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Die Erfindung betrifft eine Kamera mit einem Detektorarray zur Erzeugung eines pixelbasierten ortsaufgelösten Bildes und einem in der Kamera integrierten Spektrometer zur Erzeugung eines Spektrums, welches wenigstens einem Pixel und maximal einer zusammenhängenden Pixelgruppe und damit einem Bildausschnitt zugeordnet werden kann.
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Vorteilhafte Anwendungen ergeben sich insbesondere, wenn sehr hohe Frameraten erreicht werden sollen, zum Beispiel bei der Beobachtung sich schnell bewegender Objekte, gleichzeitig aber auch spektrale Informationen von dem beobachteten Objekt gewonnen werden sollen.
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Im Vergleich zu Spektralkameras, die ein orts- und wellenlängenaufgelöstes Bild, nachfolgend spektrales Bild, liefern, sind durch klassische Kameras, die ein ortsaufgelöstes, jedoch nicht spektral aufgelöstes Bild, nachfolgend klassisches Bild, liefern, deutlich höhere Frameraten erzielbar. Sie liefern jedoch keine spektralen Informationen.
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Eine klassische Kamera kann für eine Bandbreite in einem beliebigen Spektralbereich optischer Strahlung (z. B. Röntgenstrahlung, visuell sichtbares Licht, Infrarotlicht) ausgelegt sein.
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In vielen Fällen sind solche klassischen Kameras Wärmebildkameras.
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Wärmebildkameras werden von einer Reihe von Herstellern in unterschiedlichen Ausführungen angeboten. Technisch lässt sich damit ein klassisches Bild, hier konkret ein Wärmebild, z. B. im nahen Infrarotbereich durch die für sichtbares Licht gängigen Technologien wie CCD- oder CMOS-Sensoren erzeugen. Ein Wärmebild im mittelwelligen und langwelligen Infrarotbereich lässt sich durch ein Mikrobolometerarray aus matrixförmig angeordneten Mikrobolometern erzeugen. Anstelle von Mikrobolometern kommen im mittelwelligen Infrarotbereich insbesondere Cadmium-Quecksilber-Tellurid-Detektoren (MCT) oder Indium-Antimonid-Detektoren und im langwelligen Infrarotbereich insbesondere Gallium-Arsenid-Quantentopf-Detektoren (QWIP) zum Einsatz.
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So wie dem Fachmann die für eine Wärmebildkamera geeigneten Detektorarrays bekannt sind, sind sie ihm auch für andere klassische Kameras bekannt, die für andere als Infrarotspektralbereiche ausgelegt sind.
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Mit diesen Detektorarrays können, über eine Optik belichtet, pixelbasierte klassische Bilder erzeugt werden. Pixelbasiert heißt hier, dass das klassische Bild mit einer bestimmten Anzahl und Anordnung von Positionen diskretisiert ist, an denen die Strahlungsintensitäten von auftreffender Strahlung innerhalb des spektralen Empfindlichkeitsbereiches der Detektorelemente des Detektorarrays aufintegriert werden. Die örtlich unterschiedlichen Intensitätswerte werden in einem sichtbar gemachten klassischen Bild in unterschiedlichen Graustufen oder für eine bessere Differenzierung durch das menschliche Auge in verschiedenen Falschfarben dargestellt.
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Gleichzeitig kann das klassische Bild elektronisch als sogenannter Frame abgespeichert werden.
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Unter einem Frame wird ein Datensatz verstanden, gebildet aus den für ein Bild, sowohl für ein klassisches Bild als auch ein spektrales Bild, erfassten Pixelintensitätswerten des matrixförmigen Detektorarrays.
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Das heißt, für ein klassisches Bild entsteht ein Frame üblicherweise im Ergebnis eines einzelnen Auslesevorgangs der gesamten Matrixanordnung des Detektorarrays und stellt entsprechend eine Matrix der Pixelintensitäten eines kompletten Auslesevorgang dar, wobei die einzelnen Pixelintensitäten jeweils der Position eines Pixels und damit einer Position eines Detektorelementes in der Matrix des Detektorarrays zugeordnet werden können. Ein Frame lässt sich als zweidimensionale Anordnung von Pixeln in Zeilen (x-Richtung) und Spalten (y-Richtung) in Form eines Informationsrechtecks darstellen, wobei jedem Pixel ein Intensitätswert zugeordnet ist (1a). Folglich lässt sich in einem solchen klassischen Bild die auf das Detektorarray auftreffende Strahlungsintensität entsprechend der Anzahl der Detektorelemente ortsaufgelöst zuordnen.
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Für ein spektrales Bild stellt ein Frame, wie es für das klassische Bild beschrieben wurde, nur ein Teilframe dar. Zeitgleich oder zeitlich nacheinander werden die einzelnen Teilframes als Datensätze für jeweils ein Teilbild, das mit der Strahlung eines schmalen spektralen Wellenlängenbereiches, nachfolgend nur Wellenlänge genannt, erzeugt wird, gebildet. Der Frame für das Gesamtbild wird anschließend aus allen Teilframes zusammengesetzt.
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Die dem Detektorarray in Einfallsrichtung der Strahlung vorgeordnete Optik ist optimal so gerechnet und konstruiert, dass sie für eine Strahlung mit einer Bandbreite innerhalb des spektralen Empfindlichkeitsbereiches des Detektorarray gut durchlässig ist.
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Da die Strahlungsintensität des gesamten auf ein Detektorelement auftreffenden Anteils der Strahlung aufintegriert wird, vorausgesetzt die Bandbreite der Strahlung liegt innerhalb des spektralen Empfindlichkeitsbereiches der Detektorelemente, ist die Integrationszeit vergleichsweise zu einer spektralen Kamera, wo pro Belichtung nur die Strahlungsintensität eines monochromatischen Anteils der Strahlung aufintegriert wird, verhältnismäßig kurz. Selbst wenn alle Teilframes für ein spektrales Bild zeitgleich gebildet werden, sind die erreichbaren Frameraten aufgrund der notwendigen längeren Integrationszeiten vergleichsweise geringer als bei klassischen Kameras.
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Es ist bekannt, zur Veränderung der Größe des Sehfeldes (field of view = FOV) einer Kamera ein Zoom-Objektiv zu verwenden, welches eine für alle Zoom-Stellungen ortsfeste Bildebene aufweist. Im Falle, dass die abzubildende Szene im Unendlichen liegt, fällt diese Bildebene mit der Brennebene des Zoom-Objektives zusammen. Bei vielen Kameras, oder im speziellen Fall bei Wärmebildkameras, die mit einem ungekühlten Detektorarray ausgestattet sind, ist üblicherweise das Detektorarray in dieser Bildebene angeordnet.
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Es ist auch bekannt, z. B. bei Wärmebildkameras mit einem gekühlten Detektorarray, welches folglich einen größeren Bauraum benötigt, dass die Bildebene des Zoom-Objektives lediglich eine Zwischenbildebene darstellt, die über eine Zusatzoptik, einen sogenannten Re-Imager, in eine Bildebene abgebildet wird, in der dann das Detektorarray steht. Um die Baulänge der Kamera zu reduzieren, wird diese oft nicht als ein gestrecktes optisches System ausgeführt, sondern über die Einbringung wenigstens eines Umlenkspiegels gefaltet, wobei ein Umlenkspiegel zwischen dem Zoom-Objektiv und der Zusatzoptik möglichst fern von der Zwischenbildebene angeordnet wird.
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Für verschiedene Anwendungen ist ein klassisches Bild allein oft nicht ausreichend, um eine gewünschte ausreichende Information von der beobachteten Szenerie zu erhalten.
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Aus der Astronomie sind seit Ende des 19. Jahrhunderts, insbesondere mit den Arbeiten von Fabry und Pérot, erste Verfahren der abbildenden Spektroskopie bekannt (sogenanntes „Hyperspectral Imaging“ oder „Spectral Imaging“), mit denen spektrale Bilder (sogenannte. „spectral images“ oder „hyperspectral images“) erzeugt werden.
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Diese Verfahren und folglich auf diesen Verfahren basierende Kameras werden in sogenannte scannende Verfahren und sogenannte Snapshot-Verfahren unterteilt.
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Wie bereits erwähnt, wird ein Frame für ein spektrales Bild aus Teilframes gebildet. Dabei werden die Teilframes im scannenden Verfahren nacheinander gewonnen, indem ein Detektorarray zeitlich nacheinander mit Strahlung unterschiedlicher Wellenlänge belichtet wird. Eine hierfür geeignete Kamera kann z. B. in ihrem Strahlengang vor dem Detektorarray einen Fabry-Pérot-Filter aufweisen. Dieser wird durch zwei Platten gebildet, deren Abstand verändert, das heißt durchgestimmt wird, womit sich die transmittierende Wellenlänge ändert.
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In sogenannten Snapshot-Verfahren werden mit mehreren Detektorarrays zeitgleich die Teilframes gewonnen. Die einfallende Strahlung muss also auf mehrere Kamerakanäle aufgeteilt werden. Damit wird die auf ein Detektorelement auftreffende Intensität noch einmal herabgesetzt, was zu einer weiteren Steigerung der Integrationszeit führt, um durch die Detektorelemente eine oberhalb des Eigenrauschens liegende Intensität detektieren zu können.
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Eine im Snapshot-Verfahren arbeitende Kamera ist also im Vergleich zu einer Kamera, die im scannenden Verfahren arbeitet, noch lichtschwächer.
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Im Unterschied zu den Informationen eines klassischen Bildes, welches durch den ortsaufgelösten Empfang von Strahlungsintensitäten als 2D-Bild bzw. als Informationsrechteck (1a) darstellbar ist, kann man sich die Informationen eines spektralen Bildes, wie es mit Verfahren der abbildenden Spektroskopie gewonnen wird, als 3D-Bild bzw. als Informationsquader vorstellen (1b).
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Im einfachsten Fall könnte die Auflösung in der dritten Dimension (λ-Achse) 3 betragen und der Informationsquader z. B. aus 640 × 480 × 3 Punkten bestehen. Dabei entspräche 640 × 480 der örtlichen Bildauflösung, da das Detektorarray aus 640 Detektoren in x-Richtung und 480 Detektoren in y-Richtung besteht, und 3 der spektralen Bildauflösung, die durch den RGB-Filter eines Standard-CCD- oder CMOS-Sensors zu Stande kommt.
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Ab einer Wellenlängenabtastung von größer 3 wird in der Regel von einem hyperspektralen Bild (sogenanntes „hyperspectral image“) gesprochen.
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In dem
Artikel "Review of snapshot spectral imaging technologies" (Hagen and Kudenov; Optical Engineering 52 (9), 090901 (September 2013)) wurden verschiedene Verfahren der abbildenden Spektroskopie aufgezeigt und die Datengewinnung anhand eines Daten- bzw. Informationsquaders beschrieben.
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Ein konkretes Beispiel für eine Hyperspektral-Kamera, mit der ein hyperspektrales Bild erzeugt werden kann, ist die Nahinfrarot-Kamera mit Spektrometer (Near-Infrared Camera and Multi-Object Spectrometer – NICMOS) des Hubble-Space-Teleskops (HST).
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Der Informationsgehalt eines solchen hyperspektralen Bildes ist beeindruckend, bringt aber Nachteile mit sich.
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Der größte Nachteil entsteht durch die geringe Lichtstärke der hyperspektralen Kameras. Eine Framerate (Bildwiederholrate) von größer 10 Bilder/Sekunde zur Verfolgung von Objekten im freien Gelände ist damit kaum zu erreichen.
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Ein weiterer Nachteil besteht in der erforderlichen hohen Speicherkapazität zur Abspeicherung jeweils eines Informationsquaders pro Frame, die bei gewünschten hohen Frameraten erheblich sein kann.
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Auch ist, wie erläutert, die erreichbare Framerate bei der Erzeugung von spektralen Bildern im Vergleich zur Framerate bei der Erzeugung von klassischen Bildern gering.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine kompakte Kamera zu schaffen, die Frameraten größer 10, das heißt mehr als 10 Bilder pro Sekunde erlaubt und ein ortsaufgelöstes Bild sowie spektrale Informationen (Spektraldaten) liefert.
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Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe für eine Kamera mit einer optischen Achse, entlang derer ein Zoom-Objektiv mit einem Zoomantrieb und eine Zusatzoptik angeordnet sind, mit einem ebenen Umlenkspiegel und einer feststehenden Zwischenbildebene zwischen dem Zoom-Objektiv und der Zusatzoptik sowie einer Bildebene hinter der Zusatzoptik, in der eine matrixförmige Anordnung von Detektorflächen eines Detektorarrays zur Erzeugung eines pixelbasierten Bildes, bestehend aus einer matrixförmigen Anordnung von Pixeln, angeordnet ist, sowie einer Steuer- und Recheneinheit gelöst. Dazu ist der Umlenkspiegel vor der Zwischenbildebene angeordnet und für ein durch das Zoom-Objektiv einfallendes Strahlenbündel permanent oder wenigstens zeitweise teilweise durchlässig. Von dem Strahlenbündel 6 wird so permanent oder wenigstens zeitweise ein erstes Teilstrahlenbündel ausgekoppelt und durch den Umlenkspiegel hindurch in eine Sensorebene geführt. Diese stellt eine konjugierte Ebene zu der Zwischenbildebene und der Bildebene dar. In der Sensorebene steht eine Sensorfläche eines Spektrometers in einer Position, die wenigstens der Position einer Detektorfläche des Detektorarrays und damit einem Pixel des Bildes zugeordnet ist. Maximal ist die Detektorfläche der Position einer zusammenhängenden Gruppe von Detektorflächen zugeordnet, die kleiner als das Detektorarray ist und damit einer zusammenhängenden Gruppe von Pixeln des Bildes zugeordnet werden kann, womit ein mit dem Spektrometer erzeugbares Spektrum einem Bildausschnitt des Bildes zugeordnet werden kann.
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Für Anwendungen, in denen z. B. ein sich von der Kamera entfernendes Objekt verfolgt werden soll, ist das Spektrometer vorteilhaft auf der optischen Achse angeordnet.
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Für Anwendungen, in denen z. B. ein statisches Objekt aufgenommen werden soll, kann das Spektrometer vorteilhaft außerhalb der optischen Achse angeordnet sein.
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Vorteilhaft ist das Spektrometer innerhalb der Sensorebene verschiebbar, um wahlweise ein Spektrum von verschiedenen Bildausschnitten zu erhalten.
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Für eine automatisierte Verschiebung des Spektrometers auch während der Verfolgung eines Objektes ist vorteilhaft ein Antrieb vorhanden, der mit der Steuer- und Recheneinheit verbunden ist.
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Es ist von Vorteil, wenn der Antrieb synchron zum Zoom-Antrieb ansteuerbar ist.
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Für eine kompakte Bauweise ist es vorteilhaft, wenn das Spektrometer ein Mikrospektrometer ist.
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Erste Wahl ist hier ein Spektrometer mit einem Fabry-Pérot-Filter.
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Für eine einfache Bedienung kann ein Touchbedienfeld vorhanden sein, das mit der Steuer- und Recheneinheit verbunden ist, wobei die Steuer- und Recheneinheit so ausgelegt ist, dass durch lokale Berührung des Touchbedienfeldes der Bildausschnitt ausgewählt werden kann.
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Die Erfindung basiert auf der Grundüberlegung, bei einer bekannten klassischen Kamera, nachfolgend nur Kamera, mit einem Zoom-Objektiv und einer Zusatzoptik einen dazwischen angeordneten Umlenkspiegel teildurchlässig auszuführen, um aus dem in die Kamera einfallenden Strahlenbündel ein erstes Teilstrahlenbündel auszukoppeln, welches nicht in die Zusatzoptik umgelenkt wird, sondern durch den Umlenkspiegel hindurch auf die Sensorfläche eines Spektrometers auftrifft. Diese Sensorfläche ist in einer Sensorebene an einer ausgewählten Position angeordnet oder innerhalb der Sensorebene bei einer festen Zoom-Stellung oder auch synchron mit der Änderung der Zoom-Stellung des Zoom-Objektives verschiebbar. Da die Sensorebene in einer durch Strahlteilung zur Zwischenbildebene konjugierten Ebene liegt, die durch Strahlabbildung in einer zur Bildebene der Wärmebildkamera konjugierten Ebene liegt, kann die in der Sensorebene angeordnete Sensorfläche des Spektrometers einer Position in einem in der Bildebene stehenden Detektorarray zugeordnet werden, womit ein mittels des Spektrometers erhaltenes Spektrum einem Bildausschnitt des Bildes zugeordnet werden kann.
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Die Erfindung soll nachstehend anhand von Ausführungsbeispielen näher erläutert werden. Hierzu zeigen die Zeichnungen:
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1a ein Informationsrechteck,
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1b einen Informationsquader,
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2 ein vereinfachtes Optikschema einer erfindungsgemäßen Kamera und
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3 ein Blockschaltbild einer erfindungsgemäßen Kamera.
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2 zeigt die optisch wirksamen Komponenten, wie sie eine Kamera gemäß der Erfindung grundsätzlich umfasst, sowie ihre Anordnung zueinander und sich ergebende ausgezeichnete Ebenen. Bei der Kamera handelt es sich um eine Kamera, wie sie in der Beschreibung zum Stand der Technik als klassische Kamera beschrieben wurde.
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In 3 sind alle wesentlichen Komponenten, zuzüglich vorteilhafter Komponenten, in einem Blockschaltbild dargestellt.
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Die Kamera umfasst im Wesentlichen ein Zoom-Objektiv 1 mit einem Zoom-Antrieb 1.1, eine Zusatzoptik 2, einen teildurchlässigen ebenen Umlenkspiegel 3, ein Spektrometer 4, ein Detektorarray 5 und eine Steuer- und Recheneinheit 7. Vorteilhaft umfasst sie darüber hinaus einen Antrieb 8 und ein Touchbedienfeld 9.
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Wie aus dem Optikschema in 2 zu ersehen ist, weist das Zoom-Objektiv 1 eine feststehende Zwischenbildebene ZBE auf, das heißt, ein in die Kamera einfallendes Strahlenbündel 6 wird unabhängig von der Zoom-Stellung des Zoom-Objektives 1 und damit der sich ändernden Brennweite des Zoom-Objektives 1 stets in eine örtlich unverändert stehende Ebene, die Zwischenbildebene ZBE, zwischenabgebildet.
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Der teildurchlässige ebene Umlenkspiegel 3 ist in Einfallsrichtung des Strahlenbündels 6 dem Zoom-Objektiv 1 nachgeordnet und der Zwischenbildebene ZBE vorgeordnet und reflektiert die optische Achse des Zoom-Objektives 1, die gleich einer optischen Achse 0 der Kamera ist, in die optische Achse der in Reflexionsrichtung des Umlenkspiegels 3 nachgeordneten Zusatzoptik 2, auch Re-Imager genannt. Diese Zusatzoptik 2 bildet die Zwischenbildebene ZBE in eine hierzu konjugierte Ebene, die Bildebene BE, ab, in der Detektorflächen 5.1 der matrixförmig angeordneten Detektorelemente des Detektorarrays 5 angeordnet sind.
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Infolge der Teildurchlässigkeit des Umlenkspiegels 3 setzt sich die optische Achse 0 auch durch den Umlenkspiegel 3 hindurch fort, wo für ein ausgekoppeltes erstes Teilstrahlenbündel 6.1 eine Sensorebene SE entsteht, die zur Zwischenbildebene ZBE und damit zur Bildebene BE eine konjugierte Ebene darstellt.
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Zwei zueinander konjugierte Ebenen zeichnen sich dadurch aus, das jedem Punkt in einer Ebene exakt ein Punkt in der anderen Ebene und umgekehrt zugeordnet werden kann. Konjugierte Ebenen können über eine Strahlabbildung, aber auch durch eine Strahlteilung entstehen. Bei den durch Strahlteilung gebildeten, zueinander konjugierten Ebenen SE und ZBE ist kein Abbildungsmaßstab bei der Zuordnung zu beachten. Hingegen ist bei den durch Strahlabbildung gebildeten konjugierten Ebenen ZBE und BE der Abbildungsmaßstab der Zusatzoptik 2 zu beachten. Aufgrund dieser Gegebenheiten kann die ausgewählte Position des Spektrometers 4, genauer gesagt seiner Sensorfläche 4.1, wenigstens einer Detektorfläche 5.1 eines Detektorelementes des Detektorarrays 5 zugeordnet werden.
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So wird z. B. bei einer Größe der Sensorfläche 4.1 gleich der Größe einer Detektorfläche 5.1 und einem Abbildungsmaßstab der Zusatzoptik 2 von 1:1 die Sensorfläche 4.1 und damit das mit dem Spektrometer 4 gewonnene Spektrum genau einem Detektorelement und damit einem Pixel im Bild, welches einen Bildausschnitt darstellt, zugeordnet. Das Spektrum wird in diesem Fall mit einer größtmöglichen Ortsauflösung einem Bildausschnitt im Bild zugeordnet.
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Praktisch wird man allerdings bevorzugt für eine hohe Bildauflösung ein Detektorarray 5 mit einer möglichst hohen Anzahl von Detektorelementen und damit verhältnismäßig kleinen Detektorflächen 5.1 bei gleicher Größe des Detektorarrays 5 verwenden.
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Hingegen wird man bevorzugt ein Spektrometer 4 mit einer zu den Detektorflächen 5.1 vergleichsweise großen Sensorfläche 4.1 auswählen.
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Um für die Abbildung auf dem Detektorarray 5 möglichst viel Strahlungsintensität zur Verfügung zu haben, sollte das erste Teilstrahlenbündel 6.1 bevorzugt nur einen Bruchteil von kleiner 10% des gesamten Strahlenbündels 6 ausmachen.
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Wird nun von dem ersten Teilstrahlenbündel 6.1 nur der Strahlungsanteil einer ausgewählten Wellenlänge von der Sensorfläche 4.1 des Spektrometers 4 als Strahlungsintensität detektiert, ist es von Vorteil, wenn die Sensorfläche 4.1 größer gewählt wird, sodass sie, z. B. wie in 2 dargestellt, einer zusammenhängenden Gruppe von neun Detektorflächen 5.1 zugeordnet wird, da sie die neunfache Größe einer Detektorfläche 5.1 aufweist. Übliche Größen für die Sensorfläche 4.1 liegen zwischen 0,5 mm × 0,5 mm und 2 mm × 2 mm.
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Die Größe des Sehfeldes der Kamera wird durch den Bildwinkel bestimmt, welcher sich aus der Brennweite der Kamera und der Diagonale des Detektorarrays 5 ergibt. Für nachfolgende Erläuterungen soll der eventuelle Einfluss der Zusatzoptik 2 auf die Brennweite der Kamera vernachlässigt werden, indem hier von einem Abbildungsmaßstab von 1:1 ausgegangen werden soll.
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Mit der Änderung der Zoom-Stellung des Zoom-Objektives 1 und damit der Brennweite der Kamera wird die Größe des Bildwinkels und damit die Größe des Sehfeldes verändert.
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Das Sehfeld wird vollständig auf dem Detektorarray 5 abgebildet, sodass ein dadurch entstehendes Bild ein Abbild des gesamten Sehfeldes darstellt.
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Nur ein Ausschnitt aus diesem Sehfeld ist die Basis für ein mittels des Spektrometers 4 gebildetes Spektrum. Bei einem angenommenen Abbildungsmaßstab der Zusatzoptik 2 von 1:1 ist das Größenverhältnis zwischen dem Ausschnitt aus dem Sehfeld und dem Sehfeld nur durch das Größenverhältnis zwischen der Sensorfläche 4.1 des Spektrometers 4 und der durch alle Detektorflächen 5.1 gebildeten Gesamtdetektorfläche des Detektorarrays 5 gegeben.
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Als Spektrometer 4 wird vorteilhaft ein auf dem Fabry-Pérot-Prinzip basierendes Mikrospektrometer verwendet. Es besteht aus einem breitbandigen Infrarotsensor und einem mikromechanisch durchstimmbaren Fabry-Pérot-Filter.
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Die üblichen Größen der Detektorflächen 5.1 der Detektorelemente eines Detektorarrays 5 liegen bei 20 µm × 20 µm. Bei einer Pixelanzahl von 640 × 480 sind die Außenmaße des Detektorarrays 5 gleich 12,8 mm × 9,6 mm.
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Ein mit einer Sensorfläche 4.1 von z. B. 0,5 mm × 0,5 mm gewonnenes Spektrum kann damit bei einem Abbildungsmaßstab der Zusatzoptik 2 von 1:1 einem Ausschnitt aus dem Sehfeld zugeordnet werden, welcher einer Größe von 25 × 25 Pixeln oder ca. 0,2 % des gesamten Sehfeldes entspricht.
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Der teildurchlässige Umlenkspiegel 3 kann vorteilhaft permanent teildurchlässig aufgrund einer geometrischen Strahlteilung oder aufgrund einer teildurchlässigen Beschichtung, einer sogenannten neutralen Strahlteilung, sein. Er kann auch temporär teildurchlässig sein, indem nur zeitweise ein erstes Teilstrahlenbündel 6.1 ausgekoppelt wird und ansonsten das gesamte Strahlenbündel 6 reflektiert wird.
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Die geometrische Strahlteilung erfolgt, indem in dem Umlenkspiegel 3 ein Loch ausgebildet wird bzw. die Spiegelbeschichtung des Umlenkspiegels 3 ein Loch aufweist und der Grundkörper des Umlenkspiegels 3 transparent ist. Dieses Loch sollte den auf das Spektrometer 4 auftreffenden Strahlungsanteil des Strahlenbündels 6 zum einen möglichst nicht begrenzen, zum anderen aber auch den Querschnitt des ausgekoppelten ersten Teilstrahlenbündels 6.1 so begrenzen, dass keine Strahlungsanteile ausgekoppelt werden, die nicht auf die Sensorfläche 4.1 auftreffen. Das heißt, das hindurchtretende erste Teilstrahlenbündel 6.1 sollte die Sensorfläche 4.1 vollständig ausleuchten, jedoch auch nicht wesentlich größer als die Sensorfläche 4.1 sein, da das ausgekoppelte erste Teilstrahlenbündel 6.1 der Abbildung verloren geht. Vorteilhaft ist hier, dass das auf die Sensorfläche 4.1 auftreffende erste Teilstrahlenbündel 6.1 mit höchstmöglicher Strahlungsintensität auftrifft, womit sich die kürzestmögliche Integrationszeit für das Spektrometer 4 ergibt. Zum Spektrometer 4 und der Integrationszeit hierfür wird an späterer Stelle ausgeführt.
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Nachteilig an der geometrischen Strahlteilung ist, dass ein lokal begrenzter Strahlungsanteil des Strahlenbündels 6 vollständig für die Abbildung auf dem Detektorarray 5 verloren geht, was zu einem Informationsverlust im Bild führen kann, und zwar genau in dem Bildausschnitt, dem das Spektrum zugeordnet wird.
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Dieser Informationsverlust entsteht nicht mit einer neutralen Strahlteilung, bei der dann allerdings auch Strahlungsanteile ausgekoppelt werden, die nicht auf das Spektrometer 4 auftreffen, und so für die Messung und die Abbildung verloren gehen. Die neutrale Strahlteilung hat allerdings den Vorteil, dass das Spektrometer 4 unabhängig davon, wo es in der Sensorebene SE steht, Strahlungsanteile empfängt, da das erste Teilstrahlenbündel 6.1 keinen eingeschränkten Querschnitt gegenüber dem Strahlenbündel 6 aufweist.
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Der Umlenkspiegel 3 kann eine Auskopplung eines ersten Teilstrahlenbündels 6.1 auch durch eine polarisationsteilende oder spektralteilende Beschichtung ermöglichen.
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Das hat den Vorteil, dass das Spektrometer 4 in der Sensorebene SE verschoben werden kann. Eine Verschiebung kann zum Beispiel von Interesse sein, wenn man zu mehr als nur einem Ausschnitt des Sehfeldes bzw. einem Bildausschnitt spektrale Informationen erhalten möchte.
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Auch kann die Verwendung eines verspiegelten Shutters als teildurchlässiger Umlenkspiegel 3 von Vorteil sein. Dieses könnte z. B. über die Dauer der Verfolgung und Abbildung eines Objektes mit einer hohen Framerate geschlossen sein, womit das gesamte Strahlenbündel 6 der Abbildung zur Verfügung steht, und nur wenige Male bzw. nur einmal für die Dauer der Integrationszeit des Spektrometers 4 geöffnet werden. Der Umlenkspiegel 3 ist dann nur temporär teildurchlässig.
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Eine Alternative für einen teildurchlässigen Umlenkspiegel 3 kann ein Spiegel sein, der zeitgleich oder nacheinander alternierend in zwei verschiedene Richtung reflektiert. Hierfür könnte ein sogenanntes Digital Micromirror Device (DMD) verwendet werden, bei dem einzelne matrixförmig angeordnete Mikrospiegel einzeln ansteuerbar sind.
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Die Lage des Ausschnittes aus dem Sehfeld und damit die Lage des Bildausschnittes im Bild wird vorgegeben, indem das Spektrometer 4 in einer ausgewählten Position in der Sensorebene SE angeordnet oder in ausgewählte Positionen innerhalb der Sensorebene SE verschoben wird.
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Insbesondere für eine Anwendung, bei welcher die Kamera bei der Erstellung von Bildern in einer zeitlichen Abfolge gezoomt wird, z. B. bei der Verfolgung sich entfernender oder annähernder Objekte, ist es von Vorteil, wenn das Spektrometer 4 auf der durch den Umlenkspiegel 3 geführten optischen Achse 0 der Kamera angeordnet ist. Das hat den Vorteil, dass auch bei sich ändernder Zoom-Stellung und sich folglich ändernder absoluter Größe des Ausschnittes des Sehfeldes unverändert der Mittelpunkt des Sehfeldes den Mittelpunkt des Ausschnittes bildet aus dem Strahlung kommend auf das Spektrometer 4 auftrifft.
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Für Anwendungsfälle, in denen nicht die Sehfeldmitte der Bereich des Interesses ist, sondern zum Beispiel ein örtlicher Bereich, der sich z. B. im Sehfeld rechts oberhalb der Sehfeldmitte befindet, kann das Spektrometer 4 von der optischen Achse 0 entfernt angeordnet sein. In einem solchen Fall ist es von Vorteil, wenn das Spektrometer 4 mit der Änderung der Brennweite des Zoom-Objektives 1 radial verschoben wird, womit z. B. ein ausgewähltes Objekt trotz des sich ändernden Bildwinkels, unter dem es abgebildet wird, mit dem Spektrometer 4 verfolgt werden kann. Für diesen Fall ist der Antrieb 8 vorgesehen, der ebenso wie der Zoom-Antrieb 1.1 mit der Steuer- und Recheneinheit 7 verbunden ist.
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Wie aus dem Blockschaltbild in 3 zu entnehmen ist, ist die Steuer- und Recheneinheit 7 über eine Steuerleitung jeweils mit dem Zoom-Antrieb 1.1, dem Detektorarray 5 und dem Spektrometer 4 und darüber hinaus wenigstens über eine Datenleitung mit dem Detektorarray 5 und dem Spektrometer 4 verbunden.
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Für den Fall, dass das Spektrometer 4 verschiebbar sein soll, ist die Steuer- und Recheneinheit 7 vorteilhaft über eine weitere Steuerleitung mit dem Antrieb 8 des Spektrometers 4 verbunden. Die Steuer- und Datenleitungen sind in 3 als Volllinie dargestellt.
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Die dargestellten Strichlinien stellen den optischen Fluss in der Kamera dar.
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Als Spektrometer
4 kann grundsätzlich jedes herkömmliche Spektrometer verwendet werden, wobei die hierfür zur Anwendung kommenden Verfahren zur zeitgleichen oder zeitlich aufeinanderfolgenden Auskopplung einer bestimmten Wellenlänge aus dem ersten Teilstrahlenbündel
6.1 denen entsprechen, wie sie auch in dem
Artikel "Review of snapshot spectral imaging technologies" (Hagen and Kudenov; Optical Engineering 52 (9), 090901 (September 2013)) für die abbildende Spektroskopie und damit für spektrale Kameras beschrieben wurden.
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Das heißt, grundsätzlich könnte das Spektrometer 4 nach dem Snapshot-Verfahren arbeiten. Dazu müsste es allerdings mehrere Sensorflächen 4.1 aufweisen, die in zueinander konjugierten Positionen stehen. Eine solche Ausführung wäre technisch sehr aufwendig und würde dem Wunsch nach einer kompakten Kamera entgegenstehen. Sie wäre eine verschlechterte Ausführung des Grundgedankens der Erfindung.
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Für eine erfindungsgemäße Kamera soll daher ein nach einem scannenden Verfahren arbeitendes Spektrometer 4 verwendet werden, welches nur eine Sensorfläche 4.1 aufweist, auf welche zeitlich nacheinander Strahlung unterschiedlicher Wellenlängen auftrifft und detektiert wird. Wie im Zusammenhang mit den spektralen Kameras erläutert, wird die Integrationszeit, welche das Spektrometer 4 benötigt, um eine Intensität zu detektieren, durch das Grundrauschen des Sensors des Spektrometers 4 nach unten hin begrenzt. Je höher die Anzahl der Wellenlängen ist, die aus der von einem Ausschnitt des Sehfeldes kommenden Strahlung detektiert werden soll, desto länger ist die Gesamtintegrationszeit des Spektrometers 4, die sich aus den Integrationszeiten für die Strahlungsanteile der einzelnen spektralen Bereiche ergibt. Wie für klassische Kameras in der Einleitung erläutert, hat das Detektorarray 5, welches die gesamte auftreffende Strahlungsintensität aufintegriert, eine vergleichsweise geringe Integrationszeit, die sich im Vergleich noch verkürzen lässt, wenn das zweite Teilstrahlenbündel 6.2 durch einen deutlich größeren Anteil vom Strahlenbündel 6 gebildet wird als das erste Teilstrahlenbündel 6.1.
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Je geringer die Integrationszeit des Detektorarrays 5 ist, desto höher ist die Framerate des Bildes. Durch ein getrenntes Ansteuern und Auslesen werden die Integrationszeiten des Spektrometers 4 und des Detektorarrays 5 voneinander entkoppelt. So können Frameraten für die Bilderfassung von größer 10, vorteilhaft größer 30 pro Sekunde, erreicht werden, während die Framerate für das Spektrometer 4 kleiner 1 pro Sekunde, vorteilhaft kleiner 3 pro Sekunde, die Bildung eines Spektrums mit einer hohen Anzahl von Wellenlängen ermöglicht.
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Besonders vorteilhaft wird als Spektrometer 4 ein Mikrospektrometer verwendet. Es weist einen Querschnitt von kleiner 20 mm × 20 mm und eine Höhe von kleiner 30 mm auf. Es kommt so dem Wunsch nach einer kompakten Bauweise sehr entgegen. Vorteilhaft ist hier ein Spektrometer mit einem durchstimmbaren Fabry-Pérot-Filter.
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Eine erfindungsgemäße Kamera kann beispielsweise vorteilhaft für die Überwachung von Industrie- und Produktionsanlagen eingesetzt werden, um z. B. die Anteilsmengen diverser Gase zu überwachen (Gasanalyse). Beispielsweise hat CO2 eine typische Absorptionsbande bei 4,25 µm, während N2O bei 4,66 µm stark absorbiert.
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Der Vorteil besteht in den Zuordnungen eines Spektrums (Spektraldaten) zu einem bestimmten Bildausschnitt, d. h. man kann die Kamera entsprechend der Bildinformation auf einen interessierenden Bildausschnitt richten, zu dem ein Spektrum bestimmt werden soll. Das kann bei der Gerichtsverwertbarkeit vorteilhaft sein, weil mit dem Spektrum auch ein Bild fest verknüpft ist.
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Aus dem Spektrum kann dann weitere gewinnbringende Information abgeleitet werden, die durch die ortsaufgelöste Kopplung an die Bildinformation zu einem Informationsgewinn führt.
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Bezugszeichenliste
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- 0
- optische Achse
- 1
- Zoom-Objektiv
- 1.1
- Zoom-Antrieb
- 2
- Zusatzoptik
- 3
- Umlenkspiegel
- 4
- Spektrometer
- 4.1
- Sensorfläche (des Spektrometers 4)
- 5
- Detektorarray
- 5.1
- Detektorfläche (eines Detektorelementes des Detektorarrays 5)
- 6
- Strahlenbündel
- 6.1
- erstes Teilstrahlenbündel
- 6.2
- zweites Teilstrahlenbündel
- 7
- Steuer- und Recheneinheit
- 8
- Antrieb (zur Verschiebung des Spektrometers 4)
- 9
- Touchbedienfeld
- ZBE
- Zwischenbildebene
- SE
- Sensorebene
- BE
- Bildebene
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Nicht-Patentliteratur
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- Artikel “Review of snapshot spectral imaging technologies” (Hagen and Kudenov; Optical Engineering 52 (9), 090901 (September 2013)) [0026]
- Artikel “Review of snapshot spectral imaging technologies” (Hagen and Kudenov; Optical Engineering 52 (9), 090901 (September 2013)) [0081]