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Farbferns ehkamera
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Die Erfindung betrifft eine Farbfernsehkamera mit einem Bildaufnahmeelement,
vor dem ein Rasterfilter angeordnet ist, dessen Rasterelemente Filter für jeweils
eine Grundfarbe oder farbneutral sind.
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Aus der Zeitschrift "Elektronik" 1975, Heft 4, Seiten 88 bis 92 sind
Fernsehkameras mit Fotodioden-Anordnungen vom CCD-Typ bekannt, die sich durch ein
geringes Bauvolumen sowie ihre Einfachheit und Robustheit auszeichnen.
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In Verbindung mit einem Strahlenteiler für die drei Grundfarben können
mit ihnen analog zu den üblichen Röhrenkameras Farbfernsehkameras aufgebaut werden.
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In der "SIEDENS-Zeitschrift" 1975, Heft 7, Seiten 451 bis 460 ist
eine Einröhren-Farbfernsehkamera beschrieben, vor deren Target symmetrisch zur vertikalen
Bildachse geneigte Rot- und Blaustoppstreifenfilter angeordnet sind. Mittels Kammfilter
können die Signale für die einzelnen Grundfarben aus dem Kamerasignal gewonnen werden.
Eine solche Kamera hat zwar den Vorteil, daß
sie nur eine Aufnahmeröhre
benötiO-t urd ein Strahlenteiler nicht erforderlic ist, so da ihr 4uçbau sehr kompakt
ist, sie hat aber unter anderem den Wacntenl, daß das Verhältnis de dre Grundfarben
infolge von er lern des elektromagnetlschen Feldes für die ElekWronenstrahlablenkung
wqd Fokussierung nur schwierig konstantgehalten werden kann und daß das Decodieren
des Kamerasignals aufwendig ist.
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Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Farbfernsehkamera
zu schaffen, die sich durch ihren kompakten und einfachen Aufbau sowie durch ihre
Betriebssicherheit auszeichnet.
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Die erfindungsgemäße Lösung dieser Aufgabe zeichnet sich aus durch:
a) Das Bildaufnahmeelement ist eine Fotodioden-Anordnung, deren Elemente rasterförmig
angeordnet sind und von deren Elementen der Belichtung entsprechende Signale abrufbar
sind.
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b) Vor jedem Element der Fotodioden-Anordnung ist ein Element des
Rasterfilters angeordnet.
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c) Das Ausgangssignal der Fotodioden-Anordnung ist einem Demultiplexer
zugeführt, der von einer Steuereinheit so geschaltet ist, daß jeweils die Signale
von den Elementen der Fotodioden-Anordnung, denen Filter gleicher Farbe vorgeschaltet
sind, auf einen Farbkanal gelangen.
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Die Elemente des Rasterfilters können die Grundfarben sperren, vorteilhaft
sind sie aber für diese durchlässig. Im Ausgangssignal der Fotodioden-Anordnung
sind die Videosignale für die drei Grundfarben bzw. zwei Grundfarben und das Luminanzsignal
zeitmultiplex verschlüsselt. Da eine feste Zuordnung zwischen den Filterelementen
und den Fotodioden besteht und da das Auslesen
der Signale aus der
Fotodioden-Arordnung mit Impulsen gesteuert ist, besteht ebenfalls eie feste Zuordnung
zwischen der Zahl der Ausleseimpulse und der dem jeweils auftretenden Videosignal
entsprechenden Farbe, so daß die Farbsignale und gegebenenfalls das Luminanzsignal
leicht mit Hilfe des Demultiplexers getrennt werden können, wozu der Demultiplexer
mit Impulsen gesteuert ist, die von den Ausgangsimpulsen der Impulsquelle abgeleitet
sind, welche auch das Auslesen der Videosignale aus der Fotodioden-Anordnung steuert.
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Vorteilhaft sind die Elemente des Rasterfilters Filter für die Farben
Rot, Grün und Blau. Gleichfalls ist es möglich, nur Filter für die Farben Rot und
Blau zu verwenden, während dritte Elemente farbneutral sind. Die durch diese dritten
Elemente beleuchteten Fotodioden liefern das Luminanzsignal; aus den Signalen der
Fotodioden, die durch die Filter beleuchtet sind, kann ein Farbdifferenzsignal gebildet
werden.
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Fotodioden-Anordnungen haben heute noch im allgemeinen den Nachteil,
daß sie im Vergleich zu Fernsehaufnahmeröhren eine geringe Bildauflösung haben.
In der DE-OS 25 22 342 ist daher eine Farbfernsehkamera vorgeschlagen, die eine
Fernsehaufnahmeröhre enthält, mit der eine hohe Auflösung erzielt wird und die das
Luminanzsignal oder das Videosignal für die Grundfarbe Grün erzeugt, und die ferner
zwei Fotodioden-Anordnungen aufweist, welche die Farbsignale für Rot und Blau abgeben.
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Auf diese Weise kann eine Fernsehkamera geschaffen werden, die bei
kompaktem Aufbau eine hohe Auflösung aufweist. Mit der vorliegenden Erfindung kann
eine weitere Reduzierung des Bauvolumens und ein geringerer Aufwand erreicht werden.
Hierzu ist nach einer Weiterbildung der Erfindung im Strahlengang der Kamera ein
optisches System angeordnet, welches das aufzunehmende Bild in
zwei
Farbkomponenten oder in eine Farbkoniponente und einen farblich unveränderten Teil
zerlegt. Die eine von zwei Farbkomponenten, vorzugsweise die Farbkomponente Grün,
bzw. das farblich unveränderte Bild wird einem Aufnahmeelement mit hoher Auflösung,
z. B. einer Fernsehaufnahmeröhre, zugeführt, die andere Farbkomponente der Fotodioden-Anordnung
mit vorgeschaltetem Rasterfilter. Die Fotodioden-Anordnung ist zweckmäßig eine nach
dem Ladungsverschiebeprinzip (CCD) arbeitende Anordnung.
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Anhand der Zeichnung, in der Ausführungsbeispiele der Erfindung veranschaulicht
sind, werden im folgenden die Erfindung sowie weitere Vorteile und Ergänzungen näher
beschrieben und erläutert.
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Es zeigen Figur 1 die wesentlichen Teile einer erfindungsgemäß aufgebauten
Fernsehkamera, Figur 2 eine Fernsehkamera mit erhöhter Bildauflösung und Figur 3
Einzelheiten der Kamera nach Figur 2.
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In Figur 1 ist mit RF1 ein Rasterfilter bezeichnet, das in der Bildebene
eines nicht dargestellten Kameraobjektivs liegt. Es besteht aus einer Vielzahl von
zeilen-und spaltenweise angeordneten Elementen R1 G1, B1, R2 ... , die jeweils ein
Filter für eine der drei Grundfarben Rot, Grün, Blau sind. Hinter dem Rasterfilter
RF1 ist eine Fotodioden-Anordnung CCD1 angeordnet, die nach dem Ladungsverschiebeprinzip
arbeiten soll. Sie besteht aus ebensoviel Fotodioden, wie das Rasterfilter RF1 Elemente
hat. Auf die erste Fotodiode D11 fällt das vom ersten Filterelement R1 durchgelassene
Licht, auf die zweite Fotodiode D12 das vom zweiten Filter G1 durchgelassene Licht
usf. In der Praxis sind das Rasterfilter RF1 und die Fotodioden-Anordnung CCD1 unmittelbar
auf-
einandergelegt. Es ist aber auch möglich, zwischen ihnen eine
Optik anzubringen, welche das Filter RF1 auf die Fotodioden-Anordnung CCD1 abbildet.
In einem solchen Falle mrde das vom Filterelement R1 durchgelassene Licht auf die
Fotodiode Dn3 fallen. In jedem Fall ist jedem Element des Rasterfilters RF1 ein
Element der Fotodioden-Anordnung CCD1 zugeordnet. Die Filterelemente für die drei
Grundfarben liegen zeilenweise zyklisch nebeneinander. Auf das Rotfilter R1 folgt
das Grünfilter G1 und auf dieses das Blaufilter B1. WIit dem Rotfilter R2 folgt
ein neuer Zyklus mit dem Grünfilter G2 und dem Blaufilter B2. Im Ausführungsbeispiel
nach Figur 1 liegen die Rot-, Grün- und Blaufilter jeweils untereinander. Jede Zeile
beginnt daher mit einem Rotfilter. Statt dessen können auch in den Spalten Filter
für verschiedene Farben untereinanderliegen, z. B. unter einem Rotfilter ein Blaufilter,
unter diesem ein Grünfilter und dann wieder ein Rotfilter usf.
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Wie schon erwähnt, soll das vom Rotfilter R1 durchgelassene Licht
auf die Diode D11 fallen, das Licht vom Grünfilter G1 auf die Diode D12, das Licht
vom Blaufilter B1. auf die Diode D13 usf. Jede Diode der Fotodioden-Anordnung CCD1
erzeugt eine Ladung, deren Größe der Belichtung entspricht. Die einzelnen Ladungen
werden mit Taktsignalen ausgelesen, die von einer Steuereinheit STE1 erzeugt werden,
und zwar in der Reihenfolge der Dioden D11> D12 D13, D21 ... 33 Sie gelangen
zunächst in einen Speicher SP1, der vorteilhaft ebenfalls vom CCD-Typ ist, der ebenfalls
von der Steuereinheit STE1 die Taktimpulse erhält und mit dem gegebenenfalls durch
Verändern der Taktfrequenz beim Auslesen gegenüber dem Einlesen die Signalfolge
an die üblicher Fernsehsysteme angepaßt wird. Da die Steuereinheit STE1 das Auslesen
der Ladungen von den einzelnen Dioden sowie das Ein- und Auslesen in bzw. aus dem
Speicher SP1
steuert, kann sie einen dem Speicher SP1 nachgeschalteten
Demultiplexer DIX1 so steuern, daß die Signale von den Dioden D11, D21, D31, Dn1,
welche durch Rotfilter Ri, R2, R3 ... Rn beleuchtet sind, auf einen Rotkanal r1
gelangen. Entsprechend werden die Signale von den Dioden D12, D22, D32, Dn2, welche
durch Grünfilter G1, G2, G3, Gn beleuchtet sind, auf einen Grünkanal g1 geschaltet,
und die Signale der durch die Blaufilter beleuchteten Dioden D13, D23, DD3, Dn3
gelangen auf einen Blaukanal b1. Auf diese Weise wird das zeitmultiplexe Ausgangs
signal der Fotodioden-Anordnung CCD1 so decodiert, daß die einzelnen Farbsignale
getrennt vorliegen.
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Anstelle einer Filterart, vorzugsweise der Grünfilter G1, G2 ...,
können auch farbneutrale Elemente in das Rasterfilter RF1 eingesetzt werden, so
daß im entsprechenden Farbkanal, z. B. dem Kanal g1, das Luminanzsignal erscheint.
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Der Demultiplexer D1 braucht nicht unmittelbar an den Speicher SP1
bzw. die Fotodioden-Anordnung CCD1 geschaltet sein; deren Ausgangssignal kann auch
über eine Übertragungsstrecke gesendet werden, wozu es umcodiert, z. B.
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in eine PAL-Codieruns gebracht werden kann, aus der an der Empfangsstelle
in bekannter Weise die drei Farbsignale gewonnen werden. In jedem Fall bleibt das
erfindungsgemäße Prinzip, durch Zuordnung der Filterelemente zu den Dioden und durch
gesteuertes Abfragen der mit diesen erzeugten Signale die Farbsignale festzulegen,
erhalten.
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Figur 2 veranschaulicht eine Kamera mit erhöhtem Auflösungsvermögen.
Ein Objektiv 0 der Kamera projiziert die aufzunehmenden Bilder auf die lichtempfindliche
Schicht einer Aufnahmeröhre AR und auf eine Fotodioden-Anordnung CCD2, vor der ein
Rasterfilter RF2 liegt. Ein
Farbteiler FA zerlegt das vom Objektiv
0 aufgenommene Bild in zwei Komponenten. Die grüne Komponente oder eine in der Farbe
unveränderte Komponente gelangt auf die lichtempfindliche Schicht der Aufnahmeröhre
AR, die z. B.
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vom Fotoleitfähigkeitstyp ist. Die rote und die blaue Komponente gelangen
auf das Rasterfilter RF2.
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Wie Figur 3 veranschaulicht, ist das Filter RF2 entsprechend dem Filter
RF1 der Anordnung nach Figur 1 aufgebaut. Es besteht aus Rot- und Blaufilterelementen
R bzw.
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B, die in Zeilenrichtung abwechselnd aufeinanderfolgen.
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In Spaltenrichtung können Filter gleicher Farbe untereinanderliegen,
es können aber auch, wie im unteren Teil des Rasterfilters RF2 veranschaulicht ist,
Filter verschiedenen Typs aufeinanderfolgen.
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Die Fotodioden-Anordnung CCD2 entspricht der Anordnung CCD1 nach Figur
1 und wird in entsprechender Weise mit Hilfe einer Steuereinheit STE2 ausgelesen,
die.Taktimpulse von einem Taktgeber TG2 erhält. Das Ausgangssignal gelangt über
einen Speicher SP2 auf einen Demultiplexer DMX2, an den zwei Farbkanäle r2, b2 angeschlossen
sind. Der Speicher SP2 und der Demultiplexer DMX2 können entsprechend dem Speicher
SP1 und dem Demultiplexer DMX1 der Anordnung nach Figur 1 arbeiten, so daß auf die
Beschreibung ihrer Funktion hier verzichtet werden kann.
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Die Aufnahmeröhre AR wird von einem Videoimpulsgeber VIG gesteuert,
welcher die erforderlichen Ablenk- und Synchronimpulse liefert. Damit die Abtastung
der auf die Aufnahmeröhre AR und die Fotodioden-Anordnung CCD2 projizierten Bilder
synchron verläuft, muß auch der Videoimpulsgeber VIG von der Steuereinheit STE2
gesteuert sein. An den Ausgang der Aufnahmeröhre AR ist, falls auf die Aufnahmeröhre
die grüne Farbkomponente des aufzunehmenden Bildes
projiziert ist,
ein Grünkanal g2, im Falle, daß ein farblich unverändertes Bild auf die Aufnahmeröhre
AR gelangt, ein Weißkanal w angeschlossen.
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Da im allgemeinen Fotodioden-Anordnungen eine geringere Auflösung
wie Fernsehaufnahmeröhren haben, erstrecken sich die Dioden D1, D2 ... der Fotodioden-Anordnung
CCD2 über mehrere Zeilenbreiten. Es müssen daher die mit diesen Dioden erzeugten
Ladungen mehrfach abgerufen werden.
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Statt dessen können die Ausgangssignale einer Zeile der Fotodioden-Anordnung
CCD2 im Speicher SP2 zwischengespeichert werden und nach Umlegen eines Schalters
S in die gestrichelt gezeichnete Stellung diese Signale mehrfach über den Demultiplexer
DMX2 ausgelesen werden. Beim Abfragen der Dioden der nächsten Zeile der Fotodioden-Anordnung
CCD2 werden die im Speicher SP2 enthaltenen Signale gelöscht und mit dem neuen Signal
überschrieben.
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Auch diese Signale können mehrfach, entsprechend der Anzahl der eine
Fotodiode überdeckenden Fernsehzeilen aus dem Speicher SP2 ausgelesen werden. Zur
Verringerung der Auslesefrequenz für die Fotodioden-Anordnung CCD2 können bei der
Abtastung der ersten Fernsehzeile nur die Signale, z. B. der ersten, vierten, siebten
Diode, abgerufen werden, beim Abtasten der zweiten Fernsehzeile die zweite, fünfte,
achte ... Diode und beim Abtasten der dritten Zeile die dritte, sechste, neunte
... Diode. Im Speicher SP2 werden die abgerufenen Signale in die den Dioden entsprechenden
Plätze eingetragen, so daß nach der dritten Fernsehzeile das vollständige Signal
einer Diodenzeile im Speicher SP2 enthalten ist. Entsprechend kann beim Abtasten
weiterer Diodenzeilen vorgegangen werden.