DE2163443B2

DE2163443B2 - Einröhren-Farbkamerasystem

Info

Publication number: DE2163443B2
Application number: DE2163443A
Authority: DE
Inventors: Arthur Bertel Larsen; Thomas Patrick Sosnowski; Richard Lee Berkeley Heights Townsend Jun.
Original assignee: Western Electric Co Inc
Current assignee: AT&T Corp
Priority date: 1970-12-21
Filing date: 1971-12-21
Publication date: 1980-05-22
Also published as: NL7117287A; DE2163443A1; SE364845B; GB1376907A; CA944060A; US3681519A; DE2163443C3

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Einröhren-Farbkameraanordnung der im Oberbegriff des Anspruches 1 angegebenen Art.

Bekanntlich erfordert die Übertragung einer Farbdarstellung einer Szene bzw. eines Objektes drei unabhängige Videosignale. Diese Signale müssen zur Deckung gebracht sein, um die ursprüngliche Szene annehmbar rekonstruieren zu können; Einröhren-Farbkameras, wie diejenige gemäß US-PS 27 33 291 (R. D. Kell) wurden verwendet, um die Farbdeckung zu gewährleisten. Bei der von Kell vorgeschlagenen Kamera werden streifen- oder gitterförmige Farbfilter oder Gitter verwendet, die vertikal angeordnet sind und zwei Primärfarbbilder, z. B. Rot und Blau, auf der Targetoberfläche räumlich modulieren. Dem Bild wird dabei ein streifenförmiges Muster überlagert, und die »räumliche Frequenz« dieser Modulation ist durch die Liniendichte des Filters bestimmt. Sie ist proportional zur Zahl der Filterstreifen pro Längeneinheit. Jeder Primärfarbe wird eine andere räumliche Frequenz zugeordnet Sodann wird das Target, auf welchem die räumlich modulierten Bilder entworfen werden, abgetastet und man erhält als Teil eines komplexen elektrischen Ausgangssignals zwei elektrisch modulierte Signale, von denen jedes wegen der unterschiedlichen räumlichen Frequenz eine andere Trägerfrequenz besitzt. Das dritte unabhängige Bild ist nicht räumlich moduliert und bildet einen Teil eines Basisbandsignals.

ίο Das Keil-System ist aber insofern noch nicht zufriedenstellend, weil es ein breites Frequenzband für die drei Frequenz-Multiplexteile des Ausgangssignals benötigt Es eignet sich daher nicht auch für Videotelephonie.
Bei einem verbesserten Kell-Einröhren-Farbkamerasystem werden streifenförmige Farbfilter verwendet, um zwei Primärfarbbilder (z. B. Rot und Blau) auf die Träger bei derselben Frequenz räumlich zu modulieren. Jedes Bild wird von einem Filter einer anderen Farbe moduliert, wobei beide dieselbe räumliche Frequenz haben, jedoch relativ zur Abtastrichtung in einander entgegengesetzten Richtungen um dieselben Winkel schräg gestellt sind. Die Parameter sind dabei so gewählt, daß zeitlich verschachtelte Energieverteilungen für ctie beiden Signale bei einer gemeinsamen Trägerfrequenz erzeugt werden, so daß sie nachfolgend durch Kammfilter getrennt werden können. Da die beiden Signale im selben Frequenzband auftreten, kann viel Bandbreite eingespart werden.

Es ergeben sich bei der Kell-Einröhren-Farbkamera jedoch Probleme, wenn die das Objekt bildende Szene horizontal räumliche Frequenzen hat, welche der horizontalen räumlichen Frequenz der Farbgitter entspricht. Diese Frequenzen können sich entweder aus verschiedenen Streifenmustern in der Objektszene (z. B.

gestreifte Hemden) oder aus Rändern ergeben, da die Four-ier-Zerlegung eines Randes oder einer Kante Frequenzen in dem geeigneten Frequenzbereich hat. Die beobachteten Effekte sind zweifacher Art. Da das Decodierschema diese höheren räumlichen Frequenzen fälschlich als Farbinformation interpretiert, werden falsche Farben in diesen Abschnitten der Objektszene zu beobachten sein. Mindestens ebenso störend sind die starken Moire-Muster, welche sich als Störmuster bewegen, wenn sich das Objekt in der Szene bewegt. Es

Vi wird angenommen, daß die Ursache für die Moire-Muster in der Wechselwirkung der Kell'schen Farbgitter mit dem von den im geeigneten Frequenzbereich liegenden räumlichen Frequenzen des Szenenbildes hervorgerufenen Gitter liegt. Diese Probleme sind so schwerwiegender Art, daß der praktische Nutzen der Codierung mit Einröhren- bzw. Einstrahl-Farbkameras fraglich erscheint.

Die Erfindung geht von der Erkenntnis aus, daß die Lösungen für die Probleme der Farb-Fehlinformation und der Erzeugung von Moire-Mustern die gleichen sind. Einfach ausgedrückt, bestehen die Lösungen darin, diejenigen Frequenzen auszufiltern, welche zu den oben angeführten Problemen führen. Da die Wechselwirkungen, welche diese Probleme hervorrufen, optischer

bo Natur sind, entstehen sie offensichtlich, bevor das Szenenbild in ein elektrisches Signal umgesetzt wird. Sobald diese Umsetzung erfolgt ist, kann das ursprüngliche Szenenbild nicht wieder hergestellt werden. Daher muß die Ausfilterung auf optische Weise durchgeführt werden, bevor das Bild die Targetoberfläche der Kameraröhre erreicht. Außerdem darf sich das Filtern nicht nur auf eine Eliminierung der die Schwierigkeiten hervorrufenden Frequenzen beschränken, sondern es

muß auch eine gute Auflösung und eine minimale Dämpfung des einfallenden Lichtes erreicht werden.

Ein älterer Vorschlag (DE-PS 21 37 466) auf dem hier in Rede stehenden Gebiet betrifft ein optisches System für eine Farbfernsehkamera mit Farbtrennung, bestehend aus einem durch eine transparente Platte mit in gleichmäßigem Abstand parallel verlaufenden Erhöhungen oder Vertiefungen gebildeten Tiefpaßfilter, einem Aufnahmeobjektiv und einem Farbfilter und ist dadurch gekennzeichnet, daß das Tiefpaßfilter mindestens 7\vei sich schne^:dende Phasengitter mit vorzugsweise im Schnitt rechteckiger Wellenform aufweist.

Dem älteren Vorschlag lag dabei der Zweck zugrunde, ein optisches Tiefpaßfilter zu schaffen, das leicht herstellbar ist, dessen Einbau in das optische System ohne Schwierigkeiten geschehen kann und das den an ein optisches Tiefpaßfilter zu stellenden Anforderungen, nämlich weder Interferenzen des Objektbildes, das in der Ebene des Farbfilters fokussiert ist, noch die Objektbilder, die außerhalb der Ebene des Farbfilters fokussiert sind, mit dem Farbfilter zu erzeugen, in zufriedenstellender Weise genügt. Durch das Einsetzen des Tiefpaßfilters in das optische System mit dem Aufnahmeobjektiv und dem Farbfilter zur Farbtrennung soll der durch die Interferenz auf der Bildfläche hervorgerufene Farbstreifen beseitigt werden.

Demgegenüber wird erfindungsgemäß eine Lösung der Aufgabe, insbesondere auch sich bewegende Moire-Muster und Farbfehlinformationen auszufiltern, auf anderem und wirksamerem Wege angegeben. Die erfindungsgemäße Lösung ist im Patentanspruch 1 gekennzeichnet. Erfindungsgemäß wird also nicht mit einem Tiefpaßfilter, sondern mit einem Bandsperrfilter gearbeitet, das durch ein einziges, geeignet dimensioniertes Phasengitter realisiert ist. Daher werden diejenigen räumlichen Frequenzen in der Objektszene, welche elektrische Signale in diesem Band erzeugen, wirksam ausgefiltert, und die Probleme der Farbfehlinformation und der Moire-Muster sind dadurch eliminiert.

Im folgenden ist die Erfindung anhand in der Zeichnung dargestellter Ausführungsbeispiele näher erläutert. In der Zeichnung zeigt

F i g. 1 eine Schrägansicht eines Kell-Einröhren-Farbkamerasystems mit einem erfindungsgemäß aufgebauten optischen Filter;

Fig.2A eine vergrößerte Schnittansicht des optischen Filters längs der Linie 2A-2A der F i g. 1;

Fig.2B ein Diagramm der Gitterphase des in F i g. 2A dargestellten optischen Filters; und

F i g. 3, 4 und 5 verschiedene Kurven zur Erläuterung der Wirkungsweise.

In der Anordnung gemäß F i g. 1 durchläuft Licht von einem Objekt ein noch zu beschreibendes optisches Filter 11 und durchquert eine Objektlinse 12, welche das Objekt auf einen Lichtmodulator 13 abbildet. Die bei 13 modulierten Bilder werden dann durch eine Relais-Linse 14 auf eine Bildabtastvorrichtung 15 abgebildet. Letztere arbeitet z. B. mit Einzelapertur-Abtastung und eo erzeugt elektrische Signale die sich lichtintensitätsabhängig längs der abgetasteten Bahn ändern. Die Bild-Abtastvorrichtung 15 kann beispeilsweise eine Orthikon-Aufnahmeröhre mit fotoelektrischer Oberfläche sein, auf die die Objektbilder durch die Relais-Linse 14 abgebildet werden.

Der Lichtmodulator 13 enthält gitter- oder streifenförmiee Filter 13a und 13b ähnlich den in der oben genannten Keil-Patentschrift beschriebenen, die im Strahlengang des Lichts zwischen dem Objekt oder der Szene und dem Kamera-Target angeordnet sind und vorgegebene Hochfrequenzenergieverteilungen erzeugen, während der Strahl die gefilterten Bilder abtastet. Die Gittermuster 13a und 136 weisen parallele äquidistante Streifen aus einem Material auf, das für eine bestimmte Farbe praktisch undurchlässig ist. Die Zwischenräume zwischen diesen Streifen sind für alle Farben im wesentlichen durchlässig. Aufeinanderfolgende Zwischenräume und Streifen eines jeden Gitters bilden Streifenpaare, welche abwechselnd Licht aller Farben durchlassen oder eine Primärfarbe sperren. Beide Gitter haben gleiche Streifen-Dichten (Gittemeriode). Das eine Gitterfilter 13a kann z. B. ein alternierendes Muster totaldurchlässiger Streifen und rotundurchlässiger Streifen bilden, und das andere Gitterfilter 13öein alternierendes Muster totaldurchlässiger Streifen und blauundurchlässiger Streifen bilden. Die Gitter 13a und 13£> sind herkömmliche Farbgitterfilter des dichroitischen- oder Absorptionstyps, die das vom Objekt zum Target laufende Licht selektiv durchlassen und sperren, um eine räumliche Modulation der Rot- und Blaubilder zu erzeugen, die jeweils als gestreifte Muster auf dem Kameraröhrentarget sichtbar sind. Die übrigen, nicht von den Streifen der Gitter 13a und 136 gesperrten Primärfarben erreichen das Target unbeeinträchtigt. Dieses das Grün-Primärbild enthaltende Licht ergibt in Kombination mit Anteilen der anderen Farbbilder, welche von den Gittern 13a und \3b übertragen wurden, den Basisbandanteil 31 des Ausgangsspektrums gemäß Fig. 5. Das Spektrum weist auch ein moduliertes Band 32 auf, welches für jedes Gitter einen Träger 33 und obere und untere Seitenbänder an bestimmten definierten Frequenzen enthält. Die beiden modulierten Signale haben die gleiche Trägerfrequenz, da die Gitter 13a und \3b identische Streifen-Dichten besitzen. Die Streifen der Gitter 13a und 13i> sind gegenüber der Vertikalen um einen Winkel von —β bzw. von +Θ verdreht. Dadurch ergeben sich die beiden modulierten Bilder in gleicher Periodizität des übertragenen und gesperrten Lichts längs einer Abtastzeile. Die gegenseitige Verdrehung der beiden Gitter 13a und 13Z) bewirkt, daß die Rot- und Blau-Signale je gleichen, jedoch entgegengesetzten Phasenverschiebungen von einer Zeile zur nächsten unterliegen. Aufgrund dieser Phasenverschiebung ergibt sich eine Verschachtelung, die schließlich die Trennung der beiden Signale ermöglicht.

Ersichtlich können auch andere Lichtmodulator-Ausführungen in Verbindung mit anderen Einröhren-Farbkameras betroffen sein. So kann beispielsweise das vorliegende optische räumliche Filter auch bei dem Einröhren-Farbkamerasystem nach der oben angegebenen Keil-Patentschrift verwendet werden.

Während der Lichtmodulator 13 bei der Ausführungsform gemäß F i g. 1 als separates Einzelelement der Farbkameraanordnung gezeigt ist, können die zwei Gruppen der den Modulator bildenden Farb-Absorptionsstreifen auch auf der Oberfläche der Kameraröhre angebracht werden.

Vorliegend weist nun das optische Filter 11 ein asymmetrisches, Rechteckwellen-Phasengitter auf. Da die Raster-Abtastlinien in der Regel horizontal verlaufen, brauchen nur die Horizontalkomponenten der räumlichen Frequenzen gefiltert zu werden. Daher ist das Filter 11 in Vertikalrichtung gleichmäßig ausgeführt. Horizontal weist das Filter abwechselnde Streifen einer

relativen Phasendifferenz Φ enisprechend der Darstellung in den F i g. 2A und 2B auf. Der Amplituden-Transmissionsgrad des Filters ist:

T(x,y) =

(H

wobei <P(x)a\e Phase des Rechteckwellen-Phasengitters gemäß Darstellung in F i g. 2B ist.

Die interessierenden Parameter des Phasengitters sind die Gitterperiode (A), das Gitter-Tastverhältnis (-~\ und die Phasenverzögerung (Φ_ο) zwischen abwechselnden Streifen. Das Filter U ist durch die Linse 12 auf eine endliche öffnung beschränkt, jedoch kann dieser Umstand zur Vereinfachung der mathematischen Darstellung außer Betracht bleiben. Die optische Übertragungsfunktion H(I) dieses Filters ist periodisch, da TJx, y) periodisch ist. Eine Periode von H(f) ist in F i g. 3 dargestellt und wie folgt definiert:

H(f) =

1 -^f- (l-cos0_o) 0 </·</,
Jo

JL

2cos</>„ - 1 Η j— (l-(

Jo

(2)

wobei /die räumliche Eingangsfrequenz und /b die einer vollen Periode von H(O entsprechende räumliche Frequenz ist. Die Frequenz f₀ ist durch die Parameter des optischen Systems wie folgt bestimmt:

/o —

λ F

(3)

30

wobei A die Gitterperiode des optischen Filters, λ die Wellenlänge des einfallenden Lichts und F die Brennweite der Linse 12 ist. Die räumliche Frequenz /i ist wie folgt auf/Όbezogen:

/ι =./o-y.

(4)

F i g. 3 zeigt H(f) für allgemeine Werte von Φο und al A. Da Φο zwischen O und 2 π geändert werden kann, kann die Größe α(λ) des konstanten Bereichs gesteuert bzw. kontrolliert werden. Die Breite des konstanten Bereichs kann von O bis 0,5 k durch Änderung des Parameters al A von 0,5 bis 0,25 variiert werden. Wenn zum Beispiel Φ₀=;τ (d.h. «κΦο= — 1) und a/A — 0,25 sind, kann ein Null-Bereich von 0,25 /J, bis 0,75 Z₀ längs der Abszisse erhalten werden. Dieser stellt den breitesten Bereich dar, der exakt auf null gehalten werden kann. Durch geeignete Wahl der Werte von Φο so und a/A können auch andere und von dem genannten Bereich abweichende Null-Bereiche geringerer Breite erzielt werden.

Die optische Übertragungsfunktion, die in Gleichung (2) definiert und in F i g. 3 dargestellt ist, ist wellenlängen-abhängig. Die Wellenlängen-Abhängigkeit der Gleichung (2) tritt wegen der Wellenlängen-Abhängigkeit von

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auf, wobei Φ die bei λ gemessene relative Phase ist, während Φο bei λο gemessen wird. Außerdem ist wie sich beispielsweise aus der Gleichung (3) ergibt, /o wellenlängen-abhängig. Diese Wellenlängen-Abhängigkeit beeinflußt nicht die Form der Gleichung (2) oder den allgemeinen Verlauf der Kurve H(O sondern ändert die Frequenzgrenzen der verschiedenen Bereiche der Kurve H(Q.

Es läßt sich aus der Gleichung (2) zeigen, daß es möglich ist, zwei Wellenlängen zu wählen, bei denen H(Q null ist. Die sich ergebende Größe ο(λ) des konstanten Bereichs der H(f) Kurve ist in F i g. 4 gezeigt, und zwar für ein auf null gehaltenes H(f) bei den Wellenlängen 450 und 600 nm. Die Kurve gemäß F i g. 4 gilt für ein asymmetrisches Rechteckwellen-Phasengitter, bei dem — =0,26 und Φο=1,15;γ. Ein optisches

Filter mit den angegebenen Parametern ergibt eine optische Übertragungsfunktion, die bei 450 nm (Blau) und bei 600 nm (Rot) exakt null ist Obwohl H(I) bei anderen Wellenlängen noch von null abweicht, übersteigt die Größe σ(λ) den Wert 0,10 nur am äußersten kurzwelligen Ende des sichtbaren Spektrums. Für Wellenlängen zwischen 450 und 600 nm (zum Beispiel Grün) wird eine kleine (<0,l) negative Übertragungsfunktion realisiert.

F i g. 5 zeigt gestrichelt die Frequenzbänder des zusammengesetzten Videosignals. Das dargestellte Frequenzspektrum wird bei standardisierten Fernsehtelephonie-Abtastgeschwindigkeiten erreicht Die ausgezogenen Linien bei der Darstellung in F i g. 5 zeigen die zusammengesetzte optische Übertragungsfunktion für ein optisches Filter mit asymmetrischem Rechteckwellen-Phasengitter mit aM=0,26 und Φο= 1,15 π bei einer Dichte in der Größenordnung von zehn Streifenpaaren pro Zentimeter (das heißt A=I mm). Die Objekllinse 12 sollte daher eine Brennweite von etwa 5 cm haben. Sowohl für das Rot- als auch das Blau-Bild hat das Filter eine optische Übertragungsfunktion mit einem konstanten Null-Bereich, der sich von wenigstens der unteren Grenze des modulierten Bandes 32 bis wenigstens zur oberen Grenze dieses Durchlaßbandes erstreckt Demgemäß werden diejenigen räumlichen Frequenzen in der Objektszene, welche elektrische Signale in dem genannten Durchlaßband hervorrufen könnten, wirksam ausgefiltert wodurch die mit der Farb-Fehlinformation und den Moire-Mustern verbundenen Probleme eliminiert werden. Für Zwischenwellenlängen (λ), zum Beispiel für Grün-Licht wird eine kleine (< 0,1) negative Übertragungsfunktion im Bereich dieses Durchlaßbandes realisiert wobei der geringe Wert der negativen

Übertragungsfunktion für die vorliegenden Zwecke keine ungünstigen Folgen hat.

Die zusätzliche Abszisse in Fig.5 stellt die entsprechenden räumlichen Frequenzen in Streifenpaaren pro 2,54 cm bei der Bildebene der Keil-Gitter dar.

Da die Wellenform der Phasenverteilung nichts anderes als eine modifizierte Rechteckwelle ist und da die interessierenden Parameter leicht zu steuern sind, kann das optische Filter 11 ohne Schwierigkeit aufgebaut werden. So kann ein Filter mit den gewünschten Eigenschaften beispielsweise einfach im Kontaktverfahren unter Verwendung dichromatisierter Gelatine als lichtempfindliches Medium in bekannten Entwicklungs- und Belichtungsmethoden hergestellt werden (vgl. z.B. »Hologram Formation in Hardened r, Dichromated Geltin Films« von L H. Lin, Applied Optics, Mai 1969, Band 8, Nr. 5, Seite 963-966). Auf diese Weise wurden eine Anzahl optischer Filter mit ausgezeichneten Ergebnissen hergestellt; denn Farb-Fehlinformationen und Moire-Muster konnten unter Beibehaltung einer guten Auflösung vollständig eliminiert werden. Das Filter kann aber auch einfach durch räumlich kontrolliertes Niederschlagen einer Einzelschicht aus solchen Materialien hergestellt werden, wie diese in optischen Dünnschichtfiltern Verwendung finden (vgl. Thin-Film Optical Filters von H. Ai MacLeod, American Elsevier Publishing Co., Inc. [1969], Appendix I).

Das optische Filter ist in den Fig. 1 und 2A als gesondertes Element 11 dargestellt, und ist dort durch eine Schicht aus entwickelter dichromatisierter Gelatine 21 gebildet, die auf einer in der Nähe der Linse 12 angeordneten Glasunterlage 22 niedergeschlagen ist. Die dichromatisierte Gelatine kann jedoch auch direkt auf einer Oberfläche der Linse niedergeschlagen werden.

Das Primärfarbsystem Rot-Grün-Blau wird zwar am häufigsten verwendet, es sind aber auch andere Farbsysteme bereits vorgeschlagen worden, zum Beispiel Dunkelblau, Gelb und Purpurrot. Die Erfindung ist daher nicht auf ein bestimmtes Primärfarbsystem beschränkt.

Hierzu 3 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

i. Einröhren-Farbfernsehkameraanordnung mit

— einer Bildabiastvorrichtung(15),

— einem Lichtmodulator (13), der im Eingangslichtstrahlengang der Bildabtastvorrichtung angeordnet ist und wenigstens zwei von drei ausgewählten Primärfarbenbilder räumlich moduliert, und

— einem optischen Phasengitter (il) zwischen Aufnahmeszene und Lichtmodulator,

dadurch gekennzeichnet, daß

— das Phasengitter eine zusammengesetzte optische Übertragungsfunktion mit einem Bereich hoher Dämpfung aufweist, der sich wenigstens über das Frequenzdurchlaßband erstreckt, das durch die Modulation der Szene im Lichtmodulator (13) erzeugt wird, und

— als ein etwa senkrecht zur Abtastrichtung orientiertes Streifengitter gleichförmigen Durchlaßvermögens vorliegt.
2. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß

— die drei Primärfarben Rot, Grün und Blau sind und

— das Phasengitter sowohl für Rot- als auch Blaulicht eine optische Übertragungsfunktion mit einem konstanten Bereich hoher Dämpfung besitzt, der sich über das Frequenzdurchlaßband erstreckt.
3. Anordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Phasengitter als asymmetrisches Phasengitter mit Rechteckstreifenprofil vorliegt und ein Gittertastverhältnis von 0,26 und eine relative Phasenretardierung von 1,15 π zwischen alternierenden Streifen aufweist.
4. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Phasengitter durch eine entwickelte Dichromatgelatineschicht gebildet ist, die auf einer objektivseitigen Linse (12) des Aufnahmestrahlenganges niedergeschlagen ist.