DE102004056723B4 - Method and apparatus for calibration of a geometric optoelectronic sensor system - Google Patents

Method and apparatus for calibration of a geometric optoelectronic sensor system

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DE102004056723B4 DE200410056723 DE102004056723A DE102004056723B4 DE 102004056723 B4 DE102004056723 B4 DE 102004056723B4 DE 200410056723 DE200410056723 DE 200410056723 DE 102004056723 A DE102004056723 A DE 102004056723A DE 102004056723 B4 DE102004056723 B4 DE 102004056723B4
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    • G02B26/0808Optical devices or arrangements using movable or deformable optical elements for controlling the intensity, colour, phase, polarisation or direction of light, e.g. switching, gating, modulating for controlling the direction of light by means of one or more diffracting elements

Abstract

Vorrichtung zur geometrischen Kalibrierung eines optoelektronischen Sensorsystems, insbesondere für digitale Kameras, umfassend eine kohärente Lichtquelle, ein diffraktives, optisches Element zur Erzeugung eines Beugungsbildes als Teststruktur, wobei die Teststruktur auf die photosensitiven Sensoren des optoelektronischen Sensorsystems abbildbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass das diffraktive, optische Element als mindestens ein ansteuerbares, dynamisches, diffraktives, optisches Element (6) zur Erzeugung einer zeitlichen Abfolge von Beugungsbildern ausgebildet ist, wobei die ideale Intensitätsverteilung in der idealen Bildebene der Beugungsbilder (13) bekannt ist, wobei durch Auswertung der Signale der photosensitiven Sensoren (10) in einer Auswerte- und Steuereinheit (8) eine geometrische Lagebestimmung der Sensorelemente bis in den Subpixel-Bereich durchführbar ist, wobei in der Auswerte- und Steuereinheit (8) die Abfolge von Beugungsbildern (13) ablegbar und/oder berechenbar Device for the geometric calibration of an opto-electronic sensor system, in particular for digital cameras, comprising a coherent light source, a diffractive optical element for generating a diffraction image as a test structure, said test structure can be imaged on the photosensitive sensors of the opto-electronic sensor system, characterized in that the diffractive, is formed optical element as at least one controllable dynamic diffractive optical element (6) for generating a temporal sequence of diffraction patterns, wherein the ideal intensity distribution is known in the ideal image plane of the diffraction patterns (13), wherein by evaluating the signals of the photosensitive sensors (10) a geometric orientation of the sensor elements to the sub-pixel range is carried out in an evaluation and control unit (8), wherein in the evaluation and control unit (8) the sequence of diffraction patterns (13) can be stored and / or calculated sind, wobei die Auswerte- und Steuereinheit (8) mit dem ansteuerbaren, dynamischen, diffraktiven, optischen Element (6) verbunden ist. are, with the evaluation and control unit (8) is connected to the controllable dynamic diffractive optical element (6).

Description

  • Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur geometrischen Kalibrierung eines optoelektronischen Sensorsystems. The invention relates to a method and an apparatus for geometric calibration of an optoelectronic sensor system.
  • Es gibt eine Vielzahl von optoelektronischen Systemen, die sich in Parametern wie Anzahl der Sensorzeilen oder Größe einer Matrix, Anzahl der Sensorelemente in der Zeile bzw. Matrix sowie der spektralen, radiometrischen und/oder geometrischen Auflösung unterscheiden. There are a number of opto-electronic systems, which differ in parameters such as the number of the sensor lines or size of a matrix, the number of sensor elements in the row or matrix as well as the spectral, radiometric and / or geometric resolution. Dabei wird die Anordung der photosensitiven Sensoren in der Messbildebene eines optoelektronischen Sensorsystems üblicherweise als Fokalebene bezeichnet. The arrangement of the photosensitive sensors in the measurement image plane of an opto-electronic sensor system is commonly referred to as a focal plane.
  • Werden keine besonderen Anforderungen an die Bildgeometrie gestellt, wird beispielsweise nur die Anzahl der Pixel angegeben, wie dies bei Digitalkameras für den Privat-Gebrauch üblich ist. If no special requirements are placed on the image geometry, only the number of pixels, for example, indicated, as is usual for the private use in digital cameras.
  • Soll jedoch das optoelektronische Sensorsystem zur Messung beispielsweise von 3D-Objekten verwendet werden, so ist eine geometrische Kalibrierung des Sensorsystems notwendig. However, if the optoelectronic sensor system for measuring, for example, of 3D objects are used as a geometrical calibration of the sensor system is necessary. Hier ist die genaue Kenntnis der inneren Orientierung eines jeden einzelnen Sensorelementes (zB ein Pixel) ein wesentliches quantitatives Merkmal, das eine völlig neue Qualität der Sensoren mit sich bringt und das hochgenaue Vermessen der Szenengeometrie überhaupt erst ermöglicht. Here is the exact knowledge of the inner orientation of each individual sensor element (eg, a pixel) of which renders a major quantitative trait that brings a completely new quality of sensors and high-precision measurement of the scene geometry. In physikalischer Sicht wird damit aus der einfachen Abbildung ein Messprozess. In a physical standpoint thus, a measurement process from the simple figure.
  • Eine mögliche Vorgehensweise zur geometrischen Kalibrierung eines optoelektronischen Sensorsystems ist die präzise Winkelmessung einzelner Sensorelemente bezüglich einer raumfesten Achse. One possible approach to the geometric calibration of an opto-electronic sensor system is the precise angular measurement of individual sensor elements with respect to a spatially fixed axis. Hierzu wird beispielsweise ein Kollimator zum optoelektronischen Sensorsystem auf einem Messtisch hochgenau angeordnet, wobei die Richtung zwischen Kollimator und Sensorsystem entsprechend feinfühlig verstellt werden kann, so dass die geometrische Lage eines einzelnen Elementes genau bestimmbar ist. For this purpose, a collimator is positioned highly accurately for the optoelectronic sensor system on a measuring table, for example, the direction between the collimator and the sensor system can be adjusted accordingly sensitive, so that the geometric position of a single element can be accurately determined. Wird diese Vermessung für ausreichend viele Elemente wiederholt, kann die geometrische Lage aller Elemente des Sensors extrapoliert werden. If this measurement is repeated many elements to be sufficient, the geometric position of all the elements of the sensor can be extrapolated. Diese unter Laborbedingungen durchzuführende geometrische Kalibration findet beispielsweise bei digitalen Kameras für Weltraumzwecke Anwendung. This to be carried out under laboratory conditions geometrical calibration is, for example, in digital cameras for space purposes application. Nachteilig an dem bekannten Verfahren ist jedoch der verhältnismäßig hohe Zeitaufwand von mehreren Stunden. However, a disadvantage of the known method is the relatively high cost of several hours.
  • Die in der Photogrammetrie übliche Methode zur geometrischen Kalibration von optoelektronischen Sensorsystemen ist die Aufnahme eines bildausfüllenden Testfeldes mit vermessenen Kontrollmarken. The usual in photogrammetry method for the geometric calibration of optoelectronic sensor systems is the inclusion of bildausfüllenden test field with measured control marks. In der anschließenden Messauswertung kann ein Kalibrationsfile gewonnen werden, mit dessen Hilfe das Sensorsystem metrisch qualifiziert wird. In the subsequent measurement analysis a Kalibrationsfile can be obtained with the aid of the sensor system is qualified metric. Schwierigkeiten entstehen bei der Kalibration eines auf unendlich fokussierten Sensorsystems, weil die Messmarken aus endlicher Entfernung unscharf abgebildet werden. Difficulties arise when calibrating an infinitely focused on sensor system because the measurement marks are imaged from a finite distance out of focus. So scheitert unter Umständen die Kalibration langbrennweitiger Systeme an dem zu geringen Abstand und der erforderlichen Größe des Messfeldes. Will fail under certain circumstances calibration long focal length systems where too close and the required size of the measuring field.
  • Aus der From the DE 197 27 281 C1 DE 197 27 281 C1 ist eine Vorrichtung zur geometrischen Kalibrierung von CCD-Kameras bekannt, umfassend eine kohärente Lichtquelle und ein synthetisches Hologramm zur Erzeugung einer wohldefinierten Teststruktur, wobei die kohärente Lichtquelle und das Hologramm derart zueinander angeordnet sind, dass bei Beleuchtung des Hologramms durch die kohärente Lichtquelle das Hologramm eine dreidimensionale Teststruktur um die Fokalebene der CCD-Kamera erzeugt. is a device for the geometric calibration of CCD cameras is known, comprising a coherent light source and a synthetic hologram for generating a well-defined test structure, wherein the coherent light source and the hologram are arranged to one another such that upon illumination of the hologram by the coherent light source, the hologram a generates three-dimensional test structure around the focal plane of the CCD camera. Dieses Hologramm kann auch als diffraktives optisches Element zur Erzeugung eines Beugungsbildes betrachtet werden. This hologram can also be regarded as a diffractive optical element for generating a diffraction image. Dieses eigentlich sehr fortschrittliche Verfahren stößt jedoch insbesondere an seine Grenzen, wenn Zeilen-Sensoren kalibriert werden sollen, weil die Intensitätsverteilung auf einer Sensorzeile nicht ohne weiteres zu der zwei- bzw. dreidimensionalen Intensitätsverteilung des vom Hologramm erzeugten Bildes in der Sensorebene zugeordnet werden kann, insbesondere wenn die erzeugte Teststruktur rotationssymmetrisch ist. However, this actually very advanced procedures encountered in particular to its limits, if line sensors are to be calibrated because the intensity distribution can be allocated on a sensor line not readily to the two- or three-dimensional intensity distribution of the image produced by the hologram in the sensor plane, in particular if the test structure generated is rotationally symmetric.
  • Aus der From the DE 100 13 299 C2 DE 100 13 299 C2 ist eine Vorrichtung zur geometrischen Kalibrierung eines optoelektronischen Sensorsystems bekannt, umfassend eine kohärente Lichtquelle, ein diftraktives, optisches Element zur Erzeugung eines Beugungsbildes als Teststruktur, wobei die Teststruktur auf die photosensitiven Sensoren des optoelektronischen Sensorsystems abgebildet wird. discloses a device for the geometric calibration of an opto-electronic sensor system, comprising a coherent light source, a diftraktives optical element for generating a diffraction image as a test pattern, wherein the test pattern is imaged on the photo-sensitive sensors of the opto-electronic sensor system. Das statische, diffraktive, optische Element ist dabei als Gitter ausgebildet, das verdreht wird, um eine bewegte Punktmusterverteilung zu erhalten. The static diffractive optical element is constructed as a grating, which is rotated to obtain a moving dot pattern distribution. Alternativ können auch nacheinander verschiedene Gitter verwendet oder hinzugefügt werden. Alternatively, one after different gratings can be used or added.
  • Aus der WO 03/049091 A1 ist ein Verfahren und eine Vorrichtung zur holographischen Datenspeicherung bzw. zum Auslesen von holographisch gespeicherten Daten bekannt, wo ansteuerbare, dynamische, diffraktive, optische Elemente in Form eines Mikrospiegel-Arrays verwendet werden. From WO 03/049091 A1 a method and apparatus for holographic data storage, or for reading out holographically stored data is known where, controllable dynamic diffractive optical elements are used in the form of a micro mirror array.
  • Der Erfindung liegt daher das technische Problem zugrunde, ein Verfahren und eine Vorrichtung zur geometrischen Kalibration von optoelektronischen Sensorsystemen zu schaffen, mittels derer mit geringerem zeitlichen Aufwand verschiedenste optoelektronische Sensorsysteme geometrisch kalibriert werden können. The invention is therefore based on the technical problem of providing a method and a device for the geometric calibration of optoelectronic sensor systems by means of which various optoelectronic sensor systems can be geometrically calibrated with less expenditure of time.
  • Die Lösung des technischen Problems ergibt sich durch die Gegenstände mit den Merkmalen der Patentansprüche 1 und 7. Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen. The solution to the technical problem is solved by the subject matter with the features of claims 1 and 7. Further advantageous embodiments of the invention result from the dependent claims.
  • Hierzu ist das diffraktive optische Element als mindestens ein ansteuerbares, dynamisches, diffraktives, optisches Element (dynamisches DOE) zur Erzeugung einer zeitlichen Abfolge von Beugungsbildern ausgebildet, wobei die ideale Intensitätsverteilung in der idealen Bildebene (Fokalebene) der Beugungsbilder bekannt ist, wobei durch Auswertung der Signale der photosensitiven Sensoren in einer Auswerte- und Steuereinheit eine geometrische Lagebestimmung im Subpixel-Bereich durchführbar ist. To this end, the diffractive optical element as at least one controllable dynamic diffractive optical element (dynamic DOE) is designed to generate a chronological sequence of diffraction patterns, wherein the ideal intensity distribution in the ideal image plane (focal plane) is known of the diffraction images, by evaluating the signals of the photosensitive sensors, a geometric position determination in the sub-pixel range is carried out in an evaluation and control unit.
  • Durch die Erzeugung einer schnellen Abfolge von verschiedenen Beugungsbildern können Beugungsbilder über die Sensorelemente wandern, so dass die genaue Ausrichtung der Sensorelemente bestimmbar ist, da durch geschickte Wahl der Beugungsbilder auch eine nur teilweise Überdeckung der Sensorelemente mit ausgewählten Bereichen der Beugungsbilder erfassbar sind. By producing a rapid succession of different diffraction patterns diffraction patterns can wander through the sensor elements, so that the precise alignment of the sensor elements can be determined, since only partial coverage of the sensor elements with selected areas of the diffraction patterns can be detected by a clever choice of the diffraction patterns. Ein weiterer Vorteil ist, dass mit ein und demselben Messaufbau unterschiedliche optoelektronische Sensorsysteme kalibriert werden können, wobei auch keine Beschränkung auf den sichtbaren Spektralbereich besteht. A further advantage is that with one and the same measurement set-up different optoelectronic sensor systems can be calibrated, whereby also not limited to the visible spectral range is. Ein weiterer Vorteil ist, dass die Vorrichtung relativ kompakt ist, so dass auch ein Transport und Wiederaufbau relativ unkritisch ist. A further advantage is that the device is relatively compact, so that a transport and reconstruction is relatively uncritical. Dabei sei angemerkt, dass bei geringeren Anforderungen an die Genauigkeit selbstverständlich die Kalibration nicht in Subpixelgenauigkeit durchgeführt werden muss. It should be noted that the calibration must not be performed in sub-pixel accuracy at lower accuracy requirements for granted.
  • Dabei sind die Abfolge von Beugungsbildern in der Auswerte- und Steuereinheit abgelegt und/oder werden dort berechnet, wobei die Auswerte- und Steuereinheit mit dem ansteuerbaren, dynamischen, diffraktiven, optischen Element verbunden ist. The sequence of diffraction patterns in the evaluation and control unit are stored and / or calculated there, wherein the evaluation and control unit to the controllable dynamic diffractive optical element is connected. Der Vorteil dieser Anordnung ist, dass dadurch die Synchronisation zwischen der Abfolge der Beugungsbilder und der Auswertung der resultierenden Intensitätsverteilung auf den Sensorelementen sehr einfach möglich ist, da sowohl Generation als auch Auswertung der Beugungsbilder in der gleichen Einheit erfolgen. The advantage of this arrangement is that by the synchronization between the sequence of diffraction patterns and the evaluation of the resulting intensity distribution on the sensor elements is very easy, since both generation and analysis of the diffraction patterns in the same unit carried.
  • In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform wird die Abfolge der Beugungsbilder in Abhängigkeit der Bildfeldgröße und/oder der Brennweite und/oder der Einzelsensorabmaße und/oder der Pixelgröße und/oder dem Durchmesser der Eingangsapertur der Optik ausgewählt. In a further preferred embodiment, the sequence of diffraction patterns in response to the image field size and / or the focal length and / or the Einzelsensorabmaße and / or the pixel size and / or the diameter of the entrance aperture of the optical system is selected. Hierdurch können die Beugungsbilder sehr gezielt auf das zu kalibrierende optoelektronische Sensorsystem abgestimmt werden, was die Auswertung erheblich vereinfacht. Thereby, the diffraction patterns can be tailored very specifically to be calibrated optoelectronic sensor system, which considerably simplifies the evaluation.
  • In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist das mindestens eine ansteuerbare diffraktive optische Element zur Erzeugung einer zeitlichen Abfolge von Beugungsbildern als LCD-Matrix, als Mikro-Spiegel-Array und/oder als Membranspiegel ausgebildet. In a further preferred embodiment the at least one controllable diffractive optical element for generating a time sequence of diffraction patterns as LCD matrix as a micro-mirror array and / or designed as a membrane mirror. Eine LCD-Matrix ist ein transmissives diffraktives optisches Element. An LCD matrix is ​​a transmissive diffractive optical element. Anschaulich kann dabei eine bestimmte Struktur, beispielsweise ein Streifen der Matrix, transparent geschaltet werden, wohingegen der Rest der Matrix nichttransparent geschaltet ist. Clearly, can in this case a certain structure, for example a strip of the matrix, are switched to be transparent while the rest of the matrix is ​​rendered non-transparent. Alternativ kann auch ein reflektives diffraktives optisches Element wie das Mikro-Spiegel-Array zur Anwendung kommen, wobei die Spiegel beispielsweise mittels Piezoelementen verstellbar sind. Alternatively, a reflective diffractive optical element such as the micro-mirror array may be used, the mirrors being adjustable, for example by means of piezoelectric elements. Alternativ zum Mikro-Spiegel-Array kann auch ein Membranspiegel verwendet werden. Alternatively, the micro-mirror array, a membrane mirror may be used. Dieser besteht vorzugsweise aus einer sehr dünnen Siliziumnitrid-Membran von beispielsweise 1 μm Dicke, die einige 10 μm über einem Elektroden-Array aufgespannt ist. This preferably consists of a very thin silicon nitride membrane of for example 1 micron thickness which is spanned some 10 microns over an electrode array. Durch elektrostatische Anziehung kann die Membran gezielt rechnergesteuert sehr schnell verformt werden, wodurch mit der Membran verbundene Spiegel verkippt werden. By electrostatic attraction, the membrane can be deformed very quickly specifically computer-controlled, whereby the membrane associated with tilted mirror. Die Spiegel werden dabei vorzugsweise durch eine Aluminium-Beschichtung auf einem Substrat realisiert, das mit der Membran verbunden ist. The mirrors are preferably realized by an aluminum coating on a substrate which is connected to the diaphragm. Alternativ kann die Membran aus dem Substrat herausgebildet werden. Alternatively, the membrane can be formed out of the substrate.
  • In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist zwischen der kohärenten Lichtquelle und dem ansteuerbaren diffraktiven optischen Element eine Einrichtung zur optischen Strahlaufweitung angeordnet. In a further preferred embodiment, a device for optical beam expander is disposed between the coherent light source and the controllable diffractive optical element. Hierdurch wird der relativ enge Lichtstrahl der kohärenten Lichtquelle in eine parallele kohärente Wellenfront gewandelt, so dass die diffraktiven optischen Elemente über die volle Fläche gleichmäßig ausgeleuchtet werden. Hereby, the relatively narrow light beam of the coherent light source is converted into a parallel coherent wavefront so that the diffractive optical elements over the full area to be illuminated uniformly.
  • In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist mindestens ein weiteres statisches und/oder dynamisches diffraktives optisches Element vorhanden, mittels dessen eine geometrische Kalibration für endliche Entfernungseinstellungen durchführbar ist. In a further preferred embodiment, at least one further static and / or dynamic diffractive optical element is present, by means of which a geometric calibration for finite distance settings can be performed. Dabei sind die weiteren diffraktiven optischen Elemente vorzugsweise austauschbar angeordnet, so dass unterschiedliche endliche Entfernungseinstellungen einstellbar sind. The further diffractive optical elements are preferably arranged to be replaceable so that different finite distance settings are adjustable. Mittels nur eines ansteuerbaren diffraktiven optischen Elements kann eigentlich nur eine Entfernungseinstellung unendlich geometrisch kalibriert werden, da die parallele kohärente Strahlung einem Objekt aus dem Unendlichen entspricht. Controllable means of only one diffractive optical element, only one distance setting are infinitely geometrically calibrated actually, since the parallel coherent radiation corresponds to an object from infinity. Wird nun aber eine endliche Entfernungseinstellung beim optoelektronischen Sensorsystem vorgenommen, so würde das Beugungsbild nicht scharf in der Fokalebene abgebildet werden. Is now but a finite distance setting the optoelectronic sensor system made so the diffraction pattern would not be sharply imaged in the focal plane. Mittels des zweiten diffraktiven optischen Elements kann diese Unschärfe dann ausgeglichen werden. By means of the second diffractive optical element may then be compensated for this blur. Erfolgt dieser Abgleich durch statische diffraktive optische Elemente, so muss für jede endliche Entfernungseinstellung ein anderes statisches diffraktives optisches Element verwendet werden, weshalb diese auch vorzugsweise austauschbar angeordnet sind. This adjustment is carried out by static diffractive optical elements, so other static diffractive optical element must be used for any finite distance setting, which is why these are also preferably arranged to be replaceable. Es ist jedoch auch denkbar, die verschiedenen statischen diffraktiven optischen Elemente zumindest bereichsweise durch ein ansteuerbares diffraktives optisches Element zu ersetzen, wobei sich bereichsweise auf einen Bereich von endlichen Entfernungseinstellungen bezieht. However, it is also conceivable to replace the various static diffractive optical elements at least partially by a controllable diffractive optical element, said region-wise refers to a range of finite distance settings.
  • Die Erfindung wird nachfolgend anhand eines bevorzugten Ausführungsbeispieles näher erläutert. The invention is explained in detail below with reference to a preferred embodiment. Die einzige Figur zeigt ein schematisches Blockschaltbild einer Vorrichtung zur geometrischen Kalibrierung eines optoelektronischen Sensorsystems. The single figure shows a schematic block diagram of a device for the geometric calibration of an optoelectronic sensor system.
  • Die Vorrichtung The device 1 1 zur geometrischen Kalibrierung eines optoelektronischen Sensorsystems for the geometric calibration of an optoelectronic sensor system 2 2 umfasst eine kohärente Lichtquelle includes a coherent light source 3 3 , eine Einrichtung , An institution 4 4 zur Strahlaufweitung, einen semitransparenten Spiegel for beam expansion, a semitransparent mirror 5 5 , ein ansteuerbares diffraktives optisches Element , A controllable diffractive optical element 6 6 , ein statisches diffraktives optisches Element A static diffractive optical element 7 7 sowie eine Auswerte- und Steuereinheit and an evaluation and control unit 8 8th . , Das zu kalibrierende optoelektronische Sensorsystem The unknown optoelectronic sensor system 2 2 umfasst eine Optik comprises an optical system 9 9 und mindestens einen photosensitiven optoelektronischen Sensor and at least one photosensitive optoelectronic sensor 10 10 . , Der Sensor the sensor 10 10 ist beispielsweise als CCD- oder CMOS-Zeilen- oder -Matrix-Sensor ausgebildet. is formed for example as a CCD or CMOS line or matrix sensor. Der oder die photosensitiven Sensoren The one or more photosensitive sensors 10 10 sind mit der Auswerte- und Steuereinheit are connected to the evaluation and control unit 8 8th verbunden. connected. Des Weiteren ist die Auswerte- und Steuereinheit Furthermore, the evaluation and control unit 8 8th mit dem ansteuerbaren diffraktiven optischen Element with the controllable diffractive optical element 6 6 verbunden. connected. Die kohärente Lichtquelle The coherent light source 3 3 , die beispielsweise als Laser ausgebildet ist, emittiert einen Lichtstrahl Which is for example designed as a laser, emits a light beam 11 11 , der durch die Einrichtung Defined by the device 4 4 aufgeweitet wird, wobei die Aufweitung vorzugsweise auf das Gesichtsfeld der Optik is expanded, said expansion preferably to the field of optics 9 9 abgestimmt ist. is tuned. Dieser aufgeweitete, kohärente Lichtstrahl This expanded, coherent beam of light 12 12 trifft auf den semitransparenten Spiegel strikes the semitransparent mirror 5 5 , wobei dieser für die Richtung des aufgeweiteten Lichtstrahls , This for the direction of the expanded light beam 12 12 transparent ist. is transparent. Das ansteuerbare diffraktive optische Element The controllable diffractive optical element 6 6 wird von der Auswerte- und Steuereinheit is by the evaluation and control unit 8 8th derart angesteuert, dass eine zeitliche Abfolge von verschiedenen Beugungsbildern erzeugt wird. controlled so that a temporal sequence of different diffraction images is generated. Das ansteuerbare diffraktive optische Element The controllable diffractive optical element 6 6 ist dabei reflektiv, dh die gewünschten Beugungsbilder werden auf den semitransparenten Spiegel is reflective, ie, the desired diffraction patterns on the semitransparent mirror 5 5 zurückreflektiert und von dort als Beugungsbild reflected back from there as diffraction image 13 13 für eine unendliche Entfernungseinstellung des optoelektronischen Sensorsystems for an infinite distance setting of the optoelectronic sensor system 2 2 reflektiert. reflected. Soll nun wie im dargestellten Beispiel das optoelektronische Sensorsystem If now, as in the example shown, the optoelectronic sensor system 2 2 für endliche Entfernungseinstellungen kalibriert werden, so würde das fiktiv aus dem Unendlichen kommende Beugungsmuster be calibrated for finite distance settings, that would notionally coming from infinity diffraction pattern 13 13 (aufgrund der Parallelität) unscharf abgebildet werden. are mapped blurred (due to parallelism). Dies wird nun durch das statische diffraktive optische Element This will now by the static diffractive optical element 7 7 kompensiert, das derart gewählt wird, dass das Beugungsbild compensated, which is chosen such that the diffraction image 13 13 in der Fokalebene der optoelektronischen Sensoren in the focal plane of the optoelectronic sensors 10 10 scharf abgebildet wird. is in focus. Die Auswerte- und Steuereinheit The evaluation and control unit 8 8th liest dann die Intensitätsverteilung auf dem Sensor aus, wobei durch die sich ändernden Beugungsbilder then reads the intensity distribution of on the sensor, by the changing diffraction patterns 13 13 auf die geometrische Lage und Ausrichtung der Sensorelemente zurückgerechnet werden kann, wobei eine Subpixelgenauigkeit, wenn erforderlich, erreichbar ist. can be calculated back to the geometric position and orientation of the sensor elements, wherein a sub-pixel accuracy if required, can be achieved. Die Beugungsbilder The diffraction patterns 13 13 können dabei Zeilen, Streifen und/oder Kreise bzw. Rechtecke sein, die dann beispielsweise in der Abfolge zeitlich über die Sensoren can thereby be lines, stripes and / or circles or rectangles, which then, for example, in the sequence in time over the sensors 10 10 wandern. hike.

Claims (12)

  1. Vorrichtung zur geometrischen Kalibrierung eines optoelektronischen Sensorsystems, insbesondere für digitale Kameras, umfassend eine kohärente Lichtquelle, ein diffraktives, optisches Element zur Erzeugung eines Beugungsbildes als Teststruktur, wobei die Teststruktur auf die photosensitiven Sensoren des optoelektronischen Sensorsystems abbildbar ist, dadurch gekennzeichnet , dass das diffraktive, optische Element als mindestens ein ansteuerbares, dynamisches, diffraktives, optisches Element ( Device for the geometric calibration of an opto-electronic sensor system, in particular for digital cameras, comprising a coherent light source, a diffractive optical element for generating a diffraction image as a test structure, said test structure can be imaged on the photosensitive sensors of the opto-electronic sensor system, characterized in that the diffractive, optical element as at least one controllable dynamic diffractive optical element ( 6 6 ) zur Erzeugung einer zeitlichen Abfolge von Beugungsbildern ausgebildet ist, wobei die ideale Intensitätsverteilung in der idealen Bildebene der Beugungsbilder ( ) Is designed to generate a chronological sequence of diffraction patterns, wherein the ideal intensity distribution (in the ideal image plane of the diffraction patterns 13 13 ) bekannt ist, wobei durch Auswertung der Signale der photosensitiven Sensoren ( is known), where (by evaluating the signals of the photosensitive sensors 10 10 ) in einer Auswerte- und Steuereinheit ( ) (In an evaluation and control unit 8 8th ) eine geometrische Lagebestimmung der Sensorelemente bis in den Subpixel-Bereich durchführbar ist, wobei in der Auswerte- und Steuereinheit ( ) A geometric orientation of the sensor elements to the sub-pixel range is carried out, in which (in the evaluation and control unit 8 8th ) die Abfolge von Beugungsbildern ( ), The sequence of diffraction patterns ( 13 13 ) ablegbar und/oder berechenbar sind, wobei die Auswerte- und Steuereinheit ( ) Can be stored and / or can be calculated, wherein the evaluation and control unit ( 8 8th ) mit dem ansteuerbaren, dynamischen, diffraktiven, optischen Element ( ) (With the controllable dynamic diffractive optical element 6 6 ) verbunden ist. ) connected is.
  2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Abfolge der Beugungsbilder ( Device according to claim 1, characterized in that the sequence of diffraction patterns ( 13 13 ) in Abhängigkeit der Bildfeldgröße und/oder Brennweite und/oder Einzelsensorabmaße und/oder Pixelgröße und/oder Durchmesser der Eingangsapertur der Optik ( ) (Depending on the frame size and / or focal length and / or Einzelsensorabmaße and / or pixel size and / or diameter of the entrance aperture of the optic 9 9 ) auswählbar ist. ) Is selectable.
  3. Vorrichtung nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das ansteuerbare, dynamische, diffraktive, optische Element ( Device according to one of the preceding claims, characterized in that the drivable, (dynamic diffractive optical element 6 6 ) zur Erzeugung einer zeitlichen Abfolge von Beugungsbildern als LCD-Matrix, als Mikro-Spiegel-Array und/oder als Membran-Spiegel ausgebildet ist. ) Is designed to generate a chronological sequence of diffraction patterns as LCD matrix as a micro-mirror array and / or as a membrane mirror.
  4. Vorrichtung nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen der kohärenten Lichtquelle ( Device according to one of the preceding claims, characterized in that (between the coherent light source 3 3 ) und dem ansteuerbaren, dynamischen, diffraktiven, optischen Element ( ) And the controllable dynamic diffractive optical element ( 6 6 ) eine Einrichtung ( ) An institution ( 4 4 ) zur optischen Strahlaufweitung angeordnet ist. ) Is positioned to the optical beam divergence.
  5. Vorrichtung nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens ein weiteres statisches und/oder ansteuerbares, dynamisches, diffraktives, optisches Element ( Device according to one of the preceding claims, characterized in (that at least one further static and / or controllable, dynamic diffractive optical element 7 7 ) vorhanden ist, mittels dessen eine geometrische Kalibration für endliche Entfernungseinstellungen durchführbar ist. is available), by means of which a geometric calibration for finite distance settings can be performed.
  6. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die weiteren diffraktiven, optischen Elemente ( Device according to claim 5, characterized in that the additional diffractive optical elements ( 7 7 ) austauschbar angeordnet sind, so dass unterschiedliche endliche Entfernungseinstellungen einstellbar sind. ) Are arranged exchangeable, so that different finite distance settings are adjustable.
  7. Verfahren zur geometrischen Kalibrierung eines optoelektronischen Sensorsystems ( A process for the geometric calibration of an optoelectronic sensor system ( 2 2 ), insbesondere für digitale Kameras, mittels einer kohärenten Lichtquelle ( (), In particular for digital cameras, by means of a coherent light source 3 3 ), mindestens eines ansteuerbaren, dynamischen, diffraktiven, optischen Elements ( ), Controllable at least one dynamic diffractive optical element ( 6 6 ) zur Erzeugung verschiedener Beugungsbilder sowie eine Auswerte- und Steuereinheit ( ) (For the generation of different diffraction patterns, as well as an evaluation and control unit 8 8th ) zum Auslesen der optoelektronischen Sensoren ( ) (For reading out of the optoelectronic sensors 10 10 ) des optoelektronischen Sensorsystems ( () Of the optoelectronic sensor system 2 2 ), umfassend folgende Verfahrensschritte: a) Berechnen oder Auswählen einer Abfolge von Beugungsbildern ( ), Comprising the following method steps: a) calculating or selecting a sequence of diffraction patterns ( 13 13 ) als Teststrukturen, deren ideale Intensitätsverteilung in der idealen Bildebene bekannt ist, b) Ansteuern des ansteuerbaren, dynamischen, diffraktiven, optischen Elements ( ) As the test structures, the ideal intensity distribution is known in the ideal image plane, b) driving the controllable dynamic diffractive optical element ( 6 6 ) zur Erzeugung einer definierten Abfolge von Beugungsbildern ( ) (For generating a defined sequence of diffraction patterns 13 13 ), c) Erfassen und Auswerten der resultierenden Intensitätsverteilungen der Pixel der optoelektronischen Sensoren ( ), C) detecting and evaluating the resulting intensity distributions of the pixels of the optoelectronic sensors ( 10 10 ) und d) Ermitteln der geometrischen Lage der Sensorelemente des optoelektronischen Sensors ( ) And d) determination of the geometric position of the sensor elements of the optoelectronic sensor ( 10 10 ), wobei in der Auswerte- und Steuereinheit ( ), Where (in the evaluation and control unit 8 8th ) die Abfolge von Beugungsbildern abgelegt sind und/oder berechnet werden, wobei die Auswerte- und Steuereinheit ( ), The sequence of diffraction patterns are stored and / or calculated, wherein the evaluation and control unit ( 8 8th ) mit dem ansteuerbaren, dynamischen, diffraktiven, optischen Element ( ) (With the controllable dynamic diffractive optical element 6 6 ) verbunden ist. ) connected is.
  8. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Abfolge der Beugungsbilder ( A method according to claim 7, characterized in that the sequence of diffraction patterns ( 13 13 ) in Abhängigkeit der Bildfeldgröße und/oder der Brennweite und/oder der Einzelsensorabmaße und/oder der Pixelgröße und/oder der Durchmesser der Eingangsapertur der Optik ( ) (Depending on the frame size and / or the focal length and / or the Einzelsensorabmaße and / or the pixel size and / or the diameter of the entrance aperture of the optic 9 9 ) ausgewählt wird. ) Is selected.
  9. Verfahren nach einem der Ansprüche 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass das ansteuerbare, dynamische, diffraktive, optische Element ( Method according to one of claims 7 or 8, characterized in that the drivable, (dynamic diffractive optical element 6 6 ) zur Erzeugung einer zeitlichen Abfolge von Beugungsbildern als LCD-Matrix, als Mikro-Spiegel-Array und/oder als Membran-Spiegel ausgebildet ist. ) Is designed to generate a chronological sequence of diffraction patterns as LCD matrix as a micro-mirror array and / or as a membrane mirror.
  10. Verfahren nach einem der Ansprüche 7 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass der kohärente Lichtstrahl ( A method according to any one of claims 7 to 9, characterized in that the coherent light beam ( 11 11 ) aufgeweitet wird, bevor dieser auf das ansteuerbare, dynamische, diffraktive, optische Element ( ) Is expanded before it controllable the (dynamic diffractive optical element 6 6 ) trifft. ) meets.
  11. Verfahren nach einem der Ansprüche 7 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass mittels mindestens eines weiteren statischen und/oder ansteuerbaren, dynamischen, diffraktiven, optischen Elements ( A method according to any one of claims 7 to 10, characterized in that (by at least one further static and / or controllable, dynamic diffractive optical element 7 7 ) eine geometrische Kalibration für endliche Entfernungseinstellungen durchgeführt wird. ) Is carried out a geometrical calibration for finite distance settings.
  12. Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass die statischen, diffraktiven, optischen Elemente ( A method according to claim 11, characterized in that the static diffractive optical elements ( 7 7 ) austauschbar angeordnet sind, so dass unterschiedliche endliche Entfernungseinstellungen einstellbar sind. ) Are arranged exchangeable, so that different finite distance settings are adjustable.
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