DE19710182A1

DE19710182A1 - Vorrichtung und Verfahren zur räumlichen Trennung zeitlich aufeinanderfolgender Bilder und Aufnahme von schnellen Bildfolgen mit photografischen und elektronischen Kameras

Info

Publication number: DE19710182A1
Application number: DE1997110182
Authority: DE
Inventors: Rudolf Prof Dr Germer
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1997-02-28
Filing date: 1997-02-28
Publication date: 1998-09-03

Description

Gattung

Die Erfindung betrifft Vorrichtungen und Verfahren zur zeitlichen Trennung aufeinanderfolgender Bilder und zur Aufnahme von schnellen Bildfolgen mit photografischen und elektronischen Kameras.

Angabe zur Gattung

Um eine Sequenz von schnell aufeinander folgenden Bildern zu registrieren, ist es bei Verwendung relativ langsamer Bildaufnehmer nötig, die einzelnen Bilder voneinander räumlich zu trennen. Die Erfindung behandelt die Möglichkeit, eine zeitliche Folge von Bildern räumlich miteinander verschachtelt aufzunehmen.

Stand der Technik

Um schnelle Bildfolgen für Zeitlupenaufnahmen aufzunehmen werden

a) mechanische Kameras verwendet Drehspiegel, Drehprisma und Trommelkameras, Trommelkameras mit Zylinderlinsenraster-Ein satz bis in den Mikrosekundenbereich (Kurzzeitphysik/Springer),
b) Mehrfachkameras mit schnellen Einzelverschlüssen oder individueller stroboskopischer Beleuchtung (Cranz Schardin Kameras) eingesetzt,
c) elektronische Bildwandlerkameras, bei denen die Elektronenabbildung räumlich verschoben wird benutzt (Fa. Hadland),
d) CCD-Kameras mit spezieller Ansteuerung und Bildaufteilung gebaut (DE 36 28 147 C1/Fa. Kodak),
e) Laserstrahlen werden mit akustooptischen Modulatoren geschaltet oder moduliert, indem man die Beugung des Lichtes an einer Schallwelle ausnutzt, um mehr oder weniger Licht aus der Strahlrichtung zu entfernen oder in diese zu lenken,
f) elektronische Bildverstärker werden nur kurzzeitig eingeschaltet und als schneller Verschluß für Einzelbilder verwendet.

Kritik

Diese Verfahren sind z. T. sehr aufwendig, gestatten nur Einzelbildbelichtung oder sind relativ langsam.

Aufgabe

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine zeitliche Trennung von mehreren Bildern mit einfacheren Mitteln bis in den Nanosekundenbereich hinein zu ermöglichen.

Lösung

Die Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die Bildfläche in der Helligkeitsverteilung gerastert wird und dieses Raster zeitlich so verändert wird, daß zu verschiedenen Zeiten verschiedene Teile der Bildfläche belichtet werden. Die Rasterung des Bildes wird mit einem Modulator realisiert, dessen optische Eigenschaften mit einer durch ihn laufenden Welle variiert werden. Die welleninduzierte Inhomogenität beeinflußt den bildtragenden Lichtstrahl derart, das nur Teilbereiche der bildaufnehmenden Fläche belichtet werden oder auch gerade nicht und das sich die belichteten Orte mit dem Bewegen der Welle im Modulator ebenfalls bewegen. Mit Kenntnis der Zeitabhängigkeit der Lichtverteilung auf der Bildebene kann man dann die einzelnen Bildpunkte verschiedenen Zeiten zuordnen und daraus die Bilder einer Bildfolge rekonstruieren.

Bild 1 zeigt den prinzipiellen Aufbau des Verfahrens um zeitlich aufeinander folgende Bilder voneinander zu trennen. In den Strahlengang einer Kamera bestehend aus Objektiv OB und Bildaufnehmer BA wird der Modulator MOD (durchstrahlt oder reflektierend) eingefügt wo die Welle WM den Lichtstrahl beeinflußt.

Die aufzunehmenden Bilder zeigt Bild 2 oben, drei nacheinander zu beobachtende Szenen 1, 2 und 3. Bei eingeschalteter Welle WM zu einem Zeitpunkt 1 werden nur Teile des Bildes belichtet, Bild 2 mitte links. Zu einem späteren Zeitpunkt 2 werden die in Bild 2 mitte links unbelichteten Bereiche (im Bild hell dargestellt) bestrahlt, da die Welle WM sich weiterbewegt, Bild 2 mitte, noch später Bild 2 mitte rechts. Auf dem Bildaufnehmer BA wird das überlagerte Bild 2 unten aufgenommen. Dieses Bild kann wieder in Teilbilder zerlegt werden, Bild 3 oben. Aus den Teilbildern können die drei Bilder nacheinander aufgenommenen Bilder wieder rekonstruiert werden, Bild 3 unten.

Das insgesamt beobachtbare Zeitintervall entspricht der zeitlichen Periode der Welle im Modulator. Die Anzahl der trennbaren Bilder wird durch die Form der Welle WM des für die Modulation benutzten Effektes und der Qualität des Rekonstruktionsverfahrens bestimmt. Das Aufnahmeverfahren kann natürlich mit einer "Sampling"-technik kombiniert werden - mit Kurzzeitverschluß oder stroboskopischer Beleuchtung -, um Bilder während eines längeren Zeitintervalls aufzunehmen.

Die Struktur des Einzelbildes kann man gewinnen, indem man mit einem einzelnen kurzen Lichtblitz belichtet. Man erhält dann die Maske, mit der man die einzelnen Bilder aus der Bildfläche, die ja mehrere zeitlich nacheinander aufgenommene Bilder ineinander verschachtelt enthält, separieren und rekonstruieren kann.

Zur Modulation des Lichtstrahls kann man verschiedene Effekte ausnutzen. Bild 4 zeigt die Vorrichtung, um den Lichtstrahl mit einer ebenen Ultraschallwelle zeilenweise zu bündeln. Innerhalb einer longitudinalen Schallwelle schwankt die Dichte des Ausbreitungsmediums periodisch und damit auch die optische Brechzahl. Die Überdruckbereiche wirken normalerweise als zylinderförmige Sammellinsen, die Unterdruckbereiche zerstreuen das Licht. Es ergibt sich in passendem Abstand hinter der Schallwelle eine sehr kräftige Helligkeitsmodulation, wobei das Bild ohne größere Lichtverluste auf das Zeilenraster fokussiert wird. In dieser Fokusebene kann sich der Bildaufnehmer direkt befinden oder diese Ebene wird (gegebenenfalls vergrößernd oder verkleinernd) auf ihn abgebildet, Bild 5. Die Periode im Modulator entspricht der räumlichen Periode in der Schallwelle. Bei einer in fester Materie realistischen Schallgeschwindigkeit von 4 km/s und einer Frequenz der Schallwelle von 400 MHz ist diese 10 µm, die Aufnahme von fünf Bildern um je 2 µm separiert entsprechend einer zeitlichen Trennung von 0,5 ns erscheint mit dieser Vorrichtung realisierbar.

Mit transversalen akustischen Wellen oder Oberflächenwellen lassen sich die akustisch induzierte Ausbeulung der Oberfläche des Modulators als Linsenraster verwenden. Bei Reflexionsstrahlengang läßt sich die Ausbeulung als abbildendes Spiegelraster einsetzen.

Die Verformung des Ausbreitungsmediums innerhalb einer Schallwelle führt dazu, das gegebenenfalls optische Doppelbrechung induziert werden kann. Dann läßt sich (z. B. mit dem Polarisator POL) polarisiertes Licht beeinflussen und kann mit Hilfe eines Analysators ANL mehr oder weniger durchgelassen werden, Bild 6. Der Einsatz von polarisiertem Licht und das Ausblenden von Anteilen mit einem Analysator führt zu größeren Lichtverlusten als die rein brechungsbedingte Lichtablenkung, die weiter oben verwendet wurde; dafür ist aber zu erwarten, daß die für kontrastreiche Modulation das Lichtes nötigen Energien in der Schallwelle wesentlich geringer sind.

An Stelle von akustischen Wellen können im Modulator auch die noch wesentlich schnelleren elektromagnetischen Wellen eingesetzt werden. Z.B. über elektrooptische, magnetooptische und nichtlineare Effekte im Modulatormedium ist auch damit bei entsprechenden Intensitäten der Wellen eine Modulation des Lichtes in gewünschter Weise möglich.

Die zeitliche Auflösung des Verfahrens hängt von der Frequenz der modulierenden Welle ab und kann daher in weitem Rahmen variiert werden. Allerdings verändern sich mit der Wellenlänge der Modulationswelle auch die Rastermuster im Bild, gegebenenfalls auch die Fokusebenen.

Bei Verwendung elektronischer Bildaufnehmer ist die Zuordnung der Bildpunkte zu den einzelnen Teilbildern besonders einfach möglich, wenn Zeilen oder Spalten des Bildaufnehmers mit dem optischen Modulationsraster in Deckung gebracht werden.

Bei Verwendung eines einzelnen Impulses statt einer fortlaufenden Welle im Modulator ist auch eine Belichtung entsprechend einer Schmier-(Streak-)Kamera möglich. Es ist dann speziell bei kontinuierlicher Beleuchtung ratsam, das Licht außerhalb der gewünschten Belichtungszeit einfach mit einer Dunkelfeldoptik (Schlierenverfahren) auszublenden.

Mit nichtperiodischen Modulatorwellen ist eine Verschlüsselung der zeitlich variierenden Bildinformation machbar.

Mit periodischen Modulationswellen können bei kontinuierlicher Beleuchtung Vorgänge mit verwandter zeitlicher Periode aufgenommen werden. Bei nichtperiodischen Vorgängen kann es sich um selbstleuchtende einmalige entsprechend kurze Vorgänge handeln. Oder der Vorgang muß entsprechend der Gesamtbeobachtungszeit beleuchtet oder mit einem zusätzlichen Verschluß längerer Öffnungszeit belichtet werden.

Bei Einsatz elektronischer Bildaufnehmer ist es möglich, den Belichtungszeitraum dadurch zu begrenzen, daß die vom Licht erzeugten Elektronen in ein gegen das Licht abgeschirmten Speicherbereich verschoben werden, z. B. das Transportregister. Es ist dann zur Verkürzung der Belichtungszeit möglich, anstelle eines vollständigen elektronischen Transportzyklus den Speicherbereich vor dem Beginn der Belichtung bereits für die Elektronen zu öffnen, so daß sie sofort beginnen, sich dorthin zu bewegen, und nur die schnellere elektronische Trennung von Bild- zu Speicherbereich erfolgen muß um den Belichtungsvorgang abzuschließen. Vorher vorhandene Elektronen kann man gegebenenfalls ableiten.

Um viele Bilder in einer Folge aufzunehmen, ist es nötig, dem einzelnen Bild einen entsprechend kleinen Anteil der Gesamtbildfläche zuzuordnen - gegebenenfalls mit dem damit verbundenen Verlust an räumlicher Auflösung. Die Form und Amplitude der Welle im Modulator beeinflussen das Verhältnis der hellen zu dunklen Flächenanteile.

Claims

1. Vorrichtung und Verfahren zur räumlichen Trennung zeitlich aufeinanderfolgender Bilder und Aufnahme von schnellen Bildfolgen mit fotografischen und elektronischen Kameras, dadurch gekennzeichnet, daß dem Bild eine Helligkeitsverteilung räumlich durch einen im Strahlengang befindlichen Modulator und einer darin laufenden Welle aufmoduliert wird, und diese Helligkeitsstruktur sich mit dem Lauf der Welle im Modulator in der Position so verändert, daß verschiedene Bildpunkte zu verschiedenen Zeiten unterschiedlich belichtet werden und man auf Grund der zeitlich veränderten räumlichen Belichtungsstruktur den Bildinhalt in seiner zeitlichen Struktur differenzieren kann.

2. Vorrichtung und Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß eine akustische Welle in einem Medium dessen optische Brechzahl moduliert und damit eine lokale Fokussierung im Strahlengang der hindurchtretenden bildtragenden Lichtstrahlen bewirkt, die die Helligkeitsverteilung des Bildes strukturiert und diese sich mit dem Durchlauf der akustischen Welle durch das Medium verschiebt.

3. Vorrichtung und Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß eine akustische Welle in einem Medium dessen Oberfläche deformiert und damit eine lokale Fokussierung im Strahlengang der hindurchtretenden bildtragenden Lichtstrahlen bewirkt, die die Helligkeitsverteilung des Bildes strukturiert und diese sich mit dem Durchlauf der akustischen Welle durch das Medium verschiebt.

4. Vorrichtung und Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß eine akustische Welle in einem Medium dessen Oberfläche deformiert und damit eine lokale Fokussierung im Strahlengang der an der Oberfläche reflektierten bildtragenden Lichtstrahlen bewirkt, die die Helligkeitsverteilung des Bildes strukturiert und diese sich mit dem Durchlauf der akustischen Welle durch das Medium verschiebt.

5. Vorrichtung und Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß eine akustische Welle in einem Medium die optischen Eigenschaften des Mediums moduliert und damit eine lokale Beeinflussung im Strahlengang der hindurchtretenden bildtragenden polarisierten Lichtstrahlen bewirkt, die hinter einem Analysator für polarisiertes Licht die Helligkeitsverteilung des Bildes strukturiert und diese sich mit dem Durchlauf der akustischen Welle durch das Medium verschiebt.

6. Vorrichtung und Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß eine elektromagnetische Welle in einem Medium dessen optische Brechzahl moduliert und damit eine lokale Fokussierung im Strahlengang der hindurchtretenden bildtragenden Lichtstrahlen bewirkt, die die Helligkeitsverteilung des Bildes strukturiert und diese sich mit dem Durchlauf der elektromagnetischen Welle durch das Medium verschiebt.

7. Vorrichtung und Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß eine elektromagnetische Welle in einem Medium die optischen Eigenschaften moduliert und damit eine lokale Beeinflussung im Strahlengang der hindurchtretenden bildtragenden polarisierten Lichtstrahlen bewirkt, die hinter einem Analysator für polarisiertes Licht die Helligkeitsverteilung des Bildes strukturiert und diese sich mit dem Durchlauf der elektromagnetischen Welle durch das Medium verschiebt.

8. Vorrichtung und Verfahren nach Anspruch 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß durch eine Blende der Bildaufnehmer abgeschattet wird, solange keine Welle den Modulator durchdringt.

9. Vorrichtung und Verfahren nach Anspruch 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß durch eine Blende das Licht zu einem bestimmten Zeitintervall während der Periode der modulierenden periodischen Welle ausgeblendet wird.

10. Vorrichtung und Verfahren nach Anspruch 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Welle, die den Modulator durchläuft, nichtperiodisch ist, um die zeitliche Information in der Bildfolge zu verschlüsseln.

11. Vorrichtung und Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß durch eine Blende das Licht zu einem oder mehreren bestimmten Zeitintervallen während des Laufes der modulierenden Welle ausgeblendet wird.

12. Vorrichtung und Verfahren zur Herstellung einer Maske nach Anspruch 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß die zur Trennung der Bilder einer Bildfolge nötige Maske (Rekonstruktionsmuster) fototechnisch, elektronisch oder im Computer hergestellt wird, indem die Helligkeitsverteilung eines Blitzlichts, das von dem von einer Welle durchlaufenen Modulator räumlich moduliert wird, zur Herstellung der Blende gespeichert wird.

13. Vorrichtung und Verfahren nach Anspruch 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß die Welle, die den Modulator durchläuft, in der Frequenz variiert wird, um zeitlich unterschiedliche Bildfolgen zu registrieren.

14. Vorrichtung und Verfahren nach Anspruch 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß die Welle, die den Modulator durchläuft, in der Amplitude und Kurvenform variiert wird um möglichst großen Kontrast in der Helligkeitsmodulation zu erreichen.

15. Vorrichtung und Verfahren nach Anspruch 1 bis 14, dadurch gekennzeichnet, daß die Welle, die den Modulator durchläuft, in der Amplitude und Kurvenform variiert wird um ein möglichst großes Verhältnis von dunklen Bildbereichen zu hellen zu erreichen, um möglichst viele Bilder in einer Folge aufnehmen zu können.

16. Vorrichtung und Verfahren zur Herstellung einer Blende nach Anspruch 1 bis 15, dadurch gekennzeichnet, daß die Blende fototechnisch hergestellt wird, indem die Helligkeitsverteilung durch ein Blitzlicht, das von dem von einer Welle durchlaufenen Modulator räumlich moduliert wird, zur Herstellung der Blende verwendet wird.

17. Vorrichtung und Verfahren nach Anspruch 1 bis 16, dadurch gekennzeichnet, daß das in der Helligkeit modulierte Bild (z. B. helles Streifenmuster) so auf einen elektronischen Bildaufnehmer abgebildet wird, daß es dank der Struktur des Bildaufnehmers (z. B. Anordnung der Bildpunkte in Zeilen und Spalten) einfach ist, die Bilder einer Folge wieder voneinander zu trennen.

18. Vorrichtung und Verfahren nach Anspruch 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Helligkeitsmodulation mit einem im Modulator laufenden zeitlich und räumlich begrenzten Impuls erfolgt und das registrierte Bild die räumlich-zeitliche Struktur einer Aufnahme mit einer Schmierkamera mit einem oder mehreren Spalten hat.

19. Vorrichtung und Verfahren nach Anspruch 1 bis 18, dadurch gekennzeichnet, daß der elektronische Bildaufnehmer einen lichtempfindlichen Bereich und einen gegen Lichteinstrahlung abgedeckten Speicherbereich hat und die die gerasterte Bildinformation tragenden Ladungsträger in den Speicherbereich bewegt werden um die gesamte Belichtungszeit zu begrenzen.

20. Vorrichtung und Verfahren nach Anspruch 1 bis 19, dadurch gekennzeichnet, daß der elektronische Bildaufnehmer einen lichtempfindlichen Bereich und einen gegen Lichteinstrahlung abgedeckten Speicherbereich hat und die die gerasterte Bildinformation tragenden Ladungsträger bereits während der Belichtung in den Speicherbereich geleitet werden, um den Abbruch der Belichtung elektronisch schneller schalten zu können.

21. Vorrichtung und Verfahren nach Anspruch 1 bis 20, dadurch gekennzeichnet, daß der elektronische Bildaufnehmer einen lichtempfindlichen Bereich und einen gegen Lichteinstrahlung abgedeckten Speicherbereich hat und die durch Licht erzeugten Ladungsträger vor dem gewünschten Start dem aufzunehmenden Bildfolge abgeleitet werden.

22. Vorrichtung und Verfahren nach Anspruch 1 bis 21, dadurch gekennzeichnet, daß die Bilder der Bildfolge nicht schnellstmöglich nacheinander aufgenommen werden sondern bei kurzer Belichtungszeit des einzelnen Bildes mit zeitlich größerem Abstand zumindest zwischen zwei Bildern der Bildfolge.