DE102012005938A1

DE102012005938A1 - Multispektrales Zoomobjektiv sowie Kamerasystem

Info

Publication number: DE102012005938A1
Application number: DE102012005938A
Authority: DE
Inventors: Bertram Achtner; Martin Gerken
Original assignee: Carl Zeiss Optronics GmbH
Current assignee: Hensoldt Optronics GmbH
Priority date: 2012-03-26
Filing date: 2012-03-26
Publication date: 2013-09-26
Anticipated expiration: 2032-03-27
Also published as: DE102012005938B4; GB2501817B; GB2501817A; GB201305521D0

Abstract

Es werden ein multispektrales Zoomobjektiv (1, 30) sowie ein Kamerasystem (39, 41) mit einem solchen Zoomobjektiv (1, 30) angegeben. Das Zoomobjektiv (1, 30) umfasset entlang eines gemeinsamen Abbildungspfads (2) wenigstens eine entlang des Abbildungspfads (2) verschiebbare optische Zoomgruppe (4) und ein Strahlteilerelement (10), das eingerichtet ist zu einer Auftrennung des Strahlenganges für einen ersten Spektralbereich entlang einer ersten optischen Achse (11) und für einen zweiten Spektralbereich entlang einer zweiten optischen Achse (12), die gegenüber der ersten optischen Achse (11) geneigt ist, sowie entlang der ersten optischen Achse (11) eine erste optische Abbildungsgruppe (13), die eingerichtet ist zur Abbildung des ersten Spektralbereiches auf einen ersten Detektor (14), und entlang der zweiten optischen Achse eine zweite optische Abbildungsgruppe (15), die eingerichtet ist zur Abbildung des zweiten Spektralbereiches auf einen zweiten Detektor (16).

Description

Die Erfindung betrifft ein multispektrales Zoomobjektiv zur Abbildung wenigstens eines ersten Spektralbereichs auf einen ersten Detektor und eines zweiten Spektralbereichs auf einen zweiten Detektor. Die Erfindung beschäftigt sich damit, durch Abbildung eines Objekts in verschiedenen Spektralbereichen die Information über das Objekt zu vergrößern. Weiter bezieht sich die Erfindung auf ein Kamerasystem mit einem derartigen multispektralen Zoomobjektiv zur Beobachtung eines Objekts in verschiedenen Spektralbereichen.
Die Information über ein zu beobachtendes Objekt lässt sich erhöhen, wenn dieses in verschiedenen Spektralbereichen beobachtet bzw. abgebildet wird. Die Beobachtung eines Objekts in verschiedenen Spektralbereichen erlaubt generell eine verbesserte Analyse der dem Objekt eigenen Absorptions-, Reflexions-, Transmissions- und/oder Abstrahlcharakteristik, so dass eine spezifische Eigenschaft oder das Objekt als solches leichter identifiziert werden kann. So können beispielsweise zwei im sichtbaren Spektralbereich identisch erscheinende Objekte in einem infraroten (IR) Spektralbereich voneinander unterschieden werden, sofern sie verschiedene Temperaturen aufweisen. Beleuchtete Objekte, die in einem Spektralbereich unscheinbar wirken, können in einem anderen Spektralbereich aufgrund ihres dort erhöhten Reflexions- oder Absorptionsvermögens spektakulär erscheinen. Auch lassen sich Objekte aus einem Hintergrundbild extrahieren, wenn sich diese beispielsweise im Sonnenlicht aufgrund ihres spezifischen Absorptions- oder Reflexionsvermögens gegenüber der Umgebung anders aufgeheizt haben.
Zu multispektralen Objektiven gibt es bekannte technische Realisierungen. Beispielsweise sind multispektrale Objektive mit fester Brennweite aus der EP 0 935 772 B1 für den sichtbaren (VIS) und den infraroten (IR) Bereich, aus der US 5,781,336 für einen Wellenlängenbereich von 0,55 μm bis 5,35 μm und aus der US 6,950,243 B2 für einen Wellenlängenbereich von 0,7 μm bis 5,0 μm bekannt. Durch eine geeignete Materialauswahl gelingt es insbesondere, die chromatischen Abbildungsfehler für den abzubildenden Spektralbereich gering zu halten. Weiter ist aus der US 5,847,879 ein multispektrales reflexives Objektiv mit einer festen Brennweite bekannt. Dort wird ein Weitwinkel-Objektiv für den sichtbaren und für den IR-Bereich angegeben. Dabei trennt ein Strahlteilerelement den sichtbaren Bereich vom IR-Bereich ab. Beide Spektralbereiche werden auf einen kompakten Detektor reflektiert.
Multispektrale Objektive sind in der Regel vergleichsweise aufwändig und teuer. Zudem sind sie für den konkreten Anwendungsfall im Ganzen jeweils spezifisch auszulegen. Multispektrale Objekte mit fester Brennweite eignen sich nicht zur variablen Abbildung von Objekten in unterschiedlichen Entfernungen auf Detektoren vorgegebener Größe.
Aufgabe der Erfindung ist es, ein multispektrales Objektiv anzugeben, welches eine variable Abbildung eines Objekts in verschiedenen Spektralbereichen mittels separater Detektoren ermöglicht. Eine weitere Aufgabe der Erfindung ist es, ein entsprechendes Kamerasystem mit einem derartigen Objektiv zu geben.
Die erstgenannte Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein multispektrales Zoomobjektiv gelöst, welches entlang eines gemeinsamen Abbildungspfads wenigstens eine entlang des Abbildungspfads verschiebbare optische Zoomgruppe und ein Strahlteilerelement umfasst, das eingerichtet ist zu einer Auftrennung des Strahlengangs für einen ersten Spektralbereich entlang einer ersten optischen Achse und für einen zweiten Spektralbereich entlang einer zweiten optischen Achse, die gegenüber der ersten optischen Achse geneigt ist, und die weiter entlang der ersten optischen Achse eine erste optische Abbildungsgruppe, die eingerichtet ist zur Abbildung des ersten Spektralbereiches auf einen ersten Detektor, und entlang der zweiten optischen Achse eine zweite optische Abbildungsgruppe, die eingerichtet ist zur Abbildung des zweiten Spektralbereiches auf einen zweiten Detektor, umfasst.
Die Erfindung geht dabei in einem ersten Schritt von der Erkenntnis aus, dass die Verwendung von zwei Zoomobjektiven zu einer variablen Abbildung eines Objekts in verschiedenen Spektralbereichen unerwünschterweise zu einem hohen Bauraumvolumen und zu einem hohen Gewicht führt. Werden zwei getrennte Kamerasysteme eingesetzt, so wird zugleich eine hohe elektrische Leistung benötigt. Weiter kommt es bei der Verwendung zweier separater Zoomobjektive zu Parallaxenfehlern in der Abbildung. Die Ausrichtung der Zoomobjektive zueinander, insbesondere unter Temperatur, Vibration oder Erschütterung, gestaltet sich aufwändig. Die Bildinhalte der getrennten Detektoren können nur schwierig miteinander verglichen oder verrechnet werden.
In einem zweiten Schritt geht die Erfindung von der Überlegung aus, entlang eines gemeinsamen Abbildungspfads für beide Spektralbereiche eine einzige Zoomoptik anzuordnen, die eine Abbildung des Objekts auf die getrennten Detektoren mit variabler Brennweite ermöglicht. Diese gemeinsame Zoomoptik umfasst wenigstens eine entlang des Abbildungspfads verschiebbare optische Zoomgruppe, die für alle abzubildenden Spektralbereiche gleich ist. Die verschiebbare Zoomgruppe dient für alle Spektralbereiche zur Brennweitenänderung, Fokussierung sowie Luftdruck- und Temperaturkompensation.
Die Aufteilung in unterschiedliche Spektralbereiche erfolgt im Strahlteilerelement. Die nach Auftrennung in den getrennten optischen Pfaden vorhandenen optischen Abbildungsgruppen erlauben für die jeweiligen Spektralbereiche eine Anpassung der Brennweite an unterschiedliche Detektorgrößen. Auch kann in den separaten optischen Abbildungsgruppen eine chromatische Feinkorrektur für die unterschiedlichen Spektralbereiche vorgenommen werden.
Gemeinsam mit den separaten weiteren optischen Abbildungsgruppen bildet die Zoomoptik ein Objekt in unterschiedlichen Spektralbereichen auf unterschiedliche Detektoren ab. Die Nutzung gemeinsamer optischer Komponenten für mehrere Spektralbereiche erlaubt gegenüber separater Objektive ein reduziertes Bauvolumen. Die Brennweite und damit der auf den Detektoren abgebildete Objektabschnitt werden für alle Spektralbereiche simultan geändert. Abgesehen von der Detektorgröße ist zu einer Verrechnung der Bildinhalte unterschiedlicher Spektralbereiche keine weitere, aufwändige Umrechnung nötig. Durch die Nutzung desselben Zoompfades für die unterschiedlichen Spektralbereiche liefern die getrennten Detektoren hinsichtlich des Sichtfeldes, aber auch hinsichtlich einer Verzeichnung und anderen optischen Einflüssen, identische Inhalte. Eine Verrechnung der getrennten Bildinhalte beispielsweise durch eine Überlagerung, durch eine Fusion oder durch einen sonstigen mathematischen Algorithmus ist insbesondere in Echtzeit ermöglicht.
In einer bevorzugten Weiterbildung ist das Strahlteilerelement um den gemeinsamen Abbildungspfad rotierbar ausgebildet. Hierdurch wird es möglich, den ausgespiegelten Spektralbereich mit Hilfe weiterer Abbildungsgruppen auf einem weiteren Detektor zu beobachten und einer zusätzlichen Auswertung zuzuführen. Insbesondere kann entlang eines weiteren optischen Pfads eine Selektion eines Ausschnitts aus dem ausgespiegelten Spektralbereich vorgenommen werden, wodurch die gewonnene Information über das Objekt werter erhöht werden kann. Durch die rotierbare Anordnung des Strahlteilerelements wird insbesondere eine weitere Anordnung von zweiten Abbildungsgruppen und zweiten Detektoren möglich. Durch Drehung des Strahlteilerelements kann jeweils auf einen weiteren der zweiten Detektoren abgebildet werden. In diesem Fall spiegelt das Strahlteilerelement den zweiten Spektralbereich entlang der oder einer weiteren zweiten optischen Achse aus.
Die optischen Abbildungsgruppen umfassen jeweils eine Anzahl von Linsen bzw. eine Linsengruppe. Die verschiebbare Zoomgruppe ist bevorzugt eingerichtet für einen Zoomfaktor von wenigstens 10, bevorzugt jedoch von 20 oder mehr. Der Zoomfaktor ist hierbei definiert aus dem Verhältnis der längsten und der kürzesten einstellbaren Brennweite.
Vorteilhafterweise umfasst die Zoomoptik entlang des gemeinsamen Abbildungspfads weiter eine optische Frontgruppe und eine gemeinsame optische Abbildungsgruppe, zwischen denen die verschiebbare Zoomgruppe angeordnet ist. Eine derartige Frontgruppe und/oder eine derartige gemeinsame Abbildungsgruppe erlaubt es, die Länge des Objektivs insgesamt für verschiedene Brennweiten konstant zu lassen. Auch kann hierdurch der Zoombereich vergrößert werden.
Das Zoomobjektiv ist weiter bevorzugt für eine hohe Öffnung ausgebildet. Die Blendenzahl f_# ist durch Auswahl der optischen Komponenten bevorzugt kleiner als 8, bevorzugt kleiner 2.8.
Weiter vorteilhaft umfasst die optische Zoomgruppe eine verschiebbare Variatorgruppe und eine verschiebbare Kompensatorgruppe. Mittels der Variatorgruppe werden unterschiedliche Brennweiten eingestellt. Die Kompensatorgruppe korrigiert die Bildlage bei unterschiedlichen Brennweiten und dementsprechend unterschiedlichen Positionen der Variatorgruppe.
Zur Korrektur von Abbildungsfehlern können in der Frontgruppe und in der verschiebbaren optischen Zoomgruppe zweckmäßigerweise Linsen mit asphärischen Flächen angeordnet sein. Die Frontgruppe sowie die verschiebbare optische Zoomgruppe sind im Zusammenspiel mit der gemeinsamen Abbildungsgruppe für einen hohen Zoomfaktor eingerichtet.
Das Strahlteilerelement ist bevorzugt als eine teildurchlässige Reflektorplatte oder als ein Teilerprisma gegeben. Die Reflektorplatte ist beispielsweise zur Reflektion des zweiten Spektralbereiches beschichtet, wobei sie transmissiv für den ersten Spektralbereich ausgebildet ist. Das Teilerprisma ist beispielsweise als ein Strahlteilerwürfel ausgebildet, wobei die Auftrennung der beiden Spektralbereiche durch Grenzflächeneffekte erfolgt. Vorteilhafterweise wird das Strahlteilerelement auch zur Korrektur von Abbildungsfehlern für den ersten Spektralbereich genutzt. Insbesondere ist es dazu vorgesehen, eine Eintritts- und eine Austrittsfläche des Strahlteilerelements gegeneinander unter einem Winkel zu neigen, so dass eine Keilform gebildet ist. Durch eine solche Keilform lässt sich die Astigmatismus-Korrektur der Abbildung verbessern, sofern das Strahlteilerelement nicht in einem parallelen Strahlengang steht. In letzterem Fall ist eine planparallele Ausgestaltung des Strahlteilerelements zweckmäßig.
In einer bevorzugten Ausgestaltung ist entlang der ersten optischen Achse ein weiteres Strahlteilerelement angeordnet, das eingerichtet ist zu einer Abtrennung eines dritten Spektralbereichs aus dem ersten Spektralbereich entlang einer dritten optischen Achse, die gegenüber der ersten optischen Achse geneigt ist, wobei entlang der dritten optischen Achse eine dritte optische Abbildungsgruppe zur Abbildung des dritten Spektralbereiches auf einen dritten Detektor angeordnet ist. Diese Ausgestaltung ermöglicht es, aus dem ersten Spektralbereich, für den das vorgeschaltete (erste) Strahlteilerelement transmissiv ausgebildet ist, selektiv einen weiteren, dritten Spektralbereich auszublenden und abzubilden. Diese Abbildung kann beispielsweise für eine laserbasierte Entfernungsdetektion verwendet sein. Durch die Nutzung des gemeinsamen Zoom-Pfades ist hierbei sichergestellt, dass das von Laserlicht bestrahlte Objekt simultant zu den anderen Detektoren auf den dritten Detektor abgebildet wird.
Zweckmäßigerweise kann bei der vorgenannten Ausführungsvariante vor dem weiteren Strahlteilerelement eine vierte Abbildungsgruppe angeordnet sein. Diese bildet dann den ersten Spektralbereich gemeinsam mit der ersten optischen Abbildungsgruppe bzw. der dritten optischen Abbildungsgruppe auf die jeweils getrennten Detektoren ab.
In einer weiter bevorzugten Ausgestaltung sind von dem multispektralen Zoomobjektiv mehrere zweite Abbildungsgruppen umfasst, die zueinander jeweils winkelversetzt um den gemeinsamen Abbildungspfad angeordnet sind, und die jeweils zur Abbildung wenigstens eines Teilbereichs des zweiten Spektralbereiches auf einen jeweiligen zweiten Detektor eingerichtet sind.
Durch Drehen eines rotierbar angeordneten Strahlteilerelements können die ringförmig angeordneten weiteren zweiten Abbildungsgruppen und Detektoren mit dem ausgespiegelten Spektralbereich beleuchtet werden. Das multispektrale Zoomobjektiv bildet jeweils auf den ersten Detektor und auf einen der zweiten Detektoren ab. Sind entlang der zweiten optischen Pfade Filterelemente angeordnet, oder sind die optischen Elemente, wie insbesondere Linsen, der zweiten Abbildungsgruppen selektiv beschichtet, so können weitere Spektralbereiche aus dem vom rotierbar angeordneten Strahlteilerelement ausgespiegelten Spektrum selektiv auf dem jeweiligen zweiten Detektor abgebildet werden. Auch können sich hinsichtlich ihrer Wellenlängenempfindlichkeit unterscheidende Detektoren eingesetzt werden, so dass auch hierdurch ausgewählte Spektralbereiche aus dem ausgespiegelten Spektrum beobachtet werden können. Bevorzugt ist insofern entlang wenigstens einer der optischen Achsen im multispektralen Zoomobjektiv ein optisches Filterelement angeordnet. Zweckmäßigerweise ist von einer der optischen Abbildungsgruppen wenigstens ein wellenlängenselektiv beschichtetes Abbildungselement umfasst.
In einer weiter vorteilhaften Ausgestaltung ist wenigstens eine der optischen Abbildungsgruppen zu einer Korrektur einer chromatischen Aberration des jeweils abgebildeten Spektralbereiches durch die im gemeinsamen Abbildungspfad vorgeschaltete Zoomoptik eingerichtet. Dies empfiehlt sich, wenn die optischen Komponenten der Zoomoptik vor dem Strahlteilerelement zu Abbildungsfehlern in einem der beobachteten Spektralbereiche führen, weil diese Komponenten hinsichtlich der Abbildung lediglich für einen der beobachteten Spektralbereiche optimiert sind. Wird eine optische Abbildungsgruppe zu einer zusätzlichen Korrektur der chromatischen Aberration der vorgeschalteten Zoomoptik ausgebildet, so sind deren Farbfehler mit berücksichtigt. Durch entsprechend optimierte optische Komponenten der Abbildungsgruppe erfolgt die Abbildung des jeweiligen Spektralbereichs dann auf den Detektor mit der gewünschten Qualität.
Bevorzugt umfasst die zu einer Korrektur der chromatischen Aberration der gemeinsamen Zoomoptik eingerichtete optische Abbildungsgruppe eine Korrekturlinse mit einer diffraktiven Fläche. Eine derartige diffraktive Fläche, beispielsweise eine Gitterstruktur, gebildet durch Variation der Schichtdicke, der Brechungsindizes oder der Transmissivität, für die insbesondere durch die Bedingung konstruktiver Interferenz zu verschiedenen Brennweiten für Strahlen unterschiedlicher Wellenlängen und kann somit zur Korrektur von chromatischen Abbildungsfehlern herangezogen werden. Insbesondere ist die diffraktive Fläche der Korrekturlinse mit einem Kinoformprofil ausgebildet.
Weiter bevorzugt ist das Strahlteilerelement eingerichtet, den Strahlengang für einen sichtbaren Spektralbereich und für einen infraroten Spektralbereich aufzutrennen. Beispielsweise kann ein sichtbarer Spektralbereich von 0,4 μm bis 0,7 μm durchlässig auf den ersten Detektor abgebildet werden, während ein IR-Bereich, beispielsweise der NIR-Bereich (0,7 μm bis 1,4 μm) oder der SWIR-Bereich (1,4 μm bis 3,0 μm) vom Strahlteilerelement ausgespiegelt wird. Auch andere Variationen von jeweils ausgespiegelten und durchgelassenen Spektralbereichen aus dem sichtbaren und dem IR-Bereich sind vorstellbar.
Insbesondere ist das multispektrale Zoomobjektiv zur Abbildung eines Wellenlängenbereichs zwischen 400 nm bis 2,5 μm ausgebildet. Dies ermöglicht es für die abbildenden Komponenten ein optisches Glas einzusetzen.
Weiter bevorzugt ist wenigstens eine der optischen Abbildungsgruppen entlang der jeweiligen optischen Achse verschiebbar angeordnet. Dies ermöglicht eine Schnittweitenkompensation, wenn entfernt auseinander liegende Spektralbereiche auf den ersten und den zweiten Detektor abgebildet werden. Will man beide Bildinhalte scharf haben, ist es vorteilhaft, die jeweilige Abbildungsgruppe zu verschieben, um im beobachteten Spektralbereich zu fokussieren.
Die zweitgenannte Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch ein Kamerasystem mit einem multispektralen Zoomobjektiv der vorbeschriebenen Art, einer Anzahl von Detektoren und einer Bildverarbeitungseinheit zur Auswertung der Bildinhalte wenigstens des ersten und des zweiten Detektors.
Dabei können die zu Weiterbildungen des multispektralen Zoornobjektivs jeweils genannten Vorteile sinngemäß auf das Kamerasystem übertragen werden. Ein derartiges Kamerasystem ist kompakt aufgebaut, hat ein geringes Gewicht und einen geringen Energiebedarf.
Bevorzugt sind als Detektoren für einen VIS/NIR-Spektralbereich CMOS- und/oder CCD-Detektoren und als Detektoren für einen SWIR-Spektralbereich InGaAs-Detektoren eingesetzt.
Weiter bevorzugt ist die Bildverarbeitungseinheit eingerichtet ist, die Bildinhalte wenigstens des ersten Detektors und eines zweiten Detektors miteinander zu verrechnen. Vorteilhafterweise ist die Bildverarbeitungseinheit eingerichtet, die getrennten Bildinhalte von wenigstens zwei der Detektoren in Echtzeit miteinander zu verrechnen. Durch geeignete Bildverarbeitungsmechanismen können die Bildinhalte der unterschiedlichen Detektoren in Echtzeit elektronisch überlagert oder fusioniert werden. Durch den gemeinsamen Abbildungspfad durch die Zoomoptik ist gewährleistet, dass die von den getrennten Detektoren aufgenommenen Bildinhalte jederzeit bezüglich des Bildfeldes bzw. des Bildausschnitts, einer optischen Verzeichnung oder anderen optischen Einflüssen entsprechend simultan abgebildet werden.
Ausführungsbeispiele werden anhand einer Zeichnung näher erläutert. Dabei zeigen:
1: schematisch ein multispektrales Zoomobjektiv zur Abbildung unterschiedlicher Spektralbereiche auf drei Detektoren mit einer ersten Ausrichtung eines Strahlteilerelements,
2: schematisch das multispektrale Zoomobjektiv entsprechend 1 mit einer zweiten Ausrichtung des Strahlteilerelements,
3: schematisch ein weiteres multispektrales Zoomobjektiv zur Abbildung unterschiedlicher Spektralbereiche auf drei Detektoren, welches zwei Strahlteilerelemente umfasst,
4: eine konkrete Ausgestaltung des multispektralen Zoomobjektivs entsprechend 1,
5: eine weitere konkrete Ausgestaltung des multispektralen Zoomobjektivs entsprechend 1 mit einer ersten Ausrichtung des Strahlteilerelements und
6: die konkrete Ausgestaltung eines multispektralen Zoomobjektivs entsprechend 5 mit einer zweiten Ausrichtung des Strahlteilerelements.
1 zeigt schematisch den allgemeinen Aufbau eines multispektralen Zoomobjektivs 1 zur Abbildung unterschiedlicher Spektralbereiche auf getrennte Detektoren.
Das multispektrale Zoomobjektiv 1 umfasst entlang eines gemeinsamen Abbildungspfads 2 eine für alle Spektralbereiche gemeinsame Zoomoptik. Diese Zoomoptik weist eine Frontgruppe 3, eine entlang des Abbildungspfads 2 verschiebbare Zoomgruppe 4, die eine Variatorgruppe 5 und eine Kompensatorgruppe 6 umfasst, eine gemeinsame optische Abbildungsgruppe 7 und eine als Aperturblende eingesetzte Irisblende 8 auf.
Nach der Zoomoptik erfolgt die Auftrennung des Spektrums in getrennte Spektralbereiche durch ein als Teilerprisma ausgeführtes Strahlteilerelement 10. Dieses trennt das beobachtete Spektrum in einen ersten Spektralbereich entlang einer ersten optischen Achse 11 von einem zweiten Spektralbereich entlang einer zweiten optischen Achse 12 ab. Dazu ist das Teilerprisma 10 für den ersten Spektralbereich transmissiv und für den zweiten Spektralbereich reflektierend ausgebildet.
Der erste Spektralbereich wird mittels der ersten optischen Abbildungsgruppe 13 auf einen ersten Detektor 14 fokussiert. Der ausgespiegelte zweite Spektralbereich wird mittels einer zweiten optischen Abbildungsgruppe auf einen zweiten Detektor 16 fokussiert.
180° um den gemeinsamen Abbildungspfad 2 gedreht, umfasst das multispektrale Zoomobjektiv 1 weiter entlang einer weiteren zweiten optischen Achse 19 eine weitere zweite optische Abbildungsgruppe 20, die auf einen weiteren zweiten Detektor 21 fokussiert. Zwischen dem Strahlteilerelement 10 und der weiteren zweiten optischen Abbildungsgruppe 20 ist ein Filterelement 22 angeordnet.
In 1 ist das multispektrale Zoomobjektiv 1 mit einer Ausrichtung des Strahlteilerelements 10 derart gezeigt, dass der ausgespiegelte Spektralbereich auf den zweiten Detektor 16 abgebildet wird. In 2 ist das gleiche multispektrale Zoomobjektiv 1 dargestellt, wobei sich das Strahlteilerelement 10 nun in einer um 180° um den gemeinsamen Abbildungspfad 20 gedrehten Positionen befindet. Hierdurch wird der ausgespiegelte Spektralbereich über die weitere zweite optische Abbildungsgruppe 20 auf den weiteren zweiten Detektor 21 abgebildet.
Aus den 1 und 2 wird ersichtlich, dass die Zoomoptik für alle abgebildeten Spektralbereiche auf den Detektoren 11, 12, 19 gleich ist. Die jeweiligen Spektralbereiche werden von der Zoomoptik insgesamt jeweils mit den optischen Abbildungsgruppen 13, 15, 20 auf die entsprechenden Detektoren 11, 12 bzw. 21 abgebildet. Jeweils zwei Detektoren 11, 12 oder 11, 19 werden zugleich – abhängig von der Stellung des Strahlteilerelements 10 – beleuchtet. Das Filterelement 22 erlaubt die Auswahl eines dritten Spektralbereichs aus dem ausgespiegelten zweiten Spektralbereich.
In 3 ist schematisch ein weiteres multispektrales Zoomobjektiv 30 dargestellt, welches ebenfalls zur Abbildung von unterschiedlichen Spektralbereichen auf drei Detektoren ausgestaltet ist.
Das multispektrale Zoomobjektiv 30 umfasst wiederum entlang eines gemeinsamen Abbildungspfads 2 eine gemeinsame Zoomoptik. Diese Zoomoptik umfasst ähnlich zu den 1, 2 eine optische Frontgruppe 3, eine verschiebbare optische Zoomgruppe 4, umfassend eine Variatorgruppe 5 und eine Kompensatorgruppe 6, eine gemeinsame optische Abbildungsgruppe 7 und eine Irisblende 8.
Das Strahlteilerelement 10 spiegelt einen zweiten Spektralbereich entlang der zweiten optischen Achse 12 aus. Mittels der zweiten optischen Abbildungsgruppe 15 wird der zweite Spektralbereich auf den zweiten Detektor 16 fokussiert.
Dem Strahlteilerelement 10 nachgeschaltet ist entlang der ersten optischen Achse 11 ein weiteres Strahlteilerelement 31, welches aus dem transmittierten ersten Spektralbereich entlang einer dritten optischen Achse 33 einen Teil ausspiegelt. Dieser dritte Spektralbereich wird mittels einer dritten optischen Abbildungsgruppe 34 auf einen dritten Detektor 35 fokussiert. Zusätzlich ist zwischen dem Strahlteilerelement 10 und dem weiteren Strahlteilerelement 31 eine dritte optische Abbildungsgruppe 36 eingeschaltet.
Im multispektralen Zoomobjektiv 30 entsprechend 3 wird der ausgespiegelte zweite Spektralbereich über die gemeinsame Zoomoptik und die zweite Abbildungsgruppe 15 auf den zweiten Detektor 16 abgebildet. Der aus dem transmittierten ersten Spektralbereich mittels des weiteren Strahlteilerelements 31 ausgespiegelte dritte Spektralbereich wird durch die Zoomoptik und durch die dritte optische Abbildungsgruppe 34 auf den dritten Detektor 35 abgebildet. Der restliche Teil des ersten Spektralbereichs wird mittels der ersten optischen Abbildungsgruppe 13 auf den ersten Detektor 14 abgebildet.
Für ein Kamerasystem 39 ist eine Bildverarbeitungseinheit 37 vorgesehen, die zu einer Verarbeitung der Bildinhalte der Detektoren 11, 12, 35 durch Fusion und/oder Überlagerung in Echtzeit ausgebildet ist.
Beispielhaft soll mittels des multispektralen Zoomobjektivs 30 entsprechend 3 zur Beobachtung eines Objekts der Spektralbereich von 400 nm bis 1800 nm auf die drei Detektoren 11, 12, 35 abgebildet werden. Am Strahlteilerelement 10 wird als zweiter Spektralbereich der Bereich von 400 nm bis 700 nm ausgespiegelt und auf den zweiten Detektor 16 abgebildet. Der restliche Spektralbereich von 700 nm bis 1800 nm durchdringt das Strahlteilerelement 10 und trifft auf das weitere Strahlteilerelement 31. Dieses spiegelt als einen dritten Spektralbereich einen Bereich zwischen 1500 nm und 1600 nm zu 70% auf den dritten Detektor 35 aus. Das restliche Licht wird als erster Spektralbereich auf den ersten Detektor 14 abgebildet.
In den 4 bis 6 sind jeweils konkrete Ausführungsvarianten zu den in den 1 und 2 schematisch dargestellten multispektralen Zoomobjektiven 1 gezeigt. Für ein jeweiliges Kamerasystem 41 ist eine Bildverarbeitungseinheit 40 vorgesehen, die jeweils zu einer gemeinsamen Verarbeitung der Bildinhalte der jeweils beleuchteten Detektoren in Echtzeit eingerichtet ist. Dazu werden in der Bildverarbeitungseinheit 40 entsprechende Algorithmen zu einer Fusion und/oder zu einer Überlagerung der Bildinhalte herangezogen.
Der Verlauf der Feldbündel zur Abbildung eines Objekts auf die verschiedenen Detektoren ist jeweils ersichtlich dargestellt.
Die Frontgruppe 3, die Variatorgruppe 5, die Kompensatorgruppe 6 und die optische gemeinsame Abbildungsgruppe 7 sind jeweils durch eine Linsengruppe mit der ersichtlichen Anzahl von Linsen ausgebildet. Gleiches gilt für die weiteren optischen Abbildungsgruppen 13, 15 und 20.
Entsprechend der konkreten Ausgestaltung nach 4 wird am Strahlteilerelement 10 aus einem beobachteten Spektralbereich von 400 nm bis 1700 nm als zweiter Spektralbereich der Bereich von 400 nm bis 700 nm ausgespiegelt und auf den weiteren zweiten Detektor 21 abgebildet. Der Spektralbereich von 700 nm bis 1700 nm wird als erster Spektralbereich auf den ersten Detektor 14 abgebildet.
Entsprechend 5 wird mittels des Strahlteilerelements 10 der weitere zweite Detektor 21 beleuchtet. Der um 180° um den gemeinsamen Abbildungspfad 2 gedreht angeordnete zweite Detektor 16 wird nicht beleuchtet. Das Strahlteilerelement 10 ist um den gemeinsamen Abbildungspfad 2 rotierbar. In 6 ist das Strahlteilerelement 10 gegenüber 5 um 180° gedreht. Entsprechend wird nun der zweite Detektor 16 beleuchtet.
In den 5 und 6 wird ein Spektralbereich von 400 nm bis 1700 nm auf drei Detektoren abgebildet. Das Strahlteilerelement 10 spiegelt als einen zweiten Spektralbereich 400 nm bis 1400 nm aus. Ein erster Spektralbereich von 1400 nm bis 1700 nm wird auf den ersten Detektor 14 abgebildet. Aus dem zweiten Spektralbereich wird ein Teilbereich von 400 nm bis 700 nm auf den zweiten Detektor 16 abgebildet. Der weitere Teilbereich von 700 nm bis 1400 nm wird auf den weiteren zweiten Detektor 21 abgebildet.
Die Aufteilung des zweiten Spektralbereichs auf die Detektoren 16 und 21 erfolgt durch eine Beschichtung der Linsen in den zweiten optischen Abbildungsgruppen 15 und 20, durch nicht dargestellte Langpass- und Kurzpassfilter sowie durch Auswahl der entsprechenden Detektoren 16 und 21. Die Beschichtung der Optikelemente in der zweiten optischen Abbildungsgruppe 15 ist so gewählt, dass die Transmission im spektralen Fenster von 400 nm bis 700 nm maximal ist. Die Beschichtung der Optikelemente in der weiteren optischen Abbildungsgruppe 20 ist so gewählt, dass die Transmission im spektralen Fenster zwischen 700 nm und 1400 nm maximal wird. Durch Rotation des Strahlteilerelements 10 können wahlweise der zweite Detektor 16 oder der weitere zweite Detektor 21 beleuchtet werden.
Bezugszeichenliste

1: Zoomobjektiv
2: gemeinsamer Abbildungspfad
3: Frontgruppe
4: Zoomgruppe
5: Variatorgruppe
6: Kompensatorgruppe
7: gemeinsame Abbildungsgruppe
8: Blende
10: Strahlteilerelement
11: erste optische Achse
12: zweite optische Achse
13: erste Abbildungsgruppe
14: erster Detektor
15: zweite Abbildungsgruppe
16: zweiter Detektor
19: weitere zweite optische Achse
20: weitere zweite Abbildungsgruppe
21: weiterer zweiter Detektor
22: Filter
30: Zoomobjektiv
31: weiteres Strahlteilerelement
33: dritte optische Achse
34: dritte Abbildungsgruppe
35: dritter Detektor
36: vierte Abbildungsgruppe
37: Bildverarbeitungseinheit
39: Kamerasystem
40: Bildverarbeitungseinheit
41: Kamerasystem

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

EP 0935772 B1 [0003]
US 5781336 [0003]
US 6950243 B2 [0003]
US 5847879 [0003]

Claims

Multispektrales Zoomobjektiv (1, 30) umfassend entlang eines gemeinsamen Abbildungspfads (2) wenigstens eine entlang des Abbildungspfads (2) verschiebbare optische Zoomgruppe (4) und ein Strahlteilerelement (10), das eingerichtet ist zu einer Auftrennung des Strahlenganges für einen ersten Spektralbereich entlang einer ersten optischen Achse (11) und für einen zweiten Spektralbereich entlang einer zweiten optischen Achse (12), die gegenüber der ersten optischen Achse (11) geneigt ist, sowie entlang der ersten optischen Achse (11) eine erste optische Abbildungsgruppe (13), die eingeachtet ist zur Abbildung des ersten Spektralbereiches auf einen ersten Detektor (14), und entlang der zweiten optischen Achse eine zweite optische Abbildungsgruppe (15), die eingerichtet ist zur Abbildung des zweiten Spektralbereiches auf einen zweiten Detektor (16).
Multispektrales Zoomobjektiv (1, 30) nach Anspruch 1, wobei das Strahlteilerelement (10) um den gemeinsamen Abbildungspfad (2) rotierbar ausgebildet ist.
Multispektrales Zoomobjektiv (1, 30) nach Anspruch 1 oder 2, wobei entlang des gemeinsamen Abbildungspfads (2) weiter eine optische Frontgruppe (3) und eine gemeinsame optische Abbildungsgruppe (7) vorgesehen sind, zwischen denen die verschiebbare Zoomgruppe (4) angeordnet ist.
Multispektrales Zoomobjektiv (1, 30) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die optische Zoomgruppe (4) eine verschiebbare Variatorgruppe (5) und eine verschiebbare Kompensatorgruppe (6) umfasst.
Multispektrales Zoomobjektiv (1, 30) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei entlang der ersten optischen Achse (11) ein weiteres Strahlteilerelement (31) angeordnet ist, das eingerichtet ist zu einer Abtrennung eines dritten Spektralbereiches aus dem ersten Spektralbereich entlang einer dritten optischen Achse (33), die gegenüber der ersten optischen Achse (11) geneigt ist, und wobei entlang der dritten optischen Achse (33) eine dritte optische Abbildungsgruppe (34) zur Abbildung des dritten Spektralbereiches auf einen dritten Detektor (35) angeordnet ist.
Multispektrales Zoomobjektiv (1, 30) nach Anspruch 5, wobei entlang der ersten optischen Achse (11) vor dem weiteren Strahlteilerelement (31) eine vierte optische Abbildungsgruppe (36) angeordnet ist.
Multispektrales Zoomobjektiv (1, 30) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei mehrere zweite Abbildungsgruppen (15, 20) umfasst sind, die zueinander jeweils winkelversetzt um den gemeinsamen Abbildungspfad (2) herum angeordnet sind, und die jeweils zur Abbildung wenigstens eines Teilbereiches des zweiten Spektralbereiches auf einen jeweiligen zweiten Detektor (16, 21) eingerichtet sind.
Multispektrales Zoomobjektiv (1, 30) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Strahlteilerelement (10) eingerichtet ist, den Strahlengang für einen sichtbaren Spektralbereich und für einen infraroten Spektralbereich aufzutrennen.
Multispektrales Zoomobjektiv (1, 30) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei ein optisches Filterelement (22) entlang wenigstens einer der optischen Achsen (11, 12, 19) angeordnet ist.
Multispektrales Zoomobjektiv (1, 30) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei wenigstens von einer der optischen Abbildungsgruppen (13, 15, 20, 34) ein wellenlängenselektiv beschichtetes Abbildungselement umfasst ist.
Multispektrales Zoomobjektiv (1, 30) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei wenigstens eine der optischen Abbildungsgruppen (13, 15, 20, 34) zu einer Korrektur einer chromatischen Aberration des jeweils abgebildeten Spektralbereiches durch die im gemeinsamen Abbildungspfad (2) vorgeschalteten optischen Komponenten eingerichtet ist.
Multispektrales Zoomobjektiv (1, 30) nach Anspruch 11, wobei wenigstens eine der optischen Abbildungsgruppen (13, 15, 20, 34) zu einer Korrektur der chromatischen Aberration eine Korrekturlinse mit einer diffraktiven Fläche umfasst.
Multispektrales Zoomobjektiv (1, 30) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die optischen Komponenten aus einem optischen Glas gefertigt sind.
Multispektrales Zoomobjektiv (1, 30) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei wenigstens eine der optischen Abbildungsgruppen (13, 15, 20, 34) entlang der jeweiligen optischen Achse (11, 12, 33) verschiebbar angeordnet ist.
Kamerasystem (39, 41) mit einem multispektralen Zoomobjektiv (1, 30) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, einer Anzahl von Detektoren (14, 16, 21, 35) und einer Bildverarbeitungseinheit (37, 40) zur Auswertung der Bildinhalte wenigstens des ersten und des zweiten Detektors (14, 16, 21, 35).
Kamerasystem (39, 41) nach Anspruch 15, wobei als Detektoren (14, 16, 21, 35) für einen VIS/NIR-Spektralbereich CMOS- und/oder CCD-Detektoren und als Detektoren (14, 16, 21, 35) für einen SWIR-Spektralbereich InGaAs-Detektoren eingesetzt sind.
Kamerasystem (39, 41) nach Anspruch 15 oder 16, wobei die Bildverarbeitungseinheit (37, 40) eingerichtet ist, die Bildinhalte des ersten Detektors (14) und eines zweiten Detektors (16, 21) miteinander insbesondere in Echtzeit zu verrechnen.