AT15290U1 - Hyperspektrales Bildgebungssystem - Google Patents

Abstract

Ein hyperspektrales Bildgebungssystem weist eine bildgebende Hyperspektralkamera (2) auf, die ein Objektiv (3) mit einem optischen Linsensystem, eine optische Achse (12) und einen Spektrographen (18) umfasst. Die Hyperspektralkamera ist dazu ausgebildet, Aufnahmen von in einer Objektebene (9) befindlichen Objekten (4, 5) zu machen, wobei die Objektebene (9) die optische Achse (12) schneidet. Zwischen der Objektebene (9) und dem Objektiv (3) ist ein optischer Feldschlitz (1) mit einer Feldschlitzebene (10) angeordnet, wobei die optische Achse (12) durch den optischen Feldschlitz (1) hindurchgeht und sich die Feldschlitzebene (10) parallel zur Objektebene (9) erstreckt.

Description

Beschreibung

HYPERSPEKTRALES BILDGEBUNGSSYSTEM

[0001] Die Erfindung betrifft ein hyperspektrales Bildgebungssystem gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

[0002] Unter einem hyperspektralen Bildgebungssystem versteht man ein Sensorsystem, das Bilder von sehr vielen, eng beieinanderliegenden Wellenlängen aufzeichnen kann. Hyperspektrale Systeme zeichnen Daten von typischerweise 20 bis 250 unterschiedlichen Wellenlängenkanälen auf, die von Wellenlängen im ultravioletten Bereich bis zum langwelligen Infrarot reichen. Um einen hyperspektralen Datenwürfel mit zwei räumlichen und einer spektralen Dimension zu erhalten, kann entweder ein hyperspektral aufgelöster Schnappschuss des gesamten Bildes aufgenommen werden, oder eine zeilenweise Aufnahme von Bildern nach dem Scanner-Prinzip erfolgen, wobei das Scannen entweder räumlich erfolgt, d.h. jeder Sensorausgang liefert das gesamte Spektrum von einem schmalen Streifen der Szene, oder spektral erfolgt, d.h. jeder Sensorausgang liefert eine monochromatische, räumliche Karte der Szene.

[0003] Hyperspektrale Bildgebungssysteme umfassen gewöhnlich Hyperspektralkameras, in die Spektrographen eingebaut sind. Ein Spektrograph ist ein optisches Instrument, das Licht verschiedener Wellenlänge in sein Spektrum zerlegt und das erzeugte Spektrum mittels geeigneter Detektoren registriert. Die Zerlegung des Lichts nach seiner Wellenlänge geschieht mit Hilfe von optischen Elementen, die Dispersionseigenschaften haben, meist entweder ein Prisma oder ein Transmissionsgitter. Als Detektoren werden heutzutage vor allem CCD-Elemente oder Photodiodenzeilen verwendet.

[0004] Im Stand der Technik weisen Bildgebungsspektrographen mit Transmissionsgittern und Bildgebungsspektrometer, die in Hyperspektralkameras verwendet werden, eine eigene Unschärfe in einer Richtung (Y-Achse) quer zur optischen Achse (Z-Achse) der Hyperspektralkamera auf. Diese eigene Unschärfe stellt einen einschränkenden Faktor für die optische räumliche und spektrale Auflösungsleistung von Hyperspektralkameras dar.

[0005] Diese Unschärfe in Y-Achsenrichtung der bekannten Hyperspektralkameras führt bei der Aufnahme von kleinen Objekten, die an einem größeren Objekt positioniert sind, zu einer unerwünschten spektralen Vermischung des Spektrums des kleinen Objekts mit dem Spektrum des größeren Objekts. Diese Vermischung der Spektren führt dazu, dass das kleinere Objekt nicht passend spektral oder räumlich aufgelöst werden kann, um von der Hyperspektralkamera de-tektiert und gemessen zu werden. Aus diesem Grund setzt der Grad der Unschärfe in Y-Achsenrichtung für die Objektgröße eine niedrigere Grenze, die von Hyperspektralkameras korrekt aufgelöst, gemessen und klassifiziert werden kann.

[0006] Hyperspektralkameras mit einem typischen "Push-Broom"-Aufbau (zeilenweise Abtastung) weisen eine maximale effektive Bildfrequenz auf, die durch den Grad der Unschärfe in die Y-Achsenrichtung begrenzt wird. Bei Bildfrequenzen über der maximalen effektiven Bildfrequenz gibt eine Hyperspektralkamera zusammenhängende Einzelbilder aus, die aufgrund der Unschärfe in die Y-Achsenrichtung nahezu identische spektrale und räumliche Information enthalten - somit stellt eine Bildfrequenz, die höher als die maximale effektive Bildfrequenz ist, keine zusätzliche räumliche oder spektrale Information bereit.

[0007] Darüber hinaus ermöglicht ein hoher Grad von Unschärfe in die Y-Achsenrichtung, dass mehr Streulicht in die Objektivlinse der Hyperspektralkamera eintritt, was wiederum die Standardintensität insgesamt eines Bildes erhöht und somit zu einer Reduzierung des Bildkontrasts führt (Streulicht enthält keine nützliche räumliche oder spektrale Information), was wiederum die Detektionsrate und die Klassifizierungsleistung von Hyperspektralkameras begrenzt.

[0008] Es ist somit die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein verbessertes hyperspektrales Bildgebungssystem bereitzustellen, das die oben beschriebenen Nachteile des Standes der Technik überwindet oder zumindest mildert.

[0009] Die vorliegende Erfindung löst die gestellte Aufgabe durch Bereitstellen eines hyperspektralen Bildgebungssystems mit den Merkmalen des Anspruchs 1. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen und der Beschreibung definiert.

[0010] Das erfindungsgemäße hyperspektrale Bildgebungssystem umfasst eine bildgebende Hyperspektralkamera mit einem Objektiv mit einem optische Linsensystem, einer optischen Achse und einem Spektrographen. Die Hyperspektralkamera ist dazu ausgebildet, Aufnahmen von in einer Objektebene befindlichen Objekten zu machen, wobei die Objektebene die optische Achse der Hyperspektralkamera schneidet. Erfindungsgemäß ist zwischen der Objektebene und dem Objektiv ein optischer Feldschlitz mit einer Feldschlitzebene angeordnet, wobei die optische Achse durch den optischen Feldschlitz hindurchgeht und die Feldschlitzebene parallel zur Objektebene verläuft.

[0011] Der erfindungsgemäß vorgesehene optische Feldschlitz verbessert die Klassifizierung, Bildgebung und spektrale Leistung der bildgebenden Hyperspektralkamera auf drei Arten: [0012] 1) Der optische Feldschlitz reduziert die spektrale Signalvermischung von zwei oder mehr aufzunehmenden Objekten, insbesondere wenn ein kleineres Objekt an einem größeren Objekt positioniert ist und das größere Objekt teilweise verdeckt.

[0013] 2) Der optische Feldschlitz reduziert die Bildunschärfe in die Y-Achsenrichtung, d.h. eine

Richtung quer zur optischen Achse (Z-Achse), so dass die Hyperspektralkamera bei höheren Bildfrequenzen mit höherer räumlicher Auflösung abbilden kann.

[0014] 3) Der optische Feldschlitz erhöht den Bildkontrast, indem er die Menge an Streulicht reduziert, die in das Objektiv eintritt.

[0015] Bei der Anwendung des erfindungsgemäßen hyperspektralen Bildgebungssystems in Sortiermaschinen und Sortieranlagen erhöht der optische Feldschlitz die Detektionsrate und die spektrale Klassifizierungsgenauigkeit von kleinen Objekten, insbesondere von kleinen Objekten vor einem hellen Hintergrund und von Objekten, die an einem anderen Objekt anhängen (oder dieses teilweise verdecken). Der optische Feldschlitz verbessert somit die Sortierleistung von Sortiermaschinen.

[0016] Für eine hohe Auflösung und Klassifizierungsgenauigkeit ist es vorteilhaft, wenn die Feldschlitzebene im scharfen Fokus des Objektivs positioniert ist.

[0017] In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist der optische Feldschlitz durch zwei lichtundurchlässige Teile gebildet, die, vorzugsweise symmetrisch, oberhalb und unterhalb der optischen Achse positioniert sind. Es ist weiters bevorzugt, die lichtundurchlässigen Teile als Platten auszubilden, wobei Kanten der Platten den optischen Feldschlitz begrenzen.

[0018] Um zu verhindern, dass sich Staub oder Fremdkörper im optischen Feldschlitz ansammeln, kann vorgesehen sein, die lichtundurchlässigen Teile in Richtung der optischen Achse gegeneinander versetzt anzuordnen.

[0019] Wenn zumindest einer der lichtundurchlässigen Teilen verstellbar ausgeführt ist, kann der Zwischenraum zwischen den lichtundurchlässigen Teilen angepasst werden, um die resultierende Größe des größenreduzierten Lichtakzeptanzkegels zu variieren - dies ermöglicht die Einstellung der spektralen und räumlichen Auflösung.

[0020] Für eine hohe Qualität der Aufnahmen und der Klassifizierung sind Lichtquellen des hyperspektralen Bildgebungssystems so angeordnet, dass kein von ihnen ausgestrahltes Licht direkt auf die der Hyperspektralkamera zugewandte Seite der Teile einfällt.

[0021] Das erfindungsgemäße hyperspektrale Bildgebungssystem wird nun anhand eines Ausführungsbeispiels unter Bezugnahme auf die Zeichnungen näher erklärt.

[0022] Fig. 1 stellt eine schematische Darstellung des erfindungsgemäßen hyperspektralen

Bildgebungssystems in Draufsicht dar.

[0023] Fig. 2 zeigt das hyperspektrale Bildgebungssystem schematisch in Seitenansicht.

[0024] Fig. 3 zeigt eine Detailansicht des hyperspektralen Bildgebungssystems gemäß Fig. 1 und Fig. 2.

[0025] Fig. 4 zeigt eine Variante eines Details des erfindungsgemäßen hyperspektralen

Bildgebungssystems.

[0026] Es folgt nun eine Beschreibung des erfindungsgemäßen hyperspektralen Bildgebungssystems anhand der Figuren 1 bis 4. Das hyperspektrales Bildgebungssystem umfasst eine Flyperspektralkamera 2, die ein Bildgebungsspektrometer oder einen Spektrographen 18 enthält, der eine optische Komponente mit Transmissionsgittern aufweist, wobei die optische Komponente einen permanenten Eintrittsschlitz 8 aufweist, der zwischen dem Spektrogra-phen/Spektrometer 18 und einem, ein optisches Linsensystem enthaltenden Objektiv 3 der Hyperspektralkamera 2 auf einer Bildebene 11 des Objektivs 3 positioniert ist. Dieser Eintrittsschlitz 8 erfüllt gleichzeitig zwei Rollen: er dient einerseits als ein Blendenschlitz für den Spekt-rographen/Spektrometer 18, welcher die spektrale Auflösung der Hyperspektralkamera 2 festlegt; und dient andererseits als eine räumliche lineare Blende, die nur Licht von einer Inspektionslinie (in die X-Achsenrichtung) auf der Objektebene 9 akzeptiert, was bewirkt, dass die Hyperspektralkamera 2 als eine Linienscanning-Kamera funktioniert. Die Bildgebung mittels Zeilenabtastung ("Push-Broom Imaging") durch die kombinierte Hyperspektralkamera 2, den Eintrittsschlitz 8 und das Objektiv 3 wird durch die Bewegung eines Objekts 4, 5 über die Inspektionslinie erreicht.

[0027] Die Inspektionslinie ist an der Schnittstelle einer Objektebene 9 und der optischen Achse 12 der Hyperspektralkamera 2 mittig angeordnet und entlang der X-Achsenrichtung ausgerichtet.

[0028] Der optische Feldschlitz 1 stellt eine lange und enge Blende dar, die an der Feldschlitzebene 10, nahe der Objektebene 9, positioniert ist und die Unschärfe in die Y-Achsenrichtung bis zu einem Ausmaß reduziert, bei dem das kleinere Objekt 4 unabhängig vom größeren Objekt 5 vollständig räumlich und spektral aufgelöst werden kann. Der optische Feldschlitz 1 reduziert die Winkelausbreitung des Lichtakzeptanzkegels 6 der kombinierten Hyperspektralkamera 2, des Eintrittsschlitzes 8 und des Objektivs 3 auf einen größenreduzierten Lichtakzeptanzkegel 7, so dass Regionen des Lichtakzeptanzkegels 6, die keine nützliche spektrale Information über das Objekt 4 beitragen, dunkel werden und somit nicht zum Bild der Szene beitragen, die auf den Eintrittsschlitz 8 des Spektrographen 18 fokussiert ist, die von der Hyperspektralkamera 2 gemessen wird.

[0029] Der optische Feldschlitz 1 besteht aus zwei lichtundurchlässigen Teilen 1a und 1b, die symmetrisch jeweils oberhalb und unterhalb der optischen Achse 12 positioniert sind. Die zwei Teile 1a und 1b sind plattenförmig ausgebildet und sind in die X-Achsenrichtung lang, in die Y-Achsenrichtung kurz und in die Z-Achsenrichtung dünn. Die zwei Teile 1a und 1b sind parallel zur Feldschlitzebene 10 ausgerichtet; sie können entweder beide in der Feldschlitzebene 10 liegen, wie in Fig. 1 und 2 gezeigt, oder in der Z-Achsenrichtung um 1 - 20 mm voneinander versetzt sein (wie in Fig. 4 gezeigt), um die Gefahr zu minimieren, dass sich Schmutz im Feldschlitz 1 ansammelt und dadurch den Feldschlitz 1 blockiert. Die Feldschlitzebene 10 ist derart positioniert, so dass sie nahe genug an der Objektebene 9 ist, um im scharfen Fokus der Objektivlinse 3 zu sein. Die Fokusschärfentiefe 16 des Objektivs 3 muss sich mindestens von der Feldschlitzebene 10 bis zur Objektebene 9 erstrecken, um die Objekte 4, 5 und den optischen Feldschlitz 1 im scharfen Fokus abzubilden. In den Figuren 1 und 2 ist die vordere, d.h. dem Objektiv 3 zugewandte Grenze der Fokusschärfentiefe 16 mit dem Bezugszeichen 17 bezeichnet. Lichtquellen 13 für die Reflexionsmodusbildgebung und Lichtquellen 14 für die Transmissi-onsmodusbildgebung sind in einer solchen Weise positioniert, dass kein Licht direkt auf die der Hyperspektralkamera 2 zugewandte Seite der Teile 1a und 1b einfällt.

[0030] Um das am größeren Objekt 5 angehängte kleinere Objekt 4 ohne spektrale Vermischung mit Licht abzubilden, das vom größeren Objekt 5 reflektiert oder übertragen wird, muss der Lichtakzeptanzkegel 6 der kombinierten Hyperspektralkamera 2, des Eintrittsschlitzes 8 und des Objektivs 3 an der Feldschlitzebene 10 durch die lichtundurchlässigen Teile 1a und 1b auf die verringerte Größe des größenreduzierten Lichtakzeptanzkegels 7 abgeschnitten werden.

[0031] Der Zwischenraum zwischen den lichtundurchlässigen Teilen 1a und 1b legt die Schlitzbreite fest, welche ermöglicht, dass Lichtstrahlen 15 im durch die Lichtquelle 13 erzeugten und von dem Objekt 4 reflektierten Lichtakzeptanzkegel ungehindert bis zum Objektiv 3 und dem Eintrittsschlitz 8 hindurchgehen und von der Hyperspektralkamera 2 gemessen werden. Ebenso ermöglicht der Zwischenraum zwischen den lichtundurchlässigen Teilen 1a und 1b, dass Lichtstrahlen 15 im von der Lichtquelle 14 erzeugten und durch das kleinere Objekt 4 hindurch übertragenen Lichtakzeptanzkegel bis zum Objektiv 3 und dem Eintrittsschlitz 8 ungehindert hindurchgehen und von der Hyperspektralkamera 2 gemessen werden. Der Zwischenraum zwischen den lichtundurchlässigen Teilen 1a und 1b kann angepasst werden, um die resultierende Größe des größenreduzierten Lichtakzeptanzkegels 7 zu variieren - dies ermöglicht die Einstellung der spektralen und räumlichen Auflösung.

[0032] Die lichtundurchlässigen Teile 1a und 1b erstrecken sich in die X-Achsenrichtung mit einer ausreichenden Länge, um das Sichtfeld der kombinierten Hyperspektralkamera 2, des Systems aus Eintrittsschlitz 8 und Objektiv 3 an der Feldschlitzebene 10 abzudecken, und ermöglichen eine ungehinderte Messung der Inspektionslinie, welche an der Schnittstelle der Objektebene 9 und der optischen Achse 12 der Hyperspektralkamera 2 positioniert und entlang der X-Achsenrichtung ausgerichtet ist. Die lange Achse des optischen Feldschlitzes 1 in die X-Achsenrichtung muss parallel zur langen Achse des Eintrittsschlitzes 8 angeordnet sein. Die kurze Achse des optischen Feldschlitzes 1 muss in Bezug auf die optische Achse 12 mittig angeordnet sein, um a) das Sichtfeld der kombinierten Hyperspektralkamera 2, des Systems aus Eintrittsschlitz 8) und Objektiv 3 zu erhalten; und b) einen maximalen Lichtintensitätsdurchsatz (für eine gegebene Breite des optischen Feldschlitzes 1) vom Objekt 4 zur Hyperspektralkamera 2 sicherzustellen. BEZUGSZEICHENLISTE: 1 optischer Feldschlitz 1a, 1b lichtundurchlässige Teile 2 Hyperspektralkamera 3 Objektiv 4 kleines Objekt 5 großes Objekt 6 Lichtakzeptanzkegel 7 größenreduzierter Lichtakzeptanzkegel 8 Eintrittsschlitz des Spektrographen/Spektrometers 9 Objektebene 10 Feldschlitzebene 11 Bildebene des Objektivs (auch Objektebene des Spektrograph/Spektrometer) 12 optische Achse der Hyperspektralkamera 13 Lichtquelle für die Reflexionsmodusbildgebung 14 Lichtquelle für die Transmissionsmodusbildgebung 15 Lichtstrahlen von den Lichtquellen 16 Fokusschärfentiefe des Objektivs 17 Grenze der Fokusschärfentiefe des Objektivs 18 Spektrograph/Spektrometer

Claims (7)

1. Ansprüche

   1. Hyperspektrales Bildgebungssystem, mit einer bildgebenden Hyperspektralkamera (2), die ein Objektiv (3) mit einem optischen Linsensystem, eine optische Achse (12) und einen Spektrographen (18) umfasst, wobei die Hyperspektralkamera dazu ausgebildet ist, Aufnahmen von in einer Objektebene (9) befindlichen Objekten (4, 5) zu machen, wobei die Objektebene (9) die optische Achse (12) schneidet, gekennzeichnet durch einen zwischen der Objektebene (9) und dem Objektiv (3) angeordneten optischen Feldschlitz (1) mit einer Feldschlitzebene (10), wobei die optische Achse (12) durch den optischen Feldschlitz (1) hindurchgeht und sich die Feldschlitzebene (10) parallel zur Objektebene (9) erstreckt.
2. 2. Hyperspektrales Bildgebungssystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Feldschlitzebene (10) im Bereich der Fokusschärfentiefe (16) des Objektivs (3) positioniert ist.
3. 3. Hyperspektrales Bildgebungssystem nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der optische Feldschlitz (1) von zwei lichtundurchlässigen Teile (1a, 1b) gebildet ist, die, vorzugsweise symmetrisch, oberhalb und unterhalb der optischen Achse (12) positioniert sind.
4. 4. Hyperspektrales Bildgebungssystem nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die lichtundurchlässigen Teile (1a, 1b) als Platten ausgebildet sind, wobei Kanten der Platten den optischen Feldschlitz (1) begrenzen.
5. 5. Hyperspektrales Bildgebungssystem nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass die lichtundurchlässigen Teile (1a, 1b) in Richtung der optischen Achse (12) gegeneinander versetzt sind.
6. 6. Hyperspektrales Bildgebungssystem nach einem der Ansprüche 3 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest einer der lichtundurchlässigen Teilen (1a, 1b) verstellbar ist.
7. 7. Hyperspektrales Bildgebungssystem nach einem der Ansprüche 3 bis 6, gekennzeichnet durch Lichtquellen (13, 14), die so angeordnet sind, dass kein von ihnen ausgestrahltes Licht direkt auf die der Hyperspektralkamera zugewandten Seite der Teile (1a, 1b) einfällt. Hierzu 2 Blatt Zeichnungen