DE4032193A1

DE4032193A1 - OPTOELECTRONIC CAMERA

Info

Publication number: DE4032193A1
Application number: DE4032193A
Authority: DE
Inventors: Peter Diedrich; Michael Puhlmann
Original assignee: IWG EASTMED MEDIZINTECHNIK GMB
Current assignee: DIEDRICH, PETER, DIPL.-ING., O-1093 BERLIN, DE PUH
Priority date: 1990-10-08
Filing date: 1990-10-08
Publication date: 1992-04-09
Also published as: DE4032193C2; WO1992006560A1

Abstract

An otpo-electronic camera for producing high-resolution electronic images, comprising an object lens which forms an image in an image plane (13), a shadow mask (1) lying in the image plane and having a regular hole structure (2), where the dimensions of the holes determine the attainable resolution, an image recorder (6) located behind the shadow mask (1) and generating the transformed image in the form of charges and a device for the shadow mask (1) which moves the shadow mask cyclically in relation to the image in such a way that individual light-sensitive regions of the image recorder (6) have time-sequentially different sequences of image points allocated to them and may be read out in the form of charges. Located between the shadow mask (1) and the image recorder (6) is an image intensifier (4) which uses the radiation passing through the shadow mask on the photocathode (3) of th image intensifier to generate electrons which are multiplied and/or accelerated so that a charge structure corresponding to the radiation passing through the shadow mask (1) is generated directly or indirectly by the image recorder (6).

Description

Die Erfindung betrifft eine optoelektronische Kamera nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.The invention relates to an optoelectronic camera the preamble of claim 1.

Stand der Technik bei CCD-Bildsensoren ist gegenwärtig der Megapixelchip KAF 4200 von Kodak mit 2048×2048 Bildelemen ten. Die Pixelgröße beträgt 9·9 Quadratmikrometer, die Sensorfläche 18,4·18,4 mm². Der Preis dieses Chips beträgt je nach Qualitätsstufe 35 000-65 000 Dollar. Bei Echtzeit- Video (Laufbild mit 25 Bilder/Sekunde) und 8-Bit-Grauwert quantisierung ergibt sich eine Datenrate von 105 Mega byte/Sekunde. Eine weitere Erhöhung der Pixelanzahl von monolithisch integrierten Halbleiterbildsensoren erscheint auf Grund der hohen Datenmenge, der hohen Datenrate bei Echtzeitanwendungen und der mit steigender Chipfläche und Pixelanzahl exponentiell sinkenden Fertigungsausbeute wenig sinnvoll.The state of the art in CCD image sensors is currently the Kodak megafixel chip KAF 4200 with 2048 × 2048 image elements. The pixel size is 9 × 9 square micrometers, the sensor area is 18.4 × 18.4 mm ² . The price of this chip is $ 35,000-65,000 depending on the quality level. With real-time video (motion picture with 25 frames / second) and 8-bit gray value quantization, the data rate is 105 megabytes / second. A further increase in the number of pixels of monolithically integrated semiconductor image sensors does not seem to make much sense due to the large amount of data, the high data rate in real-time applications and the exponentially decreasing manufacturing yield with increasing chip area and number of pixels.

In der Offenlegungsschrift DE 37 33 593 A1 wird eine Vorrich tung zur Aufnahme eines Gegenstandes, insbesondere zwecks dessen Wiedergabe auf dem Bildschirm beschrieben. Dabei wird ein Bildaufnehmer, der kleiner ist als die Abbildung durch das Objektiv, verschiebbar in der Bildebene angeordnet. Durch Verschiebung des Bildaufnehmers in der Bildebene kann jeder beliebige Ausschnitt aus dem Bildfeld sichtbar gemacht werden. Dabei besteht der Vorteil, daß die jeweils sichtbar gemachte Einzelheit mit sehr guter Wiedergabequalität und hohem Auflösungsvermögen wiedergegeben wird. Von Nachteil ist bei dieser Vorrichtung, daß nicht das gesamte Bildfeld im Überblick erfaßt werden kann, daß die Änderung des Bild ausschnitts eine gewisse Zeit erfordert und daß die Abmes sungen und das Gewicht auf Grund der erforderlichen Objek tive mit großem Bildfeld relativ groß sind.In the published patent application DE 37 33 593 A1 a Vorrich device for receiving an object, in particular for the purpose described its playback on the screen. Doing so an image sensor that is smaller than the image through the lens, slidably arranged in the image plane. By moving the image sensor in the image plane any section of the image field made visible will. The advantage is that they are visible made detail with very good reproduction quality and high resolution is reproduced. A disadvantage is with this device that not the entire image field can be seen at a glance that the change in the picture section takes a certain time and that the dimensions solutions and the weight based on the required object tives with a large field of view are relatively large.

Ein weiterer Weg zur Erhöhung der Auflösung elektronischer Kameras wird mit der Stehbild-Videokamera ProgRes 3000 be schritten, die auf dem Patent DE 38 37 063 C1 beruht. Der Bildsensor ist ein 6,6·8,8 mm² großer CCD-Chip mit 580 Zeilen zu je 499 Elementen. Die Pixel sind ca. 11·17 Qua dratmikrometer groß. Die CCD-Matrix wird durch eine Loch maske abgedeckt, die pro Pixel nur eine Fläche von weniger als 3·3 Quadratmikrometer frei läßt. Waagerecht ist der Sensor in bis zu 6 Intervallen und senkrecht in 4 Interval len verschiebbar, womit sich die Anzahl der Bildpunkte um den Faktor 24 auf fast 7 Millionen Bildpunkte erhöht. Die schrittweise Verschiebung des Sensors erfolgt durch piezo elektrische Antriebe, die eine hochgenaue und schnelle Ab tastung ermöglichen. Grundsätzlich wäre eine noch höhere Auflösung mit noch kleineren Maskenaperturen möglich. Gren zen setzt hier vor allem die quadratisch mit der kleiner werdenden genutzten Pixelfläche sinkende Lichtempfindlich keit. Hohe Bildauflösung und hohe Bildfrequenz sind mit dieser Kamera nicht gleichzeitig sondern nur alternativ durch entsprechende Programmierung möglich. (Kontron - Fir menschrift ProgRes 3000, Phototechnik International 12/89 S. 84)Another way of increasing the resolution of electronic cameras is with the still video camera ProgRes 3000, which is based on the patent DE 38 37 063 C1. The image sensor is a 6.6 × 8.8 mm ² CCD chip with 580 lines of 499 elements each. The pixels are approximately 11 x 17 square microns in size. The CCD matrix is covered by a perforated mask, which leaves only an area of less than 3 × 3 square micrometers free per pixel. The sensor can be moved horizontally in up to 6 intervals and vertically in 4 intervals, which increases the number of pixels by a factor of 24 to almost 7 million pixels. The gradual displacement of the sensor is carried out by piezoelectric drives, which enable highly precise and fast scanning. In principle, an even higher resolution would be possible with even smaller mask apertures. The main limit here is the sensitivity to light, which decreases square with the smaller used pixel area. High image resolution and high frame rate are not possible with this camera at the same time, but only as an alternative through appropriate programming. (Kontron - Fir Menschrift ProgRes 3000, Phototechnik International 12/89 p. 84)

Bekannt sind auch elektronische Kameras mit Bildverstärkern, die bei extrem geringen Beleuchtungsstärken eingesetzt wer den können. Durch Ansteuern mit Hochspannungsimpulsen wird ein Bildverstärker zum elektrooptischen Kurzzeitverschluß. Mit einem hierfür entsprechend ausgelegten und aus einem geeigneten Impulsgenerator versorgten Nahfokus-Bildverstär ker kann man Öffnungszeiten im Nanosekundenbereich errei chen. Die Kamera SV-553 weist 2 Nanosekunden als kürzeste Öffnungszeit auf (Phototechnik International 4/89 S. 46).Electronic cameras with image intensifiers are also known, who are used at extremely low illuminance levels that can. By driving with high voltage pulses an image intensifier for the electro-optical short-term shutter. With an appropriately designed and one suitable pulse generator supplied near focus image intensifier You can reach opening times in the nanosecond range chen. The SV-553 camera has 2 nanoseconds as the shortest Opening time on (Phototechnik International 4/89 p. 46).

In der Offenlegungsschrift DE 29 14 803 A1 wird die Kombi nation von Kanalplatte und CCD-Sensor zum Patent angemeldet. An einer Photokatode werden durch auftreffende Lichtquanten Elektronen erzeugt. Diese werden durch ein elektrostatisches Hochspannungsfeld beschleunigt und durch Sekundärelektronen vervielfachung in einer Mikrokanalplatte verstärkt. Kollek torelektroden am Ausgang der einzelnen Kanäle der Mikro kanalplatte fangen die Elektronen auf und führen sie über Speicher, Übertragungsglied und Analog-Schieberegister der Verarbeitung zu. Das Auflösungsvermögen von Bildverstärkern ist begrenzt. Bei Verwendung von Mikrokanalplatten wird das Auflösungsvermögen durch den Mittenabstand der einzelnen Kanäle bestimmt. Er liegt gegenwärtig bei ca. 20 µm. Mit Mikrokanalplatten sind Elektronenverstärkungsfaktoren von 10 000 erreichbar.In the published patent application DE 29 14 803 A1, the station wagon Nation of channel plate and CCD sensor patent pending. At a photocatode are struck by light quanta Generates electrons. These are caused by an electrostatic High-voltage field accelerated and by secondary electrons multiplication amplified in a microchannel plate. Collector Gate electrodes at the output of the individual channels of the micro channel plate catch the electrons and transfer them Memory, transfer element and analog shift register of the Processing too. The resolution of image intensifiers is limited. When using microchannel plates, this will be Resolving power through the center distance of the individual Channels determined. It is currently around 20 µm. With Microchannel plates are electron amplification factors from 10,000 reachable.

Ziel der Erfindung ist die Schaffung einer optoelektro nischen Kamera, die es ermöglicht Bilder hoher Auflösung (bis ca. 500 Pixel pro Millimeter), ohne Empfindlichkeits verlust gegenüber bekannten Bildsensoren in Echtzeit (25 Bilder pro Sekunde), aufzunehmen und die Datenmenge für die automatische Bildverarbeitung auf das erforderliche Maß zu beschränken.The aim of the invention is to create an optoelectro African camera that enables high-resolution images (up to 500 pixels per millimeter), without sensitivity loss compared to known image sensors in real time (25th Frames per second), and the amount of data for the automatic image processing to the required level restrict.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, die Nachteile bei der bekannten Anwendung der piezogesteuerten Aperturver schiebung, geringe Empfindlichkeit und mangelnde Echtzeit fähigkeit bei hoher Auflösung, zu beseitigen.The invention is based on the problem, the disadvantages the known application of the piezo-controlled aperture ver shift, low sensitivity and lack of real time ability to eliminate at high resolution.

Ursache für die geringe Empfindlichkeit der Bildsensoren die nach dem Verfahren der piezogesteuerten Aperturverschiebung arbeiten ist die Verkleinerung der wirksamen Pixelfläche durch Maskierung, die mit einer Verringerung des Anteils der sensitiven Fläche an der Gesamtfläche des Sensors verbunden ist. Bei Echtzeitanforderungen wird die Empfindlichkeit indirekt weiter dadurch verringert, daß die Belichtungszeit pro Bildpunkt entsprechend der Bildfrequenz und der Anzahl der Schritte pro Bild begrenzt ist. Damit ergibt sich mit
x = Faktor für die Erhöhung der horizontalen Auf lösung,
y = Faktor für die Erhöhung der vertikalen Auflösung bei gleicher Bildfrequenz, Integrationszeit = l/Schrittfre quenz, sowie lückenloser und überdeckungsfreier Abtastung der sensitiven Fläche der Pixel der Faktor K für die Ver ringerung der Empfindlichkeit gegenüber dem unmaskierten Sensor.The reason for the low sensitivity of the image sensors that work according to the piezo-controlled aperture shift is the reduction in the effective pixel area by masking, which is associated with a reduction in the proportion of the sensitive area in the total area of the sensor. In the case of real-time requirements, the sensitivity is indirectly further reduced in that the exposure time per pixel is limited in accordance with the frame rate and the number of steps per image. This results in
x = factor for increasing the horizontal resolution,
y = factor for increasing the vertical resolution at the same frame rate, integration time = 1 / step frequency, as well as complete and coverage-free scanning of the sensitive area of the pixels, the factor K for reducing the sensitivity compared to the unmasked sensor.

K = (x _* y)²K = (x _* y) ²

Dieser Faktor ist damit das Maß für die erforderliche Ver stärkung um die Empfindlichkeitsverluste auszugleichen. Mit x = y = 10 ergibt sich ein Verstärkungsfaktor von 10 000. Diese Aufgabe wird bei einer gattungsgemäßen Vorrichtung durch die kennzeichnenden Merkmale des Anspruchs 1 gelöst. This factor is therefore the measure of the required ver Strengthening to compensate for the loss of sensitivity. With x = y = 10 results in a gain factor of 10,000. This object is achieved in a generic device solved by the characterizing features of claim 1.

Die mangelnde Echtzeitfähigkeit bei hoher Auflösung ist auf die beschränkte Datenrate des CCD-Bildsensors und darauf zurückzuführen, daß stets das gesamte Bild ausgelesen werden muß. Auch bei der Bildverarbeitung stößt die Erhöhung der Datenrate an technische und ökonomische Grenzen. Bei 25 Bildern pro Sekunde, 25 Millionen Bildpunkten und 8-Bit- Grauwertquantisierung ergibt sich eine Datenrate von 5 Giga bit pro Sekunde. Andererseits ist die hohe Auflösung für die Bildverarbeitung nur partiell erforderlich und sinnvoll. Um die Echtzeitfähigkeit zu gewährleisten, kann nach einer weiteren Ausbildung der Erfindung einerseits das gesamte Bild mit normaler Auflösung erfaßt und andererseits auf Ausschnitte des Bildes zugegriffen werden, das heißt, daß nicht das gesamte Bild ausgelesen werden muß.The lack of real-time capability at high resolution is on the limited data rate of the CCD image sensor and on it attributable to the fact that the entire image is always read out got to. The increase in image processing also comes across Data rate to technical and economic limits. At 25 Frames per second, 25 million pixels and 8-bit Gray value quantization results in a data rate of 5 giga bits per second. On the other hand, the high resolution is for the Image processing only partially necessary and useful. Around The real-time capability can be guaranteed after a further development of the invention, on the one hand, the entire Image captured with normal resolution and on the other hand Excerpts of the image can be accessed, that is, that the entire image does not have to be read out.

Die erfindungsgemäße Vorrichtung und das erfindungsgemäße Verfahren ermöglichen die Aufnahme von Bildern eines Ob jektes mit normaler Auflösung und die Aufnahme hochauflösen der Teilbilder in Echtzeit bei einem Minimum an Bilddaten.The device according to the invention and the invention Procedures enable the taking of pictures of an ob jektes with normal resolution and the recording high resolution the drawing files in real time with a minimum of image data.

Das neue technische Prinzip ist mit dem des menschlichen Auges vergleichbar. Das gesamte Objektfeld wird mit relativ geringer Auflösung erfaßt. Die wesentlichen Bildteile des Objektes werden ermittelt und mit wesentlich höherer Auf lösung aufgenommen. Das Objekt wird durch das Auge mit einem in der Auflösung örtlich begrenzten "scharfen Blick" abge tastet. Der Sehvorgang läßt sich anschaulich beim Messen mit einem Lineal verfolgen. Die Länge einer Strecke wird dadurch bestimmt, daß lediglich Anfangs- und Endpunkt der Strecke mit Marken des Lineals in Übereinstimmung gebracht werden und der Abstand auf dem Maßstab abgelesen wird.The new technical principle is the same as that of the human Comparable to the eye. The entire object field becomes relative low resolution detected. The main parts of the picture Object are determined and with much higher up solution added. The object is seen by the eye with a localized "sharp look" in the resolution gropes. The visual process can be clearly visualized when measuring follow a ruler. The length of a route is thereby determines that only the start and end point of the route to be aligned with marks of the ruler and the distance is read on the scale.

Die zu verarbeitende Datenmenge kann nach diesem Prinzip bei der automatischen Bildverarbeitung durch eine Vorverar beitung bzw. Selektierung drastisch reduziert werden.The amount of data to be processed can be based on this principle in the automatic image processing by a preprocessing processing or selection can be drastically reduced.

Die Aufnahme eines Bildausschnittes mit variabler Größe, Lage und Auflösung wird ermöglicht.The recording of an image section with variable size, Location and resolution is made possible.

Die Empfindlichkeit der optoelektronischen Kamera läßt sich durch Variation der Beschleunigungsspannung in Höhe und Länge der Impulse in bestimmten Grenzen an die Gegebenheiten anpassen.The sensitivity of the optoelectronic camera can be by varying the acceleration voltage in height and Length of the impulses within certain limits to the circumstances to adjust.

Weiterhin läßt sich die Empfindlichkeit auf Kosten der Maxi malauflösung erhöhen, indem mehrere Bildpunkte zusammenge faßt werden.Furthermore, the sensitivity can be at the expense of the maxi Increase the resolution by combining several pixels be grasped.

Der nutzbare Spielraum innerhalb der Abhängigkeit von Auflö sung, Empfindlichkeit, Anzahl der Bildpunkte und Bildfre quenz wird mit der erfindungsgemäßen optoelektronischen Kamera wesentlich erweitert. Entsprechend den Anforderungen kann die Kamera an unterschiedlichste Einsatzbedingungen angepaßt werden.The usable scope within the dependency on resolution solution, sensitivity, number of pixels and image fre quenz is with the optoelectronic invention Camera significantly expanded. According to the requirements the camera can be used in a wide variety of conditions be adjusted.

Mit den genannten Vorzügen ergibt sich ein breites Anwen dungsfeld auf den Gebieten der Automatisierungs- und Meß technik, der Bildverarbeitung, der Fernsehtechnik und der Satellitenfernerkundung.With the advantages mentioned, there is a wide range of uses field in the fields of automation and measurement technology, image processing, television technology and Satellite remote sensing.

In der Fernsehtechnik läßt sich die elektronische Bildaus schnittwahl mittels "Maus" bzw. automatisch realisieren (Schwenken, Neigen, Zoomen).Electronic television can be used in television technology Select the cut using the "mouse" or automatically (Pan, tilt, zoom).

Die Erfindung wird nachfolgend in Verbindung mit der beilie genden Zeichnung an Ausführungsbeispielen näher erläutert. Es zeigen:The invention is hereinafter in connection with the enclosed ing drawing using exemplary embodiments explained in more detail. Show it:

Fig. 1 eine Darstellung der erfindungsgemäßen Vorrichtung im Hauptschnitt; Figure 1 is a representation of the device according to the invention in the main section.

Fig. 2 eine Veranschaulichung des Verfahrens zum Betrieb der erfindungsgemäßen Vorrichtung; Figure 2 is an illustration of the method for operating the device according to the invention.

Fig. 3 ein Blockschaltbild für die Ansteuerung einer erfin dungsgemäßen Vorrichtung; Fig. 3 is a block diagram for controlling a device OF INVENTION to the invention;

Fig. 4 den zeitlichen Verlauf wesentlicher Steuersignale in der Betriebsart Gesamtbilderfassung; FIG. 4 shows the time course of essential control signals in the operating mode overall image acquisition;

Fig. 5 den zeitlichen Verlauf wesentlicher Steuersignale in der Betriebsart Teilbilderfassung. Fig. 5 shows the time course of essential control signals in the partial image acquisition mode.

In einem ersten Ausführungsbeispiel entsprechend Fig. 1 und Fig. 3 bis 5 entwirft ein Objektiv in seiner Bildebene (13) die optische Abbildung eines Objektes. In der Bildebene des Objektivs befindet sich eine Lochmaske (1), die eine regel mäßige Lochstruktur (2) mit einem Lochdurchmesser von 5 Mikrometern, einen Lochabstand in waagerechter und senkrech ter Richtung von 20 Mikrometern und eine Anzahl von 512·512 Löchern aufweist. Die Lochmaske ist auf der Foto katode (3) eines Bildverstärkers aufgebracht, der außerdem aus einer Mikrokanalplatte (4) mit 512·512 Mikrokanälen, die so angeordnet sind daß jedem Loch der Maske ein Mikro kanal zugeordnet ist, besteht. An der Ausgangsseite des Bildverstärkers befindet sich ein x-y-adressierbarer Bild aufnehmer (6), dessen Pixel als Kollektorelektrode (5) aus gebildet sind, die die von den einzelnen Mikrokanälen ausge sendeten Elektronen auffangen und einem Speicherkondensator zuführen. Jedem Mikrokanal ist wiederum eine Kollektorelek trode und damit ein Pixel des Bildaufnehmers zugeordnet. Der Bildverstärker und die Oberfläche des Bildaufnehmers befin den sich im Vakuum.In a first embodiment, corresponding to FIG. 1 and FIG. 3 to 5, a lens designs in its image plane (13) the optical image of an object. In the image plane of the lens there is a shadow mask ( 1 ), which has a regular hole structure ( 2 ) with a hole diameter of 5 micrometers, a hole spacing in the horizontal and vertical direction of 20 micrometers and a number of 512 x 512 holes. The shadow mask is applied to the photo cathode ( 3 ) of an image intensifier, which also consists of a microchannel plate ( 4 ) with 512 × 512 microchannels, which are arranged so that each hole of the mask is assigned a microchannel. On the output side of the image intensifier there is an xy-addressable image sensor ( 6 ), the pixels of which are formed as a collector electrode ( 5 ), which collect the electrons emitted by the individual microchannels and feed them to a storage capacitor. Each microchannel is in turn assigned a collector electrode and thus a pixel of the image sensor. The image intensifier and the surface of the image sensor are in a vacuum.

Eine Hochspannungsquelle (7) liefert Gleichspannungsimpulse, deren Amplitude und Länge variabel ist. Mit diesen Impulsen wird der Bildverstärker in der Art eines elektronischen Ver schlusses betrieben.A high voltage source ( 7 ) supplies DC voltage pulses, the amplitude and length of which is variable. With these pulses, the image intensifier is operated in the manner of an electronic shutter.

Lochmaske, Bildverstärker und x-y-adressierbarer Bildaufneh mer sind fest miteinander verbunden und werden relativ zur optischen Abbildung des Objekts durch zwei Piezotranslatoren in x- und y-Richtung maximal jeweils 4·5 µm weit schritt weise ausgelenkt, und zwar in der Weise, daß die Abbildung lückenlos abgerastert wird.Hole mask, image intensifier and x-y-addressable image recording mer are firmly connected and are relative to optical imaging of the object by two piezotranslators Step in the x and y directions a maximum of 4 · 5 µm each deflected wisely, in such a way that the figure is scanned seamlessly.

Die Adressierung der Pixel des Bildaufnehmers erfolgt durch Adreßdekoder und MISFET-Schalter. Der x-y-adressierbare Bildaufnehmer weist die Besonderheit auf, daß die Pixel gemeinsam und unabhängig davon, ob sie ausgelesen wurden, rückgesetzt werden können.The pixels of the image sensor are addressed by Address decoder and MISFET switch. The x-y addressable Image sensor has the peculiarity that the pixels together and regardless of whether they were read out, can be reset.

Das Blockschaltbild (Fig. 3) stellt die Anordnung stark vereinfacht dar, so sind die Baugruppen Analogverstärker, Filter (insbesondere Unterdrückung des fixed pattern noise), A/D-Wandler nicht explizit ausgeführt. Die verwendeten Kurz bezeichnungen bedeuten:The block diagram ( FIG. 3) shows the arrangement in a highly simplified manner, the assemblies analog amplifiers, filters (in particular suppression of the fixed pattern noise) and A / D converters are not explicitly designed. The abbreviations used mean:

A . . . High = Bildaufnahme (Belichtung), Low . . . Auslesen
MR . . . Rücksetzsignal für alle Pixel
V_BV . . . Steuerspannung für den Bildverstärker
ADBA . . . Pixeladressen des Bildaufnehmers
ADBS . . . Speicheradressen des Bildspeichers
T1, T2, T3 . . . verschiedene TaktsignaleA. . . High = image acquisition (exposure), Low. . . Read out
MR. . . Reset signal for all pixels
V _BV . . . Control voltage for the image intensifier
ADBA. . . Pixel addresses of the image sensor
ADBS. . . Memory addresses of the image memory
T 1 , T 2 , T 3 . . . different clock signals

In der Betriebsart Gesamtbilderfassung (Fig. 4) wird die Anordnung in folgender Art und Weise betrieben: Für eine Aufnahme wird von jedem Pixel eine Bildfläche von 20 µm·20 µm in 4·4 Schritten mäanderförmig abgerastert. In the overall image acquisition mode ( FIG. 4), the arrangement is operated in the following manner: For an image, an image area of 20 μm × 20 μm is scanned in 4 × 4 steps in a meandering manner.

Synchron dazu wird die Anordnung mit Hochspannungsimpulsen beaufschlagt, so daß im Bildaufnehmer ein Ladungsbild aus der Integration von 16 Subbildern entsteht. Die Integra tionszeit wird dabei ausschließlich durch die als elektro nischer Verschluß betriebene Mikrokanalplatte bestimmt. Die mäanderförmige Abtastung hat zur Folge, daß zwischen zwei Subbildern die Anordnung immer nur um einen Schritt (5 µm) weiterbewegt werden muß, also deren Positionierzeit mini miert wird.The arrangement is synchronized with high-voltage pulses acted on, so that a charge image in the image sensor the integration of 16 subpictures is created. The integra tion time is determined exclusively by the as electro African shutter operated microchannel plate determined. The meandering scanning means that between two Subpictures the arrangement by only one step (5 µm) must be moved further, so their positioning time mini is lubricated.

Das Auslesen des x-y-adressierbaren Bildaufnehmers erfolgt regelmäßig zeilenweise in einen nachgeordneten Bildspeicher, der nicht Bestandteil der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist. Die einander zugeordneten Adressen der Pixel des x-y-adres sierbaren Bildaufnehmers und der Speicherzellen des Bild speichers sind bis auf den Offset des Bildspeicherbereichs identisch.The x-y addressable image sensor is read out regularly line by line in a downstream image memory, which is not part of the device according to the invention. The assigned addresses of the pixels of the x-y address sizable image sensor and the memory cells of the image except for the offset of the image memory area identical.

Im Gegensatz z. B. zu CCD-Bildaufnehmern laufen Bildintegra tion und Auslesen bei dem beschriebenen x-y-adressierbaren Bildaufnehmer nacheinander ab. Das hat zur Folge, daß die Lichtempfindlichkeit um den Faktor T_A/T_B (T_A ist die Bild aufnahmezeit, T_B ist die Bilderfassungszeit, also Bildauf nahmezeit plus Bildauslesezeit) multipliziert mit dem Tast verhältnis der Spannung V_BV reduziert wird, im vorliegenden Beispiel mit den Faktor 0,2. Dieser Empfindlichkeitsverlust wird mit dem Bildverstärker problemlos ausgeglichen.In contrast z. B. to CCD image sensors run image integration and readout in the described xy-addressable image sensor from one after the other. This has the consequence that the light sensitivity is reduced by the factor T _A / T _B (T _A is the image acquisition time, T _B is the image acquisition time, i.e. image acquisition time plus image readout time) multiplied by the duty cycle of the voltage V _BV Example with a factor of 0.2. This loss of sensitivity is easily compensated for with the image intensifier.

In der Betriebsart Teilbilderfassung wird ebenfalls von jedem Pixel eine Bildfläche von 20 µm·20 µm in 4·4 Schritten mit Hilfe der Lochmaske abgerastert, jedoch nicht mäanderförmig, sondern zeilenweise, immer mit der 1. Spalte beginnend, da die Positionierung, wie aus Fig. 5 ersicht lich, zeitunkritisch ist. Im Unterschied zur oben beschrie benen Betriebsart Gesamtbilderfassung wird jetzt nach jedem Rasterschritt und der entsprechenden Aufnahme eines Subbil des von 128·128 Pixeln dieses in einen Bildspeicher ausge lesen (Fig. 5). Die Adreßgenerierung erfolgt ausgehend von der den Bildausschnitt bezeichnenden Koordinate (Adresse des linken oberen Pixels des Subbildes) so, daß nach Auslesen einer Zeile des Subbildes (128 Pixel) zur nächsten Zeile mit einem Offset von 384 gesprungen wird. In the partial image acquisition mode, an image area of 20 µm x 20 µm is also scanned in 4 x 4 steps with the aid of the shadow mask, but not meandering, but line by line, always starting with the 1st column, since the positioning, as shown in Fig . 5 ersicht required, adjust critical. In contrast to the overall image acquisition mode described above, after each raster step and the corresponding recording of a subimage of 128 × 128 pixels, this is read out into an image memory ( FIG. 5). The address is generated on the basis of the coordinate designating the image section (address of the upper left pixel of the sub-picture) so that after reading out a line of the sub-picture (128 pixels), the next line is jumped to with an offset of 384.

Die Adreßgenerierung für den Bildspeicher erfolgt in der Weise, daß nur jede sechzehnte Speicherzelle beschrieben wird. In die dazwischenliegenden Speicherzellen werden nach einander die anderen 15 Subbilder eingelesen. Die letzten 4 bit der Speicheradresse entsprechen also der laufenden Num mer des Subbildes innerhalb einer Aufnahme mit erhöhter Auflösung. Damit werden die Subbilder im Bildspeicher zu einem Bild mit 16-facher Auflösung verschachtelt.The address generation for the image memory takes place in the Way that only every sixteenth memory cell is written becomes. In the intermediate memory cells are after the other 15 sub-images were scanned. The last 4 bits of the memory address correspond to the current number mer of the subpicture within a picture with increased Resolution. The subpictures in the image memory thus become an image with 16x resolution nested.

In dieser Betriebsart gibt es den zeitbedingten und den flächenbedingten Empfindlichkeitsverlust. Der flächenbeding te Empfindlichkeitsverlust errechnet sich aus dem Kehrwert der Zahl der Subpixel pro Bildelement. Der zeitbedingte Empfindlichkeitsverlust errechnet sich wie folgt:In this operating mode there is the time-dependent and the loss of sensitivity due to area. The area-related te loss of sensitivity is calculated from the reciprocal the number of sub-pixels per picture element. The time-dependent Loss of sensitivity is calculated as follows:

fürFor

x . . . Zahl der Subpixel/Bildelement in x-Richtung
y . . . Zahl der Subpixel/Bildelement in y-Richtung
s . . . Zahl der Pixelspalten des Bildaufnehmers
z . . . Zahl der Pixelzeilen des Bildaufnehmers
T_p . . . Auslesezeit für ein Pixel
T_A . . . Aufnahmezeit für ein Subbildx. . . Number of subpixels / picture elements in the x direction
y. . . Number of subpixels / picture elements in the y direction
s. . . Number of pixel columns of the imager
e.g. . . Number of pixel lines of the image sensor
T _p . . . Readout time for one pixel
T _A. . . Recording time for a sub picture

Damit ergibt sich für dieses Ausführungsbeispiel mit T_p = 100 ns, T_B = 40 ms der Faktor 0,02154. Multipliziert mit dem flächenbedingten Faktor 1/16 ergibt sich eine Empfind lichkeitsreduzierung auf 1/743, die durch entsprechende Verstärkungseinstellung des Bildverstärkers kompensiert werden muß.This results in the factor 0.02154 for this exemplary embodiment with T _p = 100 ns, T _B = 40 ms. Multiplied by the area-related factor 1/16 results in a sensitivity reduction to 1/743, which has to be compensated for by an appropriate gain setting of the image intensifier.

Eine weitere Betriebsart Teilbilderfassung mit verringerter Auflösung ist ebenfalls möglich. Sie stellt eine Kombination der Betriebsarten Gesamtbilderfassung und Teilbilderfassung dar. Damit wird ermöglicht, mit einer Lochmaske deren Löcher kleinere Durchmesser (z. B. 2,5 µm) aufweisen, Bilder variab ler Auflösung (Zahl der Bildpunkte pro Bildelement) aufzu nehmen.Another operating mode partial image acquisition with reduced Dissolution is also possible. It represents a combination of the operating modes total image capture and partial image capture This enables the holes with a shadow mask have smaller diameters (e.g. 2.5 µm), images vary resolution (number of pixels per picture element) to take.

Ein zweites, vom ersten Ausführungsbeispiel unabhängiges, Ausführungsbeispiel enthält eine Lochmaske mit einem Loch durchmesser von 2,5 µm, die mit 8·8 Rasterschritten eine Erhöhung der Anzahl der Bildpunkte um den Faktor 64 ermög licht. Das Bild kann maximal in 4096·4096 Bildpunkte auf gelöst werden. Für jedes Subbild stehen 0,625 ms zur Verfü gung, wenn 64 Bildpunkte in 40 ms (25 Hz Bildfrequenz) schrittweise erfaßt werden sollen.A second, independent of the first embodiment, Embodiment contains a shadow mask with a hole diameter of 2.5 µm, the one with 8 · 8 steps The number of pixels can be increased by a factor of 64 light. The image can have a maximum of 4096 x 4096 pixels be solved. 0.625 ms are available for each sub-picture when 64 pixels in 40 ms (25 Hz frame rate) should be recorded step by step.

Diese Zeit unterteilt sich in der Betriebsart Gesamtbilder fassung in die Zeit für die Relativbewegung der Lochmaske um 2,5 µm, in die Belichtungszeit und in die Auslesezeit für das integrierte Bild nach einem vollständigen Zyklus der mechanischen Abtastung. Bei einer Bewegungszeit von 0,2 ms pro Schritt, einer Belichtungszeit von 0,025 ms und einer Auslesezeit von 25,6 ms pro Bild ist eine Schrittfrequenz von ca. 4,5 kHz und eine Pixelauslesefrequenz von 10,24 MHz erforderlich.This time is divided into the overall images operating mode the time for the relative movement of the shadow mask 2.5 µm, in the exposure time and in the readout time for the integrated image after a full cycle of mechanical scanning. With a movement time of 0.2 ms per step, an exposure time of 0.025 ms and one Readout time of 25.6 ms per image is a step frequency 4.5 kHz and a pixel readout frequency of 10.24 MHz required.

In der Betriebsart Teilbilderfassung können Relativbewegung und Auslesen gleichzeitig erfolgen. Bei einer Bewegungszeit von 0,2 ms stehen bei gleicher Bildfrequenz 0,425 ms für die Belichtung zur Verfügung. Die Schrittfrequenz verringert sich auf 1,6 kHz.In den 0,2 ms, die für das Auslesen der Subbilder zur Verfügung stehen, können 2048 Pixel ausgelesen werden. Das in 40 ms auslesbare Teilbild besteht bei dieser Bewegungszeit aus maximal 2048·64 Bildpunkten.In the partial image acquisition mode, relative movement can and readout take place simultaneously. With a movement time of 0.2 ms stand for 0.425 ms for the same frame rate Exposure available. The cadence is reduced to 1.6 kHz. In the 0.2 ms for reading the Sub-images are available, 2048 pixels can be read out will. The partial image that can be read out in 40 ms exists with this Movement time from a maximum of 2048 x 64 pixels.

Das Messen der Länge eines Objektes (12) erfolgt wie in Fig. 2 veranschaulicht wurde. Jeder Bildpunkt (10) kann mit Ko ordinaten belegt werden, die seine Lage innerhalb des Ko ordinatensystems (9) eines Pixels (11) und die Lage dieses Koordinatensystems im Bezugskoordinatensystem (8) der Halb leitermatrixstruktur kennzeichnen. Aus dem Gesamtbild werden die Bildteile bestimmt, die für das zu ermittelnde Maß we sentlich sind. Nur diese Bildteile werden mit maximaler Auflösung erfaßt. Mit den ermittelten Koordinaten der rele vanten Bildpunkte kann das Maß mittels Vektorrechnung be stimmt werden.The length of an object ( 12 ) is measured as illustrated in FIG. 2. Each pixel ( 10 ) can be occupied with coordinates which identify its position within the coordinate system ( 9 ) of a pixel ( 11 ) and the position of this coordinate system in the reference coordinate system ( 8 ) of the semiconductor matrix structure. From the overall picture, the parts of the picture are determined that are essential for the dimension to be determined. Only these parts of the image are captured with maximum resolution. With the determined coordinates of the relevant pixels, the dimension can be determined using vector calculation.

In einem dritten Ausführungsbeispiel erfolgt die Pixel- Adressierung im Bildsensor mit Hilfe digitaler Schiebe register. Diese weisen die Besonderheit auf, Vorwärts- und Rückwärtsschieben zu ermöglichen. In der Betriebsart Teil bilderfassung wird damit ein allerdings mäanderförmiges Auslesen der Pixel um die gewünschte Position herum ermög licht, nachdem das Register in diese Position gebracht wur de. Das mäanderförmige Auslesen wird bei der Adreßgene rierung für den Bildspeicher berücksichtigt.In a third embodiment, the pixel Addressing in the image sensor using digital slides register. These have the peculiarity, forward and Allow pushing backwards. In the operating mode part image acquisition becomes a meandering one Read out the pixels around the desired position light after the register has been brought into this position de. The meandering reading is in the address genes ration for the image memory is taken into account.

Liste der verwendeten BezugszeichenList of the reference symbols used

(1) Lochmaske
(2) Loch
(3) Fotokatode
(4) Mikrokanalplatte
(5) Kollektorelektrode
(6) Bildaufnehmer
(7) Hochspannungsquelle
(8) Bezugskoordinatensystem
(9) Koordinatensystem eines Pixels
(10) Bildpunkt, kleinster auslesbarer Bildteil
(11) Pixel
(12) Objekt, zu ermittelndes Maß
(13) Bildebene( 1 ) shadow mask
( 2 ) hole
( 3 ) Photo cathode
( 4 ) microchannel plate
( 5 ) collector electrode
( 6 ) Imager
( 7 ) high voltage source
( 8 ) Reference coordinate system
( 9 ) Coordinate system of a pixel
( 10 ) pixel, smallest readable image part
( 11 ) pixels
( 12 ) Object, measure to be determined
( 13 ) Image plane

Claims

1. Optoelektronische Kamera mit piezogesteuerter Aperturver schiebung zur Gewinnung hochauflösender elektronischer Bil der bestehend aus einem Objektiv das ein Objekt in eine Bildebene abbildet, einer Lochmaske die in der Bildebene liegt und eine regelmäßige Lochstruktur aufweist wobei die Abmessungen der Löcher ein Maß für die erzielbare Auflösung sind, einem Bildaufnehmer der sich hinter der Lochmaske befindet und der das gewandelte Bild in Form von Ladungen erzeugt und piezoelektrischen Antrieben, die die relative Verschiebung zwischen Lochmaske und Bild in der Bildebene mit hoher Geschwindigkeit und Präzision ermöglichen sowie entsprechender Ansteuerelektronik dadurch gekennzeichnet, daß zwischen Lochmaske und Bildaufnehmer ein Bildverstärker angeordnet ist, der die durch die Lochmaske auf die Foto katode des Bildverstärkers fallende Strahlung zur Erzeugung von Elektronen ausnutzt, die vervielfältigt und/oder be schleunigt werden, so daß mittelbar oder unmittelbar durch den Bildaufnehmer eine der durch die Lochmaske fallenden Strahlung entsprechende Ladungsstruktur erzeugt wird.1. Optoelectronic camera with piezo-controlled aperture shift for obtaining high-resolution electronic images consisting of a lens that images an object in an image plane, a shadow mask that lies in the image plane and has a regular hole structure, the dimensions of the holes being a measure of the achievable resolution , an image sensor which is located behind the shadow mask and which generates the converted image in the form of charges and piezoelectric drives which enable the relative displacement between the shadow mask and the image in the image plane with high speed and precision, and corresponding control electronics, characterized in that between the shadow mask and Image sensor an image intensifier is arranged, which uses the radiation falling through the shadow mask on the photo cathode of the image intensifier to generate electrons, which are reproduced and / or accelerated, so that indirectly or directly dur ch the image sensor is generated a charge structure corresponding to the radiation falling through the shadow mask.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, daß der Bildaufnehmer x-y-adressierbar ist.2. Device according to claim 1, characterized in that the image sensor is x-y addressable.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, daß der Bildverstärker als Bestandteil eine Mikrokanalplatte aufweist und daß jedem Loch der Lochmaske ein Mikrokanal zugeordnet ist.3. Device according to claim 1, characterized in that the image intensifier as part of a microchannel plate and that each hole of the shadow mask has a microchannel assigned.

4. Vorrichtung nach Anspruch 1 und 3 dadurch gekennzeichnet, daß direkt hinter jedem Mikrokanal eine Kollektorelektrode angeordnet ist die es ermöglicht, die Elektronen unmittelbar in den Bildaufnehmer einzuspeisen.4. The device according to claim 1 and 3, characterized in that directly behind each microchannel is a collector electrode is arranged which enables the electrons to be directly feed into the image sensor.

5. Vorrichtung nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, daß der Bildverstärker einen Leuchtschirm aufweist, der mit dem Bildaufnehmer verbunden ist, wodurch mittelbar über Licht quanten ein Ladungsbild erzeugt wird. 5. The device according to claim 1, characterized in that the image intensifier has a fluorescent screen, which with the Image sensor is connected, which means indirectly via light quantum a charge image is generated.

6. Vorrichtung nach Anspruch 1 und 2 dadurch gekennzeichnet, daß der kleinste auslesbare Bildteil durch das Schrittraster der Antriebe und den Lochdurchmesser der Lochmaske bestimmt wird.6. The device according to claim 1 and 2, characterized in that the smallest part of the image that can be read out through the step grid the drives and the hole diameter of the shadow mask becomes.

7. Vorrichtung nach Anspruch 1 und 3 dadurch gekennzeichnet, daß die Ansteuerung der Mikrokanalplatte als Hochspannungs quelle ausgebildet ist, die Impulse variabler Länge zur Steuerung der Integrationszeit liefern kann.7. The device according to claim 1 and 3, characterized in that the control of the microchannel plate as high voltage is formed, the pulses of variable length Control of integration time can provide.

8. Vorrichtung nach Anspruch 1 und 7 dadurch gekennzeichnet, daß die Höhe der Impulsspannung der Hochspannungsquelle zum Zweck der Verstärkungsregelung variabel ist.8. The device according to claim 1 and 7, characterized in that the level of the pulse voltage of the high voltage source to The purpose of the gain control is variable.

9. Verfahren zum Betrieb der Optoelektronischen Kamera da durch gekennzeichnet, daß in der Betriebsart Gesamtbilder fassung die wesentlichen Bildteile bestimmt und in der Be triebsart Teilbilderfassung die bestimmten oder andere Bild teile mit höherer Auflösung erfaßt werden können, wobei die Wahl der Betriebsart und des Bildausschnittes manuell oder automatisch erfolgen kann.9. Procedure for operating the optoelectronic camera there characterized in that in the overall images mode the essential parts of the picture are determined and in the Be Drive mode partial image capture the particular or other image parts can be detected with higher resolution, the Select the operating mode and the image section manually or can be done automatically.

10. Verfahren in der Betriebsart Gesamtbilderfassung nach Anspruch 9 dadurch gekennzeichnet, daß das entstehende Ladungsbild des x-y-adressierbaren Bildaufnehmers während eines vollständigen Zyklusses der mechanischen Abtastung pixelweise integriert und ausgelesen wird, so daß die Anzahl der Bildpunkte des abgetasteten Bildes der Anzahl der Pixel des x-y-adressierbaren Bildaufnehmers entspricht.10. Procedure in the overall image acquisition mode Claim 9 characterized in that the resulting Charge image of the x-y addressable image sensor during a complete cycle of mechanical scanning is integrated and read out pixel by pixel, so that the number the pixels of the scanned image, the number of pixels of the x-y addressable image sensor.

11. Verfahren in der Betriebsart Gesamtbilderfassung nach Anspruch 9 und 10 dadurch gekennzeichnet, daß die Inte grationszeit zu jeweils gleichen Teilen auf die einzelnen Rasterschritte innerhalb eines vollständigen Zyklusses der mechanischen Abtastung aufgeteilt wird.11. Procedure in the overall image acquisition mode Claims 9 and 10 characterized in that the inte in equal parts to the individual Raster steps within a complete cycle of the mechanical scanning is divided.

12. Verfahren in der Betriebsart Teilbilderfassung nach An spruch 9 dadurch gekennzeichnet, daß nur beschränkte Bild teile ausgelesen werden, die in Lage und Größe frei pro grammierbar sind.12. Procedure in the operating mode field acquisition according to An Proverb 9 characterized in that only limited picture parts are read out, which are free per location and size are grammable.

13. Verfahren in der Kombination der Betriebsarten Gesamt bilderfassung und Teilbilderfassung nach Anspruch 9, 10, 11 und 12 dadurch gekennzeichnet, daß das entstehende Ladungs bild des x-y-adressierbaren Bildaufnehmers während eines vollständigen Zyklusses der mechanischen Abtastung teil pixelweise integriert wird, so daß die Anzahl der Bildpunkte des abgetasteten Bildes einem Mehrfachen der Anzahl der ausgelesenen Pixel des x-y-adressierbaren Bildaufnehmers entspricht.13. Procedure in the combination of the operating modes total Image capture and partial image capture according to claim 9, 10, 11 and 12 characterized in that the resulting charge image of the x-y addressable image sensor during a complete cycle of mechanical scanning is integrated pixel by pixel, so that the number of pixels of the scanned image is a multiple of the number of Read out pixels of the x-y addressable image sensor corresponds.

14. Verfahren nach Anspruch 9, 10 und 12 dadurch gekennzeich net, daß jeder Bildpunkt mit Koordinaten belegt werden kann, die seine Lage innerhalb des Koordinatensystems eines Pixels des x-y-adressierbaren Bildaufnehmers und die Lage dieses Koordinatensystems im Bezugskoordinatensystem des x-y-adres sierbaren Bildaufnehmers kennzeichnen, wodurch die Ermitt lung des Abstandes zwischen einzelnen Bildpunkten verschie dener Teilbilder mittels Vektorrechnung ermöglicht wird.14. The method according to claim 9, 10 and 12 characterized net that each pixel can be assigned coordinates, its location within the coordinate system of a pixel of the x-y addressable image sensor and the position of this Coordinate system in the reference coordinate system of the x-y address markable image sensor, whereby the determ the distance between individual pixels whose partial images are made possible by means of vector calculation.