DE10228882A1

DE10228882A1 - Verfahren und Vorrichtung zur Kalibrierung von hochgenauen photosensitiven Sensoren

Info

Publication number: DE10228882A1
Application number: DE10228882A
Authority: DE
Inventors: Hans Dr. Driescher; Andreas Eckardt; Michael Greiner-Bär; Ute Grote
Original assignee: Deutsches Zentrum fuer Luft und Raumfahrt eV
Current assignee: Deutsches Zentrum fuer Luft und Raumfahrt eV
Priority date: 2002-06-27
Filing date: 2002-06-27
Publication date: 2004-02-19

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung (1) zur Kalibrierung von hochgenauen photosensitiven Sensoren (2), umfassend eine Fokalebenengrundplatte (3), auf der mindestens ein photosensitiver Sensor (2) anordenbar ist, wobei die Fokalebenengrundplatte (3) mindestens eine Einrichtung zur Aufnahme des photosensitiven Sensors (2) aufweist, in der der photosensitive Sensor (2) in mindestens zwei Freiheitsgraden über mindestens eine Stelleinrichtung (5, 6) bewegbar ist, eine Einrichtung (10) zur Erzeugung einer Teststruktur, ein Objektiv (9) und mindestens eine Auswerteelektronik (13) zur Abtastung des photosensitiven Sensors (2), wobei die Einrichtung (10) zur Erzeugung einer Teststruktur, das Objektiv (9) und die Fokalebenengrundplatte (3) mechanisch reproduzierbar zueinander angeordnet sind und über die Stelleinrichtung (5, 6) der photosensitive Sensor (2) derart bewegbar ist, bis über die Auswerteelektronik (13) eine scharfe Abbildung der Teststruktur erfassbar und anschließend fixierbar ist.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Kalibrierung von hochgenauen photosensitiven Sensoren.
Aus der DE 198 38 362 C1 ist eine Fokalebenenplatte für eine hochauflösende CCD-Kamera bekannt, bestehend aus einem elektrisch nichtleitenden Material, wobei die Oberseite der Fokalebenenplatte an den Anordnungsstellen der CCD-Bauelemente mit quaderförmigen Inseln ausgebildet ist, die der jeweiligen Gehäuseform der CCD-Bauelemente anpassbar ist. Dabei werden die CCD-Bauelemente auf die Inseln der Fokalebenenplatte aufgebracht und mit einer wohldefinierten Teststruktur bestrahlt. Anschließend werden die lokalen Unebenheiten ausgewertet und die CCD-Bauelemente ausgebaut. Danach wird die Oberfläche durch materialabtragende Verfahrensschritte derart behandelt, dass die Pixel der CCD-Bauelemente im eingebauten Zustand näherungsweise in einer Ebene liegen. Nachteilig an dem bekannten Verfahren ist, dass die Justage für einen industriellen Fertigungsprozess zu aufwendig ist, sodass deren Anwendung hauptsächlich auf hochpreisige optische Spezialinstrumente, wie beispielsweise Luftbildkameras, beschränkt bleibt.
Der Erfindung liegt daher das technische Problem zugrunde, ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Kalibration von hochgenauen photosensitiven Sensoren zu schaffen, mittels derer eine Subpixel genaue Kalibration bei hohem Fertigungsdurchsatz erreichbar ist.
Die Lösung des technischen Problems ergibt sich durch die Gegenstände mit den Merkmalen der Patentansprüche 1 und 7. Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.
Hierzu umfasst die Vorrichtung eine Fokalebenengrundplatte mit mindestens eine Einrichtung zur Aufnahme des photosensitiven Sensors, wobei der Sensor in der Aufnahme in mindestens zwei Freiheitsgraden über mindestens eine Stelleinrichtung bewegbar ist, eine Einrichtung zur Erzeugung einer Teststruktur, ein Objektiv und eine Auswerteelektronik zur Abtastung der photosensitiven Sensoren, wobei die Einrichtung zur Erzeugung der Teststruktur, das Objektiv und die Fokalebenengrundplatte mechanisch reproduzierbar zueinander angeordnet sind und der in der Aufnahme der Fokalebenengrundplatte eingesetzte Sensor über die Stelleinrichtung derart bewegbar ist, bis mittels der Auswerteelektronik eine scharte Abbildung erfassbar ist und der Sensor in dieser Position zur Fokalebenengrundplatte fixierbar ist. Der Vorteil einer derartigen Vorrichtung bzw. eines derartigen Verfahrens ist die leichte Automatisierbarkeit, ohne den Sensor aus der Aufnahme entfernen zu müsssen. Ein weiterer Vorteil ist die Möglichkeit zur Kalibrierung mehrerer Sensoren in der Fokalebenengrundplatte, wobei die Genauigkeiten kleiner/gleich einem halben Pixel des Sensors sind.
In einer bevorzugten Ausführungsform wird der photosensitive Sensor nach Erfassung der kalibrierten Position durch Verklebung in der Aufnahme fixiert.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist der Sensor in der Aufnahme in allen drei translatorischen Freiheitsgraden bewegbar, wobei weiter vorzugsweise auch Bewegungen entlang mindestens eines rotatorischen Freiheitsgrades vorgesehen sind.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform wird als Objektiv bereits das Objektiv des optischen Instrumentes verwendet, in dem der Sensor eingesetzt werden soll. Der Vorteil dieser Anordnung ist, dass alle Toleranzketten aufgehoben sind und das Gesamtsystem des optischen Instrumentes kalibriert wird. Ein weiterer Vorteil ist, dass dieses Verfahren den Sensor selbst als Detektor für die MTF des Gesamtsystems benutzt und somit etwaige geometrische Fehlkalibrierungen vermieden werden.
Auch Fernfeldkalibrationen des Sensors sind sehr einfach möglich, indem zwischen der Einrichtung der Feststruktur und dem Objektiv ein Kollimator reproduzierbar angeordnet wird. Dies ermöglicht die Kalibrierung von Applikationen, die eine Abbildung in das Unendliche bedingen, da mit dem Verfahren die gesamte MTF des optischen Systems gemessen wird.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand eines bevorzugten Ausführungsbeispiels näher erläutert. Die einzige Figur zeigt ein schematisches Blockschaltbild einer Vorrichtung zur Kalibration von hochgenauen photosensitiven Sensoren.
Die Vorrichtung 1 zur Kalibration mindestens eines hochgenauen photosensitiven Sensors 2 umfasst eine Fokalebenengrundplatte 3 mit einer Einrichtung zur Aufnahme des photosensitiven Sensors 2, wobei die Aufnahme beispielsweise ein quaderförmiger oder zylindrischer Durchbruch in der Fokalebenengrundplatte 3 ist, innerhalb derer der Sensor 2 in allen drei translatorischen Freiheitsgraden bewegbar ist. Der Sensor 2 ist durch eine Einrichtung 4 in einer Position innerhalb der Aufnahme haltbar, wobei die Einrichtung 4 durch mindestens zwei lineare Stelleinrichtungen 5, 6 translatorisch verschiebbar ist, wobei die Stelleinrichtungen 5, 6 auf einer Befestigung 7 gelagert sind, wobei vorzugsweise der Sensor 2 noch durch eine dritte nicht dargestellte Stelleinrichtung entlang des dritten translatorischen Freiheitsgrades verschiebbar ist. Des weiteren umfasst die Vorrichtung 1 ein Gehäuse 8, in dem die Fokalebenengrundplatte 3 und ein Objektiv 9 mechanisch reproduzierbar eingebunden sind, wobei vorzugsweise Gehäuse 8 und Objektiv 9 Bestandteil des optischen Instrumentes sind, in dem der Sensor 2 bzw. die Fokalebenengrundplatte 3 eingesetzt werden sollen. Beispielsweise ist das optische Instrument ein Film-Scanner. Des weiteren umfasst die Vorrichtung 1 eine Einrichtung 10 zur Erzeugung einer Teststruktur, die mit parallelem Licht 11 bestrahlbar ist, wobei die Einrichtung 10 über eine mechanische Verbindung 12 mechanisch reproduzierbar mit dem Gehäuse 8 und damit mit dem Objektiv 9 und der Fokalebenengrundplatte 3 verbunden ist. Die Einrichtung 10 zur Erzeugung der Teststruktur wird vorzugsweise mittels eines photolithografischen Verfahrens hergestellt. Der Sensor 2 ist mit zwei Auswerteelektroniken 13 über Verbindungsleitungen 14 verbunden, mittels derer der Sensor 2 abgetastet werden kann.
Zur Kalibration wird das optische Instrument über die mechanische Verbindung 12 mit der Einrichtung 10 gekoppelt, wobei die mechanische Verbindung 12 vorzugsweise als Kugel-Lager-Prismen-System ausgebildet ist. Die Teststruktur wird auf dem Sensor 2 abgebildet und über die Auswerteelektroniken 13 ausgelesen. Mittels der Stelleinrichtungen 5, 6 bzw. der weiteren nicht dargestellten Stelleinrichtung wird nun der Sensor 2 translatorisch verschoben, bis die Auswerteelektroniken 13 eine optimale Abbildung der Teststruktur erfassen. Dabei kommen vorzugsweise piezoelektrische Stelleinrichtungen zur Anwendung, mittels derer Stellbewegungen im Bereich von 10^–6 m durchführbar sind. Die Stelleinrichtungen positionieren über die Einrichtung 4 den Sensor 2 in die optimale Lage auf Genauigkeiten, die ausschließlich von der Teststruktur, dem Objektiv 9 und der Pixelgröße des Sensors 2 selbst vorgegeben sind. Anschließend wird der Sensor 2 durch einen geeigneten Klebstoff fixiert bei gleichzeitiger Arretierung durch die Einrichtung 4 bzw. die Befestigung 7 bis zur Aushärtung des Klebstoffes.

Claims

Verfahren zur Kalibrierung von hochgenauen photosensitiven Sensoren (2) mittels einer Fokalebenengrundplatte (3), auf der mindestens ein photosensitiver Sensor (2) mechanisch befestigt wird, wobei die Fokalebenengrundplatte (3) mindestens eine Einrichtung zur Aufnahme des photosensitiven Sensors (2) aufweist, in der der photosensitive Sensor (2) in mindestens zwei Freiheitsgraden über mindestens eine Stelleinrichtung (5, 6) bewegbar ist, einer Einrichtung (10) zur Erzeugung einer Teststruktur, eines Objektivs (9) und mindestens einer Auswerteelektronik (13) zur Abtastung der photosensitiven Sensoren (2), umfassend folgende Verfahrensschritte: a) Aufbauen einer mechanischen, reproduzierbaren Verbindung (12) zwischen der Einrichtung (10) zur Erzeugung der Teststruktur, dem Objektiv (9) und der Fokalebenengrundplatte (3); b) Einsetzen des photosensitiven Sensors (2) in die Fokalebenengrundplatte (3), c) Bewegen des photosensitiven Sensors (2) in der Aufnahme der Fokalebenengrundplatte (3) durch die Stelleinrichtung (5, 6), bis mittels der Auswerteelektronik (13) eine scharfe Abbildung der Teststruktur erfasst wird; d) Fixieren des photosensitiven Sensors (2) zur Fokalebenengrundplatte (3).
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der photosensitive Sensor (2) in der kalibrierten Position mit der Fokalebenengrundplatte (3) verklebt wird.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Stelleinrichtung (5, 6) den photosensitiven Sensor (2) in den drei translatorischen Freiheitsgraden bewegt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass mittels der Stelleinrichtung (5, 6) der photosensitive Sensor (2) in mindestens einem rotatorischen Freiheitsgrad bewegbar ist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Fokalebenengrundplatte (3) mit dem photosensitiven Sensor (2) mit dem Objektiv (9) des optischen Instrumentes kalibriert wird, in dem der photosensitive Sensor (2) eingesetzt wird.
Verfahren nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass für Fernfeldkalibrationen zwischen der Teststruktur und dem Objektiv (9) ein Kollimator mechanisch reproduzierbar angeordnet wird.
Vorrichtung (1) zur Kalibrierung von hochgenauen photosensitiven Sensoren (2), umfassend eine Fokalebenengrundplatte (3), auf der mindestens ein photosensitiver Sensor (2) anordenbar ist, wobei die Fokalebenengrundplatte (3) mindestens eine Einrichtung zur Aufnahme des photosensitiven Sensors (2) aufweist, in der der photosensitive Sensor (2) in mindestens zwei Freiheitsgraden über mindestens eine Stelleinrichtung (5, 6) bewegbar ist, eine Einrichtung (10) zur Erzeugung einer Teststruktur, ein Objektiv (9) und mindestens eine Auswerteelektronik (13) zur Abtastung des photosensitiven Sensors (2), wobei die Einrichtung (10) zur Erzeugung einer Teststruktur, das Objektiv (9) und die Fokalebenengrundplatte (3) mechanisch reproduzierbar zueinander angeordnet sind und über die Stelleinrichtung (5, 6) der photosensitive Sensor (2) derart bewegbar ist, bis über die Auswerteelektronik (13) eine scharfe Abbildung der Teststruktur erfassbar ist und anschließend fixierbar ist.
Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Stelleinrichtung (5, 6) als piezoelektrische Stelleinrichtung ausgebildet ist.
Vorrichtung nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Stelleinrichtung (5, 6) eine Klebevorrichtung zur Fixierung des photosensitiven Sensors (2) zugeordnet ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 7 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Stelleinrichtungen (5, 6) drei lineare piezoelektrische Stelleinrichtungen zur Bewegung in den drei translatorischen Freiheitsgraden des photosensitiven Sensors (2) umfassen.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 7 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass mittels der Stelleinrichtungen (5, 6) der photosensitiven Sensor (2) in mindestens einem rotatorischen Freiheitsgrad bewegbar ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 7 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass das Objektiv (9) Bestandteil des optischen Instrumentes ist, in dem der photosensitive Sensor (2) eingebaut wird.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 7 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass zur Fernfeldkalibration zwischen der Teststruktur und dem Objektiv (9) ein Kollimator mechanisch reproduzierbar angeordnet ist.