DE19750947A1

DE19750947A1 - Videokamera mit Ablenkungseinrichtung zur Erhöhung der Auflösung

Info

Publication number: DE19750947A1
Application number: DE19750947A
Authority: DE
Inventors: Michel Broekaert
Original assignee: Sagem SA
Current assignee: Sagem SA
Priority date: 1996-11-15
Filing date: 1997-11-17
Publication date: 1998-05-20
Also published as: IL122156A; FR2756129A1; GB9724109D0; US6249312B1; JPH10173974A; GB2319426B; FR2756129B1; IL122156A0; GB2319426A

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft Videokameras vom Typ, der einen Detektor umfaßt, welcher eine zweidimensionale Matrix aus photosensiblen Stellen auf Speicherladungen hat, die mit einer bestimmten Aufteilung verteilt sind, wobei er in einer Bildebene eines optischen Systems angeordnet ist und mit einer Schaltung zur periodischen Übertragung der gespeicherten Ladungen mit einer bestimmten Frequenz verbunden ist; und eine Ablenkeinrichtung, die auf dem Lichtweg zwischen einer Eintrittspupille und der Matrix zwischengelagert ist, wobei diese ermöglicht, jenen Weg in jede Richtung um eine Nominalrichtung herum abzulenken.

Die Matrizen haben eine Anzahl begrenzter photosensibler Stellen. Um das Bild zu verfeinern, hat man bereits Kameras vorgeschlagen, bei denen die Ablenkeinrichtung so gesteuert wird, daß eine Mikroabtastung mit einer höheren Aufteilung durch Teilen der Stellen bewirkt wird, wobei die räumliche Auflösung durch periodische Korrektur der Szene, die durch die Kamera beobachtet wird, verbessert wird.

Z.B. kann jede photosensible Stelle mit vier verschiedenen aufeinanderfolgenden Punkten der Szene für eine Orientierung korrespondieren, welche durch den Eingangsstrahl in die Kamera bestimmt wird.

Andererseits sagt man, daß die photosensiblen Stellen nicht alle exakt die gleiche Reaktion aufzeigen, und zwar sowohl in ihrem anfänglichen Zustand, als auch bei der Durchführung einer möglichen unterschiedlichen Entwicklung mit der Zeit. Es existieren bereits Verfahren, die das Durchführen einer Kalibrierung ermöglichen und das Speichern der Eigenschaften der Stellen, in der Art ermöglichen, daß Korrekturen durch Berechnung später durchgeführt werden. Eine solche Kalibrierung stellt einen vorangehenden Arbeitsgang dar und erfordert das Einsetzen von zusätzlichen Mitteln.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Videokamera von dem Typ zur Verfügung zu stellen, der die zwei Funktionen der erheblichen Vereinfachung der Bauart und der Realisierung der Kamera in einen gemeinsamen Aufbau integriert.

Diese Aufgabe wird mittels einer Kamera gemäß den Merkmalen des Anspruches 1 gelöst.

Die Kameras, welche mit der Hand gestützt oder gehalten werden, werden mit Vibrationsproblemen konfrontiert, die durch den Träger hervorgerufen werden, welche dazu tendieren, das Bild zu stören.

Die Erfindung schlägt die Realisierung einer Stabilisierung gleichzeitig mit der Mikroabtastung und durch Benutzen der gleichen Ablenkeinrichtung vor.

Die Kamera kann gleichzeitig die drei Funktionen der Mikroabtastung, der Vereinheitlichung der Reaktion und der Stabilisierung durchführen; sie kann ebenfalls für das Erfüllen von nur zwei der drei Bedingungen vorgesehen sein, z. B. nur der gleichzeitigen Mikroabtastung und Stabilisierung.

Die Kennzeichen gelten auch für andere Ausführungsformen, die weniger offensichtlich aus der Beschreibung, welche auf eine besondere Ausführungsart bezogen ist, die als nicht einschränkendes Beispiel aufgeführt wird, hervorgehen. Die Beschreibung bezieht sich auf Zeichnungen, welche beigefügt sind, in welchen:

Fig. 1 in prinzipielles Schema ist, welches den allgemeinen Aufbau einer Videokamera, die zum Herstellen von Bildern im Infraroten verwendbar ist, zeigt, auf welchen die Erfindung angewendet werden kann;

Fig. 2 ein Schaltbild ist, welches dafür vorgesehen ist, die wesentlichen Bauteile gemäß der Verwendung der Erfindung darzustellen;

Fig. 3 eine perspektivische Ansicht der Erfindung ist, die vereinfacht einen möglichen Aufbau einer Ablenkeinrichtung zeigt, welche in der Kamera nach Fig. 2 verwendbar ist;
die Fig. 4A, 4B und 4C die Zustände nach der Kalibrierung zeigen, welche bei Verwendung der Vorrichtung von der Art, wie sie in Fig. 2 gezeigt wird, auftreten;

Fig. 5 den Weg zeigt, welcher durch das Bild eines Punktes der Szene auf der Matrix der photosensiblen Stellen zurückgelegt wird, und zwar in der Reihenfolge der Ablenkung, welche zur gleichen Zeit eine periodische Korrektur durch die Mikroabtastung und eine Kalibrierung ermöglicht.

Die Fig. 1 zeigt den Aufbau des Prinzips einer Videokamera, auf welche die Erfindung angewendet wird. Sie besteht aus einer Eintrittsoptik 10, die es ermöglicht, einen parallelen Eintrittsstrahl in einen umgedrehten Strahl, welcher von einer Ausgangsoptik wiederaufgenommen wird, umzuwandeln und welcher auf eine zweidimensionale Matrix 14 aus photosensiblen Stellen fokussiert wird, die eine Matrix der Aufnehmer CCD ist. Ein Farbfilter 16 und/oder eine Blende können auf dem Strahl zwischengelagert sein.

Eine Ablenkeinrichtung 20 kann auf dem Weg des Strahls zwischengelagert sein, um die Ablenkung um einen geringen Winkel mit Bezug auf den Öffnungswinkel der Kamera zu bewirken.

Für gewöhnlich wird eine solche Ablenkvorrichtung, welche verschiedene Zusammensetzungen haben kann (Diaspormeter, welches eine Zelle aus einer Flüssigkeit mit neigbaren Vorderseiten zum Aufbauen eines Prismas ist) in den parallelen Eingangsstrahl plaziert.

Diese Lösung ermöglicht die Verwendung einer Ablenkeinrichtung 20 von einem Durchmesser, der praktisch gleich dem ist, der die Eingangsoptik bildet. Eine solche Optik muß einen großen Durchmesser haben, wenn die Kamera zum Bilden von Bildern im Infraroten und insbesondere im thermisch Infraroten von einer Szene vorgesehen ist. In diesem Fall kann die Verwendung einer Ablenkeinrichtung, die aus einer Zelle mit neigbaren Vorderseiten besteht, als schwierig betrachtet werden. Demzufolge werden die Kosten von einer Zelle, die aus einer transparenten Flüssigkeit in dem entfernten Infrarotbereich (z. Bsp. CS₂) besteht und die Wandungen hat, welche aus Plättchen mit parallelen Vorderseiten aus einem Material, das gleichzeitig transparent ist (ZnSe, ZnS, Ge) besteht, vorteilhaft gesenkt. Es mag auf den ersten Blick der Eindruck entstehen, daß die Qualität des Bildes gezwungenermaßen verschlechtert wird, und zwar mit der Amplitude der konstanten Ablenkung, wenn man die Ablenkeinrichtung auf dem konvergenten Teil des Strahles plaziert. In Wirklichkeit jedoch ist es nachgewiesen, daß die Qualität des Bildes unter der Bedingung des Begrenzens der Schwenkbereiche mit relativ schwachen Werten, vorzugsweise mit 1° nicht wesentlich verschlechtert wird. Dieser Winkel ist groß genug, um eine Veränderung des Ortes von einem Szenepunkt auf die Matrix 14 umzusetzen, welches einen beachtlichen Anteil der Matrixdimension 14 darstellt. Z. B. kann ein Winkelschwenkbereich von ± 0,5° eine Amplitude der Verlagerung auf der Matrix um ± 0,38 mm übertragen, welches wiederum 1/8 der Matrix ist, wenn diese eine Dimension in dem Bereich von 6 mm hat. Falls notwendig, kann man diesen Wert im Voraus mit Hilfe der Verlagerung der Matrix in ihrer Ebene um eine bestimmte Anzahl von Anteilen der Aufteilung der photosensiblen Stellen erhöhen.

Wenn, und dies ist der übliche Fall, eine der Vorderseiten von der Zelle 20 um eine erste Achse x, die orthogonal zu der optischen Achse ist, herum verlagert wird, und die andere Zelle um eine Achse y, die orthogonal zu der vorhergehenden ist, orientierbar ist, so ist der Unterschied zwischen den Maßstabsfaktoren, also zwischen der Verlagerung des Bildes auf der Matrix und dem Winkel der Abweichung von der Vorderseite gering. In einem repräsentativen Beispiel ist der Unterschied zwischen den beiden in der Größenordnung von 5%. Er kann in den Befehlsfolgen berücksichtigt werden.

Die Kamera in dem Schaltbild ist in Fig. 2 gezeigt, welches erlaubt, das Zusammenspiel der definierten Funktion zu verbessern, durch:

- die Verbesserung der räumlichen Auflösung dank einer Mikroabtastung,
- die Verbesserung der Einheitlichkeit des Bildes durch Kalibrierung und Korrektur der Verteilungen des Gewinns und der Versetzungen (oder "Offset") der photosensiblen Stellen,
- die Stabilisierung des Bildes, um Auflösungsverluste im Falle der Vibrationen zu vermeiden.

Wenn nur zwei der drei Ziele angestrebt werden, kann dies das Weglassen von bestimmten Elementen und die Vereinfachung von Befehlsabläufen ergeben.

Die Fig. 2, worin die Elemente, welche mit denen der Fig. 1 korrespondieren, die gleichen Bezugszeichen tragen, zeigt eine Ablenkeinrichtung, die aus zwei Plättchen 22 und 24 besteht, die durch ein nachgiebiges Element zusammengehalten werden und eine Zelle definieren, die aus einer Flüssigkeit besteht.

Das Plättchen 22 ist mit den Mitteln 26 um eine Achse x herum, die orthogonal zu der optischen Achse ist und im allgemeinen parallel zu einer der Richtungen der Matrix 16 ist, orientierbar. Die andere Wand 24 ist durch einen zweiten Antrieb 28 um eine Achse y, die orthogonal zu der optischen Achse und zu der Achse X ist, orientierbar. Jede winkelige Ablenkung des Strahls, der durch die Ablenkeinrichtung 20 provoziert wird, setzt sich durch eine Ablenkung in x oder in y um, gemäß dem Fall, daß sie empfindlich proportional zu der Entfernung d und zu dem Winkel der winkeligen Ablenkung ist.

Die Fig. 3 zeigt eine Realisierung, die für die Ablenkeinrichtung von Fig. 2 möglich ist. Die zwei Wände 22 und 24 sind aus Plättchen aus einem transparenten Material für die Bestrahlung aufgebaut und sind auf der Struktur 30 der Kamera in der Art befestigt, daß man um die jeweiligen Achsen x und y herumdrehen kann. Der Rand von jedem Plättchen, das gegenüber der Rotationsachse ist, ist gemeinsam verantwortlich mit den jeweiligen Mitteln 26 und 28, die z. B. aus piezoelektrischen Betätigungsgeräten bestehen. Solche Betätigungsgeräte, welche Stapel von Scheiben beinhalten, können Deplazierungen von mehreren Zehnerwert von Mikrometern provozieren. Sofern notwendig, kann der Stapel durch eine Bimetallstreifenvorrichtung ersetzt werden, welche das Ereichen einer Deplazierungsamplitude von ungefähr 150 µm ohne Schwierigkeiten ermöglicht.

Die Wände 22 und 24 werden durch einen Balg 32 zusammengehalten, der im allgemeinen aus Plastikmaterial oder aus Metall ist, welcher es ermöglicht, die Veränderungen des Volumens zu absorbieren, die durch die relative Deplazierung zu den zwei Wänden provoziert wird. Man berücksichtigt ebenso die Inkompressibilität der Flüssigkeit.

Nun wird die Reihenfolge der Arbeitsgänge beschrieben, die das Verwirklichen der obengenannten Funktionen ermöglichen.

Das Prinzip der Korrektur von Fehlern in der Einheitlichkeit der Kennzeichen der photosensiblen Stellen ist gemäß der nachfolgenden Beschreibung.

Die natürlichen Quellen, die in der Szene, die durch die Kamera beobachtet wird, vorhanden sind, verändern im folgenden einen Teil eines Bildes. Durch Heranholen von jeder Stelle, die zu beobachten ist, in den zwei aufeinanderfolgenden Bildern, so daß eine Stelle benachbart zu dem vorhergehenden Bild ist, ist es möglich, in einer Kaskade die Gesamtheit der Stellen durch Hernehmen einer besonderen Stelle als Referenz zu kalibrieren, z. B. die Stelle P (x₀, y₀), welche in dem Zentrum der Matrix (Fig. 4A) angeordnet ist.

In dem besonderen Fall der Matrix, in dem sie nur einige Stellen hat, welche in den Fig. 4A bis 4B gezeigt werden, kann man als Referenz die zentrale Stelle nehmen, für welche der Gewinn G₀ ist und für welche die Verlagerung 0 oder ein Offset θ₀ ist. Die Reaktion Φ_i,j von einer Stelle, die in der Linie i und der Spalte y der Matrix liegt, kann also folgendermaßen beschrieben werden:

Φ_i,j = G_i,j r_i,j + θ_i,j (1).

Zwischen der Bildung von einem Bild zu dem Zeitpunkt t und der Bildung des nachfolgenden Bildes zu dem Zeitpunkt t + T versetzt man einen Anteil des Szenebildes auf der Matrize in Richtung der Linien, und man muß haben:

Φ_i,j (t) = Φ_i,j+1 ^(t+T).

Wenn man das Bild speichert, welches man zu dem Zeitpunkt t erhält, kann man durch Vergleich den Unterschied zwischen der Stelle P (x₀, y₀) und einem benachbarten Pixel bestimmen. Der Arbeitsgang kann durch Bestimmen der Unterschiede zwischen der zentralen Stelle und den vier Stellen, welche sie umrahmen, wiederholt werden, wobei die vier Stellen durch Kreuze angezeigt werden (siehe Fig. 4B). Dann kann man auf diese Weise die Kalibrierung schrittweise auf die gesamte Matrix (4C) ausbreiten, um eine Wirkung des Neutronennetzes zu bekommen.

Die periodische Korrektur wird für den Fall, in dem sie auf das Verdoppeln der Auflösung in beide Richtung abzielt, durch aufeinanderfolgende Verlagerungen um p/2 von dem Bild auf die Matrix durch einen Befehl der Ablenkeinrichtung 20 durchgeführt. Wenn man z. B. wünscht, eine Anzeige von 25 Hz mit einer Auflösung p/2 zu erhalten, wird der Ablenkeinrichtung eine Schrittfolge von 100 Hz befohlen. In dem Fall einer Matrix, bei der die Integrationsdauer des Lichtes 100 µs ist und von einem Teilbild 10 ms ist, muß die Ablenkeinrichtung die Position des Bildes um 9,9 ms verändern.

Die Zusammensetzung der Bewegungen, die für die periodische Korrektur und die Kalibrierung erforderlich sind, kann diejenige sein, welche in Fig. 5 gezeigt wird, worin die Reihenfolge die aufeinanderfolgenden Deplazierungen beinhaltet, welche mit den Zahlen 1 bis 8 beschrieben sind.

Zudem benötigt die Korrektur der Vibrationen, um das Bild zu stabilisieren, die Messung der winkeligen Deplazierungen der Kamera. In dem Falle der Fig. 2 sind zwei Gyrometer 34 und 36 auf dem Körper der Kamera befestigt und ergeben Ausgangssignale, die die Geschwindigkeiten V_x und V_y in Richtung der Achsen x und y repräsentieren.

Die Korrekturen zum Erwirken δx und δy sind proportional zu V_x und V_y, welche wie Konstanten zwischen zwei Bildern mit 100 Hz betrachtet werden können:

δx (t) = k_x V_x (t)

δy (t) = k_y V_y (t)

worin k_x und k_y gemessene oder kalibrierte Konstanten sind.

Die Winkel im Maximum δx und δβ zum Weitergeben an die Ablenkeinrichtung sind also folgendermaßen:

δx ≅ d.(n.1).δx

δy ≅ d.(n.1).δβ

worin n der Indice der Flüssigkeit ist.

Das Vermischen der drei Wirkungen kann durch einfache lineare Zusammensetzung mit einer Modifikation der Ablenkeinrichtungen mit einer Schrittgeschwindigkeit von 100 Hz bewirkt werden. In der Richtung x z. B. ist die Gesamtdeplazierung, die herbeigeführt wird, wie folgt:

dx + Δx + δx (t)

worin dx die Werte 0 und ±p und Δx die Werte 0 und ±p/2 annehmen kann. In die y Richtung ist die Deplazierung beschrieben als:

dy + Δy + δy (t).

Die Befehlsschaltung, die mit dem elektrooptischen Anteil der Kamera verbunden wird, kann den Aufbau haben, der in Fig. 2 gezeigt wird. Die Ausgangssignale von der Matrix 14 werden in Reihenfolge auf eine Korrekturschaltung 38 angewendet, welche in Synchronisation mit den Signalen die Werte des Gewinns und der Verlagerung, die geeignet sind, festhält, vorläufig berechnet werden und in den Speichern 40 und 42 gespeichert werden. Die korrigierten Signale werden in 43 angepaßt festgelegt und in den Speichern 44 und 46 gespeichert, wobei jede eine Kapazität von einem Bild hat. Der Vergleich zwischen den Ausgängen der Stellen, die benachbart zu den zwei Speichern 44 und 46 sind, erlaubt die Kalibrierung, wie bereits weiter oben gezeigt wurde. Zudem sind die gespeicherten Signale unter analoger Bildung durch einen Konverter 50 gesetzt und können auf dem Videomonitor 52 betrachtet werden.

Die Kalibrierung, welche der Berechnung der Koeffizienten G_i,j und θ_i,j der Gleichung (1) entspricht, kann durch eine räumliche und zeitliche Filtrierung durchgeführt werden, welche einen Algorithmus vom Verfahrenstyp des kleinsten Fehlerquadrates zum Minimieren der Fehler in nachfolgenden Messungen durch eine Stelle i, j im Verhältnis zu einer Messung, die an den benachbarten Stellen durchgeführt wird, benutzt, wie z. B.

i,j+1 t-T
i+1,j t-2T
i,j-1 t-3T
e-1,j t-4T
i,j-1 t-3T
e-1,j t-4T.

Die Berechnung kann im voraus für mehrere nachfolgende Bilder durchgeführt werden, welche in den Speichern nicht korrigiert sind, die nicht in der Fig. 2 dargestellt sind, und die Ableseadressen der Speicher in bezug auf die Schreibadressen während der Erfassung versetzen.

Die Funktionen der Berechnung, die für die Kalibrierung notwendig sind, können durch eine Verarbeitungseinheit erfüllt werden, welche aus einem Mikroprozessor 48 besteht, welcher mit dem binären Speicher 54 und 56 ausgestattet ist, welcher die nachfolgende Entwicklung der Ausbeute und der Verlagerung ermöglichen. Die Ablenkungsanweisungen können in den Antrieben 26 und 28 durch eine Recheneinheit und eine spezifische Befehlseinheit 58 geliefert werden, in welcher der Rechnungsalgorithmus der Ablenkung geladen ist, der zwei feste Sequenzen mit 25 Hz und 100 Hz und eine veränderbare Korrektur der Vibration, welche in der Kadenz von 100 Hz durchgeführt wird, umfaßt. Diese Frequenzen und andere numerische Angaben stellen nur ein Beispiel dar. Die Frequenz der Probenkorrektur kann 120 Hz in dem Fall sein, in dem die Bildfrequenz 30 Hz ist. Die Kalibrierung könnte durch Vergleichen zwischen einer erweiterten Anzahl von Bildern und nicht nur zwischen dem laufenden Bild und dem vorangegangenen Bild durchgeführt werden. Die Ablenkeinrichtung beschreibt ein Größenbeispiel, welches durch ein anderes Gerät ersetzt werden könnte, wobei diese einen durchgelassenen Frequenzbereich hat, der zum Ermöglichen der Korrektur der Vibrationen ausreichend ist.

Claims

1. Videokamera, umfassend eine Ablenkeinrichtung, welche eine zweidimensionale Matrix (14) aus photosensiblen Stellen auf Speicherladungen hat, wobei diese mit einer bestimmten Aufteilung verteilt sind, wobei sie in einer Bildebene eines optischen Systems angeordnet ist, welches eine Eingangsoptik beinhaltet, die einen konvergenten Strahl liefert und auf eine Schaltung zur periodischen Übertragung von gespeicherten Ladungen mit einer bestimmten Frequenz reagiert;
eine Ablenkeinrichtung (20), die zwischen einer Eingangspupille und der Matrix (14) in dem konvergenten Strahl zwischengelagert ist, welche es ermöglicht, den Strahl in alle Richtungen um eine nominale Richtung herum abzulenken;
eine periodische Befehlseinheit (58) der Ablenkeinrichtung, welche dafür geeignet ist, eine Ablenkung des Bildes in seine zwei Dimensionen jedesmal, wenn ein bestimmter Anteil der Aufteilung betroffen ist, gemäß einem ersten bestimmten Zyklus zum Realisieren einer räumlichen periodischen Korrektur hervorzurufen und eine Bildablenkung jedesmal, wenn eine komplette Aufteilung betroffen ist, gemäß einem zweiten Zyklus hervorzurufen, welcher ein Vielfaches des Ersten ist;
eine Verarbeitungseinheit (48), welche die Berechnung der Unterschiede des Gewinnes und die Reaktionsverlagerung zwischen den Stellen ermöglicht durch Vergleichen zwischen den Reaktionen der zwei Stellen, die nacheinander in demselben Punkt einer Szene belichtet werden und durch Liefern von Daten, welche es ermöglichen, diese Unterschiede und Verlagerungen zu kompensieren;
und Vibrationsdetektoren (34, 36), welche an die Befehlseinheit (58) Signale entsprechend den zwei orthogonalen Richtungen in dem Beleuchtungsstrahl, der von der Eingangsoptik übertragen wird, liefert,
wobei die Befehlseinheit zum gleichzeitigen Befehlen der Ablenkeinrichtung zur Kompensierung der Vibrationen von der Kamera vorgesehen ist.

2. Kamera nach Anspruch 1, gekennzeichnet dadurch, daß sie eine Korrekturschaltung (3) umfaßt, welche Ausgangssignale von der Matrix (14) und die Korrekturdaten von der Verarbeitungseinheit empfängt.

3. Kamera nach Anspruch 1 oder 2, gekennzeichnet dadurch, daß die Ablenkeinrichtung zwischen dem Detektor und der Eingangsoptik von der Kamera auf dem konvergenten Anteil des Eingangsstrahles angeordnet ist.

4. Kamera nach Anspruch 1, 2 oder 3, gekennzeichnet dadurch, daß die Ablenkeinrichtung (20) aus einer Zelle besteht, welche Plättchen mit parallelen Vorderseiten aus einem transparenten Material im Infrarotbereich hat, welche mit einem Verbindungsbalg (32) einen Raum begrenzt, der mit einer transparenten Flüssigkeit in dem infraroten Bereich ausgefüllt ist.

5. Kamera nach Anspruch 4, gekennzeichnet dadurch, daß jedes Plättchen an eine piezoelektrische Antriebseinrichtung angeschlossen ist, welche es ermöglicht, es um eine Achse herum zu drehen, wobei die Rotationsachsen der zwei Plättchen gegeneinander orthogonal sind.

6. Kamera nach einem der vorangegangenen Ansprüche, gekennzeichnet dadurch, daß die Befehlseinheit (58) zum Hervorrufen einer zyklischen Ablenkung des Bildes in dem Anteil (p) mit einer Zyklusdauer, die viermal mehr als eine Ablenkung mit einer Zyklusdauer von dem Wert p/2 gemäß den zwei Richtungen vorgesehen ist.