
überträgt der fotoelektrische Wandlerabschnitt 3
sequentiell die elektrischen Bildsignale von dem fotoelektrischen
Wandlerabschnitt 3 an die Pufferschaltung 5 für eine
zeitweilige Speicherung, und die elektrischen Bildsignale
werden seriell der Pufferschaltung 5 der
Rauschunterdrückungsschaltung 2 zur Verbesserung des
Signal-Rausch-Verhältnisses zugeführt.
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Im einzelnen sei nun angenommen, daß der Zeitrahmen T für
jedes elektrische Bildsignal in einen Rückstellabschnitt
RS, einen Durchführungsabschnitt FT und einen
Datenabschnitt DT unterteilt ist, dann verzögert die
Verzögerungsleitung 8 jedes der elektrischen Bildsignale um ein
Zeitintervall TI, um ein verzögertes elektrisches Bildsignal, das
in Fig. 2 dargestellt ist, zu erzeugen. Die Intensitäten
kleiner Teile des optischen Bildes sind durch Differenzen
D1, D2 und D3 des Spannungspegels zwischen den
Durchführungsabschnitten FT und den Datenabschnitten DT angegeben.
Wenn die elektrischen Bildsignale und die verzögerten
elektrischen Bildsignale dem invertierenden Knoten bzw. dem
nichtinvertierenden Knoten des Differenzverstärkers 6
zugeführt werden, erzeugt der Differenzverstärker 6
rauschunterdrückte elektrische Bildsignale, von denen jedes in der
Amplitude auf Basis einer Differenz aufgrund des
Zeitintervalls TI moduliert ist. Dann werden die Differenzen D1, D2
und D3 in die Differenzen D1', D2' und D3' gewandelt, wie
aus Fig. 2 ersichtlich ist. Die rauschunterdrückten
elektrischen Bildsignale werden mit einem Übertragungssignal
abgetastet, das von der Buserzeugungsschaltung 11 zugeführt
wird, zum Extrahieren der effektiven Spannungspegel, und
die effektiven Spannungspegel werden beispielsweise in
zeitsequentielle Bildsignale gewandelt. Wegen des
Zeitintervalls TI wird jede der Differenzen D1', D2' oder D3' als
ein Differenzspannungspegel zwischen dem
Durchführungsabschnitt FT der verzögerten elektrischen Bildsignale und dem
Datenabschnitt DT der originalen elektrsichen Bildsignale
erzeugt, so daß die Differenzen D1', D2' und D3' die
aktuellen Intensitäten der kleinen Teile des optischen Bildes
angeben, selbst wenn Rauschen auf den elektrischen
Bildsignalen überlagert ist. Die effektiven Spannungspegel werden
aus den rauschunterdrückten elektrischen Bildsignalen
mittels der Torschaltung 10 extrahiert, wobei die
zeitsequentiellen Bildsignale frei von gefalteten Rauschkomponenten
eines höheren Bandes sind, das der Abtast- und
Halteschaltung innewohnt.
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Ein Problem ergibt sich jedoch bei der bekannten
Rauschunterdrückungsschaltung bei der Verschlechterung des
Verstärkungsfaktors bei Hochf requenzbetrieb, das ein
Hinderungsgrund für höhere Auflösung ist. Dies ist aufgrund der
Tatsache, daß eine parasitäre Kapazität C mit dem
invertierenden Knoten des Differenzverstärkers 6 gekoppelt ist. Diese
parasitäre Kapazität bewirkt einen wesentlichen Betrag
einer Zeitkonstante, zusammen mit dem
Rückkoppelungswiderstand 9, und aus diesem Grunde ermöglicht sie, daß der
Differenzverstärker 6 als Integrationsschaltung dient. Die
Frequenzantwortcharakteristika der
Differenzverstärkerschaltung 6 sind in Fig. 3 dargestellt, und die
Abschneidefrequenz fc wird wie folgt berechnet:
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fc = 1/2 x π x C x Rf
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wobei Rf der Widerstandswert des Rückkoppelungswiderstands
9 ist. Falls die parasitäre Kapazität C oder der
Widerstandswert Rf im Wert erhöht wird, ist die
Antwortbandbreite schmaler in Bezug auf das elektrische Bildsignal,
das dem invertierenden Eingangsknoten zugeführt wird, und
dementsprechend ist das elektrische Bildsignal weniger
geneigt, mit dem verzögerten elektrischen Bildsignal
ausgeglichen zu sein. Aus diesem Grunde wird die
Rauschunterdrückungsfähigkeit bei einer höheren Frequenz oberhalb der
Abschneidefrequenz fc verschlechtert.
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Eine Schaltung gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 ist
aus IEEE Journal of Solid State Circuits, Ausgabe SC 15,
Nr. 3, Juni 1980; "Response of a correlated double sampling
circuit to 1/f noise" von R.J. Kansy bekannt. Diese
Schaltung entspricht im wesentlichen der in Fig. 1 dargestellten
Schaltung, wobei eine Verzögerungsleitung zwischen dem
Ausgangsknoten der ladungsgekoppelten Vorrichtung und den
nichtinvertierenden Eingangsknoten eines
Operationsverstärkers geschaltet ist.
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Eine Aufgabe der Erfindung liegt in der Schaffung eines
Bildsignalprozessors, der in einer weiten Bandbreite ohne
Verschlechterung der Rauschunterdrückungsfähigkeiten
betreibbar ist.
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Zur Lösung dieser Aufgabe schlägt die vorliegende Erfindung
vor, eine Kombination eines einzelnen Eingangsverstärkers
und einer Verzögerungsleitung zu verwenden, die zwischen
den Ausgangsknoten der ladungsgekoppelten Vorrichtung und
den Masseknoten geschaltet ist, und eine Schaltung, die
diesen Vorschlag umsetzt, ist in dem Anspruch definiert.
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Die Merkmale und Vorteile eines erfindungsgemäßen
Bildsignalprozessors werden deutlicher aus der folgenden
Beschreibung in Verbindung mit den beigefügten Zeichnungen
deutlich. Es zeigt:
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Fig. 1 ein Blockdiagramm des Schaltungsaufbaus des
Bildsignalprozessors, der auf Basis der Verzögerungsdifferenz-
Rauschunterdrückungstechnik ausgebildet ist,
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Fig. 2 ein Diagramm der Signalformen wesentlicher Signale,
die in dem bekannten Bildsignalprozessor erzeugt werden,
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Fig. 3 ein Graph des Verstärkungsfaktors, der durch den
Differenzverstärker in dem bekannten Bildsignalprozessor
verwendet wird, in Termen der Frequenz,
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Fig. 4 ein Blockdiagramm des Schaltungsaufbaus eines
Bildsignalprozessors gemäß der Erfindung,
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Fig. 5 ein Schaltungsdiagramm, bei dem die
Verzögerungsleitung in dem Bildprozessor gemäß Fig. 4 enthalten ist,
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Fig. 6 ein Diagramm der Signalformen wesentlicher Signale,
die in dem in Fig. 4 dargestellten Bildsignalprozessor
erzeugt werden, und
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Fig. 7 ein Graph zur Erläuterung des Verstärkungsfaktors,
der durch den Differenzverstärker des in Fig. 4
dargestellten Bildsignalprozessor erreicht wird, in Termen der
Frequenz.
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Zunächst auf Fig. 4 der Zeichnungen bezugnehmend ist dort
der Schaltungsaufbau eines Bildsignalprozessors gemäß der
Erfindung dargestellt. Der in Fig. 4 dargestellte
Bildsignalprozessor umfaßt im wesentlichen eine ladungsgekoppelte
Vorrichtung 21 zur Erzeugung einer Reihe von elektrischen
Bildsignalen IMG und eine Rauschunterdrückungsschaltung 22
zur Unterdrückung von Rauschkomponenten aus den
elektrischen Bildsignalen IMG. Die ladungsgekoppelte Vorrichtung
ist von der mehrfach getakteten Bauart, jedoch kann die
Mehrtakt-ladungsgekoppelte Vorrichtung durch andere Arten
von lagerungsgekoppelten Vorrichtungen ersetzt werden.
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Die ladungsgekoppelte Vorrichtung hat einen
fotoelektrischen Wandlerabschnitt 23, der mit einer Anzahl
fotoelektrischer Wandlerelemente versehen ist, die jeweils in der
Lage sind, elektrische Ladungen bei Anwesenheit eines
optischen
Bildes zu erzeugen. Der Anteil der elektrischen
Ladungen die durch jedes fotoelektrische Wandlerelement
erzeugt werden, wird durch die Intensität eines Teils des
optischen Bildes variiert und in das elektrische Bildsignal
IMG gewandelt. Obwohl in der Zeichnung nicht dargestellt,
werden die elektrischen Ladungen von jedem fotoelektrischen
Wandlerelement einem Schieberegister für Ladungsübertragung
zugeführt, welches seinerseits die elektrischen Ladungen
einem Ladungsdetektor zuführt, beispielsweise von der
Bauart mit floatender Diffusion. Dem Ladungsdetektor ist ein
Ausgangsverstärker zugeordnet (nicht dargestellt), der das
elektrische Bildsignal IMG auf Basis von elektrischen
Ladungen erzeugt. Dem Ladungsdetektor ist ferner eine
Rückstellschaltung (nicht dargestellt) zugeordnet, die zum
Entladen der elektrischen Ladungen im Ladungsdetektor zu einem
Senkenanschluß arbeitet, wodurch dem elektrischen
Bildsignal IMG ermöglicht wird, seinen Spannungspegel auf einen
Grundwert rückzuentwickeln. Jedes elektrische Bildsignal
IMG, das durch den so aufgebauten fotoelektrischen
Wandlerabschnitt 23 erzeugt wird, besetzt einen Zeitrahmen T
und ist in drei Abschnitte unterteilt, die aus einem
Rückstellabschnitt, einem Durchführungsabschnitt und einem
Datenabschnitt bestehen. Im Rückstellabschnitt werden die in
dem Ladungsdetektor während des vorhergehenden Zyklus
angesammelten elektrischen Ladungen in den Senkenanschluß
abgeleitet, und die während des laufenden Zyklus erzeugten
elektrischen Ladungen werden neu in dem
Durchführungsabschnitt gesammelt. Anschließend erlaubt der
Rückstellabschnitt dem Durchführungsabschnitt auf den
Grundspannungspegel zurückzukehren, und die Intensität jedes Teils des
optischen Bildes wird durch eine Differenz D1, D2 oder D3
des Spannungspegels zwischen dem Durchführungsabschnitt und
dem Datenabschnitt angezeigt.
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Dem fotoelektrischen Wandlerabschnitt 23 ist eine
Treiberschaltung 24 beigefügt, die sequentiell Treiberpulssignale
erzeugt, die sich in der Phase voneinander unterscheiden.
Mit den Treiberpulssignalen werden die elektrischen
Ladungen von dem fotoelektrischen Wandlerabschnitt 23 an eine
Pufferschaltung 25 übertragen, so daß eine Folge von
elektrischen Bildsignalen IMG durch die Pufferschaltung 25
hinsichtlich der Ausgangsimpedanz eingestellt wird und dann
der Rauschunterdrückungsschaltung 22 zugeführt wird.
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Die Rauschunterdrückungsschaltung 22 hat eine
Verzögerungsleitung 26, die mit dem Eingangsknoten der
ladungsgekoppelten Vorrichtung 21 verbunden ist, eine
Emitterfolgeschaltung 27, die zwischen eine Quelle des Spannungspegel Vcc
und einem Masseknoten geschaltet ist, und eine Torschaltung
28, der eine Pulserzeugungsschaltung 29 zugeordnet ist. Die
Emitterschaltung 27 wird durch eine Reihenschaltung eines
npn-Bipolartransistors 30 und eines Widerstands 31
gebildet, und der NPN-Bipolartransistor 30 ist mit seinem
Basisknoten mit der Verzögerungsleitung 26 verbunden. Die so
aufgebaute Emitter-Folgerschaltung 30 wird mit einem
Rauschunterdrückungssignal NL von der Verzögerungsleitung 26
versorgt und dient als Einzeleingangs-Verstärkerschaltung,
und der Emmiterknoten des NPN-Bipolartransistors 30 ist mit
dem Eingangsknoten der Torschaltung 28 verbunden. Mit einem
von der Pulserzeugungsschaltung 29 zugeführten
Übertragungssignal wird die Torschaltung 28 alternativ zwischen
einem Ein-Zustand und einem Aus-Zustand geschaltet, zum
Schaffen oder Blockieren eines Leitungsweges, der darin
gebildet ist.
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Bezugnehmend auf Fig. 5 der Zeichnungen ist die
Verzögerungsleitung 26 im Detail dargestellt und umfaßt eine
elektromagnetische Verzögerungsleitung 32, der eine
Masseleitung 33 zugeordnet ist. Da die elektromagnetische
Verzögerungsschaltung 32 an ihrem Ausgangsknoten an dem
Masseknoten endet, pflanzt die Verzögerungsleitung 26 die
elektrischen Bildsignale IMG fort, und die elektrischen
Bildsignale
IMG werden vom Masseknoten reflektiert. Während der
Fortpflanzung vom Eingangsknoten zum Ausgangsknoten oder
zum Masseknoten fügt die Verzögerungsleitung 26 eine
Verzögerung t in jedes der elektrischen Bildsignale IMG, so daß
ein verzögertes elektrisches Bildsignal DIMG mit einer
Totalverzögerung von 2 t am Ausgangsknoten der
Verzögerungsleitung 26 erzeugt wird. Jedes der verzögerten elektrischen
Bildsignale DIMG wird mit dem folgenden elektrischen
Bildsignal verschmolzen, um das rauschunterdrückte elektrische
Bildsignal NL zu erzeugen. Im Fall des Betriebs mit 37,125
MHz ist jeder Zeitrahmen T von etwa 27 Nanosekunden in den
Einstellabschnitt RS von etwa 5 Nanosekunden, den
Durchführungsabschnitt FT von etwa 10 Nanosekunden und den
Datenabschnitt DT von etwa 12 Nanosekunden unterteilt.
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Mit Bezug auf Fig. 6 der Zeichnungen folgt hier die
Beschreibung des Betriebs des Bildsignalprozessors. Wenn ein
optisches Bild auf dem Fotowandlerabschnitt 23 fällt,
wandeln die vielen fotoelektrischen Wandlerelemente kleine
Teile des optischen Bildes in eine Folge von elektrischen
Bildsignalen IMG, und die elektrischen Bildsignale IMG
werden seriell von dem fotoelektrischen Wandlerabschnitt 23
zur Pufferschaltung 25 zur Einstellung der Impedanz
übertragen, die ihrerseits die elektrischen Bildsignale IMG von
der Pufferschaltung zur Verzögerungsleitung 26 überträgt.
Die Verzögerungsleitung 26 verzögert jedes der elektrischen
Bildsignale IMG um das Zeitintervall 2t zur Einfügung einer
Gesamtverzögerung in jedes der elektrischen Bildsignale,
das mit dem folgenden elektrischen Bildsignal IMG
verschmolzen wird. Wegen der Anordnung der
Verzögerungsschaltung 26 wird das verzögerte elektrische Bildsignal DIMG
hinsichtlich der Signalform bezüglich des
Basisspannungspegels invertiert, und aus diesem Grund werden
Rauschkomponenten aus dem elektrischen Bildsignal IMG nach der
Verschmelzung eliminiert. Das so erzeugte rauschunterdrückte
elektrische Bildsignal NL wird dem Basisknoten des
NPN-Bipolartransistors
30 zur Verstärkung zugeführt und dann an
die Torschaltung 28 geliefert. Da ein vernachlässigbarer
Anteil des Widerstandes und ein extrem geringer Anteil der
parasitären Kapazität lediglich mit dem Basisknoten des
NPN-Bipolartransistors 30 verbunden sind, hält die
Ausgangspufferschaltung einen konstanten Verstärkungsfaktor
über eine weite Bandbreite, wie in Fig. 7 dargestellt ist.
Die Torschaltung 28 spricht auf ein von der
Pulserzeugungsschaltung 29 zugeführtes Übertragungssignal an und läßt
Teile der Datenabschnitte DT passieren, die jeweils
repräsentativ für die Intensitäten der Teile des optischen
Bildes sind.
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Wie sich aus der vorstehenden Beschreibung ergibt, spricht
der erf indungsgemäße Bildsignalprozessor auf eine Folge von
elektrischen Bildsignalen an, deren Durchsatz erhöht ist,
was zu einer höheren Auflösungsfähigkeit des
Bildsignalprozessors führt.