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"Beleuchtungseinrichtung eines Testprojektors
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für Farbfernsehkameras" Die Erfindung betrifft eine Beleuchtungseinrichtung
eines Testprojektors für Farbfernsehkameras, die aus einer Lichtquelle, einer Einrichtung
zur lomogenisierung der Leuchtdichte dieser Lichtquelle, einer Einrichtung zur Steuerung
der Lichtintensität sowie einer Einrichtung zur Einstellung verschiedener Lichtfarben
in der Beleuchtungseinrichtung besteht.
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Moderne Farbfernsehkameras, bei denen die elektronische Justage und
die Anpassung an die optischen Eigenschaften des jeweiligen Aufnahmeobjektivs automatisch
erfolgt, benötigen eine Projektionseinrichtung, die ein geeignetes Testbild auf
den Bildaufnahmeröhren erzeugt. Dies geschieht beispielsweise mit Hilfe eines im
Objektivgehöuse oder in der Kamera integrierten Testprojektors der mittels eines
einschwenkbaren oder eines fest im System eingebauten Spiegels an den optischen
Strahlengang des Aufnahmeobjektivs angeschlossen wird.
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Ein wesentlicher Bestandteil solcher Einrichtungen ist das Beleuchtungssystem,
das die Aufgabe hat, ein Testdia mit einer bestimmten Lichtfarbe und mit einer im
grossen Bereich kontinuierlich und reproduzierbar verstellbaren Lichtintensität
zu durchleuchten.
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Dabei werden hohe Anforderungen sowohl an die Einstellgenauigkeit
der gewünschten Lichtfarbe1 als auch an die Grösse des Einstellbereiches der auf
den 3ildaufnahmeröhren erzeugten Beleuchtungsstärke gestellt. Ausserdem darf im
Regelfall die Gleichmässigkeit der Testdiaausleuchtung nicht mehr als drei bis fünf
Prozent von der Mitte bis zum Rand hin abweichen. Daher muss ein hohes Mass an Homogenität
der Leuchtdichte sowohl in Farbe als auch im Pegel gewährleistet sein, und dies
im ganzen Beleuchtungsstörkebereich. Die Apertur des Projektionsobjektivs muss dabei
für den gesamten Beleuchtungsstärkebereich konstant bleiben.
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Weiterhin besteht die Forderung, dass alle diese Eigenschaften sofort
nach Einschalten der Beleuchtung garantiert werden müssen und dass diese auch über
lange Zeit und bei extremen Umweltbedingungen konstant bleiben müssen. Überdies
muss die gesamte Einrichtung auf kleinstem Raum untergebracht werden. Für einen
grossen, sowie kontinuierlich und reproduzierbar verstellbaren Beleuchtungsstörkebereich
muss ferner die Leistungsaufnahme der Lichtquelle minimal bleiben, sie sollte ca.
8 - lo Watt nicht übersteigen.
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Bisher bekannte Beleuchtungseinrichtungen in verschiedenen, nicht
nur dem Farbfernsehen dienenden Projektionssystemen, bei denen die Forderung besteht,
ein Licht bestimmter Farbe und Starke abzustrahlen, sind Systeme, in denen die gewünschte
Lichtfarbe in der Regel durch additive oder subtraktive Farbmischung des Lichtes
erzielt wird. Die Gleichmässigkeit der
Lichtfarbe und der Beleuchtungsstärke
über das ganze Bildfeld ist in derartigen Geräten jedoch von geringer Qualität.
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Die Schwankung beträgt hier örtlich mehr als zehn Prozent Auch die
Stabilität des Lichtes über einen längeren Zeitraum und bei extremen Umweltbedingungen
ist bei derartigen Geräten unzureichend.
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Aus der deutschen Offenlegungsschrift 28 13 262 ist ein Beleuchtungssystem
eines Testprojektors für Farbfernsehkameras bekannt, bei dem die gewünschte Lichtfarbe
durch additive Farbmischung erzeugt wird. Dieses weist eine Einrichtung zur Erzeugung
mehrerer Farbkomponenten-Lichtstrahlen innerhalb der Beleuchtungseinrichtung, eine
Einrichtung zur Regulierung der Intensität wenigstens eines der mehreren Farbkomponenten-Lichtstrahien
und eine Einrichtung zur erneuten Vereinigung mehrerer Farbkomponenten-Lichtstrahlen
auf.
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Diese Lösung ist mit folgenden Nachteilen behaftet: Eine äußerst gleichmössige
BeLeuchtung über die ganze Fläche des Testdias kann mit einem herkömmlichen Kondensor
nicht erreicht werden.
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Die Gleichmässigkeit der Lichtfarbe ber die ganze Bildfläche hängt
von der Güte der Vermischung der einzelnen Farbkomponenten in der Objektebene des
Kondensors ab. Dies ist bei dem bekannten System nur unter hohem Aufwand möglich.
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Sowohl die Lichtfarbe' als auch die Beleuchtungsstärke brauchen nach
der Einschaltung der Lampen eine gewisse Zeit zur Stabilisierung, nämlich so lange,
bis sich ein Temperaturgleichgewicht
an den Lampenwendeln eingestellt
hat. Dies hat zur Folge, dass am Anfang des nur wenige Minuten dauernden automatischen
Kameraabgleichs andere Beleuchtungsbedingungen herrschen als am Ende, so dass ein
fehlerhafter Kameraabgleich dadurch möglich ist.
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Dieses Verhalten wird durch extreme Umweltbedingungen, denen die Kamera
ausgesetzt sein kann, noch verstärkt negativ beeinflusst.
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Durch die Vielzahl von verschiedenen optischen Komponenten wird der
gesamte Aufbau des bekannten Systems gross und kompliziert. Da aber ein solcher
Testprojektor meist in das Gehäuse des bestehenden Fernsehobjektivs, bzw0 in die
Farbfernsehkamera selbst integriert werden muss, spielen sowohl die Grösse, als
auch das Gewicht des gesamten Systems eine wichtige Rolle.
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Aus der Patentanmeldung Nr. 31 18 249.6 ist ein verbessertes System
bekannt, bei dem die gewünschte Lichtfarbe in einer Lichtmischkammer durch additive
Farbmischung erzeugt wird.
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Das System weist drei Lampen,denen je ein Farbfilter nachgeschaltet
ist, sowie einen Regelkreis zur Konstanthaltung der eingestellten Lichtströme der
einzelnen Lampen auf. Der wesentliche Nachteil dieses Systems ist, dass man die
Beleuchtungsstärke nicht kontinuierlich regeln kann und dass die Einrichtung nicht
kompakt genug gestaltet werden kann.
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Andere Beispiele für die Verwendung der additiven bzw. subtraktiven
Farbmischung in einem Beleuchtungssystem sind bei verschiedenen Farbvergrösserungsgeräten
bekannt. Das Prinzip besteht hier darin, dass das Licht von einer oder mehreren
Lampen gefiltert und in einer Lichtmischkammer additiv bzw0 subtraktiv gemischt
wird0 Durch Spannungsänderungen der
Lampenversorgung oder durch
Einschwenken von Farbfiltern in den Strahlengang werden unterschiedliche Farbmischungen
erzeugt; Bei allen diesen Geräten kommt es hauptsächlich auf die Lichtintensität
über eine grössere Fläche, sowie auf einen grossen Farbeinstellungsbereichg weniger
jedoch auf die absolute Homogenität der Ausleuchtung der Austrittsöffnung der Lichtmischkammer
an. Es werden auch keine hohen Ansprüche an die Stabilität des Lichtes, weder gleich
nach dem Einschalten, noch bei extremen Umweltbedingungen gestellt.
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Aus diesen Gründen ist die Verwendung dieses allgemein bekannten Prinzips
für die anfangs beschriebenen Zwecke nicht geeignet.
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Alle die vorgenannten Ausführungen weisen einen gemeinsamen Nachteil
auf: Die Beleuchtungsstärke - wie bei der vorletzten Ausführung bereits erwähnt
- lässt sich bei gleichbleibender Lichtfarbe und konstanter Apertur des Objektivs
nicht kontinuierlich regulieren.
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Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, die vorstehend genannten
Nachteile zu vermeiden und ein Beleuchtungssystem zu schaffen, bei dem ein hohes
Mass an Homogenität der Leuchtdichte in Farbe und Pegel gewährleistet ist. Weiter
soll die Möglichkeit geschaffen werden, verschiedene Lichtfarben erzeugen zu können.
Dabei muss bei konstanter Apertur des Projektionsobjektivs die Beleuchtungsstärke
auf den Bildaufnahmeröhren im Bereich von Null bis zu ca. loo lx kontinuierlich
regelbar sein, wobei die einmal eingestellte Lichtfarbe im ganzen Beleuchtungsstärkebereich
konstant bleiben muss.
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Eine hohe Stabilität der gewählten Lichtfarbe und auch der jeweiligen
Beleuchtungsstärke auf den Bildaufnahmeröhren muss
nicht nur sofort
nach dem Einschalten des Systems, sondern auch unter extremen Umweltbedingungen
garantiert sein. Das Beleuchtungssystem soll einfach, kompakt, leicht und justagefreundlich
sein, und es solL möglichst keine justageempfindlichen optischen Bauelemente beinhalten.
Die Leistungsaufnahme der Lichtquelle soll deutlich unter 10 W liegen.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäss -dadurch gelöst, dass die Lichtquelle
mittels eines Hohlspiegels in eine Lichtmischkammer abgebildet wird, dass zwischen
der Lichtquelle und der Eintrittsöffnung der Lichtmischkammer eine regelbare Blende
angeordnet ist, die mittels eines an und für sich bekannten Regelkreises steuerbar
ist, dass im Strahlengang der Beleuchtungseinrichtung bzw des Testprojektors mindestens
ein Spektralfilter angeordnet ist, und dass die Versorgungsspannung der genannten
Lichtquelle einstellbar ist.
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Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der -Erfindung sind den Unteransprüchen
entnehmbar.
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In der Zeichnung sind schematisch Ausführungsbeispiele für die erfindungsgemässe
Beleuchtungseinrichtung dargestellt.
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Es zeigen: Fig. 1 eine Darstellung einer ersten Ausführungsform der
erfindungsgemässen Einrichtung.
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Fig. 2 eine Darstellung einer zweiten Ausführngsform der erfindungsgemässen
Einrichtung.
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In Fig. 1 ist in schematischer Darstellung die erfindungsgemässe Beleuchtungseinrichtung
zusammen mit einem Projektionsobjektiv 15 gezeigt. Der Anschluss an den Strahlengang
in einer Farbfernsehkamera, sowie die Aufteilung des projizierten Bildes im Strahlenteiler
in-die drei Farbkomponenten Rot, Grün und Blau ist aus Übersichtlichkeitsgründen
nicht dargestellt.
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Das Wendel einer Lichtquelle 1, das im Objektpunkt eines Hohlspiegels
2 liegt, wird in den Bildpunkt dieses Hohlspiegels 2, der sich innerhalb einer Lichtmischkammer
3 befindet, abgebildet. Für maximale Lichtausbeute, sowie für maximal homogene Leuchtdichte
an der Austrittsöffnung 12 der Lichtmischkammer 3 ist es vorteilhaft, den Aufnahmewinkel
16 des Hohlspiegels 2 so gross wie möglich zu gestalten, die Lichtmischkammer 3
als die kleinstmögliche Ulbrichtsche Kugel auszuführen und die Eintrittsöffnung
4, sowie die Austrittsöffnung 12 der Lichtmischkammer 3 so klein wie möglich zu
halten. Eine optimale Lösung ist erfindungsgemäss dann gegeben, wenn die Achse So
der eingegangenen Strahlung etwa senkrecht zur optischen Achse 17 des Projektionsobjektivs
15 angeordnet ist und wenn sich das Bild der Lichtquelle 1 etwa auf dieser optischen
Achse 17 befindet, so nah der Austrittsöffnung 12 der Lichtmischkammer 3 wie möglich.
Dann ist es gewährleistet, dass die Fläche der Lichtmischkammer 3, die gegenüber
der Austrittsöffnung 12 liegt und die weder von der Eintrittsöffnung 4, noch von
dem direkt auffallenden Licht betroffen ist, am grössten ist. Für den Bereich der
Winkel, die sich aus der Verbindung der Austrittsöffnung 12 mit den äusseren Punkten
dieser Fläche ergeben, kann die Lichtmischkammer 3 als ein
sogenannter
Lambertstrahler betrachtet werden, d.h. als ein Strahler mit äusserst homogener
Leuchtdichte und mit einer cosinusartigen Abstrahlcharakteristik.
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Eine regelbare Blende 5, die zwischen der Eintrittsöffnung 4 der Lichtmischkammer
3 und dem Hohlspiegel 2 angeordnet ist, hat nach der Fig. 1 erfindungsgemäss zwei
Funktionen: Durch Einschwenken sorgt sie für eine kontinuierliche Veränderung der
Beleuchtungsstärke in der Bildebene 18 des Projektionsobjektivs 15, d. h. sie dient
zur Einstellung einer beliebigen Beleuchtungsstärke in dieser Ebene, und -in entsprechender
Position angehalten - sorgt sie in Zusammenarbeit mit einem an und für sich bekannten
und hier nicht näher dargestellten Regelkreis 6 durch ihre kleinen Hin- und Herbewegungen
für stabiles Licht an der Austrittsöffnung 12 der Lichtmischkammer 3. Mit dieser
Anordnung braucht also die Versorgungsspannung der Lichtquelle 1 nicht -wie sonst
üblich - stabilisiert bzw. geregelt zuwerden.
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Die Informationen über die jeweiligen Lichtverhältnisse erhält der
Regelkreis 6 von einem Fotoempfänger 19, der beispielsweise an der Austrittsöffnung
12 der Lichtmischkammer 3 so angeordnet ist, dass auf ihn nur das schon gemischte
Licht fällt, Für die Erklärung der erfindungsgemässen Funktion eines Spektralfilters
7, eines Konversionsfilters 8, sowie einer hier nicht dargestellten Einrichtung
zur Veränderung der Versorgungsspannung der Lichtquelle 1, ist es zweckmässig, zunächst
die Notwendigkeit einer Lichtfarbeneinstellung in derartigen Projektionseinrichtungen
näher zu erläutern.
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Für die richtige Farbwiedergabe einer Szene, die durch eine Farbfernsehkamera
aufgenommen wird, ist es u.a erforderlich, dass die Signalströme aller drei Bildaufnahmeröhren
- Rot, Grün und Blau - in einem ganz bestimmten Verhältnis zueinander stehen, bzw.
dass sie in dieses Verhältnis durch entsprechende Einstellung gebracht werden. Es
wird meistens so verfahren, dass eine weisse und diffus reflektierende Fläche von
einer Lichtquelle mit einer bestimmten Farbtemperotur -0 meistens ca. 3200 K - bestrahlt
wird, Diese Fläche wird durch das Aufnahmeobjektiv auf die drei Bildaufnahmeröhren
der Farbfernsehkamera projiziert. Das Verhältnis der drei so entstandenen, bzw.
eingestellten Signalströme ist u.a das Mass für die richtige weitere Farbwiedergabe
dieser Szene Soll nun diese Einstellung mit Hilfe eines Testprojektors geschehen,
ist es erforderlich, dass auch hier die drei 3ildaufnahmeröhren gleiche Signalströme
liefern, wie bei der Aufnahme durch das Objektiv. Da jedoch die Lichtquelle eines
kleinen Testprojektors normalerweise keine Farbtemperatur von ca.
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0 3200 K abstrahlen kann, und da die Spektraltransmission eines kleinen
Projektionsobjektivs sowieso ander-s ist als die eines grossen Aufnahmeobjektivs,
ist es erforderlich, mit anderen Mitteln dafür zu sorgen, dass das gewünschte Verhältnis
der drei Signalströmeg bzw. die gew7jnschte Lichtfarbe, zustande kommt.
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Dies geschieht erfindungsgemäss so, dass mit Hilfe eines geeigneten
Konversionsfilters 8 zunächst die in der Regel niedrigere Farbtemperatur einer Glühlampe
etwa auf die geforderte Farbtemperatur gebracht wird. Danach wird durch Änderung
der Versorgungsspannung der Lichtquelle 1 das gewünschte Verhältnis von zunächst
zwei Kanälen eingestellt, beispielsweise für Grün
und Rot. Dabei
ist es vorteilhaft, so vorzugehen, dass der dritte Kanal, in diesem Beispiel Blau1
immer einen stärkeren Signalstrom liefert, als gewünscht, Durch ein geeignetes Spektralfilter
7 wird dann von diesem dritten Signal so viel gefiltert, dass auch der Signal strom
in diesem Kanal in das richtige Verhältnis zu den beiden anderen, vorher eingestellten
Signalströmen, gebracht wird.
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Die Kantenfilter, in dem gewählten Beispiel auch Langpassfilter genannt,
haben die Eigenschaft, dass sie mit einer steilen Kante das kurzwellige Teil des
Spektrums sperren und das langwellige durchlassen. Da es auf dem Markt eine ganze,
fein abgestufte Reihe von diesen Kanten filtern gibt, ist es leicht, ein Filter
auszusuchen, welches gerade die notwendige Menge des Lichts abschneidet. Genügt
die Abstufung der marktüblichen Filter nicht zu einer genauen Abschneidung der unerwünschten
Lichtmenge in dem betrffenden Kanal, kann man durch die Wahl der Dicke des am nächsten
liegenden Filters eine feinere Abstufung erzielen.
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Sind die drei Signalströme in das richtige Verhältnis gebracht, wird
der Gesamtpegel, d. h. die gewünschte Beleuchtungsstärke auf den drei Bildaufnahmeröhren
erfindungsgemäss durch die regelbare Blende 5, bzw. 21 eingestellt. Dieses kann
jedoch auch früher geschehen, z.B, während der oben beschriebenen Einstellung der
Signalstromverhältnisse.
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Einmal eingestellt, bleibt die Lichtfarbe im ganzen Beleuchtungsstärkebereich
konstant.
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In der Einrichtung nach der Erfindung ist es weiter möglich, dass
in dem Strahlengang zwei Kantenfilter angeordnet sind,
eines zum
Abschneiden des kurzwelligen, das andere zum Abschneiden des langwelligen Teiles
des Spektrums, wobei die Versorgungsspannung der Lichtquelle 1 noch zusätzlich einstellbar
ausgeführt werden kann.
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Es ist erfindungsgemäss nicht unbedingt notwendig, dass im Strahlengang
ein Konversionsfilter 8 angeordnet ist.
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Mit der Einrichtung nach der Erfindung ist es möglich, praktisch jede
Lichtfarbe einzustelLen, die bei den unterschiedlichsten Objektivtypen und Szenenbeleuchtungen
vorkommt.
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In Fig. 2 sind Alternativlösungen einzelner Baugruppen der erfindungsgemdssen
Einrichtung gezeigt Die Darstellung ist so zu verstehen, dass die im folgenden beschriebenen
Alternativlösungen einzeln, bzwç kombiniert gegen entsprechende, in Fig. 1 gezeigte
Baugruppen ausgetauscht werden können. So kann z.B. in der erfindungsgemässen Einrichtung
anstelle des Hohlspiegels 2 ein anderer Hohlspiegel 9, dem eine Sammellinse 10 nachgeschaltet
ist, verwendet werden. Es ist weiter möglich, dass der Eintrittsöffnung 4 der Lichtmischkammer
3 eine optische Linse 11, z.B. Zerstreuungslinse, vorgeschaltet ist. Anstelle der
Zerstreuungslinse kann auch eine Sammellinse angeordnet werden. In diesem Falle
müsste das Bild der Lichtquelle jedoch vor der Sammellinse liegen und nicht, wie
bei der Zerstreuungslinse1 hinterher.
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Eine andere Alternativlösung besteht erfindungsgemäss z.B.
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darin, dass der Lichtstrom der Lichtquelle 1 mittels eines an und
für sich bekannten und hier nicht näher dargestellten
Regelkreises
14 konstant gehalten wird, wobei die regelbare Blende 21 zur Einstellung des Lichtpegels
separat steuerbar ist. Der Regelkreis 14 erhält seine Informationen von einem Fotoempfänger
22, der so angeordnet sein mussr dass auf ihn kein von der regelbaren Blende 21
beeinflusstes Licht fällt.
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Ferner kann anstelle einer direkten und diffusen Beleuchtung eines
Testdias 23, wie dies in Fig. 1 dargestellt ist, der Lichtmischkammer 3 erFindungsgemäss
ein Kondensor 13 nachgeschaltet werden, wie es die Fig. 2 zeigt. Diese Anordnung
hat den Vorteil, dass die Lichtmischkammer 3 kleiner und die Lichtausbeute grösser
werden kann.
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Mit der Erfindung wird eine Beleuchtungseinrichtung eines Testprojektors
für Farbfernsehkameras geschaffen, die in der Lage ist, bei einstellbarer Lichtfarbe
und regelbarer Leuchtdichte ein hohes Mass an Homogenität sowohl in Farbe, als auch
im Pegel zu gewährleisten0 Gleichzeitig wird eine hohe Stabilität der jeweiligen
Beleuchtungsstärke auf den Bildaufnahmeröhren nicht nur gleich nach dem Einschalten
des Systems, sondern auch unter extremen Umweltbedingungen erreicht, Dabei ist die
erfindungsgemässe Einrichtung sehr einfach, kompakt und leicht, sodass sie auf kleinstem
Raum unterzubringen ist0 Der wesentlichste Vorteil wird darin gesehen, dass bei
konstanter Apertur des Projektionsobjektivs und gleichbleibender Lichtfarbe die
Beleuchtungssturke auf den Bildaufnahmeröhren im Bereich von Null bis zu ca. loo
lx kontinuierlich geregelt werden kann, wobei die Leistungsaufnahme der Lichtquelle
deutlich unter ca, 10 W liegen kann.
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1 Lichtquelle 2 Hohlspiegel 3 Lichtmischkammer 4 Eintrittsöffnung
5 regelbare Blende 6 Re3elreis 7 Spektralfilter 8 Konversionsfilter 9 Hohlspiegel
lo Sammellinse 11 optische Linse 12 Austrittsöffnung 13 Kondensor 14 Regelkreis
15 Projektionsobjektiv 16 Aufnahmewinkel 17 optische Achse 18 Bildebene 19 Fotoempfänger
20 Achse 21 regelbare Blende 22 Fotoempfänger 23 Testdia