DE2708507A1

DE2708507A1 - Bilduebertragungseinrichtung zur untersuchung von unzugaenglichen partien eines objektes

Info

Publication number: DE2708507A1
Application number: DE19772708507
Authority: DE
Inventors: Rainer Dipl Ing Fritsche; Helmut Dipl Ing Ringelhan
Original assignee: Ernst Leitz Wetzlar GmbH
Current assignee: Hund Entwicklungs- und Anlagen Kg 6331 Schoeffeng
Priority date: 1977-02-26
Filing date: 1977-02-26
Publication date: 1978-08-31
Also published as: US4163148A; CH629603A5; JPS53125053A

Description

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Bildubertragungseinriohtung zur Untersuchung von unzugänglichen Partien eines Objektes

Die Erfindung betrifft eine BildUbertragungseinrichtung zur Untersuchung von unzugänglichen Partien eines Objektes, beispielsweise eine Sonde zur Untersuchung von kanalförmigen Objektpartien oder anderen Hohlräumen, mit mindestens einer einen kleinen Querschnitt sowie im Verhältnis zu diesem eine große Länge aufweisenden, BiIdinformationen leitenden Baugruppe mit mindestens einem fokussierbaren Glied sowie einer dieser Baugruppe zugeordneten Fokussiereinrichtung.

Es ist durch die DT-PS 1 566 112 bekannt, eine derartige Baugruppe mittels hintereinander angeordneter optischer Linsen zu realisieren. '

Auch ist es durch das DT-GM 1 853 607 sowie durch die DTPS 1 269 287 bekannt, daß eine derartige Baugruppe aus Glasfaser bzw. Fiberbildleitern gebildet wird.

Durch die beiden letztgenannten Druckschriften ist ferner bekannt, zur Scharfstellung der zu untersuchenden Objektpartie mindestens ein fokussierbares Glied in der Baugruppe vorzusehen.

Der Nachteil einer solchen mechanischen Soharfstelleinrichtung liegt jedoch darin, daß trotz scheinbar scharfen

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Sucherbildes fotografische Aufnahmen über eine solche Einrichtung unscharfe Bilder ergeben, da bei visueller Beobachtung der Objektpartie den Beobachter wegen der automatischen Akkomodation seines Auges das Bild der Objektpartie in Jedem Abstand scharf erscheint.

Ein weiterer Naohteil ist, daß die Entfernung einer beobachteten oder fotografierten Objektpartie mit den bekannten Einrichtungen nicht exakt bestimmbar ist. Dies ist jedoch erforderlich, wenn gleiche Objektpartien zu Verglcichszwecken im gleichen Abbildungsmaßstab reprodu ziert werden 3ollen.

Diese Forderung wird durch eine in der DT-AS 1 766 853 beschriebene Vorrichtung erfüllt, welche mittels eines fotoelektrisohen Elementes aus der vom Objekt reflektier ten Lichtintensität ein von der Entfernung zwischen Objekt und Einrichtung abhängiges elektrisches Signal erzeugt, welches einer geeichten Registrier- oder Anzeigevorrichtung zugeführt wird. Zur Erzeugung des Reflexes ist Lioht aus einer Lichtquelle erforderlioh, deren spektrale Cha rakteristik so gewählt ist, daß das von ihr ausgestrahlte und vom Objekt reflektierte Licht den für vorzunehmende fotografische Aufnahmen vorgesehenen Film nicht beeinträchtigt. Eine solche Auflage ist unvorteilhaft für eine Einrichtung dieser Art, weil sie dadurch stets von be stimmten speziellen Bedingungen abhängig ist.

Zur Bestimmung von Entfernungen sind aber auoh durch die DT-AS 2 156 617 und die DT-PS 2 330 9*»0 Einrichtungen bekannt, mit denen die Lage mindestens einer Bildebene eines Abbildungssystems nach dem Prinzip der optischen Korrelation ermittelt wird_o

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Wird jedoch die in den zuvor genannten Sohriften beschriebene Art der Bildebenenbestimmung in Kombination mit Bildleitern verwendet, deren Querschnitt eine Rasterstruktur besitzt, ergibt sioh die Schwierigkeit, daß diese Rasterstruktur die Filterung der im Objekt vorhandenen Ortsfrequenzen behindert bzw. unmöglich macht und daß insbesondere die Phasenlagen der entstehenden Signale bei der Bildübertragung durch einen solohen Bildleiter verlorengehen .

E₈ ist daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Bildübertragungeeinrichtung zur Untersuchung von unzugänglichen Objektpartien anzugeben, mit der der Abstand zwischen Objekt und Einrichtung automatisch bestimmt wird, die zu diesem Zweok mit einer nach dem optischen Korrelationsprinzip arbeitenden Einrichtung kombiniert ist und bei weloher Sorge getragen ist, daß die Rasterstruktur des Bildleiters die Ortsfrequenzfilterung nioht stört.

Bei einer Einrichtung der eingangs genannten Art wird diese Aufgabe dadurch gelöst, daß zur Erzeugung von für die Scharfeinstellung des Bildes einer Objektpartie erforderlichen elektrischen Signalen die Fokussiereinriohtung einen ein Abbildungssystem, wenigstens eine zumindest in der Nähe der Bildebene dieses Abbildungssystems oder einer dieser konjugierten Ebene angeordnete aperiodisohe, ungleichmäßige, in Sonderfällen gleichmäßige periodische Rasterstruktur sowie ein letzterer zugeordnetes fotoeloktrisohes Empfängersystem enthaltenden optisohon Korrelator als Sensor umfaßt, der aus von den Objektpartien ausgehenden und über deren Lage Informationen tragenden LiohtflUssen elektrische Ausgangssignale erzeugt, welohe nach Auswertung in einer Auswerteelektronik -

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gegebenenfalls nach Verstärkung und/oder Umformung - einer Stellvorrichtung zum Verstellen des fokussierbaren Gliedes zugeführt werden.

In weiterer Ausbildung der Erfindung wird vorgeschlagen, daß die optische Baugruppe ein Bildleiterfaserbündel enthält und daß die Teilung der Rasterstruktur des Sensors sowohl an die Struktur der zu untersuchenden Partie des Objektes als auch an die durch den Querschnitt des Bildleiterfaserbündels gegebene zusätzliche, das Bild des Objektes überlagernde Struktur angepaßt ist.

Von besonderem Vorteil ist es dabei, wenn die Anpassung von Rasterstruktur und zusätzlicher, durch den Quersohnitt des Bildleiterfaserbündels gegebener Struktur derart erfolgt, daß die Extremwerte der Fourier-Transformierten der Struktur des Bildleiterfaserbündels mit den Null-Stellen der Fourier-Transformierten der Rasterstruktur zusammenfallen.

Die soweit beschriebene neue Einrichtung wertet zur Bestimmung der Lage eines Objektes die maximalen Atnplituden der vom Sensor erzeugten elektrischen Signale aus, da die Phasenbeziehungen der Signale durch die Übertragung mit Faserbildleitern verlorengehen.

Um aber diese Phasenbeziehungen dennoch zu erhalten, wird erfindungsgemäß weiterhin vorgeschlagen, daß der optisehe Korrelator außer dom Abbildungssystem zwecks zu sätzlicher Abbildung der gloiohen Objektpartie ein weiteres optisches Sys torn enthält, dem eigene Bildleiterfasorbündel der optisohen Baugruppen zugeordnet sind, und daß Mittel vorgesehen sind, welche die aus den Objektpartie-

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bildorn beider Abbildungssysteme erzeugten elektrischen Signale bezüglich ihrer Phase auswerten.

In der Zeichnung ist die Erfindung in Ausführungsbeispielen schematisoh dargestellt und nachstehend näher bec schrieben: Es zeigen:

Fig. 1 eine erfindungsgemäße Bildiibortmgungseinrichtung mit Signalamplitudcnauswertung,

Fig. 2 eine erfindungsgemäße BildUbortragungseinrichtung

mit Signalphasenauswertung, Fig. 3 und h die Teilung eines in der erfindungsgemäßen Einrichtung verwendeten Amplitudengitters bzw. die periodische Rasterung im Bildloiterquerschnitt zur Verdeutlichung der aufeinander abzustimmenden Größen,

Fig. 5 ein Diagramm dos Amplitudenverlaufs der Orts — frequenzen in der Bildleiterebene,

Fig. 6 ein Amplitudenverteilungsdiagramm der Fourier-Transformierten der BiIdleiterras torung,

Fig. 7 ein Amplitudenverteilungsdiagramm der Fourier— Transformierten dor Gitterteilung und

Fig. 8 ein resultierendes Amplitudenvorteilungsdiagramm nach Korrelation zwischen Objekt und Raster.

In Fig. 1 ist eine Objektpartie 1 angedeutet, welche in einer Filmebene 2 einer nicht weiter dargestellten foto grafischen Kamera oder in einer Bildebene 3 zur visu- llen Beobachtung scharf abgebildet worden soll. Dazu wird die Objektpartie 1 von einem Objektiv k abgebildet und das Bild mittels eines von einor Umhüllung 5 umschlossenen Bildleiterfaserbündols 6 sowie einer Korrektionsoptik 7 einem Strahlenteiler 8 zugeleitet. Der den Strahlenteiler 8 durchdringende Lichtantoll gelangt entweder direkt zur

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Filroebena 2 oder liber einen schwenkbaren Strahlumlenker in die zur visuellen Beobachtung vorgesehene Bildebene

Der vom Strahlenteiler 8 umgelenkte Lichtanteil bildet die Objektpartie 1 in eine der Filroebene ^konjugierte Ebene 10 ab. In der Nähe dieser Ebene ist ein optisches Filter 11 angeordnet. Dieses Filter besitzt z.B. eine wirksame Rasterstruktur in Form eines Amplitudengitters 11, welche durch einen Antrieb 12 in Riohtung des Doppelpfeiles bewegt wird.

Die aus dem OrtsfrequenzSpektrum des Objektbildes ausgefilterten Liohtflusse werden noohmals durch eine Sammeloptik 13 auf ein fotoelektrisohes Empfängersystem Ik konzentriert, welches aufgrund dieser Beaufsohlagung elektrische Signale erzeugt, welche Informationen über die

Lage der Objektpartie 1 enthalten.

Eine Auswerteelektronik 15 untersucht die ihr zugeleiteten Signale des fotoelektrisohen Empfängersystens auf die Größe ihrer Amplituden, welche dann einen maximalen Vert erreichen, wenn die abzubildende Objektpartie 1 scharf in die Ebenen 2 bzw. 3 abgebildet ist. Der Auswerteelektronik 15 ist ein Anzeigeins tr innen t 16 na ohges ehaltet. Ferner folgt der Auswerteelektronik 15 eine Steuereinheit 17, welche einen Stellmotor 18 steuerte

Die Drehung des Stellmotors 18 treibt einen Sehneoken-. trieb 19, welcher drehbar in einer das Objektiv k tragen den Schiebehülse 20 lagert und ein Schneckenrad 21 treibt. Zähne 22 eines fest mit der Umhüllung 5 des Bildleiterfaserbunde Is 6 verbundenen rohrförmigen Antriebselements 23 kämmen mit dem Schneckenrad 21, so daß das von der

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SohiebehUlse 20 getragene Objektiv k zum Fokussieren verschoben werden kann.

Die schematisehe Darstellung der Fig. 2, in der gleiche Bauteile gemäß Fig. 1 mit dem gleichen Bezugszeiohen versehen sind, zeigt ein AusfUhrungsbeispiel fUr eine Einrichtung, mit weloher die Phaseninformationen, d.h. die Informationen der Parallaxe, erhalten bleiben.

Dazu ist für die Abbildung der Objektpartie 1 in der SchiebehUlse 20 außer dem Objektiv k mindestens ein Zusatzobjektiv Zk angeordnet. Dieses Zusatzobjektiv 2k entwirft von der scharf einzustellenden Objektpartie 1 ein weiteres Bild, das Über ein optisches Umlenkelement 25 eigenen Bildleiterfasern 6· (Fig. k) aus dem BildleiterfaaerbUndel 6 zugeführt wird. Gemeinsam mit dem Bild des Objektivs k gelangt das zusätzlich entworfene Bild Über die Korrektionsoptik 7 und den Strahlenteiler 8 in die der Filmebene 2 konjugierte Ebene 10 und wird dort der gleiohen optischen Filterung durch die Rasterstruktur 11 unterworfen wie das Bild des Objektivs k.

Die gefilterten LichtflUsse beider Bilder werden von Sammellinsen 26, 27 fotoelektrischen Empfängersys temen 28, 29 zugeführt, deren Ausgangssignale in einer nachgesohalteten elektronischen Baugruppe 30 bezüglich ihrer Phasenbeziehungen zueinander ausgewertet werden. Das Ergebnis wird duroh eine Anzeigevorrichtung 31 sichtbar gemacht.

Die Fokussierung des Objektivs k sowie des Zusatzobjektivs Zk erfolgt mittels einer Steuereinheit 37, des Stellmotors 18 sowie des Schneoken triebe 1 9, des Sohneckenrads 21 und des rohrförmigen Antriebselements 23,

Selbstverständlich ist es auch möglioh, andere optische

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Einrichtungen wie z.B. Spiegel- oder Prismensysteme zu verwenden, die auch ohne Zusatzobjektive ein oder mehre-, re zusätzliche Bilder des zu untersuchenden Objektes entwerfen. Beispielsweise kann auf das Objektiv 2.h verziehtet werden, wenn anstelle des Prismas 25 ein solohes verwendet wird, das aus dem das Objektiv h verlassenden Liohtflüß einen Teil herausnimmt (der ja der Lage eines bestimmten Teils der Objektpartie 1 entspricht) und den Bildleiterfasern 6' zuführt. Unter Umständen ist es dann in Abhängigkeit von der Ausführungsform der Bauelemente für die Zusatzabbildungen notwendig, durch mechanische Blenden dafür zu sorgen, daß visuelle Beobachtung, fotografische Aufnahme sowie die Messung sich nicht gegenseitig stören.

Der im duroh die Koordinatenrichtungen x, y, ζ definierten Ortsraum bei Relativbewegung zwischen Objektbild und Rasterstruktur als Korrelation zu beschreibende Vorgang läßt sich im Frequenzraum - das ist der Fourier-Raum - als Multiplikation der Fourier-Transformierten der Gittertransparenz und Fourier-Transformierten der Strahldiohteverteilung des Objektes schildern.

Zur Optimierung der Auswertung muß die Rasterstruktur so ausgelegt werden, daß die Extremwerte der Fourier-Transformierten der Faserdurchlässigkeit auf Null-Stellen der Fourier-Transformierten der Filterfunktion fallen. Durch entsprechende Wahl der optischen Parameter, z.B. Abbildungsmaßstab und Gitterkonstante, kann verhindert werden, daß maximale Objektortsfrequenzen in dem Bereich dieser Null-Stellen liegen. Derartige Maßnahmen sind jedoch bei vielen natürlichen Objekten nioht erforderlich, da sie ein breites Ortsfrequenzspektrum besitzen.

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Xn den Fig. 5 bis 8 ist in Diagrammen ein vereinfachtes Berechnungsbeispiel für die Abstimmung der als optisches Filter wirksamen Rasterstruktur 11 auf die zusätzliche Rasterstruktur im Querschnitt des Bildlei te rf a β er blinde Is 6 dargestellt. Der Berechnung liegt ein Amplitudengitter

gemäß Fig. 3 mit einer Gitterkonstante g V₁₊ und

opt· JP χJ.ter

Bildleiterfaserquerschnitt gemäß Fig. k mit einer periodischen Rasterung g_ zugrunde,wobei für letztere vereinfacht angenommen die Kernfaser durchlässig und der KIeber sowie die Mantelfaser undurchlässig sind.

Bedingt durch die Modulationsl'bertragungsfunktion nimmt bei hohen Ortsfrequenzen die Amplitude der Ortsfrequenz der zu beobachtenden Objektpartie 1 in der Ebene des dem Objektiv k und dem Zusatzobjektiv Zk zugewandten Endes des BildleiterfaserbUndels 6 ab. Ein solcher Verlauf ist im Diagramm der Fig. 5 dargestellt.

FUr eine periodisohe Rasterstruktur 11 in Form eines Amplitudengitters ergibt sioh als Fourier-Transformierte ein Spektrum mit Ortsfrequenzen bei U = 1 (2n - 1 )

entsprechend der Fourier-Reihe eines Reohteokgitters_v dessen Amplituden auch um den Faktor (2n - 1) abnehmen. Dabei bedeuten U = Ortsfrequenz, g « die Gitterkonstante und n=, eine natürliche Zahl.

FUr die Fourier-Transformierte der zusätzlichen, durch das Bildleiterfaserbündel 6 entstehenden Rasterstruktur mit g «· β-«.__Λ., ergibt sioh eine Verteilung der Amplitudenmaxima gemäß dem Diagramm in Fig. 6.

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Die Fourier-Transformation der Rasterstruktur 11 in Form eines Amplitudengitters ergibt ebenfalls, da es sich bei der oben beschriebenen Ausgangsfunktion für g„ auoh um eine Rasterung in der Form eines Amplitudengitters handelt, bei einer der Rasterung des Bildleiterquersohnitts gleichen Gitterkonstanten g_Qpt^ _pilter = G_Faser eine Amplitudenverteilung, wie sie im Diagramm der Fig. 6 dargestellt ist.

Die Gitterkonstante (g t F^-It ^ ^{dör als} °P^t:1-^sohöS tor wirkenden Rasterstruktur 11 kann nun so gewählt werden, daß ihre Maxima nicht' mit denen der Rasterung des Bildleiterfaserbündels 6 zusammenfallen. In dem im Diagramm der Fig. 7 dargestellten Fall ist als Konstante für die als optisches Filter wirkende Rasterstruktur 11 das 2fache gewählt worden. Gen
von g_, gewählt werden.

2fache gewählt worden. Generell kann das 2n- oder ^- fache

Durch die Multiplikation der Spektren gemäß Fig. 5 und 7 ergibt sich eine Ortsfrequenzverteilung,wie sie im Diagramm der Fig. 8 angegeben ist. Die Breite der auftretenden einzelnen Amplitudenmaxima ist dabei u.a. eine Funktion der Anzahl der im Gesichtsfeld vorhandenen Gitterlinien.

Die obigen Ausführungen machen deutlioh, daß bei Abstimmung der Konstanten der als optisches Filter wirksamen Rasterstruktur die zusätzliche Rasterstruktur des BildleiterfaserbUndels 6 kein Objekt vortäuschen kann, so daß damit eine Störung der automatischen Einstellung der Objektpartie 1 in eine Bildebene des Objektivs k und des Zusatzobjektivs 2^ vermieden wird.

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Leerse ite

Claims

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Ansprüche

Bildubertragungseinrichtung zur Untersuchung von unzugänglichen Partien eines Objektes, beispielsweise Sonde zur Untersuchung von kanaIförmigen Objektpartion oder anderen Hohlräumen, mit mindestens einer einen kleinen Querschnitt sowie im Verhältnis zu diesem eine große Länge aufweisenden, BiIdinformationen leitenden Baugruppe mit mindestens einem fokussierbaren Glied sowie mit einer dieser Baugruppe zugeordneten Fokussiereinrichtung, dadurch gekennzeichnet, daß zur Erzeugung von für die Scharfeinstellung des Bildes einer Objektpartie erforderlichen elektrischen Signalen diese Fokussiertinriohtung einen ein Abbildungssystem (4), wenigstens eine zumindest in der Nähe der Bildebene (2) dieses Abbildungssystems (4) oder einer dieser konjugierten Ebene (1O) angeordnete, aperiodische, ungleichmäßige, in Sonderfällen gleiohmäßige, periodische Rasterstruktur (11) sowie ein letzterer zugeordnetes fotoelektrisches Empfängersystem (i4; 28, 29) enthaltenden optisohen Korrelator als Sensor umfaßt, der aus von den Objektpartien (1) ausgehenden und über deren Lage Informationen tragenden Lichtfliisson elektrische Ausgangssignale erzeugt, welche nach Auswertung in einer Auswerteelektronik (15) - gegebenenfalls nach Verstärkung und/oder Umformung -einer Stellvorrichtung (18) zum Verstellen des fokussierbaren Gliedes (20) zugeführt werden.

Bildübertragungseinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die optisohe Baugruppe (^,6,7,8) ein Bildleiterfaserbündel (6) enthält und daß die Teilung der Rasterstruktur (11) des Sensors sowohl

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an die Struktur der zu untersuchenden Partien des Objektes (1) als auch an die duroh den Querschnitt des Bildleiterfaserbündels (6) gegebene zusätzliche, das Bild einer Objektpartie überlagernden Struktur angepaßt ist.

3. Bildübertragungseinrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeiohnet, daß die Anpassung von Rasterstruktur (ii) und zusätzlicher, durch den Querschnitt des Bildleiterfaserblinde Is (6) gegebener Struktur derart erfolgt, daß die Extremwerte der Fourier-Transformierten der Struktur des Bildleiterfaserbündels (6) mit den Null-Stellen der Fourier-Transformierten der Rasterstruktur (ii) zusammenfallen.

4. Bildübertragungseinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der optische Korrelator (2, 11, 14, 28, 29) außer dem Abbildungssystem (4) zwecks zusätzlicher Abbildung der gleichen Objektpartie (i) ein weiteres System (24) enthält, dem eigene Bildleiterfaserbündel der optischen Baugruppe (6) zugeordnet sind, und daß Mittel (30) vorgesehen sind, welche die aus den Lageinformationen beinhaltenden Objektpartiebildorn beider Abbildungssysteme (4; 24) erzeugten elektrischen Signale bezüglich ihrer Phase auswerten.

Bei der Ausarbeitung sind berücksichtigt:

OT-AS 1 766 853 DT-PS 1 566 112

DT-PS 1 269 287 DT-AS 2 156 617

DT-GM 1 853 607 DT-PS 2 330 940

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