DE102010019805A1

DE102010019805A1 - Kamera, insbesondere zur Aufnahme von Luftbildern aus Flugzeugen

Info

Publication number: DE102010019805A1
Application number: DE102010019805A
Authority: DE
Inventors: Martin Timm; Martin Welzenbach; Holger Stoldt; Jörn Hildebrandt; Dirk Döring
Original assignee: ZI Imaging Ltd
Current assignee: Leica Geosystems AG
Priority date: 2010-05-06
Filing date: 2010-05-06
Publication date: 2011-11-10
Also published as: US20130201374A1; AU2011249777B2; AU2011249777A1; CA2798433C; CA2798433A1; EP2567288A1; CN103003747B; JP5950905B2; JP2013532299A; WO2011138386A1; CN103003747A

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Kamera (7), insbesondere zur Aufnahme von Luftbildern aus Flugzeugen mit einem Objektiv (8) und wenigstens einem auf einem Trägerelement (2) befestigten digitalen flächenförmigen Bildsensor (1.4) mit vorgegebener Pixelgröße, welcher eine, insbesondere durch die Befestigung auf dem Trägerelement (2) bedingte, Wölbung (3) innerhalb eines bestimmten Toleranzbereichs aufweist. Das Objektiv (8) bewirkt wenigstens teilweise eine optische Kompensation der Wölbung (3) des digitalen flächenförmigen Bildsensors (1.4).

Description

Die Erfindung betrifft eine Kamera, insbesondere zur Aufnahme von Luftbildern aus Flugzeugen, mit einem Objektiv und wenigstens einem auf einem Trägerelement befestigten digitalen flächenförmöigen Bildsensor mit vorgegebener Pixelgröße, welcher eine, insbesondere durch die Befestigung auf dem Trägerelement bedingte, Wölbung innerhalb eines bestimmten Toleranzbereichs aufweist.
Aus der Praxis ist bekannt, dass digitale Bildsensoren, insbesondere CCD (Charge Coupled Device)-Bildsensoren aufgrund der Marktnachfrage bzw. aus Kostengründen bei gleichbleibender Größe bzw. Menge des verwendeten Siliziums immer feinere Pixelgeometrien bzw. kleinere Pixelgrößen aufweisen sollen. Beispielsweise werden bereits sehr große CCD-Sensoren mit mehr als 140 Megapixeln hergestellt. Dadurch ergeben sich Pixelgrößen von unter 7,2 μm, insbesondere beispielsweise 5,6 μm. Diese Anforderungen erhöhen auch die Anforderung an die scharfe Abbildung des Lichts innerhalb der Pixelgeometrien unter gegebener Schärfentiefe.
Problematisch ist nun, dass die Siliziumplatte des CCD-Sensors in der Regel auf ein Trägerelement, beispielsweise ein Gehäuse oder dergleichen, zumeist durch Kleben aufgebracht werden muss. Klebstoffe üben an den Ecken der Siliziumplatte eine höhere Adhäsionskraft aus, da das Siliziummaterial über zwei Kraftvektoren angezogen wird. Dadurch erhält die Siliziumplatte eine messbare Wölbung.
In 1 ist ein digitaler flächenförmiger Bildsensor aus Silizium bzw. CCD-Sensor 1.1 mit einer Wölbung 3 von bis zu 35 μm dargestellt. Die unterschiedlichen Höhen des CCD-Sensors 1.1 sind mit unterschiedlichen Schraffuren entsprechend der in 1 rechts neben dem Bildsensor 1.1 dargestellten Skala angedeutet. Betrachtet man die Eckbereiche des CCD-Sensors 1.1 als Nullpunkt, so ergibt sich in der Mitte des CCD-Sensors 1.1 eine Wölbung 3 von bis zu 35 μm. Diese ergibt sich bei einem Aufkleben des CCD-Sensors 1.1 auf ein Trägerelement 2, welches aus Glas, Keramik oder Kunststoff gebildet sein kann, durch Kraftvektoren F →₁, F →₂.
In 2 ist ein CCD-Sensor 1.2 dargestellt, welcher ebenfalls auf das Trägerelement 2 aufgeklebt ist.
Während des Herstellungsprozesses – so lange die Siliziumplatte bzw. der CCD-Sensor 1.2 noch nicht aufgeklebt ist und somit noch keine Wölbung 3 aufweist – können die einzelnen Pixel als kleine, zumindest rechteckige oder sogar quadratische lichtempfindliche Bereiche 4, welche als Gitter 5 auf der Oberfläche der Siliziumplatte bzw. des CCD-Sensors 1.2 angeordnet sind, angesehen werden. In 2 ist bei Verwendung eines herkömmlichen Objektivs die Schärfentiefe ausreichend, um die gesamte Wölbung 3 derart abzudecken, dass das Licht in den einzelnen lichtempfindlichen Bereichen 4 scharf abgebildet wird, wodurch die Bildqualität nicht beeinflusst wird. Dies ist der Fall, wenn die Pixelgröße hoch genug ist und wie in 2 stark vereinfacht dargestellt, die Lichtpunkte 6 als einzelne Lichtstrahlen innerhalb der lichtempfindlichen Bereiche 4 scharf abgebildet werden.
In 3 ist ein weiterer CCD-Sensor 1.3 dargestellt, welcher auf dem Trägerelement 2 aufgeklebt ist und bei welchem die Größe der lichtempfindlichen Bereiche 4' derart gering ist, dass die Schärfentiefe nicht mehr ausreicht, um innerhalb der gesamten Wölbung 3 scharf abzubilden. D. h. einzelne Lichtpunkte 6' werden nicht mehr scharf abgebildet und Licht gerät auch in die umliegenden bzw. benachbarten lichtempfindlichen Bereiche 4', wodurch die Bildqualität, insbesondere hinsichtlich Auflösung und Kontrast negativ beeinflusst wird.
Bei dem Einsatz derartiger CCD-Sensoren 1.1 bis 1.3 in Kameras, insbesondere zur Aufnahme von Luftbildern aus Flugzeugen, sollte jedoch auch bei geringeren Pixelgrößen und größeren CCD-Sensoren 1.1 bis 1.3 eine gute Bildqualität gewährleistet sein.
Ausgehend davon liegt der vorliegenden Erfindung die Aufgabe zugrunde, die Nachteile des Standes der Technik zu vermeiden, insbesondere eine Kamera der eingangs erwähnten Art zu schaffen, bei welcher auch bei geringen Pixelgrößen und großen Bildsensoren eine ausreichende Bildqualität gewährleistet ist.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch eine Kamera, insbesondere zur Aufnahme von Luftbildern aus Flugzeugen, gelöst, mit einem Objektiv mit wenigstens einem auf einem Trägerelement befestigten digitalen flächenförmigen Bildsensor mit vorgegebener Pixelgröße, welcher eine, insbesondere durch die Befestigung auf dem Trägerelement bedingte, Wölbung innerhalb eines bestimmten Toleranzbereichs aufweist, wobei das Objektiv wenigstens teilweise eine optische Kompensation der Wölbung des digitalen flächenförmigen Bildsensors bewirkt.
Durch die erfindungsgemäßen Maßnahmen wird in vorteilhafter Weise die Wölbung und die damit einhergehende verschlechterte Bildqualität, insbesondere bei geringerer Pixelgröße, optisch kompensiert. Dies erfolgt durch das Objektiv bzw. das Optikdesign. Hierzu sollte bei der Herstellung ein Toleranzbereich für die Wölbung des digitalen flächenförmigen Bildsensors vorgegeben werden, um die Optik entsprechend festlegen zu können. Dieser Toleranzbereich sollte im Produktionsprozess möglichst konstant gehalten werden.
Sehr vorteilhaft ist es demnach, wenn die Beobachtungslichtstrahlen bzw. das Licht durch die Kompensation wenigstens annähernd innerhalb der Pixelgröße bzw. der Pixelgeometrie des digitalen flächigen flächenförmigen Bildsensors scharf abgebildet werden.
Die optischen Abbildungseigenschaften des Objektivs können vorab anhand eines vorgegebenen, auf einen bestimmten Toleranzbereich der Wölbung des digitalen flächenförmigen Bildsensors bezogenen Modells ermittelt werden.
Zur Kompensation der Wölbung kann wenigstens ein optisches Element des Objektivs eine entsprechende Bildverzerrung bewirken.
Ein digitaler flächenförmiger Bildsensor kann auf das Trägerelement aufgeklebt sein und vorzugsweise eine Pixelgröße von kleiner oder gleich 7,2 μm, insbesondere 5,6 μm, aufweisen. Dabei besteht ein Zusammenhang zwischen der Pixelgröße, der Abbildungspunktgröße des Objektivs und dem Krümmungsgrad des digitalen flächenförmigen Bildsensors. Die Pixelgröße ist somit nicht absolut festgelegt.
Der digitale flächenförmige Bildsensor bzw. Frame Sensor kann als CCD-Sensor, CMOS-Sensor oder dergleichen ausgebildet sein. Die Pixel des digitalen flächenförmigen Bildsensors können in Form einer rechteckigen Matrix angeordnet sein.
Das Trägerelement kann Glas, Keramik oder Kunststoff aufweisen bzw. daraus gebildet sein.
In Anspruch 9 ist ein photogrammetrisches Kamerasystem mit mehreren Kameras angegeben.
Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.
Nachfolgend ist anhand der Zeichnung prinzipmäßig ein Ausführungsbeispiel der Erfindung beschrieben.
Es zeigen:
1 eine perspektivische Ansicht eines auf einem Trägerelement aufgeklebten digitalen flächenförmigen Bildsensors nach dem Stand der Technik;
2 eine perspektivische Ansicht eines aufgeklebten CCD-Sensors mit einer ersten Pixelgröße gemäß dem Stand der Technik;
3 eine perspektivische Ansicht eines aufgeklebten CCD-Bildsensors mit einer zweiten Pixelgröße gemäß dem Stand der Technik;
4 eine stark vereinfachte Darstellung einer erfindungsgemäßen Kamera; und
5 eine vereinfachte Schnittdarstellung eines CCD-Bildsensors der erfindungsgemäßen Kamera aus 4.
In 4 ist eine erfindungsgemäße Kamera 7, insbesondere zur Aufnahme von Luftbildern aus Flugzeugen (nicht dargestellt) mit einem Objektiv 8 und einem auf einem Trägerelement 2 befestigten digitalen flächenförmigen Bildsensor bzw. CCD-Sensor 1.4 mit vorgegebener Pixelgröße bzw. vorgegebenen Pixelbereichen 4', welcher eine durch die Befestigung mit dem Trägerelement 2 bedingte Wölbung 3 innerhalb eines bestimmten Toleranzbereichs aufweist, dargestellt. Das Objektiv 8 bewirkt wenigstens teilweise eine optische Kompensation der Wölbung 3 des CCD-Sensors 1.4. Die Bildpunkte bzw. Lichtpunkte 6 der durch die gestrichelte Linie 9 angedeuteten Beobachtungslichtstrahlen werden innerhalb der lichtempfindlichen Bereiche bzw. Pixelbereiche 4' durch die Kompensation wenigstens annäherend scharf abgebildet. Zur Kompensation der Wölbung 3 bewirkt ein optisches Element 8a des Objektivs 8 eine entsprechende Bildverzerrung.
Der CCD-Bildsensor 1.4 ist auf das Trägerelement 2 aufgeklebt. Im vorliegenden Ausführungsbeispiel weist der CCD-Bildsensor 1.4 eine Pixelgröße von kleiner oder gleich 7,2 μm, insbesondere 5,6 μm auf. Das Trägerelement 2 kann aus Glas, Keramik oder Kunststoff gebildet sein oder derartige Materialien aufweisen.
Die Kamera 7 kann eine von mehreren Kameras eines photogrammetrischen Kamerasystems sein.
Die optischen Abbildungseigenschaften des Objektivs 8 werden vorab anhand eines vorgegebenen Modells ermittelt. Dazu erfolgt eine Oberflächenmessung jedes CCD-Sensors 1.4. Die optischen Abbildungseigenschaften des Objektivs 8 werden auf den CCD-Bildsensor 1.4 anhand der Oberflächenmessung angepasst. Des weiteren wird ein generischer Toleranzbereich Δl spezifiziert, in welchem der CCD-Bildsensor 1.4 während der Serienproduktion konstant ist. Das Modell ist auf den bestimmten Toleranzbereich Δl der Wölbung 3 des CCD-Bildsensors 1.4 bezogen. Zur Verdeutlichung ist in 5 ein Schnitt durch den CCD-Bildsensor 1.4 aus 4 entlang der Linie A-B dargestellt. Die Verwendung der Modellfunktion h = f(l) und die Definition der maximalen Höhe hmax des CCD-Bildsensors 1.4 und des Toleranzbereichs Δl ermöglichen die Anpassung der optischen Abbildungseigenschaften des Objektivs 8 an den CCD-Bildsensor 1.4. Der Toleranzbereich Δl kompensiert Fertigungstoleranzen und Änderungen der Umgebungsbedingungen. Das Optikdesign bzw. die optischen Abbildungseigenschaften des Objektivs 8 sollen dabei sicherstellen, dass die Lichtpunkte 6 innerhalb der lichtempfindlichen Bereiche bzw. Pixelbereiche 4' bleiben, wenn sich die Oberfläche bzw. die Wölbung des CCD-Bildsensors 1.4 innerhalb des Toleranzbereichs Δl verändert.
Bezugszeichenliste

1.1–1.4: flächenförmiger digitaler Bildsensor/CCD-Sensor
2: Trägerelement
3: Wölbung
4, 4': Pixelbereich
5: Gitter
6, 6': Lichtpunkte
7: Kamera
8: Objektiv
8a: Optisches Element
9: Beobachtungslicht
F →₁, F →₂: Kraftvektoren
hmax: maximale Höhe des CCD-Sensors
h: Modellfunktion
Δl: Toleranzbereich

Claims

Kamera (7), insbesondere zur Aufnahme von Luftbildern aus Flugzeugen, mit einem Objektiv (8) und wenigstens einem auf einem Trägerelement (2) befestigten digitalen flächenförmigen Bildsensor (1.4) mit vorgegebener Pixelgröße, welcher eine, insbesondere durch die Befestigung auf dem Trägerelement (2) bedingte, Wölbung (3) innerhalb eines bestimmten Toleranzbereichs (Δl) aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass das Objektiv (8) wenigstens teilweise eine optische Kompensation der Wölbung (3) des digitalen flächenförmigen Bildsensors (1.4) bewirkt.
Kamera nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Beobachtungslichtstrahlen (9) durch die Kompensation wenigstens annähernd innerhalb der Pixelgröße des digitalen flächenförmigen Bildsensors (1.4) scharf abgebildet werden.
Kamera nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die optischen Abbildungseigenschaften des Objektivs (8) vorab anhand eines vorgegebenen, auf den bestimmten Toleranzbereich (Δl) der Wölbung (3) des digitalen flächenförmigen Bildsensors (1.4) bezogenen Modells ermittelt werden.
Kamera nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass zur Kompensation der Wölbung (3) wenigstens ein optisches Element (8a) des Objektivs (8) eine entsprechende Bildverzerrung bewirkt.
Kamera nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der digitale flächenförmige Bildsensor (1.4) auf das Trägerelement (2) aufgeklebt ist.
Kamera nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass der digitale flächenförmige Bildsensor (1.4) eine Pixelgröße von kleiner oder gleich 7,2 μm aufweist.
Kamera nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass der digitale flächenförmige Bildsensor als CCD-Sensor (1.4) oder CMOS-Sensor ausgebildet ist.
Kamera nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass das Trägerelement (2) Glas, Keramik oder Kunststoff aufweist.
Photogrammetrisches Kamerasystem mit mehreren Kameras, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens eine der Kameras eine Kamera (3) nach einem der Ansprüche 1 bis 8 ist.