DE69015155T2 - Strahlteiler für farbabbildungsvorrichtung. - Google Patents

Description

• Die Erfindung betrifft einen Strahlenteiler für farbabbildungsvorrichtungen im allgemeinen und einen für eine Linearmatrix- Filmabtastvorrichtung besonders geeigneten Strahlteiler im besonderen.
• Eine Linearmatrix-Filmabtastvorrichtung für Anwendungen in der Fernsehtechnik weist in der Regel ein lichtempfindliches Linear- Ladungsspeicherelement (CCD) mit einer seriellen Ausgabe für die Darstellung einer Zeile eines Fernsehbildrasters auf. Für farbfernsehen kann die Filmabtastvorrichtung auch drei getrennte CCD- Matrizen aufweisen, für jede Primärfarbe eine. Der Film wird mit gleichförmiger Geschwindigkeit an einer Lichtquelle vorbeigeführt. Dabei wird auf den einzelnen CCD-Matrizen mittels einer Linse und eines Strahlenteilers jeweils ein beleuchteter Abschnitt des Films abgebildet. Die filmbewegung erzeugt die vertikale (bildweise) Abtastung, die zyklische Linearbewegung der CCD-Matrizen die horizontale (zeilenweise) Abtastung. Eine Abtastvorrichtung dieser Art wird in US-Patent Nr. 4 205 337 beschrieben.
• Ebenfalls bekannt sind Filmabtastsysteme mit einem Strahlenteiler, der das von einer beleuchteten Zeile des Films abgegebene Licht in zwei Bilder teilt, nämlich ein Luminanzbild und ein Chrominanzbild. Ein System dieser Art wird beispielsweise in US- Patent Nr. 4 310 847 gezeigt. Schwierig bei einem Zweikanalsystem ist die Erzielung des richtigen Farbausgleichs in den beiden Abtastkanälen. Zur Erzielung des gewünschten Abgleichs der Primärfarben ist im Luminanzkanal der patentierten Vorrichtung ein Farbfilter angebracht, um einen Teil des sichtbaren Spektrums zu verstärken oder zu unterdrücken. Eine sich wiederholende Gruppierung von farbfiltern ist auch im Strahlengang des Chrominanzbildes angebracht. Die Verwendung getrennter Ausgleichsfilter für den gewünschten Farbausgleich macht das System jedoch wesentlich komplexer. Ein weiterer Nachteil besteht darin, daß die verschiedenen Filter dazu neigen, ihre Wirksamkeit im Laufe der Zeit zu ändern, so daß es schwierig ist, die Genauigkeit des Systems aufrechtzuerhalten.
• DE-A-2 446 923 beschreibt einen Strahlenteiler für eine Farbabbildungsvorrichtung mit einem Luminanzkanal und einem Chrominanzkanal. Dieser Strahlenteiler hat eine im wesentlichen dreieckige Form und besteht aus zwei dreieckigen Prismenelementen mit einem zwischen diesen Elementen angeordneten dichroitischen Interferenzfilter. Der Oberbegriff des Anspruchs 1 entspricht DE-A-2 446 923.
• US-A-2 795 164 beschreibt einen optischen Strahlenteiler, bei dem Lichtverluste durch Polarisation vermieden werden.
• Die Erfindung hat die Aufgabe, die mit den beschriebenen bekannten Vorrichtungen verbundenen Schwierigkeiten zu überwinden und einen verbesserten Strahlenteiler für Farbabbildungsvorrichtungen zu schaffen.
• Nach einem Aspekt der Erfindung wird ein Strahlenteiler gemäß Anspruch 1 geschaffen.
• Bei einer Ausführungsform der Erfindung hat der Strahlenteiler im Querschnitt die Form eines rechtwinkligen Dreiecks. Der Strahlenteiler weist ein erstes Prismenelement aus Glas auf, das mit einem zweiten Prismenelement zusammengefügt ist. Zwischen den beiden Prismenelementen ist ein dichroitisches Interferenzfilter angebracht, das mit einer Eintrittsfläche des ersten Prismenelements aus Glas einen Winkel von 22 1/2º bildet. Zur Bildung des Interferenzfilters wird vor dem Zusammenfügen der beiden Prismenelemente eine Fläche des zweiten Prismenelements abwechselnd mit Schichten aus SiO&sub2; und TiO&sub2; versehen.
• Bei der praktischen Verwendung des Strahlenteilers tritt ein Eintrittslichtstrahl in die Eintrittsfläche des ersten Prismenelements ein und fällt dann auf das dichroitische Interferenzfilter. Ein erster Austrittslichtstrahl wird zur Eintrittsfläche reflektiert und von dieser aus dem Strahlenteiler ausgelenkt. Ein zweiter Austrittslichtstrahl wird von dem von dem Interferenzfilter durchgelassenen Licht des Eintrittslichtstrahls gebildet, im zweiten Prismenelement intern reflektiert und aus dem Strahlenteiler ausgelenkt. Der Einfallswinkel des Eintrittslichtstrahls am Interferenzfilter und die Zusammensetzung des Filters wurden so gewählt, daß die erzeugten ersten und zweiten Austrittslichtstrahlen die gewünschte spektrale Zusammensetzung für die Luminanz- und Chrominanzkanäle einer Linear-Filmabtastvorrichtung aufweisen. Der erste und zweite Austrittslichtstrahl bilden miteinander einen Winkel von 135º.
• Ein Vorteil des erfindungsgemäßen Strahlenteilers besteht darin, daß dessen Elemente so zusammenwirken, daß der richtige farbausgleich für eine Filmabtastvorrichtung mit zwei Abtastkanälen, nämlich einem Luminanzkanal und einem Chrominanzkanal, gewährleistet Infolgedessen erübrigt sich die Verwendung getrennter Farbausgleichsfilter in den Abtastkanälen. Die Form des Strahlenteilers begünstigt die Handhabung und Montage der Vorrichtung. Ein weiterer Vorteil besteht darin, daß zwischen den beiden Austrittslichtstrahlen ein großer Winkelabstand vorhanden ist. Das erleichtert die Anordnung der Bauteile in der Abtastvorrichtung und die Montage der lichtempfindlichen Matrizen.
• Die Erf indung wird im folgenden an Hand eines in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiels näher erläutert.
• Es zeigen
• Fig. 1 eine Vorderansicht des erfindungsgemäßen Strahlenteilers,
• Fig 2 eine Vorderansicht der beiden Prismenelemente des Strahlenteilers vor dem Zusammenfügen und
• Fig. 3 ein Diagramm des Durchlaßgrades in Prozent als Funktion der Wellenlänge eines Lichtstrahls im Chrominanzkanal einer Filmabtastvorrichtung.
• Der erfindungsgemäße Strahlenteiler kann in zahlreichen elektronischen Abbildungsvorrichtungen verwendet werden. Besonders geeignet ist er jedoch zur Erzeugung eines Fernsehsignals aus einem Laufbildfilm in einer Linearmatrix-Filmabtastvorrichtung mit zwei Abtastkanälen, nämlich einem Luminanzkanal und einem Chrominanzkanal.
• Fig. 1 zeigt einen erfindungsgemäß ausgeführten Strahlenteiler 10. Der Strahlenteiler 10 hat einen im Querschnitt dreieckigen Körper und entsteht, wie in Fig. 1 gezeigt, durch Zusammenfügen eines ersten Prismenelements 12 mit einem zweiten Prismenelement 14. Fig. 2 zeigt die Elemente 12 und 14 vor dem Zusammenfügen. Wie in Fig. 2 gezeigt, hat das Prismenelement 14 eine dreieckige Form und ist, wie in Fig. 1 gezeigt, an einer Fläche 16 mit einem dichroitischen Interferenzfilter 15 versehen. Das Prismenelement 12 hat einen viereckigen Querschnitt und ist, wie in Fig. 2 gezeigt, mit einer Eintrittsfläche 18 versehen und einer der Eintrittsfläche 18 gegenüberliegenden Fläche 20, die mit der Eintrittsfläche 18 einen Winkel von 22 1/2º bildet. Beide Prismenelemente können aus Glas, beispielsweise einem BK7-Glas hergestellt werden. Wie später noch ausführlich beschrieben, tritt ein Eintrittslichtstrahl 30 an der Eintrittsfläche 18 in den Strahlenteiler 10 ein und wird dann von dem dichroitischen Interferenzfilter 15 in einen ersten, durch eine Austrittsfläche 33 an dem Prismenelement 12 aus dem Strahlenteiler 10 austretenden Austrittslichtstrahl 32 und einen zweiten, aus einer Austrittsfläche 35 an dem Prismenelement 14 austretenden Austrittslichtstrahl 34 geteilt.
• Das dichroitische Interferenzfilter 15 wird durch abwechselnde Beschichtung der Fläche 16 des Prismenelements 14 mit SiO&sub2; und TiO&sub2; gebildet, wobei auf eine erste Schicht aus TiO&sub2; eine Schicht aus SiO&sub2; und darauf eine Schicht aus TiO&sub2; folgt und so weiter. Für diesen Zweck können auch andere hochschmelzende Oxide, wie z.B. Ta&sub2;O&sub5; und HFO&sub2; verwendet werden.
• Ein solches Filter 15 mit 13 abwechselnd aus SiO&sub2; und TiO&sub2; bestehenden Schichten wurde beispielsweise auf der Fläche 16 des Prismenelements 14 durch Elektronenstrahlaufdampfung im Vakuum gebildet. Nach Bildung des Interferenzfilters 15 auf der Fläche 16 des Prismenelements 14 wird die Fläche 20 des Prismenelements 12 mit der Fläche 16 des Prismenelements 14 zusammengefügt. Zum Zusammenfügen der Elemente 12 und 14 wird ein durch Ultraviolettbestrahlung aushärtbarer Kleber, wie z.B. der von der Norland Company als Norland 61 angebotene Kleber, verwendet. Es hat sich als zweckmäßig erwiesen, das Prisma 14 mit dem darauf angebrachten Filter 15 vor dem Zusammenkleben der Elemente 12 und 14 etwa eine Stunde lang in einem Ofen mit einer Temperatur von 350ºC zu erhitzen.
• Bei der praktischen Verwendung des Strahlenteilers 10 wird der Eintrittslichtstrahl 30, wie in Fig. 1 gezeigt, auf den Strahlenteiler 10 gelenkt. Der Strahl 30 ist in der Zeichnung als Einzelstrahl dargestellt, besteht aber in Wirklichkeit aus einem konvergierenden oder divergierenden Strahlenkegel mit einer Vielzahl einzelner Strahlen. Der in der Zeichnung gezeigte Strahl ist also nur der mittlere Strahl bzw. die Achse des Strahlenkegels. Bei dem Strahl 30 kann es sich beispielsweise um einen Lichtstrahl handeln, der von dem Bild in einem (nicht gezeigten) Film moduliert und durch eine (nicht gezeigte) Objektivlinse zu dem Strahlenteiler 10 übertragen wird. Bei der in der Zeichnung gezeigten Ausführungsform tritt der Strahl 30 mit einem Einfallswinkel von null Grad in die Eintrittsfläche 18 ein und gelangt dann zu dem dichroitischen Filter 15. Der Einfallswinkel des Strahls 30 am Filter 15 wird durch den Winkel bestimmt, den das Filter 15 mit der Eintrittsfläche 18 bildet. Dieser Winkel beträgt 22,5 Grad. Andere Strahlen in dem von dem Lichtstrahl 30 vertretenen Strahlenkegel würden mit einem etwas kleineren und einem etwas größeren Einfallswinkel als 22,5 Grad auf das dichroitische Filter 15 treffen.
• Diese Abweichung des Einfallswinkels der verschiedenen Strahlen im Kegelwinkel des Lichtstrahls 30 verursacht eine geringfügige Abweichung des spektralen Durchlaßgrades des dichroitischen Filters für die verschiedenen Strahlen. Bei einem Einfallswinkel von beispielsweise 45 Grad statt 22,5º wäre die Abweichung des spektralen Durchlaßgrades für diese anderen Strahlen wesentlich größer. Dies ist einer der Vorteile, den der verhältnismäßig kleine Einfallswinkel von 22,5 Grad im Vergleich zu einem Einfallswinkel von beispielsweise 45º bietet.
• Der Austrittslichtstrahl 32 wird an dem Filter 15 reflektiert und mit einem Einfallswinkel von 45º zu der Eintrittsfläche 18 zurückgeworfen. In Wirklichkeit ist auch hier wieder der Einfallswinkel der verschiedenen Einzelstrahlen des Lichtstrahls in einigen Fällen etwas kleiner und in einigen Fällen etwas größer als 45 Grad. Um einen hohen Wirkungsgrad des Strahlenteilers zu gewährleisten, sollten diese verschiedenen Einfallswinkel in jedem Fall größer sein als der sogenannte kritische Winkel für die innere Totalreflexion. Für rotes Licht und BK7-Glas beträgt der kritische Winkel beispielsweise ca. 41,5 Grad. Strahlen, die mit einem inneren Einfallswinkel auf die Fläche treffen, der kleiner ist als der kritische Winkel, werden in zwei Strahlen geteilt, nämlich einen gebrochenen Strahl und einen reflektierten Strahl. Der gebrochene Strahl bedeutet Energieverlust und verringert infolgedessen die Helligkeit des reflektierten Strahls und somit den Wirkungsgrad des Strahlenteilers. Zur Erzielung eines optimalen Wirkungsgrades sollte daher der Halbwinkel des Strahlenkegels im Glas in diesem Falle auf weniger als 3,5 Grad (45 - 41,5) begrenzt werden. Für Lichtstrahlen mit einem größeren Halbwinkel des Strahlenkegels im Glas ist die Verwendung einer Glasart mit einem höheren Brechungskoeffizienten dringend zu empfehlen.
• Nach innerer Totalreflexion an der Fläche 18 tritt der Lichtstrahl 32 durch die Austrittsfläche 33 aus dem Strahlenteiler 10 aus. Der Austrittslichtstrahl 34 wird von dem von dem dichroitischen Filter 15 durchgelassenen Licht gebildet. Der Lichtstrahl 34 erfährt eine innere Totalreflexion an der Fläche 36 des Prismenelements 14 und tritt durch die Austrittsfläche 35 aus dem Strahlenteiler aus.
• Es sei darauf hingewiesen, daß der Strahlengang des Austrittslichtstrahls 32 durch den Strahlenteiler 10 die gleiche Länge hat wie der Strahlengang des Austrittslichtstrahls 34 durch den Strahlenteiler. Eine weitere Besonderheit des Strahlenteilers 10 besteht darin, daß der Austrittslichtstrahl 32 zweimal in dem Strahlenteiler reflektiert wird, der Austrittslichtstrahl 34 jedoch nur einmal. Infolgedessen erscheinen die von den Lichtstrahlen 32 und 34 übertragenen Bilder verkehrt, d.h. spiegelbildlich zueinander.
• Nach Austritt aus dem Strahlenteiler 10 bilden die Lichtstrahlen 32 und 34 miteinander einen Winkel von 135º. Für bestimmte Abtastvorrichtungen ist dieser große Winkelabstand der beiden Austrittslichtstrahlen 32 und 34 insofern besonders vorteilhaft, als er die Anordnung der Bauteile der Abtastvorrichtung und die Montage der (nicht gezeigten) linearen CCD-Matrizen erleichtert.
• Der Winkel von 22,5 Grad des dichroitischen Strahlenteilers relativ zur Eintrittsfläche 18 ergibt sich aus der Forderung nach innerer Totalreflexion des Lichtstrahls 32 an der Fläche 18 und der geometrischen Gestaltung des Strahlenteilers. Bei einem kleineren Winkel würde der ganze Strahlenkegel des Lichtstrahls 32 möglicherweise an der Fläche 18 keine innere Totalreflexion erfahren. Bei einem größeren Winkel als 22,5º müßte das Prismenelement 12 größer ausgeführt werden. In diesem Falle würde der Strahlenteiler nicht mehr einen dreieckigen Querschnitt haben. Bei einem größeren Winkel wäre zudem die Abweichung des spektralen Durchlaßgrades des dichroitischen Strahlenteilers für die verschiedenen Einzelstrahlen, aus denen sich die Strahlenbündel zusammensetzen, größer. Der Winkel von 22,5 Grad stellt daher für den Strahlenteiler die optimale Lösung dar.
• Ein wichtiges Merkmal des erfindungsgemäßen Strahlenteilers besteht darin, daß die erzeugten Austrittslichtstrahlen den richtigen Farbausgleich für die Luminanz- und Chrominanzkanäle einer Linearabtastvorrichtung aufweisen, wie sie beispielsweise in dem bereits erwähnten US-Patent Nr. 4 310 847 offenbart wird. Der gewünschte Farbausgleich wird durch die Verwendung eines Interferenzfilters der hier offenbarten Art erzielt. Das Filter wird in dem Strahlenteiler so angebracht, daß der Eintrittslichtstrahl unter einem Winkel von ca. 22,5º auf das Filter trifft und nicht mit einem größeren Winkel von ca. 45 Grad, wie dies sonst bei Strahlenteilerprismen üblich ist. Der kleinere Einfallswinkel ermöglicht den gewünschten Farbausgleich zwischen den beiden Austrittslichtstrahlen. Bei einem Einfallswinkel von 45 Grad statt 22,5 Grad wäre dies sehr viel schwieriger zu erreichen gewesen.
• Es hat sich gezeigt, daß mit einer Zweikanal-Abtastvorrichtung die besten Ergebnisse dann erzielt werden, wenn der Luminanzkanal weniger mit blauem Licht beaufschlagt wird als der Chrominanzkanal. Daher wurden die Schichten des Filters 15 so gewählt, daß in dem Chrominanzkanal mehr blaues Licht erzeugt wird als in dem Luminanzkanal. Die Kurve 40 in Fig. 3 zeigt den Durchlaßgrad in Prozent als Funktion der Wellenlänge des Austrittslichtstrahls 34 für einen Chrominanzkanal. Wichtige Aspekte der Erfindung, die von der Kurve 40 veranschaulicht werden, sind der scharfe Übergang von blau zu grün bei ca. 500 nm und der relativ konstante Durchlaß im blauen Bereich des Spektrums und in den roten und grünen Bereichen. Der gewünschte Farbausgleich in den beiden Abtastkanälen wird durch eine solche Verteilung der spektralen Zusammensetzung des Lichtstrahls wesentlich erleichtert. Zur Bestimmung des Reflexionsgrades des Filters 15 für einen Luminanzkanal (Austrittslichtstrahl 32) muß der aus der Kurve 40 abzulesende Durchlaßgrad von eins subtrahiert werden. Der Anteil des blauen Lichts im Austrittslichtstrahl 32 würde beispielsweise nur ca. 25% im Vergleich zu den in Fig. 3 für den Lichtstrahl 34 ausgewiesenen ca. 75% betragen.
ZEICHNUNGSBESCHRIFTUNG: Fig. 3:
• a DURCHLASSGRAD IN %
• b WELLENLÄNGE (nm)

Claims (9)

1. Strahlenteiler für eine Farbabbildungsvorrichtung mit einem Luminanzkanal und einem Chrominanzkanal, wobei der Strahlenteiler im wesentlichen dreieckig ausgebildet ist und

ein erstes Prismenelement (12) mit einer Eintrittsfläche (18) für einen eintretenden Lichtstrahl (30) und einer ersten Austrittsfläche (33) umfaßt, durch die ein erster, eine bestimmte spektrale Zusammensetzung für den Luminanzkanal aufweisender Strahl aus dem Strahlenteiler austritt,

ein mit dem ersten Prismenelement (12) verbundenes zweites Prismenelement (14) mit einer zweiten Austrittsfläche (35) umfaßt, durch die ein zweiter, eine bestimmte spektrale Zusammensetzung für den Chrominanzkanal aufweisender Strahl aus dem Strahlenteiler austritt, und

ein dichroitisches Interferenzfilter (15), das an der Verbindung zwischen dem ersten und dem zweiten Prismenelement (12, 14) angeordnet ist und den Eintrittslichtstrahl (30) in einen ersten (32) und zweiten (34) Lichtstrahl aufteilt, indem es den Eintrittslichtstrahl (30) teilweise in den ersten Lichtstrahl reflektiert und ihn teilweise in den zweiten Lichtstrahl gelangen läßt,

dadurch gekennzeichnet, daß

das Interferenzfilter (15) eine Durchlässigkeit aufweist, die bei etwa 500 nm eine Kante von Blau nach Grün besitzt, so daß das Filter eine kleinere Menge an blauem Licht reflektiert als es durchläßt und eine größere Menge an rotem und grünem Lichts reflektiert als es durchläßt.

2. Strahlenteiler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Interferenzfilter (15) innerhalb des Strahlenteilers so angeordnet ist, daß der im rechten Winkel auf die Eintrittsfläche (18) auftreffende Eintrittslichtstrahl (30) bezüglich des Filters einen Einfallswinkel von mindestens 22,5º hat, daß die beiden Austrittslichtstrahlen (32, 34) jeweils eine innere Totalreflexion durchlaufen, ehe sie den Strahlenteiler verlassen, und daß der Winkel zwischen den beiden Austrittslichtstrahlen größer ist als 90º.

3. Strahlenteiler nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Winkel zwischen den beiden Austrittslichtstrahlen (32, 34) etwa 135º beträgt.

4. Strahlenteiler nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Einfallswinkel etwa 22,5º beträgt.

5. Strahlenteiler nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß das erste Prismenelement (12) einen viereckigen Querschnitt hat.

6. Strahlenteiler nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß das zweite Prismenelement (14) einen im wesentlichen dreieckigen Querschnitt hat.

7. Strahlenteiler nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Strahlenteiler etwa 75 % des blauen Lichts und etwa 30 % des roten und grünen Lichts in den Eintrittslichtstrahl gelangen läßt.

8. Strahlenteiler nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß das Filter (15) etwa 25 % des blauen Lichts und etwa 70 % des roten und grünen Lichts in den Eintrittslichtstrahl reflektiert.

9. Strahlenteiler nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß das Interferenzfilter (15) abwechselnd Schichten aus Tio&sub2; und Sio&sub2; aufweist.