EP1955535A1 - Fokalebene und verfahren zur justage einer solchen fokalebene - Google Patents

Fokalebene und verfahren zur justage einer solchen fokalebene

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Publication number
EP1955535A1
EP1955535A1 EP06829525A EP06829525A EP1955535A1 EP 1955535 A1 EP1955535 A1 EP 1955535A1 EP 06829525 A EP06829525 A EP 06829525A EP 06829525 A EP06829525 A EP 06829525A EP 1955535 A1 EP1955535 A1 EP 1955535A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
focal plane
modules
photosensitive
sensors
photosensitive components
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Withdrawn
Application number
EP06829525A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Anko BÖRNER
Andreas Hardt
Ingo Walter
Stefan Hilbert
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Deutsches Zentrum fuer Luft und Raumfahrt eV
Original Assignee
Deutsches Zentrum fuer Luft und Raumfahrt eV
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Filing date
Publication date
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Withdrawn legal-status Critical Current

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Classifications

    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01C—MEASURING DISTANCES, LEVELS OR BEARINGS; SURVEYING; NAVIGATION; GYROSCOPIC INSTRUMENTS; PHOTOGRAMMETRY OR VIDEOGRAMMETRY
    • G01C11/00—Photogrammetry or videogrammetry, e.g. stereogrammetry; Photographic surveying
    • G01C11/02—Picture taking arrangements specially adapted for photogrammetry or photographic surveying, e.g. controlling overlapping of pictures
    • H—ELECTRICITY
    • H04—ELECTRIC COMMUNICATION TECHNIQUE
    • H04N—PICTORIAL COMMUNICATION, e.g. TELEVISION
    • H04N23/00—Cameras or camera modules comprising electronic image sensors; Control thereof
    • H04N23/50—Constructional details
    • H04N23/54—Mounting of pick-up tubes, electronic image sensors, deviation or focusing coils

Definitions

  • the invention relates to a focal plane for an optical sensor system and to a method for adjusting such a focal plane.
  • High-resolution cameras with photosensitive semiconductor sensors are used, for example, for aerial photography, where they replace conventional aircraft cameras with large format films.
  • the photosensitive semiconductor sensors are formed, for example, as CCD components.
  • CCD components Recently, so-called CMOS cameras have been developed.
  • CMOS cameras have been developed.
  • These and similar sensors can be generally referred to as photosensitive semiconductor sensors, wherein the problems described below of CCD devices apply mutatis mutandis to the other photosensitive semiconductor sensors.
  • the CCD component designed as a line or matrix is arranged in the film plane, the so-called focal plane, thereby saving the intermediate step of film development which is necessary in conventional film cameras. All image information is available online and in real time digitally.
  • the replacement of the film of an aerial camera by a CCD plane equipped with the focal plane brings with it various difficulties.
  • a focal plane plate for a high-resolution camera with photosensitive sensors consisting of an electrically non-conductive material for receiving housed photosensitive semiconductor sensors, being arranged on the focal plane plate adjusting elements to the arrangement points of the housing of the photosensitive semiconductor sensors or the focal plane plate is formed with adjusting elements, wherein the adjusting elements are complementary to the shape of the housing mechanically adjustable.
  • a disadvantage of the known focal plane plate that the adaptation is very expensive.
  • the invention is therefore based on the technical problem of providing a focal plane, by means of which photosensitive components can be adjusted to each other easier and to provide an associated method.
  • the focal plane plate is formed in several parts from modules, wherein the photosensitive components are divided into the modules and connected to these, wherein the individual modules are arranged in a common focal plane frame.
  • the individual photosensitive sensors with their associated modules individually adjustable in relation to the optics and calibrated, the modules can then be fixed to the focal plane frame then.
  • the photosensitive sensors are easily adaptable to the respective boundary conditions defined by the optical components and / or the user specified boundary conditions such as focal length, stereo angle, aberrations.
  • aberrations of the optics can be compensated, for example, the chromatic aberration, ie the wavelength-dependent shift of the focal point. If, for example, the Sensors operated as R, G and B line sensors, so the respective line can be moved along the optical axis, so that the line for the relevant color or wavelength is exactly in the film plane.
  • the focal plane frame is rigidly connected to an optical system of the optical sensor system. This ensures that the adjustment and calibration is performed on the entire system and does not change by changing the mounting position of the optics.
  • the modules are formed with a heat sink and / or connected to a heat sink to dissipate the resulting electrical heat loss.
  • the heat sink is formed, for example, as a heat pipe.
  • each module is assigned exactly one photosensitive component, so that each component is individually adjusted and calibrated.
  • two or more photosensitive components can be arranged together on a module, for example because they are not critical with respect to the calibration or behave almost the same.
  • the modules are formed of different materials. This makes it possible to use different sensors to which the material of the module, for example, in terms of thermal expansion, can be optimally adapted.
  • CCD or CMOS line sensors can be used as the photosensitive sensors.
  • TDI time-delay-and-integration
  • MCT Mercury-Cadmium-Telluride
  • matrix sensors or other shapes are also conceivable in principle.
  • the individual components are adjusted and calibrated and then fixed to the focal plane frame, the fixation preferably a insoluble, rigid connection realized.
  • the adjustment and calibration preferably takes place with the aid of static and / or dynamic light modulators.
  • sequences of images are thrown onto the components by an evaluation and control unit via the light modulators and the result is checked by reading the components through the evaluation and control unit.
  • the modules can be moved until they are properly adjusted and then calibrated.
  • the invention will be explained in more detail below with reference to a preferred embodiment.
  • the single figure shows a schematic representation of a focal plane.
  • the focal plane 1 comprises a focal plane frame 2, three modules 3, three line sensors 4 arranged on the modules 3, and one drive and readout electronics 5 for each line sensor 4.
  • the line sensors 4 are permanently connected to the associated modules 3.
  • the row sensors 4 are connected to the drive and readout electronics 5, for example, these are soldered together or connected to each other via a plug connection.
  • the modules 3 themselves are initially movably mounted in the focal plane frame 2.
  • the modules 3 can be stored in a liquid adhesive layer, so that they can be moved in all three translational degrees of freedom prior to curing of the adhesive.
  • the focal plane frame 2 is now rigidly connected to an optic 6 via a holder, not shown.
  • one or more test structures is now imaged on the first line sensor 4 via the optics 6. Subsequently, the line sensor 4 is read out by the drive and read-out electronics 5. The result can then be used to determine the misalignment of the line sensor 4 and to correct for example by means of a micromanipulator. Subsequently, the geometric, radiometric and / or spectral calibration of the line sensor 4 can then take place. This procedure is then repeated for the other modules 3. Finally, the adhesive is cured. Of course, the adhesive of a module 3 can be cured before the adjustment of the next module 3 takes place. As an alternative to the adhesive, the modules 3 can also be stored and adjusted by means of piezoelectric actuators, wherein after the adjustment the modules 3 are cast with epoxy resin.
  • the adjustment and calibration is preferably carried out by means of static and / or dynamic light modulators, wherein the dynamic light modulators can be controlled by an evaluation and control unit for generating different imaging regulations.
  • the dynamic light modulators can be designed as an LCD matrix, micro-mirror array and / or as a membrane mirror.
  • the evaluation and control unit is connected to the drive and readout electronics of the line sensors.

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Abstract

Die Erfindung betrifft eine Fokalebene (1) und ein Verfahren zur Justage einer solchen Fokalebene (1) für ein optisches Sensorsystem, umfassend mindestens zwei fotosensitive Bauelemente und eine Fokalebenenplatte, auf der die fotosensitiven Bauelemente angeordnet sind, wobei die Fokalebenenplatte mehrteilig aus Modulen (3) ausgebildet ist, wobei die fotosensitiven Bauelemente auf die Module (3) aufgeteilt sind und mit diesen verbunden sind, wobei die einzelnen Module (3) in einem gemeinsamen Fokalebenenrahmen (2) angeordnet sind.

Description

Fokalebene und Verfahren zur Justage einer solchen Fokalebene
Die Erfindung betrifft eine Fokalebene für ein optisches Sensorsystem sowie ein Verfahren zur Justage einer solchen Fokalebene.
Hochauflösende Kameras mit lichtempfindlichen Halbleitersensoren werden beispielsweise für Luftbildaufnahmen eingesetzt, wo diese herkömmliche Flugzeugkameras mit Großformatfilmen ersetzen. Die lichtempfindlichen Halbleitersensoren sind dabei beispielsweise als CCD-Bauelemente ausgebildet. In jüngster Zeit sind auch so genannte CMOS-Kameras entwickelt worden. Diese und ähnliche Sensoren lassen sich allgemein als lichtempfindliche Halbleitersensoren bezeichnen, wobei die nachfolgend beschriebenen Probleme von CCD- Bauelementen sinngemäß auch bei den anderen lichtempfindlichen Halbleitersensoren zutreffen. Bei einer hochauflösenden CCD-Kamera wird dazu das als Zeile oder Matrix ausgebildete CCD-Bauelement in der Filmebene, die so genannte Fokalebene, angeordnet, wodurch der bei herkömmlichen Filmkameras notwendige Zwischenschritt der Filmentwicklung eingespart wird. Die gesamte Bildinformation steht unmittelbar online und in Echtzeit digital zur Verfügung. Der Ersatz des Filmes einer Luftbildkamera durch eine mit CCD-Bauelementen bestückten Fokalebene bringt aber verschiedene Schwierigkeiten mit sich.
Die CCD-Bauelemente und die sensornahe Elektronik verbrauchen elektrische Energie, die als Verlustleistung in Wärme umgesetzt wird. Außerdem müssen diese bei sehr unterschiedlichen Umgebungstemperaturen mit konstanter Arbeitstemperatur betrieben werden. Diese Probleme werden derzeitig so gelöst, dass eine spezielle Fokalebenen-Grundplatte gebaut wird, die aus einem ausdehnungskompatiblen Material bezüglich der CCD-Chips aus Silizium besteht und die gegebenenfalls mit einer Wärmesenke gekoppelt wird, um die Temperatur der Fokalebene konstant zu halten. Solche Fokalebenen-Hybride werden mit bereits vereinzelten und vorgeprüften Chips bestückt.
Durch verschiedenste Toleranzen wie beispielsweise der Chips, der Gehäuse, der Fokalebenen-Grundplatte und/oder der Befestigung der Chips und/oder Gehäuse auf der Fokalebenen-Grundplatte ist nicht mehr sichergestellt, dass alle Pixel der verschiedenen Chips in einer Ebene liegen.
Aus der DE 199 32 065 A1 ist eine Fokalebenenplatte für eine hochauflösende Kamera mit lichtempfindlichen Sensoren bekannt, bestehend aus einem elektrisch nicht leitenden Material zur Aufnahme gehäuster lichtempfindlicher Halbleitersensoren, wobei auf der Fokalebenenplatte Justierelemente an den Anordnungsstellen der Gehäuse der lichtempfindlichen Halbleitersensoren angeordnet sind oder die Fokalebenenplatte mit Justierelementen ausgebildet ist, wobei die Justierelemente komplementär an die Form des Gehäuses mechanisch anpassbar sind. Nachteilig an der bekannten Fokalebenenplatte ist, dass die Anpassung sehr aufwendig ist.
Der Erfindung liegt daher das technische Problem zugrunde, eine Fokalebene zu schaffen, mittels derer fotosensitive Bauelemente einfacher zueinander justiert werden können sowie ein zugehöriges Verfahren zur Verfügung zu stellen.
Die Lösung des technischen Problems ergibt sich durch die Gegenstände mit den Merkmalen der Ansprüche 1 und 6. Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.
Hierzu ist die Fokalebenenplatte mehrteilig aus Modulen ausgebildet, wobei die fotosensitiven Bauelemente auf die Module aufgeteilt sind und mit diesen verbunden sind, wobei die einzelnen Module in einem gemeinsamen Fokalebenenrahmen angeordnet sind. Hierdurch sind die einzelnen fotosensitiven Sensoren mit den ihnen zugeordneten Modulen einzeln in Bezug auf die Optik justierbar und kalibrierbar, wobei die Module dann anschließend am Fokalebenenrahmen fixiert werden können. Mit dem vorgeschlagenen Konzept sind die fotosensitiven Sensoren leicht an die jeweiligen durch die optischen Komponenten definierten und/oder die vom Anwender vorgegebenen Randbedingungen wie beispielsweise Brennweite, Stereowinkel, Abbildungsfehler anpassbar. Somit können auch Abbildungsfehler der Optik ausgeglichen werden, beispielsweise die chromatische Abberation, d.h. die wellenlängenabhängige Verschiebung des Brennpunktes. Werden beispielsweise die Sensoren als R-, G- und B-Zeilensensoren betrieben, so kann die jeweilige Zeile entlang der optischen Achse verschoben werden, so dass die Zeile für die betreffende Farbe bzw. Wellenlänge exakt in der Filmebene steht.
In einer bevorzugten Ausführungsform ist der Fokalebenenrahmen starr mit einer Optik des optischen Sensorsystems verbunden. Hierdurch ist gewährleistet, dass die Justage und Kalibration auf das Gesamtsystem durchgeführt wird und sich nicht durch Veränderung der Einbaulage der Optik verändert.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform sind die Module mit einer Wärmesenke ausgebildet und/oder mit einer Wärmesenke verbunden, um die entstehende elektrische Verlustwärme abzuführen. Dabei ist die Wärmesenke beispielsweise als Wärmeleitrohr ausgebildet.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist jedem Modul genau ein fotosensitives Bauelement zugeordnet, so dass jedes Bauelement einzeln justiert und kalibriert wird. Es sind jedoch auch Anwendungen denkbar, wo zwei oder mehr fotosensitive Bauelemente zusammen auf einem Modul angeordnet werden können, beispielsweise weil diese in Bezug auf die Kalibration unkritisch sind oder sich nahezu gleich verhalten.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform sind die Module aus verschiedenen Materialien ausgebildet. Hierdurch wird es möglich, unterschiedliche Sensoren zu verwenden, an die das Material des Moduls, beispielsweise hinsichtlich der Wärmeausdehnung, optimal angepasst werden kann.
Als fotosensitive Sensoren können beispielsweise CCD- oder CMOS-Zeilen- Sensoren, aber auch TDI- (Time-Delay-and-Integration) oder MCT- (Mercury- Cadmium-Telluride) Zeilen verwendet werden. Selbstverständlich sind prinzipiell auch Matrix-Sensoren oder andere Formen denkbar.
Verfahrensmäßig werden die einzelnen Bauelemente justiert und kalibriert und anschließend am Fokalebenenrahmen fixiert, wobei die Fixierung vorzugsweise eine unlösbare, starre Verbindung realisiert. Die Justage und Kalibration erfolgt vorzugsweise mit Hilfe von statischen und/oder dynamischen Lichtmodulatoren. Hierzu werden beispielsweise Abfolgen von Abbildungen durch eine Auswerte- und Steuereinheit über die Lichtmodulatoren auf die Bauelemente geworfen und das Ergebnis durch Auslesung der Bauelemente durch die Auswerte- und Steuereinheit überprüft. Durch einen Mikromanipulator können dann die Module solange verschoben werden, bis diese richtig justiert sind und anschließend kalibriert werden.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand eines bevorzugten Ausführungsbeispiels näher erläutert. Die einzige Figur zeigt eine schematische Darstellung einer Fokalebene.
Die Fokalebene 1 umfasst einen Fokalebenenrahmen 2, drei Module 3, drei auf den Modulen 3 angeordnete Zeilen-Sensoren 4 sowie für jeden Zeilen-Sensor 4 eine Ansteuer- und Ausleseelektronik 5. Die Zeilen-Sensoren 4 sind fest mit den zugeordneten Modulen 3 verbunden. Des Weiteren sind die Zeilen-Sensoren 4 mit der Ansteuer- und Ausleseelektronik 5 verbunden, beispielsweise sind diese miteinander verlötet oder über eine Steckverbindung miteinander verbunden. Die Module 3 selbst sind zunächst beweglich im Fokalebenenrahmen 2 gelagert. Beispielsweise können die Module 3 in einer flüssigen Klebstoffschicht gelagert werden, so dass diese vor der Aushärtung des Klebstoffes noch in allen drei translatorischen Freiheitsgraden bewegt werden können. Der Fokalebenenrahmen 2 ist nun starr mit einer Optik 6 über eine nicht dargestellte Halterung verbunden.
Zur Justage wird nun über die Optik 6 eine oder mehrere Teststrukturen auf den ersten Zeilen-Sensor 4 abgebildet. Anschließend wird der Zeilen-Sensor 4 durch die Ansteuer- und Ausleseelektronik 5 ausgelesen. Das Ergebnis kann dann dazu benutzt werden, die Fehlausrichtung des Zeilen-Sensors 4 zu bestimmen und beispielsweise mittels eines Mikromanipulators zu korrigieren. Anschließend kann dann die geometrische, radiometrische und/oder spektrale Kalibration des Zeilen- Sensors 4 erfolgen. Diese Vorgehensweise wird dann für die anderen Module 3 wiederholt. Zum Schluss wird dann der Kleber ausgehärtet. Selbstverständlich kann auch zuvor der Kleber eines Moduls 3 ausgehärtet werden, bevor die Justage des nächsten Moduls 3 erfolgt. Alternativ zum Kleber können die Module 3 auch über Piezo-Stellelemente gelagert und verstellt werden, wobei nach der Justage die Module 3 mit Epoxydharz vergossen werden. Die Justage und Kalibration erfolgt vorzugsweise mittels statischer und/oder dynamischer Lichtmodulatoren, wobei die dynamischen Lichtmodulatoren von einer Auswerte- und Steuereinheit zur Erzeugung unterschiedlicher Abbildungsvorschriften ansteuerbar sind. Die dynamischen Lichtmodulatoren können dabei als LCD-Matrix, Mikro-Spiegel-Array und/oder als Membran-Spiegel ausgebildet sein. Dabei ist dann vorzugsweise die Auswerte- und Steuereinheit mit den Ansteuer- und Ausleseelektroniken der Zeilen- Sensoren verbunden.

Claims

Patentansprüche
1 ) Fokalebene für ein optisches Sensorsystem, umfassend mindestens zwei fotosensitive Bauelemente und eine Fokalebenenplatte, auf der die fotosensitiven Bauelemente angeordnet sind, dadurch gekennzeichnet, dass die Fokalebenenplatte mehrteilig aus Modulen (3) ausgebildet ist, wobei die fotosensitiven Bauelemente auf die Module (3) aufgeteilt sind und mit diesen verbunden sind, wobei die einzelnen Module (3) in einem gemeinsamen Fokalebenenrahmen (2) angeordnet sind.
2) Fokalebene nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass der Fokalebenenrahmen (2) starr mit einer Optik des optischen Sensorsystems verbunden ist.
3) Fokalebene nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Module (3) mit einer Wärmesenke ausgebildet und/oder mit einer Wärmesenke verbunden sind.
4) Fokalebene nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass jedem Modul (3) genau ein fotosensitives Bauelement zugeordnet ist.
5) Fokalebene nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Module (3) aus unterschiedlichen Materialien ausgebildet sind.
6) Verfahren zur Justage einer Fokalebene nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die fotosensitiven Bauelemente einzeln justiert und kalibriert werden und anschließend am Fokalebenenrahmen (2) fixiert werden.
EP06829525A 2006-12-12 2006-12-12 Fokalebene und verfahren zur justage einer solchen fokalebene Withdrawn EP1955535A1 (de)

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DE19932065C2 (de) * 1998-08-18 2003-06-26 Deutsch Zentr Luft & Raumfahrt Fokalebenenplatte für eine hochauflösende Kamera mit lichtempfindlichen Halbleitersensoren
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