Brevet FR2511829A1 — publié le 19830225

Système à l'état solide pour la formation d'images en couleurs La présente invention concerne un système à l'état solide pour la formation d'images en couleurs, ce systèm_ engendrant des signaux vidéo couleurs par extractions séquen- tielles de charges de formation de signaux qui sont emmagasinées dans un grand nombre de dispositifs photoélectriques sensibles à la lumière provenant d'un objet, et elle a trait, plus parti- culièrement, à un perfectionnement du système a l'état solide pour formation d'images en couleurs qui peut réduire le moiré de manière à reproduire des images de haute qualité. De façon classique, on utilise un tube analyseur d'images ou tube de caméra pour transformer la lumière d'un objet en signaux vidéo mais, ces dernières années, on a égale- ment eu recours dans ce domaine de la technique à un détecteur d'images à l'état solide On connaît divers types de détecteurs d'images à l'état solide Habituellement, un grand nombre d'éléments photoélectriques, comme par exemple des photodiodes, sont disposés suivant deux dimensions dans une zone sensible à la lumière et des charges de formation de signaux, emmagasinées dans les éléments photoélectriques, sont extraites séquentiel- lement On peut utiliser comme éléments photoélectriques des dispositifs à transfert de charges D'une façon générale, les charges de formation de signaux emmagasinées dans les éléments photoélectriques le long d'une ligne de balayage horizontal (ou dans une rangée donnée) sont extraites séquentiellement par l'intermédiaire d'une ligne de sortie de signaux couplée aux lignes de balayage vertical Dans une variante, un dispo- sitif de transfert de charges peut être connecté aux lignes de balayage vertical pour extraire les charges de formation de signaux de manière à transférer celles-ci jusquea la sortie de ce dispositif La structure et le fonctionnement des agence- ments ci-dessus sont bien connus dans la technique eb on n'en donnera par conséquent aucune autre explication. À la différence du tube analyseur d'images, le détecteur d'images à l'état solide n'utilise aucune bobine ou plaque de déviation pour dévier le faisceau électronique et pour un balayage analogique résultant mais fait appel à des impul- sions d'horloge pour un balayage numérique Par conséquent, la linéarité du balayage est excellente et on peut facilement faire correspondre à la sortie de signaux électriques des adres- ses sur le plan photoélectrique balayé du détecteur d'images. Dans le système de formation d'images en couleurs muni d'un tel détecteur d'images à l'état solide, une image optique est décomposée en trois images en couleur au moyen d'un système optique de séparation de couleurs (comprenant des prismes et des miroirs dichroiques), et trois détecteurs d'ima- ges comportant chacun un grand nombre d'éléments photoélectri- ques sont prévus pour les images en couleur respectives Dans ce cas, le système optique de séparation de couleurs utilisé est compliqué, encombrant et coûteux, ce qui se traduit par une diminution de l'avantage procuré par l'utilisation du détecteur d'images à l'état solide De plus, des normes très strictes sont, de façon désavantageuse, demandées au système optique de séparation de couleurs en ce qui concerne la précision de dimensions et l'aberration car la linéarité et la largeur du balayage sont fixes dans le balayage numérique. Dans ces conditions, on a proposé un agencement de filtre coloré à bandeepour échantillonner de façon spatiale la lumière provenant d'un objet afin que l'on puisse simplifier le système de séparation de couleurs et que l'on puisse réaliser le système avec un seul détecteur d'images. De façon plus particulière, on a proposé de combiner un filtre coloré 1 à bandescomprenant des éléments de filtrage 1 R, 1 G et 1 B pour les couleurs rouge, verte et bleue, comme représenté sur la figure 1, avec trois groupes d'éléments photo- électriques (non représentés) Toutefois, avec un tel filtre coloré à bandes un profil interfère avec le filtre coloré à bande en engendrant un moiré lors de la formation de l'image d'un objet d'unescène, par exemple, qui comprend une grande quantité de poteaux électriques ou de cheminées, et la qualité de l'image se trouve diminuée considérablement. Un objet de la présente invention est de réaliser un système perfectionné à l'état solide pour formation d'images en couleurs capable de réduire le moiré et de fournir des signaux vidéo de résolution élevée. Pour obtenir l'objet ci-dessus, selon la présente invention, on a réalisé un système à l'état solide pour forma- tion d'images en couleurs comprenant un grand nombre de dispo- sitifs photoélectriques disposés de façon régulière et suivant deux dimensions, et un filtre coloré comportant des éléments de filtre associés respectivement aux dispositifs photoélectri- ques, le système sus-visé étant caractérisé par le fait que les dispositifs photoélectriques dans l'une des rangées de dispo- sitie photoélectrique adjacentes verticalement sont décalés par rapport à ceux de l'autre rangée dans la direction horizon- tale, cela d'un demi-pas horizontal des dispositifs photo- électriques, et que les caractéristiques spectrales des éléments de filtre coloré respectifs associés aux trois dispositifs photoélectriques adjacents l'un à l'autre dans deux rangées de dispositie photoélectriques adjacentes verticalement sont choi- sies de manière que la somme des sorties des trois dispositifs photoélectriques corresponde sensiblement à un signal de lumi- nance. Le système à l'état solide de formation d'images en couleurs présentant l'agencement décrit ci-dessus en ce qui concerne les éléments de filtre coloré et les dispositifs photo- électriques peut supprimer l'apparition du moiré et donner des signaux vidéo de résolution élevées en assurant ainsi l'obten- tion d'images en couleurs de haute qualité. On va maintenant décrire la présente invention en se référant aux dessins annexés, sur lesquels: la figure 1 est un diagramme montrant un filtre coloré à bandesde la technique antérieure; la figure 2 est un diagramme montrant un filtre coloré utilisé pour un système à l'état solide pour la formation d'images en couleurs selon la présente invention; la figure 3 est un schéma synoptique montrant la disposition des dispositifs photoélectriques dans le système à l'état solide de formation d'images selon la présente invention les figures 4 et 5 sont des schémas synoptiques montrant des exemples d'un circuit de traitement de signaux du système à l'état solide de formation d'images selon la présente invention; et la figure 6 est un diagramme de formes d'onde montrant des formes d'onde apparaissant dans le schéma synoptique de la figure 4. La génération de moiré par suite d'une interférence d'un profil d'un objet avec le filtre coloré est considérable lorsque les fréquences spatiales du profil et du filtre coloré sont sensiblement identiques l'une à l'autre Par conséquent, il est possible de supprimer la génération de moiré en augmen- tant la fréquence spatiale du filtre coloré À cette fin, un agencement compensant les informations entre deux colonnes (ou lignes verticales) est souhaitable Par contre, trois grou- pes d'éléments de filtre coloré sont nécessaires pour au moins trois couleurs si on veut obtenir les signaux nécessaires pour la reproduction des couleurs On comprendra par conséquent que l'on peut réduire le moiré de manière à obtenir des signaux vidéo de résolution élevée si, avec un ensemble de dispositifs photoélectriques disposés de manière à compenser les informa- tions entre deux colonnes, on associe des éléments de filtre coloré complémentaires qui peuvent diminuer une variation de signal entre des éléments d'image adjacents. On a représenté à titre d'exemple sur la figure 2 un agencement destiné à compenser les informations entre deux colonnes, cet agencement se présentant matériellement sous la forme d'éléments de filtre coloré complémentaires cyan (Cy), jaune (le) et blanc (i) En prenant par exemple des éléments 11829 photoélectriques du type MOS, leur sensibilité aux spectres des couleurs primaires rouge, verte et bleue R, G et B est donnée par R:G:B 4:5:1 de sorte que la somme des signaux provenant des éléments photoélectriques associés aux éléments ( 2 Cy, 2 Ye et 2 W) de filtre Cy, Ye et W engendrée lorsque deux rangées d'éléments photoconducteurs sont lues simultanément, peut être utilisée directement pour représenter un signal de luminance Y = 0,32 R + 0,6 G + O,08 B, qui se rapproche du signal de luminance conforme au système NTS Co Plus particu- lièrement, l'élément de filtre W donne un signal 0,3 R + 0,3 G + 0,3 B, l'élément de filtre Cy donne un signal 0,3 R + O,3 G et l'élément de filtre Ye donne un signal 0,3 G + 0,3 B Par consé- quent, la combinaison de ces signaux donne R:G:B = 096:0,9:0,6 = 2:3:2 D'autre part, la sensibilité de l'élément photo- électrique est R:G:B = 4:5:1 Par conséquent, le rapport résul- tant de R:G:B est 2 X TU: 3 x: 2 x = 8: 15: 2 = 0,32: 0,6: 0,08 Le signal de luminance engendré par chacune des triades d'éléments de filtre tricolore 2 W( 1 1), 2 Cy( 2 1), 2 Ye( 2 2, l 2 W( 1 1), 2 Cy( 1 2), 2 Ye( 2 2), 2 V( 2 3), 2 Cy( 1 2), 2 Ye( 2 2), - apparaît à une période égale à la moitié d'un pas entre les éléments d'image adjacents dans le sens horizon- tal On peut donc obtenir des signaux vidéo de résolution élevée en utilisant une fréquence d'échantillonnage choisie de façon appropriée. A la place de l'élément de filtre W, on peut utiliser un élément de filtre vert (G) Dans ce cas, la somme des signaux qui proviennent des éléments photoélectriques associés aux éléments de filtre Cy, Ye et G et qui sont émis lorsque deux rangées sont lues simultanément peut être directement utilisée pour représenter un signal de luminance Y = 0,2 R + 0,75 G + 0,05 B qui se rapproche aussi du signal de luminance conforme au système NTSC. On va maintenant décrire la présente invention à l'aide de modes de réalisation. La figure 2 montre un filtro coloré utilisé avec un système à l'état solide pour la formation d'images en couleurs selon la présente invention Le filtre coloré, référencé 2 dans son ensemble, comporte des éléments de filtre coloré 2 Cy, 2 Ye et 2 W pour des couleurs cyan, jaune et blanche d'une petite superficie En particulier, chacun des trois éléments de filtre coloré 2 Cy, 2 Ye et 2 W sont contigus aux deux autres éléments dans deux rangées adjacentes La figure 3 montre un agencement de dispositifs photoélectriques 3 constituant un plan de for- mation d'images d'un système à l'état solide pour la formation d'images, dans lequel les dispositif photoélectriques respectifs 3 sont associés aux éléments de filtre coloré respectifs 2 Cy, Z Ye et 2 W Un circuit 4 de balayage horizontal, un circuit 5 de balayage vertical et un circuit 6 de balayage entrelacé, cir- cuits qui sont nécessaires pour la production en série dans le temps de signaux vidéo à partir des dispositifs photoélec- triques 3, sont bien connus de façon classique Dans certaines applications, le circuit 6 de balayage entrelacé n'est pas nécessaire. Sur la figure 3, les références 21 et 22 désignent respectivement des lignes horizontale et verticale d'achemi- nement de signaux Chaque dispositif photoélectrique 3 est représenté comprenant deux photodiodes 31 et 32 couplées à des interrupteurs 41 et 42 à transistors M O S Cet agencement à deux photodiodes et à deux interrupteurs est utilisé en tenant compte d'une disposition appropriée de la ligne verticale 22 d'acheminement de signaux En principe, le dispositif photo- électrique 3 peut tre formé d'une seule photodiode plus un seul interrupteur à transistors MOS Pour la sélection du dispo- sitif photoélectrique 3 et le transfert des signaux de charges qui en proviennent, les grilles ou électrodes de commande des interrupteurs 41 et 42 à transistors MOS sont reliées communé- ment à la ligne horizontale 21 d'acheminement de signal tandis que les drains de ces interrupteurs sont reliés communément à la ligne verticale 22 d'acheminement de signaux Des interrup- leurs 51 et 52 à transistors MOS dont les grilles sont reliées communément au circuit 4 de balayage horizontal sont destinés à la sélection de deux lignes verticales adjacentes 22 d'ache- minement de signaux pour transférer sur deux lignes Si et 52 de sortie de signaux les signaux de charges transférés aux lignes verticales 22 d'acheminement de signaux Du fait que l'agencement et le fonctionnement du détecteur d'images repré- senté sur la figure 3 sont bien connus sauf en ce qui concerne l'agencement spécial des dispositifs photoélectriques 3 (et par conséquent des éléments de filtre coloré), on n'en donnera aucune autre explication. Le filtre coloré 2 étant réalisé comme indiqué ci- dessus, contrairement aux spectres qui sont engendrés par le filtre coloré à bandesreprésenté sur la figure l et qui n'ont un effet renforçateur que dans la direction du balayage hori- zontal, les spectres sont dispersés obliquement vers la droite et vers la gauche de sorte que la génération de moiré peut- être supprimée et des images de grande qualité peuvent 9 tre reproduites. La figure 4 montre un exemple d'un circuit pour le traitement des signaux vidéo provenant du détecteur d'images à l'état solide Par suite de la lecture simultanée de deux rangées de dispositifs photoélectriques, les trains de signaux obtenus à partir des dispositifs photoélectriques par l'inter- médiaire des lignes Si et 52 de sortie de signaux ne corres- pondent pas à la disposition spatiale des dispositifs photo- électriques C'est pourquoi, après amplification dans les préamplificateurs 7, 52 ' des trains de signaux amplifiés St' et 52 ' est retardé dans un circuit à retard 8 de 1/2 fcp (fci la fréquence des impulsions d'horloge du circuit 4 de balayage horizontal) et, de ce fait, la combinaison des trains SI' et 52 " prend la même disposition que la disposition spatiale des dispositifs photoélectriques 3 Ensuite, les trains respectifs Si' et 52 " de signaux sont appliqués à des portes d'échantil- lonnage 10 en vue d'être séparés en signaux de couleurs cyan, jaune et blanche La référence 9 désigne un générateur 2511 P 29 d'impulsions qui applique des impulsions d'échantillonnage Pl P 6 aux portes 10 Les signaux séparés de couleurs cyan, jaune et blanche provenant des portes 10 sont appliqués aux circuits soustracteurs 11 A pourdonner des signaux de chromi- nance de couleurs rouge (R = Y Cy) et bleue (B = W Ye). Pour que l'on obtienne un signal de luminance Y, les trains St' et 52 " de signaux sont appliqués à un circuit additionneur 12 puis traversent un filtre passebas 13 Les formes d'onde apparaissant dans le circuit de la figure 4 sont représentées sur la figure 6. La figure 5 montre un autre exemple du circuit de traitement destiné aux signaux vidéo du détecteur d'images à l'état solide Les signaux de sortie des pré-amplificateurs 7, signaux dont l'un est retardé dans le circuit à retard 8, traversent des filtres passe-bas 14 en vue d'une sélection des composantes de fréquence des signaux Y, Cy et Ye, et sont alors séparés en signaux des trois couleurs cyan, jaune et blanche aux détecteurs 15 adaptés pour une détection synchrone avec les phases des signaux de couleurs Les signaux ainsi séparés sont appliqués à des circuits soustracteurs 11 B de manière à donner des signaux de chrominance de couleurs rouge (R = W Cy) et bleue (B = W Ye). Lorsqu'un élément de filtre G est substitué à l'élément de filtre Y, le circuit soustracteur 11 A ou 11 B du mode de réalisation des figures 4 ou 5 effectue la soustraction R = Ye - G ou B = Cy G, en donnant ainsi un signal de chrominance rouge ou bleu Bien que dans les modes de réalisation précédents, on utilise deux lignes 51 et 52 de sortie de signaux, on peut avoir recours à trois lignes de sortie de signaux pour l'obten- tion respective de signaux Ye, Cy et W ou de signaux Ye, Cy et G. Il est bien entendu que la description qui précède n'a été donnée qu'à titre purement illustratif et que des variantes ou des modifications peuvent y être apportées dans le cadre de la présente invention. REVENDICATIONS 1 Système à l'état solide pour la formation d'images en couleurs, comprenant un grand nombre de dispositifs photo- électriques disposés de façon régulière et suivant deux dimen- sions, des circuits de balayage horizontal et de balayage vertical pour commander le transfert séquentiel de signaux de charges représentant des informations d'image optique depuis les dispositifs photoélectriques précités jusqu'à un agencement de lignes de sortie de signaux, et un filtre coloré comportant des éléments de filtre coloré associés respectivement aux dispositifs photoélectriques précités, caractérisé par le fait que les dispositifs photoélectriques ( 3) d'une de deux rangées quelconques de dispositifs photoélectriques adjacentes vertica- lement sont décalés par rapport à ceux de l'autre rangée dans la direction horizontale d'un demi-pas horizontal des dispo- sitifs photoélectriques et que les caractéristiques de spectre des trois éléments de filtre coloré associés respectivement à trois dispositifs photoélectriques mutuellement adjacents dans les deux rangées précitées de dispositifs photoélectriques adjacentes verticalement sont choisies de manière que la somme des signaux de charges provenant des trois dispositifs photo- électriques précités donne sensiblement An signal de luminance (Y). 2 Système à l'état solide pour la formation d'images en couleurs suivant la revendication 1, caractérisé par le fait que les trois éléments de filtre coloré précités sont relatifs au cyan, au jaune et au blanc. 3 Système à l'état solide pour la formation d'images en couleurs suivant la revendication 1, caractérisé par le fait que les trois éléments de filtre coloré précités sont relatifs au cyan, au jaune et au vert. 4 Système 'a l'état solide pour la formation d'images en couleurs comprenant un grand nombre de dispositifs photo- électriques disposés de façon régulière et suivant deux dimen- sions, des circuits de balayage horizontal et de balayage vertical pour commander l'extraction à partir des dispositifs photoélectriques précités de signaux de charges représentant des informations d'image optique de telle sorte que les signaux de charges provenant des dispositifs photoélectriques d'une première de deux rangées verticalement adjacentes de dispositifs photoélectriques et les signaux de charges provenant de ceux de la seconde rangée soient séquentiellement transférés sur des première et seconde lignes de sortie de signaux, respectivement, d'une façon simultanée vis-à-vis desdites première et seconde rangées, et un filtre coloré comportant des éléments de filtre associés respectivement aux dispositifs photoélectriques pré- cités, caractérisé par le fait que: les dispositifs photo- électriques ( 3) dans-ladite première rangée sont décalés par rapport à ceux de ladite seconde rangée dans la direction horizontale d'un demi-pas horizontal des dispositifs photo- électriques; les caractéristiques de spectre des trois éléments de filtre coloré associés respectivement aux trois dispositifs photoélectriques mutuellement adjacents dans lesdites première et seconde rangées sont choisies de manière que la somme des signaux de charges provenant des trois dispositifs photo- électriques précités donne sensiblement un signal de luminance (Y); et les signaux de charges transférés-séquentiellement sur lesdites première et seconde lignes (Si, 52) de sortie de signaux sont appliqués à un circuit ( 9, 10, 11 , 12, 13; 14, 15, 11 B, 12, 13) de traitement de signaux qui les combinent de manière à donner le signal de luminance précité et deux signaux de couleurs nécessaires pour la reproduction des couleurs, les signaux de charges transférés sur ladite seconde ligne de sor- tie de signaux étant appliqués auxdits circuits de traitement de signaux à travers un circuit à retard ( 8) qui retarde les signaux de charges d'un temps de balayage correspondant à la moitié du pas horizontal des dispositifs photoélectriques. Système à l'état solide pour la formation d'images en couleurs suivant la revendication 4, caractérisé par le fait que les trois éléments de filtre coloré précités sont relatifs il au cyan, au jaune et au blanc. 6 Système à l'état solide pour la formation d'images en couleurs suivant la revendication 4, caractérisé par le fait que les trois éléments de filtre coloré précités sont relatifs au cyan, au jaune et au verte