-
Die
vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren
zum Kalibrieren von Bildebenenaufnehmern (focal plane arrays). Die
Erfindung ist insbesondere für
Infrarot-Bildebenendetektoren von Relevanz.
-
Herkömmliche
Bildebenendetektoren weisen üblicherweise
eine Aufnehmeranordnung optoelektronischer Sensorelemente auf, die
zum Nachweis von auf die Sensoren der Aufnehmeranordnung auftreffender
elektromagnetischer Strahlung ausgebildet ist. Im Allgemeinen liefern
die optoelektronischen Sensoren ein Ausgangssignal (zum Beispiel
eine Spannung, einen Strom, einen Widerstand, eine Kapazität oder eine
Ladung), das sich als Funktion der Intensität der auf die Sensoren auftreffenden
elektromagnetischen Strahlung ändert.
In Verbindung mit einer Fokussiereinrichtung, wie zum Beispiel einer
Linse, können
die Ausgangssignale der Sensoren eines solchen Bildebenenaufnehmers
zur Darstellung einer Abbildung von Objekten eines Motivs verwendet
werden. Das Ausgangssignal eines jeden Sensorelements der Anordnung
entspricht dann im Allgemeinen einem Bildelement (Pixel) eines solchen
Bildes.
-
Die
Sensorelemente eines Bildebenenaufnehmers sind nicht identisch und
folglich zeigen die einzelnen Sensoren des Bildebenenaufnehmers
daher gegenüber
einer auf die Aufnehmeranordnung auftreffenden elektromagnetischen
Strahlung unterschiedliche Empfindlichkeiten. Die Empfindlichkeitsabweichungen
zwischen den einzelnen Sensorelementen erzeugen in den Ausgangssignalen
des Aufnehmers ein unerwünschtes
Rauschen (das allgemein als Fliegengittereffekt (fixed Pattern noise)
bekannt ist), das ausgeglichen werden muss.
-
Jedweder
konstante Versatz in den Ausgangssignalen der Sensorelemente kann
korrigiert werden, indem auf den Bildebenenaufnehmer eine unscharf
eingestellte Abbildung projiziert und die Empfindlichkeit von jedem
Sensorelement der Aufnehmeranordnung aufgezeichnet wird. Die Empfindlichkeitsverläufe (Linearität) der Sensorelemente können ebenfalls
gemessen werden, indem die Intensität der auf die Aufnehmeranordnung
auftreffenden elektromagnetischen Strahlung geändert und die Empfindlichkeit
eines jeden Sensorelements des Aufnehmers erneut gemessen wird.
Dies lässt
sich durch Verwendung einer zweiten unscharf eingestellten Abbildung
erreichen, wobei die zweite Abbildung so ausgebildet ist, dass sie
den Aufnehmer mit einer zur ersten Abbildung unterschiedlichen Intensität der elektromagnetischen
Strahlung beleuchtet.
-
Mit
diesen Informationen kann ein Bildebenenaufnehmer vollständig kalibriert
werden, so dass eine saubere Abbildung hergestellt werden kann.
-
-
Da
die Aufnehmeranordnungen jedoch altern und da sich die Intensität der auf
die Anordnung auftreffenden elektromagnetischen Strahlung (als Funktion
der Betriebsumgebung und bei verschiedenen Motiven) ändert, muss
die Anordnung möglicherweise
regelmäßig nachkalibriert
werden.
-
Zum
Nachkalibrieren der Anordnung können variable
Optiken verwendet werden, wobei hierzu das vorangehende Verfahren
zum projizieren unscharf eingestellter Abbildungen auf den Aufnehmer und zum
Aufzeichnen der Empfindlichkeiten verwendet wird. Variable Optiken
vergrößern jedoch
die Komplexität
und damit die Kosten eines Bildebenendetektors.
-
Darüber hinaus
ist dieses Verfahren für
ein Nachkalibrieren von Infrarot-Bildebenendetektoren (zum Beispiel
Wärmebildgeber)
nicht optimal, da unscharf eingestellte Abbildungen keine unterschiedlichen
Temperaturen aufweisen. Die Genauigkeit jeglicher Linearitätsanpassung
der Anordnung hängt
vom Temperaturabstand zwischen der ersten und der zweiten unscharf
eingestellten Abbildung ab. Folglich kann für einen Teil der Nachkalibrierungsprozedur eine
variable Infrarotquelle erforderlich sein.
-
Regelmäßiges Nachkalibrieren
unter Verwendung von in den Strahlengang des Aufnehmers eingesetzten
Markierungen und Verschlüssen
ist bekannt. Bei Kameras mit amorphem Silizium erfolgt die Nachkalibrierung
in etwa einmal pro Minute (diese Geräte sind nicht sehr linear).
Bei diesen Kameras wird eine Markierung in den Strahlengang eingebracht,
um die Messung von Pixelschwankungen zu ermöglichen und eine darauf basierende
Korrektur vorzunehmen.
-
Solche
Vorrichtungen erhöhen
jedoch die Komplexität
und damit die Kosten des Bildebenendetektors. Zudem verdeckt der
Verschluss das Bild des Motivs während
des Nachkalibrierungsvorgangs, woraus sich, wenn die Nachkalibrierung
automatisch erfolgt, eine Beeinträchtigung ergeben kann.
-
Die
Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, zumindest einige
der Nachteile des Stands der Technik abzumindern. Es ist eine weitere Aufgabe
der vorliegenden Erfindung, eine Vorrichtung und ein Verfahren zum
regelmäßigen Nachkalibrieren
eines Bildebenenaufnehmers anzugeben.
-
Nach
einem ersten Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein Bildebenendetektor
vorgeschlagen, der zum Kalibrieren unter Verwendung einer Abbildung
eines menschlichen Körperteils
ausgebildet ist, wobei der Bildebenendetektor ein Sichtfeld, einen Schärfebereich
und eine Tiefenschärfe
aufweist, die so gestaltet sind, dass eine Abbildung von Objekten eines
innerhalb des Sichtfeldes, des Schärfebereichs und der Tiefenschärfe gelegenen
Motivs auf eine Vielzahl von Detektorelementen fokussiert wird,
und wobei der Bildebenendetektor ferner ein Gehäuse mit einer Blendenöffnung,
die zur Übertragung
einer Abbildung eines Motivs auf die Detektorelemente ausgebildet
ist, und eine manuell bedienbare Schalteinrichtung zum Auslösen der
Kalibrierung des Bildebenendetektors aufweist, und wobei die manuell
bedienbare Schalteinrichtung und die Blendenöffnung so in Bezug aufeinander
ausgebildet sind, dass sichergestellt ist, dass der menschliche
Körperteil
während
einer manuellen Bedienung der Schalteinrichtung so angeordnet ist,
dass er im Wesentlichen das Sichtfeld des Bildebenendetektors ausfüllt, sich
dabei aber außerhalb
dessen Schärfebereichs
und Tiefenschärfe
befindet, so dass die den Detektorelementen vorgelegte Abbildung
des Motivs eine Abbildung des Körperteils
umfasst, die im Wesentlichen keine durch die Detektorelemente unterscheidbaren Merkmale
aufweist.
-
Diese
Anordnung weist den Vorteil auf, dass zum Kalibrieren des Bildebenendetektors
keine zusätzlichen
Kalibrierungsmittel erforderlich sind. Diese Anordnung macht variable
Quellen für
elektromagnetische Strahlung oder Markierungen und Verschlüsse, die
in dem Strahlengang des Bildebenendetektors angeordnet werden, überflüssig.
-
Die
manuell bedienbare Schalteinrichtung ermöglicht, dass die Kalibrierung
auf Anforderung eingeleitet werden kann, zum Beispiel, wenn die
Effizienz des Bildebenendetektors unter ein annehmbares Maß absinkt.
-
In
einer bevorzugten Ausführungsform
ist das Gehäuse
mit der Schalteinrichtung technisch verbunden, so dass die Schalteinrichtung
manuell über
das Gehäuse
bedienbar ist.
-
In
einer weiteren bevorzugten Ausführungsform
weist das Gehäuse
einen Überstand
auf, in dem die Blendenöffnung
angeordnet ist, wobei die Schalteinrichtung mittels des Überstands
am Gehäuse
manuell bedienbar ist.
-
Diese
Anordnung besitzt den Vorteil, dass ein und derselbe Körperteil
sowohl zum Auslösen des
Kalibriervorgangs als auch zur Bildgebung für den Kalibriervorgang verwendet
wird, wodurch die Kalibrierung des Bildebenendetektors erleichtert wird.
Die Anordnung dieser Merkmale an der selben Stelle garantiert ferner,
dass sich der zur Bildgebung verwendete Körperteil beim Einleiten der
Kalibrierung in einer optimalen Position befindet. Damit wird ein
Bild garantiert, das im Wesentlichen keine unterscheidbaren Merkmale
aufweist (d. h. eine unscharfe, nicht fokussierte Abbildung).
-
Vorzugsweise
umfasst der menschliche Körperteil
eine Hand, wobei die Schalteinrichtung zur Bedienung durch eine
menschliche Hand ausgebildet ist.
-
Vorzugsweise
umfasst der menschliche Körperteil
ein Fingerglied, wobei die Schalteinrichtung zur Bedienung durch
ein menschliches Fingerglied ausgebildet ist.
-
Der
menschliche Körperteil
weist geeigneterweise einen Finger auf, wobei die Schalteinrichtung zur
Bedienung durch einen menschlichen Finger ausgebildet ist.
-
Das
Verwenden eines Fingers zur Bedienung von sowohl der Schalteinrichtung
als auch für die
Bildgebung ist ergonomisch von Vorteil.
-
Vorzugsweise
sind die Detektorelemente zum Nachweis von Infrarotstrahlung ausgebildet.
-
Nach
Möglichkeit
sind die Detektorelemente zum Nachweis von Strahlung mit einer Wellenlänge im Bereich
von 3 bis 14 μm
ausgebildet. Die Detektorelemente können Bolometer umfassen.
-
Diese
Anordnung der Vorrichtung weist den besonderen Vorteil auf, dass
sich eine variable Infrarotquelle erübrigt. Das Vorsehen eines unscharfen Wärmebildes
von einem menschlichen Körperteil
ermöglicht
die Kalibrierung des Bildebenendetektors mithilfe der elektromagnetischen
Strahlung einer bekannten Motivtemperatur (um die 35°C). Der Bildebenedetektor
kann auch unter Verwendung eines unscharfen Wärmebilds kalibriert werden,
das eine Abbildung eines Umgebungshintergrunds (in etwa 20°C) umfasst.
-
Das
Erfordernis einer variablen (thermischen) Infrarotquelle wird durch
die Verwendung von ohne weiteres verfügbaren Motiven unterschiedlicher Temperaturen
umgangen. Die bei Innenraumanwendungen geeigneten Temperaturen der
unscharfen Motive wären
(a) Raum temperatur (um die 20°C)
und (b) die Temperatur der menschlichen Haut (um die 35°C).
-
Durch
die Wahl der oben genannten Motive für den Nachkalibrierungsvorgang
wird die Bestimmung der Linearität
des Aufnehmers über
einen weiten Temperaturbereich (einschließlich eines großen Teils
des Betriebstemperaturbereichs des Bildebenenaufnehmers) ermöglicht,
ohne dass eine besondere (thermische) Infrarotquelle erforderlich
ist.
-
Nach
einem zweiten Aspekt der vorliegenden Erfindung wird eine Kamera
vorgeschlagen, die einen Bildebenendetektor gemäß dem ersten Aspekt der vorliegenden
Erfindung aufweist.
-
Im
Folgenden wird die Erfindung anhand von Beispielen und unter Bezugnahme
auf die beiliegende Figur beschrieben, wobei
-
1 eine
schematische Darstellung eines erfindungsgemäßen Bildebenendetektors wiedergibt.
-
Bildebenendetektoren
benötigen
zur Korrektur von Schwankungen in der Empfindlichkeit der einzelnen
Sensorelemente des Aufnehmers eine regelmäßige Nachkalibrierung. Die
Schwankungen zwischen den Elementen umfassen einen konstanten Versatz
und eine Komponente, die sich als Funktion der Intensität der auf
den Aufnehmer auftreffenden elektromagnetischen Strahlung verändert. Letzteres führt zu Linearitätsfehlern
des Bildebenendetektors.
-
Schwankungen
in der Empfindlichkeit der einzelnen Sensorelemente können einer
bestimmten Aufnehmertechnologie zu Eigen sein oder von Veränderungen
in dem Bildebenenaufnehmer, wie sie zum Beispiel durch Altern hervorgerufen
werden, verursacht werden.
-
Ein
Nachkalibrieren unter Verwendung von Markierungen oder Verschlüssen, die
in den Strahlengang des Aufnehmers eingebracht werden ist bekannt.
Bei Kameras mit amorphem Silizium erfolgt die Nachkalibrierung zum
Beispiel ungefähr
einmal pro Minute (diese Geräte
sind nicht sehr linear). Bei diesen Kameras wird eine Markierung
in den Strahlengang der Aufnehmeranordnung eingebracht, um die Messung
von Sensorschwankungen zu ermöglichen.
Korrekturen werden auf der Grundlage dieser Messungen vorgenommen.
-
Ein
alternatives Verfahren zum Nachkalibrieren des Aufnehmers umfasst
das Vorliegen einer unscharf eingestellten Abbildung an der Kamera,
wobei die Empfindlichkeit eines jeden Sensorelements des Aufnehmers
aufgezeichnet wird. Anschließend
kann die Korrektur eines konstanten Versatzes vorgenommen werden.
Der Verlauf der Empfindlichkeit (Linearität) der Sensorelemente kann
auch durch Verändern
der Intensität
der auf den Aufnehmer auftreffenden elektromagnetischen Strahlung
gemessen werden, wobei die Empfindlichkeit eines jeden Sensorelements
des Aufnehmers nachgemessen wird. Erreicht wird dies durch die Verwendung
einer zweiten unscharf eingestellten Abbildung, wobei die zweite Abbildung
zur Beleuchtung des Aufnehmers mit einer anderen Intensität der elektromagnetischen
Strahlung als bei der ersten Abbildung ausgebildet ist.
-
In ähnlicher
Weise kann ein Bildebenendetektor, wie zum Beispiel ein Wärmebildgeber,
kalibriert werden, indem dem Bildebenendetektor ein erstes unscharfes
Wärmebildmotiv
vorgelegt wird. Durch aufzeichnen der Empfindlichkeit eines jeden Sensors
kann daher ein beliebiger konstanter Versatz korrigiert werden.
-
Wird
dies unter Verwendung eines zweiten unscharfen Wärmebildmotivs mit einer anderen
Temperatur wiederholt, so kann auch der Verlauf der Empfindlichkeit
(Linearität)
gemessen werden. Eine variable (thermische) Infrarotquelle kann
als Teil des Nachkalibrierungsvorgangs zum Vorsehen der unscharfen
Motive unterschiedlicher Temperatur erforderlich sein.
-
Wie
der 1 zu entnehmen ist, kann das Erfordernis einer
variablen (thermischen) Infrarotquelle erfindungsgemäß umgangen
werden, indem ohne weiteres verfügbare
Motive unterschiedlicher Temperaturen verwendet werden. Geeignete
Temperaturen unscharfer Motive wären
bei Innenraumanwendungen (a) Raumtemperatur (um die 20°C) und (b)
die Temperatur der menschlichen Haut (um die 35°C).
-
Durch
die Wahl der oben angegeben Motive zur Nachkalibrierung kann die
Linearität
des Aufnehmers über
eine weiten Temperaturbereich (einschließlich eines großen Teils
des Betriebstemperaturbereichs des Bildebenenaufnehmers) bestimmt werden,
wobei keine besondere (thermische) Infrarotquelle benötigt wird.
-
In
der in der 1 schematisch dargestellten Anordnung
umfasst eines der unscharfen Temperaturmotive ein menschliches Körperteil 3,
beispielsweise eine Hand oder einen Finger.
-
In
der 1 umfasst das Nachkalibrieren des Bildebenedetektors
das Halten eines menschlichen Fingers 3 in das Sichtfeld
des Bildebenenaufnehmers 2. Der Finger 3 wird
so gehalten, dass er das Sichtfeld ausfüllt und dabei ein unscharfes
Temperaturmotiv schafft. Eigentlich besitzt der Bildebenendetektor 2 eine
bestimmte Tiefenschärfe,
wobei eine nicht scharf eingestellte Abbildung erzielt wird, indem
der Finger 3 nahe an den Bildebenendetektor 2 gehalten
wird. Folglich ist während
der Nachkalibrierung auch kein wirkliches Scharf- oder Unscharfstellen
der Optik des Detektors 2 erforderlich.
-
Der
Nachkalibriervorgang kann automatisch ausgelöst oder manuell, zum Beispiel
durch Betätigen
eines Schalters 5, gesteuert werden. Der Bildebenendetektor
kann dazu ausgebildet sein, dass er anzeigt, wann eine Nachkalibrierung
erforderlich ist (zum Beispiel, wenn der Fliegengittereffekt ein
bestimmtes Ausmaß erreicht),
beispielsweise durch Aufleuchten einer LED.
-
Gemäß 1 wird
ein Nachkalibrieren erreicht, indem der menschliche Finger 3 auf
einen Knopf 4 drückt.
In dieser speziellen Anordnung enthält der Knopf 4 die
Blende 6, durch die sich dem Bildebenendetektor 2 das
Motiv erschließt.
Alternativ hierzu ist der Knopf 4 nahe der Blende 6 angeordnet, durch
die sich dem Bildebenendetektor 2 das Motiv eröffnet, beispielsweise
indem der Finger 3 das Sichtfeld des Bildebenendetektors 2 im
Wesentlichen ausfüllt.
Durch Drücken
auf den Knopf 4 wird ein an den Bildebenendetektor 2 angeschlossenes
Schalterkontaktpaar 5 geschlossen, wodurch eine Nachkalibrierung
eingeleitet wird. Das Verfahren garantiert, dass die Präsentation
des Objekts unscharf, verschwommen und mit Hauttemperatur erfolgt.
-
Das
Verfahren zum Nachkalibrieren des erfindungsgemäßen Bildebenenaufnehmers 2 erleichtert
das Nachkalibrieren des Bildebenendetektors 2 auf Anfrage
und ist kostengünstig
in der Umsetzung.
-
Das
Verfahren ist speziell bei Handgeräten anwendbar, bei denen thermische
Bildebenendetektoren eingesetzt werden, sowie bei gelegentlich gewarteten
Installationen. Verfahren und Vorrichtung 1 ge mäß der Erfindung
können
insbesondere bei bolometrischen Bildebenendetektoren (Mikrobolometer) angewandt
werden.