Piezoaktoren in Kameras und Scannern – wie ein virtueller Pixel-Vervielfacher die Qualität verbessert

Kamerasysteme oder Scanner sollen hohe Auflösungen bringen. Typische Beispiele dafür liefern automatische Erkennungs- oder Überwachungssysteme, Aufnahmen für kartografische Zwecke oder auch mikroskopische Verfahren in der Medizintechnik. Den steigenden Anforderungen Rechnung zu tragen ist jedoch keineswegs einfach, vor allem wenn die angestrebte hochauflösende Aufnahmetechnik auch noch bezahlbar bleiben soll. Ein virtueller Pixel-Vervielfacher kann die Qualität verbessern.

Kamerasysteme oder Scanner sollen hohe Auflösungen bringen. Typische Beispiele dafür liefern automatische Erkennungs- oder Überwachungssysteme, Aufnahmen für kartografische Zwecke oder auch mikroskopische Verfahren in der Medizintechnik. Den steigenden Anforderungen Rechnung zu tragen ist jedoch keineswegs einfach, vor allem wenn die angestrebte hochauflösende Aufnahmetechnik auch noch bezahlbar bleiben soll. Ein virtueller Pixel-Vervielfacher kann die Qualität verbessern.

Bei digitalen Aufnahmeverfahren bestimmt die Anzahl der abbildenden Pixel beispielsweise eines CCD- oder CMOS-Chips die Auflösung. Soll die Auflösung steigen, gilt es, die Anzahl der abbildenden Pixel zu erhöhen. Dafür gibt es prinzipiell zwei Möglichkeiten, die jedoch beide recht aufwendig beziehungsweise teuer sind: Den Aufnahmechip vergrößern oder die Pixelgröße verkleinern. Im ersten Fall ist außer einem größeren Aufnahmemedium auch eine andere abbildende Optik nötig. 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 – einer der Gründe, weshalb das »Megapixel-Rennen« vieler Digitalkamerahersteller misstrauisch machen sollte. Für viele Anwendungsbereiche bietet sich deshalb ein anderer Lösungsansatz an: Pixel-Sub-Stepping und Dithering.

Beim sogenannten Pixel-Sub-Stepping wird das Aufnahmefeld mit definierter Frequenz auf vorgegebenen Bahnen bewegt (Bild 1). Durch dieses »Dithering« (»Zappeln« beziehungsweise »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 verbessern lässt (Bild 3). Der Rest ist Datenverarbeitung. Das endgültige hochauflösende Bild besteht aus »übereinander gelegten« Bildern, »Super-Resolution« genannt.

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 etwa bei der Luftüberwachung in Hubschraubern Verwendung finden. 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, doch ist Zuverlässigkeit bei Umgebungstemperaturen zwischen -40 °C und +75 °C 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 deutlich 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, Weißlicht-Interferometrie (OCT in der Medizintechnik oder allgemeine Oberflächenstruktur-Analytik) oder auch Überwachungskameras.