-
Die
vorliegende Erfindung betrifft im Allgemeinen den Bereich der Lichtquellen
für Filmscanner der
Art, die ein lichtintegrierendes Modul verwenden, beispielsweise
einen Hohlraum oder eine ausgekleidete, lichtführende Röhre mit einer Eintrittsöffnung zur
Aufnahme eines Eingangslichtstrahls, der dann innen konditioniert
wird, um einen räumlich
abgestimmten oder homogenisierten Beleuchtungsbereich des Lichts
zu erzeugen, das aus einer Austrittsöffnung des Moduls austritt.
-
In
der Technik sind verschiedene Vorrichtungen bekannt, um ein Beleuchtungssystem
für Filmabtaster
bereitzustellen, das ein lichtintegrierendes Modul nutzt. Die Konstruktion
eines lichtintegrierenden Moduls als Teil einer Beleuchtung in einem
Filmabtaster ist in der Technik bekannt. Das Grundkonzept einer
lichtintegrierenden Vorrichtung besteht in der Verwendung eines
im Wesentlichen umschlossenen Volumens, das innen mit einer weißen Diffusorfläche mit
hohem Reflexionsvermögen
versehen ist. Das Volumen kann einen sphärischen oder zylindrischen Hohlraum
oder eine beschichtete oder ausgekleidete lichtführende Röhre umfassen. Ein Lichtstrahl,
der durch einen Eingangskanal in das umschlossene Volumen projiziert
wird, wird einer und vorzugsweise mehrere Reflexionen unterzogen,
um ein stark diffuses Licht zu erzeugen, das schließlich durch
einen Ausgangskanal austritt. US-A-5,012,346 beschreibt ein Beleuchtungssystem,
in dem Licht aus einer starken Breitbandlichtquelle von einem System
aus Linsenelementen in einen zylinderförmigen, linearen, integrierenden
Hohlraum kondensiert wird. Der zylindrische Hohlraum konditioniert
das Licht, das schließlich
durch die langgestreckte Ausgangsschlitzöffnung tritt, um eine winklig
diffuse und räumlich
einheitliche Beleuchtung zu erzeugen, während der Lichtwirkungsgrad
des Hohlraums maximiert wird. Der beleuchtete Film wird abgetastet,
indem er auf eine oder mehrere Sensoranordnungen abgebildet wird, die
jeweils aus einer Reihe regelmäßig angeordneter, lichtempfindlicher
Pixel bestehen, die ihrerseits die Signale erzeugen, die dann nachfolgend
in digitale Daten umgewandelt werden. Der Film wird mit gleichmäßiger Geschwindigkeit
durch den Ausgangsschlitz bewegt, so dass die Bilddaten regelmäßig Bildfeld
für Bildfeld
gesam melt werden. Es gibt zahlreiche Anwendungen für einen
derartigen Abtaster, beispielsweise als Spezialvorrichtung, die
als Filmabtaster oder Telecine bezeichnet werden und zur Digitalisierung
von Bildfeldern auf Laufbildfilmen dienen.
-
US-A-5,012,346
sowie US-A-4,868,383 beschreiben einen linearen, zylindrischen Hohlraum,
in den Licht durch eine Öffnung
in der Mitte des gekrümmten
Zylinders des Hohlraums eintritt. US-A-5,241,459 und US-A-5,650,843
beschreiben eine alternative Konstruktion für einen linearen, zylindrischen
Hohlraum, in den Licht durch eine zum Mittelpunkt versetzte Öffnung an
einer Stirnwand des Hohlraums in einem Winkel eintritt. US-A-5,257,340, US-A-5,274,228 und US-A-5,672,864
beschreiben, dass Licht durch eine Eingangskanal am Ende einer beschichteten,
ausgekleideten, lichtführenden,
langgestreckten Röhre
eintritt. Auch kugelförmige
Lichtintegrationskonfigurationen sind in der Technik bekannt. US-A-5,754,278
beschreibt ein Beleuchtungssystem, in dem eine optische Anordnung
so angeordnet ist, dass diese Licht aus einer Lichtquelle empfängt und
dieses Licht derart lenkt und formt, dass ein erster Beleuchtungsbereich
gebildet wird, wobei die optische Anordnung mindestens eine Integratoranordnung
umfasst, die eine verbesserte räumliche Gleichmäßigkeit
des Lichts erzeugt, ohne dieses zu streuen. Ein Diffusor im Strahlengang
des Lichts aus der ersten optischen Anordnung erhöht die optische Divergenz
des ersten Bereichs und bildet den Beleuchtungsübertragungsbereich. US-A-5,754,278
erzeugt ein diffuses Licht mit einem begrenzten Dispersionsbereich.
-
Das
räumliche
Profil des Eingangsstrahls ist typischerweise sehr ungleichmäßig, und
der Querschnitt des Strahls weist oft ein Gaußsches Intensitätsprofil
auf. Wenn eine Bogenlampe als Quelle verwendet wird, kann das Profil
des Eingangsstrahls auch dunkle Bereiche aufweisen, die durch die Schatten
entstehen, die von den Halteelementen der Bogenelektrode geworfen
werden. Eine sorgfältige Konstruktion
des Integrators gewährleistet,
dass das Licht nicht direkt aus dem Hohlraum austritt, also ohne
mindestens eine Streureflexion, obwohl ein Großteil des Lichts mehreren Streureflexionen
unterzogen wird, bevor es aus dem Hohlraum austritt. Das austretende
Licht hat daher eine hohe räumliche Gleichmäßigkeit,
im Allgemeinen mit weniger als zwei Prozent Abweichung über die
nutzbare Länge und
Breite des Ausgangskanals. Dies ist insbesondere für einen
Filmabtasterbeleuchter wichtig, da hierdurch die Notwendigkeit einer
elektronischen Musterkorrektur reduziert und der Systemrauschabstand dadurch
verbessert wird. Eine stark gestreute (typischerweise Lambertsche
Streuung) Film beleuchtung ist auch deshalb günstig, da sie Kratzer und Staub auf
dem Film kompensiert, wodurch die Bildung sichtbarer Artefakte in
dem übertragenen
Bild reduziert wird.
-
Häufig bedarf
die Konstruktion eines Farbfilmabtasters, insbesondere solcher mit
hohem Durchsatz, die Verwendung einer starken Lichtquelle mit einem
breiten sichtbaren Spektrum. Im Allgemeinen erfüllt nur eine Bogenlampe derartige
Anforderungen, wobei eine Xenon-Bogenlampe üblicherweise
die bevorzugte Wahl ist. Leider schwankt die Lichtausgabe derartiger
Bogenlampenquellen im Laufe der Zeit aufgrund derartiger Phänomene,
wie das Bogenwandern, über
einen breiten Frequenzbereich unterhalb von 1 kHz. Die vorausgehend
genannten Patente beschreiben Regelkreise, die Licht aus dem Integrationszylinder
abtasten und diese temporären Lichtpegelschwankungen
anschließend
mit stetiger Modulation des an die Lampenquelle angelegten Stroms
kompensieren. Die Lichtausgabe dieser Bogenlampen kann auch durch
Gasturbulenzen beeinflusst sein, die wellenartige, zeitvariable
Schatten durch das bereits ungleichmäßige räumliche Profil des Ausgabelichtstrahls
werfen. Diese Schatten bewegen sich relativ langsam und erzeugen
ein Frequenzraumrauschen in einem Bereich von nahe Gleichstrom bis
10 Hz. Integrationszylinder der oben beschriebenen Art sind zur
Homogenisierung dieser sich bewegenden Schatten relativ wirksam,
so dass auf einer Makroskala das Licht, das aus dem Ausgangsschlitz
austritt, weiterhin im Wesentlichen gleichmäßig ist. Es wurde festgestellt,
dass diese Schatten sogar in vorhandenen Filmabtastersystemen, die
die in den vorausgehend genannten Patenten beschriebenen Arten von
Integrationszylindern verwenden, in dem Integrator lokal begrenzte,
dynamische Ungleichmäßigkeiten
erzeugen können,
die wiederum als lokalisiertes Rauschen pixelweise in dem abgetasteten
Bild erkennbar sind. Es hat sich erwiesen, dass die in den vorausgehenden
Patenten beschriebenen Regelstromkompensationssysteme nicht in der
Lage sind, diese Schwankungen vollständig und einwandfrei zu kompensieren.
Grund dafür
ist vermutlich, dass das abgetastete Licht aus einem definierten
Bereich in dem Integrator nicht unbedingt die gleiche räumliche
und zeitliche Signatur hat wie Licht an anderer Stelle des Integrators.
In dem vorausgehend genannten Patent US-A-5,650,843 wird ein Versuch
beschrieben, dieses Problem zu lösen,
indem man einen Lichtdiffusor an der Regelkreisöffnung anordnet, um den Bereich,
aus dem abgetastetes Licht empfangen wird, zu verbreitern. Zwar
gilt dieser Ansatz als eine Verbesserung gegenüber Regelkreisanordnungen nach
dem vorherigen Stand der Technik, aber es wurde festgestellt, dass
weitere Verbesserungen nötig
sind, um die Gleichmäßigkeit in
der Lichtausgabe zu erzielen, die für kritische Filmabtastanwendungen
erforderlich ist.
-
Der
vorliegenden Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Beleuchtungssystem
für einen
Filmabtaster bereitzustellen, das ein lichtintegrierendes Modul
umfasst, das gleichmäßig diffuses Licht
an dem Abtastlicht-Ausgangskanal bereitstellt, und zwar unter wesentlicher
Beseitigung lokaler, dynamischer, temporärer Schwankungen aus dem Ausgangslicht
für die
Filmabtastung.
-
Der
vorliegenden Erfindung liegt zudem die Aufgabe zugrunde, eine lichtintegrierende
Vorrichtung für
einen Filmabtaster bereitzustellen, die ein gleichmäßig diffuses
Licht an dem Abtastlicht-Ausgangskanal bereitstellt, und zwar unter
wesentlicher Beseitigung lokaler, dynamischer, temporärer Schwankungen
aus dem Ausgangslicht für
die Filmabtastung.
-
Gemäß der vorliegenden
Erfindung wird eine lichtintegrierende Vorrichtung zum Erzeugen
eines räumlich
abgestimmten Beleuchtungsbereichs des Ausgangslichts eines intensiven
Strahls von Eingangslicht bereitgestellt, wie in Anspruch 1 dargelegt.
-
Gemäß einem
anderen Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein Beleuchtungssystem
für einen
Filmscanner oder Filmabtaster bereitgestellt, wie in Anspruch 10
dargelegt.
-
Diese
und weitere Aspekte, Aufgaben, Merkmale und Vorteile der vorliegenden
Erfindung werden unter Berücksichtigung
der folgenden detaillierten Beschreibung der bevorzugten Ausführungsbeispiele und
anhängenden
Ansprüche
sowie durch Bezug auf die anliegenden Zeichnungen besser verständlich und
verdeutlicht.
-
Die
Erfindung wird im folgenden anhand in der Zeichnung dargestellter
Ausführungsbeispiele näher erläutert.
-
Es
zeigen:
-
1 eine
schematische, perspektivische Ansicht zur Darstellung des erfindungsgemäßen Beleuchtungssystems
in Verbindung mit bestimmten Elementen eines Filmabtasters;
-
2 eine
Seitenansicht des in 1 gezeigten Beleuchtungssystems;
-
3a eine
Kurve des Raumprofils des Lichts, das aus dem Ausgangskanal austritt,
zusammen mit der Längsachse
der Öffnung;
-
3b eine
erweiterte Ansicht eines Teils der Kurve aus 3a, um
das Lichtverhalten örtlich stärker begrenzt
darzustellen;
-
3c eine
erweiterte Ansicht eines Teils der Kurve aus 3b zur
Darstellung des verbesserten lokalen Verhaltens für das System
mit Änderungen,
die durch die vorliegende Erfindung implementiert werden;
-
4a eine
perspektivische Ansicht eines stirnseitig beleuchteten Integrationszylinders
mit einem erfindungsgemäßen, lichtformenden
Diffusor;
-
4b eine
perspektivische Ansicht eines kopfbeleuchteten Integrationszylinders
mit einem erfindungsgemäßen, lichtformenden
Diffusor;
-
5 eine
schematische Draufsicht einer linearen Lichtquelle, die einen Glasstab
verwendet, der in einem Integrationshohlraum mit einem erfindungsgemäßen, lichtformenden
Diffusor angeordnet ist; und
-
6 eine
perspektivische Ansicht einer linearen Lichtquelle, die einen ausgekleideten
Lichtstab mit einem erfindungsgemäßen lichtformenden Diffusor
umfasst.
-
1 zeigt
ein Ausführungsbeispiel
der vorliegenden Erfindung für
ein Filmbeleuchtungssystem im Zusammenhang mit einem linearen Filmabtaster 10.
Der Filmabtaster 10 umfasst eine Beleuchtungsoptik 20,
einschließlich
eines Integrationsmoduls 50, einer Filmbühne 60,
einer Bebilderungslinse 70 und eines Sensorarrays 80.
Der Film 65 wird durch eine Filmbühne 60 transportiert,
die vor einem Ausgangskanal 54 des Integrators 50 angeordnet
ist. Die Bebilderungslinse 70 ist derart angeordnet, dass
Licht aus dem Integrationsmodul 50, welches durch den Film 65 übertragen
wird, mit einer vorbestimmten Vergrößerung auf den Sensorarray 80 geworfen
wird. Der Sensorarray 80 hat eine lineare Konfiguration
aus benachbarten, lichtempfindlichen Pixeln, die die Bildinformation
in eine Zeile aus digitalen Dateien umwandeln. Wenn der Film 65 durch
die Filmbühne 60 läuft, wird
Zeile für
Zeile der Bild daten erfasst, worauf diese Daten nacheinander verarbeitet
werden, um jedes vollständige
Bildfeld zu rekonstruieren. Der Sensorarray 80 wird der
Einfachheit halber als einzelne Vorrichtung gezeigt, obwohl darauf
hingewiesen sei, dass es einen oder mehrere Sensorarrays geben kann,
die normalerweise mit farbselektierenden Strahlenteilern versehen
sind. Der Sensorarray 80 kann jede bekannte lineare, lichtempfindliche
Vorrichtung umfassen, beispielsweise eine ladungsgekoppelte Vorrichtung
(CCD/Charge Coupled Device).
-
Die
Beleuchtungsoptik 20 umfasst eine starke Lichtquelle 25,
wie beispielsweise eine Xenon-Bogenlampe,
eine erste Relaislinse 34, eine zweite Relaislinse 35,
eine Kondensorlinse 38 aus drei Linsenelementen 39, 40 und 41,
die auf bekannte Weise dazu dienen, den Lichtstrahl aus der Lichtquelle 25 zu
einem fokussierten Lichtstrahl für
den Eintritt in das Integrationsmodul 50 zu verdichten.
Erfindungsgemäß ist ein
lichtformender Diffusor 43 an dem Lichteingangskanal des
Integrationsmoduls angeordnet, um den Strahl des eintretenden Lichts
am Lichteingangskanal abzulenken, wobei die Diffusionseigenschaften
nachfolgend detaillierter beschrieben werden.
-
Der
Integrationszylinder 50 kann aus Aluminium bestehen und
der zylinderförmige
Hohlraum kann mit einer stark reflektierenden und streuenden weißen Farbe
beschichtet sein, wie z.B. Spectraflect (von Labsphere, Inc., North
Sutton, NH, USA). Die bekannte Arbeitsweise des Integrationszylinders
besteht darin, dass der Eintrittsstrahl an jedem Einfallspunkt auf
der Fläche
des Hohlraums in Form einer Lambertschen Streuung diffus reflektiert
wird, und dass das Licht durch den Hohlraum gestreut wird. Während ein
Teil des Lichts den Hohlraum sofort verlässt, entweder durch den Eingangskanal
oder durch den Ausgangsschlitz, trifft der Großteil des Lichts auf die Wand
des Hohlraums und wird ein zweites Mal und vorzugsweise mehrere
Male diffus reflektiert, bevor es den Hohlraum verlässt oder
absorbiert wird. Als Ergebnis der mehrmaligen, diffusen Reflexionen in
dem Hohlraum des Integrationszylinders 50 ist das aus dem
als Längsschlitz
ausgebildeten Ausgangskanal 54 austretende Licht räumlich gleichmäßig, winklig
homogen und folgt weitgehend dem Lambertschen Gesetz. Um Kleinbildfilm
(35 mm) abzutasten, ist der Ausgangskanal 54 in Zeilenabtastrichtung
typischerweise 25 mm lang, d.h. quer zur Filmbreite, und in Abtastlängsrichtung
3 mm breit, d.h. in Längsrichtung
des Films. Die Bebilderungslinse 70 sammelt Licht innerhalb
einer kleinen Winkels (z.B. Kegel von 9°), im Vergleich zu der im Wesentlichen
Lambertschen Ausstrahlung aus dem linearen Ausgangskanal 54.
Die Bebilderungslinse 70 sammelt nur Licht aus einem größeren Winkelbereich
(bis 50°),
wenn das Licht durch einen Kratzer oder einen anderen Phasenfehler
auf dem Film 65 umgeleitet worden ist.
-
Um
Farbfilme abzutasten, verwendet man als Lichtquelle 25 eine
Weißlichtlampe,
wie z.B. eine Wolframhalogenlampe, eine Metallhalogenbogenlampe
oder eine Xenon-Bogenlampe. Im Allgemeinen strahlen Xenon-Bogenlampen
stärker
weiß ab (größerer Blauanteil)
und sind heller (mehr Licht auf kleinerer Fläche) als Wolframhalogenlampen
und werden daher in Anwendungen bevorzugt, in denen ein hoher Durchsatz
erforderlich ist (z.B. 30 Filmbilder/s). Im Rahmen der vorliegenden
Beschreibung handelt es sich bei der Lichtquelle 25 um
eine kompakte Xenon-Kurzbogenlampe des Typs ILX-300f von ILC Technology
aus Sunnyvale CA, USA. Die Lichtquelle 25 wird über das
Netzteil 30 im CW-Modus betrieben, also nicht per Pulsbreiten-
oder Pulsamplituden-Modulation. Die Helligkeit wird über die
Beleuchtungssteuerung 58 eingestellt, die die Helligkeit
in dem Integrationszylinder 50 über eine Lichtabtasteinrichtung 57 überwacht.
Diese Lichtabtasteinrichtung 57 besteht typischerweise
aus einem Glasfaserbündel
oder einem Lichtleiter, der Licht auf einen optischen Detektor in
der Beleuchtungssteuerung 58 leitet. Die Beleuchtungssteuerung 58 dient dazu,
eine grobe Helligkeitseinstellung durch Einstellen eines Aperturmechanismus 31 sowie
eine feine Helligkeitseinstellung über die Stromanpassung des Lampennetzteils 30 vorzunehmen.
Die Details dieser Regelung sind in der Technik bekannt, wie in US-A-5,528,288
beschrieben, und bedürfen
hier keiner weiteren Erläuterung.
-
2 zeigt
eine detaillierte Seitenansicht eines Teils der Beleuchtungsoptik 20 des
in 1 gezeigten Filmabtasters 10. Die Lichtquelle 25,
eine Xenon-Bogenlampe, ist eine komplexe Struktur, deren Hauptmerkmale
ein Emissionsvolumen („Plasmaball") im Bereich der
Ebene ao ist, wo der Bogen zwischen der
Anode und Kathode (Elektrode 26) kreuzt, (nicht gezeigte)
Elektrodenträger,
ein Reflektor 27 und ein Ausgangsfenster ungefähr in Ebene
bo. Das Lichtprofil in der Ebene ao ist im Wesentlichen nicht gleichmäßig und
weist im Allgemeinen eine Gaußsche
Form auf (entlang der optischen Achse 21). Wenn das Licht
aus der Lampe austritt, tritt es durch eine mit bo bezeichnete
Ebene, die allgemein einer Köhlerschen
Beleuchtungsebene entspricht, auf der ein recht einheitliches Lichtprofil
angenommen werden kann. Typischerweise ist die verbesserte Einheitlichkeit
auf einer Köhlerschen
Ebene das Ergebnis einer Überlagerung
von Licht aus den vielen Lichtquellen, die Licht abstrahlen. In
dem in 2 gezeigten Fall weist die Lichtquelle 25 die
Elektrode 26 und die Elektrodenträgerstruktur 26a (eine
Dreipunktkonfiguration) auf, die mit diesem Effekt kollidiert, da
sie Licht abdeckt und Schatten in den Strahl wirft. Da weder der
Abstrahlbereich auf Ebene ao noch die Austrittsseite
auf Ebene bo als wirksame Quelle für die Konstruktion
eines optischen Systems verwendet werden kann, ist das Ausgangslichtprofil
im Wesentlichen nicht gleichmäßig.
-
In
dem optischen System aus 2 wird durchgängig der
herkömmliche
Konstruktionsansatz zur Bebilderung beider Objekte (Quellen) und
Pupillen in Überlagerung
verwendet. Die Ebenen ao, a1 und
a2 konjugieren. Die Relaislinse 34 wirkt
mit dem Konkavreflektor 27 zur Bebilderung des Bogens (Ebene
ao) unmittelbar vor der zweiten Relaislinse 35 (Ebene
a1) zusammen. Mithilfe der Relaislinse 34 und
der ersten Kondensorlinse 39 (beide dienen als Feldlinsen)
bildet die zweite Relaislinse 35 die Ausgangsfläche (Ebene
b0) der Lichtquellen 25 auf Ebene
b1 ab, die in der Kondensorlinsenanordnung 38 angeordnet
ist. Abschließend
bildet die Relaislinse 35 zusammen mit den Linsen der Kondensorlinsenanordnung 38 das
Bild auf Ebene a1 des Bogens auf die Ebene
a2 ab, wodurch der gewünschte Strahlenfokus im Eingangskanals 52 des
Integrationszylinders 50 erzeugt wird. Dieser Teil des
Linsensystems der Beleuchtungsoptik 20 ist vorwiegend zur Übertragung
von Licht in Form von Leistung und nicht zur Erhaltung der Bildqualität ausgelegt.
Daher unterliegt das Fernfeldbild auf Ebene b1 einer
starken Aberration, ist aber dennoch erkennbar.
-
Wie
in 2 gezeigt, ist der Integrationszylinder 50 eine
Konstruktion, bei der gemäß den in US-A-5,241,459
beschriebenen Konstruktionsgrundsätzen das Licht an einer Seite
eintritt. Demnach tritt der Strahl in den Integrationszylinder in
einem Winkel zur Achse des Integrators (13°) durch einen versetzten Eingangskanal 52 ein.
Das Licht fällt
dann auf die innere Rückwand
des Zylinderhohlraums 53, wo es an jedem Punkt diffus von
der beschichteten Fläche reflektiert
wird. 4a zeigt eine perspektivische
Ansicht eines stirnseitig beleuchteten Integrationszylinders, in
der die Lagebeziehungen zwischen Eingangskanal 52 und Ausgangskanal 54 in
Bezug zum Hohlraum (durch Mittellinien) gezeigt werden. Das aus
dem Ausgangskanal 54 austretende Licht, wie durch das Strahlungsprofil
mit offener Bühne
(kein Film) in 3a gezeigt, ist sehr gleichmäßig und weist
nur eine Restabweichung von 1,5% über den abgetasteten Bereich
des Schlitzes auf, und zwar trotz der asymmetrischen Konstruktion
am stirnseitig beleuchteten Integrationszylinder. Die effektive
Pixelgröße von 13 μm ist klein
in Bezug zu der beleuchteten Filmlänge von 25 mm. Alternativ dazu
ist die Beleuchtungsoptik 20 in Kombination mit dem in 4b gezeigten
Integrationszylinder ver wendbar, in dem das Licht auf den Hohlraum
durch eine Öffnung
gelenkt wird, die sich auf der Mittellinie der Zylinderwand befindet.
Dieser Integrationszylinder 50 ist von grundlegend symmetrischer
Struktur mit „kopfseitigem" Beleuchtungseintritt.
Es sei darauf hingewiesen, dass die Darstellungen der Integrationszylinder 50 und 50' in 4a und 4b die
Außenfläche der Integratoren
darstellen, und dass die Innenflächen
eigentlich zylindrisch sind, wie in der Technik bekannt.
-
3b zeigt
eine auseinander gezogene Darstellung eines Teils 74 des
Strahlungsprofils aus 3a, wobei die Linien 76, 77 und 78 die
Beleuchtungsprofile auf einer Mikroskala über diesen Bereich der Abtastlinie
zu verschiedenen Zeitpunkten darstellen. Die lokalen räumlichen
Abweichungen über
die Länge
der Linie 76 sind relativ klein (0,5% pp). Zudem erfolgen
diese Abweichungen sehr langsam, insbesondere bei pixelweiser Betrachtung.
Bei Betrachtung durch den Sensorarray 80 bleiben diese
lokalen Abweichungen über
die Abtastzeile hinweg klein, wenn sie reproduziert werden. Angenommen, das
Profil würde über die
Zeit hinweg unverändert bleiben,
sind bekannte Bildverarbeitungstechniken in Form elektronischer
Musterkorrekturen, die dem Sensorarray 80 nachgeordnet
sind, in der Lage, räumliche
Fehler zu korrigieren, einschließlich der verbleibenden Ungleichmäßigkeit
von 1,5% über
der Abtastzeile. Leider ist das Lichtprofil nicht statisch, sondern
verändert
sich im Laufe der Zeit, weshalb es nicht möglich ist, eine Musterkorrektur
durchzuführen.
Die Linien 76, 77 und 78 sind räumliche,
zeitsequenziell erfasste Profile und zeigen, dass das räumliche
Lichtmuster auf einer Mikroskala temporär instabil ist. Die als „Schattierung" bezeichnete, lokale, dynamische
Abweichung ist ein kleiner Effekt (Abweichung von 0,9% pp), der
bei relativ niedrigen temporären
Frequenzen (kleiner als 10 Hz) auftritt. Im Allgemeinen ist dieser
zeitveränderliche
Effekt nicht sichtbar, insbesondere, wenn die auf dem Film erfassten
Bilder große
Dichtebereiche und bewegte Objekte aufweisen. Die dynamische Schattierung kann
jedoch wahrnehmbar sein, wenn das abgetastete Bild einen stationären und
hellen, gleichmäßigen Bereich
aufweist. Bei 0,9% pp beträgt
der Signalrauschabstand für
diesen Effekt –41
dB, was zwar ein niedriger Wert ist, der aber dennoch über der
allgemein anerkannten Wahrnehmungsschwelle von –55 dB liegt und daher ein
Problem darstellt.
-
Es
ist bekannt, dass Xenon-Bogenlampen, wie die ILX-300f Kompakt-Kurzbogenlampe,
einer Konvektion unterliegen, bei der die eingeschlossenen Gase
innerhalb der Lampe zirkulieren und Wärme abstrahlen. Die internen
Gasturbulenzen bewirken wiederum lokale Schwankungen in dem optischen
Index, die als Schatten sichtbar sind, die sich durch den Strahl
bewegen. Im Falle der ILX-300f ist die Turbulenz im Allgemeinen
entlang des Außenkranzes
der Lampe zu sehen und insbesondere im oberen Quadranten des Strahls,
wenn die Lampe horizontal angeordnet ist. Die resultierende Schattenbildung,
die im Allgemeinen wellenförmig
erscheint, wird stärker
sichtbar, je weiter sich der Strahl von dem Bogenplasma (Ebene a0) in Richtung des Fernfeldes des Bogens
entfernt (beispielsweise zum Lampenausgangsfenster in Ebene b0). Diese Schatten sind im Bezug zu den helleren
Umgebungsbereichen dunkle Bereiche mit einer viermal niedrigeren örtlichen
Helligkeit. In ähnlicher
Weise wie der durch die Beleuchtungsoptik 20 tretende Strahl
ist auch die Turbulenz an den Plasmaebenen a1 und
a2 minimal sichtbar, die konjugiert zum
Bogenplasma angeordnet sind (siehe 2), und
die Turbulenz ist in der Ebene b1 entsprechend
deutlicher sichtbar, die in dem Fernfeld des Bogenbildes liegt.
Unter der Voraussetzung, dass die Beleuchtungsoptik 20 ein
Bogenbild nur innerhalb des Eingangskanals 52 des Integrationszylinders 50 (auf
Ebene a2) erzeugt, wenn sich der Strahl
von diesem Brennpunkt entfernt und in den Hohlraum 53 eintritt,
pflanzt er sich in das Fernfeld fort, wo die zeitveränderlichen
Schatteneffekte zunehmend sichtbar werden. Die zeitveränderlichen,
wellenähnlichen
Schattenmuster werden somit auf die Innenwände des Integrationszylinders 50 projiziert.
-
Der
Integrationszylinder 50, wie in US-A-5,241,459 beschrieben,
wandelt das statische, nahezu Gaußsche Strahlenprofil am Eingangsbrennpunkt
in eine gleichmäßige Beleuchtungslinie
am Ausgangskanal 54 um. Wie in US-A-5,528,288 kann der
Integrationszylinder 50 dieses nahezu Gaußsche Strahlenprofil
in eine gleichmäßige Beleuchtungslinie umwandeln,
sogar wenn der Eingangsstrahl durch den Aperturmechanismus 31 dynamisch
abgetrennt wird (die Lamellen schließen sich wie eine Irisblende).
Das erfindungsgemäße Beleuchtungssystem einschließlich des
Integrationszylinders kann jedoch die turbulenzinduzierten dynamischen
Mikroschwankungen nicht unter die Wahrnehmbarkeitsschwelle reduzieren.
Der eintretende Strahl, einschließlich der veränderlichen
Schatten, wird diffus von der Oberfläche des Integrationszylinders 50 reflektiert.
Die Homogenisierungsfunktion des Hohlraums reduziert die Schatten
deutlich, und zwar von einem Kontrastwert von 4:1 auf verbleibende
Mikroschwankungen auf einem mittleren Rauschpegel von 0,9% pp (–41 dB)
im Bereich Gleichstrom bis 10 Hz. Die Beleuchtungssteuerung 58 tastet
das Licht aus einem Teil des Hohlraums 53 mittels einer
(nicht gezeigten) Regelkreisöffnung
ab, die derart angeordnet ist, dass sie weder mit dem Eingangskanal 52 noch
mit dem Ausgangskanal 54 in direktem Sichtkon takt steht.
Die Beleuchtungssteuerung 58 kompensiert Helligkeitsschwankungen über das
gesamte Lampenrauschspektrum, einschließlich des Bereichs <10 Hz, indem sie Änderungen
im Lampenstrom dazu nutzt, die mittlere Ausgangsleistung der Lampe
zu verändern.
Die Leistung der Schaltung hängt
jedoch von der Qualität der
mittleren Lampenausgangsleistung ab, die durch die Regelkreisöffnung abgetastet
wird. In US-A-4,868,383 wurde die Lichtabtasteinrichtung 57 mit
einem Glasfaserbündel
realisiert, das das Licht aus dem lichtintegrierenden Hohlraum über einen
begrenzten Winkelbereich (+/–15°C) abtastete. US-A-5,650,843
beschreibt verschiedene Verbesserungen der Lichtabtasteinrichtung 57,
die einen Lichtdiffusor an der Abtastöffnung verwendet, so dass das abgetastete
Licht von einem größeren Teil
des Hohlraums gesammelt wird, wodurch sich lokale Flimmereffekte
deutlich verringern, die zuvor in dem Licht sichtbar waren, das
aus dem Ausgangskanal 54 austrat. Doch auch mit diesen
Verbesserungen tastet die Regelkreisöffnung immer noch die von einem
Teil des Hohlraums 53 abgenommenen zeitlichen Schwankungen
des Lichts ab und unterzieht diese einer Mittelwertsbildung. Angesichts
der vorhandenen restlichen Mikroschwankungen über dem Hohlraum 53 ist daher
zu einem gegebenen Zeitpunkt die mittlere Helligkeit in einem Bereich
des Hohlraums nicht gleich der in einem anderen Bereich des Hohlraums. Zwar
bewirkt das Steuerungssystem eine erhebliche Reduzierung des Rauschens über ein
breites Spektrum von Stromschwankungen in der Lampe, aber es entfernt
das (durch die restlichen, dynamischen Mikroschwankungen verursachte)
räumliche
Rauschen über
die gesamte Länge
des Ausgangskanals 54 nicht ausreichend.
-
Verbesserungen
der Beleuchtungsoptik 20 und des Integrationszylinders 50 sind
daher notwendig, um diesen dynamischen Schattierungseffekt in der
Lichtausgabe des Ausgangskanals 54 weiter zu reduzieren.
Grundsätzlich
muss das eintretende Licht weiter homogenisiert werden, damit die
dynamischen und statischen Raumsignaturen des Lampenlichtprofils
vollständig
beseitigt werden. Wie in 2 gezeigt, wird die weitere
Homogenisierung des Lichts am Ausgangskanals des Integrators durch
die Positionierung des lichtformenden Diffusors 43 am Eingangskanal 52 erreicht,
und zwar an oder in Nähe des
Strahlenbrennpunkts (Ebene a2). Wie zuvor
besprochen, bewegt sich das in den Integrationszylinder 50 tretende
Licht in das Fernfeld, wo die Schattenbildung stärker sichtbar wird. Mit Hinzunahme
des lichtformenden Diffusors 43 können diese Schatten jedoch
homogenisiert werden, wenn sie in den Hohlraum eintreten, sogar
bevor sie auf die inneren Diffusionsflächen des Hohlraums treffen.
Angesichts der asymmetrischen Bauform des stirnseitig beleuchteten
Integrationszylinders 50 weist dieser lichtformende Diffusor 43 vorzugsweise
eine asymmetrische Diffusion statt einer symmetrischen Diffusion
auf. Die für Lichtstreuungen
in der XZ-Ebene verwendete Diffusion (siehe 2 und 4a)
sollte auf die Längsrichtung
jeder Ebene begrenzt sein, die den Ausgangskanal des Integrators
schneidet. Da der Diffusor nicht nur die Schatten mindert, sondern
auch die Winkelbreite des eintretenden Strahls vergrößert, sollte
er über
diesen Meridian ein begrenztes Ansprechvermögen aufweisen, so dass Licht
aus dem einfallenden Strahl nicht direkt in nennenswerter Menge
aus dem Ausgangskanal 54 austritt, sondern so, dass im Wesentlichen
das gesamte Licht internen Reflexionen in den Integrationszylinder 50 unterzogen
wird. Bei Licht, das in einer beliebigen Ebene gebeugt wird, die
sich nicht mit dem Ausgangskanal schneidet und vorwiegend in der
YZ-Ebene verläuft,
die parallel zum Ausgangskanal 54 verläuft, kann die Streuung durch
den lichtformenden Diffusor 43 allerdings relativ groß sein.
Der lichtformende Diffusor ist daher vorzugsweise elliptisch und
weist eine spitzwinklige Diffusion in einer ersten Richtung (XZ-Ebene,
die den Ausgangskanal 54 schneidet) auf, sowie eine breite Diffusion
rechtwinklig zur ersten Richtung. Der lichtformende Diffusor 43 sollte
ebenfalls hochwirksam sein und für
einen maximalen Durchsatz des Lichts durch den Ausgangskanal 54 sorgen.
-
Der
lichtformende Diffusor 43 ist vorzugsweise ein holografischer
Diffusor, wie er beispielsweise von Physical Optics Inc. aus Torrance
CA, USA, hergestellt wird. Holografische Diffusoren haben den Vorteil,
dass die Größe der winkligen
Lichtdiffusion ein steuerbarer Parameter ist. Holografische Diffusoren
können
eine begrenzte Diffusion (<1°) bis hin
zur Lambertschen Diffusion (90°)
erzeugen, und zwar entweder kreisförmig oder elliptisch, wie durch
eine bestimmte Konstruktion benötigt.
Das Winkelansprechverhalten von Diffusoren mit sehr kleinen Winkeln
(<2°) weist tendenziell
eine Lorentzsche Form auf, während
Diffusoren mit mittleren Winkeln (5°–20°) ein ungefähr Gaußsches Streuungsverhalten haben
und Diffusoren mit großen
Winkeln (<20°) eine ungefähr gleichmäßige Streuung über einen großen mittigen
Winkelbereich aufweisen, über
den hinaus die Streuung allmählich
abfällt.
Diese Diffusoren sind nicht nur sehr effizient (>90% Durchlässigkeit ohne AR-Beschichtung)
und streuen das Licht mit sehr wenig Rückstreuung, sondern arbeiten
auch gut mit weißem
Licht. Ein elliptischer, holografischer Diffusor kann die allgemeinen
Anforderungen an den lichtformenden Diffusor 43 erfüllen. Beispielsweise wurde
ein Test mit einem Filmabtaster (Telecine) durchgeführt, der
einen elliptischen Diffusor von 20° × 80° verwendete. In diesem Test
erzeugte das optische Eingabesystem einen Eingabestrahl mit 28° Divergenz,
ausgerichtet an 13° des stirnseitig
beleuchteten Integrationszylinders. Der Integrationszylinder 50 hat
einen Hohlraumdurchmesser von 20 mm, eine Hohlraumlänge von
31 mm und einen Ausgangskanal 54 von 27 mm Länge und
2,8 mm Breite. Der Eingangskanal hatte einen Durchmesser von 6,5
mm mit Mittenabweichung von 3 mm. Der 20° × 80° elliptische Diffusor wurde
in der Brennebene a2 des Eingangsstrahls
angeordnet, wobei die flache Diffusionsrichtung (20°) auf die
XZ-Ebene ausgerichtet war und die breite Diffusionsrichtung (80°) auf die YZ-Ebene.
Bei diesem Diffusor wurden die in 3b gezeigten
restlichen, dynamischen Mikroschwankungslinien 76, 77, 78 um
das Vierfache auf 0,15% pp Linien 76', 77', 78' reduziert (wie in 3c gezeigt),
oder auf –56
dB, also auf knapp unterhalb der Wahrnehmungsschwelle. Die Verwendung
des lichtformenden Diffusors 43 führte zu vernachlässigbaren Verlusten
des Wirkungsgrads des Integrationszylinders 50, wie anhand
der Helligkeiten gemessen, die aus dem Ausgangskanal 54 austraten.
Die gesamte Gleichmäßigkeit
des Lichtprofils über
dem Ausgangskanal 54 blieb ebenfalls unbeeinträchtigt.
Auf sehr ähnliche
Weise könnte
der lichtformende Diffusor 43 mit anamorpher Diffusion
in Verbindung mit einem optischen Eingabesystem und dem kopfbeleuchteten
Integrationszylinder 50 aus 4b benutzt
werden.
-
Der
lichtformende Diffusor 43 ist wirksam in Verbindung mit
dem Integrationszylinder 50'' aus 5 verwendbar,
der einen Lichtleiter 55 umfasst, wie in 5 gezeigt.
In einem Integrationszylinder dieser Art weist der Lichtleiter 55 einen
darauf durch Schleifen, Ätzen
oder Beschichten der Glasoberfläche
ausgebildeten Diffusionsbereich 56 auf. Licht, das in den
Hohlraum einfällt,
wird direkt in eine Stirnwand des Lichtleiters geworfen, von wo
es sich mittels einer inneren Totalreflexion durch den Hohlraum fortpflanzt.
Wo das Licht auf den Diffusionsbereich 56 trifft, wird
ein Teil des Lichts aus der Lichtleitung gestreut und in den Integrationszylinder 50'' geworfen. Nach weiteren Innenreflexionen
in dem Hohlraum tritt das Licht schließlich durch den Ausgangskanal 54 aus.
Ein lichtformender Diffusor 43 ist vor der Stirnwand des
Eingangskanals des Lichtleiters angeordnet. Die verbesserte, gemeinsame
Lichthomogenisierungswirkung des Hohlraums und des Lichtleiters wird
durch die Lichtstrahldiffusion weiter verbessert, die durch den
lichtformenden Diffusor 43 eingebracht wird, wodurch nachteilige,
vorübergehende
Effekte auf die räumliche
Gleichmäßigkeit
kompensiert werden, die durch Gasturbulenzen und Bogenwanderung
in der Lichtquelle verursacht werden.
-
Alternativ
hierzu könnte
der lichtformende Diffusor 43, bei Verwendung mit stirnseitig
oder kopfbeleuchteten Integrationszylindern 50 oder 50' ein kreisförmiger Diffusor
statt ein elliptischer Diffusor sein. Am besten wird ein kreisförmiger lichtformender Diffusor
nur mit einem Integrationshohlraum verwendet, der eine andere Geometrie,
Hohlraumform, Hohlraumgröße oder
Kanalanordnung hat, so dass der Ausgangskanal 54 die Winkelausdehnung
der Diffusion nicht begrenzt, wie zuvor beschrieben. Der lichtformende
Diffusor 43 kann jedoch eine breite, kreisförmig symmetrische
Diffusion aufweisen, so dass er etwas Licht direkt aus dem Ausgangskanal 54 herausführt und
dennoch eine akzeptable Leistung aufweist. In diesem Fall und mit
den zuvor beschriebenen Geometrien des Integrationszylinders tritt
dieses direkte Licht aus dem Ausgangskanal 54 in großen Winkeln
in Bezug zur optischen Achse 75 der Bebilderungslinse aus.
Da die Bebilderungslinse 70 das Licht nur in einem schmalen
Kegel sammelt (etwa +/–9°) kann sie
Licht mit einem derart großen Winkel
nicht sammeln, so dass das durch den Ausgangskanal tretende Licht
dennoch auf dem Sensorarray 80 gleichmäßig erscheint. Dieses in einem großen Winkel
direkt austretende Licht verzerrt das im Wesentlichen Lambertsche
Strahlungsprofil des Integrationszylinders 50, ist jedoch
möglicherweise nur
in Form geringer Differenzen in der Kratzerunterdrückung marginal
erkennbar, die von dem Zylinder vorgenommen wird, je nach Ausrichtung
und Position der Kratzer auf dem Film 65. Die Verwendung
eines kreisförmigen
lichtformenden Diffusors 43 mit großem Winkel bewirkt eine Reduzierung;
der Helligkeit über
dem Schlitz, die von der Bebilderungslinse 70 gesammelt
wird, wodurch sich der sichtliche Wirkungsgrad des Hohlraums verringert.
Bei einem Test, der mit einem 60° kreisförmigen,
lichtformenden Diffusor 43 und dem zuvor beschriebenen
stirnseitig beleuchteten Zylinder durchgeführt wurde, konnte eine erfolgreiche
Minimierung der restlichen Mikrofluktuationen (<–55
dB) ohne Verlust der sichtbaren Gleichmäßigkeit der Beleuchtung, wie
vom Sensorarray 80 wahrgenommen, festgestellt werden. Obwohl
die verschiedenen Ausführungsbeispiele
der vorliegenden Erfindung den lichtformenden Diffusor 43 in
Verwendung in Kombination mit einem optischen Eingabesystem und
einem Integrationszylinder beschreiben, könnte dieser auch ebenso gut
mit einer lichtintegrierenden Kugel (6) verwendet
werden.
-
Die
vorausgehenden Beispiele umfassen die Verwendung eines allgemein
zylinderförmigen
Hohlraumintegrators. Es sei darauf hingewiesen, dass der Lichtdiffusor
mit einem kugelförmigen
oder sphärischen
Integrationshohlraum 85 (6) verwendbar ist,
und dass damit im Wesentlichen die gleichen Vorteile erzielt werden
können.
-
Der
lichtformende Diffusor 43 sollte vorzugsweise in Nähe der Strahlenbrennebene
a2 angeordnet werden, wie in 2 gezeigt.
Falls der lichtformende Diffusor 43 einige Millimeter vor
der Brennebene angeordnet würde,
beispielsweise benachbart zur dritten Kondensorlinse 43,
hätte dies
die unerwünschte
Wirkung, dass partiell eine teilweise Vorintegrationskammer entstünde, die
zu einer Reduzierung des gesamten Wirkungsgrads des Hohlraums führte. In
Kombination mit einem stirnseitig beleuchteten Integrationszylinder
würde zudem
die räumliche
Verteilung des einfallenden Lichts über der unteren Wand des Hohlraums
gestört,
wodurch sich die Gleichmäßigkeit
des aus dem Ausgangskanal 54 tretenden Lichts veränderte.
Es entstünde
in dem Eingangskanal 52 eine Tasche, so dass der lichtformende
Diffusor 43 in Nähe
des Strahlenbrennpunkts auf Ebene a2 angeordnet
werden könnte
und entsprechende Merkmale aufwies, um einen elliptischen, lichtformenden
Diffusor mit der flachen Diffusion parallel zu der Ebene auszurichten,
die den Ausgangskanal 54 zweiteilt. Der lichtformende Diffusor 43 sollte
am besten so angeordnet werden, dass die optische Achse 13 des
eingehenden Strahls senkrecht zur Diffusionsebene verläuft. Die
Toleranz dieser Ausrichtung ist nicht von besonderer Bedeutung;
der Diffusor kann auch um einige Grad zur Senkrechten versetzt sein.
-
Es
sei darauf hingewiesen, dass trotz der Tatsache, dass andere Anordnungen
der Optik in dem optischen Beleuchtungssystem möglich sind, nicht auf den lichtformenden
Diffusor 43 verzichtet werden kann. Beispielsweise könnte die
Beleuchtungsoptik 20 derart konstruiert sein, dass nicht
das Bogenplasma (Ebene a0) konjugiert zum
Eingabekanal-Strahlenbrennpunkt angeordnet ist, sondern das Lampenfenster
(Ebene b0). In diesem Fall würde der Fernfeldbereich
der Bogenlampe, in dem die Gasturbulenz recht gut in Form räumlicher
Störungen
sichtbar ist, am Eingangskanal angeordnet sein. Der in den Integrationszylinder
fallende Eingangsstrahl würde
zunehmend Gaußsche
Eigenschaften aufweisen, und die turbulenzinduzierten Schwankungen
würden weniger
stark sichtbar werden. Diese Fluktuationen wären dennoch vorhanden und in
einem erheblichen Teil des Hohlraums des Integrationszylinders 50 erkennbar,
weshalb der lichtformende Diffusor 43 zur Reduzierung der
Größe dieser
Schwankungen weiterhin nützlich
wäre. Außerdem könnte die
gesamte Kondensorlinsenanordnung 38 durch eine nicht für die Bebilderung
vorgesehene Optik ersetzt werden, beispielsweise durch einen CPC-Spiegel
(Compound Parabolic Concentrator). Dieser erzeugt in ähnlicher Weise
wie bei dem Linsensystem aus 2 einen stark
veränderten
Brennpunkt und ein stark verändertes
Fernfeld in dem Hohlraum. Diese Aberrationen reichen aber wohl kaum
aus, um die Probleme mit dynamischer Schattenbildung zu beseitigen.
-
Es
sei darauf hingewiesen, dass die vorliegende Erfindung zwar im Zusammenhang
mit der Benutzung einer Xenon-Bogenlampe als Lichtquelle beschrieben
wird, sie aber auch mit anderen Bogenlampenquellen anwendbar ist,
oder sogar mit anderen Lampen als Bogenlampen, bei denen ein dynamisches
räumliches
Entzerrungsproblem in dem Strahl vorhanden ist.