Virtueller Pixel-Vervielfacher

Dipl.-Phys. Steffen Arnold, Leiter „Markt und Produkte“ bei Physik Instrumente (PI) GmbH & Co. KG, und Ellen-Christine Reiff, M.A., Redaktionsbüro Stutensee

Bei digitalen Aufnahmeverfahren wird die Auflösung bestimmt durch die Anzahl der abbildenden Pixel beispielsweise eines CCD- oder CMOS-Chips. Will man nun die Auflösung verbessern, muss man die Anzahl der abbildenden Pixel erhöhen. Dafür gibt es prinzipiell zwei Möglichkeiten, die jedoch beide recht aufwändig bzw. teuer sind: Man kann den Aufnahmechip vergrößern oder die Pixelgröße verkleinern. Im ersten Fall braucht man außer einem größeren Aufnahmemedium auch eine andere abbildende Optik. Im zweiten Fall sinkt mit der Pixelgröße auch die Lichtempfindlichkeit. Dadurch verringert sich der Abstand zwischen Bild- und Rauschsignal, was trotz höherer Auflösung die Bildqualität letztendlich sogar verschlechtern kann. Für viele Anwendungsbereiche bietet sich deshalb ein anderer Lösungsansatz als praxisgerechtere und weniger aufwändige Alternative an:

Beim so genannten Pixel-Sub-Stepping wird das Aufnahmefeld mit definierter Frequenz auf vorgegebenen Bahnen bewegt (Bild 1). Durch dieses „Dithering“ (engl. für „zappeln“, „hin- und herschwanken“), dessen Verfahrweg unterhalb der Pixelgröße liegt, wird ein Pixel mehrmals auf dem Aufnahmefeld belichtet (Bild 2), es entsteht also quasi ein virtueller „Pixel-Vervielfacher“ durch den sich die Auflösung entscheidend verbessern lässt (Bild 3). Der Rest ist Datenverarbeitung. Die verschiedenen Bilder, die auf diese Weise entstehen, werden anschließend zum endgültigen hochaufgelösten Bild „übereinander“ gelegt, man spricht im Englischen auch von Super-Resolution.

Da bei dieser Methode Bewegung im Spiel ist, braucht man ein Antriebssystem, das alle bei diesem Bewegungsablauf geforderten Leistungsmerkmale besitzt. Diese können je nach Applikation differieren, es gibt jedoch entscheidende Gemeinsamkeiten: Die Sen- orchips müssen in zwei Dimensionen mit ausreichender Linearität reproduzierbar bewegt werden. Die Wege liegen im Bereich der Pixelgröße, also bei wenigen 10 Mikrometern oder sogar noch darunter, und die geforderte Dynamik reicht von wenigen Hertz für stehende Bilder bis in den Kilohertz-Bereich für Videoaufnahmen.

Basisanforderung bei hochauflösenden biometrischen CCD/CMOS-Scannern, die für die Personenidentifikation per Fingerabdruck eingesetzt werden, ist beispielsweise eine Scanfrequenz zwischen 1 und 5 Hz bei einer Ansprechzeit von weniger als 100 ms (Bild 4). Die Verfahrwege für die Antriebe liegen zwischen 5 µm und 15 µm (sowohl in Richtung der x- als auch der y-Achse) bei einer Genauigkeit von besser als 0,5 µm. Die zu bewegende Last liegt bei ungefähr 50 g und die Antriebslösung sollte nur wenig Einbauplatz benötigen, damit sie sich in den kompakten Geräten problemlos unterbringen lässt. Ähnliches gilt auch für andere Applikationen, bei denen sich durch Pixel-Sub-Stepping die Auflösung erhöhen lässt. Und last but not least sollen in allen Anwendungsbereichen die Kosten überschaubar bleiben.

Da sich die technischen Anforderungen mit Standardaktoren erfüllen lassen, wird auch der letzte Punkt nicht zum Problem. Die in Karlsruhe ansässige Firma Physik Instrumente (PI) beispielsweise bietet gleich eine ganze Reihe entsprechender Piezoantrieben an (Bild 5), die schon auf Grund ihrer prinzipiellen Funktionsweise für diesen Einsatzbereich geradezu prädestiniert sind (Bild 6).

Piezoaktoren wandeln elektrische Energie direkt in mechanische und umgekehrt. Dabei können typischerweise Stellwege bis zu etwa einem Millimeter bei Auflösungen bis hinunter in den Nanometerbereich und hoher Dynamik mit Scanfrequenzen bis zu mehreren Kilohertz erreicht werden. Da die Bewegung auf kristallinen Effekten beruht, gibt es keine rotierenden oder reibenden Teile; Piezoaktoren sind dadurch wartungs- und verschleißfrei und da keine Schmierung notwendig ist, auch für Vakuum geeignet. Sie können große Lasten bewegen und bauen sehr kompakt. Dadurch ist sogar Nachrüsten möglich. Man kann beispielsweise hochwertige Spezialkameras mit einer digitalen, nach dem Pixel-Sub-Stepping arbeitenden Zusatzeinheit versehen und von der dadurch realisierbaren höheren Auflösung profitieren.

Anwendungsmöglichkeiten für das Pixel-Sub-Stepping mit dem „virtuellen Pixel-Vervielfacher“ gibt es praktisch im gesamten Imaging-Bereich. Zu den typischen zählen sicherlich die bereits erwähnten biometrischen Scanner oder Infrarot-Kameras, die z.B. bei der Luftüberwachung durch Hubschrauber verwendet werden. Die eingesetzten Piezoaktoren, die für das „Dithering“ verantwortlich sind, arbeiten hier nicht nur mit der benötigten hohen Linearität und Reproduzierbarkeit, sondern halten auch den oftmals harten Einsatzbedingungen stand. Sie erfüllen den MIL-Standard; Zuverlässigkeit bei Umgebungstemperaturen zwischen –40 °C und +75 °C ist dabei keineswegs nur bei militärischen Anwendungen gefordert. Hinzu kommen hohe Anforderungen an die Schock- und Vibrationsfestigkeit, vor allem bei mobilen Anwendungen. Dazu gehört beispielsweise auch die Kartografie-Aufnahme aus der Luft vom Flugzeug aus. Die digitale Aufnahmetechnik ist hier wesentlich effizienter als die bisher üblichen analogen Kartografiekameras, die nicht nur größer, sondern auch teurer sind.

Typische Anwendungen sind überall dort zu finden, wo die Auflösung des Chips selbst aufgrund schwacher Lichteinwirkung oder die Belichtungszeit bei zeitlich veränderlichen und bewegten Objekten nicht beliebig gewählt werden kann. Dazu zählen die Fluoreszenzmikroskopie, Weißlichtinterferometrie (OCT in der Medizintechnik oder allgemeine Oberflächenstruktur-Analytik) oder auch Überwachungskameras.

Weitere Anwendungsbereiche finden sich bei Scannern, die zur Daten-Digitalisierung eingesetzt werden, z.B. für Pläne, technische Zeichnungen etc. Hier lässt sich durch das Pixel-Sub-Stepping die Auflösung ebenfalls mit verhältnismäßig geringem Aufwand verbessern. Ebenso nützlich erweist sich die Methode aber auch bei der Datensicherung auf Mikrofilm und praktisch überall dort, wo es darum geht, bei einer abbildenden Optik die Auflösung zu erhöhen. Der Fantasie des Anwenders sind damit kaum Grenzen gesetzt, zumal mit den vielseitigen Piezoaktoren sich die benötigte Antriebstechnik mit Standardkomponenten realisieren lässt.

Physik Instrumente (PI) GmbH & Co. KG, Karlsruhe, www.physikinstrumente.de