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Fernsehbrille mit optischen Einsätzen zur Beseitigung der Zeilenstruktur
von Fernsehbildern Die Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zur Beseitigung
der Zeilenstruktur in Fernsehbildern. Es ist bekannt, die die Bildbetrachtung störende
Zeilenstruktur dadurch zu unterdrücken, daß im Fernsehempfangsgerät ein besonderer,
eine Zeilenwobblung bewirkender Oszillator angeordnet wird, jedoch erfordert diese
Anordnung einen hohen Aufwand, und sie neigt zu Modulationsstörungen. Auch elektronenoptische
Mittel zur Verzerrung der Leuchtflecke in die Form aufrechtstehender Ellipsen haben
sich nicht durchsetzen können, da sich die erforderliche genaue Abbildung über den
gesamten Ablenkbereich des Fernsehbildes bei Weitwinkelröhren nur sehr schwer realisieren
läßt.
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Man ist deshalb dazu übergegangen, zur Beseitigung der Zeilenstruktur
optische Mittel in Form von Zerstreuungsscheiben vorzusehen. Insbesondere wurde
vorgeschlagen, bei Anordnung einer Zerstreuungsscheibe vor. dem Bildschirm bzw.
bei Ausgestaltung der Außenfläche des Bildschirmes selbst als Zerstreuungsscheibe
die Oberfläche mit einem solchen Rillenprofil zu versehen, daß durch Lichtbrechung
jede geschriebene Zeile bis in den Zeilenzwischenraum hineinstreut. Diese Anordnungen
müssen an dem Fernsehempfangsgerät besonders angebracht werden uns sind daher für
eine nachträgliche Bestückung wenig geeignet.
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Es ist wünschenswert, eine Vorrichtung zu schaffen, die vom Fernsehempfangsgerät
unabhängig ist und deren Benutzung dem Betrachter freigestellt ist.
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Vielfach hat man bereits Sonnenbrillen als Fernsehbrillen benutzt
und dadurch eine gewisse Verwischung der Zeilenstruktur erreicht. Das gilt erst
recht bei Verwendung von Sonnenbrillen mit horizontaler Gitterstruktur, die durch
jalousieartige horizontale Blenden gebildet wird. Hier tritt nämlich eine Lichtbeugung
auf, die bei bestimmter Bemessung die Zeilenstruktur völlig aufheben kann.
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Um diese Wirkung verständlich zu machen, sei folgendes erläutert:
Wollte man das Empfangsbild auf dem Schirm eines Fernsehempfangsgerätes aus einem
Abstand von beispielsweise 1 bis 1,5 m betrachten, um auf Grund des gegenüber dem
normalen Abstand von 2,5 bis 3 m größeren Betrachtungswinkels zu einem intensiveren
Schauen des Dargestellten zu gelangen, dann würde die Zeilenstruktur das Betrachten
des Fernsehbildes überaus stören, ja sogar unmöglich machen. Hält man nun eine Abdeckung
vor die Augen, die einen Betrachtungsspalt in Form eines liegenden Rechteckes von
beispielsweise 0,6 mm Höhe und mehr als 20 mm Breite aufweist, dann werden die Leuchtflecke
scheinbar vertikal verbreitert, und die Zeilenstruktur mit ihren unangenehmen Nebenerscheinungen,
z. B. dem Zwischenzeilenflimmern, dem Treppeneffekt und dem Zeilenwandern, verschwindet
völlig. Das Fernsehbild erscheint scharf, ruhig und in hervorragender, bisher unbekannter
Qualität.
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Als Ursache für die scheinbare vertikale Verbreiterung des Leuchtfleckes
auf dem Bildschirm ist die Beugung des Lichtes an dem in vertikaler Richtung sehr
engen rechteckigen Spalt' erkannt worden. Dieser Spalt ist nach dem Huyghensschen
Prinzip Ausgangspunkt von kohärenten Wellen, welche sich durch Überlagerung je nach
ihrer Phasenlage, d. h. je nach ihrem Austrittswinkel, gegenseitig verstärken oder
schwächen. Die wesentlichste Folge dieser Überlagerung kohärenter Wellen besteht
darin, daß sich ihre Intensität über einen um so größeren Austrittswinkelbereich
erstreckt, je geringer die Spalthöhe ist.
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Die Linse des menschlichen Auges verwischt auf der Netzhaut das Bild
eines Gegenstandes nur in der Vertikalen, da die Spalthöhe kleiner ist als die Spaltbreite,
und zwar ist diese Verwischung um so stärker, je kleiner die Spalthöhe relativ zur
Spaltbreite ist. Die günstigste Spalthöhe liegt vor, wenn das vertikale Verwischen
des Netzhautbildes gerade so groß ist, daß zwei benachbarte Zeilen nicht mehr getrennt
wahrgenommen werden können. In der Horizontalen tritt infolge der großen Spaltbreite
praktisch kein Verwischen auf. Da das Auge auf eine Entfernung akkomodiert wird,
welche sehr groß gegenüber der Brennweite der Augenlinse von 17 mm ist, bedeuten
diese
Verhältnisse bei der Beugungsbrille physikalisch eine sehr
gute Annäherung an die Frauenhofersche Beugung am Spalt, weil das einfallende Licht
fast parallel verläuft und weil sich auf der Netzhaut nur etwa parallel aus dem
Spalt austretende Strahlen zu einem reellen Bild vereinigen.
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Somit lassen sich sämtliche Berechnungen für Beugungsbrillen auf die
Untersuchung der Frauenhoferschen Beugung am Einzel- bzw. Mehrfachspalt zurückführen.
Bei Benutzung dieser Erkenntnisse bestehen die Einsätze der Brille aus einer Anzahl
schmaler Lichtspalte mit dazwischen befindlichen Stegen. Bei Amplitudengittern wird
die Amplitude der Lichterregung in der Gitterebene zwischen den Spalten einerseits
und den Stegen andererseits sprunghaft geändert. Bei den erfindungsgemäßen Phasengittern
wird die Phase der Lichterregung in der Gitterebene zwischen den Spalten einerseits
und den Stegen andererseits sprunghaft, und zwar vorzugsweise um z geändert.
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Diese Wirkung wird mit Sicherheit bei Fernsehbrillen mit optischen
Einsätzen von horizontaler Gitterstruktur erreicht, wenn die horizontale Gitterstruktur
der Einsätze aus horizontalen, durchsichtigen Spalten mit einer vertikalen Breite
von
und aus horizontalen, zwischen diesen Spalten liegenden Stegen von geringerer Lichtdurchlässigkeit
gebildet wird, wobei Z die Lichtwellenlänge, L der Zeilenabstand des Fernsehbildes
und D der Außenabstand des Beschauers vom Bildschirm bedeuten.
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Bei einer Ausführungsform der Erfindung sind die Dicke der Spalte
und Stege in Richtung der sie durchsetzenden Beobachtungslinie gleich groß und der
Abstand benachbarter Spalte gleich der vierfachen Spaltbreite.
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Gemäß einer anderen Ausführungsform der Erfindung gilt die Bestimmung,
daß die Lichtdurchlässigkeit pro cm Schichtdicke bei den Spalten und Stegen gleich
groß ist, jedoch die Schichtdicke der Spalte um den Betrag
größer oder kleiner als die der Stege ist, wobei M einen zwischen 0,5 und 1,5 liegenden
Faktor, .? die Lichtwellenlänge und n den Brechungsindex des für die Einsätze verwendeten
Werkstoffes bedeuten und die Spaltbreite a kleiner als der halbe gegenseitige Abstand
d zweier Spalte ist.
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Hierbei ist vorzugsweise die Höhe s der Abstufungen nach der Formel
zu bemessen, wenn .1 die Lichtwellenlänge, n den Brechungsindex des Brilleneinsatzes,
a die Stufenbreite und d den gegenseitigen Abstand benachbarter Stufen bedeutet.
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Die Erfindung wird nachstehend an Hand der Zeichnungen ausführlich
beschrieben. In diesen zeigt F i g. 1 die grundsätzliche Darstellung der Beugung
an einem Spalt, F i g. 2 den Strahlengang bei der Fraunhoferschen Beugung am Einzelspalt,
F i g. 3 die Darstellung eines Spaltes, F i g. 4 das Fraunhofersche Beugungsbild
für den Spalt, F i g. 5a in stark vergrößertem Maßstabe eine Ausführungsform einer
Fernsehbrille mit »Phasengitter« im Schnitt, F i g. 5b eine ähnlich dargestellte
weitere Ausführungsform von Fernsehbrillen mit Phasengitter im Schnitt, F i g. 6
die Lichtschwingungen an einer Stufe des Brillenglases, F i g. 7 das Beugungsbild
eines »Phasengitters«; F i g. 8a eine Teilansicht eines Brilleneinsatzes mit rechteckigen
Spalten bzw. Stufen, F i g. 8b eine ähnliche Ansicht von abgerundeten rechteckigen
Spalten bzw. Stufen, F i g. 9 eine erfindungsgemäße Fernsehbrille in Vorderansicht
und F i g. 10 die gleiche Brille in Draufsicht.
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Wie F i g. 1 zeigt, erreicht ein relativ schmales Strahlenbündel
1 vom Bildschirm 2 durch einen Spalt 3 der Beugungsbrille das Auge
4 des Zuschauers. In F i g. 2 ist ein schmales Bündel 5 von nahezu
parallelen Strahlen dargestellt, welches unter einem Winkel xo von einem willkürlich
angenommenen Flächenelement des leuchtenden Bildschirmes durch den rechteckigen
in der Höhe schmalen Spalt 6
hindurchtritt. Infolge der Beugung gehen die
den Spalt 6 durchsetzenden Strahlen 7 nicht nur in der geometrischen Verlängerung
der Einfallsrichtung weiter, sondern werden um diese innerhalb eines kleinen Winkelbereiches
x1, x2 symmetrisch zu einem divergierenden Strahlenbündel ? verbreitet. Infolgedessen
wird von der Augenlinse 8 auf der Netzhaut 9 kein scharfes Bild des
leuchtenden Flächenelements, sondern ein über die Punkte 20, 21, 22 reichendes
verwischtes Bild erzeugt. Das wird im Zusammenhang mit F i g. 4 weiter unten noch
erläutert.
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Hierzu seien nachstehende Berechnungen durchgeführt unter Zugrundelegung
folgender Definitionen: x, = vertikaler Einfallswinkel, a = vertikaler Ausfallswinkel,
ßo = horizontaler Einfallswinkel, ß = horizontaler Ausfallswinkel, xo = 0, ß, =
0 bei senkrechter Einfallsrichtung, a = vertikale Spaltbreite, b = horinzontale
Spaltbreite (a << b),
.I = Lichtwellenlänge, d = Mittenabstand zweier
benachbarter gleichartiger Spalte, J, = Lichtintensität auf der Netzhaut im Hauptmaximum
a = .xo, ß = ßo, J = Lichtintensität auf der Netzhaut für beliebige Ausfallswinkel
x und ß, = Winkel zwischen der Flächennormalen und dem einfallenden Strahl, f =Brennweite
der Augenlinse, N = Anzahl der Spalte bzw. Stufen.
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In F i g. 2 stellen die eingezeichneten, unter den Winkeln x1, x2
verlaufenden Ausfallrichtungen die Richtungen der ersten Minima beiderseits des
Hauptmaximums
dar. Von diesen beiden Richtungen wird das vor allem
interessierende, mehr als 900/, der Gesamtintensität aller gebeugten Strahlen
umfassende Strahlenbündel 7 begrenzt. Auf der Netzhaut 9 ergibt sich daraus die
Breite 21 -22 der Fraunhoferschen Beugungsfigur. Der Berechnung wird ein rechteckiger,
vertikal schmaler und horizontal sehr breiter Spalt 10
gemäß F i g. 3 zugrunde
gelegt. An diesem ergibt sich als relative Intensität Q bei der Fraunhoferschen
Beugung
Da b > a, ist in horizontaler Richtung das Hauptmaximum sehr schmal, so daß
die Beugung in horizontaler Richtung vernachlässigt werden kann. Dann vereinfacht
sich die Formel (1) für ß = ßo und (a = ao) zu:
Auf der Netzhaut ergibt sich für den Ausfallswinkel a eine vertikale Koordinate
z des reellen Bildpunktes:
Für a, = 0 ist:
Diese relative Intensität Q, d. h. das Fraunhofersche Beugungsbild bei rechteckigem
Spalt in der Fernsehbrille, ist in F i g. 4 als Funktion von dargestellt. Der Zuschauer
sieht die Zeilenstruktur
dann nicht mehr, wenn auf seiner Netzhaut die Beugungsbilder zweier benachbarter
Zeilen in ihrer Halbwertsbreite mit ihrem gegenseitigen Abstand übereinstimmen.
Diese Forderung führt über die folgenden Beziehungen zur Dimensionierungsformel
für die Fernsehbrille.
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Nach Gleichung (4) folgt aus
die Halbwertsbreite 24z nach Lösen der transzendenten Gleichung:
Andererseits folgt nach der Abbildungsgleichung für die Abbildung zweier benachbarter
Zeilen auf der Netzhaut bei einem Betrachtungsabstand D und einem Zeilenabstand
L:
Durch Gleichsetzen des Bildabstandes dz* benachbarter Zeilen auf der Netzhaut mit
der Halbwertsbreite 2Az ergibt sich aus den Gleichungen (6) und (7) die Dimensionierungsformel
für die vertikale Spaltbreite
In Ergänzung von Gleichung (8) wird als subjektiv beste Spaltbreite angegeben
Die Beugung ist hier um den Faktor
d. h. 1,5fach größer als nach Gleichung (8).
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Diese Formel gilt nicht nur für den zunächst betrachteten Einzelspalt,
sondern auch für die nachfolgend diskutierten Amplituden- und Phasengitter, weil
der in Gleichung (4) angegebene, von der vertikalen Spaltbreite a abhängige »Formfaktor«
auch bei den Beugungsgittern die vom Auge wahrnehmbare Intensitätsverteilung bestimmt.
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Der Einzelspalt erfüllt zwar mit einen Beugungseigenschaften bereits
die Forderung nach Unsichtbarmachen der Zeilenstruktur, ergibt jedoch ein zu kleines
Sehfeld und einen zu großen Lichtverlust. Um die Verkleinerung des Sehfeldes aufzuheben,
wird ein »Amplitudengitter« verwendet, das aus mehreren, in vertikaler Richtung
regelmäßig im Abstand d angeordneten und durch lichtundurchlässige Stege der Breite
d-a getrennten Spalten besteht.
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Für solche »Amplitudengitter« mit N Spalten ergibt sich in Analogie
zu Gleichung (4) die relative Intensitätsverteilung QA des Beugungsbildes auf der
Netzhaut:
In dieser Formel ist zu dem mit Gleichung (4) identischen »Formfaktor« noch ein
»Strukturfaktor« hinzugetreten, welcher von der Gitterstruktur (Gitterkonstante
d = Spaltabstand, N = Anzahl der Spalte) abhängt. Der Strukturfaktor
bestimmt die Aufteilung des ursprünglichen, von einem Einzelspalt erzeugten Beugungsbildes
(F i g. 4) in eine Reihe schmaler heller und dunkler Streifen. Bei der erfindungsgemäßen
Fernsehbrille sind diese Streifen schmaler als der Abstand zweier Sehzäpfchen (5
#t) auf der Netzhaut, und sie können daher nicht mehr einzeln unterschieden werden,
so daß der Zuschauer bei gleicher Verteilung wie in F i g. 4 eine dem Mittelwert
dieses Strukturfaktors entsprechende, mit N wachsende Gesamtintensität
wahrnimmt.
Das »Amplitudengitter« beseitigt jedoch wegen zu großer Absorption (für d = 4a z.
B. 750/,) noch nicht den Nachteil des zu großen Lichtverlustes, und es zeigt
eine Jalousiewirkung, welche von den lichtundurchlässigen Gitterstegen hervorgerufen
wird.
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Diese Nachteile werden bei Verwendung eines »Phasengitters« vermieden.
Bei diesem wird, wie oben angegeben, nicht die Amplitude, sondern die Phase der
Lichterregung in der Gitterebene zwischen den Spalten einerseits und den Stegen
andererseits sprunghaft geändert, und zwar vorzugsweise um 7t.
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Die Stege bestehen hier, im Gegensatz zum Amplitudengitter, aus lichtdurchlässigem
Material vom Brechungsindex n. Ihre Höhe beträgt
Bei dieser Bemessung werden (vgl. F i g. 6) die Lichtwellen an den Stegen gegenüber
den Lichtwellen an den Spalten um die Phase :r verzögert. Die Überlagerung derartiger
kohärenter Lichtwellen führt ebenfalls zu ähnlichen Fraunhoferschen Beugungserscheinungen
wie beim »Amplitudengitter«. Bei der für eine Fernsehbrille besonders günstigen
Dimensionierung: d = 4 a (11) liefert das »Phasengitter« bei gleicher Spaltbreite
a und gleichem Spaltabstand d auf der Netzhaut ein Beugungsbild von ähnlicher Form,
jedoch 4facher Intensität gegenüber dem in F i g. 4 dargestellten Beugungsbild des
»Amplitudengitterse.
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Da das »Phasengitter« keine lichtabsorbierenden Stege besitzt, verursacht
es im Vergleich zu einer aus planparallelen Gläsern bestehenden Brille keine zusätzlichen
Lichtverluste. Vor allem ist auch die störende Jalousiewirkung des »Amplitudengittersa
beseitigt.
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Die relative Intensitätsverteilung QP im Beugungsbild auf der Netzhaut
ist beim »Phasengitter«:
Das in F i g. 7 gezeigte Beugungsbild eines »Phasengitters« gilt für die Werte
d = 4a und N = 3.
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Bei den beiden in F i g. 5a und 5b im Schnitt dargestellten Ausführungsformen
einer erfindungsgemäßen und praktisch erprobten Fernsehbrille handelt es sich um
»Phasengitter« mit -2 -Stufen und d = 4a.
Die Stufenhöhe beträgt bei n = 1,5
und A. = 0,55 #t nur s = 0,55 #t = 0,55 - 10-3 mm. und die Stufenbreiten sind
a = 0,6 mm bzw. d-a = 1,8 mm.
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Für die Brillengläser eignen sich sowohl Kunststoffgläser (Plexiglas,
Cellidor ... ), welche sich prägen oder spritzen lassen, als auch ein Silikatglas,
bei dem das Stufenprofil nach Art der Linsenvergütung durch Aufdampfen eines geeigneten,
lichtdurchlässigen Stoffes (z. B. Magnesiumfluorid) erzeugt werden kann.
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Weitere Berechnungen haben ergeben, daß außer der in Gleichung (11)
angegebenen, günstigen Dimensionierung d = 4a im gesamten Bereich 2a < d <
4a (13) eine hervorragende Beugungswirkung bei der Anwendung als Fernsehbrille
erzielbar ist, wenn die Stufenhöhe s in Präzisierung von Gleichung (10) nach folgender
Formel im Verhältnis zu
bemessen ist:
Bei Beachtung dieser Formel kann man sehr schwach beugende (a > 0,5 mm) Phasengitter
herstellen, bei denen auch bei hell adaptiertem Auge (kleinster Pupillendurchmesser)
mindestens eine schmale und eine breite Stufe auf die Pupillenöffnung fallen. Auf
diese Weise kann eine bei zu großer breiter Stufe auftretende Abhängigkeit der Beugungsbilder
von der Lage zwischen Gitterstufen und Pupille einwandfrei vermieden werden.
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Selbstverständlich kann man außer der der Beseitigung der störenden
Zeilenstruktur dienenden Beugung in vertikaler Richtung durch entsprechende Formgebung
der Gitter auf den Brilleneinsätzen auch in horizontaler Richtung eine schwache
Beugung hervorrufen, beispielsweise um weichere Konturenübergänge zu erzielen. Zu
diesem Zweck können die horizontal durchlaufenden Spalte oder Stufen in regelmäßigen
Abständen unterbrochen werden. Hierdurch entsteht ein horizontal und vertikal gegliedertes
Gitterwerk, wie es beispielsweise in F i g. 8 a und 8 b in Draufsicht dargestellt
ist. Die Oberfläche der Brillengläser 11 weist bei der Ausführung nach F
i g. 8a eckig abgesetzte Stufen auf, die eine Folge von aneinandergereihten langgestreckten
Recktecken 12 bilden, während bei der Ausführung nach F i g. 8 b die Enden der Absätze
abgerundet sind, die ein Muster von langgestreckten ellipsenähnlich verformten Rechtecken
13 bilden.
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Die erfindungsgemäße Brille zur Unterdrückung der Zeilenstruktur kann
sehr einfach gestaltet sein; wie das in F i g. 9 a und 9 b in Draufsicht und Seitenansicht
dargestellte Ausführungsbeispiel zeigt, sind die Brilleneinsätze zweckmäßigerweise
zu einem einzigen Einsatz 14 verbunden. Dieser ist von einem Rahmen
15
gehalten, dessen vorstehende Ränder 16 beim Ablegen der Brille die
gitterartige Oberfläche der Brille gegen Verkratzen schützen. An den Rahmen
15 sind Brillenbügel 17 angelenkt.