DE19751155B4

DE19751155B4 - Bilderzeugungsvorrichtung zum Erzeugen eines Bildsignals aus dem einfallenden Licht

Info

Publication number: DE19751155B4
Application number: DE19751155A
Authority: DE
Inventors: David Kessler; Alan Charles Guthrie Nutt; Russell Jay Palum
Original assignee: Eastman Kodak Co
Current assignee: Intellectual Ventures Fund 83 LLC
Priority date: 1996-12-03
Filing date: 1997-11-19
Publication date: 2012-08-23
Anticipated expiration: 2017-11-20
Also published as: GB9725090D0; GB2320157B; JPH10191160A; GB2320157A; DE19751155A1; US6937283B1

Abstract

Bilderzeugungsvorrichtung zum Erzeugen eines Bildsignals aus einfallendem Licht, wobei die höheren Ortsfrequenzen des einfallenden Lichts begrenzt sind, um Bildfehler bei der Abtastung zu reduzieren, die folgendes aufweist: — einen Bildsensor zum Erzeugen des Bildsignals aus einer Anordnung von Fotoelementen; und — einen optischen Abschnitt mit einem optischen Filter aus einem stark doppelbrechenden, einachsigen Kristall, der aus einer aus Lithiumnobiat, Lithiumtantalat und Kalkspat bestehenden Gruppe ausgewählt und im Weg des einfallenden Bildlichts angeordnet ist, um mindestens vier Lichtpunkte in einer Detektorebene zu erzeugen, wobei das optische Filter aus dem stark doppelbrechenden, einachsigen Kristall, aus zwei Doppel-Lichtbrechungskörpern besteht, die vier Lichtpunkte ein Rhomboidmuster bilden, wobei ein spitzer Winkel des Rhomboids 45° beträgt, und wobei das optische Filter um eine optische Achse der Bilderzeugungsvorrichtung so drehbar ist, daß eine Basislinie des Rhomboidmusters mit einer von zwei Hauptkoordinaten der Bilderzeugungsvorrichtung einen Winkel zwischen 20° und 40° bildet.

Description

Die Erfindung betrifft eine Bilderzeugungsvorrichtung zum Erzeugen eines Bildsignals aus dem einfallenden Licht, insbesondere ein optisches Tiefpaßfilter zur Verwendung in einem elektronischen Abbildungssystem zum Reduzieren von Aliasing- oder Undersampling-Artefakten.
Ein elektronisches Abbildungssystem erzeugt typischerweise eine einem betrachteten Motiv entsprechende Signalausgabe, indem ein Bild des Motivs in einem regelmäßigen Muster mit einer Anordnung lichtempfindlicher Elemente räumlich abgetastet wird, beispielsweise mit einem CCD-Halbleiterbildsensor. Es ist bekannt, daß in einem derartigen Abbildungssystem fein detaillierte Motivkomponenten Frequenzen erzeugen, die zu hoch sind, um innerhalb des Abtastintervalls des Sensors analysiert werden zu können. Sie beeinflussen die Amplituden von Komponenten niedrigerer Frequenz und erzeugen somit Abbildungsfehler, die im allgemeinen als Aliasing- oder Undersampling-Artefakte bezeichnet werden. Insbesondere, wenn die abgebildeten räumlichen Details eine Komponente hoher Frequenz beinhalten, deren Periodizität kleiner ist als die Gitterkonstante der lichtempfindlichen Bildelemente auf dem Halbleiterbildsensor, führt das nachfolgende Erkennen der Komponente hoher Frequenz aufgrund des Aliasing-Effekts tendenziell zu einem Störsignal.
Das elektronische Abbildungssystem kann normalerweise das Aliasing minimieren, wenn dessen Optik ein Frequenzansprechverhalten aufweist, das den höheren Frequenzanteil des abzubildenden Motivs ”abschneidet” oder herausfiltert. Daher wird im Optikbereich im allgemeinen ein optisches Tiefpaßfilter verwendet, um den Hochfrequenzanteil in den räumlichen Details des vom Bildsensor empfangenen Bildes deutlich zu reduzieren. Elektronische Abbildungssysteme nach dem Stand der Technik gehen daher einen Kompromiß zwischen Bildschärfe und Anfälligkeit des Abbildungssystems gegenüber Aliasing-Störungen oder Undersampling-Artefakten ein.
Zur Begrenzung dieser Artefakte wird in Farbvideokameras für den Amateurbereich häufig ein doppelbrechendes Unschärfefilter, oder Blur-Filter, eingebaut. US-A-4,101,929 und US-A-4,896,217 zeigen typische Beispiele derartiger Filter. Ein solches Filter wird normalerweise zwischen dem Objektiv und dem Bildsensor plaziert, um eine Tiefpaßfilterfunktion bereitzustellen, die den Ortsfrequenzanteil des Motivs bei Frequenzen oberhalb der Nyquistfrequenz der lichtempfindlichen Elemente verringert. Dadurch wird das Abbildungssystem unempfindlicher gegenüber Aliasing. Für Sensoren, die in jeder der erfaßten Farben gleiche Pixeldichten aufweisen, wobei jede der erfaßten Farben die gleiche Nyquistfrequenz aufweist, wirkt eine achromatische Tiefpaß- oder Unschärfefunktion derart, daß das Aliasing minimiert wird. Eine solche Funktion läßt sich mit Hilfe eines doppelbrechenden Filters leicht verwirklichen.
Das doppelbrechende Unschärfefilter besteht normalerweise aus Filterplättchen, die aus einem kristallinen Material hergestellt sind, beispielsweise aus Quarz, das eine Doppelbrechung bewirkt, wenn die Kristallachsen der Filterplättchen in einem Winkel zur Plättchenoberfläche ausgerichtet werden. In dieser Ausrichtung tritt ein beliebig polarisierter Lichtstrahl, der durch ein derartiges Filterplättchen tritt, in Form von zwei getrennten, polarisierten Strahlen aus. Durch Kombinieren von mehreren dieser Plättchen wird ein Mehrpunktmuster von jedem Einfallspunkt im Bild erzeugt. Wenn dieses Punktmuster Lichtenergie über mehrere lichtempfindliche Elemente verteilt, kommt es zu dem Unschärfeeffekt. Dies begrenzt die optische Transferfunktion des Systems bei Ortsfrequenzen oberhalb der Nyquistfrequenz der lichtempfindlichen Elemente.
Eines der nach dem Stand der Technik bekanntesten Unschärfefilter ist das Vierpunktfilter aus Kristallquarzplättchen. Quarz ist ein einachsiges Kristall. Es weist eine eindeutige Richtung auf, die sogenannte optische Kristallachse. Wenn sich Licht in dieser sogenannten ordentlichen Richtung fortpflanzt, ist der Brechungsindex für alle Polarisierungsrichtungen gleich und wird mit ”N_o” bezeichnet. Für Licht, das sich im rechten Winkel zu dieser Achse fortpflanzt, der sogenannten außerordentlichen Richtung, ist der Brechungsindex ”N_e”. Wenn ein Kristall 10, wie in 1 gezeigt, durchtrennt wird, so daß die optische Kristallachse 12 in einem Winkel α zu einer Linie senkrecht zur Eintrittsfläche 14 verläuft, wird ein eintretender, nicht polarisierter Strahl 16 in zwei Strahlen aufgeteilt. Dies wird als Doppelbrechung bezeichnet. Ein Strahl bleibt unbeeinträchtigt und wird als ordentlicher Strahl 17 bezeichnet. Der andere Strahl, der sogenannte außerordentliche Strahl 18, tritt zum ordentlichen Strahl versetzt aus dem Kristall aus. Die Trennung zwischen den Strahlen wird durch folgende Gleichung angegeben:
Gleichung 1:

S = t·(N_o ² – N_e ²)·Tan(α)/(N_o ²+ N_e ²·Tan²(α))

N_o

ist der ordentliche Brechungsindex

N_e

ist der außerordentliche Index

Für Kristallquarz bei 546 nm gilt: N_o = 1,5462 und N_e = 1,5554

t: ist die Plättchendicke
α: ist der Winkel zwischen der optischen Kristallachse und der Senkrechten zur Oberfläche des Plättchens. Die maximale Trennung (S) tritt bei einem Winkel α von ca. 45° auf.

Ein Vierpunktfilter 20 läßt sich unter anderem dadurch herstellen, indem man zwei doppelt brechende Kristallquarzplättchen 21 und 23 nimmt, wie in 2 gezeigt, und zwischen diesen einen Viertelwellenretarder ( λ / 4-Plättchen) 22 anordnet. Ein ähnliches Vierpunktfilter wird in US-A-4,626,897 beschrieben. 2 zeigt die drei Komponenten in getrennter Darstellung. Normalerweise sind diese allerdings miteinander verklebt. Der erste Doppelbrecher 21 trennt den Strahl in zwei Strahlen auf, wobei beispielsweise ein Strahl in die vertikale Richtung verläuft. Der Retarder 22 setzt die beiden linear polarisierten Strahlen 17 und 18 in kreisförmig polarisierte Strahlen 27 und 28 um, die dann durch den zweiten Doppelbrecher 23 in horizontaler Richtung geteilt werden.
Unter Anwendung von Gleichung 1 ist die bevorzugte Trennung S für ein rechteckiges Vierpunktfilter gleich 9 μm, wenn die Gitterkonstante eines gegebenen CCD-Sensors 9 μm beträgt. Wenn in der zuvor genannten Gleichung für S ein Wert von 0,009 mm eingesetzt wird, beträgt die erforderliche Plättchendicke t für die beiden Doppelbrecher 3,04 mm. (Dies schließt nicht die Dicke des dazwischen angeordneten Retarders ein.) Diese große Dicke von 3,04 mm ist auf die geringe Doppelbrechung zurückzuführen, und zwar durch die kleine Brechungsdifferenz des Kristallquarzes von N_o – N_e = 0,0092.
3a zeigt eine andere Möglichkeit zum Erzeugen eines rechteckigen Vierpunkt-Unschärfefilters 30 nach dem Stand der Technik. In diesem Fall wird ein erster Doppelbrecher 21 wie in 2 benutzt, um die Punkte zu trennen, beispielsweise in vertikaler Richtung, wie in 3b gezeigt. Diese Figur zeigt die Punkte an einer Detektorebene 24, wenn nur der erste Doppelbrecher 21 benutzt wird. Bezugnehmend auf 3a weist der zweite Doppelbrecher 33 eine Kristallachse in einer Ebene 33a auf, die um 45° gekippt ist. Die Dicke des zweiten Doppelbrechers 33, t₂, ist kleiner als die Dicke des ersten Doppelbrechers t₂= 0,707 t₁. 3c zeigt Punkte, die von den beiden Strahlen in der Detektorebene 24 erzeugt würden, sowie deren Polarisierung im Koordinatensystem des zweiten Doppelbrechers. Der zweite Doppelbrecher 33 teilt jeden der Punkte, wie in 3d gezeigt, in der Detektorebene.
Bezugnehmend auf 3a weist der dritte Doppelbrecher 36 eine Ebene 36a bei 90° der Ebene 33a des zweiten Doppelbrechers 33 auf und hat die gleiche Dicke wie der zweite Doppelbrecher. Der dritte Doppelbrecher teilt den Strahl erneut, und es wird ein rechteckiges Muster erzeugt, wie in 3e gezeigt. Die Doppelbrecher sind miteinander verklebt, um Reflexionsverluste zu reduzieren. Die Filteranordnung ist derart ausgerichtet, daß das rechteckige Muster parallel zu den Koordinaten des CCD liegt, der einen in der Detektorebene 24 angeordneten Bildsensor umfaßt.
Die hier besprochenen Filter haben den Nachteil, daß die zum Erzielen der gewünschten Unschärfe erforderliche Dicke ein Objektiv mit einer langen bildseitigen Brennweite erforderlich macht, um Raum für das Unschärfefilter im optischen Strahlengang zu schaffen. Doch die Platzverhältnisse lassen eine derartige optische Struktur oft nicht zu, und zudem wird der Objektivaufbau zu kompliziert. In den meisten Digitalkameras ist Platzersparnis ein vorrangiges Kriterium, so daß kein Raum für ein dickes Filter vorhanden ist. Beispielsweise wird in Kameras mit einem Klappspiegel der Raum vor den Detektoren für die Spiegelanordnung benötigt. Wenn eine Digitalkamera, die ursprünglich als Filmkamera gedacht war, zur Verwendung mit einem CCD-Detektor modifiziert wird, eignet sich neben den mechanischen Problemen, die mit der Unterbringung eines dicken Unschärfefilters, zusammenhängen, das für Filme konstruierte Objektiv möglicherweise nicht so gut zur Verwendung mit einem dicken Filter, das Aberrationen verursachen kann. In diesen Fällen ist ein dünneres Filter sinnvoll, das den Platzverhältnissen Rechnung trägt und weniger Aberrationen verursacht als ein dickes Filter.
Ein weiteres Problem mit Vierpunktfiltern nach dem Stand der Technik besteht darin, daß sie häufig aus drei Teilen angefertigt werden, und zwar entweder aus zwei Doppelbrechern und einem Retarder, wie in US-A-4,626,897 beschrieben, oder, wie in 3a gezeigt, aus drei Doppelbrecherplättchen ohne Retarder. Ein Filter aus zwei Elementen würde weniger komplex und weniger teuer sein. US-A-3,784,734 beschreibt ein Unschärfefilter aus zwei Doppelbrechern für die Farbbilderfassung unter Verwendung einer Streifenfilteranordnung. Laut Beschreibung in US-A-3,784,734 braucht der Abbildungspunkt lediglich in drei oder vier Punkte in einer Richtung rechtwinklig zur Streifenrichtung aufgeteilt zu werden. In den meisten modernen CCD-Sensoren ist eine Farbfilteranordnung normalerweise eine zweidimensionale Anordnung von Farbfiltern, wie in US-A-3,971,065 beschrieben Um den Abbildungspunkt in vier oder mehr Punkte in einem zweidimensionalen Muster aufzuteilen, ist ein Unschärfefilter erforderlich, so daß die in US-A-3,784,734 beschriebene Konstruktion dafür nicht zufriedenstellend geeignet wäre.
Nach dem Stand der Technik ist die Verwendung eines Phasenbeugungsgitters als Frequenzauswahlfilter zum Erzeugen einer Bildunschärfe bekannt. Wie in US-A-4,998,800 gezeigt, wird die Periodizität einer Abbildung eines Beugungsgitters, das auf einen Halbleiterbildsensor projiziert wird, als ein Mehrfaches der Periodizität der lichtempfindlichen Bildelemente gewählt, wobei ein unscharfes Bild erzeugt wird. Diese Art von Filter hat allerdings den Nachteil, daß es Licht über viele Interferenzstreifen bis theoretisch in den Bereich von Unendlich streut, anstatt ein genau bemessenes Muster über einigen wenigen lichtempfindlichen Elementen zu erzeugen. Die Energieverteilung in den Streifen ist zudem schwer zu steuern, was allerdings nötig wäre, um eine akzeptable Unschärfefunktion zu erzielen, die eine vorgesehene Anzahl von Pixeln abdeckt. Zudem hängt die Energieverteilung von der Wellenlänge ab.
Wie aus den vorausgehenden Erläuterungen zu ersehen ist, besteht Bedarf nach einem physisch dünnen Unschärfefilter, das preiswert und relativ einfach herzustellen ist und dennoch ein genau bemessenes Unschärfemuster erzeugt, das nicht von Polarisierungstechniken abhängt. Als Alternative zu dem doppelbrechenden Unschärfefilter und dem Phasenbeugungsgitter beschreibt US-A-4,989,959 eine Pyramidenstruktur, die aus vier Keilen aufgebaut ist, die das einfallende Licht in vier Quadrante unterteilt, so daß Licht von demselben Bildpunkt normalerweise auf mehrere lichtempfindliche Elemente in der Bildsensoreinrichtung fällt. Um vier aneinanderstoßende Facetten mit gleichen Winkeln auf einem einzigen Körper zu erzeugen, müßte eine Facette normalerweise aus einem einzigen Körper hergestellt werden, wobei dieser Körper anschließend in einzelne Teile zerschnitten wird. Die einzelnen Teile würden dann miteinander derart verklebt, daß ein pyramidenförmiges Teil entsteht. Dieses Filter erzeugt die gewünschten Punkte in der CCD-Ebene, wenn das Objektiv fokussiert ist. Wenn das Objektiv jedoch geringfügig defokussiert ist, tendieren die Punkte dazu, sich zu überlagern, wodurch die Anti-Aliasing-Wirkung abnimmt. Zudem ist dieses Anti-Aliasing-Filter an der Linsenpupille angeordnet (oder an der Austritts- oder Eintrittspupille), nicht in Nähe der Bilderzeugungsvorrichtung. Dadurch, daß das Filter an der Pupille angeordnet wird, kann ein Autofokussystem, soweit ein solches vorhanden ist, irritiert werden. Das Objektiv muß zudem zur Aufnahme des Filters entsprechend ausgelegt sein. Da das Filter brennweitenabhängig ist, kann es nicht mit einem Varioobjektiv eingesetzt werden.
Die Parallelanmeldungen US-A-5,322,998 und US-A-5,438,366 beschreiben ein konisches Unschärfefilter, das Undersampling-Artefakte verringert, indem ein unscharfes Bild derart erzeugt wird, daß höhere Ortsfrequenzen des einfallenden Abbildungslichtes begrenzt werden. Das unscharfe Bild hat für jede Einfallspunktquelle die Form eines kreisförmigen Unschärfemusters. Abhängig von der Form des Filters kann das kreisförmige Unschärfemuster ein ringförmiges Muster sein, das eine zweidimensionale Anordnung von Fotoelementen abdeckt, oder der mittlere Teil des Musters kann mit unscharfem Licht aufgefüllt werden. Zwar handelt es sich hierbei um ein sehr gutes Filter, wenn freier Zugang zur Pupille besteht, aber es ist ebenfalls an der Apertur angeordnet und kann ein Autofokussystem irritieren, soweit ein solches eingesetzt wird. Zudem kann es auch nicht mit einem Varioobjektiv zusammenarbeiten.
Ferner wird auf die US 4 575 193 A hingewiesen, die eine Bilderzeugungsvorrichtung zum Erzeugen eines Bildsignals aus einfallendem Licht zeigt, wobei die höheren Ortsfrequenzen des einfallenden Lichts begrenzt sind, um Bildfehler bei der Abtastung zu reduzieren. Die Bilderzeugungsvorrichtung weist einen Bildsensor zum Erzeugen des Bildsignals aus einer Anordnung von Fotoelementen auf, sowie einen optischen Abschnitt mit einem optischen Filter aus einem stark doppelbrechenden, einachsigen Kristall.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein physisch dünnes Unschärfefilter bereitzustellen, das preiswert und relativ einfach herzustellen ist und dennoch ein genau bemessenes Unschärfemuster erzeugt, das nicht von Polarisierungstechniken abhängt. Die Aufgabe wird durch eine Bilderzeugungsvorrichtung nach Anspruch 1 gelöst.
Die zuvor genannten Probleme werden gemäß der vorliegenden Erfindung gelöst, indem eine Bilderzeugungsvorrichtung verwendet wird, die ein Bildsignal aus einfallendem Abbildungslicht erzeugt, dessen höhere Ortsfrequenzen zur Verringerung der Undersampling-Artefakte begrenzt sind. Die Vorrichtung umfaßt einen Bildsensor zum Erzeugen des Bildsignals aus einer Anordnung von Fotoelementen sowie einen Optikbereich mit einem stark doppelbrechenden, einachsigen, optischen Kristallfilter, der aus einer aus Lithiumnobiat, Lithiumtantalat und Kalkspat bestehenden Gruppe ausgewählt und im Weg des einfallenden Bildlichts angeordnet ist, um mindestens vier Lichtpunkte in einer Detektorebene zu erzeugen. Das optische Filter aus dem stark doppelbrechenden, einachsigen Kristall, besteht aus zwei Doppel-Lichtbrechungskörpern. Die vier Lichtpunkte bilden ein Rhomboidmuster, wobei ein spitzer Winkel des Rhomboids 45° beträgt. Das optische ist Filter um eine optische Achse der Bilderzeugungsvorrichtung so drehbar, dass eine Basislinie des Rhomboidmusters mit einer von zwei Hauptkoordinaten der Bilderzeugungsvorrichtung einen Winkel zwischen 20° und 40° bildet.
Gemäß einem Merkmal wird ein Vierpunktfilter aus zwei Plättchen hergestellt, die aus einem stark doppelbrechenden Kristall bestehen, etwa Lithiumniobat, und als Doppelbrecher wirken, zwischen denen ein Viertelwellenretarder angeordnet ist. Diese drei Teile werden normalerweise miteinander verklebt. Der erste Doppelbrecher trennt den Strahl in zwei linear polarisierte Strahlen, wobei die Trennung beispielsweise in vertikaler Richtung verläuft. Der Retarder setzt die beiden linear polarisierten Strahlen in kreisförmig polarisierte Strahlen um, die von dem zweiten Doppelbrecher in horizontaler Richtung aufgeteilt werden. Für eine Punkttrennung von 9 μm ist ein erfindungsgemäßes Filter lediglich 0,46 mm dick, im Vergleich zu einer Dicke von 3,04 mm, wie sie bei Kristallquarzfiltern nach dem Stand der Technik üblich ist. Calcit kann ebenfalls verwendet werden, ist jedoch sehr schwer zu schleifen und zu polieren. Lithiumniobat weist dagegen eine starke Doppelbrechung auf und läßt sich einfach schleifen und polieren.
Gemäß der vorliegenden Erfindung ist somit ein rhombisches Vierpunkt-Unschärfefilter, das insgesamt nur zwei Plättchen verwendet, vorgesehen, deren optische Achsen im Winkel von 45° zueinander stehen. Das Filter wird um die Kameraachse gedreht, um die Aliasing-Artefakte wirksam zu verringern. Durch Verringerung der Komponentenanzahl in dem Filter sinken die Kosten des Filters sowie die Kosten des Klebevorgangs, da anstelle von zwei Klebevorgängen nur ein Klebevorgang pro Filter erforderlich ist.
Die Erfindung wird im folgenden anhand eines in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiels näher erläutert.
Es zeigen
1 eine perspektivische Ansicht eines Doppelbrechers nach dem Stand der Technik, der einen nicht polarisierten Strahl in zwei versetzte Strahlen aufteilt,
2 eine perspektivische Ansicht eines rechtwinkligen Vierpunktfilters nach dem Stand der Technik, das zwei Doppelbrecher und einen Retarder verwendet,
3a eine perspektivische Ansicht eines weiteren Vierpunktfilters nach dem Stand der Technik, das drei Doppelbrecher verwendet,
3b–3e Draufsichten der von den verschiedenen Komponenten aus 3a in einer Detektorebene erzeugten Punkte,
4 eine perspektivische Ansicht eines erfindungsgemäßen rhombischen Vierpunktfilters aus zwei Doppelbrechern
5 eine perspektivische, schematische Ansicht eines rhombischen Unschärfefilters, das um eine optische Achse einer CCD-Kamera derart gedreht ist, daß ein Winkel b zwischen der Hauptachse des Rhomboids und den Hauptkoordinaten des CCD-Detektors gebildet wird.
Die vorliegende Erfindung betrifft insbesondere Elemente, die Teil einer erfindungsgemäßen Vorrichtung bilden. Elemente, die nicht gesondert dargestellt oder beschrieben werden, können selbstverständlich Fachleuten gut bekannte Formen annehmen. Beispielsweise werden keine geometrischen Beziehungen der optischen Komponenten detailliert gezeigt oder beschrieben, es sei denn, dies ist zur Beschreibung der Erfindung erforderlich. Die Bezugsmaße der in den Figuren dargestellten Komponenten sind nicht maßstabsgetreu, da die erforderlichen geometrischen Beziehungen und Abmessungen von einem einschlägigen Fachmann leicht zu erkennen sind.
Bezugnehmend auf 4 wird die bevorzugte Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Unschärfefilters 40 dargestellt. Ein erster Doppelbrecher 41 erzeugt an jedem der beiden Punkte polarisiertes Licht. Ein zweiter Doppelbrecher 45 weist eine Ebene 42 auf, die um 45° zur ersten Ebene 43 geneigt ist. Der von dem ersten Doppelbrecher 41 erzeugte polarisierte Lichtstrahl wird in dem Koordinatensystem des zweiten Doppelbrechers 45 im wesentlichen entpolarisiert. Die Dicke der beiden Plättchen ist mit t₁= t₂ gleich. In diesem Fall bilden die vier Punkte in der Detektorebene 46 ein Rhomboid, und zwar ein gleichschenkliges Parallelogramm. Wenn die Dicke der beiden Doppelbrecher ungleich ist, also t₁ ≠ t₂, dann bilden die vier Punkte in der Detektorebene ein Rhomboid, nämlich ein Parallelogramm mit gegenüberliegenden gleichlangen Schenkeln.
In der bevorzugten Ausführungsform bestehen die Doppelbrecher aus einem stark doppelbrechenden, einachsigen Kristallmaterial, etwa Lithiumniobat. Die Doppelbrechkraft von Lithiumniobat beträgt 0,09, wobei jedoch jedes einachsige Kristallmaterial mit einer Doppelbrechkraft von mehr als 0,05 in den Geltungsbereich dieser Erfindung fällt. Die Doppelbrechkraft von Kristallquarz beträgt lediglich 0,009. Die große Brechkraft von Lithiumniobat wird benutzt, um die Dicke des Unschärfefilters zu verringern. Für einen CCD-Sensor mit einer Pixelgitterkonstante von 9 μm beträgt die bevorzugte Trennung ca. 11 μm (S = 11 μm). Unter Verwendung von Gleichung 1 ergibt sich, daß die Dicke jedes Doppelbrechers t₁= t₂= 0,29 mm beträgt, was sich zu einer Gesamtdicke des Rhombus-Unschärfefilters von 0,58 addiert.
Ein Problem bei der Verwendung von Lithiumniobat besteht darin, daß die Brechungsindizes ca. 2,3 betragen, und daß es keinen Klebstoff mit einem derartig hohen Index gibt. Es wäre demnach schwierig, zwei Körper aus Lithiumniobat ohne Reflexionsverluste aufgrund der unterschiedlichen Brechungsindizes zu verkleben. Es gibt mindestens zwei Möglichkeiten, dieses Problem zu lösen. Eine Möglichkeit besteht darin, die zu verklebenden Lithiumniobatflächen mit einer Antireflexionsbeschichtung vorzubeschichten, die insbesondere für die Kontaktfläche des gewählten Klebstoffs mit dem Lithiumniobat entwickelt wurde. Eine andere Lösung besteht darin, die Lithiumniobatkörper durch einen kleinen Spalt getrennt zu halten und die Lithiumniobatflächen mit einer Antireflexionsbeschichtung zu beschichten, die für die Kontaktfläche der Luft mit dem Lithiumniobat entwickelt wurde.
In einer anderen Ausführungsform werden Vierpunktfilter verwendet, wie in den 2 und 3 nach dem Stand der Technik gezeigt, wobei allerdings das Kristallquarz durch Lithiumniobat ersetzt wird, um die Dicke des Filters wesentlich zu verkleinern. Wie zuvor erläutert, reduziert sich bei einem 9-μm-Vierpunktfilter die Dicke von 3,04 mm für Kristallquarz auf 0,46 mm für Lithiumniobat. (Die Retarderdicke ist in beiden Fällen nicht berücksichtigt.)
Für das in 3a–3e gezeigte Vierpunktfilter mit einer Seitentrennung von 9 μm beträgt die Dicke eines Kristallquarzfilters nach dem Stand der Technik 1,52 mm für den ersten Körper und 0,707·1,52 = 1,07 mm für die beiden anderen Körper, was einer Gesamtdicke von 3,66 mm entspricht. Das gleiche Filter aus Lithiumniobat hat eine Dicke von 0,23 mm für den ersten Körper und 0,707·0,23 = 0,17 mm für die beiden anderen Körper, was einer Gesamtdicke von 0,55 mm entspricht.
Für eine andere Ausführungsform der Erfindung wird in 5 die Bilderzeugungsvorrichtung 50 gezeigt. Ein zweiteiliges rhombisches Filter 51 aus einem ersten Retarder 52 und einem zweiten Retarder 54 für eine CCD-Kamera wird um eine optische Achse der Kamera gedreht, um das Aliasing weiter derart zu reduzieren, daß ein Winkel γ zwischen der Rhombenbasis und den Hauptkoordinaten des CCD-Detektors gebildet wird. Der bevorzugte Winkel γ beträgt 30°, wobei allerdings Werte zwischen 20° und 40° geeignet sind. Die Punkte 58 werden in der aus den Fotoelementen 63 gebildeten Detektorebene 62 erzeugt. Das gewünschte Bild wird von einem Objektiv 60 fokussiert.
Lithiumniobatkristalle kommen in der Natur nicht vor. Sie werden aus dem Verschmelzen nach dem Czochralski-Tiegelziehverfahren gezüchtet und bilden normalerweise Kristalle von 7,6 cm oder 10,1 cm Durchmesser, wobei die optische Kristallachse (Z-Achse) mit der Symmetrieachse des Kristallstücks ausgerichtet ist. In einer anderen erfindungsgemäßen Ausführungsform hat die optische Achse α eines Lithiumniobatkristalls, wie in 1 und 4 gezeigt, anstelle eines Winkels von 45° einen Winkel von 37,85°. Dieser Winkel wird gewählt, um die Retarderebene mit der Kristallhauptrichtung auszurichten, die von Kristallzüchtern als 10,4-Richtung oder als ”127,85°-Y-Schnitt” bezeichnet wird. Es ist möglich, das Kristallstück in diese Richtung zu züchten, so daß dessen Symmetrieachse in dieser Richtung ausgerichtet ist und so daß die Kristallachse bereits einen Winkel α mit der Symmetrieachse des Kristallstücks bildet, so daß aus dem Stück geschnittene Scheibchen bereits eine Kristallachse in dem gewünschten Winkel α zu den Plättchenoberflächen aufweisen, wie in 1 gezeigt, ohne das Stück in einem Winkel zu dessen Symmetrieachse schneiden zu müssen. Das vereinfacht die Herstellung der Lithiumniobat-Doppelbrecher und senkt deren Kosten. Durch Änderung des Winkels von 45° auf 37,85° wird die benötigte Dicke gemäß Gleichung 1 um einen kleinen Betrag im Vergleich mit einem ähnlichen Filter erhöht, das auf 45° ausgerichtet ist. Beispielsweise ist ein rhombisches Filter mit 11 μm Schenkelgröße statt 0,23 mm 0,29 mm dick, so daß die gesamte Filterdicke für die Konstruktion mit einem Winkel von 45° statt 0,46 mm 0,58 mm beträgt.
Obwohl einige erfindungsgemäße Ausführungsformen aufgezeigt und beschrieben wurden, ist die Erfindung natürlich nicht auf diese beschränkt, sondern kann zahlreichen, Fachleuten bekannten Änderungen und Abwandlungen unterzogen werden, so daß die hier gezeigten und beschriebenen Einzelheiten nicht einschränkend zu verstehen sind, sondern so, daß alle einem einschlägigen Fachmann offenkundigen Änderungen und Abwandlungen der Erfindung abgedeckt werden.
Bezugszeichenliste

10: Kristall
12: optische Kristallachse
14: Eintrittsfacette
16: unpolarisierter Strahl
17: ordentlicher Strahl
18: außerordentlicher Strahl
20: Vierpunktfilter
21: erster Doppelbrecher
22: Viertelwellenretarder
23: zweiter Doppelbrecher
24: Detektorebene
25a: Ebene
27: kreisförmig polarisierte Strahlen
28: kreisförmig polarisierte Strahlen
30: Vierpunktunschärfefilter
33: zweiter Doppelbrecher
33a: Ebene
36: Dritter Doppelbrecher
36a: Ebene
40: Unschärfefilter
41: Doppelbrecher
42: Ebene
43: Erste Ebene
45: Doppelbrecher
46: Detektorebene
50: Bilderzeugungsvorrichtung
51: rhombisches Filter
52: erster Retarder
54: zweiter Retarder
58: Punkte
60: Linse
62: Detektorebene
63: Fotoelemente

Claims

Bilderzeugungsvorrichtung zum Erzeugen eines Bildsignals aus einfallendem Licht, wobei die höheren Ortsfrequenzen des einfallenden Lichts begrenzt sind, um Bildfehler bei der Abtastung zu reduzieren, die folgendes aufweist: – einen Bildsensor zum Erzeugen des Bildsignals aus einer Anordnung von Fotoelementen; und – einen optischen Abschnitt mit einem optischen Filter aus einem stark doppelbrechenden, einachsigen Kristall, der aus einer aus Lithiumnobiat, Lithiumtantalat und Kalkspat bestehenden Gruppe ausgewählt und im Weg des einfallenden Bildlichts angeordnet ist, um mindestens vier Lichtpunkte in einer Detektorebene zu erzeugen, wobei das optische Filter aus dem stark doppelbrechenden, einachsigen Kristall, aus zwei Doppel-Lichtbrechungskörpern besteht, die vier Lichtpunkte ein Rhomboidmuster bilden, wobei ein spitzer Winkel des Rhomboids 45° beträgt, und wobei das optische Filter um eine optische Achse der Bilderzeugungsvorrichtung so drehbar ist, daß eine Basislinie des Rhomboidmusters mit einer von zwei Hauptkoordinaten der Bilderzeugungsvorrichtung einen Winkel zwischen 20° und 40° bildet.