Die Erfindung betrifft ein Abbildungssystem mit elektronischem
Bildsensor gemäß dem Gattungsbegriff des Patentanspruchs 1.The invention relates to an imaging system with electronic
Image sensor according to the preamble of claim 1.
Die Überwachung von Gebäudekomplexen mittels fest installierter, in
ihrer Blickrichtung in der Regel entlang der Gebäudefassade oder einer
Einzäunung eingestellter Videokameras ist seit vielen Jahren üblich.
Auch zur Zugangskontrolle (Personen oder Fahrzeuge) an Eingängen werden
vielfach solche Kameras eingesetzt. Darüber hinaus ist es bekannt,
Videokameras zur Inspektion von Hohlräumen (z. B. Kanalsysteme,
Behälter) auf beweglichen Sonden montiert zu verwenden. Dabei ist es
vielfach vorgesehen, die Kamera schwenkbar zu befestigen, um die
Blickrichtung des Objektivs verändern zu können. Wenn darüber hinaus
auch Vorkehrungen getroffen sind, die Brennweite des Objektivs der
Kamera zu variieren, besteht die Möglichkeit, durch entsprechende Wahl
eines Bildausschnitts Detailabbildungen mit höherer Auflösung zur
Verfügung zu stellen. In allen Fällen, in denen ein veränderbares
Bildfeld aufgenommen werden soll, ist es notwendig, mechanische
Einstellvorgänge durchzuführen (lineare oder rotatorische Bewegungen),
für die übliche maschinelle Antriebe (z. B. elektromotorisch,
magnetisch, hydraulisch, pneumatisch) zur Verfügung stehen, die
entsprechenden Einbauraum und eine geeignete Energieversorgung
benötigen. Insbesondere der erforderliche Einbauraum ist in manchen
Fällen störend oder verhindert sogar die Anwendung der Kamera.
Gemeinsames Merkmal aller bisherigen Videokamerasysteme ist das
Vorhandensein eines Objektivs, mit dem die von einem zu beobachtenden
Objekt ausgehenden Lichtsignale auf den elektronischen Bildsensor
gerichtet werden, der zur elektronischen Bilderzeugung benötigt wird.The monitoring of building complexes by means of permanently installed, in
their line of sight usually along the building facade or one
Fencing video cameras has been common for many years.
Also for access control (people or vehicles) at entrances
such cameras are widely used. In addition, it is known
Video cameras for inspection of cavities (e.g. duct systems,
Container) mounted on movable probes. It is
often intended to pivotally attach the camera to the
To be able to change the viewing direction of the lens. If beyond that
precautions are also taken, the focal length of the lens
To vary camera, there is the possibility by appropriate choice
a detail of the image with higher resolution
To make available. In all cases where a changeable
Image field to be recorded, it is necessary to mechanical
Carry out adjustment processes (linear or rotary movements),
for the usual mechanical drives (e.g. electromotive,
magnetic, hydraulic, pneumatic) are available
appropriate installation space and a suitable energy supply
need. In particular, the required installation space is in some
Cases annoying or even prevents the use of the camera.
This is a common feature of all previous video camera systems
Presence of a lens with which to be observed by one
Object outgoing light signals on the electronic image sensor
be directed, which is required for electronic image generation.
Aus dem DE 88 07 162 U1 ist einm Sehhilfegerät bekannt mit Merkmalen, wie sie im
Oberbegriff des Patentanspruchs 1 angegeben sind. Mit einem Überwachungssystem, wie
es erfindungsgemäß vorgesehen ist, hat dies nichts zu tun und es ist auch keine Lösung der
nachfolgenden Aufgabe möglich. Eine veränderliche Einstellung des Blickfeldes ohne
konventionelle maschinelle Antriebe wäre bspw. nicht möglich.From DE 88 07 162 U1 a visual aid is known with features such as those in
The preamble of claim 1 are specified. With a surveillance system like
it is provided according to the invention, this has nothing to do and it is also not a solution to the
following task possible. A variable adjustment of the field of view without
For example, conventional mechanical drives would not be possible.
Weitere optische Abtastsysteme sind aus den DE-Patentschriften 31 42 186 C1m 28 00 473 C2
und 27 52 828 C2, sowie der DE-Veröffentlichung "Sensor 93" Kongreßband V, S. 63-67
bekannt, und zwar mit in ihrer Winkelstellung beeinflußbaren Spiegelsystemen.Further optical scanning systems are known from DE-Patent 31 42 186 C1m 28 00 473 C2
and 27 52 828 C2, as well as the DE publication "Sensor 93" Kongreßband V, pp. 63-67
known, with mirror systems that can be influenced in their angular position.
In der Veröffentlichung "Micromechanical Polysilicon Shutters And
Mirrors For Light Modulator Arrays" (aus: Sensor 93, Kongressband V,
Seite 63-67) werden mikromechanische Bauelementstrukturen beschrieben,
die auf einem Siliziumsubstrat untergebracht sind und deren
geometrische Abmessungen im Bereich von einigen 10-5 m liegen. Es
handelt sich dabei unter anderem auch um kleine beweglich angebrachte
Kippelemente mit spiegelnden Flächen ("mikromechanische
Spiegelelemente"), deren Auslenkung z. B. mittels elektrostatischer
Effekte bewirkt werden kann. Wesentlich dabei ist der Umstand, daß das
Kippen innerhalb kurzer Reaktionszeiten allein durch Anlegen einer
geeigneten elektrischen Spannung ausgelöst wird. Der Leistungsbedarf
hierfür ist also nahezu null. Bisher realisierte Lösungen für derartige
Bauelemente erlauben Kippwinkel von +14° bis -14°. Es sind
Entwicklungen im Gange, die einen Kippwinkel von bis zu 90° ermöglichen
sollen, Bedampft man die ebene Oberfläche eines solchen Kippelementes
mit einer hochreflektierenden Metallschicht, so erhält man einen in
seiner Blickrichtung veränderbaren hochwertigen Mikrospiegel. Durch
Anordnung einer Vielzahl solcher Mikrospiegel oder Spiegelelemente auf
einem Siliziumsubstrat dicht nebeneinander gelangt man zu einem
Spiegelarray, dessen Elemente einzeln ansteuerbar sind.The publication "Micromechanical Polysilicon Shutters And Mirrors For Light Modulator Arrays" (from: Sensor 93, Congress Book V, page 63-67) describes micromechanical component structures which are accommodated on a silicon substrate and whose geometric dimensions are in the range from a few 10 -5 m lie. These include, among other things, small movably mounted tilting elements with reflecting surfaces ("micromechanical mirror elements"), the deflection of which, for. B. can be effected by means of electrostatic effects. It is essential that the tilting is triggered within a short reaction time simply by applying a suitable electrical voltage. The power requirement for this is therefore almost zero. Solutions for such components that have been implemented to date allow tilt angles of + 14 ° to -14 °. Developments are underway that should enable a tilt angle of up to 90 °. If you vapor-coat the flat surface of such a tilting element with a highly reflective metal layer, a high-quality micromirror that can be changed in the direction of view is obtained. By arranging a large number of such micromirrors or mirror elements close to one another on a silicon substrate, one arrives at a mirror array whose elements can be controlled individually.
Aufgabe der Erfindung ist es, ein neuartiges Abbildungssystem
vorzuschlagen, das im Hinblick auf seine Verwendungsmöglichkeiten neue
Anwendungsfelder eröffnet und bei dem die Einstellung veränderter
Bildfelder möglich ist, ohne daß hierzu konventionelle maschinelle
Antriebe notwendig sind.The object of the invention is a novel imaging system
propose that new in terms of its uses
Application fields opened and where the attitude changed
Image fields is possible without using conventional mechanical
Drives are necessary.
Gelöst wird diese Aufgabe erfindungsgemäß durch ein Abbildungssystem
mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1. Vorteilhafte Weiterbildungen
der Erfindung sind in den Unteransprüchen 2 bis 14 angegeben.According to the invention, this object is achieved by an imaging system
with the features of claim 1. Advantageous further developments
the invention are specified in subclaims 2 to 14.
Der Erfindung liegt der Gedanke zugrunde, ein mikromechanisches
Spiegelarray als Bestandteil einer Optik für ein Abbildungssystem, z. B.
eine Kamera, zu verwenden. Die jeweils abzubildende Bildfläche wird
über das Spiegelarray dem elektronischen Bildsensor zugeführt, d. h. die
für die Abbildung genutzten, vom zu beobachtenden Objekt in der
Bildfläche ausgehenden Lichtsignale werden an den Spiegelelementen
durch geeignete Einstellung des Kippwinkels gezielt reflektiert und auf
den Bildsensor gelenkt, wo die auftreffenden Lichtsignale zur
Entstehung eines "elektronischen Abbildes" führen. Dieses Abbild läßt
sich analog oder digital aufzeichnen oder durch einen Monitor für einen
beliebig entfernten Betrachter wieder sichtbar machen.The invention is based on the idea of a micromechanical
Mirror array as part of an optical system for an imaging system, e.g. B.
a camera to use. The image area to be displayed is
fed to the electronic image sensor via the mirror array, d. H. the
used for the illustration, from the object to be observed in the
Outgoing light signals are on the mirror elements
by means of suitable adjustment of the tilting angle and reflected on
steered the image sensor where the incident light signals to
Lead to the creation of an "electronic image". This image leaves
record yourself analog or digital or through a monitor for one
make any distant viewer visible again.
Dadurch, daß die einzelnen Spiegelelemente in ihrer Ausrichtung
unabhängig voneinander variiert werden können, ist es möglich, die
gesamte Spiegelfläche in Gruppen von Spiegelelementen (Spiegelsegmente)
zu unterteilen und innerhalb jeder Gruppe die gleiche Blickrichtung,
zwischen den Gruppen aber unterschiedliche Blickrichtungen
einzustellen. Auf diese Weise kann der Bildsensor gleichsam zur selben
Zeit in mehrere verschiedene Richtungen "sehen" und entsprechende
Teilabbildungen erfassen. Beispielsweise könnte das Spiegelarray in
vier Quadranten eingeteilt sein, von denen jeder eine andere
Blickrichtung aufweist, um auf diese Weise gleichzeitig vier
verschiedene Szenen aus der gesamten Bildfläche beobachten zu können.
Dabei ist es selbstverständlich zu berücksichtigen, daß die
Bildqualität, d. h. die Auflösung enmtsprechend geringer ist gegenüber
dem Fall, daß sämtliche Spiegelsegmente, also alle Spiegelsegmente auf
dieselbe (Teil-)Szene gerichtet sind. Die Auflössung ist umso höher, je
größer die auf eine Szene gerichtete effektive Spiegelfläche ist, also
je mehr Spiegelelemente diese Szene anvisieren.The fact that the individual mirror elements in their orientation
can be varied independently, it is possible to
entire mirror surface in groups of mirror elements (mirror segments)
to subdivide and look in the same direction within each group,
but different perspectives between the groups
adjust. In this way, the image sensor can be said to be the same
"See" time in several different directions and corresponding
Capture partial images. For example, the mirror array in
four quadrants can be divided, each one a different one
Has viewing direction to four in this way at the same time
to be able to observe different scenes from the entire picture area.
It goes without saying that the
Image quality, d. H. the resolution is correspondingly lower compared to
in the event that all mirror segments, that is, all mirror segments
are directed to the same (partial) scene. The resolution is the higher, the
larger the effective mirror surface directed at a scene, so
the more mirror elements target this scene.
Die Spiegelelemente sollten sich möglichst auf wesentlich mehr als zwei
definierte Stellungen einstellen lassen, um möglichst viele
Blickrichtungen realisieren zu können. Am günstigsten in dieser
Hinsicht ist selbstverständlich eine stufenlose Einstellbarkeit.
Vorteilhaft ist auch ein möglichst großer Einstellbereich für den
Kippwinkel. Darüber hinaus wird die Flexibilität in der Einstellung des
Blickwinkels wesentlich erhöht, wenn Spiegelelemente verwendet werden,
die sich um zwei unterschiedliche Drehachsen (möglichst um 90°
zueinander verdreht) schwenken lassen, so daß die Blickrichtung nicht
nur innerhalb einer vorgegebenen "Blickebene", sondern räumlich
verändert werden kann. Die Ansteuerung von einzelnen Spiegelelementen
oder gruppenweise von Spiegelsegmenten (z. B. durch Anlegen einer
geeigneten Steuerspannung) wird über eine entsprechende elektronische
Steuerung vorgenommen, die auf demselben Siliziumsubstrat
(elektronischer Chip) untergebracht sein sollte.The mirror elements should, if possible, be much more than two
Have defined positions set to as many as possible
To be able to realize viewing directions. The cheapest in this
Regardless, a stepless adjustability is of course.
It is also advantageous to have the largest possible setting range for the
Tilt angle. In addition, the flexibility in hiring the
Viewing angle significantly increased if mirror elements are used,
which are about two different axes of rotation (if possible by 90 °
rotated towards each other) so that the line of sight does not
only within a given "viewing level", but spatially
can be changed. The control of individual mirror elements
or in groups of mirror segments (e.g. by creating a
suitable control voltage) is via a corresponding electronic
Control made on the same silicon substrate
(electronic chip) should be housed.
Vorteilhaft ist es, die elektronische Steuerung so zu programmieren,
daß der Blickwinkel des gesamten Spiegelarrays oder auch einzelner
Segmente kontinuierlich oder in diskreten, zeitlich getakteten
Schritten fortlaufend verändert wird, so daß eine Schwenkbewegung über
das Bildfeld erzeugt werden kann. Bei einer herkömmlichen Videokamera
ist eine solche Art der Betrachtung nur möglich, wenn die Kamera selbst
entsprechend geschwenkt wird. In diesem Zusammenhang ergeben sich
besondere Vorteile, wenn das erfindungsgemäße Abbildungssystem mit
einer Bildauswerteelektronik kombiniert wird, die zweckmäßig auf dem
als Bildsensor verwendeten Siliziumsubstrat angeordnet wird. Eine
solche Bildauswerteelektronik ist in der Anlage, anhand gespeicherter
Entscheidungskriterien zu untersuchen, ob der jeweils erfaßte
Bildinhalt, der aus mehreren Teilszenen zusammengesetzt sein kann,
besondere bedeutsame Einzelheiten enthält. Die Bildauswerteelektronik
wird in bevorzugter Weise informationstechnisch mit der elektronischen
Steuerung für die Einstellung des Kippwinkels der mikromechanischen
Spiegelelemente verbunden, so daß die Feststellung bedeutsamer
Einzelheiten zu einer Änderung der jeweiliggen Blickrichtung der
Spiegelelemente genutzt werden kann. Dies kann insbesondere in der
Weise erfolgen, daß abweichend von einer Normalbetriebsart, bei der
alle oder zumindest ein Großteil der Segmente des Spiegelarrays in
unterschiedliche Richtungen blicken, die elektronische Steuerung auf
eine Sonderbetriebsart umgeschaltet wird, in der alle oder zumindest
ein Großteil der Segmente in ihrer Blickrichtung auf die ermittelte
bedeutsame Einzelheit eingestellt werden, so daß die
Abbildungsgenauigkeit (Auflösung) dieser Einzelheit wesentlich erhöht
wird und somit ein verbesserter Informationsumfang z. B. für das
Überwachungspersonal einer technischen Anlage zur Verfügung gestellt
werden kann. Die elektronische Steuerung kann so eingerichtet sein, daß
von dem erfindungsgemäßen Abbildungssystem nur dann eine
Bildinformation über eine entsprechende Datenleitung an ein
Aufzeichnungsgerät oder an einen Monitor weitergegeben wird, wenn eine
bedeutsame Einzelheit entdeckt wurde. Hierdurch läßt sich der Umfang
der in dieser Weise übermittelten Daten auf einen kleinen Bruchteil
dessen reduzieren, was bei herkömmlicher Videokameratechnik anfallen
würde.
It is advantageous to program the electronic control so
that the viewing angle of the entire mirror array or even individual
Segments continuously or in discrete, timed
Steps is changed continuously, so that a pivoting movement over
the image field can be generated. With a conventional video camera
Such a way of viewing is only possible if the camera itself
is pivoted accordingly. In this context arise
special advantages if the imaging system according to the invention with
an image evaluation electronics is combined, which is expedient on the
Silicon substrate used as an image sensor is arranged. A
such image evaluation electronics is stored in the system
Decision criteria to examine whether the one recorded
Image content that can be composed of several partial scenes,
contains special significant details. The image evaluation electronics
is preferably information technology with the electronic
Control for setting the tilt angle of the micromechanical
Mirror elements connected so that the finding is more significant
Details of a change in the respective viewing direction of the
Mirror elements can be used. This can be particularly true in the
Way that deviate from a normal operating mode in which
all or at least a large part of the segments of the mirror array in
the electronic control looks at different directions
a special mode is switched in which all or at least
a large part of the segments looking in the direction of the determined
significant detail can be set so that the
Mapping accuracy (resolution) of this detail increased significantly
is and thus an improved amount of information z. B. for that
Supervision personnel of a technical system provided
can be. The electronic control can be set up so that
then only one of the imaging system according to the invention
Image information via a corresponding data line
Recording device or passed on to a monitor if one
significant detail was discovered. This allows the scope
of the data transmitted in this way to a small fraction
reduce what occurs with conventional video camera technology
would.
Mit besonderem Vorteil läßt sich das erfindungsgemäße Abbildungssystem
als Teil einer sicherheitstechnischen Anlage zur Raum- oder
Gebäudeüberwachung einsetzen. Beim Auftreten besonderer Ereignisse wie
etwa im Falle einer Annäherung von Personen an eine überwachte
Gebäudefassade können beispielsweise die einzelnen Spiegelsegmente, die
vorher (im Normalbetrieb) alle auf verschiedene Teilbereiche der
Fassade gerichtet waren, auf den Bildteil dieser Personengruppe
gerichtet werden, um genauere Einzelheiten erkennbar zu machen. Ein
weiteres großes Anwendungsspektrum ergibt sich in Zusammenhang mit der
Inspektion von Hohlräumen, wie beispielsweise Tanks, Rohrleitungen,
chemische Reaktoren usw., wo das erfindungsgemäße Abbildungssystem Teil
einer Inspektionssonde sein kann. Bei solchen Anwendungen ist es
vielfach sehr vorteilhaft, wenn bei unveränderter Lage der Sonde
dennoch ein Rundumblick erhalten werden kann. Ein Rundumblick kann zwar
auch mit herkömmlicher Kameratechnik erzeugt werden, ohne die Kamera
selbst zu bewegen, wenn als Objektiv ein sogenanntes Fischauge
verwendet wird. Das hat jedoch den Nachteil, daß es stark verzerrte
Abbildungen liefert. Dies ist bei der Erfindung nicht der Fall.
Ansonsten lassen sich unverzerrte Rundumabbildungen mit herkömmlichen
Kameras nur dann erzeugen, wenn die Kamera jeweils selbst entsprechend
geschwenkt wird. Hierfür sind geeignete Schwenkvorrichtungen
vorzusehen, die zusätzlichen Bauraum erfordern und mit entsprechenden
Herstell- und Betriebskosten verbunden sind. Dies alles entfällt bei
dem vorgeschlagenen System. Die mikromechanischen
Fertigungsmöglichkeiten bieten den Vorteil extrem kompakter Bauweise
bei niedrigen Herstellkosten, wobei zusätzlich eine gute
Reproduzierbarkeit bei extremer Präzision gewährleistet ist. Der
elektrische Leistungsbedarf ist dabei äußerst gering.The imaging system according to the invention is particularly advantageous
as part of a security system for room or
Use building surveillance. When special events such as
for example in the event of people approaching a monitored one
Building facade can, for example, the individual mirror segments that
beforehand (in normal operation) all on different sections of the
Facade were aimed at the picture part of this group of people
directed to reveal more precise details. A
Another large application spectrum arises in connection with the
Inspection of cavities such as tanks, pipes,
chemical reactors, etc., where the imaging system according to the invention part
an inspection probe. In such applications it is
often very advantageous if the position of the probe remains unchanged
an all-round view can still be obtained. A panoramic view can
can also be generated with conventional camera technology without the camera
to move even if a so-called fish eye as a lens
is used. However, this has the disadvantage that it is very distorted
Supplies pictures. This is not the case with the invention.
Otherwise, undistorted all-round images can be created with conventional ones
Generate cameras only if the camera itself accordingly
is pivoted. Suitable swivel devices are available for this
to provide that require additional space and with appropriate
Manufacturing and operating costs are connected. All of this does not apply to
the proposed system. The micromechanical
Manufacturing options offer the advantage of extremely compact design
at low manufacturing costs, with an additional good one
Reproducibility with extreme precision is guaranteed. Of the
electrical power requirement is extremely low.