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Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Festkörper-
Monochip-Farbabbildungsgerät mit einem Mosaik-
Farbfilternetz.
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Ein Farbfernseh-Empfangssystem, das die
Feldintegrationsmethode anwendet und eine CCD- (ladungsgekoppeltes
Schaltelement) oder eine MOS- (Metalloxidhalbleiter)-
Abbildungsvorrichtung aufweist, ist bereits entwickelt und
praktisch verwirklicht. Die Festkörper-Abbildungsvorrichtung
umfaßt eine große Anzahl von Photoelementen (Pixel), die in
horizontaler und vertikaler Richtung angeordnet sind. Das
Farbfernseh-Empfangssystem nach der Feldintegrationsmethode
ist so organisiert, daß für jedes Halbbild- bzw.
Feldintervall die Signale der Pixel in zwei
nebeneinanderliegenden horizontalen Zeilen gleichzeitig ausgelesen
werden. Dieses System hat den Vorteil, daß es kein Restbild
eines Feldes erzeugt, da die Signalladungen sämtlicher Pixel
für jedes Feldintervall ausgelesen werden.
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Um ein Farbbild zu erzielen, wird auf der Festkörper-
Abbildungsvorrichtung ein Längsstreifen-Farbfilternetz oder
ein Mosaik-Farbfilternetz angeordnet. Für die
Abbildungsvorrichtung eines Farbfernsehsystems mit der geforderten
hohen Auflösung wird vorzugsweise ein Mosaik-Farbfilternetz
mit hervorragender horizontaler Auflösung vorgesehen. Eine
große Anzahl von Farbfilterelementen wird nach einem
bestimmten Muster angeordnet, wobei jedes Element einem
Pixel entspricht.
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Ein bei der Feldintegrationsmethode übliches Mosaik-
Farbfilternetz besitzt Einheitsfilterarrays, die jeweils aus
2 x 4 Filterelementen bestehen. Jedes Einheitsfilterarray
besteht aus je einem oberen und einem unteren 2 x
2-Filterarray
mit der gleichen Kombination von Filterelementen. Vier
Paare zweier benachbart in vertikaler Richtung angeordneter
Farbfilterelemente sind in der Kombination von Farben
voneinander verschieden. Die
Farbempfindlichkeitscharakteristika der Farbfilterelemente des
Einheitsfilterarray sind so eingestellt, daß elektrische Farbsignale der
beiden benachbarten horizontalen Zeilen Null werden, wenn
ein Objekt mit achromatischer Farbe abgebildet wird.
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Stand der Technik ist ein Mosaik-Farbfilternetz, das aus
Farbfilterelementen der Farben Magenta (Mg), Grün (G), Cyan
(Cy) und Gelb (Ye) zusammengesetzt ist. In diesem
Zusammenhang sei auf einen Artikel mit dem Titel "A Single Chip CCD
Color Camera System Using Field Integration Mode" im "The
Journal of the Institute of Television Engineers of Japan",
Jahrgang 37, Ausgabe 10, S. 855 - 862, verwiesen. Um zu
erreichen, daß in einem Farbfilternetz mit solchen
Farbfilterelementen ein Farbsignal Cn einer Zeile N und ein
Farbsignal Cn+1 einer Zeile N+1 nach Null gehen kann, wenn
ein Objekt einer achromatischen Farbe abgebildet wird, sind
die Farbempfindlichkeitscharakteristika der
Farbfilterelemente so festgelegt, daß die durch (Ye + Mg) und (Cy + G)
im oberen 4-Pixelarray repräsentierten elektrischen Signale
den gleichen Signalpegel und die durch (Cy + Mg) und (YE +
G) im unteren 4-Pixelbereich repräsentierten elektrischen
Signale ebenfalls den gleichen Signalpegel annehmen können.
Das Filternetz besitzt eine hervorragende Auflösung.
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Wird jedoch ein spezielles Objekt ohne vertikale
Korrelation, z.B. in horizontaler Richtung verlaufende
Streifen, durch die Festkörper-Abbildungsvorrichtung mit
Mosaik-Farbfilternetz gemäß obiger Beschreibung abgebildet,
so besteht die Möglichkeit der Erzeugung eines
Falschsignals. Wird beispielsweise bei einem Objekt mit einer
horizontalen Erstreckung der Schwarz-Weiß-Grenze diese
Grenze in der Mitte zwischen dem oberen 4-Pixelarray und dem
unteren 4-Pixelarray des obengenannten Einheitsfilternetzes
fokussiert, so werden die vom oberen und unteren 4-
Pixelarray erhaltenen Farbsignale Null, wodurch kein
falsches Farbsignal entsteht. Wird die Schwarz-Weiß-Grenze
in der Mitte entweder des oberen oder des unteren 4-
Pixelarray abgebildet, so werden Farbsignalkomponenten
erzeugt, da die durch das 4-Pixelarray abgesetzten
Farbsignale bei einer solchen abgebildeten Grenze niemals
Null werden. Diese Farbsignale sind naturgemäß falsch, da
sie von einem Schwarz-Weiß-Objekt nicht erzeugt werden
dürften. Es ist zu beachten, daß das Farbfilternetz
zahlreiche Filterelemente der Komplementärfarben umfaßt.
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Ein Mosaik-Farbfilternetz, das aus Farbfiltern der
Primärfarben Grün (G), Rot (R) und Blau (B) aufgebaut ist, ist auf
diesem Fachgebiet bekannt; vergl. hierzu JP-OS Nr. 60-
125090. Im Falle des Einheitsfilternetzes mit den
Primärfarben werden die oberen und unteren 4-Pixelarrays aus G-,
G-, R- und B-Filterelementen zusammengesetzt. Bei dieser
Anordnung der Filterelemente wird selbst bei Fokussierung
einer Schwarz-Weiß-Grenze in der Mitte des 4-Pixelarray im
Gegensatz zum obengenannten Filterarray in keinem Fall ein
Falschsignal erzeugt. Darüber hinaus ist das obengenannte
Filterarray mit Komplementärfarben in Bezug auf die
Auflösung dem Filterarray mit Primärfarben überlegen.
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Das zuletzt genannte Filterarray ist jedoch, wie nachstehend
ausgeführt, mit einem Nachteil behaftet. Eine
Basisbandkomponente eines horizontalen Abtastsignals setzt ein
Helligkeitssignal Y ab. Die Formel dieser
Basisbandkomponente ist nachstehend angegeben, wobei nur die Anzahl
der verwendeten Filterelemente berücksichtigt sind.
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Y = 1/2{(1/2)R + G + (1/2)B)}
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Aus den relativen Farbempfindlichkeitskennwerten der R-, G-
und B-Filterelemente sowie der Abbildungsvorrichtung ergibt
sich ein Verhältnis der die Filterelemente passierenden und
von der Abbildungsvorrichtung abgegebenen Lichtenergiemengen
zu
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R : G : B = 1 : 0,9 : 0,5
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Unter Berücksichtigung der Farbempfindlichkeitskennwerte
wird nachstehend die Berechnung für Y' angegeben, so daß das
Helligkeitssignal Eins wird, wenn R = G = B = 1 in
elektrischen Signalen vorliegt.
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Y' = (1/0,825) [0,25R + (0,9 x 0,5)G
+(0,5 x 0,25)B)]
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= 0,303R + 0,545G + 0,152B
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Das Helligkeitssignal Ys des Standard-Farbfernsehsystems
ergibt sich zu
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Ys = 0,30R + 0,59G + 0,11B
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Für das vom Farbfilternetz mit Filterelementen der
Primärfarben abgegebene Helligkeitssignal bedeutet dies, daß die
grüne Lichtkomponente, auf die das menschliche Auge am
empfindlichsten reagiert, kleiner ist als im Standard-
Helligkeitssignal, wodurch eine grüne Farbe etwas dunkler
wiedergegeben wird.
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Aus IEEE Transactions on Electron Devices, Band ED-32,
Ausgabe 8 vom August 1985, Seiten 1402 - 1406 (Takemura et al)
ist ein Farbfilternetz für ein Monochip-Farbfernseh-
Empfangssystem bekannt, das die Feldintegrationsmethode
anwendet und folgendes umfaßt:
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In Spalten und Zeilen angeordnete Einheitsfilternetze oder
-arrays, die jeweils acht in zwei Spalten und vier Zeilen
angeordnete Farbfilterelemente, ein oberes Filterarray aus
vier Filterelementen und ein unteres Filterarray aus vier
Filterelementen aufweisen, die zusammen jedes der
Einheitsfilterarrays mit gleicher Kombination von
Farbfilterelementen bilden; wobei die vier Paare von zwei benachbarten
Farbfilterelementen zusammen jedes der Einheitsfilterarrays
mit gleicher Kombination von Farbfilterelementen bilden, von
denen jedes Paar Teil einer der Spalten ist, die in der
Kombination von Farben voneinander verschieden sind; und
wobei zwei benachbarte Farbfilterelemente, die jede Zeile
bilden, zwei verschiedene Farben aufweisen.
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Eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, ein
verbessertes Farbfernseh-Empfangssystem mit einem Monochip-
Abbildungsgerät bereitzustellen, das nach der
Feldintegrationsmethode zu arbeiten vermag.
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Eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht
darin, ein verbessertes Farbfernseh-Empfangssystem mit einem
Monochip-Abbildungsgerät bereitzustellen, das nach der
Feldintegrationsmethode zu arbeiten vermag, in der Lage ist, die
Erzeugung von falschen Farbsignalen zu verhindern und über
ein hervorragendes Auflösungsvermögen verfügt.
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Eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht
darin, ein verbessertes Farbfernseh-Empfangssystem mit einem
Monochip-Abbildungsgerät bereitzustellen, das nach der
Feldintegrationsmethode zu arbeiten vermag und in der Lage ist,
eine grüne Farbe hell wiederzugeben, ohne dadurch die
Fähigkeit zu beeinträchtigen, die Erzeugung eines falschen
Farbsignals zu verhindern, und das über ein hervorragendes
Auflösungsvermögen verfügt.
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Demzufolge sieht die Erfindung ein Mosaik-Farbfilternetz
vor, wie es in Anspruch 1 definiert ist.
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Die vorliegenden Erfindung wird anhand der folgenden
ausführlichen Beschreibung in Zusammenhang mit den
beiliegenden Zeichnungen weiter verdeutlicht; es zeigen:
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Fig. 1 ein Mosaik-Farbfilternetz gemäß einer
Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
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Fig. 2 ein Blockdiagramm einer elektrischen Schaltung
eines Monochip-Farbfernseh-Empfangssystems mit dem
Farbfilternetz gemäß der vorliegenden Erfindung;
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Fig. 3 die relativen Farbempfindlichkeitskennwerte der im
Farbfilternetz gemäß Fig. 1 verwendeten
Farbfilterelemente; und
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Fig. 4 ein Mosaik-Farbfilternetz gemäß einer weiteren
Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
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Bei einem in Fig. 2 dargestellten Farbfernseh-Empfangssystem
gemäß der vorliegenden Erfindung besteht Festkörper-
Abbildungsvorrichtung 1 beispielsweise aus einem CCD-Chip
und wird in einem Feldintegrationsmodus gesteuert. Auf der
Lichteinfallsfläche des CCD-Chips ist ein
Mosaik-Farbfilternetz angeordnet.
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Innerhalb des Mosaik-Farbfilternetzes sind eine große Anzahl
von Farbfilterelementen in Spalten und Zeilen angeordnet,
wobei jeweils einem ein Pixel des CCD entspricht und wobei
zu beachten ist, daß die Farbfilterelemente von 2 Spalten x
4 Zeilen jeweils als ein Einheitsfilterarray in horizontaler
und vertikaler Richtung orientiert sind. Im
Einheitsfilterarray sind die Filterelemente der Farben Grün (G) und Cyan
(Cy) in der ersten Zeile, die Filterelemente der Farben Grün
(G) und Rot (R) in der zweiten Zeile, die Filterelemente der
Farben Grün (G) und Cyan (Cy) in der dritten Zeile und die
Filterelemente der Farben Rot (R) und Grün (G) in der
vierten Zeile angeordnet. In diesem Einheitsfilterarray
weisen das obere und untere 2 x 2-Pixel-Filterarray die
gleiche Kombination von Farben auf wie bekannte
Farbfilterarrays. Die vier Paare zweier vertikal benachbarter
Farbfilterelemente sind in der Kombination von Farben
voneinander verschieden. Jedes Paar zweier in horizontaler
Richtung benachbarter Filterelemente weist verschiedene
Farben auf.
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Ein Ausgangssignal von Abbildungsvorrichtung 1 wird über
Gammakorrekturschaltung 2 an Tiefpaßfilter 3 und
Bandpaßfilter 5 angelegt. Tiefpaßfilter 3 verfügt über einen
Frequenzgang zum Extrahieren einer
Helligkeitssignalkomponente oder einer Basisband-Signalkomponente Y aus dem
Ausgangssignal der Abbildungsvorrichtung 1; Bandpaßfilter 5
verfügt über einen Frequenzgang zum Extrahieren von
Farbsignalkomponenten oder modulierten Signalkomponenten. Der
Frequenzgang von Bandpaßfilter 5 hängt von der Pixeldichte
der Abbildungsvorrichtung 1 ab.
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Ein Ausgangssignal von Tiefpaßfilter 3 wird an den
Farbcodierer 4 und ein Ausgangssignal, d.h.
Farbsignalkomponenten, von Bandpaßfilter 5 wird an Synchrondetektoren
6 und 7 angelegt, wo die Demodulierung der
Farbsignalkomponenten erfolgt. Die Ausgangssignale von Detektoren 6
und 7 werden in Weißabgleichsschaltungen 8 bzw. 9
eingespeist. Ein Teil der Helligkeitssignalkomponente Y aus
Tiefpaßfilter 3 wird in Weißabgleichsschaltungen 8 und 9
injiziert, wodurch die Farbsignalkomponenten Null werden,
sobald ein achromatisches Objekt abgebildet wird. Die
Ausgangssignale der Weißabgleichsschaltung 8 bzw. 9 werden
über Tiefpaßfilter 10 und 11 an 1H Kanalschalter 12
angelegt, der seinerseits gleichzeitige Farbsignale an
Farbcodierer 4 anlegt. Farbcodierer 4 spricht auf die
Helligkeitssignalkomponente und zwei Farbsignalkomponenten
an, um ein Standard-Farbfernsehsignal, z.B. das NTSC-
Fernsehsignal, zu erzeugen.
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In der so aufgebauten Abbildungsvorrichtung wird ein durch
eine nicht dargestellte Objektlinse einfallendes optisches
Bild mittels des obengenannten Mosaik-Filternetzes auf
Photoelemente im CCD-Chip abgebildet. Abbildungsvorrichtung
1 wird durch einen nicht dargestellten Steuerimpulsgenerator
angesteuert, um ein elektrisches Signal des entsprechenden
Pixels durch eine ladungsgekoppelte Übertragung abzusetzen.
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Ein horizontales Videosignal Sn aufgrund der Abtastung einer
Zeile N nach Fig. 1 berechnet sich wie folgt:
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Sn = 1/2(2G + R + Cy)
+ 4/π G sinωt - 2/π (R + Cy) sin ωt
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= 1/2 (2G + R + Cy) + 2/π {2G - (R + Cy)} sin ωt
... (1)
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Dabei ist eine räumliche Kreisfrequenz, die von der
Pixeldichte der Abbildungsvorrichtung bestimmt wird.
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Das erste bzw. zweite Glied der Gleichung (1) des
Ausgangssignals Sn des CCD beschreiben eine Helligkeitskomponente in
Form eines Basisbandsignals bzw. eine modulierte
Farbsignalkomponente.
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Ein Ausgangssignal Sn-1 in Zeile N-1 ergibt sich zu
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Sn-1 = (1/2) (2G + R + Cy)
+ (2/π) {(G + R) - (G +Cy)}sinωt
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= (1/2) (2G + R + Cy)
+ (2/π) (R - Cy)sinωt ... (2)
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Die Helligkeitssignalkomponente
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Y = (1/2) (2G + R + Cy)
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wird durch Tiefpaßfilter 3 abgespalten und an Farbcodierer 4
angelegt. Die Farbsignalkomponente
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(2/π) {(2G - (R + Cy)}
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des Videosignals von Zeile N wird durch Synchrondetektor 6
erfaßt, während andererseits die Farbsignalkomponente
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(2/π) (R - Cy)
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von Zeile N-1 von Synchrondetektor 7 erfaßt wird.
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Die erkannten Farbsignalkomponenten werden an
Weißabgleichsschaltungen 8 und 9 angelegt. Weißabgleichsschaltungen 8 und
9 injizieren einen Anteil der Helligkeitssignalkomponente an
die Ausgangssignale von Detektoren 6 und 7, so daß der
durchschnittliche Pegel der Farbsignalkomponenten Null wird,
wenn ein Objekt achromatischer Farbe abgebildet wird. Dies
bedeutet im einzelnen, daß Weißabgleichsschaltung 8 die
Helligkeitssignalkomponente Y so injiziert, daß der
durchschnittliche Pegel von Farbsignalkomponenten 2G und R +
Cy für das achromatische Objekt Null wird. Andererseits
injiziert Weißabgleichsschaltung 9 die
Helligkeitssignalkomponente so, daß der Durchschnittspegel der
Farbsignalkomponenten R und Cy Null wird. Für das Helligskeitssignal
ist ein bestimmter Injektionsbetrag voreingestellt, so daß
der durchschnittliche Pegel der Farbsignalkomponenten zum
Zeitpunkt des Weißausgleichs Null wird.
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Die Ausgangssignale der Weißabgleichsschaltungen 8 bzw. 9
werden durch Tiefpaßfilter 10 und 11 an 1H Kanalschalter 12
übergeben. Dadurch werden die Farbsignalkomponente 2G -
(R+Cy) von Zeile N und die Farbsignalkomponente R - Cy von
Zeile N-1 gleichzeitig an Farbcodierer 4 angelegt.
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Tiefpaßfilter 10 und 11 weisen einen Frequenzdurchlaßbereich
von Gleichspannung bis zu 1 MHz auf und erzeugen
Farbdifferenzsignale Cn und Cn-1 im niedrigen Frequenzbereich.
Die Größen von Cn und Cn-1 ergeben sich wie folgt:
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Cn = 2 G - (R+Cy) ... (3)
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Cn-1 = R - Cy ... (4)
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Fig. 3 zeigt die Farbempfindlichkeitskennwerte der
Filterelemente R, G und Cy im Farbfilternetz nach Fig. 1. Die
Farbempfindlichkeitskennwerte der Filterelemente R und G
können dabei denjenigen des herkömmlichen Filternetzes
entsprechen. Die Farbempfindlichkeitscharakteristik des
Filterelements Cy jedoch ist im Vergleich zur normalen
Kennlinie (B + G) des Cy-Filters, die in Fig. 3 gestrichelt
dargestellt ist, auf eine niedrigere Empfindlichkeit
gegenüber einer Grünlichtkomponente eingestellt, wie mit
einer durchgezogenen Linie in Fig. 3 dargestellt. Anders
ausgedrückt, die Empfindlichkeit einer Grünlichtkomponente
wird relativ zur Empfindlichkeit einer Blaulichtkomponente
verringert. Bei einer durch B + αG repräsentierten CY-
Filterkennlinie entspricht nach Fig. 3 die
Farbempfindlichkeitscharakteristik des Cy-Filters B + (1/2)G.
Dies dient dazu, die die R-, G- und Cy-Filter passierenden
und von der Abbildungsvorrichtung erhaltenen Lichtmengen,
d.h. die Hüllflächen der Empfindlichkeitskennlinien der R-,
G- und Cy-Filterelemente, wie in Fig. 3 dargestellt,
einander im wesentlichen anzugleichen. Ein elektrisches
Signal eines Pixel eines CCD verhält sich proportional zur
Farbempfindlichkeit des entsprechenden Filterelements. Für
die in Fig. 3 wiedergegebenen Kennlinien gilt:
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R : G : Cy = 1 : 0,9 : 1 ... (5)
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Im folgenden sei auf eine Farbsignalkomponente eingegangen,
die von einem Objekt mit einem oberen, schwarzen Abschnitt
sowie einem unteren, weißen Abschnitt, die voneinander durch
eine waagrechte Begrenzung getrennt sind, erhalten ist.
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Wird die Schwarz-Weiß-Grenze zwischen den Zeilen N und N-1
abgebildet, so ergeben sich die von den Zeilen N und N-1
erhaltenen Farbsignale Cn und Cn-1 zu:
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Cn-1 = R - Cy = 0
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Cn = 2G - (R + Cy)
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Wie aus Gleichung (5) ersichtlich, gilt R G Cy und
folglich Cn 0. Dies bedeutet, daß kein falsches Farbsignal
erzeugt wird. Liegt die Schwarz-Weiß-Grenze zwischen den
Zeilen N' und N'-1, so gilt:
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Cn-1 = R - Cy = 0
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Cn = 2G - (R + Cy) = G - R
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Da nach Gleichung (5) R G, gilt Cn 0. In diesem Fall
wird kein Falschsignal erzeugt.
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Im weiteren wird ein Anteil der G-Komponente im
Helligkeitssignal Y betrachtet. Das Helligkeitssignal Y wird
nachstehend anhand des Basisbandsignals nach Gleichung (1)
angegeben.
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Y = K(1/1) (2G + R + Cy), ... (6)
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wobei K eine Konstante darstellt.
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Das Helligkeitssignal Y', in das die Gleichung Cy = B +
(1/2)G, die Farbempfindlichkeitskennwerte R : B = 1 : 0,5,
wie im Rahmen der Beschreibung des Stands der Technik
erläutert sowie die Lichtempfindlichkeitscharakteristik
gemäß Gleichung (5) einfließen, kann wie folgt angegeben
werden:
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Y' = K (1/2) {(2 x 0,9G) + R + (0,9G/2 + 0,5B)}
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= K (0,5R + 1,125G + 0,25B) ... (7)
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Wird bei einem elektrischen Signalpegel entsprechend R = G =
B = 1 die Konstante K so gewählt, so daß Y' = 1 ergibt, wird
Gleichung (7) wie folgt geschrieben:
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Y' = (1/1,875) (0,5R + 1,125G + 0,25B)
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0,27R + 0,60G + 0,13B ... (8)
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Das in Gleichung (8) angegebenen Helligkeitssignal wird
nahezu gleich dem Helligkeitssignal des obengenannten
Standard-Fernsehsystems. Dies bedeutet, daß eine grüne Farbe
hell wiedergegeben werden kann.
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Das Farbfilternetz gemäß Fig. 1 liefert hervorragende
Auflösung und Empfindlichkeit, da die Anzahl der
Filterelemente G, Cy, die die Grünlichtkomponente passieren
lassen, größer ist als bei dem Stand der Technik
entsprechenden Farbfilternetzen, die Filterelemente für
Primärfarben verwenden.
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Die vorliegende Erfindung beschränkt sich nicht auf die
obige Ausführungsform. So kann beispielsweise das
Empfindlichkeitsverhältnis zwischen den Komponenten G und B
im Cy-Filterelement in geeigneter Weise eingestellt werden,
wobei sowohl die Vermeidung der Erzeugung falscher
Farbsignale als die Reprodzierbarkeit einer grünen Farbe
berücksichtigt sind. Darüber hinaus können die R- bzw.
Cy-Filterelemente durch Cy bzw. R ersetzt werden, wie aus
Fig. 4 ersichtlich ist. Im Filterarray nach Fig. 4 kann ein
falsches Farbsignal, abhängig von der
Farbempfindlichkeitscharakteristik des Filterelements, erzeugt werden. Diese
Wahrscheinlichkeit ist jedoch geringer als in einem
herkömmlichen Filterarray mit Filterelementen für
Komplementärfarben.