DE10218947B4 - Device for calibrating a spectroradiometer with a photoelectric detector - Google Patents

Device for calibrating a spectroradiometer with a photoelectric detector Download PDF

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Abstract

Vorrichtung zur Kalibrierung eines Spektroradiometers mit einem fotoelektrischen Detektor, umfassend eine Beleuchtungseinheit zur Abstrahlung einer kollimaren Eichstrahlung, wobei mittels einer Stelleinrichtung die Richtung der kollimaren Eichstrahlung zu dem fotoelektrischen Detektor veränderbar ist, wobei für jedes Element des fotoelektrischen Detektors der Beobachtungswinkel, also seine Lage (IFOV) im gesamten Messfeld (FOV), durch die Einstrahlungsrichtung der Eichstrahlung definiert wird, dadurch gekennzeichnet, dass
die Stelleinrichtung (7) einen auf die Eichstrahlung ausgerichteten Spiegel (6) umfasst, der definiert translatorisch und rotarisch derart bewegbar ist, dass
die Eichstrahlung in verschiedenen Richtungen auf das optische Instrument (11) umlenkbar ist.Apparatus for calibrating a spectroradiometer with a photoelectric detector, comprising a lighting unit for emitting a collimated calibration radiation, wherein by means of an adjusting device, the direction of the collimated calibration radiation to the photoelectric detector is variable, wherein for each element of the photoelectric detector of the observation angle, ie its position (IFOV ) in the entire measuring field (FOV), is defined by the irradiation direction of the calibration radiation, characterized in that
the adjusting device (7) comprises a mirror (6) aligned with the calibration radiation, which is so defined translationally and rotatively movable such that
the calibration radiation can be deflected in different directions onto the optical instrument (11).

Figure 00000001
Figure 00000001

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Kalibrierung eines Spektroradiometers mit einem fotoelektrischen Detektor.The The invention relates to a device for calibrating a spectroradiometer with a photoelectric detector.

Spektroradiometer werden zur Vermessung des Strahlungsfeldes im Rahmen von Aufgaben der Fernerkundung eingesetzt. Die Szene wird durch eine Eingangsoptik in die Bildebene des Instrumentes abgebildet. Die die Eingangsoptik passierende Strahlung wird durch weitere optische Systeme auf die Detektorfläche abgebildet, wo das Bild durch die vielen Elemente des fotoelektrischen Empfängers räumlich und spektral aufgelöst in elektrische Messwerte umgewandelt wird. Zur Rekonstruktion der Szene aus den so erzeugten multispatialen und multispektralen Messdaten ist eine Kalibrierung des Instrumentes in allen seinen Parametern vor dem Einsatz erforderlich.spectroradiometer be used to measure the radiation field in the context of tasks Remote sensing used. The scene is through an entrance optics imaged in the image plane of the instrument. The the entrance optics Passing radiation is transmitted through other optical systems detector surface Pictured, where the picture through the many elements of the photoelectric Receiver spatially and spectrally resolved is converted into electrical measurements. To reconstruct the scene from the multispatial and multispectral data thus generated is a calibration of the instrument in all its parameters required before use.

Bei der Kalibrierung wird die Eingangsoptik des Instrumentes mit kollimierter Strahlung aus verschiedenen Richtungen beleuchtet, wobei die spektrale Verteilung der Eichstrahlung von panchromatisch bis zu sehr engen Spektrallinien variieren kann. Für jedes Element des lichtelektrischen Empfängers wird der Beobachtungswinkel α, also seine Lage (IFOV) im gesamten Messfeld (FOV) durch die Einstrahlungsrichtung des Strahlenbündels in das Instrument definiert. Die optischen Parameter des Instrumentes bestimmen ihrerseits die Anforderungen an die Art und Weise und an die Genauigkeit, mit der die Einstrahlung in das Instrument vorgenommen werden muss: gesamter Winkelbereich α, Anzahl und die Genauigkeit der Winkeleinstellungen Δα, zulässige Divergenz des beleuchtenden Strahlenbündels δα. Hinzu kommen die Anforderungen hinsichtlich Spektralbereich λ, spektrale Auflösung Δλ, Anzahl der Messpunkte im Spektrum λi, die durch die Beleuchtungseinrichtung zu gewährleisten sind.During calibration, the input optics of the instrument are illuminated with collimated radiation from different directions, whereby the spectral distribution of the calibration radiation can vary from panchromatic to very narrow spectral lines. For each element of the photoelectric receiver, the observation angle α, ie its position (IFOV) in the entire measuring field (FOV) is defined by the direction of irradiation of the beam into the instrument. The optical parameters of the instrument, in turn, determine the requirements for the manner and accuracy with which the radiation must be applied to the instrument: total angular range α, number and accuracy of the angle settings Δα, allowable divergence of the illuminating beam δα. In addition there are the requirements with respect to spectral range λ, spectral resolution Δλ, number of measurement points in the spectrum λ i , which are to be ensured by the illumination device.

Das Problem besteht in der genauen, reproduzierbaren Einstellung und Vermessung der optischen Achsen von Instrument und Beleuchtungseinrichtung zueinander (Winkel α und Auflösung Δα) unter Berücksichtigung der Tatsache, dass sowohl Instrument als auch Beleuchtungseinrichtung im Allgemeinen komplizierte, hochpräzise empfindliche optoelektronische Objekte sind.The Problem exists in the exact, reproducible attitude and Measurement of the optical axes of instrument and illumination device to each other (angle α and Resolution Δα) under consideration the fact that both instrument and lighting device generally complicated, high-precision sensitive optoelectronic Objects are.

Bisherige Lösungen sehen vor, dass entweder mit dem Instrument oder mit der Beleuchtungseinrichtung die erforderlichen Bewegungen ausgeführt werden, um die optischen Achsen in der erforderlichen Lage zu bringen. Das erfordert im Allgemeinen einen sehr hohen mechanischen Aufwand, um eine oder beide Einheiten in Translation und Rotation mit hoher Genauigkeit zu bewegen, da hier Massen bis zu 50 kg bei bis zu einem Meter Längenabmessungen zu bewegen sind.Previous solutions Foresee that either with the instrument or with the lighting device the necessary movements are performed to the optical To bring axles in the required position. That generally requires a very high mechanical effort to one or both units to move in translation and rotation with high accuracy, since here masses up to 50 kg with up to one meter length dimensions to move.

Aus der US 5 444 481 A ist eine gattungsgemäße Vorrichtung zur Kalibrierung eines optischen Instruments, nämlich einer CCD-Kamera, mit einem fotoelektrischen Detektor bekannt, umfassend eine Beleuchtungseinheit zur Abstrahlung einer kollimaren Eichstrahlung, wobei mittels einer Stelleinrichtung die Richtung der kollimaren Eichstrahlung zu dem fotoelektrischen Detektor veränderbar ist, wobei für jedes Element des fotoelektrischen Detektors der Betrachtungswinkel, also seine Lage im gesamten Messfeld, durch die Einstrahlungsrichtung der Eichstrahlung definiert wird. Dabei ist die zu kalibrierende CCD-Kamera fest montiert, wohingegen die Beleuchtungseinrichtung in drei Freiheitsgraden translatorisch bewegbar ist.From the US 5 444 481 A is a generic device for calibrating an optical instrument, namely a CCD camera, known with a photoelectric detector, comprising a lighting unit for emitting a collimated calibration radiation, wherein by means of an adjusting device, the direction of the collimated calibration radiation is variable to the photoelectric detector, wherein for each Element of the photoelectric detector, the viewing angle, ie its position in the entire field of view, is defined by the irradiation direction of the calibration radiation. In this case, the CCD camera to be calibrated is fixedly mounted, whereas the illumination device is translationally movable in three degrees of freedom.

Aus der US 5 231 461 A ist ein Verfahren zur Kalibrierung von Farb-Filtern bekannt, wobei während des laufenden Betriebes die Filterparameter überprüft werden, so dass Abweichungen der Filtercharakteristik bei einer nachträglichen Bildverarbeitung korrigiert werden können. Hierzu werden mittels eines Gitters divergente monochromatische Bereiche erzeugt, die mittels eines Spiegels auf weitere Spiegel umgelenkt werden, von wo aus diese auf den Detektor mit den verschiedenen Filtern fallen, wobei durch die Rotationsbewegung des Spiegels die kollimierten Spektrallinien von rechts nach links verschoben werden.From the US 5 231 461 A a method for calibrating color filters is known, wherein the filter parameters are checked during operation, so that deviations of the filter characteristic can be corrected in a subsequent image processing. For this purpose, divergent monochromatic areas are generated by means of a grating, which are deflected by means of a mirror to further mirrors, from where they fall on the detector with the various filters, whereby the collimated spectral lines are shifted from right to left by the rotational movement of the mirror.

Der Erfindung liegt daher das technische Problem zugrunde, eine Vorrichtung zur Kalibrierung eines Spektroradiometers mit einem fotoelektrischen Detektor zu schaffen, mittels derer die Kalibration vereinfacht werden kann Die Lösung des technischen Problems ergibt sich durch den Gegenstand mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1. Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.Of the The invention is therefore based on the technical problem of a device for calibrating a spectroradiometer with a photoelectric detector to create, by means of which the calibration can be simplified The solution the technical problem arises from the subject with the Features of claim 1. Further advantageous embodiments The invention will become apparent from the dependent claims.

Hierzu umfasst die Stelleinrichtung einen auf die Eichstrahlung ausgerichteten Spiegel, der definiert translatorisch und rotatorisch derart bewegbar ist, dass die Eichstrahlung in verschiedenen Richtungen auf das optische Instrument umlenkbar ist. Die Beleuchtungseinheit und das optische Instrument sind jedoch unter einem bestimmten Winkel ihrer optischen Achsen fest zueinander aufgebaut, wobei der Winkel vorzugsweise 90° in der Horizontalen oder der Vertikalen entspricht. Die definierte Veränderung der Einstrahlrichtung erfolgt dann ausschließlich über den Spiegel, der vorzugsweise als Plan-Spiegel ausgebildet ist. Aufgrund seines geringen Gewichtes lässt sich der Spiegel leichter und exakter manipulieren.For this the adjusting device comprises an aligned on the calibration radiation Mirror which is translationally and rotationally movable in a defined manner, that the calibration radiation in different directions on the optical Instrument is deflectable. The lighting unit and the optical Instrument, however, are at a certain angle of their optical Axles fixed to each other, the angle preferably 90 ° in the Horizontal or vertical. The defined change of Direction of irradiation then takes place exclusively via the mirror, which is preferably is designed as a plan mirror. Because of its low weight can be manipulate the mirror more easily and accurately.

In einer bevorzugten Ausführungsform ist die Beleuchtungseinheit horizontal zum Spiegel ausgerichtet, wobei der Spiegel translatorisch entlang der optischen Achse der Beleuchtungseinheit verschiebbar und um eine vertikale Achse drehbar gelagert ist.In a preferred embodiment, the lighting unit is horizontal to the mirror directed, wherein the mirror is translationally displaceable along the optical axis of the lighting unit and rotatably mounted about a vertical axis.

In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist das optische Instrument um eine Achse in der Hauptebene eines Objektives drehbar gelagert, um somit auch im optischen Instrument die IFOV von lichtempfindlichen Elementen mehrerer nebeneinander liegender Reihen vermessen zu können.In a further preferred embodiment is the optical instrument about an axis in the main plane of a Objectively rotatably mounted, thus also in the optical instrument the IFOV of photosensitive elements of several side by side to be able to measure lying rows.

Die Beleuchtungseinheit umfasst vorzugsweise eine Lichtquelle, einen Monochromator und einen Kollimator zur Erzeugung einer kollimaren Eichstrahlung.The Lighting unit preferably comprises a light source, a Monochromator and a collimator for generating a collimator Eich radiation.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand eines bevorzugten Ausführungsbeispieles näher erläutert. Die einzige Figur zeigt eine schematische Prinzipdarstellung einer Vorrichtung zur Kalibrierung eines optischen Instrumentes mit einem fotoelektrischen Detektor.The Invention will be described below with reference to a preferred embodiment explained in more detail. The single figure shows a schematic diagram of a device for calibrating an optical instrument with a photoelectric Detector.

Die Beleuchtungseinheit 1 mit Lichtquelle 2, Monochromator 3 und Kollimator 4 ist horizontal auf einem stabilen Tisch aufgebaut. Die optische Achse des austretenden parallelen Strahlenbündels 5 ist horizontal auf einen Spiegel 6 gerichtet. Der Spiegel 6 ist in der Stelleinrichtung 7 so angebracht, dass eine messbare Verschiebung in horizontaler Richtung 8 und eine messbare Drehung um eine vertikale Achse 9 erfolgen kann. Durch die Spiegelposition wird das Strahlenbündel 10 unter einem bestimmten Winkel in das Instrument 11 geführt und durch ein Objektiv 12 und strahlenformende Elemente 13 zu dem ausgewählten, zu vermessenden Element 14 des lichtelektrischen Empfängers geführt. Die Position des Spiegels 6 in der Translationsrichtung – nach einem vorgegebenen Programm mit der Drehung gekoppelt – erlaubt somit die einfache Bestimmung der Blickrichtung (Lage des IFOV) des Instrumentes 11.The lighting unit 1 with light source 2 , Monochromator 3 and collimator 4 is built horizontally on a stable table. The optical axis of the exiting parallel beam 5 is horizontal on a mirror 6 directed. The mirror 6 is in the actuator 7 so attached, that a measurable shift in the horizontal direction 8th and a measurable rotation about a vertical axis 9 can be done. Through the mirror position, the beam becomes 10 at a certain angle in the instrument 11 guided and through a lens 12 and radiating elements 13 to the selected element to be measured 14 led the photoelectric receiver. The position of the mirror 6 in the direction of translation - coupled with the rotation according to a given program - thus allows easy determination of the viewing direction (position of the IFOV) of the instrument 11 ,

Wird der Gesamtaufbau nicht wie dargestellt horizontal, sondern vertikal vorgenommen, so kann durch eine einfache Drehung des Spiegelsystems um eine horizontale Achse 15 die entsprechende Umlenkung des Parallelstrahles vorgenommen werden. Sind im Instrument 11 die IFOV der lichtempfindlichen Elemente 14 mehrerer nebeneinander liegender Reihen zu vermessen, muss das Instrument um eine entsprechende Achse 16 in der Hauptebene des Objektives 12 gedreht werden.If the overall structure is not made horizontally, as shown, but vertically, it can be done by simply rotating the mirror system about a horizontal axis 15 the corresponding deflection of the parallel beam are made. Are in the instrument 11 IFOV of photosensitive elements 14 To measure several adjacent rows, the instrument must be around a corresponding axis 16 in the main plane of the lens 12 to be turned around.

Die Vorteile der vorgeschlagenen Lösung:
Die Einkopplung erfolgt über einen relativ kleinen Spiegel, der nur zwei Bewegungen ausführen muss: Verschiebung in einer Richtung, Drehung um eine Achse.The advantages of the proposed solution:
The coupling takes place via a relatively small mirror, which only has to perform two movements: displacement in one direction, rotation about one axis.

Da die im allgemeinen großen und schweren optischen Präzisionsbaueinheiten (das zu kalibrierende Instrument 11 selbst und die Beleuchtungseinheit 1) nach einer Grundjustage während der umfangreichen Manipulationen ihre Lage nicht verändern müssen, ist eine hohe Stabilität und damit Genauigkeit in den Winkelmessungen gewährleistet.Because the generally large and heavy precision optical assemblies (the instrument to be calibrated 11 itself and the lighting unit 1 ) must not change their position after a basic adjustment during the extensive manipulations, a high stability and thus accuracy in the angle measurements is guaranteed.

Da die leichte Spiegeleinheit in nur 2 Freiheitsgraden (Translation und Rotation) bewegt werden muss, ist ein stabiler Aufbau mit einer hochpräzisen Längen- und Winkelmessung leicht zu realisieren.There the light mirror unit in only 2 degrees of freedom (Translation and rotation) is a stable construction with a high-precision linear and angle measurement easily realized.

Claims (4)

Vorrichtung zur Kalibrierung eines Spektroradiometers mit einem fotoelektrischen Detektor, umfassend eine Beleuchtungseinheit zur Abstrahlung einer kollimaren Eichstrahlung, wobei mittels einer Stelleinrichtung die Richtung der kollimaren Eichstrahlung zu dem fotoelektrischen Detektor veränderbar ist, wobei für jedes Element des fotoelektrischen Detektors der Beobachtungswinkel, also seine Lage (IFOV) im gesamten Messfeld (FOV), durch die Einstrahlungsrichtung der Eichstrahlung definiert wird, dadurch gekennzeichnet, dass die Stelleinrichtung (7) einen auf die Eichstrahlung ausgerichteten Spiegel (6) umfasst, der definiert translatorisch und rotarisch derart bewegbar ist, dass die Eichstrahlung in verschiedenen Richtungen auf das optische Instrument (11) umlenkbar ist.Apparatus for calibrating a spectroradiometer with a photoelectric detector, comprising a lighting unit for emitting a collimated calibration radiation, wherein by means of an adjusting device, the direction of the collimated calibration radiation to the photoelectric detector is variable, wherein for each element of the photoelectric detector of the observation angle, ie its position (IFOV ) in the entire field of view (FOV), is defined by the irradiation direction of the calibration radiation, characterized in that the adjusting device ( 7 ) a mirror oriented on the calibration radiation ( 6 ) which is defined in a translational and rotational manner such that the calibration radiation is directed in different directions onto the optical instrument ( 11 ) is deflectable. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Beleuchtungseinheit (1) horizontal zum Spiegel (6) ausgerichtet ist, wobei der Spiegel (6) entlang der optischen Achse (8) der Beleuchtungseinheit (1) translatorisch verschiebbar und um eine vertikale Achse (9) drehbar gelagert ist.Apparatus according to claim 1, characterized in that the lighting unit ( 1 ) horizontally to the mirror ( 6 ), wherein the mirror ( 6 ) along the optical axis ( 8th ) of the lighting unit ( 1 ) translationally displaceable and about a vertical axis ( 9 ) is rotatably mounted. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das optische Instrument (11) um eine Achse (16) in der Hauptebene eines Objektives (12) drehbar gelagert ist.Device according to claim 1 or 2, characterized in that the optical instrument ( 11 ) about an axis ( 16 ) in the main plane of an objective ( 12 ) is rotatably mounted. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Beleuchtungseinheit (1) eine Lichtquelle (2), einen Monochromator (3) und einen Kollimator (4) umfasst.Device according to one of claims 1 to 3, characterized in that the lighting unit ( 1 ) a light source ( 2 ), a monochromator ( 3 ) and a collimator ( 4 ).
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