Grund der Erfindung : Vermessungstechnische Produktionen = Absteckungen der klassischen Geodäsie haben durch sogenannte Totalstationen, d. h. elektrooptische Entfernungs-und Richtungs-Messinstrumente mit Datenspeicherung, Datenverarbeitung und Datentransfer mit einem Rechner, durch Laser-Instrumente und durch die sateiitengestützte Vermessung GPS einen Standard erreicht, der essentiell ausgereizt erscheint. Evolutionen sind nur noch in gra- duellem Umfang möglich, durch noch umfänglichere Software-Unterstützung ferngesteuerter Totalstationen, durch deren Bestückung mit Video-Übertragungssystemen, durch noch präzi- sere Distanzmess-Systeme und durch noch komfortableren und präziseren Einsatz von GPS.

Der Sinn solcher Entwicklungen findet seine endgültigen pragmatischen Grenzen durch den immer notwendigen Einsatz des Menschen vor Ort, insbesondere an den produzierten Messpunkten.

Vermessungstechnisch dokumentierende Reproduktionen = Aufmasse der klassischen Geo- däsie stagnieren trotz solcher beschleunigender Hilfen grundsätzlich wegen des immer not- wendigen Einsatzes des Menschen vor Ort, insbesondere an den aufzumessenden Punkten und deren professioneiler Auswahl. In der angewandten Geodäsie werden in der Medizin, der Produktion und der Forschung häufig äusserst aufwendige und auch störungsanfällige Mess- verfahren und Vorrichtungen mit zum Teil relativ ungenauen Ergebnissen eingesetzt. Von die- sen Nachteilen grundsätzlich ausgenommen sind berührungsfreie fotogrammetrische Mess- verfahren. Sie sind aus wirtschaftlichen und organisatorischen Gründen bisher regelmässig nur relativ wenigen Anwendern verfügbar und werden speziell für Aufmasse sehr grosser Gelän- deflächen und aligemein für unzugängliche bzw. für berührungslos steril zu belassende Objek- te eingesetzt. Die klassisch stereoskopisch auswertende Fotogrammetrie hat Genauigkeits- grenzen, die durch die Beschränkung der Sehfähigkeit des menschlichen Auges hinsichtlich der räumlichen Tiefen, durch den Mass-Stab der Messbilder und durch deren Auflösung be- dingt sind.

Durch die gegebene digitale Bilderfassung und durch gegebene enorm schnelle Rechner mit enormen Speicherkapazitäten sind seit relativ kurzer Zeit pragmatisch kostengünstige Mög- lichkeiten eröffnet, durch die sowohl für die klassische Geodäsie als auch für die angewandte Geodäsie wirtschaftlich vorteilhafte, geometrisch präzise Dokumentationen durch mathema- tisch exakte terrestrische Fotogrammetrie äusserst interessant sind, weil sie gegenüber berüh- renden Messverfahren erhebliche Zeit-, Komfort-und Organisationsvorteile bewirken. Diese Möglichkeiten des Standes der Technik gilt es sinnvoll wahrzunehmen.

Die erreichbare Genauigkeit aller Fotogrammetrie und der auf ihr beruhenden digitalen Mess- verfahren hängt unter anderem von der Auflösung der Messbilder ab, d. h. von der Pixelanzahl der verwendeten Flächensensoren. Linienförmig angeordnete Pixel fon anderen Sensoren ei- genen sich nicht für die klassische Geodäsie, nur für sehr begrenzte Anwendungen der ange- wandten Geodäsie und nicht für die Momenterfassung grossflächiger dynamischer Objekte.

Derzeit sind Chips von geeigneten Flächensensoren mit stark 3'000 x 3'000, also knapp 10 Millionen Pixeln als herstellbar bekannt. Diese Pixelanzahl, respektive ihre Auflösung bzw. Pi- xeldichte, reicht für fotogrammetrische Aufgaben der klassischen Geodäsie und für viele Be- reiche der angewandten Geodäsie nicht aus. Ebenso ist diese Pixelanzahl für anspruchsvolle grossformatige Fotografien nicht ausreichend auflösen. Völlig unabhängig vom jeweiligen Stand der Technik ist die maximal mögliche Pixelanzahl eines objekterfassenden Flächensen- sors immer begrenzt.

Aufgabenstellung ist deshalb die Erfindung einer Vorrichtung für eine digitale Kamera, durch die, völlig unabhängig vom jeweiligen Stand der Technik hinsichtlich der maximal möglichen Pixelanzahl ihres Flächensensors, diese Pixelanzahl vervielfältigt ist.

Die vorliegende Erfindung löst diese Aufgabenstellung gemäss der Kennzeichznung des un- abhängigen Patentanspruches 1. Ihre Vorteile gegenüber dem Stand der Technik sind dadurch begründet, dass auf technisch einfache, kostengünstige und schnelle Weise die Vervielfälti- gung der Pixelanzahl von Flächensensoren in Dimensionen bewirkt wird, die bisher nicht er- reichbar sind und praktisch beliebig hoch auflösende digitale Bilder ermöglicht. Die Erfindung ist damit ein wesentlicher Beitrag zur Evolution der Geodäsie und der digitalen Bild-Erfassung aligemein.

A. ERFINDUNGSGEMASSE VORRICHTUNG Die erfindungsgemässe Vorrichtung dient der Vervielfältigung der Pixelanzahl eines Flächen- sensors. Sie ist für opto-elektronisch ablichtende Instrumente, insbesondere für digital foto- grafierende Kameras bestimmt. Ihre Vorteile gegenüber dem Stand der Technik sind erfin- dungsgemäss durch die folgenden Ziffern a. bis f. begründet : a. Die Bildebene des die Realität digital ablichtenden Instrumentes, die sogenannte Kamera, ist nicht der Flächensensor, sondern eine plane Klarscheibe. Auf dieser Klarscheibe ent- steht mittels des Kameraobjektives die fokussierte Ablichtung des digital-elektronisch zu erfassenden Objektes, das sogenannte Gesamtbild. b. Das Gesamtbild ist mittels optischer Projektions-Systeme, den sogenannten Teilbild-Opti- ken, in einzelne räumliche Teilbilder zerlegt, die mittels einer rotierenden Scheibenblende in unmittelbarer zeitlicher Abfolge dem Fiächensensor zugeführt sind. Dabei nutzt jedes Teil- bild die gesamte Pixelanzahl des Flächensensors. c. Die vom Flächensensor direkt oder mittels eines interimsweise zwischengeschalteten elek- tronischen Speichermediums an einen Rechner überspielen digitalen Teilbilder sind vom Rechner im Sinne eines Mosaiks wieder zum Gesamtbild zusammengefügt. d. Die Erfindung beinhaltet zum Zwecke der Verkürzung der Belichtungsdauer des Gesamtbil- des die Zuführung von Teilbildern mittels Teilbild-Optiken an mehrere Flächensensoren. e. Die Anzahl der Teilbilder ist der Vervielfältigungsfaktor der Pixelanzahl des Flächensensors. f. Die Erfindung dient auch der Vervielfältigung der Pixelanzahl von Sensoren mit 1-liniger Pi- xelanordnung oder mit rechteckig gestrecktem oder geometrisch andersartigem Pixelgefü- ge, indem durch Teilbild-Optiken Teilbilder entsprechend dem Pixelgefüge des verwende- ten Sensors selektiert sind.

Fig. 1 zeigt das Prinzip der Vorrichtung des Patentanspruches 5 mit dem Objektiv 1, der Klar- scheibe 2 mit ihren vier Teilbildern, den Teilbild-Optiken 3,4,5 und 6, der Zentral-Optik 7, der rotierenden Scheibenblende 8 und dem Flächensensor 9.

Fig. 2 zeigt die rotierende Scheibenblende 8 in dem Moment, in welchem durch ihren offenen Sektor die Teilbild-Optik 3 den Flächensensor 9 belichtet und die Strahlengänge der Teilbild- Optiken 4,5 und 6 durch die geschlossene Fläche der rotierenden Scheibenblende 8 abge- deckt sind, 10 ist das Lager der rotierenden Scheibenblende 8 um die Zentral-Optik 7.

B. BEISPIELHAFTE SPEZIFIKATIONEN a. Zur Grosse der Klarscheibe : Zur Gewährleistung des von der Anzahl der Teilbilder be- stimmten Multiplikators der Pixelanzahl des Flächensensors und zur völligen Ausnutzung dessen Pixelanzahl ist bei der Verwendung der Vorrichtung in anspruchsvollen professio- nellen Instrumenten die Klarscheibe so gross, dass jedes ihrer durch die Teilbild-Optiken definierten Teilbilder mindestens die gleich grosse Fläche wie der Flächensensor hat. b. Zur Vorrichtung für die 4-fache Vervielfältigung der Pixelanzahl des Flächensonsors einer Kamera entsprechend der Fig. 1 : Die zeitliche Abfolge der Belichtung des Flächensenors durch die vier Teilbilder ist mittels der rotierenden Scheibenblende der Fig. 2 realisiert, de- ren offener Sektor jeweils nur dem Strahlengang einer der vier Teilbild-Optiken die momen- tane Belichtung des Flächensensors ermöglicht. Die Strahlengänge der übrigen Teilbild- Optiken sind dabei durch die geschlossene Fläche der Scheibenblende abgedeckt. Bei ei- ner beispielhaften Rotationsgeschwindigkeit der Scheibenblende mit 250 U/sec resultiert für jedes Teilbild eine Belichtungszeit von 1/1000 Sekunde.

Zur Vermeidung von Streulicht auf dem Hächensensor ist in der Ebene der Projektionssy- steme selbstverständlich auch bei dieser Vorrichtung eine lichtundurchlässige Abschirmflä- che vorhanden, die nur durch die Projektionssysteme durchbrochen ist.

Um vor der fotografischen Aufnahme das Gesamtbild betrachten zu können, hat die Vor- richtung ein zentrales optisches Projektionssystem, die sogenannte Zentral-Optik. Das Ge- häuse der Zentral-Optik hat die Achsenfunktion der Scheibenblende. Die Zentral-Optik projiziert zur manuellen Ausrichtung der Kamera alternativ auf einen Sucher oder aktiviert zur Fernbedienung der Kamera über den Flächensensor einen Bildschirm-Monitor. Für Fäl- le geringerer Ansprüche an die Pixelanzahl des Gesamtbildes erfolgt dessen Belichtung auf dem Flächensensor auf ein Mal nur mittels der Zentral-Optik, wodurch das mosaikartige Zusammenfügen von Teilbildern entfällt. Die Zentral-Optik hat deshalb einen separaten Verschluss, mittels dessen für das Gesamtbild die dem Flächensensor kürzest mögliche Belichtungszeit erreicht ist.

Bei extrem schnellen Bewegungen der Objekte oder bei extrem schnellen Bewegungen der Kamera, wie z. B. bei Aufnahmen aus Umiaufbahn-Satelliten, würden, abhängig von der re- lativen Bewegungsrichtung und der Geschwindigkeit, auf dem zusammengefügten Gesamt- bild verfälschende dynamische Zeitensprünge zwischen den einzelnen Teilbildern resultie- ren. Diese sind dadurch verhindert, dass mittels eines separaten optischen Systems im Sin- ne der Zentral-Optik eine zeitlich absolute Referenz des vollständigen Gesamtbildes ge- wonnen ist, mittels dessen elektronischer Vergrösserung in den Mass-Stab der Teilbilder und bekannter Grautonverfahren die Ränder der relevanten Teilbilder, vor deren Zusam- menfügung zum Gesamtbild, softwareseitig so verschoben sind, dass alle Teilbilder einem absolut zeitgleichen Aufnahmemoment entsprechen. c. Bei einem 4-fachen, quadrantisch angeordneten Zusammenbau der Vorrichtung nach B. b. zu einer Gesamtvorrichtung mit nur einer gemeinamen Klarscheibe und einer gemeinsamen Zentral-Optik in der Mittelachse der Gesamtvorrichtung, resultiert eine Kamera mit 4 identi- schen Flächensensoren und einer Vervielfältigung der Pixelanzahl dieses Flächensensor- typs von 16. d. Durch die Verwendung rotierender Scheibenblenden mit mehreren Öffnungen. die sowohl radial unterschiedliche Abstände als auch mehrere Öffnungen auf einzelnen Kreislinien un- terschiedlicher Radien haben oder durch andersartige mechanische Blenden. die mittels entsprechender Teilbild-Optiken eine Vielzahl von Teilbildern realisieren und deren Umdre- hungsgeschwindigkeiten bzw. Offnungsintervalle auf die zeitlichen Erfassungs-und Über- tragungsfähigkeiten eines Flächensensors abgestimmt sind sowie durch die mehrfache Zu- sammenfügung solcher Vorrichtungen sind Pixelanzahlen von digitalen Bildern erreicht, de- ren Grenzen nur durch die Fähigkeiten der verarbeitenden EDV bestimmt sind. e. Verwendet ist ein Flächensensor, der auf ein Mal belichtet ist und damit Momentaufnahmen dynamischer Objekte ermöglicht. Die absolute geometrische Koordinierung seiner Pixel, oh- ne Interpolation der Pixelsignale, ist Voraussetzung für konturenscharfe Bilder und für ver- antwortbare geodätische Messtechnik, weil damit die Bilddetails zweifelsfrei koordiniert sind.

Wegen dieser gegebenen Eigenschaften ist ein Flächensensor mit Complementary Metall- Oxide Semiconductor Technologie, ein sogenannter CMOS-Sensor, verwendet. Er hat ent- prechend den Produkten des Frauenhofer Institus IMS in D-47057 Duisburg jedem seiner einzelner Pixel eine Schaltungskomponente zugeordnen und in den Chip integriert, durch die sowohl die Belichtung pixelspezifisch steuerbar, als auch die absolute geometrische Ko- ordinierung jedes einzelnen Pixels gewährleistet ist. Durch eine pixelspezifische Belichtung leidet zwar die künstlerische Dynamik des Bildes, die bei Aufgaben der Messtechnik aber belanglos ist. Dafür ermöglicht die CMOS-Technik die optimale Ablichtung jedes Objektde- tails selbst bei extremsten Helligkeitsunterschieden, ohne unterbelichtete schwarze und oh- ne überbelichtete weisse messtechnisch unbrauchbare Bildteile. f. Vorgeschlagen ist ein Chip mit 3'000 x 3'000 Pixeln und einer resultierenden Chip-Fläche von etwa 35 x 35 mm. Bei chipseitig bereits realisierten 1000 ausgegebenen Bildern je Se- kunde harmoniert dieser Chip mit der beispielhaft genannten Umdrehungsgeschwindigkeit der Scheibenblende von 250 U/sec der in B. b. beschriebenen Vorrichtung. Aus der in B. b beschriebenen Vorrichtung resultieren Aufnahmen mit einer Pixelanzahl von 36 Millionen und eine bildrandparallele lineare Genauigkeit von 1/6'000. Aus der in B. c. beschriebenen Vorrichtung resultieren Aufnahmen mit einer Pixelanzahl von 144 Millionen und eine bild- randparallele lineare Genauigkeit von 1/12'000, die für fast alle Bereiche der angewandten Geodäsie und für viele Zwecke der klassischen Geodäsie ausreicht. g. Bei der Verwendung von Flächensensoren mit grösserer Pixelanzahl oder bei rechteckigen Teilbildern und entsprechend angeordnetem Pixelgefüge des Flächensensors, wie zum Beispiel dem » Leaf C-MOST 6, 6 Mega Pixel Sensor « von Scitex mit mehr als 3'000 Pixeln in den längeren der beiden bildrandparallelen Pixelreihen oder bei mehr Teilbildern in dieser Dimension sind mit Vorrichtungen nach B. c. noch grössere Pixelanzahlen und damit noch höhere Genauigkeiten erzielt als die in B. f. genannten. h. Bei der Erfassung dynamischer Abläufe ist zu berücksichtigen, dass die Schärfe eines Ge- samtbildes zwar der Belichtungszeit eines Teilbildes entspricht, aber seine Belichtungsdau- er aus der Summe der Belichtungszeiten der einzelnen Teilbilder resultiert. Deshalb sind für momentechte Aufnahmen sehr schneller dynamischer Abläufe grossvolumiger Objekte Vor- richtungen mit mehreren Flächensensoren entsprechend A. d. verwendet. i. Aus Gründen der weitestgehenden Sicherheit läuft die Software unter einem Betriebssy- stem und ist in einer Programmiersprache geschrieben, die mit anderen Betriebssystemen und mit anderen Programmiersprachen realistisch problemfrei kompatibel sird, also z. B. unter UNIX, respektive LINUX, und in Assembler. j. Für medizinische Anwendungen, bei denen es sich effektiv um Leib und Leben handelt und bei anderen professionellen Anwendungen mit gravierenden Konsequenzen und unver- zichtbarer Zeitkürze ist zuverlässigste Hardware zu verwenden und keine übliche PC-Tech- nik, also z. B. 64-Bitbus-Technik und Arbeitsspeicher mit 256 MB bis 1 GB.

C. PRAGMATISCHE VORTEILE DER ERFINDUNG UND WIRTSCHAFTLICHE ASPEKTE a. Der grundsätzliche Vorteil der erfindungsgemässen Vorrichtung liegt in der sinnvollen Kom- bination von Modulen der Feinmechanik, der Elektrotechnik, der Optik und der Elektronik, wodurch Pixelanzahlen bzw. Pixeldichten der Aufnahmen erzielt werden, die selbst bei grösstem technischem und finanziellem Aufwand von keiner dieser Techniken alleine erzielt werden kann und die entsprechend dem Stand der Technik bisher nicht erzielbar sind. b. Zusätzlich vielfältig vorteilhaft ist, dass die erfindungsgemäss bedingten Pixelanzahlen ko- stengünstig und ressourcenschonend entstehen, weil es sich um entsprechend herzustel- lende und bewährte technische Module handelt und dass die beispielhaft aufgezeigten, vielfachen Variationsmöglichkeiten der Vorrichtung deshalb nicht nur auf spezielle mess- technisch professionelle Anwendungen begrenzt sind, sondern, auch unter Verwendung anderer als CMOS-Flächensensoren, einem äusserst grossen Kreis von Anwendern, wie zum Beispiel der allgemeinen Digitalfotografie, verfügbar gemacht werden können, wodurch aussergewöhnlich positive gesellschaftliche und wirtschaftliche Perspektiven gegeben sind.