NL8006296A - Kleurfilter. - Google Patents

Description

£ . /% VQ 1221 Kleurfilter.

De uitvinding heeft betrekking op een kleurcodeerfilter en meer in het bijzonder op een kleurcodeerfilter ten gebruike bij een camera met een enkele beeldopneeminrichting.

In de laatste jaren worden televisiecameraopneeminrichtingen 5 vervaardigd, waarbij gebruik wordt gemaakt van een stelsel van foto- aftastinrichtingen, zoals ladihgsgekoppelde inrichtingen, in plaats van de meer conventionele vidicon-beeldopneembuizen. Het is verder bekend een kleurentelevisiecamera te vervaardigen, welke is voorzien van slechts één opneeminrichting in plaats van normaliter drie 10 van deze inrichtingen, indien vóór de opneeminrichting een strook kleurcodeerfilter wordt opgesteld. Een dergelijk filter kan zijn voorzien van afwisselende stroken van rode, blauwe en groene filters, die in verticale richting zijn gecentreerd ten opzichte van de respectieve fotoaftastinrichtihgen, ofschoon ook andere kleuren 15 kunnen worden toegepast. Een dergelijk filter brengt wanneer dit wordt gebruikt bij een opneeminrichting met een vaste-toestands-afbeeldfoto-aftaststelsel problemen met zich mede. Meer in het bijzonder heeft het luminantie-uitgangssignaal een beperkte frequentie-responsie. Voorts kunnen zwevingen en "aliasing" optreden. "Aliasing" 20 heeft in deze context betrekking op storende signalen, welke optre den wanneer door een steekproef- of modulatiestelsel een gewenst signaal wordt verwerkt.

Het is derhalve gewenst te beschikken over een filter ten gebruike bij een opneeminrichting met een aantal aftastinrichtingen, 25 dat een brede frequentieresponsie in het resulterende luminantie- signaal evenals geringere zwevingen en "aliasing” mogelijk maakt.

Daartoe voorziet de uitvinding in het filter, dat voorzien is van gebieden met afwisselende kleuren, waarbij de filtsrgebieden in verticale richting ten opzichte van de overeenkomstige gebieden 30 van de foto-aftastinrichtingen van de beeldopneeminrichting zijn 8 0 06 29 6 - 2 - verschoven.

Verder Kunnen volgens de uitvinding alle Kleurgebieden een afmeting hebben, welke Kleiner is dan de overeenkomstige afmeting van de foto-aftastinriohtingen van de beeldopneeminrichting.

5 De uitvinding zal onderstaand nader worden toegelicht onder verwijzing naar da tekening. Daarbij toont: fig.l een verticaal strookfilter en de uitgangssignalen daarvan onder verschillende belichtingsomstandigheden: fig.2 het uitgangsfrequentiespectrum van een verticaal 10 strookfilter: fig.3 een filter volgens de uitvinding voor een niet-geïnter-liniëerd stelsel: fig.4 een demodulator ten gebruike bij het filter volgens fig.3: 15 fig.5 een filter volgens de uitvinding, gesuperponeerd op een foto-aftaststelsel voor het verschaffen van de geïnterlinieerde signalen, waarbij fig.Sa een constructie van het foto-aftaststelsel toont: fig.6 golfvormen, welke bij de uitvoeringsvorm volgens fig.5 20 optreden: fig.7 een andere uitvoeringsvorm van een filter volgens de uitvinding: en fig.8 een wijze van opbouw van het filter volgens fig.7.

Fig.la toont een typisch bekend patroon van verticale stro-25 ken 10, die in verticale richting zijn gecentreerd met de foto- aftastelementen Cresolutiecsllen) lü.van een niet afgebeelde vaste-toestandsopneeminrichting. Er zijn b.v. totaal 320 foto-aftastinrich-tingen 11 en stroken 10 voor elke horizontale regel aanwezig. Indien de camera een zuiver wit abject waarneemt, zullen er enige com-30 binaties van tafereelbelichting, filterresponsies en inrichtings- responsies zijn, welke veroorzaken, dat de uitgangssignalen uit elke foto-aftastinrichting 11 gelijk zijn, zoals blijkt uit fig.lb.

Bij een typisch aantal van 320 horizontale fotogevoelige elementen per regel, die in 53 msec worden afgetast (bij een NTSC-stelsel], 35 zal derhalve onder de bovenstaande omstandigheden van gelijke kleur- 8 0 06 29 6 * * - 3 - signalen een uitgangssignaal met een aantal steekproeven tijdens één regelaftasting aanwezig zijn, dat equivalent is met 320 gedeeld door 53 msec, hetgeen overeenkomt met ongeveer 6 MHz. De Nyquist-grens bedraagt de helft van deze waarde of ongeveer 3 MHz, welke 5 indien deze kon worden gebriiikt inderdaad zou leiden tot een reso lutie van 3 MHz in een luminantiesignaal, dat uit de foto-aftast-inrichtingen 11 afkomstig is. Indien echter aan de bovengenoemde omstandigheden niet wordt voldaan in een gebied van het tafereel, dat wordt opgenomen, b.v. meer van één kleur dan van de andere twee 10 kleuren aanwezig is, of indien er meer van twee kleuren aanwezig is dan de resterende kleur, zal het uitgangssignaal volgens fig.lb niet worden verkregen. Indien er b.v. meer rood dan groen en blauw aanwezig is, zullen de pulshoogten van het signaal uit de fotogevoe-lige elementen achter de rode kleurelementen van het filter 10 15 groter zijn dan de andere twee. Deze rode pulsen herhalen zich met een frequentie, equivalent aan 1/3 van 8 MHz, als aangegeven in fig.lc, gedurende een overheersend rood tafereel. Derhalve zal in het luminantie-uitgangssignaal een verticaal patroon van 2 MHz aanwezig zijn. Dit brengt een ontoelaatbaar storend effect met zich 20 mede en derhalve moet het luminantiesignaal over een laagdoorlaat- filter met een afknijpfrequentie onder 2 MHz worden gevoerd, waarbij de informatie, die in de band van 2-3 MHz aanwezig is, niet wordt gebruikt, waardoor 1/3 van het oplossend vermogen van de aftastinrich-tingen verloren gaat.

25 Zoals het geval is met alle steekproefstelsels, is er een aantal taferelen, welke in de meeste kleurcamerastelsels met gedeeld oppervlak tot zwevingen of "aliasing"leiden. Fig.2 toont de voornaamste draaggolven en zwevingen, welke optreden bij een camera met verticale stroken RGB (rood, groen, blauw), waarbij gebruik wordt 30 gemaakt van 320 horizontale foto-aftastelementen per regel. De krom me 100 toont de frequentieresponsie van een optisch laagdoorlaatfil-ter, dat in de optische baan vóór het kleurfilter wordt gebruikt.

De kromme 101 toont de frequentieresponsie van het luminantiekanaal. Een signaal van 2 MHz, dat door het bovenbeschreven effect wordt 35 veroorzaakt, treedt in het spectrum op, als aangegeven door de lijn η η n fi ? .o 6 - 4 - 12, sn dit signaal werkt in wezen als een kleur”draaggolf" met het binnenkomende gekleurde licht, zodat hiertussen zwevingen optreden, welke veroorzaken, dat een meetkundige plaats van eventuele "aliases", aangegeven door de kromme 14, aanwezig is. Het blijkt, 5 dat in het luminantiesignaal zwevingen optreden (aangegeven door het gearceerde gebied 15), die een gevolg zijn van de meetkundige plaats van eventuele "aliases" 14. Zoals verder door de kromme 16 is aangegeven, heeft het chrominantiesignaal nadat dit over een laagdoorlaatfilter is gevoerd, een afknijpfrequentie van 0,5 MHz.

10 Het blijkt, dat de meetkundige plaats 14 ook met dit chrominantie signaal in een chromademodulator in zweving kan treden, waardoor zwevingen optreden, als aangegeven door het gearceerde gebied 17.

Fig.3 toont onder gebruik van getrokken lijnen de omtrekken van de fotogevoelige elementen 18 van een vaste-toestandsafbeeld-15 inrichting. De elementen 18 zijn vierkant en elke zijde is ongeveer 30 micron lang. De stippellijnen geven aan, dat kleurfilterelemen-ten 20 CR, G, B voor rood, blauw en groen) rechthoekig zijn uitgevoerd. De elementen 20 hebben dezelfde hoogte als die van de foto-aftastelementen doch slechts 2/3 van de breedte d.w.z. dat zij een 20 breedte van 20 micron hebben. Derhalve hebben in de horizontale richting drie van de kleurelementen 20 dezelfde breedte als twee van de fotogevoelige elementen 18. Elke afwisselende lijn van kleur- elementen 20 wordt over één kleurelement verschoven ofschoon verschuivingen, die groter of kleiner dan één element zijn, kunnen wor-25 den toegepast. Zo kunnen de kleurelementen tussen de lijnen 120 b.v. bij afwisselende lijnen over minder dan de breedte van een kleurelement worden verschoven. Het resultaat is, dat het elektrische uitgangssignaal uit een bepaald foto-aftastelement niet eenvoudig het signaal is, dat een gevolg is van de kleur van een waarge-30 nomen tafereel, welke door een bepaald rood, blauw of groen kleur- filterelement wordt gevoerd, doch een combinatie daarvan. De bijdrage uit elke kleur is gerelateerd tot de afmeting: van het gebied van het foto-aftastelement, dat door elke bepaalde kleur wordt bestreken. Derhalve heeft de bovenste linkerfoto-aftastinrichting 35 als uitgangssignaal 2/3 groen en 1/3 blauw, terwijl de volgende fo- 8006296 é' * - 5 - to-aftastinrichting aan de rechterzijde, als uitgangssignaal 1/3 blauw en 2/3 rood heeft. Aangezien het gewenst is een oplossing van zuivere rade, blauwe en groene signalen te verkrijgen, zijn de uitgangssignalen van de stellen van drie foto-aftastinriohtingen norma-5 liter voldoende om dit te bereiken. Men kan evenwel de uitgangssig nalen uit de stellen van vier gebruiken, waardoor de decodering wordt vereenvoudigd. Het stelsel volgens fig.3 leidt ook tot een "draaggolf"-signaal, zoals bij fig.la, doch dan bij 3 MHz. Er is een filter nodig om de draaggolf te elimineren. Aangezien dit filter 10 een frequentie van 3 MHz in plaats van, zoals bekend, 2 MHz kan heb ben, verkrijgt men een verbetering in bandbreedte en derhalve in horizontale resolutie van 50%.

Fig.4 toont een decodeerinriohting ten gebruike bij het filter en de vaste-toestandsafbeeldinriohting volgens fig.3. Het sig-15 naai uit de afbeeldinrichting wordt toegevoerd aan een ingangsklem 22. Een deel van het signaal wordt toegevoerd aan een banddoorlaat-filter 24, dat een centerfrequentie van 3 MHz en een doorlaatband van 1/2 MHz ter weerszijden daarvan bezit. Het uitgangssignaal van het banddoorlaatfilter 24 wordt toegevoerd aan een balansdemodula-20 tor 26, die eveneens een sinusvormig referentie-ingangssignaal van 3 MHz ontvangt. Dit signaal wordt afgenomen uit het aan de afbeeldinrichting toegevoerde horizontale kloksignaal. Het-uitgangssignaal van de balansdemodulator 26 wordt toegevoerd aan een laagdoorlaat-filter 28 met een afknijpfrequentie van 1/2 MHz. Van hieruit wordt 25 het signaal toegevoerd aan een vertragingslijn 30 van 1 H Cl hori zontale regel), welke vertragingslijn nodig is omdat er slechts twee delen van kleurinformatie als dragers bij elke lijn Cl) aanwezig zijn. Het 1/3 blauwe gebied bij elke foto-aftastinrichting 18 van afwisselende lijnen A en het 1/3 rade gebied van elke fato-aftast-30 inrichting 18 bij afwisselende lijnen C, levert slechts een gelijk- stroomcamponént bij de ingangsklem 22, die tijdens de signaalverwerking "verloren" gaat. Derhalve is het nodig twee regels te verwerken om alle kleurinformatie te verkrijgen, die nodig is voor het verschaffen van een uitgangssignaal met volle kleur. Er is een schake-35 laar 32 aanwezig om afwisselend een vertraagd en niet-vertraagd sig- 8006296 -6-.

naai, "A" genoemd, aan een matrix 34 toe te voeren, terwijl een schakelaar 36 aanwezig is om afwisselend een vertraagd en niet-ver-traagd signaal, aangeduid met "C”, aan de matrix 34 toe te voeren. Deze signalen worden afgenomen uit afwisselende horizontale lijnen 5 van de fotogevoelige elementen 18, als aangegeven in fig.3. De schakelaars 32 en 36 zijn mechanisch met elkaar gekoppeld, een en ander zodanig, dat, zoals uit fig.4 blijkt, wanneer het signaal A een vertraagd signaal omvat, het signaal C een niet-vertraagd signaal omvat en omgekeerd. Het ingangssignaal op de klem 22 wordt 10 ook via een laagdoorlaatfilter 38 van 3 MHz en van daaruit aan een vertragingsaanpassingselement 40 toegevoerd, dat in een voldoende mate van vertraging voorziet om een aanpassing te verkrijgen aan de vertraging, welke de A- en C-signalen hebben ondergaan bij het passeren van de ketens 24, 26 en 28. Het uitgangssignaal van het aan-15 passingselement 40 is het luminantiesignaal L, dat gelijke gedeelten van rode, blauwe en groene signalen omvat b.v. L = 1/3 (R + B + G], waarbij dit uitgangssignaal aan de matrix 34 wordt toegevoerd. De amplitude van de kleursignaalgolf van 3 MHz uit het banddoorlaatfil-ter 24 bij de oneven genummerde lijnen is A * 1/3 CG - R), terwijl 20 dit bij even genummerde lijnen wordt gegeven door C - 1/3 CB - G).

Er kan worden aangetoond, dat de matrix 34 derhalve de vergelijkingen R = -2A-.C+L, B * A+2C+L en G * A-C+L, moet oplossen. Een dergelijke matrix kan op een eenvoudige wijze worden ontworpen.

Fig.5 toont een kleurfilterpatroon ten gebruike bij een geïn-25 terliniëerd stelsel. Voordat dit nader wordt toegelicht is het eerst nodig om uiteen te zetten, dat bij een bepaalde uitvoeringsvorm, als aangegeven in fig.5a, elk van de foto-aftastelementen 18 kanaal-begrenzingen 74 heeft, die de horizontale breedten van de aftast-inrichtingen 18 bepalen. Voorts omvat elk van de foto-aftastinrich-30 tingen 18 een verticaal stelsel van zich in horizontale richting uitstrekkende geleidende stroken 75, 76, 77. Gedurende ladingsaccu-mulatie tengevolge van belichting tijdens het oneven veld, worden spanningen aan de horizontale stroken in stellen van drie aangelegd, waarvan de buitenste twee, 75 en 77, iets negatief en de middelste 35 76 positief ten opzichte van de substraat is. Hierdoor wordt de ver ticale afmeting van de foto-aftastinrichtingen 18 bepaald. Gedurende 8 0 06 29 6 - 7 - het volgende veld, wordt de positie van de positieve spanning over één of twee regels naar beneden verschoven, waardoor de effectieve verticale positie van de aftastinrichting 18 wordt gewijzigd. Door deze verschuiving Krijgt men de interliniëring. De uitgangssigna-5 len van de inrichting zijn afkomstig uit een verticale verschuiving van Kolommen van foto-aftastinrichtingen in een schuifregister. Een dergelijke inrichting is bekend als een "verticale driefase-over-drachtsinrichting". Uit fig.5 blijkt, dat er tussen de fotogevoeli-ge elementen 18 en de kleurfilterelementen 2G een verticale ver-10 / schuiving aanwezig is, waarbij de filteropstelling overigens dezelf de is als die weergegeven in fig.3. Bij de bepaalde afgebeelde uitvoeringsvorm is de verschuiving 1/3 van de hoogte van het fotogsvoe-lige element d.w.z. één strook. De verschuiving is symmetrisch om de horizontale lijnen 120 tussen de rijen van de kleurfiltereJemen-15 ten 20, d.w.z. midden tussen de stellen stroken 75 en 76. Er wordt op gewezen, dat tengevolge van de dispositie van de kleurfilterelementen 20 bij een verschuiving naar beneden datgene, dat verloren gaat, aan kleurinformatie bij de bovenzijde van de elementen 20, aan de onderzijde daarvan wordt opgenomen en dat derhalve dezelfde 20 keten als die volgens fig.4 kan worden gebruikt voor het decoderen van de geïnterlinieerde signalen, welke optreden bij de in fig.5 afgebeelde uitvoeringsvorm, evenals de niet-geïnterlinieerde signalen, welke optreden bij de in fig.3 afgebeelde uitvoeringsvorm. Er is evenwel een andere matrix nodig. Meer in het bijzonder moet tenge-25 volge van het oppervlak van elk kleurfilterelement bij elke fota- aftastinrichting de matrix een oplossing geven voor de vergelijkingen: R * -3/8A-1/8C+L, B = 1/8A+3/8C+L, G * 1/4A-1/4C+L.

Fig.S toont gesuperponeerd Cen iets op een afstand voor een beter begrip) de R-, G- en B-golfvormen, welke aan de uitgang van 30 de camera-aftastinrichting optreden wanneer de afbeeldinrichting individueel complete primaire kleurvelden waarneemt. Aangenomen wordt, dat elk foto-aftastelement in 9 delen is gesplitst, en dat de bijdrage van elke kleur evenredig is met de verhouding van het oppervlak van de betreffende kleurfiltersectie tot het gehele opper-35 vlak van de foto-aftastinrichting. Er wordt op gewezen, dat wanneer 8 0 06 29 6 - a - 320 fatogevoelige elementen in 53 msec worden afgetast, de aangegeven rechthoekige golven zich herhalen met een snelheid, equivalent aan 3 MHz. Derhalve moet de frequentieresponsie van het luminantie-signaalkanaallworden beperkt tot ongeveer 3 MHz om het optreden van 5 verticale stroken, equivalent met 3 MHz, in het beeld tegen te gaan.

Dit is gunstig vergeleken met de grens van 2 MHz voor dezelfde af-beeldinrichting onder gebruik van de verticale RGB-strookfilterbena-dering, weergegeven in fig.l. Voorts kan bij vierkleurenfilterstel-sels, als aangegeven in fig.lB van het Amerikaanse octrooischrift 10 4.121.244, het rood in het gele kleurfllter, dat rood + groen omvat, niet hetzelfde zijn als het rood in het zuivere roodfilter, en kan het blauw in het cyaankleurfilter, dat blauw + groen omvat, niet het zelfde zijn als in een zuiver'blauwfliter. Het resultaat hiervan is of het optreden van horizontale banden of kleurflikkeringen afhanke-15 lijk van de wijze waarop de interliniSring wordt verkregen. Volgens de uitvinding zijn de heldere en donkere gebieden, welke worden verkregen bij de groene en niet-groene (rode en blauwe) filtergebie-den resp. over 180° in fase ten opzichte van elkaar verschoven en wel van regel tot regel. Wanneer het groene tafereel een frequentie-20 component met brede band omvat, reduceert deze fasewisseling de zichtbaarheid van zwevingen tussen het groene signaal en de kleur "draaggolf" bij 3 MHz.

Secundaire kleuren, zoals geel, cyaan en magenta, kunnen in de plaats treden voor de rode, blauwe en groene primaire kleuren in 25 het filter. Dit leidt tot een grotere gevoeligheid ten koste van enige extra vereiste matrixwerking. Voorts kan gebruik worden gemaakt van de combinatie van primaire en secundaire kleuren zoals geel, groen en cyaan.

Deze mogelijkheid is weergegeven in fig.7, welke een geel, 30 cyaan en groen filter toont. Een dergelijke constructie bezit be paalde voordelen ten opzichte van die, weergegeven in fig.5, waarbij gebruik wordt gemaakt van rode, blauwe en groene kleurelementen. Meer in het bijzonder leidt deze kleurcombinatie ertoe, dat het groene uitgangssignaal geen "draaggolf"-component van 3 MHz heeft, 35 zodat dit de basis vormt voor een luminantiesignaal met volle reso- 80 06 29 6 - 9 - lutie waarbij in de hoogfrequente groene taferelen weinig of geen zwevingen optreden. Het totale luminantie-opneemsignaal, dat gelijk is aan L = R+B+3G, ligt dichter bij de kleursamenstelling van het constante NTSC-luminantiesignaal dan de RGB-benadering, waarbij 5 L. - R+B+G. Dit kan leiden tot een reductie van de zichtbaarheid van ruis overeenkomstig de bekende constante-luminantieprincipes. Verder kan ook worden aangetoond, dat het gebruik van secundaire kleur-filters het mogelijk maakt, dat meer licht van het tafereel passeert, waardoor men een grotere gevoeligheid verkrijgt. Naast het 10 bovengenoemde L-signaal is het A-signaal gelijk aan A = 1/3CR-2B) en het Osignaal gelijk aan 1/3C2R-B). De matrix moet dan zodanig worden ontworpen, dat deze een oplossing geeft voor de vergelijkingen R = 2C-A, B * C-2A en G = L+A-C.

Fig.S toont op welke wijze een geel, cyaan en groen filter 15 kan worden opgebouwd uit respectieve gele en cyaanfiltersecties 40 en 42, die resp. in fig.Sa en 8b zijn aangegeven. Elk van deze filtersecties 40 en 42 heeft juist een gekleurd gebied van de respectieve kleur (aangegeven door een diagonale arcering) en een transparant gebied of een gebied met neutrale dichtheid (aangegeven 20 zonder de arcering). Wanneer de filters elkaar overlappen zijn de resultaten de kleurfiltersecties, als aangegeven in fig.Sc. Meer in het bijzonder v erkrijgt men wanneer gele en cyaanfrleuren elkaar overlappen, groen gekleurde filtergebieden.

Claims (9)

1. Kleurfilter ten gebruike bij een beeldopneeminrichting met een aantal foto-aftastinrichtingen, gekenmerkt door een aantal zich in horizontale richting herhalende stellen van gebieden van verschillende kleuren, die in verticale richting ten opzichte van de 5 foto-aftastinrichtingen zijn verschoven.

2. Filter volgens conclusie 1, met het kenmerk, dat de opneem-inrichting een regelaftastrichting bezit en alle gebieden een afmeting in de richting van de regelaftasting hebben, welke kleiner is dan de overeenkomstige afmeting van de foto-aftastinrichtingen.

3. Filter volgens conclusie 1 of 2, met het kenmerk, dat de ge bieden rechthoekig zijn.

4. Filter volgens conclusie 1 of 2, met het kenmerk, dat de gebieden rode, groene en blauwe kleuren bezitten.

5. filter volgens conclusie 1 of 2, met het kenmerk, dat de ge- 15 bieden gele, cyaan en groene kleuren bezitten.

6. Filter volgens conclusie 1 of 2, met het kenmerk, dat het filter is voorzien van twee zich op elkaar bevindende secties C4Q, 42), elk met gebieden met een enkele kleur, welke afwisselen met gebieden met neutrale dichtheid, waarbij elke sectie filtergebieden 20 met een andere kleur dan die van de andere sectie bezit en verspron gen ten opzichte daarvan is opgesteld, waardoor het filter drie verschillende kleurgebieden tengevolge van de overlapping tussen de secties bezit.

7. Filter volgens conclusie 2, met het kenmerk, dat de genoemde 25 afmeting de horizontale afmeting is.

8. Filter volgens conclusie 2, met het kenmerk, dat de genoemde afmeting van de gebieden 2/3 van de lengte van de overeenkomstige afmeting van de foto-aftastinrichtingen is.

9. Filter volgens conclusie 1 of 2, met het kenmerk, dat gebie- 30 den met een bepaalde kleur in horizontale richting zijn verschoven ten opzichte van gebieden met dezelfde bepaalde kleur in, in verticale richting naast elkaar gelegen horizontale stellen. 8 0 06 29 6 \ -πιο. Filter volgens conclusie 1 of 2, gekenmerkt door een camera-opneeminrichtingj waarbij de gebieden dicht bij de foto-aftast-inrichtingen van de opneeminrichting zijn opgesteld. 80 06 29 6