DE102004056723B4

DE102004056723B4 - Method and device for geometric calibration of an optoelectronic sensor system

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Publication number: DE102004056723B4
Application number: DE200410056723
Authority: DE
Inventors: Martin Dr. Scheele; Marcel Rogalla; Reinhard Dr. Schuster; Sven Krüger; Silke Dr. Eckert
Original assignee: ASTRO und FEINWERKTECHNIK ADLE; ASTRO- und FEINWERKTECHNIK ADLERSHOF GmbH; Deutsches Zentrum fuer Luft und Raumfahrt eV
Current assignee: Astro- und Feinwerktechnik Adlershof De GmbH; KROEGER, SVEN, 10245 BERLIN, DE; Rogalla Marcel 12555 Berlin De; Deutsches Zentrum fuer Luft und Raumfahrt eV
Priority date: 2004-11-19
Filing date: 2004-11-19
Publication date: 2007-04-05
Anticipated expiration: 2024-11-20
Also published as: DE102004056723A1

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 sind, wobei die Auswerte- und Steuereinheit (8) mit dem ansteuerbaren, dynamischen, diffraktiven, optischen Element (6) verbunden ist.contraption for the geometric calibration of an optoelectronic sensor system, especially for digital cameras, comprising a coherent light source, a diffractive, optical element for generating a diffraction image as a test structure, wherein the test structure on the photo-sensitive sensors of the optoelectronic Sensor system is mapped, characterized in that the diffractive, optical element as at least one controllable, dynamic, diffractive optical element (6) for generating a temporal Sequence of diffraction patterns is formed, the ideal intensity distribution in the ideal image plane of the diffraction patterns (13) is known, wherein by evaluation of the signals of the photosensitive sensors (10) in an evaluation and Control unit (8) a geometric orientation of the sensor elements into the subpixel range, whereby in the evaluation and control unit (8) the sequence of diffraction patterns (13) can be stored and / or are calculable, wherein the evaluation and control unit (8) with the controllable, dynamic, diffractive, optical element (6) is connected.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur geometrischen Kalibrierung eines optoelektronischen Sensorsystems.The The invention relates to a method and a device 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. Dabei wird die Anordung der photosensitiven Sensoren in der Messbildebene eines optoelektronischen Sensorsystems üblicherweise als Fokalebene bezeichnet.It There are a variety of optoelectronic systems that are in Parameters such as number of sensor lines or size of a matrix, number of sensor elements in the line or matrix as well as the spectral, radiometric and / or geometric resolution differ. This will be the arrangement of the photosensitive sensors in the measurement image plane of an optoelectronic sensor system usually referred to as the 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.Become no special demands on the image geometry is made For example, only the number of pixels specified as at Digital cameras for the private use usual is.

Soll jedoch das optoelektronische Sensorsystem zur Messung beispielsweise von 3D-Objekten verwendet werden, so ist eine geometrische Kalibrierung des Sensorsystems notwendig. Hier ist die genaue Kenntnis der inneren Orientierung eines jeden einzelnen Sensorelementes (z.B. 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. In physikalischer Sicht wird damit aus der einfachen Abbildung ein Messprozess.Should however, the opto-electronic sensor system for measuring, for example used by 3D objects, so is a geometric calibration of the sensor system necessary. Here is the exact knowledge of the inner Orientation of each individual sensor element (e.g., one pixel) an essential quantitative feature that is completely new quality The sensor brings with it and the highly accurate measurement of the scene geometry at all only possible. From a physical point of view, this becomes the simple figure Measurement process.

Eine mögliche Vorgehensweise zur geometrischen Kalibrierung eines optoelektronischen Sensorsystems ist die präzise Winkelmessung einzelner Sensorelemente bezüglich einer raumfesten Achse. 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. Wird diese Vermessung für ausreichend viele Elemente wiederholt, kann die geometrische Lage aller Elemente des Sensors extrapoliert werden. Diese unter Laborbedingungen durchzuführende geometrische Kalibration findet beispielsweise bei digitalen Kameras für Weltraumzwecke Anwendung. Nachteilig an dem bekannten Verfahren ist jedoch der verhältnismäßig hohe Zeitaufwand von mehreren Stunden.A possible Procedure for the geometric calibration of an optoelectronic Sensor system is the precise one Angle measurement of individual sensor elements with respect to a fixed axis. For this For example, a collimator becomes optoelectronic sensor system arranged on a measuring table with high precision, with the direction between Collimator and sensor system can be adjusted accordingly sensitively, so that the geometric position of a single element can be accurately determined is. Will this survey for repeated enough elements, the geometric position can be all elements of the sensor are extrapolated. These under laboratory conditions to be performed For example, geometric calibration is used with digital cameras for space purposes Application. However, a disadvantage of the known method is the relatively high Time required for several hours.

Die in der Photogrammetrie übliche Methode zur geometrischen Kalibration von optoelektronischen Sensorsystemen ist die Aufnahme eines bildausfüllenden Testfeldes mit vermessenen Kontrollmarken. In der anschließenden Messauswertung kann ein Kalibrationsfile gewonnen werden, mit dessen Hilfe das Sensorsystem metrisch qualifiziert wird. Schwierigkeiten entstehen bei der Kalibration eines auf unendlich fokussierten Sensorsystems, weil die Messmarken aus endlicher Entfernung unscharf abgebildet werden. So scheitert unter Umständen die Kalibration langbrennweitiger Systeme an dem zu geringen Abstand und der erforderlichen Größe des Messfeldes.The usual in photogrammetry Method for geometric calibration of optoelectronic sensor systems is the inclusion of a picture-filling Test field with measured control marks. In the subsequent measurement evaluation can a Kalibrationsfile be obtained, with the help of the sensor system metric is qualified. Difficulties arise during calibration an infinitely focused sensor system, because the measurement marks out of focus at a finite distance. So fails in certain circumstances the calibration of langbrennweitiger systems at too small a distance and the required size of the measuring field.

Aus der 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. Dieses Hologramm kann auch als diffraktives optisches Element zur Erzeugung eines Beugungsbildes betrachtet werden. 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.From the DE 197 27 281 C1 a device for 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 each other such that upon illumination of the hologram by the coherent light source, the hologram a generated three-dimensional test structure around the focal plane of the CCD camera. This hologram can also be considered as a diffractive optical element for generating a diffraction image. However, this actually very advanced method is especially reaching its limits when line sensors are to be calibrated, because the intensity distribution on one sensor line can not be easily assigned to the two- or three-dimensional intensity distribution of the image generated by the hologram in the sensor plane, in particular when the generated test structure is rotationally symmetric.

Aus der 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. Das statische, diffraktive, optische Element ist dabei als Gitter ausgebildet, das verdreht wird, um eine bewegte Punktmusterverteilung zu erhalten. Alternativ können auch nacheinander verschiedene Gitter verwendet oder hinzugefügt werden.From the DE 100 13 299 C2 a device for geometric calibration of an optoelectronic sensor system is known, comprising a coherent light source, a diffractive optical element for generating a diffraction image as a test structure, wherein the test structure is imaged onto the photosensitive sensors of the optoelectronic sensor system. The static, diffractive, optical element is designed as a grating, which is rotated in order to obtain a moving dot pattern distribution. Alternatively, different grids can be used or added in succession.

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.Out WO 03/049091 A1 discloses a method and a device for holographic Data storage or to read out holographically stored Data is known where controllable, dynamic, diffractive, optical Elements are used in the form of a micromirror 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 a variety of time with less time Optoelectronic sensor systems can be geometrically calibrated.

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 the technical problem arises from the objects with the features of the 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.For this is the diffractive optical element as at least one controllable, dynamic, diffractive, optical element (dynamic DOE) for generation formed a temporal sequence of diffraction patterns, wherein the ideal intensity distribution in the ideal image plane (focal plane) of the diffraction images known is, wherein by evaluating the signals of the photosensitive sensors in an evaluation and control unit, a geometric orientation in the subpixel area feasible is.

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. 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. Ein weiterer Vorteil ist, dass die Vorrichtung relativ kompakt ist, so dass auch ein Transport und Wiederaufbau relativ unkritisch ist. Dabei sei angemerkt, dass bei geringeren Anforderungen an die Genauigkeit selbstverständlich die Kalibration nicht in Subpixelgenauigkeit durchgeführt werden muss.By the generation of a fast sequence of different diffraction patterns can About diffraction images the sensor elements migrate, so that the exact alignment of the sensor elements can be determined is, because of clever choice of diffraction images also only a partial overlap the sensor elements with selected Regions of the diffraction images are detectable. Another advantage is that with the same measuring structure different optoelectronic Sensor systems can be calibrated, with no limitation the visible spectral range exists. Another advantage is that the device is relatively compact, so that also a transport and reconstruction is relatively uncritical. It should be noted that at of course, the lower accuracy requirements Calibration can not be done in subpixel accuracy got to.

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. 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.there are the sequence of diffraction patterns in the evaluation and control unit filed and / or are calculated there, with the evaluation and Control unit with controllable, dynamic, diffractive, optical element is connected. The advantage of this arrangement is that thereby the synchronization between the sequence of diffraction images and the evaluation of the resulting intensity distribution on the sensor elements very easy is because both generation and evaluation of the diffraction patterns in the same unit.

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. Hierdurch können die Beugungsbilder sehr gezielt auf das zu kalibrierende optoelektronische Sensorsystem abgestimmt werden, was die Auswertung erheblich vereinfacht.In a further preferred embodiment the sequence of diffraction images is dependent on the image field size and / or the focal length and / or the individual sensor dimensions and / or the pixel size and / or the diameter of the input aperture of the optics selected. hereby can the diffraction images very targeted to the optoelectronic to be calibrated Sensor system are tuned, which greatly 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. Eine LCD-Matrix ist ein transmissives diffraktives optisches Element. Anschaulich kann dabei eine bestimmte Struktur, beispielsweise ein Streifen der Matrix, transparent geschaltet werden, wohingegen der Rest der Matrix nichttransparent geschaltet ist. Alternativ kann auch ein reflektives diffraktives optisches Element wie das Mikro-Spiegel-Array zur Anwendung kommen, wobei die Spiegel beispielsweise mittels Piezoelementen verstellbar sind. Alternativ zum Mikro-Spiegel-Array kann auch ein Membranspiegel verwendet werden. Dieser besteht vorzugsweise aus einer sehr dünnen Siliziumnitrid-Membran von beispielsweise 1 μm Dicke, die einige 10 μm über einem Elektroden-Array aufgespannt ist. Durch elektrostatische Anziehung kann die Membran gezielt rechnergesteuert sehr schnell verformt werden, wodurch mit der Membran verbundene Spiegel verkippt werden. Die Spiegel werden dabei vorzugsweise durch eine Aluminium-Beschichtung auf einem Substrat realisiert, das mit der Membran verbunden ist. Alternativ kann die Membran aus dem Substrat herausgebildet werden.In a further preferred embodiment this is at least one controllable diffractive optical element for generating a temporal sequence of diffraction images as an LCD matrix, designed as a micro-mirror array and / or as a membrane mirror. An LCD matrix is a transmissive diffractive optical element. Illustratively, a specific structure, for example a Strip of the matrix, switched transparent, whereas the The rest of the matrix is switched non-transparent. Alternatively, you can also a reflective diffractive optical element such as the micro-mirror array be used, the mirrors, for example by means of piezoelectric elements are adjustable. As an alternative to the micro-mirror array, a membrane mirror can also be used be used. This preferably consists of a very thin silicon nitride membrane for example, 1 micron Thickness some tens of microns over one Electrode array is clamped. By electrostatic attraction The membrane can be computer controlled very quickly deformed targeted, whereby mirrors connected to the membrane are tilted. The Mirrors are preferably by an aluminum coating realized on a substrate which is connected to the membrane. Alternatively, the membrane may 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. 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.In a further preferred embodiment is between the coherent Light source and the controllable diffractive optical element a Device for optical beam expansion arranged. hereby becomes the relatively narrow light beam of the coherent light source in a parallel coherent Wavefront converted so that the diffractive optical elements on the full area evenly lit. become.

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. Dabei sind die weiteren diffraktiven optischen Elemente vorzugsweise austauschbar angeordnet, so dass unterschiedliche endliche Entfernungseinstellungen einstellbar sind. 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. Wird nun aber eine endliche Entfernungseinstellung beim optoelektronischen Sensorsystem vorgenommen, so würde das Beugungsbild nicht scharf in der Fokalebene abgebildet werden. Mittels des zweiten diffraktiven optischen Elements kann diese Unschärfe dann ausgeglichen werden. 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. 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.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 carried out. In this case, the further diffractive optical elements are preferably arranged interchangeably so that different finite distance settings can be set. By means of only one controllable diffractive optical element actually only a distance setting can be infinitely geometrically calibrated, since the parallel coherent radiation corresponds to an object from the infinite. If, however, a finite distance setting is made in the optoelectronic sensor system, the diffraction image would not be imaged sharply in the focal plane. By means of the second diffractive optical element, this blur can then be compensated. This is done Alignment by static diffractive optical elements, it must be used for each finite distance setting, a different static diffractive optical element, which is why they are preferably arranged interchangeable. However, it is also conceivable to replace the various static diffractive optical elements, at least in regions, by a controllable diffractive optical element, which refers in certain regions to a range of finite distance settings.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand eines bevorzugten Ausführungsbeispieles näher erläutert. Die einzige Figur zeigt ein schematisches Blockschaltbild einer Vorrichtung zur geometrischen Kalibrierung eines optoelektronischen Sensorsystems.The Invention will be described below with reference to a preferred embodiment explained in more detail. The single figure shows a schematic block diagram of a device for the geometric calibration of an optoelectronic sensor system.

Die Vorrichtung 1 zur geometrischen Kalibrierung eines optoelektronischen Sensorsystems 2 umfasst eine kohärente Lichtquelle 3, eine Einrichtung 4 zur Strahlaufweitung, einen semitransparenten Spiegel 5, ein ansteuerbares diffraktives optisches Element 6, ein statisches diffraktives optisches Element 7 sowie eine Auswerte- und Steuereinheit 8. Das zu kalibrierende optoelektronische Sensorsystem 2 umfasst eine Optik 9 und mindestens einen photosensitiven optoelektronischen Sensor 10. Der Sensor 10 ist beispielsweise als CCD- oder CMOS-Zeilen- oder -Matrix-Sensor ausgebildet. Der oder die photosensitiven Sensoren 10 sind mit der Auswerte- und Steuereinheit 8 verbunden. Des Weiteren ist die Auswerte- und Steuereinheit 8 mit dem ansteuerbaren diffraktiven optischen Element 6 verbunden. Die kohärente Lichtquelle 3, die beispielsweise als Laser ausgebildet ist, emittiert einen Lichtstrahl 11, der durch die Einrichtung 4 aufgeweitet wird, wobei die Aufweitung vorzugsweise auf das Gesichtsfeld der Optik 9 abgestimmt ist. Dieser aufgeweitete, kohärente Lichtstrahl 12 trifft auf den semitransparenten Spiegel 5, wobei dieser für die Richtung des aufgeweiteten Lichtstrahls 12 transparent ist. Das ansteuerbare diffraktive optische Element 6 wird von der Auswerte- und Steuereinheit 8 derart angesteuert, dass eine zeitliche Abfolge von verschiedenen Beugungsbildern erzeugt wird. Das ansteuerbare diffraktive optische Element 6 ist dabei reflektiv, d.h. die gewünschten Beugungsbilder werden auf den semitransparenten Spiegel 5 zurückreflektiert und von dort als Beugungsbild 13 für eine unendliche Entfernungseinstellung des optoelektronischen Sensorsystems 2 reflektiert. Soll nun wie im dargestellten Beispiel das optoelektronische Sensorsystem 2 für endliche Entfernungseinstellungen kalibriert werden, so würde das fiktiv aus dem Unendlichen kommende Beugungsmuster 13 (aufgrund der Parallelität) unscharf abgebildet werden. Dies wird nun durch das statische diffraktive optische Element 7 kompensiert, das derart gewählt wird, dass das Beugungsbild 13 in der Fokalebene der optoelektronischen Sensoren 10 scharf abgebildet wird. Die Auswerte- und Steuereinheit 8 liest dann die Intensitätsverteilung auf dem Sensor aus, wobei durch die sich ändernden Beugungsbilder 13 auf die geometrische Lage und Ausrichtung der Sensorelemente zurückgerechnet werden kann, wobei eine Subpixelgenauigkeit, wenn erforderlich, erreichbar ist. Die Beugungsbilder 13 können dabei Zeilen, Streifen und/oder Kreise bzw. Rechtecke sein, die dann beispielsweise in der Abfolge zeitlich über die Sensoren 10 wandern.The device 1 for the geometric calibration of an optoelectronic sensor system 2 includes a coherent light source 3 , An institution 4 for beam expansion, a semitransparent mirror 5 , a controllable diffractive optical element 6 , a static diffractive optical element 7 as well as an evaluation and control unit 8th , The optoelectronic sensor system to be calibrated 2 includes an optic 9 and at least one photosensitive optoelectronic sensor 10 , The sensor 10 For example, it is designed as a CCD or CMOS line or matrix sensor. The one or more photosensitive sensors 10 are with the evaluation and control unit 8th connected. Furthermore, the evaluation and control unit 8th with the controllable diffractive optical element 6 connected. The coherent light source 3 , which is formed for example as a laser, emits a light beam 11 by the institution 4 is widened, wherein the expansion preferably on the visual field of the optics 9 is tuned. This expanded, coherent beam of light 12 meets the semitransparent mirror 5 this being for the direction of the expanded light beam 12 is transparent. The controllable diffractive optical element 6 is from the evaluation and control unit 8th controlled such that a temporal sequence of different diffraction patterns is generated. The controllable diffractive optical element 6 is reflective, ie the desired diffraction images are on the semitransparent mirror 5 reflected back and from there as a diffraction image 13 for an infinite distance adjustment of the optoelectronic sensor system 2 reflected. Now, as in the example shown, the optoelectronic sensor system 2 For finite distance settings, the fictitious diffraction pattern would come from infinity 13 (because of the parallelism) are out of focus. This is now done by the static diffractive optical element 7 compensated, which is chosen such that the diffraction pattern 13 in the focal plane of the optoelectronic sensors 10 is shown sharply. The evaluation and control unit 8th then reads the intensity distribution on the sensor, with the changing diffraction patterns 13 can be calculated back to the geometric position and orientation of the sensor elements, with a subpixel accuracy, if necessary, can be achieved. The diffraction images 13 may be lines, stripes and / or circles or rectangles, which then, for example, in the sequence over time via the sensors 10 hike.

Claims

Device for geometric calibration of an optoelectronic 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, wherein the test structure can be imaged on the photosensitive sensors of the optoelectronic sensor system, characterized in that the diffractive, optical element as at least one controllable, dynamic, diffractive, optical element ( 6 ) is designed to generate a temporal sequence of diffraction images, wherein the ideal intensity distribution in the ideal image plane of the diffraction images ( 13 ) is known, wherein by evaluating the signals of the photosensitive sensors ( 10 ) in an evaluation and control unit ( 8th ), a geometrical position determination of the sensor elements can be carried out into the subpixel area, wherein in the evaluation and control unit ( 8th ) the sequence of diffraction images ( 13 ) can be stored and / or calculated, the evaluation and control unit ( 8th ) with the controllable, dynamic, diffractive, optical element ( 6 ) connected is.

Apparatus according to claim 1, characterized in that the sequence of diffraction images ( 13 ) as a function of the image field size and / or focal length and / or individual sensor dimensions and / or pixel size and / or diameter of the input aperture of the optical system ( 9 ) is selectable.

Device according to one of the preceding claims, characterized in that the controllable, dynamic, diffractive, optical element ( 6 ) is designed for generating a temporal sequence of diffraction images as an LCD matrix, as a micro-mirror array and / or as a membrane mirror.

Device according to one of the preceding claims, characterized in that between the coherent light source ( 3 ) and the controllable, dynamic, diffractive, optical element ( 6 ) An institution ( 4 ) is arranged for optical beam expansion.

Device according to one of the preceding claims, characterized in that at least one further static and / or controllable, dynamic, diffractive, optical element ( 7 ) by means of which a geometric calibration for finite distance settings is feasible.

Apparatus according to claim 5, characterized in that the further diffractive optical elements ( 7 ) are arranged interchangeably, so that different finite distance settings are adjustable.

Method for geometric calibration of an optoelectronic sensor system ( 2 ), in particular for digital cameras, by means of a coherent light source ( 3 ), at least one controllable, dynamic, diffractive, optical element ( 6 ) for generating different diffraction patterns and an evaluation and control unit ( 8th ) for reading out the optoelectronic sensors ( 10 ) of the optoelectronic sensor system ( 2 ), comprising the following method steps: a) calculating or selecting a sequence of diffraction images ( 13 ) as test structures whose ideal intensity distribution in the ideal image plane is known, b) driving the controllable, dynamic, diffractive, optical element ( 6 ) for generating a defined sequence of diffraction images ( 13 ), c) detecting and evaluating the resulting intensity distributions of the pixels of the optoelectronic sensors ( 10 ) and d) determining the geometric position of the sensor elements of the optoelectronic sensor ( 10 ), whereby in the evaluation and control unit ( 8th ) the sequence of diffraction images are stored and / or calculated, the evaluation and control unit ( 8th ) with the controllable, dynamic, diffractive, optical element ( 6 ) connected is.

Method according to Claim 7, characterized in that the sequence of the diffraction images ( 13 ) as a function of the image field size and / or the focal length and / or the individual sensor dimensions and / or the pixel size and / or the diameter of the input aperture of the optical system ( 9 ) is selected.

Method according to one of claims 7 or 8, characterized in that the controllable, dynamic, diffractive, optical element ( 6 ) is designed for generating a temporal sequence of diffraction images as an LCD matrix, as a micro-mirror array and / or as a membrane mirror.

Method according to one of claims 7 to 9, characterized in that the coherent light beam ( 11 ) before it is applied to the controllable, dynamic, diffractive, optical element ( 6 ) meets.

Method according to one of claims 7 to 10, characterized in that by means of at least one further static and / or controllable, dynamic, diffractive optical element ( 7 ) a geometric calibration for finite distance settings is performed.

Method according to claim 11, characterized in that the static, diffractive, optical elements ( 7 ) are arranged interchangeably, so that different finite distance settings are adjustable.