EP2567288A1 - Kamera, insbesondere zur aufnahme von luftbildern aus flugzeugen - Google Patents

Kamera, insbesondere zur aufnahme von luftbildern aus flugzeugen

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EP2567288A1
EP2567288A1 EP11718083A EP11718083A EP2567288A1 EP 2567288 A1 EP2567288 A1 EP 2567288A1 EP 11718083 A EP11718083 A EP 11718083A EP 11718083 A EP11718083 A EP 11718083A EP 2567288 A1 EP2567288 A1 EP 2567288A1
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EP
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image sensor
camera
planar image
digital
camera according
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EP11718083A
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Martin Timm
Martin Welzenbach
Holger Stoldt
Jörn Hildebrandt
Dirk Döring
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Hexagon Technology Center GmbH
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Hexagon Technology Center GmbH
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    • G02—OPTICS
    • G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
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    • G03B19/023—Multi-image cameras
    • G03B19/026—Sequence cameras

Definitions

  • the invention relates to a camera, in particular for recording aerial images from aircraft, with an objective and at least one mounted on a support element digital planar image sensor with a predetermined pixel size, which, in particular by the attachment to the Trä ⁇ gerelement conditional, curvature within a certain Tole ⁇ ranz Symposiums has.
  • FIG. 1 shows a digital planar image sensor made of silicon or CCD sensor 1.1 with a curvature 3 of up to 35 ⁇ m.
  • the different heights of the CCD sensor 1.1 are indicated with different Schraffüren corresponding to the scale shown in Fig. 1 right next to the image sensor 1.1.
  • FIG 3 a further CCD sensor 1.3 is shown, which is glued to the support member 2 and in which the size of the photosensitive areas 4 'is so small that the depth of field is no longer sufficient to inner ⁇ half of the entire curvature 3 sharply , Ie. individual points of light 6 'are no longer sharply focused and light is also in the surrounding or adjacent photosensitive areas 4', whereby the image quality, especially in terms of resolution and contrast is adversely affected.
  • CCD sensors 1.1 to 1.3 in cameras, especially for receiving aerial photographs of Airplanes ⁇ gen, but should be a good image quality ensures his ⁇ efficiency even at lower pixel sizes and larger CCD sensors 1.1 to 1.3.
  • the present invention has the object to avoid the disadvantages of the prior art, in particular a camera of the type mentioned in the sheep ⁇ fen, in which even with small pixel sizes and large image sensors a sufficient image quality is guaranteed.
  • This object is according to the invention in particular ⁇ sondere for receiving aerial images of aircraft solved by a camera with a lens with at least one mounted on a Stromele ⁇ ment digital planar image sensor with a predetermined pixel size having a, in particular by the fastening to the carrier element related , Curvature within a certain tolerance range, wherein the objec- tive at least partially causes an optical compensation of Wöl ⁇ advertising the digital planar image sensor.
  • the measures according to the invention advantageously compensate the curvature and the associated deteriorated image quality, in particular with a smaller pixel size. This is done by the lens or the optical ⁇ design.
  • a tolerance range for the curvature of the digital planar image sensor should be specified in the manufacture in order to set the optics accordingly. This tolerance range should be kept as constant as possible in the production process.
  • observation light beam and the light ⁇ are sharply imaged by the compensating at least approximately within the pixel size or pixel geometry of the digital flat planar image sensor.
  • the optical imaging properties of the objective can be determined in advance on the basis of a predetermined model related to a specific tolerance range of the curvature of the digital planar image sensor.
  • a corresponding image distortion can be at least act ⁇ .
  • a digital planar image sensor can be adhesively bonded to the carrier element and preferably has a pixel size of less than or equal to 7.2 ⁇ m, in particular 5.6 ⁇ m. sen. There is a relationship between the pixel size, the imaging point size of the lens and the degree of curvature of the digital planar image sensor. The pixel size is thus not absolutely fixed.
  • the digital planar image sensor or frame sensor can be designed as a CCD sensor, CMOS sensor or the like.
  • the pixels of the digital planar image sensor can be arranged in the form of a rectangular matrix.
  • the carrier element can be glass, ceramic or plastic alswei ⁇ sen or formed therefrom.
  • Fig. 1 is a perspective view of a on a
  • Fig. 2 is a perspective view of a bonded CCD sensor having a first pixel size according to the prior art
  • Fig. 3 is a perspective view of a bonded CCD image sensor having a second pixel size according to the prior art
  • FIG. 5 is a simplified sectional view of a CCD image sensor of the camera according to the invention from FIG. 4.
  • a camera according to the invention 7 in particular for receiving aerial images of aircraft (not shown) with a lens 8 and a mounted on a Medicareele ⁇ ment 2 digital planar image sensor, or CCD sensor, 1.4 of a predetermined pixel size or specified pixel regions 4 'which has a conditional by the attachment to the support element 2 buckle 3 within a certain tolerance range shown.
  • the lens 8 be ⁇ acts at least partially an optical compensation buckle 3 of the CCD sensor 1.4.
  • the pixels or light punk ⁇ te 6 the direction indicated by the broken line 9 observation light rays are Wenig ⁇ least mapped within the photosensitive regions or pixel regions 4 'by the compensation approximately sharp.
  • To compensate for the wobble ⁇ tion 3 causes an optical element 8a of the lens 8 a corresponding image distortion.
  • the CCD image sensor 1.4 is glued to the carrier element ⁇ second
  • the CCD image sensor 1.4 has a pixel size of less than or equal to 7.2 ym, especially 5.6 ym.
  • the support member 2 may be formed of glass, ceramic or plastic or have such materials.
  • the camera 7 can be one of several cameras of a photogrammetric camera system.
  • the optical imaging properties of the objective 8 are determined in advance on the basis of a predetermined model. For this purpose, it follows a surface measurement of each CCD sensor 1.4.
  • the op ⁇ tables imaging properties of the lens 8 to be adapted to the CCD image sensor 1.4 on the basis of surface measurement.
  • a generic tolerance range ⁇ 1 is specified, in which the CCD image sensor 1.4 is constant during series production.
  • the model is based on the ⁇ be voted tolerance range ⁇ 1 buckle 3 the CCD image sensor 1.4.
  • FIG. 5 shows a section through the CCD image sensor 1.4 from FIG. 4 along the line AB.
  • the tolerance range ⁇ 1 compensates for manufacturing tolerances and changes in the ambient conditions.

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Abstract

Die Erfindung betrifft eine Kamera (7), insbesondere zur Aufnahme von Luftbildern aus Flugzeugen mit einem Objektiv (8) und wenigstens einem auf einem Trägerelement (2) befestigten digitalen flächenförmigen Bildsensor (1.4) mit vorgegebener Pixelgröße, welcher eine, insbesondere durch die Befestigung auf dem Trägerelement (2) bedingte, Wölbung (3) innerhalb eines bestimmten Toleranzbereichs aufweist. Das Objektiv (8) bewirkt wenigstens teilweise eine optische Kompensation der Wölbung (3) des digitalen flächenförmigen Bildsensors (1.4).

Description

Kamera, insbesondere zur Aufnahme von Luftbildern
aus Flugzeugen
Die Erfindung betrifft eine Kamera, insbesondere zur Aufnahme von Luftbildern aus Flugzeugen, mit einem Objektiv und wenigstens einem auf einem Trägerelement befestigten digitalen flächenförmigen Bildsensor mit vorgegebener Pixelgröße, welcher eine, insbesondere durch die Befestigung auf dem Trä¬ gerelement bedingte, Wölbung innerhalb eines bestimmten Tole¬ ranzbereichs aufweist.
Aus der Praxis ist bekannt, dass digitale Bildsensoren, ins¬ besondere CCD (Charge Coupled Device) -Bildsensoren aufgrund der Marktnachfrage bzw. aus Kostengründen bei gleichbleibender Größe bzw. Menge des verwendeten Siliziums immer feinere Pixelgeometrien bzw. kleinere Pixelgrößen aufweisen sollen. Beispielsweise werden bereits sehr große CCD-Sensoren mit mehr als 140 Megapixeln hergestellt. Dadurch ergeben sich Pixelgrößen von unter 7,2 ym, insbesondere beispielsweise 5,6 ym. Diese Anforderungen erhöhen auch die Anforderung an die scharfe Abbildung des Lichts innerhalb der Pixelgeometrien unter gegebener Schärfentiefe.
Problematisch ist nun, dass die Siliziumplatte des CCD- Sensors in der Regel auf ein Trägerelement, beispielsweise ein Gehäuse oder dergleichen, zumeist durch Kleben aufgebracht werden muss. Klebstoffe üben an den Ecken der Siliziumplatte eine höhere Adhäsionskraft aus, da das Siliziummate¬ rial über zwei Kraftvektoren angezogen wird. Dadurch erhält die Siliziumplatte eine messbare Wölbung. In Figur 1 ist ein digitaler flächenförmiger Bildsensor aus Silizium bzw. CCD-Sensor 1.1 mit einer Wölbung 3 von bis zu 35 ym dargestellt. Die unterschiedlichen Höhen des CCD- Sensors 1.1 sind mit unterschiedlichen Schraffüren entsprechend der in Fig. 1 rechts neben dem Bildsensor 1.1 dargestellten Skala angedeutet. Betrachtet man die Eckbereiche des CCD-Sensors 1.1 als Nullpunkt, so ergibt sich in der Mitte des CCD-Sensors 1.1 eine Wölbung 3 von bis zu 35 ym. Diese ergibt sich bei einem Aufkleben des CCD-Sensors 1.1 auf ein Trägerelement 2, welches aus Glas, Keramik oder Kunststoff gebildet sein kann, durch Kraftvektoren ir 2.
In Figur 2 ist ein CCD-Sensor 1.2 dargestellt, welcher ebenfalls auf das Trägerelement 2 aufgeklebt ist.
Während des Herstellungsprozesses - so lange die Silizium¬ platte bzw. der CCD-Sensor 1.2 noch nicht aufgeklebt ist und somit noch keine Wölbung 3 aufweist - können die einzelnen Pixel als kleine, zumindest rechteckige oder sogar quadrati¬ sche lichtempfindliche Bereiche 4, welche als Gitter 5 auf der Oberfläche der Siliziumplatte bzw. des CCD-Sensors 1.2 angeordnet sind, angesehen werden. In Figur 2 ist bei Verwendung eines herkömmlichen Objektivs die Schärfentiefe ausrei¬ chend, um die gesamte Wölbung 3 derart abzudecken, dass das Licht in den einzelnen lichtempfindlichen Bereichen 4 scharf abgebildet wird, wodurch die Bildqualität nicht beeinflusst wird. Dies ist der Fall, wenn die Pixelgröße hoch genug ist und wie in Figur 2 stark vereinfacht dargestellt, die Licht¬ punkte 6 als einzelne Lichtstrahlen innerhalb der lichtemp¬ findlichen Bereiche 4 scharf abgebildet werden. In Figur 3 ist ein weiterer CCD-Sensor 1.3 dargestellt, welcher auf dem Trägerelement 2 aufgeklebt ist und bei welchem die Größe der lichtempfindlichen Bereiche 4 ' derart gering ist, dass die Schärfentiefe nicht mehr ausreicht, um inner¬ halb der gesamten Wölbung 3 scharf abzubilden. D. h. einzelne Lichtpunkte 6' werden nicht mehr scharf abgebildet und Licht gerät auch in die umliegenden bzw. benachbarten lichtempfindlichen Bereiche 4', wodurch die Bildqualität, insbesondere hinsichtlich Auflösung und Kontrast negativ beeinflusst wird.
Bei dem Einsatz derartiger CCD-Sensoren 1.1 bis 1.3 in Kameras, insbesondere zur Aufnahme von Luftbildern aus Flugzeu¬ gen, sollte jedoch auch bei geringeren Pixelgrößen und größeren CCD-Sensoren 1.1 bis 1.3 eine gute Bildqualität gewähr¬ leistet sein.
Ausgehend davon liegt der vorliegenden Erfindung die Aufgabe zugrunde, die Nachteile des Standes der Technik zu vermeiden, insbesondere eine Kamera der eingangs erwähnten Art zu schaf¬ fen, bei welcher auch bei geringen Pixelgrößen und großen Bildsensoren eine ausreichende Bildqualität gewährleistet ist .
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch eine Kamera, insbe¬ sondere zur Aufnahme von Luftbildern aus Flugzeugen, gelöst, mit einem Objektiv mit wenigstens einem auf einem Trägerele¬ ment befestigten digitalen flächenförmigen Bildsensor mit vorgegebener Pixelgröße, welcher eine, insbesondere durch die Befestigung auf dem Trägerelement bedingte, Wölbung innerhalb eines bestimmten Toleranzbereichs aufweist, wobei das Objek- tiv wenigstens teilweise eine optische Kompensation der Wöl¬ bung des digitalen flächenförmigen Bildsensors bewirkt.
Durch die erfindungsgemäßen Maßnahmen wird in vorteilhafter Weise die Wölbung und die damit einhergehende verschlechterte Bildqualität, insbesondere bei geringerer Pixelgröße, optisch kompensiert. Dies erfolgt durch das Objektiv bzw. das Optik¬ design. Hierzu sollte bei der Herstellung ein Toleranzbereich für die Wölbung des digitalen flächenförmigen Bildsensors vorgegeben werden, um die Optik entsprechend festlegen zu können. Dieser Toleranzbereich sollte im Produktionsprozess möglichst konstant gehalten werden.
Sehr vorteilhaft ist es demnach, wenn die Beobachtungslicht¬ strahlen bzw. das Licht durch die Kompensation wenigstens annähernd innerhalb der Pixelgröße bzw. der Pixelgeometrie des digitalen flächigen flächenförmigen Bildsensors scharf abgebildet werden.
Die optischen Abbildungseigenschaften des Objektivs können vorab anhand eines vorgegebenen, auf einen bestimmten Toleranzbereich der Wölbung des digitalen flächenförmigen Bildsensors bezogenen Modells ermittelt werden.
Zur Kompensation der Wölbung kann wenigstens ein optisches Element des Objektivs eine entsprechende Bildverzerrung be¬ wirken .
Ein digitaler flächenförmiger Bildsensor kann auf das Trägerelement aufgeklebt sein und vorzugsweise eine Pixelgröße von kleiner oder gleich 7,2 ym, insbesondere 5,6 ym, aufwei- sen. Dabei besteht ein Zusammenhang zwischen der Pixelgröße, der Abbildungspunktgröße des Objektivs und dem Krümmungsgrad des digitalen flächenförmigen Bildsensors. Die Pixelgröße ist somit nicht absolut festgelegt.
Der digitale flächenförmige Bildsensor bzw. Frame Sensor kann als CCD-Sensor, CMOS-Sensor oder dergleichen ausgebildet sein. Die Pixel des digitalen flächenförmigen Bildsensors können in Form einer rechteckigen Matrix angeordnet sein.
Das Trägerelement kann Glas, Keramik oder Kunststoff aufwei¬ sen bzw. daraus gebildet sein.
In Anspruch 9 ist ein photogrammetrisches Kamerasystem mit mehreren Kameras angegeben.
Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.
Nachfolgend ist anhand der Zeichnung prinzipmäßig ein Ausfüh¬ rungsbeispiel der Erfindung beschrieben.
Es zeigen:
Fig. 1 eine perspektivische Ansicht eines auf einem
Trägerelement aufgeklebten digitalen flächenförmigen Bildsensors nach dem Stand der Technik;
Fig. 2 eine perspektivische Ansicht eines aufgeklebten CCD- Sensors mit einer ersten Pixelgröße gemäß dem Stand der Technik; Fig. 3 eine perspektivische Ansicht eines aufgeklebten CCD- Bildsensors mit einer zweiten Pixelgröße gemäß dem Stand der Technik;
Fig. 4 eine stark vereinfachte Darstellung einer erfindungs¬ gemäßen Kamera; und
Fig. 5 eine vereinfachte Schnittdarstellung eines CCD- Bildsensors der erfindungsgemäßen Kamera aus Fig. 4.
In Figur 4 ist eine erfindungsgemäße Kamera 7, insbesondere zur Aufnahme von Luftbildern aus Flugzeugen (nicht dargestellt) mit einem Objektiv 8 und einem auf einem Trägerele¬ ment 2 befestigten digitalen flächenförmigen Bildsensor bzw. CCD-Sensor 1.4 mit vorgegebener Pixelgröße bzw. vorgegebenen Pixelbereichen 4 ' , welcher eine durch die Befestigung mit dem Trägerelement 2 bedingte Wölbung 3 innerhalb eines bestimmten Toleranzbereichs aufweist, dargestellt. Das Objektiv 8 be¬ wirkt wenigstens teilweise eine optische Kompensation der Wölbung 3 des CCD-Sensors 1.4. Die Bildpunkte bzw. Lichtpunk¬ te 6 der durch die gestrichelte Linie 9 angedeuteten Beobachtungslichtstrahlen werden innerhalb der lichtempfindlichen Bereiche bzw. Pixelbereiche 4' durch die Kompensation wenigs¬ tens annähernd scharf abgebildet. Zur Kompensation der Wöl¬ bung 3 bewirkt ein optisches Element 8a des Objektivs 8 eine entsprechende Bildverzerrung.
Der CCD-Bildsensor 1.4 ist auf das Trägerelement 2 aufge¬ klebt. Im vorliegenden Ausführungsbeispiel weist der CCD- Bildsensor 1.4 eine Pixelgröße von kleiner oder gleich 7,2 ym, insbesondere 5,6 ym auf. Das Trägerelement 2 kann aus Glas, Keramik oder Kunststoff gebildet sein oder derartige Materialien aufweisen.
Die Kamera 7 kann eine von mehreren Kameras eines photogram- metrischen Kamerasystems sein.
Die optischen Abbildungseigenschaften des Objektivs 8 werden vorab anhand eines vorgegebenen Modells ermittelt. Dazu er¬ folgt eine Oberflächenmessung jedes CCD-Sensors 1.4. Die op¬ tischen Abbildungseigenschaften des Objektivs 8 werden auf den CCD-Bildsensor 1.4 anhand der Oberflächenmessung ange- passt. Des Weiteren wird ein generischer Toleranzbereich Δ1 spezifiziert, in welchem der CCD-Bildsensor 1.4 während der Serienproduktion konstant ist. Das Modell ist auf den be¬ stimmten Toleranzbereich Δ1 der Wölbung 3 des CCD- Bildsensors 1.4 bezogen. Zur Verdeutlichung ist in Figur 5 ein Schnitt durch den CCD-Bildsensor 1.4 aus Figur 4 entlang der Linie A-B dargestellt. Die Verwendung der Modellfunktion h = f (1) und die Definition der maximalen Höhe hmax des CCD- Bildsensors 1.4 und des Toleranzbereichs Δ1 ermöglichen die Anpassung der optischen Abbildungseigenschaften des Objektivs 8 an den CCD-Bildsensor 1.4. Der Toleranzbereich Δ1 kompensiert Fertigungstoleranzen und Änderungen der Umgebungsbedingungen. Das Optikdesign bzw. die optischen Abbildungseigenschaften des Objektivs 8 sollen dabei sicherstellen, dass die Lichtpunkte 6 innerhalb der lichtempfindlichen Bereiche bzw. Pixelbereiche 4' bleiben, wenn sich die Oberfläche bzw. die Wölbung des CCD-Bildsensors 1.4 innerhalb des Toleranzbe¬ reichs Δ1 verändert.

Claims

Patentansprüche
1. Kamera (7), insbesondere zur Aufnahme von Luftbildern aus Flugzeugen, mit einem Objektiv (8) und wenigstens einem auf einem Trägerelement (2) befestigten digitalen flä- chenförmigen Bildsensor (1.4) mit vorgegebener Pixelgröße, welcher eine, insbesondere durch die Befestigung auf dem Trägerelement (2) bedingte, Wölbung (3) innerhalb ei¬ nes bestimmten Toleranzbereichs (Δ1) aufweist,
dadurch gekennzeichnet, dass das Objektiv (8) wenigstens teilweise eine optische Kompensation der Wölbung (3) des digitalen flächenförmigen Bildsensors (1.4) bewirkt.
2. Kamera nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet, dass die Beobachtungslichtstrahlen (9) durch die Kompensation wenigstens annähernd in¬ nerhalb der Pixelgröße des digitalen flächenförmigen Bildsensors (1.4) scharf abgebildet werden.
3. Kamera nach Anspruch 1 oder 2,
dadurch gekennzeichnet, dass die optischen Abbildungsei¬ genschaften des Objektivs (8) vorab anhand eines vorgege¬ benen, auf den bestimmten Toleranzbereich (Δ1) der Wölbung (3) des digitalen flächenförmigen Bildsensors (1.4) bezogenen Modells ermittelt werden.
4. Kamera nach Anspruch 1, 2 oder 3,
dadurch gekennzeichnet, dass zur Kompensation der Wölbung (3) wenigstens ein optisches Element (8a) des Objektivs (8) eine entsprechende Bildverzerrung bewirkt.
5. Kamera nach einem der Ansprüche 1 bis 4,
dadurch gekennzeichnet, dass der digitale flächenförmige Bildsensor (1.4) auf das Trägerelement (2) aufgeklebt ist .
6. Kamera nach einem der Ansprüche 1 bis 5,
dadurch gekennzeichnet, dass der digitale flächenförmige Bildsensor (1.4) eine Pixelgröße von kleiner oder gleich 7,2 ym aufweist.
7. Kamera nach einem der Ansprüche 1 bis 6,
dadurch gekennzeichnet, dass der digitale flächenförmige Bildsensor als CCD-Sensor (1.4) oder CMOS-Sensor ausgebildet ist.
Kamera nach einem der Ansprüche 1 bis 7,
dadurch gekennzeichnet, dass das Trägerelement (2) Glas, Keramik oder Kunststoff aufweist.
9. Photogrammetrisches Kamerasystem mit mehreren Kameras, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens eine der Kameras eine Kamera (3) nach einem der Ansprüche 1 bis 8 ist.
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