-
Bildwiedergabegerät Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Betrachtung
oder Wiedergabe von Bildern, die in einer Aufzeichnung gespeichert sind. Dabei ist
jedes der Bilder durch Überlagerung mit einer eindeutig azimutal ausgerichteten
Ortsfrequenz eines Trägersignales codiert.
-
Verschiedene auf diese Weise in einer Aufzeichnung additiv überlagerte
Bilder - im folgenden als Bildaufzeichnungskomponenten bezeichnet
konnen
emzeln oder zu mehreren gleichzeitig rekonstruiert werden, indem man Beugungseffekte
und eine Ortsfrequenzfilterung in einem Fourie@ Ti-@nslormationsraum ausnutzt. Wegen
der eindeutig festgelegten Winkellage der zugehorigen Trägersignale erreicht man
eine räumliche Aufspltung derBeugungsmuster der einzelnen Bildaufzeichnungskomponenten
in dem Fourier Transformationsraum. Durch geeignete Ortsfrequenzfilterung in dem
Transformationsraum kann eine erwünschte Bildaufzeichnungskomponente oder eine Kombination
derselben wahlweise für eine Betrachtung oder eine Wiedergabe rekonstruiert werden.
Das Verfahren ist für eine Reproduktion v(>n Szenen in natürlichen oder wahlweise
verzeichneten Farben besonders geeignet, Man kann beispielsweise drei verschiedene
Aufzeichnungen auf derselben einfarbigen Fotoplatte erhalten, wenn man eine farbige
Szene nacheinander durch ein rotes grtines oder blaues Spektralfilter fotografiert
und dabei jeweils ein raum lich periodisches Muster - im allgemeinen ein Gitter
- mit unterschiedlicher azimutaler Winkelorientierung den einzelnen Bildern überlagert
Jede dieser drei Aufzeichnungen entspricht einem bestimmten Spektrale bereich und
einer bestimmten Orientierung der Modulation. Wie später noch im einzelnen beschrieben
werden wird, kann man durch geeignete Ortsfrequenzfilterung bestimmte Beugungso
rdnungen aus dem Beugungsmuster ausfiltern. Dies geschleht Uber eine Abcleckblende,
die mit Öffnungen versehen ist Hierbei werden geeignete Spektralfilter vor den Öffnungen
der Abdeckblende a angebracht, um den Spektralbereich des von den einzelnen Öffnungen
der Abdeckblende durchgelassenen Lichtes dem Spektralbereich anzupassen, der dem
von der entsprechenden Öffnung jeweils durchgelassenen Farbauszugsbild entspricht.
AuE diese Weise kann man eine farbechte Rekonstruktion der ursprünglichen Szene
erhalten
Derartige Verfahren der Spektralzonenfotografie sind seit
längerer /t lt bekannt. So wurde beispielsweise 1936 in dem amerikanischen Patem
2050 117 von Bocca, das spater unter der Nummer Re 20, 748 wieder eingesetzt wurde,
ein Verfahren beschrieben, bie dem eine Verbindune von bestimmten periodischen Modulationen
mit Farbauszugsbildein verwendet wurde. Die Bildrekonstruktion erfolgte mittels
Ortsfrequenzfilterung. Dt r ill diesem I>at ent beschriebene Grundgedanke einer
Spektralzonenfotografie wurde j edoc 10 trotz seiner frühen Entdeckung und des großen
damit verbundenen wirtschaftlichen Wertes nicht weiterentwickelt. Hierfür sind folgende
Gründe verantwortlich: Aufgrund statistiscioer Schwankungen in den Amplituden und
oder Phasen der Wellenfronten einer kohärenten Beleuchtung bildet sich in den wiedergegebenen
l)arstellungen ein statistischer Rauschpegel aus, der die Qualität der Rekonstruktion
v vermindert. Die wiedergegebenen (oder betrachteten) Bilder konllten zudem nur
mit einer begrenzten Helligkeit erhalten werden. Beide Einschränkungen sind durch
den erreichbaren Kohärenzgrad bestimmt. Um die nötigen Interferenzeffekte zu erhalten,
ist für die beleuchtende Strahlung ein bestimmtes Mindestmaß von Kohärenz unerläßlich.
-
Nach dem Sampling Theorem regelt die Ortsfrequenz des Trägersignals
die Bandbreite des Ortsfrequenzspektrums, das vom Objekt durch das System übertragen
wird. Bei derartigen Abbildungssystemen gemäß dem Stand der Technik muß die Grenzapertur
des Systems groß genug sein, um wenigstens die ersten Betgungsordnungen der jeweils
entstandenen Beugungsmuster durch zulassen. Hieraus folgt, daß die effektive Öffnung
des Systems eine Grenze für die maximal verwendbare Trägerfrequenz setzt und daher
auch für die Auflösung der wiedergegebenen oder betrachteten Bilder.
-
Auch die Anzahl der Bider, die mit einer gegebenen Bandbreite des
Oitsfrequenzspektrums aufgezeichnet und dann getrennt wieder erhalten werden konnen,
ist eine Funktion der Ortsfrequenz des verwendeten 1 ragersignales Deshalb beschränkt
die Größe der Grenzapertur des optischen Systems wirksam die Anzahl der Bilder,
die aufgezeichnet und getrennt wiedergegeben worden können, Es gibt auch optische
System , mit denen es möglich ist, aus trägerfrequenzmodulierten Farbauszugsbildein
farbechte Rekonstruktionen herzustellen und denen die oben beschriebene Begrenzung
durch die Öffnung nicht anhaftet. Das USA Patent 755 983 von Wood und ein A-rtikel
von II.E. Ives, der am 3. August 1906 im British Journal of Photographie veröffentlicht
wurde, beschi eiben derartige Systeme. Die Systeme von Wood und Ives benutzen beide
die Erscheinung, daß der Beugungswinkel des Lichtes der Ortsfi'equenz des beleuchtenden
Objektes sowie der Wellenlänge der Beleuchtung direkt proportional ist. Durch Codierung
der in der Szene enthaltenen Farben auf Trägerfrequenzen sowie durch sorgfältige
Berechnung und Einhaltung der Trägerfrequenzen, der Objektvergroßerung und anderer
relativer Parameter läßt sich erreichen, daß sich die abgebeugten Ortsfrequenzspektren,
die jeweils mit einem der primären Farbauszugsbilder verbunden sind und von Licht
einer entsprechenden mittleren Wellenlänge gebildet werden, sich in einem Fourier-Transformationsraum
überlappen. Eine Öffnung, die deshalb in diesem Punkt des Fourier Transformationsraumes
angebracht ist und als Ortsfrequenzfilter wirkt, läßt daher die Farbauszugsspektren
jeweils im Licht der Wellenlänge durch, die nötig ist, um eine farbechte Rekonstruktion
aufzuzeichnen oder sehen zu können.
-
Der Anwendung dieses Verfahrens stehen jedoch zahlreiche Hindernisse
entgegen.
Die im Verhältnis zur verwendeten Trägerfrequenz sehr stark begrenzte Bandbreite
des übertragbaren Ortsfrequenzspektrums zwingt zur Verwendung von sehr hohen Ortsfrequenzen
für das Trägersignal, wenn eine ausreichende Auflösung bei der Wiedergabe erhalten
werden soll Die Aufzeichnung der gebeugten Farbauszugsspektren stellt ebenfalls
ein Problem dar. Eine Verwendung von in Dwarfslinie frequenzmoduliert en Träger
signalen führt zu schwerwiegenden Übersprecherscheinungen. Ives beschreibt eine
Beleuchtungseinrichtung, die eine Anzahl von Lichtquellen erzeugt. Die vielfachen
Lichtquellen werden jedoch verwendet, um die Lichtstärke der Darstellungen zu vergrößern.
Ives verwendete'hierbei die Sonne als primäre Lichtquelle. Es ist jedoch dabei nicht
möglich, die Intensität der getrennt wiedergegebenen Bilder einzeln zu regeln. Mit
dem Ives'schen Rekonstruktionsgerät wäre es auch unmöglich, eine solche Regelung
vorzunehmen, da jede Quelle eine Wiedergabe aller gespeicherten Bilder bewirkt.
Der Kohärenzgrad der beleuchteten Strahlung erzeugt auch statistisch verteilte Rauscheffekte
in den rekonstruierten Bildern. Die hohen an die Kohärenz der Beleuchtung gestellten
Anforderungen bedeuten eine deutliche Beschränkung für die Energie, mit der die
Aufzeichnung bestrahlt werden kann. Dies äußert sich in einer begrenzten Helligkeit
der Rekonstruktionen.
-
Der vorliegenden Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, Verfahren
und Vorrichtungen anzugeben, mit denen es möglich ist, eine ausgewählte der überlagerten
trägerfrequenzmodulierten Bildaufzeichnungskomponenten oder eine beliebige Kombination
derselben zu rekonstruieren, ohne daß dabei die wirksame Öffnung des optischen Systems
eine wesentliche Beschränkung für die Auflösung der rekonstruierten Bilder oder
für.(lie Anzahl der additiv auf dem Aufzeichnungsmedium überlagerbaren und reproduzierbaren
Bilder darstellt.
-
Auch die anderen erwähnten Nachteile, die den bisherigen Verfahren
ulld Vorrichtungen für die Wiedergabe von t rägerfrequenzmodulierten Bildern anhaften,
sollen weitgehend vermieden werden. So sollen die rekonstruierten Bilder beispielsweise
eine größere Helligkeit, eine größere Auflösung und ein größeres Signalrauschverhällnis
aufweisen.
-
Eine getrennte Regulierung der jeweiligen Spektralanteile und der
relatlven Energie der rekonstruierten 13ildaufzeichnungskomponeaten wird ferner
angestrebt.
-
Diese Aufgabe wurde dadurch gelöst, daß die Beleuchtung der Aufzeichnung
durch mindestens ein partiell kohärentes Lichtstrahlenbiindel erfolgt; die azimutale
Richtung senkrecht zur Flächennormalen von jedem der Lichtstrahlenliindel mit der
Richtung des Vektors des Trägersignals in Übereinstimmung gebracht wird; den Lichtstrahlenbündeln
eine derartige Neigung gegen die Flächennormale erteilt wird, daß eine bestimmte
Ordnung des an der Aufzeichnung abgebeugten Lichtes iii dem Fourier-Transformationsraum
auf eine optische Achse zu liegen kommt, die parallel zur Flächennormalen durch
einen bestimmten Punkt der Aufzeichnung verläuft; im Fourier-Transformationsraum
eine Ortsfrequenzfilterung durchgeführt wird, bei der wenigstens ein Teil dieser
Beugungsordnung für die Rekonstruktion des Bildes durchgelassen wird.
-
Weitere Merkmale der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus den im
folgenden beschriebenen speziellen Ausführungsformen Mit ihnen wird es möglich,
obige Ziele zu erreichen, die wegen der beschriebenen Mängel der bisherigen Verfahren
nicht verwirklicht werden konnten.
-
Die folgende Zeichnung dient der weitere Erläuterung der Erfindung.
-
,s zeigen: F@ l eine nicht maßstäbliche perspektivische Schemazeichnung
einer Betrachtungsvorrichtung mit den wesentlichen Merkmalen der vorliegenden Erfindung;
Fig. lA eine schematische Ansicht von einem Frauhofer'schen Beugungsmuster, das
in dem System aus Fig. 1 entstehen kann Fig. 1B eine sektorenförmige Farbfilterscheibe,
die in dem System von Fig. 1 verwendet werden kann; Fig 2 eine perspektivische Ansicht
von einer bevorzugten Ausführungsfo rm der erfindungsgemäßen Betrachtungsvorrichtung;
Fig 3 eine Aufsicht aud einen Teil der Vorrichtung von Fig. 2, in dem mehrere wirksame
partiell kohärente Punktlichtquellen erzeugt werden; Fig. 4 eine nicht'maßstäbliche
Schemazeichnung einer weiteren Ausführungsform der Erfindung, mit der es möglich
ist, eine der überlagerten Bildaufzeichnungskomponenten oder eine beliebige Kombination
derselben zu rekonstruieren; Fig. 4A eine dazugehörige Beleuchtungseinheit; Fig.
5 eine nicht maßstäbliche Schemazeichnung von einem farbigen Objekt und' einer fotografischen
Kamera, die verwendet werden kann, um trägerfrequenzmodulierte Farbauszugsbilder
von dem Objekt herzustellen; die Kamera ist im Teil geschnitten
dargestellt,
um das fotografische Aufnahmematerial und ein Beugungsgitter im Inneren der Kamera
zu zeigen; Fig 6A einzelne und zusammengesetzte Farbauszugaufzeichnungen bis 6D
des fotografierten 3bjektes, wobei jeder einzelnen Aufzeichnung ein spezieller Bereich
des sichtbaren Spektrums und eine periodische Modulation, die durch ihre relative
Winkelanordnung gekennzeichnet ist, zugeordnet sind; Fig. 7 eine nicht maßstäbliche
perspektivische Schemazeichnung von einer Wiedergabevorrichtung gemäß dem Stand
der Technik zur Wiedergabe von fotografischen Aufzeichnungen des oben beschriebenen
Typs; Fig. 8 eine schematische Ansicht von einem Fraunhofer' schen Beugungsmuster,
das in der Vorrichtung gemäß Fig. 7 entstehen kann; Fig. 9 eine perspektivische
Schemazeichnung eines vergrößerten Ausschnitts des Ortsfrequenzfilters von Fig.
7; Fig. 10 eine nichtmaßstäbliche Schemazeichnung eines weiteren erfindungsgemäßen
Betrachtungsgerätes; Fig. lla eine schematische Ansicht von einem Fraunhofer' schen
Beugungsmuster, das in dem System von Fig. 10 entstehen kann; Fig. lib ein sektorenförmiges
Filter, das in dem System von Fig. 10 verwendet werden kann;
Fig.
12 eine perspektivische Ansicht einer bevorzugten Ausführungsfcirm des Betrachtungsgerätes
von Fig. 10; rig. 13 eiiie Aufsicht auf einen Teil der Vorrichtung von Fig. 12,
in dem mehrere wirksame Punktlichtquellen erzeugt werden; F'ig, 14 eine nichtmaßstäbliche
perspektivische Schemazeichnung von einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden
Erfindung; Fig. 14a eine Filteranordnung für die Verwendung mit der in Fig. 4 gezeigten
Ausführungsform; Fig. 14b eine Variante der in Fig. 2, 3, 12 und 13 gezeigten Beleuchtungseinrichtungen,
mit der man im Vergleich zu diesen die doppelte Anzahl wirksamer Punktlichtquellen
hoher Intensität im sichtbaren Bereich des Spektrums erzeugen kann.
-
Die Fig. 1 mit 4 und 10 mit 14 zeigen verschiedene Ausführungsformen
der vorliegenden Erfindung, mit denen es möglich ist, eine der überlagerten trägerfrequenzmodulierten
Bildaufzeichnungskomponenten oder eine bestimmte Kombination derselben zu rekonstruieren.
Bevor jedoch im einzelnen auf diese Ausführungsformen eingegangen wird, soll zum
besseren Verständnis der Erfindung und ihrer Bedeutung eine kurze allgemeine Erörterung
über die Speicher- und Wiedergabeverfahren gegeben werden, mit denen die vorliegende
Erfindung stark verflochten ist.
-
Hierzu dienen die Fig. 5 mit 9.
-
Fig. 5 zeigt in sehr schematischer Form eine fotografische Kamera
10, die verwendet werden kann, um eine von einem periodischen Gitter modulierte
fotografische
Aufnahme eines bestimmten Spektralbereiches htrzustellen. Diese Aufnahme kann in
der Kamera 10 als Überlagerung von drei getrennten Farbauszugsbelichtungen eines
foto empfindlichen Filmes 12 erzeugt werden. Die einzelnen aut diese Weise erhaltenen
Farbauszugsaufzeichnungeii sind jeweils mit einer bestimmten Gitterstruktur moduliert.
Diese wird beispielsweise durch ein Beugungsgitter 16, das in der Nähe des Films
12 angebracht ist, auf diesem erzeugt.
-
Die azimutale Orientierung dieses Gitters ist bei den einzelnen Farbauszügen
unterschiedlich und eindeutig festgelegt.
-
Fig. 5 zeigt den ersten Schritt des vielstufigen Verfahrens, das zur
Herstellung dieser zusammengesetzten Aufzeichnungen verwendet wird.
-
Ein Objekt 14, das durch verschiedene gelb, grün, blau und rot reflektierende
Zonen dargestellt ist, entsprechend den Bezeichnungen von Fig. 5, wird über ein
Filter 18, dessen maximale spektrale Durchlässigkeit im roten Gebiet des sichtbaren
Spektrums liegt, fotografiert. Ein Gitter 16 mit schräger Orientierung der Linien,
das beispielsweise mit einem Winkel von 300 gegen die Horizontale von rechts oben
nach links unten geneigt ist (von der Rückseite der Kamera aus gesehen), wird dem
Film 12 gegenübergesetzt. Auf diese Weise wird ein Schattenbild des Gitters 16 mit
dem Rotauszug des Bildes vom Gegenstand 14 überlagert.
-
Die entstehende Aufzeichnung 19 des Farbauszuges, die dem Gehalt von
rotem Licht zum Objekt 14 entspricht, wird zu einem Positivbild verarbeitet, was
beispielsweise durch eine Umkehrentwicklung erfolgen kann.
-
Dabei erhält man eine Darstellung entsprechend Fig. 6A. Fig. 6A zeigt,
daß die Modulation des Gitters den Objektdetails des roten Spektralauszuges überlagert
ist. Da auch gelbes Licht einen Rotanteil aufweist, wird auch das gelbe Gebiet des
Objektes 14 überlagert mit einem Gitter der gleichen Winkelorientierung abgebildet.
-
Zur weiteren Herstellung einer zusammengesetzten fotografischen Aufzelchnutlg
wird eine Farbauszugsaufnahme durch ein Filter, dessen spektrale Durchlässigkeit
im wesentlichen durch eine blaue Wellenlänge gekennzeichnet ist, sowie unter Verwendung
eines vertikal angeordneten Beugungsgitt e rs durchgefüllrt. Anschließend wird derselbe
Prozeß mit einem Filter, dessen spektrale l)urchl.issigkeit hauptsächlich im grünen
liegt, und mit einem Beugungsgitter, dessen Linien schräg von links oben nach rechts
unten - beispielsweise in einem Winkel von 300 gegen die Horizontale - angeordnet
siiid, durchgeführt.
-
Aus Fig. 6B ist ersichtlich, dttI der blaue Farbauszug 21 nur auf
den Gebieten des Filmes 12 eine Beleuchtung hervorruft, bei denen im Objekt 14 eine
blaue Verteilung s0rliegt: erfolgt jedoch eine Belichtung von dem Objekt 14 durch
ein Grüjifilter, so erhält man wiederum eine Gitterstruktur in dem Gebiet der gelben
Objektverteilung, wobei die Orientierung dieser Gitterstruktur mit der der grünen
Farbauszugsaufzeichnung 22 übereinstimmt. Auf dem Gebiet, das im Objekt einer gelben
Verteilung entspricht, erhält man daher, wie aus Fig. 6D ersichtlich, eine Überlagerung
der periodischen Gitterstruktur von der roten wie auch von der grünen Farbaus zugsauf
zeichnung. Eine Vorrichtung zur Wiedergabe einer solchen fotografischen Aufzeichnung
kann gemäß dem Stand der Technik die in Fig. 7 gezeigte Ausführung aufweisen. Diese
Wiedergabevorrichtung besteht aus einer Lichtquelle 23 von zumindest partiell kohärentem
Licht. Gemäß der Zeichnung enthält diese eine Bogenlampe 24, eine Kondensorlinse
25 sowie eine Abdeckblende 26 mit einer Öffnung 27 von begrenztem Durchmesser. Mit
einer Linse 28 erreicht man, daß die so entstandene Punktlichtquelle - reell oder
virtuell - in große Entfernung gerückt wird, so daß man hinter dieser Linse 28 einen
annähernd parallelen Strahlengang erhält. Es schließen sich eine Filmhaltevorrichtulig
29
für die Aufnahme der wiederzugebenden transparenten Aufzeichnung an, sowie eine
Transformationslinse 30 und ein Fourier-Transformatlonsfilter 31, deren Bedeutung
im folgenden noch erläutert wird. Eine Projektionslinse 32 und ein Wiedergabeschirm
33 vervollständigen die Wiedergabevorriclitung.
-
Beleuchtet man eine traxlsl)arente Aufzeichnung - wie z. B. die zusammengesetzte
Aufzeichtlung 20 - in der Filmhaltevorrichtung 29, so treten Beugungs- und lntel
ferellzerscheinungen auf. Da die den einzelnen Farbauszugsauf zeic hnu ngen 19,
21 und 22 entsprechenden periodischen Gitterstrukturen in unterschiedlichen Winkeln
angeordnet sind, erhält man in drei durch entsprechende Winkel getrennte Richtungen
Beugungsmuster mit vielen Ordnungen. Die Gesamtheit dieser Beugungsmuster ist durch
das Bezugszeichen 34 gekennzeichnet. Ein Beispiel für eine derartige Anordnung der
Beugungsfiguren ist schematisch in Fig. 8 gegeben. Jedes der einzelnen Beugungsmuster
entspricht jeweils einer der getrennten Farbauszugsaufzeichnungen. Es enthält jeweils
eine nullte Ordnung, die in allen Fällen räumlich mit denen der anderen Farbauszugsaufzeichnungen
zusammenfällt und den nicht abgebeugten Anteil enthalt. Des weiteren enthält ]edes
Beugungsmuster eine Vielzahl von Komponenten aus höheren Beugungsordnungen mit dem
Anteil des abgebeugten Lichtes. Die Beugungsmuster stellen Dirac'sche Deltafunktionsreihen
dar, die mit den Ortsfrequenzspektren der jeweiligen Farbauszugsaufzeichnungen gefaltet
sind.
-
Durch die Verwendung der Transformationslinse 30 erreicht man, daß
die Beugungsmuster im Brennweitenabstand von der Linse 30 an einer Stelle entstehen,
die gewöhnlicherweise als Fourier-T ransformationsraum (oder auch als Fraunhofer'sche
Beugungsebene) bezeichnet wird.
-
Diese Bezeichnung ist deshalb gewählt, da an dieser Stelle di rch
die beschriebenen Beugungs- und Interferenzeffekte eine räumliche und zeiiche Frequenzanalyse
erfolgen kann. An dieser Stelle werden auch Ortsfrequenz und Spektralfilter eingebracht.
Hierdurch kann man erreichen, daß eine oder mehrere der einzelnen Aufzeichnungen
wiedergegeben werden, um beispielsweise eine Rekonstruktion der ursprünglichen Szene
in natürlichen Farben oder in wahlweise verzeichneten Farben zu erhalten.
-
Aus Fig. 8 wird das Wesen des Fourler-Transformationsraumes ersichtlich.
Der Einfluß, den man durch eine Ortsfrequenzfilterung allein oder durch eine Ortsfrequenz-
und Spektralfilterung einer einzelnen Beugungsordnung oder mehrerer derselben in
diesem Fourier-Transformationsraum erhält, wird hieraus verständlich. In Fig. 8
sind drei in verschiedenen Winkelbereichen liegende Beugungsmust er dargestellt.
Sie entsprechen den roten, grünen und blauen Ortsfrequenzspektren der Szene und
erstrecken sich entlang der mit 36, 38 und 40 bezeichneten Gerades Jede dieser Geraden
36, 38 und 40 steht senkrecht zur Richtung der periodischen Gitter, die den einzelnen
Farbaus zugsaufzeichnungen zugeordnet sind. Die Zonen der nullten Beugungsordnung
von allen Beugungsmustern fallen räumlich zusammen.
-
Aus den Beugungsgesetzen folgt für den Beugungswinkel die Beziehung:
sin a = A . w (1) Hierin bedeutet X die spektrale Wellenlänge der beleuchtenden
Strahlung und, o die Ortsfrequenzen. Nimmt man einen parallelen Strahlengang für
das Licht in der Ebene der Halterung 29 an (eine Bedingung, die nicht
notwendigerweise
eingehalten werden muß), so entstehen die Beugungsordnungen im Fourier-Transformationsraum
an den Deltafunktionsstellen, die durch die Transformation der aufgezeichneten Modulation
bestimmt sind. Die radialen Abstände von der Achse des Beugungsmusters sind durch
folgende Gleichung festgelegt: R=f2 m w A (2) Hierin bedeuten: 2 die Brennweite
der Linse 30; X die mittlere Wellenlänge der beleuchteten Strahlung; m die Beugungsordnung
und e»c die Grundfrequenz c des Gitters.
-
Die ersten Ordnungen jedes Beugungsmusters kann man als ein Ortsfrequenzspektrum
des Objektes mit maximaler Frequenz #S (= Radius dieser Ordnung) betrachten, das
mit der Ortsfrequenz X c eines Trägersic gnales gefaltet ist. Die Komponenten der
zweiten Ordnung kann man als eine Faltung von einem Ortsfrequenzspektrum mit einer
maximalen Frequenz #s mit der Ortsfrequenz 2#c $#c eines Trägersignales betrachten.
-
Analoge Uberlegungen ergeben sich für die höheren Beugungsordnungen.
-
Die verschiedenen Beugungsordnungen jedes Beugungsmusters stehen demnach
in einem harmonischen Verhältnis zueinander. Hierbei wirkt die Ortsfrequenz #c oder
ein geradzahliges Vielfaches von dieser als Trägerfrequenz für das Ortsfrequenzspektrum,
welches die Objektverteilung beschreibt. In der Abbildung sind nur zwei Ordnungen
gezeigt; es ist trotzdem verständlich, daß auch höhere Ordnungen vorhanden sind,
deren Intensität jedoch mit zunehmender Ordnung abnimmt.
-
Man erhält eine Ortsfrequenzfilterung des Beugungsmusters, wenn man
das Transformationsfilter 31 mit seinen Öffnungen in der Ebene des Fourier-Transformationsraumes
gemäß Fig. 7 anbringt. Die Komponenten der nullten Beugungsordnung fallen räumlich
zusammen. Die Ortsfrequenzen, die demnach in dem Informationskanal der nullten Beugungsordnung
vorhanden sind, stellen die Summe der zu den einzelnen Farbauszugsaufzelchnungen
19, 21 und 22 gehörenden Spektren dar. Eine Öffnung in dem Transformationsfilter
31, welche die nullte Beugungsordnung durchläßt, führt zu einem aus Schwarz-Weiß
und Grautönen zusammengesetzten Bild der Szene 14. Die mit jedem der Farbauszugsaufzeichnungen
verbundenen Informationskanäle sind hier untrennbar miteinander verflochten. Sie
lassen sich daher nicht wieder geeignet einfärben, um den fotografierten Gegenstand
in nattirlichen Farben wiederzugeben.
-
Mit den höheren Beugungsordnungen ist es wegen der Aufteilung in verschiedene
Winkelbereiche - entsprechend den Geraden 36, 38 und 40, auf denen die roten, blauen
und grünen Spektren liegen - möglich, eine naturgetreue Reproduktion zu erhalten.
Man fügt hierzu jedem Informationskanal die entsprechende Spektralcharakteristik
zu, indem man an den zugehörigen Stellen geeignete Spektralfilter einbringt.
-
Fig. 9 zeigt einen vergrößerten Aussclmitt von der Mitte des Filters
31.
-
Die Öffnungen haben geeignete Größe, um als Ortslrequenzfllter zu
wirken. Die passenden Spektralfilter bewirken eine farbgetreue Wiedergabe des Objektes.
Natürlich können auch, wenn dies erwünscht ist, Komponenten von höheren Beugungsordnungen
über geeignete Spektralfilter durchgelassen werden. In dem dargestellten Beispiel
ist jedoch darauf verzichtet, um die Darstellung möglichst einfach zu halten.
-
Der Strahlengang durch das Projektionssystem sei im folgenden betrachtet.
Durch
eine geeignete Anordnung der Lampe 24 und der Kondensor-Iiiise 25 wird erreicht,
daß die Öffnung 27 in der Abdeckblende 26 gle mäßig durch ein Lichtbündel mit maximaler
Intensität und einem bi eitbandigen Energiespektrum beleuchtet wird Die Linse 28
ist von der Abdeckblende 26 in axialer Richtung derart verschoben angebracht, daß
der eine Brennpunkt dieser Linse mit der Ebene der Abdeckblendf 26 zusammenfällt.
Hierdurch wird erreicht, daß das Licht den Film im wesentlichen parallel durchstrahlt.
Die Transformationslinse 30 vereinigt die im wesentlichen ebenen Wellenfronten zu
den Beugungsbildern der nullten und der höheren Ordnungen. Sie werden auf den Fourier-Transformationsraum
fokussiert, der sich in der Eintrittsöffnung der Projektionslinse 32 oder nahe derselben
befindet. Die Linsen 28 und 30 dienen dazu, das Bild der beleuchteten Öffnung 27
in der.Abdeckblende 26 auf das Transformationsfilter 31 abzubilden. Die Linsen 30
und 32 bilden die Aufzeichnung auf den Schirm 33 ab.
-
Die Leistungsfähigkeit der bisherigen Wiedergabe- und/oder Betrachtungssysteme,
wie sie z. B. in dem oben beschriebenen System vorgeschlagen wurden, ist durch die
wirksame Öffnung des verwendeten optischen Systems stark beschränkt. Verwendet man
nämlich eine in der Achse angebrachte Lichtquelle, um eine trägerfrequenzmodullerte
Aufzeichnung zu beleuchten, so entstehen die Ortsfrequenzspektren der jeweiligen
Bildautzeichnungskomponenten im Fourier-Transformationsraum in bestimmten radialen
Abständen von der optischen Achse. Diese Abstände sind der mittleren Wellenlänge
der beleuchtenden Strahlung, der Vergrößerung des optischen Systems und vor allem
der Ortsfrequenz des Trägersignales proportional. Aus vi elen Gründen ist es bei
optischen Speicher- und Wiedergabesystemen der beschriebenen Art zwedkmäßig, die
Ortsfrequenz des Trägersignales, auf das die Bilder der jewelligen
Aufzeichnungskomponenten
moduliert werden, so groß wie möglich zu wählen. Dies beruht in erster Linie auf
dem Sampling-Theorem.
-
Dieses besagt, daß die auf ein Träger signal übertragbare Bandbreite
eilleS im Objekt gegebenen Ortsfrequenzspektrums eine direkte Funktion deSr Frequenz
dieses Trägersignales ist. Allein deshalb ist es vorteilhaft9 die Ortsfrequenz des
Trägersignals möglichst groß zu halten, um dadurch eine optimale Auflösung in den
rekonstruierten oder gesehenen Bildern zu erreichen.
-
Ein weiterer wichtiger Grund für die Wahl möglichst hoher Ortsfrequenzen
liegt darin, daß die Anforderungen an die räumliche Kohärenz der beleuchtenden Strahlung
und damit an die wirksame Größe der Lichtquelle mit zunehmender Ortsfrequenz des
Träger signales abnehmen.
-
Ein weiterer Grund fur die Wahl einer möglichst großen Ortsfrequenz
des Trägersignales liegt darin, daß bei einer Zunahme der Anzahl trägerfrequenzmodulierter
Bilder, die additiv der Aufzeichnung überlagert werden, auch die Ortsfrequenz erheblich
vergrößert werden muß, wenn eine gegebene Bandbreite für das Ortsfrequenzspektrum
des Objektes beibehalten werden soll. Man sieht dies leicht anhand der folgenden
Überlegung. Die Beugungsordnungen bilden eine im allgemeinen kreisförmige Reihe
im Fourier-Transformationsraum. Je mehr Ordnungen nun in derselben Reihe untergebracht
werden sollen - bei einem gleichbleibenden Radius der jeweiligen Ordnung, d. h.
bei der gleichen Ortsfrequentreite -, umso größer muß der Radius der Reihe und damit
auch die Ortsfrequenz des Trägersignales sein.
-
Es ist auch schwierig, Rekonstruktionen von ausreichender Helligkeit
zu erhalten. Verwendet man eine einzige wirksame Punktlichtquelle,
die
beispielsweise von einer B(>genlampe erzeugt wird, so muß diese cine ausgesprochen
hohe Intensität haben, um die gesamte Energie für dif Farbinformationskanale liefern
zu können.
-
In der vorliegenden Erfindung werden ein Verfahren sowie Vorrichtungen
angegeben, bei denen die Beugungsordnungen der für die Wiedergabe benötigten Bildaufzeichnungskomponenten
- im Gegensatz zu der oben beschriebenen Anordnung - auf der optischen Achse liegen,
unabhängig von der jeweils gewählten Trägerfrequenz, auf die ein Bild oder Bilder
moduliert sind und unabhängig von der Anzahl der in der Aufzeichnung gespeicherten
Bilder. Die wirksame Öffnung des optischen Systems stellt daher hier keine wesentliche
Begrenzung dar. Die Öffnung muß nur groß genug sein, um eine Bandbreite von Ortsfrequenzen
durchzulassen, die höchstens so groß ist wie die Ortsfrequenz des Trägersignals.
-
Mit der vorliegenden Erfindung ist es auch möglich, die jeweilige
spektrale Bandbreite und die relative Intensität der rekonstruierten Bild aufzeichnungskomponenten
zu regeln. Die Anpassungsfähigkeit und Verwendungsfähigkeit der Betrachtungs- oder
Wiedergabevorrichtung wird auf diese Weise stark verbessert.
-
Fig. 1 zeigt die schematische Ansicht einer Betrachtungsvorrichtun
gemäß der vorliegenden Erfindung. Man sieht in Fig. 1 eine Beleuchtungseinrichtung
40a zur Erzeugung einer größeren Anzahl von sehr kleinen Lichtquellen (für diese
wird im folgenden jeweils die Bezeichnung Punktlichtquellen verwendet). Weiterhin
enthält die Vorrichtung eine Kollimatorlinse 41, eine Transformationslinse 42, eine
Filmhaltevorrichtung 44 zur Aufnahme der Aufzeichnung 46, sowie eine Irisblende
48,
die in der ebene des von der Transformationslinse 42 gebildeten
Fouriei Transformationsraumes angebracht ist.
-
Die Einzelheiten der Beleuchtungseinheit 40a sind aus Fig. 1 ersichtlich.
-
Als Lichtquellen dienen sechs Glühlampen 49, die in Winkelabständen
um die optisht Achse O-O im allgemeinen hexagonal angeordnet sind.
-
Eine Kondensorlinse 50 bildet die Gluhlampen auf eine geeignet Anordnung
@on Kleinen Öffnullgell 52 auf eine Abdeckblende 54 ab. Auf diese Weise erhält man
eine Reihe von sechs wirksamen Punktlichtquellen, die uni die optische Achse 0-0
angeordnet sind. Eine Feldlinse bei der Abdeckblende 54 reduziert die Lichtverluste
auf ein Minimum. Aus weiter unteil besprtcheiien Gründen siI)d diametral entgegengesetzte
Paare der Glühlampen 49 mit veränderlichen Widerständen 56, 58 und 60 verbunden,
die parallel an einer Batterie 62 anliegen. Regelt man einen der veränderlichen
Widerstände 56. 58 und 60, so ändert sich die Lichtstärke des damit verbundenen
Lampenpaares 49 innerhalb eines bestimmten Lichtstärkebereiches. Dieser Bereich
ist vorzugsweise so gewählt, daß er auch die völlige Dunkelheit des entsprechenden
Lampenpaares umschließt. Es ist daher möglich, die einzelnen Paare selektiv zu erregen.
-
Die Kollimatorlinse 41 und die Transformationslinse 42 dienen dazu,
die Anordnung der wirksamen auf der Abdeckblende 54 entstandenen Punktlichtquellen
in die Ebene des Fourier-Transformationsraums abzubilden, in der die Blende 48 angebracht
ist.
-
Die Aufzeichnung 46 ist wiederum eine zusammengesetzte Farbauszugsaufzeichnung,
im wesentlichen dieselbe, wie die Aufzeichnung 20 aus dem in Fig. 7 gezeigten System.
Im Gegensatz zu dort sind jedoch die
Vektoren der Ortsfrequenz
des Trägersignales auf den jeweiligen Farbduszugsbildern in 0° - 60° -120° angeordnet
und nicht, wie bei der Auf-Lihnung 20, in Winkeln von 00, 450 und 1350. Die Beleuchtung
der Äut ieichnung 46 durch die Strahlen, die von jeder Punktlichtquelle herkommen,
ei zeugen einzelne Beugungsmuster in der Brennebene der Linse 42. Jedes dieser Muster
liegt exzentrisch zur optischen Achse des Systems, wie aus der vergrößerten schematischen
Zeichnung (Fig. 1A) des zusammengesetzten Beugungsmusters ersichtlich ist. Hierbei
kommt von jedem Beugungsmuster die 1. Ordnung auf die optische Achse zu liegen.
Jede der beiden Lichtquellen von den zusammengehörenden Paaren erzeugt wegen der
diametral gegenüberliegenden Lage ein Beugungsbild 1. Ordnung von dem gleichen Farbauszugsbild
auf der optischen Achse.
-
Der Azimut jeder Punktlichtquelle - und damit auch jedes Paares von
Punktlichtquellen - muß mit dem Azimut des Vektors der wiederzugebenden Bildaufzeichnungskomponente
übereinstimmen. Es gibt viele Moglichkeiten, um die notwendige Übereinstimmung der
Azimute - der Lichtquelle und des Vektors des Trägersignales in der Aufzeichnung
-zu erreichen. Bei der Ausführungsform von Fig. 1 ist durch die Winkelanordnung
der festen Lichtquellen die Orientierung der Vektoren der Trägerfrequenzen für die
einzelnen Aufzeichnungskomponenten eindeutig festgelegt. Demgemäß sind die Öffnungspaare
52 und die Vektoren des Trägersignales jeweils in 00, 450 und 1350 angeordnet. Eine
einzelne Lichtquelle oder ein Paar von diametral gegenüberliegenden Lichtquellen
können auch tatsächlich (oder wirkungsvoll) so gedreht werden, daß nacheinander
verschiedene der in einer Aufzeichnung gespeicherten Bilder rekonstruiert werden.
Es kann aber auch die azimutale Lage der Lichtquelle oder eines Paares von Lichtquellen
festgehalten und die
Aufzeichnung gedreht werden.
-
Jet der auf der Abdeckblende 54 erzeugten wirksamen Punktlichtquelier,
ist einen bestimmten radialen Abstand von der optischen Achse 0-0.
-
Dlese r ist derart abgestimmt, daß der von dieser Punktlichtquelle
herluhrende Lichtstrahl die Aufzeichnung auf solche Weise beleuchtet, daß durch
die entsprechende Winkelablenkung relativ zur optischen Achse ein Beugungsbild von
bestimmter Ordnung auf die optische Achse zu liegen kommt. Wie aus Gleichung (2)
ersichtlich, müssen die Brennweite der Linse 42, die Frequenz des Trägersignales
und die mittlere Wellenlänge der beleuchtenden Strahlung hierzu berücksichtigt werden.
-
Man sieht hieraus, daß die Größe der Ortsfrequenz des Trägersignales
keinen merklichen Einfluß auf die erforderliche Größe der Öffnung des optischen
Systems hat. Die radiale Anordnung der wirksamen Punktlichtquellen ist jedoch von
ihr abhängig.
-
Die Wellenlänge der Beleuchtung ist für die farbrichtige Wiedergabe
sowie für die radialen Abstände der Öffnungen von Bedeutung. Dies wird aus der folgenden
Betrachtung verständlich. Zur Herstellung einer farbgetreuen Wiedergabe der ursprunglichen
Szene, die betrachtet oder wiedergegeben werden soll, ist es notwendig, jedes einzelne
der Farbauszugsbilder in einem Lichte wiederzugeben, dessen mittlere Wellenlänge
der Wellenlänge der Farbaus zugsaufz eichnung entspricht. Hierzu werden rote, blaue
und grüne Speklralfilter 66 in diai-l.et,\al 6egenüberliegenden Paaren über die
Öffnungen der Abdeckblende gelegt, die für die Wiedergabe der entsprechenden Farbauszugsbilder
vorgesehen sind. Es kann aber auch eine sektorenförmige Filterscheibe, wie in Fig.
IB gezeigt, verwendet werden. Diese Filterscheibe wird der Rückseite der
A
lxie ckblende 54 direkt gegenübergestellt.
-
Aus Gleichung (2) folgt, daß mit der Zunahme der Wellenlänge der Beleuchtung
auch der Beugungswinkel zunimmt. Demnach muß auch die radiale Verschiebung der entsprechenden
Lichtquelle in diesen Fällen grö--13er werden. Deshalb sind, wie in Fig. 1 gezeigt,
von den Öffnungen 52 die mit den Bezugszeichen 1 und 4 versehenen Öffnungen - zur
Wiedergabe des roten (d. h. langwelligen) Farbauszugsbildes der Aufzeichnung 46
- in einem größeren radialen Abstand von der Achse 0-0 angebracht, als die Öffnungen
mit den Bezugszeichen 2 und 5 für das grüne Farbauszugsbild. Die Öffnungen 2 und
5 sind ihrerseits in einem größeren radialen Abstand angebracht als die mit den
Bezugszeichen 3 und 6 versehenen Öffnungen, welche für die Wiedergabe des blauen
Farbauszugsbildes vorgesehen sind.
-
Das im Fourier-Transformationsraum entstehende Beugungsmuster ist
in Fig. 1A dargestellt. Um die Zeichnung so einfach wie möglich zu halten, sind
in Fig. 1A nur die Beugungsmuster dargestellt, die von den wirksamen Punktlichtquellen
1 und 4 (den roten Punktlichtquellen), 2 (einer grünen Punktlichtquelle) und 5 (einer
blauen Punktlichtquelle) herstammen. Die nicht abgebeugten Beugungsbilder nullter
Ordnung der Lichtquellen 1, 2, 4 und 5 sind mit S 10, S 20, S d und S 50 bezeichnet.
-
Diese sind um das Zentrum des Musters - die optische Achse 0-0 -verteilt.
Jedes Bild hat einen radialen Abstand, welcher der Hauptwellenlänge der Strahlung
entspricht, die dieses Bild hervorruft. Deshalb ist S 4( däs Bild einer roten Punktlichtquelle,
weiter von der Achse entfernt als S 2o, das Bild einer grünen Punktlichtquelle.
Verschiedene Beugungsbilder von anderen als der nullten Ordnung sind ebenfalls eingezeichnet,
um einen Eindruck von dem Gesamtbild des entstehenden
Beugungsmusters
zu geben. So sind beispielsweise die Beugungsbilder (ih 1 ersten Ordnung, die von
der Lichtquelle 4 erzeugt werden,. für rote, blane und grüne Farbauszugsspektren
mit S 4 1-R' S 4 1-B und S 4 1-G daige stellt. Fig. 1A zeigt deutlich, daß die Beugungsspektren
der ersten Ordnung voll jedem der drei Farbauszugsbilder der Aufzeichnung 46 sich
aul del Achse des optischen Systems überlappen. Sie zeigt weiter, wie die Verwendung
von diametral entgegengesetzten Paaren von Punktlichtquellen den Effekt gegenüber
einer Anlage verdoppelt, bei der jeweils nur eine einzige Punktlichtquelle für jedes
der wiederzugebenden Farbauszugsbilder verwendet wird.
-
Aus Fig. 1A und den obigen Darlegungen geht eindeutig hervor, daß
die Blende 48 wirkungsvoll als veränderliches Ortsfrequenzfilter wirt. Sie l.il3t
nur eine der ersten Beugungsordnungen von jeder der Punktlichtquellen durch, wahrend
sie alle übrigen unerwünschten Beugungsordnungen fernhält.
-
Durch eiiie Regelung der Widersände 56, 58 und oder 60 in die Stellung,
bei der keine Spannung an den Lampen anliegt, wird eine einzige oder eine Kombination
von mehreren Lichtquellenpaaren erregt. Auf diese Weise kann eine einzige oder eine
jeweils ausgewählte Kombination der in der Aufzeichnung 46 gespeicherten Farbauszugsbilder
erhalten werden. Zwischen diesen kann dabei jedes gewünschte Intensitätsverhältnis
eingestellt werden. Betrachtet man die Aufzeichnung durch die Blende 48, so sieht
man ein Bild des Objektes in natürlichen oder in verzeichneten Farben.
-
Eine begrenzte Öffnung des optischen Systems bedeutet daher bei einer
erfindungsgemäßen Wiedergabe- oder Betrachtungsvorrichtung keine
I3szschr.illkung
für die Auflösung der wiederzugebenden Bilder oder der Zahl der Bilder, die auf
der Aufzeichnung 46 gespeichert und getrennt wiedergegeben werden können.
-
Em Rauschen in der Kohärenz der beleuchtenden Strahlung äußert sich
ir. Fl'ckcn, die in den rekonstruierten Bildern auftreten. Es bildet sich autgrund
von statistischen Schwankungen in den Wellenfronten der kohärenten Beleuchtung aus
und führt zu einer erheblichen Verschlechterung dcr rekonstruierten Bilder.
-
Es erweist sich daher als vorteilhaft, gemäß einer speziellen Ausführungsform
zusätzlich zu den partiell kohärenten Punktlichtquellen relativ hoher Intensität
von Fig. 1 eine weitere relativ große, diffuse, inkohärente Lichtquelle zur Beleuchtung
der Aufzeichnung anzubringen.
-
Diese liefert einen zusätzlichen monochromatischen Breitbandkanal
zur Verbesserung von Auflösung, Helligkeit und Signalrauschverhältnis der wiedergegebenen
Bilder. Weitere Vorteile dieser Anordnung werden aus der in Fig. 10 dargestellten
Vorrichtung ersichtlich.
-
Da die Vorrichtung von Fig. 10 sich gegenüber der von Fig. 2 nur in
einigen Merkmalen unterscheidet, soll nur auf diese eingegangen werden. Die Wirkungsweise
der identischen Teile, die in beiden Figuren mit gleichen Bezugszeichen versehen
sind, entspricht der bei Fig. 1 gegebenen Darstellung. In Fig. 10 wird anstelle
der Beleuchtungseinrichtung 40a von Fig. 1 eine Beleuchtungseinrichtung 140a mit
folgenden Änderungen verwendet. Eine Lampe 51 ist zusätzlich zu den hexagonal angeordneten
Glühlampen 49 auf der optischen Achse angebracht. Vor die-.
-
ser Lampe 51 befindet sich ein Streu- und Lichtschwächungsfilter 154,
das von dieser beleuchtet wird. Das Filter 154 wird von der Kondensorlinse 50 auf
eine in der Achse auf einer Abdeckblende 153 angebrachte
Öffnung
154a abgebildet. Auf der Abdeckblende 153 sind auch die Öffnungen 52 - ebenso wie
auf der Abdeckblende 54 von Fig. 1 - für die E. @@ugung der sechs wirksamen partiell
kohärenten Punktlichtquellen .tltgsi)rdnetj Man erhält auf diese Weise neben diesen
eine große diffuse Lichtquelle auf der Achse. Die Feldlinse 58 reduziert wieder
die Lichtverluste auf ein Minimum. Die Lampe 50 kann über einen veränderlichen Widerstand
61, der parallel zu den anderen veränderlichen Widerständen 86, 58, 60 an der Batterie
62 anliegt, innerhalb eines bestimmten Lichtstärkebereiches erregt werden. Der Bereich
ist dabei vorzugs weise so gewählt, daß er die völlige Dunkelheit der Lampe 50 umschließt.
Auf diese Weise können alle Lampen selektiv und mit wahlweise abgestufter Beleuchtung
betrieben werden.
-
Die gegenüber der Vorrichtung von Fig. 1 zusätzlich erzeugte diffuse
Lichtquelle wirkt sich auf die Rekonstruktion der in der Aufzeichnung gespeicherten
Szene folgendermaßen aus: Mit ihr wird die Ebene der Aufzeichnung 46 wesentlich
inkohärent beleuchtet. Die inkohärente Lichtquelle erzeugt daher zusammen mit der
Öffnung 154a in der Abdcckblende 153 einen zusätzlichen einfarbigen Übertragungskanal.
Mit diesem kann man eine einfarbige, von nur geringem Rauschen gestörte Rekonstruktion
erhalten, die den stark farbgesattigten Rekonstruktionen durch die kohärenten Kanäle
überlagert werden kann. Da dafür gesorgt ist, daß die Lichtquelle dieses zusätzlichen
Informationskanales ein großer und diffuser Strahler ist, erhält man gemäß Fig.
1A ein Bild 69 von demselben in der Fourier-Transformationsebene, das den Beugungsmustern
von Fig. 1A überlagert ist. Es wird durch die Linsen 41 und 42 in der Öffnung der
Blende 48 erzeugt und ist im wesentlichen inkohärent.
-
Die durch das Rauschen in der Kohärenz in den rekonstruierten Bildern
auftretenden fleckenartigen Effekte treten auf diese Weise nicht auf. Die
Farbsättigung
der rekonstruierten Bilder wird jedoch durch die Überlagerung der monochromatischen
Rekonstruktion geschwächt. Dagegen erhält man wegen der Verbesserung von Auflösung,
Helligkeit und Signal-@@@sch@erhältnis in der zusammengesetzten Rekonstruktion eine
bemerkenswert ethohte Wiedergabetreue der rekonstruierten Bilder.
-
Anstelle der Strenscheibe 154 Vor der Lampe 51 kann auch eine'Vorrichtulig
Anwendung finden, bei der die in Fig. 11B gezeigte sektorenförmige Filterscheibe
67 in ihrer Mitte eiiie graue Zone 68 mit zerstreuender Wirkung aufweist, um damit
statistisch verteilte Phasen der beleuchtenden Wellenfronten in dein zusätzlichen
Informationskanal herzustellen.
-
Wesentlich ist hiebei, daß dieser zusätzliche Informationskanal verwendet
werden kann, ohne daß dabei die Anforderungen an die Öffnung des optischen Systems
wesentlich erhöht werden. Da nämlich der zusätzliche Informationskanal auf der optischen
Achse 0-0 angebracht ist, fällt er im Fourier-Transformationsraum mit den auf der
Achse sich @berlappenden Farbkanälen der ersten Beugungsordnung zusammen. Er wird
deshalb auch von der Öffnung der Blende hindurchgelassen.
-
Die Fig. 2 und 12 zeigen weitere Ausführungsformen der vorliegenden
Erfindung. Diese sind entsprechend den Vorrichtungen von Fig. 1 und 10 in ihrer
prinzipiellen Anordnung für die praktische Verwendung besser geeignet als die in
Fig. 1 und Fig. 10 gezeigten Vorrichtungen.
-
Fig. 2 und Fig. 12 zeigen binokular Betrachtungsvorrichtungen mit
einein Beleuchtungssystem 70 bzw. 170, einem Wiedergabesystem zur getrennten Wiedergabe
von trägerfrequenzmodulierten Bildkomponenten einer zusammengesetzten Aufzeichnung
72 sowie eine binokulare Betrachtungseinrichtung 74 zur Betrachtung der von dem
Wiedergabesystein gelieferten Bilder,
Die Beleuchtungssysteme 70
bzw. 170 bestehen jeweils aus einer Vorrichtung, um eine größere Anzahl von intensiven
wirksamen Punktlichtqueilen einer partiell kohärenten Stahlung zu erzeugen. Sie
enthalten @@@ Xenonl@genlampe 76 von hoher Intensität, die von einer achteckigen
Anurdnung aus lichtleiienden optischen Faserbündeln 78 umgeben ist. Mal kann mermit
acht wirksame Punktilichtquellen erzeugen. In den ezeigt@ 11 Anwendungsbeispielen
sind jedoch nur sechs (Fig. 2 und Fig.3) oder sieben (Fig. 12, 13) von diesen gezeigt.
Betrachtet man Fig. 3 und 2 (uder Fig. 12 und 13), so sieht man, daß optische Faserbündel
78 mit ihren Eintrittsenden in Grundplatten 80 einmünden. Zwischen jeder dieser
Eintrittsenden und dem Lichtbogen 81 der Lampe 76 ist jeweils ein optisehes System
angebracht, das über Kondensorlinsen 82 und 84 den I ichtbogen 81 der Lampe auf
das Eintrittsende des optischen Faserbündels abbildet Damit das von jedem der optischen
Faserbündel übertragene Licht eine geeignete mittlere Wellenlänge aufweist, sind
Spektralfilter 86 sechs d<'u parallelen Strahlengänge zwischen den Linsenelementen
82 und 84 eingebracht. Das mit dem Bezugszeichen 78a in Fig. 12, 13 bezeichnete
Faserbundel wird zur Erzeugung einer großen diffusen Lichtquelle von inkohäreiitcm
weißen Licht verwendet. Dieser Vorgang wird weiter unen noch besprochen werden.
Eine spektrale Filterung desselben findet daher nicht statt. In den Fig. 3 und 13
ist nur jeweils eines der Linsenelemente 82 und 84 gezeigt. Natürlich ist zwischen
dem Lichtbogen und dem Eintrittsende von jedem der sechs oder sieben verwendeten
optischen Faserbündel ein solches optisches Element angebracht.
-
Durch die geeignete Anbringung der Spektralfilter 86 mit mittleren
Wellenlängen im roten, blauen und grünen gebiet des sichtbaren Spektrums
erreicht
man, daß die Austrittsenden 85 der sechs optischen Faserbündi 78 rotes, blau es
und grünes Licht ausstrahlen, und zwar in drei Ci ildil dci diametral gegenüberliegenden
Lichtquellenpaaren. Es ist be-@e@ts darauf hingewiesen, daß es wünschenswert erscheint,
die relativen Intensitaten der einzelnen Punktlichtquellen und damit die Intensität
:.(r X «konstruierten Bilder einzeln zu regeln. Zu diesem Zweck sind S(-hS (Fig.
2, 3) oder sieben (Fig. 12, 13) Graufilter 78 mit kontinuierlich veränderter Schwärzung
derart angebracht, daß sie vor den Eintritisöffnungen der optischen Faserbündel
78 und/oder vor dem Faserbündel 78a hin- und hergedreht werden können. Um diese
Filter 78 von außen geeignet verstellen zu können, ist eine Anzahl von Gleichstromschaltmotoren
88, 89, 90 und/oder 91 angebracht. Die optischen Faserbündel 78 sind derart angeordnet,
daß zusammengehörige Paare von Faserbiindeln, die als gegenüberliegende Lichtquellen
für das optische Wiedergabesystem - an den Austrittsenden der Faserbündel - dienen,
in den Beleuchtungssystemen 70 bzw. 170 nebeneinander liegen. Auf diese Weise kann
die Intensitätssteuerung der Punktlichtquellenpaare durch einen gemeinsamen Motor
erfolgen. Auf dem Bedienungstisch des Gerätes sind drei von Hand verstellbare Potentiometer
96, 98 und 100 angebracht. Uber diese werden die Motoren 88, 89 und 90 gesteuert,
so die man die gewünschten relativen Intensitäten bei den erhaltenen Farbauszugsbildern
einstellen kann. Ein weiteres Potentiometer 101 ist in der Anordnung von Fig. 12
und 13 für die Regelung des Motors 91 vorgesehen und damit für die Regelung der
Lichtintensität im Austrittsende des Faserbündels 78a.
-
Das optische Wiedergabesystem von Fig. 2 entspricht im wesentlichen
dem in Fig. 1 gezeigten. Es enthält drei Paare von diametral gegenüber liegenden
Punktlichtquellen mit partiell kohärenter Strahlung. Sie sind
in
Winkeln von 0° ~ 450 und 1350 zueinander angeordnet und entsprecli+n üi dieser Anordnung
den Richtungen der Vektoren, die den Ortsfi@quelizen der Trägersignale in der Aufzeichnung
72 entsprechen. Die Punktlichtquellen werden dadurch erzeugt, daß man die Enden
der optischen I'isei'bündel 78 in einer Halterung befestigt, die beispielsweise
eine Plexiglasscheibe 102 sein kann (Plexiglas ist ein eingetragenes Warenzeichen
der Rhon & Haas GmbH in Darmstadt).
-
Das optische Wiedergabesystem von Fig. 12 entspricht dem von Fig.
2 mit der Ausnahme, daß ein willkürliches ausgewähltes optisches Faserbündel, in
Fig. 12 und 13 mit dem Bezugszeichep 78a gekennzeichnet, verwendet wird, um eine
große diffuse Lichtquelle zusätzusätzlich zu erzeugen, die in der Ebene der Aufzeichnung
72 eine wesentlich inkohärente Strahlung hervorruft. Hierzu ist die vordere Oberfläche
einer Plexiglasscheibe 102a - an der, wie in Fig, 2 die Austrittsenden der anderen
sechs Faserbündel befestigt sind - mattiert, oder es ist auf eine andere Weise dafür
gesorgt, daß eine statistische Phasenverteilung der beleuchteten Wellenfronten entsteht.
Das Austrittsende des Faserbündels 78a ist gemäß einer in Fig. 12 enthaltenen Detailzelchnung
auf der Achse der Scheibe 102a in einem Abstand angebracht, der dem Kowvergenzwinkel
der in das optische Glasfaserbündel 78a eintretenden Strahlung und damit auch dem
Divergenzwinkel der austretenden Strahlung entspricht.
-
Mit dieser Anordnung kann man eine Strahlung relativ großer Intensität
erzeugen, die von dem Austritt sende des Glasfaserbündels 7ûa die mattiefste Oberfläche
der Scheibe 102a hell beleuchtet und damit eine große diffuse Lichtquelle für den
zusätzlich eingerichteten einfarbigen Inforrnatiollskanal liefert, entsprechend
der bei Fig. 10 gegebenen Darstellung.
-
In dem optischen - der beiden in Fig. 2 und @ sowie in Fig. 12 und
13 zeigten - Wiedergabesystem finden zwei Spiegel 104 und 106 Verwendurch, Durch
sie kann man die Ausdehnung des Gesamtgerätes kleiner nalten, da der Lichtweg auf
ein kleineres räurnliches Gebiet zusammengedrangt wird. Des weiteren sind eine Kollimatorlinse
108 und eine Transfromationslinse 110 angebracht. Diese dienen, wie in der Ausführungsform
von Fig. 1 bzw. Fig. 10 dazu, ein zusammengesetztes Beugungsmuster der Aufzeichnung
- gemäß Fig. 1A oder Fig. 11A - in der Ebene einer Blende 112 zu erzeugen. Auch
hier fallen die Beugungsbilder der ersten Ordnung, die zu jeder der Farbauszugsauf
zeic hnungen gehfirens und/oder das Bild von der inkohärenten Lichtquelle in die
Öffnung der Blende, wenn die zugehörigen Lichtquellen erregt sind. Eine Linse 114
bildet die Aufzeichnung 72 in die binokulare Betrachtungseinrichtung 74 ab, durch
deren Optiken eine Vergrößerung erfolgt.
-
Gemäß der anhand von Fig. 12 beschriebenen Ausführungsform wird durch
die Beleuchtung der Scheibe 102a von der Austrittsöffnung des Glasfaserbündels 78a
ein zusätzlicher Informationskanal erzeugt. Durch die entstehende inkohärente Lichtquelle
wird die Aufzeichnung 72 von inkohärenter Strahlung beleuchtet, um hierdurch eine
einfarbige flelionstruktion mit niedrigem Rauschpegel und hoher Wiedergabegenauigkeit
von der Aufzeichnung zu erhalten. Die von den kohärenten Farbkanälen erzeugten Bilder,
die'eine hohe Farbsättigung aufweisen, aber in ihrer Qualität durch das Rauschen
stark verschlechtert sind, werden durch diese Maßnahme weiter verbessert.
-
Fig. 14 zeigt eine weitere Ausführungsform der vorliegenden Erfindung,
in der die Auflösung und die Bildhelligkeit der rekonstruierten Farbauszugsbilder
dadurch verbessert wird, daß ein bestimniter wahlweise
festgelegter
Energiebetrag der nullten Ordnung (D.C.), der mit jedem C' r dr-cl diametral gegenüberliegenden
und zusammengehörenden Licht-@@@eup taren von örtlich kohärenter Strahlung verbunden
ist, durchgelassen wird. Die in Fig. 14 dargestellte Ausführungsform enthält drei
Paa@@ v@n diametral angeordneten optischen Faserbündeln 116 man beisptelsweis@ von
einem Beleuchtungssystem 70 gemäß Fig. 1 und 2 @@a@@@n kann. Das Austrittsende jedes
Faserbündels 116 ist in einer Plexiglasscheibe 118 in einem bestimmten radialen
Abstand von der op-@ischen Achse 0-0 angebracht. Dieser Abstand ist eine Funktion
der mittlt l. n u Wellenlänge der durchgelassenen Strahlung, wie dies bereits iln
Zusammenhang g mit den Vorrichtungen von Fig. t und 2 beschrieben worden ist. Eine
Kollimatorlinse 120 und eine Transformationslinse 122 erzeugen sechs um bestimmte
Winkel voneinander getrennte Strahlen, welche eine einfarbige Aufzeichnung 124 mit
partiell koìiarentem Licht beleuchten.
-
Zwei ringförmige Polarisationsfilter 126 und 128, deren Richtungen
der maximalen Durchlässigkeit senkrecht aufeinander stehen, sind in der Ebene des
Fourier-Transformationsraumes, der von den Linsen 120 und 122 gebildet wird, angeordnet.
Diese Polarisationsfilter erfüllen eine zweifache Funktion. Sie weisen in der Achse
des optischen'Systems eine Öffnung 130 auf, die als Ortsfrequenzfilter wirkt. Die
Öffnung 130 hat einen Durchmesser, der groß genug ist, um die ersten Beugungsordnungen
ungeschwächt durchzulassen, die jeweils einer an den Austrittsenden der optischen
Faserbündel 116 gebildeten Punldlichtquelle entsprechen. Weiterhin lassen die Polarisationsfilter
126 und 128 einen bestimmten Anteil von Licht der nullten Beugungsordnung hindurch,
der zu jeder der wirksamen Punktlichtquellen gehört. Auf diese Weise wird ein Breitbandspektrum
von Ortsfrequenzen durchgelassen, das der
einiarbigen Aufzeichnung
entspricht. Es dient dazu, die Auflösung und die Bildhelligkeit der erhaltenen Farbrekonstruktionen
zu verbessern.
-
De; Energieanteil der nullten Beugungsordnung, der durch die Ebene
des Fourier-T ransformationsraumes hindurchgelassen werden soll, kann leicht durch
eine Regelung der relativen Winkelanordnung von den }olariiationsfiltern 126 und
128 erreicht werden.
-
Als Alternative zu einer direkten Betrachtung der rekonstruierten
Objektinformation kann über eine Projektionslinse 136, wie in Fig. 14 gezeigt, ein
rekonstruiertes Bild auf einem Schirm 138 entworfen werden.
-
Durch diese Anordnung von gekreuzten Polarisationsfiltern ist eine
Möglichkeit gegeben, um den Energieanteil der nullten Beugungsordnung, der durch
den Fourier-Transformationsraum durchgelassen werden soll, zu regulieren und um
damit die Intensität der einfarbigen Rekonstruktion zu regeln. Es gibt jedoch auch
eine Menge weiterer Wege, mit denen man eine Regelung der von der nullten Beugungsordnung
durchgelassenen Energie erzielen kann. Eine derartige Anordnung ist in Flg. 14A
dargestellt. Fig. 14A zeigt in einem Ausschnitt ein Transformatlonsfilter 140 mit
einer relativ großen Öffnung 141. Die Berandung dieser Öffnung ist sorgfältig derart
bestimmt, daß der gleiche Anteil der Energie aus der nullten Beugungsordnung von
jeder der wirksamen Punktlichtquellen durchgelassen wird. Die unregelmäßige Gestalt
der Öffnung ist also eine Folge der radialen Verschiebungen der Quellen aus der
Achse O-O, die - nach einer Spektralfilterung - von der mittleren Wellenlänge der
erzeugten Strahlung abhängt.
-
Anhand der Fig. 2 und 3 sowie 12 und 13 wurde ein Beleuchtungssystem
beschrieben,
bei dem eine einzige Bogenlampe und eine radiale Anordnung von optischen Glasfaserbündeln
vexw endet wird, um damit - mit der gezeigten achteckigen Geometrie - acht Lichtquellen
zu erzeugen.
-
Aach bei dieser relativ wirkungsvollen Anordnung, bei der das Licht
ttus einem Raum gesammelt wird, der die Bogenlampe 76 kreisförmig umschließt, wird
ein großer Anteil der gesamten von der Bogenlampe 76 gelieferten Strahlungsenergie
nicht ausgenützt. Fig. 14B zeigt daher eine noch günstigere Anordnung des Beleuchtungssystems.
Hierbei wird wie bei dem Beleuchtungssystem 70 bzw. 170 vorgegangen, jedoch um eine
doppelt so große Anzahl wirkungsvoller Punktlichtquellen als dort zu erzeugen. Die
Anordnung von Fig. 14B benutzt die Tatsache, daß normale Bogenlampen eine 3600-Strahlungscharakteristik
haben, deren Querschnitt im allgemeinen fächerförmig ausgebildet ist. Die Anordnung
von Fig. 14B enthält daher zwei achteckförmig angeordnete Reihen von optischen Glasfaserbündeln
142. Die Reihen sind Richtung der Lampenachse gegeneinander verschoben, haben aber
ein gemeinsames Zentrum im Lichtbogen der Lampe 144. Die entstandene Anordnung läßt
sich daher annähernd durch zwei an der Grundfläche aufeinandergesetzte Kegel beschreiben.
-
Sechzehn Kondensorlinsensysteme empfangen je einen Strahlungskegel
von der Lampe und fokussieren ihn auf die Eintrittsenden der optischen Faserbündel
142.
-
Selbstverständlich kann das System von Fig. 14B auch mit Spektral-und
Schwächungsfiltern, wie die in Fig. 2 und 3 oder Fig. 12 und 13 gezeigte Ausführungsform,
versehen werden; aus Gründen der Übersichtlichkeit wurden jedoch derartige Zusatzeinrlchtungen
in der Abbildung weggelassen. Selbstverständlich können auch andere als achteckförmige
Reitlen
verwendet werden, je nach der Anzahl der jeweils benötigten Lichtquellen. So sind
beispielsweise sechseckförmige, siebeneckförmgt oder andere Anordnungsformen möglich.
-
Eine weitere Ausführung der vorliegenden Erfindung ist schematisch
in Fig. 4 abgebildet. Die dargestellte Vorrichtung ermöglicht eine selektive Wiedergabe
einer bestimmten und wahlweise ausgesuchten Bildaufzeic hnungskomponente, die, überlagert
mit einer großen Anzahl anderer,in einer zusammengesetzten Aufzeichnung gespeichert
ist. Dieses Verfahren der optischen Bildspeicherung und Wiedergabe ist in dem US-Patent
3 425 700 vom 1. Dezember 1965 (deutsche Patentanmelw dung P 14 97 614.8 vom 1.
Dezember 1966) von Peter F. Mueller beschrieben. Die Anzahl der Bilder, die dort
überlagert und anschließend mit einem Ortsfrequenzspektrum von gegebener Bandbreite
rekonstruiert werden können, ist eine Funktion der Ortsfrequenz des verwendeten
Trggersignals. Die wi rksame Öffnung eines bisher für die Wiedergabe verwendeten
optischen Systems muße daher sehr groß sein, auch wenn die Aufzeichnung nur wenige
Bildliomponenten enthält. Entsprechend Fig. 4 kann man jedoch erfindungsgemäß die
wirksamen Punktlichtquellen in genilgenden Winkelabständen von der optischen Achse
0-0 anbringen.
-
Auf diese Weise kommt das Bild der ersten Beugungsordnung von jedem
der rekonstruierten Bilder wieder auf die optische Achse zu liegen.
-
Hierdurch werden an die Öffnung des optischen Systems keine so hohen
Anforderungen gestellt, unabhängig von der Anzahl der trägerfrequenzmodulierten
Bilder, die in der Aufzeichnung gespeichert sind.
-
Das in Fig. 4 gezeigte Wiedergabesystem besteht aus einer Beleuchtungseinheit,
die zwölf optische Glasfaserbündel 168 in kreisförmiger Anordnung enthält. Die Austrittsenden
der Glasfaserbündel 168 sind in
einer Plexiglasscheibe 169, wie
aus der Abbildung ersichtlich, gehalit. Eiiie Kollimatorllnse 172 und eine Transformationslinse
174 bilde@ he Reihe der Punktlichtquellen auf eine lrisblende 176 ab, die als (Jis{i'tquenzfilter
wirkt. Eine Projektionslinse 178 ist in den Strahlenga@@ eingefügt, um zu zeigen,
daß die rekonstruierten Bilder auf einem Seh@m 180 wiedergegeben werden können.
Diese Wiedergabe kann anstellt der direkten visuellen Betrachtung - mit dem bloßen
Auge, mit e inem Mtkroskol) oder r mit einer anderen Betrachtungsvorrichtung - Anwendung
finden.
-
Aus Gründen der Übersichtlichkeit ist bei der abgebildeten Beleuchtungseinrichtung
nicht gezeigt, wie verschiedene Kombinationen der Lichtquellen erregt werden können.
Auch die Vorrichtungen zur Intensitäteregulierung der rekonstruierten Bilder ist
hier nicht ausführlich dargestellt. Aus der Abbildung ist nur ersichtlich, daß die
Beleuchtungaeingleit einen Wahlschalter 182 enthält, über den eine selektive Erregung
der erwünschten Lichtquelle erfolgen kann. Durch die jeweils erregte Punkt lichtquelle
wird diejenige Bildaufzeichnungskomponente rekonstruiert, bei der die Modulation
des Trägersignales die gleiche azimutale Orientierung wie die erregte Punktlichtquelle
aufweist.
-
Fig. 4A zeigt schematisch eine Beleuchtungseinrichtung, für die Vorrichtung
von Fig. 4. Hiermit kann eine selektive Rekonstruktion jeder gewünschten Kombination
der in der Aufzeichnung 166 gespeicherten Bildkomponenten erfolgen. Eine mit dieser
Beleuchtungseinrichtung ausgeiüstete Wiedergabevorrichtung erweist sich für Lehr-
und Demonstrationszwecke besonders geeignet. Teilsysteme oder zusammengesetzte Bilder
können damit visuell überlagert werden, um geometrische, physiologische oder andere
Beziehungen, zwischen dem Teilsystem
oder den Bildern, zu verdeutlichen.
-
Die @n Fig. 4A gezeigte Beleuchtungseinrichtung besteht aus einer
grö-[St r en Anzahl von optischen Glasfaserb(indeln'186, die in einer Plexiglasscheibt-
190 gelagert sind. Eine Vielzahl von Lichtquellen 192 versorgt die Eintrittsenden
194 der optischen Glasfaserbündel 186. Eine Sehalteranordnung 196 zeigt schematisch,
wie irgendein optisches Faserbiindel 186 oder eine gewünschte Kombination derselben
selektiv erregt werden kann, um die erwünschte Kombination der Bildkomponenten aus
der fotografischen Aufzeichnung zu rekonstruieren.
-
In der Abbildung sind beispielsweise zwölf Glasfaserbündel gezeigt.
Die Faserbündel können zu diametral gegenüberliegenden Paaren zusammengefaßt werden
entsprechend den Glasfaserbündeln 168 von Fig. 4. Sie können aber einander auch
auf Lücke gegenüberstehen, so daß zwölf Bildaufzeichnungskomponenten aus einer einzigen
Aufzeichnung getrennt rekonstruiert werden können. Eine derartige Aufzeichnung 166
enthält zw(ilf eher als sechs Teilbilder, die additiv einander überlagert sind.
-
Jedem dieser Bilder ist eine entsprechend orientierte Ortefrequenz
als Trägersignal überlagert. Eine derartige Beleuchtungseinrichtung mit auf Lücke
versetzten wirksamen Punktlichtquellen liefert im Gegensatz zu der Anordnung in
diametral gegenüberliegenden Paaren für jede Bildaufzeichnungskomponente nur eine
einzige harmonische Beugungsordnung.
-
Die vorliegende Erfindung ist nicht auf die in den beschriebenen Ausführungsformen
speziell angegebenen Konstruktionsdetails beschränkt So.
-
ist auch folgende Form der Beleuchtungseinrichtung denkbar. Eine einzige
Lichtquelle ist n einem bestimmten radialen Abstand von der Achse
so
angebracht, daß sie in eine bestimmte Anzahl azimutaler Stellungen gedreht werden
kann, um die schrittweise Rekonstruktion ausgewählter Bildaufzeichnungskomponenten
zu ermöglichen. Es ist auch möglich, eine Anordnung zu wählen, bei der die Aufzeichnung
einer Drehbewegung unterzogen wird. Auch hierdurch läßt sich eine Übereinstimmung
der jeweiligen Azimute - des Vektors eines ausgewählten Trägersignals und einer
in einem bestimmten radialen Abstand fest angebrachten Lichtquelle - erreichen.