DE102010044404A1 - Bildsensor, Videokamera und Mikroskop - Google Patents

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Abstract

Es wird ein Bildsensor (1a..1d) angegeben, umfassend ein Substrat (2) sowie mehrere darauf oder darin angeordnete photoelektronische Bildwandlerzellen (3a..3d). Erfindungsgemäss ist die Fläche des Bildsensors (1a..1d) veränderbar, wobei die Flächenveränderung a) durch Aufbringen einer Zug- oder Druckkraft auf ein elastisch und/oder plastisch verformbares Substrat oder b) durch Anlegen einer elektrischen Spannung an ein EAP oder an ein piezoelektrisches Substrat erfolgt. Weiterhin wird eine Videokamera sowie ein Mikroskop, umfassend einen solchen Bildsensor (1a..1d) angegeben.

Description

  • Die Erfindung betrifft einen Bildsensor für eine Videokamera insbesondere für eine Videokamera an einem Videoausgang eines Mikroskops, umfassend ein Substrat sowie mehrere darauf oder darin angeordnete zueinander relativ positionierte photoelektronische Bildwandlerzellen. Weiterhin betrifft die Erfindung eine Videokamera für einen Videoausgang eines Mikroskops und ein Mikroskop mit einer optischen Abbildungsoptik, mit einem solchen Videoausgang und einer solchen daran angeschlossenen Videokamera mit einem solchen Bildsensor.
  • Bildsensoren, welche photoelektronische Bildwandlerzellen zur Umwandlung einer einfallenden elektromagnetischen Strahlung (hier insbesondere Lichtstrahlung) in ein elektronisches Signal umfassen, werden heutzutage in großer Zahl eingesetzt, beispielsweise in Digitalkameras, herkömmlichen Videokameras, in den digitalen Videokameras der meisten Mobiltelefonen aber auch im industriellen und medizinischen Bereich z. B. Robotik, Qualitätskontrolle, Erderkundung und Videomikroskopie sowie Video-Operationsmikroskopie. Sie werden häufig auch als Videochip bezeichnet.
  • Begriffsdefinitionen
  • Im Folgenden werden einige wichtige Begriffe erläutert.
  • Ein Operationsmikroskop ist ein Stereomikroskop mit binokularem Strahlengang vom Hauptobjektiv bis zu den Okularen. Es erlaubt dem Beobachter eine dreidimensionale Betrachtung des Objektfelds und somit das Erkennen von dreidimensionalen Strukturen. Im Zusammenhang mit der Video-Operationsmikroskopie umfasst dieser Begriff auch die dreidimensionale Darstellung oder Darstellbarkeit von im Video-Abbildungsstrahlengang dreidimensional aufgenommenen (ein linker und ein rechter Video-Abbildungsstrahlengang) Bildern auf einem dreidimensional darstellenden Stereodisplay.
  • Ein Operationsmikroskop hat üblicherweise eine relativ geringe Vergrösserung, und verfügt über eine Operationsmikroskop-Beleuchtung zur möglichst naturnahen, lichtstarken Beleuchtung (Weisslicht) des Objektfelds.
  • Unter Objektfeld wird im Sinne der Erfindung nicht nur das betrachtbare und in der Regel beleuchtete Feld unter einem Mikroskop bezeichnet sondern auch jedes Bildfeld jeglicher Abbildungsoptik, das in der Bildebene dieser Abbildungsoptik abgebildet wird. Das Objektfeld ist im Sinne der Erfindung somit das Original des in der Bildebene der Abbildungsoptik auf dem Bildsensor auffangbaren vollständigen Abbilds aus der Abbildungsoptik.
  • Unter Abbildungsoptik wird im Folgenden jegliches optische System verstanden, dass geeignet ist, ein Objektfeld in einer Bildebene abzubilden. Dazu gehören einfache Linsen bis hin zu mehrlinsigen sphärischen und/oder asphärischen optischen Abbildungssystemen. Bei videogestützten Systemen liegt in der Bildebene der Abbildungsoptik der Bildsensor, damit er das in der Bildebene abgebildete Objektfeld aufnehmen kann. Bedingt durch die räumliche Ausgestaltung der optischen Abbildungsoptik und ihres Abbildungsstrahlengangs sowie durch die Wahl der Vergrösserung (oder Verkleinerung) bei der Abbildungsoptik wird die räumliche (flächige) Erstreckung der Abbildung des Objektfelds in der Bildebene bestimmt.
  • Abbildungsoptiken umfassen oftmals eine Zoomoptik, die imstande ist, verkleinerte Bildausschnitte aus dem Objektfeld vergrössert abzubilden. Sie werden in der Regel als stufenlose Vergrösserungswechsler eingesetzt und bestehen herkömmlich in erster Linie aus aufwendigen korrigierten Linsensystemen, die relativ zueinander verschieblich angeordnet sind.
  • Elektroaktive Linsen sind im Sinne der Erfindung Linsen, deren Brechkraft mechanisch, elektromechanisch oder elektrophysikalisch veränderbar ist. Solche Linsen werden oftmals auch als „Gummilinsen” bezeichnet und können ähnliche Funktionen wie ein herkömmliches Zoom erfüllen. Sie bestehen aus einem elastisch verformbaren Substrat, das durchsichtig ist und glasähnliche Brechkraft aufweist.
  • Durch Anlegen einer Spannung an die Linse wird deren Form und dadurch deren Brechkraft verändert.
  • Solche elektroaktiven Linsen werden oftmals als Ersatz oder zusätzlich zu Abbildungsoptiken eingesetzt, um deren Abbildungsbereich bzw. Brechkraft variieren zu können. Im Vergleich zu herkömmlichen Zooms mit korrigieren Linsensystemen ist jedoch die Qualität der Abbildung bei Verwendung solcher Linsen geringer. Andererseits haben sie den Vorteil, dass sie bei sehr geringem Platzbedarf eine Abbildungsoptik mit hohe Vergrösserungsänderungen bzw. Brechkraftvariationen erlauben. Dadurch bieten sie sich als Ersatz für herkömmliche Zoomoptik an. Leistungsmässig müssen dabei natürlich Kompromisse eingegangen werden. Eine herkömmliche elektroaktive Linse ist beispielsweise durch die Firma Optotune und bietet z. B. eine Brennkraftvariation von 15 mm Brennweite bis unendlich. Durch die elektroaktive Verformung beider Seiten einer Linse von Optotune können diese Linsen eine kompakte Zoomoptik mit einer einzigen Linse ersetzen.
  • Der beispielhafte Aufbau solcher bekannter elektroaktiver Linsen ist in den folgenden Dokumenten angegeben. Oftmals werden sie auch als Variooptik bezeichnet:
    WO 2010/015095 A1
    EP 2034338 A1
    WO 2006/103281 A1
    US 6369954 B1 und
    WO 99/18456 A1
  • Die Offenbarung in der WO-A1-2010/015095 stammt von der oben erwähnten Firma Optotune und beschreibt das dort angewendete Prinzip, nach dem das optische Element ein elastischer Festkörper ist, wie beispielsweise ein Gel oder ein Polymer (Elektroaktives Polymer = EAP). Es umfasst eine Vielzahl von zusammengehörigen Elektroden, die ringförmig übereinander angeordnet sind. Zwischen diesen Elektroden befindet sich ein elektroaktives elastisches Material. Das elektroaktive elastische Material ist umrahmt von einer ringförmigen festen Wand, die unter anderem die elektrischen Kontakte für die Elektroden bereit hält. Ohne angelegte Spannung befindet sich das optische Element in seinem entspannten Stadium. Beispielsweise ist es flach, entsprechend einer planparallelen Platte wie (1) der WO-A1-2010/015095 zeigt. Durch das Anlegen einer Spannung bewegen sich die Elektroden zueinander und komprimieren das dazwischen befindliche elektroaktive Material, sodass es sich in die Mitte des Aufbaus quetscht und sich derart zentral zu einer Linsenform verändert, wie aus (3) der WO-A1-2010/015095 ersichtlich ist. 9 und 10 der WO-A1-2010/015095 zeigen weitere Aufbauten und Anwendungen dieser bekanten Gummilinsen. Die erwähnten Figuren und die dazugehörigen Figurenbeschreibung aus der WO-A1-2010/015095 gelten als in dieser Anmeldung per Referenz eingeführte Offenbarung geoffenbart. Dies bezieht sich insbesondere auf die Physik bzw. Mechanik der Materialverformung durch die Spannung, die an den Elektroden angelegt wird.
  • Ein Videomikroskop ist demgegenüber ein Mikroskop, das grundsätzlich ohne visuellen Strahlengang auskommt, da die bildliche Darstellung des Objektfelds für einen Benutzer auf einem Display erfolgt. Häufig sind Videomikroskope in Form von Videostrahlengängen bzw. Videoausgängen bei herkömmlichen Operationsmikroskopen aber auch bei anderen herkömmlichen Mikroskopen integriert, um zusätzliche Informationen zu gewinnen oder um mehreren Beobachtern gleichzeitig das Geschehen im Operationsfeld vorzuführen, oder auch nur, um Operationsvorgänge oder Abläufe im Operationsfeld aufzuzeichnen. Manche dieser bekannten Video-Operationsmikroskope dienen auch einem Feedback zur automatischen Ansteuerung des Operationsmikroskops oder zur besseren Information des Benutzers, indem dieser beispielsweise Bildinformationen aus dem Videomikroskop eingespiegelt erhält, die ihm bei der visuellen Beobachtung verborgen bleiben.
  • Ein Videomikroskop erfordert wenigstens einen Bildsensor.
  • Einem Bildsensor ist in der Regel eine Abbildungsoptik vorgeschaltet, welche von einer einfachen Linse bis hin zu mehrlinsigen sphärischen und/oder asphärischen optischen Abbildungsoptiken reichen kann, wobei die Abbildungsoptik jeweils das Objektfeld in einer Bildebene abbildet, in der der Bildsensor liegt. Bedingt durch die räumliche Ausgestaltung der optischen Abbildungsoptik und ihres Abbildungsstrahlengangs sowie durch die Wahl der Vergrösserung (oder Verkleinerung) wird die räumliche (flächige) Erstreckung der Abbildung des Objektfelds in der Bildebene bestimmt. In der Regel ist die grösstmögliche Erstreckung die, die auch die flächige Grösse des Bildsensors definiert. Das grösstmögliche Bild des Objektfelds in der Bildebene definiert somit in der Regel die Grösse des Bildsensors.
  • Bildsensoren sind häufig als CCD ausgebildet und werden als CCD-Videochips bezeichnet. Es ist bekannt, dass herkömmliche CCD-Videochips beispielsweise ausgezeichnet auf IR-(Infrarot-)Licht reagieren, während das menschliche Auge Infrarot nicht wahrnehmen kann. Somit können beispielsweise Infrarotbildinformationen über die Aufnahmeeinheit des Videomikroskops aufgenommen werden und dem Benutzer über sogenannte Image Injection (Bildeinspiegelung mittels kleiner Displays über Prismen oder (Teiler-)Spiegel) alternativ oder überlagernd in den visuellen Abbildungsstrahlengang des Operationsmikroskops eingeblendet werden. Die Bezeichnung „Video” umfasst im Rahmen der Erfindung alle erdenklichen Bildsignal-Techniken, die mittels photoelektronischer Umwandlung aus einem Strahlengang gewonnene Bildinformationen in elektronische Signale und aus diesen wieder (z. B. über ein Display) visuell wahrnehmbare Bildinformationen umwandeln. Es ist also nicht eingeschränkt auf die Videotechnik im Hinblick auf elektronische Film-Aufzeichnungstechnik sondern umfasst auch die statische Aufzeichnung von statischen Bildern (Fotos von Digitalkameras), aber auch nur die elektronische Aufzeichnung, Weiterverarbeitung und Darstellung von Teilbildinformationen mit den verschiedensten jeweils verfügbaren Bild/Film-Aufzeichnungstechnologien. Im Sinne der Erfindung umfasst daher der Begriff „Videokamera” auch Gegenstände, die mit dem Begriff „Digitalkamera” bezeichnet werden.
  • Die Art (Software/Hardware) der Weiterverarbeitung der elektronischen Bildsignale ist dabei für die Erfindung sekundär. Entscheidend für die Erfindung sind die Art der Aufnahme (Umwandlung von optischen Signalen in elektronische Signale) bzw. die spezielle Ausgestaltung der Bildsensoren bzw. Bildwandlerzellen in den Bildsensoren sowie gegebenenfalls die Darstellung (Umwandlung von elektronischen Signalen in optische Bildinformation) für den oder die Benutzer.
  • Unter einem Bildsensor bzw. Videochip ist im Sinne der Erfindung jedoch eine Bildaufnahmeeinheit bzw. Bildwandler-Chip in allgemeinster Form zu verstehen. Erfindungsgemäss entscheidend ist, dass damit ein visuelles Bildsignal in korrelierte elektronische Bildsignale umwandelbar ist, welche im Anschluss daran über ein Display wieder einem Benutzer dargestellt werden können. Die besondere Art Anordnung der photoelektronischen Bildwandlerzellen ist Gegenstand der Erfindung.
  • Oftmals können auch Assistentenausgänge wahlweise als Video-Beobachtungsstrahlengänge bzw. Videoausgänge ausgebildet sein.
  • Oftmals haben sowohl der Hauptbeobachtungsstrahlengang wie auch der Assistentenbeobachtungsstrahlengang über Teilerspiegel, Prismen o. dgl. die Möglichkeit, Informationen in den Abbildungsstrahlengang einzublenden, um dem Hauptbeobachter und dem Assistenten zusätzliche Informationen zur Verfügung zu stellen, ohne dass diese den Blick vom Mikroskop nehmen müssen.
  • Unter Display ist eine Bilddarstellungseinheit zu verstehen, die einem Benutzer ein videotechnisch erzeugtes Bild vermittelt. Das kann ein flaches zweidimensionales Display sein (z. B. ein LCD-Bildschirm oder ein Monitor) mit oder ohne Vorrichtungen zur 3-D-Darstellung. Es umfasst jedoch auch jene Vorrichtungen, die monoskopisch oder streoskopisch Bilder reproduzieren und z. B. in den Abbildungsstrahlengang des Operationsmikroskops einspiegeln oder das Bild dem Benutzer in Headup-Displays oder an einem am Mikroskopstativ befestigten Bildschirm (Display) (vgl. US 2009/0190209 A1 ; 6) monoskopisch oder stereoskopisch darstellen.
  • Die Erfindung bezieht sich in der bevorzugten Ausgestaltung auf ein Operationsmikroskop mit mindestens einem Videokanal. Die Patentansprüche sind jedoch breit auszulegen, sodass auch andere Vergrösserungs-Vorrichtungen wie z. B. Endoskope oder Laparoskope darunter fallen, sofern sie für die Operation und für die Videobeobachtung gleichermassen dienen und entsprechend einsetzbar sind.
  • Zur Wahl eines vergrösserten Bildausschnitts sind bei Mikroskopen einzelne Linsen oder Linsengruppen in der Regel verschiebbar angeordnet, um solcherart eine „Zoomoptik” zu realisieren, welche den stufenlosen Wechsel zwischen verschiedenen Brennweiten ermöglicht.
  • Als Stand der Technik hinsichtlich eines Zooms für ein Operationsmikroskop mag hier beispielhaft die EP 1431796 B1 erwähnt sein. Eine andere Zoomoptik speziell für Videoanschlüsse an Mikroskopen ist in der WO 01/79910 A1 angegeben. Schon aus der mit dem Abstract veröffentlichten Figur ist die Komplexheit und Fragilität des Zooms ersichtlich.
  • Allen Abbildungsoptiken zur Änderung einer Brennweite ist gemein, dass sie vergleichsweise komplex aufgebaut sind. Linsen oder Linsengruppen, welche in der optischen Abbildungsoptik verschoben werden, müssen exakt geführt werden, sodass möglichst keine Abbildungsfehler entstehen. Die Führungen können jedoch auch einem gewissen Verschleiss unterliegen und zudem können sie temperaturabhängig unterschiedliche Führungseigenschaften aufweisen. Optische Abbildungsoptiken mit mehreren Linsengruppen, Führungen u. dgl. reagieren häufig auch stossempfindlich, so dass beim Transport und bei der Bedienung sehr sorgfältig damit umgegangen werden muss.
  • Ein weiterer Nachteil besteht darin, dass die komplexen Abbildungsoptiken anfällig gegen Dejustage sind. Insbesondere können starke Temperaturschwankungen dazu führen, dass die Linsen nicht mehr optimal beabstandet beziehungsweise ausgerichtet sind. Zudem haben Zoomoptiken, deren Länge beim Zoomen verändert wird, die Tendenz, Staub anzusaugen, welcher sich gegebenenfalls auf den Linsen und auf dem Bildsensor ablagern und Bildstörungen bzw. Qualitätsminderungen verursachen kann.
  • Zoomoptiken mit einem großen Zoom-Bereich weisen ohne aufwendige Korrekturberechnungen und ohne endsprechend teuer gefertigte Linsen erhebliche Abbildungsfehler auf, häufig in den Endstellungen. Insbesondere für die Operationsmikroskopie müssen daher stets sehr aufwendige Linsen eingesetzt werden.
  • Zusammenfassend kann über herkömmliche Zoomoptiken gesagt werden, dass die Technik beherrscht wird und Mikroskope mit Zooms gut funktionieren, dass diese Zooms jedoch die oben angegebenen Nachteile aufweisen, die insbesondere mit der Beweglichkeit und der Anzahl der optischen und mechanischen Bauteile einhergehen. Zoomoptiken mit elektroaktiven Linsen (Gummilinsen) sind zwar einfach und ohne die angegebenen Nachteile, sie sind hingegen hinsichtlich der qualitativen Abbildungseigenschaften oftmals nicht ausreichend.
  • Aufgabe der Erfindung ist es daher, eine Lösung zur Vermeidung dieser Probleme in zoombaren Video-Beobachtungs-Strahlengängen anzugeben. Insbesondere soll eine verbesserte Videokamera und ein verbessertes Mikroskop angegeben werden, mit denen gezoomt werden kann, ohne herkömmlich Zoomoptiken mit sperrigen, beweglichen Teilen einsetzen zu müssen. Insbesondere soll das Auswählen eines grösseren oder kleineren Bildbereichs aus dem Objektfeld und die Wahl der Vergrösserung dieses Bereichs („Zoomen”) durch möglichst einfachen Massnahmen mit möglichst wenigen optischen und mechanischen Bauteilen möglich sein. Die Linsen selbst sollen dabei unverändert bleiben, d. h. „Gummilinsen” scheiden bei der Betrachtung als Alternative aus.
  • Erfindungsgemäss wird diese Aufgabe durch einen neuartigen speziell modifizierten Bildsensor (Videochip) der eingangs genannten Art gelöst, bei dem die relative Position der photoelektronischen Bildwandlerzellen veränderbar ist, indem beispielsweise die Grösse der Flächenerstreckung des Bildsensors in der Bildebene veränderbar ist und die Flächenveränderung beispielsweise durch a) Aufbringen einer Zug- oder Druckkraft auf ein reversibel – gegebenenfalls elastisch – verformbares Substrat, oder b) durch Anlegen einer elektrischen Spannung an ein piezoelektrisches oder elektromikromechanisches Substrat erfolgt. Da der Chip stationär in einer Bildebene angeordnet ist, benötigt es keine Verschiebemechaniken wie z. B. bei einem Zoom.
  • Die Aufgabe der Erfindung wird auch mit einer Videokamera mit einer optischen Abbildungsoptik gelöst, die einen erfindungsgemässen Bildsensor umfasst. D. h. mit Hilfe der Erfindung können auch neuartige Videokameras gebaut werden, die ohne herkömmliche Zoomsysteme und ohne Gummilinsen auskommen, trotzdem jedoch Zoom-Effekte darstellen können.
  • Schliesslich wird die Aufgabe der Erfindung auch mit einem Mikroskop – insbesondere mit einem Video-Operationsmikroskop – mit einer optischen Abbildungsoptik gelöst, das einen erfindungsgemässen Bildsensor bzw. eine erfindungsgemässe Videokamera umfasst.
  • Erfindungsgemäss ändert somit nicht die Abbildungsoptik ihre optischen Abbildungseigenschaften sondern der Bildsensor seine strukturellen Aufnahmeeigenschaften, in dem die Relativpositionen seiner photoelektronischen Bildwandlerzellen in der Bildebene verändert werden.
  • Der Grundgedanke der Erfindung liegt somit darin, dass das grundsätzlich gleichbleibende Pixel-Verhältnis von Bildwandlerzellen zu Display-Pixeln ausgenutzt wird, um einen Zoomeffekt zu erzeugen. Wenn also beispielsweise alle Pixel eines Bildsensors mit allen Pixeln eines Displays (z. B. 1:1) verbunden sind, kann bei vollständiger Ausnutzung der gesamten Fläche des vollständigen Abbildes des Objektfelds das gesamte Objektfeld entsprechend seinem vollständigen Abbild auf dem Display dargestellt werden. Rücken aber nun erfindungsgemäss die photoelektronischen Bildwandlerzellen näher zueinander, d. h. verkleinern sich die durch sie abgedeckte Fläche innerhalb des Abbildes des Objektfelds in der Bildebene, so wird dieser verkleinerte Bildausschnitt auf dem Display vergrössert (nämlich nach wie vor auf dem gesamten Display) unter Ausnutzung von nach wie vor allen Pixeln des Displays dargestellt. Das entspricht einem typischen Zoomvorgang bzw. einer Vergrösserung, wie sie durch ein herkömmliches Zoom erreichbar ist. Im Unterschied dazu, wird jedoch erfindungsgemäss keine Linse verschoben bzw. keine Abbildungsoptik verändert.
  • Erfindungsgemäss wird somit dadurch erreicht, dass auch mit einer einfachen optischen Abbildungsoptik, insbesondere einer optischen Abbildungsoptik mit einer fixen Brennweite, zwischen verschiedenen Bildausschnitten und Vergrösserungen gewechselt werden kann, insbesondere stufenlos. Dazu werden die flächige Erstreckung des Bildsensors bzw. die Abstände zwischen den jeweils benachbarten optoelektronischen Bildwandler-Sensoren, welcher bzw. welche in der Bildebene der optischen Abbildungsoptik angeordnet ist/sind, veränderbar. Auf diese Weise kann entweder das ganze, von der optischen Abbildungsoptik in der Bildebene erzeugte Abbild erfasst werden oder eben nur ein Teil davon. Wird mit allen Bildwandlerzellen nur ein Teil des erzeugten Abbilds erfasst, so entspricht dies einer Ausschnittsvergrösserung beziehungsweise einer Brennweitenverkürzung beim mikroskopischen Hauptstrahlengang (Beobachtungsstrahlengang) bzw. einer Brennweitenverlängerung beim Strahlengang einer Abbildungsoptik einer Videokamera. Auf diese Weise kann ein Bildausschnitt verkleinert beziehungsweise das auf dem Display dargestellte Bild des Bildausschnitts vergrössert dargestellt werden. Die erfindungsgemässe Veränderung des Bildausschnitts geht somit einher mit der Veränderung des Abbildungsmassstabs.
  • Vorteilhaft brauchen somit – um Zoomeffekte erzielen zu können – keine aufwendig korrigierten Linsen und keine aufwändigen Führungen für diese Linsen oder Linsengruppen vorgesehen werden. Weil prinzipiell nur eine Festbrennweite nötig ist, kann diese hinsichtlich ihrer Abbildungsleistung auch optimal gestaltet werden, und es müssen keine Kompromisse hinsichtlich der Abbildungsqualität in den Endlagen der Zoomoptik eingegangen werden oder besonders teure korrigierte Linsensysteme eingesetzt werden. Eine einfache optische Abbildungsoptik ist darüber hinaus im Vergleich zu einer herkömmlichen Zoomoptik wenig anfällig gegen Dejustage und/oder starke Temperaturschwankungen. Zudem verändert eine festbrennweitige Optik ihre Länge nicht bedarfsweise, sodass auch kein Staub angesaugt werden kann. Wegen der angeführten Gründe wird auch das Engineering, die Montage und Wartung einer entsprechenden Abbildungsoptik vereinfacht.
  • Es entfallen motorische Antriebe für den herkömmlichen Zoom, Getriebe, Führungen, Lagerungen etc. Ausserdem wird vorteilhaft bemerkt, dass die durch die herkömmlichen Antriebe herkömmlicher Zooms erzeugten Vibrationen, Geräusche etc. wegfallen. Schliesslich kann mangels nennenswerter Mechanik und nennenswerter Wege, die durch relativ grosse Bauteile (Linsen, bzw. Linsensysteme) zurückgelegt werden müssen, der Zoomvorgang auch wesentlich rascher erfolgen als bei herkömmlichen Zoomoptiken. Gerade im Bereich der Operationsmikroskopie ist dies ein enormer Vorteil für den Benutzer bzw. für den Chirurgen und damit auch für den Patienten.
  • Der tatsächliche Aufbau eines erfindungsgemässen Bildsensors kann vielfältige Formen annehmen, die durch die Erfindung alle abgedeckt bzw. unter Schutz gestellt sind. Entscheidend ist, dass die einzelnen Bildwandlerzellen relativ zueinander bewegbar – vorzugsweise in der Bildebene der Abbildungsoptik zueinander verschiebbar – sind.
  • Eine Möglichkeit, dies zu bewerkstelligen, sind elektro-mikromechanische Aufbauten, vergleichbar den Mikrospiegel-Arrays, wie beispielsweise in der DE 10116723 C1 angegeben. Selbstverständlich haben die Fachleute für die Entwicklung elektro-mikromechanischer Strukturen hier Raum für Detailentwicklungen; in Kenntnis der Erfindung stellen solche Weiterentwicklungen an sich bekannter mikromechanischer Arrays jedoch nur fachmännisches Handeln dar. Wie schon erwähnt, geht es darum, die Bildwandlerzellen zueinander relativ beweglich bzw. verschieblich zu lagern. Selbstverständlich müssen die elektrischen Kontaktierungen der Bildwandlerzellen während und nach deren Lageveränderung beibehalten bleiben. Selbstverständlich dürfen sich die Bildwandlerzellen mit ihren Bildsignalempfangsflächen nicht wesentlich aus der Bildeben entfernen. Solche mikromechanischen Arrays werden mikromechanisch hergestellt und erlauben so eine Massenfertigung mit hoher Güte und reproduzierbarer Genauigkeit. Die Bildwandlerzellen werden auf Trägern der Arrays gehalten, wobei die Träger entweder durch kapazitive oder thermische Aktorik bewegbar sind. Bei der kapazitiven Aktorik werden elektrische Felder verwendet, während bei der thermischen Aktorik beispielsweise verschieden hohe Stromstärken und eine damit verbundene unterschiedliche Aufheizung der mikromechanischen Strukturen eine Auslenkung der Träger bewirkt wird. Bimetallische Aufbauten können hier sehr effizient relativ grosse Wege erlauben. Um einen einfachen Effekt über die gesamte Bildaufnahmefläche zu ermöglichen, sind bevorzugt benachbarte Träger aufeinander abgestützt, so dass die Relativbewegung zwischen zwei benachbarten Bildwandlerzellen automatisch auch die gleichweite Verschiebung bzw. Bewegung der nächsten und übernächsten Nachbar-Bildwandlerzellen bewirkt.
  • Gemäss dem erwähnten Artikel über die DLP-Technologien können die Mikrospiegel-Arrays bzw. DMD-Technologien (Digital Micromirror Device) mit XGA-Auflösung und enorm raschen Schaltvorgängen mit bis zu 10 Gigabit pro Sekunde u. U. auch dazu eingesetzt werden, quasi gleichzeitig, also in realtime bzw. so schnell, dass es das menschliche Auge nicht wahrnehmen kann, ungezoomte und gezoomte Bilder aufzunehmen. Mit dieser erfindungsgemässen neuen Technologie lassen sich somit mit ein- und demselben Aufbau – und bei entsprechender elektronischer Schaltung – gleichzeitig sowohl nichtgezoomte wie gezoomte Bildausschnitte bzw. Vergrösserungen aufnehmen und gegebenenfalls auf unterschiedlichen Displays darstellen. Selbstverständlich können solche Darstellungen auch Bild-im-Bild auf nur einem Display angeboten werden, sodass ein Anwender bei Bedarf neben seinem normalen Blick auf ein Objektfeld gleichzeitig auch einen vergrösserten Bildausschnitt dargestellt bekommen kann. Bei Video-Operations-Stereomikroskopen könnten gegebenenfalls in einen der beiden Beobachtungs-Teil-Strahlengänge der nichtgezoomte Blick auf das Objektfeld eingeblendet werden, während in den anderen Beobachtungs-Teil-Strahlengang der gezoomte Bildausschnitt eingeblendet werden kann, so dass der Benutzer durch schliessen des einen oder anderen Auges einmal den Überblick und einmal den vergrösserten Detailblick auf das Objekt im Objektfeld erhält.
  • Eine Variante zur Realisierung der Basis für die zueinander verschiebbaren photoelektronischen Bildwander-Pixeln = Bildwandlerzellen basiert auf Polymeren und zwar insbesondere der Gruppe der EAP's (= elektroaktive Polymere).
  • Diese Variante ist besonders vorteilhaft. Dabei besteht das Substrat aus einem Polymer oder formstabilen Gel. Die Eigenschaften von Polymeren und Gelen können in weiten Bereichen gesteuert werden, sodass leicht eine bestimmte Elastizität des Substrats eingestellt werden kann. Seit einiger Zeit ist es auch bekannt, dass elektronische Schaltungen auf organischer Basis hergestellt werden können. Diese Technik kann im Internet unter dem Begriff „Organische Elektronik” oder „Poylmer-Elektronik” nachgesehen werden.
  • Folgende Begriffe wurden dabei eingeführt: Organische Elektronik ist ein Teilgebiet der Elektronik, das elektronische Schaltungen aus leitfähigen Polymeren oder kleineren organischen Verbindungen verwendet. Es wird synonym auch der Begriff Plastikelektronik, Kunststoffelektronik oder gängiger Polymerelektronik (auch Polytronik) verwendet. Generelles Merkmal aller Konzepte ist in der Regel das Design der Schaltkreise aus Makromolekülen und im Vergleich zu herkömmlicher Elektronik aus multi-molekularen Strukturen größerer Dimension.
  • Diese Technik lässt sich gut für den erfindungsgemässen Einsatz einsetzen. Merkmal der Polytronik (auch Plastikelektronik genannt) ist die Verwendung mikroelektronischer Bauelemente auf Trägermaterialien aus organischen Folien und mit Leiterbahnen und Bauelementen aus leitfähigen organischen Molekülen (Organische Halbleiter) gefertigt werden. Die Moleküle (neben Monomeren und Oligomeren vor allem Polymere) werden dabei in Form dünner Filme oder kleiner Volumen auf die Folien aufgedruckt, aufgeklebt oder anderweitig angebracht.
  • Je nach chemischem Aufbau können Polymere elektrisch leitende, halbleitende oder isolierende Eigenschaften besitzen.
  • Diese Erfindung, die sich dabei der Polytronik bedient, ist dabei nicht auf ausschliessliche Lösungen beschränkt. So können selbstverständlich auch Kombinationen vorgesehen sein, indem z. B. jeder der beiden Bildsensoren zusätzlich wiederum relativ zueinander verschiebbare Bildwandlerzellen umfasst.
  • Eine Ausbildung der Erfindung ergibt sich durch den Einsatz eines flexiblen Substrats vergleichbar den elektroaktiven Substanzen bzw. Polymeren (EAP's) durch den Einsatz der bekannten Materialien der Gummilinsen, die nicht durch das Anlegen von elektrischen Spannungen sondern von mechanischen Kräften verformt werden. Auf oder in diesem Substrat können somit die Bildwandlerzellen relativ zueinander positioniert sein. Durch Druck/Zugkraft, die vergleichbar den bekannten Gummilinsen auf das Substrat ausgeübt wird, wird die räumliche Erstreckung des Bildsensors bzw. der Abstand zwischen den Bildwandlerzellen variiert. Wie bereits erwähnt, kann die Grössenänderung des Substrats prinzipiell durch Aufbringen einer Zug- oder Druckkraft auf das Substrat oder durch Anlegen einer elektrischen Spannung an piezoelektrische Stellorgane erfolgen.
  • Bei der Variante wird die Grössenänderung durch Aktoren bewirkt, welche das Substrat an deren Kanten mit variierender Kraft auseinanderziehen oder zusammendrücken
  • Mit den Kunststoffen (Polymeren) gibt es somit zwei Lösungswege, die Erfindung zu realisieren: Einerseits mittels EAP's und andererseits mit herkömmlichen (elektro-)mechanisch verformbaren Polymeren.
  • Demzufolge können elektrische Bauelemente sowie die elektrische Verdrahtung derselben aus Kunststoff aufgebaut sein. Beispielsweise Sumitomo Chemical bietet entsprechende elastische leitfähige Polymere und Elastomere an (z. B.: Esprene 505A). Bei der Verwendung eines Polymers bzw. Elastomers für das Substrat des erfindungsgemässen Sensors können also einerseits die mechanischen, andererseits aber auch die elektrischen Materialeigenschaften optimal eingestellt werden.
  • Bei Verwendung eines mechanisch verformbaren elastischen Polymers ist prinzipiell nur das Aufbringen einer Zugkraft oder einer Druckkraft nötig, da das Substrat wegen seiner Elastizität ohne Krafteinwirkung wieder seine ursprüngliche Form annimmt. Aufgrund von Hystereseeffekten (das Substrat nimmt seine ursprüngliche Form ohne Einwirkung einer Kraft in der Regel nicht mehr hundertprozentig genau ein) kann es aber vorteilhaft sein, alternierend sowohl Zug- als auch Druckkräfte auf das elastische Substrat aufzubringen. In diesem Fall reicht es prinzipiell auch aus, wenn das Substrat plastisch verformbar ist.
  • Die Kräfte können punktförmig oder linienförmig in das Substrat eingeleitet werden. Insbesondere bei punktförmiger Einleitung der Kräfte ist aber damit zu rechnen, dass das Substrat nicht nur seine Größe, sondern auch seine Form ändert (bei z. B. Einleiten einer Zugkraft wird das Substrat an den Kraftangriffspunkten weiter gedehnt). Diese Formänderung wird vorteilhaft in einer elektronischen Bildverarbeitungseinheit, welche dem erfindungsgemässen Sensor nachgeschaltet ist, korrigiert, sodass am Ausgang der Bildverarbeitungseinheit ein unverzerrtes Bild zur Verfügung steht (bei z. B. Einleiten einer Zugkraft werden die Bildbestandteile an den Kraftangriffspunkten Software-mässig „nach innen gedrückt”). Solche Algorithmen sind prinzipiell bekannt und werden an dieser Stelle daher nicht näher erläutert.
  • Alternativ kann das ganze Substrat piezoelektrisch aufgebaut sein, so dass es selbst als Träger der Bildwandlerzellen fungiert. Die eigene Dehnung bzw. Streckung bzw. Schrumpfung bewirkt so die Ortsverlagerung der Bildwandlerzellen.
  • Bei der Variante der Erfindung mit Piezosubstrat die Grössenänderung durch eine innere Kraft im Substrat bewirkt, nämlich mit Hilfe des piezoelektrischen Effekts. Durch Anlegen einer elektrischen Spannung an einen Piezokristall kann in bekannter Weise dessen Grösse geändert werden. Um die Grössenänderung zu verstärken, können auch mehrere Piezokristalle in Serie verschaltet werden. Selbstverständlich kann auch hier eine dem erfindungsgemässen Sensor nachgeschaltete Bildverarbeitungseinheit eventuelle Formänderungen des Substrats berücksichtigen.
  • Alle bisher beschriebenen erfindungsgemässen Lösungen und die noch in der Folge geoffenbarten Varianten bzw. Weiterbildungen können weiters auch mit herkömmlichen elektroaktiven Linsen (Gummilinsen) und/oder herkömmlichen Zoomoptiken in der jeweiligen Abbildungsoptik kombiniert werden.
  • Sowohl bei dem Substrat vergleichbar den herkömmlichen elektroaktiven Substanzen wie bei den Gummilinsen, wie auch bei einem Substrat aus piezoelektrischen Substanzen, wird jeweils durch entsprechend elastische Verbindungsleitungen der elektrische Abgriff von den photoelektrischen Bildwandlerzellen bewerkstelligt.
  • Im Rahmen der Erfindung ist „elastisch und/oder plastisch verformbar” im Bezug auf den zu erzielenden „Zoom-Faktor” und die dabei auftretenden strukturellen Kräfte zu sehen. Prinzipiell wird man bestrebt sein, eine Grössenänderung des Substrats durch möglichst kleine Kräfte zu bewirken, um die Struktur (d. h. den erfindungsgemässen Sensor, die Aktuatoren sowie die Vorrichtung, in welcher die Aktuatoren verankert sind) nicht unnötig mechanisch zu belasten. Insbesondere bei grossen „Zoom-Faktoren” werden daher vorzugsweise relativ leicht verformbare Materialien für das Substrat eingesetzt. Wird dagegen nur ein kleiner „Zoom-Faktor” benötigt, dann kann bei gleichen Kräften auch ein entsprechend schwerer verformbares Material eingesetzt werden.
  • Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen sowie aus der Beschreibung in Zusammenschau mit den Figuren der Zeichnung, bzw. sind durch sie geoffenbart.
  • Vorteilhaft im Sinne des bisher Beschriebenen ist es, wenn die Größe der photoelektronischen Bildwandlerzellen im Wesentlichen konstant ist. Bei diesem Aufbau „schwimmen” die photoelektronischen Bildwandlerzellen quasi auf einem Substrat, dessen Größe geändert werden kann. Wird das Substrat vergrößert, dann vergrößern sich auch die Abstände zwischen den Bildwandlerzellen. Insbesondere können diese Bildwandlerzellen daher wie bisher aus Silizium bestehen und über geeignete Kontakte mit dem elastischen Polymersubstrat kontaktiert werden.
  • Die Verdrahtung der schwimmend angeordneten photoelektronischen Bildwandlerzellen kann dabei somit wieder aus elektrischen Bahnen in einem Substrat aus einem Polymer übernommen werden.
  • Vorteilhaft ist es weiterhin darüber hinaus, wenn die photoelektronischen Bildwandlerzellen elastisch sind und für eine Änderung ihrer Größe ausgerüstet sind. Bei dieser Variante vollführen die Bildwandlerzellen eine Ausdehnung des Substrats (zumindest in einem gewissen Ausmass) mit und werden dabei ebenfalls ausgedehnt. Vorteilhaft ist der dabei entstehende Zwischenraum zwischen den Bildwandlerzellen kleiner als bei der zuvor genannten Ausführungsform oder in einer besonderen Variante der Erfindung auch gar nicht vorhanden. Vorteilhaft wird dann selbst bei gedehntem Substrat das ganze einfallende Licht zur Umwandlung in ein elektronisches Signal verwendet. Deshalb kann die Empfindlichkeit der photoelektronischen Bildwandlerzellen geringer sein, und es wird so eine Tendenz zum Bildrauschen vermindert. In diesem Zusammenhang ist es vorteilhaft, wenn die photoelektronischen Bildwandlerzellen aus einem Polymer bestehen.
  • Vorteilhaft ist es schliesslich, wenn die photoelektronischen Bildwandlerzellen in mehreren Schichten versetzt angeordnet sind. Bei dieser Variante werden photoelektronische Bildwandlerzellen tiefer liegender Schichten in ein zumindest teilweise transparentes Substrat eingebettet. Wird das Substrat nun vergrößert, entsteht bei den photoelektronischen Bildwandlerzellen höher liegender Schichten, insbesondere wenn diese eine konstante Größe aufweisen, ein Zwischenraum zwischen denselben. Einfallendes Licht durchdringt in diesem Bereich das zumindest teilweise transparente Substrat und trifft auf photoelektronische Bildwandlerzellen tiefer liegender Schichten. Diese Variante der Erfindung eignet sich daher insbesondere für die Verwendung photoelektronischer Bildwandlerzellen konstanter Größe (oder solcher, die einer Ausdehnung des Substrats nicht vollständig folgen können) ohne dabei ein Abdunkeln des erfassten Bildes in Kauf nehmen zu müssen. Die Bildwandlerzellen können dabei in zwei oder aber auch in mehreren Schichten angeordnet sein.
  • An dieser Stelle wird angemerkt, dass sich die für den erfindungsgemässen Bildsensor genannten Varianten und die daraus resultierenden Vorteile gleichermassen auch auf die erfindungsgemässe Videokamera und das erfindungsgemässe Mikroskop beziehen.
  • Die obigen Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung lassen sich auf beliebige Art und Weise kombinieren.
  • Die vorliegende Erfindung wird nachfolgend anhand der in den schematischen Figuren der Zeichnung angegebenen Ausführungsbeispiele näher erläutert. Es zeigen dabei:
  • 1 ein erstes Beispiel eines erfindungsgemässen Bildsensors mit photoelektronischen Bildwandlerzellen konstanter Größe;
  • 2 ein zweites Beispiel eines erfindungsgemässen Bildsensors mit photoelektronischen Bildwandlerzellen variabler Größe;
  • 3 ein drittes Beispiel eines erfindungsgemässen Bildsensors mit photoelektronischen Bildwandlerzellen, welche in mehreren Schichten angeordnet sind;
  • 4 den Bildsensor aus 3 im Querschnitt;
  • 5 ein viertes Beispiel eines erfindungsgemässen Bildsensors mit photoelektronischen Bildwandlerzellen, welche in mehreren Schichten angeordnet sind und
  • 6 den Bildsensor aus 5 im Querschnitt;
  • In den Figuren der Zeichnung sind gleiche und ähnliche Teile mit gleichen Bezugszeichen und funktionsähnliche Elemente und Merkmale – sofern nichts Anderes ausgeführt ist – mit gleichen Bezugszeichen aber unterschiedlichen Indizes versehen.
  • 1 zeigt ein erstes Beispiel eines erfindungsgemässen Bildsensors 1a. Dieser umfasst ein Substrat 2 sowie mehrere darauf oder darin angeordnete photoelektronische Bildwandlerzellen 3a. Das Substrat 2 ist vorzugsweise elastisch und kann in seiner Größe geändert werden. Das Substrat 2 kann dazu aus einem Polymer bestehen.
  • Im linken Bild der 1 ist der Bildsensor 1a in seiner Ursprungsgrösse dargestellt, im rechten Bild mit ausgedehntem Substrat 2. In diesem Beispiel ist die Größe der photoelektronischen Bildwandlerzellen 3a – wie leicht zu erkennen ist – konstant, das heisst bei Vergrößerung des Substrats 2 vergrößern sich nur die Zwischenräume zwischen den Bildwandlerzellen 3a. Die photoelektronischen Bildwandlerzellen 3a können beispielsweise aus Silizium bestehen.
  • Vorteilhaft kann so ein erfasster Bildausschnitt verändert werden, auch wenn eine dem Bildsensor 1a vorgelagerte Abbildungsoptik keine Zoom-Funktion umfasst. Selbstverständlich sind durch die Erfindung jedoch Videokameras und Mikroskope nicht ausgeschlossen, die sowohl einen erfindungsgemässen neuen Bildsensor aufweisen, also auch ein herkömmliches Zoom. Durch einen solchen Aufbau könnten die hier angegebenen positiven Effekte eines erfindungsgemässen Bildsensors mit den positiven Effekten eines herkömmlichen Zooms kombiniert werden. So könnte beispielsweise bei Videokameras (z. B. in Mobiltelefonen o. dgl.) neben dem herkömmlichen mechanischen und elektronischen Zoom eine zusätzliche Zoom-Vergrösserungsstufe vorgesehen werden, nämlich die mittels erfindungsgemässen Bildsensors. Dies würde bei etwa gleicher Baugrösse zu einer Steigerung der Abbildungsmöglichkeiten führen.
  • Im linken Bild deutet ein strichpunktierter Rahmen das von der optischen Abbildungsoptik in einer Bildebene erzeugte Bild an. Wegen des in diesem Zustand dazu relativ kleinen Bildsensors 1a wird nur ein Teil des erzeugten Bildes auch tatsächlich von den photoelektronischen Bildwandlerzellen 3a erfasst, was im Wesentlichen einer Ausschnittvergrößerung entspricht.
  • Im rechten Bild dagegen wird das gesamte von der optischen Abbildungsoptik in der Bildebene erzeugte Bild erfasst. Das linke Bild entspricht daher einer Erhöhung der Vergrösserung des Zooms, das rechte Bild einer Reduktion der Vergrösserung des Zooms, allerdings ohne dass dazu tatsächlich die Brennweite oder der Bildausschnitt (Zoom) der optischen Abbildungsoptik verändert werden müsste.
  • Die optische Abbildungsoptik kann daher vergleichsweise einfach gehalten werden und insbesondere nur eine fixe Brennweite aufweisen. Wird dennoch ein Zoom-Objektiv verwendet, so kann mit dem erfindungsgemäßen Bildsensor 1a der Zoom-Bereich erweitert werden.
  • Vorteilhaft kann der erfindungsgemässe Bildsensor 1a daher in einer Digitalkamera, sowohl für stillstehende als auch bewegte Bilder eingesetzt werden. Die Videokamera kann beliebiger Bauart sein, insbesondere kann die Digitalkamera auch Teil eines Mobiltelefons sein. Die Digitalkamera kann aber auch im medizinischen Bereich eingesetzt werden, beispielsweise kann die Videokamera für den Anschluss an ein Mikroskop, insbesondere Operationsmikroskop vorgesehen werden. Das Operationsmikroskop kann dazu einen Videoadapter aufweisen. Selbstverständlich kann der erfindungsgemässe Sensor 1a auch direkt in einem Mikroskop oder beispielsweise in einem Endoskop verbaut sein. Hier sind viele Einsatzmöglichkeiten denkbar, beispielsweise auch im industriellen Bereich, deren Aufzählung den Rahmen sprengen würde, die aber vom grundlegenden erfinderischen Gedanken mitumfasst sind. Prinzipiell kann der erfindungsgemäße Bildsensor 1a an die Stelle jedes aktuell eingesetzten herkömmlichen Bildsensors treten.
  • 2 zeigt nun eine Variante eines Bildsensors 1b, welcher dem Bildsensor 1a aus der 1 sehr ähnlich ist. Allerdings sind die photoelektronischen Bildwandlerzellen 3b elastisch und können hinsichtlich ihrer Größe verändert werden. Die elastischen photoelektronischen Bildwandlerzellen 3b können dazu aus einem Polymer bestehen. Auf diese Weise kann das auf den Sensor 1b fallende Licht optimal erfasst werden, denn zwischen den Bildwandlerzellen 3b entstehen beim „Zoomen” keine Zwischenräume, die kein Licht erfassen.
  • 3 und 4 zeigen eine weitere alternative Bauform eines erfindungsgemässen Bildsensors 1c. Bei diesem Sensor 1c sind photoelektronische Bildwandlerzellen 3a und 3c in zwei Schichten angeordnet. Die Bildwandlerzellen 3a befinden sich dabei direkt an der Oberfläche des Substrats 2, auf welche das Licht trifft. Die Bildwandlerzellen 3c befinden sich dagegen in einer etwas tiefer liegenden Schicht des Substrats 2 und sind versetzt zu den Bildwandlerzellen 3a angeordnet.
  • Im linken Bild der 3 sind nur die Bildwandlerzellen 3a für eine Bilderfassung vorgesehen, beim Ausdehnen des Substrats 2 werden dagegen auch die tiefer liegenden Bildwandlerzellen 3c freigelegt und werden solcherart für die Bilderfassung eingesetzt. Das Substrat 2 ist für diesen Zweck zumindest teilweise transparent ausgeführt.
  • Im vorliegenden Beispiel (4) weisen die Bildwandlerzellen 3a eine konstante Größe auf, wohingegen die Bildwandlerzellen 3c hinsichtlich ihrer Größe variabel sind. Bei 3 ist ebenso eine graduelle Vergrösserung bzw. Verkleinerung der effektiv wirksamen Fläche der Zellen 3c gegeben. Dies ist jedoch keine zwingende Bedingung wie der in den 5 und 6 gezeigte Bilderfassungssensor 1d zeigt. Dieser ist dem Bilderfassungssensor 1c aus den 3 und 4 sehr ähnlich, allerdings weisen die Bildwandlerzellen 3d der tiefer liegenden Schicht so wie die Bildwandlerzellen 3a aus der höher liegenden Schicht eine konstante Größe auf. Zusätzlich sind auch die Bildwandlerzellen 3a etwas tiefer gesetzt, sodass sie vollständig vom Substrat 2 bedeckt sind.
  • In den vorangegangenen Beispielen wurden stets rechteckige, streng gesprochen quadratische photoelektronische Bildwandlerzellen 3a..3d dargestellt. Dies ist natürlich keine zwingende Bedingung. Selbstverständlich sind auch andere geometrische Formen für die Bildwandlerzellen 3a..3d denkbar, insbesondere kreisförmige, sechseckige oder achteckige Bildwandlerzellen 3a..3d.
  • Die Bildwandlerzellen 3a..3d können auch für Licht unterschiedlicher Wellenlänge dotiert sein. Beispielsweise können Bildwandlerzellen 3a..3d für Rot, Grün und Blau vorgesehen sein. Denkbar ist auch, den Bildwandlerzellen 3a..3d verschiedene Farbfilter vorzuschalten, zum Beispiel wiederum für Rot, Blau und Grün. Die Bildwandlerzellen 3a..3d können natürlich auf für eine elektromagnetische Strahlung im unsichtbaren Wellenlängenbereich ausgelegt sein, beispielsweise für infrarotes oder ultraviolettes Licht.
  • Selbstverständlich können elektronische Schaltungen, die für Bildsensoren herkömmlicher Bauart vorgesehen sind, beispielsweise um das vom Sensor erhaltene Signal aufzubereiten und weiterzuverarbeiten, grundsätzlich unverändert auch für den erfindungsgemässen Bildsensor 1a..1d eingesetzt werden.
  • Denkbar ist auch, dass z. B. bei 5 oder 6 beim „Zoomen” photoelektronische Bildwandlerzellen 3a..3d zu- oder weggeschaltet werden. Beispielsweise können beim Vergrössern des Substrats 2 am Rand des Substrats 2 liegende Bildwandlerzellen 3a..3d weggeschaltet werden, um den durch den Sensor 1a..1d erfassten Bereich zu verkleinern. Umgekehrt werden beim Verkleinern des Substrats 2 Bildwandlerzellen 3a..3d dann wieder hinzu geschaltet.
  • Bei allen dargestellten Varianten des erfindungsgemässen Bildsensors 1a..1d kann die Grössenänderung des Substrats 2 a) durch Aufbringen einer Zug- oder Druckkraft erfolgen, wenn das Substrat 2 aus einem elastisch und/oder plastisch verformbaren Material besteht, oder b) durch Anlegen einer elektrischen Spannung, wenn das Substrat 2 aus einem piezoelektrischen Material besteht. Selbstverständlich kann im Fall a) auch ein Aktuator dazu verwendet werden, welcher nach dem piezoelektrischen Prinzip arbeitet. In diesem Fall wird die Grössenänderung des Substrats 2 aber nicht durch innere piezoelektrische Kräfte sondern durch äussere piezoelektrische Kräfte bewirkt. Natürlich sind auch andere Aktuatoren, insbesondere Linearmotoren, prinzipiell einsetzbar, beispielsweise elektromagnetische, pneumatische oder hydraulische Linearmotoren. Deren Umsetzbarkeit im Miniaturmassstab ist prinzipiell aus der MEMS-Technologie (Micro Electro Mechanical System), bei der winzige Maschinen beispielsweise auf photolithografischem Wege aus verschiedensten Materialien geätzt werden, bekannt und braucht daher nicht näher erläutert zu werden.
  • Abschliessend wird angemerkt, dass die aufgezeigten Varianten des erfindungsgemässen Bildsensors 1a..1d nur einen Ausschnitt aus den vielen Möglichkeiten darstellen, und nicht dazu herangezogen werden dürfen, den Anwendungsbereich der Erfindung zu limitieren. Selbstverständlich können die dargestellten Varianten beliebig kombiniert und abgeändert werden. Beispielsweise kann die Lehre aus den 1 und 2 kombiniert werden, indem auch für den Bildsensor 1b aus der 2 elastische Bildwandlerzellen 3b vorgesehen werden, die jedoch nicht so elastisch sind wie das Substrat 2 und somit auch weniger elastisch sind als die Bildwandlerzellen 3a aus der 1. Beim Dehnen des Substrats 2 entstehen zwischen den Bildwandlerzellen 3b daher prinzipiell Zwischenräume, die aber kleiner ausfallen als die in der 1 dargestellten Zwischenräume.
  • Darüber hinaus können Bildsensoren 1c und 1d selbstverständlich auch mehr als zwei Schichten aufweisen. Für den Fachmann sollte es daher ein Leichtes sein, die Erfindung basierend auf den hier dargestellten Überlegungen auf seine Bedürfnisse anzupassen, ohne dabei den Schutzbereich der Erfindung zu verlassen. Darüber hinaus wird darauf hingewiesen, dass Teile der in den Figuren dargestellten Vorrichtungen auch die Basis für unabhängige Erfindungen bilden können.
  • Bezugszeichenliste
  • 1a..1d
    Bildsensor
    2
    Substrat
    3a..3d
    photoelektronische Zelle
  • ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Claims (10)

  1. Bildsensor (1a..1d), umfassend ein Substrat (2) sowie mehrere darauf oder darin angeordnete photoelektronische Bildwandlerzellen (3a..3d), dadurch gekennzeichnet, dass die Fläche des Bildsensors (1a..1d) veränderbar ist und die Flächenveränderung durch Aufbringen einer Zug- oder Druckkraft auf das elastisch und/oder plastisch verformbare Substrat erfolgt.
  2. Bildsensor (1a..1d) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Substrat (2) aus wenigstens einem Polymer besteht.
  3. Bildsensor (1a..1d) nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Substrat (2) aus einem elektroaktiven Polymer (EAP) besteht, an das eine elektrische Spannung zur Änderung der Geometrie des Polymers anlegbar ist.
  4. Bildsensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Zug- oder Druckkräfte durch piezoelektrische Vorrichtungen aufbringbar sind bzw. durch Anlegen einer elektrischen Spannung an ein piezoelektrisches Substrat.
  5. Bildsensor (1a..1d) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Größe der photoelektronischen Bildwandlerzellen (3a, 3d) im Wesentlichen konstant ist.
  6. Bildsensor (1a..1d) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die photoelektronischen Bildwandlerzellen (3b, 3c) elastisch und grössenveränderlich ausgebildet sind.
  7. Bildsensor (1a..1d) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die photoelektronischen Bildwandlerzellen (3a..3d) in mehreren Schichten versetzt angeordnet sind.
  8. Bildsensor (1a..1d) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die photoelektronischen Bildwandlerzellen (3b, 3c) aus wenigstens je einem Polymer bestehen.
  9. Bildsensor (1a..1d) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die photoelektronischen Bildwandlerzellen (3a, 3d) aus Silizium bestehen.
  10. Verwendung eines Bildsensors (1a..1d) nach einem der Ansprüche 1 bis 9 in einer Videokamera oder einem Video-Mikroskop oder in einem Video-Operations-Stereo-Mikroskop mit einer Abbildungsoptik, vorzugsweise mit fester Brennweite.
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