Hintergrund der Erfindung
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Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine elektro-
optische Abbildungsvorrichtung. Insbesondere bezieht
sich die Erfindung auf eine Vorrichtung zur Erzeugung
optischer Bilder einer Szene auf elektronischen
Einrichtungen, die die darauffallende optische Bildstrahlung
in ein elektronisches Ausgangssignal umwandeln, welches die
Szene naturgetreu mit einem Minimum von Zweideutigkeiten in
dem endgültig rekonstruierten Bild darstellt.
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Bei elektronischen Bilderzeugungssystemen wird die von einer
Szene reflektierte Strahlung auf der lichtempfindlichen
Oberfläche einer elektronischen Bilderzeugungseinrichtung
abgebildet. Bei Fernsehabbildungssystemen richtet ein
optisches System die Szenenstrahlung in eine Vidiconröhre,
um das Szenenbild auf einer photoleitfähigen
Auffanganodenoberfläche abzubilden, die in einer Bildebene liegt.
Die Auffanganodenoberfläche wird elektronisch durch das
Bildstrahlungsmuster der Szene auf einen örtlichen
Ladungspegel aufgeladen, der proportional zu der
entsprechenden örtlichen Strahlung der Szene ist. Das Ziel
wird in einem Rastermuster durch einen Elektronenstrahl
abgetastet, um ein Ausgangssignal zu liefern, welches
elektrisch das Ladungsmuster der Auffanganode repräsentiert,
das durch die Szenenstrahlung abgebildet wurde. Auf diese
Weise wird eine kontinuierliche elektrische Echtzeitkopie
der Szenenstrahlung für weitere Benutzung erzeugt.
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Halbleiterbilderzeugungsvorrichtungen, die für tragbare
Stehbildkameras geeignet sind, weisen verschiedene Typen von
monolith- und hybrid-lichtempfindlichen Sensoren auf,
beispielsweise ladungsgekoppelte Einrichtungen (CCD) und
Photodiodenanordnungen. Bei einem CCD-Bildsensor wird ein
zweidimensionales Metallisolatorhalbleiter(MIS)substrat aus
einem Halbleitermaterial mit mehreren auf einer Oberfläche
angeordneten Elektroden erzeugt. Die gegenüberliegende
Bildempfangsoberfläche wird der Szenenstrahlung ausgesetzt,
um Pakete photographischer Ladungen im Substrat zu erzeugen
und zu speichern. Nach einem geeigneten Abtastintervall
werden die Ladungspakete in einer Folge schrittweise einer
Ausgangsvorrichtung übertragen, um ein elektrisches Signal
zu erzeugen, welches der abgetasteten Szene entspricht.
Zusätzlich zu den Bilderzeugungseinrichtungen können lineare
Feldanordnungen oder sogar ein einziger Detektor benutzt
werden in Verbindung mit Einrichtungen, die die Szene über
dem Feld abtasten, um ein entsprechendes Videosignal zu
erhalten, welches repräsentativ ist für die Szene.
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Bei der Fabrikation von Halbleiterbildsensorfeldern ist die
Zahl der lichtempfindlichen Bereiche oder lichtempfindlichen
"Pixel", die pro Flächeneinheit angeordnet werden können,
beschränkt durch praktische Material- und
Fabrikationsbetrachtungen. Weil die Zahl der Pixel begrenzt ist, ist
entsprechend die Fähigkeit solcher Einrichtungen, räumliche
Details eines Bildes aufzulösen, entsprechend begrenzt. Die
Bilderzeugungsqualität einer Abbildungseinrichtung wird oft
in Ausdrücken ihrer Modulationsübertragungsfunktion (MTF)
ausgedrückt, dem Verhältnis der Modulation im Bild zu jener
des Gegenstandes. Allgemein kann gesagt werden, je höher der
Wert von MTF mit räumlicher Frequenz, um so besser ist das
räumliche Auflösungsdetail im Gegenstand. All diese
Einrichtungen haben jedoch praktische Raumfrequenzgrenzen,
bei denen ihr Modulationsübertragungsfunktionswert auf einen
unannehmbar niedrigen Wert fällt. In anderen Worten
ausgedrückt, heißt dies, daß das elektrische Ausgangssignal
einer Bilderzeugungseinrichtung als eine Fourier-
Transformation betrachtet werden kann. Im Idealfall ist die
elektrische Transformation, die von der
Bilderzeugungseinrichtung geliefert wird, ein exaktes Analogon der
entsprechenden Transformation, die die zweidimensionale
Flußdichteverteilung in der Bildebene beschreibt, wie sie
von der Szene geliefert wird. Wenn eine elektrische
Bilderzeugungseinrichtung periodisch eine Szene abtastet,
welche räumliche Frequenzkomponenten enthält, die sehr viel
höher sind als die Nyquist-Frequenz der Einrichtung, dann
erscheinen die Frequenzkomponenten über der Nyquist-
Frequenzgrenze der Vorrichtung in der Rekonstruierung als
unechte untere Frequenzkomponenten. Diese unechten
Komponenten sind bekannt als "Aliases", und sie stellen
Fehler im elektrischen Ausgangssignal dar. Während diese
"Aliases-Fehler" dadurch ausgemerzt werden können, daß
Vorrichtungen mit einer höheren Abtastrate benutzt werden,
bewirken die Aliases-Fehler Begrenzungen der abschließenden
Bildaufnahmefähigkeit einer elektronischen
Bilderzeugungskamera.
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JP Abstract 58-70686 beschreibt ein optisches Filter mit
einer Doppelbrechungscharakteristik, bei welchem die
räumliche Frequenz eines Objektbildes ein geradzahliges
Vielfaches der Nyquist-Frequenz ist, bestimmt aus den
Bildelementintervallen einer Bildaufnahmevorrichtung
zwischen der Vorrichtung und dem Objektiv. Das Filter und
die Einrichtung sind so gewählt, daß eine Verschlechterung
der Bildqualität infolge eines fehlerhaften Signals
vermieden wird.
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Die Erfindung betrifft eine elektro-optische
Abbildungsvorrichtung mit einem elektronischen Bildsensor,
der auf die Strahlung einer Aufnahmeszene anspricht, um ein
elektrisches Ausgangssignal zu erzeugen, welches der
Szenenbildstrahlung entspricht, wobei der Bildsensor aus
einem Feld von periodisch angeordneten Elementen besteht und
eine räumliche Nyquist-Frequenz hat, und mit optischen
Abbildungsmitteln zur Abbildung der Szenenbildstrahlung auf
dem Bildsensor, wobei die optischen Abbildungsmittel ein
optisches Tiefpaßfilter aufweisen, um das räumliche
Frequenzansprechen der optischen Abbildungsmittel auf eine
räumliche Frequenzgrenze zu beschränken, die im wesentlichen
gleich ist der räumlichen Nyquist-Frequenz des Bildsensors
über einen Bereich möglicher Blendenöffnungen der optischen
Abbildungsmittel. Die Erfindung ist dadurch gekennzeichnet,
daß das optische Tiefpaßfilter eine Linse ist, die
rotationssymmetrische sphärische Aberrationen aufweist, die
durch die dritten, fünften und weitere ungeradzahlige
Aberrationsausdrücke höherer Ordnung beschrieben sind und
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die für den Bereich von Blendenöffnungen abgeglichen sind
und das räumliche Frequenzansprechen der optischen
Abbildungsmittel auf die räumliche Frequenzgrenze
beschränken.
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Die vorliegende Erfindung schafft ein verbessertes
elektronisches Abbildungssystem, um ein elektrisches Signal
zu liefern, welches naturgetreu eine Szene mit einem Minimum
von Unvollkommenheiten liefert, die durch hohe räumliche
Frequenzkomponenten in der Szenenstrahlung verursacht
sind. Demgemäß bildet ein optisches Untersystem eine Szene
auf der Bildempfangsoberfläche der Sensoranordnung so ab,
daß Aliase-Fehler im elektrischen Ausgangssignal der
Sensoranordnung weitgehend vermindert sind. Das optische
System ist so ausgebildet, daß es ein räumliches
Frequenzansprechen besitzt, welches Szenenfrequenzen
reduziert, die größer sind als die Nyquist-Frequenz der
elektrischen Abbildungseinrichtung über einen Bereich von
Blendenöffnungen. Infolgedessen wird die Erzeugung von
Alias-Fehlerkomponenten im elektrischen Ausgangssignal
verhindert.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung sind
die optischen Komponenten so ausgebildet, daß
rotationssymmetrische Aberrationen der Komponenten einen
Bereich von Blendenöffnungen ausgleichen, um die Übertragung
räumlicher Frequenzkomponenten abzuschwächen, die über einer
vorbestimmten Grenze der Bilderzeugungseinrichtung liegen.
Vorzugsweise werden die dritten, fünften und die sphärischen
Aberrationen höherer Ordnung der Optik bei der Konstruktion
derart ausgeglichen, daß die MFT über der Nyquist-Frequenz
für einen weiten Bereich von Blendenöffnungen bei der besten
Fokussierung niedrig ist. Auf diese Weise wirkt das optische
Untersystem als optisches räumliches Tiefpaßfilter. Die
Erfindung kann dadurch verwirklicht werden, daß die
optischen Komponenten in spezieller Weise ausgebildet
werden, wobei der Anteil der sphärischen Aberrationen so
weit erforderlich ausgeglichen wird, oder indem einem
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bestehenden gut korrigierten optischen System ein
zusätzliches Brechungselement hinzugefügt wird, welches die
entsprechenden Charakteristiken besitzt, um die gewünschte
Wirkung zu erzielen.
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Im folgenden wird ein Ausführungsbeispiel einer elektro-
optischen Abbildungsvorrichtung gemäß der Erfindung unter
Bezugnahme auf die beiliegende Zeichnung beschrieben. In der
Zeichnung zeigen:
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Fig. 1 eine schematische perspektivische Ansicht eines
Abbildungssystems,
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Fig. 1A in größerem Maßstab eine schematische Ansicht
eines Teils der lichtempfindlichen Flächen der
elektronischen Abbildungsvorrichtung nach Fig. 1,
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Fig. 2 eine idealisierte graphische Darstellung der
normalisierten Modulationsübertragungsfunktion, aufgetragen
über der Raumfrequenz,
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Fig. 3 und 4 qualitative graphische Darstellungen der
Veränderung in der sphärischen Aberration mit der Blende für
ein beispielsweises Linsensystem,
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Fig. 5 eine graphische Darstellung der normalisierten
geometrischen Modulationsübertragungsfunktion, aufgetragen
gegenüber der Raumfrequenz für eine erste
Blendeneinstellung,
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Fig. 6 eine graphische Darstellung der normalisierten
geometrischen Modulationsübertragungsfunktion, aufgetragen
gegenüber der Raumfrequenz für eine zweite
Blendeneinstellung,
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Fig. 7 eine graphische Darstellung der normalisierten
geometrischen Modulationsübertragungsfunktion, aufgetragen
gegenüber der Raumfrequenz für eine dritte
Blendeneinstellung,
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Fig. 8 eine graphische Darstellung der normalisierten
geometrischen Modulationsübertragungsfunktion, aufgetragen
gegenüber der Raumfrequenz für eine vierte
Blendeneinstellung,
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Fig. 9 eine graphische Darstellung der normalisierten
geometrischen Modulationsübertragungsfunktion, aufgetragen
gegenüber der Raumfrequenz für eine fünfte
Blendeneinstellung, dargestellt längs der
Beugungsmodulationsübertragungsfunktion für das gleiche System, und
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Fig. 10 eine graphische Darstellung der Veränderung der
Lage der besten Fokussierung mit der Blende bei einem
beispielsweisen Linsensystem.
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Eine Darstellung eines gemäß der Erfindung ausgebildeten
elektro-optischen Systems ist schematisch in Fig. 1
dargestellt und allgemein mit dem Bezugszeichen 10
bezeichnet. Das elektro-optische System 10 weist einen
Abschnitt 12 mit optischen Komponenten auf, die längs einer
optischen Achse OA ausgerichtet sind, um Strahlung von einer
Szene auf einem Bildsensor 14 abzubilden. Die optischen
Komponenten 12 weisen schematisch dargestellte Linsen oder
Linsengruppen 16 und 18 und eine einstellbare Blende 20 auf,
die eingestellt werden kann, um irgendeine von mehreren
Lichtdurchlaßöffnungen innerhalb eines Blendenbereichs
einzustellen, der durch die ausgezogene Linie bzw. die
strichlierte Linie in Fig. 1 charakterisiert ist. Die Linsen
16 und 18 gemäß Fig. 1 sind nur in schematischer Form
dargestellt, da jedes optische System vom Design bestimmte
Parameter aufweisen muß, einschließlich Zahl und Gestalt der
objektseitigen und der bildseitigen Brechungsoberflächen,
des Abstandes zwischen den brechenden Oberflächen, und eine
Reihe von Brechungseigenschaften, die in der Praxis bei der
Durchführung der Erfindung benutzt werden können. Allgemein
müssen die optischen Komponenten 12 minimal zwei
Brechungsoberflächen aufweisen, die durch die objektseitige
und die bildseitige Brechungsoberflächen der Linse 16
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repräsentiert sind, obgleich die dargestellten Linsen 16 und
18 eine komplexere Linsenanordnung repräsentieren können,
beispielsweise Objektive in Form eines Triplets oder eines
Tessar.
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Der Bildsensor 14 ist als zweidimensionales ebenes Substrat
ausgebildet, der eine Abbildungsoberfläche 22 besitzt, auf
der die Strahlung von der Aufnahmeszene durch die optischen
Elemente 12 entworfen wird. Der Bildsensor 14 kann von
verschiedener Bauart sein, einschließlich wie in Fig. 1A
dargestellt, mit einer regelmäßigen Feldanordnung oder einem
Mosaik lichtempfindlicher Bereiche oder Elemente 24, die
jeweils in gleicher Weise auf die Strahlung ansprechen, die
von der Szene durch die optischen Komponenten 12 auf den
Bildsensor 14 gelangt, wodurch in bekannter Weise ein
elektronischer Signalausgang SIG OUT erreicht wird. In Fig.
1 und 1A sind Bildsensor 14 und dessen lichtempfindliche
Elemente 24 in größerem Maßstab zur besseren
Veranschaulichung dargestellt. Gemäß der bevorzugten
Ausführungsform ist der Bildsensor 14 eine ladungsgekoppelte
Einrichtung (CCD), die ein rechteckiges Feld von
lichtempfindlichen Bereichen 24 umfaßt. Zusätzlich zu
Abbildungsvorrichtungen, die eine Abbildungsoberfläche 22
besitzen, können andere Einrichtungen benutzt werden,
einschließlich linearer Anordnungen, oder es kann sogar ein
einziger Detektor benutzt werden, der periodisch die
Szenenstrahlung abtastet und durch einen entsprechenden
Abtastapparat (nicht dargestellt) abgelenkt wird, um ein
entsprechendes elektronisches Ausgangssignal zu erzeugen.
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Im Betrieb bilden die optischen Elemente 12 über die
Strahlung die Szene auf der Oberfläche 22 während einer
vorbestimmten Abtastzeit ab, wobei die elektronischen
Signale während einer Zeitdauer präsentiert werden, die der
Äbtastperiode folgt. Die Strahlung, die auf den Bildsensor
14 entworfen wird, hat eine zweidimensionale
Flußdichtenverteilung, die allgemein in mathematischen Ausdrücken durch
eine Fourier-Transformation ausgedrückt werden kann, die
ihre räumlichen Frequenzkomponenten umfaßt. Der Bildsensor
14 bewirkt eine Umwandlung der abgebildeten Szenenstrahlung
in ein elektrisches Signal, das in gleicher Weise in
mathematischen Ausdrücken durch eine Fourier-Transformation
beschrieben werden kann. Das räumliche Frequenzansprechen
des Bildsensors 14 auf Einzelheiten der abgebildeten
Szenenstrahlung kann zweckmäßigerweise auch in Ausdrücken
der Modulationsübertragungsfunktion relativ zu seinem
räumlichen Frequenzansprechen beschrieben werden
(Schwingungen/mm). Durch Vergleich des räumlichen
Frequenzgehaltes in einer Szene mit dem Ansprechen des
Sensors kann man das feinste Detail bestimmen, welches vom
Sensor bei einem bestimmten akzeptablen Kontrastpegel erfaßt
werden kann. Wie durch die ausgezogene Linie in Fig. 2
dargestellt, kann ein Bildsensor eine
Modulationsübertragungsfunktion von etwa Eins für sehr niedrige
Raumfrequenzen haben, wobei die
Modulationsübertragungsfunktion mit sich vergrößernder Raumfrequenz abfällt bis zu
einer speziellen oberen Grenze, beispielsweise
50 Schwingungen/mm oder dergleichen, für Einrichtungen, die
gemäß der bevorzugten Ausführungsform benutzt werden. Wenn
ein elektrischer Bildsensor, der eine obere Grenze einer
gewählten Raumfrequenz aufweist, mit Szenenlicht bestrahlt
wird, welches Raumfrequenzkomponenten aufweist, die größer
sind als die durch die Nyquist-Begrenzung der Vorrichtung
bestimmten, beispielsweise 40 Schwingungen/mm, dann enthält
das Ausgangssignal der Vorrichtung fehlerhafte
Signalkomponenten oder "Aliases-Fehler", welche zu
Unstimmigkeiten, Verzerrungen oder anderen Fehlern bei dem
rekonstruierten Bild der Szene führen. Die Nyquist-Frequenz
beträgt 1/2 P für reguläre Felder, wobei P die Trennung der
individuellen Detektoren ist.
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Um im elektrischen Ausgangssignal des Bildsensors 14
fehlerhafte Alias-Komponenten zu verhindern, wird der
optische Teil 12 mit einem Raumfrequenzansprechen versehen,
d. h. mit einer oberen Raumfrequenzgrenze, die im
wesentlichen äquivalent der Nyquist-Frequenzbegrenzung des
Bildsensors 14 und vorzugsweise nicht höher als diese sind,
um zu verhindern, daß die Raumfrequenzkomponenten der Szene,
die höher sind als die Nyquist-Raumfrequenzgrenze des
Bildsensors 14, die Bildoberfläche 22 bestrahlen.
Rotationssymmetrische Aberrationen der optischen Komponenten
läßt man in ihrem Wert mit vergrößerter Blende oszillieren,
damit sie einander auslöschen, wobei Änderungen über den
Blendenbereich durchgeführt werden. Vorzugsweise werden die
sphärischen Aberrationen der optischen Komponenten derart
ausgeglichen, daß die dritte, fünfte sphärische Aberration
und solche höherer Ordnung Grenzen im räumlichen
Frequenzansprechen der optischen Komponenten bewirken,
unabhängig von Blende und ohne wesentliche Verschiebung der
Ebene der besten Fokussierung.
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Wie qualitativ in Fig. 3 und 4 dargestellt, ist die
sphärische Aberration sowohl tangential als auch sagittal an
der optischen Achse OA Null, wobei die Aberration
gleichförmig, entgegengesetzt und periodisch mit der Blende
ansteigt, wie dies durch die relative Feldhöhe dargestellt
ist. Die sphärische Aberration ist im wesentlichen linear an
der optischen Achse OA und in der Nähe derselben, und sie
oszilliert in ihrem Wert periodisch, wenn die Blendenöffnung
vergrößert wird.
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Die räumlichen Frequenzansprechcharakteristiken für ein
optisches System, das mit den sphärischen
Aberrationscharakteristiken oder Profilen gegenüber der Blendenöffnung
gemäß Fig. 3 versehen ist, sind in den Fig. 5 bis 9
dargestellt. In Fig. 5, die eine Blendeneinstellung von f/5
repräsentiert, ist die Modulationsübertragungsfunktion Eins
oder fast Eins bei sehr kleinen Raumfrequenzen, und sie
fällt glatt auf 0,1 bei etwa 35 Schwingungen/mm ab. Dieses
räumliche Frequenzprofil, das knapp unter der Nyquist-
Frequenz des elektronischen Bildsensors 14 liegt,
gewährleistet, daß höhere räumliche Frequenzkomponenten in
der Szene durch die optischen Komponenten nicht nach dem
Bildsensor 14 gelangen können. In Fig. 6 ist eine
Blendeneinstellung von f/7 dargestellt. Hier entspricht das
räumliche Frequenzansprechen dicht jenem gemäß Fig. 5, mit
dem Unterschied, daß die Modulationsübertragungsfunktion bei
40 Schwingungen/mm kleiner ist als in Fig. 5. Fig. 7 zeigt
eine Blendeneinstellung von f/10, und die
Modulationsübertragungsfunktion ist wiederum Eins oder fast Eins bei
niedrigen Raumfrequenzen, und sie fällt glatt ab auf etwa
0,2 bei 40 Schwingungen/mm. Fig. 8 zeigt die
Modulationsübertragungsfunktion für das System bei einer
Blendenöffnung von f/14. Hier beträgt wiederum der Wert bei
40 Schwingungen/mm 0,2. In Fig. 9 beträgt die Blendenöffnung
f/20, und die Brechungsmodulationsübertragungsfunktion
(strichlierte Linie) herrscht wegen der kleinen
Blendenöffnung vor, und sie wird in der Nähe von
40 Schwingungen/mm abgeschnitten. Die
Modulationsübertragungsfunktion des optischen Systems 12 braucht nicht
scharf bei der Nyquist-Frequenz abgeschnitten zu werden,
sondern sie kann sich fortsetzen, um Frequenzen darüber mit
einem gewissen Kontrastpegel hindurchtreten zu lassen,
vorausgesetzt, daß das Produkt der
Modulationsübertragungsfunktionen des optischen Systems und der Detektorwirksamkeit
die Szenenfrequenzen über der Nyquist-Grenze begrenzt.
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Wenn sich die Blendenöffnung des Systems ändert, dann ändert
sich die axiale Lage der Ebene der besten Fokussierung, wie
durch die Kurve in Fig. 10 veranschaulicht. Obgleich sich
die Lage der Ebene der besten Fokussierung ändert, wird der
Bereich innerhalb der annehmbaren Fokussierungsbegrenzungen
gehalten, so daß das Bild auch bei Änderungen der
Blendenöffnung scharf bleibt.
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Aus der vorstehenden Betrachtung ergibt sich, daß die
Steuerung des Profils der sphärischen Aberration des
Linsensystems die Komponenten der höheren räumlichen
Frequenz in der Szenenstrahlung ausmerzt oder weitgehend
abschwächt, um die Erzeugung unerwünschter Alias-Fehler im
elektrischen Ausgangssignal des Bildsensors so gering als
möglich zu halten.
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Bei der Durchführung der Erfindung kann ein optisches System
benutzt werden, welches die gewünschte Aberrationssteuerung
besitzt, oder es kann zweckmäßigerweise ein bestehendes gut
korrigiertes Linsensystem dadurch modifiziert werden, daß
eine zusätzliche optische Komponente eingeführt wird, welche
berechnete asphärische Oberflächen aufweist, die das
Gesamtaberrationsprofil ändern, um das gewünschte Ergebnis
zu erzielen. Diese optische Komponente kann unterschiedliche
Form haben, je nachdem, wie es durch die Charakteristiken
der anderen Elemente in einer gut korrigierten Linse
erforderlich ist, und die Komponente wird am besten an der
Stelle der Blendenöffnung angeordnet. In ihrer Form hat sie
eine symmetrische Polynomkurve höherer Ordnung, wie dies
erforderlich ist. Diese Form wird am besten in bekannter
Weise dadurch erreicht, daß herkömmliche Computerroutinen
benutzt werden, um die Koeffizienten der Polynome derart zu
optimieren, daß die Unschärfe und die Fokussierung von der
Blende unabhängig werden.
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Die folgende Vorschrift stellt ein Ausführungsbeispiel eines
optischen Systems dar, welches die oben beschriebenen
MTF-Charakteristiken besitzt.
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Eine dünne Platte aus Glas (n = 1,5185) wird am Ort der
Blendenöffnung eines gut korrigierten optischen Systems
angeordnet. Der Durchmesser der Blendenöffnung beträgt
5,08 cm (2 Zoll). Die erste Oberfläche der Glasplatte ist
eben, und die zweite Oberfläche wird durch das folgende
Polynom beschrieben:
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Z(r) = C2r² + C4r&sup4; + C6r&sup6; + C8r&sup8; +
+ C10r¹&sup0;
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wobei Z(r) die Oberflächendurchbiegung vom Scheitel ist,
und r = (X² + Y²) 1/2 der radiale Abstand von der Achse
und die Koeffizienten wie folgt sind:
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C2 = 0,0006479
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C4 = -0,004461
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C6 = 0,010897
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C8 = -0,010852
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C10 = 0,0038571.