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Dokumentenidentifikation DE102004020615B4 22.02.2007
Titel Verfahren und Vorrichtung zur Abbildung einer Objektszene auf einen Detektor
Anmelder Diehl BGT Defence GmbH & Co. KG, 88662 Überlingen, DE
Erfinder Tholl, Hans Dieter, Dr., 88690 Uhldingen-Mühlhofen, DE;
Baumann, Rainer, 88662 Überlingen, DE;
Krogmann, Dirk, 88690 Uhldingen-Mühlhofen, DE
DE-Anmeldedatum 27.04.2004
DE-Aktenzeichen 102004020615
Offenlegungstag 24.11.2005
Veröffentlichungstag der Patenterteilung 22.02.2007
Veröffentlichungstag im Patentblatt 22.02.2007
IPC-Hauptklasse G02B 23/12(2006.01)A, F, I, 20051017, B, H, DE

Beschreibung[de]

Die Erfindung geht aus von einem Verfahren zur Abbildung einer Objektszene auf einen Detektor, bei dem wenigstens ein erster und ein zweiter Ausschnitt aus einer Objektszene in eine Zwischenbildebene abgebildet werden, bei dem zwei in der Zwischenbildebene angeordnete optische Elemente in eine erste Relativposition zueinander gebracht werden und bei dem während einer ersten Integrationsphase nur der erste Ausschnitt der Objektszene durch die optischen Elemente auf den Detektor abgebildet wird und der Detektor die Abbildung erfasst, dann in einer Bewegungsphase mindestens eines der Elemente durch einen Antrieb aus der ersten Relativposition in eine zweite Relativposition bewegt wird und während einer nachfolgenden zweiten Integrationsphase nur der zweite Ausschnitt der Objektszene durch die optischen Elemente auf dem Detektor abgebildet wird und der Detektor die Abbildung erfasst.

Die Erfindung geht außerdem aus von einer Vorrichtung zur Abbildung einer Objektszene auf einen Detektor mit zwei in einer Zwischenbildebene angeordneten optischen Elementen, einem Detektor, einem Antrieb zur Bewegung mindestens eines der optischen Elemente relativ zum anderen optischen Element und einer Steuereinheit zur Steuerung der Bewegung, wobei wenigstens ein erster und ein zweiter Ausschnitt aus einer Objektszene in die Zwischenbildebene abgebildet werden und wobei die Steuereinheit zu einer Bewegung der optischen Elemente in eine erste Relativposition zueinander, in der nur der erste Ausschnitt der Objektszene durch die optischen Elemente auf dem Detektor abgebildet wird, und zur Steuerung einer ersten Integrationsphase, in der der Detektor die Abbildung erfasst, vorbereitet ist, und die Steuereinheit in einer Bewegungsphase zur Bewegung der optischen Elemente durch den Antrieb aus der ersten Relativposition in eine zweite Relativposition, in der nur der zweite Ausschnitt der Objektszene durch die optischen Elemente auf dem Detektor abgebildet wird, und zur Steuerung einer zweiten Integrationsphase, in der der Detektor die Abbildung erfasst, vorbereitet ist.

Zur Überwachung eines Luftraums in der Umgebung eines Luftfahrzeugs, Flugkörpers oder vom Boden aus ist es vorteilhaft, einen großen Ausschnitt der Umgebung mit hoher Auflösung auf einen Detektor abbilden zu können. Zu diesem Zweck ist aus der DE 197 42 462 A1 bekannt, vier Ausschnitte einer Objektszene der Umgebung zeitlich hintereinander auf einen Detektor abzubilden. Hierdurch kann die Auflösung der Abbildung vervierfacht werden. Zum schnellen Umschalten der Blickrichtung des Detektors von einem auf einen nächsten Ausschnitt werden zwei in der Zwischenbildebene angeordnete Mikrolinsengitter gegeneinander verschoben. Durch die zeitliche Abfolge von vier Abbildungen zur Erlangung eines Gesamtbilds der Objektszene dauert die Erzeugung des Gesamtbilds relativ lange.

Die DE 34 32 392 C2 offenbart die Abbildung einer Objektszene auf einen Detektor, wobei die Objektszene als Ganzes mittels optischer Elemente auf einen Detektor abgebildet wird. Zur Erhöhung der Auflösung wird mindestens eines der optischen Elemente derart in Schwingung gehalten, dass das Abbild der gesamten Objektszene auf dem Detektor hin- und herwobbelt. Dadurch wird erreicht, dass Teile des Abbilds der Objektszene, die bei starrer Abbildung zwischen einzelnen Bildaufnahmeelementen des Detektors liegen, auf Bildaufnahmeelemente geschoben und dadurch ebenfalls aufnehmbar sind, was zu einer Erhöhung der Auflösung der Abbildung führt. Dabei wird zu jedem Zeitpunkt die gesamte Objektszene auf den Detektor abgebildet, es erfolgt also keine Abbildung eines Ausschnitts auf den Detektor im optischen Sinne. Aufgrund der beschränkten Auflösung des Detektors wird hierbei lediglich ein Teil der Objektszene erfasst.

Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Abbildung einer Objektszene auf einen Detektor anzugeben, mit denen eine schnelle Abbildung der Objektszene auf den Detektor erreicht werden kann.

Die auf das Verfahren gerichtete Aufgabe wird durch ein Verfahren der eingangs genannten Art gelöst, bei dem erfindungsgemäß mindestens ein optisches Element während der Integrationsphasen und der Bewegungsphase in Schwingung gehalten wird.

Die Erfindung geht von der Überlegung aus, dass eine schnelle Abbildung der Objektszene durch ein schnelles Umschalten der optischen Elemente erreichbar ist, so dass die Ausschnitte in schneller Folge auf den Detektor abgebildet werden. Hierzu muss die Position der beiden optischen Elemente zueinander innerhalb einer kurzen Bewegungsphase aus einer ersten in eine zweite Relativposition gebracht werden. Bei einer schnellen Bewegung wird zumindest eines der optischen Elemente stark beschleunigt und stark abgebremst, so dass der die Bewegung verursachende Antrieb starken Kräften und somit einer hohen Abnutzung unterworfen ist. Hierdurch ist einer Steigerung der Abfolgegeschwindigkeit von mehreren Abbildungen auf den Detektor eine Grenze gesetzt.

Die Erfindung geht von der weiteren Überlegung aus, dass bei einer Ansteuerung des Antriebs mit einer Sprungfunktion der Antrieb und mit ihm das angetriebene optische Element bis zur Erreichung einer Ruheposition um eine Mittellage schwingt und eine Integration des Detektors erst gestartet werden kann, wenn die Schwingung unter eine vorgegebene Grenze abgeklungen und eine gewünschte Ortsgenauigkeit des bewegten optischen Elements erreicht ist. Eine Verringerung von Beschleunigungen des Antriebs und des optischen Elements kann erreicht werden, wenn der Antrieb so angesteuert wird, dass das optische Element während der Integrationsphasen innerhalb der Ortsgenauigkeit in Schwingung gehalten wird, so dass dem optischen Element eine Bewegungsenergie verbleibt, die zum Verlassen der Ruheposition nach einer abgeschlossenen Integrationsphase genutzt werden kann. Auf eine starke Beschleunigung des optischen Elements bzw. eine kräftige Ansteuerung des Antriebs sowie Anschläge zum Stoppen des optischen Elements kann verzichtet werden. Außerdem können aufwendige Antriebsregelungen wegfallen. Des Weiteren kann der Energieverbrauch durch die Vermeidung starker Beschleunigungen in Bezug auf herkömmliche Antriebe verringert werden.

Die Erfindung kann auf zwei oder mehrere optische Elemente angewendet werden. Die Objektszene kann beliebig groß und im Minimalfall auf zwei Pixel beschränkt sein. Unter einem Antrieb wird ein Element verstanden, das zur Bewegung zumindest eines der optischen Elemente mit einem Signal, beispielsweise einer Spannung, angesteuert wird und das als Reaktion auf das Signal eine Bewegung vollführt, z.B. schwingt. Das Erfassen der Abbildung durch den Detektor kann durch eine Integration von strahlungsbedingtem Stromfluss innerhalb des Detektors erfolgen.

Anstatt zwei verschiedene Ausschnitte auf den Detektor abzubilden, ist es auch möglich, nur einen Ausschnitt zwei- oder mehrfach auf den Detektor abzubilden und durch eine Veränderung der Strahlablenkung der optischen Elemente eine Änderung einer Frequenzeigenschaft der auf den Detektor auftreffenden Strahlung zu bewirken, beispielsweise eine Änderung der Frequenz, der Polarisation oder der Laufzeit.

Eine besonders geringe Beschleunigung innerhalb des Antriebs und damit des optischen Elements kann erreicht werden, wenn die Ansteuerung des Antriebs mit Signalen zur Erzeugung einer harmonischen Schwingung erfolgt. Unter einer harmonischen Schwingung wird eine Bewegung verstanden, die in kartesischen Koordinaten mit höchstens drei, insbesondere höchstens zwei Sinus- und/oder Kosinus-Termen angegeben werden kann. Insbesondere ist die harmonische Schwingung durch folgende Darstellung beschreibbar: y(&phgr;) = A sin (n&phgr; + &pgr;) – B sin (m&phgr;) z(&phgr;) = A cos (n&phgr; + &pgr;) + B cos (m&phgr;), wobei y die Bewegung des optischen Elements oder die Ansteuerung des Antriebs in y-Richtung und z die Bewegung des gleichen oder eines anderen optischen Elements oder die Ansteuerung eines Antriebs in z-Richtung ist. Mit &phgr; wird die zeitlich kontinuierlich sich verändernde unabhängige Variable bezeichnet, und A, B, n und m sind frei wählbare Parameter. Die Bewegung in y- und z-Richtung kann durch ein optisches Element vollführt werden, wobei es auch möglich ist, dass ein optisches Element die Bewegung in y-Richtung und ein optisches Element die Bewegung in z-Richtung vollführt, so dass eine zweidimensionale Relativbewegung der optischen Elemente zueinander erreicht wird.

Zweckmäßigerweise wird als Frequenz für die Schwingung eine Resonanzfrequenz des Antriebs gewählt. Die Kräfte im Antrieb können gering gehalten und die Schwingung kann mit geringem Energieaufwand aufrechterhalten werden. Außerdem kann auf einen Verstärker verzichtet und eine Schwingungsregelung einfach gehalten sein oder sogar weggelassen werden. Um einem unerwünschten Aufschwingen des Antriebs durch Vibrationen von außen entgegenzuwirken, wird die Resonanzfrequenz vorteilhafterweise größer 800 Hz gewählt. Vibrationen in einem Luftfahrzeug oder Flugkörper liegen üblicherweise unterhalb von etwa 600 Hz, so dass eine hohe Resonanzfrequenz über 800 Hz durch solche Vibrationen nicht angeregt wird.

Ein weiterer Vorteil kann erreicht werden, wenn der Antrieb als piezoelektrischer Antrieb ausgeführt ist. Ein solcher Antrieb erlaubt eine schnelle Bewegung des optischen Elements und ermöglicht gleichzeitig eine stabile und stoßfeste Lagerung des optischen Elements. Außerdem weist ein piezoelektrischer Antrieb eine ausgeprägte Resonanzfrequenz auf, in der der Antrieb sehr frequenzstabil, mit wenig Energie und mit hoher Unempfindlichkeit gegen Stöße betrieben werden kann.

Es wird außerdem vorgeschlagen, dass eine unerwünschte Beschleunigung eines optischen Elements mit Hilfe eines Beschleunigungssensors erfasst wird. Ein unerwünschtes Aufschwingen der optischen Elemente, beispielsweise durch eine von außen einwirkende Vibration, kann erfasst und in die Auswertung der aufgenommenen Abbildungen einbezogen werden. Durch ein Entgegenwirken des Antriebs gegen eine unerwünschte Beschleunigung kann ein Aufschwingen verhindert werden. Außerdem können die optischen Elemente auch bei Vibrationen von außen in einer exakten Relativposition gehalten werden, so dass eine hohe Bildqualität erreicht werden kann.

Eine hohe Aufnahmefrequenz von aufeinander abfolgenden Bildern kann erreicht werden, wenn durch eine geringe Veränderung der Relativposition der zwei optischen Elemente zueinander eine große Strahlablenkung durch die optischen Elemente erreicht wird. Eine solche Strahlablenkung kann durch optische Elemente realisiert werden, die jeweils ein Gitter aus Mikrolinsen sind. Hierbei können ein Gitter mit Zerstreuungslinsen und ein Gitter mit Sammellinsen zusammenwirken.

Eine kostengünstige Aktuatorik mit im einfachsten Fall nur zwei Antrieben kann erreicht werden, indem ein erstes optisches Element in einer ersten linearen Schwingungsrichtung bewegt wird und ein zweites optisches Element in einer zur ersten senkrechten zweiten linearen Schwingungsrichtung bewegt wird. Es kann eine frei wählbare zweidimensionale Schwingungsbewegung der beiden optischen Elemente relativ zueinander erzeugt werden. Anstelle der senkrechten Ausrichtung der Schwingungsrichtungen relativ zueinander ist es auch möglich, die Schwingungsrichtungen schräg zueinander auszurichten.

In einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung werden beide optischen Elemente durch jeweils zwei harmonisch schwingende Antriebe bewegt. Die Antriebe werden besonders gering mechanisch belastet und können eine lange Betriebszeit erreichen. Die harmonische Schwingung der Antriebe kann durch eine Ansteuerung der Antriebe mit harmonischen Steuersignalen erreicht werden. Insbesondere schwingen die Antriebe in erster Ordnung harmonisch, also mit nur einem Sinus- oder Kosinusterm, so dass bezüglich obigen Formeln gilt: A = 0 oder B = 0.

Vorteilhafterweise wird mindestens ein optisches Element im Kreis bewegt. Die Beschleunigung auf das optische Element und auf den Antrieb kann besonders gering gehalten werden. Zweckmäßigerweise werden beide optischen Elemente im Kreis bewegt, wodurch eine besonders hohe Ortsgenauigkeit der Abbildung auf den Detektor während der Integrationsphasen erreicht werden kann. Bei einer vorteilhaften gleichförmigen Bewegungsgeschwindigkeit von zumindest einem optischen Element kann eine zeitkontinuierliche radiale Beschleunigung auf das optische Element erreicht werden, was besonders materialschonend für das optische Element und den Antrieb ist. Eine besonders hohe Ortsgenauigkeit, also eine geringe Relativbewegung der beiden optischen Elemente zueinander während der Integrationsphasen, kann erreicht werden, indem die optischen Elemente in entgegengesetzte Richtungen bewegt werden.

Zweckmäßigerweise wird ein erstes optisches Element mit einer ersten Frequenz und einer ersten Amplitude und ein zweites optisches Element mit einer zweiten Frequenz und einer zweiten Amplitude bewegt, wobei der Quotient aus erstem Produkt aus erster Frequenz und erster Amplitude und zweitem Produkt aus zweiter Frequenz und zweiter Amplitude zwischen 0,8 und 1,2, insbesondere zwischen 0,9 und 1,1 liegt. Mit einer solchen Bewegung der optischen Elemente kann eine besonders hohe Ortsgenauigkeit während der Integrationsphasen erreicht werden.

Ein besonders geeignetes Verhältnis von Frequenzen und Amplituden wird erreicht, wenn der Quotient aus erster Amplitude und zweiter Amplitude und der Quotient aus zweiter Frequenz und erster Frequenz jeweils 3 ist. Die Relativbewegung zwischen den optischen Elementen beschreibt eine Astroide, also eine sternförmige ebene Kurve mit vier auf einem Kreis liegenden Spitzen. In dieser Form kann eine lange Phase mit einer relativ geringen Bewegung zwischen den optischen Elementen erreicht werden.

Die auf die Vorrichtung gerichtete Aufgabe wird durch eine Vorrichtung der eingangs genannten Art gelöst, bei der erfindungsgemäß die Steuereinheit zur Aufrechterhaltung einer Schwingung mindestens eines der optischen Elemente während der Integrationsphasen und der Bewegungsphase vorbereitet ist. Die optischen Elemente und damit auch der Antrieb können mit hoher Geschwindigkeit bei mäßiger Beschleunigung und somit mäßiger mechanischer Beanspruchung betrieben werden.

Zeichnung

Weitere Vorteile ergeben sich aus der folgenden Zeichnungsbeschreibung. In der Zeichnung sind Ausführungsbeispiele der Erfindung dargestellt. Die Zeichnung, die Beschreibung und die Ansprüche enthalten zahlreiche Merkmale in Kombination. Der Fachmann wird die Merkmale zweckmäßigerweise auch einzeln betrachten und zu sinnvollen weiteren Kombinationen zusammenfassen.

Es zeigen:

1 eine schematische Darstellung einer Vorrichtung zur Abbildung einer Objektszene auf einen Detektor,

2 eine Detaildarstellung aus 1,

3 einen Piezo-Aktuator zur Bewegung eines optischen Elements,

4 einen weiteren Piezo-Aktuator,

5 ein Diagramm zur Schwingung zweier optischer Elemente,

6 ein Diagramm zur Relativbewegung zweier optischer Elemente zueinander,

7 ein weiteres Schwingungsdiagramm und

8 ein Diagramm zu Kreisbewegungen der optischen Elemente.

Beschreibung der Ausführungsbeispiele

1 zeigt in einer sehr schematischen Darstellung eine Vorrichtung 2 zur Abbildung einer Objektszene 4 (2) auf einen Detektor 6. Die Vorrichtung 2umfasst eine erste optische Einheit 8 und eine zweite optische Einheit 10, die beide schematisiert als Linse dargestellt sind. Vor der ersten optischen Einheit 8 sind mehrere Prismen 12 angeordnet, die zur Lenkung der Blickrichtung des Detektors 6 in jeweils einen Ausschnitt A1 bis A4 vorgesehen sind. In einer Zwischenbildebene 14 zwischen der ersten und der zweiten optischen Einheit 8, 10 sind ein erstes optisches Element 16 und ein zweites optisches Element 18 angeordnet. Beide optischen Elemente 16, 18 sind als Gitter aus Mikrolinsen ausgeführt, wobei das erste optische Element 16 256 × 256 mikrooptische Sammellinsen und das zweite optische Element 18 die gleiche Anzahl mikrooptischer Zerstreuungslinsen umfasst. Jede Sammellinse ist einer Zerstreuungslinse zugeordnet. Außerdem ist jede Sammel- und Zerstreuungslinse jeweils einer der 256 × 256 Detektorzellen 20 des Detektors 6 zugeordnet. Jede Detektorzelle 20 ist zur Aufnahme eines Bildpixels vorgesehen. Die Detektorzellen 20 sind jeweils quadratisch mit einer Kantenlänge von beispielsweise einigen 10 &mgr;m. Die Linsen der Gitter können etwas größer sein.

Zur Bewegung der optischen Elemente 16, 18 relativ zueinander umfasst die Vorrichtung 2 eine Steuereinheit 22, die einen Aktuator 24 mit zwei piezoelektrischen Antrieben 26, 28 steuert. Durch die Antriebe 26, 28 sind die optischen Elemente 16, 18 in zwei in der Bildebene 14 liegenden Raumrichtungen y, z bewegbar.

Zur Abbildung eines Ausschnitts A1 der Objektszene 4 werden die optischen Elemente 16, 18 in eine erste Relativposition R1 gebracht (2). Hierzu werden die optischen Elemente 16, 18 aus einer zueinander ausgerichteten Relativposition R0 um eine Strecke z1 in z-Richtung und eine Strecke y1 gegeneinander verschoben. In dieser Relativposition R1 wird der Ausschnitt A1, der durch ein Prisma 12 und die optische Einheit 8 in die Zwischenbildebene 14 abgebildet wird, durch die optischen Elemente 16, 18 und die optische Einheit 10 auf den Detektor 6 abgebildet. Die übrigen Ausschnitte A2 bis A4 werden durch ein Prisma 12 und die optische Einheit 8 zwar ebenfalls in die Zwischenbildebene 14 abgebildet, diese Ausschnitte A2 bis A4 werden jedoch nicht auf den Detektor 6 abgebildet.

Während einer ersten Integrationsphase ta wird die aus dem ersten Ausschnitt A1 auf den Detektor 6 fallende Strahlung vom Detektor 6 erfasst, indem in den einzelnen Detektorzellen 20 ein Integriervorgang stattfindet. Nach Beendigung der ersten Integrationsphase ta werden die optischen Elemente 16, 18 in einer Bewegungsphase tb in der Weise zueinander bewegt, so dass sie von der ersten Relativposition R1 in eine zweite Relativposition R2 zueinander zu liegen kommen. Durch die optischen Elemente 16, 18 und die optische Einheit 10 wird nunmehr ein zweiter Ausschnitt A2 auf den Detektor 6 abgebildet, wobei der Detektor 6 die Abbildung erfasst. In analoger Weise werden die optischen Elemente 16, 18 in die Relativpositionen R3 und R4 und anschließend in die erste Relativposition R1 gebracht, so dass nacheinander die vier Ausschnitte A1 bis A4 auf den Detektor 6 abgebildet und die jeweilige Abbildung vom Detektor 6 erfasst worden ist. Aus den vier Ausschnitten kann ein Gesamtbild der Objektszene 4 durch die Steuereinheit 22 zusammengesetzt werden.

Eine schematische Darstellung des Aktuators 24 ist in 3 gezeigt. Der Aktuator 24 umfasst zwei Rahmen 30, 32, von denen der Rahmen 30 das erste optische Element 16 und der Rahmen 32 das zweite optische Element 18 umschließt. Die optischen Elemente 16, 18 sind der Übersichtlichkeit halber in 3 nicht dargestellt. Die optischen Elemente 16, 18 sind mit den Rahmen 30, 32 in der Weise beweglich gelagert, dass sie durch jeweils einen der piezoelektrischen Antriebe 26, 28 mit den Rahmen 30, 32 eindimensional hin- und her bewegt werden können. Der Rahmen 30 ist hierbei in y-Richtung hin- und her bewegbar, und der Rahmen 32 ist in z-Richtung hin- und her bewegbar. Jeder der piezoelektrischen Antriebe 26, 28 weist einen Stapel von Piezo-Elementen auf, die sich an den Rahmen 30, 32 und einem festen Stützpunkt abstützen. Der Hub der Piezoelemente wird durch jeweils ein nicht dargestelltes Übersetzungs- und Umlenkhebelgetriebe pro Antrieb 26, 28 auf die optischen Elemente 16 bzw. 18 übertragen. Der Hub der Stapel der Piezo-Elemente beträgt dabei nur wenige &mgr;m. Der Stellweg der optischen Elemente 16, 18 wird jeweils mittels eines kapazitiven Weggebers 34 gemessen. Die Weggeber 34 und die piezoelektrischen Antriebe 26, 28 bilden jeweils Messfühler und Stellglied eines nicht dargestellten Regelkreises, mittels dessen der Stellweg der optischen Elemente 16, 18 in einer gewünschten Weise regelbar ist. Zusätzlich weist der Aktuator 24 zwei Beschleunigungssensoren 36 auf, die die Beschleunigung der optischen Elemente 16, 18 messen. Bei Auftreten von unerwünschten Beschleunigungen, beispielsweise durch ein Vibrieren des Aktuators, unterstützen die Beschleunigungssensoren 36 die Messfühler des Regelkreises.

4 zeigt in einer schematischen Draufsicht einen alternativen Aktuator 40 der mit einem Rahmen 42 ein optisches Element 46 umschließt, das analog zu dem optischen Element 16 ausgestaltet sein kann. Innerhalb des Rahmens 42 sind zwei schematisch dargestellte piezoelektrische Antriebe 48, 50 angeordnet. Der piezoelektrische Antrieb 48 dient zur Bewegung des optischen Elements 44 parallel zur y-Achse, und der piezoelektrische Antrieb 50 dient zur Bewegung des optischen Elements 44 parallel zur z-Achse. Durch das Zusammenwirken der beiden Antriebe 48, 50 ist das optische Element 44 somit in einer von der y-Achse und der z-Achse aufgespannten Ebene zweidimensional beweglich.

Unter dem optischen Element 44 ist ein weiteres optisches Element 46 als unsichtbar gestrichelt angedeutet, das in einem weiteren Rahmen gelagert ist. Zum Aufbau einer zur Vorrichtung 2 analogen Vorrichtung werden zwei Aktuatoren 40 in x-Richtung übereinander angeordnet, so dass die zwei optischen Elemente 44, 46 jeweils zweidimensional beweglich gelagert sind. Die Aktuatoren 40 umfassen wiederum als Weggeber und Beschleunigungssensoren ausgestaltete Elemente 52 zur Erfassung des Stellwegs bzw. der Beschleunigung der optischen Elemente 44, 46.

In 5 ist ein Diagramm mit einem Schwingungsmuster dargestellt, mit dem die optischen Elemente 16, 18 in Schwingung gehalten werden können. Das Diagramm zeigt eine erste Schwingung 54, mit der der Antrieb 26 angesteuert und das erste optische Element 16 in positive und negative y-Richtung jeweils um knapp 3 &mgr;m um eine mittlere Ruhelage bewegt wird. Der zweite Antrieb 28 und das zweite optische Element 18 werden mit einer zweiten Schwingung 56, die eine gleiche Amplitude aufweist wie die erste Schwingung 54, in z-Richtung angeregt.

Lediglich zur Erläuterung ist in das Diagramm auch eine Sprungfunktion 58 dünn eingezeichnet, mit der der piezoelektrische Antrieb 26 üblicherweise bisher angesteuert und somit das erste optische Element 16 im Wesentlichen bisher bewegt wurde. Hiernach wurde beispielsweise das erste optische Element 16 zu einem vorgegebenen Zeitpunkt aus einer ersten relativen Ruhelage in eine zweite relative Ruhelage mit Hilfe der Sprungfunktion 58 gebracht, wobei das optische Element 16 zu einer Nachschwingung 60 angeregt wurde. Nach Erreichen einer vorgegebenen Ortsgenauigkeit 62 von beispielsweise 0,3 &mgr;m konnte die Integrationsphase beginnen, innerhalb derer der Detektor 6 eine auf ihm abgebildete Abbildung erfasst.

Eine solche Ortsgenauigkeit 62 wird auch durch die Schwingungen 54, 56 erreicht, die gemäß folgenden Funktionen verlaufen: y(&phgr;) = A sin (n&phgr; + &pgr;) – B sin (m&phgr;) z(&phgr;) = A cos (n&phgr; + &pgr;) + B cos (m&phgr;), wobei A = 3B, und n = 3m, z.B. A = 3 &mgr;m, B = 1 &mgr;m, n = 1,25 ms/2&pgr; und m = 1,25 ms/6&pgr;. Die Vorrichtung 2 wird somit mit 800 Hz betrieben, so dass alle vier Relativpositionen R1 bis R4 innerhalb von 1,25 ms durchfahren werden. Nach Erreichen einer typischen Ortsgenauigkeit 62 von 0,3 &mgr;m beginnt eine Integrationsphase ta mit einer Dauer von 125 &mgr;sec. Nach deren Ende beginnt eine Bewegungsphase tb, in der das zweite optische Element 18 um knapp 6 &mgr;m in negative z-Richtung bewegt wird (gestrichelte Schwingung). Nach Erreichen der zweiten Relativposition R2, die innerhalb der Ortsgenauigkeit 62 liegt, wird eine folgende Integrationsphase ta von wiederum 125 &mgr;sec gestartet. Die dritte und vierte Relativposition R3, R4 werden in analoger Weise von den optischen Elementen 16, 18 angefahren.

Eine Relativbewegung RB zwischen dem ersten optischen Element 16 und dem zweiten optischen Element 18 ist in 6 dargestellt. Die Relativbewegung RB hat die Form einer Astroide, an deren vier Spitzen die vier Relativpositionen R1 bis R4 jeweils innerhalb der Ortsgenauigkeit 62 von 0,3 &mgr;m angeordnet sind. Innerhalb der Ortsgenauigkeiten 62 ist die Relativbewegung RB sehr langsam, so dass eine ausreichend stabile Abbildung auf dem Detektor 6 innerhalb der Integrationsphasen ta erreicht wird. Durch das Vermeiden von starken Beschleunigungen auf die Antriebe 26, 28 und die optischen Elemente 16, 18 wird eine relativ geringe Belastung der Antriebe 26, 28 und der optischen Elemente 16, 18 erreicht. Hierdurch ist ein Betrieb mit einer hohen Bildfrequenz möglich, wobei die piezoelektrischen Antriebe 26, 28 derart ausgestaltet sind, dass sie mit den Schwingungen 54, 56 in ihrer Hauptresonanzfrequenz von 800 Hz betrieben werden.

Ein alternatives Verfahren zum Halten der optischen Elemente 44 und 46 in Schwingungen 64, 66, 68, 70 ist in 7 dargestellt. Die Schwingungen 64, 66, 68, 70 sind gemäß folgenden Funktionen gewählt:

Optisches Element 44:

  • y1 (&phgr;) = A sin (n&phgr; + &pgr;) z1 (&phgr;) = A cos (n&phgr; + &pgr;)

Optisches Element 46:

  • y2 (&phgr;) = –B sin (m&phgr;) z2 (&phgr;) = B cos (m&phgr;), wobei die Parameter A, B, n und m gleich gewählt sind wie in obigem Beispiel.

Das erste optische Element 44 wird mit großer Amplitude A in den Schwingungen 64, 66 gehalten, wobei die Absolutbewegung RA1 (8) des optischen Elements 44 relativ zum Aktuator 40 auf einer Kreisbahn verläuft. Mit dreifacher Frequenz und einem Drittel der Amplitude A wird das zweite optische Element 46 mit seiner Absolutbewegung RA2 ebenfalls auf einer Kreisbahn bewegt. Die Orientierungsrichtungen der Kreisbahnen zu den Absolutbewegung RA1 RA2 sind einander entgegengerichtet. Die Relativbewegung RB der beiden optischen Elemente 44, 46 zueinander ist hierbei wie in 6 gezeigt und gleich wie die Relativbewegung RB zu den Schwingungen 54, 56. Durch die gleichförmige Kreisbewegung der Absolutbewegung RA1,2 kann die auf die optischen Elemente 44, 46 wirkende Beschleunigung besonders gering gehalten werden.

2
Vorrichtung
4
Objektszene
6
Detektor
8
optische Einheit
10
optische Einheit
12
Prisma
14
Zwischenbildebene
16
optisches Element
18
optisches Element
20
Detektorzelle
22
Steuereinheit
24
Aktuator
26
Antrieb
28
Antrieb
30
Rahmen
32
Rahmen
34
Weggeber
36
Beschleunigungssensor
40
Aktuator
42
Rahmen
44
optisches Element
46
optisches Element
48
Antrieb
50
Antrieb
52
Element
54
Schwingung
56
Schwingung
58
Sprungfunktion
60
Nachschwingung
62
Ortsgenauigkeit
64
Schwingung
66
Schwingung
68
Schwingung
70
Schwingung
A1–4
Ausschnitt
R0–4
Relativposition
RA1,2
Absolutbewegung
RB
Relativbewegung
ta
Integrationsphase
tb
Bewegungsphase
y1
Strecke
z1
Strecke


Anspruch[de]
Verfahren zur Abbildung einer Objektszene (4) auf einen Detektor (6), bei dem wenigstens ein erster und ein zweiter Ausschnitt (A1 bzw. A2) aus einer Objektszene (4) in eine Zwischenbildebene (14) abgebildet werden, bei dem zwei in der Zwischenbildebene (14) angeordnete optische Elemente (16, 18, 44, 46) in eine erste Relativposition (R1) zueinander gebracht werden und bei dem während einer ersten Integrationsphase (ta) nur der erste Ausschnitt (A1) der Objektszene (4) durch die optischen Elemente (16, 18, 44, 46) auf dem Detektor (6) abgebildet wird und der Detektor (6) die Abbildung erfasst, dann in einer Bewegungsphase (tb) mindestens eines der Elemente (16, 18, 44, 46) durch einen Antrieb (26, 28, 48, 50) aus der ersten Relativposition (R1) in eine zweite Relativposition (R2) bewegt wird und während einer nachfolgenden zweiten Integrationsphase (ta) nur der zweite Ausschnitt (A2) der Objektszene (4) durch die optischen Elemente (16, 18, 44, 46) auf dem Detektor (6) abgebildet wird und der Detektor (6) die Abbildung erfasst, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens ein optisches Element (16, 18, 44, 46) während der Integrationsphasen (ta) und der Bewegungsphase (tb) in Schwingung (54, 56, 64, 66, 68, 70) gehalten wird. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass als Frequenz für die Schwingung (54, 56, 64, 66, 68, 70) eine Resonanzfrequenz des Antriebs (26, 28, 48, 50) gewählt wird. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Antrieb (26, 28, 48, 50) ein piezoelektrischer Antrieb (26, 28, 48, 50) ist. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine unerwünschte Beschleunigung eines optischen Elements (16, 18, 44, 46) mit Hilfe eines Beschleunigungssensors (36) erfasst wird und der Antrieb (26, 28, 48, 50) einer solchen Beschleunigung entgegenwirkt. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die optischen Elemente (16, 18, 44, 46) jeweils ein Gitter aus Mikrolinsen sind. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein erstes optisches Element (16) in einer ersten linearen Schwingungsrichtung bewegt wird und ein zweites optisches Element (18) in einer zur ersten senkrechten zweiten linearen Schwingungsrichtung bewegt wird. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass beide optischen Elemente (16, 18, 44, 46) durch jeweils zwei harmonisch schwingende Antriebe (26, 28, 48, 50) bewegt werden. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens ein optisches Element (44, 46) im Kreis bewegt wird. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die optischen Elemente (44, 46) in entgegengesetzte Richtungen bewegt werden. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein erstes optisches Element (44) mit einer ersten Frequenz und ersten Amplitude und ein zweites optisches Element (46) mit einer zweiten Frequenz und einer zweiten Amplitude bewegt wird, wobei der Quotient aus erstem Produkt aus erster Frequenz und Amplitude und zweitem Produkt aus zweiter Frequenz und Amplitude zwischen 0,8 und 1,2 liegt. Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass der Quotient aus erstem Produkt aus erster Frequenz und Amplitude und zweitem Produkt aus zweiter Frequenz und Amplitude zwischen 0,9 und 1,1 liegt. Verfahren nach Anspruch 10 oder 11, dadurch gekennzeichnet, dass der Quotient aus erster Amplitude und zweiter Amplitude und der Quotient aus zweiter Frequenz und erster Frequenz jeweils 3 ist. Vorrichtung zur Abbildung einer Objektszene (4) auf einen Detektor (6) mit zwei in einer Zwischenbildebene (14) angeordneten optischen Elementen (16, 18, 44, 46), einem Detektor (6), einem Antrieb (26, 28, 48, 50) zur Bewegung mindestens eines der optischen Elemente (16, 18, 44, 46) relativ zum anderen optischen Element (16, 18, 44, 46) und einer Steuereinheit (22) zur Steuerung der Bewegung, wobei wenigstens ein erster und ein zweiter Ausschnitt (A1, A2) aus einer Objektszene (4) in die Zwischenbildszene (14) abgebildet werden und wobei die Steuereinheit (22) zu einer Bewegung der optischen Elemente (16, 18, 44, 46) in eine erste Relativposition (R1) zueinander, in der nur der erste Ausschnitt (A1) der Objektszene (4) durch die optischen Elemente (16, 18, 44, 46) auf dem Detektor (6) abgebildet wird, und zur Steuerung einer ersten Integrationsphase (ta), in der der Detektor (6) die Abbildung erfasst, vorbereitet ist, und die Steuereinheit (22) in einer Bewegungsphase (tb) zur Bewegung der optischen Elemente (16, 18, 44, 46) durch den Antrieb (26, 28, 48, 50) aus der ersten Relativposition (R1) in eine zweite Relativposition (R2), in der nur der zweite Ausschnitt (A2) der Objektszene (4) durch die optischen Elemente (16, 18, 44, 46) auf dem Detektor (6) abgebildet wird, und zur Steuerung einer zweiten Integrationsphase (ta), in der der Detektor (6) die Abbildung erfasst, vorbereitet ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuereinheit (22) zur Aufrechterhaltung einer Schwingung (54, 56, 64, 66, 68, 70) mindestens eines der optischen Elemente (16, 18, 44, 46) während der Integrationsphasen (ta) und der Bewegungsphase (tb) vorbereitet ist.






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