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Die Erfindung betrifft ein Zoomobjektiv zu einer Objektabbildung auf getrennte Detektoren. Die Erfindung beschäftigt sich damit, durch Abbildung eines Objekts auf getrennte Detektoren den Informationsgewinn über das Objekt zu vergrößern. Weiter bezieht sich die Erfindung auf ein Kamerasystem mit einem derartigen Zoomobjektiv zur Beobachtung eines Objekts mit getrennten Detektoren.
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Der Informationsgewinn über ein zu beobachtendes Objekt lässt sich erhöhen, wenn dieses auf getrennten Detektoren beobachtet bzw. abgebildet wird. Beispielsweise erlaubt die Beobachtung eines Objekts mit getrennten Detektoren in verschiedenen Spektralbereichen 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.
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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 A 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 A 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.
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Multispektrale Objektive sind in der Regel vergleichsweise aufwändig und teuer. Zudem sind sie für den konkreten Anwendungsfall im Ganzen jeweils spezifisch auszulegen. Objekte mit fester Brennweite eignen sich nicht zur variablen Abbildung von Objekten in unterschiedlichen Entfernungen auf getrennte Detektoren vorgegebener Größe. Die Verwendung von getrennten Objektiven zur Abbildung eines Objekts auf getrennte Detektoren führt nachteiligerweise zu einem hohen Bauvolumen und zu einem hohen Gewicht. Für ein Kamerasystem mit zwei separaten Objektiven wird unerwünschterweise eine hohe elektrische Leistung benötigt. Auch gestaltet sich die Justierung zweier Objektive, die auf getrennte Detektoren abbilden, schwierig. Bei der Verwendung zweier separater Objektive kommt es zu Parallaxenfehlern in der Abbildung. Die Ausrichtung der Objektive zueinander, insbesondere unter Temperatur, Vibration oder Erschütterung, gestaltet sich aufwändig. Die Bildinhalte der getrennten Detektoren können nur schwierig miteinander verglichen oder verrechnet werden.
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Die
US 6 185 044 B1 betrifft ein Fernsehobjektiv, das mit einer Standbildfunktion ausgestattet ist; und insbesondere ein Fernsehobjektiv mit einer Standbildfunktion, das an dem Hauptkörper einer Fernsehkamera angebracht werden kann, die mit einem farbzerlegenden Prisma oder dergleichen montiert ist.
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In der
US 2005/0104990 A1 wird ein fotografisches Licht spektral durch ein Spektralprisma getrennt, das in einem Bilderzeugungsbereich des fotografischen Lichts vorhanden ist, dessen Lichtstrom zur Bildformung durch eine Gruppe von Linsen eingestellt wird. Entsprechende Lichter, die durch das Spektralprisma spektral getrennt sind, werden mittels Abbildungselementen abgebildet.
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Die
US 2009/0021598 A1 betrifft das Erfassen und Identifizieren von Objekten vor extrem komplizierten Hintergründen, d. h. in komplexen Umgebungen. Die Funktion kann alternativ als „Unterscheidung“ von Objekten und Hintergründen beschrieben werden. Es werden jeweils ein oder mehrere Multispektralbilder (MS-Bilder) unter Verwendung mindestens eines Sensorarrays aufgezeichnet, wobei jedes Array ein jeweiliges Bild und gleichzeitig einen Polarisationszustand an den Arraypunkten erhält.
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Aufgabe der Erfindung ist es, ein Kamerasystem mit einem Objektiv anzugeben, welches eine variable Abbildung eines Objekts auf getrennte Detektoren ermöglicht. Die Justierung des Objektivs soll möglichst einfach vorgenommen werden können. Die Bildinhalte der getrennten Detektoren sollen sich einfach miteinander verrechnen lassen.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein Kamerasystem gelöst, mit:
- - einer Anzahl von Detektoren;
- - einem Zoomobjektiv, welches entlang eines gemeinsamen Abbildungspfads wenigstens eine entlang des Abbildungspfads verschiebbare optische Zoomgruppe und ein Strahlteilerelement umfasst, das eingerichtet ist zu einer Auftrennung des Strahlenganges in einen ersten Pfad entlang einer ersten optischen Achse und in einen zweiten Pfad entlang einer zweiten optischen Achse, die gegenüber der ersten optischen Achse geneigt ist, sowie entlang der ersten optischen Achse eine erste optische Abbildungsgruppe, die eingerichtet ist zu einer Objektabbildung auf einen ersten Detektor, und entlang der zweiten optischen Achse eine zweite optische Abbildungsgruppe, die eingerichtet ist zu einer Objektabbildung auf einen zweiten Detektor; und
- - einer Bildverarbeitungseinheit zur Auswertung der Bildinhalte wenigstens des ersten und des zweiten Detektors,
- - wobei entlang der zweiten optischen Achse ein optischer Phasenanalysator angeordnet ist, der zu einer Abbildung einer örtlichen Phasendeformation auf den zweiten Detektor eingerichtet ist.
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Die Erfindung sieht vor, entlang eines gemeinsamen Abbildungspfads eine einzige Zoomoptik anzuordnen, die sich alle Abbildungspfade zu einer Abbildung des Objekts auf getrennte Detektoren teilen. Diese gemeinsame Zoomoptik umfasst wenigstens eine entlang des gemeinsamen Abbildungspfads verschiebbare optische Zoomgruppe. Die verschiebbare Zoomgruppe dient für alle getrennten Abbildungspfade zur Brennweitenänderung, Fokussierung sowie Luftdruck- und Temperaturkompensation.
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Die Aufteilung des Strahlengangs auf getrennte Pfade erfolgt im Strahlteilerelement. Die nach Auftrennung in den getrennten Pfaden vorhandenen optischen Abbildungsgruppen erlauben jeweils eine Anpassung der Brennweite an unterschiedliche Detektorgrößen. Auch kann in den separaten optischen Abbildungsgruppen jeweils eine spezifische Korrektur von Abbildungsfehlern vorgenommen werden.
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Gemeinsam mit den separaten weiteren optischen Abbildungsgruppen bildet die Zoomoptik somit ein Objekt entlang der verschiedenen Pfade auf getrennte Detektoren ab. Die Nutzung gemeinsamer optischer Komponenten zur Abbildung auf getrennte Detektoren erlaubt gegenüber separater Objektive ein reduziertes Bauvolumen. Die Brennweite und damit der auf den Detektoren abgebildete Objektausschnitt werden für alle Spektralbereiche simultan bzw. intrinsisch geändert. Abgesehen von der Detektorgröße ist zu einer Verrechnung der Bildinhalte der getrennten Detektoren keine weitere, aufwändige Umrechnung nötig. Durch die Nutzung desselben Zoompfades für unterschiedliche Abbildungspfade 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. Ein derartiges Objektiv eignet sich insbesondere für ein Kamerasystem zur Filmaufnahme.
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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.
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Das Strahlteilerelement ist hierbei insbesondere zu einer Aufteilung des Objektstrahls auf zwei getrennte Detektoren vorgesehen. Über den ersten Detektor wird das Bild des Objekts beobachtet. Mit dem zweiten Detektor wird eine Phasendeformation der Wellenfront beobachtbar. Das Strahlteilerelement kann zweckmäßigerweise derart eingerichtet sein, dass die ausgespiegelte Intensität, die auf den zweiten Detektor gelangt, niedriger gewählt ist als die transmittierende Intensität, die auf den ersten Detektor trifft.
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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.
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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.
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Weiter vorteilhaft umfasst die optische Zoomgruppe eine verschiebbare Variatorgruppe und eine verschiebbare Kompensatorgruppe. Mittels der Variatorgruppe werden unterschiedliche Brennweiten eingestellt. Die Variatorgruppe korrigiert die Bildlage bei unterschiedlichen Brennweiten und dementsprechend unterschiedlichen Positionen der Variatorgruppe.
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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.
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Das Strahlteilerelement ist bevorzugt als eine teildurchlässige Reflektorplatte oder als ein Teilerprisma gegeben. Das Teilerprisma ist beispielsweise als ein Strahlteilerwürfel ausgebildet, wobei die Auftrennung durch Grenzflächeneffekte erfolgt. Vorteilhafterweise wird das Strahlteilerelement auch zur Korrektur von Abbildungsfehlern 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.
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In einer weiter bevorzugten Ausgestaltung sind von dem 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.
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Durch Drehen eines rotierbar angeordneten Strahlteilerelements können die ringförmig angeordneten weiteren zweiten Abbildungsgruppen und Detektoren mit dem ausgespiegelten Teilstrahl beleuchtet werden. Das Zoomobjektiv bildet jeweils auf den ersten Detektor und auf einen der zweiten Detektoren ab. Hinsichtlich ihrer Wellenlängenempfindlichkeit oder hinsichtlich ihrer Ansprechzeit können verschiedene Detektoren eingesetzt werden.
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In einer bevorzugten Ausgestaltung ist das Strahlteilerelement eingerichtet zu einer polarisationsabhängigen Auftrennung des Strahlengangs in den ersten Pfad für eine erste Polarisationsrichtung und in den zweiten Pfad für eine zweite Polarisationsrichtung. Die Bildinhalte auf den getrennten Detektoren entsprechend somit einer Beobachtung des Objekts mit sich unterscheidenden Polarisationsrichtungen. Insbesondere teilt das Strahlteilerelement einen Objektstrahl in einen Strahl mit p-Polarisation (lineare Polarisation parallel zur Einfallebene) und in einen Strahl mit s-Polarisation (lineare Polarisation senkrecht zur Einfallsebene) auf. Auf den getrennten Detektoren wird dann ein Objekt getrennt mit s- und mit p-polarisiertem Licht beobachtet.
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Eine Beobachtung des Objekts mit s- und mit p-Polarisation kann insbesondere dafür herangezogen werden, bei entfernt liegenden Objekten Dunsteffekte zu verringern. Ein von Tageslicht beleuchtetes Objekt streut unpolarisiertes Licht auf das Zoomobjektiv. Auf dem Weg zwischen dem Objekt und dem Objektiv wird jedoch aus dem Objektstrahl nach Rayleigh polarisiertes Licht gestreut. Weit entfernt liegende Objekte erscheinen daher auf Abbildungen wie hinter einem Dunstschleier liegend. Beobachtet man ein solches Objekt mit einem Polarisationsfilter, so ist abhängig von der Stellung des Polarisationsfilters das Bild in einer Position minimal und in einer anderen Position maximal hell. Durch eine getrennte Beobachtung des Objekts in s- und in p-Polarisation lässt sich der „Dunstschleier“ heraus rechnen, so dass die Objektinformation und nicht die Streuinformation in den Vordergrund gerückt wird. Es kann der Kontrast hinsichtlich des beobachteten Objekts verbessert werden. Das Objektiv erhält eine Tagsichterweiterung.
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Andererseits kann durch eine polarisationsgetrennte Beobachtung des Objekts auf getrennten Detektoren die Objektidentifikation mittels des Zoomobjektivs verbessert werden. Beispielsweise lassen sich spiegelnde Objekte aus dem Hintergrundbild herauslösen, wenn das Objekt nur mit polarisiertem Licht beobachtet wird. Während das Hintergrundbild abdunkelt, erscheint ein spiegelndes Objekt bei Beobachtung mit polarisiertem Licht hell, da reflektiertes Licht eine lineare Polarisation erhält. So können mit dem Zoomobjektiv insbesondere metallische Objekte, welche die gleiche Farbe wie die Umgebung haben, identifiziert werden. Diese lassen sich in ihrer Färbung bei regulärer Beobachtung nicht gegenüber dem Hintergrund unterscheiden.
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In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung ist der Zoomgruppe eine Polarisationsoptik vorgeschaltet, die zu einer Einkopplung von zwei sich im Beobachtungswinkel und in der Polarisation unterscheidenden Objektstrahlen entlang des gemeinsamen Abbildungspfads eingerichtet ist. Durch eine derartige Polarisationsoptik wird ein Objekt mit einer Parallaxe beobachtet, sodass die zwei Objektstrahlen räumliche Information über das Objekt beinhalten. Die beiden sich im Beobachtungswinkel unterscheidenden Objektstrahlen werden zudem zueinander verschieden polarisiert. Nach Durchlaufen der gemeinsamen Zoomoptik werden die beiden Strahlen an einem Polarisationsstrahlteiler wieder aufgespalten und auf die zwei getrennten Detektoren abgebildet. Über eine Verrechnung der Bildinhalte der beiden getrennten Detektoren kann ein räumliches Abbild des aufgenommenen Objekts ermittelt werden.
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Da die Abbildung des Objekts auf die beiden getrennten Detektoren aufgrund der gemeinsamen Zoomoptik simultan erfolgt und sich das beobachtete Sichtfeld sowie weitere durch das Zoomobjektiv hervorgerufene optische Artefakte intrinsisch auf beiden Detektoren zugleich ändern, können die Bildinhalte der beiden Detektoren in Echtzeit zu einem dreidimensionalen Bild verarbeitet werden. Dies erlaubt die Schaffung eines Kamerasystems, wobei in Echtzeit dreidimensionale Aufnahmen erzeugt werden können. Ein derartiges Kamerasystem ist insbesondere für die Filmindustrie zur Erzeugung von 3D-Filmen von großem Interesse.
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Zweckmäßigerweise umfasst die Polarisationsoptik wenigstens ein erstes Spiegelelement und ein zweites teildurchlässiges Spiegelelement, wobei das erste Spiegelelement und das zweite Spiegelelement senkrecht zum gemeinsamen Abbildungspfad voneinander beabstandet angeordnet sind. Über das erste Spiegelelement und durch Reflexion an dem zweiten Spiegelelement wird ein p-polarisierter erster Objektstrahl entlang des gemeinsamen Abbildungspfads in das Zoomobjektiv eingekoppelt. Der zweite Objektstrahl wird achsnah durch das zweite teildurchlässige Spiegelelement eingekoppelt und weist dementsprechend eine s-Polarisation auf.
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Weiter bevorzugt ist der Phasenanalysator mit einem Locharray oder einem Mikrolinsenarray ausgebildet, über welches der ausgespiegelte Objektstrahl auf den zweiten Detektor abgebildet bzw. fokussiert wird. Bei Einsatz eines Locharrays spricht man auch von einem so genannten Hartmann-Sensor. Wird ein Mikrolinsenarray eingesetzt, wird ein derartiger Phasensensor auch als ein Shack-Hartmann-Sensor bezeichnet. Über das Locharray oder das Mikrolinsenarray erfolgt eine ortsaufgelöste Fokussierung von Teilstrahlen. Die sich ergebenden Bildpunkte verändern hierbei ihre Lage auf dem Detektor abhängig von der Phasenlage der Teilstrahlen zueinander. Die Lage der einzelnen Bildpunkte bzw. deren zeitliche Veränderung wird über den zweiten Detektor beobachtet bzw. ermittelt. Je feiner die Auflösung des Locharrays oder des Mikrolinsenarrays desto höher ist die örtliche Auflösung der ermittelten Phasendeformation der Wellenfront.
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Wird eine Phasendeformation der Wellenfront mittels des zweiten Detektors beobachtet, so erlaubt dies eine rechnerische Reduktion von durch Temperatur- oder Dichteschwankungen in der Atmosphäre erzeugten Unschärfen oder Bildverformungen in dem Bildinhalt des ersten Detektors. Die Beobachtung und Auswertung einer Phasendeformation mittels eines optischen Phasenanalysators erlaubt es somit die Bildqualität der Abbildung des Zoomobjektivs zu verbessern.
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Alternativ oder zusätzlich zu einer Verrechnung der beobachteten Phasendeformation ist bevorzugt entlang der ersten optischen Achse ein adaptives Optikelement angeordnet. Ein solches Optikelement ändert durch entsprechende Ansteuerung seine optischen Eigenschaften, insbesondere die Brennweite oder eine Linsenform als solche. Durch eine entsprechende Ansteuerung des adaptiven Optikelements in Abhängigkeit von der beobachteten Phasendeformation kann somit die Qualität der Abbildung auf dem ersten Detektor unmittelbar optisch verbessert werden, da das adaptive Optikelement in der Lage ist, die Phasendeformation rückgängig zu machen, wenn die Zeitkonstante der Ansteuerung klein gegenüber der zeitlichen Änderung der Phasendeformation ist.
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Die Verrechnung der Phasendeformation und des Bildinhalts des ersten Detektors bzw. eine entsprechende Ansteuerung des adaptiven Optikelements erfolgt bevorzugt in Echtzeit. Hierdurch lässt sich ein Kamerasystem schaffen, welches unmittelbar gegenüber bekanntem Stand der Technik eine verbesserte Bildqualität liefert. Durch atmosphärische Effekte hervorgerufene Bildverformungen können deutlich reduziert werden.
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In einer zweckmäßigen Ausgestaltung ist das Zoomobjektiv zur Abbildung eines Wellenlängenbereichs zwischen 400 nm bis 2,5 um ausgebildet. Dies ermöglicht es für die abbildenden Komponenten ein optisches Glas einzusetzen.
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Weiter bevorzugt ist wenigstens eine der optischen Abbildungsgruppen entlang der jeweiligen optischen Achse verschiebbar angeordnet. Dies ermöglicht eine Schnittweitenkompensation. Will man beide Bildinhalte scharf haben, ist es vorteilhaft, die jeweilige Abbildungsgruppe zu verschieben, um im beobachteten Spektralbereich zu fokussieren.
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Dabei können die zu Weiterbildungen des Zoomobjektivs 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 CMOS- und/oder CCD-Detektoren eingesetzt.
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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, fusioniert, störende Artefakte herausgerechnet und damit die Bildqualität verbessert 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.
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Ausführungsbeispiele werden anhand einer Zeichnung näher erläutert. Dabei zeigen:
- 1: schematisch ein Zoomobjektiv zur Abbildung eines Objekts auf zwei getrennte Detektoren,
- 2: schematisch das Zoomobjektiv entsprechend 1 mit einer Polarisationsoptik und
- 3: schematisch ein weiteres Zoomobjektiv mit einem optischen Phasenanalysator.
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1 zeigt schematisch den allgemeinen Aufbau eines Zoomobjektivs 1 zur Abbildung eines Objekts auf zwei getrennte Detektoren.
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Das Zoomobjektiv 1 umfasst entlang eines gemeinsamen Abbildungspfads 2 eine für alle Abbildungspfade gemeinsame Zoomoptik. Diese Zoomoptik weist wenigstens eine entlang des gemeinsamen Abbildungspfads 2 verschiebbare Zoomgruppe 4 auf, die eine Variatorgruppe 5 und eine Kompensatorgruppe 6 umfasst. Zusätzlich können eine Frontgruppe 3 sowie eine gemeinsame Abbildungsgruppe 7 vorgesehen sein, wie sie aus 3 ersichtlich werden, und zwischen denen die verschiebbare Zoomgruppe 4 angeordnet ist.
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Nach der Zoomoptik erfolgt die Auftrennung des Strahlenganges in getrennte Pfade durch ein als Teilerprisma ausgeführtes Strahlteilerelement 10. Dieses trennt den Strahlengang in einen ersten Pfad entlang einer ersten optischen Achse 11 und in einen zweiten Pfad entlang einer zweiten optischen Achse 12 auf. Das Teilerprisma 10 ist beispielsweise als ein Polarisationsstrahlteiler ausgebildet, sodass ein Teilstrahl mit p-Polarisation entlang der zweiten optischen Achse 12 reflektiert und ein Teilstrahl mit s-Polarisation entlang der ersten optischen Achse 11 transmittiert wird.
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Der erste Teilstrahl wird mittels der ersten optischen Abbildungsgruppe 13 auf einen ersten Detektor 14 abgebildet. Der reflektierte zweite Teilstrahl wird mit einer zweiten optischen Abbildungsgruppe 15 auf einem zweiten Detektor 16 abgebildet.
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Die Bildinhalte der beiden getrennten Detektoren 14, 16 werden mit einer Bildverarbeitungseinheit 20 miteinander insbesondere in Echtzeit verrechnet. Bildverarbeitungseinheit 20, Detektoren 14, 16 und Zoomobjektiv 1 bilden gemeinsam ein Kamerasystem 21.
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Mittels des Zoomobjektivs 1 kann ein Objekt mit variabler Brennweite simultan auf den beiden getrennten Detektoren 14, 16 beobachtet werden. Die Anpassung der Bildinhalte der beiden Detektoren 14, 16 zueinander bei einer veränderten Einstellung der variablen Zoomgruppe 4 geschieht intrinsisch. Insbesondere wird auf beiden Detektoren 14, 16 stets dasselbe Sichtfeld beobachtet. Eine mühsame rechnerische Angleichung der Bildinhalte zu einer Fusion oder Überlagerung ist nicht erforderlich. Allenfalls kann sich die Größe der eingesetzten Detektoren 14, 16 unterscheiden.
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Das Zoomobjektiv 1 entsprechend 1 ermöglicht insbesondere die Schaffung eines Kamerasystems 21, wobei die Bildverarbeitungseinheit 20 die Bildinhalte der beiden getrennten Detektoren 14, 16 in Echtzeit verrechnet und eine Bildinformation oder Bilddarstellung ausgibt bzw. abspeichert.
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Die Beobachtung eines Objekts mit polarisationsverschiedener Beobachtung auf getrennten Detektoren 14, 16 erlaubt wie beschrieben eine Tagsichterweiterung, da bei weit entfernten Objekten Streueffekte durch atmosphärische Partikel berücksichtigt bzw. rechnerisch unterdrückt werden können. Auch erlaubt eine polarisationsaufgetrennte Beobachtung die Diskriminierung von spezifischen Objekten, wobei die Polarisationseigenschaften des an diesen Objekten reflektierten oder gestreuten Lichts ausgenutzt werden.
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In 2 ist schematisch das Zoomobjektiv 1 bzw. das Kamerasystem 21 entsprechend 1 mit einer Erweiterung dargestellt. Vor der optischen Zoomgruppe 4 ist eine Polarisationsoptik 22 angeordnet, die ein Objekt unter zwei verschiedenen Blickwinkeln beobachtet und beide Objektstrahlen entlang des gemeinsamen Abbildungspfads 2 in das Zoomobjektiv 1 einkoppelt.
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Die Polarisationsoptik 22 umfasst hierbei ein erstes Spiegelelement 23 und ein hierzu senkrecht bezüglich des Abbildungspfads 2 beabstandet angeordnetes zweites teildurchlässiges Spiegelelement 24, welches so gestaltet ist, dass die reflektierte Polarisation orthogonal zur transmittierten Polarisation ist. Beispielsweise kann dies in der Weise ausgeführt sein, dass der reflektierte Strahl s-polarisiert und der transmittierte Strahl p-polarisiert ist. Über das erste Spiegelelement 23 wird ein erster Objektstrahl erfasst und durch Reflexion auf das zweite Spiegelelement 24 gelenkt. Durch nochmalige Reflexion an dem zweiten Spiegelelement 24 wird der erste Objektstrahl 26 in das Zoomobjektiv 1 eingekoppelt. Zugleich wird ein achsnaher zweiter Objektstrahl 28, der durch das teildurchlässige polarisationsabhängige zweite Strahlteilerelement 24 hindurchtritt, ebenfalls in das Zoomobjektiv 1 eingekoppelt. Über beide Objektstrahlen 26, 28 wird ein Objekt somit unter einer Parallaxe beobachtet. Die beiden Objektstrahlen 26, 28 beinhalten eine räumliche Information über das Objekt.
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Über die zweimalige Reflexion des ersten Objektstrahls 26 erhält dieser eine p-Polarisation parallel zur Einfallsebene. Der zweite Objektstrahl 28 erhält beim Durchtritt durch das zweite Strahlteilerelement 24 eine s-Polarisation senkrecht zur Einfallsebene.
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Am Strahlteilerelement 10 wird der erste Objektstrahl 26 reflektiert und mittels der zweiten Abbildungsgruppe 15 auf den zweiten Detektor 16 fokussiert. Der zweite Objektstrahl 28 wird über die erste Abbildungsgruppe 13 auf den ersten Detektor 14 fokussiert.
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Mittels der Bildverarbeitungseinheit 20 werden die Bildinhalte beider Detektoren 14, 16 verarbeitet. Die Bildverarbeitungseinheit 20 erzeugt hierbei in Echtzeit ein dreidimensionales Bild des aufgenommenen Objekts. Das Kamerasystem 21 eignet sich insbesondere zu einer dreidimensionalen Filmaufnahme.
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In 3 ist ein weiteres Zoomobjektiv 30 dargestellt. Dieses unterscheidet sich vom Zoomobjektiv 1 entsprechend den 1 und 2 unter anderem dadurch, dass die Zoomoptik um eine Frontgruppe 3 und um eine gemeinsame Abbildungsgruppe 7 ergänzt wurde. Das Strahlteilerelement 10 spiegelt 20 % des Objektsstrahls aus und lässt 80 % auf den ersten Detektor 14 durch.
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Die zweite Abbildungsgruppe 15 ist als ein afokales Linsensystem 31 ausgebildet. Im Afokal ist eine Aperturblende 32 angeordnet. Zwischen dem afokalen Linsensystem 31 und dem zweiten Detektor 16 ist ein optischer Phasenanalysator 34 angeordnet. Dieser umfasst ein Mikrolinsenarray, welches entsprechend der Phasenlage von Teilstrahlen örtlich aufgelöst auf den zweiten Detektor 16 fokussiert. Die Aperturblende 32 im Afokal erlaubt eine eindeutige Phasenmessung auf der optischen Achse.
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Die von den einzelnen Mikrolinsen erzeugten Bildpunkte variieren in ihrer Position auf dem Detektor 16 abhängig von der Phasenlage der abgebildeten Teilstrahlen zueinander. Durch Beobachtung des Bildinhaltes des zweiten Detektors 16 wird es somit möglich, die Phasendeformation der auftreffenden Wellenfront in Echtzeit zu beobachten.
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Über den ersten Detektor 14 wird ein Objekt beobachtet. Durch atmosphärische Fluktuationen, zum Beispiel durch Temperatur- oder Dichteschwankungen, kommt es in der Abbildung auf dem ersten Detektor 14 zu Bildverformungen.
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Die Bildverarbeitungseinheit 20 berücksichtigt die mittels des optischen Phasenanalysators 34 gewonnene Information über die Phasendeformation der Wellenfront und rechnet die Bildverformungen zurück. Die Ermittlung der Phasendeformation sowie die Berechnung zur Reduzierung der Bildverformung geschehen unmittelbar. Das korrigierte, verbesserte Bild wird von der Bilddarstellung 35 in Echtzeit ausgegeben. Die Bildverarbeitungseinheit 20, Bilddarstellung 35, die Detektoren 14, 16 und das Zoomobjektiv 30 bilden gemeinsam ein Kamerasystem 36.
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Alternativ kann die erste Abbildungsgruppe 13 als ein adaptives Optikelement ausgebildet sein oder ein solches umfassen. Dieses adaptive Optikelement wird von der Bildverarbeitungseinheit 20 abhängig von der mittels des optischen Phasenanalysators 34 gewonnenen Information über die Phasendeformation der Wellenfront derart angesteuert, dass auf optischem Weg die durch atmosphärische Fluktuationen resultierenden Bildverformungen korrigiert werden. Mit anderen Worten wird das adaptive Optikelement gewissermaßen komplementär angesteuert, so dass beim Durchtritt durch das adaptive Optikelement die Phasendeformationen der Wellenfront rückgängig gemacht werden. Das korrigierte Bild wird von der Bilddarstellung ausgegeben.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Zoomobjektiv
- 2
- gemeinsamer Abbildungspfad
- 3
- Frontgruppe
- 4
- Zoomgruppe
- 5
- Variatorgruppe
- 6
- Kompensatorgruppe
- 7
- gemeinsame Abbildungsgruppe
- 10
- Strahlteilerelement
- 11
- erste optische Achse
- 12
- zweite optische Achse
- 13
- erste Abbildungsgruppe
- 14
- erster Detektor
- 15
- zweite Abbildungsgruppe
- 16
- zweiter Detektor
- 20
- Bildverarbeitungseinheit
- 21
- Kamerasystem
- 22
- Polarisationsoptik
- 23
- erstes Spiegelelement
- 24
- zweites Spiegelelement
- 26
- erster Objektstrahl
- 28
- zweiter Objektstrahl
- 30
- Zoomobjektiv
- 31
- Afokales Linsensystem
- 32
- Aperturblende
- 34
- Phasenanalysator
- 35
- Bilddarstellung
- 36
- Kamerasystem
