DE2134943C3

DE2134943C3 - Optisches Tiefpaßfilter

Info

Publication number: DE2134943C3
Application number: DE2134943A
Authority: DE
Inventors: Mino Masayuki; Yukio Okano
Original assignee: Minolta Co Ltd
Current assignee: Minolta Co Ltd
Priority date: 1970-07-14
Filing date: 1971-07-13
Publication date: 1980-02-07
Also published as: US3756695A; DE2134943B2; DE2134943A1

Description

cos Λ § -1 ; q ä 1

cos Λ g 1 -0,35 (q + 1)

cos Λ S 1 -0.65 (ί + 1).

2. Optisches Tiefpaßfilter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die auf der Grundplatte (1, Y) angeordneten optischen Elemente (2, 2') von gleicher Form und gleichen Abmessungen sind.

3. Optisches Tiefpaßfilter nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die auf der Grundplatte [Y) gleichmäßig angeordneten optischen Elemente (2') kreisrund sind und gleichen Durchmesser haben.

4. Optisches Tiefpaßfilter nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die auf der Grundplatte [Y) angeordneten optischen Elemente (2') oval und vpn gleicher Form und Größe sind.

5. Optisches Tiefpaßfilter nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die auf der Grundplatte (I) angeordneten optischen Elemente (2) rechtckkig und von gleicher Form und Größe sind.

6. Optisches Tiefpaßfilter nach Anspruch I, dadurch gekennzeichnet, daß die auf der Grundplatte (I) angeordneten optischen Elemente (2) auf konzentrischen Kreislinien verlaufen und gleiche Breite und Höhe sowie gleichen Abstand voneinander haben.

7. Optisches Tiefpaßfilter nach Anspruch 1. dadurch gekennzeichnet, daß die auf der Grundplaltd (1) angeordneten optischen Elemente (2) auf konzentrischen Ovalen Verlaufen und gleiche Breite und Hohe sowie gleichen Abstand voneinander haben.

8. Optisches Tiefpaßfilter nach Anspruch ί oder 2, dadurch gekennzeiehnelj daß die auf der durchsichtigen öfüridplatte (I)' angeordneten optischen Elemente streifenförmig ausgebildet sind-

9. Optisches Tiefpaßfilter bestehend aus einer durchsichtigen Grundplatte, auf der optische Elemente in Form von Schlitzen, Vertiefungen oder durchsichtigen Erhöhungen angeordnet sind, die der Wellenfront des auf die durchsichtige Grundplatte einfallenden Lichts eine Phasendifferenz geben, dadurch gekennzeichnet, daß die optischen Elemente (2) wie bei einem an sich bekannten Phasengitter als auf der durchsichtigen Grundplatte (1) gknchrnäßig in paralleler Richtung angeordnete, streifenförmige Gitterelemente (2) ausgebildet sind, die in einer Richtung gleiche Unterteilung (x) und gleiche Breite (a) besitzen und dem Tiefpaßfilter ein mit Schnitt rechteckwellenförmiges Oberflächenprofi! verleihen, und daß zwischen den Abmessungen der Gitterelemente (2) und der durch ihre Höhe bestimmte Phasendifferenz δ folgende Beziehungen gelten:

cos Λ > - 1; — g 2
α

< 1 -0,35 -

~ α

^ 1 -0,65 α

10. Optisches Tiefpaßfilter nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß als durchsichtige Grundplatte (1) eine optische Linse dient.

Die Erfindung betrifft ein optisches Tiefpaßfilter bestehend aus einer durchsichtigen Grundplatte, auf der optische Elemente in Form von Scb'itzen, Vertiefungen oder durchsichtigen Erhöhungen angeordnet sind, die der Wellenfront des auf die durchsichtige Grundplatte einfallenden Lichts eine Phasendifferenz geben.

Bei einer Farbfernsehkamera des Ein-Röhrensystems oder des Zwei-Röhrensystems wird das Bandfilter zur Farbtrennung de« abgebildeten Bildes verwendet, so daß es erforderlich ist, daß beim optischen Abbildesystem alle Bilder von jeglichen Objekten verschiedener Objektentfernungen jeweils eine bestimmte Defokussierung aufweisen. Deshalb ist es nötig, das optische System mit einem optischen Tiefpaßfilter mit einer bestimmten Grenzfrequenz zu versehen. Die erforderlichen Bedingungen eines solchen optischen Systems mit einem optischen Tiefpaßfilter sind, daß 1. die Kontrastübertragungsfunktion des optischen Systems oberhalb der Grenzfrequenz den Wert 0 trägt, und 2. durch eine Änderung des Öffnungsverhällnisses am optischen Systems sich dessen Kontrastübertragungsfunktion nicht ändert.

Es ist bereits bekannt, /ur Erfüllung dieser Bedingungen als Tiefpaßfilter ein Polyederprisma in die Pupillenebene des optischen Systems einzuschalten. Ein solches optisches Tiefpaßfilter erfüllt vorteilhafterweise die beiden vorerwähnten Bedingungen; es ist jedoch schwierig, das Pölyederprisma richtig in die Pupillenebene des optischen Systems einzuschalten. Ferner sind auch die Herstellung und die feuerung eines solchen Polyederprismas äußerst schwierig, so daß die praktische Anwendung eines solchen Filters begrenzt ist.

Könnte man jedoch ein die beiden obengenannten Bedingungen erfüllendes optisches Tiefpaßfilter leicht herstellen, so könnte die Bildqualiiät der Farbfernsehkamera merklich verbessert werden.

Durch die GB-PS 8 74 462 ist ein Phasengitter bekannt, das aus einer durchsichtigen Grundplatte mit parallelen Oberflächenseiten besteht, auf deren einer Oberflächenseite in regelmäßigen Abständen Erhöhungen mit rechtwinkligem Querschnitt in Streifenform mit zur Grundplatte paralleler Oberfläche aus durchsichtigem Material angeordnet sind. Dabei sind die Erhöhungen einerseits untereinander gleich breit und andererseits auch gleich breit wie die Zwischenräume zwischen ihnen. Die Höhe der Erhöhungen, die die Phasendifferenz zwischen den durch die Grundplatte allein und die durch die durch die Erhöhungen verstärkte Grundplatte fallenden Lichtstrahlen ausmacht, «t so gewählt, daß eine Phasendifferenz von einer halben Wellenlänge auftritt. Dieses bekannte Phasengitter erfüllt jedoch die Erfordernisse für ein optisches Tiefpaßfilter nicht Wie bereits erwähnt, soll sich bei einem Tiefpaßfilter die Kontrastübertragungsfunktion oberhalb der Grenzfrequenz dem Wert 0 annähern. Dies ist bei dem bekannten Phasengitter nicht der Fall. Berechnet man unter den gegebenen Bedingungen die Kontrastübertragungsfunktion nach der Formel

cos Λ = 1

wobei

ö die Phasendifferenz,
ρ die Kontrastübertragungsfunktion,
q das Verhältnis der gesamten nicht mit Erhöhungen versehenen Fläche zur Gesamtfläche der Erhöhungen ist,

so ergibt sich der Wert +1. was einem Maximum entspricht Das bekannte Phasengitter ist also kein Tiefpaßfilter; in der obengenannten Patentschrift ist festgelegt, daß das Phasengitter eine Phasendifferenz von einer halben Wellenlänge bewirkt; eine Möglichkeit zur Veränderung oder Abwandlung der Phasendifferenz ist nicht offenbart

Aufgabe der Erfindung ist es, ein leicht herstellbares optisches Tiefpaßfilter zu schaf'en, das bei der Anwendung in einem optischen System dessen Kontrastübertragungsfunktion oberhalb der Grenzfrequenz an Null annähert, wobei die Kontrastübertragungsfunktion des optischen Systems nicht durch die Änderung des Öffnungsverhältnisses beeinflußt werden soll. Das optische Tiefpaßfilter soll durch Anwendung eines Phasengitters, in dem Teile verschiedener Phasen planar verbreitert und in einem bestimmten Verhällnis regelmäßig angeordnet sind, die oben gestellten Forderungen erfüllen.

Erfindungsgemäß wird dies dadurch erreicht, daß die optischen Elemente wie bei einem an sich bekannten Phasengitter auf der durchsichtigen Grundplatte gleichmäßig verteilt sind, eine plane Grundfläche und Oberfläche und dazu senkrechte Seitenflächen aufweisen und untereinander gleich breit sind und ihre Abstände voneinander untereinander ebenfalls gleich groß sind und die optischen Elemente derart auf der durchsichtigen Grundplatte angeordnet sind, daß das Tiefpaßfilter in wenigstens einer Querschnitlsrichtung ein rechleckwellenförmiges Oberflächenprofil aufweist, tmd daß für die durch die Höhe der optischen Elemente bestimmte Phasendifferenz (5 und das Verhältnis 17 der gesamten nicht mit optischen Elementen versehenen Fläche der Grundplatte zur gesamten Fläche drr optischen Elemente folgende Beziehungen gleichzeitig gelten:

cos rt ^ - 1, q ^ 1

cos Λ g 1 -0,35(4 + 1)
cos Λ ^ 1 -0,65(9 + 1)

Die auf der durchsichtigen Grundplatte gleichmäßig angeordneten optischen Elemente sind vorzugsweise von gleicher Form und Größe und können entweder kreisrund und von gleichem Durchmesser und gleicher Höhe oder oval und von gleicher Form und Größe oder rechteckigund von gleicher Form uncf Größe sein.

Bei anderen Ausführungsformen können die auf der

?.o Grundplatte angeordneten optischen Elemente auf konzentrischen Kreislinien verlaufe; >-.nd gleiche Breite und Höhe sowie gleichen Abstand voneinander haben, oder auf konzentrischen Ovalen verlaufen und gleiche Breite und Höhe sowie gleichen Abstand voneinander haben.

Bei ..;ner weiteren Ausführungsform der Erfindung sind die optischen Elemente als auf der durchsichtigen Grundplatte gleichmäßig in paralleler Richtung angeordnete, streifenförmige Gitterelemente ausgebildet,

jo die in einer Richtung gleiche Unterteilung (x) und gleiche Breite ^besitzen und dem Tiefpaßfilter ein im Schnitt rechteckwellenförmiges Oberflächenprofil verleihen und zwischen den Abmessungen der Gitterelemente und der durch sie dem einfallenden Licht mitteilbaren Phasendifferenz (<5) folgende Beziehungen bestehen:

cos <i > - I

> 2

cos -ig 1 0,35

cos Λ > I- 0,65

~ a

Die auf der durchsichtigen Grundplatte angeordneten optischen Elemente können streifenförmig ausgebildet sein.

Als durchsichtige Grundplatte kann für das Tiefpaßfilter vorteilhafterweise eine optische Linse dienen.

Wie aus der weiteren Beschreibung noch hervorgeht, wurde mit der Erfindung ein echtes optisches Tiefpaßfilter ; nt einer oberen und einer unteren Grenzfrequenz geschaffen, das einen verhältnismäßig großen Toleranzbereich hinsichtlich der Höhe der optischen Elemente und des Verhältnisses der Breite der Elemente zu ihren Abständen aufweist.

Das obenerwähnte Flächenverhältnis und die Phasen differenz hält die Kontrastübertragungsfunktion oberhalb der ürenzfrequenz auch bei praktischer Anwendung, d. h. bei optischen Systemen mit einer gewissen Aberration und Verwendung vofi weißem Lieh! zwischen -0,3 bis +0,3. Ein solches Tiefpaßfilter ist für das optische System einer Farbfernsehkamera geeignet und erhöht die Leistung des optischen Systems.

Das erfindungsgemäße Tiefpaßfilter kann leicht in ein Optisches System eingeschaltet werden und bewirkt, daß

dessen Kontrastübertragungsfünktion sich oberhalb der unteren Grenzfrequenz Null nähert, dabei aber von einer Änderung der Blendeneinstellung des optischen Systems unbeeinflußt bleibt. Das Filter Verleiht allen durch das optische System gebildeten Bildern eine Defokussierung,

Die Herstellung des erfindungsgemäßen Tiefpaßfilters ist verhältnismäßig einfach und kostengünstig.

Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen anhand der Zeichnung.

Fig. 1 zeigt den Ausschnitt einer Seitenansicht einer ersten Ausführungsfo-m des erfindungsgemäßen Phasengitters im Schnitt.

Fig.2 zeigt in einem Diagramm die Verteilung der Intensität auf der Bildebene des optischen Tiefpaßfilters, wobei in F i g. 2A der Fall, in dem das Verhältnis von der Breite derGiitcreicmenic zu deren Abstand i : 2isi, und in F i g. 2B der Fall, in dem das Verhältnis von der Breite der Gitterelemente zu deren Abstand I :3 ist, gezeigt wird.

F i g. 3 zeigt in einem Diagramm die Kontrastübertragungsfunktion des optischen Tiefpaßfilters gemäß der ersten Ausführungsform.

F i g. 4 zeigt in einem Diagramm den Toleranzbereich der optischen Höhe des Phasengitters mit der im Schnitt rechteckigen Wellenform sowie des Verhältnisses der Periode der Giltereleiiiente zu ihrer Breite.

Fig. 5 zeigt in einem Diagramm die Verteilung der Intensität bei einem Phasengitter mit der im Schnitt rechteckigen Wellenform, dessen Größe endlich ist.

F i g. 6 zeigt in einem Diagramm die Kontrastübertragungsfunktion des optischen Tiefpaßfilters gemäß der ersten Ausführung für den Fall, daß das Öffnungsverhältnis der abbildenden Linse geändert wird.

F i g. 7 zeigt eine Draufsicht auf die ersfe Ausführung' lorm der Erfindung.

F i g. 8 zeigt eine Draufsicht auf eine Modifikation der ersten Ausführungsform.

Fig.9 zeigt die Draufsicht auf eine andere Ausfüh-

mncrcfnrm rlpr FrfinHuncr
• ο ο

Fig. 10 zeigt in einem Diagramm das Verhältnis zwischen der Kontrastübertragungsfunktion und der Frequenz in x-Richtung in Fig.9 des optischen Tiefpaßfilters gemäß der zweiten Ausführungsform.

F i g. 11 zeigt die Draufsicht auf eine andere Ausführungsform der Erfindung.

Fig. 12 zeigt die Draufsicht auf eine weitere Ausführungsform der Erfindung.

[n F i g. 1 bis F'. g. 7 wird die erste Ausführungsform der Erfindung dargestellt in der die Phasengitterelemente im Schnitt eine rechteckige Form haben und dem Tiefpaßfilter im Querschnitt ein rechteckwellenförmiges Oberflächenprofil geben. Um die Erläuterungen zu vereinfachen, wird eine eindimensionale Ausführung der Gitter im folgenden erklärt

In F i g. 1 ist der Schnitt des Phasengitters mit dem rechteckwellenförmigen Oberflächenprofil in der Richtung eines beliebigen Radius der konzentrischen Kreise nach F i g. 7 dargestellt wobei die Gitterelemente 2 auf der Grundplatte 1 im gleichen Abstand voneinander angeordnet sind. Angenommen, daß die Breite der Gitterelemente 2 mit 3 und die Gitterperiode mit χ bezeichnet wird, so wird der lichte Abstand zwischen den Gitterelementen zu x—a. Die optische Höhe des Gitterelements, die nämlich die Phasendifferenz ausmacht wird mit <5 bezeichnet

Das Phasengitter mit dem im Schnitt rechteckweilenförmigcn Öberflächcnprofil wird jetzt in die Pupillenebene der Linse des optischen AbbildesysWms eingesteckt. Vorausgesetzt, daß dabei die abbildende Linse keine Aberration besitzt und das Güter unendlich verbreitert ist, wird die Intensität lh des Punklbildcs (FSF, spread function, Ausbreitungsfünktion) in der Brennebene der abbildenden Linse dargestellt durch das Quadrat der Fourierschcn Reihe des Phasengitters, also:

sin ;i π

sin /1 .-τ

sin /ι π

+ 2 cos Λ

sin π rr 11 .-r

α \ ι . α

sin η π - 1 I sin η η

χ I I -χ

/1 π

It π

(D

η = 0, ±1, ±2,

Das heißt, es wird das Punktbild gemäß dem Wert η eindimensional verbreitert und die Art der Verbreiterung des Punktbildes steht mit der Periode des Phasengitters in Zusammenhang. Die Ausbreitungsfunktioit wird also eine eindimensionale diskrete Funktion abhängig vom Wert n. Deshalb wird in der Bildebene eine diskret verschwommenes Bild geformt, womit gemeint ist, daß das Bild eines Punktes nicht wiederum ein einziger Punkt ist sondern in eine Vielzahl von punktförmigen, voneinander getrennt (diskret) angeordneten Bildern zerlegt ist und sich aus diesen zusammensetzt Wenn die Brennweite der Linse mit f. die Wellenlänge des Lichts mit <5 und die Koordinate in der Bildebene mit (J bezeichnet wird, wird das Punktbild bis zu einer vom mit /J = O bezeichneten geometrischen optischen Bildpunkt (Fokussierungspunkt) um den Betrag

TI = nf XJx

(2)

entfernten Stelle verbreitert wobei die Art der Verbreiterung mit dem Öffnungsverhältnis (Blendenwert) des Objektives in keinem Zusammenhang mehr steht

Andererseits ändert sich die n = 0, +1, ±2 entsprechende Intensität In, wie aus der Formel (1) zu sehen ist gemäß der Änderung der Phasendifferenz <5 des Phasengitters, dem Verhältnis a/xvon der Biefte a des Gitterelements 2 zur Periode χ des Phasengitters vielfach. Als ein Beispiel wurde die Verteilung der Intensität in dem Fall, daß ö = π, a/x = MZ, a/x = 1/4, d. h. ein Verhältnis von der Breite a des Gitterelements 2 zum lichten Abstand (x—a) zwischen den Gitterelementen 1 :2 und 1 :3 gefordert ist in den F ϊ g. 2(A) und 2(B) dargestellt Auch im Fall, daß das Verhältnis a :(x—a) umgekehrt also 2 :1 sowie 3 :1 wird, wird wie aus der Formel (1) klar hervorgeht die Verteilung der Intensität gleich der in F i g. 2(A) und 2(B) sein.

Im folgenden wird der Fall a < x—a beschrieben, jedoch kann wie obenerwähnt dasselbe Ergebnis für den Fall a > x—a erreicht werden.

In Fig.2 ist das Beispiel dargestellt Werden die Phasendifferenz δ, die Periode χ und die Breite a des Gitterelerments 2 im Verhältnis zur Brennweite der angewendeten Linse richtig gewählt kann die sich in einer Dimension verbreitende bestimmte Defokussie-

rung innerhalb jeder Objektentfernung dem Bild gegeben werden. Andererseits nimmt im Fall, daß die (lineare) Verteilung der Intensität gemäß Formel (1) gilt, die kontfasiübeftfagurigsfunkuon einen dreieckigen Kürvenveflaüf gemäß F Ig₁3. Da die Verteilung der intensität eine Unstete Funktion ist, wird die Kontrastübertrisgiingsfunktion periodisch und hat im Bereich der hohen Frequenz ihren höchsten Wert. Die Konlraslübertragungsfunktion nimmt linear bis zu einer Uhterbrechurigsfrequenz ab und hat bei 5c den Wert p. Die Bedingung für das Tiefpaßfilter ist, wie oben beschrieben, daß die Kontrastübertragungsfunktion bei einer Frequenz über der bestimmten Grenzfrequenz den Wert 0 annimmt. In der Praxis gibt es aber keine abbildende Linse ohne Aberration, und die Größe des Phasendifferenzgitters ist begrenzt. Daher liegt, wenn bei der in Fig. 3 dargestellten Kontrastübertragungsfünktion deren WC"! p bei der Grcfiiifcijücrii 5c· ii'ii Bereich -0,3SpS 0,3 liegt, die Leistung des Tiefpaßfilters für die praktische Anwendung im zulässigen Bereich. Für die Bedingung - OJ S ρ S 0,3 gibt es viele Kombinationen der Phasendifferenz δ. der Periode ν und der Breite a des Gilterelements 2. Zum Beispiel erfüllt die Kombination der Phasendifferenz δ und χ/α. die den folgenden Bedingungen cos ό ä — 1, x/a ä 2. cos <5 ä 1 -0.35 χ/α und cos ö 6 1 -0,65 χ/α genüge tut und in F i g. 4 durch den schraffierten Bereich dargestellt ist. auch die Bedingung -0,3 S ρ S 0,3.

Ferner stellt x/a = 2 das Verhältnis der Linienbreite 1 : 1 ü'J x/a = 3 das Verhältnis der Linienbreite 1 :2 (2:1) dar. Die Grenzfrequenz Sc ist gegeben durch die folgende Gleichung:

Also kann die der bestimmten Grenzfrequenz entsprechende Breite α des Gitterelements 2 gemäß der Brennweite f der angewendeten Linse und der Wellenlänge Λ des Lichts bestimmt werden.

In der oben beschriebenen Erklärung wird angenommen, daß das Gitter unendlich groß ist. Aber im praktischen optischen Systems kann das Gitter nicht unendlich vergrößert werden und hat einen durch die Öffnung (Blende) begrenzten Wert. Ein Beispiel der Verteilung der Intensität für den Fall, daß die Größe des Gitters durch die Blende begrenzt ist, ist in Fig.5 dargestellt. Die η = 0, ±1, ±2 entsprechende Verteilung der Intensität In wird die dort gezeigte Weite besitzen. Der höchste Wert der Kontrastübertragungsfunktion bei der Frequenz Sp in F i g. 3 sinkt dabei ab; dies ist für ein Tiefpaßfilter eher wünschenswert

Im folgenden wird der Fall, daß das Öffnungsverhältnis (Blendenwert) des Objektivs geändert wird, betrachtet. Es hat sich im Versuch bestätigt, daß, wenn die Blendenöffnung mehr als zwei Perioden des Gitters einschließt und der Blendenwert vergrößert wird, die Leistung als optisches Tiefpaßfilter ausreichend ist Als praktisches konkretes Beispiel wurde die Kontrastübertragungsfunktion bei einer Periode des Phasengilters mit dem im Schnitt rechteckwellenförmigen Oberflächenprofil von χ = 1,2 mm, einer Breite des Gitterelements a = 03 mm, einer Phasendifferenz δ = π, bei einer Brennweite der Linse des optischen Systems von f = 60 mm und einer Wellenlänge von ö = 0,5μ berechnet und in Fig.6 aufgezeichnet Bei der Ausführungsform nach Fig.7 befinden sich innerhalb der Öffnung der Linse bei einem Blendenwcrt (Lichtstärke) von 22 nur zwei bis drei Perioden des Gitters. Dabei sinkt die Konlrastübeflragungsfunklion auf der Seilte' der höhen Frequenz, wie mit strichliefien Linien in F i g. 6 eingetragen, ab; dies ist für das optische Tiefpaßfilter ausreichend.

Die Köntrastüberlragurigsfunktiön in F ig, 6 wurde riiit monochromem Licht erhalten; Bei der praktischen Anwendung jedoch wird weißes Licht« lind zwar bei einem optischen System mit vorhandener Aberration angewendet. In diesem Fall wird dieselbe Wirkung wie in dem Fall, daß die Größe des Gitters begrenzt ist. erhalten, und die Verteilung der Intensität besitzt die in Fig. 5 aufgetretene Breite, und deshalb sinkt der Wert der Kontrastüberlragungsfunktion auf der Seite der hohen Frequenz wie in Fig. 3. Da der höchste Wert bei der Frequenz Sp gemäß Fig. 3 absinkt, ist es nicht notwendig, den Höchstwert bei der Frequenz Sp zu beachten. Die Bedingungen für das Tiefpaßfilter sind ausreichend erfüllt.

Die obige Beschreibung wurde zur Vereinfachung an dem eindimensionalen Phasengitter mit dem im Schnitt rechteckwellenförmigen Oberflächenprofil vorgenommen, ledoch beim zweidimensionalen Phasengitter mit rechteckwellenförmigem Oberflächenprofil wird, wie in Fig. 7 gezeigt, ein Phasengitter aus kreisförmigen konzentrischen Gitterelementen mit rechteckigem Profil angewendet. Hat dessen Schnitt einschließlich des Mittelpunkts einen wie in Fig. 1 gezeigten Aufbau, so erfüllt es die Bedingungen des Tiefpaßfilters in zwei Dimensionen.

Ebenso kann mit einem elliptischen Phasengitter mit im Schnitt rechteckwellenförmigem Oberflächenprofil nach F i g. 8 ein optisches Tiefpaßfilter, dessen Wirkung richtungsabhängig, also z. B. in Längsrichtung und Seitenrichtung verschieden ist, geschaffen werden.

Im Fall, daß ein optisches System mit einem Tiefpaßfilter aus dem erfindungsgemäßen Phasengitter mit dem im Schnitt rechteckwellenförmigen Oberflächenprofil ausy-erüstet wird, ist es im Falle eines zum Mittelpunkt svmPtrUrhpn Phacpngittprt: narh Fig 7 und Fig. 8 am besten, dieses in die Pupillenebene der Linse einzuschieben. Im anderen Fall kann das Tiefpaßfilter nicht nur in die Pupillenebene, sondern auch an einer beliebigen Stelle, wie zum Beispiel im vorderen Teil des optischen Systems oder zwischen dem optischen System und der Bildebene eingeschoben werden. Im Fall, daß das Tiefpaßfilter zwischen das optische System und die Bildebene eingeschoben wird.

so brauchen nur die Periode χ des Phasengitters und die Breite a der Gitterelermente 2 entsprechend dem Verhältnis der Öffnung der Linse zum Durchmesser des Lichtbündels an der betreffenden Stelle angleichend geändert zu werden. Dies hat den Vorteil, daß keine Einschränkungen hinsichtlich der Stelle für das Einschieben des Tiefpaßfilters gegeben sind.

In F i g. 1 bestehen die Grundplatte 1 und das Gitterelement 2 aus demselben Stoff. Soweit beide durchsichtig sind, können jedoch auch verschiedene Stoffe verwendet werden. Das Tiefpaßfilter kann so hergestellt werden, daß das Gitterelement 2 durch z. B. Aufdampfen von Fluormagnesium auf die Glasgrundplatte 1 gebildet wird. Ferner kann eine beliebige Linse des Linsensystems als Grundplatte verwendet und auf diese das Gitterelement aufgedampft werden.

Wird das Verhältnis x/a = 2 der Breite a des Gitters zur Periode χ des Gitters durch das Flächenverhältnis q der Grundplatte 1 des Phasengitters mit der im Schnitt

rechteckigen Wellenform zum Gittcrclcmcnt 2 ersetzt,

so gilt a+ (X-U) .

x/a = ί '- = 1 + q.

Also wird die oben gestellte Bedingung .x/ri ₌ 2 zU I + i/ ₌ 2

Q == I ι

und die Bedingung

cos Λ g 1 - 0,357"

wird zu

cos Λ g 1 - 0,35 (f/ + 1).

Ferner wird die Bedingung

cos Λ ä 1 - 0,657«

cos Λ ä i - 0,65 fa + 1).

Aber dabei müssen die Grundplattenteile I und die Gitterelemente 2 selbstverständlich in x-Richtung regelmäßig angeordnet werden. Als ein diese Bedingung erfüllendes Tiefpaßfilter wird das in Fig.9 gezeigte Filter im folgenden anhand dieser Zeichnung näher beschrieben.

Das Prinzip wird am Fall, daß auf der durchsichtigen Platte Γ die runden durchsichtigen Punkte 2' (Phasenelemente), weiche die Phasendifferenz <5 ergeben, regelmäßig angeordnet sind, beschrieben. Auf dem Tiefpaßfilter werden die x,y Koordinaten angenommen, und die Periode des kleinen Punkts 2' in ^-Richtung ist Xo und in /-Richtung Yo, und der Durchmesser des die Phasendifferenz gebenden Punkts 2' ist mit a' bezeichnet. Angenommen, daß ein solches Tiefpaßfilter unendlich groß ist und in einem Linsensystem ohne Aberration verwendet wird, so verläuft die Kontrastübertragungsfunktion dieses optischen Systems einschließlich des Tiefpaßfjl'ers wie in Fig. 10 dargestellt. Im allgemeinen besitzt ein optisches System die zweidimensionale Kontrastübertragungsfunktion. Da die zwei Dimensionen aber schwierig darzustellen sind, ist in F i g. 10 als Beispiel die Kontrastübertragungsfunktion dieses Tiefpaßfilters in der x-Richtung aufgetragen; sie besitzt die folgenden Eigenschaften:

!} Für die in Fi g. 10 eingetragene Grenzfrequenz Sc gilt, wie oben beschrieben, die folgende Gleichung:

SC =

b-λ'

P)

wobei

b = Abstand zwischen dem Tiefpaßfilter und der

Bildebene und
λ = Wellenlänge des Lichts ist.

H)Da das in Fig.9 gezeigte Tiefpaßfilter einen periodischen Aufbau besitzt, steigt, wie in Fig. 10 gezeigt, die Kontrastübertragungsfunktion auf der Seite der hohen Frequenz wieder an. Für die Frequenz beim Höchstwert der Kontrastübertragungsfunktion gilt die folgende Gleichung:

(4)

111) Der Wert ρ der Konfrastübcrlragungsfunklion.dcr in Fig. 10 oberhalb der Grenzfrequenz 5c konstant bleibt, wird gemäß dem Flächenverhältnis q der kein optisches Element in Form eines Punktes 2' aufweisenden Fläche zur Fläche des Punktes 2' sowie der Phasendifferenz ö vielfach geändert.
Zwischen pund 7 besteht folgende Beziehung:

10 cos Λ = 1

Das Flächenverhältnis q bedeutet, daß, wenn die Fläche des Punktes gleich der Flächeneinheit, also.a = I ist, die Fläche des anderen (kein optisches Element aufweisenden) Teils nach der Dcfinitionsformel von

20

60 χ - a

uiiu q & r im.

Das erfindungsgemäße Tiefpaßfilter besitzt die oben beschriebenen Eigenschaften. Ein Beispiel für den Fall, daß ein solches Tiefpaßfilter im optischen System einer Farbfernsehkamera, bei der in Ein- oder Zwei-Röhren das Bandfilter eingesetzt ist. angewendet wird, wird im folgenden beschrieben. Wenn die durch das Bandfilter bestimmte Grenzfrequenz 8 Linien/mm und wenn das Tiefpaßfilter an einer Stelle 30 mm entfernt von der Bildfläche angeordnet wird, wird der Durchmesser der Punkte nach der Formel (3) für eine Wellenlänge des Lichts von λ = 0,5μ ungefähr 0,12 mm. Um ferner/? = 0 zu machen, muß nach der Formel (5) die Beziehung zwischen q und ö gemäß der Formel cos ö = 1-0,5 (q+\) erfüllt sein. Dann kann das gewünschte Tiefpaßfilter geschaffen werden.

Theoretisch kann also das gewünschte Tiefpaßfilter wie oben beschrieben geschaffen werden, indem der Durchmesser a'des Punkts 2', die Phasendifferenz ό und das Flächenverhältnis q dem Zweck entsprechend genau ausgewählt werden.

Bei der praktischen Anwendung des erfindungsgemäßen Tiefpaßfilters müssen zwar, wie oben beschrieben, die endliche Uroue des iietpaüiilters, der Rest der Aberration des optischen Systems, die Anwendung des weißen Lichts usw. in Betracht gezogen werden. Aber deren Einfluß senkt nur den Wert der Kontrastübertragungsfunktion bei Sp in Fig. 10 und hat auf die Leistungsfähigkeit des Tiefpaßfilters bei der Anwendung auf eine Farbfernsehkamera keinen Einfluß. Bei der praktischen Anwendung muß der Höchstwert bei 5p fast nicht in Betracht gezogen werden. Andererseits wird der Wert ρ der Kontrastübertragungsfunktion, der oberhalb der Frequenz 5c konstant bleibt, durch die Formel (5) bestimmt. Jedoch ist es bei einer Farbfernsehkamera nicht nötig, daß ρ genau den Wert 0 annimmt. Das Tiefpaßfilter ist praktisch im Bereich —03 S P S 03 ausreichend leistungsfähig. Die Beziehung zwischen δ und gist in diesem Fall wie folgt:

cos <5 2: — 1, q ^ 1

cos <5 ^ 1 -0,35 (q + 1)

cosn ₌ 1 -0,65(ij + 1)

Eine Kombination der Größen δ und q, die im Bereich liegt, in dem alle Beziehungen der obenerwähnten Formeln erfüllt ist, ist für die praktische Anwendung

geeignet. Es kann nämlich dasselbe Ergebnis wie bei der oben beschriebenen Ausführungsform erreicht werden.

Oben v-urde die Kontrastübertragungsfunktion in .Y-Riehtung der F i g. 9 erklärt. Die obige Erläuterung ist aber nicht auf die Kontrastübertragungsfunklion in .t-Richtung beschränkt, sondern gilt auch in allen anderen Richtungen, wie z. B. in y-Richtung. Es wird nämlich die Gfenzfrequenz 5cgemäß dem Durchmesser a'des Punktes 2' bestimmt und die Frequenz 5p, bei der die Kontrastübeftragungsfunktion im Bereich der hohen Frequenzen den Höchstwert annimmt, bestimmt sich gemäß der Periode Yo der Punkte 2'. Wenn der Punkt 2' elliptisch ist, erhält man ein optisches Tiefpaßfilter, bei dem die Grenzfrequenz richtungsabhängig ist. Ferfief kann der Punkt in mehreren Formen, wie z. B. dreieckig, viereckig oder fünfeckig, angewendet werden. Auch dabei bestimmt sich die Frequenz Sp. bei der die Kontrastübertragungsfunktion auf der Seite der hohen Frequenz ihren Höchstwert annimmt-gemäß der Anordnung der Punkte 2'. Verschiedene Anordnungen wie zu£,-Beispiel nach Fig.9, Fig. 11 und Fig. 12 können gewählt werden.

Die Eigenschaften des erfindungsgemäßen Tiefpaßfilters stehen nicht mit der Brennweite der angewendeten Linse in Beziehung, sondern, wie aus den Formeln (3) und (4) zu ersehen ist, mit dem Abstand b zwischen dem Tiefpaßfilter und der Bildebene, so daß, wenn der Abstand b konstant gehalten wird, die Grenzfrequenz unabhängig von der Objektentfernung stets konstant bleibt.

Vorausgesetzt, daß wenigstens zwei Perioden der Punkte 2' in der Blendenöffnung des optischen Systems enthalten sind, sind die Eigenschaften des erfindungsgemäßen Filters als Tiefpaßfilter ausreichend und gegenüber einer Änderung des Öffnungsverhältnisses ist die Unterbrechungsfrequenz stets konstant. Wie obenerwähnt, ist das erfindungsgemäße Tiefpaßfilier für die Farbfernsehkamera, bei der ein Bandfilter benutzt wird, geeignet. Ferner braucht das erfindungsgemäße Tiefpaßfilter nicht in der Pupillenebene des Linsensyslems angeordnet zu werden, sondern kann an einer beliebigen Stelle des Linsensystems vorgesehen sein.

ίο Wird der Abstand b zwischen der Bildebene und dem Tiefpaßfilter konstant gehalten, können die Linsen mit verschiedener Brennweite, wie Telelinse und Gummilinse, eingesetzt werden. Der erfiridüngsgemäße Tiefpaßfilter bewirkt nur die Phasendiferenz an der Wellenfront, und es entsteht kein Verlust an durchgelassener Lichtmenge.

Ein solches Tiefpaßfilter kann zum Beispiel folgendermaßen hergestellt werden: Um den regelmäßig angeordneten Punkten einer der Phasendifferenz Λ entsprechende Höhe zu geben, wird durch Vakuumverdampfung Fluormagnesiurri auf die als Filter verwende^ te Glasgründplatte oder auf die das Linsensystem bildende beliebige Linsenfläche aufgebracht. Da es ausreicht, der Wellenfront die Phasendifferenz <5 zu geben, kann Material zur Erreichung dieser Phasendifferenz <5 auf den Bereich ohne Punkte aufgedampft werden.

Die Anwendung des erfindungsgemäßen Tiefpaßfilters ist nicht auf das optische System der Farbfernsehkamera begrenzt, sondern kann verschiedentlich angewendet werden, wie zürn Beispiel für die Beseitung des Moires beim Umbruchdruck usw.

Hierzu 3 Blatt Zeichnungen

Claims

91 Patentansprüche:

1. Optisches Tiefpaßfilter bestehend aus einer durchsichtigen Grundplatte, auf der optische EIemente in Form von Schlitzen, Vertiefungen oder durchsichtigen Erhöhungen angeordnet sind, die der Wellenfront des auf die durchsichtige Grundplatte einfallenden Lichts eine Phasendifferenz geben, dadurch gekennzeichnet, daß die opti- to sehen Elemente (2, 2') wie bei einem an sich bekannten Phasengitter auf der durchsichtigen Grundplatte (1) gleichmäßig verteilt sind, eine plane Grundfläche und Oberfläche und dazu senkrechte Seitenflächen aufweisen und untereinander gleich is breit sind und ihre Abstände voneinander untereinander ebenfalls gleich groß sind und die optischen Elemente (2, 2') derart auf der durchsichtigen Grundplatte (1) angeordnet sind, daß das Tiefpaßfilter in wenigstens einer Querschnittsrichtung ein rechteckwcücnförmigcs Oberflächenprofi! aufweist und daß für die durch die Höhe der optischen Elemente bestimmte Phasendifferenz δ und das Verhältnis q der gesamten nicht mit optischen Elementen (2, 2') versehenen Fläche der Grundplatte (1, Y) zur gesamten Fläche der optischen Elemente (2, 2') folgende Beziehungen gleichzeitig gelten: