DE3434388A1 - Verfahren zur erzeugung der ersten ableitung eines zweidimensionalen bildes und optisches bauelement zur durchfuehrung des verfahrens - Google Patents

Verfahren zur erzeugung der ersten ableitung eines zweidimensionalen bildes und optisches bauelement zur durchfuehrung des verfahrens

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DE3434388A1 DE19843434388 DE3434388A DE3434388A1 DE 3434388 A1 DE3434388 A1 DE 3434388A1 DE 19843434388 DE19843434388 DE 19843434388 DE 3434388 A DE3434388 A DE 3434388A DE 3434388 A1 DE3434388 A1 DE 3434388A1
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Description

u 343Λ389
' 11.09.84, 0096A
9581 Patentabteilung
Verfahren zur Erzeugung der ersten Ableitung eines zweidimensionalen Bildes und optisches Bauelement zur Durchführung des Verfahrens
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Erzeugung der ersten Ableitung eines zweidimensionalen Bildes und ein optisches Bauelement zur Durchführung des Verfahrens.
Bei bestimmten Problemen der Bildverarbeitung, z.B. bei der Objekterkennung, ist es erforderlich, die erste Ableitung eines zweidimensionalen Bildes zu erzeugen. Dies entspricht einer Hochpaßfilterung der Ortsfrequenzen im Bild und führt zu einer Konturenanhebung.
15
Dazu ist ein digitales Verfahren bekannt, bei dem das Bild digitalisiert und in einem Rechner die erste Ableitung berechnet wird. Das ist kosten- und zeitaufwendig und deshalb kaum für Echtzeit-Anwendung geeignet.
20
Ferner ist die Anwendung kohärent-optischer Bildverarbeitung bekannt. Dabei kann in Echtzeit eine Hochpaßfilterung mit Lichtgeschwindigkeit durchgeführt werden. Allerdings ist dieses Verfahren ebenfalls verhältnismäßig teuer und vom Platzbedarf her aufwendig, so daß es beispielsweise in kleineren Flugkörpern nicht einsetzbar ist.
Es ist das Ziel der Erfindung, ein preiswertes, raumsparendes und schnelles Verfahren zur Erzeugung der er sten Ableitung eines zweidimensionalen Bildes und ein kleines, leichtes, billiges und schnelles optoelektronisches Bauelement zu seiner Durchführung zu schaffen,
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y. λ λ .n9-R4
MBB
Patentabteilung
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das bei Echtzeit-Einsatz diese Konturenfilterung durchführt und wie eine optische Komponente in optischen Systemen eingesetzt werden kann. . „ _
Gemäß der Erfindung wird dies dadurch erreicht, daß in einer ersten Schicht eines optischen Bauelementes aus nebeneinander mosaikartig angeordneten lichtempfindlichen Detektorelementen ein der Helligkeitsverteilung des Bildes entsprechendes Ladungsbild erzeugt wird und daB dieses in einer zweiten Schicht aus bezüglich seiner Transparenz elektrooptisch beeinflußbarem Material in eine den Potentialdifferenzen in der ersten Schicht entsprechende Transparenzverteilung umgewandelt wird.
Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen und der Beschreibung, in der anhand der Zeichnung verschiedene Ausführungsbeispiele erörtert werden. Es zeigen
Fig. 1 schematisch die Anordnung eines erfindungsgemäßen Konturenfilters in einem optischen System,
Fig. 2 schematisch den Aufbau eines Konturenfilters
mit longitudinaler Elektrodenanordnung an einem eindimensionalen Beispiel,
Fig. 3 einen Schnitt durch ein zweidiroensionales Konturenfilter,
Fig. 3a das Ersatzschaltbild für den Gegenstand von Fig. 4,
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Fig. 3b eine Aufsicht auf die obere Substratplatte des Gegenstand von Fig. 4,
2 11.09.84
\MBB
Patentabteilung
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Fig. 3c eine Aufsicht auf die untere Substratplatte des Gegenstand von Fig. 4,
Fig. %\\ den Aufbau eines weiteren Konturenfilters mit transversaler Elektrodenanordnung.
Fig. 1 zeigt schematisch die Anordnung eines erfindungsgemäßen Konturenfilters in einem optischen System. Es besteht aus einem Objektiv L mit der Brennweite f. und einem Okular L mit der Brennweite f . Bei diesem Fernrohr wird das erfindungsgemäße Bauelement, nämlich das Konturenfilter K, in der Zwischenbildebene eingesetzt. Das Bild, das bearbeitet werden soll, wird demnach auf die objektivseitige Oberfläche des Konturenfilters K abgebildet. Auf dessen zweiter Oberfläche, die dem Okular zugewandt ist, entsteht das gefilterte Bild. Durch Einfügen dieses Bauelementes in der Zwischenbildebene sieht der Betrachter also nicht das gewohnte Bild, sondern direkt das Konturenbild.
20
Ein wesentlicher Vorteil der erfindungsgemäBen Verfahren und der zu ihrer Durchführung dienenden Bauelemente gegenüber anderen Verfahren und Bauelementen besteht darin, daß diese Bauelemente wie eine optische Komponente ggf. sogar in bereits vorhandene optische Systeme eingefügt und aus den systemen auch wieder einfach entfernt werden können.
Das Bauelement arbeitet nach dem in Fig. 2 angegebenen Grundprinzip. Die Fläche des Bauelementes mit ein- oder zweidimensionaler struktur enthält ein mosaikförmiges Detektorarray D. — Ώ., das in Wechselwirkung mit
X O
einem elektrooptisch aktiven Material M steht. Die ein-
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£ τ ι πα α&
MBB
Patentabteilung
11.09.84, 0096Α Hum/th 9581
zelnen Detektorelemente D. ... De haben einen Ab-
X O
stand d voneinander. Zwischen den Detektorelementen D1 ... D. ist das ganze Bauelement optisch transpa-
X O
rent. Jedem Detektorelement Dn ...Ti1. ist eine
χ ο
Elektrode E. ... E. zugeordnet. Eine transparente
X D
gemeinsame Elektrode E ist mit allen Detektorelemen-
ten D. ... D. verbunden. Das Bauelement ist beid-
X 6
seitig auf Substratplatten S und S. aufgebaut und im Regelfall mit Polarisationsfiltern P und P abgeschlossen.
Bei Lichteinfall entsteht bei jedem Detektorelement
D. ... D. eine Fotospannung zwischen der geraeinsax ο
men Elektrode E und der jeweiligen Detektorelektrode
15 g
E. ... E.. Das elektrooptisch aktive Material M und
X ο
die Polarisationsfilter P- bzw. P werden so gewählt, daß das Bauelement bei gleichraäSiger Beleuchtung in Durchsicht entweder vollständig transparent (Fall A) oder vollständig lichtundurchlässig (Fall B) ist.
20
Werden nun zwei benachbarte Detektorelemente D., und D. des Bauelementes mit unterschiedlicher Intensität beleuchtet, dann entsteht zwischen den Detektorelektroden E. und E. _ dieser beiden Detektorele-
25 *
mente eine Potentialdifferenz, welche die optischen Eigenschaften der elektrooptisch aktiven Schicht verändert, so daß das Bauelement an dieser Stelle im Fall A lichtundurchlässig bzw. im Fall B das Bauelement lichtdurchlässig wird. Bei Verwendung eines linearen elektrooptisch aktiven Materials M ist dann die Änderung der Transmission proportional zum Ortsgradienten der einfallenden Lichtintensität.
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B 11.09.84
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Als elektrooptisch aktive Materialien M können bei diesem Bauelement z.B. Flüssigkristalle oder elektrooptisch aktive Keramiken verwendet werden.
Für die Detektorelemente sind z. B. Fotoleiter, bei denen der elektrische Widerstand von der Intensität des einfallenden Lichtes abhängig ist oder Sperrschicht-Fotodetektoren (Fotoelemente) geeignet.
Letztere haben den Vorteil, daß die Spannung des Fotoelementes über viele Dekaden proportional zum Logarithmus der einfallenden Lichtintensität ist, so daß bei diesem Bauelement die Modulation des elektrooptischen Materials über ebenso viele Dekaden unabhängig von der Intensität des einfallenden Lichtes und nur abhängig vom örtlichen Intensitätsgradienten ist.
In Fig. 3 ist der typische Aufbau eines derartigen Bauelementes für ein zweidimensionales Konturenfilter an-
20
gegeben. Das Ersatzschaltbild zeigt Fig. 3a. Als Detektorelemente werden Photowiderstände R. verwendet. Die Kondensatoren C. werden gebildet durch das Dielektrikum der Isolierschicht I und die Elektroden E2 und E3. Durch die Wechselspannung U_T__ an den Elektroden El
und E2 werden die Kondensatoren C. ebenfalls auf eine Wechselspannung aufgeladen, deren Amplitude abhängig ist von der auf die Detektoren D, bzw. R. einfallenden Lichtintensität. Ist die Lichtintensität an allen Detektoren D, gleich, dann tritt an allen Konden-30
satoren C. die gleiche Wechselspannung auf, so daß Über der Flüssigkristall-Schicht M zwischen den Elektroden E3 benachbarter Bildelemente keine Spannung auf tritt. Ist die Lichtintensität an benachbarten Detekto
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X" it no «λ
\MBB
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ren D. bzw. R. verschieden, dann ist die Spannung an den zugeordneten Kondensatoren C. ebenfalls verschieden, so da6 auf die Flüssigkristall-Schicht M zwischen den Elektroden E3 dieser Elemente eine Wechselspannung einwirkt, und damit der Flüssigkristall dort seine optischen Eigenschaften ändert. Durch geeignete Wahl des Flüssigkristalle M und ggf. der Polarisatoren P und P vor und hinter dem Bauelement kann er-
JL &
reicht werden, daß bei gleichmäßiger Beleuchtung des Bauelementes dieses völlig lichtundurchlässig (Fall B) oder völlig transparent (Fall A) ist. Bei nicht gleichförmiger Beleuchtung des Bauelementes wird das Bauelement dann abhängig vom Beleuchtungsgradienten zunehmend transparent oder lichtundurchlässig. Entsprechend wird das austretende Licht LO moduliert.
Die Schichtstruktur des Bauelementes ist in Fig. 3 angegeben und die Anordnung der Detektorelemente auf dem oberen und unteren Substrat in Fig. 3b und 3c. Die den
20
Flüssigkristall M im wesentlichen modulierende elektrische Feldstärke E tritt bei der Anordnung in Fig. 3 im Gegensatz zur transversalen Anordnung nach Fig. 2 longitudinal zum einfallenden Licht LI auf.
25
Ein zweites Beispiel für eine transversale Anordnung
zeigt Fig. 4, wobei die Detektorelemente D, aus lichtempfindlichen Widerständen bestehen. Zum Betrieb des Bauelementes ist eine Wechselspannung zwischen den Elektroden El und E2 erforderlich. Die Funktionsweise entspricht dem Schaltbild in Fig. 3a. Die Kapazitäten C. werden durch das Dielektrikum der Isolierschicht II, die Elektrode E3 und die Elektrode El gebildet.
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Claims (9)

11.09.84, 0096A MBB Hum/th 9581 Patentabteilung Verfahren zur Erzeugung der ersten Ableitung eines zweidimensionalen Bildes und optisches Bauelement zur Durchführung des Verfahrens Patentansprüche
1. Verfahren zur Erzeugung der ersten Ableitung eines zweidimensionalen Bildes, dadurch gekennzeichnet , daß in einer ersten Schicht eines
optischen Bauelementes aus nebeneinander mosaikartig
angeordneten lichtempfindlichen Detektorelementen
(D.) ein der Helligkeitsverteilung des Bildes entsprechendes Ladungsbild erzeugt wird und daß dieses in einer zweiten Schicht aus bezüglich seiner Transparenz elektrooptisch beeinflußbarem Material (M) in eine den Potentialdifferenzen in der ersten Schicht entsprechende Transparenzverteilung umgewandelt wird.
2. Konturenfilter zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß es zwei Schichten enthält, wobei die erste Schicht aus nebeneinander mosaikartig angeordneten lichtempfindlichen Detektorelementen (D.) und die
zweite Schicht aus einer von denselben lokal bezüglich seiner Transparenz elektrooptisch beeinflußbaren Material (M) besteht.
3. Konturenfilter nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet , daß die erste, lichtempfindliche Schicht eine Fotoleiterschicht ist.
• 343438a
2 11.09.
MBB
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Patentabteilung
11.09.84, 0096A Hura/th 9581
4. Konturenfilter nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet , daß die erste, lichtempfindliche Schicht eine Sperrschicht-Fotodetektor-Schicht ist.
5. Konturenfilter nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet , daß die zweite, elektrooptieche beeinflußte Schicht (M) aus elektrooptisch aktiver Keramik besteht.
6. Konturenfilter nach den Ansprüchen 3 bis 4, dadurch gekennzeichnet , daß die zweite, elektrooptische beeinflußte Schicht (M) eine Flüssigkrietall-Schicht ist.
7. Konturenfilter nach den Ansprüchen 2 bis 6, dadurch gekennzeichnet , daß die lichtempfindlichen Elemente auf transparenten Elektroden (E , E., El, E2, E3) zur Steuerung der elektroop-
20
tisch aktiven Schicht M angeordnet sind.
8. Konturenfilter nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet , daß die lichtempfindlichen Elemente (D.) mit einer gemeinsamen Elektrode (E ) und je einer speziellen Elektrode (E. verbunden sind und daß die zwischen den speziellen Elektroden (E.,
E. . auftretende Potentialdifferenz zur Beeinflussung der elektrooptisch aktiven Schicht (M) dient.
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Patentabteilung
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9. Konturenfilter nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet , daß die lichtempfindlichen Detektorelemente (D.) Photowiderstände sind und von den Elektroden (El, E2) mit als Dieelektrikum dienenden Isolierschichten Kondensatoren (C.) gebildet werden, deren Ladungszustand bei angelegter Wechselspannung (U ) vom Widerstand der Detektorelemente (D.) abhängig ist und die zwischen zwei auf die elektrooptisch aktive Schicht (M) einwirkenden Elektroden (E3) anliegende Spannung beeinflußt. (Fig. 3)
15
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