DE102013104835A1

DE102013104835A1 - Verfahren und Vorrichtung zum Aufzeichnen eines Bildes einer Szene

Info

Publication number: DE102013104835A1
Application number: DE201310104835
Authority: DE
Inventors: Cornelius Hahlweg; Hendrik Rothe
Original assignee: HELMUT-SCHMIDT UNIVERSITAET; HELMUT SCHMIDT UNI; Hamburg Innovation GmbH; Helmut Schmidt Universitaet
Current assignee: Hamburg Innovation GmbH; Helmut Schmidt Universitaet
Priority date: 2012-05-30
Filing date: 2013-05-10
Publication date: 2013-12-05
Anticipated expiration: 2033-05-11
Also published as: DE102013104835B4

Abstract

Beschrieben wird ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Aufzeichnen eines Bildes einer Szene (101), insbesondere eines instationären Kurzzeitprozesses, mit einer Eigenstrahlung mit einer Intensität insbesondere mit hohem Dynamikbereich, mit einer elektronischen Bildaufzeichnungseinrichtung (106), wobei das Bild der Szene auf einem lumineszierenden und zeitlich abklingend nachleuchtenden Zwischenschirm (104; 208) abgebildet und dadurch ein Bild mit zeitlich abklingender Intensität auf dem Zwischenschirm erzeugt und für eine Nachleuchtdauer zwischengespeichert wird, von dem auf dem Zwischenschirm zwischengespeicherten Bild eine zeitliche Folge von Einzelbildern auf der elektronischen Bildaufzeichnungseinrichtung abgebildet und mit dieser aufgezeichnet wird und dabei die Einzelbilder gemäß der zeitlich abklingenden Intensität des Bildes auf dem Zwischenschirm eine von Einzelbild zu Einzelbild gegeneinander abnehmende Intensität aufweisen, aus wenigstens einigen der Einzelbilder Bildbereiche vorbestimmter Intensität ausgewählt und durch Überlagern der aus den Einzelbildern ausgewählten Bildbereiche ein Gesamtbild der Szene zusammengesetzt wird, das sowohl in dunklen als auch in hellen Flächen wiedergabegenau ist.

Description

Technisches Gebiet
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Aufzeichnen eines Bildes einer Szene. Die Erfindung betrifft weiterhin eine Vorrichtung zum Durchführen dieses Verfahrens.
Stand der Technik
Aus „Laseroptische Strömungsdiagnostik zu Selbstzündungsprozessen bei Freistrahlen“, Dissertation von Dipl. -Ing. Gerald Fast, Fakultät für Maschinenbau der Universität Karlsruhe (TH), auch erschienen als wissenschaftlicher Bericht des Forschungszentrums Karlsruhe GmbH, FZKA-Bericht Nr. 7288, ISSN 0947-8620, im folgenden als „Druckschrift 1“ bezeichnet, sowie aus „Experimentelle Untersuchungen von Einflussfaktoren auf die Selbstzündung von gasförmigen und flüssigen Brennstofffreistrahlen", Dissertation von Christian Pfeifer, Karlsruher Institut für Technologie, Fakultät für Maschinenbau, erschienen 2010 als KIT Scientific Report Nr. KIT-SR 7555, ISSN 1869-9669, ISBN 978-3-86644-525.3, im folgenden als „Druckschrift 2“ bezeichnet, ist die Beschreibung eines Hochgeschwindigkeits-Schattenverfahrens bzw. Durchlicht-Schattenverfahrens sowie eines dazu verwendeten Messaufbaus bekannt.
Gemäß Druckschrift 1, Kapitel 3.2 und Abbildung 3.7, wird bei dem dort verwendeten Messaufbau zur Visualisierung der Zündung eines Brenngases aus dem Licht einer Quecksilberdampflampe über eine Kondensorlinse mit nachfolgender Lochblende zunächst eine punktförmige Lichtquelle erzeugt. Mit einer zweiten Linse wird das Licht parallel auf eine Streuscheibe gerichtet und diese so gleichförmig ausgeleuchtet. Über die Streuscheibe wird das Licht gedämpft. Das gedämpfte Licht fällt von der Streuscheibe auf eine Zündkammer. Auf der gegenüberliegenden Seite der Zündkammer empfängt eine Video-Hochgeschwindigkeitskamera das Licht, das durch das Messfeld geführt wird. Die Aufnahme durch die Video-Hochgeschwindigkeitskamera erfolgt dabei in Gegenlichtanordnung. Das Schattenverfahren dient bei diesem Messaufbau zur Visualisierung turbulenter Strukturen bei Gasströmungen. Durch die Streuscheibe wird das Schattenverfahren diffus, erlaubt aber die kombinierte Erfassung sowohl von Strömungs- und Reaktionsphänomenen als auch Eigenleuchten der Flamme.
Auch aus der Druckschrift 2, Kapitel 4.1. und Abbildung 4.1., Ist die vorstehend beschriebene Messanordnung bekannt und dort als Durchlicht- Schattenverfahren bezeichnet. Ferner ist in den Kapiteln 4.3.1. und 4.3.2. ein Versuchsaufbau und ein Verfahren zur Messung der Tropfengröße und Tropfengeschwindigkeit in einem Spray beschrieben. Auch dabei wird eine Beleuchtung der Tropfen in einer Durchlichtanordnung vorgenommen. Dafür wird der Schatten der Tropfen mit hoher zeitlicher und örtlicher Auflösung erfasst. Hierfür kommt ein Doppelpuls-Nd:YAG-Laser zum Einsatz, der zwei Laserkammern – für jeden Impuls eine – aufweist. Die Strahlen von den beiden Kammern werden durch eine nachgeschaltete Optik in eine koaxiale Ausrichtung geführt, sodass der zu untersuchende Bereich bei jedem Puls eine räumlich identische Ausleuchtung erfährt. Direkt an den Doppelpuls-Laser angeschlossen befindet sich ein Diffusor. Im Diffusor werden die Laserstrahlen durch eine Glasplatte geführt, welche mit einem Fluoreszenzfarbstoff dotiert ist. Das Fluoreszenzlicht der Glasplatte wird über Spiegel in den Diffusorkopf geleitet, wo es zu einer homogenen Beleuchtung aufgeweitet wird. Die Streuscheibe im Diffusorkopf hat einen Durchmesser von 120 mm. Gemäß einem Aufbau im Durchlichtverfahren ist die Aufnahmeeinheit auf der gegenüberliegenden Seite der Kammer, in der sich das Spray befindet, angebracht. Mittels des Doppelpulslasers wird das Spray zweimal belichtet und die Schatten der Tropfen werden von einer Doppelbildkamera erfasst.
Bei der Bild- und Videoaufnahme technischer und physikalischer Objekte bzw. Szenen ist im Falle statischer und quasistatischer Szenen im allgemeinen immer mehr oder weniger eine geeignete Beleuchtung zu finden, die ein visuell taugliches, d.h. Informationshaltiges Bild ergibt. Ein wesentliches Problem hierbei ist stets die Dynamik der verwendeten Bildaufnahmegeräte bzw. Kameras.
Wenn die Szene bzw. das Objekt selbst Licht emittiert, kann entweder die Eigenstrahlung zur Bildaufnahme genutzt werden, oder es muss die Szene zusätzlich so stark beleuchtet werden, dass die Größenordnung der Eigenstrahlung erreicht wird. Ein typisches Beispiel hierfür ist die Aufnahme eines weißglühenden Werkstückes. Dazu muss kameraseitig die von dem weißglühenden Werkstück ausgehende, enorme Lichtintensität heruntergedämpft werden. Hierfür könnten Blenden und/oder Dichtefilter eingesetzt werden. Dabei muss aber noch unterschieden werden, ob es sich bei der Emission, d.h. der Eigenstrahlung der Szene bzw. des Objekts, und bei der Beleuchtung jeweils um monochromatisches oder breitbandiges, weißes Licht handelt. Monochromatisches Licht könnte dabei mit Hilfe von Bandpässen gefiltert werden. Im Allgemeinen und bei Temperaturstrahlern gesetzmäßig wird breitbandiges Licht ausgesendet, so dass eine Filterung erschwert wird. In jedem Falle wird die Beleuchtung an die Szene angepasst, wozu aufgrund der angenommenen geringen zeitlichen Änderung der Szene ausreichend Zeit gegeben ist.
Anders verhält es sich bei zeitlich schnell veränderlichen Szenen, die mit starker Emission einhergehen und detailliert aufgezeichnet werden sollen. Typische Beispiele dafür sind die Versuche, einen unter Höchststrombelastung explodierenden Draht, den Abgang eines Projektils aus der Mündung eines Laufes oder den Aufschlag eines Metallprojektils auf Metall mit einer Hochgeschwindigkeitskamera zu filmen. Diese Vorgänge sind mit einer derart starken, nicht exakt vorherbestimmbaren, kurzzeitigen Lichtemission, einem sogenannten „Flash“, verbunden, dass eine Kamera dadurch sehr leicht übersteuert werden kann. Dies macht sich insbesondere bei CCD-Kameras als sogenannter „blooming effect“ bemerkbar. Dadurch wird die Szene im entscheidenden Augenblick unkenntlich, bei CCD-Kameras wird anstelle der Szene lediglich ein weißer Fleck wiedergegeben. Ein Versuch, mit Hilfe von Filtern und Blenden die überschüssige Lichtintensität zu bedämpfen, führt in der Regel dazu, dass der Dynamikbereich der Kamera nicht „getroffen“ wird, die Belichtung der aufgenommenen Bilder also nach wie vor ungenügend ist. Auch eine Beleuchtung der Szene „im Überschuss“, d.h. eine Wahl der Lichtintensität der äußeren Beleuchtung der Szene, die in der Größe der Eigenstrahlung der Szene liegt, ist nur mit extremem Aufwand möglich und deswegen nicht praktikabel.
Aus der DE 10 2012 103 524 A1 ist ein Verfahren zur Bildaufnahme auch von schnell veränderlichen Szenen bzw. Objekten mit hoher Eigenstrahlung bekannt, das einfach durchführbar sein soll und dazu die Ausführung folgender Verfahrensschritte umfasst: Erzeugen eines ungestreuten Lichtbündels mit parallelem oder definiert divergentem Strahlengang, aus dem Licht einer Lichtquelle, Beleuchten bzw. Durchleuchten der Szene mit dem ungestreuten Lichtbündel, Erzeugen eines Schattenbildes der Szene durch das Beleuchten bzw. Durchleuchten mit dem ungestreuten Lichtbündel, und Aufzeichnen des Schattenbildes.
Die Szene wird bei diesem Verfahren als ein von einem wohldefinierten ungestreuten Lichtbündel geworfener Schatten abgebildet. Als Szene kommt dabei ein Objekt oder ein physikalischer oder chemischer Vorgang in Frage, das bzw. der mit diesem Verfahren bildlich festgehalten, d.h. aufgezeichnet werden soll. Vorzugsweise wird zum Erzeugen des ungestreuten Lichtbündels ein Laserstrahl in vorbestimmtem Maß aufgeweitet. Im Gegensatz zu den vorstehend genannten, in den Dokumenten 1 und 2 dargestellten Messverfahren wird bei dem Verfahren gemäß DE 10 2012 103 524 A1 eine Streuung des Lichtbündels, mit dem die Szene beleuchtet bzw. durchleuchtet wird, vermieden und somit auf den Einsatz einer Streuscheibe verzichtet. Zum Erzeugen des Schattenbildes wird mit dem ungestreuten Lichtbündel ein Schatten der Szene auf einem Schirm abgebildet und der auf dem Schirm abgebildete Schatten aufgezeichnet. In diesem einfachsten Fall der Lösung gemäß DE 10 2012 103 524 A1 kann das Schattenbild vom Schirm mit einer Kamera fotografiert oder gefilmt werden, oder der Schatten der Szene wird zum Erzeugen des Schattenbildes unmittelbar auf einem bildgebenden Sensor abgebildet und aufgezeichnet. Diese Abbildung kann insbesondere über eine geeignete optische Anordnung auf einen Kamerasensor, also einen elektronischen Bildaufnehmer, erfolgen.
Zur Durchführung des Verfahrens gemäß DE 10 2012 103 524 A1 lassen sich die Abstände sowohl zwischen der Lichtquelle und der aufzunehmenden Szene als auch zwischen dem Schirm bzw. dem bildgebenden Sensor bzw. der Kameraanordnung, gebildet aus Kamerasensor und optischer Anordnung, nahezu beliebig wählen. Damit lassen sich sowohl die Lichtquelle als auch die Einrichtung zur Bildaufzeichnung vor der meist „gefährlichen“ aufzunehmenden Szene schützen. Vor allem wird der Vorteil des Verfahrens gemäß DE 10 2012 103 524 A1 darin gesehen, dass die Intensität des Schattenbildes mit zunehmendem Abstand zwischen der aufzunehmenden Szene und der Einrichtung zur Bildaufzeichnung wenigstens nahezu konstant bleibt, wohingegen die Intensität der Eigenstrahlung mit dem Quadrat der Entfernung zwischen der aufzunehmenden Szene und der Einrichtung zur Bildaufzeichnung abnimmt. Damit lässt sich die Intensität der Eigenstrahlung für den Schirm bzw. die Kamera gegenüber der Intensität des Schattenbildes dämpfen.
In der DE 10 2012 103 524 A1 ist ferner eine zur Durchführung des vorstehend beschriebenen Verfahrens bestimmte Vorrichtung zum Aufzeichnen eines Bildes einer Szene dargestellt, umfassend eine Lichtquelle zum Abstrahlen eines ungestreuten Lichtbündels mit parallelem oder definiert divergentem Strahlengang, wobei mit dem ungestreuten Lichtbündel die Szene zur Erzeugung eines Schattenbildes beleuchtbar bzw. durchleuchtbar ist, und eine Bildaufzeichnungseinrichtung zum Aufzeichnen des Schattenbildes. In einer Ausführung ist die Vorrichtung mit einem Schirm zum Abbilden eines Schattens der Szene und einer Einrichtung zum Aufzeichnen des abgebildeten Schattens, vorzugsweise einer Kamera, ausgebildet, in einer anderen Ausgestaltung umfasst die Vorrichtung einen bildgebenden Sensor zum unmittelbaren Abbilden und Aufzeichnen eines Schattens der Szene. In jedem Fall sieht die beschriebene Vorrichtung eine Ausblendung der Eigenstrahlung auf ein Minimum vor.
Eine Bildaufzeichnung mit der Eigenstrahlung der Szene ist mit den beschriebenen Verfahren und Vorrichtungen weder vorgesehen noch möglich.
Die Aufnahme von Einzelbildern und Bildfolgen mit extrem kurzen Belichtungszeiten im Bereich weniger Mikrosekunden mittels mechanischer Verschlüsse, Drehspiegelkameras etc. ist bekannt und ausgereift. Derartige Drehspiegelkameras werden z.B. vom Hersteller Cordin, Salt Lake City, Utah, USA, gefertigt und vertrieben. Über die längste Zeit wurde in solchen Drehspiegelkameras klassisches chemisches Filmmaterial zur Aufnahme genutzt. Mit derartigen Anordnungen ist es recht problemlos möglich, Detonationsvorgänge und ähnliche instationäre Kurzzeitprozesse zu beobachten. Die dabei auftretenden starken Lichtemissionen sind oft wenig vorhersagbar, jedoch ist es möglich, aus dem belichteten Filmmaterial – nötigenfalls über die Entwicklung – aussagekräftige Bilder hoher Auflösung zu gewinnen.
Besteht nun der Wunsch, in solchen Zeitbereichen elektronisch Bilder zu erfassen, stellt sich heraus, dass z.B. die Drehspiegelkamera immer noch allen digitalen Hochgeschwindigkeitskameras überlegen ist, auch solchen, die mit CCD-Bildsensoren ausgestattet sind, wie sie ebenfalls vom Hersteller Cordin, Salt Lake City, Utah, USA, gefertigt und vertrieben werden. Mittlerweile werden zwar die Geschwindigkeiten erreicht, die vergleichsweise geringe Dynamik der CCD-Sensoren, d.h. ihr Dynamikumfang, das ist das Verhältnis von größter zu kleinster Leuchtdichte, die von diesen CCD-Sensoren aufgenommen werden können, gegenüber dem chemischen Film macht jedoch die Beobachtung stark Licht emittierender Kurzzeitvorgänge problematisch. So ist denn auch eine Ausrüstung von Drehspiegelkameras mit mehreren CCD-Sensoren anstelle des Films (z.B. je ein CCD-Sensor pro Bild) zwar möglich, jedoch mangelt es an Dynamik, es kommt zu Untersteuerung oder Übersteuerungen der CCD-Sensoren, wobei letztere auch als „Blooming-Effekte“ bezeichnet werden. Da über dem zeitlichen Verlauf der Einzelbildaufnahme kaum eine Konditionierung der Bedingungen bzw. des CCD-Sensors möglich ist, muss der chemische Film weiter vorgezogen werden.
Die Aufzeichnung instationärer Kurzzeitprozesse mit starken Lichtemissionen über die Belichtung chemischen Filmmaterials ist allerdings arbeits- und zeitaufwendig, wodurch eine rasche und flexible Beobachtung und Auswertung der genannten Kurzzeitprozesse nicht möglich ist.
Darstellung der Erfindung: Aufgabe, Lösung, Vorteile
Die Erfindung hat die Aufgabe, ein Verfahren zum Aufzeichnen eines Bildes einer Szene zu schaffen, das sich einer elektronischen Bildaufzeichnung bedient und das insbesondere zum Aufzeichnen und Wiedergeben eines instationären Kurzzeitprozesses mit starken und/oder nicht im Voraus abschätzbaren Lichtemissionen geeignet ist. Die Erfindung hat ferner die Aufgabe, eine Vorrichtung zum Aufzeichnen eines Bildes einer Szene zu schaffen, die mit Einrichtungen zur elektronischen Bildaufzeichnung, insbesondere CCD-Bildsensoren, ausgestattet ist und insbesondere das Aufzeichnen und Wiedergeben eines instationären Kurzzeitprozesses mit starken und/oder nicht im Voraus abschätzbaren Lichtemissionen ermöglicht.
Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe gelöst durch ein Verfahren zum Aufzeichnen eines Bildes einer Szene, die eine Eigenstrahlung, insbesondere eine Eigenstrahlung mit einer einen hohen Dynamikbereich umfassenden Intensität, aufweist, mit einer elektronischen Bildaufzeichnungseinrichtung, wobei das Bild der Szene auf einem lumineszierenden und zeitlich abklingend nachleuchtenden Zwischenschirm abgebildet und dadurch ein Bild mit zeitlich abklingender Intensität auf dem Zwischenschirm erzeugt und für eine Nachleuchtdauer zwischengespeichert wird, von dem auf dem Zwischenschirm zwischengespeicherten Bild eine zeitliche Folge von Einzelbildern auf der elektronischen Bildaufzeichnungseinrichtung abgebildet und mit dieser aufgezeichnet wird und dabei die Einzelbilder gemäß der zeitlich abklingenden Intensität des Bildes auf dem Zwischenschirm eine von Einzelbild zu Einzelbild gegeneinander abnehmende Intensität aufweisen, aus wenigstens einigen der Einzelbilder Bildbereiche vorbestimmter Intensität ausgewählt und durch Überlagern der aus den Einzelbildern ausgewählten Bildbereiche ein Gesamtbild der Szene zusammengesetzt wird, das sowohl in dunklen als auch in hellen Flächen wiedergabegenau ist.
Die erfindungsgemäße Lösung zum Ersatz des chemischen Filmes besteht somit darin, das Bild der Szene, das beispielsweise und bevorzugt ein Einzelbild aus einer Folge von Einzelbildern eines instationären Kurzzeitprozesses sein kann, mittels eines lumineszierenden Schirmes, d.h. des beschriebenen Zwischenschirmes, kurzzeitig zu speichern und das nachleuchtende und abklingende Bild, d.h. das Bild mit zeitlich abklingender Intensität, auf dem Zwischenschirm vom lumineszierenden Schirm in einer zeitlichen Folge wohlkonditionierbarer Bilder mittels einer CCD-Kamera aufzunehmen. Dabei ist mit der Intensität in allgemein gebräuchlicher Weise die flächenbezogene Strahlungsleistung, hier Lichtleistung, bezeichnet. Aus der so gewonnenen Folge kann sodann ein Bild hoher Dynamik zusammengesetzt werden, indem – wie bei den bekannten „HDR-Verfahren“ – die jeweils optimal belichteten Bereiche ausgewählt und dann zu einem Gesamtbild überlagert werden.
Zu den vorstehend genannten „HDR-Verfahren“ ist der Internet-Enzyklopädie "Wikipedia" – vgl. hierzu den englischsprachigen Internetauftritt "http://en.wikipedia.org/wiki/High_dynamic_range_imaging", Eintrag gelesen am 29.01.2013, 11:22 Uhr, sowie den deutschsprachigen Internetauftritt "http://de.wikipedia.org/wiki/Tone_Mapping", Eintrag gelesen am 21.02.2013 um 16:18 Uhr – entnehmbar, dass unter dem Begriff der Hoch-Dynamikbereichs-Bilderzeugung (englisch: High Dynamic Range Imaging; abgekürzt: HDR) eine Gruppe von Verfahren zusammengefasst wird, die bei der Bilderzeugung und in der Photographie benutzt wird, um einen größeren Dynamikbereich zwischen den hellsten und den dunkelsten Flächen eines Bildes zu ermöglichen, als dies Standardverfahren digitaler Bilderzeugung oder fotografische Verfahren zulassen. HDR-Bilder können den Bereich von Intensitätsniveaus, wie er in realen Szenen zu finden ist, von direktem Sonnenlicht bis zu schwachem Sternenlicht genauer darstellen, und werden häufig aus einer Mehrzahl unterschiedlich belichteter Bilder desselben Motivs gewonnen.
Einfacher umschrieben ist HDR eine Gruppe von Verfahren zum Gewinnen eines größeren Dynamikbereichs aus dem Bilderzeugungsvorgang. Nicht-HDR-Kameras nehmen Bilder bei einem vorgegebenen Belichtungspegel mit einem begrenzten Kontrastbereich auf. Daraus ergibt sich ein Verlust von Details in hellen oder dunklen Flächen eines Bildes, abhängig davon, ob die Kamera auf einen hohen oder einen niedrigen Belichtungspegel eingestellt war. Durch Anwendung von HDR wird dieser Verlust von Details ausgeglichen, indem eine Mehrzahl von Bildern bei unterschiedlichen Belichtungspegeln aufgenommen und intelligent zusammengefügt werden zur Herstellung eines Bildes, das sowohl in dunklen als auch in hellen Flächen wiedergabegenau ist.
HDR wird außerdem allgemein benutzt, um durch HDR-Bilderzeugung gewonnene Bilder mit einem für künstlerische Effekte übertriebenen Bildkontrast wiederzugeben. Die beiden Hauptquellen von HDR-Bildern sind die computergestützte Bildgewinnung und die Verbindung mehrerer Fotografien mit geringem (LDR) oder normalem (SDR) Dynamikbereich. Verfahren zur Dynamikkompression, die die Kompression des Dynamikumfangs (digitaler) Hochkontrastbilder (HDR-Bildern) durch Verringerung des Kontrastumfangs bewirken, um das Hochkontrastbild auf herkömmlichen Ausgabegeräten mit geringerem Dynamikbereich darstellen zu können, lassen sich zum Erzeugen von Bildern mit örtlich unverändertem oder gesteigertem Kontrast zwecks Erzielen künstlerischer Effekte anwenden.
Die Eigenstrahlung der Szene, von der das Bild aufgenommen wird, und das Lumineszieren des Zwischenschirmes sind hier bevorzugt eine Lichtstrahlung im sichtbaren Bereich oder im Bereich des nahen Infrarot (IR) oder auch im Bereich des Ultravioletten (UV), insbesondere des nahen UV-Bereichs. Ein Versuchsaufbau mit einem nachleuchtenden Schirm, dort einem Zinksulfidschirm, bei dem Licht der aufgeführten Wellenlängenbereiche benutzt wird, ist z.B. im Versuchsblatt „D 5.6.1.3 – Demonstrationsversuche Physik – Sekundarstufe 1“, herausgegeben von der Leybold Didactic GmbH in Hürth beschrieben. Danach erfolgt eine Anregung des Schirms zum langandauernden Aussenden von sichtbarem Licht größerer Wellenlänge (dort als Phosphoreszenz bezeichnet) durch kurzwellige Strahlung (z.B. Ultraviolettstrahlung) oder Tageslicht.
Vor der Aufnahme, d.h. dem Abbilden des Bildes der Szene wird insbesondere ein eventuelles Lumineszieren und Nachleuchten des Zwischenschirmes aus einer früheren Anregung, die auch als Aufladung des Zwischenschirmes bezeichnet wird, (zeitlich) abklingen gelassen, so dass dem Bild mit der zeitlich abklingenden Intensität auf dem Zwischenschirm kein weiteres Leuchten, d.h. Nachleuchten, des Zwischenschirmes überlagert ist
Die aus den Einzelbildern ausgewählten Bildbereiche vorbestimmter Intensität, aus denen durch Überlagern das Gesamtbild der Szene zusammengesetzt wird, sind insoweit im Sinne des vorstehend benutzten Begriffs optimal belichtet, als sie in von ihnen umfassten dunklen als auch hellen Flächen wiedergabegenau sind und dadurch ein sowohl in dunklen als auch in hellen Flächen wiedergabegenaues Gesamtbild liefern. Das zusammengesetzte Gesamtbild ist ein Bild mit hoher Dynamik, d.h. es weist eine einen hohen Dynamikbereich umfassende Intensität auf.
Die Erfindung ermöglicht in einfacher Weise ein Aufzeichnen eines Bildes einer Szene, insbesondere eines instationären Kurzzeitprozesses mit starken und/oder nicht im Voraus abschätzbaren Lichtemissionen, mit einer elektronischen Bildaufzeichnungseinrichtung. Damit sind diese Bilder sehr schnell auswertbar, da jegliche Entwicklungszeit für einen chemischen Film entfällt. Dies erleichtert, vereinfacht und beschleunigt die Auswertung von Versuchen zur Beobachtung insbesondere der genannten instationären Kurzzeitprozesse, wie z.B. Detonations- oder Einschlagvorgänge, erheblich.
Vorteilhafte Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Verfahrens sind in den auf den unabhängigen Verfahrensanspruch rückbezogenen Unteransprüchen gekennzeichnet.
Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird das Bild der Szene durch eine erste abbildende optische Einrichtung auf dem Zwischenschirm abgebildet. Dazu wird bevorzugt eine (erste) abbildende Optik verwendet, die z.B. in üblicher Weise aus einer Linse oder einem Objektiv besteht oder eine solche Linse oder ein solches Objektiv umfasst.
Bei einer weiteren bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens werden die Einzelbilder von dem auf dem Zwischenschirm zwischengespeicherten Bild durch eine zweite abbildende optische Einrichtung auf der elektronischen Bildaufzeichnungseinrichtung abgebildet. Dazu wird bevorzugt eine (zweite) abbildende Optik verwendet, die z.B. in üblicher Weise ebenfalls aus einer Linse oder einem Objektiv besteht oder eine solche Linse oder ein solches Objektiv umfasst.
Nach einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird das Bild der Szene zum Abbilden auf dem Zwischenschirm kurzpassgefiltert. Unter einer Kurzpassfilterung wird gemäß ISO-Norm ISO 9211-1: Optik und Photonik – Optische Schichten – Teil 1: Begriffe (ISO9211-12010) eine Filterung der Lichtstrahlung mit einem Kurzpassfilter verstanden, das einen hohen Transmissionsgrad für kurze Wellenlängen und einen geringen Transmissionsgrad für lange Wellenlängen hat. Bei der Kurzpassfilterung wird somit Lichtstrahlung langer Wellenlängen vom Kurzpassfilter unterdrückt und nur Lichtstrahlung kurzer Wellenlängen übertragen.
Vorteilhaft wird nach einer weiteren Fortbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens das auf dem Zwischenschirm zwischengespeicherte Bild zum Abbilden auf und Aufzeichnen mit der elektronischen Bildaufzeichnungseinrichtung langpassgefiltert. Unter einer Langpassfilterung wird gemäß ISO-Norm ISO 9211-1: Optik und Photonik – Optische Schichten – Teil 1: Begriffe (ISO9211-12010) eine Filterung der Lichtstrahlung mit einem Langpassfilter verstanden, das einen hohen Transmissionsgrad für lange Wellenlängen und einen geringen Transmissionsgrad für kurze Wellenlängen hat. Bei der Langpassfilterung wird somit Lichtstrahlung kurzer Wellenlängen vom Langpassfilter unterdrückt und nur Lichtstrahlung langer Wellenlängen übertragen.
Mit den vorbeschriebenen Maßnahmen wird vorteilhaft die Tatsache genutzt, dass die Anregung des lumineszierenden Zwischenschirmes in einem kürzeren Wellenlängenbereich erfolgt als die Emission des auf dem Zwischenschirm zwischengespeicherten Bildes. Mittels geeigneter Filter, d.h. mit Hilfe des Kurzpassfilters und des Langpassfilters, wie sie vorstehend beschrieben sind, im Strahlengang zwischen der Szene und dem Zwischenschirm einerseits und dem Zwischenschirm und der elektronischen Bildaufzeichnungseinrichtung, d.h. dem CCD-Bildsensor, andererseits ist eine spektrale Aufteilung so möglich, dass erregerseitig, d.h. im Strahlengang zwischen der Szene und dem Zwischenschirm, nur der kurzwellige Lichtanteil zur Beleuchtung des Zwischenschirmes genutzt wird und zur Aufnahme mit der elektronischen Bildaufzeichnungseinrichtung das Schirmbild langpassgefiltert wird.
Auf diese Weise wird nur der kurzwellige Anteil der Lichtstrahlung der aufzunehmenden Szene zum Zwischenschirm durchgelassen, da nur durch diesen eine Anregung der Lumineszenz erfolgt und ein nachleuchtendes Bild erzeugt wird. Da langwellige Anteile der Lichtstrahlung der aufzunehmenden Szene für die Anregung des Zwischenschirmes nutzlos sind, und weiterhin kurzwellige Anteile der Lichtstrahlung der aufzunehmenden Szene sich in unerwünschter Weise der Lumineszenz des Zwischenschirmes überlagern können, beide Anteile aber durch direkte Streuung und/oder Reflexion auf dem Zwischenschirm eine Übersteuerung des CCD-Bildsensors erzeugen können, verringert sich durch die beschriebene Kurzpass- und Langpassfilterung und damit die Trennung der Anteile der Lichtstrahlung die Gefahr der Übersteuerung der Kamera durch die Primärstrahlung, d.h. die Lichtstrahlung der aufzunehmenden Szene.
Beispielsweise erfolgt eine Anregung des Zwischenschirmes mit Lichtstrahlung im Wellenlängenbereich von etwa 400 bis 500 Nanometern. Diese und auch Lichtstrahlung kürzerer Wellenlängen darf aber nicht auf den CCD-Bildsensor fallen, um eine Übersteuerung zu verhindern. Daher wird die Strahlung in diesem Wellenlängenbereich durch Langpassfilterung unterdrückt und nur das Nachleuchten des Zwischenschirmes, das in diesem Beispiel im Wellenlängenbereich von 500 bis 600 Nanometern liegt, dem in diesem Wellenlängenbereich empfindlichen CCD-Bildsensor zugeführt.
Nach einer anderen Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens wird der Zwischenschirm durch Einwirken einer Aufladestrahlung, vorzugsweise einer UV-haltigen Lichtstrahlung, wenigstens weitgehend vollflächig in einen nachleuchtenden Zustand überführt, wird danach, vorzugsweise wenigstens nahezu unmittelbar zeitlich anschließend, das Bild der Szene auf dem Zwischenschirm abgebildet und wird dabei das Bild der Szene zum Abbilden auf dem Zwischenschirm langpassgefiltert, wodurch ein Negativbild des Bildes der Szene auf dem Zwischenschirm zwischengespeichert wird.
Das Einwirken der Aufladestrahlung auf den Zwischenschirm ist z.B. in dem bereits genannten, im Versuchsblatt „D 5.6.1.3 – Demonstrationsversuche Physik – Sekundarstufe 1“, herausgegeben von der Leybold Didactic GmbH in Hürth, beschriebenen Versuchsaufbau mit einem nachleuchtenden Schirm, dargestellt, wonach eine auch als Aufladung bezeichnete Anregung des Schirms zum langandauernden Aussenden von sichtbarem Licht größerer Wellenlänge (dort als Phosphoreszenz bezeichnet) durch kurzwellige Strahlung (z.B. Ultraviolettstrahlung; bevorzugt: sogenannte nahe Ultraviolettstrahlung) oder Tageslicht erfolgt. Der Schirm wird dadurch bei diesem Versuch vollflächig in einen nachleuchtenden Zustand überführt. Weiter wird gemäß dieser Versuchsbeschreibung das Abklingen des Nachleuchtens des Schirms durch sich an das Aufladen zeitlich anschließendes Einwirken von Infrarotstrahlung auf den Schirm beschleunigt.
Vorteilhaft wird in der beschriebenen Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens diese Tatsache genutzt, dass nahe Infrarotstrahlung das Abklingen des Bildes beschleunigt. Entsprechend wird der vor der Aufnahme des Bildes der Szene in der vorstehend beschriebenen Weise „aufgeladene“ Zwischenschirm durch das langpassgefilterte Bild der Szene, d.h. durch den mittels eines Langpassfilters isolierten Anteil naher Infrarotstrahlung aus der Eigenstrahlung des Bildes der Szene, „entladen“, so dass überall dort, wo langpassgefilterte Eigenstrahlung des Bildes der Szene auf den Zwischenschirm trifft, das Nachleuchten des Zwischenschirmes im Augenblick des Abbildens des Bildes der Szene vermindert wird. Dort, wo langpassgefilterte Eigenstrahlung des Bildes der Szene auf den Zwischenschirm trifft, wird das darauf zwischengespeicherte Bild dunkle Stellen aufweisen, so dass auf dem Zwischenschirm ein Negativbild entsteht und von diesem Negativbild die zeitliche Folge der Einzelbilder auf der elektronischen Bildaufzeichnungseinrichtung abgebildet und mit dieser aufgezeichnet wird.
Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird als Zwischenschirm ein Durchlichtschirm verwendet. Dabei fällt die Eigenstrahlung des Bildes der aufzunehmenden Szene auf eine Vorderseite des Zwischenschirmes, und das Nachleuchten des auf dem Zwischenschirm zwischengespeicherten Bildes wird zum Aufzeichnen der zeitlichen Folge von Einzelbildern mit der elektronischen Bildaufzeichnungseinrichtung von einer Rückseite des Zwischenschirmes her aufgenommen und abgebildet. Dadurch werden zwar hohe Anforderungen an die Transparenz und Verzerrungsfreiheit des Zwischenschirmes für durch diesen tretende Lichtstrahlung gestellt, jedoch vereinfacht sich das Einhalten der sogenannten Scheimpflugbedingung, da der Strahlengang einfach ist.
Wie z.B. aus der Internet-Enzyklopädie "Wikipedia" – vgl. den Internetauftritt "http://de.wikipedia.org/wiki/Scheimpflugsche_Regel", Eintrag dort gelesen z.B. am 25.01.2013 um 14:21 Uhr – entnehmbar ist, wird diese nach ihrem Entdecker Theodor Scheimpflug (1865–1911) benannte Scheimpflugbedingung eingehalten und dadurch bei einer optischen Abbildung eine gewünschte Objekt-Ebene mit maximaler Schärfe abgebildet, wenn Objekt-, Objektiv- und Bildebene sich in einer gemeinsamen Geraden schneiden. Die auch als Schärfeebene bezeichnete scharf abgebildete Objektebene kann somit eine geneigte Ebene sein, wenn sich entweder die Objektiv- oder die Bildebene einer Kamera neigen lassen. Der Grenzfall dafür, dass sich die drei vorbezeichneten Ebenen in einer gemeinsamen Geraden schneiden, ist deren Parallelität. Dieser Grenzfall gilt z.B. bei einem normalen Photoapparat, in dem Objektiv- und Bildebene zueinander fest parallel angeordnet sind. Dabei schneidet auch die Schärfeebene die optische Achse im rechten Winkel.
Angewandt auf die vorbeschriebene Weiterbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens bedeutet dies, dass die aufzunehmende Szene, der Zwischenschirm und die elektronische Bildaufzeichnungseinrichtung bei Verwendung eines Durchlichtschirmes einfach in zueinander parallelen Ebenen ausrichtbar sind, so dass die Scheimpflugbedingung einfach erfüllt wird und damit die Abbildung mit größtmöglicher Schärfe erfolgt.
Nach einer weiteren bevorzugten Fortbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird als Zwischenschirm ein Szintillationsschirm mit Lichtleiterbündel verwendet, auf dem das Bild der Szene abgebildet und zwischengespeichert wird und von dem die Einzelbilder des auf dem Zwischenschirm zwischengespeicherten Bildes durch das Lichtleiterbündel auf der elektronischen Bildaufzeichnungseinrichtung abgebildet werden. Somit wird als zweite abbildende optische Einrichtung, kurz auch als „zweite abbildende Optik“ bezeichnet, das Lichtleiterbündel verwendet, was eine besonders einfache Handhabung beim Durchführen des erfindungsgemäßen Verfahrens insbesondere dadurch ermöglicht, dass der Szintillationsschirm mit dem Lichtleiterbündel direkt auf die elektronische Bildaufzeichnungseinrichtung, d.h. den CCD-Bildsensor, gesetzt werden kann.
Nach einer anderen bevorzugten Fortbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird als Zwischenschirm eine auf der elektronischen Bildaufzeichnungseinrichtung angeordnete, insbesondere unmittelbar aufgetragene, Schicht mit einer lumineszierenden und zeitlich abklingend nachleuchtenden Substanz verwendet, es wird also die lumineszierende Schicht unmittelbar auf dem CCD-Bildsensor aufgebracht und damit der Zwischenschirm als gesondertes Bauelement durch eine einfache Beschichtung der Oberfläche des CCD-Bildsensors mit der lumineszierenden und zeitlich abklingend nachleuchtenden Substanz ersetzt. Dadurch entfällt die Verwendung einer zweiten abbildenden optischen Einrichtung vollständig, was die Handhabung weiter vereinfacht.
Gemäß einer noch anderen bevorzugten Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird als Zwischenschirm ein Auflichtschirm verwendet. Dabei wird das Bild der Szene auf der Vorderseite des Zwischenschirmes abgebildet, und das Nachleuchten des auf dem Zwischenschirm zwischengespeicherten Bildes wird zum Aufzeichnen der zeitlichen Folge von Einzelbildern mit der elektronischen Bildaufzeichnungseinrichtung auch wieder von der Vorderseite des Zwischenschirmes her aufgenommen und auf der elektronischen Bildaufzeichnungseinrichtung abgebildet. Der Zwischenschirm muss dabei für das Nachleuchten nicht transparent sein und kann daher mit z.B. robusten Werkstoffen ausgebildet werden, deren optische Eigenschaften keine Bedeutung haben. Allerdings ist bei Verwendung eines Auflichtschirmes eine leichte Schrägstellung der Bild- bzw. Objektebene erforderlich, d.h. das Abbilden der Einzelbilder von dem auf dem Zwischenschirm zwischengespeicherten Bild auf der elektronischen Bildaufzeichnungseinrichtung muss in einer von der Richtung, aus der die Eigenstrahlung des Bildes der Szene auf den Zwischenschirm fällt, abweichenden Richtung erfolgen, damit der Strahlengang zwischen der aufzunehmenden Szene und dem Zwischenschirm nicht durch die elektronische Bildaufzeichnungseinrichtung behindert wird. Somit muss bei Verwendung eines Auflichtschirmes besonderes Augenmerk auf die Einhaltung der oben beschriebenen Scheimpflugbedingung gerichtet werden. Insbesondere müsste die im vorstehenden beschriebene erste und zweite abbildende optische Einrichtung der Scheimpflugbedingung genügen.
In einer bevorzugten Weiterbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird das Bild der Szene über einen teildurchlässigen Spiegel in einem transmittierten Strahlengang auf dem Zwischenschirm abgebildet und werden die Einzelbilder von dem auf dem Zwischenschirm zwischengespeicherten Bild ferner durch den teildurchlässigen Spiegel in einem reflektierten Strahlengang auf der elektronischen Bildaufzeichnungseinrichtung abgebildet. Der teildurchlässige Spiegel befindet sich somit sowohl im Strahlengang der Eigenstrahlung des Bildes der Szene zum Zwischenschirm, wobei als Zwischenschirm ein Auflichtschirm verwendet wird, als auch im Strahlengang des nachleuchtenden Bildes vom Zwischenschirm zur elektronischen Bildaufzeichnungseinrichtung, und ist damit der beschriebenen ersten und der beschriebenen zweiten abbildenden optischen Einrichtung gemeinsam.
Durch Verwenden des teildurchlässigen Spiegels kann im Gegensatz zu einem direkten Abbilden von der Szene auf den Zwischenschirm und vom Zwischenschirm auf die elektronische Bildaufzeichnungseinrichtung das Abbilden vom Zwischenschirm auf die elektronische Bildaufzeichnungseinrichtung in derselben Richtung erfolgen wie derjenigen, aus der die Eigenstrahlung des Bildes der Szene auf den Zwischenschirm fällt, da der Strahlengang zwischen dem Zwischenschirm und der elektronischen Bildaufzeichnungseinrichtung durch den Spiegel umgelenkt und damit der Strahlengang zwischen der aufzunehmenden Szene und dem Zwischenschirm nicht durch die elektronische Bildaufzeichnungseinrichtung behindert wird. Somit wird die Schrägstellung der Bild- bzw. Objektebene vermieden, und die oben beschriebene Scheimpflugbedingung ist sehr einfach einzuhalten.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Fortbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird als teildurchlässiger Spiegel ein dichroitischer Spiegel verwendet, dessen Grenzwellenlänge derart gewählt wird, dass das Bild der Szene wenigstens weitgehend auf den Zwischenschirm transmittiert wird und die Einzelbilder von dem auf dem Zwischenschirm zwischengespeicherten Bild wenigstens weitgehend auf die elektronische Bildaufzeichnungseinrichtung reflektiert werden. Durch diesen dichroitischen Spiegel geeigneter Grenzwellenlänge ergibt sich eine sehr vorteilhafte Möglichkeit der Filterung, wie sie im vorstehenden als Kurzpassfilterung des Bildes der Szene zum Abbilden auf dem Zwischenschirm und als Langpassfilterung des auf dem Zwischenschirm zwischengespeicherten Bildes zum Abbilden auf und Aufzeichnen mit der elektronischen Bildaufzeichnungseinrichtung beschrieben ist. Es kann in diesem Falle mit wesentlich geringerem Lichtverlust gearbeitet und dabei zugleich eine gute Trennung der Strahlung der unterschiedlichen Wellenlängenbereiche erzielt werden. Zur allgemeinen Beschreibung dichroitischer Spiegel wird ergänzend z.B. auf den deutschsprachigen Internetauftritt "http://de.wikipedia.org/wiki/Dichroitischer_Spiegel#Spiegel", Eintrag gelesen am 13.01.2013 um 12:32 Uhr, Bezug genommen.
Nach einer anderen vorteilhaften Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens stellt das aufzuzeichnende Bild der Szene ein Abbild eines augenblicklichen Zustands einer sich verändernden, insbesondere schnell veränderlichen, Szene dar. Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren lässt sich somit eine Momentaufnahme der sich verändernden, insbesondere schnell veränderlichen, Szene aufzeichnen. Wird mit einem an sich bekannten Verfahren bzw. einer an sich bekannten Vorrichtung eine Serie derartiger Momentaufnahmen erzeugt, z.B. mit einer Drehspiegelkamera, lassen sich auch von solchen sich verändernden, insbesondere schnell veränderlichen, Szenen, auch solchen mit hoher und nicht oder wenig vorhersehbarer Eigenstrahlung, Serien von Bildern gewinnen, die sowohl in dunklen als auch in hellen Flächen wiedergabegenau sind, d.h. bei denen jedes Bild der Serie als ein gemäß einem HDR-Verfahren aus einer zeitlich nacheinander aufgenommenen Folge von Einzelbildern zusammengesetztes Gesamtbild eine hohe Dynamik, d.h. eine einen hohen Dynamikbereich umfassende Intensität, aufweist.
Die oben genannte Aufgabe wird weiterhin gelöst durch eine Vorrichtung zum Aufzeichnen eines Bildes einer Szene, die eine Eigenstrahlung, insbesondere eine Eigenstrahlung mit einer einen hohen Dynamikbereich umfassenden Intensität, aufweist, umfassend einen lumineszierenden und zeitlich abklingend nachleuchtenden Zwischenschirm zum darauf Erzeugen und für eine Nachleuchtdauer Zwischenspeichern eines Bildes mit zeitlich abklingender Intensität, eine elektronische Bildaufzeichnungseinrichtung zum darauf Abbilden des auf dem Zwischenschirm zwischengespeicherten Bildes und zum Aufzeichnen einer zeitlichen Folge von Einzelbildern des auf dem Zwischenschirm zwischengespeicherten Bildes sowie eine Steuereinrichtung zum Steuern des Aufzeichnens der zeitlichen Folge der Einzelbilder, zum Auswählen von Bildbereichen vorbestimmter Intensität aus wenigstens einigen der Einzelbilder, zum Überlagern der aus den Einzelbildern ausgewählten Bildbereiche und zum dadurch Zusammensetzen eines Gesamtbildes der Szene, das sowohl in dunklen als auch in hellen Flächen wiedergabegenau ist.
Bei dieser erfindungsgemäßen Vorrichtung zum Aufzeichnen des Bildes der Szene und damit zum Durchführen des erfindungsgemäßen Verfahrens ist somit zum Ersatz des chemischen Filmes der lumineszierende Zwischenschirm vorgesehen zum kurzzeitigen Speichern des Einzelbildes, und die elektronische Bildaufzeichnungseinrichtung, bevorzugt eine CCD-Kamera, ist vorgesehen zum Aufnehmen des nachleuchtenden und abklingenden Bildes vom Zwischenschirm in einer zeitlichen Folge wohlkonditionierbarer Bilder. Insoweit entspricht die erfindungsgemäße Vorrichtung dem Aufbau von Röntgenaufnahmegeräten. Aus der so gewonnenen Folge ist sodann mittels der Steuereinrichtung ein Bild hoher Dynamik zusammensetzbar, indem – wie bei den bekannten HDR-Verfahren – die jeweils optimal belichteten Bereiche ausgewählt und dann zu einem Gesamtbild überlagert werden. Die elektronische Bildaufzeichnungseinrichtung, d.h. die CCD-Kamera bzw. ein CCD-Bildsensor, kurz auch als Kamerasensor bezeichnet, ermöglicht über die Steuereinrichtung, kurz auch mit dem Begriff Steuerung umschrieben, die Aufnahme der zeitlichen Folge der Einzelbilder während des Nachleuchtens des auf dem Zwischenschirm gespeicherten Bildes, d.h. während der Abklingzeit des Schirmbildes, und die Gewinnung des Gesamtbildes der Szene, d.h. eines zusammengesetzten, hochdynamischen Bildes.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung ermöglicht in einfacher Weise ein Aufzeichnen eines Bildes einer Szene, insbesondere eines instationären Kurzzeitprozesses mit starken und/oder nicht im Voraus abschätzbaren Lichtemissionen, auf der elektronischen Bildaufzeichnungseinrichtung. Damit sind diese Bilder sehr schnell auswertbar, da jegliche Entwicklungszeit für einen chemischen Film entfällt. Dies erleichtert, vereinfacht und beschleunigt die Handhabung der erfindungsgemäßen Vorrichtung und damit die Auswertung von Versuchen zur Beobachtung insbesondere der genannten instationären Kurzzeitprozesse, wie z.B. Detonations- oder Einschlagvorgänge, erheblich.
Vorteilhafte Ausgestaltungen der erfindungsgemäßen Vorrichtung sind in den auf den unabhängigen Vorrichtungsanspruch rückbezogenen Unteransprüchen gekennzeichnet.
Eine bevorzugte Weiterbildung der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist gekennzeichnet durch eine erste abbildende optische Einrichtung zum Abbilden des Bildes der Szene auf dem Zwischenschirm. Diese erste abbildende optische Einrichtung, kurz auch als erste abbildende Optik bezeichnet, besteht z.B. in üblicher Weise aus einer Linse oder einem Objektiv oder umfasst eine solche Linse oder ein solches Objektiv.
Eine weitere bevorzugte Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist gekennzeichnet durch eine zweite abbildende optische Einrichtung, kurz auch als zweite abbildende Optik bezeichnet, zum Abbilden der Einzelbilder von dem auf dem Zwischenschirm zwischengespeicherten Bild auf der elektronischen Bildaufzeichnungseinrichtung. Diese zweite abbildende Optik besteht z.B. in üblicher Weise ebenfalls aus einer Linse oder einem Objektiv oder umfasst eine solche Linse oder ein solches Objektiv.
Eine weitere bevorzugte Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist gekennzeichnet durch ein im Strahlengang vor dem Zwischenschirm angeordnetes Kurzpassfilter zum Filtern des Bildes der Szene zum Abbilden auf dem Zwischenschirm. Gemäß ISO-Norm ISO 9211-1: Optik und Photonik – Optische Schichten – Teil 1: Begriffe (ISO9211-12010) wird unter einem Kurzpassfilter ein Filter zum Filtern einer Lichtstrahlung verstanden, das einen hohen Transmissionsgrad für kurze Wellenlängen und einen geringen Transmissionsgrad für lange Wellenlängen hat. Vom Kurzpassfilter wird somit Lichtstrahlung langer Wellenlängen unterdrückt und nur Lichtstrahlung kurzer Wellenlängen übertragen. Das erfindungsgemäß angeordnete Kurzpassfilter dient somit zum Filtern des Bildes der Szene zum Abbilden auf dem Zwischenschirm, wozu die Eigenstrahlung der Szene zuerst gefiltert und dann auf dem Zwischenschirm abgebildet wird. Das Kurzpassfilter ist somit im Strahlengang vor dem Zwischenschirm eingesetzt, d.h. angeordnet.
Eine weitere vorteilhafte Fortbildung der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist gekennzeichnet durch ein im Strahlengang nach dem Zwischenschirm angeordnetes Langpassfilter zum Filtern des auf dem Zwischenschirm zwischengespeicherten Bildes zum Abbilden auf der elektronischen Bildaufzeichnungseinrichtung. Gemäß ISO-Norm ISO 9211-1: Optik und Photonik – Optische Schichten – Teil 1: Begriffe (ISO9211-12010) wird unter einem Langpassfilter ein Filter zum Filtern einer Lichtstrahlung verstanden, das einen hohen Transmissionsgrad für lange Wellenlängen und einen geringen Transmissionsgrad für kurze Wellenlängen hat. Vom Langpassfilter wird somit Lichtstrahlung kurzer Wellenlängen unterdrückt und nur Lichtstrahlung langer Wellenlängen übertragen. Das erfindungsgemäß angeordnete Langpassfilter dient somit zum Filtern des auf dem Zwischenschirm zwischengespeicherten Bildes zum Abbilden auf der elektronischen Bildaufzeichnungseinrichtung, wozu die zeitliche Folge von Einzelbildern von dem auf dem Zwischenschirm zwischengespeicherten Bild zuerst gefiltert und dann auf der elektronischen Bildaufzeichnungseinrichtung abgebildet und mit dieser aufgezeichnet wird. Das Kurzpassfilter ist somit im Strahlengang nach dem Zwischenschirm eingesetzt, d.h. angeordnet.
Mit den vorbeschriebenen Maßnahmen wird vorteilhaft von einer Eigenschaft des lumineszierenden Zwischenschirmes Gebrauch gemacht, gemäß der die Anregung in einem kürzeren Wellenlängenbereich erfolgt als die Emission des auf dem Zwischenschirm zwischengespeicherten Bildes. Mittels geeigneter Filter, d.h. mit Hilfe des Kurzpassfilters und des Langpassfilters, wie sie vorstehend beschrieben sind, im Strahlengang zwischen der Szene und dem Zwischenschirm einerseits und dem Zwischenschirm und der elektronischen Bildaufzeichnungseinrichtung, d.h. dem CCD-Bildsensor, andererseits ist eine spektrale Aufteilung in der Weise möglich, dass erregerseitig, d.h. im Strahlengang zwischen der Szene und dem Zwischenschirm, nur der kurzwellige Anteil der Lichtstrahlung der aufzunehmenden Szene zum Zwischenschirm durchgelassen wird, da nur durch diesen eine Anregung der Lumineszenz erfolgt und ein nachleuchtendes Bild erzeugt wird, und zur Aufnahme mit der elektronischen Bildaufzeichnungseinrichtung das Schirmbild langpassgefiltert wird. Da langwellige Anteile der Lichtstrahlung der aufzunehmenden Szene für die Anregung des Zwischenschirmes nutzlos sind, und weiterhin kurzwellige Anteile der Lichtstrahlung der aufzunehmenden Szene sich in unerwünschter Weise der Lumineszenz des Zwischenschirmes überlagern können, beide Anteile aber durch direkte Streuung und/oder Reflexion auf dem Zwischenschirm eine Übersteuerung des CCD-Bildsensors erzeugen können, verringert sich durch den Einsatz des beschriebenen Kurzpass- bzw. Langpassfilters und damit die Trennung der Anteile der Lichtstrahlung die Gefahr der Übersteuerung der Kamera durch die Primärstrahlung, d.h. die Lichtstrahlung der aufzunehmenden Szene.
Bei einem bevorzugten Dimensionierungsbeispiel der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist eine Anregung des Zwischenschirmes mit Lichtstrahlung im Wellenlängenbereich von etwa 400 bis 500 Nanometern vorgesehen. Um zu verhindern, dass diese Lichtstrahlung und auch Lichtstrahlung kürzerer Wellenlängen auf den CCD-Bildsensor fällt und diesen übersteuert, wird die Lichtstrahlung in diesem Wellenlängenbereich durch das Langpassfilter unterdrückt und nur das Nachleuchten des Zwischenschirmes, das in diesem Beispiel im Wellenlängenbereich von 500 bis 600 Nanometern liegt, dem in diesem Wellenlängenbereich empfindlichen CCD-Bildsensor zugeführt.
Eine andere Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist gekennzeichnet durch ein im Strahlengang vor dem Zwischenschirm angeordnetes Langpassfilter zum Filtern des Bildes der Szene zum Abbilden auf dem Zwischenschirm und zum Zwischenspeichern eines Negativbildes des Bildes der Szene auf dem Zwischenschirm. Dazu wird der Zwischenschirm durch Einwirken einer Aufladestrahlung, vorzugsweise einer UV-haltigen Lichtstrahlung, wenigstens weitgehend vollflächig in einen nachleuchtenden Zustand überführt. Danach, vorzugsweise wenigstens nahezu unmittelbar zeitlich anschließend, wird das Bild der Szene auf dem Zwischenschirm abgebildet. Dabei wird das Bild der Szene zum Abbilden auf dem Zwischenschirm durch das im Strahlengang vor dem Zwischenschirm angeordnete Langpassfilter langpassgefiltert. Dies bewirkt, dass ein Negativbild des Bildes der Szene auf dem Zwischenschirm zwischengespeichert wird, da dort, wo von der Szene her Eigenstrahlung auf den Zwischenschirm fällt, auf diesem das Abklingen des Nachleuchtens entsprechend beschleunigt ist.
Das Einwirken der Aufladestrahlung auf den Zwischenschirm ist z.B. in dem bereits genannten, im Versuchsblatt „D 5.6.1.3 – Demonstrationsversuche Physik – Sekundarstufe 1“, herausgegeben von der Leybold Didactic GmbH in Hürth, beschriebenen Versuchsaufbau mit einem nachleuchtenden Schirm, dargestellt, wonach eine auch als Aufladung bezeichnete Anregung des Schirms zum langandauernden Aussenden von sichtbarem Licht größerer Wellenlänge (dort als Phosphoreszenz bezeichnet) durch kurzwellige Strahlung (z.B. Ultraviolettstrahlung; bevorzugt: sogenannte nahe Ultraviolettstrahlung) oder Tageslicht vorgenommen ist. Der Schirm wird dadurch bei diesem Versuch vollflächig in einen nachleuchtenden Zustand überführt. Weiter wird gemäß dieser Versuchsbeschreibung das Abklingen des Nachleuchtens des Schirms durch sich an das Aufladen zeitlich anschließendes Einwirken von Infrarotstrahlung auf den Schirm beschleunigt.
Zur Beschreibung der Aufnahme eines Negativbildes wird im Übrigen auf die vorstehende Erläuterung der entsprechenden Ausgestaltungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens Bezug genommen.
Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist der Zwischenschirm als Durchlichtschirm ausgebildet. Dabei ist die Eigenstrahlung des Bildes der aufzunehmenden Szene auf einer Vorderseite des Zwischenschirmes abgebildet, und das Nachleuchten des auf dem Zwischenschirm zwischengespeicherten Bildes wird zum Aufzeichnen der zeitlichen Folge von Einzelbildern mit der elektronischen Bildaufzeichnungseinrichtung von einer Rückseite des Zwischenschirmes her aufgenommen und abgebildet. Dadurch werden zwar hohe Anforderungen an die Transparenz und Verzerrungsfreiheit des Zwischenschirmes für durch diesen tretende Lichtstrahlung gestellt, jedoch vereinfacht sich das Einhalten der sogenannten Scheimpflugbedingung, da der Strahlengang einfach ist. Zur Erläuterung der Scheimpflugbedingung wird im übrigen auf die vorstehende Beschreibung der entsprechenden Fortbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens Bezug genommen.
Angewandt auf die vorbeschriebene Weiterbildung der erfindungsgemäßen Vorrichtung bedeutet dies, dass die aufzunehmende Szene, der Zwischenschirm und die elektronische Bildaufzeichnungseinrichtung bei Verwendung eines Durchlichtschirmes einfach in zueinander parallelen Ebenen ausrichtbar und bevorzugt in dieser Weise ausgerichtet sind, so dass die Scheimpflugbedingung einfach erfüllt ist.
Nach einer weiteren bevorzugten Fortbildung der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist der Zwischenschirm als Szintillationsschirm mit Lichtleiterbündel ausgebildet zum darauf Abbilden und Zwischenspeichern des Bildes der Szene und zum davon Abbilden der Einzelbilder des zwischengespeicherten Bildes auf der elektronischen Bildaufzeichnungseinrichtung durch das Lichtleiterbündel. Somit bildet das Lichtleiterbündel die zweite abbildende optische Einrichtung, kurz auch als „zweite abbildende Optik“ bezeichnet, was eine besonders einfache Handhabung der gemäß dieser Fortbildung ausgestalteten erfindungsgemäßen Vorrichtung beim Durchführen des erfindungsgemäßen Verfahrens insbesondere dadurch ermöglicht, dass der Szintillationsschirm mit dem Lichtleiterbündel direkt auf den CCD-Bildsensor, d.h. die elektronische Bildaufzeichnungseinrichtung, aufsetzbar gestaltet sein kann.
Nach einer anderen bevorzugten Fortbildung der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist der Zwischenschirm als eine auf der elektronischen Bildaufzeichnungseinrichtung angeordnete, insbesondere unmittelbar aufgetragene, Schicht mit einer lumineszierenden und zeitlich abklingend nachleuchtenden Substanz ausgebildet. Die lumineszierende Schicht, auch als lumineszierende Zwischenschicht bezeichnet, ist also unmittelbar auf dem CCD-Bildsensor aufgebracht und dazu ausgebildet, das Bild der Szene kurzzeitig zu speichern und das nachleuchtende und abklingende Bild in der zeitlichen Folge wohlkonditionierbarer Bilder mittels des CCD-Bildsensors, d.h. der CCD-Kamera, aufzunehmen. Auf diese Weise ist der Zwischenschirm als gesondertes Bauelement durch eine einfache Beschichtung der Oberfläche des CCD-Bildsensors mit der lumineszierenden und zeitlich abklingend nachleuchtenden Substanz ersetzt. Dadurch entfällt die zweite abbildende optische Einrichtung vollständig, was Konstruktion, Kosten und Handhabung der erfindungsgemäßen Vorrichtung weiter vereinfacht.
Gemäß einer noch anderen bevorzugten Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist der Zwischenschirm als Auflichtschirm ausgebildet. Dabei ist die Vorderseite des Zwischenschirmes zum darauf Abbilden des Bildes der Szene und auch zum wieder davon Aufnehmen des Nachleuchtens des auf dem Zwischenschirm zwischengespeicherten Bildes zwecks Aufzeichnen der zeitlichen Folge der Einzelbilder mit der elektronischen Bildaufzeichnungseinrichtung vorgesehen. Der Zwischenschirm muss dabei für das Nachleuchten nicht transparent sein und kann daher mit z.B. robusten Werkstoffen ausgebildet sein, deren optische Eigenschaften keine Bedeutung haben. Allerdings ist bei Ausgestaltung des Zwischenschirmes als Auflichtschirm eine leichte Schrägstellung der Bildbzw. Objektebene erforderlich, d.h. der Strahlengang für das Abbilden der Einzelbilder von dem auf dem Zwischenschirm zwischengespeicherten Bild auf der elektronischen Bildaufzeichnungseinrichtung muss eine von der Richtung, aus der die Eigenstrahlung des Bildes der Szene auf den Zwischenschirm fällt, abweichenden Richtung einnehmen, damit der Strahlengang zwischen der aufzunehmenden Szene und dem Zwischenschirm nicht durch die elektronische Bildaufzeichnungseinrichtung behindert wird. Somit muss bei der Ausgestaltung als Auflichtschirm besonderes Augenmerk auf die Einhaltung der oben beschriebenen Scheimpflugbedingung gerichtet werden. Insbesondere müsste die im vorstehenden beschriebene erste und zweite abbildende optische Einrichtung der Scheimpflugbedingung genügen.
Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung ist die erfindungsgemäße Vorrichtung gekennzeichnet durch einen teildurchlässigen Spiegel, der ausgebildet ist zum darüber Abbilden des Bildes der Szene in einem transmittierten Strahlengang auf dem Zwischenschirm und ferner zum dadurch Abbilden der Einzelbilder von dem auf dem Zwischenschirm zwischengespeicherten Bild in einem reflektierten Strahlengang auf der elektronischen Bildaufzeichnungseinrichtung. Das Bild der Szene wird bei dieser Weiterbildung über den teildurchlässigen Spiegel im transmittierten, d.h. den Spiegel durchdringenden Strahlengang auf dem Zwischenschirm abgebildet. Die Einzelbilder werden von dem auf dem Zwischenschirm zwischengespeicherten Bild durch den teildurchlässigen Spiegel im vom Spiegel reflektierten Strahlengang auf der elektronischen Bildaufzeichnungseinrichtung abgebildet. Der teildurchlässige Spiegel befindet sich somit sowohl im Strahlengang der Eigenstrahlung des Bildes der Szene zum Zwischenschirm, wobei der Zwischenschirm als Auflichtschirm ausgebildet ist, als auch im Strahlengang des nachleuchtenden Bildes vom Zwischenschirm zur elektronischen Bildaufzeichnungseinrichtung, und ist damit der beschriebenen ersten und der beschriebenen zweiten abbildenden optischen Einrichtung gemeinsam.
Durch die Weiterbildung mit dem teildurchlässigen Spiegel kann im Gegensatz zu einem direkten Abbilden von der Szene auf den Zwischenschirm und vom Zwischenschirm auf die elektronische Bildaufzeichnungseinrichtung der Strahlengang für das Abbilden vom Zwischenschirm auf die elektronische Bildaufzeichnungseinrichtung in derselben Richtung liegen wie der Strahlengang der Eigenstrahlung des Bildes der Szene, mit dem diese auf den Zwischenschirm fällt, da der Strahlengang zwischen dem Zwischenschirm und der elektronischen Bildaufzeichnungseinrichtung durch den Spiegel umgelenkt und damit der Strahlengang zwischen der aufzunehmenden Szene und dem Zwischenschirm nicht durch die elektronische Bildaufzeichnungseinrichtung behindert wird. Somit wird die Schrägstellung der Bild- bzw. Objektebene vermieden, und die oben beschriebene Scheimpflugbedingung ist sehr einfach einzuhalten.
Eine weitere bevorzugte Fortbildung der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist dadurch gekennzeichnet, dass der teildurchlässige Spiegel als dichroitischer Spiegel ausgebildet ist, dessen Grenzwellenlänge derart gewählt ist, dass das Bild der Szene wenigstens weitgehend auf den Zwischenschirm transmittiert wird und die Einzelbilder von dem auf dem Zwischenschirm zwischengespeicherten Bild wenigstens weitgehend auf die elektronische Bildaufzeichnungseinrichtung reflektiert werden. Dieser dichroitische Spiegel geeigneter Grenzwellenlänge ermöglicht eine sehr vorteilhafte Filterung, wie sie im vorstehenden als Kurzpassfilterung des Bildes der Szene zum Abbilden auf dem Zwischenschirm und als Langpassfilterung des auf dem Zwischenschirm zwischengespeicherten Bildes zum Abbilden auf und Aufzeichnen mit der elektronischen Bildaufzeichnungseinrichtung beschrieben ist. Die Grenzwellenlänge des dichroitischen Spiegels ist also zwischen dem Wellenlängenbereich, in den zumindest im wesentlichen das Bild der Szene fällt, und dem Wellenlängenbereich, in dem zumindest im wesentlichen das auf dem Zwischenschirm zwischengespeicherte Bild von diesem abgestrahlt wird, gewählt. Es werden in diesem Falle wesentlich verringerte Lichtverluste erzielt und dabei zugleich eine gute Trennung der Strahlung der unterschiedlichen Wellenlängenbereiche erhalten.
Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist der lumineszierende und zeitlich abklingend nachleuchtende Zwischenschirm mit einer Schicht aus Zinksulfid, insbesondere aus dotiertem Zinksulfid, ausgebildet ist. Wie dazu z.B. aus der Internet-Enzyklopädie "Wikipedia" – vgl. den Internetauftritt "http://de.wikipedia.org/wiki/Zinksulfid", Eintrag gelesen am 21.02.2013 um 13:15 Uhr – entnehmbar ist, zeigt mit Aluminium- und Kupferionen, alternativ mit Silberionen, dotiertes bzw. verunreinigtes Zinksulfid Lumineszenz und ist für Leuchtschirme und anderes anwendbar. Es eignet sich somit besonders für eine Verwendung mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung. In diesem Zusammenhang wird im übrigen Bezug genommen auf den im vorstehenden beschriebenen Versuchsaufbau mit einem nachleuchtenden Schirm, dort ebenfalls einem Zinksulfidschirm, im Versuchsblatt „D 5.6.1.3 – Demonstrationsversuche Physik – Sekundarstufe 1“, herausgegeben von der Leybold Didactic GmbH in Hürth.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt und werden im nachfolgenden näher beschrieben, wobei in den unterschiedlichen Figuren übereinstimmende Elemente mit identischen Bezugszeichen versehen sind. Es zeigen:
1 ein erstes Beispiel für eine erfindungsgemäße Vorrichtung mit einem als Durchlichtschirm ausgestalteten Zwischenschirm,
2 ein zweites Beispiel für eine erfindungsgemäße Vorrichtung mit einem als Auflichtschirm ausgestalteten Zwischenschirm und direkter Abbildung sowohl eines Bildes einer Szene auf dem Zwischenschirm als auch des Bildes vom Zwischenschirm auf einer elektronischen Bildaufzeichnungseinrichtung, und
3 ein drittes Beispiel für eine erfindungsgemäße Vorrichtung, ebenfalls mit einem als Auflichtschirm ausgestalteten Zwischenschirm und einem teildurchlässigen Spiegel im Strahlengang vor und nach dem Zwischenschirm.
Bevorzugte Ausführungsform der Erfindung
In 1 ist mit dem Bezugszeichen 100 ein erstes Ausführungsbeispiel einer Vorrichtung gemäß der Erfindung bezeichnet. Die Vorrichtung 100 umfasst bzw. besteht in der schematischen Darstellung der grundlegenden Anordnung nach 1 aus einer ersten abbildenden Optik 103, über welche ein Bild einer Szene 101 auf einem als Durchlichtschirm ausgebildeten, lumineszierenden Zwischenschirm 104, kurz auch als Lumineszenzschirm bezeichnet, abgebildet wird. Um von der Szene 101, bevorzugt einer sich verändernden, insbesondere einer schnell veränderlichen Szene 101 bzw. einem schnell ablaufenden Vorgang, der bzw. die darüber hinaus eine Eigenstrahlung, insbesondere eine Eigenstrahlung mit einer einen hohen Dynamikbereich umfassenden Intensität, aufweist, ein Abbild eines augenblicklichen Zustands, d.h. eine Momentaufnahme, zu erhalten, umfasst die Vorrichtung 100 einen mechanischen Verschluss 102, z.B. einen klassischen Kameraverschluss, eine Drehspiegelanordnung einer Drehspiegelkamera, oder dergleichen. Durch diesen mechanischen Verschluss 102 wird das Bild der Szene 101, welches auf dem Lumineszenzschirm 104 abgebildet wird, zum Erzeugen einer Momentaufnahme zeitlich begrenzt. Der Lumineszenzschirm 104 ist bevorzugt mit einer auf Glas aufgebrachten, lumineszierenden Schicht, insbesondere mit einer Schicht aus dotiertem Zinksulfid, ausgebildet.
Die Vorrichtung 100 nach 1 umfasst bzw. besteht weiterhin aus einer zweiten abbildenden Optik 105 und einem Kamerasensor 106, d.h. einem CCD-Bildsensor. Mit der zweiten abbildenden Optik 105 wird das auf dem Zwischenschirm 104 erzeugte und für eine Nachleuchtdauer des Zwischenschirmes 104 auf diesem zwischengespeicherte Bild mit zeitlich abklingender Intensität als eine zeitliche Folge von Einzelbildern auf dem Kamerasensor 106, der eine elektronische Bildaufzeichnungseinrichtung bildet, abgebildet und mit diesem aufgezeichnet; mit anderen Worten bildet die zweite abbildende Optik 105 den Schirm, d.h. den Zwischenschirm 104, und damit das kurz auch als Zwischenbild bezeichnete zwischengespeicherte Bild auf den Kamerasensor 106 ab.
Die Vorrichtung 100 nach 1 umfasst bzw. besteht schließlich aus einer Steuereinheit 107, auch kurz als Steuerung bezeichnet. Die Steuerung 107 konditioniert den Kamerasensor 106 bezüglich seiner Verstärkung und/oder Belichtungszeit und bewerkstelligt den sogenannten Bildeinzug während des sogenannten Auslesens des nachleuchtenden Schirmbildes, d.h. von der Steuerung 107 werden über Verbindungen 109 zum Kamerasensor 106 einerseits beim Aufzeichnen der zeitlichen Folge von Einzelbildern gewonnene elektronische Bilddaten vom Kamerasensor 106 an die Steuerung 107 zur Auswertung, d.h. zum Gewinnen des Gesamtbildes der Szene 101, d.h. des zusammengesetzten hochdynamischen Bildes, geleitet und andererseits im Kamerasensor 106 dessen Bildsignalverstärkung und/oder Belichtungszeit eingestellt sowie die zeitliche Folge beim Aufnehmen der Einzelbilder mit dem Kamerasensor 106 während des zeitlichen Abklingens der Intensität des Bildes auf dem Zwischenschirm 104 gesteuert. Der Kamerasensor 106 ermöglicht mit anderen Worten über die Steuerung 107 die Aufnahme der zeitlichen Folge von Bildern während der Abklingzeit des Schirmbildes und die Gewinnung eines zusammengesetzten hochdynamischen Bildes.
In 1 ist ferner mit dem Bezugszeichen 111 das sogenannte Primärbild bezeichnet, d.h. das auf dem lumineszierenden und zeitlich abklingend nachleuchtenden Zwischenschirm 104 abgebildete Bild der Szene 101, und mit dem Bezugszeichen 108 ist die Abbildung des Primärbildes 111 auf dem Kamerasensor 106, d.h. dem CCD-Bildsensor, bezeichnet, d.h. die zeitliche Folge von Einzelbildern.
In 2 ist mit dem Bezugszeichen 200 ein zweites Ausführungsbeispiel für eine erfindungsgemäße Vorrichtung dargestellt, die im Gegensatz zum Beispiel nach 1 mit einem als Auflichtschirm ausgestalteten Zwischenschirm 208 und direkter Abbildung sowohl des Bildes einer Szene 101 auf dem Zwischenschirm 208 als auch des Bildes vom Zwischenschirm 208 auf der elektronischen Bildaufzeichnungseinrichtung, d.h. dem Kamerasensor 106, ausgebildet ist. Das Primärbild auf dem Zwischenschirm 208 ist hier mit dem Bezugszeichen 211 bezeichnet.
Im Beispiel nach 2, bei dem der Zwischenschirm 208 als Auflichtschirm ausgebildet ist, muss eine in der grobschematischen Darstellung der Zeichnung nicht berücksichtigte leichte Schrägstellung der Bild- bzw. Objektebene vorgesehen werden, damit die abbildenden Optiken 103 und 105 beiderseits der Scheimpflugbedingung genügen.
Bei den Vorrichtungen 100 und 200 gemäß den 1 und 2 können in einer nicht dargestellten Abwandlung zusätzlich vor dem Schirm Kurzpassfilter und/oder nach dem Schirm Langpassfilter eingesetzt werden, d.h. insbesondere ein Kurzpassfilter in den Strahlengang zwischen dem Verschluss 102 und dem Zwischenschirm 208 und/oder ein Langpassfilter in den Strahlengang zwischen dem Zwischenschirm 208 und dem Kamerasensor 106. Bevorzugt werden, wie im vorstehenden beschrieben, sowohl ein Kurzpassfilter als auch ein Langpassfilter vorgesehen.
Eine weitere Variante der Vorrichtung 100 nach 1 ergibt sich durch Verwendung der aus der Röntgentechnik bekannten Szintillationsschirme mit Lichtleiterbündel, welche direkt auf den CCD-Sensor, d.h. den Kamerasensor 106, gesetzt werden können. In diesem Fall werden in der Vorrichtung 100 der Zwischenschirm 104 und die zweite abbildende Optik 105 durch den bezeichneten Szintillationsschirm ersetzt, der unmittelbar vor dem Kamerasensor 106 angebracht ist.
In 3 ist mit dem Bezugszeichen 300 ein drittes Ausführungsbeispiel für eine erfindungsgemäße Vorrichtung dargestellt, die wie das Beispiel nach 2 mit einem als Auflichtschirm ausgestalteten Zwischenschirm 208 ausgebildet ist. Gegenüber der Vorrichtung 200 nach 2 ist jedoch in den Strahlengang vom Bild der Szene 101 zum Zwischenschirm 208 ein teildurchlässiger Spiegel 309 eingesetzt. Der Strahlengang vom Bild der Szene 101 durch die erste abbildende Optik 103 und den teildurchlässigen Spiegel 309 zum Zwischenschirm 208 ist mit seiner optischen Achse senkrecht zur Oberfläche der Vorderseite des Zwischenschirmes 208 ausgerichtet. Dieser Strahlengang, der in 3 durch Pfeile 310 markiert ist, wird auch als transmittierter Strahlengang bezeichnet. In der Vorrichtung 300 nach 3 ist darüber hinaus auch der Strahlengang vom Zwischenschirm 208 zurück zum teildurchlässigen Spiegel 309 mit seiner optischen Achse senkrecht zur Oberfläche der Vorderseite des Zwischenschirmes 208 ausgerichtet. Dieser Strahlengang, in 3 durch Pfeile 312 gekennzeichnet, wird auch als reflektierter Strahlengang bezeichnet; er wird durch Reflektion am teildurchlässigen Spiegel 309 abgelenkt, und zwar in dem in 3 dargestellten Ausführungsbeispiel der Vorrichtung 300 um wenigstens nahezu 90°, d.h. die optische Achse des reflektierten Strahlengangs nach der Reflektion am teildurchlässigen Spiegel steht wenigstens nahezu im rechten Winkel zu der optischen Achse des reflektierten Strahlengangs vor der Reflektion am teildurchlässigen Spiegel. Sowohl die Objektebene an der Szene 101 als auch die Vorderseite des Zwischenschirms als Bildebene des Primärbildes auf dem Zwischenschirm 208, hier mit dem Bezugszeichen 311 bezeichnet, sowie die Bildebene der Abbildung 108 auf dem Kamerasensor 106 stehen senkrecht auf der zugehörigen optischen Achse. In diesem Ausführungsbeispiel der Vorrichtung 300, das als Weiterentwicklung des Ausführungsbeispiels 200 nach 2 betrachtet werden kann, wird somit das primäre Bild, d.h. das Primärbild 311, über den teildurchlässigen Spiegel 9 auf den Sensor, d.h. den Kamerasensor 106, abgebildet, wodurch die Schrägstellung der Bild- bzw. Objektebene vermieden wird, ohne dass der Kamerasensor 106 oder ein anderes Bauteil der Vorrichtung 300 einen der Strahlengänge behindern würde. Damit ist die Scheimpflugbedingung präzise erfüllt.
Eine sehr vorteilhafte Möglichkeit der Filterung ergibt sich bei Ersetzung des teildurchlässigen Spiegels 309 durch einen dichroitischen Spiegel geeigneter Grenzwellenlänge, d.h. als teildurchlässiger Spiegel 309 wird ein dichroitischer Spiegel verwendet, dessen Grenzwellenlänge derart gewählt wird, dass das Bild der Szene 101 wenigstens weitgehend auf den Zwischenschirm 208 transmittiert wird und die Einzelbilder von dem auf dem Zwischenschirm 208 zwischengespeicherten Bild – dem Primärbild 311 – wenigstens weitgehend auf die elektronische Bildaufzeichnungseinrichtung – den Kamerasensor 106 – reflektiert werden. Die Grenzwellenlänge des dichroitischen Spiegels 309 ist also zwischen dem Wellenlängenbereich, in den zumindest im wesentlichen das Bild der Szene 101 fällt, und dem Wellenlängenbereich, in dem zumindest im wesentlichen das auf dem Zwischenschirm 208 zwischengespeicherte Bild – das Primärbild 311 von diesem abgestrahlt wird, gewählt. Es kann in diesem Falle mit wesentlich geringerem Lichtverlust gearbeitet werden.
Eine Ausprägung, d.h. eine Konfiguration unter Benutzung erfindungsgemäßer Vorrichtungen, für eine klassische Drehspiegel-Kamera mit Einzelbildmodus erfordert dann für jedes Einzelbild, d.h. hier für jede von der Szene aufzunehmende Momentaufnahme, eine Anordnung gemäß der Erfindung, z.B. eine Anordnung gemäß 1 oder 2. Dabei wird der Verschluss von einem Drehspiegel und einer nachfolgenden Blende gebildet. Derartige Drehspiegelanordnungen bzw. Verschlüsse sind als solche bekannt und z.B. auf dem Internetauftritt „http://cordin.com/refrotmirror.html“ des Drehspiegel-Kamera-Herstellers Cordin, Eintrag gelesen am 29.01.2013 um 11:42 Uhr schematisch wiedergegeben.
Im Falle einer sog. Streak-Kamera, bei der in einer Richtung die Zeitachse und in der anderen Richtung ein 1-D-Bild, d.h. ein eindimensionales, streifenartiges Bild der Szene, insbesondere einer schnellveränderlichen Szene, aufgenommen wird, kann statt des chemischen Filmes in der klassischen Konstruktion erfindungsgemäß mit einem einzelnen Lumineszenzschirm, bevorzugt einem Zinksulfid-Schirm, gearbeitet werden.
Zusammengefasst schafft die Erfindung ein Verfahren sowie eine Vorrichtung zur elektronischen Aufnahme intensitätsmäßig hochdynmischer Einzelbilder, d.h. Momentaufnahmen einer Szene, die sich dadurch auszeichnen, dass

– das durch einen Verschluss zeitlich begrenzte Bild, d.h. die Momentaufnahme, auf einen lumineszierenden und nachleuchtenden Zwischenschirm abgebildet wird,
– das nachleuchtende und dabei abklingende Einzel-Bild, hierunter ist zu verstehen das auf dem Zwischenschirm erzeugte Bild, auch als Primärbild bezeichnet, von einem zweiten abbildenden System als zeitliche Folge von Bildern aufgenommen wird,
– dies direkt geschieht,
– oder in einer Weiterbildung dies über einen teildurchlässigen Spiegel geschieht,
– dieser Spiegel bevorzugt als dichroitischer Spiegel ausgeführt ist,
– die Aufnahme dieser Bilder an die aktuelle Intensität angepasst wird und
– aus der Bildfolge ein Gesamtbild hoher Dynamik gewonnen wird.

Bezugszeichenliste

100: Vorrichtung (1. Ausführungsbeispiel)
101: Szene
102: Verschluss
103: Erste abbildende Optik
104: Zwischenschirm, als Durchlichtschirm ausgebildet
105: Zweite abbildende Optik
106: Kamerasensor (CCD-Bildsensor)
107: Steuerung
108: Abbildung auf dem Kamerasensor (CCD-Bildsensor)
109: Verbindungen
111: Primärbild
200: Vorrichtung (2. Ausführungsbeispiel)
208: Zwischenschirm, als Auflichtschirm ausgebildet
211: Primärbild
300: Vorrichtung (3. Ausführungsbeispiel)
309: Teildurchlässiger Spiegel
310: Transmittierter Strahlengang
311: Primärbild
312: Reflektierter Strahlengang

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102012103524 A1 [0008, 0009, 0009, 0010, 0010, 0011]

Zitierte Nicht-Patentliteratur

„Experimentelle Untersuchungen von Einflussfaktoren auf die Selbstzündung von gasförmigen und flüssigen Brennstofffreistrahlen“, Dissertation von Christian Pfeifer, Karlsruher Institut für Technologie, Fakultät für Maschinenbau, erschienen 2010 als KIT Scientific Report Nr. KIT-SR 7555, ISSN 1869-9669, ISBN 978-3-86644-525.3 [0002]
http://en.wikipedia.org/wiki/High_dynamic_range_imaging [0019]
http://de.wikipedia.org/wiki/Tone_Mapping [0019]
ISO-Norm ISO 9211-1 [0029]
ISO9211-12010 [0029]
ISO-Norm ISO 9211-1 [0030]
ISO9211-12010 [0030]
http://de.wikipedia.org/wiki/Scheimpflugsche_Regel [0038]
http://de.wikipedia.org/wiki/Dichroitischer_Spiegel#Spiegel [0045]
ISO-Norm ISO 9211-1 [0053]
ISO9211-12010 [0053]
ISO-Norm ISO 9211-1 [0054]
ISO9211-12010 [0054]
http://de.wikipedia.org/wiki/Zinksulfid [0068]
http://cordin.com/refrotmirror.html [0083]

Claims

Verfahren zum Aufzeichnen eines Bildes einer Szene (101), die eine Eigenstrahlung, insbesondere eine Eigenstrahlung mit einer einen hohen Dynamikbereich umfassenden Intensität, aufweist, mit einer elektronischen Bildaufzeichnungseinrichtung (106), wobei • das Bild der Szene (101) auf einem lumineszierenden und zeitlich abklingend nachleuchtenden Zwischenschirm (104; 208) abgebildet und • dadurch ein Bild (111; 211; 311) mit zeitlich abklingender Intensität auf dem Zwischenschirm (104; 208) erzeugt und für eine Nachleuchtdauer zwischengespeichert wird, • von dem auf dem Zwischenschirm (104; 208) zwischengespeicherten Bild (111; 211; 311) eine zeitliche Folge von Einzelbildern auf der elektronischen Bildaufzeichnungseinrichtung (106) abgebildet (108) und mit dieser aufgezeichnet wird und • dabei die Einzelbilder gemäß der zeitlich abklingenden Intensität des Bildes (111; 211; 311) auf dem Zwischenschirm (104; 208) eine von Einzelbild zu Einzelbild gegeneinander abnehmende Intensität aufweisen, • aus wenigstens einigen der Einzelbilder Bildbereiche vorbestimmter Intensität ausgewählt und • durch Überlagern der aus den Einzelbildern ausgewählten Bildbereiche ein Gesamtbild der Szene (101) zusammengesetzt wird, das sowohl in dunklen als auch in hellen Flächen wiedergabegenau ist.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Bild der Szene (101) durch eine erste abbildende optische Einrichtung (103) auf dem Zwischenschirm (104; 208) abgebildet wird.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Einzelbilder von dem auf dem Zwischenschirm (104; 208) zwischengespeicherten Bild (111; 211; 311) durch eine zweite abbildende optische Einrichtung (105) auf der elektronischen Bildaufzeichnungseinrichtung (106) abgebildet werden.
Verfahren nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Bild der Szene (101) zum Abbilden auf dem Zwischenschirm (104; 208) kurzpassgefiltert wird.
Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass das auf dem Zwischenschirm (104; 208) zwischengespeicherte Bild (111; 211; 311) zum Abbilden auf und Aufzeichnen mit der elektronischen Bildaufzeichnungseinrichtung (106) langpassgefiltert wird.
Verfahren nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass • der Zwischenschirm (104; 208) durch Einwirken einer Aufladestrahlung, vorzugsweise einer UV-haltigen Lichtstrahlung, wenigstens weitgehend vollflächig in einen nachleuchtenden Zustand überführt wird, • danach, vorzugsweise wenigstens nahezu unmittelbar zeitlich anschließend, das Bild der Szene (101) auf dem Zwischenschirm (104; 208) abgebildet wird (111; 211; 311) und • dabei das Bild der Szene (101) zum Abbilden auf dem Zwischenschirm (104; 208) langpassgefiltert wird, • wodurch ein Negativbild des Bildes der Szene (101) auf dem Zwischenschirm (104; 208) zwischengespeichert wird.
Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass als Zwischenschirm (104) ein Durchlichtschirm verwendet wird.
Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass • als Zwischenschirm (104) ein Szintillationsschirm mit Lichtleiterbündel verwendet wird, • auf dem das Bild der Szene (101) abgebildet und zwischengespeichert (111) wird und • von dem die Einzelbilder des auf dem Zwischenschirm (104) zwischengespeicherten Bildes (111) durch das Lichtleiterbündel auf der elektronischen Bildaufzeichnungseinrichtung (106) abgebildet werden.
Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass als Zwischenschirm (104) eine auf der elektronischen Bildaufzeichnungseinrichtung (106) angeordnete, insbesondere unmittelbar aufgetragene, Schicht mit einer lumineszierenden und zeitlich abklingend nachleuchtenden Substanz verwendet wird.
Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass als Zwischenschirm (208) ein Auflichtschirm verwendet wird.
Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass • das Bild der Szene (101) über einen teildurchlässigen Spiegel (309) in einem transmittierten Strahlengang (310) auf dem Zwischenschirm (208) abgebildet (311) wird und • die Einzelbilder von dem auf dem Zwischenschirm (208) zwischengespeicherten Bild (311) ferner durch den teildurchlässigen Spiegel (309) in einem reflektierten Strahlengang (312) auf der elektronischen Bildaufzeichnungseinrichtung (106) abgebildet werden
Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass • als teildurchlässiger Spiegel (309) ein dichroitischer Spiegel verwendet wird, • dessen Grenzwellenlänge derart gewählt wird, dass • das Bild der Szene (101) wenigstens weitgehend auf den Zwischenschirm (208) transmittiert wird und • die Einzelbilder von dem auf dem Zwischenschirm (208) zwischengespeicherten Bild (311) wenigstens weitgehend auf die elektronische Bildaufzeichnungseinrichtung (106) reflektiert werden.
Verfahren nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das aufzuzeichnende Bild der Szene (101) ein Abbild eines augenblicklichen Zustands einer sich verändernden, insbesondere schnell veränderlichen, Szene (101) darstellt.
Vorrichtung zum Aufzeichnen eines Bildes einer Szene (101), die eine Eigenstrahlung, insbesondere eine Eigenstrahlung mit einer einen hohen Dynamikbereich umfassenden Intensität, aufweist, umfassend • einen lumineszierenden und zeitlich abklingend nachleuchtenden Zwischenschirm (104; 208) zum darauf Erzeugen und für eine Nachleuchtdauer Zwischenspeichern eines Bildes (111; 211; 311) mit zeitlich abklingender Intensität, • eine elektronische Bildaufzeichnungseinrichtung (106) • zum darauf Abbilden des auf dem Zwischenschirm (104; 208) zwischengespeicherten Bildes (111; 211; 311) und • zum Aufzeichnen einer zeitlichen Folge von Einzelbildern des auf dem Zwischenschirm (104; 208) zwischengespeicherten Bildes (111; 211; 311) • sowie eine Steuereinrichtung (107) • zum Steuern des Aufzeichnens der zeitlichen Folge der Einzelbilder, • zum Auswählen von Bildbereichen vorbestimmter Intensität aus wenigstens einigen der Einzelbilder, • zum Überlagern der aus den Einzelbildern ausgewählten Bildbereiche und • zum dadurch Zusammensetzen eines Gesamtbildes der Szene (101), das sowohl in dunklen als auch in hellen Flächen wiedergabegenau ist.
Vorrichtung nach Anspruch 14, gekennzeichnet durch eine erste abbildende optische Einrichtung (103) zum Abbilden des Bildes der Szene (101) auf dem Zwischenschirm (104; 208).
Vorrichtung nach Anspruch 14 oder 15, gekennzeichnet durch eine zweite abbildende optische Einrichtung (105) zum Abbilden der Einzelbilder von dem auf dem Zwischenschirm (104; 208) zwischengespeicherten Bild (111; 211; 311) auf der elektronischen Bildaufzeichnungseinrichtung (106).
Vorrichtung nach Anspruch 14, 15 oder 16, gekennzeichnet durch ein im Strahlengang vor dem Zwischenschirm (104; 208) angeordnetes Kurzpassfilter zum Filtern des Bildes der Szene (101) zum Abbilden auf dem Zwischenschirm (104; 208).
Vorrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 14 bis 17, gekennzeichnet durch ein im Strahlengang nach dem Zwischenschirm (104; 208) angeordnetes Langpassfilter zum Filtern des auf dem Zwischenschirm (104; 208) zwischengespeicherten Bildes (111; 211; 311) zum Abbilden auf der elektronischen Bildaufzeichnungseinrichtung (106).
Vorrichtung nach Anspruch 14, 15 oder 16, gekennzeichnet durch ein im Strahlengang vor dem Zwischenschirm (104; 208) angeordnetes Langpassfilter zum Filtern des Bildes der Szene (101) zum Abbilden auf dem Zwischenschirm (104; 208) und zum Zwischenspeichern eines Negativbildes des Bildes der Szene (101) auf dem Zwischenschirm (104; 208).
Vorrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 14 bis 19, dadurch gekennzeichnet, dass der Zwischenschirm (104) als Durchlichtschirm ausgebildet ist.
Vorrichtung nach Anspruch 20, dadurch gekennzeichnet, dass der Zwischenschirm (104) als Szintillationsschirm mit Lichtleiterbündel ausgebildet ist zum darauf Abbilden und Zwischenspeichern des Bildes der Szene (101) und zum davon Abbilden der Einzelbilder des zwischengespeicherten Bildes (111) durch das Lichtleiterbündel auf der elektronischen Bildaufzeichnungseinrichtung (106).
Vorrichtung nach Anspruch 20, dadurch gekennzeichnet, dass der Zwischenschirm (104) als eine auf der elektronischen Bildaufzeichnungseinrichtung (106) angeordnete, insbesondere unmittelbar aufgetragene, Schicht mit einer lumineszierenden und zeitlich abklingend nachleuchtenden Substanz ausgebildet ist.
Vorrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 14 bis 19, dadurch gekennzeichnet, dass der Zwischenschirm (208) als Auflichtschirm ausgebildet ist.
Vorrichtung nach Anspruch 23, gekennzeichnet durch • einen teildurchlässigen Spiegel (309), der ausgebildet ist • zum darüber Abbilden des Bildes der Szene (101) in einem transmittierten Strahlengang (310) auf dem Zwischenschirm (208) und ferner • zum dadurch Abbilden der Einzelbilder von dem auf dem Zwischenschirm (208) zwischengespeicherten Bild (311) in einem reflektierten Strahlengang (312) auf der elektronischen Bildaufzeichnungseinrichtung (106).
Vorrichtung nach Anspruch 24, dadurch gekennzeichnet, dass • der teildurchlässige Spiegel (309) als dichroitischer Spiegel ausgebildet ist, • dessen Grenzwellenlänge derart gewählt ist, dass • das Bild der Szene (101) wenigstens weitgehend auf den Zwischenschirm (208) transmittiert wird und • die Einzelbilder von dem auf dem Zwischenschirm (208) zwischengespeicherten Bild (311) wenigstens weitgehend auf die elektronische Bildaufzeichnungseinrichtung (106) reflektiert werden.
Vorrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 14 bis 25, dadurch gekennzeichnet, dass der lumineszierende und zeitlich abklingend nachleuchtende Zwischenschirm (104; 208) mit einer Schicht aus Zinksulfid, insbesondere aus dotiertem Zinksulfid, ausgebildet ist.