DE3340759A1

DE3340759A1 - Farbtrennfilter

Info

Publication number: DE3340759A1
Application number: DE19833340759
Authority: DE
Inventors: Saburo Mobara Chiba Nobutoki
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 1982-11-10
Filing date: 1983-11-10
Publication date: 1984-05-10
Also published as: KR840006900A; FR2535856A1; DE3340759C2; JPS5986388A

Description

BESCHREIBUNG

Die Erfindung betrifft ein Farbtrennfilter, insbesondere ein verbessertes Färbtrennfilter für eine Farbfernsehkamera mit einer Aufnahmeröhre.

Im allgemeinen weist eine Farbfernsehkamera mit einer einzigen Aufnahmeröhre ein Streifenfarbtrennfilter auf, dessen Filterelemente aus gelbem Licht als Komplementär-

"LQ farbe zur räumlichen Modulation von blauem Licht, und dessen cyanfarbige (blaugrüne) Filterelemente als
Komplementärfarbe für die räumliche Modulation von
rotem Licht dienen, wobei ein projiziertes Bild des
Filters direkt oder indirekt auf einer photoelektri-

•^5 sehen Wandlerfläche bzw. der lichtaufnehmenden Fläche der Aufnahmeröhre ausgeformt wird. Ein aus dem Projektionsbild entstehendes Ladungsbild wird mit einem
Elektronenstrahl abgetastet. Ein chromatisches oder
Farbsignal entsteht dann in Abhängigkeit vom Zeitverhältnis aufgrund der Abtastgeschwindigkeit und in Abhängigkeit vom Raumverhältnis aufgrund der Farbtrennfilterung des Ladungsbildes, wobei ein Leuchtdichteoder Hellesignai in Abhängigkeit vom Ladungsbild erzeugt wird.

Jedoch tritt bei der herkömmlichen vorstehend beschriebenen Farbfernsehkamera eine unerwünschte Periodizität eines Hellesignals aufgrund mäßiger Eigenschaften des Farbtrennfilters auf, wobei Schwebungs- oder Farbmisch-Störungen auf dem Bildschirm erscheinen und damit die Bildqualität herabsetzen.

Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, diesen herkömmlichen Nachteil zu vermeiden und ein Farbtrennfilter
zu schaffen, welches Schwebungs- oder Farbmischstörungen auf dem Bildschirm vermeidet»

Zur Durchführung der erfindungsgemäßen Aufgabe ist ein Farbtrennfilter vorgesehen, bei dem eine durchschnittliche Leuchtdichtesignalkomponente (Helle) entsprechend einer Anordnung von gelben und blaugrünen (cyan) Filterabschnitten im wesentlichen gleich ist der Leuchtdichtesignalkomponente, die einer Anordnung von grünen und weißen Filterabschnitten entspricht.

Mit dem Farbtrennfilter kann eine Hell-Dunkel-Schwebungs- IQ störung (Hell-Dunkel-Farbmischrauschen) in einem Leuchtdichte- oder Hellekanal erheblich verringert werden, wodurch sich ein Bild von hoher Güte ergibt.

Die Erfindung ist nachstehend näher erläutert. Alle in der Beschreibung enthaltenen Merkmale und Maßnahmen können von erfindungswesentlicher Bedeutung sein. Die Zeichnungen zeigen:

Figur 1 einen Grundriß von Streifenfilterelementen zur Erläuterung eines erfindungsgemäßen

Farbtrennfilters,

Figur 2 ein Kurvenbild der spektralen Durchlässigkeit als Funktion der Wellenlänge zur Erklärung eines früheren Farbtrennfilters,

Figuren Kurvenbilder der spektralen Durchlässig-3-5 keit als Funktion der Wellenlänge zur Erklärung des erfindungsgemäßen Farbtrennfilters.

Zur Erklärung des erfindungsgemäßen Farbtrennfilters werden die Funktionsgrundlagen anhand der Streifenfilterelemente der Figur 1 näher erläutert, ehe ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel beschrieben wird.

Figur 1 zeigt einen Grundriß oder eine Draufsicht der Streifenfilterelemente eines Farbtrennfliters von seiner optischen Achse her gesehen. In Figur 1 bedeuten die Bezugszeichen 1a bis 1c gelbe Streifenfilterelemente und 2a bis 2c Cyan-oder blaugrüne Streifenfilterelemente. Die gelben Streifenfilterelemente 1a bis 1c und die Cyan-Streifenfilterelemente 2a bis 2c bilden zusammen gelbe Filterabschnitte 3, Cyan-Filterabschnitte 4, grüne Filterabschnitte 5, bei denen sich die gelben ^und Cyan-Streifenfilterelemente überlappen, sowie weiße Filterabschnitte 6. Die weißen Filterabschnitte 6 modulieren keine der drei Hauptfarben. Ein solches Farbtrennfilter ist in den japanischen Patentschriften 8698/70 und 8699/70 bekanntgemacht.

Beim Farbtrennfilter mit der vorstehend beschriebenen Auslegung sind die Größen der von den Abschnitten 3,4,5 und 6 erzeugten Signale durch Ye, Cy, Gr und Wh angegeben. Ein auf Rotlicht beruhendes Farbsignal R wird mit ^{R =} Wh + Ye - Cy - Gr und ein auf Blaulicht beruhendes Signal B mit B= Wh + Cy - Ye - Gr angegeben. Ein Leuchtdichte- oder Hellesignal L ist der Durchschnittswert der Farbsignale und wird mit L = (Wh + Ye + Cy + Gr)/4 angegeben. Wenn im allgemeinen das Leuchtdichtesignal eine Periode aufweist, die gleich ist oder kleiner als die waagerechte Periode eines Mosaikbildes, das von den Abschnitten 3,4,5 und 6 dargestellt wird, ist nach dem Funktionsprinzip einer Farbfernsehkamera mit nur einer einzigen Aufnahmeröhre keine Auflösung erforderlich. Es treten jedoch häufig Schwierigkeiten im Zusammenhang mit einer Langperiodizität des Mosaikbildes bei der praktischen Ausführung der vorstehend beschriebenen Bauart des Farbtrennfilters auf, wodurch Farbmisch- oder - Überlagerungsstörungen entstehen. Aus Gründen der Einfachheit sei nun angenommen, daß eine Anordnung mit den Abschnitten

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3 und 4 sowie eine Anordnung mit den Abschnitten 5 und 6 im Mosaikbild parallel zur waagerechten Abtastrichtung liege, und daß ein n.Abtastelektronenstrahl über die Anordnung der Abschnitte 3 und 4 in Verlängerungsrichtung dieser Anordnung laufe. Dann erstreckt sich die Anordnung mit den Abschnitten 3 und 4 in Richtung des Pfeiles A11 (strichpunktierte Linie) und die Anordnung mit den Abschnitten 5 und 6 in Richtung des Pfeiles A21/ der die Anordnungen in Richtungen der Pfeile A12 und A22 folgen, so daß eine Periodizität mit der Periode P in senkrechter Richtung auftritt. Diese Periodizität ist länger als die Periodizität in waagerechter Richtung und vergleichbar mit dem Bereich der Auflösung der Leuchtdichte. Damit ergibt die Differenz zwischen den Leuchtdichtestärken in den Richtungen A11 und A21 ein welliges Ausgangssignal. Im einzelnen wird das wellige Ausgangssignal L„ als Differenz zwischen dem Leuchtdichtesignal

ix

L₁ = (Cy + Ye)/2 dargestellt, das der Anordnung der Abschnitte 3 und 4 entspricht und ein der Anordnung der Abschnitte 5 und 6 entsprechendes Leuchtdichtesignal L„ = (Wh + Gr)/2 dargestellt. Diese Differenz erscheint als Farbmisch- oder Farbüberlagerungsstörung auf dem Bildschirm. Wo außerdem die Richtungen A11, A21, A12, A22 ... im wesentlichen mit der waagerechten Abtastrichtung zusammenfallen, bewirkt die Periodizität der Ladung eine periodische Ablenkung des Elektronenstrahls in Abhängigkeit von der waagerechten Abtastung, wenn der Elektronenstrahl auf der photoelektrischen Umwandlungsschicht auftrifft, wodurch wegen der unregelmäßigen Ober- flächenspannung eine fehlerhafte Rasterpaarigkeit und ein fehlerhafter Crawl-Effekt entstehen. Eine Untersuchung der Ausgangswelligkeit ergab, daß die Eigenschaften des früheren Farbtrqnnfilters nicht vollständig sind. Im einzelnen zeigt die Figur 2 die Beziehung zwischen der optischen Durchlässigkeit und der Wellenlänge des früheren Farbtrennfilters, woraus folgt, daß im Bereich WR1

der kürzeren Wellenlängen die folgende Gleichung nicht gilt:

worin W^ die durch die Kurve I. dargestellte Spektraldurchlässigkeit für Weiß, G^t die durch die Kurve I_
dargestellte Spektraldurchlässigkeit für Grün, C^_x die durch die Kurve I₁ dargestellte Spektraldurchlässigkeit

IQ für Cyan und Y^ die durch die Kurve I~ dargestellte
Spektraldurchlässigkeit für Gelb ist, wobei jedoch das linke Glied größer ist als das rechte und außerdem die Kurve I- von der Kurve I„ abweicht. Diese Ungleichheit und Abweichung erzeugen das wellige Ausgangssignal oder

IQ die Ausgangswelligkeit. Selbst bei den früheren Eigenschaften wird die Erzeugung der Ausgangswelligkeit im
Wellenlängenbereich WR2 unterdrückt.

Die Erfindung wird nachstehend im einzelnen anhand der 2Q Figuren 3 bis 5 beschrieben.

Die Signal Cy, Ye, Wh und Gr werden wie folgt dargestellt:

Cy = £1 O_A-C_A-S*

Wh

Gr

A=Ao

BAD ORfGiNAL

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worin S^ das Produkt der Spektralenergie der Lichtquelle von entsprechenden Wellenlängen im Bereich zwischen X>~ bis % , der Farbempfindlichkeit, der lichtaufnehmenden Fläche und der Komponenten der spektralen Durchlässigkeit ohne diejenigen des Farbtrennfilters ist; C « , Y^_-/ W^und Gp^, sind Komponenten der spektralen Durchlässigkeit des Farbtrennfilters; O^ ist der spektrale Reflektionsfaktor eines zu photographierenden Gegenstandes. Daher können die Leuchtdichtesignale L₁ und L- wie folgt geschrieben werden:

Υ_λ)/2 _{2 AA} G_A)/2

Um die Ausgangswelligkeit zu beseitigen, muß die folgende Gleichung erfüllt werden: C \ + Yp^ *s W^+ G^ (d.h., der Mittelwert aus einer Kombination von Cyan- und Gelbkomponenten ist gleich dem der Kombination von Weiß- und Grünkomponenten), wenn ein Filter benützt wird, bei dem die Gelbfilterelemente die Cyanfilterelemente kreuzen oder, wenn ein Mosaikfilter aus gelben, Cyan τ grünen und weißen Elementen verwendet wird.

Um im wesentlichen das vorstehende Ergebnis zu erreichen, gibt es normalerweise die vier folgenden Anordnungen :

1. Der weiße Filterabschnitt 6 (Figur 1) weist im wesentlichen dieselbe Spektraldurchlässigkeitskurve (Figur 3) auf wie eine obere Hüllkurve (gegeben durch die Punkte a- a_ und a_),dargestellt durch eine spektrale Durchlässigkeitskurve 7 (gegeben durch die Punkte b., b„, a„ und a_) des Gelbfilterabschnittes 3 (Figur 1) und eine spektrale Durchlässigkeitskurve 8

(gegeben durch die Punkte a.., a₂, fc>₃ und b.), während der Grünfilterabschnitt 5 dieselbe Spektraldurchlässigkeitskurve wie eine untere Hüllkurve aufweist, die durch die Punkte b.., b„, a», b_ und b, angegeben ist.

2. Wenn der Gelbfilterabschnitt 3 (Figur 4) eine Spektraldurchlässigkeitskurve {d„, d₂, d_, d., c. und Cr) und der Cyan-Filterabschnitt 4 eine Spektraldurchlässigkeitskurve (C₁, C₂, d., dg, d_ und dg) aufweisen, dann muß der Weißfilterabschnitt 6 eine Spektraldurchlässigkeitskurve (C₁, c„, c-,, c. und C₅) besitzen, die über einer oberen Teilhüllkurve (C₃, d, und C₄) der Spektraldurchlässigkeitskurven der Gelb- und Cyanfilterabschnitte 3 und 4 liegt, bezogen auf jede Wellenlänge, die in den Bereich von ^₁ bis ^L₂ fällt. Unter der gleichen Bedingung muß das Grünfilter 5 eine Spektraldurchlässigkeitskurve (d.,, d,- und d_fi) aufweisen, die unter der unteren Teilhüllkurve (d_, d. und d_fi) der spektralen Durchlässigkeitskurven des Gelb- und Cyanfilterabschnittes 3 und 4 liegt, bezogen auf jede Wellenlänge, die in den Bereich zwischen A< und Α>^~ fällt. Gleichzeitig erfüllen die spektralen Durchlässigkeitskurven im Bandbreitenbereich von ^₁ bis Ol^) die Bedingung

3. Wenn der Gelbfilterabschnitt 3 (Figu'r 5) eine Spektraldurchlässigkeitskurve (f.., f₂, f^, £~, fg, f_, e₅ und e,) und der Cyanfilterabschnitt 4 eine Spektraldurchlässigkeitskurve (e.. , e₂r e^., e., f_, f„, f_ und f_in) aufweisen, besitzt der Weißfilterabschnitt 6 eine spektrale Durchlässigkeitskurve (^, und -^₄) die unterhalb einer oberen Teilhüllkurve (e₂, e₃ und e.) der spektralen Durchlässigkeitskurven der Cyan- und Gelbfilterabschnitte 3 und 4 liegt, bezogen

auf jede in den Bereich zwischen ^L und !X fallende Wellenlänge, sowie eine spektrale Durchlässigkeitskurve (·£. und-tf ) , die über einer oberen Teilhüllkurve (-^j, f und e,-) der spektralen Durchlässigkeitskurven der Cyan- und Gelbfilterabschnitte 4 und 3 liegt, bezogen auf jede Wellenlänge, die in den Bereich zwischen J^. und Xsc fällt. Zur gleichen Bedingung muß der Grünfilterabschnitt 5 eine Spektraldurchlässigkeitskurve (f_, f.

und f _r) aufweisen, die über einer unteren Teilhüllkurve ο

•£Q (f.-, f,- und f ) der spektralen Durchlässigkeitskurven der Gelb- und Cyanfilterabschnitte 3 und 4 liegt, bezogen auf jede Wellenlänge die in den Bereich zwischen CU, und /*■*, fällt, sowie eine spektrale Durchlässigkeitskurve (f, und f_o), die unter einer unteren Teilhüllkurve ο ο

I^ (fg, f_ und fg) der spektralen Durchlässigkeitskurven der Gelb- und Cyanfilterabschnitte 3 und 4 liegt, bezogen auf jede Wellenlänge, die in den Bereich zwischen %.. und %- fällt. Gleichzeitig muß im Bereich zwischen ^ ^und ^c ^die Bedingung W- - C„ = Y,- ~ ^G ι erfüllt sein.

^₀ Die durch die Punkte 2 und 3 oben gegebenen Bedingungen sind gemischt. Beim Entwurf eines Farbtrennfilters bieten sich zwei Möglichkeiten an: Ein Film- oder Schichtfilter, das sich der Interferenz einer dünnen optischen Schicht bedient und ein Filter, das eine Einfärbung (z.B. einen Farbstoff oder ein Pigment) durch Lichtabsorption verwendet. Bei dieser Art von Filtern werden Allzweckfarbfilter in Großserie gefertigt, wobei Filme oder Dünnschichten aus organischem Harz mit einem organischen Farbstoff eingefärbt werden. Jedoch die spektrale Durchlässigkeitscharakteristik des Farbfilters dieser Bauart eignet sich nicht für die Farbwiedergabe beim Farbfernsehen» Vor allem weist das gefärbte Filter eine niedrige spektrale Durchlässigkeit des Cyanfilteranteils in einem Kurzwellenbereich auf, und der Grünfilterabschnitt ergibt

sich meist durch eine Überlappung zwischen den Cyan- und Gelbfilterelementen. Daraus ergibt sich eine zusammenhängende Spektraldurchlässigkeitskurve, so daß eine Charakteristik wie die der Figur 4 erzeugt wird. Außerdem bleibt die Absorptionskurve des Cyanfilterelements beim organischen Filter auf einen verhältnismäßig kurzwelligen Bereich angesiedelt, wodurch die Farbwiedergabe verschlechtert wird. Um dies zu verhindern, wurde vorgeschlagen, anstelle des Weißfilteranteils einen magentaroten Filteranteil zu verwenden, der einen Teil des Grünlichts im relativ langwelligen Band absorbiert, wie es in der japanischen Patentschrift Nr. 85009/82 bekanntgemacht wurde. Allgemein gesagt, weist das Magentafilterelement eine Teilabschirmcharakteristik auf, die zum Teil das Wellenlängenband und das Lichtband von mindestens einer der drei Hauptfarben abschirmt. Diese Kurve ist in Figur 2 dargestellt und weist die vorstehend beschriebenen Nachteile auf.

Um im wesentlichen die Bedingung W^ in dem in Figur 4 gezeigten Fall herzustellen, ist eine Fläche (d_, d,., d , d. und d , die durch die untere Teilhüllkurve (d^, d, und d,) der Spektraldurchlässigkeitskurven der Gelb- und Cyanfilterabschnitte 3 und und der (d~, d,- und d,) des Grünfilterabschnittes 5

J Z) D

gebildet wird, im wesentlichen gleich einer Fläche (Cp, ä., c., d₃ und C₃), die durch die obere Teilhüllkurve (c^, d₄ und C-) der Spektraldurchlässigkeitskurven für den Gelb- und Cyanfilterabschnitt 3 und 4 sowie durch die spektrale Durchlässigkeitskurve (c-, c, und c») des weißen Filterabschnitts 6 gebildet wird. Außerdem kann die vorstehend erwähnte Flächengleichheit im Bereich zwischen JX* und <^-„ durch Bewerten der Fläche mit der Farbempfindlichkeit der Kameraröhre hergestellt werden, wodurch sich eine erhebliche Wirkung ergibt.

BAD ORIGINAL

Bei einem Experiment im Bereich zwischenΛ-> und S^> (beispielsweise 400 bis 700 nm) wurde eine erhebliche Verbesserung beim Photographieren eines weißen Gegenstandes erzielt, als ein Verhältnis des durchschnittlichen Leuchtsignalpegels L = (Wh + Ye + Cy + Gr)/4 zum Pegel der Ausgangswelligkeit L_. = L ^n/ L„ =

I (Wh + Gr) r^> (Cy + Ye)J /2 etwa 1,0 bis 1,2 % betrug. Wurde jedoch das Verhältnis auf 1,5 % oder mehr erhöht, so verschlechterte sich die Bildqualität.

Es ergab sich vorzugsweise, daß das Verhältnis in der Praxis nicht größer als 3 % war, als rote, blaue, grüne, cyan, magentarote und gelbe Färbspalten (mit der Breite einer halben Wellenlänge in der Signalverteilung, d.h. ein bildformender Wellenlängenbereich von 60 bis 70nm) als Bezugsfarbbalken photographiert wurden, um die Farbwiedergabe des Farbfernsehens zu bewerten. Die Wahl des bildgebenden Wellenlängenbereiches scheint eine Sache der Entwurfsauslegung zu sein, jedoch in den vorstehenden Ausführungsbeispielen wurde bestätigt, daß 60 bis 70 nm für die Praxis bei Allzweckfernsehkameras einwandfreie Werte sind.

Da sich die wirksame spektrale Durchlässigkeit des Cyan- oder Gelbfilters (d.h. die spektrale Durchlässigkeit bezogen auf die eines Nichtfilterabschnittes) verändern kann, kann die Farbwiedergabetreue einer Farbfernsehkamera zum Trennen von Komplementärfarben wie Cyan und Gelb verbessert werden. Beispielsweise (Figuren 3 und 5) wird die Wiedergabefähigkeit von Rot durch die halbe Breite der Wellenlänge der Cyanwelle bestimmt. Wenn die Breiten der Halbwellenlängen aus den Figuren 3 und 5 miteinander verglichen werden, so ist die Breite der halben Wellenlänge der Figur 2 eine Wellenlänge, bei welcher die Spektraldurchlässigkeit

des Cyanfilterabschnittes auf die Hälfte herabgesetzt ist, während die Durchlässigkeit des Weißfilters im wesentlichen konstant bleibt. Der Weißfilterabschnitt nach Figur 5 weist in einem Mittelteil eine verhältnismäßig niedrige Spektraldurchlässigkeit auf (grünes Band mit einer ziemlich langen Welle), während die Breite der halben Wellenlänge des Cyanfilterabschnittes zur langwelligen Seite hin verschoben wird. Ohne somit den Rotsignalpegel besonders abzusenken, kann daher die Breite der halben Wellenlänge verschoben werden und damit die Farbwiedergabetreue verbessert werden.

Bei den vorstehenden Ausführungsbeispielen wird das Färbtrennfilter eines Trägerwellensystems angenommen, bei dem in der waagerechten Abtastrichtung nur ein einziger Filterschritt gegeben wird. Die Erfindung ist jedoch nicht auf die vorstehende Anordnung begrenzt. Beispielsweise kann ein Farbfilter des Zweiträgerwellensystems nach der US-Patentschrift Nr.3 291 901 eingesetzt werden, um die gleiche Wirkung wie bei den vorstehenden Ausführungsbeispielen zu erzielen. Wie erwähnt, kann das erfindungsgemäße Farbtrennfilter die Erzeugung von Farbmisch- oder Überlagerungsstörungen auf Leuchtdichtekanälen erheblich unterdrücken, wodurch sich Bilder hoher Qualität ergeben.

BAD ORfGINAL

Claims

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PATENTANSPRÜCHE

Farbtrennfilter für eine Farbfernsehkamera mit nur einer Aufnahmeröhre, das ein Mosaikbild aus Cyan-Gelb-, Weiß- und Grünfilterelementen aufweist, dadurch gekennzeichnet, daß eine Summe von Werten entsprechend den Wellenlängen der spektralen Durchlässigkeit der Cyan- und Gelbfilterelemente im wesentlichen gleich ist der Summe von Werten entsprechend den Wellenlängen der spektralen Durchlässigkeit der Weiß- und Grünfilterelemente in einem bilderzeugenden Wellenlängenbereich eines Gegenstandes (CA +YA= WA + GX).
2. Farbtrennfilter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß eine Differenz zwischen einer Summe aus Cyan- und Gelbsignalpegeln und einer Summe aus Grün- und Weißsignalpegeln innerhalb des bilderzeugenden Wellenlängenbereiches zusammengefaßt im wesentlichen : Null ergibt.
3. Farbtrennfilter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Weißfilterelement durch ein Filterelement ersetzt wird, das eine Teilabschirmcharakteristik aufweist, wodurch es das Wellenlängenband und die Lichtenergie von mindestens einer der drei Hauptfarben teilweise abschirmt.
4. Farbtrennfilter nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Weißfilterelement durch ein Filterelement mit einer Teilabschirmcharakteristik ersetzt wird, das das Wellenlängenband und die Lichtenergie von mindestens einer der drei Hauptfarben teilweise abschirmt«