NO883633L - Fremgangsmaate til videoopptak av en hurtigbevegelig gjenstand. - Google Patents

Description

Oppfinnelsen angår en fremgangsmåte til avbildning av et hurtigbevegelig objekt ved hjelp av en avbildningsmetode av videotypen for å frembringe enkeltopptak som hovedsakelig fryser objektet, i henhold til hvilken fremgangsmåte - lys fra objektet som skal avbildes, under en forutbestemt eksponeringstid ledes gjennom et kameraobjektiv til en lysfølsom bildedetektor for på dens overflate å danne et

bilde som tilsvarer objektet som skal avbildes,

- det på bildedetektorens overflate dannede bilde avleses

for å omforme det til elektriske signaler, og

- de elektriske signaler lagres i form av et varierende magnetfelt på et videobånd, idet eksponeringstiden er kortere enn tiden som benyttes til å avlese og lagre bildet.

A følge bevegelsen av hurtigbevegelige objekter såsom ulike typer maskindeler, flygende objekter eller f.eks. en papirbane i en papirmaskin med blotte øyet er umulig. Når den virkelige bevegelse av hurtigbevegelige objekter og andre dertil til-knyttede fenomener skal undersøkes, bør fenomenet og bevegelsen gjøres langsommere for å kunne iakttas av det menneskelige øye. Man har forsøkt å realisere dette ved hjelp av avbildningsanordninger av videotypen slik at objektet avbildes med høye avbildningshastigheter og ved betraktning reproduseres med langsommere hastigheter, slik at ulike detaljers forhold og bevegelse tydelig kan iakttas.

I en kjent apparatur benyttes bildeanalyse, med hvilken bildet som kommer til et videokameras bildedetektor endres til digital form og lagres på en spesiell flerspors instrument-båndspiller, hvoretter det i digital form forekommende bilde endres ved reproduksjon ved hjelp av en spesiell bildepro-sessor gjennom approksimasjon til et bilde som omtrent tilsvarer det opprinnelig avbildede bilde. Apparaturen har for det første den svakhet at bildet forandres til dataform under hele avbildningsperioden, slik at f.eks. et spesielt punkt på en papirbane som beveger seg 1000 m/min, flyttes 18 mm på en bildeskjerm. I praksis innebærer dette at i

henhold til fremgangsmåten som benyttes i denne apparatur,

kan det ikke fås et skarpt bilde av hurtige objekter, med et slikt må dannes ved hjelp av en mikroprosessor gjennom be-regning og approksimasjon, hvilken ikke tilsvarer den presi-sjon som undersøkelsen krever. Videre er lagringsbåndets varighet i apparaturen i henhold til denne fremgangsmåte bare et halvt minutt med en avbildningshastighet på 1000 bilder i sekundet, slik at behandling og undersøkelse av en tilfeldig forekommende forstyrrelse ved hjelp av denne apparatur på det nærmeste er umulig. Om f.eks. forekomsten av en bestemt type feil eller lignende, som av og til forekommer i papirbanen, skal klarlegges, kan tidsperioden mellom to ensartede forstyrrelser t.o.m. være flere døgn. Avbildning av en slik forstyrrelse med båndvarighet på under et minutt er i praksis umulig. Videre er apparaturen i henhold til denne fremgangsmåte stor og vanskelig å transportere og dessuten spesiell kostbar.

I en annen kjent apparatur benyttes vanligvis på bilderør basert videoteknikk med en avbildningshastighet på 200 bilder i sekundet. I denne apparatur anvendes en fremgangsmåte hvor objektet som skal avbildes, først belyses med stroboskop-lys i en viss tid og lyset siden tillates å projiseres fra objektet til bilderøret i omtrent 0,1 millisekunder, hvoretter lyset forhindres i å havne på bilderøret ved hjelp av en separat mekanisk lukker. Bildet lagres fra bilderøret på

et videobånd i henhold til et normalt videosystem. Når denne apparatur benyttes, rekker en papirbane som beveger seg 1000 m/min, å forflytte seg 1,8.mm, slik at vanndråpe som typisk har en diameter på omtrent 4 mm, på bildeskjermen vises strukket til en størrelse en og en halv gang så stor som den opprinnelige dråpe i forhold til banens bevegelses-retning, hvilket ikke tilsvarer den påkrevde nøyaktighet. Videre krever apparaturen, utover eksponeringen, på grunn

av rørets forsinkelse en separat mekanisk lukker for å lagre det frembragte bilde med i det minste tilfredsstillende kvalitet på bildebånd. Videre er apparaturen stor og vanskelig å transportere og dessuten kostbar.

Den foreliggende oppfinnelse har til hensikt å skaffe en fremgangsmåte til avbildning av hurtige bevegelser med en videoteknikk, ved hjelp av hvilken det fås skarpe bilder av t.o.m. hurtige bevegelser og den nødvendige apparatur er billig og lett å transportere selv under vanskelige fabrikk-forhold. Dette oppnås i henhold til oppfinnelsen ved hjelp av en fremgangsmåte som erkarakterisert ved

- at det som bildedetektor anvendes en i og for seg kjent bildesensor av halvledertypen, som er dannet av matrise-formet anbragte punktdetektorer, - at for å lede lyset fra objektet som skal avbildes, benyttes en kort eksponeringstid for dannelse av en lyspuls, - at intensiteten av en tilstrekkelig intensiv lyspuls er hovedsakelig konstant under eksponeringstiden, - at nevnte bildesensor aktiveres ved hjelp av den nevnte lyspuls, ved hvis virkning bildesensorens punktdetektorer bringes til å innstille seg i en deteksjonstilstand som tilsvarer respektive punkter i det på bildesensorens overflate dannede bilde, i hvilken tilstand de forblir når

lyspulsen opphører og

- at deteksjonstilstanden som detekteres av bildesensorens punktdetektorer avleses og lagres hovedsakelig etter bildesensorens aktivering.

Fremgangsmåten i henhold til oppfinnelsen er basert på idéen om å anvende en bildesensor av halvledertypen, hvis egenskaper utnyttes på en ny måte. Til forskjell fra en normal avbild-ningsmåte benyttes sensorens punktdetektorer som hukommel-sesorganer, som ved hjelp av en fra objektet kommende, sær-deles kort lyspuls som danner et tilstrekkelig intensivt bilde, bringes til å stille seg i en slik deteksjonstilstand som tilsvarer lysintensiteten av bildet på bildesensorens flate ved den angjeldende punktdetektor og ved farveavbildning intensiteten av hver enkelt fargekomponent. Etter en kort lyspuls kan bildet som lagres i sensorens punktdetektorer, med normal overføringshastighet overføres på vanlig form til en videobåndspiller og videre lagres på et videobånd.

Oppfinnelsen har for det første den fordel at ved å bruke

en særlig kort lyspulstid, f.eks. 5 mikrosekunder, forflyttes en bane som beveger seg 1000 m/min bare ca. 0,1 mm, hvilket er mindre enn f.eks. et hvilket som helst videosystems opp-løsningsevne for to punkter som befinner seg ved siden av hverandre. Videre kan avbildningen når denne fremgangsmåte anvendes, realiseres t.o.m. ved hjelp av en vanlig hjemmevideomaskin, idet apparaturen er lett å frakte med seg og billig å anskaffe.

Oppfinnelsen skal beskrives mer detaljert ved hjelp av den vedføyde tegning. Fig. 1 viser en apparatur for tillempning av fremgangsmåten i henhold til oppfinnelsen. Fig. 2 viser skjematisk funksjonen til en punktdetektor i en bildesensor av halvledertypen, hvor påfølgende bilder dannes.

På fig. 1 består avbildningsobjektet av en hurtigbevegelig papirbane 1 som avbildes med et videokamera 2. Til videokameraet 2 er det med en kabel 3 forbundet en videobåndspiller 4. På videobåndet i videobåndspilleren 4 lagres et med kameraet 2 dannet bilde. Til videokameraet 2 er det videre med en kabel 5 forbundet et stroboskop 6, hvis blink synkroniseres ved hjelp av kameraet.

Videoavbildningsteknikk og dertil hørende detaljer er som sådan ålment kjent og skal derfor ikke beskrives nærmere her. En til oppfinnelsen tilknyttet, vesentlig omstendighet er at dannelsen og lagringen av bildet baserer seg på inn-byrdes synkronisering av apparaturenes funksjoner, hvilket skjer ved hjelp av en separat synkroniseringspuls. Når hurtigbevegelige objekter avbildes, benyttes synkroniseringspulsen t.o.m. for å utløse stroboskopet 6 i det ønskedeøyeblikk for å danne et passende bilde.

I henhold til fremgangsmåten skjer avbildningen slik at synkroniseringspulsen via kabelen 5 utløser stroboskopet 6, idet det fra stroboskopet sendes en kort, fortrinnsvis 1-10 mikrosekunder lang lyspuls 7 mot objektet som skal avbildes, dvs. papirbanen 1. Fra papirbanen 1 reflekteres en like lang lyspuls 8, som ved hjelp av et objektiv 9 i videokameraet 2 rettes mot overflaten av bildesensoren av halvledertypen inne i kameraet og der danner et bilde som tilsvarer objektet som skal avbildes i henhold til de ålment kjente prinsipper for fotografering.

Bildesensoren av halvledertypen, fortrinnsvis en såkalt CCD-sensor, som i og for seg er ålment kjent, består av matriseformede punktdetektorer som er plassert ved siden av og oppå hverandre. I hver og en av disse dannes på grunn av intensiteten av det lys som treffer detektoren, en deteksjonstilstand som tilsvarer lysintensiteten eller om en fargesensor anvendes, en deteksjonstilstand som står i forhold til intensiteten hos hver i og for seg kjente delfarge,

idet deteksjonstilstanden siden avleses elektrisk og lagres på et videobånd ved hjelp av videobåndspilleren. Deteksjonstilstanden kan være f.eks. det angjeldende punkts elektriske ladning, ledningsevne eller en annen i og for seg kjent metode til å detektere intensiteten av lyset, som mottas av noen av detektorene.

Under varigheten av lyspulsen 8 stiller detektoren seg i en tilstand som tilsvarer lyspulsens intensitet, hvoretter,

når lyspulsen opphører, hver punktdetektor forblir i den angjeldende deteksjonstilstand, og derved forblir bildet av objektet som reflekteres på bildesensorens overflate under lyspulsen, i bildesensorens hukommelse, slik at den selv i løpet av et lengre tidsrom avleses og lagres ved hjelp av båndspilleren.

På fig. 2 vises skjematisk en enkelt punktdetektors funksjon når intensiteten av lyspulser som treffer den, varierer. Under en lyspuls 8, hvis lengde og således eksponeringstid

T er 1 mikrosekund, innstilles punktdetektorens tilstand i henhold til en strekpunktert linje 10 på et bestemt nivå,

der den forblir når pulsen 8 opphører og lysintensiteten reduseres til under det elektriske støynivå 11 i bildesensorens punktdetektorer. Ved bruk av en normal hjemmevideomaskin benyttes 20 millisekunder til avlesning og lagring av et bilde som dannes på bildesensoren, idet denne tid er 20000 ganger så lang som lystiden for lyspulsen 8. Etter avlesnings- og lagringstiden følger en ny lyspuls 8' som har samme lengde som den foregående lyspuls, men avviker fra denne hva angår intensiteten ved å være mer intens som f.eks. vist på fig. 2. I løpet av lyspulsen 8' forstørrer den angjeldende punktdetektor sin deteksjonstilstand til å motsvare intensiteten for lyspulsen 8' og blir når lyspulsen 8' reduseres til under sensorens elektriske støynivå, igjen i den innstilte deteksjonstilstand inntil en ny lyspuls atter forandrer deteksjonstilstanden til den angjeldende punktdetektor når det dannede bilde er blitt avlest og lagret.

Et lagret bilde kan betraktes på ålment kjent måte enten

ved å koble videobåndspilleren 4 til et fjernsynsapparat eller i henhold til fig. 1, til en enkelt monitor 12 ved hjelp av en kabel 13. Oppfinnelsen kan fordelaktig tilpasses på en vanlig hjemmevideomaskin som er billig og enkel å anvende og lett å frakte med seg. Herved dannes skarpe bilder hvert tyvende millisekund, noe som i de fleste tilfeller utgjør en tilstrekkelig bildefrekvens. Fremgangsmåten er imidlertid fullt tilpasningsdyktig selv på videoavbildning med høy bildefrekvens, hvilket dog krever mer kompliserte og kostbare anordninger.

En normal hjemmevideomaskin baserer seg på ålment benyttet fjernsynsteknikk, hvor en bildeskjerm i displayanordningen er inndelt i annen hver samtidig synlig linje for at bevegel-sesforskjellen mellom bildene skal reduseres. Om imidlertid spesielt skarpe bilderønskes, kan det i henhold til fremgangsmåten ved oppfinnelsen benyttes en løsning hvor hele bildefeltet vises samtidig uten inndeling i linjer for ulike bilder. I og for seg er linjeteknikken som er knyttet til videomonitorers og fjernsynsapparaters bildedannelse ålment kjent og skal således ikke beskrives nærmere.

I den mest fordelaktig utførelse av oppfinnelsen benyttes således et stroboskop 6 som er forbundet med en vanlig hjemmevideomaskin, og som styres av en synkroniseringspuls og sender en fortrinnsvis 1-10 mikrosekunder lang eksponerings-puls mot objektet, slik at bildet av objektet lagres på bildesensoren ved hjelp av en refleksjon av stroboskopets lyspuls. I en annen utførelse av fremgangsmåten i henhold til oppfinnelsen belyses objektet uavbrutt med sterkt lys,

og lyset som reflekteres fra objektet brytes ved hjelp av en mekanisk lukker til en passende 1-10 mikrosekunder lang lyspuls som danner et bilde på bildesensoren av halvledertype i kameraet slik som angitt ovenfor. I dette tilfelle behøves et spesielt for dette formål fremstilt kamera hvor det er installert en mekanisk lukker som forekommer i flere ålment kjente løsninger. Et slikt kamera er imidlertid vesentlig dyrere enn et vanlig enkelt kamera og egner seg således bare til spesielle formål som av en eller annen grunn har nytte av en slik konstruksjon.

Tegningen og den dertil knyttede beskrivelse er ment å anskue-liggjøre oppfinnelsestanken. I detaljer kan fremgangsmåten i henhold til oppfinnelsen variere innenfor rammen av patent-kravene.

Claims (6)

1. Fremgangsmåte til avbildning av et hurtigbevegelig objekt ved hjelp av en avbildningsmetode av videotypen for å frembringe enkeltopptak som hovedsakelig fryser objektet, i henhold til hvilken fremgangsmåte - lys (8) fra objektet (1) som skal avbildes under en forutbestemt eksponeringstid ledes gjennom et kameraobjektiv (9) til en lysfølsom bildedetektor for på dens overflate å danne et bilde som tilsvarer objektet som skal avbildes, det på bildedetektorens overflate dannede bilde avleses for å omforme det til elektriske signaler, og - de elektriske signaler lagres i form av et varierende magnetfelt på et videobånd, idet eksponeringstiden er kortere enn tiden som benyttes til å avlese og lagre bildet,karakterisert ved- at det som bildedetektor anvendes en i og for seg kjent bildesensor av halvledertypen, som er dannet av matrise-formet anbragte punktdetektorer, - at for å lede lyset fra objektet (1) som skal avbildes, benyttes en kort eksponeringstid (T) for dannelse av en lyspuls, - at intensiteten av en tilstrekkelig intensiv lyspuls er hovedsakelig konstant under eksponeringstiden (T), - at nevnte bildesensor aktiveres ved hjelp av den nevnte lyspuls, ved hvis virkning bildesensorens punktdetektorer bringes til å innstille seg i en deteksjonstilstand som tilsvarer respektive punkter i det på bildesensorens overflate dannede bilde, i hvilken tilstand de forblir når lyspulsen opphører og - at deteksjonstilstanden som detekteres av bildesensorens punktdetektorer avleses og lagres hovedsakelig etter aktivering av bildesensoren.

2. Fremgangsmåte i henhold til krav 1,karakterisert vedat eksponeringstiden er 1-10 ps.

3. Fremgangsmåte i henhold til krav 1 eller 2,karakterisert vedat lyspulsen dannes ved å belyse objektet som skal avbildes med et stroboskop (6) som synkroniseres med et videokamera (2) under en forutbestemt eksponeringstid.

4. Fremgangsmåte i henhold til krav 1 eller 2,karakterisert vedat lyset fra objektet (1) som skal avbildes, føres til bildesensoren styrt av en mekanisk lukker under en forutbestemt eksponeringstid.

5. Fremgangsmåte i henhold til krav et av kravene 1-4,karakterisert vedat avbildningen utføres med en bildefrekvens på høyst 50 Hz.

6. Fremgangsmåte i henhold til krav 5,karakterisert vedat avbildningen utføres med en bildefrekvens på 50 Hz og at hele bildefeltet lagres i ett eneste opptak.