DE10013567A1 - Luftbildkamera für die Photogrammetrie - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Luftbildkamera für die Photogrammetrie, umfassend ein Objektiv und eine Fokalebene, auf der photosensitive elektrische Bauelemente angeordnet sind, wobei der Fokalebene eine in Richtung der optischen Achse wirkende Stelleinrichtung zugeordnet ist, wobei die Luftbildkamera mindestens einen Sensor zur Erfassung einer Fokusdrift oder einer Größe zur Abschätzung der Fokusdrift umfaßt, wobei die Fokalebene in Abhängigkeit von der erfaßten oder abgeschätzten Fokusdrift entgegen der Fokusdrift in der optischen Achse bewegbar ist.

Description

Die Erfindung betrifft eine Luftbildkamera für die Photogrammetrie gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.

Photogrammetrische Luftbildkameras mit photosensitiven elektronischen Bauelementen haben gegenüber den herkömmlichen Film-Kameras den Vorteil, daß die Daten sofort in digitaler Form vorliegen.

Die Filmebene einer solchen photogrammetrischen Kamera wird dabei durch eine Fokalebene ersetzt, die z. B. aus einer speziellen Anordnung von CCD- Zeilen bestehen kann, mit denen unterschiedliche geometrische und spektrale Informationen gewonnen werden können.

Um eine scharte Abbildung zu erreichen, müssen die lichtempfindlichen Pixel der CCD-Zeilen, die ihrerseits in einer Ebene fest angeordnet sind, genau mit der Bildebene des Objektives in Übereinstimmung gebracht werden. In Abhängigkeit von Brennweite und Öffnungsverhältnis des verwendeten Objektives sind nur sehr kleine Lageabweichungen zwischen der Bildebene und der Fokalebene zugelassen.

Typische Toleranzen liegen im Bereich von +10 µm, wird diese Toleranz überschritten, macht sich das in einer merklichen Verschlechterung der Punktverwaschungsfunktion bemerkbar, d. h die Aufnahme wird dann mit zunehmender Toleranzüberschreitung immer unschärfer.

Dabei hat sich im praktischen Einsatz gezeigt, daß die theoretisch möglichen Abbildungsschärfen nicht erreicht werden.

Der Erfindung liegt daher das technische Problem zugrunde, eine Luftbildkamera für die Photogrammetrie zu schaffen, mittels derer eine verbesserte Abbildungsschärfe erzielt werden kann.

Die Lösung des technischen Problems ergibt sich durch den Gegenstand mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1. Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.

Hierzu ist der Fokalebene der Luftbildkamera eine Stelleinrichtung zugeordnet, mittel derer die Fokalebene in Richtung der optischen Achse bewegbar ist, um die während des Fluges auftretende Fokusdrift zu kompensieren. Dabei gibt es prinzipiell die Möglichkeit, die Fokusdrift auszuregeln oder gegenzusteuern.

Bei der Ausregelung wird die Fokusdrift direkt erfaßt. Hierzu dient beispielsweise ein Fokusdetektor, dessen Ausgangssignale die Stellgröße für die Stelleinrichtung bilden. Dabei wird die Fokalebene stets derart nachgeführt, daß die Fokusdrift zu Null geregelt wird, wobei die Ursache für die Fokusdrift nicht weiter in Erwägung gezogen wird. Ein derartiger Fokusdetektor kann beispielsweise durch eine kleine separate CCD-Matrix gebildet werden, die mit Hilfe einer ins Unendliche abgebildeten kreisrunden Fläche bestrahlt, die beispielsweise von 30 Pixeln der CCD-Matrix erfaßt wird. Hiermit wird der kalibrierte Ist-Zustand definiert. Sollte sich nunmehr durch äußere Einflüsse der Fokus verschieben, so werden mehr als 30 Pixel beleuchtet. Diese Fokusdrift kann nun anhand dieser Information ausgeregelt werden, bis wieder nur 30 Pixel beleuchtet werden Die ins Unendliche abgebildete kreisrunde Fläche kann dabei beispielsweise durch eine Kollimatoroptik vor dem Objektiv erzeugt werden, die dabei derart angeordnet ist, daß das optische Sichtfeld der Kamera weitgehend unbeeinflußt wird.

Alternativ kann die Fokusdrift durch Kenntnis der Ursache und des Zusammenhangs kompensiert werden. Dabei hat sich gezeigt, daß insbesondere folgende Größen für die Fokusdrift verantwortlich sind:

• - Fokusverschiebung in Abhängigkeit vom Luftdruck (Veränderung des Brechungsindex der Luft in Abhängigkeit vom Druck)
• - Fokusverschiebung in Abhängigkeit von der Aufnahmeentfernung (Fokusverkürzung entsprechend der Abbildungsgleichung mit zunehmender Entfernung des aufzunehmenden Objektives)
• - Fokusverschiebung in Abhängigkeit von der Temperatur des Objektives

Unter Berücksichtigung bestimmter Randbedingungen ergibt sich eine Funktion, die nur noch von der Höhe abhängig sind. Durch Erfassen des Druckes oder Temperatur, die ebenfalls von der Höhe abhängig ist, kann dann mittels der Funktion die resultierende Fokusdrift abgeschätzt werden und durch die Stelleinrichtung kompensiert werden.

In einer bevorzugten Ausführungsform wird die Stelleinrichtung durch piezoelektrische Translatoren gebildet, mittels derer hochpräzise Stellbewegungen realisierbar sind.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand eines bevorzugten Ausführungsbeispieles näher erläutert. Die Figur zeigen:

Fig. 1 einen Verlauf der Fokusdrift über der Flughöhe und

Fig. 2 ein Blockschaltbild zur Kompensationssteuerung.

In der Fig. 1 ist die resultierende Fokusdrift aufgrund der Höhe, der Temperatur des Objektivs und des Luftdrucks über der Flughöhe dargestellt, wobei der Fokus auf eine Flughöhe von 1 km normiert ist. Dabei wurde vorausgesetzt, daß das Objektiv die Umgebungstemperatur angenommen hat. Wie aus der Darstellung zu entnehmen ist, beträgt die Fokusdrift über einer Flughöhe von 10 km mehr als 100 µm, also ein Vielfaches dessen, was für die photosensitiven Bauelemente zulässig ist. Dabei sei angemerkt, daß bei teilhermatisierten Luftbildkameras entsprechend korrigierte Kurven aufgenommen bzw. errechnet werden müssen, ohne von dem nachfolgenden Grundprinzip abzuweichen.

In der Fig. 2 ist ein Blockschaltbild einer Vorrichtung zur Kompensation der Fokusdrift dargestellt. Die Vorrichtung umfaßt eine Anzahl von Drucksensoren 1 und Temperatursensoren 2, die jeweils an verschiedenen Stellen des Objektivs innen und außen angeordnet sind und den jeweiligen Temperatur- und Druckverlauf erfassen. Die Drucksensoren 1 sind mit Dateneingängen eines Analogmultiplexers 3 und die Temperatursensoren 2 mit Dateneingängen eines weiteren Analogmultiplexers 4 verbunden. Die Datenausgänge der Analogmultiplexer 3, 4 sind jeweils mit einem Analog- Digital-Wandler verbunden. Ausgangsseitig sind die beiden Analog-Digital- Wandler 5, 6 mit einem Signalprozessor 7 verbunden. Weiter umfaßt die Vorrichtung einen Speicher 8, in den Look up Korrekturtabellen gemäß der Verläufe nach Fig. 1 abgelegt sind. Ausgangsseitig ist der Signalprozessor 7 mit einem Digital-Analog-Wandler 9 mit nachgeordnetem Spannungsverstärker 10 verbunden. Der Spannungsverstärker 10 ist mit Steuereingängen von piezoelektrischen Translatoren 11 verbunden, die auf eine nicht dargestellte Fokalebene in Richtung der optischen Achse einwirken. Den einzelnen piezoelektrischen Translatoren 11 sind Längenmeßsensoren 12 zugeordnet, die über einen Analog-Digital-Wandler 13 mit dem Signalprozessor 7 verbunden sind.

Im Betrieb erfassen nun die Drucksensoren 1 und die Temperatursensoren 2 die Druck- und Temperaturverläufe am Objektiv. Die digitalen Sensordaten werden im Signalprozessor 7 ausgewertet, wobei der Signalprozessor 7 aufgrund der Look up Korrekturtabellen die Fokusdrift ermitteln kann. Daraufhin erzeugt der Signalprozessor ein Stellsignal für die piezoelektrischen Translatoren 11, um die Fokalebene entgegen der Fokusdrift entlang der optischen Achse derart zu verschieben, daß die Fokalebene wieder im Brennpunkt des Objektivs liegt. Die resultierende Verschiebung der Fokalebene wird durch die Längenmeßsensoren 12 erfaßt und an den Signalprozessor 7 übergeben, so daß dieser die reale Position der Fokalebene kennt und gegebenenfalls die Stellbewegung korrigieren kann.

Claims (5)

1. Luftbildkamera für die Photogrammetrie, umfassend ein Objektiv und eine Fokalebene, auf der photosensitive elektrische Bauelemente angeordnet sind, dadurch gekennzeichnet, daß der Fokalebene eine in Richtung der optischen Achse wirkende Stelleinrichtung zugeordnet ist, wobei die Luftbildkamera mindestens einen Sensor zur Erfassung einer Fokusdrift oder einer Größe zur Abschätzung der Fokusdrift umfaßt, wobei die Fokalebene in Abhängigkeit von der erfaßten oder abgeschätzten Fokusdrift entgegen der Fokusdrift in der optischen Achse bewegbar ist.

2. Luftbildkamera nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Stelleinrichtung als mindestens ein piezoelektrischer Translator (11) ausgebildet ist.

3. Luftbildkamera nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die photosensitiven Bauelemente als CCD-Zeilen ausgebildet sind.

4. Luftbildkamera nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen oder neben den CCD-Zeilen ein als CCD-Matrix ausgebildeter Fokusdetektor angeordnet ist.

5. Luftbildkamera nach einen den vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß dem Objektiv mindestens ein Temperatur- und/oder Drucksensor (1, 2) zugeordnet ist und die Luftbildkamera einen Speicher (8) mit Korrekturkurven umfaßt, in denen die Fokusdrift als Funktion der Höhe, der Temperatur und des Druckes abgelegt sind.