DD260853A3

DD260853A3 - Vakuumfreie hybridfarbkamera mit einer einchip-ccd-sensoranordnung

Info

Publication number: DD260853A3
Application number: DD86294148A
Authority: DD
Inventors: Claus Illgen; Hartwin Obernik; Arno Seeboth; Norbert Wecke
Original assignee: Werk Fernsehelektronik Veb
Priority date: 1986-09-04
Filing date: 1986-09-04
Publication date: 1988-10-12
Also published as: DE3727655A1; JPS63146590A; FR2603760A1

Abstract

Das elektronisch steuerbare Farbfilter dient zur periodischen Farbzerlegung im Lichtweg, z. B. einer Farbkamera. Erfindungsgemaess besteht das Farbfilter aus zwei auf Traegern aufgebrachten, mit Spannungsimpulsfolgen in mindestens drei unterschiedlichen Impulspegeln beauflagten Elektroden, wobei zwischen diesen ein elektrooptisch aktives, fluessig-kristallines, ferroelektrisches Material mit einer chiral-smektischen Phase vorgesehen ist und dessen im sichtbaren Spektralbereich abstimmbare Passwellenlaengenauswahlcharakteristik auf mindestens einen Teilbereich sowohl der kurz- wie der langwelligen Flanke der Vl-Kurve der Augenempfindlichkeit oder/und deren Maximum elektrisch einstellbar ist.

Description

Hierzu 3 Seiten Zeichnungen

Anwendungsgebiet der Erfindung

Die Erfindung betrifft ein elektronisch steuerbares Farbfilter, das zur periodischen Farbzerlegung im Lichtweg angeordnet ist.

Derartige steuerbare Farbfilter finden Anwendung in Fernsehkameras, Mustererkennungs-, Überwachungs- sowie in Informationsverarbeitungssystemen vieler Bereiche des Lebens in Industrie, Medizin, Ausbildung sowie Bereiche der Unterhaltungselektronik.

Ein wichtiger Zweig in der Industrie sind Ausstattungen adaptierter kybernetischer Systeme (Roboter), so daß sie bestimmte körperliche und geistige Tätigkeiten des Menschen auf elektronischer Grundlage ausführen können.

Charakteristik der bekannten technischen Lösungen

Die Mehrdimensionalität der optischen Szenen bezüglich Raum, Zeit, Helligkeit und Farbe ist mit Hilfe der Bildaufnahmetechnik in Signale zu verwandeln, aus denen sich Bilder mit angemessen guter Anpassung an das menschliche Auge rekonstruieren lassen.

-2- 260 8E

In traditionellen Fernsehkameras werden herkömmliche Bildaufnahmeröhren des Vidikontyps benutzt, wobei die Bildaufnahmefläche in der Röhre aus einer zusammenhängenden Schicht besteht, deren fotoleitfähige Fläche von einem Elektronenstrahl abgetastet wird.

Nach der Lehre der DT-Offenlegungsschrift 3303100 wird eine Fernsehkameralösung gezeigt, die in der Änderung der Durchlässigkeit für Lichtintensität auf dem Lichtweg von der Abbildungsoptik zur Bildaufnahmeeinrichtung, wobei das Filter dank der Unterteilung in eine Vielzahl von Teilabschnitten sowie dank einer vorgegebenen Abfolge der Belegung der Musterelektroden mit einem elektrischen Signal dynamische Spezialeffekte hervorbringt (selektiv im Bildbereich wird unterschiedliche Helligkeit, z. B. Dunkelheit erzeugt und ausgebreitet) besteht.

Die Helligkeitsausblendung der Bildpunkte kann flächenmäßig und zeitlich durch eine Flüssigkristalleinrichtung variiert werden.

Um die drei Farbauszüge und damit die Farbsignale rot, grün und blau zu gewinnen, wurden und werden zum Teil noch heute drei mit entsprechenden Vorsatzfiltern bestückte Röhren benutzt.

Mit den Lehren der US-PS 3378633 und der BP-PS 1456671 wurde die Ausstattung der Frontseite der Bildaufnahmeröhre mit Farbstreifenfiltern bekannt.

Durch die Anwendung einer einzelnen Bildaufnahmeröhre und die Aufteilung des Bildfeldes in periodisch wiederholte Folgen von Rot, Grün-und Blaufilterstreifen sank jedoch das Auflösungsvermögen gegenüber dem Dreiröhrensystem. Mit der Anordnung der Farbstreifenfilter schräg zur Abtastrichtung des Elektronenstrahls konnte nach der BP-PS 1456671 eine, die Bildqualität beeinträchtigende Abnahme der Reproduzierbarkeit der optischen Szene begegnet werden. Gegenüber der Bildaufnahmeröhre mit der zusammenhängenden fotoempfindlichen Schicht ist die Auflösung der aus einzelne integrierten Sensorelementen gebildeten Halbleiterbildaufnahme durch die begrenzte Zahl der Sensorelemente zunächst deutlich eingeschränkt.

Nach der von S. König in der Zeitschrift Fernseh und Kinotechnik Bd. 39 (1985) Heft 1 s. 6-10 beschriebenen Entwicklung bei Halbleiterbildsensoren wird noch heute die aus der Zeitschrift Electronics Vol. 45 (1972) Heft 17, S. 39—40 erstmals beschrieben Methode mit drei getrennten CCD-Sensorchips das durch einen Strahlteiler zerlegte und drei Grundfarbenfilter gespaltene Bile aufzunehmen, gearbeitet. Als Strahlteiler werden gemäß den US-Patentschriften 4322740,4334238 und 4532550 gekoppelte, prismatische Glaskörperbauteile verwendet. Nach der US-Patentschrift 4507679 wird sogar mit vier CCD-Sensor-Chips gearbeitet. Dementsprechend wird das Strahl- und Farbteilerprisma noch um einen weiteren Ausgang vergrößert. Diese Farbkameravarianten erfordern noch einen relativgroßen Raum, komplizierte Glaskörperbauteile und einen erhöhten Chip- und Montageaufwand.

Ein Ausweg aus dieser Situation gelingt über den Einsatz von Einchip-Sensoren.

Die Farbzerlegung der optischen Szene kann bei der Bildaufnahme in einer Vertikalstruktur im Sensorvolumen erfolgen. Um den drei beim Farbfernsehen benötigten Grundfarben möglichst nahe zu kommen, werden in unterschiedlicher Tiefe des Halbleiters Potentialmulden zur Sammlung der Signalladungen angeordnet. Nach der DE-Offenlegungsschrift 2811961 sowie der US-Patentschrift 4255760 sind drei solcher Potentialmulden übereinander auszubilden. In der tiefsten Potentialmulde wird nur langwelliges, rotes Licht und in den darüberliegenden Schichten je eine weitere Komponente mehr, also rot und grün bzw. rot, grün und blau erfaßt.

Farbselektive Halbleitersensoren, ζ. B. auch nach der DD-Patentschrift 237897 sind allein schon ohne, erst recht jedoch mit integrierter Abtastschaltung aufgrund der erforderlichen Schichtfolgen, Leitartwechsel, Justierungen und Kontaktierungen in unterschiedlichen Ebenen jenseits der Grenzen des technologisch Beherrschbaren gelegen, wenn nicht nur auf Sensorzeilen, sondern auf Sensormatrizen gezielt wird.

Deshalb wurde und wird der Anwendung chipexterner optischer Vorsatzelemente zur Farbzerlegung gleichfalls Aufmerksamkeil geschenkt. Stationäre optische Vorsatzelemente bestehen aus Filtern in Streifenform gemäß der US-Patentschrift 4065785, aus Schachbrettmustern gemäß den amerikanischen Patentschriften 3971065 und 4047203 aus Parallelogrammbrettmustern nach der DE-Offenlegungsschrift 2049897, oder schließlich aus Dreiecksmustern nach der japanischen Auslegeschrift 58-20091 Basis der Farbzerlegung sind Interferenz-, Absorption- oder Beugungserscheinungen.

Bewegte optische Vorsatzelemente mit rotierenden Farbkreiseln oder Farbtrommeln zur Sensorbelichtung im Videosystem wie nach der DD-Patentschrift 217118 bzw. US-Patentschrift 4404585 oder mit schwingenden Spiegeln in Kombination mit dich roitischen Spiegeln nach der US-Patentschrift 4245240 erfordern einen bestimmten zusätzlichen Aufwand. Dazu gehört der Antrieb der bewegten Teile, eine Rück-Kopplungseinheit zur Steuerung der Geschwindigkeit sowie die Gewinnung der Stellungsinformation von Spiegel und Kreisel. Derfür Lichtschranken, Lichtzerhacker, Wechselstromsynchronmotore oder Gleichstrommotore benötigte Raum ist ebenfalls relativ groß und es wird zusätzliche Energie verbraucht. Daneben ist ein Verlust im Auflösungsvermögen bei Verwendung bewegter Filterkreisel wie nach der DE-Auslegeschrift 2238700 kaum zu vermeiden.

Zumindest das Schwarz/weiß-Auflösungsvermögen von Bildtransfer-CCD-Sensoren kann nach einer Veröffentlichung von N.Harada u.a. in der Zeitschrift Journal Inst. Telev. Eng. Japan Vol.37 (1983) 10, S.826-832 mit einem schwingenden CCD-Bildaufnahmesensor verdoppelt werden, wenn die Schwingung in horizontaler Richtung längs der Zeilen nach links und rechts erfolgt.

Jedoch bereits beim Einsatz stationärer Sensoren und stationärer optischer Vorsatzelemente treten Probleme in zwei Richtungen auf. Bei der Wiedergabe einer aufgenommenen Szene schleichen sich unerwünschte abtastbedingte Fehler und Störungen der Farbe im Bild ein.

An derartigen Störungen sind, wie in der Veröffentlichung von K.Senda in der Zeitschrift Journal applied physics 57 (85) H. 4. S. 1369-1372 beschrieben, Fluktuationen der Qualität des Ausgangsmaterials der CCD-Sensoren beteiligt. Wachstumsstörungen und Defektbildungen, wie sie durch Fertigungsfluktuationen entstehen, sind ebenfalls zu berücksichtigen. Störend bleiben bei den Halbleitersensoren auch abtastbedingte Defekte wie Alias-Effekte und Farb-Moire-Erscheinungen im wiedergegebenen Farbbild. Daran sind hochfrequente Anteile aus der optischen Szene beteiligt. Die Präzisionsmontage oder Mikrofarbfiiter im Raum zwischen der Abbildungslinse und dem Halbleitersensor schließt derartige Farbschwebungen nicht aus. Im Gegenteil leitet sich hieraus ganz allgemein der Widerspruch zwischen einer kontinuierlichen, eben nicht sequentiellen und dazu polychromatischen Belichtung der aufzunehmenden optischen Szene und des Bildaufnahmesystems einerseits und der sequentiellen Abtastung eines Verbundes aus Farbfilterraster und Sensorraster andererseits ab.

Die bisherigen Bemühungen durch spezielle Filtermusterformen sei es in Streifen-, Schachbrett-, Parallelogrammbrett- oder Dreiecksform oder in Mustern mit in Form und Größe konstanten aber zufallsverteilten Farbartfiltern zum Erfolg zu kommen, scheiterten im wesentlichen ebenso, wie die Einführung einer Szenenbeleuchtung mit ständigem schnellen Farbartwechsel. Ferner gilt, unabhängig von den vielen verschiedenen Lichtsensorkonzeptionen, auf der Basis der BBD-, CCD-, MOS- Fotodioden, Fotodioden-oder Transistormatrizen die Aussage, daß die Erhöhung des Auflösungsvermögens nur mit einer Vergrößerung der Sensorelementezahl pro Zeile erreichbar ist. Um die gleiche Auflösung bei farbtüchtigen CCD-Sensoreinheiten zu erreichen, wie bei S/W-Bildaufnahmematrizen, müßte die Zeilenlänge vervielfacht werden. Dabei steigt nicht nur der Aufwand, selbst wenn das Problem prinzipiell lösbar erscheint, wie aus einer Veröffentlichung in der Zeitschrift Electronic design vom 12. Januar 1984 S.41-42 hervorgeht. Selbst bei langer Produktionserfahrung sinkt die Ausbeute bei der CCD-Sensorfertigung exponentiell mit der Sensorelementezahl pro Zeile.

Hieraus leitet sich ebenfalls ein technisch-ökonomischer Widerspruch zwischen dem Erzeugnisparameter Auflösungsvermögen und der Fertigungskennziffer Produktionsausbeute ab.

Ziel der Erfindung

Ziel der Erfindung ist ein farbtüchtiges bzw. farbdifferenzierendes Bildaufnahmesystem mit einer neuen optischen Qualität hinsichtlich

— des übersprechfreien und unverfälschten Speicherns der hocheffizient durch inneren Fotoeffekt in den CCD-Sensoren für die Dauer einer Bildabtast- oder Farbbildabtastperiode,

— der verlustarmen Abstimmung und Korrektur der nahezu panchromatischbreiten, spektralen Sensorempfindlichkeit auf in der Vx-Kurve enthaltene Farbarten,

— die Ermöglichung einer Hochauflösung, die für alle Farbbildnormen (NTSC, SECAM, PAL, HDTV) und darüber hinausgeeignet ist,

— der ungeteilten Ausschöpfung der vollen Sensorelementzahl für jede vorgesehene Farbart,

— die Gewährleistung einer guten Videosignalqualität ohne Bewegungsunschärfen und Verspätungen des Signalstromes in Bezug auf Veränderungen der Beleuchtungsstärke der optischen Szene sowie des CCD-Sensorsystems,

— sowie letztendlich des drastischen Abbaus der Bildsignaldefekte bezüglich der Moire-Interferenzen und parasitärer zusätzlicher Signale am Sensorausgang, die zu Verzeichnungen und Geisterbildern führen.

Eine bessere technologische Qualität soll durch den Verzicht auf filterspezielle Muster, die Umgehung der Verfärbungsprobleme der Filtermaterialien sowie deren Mikrostrukturierung und Präzisionsjustierung erreicht werden, wobei eine Klein- und Großserienzugänglichkeit sowie eine Reproduzierbarkeit und gute Produktionsausbeute der Einheiten des Bildaufnahmesystems gesichert werden soll.

Darlegung des Wesens der Erfindung

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein elektronisch steuerbares Farbfilter zur periodischen Farbzerlegung im Lichtweg, insbesondere einer Farbkamera zu schaffen, die flächenhaft ungeteilt, geordnet eine ungestörte optische Kopplung zu panchromatisch empfindlichen, periodisch geordneten Sensormatrixelementen ermöglicht und ein Farbtrenn- und Wechselsystem darstellen kann.

Erfindungsgemäß enthält das Farbfilter über die freie den Lichtweg zugängliche Fläche zwischen zwei transparenten Elektrodenebenen ein elektrooptischs Material, das im sichtbaren Wellenlängenbereich eine abstimmbare Paßwellenlängenauswahlcharakteristik besitzt und auf mindestens einen Teilbereich der kurz- oder langwelligen Flanke der V^Kurve oder/und deren Maximum einstellbar ist. Eine zugehörige elektronische Steuereinheit befindet sich in elektrischem Kontakt mit den Elektroden der beiden Ebenen. Spannungsimpulsfolgen insbesondere gestufter Amplitude und wechselnder Polarität sind getaktet den transparenten Elektroden aufgeprägt. Der Lichtweg durch das Farbmodulationsfilter weist eine den positiven Spannungsamplituden folgende wellenlängenspezifische Paßsequenz auf. In Synchronisation zu dieser Paßsequenz ist Ausgang der der CCD-Sensoreinheit eine Trennung in die Bildsignale der ausgewählten Wellenlängenbereiche sowie die Helligkeit vorgenommen.

Der wesentliche Wert dieser Lösung besteht darin, daß die Farbauszüge der optischen Szene nicht zeitgleich am Ausgang der CCD-Sensoreinheit vorliegen, sondern die Vollbilder der Szene für jeden Wellenlängenbereich zeitlich verschoben am Ausgang ankommen. Mit der zeitlichen Staffelung werden jedoch große Teile der Ursachen der Farbverzeichnungen und Schwebungen in der Rekonstruktion der Originalszene beseitigt.

Eine spezielle Ausgestaltungsrichtung der Erfindung sieht die Anwendung einer Flüssigkristallsubstanz (LC) als elektrooptisches Material im Farbmodulationsfilter vor.

Erfindungsgemäß besteht die LC-Substanz im Farbmodulationsfilter aus einer seit einem Jahrzehnt bekannten ferroelektrischen LC-Klasse mit einer chiral-semektischen C-Phase (S_c-Phase). Für die technische Applikation dieser Substanzklasse ist die Beherrschung des Orientierungsverhaltens an artfremden Grenz- und Oberflächen unverzichtbar. Dabei sind die besonderen Eigenschaften verschiedener Sorten von LC-Substanzen der ferroelektrischen Klasse zu berücksichtigen.

Erfindungsgemäß werden modifizierte 4-[Benzylidenamino]-zimtsäuren von der Art des (-)-4-[4-n-Alkyloxy-benzylidenaminojzimtsäure 2-methylbutylester benutzt, wobei dieC-Zahl in der Alkoxygruppevon 5 bis 14 variiert (Formel 1).

Ebenso können modifizierte 4-(Biphenyl 4'-carboxylate), wie z. B. 4-Heptylphenyl-4-(4"-methylhexyl)-biphenyl-4'-carboxylat (Formel 2), eingesetzt werden.

C H₀ , 0-< O )-CH=N-< O >-CH=CH-COO-CH₀-C⁺H - C„H_ η 2n+l \ / \ / 2 j 2 5

^CH3

(2) C₂H₅-C⁺H-(CH₂)₃-<V> -0-C-O-/^\ -C₇H

₁₅

CH₃ O

(Strukturformeln nach UPAC-Regel Vgl. D.Demus, H.Zaschke Flüssige Kristalle in Tabellen Il Dt. Verlag für Grundstoffindustrie Leipzig 1981)

Diese Substanzen besitzen ein ausgeprägtes Bistabilitätsverhalten. Die Situation wird jedoch bei derartigen LC-Substanzen mit mehr als einem ausgeprägten stabilen Zustand dadurch kompliziert, daß die Oberfläche der LC-Substanz möglichst keine Vorzugsrichtung aufprägen darf, um keinen der bistabilen Zustände zu begünstigen und alle stabilen Zustände gleichrangig zu erhalten. Die Oberfläche oder Grenzfläche zur LC-Substanz soll daher isotrop sein und keine Raumpunkte oder Richtungen im Raum betonen.

Andererseits ist es unumgänglich, daß nicht nur in Teilgebieten geringster Abmessung, sondern in allen zusammenhängenden und gleichartig zuschaltenden Bereichen der LC-Substanz die Moleküle in eine einheitliche Anordnung bezüglich Lage- und Orientierungsordnung gebracht werden. Bei der Anwendung ferroelektrischer LC-Substanzen mit einer chiral smektischen C-Phase (Sc) sollen die Moleküle mit ihren langen Achsen wie Halme eines Kornfeldes parallel zueinander gerichtet und mit den kurzen Achsen auf der Substratoberfläche verankert sein. Weiterhin sind die langen Molekülachsen, wie Halme im Wind, gleichmäßig gegen die Schichtnormale geneigt zu installieren. Darüberhinaus ist beim strukturellen Aufbau derS⁺-Phaseauf eine homogene Textur und eine Musterung der Monodomänen zu achten. Die Monodomänenbildung der ferroelektrischen LC-Substanz mit S_m,-Phase gelingt jedoch nur mit einer anisotrop wirkenden, stark richtungsbetonten Orientierung des LC-Direktors.

Erfindungsgemäß wird die Oberfläche der transparenten Elektrode mit einer organischen Orientierungsschicht versehen, die in direkter Nachbarschaft mit der LC-Substanz steht.

Die Orientierungsschicht besteht aus modifizierten Maleinsäureanhydrid-Copolymeren, an die chemisch kovalent Molekülteile der ferroelektrischen LC-Substanz gebunden sind. Sie besitzt eine Dicke von 10 bis 200 nm, vorzugsweise 40 nm.

Der Vorteil dieser Orientierungskonzeption besteht in der einfachen Anpassung an jede übliche Unterlage und jede verwendbare LC-Substanz. Ohne Schwierigkeiten lassen sich vorgegebene Neigungswinkel der langen Achsen der ausgewählten kovalentgebundenen LC-Moleküle gegen die Schichtnormale nach Ausrichtung in äußeren Feldern während des Auftragens der Orientierungsschicht in dieser gewünschten Lage für immer fixieren, selbst wenn äußere Felder abgeschaltet sind.

Das Farbfilter enthält ein zusätzliches Temperaturstabilisierungselement der S-Phase der ferroelektrischen LC-Substanz. Dieses Temperaturstabilisierungselement besteht aus einer transparenten heizbaren ITO-Schicht und ist zwischen der Farbfiltersteuerelektrode und dem diese Elektrode aufnehmenden Träger elektrisch isoliert angeordnet.

Das Farbtrenn- und Farbwechselsystem kann baulich mit dem Gehäusekörper der CCD-Sensoranordnung vereinigt sein. Das Farbtrenn- und Farbwechselsystem befindet sich direkt auf der Planglasplatte auf der Lichteintrittsseite der Sensoranordnung.

Es ist zweckmäßigerweise vollständig auf der Außenseite des Gehäusekörpers der CCD-Sensoranordnung angebracht. In diesem Fall ist es vorteilhaft, wenn die Planglasplatte auf der Lichteintrittsseite des Sensorgehäuses gleichzeitig als Träger für eine Farbmodulationsfiltersteuerelektrode dient. Die zweite transparente Steuerelektrode befindet sich dann auf einer zusätzlichen Planplatte vor der sensoreigenen Planglasplatte. Die Polarisationsfilter befinden sich im Normfall außerhalb des Sensorgehäuses. Im Sonderfall kann das zweite Polarisationsfilter jedoch auch zwischen der sensoreigenen Planglasplatte und dem Halbleiterkörper des CCD-Sensors angebracht sein.

Das Farbtrenn-und Wechselsystem kann auch direkt baulich mit dem Halbleiterkörper des CCD-Sensors vorgenommen werden.

Dabei ist die erste Ebene der transparenten Steuerelektrode des Farbtrenn- und -Wechselsystems dielektrisch isoliert direkt auf der Oberfläche des Sensorchips eingeordnet und es folgt der übrige Aufbau des Farbmodulationsfilters und das Polarisationsfilter.

An dieser Stelle wird ein weiterer Vorteil des Orientierungskonzeptes sichtbar, der darin besteht, daß auch Unterlagen mit mehrdimensionaler Oberfläche und erhobenem/versenktem Reliefprofil orientiert werden können.

Nach einer dritten Ausbildungsrichtung ist das Farbtrenn- und Farbwechselsystem körperlich mit der Optik der vakuumfreien Hybridkamera verbunden. Hierbei ist das Farbtrenn- und -Wechselsystem in das Linsensystem der Optik hineingesetzt.

Eine besonders vorteilhafte Lösung liegt vor, wenn das Farbtrenn-und-Wechselsystem in einen Abschnitt des Linsensystems mit einem nahezu parallelen Strahlengang zur optischen Achse eingesetzt ist.

Erfindungsgemäß enthält die elektronische Schaltung eine Kontrolle und Zeitgebereinheit, die während einer Abtastperiode der optischen Szene das optische Farbtrenn- und -Wechselsystem mit einer Impulsfolge gestufter Impulsamplituden wechselnder Polarität mit/ohne Austastlücke zwischen den Amplitudenstufen versorgt und das Temperaturstabilisierungselement in Betrieb hält und im gleichen Takt die Betriebsbedingungen des CCD-Sensors aufrechterhält. Das in der Abtastperiode am Sensorausgang abgenommene Bildsignal wird über einen Vorverstärker einem Zwischenspeicher zugeführt und zur weiteren Aufbereitung nachverstärkt.

Im Falle des Einsatzes von LC-Substanzen der Formel (1) als elektrooptisches Material im Farbmodulationsfilterwird mit einer Belegung der transparenten Filtersteuerelektrode von 0-1V die Farbe weiß bzw. grün/mit20Vdie Farbe blau und mit 50 V die Farbe rot im Lichtpaß geschaltet.

Ausführungsbeispiel

Die Erfindung wird anhand eines Ausführungsbeispiels näher erläutert. Die dazu gehörigen Zeichnungen zeigen:

Figur 1: Anordnung eines Farbtrenn- und Farbwechselsystems vor einer Einchip-CCD-Sensoranordnung Figur 2: Schnitt durch den aktiven Teil einer Hybridfarbkamera mit frontintegriertem LC-Farbmodulationsfilter am

frontbelichteten ladungsgekoppelten Festkörpersensor mit Zwischenzeilentransfer Figur 3: Hybridfarbkamera mit Rückseitenintegration eines ladungsgekoppelten Siliziumsensors

a) Schnitt

b) Draufsicht auf ein Schachbrettmosaik

Figur 4: Anordnung des Farbtrenn- und Farbwechselsystems in einem Varioobjektiv einer Farbbildkamera Figur 5: Front-CCD-Sensorempfindlichkeit im Vergleich zur spannungsgesteuerten selektiven spektralen Transparenz des Farbtrenn- und Farbwechselfilters im Bereich der Vx-Kurve.

Beispiel 1

Bei der Aufnahme einer optischen Szene ist das Bildfeld beim Strahlengang längs der optischen Achse 101 (Figur 1) durch eine Abbildungsoptik 102 und eine Irisblende 103 festgelegt. Hinter der Abbildungsoptik 102 befindet sich eine Einchip-CCD-Sensoranordnung. Diese Sensoranordnung 104 besitzt auf der Lichteingangsseite eine Planglasplatte 105 und dahinter das CCD-Einzelchip 106, das mit der Signalausgangsleitung 107 verbunden ist. Das erfindungsgemäße Farbtrenn-und Farbwechselsystem 108 sitzt vor der Planglasplatte 105 des'Sensors und hinter der Abbildungsoptik 102. Auf der Lichtein-und der Lichtaustrittseite befinden sich je eine Polarisationsfolie 109 a, 109 b der Firma Sonritzu Electric Co Ltd vom Typ LC₂-80-18. Die Trägerplatte 110 trägt eine Schichtfolge aus einer ersten transparenten Steuerlektrode 11 und einer transparenten erfindungsgemäßen organischen Orientierungsschicht 112.

Das Material der Steuerelektrode 111 besteht aus aufgestäubtem Indium-Zinnoxid und ist ca. 100 pm dick. Das Material ist großflächig ausgebreitet, bildet eine einfach zusammenhängende Schicht und ist niederohmig. Das an einer oder an mehreren Stellen der Steuerelektrode aufgeprägte Potential liegt gleichmäßig und einheitlich über die ganze Indium-Zinnoxid-Oberfläche verteilt an.

Die Besonderheit der Orientierungsschicht 112 besteht in der kovalenten chemischen Bindung von Molekülen der benutzten ferroelektrischen Flüssigkristallsubstanz mit chirals-mektischer C-Phase an die Glieder der Kettenmoleküle von modifizierten Maleinsäureanhydrid-Kopolymeren.

Über einen Dichtungssteg 113 wird eine weitere Trägerplatte 114 mit derTrägerplatte 110 verbunden. Dieser Dichtungssteg 113 führt eine hermetische Trennung des von den beiden Trägerplatten 110 und 114 umhüllten Raumes von der Außenwelt herbei. Vor dieser Dichtung wurde die Trägerplatte 114 mit einer Folge von vier Schichten bedeckt. Eine erste transparente Leit-Schicht 115 dient einer Temperaturstabilisierung der chiral-smektischen C-Phase der LC-Substanz und besteht aus 40 nm chemisch resistentem, hochohmigem Zinnoxid und ist an Anschlußstellen zu den Außenkontakten 116 mit einer haftenden Silberschicht überzogen. Diese erste Leitschicht 115 auf derTrägerplatte 114 ist durch eine Isolierschicht 117 aus aufgestäubtem SiO2Von einer weiteren transparenten Steuerelektrode 118 galvanisch getrennt. Auch diese Steuerelektrode 118 ist mit einer organischen Orientierungsschicht 119 abgedeckt. Die chemischen Eigenschaften der Orientierungsschichten 112 und 119 sind gleich. Ihre Schichtdicke beträgt ca. 40 μπι.

In den etwa unter 3μιτι liegenden Zwischenraum zwischen den beiden Trägerplatten 110 und 114 ist eine ferroelektrische LC-Substanz 120 mit einer chiral-smektischen C-Phase eingefüllt. Über die Anschlußklemmen 121 und 122 erfolgt die Versorgung der Temperaturstabilisierung der Sj-Phase der LC-Substanz. Mit den Anschlußklemmen 123 und 124 wird die Farbfiltersteuerspannung zugeführt.

Als vorzüglich geeignete LC-Substanz hat sich chiral-smektisch linksdrehende ^-W-DecyloxybenzylidenaminoJ-Zimtsäure-2-Methylbutylester erwiesen. Ähnliche Ergebnisse lieferten auch die (-) ^p-Pentyloxy- bis Nonyloxy-benzylidenamino]-Zimtsäureesterderivate, wobei mit zunehmender Kohlenstoffzahl von Pentyloxy zu Nonyloxy- die Viskosität erwartungsgemäß ansteigt. Voraussetzung für den Erfolg war, daß die Untersuchungen in der S^-Phase erfolgten, nachdem die Zellfüllung unter den Bedingungen der Ausbildung der S_c-Phase durchgeführt worden war. Analoge Versuche mit modifizierten Zimtsäure -2-Chloropropylesterderivaten führen zu größeren Polaritäten in der St-Phasensubstanz, zeigen jedoch längere An- und Abklingzeiten.

Ein möglicher Grund dafür könnte die Ausbildung eines inneren oder dimeren Lewis-Säüre-Base-Komplexes zwischen dem Halogenatom und der Schiffschen Base sein

Die Konzentration der Bemühungen auf die Sj-Phaseneinstellung führt damit zu zwei wesentlichen Ergebnissen.

(1) Gegenüber anderen der acht bisher nachgewiesenen verschiedenen smektischen, also schichtgeordneten Phasen besitzt die St-Phase bei statistischer Molekülverteilung in der Schicht wie bereits oben ausgeführt, eine Neigung der langen Moleküle gegen die Schichtnormale. Die räumliche Struktur des Moleküls, insbesondere die Lage polarer Gruppen bestimmen das elektrische Dipolmoment. Besonders der senkrecht zur Molekülachse gerichtete Dipolmomentanteil P und die sich ausbildende Anisotropie der Dielektrizitätskonstanten Δε (= Si₁-S₁) in und quer zur Achsrichtung bewirken, daß sich die LC-Moleküle mit Sj-Phase im elektrischen Feld schneller als andere bekannte Phasen an den außen aufgeprägten Zustand anpassen. Der erforderliche Spannungswert ist größer als bei herkömmlichen TN-Zellen. Der absolute Wert der Ansprechzeit dieser LC-Substanzen läßt sich durch Maßnahmen wie Zellgapreduzierung, Viskositätsverbesserung und Anisotropieerhöhung noch weiter herabsetzen.

Die unter verschiedenen Bedingungen mit den speziellen Zimtsäureesterderivaten erzielten Ansprechzeiten reichen von weniger 1 iis bis unter 10 ms.

Andere langsamere Phasen erfordern keinen vergleichbar hohen Aufwand in der Oberflächenorientierung.

(2) Die anisotrope Molekülgestalt der einheitlich orientierten Flüssigkristalle bewirkt gegenüber natürlichem oder künstlichem weißen Licht ein, den optisch einachsigen Kristallen ähnliches Verhalten der Doppelbrechung, da die „optische Achse" mit der Vorzugsrichtung (Direktor) der Flüssigkristallorientierung nahezu zusammenfällt. Diese Aufspaltung des einfallenden Lichtes in einen ordentlichen, dem Brechungsgesetz folgenden und einen außerordentlichen, diesem nicht folgenden Strahl führt zu einer optischen Anisotropie Δη (= n_ao-n_o).

Da beim Anlegen eines äußeren Feldes die Dipolmomente des Flüssigkristalls wirksam werden und ein paralleles Ausrichten zum Feld veranlassen, verändern sich auch die „optischen Achsen" im LC-Material 120 gegenüber der optischen Achse 101 des Bildaufnahmesystems (Figur 1).

Damit ändern sich auch die optischen Indizes und die Farbe bzw. der Wellenlängenbereich des durch den Flüssigkristall transmittierten Lichtes. Ob diese Änderung des transmittierten Wellenlängenbereiches auf der Rotationsumorientierung der Moleküle in geeigneten elektrischen Feldern, wie sie von cholesterinischen, nematischen oder farbstoffbestückten LC-Substanzen her bekannt ist, beruht, oder auf Interferenzerscheinungen des Lichtes in der Schicht je nach dem aktuellen Grad der Neigung zurückzuführen ist und es dadurch zu einer Auslöschung oder ungehinderten Passage eines speziellen Wellenlängenbereiches des sichtbaren Spektrums durch den Flüssigkristall kommt, ist zunächst nicht von Belang. Maßgebend ist, daß die im Strahlengang vor und hinter dem elektrooptischen Filter befindlichen Polarisatoren 109a und b so eingerichtet sind, daß das in das Farbtrennsystem eintretende Licht bezüglich seines linearpolarisierten Anteiles im Transmissionsbereich möglichst ungeschwächt durchgelassen wird.

Die spektral eingegrenzte Lichtintensitätsschwankung der abgebildeten optischen Szene führt auf der Bildaufnahmefläche des Einchip-CCD-Sensors an der Lichteintrittsseite zu einer adäquaten Ladungsverteilung im Sensorkörper. Die streifen- oder schachbrettartige Anordnung der Sensorelemente in der Fläche, die Höhe der Zahl der Sensoren und die front- oder rückseitige Belichtung des Sensorkörpers während einer Abtastperiode prägten den Leistungsstandard und das Auflösungsvermögen des CCD-Sensors.

Beispiel 2

Bei der Erläuterung des aktiven Teils einer Hybridfarbkamera mit einem frontintegrierten LC-Farbmodulationsfilter am frontbelichteten, ladungsgekoppelten Festkörpersensor nach dem Schnitt nach Figur 2, wird von der Frontabdeckglasplatte 201 ausgegangen, die mit einem Satz von Streifenelektroden 202 aus transparenten Elektrodenmaterial (ITO) besteht und mit einer Orientierungsschicht 203 bedeckt ist. Die Frontabdeckglasplatte 201 befindet sich auf der Lichteintrittsseite des optoelektronisch aktiven Teils der Kamera und ihr folgt auf dem Lichtweg die gesamte Festkörpersensoranordnung. Im vorliegenden Fall handelt es sich um MOS-Transistorschalter für den Volumenladungsabtransport und pn-Übergangsfotodiodensensoren. Auf einem η-leitenden Siliziumsubstrat 204 wird eine p-leitende Schichtregion 205 gebildet, in die für die Fotodioden eine hochdotierte, p⁺-leitende Zone 206 und eine benachbarte hochdotierte, n⁺-leitende Zone 207 hineinragen. Die Diodenregion ist mit einer Gateisolatorschicht 209 abgedeckt. Zwischen der n⁺-leitenden Zone 207 und der Senkergion 208 des MOS-Transistorschalters wird der Ladungsabtransport der optisch generierten Ladungsträger mit Hilfe der Gateelektrode 210 vorgenommen. Die Ladungen werden auf die vertikale Abtastleitung 211 überführt. Die isolierende Abdeckung 212 der Vertikalabtastleitung 210 trägt eine Lichtschutzauflage 213 mit Durchbrüchen im Projektionsbereich der Fotodioden aus den hochdotierten p- und nleitenden Zonen 206 und 207.

Die weitere isolierende Abdeckung 214 ist mit einem transparenten Streifenleitersystem 215 bezogen. Darauf ist eine Orientierungsschicht 216 für das ferroelektrische LC-Material 217 angebracht. Die Orientierungsschicht 216 kann sich an die Reliefstruktur der Sensoroberfläche anschmiegen, ohne daß herkömmliche Polierprozesse oder zusätzliche Schrägbedampfungen erforderlich sind. Ein weiterer wesentlicher Vorteil dieser Hybrid-Kombination besteht darin, daß die isolierenden Abdeckungen 212 und 214 aus organischen Schichten oder Folien gefertigt werden. Die Anwendung von Polypropylen und Polyvinylalkohol läßt die Benutzung sehr einfacher Beschichtungsverfahren wie das Auftragen von Folien und das anschließende Erwärmen zum Anpassen an die Reliefstruktur des CCD-Sensorchips zu. Bei diesem wie bei anderen Beschichtungsverfahren wie Aufstäuben und Aufgießen in Kombination mit Verfestigen wird das Erwärmungsprogramm so gewählt, daß mit einer Temperatur nahe oder nur dicht über dem Tg-Punkt des Materials gearbeitet wird, so daß die Taktizität und die daraus resultierenden polarisierenden Eigenschaften nicht verloren gehen und die Analysatorfunktion gewährleistet bleibt. Die Haftfestigkeit der organischen Schichten in einer der isolierenden Abdeckungen 212 und 214 ist durch Einbringung von Haftvermittlem in die Schichtoberfläche verwirklicht. Die Polarisatorfunktion auf der Lichteintrittsseite nahe der Frontabdeckglasplatte 201 ist ähnlich wie im Ausführungsbeispiel nach Figur 1 durch eine kommerzielle Folie gesichert.

Beispiel 3

Gegenüber der frontseitigen Belichtung des ladungsgekoppelten Festkörpersensors ist die Rückseitenbelichtung bezüglich der Ausnutzung der Lichtintensität und der spektralen Empfindlichkeit überlegen.

Figur 3 zeigt eine Hybridfarbkamera mit einer Rückseitenintegration eines LC-Farbmodulationsfilters. Der in der Kamera eingesetzte Si-Kristallchip 301 trägt auf der Frontseite 302 Steuerelektroden 303,305 für den Transport der lichtinduzierten Ladungen. Alle gradzahligen Steuerelektroden 303 sind über Verbindungsleitungen 304 und alle ungradzahligen über die Verbindungsleitungen 306 an getrennte Potentialquellen mit unterschiedlichen Potentialen angeschlossen. Die Verbindungsleitungen 304,306 sind galvanisch mit Leiterzügen auf einer flexiblen Leiterplatte 307 verknüpft. Der Siliziumkristallchip 301 besitzt auf der Rückseite eine tiefgeätzte Grube 308. Vom Boden der Grube führt mindestens an einer Seite eine Böschung 309 mit relativ schwacher Neigung bis zur ursprünglichen Rückseitenoberflächenebene. Der Wall, der die tiefgeätzte Grube 308 umgibt, ist im Bereich 310 abgetragen und gibt einen Druchbruchfrei. Der Boden der Grube 308 ist mit einer nichtdargestellten Analysatorschicht bedeckt. Die Tiefe der Grube 308 ist Um 3 μηη tiefer als die am Boden der Grube festgemachte Analysatorschicht. Die Analysatorschicht besteht entweder aus einer 10μητι dicken Polyvinylalkoholschicht oder einer 120 μιτι dicken kommerziellen Polarisationsfolie. Der Siliziumkristallchip 301 ist mit der ausgeätzten Fläche gegen eine Planglasplatte 312 gedrückt. Zwischen Streifenleiterelektroden 311 auf der am Boden der Grube 308 angebrachten Analysatorschicht und den orthogonal ausgerichteten Streifenleiterelektroden 313 auf der Planglasplatte 312 wird der Raum durch den freien Durchbruch im Wall mit einer ferroelektrischen LC-Substanz mit einer S_c-Phase aufgefüllt. Der Bereich des Durchbruchs 310 sowie der äußeren Berandung des Silizium-Kristallchips 301 wird mit einer Dichtungsmasse 314 aus aushärtbarem Kunststoffkleber mit dem Material der Planglasplatte 312 dichtend gefügt. Zur äußeren Verdrahtung des vorgefertigten Filter-Sensorbauteils wird die Planglasplatte 312 in einem Gestellrahmen 315 aufgenommen. Der Gestellrahmen erfaßt eine Mehrlagenleiterplatte 316 und eine Einlagenleiterplatte 319. Die Mehrlagenleiterplatte 316 verbindet die Streifenleiterelektroden 313 der Planglasplatte 312 mit den Versorgungsleitungen 316 sowie die flexible Leiterplatte 307 mit den Versorgungsleitungen 318 der Sensorabtastspannungsquelle. Die Leiterbahnen 317 der Mehrlagenleiterplatte 316 sind auf die

-7- ZbU 803

Leiterbahnen der Streifenleiterelektroden 313 justiert aufgesetzt und unlösbar mittels Lot verbunden. Ähnlich gerichtet sind die Streifenleiterelektroden 311 der Farbtrenn- und Farbwechseleinheit mit den Leiterbahnen 320 auf der Einlagenleiterplatte 319 verbunden. In den Kreuzungspunkten der Leiterbahnen der beiden Streifenleiterelektroden 311 und 313 entstehen entsprechend der Potentialbelegung die Spannungen, die für den Betrieb der LC-ZeIIe als Farbtrenn- und Wechseleinheit erforderlich sind. Die Besonderheit derartiger Farbmodulationsfilter besteht darin, daß die Potentialdifferenzen in den verschiedenen Kreuzungspunkten der Leiterbahnen einer Zeile auf mehrere unterschiedliche Werte eingestellt und darausfolgend auch eine differente spektrale Transparenz hervorgebracht werden kann.

Die von Kreuzungspunkt zu Kreuzungspunkt einer Zeile geänderte spektrale Transparenz ermöglicht eine punktweise Bildabtastung mit einem schachbrettähnlichen Farbfiltermuster.

Im Unterschied zu den herkömmlichen festen Farbfiltermustern kann die flächenartige Aufteilung der Filterfarben geändert und der Anteil einer Filterfarbe an der Gesamtzahl der möglichen Mikrofarbfilter den Erfordernissen angepaßt werden.

Zweifellos ist eine Belegung aller Kreuzungspunkte mit einer einheitlichen Potentialdifferenz und demzufolge eine einheitliche spektrale Transparenz für alle Mikrofarbfilter des Schachbrettmusters ebenfalls realisierbar. Ist eine einheitliche Potential belegung aller Leiterbahnen der beiden Ebenen der Farbtrenn- und Farbwechseleinheit auf Dauer vorgesehen, dann ist es zweckmäßig, die Leiterbahnen außerhalb des Kreuzungsbereiches zu einem Strang zusammenzufassen.

Der Vorteil dieser Lösungsvariante besteht in der Verbesserung der dynamischen Eigenschaften gegenüber der Farbtrenn- und Farbwechseleinheit mit einer einfach zusammenhängenden Steuerelektrodenstruktur nach Figur 1.

Dieser Befund kommt der störungsfreien Bildabtastung von optischen Szenen mit bewegten Objekten bei der zeitsequentiellen Farbzerlegung und Aufnahme sehr entgegen.

Beispiel 4

Eine weitere Anordnungsform des Farbtrenn- und Farbwechelsystems ist in Figur 4 angegeben. Bei dieser Anordnung befindet sich das System im Objektiv einer Farbbildkamera. Das Objektiv besteht aus einem Transfokatorsystem der Linsen 401 bis 404 und dem Grundobjektiv 405 mit der dazugehörigen Aperturblende 406. Durch die Verschiebung der Negativglieder 402 und 403 zwischen den beiden Sammellinsen 401 und 404 läßt sich eine kontinuierliche, veränderliche Brennweite und damit die Funktion des Weit-, Normal- und Teleobjektives in einer Optik erzielen.

Das konstante Öffnungsverhältnis kann dadurch angenähert werden, daß das hinter der Aperturblende liegende Teilsystem des Bildaufnahmesystems starr mit der Bildebene verbunden bleibt. Das Farbtrenn- und Wechselsystem 407 mit den Anschlußklemmen für die Temperaturstabilisierung 408 und 409 sowie die Farbsteuerelektroden 410 und 411 wird zwischen den afokalen Vorsatz und das Grundobjektiv 405 eingefügt. Die Abbildung des Gegenstandes 413 der optischen Szene durch den Strahlengang 415 entlang der optischen Achse 414 wird durch das Farbtrennsystem 407 kaum beeinträchtigt. Der Einfall des Strahls 415 durch die Gehäuseöffnung auf den CCD-Sensor 412 führt schließlich zu einem über die Steuerung 416 des Sensors der Ausgangsleitung 417 zugeführten Bildsignal.

Figur 5 zeigt in den spektralen Transparenzkurven 501 bis 503 die mit Steuerspannungen von OV, 20V und 50V durch die Farbtrenn- und Wechselsysteme erzielten Weiß/Grün, Blau- und Rot-Farbauszüge der optischen Szene.

Claims

Patentanspruch:

1. Elektronisch steuerbares Farbfilter zur periodischen Farbzerlegung im Lichtweg insbesondere vor einer Farbkamera, gekennzeichnet dadurch, daß zwischen zwei auf Träger aufgebrachten, mit Spannungsimpulsfolgen in mindestens drei unterschiedlichen Impulspegeln beauflagten Elektroden ein elektrooptisch aktives, flüssigkristallines, ferroelektrisches Material mit einer chiralsmektischen Phase enthalten ist, dessen im sichtbaren Spektralbereich abstimmbare Paßwellenlängenauswahlcharakteristik auf mindestens einen Teilbereich sowohl der kurz- wie der langwelligen Flanke der V_A-Kurve der Augenempfindlichkeit oder/und deren Maximum elektrisch einstellbar ist.
2. Farbfilter nach Anspruch 1, gekennzeichnet dadurch, daß das ferroelektrische Flüssigkristallmaterial mit chiralsmektischer C-Phase aus modifizierten 4-(Benzylidenamino)-zimtsäuren von der Art des (-)-4-(4-n-Alkyloxy-benzylidenamino)-zimtsäure (2-methylbutylester) mit einer C-Zahl von 5 bis 14 in der Alkyloxy-Gruppe besteht.
3. Farbfilter nach Anspruch 1 und 2, gekennzeichnet dadurch, daß das ferroelektrische Flüssigkristallmaterial aus modifizierten 4-(Biphenyl 4'-carboxylaten) wie z. B. dem 4-Heptylphenyl-4-(4"-methylhexyl)-biphenyl 4'-carboxylat besteht.
4. Farbfilter nach Anspruch 1 bis 3, gekennzeichnet dadurch, daß die Träger der transparenten Elektroden auf den Innenflächen und in Nachbarschaft zum elektrooptischen Material eine organische Orientierungsschicht aufweisen.
5. Farbfilter nach Anspruch 1 bis 4, gekennzeichnet dadurch, daß die organische Orientierungsschicht, die eine Dicke von 10-200 nm, vorzugsweise 40nm, aufweist, aus Maleinsäureanhydrid-Copolymeren, an das ferroelektrische Flüssigkristalle mit chiralsmektischer C-Phase chemisch kovalent gebunden sind, besteht.
6. Farbfilter nach Anspruch 1 bis 5, gekennzeichnet dadurch, daß es baulich mit dem Gehäusekörper der CCD-Sensoranordnung vereinigt ist.
7. Farbfilter nach Anspruch 1 bis 6, gekennzeichnet dadurch, daß es sich auf der Außenseite der Planglasplatte des Gehäusekörpers der CCD-Sensoranordnung befindet.
8. Farbfilter nach Anspruch 1 und 7, gekennzeichnet dadurch, daß als Träger einer Elektrodenebene die Planglasplatte des Gehäusekörpers auf der Lichteintrittsseite dient und sich die zweite Elektrodenebene auf einer zusätzlichen Planplatte vor der sensorgehäuseeigenen Planglasplatte befindet.
9. Farbfilter nach den Ansprüchen 1 bis 5, gekennzeichnet dadurch, daß es baulich mit der Optik vereinigt ist.
10. Farbfilter nach Anspruch 1 bis 5 und 9, gekennzeichnet dadurch, daß es auf der Lichtaustrittsseite der Optik angebracht ist.
11. Farbfilter nach Anspruch 1 bis 5, 9 und 10, gekennzeichnet dadurch, daß es in das Linsensystem der Bildaufnahmeoptik hineingesetzt ist.
12. Farbfilter nach Anspruch 1 bis 5 und 9 bis 11, gekennzeichnet dadurch, daß es in einem Abschnitt mit zur optischen Achse parallelem Strahlengang im Linsensystem angeordnet ist.