DE3332446A1

DE3332446A1 - Festkoerper-bildsensor

Info

Publication number: DE3332446A1
Application number: DE19833332446
Authority: DE
Inventors: Yasuo Matsumoto Nagano Arisawa; Yoshimasa Nagano Kusazaki; Akira Fuchu Tokio Watanabe; Hidetoshi Tokio Yamada; Yutaka Kunitachi Tokio Yunoki
Original assignee: Olympus Optical Co Ltd
Current assignee: Olympus Corp
Priority date: 1982-09-09
Filing date: 1983-09-08
Publication date: 1984-03-15
Also published as: DE3332446C2; US4574309A; JPS5945779A

Description

Festkörper-Bildsensor

Die Erfindung betrifft einen Festkörper-Bildsensor, bei dem eine Verschlußfunktion und eine Konturenakzentuierungs-Funktion beide nach Belieben gewählt werden können.

Bei einem herkömmlichen Verfahren zur Güteverbesserung eines Fernsehbildes ist ein Verfahren zur Durchführung einer Konturenakzentuierung des Bildes vorgeschlagen worden. Gemäß dem bekannten Verfahren kann die Konturenakzentuierung in einer waagerechten Richtung parallel zu einer Abtastzeile mittels einer relativ einfachen Schaltungskonstruktion erreicht werden. Für die Durchführung der Konturenakzentuierung in einer vertikalen Richtung muß jedoch ein teueres Gerät von großen Abmessungen verwendet werden, z.B. eine genaue Verzögerungsleitung und ein Massenspeicher.

Bei dem bekannten Festkörper-Bildsensor ist es zur Akzentuierung der Bildkontur in der vertikalen Richtung notwendig, zwischen Bildsignalen, die von benachbarten Abtastzeilen abgeleitet wurden, eine Differenz zu berechnen. Weil es bei dem bekannten Festkörper-Bildsensor unmöglich ist, die benachbarten mehreren Abtastzeilen gleichzeitig zu erhalten, kann eine Verzögerungsleitung verwendet sein, deren Ver-

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zögerungszeit einer waagerechten Abtastperiode entspricht. Wegen der Forderung nach hoher Genauigkeit ist die Verzögerungsleitung sehr teuer. Weil außerdem bei der Abtastung nach dem Zeilensprungverfahren das durch die Verzögerung während einer waagerechten Abtastperiode erhaltene Signal das zum selben Halbbild gehörende Bildsignal ist, stammen die auf diese Weise erhaltenen Signale nicht aus benachbarten, sondern aus jeder zweiten Abtastzeile. Die auf diese Weise in der vertikalen Richtung erhaltenen Konturensignale enthalten daher zahlreiche niederfrequente Komponenten, und somit kann eine ausreichende Konturenakzentuierung nicht erreicht werden.

Um bei der Zeilensprungabtastung die Signale von benachbarten Abtastzeilen zu erhalten, gibt es ein Verfahren, nach dem die Bildsignale eines Halbbildes in einem Halbbildspeicher gespeichert werden. In diesem Falle können die Konturensignale in einem hohen Frequenzbereich erzielt werden. Weil jedoch für den Halbbildspeicher ein äußerst großer Massenspeicher erforderlich ist, wird der gesamte Bildsensor noch teuerer und größer.

Der Festkörper-Bildsensor der vorstehend genannten Art arbeitet mit einer x-y-Ansteuerung und weist eine elektronische Verschlußfunktion auf. Ein solcher Festkörper-Bildsensor kann unter Verwendung der weitentwickelten integrierten MOS-Schaltkreise hergestellt werden und wurde insbesondere bei kleinen Videokameras angewendet.

Für ein Ausführungsbeispiel eines bekannten Festkörper-Bildsensors des MOS-Typs ist in Fig. IA ein Blockschaltbild der Schaltungsanordnung und in Fig. IB ein Querschnitt durch den Aufbau eines einzelnen Bildelementes dargestellt.

Der Bildsensor weist eine Vielzahl von matrixförmig angeordneten Bildelementen 1-11, 1-12 ..., 1-21, 1-22 ... usw. auf,

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die in einem p-Halbleiter-Substrat 1 ausgebildet sind. Jedes Bildelement hat einen MOS-Transistor mit einer Source 2 und einem Drain 4, die in einer Hauptfläche des Substrates 1 ausgebildet sind, und einem Gate 3 auf einer auf die Hauptfläche aufgetragenen· Isolierschicht, und eine η p-Fotodiode 5, die von einem Übergang zwischen dem p-Substrat 1 und der η -Source 2 gebildet ist. In der Source 2 wird eine Signalladung gespeichert, deren Betrag einer einfallenden Lichtmenge entspricht. Den Gate-Anschlüssen 3 der MOS-Transistoren werden vertikale Abtastimpulse von einem Vertikalschieberegister 6 zugeführt, wogegen die Drain-Anschlüsse 4 der MOS-Transistoren mit Horizontalwahlschaltern 7-1, 7-2, ... verbunden sind, welche MOS-Transistoren aufweisen. Den Horizontalwahlschaltern 7-1, 7-2, ... werden Horizontalabtastimpulse von einem Horizontalschieberegister 8 zugeführt, um die Drainanschlüsse 4 der MOS-Transistoren selektiv mit einer Videoausgangsleitung V.L. zu verbinden. Die Frequenz des Horizontalabtastimpulses ist f = 15,75 kHz, diejenige des Vertikalabtastimpulses f = 30 Hz.

Wenn der Vertikalabtastimpuls dem Gate 3 eines ein Bildelement bildenden MOS-Transistors zugeführt wird und zur gleichen Zeit der Drain 4 des zugehörigen MOS-Transistors von einem Horizontalwahlschalter 7 gewählt wird, der vom Horizontalabtastimpuls getrieben wird, wird die in der Fotodiode 5 gespeicherte Signalladung auf die Videoausgangsleitung V.L. ausgelesen. Zur gleichen Zeit wird die Fotodiode 5 von einer Stromquelle V_n in Sperrichtung betrieben oder rückgesetzt, so daß der Ladungsspeicherungsvorgang erneut gestartet wird.

Bei dem vorstehend beschriebenen bekannten Festkörper-Bildsensor werden die Vorgänge des Auslesens und Rückstellens gleichzeitig durchgeführt, und die Ladungsspeicherungsperio- äe, d.h. die einer Verschlußoffenzeit entsprechende Belichtungszeit, ist auf 1/fν = 33,3 ms festgelegt und kann nicht kleiner als 1/fv gemacht werden.

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Beim Aufnehmen eines sich bewegenden Objektes ist es im allgemeinen notwendig, die Verschlußoffenzeit zu verkürzen, um ein scharfes Bild des Objektes zu bekommen. Da jedoch beim bekannten Bildsensor die Verschlußoffenzeit festgelegt ist, wird die Schärfe des von einem sich bewegenden Objekt aufgenommenen Bildes herabgesetzt und die Bildgüte nimmt stark ab. Zur Vermeidung eines solchen Nachteils ist die Verwendung einer Schnellumlaufblende in einer Videokamera oder das Zünden einer Stroboskoplampe während einer Vertikalaustastzeit vorgeschlagen worden. Eine solche Lösung macht jedoch spezielle Geräte erforderlich, so daß die Kamera von verwickeltem Aufbau, großen Abmessungen, hohem Gewicht und teuer sein wird. Ferner ist die Verwendung einer solchen Kamera auf verschiedene Weisen begrenzt»

Zur Güteverbesserung des Bildes, welches durch das vom Festkörper-Bildsensor abgeleitete Bildsignal reproduziert wird, ist es, wie schon erwähnt, von Vorteil, wenn die Vertikalakzentuierung durchgeführt und die Verschlußgeschwindigkeit elektronisch gesteuert wird. In der Praxis ist es jedoch sehr schwierig, die genanten zwei Maßnahmen beide gleichzeitig durchzuführen. Die Erfinder haben festgestellt,.daß die Bildgüte auch dann beträchtlich verbessert werden kann, wenn, abhängig von dem aufzunehmenden Objekt, die eine oder die andere der beiden Maßnahmen durchgeführt wird. Es ist beispielsweise bei einem sich rasch bewegenden Objekt von Vorteil, die Verschlußoffenzeit zu verkürzen. Dagegen kann die Bildgüte bei einem stillstehenden Objekt durch die Vertikalakzentuierung unter Beibehaltung der auf eine Halbbildperiode fixierten Belichtungszeit wesentlich verbessert werden. Es besteht daher. Bedarf an einem Festkörper-Bildsensor, bei dem die Vertikalakzentuierung und die Belichtungszeitsteuerung selektiv durchgeführt werden können.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, einen Fest-

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körper-Bildsensor zu schaffen, dem die vorstehend beschriebenen Nachteile nicht anhaften und bei dem eine Konturensignalakzentuierung in vertikaler Richtung und eine Belichtungszeitsteuerung selektiv nach Belieben durchgeführt werden können, wobei die Konturensignalakzentuierung in vertikaler Richtung ohne zusätzliche Speicher- oder Verzögerungseinrichtungen möglich sein soll- Ferner soll eine sehr genaue Vertikalakzentuierung auch beim Abtasten nach dem Zeilensprungverfahren durchführbar sein, und eine Signalladungs-Speicherzeit, also eine Verschlußoffenzeit, soll auf einfache Weise nach Belieben von außen einstellbar sein.

Ein diese Aufgabe lösender Festkörper-Bildsensor ist mit seinen Ausgestaltungen in den Ansprüchen gekennzeichnet.

Ausführungsbeispiele der Erfindung werden im folgenden anhand schematischer Zeichnungen näher erläutert. Es zeigt: Fig. 2 ein Blockschaltbild einer Schaltungsanordnung für eine Ausführungsform des Festkörper-Bildsensors gemäß der Erfindung,

Fig". 3 ein Blockschaltbild einer Schaltungsanordnung zur Ausführung einer Konturenakzentuierungs- und einer Verschlußfunktion gemäß der Erfindung,

Fig. 4A bis 4H Steuerungsdiagramme zur Erläuterung der Arbeitsweise der in Fig. 2 dargestellten Vorrichtung bei der Ausführung der Verschlußfunktion,

Fig. 5A bis 5H Steuerungsdiagramme zur Erläuterung der Arbeitsweise der in Fig. 3 dargestellten Vorrichtung bei der Ausführung der Vertikalkonturenakzentuierungs-Funktion,
Fig. 6 ein Blockschaltbild einer Schaltungsanordnung für eine andere Ausführungsform des Festkörper-Bildsensors gemäß der Erfindung,

Fig. 7A bis 7H Steuerungsdiagramme zur Erläuterung der Arbeitsweise der in Fig. 6 dargestellten Vorrichtung

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bei der Ausführung der Verschlußfunktion, und Fig. 8A bis 81 Steuerungsdiagramme zur Erläuterung der Arbeitsweise der in Fig. 6 dargestellten Vorrichtung bei der Ausführung der Konturenakzentuierungs-Funktion.

Bei der in Fig. 2 dargestellten Ausführungsform wird die Abtastung nicht nach dem Zeilensprungverfahren durchgeführt. Der Bildsensor hat eine Vielzahl von matrixförmig angeordneten Bildelementen 11, von denen die Bildelemente 11-11, 11-12, 11-13, 11-21, 11-22, 11-23, 11-31, 11-32 und 11-33 dargestellt sind. Jedes Bildelement 11 weist einen MOS-Transistor 10 und eine an einem Sourceanschluß des Transistors ausgebildete Fotodiode 15 auf„ Gateanschlüsse der in der (vertikalen) Y-Richtung angeordneten MOS-Transistoren sind gemeinsam mit zugehörigen Horizontalabtastzeilen 19 verbunden, von denen die Horizontalabtastzeilen 19-1, 19-2 und 19-3 dargestellt sind. Dagegen sind Drainanschlüsse der in der (horizontalen) X-Richtung angeordneten MOS-Transistoren gemeinsam mit zugehörigen Vertikalabtastzeilen 20 verbunden, von denen die Vertikalabtastzeilen 20-1, 20-2 und 20-3 dargestellt sind. Die Horizontalabtastzeilen 19 sind an die Ausgänge eines Horizontalschieberegisters 18 angeschlossen, und die Vertikalabtastzeilen 20 sind an beiden Enden über zugehörige erste Vertikalwahlschalter 21 und zweite Vertikalwahlschalter 22, von denen jeweils die Wahlschalter 21-1, 21-2 und 21-3 bzw. 22-1, 22-2 und 22-3 dargestellt sind, mit einer ersten und einer zweiten Signalleseleitung 23 bzw» 24 verbunden. Von den ersten und zweiten Vertikalwahlschaltern 21 und 22 ist jeder von einem MOS-Transistor gebildet» Der Bildsensor hat ferner ein erstes und ein zweites Vertikalschieberegister 25 bzw. 26, deren Ausgänge mit den Gateanschlüssen der zugehörigen ersten und zweiten Vertikalwahlschalter 21 bzw. 22 verbunden sind.

Gemäß der Erfindung können die Vertikalakzentuierung und die Belichtungszeitsteuerung selektiv nach Belieben durchgeführt werden. Zu diesem Zweck weist der Festkörper-Bildsensor gemäß Fig. 2 eine in Fig. 3 dargestellte Steuerschaltung auf.

Der in Fig. 3 mit 40 bezeichnete Festkörper-Bildsensor ist über die erste Signalleseleitung 23 mit einem ersten Eingangsanschluß 41a einer Rechenschaltung 41 verbunden, und an eine Verbindungsstelle zwischen dem Bildsensor 40 und der ersten Signalleseleitung 23 ist ein erster Eingang eines Differentialverstärkers 42 angeschlossen. Ferner ist der Bildsensor 40 über die zweite Signalleseleitung 24 an einen zweiten Eingang des Differentialverstärkers 42 angeschlossen. Der Differentialverstärker 42 ist an seinem Ausgang über einen Schalter 45, der durch eine Wählschaltung 44 gesteuert wird, mit einem zweiten Eingangsanschluß 41b der Rechenschaltung 41 verbunden. Wenn der Schalter 45 durch die Wählschaltung 44 geschlossen wird, kann die Konturenakzentuierung in der vertikalen Richtung durchgeführt werden. Wenn dagegen der Schalter 45 geöffnet ist, kann nur die Verschlußsteuerfunktion ausgeführt werden. Die Rechenschaltung 41 erzeugt ein Ausgangssignal, das einer Ausgangsleitung 43 als das Ausgangsbildsignal zugeführt wird.

Wenn beim gezeigten Beispiel die Konturenakzentuierungs-Funktion durchgeführt wird, stellt der Differentialverstärker 42 eine Differenz zwischen Bildsignalen fest, die vom Bildsensor 40 über die erste und die zweite Signalleseleitung 23 und 24 gleichzeitig abgegeben werden. Das so erfaßte Differenzsignal wird dann um einen bestimmten Faktor verstärkt und dem zweiten Eingang 41b der Rechenschaltung 41 zugeführt. Diese addiert das Ausgangssignal des Differentialverstärkers 42 zum Bildsignal, das der Bildsensor 40 über die erste Signalleseleitung 23 abgegeben hat, und das so erhaltene Summensignal wird über die Ausgangsleitung 43 ausgegeben. Auf diese

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Weise läßt sich ein Ausgangssignal ableiten, in dem die Bildkontur in der vertikalen Richtung akzentuiert ist.

Außerdem wird bei der Durchführung der Verschlußsteuerfunktion das vom Bildsensor 40 erzeugte Bildsignal über die erste Signalleseleitung 23 und die Rechenschaltung 41 der Ausgangsleitung 43 direkt zugeführt.

Die Arbeitsweise des in Fig. 2 und 3 dargestellten Festkörper-Bildsensors wird nun anhand der Steuerungsdiagramme gemäß Fig. 4A bis 4H (Verschlußfunktion) und 5A bis 5H (Konturenakzentuierung) erläutert. Beim gezeigten Beispiel ist eine Halbbildperiode gleich einer Vollbildperiode.

Es wird zuerst die Belichtungszeitsteuerung beschrieben. In Fig. 4A ist ein Vertikalsynchronsignal <f>sync dargestellt, in Fig. 4B bis 4D vom ersten Vertikalschieberegister 25 gelieferte erste Vertikalabtastimpulse <f>VI,, und in Fig. 4E bis EG vom zweiten Vertikalschieberegister 2 6 erzeugte zweite Vertikalabtastimpulse φνΐΐ. In der Zeichnung sind nur die Vertikalabtastimpurse für die ersten drei Zeilen dargestellt und diesen durch entsprechende Suffixe zugeordnet. Fig. 4H und 5H stellen vom Horizontalschieberegister 18 gelieferte Horizontalabtastimpulse φΗ dar, die in Fig. 4H und 5H nur für die erste Zeile angegeben sind.

Es wird nun die Arbeitsweise eines einzelnen Bildelementes, nämlich des Bildelementes 11-11 bei der Durchführung der Verschlußfunktion betrachtet. In einem Zeitpunkt T, wird der erste Vertikalwahlschalter 21-1 durch den ersten Vertikalabtastimpuls ψνΐ-l geschlossen bzw. auf Durchlaß geschaltet. Sodann wird der MOS-Transistor 10, der das zugehörige Bildelement 11-11 bildet, durch den Horizontalabtastimpuls ^H-I auf Durchlaß geschaltet. Die entsprechende Fotodiode 15 wird in Sperrichtung betrieben, so daß die Speicherung der Signal-

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ladung eingeleitet wird. In einem Zeitpunkt T„ wird der zweite Vertikalwahlschalter 22-1 durch den zweiten Vertikalabtastimpuls φνΐΙ-Ί auf Durchlaß geschaltet, und auch hier wird der zugehörige MOS-Transistor 10 durch den Horizontalabtastimpuls <J>H-1 durchgeschaltet. Sodann wird die in der Fotodiode 1 5 gespeicherte Signalladung in die zweite Signalleseleitung 24 abgeleitet, und die Fotodiode 15 wird erneut in Sperrichtung betrieben und startet einen neuen Speicherungsvorgang. In einem Zeitpunkt T₃ wird der erste Vertikalwahlschalter 21-1 durch den ersten Vertikalabtastimpuls $VI-1 auf Durchlaß geschaltet, und der zugehörige MOS-Transistor wird durch den Horizontalabtastimpuls φΗ-l ebenfalls durchgeschaltet. Sodann wird die in der zugehörigen Fotodiode 15 während der Zeit T₃-T₃ gespeicherte Signalladung auf die erste Signalleseleitung 23 ausgegeben, wonach die Fotodiode 15 wieder in Sperrichtung betrieben wird.

Aus dem Vorstehenden ergibt sich, daß, weil die in der Fotodiode 15 während der Zeit T„-T, gespeicherte Signalladung im Zeitpunkt T- in die zweite Signalleseleitung 24 abgeleitet werden kann, die Zeit, während der die Signalladung in der-Fotodiode 15 gespeichert wird, auf T₃-T₃ reduziert werden kann, und daß die Signalladung aus der Fotodiode 15 in die erste Signalleseleitung 23 abgeführt wird und ein Ausgangsbildsignal erzeugt.

Beim bekannten Festkörper-Bildsensor ist der Speicherungszeitraum für die Signalladung auf T₃-T, = 33,3 ms fixiert. Beim Festkörper-Bildsensor gemäß der Erfindung dagegen kann durch Verändern einer Verzögerungszeit t, des zweiten Vertikalabtastimpulses φνΐΐ gegenüber dem ersten Vertikalabtastimpuls <£VI die Signalladungs-Speicherungszeit T₃-T₃ nach Belieben eingestellt werden. Gemäß der Erfindung läßt sich die Verzögerungszeit t, um ein ganzzahliges Vielfaches der Horizontalabtastperiode H = 63,5 με verändern. Somit kann die

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Signalladungs-Speicherungszeit, d.h. die Verschlußoffenzeit, innerhalb eines sehr großen Bereiches von 63,5 με bis 33,3 ms eingestellt werden.

Aus dem Vorstehenden ergibt sich, daß beim Festkörper-Bildsensor jedes Bildelement während der Halbbildperiode zweimal gelesen wird. Diese Eigenschaft läßt sich mit Vorteil für die Vertikalakzentuierung nutzen. Der Vorgang der Vertikalakzentuierung wird nun im einzelnen anhand der Steuerungsdiagramme gemäß Fig. 5A bis 5H erläutert, die den Fig. 4A bis 4H entsprechen.

Da es bei der Durchführung der Konturenakzentuierungs-Funktion notwendig ist, daß benachbarte zwei Zeilen gleichzeitig benutzt werden, werden zwei benachbarte Vertikalabtastimpulse ^)VI-2 und (pVII-1 oder pVI-3 und $VII-2, ... zur gleichen Zeit erzeugt, und die Bildsignale der benachbarten Zeilen werden in der ersten und der zweiten Signalleseleitung 23 bzw. 24 gleichzeitig erzeugt. Daher kann die bei der Konturenakzentuierung vorzunehmende Berechnung der Differenz zwischen zwei benachbarten Zeilen innerhalb einer Halbbildperiode ausgeführt werden. In diesem Falle ist der Ladungsspeicherungszeitraum für das in die Signalleseleitung 23 ausgelesene Bildsignal auf T_-T„, d.h. t, = H, unveränderlich festgelegt, und die Ladungsspeicherungszeit für das in die Signalleseleitung 24 ausgelesene Bildsignal ist gleich IH. Jedoch kann die Ladezeitdifferenz bei Bedarf durch unterschiedliche Verstärkung derselben ausgeglichen werden. In diesem Falle kann in die zweite Signalleseleitung 24 ein Signalverstärker eingebaut sein.

Gemäß dem in Fig. 6 dargestellten Schaltplan einer Ausführungsform des Festkörper-Bildsensors mit einer Zeilensprung-Abtastschaltung sind Bildelemente 11, von denen die Bildelemente n-n, n-12, n-i3, 11-21, 11-22, n-23, 11-31, 11-32, n-33

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bis 11-61, 11-62 und 11-63 dargestellt sind, wie bei der zunächst beschriebenen Ausführungsform je von einem MOS-Transistor und einer Fotodiode gebildet und matrixförmig angeordnet. Sie werden über Horizontalabtastzeilen 19, von denen die Zeilen 19-1, 19-2 und 19-3 dargestellt sind, und Vertikalabtastzeilen 20, von denen die Zeilen 20-1 bis 20-6 dargestellt sind, selektiv angesteuert. Die Horizontalabtastzeilen 19 sind an Ausgänge eines Horizontalschieberegisters 18 angeschlossen. Die Vertikalabtastzeilen 20 sind mit einer ersten und einer zweiten Signalleseleitung 23 bzw. 24 über erste bzw. zweite Vertikalwahlschalter 21 und 22 verbunden, von denen die Schalter 21-1 bis 21-6 bzw. 22-1 bis 22-6 dargestellt sind. Die Gateanschlüsse der ersten und zweiten Vertikalwahlschalter 21 und 22 sind mit Ausgängen eines ersten und eines zweiten Vertikalschieberegisters 25 bzw. über erste bzw. zweite Halbbildwahlschalter 27 und 28 verbunden, von denen die Schalter 27-1 bis 27-6 bzw. 28-1 bis 28-6 dargestellt sind. Jeder Halbbildwahlschalter 27 bzw. 28 ist von einem MOS-Transistor gebildet.

Gemäß Fig. 6 wird jeder der Ausgangsimpulse vom ersten und zweiten Vertikalschieberegister 25 bzw. 26 einander paarweise

zugeordneten Halbbildwahlschaltern 27-1,27-2; 27-3,27-4;

und 28-1,28-2; 28-3,28-4; parallel zugeführt. Den Gateanschlüssen der ungeraden ersten und zweiten Halbbildwahlschalter 27-1, 27-3 ... bzw. 28-1, 28-3 werden erste und

zweite Halbbildwählimpulse (J)FI bzw. 0FII zugeführt, und den geraden ersten und zweiten Halbbildwahlschaltern 27-2, 27-4 ... bzw. 28-2, 28-4 ... durch zugehörige Inverter 45 und 46 invertierte erste und zweite Halbbildwählimpulse (f>FI bzw. (fiFII, und zwar synchron mit der Zeilenabtastperiode. Der erste Halbbildwählimpuls '<j>FI nimmt einen hohen logischen Schaltwert während einer ungeraden Halbbildperiode und einen niedrigen logischen Schaltwert während einer geraden Halbbildperiode an. Der zweite Halbbildwählimpuls f>FII führt ebenfalls

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den hohen logischen Schaltwert während der ungeraden Halbbildperiode und den niedrigen logischen Schaltwert während der geraden Halbbildperiode, ist jedoch gegenüber dem ersten Halbbildwählimpuls <pFl um t, zeitlich verzögert.

Bei der Ausführungsform gemäß Fig. 6 werden in der ungeraden

Halbbildperiode die Halbbildwahlschalter 27-1, 27-3 und

28-1, 28-3 ..., die den ungeraden Abtastzeilen entsprechen, durchgeschaltet und die Vertikalabtastimpulse <f)VI und <f>VII werden den Vertikalabtastzeilen 20-1, 20-3 ... zugeführt. In der geraden Halbbildperiode werden die Halbbildwahlschalter

27-2, 27-4 und 28-2, 28-4 ... auf Durchlaß geschaltet

und die Vertikalabtastimpuls φνΐ und <J>VII werden den Vertikalabtastzeilen 20-2, 20-4 ... zugeführt. Auf diese Weise ist die Durchführung der Zeilensprungabtastung möglich, die dem normalen Fernsehsystem entspricht. Durch entsprechendes Einstellen der Verzögerungszeit t., zwischen dem ersten und dem zwei~ ten Vertikalabtastimpuls φνΐ und φνΐΐ sowie zwischen dem ersten und dem zweiten Halbbildwählimpuls <f)FI und <|>FII kann auch bei dieser Ausführungsform die Verschlußoffenzeit innerhalb des sehr großen Bereiches von 63,5 με bis 33>-3 ms eingestellt werden.

Zur Erläuterung der Arbeitsweise des Festkörper-Bildsensors gemäß Fig. 6 bei der Durchführung der Verschlußfunktion sind in Fig. 7A bis 7H verschiedene Impulse dargestellt. Fig. 7A zeigt Taktimpulse CK von der Frequenz f_R zum Treiben des Horizontalschieberegisters 18 und der Vertikalschieberegister 25 und 26; Fig. 7B Vertikalsynchronimpulse <|>sync; Fig. IC und 7G erste bzw. zweite Halbbildwählimpulse <j>FI and <f>FII; Fig. 7D und 7H Eingangsimpulse φνΐ· bzw. φνΐΐ. zum ersten bzw. zweiten Vertikalschieberegister 25 und 26; Fig. 7E und 7F Vertikalabtastimpulse φνΐ-l bzw. φνΐ-2, die vom ersten Vertikalschieberegister 25 erzeugt werden. Beim gezeigten Beispiel kann die Signalladungs-Speicherungszeit, also die

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Verschlußoffenzeit t. durch t. = 2V-t, ausgedrückt werden, worin 2V zwei Halbbildperioden, also eine Vollbildperiode, darstellt und t- die zeitliche Verzögerung des zweiten Halbbildwählimpulses <|>FII gegenüber dem ersten Halbbildwählimpuls <J>FI ist und gleich ist der zeitlichen Verzögerung des Eingangsimpulses zum zweiten Vertikalschieberegister - ^)VII. gegenüber dem Eingangsimpuls zum ersten Vertikalschieberegister - φνΐ.

Gemäß Fig. 6 weist der Bildsensor ferner Blindzellen 29 auf, von denen die Zellen 29-1, 29-2 und 29-3 dargestellt sind. Jede Blindzelle 29 ist, wie ein Bildelement 11, von einem MOS Transistor und einer Fotodiode gebildet und durch eine Lichtabschirmschicht 31 abgeschirmt. Die Drainanschlüsse der Blind zellen 29 sind mit einer Störleseleitung 30 verbunden, die an einen Minuseingang eines Differentialverstärkers 32 angeschlossen ist, dessen Pluseingang mit der ersten Signalleseleitung 23 verbunden ist. Auf diese Weise wird vom Differentialverstärker 32 ein Ausgangsbildsignal abgeleitet, das, weil die Taktimpulse aus ihm ausgeschieden worden sind, Nadel impulse aufweist. Da die Horizontalabtastimpulse <J>H den Gateanschlüssen der die Bildelemente bildenden MOS-Transistoren zugeführt werden, können bei der in Fig. 2 dargestellten Ausführungsform ziemlich große Nadelimpulse entstehen im Vergleich zur bekannten Vorrichtung gemäß. Fig. 1, bei der den Gateanschlüssen die Vertikalabtastimpulse φν zugeführt werden. Jedoch können beim gezeigten Beispiel diese Nadelimpulse mittels der unter Verwendung der Blindzellen 29 gebildeten Rauschunterdrückungsschaltung in beträchtlichem Maße auf ein zulässiges Niveau herabgesetzt werden.

Weil bei den vorstehend beschriebenen Ausführungsformen des Festkörper-Bildsensors gemäß der Erfindung die in der Fotodiode gespeicherte Signalladung innerhalb eines Zeitraumes ausgelesen werden muß, in dem der Horizontalabtastimpuls φΗ

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den hohen logischen Schaltwert führt (dieser Zeitraum beträgt im allgemeinen etwa 70 ns), ist eine Herabsetzung des Widerstandswertes des MOS-Transistors im durchgeschalteten Zustand notwendig;· somit ist der MOS-Transistor von etwas größerer Fläche als bei der bekannten Vorrichtung. Weil aber jedes Bildelement aus einem einzigen Transistor gebildet werden kann, ist die gesamte Vorrichtung noch immer ausreichend klein.

Anhand der Fig. 8A bis 81 wird nun die Vertikalakzentuierungsfunktion erläutert. Fig. 8A zeigt den Vertikalsynchronimpuls <f)syn; Fig. 8B und 8F einen ersten bzw. einen zweiten Halbbildwählimpuls ^FI und ^FII; Fig. 8C und 8G Eingangsimpulse φνΐ. und />VII. , die der ersten bzw. der zweiten Halbbildwahlschaltung zugeführt werden; und Fig. 8D und 8E sowie 8H und 81 Vertikalabtastimpulse ^VI-I und φνΐ-2 bzw. φνΐΐ-l und φνΐΙ-2, die vom ersten bzw. vom zweiten Vertikalschieberegister 25 bzw. 26 erzeugt werden. Beim Durchführen der Vertikalkonturenakzentuierung ist die Belichtungszeit, also die Phasendifferenz t. zwischen dem ersten und dem zweiten Halbbildwählimpuls φΡΙ und 4>FII auf die Halbbildperiode V eingestellt. Mit anderen Worten, die Verschlußoffenzeit ist gleich 1/60 Sekunde. Gemäß Fig. 8B und 8F sind der erste und der zweite Halbbildwählimpuls <pFI und $FII von entgegengesetzter Phase, so daß beim sukzessiven Abtasten der zum ungeraden Halbbild gehörenden Zeilen und Ableiten des Bildsignals zur Signalleseleitung 23 die zum geraden Halbbild gehörenden Zeilen nacheinander abgetastet werden und das Bildsignal zur Signalleseleitung 24 abgeleitet wird. In diesem Falle sind die vom ersten Vertikalschieberegister 25 erzeugten Vertikalabtastimpulse φνΐ-1, φνΐ-2 usw. mit den vom zweiten Vertikalschieberegister 26 erzeugten Vertikalabtastimpulsen ^VII-I, <j>VII-2 usw. synchronisiert. Daher entsprechen die Bildsignale, welche auf den Signalleseleitungen 23 und 24 gleichzeitig abgeleitet werden, in der vertikalen Richtung einander be-

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nachbarten Bildelementen. Durch Verarbeiten der auf den Signalleseleitungen 23 und 24 gleichzeitig abgeleiteten Bildsignale mit der in Fig. 3 dargestellten Schaltungsanordnung kann folglich die Vertikalakzentuierung durchgeführt werden. Da beim gezeigten Beispiel jedes Bildelement während jeden Vollbildes im gleichen Zeitraum, d.h. in der Halbbildperiode, zweimal gelesen wird, haben die auf die Signalleseleitungen 23 und 24 gleichzeitig ausgegebenen Bildsignale die gleiche Verstärkung, und somit kann die Vertikalakzentuierung sehr genau durchgeführt werden. In diesem Zusammenhang sei darauf hingewiesen, daß die Vertikalakzentuierung mittels in der vertikalen Richtung direkt benachbarter Bildelemente ausgeführt wird.

Aus dem Vorstehenden ergibt sich, daß gemäß der Erfindung bei dem herkömmlichen, über x-y-Adressen ansteuerbaren MOS-Transistor die in der Fotodiode gespeicherte Signalladung während einer Halbbildperiode zweimal gelesen werden kann, weil zum Lesen der Signalladung zwei Leseleitungen verwendet werden. Deshalb ist es möglich, die Verschlußfunktion und die Funktion der Konturenakzentuierung i-n der vertikalen Richtung selektiv zu benutzen. Weil der Festkörper-Bildsensor gemäß der Erfindung nach demselben Verfahren hergestellt werden kann wie der herkömmliche Festkörper-Bildsensor des MOS-Typs, ist die Herstellung des mit den Verschluß- und Konturenakzentuierungs-Funktionen ausgestatteten Festkörper-Bildsensors zu denselben Kosten wie der herkömmliche Bildsensor möglich. Weil ferner gemäß der Erfindung zur Durchführung der Konturenakzentuierung in der vertikalen Richtung keine Verzögerungsschaltung oder Speicher notwendig ist, kann die Konturenakzentuierung auf äußerst einfache und billige Weise erreicht werden.

Claims

Ansprüche

Festkörper-Bildsensor,
gekennzeichnet durch die Kombination der folgenden Merkmale:

- eine Vielzahl von matrixförmig angeordneten Bildelementen (11) je mit wenigstens einem MOS-Transistor (10) und einer Fotodiode (15),

- eine mit den Bildelementen (11) verbundene Horizontalabtasteinrichtung zum waagerechten Abtasten der Bildelemente (11) in einer bestimmten Horizontalabtastperiode,

- eine mit den Bildelementen (11) verbundene Vertikalabtasteinrichtung zum Abtasten der Bildelemente (11) in einer bestimmten Vertikalabtastperiode,

- eine Signalleseeinrichtung mit einer ersten und einer zweiten Signalleseleitung (23,24), die mit Steuerung durch die Horizontal- und Vertikalabtasteinrichtungen mit den Bildelementen (11) selektiv verbindbar ist, derart, daß in den Fotodioden (15) gespeicherte Signalladungen während einer Vollbildperiode zweimal gelesen werden, um eine Verschlußfunktion mit veränderbarer Verschlußoffenzeit (t.) durchzuführen,

- eine Konturenakzentuierungs-Einrichtung zur Durchführung einer Konturenakzentuierungs-Funktion durch Verstärken einer Kontur eines Bildes in vertikaler Richtung durch gleichzeitiges Lesen von Signalladungen, die in zwei in vertikaler Richtung benachbarten Fotodioden (15) gespeichert sind, wobei die Verschlußoffenzeit (t.) auf die VoIl-

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bildperiode (2V) festgelegt ist,

- und eine Wähleinrichtung zum beliebigen Wählen zwischen der Verschlußfunktion und der Konturenakzentuierungsfunktion.
2. Bildsensor nach Anspruch 1,

dadurch gekennzeichnet , daß

- die Horizontalabtasteinrichtung

- mehrere Horizontalabtastzeilen (19), die je gemeinsam

mit in vertikaler Richtung angeordneten Bildelementen (11) verbunden sind,

- und wenigstens ein Horizontalschieberegister (18) aufweist, das an die Horizohtalabtastzeilen (19) angeschlossene Ausgänge hat und die Horizontalabtastzeilen (19) nacheinander mit Horizontalabtastimpulsen (</>H) zu treiben vermag,

- die Vertikalabtasteinrichtung

- mehrere Vertikalabtastzeilen (20), die je gemeinsam mit in waagerechter Richtung angeordneten Bildelementen (11) verbunden sind,

- und ein erstes und ein zweites Vertikalschieberegister (25,26) aufweist, die an die Vertikalabtastzeilen (20) angeschlossene Ausgänge haben und die Vertikalabtastzeilen (20) mit ersten bzw. zweiten Vertikalabtastimpulsen (φνΐ, (J)VII) zu treiben vermögen, wobei die zweiten Vertikalabtastimpulse (φνΐΐ) gegenüber den ersten Vertikalabtast impulsen (<j>VI) um eine bestimmte Zeit (t^) verzögert sind.
3. Bildsensor nach Anspruch 2,

dadurch gekennzeichnet , daß

- die Vertikalabtasteinrichtung

- erste Vertikalwahlschalter (21), die zwischen die Vertikalabtastzeilen (20) und die erste Signalleseleitung (23) zwischengeschaltet sind,

- 3 - 57 5

- und zweite Vertikalwahlschalter (22) aufweist, die zwischen die Vertikalabtastzeilen (20) und die zweite Signalleseleitung (24) zwischengeschaltet sind, und

- daß die ersten und zweiten Vertikalwahlschalter (21,22) mit den ersten bzw. den zweiten Vertikalabtastimpulsen (φνΐ, φνΐΐ) angesteuert werden.
4. Bildsensor nach Anspruch 3,

dadurch gekennzeichnet , daß jeder der ersten und zweiten Vertikalwahlschalter (21,22) von einem MOS-Transistor gebildet ist.
5. Bildsensor nach Anspruch 3,

dadurch gekennzeichnet , daß

- die Horizontalabtastzeilen (19) mit Gateanschlüssen der MOS-Transistoren (10) der Bildelemente (11)

- und die Vertikalabtastzeilen (20) mit Drainanschlüssen der MOS-Transistoren (10) der Bildelemente (11) verbunden sind.
6. Bildsensor nach Anspruch 3,

dadurch gekennzeichnet , daß die Vertikalabtasteinrichtung

- erste Halbbildwahlschalter (27), die mit den ersten Vertikalschaltern (21) verbunden sind und von denen jeweils zwei aufeinanderfolgende Schalter (27) an entsprechende Ausgänge des ersten Vertikalschieberegisters (25) angeschlossen sind,

- und zweite Halbbildwahlschalter (28) aufweist, die mit den zweiten Vertikalwahlschaltern (22) verbunden sind und von denen jeweils zwei aufeinanderfolgende Schalter (28) an zugehörige Ausgänge des zweiten Vertikalschieberegisters (26) angeschlossen sind,

- von den ersten Halbbildwahlschaltern (27) jeder zweite abwechselnd bei einem ungeraden Halbbild durch einen ersten Halbbildwählimpu: s (<J>FI) getrieben wird,

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- und von den zweiten Halbbildwahlschaltern (28) jeder zweite abwechselnd bei einem geraden Halbbild durch einen zweiten Halbbildwählimpuls ((J)FII) getrieben wird,

- wobei die zweiten Halbbildwählimpulse (ßFII) gegenüber den ersten Halbbildwählimpulsen (^)FI) um die bestimmte Zeit (t,) verzögert sind.
7. Bildsensor nach Anspruch 2,

dadurch gekennzeichnet , daß

- jedes der Bildelemente einen ersten und einen zweiten MOS-Transistor und eine Fotodiode aufweist,

- die Horizontalabtasteinrichtung

- erste Horizontalabtastzeilen aufweist, die mit den Drainanschlüssen der ersten MOS-Transistoren verbunden sind,

- zweite Horizontalabtastzeilen, die mit den Drainanschlüssen der zweiten MOS-Transistoren verbunden sind,

- erste Horizontalwahlschalter, die zwischen die ersten Horizontalabtastzeilen und eine erste Signalleseleitung zwischengeschaltet sind,

- zweite Horizontalwahlschalter, die zwischen die zweiten Horizontalabtastzeilen 'und eine zweite Signalleseleitung zwischengeschaltet sind,

- ein erstes Horizontalschieberegister mit an die ersten Horizontalwahlschalter angeschlossenen Ausgängen

- und ein zweites Horizontalschieberegister mit an die zweiten Horizontalwahlschalter angeschlossenen Ausgängen,

- und die Vertxkalabtastexnrichtung

- erste Vertikalabtastzeilen aufweist, die mit den Gateanschlüssen der ersten MOS-Transistoren verbunden sind,

- zweite Vertikalabtastzeilen, die mit den Gateanschlüssen der zweiten MOS-Transistoren verbunden sind,

- ein erstes Vertikalschieberegister, das an die ersten Vertikalabtastzeilen angeschlossen ist,

- und ein zweites Vertikalschieberegister, das an die zweiten Vertikalabtastzeilen angeschlossen ist.

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8. Bildsensor nach Anspruch 7,

dadurch gekennzeichnet , daß jeder der Wahlschalter von einem MOS-Transistor gebildet ist.
9. Bildsensor nach Anspruch 2,

dadurch gekennzeichnet , daß

- jedes der Bildelemente einen ersten und einen zweiten MOS-Transistor und eine Fotodiode aufweist,

- die Horizontalabtastzeilen gemeinsam mit den Drainanschlüssen der ersten MOS-Transistoren zugehöriger Bildelemente und mit den Drainanschlüssen der zweiten MOS-Transistoren von in waagerechter Richtung benachbarten Bildelementen verbunden sind,

- die Vertikalabtastzeilen gemeinsam mit den Gateanschlüssen der ersten MOS-Transistoren zugehöriger Bildelemente und mit den Gateanschlüssen der zweiten MOS-Transistoren von in vertikaler Richtung benachbarten Bildelementen verbunden sind,

- und die Horizontalabtasteinrichtung erste und zweite Horizontalwahlschalter aufweist, die zwischen die zugehörigen Horizontalabtastzeilen und die erste bzw. die zweite Signalleseleitung zwischengeschaltet sind, wobei die ersten und die zweiten Horizontalwahlschalter mit den Horizontalabtastimpulsen getrieben werden.
10. Bildsensor nach Anspruch 1,

dadurch gekennzeichnet , daß eine Rauschunterdrückungsschaltung vorgesehen ist mit

- Blindzellen (29), die je von gleichem Aufbau wie das Bildelement (11) sind und von der Horizontalabtasteinrichtung getrieben werden, um Störkomponenten zu erzeugen,

- einer Störkomponenten-Leseleitung (30), die an die Blindzellen (29) angeschlossen ist,

- und einem Differentialverstärker (32), der mit einem Eingang an die Störkomponenten-Leseleitung (30) und mit dem

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anderen Eingang an die erste oder an die zweite Signalleseleitung (23 bzw. 24) angeschlossen ist.
11. Bildsensor nach Anspruch 1,

dadurch gekennzeichnet , daß die Konturenakzentuierungs-Einrichtung

- eine erste Recheneinrichtung (42) hat mit

- einem an die erste Signalleseleitung (23) angeschlossenen ersten Eingang

- und einem an die zweite Signalleseleitung (24) angeschlossenen zweiten Eingang,

die zwischen Bildsignalen, die auf der ersten und der zweiten Signalleseleitung (23,24) gleichzeitig erzeugt werden, eine Differenz ableitet,

- und eine zweite Recheneinrichtung (41) mit

- einem an die erste Signalleseleitung (23) angeschlossenen ersten Eingang (41a)

- und einem zweiten Eingang (41b), der an einen Ausgang der ersten Recheneinrichtung (42) angeschlossen ist,

die die genannte Differenz dem dem ersten Eingang (41a) zugeführten Bildsignal zuaddiert.
12. Bildsensor nach Anspruch 11,

dadurch gekennzeichnet , daß die erste Recheneinrichtung von einem Differentialverstärker

(42) gebildet ist.
13. Bildsensor nach Anspruch 12,

dadurch gekennzeichnet , daß die Wähleinrichtung einen Schalter (45) aufweist, der zwischen den Ausgang des Differentialverstärkers (42) und den zweiten Eingang (41b) der zweiten Recheneinrichtung (41) zwischengeschaltet ist.