DE19610101C2 - Verfahren und Vorrichtung zur Kalibrierung eines Lichtleitfaserbündels für die Informationsübertragung - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Kalibrierung eines Lichtleitfaserbündels für die Infor­ mationsübertragung mit einem einkoppelseitigen und einem auskoppelseitigen Ende.

Zur Informationsübertragung mittels Lichtleitern werden in der Regel Lichtleitfaserbündel verwendet, deren Lichtleitfa­ sern möglichst parallel zueinander sind. Derartige Faserbün­ del sind aufwendig herzustellen und weisen hinsichtlich ihrer Gestaltung eine verminderte Flexibilität auf. Bei der Bildübertragung über Lichtleitfaserbündel führen Abweichun­ gen von der Parallelität zu Bildfehlern. Bei einer willkür­ lichen Anordnung der Lichtleitfasern an den jeweiligen Enden kann ohne weitere Maßnahmen kein erkennbares Bild übertragen werden. In einem solchen Fall muß das eingekoppelte Bild aus den auskoppelseitig empfangenen Informationen rekonstruiert werden. Hierzu ist es notwendig, daß die Faserenden am ein­ koppelseitigen Ende des Lichtleitfaserbündels den Faserenden am auskoppelseitigen Ende zugeordnet werden können. Auch für die Übertragung sonstiger Daten und Signale muß eine solche Zuordnung gegeben sein.

Aus der DE 43 18 140 A1 ist ein Verfahren bekannt, das es erlaubt, die einkoppelseitigen Koordinaten der einzelnen Lichtleitfasern den auskoppelseitigen Koordinaten zuzuord­ nen. Hierzu wird Licht an der Einkoppelseite des Faserbün­ dels eingekoppelt und die Auskoppelseite mit einer Kamera betrachtet. Mit Hilfe einer Bildverarbeitung werden die aus­ koppelseitigen Faserenden in dem von der Kamera aufgenomme­ nen Bild voneinander separiert und ihre Koordinaten ermit­ telt. Zur Bestimmung der einkoppelseitigen Koordinaten wird vor der Einkoppelseite eine Blende verfahren, die das zunächst beleuchtete Einkoppelende schrittweise abschattet. Dies geschieht nacheinander in zueinander senkrecht stehend­ en Richtungen. Während der Bewegung der Blende wird an der Auskoppelseite festgestellt, bei welcher Blendenposition eine bestimmte Lichtleitfaser abdunkelt. Die entsprechenden Blendenpositionen ergeben dann die einkoppelseitigen Koordi­ naten der betrachteten Lichtleitfaser, so daß anschließend eine Zuordnung der einkoppelseitigen zu den auskoppelseiti­ gen Koordinaten der Lichtleitfasern möglich ist. Hieraus wird eine Zuordnungstabelle erstellt, mit deren Hilfe aus der am auskoppelseitigen Ende des Faserbündels erhaltenen Lichtinformation das eingekoppelte Bild rekonstruiert werden kann.

Des weiteren ist aus der DE 40 42 317 A1 ein Verfahren zur Zuordnung der einkoppelseitigen zu den auskoppelseitigen En­ den der Lichtleitfasern bekannt. Hier werden ebenfalls be­ wegte Blenden vor der Einkoppelseite des Faserbündels ver­ fahren, um eine Zuordnung der Lichtleitfaserenden zueinander zu ermöglichen.

Die vorbeschriebenen Verfahren weisen insbesondere Nachteile hinsichtlich des Zeitaufwandes und der Reproduzierbarkeit auf. Die Blenden werden in Schrittweiten verfahren, die etwa dem halben Durchmesser einer Lichtleitfaser entsprechen, weshalb bei gängigen Faserbündeln etwa zweitausend Aufnahmen abgespeichert und verarbeitet werden müssen. Sämtliche Stö­ rungen, die während der Kalibrierung auftreten, haben nega­ tiven Einfluß auf das Ergebnis und verringern die Qualität der rekonstruierten Bilder. Des weiteren führen auch die me­ chanische Bewegung und die Ungenauigkeiten bei der Grundein­ stellung der Blende zu Problemen hinsichtlich der Reprodu­ zierbarkeit der Kalibrierung.

Aus der GB 2128839 A ist ein Bildanzeigegerät bekannt, bei dem ein ungeordnetes Lichtleitfaserbündel zur Übertragung der Abbildung eines Objekts verwendet wird. Es ist offen­ bart, mittels einer Abfolge von definierten Bildern das Lichtleitfaserbündel zu kalibrieren. Bei jedem Bild geben in ihren Koordinaten definierte Teilbereiche Licht in das Ein­ koppelende des Lichtleitfaserbündels ab, und am auskoppelseitigen Ende wird festgestellt, welche der Lichtleitfasern Licht übertragen, so daß eine Zuordnung der Position von auskoppelseitig festgestellten Lichtleitfaserenden zu ein­ koppelseitigen Koordinaten möglich ist.

Aus der WO 91/06881 ist ein weiteres Verfahren zum Kalibrie­ ren ungeordneter Lichtleitfaserbündel bekannt, bei dem eine Abfolge von Bildern eingesetzt wird. Die Bilder sind derart strukturiert, daß am einkoppelseitigen Ende des Lichtleitfa­ serbündels Felder vorgegeben werden, die in einer durch die Abfolge der Bilder vorgegebenen, für jedes Feld unterschied­ lichen Reihenfolge beleuchtet oder nicht beleuchtet werden. Die jeweiligen Beleuchtungsreihenfolgen werden am auskoppel­ seitigen Ende des Lichtleitfaserbündels festgestellt, so daß die Lichtleitfaserenden den Koordinaten der zugehörigen Fel­ der am einkoppelseitigen Ende zugeordnet werden können.

Die Verwendung strukturierter Bilder erlaubt es, auf mecha­ nisch bewegte Blenden völlig zu verzichten, wodurch auf die Blendenbewegung basierende Ungenauigkeiten völlig vermieden werden und die Anfälligkeit des Kalibrierungsverfahrens ge­ genüber störenden Einflüssen aus der Umgebung sinkt. Zudem ist bei einer geeigneten Wahl der Bildstruktur eine wesent­ lich geringere Anzahl von Aufnahmen hinreichend. Jedoch ist nach dem dargestellten Stand der Technik weiterhin eine Ab­ folge von unterschiedlichen Bildern notwendig, was insbeson­ dere zeitaufwendig ist.

Es ist nun Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren und eine Vorrichtung der eingangs genannten Art bereitzu­ stellen, mit denen die Kalibrierung mit gegenüber dem Stand der Technik geringerem Zeitaufwand durchgeführt werden kann.

Die vorgenannte Aufgabe wird durch ein Verfahren der ein­ gangs genannten Art gelöst, bei dem

• a) die auskoppelseitigen Koordinaten der einzelnen Licht­ leitfasern bestimmt werden,
• b) genau ein farbstrukturiertes Bild in das Lichtleitfaser­ bündel eingekoppelt wird, wobei die Struktur durch vor­ gegebene zusammenhängende Bildelemente mit jeweils einem vorgegebenen Farbwert gebildet ist und keine zwei Bild­ elemente in den Farbwerten übereinstimmen,
• c) gleichzeitig für jede Lichtleitfaser der jeweilige Farb­ wert der am auskoppelseitigen Ende austretenden Strahlung festgestellt wird,
• d) aus den gemäß Merkmal c) ermittelten Farbwerten die ein­ koppelseitigen Koordinaten der jeweiligen Lichtleitfaser bestimmt werden, wobei als einkoppelseitige Koordinaten die Koordinaten des den jeweiligen Farbwert erzeugenden Bildelements des eingekoppelten Bildes genommen werden, und
• e) in einer Zuordnungstabelle die einkoppelseitigen Koordi­ naten der Lichtleitfasern den zugehörigen auskoppelsei­ tigen Koordinaten zugeordnet werden.

Bei diesem Verfahren kann man die gewünschte Zuordnungsta­ belle aus einem einzigen farbstrukturierten Bild erhalten, wodurch der Zeitaufwand für die Kalibrierung der Lichtlei­ tereinheit auf ein Minimum reduziert wird.

Die vorgenannte Aufgabe wird weiterhin durch ein Verfahren der eingangs genannten Art gelöst, bei dem

• a) die auskoppelseitigen Koordinaten der einzelnen Licht­ leitfasern bestimmt werden,
• b) genau ein helligkeitsstrukturiertes, graues Bild in das Lichtleitfaserbündel eingekoppelt wird, wobei die Struktur durch vorgegebene zusammenhängende Bildelemente mit jeweils einer vorgegebener Intensität gebildet ist und keine zwei Bildelemente in den Intensitäten übereinstimmen,
• c) gleichzeitig für jede Lichtleitfaser die jeweilige Inten­ sität der am auskoppelseitigen Ende austretenden Strahlung festgestellt wird,
• d) aus den gemäß Merkmal c) ermittelten Intensitäten die einkoppelseitigen Koordinaten der jeweiligen Lichtleitfaser bestimmt werden, wobei als einkoppelseitige Koordinaten die Koordinaten des die jeweilige Intensität erzeugenden Bild­ elements des eingekoppelten Bildes genommen werden, und
• e) in einer Zuordnungstabelle die einkoppelseitigen Koordi­ naten der Lichtleitfasern den zugehörigen auskoppelseitigen Koordinaten zugeordnet werden.

Das erfindungsgemäße Verfahren kann auch so ausgeführt wer­ den, daß die Flächengröße jedes vorgegebenen Bildelements der des Querschnitts der Lichtleitfasern entspricht.

Die Größe der Bildelemente definiert das Auflösungsvermögen für ein durch das Faserbündel übermitteltes, zu rekonstruie­ rendes Bild. Das Auflösungsvermögen ist aber auch durch die Querschnittsfläche der Lichtleitfasern begrenzt, so daß eine Anpassung der Bildelemente an die Querschnittsfläche der Lichtleitfasern eine maximale Auflösung ergibt.

Weiterhin kann dieses erfindungsgemäße Verfahren vorteilhaft auch so ausgeführt werden, daß die auskoppelseitigen Koordi­ naten der einzelnen Lichtleitfasern während der Einkopplung des helligkeits- bzw. farbstrukturierten Bildes bestimmt werden, indem am auskoppelseitigen Ende das eingekoppelte Licht erfaßt wird, die einzelnen Lichtleitfasern separiert und die Mittelpunkte der Lichtleitfasern ermittelt werden.

Auf diese Weise werden während einer einzigen Einkopplung des helligkeits- bzw. farbstrukturierten Bildes sowohl die auskoppelseitigen als auch die einkoppelseitigen Koordinaten der einzelnen Lichtleitfasern bestimmt. Gleichzeitig ist auch die Zuordnung der auskoppelseitigen zu den einkoppel­ seitigen Koordinaten gegeben.

Sowohl bei der Verwendung der helligkeitsstrukturierten als auch der farbstrukturierten Bilder können die jeweiligen Verfahren so ausgeführt werden, daß die helligkeitsstruk­ turierten bzw. farbstrukturierten Bilder von einer Objekt­ ebene aus über eine Einkoppeloptik in das einkoppelseitige Ende des Lichtleitfaserbündels eingekoppelt werden.

Bei den erfindungsgemäßen Verfahren ist es auch vorteilhaft, die einkoppelseitigen Koordinaten der Lichtleitfasern in der durch die Einkoppeloptik gegebenen Abbildung des einkop­ pelseitigen Endes auf die Objektebene zu bestimmen sowie das auskoppelseitige Ende des Lichtleitfaserbündels über eine Auskoppeloptik auf eine Bildebene abzubilden und die auskop­ pelseitigen Koordinaten der Lichtleitfasern in der durch die Auskoppeloptik gegebenen Abbildung des auskoppelseitigen En­ des auf die Bildebene zu bestimmen.

Wenn die einkoppelseitigen (auskoppelseitigen) Koordinaten der Lichtleitfaserenden in der Objektebene (Bildebene) der Einkoppeloptik (Auskoppeloptik) bestimmt werden, werden bei der Zuordnung der einkoppelseitigen zu den auskoppelseitigen Koordinaten tatsächlich Punkte der Objektebene Punkten der Bildebene zugeordnet. Hierdurch werden optische Bildfehler, wie z. B. Verzeichnungen und, falls die Kalibrierung einzeln für verschiedene Farben, z. B. für die Farbkanäle Rot, Grün und Blau, durchgeführt wird, auch chromatische Aberrationen bei der Bildrekonstruktion ohne weiteres Zutun ausgeglichen.

Die Aufgabe wird durch eine zur Durchführung beider vorbe­ schriebenen Verfahren geeignete Vorrichtung der eingangs genannten Art gelöst, dis eine Bildaufnahmeeinheit zur Aufnahme der Abbildung des auskoppelseitigen Endes des Lichtleitfaserbündels und eine EDV-Anlage zur Auswertung der mit der Bildaufnahmeeinheit empfangenen Bilder aufweist und sich durch eine Beleuchtungseinheit, die das helligkeits- bzw. farbstrukturierte Bild beleuchtet, auszeichnet.

Diese erfindungsgemäße Vorrichtung kann vorteilhaft auch so ausgebildet sein, daß das helligkeits- bzw. farbstrukturierte Bild transparent ist und zwischen der Beleuchtungseinheit und dem einkoppelseitigen Ende plaziert ist.

Schließlich kann diese erfindungsgemäße Vorrichtung auch so ausgebildet sein, daß eine Einkoppeloptik zur Einkopplung des helligkeits- bzw. farbstrukturierten Bildes von einer Objektebene aus in das einkoppelseitige Ende vorgesehen ist.

Im folgenden soll anhand der Fig. 1 ein Ausführungsbeispiel des Verfahrens dargestellt werden.

Es zeigt

Fig. 1: eine schematische Darstellung des Aufbaus der er­ findungsgemäßen Vorrichtung und des zu kalibrierenden Lichtleitfaserbündels.

In Fig. 1 ist schematisch die Vorrichtung 1 zur Kalibrierung des Lichtleitfaserbündels 2 dargestellt. Am Einkoppelende des Faserbündels 2 befindet sich die Einkoppeloptik 3, über die hier nicht dargestellte Bilder in das Faserbündel 2 von einer Objektebene 4 aus eingekoppelt werden können. Das aus­ koppelseitige Ende des Faserbündels 2 wird mit einer Auskop­ peloptik 5 auf eine Bildebene 6 projiziert, von der über eine CCD-Kamera 7 die durch die Lichtleitfaser übermittelten Lichtsignale aufgenommen werden. Die aufgenommenen Lichtsi­ gnale werden zur Bildverarbeitung an eine EDV-Anlage 8 wei­ tergegeben.

Zur Kalibrierung des Lichtleitfaserbündels 2 werden zunächst nach einem bekannten Verfahren die auskoppelseitigen Koordi­ naten der Lichtleitfasern bestimmt, wobei die Koordinaten auf die Abbildung des auskoppelseitigen Endes des Lichtleitfaserbündels 2 auf die Bildebene 6 bezogen sind. Hierfür wird das einkoppelseitige Ende des Lichtleitfaser­ bündels 2 vollständig und gleichmäßig beleuchtet und gleich­ zeitig mit der CCD-Kamera 7 das auskoppelseitige Ende be­ trachtet. Mit Hilfe eines bekannten Bildverarbeitungsalgo­ rithmus werden die einzelnen Lichtleitfasern am auskoppel­ seitigen Ende festgestellt und ihre auskoppelseitigen Koor­ dinaten ermittelt.

Hiernach werden die einkoppelseitigen Koordinaten der Licht­ leitfasern derart bestimmt, daß gleichzeitig eine Zuordnung der auskoppelseitigen zu den einkoppelseitigen Koordinaten gemäß den Merkmalen c) und d) der Ansprüche 1 und 2 erfolgen kann. Der LCD-Bildschirm 9 wird über die EDV-Anlage 8 gesteuert.

Hiernach sind zu jeder Lichtleitfaser sowohl die auskoppel­ seitigen als auch die einkoppelseitigen Koordinaten bekannt. Hieraus kann dann eine Zuordnungstabelle erstellt werden, die zur Rekonstruktion eines beliebigen eingekoppelten Bil­ des benötigt wird.

Claims (10)

1. Verfahren zur Kalibrierung eines Lichtleitfaser­ bündels (2) für die Informationsübertragung mit einem einkoppelseitigen und einem auskoppelseitigen Ende, bei dem

• a) die auskoppelseitigen Koordinaten der einzelnen Licht­ leitfasern bestimmt werden,
• b) genau ein farbstrukturiertes Bild in das Lichtleitfaserbündel (2) eingekoppelt wird, wobei die Struktur durch vorgegebene zusammenhängende Bildelemente mit jeweils einem vorgegebenen Farbwert gebildet ist und keine zwei Bildelemente in den Farbwerten übereinstimmen,
• c) gleichzeitig für jede Lichtleitfaser der jeweilige Farb­ wert der am auskoppelseitigen Ende austretenden Strahlung festgestellt wird,
• d) aus den gemäß Merkmal c) ermittelten Farbwerten die ein­ koppelseitigen Koordinaten der jeweiligen Lichtleitfaser bestimmt werden, wobei als einkoppelseitige Koordinaten die Koordinaten des den jeweiligen Farbwert erzeugenden Bildelementes des eingekoppelten Bildes genommen werden, und
• e) in einer Zuordnungstabelle die einkoppelseitigen Koordi­ naten der Lichtleitfasern den zugehörigen auskoppelsei­ tigen Koordinaten zugeordnet werden.

2. Verfahren zur Kalibrierung eines Lichtleitfaser­ bündels (2) für die Informationsübertragung mit einem einkoppelseitigen und einem auskoppelseitigen Ende, bei dem

• a) die auskoppelseitigen Koordinaten der einzelnen Licht­ leitfasern bestimmt werden,
• b) genau ein helligkeitsstrukturiertes, graues Bild- in das Lichtleitfaserbündel (2) eingekoppelt wird, wobei die Struktur durch vorgegebene zusammenhängende Bildelemente mit jeweils einer vorgegebenen Intensität gebildet ist und keine zwei Bildelemente in den Intensitäten überein­ stimmen,
• c) gleichzeitig für jede Lichtleitfaser die jeweilige Intensität der am auskoppelseitigen Ende austretenden Strahlung festgestellt wird,
• d) aus den gemäß Merkmal c) ermittelten Intensitäten die einkoppelseitigen Koordinaten der jeweiligen Lichtleit­ faser bestimmt werden, wobei als einkoppelseitige Koor­ dinaten die Koordinaten des die jeweilige Intensität erzeugenden Bildelementes des eingekoppelten Bildes ge­ nommen werden, und
• e) in einer Zuordnungstabelle die einkoppelseitigen Koordi­ naten der Lichtleitfasern den zugehörigen auskoppelsei­ tigen Koordinaten zugeordnet werden.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Flächengröße jedes vorgegebenen Bildele­ ments der des Querschnitts der Lichtleitfasern entspricht.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, da­ durch gekennzeichnet, daß die auskoppelseitigen Koordinaten der einzelnen Lichtleitfasern während der Einkopplung des helligkeits- bzw. farbstrukturierten Bildes bestimmt werden, indem am auskoppelseitigen Ende das eingekoppelte Licht er­ faßt wird, die einzelnen Lichtleitfasern separiert und die Mittelpunkte der Lichtleitfasern ermittelt werden.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, da­ durch gekennzeichnet, daß die helligkeits- bzw. farbstruk­ turierten Bilder von einer Objektebene (4) aus über eine Einkoppeloptik (3) in das einkoppelseitige Ende des Lichtleitfaserbündels (2) eingekoppelt werden.

6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die einkoppelseitigen Koordinaten der Lichtleitfasern in der durch die Einkoppeloptik (3) gegebenen Abbildung des einkoppelseitigen Endes auf die Objektebene (4) bestimmt werden.

7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, da­ durch gekennzeichnet, daß das auskoppelseitige Ende des Lichtleitfaserbündels (2) über eine Auskoppeloptik (5) auf eine Bildebene (6) abgebildet wird und die auskoppelseitigen Koordinaten der Lichtleitfasern in der durch die Auskoppel­ optik (5) gegebenen Abbildung des auskoppelseitigen Endes auf die Bildebene (6) bestimmt werden.

8. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 7, die das Lichtleitfaserbündel (2) für die Informationsübertragung kalibriert, mit einer Bildaufnahmeeinheit (7) zur Aufnahme des auskop­ pelseitigen Endes des Lichtleitfaserbündels (2) und einer EDV-Anlage (8) zur Auswertung der mit der Bildaufnahmeein­ heit (7) empfangenen Bilder, gekennzeichnet durch eine Be­ leuchtungseinheit, die das helligkeits- bzw. farbstruk­ turierte Bild beleuchtet.

9. Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeich­ net, daß das helligkeits- bzw. farbstrukturierte Bild transparent ist und zwischen der Beleuchtungseinheit und dem einkoppelseitigen Ende plaziert ist.

10. Vorrichtung nach Anspruch 8 oder 9, gekennzeichnet durch eine Einkoppeloptik (3) zur Einkopplung des hellig­ keits- bzw. farbstrukturierten Bildes von einer Objektebene (4) aus in das einkoppelseitige Ende.