DE4402775C1 - Abbildungssystem mit elektronischem Bildsensor - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Abbildungssystem mit elektronischem Bildsensor gemäß dem Gattungsbegriff des Patentanspruchs 1.

Die Überwachung von Gebäudekomplexen mittels fest installierter, in ihrer Blickrichtung in der Regel entlang der Gebäudefassade oder einer Einzäunung eingestellter Videokameras ist seit vielen Jahren üblich. Auch zur Zugangskontrolle (Personen oder Fahrzeuge) an Eingängen werden vielfach solche Kameras eingesetzt. Darüber hinaus ist es bekannt, Videokameras zur Inspektion von Hohlräumen (z. B. Kanalsysteme, Behälter) auf beweglichen Sonden montiert zu verwenden. Dabei ist es vielfach vorgesehen, die Kamera schwenkbar zu befestigen, um die Blickrichtung des Objektivs verändern zu können. Wenn darüber hinaus auch Vorkehrungen getroffen sind, die Brennweite des Objektivs der Kamera zu variieren, besteht die Möglichkeit, durch entsprechende Wahl eines Bildausschnitts Detailabbildungen mit höherer Auflösung zur Verfügung zu stellen. In allen Fällen, in denen ein veränderbares Bildfeld aufgenommen werden soll, ist es notwendig, mechanische Einstellvorgänge durchzuführen (lineare oder rotatorische Bewegungen), für die übliche maschinelle Antriebe (z. B. elektromotorisch, magnetisch, hydraulisch, pneumatisch) zur Verfügung stehen, die entsprechenden Einbauraum und eine geeignete Energieversorgung benötigen. Insbesondere der erforderliche Einbauraum ist in manchen Fällen störend oder verhindert sogar die Anwendung der Kamera. Gemeinsames Merkmal aller bisherigen Videokamerasysteme ist das Vorhandensein eines Objektivs, mit dem die von einem zu beobachtenden Objekt ausgehenden Lichtsignale auf den elektronischen Bildsensor gerichtet werden, der zur elektronischen Bilderzeugung benötigt wird.

Aus dem DE 88 07 162 U1 ist einm Sehhilfegerät bekannt mit Merkmalen, wie sie im Oberbegriff des Patentanspruchs 1 angegeben sind. Mit einem Überwachungssystem, wie es erfindungsgemäß vorgesehen ist, hat dies nichts zu tun und es ist auch keine Lösung der nachfolgenden Aufgabe möglich. Eine veränderliche Einstellung des Blickfeldes ohne konventionelle maschinelle Antriebe wäre bspw. nicht möglich.

Weitere optische Abtastsysteme sind aus den DE-Patentschriften 31 42 186 C1m 28 00 473 C2 und 27 52 828 C2, sowie der DE-Veröffentlichung "Sensor 93" Kongreßband V, S. 63-67 bekannt, und zwar mit in ihrer Winkelstellung beeinflußbaren Spiegelsystemen.

In der Veröffentlichung "Micromechanical Polysilicon Shutters And Mirrors For Light Modulator Arrays" (aus: Sensor 93, Kongressband V, Seite 63-67) werden mikromechanische Bauelementstrukturen beschrieben, die auf einem Siliziumsubstrat untergebracht sind und deren geometrische Abmessungen im Bereich von einigen 10^-5 m liegen. Es handelt sich dabei unter anderem auch um kleine beweglich angebrachte Kippelemente mit spiegelnden Flächen ("mikromechanische Spiegelelemente"), deren Auslenkung z. B. mittels elektrostatischer Effekte bewirkt werden kann. Wesentlich dabei ist der Umstand, daß das Kippen innerhalb kurzer Reaktionszeiten allein durch Anlegen einer geeigneten elektrischen Spannung ausgelöst wird. Der Leistungsbedarf hierfür ist also nahezu null. Bisher realisierte Lösungen für derartige Bauelemente erlauben Kippwinkel von +14° bis -14°. Es sind Entwicklungen im Gange, die einen Kippwinkel von bis zu 90° ermöglichen sollen, Bedampft man die ebene Oberfläche eines solchen Kippelementes mit einer hochreflektierenden Metallschicht, so erhält man einen in seiner Blickrichtung veränderbaren hochwertigen Mikrospiegel. Durch Anordnung einer Vielzahl solcher Mikrospiegel oder Spiegelelemente auf einem Siliziumsubstrat dicht nebeneinander gelangt man zu einem Spiegelarray, dessen Elemente einzeln ansteuerbar sind.

Aufgabe der Erfindung ist es, ein neuartiges Abbildungssystem vorzuschlagen, das im Hinblick auf seine Verwendungsmöglichkeiten neue Anwendungsfelder eröffnet und bei dem die Einstellung veränderter Bildfelder möglich ist, ohne daß hierzu konventionelle maschinelle Antriebe notwendig sind.

Gelöst wird diese Aufgabe erfindungsgemäß durch ein Abbildungssystem mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen 2 bis 14 angegeben.

Der Erfindung liegt der Gedanke zugrunde, ein mikromechanisches Spiegelarray als Bestandteil einer Optik für ein Abbildungssystem, z. B. eine Kamera, zu verwenden. Die jeweils abzubildende Bildfläche wird über das Spiegelarray dem elektronischen Bildsensor zugeführt, d. h. die für die Abbildung genutzten, vom zu beobachtenden Objekt in der Bildfläche ausgehenden Lichtsignale werden an den Spiegelelementen durch geeignete Einstellung des Kippwinkels gezielt reflektiert und auf den Bildsensor gelenkt, wo die auftreffenden Lichtsignale zur Entstehung eines "elektronischen Abbildes" führen. Dieses Abbild läßt sich analog oder digital aufzeichnen oder durch einen Monitor für einen beliebig entfernten Betrachter wieder sichtbar machen.

Dadurch, daß die einzelnen Spiegelelemente in ihrer Ausrichtung unabhängig voneinander variiert werden können, ist es möglich, die gesamte Spiegelfläche in Gruppen von Spiegelelementen (Spiegelsegmente) zu unterteilen und innerhalb jeder Gruppe die gleiche Blickrichtung, zwischen den Gruppen aber unterschiedliche Blickrichtungen einzustellen. Auf diese Weise kann der Bildsensor gleichsam zur selben Zeit in mehrere verschiedene Richtungen "sehen" und entsprechende Teilabbildungen erfassen. Beispielsweise könnte das Spiegelarray in vier Quadranten eingeteilt sein, von denen jeder eine andere Blickrichtung aufweist, um auf diese Weise gleichzeitig vier verschiedene Szenen aus der gesamten Bildfläche beobachten zu können. Dabei ist es selbstverständlich zu berücksichtigen, daß die Bildqualität, d. h. die Auflösung enmtsprechend geringer ist gegenüber dem Fall, daß sämtliche Spiegelsegmente, also alle Spiegelsegmente auf dieselbe (Teil-)Szene gerichtet sind. Die Auflössung ist umso höher, je größer die auf eine Szene gerichtete effektive Spiegelfläche ist, also je mehr Spiegelelemente diese Szene anvisieren.

Die Spiegelelemente sollten sich möglichst auf wesentlich mehr als zwei definierte Stellungen einstellen lassen, um möglichst viele Blickrichtungen realisieren zu können. Am günstigsten in dieser Hinsicht ist selbstverständlich eine stufenlose Einstellbarkeit. Vorteilhaft ist auch ein möglichst großer Einstellbereich für den Kippwinkel. Darüber hinaus wird die Flexibilität in der Einstellung des Blickwinkels wesentlich erhöht, wenn Spiegelelemente verwendet werden, die sich um zwei unterschiedliche Drehachsen (möglichst um 90° zueinander verdreht) schwenken lassen, so daß die Blickrichtung nicht nur innerhalb einer vorgegebenen "Blickebene", sondern räumlich verändert werden kann. Die Ansteuerung von einzelnen Spiegelelementen oder gruppenweise von Spiegelsegmenten (z. B. durch Anlegen einer geeigneten Steuerspannung) wird über eine entsprechende elektronische Steuerung vorgenommen, die auf demselben Siliziumsubstrat (elektronischer Chip) untergebracht sein sollte.

Vorteilhaft ist es, die elektronische Steuerung so zu programmieren, daß der Blickwinkel des gesamten Spiegelarrays oder auch einzelner Segmente kontinuierlich oder in diskreten, zeitlich getakteten Schritten fortlaufend verändert wird, so daß eine Schwenkbewegung über das Bildfeld erzeugt werden kann. Bei einer herkömmlichen Videokamera ist eine solche Art der Betrachtung nur möglich, wenn die Kamera selbst entsprechend geschwenkt wird. In diesem Zusammenhang ergeben sich besondere Vorteile, wenn das erfindungsgemäße Abbildungssystem mit einer Bildauswerteelektronik kombiniert wird, die zweckmäßig auf dem als Bildsensor verwendeten Siliziumsubstrat angeordnet wird. Eine solche Bildauswerteelektronik ist in der Anlage, anhand gespeicherter Entscheidungskriterien zu untersuchen, ob der jeweils erfaßte Bildinhalt, der aus mehreren Teilszenen zusammengesetzt sein kann, besondere bedeutsame Einzelheiten enthält. Die Bildauswerteelektronik wird in bevorzugter Weise informationstechnisch mit der elektronischen Steuerung für die Einstellung des Kippwinkels der mikromechanischen Spiegelelemente verbunden, so daß die Feststellung bedeutsamer Einzelheiten zu einer Änderung der jeweiliggen Blickrichtung der Spiegelelemente genutzt werden kann. Dies kann insbesondere in der Weise erfolgen, daß abweichend von einer Normalbetriebsart, bei der alle oder zumindest ein Großteil der Segmente des Spiegelarrays in unterschiedliche Richtungen blicken, die elektronische Steuerung auf eine Sonderbetriebsart umgeschaltet wird, in der alle oder zumindest ein Großteil der Segmente in ihrer Blickrichtung auf die ermittelte bedeutsame Einzelheit eingestellt werden, so daß die Abbildungsgenauigkeit (Auflösung) dieser Einzelheit wesentlich erhöht wird und somit ein verbesserter Informationsumfang z. B. für das Überwachungspersonal einer technischen Anlage zur Verfügung gestellt werden kann. Die elektronische Steuerung kann so eingerichtet sein, daß von dem erfindungsgemäßen Abbildungssystem nur dann eine Bildinformation über eine entsprechende Datenleitung an ein Aufzeichnungsgerät oder an einen Monitor weitergegeben wird, wenn eine bedeutsame Einzelheit entdeckt wurde. Hierdurch läßt sich der Umfang der in dieser Weise übermittelten Daten auf einen kleinen Bruchteil dessen reduzieren, was bei herkömmlicher Videokameratechnik anfallen würde.

Mit besonderem Vorteil läßt sich das erfindungsgemäße Abbildungssystem als Teil einer sicherheitstechnischen Anlage zur Raum- oder Gebäudeüberwachung einsetzen. Beim Auftreten besonderer Ereignisse wie etwa im Falle einer Annäherung von Personen an eine überwachte Gebäudefassade können beispielsweise die einzelnen Spiegelsegmente, die vorher (im Normalbetrieb) alle auf verschiedene Teilbereiche der Fassade gerichtet waren, auf den Bildteil dieser Personengruppe gerichtet werden, um genauere Einzelheiten erkennbar zu machen. Ein weiteres großes Anwendungsspektrum ergibt sich in Zusammenhang mit der Inspektion von Hohlräumen, wie beispielsweise Tanks, Rohrleitungen, chemische Reaktoren usw., wo das erfindungsgemäße Abbildungssystem Teil einer Inspektionssonde sein kann. Bei solchen Anwendungen ist es vielfach sehr vorteilhaft, wenn bei unveränderter Lage der Sonde dennoch ein Rundumblick erhalten werden kann. Ein Rundumblick kann zwar auch mit herkömmlicher Kameratechnik erzeugt werden, ohne die Kamera selbst zu bewegen, wenn als Objektiv ein sogenanntes Fischauge verwendet wird. Das hat jedoch den Nachteil, daß es stark verzerrte Abbildungen liefert. Dies ist bei der Erfindung nicht der Fall. Ansonsten lassen sich unverzerrte Rundumabbildungen mit herkömmlichen Kameras nur dann erzeugen, wenn die Kamera jeweils selbst entsprechend geschwenkt wird. Hierfür sind geeignete Schwenkvorrichtungen vorzusehen, die zusätzlichen Bauraum erfordern und mit entsprechenden Herstell- und Betriebskosten verbunden sind. Dies alles entfällt bei dem vorgeschlagenen System. Die mikromechanischen Fertigungsmöglichkeiten bieten den Vorteil extrem kompakter Bauweise bei niedrigen Herstellkosten, wobei zusätzlich eine gute Reproduzierbarkeit bei extremer Präzision gewährleistet ist. Der elektrische Leistungsbedarf ist dabei äußerst gering.

Claims (14)

1. Abbildungssystem, insbesondere in Form einer Videokamera für Überwachungs- und Inspektionszwecke, mit einem elektronischen Bildsensor, auf den die von dem zu beobachtenden Objekt ausgehenden zur Bilderzeugung genutzten Lichtsignale auftreffen, wobei das Abbildungssystem eine Spiegelanordnung aufweist, die in der Weise angordnet ist, daß die Lichtsignale von der Spiegelanordnung reflektiert werden, bevor sie auf den Bildsensor auftreffen, und wobei die Spiegelelemente einzeln oder in Gruppen in ihrer Winkelstellung von einer elektronischen Steuerung beeinflußbar sind, dadurch gekennzeichnet, daß das Abbildungssystem ein System mikromechanischer Spiegelelemente (Spiegelarray) ist und eine Bildauswerteelektronik aufweist, durch die der jeweils erfaßte Bildinhalt auf das Vorhandensein bedeutsamer Einzelheiten nach gespeicherten Entscheidungskriterien untersucht wird.

2. Abbildungssystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Spiegelelemente auf mehr als zwei definierte Winkelstellungen einstellbar sind.

3. Abbildungssystem nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Winkelstellung stufenlos einstellbar ist.

4. Abbildungssystem nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Spiegelelemente um zwei verschiedene Drehachsen schwenkbar sind.

5. Abbildungssystem nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Spiegelelemente in Abhängigkeit von der Höhe einer angelegten elektrischen Spannung schwenkbar sind.

6. Abbildungssystem nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Bildauswerteelektronik mit dem Bildsensor auf einem gemeinsamen elektronischen Chip angeordnet ist.

7. Abbildungssystem nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Bildauswerteelektronik mit der elektronischen Steuerung des Spiegelarrays informationstechnisch verbunden ist oder mit diesem eine Baueinheit bildet und die Spiegelelemente in Abhängigkeit von dem Ergebnis der Bildauswertung einstellbar sind.

8. Abbildungssystem nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die elektronische Steuerung derart programmiert ist, daß sie jeweils die Spiegelelemente definierter Segmente des Spiegelarrays so ansteuert, daß in einer Normalbetriebsart zumindest ein Großteil der Segmente voneinander verschiedene Blickrichtungen aufweist.

9. Abbildungssystem nach einem der Ansprüche 6 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die elektronische Steuerung derart programmiert ist, daß bei Ermittlung bedeutsamer Einzelheiten durch die Bildauswerteelektronik die elektronische Steuerung auf eine Sonderbetriebsart umschaltet, bei der zumindest ein Großteil der Segmente des Spiegelarray in ihrer Blickrichtung auf die ermittelte bedeutsame Einzelheit eingestellt wird, um die Abbildungsgenauigkeit (Auflösung) zu erhöhen.

10. Abbildungssystem nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß in der Sonderbetriebsart alle Segmente des Spiegelarrays in ihrer Blickrichtung auf die gleiche Einzelheit eingestellt werden.

11. Abbildungssystem nach einem der Ansprüche 2 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß die elektronische Steuerung derart programmiert ist, daß die Blickrichtung des gesamten Spiegelarrays oder einzelner seiner Segmente kontinuierlich oder in diskreten, zeitlich getakteten Schritten fortlaufend verändert wird zur Erzielung einer Schwenkbewegung über das gesamte Bildfeld.

12. Abbildungssystem nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß bei Feststellung bedeutsamer Einzelheiten durch die Bildauswerteelektronik gezielt nur dieser festgestellte Bildinhalt über eine Bildsignalleitung zu einer Bildaufzeichnungseinrichtung oder einem Monitor übertragen wird.

13. Abbildungssystem nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß das Abbildungssystem Teil einer sicherheitstechnischen Anlage zur Raumüberwachung ist.

14. Abbildungssystem nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß das Abbildungssystem Teil einer Sonde zur Inspektion von Hohlräumen ist.