DE19838362C1 - Fokalebenenplatte für eine hochauflösende CCD-Kamera - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Fokalebenenplatte (1) für eine hochauflösende CCD-Kamera, bestehend aus einem elektrisch nichtleitenden Material, wobei die Oberseite der Fokalebenenplatte (1) an den Anordnungsstellen der CCD-Bauelemente mit quaderförmigen Inseln (2) ausgebildet sind, die zum Ausgleich der Gehäuseunebenheiten derart bearbeitbar sind, daß die Oberseiten der CCD-Bauelemente in einer gemeinsamen Ebene E liegen.

Description

Die Erfindung betrifft eine Fokalebenenplatte für eine hochauflösende CCD- Kamera und ein Verfahren zur Justierung der CCD-Bauelemente auf der Fokal­ ebenenplatte.

Aus der DE 196 33 868 A1 ist eine derartige CCD-Kamera bekannt. Hochauflö­ sende CCD-Kameras werden beispielsweise für Luftbildaufnahmen eingesetzt, wo diese herkömmliche Flugzeugkameras mit Großformatfilmen ersetzen. Da­ zu wird das als Zeile oder Matrix ausgebildete CCD-Bauelement in der Film­ ebene, die sogenannte Fokalebene angeordnet, wodurch der bei herkömm­ lichen Filmkameras notwendige Zwischenschritt der Filmentwicklung eingespart wird. Die gesamte Bildinformation steht unmittelbar online und in Echtzeit digi­ tal zur Verfügung. Der Ersatz des Filmes einer Luftbildkamera durch eine mit CCD-Bauelementen bestückten Fokalebene bringt aber verschiedene Schwie­ rigkeiten mit sich.

Die CCD-Bauelemente und die CCD-nahe Elektronik verbrauchen elektrische Energie, die als Verlustleistung in Wärme umgesetzt wird. Außerdem müssen diese bei sehr unterschiedlichen Umgebungstemperaturen mit konstanter Ar­ beitstemperatur betrieben werden. Diese Probleme werden derzeitig so gelöst, daß eine spezielle Fokalebenen-Grundplatte gebaut wird, die aus einem aus­ dehnungskompatiblen Material bezüglich der CCD-Chips aus Silizium besteht und die mit einer Wärmesenke gekoppelt wird, um die Temperatur der Fokal­ ebene konstant zu halten. Solche Fokalebenen-Hybride werden mit bereits vereinzelten und vorgeprüften Chips bestückt. Eine derartiger Fokalebenen- Hybrid ist beispielsweise aus dem Fachartikel "Analoge Echtzeitverarbeitung von WAOSS-Sensorsignalen, Klaus Brieß et al., bild & ton, 9/10 1992, S. 231- 239" bekannt. Mit zunehmender Pixelzahl der CCD-Zeilen sind die Chips in der Herstellung sehr teuer und sie sind andererseits aufgrund ihrer mechanischen und elektrostatischen Empfindlichkeit schwer zu händeln. Die weltweit wenigen Hersteller, die in der Lage sind, CCD-Zeilen mit 12.000 oder mehr Pixeln zu fertigen, geben die CCD-Zeilen nur in gehäuster Form in den Handel. Entwick­ ler von Fokalebenen mit hochauflösenden CCD-Zeilen müssen daher mit ge­ häusten Zeilen arbeiten.

Herkömmliche gehäuste CCD-Bauelemente sind mechanisch sorgfältig ge­ fertigt, trotzdem sind die Toleranzen zwischen Gehäusegeometrie und Chipla­ ge so groß, daß beim Montieren auf eine ebene Fläche die bildaufnehmenden Pixel keine ebene Fläche mehr bilden. Vielmehr sind die Abweichungen in der Bildebene so groß, daß eine scharfe Abbildung aller Bildpunkte einer Zeile, wie auch korrespondierender Bildpunkte verschiedener Zeilen, nicht mehr möglich ist.

Der Erfindung liegt daher das technische Problem zugrunde, eine Fokalebe­ nenplatte für eine hochauflösende CCD-Kamera und ein Verfahren zur Justie­ rung der CCD-Bauelemente auf der Fokalebenenplatte zu schaffen, so daß alle Pixel der CCD-Bauelemente nahezu die gleiche Abbildungsschärfe aufweisen.

Die Lösung des technischen Problems ergibt sich durch die Merkmale der Pa­ tentansprüche 1 und 9. Dazu ist die Fokalebenenplatte mit quaderförmigen Inseln ausgebildet. Diese Inseln können dann entsprechend den Unebenheiten der Gehäuseformen bearbeitet werden, so daß die Oberseite der Gehäuse und somit die Sensorpixel nahezu in einer Ebene E liegen. Anstelle der einen durchgehenden Insel können auch mehrere einzelne Inseln verwendet werden. Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den Un­ teransprüchen.

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

Fig. 1 eine Seitenebene der Fokalebenenplatte,

Fig. 2 Seitenansichten verschiedener Gehäuseformen und der zugehörigen Inseln auf der Fokalebenenplatte,

Fig. 3 eine perspektivische Darstellung der Fig. 2,

Fig. 4 eine Seitenansicht im montieren Zustand der Bauelemente gemäß Fig. 2 und 3 und

Fig. 5 eine perspektivische Darstellung der Fig. 4.

In der Fig. 1 ist eine Fokalebenenplatte 1 zur Aufnahme von gehäusten CCD- Zeilen dargestellt, wobei an den vorgesehenen Montagestellen die Fokalebe­ nenplatte 1 mit quaderförmigen Inseln 2 einstückig ausgebildet ist. In der Fig. 2 sind beispielhafte Gehäuseformen 3-5 der zu montierenden CCD-Zeilen dar­ gestellt. Dabei ist das Gehäuse 3 etwas höher als das Gehäuse 5, wobei je­ doch jeweils Ober- und Unterseite des Gehäuses 3, 5 parallel zueinander sind. Im Gegensatz hierzu ist das Gehäuse 4 im Querschnitt trapezförmig. Die dar­ gestellten Variationen der Gehäuseform können sich sowohl über die ganze Länge des Gehäuses erstrecken oder aber lokal begrenzt sein. Würden die Gehäuse 3-5 auf der Fokalebenenplatte 1 gemäß Fig. 1 montiert werden, so lägen alle Oberflächen der drei CCD-Zeilen in unterschiedlichen Ebenen. Um nun die Inseln 2 entsprechend nachbearbeiten zu können, muß zuvor die jewei­ lige Gehäuseform 3-5 bestimmt werden. Im einfachsten Fall kann dies manu­ ell, beispielsweise mittels einer Mikrometerschraube, erfolgen, was jedoch sehr mühselig ist. Vorzugsweise werden daher die CCD-Zeilen eingebaut und op­ tisch vermessen. Hierzu wird mittels einer kohärenten Lichtquelle und einem synthetischen Hologramm eine wohldefinierte dreidimensionale Teststruktur f(x, y, z) um die Fokalebene 1 herum erzeugt, so daß für jedes Sensorpixel die genaue Raumlage bestimmbar ist. Mit den so bestimmten Raumlagen können anschließend die Inseln 2 mittels Schleifen, Fräsen oder anderen Oberflächen­ verfahren derart strukturiert werden, daß die CCD-Zeilen in eingebautem Zu­ stand auf der Oberseite nahezu in einer Ebene liegen. Für die Gehäuseform 3- 5 gemäß Fig. 2 bedeutet dies, daß beispielsweise die Insel 2 des Gehäuses 5 nicht bearbeitet, die Insel 2 für das Gehäuse 3 plan um die Höhendifferenz abgeschliffen und die Insel 2 für das Gehäuse 4 schräg geschliffen werden muß, was im Ergebnis in Fig. 2 dargestellt ist.

Wie in Fig. 3 dargestellt, sind die Inseln 2 im Bereich der Pins 7 der CCD-Zeilen mit Durchkontaktierungen 6 ausgebildet. Auf der Unterseite der Fokalebenen­ platte kann dann eine Leiterbahnmetallisierung und eine CCD-Ansteuer- und Auswerteelektronik aufgebracht werden, die dann näherungsweise auf dem gleichen Temperaturniveau wie die CCD-Zeilen liegen. Vorzugsweise besteht die Fokalebenenplatte 1 aus dem gleichen Material wie die Gehäuse 3-5, so daß diese ausdehnungskompatibel zueinander sind. Aufgrund der Anforderun­ gen an die Gehäuse 3-5 bzw. die Fokalebenenplatte 1 elektrisch nichtleitend zu sein, eignen sich besonders hochwärmeleitfähige Keramiken, insbesondere Aluminium-Nitrid-Keramiken. Um die Abfuhr der erzeugten Verlustwärme zu verbessern, kann die Fokalebenenplatte 1 mit Hilfe von Wärmeleitrohren oder durch eine Flüssigkeitsströmung thermostatiert werden. Nach Abgleich der Inseln 2 werden die CCD-Zeilen in den Durchkontaktierungen 6 mit niedrig­ schmelzendem Lot eingelötet und sind wärmetechnisch über eine Wärmeleitpa­ ste mit den Inseln 2 verbunden. Nach dem Einbau befinden sich alle Oberflä­ chen der CCD-Bauelemente in einer Ebene E, wie in der Fig. 4 und 5 darge­ stellt.

Wird die Fokalebenenplatte 1 aktiv durch Wärmeleitrohre oder eine Flüssigkeits­ kühlung temperiert, so muß entsprechend ein Kühlelement die abgeführte Wär­ meleistung aufnehmen. Da die bevorzugte Betriebstemperatur bei ca. 15-20°C liegt, nimmt die Fokalebenenplatte 1 bei höheren Umgebungstemperaturen zusätzliche Wärmeenergie auf, die zum Kühlelement abgeführt werden muß. Dies wiederum führt zu einem erhöhten Energieverbrauch am Kühlelement. In einer bevorzugten Ausführungsform wird daher die Fokalebenenplatte 1 aus einem Material mit einer geringer Wärmeleitfähigkeit hergestellt, auf die dann die Inseln 2 aus einem Material mit hoher Wärmeleitfähigkeit aufgebracht wer­ den. Die Wärmeleitrohre bzw. die Flüssigkeitskanäle werden dann bevorzugt nur in die quaderförmigen Inseln 2 eingesetzt, so daß das Kühlelement im we­ sentlichen nur die Verlustwärme der CCD-Bauelemente aufnehmen.

Claims (9)

1. Fokalebenenplatte für eine hochauflösende CCD-Kamera, bestehend aus einem elektrisch nichtleitenden Material, dadurch gekennzeichnet, daß die Oberseite der Fokalebenenplatte (1) an den Anordnungsstellen der CCD-Bauelemente mit quaderförmigen Inseln (2) ausgebildet ist, die der jeweiligen Gehäuseform (3-5) anpaßbar sind.

2. Fokalebenenplatte nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Fokalebenenplatte (1) und/oder die Inseln (2) aus einem ausdehnungs­ kompatiblen Werkstoff zum CCD-Gehäuse (3-5) bestehen.

3. Fokalebenenplatte nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß GCD-Gehäuse (3-5) und die Inseln (2) und/oder die Fokalebenenplatte (1) aus dem gleichen Werkstoff sind.

4. Fokalebenenplatte nach einem der vorangegangenen Ansprüche, da­ durch gekennzeichnet, daß die Fokalebenenplatte (1) und/oder die In­ seln (2) aus einer Aluminium-Nitrid-Keramik bestehen.

5. Fokalebenenplatte nach einem der vorangegangenen Ansprüche, da­ durch gekennzeichnet, daß die Inseln (2) und Fokalebenenplatte (1) im Bereich der Anschlußpins (7) der CCD-Bauelemente durchkontaktiert sind.

6. Fokalebenenplatte nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Ansteuer- und Auswerteelektronik der CCD-Bauelemente auf der Unter­ seite der Fokalebenenplatte (1) angeordnet sind.

7. Fokalebenenplatte nach einem der vorangegangenen Ansprüche, da­ durch gekennzeichnet, daß der Fokalebenenplatte (1) Wärmeleitrohre oder Kühlflüssigkeitskanäle zugeordnet sind.

8. Fokalebenenplatte nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Inseln (2) als separate Teile aus einem Material mit guter Wärmeleitfä­ higkeit ausgebildet sind, die auf der aus einem weniger wärmeleitfähigen Material bestehenden Fokalebenenplatte (1) befestigt sind, wobei die Wärmeleitrohre oder die Flüssigkeitskänale in den Inseln (2) angeordnet sind.

9. Verfahren zur Justierung von CCD-Bauelementen auf einer Fokalebe­ nenplatte (1) nach einem der vorangegangenen Ansprüche, umfassend folgende Verfahrensschritte:

• a) Aufbringen der CCD-Bauelemente auf die Inseln (2) der Fokal­ ebenenplatte (1),
• b) Bestrahlen der CCD-Bauelemente mit einer wohldefinierten Teststruktur (x, y, z),
• c) Auswerten der lokalen Unebenheiten aufgrund der Meßergeb­ nisse gemäß Verfahrensschritt b),
• d) Ausbauen der CCD-Bauelemente und
• e) Behandeln der Oberfläche durch materialabtragende Verfahrens­ schritte derart, daß die Pixel der CCD-Bauelemente im materiel­ len Zustand näherungsweise in einer Ebene E liegen.