DE10228882A1

DE10228882A1 - Calibrating high-accuracy photosensitive sensors involves placing sensor in focal plane base plate, moving sensor in holder until sharp imaging of test structure detected, fixing sensor to base plate

Info

Publication number: DE10228882A1
Application number: DE10228882A
Authority: DE
Inventors: Hans Dr. Driescher; Andreas Eckardt; Michael Greiner-Bär; Ute Grote
Original assignee: Deutsches Zentrum fuer Luft und Raumfahrt eV
Current assignee: Deutsches Zentrum fuer Luft und Raumfahrt eV
Priority date: 2002-06-27
Filing date: 2002-06-27
Publication date: 2004-02-19

Abstract

The method involves using a focal plane base plate, a device for generating a test structure, an objective and evaluation electronics. The method involves making a reproducible mechanical connection between the test structure generation device, the objective and the base plate, placing the sensor in the base plate, moving the sensor in the holder until sharp imaging of the test structure is detected and fixing the sensor to the base plate. The method involves using a focal plane base plate (3) on which at least one photosensitive sensor (2) is mechanically fixed with at least one sensor holder in which a sensor can be moved in at least two degrees of freedom by at least one actuator (5,6), a device (10) for generating a test structure, an objective (9) and evaluation electronics (13). The method involves making a reproducible mechanical connection (12) between the test structure generation device, the objective and the base plate, placing the sensor in the base plate, moving the sensor in the holder until sharp imaging of the test structure is detected and fixing the sensor to the base plate. AN Independent claim is also included for the following: (a) a device for calibrating high-accuracy photosensitive sensors.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Kalibrierung von hochgenauen photosensitiven Sensoren.The invention relates to a method and a device for the calibration of high-precision photosensitive Sensors.

Aus der DE 198 38 362 C1 ist eine Fokalebenenplatte für eine hochauflösende CCD-Kamera bekannt, bestehend aus einem elektrisch nichtleitenden Material, wobei die Oberseite der Fokalebenenplatte an den Anordnungsstellen der CCD-Bauelemente mit quaderförmigen Inseln ausgebildet ist, die der jeweiligen Gehäuseform der CCD-Bauelemente anpassbar ist. Dabei werden die CCD-Bauelemente auf die Inseln der Fokalebenenplatte aufgebracht und mit einer wohldefinierten Teststruktur bestrahlt. Anschließend werden die lokalen Unebenheiten ausgewertet und die CCD-Bauelemente ausgebaut. Danach wird die Oberfläche durch materialabtragende Verfahrensschritte derart behandelt, dass die Pixel der CCD-Bauelemente im eingebauten Zustand näherungsweise in einer Ebene liegen. Nachteilig an dem bekannten Verfahren ist, dass die Justage für einen industriellen Fertigungsprozess zu aufwendig ist, sodass deren Anwendung hauptsächlich auf hochpreisige optische Spezialinstrumente, wie beispielsweise Luftbildkameras, beschränkt bleibt.From the DE 198 38 362 C1 a focal plane plate for a high-resolution CCD camera is known, consisting of an electrically non-conductive material, the upper side of the focal plane plate being formed with cuboid islands at the arrangement locations of the CCD components, which can be adapted to the respective housing shape of the CCD components. The CCD components are applied to the islands of the focal plane plate and irradiated with a well-defined test structure. The local unevenness is then evaluated and the CCD components removed. The surface is then treated by material-removing process steps in such a way that the pixels of the CCD components are approximately in one plane when installed. A disadvantage of the known method is that the adjustment is too complex for an industrial production process, so that its use is mainly limited to high-priced special optical instruments, such as aerial cameras.

Der Erfindung liegt daher das technische Problem zugrunde, ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Kalibration von hochgenauen photosensitiven Sensoren zu schaffen, mittels derer eine Subpixel genaue Kalibration bei hohem Fertigungsdurchsatz erreichbar ist.The invention therefore has the technical problem based on a method and an apparatus for the calibration of to create highly accurate photosensitive sensors by means of which a sub-pixel accurate calibration with high production throughput is.

Die Lösung des technischen Problems ergibt sich durch die Gegenstände mit den Merkmalen der Patentansprüche 1 und 7. Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.The solution to the technical problem arises from the objects with the features of claims 1 and 7. Further advantageous Embodiments of the invention result from the subclaims.

Hierzu umfasst die Vorrichtung eine Fokalebenengrundplatte mit mindestens eine Einrichtung zur Aufnahme des photosensitiven Sensors, wobei der Sensor in der Aufnahme in mindestens zwei Freiheitsgraden über mindestens eine Stelleinrichtung bewegbar ist, eine Einrichtung zur Erzeugung einer Teststruktur, ein Objektiv und eine Auswerteelektronik zur Abtastung der photosensitiven Sensoren, wobei die Einrichtung zur Erzeugung der Teststruktur, das Objektiv und die Fokalebenengrundplatte mechanisch reproduzierbar zueinander angeordnet sind und der in der Aufnahme der Fokalebenengrundplatte eingesetzte Sensor über die Stelleinrichtung derart bewegbar ist, bis mittels der Auswerteelektronik eine scharte Abbildung erfassbar ist und der Sensor in dieser Position zur Fokalebenengrundplatte fixierbar ist. Der Vorteil einer derartigen Vorrichtung bzw. eines derartigen Verfahrens ist die leichte Automatisierbarkeit, ohne den Sensor aus der Aufnahme entfernen zu müsssen. Ein weiterer Vorteil ist die Möglichkeit zur Kalibrierung mehrerer Sensoren in der Fokalebenengrundplatte, wobei die Genauigkeiten kleiner/gleich einem halben Pixel des Sensors sind.For this purpose, the device comprises a Focal plane base plate with at least one device for recording of the photosensitive sensor, the sensor in the recording in at least two degrees of freedom at least one actuating device is movable, one device for generating a test structure, a lens and evaluation electronics to scan the photosensitive sensors, the device to create the test structure, the objective and the focal plane base plate are arranged mechanically reproducible to each other and the in the sensor of the focal plane base plate inserted over the Actuating device is movable in such a way until by means of the evaluation electronics a sharp image can be captured and the sensor in this position can be fixed to the focal plane base plate. The advantage of such The device or such a method is easy to automate, without having to remove the sensor from the holder. Another advantage is the possibility for the calibration of several sensors in the focal plane base plate, where the accuracies are less than or equal to half a pixel of the sensor are.

In einer bevorzugten Ausführungsform wird der photosensitive Sensor nach Erfassung der kalibrierten Position durch Verklebung in der Aufnahme fixiert.In a preferred embodiment becomes the photosensitive sensor after recording the calibrated position fixed in the holder by gluing.

In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist der Sensor in der Aufnahme in allen drei translatorischen Freiheitsgraden bewegbar, wobei weiter vorzugsweise auch Bewegungen entlang mindestens eines rotatorischen Freiheitsgrades vorgesehen sind.In a further preferred embodiment is the sensor in the recording in all three translational degrees of freedom movable, further preferably movements along at least a rotational degree of freedom are provided.

In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform wird als Objektiv bereits das Objektiv des optischen Instrumentes verwendet, in dem der Sensor eingesetzt werden soll. Der Vorteil dieser Anordnung ist, dass alle Toleranzketten aufgehoben sind und das Gesamtsystem des optischen Instrumentes kalibriert wird. Ein weiterer Vorteil ist, dass dieses Verfahren den Sensor selbst als Detektor für die MTF des Gesamtsystems benutzt und somit etwaige geometrische Fehlkalibrierungen vermieden werden.In a further preferred embodiment becomes the lens of the optical instrument used in which the sensor is to be used. The advantage this arrangement is that all tolerance chains are removed and that Entire system of the optical instrument is calibrated. Another The advantage is that this method uses the sensor itself as a detector for the MTF of the entire system is used and thus any geometric incorrect calibrations be avoided.

Auch Fernfeldkalibrationen des Sensors sind sehr einfach möglich, indem zwischen der Einrichtung der Feststruktur und dem Objektiv ein Kollimator reproduzierbar angeordnet wird. Dies ermöglicht die Kalibrierung von Applikationen, die eine Abbildung in das Unendliche bedingen, da mit dem Verfahren die gesamte MTF des optischen Systems gemessen wird.Far-field calibrations of the sensor too are very easily possible by between the establishment of the fixed structure and the lens a collimator is arranged reproducibly. This enables calibration of applications that require an image in the infinite, since the method measures the entire MTF of the optical system.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand eines bevorzugten Ausführungsbeispiels näher erläutert. Die einzige Figur zeigt ein schematisches Blockschaltbild einer Vorrichtung zur Kalibration von hochgenauen photosensitiven Sensoren.The invention is described below of a preferred embodiment explained in more detail. The single figure shows a schematic block diagram of a device for the calibration of high-precision photosensitive sensors.

Die Vorrichtung 1 zur Kalibration mindestens eines hochgenauen photosensitiven Sensors 2 umfasst eine Fokalebenengrundplatte 3 mit einer Einrichtung zur Aufnahme des photosensitiven Sensors 2, wobei die Aufnahme beispielsweise ein quaderförmiger oder zylindrischer Durchbruch in der Fokalebenengrundplatte 3 ist, innerhalb derer der Sensor 2 in allen drei translatorischen Freiheitsgraden bewegbar ist. Der Sensor 2 ist durch eine Einrichtung 4 in einer Position innerhalb der Aufnahme haltbar, wobei die Einrichtung 4 durch mindestens zwei lineare Stelleinrichtungen 5, 6 translatorisch verschiebbar ist, wobei die Stelleinrichtungen 5, 6 auf einer Befestigung 7 gelagert sind, wobei vorzugsweise der Sensor 2 noch durch eine dritte nicht dargestellte Stelleinrichtung entlang des dritten translatorischen Freiheitsgrades verschiebbar ist. Des weiteren umfasst die Vorrichtung 1 ein Gehäuse 8, in dem die Fokalebenengrundplatte 3 und ein Objektiv 9 mechanisch reproduzierbar eingebunden sind, wobei vorzugsweise Gehäuse 8 und Objektiv 9 Bestandteil des optischen Instrumentes sind, in dem der Sensor 2 bzw. die Fokalebenengrundplatte 3 eingesetzt werden sollen. Beispielsweise ist das optische Instrument ein Film-Scanner. Des weiteren umfasst die Vorrichtung 1 eine Einrichtung 10 zur Erzeugung einer Teststruktur, die mit parallelem Licht 11 bestrahlbar ist, wobei die Einrichtung 10 über eine mechanische Verbindung 12 mechanisch reproduzierbar mit dem Gehäuse 8 und damit mit dem Objektiv 9 und der Fokalebenengrundplatte 3 verbunden ist. Die Einrichtung 10 zur Erzeugung der Teststruktur wird vorzugsweise mittels eines photolithografischen Verfahrens hergestellt. Der Sensor 2 ist mit zwei Auswerteelektroniken 13 über Verbindungsleitungen 14 verbunden, mittels derer der Sensor 2 abgetastet werden kann.The device 1 for calibration of at least one high-precision photosensitive sensor 2 includes a focal plane baseplate 3 with a device for receiving the photosensitive sensor 2 , the recording, for example, a cuboid or cylindrical opening in the focal plane base plate 3 is within which the sensor 2 is movable in all three translational degrees of freedom. The sensor 2 is through an establishment 4 Stable in a position within the receptacle, the device 4 by at least two linear actuators 5 . 6 is translationally displaceable, the actuators 5 . 6 on a fixture 7 are stored, preferably the sensor 2 is still displaceable along the third translational degree of freedom by a third actuating device, not shown. The device further comprises 1 a housing 8th in which the focal plane base plate 3 and a lens 9 are mechanically reproducibly integrated, preferably housing 8th and lens 9 Are part of the optical instrument in which the sensor 2 or the focal plane base plate 3 should be used. For example, the optical instrument is a film scanner. The device further comprises 1 An institution 10 to create a test structure using parallel light 11 is irradiable, whereby the establishment 10 mechanically reproducible with the housing via a mechanical connection 12 8th and thus with the lens 9 and the focal plane baseplate 3 connected is. The facility 10 to produce the test structure is preferably produced by means of a photolithographic process. The sensor 2 is with two evaluation electronics 13 via connecting lines 14 connected by means of which the sensor 2 can be scanned.

Zur Kalibration wird das optische Instrument über die mechanische Verbindung 12 mit der Einrichtung 10 gekoppelt, wobei die mechanische Verbindung 12 vorzugsweise als Kugel-Lager-Prismen-System ausgebildet ist. Die Teststruktur wird auf dem Sensor 2 abgebildet und über die Auswerteelektroniken 13 ausgelesen. Mittels der Stelleinrichtungen 5, 6 bzw. der weiteren nicht dargestellten Stelleinrichtung wird nun der Sensor 2 translatorisch verschoben, bis die Auswerteelektroniken 13 eine optimale Abbildung der Teststruktur erfassen. Dabei kommen vorzugsweise piezoelektrische Stelleinrichtungen zur Anwendung, mittels derer Stellbewegungen im Bereich von 10^–6 m durchführbar sind. Die Stelleinrichtungen positionieren über die Einrichtung 4 den Sensor 2 in die optimale Lage auf Genauigkeiten, die ausschließlich von der Teststruktur, dem Objektiv 9 und der Pixelgröße des Sensors 2 selbst vorgegeben sind. Anschließend wird der Sensor 2 durch einen geeigneten Klebstoff fixiert bei gleichzeitiger Arretierung durch die Einrichtung 4 bzw. die Befestigung 7 bis zur Aushärtung des Klebstoffes.For calibration, the optical instrument is connected to the device via the mechanical connection 12 10 coupled, wherein the mechanical connection 12 is preferably designed as a ball-bearing prism system. The test structure is on the sensor 2 mapped and via the evaluation electronics 13 read. By means of the actuators 5 . 6 or the other control device, not shown, is now the sensor 2 Translationally shifted until the evaluation electronics 13 capture an optimal mapping of the test structure. Piezoelectric actuating devices are preferably used here, by means of which actuating movements in the range of 10 ^-6 m can be carried out. The actuators position over the device 4 the sensor 2 in the optimal position on accuracies that depend solely on the test structure, the lens 9 and the pixel size of the sensor 2 are given themselves. Then the sensor 2 fixed with a suitable adhesive while being locked by the device 4 or the attachment 7 until the adhesive hardens.

Claims

Procedure for the calibration of high-precision photosensitive sensors ( 2 ) using a focal plane base plate ( 3 ), on which at least one photosensitive sensor ( 2 ) is attached mechanically, the focal plane base plate ( 3 ) at least one device for receiving the photosensitive sensor ( 2 ) in which the photosensitive sensor ( 2 ) in at least two degrees of freedom using at least one control device ( 5 . 6 ) is movable, a device ( 10 ) to create a test structure, a lens ( 9 ) and at least one evaluation electronics ( 13 ) for scanning the photosensitive sensors ( 2 ), comprising the following process steps: a) establishing a mechanical, reproducible connection ( 12 ) between the establishment ( 10 ) to generate the test structure, the lens ( 9 ) and the focal plane base plate ( 3 ); b) inserting the photosensitive sensor ( 2 ) in the focal plane base plate ( 3 ), c) moving the photosensitive sensor ( 2 ) in the inclusion of the focal plane base plate ( 3 ) by the control device ( 5 . 6 ) until by means of the evaluation electronics ( 13 ) a sharp image of the test structure is recorded; d) fixing the photosensitive sensor ( 2 ) to the focal plane base plate ( 3 ).

A method according to claim 1, characterized in that the photosensitive sensor ( 2 ) in the calibrated position with the focal plane base plate ( 3 ) is glued.

A method according to claim 1 or 2, characterized in that the actuating device ( 5 . 6 ) the photosensitive sensor ( 2 ) moved in the three translational degrees of freedom.

Method according to one of claims 1 to 3, characterized in that by means of the adjusting device ( 5 . 6 ) the photosensitive sensor ( 2 ) is movable in at least one rotational degree of freedom.

Method according to one of claims 1 to 4, characterized in that the focal plane base plate ( 3 ) with the photosensitive sensor ( 2 ) with the lens ( 9 ) of the optical instrument in which the photosensitive sensor ( 2 ) is used.

Method according to one of the preceding claims, characterized in that for far field calibrations between the test structure and the objective ( 9 ) a collimator is mechanically reproducible.

Contraption ( 1 ) for the calibration of high-precision photosensitive sensors ( 2 ), comprising a focal plane base plate ( 3 ), on which at least one photosensitive sensor ( 2 ) can be arranged, the focal plane base plate ( 3 ) at least one device for receiving the photosensitive sensor ( 2 ) in which the photosensitive sensor ( 2 ) in at least two degrees of freedom using at least one control device ( 5 . 6 ) is movable, a device ( 10 ) to create a test structure, a lens ( 9 ) and at least one evaluation electronics ( 13 ) to scan the photosensitive sensor ( 2 ), the facility ( 10 ) to create a test structure, the lens ( 9 ) and the focal plane base plate ( 3 ) are arranged mechanically reproducible to each other and via the actuating device ( 5 . 6 ) the photosensitive sensor ( 2 ) is movable in such a way up to the evaluation electronics ( 13 ) a sharp image of the test structure is detectable and can then be fixed.

Apparatus according to claim 7, characterized in that the adjusting device ( 5 . 6 ) is designed as a piezoelectric actuator.

Apparatus according to claim 7 or 8, characterized in that the adjusting device ( 5 . 6 ) an adhesive device for fixing the photosensitive sensor ( 2 ) assigned.

Device according to one of claims 7 to 9, characterized in that the adjusting devices ( 5 . 6 ) three linear piezoelectric actuators for movement in the three translational degrees of freedom of the photosensitive sensor ( 2 ) include.

Device according to one of claims 7 to 10, characterized in that by means of the adjusting devices ( 5 . 6 ) the photosensitive sensor ( 2 ) is movable in at least one rotational degree of freedom.

Device according to one of claims 7 to 11, characterized in that the lens ( 9 ) Is part of the optical instrument in which the photosensitive sensor ( 2 ) is installed.

Device according to one of claims 7 to 12, characterized in that for the far field calibration between the test structure and the objective ( 9 ) a collimator is mechanically reproducible.