DE102005056193B3

DE102005056193B3 - Focal plane for e.g. optical sensor system, has individual modules adjacently fixed to focal plane frame for adjustment and calibration of plane, where frame is rigidly connected with optics of sensor system

Info

Publication number: DE102005056193B3
Application number: DE102005056193A
Authority: DE
Inventors: Anko Dr. Börner; Andreas Dr. Eckardt; Ingo Walter; Stefan Hilbert
Original assignee: Deutsches Zentrum fuer Luft und Raumfahrt eV
Current assignee: Deutsches Zentrum fuer Luft und Raumfahrt eV
Priority date: 2005-11-21
Filing date: 2005-11-21
Publication date: 2006-12-21
Anticipated expiration: 2025-11-22

Abstract

The plane (1) has two photo-sensitive units arranged on a focal plane plate. The focal plane plate is formed from multi-part modules (3), where the photo-sensitive units are subdivided into parts on the modules and are connected with the modules. The individual modules are movably arranged in a common focal plane frame (2). The modules are adjacently fixed to the focal plane frame for adjustment and calibration of the plane. The focal plane frame is rigidly connected with optics (6) of an optical sensor system, where the modules are formed and/or are connected with a heat sink. An independent claim is also included for a method for adjustment of a focal plane.

Description

Die Erfindung betrifft eine Fokalebene für ein optisches Sensorsystem sowie ein Verfahren zur Justage einer solchen Fokalebene.The The invention relates to a focal plane for an optical sensor system and a method for adjusting such a focal plane.

Hochauflösende Kameras mit lichtempfindlichen Halbleitersensoren werden beispielsweise für Luftbildaufnahmen eingesetzt, wo diese herkömmliche Flugzeugkameras mit Großformatfilmen ersetzen. Die lichtempfindlichen Halbleitersensoren sind dabei beispielsweise als CCD-Bauelemente ausgebildet. In jüngster Zeit sind auch so genannte CMOS-Kameras entwickelt worden. Diese und ähnliche Sensoren lassen sich allgemein als lichtempfindliche Halbleitersensoren bezeichnen, wobei die nachfolgend beschriebenen Probleme von CCD-Bauelementen sinngemäß auch bei den anderen lichtempfindlichen Halbleitersensoren zutreffen. Bei einer hochauflösenden CCD-Kamera wird dazu das als Zeile oder Matrix ausgebildete CCD-Bauelement in der Filmebene, die so genannte Fokalebene, angeordnet, wodurch der bei herkömmlichen Filmkameras notwendige Zwischenschritt der Filmentwicklung eingespart wird. Die gesamte Bildinformation steht unmittelbar online und in Echtzeit digital zur Verfügung. Der Ersatz des Filmes einer Luftbildkamera durch eine mit CCD-Bauelementen bestückten Fokalebene bringt aber verschiedene Schwierigkeiten mit sich.High-resolution cameras with photosensitive semiconductor sensors, for example for aerial photography used where this conventional Airplane cameras with large format films replace. The photosensitive semiconductor sensors are for example designed as CCD components. Recently, so-called CMOS cameras are also available been developed. These and similar Sensors can be generally used as photosensitive semiconductor sensors The problems of CCD components described below also apply mutatis mutandis the other photosensitive semiconductor sensors apply. at a high-resolution CCD camera is the designed as a line or matrix CCD device in the film plane, called the focal plane, arranged by the conventional one Film cameras necessary intermediate step of film development saved becomes. The entire image information is directly online and in Real time digitally available. The replacement of the film of an aerial camera with one with CCD components fitted focal plane but brings with it various difficulties.

Die CCD-Bauelemente und die sensornahe Elektronik verbrauchen elektrische Energie, die als Verlustleistung in Wärme umgesetzt wird. Außerdem müssen diese bei sehr unterschiedlichen Umgebungstemperaturen mit konstanter Arbeitstemperatur betrieben werden. Diese Probleme werden derzeitig so gelöst, dass eine spezielle Fokalebenen-Grundplatte gebaut wird, die aus einem ausdehnungskompatiblen Material bezüglich der CCD-Chips aus Silizium besteht und die gegebenenfalls mit einer Wärmesenke gekoppelt wird, um die Temperatur der Fokalebene konstant zu halten. Solche Fokalebenen-Hybride werden mit bereits vereinzelten und vorgeprüften Chips bestückt.The CCD components and sensor-related electronics consume electrical energy Energy that is converted into heat as power loss. In addition, these must at very different ambient temperatures with constant Operating temperature to be operated. These problems are currently so solved, that a special focal plane base plate is being built that out an expansion-compatible material with respect to the silicon CCD chips and optionally coupled with a heat sink to keep the temperature of the focal plane constant. Such focal plane hybrids are equipped with already isolated and pre-tested chips.

Durch verschiedenste Toleranzen wie beispielsweise der Chips, der Gehäuse, der Fokalebenen-Grundplatte und/oder der Befestigung der Chips und/oder Gehäuse auf der Fokalebenen-Grundplatte ist nicht mehr sichergestellt, dass alle Pixel der verschiedenen Chips in einer Ebene liegen.By various tolerances such as the chips, the housing, the Focal plane base plate and / or the attachment of the chips and / or casing on the focal plane base plate is no longer sure that all pixels of the different chips lie in one plane.

Aus der DE 199 32 065 A1 ist eine Fokalebenenplatte für eine hochauflösende Kamera mit lichtempfindlichen Sensoren bekannt, bestehend aus einem elektrisch nicht leitenden Material zur Aufnahme gehäuster lichtempfindlicher Halbleitersensoren, wobei auf der Fokalebenenplatte Justierelemente an den Anordnungsstellen der Gehäuse der lichtempfindlichen Halbleitersensoren angeordnet sind oder die Fokalebenenplatte mit Justierelementen ausgebildet ist, wobei die Justierelemente komplementär an die Form des Gehäuses mechanisch anpassbar sind. Nachteilig an der bekannten Fokalebenenplatte ist, dass die Anpassung sehr aufwendig ist.From the DE 199 32 065 A1 a focal plane plate for a high-resolution camera with photosensitive sensors is known, consisting of an electrically non-conductive material for accommodating housed photosensitive semiconductor sensors, wherein on the focal plane plate adjusting elements are arranged at the arrangement points of the housing of the photosensitive semiconductor sensors or the focal plane plate is formed with adjusting elements, wherein the Justierelemente complementary to the shape of the housing are mechanically adjustable. A disadvantage of the known focal plane plate that the adaptation is very expensive.

Der Erfindung liegt daher das technische Problem zugrunde, eine Fokalebene zu schaffen, mittels derer fotosensitive Bauelemente einfacher zueinander justiert werden können sowie ein zugehöriges Verfahren zur Verfügung zu stellen.Of the The invention is therefore based on the technical problem of a focal plane to create, by means of which photosensitive components easier to each other can be adjusted and an associated Procedure available to deliver.

Die Lösung des technischen Problems ergibt sich durch die Gegenstände mit den Merkmalen der Ansprüche 1 und 6. 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 6. Further advantageous embodiments of the invention result from the dependent claims.

Hierzu ist die Fokalebenenplatte mehrteilig aus Modulen ausgebildet, wobei die fotosensitiven Bauelemente auf die Module aufgeteilt sind und mit diesen verbunden sind, wobei die einzelnen Module in einem gemeinsamen Fokalebenenrahmen angeordnet sind. Hierdurch sind die einzelnen fotosensitiven Sensoren mit den ihnen zugeordneten Modulen einzeln in Bezug auf die Optik justierbar und kalibrierbar, wobei die Module dann anschließend am Fokalebenenrahmen fixiert werden können. Mit dem vorgeschlagenen Konzept sind die fotosensitiven Sensoren leicht an die jeweiligen durch die optischen Komponenten definierten und/oder die vom Anwender vorgegebenen Randbedingungen wie beispielsweise Brennweite, Stereowinkel, Abbildungsfehler anpassbar. Somit können auch Abbildungsfehler der Optik ausgeglichen werden, beispielsweise die chromatische Abberation, d.h. die wellenlängenabhängige Verschiebung des Brennpunktes. Werden beispielsweise die Sensoren als R-, G- und B-Zeilensensoren betrieben, so kann die jeweilige Zeile entlang der optischen Achse verschoben werden, so dass die Zeile für die betreffende Farbe bzw. Wellenlänge exakt in der Filmebene steht.For this the focal plane plate is formed in several parts of modules, wherein the photosensitive components are divided on the modules and connected to these, with the individual modules in a common Fokalebenenrahmen are arranged. This is the individual photosensitive sensors with the modules assigned to them individually adjustable and calibratable in terms of optics, with the modules then afterwards can be fixed on the focal plane frame. With the proposed Concept, the photosensitive sensors are easily connected to the respective defined by the optical components and / or by the user given boundary conditions such as focal length, stereo angle, Customizable aberrations. Thus can also aberrations the optics are compensated, for example the chromatic aberration, i.e. the wavelength-dependent shift the focal point. If, for example, the sensors are identified as R, G and B-line sensors operated, so the respective line along the be moved to the optical axis, so that the line for the relevant Color or wavelength is exactly in the film plane.

In einer bevorzugten Ausführungsform ist der Fokalebenenrahmen starr mit einer Optik des optischen Sensorsystems verbunden. Hierdurch ist gewährleistet, dass die Justage und Kalibration auf das Gesamtsystem durchgeführt wird und sich nicht durch Veränderung der Einbaulage der Optik verändert.In a preferred embodiment the focal plane frame is rigid with optics of the optical sensor system connected. This ensures that that the adjustment and calibration is performed on the entire system and not by change changed the mounting position of the optics.

In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform sind die Module mit einer Wärmesenke ausgebildet und/oder mit einer Wärmesenke verbunden, um die entstehende elektrische Verlustwärme abzuführen. Dabei ist die Wärmesenke beispielsweise als Wärmeleitrohr ausgebildet.In a further preferred embodiment, the modules are formed with a heat sink and / or connected to a heat sink in order to absorb the resulting electrical heat loss to lead. The heat sink is formed, for example, as a heat pipe.

In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist jedem Modul genau ein fotosensitives Bauelement zugeordnet, so dass jedes Bauelement einzeln justiert und kalibriert wird. Es sind jedoch auch Anwendungen denkbar, wo zwei oder mehr fotosensitive Bauelemente zusammen auf einem Modul angeordnet werden können, beispielsweise weil diese in Bezug auf die Kalibration unkritisch sind oder sich nahezu gleich verhalten.In a further preferred embodiment each module is assigned exactly one photosensitive component, so that each component is individually adjusted and calibrated. It However, applications are also conceivable where two or more photosensitive Components can be arranged together on a module, for example because these are uncritical or nearly zero in terms of calibration behave the same way.

In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform sind die Module aus verschiedenen Materialien ausgebildet. Hierdurch wird es möglich, unterschiedliche Sensoren zu verwenden, an die das Material des Moduls, beispielsweise hinsichtlich der Wärmeausdehnung, optimal angepasst werden kann.In a further preferred embodiment The modules are made of different materials. hereby will it be possible to use different sensors to which the material of the Module, for example, in terms of thermal expansion, optimally adapted can be.

Als fotosensitive Sensoren können beispielsweise CCD- oder CMOS-Zeilen-Sensoren, aber auch TDI – (Time-Delay-and-Integration) oder MCT – (Mercury-Cadmium-Telluride) Zeilen verwendet werden. Selbstverständlich sind prinzipiell auch Matrix-Sensoren oder andere Formen denkbar.When Photosensitive sensors can for example, CCD or CMOS line sensors, but also TDI - (Time-Delay-and-Integration) or MCT - (Mercury Cadmium Telluride) Lines are used. Of course, in principle, too Matrix sensors or other shapes conceivable.

Verfahrensmäßig werden die einzelnen Bauelemente justiert und kalibriert und anschließend am Fokalebenenrahmen fixiert, wobei die Fixierung vorzugsweise eine unlösbare, starre Verbindung realisiert. Die Justage und Kalibration erfolgt vorzugsweise mit Hilfe von statischen und/oder dynamischen Lichtmodulatoren. Hierzu werden beispielsweise Abfolgen von Abbildungen durch eine Auswerte- und Steuereinheit über die Lichtmodulatoren auf die Bauelemente geworfen und das Ergebnis durch Auslesung der Bauelemente durch die Auswerte- und Steuereinheit überprüft. Durch einen Mikromanipulator können dann die Module solange verschoben werden, bis diese richtig justiert sind und anschließend kalibriert werden.Be procedurally the individual components are adjusted and calibrated and then at the focal plane frame fixed, the fixation preferably an insoluble, rigid Connection realized. The adjustment and calibration is preferably carried out with the help of static and / or dynamic light modulators. For this purpose, for example, sequences of images by a Evaluation and control unit via the light modulators thrown on the components and the result checked by reading the components by the evaluation and control unit. By a micromanipulator can then move the modules until they are adjusted correctly are and then be calibrated.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand eines bevorzugten Ausführungsbeispiels näher erläutert. Die einzige Figur zeigt eine schematische Darstellung einer Fokalebene.The Invention will be described below with reference to a preferred embodiment explained in more detail. The single figure shows a schematic representation of a focal plane.

Die Fokalebene 1 umfasst einen Fokalebenenrahmen 2, drei Module 3, drei auf den Modulen 3 angeordnete Zeilen-Sensoren 4 sowie für jeden Zeilen-Sensor 4 eine Ansteuer- und Ausleseelektronik 5. Die Zeilen-Sensoren 4 sind fest mit den zugeordneten Modulen 3 verbunden. Des Weiteren sind die Zeilen-Sensoren 4 mit der Ansteuer- und Ausleseelektronik 5 verbunden, beispielsweise sind diese miteinander verlötet oder über eine Steckverbindung miteinander verbunden. Die Module 3 selbst sind zunächst beweglich im Fokalebenenrahmen 2 gelagert. Beispielsweise können die Module 3 in einer flüssigen Klebstoffschicht gelagert werden, so dass diese vor der Aushärtung des Klebstoffes noch in allen drei translatorischen Freiheitsgraden bewegt werden können. Der Fokalebenenrahmen 2 ist nun starr mit einer Optik 6 über eine nicht dargestellte Halterung verbunden.The focal plane 1 includes a focal plane frame 2 , three modules 3 , three on the modules 3 arranged line sensors 4 as well as for every line sensor 4 a drive and readout electronics 5 , The line sensors 4 are fixed with the assigned modules 3 connected. Furthermore, the line sensors 4 with the control and readout electronics 5 connected, for example, these are soldered together or connected to each other via a plug connection. The modules 3 themselves are initially movable in the focal plane frame 2 stored. For example, the modules 3 be stored in a liquid adhesive layer, so that they can be moved before curing of the adhesive in all three translational degrees of freedom. The focal plane frame 2 is now rigid with an optic 6 connected via a holder, not shown.

Zur Justage wird nun über die Optik 6 eine oder mehrere Teststrukturen auf den ersten Zeilen-Sensor 4 abgebildet. Anschließend wird der Zeilen-Sensor 4 durch die Ansteuer- und Ausleseelektronik 5 ausgelesen. Das Ergebnis kann dann dazu benutzt werden, die Fehlausrichtung des Zeilen-Sensors 4 zu bestimmen und beispielsweise mittels eines Mikromanipulators zu korrigieren. Anschließend kann dann die geometrische, radiometrische und/oder spektrale Kalibration des Zeilen-Sensors 4 erfolgen. Diese Vorgehensweise wird dann für die anderen Module 3 wiederholt. Zum Schluss wird dann der Kleber ausgehärtet. Selbstverständlich kann auch zuvor der Kleber eines Moduls 3 ausgehärtet werden, bevor die Justage des nächsten Moduls 3 erfolgt. Alternativ zum Kleber können die Module 3 auch über Piezo-Stellelemente gelagert und verstellt werden, wobei nach der Justage die Module 3 mit Epoxydharz vergossen werden. Die Justage und Kalibration erfolgt vorzugsweise mittels statischer und/oder dynamischer Lichtmodulatoren, wobei die dynamischen Lichtmodulatoren von einer Auswerte- und Steuereinheit zur Erzeugung unterschiedlicher Abbildungsvorschriften ansteuerbar sind. Die dynamischen Lichtmodulatoren können dabei als LCD-Matrix, Mikro-Spiegel-Array und/oder als Membran-Spiegel ausgebildet sein. Dabei ist dann vorzugsweise die Auswerte- und Steuereinheit mit den Ansteuer- und Ausleseelektroniken der Zeilen-Sensoren verbunden.For adjustment is now about the optics 6 one or more test structures on the first line sensor 4 displayed. Subsequently, the line sensor 4 through the control and read-out electronics 5 read. The result can then be used to correct the misalignment of the line sensor 4 to be determined and corrected for example by means of a micromanipulator. Subsequently, then the geometric, radiometric and / or spectral calibration of the line sensor 4 respectively. This procedure then becomes for the other modules 3 repeated. Finally, the adhesive is cured. Of course, even before the adhesive of a module 3 be cured before adjusting the next module 3 he follows. As an alternative to glue, the modules can 3 be stored and adjusted via piezo actuators, after adjusting the modules 3 to be cast with epoxy resin. The adjustment and calibration is preferably carried out by means of static and / or dynamic light modulators, wherein the dynamic light modulators can be controlled by an evaluation and control unit for generating different imaging regulations. The dynamic light modulators can be designed as an LCD matrix, micro-mirror array and / or as a membrane mirror. In this case, preferably, the evaluation and control unit is connected to the drive and read-out electronics of the line sensors.

Claims

Focal plane for an optical sensor system, comprising at least two photosensitive components and a focal plane plate on which the photosensitive components are arranged, characterized in that the focal plane plate consists of several parts of modules ( 3 ) is formed, wherein the photosensitive components on the modules ( 3 ) and are connected to each other, whereby the individual modules ( 3 ) in a common focal plane frame ( 2 ) are movably arranged and moved individually for adjustment and calibration to the focal plane frame and then fixed.

Focal plane according to claim 1, characterized in that the focal plane frame ( 2 ) is rigidly connected to an optic of the optical sensor system.

Focal plane according to claim 1 or 2, characterized in that the modules ( 3 ) are formed with a heat sink and / or connected to a heat sink.

Focal plane according to one of the preceding claims, characterized in that each module ( 3 ) is associated with exactly one photosensitive component.

Focal plane according to one of the preceding claims, characterized in that the modules ( 3 ) are formed of different materials.

Method for adjusting a focal plane according to claim 1, characterized in that the photosensitive components are individually adjusted and calibrated and then at Fokschebenenrahmen ( 2 ) are fixed.