DE2238700B2 - Optisches Filter - Google Patents

Description

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50

ist, wobei ζ mindestens gleich 3 ist

10. Optisches Filter nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß von den Oberflächen der Beugungsgitter mit unterschied^- eher Teilung in einem Segment mindestens einige voneinander abweichend sind.

1 i. Optisches Filter nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Beugungsgitter als Phasengitter ausgebildet sind, wobei eo zur Erhaltung eines bestimmten Verhältnisses zwischen dem durchgelassenen Licht Komponenten zusammenstellender Ordnung die Tiefe eines Phasengitters zur Erhaltung von im wesentlichen Komponenten nullter und erster Ordnung festgelegt ist

Die Erfindung bezieht sich auf ein optisches Filter zum Gebrauch bei einem optisch-elektronischen Wandler, insbesondere für eine Farbfernsehkamera mit einer Bildaufnahmeröhre, wobei das mit Segmenten ausgebildete Filter eine Auflösungsverringerung in einer auf den Wandler zu projezierenden Abbildung einer aufzunehmenden Szene verursacht

Ein derartiges optisches Filter ist in der eigenen älteren Patentanmeldung DE-OS 21 14 724 beschrieben worden. Der optisch-elektronische Wandler ist dabei als Farbfernsehkamera mit nur einer Aufnahmeröhre ausgebildet, die auf rasterfrequentielle Art und Weise Bildsignale erzeugt Die Bildsignale werden einem mit einem Speicher versehenen Rastersequentiell-Simultanwandler zugeführt

Damit die Möglichkeit geschaffen wird, in dem Wandler einen preiswerten Speicher mit einem beschränkten Frequenzbereich zu verwenden, während bei Wiedergabe einer aufgenommenen Szene eine detailreiche Abbildung mit verschiedenen helleren (gesättigten) Farben geboten wird, sind in der genannten Offenlegungsschrift zwei Maßnahmen beschrieben worden. Eine erste Maßnahme ist eine auf optische Weise durchgeführte Beeinflussung des von der Szene herrührenden Lichtes und dadurch der auf die Aufnahmeröhre projizierten Abbildung der Szene. Die zweite Maßnahme JsJ eine elektronische Bearbeitung der durch die Aufnahmeröhre erzeugten Bildsignale bevor diese den Wandlern zugeführt werden.

Zum Durchführen einer optischen Bearbeitung ist das als drehbares Farbfilter ausgebildete optische Filter mit Segmenten ausgebildet, die in Segmentteile aufgeteilt sind. Es sind Segmente beschrieben worden, die mit einem das Licht der Szene ohne Auflösungsänderung und ohne Farbfilterwirkung durchlassenden Segmentteil und mit einem Teil mit einer Auflösungsverringerung ausgebildet sind, welcher letztere Teil gegebenenfalls ein Farbfilter enthält Ein Segment wird während einer Rasterperiode an der Aufnahmeröhre vorbeigedreht Die Aufnahmeröhre, welche dicr Szene dadurch aufnimmt, daß sie über die Rasterperiode das von der Szene herrührende Licht integriert, gibt auf diese Weise in einer Rasterperiode ein zusammengestelltes Bildsignal ab, das durch die optische Bearbeitung mit der eingeführten Unscharfe aus zwei Signalanteilen, und zwar aus einem durch die Auflösungsverringerung in der Frequenz beschränkten Signal und einem unbeeinflußten und dadurch nicht in der Frequenz beschränkten Signal aufgebaut ist

Das mit Hilfe der optischen Bearbeitung erhaltene zusammengestellte Bildsignal wird weiter elektronisch bearbeitet; es wird einem Aperturkorrektursignalerzeuger zugeführt, der im wesentlichen auf bekannte Weise ein Horizontalaperturkorrektursignal aus dem genannten, nicht beeinflußten Signalanteil des Bildsignals herleitet Danach wird das Aperturkorrektursignal derart dem zusammengestellten Bildsignal hinzugefügt, daß das zusammengestellte Bildsignal in der Frequenz beschränkt wird. Das in der Frequenz beschränkte zusammengestellte Bildsignal wird dem Speicher im Wandler zugeführt, der in der Frequenz beschränkte simulante Bildsignale abgibt Den in der Frequenz beschränkten simultanen Bildsignalen wird das Aperturkorrektursignal, das rastersequentiell ist und bleibt, zum Erhalten der horizontalen Aperturkorrektur überlagert

Durch die optische und elektronische Frequenzbeschränkung kann ein einfacher, preiswerter Speicher im Rasterfrequentiell-Simultanwandler verwendet werden,

während bei Wiedergabe eine Abbildung der Szene mit guten Details und verschiedenen gesättigten Farbtönen erhalten werden kann.

Die optische Frequenzbeschränkung dient dazu, eine derartige Frequenztrennung in dem durch die Aufnahmeröhre erzeugten Bildsignal zu bewerkstelligen, daß der Aperturkorrektursignalerzeuger, der zu der elektronischen Frequenzbeschränkung führt, im wesentlichen nur im höherfrequenten Bildsignaianteil des zusammengestellten Bildsignals wirksam ist In beiden Fällen ι ο entspricht die Frequenzbeschränkung einer bestimmten Durchlaßkurve eines elektrischen Filters. Durch die äußerst verschiedenen Grundlagen (optisch und elektronisch), auf denen die Frequenzbeschränkungen ruhen, können auch die genannten Filterkennlinien sehr ι s verschieden sein. Elektronisch ist beispielsweise eine kontinuierlich verlaufende Filterkennlinie erwünscht, die optisch mit Hilfe eines optischen Filters aus Mattglas erhalten werden kann, welche Kennlinien jedoch verschiedenartig verlaufen können. Ein gewünschter bestimmter Verlauf ist elektronisch auf einfache Weise verwirklichbar, aber dies ist bestimmt nicht der FaIi bei einem optischen Filter, insbesondere auch nicht in der Mattglasausbildung. Dabei gibt das optische Filter aus Mattglas eine Lichtzerstreuung in allen Richtungen, während die bei der beschriebenen Kamera nur für die Zeilenabtast- bzw. horizontale Richtung wichtig ist, und zwar wegen der genannten hoben Frequenzen. Sollte als optisches Filter ein Ablenkgitter verwendet werden, so kann zwar nur eine Unscharfe bzw. Auflösungsverringerung in nur einer Richtung erhalten werden, aber dann ist die gleichwertige Filterkennlinie nicht kontinuierlich und weicht völlig von der gewünschten, kontinuierlich verlaufenden elektrischen Filterkenlinie ab.

Aus der DE-AS10 90 710 ist ferner ein Verfahren zur Erzeugung von Farbbildern durch elektrische Signale, insbesondere Farbfernsehsignal, bekannt Dabei wird ein dynamisches Gitter nach Art eines Phasengitters verwendet, welches drei übereinandergelagerte Gitter besitzt Dieses dynamische Gitter arbeitet unter dem Einfluß eines Farbsignals und steuert die Intensität und die Farbe des durch ein mit Stegen und Schlitzen versehenes Ausgangs-BIendensystem fallenden Lichtes in Abhängigkeit von der dynamischen Zustandsbedingung der Wellenlängen- und Intensitätsparameter jedes der drei Phasengitter. Die Phasengitter können daher einzeln oder gemeinsam dynamisch in Abhängigkeit von drei Spektralfarbenkompouenten gesteuert werden, so daß weißes oder beliebig farbiges Licht erzeugt werden so kann. Diese dynamische Färb- und Intensitätssteuerung tritt für alle aufeinanderfolgenden Bildelemente des wiedergegebenen Bildes ein. Kontinuierlich verlaufende Filterkennlinien lassen sich mit einem derartigen Gitter jedoch nicht erzeugen.

Weiterhin ist aus der DE-AS 1042 639 eine Farbfernsehkamera mit einer Bildaufnahmeröhre bekannt, vor deren Fotokathode ein sortierendes, aus Segmenten gebildetes Farbfilter angeordnet ist Die Segmente sind hierbei in radialer Richtung zusätzlich unterteilt und dienen sowohl zur Verminderung von Farbranderscheinungen als auch zur Erzeugung von Trägerfrequenzen for die erzeugten Farbsignalkomponenten.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein optisches Filter zu verwirklichen, dem auf einfache und genaue Art und Weise jede gewünschte Filterkennlinie zugeordnet werden kann, und das optische Filter weist dazu das Kennzeichen auf, daß einzelne Segmente des optischen Filters als Beugungsgitterfilter ausgebildet sind, wobei ein die Auflösungsverringei-ung verursachendes Segment mehrere Beugungsgitter unterschiedlicher Teilung aufweist

Der Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, daß ein Beugungsgitterfilter mit der inhärenten, nicht kontinuierlichen Filterkennlinie verwendet werden kann, und zwar dadurch, daß mehrere Gitter mit unterschiedlicher Teilung und dadurch mit je einer Filterkennlinie, in der die Diskontinuitäten anders liegen, durch die im Wandler stattfindende Zusammenfügung in der Zeit gemeinsam eine mehr oder weniger kontinuierlich verlaufende Filterkennlinie ergeben.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in den Zeichnungen dargestellt und wird im folgenden näher beschrieben. Es zeigt

F i g. 1 einen als Farbfernsehkamera ausgebildeten optisch-elektronischen Wandler, der dazu geeignet ist, mit einem erfindungsgemäßen optischen Filter ausgebildet zu werden,

F i g. 2 Signaiamputuden-Frequeiizk^nnünien, die durch elektrische und optische Filter verursacht worden sind,

F i g. 3 eine Einzelheit eines Teils eines erfindungsgemäßen optischen Filters,

Fig.4 einen teilweisen Schnitt zur Erläuterung des Zusammenhanges zwischen F i g. 1 und F i g. 3,

F i g. 5 einige Zeit- und Ortsdiagramme zur Erläuterung der Erfindung.

In F i g. 1 ist auf schematische Weise ein als Farbfernsehkamera ausgebildeter optisch-elektronischer Wandler dargestellt, wobei ein durch 1 bezeichnetes optisches Filter nach der Erfindung verwendet werden kann. Die Farbfernsehkamera nach F i g. 1 ist in der DE-OS 2114 724 sehr ausführlich beschrieben worden.

Die Kamera nach F i g. 1 ist mit einer Aufnahmeröhre 2 ausgebildet, in der 3 eine sogenannte Auftrsffpl^tte ist In der Aufnahmeröhre 2, die beispielsweise vom Vidikonryp ist, wird mit Hilfe nicht dargestellter Mittel ein Elektronenstrahl erzeugt und abgelenkt, der die Auftreffplatte 3 zeilen- und rasterweise abtastet Auf die Auftreffplatte 3 wird das durch L bezeichnete, von einer Szene 4 herrührende licht Ober ein Objektiv S und das mittels eines Motors 6 drehende optische Filter 1 projiziert Die Aufnahmeröhre 2 erzeugt unter dem Einfluß des drehenden Filters 1 ein rastersequentielles Bildsignal an einer Klemme A, d. h, daß während einer Rasterperiode ein Bildsignal in irgendeinem durch das Filter 1 bestimmten Farbton erzeugt wird, während die ganze Farbinformation der Szene 4 in einem Zyklus von beispielsweise drei Rastprn gegeben wird. Um das durch die At f tiahmeröhre 2 rastersequentiell erzeugte Bildsignal an einem Normempfänger, der mit simultan auftretenden Sigiuden wirksam ist, wiedergeben zu können, muß das Bildsignal umgewandelt werden. Dazu ist die Klemme A über einen Kreis 7 mit einem Hochpaßfilter 8 und einer Subtrahierstufe 9 an eine Klemme D gelegt, die mit einem Rastersequentiell-Simultanwandler 10 verbunden ist Der Kreis 7 hat die Aufgabe, eine Frequenzbeschränkung in das Bildsignal, das an der Klemme A vorhanden ist, einzuführen. Dazu wird durch das elektrische Filter 8 ein hochfrequenter Signalanteil C aus dem Bildsignal an der Klemme A entnommen und fiber die Subtrahierstufe 9 vom Bildsignal subtrahiert Die Klemme D führt ein in der Frequenz beschränktes Bildsignal, das für den Wandler

10 verfügbar ist

Der Wandler 10 enthalt zwei Speicher 11 und 12 und einen mit der Rasterfrequenz Einschalteten linearen Matrixkreis 13. Die Klemme D liegt unmittelbar über den Speicher 11 und Ober die in Reihe angeordneten Speicher 11 und 12 an drei Eingingen des Matrixkreises 13. Die Speicher 11 und 12 verzögern das an der Klemme D auftretende Bildsignal um eine Rasterperiode Tv und können einfach und preiswert ausgebildet sein, und zwar dadurch, daß das angebotene Bildsignal einen beschränkten Frequenzbereich hat. Der Matrixkreis 13 bekommt mittels der Speicher 11 und 12 drei simultan auftretende Signale zugeführt, die zu den Farbtönen gehören, die rastersequentiell in einem Zyklus von drei Rastern durch das optische Filter 1 durchgelassen werden. Jeder der Eingänge des Matrixkreises 13 bekommt im Zyklus von drei Rastern ein anderes während einer Rasterperiode auftretendes Bildsignal zugeführt Um zu verwirklichen, daß an drei Ausgangsklemmen 14, 15 und 16 des Matrixkreises 13 immer ein gleiches, nur einem bestimmten Farbton entsprechendes Bildsignal auftritt, muß der Kreis 13 drei mit der Rasterfrequenz schaltende Schalter enthalten. Ist es erwünscht daß die Klemmen 14, 15 und 16 Bildsignale führen, die den Grundfarben Rot (R), Grün (G) und Blau (B) entsprechen, während das optische Filter 1 diese Farbtöne nicht allein, sondern in Kombinationen während der Rasterperiode durchläßt, so muß der Matrixkreis 13 ein Netzwerk aus Überlagerungsstufen enthalten, um aus der Signalkombination durch Subtrahieren und Addieren die Grundfarbsignale herleiten zu können.

Die Ausgänge 14, 15 und 16 sind an einem Eingang von Addierstufen 17, 18 bzw. 19 angeschlossen, wobei von jedem jeweils ein anderer Eingang an den das Signal C führenden Ausgang des Hochpaßfilters 8 im Kreis 7 gelegt ist Das Resultat ist daß die Addierstufen 17, 18 und 19 an den Ausgangsklemmen 20, 21 bzw. 22 Signale abgeben, die aus einem durch den Wandler 10 gelieferten in der Frequenz beschränkten simultan auftretenden Signalanteil und aus einem durch den Kreis 7 gelieferten hochfrequenten rastersequentiellen ■jignalanteil zusammengestellt sind. Bei Wiedergabe mit Hilfe eines No> mempfängers der an den Ausgangsklemmen 20,21 und 22 auftretenden Signale ist das Resultat daß eine ausreichend scharfe und naturgetreue Abbildung der Szene 4 erhalten wird; dies, während der Wandler 10 nur dazu geeignet ist Signale zu liefern, die bei Wiedergabe eine unscharfe und wenig Einzelheiten enthaltende Abbildung ergeben. In der genannten Offenlegungsschrift ist dies eingehend beschrieben worden.

Ein Unterschied mit der genannten Offenlegungsschrift ist daß ein dort dargestellter Horizontalaperturkorrektursignalerzeuger, der das Signal C liefert durch das Hochpaßfilter 8 ersetzt worden ist; im Text ist jedoch auch bereits die in der vorliegenden Anmeldung der Einfachheit halber gewählte Filterlösung erwähnt In beiden Fällen gilt daß zwischen den Klemmen A und Deine Signalbearbeitung stattfindet, die einer bestimmten elektrischen Filterkennlinie entspricht

Aus der genannten Offenlegungsschrift geht hervor, daß, wenn in der Szene 4 mehrere oder weniger gesättigte Farbtöne auftreten, das optische Filter 1 aus Segmenten aufgebaut werden muß, die einerseits ohne und andererseits mit einer Aüiiösnngsvernngerung das Licht C durchlassen. Unter Verwendung einer R-, G-, B-Angabe für Farbsignale und Filtersegmente und einer Angabe mit Y - R + G + B für ein Leuchtdichtesignal, während eine optische Auflösungsverringerung durch einen Strich angegeben wird, ist ein Filter 1 mit vier Gruppen von drei einen Zyklus bildenden

-, Segmenten gebildet und zwar Y; Y, R und Y₁G. In Fig.3 ist dies beim optischen Filter 1 angegeben. Während jeder Rasterperiode 7V dreht eines der genannten Segmente an der Aufnahmeröhre 2 mit der Auf treffplatte 3 vorbei. Die Klemme A in F i g. 1 führt

in dadurch in einem Zyklus von drei Rasterperioden die Signale YY+ Tf und Y+ G~.

In der genannten Offenlegungsschrift sind einige Signalamplitudenfrequenzkennlinien gegeben, die zur Erläuterung der Bedeutung der vorliegenden Patentan- -, meldung in F i g. 2 wiederholt sind.

Es stellt sich heraus, daß aus den auf optische_Art und Weise in der Frequenz beschränkten Signalen R und G das Hochpaßfilter 8 nahezu kein Signal bezieht, und auf diese Weise wird nur ein hochfrequentes Signal C — Cy

:o geliefert. Mit einer Akzentnotierung ist das Resultat der elektrisch durchgeführten Frequenzbeschränkung als Y' = Y - Ogegeben. Die Klemme Dführt dadurch inn Zyklus vonjirei Rasterperioden die Signale Y', Y' + R und Y'+ G. Der Matrixkreis 13, der diese Signale

y, simultan angeboten bekommt bewerkstelligt die nachfolgenden Überlagerungen:

(V +R) -V =
(V+ G) -V =

Aus (1) und (2) folgt durch die Addition (R + G) und mit Vfolgt:

V- (R+ G) = V- (F-B) = B + V- F.

da gilt:

Y = R + G + B.

Die Ausgangsklemmen 20,21 und 22 führen dann die nachfolgenden Signale:

R~+Cy.G

und B + (Y-T) + C_Y.

_ Aus F i g. 2 geht hervor, daß die Signale R + Cy und; G + Gy keine flach verlaufende Amplituden-Frequenzkennlinie wie das_SignaI Y aufweisen, während das; Signal B+ Y'- Y+ Cy v, oh! eine derartige Kennlinie hat Die Ursache davon ist der Unterschied zwischen den Frequenzkennlinien des durch das Signa' Cy elektronisch gemachten Signals Y" und des_durch die Signale R und G optisch erhaltenen Signals Y. Sollte für die Frequenzkennunien nach F ig. 2 gelten:

γ = R . G - B = Y* (= R' = G' = Β¹), so würden die Signale an den Ausgangsklemmen 20,21 und 22 alle eine flach verlaufende Amplituden-Frequenzkennlinie haben.

Es wird sich herausstellen, daß in F i g. 3 ein optisches

Filter 1 gegeben ist, mit dem erreicht wird,_daß die optischen Filterkennlinien bei den Signalen R und G jeder gewünschten elektrischen Filterkennlinie beim Signal V nahezu gleich gemacht werden können, so daß das obenstehend erwähnte Ziel erreicht wird.

In F i g. 4 ist teilweise das optische Filter 1 in bezug auf die Aufnahmeröhre 2 mit der Auftreffplatte 3 dargestellt Von der Aufnahmeröhre 2 ist durch 23 ein gläsernes Fenster angegeben, auf dem an der Innenseite

eine durchsichtige elektrisch leitende Schicht 24 und darauf eine Halbleiterschicht 25 angebracht ist Die Schicht 24 ist als die sogenannte Signalplatte auf nicht dargestellte Wehre über einen Widerstand mit einer äußeren Spannungsquelle verbunden. Je nach der örtlichen Beleuchtung mit dem Licht L auf der Halbleiterschicht 25 entsteht durch einen dadurch verarschten Photoleckstrom ein Potentialbild auf der Auftreffplatte 3, die durch die Schichten 24 und 25 gebildet wird. Eine Elektronenstrahlabtastung der in Auf treffplatte 3 gibt über den genannten Widerstand bei der Signalplatte (24) ein durch örtliche Neutralisation des Potentialbildes verursachten Spannungsfall. Dadurch, daß der Verbindungspunkt der Signalplatte (24) und des Widerstandes über einen Kondensator mit der ιί Klemme A in F i g. 1 verbunden ist, werden die genannten Bildsignale erhalten.

B 2vor das optische Filter 1 weiter beschrieben wird, wird untersucht, welche Anforderungen an Hip Füterkennlinien gestellt werden. In F i g. 5 sind als Funktion >o der Zeit t und/oder des Ortes / einige Kurven bzw. Diagramme dargestellt Die Diagramme in Fig.5 stellen je nach der Betrachtungsart verschiedene Größen dar, die als Funktion von Ort und Zeit mehr oder weniger den gleichen Verlauf aufweisen. So v, entspricht das Diagramm in Fig.5a einerseits als Funktion des Ortes / einem Potentialbild auf der Auftreffplatte 3, das durch das Licht L verursacht wird. Über eine als ideal betrachtete Elektronenstrahlabtastung der Aufnahmeröhre 2 wird das Potentialbild in ein in elektr-ches Signal umgewandelt, das als Funktion der Zeit t mit derselben Kurve aufgetragen ist. Also andererseits entspricht das Diagramm der Fig.5a einem Signal Y&n der Klemme A.

Aus Fig.2 geht hervor, daß es erwünscht ist, im J5 Aufnahme-Wiedergabe-System das Signal Y bis zu einer Frequenz von 5 MHz zu benutzen. Dazu gehört eine Signalperiode von 200 ns, so daß, ausgehend von einem sich nach einer Blockfunktion ändernden Signal für die Impulse in der einen oder der anderen Richtung gilt, daß diese 100 ns dauern. Ein derartiges impulsförmiges Signal kann durch den endlichen Frequenzbereich im System nicht mit unendlich steilen Flanken auftreten. In Fig.5a ist ein derartiges nur impulsförmiges Signal Y(A) dargestellt, wobei eine Amplitude von a auftritt

und die Zeit von 100 ns auf den Wert ^a bezogen ist; diese Zeit wird allgemein als Halbwertzeit bezeichnet

Zum Erzeugen des beschriebenen Signals Y(A) in F i g. 5a ist die Aufnahmeröhre 2 wirksam. Tritt in der so Szene 4 ein heller Lichtpunkt auf, so wird dieser über das immer vorhandene Objektiv 5 auf der Auftreffplatte 3 abgebildet und durch die Schicht 25 (F i g. 4) in eine örtliche Potentialerhöhung umgewandelt Durch eine nicht ideale Abbildung mittels des Objektivs 5 und durch eine wegleckende Ladung im Potentialbild auf der Schicht 25 entspricht die genannte Potentialerhöhung nicht einem Lichtpunkt, sondern einem breiteren Lichtflecken. Danach wird das Potentialbild durch den Elektronenstrahl in der Aufnahmeröhre 2 abgetastet und durch α a. den endlichen Durchmesser des Strahls wird ein Bildsignal erzeugt, das bei Wiedergabe einen noch größeren Lichtflecken liefert Diese (optische) Verwischung des Lichtpunktes bei Aufnahme zu einem Lichtflecken bei Wiedergabe entspricht in elektrischer Hinsicht der Beschränkung des Frequenzbereiches des Aufnahme-Wiedergabe-Systems. Daraus geht hervor, daß bestimmt werden kann, wie die durch Ty bezeichnete Halbwertzeit von 100 ns des Signals Y(A) einem bestimmten Abstand auf der Auftreffplatte 3 entspricht Bei der Annahme einer Zeilenabtastzeit von 54 με und einer Zeilenlänge von 8,1 mm auf der Auftreffplatte 3 einer miniaturisierten Aufnahmeröhre 2 folgt, daß die Abtastgeschwindigkeit des Elektronenstrahls in der Aufnahmeröhre 2 gleich

⁸:' ^- = 0,15 ^μ™

54 ns ns

ist. Daraus folgt, daß die Signalhalbwertzeit Γι = 100 ns einem Abstand von 15 μπι auf der Auftreffplatte 3 entspricht.

Das mit einem Frequenzbereich bis zu 5 MHz erzeugte Signal Y(A) aus F i g. 5a wird in einem Kreis 7 nach F i g. 1 bearbeitet und das Filter 8 und die Subtrahierstufe 9 ergeben an der Klemme D das Signal Y'- Y- Cy. Ir. F·g.5b ist, ausgehend vcn einer bestimmten Ausführung des Filters 8, das Signal Y'(D) als Funktion der Zeit t aufgetragen.

Das elektrische Filter 8 ist als sogenanntes Gauß-Filter ausgebildet und durch Zusammenarbeit mit der Subtrahierstufe 9 hat der Kreis 7 eine Filterkennlinie, die der bekannten Gaußschen Kurve entspricht. Für eine detaillierte Beschreibung derartiger Filter sei auf das Buch »Handbook of filter synthesis« von A. J. Zverev, 1967, Verlag J. Whiley and Sons, insbesondere auf die Seiten 70, 71 und 384, 385 hingewiesen. Allgemein gilt dabei, daß bei Zufuhr zum Kreis 7 des in F i g. 5a dargestellten Signals mit einer Amplitude a und einer Halbwertzeit 71 eine verlustfreie Filterkennlinie auftritt, die dem gezeichneten Signal gleichförmig ist, aber mit einer Halbwertzeit 7J und einer Amplitude, die

dem Wert ~ proportional ist und daß dadurch am

Ausgang des Kreises 7 als Resultat ein Signal erscheint mit einer Halbwertzeit

7, = \T] + n

und mit einer Amplitude ψ~ a.

Aus den genannten Seiten 384 und 70 läßt sich herleiten,, daß für die Halbwertzeit 7ögilt

OM -,S ^O·⁵⁸⁸

T₀ = 8 (Ln 2)- ——=—

(3)

wobei /3 ,ie die bekannte Frequenz mit 3 dB Dämpfung ist Aus (3) folgt nach Berechnung:

T₀ =

0,359

/JdB

(4)

Ausgehend von einer im Signal Y' erwünschten Frequenz /3 _dB = 450 kHz folgt aus (4):

- °'³⁵-⁹- = 796 ns

/j dB

Mit der Halbwertzeit T, = 100 ns des Eingangssignals Y folgt für die Halbwertzeit Tz des Ausgangssignals Y':

T₂ = Hn + Tl = 800 ns
und die Amplitude des Ausgangssignals Y' entspricht

β - Vea. Dieses Signal ist in F i g. 5b als das Signal

Y'(D) aufgetragen.

Aus einem Vergleich der Signalkurven in den F i g. Sa und 5b geht hervor, daß der Kreis 7 das 5-MHz-Eingangssignal Y mit einer Amplitude a und einer Halbwertzeit von i 00 ns in ein 450-kHz-Ausgangssigniil Y'mit einer Amolitude '/ea und einer Halbwertzeit von 800 ns umwandeil Zur Verwirklichung einer gleichartigen, auf optische Weise anstelle einer auf elektrische Weise ausgeführten Umwandlung muß die nach F i g. 5a auftretende Potentialerhöhung auf der Auftreffplatte 3 mit dem Spitzenwert a und einer Halbwertbreite von 15 μπι über eine optisch eingeführte Unscharfe in eine Potentialerhöhung mit einem Spitzenwert von '/ea und 1 -,

8(H)

einer Halbwertbreite von _ί()0 χ 15 = 120 μπι (Fig. 5b) umgewandelt werden. Es stellt sich heraus, daß die optisch einzuführende Unscharfe einen spezifischen Verlauf haben muß, um eine Anpassung an die gewünschte elektrisch durchgeführte Glättung zu ermöglichen. Nach der Erfindung kann eine genau festgelegte optische Unscharfe mit dem optischen Filter 1 nach F i g. 3 eingeführt werden, wobei zur Erläuterung auf F i g. 4 und 5b verwiesen wird

In Fig.3 ist etwa ein Viertel einer kreisförmigen Scheibe dargestellt, die das optische Filter 1 bildet Die Scheibe des Filters 1 enthält vier Gruppen zu drei gleichen Kreissegmenten, wobei eine_ Gruppe von Kreissegmenten durch Y; Y, R und Y, G angegeben ist jo Jedes Kreissegment ist wieder in zwei ungleiche Kreissegmente aufgeteilt Jedes Segment der Gruppe umfaßt einen Teil, der durch Y angegeben ist welcher Teil das von der Szene 4 (F i g. 4) herrührende Licht L ohne nennenswerte Beeinflussung durchläßt Zwei Segmente R und G der Gruppe sind mit einem Teil ausgebildet, in dem auf schematische Weise Beugungsgitter dargestellt sind und das restliche Segment umfaßt einen ebenso großen lichtundurchlässigen Teil. Anstelle des lichtundurchlässigen Teils könnte das ganze Segment ymit einem Graufilter versehen werden. Die gewählte Lösung ist jedoch billiger und einfacher verwirklichbar, da Maßtoleranzen im lichtundurchlässigen Teil leichter beherrschbar sind als Lichtdurchlaßtoleranzen im Graufilter. _ _

Die Beugungsgitter in den Segmenten R und G sind zu ζ = 1 ... 6, also insgesamt sechs, und haben je in radialer Richtung eine andere Teilung. Bei den Gittern z=\ mit der längsten Teilung ist diese durch ein ρ angedeutet Das Verhältnis der Teilungen der sechs Beugungsgitter ist als

1:'/2:1/3:1/4: i/s: Ve.

In jeder Rasterperiode Tv dreht ein Segment einer Gruppe an der Auftreffplatte 3 vorbei Auf der Auftreffplatte 3 ist ein Punkt X angegeben, und es wird angenommen, daß der Elektronenstrahl ekt auf der Auftreffplatte 3 gerade zur rechten Seite des punktes fliegt und daß die Zeilenabtastung nach finks erfolgt Während der Rasterperiode Tv, in der das Segment Y, G am Punkt JT entlang bewegt, erhält der punkt Λ'über das Segment Y unbehindert das licht L von der Szene 4 und danach kommen nacheinander die Beugungsgitter ζ des Segments G vorbei, so daß das empfangene licht dadurch beeinflußt ist Das in der Rasterperiede Tr empfangene Licht wird in der Auftreffplatte 3 über das photoempfindEche fraftmgslecken integriert und bis zu einem bestimmten örtlichen Potential aufgebaut Gelangt der Elektronenstrahl an den Punkt X, *o wird die vorhandene Ladung neutralisiert, und im folgenden Segment Y beginnt die Lichtintegration aufs Neue. Es stellt sich heraus, daß die Richtung der Beugungsgitterteilung nahezu in der Zeilenabtastrichtung liegt, was sich als günstig herausstellen wird.

Bevor der_Einfluß der sechs Beugungsgitter ζ in den Segmenten Λ und G beschrieben wird, wird an Hand der F i g. 4 die Wirkungsweise des Beugungsgitters ζ - 1 mit der größten Teilung ρ beschrieben.

In F i g. 4 ist dargestellt, daß das optische Filter 1 mit einem Beugungsgitter 26 ausgebildet ist, das als Phasengitter im Querschnitt dargestellt, aus Streifen aus S1O2, d. h. Siliziumglas, aufgebaut ist, welche Streifen auf einer Glasplatte 27 als Träger angeordnet sind. Die Tiefe der Siliziumglasstreifen ist durch q angedeutet. Zwischen der Glasplatte 27 und einer anderen Glasplatte 28 ist eine Farbfilterschicht 29 vorgesehen. Für den durch einen Pfeil bei F i g. 3 angegebenen Fall läßt die Schicht 29 nur grün gefärbtes Licht durch. Gilt F i g. 4 für das Segment R in F i g. 3, so würde nur rotes Licht durchgelassen werden. Die Schicht 29 ist ein Farbfilter, das jedoch keinen Teil des optischen Filters 1 zu bilden braucht, sondern auch vor diesem Filter bzw. hinter demselben im Licht L mitdrehend angeordnet werden könnte.

Obschon das Beugungsgitter 26 als Phasengitter angedeutet ist, könnte auch ein Schwarz-Weiß-Gitter verwendet werden, wobei jedoch der Nachteil auftritt, daß die Hälfte des auftreffenden Lichtes L nicht durchgelassen wird.

Es ist bekannt daß das Beugungsgitter 26 das auftreffende Licht L nicht unbeeinflußt gerade durchläßt sondern das Licht auch in bestimmten Richtungen abbeugt und allgemein gilt die Beziehung:

η ■ λ
sin*„ = -

mit π = 0,1,2 usw. und Λ die Wellenlänge des Lichtes. In F i g. 4 ist für π = 1 der Winkel <x dargestellt. Da aus dem untenstehenden hervorgehen wird, daß nur /i — 0 (gerade durchgehendes Licht) und η = 1, d. h, die Komponente der Abbeugung der nullten und der vierten Ordnung, berücksichtigt wird, wird Fig.4 weiter für nur die Komponente erster Ordnung beschrieben.

Für einen kleinen Wert des Winkels « folgt aus (5):

sin α = « = —

und aus Fig. 4 folgt:
tga =

u
w

wobei u die Größe der Abbeugung erster Ordnung in einem Abstand iTvom Gitter 26 ist
Aus (6) und (7) folgt, daß

χ
P

Da das Licht L nicht monochromatisch ist, sondern ein ganzes Gamma von Wellenlängen hat, muß eine mittlere Wellenlänge λ berechnet werden. Dabei geht

das Licht L durch Glas und Luft so daß der optische Abstand dem wirklichen Abstand wunter Korrektur mit dem Glasbrechungsindex von 1,5 entspricht

Ausgehend von einer Wellenlänge von 0,54 μπι für grünes Licht und von 0,62 μπι für orangerotes Licht folgt eine mittlere Wellenlänge λ von 0,58 μιη.

Ausgehend von einer zu vernachlässigenden Tiefe des Gitters 26 und der Schicht 29 für den Beugungsabstand u, von einer Dicke von 1 mm der Giasschichten 27, 28 und 23 und von einem Luftabstand von 3 mm zwischen dem Filter 1 und der Aufnahmeröhre 2 folgt

w = 3 -f-

3
1.5

5 mm.

Bei F i g. 5a ist ein Abstand von 15 μπι angegeben und als Wahl ist diener auch für den Beugungsabstand u genommen, aber auch ein abweichender Wert wäre möglich.

Mit den gegebenen Werten folgt aus (8)

P =

0,58

5(XX) = 193

Es ist gewählt worden, daß von den sechs Beugungsgittern ζ die Teilungen ρ sich wie 1, '/2... Ve

verhalten, d. h. bei p_z = ." μιη folgt daß

u_z = ζ · 15 μιη.

In Fig.5c ist das Resultat dargestellt Befindet sich das Beugungsgitter ζ = 1 vor beispielsweise dem Punkt A"der Auftreffplatte 3 in F i g. 3, so verursacht das Licht L drei Potentialerhöhungen, die mit Spitzenwerten h\ (nullte Ordnung) und Iu (erste Ordnung auf beiden Seiten der nullten Ordnung) auftreten. Das Beugungsgitter ζ = 2 verursacht Potentialerhöhungen nullter und erster Ordnung mit Spitzenwerten Z₀₂ und /12 und für ein willkürliches Beugungsgitter ζ gelten die Spitzenwerte /d/

Die Spitzenwerte hz treten alle an derselben Stelle auf und ergeben zusammen nach Addition die Werte I₀. Die Spitzenwerte Iu liegen um υ = 15 urn verschoben und die nicht kontinuierlich auftretende Potentialerhöhungen haben zusammen eine durch R', G' bezeichnete Umhüllende. Die Umhüllende R', G'ist durch die über einen Teil der Rasterperiode 7V durchgeführte Lichtintegration in der Auftreffplatte 3 der Aufnahmeröhre 2 erhalten worden.

Aus Fig.5c geht hervor, daß, ausgehend von den gegebenen Spitzenwerten A₁ und /^ die Umhüllende R', G' eine gute Annäherung der Kurve von F i g. 5b ist die das Signal Y' darstellt J5ie Folgerung ist daß an der Klemme A die Signale R unter G auftreten, wofür gilt R = Ä'und G = G'. Das Ziel, eine optische Unscharfe einzuführen, die der Kurve nach F i g. 5b gleich ist, ist auf diese Weise erreicht Dabei gilt wie erwünscht, daß diese Unscharfe nur in der horizontalen bzw. ZeUenabtastrichtung auftritt, und zwar dadurch, daß die Richtungen der Zeilenabtastung und der Beugungsgitterteilung nahezu zusammenfallen.

Bei der Beschreibung der Fig.5c sind die Werte kz und hz als gezeichnet vorausgesetzt Diese Werte können durch Anpassung der in der Drehrichtung des Filters 1 liegenden Breiten der Beugungsgitter ζ erhalten werden. Im Beispiel nach F i g. 3 ist beim Filter 1 angegeben, daß bei zunehmender ζ die Breiten abnehmen und durch die dadurch kürzere Zeh, in der ein folgendes Gitter ζ ski: vor dein Punkt X befindet, eis kleinerer Wert für kz und I_lz ist das Resultat Diese Lösung kann bei einem Schwarz-Weiß-Beugungsgitter

sowie bei einem Phasenbeugungsgitter verwendet werden. Es wäre auch möglich, jedes Gitter ζ mit einem eigenen Graufilter zu versehen, aber die gegebene Oberflächenanpassung ist einfacher und günstiger für die Lichtausbeute.

Im Vergleich zu einem Schwarz-Weiß-Beugungsgitter bietet ein Phasenbeugungsgitter den Vorteil, daß die Tiefe der Streifen noch frei gewählt werden kann und beispielsweise zum Festlegen der Werte von Z₀₂ und I\_z verwendet werden. Dabei kann gegebenenfalls noch die beschriebene Oberflächenanpassung angewandt werden. Im folgenden wird, ohne Oberflächenanpassung, ein Beispiel gegeben, wie die Streifentiefe eines Phasengitters zum Festlegen der Werte von I₀₁ und U₇.

-, benutzt werden kann.

Die in Fig.5b gegebene Kurve entspricht der bekannten Gaußschen Kurve. Für die Berechnung der in F i g. 5c auf der Umhüllenden auftretenden Werte /_]z ist von der Gaußschen Kurve ausgegangen. Wie bei

2n Fig.5b angegeben, ist dabei von der Mitte mit der Amplitude in den beiden Richtungen der (Zeit)achse diese Achse in acht Teile aufgeteilt. Mit ζ = 1, ?, 3,4,5,6 sind sechs Teile angegeben. Für die Gaußsche Kurve läßt sich nun schreiben:

/_1: = e ^w (9)

eine Berechnung für ζ = 1,2... 6 ergibt aus (9):

Λΐ ^: /|2 '■ Λλ '■ Ι\Λ '■ hi '■ 'lh

= 0,95:0,82:0,63:0.46:0.30:0.18. (10)

Ein Beugungsgitter ζ ergibt nicht nur eine der Komponenten I_Xz erster Ordnung, sondern auch eine der Komponenten /o_z der nullten Ordnung. Wie in Fig. 5c dargestellt werden die Komponenten h,. nullter Ordnung zu einer Komponente h zusammengezählt Gegenüber den Verhältnissen, die bei (10) gegeben sind, muß die Komponente I₀ das Verhältnis 1 haben, damit die Gaußsche Kurve erfüllt werden kann. Daraus läßt sich der Zusammenhang herleiten zwischen dem Z_]2 und den hz jedes Beugungsgitters z. Wenn vorausgesetzt wird, daß gilt hz = d/|_Z für ζ =» 1 ... 6, dann muß dabei gelten, daß

/0 = /01 +Z₊₂... + Λ* = I.

während aus (10) folgt:

Λι + /12 ··.+/.* = 3.34.

Diese beiden Beziehungen können erfüllt werden, wenn

I

d =

3,34

= 0,3

ist

Es folgt, daß eine angenäherte Gaußsche Kurve erhalten wird, wenn für jedes Beugungsgitter gilt:

I_Oz = 0JI_lz (11)

Das Verwirklichen der Beziehung I_Oz = 03 I_u für jedes Beugungsgitter kann bei Verwendung eines es Phasengitters als Beugungsgitter 26 (F i g. 4) leicht mit Hilfe der zu wählenden Tiefe ^ der Streifen des Gitters 26 erreicht werden. Erreicht nämlich das licht L mit einer flachen Wellenfront das Gitter 26. so hat nach

Durchgang des Lichtes die Wellenfront eine blockförmige Gestalt erhalten mit einer Vorder- und Hinterfront Die Größe der Blockform bzw. der Unterschied zwischen der Vorder- und Hinterfront entspricht einem Lichtphasenunterschied ß, der von der Streifentiefe q abhängig ist, welcher Unterschied in der Größenordnung der Wellenlänge λ des Lichtes L liegt Dabei gilt für ß:

= 4- · 2.-7 rad .

(12)

Mit Hilfe einer Fourier-Entwicklung einer Blockfunktion bei einer blockförmigen Wellenfront können die Lichtintensitätsverhältnisse der Komponenten nullter Ordnung und höherer ungerader Ordnung berechnet werden, wobei die Komponenten gerader Ordnung null sind, wenn

^cos" ~2 ^:(7^sin v \h ^sin 2) (-k ^sin 2)' ^llsw·

Es folgt:

	I0.	COST	2
	''■■	4 . —τ sin .T"	2 /» 2
Aus (11)	und (13)	folgt:
	tg2	ti -τ2 2 4	10 "T
und hieraus	folgt
	= 141"	= 0,39 ■ 2.1	■ Radialen .

(13)

Aus (12) und (14) folgt:

q = (U9;..

(15)

Die bei (15) berechnete Tiefe q ist die sogenannte optische Tiefe, die für die Berechnung der richtiger Dicke des Siliziumglases mit einem Brechungsindex vor etwa 1,5 korrigiert werden muß. So folgt für die richtige Dicke q des Siliziumglases:

Dicke £ = -p^z'V = °·⁷⁸ '·

(14)

und mit A = 0,58 um folgt:

Dickey= 0,45 um.

Es stellt sich heraus, daß eine Phasengitterausbildung des Beugungsgitters 26 durch die Freiheit in der Wah der Tiefe zur Verwirklichung der Lichtintensitätsverteilung vorteilhaft ist Bei einem Schwarz-Weiß-Gitter gibt es diese Freiheit nicht, aber abgesehen von dei beschriebenen Oberflächenanpassung, kann zur Verwirklichung einer gewünschten Umhüllenden noch eine Abwandlung in den unterschiedlichen Teilungen dei Beugungsgitter benutzt werden.

In der Anmeldung ist ein Beispiel gegeben worden wobei einer Gaußschen Kurve mit Hilfe von sech: Beugungsgittern mit unterschiedlicher Teilung gul angenähert werden kann. Werden weniger hohe Anforderungen an die Annäherung gestellt, so können auch weniger Beugungsgitter ausreichen. Auch ist die Anzahl Beugungsgitter von der gewünschten Vergrößerung der Halbwertbreite, die bei F i g. 5a und 5c von If auf 120 μπι gegangen ist, abhängig. Sollte eine Vergrößerung bis 50 um erwünscht sein, so könner beispielsweise drei Beugungsgitter verwendet werden wobei die Ordnungskomponenten statt 15 μπι einer Abstand von 10 μπι haben können.

Hierzu 3 Blatt Zeichnungen

Claims (9)

Patentansprüche:

1. Optisches Filter zum Gebrauch bei einem optisch-elektronischen Wandler, insbesondere Für s eine Farbfernsehkamera mit einer Bildaufnahmeröhre, wobei das mit Segmenten ausgebildete Filter eine Auflösungsverringerung in einer auf den Wandler zu projezierenden Abbildung einer aufzunehmenden Szene verursacht, dadurch gekennzeichnet, daß einzelne Segmente des optischen Filters als Beugungsgitterfilter ausgebildet sind, wobei ein die Auflösungsverringerung verursachendes Segment mehrere Beugungsgitter mit unterschiedlicher Teilung aufweist

2. Optisches Filter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Filter als kreisförmige Scheibe ausgebildet ist, welche die Beugungsgitter in Kreissegmenten enthält

3. Optisches Filter nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das optische Filter Gruppen von drei Segmenten enthält, von welcher Gruppe jedes Segment ein Segment ohne Auflösungsverringerung umfaßt und zwei Segmente, die mehrere Beugungsgitter mit unterschiedlicher T'eilung umfassen.

4. Optisches Filter nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß das restliche Segment in der genannten Gruppe ein lichtundurchlässiges Segment umfaßt, das etwa dieselbe Oberfläche hat wie die Beugungsgitter der genannten zwei Segmente.

5. Optische*. Filter nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichr^t, d.'.l das Filter vier Gruppen von drei Segmenten umfaßt

6. Optisches Filter nach einen· der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das mit den Beugungsgittern ausgebildete Segment zugleich ein Farbtöter enthält

7. Optisches Filter nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das mit den Beugungsgittern ausgebildete Segment mindestens drei Gitter unterschiedlicher Teilung enthält

8. Optisches Filter nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß das genannte Segment sechs Gitter mit unterschiedlicher Teilung enthält

9. Optisches Filter nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, daß das Verhältnis zwischen den Teilungen von ζ unterschiedlichen Beugungsgittern