DE19507707A1 - HG CCD-Kamera - Google Patents

Description

Zur photographischen Registrierung von sich schnell bewegenden Objekten oder sichtbar gemachten Vorgängen, insbesondere einmaligen oder nicht periodischen Vorgängen, wird eine Hochgeschwindigkeitskamera benötigt.

Der Erfindung lag die Aufgabe zugrunde, eine Hochgeschwindigkeitskamera zu entwickeln, die verschleiß­ frei arbeitet und in ihrem optoelektronischen Aufnahmesystem ohne jegliche Änderung sowohl im Durchlicht als auch im Auflicht verwendbar ist und deren Videobilder vorzugsweise sofort zur Verfügung stehen (z. B. Bildschirm, Drucker) und als Computerdateien zur direkten Bilderauswertung geeignet sind.

Gemäß der Erfindung ist die HG CCD-Kamera unter Lösung der genannten Aufgaben mit einem Aufnahmesystem (mit einem oder einer Mehrzahl von getrennten CCD-Sensoren) ausgestattet, die an zugeordneten Kameras angeschlossen sind, und einem das Bild des Objektes auf den CCD-Sensoren zeigt. Das Ladungsbild wird in der Kamera in einen digitalen Bildspeicher eingelesen und steht auf diese Weise für diverse Funktionen zur Verfügung. So kann z. B. bei Kurzzeitbelichtungen jeweils ein Bild mit voller Zeilenzahl eingelesen und über eine Wiederholfunktion auf einem Monitor als Standbild dargestellt werden.

Ebenso sind Langzeitbelichtungen möglich - das Resultat ist ein akkumuliertes Bildsignal mit stark verringertem Rauschen durch zeitliche Mittelung. Die Bild-Synchronisation ist exakt auf die jeweilige Geschwindigkeit eingestellt. Das gespeicherte Digitalbild ermöglicht darüber hinaus eine Reihe bildverbessernder Operationen.

Alle Hauptfunktionen der Kamera sind durch Software einstellbar (Verstärkung, AGC, Shutter-Zeiten, Schwarzwert, Weißpegel, Frame Accumulation, Non-Interlace, High und Low Speed Shutter). Spezielle Software-Routine ermöglicht eine dynamische Integrationszeit-Programmierung, d. h. man kann für jedes Vollbild (25 mal pro Sekunde) eine neue Integrationszeit realisieren.

Die entsprechenden Werte lassen sich z. B. vom Computer errechnen und sofort in der Kamera wirksam und genau digital einstellen. Damit ist eine "Echtzeit" computergesteuerte und digital­ kontrollierte Kameraempfindlichkeit realisierbar.

Diese Eigenschaft der Kamera ermöglicht "digital" kontrollierte stabile Empfindlichkeitsregelung (312 Stufen). Die effektive Integrationszeit läßt sich im Bereich von 35.6 µsec. bis 20 000 µsec. mit der Auflösung von 64 µsec. (CCIR) einstellen.

Den gleichen Effekt kann man durch die Benutzung des speziellen HSS-INT-Impuls (High Speed Shutter-Input) erreichen, der durch das zugefügte Signal (TTL-Pegel) die Integrationszeit direkt bestimmen kann.

Die Eigenschaft der Kamera ermöglicht die Integrationszeit (1-512 Fields) sowohl per Software, wie auch per Hardware Impuls (LSS-IN, Low Speed Shutter-Input) zu verlängern.

Die Kamera besitzt Reset/Restart-Input (TTL-Pegel) für die hardwaremäßige Steuerung des Bild-An­ fangs. Eine logische Verknüpfung des Reset/Restart und Trig-Input ermöglicht die asynchrone dynamische Steuerung der Integrationszeit.

Die spezielle Logik (KSDRGEN) erlaubt die pixelgenaue automatische Synchronisierung bis zu 8 Kameras und gleichzeitige Programmierung jeder der 8 Kameras. Jede Kamera enthält laufzeitangepaßte Hardware (TTL-Pegel) zur Unterstützung einer pixelsynchronen Abtastung in Frame-Grabbern von Bildverarbeitungs­ systemen. Die gesamte elektronische Signalverarbeitung ist so dimensioniert, daß eine flexible Anpassung an Bildverarbeitungssysteme bei hoher und stabiler Signalqualität gewährleistet ist.

Bei der Erfindung handelt es sich um eine HG CCD-Kamera, die speziell wiederbeschreibbare Steuer­ bausteine und nichtflüchtige Bauelemente besitzt, und dadurch die wichtigsten Parameter und Eigen­ schaften programmierbar macht. Die in der Kamera eingebaute Schnittstelle ermöglicht die Programmierung mit einem Microcomputer oder IBM kompatible Computer, mit Menu gesteuerte Spezialsoftware, welche die HG CCD-Kamera umkonfiguriert, um sie für unterschiedliche und spezielle Zwecke einsetzbar zu machen.

Daraus ergeben sich folgende Kameras

* KAMA10 monochrom Kamera mit Standard Interface, serielle und parallele Ansteuerung für high und low speed shutter (Synchron Mode), Field/Frame accumulation Mode, Genlock, HF Clock, Synchronisa­ tion, Ansteuerung Software und standardmäßiger CCD Sensor ICX 039 BLA oder ICX 039 BLB mit robustem, vibrationsfestem Aluminium-CNC Gehäuse.

*KAMA10/AS wie KAMA10 aber mit einsteckbarer 4lagiger Platine und mit Ansteuerung für alle Funktionen (asynchron high speed shutter (von 0.6 µs) mit Hard-, Softwareprogrammierung und nichtflüchtiger Speicher für Integrationszeit).

* KAMA10AS/RS wie KAMA10/AS aber mit zusätzlichem "Remote Sensor", abgesetztem Kopf und 10-90 cm Norm-Verbindungskabel zwischen Kamerakopf und elektronischer Steuereinheit.

* KAMA10 AS/FM wie KAMA 10/AS aber mit einsteckbarer 4lagiger Platine, Field Speicher (1/2 Frame) und speziell I/O Driver Software, automatischer Speicherung des Halbbildes in high/low speed shutter Mode und Übertragung des digitalen Bildes im PC in BMP-Format.

* KAMA10 AS/FR wie KAMA10 AS/FM aber mit (1 Frame) Frame-Speicher und speziell I/O Driver Software, automatischer Speicherung des Vollbildes in high/low speed shutter Mode und Übertragung des digitalen Bildes im PC in BMP- Format mit voller Auflösung (alle Pixel).

* KAMA20 Color Kamera mit Standard Interface, serielle und parallele Ansteuerung für high und low speed shutter (Synchron Mode), Field/Frame accumulation Mode, Genlock, HF Clock, Synchronisa­ tion, Ansteuerung mit Software und standardmäßiger CCD Sensor ICX 039 BNA oder ICX 039 BNB mit robustem, vibrationsfestem Aluminium-CNC Gehäuse.

* KAMA20/AS wie KAMA20 aber mit einsteckbarer 4lagiger Platine und mit Ansteuerung für alle Funktionen (asynchron high speed shutter (von 0.6 µs) mit Hard-, Softwareprogrammierung und nichtflüchtiger Speicher für Integrationszeit).

* KAMA20AS/RS wie KAMA20/AS aber mit zusätlichem "Remote Sensor", abgesetztem Kopf und 10-90 cm Norm-Verbindungskabel zwischen Kamerakopf und elektronischer Steuereinheit.

* KAMA20 AS/FM wie KAMA 20/AS aber mit einsteckbarer 4lagiger Platine, Field Speicher (1/2 Frame) und speziell I/O Driver Software, automatische Speicherung des Halbbildes in high/low speed shutter Mode und Übertragung des digitalen Bildes im PC in BMP-Format.

* KAMA20 AS/FR wie KAMA20 AS/FM aber mit (1 Frame) Frame-Speicher und speziell I/O Driver Software. automatische Speicherung des Vollbildes in high / low speed shutter Mode und Übertragung des digitalen Bildes im PC in BMP- Format mit voller Auflösung (alle Pixel).

* KAMA30S: 3-Chip-Farbkamera (Hochauflösend asynchron/ 1/2 Frame Field Speicher/ oder full frame Speicher-3-Kameras KAMA10 Series).

* KAMA40S: Langzeitbelichtungsfähige CCD-Kamera mit gekühltem CCD Sensor (synchron/asynchron/ full frame Speicher).

Da der Dunkelstrom bei einer CCD-Kamera dazu führt, daß bei längeren Belichtungszeiten störende Effekte im Bild auftreten, wird bei dieser Kamera das CCD durch ein Peltierelement gekühlt. Bei Raum­ temperatur von 20°C befindet sich der CCD-Bildaufnehmer auf einer Temperatur von unter -25°C. Dies bedeutet, daß über eine längere Zeit belichtet werden kann und damit Bilder, die an der Grenze der Wahrnehmbarkeit des menschlichen Auges liegen, noch in Farb/Schwarz-Weiß-Fernsehbilder umgesetzt werden können.

* KAMA80S: 8 KAMA 10 AS/FR oder 8 KAMA 20 AS/FR CCD, Kamerasysteme für schnelle Bildauf­ zeichnung und Übertragung der digitalen Bilder im Rechner.

Die Erfindung wird anhand der folgenden Zeichnungen weiter verdeutlicht und beschrieben.

Fig. 1 Diese Zeichnung demonstriert die Möglichkeit, die HG-CCD-Kamera sowohl an einen Computer, einen Bildschirm, (benutzbar zu Steuerzwecken) als auch an einen Drucker anzuschließen.

Fig. 2 Eine schematische Darstellung der HG-CCD-Kamera, mit all Ihren Hardware- und Software­ einheiten.

Fig. 3 Dieses Schaubild zeigt die HG-CCD-Kamera im Durchlicht- als auch im Auflichtsystem. Auf diese Weise ist bei der Kombination von zwei HG-CCD-Kameras die Geschwindigkeit bewegter Teilchen meßbar.

Fig. 4 Auch hier wird die Kamera im Auf- und Durchlichtsystem dargestellt, jedoch wird jetzt mit Hilfe eines Prismas und einer Spezialelektronik ein asynchrones Full Frame Bild erzeugt.

Claims (13)

1. Die HG CCD-Kamera ist dadurch gekennzeichnet, daß alle Hauptfunktionen der Kamera mit dem angeschlossenen Rechner einstellbar (Verstärkung, AGC, Shutter-Zeiten, Schwarzwert, Weißpegel, Field oder Frame Accumulation, Non-Interlace, High und Low Speed Shutter) sind und automatisch in den nichtflüchtigen Speicher der Kamera abgelegt werden (Fig. 1 und Fig. 2).

2. Die HG CCD-Kamera nach Anspruch 1: Die Kamera enthält eine Rechnerschnittstelle (z. B. Parallele I/O Schnittstelle, RS232) oder Centronics (Fig. 1) (6, 7), so daß die Kamera auch aus großer Entfernung umkonfigurierbar ist.

3. Die HG CCD-Kamera nach Anspruch 1 und 2: Die Kamera im low speed shutter mode, external shutter mode und "Digital Video" Mode (1) (Fig. 2) sind die Bilder automatisch gespeichert (11) (Fig. 2) und als "Stand-Bild" am Video -Ausgang verfügbar (2, 3) (Fig. 1). Die Übertragung der digitalen Bilder sind im Rechner (13) (Fig. 2) in BMP-Format.

4. Die HG CCD-Kamera nach Anspruch 1, 2 und 3: Sie regelt automatisch (1, 4) ( Fig. 2) elektronisch die Integrationszeit der Ladungen im Sensor und liefert ein unverzerrtes Videobild bei verschiedenen Beleuchtungsstärken.

5. Die HG CCD-Kamera nach Anspruch 1, 2, 3 und 4: Die Kamera enthält einen elektronischen (8) (Fig. 2) Sequencer, der Impulssequenzen erzeugt, die den Ladungstransport im CCD Sensor verursachen, einen elektronischen Schalter (7) (Fig. 2), der entweder Videosignale vom Standard Impulsgenerator oder Sequencer mit Sensortreiber (4, 6, 7) (Fig. 2) verbindet. Der elektronische Schalter ist durch Ereignis­ auslöser gesteuert. Diese Vorrichtung ist dadurch gekennzeichnet, daß der Zustand des elektronischen Schalters die Synchronisation der Kamera nicht beeinträchtigt und der Generator ständig Synchro­ nisationssignale erzeugt.

6. Die HG CCD-Kamera nach Anspruch 1, 2, 3, 4 und 5: Die Kamera kann über eine Telefonleitung aktiviert werden, Bilder aufzunehmen oder selbständig zu versenden und die Bilder direkt (6, 7) (Fig. 1) an einen angeschlossenen Drucker auszugeben (Video-Drucker oder Normal-Drucker).

7. HG CCD-Kamera ist mit einem optoelektronischen Aufnahmesystem (mit einem oder einer Mehrzahl von getrennten CCD Sensoren ausgestattet), (3, 4, 5, 6) (Fig. 3) die an zugeordnete Kameras angeschlossen sind, und einem das Bild des Objektes auf den CCD Sensoren zeigt. Das Aufnahme­ system, (3, 6) (Fig. 3) ist ausgestattet mit einem für die angeschlossenen CCD-Sensoren gemeinsamen Kameraobjektiv und einem Prisma (4, 5, 6) (Fig. 3).

8. HG CCD-Kamera nach Anspruch 1 bis 7: Diese Kamera ist eine Durchlichtkamera, vor dessen Objektiv ein Durchlichtsystem (3, 6) (Fig. 3) geschaltet ist. Auf diese Weise werden im Strahlengang die Objekte richtig angeordnet und dem Licht einer LED (1) (Fig. 3) ausgesetzt. So ist das Videosignal über das optische Durchlichtsystem und das Kameraobjektiv auf dem Prisma abbildbar, wobei die Verschluß­ richtung mit einem LED/Blitz synchronisiert (1, 11) (Fig. 3) wird.

9. HG CCD-Kamera nach Anspruch 1 bis 8: Die Kamera mißt, unterstützt durch ein Prisma, (4, 5, 6) die Geschwindigkeit und Beschleunigung der bewegten Teilchen in einer Flüssigkeit (1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 11, 9, 10) (Fig. 3).

10. HG CCD-Kamera nach Anspruch 1 bis 9: Die Kamera kann mit Hilfe eines Prisma (6) (Fig. 4), unterstützt durch eine spezielle Elektronik-Schaltung (7, 9) (Fig. 4), ein asynchrones full-frame Bild erzeugen, das den oben genannten Ansprüchen gerecht wird (1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 9, 8, 10, 12, 11, 13) (Fig. 4).

11. HG CCD-Kamera nach Anspruch 1 bis 10: Die Kamera ermöglicht eine dynamische (1, 4) (Fig. 2) Integrationszeit-Programmierung, d. h. man kann für jedes Vollbild (25 mal pro Sekunde) eine neue (3, 6, 7) (Fig. 1) Integrationszeit realisieren.

12. Die HG CCD-Kamera nach Anspruch 1 bis 11: Die Kamera besetzt eine DMA (7) (Fig. 1) Rechnerschnittstelle für AT-Bus, ISA -Bus, EISA -Bus, VESA-Local-Bus, PCI-Local-Bus und VME-Bus zur Übertragung der digitaler Bilder in Echtzeit im Rechner (13) (Fig. 2).

13. Die HG CCD-Kamerareihe (Schwarz-Weiß) kann durch einen Austausch der CCD-Sen­ soren ohne weiteres zur HG CCD-Kamera Farbkamerareihe umgebaut werden. Die oben genannten Ansprüche werden aber auch hier erfüllt.