DE4311982A1

DE4311982A1 - Optoelektronische Kamera

Info

Publication number: DE4311982A1
Application number: DE4311982A
Authority: DE
Inventors: Peter Dipl Ing Diedrich; Michael Dipl Ing Puhlmann
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1992-04-08
Filing date: 1993-04-07
Publication date: 1993-10-14

Description

Die Erfindung betrifft eine optoelektronische Kamera der im Oberbegriff des Anspruchs 1 angegebenen Art.

Die letzte Entwicklung des Standes der Technik bei CCD- Bildsensoren stellt gegenwärtig der Megapixelchip KAF 4200 von Kodak mit 2048×2048 Bildelementen dar. Die Pixelgrö ße beträgt dabei 9×9 µm², die Sensorfläche 18,4×18,4 mm². Bei Echtzeitbildwiedergabe (Laufbild mit einer Ge schwindigkeit von 25 Bildern/Sekunde) und 8-BitGrauwert quantisierung ergibt sich eine Datenrate von 840 Mega bit/Sekunde. Die damit bei einem monolithisch integrierten Halbleiterbildsensor erreichte Pixelanzahl stellt die Grenze dessen dar, was, bedingt durch die hohe Datenmenge, die hohe Datenrate bei Echtzeitanwendungen und die mit steigender Chipfläche und Pixelanzahl exponentiell sinken den Fertigungsausbeute derzeit sinnvoll erscheint.

In der deutschen Offenlegungsschrift DE-37 33 593 A1 ist eine Vorrichtung zur photografischen Aufnahme eines Gegen standes, insbesondere zur späteren Wiedergabe auf dem Bildschirm, beschrieben. Dabei ist ein Bildaufnehmer, der kleiner ist als die Abbildung durch das Objektiv, ver schiebbar in der Bildebene angeordnet. Durch Verschiebung des Bildaufnehmers in der Bildebene kann jeder beliebige Ausschnitt aus dem Bildfeld sichtbar gemacht werden. Dabei besteht der Vorteil, daß die jeweils sichtbar gemachte Einzelheit mit sehr guter Wiedergabequalität und hohem Auflösungsvermögen dargestellt wird. Von Nachteil ist bei dieser Vorrichtung, daß nicht das gesamte Bildfeld im Überblick erfaßt werden kann, daß die Änderung des Bild ausschnittes eine gewisse Zeit erfordert und daß die Ab messungen und das Gewicht auf Grund der erforderlichen Ob jektive mit großem Bildfeld relativ hoch sind.

Ein weiterer Weg zur Erhöhung der Auflösung elektronischer Kameras wurde mit der Stehbild-Videokamera ProgRes 3000 beschritten, die in der deutschen Patentschrift DE 38 37 063 C1 beschrieben ist. Der Bildsensor ist ein 6,6×8,8 mm² großer CCD-Chip mit 580 Zeilen zu je 499 Elementen. Die Pixel sind ca. 11×17 µm³ groß. Die CCD- Matrix wird durch eine Lochmaske abgedeckt, die pro Pixel nur eine Fläche von weniger als 3×3 µm² freiläßt. Waage recht ist der Sensor in bis zu 6 Intervallen und senkrecht in 4 Intervallen verschiebbar, womit sich die Anzahl der Bildpunkte um den Faktor 24 auf fast 7 Millionen Bildpunk te erhöht. Die schrittweise Verschiebung des Sensors er folgt durch piezoelektrische Antriebe, die eine hochgenaue und schnelle Abtastung ermöglichen. Grundsätzlich wäre zwar eine noch höhere Auflösung mit noch kleineren Maske naperturen möglich. Grenzen setzt hier aber vor allem die mit der kleiner werdenden genutzten Pixelfläche quadra tisch sinkende Lichtempfindlichkeit. Nachteilig ist bei dieser Kamera, daß sich eine hohe Bildauflösung und eine große Bildfrequenz nicht gleichzeitig, sondern stets nur alternativ durch entsprechende Programmierung erreichen lassen (vgl. Kontron-Firmenschschrift ProgRes 3000, Photo technik International 12/89, S.84).

Bekannt sind auch elektronische Kameras mit Bildverstär kern, die bei extrem geringen Beleuchtungsstärken einge setzt werden können. Durch Ansteuern mit Hochspannungsim pulsen wird ein Bildverstärker zum elektrooptischen Kurz zeitverschluß. Mit einem hierfür entsprechend ausgelegten und aus einem geeigneten Impulsgenerator versorgten Nah fokus-Bildverstärker können Öffnungszeiten im Nanosekun denbereich erreicht werden. Die Kamera SV-553 weist 2 ns als kürzeste Öffnungszeit auf (Phototechnik International 4/89 S.46).

In der deutschen Offenlegungsschrift DE 29 14 803 A1 ist weiterhin die Kombination einer Mikrokanalplatte mit einem CCD-Sensor beschrieben. An einer Photokathode werden durch auftreffende Lichtquanten Elektronen erzeugt. Diese werden durch ein elektrostatisches Hochspannungsfeld beschleunigt und durch Sekundärelektronenvervielfachung in einer Mikro kanalplatte verstärkt. Kollektorelektroden am Ausgang der einzelnen Kanäle der Mikrokanalplatte fangen die Elektro nen auf und führen sie über Speicher, Übertragungsglied und Analog-Schieberegister der Verarbeitung zu. Das Auflö sungsvermögen von Bildverstärkern ist begrenzt. Bei Ver wendung von Mikrokanalplatten wird das Auflösungsvermögen durch den Mittenabstand der einzelnen Kanäle bestimmt. Er liegt gegenwärtig bei ca. 20 µm. Mit Mikrokanalplatten sind Elektronenverstärkungsfaktoren von 10 000 erreichbar.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine optoelek tronischen Kamera der eingangs genannten Gattung zu schaf fen, die es ermöglicht, Bilder hoher Auflösung (bei spielsweise bis ca. 500 Pixel/mm), ohne Empfindlichkeits verlust gegenüber bekannten Bildsensoren in Echtzeit (25 Bilder/sec), aufzunehmen.

Diese Aufgabe wird mit den in Anspruch 1 angegebenen Maß nahmen gelöst.

Ursache für die geringe Empfindlichkeit der Bildsensoren, die nach dem Verfahren der piezogesteuerten Aperturver schiebung arbeiten, ist die Verkleinerung der wirksamen Pixelfläche durch Maskierung, die mit einer Verringerung des Anteils der sensitiven Fläche an der Gesamtfläche des Sensors verbunden ist. Bei Echtzeitanforderungen wird die Empfindlichkeit indirekt weiter dadurch verringert, daß die Belichtungszeit pro Bildpunkt entsprechend der Bild frequenz und der Anzahl der Schritte pro Bild begrenzt ist. Damit ergibt sich mit

x = Faktor für die Erhöhung der horizontalen Auflösung
y = Faktor für die Erhöhung der vertikalen Auflösung

bei gleicher Bildfrequenz, Integrationszeit (entsprechend 1/Schrittfrequenz) sowie lückenloser und überdeckungsfrei er Abtastung der sensitiven Fläche der Pixel der Faktor K für die Verringerung der Empfindlichkeit gegenüber dem un maskierten Sensor.

K = (x_*y)².

Dieser Faktor ist damit das Maß für die erforderliche Ver stärkung, um die Empfindlichkeitsverluste auszugleichen. Mit x=y=10 ergibt sich ein Verstärkungsfaktor von 10 000.

Erfindungsgemäß ist zwischen den in der Aufnahmeeinheit einer optoelektronischen Kamera in bekannter Weise vorhan denen Bauteilen, einer Lochmaske und einem Bildaufnehmer, ein zusätzlicher Bildverstärker angeordnet. Der Bildver stärker weist eine Fotokathode auf, der insbesondere eine Mikrokanalplatte nachgeordnet ist. Jeweils mehrere Kanäle der Mikrokanalplatte sind einem Bildpunkt zugeordnet. Die durch die Bildhelligkeit an der Fotokathode im Bereich der einzelnen Löcher der Lochmaske erzeugten Elektronen werden bevorzugt unter Wirkung einer Hochspannungsquelle inner halb der einzelnen Kanäle der Mikrokanalplatte verviel facht bzw. beschleunigt. Nach Durchlaufen der einzelnen Kanäle treffen die dem Bildinhalt entsprechenden Elektro nen mittelbar über den Leuchtschirm in den Bildaufnehmer und erzeugen dort ein entsprechendes Ladungsbild. Der kleinste auslesbare Bildanteil ist dabei abhängig vom Schrittraster der Antriebe zur Aperturverschiebung und dem Durchmesser der Löcher der Lochmaske.

Die Erfindung beruht dabei auf der Erkenntnis, daß es mit tels eines Bildverstärkers möglich ist, die durch die Blendenanordnung reduzierte Lichtmenge soweit heraufzuset zen, daß diese einer Lichtausbeute entspricht, wie sie ohne Blendenanordnung erzielbar war. Damit wurde die bis her herrschende Meinung widerlegt, daß davon auszugehen sei, daß stets nur entweder die Auflösung oder die Emp findlichkeit groß gewählt werden könnte. Mit den Maßnahmen der Erfindung läßt sich hingegen eine große Auflösung auch bei großer Empfindlichkeit erzielen, so daß der Einsatz der gattungsgemäßen optoelektronischen Kamera nicht mehr - wie bisher - auf Anwendungsfelder mit hoher Lichtintensi tät beschränkt ist.

Zusätzlich wird durch die Parallelverstärkung in mehreren Kanälen der Mikrokanalplatte eine verbesserte Dynamik bei verringerter Totzeit erzielt.

Der Einfluß örtlicher Verstärkungsunterschiede und Fehl stellen wird durch die Signalmittlung über mehrere Mikro kanäle reduziert.

Es entfällt das Erfordernis der Justierung der Mikrokanal platte in Bezug auf die Lochblende. Die hinnehmbaren Fer tigungstoleranzen bezüglich der Mittenabstände der einzel nen Kanäle sind vergrößert, so daß sich insgesamt eine Ko stenreduzierung bei der Fertigung ergibt.

Durch den in bevorzugter Weiterbildung zwischen den ein zelnen lichtempfindlichen Bereichen des Bildaufnehmers be stehenden Zwischenraum ist die Trennung der einzelnen Si gnale verbessert.

Besonders vorteilhaft ist ferner, daß nicht nur die Auflö sung, sondern auch die Auswahl der mit hoher Auflösung auszuwertenden Bildteile mit einfachen Schaltmitteln je derzeit veränderbar ist, so daß die Kamera ohne weiteres mit an die jeweiligen Anforderungen angepaßten Eigen schaften betreibbar ist. Andererseits wird dabei die für die nachfolgende Bildverarbeitung anfallende Datenmenge auf das jeweils erforderliche Maß beschränkt, so daß die nachgeschalteten Datenverarbeitungsmittel nicht unnötig aufwendig gewählt werden müssen. Sämtliche Bilderfassungen lassen sich dabei insbesondere in Echtzeit durchführen.

Die mangelnde Echtzeitfähigkeit bei hoher Auflösung war beim Stand der Technik auf die beschränkte Datenrate des CCD-Bildsensors und darauf zurückzuführen, daß stets das gesamte Bild ausgelesen werden mußte. Auch bei der Bild verarbeitung stößt die Erhöhung der Datenrate an tech nische und ökonomische Grenzen. Bei 25 Bildern/Sekunde, 25 Millionen Bildpunkten und 8-Bit-Grauwertquantisierung ergibt sich eine Datenrate von 5 Gigabit/Sekunde. Anderer seits ist die hohe Auflösung für die Bildverarbeitung nur partiell erforderlich und sinnvoll. Um die Echtzeitfähig keit zu gewährleisten, kann nach einer weiteren Ausbildung der Erfindung einerseits das gesamte Bild mit normaler Auflösung erfaßt und andererseits auf Ausschnitte des Bildes zugegriffen werden, das heißt, daß nicht das gesam te Bild ausgelesen werden muß.

Nach einer bevorzugten Weiterbildung der Erfindung ist die optoelektronische Kamera mit einer Auswahlschaltung verse hen, mittels der unterschiedliche Bildauflösungen und Aus schnitte unter Berücksichtigung der Datenverarbeitungs kapazität des nachgeschalteten Prozessors frei wählbar sind.

Bei der erfindungsgemäßen optoelektronischen Kamera läßt sich eine erhöhte Auflösung bei Beibehaltung der Empfind lichkeit vergleichbarer Geräte des Standes der Technik er zielen. Bei Verringerung der Auflösung ist die Empfind lichkeit noch erhöht. Um die Anforderungen an nachgeschal tete Rechner nicht unnötig zu erhöhen, wird bevorzugt bei hoher Auflösung auf Teilbildwiedergabe umgeschaltet. Dies gilt für die Bedingungen der Echtzeitübertragung.

Normalerweise wird dabei die sich ändernde Empfindlichkeit durch eine entsprechende Änderung der Verstärkung ausgeg lichen.

Wenn bei Aufgaben der hochgenauen Positionierung oder (auch unter relativer Bewegung der Kamera zum Objekt) zu nächst ein niedrig auflösendes Bild mit höchster Empfind lichkeit verarbeitet werden soll und dabei ein interessie render Ausschnitt gefunden wird, so kann (bei dann still stehender Kamera) dieser Bereich auch mit höchster Emp findlichkeit und hochauflösend bei verlangsamter Abtastra te genauer untersucht oder vermessen werden.

Beim Betrieb der optoelektronischen Kamera werden verfah rensgemäß bei der Betriebsart "Gesamtbilderfassung" we sentliche Bildteile des Gesamtbildes mit relativ geringer Auflösung ermittelt, wogegen in der Betriebsart "Teilbild erfassung" die zuvor bestimmten oder weitere Bildaus schnitte mit höherer Auflösung erfaßt werden. Zwecks Li mitierung der Datenmenge wird in der Betriebsart "Gesamt bilderfassung" das entstehende Ladungsbild des x-y-adres sierbaren Bildaufnehmers während eines vollständigen Zyklus der mechanischen Abtastung pixelweise integriert und ausgelesen, so daß die Anzahl der Bildpunkte des abge tasteten Bildes der Anzahl der Pixel des x-y-adressier baren Bildaufnehmers entspricht. Die Integrationszeit wird in vorteilhafter Weise zu jeweils gleichen Teilen auf die einzelnen Rasterschritte innerhalb eines vollständigen Zy klusses der mechanischen Abtastung aufgeteilt. Die bei der Betriebsart "Teilbilderfassung" ausgelesenen eingegrenzten Bildteile sind in Lage und Größe frei programmierbar.

Die erfindungsgemäße Vorrichtung und das erfindungsgemäße Verfahren ermöglichen so die Aufnahme von Bildern eines Objektes mit normaler Auflösung und die Aufnahme hochauf lösender Teilbilder in Echtzeit bei einem Minimum an Bild daten. Das neue technische Prinzip ist mit dem des mensch lichen Auges vergleichbar. Das gesamte Objektfeld wird mit relativ geringer Auflösung erfaßt. Die wesentlichen Bild teile des Objektes werden ermittelt und mit wesentlich hö herer Auflösung aufgenommen. Das Objekt wird durch das Au ge mit einem in der Auflösung örtlich begrenzten "scharfen Blick" abgetastet. Der Sehvorgang läßt sich anschaulich beim Messen mit einem Lineal verfolgen. Die Länge einer Strecke wird dadurch bestimmt, daß lediglich Anfangs- und Endpunkt der Strecke mit Marken des Lineals in Überein stimmung gebracht werden und der Abstand auf dem Maßstab abgelesen wird.

Die zu verarbeitende Datenmenge kann nach diesem Prinzip bei der automatischen Bildverarbeitung durch eine Vorver arbeitung bzw. Selektierung drastisch reduziert werden. Die Aufnahme eines Bildausschnittes mit variabler Größe, Lage und Auflösung wird ermöglicht.

Die Empfindlichkeit der optoelektronischen Kamera läßt sich damit durch Variation in weiten Grenzen an die Gege benheiten anpassen.

Der nutzbare Spielraum innerhalb der Abhängigkeit von Auf lösung, Empfindlichkeit, Anzahl der Bildpunkte und Bild frequenz wird mit der erfindungsgemäßen optoelektronischen Kamera wesentlich erweitert. Entsprechend den Anforder ungen kann die Kamera an unterschiedlichste Einsatzbe dingungen angepaßt werden.

Mit den genannten Vorzügen ergibt sich ein breites Anwen dungsfeld auf den Gebieten der Automatisierungs- und Meß technik, der Bildverarbeitung, der Fernsehtechnik und der Satellitenfernerkundung.

Bei der Fernerkundung kann einerseits ein relativ großes Feld beobachtet und anderseits können interessante Objekte nahezu trägheitslos mit hoher Auflösung bei vergleichs weise geringem Datendurchsatz erfaßt werden.

In der Fernsehtechnik läßt sich die elektronische Bildaus schnittwahl ohne weitere mechanische Hilfsmittel verzöge rungsfrei realisisieren, da die erfindungsgemäße Kamera eine wesentlich höhere Auflösung aufweist, als auf übli chen Monitoren dargestellt werden kann. Die Wahl des Bild ausschnittes kann zum Beispiel aus dem Gesamtbild mittels Maus oder automatisch erfolgen, so daß mechanische Schwenk-, Neigungs- oder Zoomvorgänge der Kamera entfal len.

Die Erfindung wird nachfolgend in Verbindung mit der bei liegenden Zeichnung an Ausführungsbeispielen näher erläu tert. Es zeigen:

Fig. 1 eine Darstellung der erfindungsgemäßen Vorrichtung im Hauptschnitt,

Fig. 2 eine Veranschaulichung des Verfahrens zum Betrieb der erfindungsgemäßen Vorrichtung,

Fig. 3 ein Blockschaltbild für die Ansteuerung einer erfindungsgemäßen Vorrichtung,

Fig. 4 den zeitlichen Verlauf wesentlicher Steuersignale in der Betriebsart Gesamtbilderfassung,

Fig. 5 den zeitlichen Verlauf wesentlicher Steuersignale in der Betriebsart Teilbilderfassung sowie

Fig. 6 eine schematisierte Darstellung einer Anordnung für die Auswahl der verschiedenen Betriebsarten der erfin dungsgemäßen Kamera.

In einem ersten Ausführungsbeispiel, dargestellt in Fig. 1 bzw. in den Fig. 3 bis 6, entwirft das Objektiv einer optoelektronischen Kamera in seiner Bildebene 13 die optische Abbildung eines Objektes. In der Bildebene des Objektivs befindet sich eine Lochmaske 1, die eine regel mäßige Lochstruktur 2 mit einem Lochdurchmesser von 3 µm, einen Lochabstand (Mittenabstand) in waagerechter und sen krechter Richtung von 30 µm und eine Anzahl von 512×512 Löchern aufweist.

Die Lochmaske ist auf der Fotokathode 3 eines Bildverstär kers aufgebracht, der außerdem aus einer Mikrokanalplatte 4 mit einer Anzahl von Mikrokanälen besteht, die minde stens um ein Vielfaches größer ist als 512×512 und die so angeordnet sind, daß jedem Loch der Maske mehrere Mikroka näle zugeordnet sind. Der Kanalabstand der Mikrokanalplat te beträgt bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel 5 µm, während der Kanaldurchmesser im wesentlichen 4 µm beträgt.

An der Ausgangsseite des Bildverstärkers befindet sich ein Leuchtschirm 101, eine Glasfaserplatte 102 und ein x-y- adressierbarer Bildaufnehmer 6 mit den einzelnen lichtemp findlichen Bereichen 5. Einer Anzahl von Mikrokanälen ist dabei wiederum ein Pixel des Bildaufnehmers zugeordnet. Der Bildverstärker befindet sich im Vakuum. Eine Hochspan nungsquelle 7 liefert Gleichspannungsimpulse, deren Ampli tude und Länge variabel sind. Mit diesen Impulsen wird der Bildverstärker in der Art eines elektronischen Verschlus ses betrieben, so daß auf diese Weise die Integrationszeit unabhängig vom Ausleseregime wird.

Vor der Lochblende 1 befindet sich, unter anderem als Schutz der Anordnung, eine Planglasplatte 13.

Bei der als Bestandteil des Bildverstärkers vorgesehenen Mikrokanalplatte 4 sind jedem Loch 2 der Lochmaske 1 meh rere benachbarte Mikrokanäle der Mikrokanalplatte zugeord net, welche das betreffende Loch der Lochmaske mit einem zugeordneten lichtempfindlichen Bereich des Bildaufnehmers verbinden. Bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel wird beispielsweise das Loch 2 über die Mikrokanäle 4a bis 4d mit dem lichtempfindlichen Bereich 5a des Bildaufnehmers verbunden.

Die Abstände zwischen den einzelnen lichtempfindlichen Be reichen des Bildaufnehmers sind so groß bemessen, daß ein von einem Loch der Lochmaske ausgehendes Signal aus schließlich zu dem zugeordneten lichtempfindlichen Bereich des Bildaufnehmers gelangt. Die Mikrokanalplatte ist be vorzugt eine HOT-MCP (HOT = High Output Technology). Zwi schen Bildaufnehmer 6 und Mikrokanalplatte 4 sind ein Leuchtschirm 101 und eine Glasfaserplatte 102 vorgesehen. Bei der Glasfaserplatte beträgt der Mittenabstand für be nachbarte Fasern ca. 4 µm, ist also bei dicht benachbarten Fasern auf den Kanaldurchmesser der Mikrokanäle abge stimmt.

Durch die HOT-Technologie und die Parallelverstärkung in mehreren Kanälen der Mikrokanalplatte wird eine verbesser te Dynamik bei verringerter Totzeit erzielt. Der Einfluß örtlicher Verstärkungsunterschiede und Fehlstellen wird durch die Signalmittlung über mehrere Mikrokanäle redu ziert.

Lochmaske, Bildverstärker und x-y-adressierbarer Bildauf nehmer sind fest miteinander verbunden und werden relativ zur optischen Abbildung des Objektes durch zwei Piezo translatoren in x- und y-Richtung maximal jeweils 10×3 µm weit schrittweise ausgelenkt, und zwar in der Weise, daß die Abbildung lückenlos abgerastert wird.

Die Adressierung der Pixel des Bildaufnehmers erfolgt durch einen Adreßdekoder und mit MISFET-Schaltern. Der x-y-adressierbare Bildaufnehmer weist dabei die Beson derheit auf, daß die Pixel gemeinsam und unabhängig davon, ob sie ausgelesen wurden, rückgesetzt werden können. Auf diese Weise können auch Teilbilder ausgelesen werden bzw. es kann der Auslesevorgang jederzeit unterbrochen und neu begonnen werden, wenn dies im Rahmen der Erfindung notwen dig ist.

Das Blockschaltbild gemäß Fig. 3 stellt eine Anordnung zur Ansteuerung der Aufnahmeeinheit einer optoelektronischen Kamera gemäß der Erfindung schematisch dar (die Baugrup pen Analogverstärker, Filter, insbesondere Unterdrückung des fixed pattern noise, und A/D-Wandler sind nicht expli zit ausgeführt). Die verwendeten Kurzbezeichnungen bedeuten:
A . . . High = Bildaufnahme (Belichtung), Low = Auslesen
MR . . . Rücksetzsignal für alle Pixel
VBV . . . Steuerspannung für den Bildverstärker
ADBA . . . Pixeladressen des Bildaufnehmers
ADBS . . . Speicheradressen des Bildspeichers
T1, T2, T3 . . . verschiedene Taktsignale.

Über in der Fig. 3 links dargestellte Eingangsgrößen wer den die Parameter bei der Bildaufnahme beeinflußt. Eine Apertur-Steuervorrichtung (PAD-Controller) 21 ermöglicht die gesteuerte Verschiebung einer Lochmaske 22 über einen Lochmaskenantrieb 23 (PAD - piezoelectric aperture dis placement), welche einem Objektiv 24 nachgeordnet ist. Über die Eingangsgrößen "Schrittweite" in x- und in y- Richtung läßt sich die Abtastung des Objekts und damit die Anzahl der auf jeden der separat erfaßbaren lichtempfind lichen Bereiche eines Bildaufnehmers 25 fallenden, zeit lich sequentiell zu erfassenden Bildpunkte - und damit die Auflösung - variieren. Über einen Bildverstärker-(BV)-Con troller 26 lassen sich über die Eingangssteuergrößen "Verschlußzeit" und "Verstärkung" die entsprechenden phy sikalischen Größen eines nachgeschalteten Bildverstärkers 27 beeinflussen.

Über einen Adreßgenerator 28 läßt sich über die Eingangs größen "Position Bildausschnitt" und "Größe Bildaus schnitt" die Auswahl eines Bildausschnitts steuern, wobei jeweils die Adressen der die relevanten Bildteile enthal tenden separat auswählbaren lichtempfindlichen Bereiche (Pixel) des Bildaufnehmers adressierbar sind. Die Ansteue rung der vorgenannten Baugruppen erfolgt unter der Kon trolle eines Taktgenerators 29 mit den Eingangsgrößen "Takt" und "Reset". Ein die Bildinformation beinhaltender Datensatz (Bilddaten) ist am Ausgang des Bildaufnehmers verfügbar. Die Bilddaten werden weiterhin in einen (in Fig. 4 nicht dargestellten Bildspeicher überführt) dem zur Bildzusammensetzung ebenfalls Steuersignale ADBS vom Adreßgenerator 28 zugeführt werden.

In der Betriebsart Gesamtbilderfassung (Darstellung des entsprechenden Impulsdiagramms in Fig. 4) wird die Anor dung in folgender Art und Weise betrieben: Für eine Auf nahme wird von jedem Pixel eine Bildfläche von 30 µm×30 µm in 4×4 Schritten mäanderförmig abgera stert. Synchron dazu wird die Anordnung mit Hochspannungs impulsen beaufschlagt, so daß im Bildaufnehmer ein La dungsbild aus der Integration von 16 Subbildern entsteht. Die Integrationszeit wird dabei ausschließlich durch die als elektronischer Verschluß betriebene Mikrokanalplatte bestimmt. Die mäanderförmige Abtastung hat zur Folge, daß zwischen zwei Subbildern die Anordnung immer nur um einen Schritt (7,5 µm) weiterbewegt werden muß - also deren Po sitionierzeit minimiert wird. Die jeweiligen zu den in Fig. 3 angegebenen Baugruppen gehörigen Signale sind in Fig. 4 mit den entsprechenden Bezeichnungen versehen. Während es sich bei den meisten Signalen um pulsförmige Signale handelt, bilden die Signale "ADBA" und "ADBS" di gitale Adressen, die in der Figur beispielhaft bezeichnet sind.

Das Auslesen des x-y-adressierbaren Bildaufnehmers erfolgt regelmäßig zeilenweise in einen nachgeordneten Bildspei cher 17, der nicht Bestandteil der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist. Die einander zugeordneten Adressen der Pixel des x-y-adressierbaren Bildaufnehmers und der Speicherzellen des Bildspeichers sind bis auf den Offset des Bildspeicherbereichs identisch.

Im Gegensatz z. B. zu CCD-Bildaufnehmern laufen Bildinte gration und Auslesen bei dem beschriebenen x-y-adressier baren Bildaufnehmer nacheinander ab. Das hat zur Folge, daß die Lichtempfindlichkeit um den Faktor T_A/T_B (T_A ist die Bildaufnahmezeit, T_B ist die Bilderfassungszeit, also Bildaufnahmezeit plus Bildauslesezeit) multipliziert mit dem Tastverhältnis der Spannung V_BV reduziert wird, im vorliegenden Beispiel mit dem Faktor 0,2. Dieser Empfind lichkeitsverlust wird mit dem Bildverstärker problemlos ausgeglichen. In der Betriebsart "Teilbilderfassung" wird ebenfalls von jedem Pixel eine Bildfläche von 30 µm×30 µm in 4×4 Schritten mit Hilfe der Lochmaske abgerastert, jedoch nicht mäanderförmig, sondern zeilen weise, immer mit der 1. Spalte beginnend, da die Positio nierung, wie aus Fig. 5 ersichtlich, zeitunkritisch ist. Im Unterschied zur oben beschriebenen Betriebsart "Ge samtbilderfassung" wird jetzt nach jedem Rasterschritt und der entsprechenden Aufnahme eines Subbildes von 128×128 Pixeln dieses in einen Bildspeicher ausgelesen (Fig. 5). Die Adreßgenerierung erfolgt ausgehend von der den Bild ausschnitt bezeichnenden Koordinate (Adresse des linken oberen Pixels des Subbildes) so, daß nach Auslesen einer Zeile des Subbildes (128 Pixel) zur nächsten Zeile mit ei nem Offset von 384 gesprungen wird. Die Adreßgenerierung für den Bildspeicher erfolgt in der Weise, daß nur jede sechzehnte Speicherzelle beschrieben wird. In die dazwi schenliegenen Speicherzellen werden nacheinander die ande ren 15 Subbilder eingelesen. Die letzten 4 bit der Spei cheradresse entsprechen also der laufenden Nummer des Sub bildes innerhalb einer Aufnahme mit erhöhter Auflösung. Damit werden die Subbilder im Bildspeicher zu einem Bild mit 16-facher Auflösung verschachtelt.

In dieser Betriebsart gibt es den zeitbedingten und den flächenbedingten Empfindlichkeitsverlust. Der flächenbe bedingte Empfindlichkeitsverlust errechnet sich aus dem Kehrwert der Zahl der Subpixel pro Bildelement. Der zeit bedingte Empfindlichkeitsverlust errechnet sich wie folgt:

Für:
x . . . Zahl der Subpixel/Bildelement in x-Richtung,
y . . . Zahl der Subpixel/Bildelement in y-Richtung,
T_P . . . Auslesezeit für ein Pixel sowie
T_A . . . Aufnahmezeit für ein Subbild

Damit ergibt sich für dieses Ausführungsbeispiel mit T_p = 100 ns, T_B = 40 ms der Faktor 0,02154. Multipliziert mit dem flächenbedingten Faktor 1/16 ergibt sich eine Em pfindlichkeitsreduzierung auf 1/743, die durch entsprech ende Verstärkungseinstellung des Bildverstärkers kompen siert werden muß.

Fig. 6 ist eine Einrichtung zum Auswählen der Betriebsart einer erfindungsgemäßen Kamera als Blockschaltbild darge stellt. Über eine Eingabeeinheit 31 läßt sich die erfin dungsgemäße Kamera durch Eingabe von komplexe Steuerse quenzen auslösenden Befehlen beeinflussen. Diese Steuerse quenzen sind in Speicherplätzen eines Speichers 32 abge legt, die durch die an der Eingabeeinheit getroffene Aus wahl adressierbar sind. In den Speicherplätzen des Spei chers 32 sind damit praktisch verschiedene "Steuerworte" vorhanden, welche die Eingangsgrößen für gewünschte Be triebsarten der Kamera gemäß dem Blockschaltbild in Fig. 3 zusammengefaßt enthalten. Damit kann jede Empfindlich keits-, Auflösungs- oder Bildausschnittwahl bereits vorge speichert sein, so daß mit der getroffenen Auswahl die be nötigten Steuersignale bereitgestellt werden.

Weiterhin angesteuert werden kann die Arbeitsweise eines Bildrechners 33, welcher die Bilddaten und das Signal "ABDS" aus Fig. 3 zugeführt erhält. Dieser Bildrechner enthält die notwendigen Speicher, um die Bilddaten für eines oder mehrere Bilder zwischenzuspeichern. Mit diesem Rechner werden auch die bei der Vermessung von Bildern notwendigen vektoriellen Rechenoperationen durchgeführt. Das aufgenom mene und verarbeitete Bild wird anschließend beipielsweise auf einem Display 33 dargestellt, kann aber auch in son stiger Weise weiterbehandelt und beispielsweise durch Da tenübertragung an einen entfernten Ort übermittelt werden.

In einer weiteren Betriebsart der optoelektronischen Kamera ist es möglich, eine Teilbilderfassung mit ver ringerter Auflösung durchzuführen. Diese Form stellt eine Kombination der Betriebsarten "Gesamtbilderfassung" und "Teilbilderfassung" dar. Damit ist es möglich, mit einer Lochmaske, deren Löcher kleinere Durchmesser (z. B. 3 µm) aufweisen, Bilder variabler Auflösung (Zahl der Bildpunkte pro Bildelement) aufzunehmen.

Bei einer weiteren Ausführung ist eine Lochmaske mit einem Lochdurchmesser von 3 µm, die mit 8×8 Rasterschritten eine Erhöhung der Anzahl der Bildpunkte um den Faktor 64 ermöglicht. Das Bild kann maximal in 4096×4096 Bildpunk te aufgelöst werden. Für jedes Subbild stehen 0,625 ms zur Verfügung, wenn 64 Bildpunkte in 40 ms (25 Hz Bildfre quenz) schrittweise erfaßt werden sollen.

Diese Zeit unterteilt sich in der Betriebsart "Gesamtbild erfassung" in die Zeit für die Relativbewegung der Lochmas ke um 3,75 µm, in die Belichtungszeit und in die Auslese zeit für das integrierte Bild nach einem vollständigen Zy klus der mechanischen Abtastung. Bei einer Bewegungszeit von 0,2 ms pro Schritt, einer Belichtungszeit von 0,025 ms und einer Auslesezeit von 25,6 ms pro Bild ist eine Schrittfrequenz von ca. 4,5 kHz und eine Pixelauslesefre quenz von 10,24 MHz erforderlich.

In der Betriebsart "Teilbilderfassung" können Relativbewe gung und Auslesen gleichzeitig erfolgen. Bei einer Bewe gungszeit von 0,2 ms stehen bei gleicher Bildfrequenz 0,425 ms für die Belichtung zur Verfügung. Die Schritt frequenz verringert sich auf 1,6 kHz. In den 0,2 ms, die für das Auslesen der Subbilder zur Verfügung stehen, kön nen 2048 Pixel ausgelesen werden. Das in 40 ms auslesbare Teilbild besteht bei dieser Bewegungszeit aus maximal 2048×64 Bildpunkten.

Das Messen der Länge eines Objektes 12 wird in Fig. 2 veranschaulicht. Jeder Bildpunkt 10 kann mit Koordinaten belegt werden, die seine Lage innerhalb des Koordinaten systems 9 eines Pixels 11 und die Lage dieses Koordinaten systems im Bezugskoordinatensystem 8 der Halbleiterma trixstruktur kennzeichnen. Aus dem Gesamtbild werden Bild teile bestimmt, die für das zu ermittelnde Maß wesentlich sind. Nur diese Bildteile werden mit maximaler Auflösung erfaßt. Mit den ermittelten Koordinaten der relevanten Bildpunkte kann das Maß mittels Vektorrechnung bestimmt werden, wie es anhand von Fig. 6 erläutert ist.

In einem dritten Ausführungsbeispiel erfolgt die Pixel adressierung im Bildsensor mit Hilfe digitaler Schiebere gister. Diese weisen die Besonderheit auf, ein Vorwärts- und Rückwärtsschieben zu ermöglichen. In der Betriebsart "Teilbilderfassung" wird damit ein allerdings mäanderför miges Auslesen der Pixel um die gewünschte Position herum ermöglicht, nachdem das Register in diese Position gebracht wurde. Das mäanderförmige Auslesen wird bei der Adreßgenerierung für den Bildspeicher berücksichtigt.

Die Erfindung beschränkt sich in ihrer Ausführung nicht auf das vorstehend angegebene bevorzugte Ausführungsbei spiel. Vielmehr ist eine Anzahl von Varianten denkbar, welche von der dargestellten Lösung auch bei grundsätzlich anders gearteten Ausführungen Gebrauch macht.

Claims

1. Optoelektronische Kamera zur Gewinnung hochauflösen der elektronischer Bilder, enthaltend ein Objektiv, das ein Objekt in einer Bildebene abbildet, eine Lochmaske, die in der Bildebene liegt und eine regelmäßige Lochstruk tur aufweist, wobei die Abmessungen der Löcher die erziel bare Auflösung bestimmen, einen Bildaufnehmer, der sich hinter der Lochmaske befindet und der das gewandelte Bild in Form von Ladungen erzeugt, sowie eine Vorrichtung für die Lochmaske, welche die Lochmaske derart relativ zum Bild zyklisch bewegt, daß einzelnen lichtempfindlichen Be reichen des Bildaufnehmers zeitsequentiell unterschiedli che Folgen von Objektpunkten zugeordnet werden und in Form von Ladungen auslesbar sind,
dadurch gekennzeichnet,
daß zwischen Lochmaske und Bildaufnehmer ein Bildverstär ker angeordnet ist, der die durch die Lochmaske auf die Fotokathode des Bildverstärkers fallende Strahlung zur Er zeugung von Elektronen ausnutzt, die vervielfältigt und/oder beschleunigt werden, so daß mittelbar oder unmit telbar durch den Bildaufnehmer eine der durch die Lochmas ke fallenden Strahlung entsprechende Ladungsstruktur er zeugt wird; sowie
daß der Bildverstärker als Bestandteil eine Mikrokanal platte aufweist und daß jedem Loch der Lochmaske mehrere benachbarte Mikrokanäle der Mikrokanalplatte zugeordnet sind, welche das betreffende Loch der Lochmaske mit einem zugeordneten lichtempfindlichen Bereich des Bildaufnehmers verbinden.

2. Optoelektronische Kamera nach Anspruch 1, da durch gekennzeichnet, daß die Abstän de zwischen den einzelnen lichtempfindlichen Bereichen des Bildaufnehmers derart groß bemessen sind, daß ein von ei nem Loch der Lochmaske ausgehendes Signal ausschließlich zu dem zugeordneten lichtempfindlichen Bereich des Bild aufnehmers gelangt.

3. Optoelektronische Kamera nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Mikrokanalplatte in HOT-Technologie hergestellt ist.

4. Optoelektronische Kamera nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen Bildaufnehmer (6) und Mikrokanalplatte (4) eine Glasfaserplatte (102) und/oder ein Leuchtschirm (101) vorgesehen ist.

5. Optoelektronische Kamera nach einem der vorangehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch eine Schaltervorrichtung, durch die jeweils eine Anzahl der ei nem einzelnen lichtempfindlichen Bereich des Bildaufneh mers zugeordneten Objektpunkte gemeinsam ausgelesen wird.

6. Optoelektronische Kamera nach einem der vorangehen den Ansprüche, dadurch gekennzeich net, daß die Anzahl die gesamte Folge der diesem ein zelnen lichtempfindlichen Bereich zugeordneten Objektpunk te umfaßt.

7. Optoelektronische Kamera nach Anspruch 1, da durch gekennzeichnet, daß die einzel nen lichtempfindlichen Bereiche des Bildaufnehmers einzeln adressierbar sind.

8. Optoelektronische Kamera nach einem der vorangehen den Ansprüche, gekennzeichnet durch ei ne Schaltervorrichtung, welche es ermöglicht, zum Gewinnen von Teilbildern jeweils nur eine begrenzte Anzahl der ein zeln adressierbaren lichtempfindlichen Bereiche des Bild aufnehmers auszulesen.

9. Optoelektronische Kamera nach einem der vorangehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch einen nachgeschalteten Prozessor, dessen Verarbeitungsgeschwin digkeit an die Verarbeitung der gesamten Folge der den einzelnen lichtempfindlichen Bereichen des Bildaufnehmers für ein Gesamtbild oder aber an die Verarbeitung eines Teilbildes in Echtzeit angepaßt ist.

10. Optoelektronische Kamera nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Bildaufnehmer nach dem Auslesen eines Bildes oder Teilbildes jeweils zurückgesetzt wird.

11. Optoelektronische Kamera nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Vorrichtung zum relativen Verschieben der Lochmas ke in bezug auf das Bild mindestens einen piezoelektri schen Antrieb aufweist.

12. Optoelektronische Kamera nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß unmittelbar hinter jedem Mikrokanal eine Kollektor elektrode angeordnet ist, die es ermöglicht, die Elektro nen unmittelbar in den Bildaufnehmer einzuspeisen.

13. Optoelektronische Kamera nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Bildverstärker einen Leuchtschirm aufweist, der mit dem Bildaufnehmer verbunden ist, wodurch mittelbar über Lichtquanten ein Ladungsbild erzeugt wird.

14. Optoelektronische Kamera nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Größe des kleinsten auslesbaren Bildelements durch das Schrittraster des Antriebs und den Lochdurchmesser der Lochmaske bestimmt ist.

15. Optoelektronische Kamera nach Anspruch 1, da durch gekennzeichnet, daß die Ansteuerung des Bildverstärkers als Hochspannungsquelle (7) ausgebildet ist, welche Impulse einstellbarer Länge zur Steuerung der Integrationszeit nach Art eines elektro nischen Verschlusses liefert.

16. Optoelektronische Kamera nach Anspruch 15, da durch gekennzeichnet, daß die Höhe der Impulsspannung der Hochspannungsquelle (7) zum Zweck der Verstärkungsregelung variabel ist.

17. Verfahren zum Betrieb einer optoelektronischen Kamera nach einem der Ansprüche 1 bis 16, gekennzeich net durch eine erste Betriebsweise zur Erfassung des Gesamtbildes und eine zweite Betriebsweise zur Erfas sung lediglich eines Teilbildes mit höherer Auflösung im Vergleich zur Gesamtbildwiedergabe.

18. Verfahren zum Betrieb einer optoelektronischen Kamera nach Anspruch 17, dadurch gekennzeich net, daß bei der Betriebsweise zur Erfassung des Ge samtbildes das entstehende Ladungsbild des adressierbaren Bildaufnehmers (6) während eines Zyklus der Abtastung pi xelweise integriert und ausgelesen wird, so daß die Anzahl der Bildpunkte des abgetasteten Bildes der Anzahl der ein zeln adressierbaren lichtempfindlichen Bereiche des Bild aufnehmers entspricht.

19. Verfahren nach einem der Ansprüche 17 bis 18, da durch gekennzeichnet, daß bei der Be triebsweise zur Erfassung eines Gesamtbildes sich die In tegrationszeit auf jeweils gleiche Bruchteile von Raster schritten, bezogen auf die Anzahl der Rasterschritte in nerhalb eines vollständigen Zyklus der Abtastung, auf teilt.

20. Verfahren nach einem der Ansprüche 17 bis 19, da durch gekennzeichnet, daß bei der Be triebsweise zur Teilbilderfassung ein in Lage und Größe durch Programmierung auswählbares Teilbild auslesbar ist.

21. Verfahren nach einem der Ansprüche 17 bis 20, da durch gekennzeichnet, daß durch Kombi nation der Betriebsweisen zur Erfassung eines Gesamtbildes und zur Erfassung eines Teilbildes das entstehende La dungsbild des Bildaufnehmers (6) während eines vollstän digen Zyklus der Abtastung jeweils nur für einen Teil der einzeln adressierbaren lichtempfindlichen Bereiche inte griert wird, so daß die Anzahl der Bildpunkte des abgeta steten Bildes einem Mehrfachen der Anzahl der ausgelese nen, einzeln adressierbaren lichtempfindlichen Bereiche des Bildaufnehmers (6) entspricht.

22. Verfahren nach einem der Ansprüche 19 bis 21, da durch gekennzeichnet, daß jedem Bild punkt Koordinaten zugeordnet sind, welche seine Lage in nerhalb des Koordinatensystems eines einzeln adressierba ren lichtempfindlichen Bereichs des Bildaufnehmers (6) und die Lage dieses Koordinatensystems im Bezugskoordinatensy stem des Bildaufnehmers (6) bezeichnen, und die Ermittlung des Abstandes zwischen einzelnen Bildpunkten verschiedener Teilbilder vektoriell erfolgt.