DE19502045C2 - Vorrichtung zur Kompensation von Bildverwaschungen - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur realitätsgetreuen Abbildung gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.

Aus der Sportfotografie ist bekannt, daß man die Kamera mitschwenken muß, wenn man z. B. einen Läufer scharf abbilden will; ansonsten erhält man ein "unscharfes" oder verschmiertes Bild.

Das gleiche Problem tritt auf, z. B. bei optoelektronischen Fernerkundungs­ systemen, die von Satelliten oder Flugzeugen aus eingesetzt werden. Während der Belichtungszeit bzw. Integrationszeit für z. B. ein bestimmtes Planquadrat auf der Erdoberfläche ergibt sich eine Verschiebung des aufzunehmenden Plan­ quadrates bezüglich der im fliegenden Objekt angeordneten Empfängereinrich­ tung, der Kamera. Dieser Effekt führt dann bei derartigen Aufnahmen ebenfalls zu einer mehr oder weniger starken Verwaschung der aufgenommenen Bilder.

Aus der Praxis ist bekannt, daß eine Lösung zur Überwindung dieser Schwierigkeit, das Nachführen der gesamten Kamera an sich ist. Diese Verschiebe- oder Schwenkbewegung ist zwar exakt möglich aber technisch außerordentlich aufwendig und behindert insbesondere eine Aufnahme­ sequenz mit hoher Frequenz, da die Massenträgheit der Gesamtkamera doch relativ groß ist. Aus der DE 34 32 252 C2 ist ein Meßmikroskop bekannt, bei dem der Objektträger, also das abzubildende Objekt mit dessen Unterlagen piezoelektrisch verstellt werden kann. Eine derartige Möglichkeit ist natürlich bei Erdaufnahmen nicht gegeben.

Aus der DE 40 32 193 C2 ist bekannt, einen Spiegel bzw. die Blende einer hochauflösenden Kamera mit CCD Bildsensoren piezogesteuert zu verschie­ ben. Hierbei ergibt sich das Problem, daß die Strahlenumlenkung zu einer Ver­ schiebung des Fokuspunktes führen kann und damit der Verwaschungs­ effekt oder eine realitätsfremde Abbildung auf den Aufnahmen festzustellen ist.

Aus der DE 42 00 961 A1 wiederum ist eine piezogesteuerte Vorrichtung bekannt, um CCD-Bildsensoren relativ zu einer Rasterplatte und einem realen Bild zu positionieren.

Ein Piezostellantrieb ist ebenfalls bei der Spiegelverstellung eines Ringlasers bekannt, der auch mit hoher Frequenz verstellt werden kann (DE 34 12 016 C2).

Aus der US-PS 5,130,729 ist eine Vorrichtung zur Vermeidung von Bild­ verwaschungen bei Kameras aufgrund von Vibrationen bekannt, bei der die Beschleunigung des Systems aufgrund der Vibration mittels eines Sensors erfaßt wird. Das Ausgangssignal des Sensors steuert einen spannungs­ gesteuerten Oszillator (VCO) an, dessen Frequenzänderung einen Ultraschall- Motor das optische System entgegen der Vibration zurückführen läßt. Die Vibrationen entstehen dadurch, daß der Benutzer der Kamera zittert oder auf einem schwankenden Untergrund wie einem Boot steht. Da die Bewegungen nicht vorherbestimmbar sind, ist die Vorrichtung als Regelkreis ausgebildet. Nachteilig an der bekannten Vorrichtung ist deren Beschränkung auf relativ langsame Änderungen bzw. Bewegungen zwischen dem optischen System und dem aufzunehmenden Objekt. Insbesondere bei Aufnahmen aus einem sehr schnell fliegendem Flugzeug oder gar einem Satelliten treten so große Relativgeschwindigkeiten auf, daß eine derartige Regelung zu träge ist.

Letztlich ist aus der US-PS 4 908 705 für ein tieffliegendes schnelles Flugzeug eine gattungsbildende Vorrichtung und ein Verfahren zur Kompensation der Bildverwaschung insbesondere bei CCD-Zeilen bekannt, bei der während der Belichtung oder einer einstellbaren Integrationszeit die CCD-Sensoren dem von der Fokussiereinrichtung erzeugten Bild nachgeführt werden. Dabei werden die CCD-Sensoren von einem Elektro-Getriebemotor auf einer zweibahnigen Gleit­ führung hin und her bewegt. Problematisch ist es, bei der angestrebten hohen Frequenz von 400 bis 2000 Hz den Schlitten exakt zu führen, Verschleiß zu vermeiden, den Stick-Slip-Effekt zu überwinden und die jeweilige Position des Sensors zu ermitteln und mit der Bildverschiebung zu koordinieren.

Der Erfindung liegt daher das technische Problem zugrunde, eine Vorrichtung zur realitätsgetreuen Abbildung sich relativ zur Vorrichtung mit hoher, aber vorherbestimmbarer Geschwindigkeit bewegender Objekte bei schneller Bild­ folge zu schaffen, mit der eine verbesserte Kompensation der Relativbe­ wegung zwischen dem aufnehmenden Gerät, z. B. einer Kamera und dem aufzunehmenden Objekt, z. B. der sich schnell drehenden Erde mit möglichst einfachen Mitteln korrigiert oder kompensiert wird.

Die Lösung des technischen Problems ergibt sich durch die Merkmale des Patentanspruchs 1. Durch die Ausbildung der Empfangseinrichtung mit einer Platte, die auf als Federn ausgebildeten Schwingelementen angeordnet sind, die im statischen Zustand die Platte parallel zum optischen Element halten und von einer elektronischen Stelleinrichtung mit einem piezoelektrischen Stellelement bewegbar ist, erfolgt eine steuernde Bewegung der Empfangseinrichtung ent­ sprechend der Relativbewegung des Objektes. Da sich die Empfangseinrich­ tung aufgrund der Federkräfte selbständig ohne zusätzliche Steuerung oder Regelung wieder in die Ausgangslage zurückbewegt, kann eine sehr schnelle Bildfolge verarbeitet werden. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Untersprüchen erfaßt.

Dabei unterstellt die Erfindung zunächst folgendes Fachwissen, das am Bei­ spiel einer fliegenden Kamera erläutert wird. Quantitativ ist die Verwaschung auf der Aufnahme als Verhältnis von dt/DT darstellbar. Hierbei sind:
dt = Integrationszeit oder Belichtungszeit;
DT = Zeit zwischen zwei nacheinander stattfindenden Belichtungen oder Aufnahmen, allgemeiner Registrierungen von Strahlungsemissionen.

Bei einer gegebenen Flughöhe und vordefinierter Fluggeschwindigkeit bei Aufnahmen der Erdoberfläche überstreicht die an Bord befindliche Kamera einen berechenbaren Streifen auf der Erdoberfläche (Betrag der Projektion der Kamerageschwindigkeit). In diesem Fall wählt man DT so, daß sich die Projektion quadratischer Bildelemente aneinander reiht. Um die Bildverwaschung möglichst gering zu halten, muß noch weitere Bedingung erfüllt sein, nämlich dt/DT wesentlich kleiner 1, d. h. die Belichtungszeit muß sehr klein gegenüber dem Abstand zwischen zwei Belichtungen sein.

Bei vielen wissenschaftlichen Aufgaben im Rahmen der Fernerkundung ist jedoch die freie Wahl dieser Parameter sehr eingeschränkt. Die Flughöhe und die Fluggeschwindigkeit werden oft durch die Satellitenbahn oder die Ein­ satzmöglichkeiten eines Flugzeuges bestimmt. Brennweite und Belichtungszeit für die Kamera ergeben sich in Regel aus der wissenschaftlichen Aufgaben­ stellung. Die Seitenlänge eines beispielsweise quadratischen Bildträgers, z. B. eines Sensorelementes einer CCD-Kamera ist in der Regel ebenfalls technisch vorgegeben. Aus diesen Gründen ist für verschiedene Aufgabenstellungen damit die zuvor genannte Bedingung dt/DT wesentlich kleiner 1 nicht einzu­ halten. Diese Schwierigkeit ist für sich den Herstellern von Kameras bekannt und hat zu den zuvor geschilderten Lösungen geführt. Die im folgenden darzu­ stellende Lösung beschränkt sich jedoch nicht auf das Problem der geschilder­ ten (Fernerkundungs-)Kamera, sondern umfaßt weitere Lösungen für die täg­ liche Praxis beispielsweise bei der Überwachung von Massenteilen auf be­ stimmte Qualitätsmerkmale wie Form und Farbe. Auch hier ist eine Qualitäts­ überwachung z. B. eines auf Bändern laufenden gestanzten Werkstückes nur möglich, wenn eine verwaschungsfrei Aufnahme erzielt wird, die mit einer vorgegebenen Aufnahme vergleichbar ist.

Weitere ähnliche Problemstellungen ergeben sich aus Belichtungsproblemen mit Falschfarben, -filmen oder Infrarotfilmen, beispielsweise bei der Vege­ tationsüberwachung, wo eine Verwaschung der Aufnahmen ein Nachvoll­ ziehen der geometrischen Verhältnisse auf der Erdoberfläche verhindert.

Bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist daher vorgesehen, daß die Bild­ ebene der Fokalebene gegenüber der, für den Strahlungsempfang ausgelegten, Optik beweglich ausgeführt wird und diese Bewegung elektronisch gesteuert wird. Die realitätsgetreue Abbildung von zur Vorrichtung nach Betrag und Richtung mit vordefinierter Geschwindigkeit relativ bewegte Objekte läßt sich dadurch erzielen, daß eine ein optisches Element zum Empfang für vom Objekt stammende Strahlung mit einer nachgeordneten Fokussiereinrichtung und eine in der Fo­ kalebene angeordneten Empfangseinrichtung zur Erfassung von Abbildungen hoher Frequenz, diese Empfangseinrichtung während der Erfassungsdauer bzw. Belichtungszeit relativ zur Fokussiereinrichtung mit zum Objekt annäh­ ernd reziproker Geschwindigkeit mittels einer elektronischen Stelleinrichtung bewegt wird. Die Bewegungsrichtung der Empfangseinrichtung hängt von der Wirkung der Fokussiereinrichtung und/oder weiteren, den Strahlungsgang ändernden Einrichtungen ab, d. h. die Empfangseinrichtung kann sich in Richtung der realen Kamerabewegung oder entgegengesetzt bewegen.

Eine derartige elektronische Stelleinrichtung sollte als piezoelektrisches Stell­ element ausgebildet sein, welches für hohe Aufnahmefrequenzen entsprechend elektronisch angesteuert werden kann, um die Bewegung der Empfangseinrichtung auszulösen.

Die Empfangseinrichtung selbst umfaßt primär eine Platte, auf der beispiels­ weise CCD-Sensoren oder CCD-Zeilen aber auch ein belichtungsempfindliches Filmmaterial angeordnet ist, welche vorzugsweise auf zwei zueinander parallel angeordneten, beweglichen Schwingelementen, beispielsweise zwei dünnen Biegefedern angeordnet ist. Derartige Biegefedern sind an dem Kameragehäuse statisch relativ genau zu dem Strahlungsempfänger und dem Objektiv ausricht­ bar, so daß eine Anregung der Empfangseinrichtung in definierter Richtung um einen definierten Betrag in definierter Geschwindigkeit rechentechnisch erfaßt werden kann.

Für die rechentechnische Auswertung und die anschließende Anregung des piezoelektrischen Stellelementes ist eine elektronische Baugruppe vorgesehen, die den Zeitpunkt, den Betrag und die Dauer der Verstellung der Empfangs­ einrichtung berechnet und vorgibt.

Das Steuerungssystem z. B. für eine Fernerkundungskamera mit den genannten piezoelektrischen Stellelementen beruht auf einem definierten Verfahren zur Kompensation der Bildverwaschung bei Aufnahmen von einem relativ zur Kamera bewegten Objekt und setzt folgende Verfahrensschritte voraus:

• - zunächst ist der Belichtungsbeginn für die diskrete Aufnahme festzustellen;
• - zudem muß die Stellung der Empfangseinrichtung relativ zu dem Objektiv in möglichst exakter Weise vorgenommen werden, wobei aus vorhergehenden Anregungen der Empfangseinrichtung ein Versatz vorkommen kann oder durch Temperaturschwankungen könnten sich die für die Kamera vorgesehen Biegefedern zu einer Seite geneigt haben; all dies ist mit Hilfe des Vergleichs von Soll- zu Istwerten festzustellen, so daß man zu dem genauen Lagepunkt der Empfangseinrichtung gelangt.
• - Weiterhin ist festzustellen, welche Belichtungszeit einzustellen ist, was als Vorgabe für die zu lösende wissenschaftliche Aufgabe leicht über ein Programm eingebbar ist und schließlich ist aus den angegebenen Werten eine Verstellung nach Zeitpunkt, Betrag und Dauer zu ermitteln und in ein elektronisches Signal zu wandeln, mit dem schließlich die piezoelektrische Stelleinrichtung beaufschlagt wird zur Auslenkung der Position der Empfangseinrichtung.

An Hand eines Ausführungsbeispieles soll die Erfindung näher erläutert werden, ohne daß sie auf diese konkrete Anwendungsform beschränkt sein soll. Es zeigen:

Fig. 1 den prinzipiellen Aufbau der erfindungsgemäßen Vorrichtung;

Fig. 2 eine elektronische Baugruppe zur Anwendung bei der Vorrichtung gemäß Fig. 1.

Gemäß Fig. 1 wird ein biegesteifer Grundrahmen 1 über Justierelemente 2 mit einer Optikfassung 3 verbunden. Ein Fotoobjektiv 4 ist in die Optikfassung einge­ schraubt. Eine Empfangseinrichtung oder Fokalebenenträgerplatte 5 mit opto­ elektronischen Bauelementen 6, beispielsweise CCD-Zeilen, ist über Biegefeder­ elemente 7 mit dem Grundrahmen 1 verbunden. Ein piezoelektrisches Stellele­ ment 8 ist über ein hin- und herbewegliches Stellglied 9 mit der Fokalebenen­ trägerplatte 5 verbunden. Bei Bewegung der Kamera in Richtung R1 gelangt durch eine Optik oder einen Filter 10 eine Strahlung S1 vom Objekt via Foto­ objektiv 4 als Strahlengang S2 zur Abbildungsebene bzw. zu den optoelektro­ nischen Bauelementen 6 und es wurde unterstellt, daß bei Bewegung der Kame­ ra in Richtung R1 und entsprechender einfallender Strahlung S1 die Abbildung auf den Elementen 6 sich auf Grund der Art des Objektives 4 in Richtung R2 verschiebt und eine entsprechende Bildverwaschung entsteht. Aus diesem Grun­ de ist bei Bewegung der Kamera in Richtung R1 während der Belichtungszeit eine Kraftübertragung vom piezoelektrischen Stellelement über das bewegliche Glied 9 auf die Fokalebenenträgerplatte 5 möglich und damit eine Stellbewegung gegen die Kraft der Biegefederelemente 7, welche die Fokalebenenträgerplatte in einer Ausgangsposition festhalten. Durch Bewegung der Biegefederelemente 7 läßt sich eine Relativbewegung zwischen den optoelektronischen Bauelementen 6, die mit der Fokalebenenträgerplatte 5 starr verbunden sind und dem Foto­ objektiv 4 erzeugen. Entsprechend der Auslenkung des Strahlenganges während der Kamerabewegung wird somit das die Abbildung aufnehmende Element entsprechend verschoben, so daß keine Verwaschung entstehen kann.

Die erforderliche Elektronik für die Realisierung der vom piezoelektrischen Element 8 einzuleitenden Bewegungen ist in Fig. 2 an einem Ausführungsbeispiel dargestellt. Das bewegliche Teil ist der Translator 11, (z. B. ein mit dem Piezoelement gekoppeltes Bauteil) der innerhalb der Belichtungszeit eine lineare Verschiebung der Bildebene bezogen auf die Kamera durchführt. Dazu bedarf es einer speziellen Ansteuerung des Translators 11, die im folgenden beschrieben wird. Der Nullabgleich für die Anbindung der Koordinatensysteme zum Zeitraum, in dem nicht belichtet wird, vollzieht sich über die Nullkompensation 15. Dieser Abgleich ist mit Hilfe des Translatorsensors 12 und dem Temperatursensor 13 möglich. Beide Sensorsignale werden von der Nullkompensation 15 ausgewertet und an ihrem Ausgang 25 wird ein berechneter Wert, der eine Funktion aus Kali­ brierungsdaten und Driftdaten darstellt, digital bereitgestellt. Die Main-Control- Unit (MCU) 16 verfügt über die direkte Zeitanbindung der Belichtung via Kamera­ trigger 24 und ist daher in der Lage sowohl, den Multiplexer 17 auf Nullabgleich zu stellen als auch die Driftkompensation über ihr Taktinterface 26 freizugeben. Der Wert, welcher die Nullkompensation 15 berechnet, wird über einen Digital- Analog-Wandler 18 dem Leistungsverstärker 19 bereitgestellt. Die nun vorliegen­ de Spannung bzw. Strom regelt den Translator 11 über mehrfache Iteration der beschriebenen Nullkompensationsschleife auf die Ausgangsposition zurück.

Von der geregelten Ausgangsposition (Null-Position) wird die lineare Verschie­ bung vollzogen. Diese Verschiebung wird unter genauer Kenntnis der Übertra­ gungsfunktion des Translators 11 und des Kanals der Anordnung, welche vorher genau ermittelt werden müssen, durchgeführt. Aus den vorher gewonnenen Kalibrierungsdaten wird ein Datensatz, der zur Berechnung der Spannungskurve U(t) benötigt wird, im EEPROM 21 abgelegt. Da weiterhin der Zusammenhang Translation (t) = f <(U(t), T(t), Soll (t)< bekannt ist, wird im RAM 20 eine von der MCU 16 berechneten Kurve abgelegt. Hierbei wird auch die Translation via Sensor 14 und die, die sich aus der Belichtungszeit selbst ergibt, berücksichtigt. Die berechneten Kurvenwerte garantieren eine stückweise lineare Translation. Die Triggerung zur Belichtung wird kurz vorher vollzogen, um somit ein nicht­ lineares Einlaufverhalten des Translators 11 zu verhindern. Die Vortriggerung ist so zu wählen, daß in der Belichtungszeit die Translation des Translators 11 linear ist. Über die konstante Zeit zwischen Triggerung und Belichtung erhält man eine feste, definierte und daher auch berechenbare Anbindung der Koordination zuein­ ander. Sollte Translations-Sensor 14 Winkelkoordinaten benutzen, so müssen diese erst in kartesische Koordinaten überführt werden. Mit diesen Koordinaten können zusätzlich unvorhersehbare extern einwirkende Bewegungen auf das Gesamtsystem Berücksichtigung in der Berechnung der benötigten Translations- Zeit-Kurve finden. Diese externen Bewegungswerte dienen der Gesamtkorrektur des Systems. Die hieraus berechneten Kurvenwerte im RAM 20 werden mit Hilfe der MCU 16 zeitdiskret an den Digital-Analog-Wandler 18 übertragen. Der Digital-Analog-Wandler 18 übergibt seinerseits die nun vorliegenden Spannungs­ werte dem Leistungsverstärker 19. Die somit anliegenden Spannungen (bzw. Ströme) am Translator 11 garantieren die lineare Verschiebung innerhalb der Belichtungszeit, die sowohl die eigentliche Bewegungsgeschwindigkeit als auch die unvorhersehbaren Störungen berücksichtigt. Die Prog-RAM 22 und Prog- PROM 23 der MCU dienen zur Programmspeicherung und dessen Abarbeitung.

Claims (5)

1. Vorrichtung zur realitätsgetreuen Abbildung von zur Vorrichtung nach Betrag und Richtung (R1) mit vordefinierter Geschwindigkeit relativ bewegter Objekte, umfassend, im optischen Strahlengang hinterein­ ander angeordnet, ein optisches Element (10) zum Empfang für vom Objekt stammender Strahlung (S1), eine ein Objektiv (4) aufweisende Fokussiereinrichtung (2, 3, 4) und eine, in der Fokalebene angeordnete, mindestens ein lichtempfindliches Detektorelement (6) aufweisende, Empfangseinrichtung (5, 6), welche mit hoher Frequenz Abbildungen erfaßt und während der Erfassungsdauer relativ zur Fokussiereinrichtung mit einer der Verschiebung der jeweiligen Abbildung entsprechenden Geschwindigkeit mittels einer Stelleinrichtung (8, 9) bewegbar ist, dadurch gekennzeichnet, daß die Empfangseinrichtung (5, 6) eine Platte (5) umfaßt, auf als Feder ausgebildeten beweglichen Schwingelementen (7) angeordnet ist, die in statischem Zustand die Platte (5) parallel zu dem optischen Element (10) halten und von einer elektronischen Stelleinrichtung mit einem piezoelektrischen Stellelement (8) bewegbar ist.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Schwingelemente Biegefedern (7) sind.

3. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeich­ net, daß das piezoelektrische Stellelement von einer den Zeitpunkt, den Betrag und die Dauer der Bewegung der Empfangseinrichtung (5, 6) vorgebenden elektronischen Baugruppe (11 bis 24) gesteuert wird.

4. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeich­ net, daß die Empfangseinrichtung (5, 6) mindestens eine CCD-Zeile (6) umfaßt.

5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeich­ net, daß die Empfangseinrichtung (5, 6) mindestens eine für optische Strahlung empfindliche Filmbelichtungseinrichtung umfaßt.