DE102014105222A1

DE102014105222A1 - Camera with integrated spectrometer

Info

Publication number: DE102014105222A1
Application number: DE102014105222.6A
Authority: DE
Inventors: Jan Werschnik
Original assignee: Jenoptik Optical Systems GmbH
Current assignee: Jenoptik Optical Systems GmbH
Priority date: 2014-04-11
Filing date: 2014-04-11
Publication date: 2015-10-15
Also published as: WO2015154875A1

Abstract

Kamera mit einer matrixförmigen Anordnung von Detektorflächen (5.1) eines Detektorarrays (5) zur Erzeugung eines pixelbasierten Bildes und einem Spektrometer (4) mit einer Sensorfläche (4.1), die wenigstens der Position einer Detektorfläche (5.1) des Detektorarrays (5) und damit einem Pixel des Bildes und maximal der Position einer zusammenhängenden Gruppe von Detektorflächen (5.1), die kleiner als das Detektorarray (5) ist, und damit einer zusammenhängenden Gruppe von Pixeln des Bildes zugeordnet werden kann, womit ein mit dem Spektrometer (4) erzeugbares Spektrum einem Bildausschnitt des Bildes zugeordnet werden kann.Camera with a matrix-like arrangement of detector surfaces (5.1) of a detector array (5) for generating a pixel-based image and a spectrometer (4) with a sensor surface (4.1), at least the position of a detector surface (5.1) of the detector array (5) and thus a Pixels of the image and at most the position of a contiguous group of detector surfaces (5.1), which is smaller than the detector array (5), and thus a contiguous group of pixels of the image can be assigned, whereby a spectrometer (4) can be generated with a spectrum Image section of the image can be assigned.

Description

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. The invention relates to a camera having a detector array for generating a pixel-based spatially resolved image and a spectrometer integrated in the camera for generating a spectrum which can be assigned to at least one pixel and at most one contiguous pixel group and thus an image detail.

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. Advantageous applications arise in particular if very high frame rates are to be achieved, for example when observing fast moving objects, but at the same time also spectral information is to be obtained from the observed object.

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. In comparison to spectral cameras which provide a spatially and wavelength resolved image, hereinafter spectral image, significantly higher frame rates are achievable by classical cameras providing a spatially resolved but not spectrally resolved image, subsequently classical image. However, they do not provide spectral information.

Eine klassische Kamera kann für eine Bandbreite in einem beliebigen Spektralbereich optischer Strahlung (z. B. Röntgenstrahlung, visuell sichtbares Licht, Infrarotlicht) ausgelegt sein. A classical camera can be designed for a bandwidth in any spectral range of optical radiation (eg X-ray radiation, visually visible light, infrared light).

In vielen Fällen sind solche klassischen Kameras Wärmebildkameras. In many cases, such classic cameras are thermal imaging cameras.

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. Thermal imaging cameras are offered by a number of manufacturers in various designs. Technically, this can be a classic image, specifically a thermal image, z. B. in the near infrared range through the common visible light technologies such as CCD or CMOS sensors. A thermal image in the medium-wave and long-wave infrared range can be generated by a Mikrobolometerarray of matrix-arranged microbolometers. Cadmium mercury telluride detectors (MCT) or indium antimonide detectors are used instead of microbolometers in the medium-wave infrared range, and in particular gallium arsenide quantum well detectors (QWIP) in the long-wave infrared range.

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. Just as the person skilled in the art is familiar with the detector arrays suitable for a thermal imaging camera, they are also known to him for other classical cameras designed for areas other than infrared spectral ranges.

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. With these detector arrays, pixel-based classical images can be generated using an optical system. Pixel-based here means that the classical image is discretized with a certain number and arrangement of positions at which the radiation intensities of incident radiation are integrated within the spectral sensitivity range of the detector elements of the detector array. The locally different intensity values are displayed in a visualized classical image in different gray levels or for a better differentiation by the human eye in different false colors.

Gleichzeitig kann das klassische Bild elektronisch als sogenannter Frame abgespeichert werden. At the same time, the classic image can be stored electronically as a so-called frame.

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. A frame is understood to mean a data record formed from the pixel intensity values of the matrix-shaped detector array acquired for an image, both for a classical image and for a spectral image.

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. That is, for a classical image, a frame usually arises as a result of a single readout of the entire matrix array of the detector array and correspondingly represents a matrix of pixel intensities of a complete readout process, the individual pixel intensities respectively representing the position of a pixel and thus a position of a detector element in the Matrix of the detector array can be assigned. A frame can be represented as a two-dimensional arrangement of pixels in rows (x-direction) and columns (y-direction) in the form of an information rectangle, each pixel being assigned an intensity value ( 1a ). Consequently, in such a classical image, the radiation intensity incident on the detector array can be spatially resolved in accordance with the number of detector elements.

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. For a spectral image, a frame, as described for the classical image, represents only a partial frame. At the same time or in succession, the individual partial frames are called data sets for one partial image each, which with the radiation of a narrow spectral wavelength range, hereafter only wavelength , is generated. The frame for the overall picture is then assembled from all subframes.

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. The optical system arranged upstream of the detector array in the direction of incidence of the radiation is optimally calculated and constructed such that it is well permeable to radiation with a bandwidth within the spectral sensitivity range of the detector array.

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. Since the radiation intensity of the total incident on a detector element portion of the radiation is integrated, provided that the bandwidth of the radiation is within the spectral sensitivity range of the detector elements, the integration time is comparable to a spectral camera, where per exposure only the Radiation intensity of a monochromatic portion of the radiation is integrated, relatively short. Even if all partial frames for a spectral image are formed at the same time, the achievable frame rates are comparatively lower due to the necessary longer integration times than with conventional cameras.

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. It is known to use a zoom lens for changing the size of the field of view (FOV) of a camera, which has a fixed image position for all zoom positions. In the case that the scene to be imaged lies at infinity, this image plane coincides with the focal plane of the zoom lens. In many cameras, or in the special case of thermal imaging cameras equipped with an uncooled detector array, usually the detector array is arranged in this image plane.

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. It is also known, for. B. in thermal imaging cameras with a cooled detector array, which consequently requires a larger space that the image plane of the zoom lens only represents an intermediate image plane, which is imaged via an additional optics, a so-called re-imager, in an image plane in which then the detector array stands. To reduce the overall length of the camera, this is often not designed as a stretched optical system, but folded over the introduction of at least one deflection mirror, wherein a deflection mirror between the zoom lens and the additional optics is arranged as far as possible from the intermediate image plane.

Für verschiedene Anwendungen ist ein klassisches Bild allein oft nicht ausreichend, um eine gewünschte ausreichende Information von der beobachteten Szenerie zu erhalten. For a variety of applications, a classic image alone is often not sufficient to obtain desired, sufficient information from the observed scenery.

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. Since the end of the 19th century, especially with the works of Fabry and Pérot, astronomy has been the first method of imaging spectroscopy (so-called "hyperspectral imaging" or "spectral imaging") with which spectral images (so-called "spectral images") are known. or "hyperspectral images").

Diese Verfahren und folglich auf diesen Verfahren basierende Kameras werden in sogenannte scannende Verfahren und sogenannte Snapshot-Verfahren unterteilt. These methods and, consequently, cameras based on this method are subdivided into so-called scanning methods and so-called snapshot methods.

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. As already mentioned, a frame for a spectral image is formed from subframes. In the process, the subframes are obtained successively by scanning a detector array with radiation of different wavelengths in succession. A suitable camera for z. B. in their beam path in front of the detector array have a Fabry-Pérot filter. This is formed by two plates whose spacing is changed, that is to say tuned, with which the transmitting wavelength changes.

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. In so-called snapshot methods, the subframes are simultaneously obtained with a plurality of detector arrays. The incident radiation must therefore be divided into several camera channels. Thus, the incident on a detector element intensity is reduced again, which leads to a further increase in the integration time to detect by the detector elements lying above the intrinsic noise intensity can.

Eine im Snapshot-Verfahren arbeitende Kamera ist also im Vergleich zu einer Kamera, die im scannenden Verfahren arbeitet, noch lichtschwächer. A snapshot camera is even weaker compared to a camera using the scanning method.

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). In contrast to the information of a classical image, which by the spatially resolved reception of radiation intensities as a 2D image or as an information rectangle ( 1a ) can be represented, one can imagine the information of a spectral image, as obtained with methods of imaging spectroscopy, as a 3D image or as information cuboid ( 1b ).

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. In the simplest case, the resolution in the third dimension (λ-axis) could be 3 and the information cuboid z. B. consist of 640 × 480 × 3 points. Here, 640 × 480 would correspond to the local image resolution, since the detector array consists of 640 detectors in the x-direction and 480 detectors in the y-direction, and 3 the spectral image resolution allowed by the RGB filter of a standard CCD or CMOS sensor Come.

Ab einer Wellenlängenabtastung von größer 3 wird in der Regel von einem hyperspektralen Bild (sogenanntes „hyperspectral image“) gesprochen. From a wavelength scan greater than 3, a hyperspectral image (so-called "hyperspectral image") is generally used.

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. By doing Article "Review of snapshot spectral imaging technologies" (Hagen and Kudenov, Optical Engineering 52 (9), 090901 (September 2013)) Different methods of imaging spectroscopy were shown and the data acquisition was described using a data or information quad.

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). A concrete example of a hyperspectral camera capable of producing a hyperspectral image is the Near Infrared Camera and Multi-Object Spectrometer (NICMOS) near-infrared camera of the Hubble Space Telescope (HST).

Der Informationsgehalt eines solchen hyperspektralen Bildes ist beeindruckend, bringt aber Nachteile mit sich. The information content of such a hyperspectral image is impressive but has disadvantages.

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. The biggest disadvantage is the low light intensity of the hyperspectral cameras. A frame rate (refresh rate) of greater than 10 frames / second for tracking objects in open terrain is thus hardly achievable.

Ein weiterer Nachteil besteht in der erforderlichen hohen Speicherkapazität zur Abspeicherung jeweils eines Informationsquaders pro Frame, die bei gewünschten hohen Frameraten erheblich sein kann. Another disadvantage is the required high storage capacity for storing one information quad per frame, which can be considerable at desired high frame rates.

Auch ist, wie erläutert, die erreichbare Framerate bei der Erzeugung von spektralen Bildern im Vergleich zur Framerate bei der Erzeugung von klassischen Bildern gering. Also, as explained, the achievable frame rate is low in the generation of spectral images as compared to the frame rate in classical image generation.

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. The invention has for its object to provide a compact camera that allows frame rates greater than 10, that is, more than 10 frames per second and provides a spatially resolved image and spectral information (spectral data).

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. According to the invention, this object is achieved for a camera with an optical axis, along which a zoom lens with a zoom drive and additional optics are arranged, with a plane deflecting mirror and a fixed intermediate image plane between the zoom objective and the additional optics and an image plane behind the additional optics, in which a matrix-shaped arrangement of detector surfaces of a detector array for generating a pixel-based image, consisting of a matrix-shaped arrangement of pixels, is arranged, as well as a control and arithmetic unit solved. For this purpose, the deflecting mirror is arranged in front of the intermediate image plane and for a beam of light incident through the zoom objective permanently or at least partially permeable. From the ray bundle 6 Thus, a first partial beam is coupled out permanently or at least temporarily, and guided through the deflection mirror into a sensor plane. This represents a conjugate plane to the intermediate image plane and the image plane. In the sensor plane, a sensor surface of a spectrometer is in a position which is assigned at least to the position of a detector surface of the detector array and thus to a pixel of the image. At most, the detector surface is associated with the position of a contiguous group of detector surfaces which is smaller than the detector array and thus can be associated with a contiguous group of pixels of the image, whereby a spectrometer-producible spectrum can be associated with an image detail of the image.

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. For applications in which z. B. an object to be followed by the camera to be followed, the spectrometer is advantageously arranged on the optical axis.

Für Anwendungen, in denen z. B. ein statisches Objekt aufgenommen werden soll, kann das Spektrometer vorteilhaft außerhalb der optischen Achse angeordnet sein. For applications in which z. B. a static object is to be recorded, the spectrometer can be advantageously arranged outside the optical axis.

Vorteilhaft ist das Spektrometer innerhalb der Sensorebene verschiebbar, um wahlweise ein Spektrum von verschiedenen Bildausschnitten zu erhalten. Advantageously, the spectrometer is displaceable within the sensor plane in order to optionally obtain a spectrum of different image sections.

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. For an automated displacement of the spectrometer also during the tracking of an object, a drive is advantageously present, which is connected to the control and computing unit.

Es ist von Vorteil, wenn der Antrieb synchron zum Zoom-Antrieb ansteuerbar ist. It is advantageous if the drive can be controlled synchronously with the zoom drive.

Für eine kompakte Bauweise ist es vorteilhaft, wenn das Spektrometer ein Mikrospektrometer ist. For a compact design, it is advantageous if the spectrometer is a microspectrometer.

Erste Wahl ist hier ein Spektrometer mit einem Fabry-Pérot-Filter. The first choice here is a spectrometer with a Fabry-Pérot filter.

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. For ease of operation, a touch panel may be present, which is connected to the control and computing unit, wherein the control and computing unit is designed so that by local touch of the touch panel of the image can be selected.

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. The invention is based on the basic idea, in a known classic camera, hereafter only camera, with a zoom lens and additional optics to perform a partially interposed deflecting mirror to decouple from the incident into the camera beam a first partial beam, which is not in the additional optics is deflected, but incident through the deflection mirror on the sensor surface of a spectrometer. This sensor surface is arranged in a sensor plane at a selected position or displaceable within the sensor plane at a fixed zoom position or synchronously with the change in the zoom position of the zoom lens. Since the sensor plane is located in a plane conjugate to the intermediate image plane by beam imaging in a plane conjugate to the image plane of the thermal imaging camera, the sensor plane arranged in the sensor surface of the spectrometer can be assigned to a position in a standing in the image plane detector array, which means a Spectrum obtained spectrum can be assigned to an image section of the image.

Die Erfindung soll nachstehend anhand von Ausführungsbeispielen näher erläutert werden. Hierzu zeigen die Zeichnungen: The invention will be explained below with reference to exemplary embodiments. The drawings show:

1a ein Informationsrechteck, 1a an information rectangle,

1b einen Informationsquader, 1b an information cube,

2 ein vereinfachtes Optikschema einer erfindungsgemäßen Kamera und 2 a simplified optical scheme of a camera according to the invention and

3 ein Blockschaltbild einer erfindungsgemäßen Kamera. 3 a block diagram of a camera according to the invention.

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. 2 shows the optically effective components, as basically comprises a camera according to the invention, as well as their arrangement to each other and resulting excellent levels. The camera is a camera as described in the description of the prior art as a classic camera.

In 3 sind alle wesentlichen Komponenten, zuzüglich vorteilhafter Komponenten, in einem Blockschaltbild dargestellt. In 3 are all essential components, plus advantageous components, shown in a block diagram.

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. The camera essentially comprises a zoom lens 1 with a zoom drive 1.1 , an additional optics 2 , a partially transparent flat deflection mirror 3 , a spectrometer 4 , a detector array 5 and a control and processing unit 7 , Advantageously, it also includes a drive 8th and a touch panel 9 ,

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. As from the optics scheme in 2 can be seen, points the zoom lens 1 a fixed intermediate image plane ZBE on, that is, a beam of light incident into the camera 6 becomes independent of the zoom position of the zoom lens 1 and thus the changing focal length of the zoom lens 1 always in a locally unchanged plane, the intermediate image plane ZBE, between imaged.

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. The partially transparent flat deflection mirror 3 is in the direction of incidence of the beam 6 the zoom lens 1 arranged downstream and the intermediate image plane ZBE upstream and reflects the optical axis of the zoom lens 1 , which is equal to an optical axis 0 the camera is, in the optical axis of the reflection in the direction of the deflection mirror 3 Subordinate additional optics 2 , also called re-imager. This additional optics 2 forms the intermediate image plane ZBE in a plane conjugate thereto, the image plane BE, ab, in the detector surfaces 5.1 the matrix-shaped detector elements of the detector array 5 are arranged.

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. Due to the partial transmission of the deflecting mirror 3 sets the optical axis 0 also by the deflection mirror 3 through, where for a decoupled first partial beam 6.1 a sensor plane SE is formed which represents a conjugate plane to the intermediate image plane ZBE and thus to the image plane BE.

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. Two mutually conjugate planes are characterized by the fact that each point in a plane can be assigned exactly one point in the other plane and vice versa. Conjugated planes can be created by beam imaging, but also by beam splitting. In the planes formed by beam splitting, mutually conjugate planes SE and ZBE no magnification is to be considered in the assignment. On the other hand, in the case of the conjugate planes ZBE and BE formed by beam imaging, the image scale of the additional optics is 2 to be observed. Due to these circumstances, the selected position of the spectrometer 4 , more precisely its sensor surface 4.1 , at least one detector surface 5.1 a detector element of the detector array 5 be assigned.

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. So z. B. at a size of the sensor surface 4.1 equal to the size of a detector surface 5.1 and a magnification of the additional optics 2 from 1: 1 the sensor surface 4.1 and that with the spectrometer 4 obtained spectrum exactly one detector element and thus a pixel in the image, which represents a picture, assigned. In this case, the spectrum is assigned to an image section in the image with the greatest possible spatial resolution.

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. In practice, however, a detector array is preferred for a high image resolution 5 with the highest possible number of detector elements and thus relatively small detector surfaces 5.1 at the same size of the detector array 5 use.

Hingegen wird man bevorzugt ein Spektrometer 4 mit einer zu den Detektorflächen 5.1 vergleichsweise großen Sensorfläche 4.1 auswählen. On the other hand, preference is given to a spectrometer 4 with one to the detector surfaces 5.1 comparatively large sensor area 4.1 choose.

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. Um for the picture on the detector array 5 To have as much radiation intensity available, the first partial beam should 6.1 prefers only a fraction of less than 10% of the total beam 6 turn off.

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. Now from the first partial beam 6.1 only the radiation component of a selected wavelength from the sensor surface 4.1 of the spectrometer 4 detected as radiation intensity, it is advantageous if the sensor surface 4.1 is chosen larger so that they, z. B. as in 2 shown, a contiguous group of nine detector surfaces 5.1 is assigned as it is nine times the size of a detector surface 5.1 having. Usual sizes for the sensor surface 4.1 are between 0.5 mm × 0.5 mm and 2 mm × 2 mm.

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. The size of the field of view of the camera is determined by the angle of view, which is the focal length of the camera and the diagonal of the detector array 5 results. For subsequent explanations, the possible influence of the additional optics 2 neglected to the focal length of the camera, by assuming a magnification of 1: 1.

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. By changing the zoom position of the zoom lens 1 and thus the focal length of the camera, the size of the image angle and thus the size of the field of view is changed.

Das Sehfeld wird vollständig auf dem Detektorarray 5 abgebildet, sodass ein dadurch entstehendes Bild ein Abbild des gesamten Sehfeldes darstellt. The field of view is completely on the detector array 5 imaged so that a resulting image represents an image of the entire field of view.

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. Only a section of this field of view is the basis for a means of the spectrometer 4 formed spectrum. For an assumed magnification of the additional optics 2 of 1: 1 is the size ratio between the section of the field of view and the field of view only by the size ratio between the sensor surface 4.1 of the spectrometer 4 and the through all detector surfaces 5.1 formed total detector area of the detector array 5 given.

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. As a spectrometer 4 Advantageously, a micro-spectrometer based on the Fabry-Pérot principle is used. It consists of a broadband infrared sensor and a micromechanically tunable Fabry-Pérot filter.

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. The usual sizes of the detector surfaces 5.1 the detector elements of a detector array 5 are 20 μm × 20 μm. With a pixel count of 640 × 480, the outer dimensions of the detector array are 5 equal to 12.8 mm × 9.6 mm.

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. One with a sensor surface 4.1 from Z. B. 0.5 mm × 0.5 mm obtained spectrum can thus at a magnification of the additional optics 2 of 1: 1 are assigned to a section of the field of view, which corresponds to a size of 25 × 25 pixels or about 0.2% of the total field of view.

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. The partially transparent deflection mirror 3 Advantageously, it can be permanently semitransparent due to a geometrical beam splitting or due to a partially transparent coating, a so-called neutral beam splitting. It may also be temporarily partially permeable, by only temporarily a first partial beam 6.1 is decoupled and otherwise the entire beam 6 is reflected.

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. The geometric beam splitting takes place by placing in the deflection mirror 3 a hole is formed or the mirror coating of the deflecting mirror 3 having a hole and the main body of the deflecting mirror 3 is transparent. This hole should be on the spectrometer 4 incident radiation component of the beam 6 as far as possible not limit, on the other hand, but also the cross section of the decoupled first partial beam 6.1 so limit that no radiation components are decoupled, not on the sensor surface 4.1 incident. That is, the first partial beam passing through 6.1 should be the sensor surface 4.1 fully illuminate, but not significantly larger than the sensor surface 4.1 be because the decoupled first partial beam 6.1 the picture is lost. The advantage here is that on the sensor surface 4.1 impinging first partial beams 6.1 with the highest possible radiation intensity, resulting in the shortest possible integration time for the spectrometer 4 results. To the spectrometer 4 and the integration time for this will be done later.

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. A disadvantage of the geometric beam splitting is that a locally limited radiation component of the radiation beam 6 completely for the picture on the detector array 5 lost, which can lead to a loss of information in the image, and precisely in the image to which the spectrum is assigned.

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. This loss of information does not occur with a neutral beam splitting, in which, however, radiation components are also decoupled which do not affect the spectrometer 4 hit, and so get lost for the measurement and imaging. However, the neutral beam splitting has the advantage that the spectrometer 4 regardless of where it is in the sensor plane SE, receives radiation components, since the first partial beam 6.1 no restricted cross-section with respect to the beam 6 having.

Der Umlenkspiegel 3 kann eine Auskopplung eines ersten Teilstrahlenbündels 6.1 auch durch eine polarisationsteilende oder spektralteilende Beschichtung ermöglichen. The deflection mirror 3 can be a decoupling of a first partial beam 6.1 also by a polarization-dividing or spectrally dividing coating.

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. This has the advantage that the spectrometer 4 in the sensor plane SE can be moved. A shift may, for example, be of interest if one wants to obtain spectral information for more than just a section of the field of view or an image section.

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. Also, the use of a mirrored shutter as a partially transparent deflecting mirror 3 be beneficial. This could be z. B. be closed over the duration of tracking and imaging of an object with a high frame rate, bringing the entire beam 6 the image is available, and only a few times or only once for the duration of the integration time of the spectrometer 4 be opened. The deflection mirror 3 is then only temporarily partially permeable.

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. An alternative for a partially transparent deflection mirror 3 may be a mirror which reflects simultaneously or successively alternately in two different directions. For this purpose, a so-called digital micromirror device (DMD) could be used, in which individual micromirrors arranged in matrix form can be controlled individually.

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. The position of the section of the field of view and thus the position of the image section in the image is given by the spectrometer 4 is arranged in a selected position in the sensor plane SE or moved to selected positions within the sensor plane SE.

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. In particular, for an application in which the camera is zoomed in the creation of images in a temporal sequence, z. As in the pursuit of removing or approaching objects, it is advantageous if the spectrometer 4 on the through the deflection mirror 3 guided optical axis 0 the camera is arranged. This has the advantage that even with changing zoom position and thus changing absolute size of the section of the field of view unchanged, the center of the field of view forms the center of the section from the radiation coming on the spectrometer 4 incident.

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. For applications in which the center of the field of view is not the area of interest, but, for example, a local area which may be z. B. in the field of view is right above the center of the field, the spectrometer 4 from the optical axis 0 be located away. In such a case, it is advantageous if the spectrometer 4 with the change of the focal length of the zoom lens 1 is moved radially, which z. For example, a selected object, despite the changing angle of view under which it is imaged, with the spectrometer 4 can be tracked. In this case, the drive 8th provided, as well as the zoom drive 1.1 with the control and computing unit 7 connected is.

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. As from the block diagram in 3 it can be seen, is the control and processing unit 7 via a control line in each case with the zoom drive 1.1 , the detector array 5 and the spectrometer 4 and moreover at least one data line with the detector array 5 and the spectrometer 4 connected.

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. In the event that the spectrometer 4 should be displaceable, is the control and computing unit 7 advantageous via a further control line to the drive 8th of the spectrometer 4 connected. The control and data lines are in 3 shown as a solid line.

Die dargestellten Strichlinien stellen den optischen Fluss in der Kamera dar. The dashed lines represent the optical flow in the camera.

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. As a spectrometer 4 In principle, any conventional spectrometer can be used, the methods used for this purpose for simultaneous or temporally successive decoupling of a specific wavelength from the first partial beam 6.1 which correspond, as they do in the Article "Review of snapshot spectral imaging technologies" (Hagen and Kudenov, Optical Engineering 52 (9), 090901 (September 2013)) were described for the imaging spectroscopy and thus for spectral cameras.

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. That is, in principle, the spectrometer could 4 work according to the snapshot procedure. However, this would require several sensor surfaces 4.1 have, which are in mutually conjugate positions. Such a design would be technically very complicated and would obstruct the desire for a compact camera. It would be a worsened version of the basic idea of the invention.

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. For a camera according to the invention, therefore, a spectrometer operating according to a scanning method should be used 4 be used, which only one sensor surface 4.1 has, on which temporally successive radiation of different wavelengths impinges and is detected. As explained in the context of the spectral cameras, the integration time is the spectrometer 4 needed to detect an intensity, by the noise floor of the sensor of the spectrometer 4 limited to the bottom. The higher the number of wavelengths to be detected from the radiation coming from a section of the field of view, the longer the total integration time of the spectrometer 4 , which results from the integration times for the radiation components of the individual spectral ranges. As explained for classic cameras in the introduction, the detector array has 5 , which integrates the entire incident radiation intensity, a comparatively low integration time, which can be shortened in comparison, when the second partial beam 6.2 by a significantly larger proportion of the beam 6 is formed as the first partial beam 6.1 ,

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. The lower the integration time of the detector array 5 is, the higher the frame rate of the image. By a separate driving and reading the integration times of the spectrometer 4 and the detector array 5 decoupled from each other. Thus, frame rates for image acquisition of greater than 10, advantageously greater than 30 per second, achieved while the framerate for the spectrometer 4 less than 1 per second, advantageously less than 3 per second, allows the formation of a spectrum with a high number of wavelengths.

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. Particularly advantageous is as a spectrometer 4 a microspectrometer is used. It has a cross section of less than 20 mm × 20 mm and a height of less than 30 mm. It comes so much to the desire for a compact design very. Advantageous here is a spectrometer with a tunable Fabry-Pérot filter.

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. A camera according to the invention can be used, for example, advantageous for the monitoring of industrial and production equipment to z. B. to monitor the proportions of various gases (gas analysis). For example, CO _{2 has} a typical absorption band at 4.25 μm while N ₂ O strongly absorbs at 4.66 μm.

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. The advantage consists in the assignments of a spectrum (spectral data) to a certain image detail, i. H. You can direct the camera according to the image information on a section of interest, to which a spectrum is to be determined. This can be advantageous in the case of legal usability because a spectrum is linked to a picture.

Aus dem Spektrum kann dann weitere gewinnbringende Information abgeleitet werden, die durch die ortsaufgelöste Kopplung an die Bildinformation zu einem Informationsgewinn führt. From the spectrum then further profitable information can be derived, which leads to an information gain by the spatially resolved coupling to the image information.

BezugszeichenlisteLIST OF REFERENCE NUMBERS

0 0: optische Achse optical axis
1 1: Zoom-Objektiv Zoom lens
1.1 1.1: Zoom-Antrieb Zoom drive
2 2: Zusatzoptik additional optics
3 3: Umlenkspiegel deflecting
4 4: Spektrometer spectrometer
4.1 4.1: Sensorfläche (des Spektrometers 4) Sensor surface (of the spectrometer 4 )
5 5: Detektorarray detector array
5.1 5.1: Detektorfläche (eines Detektorelementes des Detektorarrays 5) Detector surface (a detector element of the detector array 5 )
6 6: Strahlenbündel ray beam
6.1 6.1: erstes Teilstrahlenbündel first partial beam
6.2 6.2: zweites Teilstrahlenbündel second partial beam
7 7: Steuer- und Recheneinheit Control and computing unit
8 8th: Antrieb (zur Verschiebung des Spektrometers 4) Drive (to shift the spectrometer 4 )
9 9: Touchbedienfeld touch panel
ZBE DBE: Zwischenbildebene Intermediate image plane
SE SE: Sensorebene sensor level
BE BE: Bildebene image plane

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION

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Zitierte Nicht-PatentliteraturCited non-patent literature

Article "Review of snapshot spectral imaging technologies" (Hagen and Kudenov, Optical Engineering 52 (9), 090901 (September 2013)) [0026]
Article "Review of snapshot spectral imaging technologies" (Hagen and Kudenov, Optical Engineering 52 (9), 090901 (September 2013)) [0081]

Claims

Camera with an optical axis ( 0 ), along which a zoom lens ( 1 ) with a zoom drive ( 1.1 ) and an additional optics ( 2 ) are arranged, with a plane deflection mirror ( 3 ) and a fixed intermediate image plane (ZBE) between the zoom lens ( 1 ) and the additional optics ( 2 ) and an image plane (BE) behind the additional optics ( 2 ), in which a matrix-like arrangement of detector surfaces ( 5.1 ) of a detector array ( 5 ) for generating a pixel-based image consisting of a matrix-like arrangement of pixels, and a control and computing unit ( 7 ), wherein the deflection mirror ( 3 ) is arranged in front of the intermediate image plane (ZBE) and for a through the zoom lens ( 1 ) incident beam ( 6 ) is partially transmissive, so that the radiation beam ( 6 ) a first partial beam ( 6.1 ) and by the deflection mirror ( 3 ) is guided into a sensor plane (SE), which represents a conjugate plane to the intermediate image plane (ZBE) and the image plane (BE), and in the sensor plane (SE) a sensor surface (SE) 4.1 ) of a spectrometer ( 4 ) is in a position which at least the position of a detector surface ( 5.1 ) of the detector array ( 5 ) and thus one pixel of the image and at most the position of a contiguous group of detector surfaces ( 5.1 ) smaller than the detector array ( 5 ), and thus can be assigned to a contiguous group of pixels of the image, whereby one with the spectrometer ( 4 ) producible spectrum can be assigned to a picture section of the image.

Camera according to claim 1, characterized in that the spectrometer ( 4 ) on the optical axis ( 0 ) is arranged.

Camera according to claim 1, characterized in that the spectrometer ( 4 ) outside the optical axis ( 0 ) is arranged.

Camera according to claim 2 or 3, characterized in that the spectrometer ( 4 ) is displaceable within the sensor plane (SE) in order to optionally obtain a spectrum of different image sections.

Camera according to claim 4, characterized in that a drive ( 8th ) for the displacement of the spectrometer ( 4 ), which is connected to the control and computing unit ( 7 ) connected is.

Camera according to claim 5, characterized in that the drive ( 8th ) in synchronism with the zoom drive ( 1.1 ) is controllable.

Camera according to claim 1, characterized in that the spectrometer ( 4 ) is a microspectrometer.

Camera according to claim 1 or 6, characterized in that the spectrometer ( 4 ) comprises a Fabry-Pérot filter.

Camera according to claim 1, characterized in that a touch panel ( 9 ), which is connected to the control and processing unit ( 7 ), and the control and processing unit ( 7 ) is designed so that by local touch of the touch panel ( 9 ) the image section can be selected.