DE3533582C2

DE3533582C2 -

Info

Publication number: DE3533582C2
Application number: DE19853533582
Authority: DE
Inventors: Klaus Dipl.-Phys. 8035 Stockdorf De Dietrich
Original assignee: Messerschmitt Bolkow Blohm AG
Current assignee: Airbus Defence and Space GmbH
Priority date: 1985-09-20
Filing date: 1985-09-20
Publication date: 1990-01-18
Also published as: DE3533582A1

Description

Die Erfindung betrifft einen Bildsensor zur Aufnahme von Szenen oder Objekten mit tiefenstrukturierter Ober fläche, gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.The invention relates to an image sensor for recording of scenes or objects with a deep textured upper area, according to the preamble of claim 1.

Ein derartiger Bildsensor ist beispielsweise aus VaIvo "Technische Information für die Industrie 780626",Such an image sensor is, for example, from VaIvo "Technical information for industry 780626",

Seite 9, Bild 5, bekannt. Dort ist ein invertierender Bildverstärker abgebildet, auf dessen eingangsseitiger Photokathode über eine Faseroptikplatte ein Objekt abgebildet wird. Die je nach Intensität des örtlichen Lichteinfalls mehr oder weniger Elektronen emittierende Photokathode wird mit Hilfe einer elektrostatischen Abbildungsvorrichtung elektronenoptisch auf einem aus gangsseitigen Leuchtschirm abgebildet, und zwar unter Vorschaltung einer die Elektronenanzahl vervielfachen den Vielkanalplatte. Mit einem derartigen Bildsensor können auch dreidimensionale, eine tiefenstrukturierte Oberfläche aufweisende Objekte bzw. Szenen aufgenommen werden. Es ergibt sich jedoch lediglich ein zweidimen sionales Bild auf dem Leuchtschirm, ohne daß irgend welche Informationen über die Tiefenstruktur der Objektoberfläche, d.h. die Entfernungen zwischen den einzelnen Oberflächenelementen und der Bildsensoroptik in diesem Bild enthalten sind. Es wäre aber durchaus von Interesse, gleichzeitig mit dem Bild, welches naturgemäß an sich nur zweidimensional sein kann, auch derartige Informationen über die Tiefenstruktur zu erhalten. Page 9, Figure 5. There is an inverting one Image intensifier shown, on the input side Photocathode an object over a fiber optic plate is mapped. The depending on the intensity of the local Incident light emitting more or less electrons Photocathode is made using an electrostatic Imaging device electron optically on one out Illuminated screen on the aisle, below Multiplying the number of electrons the multi-channel plate. With such an image sensor can also be three-dimensional, a deeply structured Objects or scenes with surfaces recorded will. However, there is only a two-dimens sional image on the fluorescent screen without any what information about the deep structure of the Object surface, i.e. the distances between the individual surface elements and the image sensor optics are included in this picture. But it would be of interest at the same time as the picture which can of course only be two-dimensional in itself, too such information about the depth structure receive.

Ohne separate Meßvorrichtung sind derartige Informationen auch mit der aus der US-PS 42 43 575 be kannten Kameraröhre nicht zu gewinnen. Mit dieser Kameraröhre soll die Aufnahme einer schnellen zeitlichen Abfolge von Bildern mit sehr kurzen Belichtungszeiten und hoher Auflösung in zwei Dimensionen ermöglicht werden. Hierzu wird zunächst auf einer Photokathode das zweidimensionale Bild eines Objektes erzeugt. Davon wird mittels einer elektronenopti schen Linse ein elektronenoptisches Bild erzeugt, welches mit Hilfe ei ner Ablenkvorrichtung über die Oberfläche einer Schlitzaperturplatte hin- und hergeschwenkt werden kann. Die Schlitzaperturplatte enthält mehrere parallele, schmale Schlitze, welche hinsichtlich ihrer Funktion wie ein optischer Schlitzverschluß einer Kamera wirken. Das elektronen optische Bild wird an den Schlitzen und senkrecht zu diesen vorbeige schwenkt und dadurch quasi in Bildzeilen zerlegt. Die diesen Bildzeilen entsprechenden Elektronen gelangen dann über eine weitere elektronenop tische Linse sowie eine nachgeschaltete, weitere Ablenkvorrichtung auf einen Schirm. Die einzelnen Bildzeilen des elektronenoptischen Bildes werden dabei jeweils nacheinander abgebildet und erscheinen auf dem Schirm senkrecht gegeneinander verschoben, so daß sich wieder ein zwei dimensionales Bild des Objektes ergibt. Auf dem Schirm entstehen somit zeitlich nacheinander eine der Anzahl der Schlitze in der Schlitzaper turplatte entsprechende Anzahl von Bildern. Mit dieser Kameraröhre ist es nicht möglich, den erzeugten Bildern Informationen über die Tiefen struktur der abgebildeten Objektoberfläche zu entnehmen.Such information is without a separate measuring device also with be from US-PS 42 43 575 knew not to win camera tube. With this camera tube the Capture a quick succession of images with very short ones Exposure times and high resolution in two dimensions will. For this purpose, the two-dimensional is first on a photocathode Image of an object created. This is done by means of an electron opti rule lens produces an electron-optical image, which with the help of an egg ner deflection device over the surface of a slot aperture plate can be pivoted back and forth. The slit aperture plate contains several parallel, narrow slots, which function act like an optical slot shutter of a camera. The electron optical image will pass the slots and perpendicular to them pivots and quasi divided into picture lines. The lines of this picture the corresponding electrons then reach another electron op table lens and a downstream, further deflection device an umbrella. The individual image lines of the electron-optical image are shown one after the other and appear on the Umbrella moved vertically against each other, so that there is again a two dimensional image of the object results. Thus arise on the screen successively one of the number of slots in the slot aper corresponding number of pictures. With this camera tube is it is not possible to give the generated information information about the depths structure of the depicted object surface.

Letzteres gilt gleichermaßen für die aus der DE-OS 19 61 368 bekannte Elektronenröhre zur Aufzeichnung von sehr schnellen Lichtänderungen, bei der zunächst eingangsseitig ein einfallendes Lichtbündel auf ein schma les rechteckiges Band aus Photoemissionsmaterial geleitet wird, welches auf einer sphärischen Fläche angeordnet ist und bei dem weiterhin zwi schen dieser Photokathode und einem ausgangsseitigen Lumineszenzschirm Vorrichtungen zur Beschleunigung, Ablenkung und Abbildung der von der Photokathode emittierten Elektronen vorhanden sind. Weiterhin ist aus Rev. Sci. Instrum. 49 (7), Juli 1978, Seiten 891 bis 896 eine Kameraröh re bekannt, welche offensichtlich der in der US-PS 42 43 878 beschriebe nen entspricht. The latter applies equally to that known from DE-OS 19 61 368 Electron tube for recording very rapid changes in light, at which initially has an incident light beam on a schma The rectangular band of photoemission material is guided, which is arranged on a spherical surface and in which two This photocathode and an output-side luminescent screen Devices for acceleration, distraction and imaging of the Photocathode emitted electrons are present. Furthermore is off Rev. Sci. Instrument. 49 (7), July 1978, pages 891 to 896 a camera tube re known, which obviously describes that in US-PS 42 43 878 corresponds.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Bildsensor der eingangs genannten Art zuschaffen, mit dem es möglich ist, ohne weitere separate Meßvorrichtungen mit dem Bild einer Szene oder eines Objektes gleichzeitig Informationen über die Tiefen struktur von deren dem Bildsensor zugekehrter Ober fläche zu erhalten.The invention has for its object a To provide an image sensor of the type mentioned at the beginning, with which it is possible without further separate Measuring devices with the image of a scene or one Object simultaneously information about the depths structure of their upper facing the image sensor to get area.

Diese Aufgabe wird gemäß der Erfindung durch die im kennzeichnenden Teil des Patentanspruchs 1 enthaltenen Merkmale gelöst. This object is achieved according to the invention the features contained in the characterizing part of claim 1 solved.

Die Erfindung sieht also vor, daß die Photokathode aus gangsseitig eine Struktur erhält, welche aus vorzugs weise regelmäßig über ihre Fläche mit Abstand zuein ander verteilten Kathodenbereichen besteht, wobei allein die aus diesen emittierten Elektronen anschlie ßend zur Abbildung gelangen. Letzteres kann dadurch erreicht werden, daß die Photokathode eingangs- oder ausgangsseitig mit einer entsprechenden Maske versehen ist, oder dadurch, daß die Kathode selbst entsprechend aufgebaut, d.h. nur innerhalb der Kathodenbereiche emissionsfähig ist. Die Gesamtheit der auf der Photo kathode verteilten Kathodenbereiche bildet ein geo metrisches Kathodenbereichsmuster, welchem auf der Aus gangsbildfläche eine Anzahl n entsprechender Bild bereichsmuster zugeordnet ist. Jedes dieser Bild bereichsmuster ist dem Kathodenbereichsmuster zumindest geometrisch ähnlich, wenn nicht gleich. Dasselbe gilt für die einzelnen Bildbereiche, aus denen die Bild bereichsmuster bestehen. Diese Bildbereichsmuster sind untereinander geometrisch gleich, aber ein- oder zwei dimensional gegeneinander verschoben. Im Resultat dieser Verschiebung sind die Bildbereichsmuster so ineinander verschachtelt, daß sich die einzelnen Bild bereiche nicht überlappen. Andererseits sind die Ver schiebungen so gering, daß die einem einzelnen Kathodenbereich zugeordneten Bildbereiche der n Bild bereichsmuster einander benachbart sind. Dann ist jeder Kathodenbereich auf der Ausgangsbildfläche quasi in n entsprechende Bildbereiche aufgefächert. Wenn die Bild bereichsmuster dem Kathodenbereichsmuster nicht gleichen, dann liegt ein Vergrößerungsfaktor v≠1 vor, abgesehen von möglichen kleinen Bildverzerrungen.The invention thus provides that the photocathode receives a structure from the aisle side, which preferably consists of regularly distributed over its surface at a distance from one another to other cathode regions, with only the electrons emitted from these then subsequently being displayed. The latter can be achieved in that the photocathode is provided on the input or output side with a corresponding mask, or in that the cathode itself is constructed accordingly, that is to say that it can only be emitted within the cathode regions. The entirety of the cathode regions distributed on the photo cathode forms a geometric cathode region pattern, to which a number n of corresponding image region patterns is assigned on the starting image surface. Each of these image area patterns is at least geometrically similar, if not the same, to the cathode area pattern. The same applies to the individual image areas that make up the image area patterns. These image area patterns are geometrically identical to one another, but are shifted one or two dimensions against one another. As a result of this shift, the image area patterns are interleaved so that the individual image areas do not overlap. On the other hand, the displacements are so small that the image areas of the n image area patterns assigned to a single cathode area are adjacent to one another. Then each cathode area on the initial image area is fanned out into n corresponding image areas. If the image area patterns do not resemble the cathode area pattern, then there is a magnification factor v ≠ 1, apart from possible small image distortions.

Die physikalische Beziehung zwischen den Bildbereichs mustern und dem Kathodenbereichsmuster wird durch die Abbildungsvorrichtung einerseits sowie eine zusätzliche Ablenkvorrichtung hergestellt. Die Abbildungsvorrich tung entwirft grundsätzlich auf der Ausgangsbildfläche nur ein Bild des Kathodenbereichsmusters. Dieses eine Bild kann mit Hilfe der magnetischen oder elektrostati schen Ablenkvorrichtung ein- oder zweidimensional geschwenkt werden, so daß es mit den einzelnen Bild bereichsmustern nacheinander zur Deckung gelangt. Vor aussetzung für die Funktionsfähigkeit des Bildsensors ist noch, daß die Abstände zwischen den Kathoden bereichen des Kathodenbereichsmusters so groß sind, daß die Bilder der Bildbereichsmuster bei entsprechender umgekehrter Abbildung in die durch diese Abstände gegebenen Flächenbereiche hineinpassen würden, ohne sich mit den Kathodenbereichen zu überlappen.The physical relationship between the image areas pattern and the cathode area pattern is defined by the Imaging device on the one hand and an additional Deflector manufactured. The illustration device basically designs on the original image surface just an image of the cathode area pattern. This one Image can be made using magnetic or electrostatic deflection device in one or two dimensions be pivoted so that it matches the individual image area patterns one after the other. Before suspension for the functionality of the image sensor is that the distances between the cathodes areas of the cathode area pattern are so large that the images of the image area patterns when appropriate reverse figure into those by these distances would fit into given surface areas without to overlap with the cathode areas.

Mit dem so aufgebauten Bildsensor ist es nun grund sätzlich möglich, Informationen über die Tiefenstruktur der Objektoberfläche zu gewinnen. Wird dieses Objekt vom Ort des Bildsensors aus nämlich mit einem kurz zeitigen Lichtimpuls bestrahlt, so gelangen die reflek tierten Wellenzüge von unterschiedlich weit entfernten Oberflächenelementen aufgrund der unterschiedlichen Laufzeiten zu verschiedenen Zeitpunkten in die Eingangsoptik des Bildsensors. Die Elektronenemission der Kathodenbereiche erfolgt demnach ebenfalls zu ent sprechend verschiedenen Zeitpunkten. Sind beispiels weise die zwei benachbarten Kathodenbereichen zugeord neten Oberflächenelemente des Objekts von der Eingangs optik her gesehen um die Länge Δ1 voneinander ent fernt, so werden die von diesen Oberflächenelementen reflektierten Wellenzüge bzw. Lichtimpulse um eine Zeitdifferenz Δ t = 2Δ1/c (c = Lichtgeschwindigkeit) voneinander getrennt sein. Das Oberflächenelement des zuerst an dem entsprechenden Kathodenbereich ein treffenden Lichtimpulses werde demnach auf einem Bild bereich eines der Bildbereichsmuster abgebildet. Der um die Länge Δ1 weiter entfernte Oberflächenbereich wird erst um die Zeit Δ t später zur Abbildung gelangen, und zwar je nach der gewählten Ablenk geschwindigkeit, mit der das Bild der Photokathode auf der Ausgangsbildfläche verschoben wird, auf dem ent sprechenden Bildbereich eines gegenüber dem ersten Bildbereichsmuster mehr oder weniger verschobenen weiteren Bildbereichsmusters. Abhängig von der Ablenk geschwindigkeit, mit der das Kathodenbild über die Ausgangsbildfläche geschwenkt wird, ist somit jedem der n Bildbereichsmuster ein bestimmter Zeitpunkt t _i zugeordnet. Hierbei ist noch zu beachten, daß die Kathodenbereiche und damit die zugeordneten Bild bereiche möglichst klein gewählt werden, um eine hohe Auflösung zu erzielen. Zwar geht theoretisch dadurch, daß zwischen den Kathodenbereichen Abstände vorgesehen sind, Bildinformation verloren, jedoch schadet dies in der Praxis dann nicht, wenn diese Abstände nicht größer sind als es dem Auflösungsvermögen der Eingangsoptik entspricht. Werden die Dimensionen derartig gewählt, so entspricht jeder Kathodenbereich einem Objektpunkt, wobei diese Punkte dicht liegen. Auf der Ausgangsbild fläche ist jeder Objektpunkt in n einander benachbarte Bildbereiche bzw. Bildpunkte aufgelöst, wobei die Information über die Tiefenstruktur des Objektes darin liegt, welcher der n einem jeden Objektpunkt zugeordne ten Bildbereiche bzw. Bildpunkte "belichtet" wird.With the image sensor constructed in this way, it is now fundamentally possible to obtain information about the depth structure of the object surface. If this object is irradiated with a short-term light pulse from the location of the image sensor, the reflected wave trains from surface elements at different distances reach the input optics of the image sensor at different times due to the different transit times. The electron emission of the cathode regions accordingly also takes place at different times accordingly. If, for example, the surface elements of the object assigned to two adjacent cathode regions are separated from each other by the length Δ 1 from the input optics, then the wave trains or light pulses reflected by these surface elements are separated by a time difference Δ t = 2 Δ 1 / c ( c = speed of light). The surface element of the light pulse that first hits the corresponding cathode region is therefore imaged on an image region of one of the image region patterns. The surface area further away by the length Δ 1 will only arrive at the image by the time Δ t later, depending on the selected deflection speed with which the image of the photocathode is shifted on the output image area, on the corresponding image area one versus the other first image area pattern more or less shifted further image area pattern. Depending on the deflection speed with which the cathode image is pivoted over the output image area, a specific time t _i is thus assigned to each of the n image area patterns. It should also be noted here that the cathode areas and thus the associated image areas are chosen to be as small as possible in order to achieve a high resolution. Theoretically, the fact that distances are provided between the cathode regions means that image information is lost, but in practice this does no harm if these distances are not greater than the resolution of the input optics. If the dimensions are chosen in this way, each cathode region corresponds to an object point, these points lying close together. On the output image area, each object point is resolved into n adjacent image areas or image points, the information about the depth structure of the object being which of the image areas or image points assigned to each object point is "exposed".

Die einem Objektpunkt zugeordneten n Bildbereiche bzw. Bildpunkte können nun so voneinander unterschieden werden, daß sie jeweils mit elektrooptischen Wandler elementen unterschiedlicher Spektralcharakteristik bestückt sind. Je nachdem, welcher der einem Objektpunkt zugeordneten n Bildbereiche bzw. Bildpunkte von dem Elektronenstrahl getroffen wird, erscheint dieser Bild punkt auf dem aus den elektrooptischen Wandlerelementen gebildeten Farbleuchtschirm in einer unterschiedlichen Farbe. Damit kann die Tiefenstruktur optisch direkt sichtbar gemacht werden, wobei gleichzeitig eine Aus sage über die tiefenmäßigen Abstände benachbarter Objektpunkte voneinander möglich ist.The n image areas or image points assigned to an object point can now be distinguished from one another in such a way that they are each equipped with electro-optical transducer elements with different spectral characteristics. Depending on which of the n image areas or image points assigned to an object point is hit by the electron beam, this image point appears in a different color on the color phosphor screen formed from the electro-optical converter elements. This allows the depth structure to be made visually directly visible, while at the same time it is possible to make a statement about the depth distances between neighboring object points.

Sind örtlich starke Änderungen der Tiefenstruktur der Objektoberfläche bzw. Tiefensprünge vorhanden, so können wegen der begrenzten Anzahl n der einem Objekt punkt zugeordneten Bildbereiche bzw. -punkte Mehr deutigkeiten auftreten. Ist die Gesamttiefe des Objektes größer, als es der Gesamtzeit einer Schwenk bewegung T = n×Δ t entspricht (Δ t = t _i -t _i-1′ 2≦i≦n), so muß die Schwenk- bzw. Ablenkbewegung mehrmals wiederholt werden. Die sich hierbei möglicher weise ergebenden Mehrdeutigkeiten in der Bildauswer tung, verursacht durch abrupte Tiefenänderungen, können dadurch beseitigt werden, daß die Ablenkgeschwindigkeit variiert wird. Eine Verringerung der Ablenkgeschwindig keit entspricht einer Verringerung der Tiefenauflösung. Bei einer Vergrößerung der Ablenkgeschwindigkeit ergibt sich der umgekehrte Effekt. Schließlich kann die Ablenkgeschwindigkeit so weit verringert werden, daß die gesamte auszuwertende Objekttiefe mit einer Schwenkbewegung erfaßt wird. Dann ergeben sich keine Mehrdeutigkeiten in der Auswertung mehr, allerdings ist die Auflösung auf ein Minimum herabgesetzt.If there are locally strong changes in the depth structure of the object surface or depth jumps, then because of the limited number n of the image areas or points assigned to an object, ambiguities can occur. If the total depth of the object is greater than the total time of a swivel movement T = n × Δ t ( Δ t = t _i - t _i-1 ′ 2 ≦ i ≦ n ), the swivel or deflection movement must be repeated several times will. The possible ambiguities in the image evaluation, caused by abrupt changes in depth, can be eliminated by varying the deflection speed. A reduction in the deflection speed corresponds to a reduction in the depth resolution. The reverse effect occurs when the deflection speed is increased. Finally, the deflection speed can be reduced to such an extent that the entire object depth to be evaluated is detected with a swivel movement. Then there is no longer any ambiguity in the evaluation, but the resolution is reduced to a minimum.

Die Auswertung der Tiefeninformation bezüglich der Objektoberfläche ist nicht nur durch die oben geschil decte Farbkodierung möglich. Diese Auswertung kann auch rein elektronisch geschehen, und zwar dadurch, daß die einzelnen Bildbereiche bzw. Bildpunkte nicht mit elektrooptischen Wandlerelementen, sondern mit elektro nischen Sensorelementen bestückt werden. Hier kann es sich zum Beispiel um die einfallenden Elektronen speichernde CCD-Elemente in flächenhafter Anordnung handeln, die auf übliche Weise ausgelesen werden können. Dabei ist bei vorgegebener Ablenkgeschwindig keit auch bekannt, welchem Zeitpunkt t _i (1≦i≦n) die einzelnen Sensorelemente zugeordnet sind. Bei Änderung der Ablenkgeschwindigkeit verschiebt sich dieser Zusammenhang auf eindeutige und ebenfalls bekannte Weise.The evaluation of the depth information with regard to the object surface is not only possible through the color coding described above. This evaluation can also be done purely electronically, in that the individual image areas or pixels are not equipped with electro-optical transducer elements, but with electro-African sensor elements. This can be, for example, the incident electron-storing CCD elements in a flat arrangement, which can be read out in the usual way. For a given deflection speed, it is also known to which time t _i (1 ≦ i ≦ n ) the individual sensor elements are assigned. When the deflection speed changes, this relationship shifts in a clear and also known manner.

Die Abbildungsvorrichtung, mit deren Hilfe die flächen hafte Photokathode mit ihrem Kathodenbereichsmuster auf die Ausgangsbildfläche abgebildet wird, kann aus in der Elektronenoptik üblichen elektrostatischen Ablenk elementen bestehen. Dabei können zur Bildverstärkung bzw. Vervielfachung der Elektronenzahl Vielkanalplatten (multi channel plates) zwischengeschaltet sein. Die Anordnung kann auch derart ausgebildet sein, daß der Photokathode eine derartige Vielkanalplatte mit sehr geringem Abstand direkt nachgeschaltet ist, worauf wiederum mit nur geringem Abstand die Ausgangsbild fläche (z.B. Leuchtschirm) folgt (proximity focusing).The imaging device with the help of which the surfaces stick photocathode with its cathode area pattern the initial image area can be depicted in the Electron optics usual electrostatic deflection elements exist. You can use it for image enhancement or multiplication of the number of electrons in multi-channel plates (multi channel plates) are interposed. The Arrangement can also be designed such that the Such a multi-channel plate with very photocathode short distance is directly downstream, whereupon again with only a short distance the original image surface (e.g. fluorescent screen) follows (proximity focusing).

Die Ablenkvorrichtung kann aus zwei orthogonal zuein ander orientierten Spulenpaaren oder Kondensator plattenpaaren mit sich kreuzenden, im wesentlichen senkrecht zur optischen Achse verlaufenden resultieren den Magnetfeldrichtungen bzw. elektrischen Feldrich tungen bestehen. Die durch die Ablenkvorrichtung bewirkte Schwenkbewegung des elektronenoptischen Bildes der Photokathode kann beispielsweise periodisch linear oder auch kreisförmig verlaufen, je nach der speziellen geometrischen Anordnung der einem Kathodenbereich zugeordneten Bildbereiche bzw. Bildpunkte.The deflector can be orthogonal to two other oriented coil pairs or capacitor plate pairs with intersecting, essentially result perpendicular to the optical axis the magnetic field directions or electrical field direction conditions exist. The through the deflector caused pivotal movement of the electron-optical image the photocathode can, for example, be periodically linear or even circular, depending on the special geometric arrangement of a cathode area assigned image areas or pixels.

Wie schon erwähnt, können die Bildbereiche der ver schiedenen Bildbereichsmuster mit elektrooptischen Wandlerelementen jeweils unterschiedlicher Spektral charakteristik bestückt sein, wobei jedem einzelnen Bildbereich mindestens ein elektrooptisches Wandler elemente zugeordnet ist. Dabei ist die Gesamtheit der elektrooptischen Wandlerelemente aller Bildbereichs muster einem Farbleuchtschirm zugeordnet. Als weitere Möglichkeit der Bildauswertung kann vorgesehen sein, daß einem derartigen Farbleuchtschirm noch eine flächenhafte Photosensoranordnung nachgeschaltet ist, gegebenenfalls unter Zwischenschaltung einer Faser optikplatte, wobei jedem einzelnen elektrooptischen Wandlerelement mindestens ein Photosensorelement zugeordnet ist.As already mentioned, the image areas of the ver different image area patterns with electro-optical Transducer elements each have a different spectral characteristic to be populated, each one Image area at least one electro-optical converter elements is assigned. The entirety of the electro-optical converter elements of all image areas pattern assigned to a color fluorescent screen. As another Possibility of image evaluation can be provided that such a color fluorescent screen another planar photosensor arrangement is connected downstream, optionally with the interposition of a fiber optical disc, each individual electro-optical Converter element at least one photosensor element assigned.

Die Kathodenbereiche können streifenförmig und parallel zueinander angeordnet sein. Weiterhin können diese z.B. auch kreisförmig oder quadratisch geformt sein. Für n = 3 können die demselben, beispielsweise kreisförmigen oder quadratischen Kathodenbereich zugeordneten Bild bereiche mit ihren Zentren in den Eckpunkten eines gleichseitigen Dreiecks angeordnet sein. Für n = 4 können die entsprechenden Zentren der Bildbereiche auf den Eckpunkten eines Quadrates liegen.The cathode areas can be arranged in strips and parallel to one another. Furthermore, they can also have a circular or square shape, for example. For n = 3, the image areas assigned to the same, for example circular or square, cathode area can be arranged with their centers in the corner points of an equilateral triangle. For n = 4, the corresponding centers of the image areas can lie on the corner points of a square.

Im folgenden sind einige Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand der Abbildungen näher erläutert. Es zeigen in schematischer Weise: The following are some embodiments of the Invention explained in more detail with reference to the pictures. It show schematically:

Fig. 1 ein Übersichtsbild eines Bildsensors mit dem aufzunehmenden Objekt sowie der dieses ausleuchtenden Lichtquelle, Fig. 1 is an overview of an image sensor with the object to be recorded as well as this illuminating light source,

Fig. 2 einen Bildsensor gemäß der Erfindung mit Vielkanalplatte und Farbleuchtschirm, Fig. 2 shows an image sensor according to the invention, with multichannel plate and color fluorescent screen,

Fig. 3 einen weiteren Bildsensor gemäß der Erfindung mit Farbleuchtschirm, Fig. 3 shows a further image sensor according to the invention with color phosphor screen,

Fig. 4 einen weiteren Bildsensor gemäß der Erfindung mit ausgangsseitigem, auslesbaren elektronischen Halbleiter-Flächensensor, Fig. 4 shows a further image sensor according to the invention with outlet, readable electronic semiconductor area sensor,

Fig. 5 ein streifenförmiges Kathodenbereichsmuster sowie die zugeordneten Bildbereichsmuster, Fig. 5 is a strip-shaped cathode region pattern, and the associated image area pattern,

Fig. 6 eine Ausgangsbildfläche mit kreisförmigen Bildbereichen, Fig. 6 is an output image surface with circular image areas,

Fig. 7 eine Ausgangsbildfläche mit quadratischen Bildbereichen. Fig. 7 shows an output image surface with square image areas.

In Fig. 1 ist ein Bildsensor 1 nur schematisch an gedeutet. Im Blickfeld der Eingangsoptik 2 dieses Bild sensors 1 befindet sich ein Objekt 20, welches bezüg lich der Richtung der optischen Achse eine tiefen strukturierte Oberfläche besitzt. Ein Impulslaser 21 dient dazu, das Objekt 20 an der dem Bildsensor 1 zugekehrten Seite kurzzeitig auszuleuchten. Dazu ist in den Strahlengang des Impulslasers 21 eine Aufweitungs optik eingeschaltet, die den zunächst parallelen Licht strahl des Lasers so weit divergieren läßt, daß eine großflächige Ausleuchtung des Objektes 20 möglich wird. In Fig. 1, an image sensor 1 is only indicated schematically. In the field of view of the input optics 2 of this image sensor 1 there is an object 20 which has a deep structured surface with respect to the direction of the optical axis. A pulse laser 21 serves to briefly illuminate the object 20 on the side facing the image sensor 1 . For this purpose, an expansion optics is switched on in the beam path of the pulse laser 21 , which allows the initially parallel light beam of the laser to diverge so far that large-area illumination of the object 20 is possible.

Dieser divergierende Lichtstrahl wird hinter der Auf weitungsoptik durch einen Umlenkspiegel 23 und danach durch einen Strahlteiler 24 auf das Objekt 20 gerich tet. Die von diesem reflektierte Strahlung gelangt dann in das Objektiv 2 des Bildsensors 1. Außerdem ist ein Impuls- und Ablenkgenerator 25 vorgesehen, der die abgegebenen Laserimpulse zeitlich mit den Schwenk bewegungen der im Bildsensor vorgesehenen Ablenk vorrichtung koordiniert.This diverging light beam is tet behind the expansion optics by a deflecting mirror 23 and then by a beam splitter 24 on the object 20 . The radiation reflected by it then passes into the objective 2 of the image sensor 1 . In addition, a pulse and deflection generator 25 is provided, which coordinates the laser pulses emitted in time with the pivoting movements of the deflection device provided in the image sensor.

Fig. 2 zeigt in schematischer Weise einen Bildsensor 1 gemäß der Erfindung, welcher im wesentlichen aus einem evakuierten Gehäuse 26, einer Eingangsoptik 2, einer eingangsseitigen flächenhaften Photokathode 3 mit vor geschalteter Faseroptikplatte 5 sowie Eingangsmaske 4, einer der Photokathode 3 nachgeschalteten Vielkanal platte 27 und schließlich einer am Ort der Ausgangs bildfläche 5 befindlichen Anordnung, bestehend aus einem Farbleuchtschirm 10 sowie gegebenenfalls einer Leuchtschirmmaske 25, besteht. Die Vielkanalplatte 27 dient dazu, die Anzahl der jeweils von den einzelnen Kathodenbereichen der Photokathode 3 emittierten Elek tronen zu vervielfachen, damit bei hoher zeitlicher Auflösung des Systems genügend Intensität zur Verfügung steht. Zunächst wird das in Fig. 2 nicht dargestellte Objekt durch die Eingangsoptik 2 auf die Photokathode 3 abgebildet. Diese wiederum wird durch eine übliche, nicht dargestellte Abbildungsvorrichtung auf die Eingangsseite der Vielkanalplatte abgebildet, zwischen deren Eingangs- und Ausgangsseite die Spannung U ₃ U ₂ anliegt. Die Ausgangsseite der Vielkanalplatte 27 wiederum wird auf die Ausgangsbildfläche 5 abgebildet. Insgesamt liegt zwischen Ausgangs- und Eingangsseite des Bildsensors 1 die Beschleunigungsspannung U ₄- U ₁. Die Leuchtschirmmaske 25 weist die durch die gegeneinander verschobenen Bildbereichsmuster gegebene Struktur auf, und zwar derart, daß sie Öffnungen an den Stellen der entsprechenden Bildbereiche hat. Unmittel bar hinter der Leuchtschirmmaske 25 befindet sich der Farbleuchtschirm 10, der in diesem Falle einer visu ellen Beobachtung zugänglich ist. Eine schematisch dar gestellte Ablenkvorrichtung 12, beispielsweise in Form zweier orthogonal angeordneter Spulenpaare zur Erzeu gung zweier orthogonal zueinander gerichteter Magnet felder, sorgt dafür, daß die aus der Vielkanalplatte 27 austretenden Elektronen, beispielsweise linear oder kreisförmig abgelenkt werden können, so daß schließlich das auf der Ausgangsbildfläche 5 entstehende elektro nenoptische Bild der flächenhaften Photokathode 3 über die Leuchtschirmmaske 25 bzw. die n Bildbereichsmuster geschwenkt werden kann. Fig. 2 shows schematically an image sensor 1 according to the invention, which essentially consists of an evacuated housing 26 , an input optic 2 , an input-side planar photocathode 3 with a fiber optic plate 5 connected in front and an input mask 4 , a multi-channel plate 27 and the photocathode 3 connected downstream Finally, an arrangement located at the location of the output image area 5 , consisting of a colored fluorescent screen 10 and optionally a fluorescent screen mask 25 . The multi-channel plate 27 serves to multiply the number of electrons emitted from the individual cathode regions of the photocathode 3 so that sufficient intensity is available with a high temporal resolution of the system. First, the object (not shown in FIG. 2) is imaged on the photocathode 3 by the input optics 2 . This in turn is imaged by a conventional imaging device, not shown, on the input side of the multi-channel plate, between the input and output side of which the voltage U ₃ U ₂ is present. The output side of the multi-channel plate 27 is in turn mapped onto the output image area 5 . Overall, between the output and input side of the image sensor 1, the acceleration voltage U ₄ - U. ₁ The fluorescent screen mask 25 has the structure given by the mutually displaced image area patterns, in such a way that it has openings at the locations of the corresponding image areas. Immediately bar behind the luminescent screen mask 25 is the color luminescent screen 10 , which in this case is accessible to visual observation. A schematically illustrated deflection device 12 , for example in the form of two orthogonally arranged pairs of coils for generating two orthogonally directed magnetic fields, ensures that the electrons emerging from the multi-channel plate 27 can be deflected, for example linearly or circularly, so that finally that on the Output image area 5 resulting electro-optical image of the areal photocathode 3 can be pivoted via the fluorescent screen mask 25 or the n image area pattern.

In Fig. 3 ist ein weiterer Bildsensor gemäß der Erfindung schematisch dargestellt. Dieser verfügt nicht über eine Vielkanalplatte und kann speziell bei sehr hoher reflektierter Lichtintensität verwendet werden. Die Bezugsziffern bezeichnen gleiche Komponenten wie in Fig. 2. Dem ausgangsseitigen Farbleuchtschirm 10 ist noch eine Faseroptikplatte 29 nachgeschaltet, an die beispielsweise eine flächenhaftes CCD-Array zum Aus lesen der Bildsignale angeschlossen sein kann. Die Photokathode 3 wird in diesem Falle durch ein nicht dargestelltes Abbildungssystem üblicher Bauart direkt auf die Ausgangsbildfläche 5 abgebildet.A further image sensor according to the invention is shown schematically in FIG. 3. This does not have a multi-channel plate and can be used especially with very high reflected light intensity. The reference numerals designate the same components as in FIG. 2. A fiber optic plate 29 is also connected downstream of the color fluorescent screen 10 , to which, for example, a flat CCD array can be connected for reading out the image signals. In this case, the photocathode 3 is imaged directly onto the output image area 5 by an imaging system of a conventional type, not shown.

Fig. 4 schließlich zeigt eine weitere Ausführungsform eines Bildsensors gemäß der Erfindung, der sich von der gemäß Fig. 2 lediglich dadurch unterscheidet, daß die Ausgangsbildfläche 5 auf einem matrixartig struktu rierten Halbleiter-Flächensensor 19 liegt, welcher aus elektronischen Sensorelementen aufgebaut ist. Dieser Halbleiter-Flächensensor 19 kann bereits so aufgebaut sein, daß die Anordnung der für einfallende Elektronen empfindlichen elektronischen Sensorelemente die inein andergeschachtelten Bildbereichsmuster wiedergibt. Die von den elektronischen Sensorelementen des Halbleiter- Flächensensors 19 beispielsweise als Ladungsmengen gespeicherten Bildinformationen können dann auf übliche Weise ausgelesen und weiterverarbeitet werden. Jeder Bildbereich der Ausgangsbildfläche 5 kann mit einem oder mehreren elektronischen Sensorelementen bestückt sein, vorzugsweise allerdings wird ein Bildbereich bzw. -punkt von einem Sensorelement abgedeckt. Fig. 4, finally, a further embodiment of the invention, which only differs from that shown in Fig. 2 that the output image area 5 on a matrix-like struc tured semiconductor area sensor is 19, which is composed of electronic sensor elements shows an image sensor according. This semiconductor area sensor 19 can already be constructed in such a way that the arrangement of the electronic sensor elements sensitive to incident electrons reflects the nested image area patterns. The image information stored by the electronic sensor elements of the semiconductor surface sensor 19, for example as amounts of charge, can then be read out and processed further in the usual way. Each image area of the output image area 5 can be equipped with one or more electronic sensor elements, but preferably an image area or point is covered by a sensor element.

Fig. 5 zeigt im oberen Teil eine der Photokathode vor geschaltete Eingangsmaske 4 zur Bildung streifen förmiger Kathodenbereiche 13. Diese Kathodenbereiche 13 bilden somit ein entsprechendes Kathodenbereichsmuster. Die entsprechenden Bildbereichsmuster A, B, C auf der zugeordneten Ausgangsbildfläche 5 sind im unteren Teil der Fig. 5 dargestellt. Dabei handelt es sich ebenfalls um streifenförmige Bildbereiche 15, welche parallel zueinander eng benachbart liegen. Der Abstand zwischen den jeweils dem gleichen Bildbereichsmuster A oder B oder C angehörigen Bildbereiche 15 entspricht dem Abstand zwischen zwei streifenförmigen Kathoden bereichen 13 des Kathodenbereichsmusters, wobei hier ein Vergrößerungsfaktor v = 1 vorausgesetzt ist. Im unteren Teil der Fig. 5 ist noch die durch die Ablenk vorrichtung erzeugte Magnetfeldrichtung M eingezeich net, die zu einer orthogonal dazu gerichteten Ablenk richtung führt. Die Schwenkbewegung des Kathodenbildes über die Bildbereichsmuster A, B, C ist also linear und kann periodisch wiederholt werden. Den Bildbereichs mustern A, B, C können beispielsweise auf einem nach geordneten Leuchtschirm rote, grüne und blaue Farbstreifen zugeordnet sein. Fig. 5 shows in the upper part one of the photocathode before input mask 4 to form strip-shaped cathode regions 13th These cathode regions 13 thus form a corresponding cathode region pattern. The corresponding image area patterns A , B , C on the assigned output image area 5 are shown in the lower part of FIG. 5. These are also strip-shaped image areas 15 which are closely adjacent in parallel to one another. The distance between the respective image area pattern 15 belonging to the same image area pattern A or B or C corresponds to the distance between two strip-shaped cathode areas 13 of the cathode area pattern, an enlargement factor v = 1 being assumed here. In the lower part of FIG. 5, the magnetic field direction M generated by the deflection device is also shown, which leads to an orthogonally directed deflection direction. The pivoting movement of the cathode image over the image area patterns A , B , C is therefore linear and can be repeated periodically. The image area patterns A , B , C can be assigned, for example, red, green and blue color strips on an ordered fluorescent screen.

In Fig. 6 sind für n = 3 mehreren benachbarten Objekt punkten bzw. Kathodenbereichen auf der Ausgangsbild fläche 5 zugeordnete Tripel kreisförmiger Bildbereiche bzw. -punkte 9 dargestellt. Diese bilden wieder n = 3 ineinander verschachtelte Bildbereichsmuster A, B sowie C. Weiterhin zeigt Fig. 6 zwei orthogonal zueinander gerichtete Magnetfelder B _x sowie B _y. Ohne Einwir kung der Ablenkungsvorrichtung, repräsentiert durch die Magnetfelder B _x sowie B _y mögen die elektronen optischen Bilder der Kathodenbereiche mit dem Bild bereichsmuster A übereinstimmen. Durch Erzeugen ent sprechender magnetischer Wechselfelder kann erreicht werden, daß das elektronenoptische Bild der Kathoden bereiche bzw. des gesamten Kathodenbereichsmusters eine kreisförmige Schwenkbewegung ausführt, wobei nachein ander die Bildbereichsmuster A, B und C durchlaufen werden.In Fig. 6 for n = 3 several neighboring object points or cathode areas on the output image area 5 assigned triples of circular image areas or points 9 are shown. These again form n = 3 interlaced image area patterns A , B and C. Furthermore, FIG. 6 _y two orthogonally directed magnetic fields B and B _x. Without the action of the deflection device, represented by the magnetic fields B _x and B _y, the electron-optical images of the cathode regions may match the image region pattern A. By generating corresponding alternating magnetic fields can be achieved that the electron-optical image of the cathode areas or the entire cathode area pattern performs a circular pivoting movement, with the image area patterns A , B and C being run through one after the other.

Es kommt vor, daß das einem Objektpunkt bzw. Kathoden bereich zugeordnete elektronische Signal während der kontinuierlichen Schwenkbewegung nicht genau auf einen der Bildbereiche 9 trifft, sondern auf die Grenze zweier derartiger Bereiche. Sind die Bildbereiche bzw. Bildpunkte 9 mit elektronischen, ladungssammelnden Sensorelementen bestückt, so kann aus der Ladungs verteilung des Signals auf die zwei benachbarten Bild bereiche bzw. -punkte auf den exakten Zeitpunkt ge schlossen werden, zu dem der vom Objektpunkt kommende Lichtimpuls am Bildsensor eingetroffen ist. Demnach sind bei entsprechender ausgangsseitiger Ausbildung des Bildsensors auch Interpolationen zwischen den zunächst diskreten Zeitpunkten möglich, welche den einzelnen Bildbereichsmustern A, B, C in Abhängigkeit von der Ablenkgeschwindigkeit zugeordnet sind.It happens that the electronic signal assigned to an object point or cathode area does not exactly hit one of the image areas 9 during the continuous pivoting movement, but rather to the boundary of two such areas. If the image areas or pixels 9 are equipped with electronic, charge-collecting sensor elements, it can be deduced from the charge distribution of the signal to the two adjacent image areas or points to the exact point in time at which the light pulse coming from the object point arrives at the image sensor is. Accordingly, if the image sensor is designed appropriately on the output side, interpolations between the initially discrete points in time are also possible, which are assigned to the individual image area patterns A , B , C as a function of the deflection speed.

Eine weitere mögliche Anordnung in diesem Fall quadra tischer Bildbereiche 16, deren Mittelpunkte auf den Eckpunkten eines Quadrates liegen, ist in Fig. 7 dar gestellt. Die gestrichelt eingezeichneten Quadrate sollen die Lage der zugeordneten quadratischen Kathodenbereiche 14 ohne Einwirkung der Ablenkvorrich tung (orthogonale Magnetfelder B _x, B _y) wiedergeben. Auch hier wird im allgemeinen eine kreisförmige Schwenkbewegung des abgebildeten Kathodenbereichs musters (Kathodenbereiche 14) über die n = 4 Bild bereichsmuster A, B, C sowie D zweckmäßig und aus reichend sein. Allerdings bietet die orthogonale Anordnung der Magnetfelder im Extremfall auch die Möglichkeit, eine nahezu quadratische Schwenkbewegung auszuführen.Another possible arrangement in this case quadratic table areas 16 , the center points of which lie on the corner points of a square, is shown in FIG. 7. The dashed squares are intended to reflect the position of the assigned square cathode regions 14 without the action of the deflection device (orthogonal magnetic fields B _x , B _y ). Here, too, a circular swiveling movement of the depicted cathode region pattern (cathode regions 14 ) over the n = 4 image region patterns A , B , C and D will be expedient and sufficient. In extreme cases, however, the orthogonal arrangement of the magnetic fields also offers the possibility of executing an almost square swiveling movement.

Bei Verwendung eines Farbleuchtschirms ist den Bild bereichsmustern A, B, C, D jeweils eine andere Farbe zugeordnet. Bei Verwendung eines einfarbigen Leucht schirms sind die Bildbereichsmuster jeweils abwechselnd fluoreszierend und nicht fluoreszierend.When using a color fluorescent screen, the image area patterns A , B , C , D are each assigned a different color. When using a single-color illuminated screen, the image area patterns are alternately fluorescent and non-fluorescent.

Claims

1. Image sensor for recording scenes or objects with a deeply structured surface, with an evacuated housing ( 26 ), a planar photocathode ( 3 ) on the front thereof, an input opt ( 2 ) and the image or scene on the photocathode ( 3 ) one of the photocathode ( 2 ) electronically on one of these on the back of the housing ( 26 ) opposite, with electro-optical transducer elements or electronic sensor elements equipped output image area ( 8 ) depict the imaging device, characterized in that the photocathode ( 3 ) either due to an immediately adjacent one , upstream or downstream mask ( 4 ) or due to their own structure at a distance from each other regularly arranged, a geometric cathode area pattern forming cathode areas ( 13 , 14 ), with only the photoelectrons emitted from these cathodes areas ( 13 , 14 ) Figure that the cathode region Ich pattern on the starting image area ( 5 ) n ( n ≧ 2) geometrically identical to each other, geometrically similar to the cathode area pattern, one- or two-dimensionally shifted against each other, not overlapping in terms of their image areas ( 9 , 15 , 16 ), nested image area patterns ( A , B , C , D ) are assigned, the image areas ( 9 , 15 , 16 ) of the n image area patterns ( A , B , C , D ) corresponding to each cathode area ( 13 , 14 ) being adjacent to each other, and that a magnetic or electrostatic cal deflection device ( 12 ) is present, by means of which the electron-optical image of the cathode region pattern on the output image surface ( 8 ) can be pivoted at a selectable speed over the n image region pattern ( A , B , C , D ).

2. Image sensor according to claim 1, characterized in that the cathode regions ( 13 ) are arranged in strips and parallel to each other.

3. Image sensor according to claim 1, characterized in that the cathode regions ( 14 ) are circular or square.

4. Image sensor according to claim 3, characterized in that n = 3 and the same cathode area ( 14 ) associated image areas ( 9 ) are arranged with their centers in the corner points of an equilateral triangle.

5. Image sensor according to claim 3, characterized in that n = 4 and the same cathode area ( 14 ) associated image areas ( 16 ) lie with their centers on the corner points of a square.

6. Image sensor according to one of claims 1 to 5, characterized in that the image areas ( 9 , 15 , 16 ) of the different image area patterns ( A , B , C , D ) with electro-optical transducer elements are each equipped with different spectral characteristics, each at least one electro-optical converter element is assigned to an image area ( 9 , 15 , 16 ).

7. Image sensor according to claim 6, characterized in that the entirety of the electro-optical converter elements of all image area patterns ( A , B , C , D ) is arranged on a color fluorescent screen ( 10 ).

8. Image sensor according to claim 7, characterized in that the colored fluorescent screen ( 10 ) is connected to an areal photosensor arrangement with the interposition of a fiber optic plate, each individual electro-optical transducer element being assigned at least one photosensor element.

9. Image sensor according to one of claims 1 to 5, characterized in that each image area ( 9 , 16 , 15 ) is equipped with at least one electronic sensor element and the entirety of all electronic sensor elements forms a matrix-like structured semiconductor area sensor ( 19 ).

10. An image sensor according to one of claims 1 to 9, characterized in that two magnetic pairs oriented orthogonally to one another are used as the magnetic deflection device ( 12 ) with crossing resulting magnetic field directions perpendicular to the optical axis.

11. Image sensor according to one of claims 1 to 9, characterized in that as the electrostatic deflection device ( 12 ) two orthogonally oriented capacitor plate pairs are used with intersecting perpendicular to the optical axis electrical field directions are used ver.

12. Image sensor according to claim 10 or 11, characterized in that the pivoting movement caused by the deflection device ( 12 ) of the electron-optical image is periodically linear.

13. Image sensor according to claim 10 or 11, characterized in that the pivoting movement caused by the deflection device ( 12 ) of the electron-optical image runs in a circle.