DE10013299C2 - Verfahren und Vorrichtung zur geometrischen Kalibrierung pixelorientierter photosensitiver Elemente - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur geometrischen Kalibrierung pixelorientierter photosensitiver Elemente, umfassend eine kohärente Lichtquelle und ein Hologramm, das zur Erzeugung einer optischen Teststruktur um die pixelorientierten photosensitiven Elemente herum dient.

Ein derartiges Verfahren ist beispielsweise aus der DE 19 72 728 C1 bekannt. Hierbei wird mittels eines Hologramms eine wohldefinierte dreidimensionale Teststruktur um die Fokalebene einer CCD-Kamera herum erzeugt, aus deren Funktionswerten eineindeutig auf die jeweilige Schnittebene zurückgeschlossen werden kann. Dadurch ist die jeweilige geometrische Ausrichtung jedes einzelnen Pixels durch eine einzige Aufnahme gleichzeitig bestimmbar. Anhand der PSF kann dann eine Scharfeinstellung vorgenommen werden, nämlich die Bestimmung des Abstandes der Fokalebene von einer Hauptebene des optischen Systems. Hierbei tritt jedoch bei pixelorientierten Elementen wie beispielsweise bei einem CCD-Element das Problem auf, daß die Zentrumslage der abgebildeten Punkte innerhalb der Pixelfläche nicht sicher ermittelt werden kann. Das ist vor allem dann der Fall, wenn eine Rekonstruktion der PSF durch Beleuchtung zu weniger benachbarter Pixel nicht gesichert ist, was beispielsweise bei einem scharf abbildenden Objektiv auftritt. Dadurch sind Genauigkeiten der geometrischen Zuordnung im Subpixelbereich nicht erreichbar. Des weiteren können Justagefehler wie beispielsweise eine Verkippung der Fokalebene bzw. die Schärfe der Abbildung nicht oder nur näherungsweise bestimmt werden.

Aus der US-5,245,413 ist ein Verfahren und eine Vorrichtung zur geometrischen Kalibrierung von HDTV-Signalen im Bereich der Fernsehtechnik bekannt, wobei durch die Bewegung eines vorzugsweise als farbige Spirale ausgebildeten Testmusters Rückschlüsse auf die geometrische Lage und die PSF eines Pixels eines photosensitiven Bauelementes gezogen werden. Insbesondere bei unendlich abbildenden Systemen, wie beispielsweise Fernerkundungssystemen, scheidet eine derartige Vorrichtung jedoch aus, da das Testmuster im weiten Abstand zur Optik angeordnet werden müsste und relativ groß ausgebildet sein, sodass die hierfür notwendige hochgenaue Rotationseinheit für die auf einer Scheibe angeordnete Spirale recht aufwendig wäre.

Der Erfindung liegt daher das technische Problem zugrunde, ein Verfahren und eine Vorrichtung zur geometrischen Kalibrierung pixelorientierter photosensitiver Elemente zu schaffen, mittels derer Genauigkeiten im Subpixelbereich erreichbar sind.

Die Lösung des technischen Problems ergibt sich durch die Gegenstände mit den Merkmalen der Patentansprüche 1 und 3. Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.

Hierzu ist das Hologramm als Gitter ausgebildet, das eine definierte, diskrete Punktmusterverteilung um die pixelorientierten photosensitiven Elemente erzeugt, wobei mittels einer Vorrichtung zur Drehung des Gitters oder einer Variante der Wellenlänge der Lichtquelle die Punktmusterverteilung über die Pixel bewegbar ist, wobei die kohärente Lichtquelle vorzugsweise als durchstimmbarer Laser ausgebildet ist.

Verfahrensmäßig wird dabei die Punktmusterverteilung relativ zu den pixelorientierten photosensitiven Elementen bewegt, wobei während der Bewegung die photosensitiven Elemente mehrfach abgetastet werden, so dass mittels der zueinander verschobenen Abtastwerte die Punktverschmierungsfunktion PSF über die photosensitiven Elemente ermittelt werden kann.

Die Bewegung der Punktmusterverteilung kann dabei mittels einer Verdrehung des Gitters, der zeitlichen Verwendung unterschiedlicher Gitter oder der zeitlich sukzessiven Hinzufügung von Gittern oder einer definierten Variation der Wellenlänge der kohärenten Strahlungsquelle erreicht werden.

In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform erstreckt sich die Bewegung der Punktmusterverteilung über mindestens ein bis zwei Pixel.

Ein bevorzugtes Anwendungsgebiet des Verfahrens und der Vorrichtung ist die geometrische Kalibrierung von CCD-Zeilen- oder CCD-Matrix-Kameras.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand eines bevorzugten Ausführungsbeispiels näher erläutert. Die Figur zeigen:

Fig. 1 einen prinzipiellen Aufbau einer Vorrichtung zur geometrischen Kalibrierung einer CCD-Kamera,

Fig. 2a ein holographisches Gitter in einer ersten Grundstellung,

Fig. 2b eine Punktmusterverteilung auf einer Fokalebene einer CCD- Zeilen-Kamera gemäß der ersten Grundstellung,

Fig. 3a das holographische Gitter nach Fig. 2a nach einer Drehung um den Winkel α und

Fig. 3b die resultierende Punktmusterverteilung auf der Fokalebene des Gitters gemäß Fig. 3a.

In der Fig. 1 ist schematisch eine Vorrichtung 1 zur geometrischen Kalibrierung einer CCD-Kamera dargestellt. Die Vorrichtung 1 umfaßt einen Laser 2, ein Mikroskopobjektiv 3 zur Aufweitung des Laserstrahles, eine Kollimatoroptik 4 und ein holographisches Gitter 5. Das Gitter 5 erzeugt ein reales Bild mit einer Punktmusterverteilung auf einer Fokalebene 6 einer CCD-Kamera, von der nur ein vor der Fokalebene 6 angeordnetes Objektiv 7 dargestellt ist. Auf der Fokalebene 6 sind CCD-Zeilen-Sensoren oder eine CCD-Matrix angeordnet, die pixelorientiert die einfallende Strahlung in elektrische Signale umsetzen. Das reale Bild des Gitters 5 bildet eine wohldefinierte Teststruktur, so daß durch Abtastung der einzelnen Pixel aufgrund der Punktmusterverteilung eine geometrische Information der Ausrichtung der Pixel erhältlich ist.

In den Fig. 2a und 2b ist das ausgerichtete Gitter und die resultierende Punktmusterverteilung stark vereinfacht dargestellt. Auf der Fokalebene 6 sind drei CCD-Zeilen 8 angeordnet, auf denen bestimmt Bildpunkte erzeugt werden, wobei jedoch die Lage eines Bildpunktes innerhalb eines Pixels nicht ermittelbar ist.

In den Fig. 3a und 3b sind die Verhältnisse nach Drehung des Gitters 5 um den Winkel α dargestellt. Durch die Drehung des Gitters 5 wird eine entsprechend gedrehte Punktmusterverteilung erzeugt und die Pixel der CCD-Zeilen 8 erneut abgetastet. Da die Bewegung der Bildpunkte bekannt ist, kann aus der Änderung der Ausgangssignale auf die genaue Lage der Pixel zurückgeschlossen werden. Anschaulich läuft ein Bildpunkt über ein Pixel, so daß aufgrund der Änderung der Ausgangssignale bestimmbar ist, wann ein Bildpunkt das Pixel verläßt. Somit läßt sich die Lage der Pixel im Subpixel- Bereich genau bestimmen.

Claims (8)

1. Vorrichtung zur geometrischen Kalibrierung einer Matrix- oder Zeilenkamera auf Basis pixelorientierter photosensitiver Elemente, umfassend eine kohärente Lichtquelle und ein Hologramm zur Erzeugung einer wohldefinierten Teststruktur, dadurch gekennzeichnet, dass das Hologramm als Gitter ausgebildet ist, das eine definierte, diskrete Punktmusterverteilung um die pixelorientierten photosensitiven Elemente erzeugt, wobei mittels einer Vorrichtung zur Drehung des Gitters oder einer Variation der Wellenlänge der Lichtquelle die Punktmusterverteilung über die Pixel bewegbar ist.

2. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die kohärente Lichtquelle als durchstimmbarer Laser ausgebildet ist.

3. Verfahren zur geometrischen Kalibrierung pixelorientierter photosensitiver Elemente, mittels einer Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Punktmusterverteilung relativ zu den pixelorientierten photosensitiven Elementen bewegt wird, wobei während der Bewegung die photosensitiven Elemente mehrfach abgetastet werden, so dass mittels der zueinander verschobenen Abtastwerte die Punktverschmierungsfunktion PSF über die photosensitiven Elemente ermittelt werden kann.

4. Verfahren nach Anspruch 3 dadurch gekennzeichnet, dass die Bewegung der Punktmusterverteilung durch eine Verdrehung des Gitters erzeugt wird.

5. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass zeitlich verschiedene Gitter wechselweise verwendet werden.

6. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass mehrere Gitter zeitlich sukzessive hinzugefügt werden.

7. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Wellenlänge der kohärenten Lichtquelle definiert variiert wird.

8. Verfahren nach einem der Ansprüche 3 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass sich die Bewegung der Punktmusterverteilung über mindestens ein bis zwei Pixel erstreckt.