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Die Erfindung bezieht sich auf ein Bildaufnahme- und Wiedergabesystem
mit einem Bildverstärker zur Verstärkung von von einer aufzunehmenden Szene
stammender Strahlung, wofür der Bildverstärker eine Strahlungseintrittsfläche und eine
Strahlungsaustrittsfläche hat, mit einem Bildsensor zur Aufnahme auf einer
Bildaufnahmefläche eines der Szene entsprechenden Bildes auf der
Strahlungsaustrittsfläche und zur Lieferung eines diesem entsprechenden zeilen- und
teilbildweise erzeugten Bildsignals, mit einem zwischen der Strahlungsaustrittsfläche des
Bildverstärkers und der Bildaufnahmefläche des Bildsensors angebrachten
Optokopplersystem zum Anpassen der Form der Strahlungsaustrittsfläche an die der
Bildaufnahmefläche, mit einer Signalkorrektureinrichtung zum Kompensieren der
Anpassung des Optokopplersystems durch Lieferung eines korrigierten Bildsignals und mit
einer mit einem Wiedergabebildschirm versehenen Wiedergabeeinrichtung, um ein der
Szene entsprechendes Bild unter Zuführung des korrigierten Bildsignals an die
Wiedergabeeinrichtung wiederzugeben. Die Erfindung bezieht sich auch auf eine für dieses
System geeignete Aufnahmeeinrichtung.
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Eine derartige, einen Bildverstärker enthaltende Einrichtung, die
außerdem beispielsweise als Strahlungsumsetzer für das Umsetzen von nicht sichtbarer
Strahlung in sichtbares Licht als Strahlung arbeitet, kann beispielsweise für
Röntgenaufnahmen, bei der Beobachtung im infraroten oder ultravioletten
Strahlungsbereich usw. eingesetzt werden. Der Bildsensor arbeitet dann als
optoelektronischer Wandler. Falls der Bildsensor für andere Strahlung als Licht
empfindlich ist, kann der Bildverstärker/Strahlungsumsetzer für die Umsetzung
irgendeiner Strahlung in die spezifische Strahlung eingerichtet sein, für die der
Bildsensor empfindlich ist. Ein Bildverstärker ohne Strahlungsumsetzung kann bei der
Aufnahme einer Szene eingesetzt werden, die einen Lichtpegel hat, der zu niedrig für
den Bildsensor ist.
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Bei der Aufnahme von Bildern tritt ein Problem auf, wenn die Form der
Strahlungsaustrittsfläche des Bildverstärkers nicht gleich der Form der
Bildaufnahmefläche des Bildsensors ist. Flächenformen, die kreisförmig, rechteckig,
quadratisch oder ellipsenförmig sind, werden als Beispiele genannt. Für die Anpassung
der Form sorgt das Optokopplersystem, aber das Ergebnis bei der direkten Wiedergabe
des Bildsignals wäre die Wiedergabe eines verzeichneten Bildes. Vor der Wiedergabe
des Bildes wird die Verzeichnung mit Hilfe der Signalkorrektureinrichtung elektronisch
kompensiert, so daß sich auf dem Wiedergabebildschirm ein der Szene entsprechendes
Bild ergibt.
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Wenn der Bildverstärker und der Bildsensor beide als Vakuumröhre
ausgeführt sind, ist das erwähnte Problem nicht oder kaum vorhanden, da die
Strahlungsaustrittsfläche und die Bildaufnahmefläche im allgemeinen Kreisform haben.
Das Problem tritt allerdings auf bei der Kombination von beispielsweise einem als
Vakuumröhre ausgeführten Bildverstärker und einem als Festkörpersensor ausgeführten
Bildsensor, wobei der Bildverstärker eine kreisförmige Strahlungsaustrittsfläche und der
Sensor häufig eine rechteckige Bildaufnahmefläche hat. Die rechteckige Form paßt
insbesondere zu der Form von Fernsehbildschirmen zur Wiedergabe des zeilen- und
teilbildweise aufgebauten Bildes. Beispiele für das Seitenverhältnis der Reckteckform
sind 3:4, 3:5, 9:16 usw. Es ist üblich, daß die Richtungen der Zeilen- bzw. der
Teilbildabtastung in Richtung der langen bzw. der kurzen Seite des Rechtecks liegen.
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Aufgabe der Erfindung ist es, ein Bildaufnahme- und Wiedergabesystem
zu verwirklichen, das für eine optimale Anpassung des Optokopplersystems und eine
optimale kompensierende Signalkorrektur sorgt. Hierfür ist ein erfindungsgemäßes
System dadurch gekennzeichnet, daß bei Kreisförmigkeit der Strahlungsaustrittsfläche
des Bildverstärkers und Rechteckigkeit der Bildaufnahmefläche des Bildsensors das
Optokopplersystem ein ellipsenförmiges Bild der kreisförmigen Strahlungsaustrittsfläche
innerhalb der oder mindestens teilweise um die rechteckige Bildaufnahmefläche herum
erzeugt, wobei der Bildsensor ein Festkörpersensor ist, der das Bildsignal taktgesteuert
von einem Sensorausgang aus liefert, um dieses Signal der Wiedergabeeinrichtung
zuzuführen, wobei eine Taktimpulsfrequenz in der Signalkorrektureinrichtung aktiv ist,
um das korrigierte Bildsignal, das bei Wiedergabe das Bild in einer kreisförmigen
Fläche auf dem Wiedergabebildschirm erzeugt, zeilenweise zu erhalten.
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Dadurch, daß der Kreisdurchmesser oder, anders gesagt, die Hauptachse
der Ellipse so gewählt wird, daß sie mehr oder weniger mit der Länge des Recktecks
und die Nebenachse der Ellipse mehr oder weniger mit der Breite des Rechtecks
übereinstimmt, wird die Anzahl der Bildaufnahmeelemente in der Bildaufnahmefläche
optimal ausgenutzt. Informationstragende Zeilen, die bei der Bildaufnahme in der
Richtung der Hauptachse liegen, haben bei der Wiedergabe in der kreisförmigen Fläche,
infolge der korrigierenden Signalkompression, in dieser Richtung eine höhere Auflösung
im Vergleich zu dem Fall, daß kein Optokopplersystem vorhanden ist.
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Die einfachste Signalkorrektur wird in einer Ausführungsform des
erfindungsgemäßen Bildaufnahme- und Wiedergabesystems verwirklicht, das dadurch
gekennzeichnet ist, daß der Sensor Teil der Signalkorrektureinrichtung ist, und wobei
die erwähnte Taktimpulsfrequenz bei den Taktimpulsen vorhanden ist, die zur
zeilenweisen Lieferung des Bildsignals aktiv sind. Eine Erhöhung der
Taktimpulsfrequenz gegenüber der herkömmlichen Ansteuerung, bei der zur Anpassung
der Form kein Optokopplersystem vorhanden ist, genügt für die Signalkorrektur in der
Zeilenrichtung.
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Um die optimale Bildsignalkorrektur zu erhalten, ist eine
Ausführungsform des erfindungsgemäßen Bildaufnahme- und Wiedergabesystems
dadurch gekennzeichnet, daß bei Verwendung des Optokopplersystems mit gegebenem
Bildkompressionsfaktor in Richtung der Nebenachse der Ellipse, die erwähnte
Taktimpulsfrequenz sich um einen Faktor von der Taktimpulsfrequenz bei nicht
vorhandenem Optokopplersystem unterscheidet, der nahezu gleich dem inversen
Bildkompressionsfaktor ist.
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Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt und
werden im folgenden näher beschrieben. Es zeigen:
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Figur 1 eine Erläuterung der Beziehung zwischen der optischen
Verzeichnung durch ein Optokopplersystem und einer kompensierenden
Bildsignalkorrektur und
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Figur 2 den schematischen Aufbau eines erfindungsgemäßen
Bildaufnahme- und Wiedergabesystems und insbesondere einer hierfür geeigneten
Bildaufnahmeeinrichtung.
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Figur 1 zeigt zwei Kreise, eine Ellipse und ein Rechteck mit
Bezugszeichen, die auch in dem in Figur 2 dargestellten erfindungsgemäßen
Bildaufnahme- und Wiedergabesystem vorkommen. In Figur 1 ist mit II2 ein Kreis mit
dem größeren Durchmesser bezeichnet, welcher Kreis zu einer kreisförmigen
Strahlungsaustrittsfläche II2 eines Bildverstärkers II in Figur 2 gehört, der außerdem
eine Strahlungseintrittsfläche II1 hat. Nach Figur 2 hat der Durchmesser der
Strahlungsaustrittsfläche II2 eine Länge a. Über ein Optokopplersystem OP wird die
Strahlungsaustrittsfläche II2 auf eine Bildaufnahmefläche PP eines als Festkörpersensor
mit dem gleichen Bezugszeichen ausgeführten Bildsensors CTD abgebildet. Das
Optokopplersystem ist schematisch dargestellt: mit einer Linse OP1, die ein
Kollimatorlinsensystem repräsentiert, mit zwei Prismen OP2 und OP3, die zusammen
ein anamorphotisches System bilden und mit einer Linse OP4, die ein
Kameralinsensystem repräsentiert. Zur Erläuterung der Wirkungsweise des
Optokopplersystems OP ist mit durchgezogenen Linien ein optischer Weg zwischen
einander entsprechenden Punkten auf den Flächen II2 und PP angegeben. Außerdem ist
die optische Achse des Optokopplersystems OP zwischen den Ebenen II2 und PP
gezeichnet. Die Bildaufnahmefläche PP des Sensors CTD aus Figur 2 ist in Figur 1
ebenfalls mit PP bezeichnet. Die Figuren zeigen, daß die Fläche PP eine rechteckige
Form hat, mit einer langen Seite mit der Länge a' und einer kurzen Seite mit der Länge
b. In diesem Fall gilt, daß b kleiner als a' ist (b < a'). Beispiele für das
Seitenverhältnis des Recktecks, d.h. das Verhältnis von b zu a', sind 3:4 (wie in Figur
1), 3:5, 9:16 usw. Angenommen wird, daß, wenn das abgebildete Optokopplersystem
OP nicht vorhanden ist, d.h. nur ein herkömmliches Kameralinsensystem vorliegt, die
Strahlungsaustrittsfläche II2 ein kreisförmiges Bild auf der Bildaufnahmefläche PP hat,
so wie in Figur 1 dargestellt. Bei Verwendung eines Optokopplersystems OP wird
jedoch eine ellipsenförmige, mit EL bezeichnete Abbildung der Fläche II2 aus Figur 2
erhalten. Die Ellipse EL aus Figur 1 ist genau in die rechteckige Bildaufnahmefläche PP
eingezeichnet. Die Bezugszeichen PP+EL in Figur 1 betonen, daß die Fläche PP und
die Ellipse EL zueinander gehören. Figur 1 zeigt, daß das Optokopplersystem OP einen
Bildkompressionsfaktor von b/a' in Richtung der Nebenachse der Ellipse hat, wobei die
Hauptachse (a') dem Kreisdurchmesser (a) der Kreisfläche II2 aus Figur 2 entspricht.
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Figur 2 zeigt, daß der Sensor CTD einen mit CTDO bezeichneten
Bildsignalsensorausgang zur Lieferung des Bildsignals PS hat. Diese Lieferung
geschieht unter der Steuerung durch Taktimpulse CP1, die von einem
Taktimpulsgenerator GEN stammen, der beispielsweise weitere Taktimpulse CP2 an
eine Signalverarbeitungsschaltung PROC liefert, welcher außerdem das Bildsignal PS
zugeführt wird. Die Schaltung PROC kann in einer noch zu beschreibenden Weise aus
einer Signalspeicherschaltung, Signalkorrekturschaltungen, Signalverstärkerschaltungen
usw. gebildet sein. Die Schaltung PROC führt das verarbeitete Signal PS als Signal PS'
dem Eingang einer Wiedergabeeinrichtung MON mit einem Wiedergabebildschirm MIS
zu. Die Einrichtung MON ist beispielsweise ein Fernsehmonitor.
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Der Wiedergabebildschirm MIS der Einrichtung MON von Figur 2 ist in
Figur 1 ebenso angedeutet. Wenn das zu der Ellipse EL gehörende Signal PS' ohne
weitere Maßnahmen wiedergegeben würde, dann würde die Ellipse in der in Figur 1
dargestellten Weise auf dem Bildschirm MIS wiedergegeben. Das Ergebnis wäre ein
verzeichnetes Bild einer mittels des Bildverstärkers II aus Figur 2 aufgenommenen
Szene, da Kreisformen zu Ellipsenformen geworden sind. Gegen diese Verzeichnung
wird eine noch näher zu beschreibende kompensierende Signalkorrektur durchgeführt,
und zwar durch Umsetzung der Ellipse EL in einen mit DIS bezeichneten Kreis. Der
Kreis DIS aus Figur 1 entsteht dadurch, daß nach der optischen Bildkompression (von
II2 nach EL) eine elektronische Signalkompression (von EL nach DIS) mit demselben
Kompressionsfaktor ausgeführt wird. Die Bezugszeichen MIS+DIS in Figur 1 betonen,
daß die Bildschirmfläche MIS und die kreisförmige Fläche DIS zueinander gehören. In
Figur 2 ist die kreisförmige Fläche DIS auf dem Wiedergabebildschirm mit einer der
Kreisdurchmesserlänge a der Strahlungsaustrittsfläche II2 entsprechenden
Kreisdurchmesserlänge a" dargestellt.
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Außer der erfindungsgemäßen Informationsverarbeitungsoperation mittels
der Ellipsenform EL zeigt Figur 1 zwei weitere mögliche
Informationsverarbeitungsoperationen zusammen mit den ihnen eigenen Nachteilen. Die direkte
Abbildung der Fläche II2 auf die Bildaufnahmefläche PP führt dazu, daß die
Information in den außerhalb des Rechtecks liegenden Kreissegmenten verloren geht.
Die verkleinerte Abbildung der Fläche II2 in Form der Kreisfläche DIS auf die
Bildaufnahmefläche PP führt dazu, daß der Teil der Aufnahmefläche zwischen dem
Kreis DIS und den Seiten des Rechtecks keinen Anteil an der
Informationsverarbeitungsoperation mehr hat. Die Ellipsenform EL liefert den optimalen Kompromiß,
wobei die Ahzahl der Bildaufnahmeelemente in der Bildaufnahmefläche PP optimal
ausgenutzt werden. Die kompensierende Signalkompression (von EL nach DIS) führt zu
einer höheren Auflösung in der Richtung der Hauptachse. Figur 1 zeigt, daß die Ellipse
EL die Seiten des Rechtecks tangential berührt. Stattdessen kann die Ellipse sich über
das Rechteck hinaus erstrecken, beispielsweise in beide Achsenrichtungen, wodurch
einerseits mehr Bildaufnahmeelemente zu der Informationsverarbeitungsoperation
beitragen, aber andererseits Teile der aufgenommenen Szene wegfallen. Je nach der
gewünschten Informationsverarbeitungsoperation gilt allgemein, daß die Ellipse
innerhalb bzw. zumindest teilweise um das Rechteck herum liegt.
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Für die in Figur 2 dargestellten Komponenten kann die
Signalkorrektureinrichtung zur Kompensation der Anpassung des Optokopplersystems mit
(GEN, CTD bzw. PROC) angedeutet werden. Die einfachste Signalkorrektur kann mit
einer Einrichtung (GEN, CTD) verwirklicht werden, falls der Sensor dazugehört. Eine
Erhöhung der Taktimpulsfrequenz gegenüber der herkömmlichen Ansteuerung, bei der
zur Anpassung der Form kein Optokopplersystem vorhanden ist, genügt für die
Signalkorrektur in der Zeilenrichtung. Zur Erläuterung ist in Figur 2 eine einfache
Ausführung des Sensors CTD dargestellt, und zwar in Form einer
Ladungsverschiebeschaltung. Der Sensor CTD enthält hierbei die Bildaufnahmefläche
PP und daran anschließend ein Parallel-Ein-Seriell-Aus-Schieberegister SR.
Angenommen wird, daß nach einer Informationsintegrationszeit, in der beispielsweise
Lichtstrahlung auf die Bildaufnahmefläche PP fällt, ein Bild einer Szene in Form von
Ladungspaketen in in Zeilen und Spalten angeordneten Bildaufnahmeelementen
vorhanden ist. Nach der Informationsintegrationszeit findet während einer
Informationsübertragungszeit, zwischen den Elementzeilen und zum Schieberegister SR,
Parallelübertragung pro Zeilendauer in Spaltenrichtung statt. Die Parallelübertragungen
werden beispielsweise in Zeilenaustastzeiten, wie sie beim Fernsehen vorkommen,
ausgeführt. Im übrigen Teil der Zeilendauern findet im Schieberegister SR ein serielles
Durchschieben statt, so daß das auf diese Weise zeilen- und teilbildweise generierte
Bildsignal PS am Sensorausgang CTDO erscheint. Der Einfachheit halber wird
angenommen, daß während der Informationsübertragungszeit keine
Informationsintegration bei den Elementen der Bildaufnahmefläche PP stattfindet, da dieses einen
Signalnachzieheffekt mit sich bringen würde. Außerdem wird angenommen, daß das
während der Informationsübertragungszeit generierte Bildsignal PS in einem in der
Signalverarbeitungseinheit PROC vorhandenen Signalspeicher gespeichert wird und
daraus periodisch in üblicher Weise geholt wird, um es der als Fernsehmonitor
arbeitenden Einrichtung MON zuzuführen. Bei beispielsweise einer Zeilendauer von 64
µs hat man eine Zeilenaustastzeit von 12 µs und eine Zeilenabtastzeit von 52 µs, bei der
die Bildinformation vorhanden ist.
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Normalerweise wird das Schieberegister, während der Zeitdauer von 52
µs, mit Taktimpulsen einer bestimmten, von der Anzahl Registerelemente abhängenden
Taktimpulsfrequenz angesteuert, um zu erreichen, daß während dieser Zeitdauer alle
Registerelemente ihren Informationsbeitrag zu dem Bildsignal PS abgegeben haben.
Falls eine solche Ansteuerung bei Verwendung des Optokopplersystems OP stattfände,
dann ergäbe sich bei der Wiedergabe infolge der Kreis-Ellipsen-Umsetzung ein
verzeichnetes Bild. Die kompensierende Signalkompression erhält man, indem man in
einer erfindungsgemäßen Bildaufnahmeeinrichtung (II, OP, CTD, GEN) die
Taktimpulsfrequenz so wählt, daß sie um einen dem inversen Bildkompressionsfaktor nahezu
gleichen Faktor von der normalen Taktimpulsfrequenz abweicht. Von dem dargestellten
Bildkompressionsfaktor von 3/4 ausgehend, führt die auf 4/3 erhöhte
Taktimpulsfrequenz zu einer Informationszeitdauer von 3/4 mal 52, d.h. 39 µs. Folglich sind
während der restlichen Zeitdauer von 13 µs die Elemente des Schieberegisters ohne
Bildinformation. Als Folge hiervon wird die Ellipse EL aus Figur 1 auf dem Bildschirm
MIS als Kreis abgebildet, der den linken Rand des Bildschirms MIS der Einrichtung
MON von Figur 2 berührt. Indem das Schieberegister SR nach 12 + 6,5 = 18,5 µs,
statt nach 12 µs, vom Beginn der Zeilendauer von 64 µs gerechnet, mit der höheren
Taktimpulsfrequenz angesteuert wird, wird der durch Kompression erhaltene Kreis DIS
in der Mitte des Bildschirms MIS abgebildet, so wie in Figur 2 dargestellt.
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Es wurde eine Aufnahme einer einzigen Szene beschrieben, die durch
wiederholtes Auslesen aus einem Signalspeicher in der Schaltung PROC in üblicher
Weise zu einer Fernsehwiedergabe führt. Statt die kompensierende Signalkompression in
der beschriebenen Weise in dem Sensor CTD auszuführen, kann der Signalspeicher für
diesen Zweck verwendet werden, und hierzu wird die Frequenz der Taktimpulse CP2
für die Lieferung des Speichersignals hinsichtlich der üblichen Taktimpulsfrequenz um
den inversen Bildkompressionsfaktor erhöht. In diesem Fall liegt eine erfindungsgemäße
Bildaufnahmeeinrichtung (II, OP, CTD, GEN, PROC) vor.
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Falls die Schaltung PROC keinen Signalspeicher enthält, und der Sensor
CTD zur Fernsehaufnahme geeignet ist, ist es wichtiger, daß der Sensor CTD Teil der
Signalkorrektureinrichtung (GEN, CTD) ist. Der als Ladungsverschiebeschaltung
ausgeführte Sensor CTD kann dann als Teilbildübertragungsschaltung ausgeführt sein.
In diesem Falle ist ein von einfallender Lichtstrahlung abgeschirmtes Speicherelement
zwischen der Bildaufnahmefläche PP und dem Schieberegister MR vorhanden. Nach
einer Lichtintegrationszeitdauer pro Teilbilddauer wird die Information während
beispielsweise sieben Zeilendauern, die in die Teilbildaustastzeit fallen, zum
Speicherelement verschoben, von dem aus das Parallel-Ein-Seriell-Aus-Schieberegister
während der Zeilenaustastzeit mit Informationsdaten pro Zeilendauer gefüllt wird und
anschließend die Information während der Zeilenabtastzeit seriell am Sensorausgang zur
Verfügung gestellt wird. In dem beschriebenen Sensorentwurf kann die kompensierende
Bildsignalkompression direkt in der bei Register SR beschriebenen Weise durchgeführt
werden.
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Das Optokopplersystem OP ist mit dem mit Prismen OP2 und OP3
gebildeten anamorphotischen System (OP2, OP3) dargestellt. Stattdessen kann ein
Optokopplersystem-Entwurf mit Glasfasern verwendet werden. Ein Glasfasersytem mit
kreisförmiger Strahlungseintrittsfläche und elliptischer Strahlungsaustrittsfläche könnte
hierbei anschließend zwischen den Ebenen II2 und PP vorhanden sein.
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Der Bildverstärker II kann auch als Strahlungsumsetzer arbeiten.
Strahlungsumsetzung wird in Abhängigkeit von der Empfindlichkeit des Sensors CTD
für Strahlungsarten gefordert. Bei Fernsehbeobachtung von Infrarotbildern und
Empfindlichkeit des Sensors für sichtbares Licht wird die Strahlung beim Bildverstärker
umgesetzt, und der Sensor CTD arbeitet als Fernsehkamera. Bei Röntgenbelichtung
eines Gegenstandes als aufzunehmender Szene wird ebenfalls eine Strahlungsumsetzung
durchgeführt und dient der Sensor CTD beispielsweise zum Aufnahmen eines einzelnen,
gegebenenfalls im Zeilensprungverfahren erzeugten Bildes oder einer Reihe von
einzelnen Bildern.