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Technik Wissen von CANON

Das CANON Handbuch über die Optik von TV-Systemen. Diese Artikel sind mit freundlicher Genehmigung der CANON Deutschland hier übernommen bzw. überarbeitet und ergänzt. Die sauberen und verständlichen Darstellungen und Erklärungen sind aussergewöhnlich detailliert und informativ.

7.4.2. Präzise Positionierung und Befestigung der CCDs

Bei einer CCD-Kamera kann im Gegen­satz zur Röhrenkamera weder der Abstand (axiale Lage) der Bildempfangsebene durch eine mechanische "Tracking"-Justage noch die laterale CCD-Position durch eine elek­tronische "Registrierungs"-Korrektur opti­miert werden. Vielmehr werden beide Pa­rameter durch die Präzision, mit der die CCDs am Prismensystem fixiert sind, be­stimmt. Deshalb ist eine hochgenaue Posi­tionierung der CCDs notwendig.

Zur Sicherung einer Kompatibilität zwi­schen Kameras und Objektiven wurden für die axiale Lage (,,Tracking"-Position) der drei CCDs verbindliche Werte vereinbart (siehe Bild 59). Um die standardisierten Vor­gaben bei der Montage der CCDs exakt ein­halten zu können, wird ein Justierprojektor benützt, dessen optisches System genau die vorgegebenen Farblängsabweichungen zwischen den drei Farbkanälen aufweist.

7.4.3. Kompatibilität von Prismen aus verschiedenen Materialien

In der Praxis werden die Farbteilerpris­men der Kameras aus konstruktiven Grün­den oder zur Senkung der Kosten oft aus anderen als den vereinbarten Glassorten F5 und BK7 (siehe Bild 59) gefertigt.

Da sich der Farblängsfehler aber mit der Abbeschen Zahl des Prismenmaterials än­dert, besteht die Gefahr, daß sich die axiale Lage der Bildebenen ("Tracking") des Ob­jektivs für die drei Farbkanäle verschiebt. Dennoch kann die Kompatibilität wie folgt sichergestellt werden:

Nehmen wir an, Prismensystem X in Bild 98 sei aus normgemäßen Gläsern gefertigt. Mit Hilfe des erwähnten Justierprojektors können die CCDs dann in den vorgeschrie­benen Positionen justiert und anschließend fixiert werden. Wenn anstelle des Justierprojektors nun verschiedene Objektive A, B, usw. mit jeweils normgemäßem Farblängs­fehler vor das Prismensystem gesetzt wer­den, ist das Bild bei fokussiertem Objektiv auch wieder auf allen drei CCDs gleichzei­tig scharf.

Was passiert aber nun bei Verwendung eines Prismensystems Y aus anderem Glas? Wenn die CCDs unter Verwendung dessel­ben Justierprojektor angepaßt werden, er­geben sich jetzt andere Positionen, in denen die CCDs montiert sind. Der Grund liegt darin, daß sich der Farblängsfehler wegen der anderen Glaseigenschaften um einen festen Betrag geändert hat. Wenn statt des Justierprojektors wieder die verschiedenen Objektive A, B, usw. vorgesetzt werden, so bleibt das Bild auch hier auf den drei CCDs gleich scharf, weil die vom Prismensystem verursachte Änderung des Farblängsfehlers in Verbindung mit den Objektiven die glei­che ist wie mit dem Justierprojektor.


Wenn die CCDs bei ihrer Montage mit Hilfe eines solchen Justierprojektörs ange­paßt werden, bleibt die Kompatibilität der Objektive - wie oben erwähnt - auch bei anderen Prismenmaterialien gewährleistet.

7.5 Tiefpaßfilter zur Moire-Unterdrückung

Bei CCDs sind die einzelnen lichtemp­findlichen Elemente (Pixel) in linearen regelmäßigen Zeilenformen angeordnet, und das Bildsignal wird durch zeilenweise Abtastung des flächigen Bildes, also durch Abtastung in zwei Dimensionen, gewonnen. Diese Abtastung erzeugt aber wegen der Regelmäßigkeit der Pixelstruktur bei ähnlich fein strukturierten Motiven durch Interferenz unerwünschte künstliche Signale (sog. "Aliasing"), die zu moireartigen Mustern führen.
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Bild 99 zeigt im unteren Teil (a) ein Beispiel mit einem auf die CCD-Pixelzeile projizierten schwarz- weißen Liniengitter und im oberen Teil (b) das daraus resultierende CCD-Ausgangs­signal. Darin tauchen über eine Breite von 5 Pixeln nur 2 dunkle Linien auf, obwohl tatsächlich 3 dunkle Linien auf dieser Pixel­strecke (a) liegen. Ein Ausgangssignal, das sich wie in diesem Beispiel vom tatsächlichen Muster unterscheidet, wird als Arte­fakt (lat. "Kunstprodukt") bezeichnet. Sol­che unerwünschte Scheinstrukturen treten besonders deutlich in Erscheinung, wenn die Ortsfrequenz des Bildmusters halb so groß wie die der Pixelstruktur oder größer ist.

Zur Behebung dieses Problems wird ein optisches Tiefpaßfilter zwischen Objektiv und Prismensystem eingefügt. In Bild 102 ist die Funktionsweise eines solchen auf dem Phänomen der Doppelbrechung beruhen­den Kristall-Tiefpaßfilters dargestellt. Dar­in ist angenommen, daß die Ortsfrequenz des Bildmusters halb so groß (die Raster­weite also doppelt so groß) wie die der Pi­xelstruktur sei. Wenn ein solches Muster eine Kristallplatte passiert, deren Strahlversatz gleich der Pixel-Rasterweite ist, fallen die Linien des vom außerordentlichen Strahl übertragenen Musters auf der CCD-Bildflä­che genau in die Lücken des vom ordentli­chen Strahl übertragenen Musters. Dadurch können keine Scheinstrukturen entstehen, weil das Muster verschwindet.

Also verhindert das Tiefpaßfilter leider nicht nur die Artefakte
, sondern reduziert auch das Auflösungsvermögen. Deshalb werden die Eigenschaften der Tiefpaßfilter so festgelegt, daß sich ein tragbarer Kom­promiß zwischen der Artefakt- Unterdrückung und dem Auflösungsverlust ergibt.

Doppelbrechung

Optisch anisotrope Materialien wie Kalk­spat (= Doppelspat), Quarz und verschiedene andere Kristalle haben die Eigenschaft, eine einfallende Lichtwelle in zwei Teilwellen aufzuspalten (Bild 100). Dieses Phänomen heißt Doppelbrechung. Optisch anisotrop werden Materialien genannt, in denen die Geschwin­digkeit der Lichtausbreitung richtungsabhän­gig ist.

 

Wenn die optische Achse (einzige Rich­tung, in der keine Aufspaltung erfolgt) nicht zur Kristalloberfläche senkrecht ist, wird ein einfallender Lichtstrahl selbst bei zur Kristall­oberfläche senkrechter Einfallsrichtung wie in Bild 101 in zwei Strahlen aufgespalten. Hier behält der eine Strahl wie bei senkrechtem Ein­fall z. B. auf eine Glasplatte seine Richtung bei; dieser Strahl heißt "ordentlicher Strahl". Der andere wird an der Oberfläche gebrochen, so daß er eine andere Richtung nimmt; dieser Strahl heißt "außerordentlicher Strahl", weil er das Snelliussche Brechungsgesetz nicht er­füllt.

Wenn die doppelbrechende Kristallplatte planparallel ist, treten beide Strahlen wieder parallel, aber nun um den Abstand a versetzt aus. Die Größe des Versatzes a zwischen den beiden Strahlen läßt sich mit der Dicke d der Kristallplatte variieren.


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