DE19904914A1 - Bildauflösende Detektoranordnung - Google Patents
Bildauflösende DetektoranordnungInfo
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Abstract
Auf einer bildauflösenden Detektoranordnung ist durch ein abbildendes optisches System (34) ein Bild einer Objektszene erzeugbar. Durch Bildelement-Auswahlmittel wird auf jedes der Detektorelemente (12; 62) nacheinander Strahlung von jeweils einem von mehreren benachbarten Bildelementen eines dem Detektorelement (12; 62) zugeordneten Bildbereichs geleitet. Dabei sind die Bildelement-Auswahlmittel von einem in einer Bildebene (36) angeordneten, in dieser Bildebene (36) schrittweise beweglichen Mikro-Blendenraster (22; 52) gebildet, das in jeder Stellung nur Strahlung von einem Teilbereich jedes einem Detektorelement (12; 62) zugeordneten Bildbereichs auf das Detektorelement (12; 62) gelangen läßt.
Description
Die Erfindung betrifft eine bildauflösende Detektoranordnung, auf welcher durch ein
abbildendes optisches System ein Bild einer Objektszene erzeugbar ist, mit einer
zweidimensionalen Anordnung von Detektorelementen und Bildelement-
Auswahlmitteln, durch welche auf jedes der Detektorelemente nacheinander Strahlung
von jeweils einem von mehreren benachbarten Bildelementen eines dem Detektorelement
zugeordneten Bildbereichs geleitet wird.
Eine solche Anordnung ist bekannt durch die DE 43 37 047 A1. Diese beschreibt eine
passive, bildauflösende Detektoranordnung mit einem Matrixdetektor, auf welchen durch
abbildende optische Mittel ein Bild einer Objektszene erzeugt wird und der aus einer
zweidimensionalen Anordnung von Detektorelementen besteht. Es ist ein
mikromechanisches Spiegelraster mit einer zweidimensionalen Anordnung von
Spiegelelementen vorgesehen. Jedes Spiegelelement ist durch binäre Steuersignale in
eine erste und eine zweite Schaltstellung schwenkbar. Durch ein erstes abbildendes
optisches System wird die Objektszene mit hoher Auflösung auf das mikromechanische
Spiegelraster abgebildet. Durch ein zweites optisches System wird das
mikromechanische Spiegelraster derart auf den Matrixdetektor abgebildet, daß auf jedes
Detektorelement jeweils eine Sub-Matrix des Mikromechanischen Spiegelrasters mit
einer Mehrzahl von Spiegelelementen abgebildet wird. Die Spiegelelemente leiten in der
ersten Schaltstellung die Abbildungsstrahlen an dem Matrixdetektor vorbei, während sie
in der zweiten Schaltstellung die Abbildungsstrahlen auf das jeweils zugeordnete
Detektorelement des Matrixdetektors leiten. Das mikromechanische Spiegelraster ist
derart ansteuerbar, daß in zyklischer Folge jeweils vorgegebene Spiegelelemente des
Sub-Matrizen in der zweiten Schaltstellung sind und die übrigen Spiegelelemente der
Sub-Matrix in der ersten Schaltstellung sind.
Auf diese Weise werden nacheinander Bilder von je einem Pixel pro Sub-Matrix durch
den Matrixdetektor erzeugt. Diese Bilder können dann "elektronisch" im Speicher
ineinandergeschachtelt werden. Es ergibt sich ein elektronisches Bild, dessen Auflösung
nicht durch den Matrixdetektor sondern durch das Spiegelraster bestimmt wird.
Durch die EP 0 133 890 B ist ein elektrooptisches Detektorsystem zur Erzeugung
elektronischer Bildinformation mit einem ladungsgekoppelten Matrixdetektor bekannt,
der aus einer Anordnung von Zeilen und Spalten quadratischer Detektorelemente besteht.
Zwischenräume zwischen den Detektorelementen haben eine Breite, die im wesentlichen
der Seitenlänge der Detektorelemente entspricht. Durch einen Taumelspiegel, der
nacheinander in vier Stellungen fortschaltbar ist und über den der
Abbildungsstrahlengang geleitet wird, wird ein Bild der Objektszene schrittweise relativ
zu dem Matrixdetetektor in die Echen eines Quadrats bewegt. Dadurch erfaßt jedes
Detektorelement zyklisch nacheinander vier aneinandergrenzende Bereiche des Bildes
der Objektszene. Die Bildinformationen werden dann in einem Rechner zu einem
durchgehenden "Bild" zusammengesetzt.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, die Auflösung einer bildauflösenden
Detektoranordnung mit einfachen Mitteln zu verbessern.
Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe dadurch gelöst, daß die Bildelement-
Auswahlmittel von einem in einer Bildebene angeordneten, in dieser Bildebene
schrittweise beweglichen Mikro-Blendenraster gebildet sind, das in jeder Stellung nur
Strahlung von einem Teilbereich jedes einem Detektorelement zugeordneten
Bildbereichs auf das Detektorelement gelangen läßt.
Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.
Ausführungsbeispiele der Erfindung sind nachstehend unter Bezugnahme auf die
zugehörigen Zeichnungen näher erläutert.
Fig. 1 ist eine schematisch-perspektivische Darstellung einer ersten Ausführung
der Erfindung,
Fig. 2 zeigt den Strahlengang einer bildauflösenden Detektoranordnung, bei
welcher mitttels eines mikrooptischen Stahlenablenk-Elements einerseits
unterschiedliche Bereiche eines Blickfeldes nacheinander auf einer
zweidimensionalen Detektoranordnung abbildbar sind und andererseits eine
Verbesserung der Auflösung ähnlich wie bei der Anordnung von Fig. 1
erfolgt,
Fig. 3 ist eine schematisch-perspektivische Darstellung und veranschaulicht den
Aufbau der optischen Systeme zur Erfassung verschiedener Blickfeld-
Abschnitte bei der bildauflösenden Detektoranordnung von Fig. 2,
Fig. 4 ist eine schematisch-perspektivische Darstellung und veranschaulicht die
Wirkungsweise des Strahlenablenk-Elements in Fig. 2.
In Fig. 1 ist mit 10 ein Ausschnitt aus einer zweidimensionalen Anordnung von
Detektorelementen bezeichnet. Der dargestellte Ausschnitt enthält vier quadratische
Detektorelemente 12. Die Kantenlänge eines Detektorelements 12 ist 40 µm. Die
Detektorelemente 12 sind auf der Rückseite eines Substrats 14 aus CdZnTe aufgebracht.
Auf der Vorderseite des Substrats ist ein Mikro-Linsenraster 16 mit geätzten. Linsen 18
gebildet. Das Rastermaß des Mikro-Linsenrasters 16 entspricht dem des Rasters der
Detektorelemente 12, beträgt also ebenfalls 40 µm. Jedem Detektorelement 12 ist somit
eine Linse 18 des Mikro-Linsenrasters 16 zugeordnet. Die Linsen 18 sind gleichachsig zu
den Detektorelementen 12 angeordnet.
Vor dem Substrat 14 mit den Detektorelementen 12 und dem Mikro-Linsenraster 16 sitzt
ein Substrat 20 mit einem Mikro-Blendenraster 22. Das Mikro-Blendenraster 22 besteht
aus quadratischen Blendenmustern 24 und hat ein Rastermaß von 40 µm, entsprechend
dem Rastermaß der Detektoranordnung 10 und des Mikro-Linsenrasters 16.
Jedes der quadratischen Blendenmuster 24 hat vier Quadranten. Davon ist jeweils der
erste Quadrant, links hinten in Fig. 1, lichtdurchlässig und bildet eine Blendenöffnung 26.
Die drei anderen Quadranten sind opak oder lichtundurchlässig. Die Quadranten haben
somit jeweils die Abmessungen 20 µm × 20 µm.
Das Substrat 20 mit dem Mikro-Blendenraster ist durch Piezosteller, die in Fig. 1 durch
Pfeile 28 und 30 angedeutet sind in 20 µm-Schritten in zwei zueinander senkrechten
Richtungen in vier Positionen verstellbar: In der ersten Position fluchten die
Blendenöffnungen 26 jeweils mit dem linken hinteren Quadranten der zugehörigen
Detektorelemente 12. In der zweiten Position ist das Mikro-Blendenraster durch den
Piezosteller 28 um einen 20 µm - Schritt nach rechts verschoben, so daß die
Blendenöfihungen 26 jeweils mit dem rechten, hinteren Quadranten der zugehörigen
Detektorelemente fluchten. In der dritten Position sind beide Piezosteller 28 und 30
aktiviert. Das Substrat 20 mit dem Mikro-Blendenraster 22 ist um einen 20 µm - Schritt
nach vorn und um einen 20 µm - Schritt nach rechts in Fig. 1 verschoben. In dieser
Position fluchten die Blendenöffnungen 26 jeweils mit dem rechten vorderen Quadranten
des zugehörigen Detektorelements 12. In der vierten Position schließlich ist der
Piezostelle 28 in seiner Ausgangsstellung, aber der Piezosteller 30 hat das Substrat 20 mit
dem Mikro-Blendenraster um einen 20 µm - Schritt nach vorn in Fig. 1 verschoben. Die
Blendenöffnungen 26 fluchten dann jeweils mit dem linken vorderen Quadranten des
zugehörigen Detektorelements 12. Die Piezosteller werden in zyklischer Folge
angesteuert.
Ein Bild einer Objektszene wird in der Ebene des Mikro-Blendenrasters 22, erzeugt. Auf
jedem der quadratischen Blendenmuster 24 werden vier benachbarte Bildelemente
erzeugt. Diese vier Bildelemente sind jeweils einem Detektorelement 12 zugeordnet. Von
diesen vier Bildelementen wird jeweils eines durch die Blendenöffnung 26 hindurch von
dem Detektorelement 12 erfaßt. Durch die zyklische Bewegung des Mikro-
Blendenrasters 22 in die vorstehend geschilderten vier Positionen erfaßt jedes
Detektorelement 12 nacheinander die vier ihm zugeordneten Bildelemente. Die Linsen 18
des Mikro-Linsenrasters 16 konzentrieren die Photonen in der Mitte der jeweils
zugehörigen Detektorelemente 12 und erhöhen so den Füllfaktor.
In Fig. 2 ist eine bildauflösende Detektoranordnung dargestellt, die es gestattet, mit einer
zweidimensionalen Anordnung 32 von Detektorelementen nacheinander verschiedene
Blickfelder oder verschiedene Abschnitte eines Blickfeldes zu erfassen, wobei auch diese
Abschnitte des Blickfeldes dann zu einem "elektronischen" Bild des Gesamtblickfeldes
zusammengesetzt werden. Diese Detektoranordnung enthält ein erstes abbildendes
optisches System 34. Das erste abbildende optische System erzeugt in einer
Zwischenbild-Ebene 35 übereinanderliegende Bilder von verschiedenen Abschnitten
eines Blickfeldes.
Zu diesem Zweck kann das erste abbildende optische System 34 ein Linsensystem 36
sein, dem in der Eintritts-Pupille eine Prismen-Struktur 38 in Form einer flachen
Pyramide vorgeschaltet ist. Man kann dann die Pupille in Sektoren 40, 42, 44 und 46
unterteilt denken, wobei der Strahlengang jedes Sektors durch eine zugehörige
Seitenfläche der Prismen-Struktur hindurchgeht. Dadurch werden verschiedene
Abschnitte des Blickfeldes übereinander in die Zwischenbild-Ebene 36 abgebildet.
Ein zweites abbildendes optisches System 48 bildet die Zwischenbild-Ebene 36 auf die
zweidimensionale Anordnung 32 von Detektorelementen ab.
In der Zwischenbild-Ebene 36 sitzt ein mikrooptisches Strahlenablenk-Element 50.
Dieses mikrooptische Strahlenablenk-Element 50 enthält zwei gegeneinander
verschiebbare mikrooptische Linsenraster 52 und 54 (Fig. 4). Davon ist das objektseitige
mikrooptische Linsenraster 52 von Sammellinsen 56 gebildet, und das bildseitige
mikrooptische Linsenraster 54 ist von Zerstreuungslinsen 58 gebildet. Das Linsenraster
52 kann relativ zu dem Linsenraster 54 verschoben werden. Dadurch erfolgt eine
Strahlenablenkung. Die Verschiebung erfolgt dann in der Weise, daß nacheinander
Strahlen aus den verschiedenen Sektoren 40, 42, 44 und 46 der Pupille des ersten
abbildenden optischen Systems 34 auf das zweite abbildende optische System 48 geleitet
und zur Erzeugung eines Bildes auf der Anordnung 32 von Detektorelementen
herangezogen werden. Dadurch können mit einer einzigen Anordnung 32 von
Detektorelementen nacheinander die verschiedenen Abschnitte des Blickfeldes erfaßt
werden. Diese Abschnitte werden dann im Speicher "elektronisch" zu einem Gesamtbild
des Blickfeldes oder der Objektszene zusammengesetzt. Dadurch kann ein großes
Blickfeld mit der Auflösung erfaßt werden, die von der Anordnung 32 von
Detektorelementen geliefert wird. Diese Anordnung 32 würde normalerweise nur ein
kleineres Gesichtsfeld erfassen.
Die Verschiebung des mikrooptischen Linsenrasters 52 relativ zu dem Linsenraster 54
zur Umschaltung zwischen den verschiedenen Abschnitten des Blickfelds sind klein
gegenüber dem Rastermaß. Das Linsenraster 52 wird dabei in "erste Stellungen" bewegt,
wobei es in jeder dieser Stellungen die Strahlen aus einem der Sektoren 40, 42, 44 und 46
auf das zweite optische System 48 lenkt. Das mikrooptische Linsenraster 52 ist nun so
ausgebildet und ansteuerbar, daß es in jeder der "ersten" Stellungen eine Erhöhung der
Auflösung der bildauflösenden Detektoranordnung bewirkt.
Zu diesem Zweck ist das mikrooptische Linsenraster 52, ähnlich wie in Fig. 1. als Mikro-
Blendenraster ausgebildet. Das Mikro-Blendenraster enthält ein Raster von quadratischen
Blendenmustern 60. Jedes Blendenmuster enthält wie in Fig. 1 vier Quadranten. Davon
enthält ein Quadrant eine Sammellinse 56. Diese entspricht der Blendenöffnung von
Fig. 1. Die übrigen drei Quadranten jedes Blendenmusters 60 sind opak. Das Rastermaß
des Mikro-Blendenrasters (Linsenraster 52) und des Linsenrasters 54 ist so gewählt, daß
das Blendenmuster bzw. doppelte Linsenraster 54 durch das zweite abbildende optische
System auf das Raster der zweidimensionalen Anordnung 32 von Detektorelementen
abgebildet wird, d. h. vier Quadranten des Blendenmusters 60 einem Detektorelement 62
zugeordnet sind. Bei dem Ausführungsbeispiel beträgt die Seitenlänge der quadratischen
Detektorelemente 62, wie in Fig. 1, 40 µm. Die Seitenlänge der quadratischen
Blendenmuster 60 bzw. eines Feldes von vier Zerstreuungslinsen 58 im Linsenraster 54
beträgt 100 µm. Das zweite optische System 42 verkleinert das Zwischenbild im
Verhältnis 1 : 2,5.
Ausgehend von den "ersten" Stellungen wird nun zusätzlich das als Blendenraster
ausgebildete mikrooptische Linsenraster wie in Fig. 1 nacheinander um das Rastermaß,
d. h. 50 µm, nach rechts und nach vorn in vier "zweite" Stellungen bewegt. Das geschieht
in der gleichen Weise wie im Zusammenhang mit Fig. 1 beschrieben ist. Dadurch werden
von jedem Detektorelement 62 nacheinander vier kleinere, den Quadranten
entsprechende, benachbarte Bildbereiche erfaßt. Auch diese so erfaßten Helligkeitswerte
können im Speicher "elektronisch" ineinandergeschachtelt werden zur Erzeugung eines
elektronischen Bildes höherer Auflösung.
Bei der Ausführung nach Fig. 2 bis 4 werden somit die beiden mikrooptischen
Linsenraster 52 und 54, die eine Erweiterung des Blickfeldes gestatten, durch
entsprechende Ausbildung und Ansteuerung des Linsenrasters gleichzeitig ausgenutzt,
um die Auflösung zu erhöhen.
Claims (7)
1. Bildauflösende Detektoranordnung, auf welcher durch ein abbildendes optisches
System (34) ein Bild einer Objektszene erzeugbar ist, mit einer zweidimensionalen
Anordnung (10; 32) von Detektorelementen (12; 62) und Bildelement-
Auswahlmitteln, durch welche auf jedes der Detektorelemente (12; 62)
nacheinander Strahlung von jeweils einem von mehreren benachbarten
Bildelementen eines dem Detektorelement (12; 62) zugeordneten Bildbereichs
geleitet wird, dadurch gekennzeichnet, daß die Bildelement-Auswahlmittel von
einem in einer Bildebene (36) angeordneten, in dieser Bildebene (36) schrittweise
beweglichen Mikro-Blendenraster (22; 52) gebildet sind, das in jeder Stellung nur
Strahlung von einem Teilbereich jedes einem Detektorelement (12; 62)
zugeordneten Bildbereichs auf das Detektorelement (12; 62) gelangen läßt.
2. Bildauflösende Detektoranordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,
daß
- a) die Abmessungen der rechteckigen Rasterelemente (24) des Mikro- Blendenrasters (22) den Abmessungen der Detektorelemente (12) der zweidimensionalen Anordnung (10) von Detektorelementen entspricht,
- b) von jeweils vier gleichen Quadranten der Rasterelemente (24) des Mikro- Blendenrasters (22) einer lichtdurchlässig und die drei anderen opak sind und
- c) das Mikro-Blendenraster (22) durch Stellmittel (28, 30) in zwei Richtungen relativ zu der zweidimensionalen Anordnungen (10) von Detektorelementen (12) um jeweils das halbe Rastermaß des Detektorrasters verstellbar ist.
3. Bildauflösende Detektoranordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet,
daß die Stellmittel von Piezostellern (28, 30) gebildet sind.
4. Bildauflösende Detektoranordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch
gekennzeichnet, daß zur gleichmäßigeren Ausleuchtung der Detektorelemente
(12) zwischen dem Mikro-Blendenraster (22) und der zweidimensionalen
Anordnung (10) von Detektorelementen (12) ein Mikro-Linsenraster (16) mit
gleichem Rastermaß angeordnet ist.
5. Bildauflösende Detektoranordnung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet,
daß das Mikro-Linsenraster (16) auf der Vorderseite eines Substrats (14)
angebracht ist, auf dessen Rückseite die Detektorelemente (12) gebildet sind.
6. Bildauflösende Detektoranordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,
daß
- a) zur Erfassung mehrerer Gesichtsfelder mittels der bildauflösenden Detektoranordnung ein erstes abbildendes optisches System (34) vorgesehen ist, in dessen Pupille eine Mehrzahl von Pupillen-Bereichen (40,42, 44, 46) gebildet sind, von denen jeder ein Gesichtsfeld auf einen gemeinsamen Bildebenen-Bereich abbildet,
- b) in dem gemeinsamen Bildebene-Bereich ein mikrooptisches Strahlenablenk- Element (50) in Form eines Paares gegeneinander verschiebbarer mikrooptischer Linsenraster (52, 54) angeordnet ist,
- c) das mikrooptische Strahlenablenk-Element (50) durch ein zweites abbildendes optisches System (48) auf die zweidimensionale Anordnung (32) von Detektorelementen (62) abbildbar ist,
- d) die Rasterelemente der mikrooptischen Linsenraster (52, 54) durch das zweite abbildende optische System (48) auf jeweils ein Detektorelement (62) der zweidimensionalen Anordnung (32) von Detektorelementen abbildbar sind,
- e) bei einem der Linsenraster (52) jedes Rasterelement (60) jeweils eine mikrooptische Linse (56) in einem Quadranten aufweist und in den drei übrigen Quadranten opak ist und
- f) die Linsenraster (52, 54) derart verschiebbar sind, daß
- - sie mit in aufeinanderfolgenden, ersten relativen Stellungen zeitlich nacheinander Strahlung aus den verschiedenen Pupillen-Bereichen (40,42, 44, 46) auf das zweite abbildende optische System (48) lenken und
- - in jeder der ersten Stellungen das Linsenraster (52) mit den opaken Quadranten um jeweils das Rastermaß in zwei Richtungen in zweite Stellungen verstellbar ist.
7. Bildauflösende Detektoranordnung, dadurch gekennzeichnet, daß ein Linsenraster
(52) von Sammellinsen (56) und das andere Linsenraster (54) von
Zerstreuungslinsen (58) gebildet ist.
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